CN110658456A - 蓄电元件及蓄电*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蓄电元件及蓄电***，其目的在于提供简单的结构来监视蓄电元件状态。本发明的蓄电元件的表示剩余容量和输出电压之间关系的充放电曲线包括第一稳定区域、第二稳定区域以及第一倾斜区域，在所述第一稳定区域中，相对于第一范围内所述剩余容量的变化，所述输出电压处于与第一电压相差规定误差的范围内；在所述第二稳定区域中，相对于第二范围内所述剩余容量的变化，所述输出电压处于与大于所述第一电压的所述第二电压相差规定误差的范围内；在所述第一倾斜区域中，相对于所述第一范围和所述第二范围之间的范围内的所述剩余容量的变化，所述输出电压从所述第一电压变化到所述第二电压。

Description

蓄电元件及蓄电***
技术领域
本发明涉及蓄电元件及蓄电***。
背景技术
蓄电元件可用来作为可穿戴方式设备之类的边缘设备、混合动力汽车或电动汽车等的电源。其中，具有高能量密度的非水系电解质充放电电池(锂离子充放电电池)作为蓄电元件已经普及。
使用上述蓄电元件的设备，例如有将蓄电元件作为混合动力车辆所具备的电池组件中的电池使用的蓄电装置。蓄电装置以充电部供给的电流充电，达到规定电压后，经过充电的电池中的电流向电动机供电(例如参见日本专利文献1(特开2016-125882号公报))。
蓄电装置具有正极、负极和非水系电解质，正极或负极含有两种以上相对于电池电压输出特性不同的活性物质。因此，表示蓄电装置的充电率与电压之间关系的充电率-电压曲线，具有电压变化量不同的多个区域，具有多个相对平坦的区域和位于相对平坦的区域之间的倾斜较大的区域。
在专利文献1公开的蓄电装置的充电率-电压曲线的斜率较大区域中，电压随着充电率的变化而变化。为此，以往在蓄电装置充放电之际，需要配合充电率-电压曲线的形状来求出输出电压和剩余容量，因而造成用来监视蓄电装置状态的***比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于用简单的结构来监视蓄电元件状态。
为了实现上述目的，本发明提供一种蓄电元件，该蓄电元件的表示剩余容量和输出电压之间关系的充放电曲线包括第一稳定区域、第二稳定区域以及第一倾斜区域，在所述第一稳定区域中，相对于第一范围内所述剩余容量的变化，所述输出电压处于与第一电压相差规定误差的范围内；在所述第二稳定区域中，相对于第二范围内所述剩余容量的变化，所述输出电压处于与大于所述第一电压的所述第二电压相差规定误差的范围内；在所述第一倾斜区域中，相对于所述第一范围和所述第二范围之间的范围内的所述剩余容量的变化，所述输出电压从所述第一电压变化到所述第二电压。
本发明的效果在于能够用简单的结构来监视蓄电元件状态。
附图说明
图1是第一实施方式涉及的蓄电***的结构框图。
图2是表示输出电压与剩余容量对应关系的一例充放电曲线图。
图3是可供给负载部的最大电流与输出电压之间关系的图。
图4是蓄电元件放电控制方法的流程图。
图5是第二实施方式涉及的蓄电***的结构框图。
图6是蓄电***的另一例结构框图。
图7是第三实施方式涉及的蓄电***的结构框图。
图8是蓄电***的另一例结构框图。
图9是第四实施方式涉及的蓄电***的结构框图。
图10是直流电源输入所能够获得的最大电流与输出电压之间关系的示意图。
图11是蓄电元件充电控制方法的流程图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行详细说明。
[第一实施方式]
蓄电***
以下参考附图说明本发明的一种实施方式所涉及的具备蓄电元件的蓄电***。图1是第一实施方式所涉及的蓄电***的结构框图。如图1所示，蓄电***100A具有蓄电元件110、监视部120、开关部130A、130B。蓄电***100A向负载部200供给对蓄电元件110充电的电力。
首先说明构成蓄电***100A的各部件。
蓄电元件110是能够充放电的非水系电解质充放电电池(锂离子充放电电池)，具有正极、负极和电解质。
接着说明蓄电元件110的充放电特性。图2是作为蓄电元件110的充放电特性的显示输出电压和剩余容量之间关系的一例充放电曲线。如图2所示，表示蓄电元件110的剩余容量和输出电压之间关系的充放电曲线，是在25℃±5℃的气氛环境中，在蓄电元件110的剩余容量为0％至100％的输出电压范围内以0.2C电流值进行恒定电流充放电时的充放电曲线。蓄电元件110的剩余容量为0％时的输出电压是完全放电时的输出电压(放电终止电压)，剩余容量为100％时的输出电压是满充电时的输出电压(充电终止电压)。图2所示的蓄电元件110的充放电曲线，是蓄电元件110典型的充放电曲线，有可能因蓄电元件110的种类、使用环境或电流值等而发生变动。
如图2所示，蓄电元件110的充放电曲线具有稳定区域A和连接稳定区域A的倾斜区域B。蓄电元件110在下限电压VL和上限电压VH之间反复进行充放电。
下限电压VL是放电时蓄电元件110的剩余容量下降到规定值(例如20％)时的输出电压，是比完全放电时的输出电压(例如2.5V)高的输出电压(例如2.7V)。
上限电压VH是在充电时蓄电元件110的剩余容量上升到规定值(例如80％)时的输出电压，是比满充电时的电压(例如4.2V)低的输出电压(例如3.7V)。
稳定区域A是相对于蓄电元件110的剩余容量的变化输出电压的变化较小的区域，充放电曲线的倾斜比较平坦的区域。在本实施方式中，输出电压的变化较小是指区域内的输出电压的误差在规定的范围内，误差的范围优选为5％以下，更优选为3％以下，进一步优选为1％以下。
稳定区域A有第一稳定区域A1、第二稳定区域A2及第三稳定区域A3。第一稳定区域A1、第二稳定区域A2及第三稳定区域A3的剩余容量，按第一稳定区域A1、第二稳定区域A2及第三稳定区域A3的顺序变高。第一稳定区域A1、第二稳定区域A2及第三稳定区域A3的输出电压按第一稳定区域A1、第二稳定区域A2及第三稳定区域A3的顺序变高。
第一稳定区域A1是剩余容量的变化为第一范围的区域，该区域内的输出电压的误差相对于低于下限电压VL的第一电压V1，处于规定范围内。
第二稳定区域A2是剩余容量的变化为第二范围的区域，该区域内的输出电压的误差相对于高于下限电压VL且低于上限电压VH的第二电压V2，处于规定范围内。
第三稳定区域A3是剩余容量的变化为第三范围的区域，该区域内的输出电压的误差相对于高于上限电压VH的第三电压V3，处于规定范围内。
倾斜区域B是相对于蓄电元件110的剩余容量的变化，输出电压变化较大的区域，称为充放电曲线的倾斜较大的区域。在本实施方式中，输出电压的变化大是指充放电曲线的斜率比稳定区域A大。
倾斜区域B有第一倾斜区域B1及第二倾斜区域B2。
第一倾斜区域B1是第一稳定区域A1与第二稳定区域A2之间的区域。在第一倾斜区域B1中，剩余容量的变化的范围为第一范围与第二范围之间的范围。在第一倾斜区域B1中的剩余容量的变化的范围比第一范围和第二范围窄。
第二倾斜区域B2是形成于第二稳定区域A2与第三稳定区域A3之间的区域。在第二倾斜区域B2中，剩余容量变化的范围为第二范围与第三范围之间的范围。第二倾斜区域B2中的剩余容量的变化范围比第二范围和第三范围窄。
另外，剩余容量小于第一稳定区域A1的区域以及剩余容量大于第三稳定区域A3的区域均不包含在倾斜区域B中。这是因为，剩余容量小于第一稳定区域A1的区域是输出电压下降到放电终止电压的区域，剩余容量大于第三稳定区域A3的区域是输出电压上升到充电终止电压的区域，这些区域均不是将输出电压稳定的区域连接起来的区域。
在蓄电元件110的充放电曲线中，当蓄电元件110以可供给负载部200的最大电流放电时，蓄电元件110的输出电压从第二电压V2下降电压降量ΔV1，成为最大下降电压V2'。
图3是蓄电元件110以可供给负载部200的最大电流放电时的输出电压的变化的示意图。如图3所示，当蓄电元件110的电压为第二电压V2时，若蓄电元件110以可供给到负载部200的最大电流Imax放电，则蓄电元件110的电压从第二电压V2下降电压降量ΔV1，成为最大下降电压V2'。
如图2所示，最大下降电压V2'高于下限电压VL，下限电压VL位于第一电压V1与最大下降电压V2'之间。因此，第一电压V1与第二电压V2的电压差大于第二电压V2的电压降量ΔV1。
在图2所示的蓄电元件110的充放电曲线中，第一稳定区域A1与第三稳定区域A3之间包含两个倾斜区域B，但也可以包含三个以上倾斜区域B。
在图2所示的蓄电元件110的充放电曲线中，若以对蓄电元件110进行充电时的最大电流(最大充电电流)进行充电，则蓄电元件110的电压从第二电压V2上升电压升量ΔV2，成为最大上升电压V2"。电压上升量ΔV2和最大上升电压V2"是在对蓄电元件110进行充电时需要考虑的因素，将在后文中详述。
通过调整构成蓄电元件110的正极或负极的电极活性物质，可以控制蓄电元件110显示出图2所示的充放电曲线那样的充放电特性。
在此对构成蓄电元件110的正极、负极及电解质进行说明。
首先说明正极。正极可以由含有一种以上正极活性物质形成。正极既可以由单一的正极活性物质形成，也可以由相对于输出电压输出特性不同的多个正极活性物质形成。
正极活性物质相对于同一负极或非电解质能够进行锂(Li)离子的***脱离(可动作)，伴随着Li离子的***脱离而产生的蓄电元件110的电压范围(工作电压范围)随着形成正极活性物质的材料种类而不同。
当正极由输出特性不同的多种正极活性物质形成时，可以采用一边保持一次粒子内Li含有组份不同的多种正极活性物质共存形态，一边进行Li离子的***脱离反应的材料，作为正极活性物质。在Li离子的***脱离反应过程中，正极活性物质的自由能保持恒定。因此，Li离子的***脱离反应的电位在恒定状态下推移，所以蓄电元件110的输出电压能够在某一定范围内维持稳定的值。
另外，当正极由输出特性不同的多种电极活性物质形成时，即使正极中含有不同的正极活性物质，不同的正极活性物质之间也不发生反应。因此，充放电时的电压下的锂离子的***脱离，依赖于各自的正极活性物质，体现到充放电特性上。
关于正极活性物质，例如有过渡金属与锂的复合氧化物、过渡金属氧化物或过渡金属硫化物等无机化合物或有机化合物等。
复合氧化物的实例包括钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)、锰酸锂(LiMnO2或LiMn2O4)、焦磷酸铁锂(Li2FeP2O7)、镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、钒镍酸锂(LiNiVO4)、具有橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸钴锂(LiCoPO4)、磷酸锰锂(LiMnPO4)或磷酸镍锂(LiNiPO4)；以及具有NASICON结构的磷酸钒锂(Li3V2(PO4)3)。
过渡金属氧化物的实例包括MnO2、MnO或V2O5。
过渡金属硫化物的实例包括FeS或TiS。
另外，上述无机化合物也可以使用以异种元素置换过渡金属而得到的化合物作为正极活性物质。例如，Li3V2(PO4)3可以改性磷酸钒的一部分结构。
有机化合物的实例包括醌化合物、二硫化物化合物、二嗪化合物、辐射杂环化合物、布洛里酸化合物或有机自由基化合物。
在上述无机化合物及有机化合物中，优选使用Li3V2(PO4)3作为正极活性物质。
这些正极活性物质既可以单独使用其中一种，也可以使用两种以上。
正极活性物质用上述无机化合物或有机化合物形成为粒子形状，正极活性物质的粒子由多个微细的粒子(一次粒子)凝集形成为略呈球形的二次粒子构成。
当正极用单一的正极活性物质形成时，作为正极活性物质，优选使用Li3V2(PO4)3。Li3V2(PO4)3也可以是磷酸钒的一部分结构经过改性的化合物。
在正极活性物质为Li3V2(PO4)3的情况下，Li3V2(PO4)3粒子的平均粒径优选为3μm以下。通过使Li3V2(PO4)3粒子的平均粒径为3μm以下，能够促进Li3V2(PO4)3粒子内Li离子的扩散。
在此，平均粒径是指基于有效直径的体积平均粒径，例如通过重复衍射·散射法或动态光散射法等测定。
当正极活性物质为Li3V2(PO4)3时，Li3V2(PO4)3的一次粒子表面的一部分或全部也可以用碳覆盖。在这种情况下，优选碳的覆盖量为Li3V2(PO4)3的重量的2wt％以上。通过用一定程度以上的碳覆盖Li3V2(PO4)3一次粒子表面，能够提高Li3V2(PO4)3的粒子的电子传导性。
当正极活性物质为Li3V2(PO4)3时，优选Li3V2(PO4)3粒子的平均粒径为3μm以下，同时用一定量以上的碳覆盖Li3V2(PO4)3粒子表面。由此，能够促进Li3V2(PO4)3粒子内的Li离子扩散，并且能够提高Li3V2(PO4)3粒子的电子传导性。促进Li3V2(PO4)3的粒子内的Li离子扩散及提高电子传导性，能够减轻向负载部200输出时的电压下降，减小电压降量ΔV1。由此，下限电压VL的设定范围变大，从而可以缓和下限电压VL的设定。
设用相对于输出电压，输出特性不同的多种正极活性物质形成正极。在这种情况下，优选正极包括至少一种在比Li的氧化还原电位高4.0V的电位上具有稳定区域A的正极活性物质、以及至少一种在比Li的氧化还原电位低4.0V的电位上具有稳定区域A的正极活性物质。
可以用Li3V2(PO4)3作为在比Li的氧化还原电位高4.0V的电位上具有稳定区域A的正极活性物质。
可以用LiFePO4作为在比Li的氧化还原电位低4.0V的电位下具有稳定区域A的正极活性物质。
为此，在用相对于输出电压的输出特性不同的多种正极活性物质形成正极时，正极活性物质优选含有Li3V2(PO4)3、LiFePO4或LiNi0.5Mn1.5O4。这样，蓄电元件110的充放电曲线便如图2所示，可以具有多个稳定区域A。
以下说明负极。负极可以形成为包含一种以上的负极活性材料。负极既可以由单一的负极活性物质单独形成，也可以由相对于输出电压的输出特性不同的多种负极活性物质形成。
负极活性物质与正极活性物质同样，能够相对于同一正极或非电解质，进行Li离子的***脱离(可以动作)，伴随Li离子的***脱离而产生的蓄电元件110的电压范围(工作电压范围)随着形成负极活性物质的材料的种类而不同。
当负极由输出特性不同的多种负极活性物质形成时，可以采用与正极活性物质相同，一边保持一次粒子内Li含有组份不同的多种负极活性物质共存形态，一边进行Li离子的***脱离反应的材料，作为负极活性物质。在Li离子的***脱离反应过程中，负极活性材料的自由能保持恒定。因此，Li离子的***脱离反应的电位在恒定状态下推移，所以蓄电元件110的输出电压能够在某一定范围内维持稳定的值。
当负极由输出特性不同的多个负极活性物质形成时，即使负极中含有不同的负极活性物质，不同的负极活性物质之间也不发生反应。因此，充放电时的电压下的Li离子的***脱离，与正极活性物质相同，依赖于各自的负极活性物质，体现在充放电特性上。
负极活性物质可以使用能够吸藏锂离子和让锂离子脱离的材料。这种材料例如为过渡金属与Li的复合氧化物、金属氧化物、合金系材料、过渡金属硫化物等无机化合物、碳材料、有机化合物或Li金属等。
复合氧化物例如有LiMnO2、LiMn2O4、钛酸锂(Li4Ti5O12、Li2Ti3O7)、钛酸锰锂(LiMn1/2Ti3/2O4)、钛酸钴锂(LiCo1/2Ti3/2O4)、钛酸锌锂(LiZn1/2Ti3/2O4)、钛酸铁锂(LiFeTiO4)、钛酸铬锂(LiCrTiO4)、钛酸锶锂(Li2SrTi6O14)、钛酸钡锂(Li2BaTi6O14)等。
金属氧化物的实例包括TiO2、WO3、MoO2、MnO2、V2O5、SiO2、SiO和SnO2等。
合金系材料的实例包括Al、Si、Sn、Ge、Pb、As和Sb等。
过渡金属硫化物的实例包括FeS和TiS。
碳材料例如有石墨、难石墨化碳及易石墨化碳等。
对于无机化合物，也可以使用将上述复合氧化物中的过渡金属用异种元素置换而成的化合物。
有机化合物的实例包括醌化合物、二硫化物化合物、二嗪化合物、辐射杂环化合物、布洛非酸化合物和有机自由基化合物。
在上述中，优选用钛酸锂或石墨作为负极活性物质。
这些负极活性物质既可以单独使用其中一种，也可以使用两种以上。
负极活性物质用上述Li离子能够***和脱离的材料形成为粒子形状，负极活性物质的粒子为多个微细粒子(一次粒子)凝集而成的二次粒子。
优选负极活性物质的粒子的平均粒径为3μm以下。与上述正极活性物质相同，通过减小负极活性物质的粒子的平均粒径，能够促进粒子内Li离子的扩散。
通过促进Li离子的扩散，能够减轻向负载部200输出时的电压下降，减小电压降量ΔV1。这样，下限电压VL的设定范围变大，从而能够缓和下限电压VL的设定。
以下说明电解质。电解质可以使用固体电解质或非水电解质。非水系电解质是在非水溶剂中溶解电解质盐而形成的，既可以是液体(电解液)，也可以是以非水系电解质为基质的凝胶状电解质。
非水系电解质是将作为支撑盐的Li盐溶解于有机溶剂中形成的电解质。
可以用碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸三氟亚丙酯等环状碳酸酯；碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二丙酯等链状碳酸酯；四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二甲氧基乙烷等醚化合物；乙基甲基砜、丁烷磺内酯等硫化合物；磷酸三乙酯或磷酸三辛酯等磷化合物等作为有机溶剂。有机溶剂既可以单独用上述中的一种，也可以混合两种以上。
作为支撑盐，可以使用LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiC4F9SO3以及它们的复合盐等。
另外，为了改善蓄电元件110的特性，非水系电解质中还可以含有自由基捕获剂、表面活性剂或阻燃剂等。
蓄电元件110中正极与负极之间也可以设置隔膜。隔膜被设置为夹在电极之间，具有将正极与负极分离并保持电解质的功能。隔膜只要具有上述功能即可，例如可以使用由聚乙烯醇或聚丙烯等形成的具有多个微孔的薄膜或无纺布等。
如图1所示，监视部120连接蓄电元件110，具有电压检测部121和控制部122。
电压检测部121与蓄电元件110连接，检测蓄电元件110的电压。
控制部122与电压检测部121、开关部130A、130B及负载部200连接。控制部122计算与电压检测部121检测到的电压对应的蓄电元件110的剩余容量。控制部122控制蓄电元件110的充放电，使得蓄电元件110的电压处于下限电压VL和上限电压VH的范围内。
控制部122具有存储控制程序和各种存储信息的存储部、和基于控制程序进行运行的运算部。存储部可以包括RAM、ROM、或寄存器。运算部包括CPU等。控制部122通过运算部读出并执行保存在存储部中的控制程序等来实现。另外，在控制部122具有的存储部中还可以保存图2所示的表示充放电特性的信息。
控制部122在蓄电元件110放电时，将蓄电元件110的下限电压VL设定为阈值。当电压检测部121检测出的蓄电元件110的输出电压低于下限电压VL时，控制部122把处于过度放电状态的警报信号通知给负载部200。
蓄电元件110的输出端通过供电线L12连接负载部200。从蓄电元件110向负电荷部200供给电力。
如图1所示，开关部130A设置在蓄电元件110的输入端的供电线L11上。开关部130A连接蓄电元件110与供电线L11或切断蓄电元件110与供电线L11之间的连接。
开关部130B设置在蓄电元件110的输出端的供电线L12上。开关部130B连接蓄电元件110与供电线L11或切断蓄电元件110与供电线L12之间的连接。
负载部200是从蓄电***100A接受电力供给而动作的部件。作为负载部200，例如有可穿戴式设备之类的边缘设备、电子设备、混合动力汽车、电动汽车、船舶或航空器等的发电机或电动机等。
负载部200构成为在蓄电***100A供给的电压达到规定值(例如，4.2V)以上时开始动作，且在蓄电***100A供给的电压成为规定值(例如，2.5V)以下时停止动作。负载部200的动作开始时及动作停止时的电压可以适当地根据蓄电元件110的种类、蓄电***100A的用途等的电压值设计。
以下说明蓄电***100A的动作。蓄电元件110通过外部经由供电线L11供给直流电流而受到充电。此时，开关部130A使蓄电元件110与供电线L11连接(接通)，开关部130B使蓄电元件110与供电线L12断开(切断)。当蓄电元件110放电时，直流的电流从蓄电元件110经由供电线L12流向负载部200，电力从蓄电元件110供给到负载部200。此时，开关部130A将蓄电元件110与供电线L11断开，开关部130B使蓄电元件110与供电线L12连接。蓄电***100A根据蓄电元件110的剩余容量及负载部200的运行状态等，进行蓄电元件110的充放电。
放电控制方法
以下参考图4说明用蓄电***100A来控制蓄电元件110放电的方法。在图4中，设定蓄电元件110中电力被充达到相当于上限电压VH的剩余容量。
图4是控制蓄电元件110放电的控制方法的流程图。如图4所示，蓄电元件110向负载部200供给对蓄电元件110充电的电力，同时，电压检测部121检测蓄电元件110的电压V0(步骤S11)。在蓄电元件110的放电过程中，蓄电元件110的电压逐渐从上限电压VH下降到下限电压VL。
电压检测部121既连续检测蓄电元件110的电压V0，也可以在任意时间点检测，还可以以规定的间隔进行检测。电压检测部121还可以在蓄电元件110没有放电把而电力供给到负载部200的状态时检测蓄电元件110的电压V0。
接着，控制部122判断由电压检测部121检测到的蓄电元件110的电压V0是否小于下限电压VL(步骤S12)。
在步骤S12中，设电压V0小于下限电压VL。在这种情况下，控制部122判断蓄电元件110的剩余容量小于预定值(例如20％)，并且蓄电元件110处于过度放电状态，向负载部200通知警报信号(步骤S13)。由此，负载部200可以在实施了存放在负载部200中的数据的保存等安全停止蓄电***100A所需的处理之后，停止负载部200的运转。
另一方面，在步骤S12中，在蓄电元件110的电压V0为下限电压VL以上的情况下，控制部122判断蓄电元件110的剩余容量为规定值(例如20％)以上，能够进行来自蓄电元件110的放电，返回步骤S11。
接着，在步骤S13之后，控制部122停止蓄电***100A的运转(步骤S14)。
这样便能够在安全停止负载部200的运转之后，使蓄电***100A的运转停止。
上述构成的蓄电***100A具有蓄电元件110和监视部120。蓄电元件110具有的充放电曲线如图2所示包含稳定区域A和倾斜区域B的特性。
因此，本实施方式中只要通过监视蓄电元件110的输出电压与稳定区域A(A1、A2、A3)和倾斜区域B(B1、B2)中的哪个区域对应，就能够判断蓄电元件110的剩余容量的范围。因此，本实施方式能够以简单的构成来监视蓄电元件110的状态。
所谓蓄电元件110的状态，主要包括蓄电元件110的剩余容量和输出电压。另外，蓄电元件110的状态也可以包括是否处于过度放电状态、是否处于过度充电状态之类的状态。进而，蓄电元件110的状态还可以包括蓄电元件110的劣化程度等。
本实施方式将下限电压VL设定为图2所示的充放电曲线中第一电压V1与第二电压V2之间检测蓄电元件110的过度放电的阈值。
因此，本实施方式的监视部120只需要在蓄电元件110的输出电压为第一电压V1与第二电压V2之间时，进行输出电压与下限电压VL的比较，能够以简单的结构来检测蓄电元件110是否处于过度放电状态。
当蓄电元件110的输出电压低于下限电压VL时，蓄电***100A禁止放电。因此，蓄电元件110放电时，能够在蓄电元件110的剩余容量过度降低之前(或剩余容量为0％之前)，以降低到规定值(例如20％)的状态，来停止蓄电元件110的放电。这样，蓄电***100A便能够抑制蓄电元件110成为过度放电状态。
由于蓄电***100A向负载部200通知表示过度放电状态的警报信号，所以负载部200能够避免因突然丧失蓄电元件110供给的电力而突然停止运转等故障。
蓄电元件110是锂离子充放电电池，重复的过度放电会会使其倾向于容易劣化。而本实施方式能够减轻蓄电元件110的负担，因此能够抑制蓄电元件110的劣化。另外，蓄电***100A通过减轻蓄电元件110的负担，能够延长蓄电元件110的使用寿命。
蓄电***100A设定蓄电元件110的充放电曲线中第一电压V1与第二电压V2之间的电压差大于第二电压V2的电压降量ΔV1，且下限电压VL在第一电压V1与最大下降电压V2'之间。这样，尽管电压下降随着向负载部200的输出而一时性变大，蓄电元件110的输出电压也不会低于下限电压VL。为此，即使电压下降增大，控制单元122也可以防止将蓄电元件110误认为剩余容量过低而发送警报信号的状态。从而抑制蓄电元件110的充电状态的误检测。
这样，蓄电***100A能够以简单的结构监视蓄电元件110的状态，因而适合用作可穿戴式设备之类的边缘设备、电子设备、混合动力汽车、电气汽车、船舶或航空器等的电源。
本实施方式将下限电压VL设定为停止蓄电元件110的过度放电的阈值，但如果在第一电压V1与第二电压V2之间，即在第一倾斜区域B1内，则也可以设定任意的电压值为阈值。
本实施方式中蓄电元件110使用锂离子充放电电池，但只要是能够充放电的电池，如碱性蓄电池或铅蓄电池等，均可以使用。
[第二实施方式]
参考附图说明具备一种实施方式涉及的蓄电元件的蓄电***。以下对具有与上述实施方式相同功能的部件标注相同的符号，并省略详细的说明。本实施方式的蓄电***在上述图1所示的第一实施方式的蓄电***100A的基础上设置发电元件、预储电元件以及电力变换部。
图5是第二实施方式所涉及的蓄电***的结构框图。如图5所示，蓄电***100B具有发电元件140A、作为预储电元件的第一蓄电元件150、电力变换部160、第二蓄电元件170以及监视部120。用上述第一实施方式涉及的蓄电***100A的蓄电元件110作为第二蓄电元件170。
发电元件140A生成直流电流。可以使用回收光、热等能量，并将其转换成直流电的发电元件作为发电元件140A。例如可以用太阳电池(太阳能发电元件)或热电转换元件等作为发电元件140A。
发电元件140A构成为能够获得规定的输出电压。例如，在发电元件140A为太阳能电池的情况下，构成为在太阳能电池的受光面一方排列多个太阳能电池单元并分别串联连接，从而获得规定的输出电压。而在发电元件140A为热电转换元件的情况下，构成为串联连接多个热电转换元件，获得规定的输出电压。
发电元件140A的输出端通过供电线L21与第一蓄电元件150的输入端连接，向第一蓄电元件150供给电力。
第一蓄电元件150用发电元件140A输出的电力充电，同时向电力变换部160供给电力。可以用例如电双层电容器作为第一蓄电元件150。第一蓄电元件150的电容可以根据发电元件140A的发电量、负载部200的耗电量或负载部200的运转时间等适当选定。
第一蓄电元件150的输出端经由供电线L22连接到电力变换部160的输入端。
电力变换部160是用来对第一蓄电元件150供给的电力进行升压或降压的电力转换电路。电力变换部160的输出端经由供电线L23与第二蓄电元件170的输入端连接。
可以使用DC/DC变换器(直流电压-直流电压变换装置)等作为电力变换部160。电力变换部160将从第一蓄电元件150输入的电压变换为对应第二蓄电元件170充电的电压。电力变换部160在例如第一蓄电元件150的输出电压小于负载部200所需的电压的情况下，对电力进行升压。电力变换部160在第一蓄电元件150的输出电压高的情况下，控制输出电压，使得第二蓄电元件170充电时的电压不超过规定的上限电压。
第二蓄电元件170连接监视部120。第二蓄电元件170与上述图1所示的第一实施方式的蓄电***100A的蓄电元件110相同，因此省略第二蓄电元件170的说明。
第二蓄电元件170的电容可以根据发电元件140A的发电量、负载部200的耗电量或负载部200的运转时间等适当选定。
优选第二蓄电元件170的电容大于第一蓄电元件150的电容。第一蓄电元件150只要能够暂时储存由发电元件140A产生的电力即可，第二蓄电元件170直接向负载部200供给电力。因此，优选把第二蓄电元件170的容量设为大于第一蓄电元件150的容量，方便应对负载部200的消耗电力或运行时间的变化等。另外，优选第二蓄电元件170能够长时间保存传输电荷。进而，在第一蓄电元件150为电双层电容器的情况下，由于第二蓄电元件170是锂离子充放电电池，所以第一蓄电元件150相比于第二蓄电元件170漏电流倾向更大。这样，即使增大第二蓄电元件170的电容，第二蓄电元件170与以电双层电容器等构成的第一蓄电元件150相比，比较能够抑制漏电流。
第二蓄电元件170的输出端通过供电线L24连接负载部200的输入端。
接下去说明蓄电***100B的动作。用发电元件140A将来自外部的能量转换为直流电力。由发电元件140A产生的直流电力从发电元件140A经由供电线L21供给到第一蓄电元件150，第一蓄电元件150获得充电。第一蓄电元件150蓄积的电力经由供电线L22供给到电力变换部160被升压或降压。
之后，经过电力变换部160升压或降压后的电力经由供电线L23供给到第二蓄电元件170，被第二蓄电元件170蓄电。此时，开关部130A接通，开关部130B断开。当第二蓄电元件170放电时，电流从第二蓄电元件170经由供电线L24流向负载部200供给电力。此时，开关部130A断开，开关部130B接通。蓄电***100B根据第二蓄电元件170的剩余容量或负载部200的运转状态，进行第二蓄电元件170的充放电。
蓄电***100B具备电力变换部160，因此，通过电力变换部160将第一蓄电元件150供给的电力升压或降压到一定的电压，即上限电压VH，便能够以一定的电压进行第二蓄电元件170的充电。
本实施方式如图6所示，除了第二蓄电元件170之外，还可以进一步把电力变换部160经由供电线L25与负载部200连接。在这种情况下，在供电线L25上设置开关部130C。控制部122让开关部130A、130B断开，并让开关部130C接通。这样，蓄电***100B不必将发电元件140A发电的电力储存在第二蓄电元件170中，而是直接供给到负荷部200，让负载荷部200使用。
[第三实施方式]
以下参考附图说明具备一种实施方式涉及的蓄电元件的蓄电***。以下，对具有与上述各实施方式相同功能的部件标注相同的符号，并省略详细说明。本实施方式所涉及的蓄电***是在上述图5所示的第二实施方式的蓄电***100B中设置变换器。
图7是第三实施方式所涉及的蓄电***的结构框图。如图7所示，蓄电***100C具有发电元件140B、变换器180、第一蓄电元件150、电力变换部160、第二蓄电元件170以及监视部120。
发电元件140B生成交流电流。可以用回收振动等能量并变换为交流电力的发电元件作为发电元件140B，例如可以用振动发电元件等。
发电元件140B的输出端通过供电线L311，与变换器180的输入端连接。
变换器180将发电元件140B供给的交流电的电力变换为直流。可以用交流-直流转换器作为变换器180。
变换器180的输出端通过供电线L32与第一蓄电元件150的输入端连接。
供电线L33～L35分别与上述图5所示的蓄电***100B的供电线L22～L24相同。
在此说明蓄电***100C的动作。发电元件140B将来自外部的能量转换为交流电力。发电元件140B产生的交流电力从发电元件140B经由供电线L31供给到变换器180。变换器180将电流从交流转换为直流之后，直流电流从变换器180经由供电线L32被供给到第一蓄电元件150，第一蓄电元件150受到充电。由第一蓄电元件150蓄积的电力经由供电线L33供给到电力变换部160，被升压或降压。之后，经过电力变换部160升压或降压后的电力经由供电线L34被输送至第二蓄电元件170，由第二蓄电元件170蓄电。此时，开关部130A接通，开关部130B断开。当第二蓄电元件170放电时，电流从第二蓄电元件170经由供电线L35流向负载部200供给电力。此时，开关部130A断开，开关部130B接通。蓄电***100C按照第二蓄电元件170的剩余容量或负载部200的运转状态，进行第二蓄电元件170的充放电。
另外，如图8所示，本实施方式除了第二蓄电元件170之外，还可以让电力变换部160经由供电线L36进一步与负载部200连接。在这种情况下，在供电线L36上设置开关部130C。控制部122使开关部130A、130B断开，使开关部130C接通。由此，蓄电***100C也能够将发电元件140B发电的电力直接供给到负载部200供负载部200使用，而不必储蓄在第二蓄电元件170中。
[第四实施方式]
参考附图说明具一种实施方式涉及的蓄电元件的蓄电***。以下，对具有与上述实施方式相同功能的部件标注相同的符号，省略详细说明。第四实施方式涉及的蓄电***可用来在上述图1所示的第一实施方式的蓄电***100A中蓄电元件110的充电时，控制蓄电元件110的过度充电。
图9是第四实施方式涉及的蓄电***的结构框图。如图9所示，蓄电***100D具有与上述图1所示的第一实施方式的蓄电***100A相同的结构。构成本实施方式所涉及的蓄电***100D的各构件与上述图1所示的第一实施方式的蓄电***100A相同，因此省略说明。
本实施方式的蓄电***100D在蓄电元件110的充电时检测上限电压VH，作为检测图2所示的蓄电元件110的充放电曲线中从第二电压V2转移到第三电压V3的阶段，即第二倾斜区域B2中过度充电的阈值。
在图2所示的蓄电元件110的充放电曲线中，若以从直流电源输入所能得到的最大电流对蓄电元件110充电，则蓄电元件110的电压从第二电压V2上升电压升量ΔV2，成为最大上升电压V2"。
图10是以从直流电源输入所能够获得的最大电流对蓄电元件110进行充电时的输出电压的关系的示意图。如图10所示，在蓄电元件110的电压为第二电压V2时，若以从直流电源输入所能得到的最大电流Imax对蓄电元件110充电，则蓄电元件110的电压从第二电压V2上升电压升量ΔV2，成为最大上升电压V2"。
如图2所示，最大上升电压V2"低于上限电压VH，上限电压VH位于最大上升电压V2"与第三电压V3之间。因此，第二电压V2与第三电压V3的电压差大于第二电压V2的电压升量ΔV2。
图9所示的控制部122在蓄电元件110的充电时，将蓄电元件110的上限电压V H设定为阈值。在由电压检测部121检测出的蓄电元件11 0的电压超过上限电压VH的情况下，控制部122停止蓄电元件110的充电或蓄电装置100C的运转。
充电控制方法
接着，参考图11说明用蓄电***100D控制蓄电元件110的充电的方法。在图11中，设定蓄电元件110被放电达到剩余容量为下限电压VL所对应的剩余容量。
图11是控制蓄电元件110充电的控制方法的流程图。如图11所示，在向蓄电元件110供给电力进行充电的同时，电压检测部121检测蓄电元件110的电压V0(步骤S21)。在蓄电元件110的充电中，蓄电元件110的电压逐渐上升。
电压检测部121连续检测蓄电元件110的电压V0，但也可以在任意的时刻进行，还可以以规定间隔进行检测。电压检测部121也可以在蓄电元件110未被充电的情况下，检测蓄电元件110的电压V0。
接着，控制部122判断由电压检测部121检测到的蓄电元件110的电压V0是否大于上限电压VH(步骤S22)。
在步骤S22中，当电压V0大于上限电压VH时，控制部122判断蓄电元件110的剩余容量超过规定值(例如80％)，蓄电元件110处于过度充电的状态。在这种情况下，控制部122关闭开关部130A，并停止蓄电元件110的充电(步骤S23)。由此，蓄电元件110的充电停止。
相反，在步骤S22中，如果蓄电元件110的电压V0为上限电压VH以下，则控制部122判断蓄电元件110尚未达到过度充电状态，返回到步骤S21。
这样，在蓄电***100D中，可以仅在蓄电元件110的输出电压位于第二倾斜区域B2时判断是否过度充电。因此，本实施方式不需要进行充电状态的精密检测，能够以简单的结构抑制蓄电元件110的过度充电。
本实施方式将上限电压VH设定为停止蓄电元件110过度充电的阈值，但如果在第二电压V2与第三电压V3之间，即在第二倾斜区域B2内，则也可以设定任意电压值为阈值。
本实施方式还可以与上述图1所示的第一实施方式涉及的蓄电***100A的蓄电元件110的放电的控制方法组合来进行充放电。
本实施方式在进行上述图5所示的第二实施方式的蓄电***100B和上述图7所示的第三实施方式的蓄电***100C的第二蓄电元件170的充电时，也可以同样地进行控制。
以上说明的实施方式仅仅是一些公开的例子，本发明并不受到这些实施方式的限定。上述实施方式能够以其他各种方式实施，允许在不脱离发明的主旨的范围内进行各种组合、省略、置换、更改等变形。这些实施方式及其变形均包含在本发明的范围和要旨之中，同时还包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

Claims (13)

1.一种蓄电元件，该蓄电元件的表示剩余容量和输出电压之间关系的充放电曲线包括第一稳定区域、第二稳定区域以及第一倾斜区域，
在所述第一稳定区域中，相对于第一范围内所述剩余容量的变化，所述输出电压处于与第一电压相差规定误差的范围内；
在所述第二稳定区域中，相对于第二范围内所述剩余容量的变化，所述输出电压处于与大于所述第一电压的所述第二电压相差规定误差的范围内；
在所述第一倾斜区域中，相对于所述第一范围和所述第二范围之间的范围内的所述剩余容量的变化，所述输出电压从所述第一电压变化到所述第二电压。
2.根据权利要求1所述的蓄电元件，其中，
所述第一电压和所述第二电压之差大于以最大电流对负载放电时的电压降量，
将检测过度放电的阈值设定在所述第一倾斜区域中。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电元件，其中，所述第一电压小于禁止放电的下限电压。
4.根据权利要求3所述的蓄电元件，其中，所述第一范围和所述第二范围之间的范围比所述第一范围以及所述第二范围狭窄。
5.根据权利要求1所述的蓄电元件，其中还包括第三稳定区域和第二倾斜区域，
在所述第三稳定区域中，相对于所述第三范围中所述剩余容量的变化，所述输出电压处于与大于所述第二电压的第三电压相差所述规定误差的范围内；
在所述第二倾斜区域中，相对于所述第二范围和所述第三范围之间的范围中的剩余容量的变化，所述输出电压从所述第二电压变化到所述第三电压。
6.根据权利要求5所述的蓄电元件，其中，
所述第二电压和所述第三电压之差大于以最大电流充电时的电压升量，
将检测过度充电的阈值设定在所述第二倾斜区域中。
7.根据权利要求5或6所述的蓄电元件，其中，所述第三电压大于禁止充电的上限电压。
8.根据权利要求1所述的蓄电元件，其中，具有正极和负极，所述正极和负极中的任意一方或者双方具有一种以上电极活性物质。
9.一种蓄电***，其中包含权利要求3至8中任意一项所述的蓄电元件以及用来在所述输出电压小于所述下限电压时检测充放电的监视部。
10.根据权利要求9所述的蓄电***，其中，所述监视部具有，
电压检测部，用于检测所述蓄电元件的所述输出电压；以及，
控制部，用于在检测到所述过度放电时将警报信号通知给由所述蓄电元件供给电力的负载部。
11.根据权利要求9或10所述的蓄电***，其中，
进一步包括，
发电元件；以及，
预备蓄电元件，用于以所述发电元件发生的电力充电并进行充电电力的放电，
所述预备蓄电元件向所述蓄电元件供给电力。
12.根据权利要求11所述的蓄电***，其中，进一步包括电力变换部，该电力变换部与所述预备蓄电元件相连接，用于将所述预备蓄电元件供给的电力经过升压或降压之后，提供给所述蓄电元件。
13.根据权利要求11或12所述的蓄电***，其中，进一步包括变换器，该变换器与所述发电元件相连接，用于在所述发电元件发生的电流为交流时，将所述发电元件发生的电力从交流变为直流之后，提供给所述预备蓄电元件。
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