(57)【要約】【課題】自立型電源を構成する蓄電池の残容量を精度良く推定すること。【解決手段】ＰＶパネル１、ニッケル水素蓄電池２およびコントローラ３で構成される自立型電源と負荷４とからなる自立型電源システムに設置される制御装置５において、パラメータ算出部５１は、劣化度の異なる蓄電池を電流および温度を一定としたうえで計測された電圧および残容量の変動パターンを教師データとして残容量出力関数および劣化度出力関数を定めるためのパラメータを算出し、パラメータ記憶部５２に格納する。そして、自立型電源の運用開始後、安定期間において、充放電電流、温度、電圧を計測し、残容量算出部５３および劣化度算出部５４は、算出されたパラメータによって決定される関数により、残容量および劣化度を算出する。充放電制御部５５は、算出された残容量および劣化度に基づいて、電池切り離しスイッチ７の開閉を制御する。【選択図】        図１
2010048759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光によって電力を発生する太陽電池および前記太陽電池が発生した電力を用いて充放電を行なう蓄電池から構成される自立型電源において、前記蓄電池の残容量を推定する残容量推定方法であって、
前記蓄電池の温度および前記蓄電池に対する充放電電流が一定になるように設定された複数の組み合わせごとに予め計測された前記蓄電池の電圧および残容量の変動パターンそれぞれを教師データとして用いることにより、前記充放電電流、前記蓄電池の温度、および前記蓄電池の電圧を入力とし残容量を出力とする残容量出力関数を決定するための残容量出力用パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
前記自立型電源の運用開始後、前記蓄電池に対する充放電電流の変化量が所定の時間にわたって所定の範囲内となった安定期間において、前記蓄電池の充放電電流、温度および電圧の計測値と、前記パラメータ算出ステップによって算出された前記残容量出力用パラメータによって決定される残容量出力関数とを用いることにより、前記蓄電池の前記安定期間での残容量を算出する残容量算出ステップと、
を含んだことを特徴とする残容量推定方法。
【請求項２】
前記パラメータ算出ステップは、前記複数の組み合わせそれぞれにおいて予め計測された複数の劣化度の異なる蓄電池ごとの前記変動パターンである劣化度変動パターンそれぞれを教師データとして用いることにより、前記残容量出力用パラメータを算出するとともに、前記充放電電流、前記蓄電池の温度、および前記蓄電池の電圧を入力とし、劣化度を出力とする劣化度出力関数を決定するための劣化度出力用パラメータをさらに算出し、
前記残容量算出ステップは、前記劣化度変動パターンそれぞれを用いて前記パラメータ算出ステップによって算出された前記残容量出力用パラメータによって決定される残容量出力関数を用いることにより、前記蓄電池の前記安定期間での残容量を算出し、
前記安定期間において、前記蓄電池の充放電電流、温度および電圧の計測値と、前記パラメータ算出ステップによって算出された前記劣化度出力用パラメータによって定められる劣化度出力関数とを用いることにより、前記蓄電池の前記安定期間での残容量に基づいた劣化度を算出する劣化度算出ステップをさらに含んだことを特徴とする請求項１に記載の残容量推定方法。
【請求項３】
前記残容量算出ステップおよび前記劣化度算出ステップは、前記安定期間において複数の時点で計測された前記蓄電池の充放電電流、温度および電圧の測定値それぞれから、前記蓄電池の前記複数の時点での残容量および劣化度をそれぞれ算出することを特徴とする請求項２に記載の残容量推定方法。
【請求項４】
太陽光によって電力を発生する太陽電池および前記太陽電池が発生した電力を用いて充放電を行なう蓄電池から構成される自立型電源において、前記蓄電池の残容量を推定する残容量推定装置であって、
前記蓄電池の温度および前記蓄電池に対する充放電電流が一定になるように設定された複数の組み合わせごとに予め計測された前記蓄電池の電圧および残容量の変動パターンそれぞれを教師データとして用いることにより、前記充放電電流、前記蓄電池の温度、および前記蓄電池の電圧を入力とし残容量を出力とする残容量出力関数を決定するための残容量出力用パラメータを算出するパラメータ算出手段と、
前記自立型電源の運用開始後、前記蓄電池に対する充放電電流の変化量が所定の時間にわたって所定の範囲内となった安定期間において、前記蓄電池の充放電電流、温度および電圧の計測値と、前記パラメータ算出手段によって算出された前記残容量出力用パラメータによって決定される残容量出力関数とを用いることにより、前記蓄電池の前記安定期間での残容量を算出する残容量算出手段と、
を備えたことを特徴とする残容量推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、残容量推定方法および残容量推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、蓄電池と太陽電池とで構成される自立型電源は、電源インフラの確保が困難な場所などに設置される負荷の電源として用いられている。自立型電源では、日照量の多い昼間において、太陽電池によって発電された電力が負荷に供給されるとともに、余剰電力で蓄電池が充電され、天候が悪化した昼間や夜間において、蓄電池からの放電で負荷に必要な電力が賄われる。
【０００３】
ここで、自立型電源を負荷の電源として運用する場合、蓄電池の残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）を推定することが重要となる。
【０００４】
すなわち、日照量が十分で、太陽電池から蓄電池に余剰電力が供給され続けると、蓄電池は満充電となったのち、過充電となり、蓄電池の劣化が進行してしまう。また、不日照の状態が継続して蓄電池から負荷への放電が継続すると、負荷が必要とする消費電力を供給し続けるために蓄電池の残容量が低下し、最終的に過放電となり、蓄電池の劣化が進行してしまう。
【０００５】
そこで、蓄電池の充放電電流を測定して積算したり、蓄電池の定常電圧を測定したりすることで、蓄電池の残容量を推定する方法が知られている。
【０００６】
また、電気自動車やハイブリッド車にバッテリーとして搭載されるニッケル水素蓄電池の残容量を、オキシ水酸化ニッケルの測定濃度を用いて推定する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
また、電気自動車やハイブリッド車にバッテリーとして搭載されるニッケル水素蓄電池の残容量を、ＡＮＮ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  ｎｅｕｒａｌ  ｎｅｔｗｏｒｋ）法を用いて推定する方法も知られている（例えば、非特許文献２参照）。具体的には、特定の放電電流区分を設定し、設定した区分において、様々な放電電流と温度との組み合わせにおける蓄電池の残容量を実験的に測定し、測定した実験データを学習用データとして用いたニューラルネットワークにより、放電電流および温度から残容量を推定するための関係式を算出するものである。
【０００８】
また、予め作成した等価回路モデルを用いて蓄電池内部のインピーダンスをシステム同定により特定し、特定したインピーダンスと残容量との関係式を求めることにより、一般機器用のニッケル水素蓄電池の残容量を推定する方法も知られている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００９】
【非特許文献１】“State of Charge Estimator for NiMH Batteries”, Proceedings of 41st  IEEE Conf., 2002
【非特許文献２】“Neural Net-work-Based Residual Capacity Indicator for Nickel-Metal Hydride Batteries in Electric Vehicles”, IEEE Transaction on vehicular technology, Vol. 54, No.5, pp.1705- 1712, 2005
【非特許文献３】「システム同定を用いたニッケル水素およびニッケルカドミウム電池の残容量診断」電気学会学会誌Ｄ、126巻、3号、pp.285-291、2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、自立型電源を構成する蓄電池がニッケル水素蓄電池などである場合、太陽電池から供給される余剰電力が小さく、充電電流が微小であると、充電電流は、蓄電池に充電されず、電池内部で熱に変わってしまう。また、微小な充電電流の流入により発生する熱により、蓄電池の劣化が起こる。このため、ニッケル水素蓄電池を蓄電池に用いる自立型電源では、蓄電池を保護するために、微小な充電電流を破棄する処置がとられる場合もある。
【００１１】
また、曇りや陰の影響で日照量の変動が激しい場合、太陽電池の発生電流量は、変動する。さらに、蓄電池の種類に関わらず、同じ充電電流であっても、蓄電池に蓄えられる電力は、温度に依存して変動する。
【００１２】
このため、充放電電流を用いて推定した蓄電池の残容量は、必ずしも精度の高いものではなかった。
【００１３】
また、鉛蓄電池など満充電時と完全放電時での電圧差が「３．０Ｖ〜２．０Ｖ」と、比較的大きい蓄電池の場合は、電圧によって残容量を容易に推定することができるが、ニッケル水素蓄電池など満充電時と完全放電時での電圧差が「１．５Ｖ〜１．０Ｖ」と小さい蓄電池の場合は、電圧によって残容量を容易に推定することが困難となる。さらに、上述したように、蓄電池の種類に関わらず、温度によって蓄電池に蓄えられる電圧のバイアスが生じる。
【００１４】
このため、電圧を用いて推定した蓄電池の残容量は、必ずしも精度の高いものではなかった。
【００１５】
また、バッテリーとして搭載されるニッケル水素蓄電池の残容量をオキシ水酸化ニッケルの測定濃度から推定するためには高度な計算処理が必要であり、残容量を推定する装置（例えば、マイコンなど）にかかるコストは、高くなり、さらに、当該装置が必要とする消費電力も大きくなる。このため、オキシ水酸化ニッケルの測定濃度により残容量を推定する方法は、自立型電源に適用することが困難である。
【００１６】
また、ニッケル水素蓄電池の残容量をＡＮＮ法により推定する方法は、電気自動車やハイブリッド車に搭載されるバッテリーにおける急峻な電流変化のパターン前提としたパラメータの設定となっている。このため、従来のニッケル水素蓄電池の残容量をＡＮＮ法により推定する方法を用いたとしても、自立型電源を構成するニッケル水素蓄電池の残容量の推定は、微小電流を考慮して精度よく行うことができない。
【００１７】
また、等価回路モデルを用いてニッケル水素蓄電池の残容量を推定する方法は、残容量の推定精度が等価回路モデルのモデリング精度に依存し、さらに、蓄電池の劣化度に応じて、等価回路モデルの修正が必要となるため、残容量の推定を必ずしも精度よく行うことができない。
【００１８】
このように、上記した従来の技術は、自立型電源における蓄電池の残容量を精度良く推定することができないという課題があった。
【００１９】
そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、自立型電源における蓄電池の残容量を精度良く推定することが可能となる残容量推定方法および残容量推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この方法は、太陽光によって電力を発生する太陽電池および前記太陽電池が発生した電力を用いて充放電を行なう蓄電池から構成される自立型電源において、前記蓄電池の残容量を推定する残容量推定方法であって、前記蓄電池の温度および前記蓄電池に対する充放電電流が一定になるように設定された複数の組み合わせごとに予め計測された前記蓄電池の電圧および残容量の変動パターンそれぞれを教師データとして用いることにより、前記充放電電流、前記蓄電池の温度、および前記蓄電池の電圧を入力とし残容量を出力とする残容量出力関数を決定するための残容量出力用パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、前記自立型電源の運用開始後、前記蓄電池に対する充放電電流の変化量が所定の時間にわたって所定の範囲内となった安定期間において、前記蓄電池の充放電電流、温度および電圧の計測値と、前記パラメータ算出ステップによって算出された前記残容量出力用パラメータによって決定される残容量出力関数とを用いることにより、前記蓄電池の前記安定期間での残容量を算出する残容量算出ステップと、を含んだことを要件とする。
【００２１】
また、この装置は、太陽光によって電力を発生する太陽電池および前記太陽電池が発生した電力を用いて充放電を行なう蓄電池から構成される自立型電源において、前記蓄電池の残容量を推定する残容量推定装置であって、前記蓄電池の温度および前記蓄電池に対する充放電電流が一定になるように設定された複数の組み合わせごとに予め計測された前記蓄電池の電圧および残容量の変動パターンそれぞれを教師データとして用いることにより、前記充放電電流、前記蓄電池の温度、および前記蓄電池の電圧を入力とし残容量を出力とする残容量出力関数を決定するための残容量出力用パラメータを算出するパラメータ算出手段と、前記自立型電源の運用開始後、前記蓄電池に対する充放電電流の変化量が所定の時間にわたって所定の範囲内となった安定期間において、前記蓄電池の充放電電流、温度および電圧の計測値と、前記パラメータ算出手段によって算出された前記残容量出力用パラメータによって決定される残容量出力関数とを用いることにより、前記蓄電池の前記安定期間での残容量を算出する残容量算出手段と、を備えたことを要件とする。
【発明の効果】
【００２２】
開示の方法および装置によれば、安定期間に相当する環境での実測値からなる教師データを用いて算出されたパラメータにより、安定期間における蓄電池に関する計測値から、残容量を算出することができ、自立型電源を構成する蓄電池の残容量を精度良く推定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る残容量推定方法および残容量推定装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下では、太陽電池と蓄電池とから構成される自立型電源と自立型電源から供給される電力により動作する負荷とからなる自立型電源システムに、この発明に係る残容量推定方法を実行する制御装置が設置された場合を実施例として説明する。
【実施例】
【００２４】
［本実施例における自立型電源システムの構成］
まず、本実施例における自立型電源システムの構成について、図１などを用いて説明する。図１は、本実施例における自立型電源システムの構成を説明するための図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施例における自立型電源システムは、ＰＶパネル１と、ニッケル水素蓄電池２と、コントローラ３と、負荷４と、制御装置５と、シャント抵抗６と、電池切り離しスイッチ７と、負荷切り離しスイッチ８とから構成される。なお、図１において、実線は、電力線を示しており、点線は、制御装置５による制御の対応関係を示している。
【００２６】
ＰＶパネル１は、太陽光発電（Ｐｈｏｔｏ  Ｖｏｌｔａｉｃ）を行なう機器であり、特許請求の範囲に記載の「太陽電池」に対応する。
【００２７】
ニッケル水素蓄電池２は、複数の電池セルから構成される電池モジュールであり、例えば、図２に示すように、本実施例におけるニッケル水素蓄電池２は、公称９５Ａｈの電池セルが１０個直列に接続され、さらに、電池セルに取り付けられた温度センサーと、温度センサーおよび電力線を取り出すコネクタと、冷却ファンと、収納箱とから構成される。なお、図２は、本実施例において用いられるニッケル水素蓄電池を説明するための図である。
【００２８】
一般的なニッケル水素蓄電池の特性として、温度感受性が高いことがあげられる。すなわち、ニッケル水素蓄電池は、温度変動によって出力電圧が異なるため、充電時における電池セルの温度にばらつきがあると充電容量にもばらつきが生じ、充放電時における各セルの働きが不均一となる。このため、複数の電池セルから構成されるニッケル水素蓄電池２は、特定の電池セルだけ劣化が早まり、全体的に劣化が加速されるという欠点をもつ。
【００２９】
ここで、ＰＶパネル１の発電規模と、ニッケル水素蓄電池２を構成する電池セルの個数（すなわち、ニッケル水素蓄電池２の電池搭載容量）とは、後述する負荷４の消費電力と、ＰＶパネル１が設置される環境の天候履歴から設定される不日照期間の情報とに基づいて、自立型電源システムの管理者よって調整される。
【００３０】
コントローラ３は、ＰＶパネル１の出力電力を最大にする最大出力点（ＭＰＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ）を検知し、ＰＶパネル１から最大電力を取り出すＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｅｒ）と、後述する負荷４に供給する電圧と、ニッケル水素蓄電池２への電池充電電圧との２種類の電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータとから構成される。
【００３１】
負荷４は、ＰＶパネル１またはニッケル水素蓄電池２から供給される電力によって動作する装置であり、例えば、連続的に電力を消費して駆動する監視モニタや、定期的に（例えば、１分おきに）電力を消費して駆動する無線送信機などの装置である。
【００３２】
ＰＶパネル１とニッケル水素蓄電池２とコントローラ３とから構成される自立型電源においては、日中、太陽が照っている際には、ＰＶパネル１で発電が行なわれ、コントローラ３により、ＭＰＰＴが検知されて最大電力が取り出される。また、コントローラ３では、負荷４へ供給する電圧が生成され、生成された電力が負荷４に供給されるとともに、余剰電力から電池充電電圧が生成されたうえでニッケル水素蓄電池２に供給されて充電される。また、夜間や日照が十分ではない期間では、負荷４への電力供給は、ニッケル水素蓄電池２からの放電により賄われる。
【００３３】
制御装置５は、コントローラ３から負荷４に出力される電圧・電流を取得することによりコントローラ３の状態を監視し、取得した電圧・電流の値に基づいて、負荷切り離しスイッチ８のオン・オフの制御をすることで、負荷４を電気的に保護する。
【００３４】
例えば、制御装置５は、負荷４に出力される電流値が規定の値を超えた場合、コントローラ３に故障が発生したと判定して、負荷切り離しスイッチ８をオフにすることで、負荷４を電気的に保護する。なお、制御装置５は、コントローラ３から負荷４に出力される電圧・電流が正常になった場合、負荷切り離しスイッチ８をオンにする。
【００３５】
また、制御装置５は、ニッケル水素蓄電池２の状態を監視して、電池切り離しスイッチ７のオン・オフの制御をすることで、ニッケル水素蓄電池２を電気的に保護する。
【００３６】
ここで、本実施例における自立型電源システムに設置される制御装置５は、ニッケル水素蓄電池２の状態を監視するために、ニッケル水素蓄電池２の残容量を精度良く推定することが可能になることに主たる特徴がある。以下、この主たる特徴について、図１および図２とともに、図３〜図６を用いて説明する。図３は、教師データの一例を説明するための図であり、図４は、教師データの組み合わせを説明するための図であり、図５は、パラメータ算出部に用いられるモデルを説明するための図である。
【００３７】
制御装置５は、図１に示すように、パラメータ算出部５１と、パラメータ記憶部５２と、残容量算出部５３と、劣化度算出部５４と、放充電制御部５５とを備える。ここで、制御装置５は、図２にて説明した温度センサーからニッケル水素蓄電池２の温度を取得し、さらに、ニッケル水素蓄電池２の電圧も取得する。また、制御装置５は、シャント抵抗６の両端に発生する電圧を計測することで、ニッケル水素蓄電池２に対する充放電電流を取得する。
【００３８】
なお、以下では、ニッケル水素蓄電池２の温度を「電池温度」または「温度」、ニッケル水素蓄電池２の電圧を「電池電圧」または「電圧」、ニッケル水素蓄電池２に対する充放電電流を「充放電電流」と省略して記載する場合がある。
【００３９】
パラメータ算出部５１は、電池温度および充放電電流一定になるように設定された複数の組み合わせごとに予め計測された複数の劣化度の異なるニッケル水素蓄電池２ごとの電池電圧および残容量の変動パターン（異なる劣化度ごとの変動パターン）それぞれを教師データとして用いることにより、充放電電流、電池温度、および電池電圧を入力とし残容量を出力とする残容量出力関数を決定するための残容量出力用パラメータを算出する。
【００４０】
さらに、パラメータ算出部５１は、劣化度変動パターンそれぞれを教師データとして用いることにより、充放電電流、電池温度、および電池電圧を入力とし、劣化度を出力とする劣化度出力関数を決定するための劣化度出力用パラメータも算出する。なお、残容量出力用パラメータおよび劣化度出力用パラメータは、残容量および残容量に基づく劣化度をＡＮＮ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  ｎｅｕｒａｌ  ｎｅｔｗｏｒｋ）法により推定するためのパラメータとして用いられる。
【００４１】
ここで、パラメータ算出部５１は、以下に説明する２種類の教師データを用いて処理を行なう。
【００４２】
第一の教師データは、劣化度の異なるニッケル水素蓄電池２それぞれから一定の放電電流が流出される場合の変動パターン（劣化度変動パターン）である。
【００４３】
第一の教師データの計測にあたり、まず、劣化度のわかっているニッケル水素蓄電池２を複数用意する。
【００４４】
そして、用意した劣化度の異なるニッケル水素蓄電池２をそれぞれ満充電状態にし、満充電状態となった蓄電池を恒温槽内に設置して所定の環境温度に維持する。そののち、温度が定常状態となったニッケル水素蓄電池２それぞれを所定の一定電流にて掃引し、残容量と電池電圧の変動パターンを計測する。
【００４５】
ここで、掃引している時間（ｈｏｕｒ）に掃引電流（自立型電源運用時の放電電流に相当）を掛けた値を、ニッケル水素蓄電池２の公称容量で割った値をパーセント表示した値が放電量となり、１００から放電量を差し引いた値が残容量となる。
【００４６】
第二の教師データは、劣化度の異なるニッケル水素蓄電池２それぞれから一定の充電電流が流入される場合の変動パターン（劣化度変動パターン）である。
【００４７】
第二の教師データの計測にあたり、第一の教師データと同様に、まず、劣化度のわかっているニッケル水素蓄電池２を複数用意する。
【００４８】
そして、用意した劣化度の異なるニッケル水素蓄電池２それぞれを空の状態にする。具体的には、ニッケル水素蓄電池２が許容できる最低電圧（許容最低電圧）まで放電した状態にする。そののち、許容最低電圧まで放電したニッケル水素蓄電池２それぞれを恒温槽内に設置して所定の環境温度に維持し、温度が定常状態となったニッケル水素蓄電池２それぞれを所定の一定電流にて継続して充電し、残容量と電池電圧の変動パターンを計測する。
【００４９】
ここで、充電時間（ｈｏｕｒ）に充電電流を掛けた値を、ニッケル水素蓄電池２の公称容量で割った値をパーセント表示した値が残容量となる。
【００５０】
例えば、１５℃の環境下において、劣化なし（新品）のニッケル水素蓄電池２を放電および充電をともに１Ａで行なった場合の教師データは、図３に示すような充放電曲線として計測される。なお、図３においては、放電時の第一の教師データとして、電池電圧１０Ｖを許容最低電圧とした場合の放電曲線（横軸が放電量）が示されており、また、充電時の第二の教師データとして、９５Ａｈの充電量を１００％とした場合の充電曲線（横軸が残容量）が示されている。
【００５１】
このようにして、複数の組み合わせごとの劣化度変動パターン（残容量―電池電圧）を計測する。なお、教師データの数は、少ないとＡＮＮ法による推定値の精度が悪くなり、多すぎるとＡＮＮ法で計算をする際に複雑になり過ぎて収束性が悪くなるため、適切な数となるように、自立型電源システムの管理者によって設定される。
【００５２】
例えば、劣化による電池交換時期を判定するうえで目安となる容量を３０％容量減として、「劣化なし（新品）」、「劣化度１５％（１５％容量減）」、「劣化度３０％（３０％容量減）」のニッケル水素蓄電池２を３種類用意する。また、例えば、年間を通して気温が「０℃〜４０℃」の間で変動する地域にて自立型電源が設置される場合、満充電状態あるいは許容最低電圧まで放電した状態となった３種類の劣化度の異なるニッケル水素蓄電池２を、冬季を想定した「０℃」、春秋季など常温時を想定した「２０℃」、夏季の最高気温を想定した「４０℃」にそれぞれ維持する。さらに、自立型電源により動作する負荷４の消費電力を考慮して、放電電流を「１Ａ」、「２Ａ」、「３Ａ」の３種類とし、ＰＶパネル１の発電規模およびニッケル水素蓄電池２の容量を考慮して、充電電流を「７Ａ」、「１０Ａ」の２種類とする。
【００５３】
そして、自立型電源システムの管理者は、「劣化なし」の場合、図４の（Ａ）に示すように、１５種類の組み合わせごとにケース１からケース１５の劣化度変動パターンを計測し、「劣化度１５％」の場合、図４の（Ｂ）に示すように、１５種類の組み合わせごとにケース１６からケース３０の劣化度変動パターンを計測し、「劣化度３０％」の場合、図４の（Ｃ）に示すように、１５種類の組み合わせごとにケース３１からケース４５の劣化度変動パターンを計測する。
【００５４】
ここで、パラメータ算出部５１は、４５種類の劣化度変動パターンを教師データとし、図５に示すニューラルネットワークのモデルに基づいてパラメータを算出する。すなわち、図５に示すように、本実施例で用いられるＡＮＮ法のモデルは、「P1：充放電電流」、「P2：（電池）温度」、「P3：（電池）電圧」を入力とし、「Q1〜Q5」の５つのユニットからなる中間層を介して、「R1：残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）」および「R2：劣化度」を出力とするモデルである。ここで、「P1：充放電電流」において、放電電流は正値、充電電流を負値とする。なお、本実施例では、中間層のユニット数が５つである場合について説明するが、本発明はこれ限定されるものではなく、計算結果が収束するのであれば、任意のユニット数が設定される。
【００５５】
まず、図５に示すモデルにおいては、以下に示す式（１）で表されるシグモイド関数「f(x)」が用いられる。
【００５６】
【数１】
2010048759.tif 000003
【００５７】
そして、図５に示すモデルにおいては、「P1〜P3」を入力（x）とし、「Q1〜Q5」を出力とする「f(x)」が、以下に示す式（２）で表される。
【００５８】
【数２】
2010048759.tif 000004
【００５９】
ここで、式（２）における「Vnj」は、重み付け係数であり、「Bj」は、バイアスである。すなわち、入力層「P1〜P3」を入力とし中間層「Q1」を出力とする関数は、P1からQ1への重み付け係数が「V11」、P2からQ1への重み付け係数が「V21」、P3からQ1への重み付け係数が「V31」およびQ1へのバイアスが「B1」であるので、図５に示すように、式（２）により「Q1=f(P1*V11+ P2*V21+P3*V31+B1」となる。同様に、入力層「P1〜P3」を入力とし中間層「Q2」を出力とする関数は、図５に示すように、式（２）により「Q2=f(P1*V12+ P2*V22+P3*V32+B2」となる。
【００６０】
また、図５に示すモデルにおいては、「Q1〜Q5」を入力（x）とし、「R1, R2」を出力とする「f(x)」が、以下に示す式（３）で表される。
【００６１】
【数３】
2010048759.tif 000005
【００６２】
ここで、式（３）における「Wmk」は、重み付け係数であり、「Ck」は、バイアスである。すなわち、中間層「Q1〜Q5」を入力とし出力層「R1」を出力とする関数は、図５に示すように、式（３）により「R1=f(Q1*W11+Q2*W21+Q3*w31+Q4*W41+Q5*W51+C1)」となる。同様に、中間層「Q1〜Q5」を入力とし出力層「R2」を出力とする関数は、図５に示すように、式（３）により「R2=f(Q1*W12+Q2*W22+Q3*W32+Q4*W42+Q5*W52+C2)」となる。
【００６３】
すなわち、パラメータ算出部５１は、４５種類の劣化度変動パターンを教師データとして上述した式に代入し、ＡＮＮ法により収束した場合の『「V11」〜「V35」の１５個の重み付け係数および「W11」〜「W51」の５個の重み付け係数、「B1」〜「B5」および「C1」の６個のバイアス』を残容量出力用パラメータとして算出する。
【００６４】
また、パラメータ算出部５１は、４５種類の劣化度変動パターンを教師データとして上述した式に代入し、ＡＮＮ法により収束した場合の『「V11」〜「V35」の１５個の重み付け係数および「W12」〜「W52」の５個の重み付け係数、「B1」〜「B5」および「C2」の６個のバイアス』を劣化度出力用パラメータとして算出する。なお、残容量出力用パラメータおよび劣化度出力用パラメータは、「V11」〜「V35」および「B1」〜「B5」を共有する。
【００６５】
図１に戻って、パラメータ記憶部５２は、パラメータ算出部５１によって算出された残容量出力用パラメータおよび劣化度出力用パラメータを記憶する。
【００６６】
残容量算出部５３は、自立型電源の運用開始後、ニッケル水素蓄電池２に対する充放電電流の変化量が所定の時間にわたって所定の範囲内となった安定期間において、充放電電流、電池温度および電池電圧の計測値と、パラメータ記憶部５２が記憶する残容量出力用パラメータによって定められる残容量出力関数（上述したR1）とを用いることにより、ニッケル水素蓄電池２の安定期間における残容量を算出する。
【００６７】
また、劣化度算出部５４は、自立型電源の運用開始後、安定期間において、充放電電流、電池温度および電池電圧の計測値と、パラメータ記憶部５２が記憶する劣化度出力用パラメータによって定められる劣化度出力関数（上述したR2）とを用いることにより、ニッケル水素蓄電池２の安定期間における残容量に基づく劣化度を算出する。
【００６８】
例えば、制御装置５は、自立型電源の運用開始後、シャント抵抗６からニッケル水素蓄電池２に対する充放電電流を継続的に取得し、充電電流または放電電流の変動値が、充電電流または放電電流の１０分の１の範囲内であり、かつ、変動値が充電電流または放電電流の１０分の１の範囲内にある期間が１分以上継続した場合は、安定期間と判定して、残容量算出部５３および劣化度算出部５４の処理を開始する。
【００６９】
ここで、残容量算出部５３および劣化度算出部５４は、安定期間において複数の時点で計測された充放電電流、電池温度および電池電圧それぞれから、複数の時点での残容量および劣化度をそれぞれ算出する。そして、算出した複数の残容量および劣化度から、平均値や、最小二乗法を用いた残容量および劣化度の時間経過にともなう予測値を算出することで、計算結果の精度を向上させる。なお、残容量および劣化度の算出回数は、自立型電源システムの管理者によって、所定の回数が設定される。また、以下では、算出した複数の残容量および劣化度から平均値（平均残容量および平均劣化度）を算出する場合について説明する。
【００７０】
ここで、安定期間としては、以下の３つ期間に大別される。
【００７１】
第一の期間は、夜間である。太陽光が照射されていない夜間では、比較的温度が安定しており、かつ、ＰＶパネル１の発電は行なわれず、ニッケル水素蓄電池２から負荷４へ一定電流で放電している安定した環境となるので、上記した安定期間の条件に合致する限り、例えば、午後９時から翌日の午前３時までの１時間ごとに、充放電電流、電池温度および電池電圧を複数回計測して、複数の残容量および劣化度を算出する。特に、第一の期間は、残容量および劣化度を高精度に推定することに適した時期と考えられる。
【００７２】
第二の期間は、日照量が十分にある昼間である。日照量が十分にある場合の昼間では、ＰＶパネル１から負荷４を駆動する十分な電流が流れているため、ニッケル水素蓄電池２は、ＰＶパネル１から安定した充電電流が流入して充電状態となるので、上記した安定期間の条件に合致する限り、例えば、午前１１時から午後３時までの１０分ごとに、充放電電流、電池温度および電池電圧を複数回計測して、複数の残容量および劣化度を算出する。特に、第二の期間は、残容量の推定値を算出して満充電を検知するのに適した時期と考えられるので、計測間隔を短くすることが望ましい。
【００７３】
第三の期間は、晴れと曇りと繰り返されるために日照量が不安定な昼間である。日照量が不安定な昼間では、ＰＶパネル１が十分な電力を負荷４へ供給できる時期とできない時期とが繰り返されるので、ニッケル水素蓄電池２への充電電流の流入とニッケル水素蓄電池２からの放電電流の流出とが繰り返される。このため、安定期間となるごとに、より短い計測間隔（例えば、１分ごと）で充放電電流、電池温度および電池電圧を複数回計測して、複数の残容量および劣化度を算出する。
【００７４】
このようにして、残容量算出部５３および劣化度算出部５４は、安定期間において、複数の時点で残容量および劣化度を算出して、平均残容量および平均劣化度を算出する。
【００７５】
充放電制御部５５は、残容量算出部５３および劣化度算出部５４の算出結果に基づいて、ニッケル水素蓄電池２を電気的に保護するために、電池切り離しスイッチ７の開閉（オン・オフ）の制御を行なう。
【００７６】
すなわち、充放電制御部５５は、劣化度算出部５４によって算出された平均劣化度が、蓄電池交換用設定値（例えば、３０％）を下回った場合、電池切り離しスイッチ７をオフにし、例えば、制御装置５に備えられた電池交換報知用のランプ（図示せず）を点灯させる。また、蓄電池が交換されて、例えば、制御装置５に備えられたリセットボタン（図示せず）が管理者によって押下された場合、充放電制御部５５は、電池切り離しスイッチ７をオンにする。
【００７７】
また、充放電制御部５５は、劣化度算出部５４によって算出された平均残容量が、ニッケル水素蓄電池２の満充電近傍となった場合、過充電を防止するため、電池切り離しスイッチ７をオフにしてＰＶパネル１からの充電電流を停止する。また、そののち、コントローラ３から取得したＰＶパネル１の出力電力が負荷４の消費電力を下回った場合、充放電制御部５５は、負荷４に対して放電を行なうために、電池切り離しスイッチ７をオンにする。
【００７８】
また、充放電制御部５５は、劣化度算出部５４によって算出された平均残容量が、設定閾値を下回った場合、電池切り離しスイッチ７をオフにする。ここで、上記の設定閾値は、負荷４に対する放電を継続するとニッケル水素蓄電池２が過放電の状態となる可能性があるとして設定される値である。なお、電池切り離しスイッチ７をオフにしたのち、コントローラ３から取得したＰＶパネル１の出力電力が負荷４の消費電力以上となった場合、充放電制御部５５は、充電が可能となると判定して、電池切り離しスイッチ７をオンにする。
【００７９】
ここで、設定閾値を下回った場合、過放電を防止するために電池切り離しスイッチ７をオフにするのではなく、充放電制御部５５が、負荷４の処理実行頻度を低減させることにより、放電量を低減させてもよい。
【００８０】
［本実施例における制御装置による処理の手順］
次に、図６および図７を用いて、本実施例における制御装置５の処理について説明する。図６は、本実施例における制御装置のパラメータ算出処理を説明するためのフローチャートであり、図７は、本実施例における制御装置の自立型電源運用開始後の処理を説明するためのフローチャートである。
【００８１】
［本実施例における制御装置によるパラメータ算出処理の手順］
図６に示すように、本実施例における制御装置５は、図４に示すような教師データ（４５個の劣化度変動パターン）が入力されると（ステップＳ６０１肯定）、パラメータ算出部５１は、教師データを図５に示すモデルに基づく関係式に代入することにより、残容量出力関数を定めるための残容量出力用パラメータおよび劣化度出力関数を定めるための劣化度出力用パラメータを算出する（ステップＳ６０２）。
【００８２】
そして、パラメータ算出部５１は、算出した残容量出力用パラメータおよび劣化度出力用パラメータをパラメータ記憶部５２に格納して（ステップＳ６０３）、処理を終了する。
【００８３】
［本実施例における制御装置によるパラメータ算出処理の手順］
図７に示すように、本実施例における制御装置５は、自立型電源の運用が開始されると（ステップＳ７０１肯定）、シャント抵抗６を用いて充放電電流の計測を開始し（ステップＳ７０２）、ニッケル水素蓄電池２に対する充放電電流の変化量が所定の時間にわたって所定の範囲内となる安定期間となったか否かを判定する（ステップＳ７０３）。
【００８４】
ここで、安定期間と判定されない場合（ステップＳ７０３否定）、制御装置５は、充放電電流の計測結果を監視し続ける。
【００８５】
一方、安定期間と判定された場合（ステップＳ７０３肯定）、制御装置５は、一定間隔ごとに、充放電電流、（電池）温度、（電池）電圧を計測し、残容量算出部５３および劣化度算出部５４は、パラメータ記憶部５２が記憶する残容量出力用パラメータおよび劣化度出力用パラメータを用いて、複数の時点での残容量および劣化度を算出する（ステップＳ７０４）。なお、残容量および劣化度の算出回数は、自立型電源システムの管理者によって、所定の回数が設定される。
【００８６】
そして、残容量算出部５３および劣化度算出部５４それぞれは、複数の時点での残容量および劣化度から平均残容量および平均劣化度をそれぞれ算出する（ステップＳ７０５）。
【００８７】
ここで、充放電制御部５５は、平均劣化度が蓄電池交換用設定値を下回った場合（ステップＳ７０６肯定）、電池切り離しスイッチ７をオフにする（ステップＳ７０９）。
【００８８】
一方、充放電制御部５５は、平均劣化度が蓄電池交換用設定値以上である場合（ステップＳ７０６否定）、平均残容量が満充電近傍となったか否かを判定する（ステップＳ７０７）。
【００８９】
平均残容量が満充電近傍となった場合（ステップＳ７０７肯定）、充放電制御部５５は、電池切り離しスイッチ７をオフにする（ステップＳ７１０）。
【００９０】
これに反して、平均残容量が満充電近傍でない場合（ステップＳ７０７否定）、充放電制御部５５は、平均残容量が設定閾値を下回ったか否かを判定する（ステップＳ７０８）。
【００９１】
平均残容量が設定閾値を下回った場合（ステップＳ７０８肯定）、充放電制御部５５は、電池切り離しスイッチ７をオフにする（ステップＳ７１１）。
【００９２】
これに反して、平均残容量が設定閾値以上の場合（ステップＳ７０８否定）、制御装置５は、ステップＳ７０３に戻って、充放電電流の計測結果を監視し続ける。
【００９３】
また、充放電制御部５５は、ステップＳ７０９の処理後、制御装置５に備えられたリセットボタンが管理者によって押下されことを検知すると、蓄電池が交換されたと判定し（ステップＳ７１２肯定）、電池切り離しスイッチ７をオンにし（ステップＳ７１５）、ステップＳ７０３に戻って、充放電電流の計測結果を監視し続ける。
【００９４】
また、充放電制御部５５は、ステップＳ７１０の処理後、コントローラ３から取得したＰＶパネル１の出力電力が負荷４の消費電力を下回った場合（ステップＳ７１３肯定）、電池切り離しスイッチ７をオンにし（ステップＳ７１６）、ステップＳ７０３に戻って、充放電電流の計測結果を監視し続ける。
【００９５】
また、充放電制御部５５は、ステップＳ７１１の処理後、コントローラ３から取得したＰＶパネル１の出力電力が負荷４の消費電力以上となった場合（ステップＳ７１４肯定）、電池切り離しスイッチ７をオンにし（ステップＳ７１７）、ステップＳ７０３に戻って、充放電電流の計測結果を監視し続ける。
【００９６】
［本実施例の効果］
上記したように、本実施例によれば、ＰＶパネル１、ニッケル水素蓄電池２およびコントローラ３から構成される自立型電源と、自立型電源から供給される電力により動作する負荷４とからなる自立型電源システムに設置される制御装置５において、パラメータ算出部５２は、劣化度の異なる蓄電池を充放電電流および温度を一定としたうえで計測された電圧および残容量の複数の変動パターン（劣化度変動パターン）を教師データとしたうえで、ＡＮＮモデルに基づく関係式に代入することにより、残容量出力関数を定めるための残容量出力用パラメータおよび劣化度出力関数を定めるための劣化度出力用パラメータを算出し、パラメータ記憶部５２に格納する。
【００９７】
そして、自立型電源の運用開始後に、充放電電流の変化量が所定の時間にわたって所定の範囲内となる安定期間において、一定間隔ごとに、ニッケル水素蓄電池２を充放電電流、温度、電圧を計測し、残容量算出部５３および劣化度算出部５４は、パラメータ記憶部５２が記憶する残容量出力用パラメータおよび劣化度出力用パラメータを用いて、複数の時点での残容量および劣化度を算出し、さらに、平均残容量および平均劣化度をそれぞれ算出するので、安定期間に相当する環境での実測値からなる教師データを用いて算出されたＡＮＮモデルのパラメータにより、安定期間におけるニッケル水素蓄電池２の充放電電流、電池温度および電池電圧の計測値から、残容量および劣化度を算出することができ、上記した主たる特徴の通り、自立型電源を構成するニッケル水素蓄電池２の残容量を精度良く推定することが可能になる。さらに、劣化度変動パターンを用いることにより、劣化度を考慮した残容量を精度良く推定することが可能になり、また、残容量に基づく劣化度も精度良く推定することが可能になる。
【００９８】
また、安定期間における複数の時点で、残容量および劣化度を算出するので、さらに精度のよい残容量および劣化度を推定することが可能になる。
【００９９】
また、充放電制御部５５は、平均劣化度が蓄電池交換用設定値を下回った場合、平均残容量が満充電近傍となった場合、平均残容量が設定閾値を下回った場合、電池切り離しスイッチ７をオフにするので、電池交換を管理者に促したり、過充電を防止したり、過放電を防止したりすることができ、ニッケル水素蓄電池２を確実に電気的に保護することが可能になる。
【０１００】
［比較例］
次に、図８〜図１２を用いて、本実施例において開示した提案手法の有用性を説明する。図８は、比較例において用いられたモデルを説明するための図であり、図９は、比較例において用いられた教師データの組み合わせを説明するための図であり、図１０は、比較例において算出された残容量出力用パラメータを説明するための図であり、図１１および１２は、比較結果を説明するための図である。
【０１０１】
本比較例においては、図８に示すように、残容量のみを推定するためのモデルを用いた。すなわち、「P1：充放電電流」、「P2：（電池）温度」、「P3：（電池）電圧」を入力とし、「Q1〜Q5」の５つの関数からなる中間層を介して、「R1：残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）」を出力とするＡＮＮモデルである。
【０１０２】
また、本比較例においては、図９に示すように、劣化なしのニッケル水素蓄電池２のみを用い、さらに、環境温度と放電電流のみを変えた７種類の組み合わせごとにケース１からケース７の変動パターンを計測した。
【０１０３】
これら７つの変動パターンを教師データとして用いることで、本比較例においては、図１０の（Ａ）に示すように、中間層「Q1〜Q5」を出力するための関数を定める１５個の重み付け係数「V11」〜「V35」および５個のバイアス「B1」〜「B5」が算出され、図１０の（Ｂ）に示すように、出力層「R1〜R2」を出力するための関数を定める５個の重み付け係数「W11」〜「W51」および１個のバイアス「C1」が算出された。
【０１０４】
図１０に示した残容量出力用パラメータにより定まる残容量出力関数により算出された残容量（ＳＯＣ）と電圧との関係をプロットしたグラフを実線または点線により、また、実測値を丸印により図１１および図１２に示す。
【０１０５】
図１１は、「放電電流，環境温度」をそれぞれ「１Ａ，１５℃」、「１Ａ，２５℃」、「１Ａ，３５℃」とした場合の算出値および実測値を比較したものであり、図１２は、「放電電流，環境温度」をそれぞれ「２Ａ，１５℃」、「２Ａ，２５℃」、「３Ａ，１５℃」、「３Ａ，２５℃」とした場合の算出値および実測値を比較したものである。
【０１０６】
図１１および図１２に示すように、一部、満充電（残容量＝１）直前で実測値と離れているデータもあるが、その誤差としては最大で３％程度と満充電を判定することは十分可能な範囲であり、その他の部分では、計算値と実測値との誤差は小さい。すなわち、本発明の手法のように、安定期間に相当する教師データを予め計測し、パラメータを算出しておくことで、運用時の安定期間において、充放電電流、電池温度、電池電圧を入力すれば、高精度に残容量を推定することが可能であることが実証された。
【０１０７】
なお、上記した実施例では、複数の時点の計測値から平均残容量および平均劣化度を算出して「蓄電池交換用設定値、満充電近傍の値、設定閾値」と比較することにより、電池切り離しスイッチ７を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の時点の計測値から算出された複数の残容量および劣化度から、最小二乗法を用いた残容量および劣化度の時間経過にともなう予測値を算出することで、「蓄電池交換用設定値」や「満充電近傍の値」や「設定閾値」に到達する時刻を予測して、電池切り離しスイッチ７を制御する場合であってもよい。
【０１０８】
また、上記した実施例では、複数の時点の計測値から算出された複数の残容量および劣化度により、電池切り離しスイッチ７を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、安定期間において計測された計測値から算出された現時点での残容量および劣化度を用いて、電池切り離しスイッチ７を制御する場合であってもよい。
【０１０９】
また、上記した実施例では、制御装置５において、教師データからパラメータを算出する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、制御装置５以外の装置にて、教師データからパラメータを算出し、その算出結果を、制御装置５に格納する場合であってもよい。
【０１１０】
また、本実施例では、自立型電源を構成する蓄電池が、ニッケル水素蓄電池である場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、自立型電源を構成する蓄電池が、例えば、鉛蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池やリチウム蓄電池などである場合であってもよい。すなわち、本発明によれば、任意の蓄電池の残容量および残容量に基づく劣化度を精度よく推定することが可能になる。
【０１１１】
また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。さらに、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部または任意の一部が、ＣＰＵおよび当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。
【０１１２】
なお、本実施例で説明した残容量推定方法は、あらかじめ用意されたプログラムをパーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータで実行することによって実現することができる。このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
以上のように、本発明に係る残容量推定方法および残容量推定装置は、太陽電池および太陽電池が発生した電力を用いて充放電を行なう蓄電池から構成される自立型電源において、蓄電池の残容量を推定する場合に有用であり、特に、蓄電池の残容量を精度良く推定することに適する。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本実施例における自立型電源システムの構成を説明するための図である。
【図２】本実施例において用いられるニッケル水素蓄電池を説明するための図である。
【図３】教師データの一例を説明するための図である。
【図４】教師データの組み合わせを説明するための図である。
【図５】パラメータ算出部に用いられるモデルを説明するための図である。
【図６】本実施例における制御装置のパラメータ算出処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】本実施例における制御装置の自立型電源運用開始後の処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】比較例において用いられたモデルを説明するための図である。
【図９】比較例において用いられた教師データの組み合わせを説明するための図である。
【図１０】比較例において算出された残容量出力用パラメータを説明するための図である。
【図１１】比較結果を説明するための図（１）である。
【図１２】比較結果を説明するための図（２）である。
【符号の説明】
【０１１５】
１  ＰＶパネル
２  ニッケル水素蓄電池
３  コントローラ
４  負荷
５  制御装置
５１  パラメータ算出部
５２  パラメータ記憶部
５３  残容量算出部
５４  劣化度算出部
５５  充放電制御部
６  シャント抵抗
７  電池切り離しスイッチ
８  負荷切り離しスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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