(57)【要約】【課題】充電電力損失を低減すると共に、蓄電池の寿命を低下させずに、出力電圧が大幅に変動する入力源から負荷に電力を安定かつ有効に供給すること。【解決手段】出力電力の変動が大きな入力源を用いて蓄電池を充電する電源装置において、蓄電池が設定上限値に達するまで低抵抗状態でオンして、入力源の出力電力を蓄電池に供給し、蓄電池の電圧が設定上限値に達するときにオフする電力直送回路と、蓄電池の電圧が設定上限値になると動作し、入力源からの電圧を昇圧する昇圧部と、その昇圧部の出力電圧を降圧して蓄電池の電圧を設定上限値に保持する降圧部とからなる昇降圧コンバータと、電力直送回路をオン、オフ駆動すると共に、昇降圧コンバータの動作を制御する制御部とを備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力電力の変動が大きな入力源を用いて蓄電池を充電すると共に、負荷に直流電力を供給する電源装置において、
前記蓄電池が設定上限値に達するまで低抵抗状態でオンして前記入力源の出力電力を前記蓄電池に供給し、前記蓄電池の電圧が設定上限値に達するときにオフする電力直送回路と、
前記蓄電池の電圧が前記設定上限値になると動作する昇降圧コンバータであって、前記入力源からの電圧を昇圧する昇圧部と、該昇圧部の出力電圧を降圧して前記蓄電池の電圧を前記設定上限値に保持する降圧部とからなる昇降圧コンバータと、
前記電力直送回路をオン、オフ駆動すると共に、前記昇降圧コンバータの動作を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記昇圧部は、前記入力源の出力電圧が予め決められた下限値以上であるとき、該出力電圧の最大値以上である予め決められた設定電圧値まで昇圧させることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記入力源は、太陽電池、風力発電装置、小規模水力発電装置、潮力発電装置のいずれかであることを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池のような出力電圧が大幅に変動する入力源で蓄電池を充電すると共に、負荷に電力を供給する電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池や風力発電装置などの入力源はクリーンエネルギーとして注目され、いろいろな分野で用いられるようになって来ているが、これらの最大の欠点は太陽光あるいは風の強さによって出力変動が大幅に変わるといういうことである。この欠点を補うために、蓄電池を併用し、入力源の出力電圧が高いときには蓄電池を充電しながら、負荷に電力を供給している。そして、入力源の出力電圧が設定下限値よりも降下すると、蓄電池から負荷に電力を供給して、負荷への電力供給を継続している。代表的な従来例として下記特許文献１〜３が存在する。
【０００３】
太陽電池を入力源として用いている従来例について、図３に従って説明する。図３において、太陽電池１は通常の構成ものであり、最大で２７Ｖ程度の出力電圧を発生する。電力直送回路２は、不図示のオン抵抗の小さい半導体スイッチ素子などから構成されて、その半導体スイッチ素子がオンのとき太陽電池１の電力を負荷３、蓄電池４に供給する。
【０００４】
電力直送回路２を制御する制御部６は、蓄電池４の端子電圧を検出し、図５に示すようにその端子電圧が満充電又はそれに近い設定上限値Ｖ１に達するまで、電力直送回路２の不図示の半導体スイッチ素子を飽和状態、つまり低抵抗状態でオンさせ、蓄電池４の端子電圧が設定上限電圧Ｖ１に達すると、電力直送回路２の半導体スイッチ素子をオフさせる。この半導体スイッチ素子がオフすると、太陽電池１の出力電力は負荷３へも蓄電池４へも供給されなくなり、負荷３への電力は蓄電池４から供給される。
【０００５】
時間の経過とともに蓄電池４の端子電圧は降下し、図５に示すように、設定下限値Ｖ２に達すると、制御部６は再び電力直送回路２の不図示の半導体スイッチ素子をオンさせる。このような動作を繰り返す。設定下限値Ｖ２は設定上限値Ｖ１よりも数Ｖ程度、例えばハンチング現象を起こさないために３Ｖ程度低い値に設定され、したがって、蓄電池４の端子電圧は３Ｖ程度の範囲で充放電を繰り返す（例えば、特許文献１、２）。
【０００６】
次に、図４によって別の従来例について説明する。図４の従来例は、前述の従来例の電力直送回路２をＤＣ−ＤＣコンバータ５’に置き換えたものである。制御部６は、蓄電池４の端子電圧を検出し、その端子電圧が設定上限値Ｖ１に保持されるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ５’を制御する。この方式の場合、蓄電池４の端子電圧が低い段階では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５’の不図示のスイッチング半導体素子は最大の導通幅で動作する（例えば、特許文献３）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０７−３１２８３３号公報
【特許文献２】
特開平０７−３２２５２９号公報
【特許文献３】
特開平０８−２５１８３２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電力直送回路２を用いた従来の電源装置２００では、蓄電池４の端子電圧が大幅に低下しているときには効率的な充電が行われるが、設定上限値Ｖ１と設定下限値Ｖ２との間では、過充電防止機能と過放電防止機能によって蓄電池４の充放電が繰り返し行われるために、蓄電池の寿命を短くしてしまうという問題がある。
【０００９】
また、蓄電池４の端子電圧が設定下限値Ｖ２に近いときに、天候の急変で太陽光が遮られて太陽電池の出力が大幅に低下すると、蓄電池４の充電が行えず、蓄電池４の端子電圧が更に低下し、十分な電力を負荷に供給できないという問題もある。
【００１０】
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５’を用いた従来の電源装置３００では、蓄電池４の端子電圧が大幅に低下している場合、最大の導通幅でＤＣ−ＤＣコンバータ５’を動作させるものの、電力直送回路２に比べてスイッチング損失と制御損失とが大きいという欠点がある。
【００１１】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５’の場合には、太陽電池１の出力電圧が蓄電池電圧以下に低下すると、出力側に電力を全く供給できず、蓄電池４だけから負荷３に電流を供給することになり、太陽電池１の出力電力を有効に利用できないという欠点もある。
【００１２】
さらにまた、入力電圧が大幅に急変する場合には、簡単な回路構成のＤＣ−ＤＣコンバータでは制御が不安定になり、蓄電池の端子電圧を一定に保持するのが難しいという欠点もある。
【００１３】
本発明は、電力直送回路による蓄電池の高効率充電と昇降圧コンバータによる定電圧充電とを行い、充電電力損失を低減すると共に、蓄電池の寿命を低下させずに、出力電圧が大幅に変動する入力源から負荷に電力を安定かつ有効に供給する電源を提供することを主目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、本願請求項１は、出力電力の変動が大きな入力源を用いて蓄電池を充電すると共に、負荷に直流電力を供給する電源装置において、前記蓄電池が設定上限値に達するまで低抵抗状態でオンして前記入力源の出力電力を前記蓄電池に供給し、前記蓄電池の電圧が設定上限値に達するときにオフする電力直送回路と、前記蓄電池の電圧が前記設定上限値になると動作する昇降圧コンバータであって、前記入力源からの電圧を昇圧する昇圧部と、該昇圧部の出力電圧を降圧して前記蓄電池の電圧を前記設定上限値に保持する降圧部とからなる昇降圧コンバータと、前記電力直送回路をオン、オフ駆動すると共に、前記昇降圧コンバータの動作を制御する制御部とを備えたことを特徴とする電源装置提供するものである。
【００１５】
このように構成した電源装置においては、充電電力損失を低減すると共に、蓄電池の寿命を低下させずに、出力電圧が大幅に変動する入力源から負荷側に電力を安定かつ有効に供給することができる。
【００１６】
また本願請求項２は、請求項１において、前記昇圧部は、前記入力源の出力電圧が予め決められた下限値以上であるとき、該出力電圧の最大値以上である予め決められた設定電圧値まで昇圧させることを特徴とする電源装置を提供するものである。
【００１７】
このように構成した電源装置においては、入力源の出力電圧が下限値以上でどのように変動しても、入力源の出力電圧の大きさにかかわらず、蓄電池に充電電力を供給できる。
【００１８】
本願請求項３は、請求項１又は請求項２において、前記入力源は、太陽電池、風力発電装置、小規模水力発電装置、潮力発電装置のいずれかであることを特徴とする電源装置を提供するものである。
【００１９】
このように構成した電源装置においては、入力源が太陽電池に制限されることなく、気象条件などによって出力電力が大幅に変動する他の発電手段に対しても有効である。
【００２０】
【発明の実施の形態および実施例】
図１によって、本発明の１実施例である電源装置１００について説明する。図１において、入力源１は、気象条件などで出力される電力がかなり大幅に変動する太陽電池、風力発電装置、小規模の水力発電機、潮力発電装置などであり、以下では太陽電池として説明する。太陽電池１の出力は、太陽光の強さによって大幅に変動することが知られている。
【００２１】
電力直送回路２は、従来のものと同様で、オン抵抗の小さいＦＥＴのような半導体スイッチ又はリレーなどからなり、太陽電池１からの電力を制御することなくそのまま負荷３、蓄電池４に供給する。電力直送回路２は、太陽電池１の出力電圧が設定値以上になるときにオンし、蓄電池４の端子電圧が設定上限値Ｖ１（図５）に達すると、オフする。
【００２２】
ここで、蓄電池４は鉛蓄電池又はＮｉ−Ｃｄ電池などの２次電池であり、例えば、ある日数天候が悪くてほとんど充電されない場合でも、負荷３の電力需要に応えられるような容量を有している。負荷３は、街路灯、監視カメラ、無人通信局などである。
【００２３】
昇降圧コンバータ５は、電力直送回路２と並列に接続されており、太陽電池１の出力電圧をその最大出力電圧値以上で予め決められた設定電圧まで昇圧する昇圧部５Ａと、昇圧部５Ａで昇圧された電圧を降圧して蓄電池４の電圧を設定上限値Ｖ１に保持するよう動作する降圧部５Ｂとからなる。
【００２４】
制御部６はマイコンなどからなり、説明を分かり易くするために、主な制御要素をブロックにて示している。制御部６は、太陽電池１の出力電圧を検出する第１の電圧検出器６１、電圧検出器６１で検出された検出電圧と第１の基準源６２の基準電圧とを比較する第１の比較器６３、蓄電池４の端子電圧を検出する第２の電圧検出器６４、電圧検出器６４で検出された電圧と第２の基準源６５の基準電圧とを比較する第２の比較器６６と、第１の比較器６３からのオン信号を受けて電力直送回路２をオンさせ、第２の比較器６６からのオフ信号を受けて電力直送回路２をオフさせる直送用駆動回路６７、第２の比較器６６からのオフ信号を反転する反転回路６８、昇降圧コンバータ５を制御するコンバータ制御回路６９を備える。
【００２５】
電力直送回路２又は昇降圧コンバータ５の出力と蓄電池４との間には、過放電防止スイッチ７、過充電防止スイッチ８が直列に接続されている。過放電防止スイッチ７、過充電防止スイッチ８は制御部６からの信号によって動作するが、特に本発明と関係があるわけでもないので、制御部６では図示するのを省略している。
【００２６】
過放電防止スイッチ７は、放電によって蓄電池４の端子電圧が設定下限値Ｖ２まで低下すると、制御部６からの信号で開き、蓄電池４から負荷３に放電されないようにする。
【００２７】
過充電防止スイッチ８は、電力直送回路２などの短絡事故によって蓄電池４の端子電圧が設定上限値Ｖ１を超えても充電電力が供給されることによって、過充電電圧を超えようとするとき、制御部６からの信号で開き、それ以上、蓄電池４が充電されないようにする。また、負荷３に過負荷対策が施されていない場合、過充電防止スイッチ８は電力直送回路２と昇降圧コンバータ５との接続点と、負荷３と蓄電池４との接続点間に接続してもよく、電力直送回路２の短絡事故時には、負荷３と蓄電池４を電力直送回路２又は昇降圧コンバータ５の出力から切り離す。
【００２８】
次に、電源装置１００の動作について説明する。過放電防止スイッチ７、過充電防止スイッチ８は閉じた状態にあり、蓄電池４の端子電圧は低下した状態にあるものとする。
【００２９】
太陽電池１が発生する出力電力が上昇し、電圧検出器６１により検出された電圧が第１の基準源６２の基準電圧よりも高くなると、第１の比較器６３はオン信号を出力し、駆動回路６７はそのオン信号を受けて駆動信号を電力直送回路２に与え、電力直送回路２をオンさせる。これに伴い、太陽電池１の出力電力は電力直送回路２を通して負荷３に供給されると共に、蓄電池４を充電する。このときの電力直送回路２のインピーダンスは最小であるので、負荷３と蓄電池４への電力の供給は効率良く行われる。
【００３０】
蓄電池４の充電が進み、蓄電池４の端子電圧が満充電レベルの設定上限値Ｖ１に達すると、電圧検出器６４によって検出された検出電圧が第２の基準源６５の基準値を超えるので、第２の比較器６６はオフ信号を出力する。このオフ信号は、駆動回路６７に与えられ、駆動回路６７から電力直送回路２に供給されていた駆動信号を消滅させ、電力直送回路２をオフさせる。
【００３１】
他方、第２の比較器６６のオフ信号は反転回路６８により反転され、オン信号としてコンバータ制御回路６９に入力される。これに伴い、コンバータ制御回路６９は昇降圧コンバータ５に駆動信号を供給し、昇圧部５Ａと降圧部５Ｂをオンさせる。
【００３２】
昇降圧コンバータ５の１例について図２を用いて説明する。この昇降圧コンバータ５は一般的なものであり、昇圧部５Ａは前記オン信号により閉じるスイッチ素子５１、ダイオード５２、昇圧用インダクタ５３、昇圧用スイッチング素子５４、ダイオード５５、フィルタ用コンデンサ５６からなり、太陽電池１からの電圧をその最大電圧よりも高い予め決められた一定電圧まで昇圧する。これによって、降圧部５Ｂの入力電圧は一定電圧となる。
【００３３】
降圧部５Ｂは、昇圧部５Ａで昇圧された一定電圧を設定上限値Ｖ１に下降させるためパルス幅制御されるスイッチング素子５７、インダクタ５８、スイッチング素子５７のオフ期間にインダクタ５８のエネルギーを出力側に供給するフリーホイーリングダイオード５９、フィルタ用コンデンサ６０からなり、蓄電池４の端子電圧を設定上限値Ｖ１に維持するよう動作する。
【００３４】
コンバータ制御回路６９は、前記オン信号を受けてスイッチ素子５１をオンさせる駆動回路６９１、昇圧部５Ａの出力電圧を検出する電圧検出器６９２、電圧検出器６９２により検出された検出電圧と基準源６９３の基準電圧とを比較して誤差信号を出力する誤差増幅器６９４、その誤差信号を受けて前記検出電圧と前記基準電圧とが等しくなるように、昇圧用スイッチング素子５４をパルス幅制御する昇圧用パルス幅制御部６９５、蓄電池４の端子電圧を検出する電圧検出器６４の検出電圧と基準源６９６の基準電圧とを比較してそれらの誤差信号を出力する誤差増幅器６９７、その誤差信号を受けて前記検出電圧と前記基準電圧とが等しくなるように、スイッチング素子５７をパルス幅制御する降圧用パルス幅制御部６９８からなる。
【００３５】
次に、その昇降圧コンバータ５の動作について説明する。駆動回路６９１が前述のオン信号を受けると、スイッチ素子５１をオンさせる。まず、昇圧用スイッチング素子５４がオンすると、太陽電池１からの電流がスイッチ素子５１、ダイオード５２、昇圧用インダクタ５３、昇圧用スイッチング素子５４を通して流れ、昇圧用インダクタ５３にエネルギーを蓄える。次に、昇圧用スイッチング素子５４がターンオフすると、太陽電池１の電圧に昇圧用インダクタ５３のエネルギーによる電圧を重畳した電圧でコンデンサ５６は充電される。したがって、コンデンサ５６の電圧、つまり昇圧部５Ａの電圧は太陽電池１の出力電圧よりも高くなる。
【００３６】
昇圧部５Ａの電圧は電圧検出器６９２で検出され、その検出電圧と基準源６９３の基準電圧との誤差信号が誤差増幅器６９４から出力される。昇圧用スイッチング素子５４は、前記検出電圧が基準源６９３の基準電圧に等しくなるように、パルス幅制御される。ここで、基準源６９３の基準電圧は、昇圧部５Ａの出力電圧が太陽電池１の最大電力よりも高い設定電圧になるように、設定されている。一例として、太陽電池１の最大電力が２７Ｖの場合、昇圧部５Ａの出力電圧が３０Ｖになるように、基準源６９３の基準電圧は設定される。
【００３７】
このように昇圧部５Ａの出力電圧が太陽電池１の最大電力よりも大きな一定電圧に昇圧する一つの理由は、天候状態によって太陽電池１の出力電圧が大幅に変化しても、降圧部５Ｂの入力電圧を一定値にすることにより、簡単な回路構成の降圧部でも安定な出力電圧を確立できるようにするためである。
【００３８】
他の理由は、天候状態によって太陽電池１の出力電圧が蓄電池４の端子電圧、つまり通常の状態では設定上限値Ｖ１よりも低下することがしばしばあるが、一旦、蓄電池４の端子電圧よりもかなり高い前記設定電圧まで昇圧することによって、天候が悪いために太陽電池１の出力電圧が蓄電池４の端子電圧よりも低くなっても、負荷３、蓄電池４に電力を供給できるようにすることである。太陽電池の特性から、太陽電池の出力電圧が低下した期間では、負荷側へ供給できる電力は少なくなるが、太陽電池の発生電力を有効に利用することが可能となる。このことは天候状態があまり良くない期間が長いときにかなり有効となる。
【００３９】
降圧部５Ｂの動作は、周知のスイッチングレギュレータと同じ動作であるので詳しい説明を省略するが、出力電圧が図５に示した設定上限値Ｖ１になるように、スイッチング素子５７をパルス幅制御して、太陽電池の発生電力で蓄電池４を定電圧充電する。基準源６９６の基準電圧は設定上限値Ｖ１を縮小した値に設定される。
したがって、本発明では多少天候状態が悪くとも、昼間においては蓄電池４の端子電圧を設定上限値Ｖ１、又はその近辺に保持することができる。
【００４０】
次に、夜間のように太陽光が存在しないとき、又は夕方や早朝など太陽光がかなり弱い期間では、従来と同様に、蓄電池５から負荷３に電力が供給される。しかし、前日の天候状態が悪い場合、従来では蓄電池４の端子電圧が低下した状態で夜間を迎え、放電が行われるので、蓄電池４の端子電圧がかなり低い状態となるが、本発明では太陽電池の電圧を昇圧しているために、蓄電池４の充電状態が比較的良い状態で夜間を迎えことができ、太陽電池、負荷などの条件が同じであれば、従来に比べて蓄電池４の端子電圧は高い状態にある。したがって、蓄電池４の小容量化が可能である。
【００４１】
また、この発明では、昇降圧コンバータ５が動作していて蓄電池４の端子電圧が設定上限値Ｖ１に保持されている状態では、電力直送回路２はオフであるが、昇降圧コンバータ５が動作している状態でも太陽電池１の出力電圧が低下したことによって、蓄電池４の端子電圧が設定上限値Ｖ１に保持できなくて低下することがある。しかし、この状態の場合は、太陽電池１の出力電圧が設定上限値Ｖ１よりも低下した状態にあるので、比較器６６のオン信号で駆動回路６７から駆動信号が与えられても、電力直送回路２は逆バイアス状態にあるのでオフのままであり、したがって、電力直送回路２と昇降圧コンバータ５とがオンする期間は実質的に生ずることはなく、電力直送回路２がオン、オフ動作を繰り返すこともない。
【００４２】
なお、以上の実施例では、入力源１として太陽電池で説明したが、風力発電の場合も風力の強さによって発電電力が大幅に変動するので、この発明は有効である。また、小川の流れを利用した小規模の水力発電機や、潮力を利用した発電機などの場合にもこの発明を適用できる。また、通常の蓄電池の充電装置としても適用できる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、充電電力損失を低減すると共に、蓄電池の寿命を低下させずに、出力電圧が大幅に変動する入力源から負荷に電力を安定かつ有効に供給する電源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例である電源装置１００の構成を説明するための図である。
【図２】電源１００に用いられる昇降圧コンバータ５の一例を示す。
【図３】従来の太陽電池を用いた蓄電池充電回路を説明するための図である。
【図４】従来の別の太陽電池を用いた蓄電池充電回路を説明するための図である。
【図５】従来の蓄電池充電回路を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１…入力源（太陽電池）、
２…電力直送回路、
３…負荷、
４…蓄電池、
５…昇降圧コンバータ、
５Ａ…昇圧部、
５Ｂ…降圧部、
５’…ＤＣ−ＤＣコンバータ、
６…制御部、
６１、６４…電圧検出器、
６２、６５…基準電圧源、
６３、６５…比較器、
６７…直送用駆動回路、
６８…反転回路、
６９…コンバータ制御回路、
６９１、６９５、６９８…駆動回路、
６９２…電圧検出器、
６９３、６９６…基準電圧源、
６９４、６９７…差動増幅器。
【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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