JP2011160635A - 蓄電池の充電方法および太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池によるニッケル水素蓄電池などの蓄電池への充電を効率良く実現できる新規な蓄電池の充電方法および太陽光発電システムを提供。
【解決手段】蓄電池３に太陽電池１を接続して充電する方法であって、前記太陽電池１の出力電圧を昇圧して一定電圧出力で上記蓄電池３に充電すると共に、その充電電流値を測定し、当該充電電流値が、あらかじめ定めた温度範囲毎にあらかじめ定めた最低電流値を下回ったときには充電を中断する。これによって、従来、困難であった太陽電池１によるニッケル水素蓄電池などの蓄電池３への充電を効率良く実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池を用いてニッケル水素蓄電池などの蓄電池（２次電池）に充電するための方法および太陽電池を用いた太陽光発電システムに関する。

２次電池の一種であるニッケル水素蓄電池（Ｎｉ−ＭＨ：Ｎｉｃｋｅｌ ｍｅｔａｌ ｈｙｄｒｉｄｅ）は、一般に定電流充電法によって充電される。この場合の電流値は０．１Ｃ以上が普通であり、最近では１５分で満充電にできるようなニッケル水素蓄電池も開発されている。

これに対して一般に０．０５Ｃ未満の低電流でニッケル水素蓄電池を充電すると充電効率は低くなり、また劣化を早めることになるので、通常このような低電流での充電は行われない。また、同じ２次電池の一種である鉛蓄電池やリチウムイオン電池の充電方法として一般的なフロート充電や定電流−定電圧（ＣＣ−ＣＶ）充電も、定電圧充電になった段階で微小な電流が流れ続けて劣化を速めるため、やはりニッケル水素蓄電池の充電には不適である。

太陽電池や風力発電機の出力を大規模にニッケル水素蓄電池に蓄電する場合には、大容量の蓄電池が必要になるが、充電電流も大きな値が必要になる。ところが太陽光発電や風力発電のような自然エネルギーを利用した発電では、出力は日照量や風速によって時間と共に大きく変動するのが普通である。そのため、出力電流を直接蓄電池に接続して充電すると電流値が小さ過ぎる場合には、一旦コンデンサなどに充電し、十分充電した段階で大電流パルスとして出力する。

しかし、このような方法を採ると充電回路は複雑かつ高価なものとなる（非特許文献１）。このため、大電流による充電を不要とするために小容量のニッケル水素蓄電池を多数並列にして組み合わせ、系列を切り替えて充電する方式を採用しても、入力電流が大きく変動する点は同じであり、電流の分配など充電制御は複雑なものとなる。

この問題を解決するため、ニッケル水素蓄電池に改良を加え、より小さな電流値で充電可能にする方法が考えられる。

ニッケル水素蓄電池の正極活物質にイットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類の酸化物を添加すると、充電時の副反応である水の分解の過電圧が高められ、その結果充電効率が高まることが知られている。このような改良により、室温で０．００５Ｃ、４５℃でも０．０２Ｃという微小電流で充電できるニッケル水素蓄電池が作られている。

しかし、太陽電池からその時点で得られる最大電流で充電する方式では、充電中に蓄電池電圧が変動する（非特許文献２）。そのため、フロート充電によって充電される鉛蓄電池用に開発された充電制御回路をニッケル水素蓄電池向けに転用することができない。

そのため、ニッケル水素蓄電池を太陽光発電に利用する場合、ＭＰＰＴ制御など太陽電池の出力を最大限利用する制御を取り入れるのが難しい状況であった。

「野崎洋介、太刀川正美、秋山一也、谷内利明：ＮＴＴ Ｒ＆Ｄ 第４８巻、第１２号、第２４頁（１９９９）」 「Ａ．ヤマシタ、Ｒ、キタノ、Ａ．ミヤサカ、Ｔ．ショウダイ（Ａ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ，Ｒ．Ｋｉｔａｎｏ，Ａ．Ｍｉｙａｓａｋａ，ａｎｄ Ｔ．Ｓｈｏｄａｉ）：ＥＣＳトランザクションズ（ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、第１６巻、第３４号、第７１頁（２００９）」

本発明は前記のような課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、従来、困難であった太陽電池によるニッケル水素蓄電池などの蓄電池への充電を効率良く実現できる新規な蓄電池の充電方法および太陽光発電システムを提供することにある。

前記課題を解決するために第１の発明は、
蓄電池に太陽電池を接続して充電する方法であって、前記太陽電池の出力電圧を昇圧して一定電圧出力で上記蓄電池に充電すると共に、その充電電流値を測定し、当該充電電流値が、あらかじめ定めた温度範囲毎にあらかじめ定めた最低電流値を下回ったときには充電を中断することを特徴とする蓄電池の充電方法である。

また、第２の発明は、
第１の発明において、前記充電を中断した後に前記太陽電池の開回路電圧を測定し、当該開回路電圧が、あらかじめ定めた値を超えているときは、満充電と判断して前記充電を終了することを特徴とする蓄電池の充電方法である。

また、第３の発明は、
第２の発明において、前記満充電と判断して前記充電を終了した後に前記蓄電池の放電容量を積算し、当該放電容量が、あらかじめ定めた値を超えたときは、前記充電を再開することを特徴とする蓄電池の充電方法である。

また、第４の発明は、
第１乃至３の発明において、前記蓄電池として、ニッケル水素蓄電池の単セル、または当該単セルを複数組み合わせた蓄電池モジュールを用いることを特徴とする蓄電池の充電方法である。

第５の発明は、
太陽光を受けて発電する太陽電池と、当該太陽電池の発電を充電する蓄電池と、前記充電を制御する充電制御手段とを有し、当該充電制御手段は、太陽電池の出力電圧を昇圧して一定電圧出力で上記蓄電池に充電する定電圧出力昇圧回路と、前記蓄電池の充電電流値を測定する電流値電圧計と、前記蓄電池の温度を計測する温度計と、当該温度計で計測した充電池の温度と前記電流値電圧計で測定した充電電流値とを比較し、当該充電電流値が、あらかじめ定めた温度範囲毎にあらかじめ定めた最低電流値を下回ったときには充電を中断する制御回路とを有することを特徴とする太陽光発電システムである。

第６の発明は、
請求項５に記載の太陽光発電システムにおいて、前記充電制御手段は、前記太陽電池の開回路電圧を測定する閉回路電圧計をさらに備え、前記制御回路は、前記充電を中断した後に、前記閉回路電圧計で測定された前記太陽電池の開回路電圧が、あらかじめ定めた値を超えているときは、満充電と判断して前記充電を終了することを特徴とする太陽光発電システムである。

第７の発明は、
第６の発明において、前記制御回路は、前記満充電と判断して前記充電を終了した後に前記蓄電池の放電容量を積算し、当該放電容量が、あらかじめ定めた値を超えたときは、前記充電を再開することを特徴とする太陽光発電システムである。

第８の発明は、
第５乃至７の発明において、前記蓄電池が、ニッケル水素蓄電池の単セル、または当該単セルを複数組み合わせた蓄電池モジュールであることを特徴とする太陽光発電システムである。

本発明によれば、以下に示すような効果を発揮できる。

（１）太陽電池の出力電圧を昇圧して一定電圧出力で蓄電池に充電すると共に、その充電電流値が、あらかじめ定めた温度範囲毎にあらかじめ定めた最低電流値を下回ったときには充電を中断するようにしたことから、太陽電池を用いてニッケル水素蓄電池などの蓄電池を効率良く充電することができる。

すなわち、電流源が太陽電池の場合、蓄電池の充電率が低いときには蓄電池電圧が低いため、定電圧に保つためには大電流が必要となり、充電電流の不足のために電圧降下が起こって電流値が制限される場合がある。さらに、それ以外にも日照量が低下したときに太陽電池の出力電力が不足して定電圧が保てなくなり、電圧が降下する。また、前述したようにニッケル水素蓄電池の場合では、一般に０．０５Ｃ未満の低電流で充電すると充電効率が低くなり、また、蓄電池の劣化を早めることになる。

そのため、本発明では太陽電池の出力電圧を一旦昇圧して一定電圧出力とすることで蓄電池への充電を可能とすると共に、その充電電流値が、最低電流値を下回ったときには充電を中断することによって低電流による充電効率の低下や蓄電池の劣化を防止することができる。

また、この最低電流値は、蓄電池の温度に依存することから、あらかじめ定めた温度範囲毎にあらかじめ定めた最低電流値に従って充電の中断を制御することによって蓄電池の劣化などを回避しつつ効率良く充電することができる。

（２）また、前記のようにニッケル水素蓄電池などの蓄電池を定電圧電源に接続して充電した場合、充電が進むにつれて電流値は緩やかに減少していく。

そのため、前記のように充電を中断した後に、その太陽電池の開回路電圧を測定し、その開回路電圧が、あらかじめ定めた値を超えているときは、満充電と判断して前記充電を終了するようにしたものである。これによって、その充電の中断が満充電によるものなのか、あるいは日照不足などによるものなのかを正確に判断できるため、無駄な充電や充電不足を確実に解消できる。

（３）また、さらに満充電と判断してその充電を終了した後に、蓄電池の放電容量を積算し、その放電容量があらかじめ定めた値を超えたときに充電を再開するようにしたことから、より効率の良い充電制御を行うことができる。

本発明に係る太陽光発電システム１００の実施の一形態を示す構成図である。 本発明に係る太陽光発電システム１００の充電時の状態を示す構成図である。 本発明に係る太陽光発電システム１００の充電中断時の状態を示す構成図である。 本発明に係る太陽光発電システム１００の太陽電池１の閉回路電圧測定時の状態を示す構成図である。 本発明に係る充電方法の流れを示すフローチャート図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、添付図面を参照しながら本発明を詳細に説明するが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る太陽光発電システム１００の実施の一形態を示したものである。

図において符号１は太陽電池であり、太陽光を受けて発電し、発電した電荷を蓄電池３に充電する構成となっている。蓄電池３は、ニッケル水素蓄電池の単セル、またはこの単セルを複数組み合わせた蓄電池モジュールなどで構成されており、充電した電荷を負荷部４に送って消費するようになっている。

そして、この太陽電池１と蓄電池３との間には、これらの充電を制御するための充電制御部２が設けられている。この充電制御部２は、定電圧出力昇圧回路２ａと、制御回路２ｂとから主に構成されている。

定電圧出力昇圧回路２ａは、太陽電池１の出力電圧を蓄電池３の出力電圧よりも高く昇圧して一定電圧出力で蓄電池３に充電するようになっている。

制御回路２ｂは、図示しないＭＰＵの演算装置やＲＯＭ、ＲＡＭなどの記憶装置、入出力装置などからなるマイコン回路から構成されている。

そして、この制御回路２ｂは、太陽電池１の開回路電圧を測定する閉回路測定用電圧計５と、蓄電池３の充電電流値を測定する電流測定用電圧計６と、蓄電池３の温度を計測する温度計（サーミスタ）９とからそれぞれ入力される測定値に基づいて、太陽電池１側に設けられた太陽電池切り離し用スイッチ（以下「スイッチＡ」という）および蓄電池３側に設けられた充電池充電用スイッチ（以下「スイッチＢ」という）を制御して以下に詳述するような充電制御を行うようになっている。

なお、図中符号７は逆電流防止用のダイオード、８は充放電電流測定用のシャント抵抗であり、これらダイオード７およびシャント抵抗８をそれぞれ跨ぐように前記スイッチＢおよび電流測定用電圧計６が設けられている。

次に、このような構成をした本発明に係る太陽光発電システム１００による蓄電池３の充電方法の一例を主に図５のフローチャートを参照しながら説明する。

先ず、本システム１００の充電制御部２は、充電を開始するときは、最初のステップＳ１００に示すように太陽電池１側のスイッチＡをオンにすると共に充電池３側スイッチＢをオンにして次のステップＳ１０２に移行する。これによって、図２に示すように太陽電池１の出力電圧が定電圧出力昇圧回路２ａによって昇圧され、ダイオード７をバイパスして蓄電池３に電流が流れて充電が開始する。

ステップＳ１０２では、制御回路２ｂが、電流測定用電圧計６からの入力に基づいてその充電電流値を算出すると共に、温度計（サーミスタ）９からの入力に基づいてそのときの蓄電池３の温度を測定して次のステップＳ１０４に移行する。なお、この充電電流値は、電流測定用電圧計６がシャント抵抗８の両端電圧として読んで換算することで求める。

ステップＳ１０４では、以下の表１を参照し、算出された充電電流値があらかじめ表１に規定された所定の温度範囲内でその下限電流値を下回っていないかを判断する。

なお、この表１は、蓄電池３として例えば定格容量９０Ａｈ、標準容量８８．０Ａｈの
ニッケル水素蓄電池を用いた場合の温度と下限電流との関係を示した一例であり、使用する蓄電池３の大きさや種類毎に異なるものが存在するのは勿論である。

そして、このステップＳ１０４において、充電電流値が下限電流値を下回っていないと判断したとき（Ｎｏ）は、充電中であると判断してステップＳ１０２に戻って同様な処理を繰り返すが、この充電電流値が下限電流値を下回ったと判断したとき（Ｙｅｓ）は、次のステップＳ１０６に移行する。

表１の例では、蓄電池３の温度が３０〜３５℃未満のときには、下限電流（Ａ）が１．０を下回ったとき、また、蓄電池３の温度が３０℃未満のときには下限電流（Ａ）が０．５Ａを下回ったならばそれぞれの温度範囲で充電を中断することになる。なお、蓄電池３の温度が５０℃を超えたときは異常な状態と判断して同じく充電を中断する。

ステップＳ１０６では、蓄電池３が満充電になったと仮定し、スイッチＢをオフにして充電を中断して次のステップＳ１０８に移行する。これによって、図３に示すように充電池３への電圧が遮断されるため、低電流による充電効率の低下や蓄電池３の劣化を防止することができる。

ステップＳ１０８では、図４に示すようにさらに太陽電池１側のスイッチＡをオフにして次のステップＳ１１０に移行し、閉回路測定用電圧計５によってそのときの太陽電池１の閉回路電圧を測定して次のステップＳ１１２に移行する。

ステップＳ１１２では、閉回路測定用電圧計５で測定された閉回路電圧が、太陽電池１毎にあらかじめ設定された閾値（前記容量の蓄電池３の場合は５Ｖ）以上であるか否かを判断する。

この結果、その閉回路電圧が閾値（５Ｖ）以上でない（閾値未満）であると判断したとき（Ｎｏ）には、前記充電電流値の低下が、日照不足などによる太陽電池１の発電能力低下によるものと判断してステップＳ１３３側に移行するが、その閉回路電圧が閾値（５Ｖ）以上であるとき（Ｙｅｓ）は、前記充電電流値の低下が、蓄電池３の満充電によるものと判断して次のステップＳ１１４に移行する。

これによって、その充電の中断が満充電によるものなのか、あるいは日照不足などによる太陽電池１の発電能力低下によるものなのかを正確に判断できるため、無駄な充電や充電不足を確実に解消できる。

その後、次のステップＳ１１４では、図３に示すように再びスイッチＡのみをオン状態にして太陽電池１の電圧を負荷部４のみにかけると共に、蓄電池３の電圧を負荷部４にかけて放電して次のステップＳ１１６に移行する。なお、この負荷部４とは、例えば前記非特許文献１に開示されているような通信装置や街灯などである。

ステップＳ１１６では、電流測定用電圧計６の測定値に基づいてその蓄電池３の放電容量を積算して次のステップＳ１１８に移行する。

ステップＳ１１８では、その放電容量が所定値（本実施の形態では例えば１０Ａｈ）を超えたか否かを判断する。

この結果、所定値を超えていないと判断したとき（Ｎｏ）は、ステップＳ１１６まで戻って同様な処理を繰り返すが、所定値を超えたと判断したとき（Ｙｅｓ）は、充電を再開する必要があると判断してステップＳ１１３に移行する。

そして、ステップＳ１１３では、そのときの太陽電池１の閉回路電圧を測定し、その発電能力が閾値（５Ｖ）以上であるか否かを判断し、閾値（５Ｖ）以上でないと判断した（Ｎｏ）ときは、太陽電池１の発電能力が回復するまでそのまま待機し、反対に閾値（５Ｖ）以上であると判断したとき（Ｙｅｓ）は、最初のステップＳ１００に戻って充電を再開することになる。これによって、より効率の良い充電制御を行うことができる。

先ず、定格容量９０Ａｈのニッケル水素蓄電池単セルを２５℃下２０Ａで充電し、ｄＴ／ｄｔ＝０．３℃／分で充電終了後、同じく２５℃下放電電流３０Ａで１．０Ｖまで放電させて容量を測定したところ８８．０Ａｈであった。以下これを標準容量とする。

次に、同じセルを２５℃下、電流０．５Ａで定格容量の１１０％充電し、容量を測定したところ、標準容量の９６．３％であった。また、同じく４５℃下で電流１Ａ、および２Ａで定格容量の１１０％充電し、容量を測定したところ、それぞれ標準容量の８０．４％、９２．２％であった。

次に、同じセルを２５℃下、電流値１０Ａ、電圧値１．４２ＶでＣＣ−ＣＶ充電し、電流値が０．５Ａまで低下した段階で充電を終了した。その後３０Ａで１．０Ｖまで放電させて容量を測定したところ、標準容量の９５．５％であった。また、同じセルを４５℃下、電流値１０Ａ、電圧値１．４２ＶでＣＣ−ＣＶ充電し、電流値が２Ａまで低下した段階で充電を終了した。その後３０Ａで１．０Ｖまで放電させて容量を測定したところ、標準容量の９１．７％であった。

そして、上記で使用したのと同型のセル１０本を直列に接続してモジュールを作製し、これを前述したような本発明システム１００の蓄電池３として、図１に示すように出力９０Ｗの太陽電池１と組み合わせて本発明の太陽光発電システム１００に相当する自立型電源を作製した。

組み立てる前に蓄電池モジュール３の容量を実測したところ、９４．８Ａｈであった。また、低電圧出力昇圧回路２ａは、１４．２Ｖの定電圧を出力する。

この方式で充電する自立型電源を実際に屋外に設置して充電し、満充電で充電終了と判断された蓄電池モジュール３を一旦取り外した。

取り外したモジュール３を２５℃環境下で充放電装置に接続し、放電電流３０Ａで１０．０Ｖまで放電させて容量を計測した。

その結果、８月に充電したときの容量は８３．５Ａｈで、充電中の平均蓄電池温度は４０．７℃であった。

また、１１月に充電したときの容量は８９．２Ａｈであり、充電中の平均蓄電池温度は２２．８℃であった。

１…太陽電池
２…制御装置
２ａ…定電圧出力昇圧回路
２ｂ…制御回路（マイコン回路）
３…ニッケル水素蓄電池モジュール
４…負荷
５…開回路電圧測定用電圧計
６…充放電電流測定用電圧計
７…逆電流防止用ダイオード
８…充放電電流測定用シャント抵抗
９…蓄電池温度測定用サーミスタ
Ａ…太陽電池切り離し用スイッチ
Ｂ…蓄電池充電スイッチ

Claims (8)

1. 蓄電池に太陽電池を接続して充電する方法であって、
   前記太陽電池の出力電圧を昇圧して一定電圧出力で上記蓄電池に充電すると共に、その充電電流値を測定し、
   当該充電電流値が、あらかじめ定めた温度範囲毎にあらかじめ定めた最低電流値を下回ったときには充電を中断することを特徴とする蓄電池の充電方法。
2. 請求項１の蓄電池の充電方法において、
   前記充電を中断した後に前記太陽電池の開回路電圧を測定し、
   当該開回路電圧が、あらかじめ定めた値を超えているときは、満充電と判断して前記充電を終了することを特徴とする蓄電池の充電方法。
3. 請求項２の蓄電池の充電方法において、
   前記満充電と判断して前記充電を終了した後に前記蓄電池の放電容量を積算し、
   当該放電容量が、あらかじめ定めた値を超えたときは、前記充電を再開することを特徴とする蓄電池の充電方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の充電方法において、
   前記蓄電池として、ニッケル水素蓄電池の単セル、または当該単セルを複数組み合わせた蓄電池モジュールを用いることを特徴とする蓄電池の充電方法。
5. 太陽光を受けて発電する太陽電池と、当該太陽電池の発電を充電する蓄電池と、前記充電を制御する充電制御手段とを有し、
   当該充電制御手段は、
   太陽電池の出力電圧を昇圧して一定電圧出力で上記蓄電池に充電する定電圧出力昇圧回路と、
   前記蓄電池の充電電流値を測定する電流値電圧計と、
   前記蓄電池の温度を計測する温度計と、
   当該温度計で計測した充電池の温度と前記電流値電圧計で測定した充電電流値とを比較し、当該充電電流値が、あらかじめ定めた温度範囲毎にあらかじめ定めた最低電流値を下回ったときには充電を中断する制御回路とを有することを特徴とする太陽光発電システム。
6. 請求項５に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記充電制御手段は、
   前記太陽電池の開回路電圧を測定する閉回路電圧計をさらに備え、
   前記制御回路は、
   前記充電を中断した後に、前記閉回路電圧計で測定された前記太陽電池の開回路電圧が、あらかじめ定めた値を超えているときは、満充電と判断して前記充電を終了することを特徴とする太陽光発電システム。
7. 請求項６に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記制御回路は、
   前記満充電と判断して前記充電を終了した後に前記蓄電池の放電容量を積算し、当該放電容量が、あらかじめ定めた値を超えたときは、前記充電を再開することを特徴とする太陽光発電システム。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記蓄電池が、ニッケル水素蓄電池の単セル、または当該単セルを複数組み合わせた蓄電池モジュールであることを特徴とする太陽光発電システム。

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