JP2008131710A - 電源システム、電源システムの制御方法、電源システムの制御方法を実行するためのプログラムおよび電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池が発電する電力を負荷へ供給しながら二次電池を充電し、二次電池からの電力を負荷へ供給する電源システムにおいて、二次電池の劣化の抑制が可能な電源システム、その制御方法、その制御方法を実行するためのプログラムおよびそのプログラムを記録した記録媒体を提供すること。
【解決手段】太陽電池１と、直流電力変換器２と、二次電池である組電池３と、直流電力変換器２と組電池３との間に介在する充電スイッチ７および放電スイッチ８とを有し、直流電力変換器２の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき充電スイッチ７を短絡し、組電池３の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または組電池３の電圧が前記第１の設定値より大きい第５の設定値以上のとき充電スイッチ７を開放する充電制御を行う電源システムを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源システム、電源システムの制御方法、電源システムの制御方法を実行するためのプログラムおよび電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体に関し、特に、太陽電池が出力する電力を蓄積しながら電気回路を介して負荷へ供給する電源システムに関する。

ニッケル水素蓄電池は、鉛蓄電池に比べてエネルギー密度が大きく、電池寿命の長さや環境負荷の少ないことを特長とする。軽量、小型で、持ち運びに有利であるため、車載バッテリーや災害対策用電源として近年急速に普及しつつある。

ニッケル水素蓄電池を電源として用いる場合には、例えば、単セルと呼ばれる１本（定格電圧１．２Ｖ、容量９５Ａｈ）を１０直列にしたものを１組として用いる。

下記特許文献１、２、３には、複数の組電池と、充電制御手段と、放電制御手段とを備えた電源装置が記載され、特許文献１には、組電池の製造日付に基づいて組電池使用可能期間を算出して組電池交換日付を表示することが記載され、特許文献２には、組電池の放電容量試験を実行する電池監視手段を設けることが記載され、特許文献３には、前記電池監視手段が組電池の残存容量を算出し、その結果に基づいて当該組電池の補充電時期を決定することが記載されている。

また、ニッケル水素蓄電池は太陽光電源システムへの搭載が可能である。この用途では、昼間に太陽電池の発電電力を負荷へ供給し、余剰電力をもって電池を充電する。夜間は必要な電力を電池からの放電で賄うようにする。

下記特許文献４、５には、蓄電池と太陽電池を組み合わせた電源システムが記載され、特許文献４には、太陽電池の発電電力を充電器を介して蓄電池へ充電し、もしくは負荷又は電力変換装置へ供給することが記載され、特許文献５には、太陽電池の発電電力をコンバータと電気二重層キャパシタと充電器を介してニッケル水素蓄電池の充電と負荷への供給を行うことが記載されている。
特開２００４−１１９１１２号公報 特開２００４−１２０８５６号公報 特開２００４−１２０８５７号公報 特開２０００−００４５４４号公報 特開２００１−０６９６８８号公報

鉛蓄電池では、充電方法としてフロート充電方式（電池を一定電圧に保持し、自己放電した容量分だけ、微少電流で充電する方式）が採用されている。これの利点は、一定の出力電圧で直接電池を充電できるため、専用の充電器が不要であることである。しかし、ニッケル水素蓄電池の場合、充電末期の電池電圧が環境温度で大きく変わるため（高温では低く、低温では高くなる）、フロート充電方式を適用すると、環境温度によって過充電になったり、充電不足になったりする。特に過充電の場合、正極表面で電解液が分解し、酸素が発生する副反応が起こり、劣化が進行する恐れがある（鉛蓄電池においても状況は同じであり、フロート充電方式の場合、高温環境下では電池の劣化が進行する可能性がある）。従って、一般にニッケル水素蓄電池では、一定電圧で充電するのではなく、電圧および電流を監視しながら充電制御を行う必要がある。

太陽電池により電池を充電するには、一般に直流電力変換器を介して充電を行う。直流電力変換器は、太陽電池から取り出す電力を最大化するように、太陽電池の電圧、電流を制御しながら電池へ一定電圧の電力を供給している。しかし、電池がニッケル水素蓄電池である場合、一定電圧による充電では、前記のように充電不足と劣化進行の問題が生じる。

ニッケル水素蓄電池が充電されるためには、一定量の充電電流を必要とする。充電電流が少な過ぎる場合、充電効率が著しく低下し、ニッケル水素蓄電池はほとんど充電されず、電池に入力された電力のほとんどは熱に変換され、この発熱反応により電池の劣化が進行する問題が発生する。

また、一般に蓄電池では、使用電圧範囲を下回って放電を継続した場合、過放電劣化により蓄電能力が低下するため、最低使用電圧に達したときは放電を停止する制御を行う必要がある。

よって、太陽電池システムにおける蓄電装置としてニッケル水素蓄電池を使用するとき、直流電力変換器とは別に、充電を制御し、また過放電を防止する制御を行う制御部が必要である。制御部の動作には電源を必要とするが、この電源の取り方によっては、電池が過放電して劣化が促進されるという問題がさらに発生する。

例えば、図６のように太陽電池システムを構成するとき、太陽電池１による発電電力は、直流電力変換器２を介して負荷５へ供給されるか、組電池３への充電電力となる。制御部４は、充電スイッチ７を開閉して組電池３の充電制御を行い、放電スイッチ８を開閉することにより、組電池３の放電を制御する。制御部４の動作には電源が必要であり、それは制御電源６により給電される。太陽電池１が組電池３を充電可能であるとき、充電スイッチ７を短絡して充電を行い、充電終了時は充電スイッチ７を開放する。また組電池３の電圧が所定の値を下回ったとき、放電スイッチ８は開放となる。

制御部４の制御電源６は、充電スイッチ７と放電スイッチ８の間に接続され、直流電力変換器２または組電池３から電力が供給される。このため、太陽電池１が発電せず、組電池３が放電を行い放電スイッチ８が開放となった後も、制御電源６へ組電池３から給電され、電池が過放電となり劣化が促進されるという問題が発生する。

制御部４の制御電源６を、放電スイッチ８と負荷５の間に接続する方法があるが、放電スイッチ８が開放された後、太陽電池１が発電を開始しても、制御電源６へは給電されず、制御部４の動作が停止しているため組電池３を充電することも、負荷５へ放電することもできなくなるため解決方法とはならない。

制御部４の制御電源６を、太陽電池１と直流電力変換器２の間もしくは直流電力変換器２と充電スイッチ７の間に接続する方法があるが、太陽電池１が発電しない時は制御電源６へ給電されないため解決方法とはならない。

上記の問題は、ニッケル水素蓄電池システムの場合に限らず、リチウムイオン電池などの二次電池を組み合わせてなる太陽光電源システムにおいても生じる問題である。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、太陽電池が発電する電力を負荷へ供給しながら二次電池を充電し、または、二次電池からの電力を負荷へ供給する電源システムにおいて、二次電池の劣化を抑制しつつ、負荷への給電と二次電池の充電とを自動的に行う電源システム、電源システムの制御方法、電源システムの制御方法を実行するためのプログラムおよび電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
太陽電池と、直流電力変換器と、二次電池とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷に供給し、前記二次電池が出力する電力を負荷に供給し、かつ、前記太陽電池が出力する電力によって前記直流電力変換器を介して前記二次電池を充電する電源システムにおいて、前記直流電力変換器と前記二次電池との間に、スイッチング素子とダイオードとを組み合わせてなる充電スイッチおよび放電スイッチが介在し、前記直流電力変換器の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき前記充電スイッチを短絡し、前記二次電池の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または前記二次電池の電圧が前記第１の設定値より大きい第５の設定値以上のとき前記充電スイッチを開放する充電制御と、前記二次電池の電圧が第６の設定値以上のとき前記放電スイッチを短絡し、前記二次電池の電圧が前記第６の設定値より小さい第７の設定値以下のとき前記放電スイッチを開放する放電制御とのうちの少なくとも１つの制御を行う制御部が具備されていることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
前記放電スイッチを短絡するための手動スイッチが具備され、前記制御部の動作電力が前記太陽電池から前記直流電力変換器を介して、または、前記二次電池から前記放電スイッチを介して供給されることを特徴とする請求項１記載の電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
前記制御部に電力が供給されないとき、前記充電スイッチおよび前記放電スイッチは開放となることを特徴とする請求項１または２記載の電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
太陽電池と、直流電力変換器と、二次電池と、前記直流電力変換器と前記二次電池との間に介在する、スイッチング素子とダイオードとを組み合わせてなる充電スイッチおよび放電スイッチと、前記二次電池の充電と放電とのうちの少なくとも１つを制御する制御部とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷に供給し、前記二次電池が出力する電力を負荷に供給し、かつ、前記太陽電池が出力する電力によって前記直流電力変換器を介して前記二次電池を充電する電源システムを制御する電源システムの制御方法であって、前記直流電力変換器の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき前記充電スイッチを短絡し、前記二次電池の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または前記二次電池の電圧が前記第１の設定値より大きい第５の設定値以上のとき前記充電スイッチを開放する充電制御と、前記二次電池の電圧が第６の設定値以上のとき前記放電スイッチを短絡し、前記二次電池の電圧が前記第６の設定値より小さい第７の設定値以下のとき前記放電スイッチを開放する放電制御とのうちの少なくとも１つの制御を行うことを特徴とする電源システムの制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
太陽電池と、直流電力変換器と、二次電池と、前記直流電力変換器と前記二次電池との間に介在する、スイッチング素子とダイオードとを組み合わせてなる充電スイッチおよび放電スイッチと、前記二次電池の充電と放電とのうちの少なくとも１つを制御する制御部とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷に供給し、前記二次電池が出力する電力を負荷に供給し、かつ、前記太陽電池が出力する電力によって前記直流電力変換器を介して前記二次電池を充電する電源システムを制御する電源システムの制御方法を実行するためのプログラムであって、前記直流電力変換器の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき前記充電スイッチを短絡する手順と、前記二次電池の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または前記二次電池の電圧が前記第１の設定値より大きい第５の設定値以上のとき前記充電スイッチを開放する手順とを含む充電制御手順と、前記二次電池の電圧が第６の設定値以上のとき前記放電スイッチを短絡する手順と、前記二次電池の電圧が前記第６の設定値より小さい第７の設定値以下のとき前記放電スイッチを開放する手順とを含む放電制御手順とのうちの少なくとも１つの制御手順をコンピュータに実行させることを特徴とする電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
太陽電池と、直流電力変換器と、二次電池と、前記直流電力変換器と前記二次電池との間に介在する、スイッチング素子とダイオードとを組み合わせてなる充電スイッチおよび放電スイッチと、前記二次電池の充電と放電とのうちの少なくとも１つを制御する制御部とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷に供給し、前記二次電池が出力する電力を負荷に供給し、かつ、前記太陽電池が出力する電力によって前記直流電力変換器を介して前記二次電池を充電する電源システムを制御する電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体であって、前記直流電力変換器の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき前記充電スイッチを短絡する手順と、前記二次電池の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または前記二次電池の電圧が前記第１の設定値より大きい第５の設定値以上のとき前記充電スイッチを開放する手順とを含む充電制御手順と、前記二次電池の電圧が第６の設定値以上のとき前記放電スイッチを短絡する手順と、前記二次電池の電圧が前記第６の設定値より小さい第７の設定値以下のとき前記放電スイッチを開放する手順とを含む放電制御手順とのうちの少なくとも１つの制御手順をコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な、電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体を構成する。

また、本発明においては、請求項７に記載のように、
前記二次電池がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする請求項１、２または３記載の電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項８に記載のように、
前記二次電池がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする請求項４記載の電源システムの制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項９に記載のように、
前記二次電池がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする請求項５記載の電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを構成する。

また、本発明においては、請求項１０に記載のように、
前記二次電池がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする請求項６記載の電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体を構成する。

本発明の構成において、太陽電池により二次電池を充電するときには、本発明に係る充電制御の実施によって、微小電流充電による劣化を防止し、かつ、過充電になる前に充電を停止することが可能となり、二次電池が放電するときには、本発明に係る放電制御の実施によって、電池の過放電による劣化を防止することができる。さらに制御部の動作電源が切り離された後、太陽電池の発電により自動的に制御部の動作電源が回復し、負荷への放電と二次電池の充電も可能となる。これらの充放電制御はシステム内の制御部と制御部の動作電源の接続により、自動的に行われる。また、請求項２に係る発明の構成において、手動スイッチにより切り離し後の復帰を電池交換によっても行うことができる。

このように、本発明の実施によって、二次電池の劣化を抑制しつつ、負荷への給電と二次電池の充電とを自動的に行う電源システム、電源システムの制御方法、電源システムの制御方法を実行するためのプログラムおよび電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体を提供することが可能となる。

本発明に係る電源システムの一例においては、直流電力変換器の電圧上昇を検知して、太陽電池と二次電池を直流電力変換器を介してダイオードが並列接続された充電スイッチにより接続して充電を開始し、充電電流の低下または上限電圧を検知して充電を終了する。また、電池電圧の条件により、ダイオードが並列接続された放電スイッチの開閉を行う。この充放電制御を行うための制御部を備え、制御部の制御電源は、直流電力変換器を介して太陽電池から給電されるか、充電スイッチおよび放電スイッチを介して電池から給電されるように接続し、制御電源断の時は充電スイッチと放電スイッチを開放とする。さらに、放電スイッチを短絡するための手動スイッチを備える。

以下に、本発明の実施の形態について、二次電池がニッケル水素蓄電池である場合を例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

図１は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図において、太陽電池１の発電電力は、直流電力変換器２を介して、二次電池である組電池３へ充電電力として供給されるか、負荷５へ供給される。組電池３は複数のニッケル水素蓄電池を直列接続して構成される。スイッチング素子とダイオード１１とを組み合わせてなる充電スイッチ７と放電スイッチ８（それぞれのスイッチング素子に対してダイオード１１は並列接続される）を組電池３に接続する。充電スイッチ７においては、開放することにより電池の放電方向の電流だけが流れるようになり、放電スイッチ８においては、開放することにより電池の充電方向の電流だけが流れるようになる。充電スイッチ７、放電スイッチ８の開閉動作により組電池３の充放電を制御し、直列抵抗９の両端子間の電位差を計測することで組電池３の入出力電流を計測する。手動スイッチ１０は、押下中に放電スイッチ８を短絡する。なお、手動スイッチ１０は、その押下によって、充電スイッチ７をも短絡するものであってもよい。制御部４は、組電池３の電圧や充電電流の情報を入力とし、充放電の制御を行う。制御部４は動作電源として制御電源６を備えている。制御電源６は、負荷５に対して並列接続する。これによって、制御電源６は、負荷５と同様の電力供給を受ける。

図２は、制御部４が充電制御を行う場合の、充電スイッチ７の状態遷移を説明する図である。

図２において、直流電力変換器２の出力電圧(Ｖａ)が第２の設定値(Ｔ２)の時間連続して第１の設定値(Ｖ１)以上となったとき(条件Ａ)、充電スイッチ７を短絡とし二次電池（組電池３）を充電する。第１の設定値(Ｖ１)は、その設定値の電圧で二次電池（組電池３）が充電可能であるように設定する。

また、二次電池（組電池３）の充電電流(Ｉｂ)が第４の設定値(Ｔ４)の時間連続して第３の設定値(Ｉ３)以下となったとき(条件Ｂ)、または二次電池（組電池３）の電圧(Ｖｂ)が第１の設定値より大きい第５の設定値(Ｖ５)以上となったとき(条件Ｃ)、充電スイッチ７を開放して充電を停止する。第３の設定値(Ｉ３)は、その設定値の電流以下で二次電池（組電池３）を充電すると充電効率が著しく低下するような電流値として設定され、第５の設定値(Ｖ５)は、その設定値の電圧以上の電圧で二次電池（組電池３）を充電すると過充電が起こってしまうような電圧値として設定される。

制御電源６が停電して制御部４の動作が停止しているときおよび初期状態では充電スイッチ７は開放とする。これは、充電スイッチ７のスイッチング素子としてノーマリ・オフ特性のトランジスタを用いることによって実現する。

図３は、制御部４が放電制御を行う場合の、放電スイッチ８の状態遷移を説明する図である。

図３において、二次電池（組電池３）の電圧(Ｖｂ)が第６の設定値(Ｖ６)以上となったとき、放電スイッチ８を短絡とし放電を可能とする。第６の設定値(Ｖ６)は、二次電池（組電池３）の使用電圧範囲内の電圧値に設定される。

また、二次電池（組電池３）の電圧(Ｖｂ)が第６の設定値より小さい第７の設定値(Ｖ７)以下となったとき、放電スイッチ８を開放して放電を停止する。第７の設定値を第６の設定値より低く設定しているのは、放電が停止した電池の電圧は自然に上昇するので、このように設定しないと、放電スイッチ８の開放と短絡が繰り返されてしまい、放電を止めることができないからである。第７の設定値(Ｖ７)は、その設定値の電圧以下で二次電池（組電池３）が放電すると過放電が起こってしまうような電圧値として設定される。

制御電源６が停電して制御部４の動作が停止しているときおよび初期状態では放電スイッチ８は開放とする。これは、放電スイッチ８のスイッチング素子としてノーマリ・オフ特性のトランジスタを用いることによって実現する。このようにすれば、制御部４の動作停止後も放電スイッチ８の開放が維持され、二次電池（組電池３）が無駄に放電することが防がれる。

具体例として、例えば、組電池３をニッケル水素蓄電池の単セル（定格１．２Ｖ）を１０セル直列接続して構成し、使用電圧範囲は１０Ｖ〜１６Ｖとする。組電池３は最低使用電圧である１０Ｖを下回った状態で放電を継続すると、過放電となり劣化を進行させるため、１０Ｖ以下の電圧では放電を停止させる必要がある。

直流電力変換器２は、組電池３の最高使用電圧である１６Ｖ出力とするが、太陽電池１からの発電量に応じて、出力可能な電流が０〜５Ａまで変化する。出力可能な電流を超えて負荷５へ放電または組電池３を充電しようとするとき、出力電圧が負荷５または組電池３の電圧まで低下する。また、発電量が小さい場合は、太陽電池１は直流電力変換器２のコンバータを介さずに直接接続される。

上記の具体例において、所望の充電制御および放電制御を行うには、第１の設定値を１０Ｖ、第２の設定値を１分、第３の設定値を０．５Ａ、第４の設定値を１５秒、第５の設定値を１５Ｖ、第６の設定値を１２Ｖ、第７の設定値を１０Ｖとすればよい。

初期状態では、太陽電池１には発電がなく、組電池３の電圧は１０Ｖとし、制御部４は動作停止し、充電スイッチ７と放電スイッチ８は開放である。太陽電池１が発電を始めると、直流電力変換器２の出力電圧が上昇し、制御電源６が負荷５に対して並列に接続されているため、制御電源６が動作して制御部４が起動する。太陽電池１の発電が継続して、直流電力変換器２の出力電圧が１０Ｖ(第１の設定値)以上であることを１分(第２の設定値)連続して検知したとき、充電スイッチ７が短絡され、組電池３の充電が開始される。

負荷５へ給電しながら組電池３の充電を行い、組電池３の電圧が１２Ｖ(第６の設定値)まで上昇すると、放電スイッチ８が短絡され、組電池３の放電が可能となる。

充電中、発電量が低下すると、直流電力変換器２の出力電流が低下するが、充電電流が１５秒間(第４の設定値)連続して０．５Ａ(第３の設定値)以下となったとき、充電スイッチ７を開放して充電を停止する。

充電電流が低下しないまま充電が継続し、組電池３の電圧が１５Ｖ(第５の設定値)以上となったとき、組電池３には十分な電力が蓄積されたとみなし、充電スイッチ７を開放して充電を停止する。

負荷５への放電は、太陽電池１から直流電力変換器２を介して行われるか、組電池３の出力により行われるが、直流電力変換器２の出力電圧の方が高いため、太陽電池１の発電電力が優先して負荷５へ供給される。

太陽電池１が発電しないとき、組電池３の放電によって負荷５へ給電を行うが、組電池３の過放電を防止するため、組電池３が１０Ｖ(第７の設定値)以下となったとき放電スイッチ８を開放する。このとき、制御電源６にも給電されなくなるため制御部４は動作停止し、放電スイッチ８は開放を維持する。この後、太陽電池１が発電を再開すると、直流電力変換器２の出力により制御電源６へ給電され、制御部４が起動し、組電池３が充電されて電圧が１２Ｖ(第６の設定値)以上となったとき放電スイッチ８が短絡される。第７の設定値を第６の設定値より低く設定しているのは、放電が停止した電池の電圧は自然に上昇するので、このように設定しないと、放電スイッチ８の開放と短絡が繰り返されてしまい、放電を止めることができないからである。

太陽電池１の発電がなく、組電池３の放電が継統して組電池３の電圧が１０Ｖ(第７の設定値)以下となり放電が停止した後、太陽電池１の発電がない状況でシステムを起動し負荷５へ電力供給を行うには、組電池３を十分に充電されたもの（その電池電圧は、例えば１３Ｖ）に交換する。放電スイッチ８が開放されているため、交換した組電池３を放電させるためには、制御電源６により制御部４を起動させる必要がある。そこで、放電スイッチ８を短絡する手動スイッチ１０を押下し、制御部４の起動を確認して手動スイッチ１０を放せば、組電池３の電圧が１２Ｖ(第６の設定値)以上であるため、放電スイッチ８は短絡されたまま、負荷５と制御電源６への給電は継続される。

本発明に係る電源システムの特徴は、直流電力変換器の電圧上昇を検知して、太陽電池と二次電池を直流電力変換器を介してダイオードが並列接続された充電スイッチにより接続して充電を開始し、充電電流の低下または上限電圧を検知して充電を終了し、電池電圧によりダイオードが並列接続された放電スイッチの開閉を行い、充放電制御を行うための制御部を備え、制御部の制御電源は、直流電力変換器を介して太陽電池から給電されるか、充電スイッチおよび放電スイッチを介して電池から給電されるように接続し、制御電源断の時は充電スイッチと放電スイッチを開放とし、放電スイッチを短絡するための手動スイッチを備えることである。この特徴によって、太陽電池の発電により自動的に電池の充電を行い、かつ負荷へ電力を供給しながら電池の劣化を防止し電池の寿命を延ばす、商用電源を必要としない自立型電源システムの提供が可能となる。

図４は、本発明に係る電源システムにおける、制御部が行う充電制御の流れ図である。以下に、この充電制御を、図１に示した電源システムに適用する場合について説明する。

図４において、初期状態（ＳＴＡＲＴ時点）においては、充電スイッチ７は開放されている。

ステップＳ１で、直流電力変換器２の出力電圧(Ｖａ)が第２の設定値(Ｔ２)の時間連続して第１の設定値(Ｖ１)以上となっているかを判断し、Ｙｅｓの場合にはステップＳ２へ進み、Ｎｏの場合にはステップＳ１に戻り、
ステップＳ２で、充電スイッチ７を短絡し、ステップＳ３に進み、
ステップＳ３で、二次電池（組電池３）の充電電流(Ｉｂ)が第４の設定値(Ｔ４)の時間連続して第３の設定値(Ｉ３)以下となっているか、または二次電池（組電池３）の電圧(Ｖｂ)が第５の設定値(Ｖ５)以上となっているかを判断し、Ｙｅｓの場合にはステップＳ４で、充電スイッチ７を開放してステップＳ１に戻り、Ｎｏの場合にはステップＳ３に戻る。

以上の流れは、制御部４の動作が停止した時点で止まり、充電スイッチ７は開放となる。

図５は、本発明に係る電源システムにおける、制御部が行う放電制御の流れ図である。以下に、この放電制御を、図１に示した電源システムに適用する場合について説明する。

図５において、初期状態（ＳＴＡＲＴ時点）においては、放電スイッチ８は開放されている。

ステップＳ５で、二次電池（組電池３）の電圧(Ｖｂ)が第６の設定値(Ｖ６)以上となっているかを判断し、Ｙｅｓの場合にはステップＳ６へ進み、Ｎｏの場合にはステップＳ５に戻り、
ステップＳ６で、放電スイッチ８を短絡し、ステップＳ７に進み、
ステップＳ７で、二次電池（組電池３）の電圧(Ｖｂ)が第７の設定値(Ｖ７)以下となっているかを判断し、Ｙｅｓの場合にはステップＳ８で放電スイッチ８を開放してステップＳ５に戻り、Ｎｏの場合にはステップＳ７に戻る。

以上の流れは、制御部４の動作が停止した時点で止まり、放電スイッチ８は開放となる。

図４、図５にそれぞれ示した充電制御、放電制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成することができる。

その場合に、充電制御手順に含まれる、直流電力変換器の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき制御部が充電スイッチを短絡する手順は、図４のステップＳ１、Ｓ２に対応し、二次電池の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または二次電池の電圧が第５の設定値以上のとき充電スイッチを開放する手順は、図４のステップＳ３、Ｓ４に対応し、放電制御手順に含まれる、二次電池の電圧が第６の設定値以上のとき放電スイッチを短絡する手順は、図５のステップＳ５、Ｓ６に対応し、二次電池の電圧が第７の設定値以下のとき放電スイッチを開放する手順は、図５のステップＳ７、Ｓ８に対応する。

さらに、上記の充電制御手順と放電制御手順とのうちの少なくとも１つの制御手順をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な、電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体を製造することもできる。

以上、本発明の実施の形態について、電池がニッケル水素蓄電池である場合を例として、説明したが、本発明はこれに限られるものではない。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

（１）太陽電池によりニッケル水素蓄電池を充電するとき、充電電流が少な過ぎる場合、充電効率が著しく低下し、ニッケル水素蓄電池は充電されず、電池に入力された電力のほとんどは熱に変換され、この発熱反応により電池の劣化が進行する問題が発生する。

本発明により、微小電流による充電が防止されるため、蓄電池の劣化を抑制しながら太陽電池の発電電力を蓄積することが可能となる。

（２）充放電制御を必要とする太陽電池システムでは制御部を動作させるための制御電源が必要であり、蓄電池から直接制御電源を取る構成を取るとき、発電しない期間が長期継続したときに蓄電池が過放電となり、電池の劣化が進行するという問題が発生する。

本発明により、過放電防止機能が制御電源を停止させるため、過放電による蓄電池の劣化を防止することが可能となる。

（３）太陽電池システムでは、システムの制御電源が負荷からの並列接続により給電される場合、負荷を切り離した後に発電を始めるとき、システムが起動せず負荷への給電と蓄電池の充電ができないという問題が発生する。

本発明により、負荷の切り離し後、太陽電池の発電により自動的に制御電源が供給され、システムが起動し、負荷への給電と蓄電池の充電も行われるため、商用系統からの電源を必要としない、自立型の太陽光発電システムを構築することができるようになる。また、電池交換によってもシステムの起動が可能となる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の形態例における、制御部による充電スイッチの状態遷移を説明する図である。 本発明の実施の形態例における、制御部による放電スイッチの状態遷移を説明する図である。 本発明に係る電源システムにおける、制御部が行う充電制御の流れ図である。 本発明に係る電源システムにおける、制御部が行う放電制御の流れ図である。 太陽電池と組電池とを用いる電源システムの構成図である。

符号の説明

１：太陽電池、２：直流電力変換器、３：組電池、４：制御部、５：負荷、６：制御電源、７：充電スイッチ、８：放電スイッチ、９：直列抵抗、１０：手動スイッチ、１１：ダイオード。

Claims (10)

1. 太陽電池と、直流電力変換器と、二次電池とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷に供給し、前記二次電池が出力する電力を負荷に供給し、かつ、前記太陽電池が出力する電力によって前記直流電力変換器を介して前記二次電池を充電する電源システムにおいて、
   前記直流電力変換器と前記二次電池との間に、スイッチング素子とダイオードとを組み合わせてなる充電スイッチおよび放電スイッチが介在し、
   前記直流電力変換器の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき前記充電スイッチを短絡し、前記二次電池の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または前記二次電池の電圧が前記第１の設定値より大きい第５の設定値以上のとき前記充電スイッチを開放する充電制御と、
   前記二次電池の電圧が第６の設定値以上のとき前記放電スイッチを短絡し、前記二次電池の電圧が前記第６の設定値より小さい第７の設定値以下のとき前記放電スイッチを開放する放電制御と
   のうちの少なくとも１つの制御を行う制御部が具備されていることを特徴とする電源システム。
2. 前記放電スイッチを短絡するための手動スイッチが具備され、前記制御部の動作電力が前記太陽電池から前記直流電力変換器を介して、または、前記二次電池から前記放電スイッチを介して供給されることを特徴とする請求項１記載の電源システム。
3. 前記制御部に電力が供給されないとき、前記充電スイッチおよび前記放電スイッチは開放となることを特徴とする請求項１または２記載の電源システム。
4. 太陽電池と、直流電力変換器と、二次電池と、前記直流電力変換器と前記二次電池との間に介在する、スイッチング素子とダイオードとを組み合わせてなる充電スイッチおよび放電スイッチと、前記二次電池の充電と放電とのうちの少なくとも１つを制御する制御部とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷に供給し、前記二次電池が出力する電力を負荷に供給し、かつ、前記太陽電池が出力する電力によって前記直流電力変換器を介して前記二次電池を充電する電源システムを制御する電源システムの制御方法であって、
   前記直流電力変換器の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき前記充電スイッチを短絡し、前記二次電池の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または前記二次電池の電圧が前記第１の設定値より大きい第５の設定値以上のとき前記充電スイッチを開放する充電制御と、
   前記二次電池の電圧が第６の設定値以上のとき前記放電スイッチを短絡し、前記二次電池の電圧が前記第６の設定値より小さい第７の設定値以下のとき前記放電スイッチを開放する放電制御と
   のうちの少なくとも１つの制御を行うことを特徴とする電源システムの制御方法。
5. 太陽電池と、直流電力変換器と、二次電池と、前記直流電力変換器と前記二次電池との間に介在する、スイッチング素子とダイオードとを組み合わせてなる充電スイッチおよび放電スイッチと、前記二次電池の充電と放電とのうちの少なくとも１つを制御する制御部とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷に供給し、前記二次電池が出力する電力を負荷に供給し、かつ、前記太陽電池が出力する電力によって前記直流電力変換器を介して前記二次電池を充電する電源システムを制御する電源システムの制御方法を実行するためのプログラムであって、
   前記直流電力変換器の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき前記充電スイッチを短絡する手順と、前記二次電池の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または前記二次電池の電圧が前記第１の設定値より大きい第５の設定値以上のとき前記充電スイッチを開放する手順とを含む充電制御手順と、
   前記二次電池の電圧が第６の設定値以上のとき前記放電スイッチを短絡する手順と、前記二次電池の電圧が前記第６の設定値より小さい第７の設定値以下のとき前記放電スイッチを開放する手順とを含む放電制御手順と
   のうちの少なくとも１つの制御手順をコンピュータに実行させることを特徴とする電源システムの制御方法を実行するためのプログラム。
6. 太陽電池と、直流電力変換器と、二次電池と、前記直流電力変換器と前記二次電池との間に介在する、スイッチング素子とダイオードとを組み合わせてなる充電スイッチおよび放電スイッチと、前記二次電池の充電と放電とのうちの少なくとも１つを制御する制御部とを構成要素とし、前記太陽電池が出力する電力を前記直流電力変換器を介して負荷に供給し、前記二次電池が出力する電力を負荷に供給し、かつ、前記太陽電池が出力する電力によって前記直流電力変換器を介して前記二次電池を充電する電源システムを制御する電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体であって、
   前記直流電力変換器の出力電圧が第１の設定値以上であることが第２の設定値の時間継続したとき前記充電スイッチを短絡する手順と、前記二次電池の充電電流が第３の設定値以下であることが第４の設定値の時間継続したとき、または前記二次電池の電圧が前記第１の設定値より大きい第５の設定値以上のとき前記充電スイッチを開放する手順とを含む充電制御手順と、
   前記二次電池の電圧が第６の設定値以上のとき前記放電スイッチを短絡する手順と、前記二次電池の電圧が前記第６の設定値より小さい第７の設定値以下のとき前記放電スイッチを開放する手順とを含む放電制御手順と
   のうちの少なくとも１つの制御手順をコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な、電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体。
7. 前記二次電池がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする請求項１、２または３記載の電源システム。
8. 前記二次電池がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする請求項４記載の電源システムの制御方法。
9. 前記二次電池がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする請求項５記載の電源システムの制御方法を実行するためのプログラム。
10. 前記二次電池がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする請求項６記載の電源システムの制御方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体。

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