(57)【要約】【課題】  太陽電池などの経時的に比較的大きく変化する発電量に対応して、例えばＬｉ−イオンバッテリの充放電を柔軟に行って高効率な蓄電を実現する。【解決手段】  本発明の蓄電制御システムは、発電量が経時的に変化する発電手段（１）と、発電手段に対して並列的に且つ選択的に接続可能な複数のバッテリ（２）と、発電手段の発電量に応じて、発電手段に対する各バッテリの接続を切り換える充放電コントローラ（３）とを備え、充放電コントローラは、各バッテリに接続されたＰＷＭ−スイッチと、発電手段の発電量に応じて各ＰＷＭ−スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御部とを有し、複数のバッテリは、それぞれ所定の蓄電容量を有する複数のＬｉ−イオンバッテリであって、制御部は、発電手段の発電量と各Ｌｉ−イオンバッテリの蓄電容量の最小単位とに基づいて、所要数のＬｉ−イオンバッテリを発電手段に対して接続させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電量が経時的に変化する発電手段と、
前記発電手段に対して並列的に且つ選択的に接続可能な複数のバッテリと、
前記発電手段の発電量に応じて、前記発電手段に対する各バッテリの接続を切り換える充放電コントローラとを備え、
前記充放電コントローラは、各バッテリに接続されたＰＷＭ−スイッチと、前記発電手段の発電量に応じて各ＰＷＭ−スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御部とを有し、
前記複数のバッテリは、それぞれ所定の蓄電容量を有する複数のＬｉ−イオンバッテリであって、
前記制御部は、前記発電手段の発電量と各Ｌｉ−イオンバッテリの蓄電容量の最小単位とに基づいて、所要数のＬｉ−イオンバッテリを前記発電手段に対して接続させることを特徴とする蓄電制御システム。
【請求項２】
前記発電手段に対して前記複数のバッテリと並列的に接続されたキャパシタをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電制御システム。
【請求項３】
発電量が経時的に変化する発電手段で発電した電力のバッテリへの蓄電を制御する蓄電制御方法であって、
前記バッテリとして、前記発電手段に対して並列的に且つ選択的に接続可能な複数のバッテリを用い、
前記発電手段の発電量に応じて、前記発電手段に対する各バッテリの接続を切り換えるようにし、
前記複数のバッテリとして、それぞれ所定の蓄電容量を有する複数のＬｉ−イオンバッテリを用い、
前記発電手段の発電量と各Ｌｉ−イオンバッテリの蓄電容量の最小単位とに基づいて、所要数のＬｉ−イオンバッテリを前記発電手段に対して接続させることを特徴とする蓄電制御方法。
【請求項４】
前記複数のバッテリと並列的に接続されたキャパシタを用いて、前記発電手段で発電した電力のうち、前記複数のバッテリへの充電に利用されない変動電力を蓄電することを特徴とする請求項３に記載の蓄電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電制御システムおよび蓄電制御方法に関する。さらに詳細には、本発明は、太陽電池などで発電した電力のバッテリへの蓄電の制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池などで発電した直流電力を蓄電するシステムとして、バッテリ（蓄電池）またはキャパシタ（電気二重層コンデンサ）のような蓄電手段、およびＬＥＤ照明などを含む直流負荷を太陽電池に並列接続する構成が知られている。この構成において蓄電手段としてＬｉ−イオンバッテリ（リチウムイオン電池）を用いると、漏洩電流の少ない高効率な蓄電を実現することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、蓄電手段としてＬｉ−イオンバッテリを用いる場合、バッテリの寿命低下を回避するために、一定電圧および一定電流でバッテリの充放電を制御する必要がある。そのため、太陽電池などの経時的に比較的大きく変化する発電量に対応して、Ｌｉ−イオンバッテリの充放電を柔軟に行うことは困難である。具体的に、Ｌｉ−イオンバッテリの蓄電容量を太陽電池により見込まれる最大発電量に近い値に設定すると、充放電可能なタイミングが大きく制限されてしまう。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、太陽電池などの経時的に比較的大きく変化する発電量に対応して、例えばＬｉ−イオンバッテリの充放電を柔軟に行って高効率な蓄電を実現することのできる蓄電制御システムおよび方法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】
【０００５】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、発電量が経時的に変化する発電手段と、
前記発電手段に対して並列的に且つ選択的に接続可能な複数のバッテリと、
前記発電手段の発電量に応じて、前記発電手段に対する各バッテリの接続を切り換える充放電コントローラとを備え、
前記充放電コントローラは、各バッテリに接続されたＰＷＭ−スイッチと、前記発電手段の発電量に応じて各ＰＷＭ−スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御部とを有し、
前記複数のバッテリは、それぞれ所定の蓄電容量を有する複数のＬｉ−イオンバッテリであって、
前記制御部は、前記発電手段の発電量と各Ｌｉ−イオンバッテリの蓄電容量の最小単位とに基づいて、所要数のＬｉ−イオンバッテリを前記発電手段に対して接続させることを特徴とする蓄電制御システムを提供する。
【０００６】
本発明の第２形態では、発電量が経時的に変化する発電手段で発電した電力のバッテリへの蓄電を制御する蓄電制御方法であって、
前記バッテリとして、前記発電手段に対して並列的に且つ選択的に接続可能な複数のバッテリを用い、
前記発電手段の発電量に応じて、前記発電手段に対する各バッテリの接続を切り換えるようにし、
前記複数のバッテリとして、それぞれ所定の蓄電容量を有する複数のＬｉ−イオンバッテリを用い、
前記発電手段の発電量と各Ｌｉ−イオンバッテリの蓄電容量の最小単位とに基づいて、所要数のＬｉ−イオンバッテリを前記発電手段に対して接続させることを特徴とする蓄電制御方法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、例えば太陽電池のように発電量が経時的に比較的大きく変化する発電手段に対して並列的に且つ選択的に接続可能な複数のバッテリを用い、太陽電池の発電量に応じて太陽電池に対するバッテリの接続を切り換える。一例として、蓄電容量が互いに等しい複数のＬｉ−イオンバッテリを用い、太陽電池の発電量と各Ｌｉ−イオンバッテリの蓄電容量の最小単位とに基づいて、所要数のＬｉ−イオンバッテリを太陽電池に対して接続させる。
【０００８】
その結果、本発明の一態様では、単一のＬｉ−イオンバッテリを用いて充放電可能なタイミングが大きく制限される従来技術とは異なり、太陽電池に対して並列的に且つ選択的に接続可能な複数のＬｉ−イオンバッテリを用いているので、太陽電池の経時的に比較的大きく変化する発電量に対応して、Ｌｉ−イオンバッテリの充放電を柔軟に行って高効率な蓄電を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態にかかる蓄電制御システムの構成を概略的に示す図である。
【図２】ＰＷＭ−スイッチの内部構成を概略的に示す図である。
【図３】ＰＷＭ−スイッチの基本的な作用を説明する図である。
【図４】本実施形態におけるＬｉ−イオンバッテリへの蓄電方法を説明する図である。
【図５】年間シミュレーションの結果を示す図であって、（ａ）は太陽電池の発電量の変化を、（ｂ）はＬｉ−イオンバッテリへの蓄電量の変化を、（ｃ）はキャパシタへの蓄電量の変化を示す図である。
【図６】本実施形態の蓄電制御システムを発電システムに適用した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる蓄電制御システムの構成を概略的に示す図である。本実施形態の蓄電制御システムは、発電手段としての太陽電池１と、主たる蓄電手段としての複数のＬｉ−イオンバッテリ２と、複数のＬｉ−イオンバッテリ２の充放電コントローラ３と、変動電力吸収用の蓄電手段としてのキャパシタ４と、例えばＬＥＤ照明などを含む直流負荷５と、昇圧チョッパ６とを備えている。
【００１１】
キャパシタ４は、耐久性は比較的高いが蓄電容量の比較的小さい蓄電手段であって、太陽電池１に対して複数のＬｉ−イオンバッテリ２と並列的に接続されている。昇圧チョッパ６は、日射量等の気象条件やシステムに接続される負荷等によって変動する太陽電池の発電電力に応じて、下流側に出力する電流と電圧の最適な組み合わせを設定することにより、最大発電量を得るための制御装置であって、太陽電池１と充放電コントローラ３との間に接続されている。
【００１２】
複数のＬｉ−イオンバッテリ２は、充放電コントローラ３を介して、太陽電池１に対して並列的に且つ選択的に接続可能に構成されている。充放電コントローラ３は、各Ｌｉ−イオンバッテリ２に接続されたＰＷＭ（Pulse-width modulation）−スイッチ３１と、太陽電池１の発電量に応じて各ＰＷＭ−スイッチ３１のＯＮ／ＯＦＦを制御し、ひいては各Ｌｉ−イオンバッテリ２の太陽電池１に対する接続の切換えを制御する制御部３２とを有する。換言すると、１つのＬｉ−イオンバッテリ２は、１つのＰＷＭ−スイッチ３１を介して太陽電池１に接続可能に構成されている。なお、制御部３２は、上述した昇圧チョッパ６を介して太陽電池１の発電量をモニタリングするようになっており、この発電量に関する情報に基づき、後述するような蓄電制御を行うようになっている。
【００１３】
ＰＷＭ−スイッチ３１は、図２に示すように、例えばｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴからなる半導体スイッチ素子３１ａと、コイル３１ｂａおよびコンデンサ３１ｂｂからなる平滑化回路３１ｂとを有する。充放電コントローラ３では、制御部３２から各ＰＷＭ−スイッチ３１の半導体スイッチ素子３１ａに供給される制御信号に基づいて、任意のＬｉ−イオンバッテリ２を太陽電池１に対して選択的に接続し、且つ接続したＬｉ−イオンバッテリ２に所望の一定電圧および一定電流の電力を供給する。
【００１４】
すなわち、充放電コントローラ３では、制御部３２から任意のＰＷＭ−スイッチ３１の半導体スイッチ素子３１ａに対して、図３（ａ）に示すような制御信号が供給される。制御信号は、時間ｔ１に亘って電圧Ｖｃが印加される状態と、時間ｔ２に亘って電圧が印加されない状態とが周期的に繰り返される信号である。この場合、半導体スイッチ素子３１ａの直後における電圧は、図３（ｂ）に示すように、制御信号と同波形で電圧Ｖ１がスイッチングされる状態に、また半導体スイッチ素子３１ａの直後における電流は、図３（ｃ）に示すように、制御信号の電圧変化に対応してほぼ線形的な増減を周期的に繰り返す状態になる。なお、電圧Ｖ１は、昇圧チョッパ６から供給される電圧である。
【００１５】
また、平滑化回路３１ｂを経た電圧は、図３（ｄ）に示すようにほぼ一定になる。このとき、平滑化された電圧Ｖ２は、Ｖ２＝Ｖ１×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）である。換言すれば、任意のＰＷＭ−スイッチ３１の半導体スイッチ素子３１ａによりオンオフ制御される電圧Ｖ１とデューティ比ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）とに基づいて決定される一定電圧Ｖ２および一定電流の電力が、当該ＰＷＭ−スイッチ３１に接続されたＬｉ−イオンバッテリ２に供給される。
【００１６】
キャパシタ４および直流負荷５は、太陽電池１に対して複数のＬｉ−イオンバッテリ２と並列的に接続されている。昇圧チョッパ６は、太陽電池１の最大発電量を得るための制御装置であって、太陽電池１と充放電コントローラ３との間に接続されている。以下、説明の理解を容易にするために、複数のＬｉ−イオンバッテリ２は、互いに同じ蓄電容量を有するものとする。具体的に、各Ｌｉ−イオンバッテリ２の蓄電容量が１７０Ａｈであり、蓄電容量の最小単位が５０ＶＡであるものとする。また、キャパシタ４の蓄電容量は４Ａｈであるものとする（ただし、ここでは、電圧１２Ｖ系を想定した）。
【００１７】
ここで、太陽電池１の発電量は、図４に模式的に示すように、太陽高度や気象条件などに依存して経時的に比較的大きく変化する。図４において、縦軸は太陽電池１の発電量（Ｗ）を、横軸は４月１日〜４月５日までの５日間の時間の経過を、曲線４１は太陽電池１の発電量の変化を示している。このように変動する太陽電池１の発電量に対応してＬｉ−イオンバッテリの充電（蓄電）を柔軟に行って高効率な蓄電を行うべく、本実施形態にかかる蓄電制御システムによる充電は次のように行われる。すなわち、制御部３２により昇圧チョッパ６を介して太陽電池１の発電量をモニタリングし、太陽電池１の発電量が５０Ｗを超えた時点で、複数のＬｉ−イオンバッテリ２から選択された１つのＬｉ−イオンバッテリ２を太陽電池１に接続し、この接続されたＬｉ−イオンバッテリ２に太陽電池１からの電力を充電する。
【００１８】
そして、太陽電池１の発電量が１００Ｗを超えた時点で２つのＬｉ−イオンバッテリ２に充電し、１５０Ｗを超えた時点で３つのＬｉ−イオンバッテリ２に充電する。すなわち、太陽電池１の発電量が０〜５０Ｗの間にある時間帯では充電を行うことなく、発電量が５０〜１００Ｗの間にある時間帯では１バンク単独で充電する。そして、太陽電池１の発電量が１００〜１５０Ｗの間にある時間帯では２バンク並列で充電し、発電量が１５０〜２００Ｗの間にある時間帯では３バンク並列で充電する。
【００１９】
換言すれば、太陽電池１の発電量が１００Ｗを超える時間帯では、太陽電池１の発電量と各Ｌｉ−イオンバッテリ２の蓄電容量の最小単位とに基づいて、所要数の複数バンク並列で充電する。なお、太陽電池１で発電される電力のうち、Ｌｉ−イオンバッテリ２への充電に利用されない電力（例えば図４において参照符号４２で示す範囲の変動電力）は、変動電力吸収用の蓄電手段としてのキャパシタ４に充電される。あるいは、必要に応じて、ＬＥＤ照明などを含む直流負荷５において随時消費される。
【００２０】
複数のＬｉ−イオンバッテリ２の放電に関しても、直流負荷５における消費電力に応じて、１バンク単独での放電、または複数バンク並列での放電を行う。ちなみに、任意の時刻における各Ｌｉ−イオンバッテリ２の蓄電量は、例えば充放電コントローラ３の制御部３２において、各Ｌｉ−イオンバッテリ２の充放電時間および開放電圧に基づいて管理される。
【００２１】
最大発電量が２００Ｗの太陽電池１を用い、蓄電と消費（日昼１０Ｗ、夜間８時まで５０Ｗ）を同時に行う小規模なシステムを想定して年間シミュレーションを実施した。図５に、年間シミュレーションの結果を示す。図５（ａ）は、１月１日〜１２月３１日までの１年間に亘る太陽電池１の発電量（Ｗ）の変化を示す図である。図４における４月１日〜４月５日までの太陽電池１の発電量（Ｗ）の変化は、図５（ａ）における当該時期の太陽電池１の発電量（Ｗ）の変化と一致している。
【００２２】
図５（ｂ）は、同じく１月１日〜１２月３１日までの１年間に亘るＬｉ−イオンバッテリ２への蓄電量（Ａｈ）の変化を示す図である。図５（ｃ）は、同じく１月１日〜１２月３１日までの１年間に亘るキャパシタ４への蓄電量（Ａｈ）の変化を示す図である。ちなみに、キャパシタ４は、Ｌｉ−イオンバッテリ２に比して蓄電容量が小さいが、耐久性は比較的高い。
【００２３】
シミュレーションの結果、本実施形態にかかる蓄電制御システムでは、蓄電容量が１７０Ａｈの複数のＬｉ−イオンバッテリ２と蓄電容量が４Ａｈのキャパシタ４とを用いて、太陽電池１の経時的に比較的大きく変化する発電量に対応して、Ｌｉ−イオンバッテリ２の充放電を柔軟に行うとともに、キャパシタ４の蓄電容量を小さく抑えつつＬｉ−イオンバッテリ２への充電に利用されない変動余剰電力を効率的に吸収できることがわかる。
【００２４】
すなわち、本実施形態にかかる蓄電制御システムでは、単一のＬｉ−イオンバッテリを用いて充放電可能なタイミングが大きく制限される従来技術とは異なり、太陽電池１に対して並列的に且つ選択的に接続可能な複数のＬｉ−イオンバッテリ２を用いているので、太陽電池１の経時的に比較的大きく変化する発電量に対応して、Ｌｉ−イオンバッテリの充放電を柔軟に行って高効率な蓄電を実現することができる。その結果、発電電力と消費電力と蓄電電力との関係をバランス良く制御することができる。
【００２５】
なお、上述の説明では、理解を容易にするために、複数のＬｉ−イオンバッテリ２の蓄電容量が互いに同じ場合としたが、それぞれ異ならせるようにしても良い。この場合、制御部３２に、各Ｌｉ−イオンバッテリ２の蓄電容量を記憶させておくとともに、昇圧チョッパ６を介してモニタリングした太陽電池１の発電量に応じて最適なＬｉ−イオンバッテリ２を選定して１バンク単独で充電したり、適宜のＬｉ−イオンバッテリ２を組み合わせて２バンク、あるいは、３バンク並列充電したりするようにする。
【００２６】
また、上述の説明では、買電を前提としない自立型に近いシステムに対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、制御部３２を構成するマイクロコンピュータ等のファームウエア（ソフトウエア）を変更するだけで、例えば図６に示すような買電を前提とした発電システム、売電専用の発電システムなどに本発明の蓄電制御システムを適用することもできる。なお、図６において、分電盤１１には、負荷１２、売電用電力計１３、買電用電力計１４、配電用変圧器１５および商用電力系統１６が接続されている。
【００２７】
また、上述の説明では、発電量が経時的に変化する発電手段として、太陽電池１を用いる例を示している。しかしながら、太陽電池に限定されることなく、発電量が経時的に変化する他の適当な発電手段、例えば風力発電機などを用いることもできる。
【００２８】
また、上述の説明では、発電手段に対して並列的に且つ選択的に接続可能なバッテリとして、Ｌｉ−イオンバッテリ２を用いる例を示している。しかしながら、Ｌｉ−イオンバッテリに限定されることなく、他の適当なバッテリ、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池などを用いることもできる。
【符号の説明】
【００２９】
１  太陽電池
２  Ｌｉ−イオンバッテリ
３  充放電コントローラ
３１  ＰＷＭ−スイッチ
３１ａ  半導体スイッチ素子
３１ｂ  平滑化回路
３２  制御部
４  キャパシタ
５  直流負荷
６  昇圧チョッパ
【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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