(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる発電能力をもち、かつそれぞれの出力値が互いに関連なく変動する複数の電力発生源から、所定の電力量を充電するためのマルチエネルギー源からの電力充電装置であって、
前記電力発生源のそれぞれに設けられ、変動する該電力発生源の出力電圧値を所望電圧値に変更して出力する出力変更手段と、
満充電電圧と現在の充電電圧との差に基づいて過電流とならない最適な電圧を設定し、該設定した電圧に応じた制御電圧を各前記出力変更手段に供給すると共に、各前記出力変更手段の出力電圧に基づく電力を充電する充電手段と
を備え、
各前記出力変更手段は、
前記充電手段から与えられる前記制御電圧に応じた電圧値の出力電圧を出力することを特徴とするマルチエネルギー源からの電力充電装置。
【請求項２】
前記出力変更手段が、
交流である前記電力発生源の電圧を整流する整流部と、
前記整流部で整流された直流電圧を一旦周波数調整可能な交流とし、調整後の交流を直流に直すインバータと、で構成されていることを特徴とする請求項１記載のマルチエネルギー源からの電力充電装置。
【請求項３】
前記インバータへバイアス電圧を供給するバイアス電圧供給手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載のマルチエネルギー源からの電力充電装置。
【請求項４】
前記インバータへは、前記充電手段から前記制御電圧が入力され、この制御電圧の電圧値に基づいて周波数調整が実行されることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のマルチエネルギー源からの電力充電装置。
【請求項５】
前記充電手段には、
現在の充電電圧と満充電電圧との差に応じた出力電圧を出力する電圧差検出部と、
この電圧差検出部から出力される前記出力電圧を前記制御電圧として前記インバータへ送出する電圧帰還部と、が備えられていることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１に記載のマルチエネルギー源からの電力充電装置。
【請求項６】
前記電圧差検出部がＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路で構成されていることを特徴とする請求項５記載のマルチエネルギー源からの電力充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる発電能力を持ち、かつそれぞれの出力値が相関関係がなく変動する複数の電力発生源から、所定の電力量を充電するためのマルチエネルギー源からの電力充電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電には、様々な動力エネルギー等の電力発生源が用いられている。例えば、風力発電は文字通り風力を利用した発電方式であり、効率よく発電するために、プロペラ型、ダリウス型、パドル型等の風車の形状が考えられている。また、火力発電、原子力発電等は、大規模発電の主流となっている。一方、太陽電池は、光エネルギーを直接電気に変えてこれを利用している。その利用範囲は小規模ではあるが、電卓等の電源として汎用化されている。
【０００３】
いずれにしても、充電を行う場合には、動力エネルギーを産出する電力発生源が必要である。この電力発生源として通常は単一の種類のものが利用されている。すなわち、風力発電であれば、風力のみによる電力発生源が設置されて、多くの電力を短時間に得るようになっている。水力発電、火力発電等も同様である。このように、従来の充填システムは、均一な電力量を得ることができる電力発生源に基づいて充電を行っているため、充電側では充電機能さえ持てばよかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、異なる種類（性質）の電力発生源を用いると、個々の電力発生源は異なる電力量を発生させることが多く、充電側では、それぞれに適した出力が設定される必要がある。
【０００５】
さらに、複数の電力発生源のそれぞれは、相関関係なく変動することが多いために充電システムは、所望の電力を効率よく充電することができない。このため、それぞれの電力発生源に対してそれぞれ個別に充電機能を持たせざるを得ないのが現状であり、このために装置構成が複雑となりさらに管理が煩雑となり、利用価値が低いものであった。
【０００６】
本発明は上記背景に鑑みて、それぞれ相関関係なく変動する複数種類の電力発生源を一括管理することで、充電システムの管理の煩雑さを解消し、単一の充電機能でこの複数の電力発生源から出力される電力によって効率よく充電することで装置構成を簡略化することができるマルチエネルギー源からの電力充電装置を得ることが目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、異なる発電能力をもち、かつそれぞれの出力値が互いに関連なく変動する複数の電力発生源から、所定の電力量を充電するためのマルチエネルギー源からの電力充電装置であって、前記電力発生源のそれぞれに設けられ、変動する該電力発生源の出力電圧値を所望電圧値に変換して出力する出力変更手段と、満充電電圧と現在の充電電圧との差に基づいて過電流とならない最適な電圧を設定し、該設定した電圧に応じた制御電圧を各前記出力変更手段に供給すると共に、各前記出力変更手段の出力電圧に基づく電力を充電する充電手段とを備え、各前記出力変更手段が、前記充電手段から与えられる前記制御電圧に応じた電圧値の出力電圧を出力することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、変動する出力値を所望の出力値に変更する出力変更手段をそれぞれの電力発生源に設けることで、充電手段への入力（例えば、電圧）を均一とすることができる。
【０００９】
また、この発明において、前記出力変動手段が、交流である電力発生源の電圧を整流する整流部と、整流部で整流された直流電圧を一旦周波数調整可能な交流とし、調整後の交流を直流に戻すインバータと、で構成されていることを特徴とする。
【００１０】
電力発生源は、交流電流を発生させるものがほとんどである。すなわち、充電は、基本的には、交互に極性を変えることで駆動するモータの逆の原理であるため、出力電圧は交流となる。この交流を整流部によって一旦整流して直流電圧を生成する。
【００１１】
この直流電圧を一旦周波数調整可能な交流にすることで、周波数調整によって出力電圧を自由に変更することが容易となる。調整後の交流は直流に戻されることで、出力電圧の異なる複数の電力発生源の出力電圧の均一化を図ることができる。この直流→交流→直流に変更する機能がインバータである。
【００１２】
また、本発明では、前記インバータへバイアス電圧を供給するバイアス電圧供給手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１３】
インバータは、入力が０の場合機能しなくなるため、電力発生源からの入力が０となっても一定の電圧を供給する必要がある。そこで、予めバイアス電圧供給手段から所定の電圧を供給しておくことで、インバータの機能を損なうことがない。
【００１４】
さらに、本発明では、前記インバータへは、充電手段から所望の出力電圧値が入力され、この所望の出力電圧値に基づいて周波数調整が実行されることを特徴とする。
【００１５】
インバータでの周波数調整は、充電部からの所望の出力電圧値とすることで、複数の電力発生源の出力電圧（実効値）を均一に制御することができる。
【００１６】
また、本発明において、前記充電手段には、複数の電力発生源によって充電された電力量に基づく最大電流値を検出する最大電流値検出部と、この最大電流値検出部で検出された電流値を電圧値に変換して前記インバータへ送出する電圧帰還部と、が備えられていることを特徴とする。
【００１７】
複数の電力発生源の出力電圧を均一にすることで、それぞれの電流値は調整された電圧に応じて変動する。また、各電力発生源自体の能力の変動もあるため、満充電状態となるまでの充電時間の予測ができない。そこで、充電手段では、徐々に充電がなされる過程において、その変化量（充電電圧）と満充電時の電圧値とに基づいて各電力発生源の出力電圧を適宜設定する。
【００１８】
また、本発明は、前記最大電流値検出部と、前記電圧帰還部とがＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路で構成されていることを特徴とする請求項５記載のマルチエネルギー源からの電力充電装置。
【００１９】
ＰＬＬ回路を用いることで、時々刻々と変化する充電電圧と満充電電圧との差をリアルタイムで認識することができ、かつ回路構成を簡単にすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１には、本実施の形態に係る電力充電装置１０の概略構成図が示されている。この図１では、複数の電力発生源１２を備えており、それぞれ交流電圧を発生させる。また、各電力発生源１２は、それぞれ個別に発電能力が変動する。すなわち、風力発電では、風の強さによって出力電圧が変化し、火力発電では火力の強弱によって出力電圧が変化する可能性がある。さらには、例えば、人力で回転体を回転させることで発電させる場合には、零発電を含め発電能力が大きく変動する。
【００２１】
各電力発生源１２には、それぞれ整流部１４が接続されて、この整流部１４によって交流電圧が直流のものに変換されるようになっている。
（整流部）
図２に示される如く、整流部１４は、所謂ブリッチ回路１６で構成されており、電力発生源１２の一方の出力端子１８は、第１のダイオード２０のアノード側が接続されている。この第１のダイオード２０のカソード側は＋（プラス）極端子２２となっている。また、電力発生源１２の出力信号の他方の出力端子２４は、第２のダイオード２６のカソード側が接続されている。この第２のダイオード２６のアノード側は−（マイナス）極２８となっている。
【００２２】
前記一方の出力端子１８と第１のダイオード２０との間には、第３のダイオード３０のカソード側が接続され、この第３のダイオード３０のアノード側は第２のダイオード２６とマイナス極２８との間に接続されている。
【００２３】
また、他方の出力端子２４と第２のダイオード２６との間には、第４のダイオード３２のアノード側が接続され、この第４のダイオード３２のカソード側は第１のダイオード２０と＋極２２との間に接続されている。さらに、＋極２２と−極２８との間には、電解コンデンサ３４が掛け渡されている。
【００２４】
かかる構成により、第１乃至第４のダイオード２０、２６、３０、３２によって極性が一方（プラス）となる山型波形となり（マイナス側が反転される）、電解コンデンサ３４によってこの山型波形がなほぼ均一な値のプラス電圧に整流されることになる。
【００２５】
図１に示される如く整流部１４の出力、すなわち図２に示すプラス極２２及びマイナス極２８は、ＤＣ／ＤＣ制御部３６へ入力されている。ＤＣ／ＤＣ制御部３６は、所謂インバータを主構成としており、直流を交流に変換し、さらにこの交流を直流に変換する機能を有している。
（ＤＣ／ＤＣ制御部）図３に示される如く、ＤＣ／ＤＣ制御部３６は、整流部１４（図２参照）の＋極２２と−極２８とが接続されることで、所定値の直流電圧が入力され、この直流電圧に基づいて交流電圧が生成されるようになっている。
【００２６】
交流電圧の周波数は、出力電圧検出部４０で検出した電圧に基づいて変更される。すなわち、周波数の変更は交流電圧の実効値の変更となり、この出力電圧検出部４０で検出した電圧で、自由に電圧を変えることができる。
【００２７】
周波数が変更（電圧が変更）された交流は、再度直流に変換され、出力部４２から出力されるようになっている。
【００２８】
ここで、主機能であるインバータは、入力される電圧が０の場合、機能しなくなるため、ＤＣ／ＤＣ制御部３６には、バイアス電源部４４が備えられている。このバイアス電源部４４では、外部から電源４６を受ける構成となっている。
【００２９】
出力部４２からの出力は、図１に示される如く、充電部４８へ入力されるようになっている。なお、前記出力電圧検出部４０は、この充電部４８から所定の電圧が入力されるようになっている。
（充電部）
図４に示される如く、充電部４８は、本来の充電機能の他に、電流制御部５０、電流充電制御部５２、最大電流検出部５４及び電圧帰還部５６によって構成されている。すなわち、前記ＤＣ／ＤＣ制御部３６の出力電圧検出部４０（図３参照）には、電圧帰還部５６から所望の電圧値が出力されるようになっている。この電圧帰還部５６は、最大電流検出部５４で検出した電流に基づいて電圧変換する役目を有している。
【００３０】
この電圧帰還部５６からの電圧が、各電力発生源１２を用いて充電するときの基準電圧となり、各電力発生源１２の発電能力が変動しても、それぞれの電力発生源１２の電圧を一定とすることができる。
【００３１】
ところで、電圧を一定とすると、その発電能力により電流値が変化する。電流値が変化すると、電圧が一定でも電力量が変化するため、充電能力が変動する。言い換えれば、過電流となる可能性があり、かつ満充電となるまでの時間が予測できないことになる。
【００３２】
そこで、最大電流検出部５４では、満充電電圧と現在の充電電圧との差に基づいて、過電流とならない最適な電圧を設定するようになっている。
【００３３】
また、前記ＤＣ／ＤＣ制御部３６の出力部４２（図３参照）から出力される電圧は、電流制御部５０に入力される。この電流制御部５０は、電流充電制御部５２によって制御されており、入力された電圧値に基づく電流値が演算され、最大電流検出部５４へ送出されるようになっている。この最大電流検出部５４では、充電媒体５８への充電を実行すると共に、前述の如く電圧帰還部５６へ演算した電流に基づく電圧値を出力する。
（最大電流検出部５４及び電圧帰還部５６の構成）
図５に示される如く、最大電流検出部５４は、ＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路６０を主として構成されている。この最大電流検出部５４では、ＰＬＬ回路６０として、２個のＶＣＯ（電圧発振回路）６２、６４が設けられ、それぞれ満充電電圧出力部６６と、充電電圧出力部６８とが接続されている。
【００３４】
満充電電圧出力部６６が接続されたＶＣＯ６２は、１／Ｍ分周器７０にに接続され、充電電圧出力部６８が接続されたＶＣＯ６４は、１／Ｎ分周器７２に接続されている。この２個の分周器（１／Ｍ分周器７０、１／Ｎ分周器７２）の分周率を決める数値Ｍ、Ｎは、ＣＰＵ７４からの信号に応じて定められている。
【００３５】
１／Ｍ分周器７０と、１／Ｎ分周器７２と、でそれぞれ分周された信号は、位相比較器７６によって比較され、その比較結果がＬＰＦ（ローパスフィルタ）７８を介して電圧帰還部５６によって各電力発生源１２に設けられたＤＣ／ＤＣ制御部３６へフィードバックされる。この結果、充電電圧出力部６８からの出力電圧が徐々に満充電電圧に近づくように変化していくことになる。なお、位相比較部７６からは位相クロック信号がＣＰＵ７４へ送出され、ＣＰＵ７４では、位相を一致させるために、１／Ｍ分周器７０と、１／Ｎ分周器７２と、にそれぞれ出力する分周率Ｍ、Ｎを変更することで、電力発生源１２の能力に即した電圧値を設定することができるようになっている。
【００３６】
以下に本実施の形態の作用を説明する。
【００３７】
各電力発生源１２が発電すると（交流）、それぞれの電力発生源１２に接続された整流部１４において、直流に変換される。直流に変換された電圧は、ＤＣ／ＤＣ制御部３６へ送られる。ＤＣ／ＤＣ制御部３６では、インバータ機能によって、一旦交流に変換され、充電部４８からの所望の電圧に基づいて、変換された交流電圧の周波数が調整される。この周波数の調整により実効電圧値が変更され、この変更された周波数の交流が再度直流に戻されて充電部４８へ送出される。
【００３８】
ここで、各電力発生源１２に接続されたＤＣ／ＤＣ制御部３６は、充電部４８からの一律の電圧値に基づいて制御されるため、このＤＣ／ＤＣ制御部３６に入力される電圧値がそれぞれ異なっていても、これらの電圧値を一定とした上で充電部４８に入力させることができる。
【００３９】
充電部４８では、入力された電圧に基づいて電流値が演算される。すなわち、電圧を所定の電圧に変換すると、それぞれの電流値が変化することになる。電流値が変化すると、充電能力が変動するため、満充電となるまでの時間が予測できない。
【００４０】
そこで、最大電流検出部５４では、満充電電圧と現在の充電電圧との差に基づいて、過電流とならない最適な電圧を設定し、電圧帰還部５６によってＤＣ／ＤＣ制御部３６へ所定の電圧を出力する。これにより、充電開始から満充電まで安定した充電が可能となり、満充電までの時間もある程度予測が可能となる。
【００４１】
ここで本実施の形態では、最大電流検出部５４をＰＬＬ回路６０で構成している。
【００４２】
満充電電圧出力部６６からの電圧値は、ＶＣＯ６２に送られ、１／Ｍ分周器７０によって分周されて位相比較器７６に入力される。一方、充電電圧出力部６８からの電圧値は、ＶＣＯ６４に送られ、１／Ｎ分周器７２によって分周されて位相比較器７６に入力される。
【００４３】
位相比較器７６では、１／Ｍ分周器７０と、１／Ｎ分周器７２と、でそれぞれ分周された信号が比較される。
【００４４】
すなわち、満充電電圧と現在の充電電圧との差が位相差となって表れるため、この位相差をなくすような出力電圧が出力される。この出力電圧は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）を介して電圧帰還部５６によって各電力発生源１２に設けられたＤＣ／ＤＣ制御部３６へフィードバックされることで、常に電力発生源１２の電圧を制御しながら、充電を行うことができる。
【００４５】
ところで、２個の分周器（１／Ｍ分周器７０と、１／Ｎ分周器７２）の分周率を決める数値Ｍ、Ｎは、ＣＰＵ７４からの信号に応じて定めらる。
【００４６】
このＣＰＵ７４には、位相比較部７６からの位相クロック信号が入力され、ＣＰＵ７４では、位相を一致させるために、１／Ｍ分周器７０と、１／Ｎ分周器７２と、にそれぞれ出力する分周率Ｍ、Ｎを変更することで、電力発生源１２の能力に即した電圧値を設定することができる。
【００４７】
表１及び表２には、充電部４８で充電するときの電力の計算例を示されている。
【００４８】
【表１】
0003914001.tif 000002
【００４９】
【表２】
0003914001.tif 000003
【００５０】
この表１及び表２に基づいて一例を挙げると、１時間で３５ＶＡの電力を得るとき、満充電電圧を１１Ｖとすると、Ａ電力電流が０．９１Ａ、Ｂ電力電流が１．８２Ａ、Ｃ電力電流が０．４５Ａが流れる。すなわち、各電力電流を同一の電圧値で制御することで、単純に電流値の足し算によって電力を得ることができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施の形態の電力充電装置１０は、複数の異なる電力発生源１２を用い、これらが、相関関係なく発電能力が変動するようなものであっても、充電部４８によって定めた電圧となるように常に制御されるため、充電部４８へは、それぞれの同一の電圧で送出することができる。
【００５２】
また、この同一の電圧値は、現在の充電状態と、満充電との差に基づいて決定されるため、過電流による充電や、能力以上の充電がなされることはなく、安定した充電を行うことができる。
【００５３】
なお、本実施の形態では、ＤＣ／ＤＣ制御部３６では、バイアス電源部４４の電源として外部から電源４６を取り込んだが、図６に示される如く、内部（出力電圧検出部４０）から電源を取り込むようにしてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明した如く本発明では、それぞれ相関関係なく変動する複数種類の電力発生源を一括管理することで、管理の煩雑さを解消し、単一の充電機能でこの複数の電力発生源から出力される電力によって効率よく充電することで装置構成を簡略化することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る電力充電装置１０の概略構成図。
【図２】  整流部の回路構造。
【図３】  ＤＣ／ＤＣ制御部の回路構造。
【図４】  充電部の回路構造。
【図５】  最大電流検出部の回路構造。
【図６】  ＤＣ／ＤＣ制御部の他の実施形態に係わる回路構造。
【符号の説明】
１０    電力充電装置
１２    電力発生源
１４    整流部
１６    ブリッジ回路
２０    第１のダイオード
２６    第２のダイオード
３０    第３のダイオード
３２    第４のダイオード
３４    電解コンデンサ
３６    ＤＣ／ＤＣ制御部
４４    バイアス電源部
４８    充電部
５０    電流制御部
５２    電流充電制御部
５４    最大電流検出部
５６    電圧帰還部
５８    充電媒体
６０    ＰＬＬ回路
６２    ＶＣＯ
６４    ＶＣＯ
６６    満充電電圧出力部
６８    充電電圧出力部
７０    １／Ｍ分周器
７２    １／Ｎ分周器
７４    ＣＰＵ
７６    位相比較部
７８    ＬＰＦ
【図１】
0003914001.tif 000004
【図２】
0003914001.tif 000005
【図３】
0003914001.tif 000006
【図４】
0003914001.tif 000007
【図５】
0003914001.tif 000008
【図６】
0003914001.tif 000009