JP2007300715A - 電源システム、並びにその制御方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷装置の利便性を向上しつつ、放電による二次電池の寿命劣化を抑制し得るシステムを提供する。
【解決手段】蓄電装置の電圧と電流と温度の３種の特性値を測定する測定部と、前記測定部から出力された特性値を測定特性データとして記憶する第１の演算記憶部と、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データのうち電流と電圧とから所定期間内の電力量を算出し、算出された電力量を時系列的に記憶し、時系列的電力量データとする第２の演算記憶部と、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データの内少なくともひとつに基づき電池状態量を決定し、記憶する第３の演算記憶部を有し、前記時系列的電力量データと前記電池状態量とを基に、前記負荷装置の消費電力量を制御する制御部を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、負荷装置に電力を供給する電源システム、並びにその制御方法およびプログラムに関し、特に蓄電装置を備えた電源システム、並びにその制御方法およびプログラムに関する。

近年、蓄電装置は、太陽電池などの発電装置と組み合わされ、電源システムとして利用されることがある。発電機は、風力や水力といった自然エネルギーによって駆動される。このような蓄電装置を組み合わせた電源システムは、余剰な電力を蓄電装置に蓄積し、負荷装置が必要な時に蓄電装置から電力を供給することによって、エネルギー効率の向上を図っている。

このような電源システムの一例としては、太陽光発電システムが挙げられる。太陽光発電システムは、太陽光による発電量が負荷装置の電力消費量に比べて大きい場合には、余剰電力で蓄電装置に充電を行う。逆に、発電量が負荷装置の消費電力より小さい場合には、不足の電力を補うために蓄電装置から出力して負荷装置を駆動する。

このように、太陽光発電システムにおいては、従来利用されていなかった余剰電力を蓄電装置に蓄積できるため、従来の電源システムに比べてエネルギー効率を高めることができる。

このように、太陽光発電システムにおいては、余剰電力を効率良く蓄電装置に充電するため、蓄電装置の充電状態（以下、ＳＯＣという：ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）が１００％とならないようにも制御が行われている。また、必要な時に負荷装置を駆動できるように、ＳＯＣが０（ゼロ）とならないようにも制御が行われている。具体的には、通常、蓄電装置においては、ＳＯＣが２０％〜８０％の範囲で推移するように制御が行われている。

ところで、電源システムに搭載される蓄電装置は、複数の蓄電素子（単電池等）を直列に接続することによって構成されている。このような蓄電素子では、個々の蓄電素子の容量バラツキにより、大きな電流で深い放電が行われると、容量が低い蓄電素子がより過放電され、蓄電素子が劣化し蓄電装置全体の寿命を低下させることとなる。

このような蓄電装置の寿命の低下を抑制するため、太陽光発電を用いた電源システムにおいては、蓄電装置の充電状態の低下が発生すると負荷装置への電力の供給を通常レベルより下げることにより、蓄電装置の劣化を抑制していた。また、この操作により、蓄電装置を一定時間長く使用することが可能になり、負荷装置が使用できずに電源システム全体に影響を受けることを抑制していた。

特に、特許文献１では、電源システム全体へ影響を及ぼすことを抑制するために、バッテリの容量の低下を検出すると、負荷装置への送信電力を通常レベルよりさげ、バッテリを長時間使用する装置が開示されている。
特開平９−８６７６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の負荷装置への送信電力を通常レベルよりさげる
方法では、今後蓄電装置が充電され、蓄電装置の充電状態が所定値以上になり、負荷装置を通常レベルの使用条件に戻しても問題がない場合でも、負荷装置の機能を一部停止し低消費モードに移行するため、負荷装置の利便性が低下するという問題があった。

本発明の目的は上記問題を解消し、負荷装置の利便性を向上しつつ、放電による蓄電装置の寿命劣化を抑制し得るシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明における電源システムは、負荷装置に電力を供給する電源システムであって、蓄電装置と、前記蓄電装置の電圧と電流と温度の３種の特性値を測定する測定部と、前記測定部から出力された特性値を測定特性データとして記憶する第１の演算記憶部と、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データのうち電流と電圧とから所定期間内の電力量を算出し、算出された電力量を時系列的に記憶し、時系列的電力量データとする第２の演算記憶部と、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データの内少なくともひとつに基づき電池状態量を決定し、記憶する第３の演算記憶部を有し、さらに、前記第２の演算記憶部から出力された前記時系列的電力量データと前記第３の演算記憶部から出力された前記電池状態量とを基に、前記負荷装置の消費電力量を制御する制御部を少なくとも有するものである。

上記本発明における電源システムにおいては、前記負荷装置は、標準的な消費電力である通常消費電力モードおよび消費電力量を削減する省電力モードを少なくとも含む複数の消費電力量モードを有し、前記制御部は、前記電池状態量が所定値以下であるかどうかの判定と、前記時系列的電力量データから今後の消費電力量を推定する演算機能を持ち、前記電池状態量が所定値以下と判定し、かつ、前記今後の消費電力量が、さらに消費されると推定された場合に、前記省電力モードに移行制御するように構成した手段とすることも好ましい。

また、上記本発明における電源システムにおいては、前記第３の演算記憶部における電池状態量の決定は、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データを基に算出した蓄電装置の充電状態または残存容量を電池状態量とすることも好ましく、または、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データから選出した電圧と温度とのペアデータを電池状態量とすることも好ましい。

さらに、前記制御部は、前記省電力モード状態において、割り込み信号を受信した場合には、通常消費電力モードに所定期間のみ復帰させるように構成した手段とすることも好ましい。

上記本発明における電源システムにおいて、自然エネルギーから電力を発電する発電装置と組み合わせるのも、特に好ましい。

上記本発明における制御方法においては、蓄電装置から負荷装置に電力を供給する電源システムの制御方法であって、
（ａ）前記蓄電装置の電圧と電流と温度の３種の特性値を測定し、
（ｂ）測定された特性値を測定特性データとして記憶し、
（ｃ）前記測定特性データのうち電流と電圧とから所定期間内の電力量を算出し、
（ｄ）算出された電力量を時系列的に記憶し、時系列的電力量データとし、
（ｅ）前記測定特性データの内少なくともひとつに基づき電池状態量を決定し、記憶し、
（ｆ）前記時系列的電力量データと前記電池状態量から、負荷装置の消費電力量を制御する工程を少なくとも有することを特徴とするものである。

また、上記発明における制御方法においては、前記負荷装置は、標準的な消費電力である通常消費電力モードおよび消費電力量を削減する省電力モードを少なくとも含む複数の消費電力量モードを設定されており、前記電池状態量が所定値以下と判定し、かつ、前記今後の消費電力量が、さらに消費されると推定された場合に、前記省電力モードに移行制御するものである。

さらに、上記発明における制御方法においては、省電力モード状態において、割り込み信号を受信した場合に、所定期間の間のみ、通常消費電力モードに復帰させるのも好ましい。

また、本発明は、上記の本発明における制御方法を具現化するためのプログラムであっても良い。

つまり、蓄電装置から負荷装置に電力を供給する電源システムの制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって
（ａ）前記蓄電装置の電圧と電流と温度の３種の特性値を測定するステップと、
（ｂ）測定された特性値を測定特性データとして記憶するステップと、
（ｃ）前記測定特性データのうち電流と電圧とから所定期間内の電力量を算出するステップと、
（ｄ）算出された電力量を時系列的に記憶し、時系列的電力量データとするステップと、
（ｅ）前記測定特性データの内少なくともひとつに基づき電池状態量を決定し、記憶するステップと、
（ｆ）前記時系列的電力量データと前記電池状態量から、負荷装置の消費電力量を制御するステップを少なくとも有することを特徴とするコンピュータに実行させるプログラムである。

このプログラムをコンピュータにインストールして実行することにより、本発明における制御方法が実行される。

以上のように本発明においては、蓄電装置の状態量と時系列的に蓄電装置に入出力される電力量データから、負荷装置の消費電力モードが設定される。つまり、本発明においては、過去のデータから今後入出力される電力量を予測し、現状の蓄電装置の状態量から将来の蓄電装置の状態量を精度よく予想できるため、現状の状態量から負荷装置の消費電力モードを設定した場合に比べ、負荷装置を将来の蓄電装置の状態量変動に応じて設定できるので、効率よく駆動できる。さらに将来の蓄電装置の状態量から、負荷装置内の中で消費電力の大きな機能を切り離し、長時間使用したい場合最低限の機能のみでさらに長時間駆動させることも可能となる。

また、この場合、蓄電装置の状態量が所定以下になっているため、低消費電力モードに移行することにより蓄電装置への負荷が低下するため、容量が低い蓄電素子が過放電されることが抑制され、蓄電素子の劣化を抑制し、蓄電装置全体の寿命を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

本実施の形態における電源システムは、蓄電装置と、前記蓄電装置の電圧と電流と温度
の３種の特性値を測定する測定部と、前記測定部から出力された特性値を測定特性データとして記憶する第１の演算記憶部と、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データのうち電流と電圧とから所定期間内の電力量を算出し、算出された電力量を時系列的に記憶し、時系列的電力量データとする第２の演算記憶部と、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データの内、少なくともひとつに基づき電池状態量を決定し、記憶する第３の演算記憶部を有している。さらに、前記第２の演算記憶部から出力された前記時系列的電力量データと前記第３の演算記憶部から出力された前記電池状態量とを基に、前記負荷装置の消費電力量を制御する制御部を有している。

図１は、本発明の実施の形態１における電源システムの概略構成を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１における制御装置１は、蓄電装置１０の制御を行っている。蓄電装置１０は、充放電制御装置４０を介して負荷装置３０に電力を供給する。

本実施の形態において、蓄電装置１０は、蓄電素子ブロックＢ１〜２を直列に接続して構成されている。蓄電素子ブロックＢ１〜２は、ボックス１２に収納されている。また蓄電素子ブロックＢ１〜Ｂ２それぞれは、複数個の蓄電素子１１を電気的に直列に接続して構成されている。各蓄電素子１１としては、ニッケル水素電池などのアルカリ蓄電池やリチウムイオン電池などの有機電池およびキャパシタを用いることができる。

なお、蓄電素子ブロック数、蓄電素子１１の数は、特に限定されるものではない。なお蓄電装置１０の構成も上記に限定されるものではない。

図１に示すように、蓄電装置１０は、発電装置２０と組合されて電源システムを構成している。発電装置２０としては、具体的には、太陽光発電装置（太陽電池）、風力発電装置、水力発電装置などが挙げられる。

図１に示す電源システムにおいては、発電装置２０が出力した電力のうち負荷装置３０に対して余剰となる分が、充放電制御装置４０を介して蓄電装置１０に入力され、これによって蓄電装置１０の充電が行われる。また、負荷装置３０の消費電流が急激に増大したり、または、発電装置２０の発電量が低下し、負荷装置３０が要求する電力が発電装置２０の出力を超えたりすると、蓄電装置１０から不足の電力が充放電制御装置４０を介して負荷装置３０に供給される。

また図１に示す電源システムにおいては、通常蓄電装置１０のＳＯＣが２０〜８０％程度の範囲になるように制御が行われている。

具体的には、本実施の形態における蓄電装置用制御装置１は、発電装置２０の発電状況と負荷装置３０の消費電力の状況と現在の蓄電装置１０の充電状態量と記憶されている過去の時系列的な電力量から、負荷装置への電力供給量を決定する。そして、決定された電力供給量に応じた駆動モードで、負荷装置は駆動される。

蓄電装置用制御装置１は、測定部２と、第１の演算記憶部３と、第２の演算記憶部４と、第３の演算記憶部５と、制御部６を備えている。

以下、各部について説明する。

測定部２は、蓄電装置１０の端子電圧の測定を行っている。本実施の形態では、測定部２は、蓄電素子ブロックＢ１〜Ｂ２それぞれの端子電圧Ｖ１〜Ｖ２を測定する。この時、測定部２は、電圧値電圧Ｖ１〜Ｖ２を特定する電圧データを生成し、これを第１の演算記憶部３に出力している。測定部２による第１の演算記憶部３への電圧データの出力は、予
め設定された周期で行われている
さらに、測定部２は、電流センサ（図示せず）が出力した信号に基づいて、蓄電装置１０の充放電時における電流の電流値Ｉを測定している。本実施の形態では、測定部２は、電流センサが出力したアナログ信号をデジタル信号に変換し、これに基づいて、充電時に蓄電装置１０に入力された電流の電流値Ｉと、放電時に蓄電装置１０から出力された電流値Ｉとを特定する電流データを生成し、これを第１の演算記憶部３に出力する。この時、測定部２は、充電時をプラス、放電時をマイナスとして電流データを生成する。測定部２による第１の演算記憶部３への電流データの出力も、予め設定された周期で行われる。

そして、測定部２は、蓄電装置の温度も測定している。測定部２は、温度データも、デジタル信号化し、予め設定された周期で第１の演算記憶部３へ出力する。

第１の演算記憶部３は、予め設定された周期で測定された電圧と電流と温度の特性値を測定特性データとして記憶する。

次に、第２の演算記憶部４は、第１の演算記憶部３から出力された測定特性データのうち電流と電圧とから所定期間内の電力を算出し、これを時系列的に記憶し、時系列的電力データとする。

さらに、第３の演算記憶部５は、第１の演算記憶部３に格納された電流データを読み出して電流値Ｉを取得し、取得された電流値Ｉが充電時の電流（＋）の場合は、充電効率を乗算する。次に、第３の演算記憶部５は、得られた電流値（充電時の場合は乗算値）を設定された時間にわたって積算して、積算容量Ｑを算出する。更に、第３の演算記憶部５は、予め実験によって求められている満充電時の容量と積算容量Ｑの比を求め、求めた比（％）をＳＯＣとして推定する。

最後に、制御部６は、第２の演算記憶部４から出力された時系列的電力量データと第３の演算記憶部５から出力されたＳＯＣとを基に、前記負荷装置の消費電力量を制御する。

なお、蓄電装置１０の温度が大きく変化する場合など、測定部２が測定した温度データで補正をすることが、好ましい。また、ＳＯＣの算出する方法は、電圧データから算出してもよく、上記の電流積算による算出方法との併用であってもよい。

次に、本発明の実施の形態における蓄電装置１０の制御方法について図２を用いて説明する。本実施の形態における蓄電装置の制御方法は、図１に示した本実施の形態における蓄電装置用制御装置１を動作させることによって実施される。よって、以下においては、適宜図１を参照しながら、図１に示す蓄電装置用制御装置１の動作について説明する。

図２は、本発明の実施の形態における蓄電装置の制御方法を示す流れ図である。

図２に示すように、最初に、電流・電圧の測定を行ない（ステップ１）、次に測定された電流・電圧をペアデータとして記憶し（ステップ２）、次に記憶した電圧・電流のペアデータから所定期間の電力を積算して所定期間の電力量を算出し（ステップ３）、算出した電力量を時系列的に記憶する（ステップ４）。次に、ＳＯＣ算出を行わせ（ステップ５）、ＳＯＣが所定値αより小さいかどうかを判定する（ステップ６）。判定の結果、ＳＯＣが所定値αより大きい場合はステップ９を実行する。ＳＯＣが所定値α以下の場合、時系列的な所定期間の積算電力の変動データから、今後、蓄電装置１０から放電されるかどうか判定する（ステップ７）。今後、蓄電装置１０から放電されると推測された場合、負荷装置３０の駆動状態を通常よりも低消費状態とする（ステップ８）。その後、負荷装置３０の駆動状態を記憶して、充放電制御装置４０に負荷装置３０の駆動状態を通知する（
ステップ１０）。通知後、処理を終了する。

一方、所定期間の積算電力の変動データから、今後蓄電装置１０が充電されると推測された場合は、ステップ９を実行する。ステップ９においては、負荷装置３０への電力供給量を低減しなくてよいため、負荷装置３０の駆動状態は通常状態として、負荷装置３０の駆動状態を記憶して、ステップ１０で充放電制御装置４０に負荷装置３０の駆動状態を通知して処理を終了する。

以上のように本発明の形態においては、過去のデータから今後入出力される電力量を予測し、現状の蓄電装置１０の状態量から将来の蓄電装置１０の状態量を精度よく予想できるため、現状の状態量から負荷装置３０の消費電力モードを設定した場合に比べ、負荷装置３０を、蓄電装置１０の状態量における将来の変動に応じて設定できるので、効率よく駆動できる。さらに将来の蓄電装置１０の状態量から、負荷装置３０内の中で消費電力の大きな機能を切り離し、最低限の機能のみでさらに長時間駆動させることも可能となる。

なお、本実施の形態においては、測定部２や、第１から第３の演算記憶部１〜３、そして制御部６と、機能手段別に構成を分けているが、これらは、メモリを具備したマイクロコンピュータなどのように実構成上は一つになってもかまわない。また、演算記憶部１〜３は、演算部と記憶部に分かれていても良く、同じく測定部２が電圧測定部、電流測定部等それぞれの特性値ごとの測定を行う部分に分かれていてもかまわない。

例えば、本実施の形態における蓄電装置用制御装置１は、マイクロコンピュータに図２に示す各種処理を具現化させるプログラムをインストールし、このプログラムを実行することによって実現することができる。この場合、マイクロコンピュータのＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）が演算部として機能する。また、電圧センサの接続回路とＣＰＵとが電圧測定部として機能し、電流センサの接続回路とＣＰＵとが電流測定部として機能し、更に、マイクロコンピュータが備える各種メモリが記憶部として機能する。

更に、充放電制御装置４０が、蓄電装置用制御装置１としても機能する態様が考えられる。この態様においては、本実施の形態における蓄電装置用制御装置１は、充放電制御装置４０を構成するマイクロコンピュータに、図２に示す各種処理を具現化させるプログラムをインストールし、このプログラムを実行することによって、実現することができる。

また、負荷装置３０の駆動モードの決定は、蓄電装置用制御装置１に限定するものでなく、負荷装置３０への電力供給量の情報を得て充放電制御装置４０、負荷装置３０で行ってもよく、その他であっても問題ない。

さらに、負荷装置３０の駆動状態を設定するのでなく、蓄電装置１０に入出力可能な電力を算出し、算出された電力量に応じて、負荷装置を駆動する態様としてもよい。

また、消費電力が削減されるモード状態において、割り込み信号を受信した場合に、所定期間の間、通常の消費電力モードに復帰させることもできる。

なお、ＳＯＣを算出する方法は、温度補正された電圧データから算出してもよく、上記の電流積算による算出方法との併用であってもよい。

本発明におけるシステムおよび制御方法は、太陽電池などの自然エネルギーから発電する発電装置と組み合わされた電源システムに有効であり、産業上の利用可能性を有するも
のである。

本実施の形態におけるシステムの概略構成図 本実施の形態における蓄電装置の制御方法を示すフローチャート

符号の説明

１ 蓄電装置用制御装置
２ 測定部
３ 第１の演算記憶部
４ 第２の演算記憶部
５ 第３の演算記憶部
６ 制御部
１０ 蓄電装置
１１ 蓄電素子
１２ ボックス
２０ 発電装置
３０ 負荷装置
４０ 充放電制御装置

Claims (11)

1. 負荷装置に電力を供給する電源システムであって、
   蓄電装置と、
   前記蓄電装置の電圧と電流と温度の３種の特性値を測定する測定部と、前記測定部から出力された特性値を測定特性データとして記憶する第１の演算記憶部と、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データのうち電流と電圧とから所定期間内の電力量を算出し、算出された電力量を時系列的に記憶し、時系列的電力量データとする第２の演算記憶部と、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データの内少なくともひとつに基づき電池状態量を決定し、記憶する第３の演算記憶部を有し、
   さらに、前記第２の演算記憶部から出力された前記時系列的電力量データと前記第３の演算記憶部から出力された前記電池状態量とを基に、前記負荷装置の消費電力量を制御する制御部を少なくとも有する電源システム。
2. 前記負荷装置は、標準的な消費電力である通常消費電力モードおよび消費電力量を削減する省電力モードを少なくとも含む複数の消費電力量モードを有し、
   前記制御部は、前記電池状態量が所定値以下であるかどうかの判定と、前記時系列的電力量データから今後の消費電力量を推定する演算機能を持ち、
   前記電池状態量が所定値以下と判定し、かつ、前記今後の消費電力量が、さらに消費されると推定された場合に、前記省電力モードに移行制御するように構成したことを特徴とする請求項１記載の電源システム。
3. 前記第３の演算記憶部における電池状態量の決定は、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データを基に算出した蓄電装置の充電状態または残存容量を電池状態量とすることを特徴とする請求項１記載の電源システム。
4. 前記第３の演算記憶部における電池状態量の決定は、前記第１の演算記憶部から出力された前記測定特性データから選出した電圧と温度とのペアデータを電池状態量とすることを特徴とする請求項１記載の電源システム。
5. 前記制御部は、前記省電力モード状態において、割り込み信号を受信した場合には、通常消費電力モードに所定期間のみ復帰させるように構成したことを特徴とする請求項２記載の電源システム。
6. 自然エネルギーから電力を発電する発電装置と請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電源システムを組み合わせた電源システム。
7. 蓄電装置から負荷装置に電力を供給する電源システムの制御方法であって、
   （ａ）前記蓄電装置の電圧と電流と温度の３種の特性値を測定し、
   （ｂ）測定された特性値を測定特性データとして記憶し、
   （ｃ）前記測定特性データのうち電流と電圧とから所定期間内の電力量を算出し、
   （ｄ）算出された電力量を時系列的に記憶し、時系列的電力量データとし、
   （ｅ）前記測定特性データの内少なくともひとつに基づき電池状態量を決定し、記憶し、
   （ｆ）前記時系列的電力量データと前記電池状態量から、負荷装置の消費電力量を制御する工程を少なくとも有することを特徴とする電源システムの制御方法。
8. 前記負荷装置は、標準的な消費電力である通常消費電力モードおよび消費電力量を削減する省電力モードを少なくとも含む複数の消費電力量モードを設定されており、
   前記電池状態量が所定値以下と判定し、かつ、前記今後の消費電力量が、さらに消費さ
   れると推定された場合に、前記省電力モードに移行制御することを特徴とする請求項７記載の電源システムの制御方法。
9. 前記電池状態量を、蓄電装置の電圧、充電状態、あるいは残存容量としたことを特徴とする請求項７記載の電源システムの制御方法。
10. 前記省電力モード状態において、割り込み信号を受信した場合に、所定期間の間のみ、通常消費電力モードに復帰させることを特徴とする請求項７記載の電源システムの制御方法。
11. 蓄電装置から負荷装置に電力を供給する電源システムの制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって
    （ａ）前記蓄電装置の電圧と電流と温度の３種の特性値を測定するステップと、
    （ｂ）測定された特性値を測定特性データとして記憶するステップと、
    （ｃ）前記測定特性データのうち電流と電圧とから所定期間内の電力量を算出するステップと、
    （ｄ）算出された電力量を時系列的に記憶し、時系列的電力量データとするステップと、
    （ｅ）前記測定特性データの内少なくともひとつに基づき電池状態量を決定し、記憶するステップと、
    （ｆ）前記時系列的電力量データと前記電池状態量から、負荷装置の消費電力量を制御するステップを少なくとも有することを特徴とするコンピュータに実行させるプログラム。