(57)【要約】  出力が変動する発電装置から電力を受電し、及び、外部に電力を供給する電源装置であって、  受動素子としてのキャパシタ素子より高い貯蔵電力量及び／又は低い自己放電率を有し、且つ、二次電池より高い充放電効率及び／又は高い応答性を有するとともに、前記発電装置の電力を受電し、及び、外部に電力を放電する電力貯蔵デバイスと、  前記電力貯蔵デバイスから外部への電流を制御する電流制御部と、  前記発電装置の発電量が最大になるように、前記電力貯蔵デバイスの充放電を行って、前記発電装置の電流及び電圧を制御する制御部と、を備える電源装置。
2013129683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力が変動する発電装置から電力を受電し、及び、外部に電力を供給する電源装置であって、
受動素子としてのキャパシタ素子より高い貯蔵電力量及び／又は低い自己放電率を有し、且つ、二次電池より高い充放電効率及び／又は高い応答性を有するとともに、前記発電装置の電力を受電し、及び、外部に電力を放電する電力貯蔵デバイスと、
前記電力貯蔵デバイスから外部への電流を制御する電流制御部と、
前記発電装置の発電量が最大になるように、前記電力貯蔵デバイスの充放電を行って、前記発電装置の電流及び電圧を制御する制御部と、を備える電源装置。
【請求項２】
前記電力貯蔵デバイスの入出力電流を計測する第１電流センサと、
前記電力貯蔵デバイスの電圧を計測する第１電圧センサと、
前記発電装置の電流を計測する第２電流センサと、を備え、
前記制御部は、第１電圧センサと、第２電流センサとによって、前記発電装置の電力を算出し、前記発電装置からの電力を最大にするように、前記電流制御部を制御する、請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記電力貯蔵デバイスは、リチウムイオンキャパシタである、請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記発電装置は、太陽光発電装置又は風力発電装置である請求項１〜３の何れか１項に記載の電源装置。
【請求項５】
外部負荷の消費電力が、前記発電装置より大きい場合、前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスから外部に放電し、
外部負荷の消費電力が、前記発電装置より小さい場合、前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスから外部に充電する、請求項１〜４の何れか１項に記載の電源装置。
【請求項６】
第１〜第ｎ（ｎは２以上の自然数）の電力貯蔵デバイスとを備え、
前記第１の電力貯蔵デバイスは、前記第１の発電装置と並列に接続し、
前記第ｎの電力貯蔵デバイスは、前記第ｎの発電装置と並列に接続し、
さらに、前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスのそれぞれが直列に接続され、
前記第１〜第ｎの発電装置のそれぞれがダイオードを介して直列に接続されている請求項１〜５の何れか１項に記載の電源装置。
【請求項７】
前記電流制御部は、直列に接続されている、前記第１の電力貯蔵デバイスの＋端子と前記第ｎの電力貯蔵デバイスの−端子との間に接続して、前記両端子間の電圧を所定の電圧に変換し、
前記制御部は、前記両端子間の電圧の変化に応じて前記電流制御部による変換動作を制御する請求項６に記載の電源装置。
【請求項８】
前記電流制御部の出力端には、直列に接続された複数の蓄電デバイスが接続され、
前記制御部は、前記両端子間の電圧の変動に応じて前記電流制御部による変換動作が制御し、
前記電流制御部による変換動作により、前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスからの電力が前記複数の蓄電デバイスに充電される請求項７に記載の電源装置。
【請求項９】
前記第１の電力貯蔵デバイスの端子間には、第１の切替スイッチが接続され、
前記第ｎの電力貯蔵デバイスの端子間には、第ｎの切替スイッチが接続され、
これら第１〜第ｎの切替スイッチには、母線の電圧を所定の電圧に変換する第１の電圧変換部が接続され、
前記制御部は、それぞれの前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスの端子間電圧の変動に応じて前記第１〜第ｎの切替スイッチがオン又はオフされるとともに、前記第１の電圧変換部による変換動作を制御し、
前記第１の電圧変換部によって変換された電力が、オンされた前記第１〜第ｎの切替スイッチを介し、対応する前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスに充電される請求項６〜８の何れか１項に記載の電源装置。
【請求項１０】
前記第１の電力貯蔵デバイスの＋端子と前記第ｎの電力貯蔵デバイスの−端子との間には、該両端子間の電圧を所定の電圧に変換するとともに、前記母線の電圧を所定の電圧に変換する第２の電圧変換部が接続され、
直列に接続されている、前記複数の蓄電デバイスの全体の両端には、該両端の電圧を所定の電圧に変換するとともに、前記母線の電圧を所定の電圧に変換する第３の電圧変換部が接続され、
前記制御部は、前記母線の電圧の変動に応じて前記第２の電圧変換部及び／又は前記第３の電圧変換部による変換動作を制御し、
前記母線の電圧が安定するまで前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイス、及び／又は前記複数の蓄電デバイスにおける充放電が行われる請求項９に記載の電源装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れかに記載の電源装置と、前記電源装置が出力する電力を貯蔵する蓄電デバイスを備える蓄電装置。
【請求項１２】
請求項１〜１０の何れかに記載の電源装置、又は請求項１１に記載の蓄電装置と、前記電源装置に接続する太陽光発電装置又は風力発電装置とを備える蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力が変動する電源から電力を受電して、外部に電力を供給する電源装置、蓄電装置、及び蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題を考慮して太陽光、風力、波力、潮力、潮汐等の自然エネルギーを利用した電源装置の開発が進められている。しかし、自然エネルギーを利用する発電方式は、エネルギー密度が低い他、その発電による出力が気象条件に影響されて、変動し、常時安定した電力供給を行うことができないという欠点がある。【０００３】
例えば、下記特許文献１には、風力発電機の過電流が、二次電池に流れ込むことを回避するために、風力発電機の平滑コンデンサの電圧を検出し、二次電池と略同じ電圧となったとき、二次電池と風力発電機を接続し、電圧が異なるとき、限流回路を経由して風力発電機と二次電池を接続する風力発電装置が提案されている。【０００４】
また、特許文献２には、蓄電器の複数の蓄電セルを直列に接続し、充電制御部により、セル電圧検知部による各セル電圧の検知結果からセル電圧が最も低い蓄電セルを特定すると、複数の蓄電セルの間にそれぞれ接続された複数のスイッチを個別にオンオフ制御し、太陽電池で得られた電力をその特定した蓄電セルに充電させることで、各蓄電セルの残容量を効率良く均等化することができるようにした充電制御装置が示されている。【０００５】
また、非特許文献１には、複数の太陽電池モジュールの各々にコンデンサを並列に接続し、いずれかの太陽電池モジュールに影がかかった場合、その太陽電池モジュールをＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ―Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により一次的に太陽電池モジュールのアレイから切り離し、他のコンデンサへの充電が十分に行われた後、切り離した太陽電池モジュールを再びアレイと接続するようにした太陽光発電システムが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０８０５
【特許文献２】特開２００９−１４２０７１
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「清水  俊秀，  吉田  俊哉，  大庭  勝實，「影による電力低下を改善した太陽光発電システム」，電気学会論文誌Ｄ，ｖｏｌ．  １２６，２００６，ｐｐ．  ９２−９３」
【発明の概要】
【０００８】
特許文献１に記載の風力発電装置は、風速が強い的に生じる過電流に対して、限流抵抗等によって構成される限流回路によって、二次電池へ流れる電流を制御して、二次電池を保護できる。また、限流回路の上段には、直流コンデンサが設けられるが、これは、電圧の搖動を防ぐものである。このように、開示の風力発電装置は、風速が弱い時の低電流発電時の電力の有効回収に対しては何ら開示されていない。風力発電機の電力を、直接二次電池に接続すると、風速が弱く、二次電池の電圧に届かず、風力発電機の電力を得ることができない。
【０００９】
また、太陽光発電の場合も、照射光のエネルギーが弱い場合、二次電池の電圧に届かず、太陽光発電機の電力を得ることができない。
【００１０】
また、特許文献２に記載の充電制御装置は、蓄電器の各蓄電セルが充電制御部により均等に充電されるが、このような充電制御装置では、単に太陽電池で得られた電力が、それぞれの蓄電セルの間にスイッチを介して蓄電セルに充電させる構成となっている。しかも、その蓄電セルはリチウムイオン電池セルのように応答性が低く、充放電効率が低いものとなっている。
【００１１】
また、この場合、太陽電池モジュールの一部に発電電力低下があると、出力低下を伴った太陽電池モジュールの影響を受けて、太陽電池全体の発電効率が低下するとともに、コンバータでの電圧変換ロスが大きくなるため、蓄電セルへの効率の良い充電を行うことができない。
【００１２】
また、非特許文献１に記載の太陽光発電システムでは、複数の太陽電池モジュールの各々にコンデンサが並列に接続され、いずれかの太陽電池モジュールに影がかかった場合、その太陽電池モジュールが一次的に太陽電池モジュールのアレイから切り離されるため、出力低下を伴った太陽電池モジュールの影響を受けずに、コンデンサへの充電が行われるようになっている。
【００１３】
ところが、このような太陽光発電システムでは、出力低下を伴った太陽電池モジュールの影響を避けるために、影がかかった太陽電池モジュールをアレイから切り離すためのＭＯＳＦＥＴをそれぞれの太陽電池モジュールの間に介在させる必要がある。このように、影などにより発電電力が低下したモジュールは、アレイから切り離されるので、太陽電池モジュールが複数直列接続されたアレイが形成される場合には、他の太陽電池モジュールは最大電力点で発電できなくなる。そのため、この発電電力が低下した太陽電池モジュールに影響されて太陽電池全体としての発電電力を十分引き出すことができない。
【００１４】
このように、従来提案されている自然エネルギーから発電された電力を充電する装置は、電力が低下する場合に、効率良く電力を充電することができなかった。
【００１５】
一実施形態に係る電源装置は、出力が変動する電源から電力を受電して、電力を効率良く蓄電するとともに、外部へ電力を供給することを目的とする。
【００１６】
上記課題を解決する形態は、以下の項目のようなものである。
１．出力が変動する発電装置から電力を受電し、及び、外部に電力を供給する電源装置であって、
受動素子としてのキャパシタ素子より高い貯蔵電力量及び／又は低い自己放電率を有し、且つ、二次電池より高い充放電効率及び／又は高い応答性を有するとともに、前記発電装置の電力を受電し、及び、外部に電力を放電する電力貯蔵デバイスと、
前記電力貯蔵デバイスから外部への電流を制御する電流制御部と、
前記発電装置の発電量が最大になるように、前記電力貯蔵デバイスの充放電を行って、前記発電装置の電流及び電圧を制御する制御部と、を備える電源装置。
【００１７】
電源装置は、太陽光発電や風力発電等の発電装置と電力貯蔵デバイスの間は絶縁されず常に、発電装置と電力貯蔵デバイスが並列回路を構成して、発電装置から電力を受電して、電力を効率良く蓄電するとともに、外部へ電力を供給することができる。
【００１８】
２．前記電力貯蔵デバイスの電圧を計測する第１電圧センサと、
前記電力貯蔵デバイスの入出力電流を計測する第１電流センサと、
前記発電装置の電流を計測する第２電流センサと、を備え、
前記制御部は、第１電圧センサと、第２電流センサとによって、前記発電装置の電力を算出し、前記発電装置からの電力を最大にするように、前記電流制御部を制御する、項目１に記載の電源装置。
【００１９】
電源装置は、発電装置からの電流を第２電流センサによって計測し、電力貯蔵デバイスからの電流の第１電流センサによる計測結果および第１電圧センサによる電圧測定結果を用いて電力を算出し、太陽光発電からの電力を最大にするように電流制御部の電流制御を行う。
【００２０】
３．前記電力貯蔵デバイスは、リチウムイオンキャパシタである、項目１又は２に記載の電源装置。
【００２１】
４．前記発電装置は、太陽光発電装置又は風力発電装置である項目１〜３の何れか１項に記載の電源装置。
【００２２】
５．外部負荷の消費電力が、前記発電装置より大きい場合、前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスから外部に放電し、
外部負荷の消費電力が、前記発電装置より小さい場合、前記制御部は、前記電力貯蔵デバイスに充電する、項目１〜４の何れか１項に記載の電源装置。
【００２３】
６．第１〜第ｎ（ｎは２以上の自然数）の電力貯蔵デバイスとを備え、
前記第１の電力貯蔵デバイスは、前記第１の発電装置と並列に接続し、
前記第ｎの電力貯蔵デバイスは、前記第ｎの発電装置と並列に接続し、
さらに、前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスのそれぞれが直列に接続され、
前記第１〜第ｎの発電装置のそれぞれがダイオードを介して直列に接続されている項目１〜５の何れか１項に記載の電源装置。
【００２４】
このような構成では、電源装置は、最大電力点での出力に影響を与えず、第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスの各々は、対応する第１〜第ｎの発電装置の最大電力点での電力の充電が可能となる。
【００２５】
例えば、第１〜第ｎの発電装置を、太陽電池とした場合、それぞれが互いに直列に接続されているため、いずれかの太陽電池に影がかかると、太陽電池全体の出力が低下してしまう。ところが、それぞれの太陽電池に第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスが並列に接続されており、しかも、太陽電池同士がダイオードを介して直列に接続されていることで、影のかからない太陽電池に接続されているいずれかの第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスへの充電を、影のかかったいずれか太陽電池の影響を受けずに行わせることができる。つまり、影のかかった太陽電池は、ダイオードの作用により、影のかからない太陽電池から切り離されるため、影のかからない太陽電池は影のかかった太陽電池の影響を受けずにすむことになる。
【００２６】
７．前記電流制御部は、直列に接続されている、前記第１の電力貯蔵デバイスの＋端子と前記第ｎの電力貯蔵デバイスの−端子との間に接続して、前記両端子間の電圧を所定の電圧に変換し、
前記制御部は、前記両端子間の電圧の変化に応じて前記電流制御部による変換動作を制御する項目６に記載の電源装置。
【００２７】
このような構成では、電流制御部を駆動させることで、第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスの全体の電圧が、第１〜第ｎの発電装置の最大の電力を出力できる動作電圧に合わせられ、第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスを運用できる上限電圧付近での利用を避けられるため、第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスにおける自己放電ロスが小さくなり、高効率での充電が可能となる。
【００２８】
８．前記電流制御部の出力端には、直列に接続された複数の蓄電デバイスが接続され、
前記制御部は、前記両端子間の電圧の変動に応じて前記電流制御部による変換動作が制御し、
前記電流制御部による変換動作により、前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスからの電力が前記複数の蓄電デバイスに充電される項目６に記載の電源装置。
【００２９】
制御部により、第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスの全体の電圧の変動に応じて電流制御部が駆動され、第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスからの電力が複数の蓄電デバイスに充電されることで、第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスに貯蔵された電力量の余剰分を複数の蓄電デバイスに移し換えることが可能となる。
【００３０】
９．前記第１の電力貯蔵デバイスの端子間には、第１の切替スイッチが接続され、
前記第ｎの電力貯蔵デバイスの端子間には、第ｎの切替スイッチが接続され、
これら第１〜第ｎの切替スイッチには、母線の電圧を所定の電圧に変換する第１の電圧変換部が接続され、
前記制御部は、それぞれの前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスの端子間電圧の変動に応じて前記第１〜第ｎの切替スイッチがオン又はオフされるとともに、前記第１の電圧変換部による変換動作を制御し、
前記第１の電圧変換部によって変換された電力が、オンされた前記第１〜第ｎの切替スイッチを介し、対応する前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスに充電される項目６〜８の何れか１項に記載の電源装置。
【００３１】
第１の電圧変換部によって変換された電力が第１〜第ｎの切替スイッチのいずれかを介し、第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスのいずれかに充電されることにより、互いに直列に接続されている第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスの電圧不均衡が補完され、第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスの両端間の電圧低下を抑制することができる。
【００３２】
１０．前記第１の電力貯蔵デバイスの＋端子と前記第ｎの電力貯蔵デバイスの−端子との間には、該両端子間の電圧を所定の電圧に変換するとともに、前記母線の電圧を所定の電圧に変換する第２の電圧変換部が接続され、
直列に接続されている、前記複数の蓄電デバイスの全体の両端には、該両端の電圧を所定の電圧に変換するとともに、前記母線の電圧を所定の電圧に変換する第３の電圧変換部が接続され、
前記制御部は、前記母線の電圧の変動に応じて前記第２の電圧変換部及び／又は前記第３の電圧変換部による変換動作を制御し、
前記母線の電圧が安定するまで前記第１〜第ｎの電力貯蔵デバイス、及び／又は前記複数の蓄電デバイスにおける充放電が行われる項目９に記載の電源装置。
【００３３】
制御部により、第２の電圧変換部及び／又は第３の電圧変換部による変換動作が制御されことで、母線と第１〜第ｎの電力貯蔵デバイスとの間での充放電、及び／又は母線と複数の蓄電デバイスとの間での充放電が制御され、負荷の稼働状況に応じて変動する母線の電圧が安定化される。
【００３４】
１１．項目１〜１０の何れかに記載の電源装置と、前記電源装置が出力する電力を貯蔵する蓄電デバイスを備える蓄電装置。
【００３５】
１２．項目１〜１０の何れかに記載の電源装置、又は項目１１に記載の蓄電装置と、前記電源装置に接続した太陽光発電装置又は風力発電装置とを備える蓄電システム。
【００３６】
一実施形態に係る電源装置は、出力が変動する電源から電力を受電して、電力を効率良く蓄電するとともに、外部へ電力を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】電源装置の構成の一例を示す図である。
【図２Ａ】エネルギーを貯蔵する様々なデバイスを示す図である。
【図２Ｂ】日射強度と、発電曲線の関係を示す図である。
【図３】風力発電機に適用した電源装置の詳細例を示す電気回路図である。
【図４】風力発電と風速の関係を示す図である。
【図５】風力発電の発電電力と、電源装置の受電能力の一例を示す図である。
【図６】太陽光発電装置に接続した電源装置の構成例を示す図である。
【図７】複数の発電装置に接続する電源装置の構成の一例を示す図である。
【図８Ａ】太陽光発電装置に接続した電源装置の回路図である。
【図８Ｂ】太陽光発電装置に接続した電源装置の回路図である。
【図８Ｃ】太陽光発電装置に接続した電源装置の回路図である。
【図８Ｄ】太陽光発電装置に接続した電源装置の回路図である。
【図８Ｅ】太陽光発電装置に接続した電源装置の回路図である。
【図８Ｆ】太陽光発電装置に接続した電源装置の回路図である。
【図９】電源装置を車両に適用した場合の構成例を示す図である。
【図１０】電源装置を、他の電源に適用した場合を説明する回路図である。
【図１１】電源装置を、他の電源に適用した場合を説明する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の電源装置の実施形態の詳細を、図面を参照して説明する。本実施形態に係る電源装置は、出力が変動する発電装置から電力を受電し、及び、外部に電力を供給するものである。出力が変動する発電装置として、太陽光発電装置、風力発電装置、水力発電装置、波力発電装置、潮力発電装置、潮汐発電装置、振動発電装置がある。なお、本発明の電源装置は、出力が一定に保たれる火力発電装置、ディーゼル発電装置、燃料電池発電装置とも接続するが、その接続方法は、出力が変動する発電装置とは異なる。
【００３９】
まず、［１］第１実施形態として、発電装置が、単数のケース、［２］第２実施形態として、発電装置が複数のケース、［３］第３実施形態として、電源装置を車両に適用したケースを説明する。
【００４０】
［１］第１実施形態
第１実施形態は、発電装置が、単数のケースである。
［１．１］電源装置
図１は、本実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す図である。図１に示される本電源装置１００は、出力が変動する発電装置５から電力を受電し、及び、外部に電力を供給する電源装置であって、受動素子としてのキャパシタ素子より高い貯蔵電力量及び／又は低い自己放電率を有し、且つ、二次電池より高い充放電効率及び／又は高い応答性を有するとともに、前記発電装置の電力を受電し、及び、外部に電力を放電する電力貯蔵デバイス２０と、前記電力貯蔵デバイスから外部への電流を制御する電流制御部６０と、前記発電装置の発電量が最大になるように、前記電力貯蔵デバイスの充放電を行い、前記発電装置の電流及び電圧を制御する制御部８０と、を備える。
【００４１】
電源装置１００はさらに、電力貯蔵デバイス２０の電圧を計測する電圧センサ６２ａと、電力貯蔵デバイス２０の入出力電流を計測する電流センサ６２ｂと、発電装置の電流を計測する電流センサ６３と、を備える。
【００４２】
電源装置１００が受電する発電装置は、例えば、風力発電機や、太陽光発電装置である。以下、電源装置１００の各構成要素について説明する。
【００４３】
［１．１．１］電力貯蔵デバイス
図２Ａは、エネルギーを貯蔵する様々なデバイスを説明する図である。表１には、リチウムイオンキャパシタ、超電導磁気エネルギー貯蔵（ＳＭＥＳ）、電気二重層キャパシタ、又は、二次電池としてのニッケル水素電池、リチウムイオン電池、及び鉛蓄電池等が示される。破線５００の左側は、直流抵抗が小さく、且つ、充放電効率が高いデバイスであり、破線５００の右側は、直流抵抗が大きく、且つ、充放電効率が低いデバイスである。
【００４４】
図示されるように、これらのデバイスは、貯蔵電力量［Ｗｈ］と、最大出力［Ｗ］で分類される。また、これらのデバイスは、以下のように、入出力応答性又は充放電効率で分けられる。
【００４５】
Ａ．入出力応答性
周知のように、電力貯蔵デバイスの入出力応答性と電力貯蔵デバイスの定格電気出力との間には正の相関関係がある。言い換えれば、電力貯蔵デバイスの定格電気出力が大きいほど、電力貯蔵デバイスの入出力応答性が高くなり、電力貯蔵デバイスの定格電気出力が小さいほど、電力貯蔵デバイスの入出力応答性が低くなる。
【００４６】
Ｂ．充放電効率
また、周知のように、電力貯蔵デバイスの充放電効率と電力貯蔵デバイスの直流抵抗の間には負の相関関係がある。言い換えれば、電力貯蔵デバイスの直流抵抗が小さければ電力貯蔵デバイスの充放電効率は高くなり、電力貯蔵デバイスの直流抵抗が大きければ電力貯蔵デバイスの充放電効率は低くなる。なお、電気回路で用いられる受動素子としてのキャパシタは、貯蔵電力量が極めて低いので、図示できない。
【００４７】
表１は、電力貯蔵デバイスの応答性、充放電効率、自己放電率を示す表である。本電源装置に適用される電力貯蔵デバイスは、出力が変動する複数の電源のうち、１つの電源の出力が低下しても、他の電源がその最大電力点で動作するように、電源の出力が落ちても、貯蔵電力により電力を維持するように構成される。また、電源の電力変化が頻繁であると、充放電効率が低いと、電源により生じた電力をロスしてしまう。そこで、本電源装置に適用される電力貯蔵デバイスは、高い充放電効率を有する。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
Ｃ．貯蔵電力量及び自己放電率
また、電気回路で用いられる受動素子としてのコンデンサ（「キャパシタ素子」とも言う）のように、貯蔵電力量が小さく且つ自己放電率［％／月］が高いと、放電により、速やかに電圧が低下するので、他の電力貯蔵デバイスが、長時間最大電力点で動作することはできない。そのため、本電源装置に適用される電力貯蔵デバイスは、貯蔵電力により電圧を維持し、実質的に自己放電が無いような、低い自己放電率が要求される。
【００５０】
上記のように、「リチウムイオンキャパシタ」及び「電気ニ重層キャパシタ」は、受動素子としてのキャパシタ素子より高い貯蔵電力量及び／又は低い自己放電率を有し、且つ、二次電池より高い充放電効率及び／又は高い応答性を有する。
【００５１】
本電源装置に適用される電力貯蔵デバイスは、高い入出力応答性、高い充放電効率、貯蔵電力により電圧を維持する貯蔵電力量、及び低い自己放電率が求められるので、図２Ａに示す「リチウムイオンキャパシタ」、「ＳＭＥＳ」に相当する。
【００５２】
［１．１．２］電流制御部
電流制御部６０は、電力貯蔵デバイスから外部への電流を制御する。
電流制御部６０は、開閉動作を行うスイッチング素子、電流制御用のスイッチング素子、昇圧回路、降圧回路、回路制御部を備える。電流制御用のスイッチング素子は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等から構成され、回路制御部が、制御部８０から供給される制御信号に従ってＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御して、出力電流量を制御する。昇圧回路は、電力貯蔵デバイス２０が、外部電圧より低い場合、昇圧し、降圧回路は、電力貯蔵デバイス２０が外部電圧より高い場合、降圧する。
【００５３】
［１．１．３］制御部
制御部８０は、発電装置の発電量が最大になるように、電力貯蔵デバイスの充放電を行い、発電装置の電流及び電圧を制御する。制御部８０は、データやプログラムを格納する記憶部、数値演算処理を行う処理部を有する。記憶部には、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）処理を行う制御プログラムや、後述するテーブル参照法で用いる発電データが格納される。
【００５４】
制御部８０は、制御プログラムを実行して、各種センサ６２ａ、６２ｂ、６３から受信した電流または電圧を示す電気信号をもとに、電流制御部６０等に制御信号を出力して、発電装置からの電力が最大になるように、ＭＰＰＴ処理を実現する。
【００５５】
制御部８０は、発電装置５の電力と電力貯蔵デバイス２０の電力とをそれぞれ分けて算出する。例えば、太陽光発電が１０Ａ出力時に、電流制御部６０により外部へ５Ａ供給、電力貯蔵デバイスへ５Ａ充電していて、電圧を下げた方が、ＭＰＰＴ効率が上がると判断した場合、制御部８０は、電力貯蔵デバイスから放電して電力貯蔵デバイスの電圧を下げなければならないので、電流制御部６０によって電力貯蔵デバイス２０への充電電流を超える電流（放電させるために５Ａ以上の電流）を外部側へ輸送しなくてはならない。そのため、電流センサは、電力貯蔵デバイス側の６２ｂと、発電装置側の６３が必要になる。
【００５６】
Ａ．ＭＰＰＴ処理
ＭＰＰＴ処理について説明する。電力は電流と電圧の積で求められ、電圧と電流を適切なバランスで制御することによって取り出せる電力の値を最大化することができる。そのため、制御部８０は、発電装置が、最大電力点で動作できるように、電圧と電流を変えるＭＰＰＴ制御（最大電力点追従制御）を行う。
【００５７】
制御部８０は、ＭＰＰＴ制御として、「山登り法」及び／又は「テーブル参照法」を行う。
【００５８】
山登り制御方式は、実際に発電装置から出力される電圧又は電流を検出し電流を小刻みに変動させ、制御前と制御後の電力を比較し、動作点を最大電力点まで追従させる方式である。
【００５９】
図２Ｂを用いて、太陽光発電制御における山登り法を説明する。図２Ｂは、日射強度と、発電曲線の関係を示す図である。図２Ｂの中で、山なりになっているものが電力の曲線でこの頂上を目指して出力電流の値を変えることで、電圧点が動き、結果山を登っているように見えるので「山登り法」という名前がついている。日射強度や気温がまずきまり、その条件の中で電流を変更することで電圧も決まる。例えば、パネル温度２５℃、６００Ｗ／ｍ２の日射強度があるとき、電流を流せない場合（負荷や、二次電池がない場合）、電圧は開放電圧約２８Ｖ、電流は０Ａになる。ここで、負荷を接続して電流を４Ａ流せるようになると電圧は２６Ｖか１７Ｖになる。次に５Ａにすると電圧は２２Ｖ程度になり、最大電力点になる。このように太陽電池から出力される電流を変化させて最大電力点を常に探して制御することができる。
【００６０】
風力発電では、風力発電の電気出力は風力発電の発電機にとって機械的な負荷になる。つまり、電流を無限大にとれるような設計をする（風力発電機の出力端を短絡する、負荷へ超大電流を流せる状態にする）と、風によって発電機を回すために必要な回転力も無限大になる。つまり、風車は回らなくなり、電気出力は０Ｗになる。要するに、強い風があっても取り出す電流（電力）次第では回転数は０（出力端短絡）にも非常によく回るようにもなる（出力端開放）。
【００６１】
ここで、太陽光発電と同様に、風力発電機から取り出す電流を少しずつ上げたり下げたりするとそれに応じて、風力発電機の発電電圧が下がったり上がったりする。この時、電流と電圧を計測しておいて最大の電力となるような電流を探せば山登り法となる。
【００６２】
テーブル参照法はあらかじめ太陽光発電や風力発電の各種状況における発電データを集めておいて、テーブル化しそれをＭＰＰＴ制御器にインプットしておきそれを参照する制御法である。テーブル参照法は、データが細かく取ってあれば、楽にＭＰＰＴ制御できる利点があるが、あらかじめ取っておくデータが膨大になる点が欠点となる。太陽光発電の場合、設置角度による日射光の種類の違い、気温、日射強度、直並列数などパラメータが多すぎてテーブル参照法は利用が難しい。風力発電は、風速と電力の関係をあらわすデータがあれば比較的よく最大電力点を推定できるので、テーブル参照法が用いられることもある。
【００６３】
風力発電の場合、風速計を設置し、その風速からテーブルを参照して最大電力となる電流を決定する。その結果、風力発電の電気出力と風による機械入力が釣り合って最大電力を出力する。
【００６４】
Ｂ．外部負荷制御
電源装置１００の外部に、二次電池が接続されている場合の負荷制御について説明する。太陽光発電などの発電電力が、負荷の消費電力より大きい場合、電流制御部６０は常に負荷に電力を供給し続け、余った電力によって電力貯蔵デバイスを充電するか、電流制御部６０によって外部にある二次電池に充電する。このとき、電力貯蔵デバイス電圧が上昇すると、発電装置の最大電力点から逸脱してしまいＭＰＰＴ効率が低くなる。他方で、電流制御部６０を用いて外部に電力を供給すると、電力制御部６０の効率、二次電池の充放電効率の分だけ電気エネルギーを損失する。また、低電流を輸送するために、電流制御部６０を動作させるとその変換効率自体が大きく低下する。
【００６５】
そこで、ＭＰＰＴ効率の低下による損失分（風や日射があるにもかかわらず発電できないという機会損失）と、二次電池を充電する場合の損失分（輸送電流によって変換効率が変動することまで考慮した変換器効率と二次電池充放電効率）を演算及び比較して、制御部８０は、損失が少ない方を選択する。
【００６６】
太陽光発電などの発電電力より、負荷の消費電力が高い場合は、風力や太陽光発電などの出力があるとき、電流制御部６０は、常に太陽光発電などの出力に等しい電力を負荷に電力を供給し続け、足りない電力は電流制御部６０を通じて電力貯蔵デバイスから追加で放電する。電力貯蔵デバイスの電圧低下によるＭＰＰＴ効率の低下と電流制御部６０での変換損失（上記と違って、二次電池の充放電効率が含まれない。二次電池が放電している状態であるので、電流制御部６０で運ばれてきた電力は二次電池に充電されない)を演算及び比較してより損失が少ない方を、制御部８０は選択する。
【００６７】
［１．１．４］蓄電池
蓄電池４０は、例えば、表１に示したリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池である。蓄電池４０は、電力貯蔵デバイスが放電した電力を蓄える。蓄電池４０は、外部の電力需要に応じて、充放電動作する。
【００６８】
［１．２］風力発電機から受電する電源装置
図３は、風力発電機から受電する電源装置の構成例を示す図である。風力発電機は、交流電源であるので、図３に示す電源装置１００は、変圧器及び整流器７を介して、風力発電機としての交流電源の発電装置１０と接続する。図３に示す変圧器及び整流器７は、４タップ切替トランス７ａ、タップ切替用電磁開閉器７ｂ、整流器７ｃを有する。４タップ切替トランス７ａは、発電装置１０の出力電圧が電力貯蔵デバイス２０の上限及び下限電圧の範囲内になるように電圧変換を行うものである。タップ切替用電磁開閉器７ｂは、発電装置１０の出力電圧に応じて電力貯蔵デバイス２０へ印加する電圧の切替を行うものである。整流器７ｃは、交流出力の発電装置１０からの交流電力を直流電力へと電力変換するものである。
【００６９】
図３に示すように、電力貯蔵デバイス２０は、風力発電機の電圧に対応して、直列で接続してもよい。
【００７０】
図４は、風力発電と風速の関係を示す図である。陸地では、一般に風速２〜４ｍの風が多い。これらの低風速の風から発電できる風力発電機は、近年多々開発されているが、風力発電機に接続される電力変換器の電力変換効率が著しく低下してしまうため、風力発電機からの発電電力を利用することができない。そのため、出現する頻度が高く年間を通じた発電量のうち、多くの割合を占める０〜４ｍの風から発電した電力を利用することができなかった。
【００７１】
図５は、風力発電の発電電力と、電源装置の受電能力の一例を示す図である。電力貯蔵デバイスには、リチウムイオンキャパシタを用いている。図４に示すように、電源装置１００は、低風速でも蓄電可能であるため、図１に示す年間総発電量に対して多くの割合を占めることが期待できる０〜４ｍの風速の発電電力も蓄電できる。
【００７２】
［２］第２実施形態
第２実施形態は、発電装置が、複数のケースである。
［２．１］電源装置
ここでは、本発明の電源装置を、たとえば次世代の電力ネットワークであるスマートグリッドに適用した場合として説明する。
【００７３】
図６は、電源装置の構成例を示す図である。電源装置としてのＰＶ（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ａｒｒａｙ）１０ａ〜１０ｃは、１４直列×１７５並列で配置された太陽電池モジュールで構成される。ＰＶ１０ａ〜１０ｃの各々は、太陽電池モジュールが１４直列されたアレイを構成する。太陽電池モジュールは、複数のセルで構成される。
【００７４】
図７は、複数の発電装置に接続する電源装置の構成の一例を示す図である。図７に示す電源装置１００は、ＰＶ毎に電力貯蔵デバイスが設けられ、その間にダイオード３０ａ〜３０ｃが設けられている。
【００７５】
図７に示すように、ＰＶ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは直列に接続されているため、いずれかのＰＶに影がかかると、影がかかったＰＶだけでなく、影がかかったＰＶが抵抗としてはたらき他のＰＶの出力も低下し、結果としてＰＶ全体の出力が低下してしまう。ところが、それぞれのＰＶ１０ａ、１０ｂ、１０ｃに電力貯蔵デバイス２０ａ、２０ｂ、２０ｃが並列に接続されており、しかも、ＰＶ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ同士がダイオード３０を介して直列に接続されていることで、影のかからないＰＶ１０ａ又は１０ｂ又は１０ｃに接続されている電力貯蔵デバイス２０ａ又は２０ｂ又は１０ｃへの充電を、影のかかったいずれかＰＶ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの影響を受けずに行わせることができる。
【００７６】
つまり、影のかかったＰＶ１０ａ又は１０ｂ又は１０ｃの電圧が電力貯蔵デバイス２０ａ又は２０ｂ又は２０ｃの電圧より低くなると、ＰＶ１０ａ又は１０ｂ又は１０ｃの＋端子に接続されたダイオード３０の作用により、電力貯蔵デバイス２０ａ又は２０ｂ又は２０ｃから切り離されるため、影のかからないＰＶ１０ａ又は１０ｂ又は１０ｃは影のかかったＰＶ１０ａ又は１０ｂ又は１０ｃの影響を受けずにすむことになる。なお、ダイオード３０は、たとえばＰＶ１０ｃに影がかかり、その＋端子の電圧が電力貯蔵デバイス２０ｂの＋端子の電圧より下がると逆バイアスされ、導通が無くなるように作用する。
【００７７】
［２．２］電源装置の回路図
図８Ａ〜図８Ｆは、太陽光発電装置に接続した電源装置を説明する回路図である。この実施形態では、電力貯蔵デバイスにリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ：Ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を、蓄電池にリチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ：Ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｙ）を用いている。
【００７８】
図８Ａ〜図８Ｆに示す電源装置１００はさらに、切替スイッチ５０ａ〜５０ｄ、電流制御部としてのコンバータ６０ａ、その他電源装置１００の外部との充放電用コンバータ６０ｂ〜６０ｄ、保護回路７０ａ、７０ｂ、制御部（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）８０を備えている。
【００７９】
また、同符号９０ａは検出ラインを示し、同符号９０ｂは制御ラインを示し、同符号２００は母線電圧がたとえばＤＣ３８０Ｖのスマートグリッドにおける母線（ＤＣ  Ｂｕｓ）を示している。なお、ここでは、スマートグリッドにおける母線２００を例に上げているが、これに限らず、直流または交流および母線電圧に限定はなく用いることができる。また、符号ａ〜ｗ、ｘ−１〜ｘ−６は、制御部８０が電圧等を検出するための接続点を示している。なお、これらの接続点ａ〜ｗ、ｘ−１〜ｘ−６以外にも制御部８０が検出する接続点は複数存在するが、ここでは主立ったものだけを示している。
【００８０】
ここで、ＰＶ１０ａ〜１０ｄとしては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンアモルファスシリコン、薄膜シリコン等の各種素材により構成されたものを用いることができる。また、それぞれのＰＶ１０ａ〜１０ｄにあっては、その定格出力が同じか、ほぼ同程度とされている。このように、それぞれのＰＶ１０ａ〜１０ｄの定格出力が同じか、ほぼ同程度とされていることで、たとえばＰＶ１０ａ〜１０ｄが直列に接続されていて、日照条件が同じである場合、ＰＶ１０ａ〜１０ｄ全体の出力低下の抑制が可能となる。
【００８１】
ちなみに、それぞれのＰＶ１０ａ〜１０ｄの最大電力点（ＭＰＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ）は、動作電圧と動作電流による電力特性により求められるが、それぞれのＰＶ１０ａ〜１０ｄに接続される種々の蓄電デバイスや負荷によって大きく左右する。本実施形態では、後述のＬｉＣ２０ａ〜２０ｄをＰＶ１０ａ〜１０ｄに対して並列に接続し、さらに後述のコンバータ６０ａを最大電力追従制御により駆動させることで、ＰＶ１０ａ〜１０ｄの最大電力点での充電が行われる等の種々の特徴があるが、それぞれの詳細については後述する。
【００８２】
ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄは、ＰＶ１０ａ〜１０ｄからの電力を充電するものである。或いは母線２００の安定化のために、母線２００に対して電力の供給／吸収を行うなどの補助的な役目をなすものである。このＬｉＣ２０ａ〜２０ｄは、一般の電解コンデンサや蓄電池（バッテリ）等に比べ、充放電の応答性が高く、充放電効率が高く、自己放電が少ないという利点がある。
【００８３】
ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄは、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄに充電された電力の余剰分を充電する、或いは母線２００の安定化のために、母線２００に対して電力の供給／吸収を行うなどの補助的な役目をなすものである。なお、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄは、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄに比べて充放電の応答性や充放電効率及び自己放電特性に劣るものの、充電容量がある程度十分にあり、しかも低コストであるという利点がある。この場合、たとえば鉛蓄電池やニッケル水素電池等のような他のバッテリでも充電容量がある程度十分にあり、しかも低コストであるという利点があることから、これらのバッテリをＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに代えて用いることができる。
【００８４】
切替スイッチ５０ａ〜５０ｄは、それぞれのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄに対応させて設けられている。これらの切替スイッチ５０ａ〜５０ｄは、コンバータ６０ｂによって変換された母線２００からの電力がいずれかのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄに充電されるとき、点線で示すようにオンされるようになっている。
【００８５】
コンバータ６０ａは、ＤＣ−ＤＣ変換するものであって、後述のように、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄに対して最大電力点追従（ＭＰＰＴ）を行わせたり、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの余剰電力量をＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに充電させる際に動作するものであって、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄからの直流電圧を、所定の直流電圧に変換する。ここで、所定の直流電圧としては、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄでの充電ロスを少なくするために、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄの定格電圧と同じか、若干高めとすることが好ましい。
【００８６】
コンバータ６０ｂは、上記同様に、ＤＣ−ＤＣ変換するものであって、母線２００の直流電圧（たとえばＤＣ３８０Ｖ）を所定の直流電圧に変換する。ここで、所定の直流電圧としては、切替スイッチ５０ａ〜５０ｄとＬｉＣ２０ａ〜２０ｄとの間にＰＶ１０ａ〜１０ｄが介在されていることを考慮し、たとえばＰＶ１０ａ〜１０ｄの絶縁耐圧以下とする。具体的には、たとえばＰＶ１０ａ〜１０ｄの開放電圧を考慮して決めればよい。
【００８７】
コンバータ６０ｃは、上記同様に、ＤＣ−ＤＣ変換するものであって、母線２００の需給調整を図る（電圧変動を均衡化する）際に動作するものである。すなわち、母線２００の電圧（たとえば規定電圧：ＤＣ３８０Ｖ）は、図示しない負荷の稼働状況に応じて変動するが、負荷側へ安定した電圧を送出するためには、その母線２００の電圧を安定させることが好ましい。そのため、たとえば負荷電力が増加して母線２００の電圧が規定電圧より低下した場合は、たとえばＬｉＣ２０ａ〜２０ｄからの直流電圧を、コンバータ６０ｃにより所定の直流電圧に変換し、母線２００に電力を供給する。ここでの所定の直流電圧とは、母線２００の電圧変動が規定電圧に保たれるような値とされる。
【００８８】
一方、母線２００の電圧がたとえばＤＣ３８０Ｖより高い場合は、コンバータ６０ｃにより母線２００の直流電圧を所定の直流電圧に変換し、母線２００からの電力をＬｉＣ２０ａ〜２０ｄに充電させる。ここでの所定の直流電圧とは、たとえばＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの定格入力電圧程度であればよい。
【００８９】
コンバータ６０ｄは、コンバータ６０ｃと同様に、母線２００の需給調整を図る（電圧変動を均衡化する）際に動作するものである。すなわち、母線２００の電圧が規定電圧より低い場合は、たとえばＬｉＢ４０ａ〜４０ｄからの直流電圧を、コンバータ６０ｄにより所定の直流電圧に変換し、母線２００に電力を供給する。ここでの所定の直流電圧とは、上記同様に、母線２００の電圧変動が規定電圧に保たれるような値とされる。
【００９０】
一方、母線２００の電圧がたとえばＤＣ３８０Ｖより高い場合は、コンバータ６０ｄにより母線２００の直流電圧を所定の直流電圧に変換し、母線２００からの電力をＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに充電させる。ここでの所定の直流電圧とは、たとえばＬｉＢ４０ａ〜４０ｄの定格入力電圧程度であればよい。
【００９１】
保護回路７０ａは、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄからの突入電流等により、コンバータ６０ａ、６０ｃが破壊されることを防止するものである。保護回路７０ｂは、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄからの突入電流等により、コンバータ６０ａ、６０ｄが破壊されることを防止するものである。これらの保護回路７０ａ、７０ｂは内部に並列接続された減流素子（抵抗、リアクトルなど）とスイッチを備えており、コンバータ６０ａ、６０ｃ、６０ｄの起動時において、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄやＬｉＢ４０ａ〜４０ｄからの突入電流による放電が終わるまで減流素子に並列接続されたスイッチをオフし、所定時間経過後にこのスイッチをオンするように動作されるものであり、手動又は制御部８０の制御によりオン／オフされるようになっている。
【００９２】
制御部（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）８０は、上述した複数の接続点ａ〜ｗ、ｘ−１〜ｘ−６に接続される検出ライン９０ａを介し、ＰＶ１０ａ〜１０ｄの出力電圧、コンバータ６０ａ〜６０ｄの出力電圧、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの端子間電圧、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄの端子間電圧、母線２００の電圧及び電流等を検出し、それぞれの検出結果に応じてコンバータ６０ａ〜６０ｄを駆動させたり、切替スイッチ５０ａ〜５０ｄをオン／オフさせたりする。なお、検出ライン９０ａについては、全ての接続点ａ〜ｗ、ｘ−１〜ｘ−６に接続されているものであるが、図示の都合上、一部の接続点ａ〜ｗ、ｘ−１〜ｘ−６に接続されている場合として示している。
【００９３】
また、本実施形態での電源装置１００は、直流電力が流れる母線２００に接続されている場合として示しているが、交流電力が流れる母線２００に接続されていてもよいことは勿論である。この場合、上述したコンバータ６０ｃ〜６０ｄをＤＣ−ＡＣ変換するインバータに置き換えればよく、コンバータ６０ｂはＡＣ−ＤＣ変換するコンバータに置き換えればよい。また、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄ及びＬｉＢ４０ａ〜４０ｄにおける充放電については、いずれも制御部８０によって制御されるものであるが、その制御については運用状況に合わせて適宜設定変更することが可能である。
【００９４】
図８Ｂでは、ＰＶ１０ａと、ＬｉＣ２０ａとが並列に接続され、ＰＶ１０ｂと、ＬｉＣ２０ｂとが並列に接続され、さらに、ＰＶ１０ａとＰＶ１０ｂとが直列に接続されている。なお、ここでは、他のＰＶ１０ｃ、１０ｄ及びＬｉＣ２０ｃ、２０ｄにあってもＰＶ１０ａ、１０ｂ及びＬｉＣ２０ａ、２０ｂと同様の接続関係にあるため、ＰＶ１０ａ、１０ｂ及びＬｉＣ２０ａ、２０ｂを代表させて示している。
【００９５】
ここで、ＰＶ１０ａの＋端子は、この＋端子から順方向に直列接続された２個のダイオード３０及び接続点ａを介してＬｉＣ２０ａの＋端子に接続され、ＰＶ１０ａの−端子は接続点ｂを介してＬｉＣ２０ａの−端子に接続されている。ＰＶ１０ａと接続点ａに接続された上記２個のダイオード３０における接続部からは、切替スイッチ５０ａの＋端子に接続される引き出し線が引き出されている。ＰＶ１０ａの−端子とＬｉＣ２０ａの−端子における接続部からは、切替スイッチ５０ａの−端子に接続される引き出し線がダイオード３０を介して引き出されている。
【００９６】
また、ＰＶ１０ｂの＋端子は、この＋端子から順方向に直列接続された２個のダイオード３０及び接続点ｃを介してＬｉＣ２０ｂの＋端子に接続され、ＰＶ１０ｂの−端子は接続点ｄを介してＬｉＣ２０ｂの−端子に接続されている。ＰＶ１０ｂと接続点ｃに接続された上記２個のダイオード３０における接続部からは、切替スイッチ５０ｂの＋端子に接続される引き出し線が引き出されている。ＰＶ１０ｂの−端子とＬｉＣ２０ｂの−端子における接続部からは、切替スイッチ５０ｂの−端子に接続される引き出し線がダイオード３０を介して引き出されている。
【００９７】
また、ＰＶ１０ａの−端子とＰＶ１０ｂの＋端子との間は、接続点ｂ、ｃ及びＰＶ１０ｂの＋端子から接続点ｃに向けて順方向に直列接続された２個のダイオード３０を介して接続されている。なお、これらの接続点ａ〜ｄは、上述したように、制御部８０がＬｉＣ２０ａ、２０ｂのそれぞれの端子間電圧を検出する位置でもある。
【００９８】
再び、図６を参照して、図８Ａに示す電源装置の効果を説明する。例えば、図６のＰＶ１０ａが雲の陰により、電力が低下しても、ＬｉＣ２０ａが、貯蔵電力により電圧を維持し、実質的に自己放電が無いような、低い自己充放電率を有するので、ＰＶ１０ｂ及び１０ｃは最大電力点で動作することができる。
【００９９】
また、再び、図８Ｂを参照すると、このような構成では、ＬｉＣ２０ａ、２０ｂは、上述したように、充放電の応答性が高く充放電効率が高いため、コンバータ６０ａで最大電力追従制御を行いＬｉＣ２０ａ、２０ｂを最大電力点になるよう制御したとき、ＰＶ１０ａ、１０ｂに対する最大電力点での出力に影響を与えない。そのため、ＬｉＣ２０ａ、２０ｂは、ＰＶ１０ａ、１０ｂの最大電力点での電力の充電が可能となる。
【０１００】
言い換えれば、ＰＶ１０ａ、１０ｂが最大の電力を出力できる状況にあっても、受電側の能力（応答性や充放電効率特性）が低ければ、ＰＶ１０ａ、１０ｂからの出力が受電側の能力（応答性や充放電効率特性）に合わせ低出力となってしまう。そのため、本実施形態のように、充放電の応答性が高いＬｉＣ２０ａ、２０ｂを用いることで、ＰＶ１０ａ、１０ｂが最大の電力を出力できる状況を妨げることなく、ＰＶ１０ａ、１０ｂからの電力の充電を行える。
【０１０１】
また、ＬｉＣ２０ａ、２０ｂの充放電の応答性が高く充放電効率が高いため、ＰＶ１０ａ、１０ｂとの間に、従来用いられていた最大電力点での電力の充電を行わせるために電圧等を調整するコンバータ等の介在が不要となる。また、ＬｉＣ２０ａ、２０ｂは、直列に接続されているため、放電による接続点ａからの出力の高電圧化が可能となる。
【０１０２】
図８Ｃでは、ＬｉＣ２０ａの接続点ａ側に、保護回路７０ａを介して制御部８０により制御されるコンバータ６０ａが接続されている。
【０１０３】
すなわち、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄは、図示のように、ＰＶ１０ａ〜１０ｄに並列に接続されているとともに、互いに直列に接続されている。また、ＬｉＣ２０ａの接続点ａとＬｉＣ２０ｄの接続点ｈとの間にはコンバータ６０ａが接続されている。また、保護回路７０ａは、ＬｉＣ２０ａの＋端子側とコンバータ６０ａ＋端子側との間に設けられている。また、制御部８０は、検出ライン９０ａを介して接続点ｉ〜ｌの電圧、すなわちＰＶ１０ａ〜１０ｄの出力電圧を検出する。また、制御部８０は、接続点ａ〜ｈを介してそれぞれのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの端子間電圧を検出する。
【０１０４】
このような構成では、制御部８０が接続点ｉ〜ｌの電圧、すなわちＰＶ１０ａ〜１０ｄの動作電圧を検出することができる。また、制御部８０が接続点ａ〜ｈの電圧、すなわち直列に接続されているＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの全体の電圧を検出することができる。ここで、制御部８０がその電圧が変化したことを検出すると、制御ライン９０ｂを介してコンバータ６０ａを駆動させる。
【０１０５】
すなわち、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄは、充放電の応答性が高く充放電効率が高いため、上述したように、ＰＶ１０ａ〜１０ｄの最大電力点での電力の充電が可能である。一方、コンバータ６０ａを駆動させることで、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの電圧が、ＰＶ１０ａ〜１０ｄの最大の電力を出力できる動作電圧に合わせられるため、ＰＶ１０ａ〜１０ｄとＬｉＣ２０ａ〜２０ｄにおける充電ロスが小さくなり、高効率での充電が可能となる。
【０１０６】
なお、コンバータ６０ａの駆動により、保護回路７０ａの短絡されたスイッチ側を介して点線矢印Ａに示すような電流が流れるが、その電流の量が制御されることで、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの電圧が、ＰＶ１０ａ〜１０ｄの最大の電力を出力できる動作電圧に合わせられる、いわゆる最大電力点追従（ＭＰＰＴ）の制御を行うことができることになる。
【０１０７】
図８Ｄでは、制御部８０がコンバータ６０ａを駆動させてＬｉＣ２０ａ〜２０ｄに貯蔵された余剰電力量をＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに移し換える点に特徴がある。また、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄが直列に接続されていることで、接続点ａの電位を高くすることができ、しかも、影などによりＰＶ１０ａ〜１０ｄの一部に電力低下が起こっても、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄは、コンバータ６０ｂからの電力を切替スイッチ５０ａ〜５０ｄで切り替えて補充電されるので、コンバータ６０ａを常に定格入力電圧付近で駆動させることができる。
【０１０８】
すなわち、ＬｉＣ２０ａの接続点ａ側には、上述したように、保護回路７０ａを介してコンバータ６０ａが接続されている。さらに、コンバータ６０ａの出力側には、保護回路７０ｂを介してＬｉＢ４０ａ〜４０ｄが接続されている。なお、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄは、互いに直列に接続されている。
【０１０９】
このような構成では、制御部８０がそれぞれの接続点ａ〜ｈを介してそれぞれのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄのそれぞれの端子間電圧やＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの全体の電圧を検出する。ここで、制御部８０がＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの全体の電圧が所定の電圧を上回ったことを検出すると、いずれかのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄがフル充電状態にあることを認識することができる。
【０１１０】
この場合、制御部８０が制御ライン９０ｂを介してコンバータ６０ａを駆動させ、直列に接続されているＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの電力を出力（放電）させると、その電力は点線矢印Ｂに示すように保護回路７０ｂの短絡されたスイッチ側を介してＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに充電される。
【０１１１】
そして、いずれかのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの端子間電圧が低下し、制御部８０がその端子間電圧が所定値を下回ったことを検出すると、制御ライン９０ｂを介してコンバータ６０ａの駆動を停止させる。
【０１１２】
これにより、余剰分とされるＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの電力量を、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに移し換えることで、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに充電しておくことができる。
【０１１３】
また、いずれかのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄのフル充電状態が回避されるため、上述したように、ＰＶ１０ａ〜１０ｄが最大の電力を出力できる状況を妨げることもなくなる。
【０１１４】
また、コンバータ６０ａの駆動時においては、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄが直列に接続されているため、接続点ａからの出力電位を高くすることができ、コンバータ６０ａを定格入力電圧付近で駆動させることができることから、コンバータ６０ａにおける電圧変換ロスを極力小さくすることができる。言い換えれば、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄからの電力を、コンバータ６０ａでの損失を小さくした状態でＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに充電できることから、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに対して効率の良い充電を行うことができる。さらに、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄがそれぞれ直列に接続されているため、電圧等を調整するコンバータ等の介在なくＬｉＣ２０ａ〜２０ｄから出力される電位をＬｉＢ４０ａ〜４０ｄと同等の電位まで高くすることができ、コンバータ６０ａの入力電圧と出力電圧を同等の電位にできることから、コンバータ６０ａ自体の電圧変換の効率を高くすることができる。
【０１１５】
なお、影などによりＰＶ１０ａ〜１０ｄの一部に電力低下が起こっても、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄは、コンバータ６０ｂからの電力を切替スイッチ５０ａ〜５０ｄで切り替えて補充電されるので、コンバータ６０ａを常に定格入力電圧付近で駆動させることができる。
【０１１６】
図８Ｅでは、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄのそれぞれの電圧不均衡を補完する。まず、それぞれのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄには、切替スイッチ５０ａ〜５０ｄが接続されている。すなわち、切替スイッチ５０ａは２個のダイオード３０を介して接続点ａ、ｂ間に接続され、切替スイッチ５０ｂは２個のダイオード３０を介して接続点ｃ、ｄ間に接続され、切替スイッチ５０ｃは２個のダイオード３０を介して接続点ｅ、ｆ間に接続され、切替スイッチ５０ｄは２個のダイオード３０を介して接続点ｇ、ｈ間に接続されている。なお、各ダイオード３０は図８Ｄに示した位置に配置され、順方向の向きは図８Ｄに示す通りである。
【０１１７】
また、切替スイッチ５０ａ〜５０ｄは、共通ラインを介して母線２００に接続されるコンバータ６０ｂに接続されている。また、制御部８０が接続点ａ〜ｈを介してそれぞれのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの端子間電圧を検出している。
【０１１８】
このような構成では、上記同様に、制御部８０がそれぞれの接続点ａ〜ｈを介してそれぞれのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの端子間電圧を検出しているとき、それぞれのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの端子間電圧にバラツキが生じていることを認識すると、制御ライン９０ｂを介していずれかの切替スイッチ５０ａ〜５０ｄをオンさせるとともに、制御ライン９０ｂを介してコンバータ６０ｂを駆動させる。
【０１１９】
この場合、たとえばＬｉＣ２０ａの端子間電圧に対してＬｉＣ２０ｂ〜２０ｄの端子間電圧が低い場合は、ＬｉＣ２０ｂ〜２０ｄに対応する切替スイッチ５０ｂ〜５０ｄを点線で示すように順次オンさせるとともに、コンバータ６０ｂを駆動させる。
【０１２０】
これにより、点線矢印Ｃに示すように、コンバータ６０ｂによって変換された母線２００の電力が切替スイッチ５０ｂ〜５０ｄを介してＬｉＣ２０ｂ〜２０ｄに順次充電される。このとき、ＰＶ１０ｂ〜１０ｄの＋端子側のダイオード３０により、ＰＶ１０ｂ〜１０ｄ側への電流の流入が阻止される。そして、ＬｉＣ２０ｂ〜２０ｄの端子間電圧がＬｉＣ２０ａの端子間電圧とそれぞれ同程度になったとき、切替スイッチ５０ｂ〜５０ｄを実線で示すようにオフさせるとともに、コンバータ６０ｂの駆動を停止させる。
【０１２１】
これにより、互いに直列に接続されているＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの電圧不均衡が補完されるため、いずれかのＬｉＣ２０ａ〜２０ｄの充電容量低下に伴う接続点ａ、ｈ間の電圧低下を抑制することができる。なお、上記ではＬｉＣ２０ａの端子間電圧に対してＬｉＣ２０ｂ〜２０ｄの端子間電圧が低い場合を判別したが、ＬｉＣ２０ａの端子間電圧がＬｉＣ２０ｂ〜２０ｄの端子間電圧に対して低い場合を判別してもよい。このときは、切替スイッチ５０ａと切替スイッチ５０ｂ〜５０ｄのオン／オフ状態は反対になり、切替スイッチ５０ａのみオンとなる。
【０１２２】
図８Ｆでは、コンバータ６０ｃ、６０ｄ等により、母線２００の需給調整（電圧変動を均衡化する）を行うことができる。すなわち、ＬｉＣ２０ａの接続点ａとＬｉＣ２０ｄの接続点ｈとの間にはコンバータ６０ｃが接続されている。また、保護回路７０ａは、ＬｉＣ２０ａの＋端子側とコンバータ６０ｃの＋端子側との間に設けられている。また、ＬｉＢ４０ａの接続点ｐとＬｉＢ４０ｄの接続点ｑとの間にはコンバータ６０ｄが接続されている。また、保護回路７０ｂは、ＬｉＢ４０ａの＋端子側とコンバータ６０ｄの＋端子側との間に設けられている。
【０１２３】
また、コンバータ６０ａの出力側に母線２００に接続されるコンバータ６０ｄが接続されている。また、制御部８０が接続点ｘ−３〜ｘ−６を介して母線２００の直流電圧（たとえばＤＣ３８０Ｖ）を検出している。
【０１２４】
このような構成では、制御部８０が接続点ｘ−３〜ｘ−６を介して母線２００の直流電圧（たとえばＤＣ３８０Ｖ）の変動を検出すると、コンバータ６０ｃ又はコンバータ６０ｄを制御ライン９０ｂを介して駆動させる。
【０１２５】
すなわち、母線２００の電圧（たとえば規定電圧：ＤＣ３８０Ｖ）は、図示しない負荷の稼働状況に応じて変動するが、負荷側へ安定した電圧を送出するためには、その母線２００の電圧を安定させることが好ましい。そのため、たとえば負荷電力が増加して母線電圧が低下すると、制御部８０により、母線２００の電圧が規定電圧より低いと検出され、制御ライン９０ｂを介してコンバータ６０ｃが駆動される。
【０１２６】
このとき、コンバータ６０ｃにより、たとえばＬｉＣ２０ａ〜２０ｄからの直流電圧が所定の直流電圧に変換され、点線矢印Ｄに示すように母線２００に電力が供給される。ここでの所定の直流電圧とは、母線２００の電圧変動が規定電圧に保たれ、母線への出力電流が規定の範囲内であるような値であればよい。
【０１２７】
一方、何らかの原因で母線２００の電圧がたとえばＤＣ３８０Ｖより高くなった場合は、コンバータ６０ｃ又はコンバータ６０ｄにより母線２００の直流電圧が所定の直流電圧に変換され、点線矢印Ｄに示すようにＬｉＣ２０ａ〜２０ｄ又はＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに充電される。ここでの所定の直流電圧とは、たとえばＬｉＣ２０ａ〜２０ｄ又はＬｉＢ４０ａ〜４０ｄの定格入力電圧程度であり、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄ又はＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに流れる電流が規定の範囲内であればよい。
【０１２８】
なお、ＬｉＣ２０ａ〜２０ｄは上述したように、特に、充放電の応答性が高く充放電効率が高いため、コンバータ６０ｃの応答速度にもよるが、母線２００の瞬間的な電圧変動に対してもある程度瞬時に電圧を安定させることもできる。
【０１２９】
また、制御部８０は、コンバータ６０ｃと同様に、コンバータ６０ｄを駆動させることができる。この場合、母線２００の電圧が規定電圧より低いとき、たとえばＬｉＢ４０ａ〜４０ｄからの直流電圧が、コンバータ６０ｄにより所定の直流電圧に変換され、点線矢印Ｅに示すように母線２００に電力が供給される。ここでの所定の直流電圧とは、上記同様に、母線２００の電圧変動が規定電圧に保たれ、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄの電流が規定の範囲内であるような値であればよい。
【０１３０】
一方、母線２００の電圧がたとえばＤＣ３８０Ｖより高い場合は、コンバータ６０ｄにより母線２００の直流電圧が所定の直流電圧に変換され、点線矢印Ｅに示すようにＬｉＢ４０ａ〜４０ｄに充電される。ここでの所定の直流電圧とは、たとえばＬｉＢ４０ａ〜４０ｄの定格入力電圧程度であり、ＬｉＢ４０ａ〜４０ｄの電流が規定の範囲内であればよい。
【０１３１】
［３］第３実施形態
第３実施形態は、発電装置が、車両のケースである。
図９は、電源装置を車両に適用した場合の構成例を示す図である。図９に示す車両３００は、４つのタイヤ、モータ、トランスミッション等のハイブリッド自動車（この場合エンジンを有する）又は電気自動車として必要な構成と、電源装置１００、バッテリ４０、ＰＶ１０ａ、回生ブレーキ１０ｄを備える。ＰＶ１０ａは、例えば、車のボンネットに装着されるが、１つのモジュールではなく、複数のモジュール１０ｂ及び１０ｃがあってもよい。
【０１３２】
回生ブレーキ１０ｄは、車両３００が止まる時に発電するので、出力が変動する電源となる。車両３００は、運転、停止と出力変動が大きいため、電源装置１００がモータに対して電力も変動するので、電源装置１００は頻度の高い充放電サイクルを繰り返すことになる。しかし、本電源装置１００の電力貯蔵デバイスは、非常に高い充放電効率を有するので、充放電サイクルによって、ロスが生じにくく、また、バッテリ４０からの放電ではなく、電力貯蔵デバイスからの出力を制御部８０が制御することで、サイクル回数が多くてもバッテリの浪費を防ぐことが可能になる。また、車両の急発進等で、大きなトルクが必要な場合でも、電力貯蔵デバイスの高い入出力応答性により、瞬時の応答も可能になる。また、制御部５０は、アイドリングストップ時にバッテリ４０から、電力貯蔵デバイスに給電をする制御をおこなうことができる。
【０１３３】
図１０及び図１１は、電源装置を、出力が一定の電源に適用した場合を説明するための回路図である。車両の場合は、たとえば図１０に示すように、本発明の電源装置を、燃料電池（ＦＣ）システム１０１とモータ（ＭＴ）システム１０２との間の母線２００に接続することで、モータ１０２の稼働状況に応じた母線２００の需給調整を図る（電圧変動を均衡化する）ことができる。
【０１３４】
また、船舶の場合は、たとえば図１１に示すように、本発明の電源装置を、ディーゼルエンジン（ＥＧ）システム１０３とモータ（ＭＴ）システム１０４との間の母線２００に接続することで、モータ１０４の稼働状況に応じた母線２００の需給調整を図る（電圧変動を均衡化する）ことができる。
【０１３５】
以上説明した実施形態は典型例として挙げたに過ぎず、その各実施形態の構成要素の組合せ、変形及びバリエーションは当業者にとって明らかであり、当業者であれば本発明の原理及び請求の範囲に記載した発明の範囲を逸脱することなく上述の実施形態の種々の変形を行えることは明らかである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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