(57)【要約】【課題】  街路灯の照明装置などに用いられる、コンパクトで信頼性が高い、太陽光発電装置のような自然エネルギーを電気に変換して、蓄電する装置を提供する。【解決手段】  太陽光発電装置と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、リチウムイオン二次電池により、蓄電装置を構成する。前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇降圧チョッパとＣＰＵを備え、太陽光発電装置の制御、リチウムイオン二次電池の充電制御及び放電制御を、ＣＰＵ制御の切替により、行えるようにする。また、リチウムイオン二次電池には、正極材料として、スピネル型構造またはオリビン型構造の少なくともいずれかを有する活物質を使用し、並列接続で用いることにより、信頼性を向上する。【選択図】図１
2017127173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電装置と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、リチウムイオン電池を有する蓄電装置において、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇降圧チョッパとＣＰＵを備え、前記太陽光発電装置の制御、前記リチウムイオン電池の充電制御及び放電制御を、前記ＣＰＵ制御の切替により、行うことを特徴とする、蓄電装置。
【請求項２】
前記リチウムイオン電池は、正極材料に、スピネル型構造またはオリビン型構造の少なくともいずれかを有する活物質を使用した、単セルリチウムイオン二次電池を、複数箇並列に接続してなることを特徴とする、請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記リチウム電池は、複数箇並列に接続してなる前記単セルリチウム二次電池のいずれかが不具合を起こした場合、不具合を起こした前記単セルリチウム二次電池のみを、切り離して連続動作し続ける構造を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記蓄電装置のＤＣ−ＤＣコンバータ高圧側の直流系統は、前記太陽光発電装置の出力または直流負荷のいずれかに接続することが可能で、接続状態は、スイッチにより切り替えることが可能であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、自然エネルギーの蓄電装置に関するもので、特に太陽光発電で得られる電力を、蓄電池に蓄えて街路灯などの電気機器に電力を供給する、電力双方向変換の蓄電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  太陽光発電や風力発電などの、再生可能エネルギーをエネルギー源とした電源設備では、自然現象で左右される不安定な出力電力を補うために蓄電池を併用している。図２は従来の一般的な蓄電システムの一例を示すブロック図である。【０００３】  ここに示した例では、直流系統には直流電源や直流負荷を接続する。太陽光発電装置や整流した風力発電装置が直流電源として接続され、直流負荷としてＬＥＤ照明装置が接続される場合、直流系統には１００〜４００Ｖの高電圧が求められる。【０００４】  なお、図２には、太陽光発電装置を用いた例を示していて、この場合は、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）方式、つまり、最大電力点追従方式の発電制御装置が必要となる。また、一般的に蓄電システムを構成するＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率は、入出力電圧比が大きいとき悪化するため、蓄電池の電圧として高いものが使用されている。このため、ここに示した例のように、高電圧を得るため、所要数の電池のセルを直列接続したモジュールを構成して電源としている。【０００５】  しかし、直列モジュールは、１つのセルのみの故障であっても、モジュール全体から電力を供給できなくなるため、信頼性低下の要因になる課題を有していた。また、電池の容量を増加させるために、直列接続したモジュールを並列接続する構成、つまり、直並列接続と称される構成とする場合があるが、電池制御システム（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｔｅｍ；以下ＢＭＳと記す）、安全装置が各モジュール毎に必要になり回路が複雑になり、コスト上昇、信頼性の低下につながる。【０００６】  このような例として、特許文献１には、複数箇の二次電池を並列に接続して一つの電池グループとし、この電池グループを複数グループ直列に接続し、さらに電池グループとして並列に接続される二次電池は、単電池を複数箇直列に接続することも可能とすることにより、過充電を防ぎ、保護回路を減少し得ることが開示されている。しかし、ここでも充電状態を監視するための電圧センサを、電池グループ毎に設けることを必要な要件としているため、前記のコスト抑制と信頼性の向上を同時に確保するという課題に、必ずしも十分に対応しているとは言い難い。【０００７】  現用の二次電池の中で最もエネルギー密度が高く、一般的に用いられているリチウムイオン二次電池の電圧は、最大４．２Ｖ程度であり、実際に使用する場合は、直列に接続して数１０〜数１００Ｖの電圧で使用している。ただし、リチウムイオン電池は、過放電、過電圧によって重大な故障を引き起こすため、個々のセルには、ＢＭＳという安全回路を搭載して、電池をセル毎に監視している。また、安全回路が作動した場合は、電池を開放するように動作する。【０００８】  充電の際は、単セルの最大電圧である４．２Ｖを見て制御しているが、直列の場合、使われているセルのうち１セルでも４．２Ｖになれば、電流を制御するので、すべての電池を均一に満充電することはできない。また、放電の際は、たとえば３．０Ｖの過放電電圧を見て制御するが、１セルでも過放電電圧になった場合は回路が放電を止めるので、他のセルは容量が残った状態となる。【０００９】  そして、直列接続の場合、構成するセルが１セルでも故障した場合、電流が流せないため、電力の供給が止まってしまうのが現状であった。また、並列接続に関しても、個々のセルのうち一つでも内部短絡が起こると、熱暴走によって発煙発火が起き、さらにその熱により他のセルが同様に発熱、発火する危険性があり、安全性の確保にコストを要するものであった。【００１０】  これに対して、正極材料に、スピネル型構造またはオリビン型構造を有する活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、過電圧、過電流状態でも熱暴走を起こさない特徴を有し、単セルが短絡状態になったとしても、短絡状態の単セルを回路的に切り離すだけで、安全を保ったまま、問題なく動作する。そして、前記の特許文献１にも、この種の二次電池が用いられることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】  特開２００４−１１１１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  しかしながら、太陽光発電装置により充電した電池を、電源として用いる照明装置においては、昼間と夜間で、電池の充放電を切り替えるなどの操作が必要であり、それらの制御回路などの付設を考慮すると、単にスピネル型構造またはオリビン型構造を有する活物質を用いたリチウムイオン二次電池を用いるだけでは、運用上の課題が残る。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  本発明は、前記の問題に着目してなされたものであり、自然エネルギーを蓄電池に蓄えて、照明などの電気機器に電力を供給する電力双方向の蓄電システムにおいて、電力損失削減、信頼性改善を目的としている。【００１４】  本発明によれば、太陽光発電装置と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、リチウムイオン電池を有する蓄電装置において、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇降圧チョッパとＣＰＵを備え、前記太陽光発電装置の制御、前記リチウムイオン電池の充電制御及び放電制御を、前記ＣＰＵ制御の切替により、行うことを特徴とする、蓄電装置が得られる。【００１５】  また、本発明によれば、前記リチウムイオン電池が、正極材料に、スピネル型構造またはオリビン型構造の少なくともいずれかを有する活物質を使用した、単セルリチウムイオン二次電池を、複数箇並列に接続してなることを特徴とする、前記の蓄電装置が得られる。【００１６】  また、本発明によれば、前記リチウム電池が、複数箇並列に接続してなる前記単セルリチウム二次電池のいずれかが不具合を起こした場合、不具合を起こした前記単セルリチウムイオン二次電池のみを、切り離して連続動作し続ける構造を有することを特徴とする、前記の蓄電装置が得られる。【００１７】  また、本発明によれば、前記蓄電装置の直流系統が、前記太陽光発電装置請求の出力または直流負荷のいずれかに接続することが可能で、接続状態は、スイッチにより切り替えることが可能であることを特徴とする、前記の蓄電装置が得られる。【００１８】  前記の課題を解決するため、第１の発明では、直流系統を介して直流電源や直流負荷と直流電力を双方向に融通させる蓄電システムであって、直流系統と電池の間に直流電力を双方向に制御可能なＤＣ／ＤＣコンバータを有し、電池はマンガン系リチウムイオン二次電池であり、電池の構成単位であるセルを並列に接続した特徴をもつ蓄電システムを提案している。【００１９】  また、第２の発明では、第１の発明の蓄電システムにおいて、電池が短絡故障を起しても当該、故障セルを切り離して故障していないセルを用いて連続動作可能な構造を持つことを特徴とする蓄電システムを提案する。これより、システムの信頼性を改善できると同時に、電力容量の増減も容易にできる特徴を提案している。【００２０】  また、第３の発明では、第１の発明の低損失な蓄電システムを、太陽光発電システムに付与することを提案する。これにより、太陽光の発電電力を効率よく電池に充電できると同時に、効率よくかつ信頼性も高く負荷に直流電力を供給できる。【００２１】  また、第４の発明では、第２の発明の高信頼性で低損失な蓄電システムを、太陽光発電システムに付与することを提案する。これにより、太陽光の発電電力を信頼性が高くかつ効率よく電池に充電できる。同時に、効率よくかつ信頼性も高く負荷に直流電力を供給できる。
【発明の効果】
【００２２】  本発明の特徴により、次のような効果が得られる。並列接続した二次電池の運転により、並列接続された単セルリチウム二次電池の一つが故障しても、電力供給が止まらないので、並列接続した単セルリチウム二次電池のバランスを取る必要がなく、ＢＭＳ回路が不要となる他、常に充放電することが可能になり、電池の容量を最大限に利用可能となることから使用時間を延長できる。【００２３】  ＢＭＳ回路が不要となることから、コストダウン、小型・軽量、回路消費電力削減となる。並列接続により、電池電圧が単セルの電圧で統一できるため、回路の変更なしで電池容量増加が可能となり、回路の標準化が可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】  次に本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係る、蓄電装置を用いた太陽光発電装置を電源に用いた照明装置の一例を示すブロック図である。この照明装置は、太陽電池による発電電力をＤＣ−ＤＣコンバータにより定電流に変換して、マンガン系リチウム二次電池に蓄えて、その電力をＬＥＤ夜間照明に利用する。
【００２５】  ここでは、電池としてマンガン系リチウムイオン二次電池を用い、セルは並列接続する。ＤＣ／ＤＣコンバータは電気的に絶縁あるいは非絶縁の回路構成で、Ｖ１とＶ２の比は図２に示す従来の蓄電システムに比較すると大きい。
【００２６】  しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成する低損失な電力用半導体スイッチ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＭＯＦＦＥＴ、ＧａＮ‐ＦＥＴなど）を高周波で動作するため電圧比が高くてもＤＣ／ＤＣコンバータの損失増加の影響は少ない。また、並列接続では電池電圧はセル単体の電圧であり、直列接続よりも低い電圧で、よりオン抵抗の低いＦＥＴを選択出来るため低損失が望める。
【００２７】  したがって、電池とＤＣ／ＤＣコンバータの損失合計は、図２に比べて図１のほうが同等以下に少なくでき、ＢＭＳ、保護回路削減も影響して蓄電システムの小型軽量化、低コスト化が可能になる。電池セルを並列して使用するため信頼性を改善でき、無停電電源などの高信頼性を必要とするシステムや装置への適用も有効となる。
【００２８】  以上に説明したように、本発明によれば、コンパクトで信頼性の高い、自然エネルギーを電気に変換して蓄電する装置を提供でき、太陽光発電などの利用を促進できる。なお、本発明は、前期実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有するものであれば想到し得る、各種変形、修正を含む、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更であっても、本発明に含まれることは無論である。
【図１】
2017127173.tif 000003
【図２】
2017127173.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月22日(2016.3.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、自然エネルギーの蓄電装置に関するもので、特に太陽光発電で得られる電力を、蓄電池に蓄えて街路灯などの電気機器に電力を供給する、電力双方向変換の蓄電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  太陽光発電や風力発電などの、再生可能エネルギーをエネルギー源とした電源設備では、自然現象で左右される不安定な出力電力を補うために蓄電池を併用している。図２は従来の一般的な蓄電システムの一例を示すブロック図である。【０００３】  ここに示した例では、直流系統には直流電源や直流負荷を接続する。太陽光発電装置や整流した風力発電装置が直流電源として接続され、直流負荷としてＬＥＤ照明装置が接続される場合、直流系統には１００〜４００Ｖの高電圧が求められる。【０００４】  なお、図２には、太陽光発電装置を用いた例を示していて、この場合は、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）方式、つまり、最大電力点追従方式の発電制御装置が必要となる。また、一般的に蓄電システムを構成するＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率は、入出力電圧比が大きいとき悪化するため、蓄電池の電圧として高いものが使用されている。このため、ここに示した例のように、高電圧を得るため、所要数の電池のセルを直列接続したモジュールを構成して電源としている。【０００５】  しかし、直列モジュールは、１つのセルのみの故障であっても、モジュール全体から電力を供給できなくなるため、信頼性低下の要因になる課題を有していた。また、電池の容量を増加させるために、直列接続したモジュールを並列接続する構成、つまり、直並列接続と称される構成とする場合があるが、電池制御システム（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｔｅｍ；以下ＢＭＳと記す）、安全装置が各モジュール毎に必要になり回路が複雑になり、コスト上昇、信頼性の低下につながる。【０００６】  このような例として、特許文献１には、複数箇の二次電池を並列に接続して一つの電池グループとし、この電池グループを複数グループ直列に接続し、さらに電池グループとして並列に接続される二次電池は、単電池を複数箇直列に接続することも可能とすることにより、過充電を防ぎ、保護回路を減少し得ることが開示されている。しかし、ここでも充電状態を監視するための電圧センサを、電池グループ毎に設けることを必要な要件としているため、前記のコスト抑制と信頼性の向上を同時に確保するという課題に、必ずしも十分に対応しているとは言い難い。【０００７】  現用の二次電池の中で最もエネルギー密度が高く、一般的に用いられているリチウムイオン二次電池の電圧は、最大４．２Ｖ程度であり、実際に使用する場合は、直列に接続して数１０〜数１００Ｖの電圧で使用している。ただし、リチウムイオン電池は、過放電、過電圧によって重大な故障を引き起こすため、個々のセルには、ＢＭＳという安全回路を搭載して、電池をセル毎に監視している。また、安全回路が作動した場合は、電池を開放するように動作する。【０００８】  充電の際は、単セルの最大電圧である４．２Ｖを見て制御しているが、直列の場合、使われているセルのうち１セルでも４．２Ｖになれば、電流を制御するので、すべての電池を均一に満充電することはできない。また、放電の際は、たとえば３．０Ｖの過放電電圧を見て制御するが、１セルでも過放電電圧になった場合は回路が放電を止めるので、他のセルは容量が残った状態となる。【０００９】  そして、直列接続の場合、構成するセルが１セルでも故障した場合、電流が流せないため、電力の供給が止まってしまうのが現状であった。また、並列接続に関しても、個々のセルのうち一つでも内部短絡が起こると、熱暴走によって発煙発火が起き、さらにその熱により他のセルが同様に発熱、発火する危険性があり、安全性の確保にコストを要するものであった。【００１０】  これに対して、正極材料に、スピネル型構造またはオリビン型構造を有する活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、過電圧、過電流状態でも熱暴走を起こさない特徴を有し、単セルが短絡状態になったとしても、短絡状態の単セルを回路的に切り離すだけで、安全を保ったまま、問題なく動作する。そして、前記の特許文献１にも、この種の二次電池が用いられることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】  特開２００４−１１１１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  しかしながら、太陽光発電装置により充電した電池を、電源として用いる照明装置においては、昼間と夜間で、電池の充放電を切り替えるなどの操作が必要であり、それらの制御回路などの付設を考慮すると、単にスピネル型構造またはオリビン型構造を有する活物質を用いたリチウムイオン二次電池を用いるだけでは、運用上の課題が残る。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  本発明は、前記の問題に着目してなされたものであり、自然エネルギーを蓄電池に蓄えて、照明などの電気機器に電力を供給する電力双方向の蓄電システムにおいて、電力損失削減、信頼性改善を目的としている。【００１４】  本発明によれば、太陽光発電装置と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、リチウムイオン電池を有する蓄電装置において、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇降圧チョッパとＣＰＵを備え、前記太陽光発電装置の制御、前記リチウムイオン電池の充電制御及び放電制御を、前記ＣＰＵ制御の切替により、行うことを特徴とする、蓄電装置が得られる。【００１５】  また、本発明によれば、前記リチウムイオン電池が、正極材料に、スピネル型構造またはオリビン型構造の少なくともいずれかを有する活物質を使用した、単セルリチウムイオン二次電池を、複数箇並列に接続してなることを特徴とする、前記の蓄電装置が得られる。【００１６】  また、本発明によれば、前記リチウム電池が、複数箇並列に接続してなる前記単セルリチウム二次電池のいずれかが不具合を起こした場合、不具合を起こした前記単セルリチウムイオン二次電池のみを、切り離して連続動作し続ける構造を有することを特徴とする、前記の蓄電装置が得られる。【００１７】  また、本発明によれば、前記蓄電装置の直流系統が、前記太陽光発電装置請求の出力または直流負荷のいずれかに接続することが可能で、接続状態は、スイッチにより切り替えることが可能であることを特徴とする、前記の蓄電装置が得られる。【００１８】  前記の課題を解決するため、第１の発明では、直流系統を介して直流電源や直流負荷と直流電力を双方向に融通させる蓄電システムであって、直流系統と電池の間に直流電力を双方向に制御可能なＤＣ／ＤＣコンバータを有し、電池はマンガン系リチウムイオン二次電池であり、電池の構成単位であるセルを並列に接続した特徴をもつ蓄電システムを提案している。【００１９】  また、第２の発明では、第１の発明の蓄電システムにおいて、電池が短絡故障を起しても当該、故障セルを切り離して故障していないセルを用いて連続動作可能な構造を持つことを特徴とする蓄電システムを提案する。これより、システムの信頼性を改善できると同時に、電力容量の増減も容易にできる特徴を提案している。【００２０】  また、第３の発明では、第１の発明の低損失な蓄電システムを、太陽光発電システムに付与することを提案する。これにより、太陽光の発電電力を効率よく電池に充電できると同時に、効率よくかつ信頼性も高く負荷に直流電力を供給できる。【００２１】  また、第４の発明では、第２の発明の高信頼性で低損失な蓄電システムを、太陽光発電システムに付与することを提案する。これにより、太陽光の発電電力を信頼性が高くかつ効率よく電池に充電できる。同時に、効率よくかつ信頼性も高く負荷に直流電力を供給できる。
【発明の効果】
【００２２】  本発明の特徴により、次のような効果が得られる。並列接続した二次電池の運転により、並列接続された単セルリチウム二次電池の一つが故障しても、電力供給が止まらないので、並列接続した単セルリチウム二次電池のバランスを取る必要がなく、ＢＭＳ回路が不要となる他、常に充放電することが可能になり、電池の容量を最大限に利用可能となることから使用時間を延長できる。【００２３】  ＢＭＳ回路が不要となることから、コストダウン、小型・軽量、回路消費電力削減となる。並列接続により、電池電圧が単セルの電圧で統一できるため、回路の変更なしで電池容量増加が可能となり、回路の標準化が可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】  次に本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係る、蓄電装置を用いた太陽光発電装置を電源に用いた照明装置の一例を示すブロック図である。この照明装置は、太陽電池による発電電力をＤＣ−ＤＣコンバータにより定電流に変換して、マンガン系リチウム二次電池に蓄えて、その電力をＬＥＤ夜間照明に利用する。
【００２５】  ここでは、電池としてマンガン系リチウムイオン二次電池を用い、セルは並列接続する。ＤＣ／ＤＣコンバータは電気的に絶縁あるいは非絶縁の回路構成で、Ｖ１とＶ２の比は図２に示す従来の蓄電システムに比較すると大きい。
【００２６】  しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成する低損失な電力用半導体スイッチ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＭＯＦＦＥＴ、ＧａＮ‐ＦＥＴなど）を高周波で動作するため電王比が高くてもＤＣ／ＤＣコンバータの損失増加の影響は少ない。また、並列接続では電池電圧はセル単体の電圧であり、直列接続よりも低い電圧で、よりオン抵抗の低いＦＥＴを選択出来るため低損失が望める。
【００２７】  したがって、電池とＤＣ／ＤＣコンバータの損失合計は、図２に比べて図１のほうが同等以下に少なくでき、ＢＭＳ、保護回路削減も影響して蓄電システムの小型軽量化、低コスト化が可能になる。電池セルを並列して使用するため信頼性を改善でき、無停電電源などの高信頼性を必要とするシステムや装置への適用も有効となる。
【００２８】  以上に説明したように、本発明によれば、コンパクトで信頼性の高い、自然エネルギーを電気に変換して蓄電する装置を提供でき、太陽光発電などの利用を促進できる。なお、本発明は、前期実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有するものであれば想到し得る、各種変形、修正を含む、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更であっても、本発明に含まれることは無論である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】蓄電装置を用いた太陽光発電装置を電源に用いた照明装置の一例を示す図である。
【図２】従来の蓄電システムの図である。