JP2008283853A - 自律システムのバッテリを充電する方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】自律システムにおいて電力貯蔵要素を発電機から充電する方法は、温度測定を含み、更に、第１充電モードから、電圧が温度により調節される第２充電モードに切り換えることを含む。前記第１充電モードは、調節された電流での最大電流値までの充電であり、前記最大電流値は、電力貯蔵要素の充電状態と電力貯蔵要素の温度の関数である。切り換えは、電力貯蔵要素の端子の電圧が、プリセットされた閾値（それ自体、電流値と電力貯蔵要素の温度の関数）に達したときに行われる。
【選択図】図５

Description

本発明は、自律システムの電力貯蔵要素を、発電機（generator）から充電する方法に関し、該方法は、温度を測定することと、電力貯蔵要素の端子の電圧が、プリセットされた閾値に達したときに、第１充電モードから第２充電モードに切り換えることを含み、第２充電モードは、温度調節式の電圧充電モードである。

再生可能な電源を使用する自律システムは一般に、断続的に生成される電力の貯蔵装置（storage）を使用する必要がある。最も広く使用されている電力貯蔵システムは、電気化学アキュムレータ、特に、「鉛」蓄電池（"lead-acid" battery）である。しかしながら、新しい貯蔵技術、特に、ニッケルベース又はリチウムベースの貯蔵技術が、電力貯蔵の要求を満たすために登場してきている。

これらのシステムにおいて、バッテリの充放電は、レギュレータの制御下で行われる。レギュレータの主な役割は、バッテリの充電終了と放電終了をそれぞれ管理して、過充電と過度のレベルの放電を制限することにある。数多くのレギュレータが、市場に存在しており、とりわけ、充電終了をどのように取り扱うかに違いがある。

接続／切断（connection/disconnection）タイプの充電では、バッテリが予め定められた電圧閾値に達すると、充放電が停止する。バッテリのこれら２つの充電限界電圧又は放電限界電圧の一方に達すると、バッテリに回復不可能なダメージを与えると思われる過充電又は過放電からそれぞれバッテリを保護するために、バッテリは切断される。

フローティング充電又はメンテナンス充電タイプの充電では、所定の電圧まで定電流を印加し、その後、所定の時間の間、この電圧（又はメンテナンス電圧）を維持して、バッテリの充電を終了する。バッテリへのダメージを制限するために、例えば鉛蓄電池の場合には、メンテナンス電圧を温度の関数として調節することで、（温度に伴い増加する）２次反応速度を制限することができる。

メトリックａｍｐ−ｈｏｕｒタイプの充電では、バッテリに送られる電力を測定し、最大充電電力量を固定してバッテリを再充電する。鉛蓄電池の場合には、主反応の損失を生じるフィードバック反応（特に水電解のフィードバック反応）に使用される電流を補償するために、過充電係数が適用される。しかしながら、バッテリに送られるエネルギーの計算は、不正確なままとなり、充電終了の基準は、最適化されないままとなる。ほとんどの場合、この不正確さは、バッテリの過充電をもたらし、鉛技術の場合には、水の大量消費及びグリッドの腐食をもたらす。

緩和時間後の電圧測定に基づく緩和電圧タイプの充電では、バッテリ状態のいくつかのパラメータ、即ち、内部抵抗、緩和電圧、印加された電圧及び電流、が分かっている必要がある。緩和時間は、かなり長い可能性があり、例えば鉛蓄電池の場合には、２時間となる可能性がある。これは、当該方法が、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）バッテリ（国際特許ＷＯ２００５／１０１０４２）のような所定のタイプの貯蔵バッテリの充電状態を推定するのに精度があるにもかかわらず、当該方法をリアルタイムで実際に使用するには欠点となる。

この背景技法は、使用される種々の方法に固有の制限があるものの、バッテリの最大充電状態に関する最小限の情報を提供する。

しかしながら、これらの制限は、バッテリ充電処理が、制御されない環境条件にさらされるむらのある電源（風力、光起電、微小水圧、…）を有する自律システムにより行われる場合に課される、更なる制約によって増大する。制御されない環境条件とは、以下のようなものである。
− 定電流で充電を行う場合、電圧は、バッテリの充電状態により制約される。電源が変動する場合には、電流を一定とすることができない。
− 電源により提供される電力が、長い期間にわたって弱い場合（太陽光発電機であれば冬場に太陽光が得られない場合、風力発電機であれば風の速度が不十分な場合）、バッテリ充電電流は弱くなり、充電時間が長くなる。これにより、電流の測定に関する誤差は、無視できないものになりやすく、この誤差が、長期間にわたって累積される。従って、計算された送出電力は、実際の送出電力とかなり異なったものとなり、充電終了の決定は、誤って行われることになる。過充電のリスクは、高まるであろう。
− システムの動作温度に時間的なむらがある場合、バッテリの温度は、充電反応の潜在的な発熱限界と同様に、少なくとも、システムの温度とその環境の温度に依存するであろう。

場合によっては、これらは、過充電現象又は過放電現象を制限することを可能にするが、既存のシステムはいずれも、充電時間を最適化することはできない。
国際特許ＷＯ２００５／１０１０４２

本発明は、上述の欠点を軽減することを目的とし、特に、バッテリ充電処理を最適化すると同時に、最適な安全性を維持すること、及び、内部劣化現象を制限することを目的とする。

本発明によれば、この目的は、上記処理が、電流充電モードである第１充電モードを含むことにより達成され、第１充電モードにおいて、電流は、電力貯蔵要素の充電状態と温度の関数である充電電流の最大値に調節（regulate）される。

その他の利点及び特徴は、専ら非限定的な例として与えられており、添付の図面に示されている、本発明の特定の実施形態に関する以下の説明から、より明確に明らかになるであろう。

図１に示すように、自律システムは、電力貯蔵要素として動作する少なくとも１つのバッテリ１と、発電機（power generator）２と、発電機２とバッテリ１との間に接続された電力レギュレータ３とを備える。発電機２の出力及びバッテリ１の端子でそれぞれ電圧と電流とを測定するための測定回路４及び５は、制御ユニット６に接続されると共に、電力レギュレータ３にも接続されている。温度測定回路７もまた、制御ユニット６に接続されている。負荷８には一般に、バッテリ１により電力が供給される。

温度測定回路７は、好ましくは、少なくとも１つの周囲温度測定センサと、バッテリ１の温度の測定センサとを備える。そして、制御ユニット６は、バッテリ１とその環境との温度差を計算することができる。

発電機２は例えば、太陽電池パネル、微小水圧装置、又は風力発電装置である。

電力レギュレータ３は、好ましくは、降圧型コンバータ（BUCK-type converter）を備える。レギュレータ３はまた、有利には、最大電力点トラッキング（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）装置と、バッテリ充電器（battery charger）とを備える。そのため、制御ユニット６は、発電機２により供給される電力とバッテリ１の充電との照合を、電力レギュレータ３により行うよう設計されている。

制御ユニット６は、測定回路４により供給される電圧及び電流の測定結果から、発電機２の出力の電力を決定することができる。既知の方法で、制御ユニット６は、バッテリ１の充電状態（ＳＯＣ）を、実験的な又はモデル化されたルックアップテーブルにより、例えば、バッテリ１の温度と、測定回路５により供給されるバッテリ１の端子の電圧の関数として決定することができる。

本発明によれば、バッテリ１の充電は、まず、調節された電流で行われ、次に、バッテリ１の端子の電圧が所定の閾値Ｖthreshに達したときに、調節された電圧で行われる。そのため、バッテリ１の充電状態が決定され、バッテリ１の温度が測定されると、制御ユニット６は、最大電流に調節された電流で充電するために、バッテリ１の技術と、バッテリ１の充電状態と、バッテリ１の温度とに応じて、バッテリ１が許容可能な最大電流を計算することができる。そのため、電流は実際には、いかなるダメージももたらさずにバッテリ１の充電の最適化を確保するのに、超えてはならない電流を表す。

しかしながら、バッテリ１の温度については、有利には、バッテリ１に用いられる技術に応じて、使用しないようにすることが可能である。

バッテリ１がリチウムイオンタイプの場合には、温度上昇をもたらす２次反応は存在しない（有機電解質の分解がない）。そのため、バッテリ１の温度が周囲温度に等しくなるので、有利には、リチウムイオンタイプが装置内で使用される。

バッテリ１が鉛タイプの場合には、２次反応による温度上昇が大きい場合があるが（例えば約６０℃）、この温度上昇は、充電終了時に起こるだけである。そのため、調節された電流での充電中は、バッテリ１の温度は、周囲温度に非常に近い。有利には、バッテリ１の温度と周囲温度との区別は、バッテリ１の充電終了時にのみ可能となる。

バッテリ１がＮｉ−Ｃｄ又はＮｉ−ＭＨタイプの場合には、バッテリ温度上昇は、充電が行われるにつれて起こってくる。バッテリ１の充電終了は、急速な温度上昇により検出される。バッテリ１の温度と周囲温度との区別がなされる必要がある。

そして、制御ユニット６は、発電機２が十分な電力を供給可能な場合に限り、電力レギュレータ３により、バッテリ１の端子の充電電流を最大電流値に固定する。

バッテリ１の端子の充電電流が測定回路５により測定されると、制御ユニット６は、閾値電圧Ｖthreshを、実験的な又はモデル化されたルックアップテーブルにより、バッテリ１の端子の充電電流とバッテリ１の温度の関数として計算することができる。この閾値電圧Ｖthreshは例えば、バッテリ充電の９０％を得るのに必要な電圧とすることができる。図２に示すように、閾値電圧は、好ましくは、バッテリの温度（θ）に伴い線形に減少する。この閾値電圧は、最大電流まで調節された電流での充電が、バッテリ１にダメージを与えることなく可能な、バッテリ1の端子の最大電圧を表す。

一般に、温度及び／又は充電電流が高いほど、閾値電圧は低くなる。図２は、バッテリ温度θに伴う閾値電圧Ｖthreshの推移（progression）を概略的に示す。同様に、図５は、３つの異なる温度θ₁、θ₂、θ₃について、時間に対する充電電流Ｉ、閾値電圧Ｖthresh、充電電圧Ｖの推移を概略的に示す。調節された電流での充電中は、充電電流は、最大電流Ｉmax（θ）に等しくなる。

調節された電流での充電段階で使用される最大電流は、連続して再計算される。バッテリ１の充電過程において、バッテリの充電状態は実際には増加し、従って、バッテリの端子の電圧も増加する。特に、最大電流は、バッテリ１の充電状態に依存するため、バッテリ１の充電中に変化することになる。

図３と図４は、バッテリ１の充電状態ＳＯＣに対する、バッテリ１の端子で許容可能な最大充電電流Ｉmaxの推移と、充電電圧Ｖの推移とを概略的に表す。この最大電流は、充電状態ＳＯＣで線形に減少し、電圧Ｖで線形に増加する。バッテリ１が許容可能な最大電流は、定電流で充電する場合には一般に、定められた平均充電電流よりも高くすることが可能であり、このことが、利用可能な資源を最大限使用することを可能にすることを留意することが重要である。加えて、最大充電電流は、バッテリ１の温度θに依存し、温度θに伴い線形に増加する（図５）。

充電電圧Ｖが、閾値電圧値Ｖthresh（それ自身、特にバッテリ１の温度θ（図２）と充電電流とに応じて、連続して更新される）に達すると、制御ユニット６はその後、調節された電流充電モードから、周囲温度θ’により調節される電圧充電モードに切り換わる。充電電圧Ｖはその後、周囲温度θ’により調節される。図５において、線Ａは、調節された電流充電モードから、周囲温度により調節される電圧充電モードへの切り換えを表す。

制御ユニット６はその後、バッテリ１の温度θと、温度測定回路７により測定される周囲温度θ’とを考慮して、バッテリ１と周囲温度との温度差と、この温度差の推移レートとを計算する。温度差が、プリセットされた閾値（例えば、封止された鉛蓄電池については１．５℃）よりも大きい場合、又は、温度差の変動レートが、プリセットされた閾値（例えば、封止された鉛蓄電池については２℃／時間）よりも大きい場合には、制御ユニット６は、バッテリ１の充電を停止する。

逆の場合、制御ユニット６は、周囲温度θ’に応じて充電電圧Ｖの値を連続して固定しながら、バッテリ１を電力レギュレータ３により充電し続ける。

バッテリ１の充電は、周囲温度θ’により調節される電圧による充電モードで行われるため、充電電流Ｉは、図５に示すように、充電状態ＳＯＣの増加に伴い減少し、従って、時間に伴い減少する。充電電流Ｉはその後、充電終了の基準として使用される。このように、充電電流が充電終了閾値電流のプリセット値Ｉsに等しくなると、制御ユニット６は、バッテリ１の充電を停止する。図５に示すように、充電終了閾値電流値は、好ましくは、温度に依存しない。

図５は、例示のため、種々の周囲温度におけるバッテリ充電を示す。充電電流Ｉ及び充電電圧Ｖは、充電時間ｔに対して示されており、充電時間ｔに対する充電電圧Ｖが、バッテリの充電状態を表す。３つのバッテリ温度θ₁、θ₂、θ₃（θ₁＜θ₂＜θ₃）と、θ’₁＜θ’₂＜θ’₃という３つの周囲温度が、図５の例に示されている。周囲温度θ’₃における動作だけについて説明するが、他の温度における動作については、同じであるが少しずつずれている。

時刻ｔ₀において、制御ユニット６は、バッテリ１の温度θ（θ＝θ₁）と、バッテリ１の端子の電圧とをそれぞれ、温度測定回路７と測定回路５により測定する。その後、これらの測定結果と適当なテーブルとを使用して、制御ユニット６は、バッテリ１の充電状態を決定し、その後、バッテリ１が許容可能な最大電流Ｉmaxを決定する。制御ユニット６はその後、充電電流Ｉを値Ｉmaxに調節する。この調節された電流での充電は、バッテリ端子の電圧Ｖが、閾値電圧値Ｖthresh（θ，Ｉ）に達する時刻ｔ₁まで続く。この閾値電圧は、回路５により測定される充電電流とバッテリ１の充電状態とに応じて、連続して更新される。

このように、時刻ｔ₀とｔ₁との間において、自律システムは、バッテリ１を充電するために利用可能な電力資源を最大限利用する。

ｔ₀とｔ₁との間で、バッテリ１が充電されるにつれて、制御ユニット６は、バッテリ１の温度とバッテリ１の充電状態とに応じてバッテリ１が許容可能な最大電流値を、連続して再計算する。電力レギュレータ３はその後、電流が最大電流値を超えないように、バッテリ１に送られる電流を変化させる。

時刻ｔ₁とｔ₂との間において、バッテリ１の充電が、周囲温度θ’により調節された電圧で行われると、充電電流は、充電終了閾値電流値Ｉsに達するまで減少する。制御ユニット６はその後、充電済みと考えられるバッテリ１の充電を停止する。

本発明の処理を実行可能な自律システムを示す概略図である。 調節された電流充電モードについて、温度に対する充電終了閾値電圧の推移を示した概略図である。 調節された電流充電モードにおける、バッテリの充電状態に対する最大充電電流の推移を示した概略図である。 調節された電流充電モードにおける、バッテリの充電状態に対する充電電圧の推移を示した概略図である。 種々の温度について、バッテリ充電の際のバッテリ充電時間に対する充電電流及び充電電圧の推移を示した概略図である。

符号の説明

１ バッテリ
２ 発電機
３ 電力レギュレータ
４ 測定回路
５ 測定回路
６ 制御ユニット
７ 温度測定回路
８ 負荷

Claims (10)

1. 自律システムの電力貯蔵要素（１）を発電機（２）から充電する方法であって、
   温度を測定することと、
   前記電力貯蔵要素（１）の端子の電圧（Ｖ）が、プリセットされた閾値に達したときに、第１充電モードから第２充電モードに切り換えることを含み、
   前記第２充電モードは、温度調節式の電圧充電モードであり、
   前記第１充電モードは、電流充電モードであり、前記第１充電モードにおいて、電流は、前記電力貯蔵要素（１）の充電状態（ＳＯＣ）と温度の関数である充電電流の最大値（Ｉmax）に調節されることを特徴とする方法。
2. 前記電圧閾値は、前記電力貯蔵要素（１）の温度（θ）と測定される充電電流（Ｉ）の関数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記電圧閾値は、前記電力貯蔵要素（１）の温度（θ）の上昇に伴い線形に減少することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記最大充電電流値は、温度（θ）に伴い線形に増加し、前記電力貯蔵要素（１）の充電状態（ＳＯＣ）に伴い線形に減少することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第２充電モードにおいて、電圧は、周囲温度（θ’）により調節されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 温度により調節された電圧での充電は、前記充電電流（Ｉ）が、プリセットされた電流閾値（Ｉs）よりも低いときに、中断されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 温度により調節された電圧での充電は、前記電力貯蔵要素（１）の温度（θ）と周囲温度（θ’）との温度差が、プリセットされた値よりも大きい場合に、中断されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 温度により調節された電圧での充電は、前記電力貯蔵要素（１）の温度（θ）と周囲温度（θ’）との温度差の推移レートが、プリセットされた閾値よりも大きい場合に、中断されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記発電機（２）は、太陽電池パネルであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記発電機（２）は、風力発電機であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。

Images