WO2021166677A1 - 飛行体の制御方法、飛行体、及びコンピュータプログラム - Google Patents

飛行体の制御方法、飛行体、及びコンピュータプログラム Download PDF

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WO2021166677A1
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power storage
air vehicle
discharge rate
power
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元信 村上
弘将 村松
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株式会社Ｇｓユアサ
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a flying object control method, an flying object, and a computer program.
  • HAPS High-altitude platform station
  • Various HAPS such as solar planes, airships, and stratospheric jets have been developed. The HAPS stays in the stratosphere, for example, at an altitude of 20 km during its operation.
  • HAPS With HAPS, it is possible to connect to a large number of terminal devices in a wide range at the same time, and by coordinating between HAPS, artificial satellites, and ground stations, it is possible to build a high-speed communication infrastructure. A stable communication environment can be maintained even in the event of a disaster.
  • HAPS may include a solar panel having a solar cell and a power storage device having a power storage element such as a lithium ion secondary battery.
  • the HAPS may fly in the stratosphere with the power generated by the solar panels during the day and with the power discharged by the power storage device at night.
  • the power storage element provided in HAPS is required to have a high discharge capacity (full charge capacity) in order to keep a large flying object flying at night.
  • An object of the present invention is to provide a method for controlling an air vehicle, an air vehicle, and a computer program capable of taking off and / or ascending the air vehicle with high reliability.
  • a method for controlling an air vehicle is to use an air vehicle including a power generation device having a solar cell and a power storage device at a discharge rate higher than the discharge rate when the air vehicle flies in a predetermined airspace. It discharges the power storage device and assists the power generated by the power generation device to take off and / or raise it.
  • the flying object includes a power generation device having a solar cell and a power storage device, is controlled to fly in a predetermined airspace during operation, and has a discharge rate when flying in the airspace. It discharges the power storage device at a high discharge rate and assists the power generated by the power generation device to take off and / or rise.
  • a computer program uses a flying object including a power generation device having a solar cell and a power storage device at a discharge rate higher than the discharge rate when the flying body flies in a predetermined airspace.
  • the computer is made to perform the process of taking off and / or ascending by assisting the electric power generated by the power generation device to be discharged.
  • the air vehicle takes off and / or ascends with high reliability regardless of the place on the earth where it takes off.
  • HAPS It is a perspective view of the appearance of HAPS. It is a block diagram which shows the structure of HAPS. It is a perspective view of the power storage device. It is a flowchart which shows the procedure of the takeoff / ascending control processing by a control unit. It is a graph which shows the relationship between a discharge rate and a discharge capacity. It is a flowchart which shows the procedure of the takeoff / ascending control processing by a control unit.
  • the method for controlling an air vehicle is to use a power storage device including a power generation device having a solar cell and a power storage device at a discharge rate higher than the discharge rate when the air vehicle flies in a predetermined airspace. It discharges and assists the power generated by the power generator to take off and / or raise it.
  • the power generation device for example, a solar panel in which a plurality of modules in which solar cells are arranged are connected side by side may be used.
  • the power storage device include a battery cell (storage element) such as a lithium ion secondary battery, a battery module in which a plurality of the battery cells are connected in series and / or in parallel, a device in which a plurality of battery modules are connected in series (bank), and the like. Alternatively, one in which banks are connected in parallel may be used.
  • the aircraft may be, for example, HAPS, eVTOL (electric vertical takeoff and landing aircraft), but is not limited thereto.
  • the air vehicle is equipped with a power generation device and a power storage device, and preferably does not have an internal combustion engine.
  • the power storage device discharges and assists the power, so it is highly reliable regardless of the location on the earth where it takes off.
  • Aircraft take off and / or ascend by sex.
  • the discharge rate during takeoff and / or ascent is higher than the discharge rate when the aircraft flies in a given airspace during its operation (in the case of HAPS, while functioning as a communication infrastructure), so that it takes off. ⁇
  • the rise time is shortened.
  • the energizing time of the power storage device for takeoff / climb is shortened, the generation of resistance components on the negative electrode in the power storage device can be suppressed, and the discharge capacity (full charge capacity) of the power storage device can be maintained. ..
  • the power storage device may be warmed before the air vehicle is taken off and / or while it is raised to the predetermined airspace.
  • the temperature dependence of the discharge capacity may be high (the discharge capacity may change significantly depending on the temperature of the power storage device).
  • the discharge rate of the power storage device while sliding on the ground before takeoff may be higher than the discharge rate when the air vehicle flies in a predetermined airspace.
  • inertial force or frictional force acts between the ground and the wheels of the flying object, and the flying object is accelerated.
  • the air vehicle may include a wireless relay station that performs wireless communication with a terminal device.
  • the terminal device may be a mobile phone such as a smartphone, a mobile terminal device such as a notebook personal computer or a tablet, a communication terminal device included in a drone or the like.
  • the wireless relay station wirelessly communicates with the terminal device used by the user in an airplane existing in the airspace below the predetermined airspace, or the communication terminal device, and also wirelessly communicates with the terrestrial or marine relay station. And connect to the core network of the mobile communication network.
  • HAPS When the aircraft is a HAPS equipped with a wireless relay station, it is necessary to ascend to a predetermined airspace within the stratosphere, but since power is assisted by the power storage device during takeoff and / or ascent, high reliability to the airspace is achieved. Can rise with. HAPS can take off and rise even from areas with less sunshine than near the equator, such as areas with high latitudes.
  • the power storage device may contain a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material.
  • the flying object includes a power generation device having a solar cell and a power storage device, is controlled to fly in a predetermined airspace during operation, and has a discharge rate higher than the discharge rate when flying in the airspace. Takes off and / or rises by discharging the power storage device and assisting the power generated by the power generation device.
  • the power storage device discharges and assists the electric power, so that the air vehicle can take off with high reliability regardless of the place on the earth where it takes off. And / or rise.
  • the computer program according to the embodiment discharges the power storage device of an air vehicle including a power generation device having a solar cell and a power storage device at a discharge rate higher than the discharge rate when the air vehicle flies in a predetermined airspace.
  • the computer is made to perform the process of taking off and / or ascending by assisting the electric power generated by the power generator.
  • FIG. 1 is a perspective view of the appearance of HAPS1
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of HAPS1.
  • the HAPS 1 includes a wing portion 2, a plurality of propellers 3, a plurality of leg portions 4, a plurality of solar panels 5, a power storage device 7, a control device 8, a radio relay station 9, and a first converter circuit 11.
  • the second converter circuit 12, the switching unit 13, the inverter circuit 14, the wheels 15, the temperature sensor 16, and the temperature control device 17 are provided.
  • the propeller 3 includes a motor (motor) 10.
  • the configuration of HAPS1 is not limited to this example.
  • the power storage device 7, the control device 8, the wireless relay station 9, the first converter circuit 11, the second converter circuit 12, the switching unit 13, the inverter circuit 14, the temperature sensor 16, and the temperature control device 17 are housed in the leg portion 4. ing. Alternatively, they may be provided on the wing 2.
  • the solar panel 5 is formed by arranging and connecting a plurality of modules in which a plurality of silicon-based solar cells are arranged, for example.
  • the power storage device 7 includes, for example, a battery cell 6 such as a lithium ion secondary battery, a battery module in which a plurality of battery cells 6 are connected in series and / or in parallel, a battery module in which a plurality of battery modules are connected in series (bank), or a bank. It is connected in parallel.
  • a battery module forming a part of the power storage device is shown as an example.
  • the temperature sensor 16 detects the temperature of the power storage device 7 and outputs the detection result to the control device 8.
  • the temperature control device 17 may include a heater that warms the power storage device 7 and a radiator that dissipates heat from the power storage device 7.
  • the control device 8 includes a control unit 81, a storage unit 82, an input unit 83, a communication unit 84, and a motor drive unit 85.
  • the control unit 81 is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like, and controls the operation of each unit of the HAPS 1.
  • the control unit 81 executes the takeoff control process by reading and executing the takeoff control program 821, which will be described later.
  • the takeoff control process refers to a process of taking off HAPS1 and raising it to a predetermined airspace.
  • the storage unit 82 stores various programs including the takeoff control program 821, a history DB (database) 822, and a related DB 823.
  • the takeoff control program 821 is provided in a state of being stored in a computer-readable recording medium 80 such as a CD-ROM, a DVD-ROM, or a USB memory, and is stored in the storage unit 82 by being installed in the control device 8. ..
  • the takeoff control program 821 may be acquired from an external computer (not shown) connected to the communication network and stored in the storage unit 82.
  • the history DB 822 includes power generation and discharge history data of the solar panel 5, charge / discharge history data of the power storage device 7, temperature history data of the power storage device 7, weather information history data, flight control history data of HAPS 1, and the like. You may remember.
  • the history of power generation and discharge of the solar panel 5 is the operation history of the solar panel 5, including the history of information indicating the usage period, information on power generation (electric power, etc.), or information on discharge (voltage, rate, etc.). good.
  • the charge / discharge history of the power storage device 7 is an operation history of the power storage device 7, and may include a history of information indicating a usage period and information (voltage, rate, etc.) regarding charging or discharging.
  • the temperature history may be the temperature history of the power storage device 7 detected by the temperature sensor 16.
  • the history of meteorological information may be a history of wind speed and direction at the position of HAPS1 at the time of acquisition, and the amount of sunshine acquired from the meteorological server 20.
  • the flight control history may be the flight control history of the HAPS 1 including the rotational drive such as the rotation speed and the rotation time of the motor 10.
  • Relationship DB823 is first relationship between the generated power P PV of sun exposure and the solar panel 5, a second relationship between the power P LOAD according the weather information (wind speed and direction) to the rotational drive of the motor 10, an auxiliary power storage device 7 determined by experiment a third relationship between the discharge rate and the power P a, it may be stored.
  • the discharge rate of the third relationship may be set to be larger than the discharge rate during gliding in the stratosphere of HAPS1.
  • the input unit 83 receives the input of the current and voltage detection results of the solar panel 5 and the power storage device 7, and the temperature detection result of the temperature sensor 16. In FIG. 2, the ammeter and the voltmeter are omitted.
  • the communication unit 84 has a function of communicating with another device such as a wireless relay station 9, and transmits / receives necessary information.
  • the motor drive unit 85 controls the rotational drive of each motor 10 of each propeller 3.
  • the first converter circuit 11 is a DC / DC converter, which is connected to the solar panel 5 and boosts the output voltage of the solar panel 5 for output.
  • the second converter circuit 12 is a bidirectional DC / DC converter connected to the power storage device 7 and discharges and charges the power storage device 7.
  • the inverter circuit 14 converts DC to AC. That is, the DC power input from the switching unit 13 is converted into AC power and output.
  • the switching unit 13 includes, for example, two switches 131 and a switch 132 connected in series. In FIG. 2, the control circuit for controlling charge / discharge is omitted.
  • the switch 131 and the switch 132 are composed of switching elements such as a relay and a power MOSFET.
  • the connection point between the switch 131 and the switch 132 is connected to the inverter circuit 14.
  • the other end of the switch 131 and the other end of the switch 132 are connected to the first converter circuit 11 and the second converter circuit 12, respectively.
  • a load such as a wireless relay station 9 and a motor 10 is connected to the inverter circuit 14.
  • FIG. 2 shows a state in which the switch 131 is on and power is being supplied from the solar panel 5 to the load.
  • the switch 132 is turned on to connect the power storage device 7 to the load.
  • both the switch 131 and the switch 132 are turned on, and the solar panel 5 and the power storage device 7 are connected to the load.
  • the wireless relay station 9 includes a first communication unit 91, a second communication unit 92, and a third communication unit 93.
  • the first communication unit 91 has an antenna, a transmission / reception duplexer, an amplifier, and the like, and transmits and receives wireless signals to and from the terminal device 30 used by the user on an airplane, the communication terminal device 30 of the drone, and the like.
  • the second communication unit 92 has an antenna, a transmission / reception duplexer, an amplifier, and the like, and transmits / receives radio signals to / from a relay station on the ground or at sea.
  • the wireless relay station 9 is connected to the network NW of the mobile communication network via the relay station.
  • the terminal device 30 is connected to the network NW. In FIG.
  • the third communication unit 93 transmits and receives between the artificial satellite and other HAPS by laser light or the like.
  • the configuration of the radio relay station 9 is not limited to this example.
  • the motor 10 rotates and drives the propeller 3.
  • the motor 10 may drive a flying object propulsion device or a flying object raising device other than the form shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an example of the power storage device (battery module) 7.
  • the power storage device 7 includes a rectangular parallelepiped case 71 and a plurality of battery cells 6 housed in the case 71.
  • the battery cell 6 includes a rectangular parallelepiped (prismatic) case body 61, a lid plate 62, a positive electrode terminal 63 and a negative electrode terminal 66 provided on the lid plate 62, a burst valve 64, and an electrode body 65. Be prepared.
  • the battery cell may be a so-called pouch cell having a laminated case.
  • the electrode body 65 is formed by laminating a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate, and is housed in a case body 61.
  • the electrode body 65 may be obtained by winding a positive electrode plate and a negative electrode plate in a flat shape via a separator, or may be obtained by laminating a plurality of positive electrode plates and a negative electrode plate via a separator. There may be.
  • the positive electrode plate has an active material layer formed on a positive electrode base material foil which is a plate-shaped (sheet-shaped) or long strip-shaped metal foil made of a metal such as aluminum, titanium, tantalum, or stainless steel or an alloy thereof. It is a thing.
  • the negative electrode plate has an active material layer formed on a negative electrode base material foil, which is a plate-shaped (sheet-shaped) or long strip-shaped metal foil made of a metal such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, or an alloy thereof. It was done.
  • the separator is a microporous sheet made of synthetic resin.
  • the positive electrode active material for example, a known positive electrode active material can be appropriately selected.
  • the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery a material capable of occluding and releasing lithium ions is usually used.
  • the positive electrode active material include a lithium transition metal composite oxide having an ⁇ -NaFeO type 2 crystal structure, a lithium transition metal oxide having a spinel type crystal structure, a polyanion compound, a chalcogen compound, sulfur and the like.
  • the lithium transition metal composite oxide having an ⁇ -NaFeO type 2 crystal structure include Li [Li x Ni 1-x ] O 2 (0 ⁇ x ⁇ 0.5) and Li [Li x Ni ⁇ Co (1-).
  • Examples of the lithium transition metal oxide having a spinel-type crystal structure include Li x Mn 2 O 4 , Li x Ni ⁇ Mn (2- ⁇ ) O 4 .
  • Examples of the polyanion compound include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 MnSiO 4 , and Li 2 CoPO 4 F.
  • Examples of the chalcogen compound include titanium disulfide, molybdenum disulfide, molybdenum dioxide and the like. The atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species consisting of other elements. The surface of these materials may be coated with other materials.
  • the positive electrode active material layer one of these materials may be used alone, or two or more of these materials may be mixed and used. In the positive electrode active material layer, one of these compounds may be used alone, or two or more of these compounds may be mixed and used.
  • the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but the lower limit thereof is preferably 50% by mass, more preferably 80% by mass, and even more preferably 90% by mass.
  • the upper limit of the content is preferably 99% by mass, more preferably 98% by mass.
  • the positive electrode mixture that forms the active material layer of the positive electrode contains optional components such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler, if necessary.
  • a conductive agent include carbonaceous materials such as carbon black, metals, conductive ceramics and the like.
  • the binder include fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, and polyimide.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, and polyimide.
  • the thickener include polysaccharide polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose.
  • the filler include polyolefins such as polypropylene and polyethylene. Twice
  • the negative electrode active material used for the negative electrode active material layer contains lithium metal. Since the negative electrode active material contains lithium metal, the discharge capacity per mass of the active material can be improved. Lithium metals include lithium alloys as well as elemental lithium. Examples of the lithium alloy include a lithium aluminum alloy and the like.
  • the negative electrode containing the lithium metal can be manufactured by cutting the lithium metal into a predetermined shape or molding the lithium metal into a predetermined shape.
  • the negative electrode active material layer may contain elements such as Na, K, Ca, Fe, Mg, Si and N.
  • the lower limit of the content of the lithium metal in the negative electrode active material is preferably 80% by mass, more preferably 90% by mass, and even more preferably 95% by mass.
  • the upper limit of the content may be 100% by mass.
  • Non-aqueous electrolytes include non-aqueous solvents as well as sulfur-based cyclic compounds, fluorinated cyclic carbonates, chain carbonates, and electrolyte salts dissolved in non-aqueous solvents.
  • sulfur-based cyclic compound include compounds having a sultone structure or a cyclic sulfate structure.
  • fluorinated cyclic carbonate include fluoroethylene carbonate and the like.
  • Examples of the chain carbonate include ethyl methyl carbonate and the like.
  • the negative electrode active material of the battery cell 6 may contain a lithium metal, and the positive electrode active material may be a lithium excess type. According to such a battery cell 6, a high discharge capacity can be exhibited.
  • a plurality of battery cells 6 are connected in series by electrically connecting the positive electrode terminal 63 and the negative electrode terminal 66 of the adjacent battery cells 6 of the power storage device 7 by the bus bar 72.
  • the positive electrode terminals 63 and the negative electrode terminals 66 of the battery cells 6 at both ends of the power storage device 7 are provided with positive electrode leads 74 and negative electrode leads 73 for extracting electric power.
  • HAPS1 After leaving the ground diagonally upward, HAPS1 floats by lift while swirling in a predetermined horizontal region, and rises to the airspace A.
  • the airspace A for example, an airspace in the stratosphere at an altitude of 11 km to 50 km can be mentioned. Above all, an airspace with an altitude of 20 km is preferable.
  • HAPS1 After ascending to airspace A, HAPS1 horizontally moves to position B in the horizontal direction and stays at position B. At night, it glides in airspace A while turning at a downward angle.
  • the HAPS 1 is taken off by discharging the power storage device 7 at a discharge rate higher than the discharge rate when the HAPS 1 flies in the airspace A during operation and assisting the electric power generated by the solar panel 5. Raise it.
  • the discharge rate when HAPS1 glides in the airspace A may be 0.05CA to 0.2CA.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a procedure of takeoff control processing by the control unit 81.
  • the control unit 81 acquires the amount of sunshine from the weather server 20 (S1).
  • a sensor for detecting the amount of sunshine may be provided in the HAPS 1, and the control unit 81 may acquire the amount of sunshine from the sensor.
  • the control unit 81 estimates the generated power P pv of the solar panel 5 (S2).
  • the control unit 81 reads the first relationship from the relationship DB 823 and estimates P pv based on the acquired amount of sunshine.
  • the control unit 81 acquires the weather information of the wind speed and the wind direction from the weather server 20 (S3).
  • An anemometer and a wind direction meter may be provided in the HAPS 1, and the control unit 81 may acquire the wind speed and the wind direction from the anemometer and the wind direction meter.
  • the control unit 81 estimates P LOAD (S4).
  • the control unit 81 reads the second relationship from the relationship DB 823 and estimates P LOAD based on the acquired weather information.
  • Control unit 81 if the auxiliary discharge is necessary (S5: YES), reads out the third relationship from the relationship DB823, based on P A, to set the discharge rate (S8).
  • the control unit 81 may consider the SOC of the power storage device 7 when setting the discharge rate.
  • the control unit 81 turns on the switches 131 and 132 of the switching unit 13, starts auxiliary discharge based on the set discharge rate, drives the motor 10 and starts takeoff (S9).
  • the control unit 81 determines whether or not the target position A1 has been reached (S10). When the control unit 81 has not reached the target position A1 (S10: NO), the control unit 81 repeats this determination. When the control unit 81 reaches the target position A1 (S10: YES), the control unit 81 ends the auxiliary discharge (S11), and ends the takeoff control process.
  • the power storage device 7 when the amount of sunshine is small and sufficient output cannot be obtained from the solar panel 5, the power storage device 7 is discharged to assist the electric power, so that it is highly reliable regardless of the place on the earth where it takes off.
  • HAPS1 can be taken off by sex and raised to airspace A. Since the discharge rate of the auxiliary discharge is higher than the discharge rate when HAPS1 flies in the airspace A during operation, the takeoff / climb time is shortened. The energizing time of the power storage device 7 for takeoff / climb is shortened, the amount of resistance component generated on the negative electrode in the power storage device 7 can be suppressed, and the discharge capacity (fully charged capacity) of the power storage device 7 is maintained. can do.
  • auxiliary discharge is not limited to the case of determining based on whether P A> 0.
  • the auxiliary discharge may be performed when the amount of sunshine is smaller than the threshold value, or may be performed when the wind speed is smaller than the threshold value.
  • the auxiliary discharge is not limited to the case where the amount of sunshine is low.
  • the discharge rate of the auxiliary discharge may be changed as the altitude increases.
  • the discharge rate of the auxiliary discharge may be temporarily or intermittently increased during takeoff and ascent as compared with the discharge rate when HAPS1 flies in the airspace A during operation.
  • the discharge rate of the auxiliary discharge is set to at least the discharge rate of the auxiliary discharge during the sliding period (while the inertial force or frictional force acts between the ground and the wheels 15 and accelerates the flying object). May be made higher than the discharge rate when flying in a predetermined airspace.
  • the control unit 81 may acquire the measured value of P pv or P LOAD and correct the first relation, the second relation, or the third relation by machine learning or the like.
  • Auxiliary discharge may be performed only during takeoff or ascent.
  • the HAPS 1 according to the second embodiment has the same configuration as the HAPS 1 according to the first embodiment except that the power storage device 7 is warmed before the HAPS 1 is taken off or while it is raised to the target position A1.
  • the relationship DB823 of the storage unit 82 of the HAPS 1 according to the second embodiment stores the fourth relationship between the discharge rate and the discharge capacity (mAh / g) for each of a plurality of temperatures.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the discharge rate and the discharge capacity.
  • the horizontal axis of FIG. 5 is the discharge rate (C), and the vertical axis is the discharge capacity (mAh / g).
  • FIG. 5 shows the relationship between the discharge rate and the discharge capacity when the temperatures are 0 ° C., 5 ° C., 15 ° C., 25 ° C., and 45 ° C.
  • the positive electrode active material is a lithium excess type as in the battery cell 6, it passes through a diffusion path different from that of other lithium ion secondary batteries, so that the diffusibility deteriorates. That is, the rate of the redox reaction becomes slow, and the amount of decrease in the discharge capacity when the temperature is low is large.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a procedure of takeoff control processing by the control unit 81.
  • the control unit 81 acquires the amount of sunshine from the weather server 20 (S21).
  • the control unit 81 estimates the generated power P pv of the solar panel 5 (S22).
  • the control unit 81 reads the first relationship from the relationship DB 823 and estimates P pv based on the acquired amount of sunshine.
  • the control unit 81 acquires the weather information of the wind speed and the wind direction from the weather server 20 (S23).
  • the control unit 81 estimates P LOAD (S24).
  • the control unit 81 reads the second relationship from the relationship DB 823 and estimates P LOAD based on the acquired weather information.
  • the threshold value of the P A is 0 is not limited.
  • the control unit 81 starts discharging the solar panel 5 alone and starts taking off (S26).
  • the control unit 81 determines whether or not the target position A1 has been reached (S27). When the control unit 81 has not reached the target position A1 (S27: NO), the control unit 81 repeats this determination. When the control unit 81 reaches the target position A1 (S27: YES), the control unit 81 ends the takeoff control process.
  • Control unit 81 if the auxiliary discharge is required (S25: YES), reads out the third relationship from the relationship DB823, based on P A, to set the discharge rate (S28).
  • the control unit 81 may consider the SOC of the power storage device 7 when setting the discharge rate.
  • the control unit 81 acquires the temperature (S29).
  • the control unit 81 acquires the temperature of the power storage device 7 before takeoff from the temperature sensor 16.
  • the control unit 81 may acquire the temperature of the target position A1 from the weather server 20.
  • the control unit 81 may acquire the temperature of the stepwise position up to the target position A1.
  • the control unit 81 determines whether or not the power storage device 7 needs to be warmed based on the set discharge rate and the acquired temperature (S30).
  • the control unit 81 reads the fourth relation from the relation DB823, reads the target temperature for obtaining the desired discharge capacity (mAh / g) based on the discharge rate and the acquired temperature, and whether or not warming is necessary. To judge.
  • the target temperature may be obtained by interpolation calculation.
  • control unit 81 determines from the temperature of the power storage device 7 before takeoff that warming is not necessary before takeoff, it may determine that warming is necessary in consideration of the temperature of the target position A1.
  • the control unit 81 advances the process to S32.
  • the control unit 81 When warming is required (S30: YES), the control unit 81 starts warming the power storage device 7 by the heater of the temperature control device 17 so as to reach the target temperature (S31).
  • the control unit 81 starts auxiliary discharge and starts takeoff based on the set discharge rate (S32). As described above, even when it is determined that warming is not necessary before takeoff, the power storage device 7 may be warmed while being raised to the target position A1.
  • the control unit 81 may set a plurality of target temperatures according to the altitude before reaching the target position A1.
  • the control unit 81 determines whether or not the target position A1 has been reached (S33). When the control unit 81 has not reached the target position A1 (S33: NO), the control unit 81 repeats this determination.
  • control unit 81 When the control unit 81 reaches the target position A1 (S33: YES), the auxiliary discharge ends (S34), and the process ends. When the power storage device 7 has been warmed, the control unit 81 ends the warming and then ends the auxiliary discharge.
  • the temperature dependence of the discharge capacity of the battery cell 6 is high. Since the discharge rate is high during takeoff and the temperature is low in the sky, the discharge capacity is low. By warming the power storage device 7, the discharge capacity can be increased to a desired capacity. HAPS1 can take off and / or rise with high reliability regardless of the temperature at the place of takeoff.
  • the power generation device is not limited to those having a solar cell.
  • the power generation device preferably emits less carbon dioxide during power generation than when driving an internal combustion engine.
  • the case where the control device 8 is provided in the HAPS 1 is not limited.
  • a computer or server wirelessly connected to the HAPS1 may control the takeoff / ascent of the HAPS1.
  • HAPS1 is not limited to solar planes.
  • HAPS1 may be an airship, a stratospheric jet, or the like.
  • the aircraft is not limited to HAPS.
  • the present invention can also be applied to other electric vehicles such as eVTOL and hybrid vehicles equipped with a power generation device and an internal combustion engine.
  • the power storage element is not limited to the lithium ion secondary battery.
  • the power storage element may be another secondary battery.
  • FIG. 1 Discharge of an air vehicle equipped with a power generation device and a power storage device whose carbon dioxide emissions during power generation are smaller than those when the internal combustion engine is driven is higher than the discharge rate when the air vehicle flies in a predetermined airspace.
  • a flying object including a power generation device and a power storage device is discharged from the power storage device at a discharge rate higher than the discharge rate when the flight body flies in a predetermined airspace to assist the power generated by the power generation device.
  • a power generation device and a power storage device are provided, and the power storage device is controlled to fly in a predetermined airspace during operation, and the power storage device is discharged at a discharge rate higher than the discharge rate when flying in the airspace to generate power.
  • An air vehicle having a power generation device and a power storage device that emits less carbon dioxide during power generation than that when the internal combustion engine is driven is discharged from the power storage device to assist the power generated by the power generation device.
  • a power generation device and a power storage device that emit less carbon dioxide during power generation than those when the internal combustion engine is driven are provided, and the power storage device is controlled to fly in a predetermined airspace during operation.
  • Control device 1 HAPS 2 Wings 3 Propellers 4 Legs 5 Solar panels (power generator) 6 Battery cell 7 Power storage device 8 Control device 80 Recording medium 81 Control unit 82 Storage unit 821 Takeoff control program 822 History DB 823 Relational DB 83 Input unit 84 Communication unit 85 Motor drive unit 9 Wireless relay station 10 Motor 11 1st converter circuit 12 2nd converter circuit 13 Switching unit 14 Inverter circuit 15 Wheels 16 Temperature sensor 17 Temperature control device 30 Terminal device

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Abstract

飛行体１の制御方法は、太陽電池を有する発電装置５と蓄電装置７とを備える飛行体１を、飛行体１が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで蓄電装置７を放電し発電装置５により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる。

Description

飛行体の制御方法、飛行体、及びコンピュータプログラム
　本発明は、飛行体の制御方法、飛行体、及びコンピュータプログラムに関する。
　従来、携帯電話機等の端末装置で使用されている４Ｇ（ＬＴＥ）等のモバイルネットワークにおいては、端末装置と、電波塔等に設置された基地局との間で無線通信を行っている。
　近年、無線中継局を搭載し、例えば高度が１１ｋｍ～５０ｋｍである成層圏内の空域を飛行又は滑空するＨＡＰＳ（High-altitude platform station：成層圏プラットフォーム局）が開発されている（例えば特許文献１を参照）。ソーラープレーン、飛行船、成層圏ジェット等、様々なＨＡＰＳが開発されている。ＨＡＰＳは、そのオペレーション中、成層圏内の例えば高度２０ｋｍの位置に滞在する。ＨＡＰＳにより広範囲の多数の端末装置と同時接続を行うことができ、ＨＡＰＳと人工衛星、地上局との間で連携を取ることで、高速の通信インフラを構築することができる。災害時においても、安定した通信環境を維持できる。
　ＨＡＰＳは太陽電池を有するソーラーパネルと、例えばリチウムイオン二次電池等の蓄電素子を有する蓄電装置とを備えてもよい。ＨＡＰＳは、成層圏を、昼間はソーラーパネルにより発電された電力により飛行し、夜間は蓄電装置が放電する電力により飛行してもよい。ＨＡＰＳに備えられる蓄電素子は、大型の飛行体を夜間に飛行させ続けるために、高い放電容量（満充電容量）を有することが要求されている。
特開２０１９－５４４９０号公報
　上述したように、ＨＡＰＳは、昼間はソーラーパネルにより発電された電力により飛行するが、日照量が少ない等、ソーラーパネルから十分な出力が得られない場合に、離陸・上昇しようとしても、所望の空域まで到達できない可能性がある。
　本発明の目的は、高い信頼性で飛行体を離陸及び／又は上昇させることができる飛行体の制御方法、飛行体、及びコンピュータプログラムを提供することにある。
　本発明の一態様に係る飛行体の制御方法は、太陽電池を有する発電装置と蓄電装置とを備える飛行体を、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる。
　本発明の一態様に係る飛行体は、太陽電池を有する発電装置と、蓄電装置と、を備え、オペレーション中に所定の空域を飛行するように制御され、前記空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇する。
　本発明の一態様に係るコンピュータプログラムは、太陽電池を有する発電装置と蓄電装置とを備える飛行体を、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる処理をコンピュータに実行させる。
　上記の態様によれば、離陸する地球上の場所を問わず、高い信頼性で飛行体が離陸及び／又は上昇する。
ＨＡＰＳの外観の斜視図である。 ＨＡＰＳの構成を示すブロック図である。 蓄電装置の斜視図である。 制御部による離陸・上昇制御の処理の手順を示すフローチャートである。 放電レートと放電容量との関係を示すグラフである。 制御部による離陸・上昇制御の処理の手順を示すフローチャートである。
（実施の形態の概要）
　実施形態に係る飛行体の制御方法は、太陽電池を有する発電装置と蓄電装置とを備える飛行体を、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる。
　発電装置としては、例えば太陽電池を配列したモジュールを複数並べて接続したソーラーパネルを用いてもよい。
　蓄電装置としては、例えばリチウムイオン二次電池等の電池セル（蓄電素子）、該電池セルを複数直列及び／又は並列に接続した電池モジュール、複数の電池モジュールを直列に接続したもの（バンク）、又はバンクを並列に接続したものを用いてもよい。
　飛行体は、例えばＨＡＰＳ、ｅＶＴＯＬ（electric vertical takeoff and landing aircraft）であってもよいが、これらに限定はされない。飛行体は、発電装置と蓄電装置とを備えて、好ましくは内燃機関を有しない。
　上記構成によれば、日照量が少ない等、発電装置から十分な出力が得られない場合においても、蓄電装置が放電して電力を補助するので、離陸する地球上の場所を問わず、高い信頼性で飛行体が離陸及び／又は上昇する。離陸時及び／又は上昇時の放電レートが、飛行体がそのオペレーション中（ＨＡＰＳであれば、通信インフラとして機能している間）に所定の空域を飛行する場合の放電レートより高いことで、離陸・上昇時間が短くなる。離陸・上昇のための蓄電装置の通電時間が短くなって、蓄電装置内の負極上の抵抗成分の生成を抑制することができ、蓄電装置の放電容量（満充電容量）を維持することができる。
　上述の飛行体の制御方法において、前記飛行体を離陸させる前及び／又は前記所定の空域にまで上昇させる間、前記蓄電装置を暖めてもよい。
　後述するように、放電レートが高い場合、放電容量の温度依存性が高くなることがある（蓄電装置の温度に依存して放電容量が大きく変化することがある）。
　蓄電装置を暖めることにより、放電レートが高い場合の蓄電装置の放電容量を確保することができる。
　上述の飛行体の制御方法において、離陸前に地面を滑走中の前記蓄電装置の放電レートを、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高くしてもよい。
　滑走中とは、地面と飛行体の車輪との間で慣性力又は摩擦力が作用し、かつ飛行体を加速させる間をいう。
　上述の飛行体の制御方法において、前記飛行体は端末装置との間で無線通信を行う無線中継局を備えてもよい。
　端末装置は、スマートフォン等の携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータやタブレット等の携帯端末装置、ドローン等が備える通信端末装置等であってもよい。
　無線中継局は、前記所定の空域より下方の空域に存在する飛行機の中でユーザが使用する端末装置、又は前記通信端末装置と無線通信を行い、また、地上又は海上の中継局と無線通信を行い、移動通信網のコアネットワークに接続される。
　飛行体が無線中継局を備えるＨＡＰＳである場合、成層圏内の所定の空域まで上昇する必要があるが、離陸時及び／又は上昇時に蓄電装置により電力が補助されるので、前記空域まで高い信頼性で上昇できる。緯度が高い地域など、赤道付近に比べて日照量が少ない地域からでも、ＨＡＰＳが離陸及び上昇することが可能となる。
　上述の飛行体の制御方法において、前記蓄電装置は、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を含んでもよい。
　上記構成によれば、高い放電容量を発揮することができる。
　実施形態に係る飛行体は、太陽電池を有する発電装置と、蓄電装置と、を備え、オペレーション中に所定の空域を飛行するように制御され、前記空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇する。
　上記構成によれば、発電装置から十分な出力が得られない場合においても、蓄電装置が放電して電力を補助するので、離陸する地球上の場所を問わず、高い信頼性で飛行体が離陸及び／又は上昇する。
　実施形態に係るコンピュータプログラムは、太陽電池を有する発電装置と蓄電装置とを備える飛行体を、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる処理をコンピュータに実行させる。
（実施形態１）
　ＨＡＰＳを例に、実施形態１を説明する。以下、蓄電装置７による、電力の補助のための放電を補助放電という。
　図１はＨＡＰＳ１の外観の斜視図、図２はＨＡＰＳ１の構成を示すブロック図である。図２中、制御装置８と各部との接続は省略している。
　ＨＡＰＳ１は、翼部２と、複数のプロペラ３と、複数の脚部４と、複数のソーラーパネル５と、蓄電装置７と、制御装置８と、無線中継局９と、第１コンバータ回路１１と、第２コンバータ回路１２と、切替部１３と、インバータ回路１４と、車輪１５と、温度センサ１６と、温調装置１７とを備える。プロペラ３はモータ（電動機）１０を備える。ＨＡＰＳ１の構成は、この例に限定はされない。蓄電装置７、制御装置８、無線中継局９、第１コンバータ回路１１、第２コンバータ回路１２、切替部１３、インバータ回路１４、温度センサ１６、及び温調装置１７は脚部４内に収容されている。代替的に、これらは翼部２に設けられてもよい。
　ソーラーパネル５は、例えばシリコン系の太陽電池を複数配列したモジュールを複数並べ、接続してなる。
　蓄電装置７は、例えばリチウムイオン二次電池等の電池セル６、電池セル６を複数直列及び／又は並列に接続した電池モジュール、複数の電池モジュールを直列に接続したもの（バンク）、又はバンクを並列に接続したものである。図２においては、蓄電装置の一部をなす電池モジュールを例として示している。
　温度センサ１６は蓄電装置７の温度を検出し、検出結果を制御装置８へ出力する。
　温調装置１７は、蓄電装置７を暖めるヒータと、蓄電装置７から放熱させる放熱器とを備えてもよい。
　制御装置８は、制御部８１、記憶部８２、入力部８３、通信部８４、及びモータ駆動部８５を備える。
　制御部８１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等により構成され、ＨＡＰＳ１の各部の動作を制御する。制御部８１は、後述する離陸制御プログラム８２１を読み出して実行することにより、離陸制御の処理を実行する。ここで、離陸制御の処理とはＨＡＰＳ１を離陸させ、所定の空域まで上昇させる処理をいう。
　記憶部８２は、離陸制御プログラム８２１を含む各種のプログラム、履歴ＤＢ（データベース）８２２、及び関係ＤＢ８２３を記憶している。離陸制御プログラム８２１は、例えばＣＤ－ＲＯＭやＤＶＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体８０に格納された状態で提供され、制御装置８にインストールすることにより記憶部８２に格納される。代替的に、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから離陸制御プログラム８２１を取得し、記憶部８２に記憶させてもよい。
　履歴ＤＢ８２２は、ソーラーパネル５の発電及び放電の履歴データ、蓄電装置７の充放電の履歴データ、蓄電装置７の温度の履歴データ、気象情報の履歴データ、及びＨＡＰＳ１の飛行制御の履歴データ等を記憶してもよい。ソーラーパネル５の発電及び放電の履歴とは、ソーラーパネル５の動作履歴であり、使用期間を示す情報、発電に関する情報（電力等）、又は放電に関する情報（電圧、レート等）の履歴を含んでもよい。蓄電装置７の充放電の履歴とは、蓄電装置７の動作履歴であり、使用期間を示す情報、充電又は放電に関する情報（電圧、レート等）の履歴を含んでもよい。
　温度の履歴とは、温度センサ１６が検出した蓄電装置７の温度の履歴であってもよい。
　気象情報の履歴とは、気象サーバ２０から取得した、取得時点のＨＡＰＳ１の位置における風速及び風向、並びに日照量等の履歴であってもよい。
　飛行制御の履歴とは、モータ１０の回転数及び回転時間等の回転駆動を含む、ＨＡＰＳ１の飛行の制御の履歴であってもよい。
　関係ＤＢ８２３は、日照量とソーラーパネル５の発電電力ＰPVとの第１関係、気象情報（風速及び風向）とモータ１０の回転駆動に係る電力ＰLOADとの第２関係、蓄電装置７の補助電力ＰA と放電レートとの第３関係を予め実験により求め、記憶していてもよい。第３関係の放電レートは、ＨＡＰＳ１の成層圏内での滑空時の放電レートより大きくなるように設定していてもよい。
　入力部８３は、ソーラーパネル５、蓄電装置７の電流及び電圧の検出結果、温度センサ１６の温度検出結果の入力を受け付ける。図２において電流計及び電圧計は省略している。
　通信部８４は、無線中継局９等の他の装置との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行う。
　モータ駆動部８５は、各プロペラ３の各モータ１０の回転駆動を制御する。
　第１コンバータ回路１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、ソーラーパネル５に接続され、ソーラーパネル５の出力電圧を昇圧して出力する。
　第２コンバータ回路１２は蓄電装置７に接続されており、蓄電装置７の放電及び充電を行う双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。
　インバータ回路１４は、ＤＣをＡＣに変換する。即ち切替部１３から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。
　切替部１３は、例えば直列に接続された２つのスイッチ１３１とスイッチ１３２とを備える。図２において、充放電を制御する制御回路は省略している。スイッチ１３１及びスイッチ１３２は、リレーやパワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子からなる。スイッチ１３１とスイッチ１３２との接続点はインバータ回路１４に接続されている。スイッチ１３１の他端、スイッチ１３２の他端は夫々、第１コンバータ回路１１、第２コンバータ回路１２に接続されている。
　インバータ回路１４には、無線中継局９、及びモータ１０等の負荷が接続されている。
　ソーラーパネル５から負荷に放電する場合、スイッチ１３１をオンにして、負荷にソーラーパネル５を接続する。図２においては、スイッチ１３１がオンであり、ソーラーパネル５から負荷へ電力が供給されている状態を示している。
　蓄電装置７から負荷に放電する場合、スイッチ１３２をオンにして、負荷に蓄電装置７を接続する。
　補助放電時に、ソーラーパネル５及び蓄電装置７から負荷に放電する場合、スイッチ１３１及びスイッチ１３２の両方をオンにして、負荷にソーラーパネル５及び蓄電装置７を接続する。
　無線中継局９は、第１通信部９１、第２通信部９２、及び第３通信部９３を備える。
　第１通信部９１は、アンテナ、送受共用器、及び増幅器等を有し、飛行機の中でユーザが使用する端末装置３０、又はドローンの通信端末装置３０等と無線信号の送受信を行う。第２通信部９２は、アンテナ、送受共用器、及び増幅器等を有し、地上又は海上の中継局との間で、無線信号の送受信を行う。該中継局を介し無線中継局９は、移動通信網のネットワークＮＷに接続される。ネットワークＮＷには端末装置３０が接続されている。図２中、地上又は海上の中継局は省略している。第３通信部９３は、レーザ光等により人工衛星及び他のＨＡＰＳとの間で送受信を行う。無線中継局９の構成は、この例に限定はされない。
　モータ１０はプロペラ３を回転駆動する。代替的に、モータ１０は、図１に示した形態以外の飛行体推進装置や飛行体上昇装置を駆動してもよい。
　図３は、蓄電装置（電池モジュール）７の例を示す斜視図である。
　蓄電装置７は、直方体状のケース７１と、ケース７１に収容された複数の電池セル６とを備える。
　例えば電池セル６は、直方体状（プリズマティック）のケース本体６１と、蓋板６２と、蓋板６２に設けられた、正極端子６３及び負極端子６６と、破裂弁６４と、電極体６５とを備える。プリズマティックセルに代えて、電池セルはラミネートケースを有する、所謂パウチセルであってもよい。電極体６５は正極板、セパレータ、及び負極板を積層してなり、ケース本体６１に収容されている。
　電極体６５は、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平状に巻回して得られるものであってもよいし、複数の正極板と負極板をセパレータを介し積層して得られるものであってもよい。
　正極板は、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はそれらの合金等からなる板状（シート状）又は長尺帯状の金属箔である正極基材箔上に活物質層が形成されたものである。負極板は、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属又はこれらの合金等からなる板状（シート状）又は長尺帯状の金属箔である負極基材箔上に活物質層が形成されたものである。セパレータは、合成樹脂からなる微多孔性のシートである。
　正極活物質としては、例えば、公知の正極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。正極活物質としては、例えば、α－ＮａＦｅＯ2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α－ＮａＦｅＯ2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Ｌｉ［ＬｉxＮｉ1-x］Ｏ2（０≦ｘ＜０．５）、Ｌｉ［ＬｉxＮｉγＣｏ(1-x-γ)］Ｏ2（０≦ｘ＜０．５、０＜γ＜１）、Ｌｉ［ＬｉxＣｏ(1-x)］Ｏ2（０≦ｘ＜０．５）、Ｌｉ［ＬｉxＮｉγＭｎ(1-x-γ)］Ｏ2（０≦ｘ＜０．５、０＜γ＜１）、Ｌｉ［ＬｉxＮｉγＭｎβＣｏ(1-x-γ-β)］Ｏ2（０≦ｘ＜０．５、０＜γ、０＜β、０．５＜γ＋β≦１）、Ｌｉ［ＬｉxＮｉγＣｏβＡｌ(1-x-γ-β)］Ｏ2（０≦ｘ＜０．５、０＜γ、０＜β、０．５＜γ＋β＜１）等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物として、ＬｉxＭｎ2Ｏ4、ＬｉxＮｉγＭｎ(2-γ)Ｏ4等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、ＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＭｎＰＯ4、ＬｉＮｉＰＯ4、ＬｉＣｏＰＯ4、Ｌｉ3Ｖ2（ＰＯ4）3、Ｌｉ2ＭｎＳｉＯ4、Ｌｉ2ＣｏＰＯ4Ｆ等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、二酸化モリブデン等が挙げられる。これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。これらの材料は表面が他の材料で被覆されていてもよい。正極活物質層においては、これら材料の１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。正極活物質層においては、これら化合物の１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。正極活物質層中の正極活物質の含有量は特に限定されないが、その下限としては、５０質量％が好ましく、８０質量％がより好ましく、９０質量％がさらに好ましい。含有量の上限としては、９９質量％が好ましく、９８質量％がより好ましい。
　正極の活物質層を形成する正極合剤は、必要に応じて導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤としては、例えば、カーボンブラック等の炭素質材料、金属、導電性セラミックス等が挙げられる。バインダーとしては、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の熱可塑性樹脂等が挙げられる。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。フィラーとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン等が挙げられる。　
　負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウム金属を含む。負極活物質がリチウム金属を含むことで活物質質量あたりの放電容量を向上できる。リチウム金属には、リチウム単体の他、リチウム合金が含まれる。リチウム合金としては、例えば、リチウムアルミニウム合金等が挙げられる。リチウム金属を含む負極は、リチウム金属を所定の形状に切断するか、所定の形状に成形することにより製造できる。
　さらに、負極活物質層は、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｎ等の元素を含有してもよい。
　上記負極活物質に占めるリチウム金属の含有量の下限としては、８０質量％が好ましく、９０質量％がより好ましく、９５質量％がさらに好ましい。含有量の上限は、１００質量％であってよい。
　ケース本体６１には、非水電解質が注入されている。非水電解質は、非水溶媒、並びに非水溶媒に溶解している硫黄系環状化合物、フッ素化環状カーボネート、鎖状カーボネート、及び電解質塩を含む。硫黄系環状化合物として、スルトン構造又は環状サルフェート構造を有する化合物等が挙げられる。フッ素化環状カーボネートとして、フルオロエチレンカーボネート等が挙げられる。鎖状カーボネートとしては、エチルメチルカーボネート等が挙げられる。
　電池セル６の負極活物質がリチウム金属を含み、正極活物質がリチウム過剰型であってもよい。このような電池セル６によれば、高い放電容量を発揮できる。
　蓄電装置７の隣り合う電池セル６の正極端子６３及び負極端子６６がバスバー７２により電気的に接続されることで、複数の電池セル６が直列に接続されている。
　蓄電装置７の両端の電池セル６の、正極端子６３、負極端子６６には、電力を取り出すための正極リード７４、負極リード７３が設けられている。
　以下、制御部８１による、ＨＡＰＳ１の離陸・上昇の制御について説明する。
　ＨＡＰＳ１は、斜め上方に向かって地面から離れた後、所定の水平方向の領域内を旋回しながら揚力で浮揚し、空域Ａまで上昇する。空域Ａとして、例えば高度１１ｋｍ～５０ｋｍの成層圏内の空域が挙げられる。中でも高度２０ｋｍの空域が好ましい。空域Ａまで上昇した後、ＨＡＰＳ１は水平方向の位置Ｂまで水平移動し、位置Ｂに滞在する。夜間は、下向きの角度を付けた状態で旋回しながら空域Ａ内を滑空する。
　本実施形態においては、ＨＡＰＳ１が空域Ａ内をオペレーション中に飛行する場合の放電レートより高い放電レートで蓄電装置７を放電しソーラーパネル５により発電される電力を補助して、ＨＡＰＳ１を離陸させ、上昇させる。ＨＡＰＳ１が空域Ａ内を滑空する場合の放電レートは、０．０５ＣＡ～０．２ＣＡであってもよい。
　図４は、制御部８１による離陸制御の処理の手順を示すフローチャートである。
　制御部８１は気象サーバ２０から日照量を取得する（Ｓ１）。ＨＡＰＳ１に日照量を検出するセンサを設けておき、制御部８１は、センサから日照量を取得してもよい。
　制御部８１は、ソーラーパネル５の発電電力Ｐpvを推定する（Ｓ２）。制御部８１は、関係ＤＢ８２３から第１関係を読み出し、取得した日照量に基づいて、Ｐpvを推定する。
　制御部８１は、気象サーバ２０から風速及び風向の気象情報を取得する（Ｓ３）。ＨＡＰＳ１に風速計及び風向計を設けておき、制御部８１は、風速計及び風向計から風速及び風向を取得してもよい。
　制御部８１は、ＰLOADを推定する（Ｓ４）。制御部８１は、関係ＤＢ８２３から第２関係を読み出し、取得した気象情報に基づいて、ＰLOADを推定する。
　制御部８１は補助放電が必要であるか否かを判定する（Ｓ５）。制御部８１は、補助電力ＰA ＝ＰLOAD－Ｐpvを算出し、ＰA ＞０である場合、補助放電が必要であると判定する。制御部８１は、補助放電が必要でない場合（Ｓ５：ＮＯ）、ソーラーパネル５単独の放電を開始し、モータ１０を駆動して離陸を開始する（Ｓ６）。ＰA の閾値は０には限定されない。
　制御部８１は、空域Ａ内の目的位置Ａ1 に到達したか否かを判定する（Ｓ７）。制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達していない場合（Ｓ７：ＮＯ）、この判定を繰り返す。
　制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達した場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、離陸制御の処理を終了する。
　制御部８１は、補助放電が必要である場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、関係ＤＢ８２３から第３関係を読み出し、ＰAに基づいて、放電レートを設定する（Ｓ８）。制御部８１は放電レートの設定に際し、蓄電装置７のＳＯＣを考慮してもよい。
　制御部８１は、切替部１３のスイッチ１３１及び１３２をオンにし、設定した放電レートに基づいて、補助放電を開始し、モータ１０を駆動して離陸を開始する（Ｓ９）。
　制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達したか否かを判定する（Ｓ１０）。制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達していない場合（Ｓ１０：ＮＯ）、この判定を繰り返す。
　制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達した場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、補助放電を終了し（Ｓ１１）、離陸制御の処理を終了する。
　実施形態によれば、日照量が少なく、ソーラーパネル５から十分な出力が得られない場合において、蓄電装置７を放電して電力を補助するので、離陸する地球上の場所を問わず、高い信頼性でＨＡＰＳ１を離陸させ、空域Ａまで上昇させることができる。補助放電の放電レートは、ＨＡＰＳ１が空域Ａをオペレーション中に飛行する場合の放電レートより高いので、離陸・上昇時間が短くなる。離陸・上昇のための蓄電装置７の通電時間が短くなって、蓄電装置７内の負極上の抵抗成分の生成量を抑制することができ、蓄電装置７の放電容量（満充電容量）を維持することができる。
　補助放電の実施の有無は、ＰA ＞０であるか否かに基づいて判定する場合に限定されない。補助放電は、日照量が閾値より小さい場合に行ってもよいし、風速が閾値より小さい場合に行ってもよい。補助放電は、日照量が少ないときに行う場合に限定はされない。
　補助放電の放電レートは、高度が高くなるに従って変化させてもよい。ＨＡＰＳ１が空域Ａをオペレーション中に飛行する場合の放電レートと比較して、離陸・上昇の間の一時的或いは間欠的に補助放電の放電レートを高くするようにしてもよい。滑走してから離陸する飛行体の場合、少なくとも滑走中（地面と車輪１５との間で慣性力又は摩擦力が作用し、かつ飛行体を加速させる間）の補助放電の放電レートを、飛行体が所定空域を飛行する場合の放電レートと比較して、高くするようにしてもよい。
　制御部８１は、Ｐpv又はＰLOADの実測値を取得し、機械学習等により第１関係、第２関係、又は第３関係を修正してもよい。
　補助放電は、離陸時、又は上昇時のいずれかのみ行ってもよい。
（実施形態２）
　実施形態２に係るＨＡＰＳ１は、ＨＡＰＳ１を離陸させる前、又は目的位置Ａ1 にまで上昇させる間に蓄電装置７を暖めること以外は、実施形態１に係るＨＡＰＳ１と同様の構成を有する。
　実施形態２に係るＨＡＰＳ１の記憶部８２の関係ＤＢ８２３は、放電レートと放電容量（ｍＡｈ／ｇ）との第４関係を複数の温度別に記憶している。
　図５は、放電レートと放電容量との関係を示すグラフである。図５の横軸は放電レート（Ｃ）、縦軸は放電容量（ｍＡｈ／ｇ）である。図５において、温度が０℃、５℃、１５℃、２５℃、及び４５℃である場合の放電レートと放電容量との関係を示している。
　図５に示すように、放電レートが大きくなるに従い、温度差に基づく放電容量の差が大きくなることが分かる。電池セル６のように、正極活物質がリチウム過剰型であるとき、他のリチウムイオン二次電池と異なる拡散パスを通るので拡散性が悪くなる。即ち酸化還元反応の速度が遅くなり、温度が低い場合の放電容量の低下量が大きい。

　図６は、制御部８１による離陸制御の処理の手順を示すフローチャートである。
　制御部８１は気象サーバ２０から日照量を取得する（Ｓ２１）。
　制御部８１は、ソーラーパネル５の発電電力Ｐpvを推定する（Ｓ２２）。制御部８１は、関係ＤＢ８２３から第１関係を読み出し、取得した日照量に基づいて、Ｐpvを推定する。　
　制御部８１は、気象サーバ２０から風速及び風向の気象情報を取得する（Ｓ２３）。
　制御部８１は、ＰLOADを推定する（Ｓ２４）。制御部８１は、関係ＤＢ８２３から第２関係を読み出し、取得した気象情報に基づいて、ＰLOADを推定する。
　制御部８１は補助放電が必要であるか否かを判定する（Ｓ２５）。制御部８１は、補助電力ＰA ＝ＰLOAD－Ｐpv＞０である場合、補助放電が必要であると判定する。ＰA の閾値は０には限定されない。制御部８１は、補助放電が必要でない場合（Ｓ２５：ＮＯ）、ソーラーパネル５単独の放電を開始し、離陸を開始する（Ｓ２６）。
　制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達したか否かを判定する（Ｓ２７）。制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達していない場合（Ｓ２７：ＮＯ）、この判定を繰り返す。
　制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達した場合（Ｓ２７：ＹＥＳ）、離陸制御の処理を終了する。
　制御部８１は、補助放電が必要である場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、関係ＤＢ８２３から第３関係を読み出し、ＰA に基づいて、放電レートを設定する（Ｓ２８）。制御部８１は放電レートの設定に際し、蓄電装置７のＳＯＣを考慮してもよい。
　制御部８１は、温度を取得する（Ｓ２９）。制御部８１は、温度センサ１６から離陸前の蓄電装置７の温度を取得する。制御部８１は、気象サーバ２０から、目的位置Ａ1 の温度を取得してもよい。制御部８１は、目的位置Ａ1 までの段階的な位置の温度を取得してもよい。
　制御部８１は、設定した放電レート、及び取得した温度に基づいて、蓄電装置７の暖めが必要であるか否かを判定する（Ｓ３０）。制御部８１は、関係ＤＢ８２３から第４関係を読み出し、放電レート及び取得した温度に基づいて、所望の放電容量（ｍＡｈ／ｇ）を得るための目標温度を読み取り、暖めが必要であるか否かを判定する。目標温度は内挿計算により求めてもよい。制御部８１は、離陸前の蓄電装置７の温度から離陸前に暖めが必要でないと判定した場合においても、目的位置Ａ1 の温度を考慮して暖めが必要であると判定してもよい。制御部８１は、暖めが必要でない場合（Ｓ３０：ＮＯ）、処理をＳ３２に進める。
　制御部８１は、暖めが必要である場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、目標温度に到達するように、温調装置１７のヒータにより蓄電装置７の暖めを開始する（Ｓ３１）。
　制御部８１は、設定した放電レートに基づいて、補助放電を開始し、離陸を開始する（Ｓ３２）。上述したように、離陸前には暖めが必要でないと判定した場合においても、目的位置Ａ1 に上昇させる間において蓄電装置７を暖めてもよい。制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達するまでに、高度に応じて複数の目標温度を設定してもよい。
　制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達か否かを判定する（Ｓ３３）。制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達していない場合（Ｓ３３：ＮＯ）、この判定を繰り返す。
　制御部８１は、目的位置Ａ1 に到達した場合（Ｓ３３：ＹＥＳ）、補助放電を終了し（Ｓ３４）、処理を終了する。制御部８１は、蓄電装置７を暖めていた場合、暖めを終了した後、補助放電を終了する。
　上述したように、電池セル６の放電容量の温度依存性は高い。離陸時は放電レートを高くし、上空では気温は低くなるので、放電容量は低くなる。蓄電装置７を暖めることにより、放電容量を所望の容量まで引き上げることができる。離陸する場所の気温を問わず、ＨＡＰＳ１が高い信頼性で、離陸及び／又は上昇することができる。
　前記実施の形態は、制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　発電装置は、太陽電池を有するものに限定はされない。発電装置は、発電時の二酸化炭素排出量が内燃機関の駆動時のそれよりも少ないものが好ましい。
　制御装置８をＨＡＰＳ１に備える場合に限定はされない。ＨＡＰＳ１と無線接続されるコンピュータやサーバが、ＨＡＰＳ１の離陸・上昇を制御してもよい。
　ＨＡＰＳ１はソーラープレーンに限定はされない。ＨＡＰＳ１は飛行船、成層圏ジェット等であってもよい。
　飛行体はＨＡＰＳに限定はされない。本発明はｅＶＴＯＬ等の他の電動飛行体や、発電装置と内燃機関とを搭載するハイブリッド飛行体にも適用できる。
　蓄電素子はリチウムイオン二次電池には限定されない。蓄電素子は、他の二次電池であってもよい。
　他の実施形態は、以下のように構成されてもよい。
（１）発電時の二酸化炭素排出量が内燃機関の駆動時のそれよりも少ない発電装置と蓄電装置とを備える飛行体を、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる、飛行体の制御方法。
（２）発電時の二酸化炭素排出量が内燃機関の駆動時のそれよりも少ない発電装置と、蓄電装置と、を備え、オペレーション中に所定の空域を飛行するように制御され、前記空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇する、飛行体。
（３）発電装置と蓄電装置とを備える飛行体を、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる、飛行体の制御方法。
（４）発電装置と、蓄電装置と、を備え、オペレーション中に所定の空域を飛行するように制御され、前記空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇する、飛行体。
（５）発電時の二酸化炭素排出量が内燃機関の駆動時のそれよりも少ない発電装置と蓄電装置とを備える飛行体を、前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる、飛行体の制御方法。
（６）発電時の二酸化炭素排出量が内燃機関の駆動時のそれよりも少ない発電装置と、蓄電装置と、を備え、オペレーション中に所定の空域を飛行するように制御され、前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇する、飛行体。
　１　ＨＡＰＳ
　２　翼部
　３　プロペラ
　４　脚部
　５　ソーラーパネル（発電装置）
　６　電池セル
　７　蓄電装置
　８　制御装置
　８０　記録媒体
　８１　制御部
　８２　記憶部
　８２１　離陸制御プログラム
　８２２　履歴ＤＢ
　８２３　関係ＤＢ
　８３　入力部
　８４　通信部
　８５　モータ駆動部
　９　無線中継局
　１０　モータ
　１１　第１コンバータ回路
　１２　第２コンバータ回路
　１３　切替部
　１４　インバータ回路
　１５　車輪
　１６　温度センサ
　１７　温調装置
　３０　端末装置

Claims (7)

  1. 　太陽電池を有する発電装置と蓄電装置とを備える飛行体を、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる、飛行体の制御方法。
  2. 　前記飛行体を離陸させる前及び／又は前記所定の空域にまで上昇させる間、前記蓄電装置を暖める、請求項１に記載の飛行体の制御方法。
  3. 　離陸前に地面を滑走中の前記蓄電装置の放電レートを、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高くする、請求項１又は２に記載の飛行体の制御方法。
  4. 　前記飛行体は端末装置との間で無線通信を行う無線中継局を備える、請求項１から３までのいずれか１項に記載の飛行体の制御方法。
  5. 　前記蓄電装置は、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を含む、請求項１から４までのいずれか１項に記載の飛行体の制御方法。
  6. 　太陽電池を有する発電装置と、
    　蓄電装置と、を備え、
    　オペレーション中に所定の空域を飛行するように制御され、
    　前記空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇する、飛行体。
  7. 　太陽電池を有する発電装置と蓄電装置とを備える飛行体を、前記飛行体が所定の空域を飛行する場合の放電レートより高い放電レートで前記蓄電装置を放電し前記発電装置により発電される電力を補助して、離陸及び／又は上昇させる
    　処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。
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