JP2006351418A - 電力管理システムおよびその管理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力管理システムにおいて、電気化学素子は、その充放電曲線に少なくとも2つの段差を有し、電気化学素子の残存容量が2つの段差のうち、低電圧側の段差に相当する残存容量以下になったと判断した場合、高電圧側の段差まで充電し、残存容量が2つの段差のうち、高電圧側の段差に相当する残存容量以上になったと判断した場合、低電圧側の段差まで放電する制御を行う。
【選択図】図3
Description
図1は、従来の電力システムの系統図である(特許文献1参照)。図1のシステムは、負荷部50への電力供給を行う発電部として燃料電池30を有する。このシステムは、バックアップ用の電気化学素子として蓄電池60を有する。燃料電池には、改質器20で生成させた燃料が送られる。改質器20には、原料タンク101から燃料原料が送られる。
出力電流検出器170で検出された電流値と、システム制御部150で得られた演算結果とは、データ比較器180に送られ、そこで対比される。対比結果により、DC/DCコンバータ40を制御する調節器160が制御される。
充放電曲線は、図2のようにA〜Cの3つの領域に分けることができる。領域Bでは、電気化学素子の中で可逆的な充放電反応が進行するが、領域Cでは、可逆性が崩れる傾向がある。電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力システムにおいては、安定な出力を示すフラットな領域Bだけを利用することが好ましい。
従って、B領域がフラットであるかどうかに拘わらず、電気化学素子の残存容量を正確に測定するには、電流積算が不可欠となる。
しかし、従来のシステムでは、電気化学素子の残存容量を正確に把握するには、複雑な作業を要する。第1に、積分誤差を補正するためには、様々なパラメータを高速で取り込む必要がある。第2に、急峻な負荷変動に応じる必要があるため、電流を検出するサンプルレートを高くする必要がある。第3に、大電流から0A付近の電流まで高精度に検出する必要がある。そのため回路が複雑化し、コストが高くなる。また、システム動作中は、常時、電流積算が必要であり、その分、消費電力も多くなる。
なお、蓄電モードの際に残存容量が多く、残存容量が第1の段差よりも若干多くなったとしても特に問題はなく、発電部を停止することにより、次第に残存容量は第1の段差よりも少なくなる。また、放電モードの際に残存容量が少なく、残存容量が第2の段差よりも若干少なくなったとしても特に問題はなく、発電部の出力が負荷部での消費量を上回るように調整することにより、次第に残存容量は第2の段差よりも多くなる。
ここで、電圧判定部は、電気化学素子の電圧の測定結果に基づき、電圧が第1の閾値もしくは第2の閾値付近であると判断し、その信号を出力する。
傾き検出部は、電圧判定部が電気化学素子の電圧が第1の閾値もしくは第2の閾値付近であることを検知した時点から、電流検出部の出力を積算し、充放電電流の積算値に対する電圧変化率を測定し、出力する。
残存容量検出部は、傾き検出部の出力や、電気化学素子の電圧に基づき、電気化学素子の残存容量を検出し、出力する。
(実施の形態1)
図3は、本実施形態に係る電力管理システム15を示す系統図である。電力管理システム15は、負荷部3への電力供給を行う発電部1と、負荷部と並列に接続された電気化学素子2とを有する。電気化学素子2は、発電部1から出力される電力が不足する場合には、負荷部3への電力供給を行い、発電部1から出力される電力が過剰である場合には、余剰の電力を充電する。その他の構成については後述する。
本実施形態において、発電部1は、電気化学素子2と負荷部3とに、電力を供給する機器等を意味する。本実施形態において、発電部1の種類や構成は特に制限されない。ただし、本発明は、発電部1が、燃料電池のように、負荷部が要求する電力変動に応じて、素早く発電量を増加もしくは減少させることが比較的困難な発電部を用いる場合に、特に有効である。発電部1による電力発生量と、負荷部3による電力消費量との差を、電気化学素子2の充放電により相殺することができるからである。他に、好ましい発電部1としては、太陽電池、車両のエンジンに設けられた発電機などを挙げることができる。
図4は、電気化学素子2の充放電曲線を例示したものである。図4において、充放電曲線Rは、第1の段差(S1)と第2の段差(S2)とを有し、それぞれ段差のほぼ中心に変曲点P1およびP2を有する。
電圧判定部9に、自ら自動的に閾値を設定する機能を付与してもよい。その場合、電圧判定部は、例えば、充電もしくは放電中の電気化学素子の電圧をモニタして、電圧の時間変化率ΔV/Δtあるいは残存容量に対する電圧の変化率ΔV/ΔCの絶対値が相対的に大きくなる変曲点を見出し、変曲点を基準に閾値を設定する機能を有すればよい。
電気化学素子2の電圧がVHまたはVLの付近であると判断した場合、電圧判定部9は傾き検出部5へ、その情報を出力する。
なお、残存容量検出部7が第1の段差あるいは第2の段差であると判断した場合、その時点で段差に対応するほぼ正確な残存容量を算出することができるので、電気化学素子の残存容量を段差に対応する所定値にリセットし、電流積算時に生じる積分誤差などの誤差をなくすことができる。積分誤差がなくなれば、これに起因する過充電および過放電に対する対策を省くことができる。すなわち、付加的な回路を設ける必要がなくなる。従って、簡易な構造でありながら、信頼性、保守性および安定性に優れたシステムを構築することができる。
充放電制御部4は、以上の動作を繰り返し、電気化学素子2の充電/放電を切り替え、電気化学素子2の残存容量を40%〜60%に収束させようとする。
電気化学素子2の充放電を充放電制御部4が管理するためには、充放電制御部4は、発電部1の単位時間あたりの電力発生量を制御する発電制御部と、発電部1の単位時間あたりの電力発生量と負荷部3の単位時間あたりの電力消費量との差を判定する電力差判定部とを有し、電力差判定部の出力に基づいて、電気化学素子2の充放電と発電部1の発電量とを管理することが有効である。
本実施形態では、電気化学素子の残存容量を補正する残存容量補正部を有する電力管理システムについて説明する。
電気化学素子が劣化すると、充放電曲線は、ほぼ相似形で縮小する。この性質を利用して、電気化学素子の残存容量を補正することができる。例えば、第1の段差および第2の段差に対応する残存容量C1およびC2は、劣化に伴って小さくなるが、全容量に対するC1およびC2の割合は変わらない。
例えば、初期における2つの段差の間隔が300mAhに相当し、2つの段差における残存容量がそれぞれ60%と40%である場合、温度やサイクル劣化などにより、2つの段差の間隔は縮小する。例えば2つの段差の間隔が200mAh相当まで縮小した場合、全容量は2/3に補正される。その結果、残存容量の%表示以外に、例えば、残量の絶対値表示や、駆動可能時間の計算の基準を得ることができ、ユーザは多くの有益な情報を得ることができる。
電気化学素子2には、熱電対などを具備する温度検出部11が取り付けられ、さらに、電流検出部6が電気化学素子2と直列に接続されている。電圧測定部8、温度検出部11および電流検出部6は、パラメータ検出部であり、それぞれフィールド修正部12と連絡している。フィールド修正部12は、パラメータ検出部で検出されたパラメータに基づいて、電気化学素子の電圧もしくは残存容量と第1の閾値と第2の閾値との関係を修正する機能を有する。
なお、ここでは、電池の充放電曲線が、電流の流入/流出に関わらず、段差を含めた電圧が変化しない場合を想定して説明を行ったが、実際には、電流の流入/流出によって、電圧は多少変化し、温度によっても変化する場合がある。
よって、各充放電電流における端子電圧を測定し、その結果として得られる充放電曲線をマップとしてシステムに付与することが好ましい。この場合、任意の時点で測定される電圧、電流、温度等に基づいて、マップから適切な充放電曲線を選択し、段差の検出を行うことができる。この場合、フィールド修正部は、電流や温度等に基づいて選択される充放電曲線を利用して、電流や温度等により端子電圧を補正する場合と同様の効果を実現できる。また、例えば、図7の電圧判定部9とフィールド修正部12とは一体化されたブロックとなって、傾き検出部5へ電圧と電圧変化率の信号を送り、該当段差における傾きが検出されると、残存容量をリセットする。
2 電気化学素子
3 負荷部
4 充放電制御部
5 傾き検出部
6 電流検出部
7 残存容量検出部
8 電圧測定部
9 電圧判定部
11 温度検出部
12 フィールド修正部
15、17 電力管理システム
20 改質器
30 燃料電池
40 DC/DCコンバータ
50 負荷部
60 蓄電池
70 原料ポンプ
80 燃焼空気ブロワ
90 反応空気ブロワ
100 補機制御部
101 原料タンク
110 電流検出器
120 積算器
130 電圧検出器
140 メモリ
150 システム制御部
160 調節器
170 出力電流検出器
180 データ比較器
Claims (12)
- 電気化学素子と、負荷部と、発電部とを含む電力管理システムであって、
前記電気化学素子は、正極と、負極と、電解液または固体電解質とを有し、
前記電気化学素子の充放電曲線は、複数の段差を有し、
前記複数の段差のうち、任意の第1の段差において、変曲点もしくはその近傍点に対応する電圧の第1の閾値が設定されており、
前記第1の段差よりも低電圧側の第2の段差において、変曲点もしくはその近傍点に対応する電圧の第2の閾値が設定されており、
(a)前記電気化学素子の電圧が、前記第1の閾値もしくは前記第2の閾値付近であることを検知する電圧判定部と、
(b)前記電気化学素子から流出または前記電気化学素子へ流入する電流を検出する電流検出部と、
(c)前記電圧判定部が、前記電気化学素子の電圧が前記第1の閾値もしくは前記第2の閾値付近であることを検知した時点から、前記電流検出部の出力を積算し、充放電電流の積算値に対する電圧変化率を検出する傾き検出部と
(d)前記傾き検出部の出力が、予め決めておいた所定の傾き以上になった場合、前記電気化学素子の残存容量が前記第1の段差に相当する残存容量以上になったと判断し、前記電気化学素子を放電し、もしくは、前記電気化学素子の残存容量が前記第2の段差に相当する残存容量以下になったと判断し、前記電気化学素子を充電する制御を行う充放電制御部と、を有する電力管理システム。 - 前記傾き検出部の出力に基づいて前記電気化学素子の残存容量を検出する残存容量検出部を有し、
前記残存容量検出部の出力に基づいて、前記充放電制御部が、前記電気化学素子の残存容量を判断すること、
を特徴とする請求項1記載の電力管理システム。 - 前記第1の段差は、前記電気化学素子の残存容量が公称容量の60〜90%である範囲に設定されており、
前記第2の段差は、前記電気化学素子の残存容量が公称容量の30〜50%である範囲に設定されていること、
を特徴とする請求項1記載の電力管理システム。 - 前記電気化学素子の最大放電容量を1とし、容量変化(ΔC)に対する電圧(V)の変化率:ΔV/ΔCを電圧変化率とした時、
前記第1の段差と前記第2の段差とにおける電圧変化率の絶対値:|ΔV/ΔC|の最大値は1以上10以下であること、
を特徴とする請求項1記載の電力管理システム。 - 前記充放電制御部(d)は、前記発電部による電力発生量と前記負荷部による電力消費量との差の少なくとも一部を蓄電し、もしくは放電するように、前記電気化学素子の充放電を管理すること、
を特徴とする請求項1記載の電力管理システム。 - 前記充放電制御部(d)は、前記発電部の発電量を制御する発電制御部と、
前記発電部の単位時間当たりの発電量と、前記負荷部の単位時間当たりの電力消費量との差を判定する電力差判定部と、を有し、
前記電力差判定部の出力に基づいて、前記電気化学素子の充放電と前記発電部の発電量とを制御すること、
を特徴とする請求項5記載の電力管理システム。 - 前記充放電制御部(d)は、前記発電部の発電量を制御する発電制御部と、
前記負荷部から前記電気化学素子へ供給される回生エネルギの電力量を測定する回生電力測定部と、
前記発電部の単位時間当たりの発電量と前記回生電力測定部から出力された単位時間当たりの回生エネルギの電力量との和と、前記負荷部の単位時間当たりの電力消費量との差を判定する電力差判定部と、を有し、
前記電力差判定部の出力に基づいて、前記電気化学素子の充放電と前記発電部の発電量とを制御すること、
を特徴とする請求項5記載の電力管理システム。 - 前記第1の段差と前記第2の段差との間の電流積算値を計測し、得られた結果に基づいて、前記電気化学素子の全容量を所定の方式で再設定する残存容量補正部をさらに有すること、
を特徴とする請求項1記載の電力管理システム。 - 前記残存容量補正部は、前記電気化学素子の充放電電流、温度および内部インピーダンスよりなる群から選ばれる少なくとも1つのパラメータを検出するパラメータ検出部と、
検出されたパラメータに基づいて、前記電気化学素子の電圧もしくは残存容量と前記第1の閾値と前記第2の閾値との関係を修正するフィールド修正部と、を有すること、
を特徴とする請求項8記載の電力管理システム。 - 電気化学素子と、負荷部と、発電部とを含む電力管理システムの管理方法であって、
前記電気化学素子は、正極と、負極と、電解液または固体電解質とを有し、
前記電気化学素子の充放電曲線は、少なくとも2つの段差を有し、
前記複数の段差のうち、任意の第1の段差において、変曲点もしくはその近傍点に対応する電圧の第1の閾値が設定されており、
前記第1の段差よりも低電圧側の第2の段差において、変曲点もしくはその近傍点に対応する電圧の第2の閾値が設定されており、
前記管理方法は、
(a)前記電気化学素子の電圧が、前記第1の閾値もしくは前記第2の閾値付近であると判断する工程と、
(b)前記電気化学素子から流出または前記電気化学素子へ流入する電流を検出する工程と、
(c)前記電気化学素子の電圧が前記第1の閾値もしくは前記第2の閾値付近であることを検知した時点から、前記電流検出部の出力を積算し、充放電電流の積算値に対する電圧変化率を検出する工程と、
(d)前記電圧変化率が、予め決めておいた所定の傾き以上になった場合、前記電気化学素子の残存容量が前記第1の段差に相当する残存容量以上になったと判断し、前記電気化学素子を放電し、もしくは、前記電気化学素子の残存容量が前記第2の段差に相当する残存容量以下になったと判断し、前記電気化学素子を充電する制御を行う工程と、
を有することを特徴とする電力管理システムの管理方法。 - 前記電圧変化率の傾きに基づいて前記電気化学素子の残存容量を検出し、前記検出された残存容量を、前記第1の段差に相当する残存容量、もしくは、前記第2の段差に相当する残存容量と比較する工程を有すること、
を特徴とする請求項11記載の電力管理システムの管理方法。
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