JP2014011873A - 独立電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池を用いた独立電源装置では、二次電池は満充電から貯蔵電力が枯渇する直前までの間を日々繰り返すため、フロート充電では、寿命を長くできないという課題があった。
【解決手段】本発明に係る独立電源装置は、二次電池に出入りする電流量を逐次算出しておき、バルク充電によって一定の容量まで充電を行った後は、吸収充電によって定格容量になるまで充電を続け、定格容量に達したら、充電を停止するゼロ充電モードに入る。また、５〜６日に１度程度は定格容量以上に充電を継続する。これによって満充電から枯渇直前まで充放電を繰り返しても、二次電池の寿命は短くならない。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池モジュールと二次電池を組み合わせた独立電源装置に関する発明である。

太陽電池は太陽光を用いて発電する電池である。無尽蔵ともいえる太陽光を利用するため、クリーンで安全なエネルギーとして注目されている。しかし、夜間の太陽光がない時間帯では、発電できなくなるという課題があった。そこで、太陽電池によって発電した電気を二次電池に貯えて置き、昼間は、太陽光による発電の電気を利用し、夜間は昼間充電しておいた二次電池の電気を負荷に供給する独立電源装置が提唱されている（特許文献１）。

また、二次電池の充電方法に関しては、トリクル充電やフロート充電といった方法が提唱されている（特許文献２）。ここでトリクル充電とは、二次電池の自己放電分だけを充電すべく、微小電流で充電を継続する方法をいう。この充電方法では、大きく放電した電力を再度充電するには、時間がかかるものの、過充電を心配する必要はあまりない。

一方、フロート充電とは、満充電になるまで充電した後は、バイパス回路によって電流を他（負荷等）に流し、二次電池への負担を低減する方法である。電圧は二次電池にかけたままであるので、充電しながら負荷にも電力を供給されるという特徴がある。このような方法で充電するために、フロート充電は二次電池を長持ちさせることができるとされている。

特開平０５−０７４４９９号公報 特開平０８−０１７４７３号公報

太陽電池を用いた独立電源装置は、太陽電池モジュールからの電力を負荷に出力する。したがって、夜間太陽電池モジュールが発電を行わない場合は、二次電池の電力を負荷に供給することになる。すなわち、太陽電池を用いた独立電源装置では、二次電池は夜間と昼間で放電と充電を繰り返すため、負担が多いと言える。

このような二次電池に充電を行う際は、放出した電力を所定電圧まで最大電力で充電するバルク充電と、過充電を防止するために所定時間定電圧充電を行う吸収充電と、その後自己放電分を補う電圧で充電と負荷への電力供給を行うフロート充電が行われている。

しかし、フロート充電は、常に満充電近い状態で使用される二次電池に対しては、長寿命化に効果があるものの、太陽電池を用いた独立電源装置では、満充電から貯蔵電力が枯渇する直前までの間を日々繰り返すため、通常言われているように二次電池の寿命を長くできないという課題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みて想到されたものである。本発明の発明者は、満充電と大量の電力放電を繰り返す二次電池にあっては、バルク充電、定電圧充電後は、全く充電を行わないゼロ充電にするのが、電池寿命を延ばすのに効果があることを実験で知見し、完成するに至った。

より具体的に本発明の独立電源装置は、
太陽エネルギーにて発電する太陽電池モジュールと、
前記太陽電池モジュールで発電した発電電力を負荷に供給するとともに、余剰電力を二次電池に充電し、前記発電電力が不足した時は前記二次電池から前記負荷に不足電力を供給する独立電源装置であって、
前記太陽電池モジュールにて発電した電力の前記二次電池への充電量および前記負荷に対する電力供給量を制御する充放電制御手段と、
前記二次電池の電圧を計測する電圧センサと、
前記二次電池への充電電流および前記二次電池からの放電電流を計測する充放電電流センサと、
前記充放電電流センサからの計測値に基づいて前記二次電池への充電電気量および前記二次電池からの放電電気量の合計である充放電電気量を演算する充放電電気量演算手段と、
前記二次電池の定格容量を設定する定格容量設定手段と、
前記定格容量と前記充放電電気量とから前記二次電池の現在容量を演算する現在容量演算手段を有し、
前記充放電制御手段は前記二次電池を充電する際は、
前記二次電池電圧が定電圧設定値に達した後に前記現在容量が前記定格容量に達するまで前記二次電池の充電電圧を前記定電圧設定値に保つことを特徴とする。

また本発明に係る独立電源装置では、前記充放電制御手段は、前記二次電池が前記定格容量まで充電されたら、前記発電電力を前記負荷への電力供給だけに使用する（ゼロ充電モード）ことを特徴とする。

また、本発明に係る独立電源装置では、
前記充放電制御手段は、所定期間毎に前記定格容量以上に過充電を行うことを特徴とする。

本発明に係る独立電源装置は、使用する二次電池の定格容量を設定し、使用した充放電電気量を記録し、定格容量と充放電電気量から現在容量を算出し、充電を行う際は、定格容量になるまで定電圧で充電することとした。したがって、過充電になるおそれがない。

また、定格容量になった後は、全く充電を行わないゼロ充電モードになる。したがって、満充電と大量の放電を繰り返す、太陽電池モジュールを用いた独立電源装置の二次電池であっても、二次電池の寿命を延ばすことができる。

また、充放電のサイクルの内、所定回数（５乃至６回毎、すなわち５乃至６日に一度程度）に定格容量以上の過充電を行うことでさらに寿命を延ばすことができる。

本発明に係る独立電源装置の構成を示す図である。 充放電制御手段の詳細な構成を示す図である。 充放電電気量演算手段のフローを示す図である。 本発明に係る独立電源装置の充電処理を時間軸で示したグラフである。 充電処理のフローを示す図である。

図１は、本発明に係る独立電源装置１の構成を示す図である。本発明の独立電源装置１は、太陽電池モジュール１０と、二次電池１２と、充放電制御手段１１と、電圧センサ１３と充放電電流センサ１４と、出力端子１５を有する。太陽電池モジュール１０は配線Ｌ１によって充放電制御手段１１と接続されている。充放電制御手段１１は、二次電池１２と配線Ｌ２で接続されており、また、出力端子１５と配線Ｌ３で接続されている。出力端子１５は配線Ｌ４で負荷１９と接続される。これらの配線は図１では太線で示した。これら配線Ｌ１乃至Ｌ４は、負荷１９に供給される若しくは二次電池１２に充電される電流が流れる。

太陽電池モジュール１０は、太陽光線から光起電力効果によって電気を取り出すデバイスで、シリコンや化合物半導体、色素増感型など特にタイプは問わない。二次電池１２も特に限定されるものではなく、鉛電池、ニッケル水素、リチウムイオンなど二次電池であればよいが、鉛電池が好適に利用できる。

電圧センサ１３は二次電池１２の電圧を検知するものであれば、特に限定されるものではない。また電圧センサ１３は充放電制御手段１１と信号線ＳＬ１で接続されている。電圧センサ１３は計測した電圧値ＳＶを信号線ＳＬ１を通じて充放電制御手段１１に送信する。また充放電電流センサ１４は、電流センサであって、現在流れている電流が充電のための電流か、放電している電流かを判別できる電流センサである。充放電電流センサ１４は充放電制御手段１１と信号線ＳＬ２で接続されている。充放電電流センサ１４は計測した電流値ＳＡを信号線ＳＬ２を通じて充放電制御手段１１に送信する。

充放電制御手段１１は、充放電電流センサ１４の出力（ＳＡ）に基づいて、後述する充放電電気量ΣＣや現在容量ＮＣ、定格容量ＭＣといった電気量を算出する。充放電制御手段１１は、例えば、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ）とメモリといった組み合わせのコンピュータで実現できる。

また、太陽電池モジュール１０は起電力モニタ１６を有し、充放電制御手段１１と信号線ＳＬ３で接続されている。起電力モニタ１６は、現在の太陽電池モジュール１０の起電力の値ＳＰｖを出力として送り出すことができる。なお、起電力モニタ１６は太陽電池モジュール１０に組み込みでなくてもよい。充放電制御手段１１が太陽電池モジュール１０の起電力を知ることが出来さえすればよいので、太陽電池モジュール１０から充放電制御手段１１までの間に配置された電圧計でもよいからである。

図２には充放電制御手段１１の詳細図を示す。充放電制御手段１１には少なくとも制御装置（ＭＰＵ）２０、メモリ２４、電力制御部２２、タイマ２５を有する。制御装置２０は、メモリ２４と、太陽電池モジュール１０の起電力モニタ１６と、電力制御部２２と、充放電電流センサ１４と、電圧センサ１３とタイマ２５とに接続されている。

また、電力制御部２２は、太陽電池モジュール１０および二次電池１２および出力端子１５と配線Ｌ１乃至Ｌ３で接続されている。また、出力端子１５には負荷１９が接続される（図１参照）。

電力制御部２２は、太陽電池モジュール１０での発電電力のうち二次電池１２および出力端子１５（負荷１９）に供給する電力を調整する。また、内部には、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧変換手段（図示せず）を有しており、二次電池１２への充電電圧や出力端子１５（負荷１９）への供給電圧等を所定の値で出力することができる。さらに太陽電池モジュール１０が発電しない夜間などにおいては、二次電池１２に蓄えた電気量を出力端子１５（負荷１９）へ供給する制御も行い、二次電池１２からの電流が出力端子１５以外へは流れないようにする回路等を有している。なお、電力制御部２２のこれらの機能は、制御装置２０からの指示Ｃｏｖによって、起動、変更若しくは停止される。

次に充放電制御手段１１での機能について説明する。少なくとも本発明に係る充放電制御手段１１は、充放電電気量演算手段と、定格容量設定手段と、現在容量演算手段の３つの機能を実現する。充放電電気量演算手段は、二次電池１２へ充電された電気量と二次電池１２から放電された電気量の合計である充放電電気量ΣＣを算出する。

また定格容量設定手段は、接続された二次電池１２の全容量である定格容量ＭＣを設定する。二次電池１２に残留している電気量（現在容量ＮＣ）を算出するためである。定格容量ＭＣとは、二次電池１２の全貯蓄電気量ともいえる。また、現在容量演算手段とは、二次電池１２に残っている電気量である現在容量ＮＣを算出する。このように本発明に係る独立電源装置１は、二次電池１２に蓄積された電気を電気量（Ａｈ）に換算して管理する。それぞれの手段について以下詳説する。

充放電制御手段１１では、充放電電流センサ１４からの信号（ＳＡ）から充放電電気量ΣＣを算出する充放電電気量演算手段を実現する。これは、制御装置２０が二次電池１２に流れた電流と流れた時間の積から電気量を求め、順次積算することで求められる。図３に充放電電気量演算手段のフローを示す。

図３を参照して、この処理がスタートすると（ステップＳ１０００）、初期値が設定される。初期値としては、微小時間の間の電気量であるΔＣと、積算した充放電電気量ΣＣである。これらの値をゼロに設定する（ステップＳ１０１０）。なお、この処理は、独立電源装置１が稼働中は永続的に行われる処理であるので、初期値を定めるステップＳ１０１０が実施される機会は、二次電池１２が交換された時など、まれにしか起こらない。次に終了判定を行う（ステップＳ１０２０）。終了する場合は終了処理（ステップＳ１０７０）にフローを移す。

終了判定は、この処理中若しくは他の処理中であっても、作動中止の信号もしくはアクションがあれば、終了することができる。すなわち、終了判定の工程であるステップＳ１０２０には、どこからも処理が戻されていないが、これは以後のフローのどこからでもこの終了判定に戻れることを示すものとする。

次に制御装置２０は、充放電電流センサ１４からの電流値ＳＡと電流の向きを取得する（ステップＳ１０３０）。この時、取得する電流は例えば、充電用に流れた電流であれば正符号を、負荷１９に向かって流れた電流であれば、負符号をつけて扱えるようにしておくと好適である。

次に電流値ＳＡと所定の微小時間ΔＴを乗算し、微小充放電電気量ΔＣを得る（ステップＳ１０４０）。そして、充放電電気量ΣＣに微小充放電電気量ΔＣを加算し、新たな充放電電気量ΣＣとする（ステップＳ１０５０）。そして、微小時間ΔＴが経過するまでそのまま待機する（ステップＳ１０６０）。そして、再びステップＳ１０３０に戻り、電流値ＳＡを取得する。このようにすることで、制御装置２０は、充放電電気量ΣＣ（二次電池１２から放出若しくは充電された結果の電気量の合計）を常に保持しておくことができる。

再度図２を参照して、充放電制御手段１１は、また、定格容量設定手段を実現する。定格容量設定手段は、今、充放電制御手段１１に接続されている二次電池１２の定格容量（全容量とも呼ぶ）ＭＣを設定する。ここで定格容量（全容量）ＭＣとは、二次電池１２を満充電にしてから完全放電されるまでの電気量であり、電流×時間（Ａ・ｈｒ：「Ａｈ」と記す）で表される。なお、実際は完全放電してしまうと、元通りに復帰するのが困難なため、完全放電する手前までの電力量を定格容量ＭＣとしてもよい。これは、通常放電曲線と呼ばれる電池の特性曲線から求めることができる。

また、接続される二次電池１２の全容量の決め方は特に制限されるものではない。たとえば、予め全容量を測定しておき、同じ材料同じ製造方法で作製した二次電池なので、この測定値を利用するとしてもよい。この場合は、定格容量設定手段は、外部からこの定格容量ＭＣを制御装置２０に入力し、定格容量ＭＣとしてメモリ２４に記憶させることで実現できる。また、二次電池１２が最初に接続された際の電圧値に基づいて、決定してもよい。

充放電制御手段１１は、また、現在容量演算手段を実現する。現在容量演算手段とは、今現在の二次電池１２の現在容量ＮＣ（Ａｈ）を算出する手段である。現在容量ＮＣは、上記の充放電電気量演算手段による充放電電気量ΣＣを定格容量ＭＣに足した値である。充放電電気量ΣＣも定格容量ＭＣも制御装置２０によってメモリ２４に記憶されている値であるので、制御装置２０は、現在容量ＮＣを容易に演算することができる。

次に本発明の独立電源装置１の動作について説明する。図４には、独立電源装置１の基本的な動作を説明するグラフを示す。また、図５には、図４の動作のフローを示す。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は共に横軸が時刻を表す。時刻ｔ１からｔ４までは太陽光線を得ることができる時間帯で、充電可能時間帯とする。図４（ａ）の縦軸は二次電池１２の端子電圧（Ｖ）である。電圧Ｖ１は公称電圧である。たとえば鉛蓄電池の場合は１３．０Ｖ程度である。またＶ２は、充電時に許容される最大電圧で、定電圧設定値である。定電圧設定値は、後述するバルク充電から吸収充電に移行する際の目安になる値である。鉛蓄電池の場合は１４．９Ｖ程度である。

図４（ｂ）では縦軸は二次電池１２に流れる充放電電流（Ａ）である。電流値が正の場合は、二次電池１２に流れ込む電流、つまり充電される電流であり、電流値が負の場合は、二次電池１２から流れ出る電流である。また、図４（ｃ）では、縦軸は二次電池１２の蓄電量（Ａｈ）であり、現在容量ＮＣである。また、定格容量ＭＣは、上述した全容量である。

図５のフローを参照して、この処理がスタートすると（ステップＳ１００）、初期設定が行われ（ステップＳ１０２）、終了判定が行われる（ステップＳ１０４）。今説明を簡単にするため、夜間二次電池１２が負荷１９に電力を供給し、図４の時刻ゼロであるとする。この時は、充放電電気量ΣＣの積算を継続し（ステップＳ１０６）、太陽電池モジュール１０の起電力が生じたか否かを判断する（ステップＳ１０８）。

なお、図５では、「パネルｏｎ」と表示した。これは起電力モニタ１６からの信号ＳＰｖを参照することで行われる。より具体的には、信号ＳＰｖが所定の電圧Ｖｔｈより大きくなったかどうかで判断する。ここで電圧Ｖｔｈは太陽電池モジュール１０の発電力を利用できるか否かを判断するための閾値である。

この時図４では時刻がゼロからｔ１の間であり、二次電池１２の電圧（図４（ａ））は徐々に低下し、流れる電流（図４（ｂ））は二次電池１２から負荷１９に向かって流れている（符号が負）。したがって、二次電池１２の現在容量ＮＣは枯渇状態に向かって減少していると言える。

時刻ｔ１になると日が昇り太陽電池モジュール１０が発電を始める。起電力モニタ１６からの信号ＳＰｖが所定の値（Ｖｔｈ）を超えたことを確認したら（ステップＳ１０８のＹ分岐）、バルク充電に移る（ステップＳ１１０）。バルク充電とは、二次電池１２への充電をＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）制御で行う充電モードをいう。

ここでは、太陽電池モジュール１０が発電した電力のうち負荷１９が必要とする電力以外を全て二次電池１２への充電に使用する。制御装置２０は、電力制御部２２にこのような充電を行うことをＣｏｖで指示する。なお、バルク充電の間でも充放電電気量演算手段は処理を行っており、電気量の流れを算出している。

バルク充電では、二次電池１２に電流が流れ込むので、充放電電流は正となる（図４（ｂ）参照）。また、二次電池１２の端子電圧は上昇する。バルク充電は二次電池１２の端子電圧が定電圧設定値Ｖ２になるまで続けられる（ステップＳ１１２のＮ分岐）。またこの間二次電池１２への蓄電量である現在容量ＮＣも上昇する。

二次電池１２の端子電圧（ＳＶ）が定電圧設定値Ｖ２になったら（ステップＳ１１２のＹ分岐）、充電電圧を一定にして充電する定電圧充電モード（吸収充電とも呼ばれる）に移行する（ステップＳ１１４）。定電圧充電モードでは、二次電池１２の端子間電圧が所定の値（ここでは定電圧設定値Ｖ２）になるように、電力制御部２２が調整を行う。一方、充放電電流は徐々に減少する。定格容量ＭＣに近づくからである。なお、この間でも充放電制御手段１１は、負荷１９には必要な電力を供給する。

定電圧充電モードでは、制御装置２０は、二次電池１２の蓄電量である現在容量ＮＣと定格容量ＭＣを比較している（ステップＳ１１６）。そして、現在容量ＮＣが定格容量ＭＣと等しくなったら、定電圧充電モードを終了する（ステップＳ１１６のＹ分岐）。つまり、本発明の独立電源装置１では、二次電池１２への充電を充放電電気量演算手段によって求めた充放電電気量ΣＣと予め設定した定格容量ＭＣから求めた現在容量ＮＣを監視し、定格容量ＭＣの電気量が充電できるまで二次電池１２に充電を行う。言い換えると、従来行われていたように、二次電池１２の端子間電圧に基づいて満充電と判断することをしない。

このような充電制御を行うことで、二次電池１２はほとんど劣化せずに使用することができる。また、５乃至６日に一度程度の間隔で、定電圧充電モードで定格容量ＭＣ以上の電気量を充電する。この時々行う定格容量ＭＣ以上の充電によって、二次電池１２の寿命はさらに延びる。

これは、メモリ２４に最後に定格容量ＭＣ以上の電気量を充電した日ＤＬを記録しておき、定電圧充電モードを行う度に、ＤＬとの差を見ることで判断することができる。ここで、定格容量ＭＣ以上に充電する際は、ステップＳ１１６でＭＣの代わりに、ＭＣより大きな値αＭＣを使用すればよい。なお、ここでαは１．２乃至１．５が好適である。

定電圧充電モードが終了したら（図４の時刻ｔ３）、次にゼロ充電モードに移行する（ステップＳ１１８）。ゼロ充電モードとは、二次電池１２に対しては全く充電を行わないモードである。太陽電池モジュール１０が生み出した電力のうち負荷１９が必要とする電力が電力制御部２２から供給される。したがって、充放電電流はゼロとなる（図４（ｂ）時刻ｔ３からｔ４参照）。

ゼロ充電モードに移行したら、日暮れになったか否かをモニタする（ステップＳ１２０）。これは起電力モニタ１６の出力ＳＰｖを制御装置２０が監視することで実現できる。ステップＳ１０８と同じであるが、信号ＳＰｖと比較される閾値が、ステップＳ１０８の閾値Ｖｔｈより低い、Ｖｓｓに置き換えられる。すなわち、ゼロ充電モードは、日が暮れて太陽電池モジュール１０からの電力供給が全く無くなるまで継続される（ステップＳ１２０のＹ分岐）。

日が暮れて太陽電池モジュール１０の起電力がなくなったら（ステップＳ１２０のＮ分岐）、二次電池１２は貯えた電気量から負荷１９に対して放電を開始する。この時、二次電池１２と負荷１９は、制御装置２０の指示Ｃｏｖによって電力制御部２２が接続する。処理のフローは、ステップＳ１０６に戻り、充放電電気量ΣＣを積算しながら負荷１９に電気を供給し、太陽電池モジュール１０の起動（ステップＳ１０８のＹ分岐）を待つ。

以上のように本発明に係る独立電源装置１では、二次電池１２からの電気量の出入りを算出し、それに基づいて太陽電池モジュール１０からの充電を行うので、発電量が天候に左右され不安定な太陽電池モジュール１０を使っても、二次電池１２の劣化が少ない。

なお、図４および図５で示した太陽電池モジュール１０から二次電池１２への充電は、天候が理想的な場合であり、常に変動する太陽電池モジュール１０の発電力が低下した場合には、上記のフローに他の処理が割り込んでもよい。本発明の独立電源装置１は、少なくとも、理想的な天候の場合に、上記のような工程を経て、二次電池１２に充電すれば足りるものである。

本発明の独立電源装置は、太陽電池モジュールを用いた電源装置だけでなく、二次電池の充電制御に広く利用することができる。

１ 独立電源装置
１０ 太陽電池モジュール
１１ 充放電制御手段
１２ 二次電池
１３ 電圧センサ
１４ 充放電電流センサ
１５ 出力端子
１６ 起電力モニタ
１９ 負荷
２０ 制御装置
２２ 電力制御部
２４ メモリ
２５ タイマ

Claims (3)

1. 太陽エネルギーにて発電する太陽電池モジュールと、
   前記太陽電池モジュールで発電した発電電力を負荷に供給するとともに、余剰電力を二次電池に充電し、前記発電電力が不足した時は前記二次電池から前記負荷に不足電力を供給する独立電源装置であって、
   前記太陽電池モジュールにて発電した電力の前記二次電池への充電量および前記負荷に対する電力供給量を制御する充放電制御手段と、
   前記二次電池の電圧を計測する電圧センサと、
   前記二次電池への充電電流および前記二次電池からの放電電流を計測する充放電電流センサと、
   前記充放電電流センサからの計測値に基づいて前記二次電池への充電電気量および前記二次電池からの放電電気量の合計である充放電電気量を演算する充放電電気量演算手段と、
   前記二次電池の定格容量を設定する定格容量設定手段と、
   前記定格容量と前記充放電電気量とから前記二次電池の現在容量を演算する現在容量演算手段を有し、
   前記充放電制御手段は前記二次電池を充電する際は、
   前記二次電池電圧が定電圧設定値に達した後に前記現在容量が前記定格容量に達するまで前記二次電池の充電電圧を前記定電圧設定値に保つことを特徴とする独立電源装置。
2. 前記充放電制御手段は、前記二次電池が前記定格容量まで充電されたら、前記発電電力を前記負荷への電力供給だけに使用することを特徴とする請求項１に記載された独立電源装置。
3. 前記充放電制御手段は、所定期間毎に前記定格容量以上に過充電を行うことを特徴とする請求項１乃至２の何れか１項に記載された独立電源装置。