JP2014121197A - 充電制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】自然エネルギーにより発生した電気を二次電池システムに充電する際に、充電制御を行う充電制御装置の起動を自然エネルギーにより発生した電気を利用して行う充電制御装置を提供する。
【解決手段】自然エネルギーにより発生した電力の充電制御を行う充電制御装置20であって、発電装置10からの入力電力を二次電池システム30への充電に適した充電電力に調節するスイッチングレギュレータ21と、スイッチングレギュレータ21に対して制御信号を送信するMPU22と、充電制御装置20が動作維持する際の内部負荷の大きさに相当する大きさの基準抵抗23とを備え、入力電力が基準抵抗23を介して所定値以上でMPU22に供給される場合にMPU22が起動され、このMPU22の制御により、発電装置10と二次電池システム30との間で接続のON/OFFを切り替えるコンタクタが投入されて二次電池システム30への充電が開始される。
【選択図】図1

Description

本発明は、自然エネルギーにより発生した電力を、二次電池を用いた蓄電池システム(以下、二次電池システムという)に充電する充電制御装置に関する。
近年、二次電池システムの開発が進み実用化され始めている。特に、災害等により系統電力からの電気の供給が停止した場合や、山間部・トンネル工事など、電気が通っていない場所、あるいは発展途上国のようなインフラが充分に整備されていない場所において、二次電池システムが重宝される。二次電池システムは、使用に際して当然前もって充電されている必要があるが、系統電力からの電気の供給が停止している場合やエンジン発電機の燃料切れなど、二次電池システムに充電することが困難になってしまうという問題がある。そこで、系統電力からではなく、太陽光や風力等の自然エネルギーを直接二次電池システムに効率よく充電する技術の開発が強く望まれている。
特許文献1には、商用系統の給電ラインが停電した場合に、蓄電池及び太陽電池により重要負荷に継続して電力供給を行う技術が開示されている。特許文献1に示す技術は、一般負荷が接続される商用系統の給電ラインに発電機と電力スイッチを介して重要負荷とを接続し、電力スイッチと重要負荷との接続ラインに交直変換器を介した蓄電池を接続するとともに、交直のパワーコンディショナーを介して太陽光電池を接続して、電力スイッチの入力側の電圧検出を行って電圧が所定値以下か否かを判定することにより、電圧が所定値に達していることを条件に電力スイッチを投入して蓄電池の制御モードを電流制御に切り換え、電圧が所定値以下に低下したことを条件に電力スイッチを開放して蓄電池の制御モードを電圧制御に切り換えるものである。
また、複数の太陽光発電モジュールで発電した電気を二次電池に充電する技術として、例えば特許文献2に示す技術が開示されている。特許文献2に示す技術は、複数の太陽光発電モジュールと、太陽光発電モジュールを直列または並列接続する直並列切替回路と、直列接続された太陽光発電モジュールの出力電圧が基準電圧よりも大きいか否かを判定し、その判定結果を直並列切替回路へ供給する判定回路とを有し、直並列切替回路は、判定結果に基づき、出力電圧が基準電圧よりも小さいと判定されたとき、太陽光発電モジュールを直列接続し、より小さな発電電圧でも二次電圧への充電を可能にするものである。
特開2011−10412号公報 特開2009−153306号公報
特許文献1に示す技術は、商用系統からの給電が停止した場合に、バックアップ電源として配設されている発電機で重要負荷に電気を供給し、併せて、太陽光電池が発電したエネルギーを交直のパワーコンディショナーを介して、交直変換器を介した蓄電池や負荷への電気の供給が可能な構成となっている。しかしながら、本構成で蓄電池を充電するには、パワーコンディショナーの交直変換ロスと蓄電池の交直変換器の変換ロスが大きく、効率的な充電を行うことができない。また、交流変換に係る回路が大きく、装置が大型になってしまうという課題を有する。
また、特許文献2に示す技術は、出力電圧に応じて太陽光発電モジュールの接続を直列又は並列に切り替えることで、二次電池への充電を効率よく行うものであるが、特許文献2に示される回路に二次電池を接続した場合、電圧比較による回路構成は出来るものの、太陽光発電モジュールの接続端子電圧が二次電池の端子電圧に引っ張られることから、変化する太陽光発電モジュールの日射量に応じた適切な電流制御が実現できず、効率的な充電を行うことができないという課題を有する。
本発明は、自然エネルギーにより発生した電気を低ロスかつ高効率で二次電池システムに充電する場合に、充電制御を行う充電制御装置の起動および運転制御を自然エネルギーにより発生した電気を利用し、最適な電流制御を行うことができるコンパクトな充電制御装置を提供する。
本発明に係る充電制御装置は、自然エネルギーにより発生した電力を二次電池システムに充電する際の充電制御を行う充電制御装置であって、自然エネルギーを電気に変換する太陽光発電や風力発電などの発電装置から入力された直流の入力電力を前記二次電池システムへの充電に適した充電電力に調整するレギュレータと、前記入力電圧及び前記充電電力に基づいて、前記レギュレータが最適な充電動作を行うように当該レギュレータに対して制御信号を送信する制御手段と、前記レギュレータ及び前記制御手段に接続され、前記充電制御装置が動作維持する際の内部負荷の大きさに相当する大きさの起動判定用負荷とを備え、前記入力電力が、前記レギュレータ及び前記起動判定用負荷を介して所定の値以上の大きさで前記制御手段に供給される場合に、当該供給された電力により前記制御手段が起動され、起動された当該制御手段の制御により、前記発電装置と前記二次電池との間で接続のON/OFFを切り替える接点が投入されて前記二次電池システムへの充電が開始されるものである。
このように、本発明に係る充電制御装置においては、発電装置からの直流の入力電力がレギュレータにより調整され、負荷を介して所定の値以上の大きさで制御手段に供給される場合に、その供給された入力電力により制御手段が自立して起動され、その後、制御手段の制御により接点が投入されて二次電池システムへの充電が開始されるため、発電装置で発電した電力を利用して制御手段が自立的に起動して充電を開始することができるという効果を奏する。
また、二次電池システムへの充電に必要な十分な電力が得られている場合にのみ充電が開始されるため、自然環境の変化(例えば、風速、日陰の状態、水流量、発熱量等の変化)等により発生する前記二次電池との間で接続のON/OFFを切り替える接点のチャタリングを確実に防止し、安定した充電および充電停止をすることができるという効果を奏する。
本発明に係る充電制御装置は、前記起動判定用負荷を、少なくとも、前記制御手段が起動する際の負荷の大きさ及び前記二次電池システムへの充電を維持する際の負荷の大きさ以上とするものである。
このように、本発明に係る充電制御装置においては、起動判定用負荷が、少なくとも、制御手段が起動する際の負荷の大きさ及び二次電池システムへの充電を維持する際の負荷の大きさ以上であるため、制御手段の起動及び動作、並びに、二次電池システムへの充電を確実に維持することができるという効果を奏する。
本発明に係る充電制御装置は、前記制御手段が、充電される電力の最大電力点追従を行うように前記レギュレータを制御し、前記接点が投入されて前記二次電池システムへの充電がなされている場合に、前記レギュレータの制御を所定間隔で所定時間停止し、前記レギュレータの制御が停止されている間に前記発電装置の入力電圧を計測し、当該計測した値に基づいて充電電流を制御するものである。
このように、本発明に係る充電制御装置においては、充電される電力の最大電力点追従(MPPT制御:Maximum Power Point Tracking)を行うようにレギュレータを制御し、接点が投入されて二次電池システムへの充電がなされている場合に、MPPT制御が所定間隔で停止する特徴を有し、MPPT制御が停止されている間に発電装置の開放端電圧を確実に取得して、最適な充電電流を演算・制御するため、効率的な発電ができるという効果を奏する。
本発明に係る充電制御装置は、複数の前記発電装置が接続されており、各発電装置からの入力電圧に応じて当該複数の発電装置の接続を直列又は並列に切り替える接続切替手段を備えるものである。
このように、本発明に係る充電制御装置においては、複数の発電装置が直流で接続されており、各発電装置の入力電圧に応じて当該複数の発電装置の接続を直列又は並列に切り替えるため、充電を行うにあたって開放端電圧が有効な範囲で無い場合は直列に接続し、開放端電圧が有効な範囲の場合は並列に接続することで、効率よく充電を行うことができるという効果を奏する。
本発明に係る充電制御装置は、自然エネルギーにより発生した電力を二次電池システムに充電する際の充電制御を行う充電制御装置であって、自然エネルギーを電気に変換する発電装置から入力された入力電力を二次電池システムへの充電に適した充電電力に調節するレギュレータと、前記入力電圧及び前記充電電力に基づいて、前記レギュレータが最適な充電動作を行うように当該レギュレータに対して制御信号を送信する制御手段とを備え、前記制御手段が、充電される電力の最大電力点追従を行うように前記レギュレータを制御し、前記接点が投入されて前記二次電池システムへの充電がなされている場合に、前記レギュレータの制御を所定間隔で所定時間停止し、前記レギュレータの制御が停止されている間に前記発電装置の入力電圧を計測し、当該計測した値に基づいて充電電流を制御するものである。
このように、本発明に係る充電制御装置においては、MPPT制御を行うようにレギュレータを制御し、接点が投入されて二次電池システムへの充電がなされている場合に、MPPT制御を所定間隔で所定時間停止し、MPPT制御が停止されている間に発電装置の入力電圧を計測して充電電流を演算制御するため、発電装置の開放端電圧を確実に取得し、MPPT制御を正確に行うことができるという効果を奏する。
第1の実施形態に係る充電制御装置を用いた充電制御システムの機能ブロック図である。 第1の実施形態に係る充電制御システムにおける発電装置の開放電圧を検出する際の処理イメージ図である。 第1の実施形態に係る充電制御装置の動作を示すフローチャートである。 図3におけるS5〜S7の詳細な処理を示すフローチャートである。 充電が継続されているときの充電電圧の出力処理を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
(本発明の第1の実施形態)
本実施形態に係る充電制御装置について図1ないし図5を用いて説明する。本実施形態に係る充電制御装置は、自然エネルギーにより発生した電力を二次電池システムに充電する際の充電制御を行うものである。図1は、本実施形態に係る充電制御装置を用いた充電制御システムの機能ブロック図である。図1において、充電制御システム1は、太陽光のエネルギー等の自然エネルギーを電気に変換して出力する発電装置10と、発電装置10から入力された電力を充電制御する充電制御装置20と、充電制御された電力を蓄電する二次電池システム30とを備える。
充電制御装置20は、発電装置10から入力された入力電力を二次電池システム30への充電に適した充電電力に調節するスイッチングレギュレータ21と、充電制御装置20における処理全般を監視・制御すると共に、特に、発電装置10からの入力電圧及び二次電池システム30への充電電力に基づいて、スイッチングレギュレータ21が最適な充電動作を行うように当該スイッチングレギュレータ21に対して制御信号を送信するMPU22と、スイッチングレギュレータ21及びMPU22に接続され、充電制御装置20が動作維持する際の内部負荷の大きさに相当する大きさの基準抵抗23と、二次電池システム30への充電電流を検知する電流検知IC24と、複数の発電装置10が接続されている場合に、発電量に応じて発電装置10の接続を並列又は直列に切り替える接続切替回路25とを備える。
スイッチングレギュレータ21は、更に制御系SR211と充電系SR212とを有している。制御系SR211は、主に基準抵抗23に接続されMPU22への供給電力を調整する機能を有し、充電系SR212は、主に二次電池システム30への充電電力を調整する機能を有する。
本実施形態に係る充電制御装置20は、発電装置10で発電した電力を利用してMPU22を起動させることで、自然エネルギーのみで二次電池システム30への充電を実現するものである。充電制御装置20が停止している状態で、発電装置10と充電制御装置20とを接続すると、発電装置10で発電した電力は充電制御装置20に入力される。入力された電力は制御系SR211を介して基準抵抗23に供給される。基準抵抗23は、充電制御装置20が動作維持する際の内部負荷の大きさに相当する大きさの負荷であり、基準抵抗を超える電力が発電している場合にのみMPU22に十分な電力が供給される。すなわち、充電制御装置20が動作維持するのに十分な電力が発電されている場合にMPU22が起動することになる。
充電制御装置20が動作維持する際の主な内部負荷としては、例えば、スイッチングレギュレータ21の動作、MPU22の動作、充電時に充電制御装置20と二次電池システム30とを接続するためのコンタクタの保持動作等が挙げられ、それらの動作を維持するために必要な電力量に基づいて、基準抵抗23の負荷の大きさが設定される。
発電装置10で十分な量の発電がなされ、MPU22が起動すると、コンタクタ31が投入されて二次電池システム30への充電が開始される。このとき、充電制御装置20は、MPPT(Maximum Power Point Tracking:最大電力点追従)制御を行うことで、発電装置10から最大の電力を取り出している。また、充電系SR212はPWM(Pulse Width Modulation)制御によりパルス幅のデューティー比を調整し、充電電圧を一定に保って効率よく充電を行う。なお、MPPT制御及びPWM制御は一般的に知られた技術であるため、詳細な説明は省略する。
二次電池システム30への充電が開始されると、MPU22により充電動作が監視・制御される。具体的には、電流検知IC24で検知された電流、充電電圧、及び、発電装置10の開放電圧を監視し、それらの値に応じた制御が行われる。充電電流は、一定値を下回った場合に充電停止の制御を行う際に利用される。充電電圧は、満充電に達した場合に過充電防止のために充電停止の制御を行う際に利用される。また、発電装置10の開放電圧は、MPPT制御を行う際の充電電流の制御(充電電圧を一定に保つため)に利用される。
発電装置10の充電中における開放電圧の値は、発電装置10と二次電池システム30とが充電系SR212を介して接続されている場合には、充電電圧の影響により正確な値を検出することができない。そこで、本実施形態においては、発電装置10の開放電圧を検出するために、充電系SR212を停止して発電装置10と二次電池システム30との間の接続を所定間隔で所定時間切断し、その切断されている間に発電装置10の開放電圧を検出する。発電装置10の開放電圧が検出されると、充電系SR212を起動して発電装置10と二次電池システム30とを接続し、検出された開放電圧の値に基づいた適正な値の充電電流で充電処理が再開される。
図2は、発電装置10の開放電圧を検出する際の処理イメージ図である。ここでは、発電装置10の開放電圧を検出する間隔を2秒に設定し、検出時間を8ミリ秒に設定している。これは、雲の動きや夕暮れの太陽光の変化に対応するのに最も適切と思われる値を実験を通して発明者らが導出した値である。図2に示すように、2秒周期で8ミリ秒間充電を停止(充電系SR212を停止)し、その間に発電装置10の開放電圧を検出する。8ミリ秒が経過すると、次の周期までの間に、検出した開放電圧に応じて充電電流が制御されて、効率よく充電を行うことが可能となる。
接続切替回路25は、発電装置10が充電制御装置20に複数接続されている場合に、各発電装置10の発電量に応じて直列又は並列の接続状態を切り替える処理を行う。つまり、各発電装置10の発電量が小さい場合には、各発電装置10の一部又は全部を直列に接続することで出力電圧を大きくし、各発電装置10の発電量が大きい場合には、各発電装置10の一部又は全部を並列に接続することで、二次電池システム30への充電を効率よく行う。このとき、少なくとも基準抵抗23を上回る電力となるように直列/並列の組み合わせが決定される。また、図2の場合のように開放電圧を検出し、その検出した開放電圧の値に応じて各発電装置10の接続状態を切り替えることもできる。そうすることで、より細かい充電制御を行うことができ、充電効率を上げることができる。
次に、充電制御システム1の動作について説明する。図3は、本実施形態に係る充電制御装置の動作を示すフローチャートである。初期状態において充電制御装置20は停止しており、外部から一切電力が供給されていないものとする。まず、発電装置10で発電した電力を充電制御装置20を介して二次電池システム30に充電するために、発電装置10を充電制御装置20に接続する。発電装置10と充電制御装置20が接続されると、発電装置10で発電した電力が充電制御装置20に入力される。入力された電力は、天候や環境に応じて一定の値ではなく安定していない。すなわち、この状態で発電した電力を利用してMPU22を起動しようとしても、十分な電力が供給されていない可能性があると共に、仮に十分な電力が供給されているとしても、値が安定してないためチャタリングを起こしてしまう可能性もある。
そこで、入力された電力を制御系SR121を介して基準抵抗23に供給し、その電圧値が基準値を超えているかどうかが判定され(S1)、基準値を超えていない場合は、MPU22が起動不可能であったり、充電制御システム1の動作を維持することができないと判断され、処理を停止して充電制御システム1が起動されることはない。基準値を超えている場合は、MPU22が起動可能であり、且つ、充電制御システム1の動作を維持することができと判断され、発電装置10から入力された電力を利用してMPU22が起動される(S2)。
MPU22が起動されると、MPU22の指示信号に応じてコンタクタ31が投入され、発電装置10と二次電池システム30とが、充電系SR212を介して電気的に接続される(S3)。発電装置10と二次電池システム30とが電気的に接続されると、発電装置10から二次電池システム30への充電が開始される(S4)。
充電が開始されると、MPU22により発電装置10の開放電圧が計測され(S5)、計測した開放電圧の値に応じてスイッチングレギュレータの出力が調整される(S6)。充電中においては、充電電流・充電電圧を監視し、規定の範囲内であるかどうかを判定する(S7)。このS7の判定処理は定期的に実行されており、規定の範囲内である場合は充電が継続され、併せて監視も継続される。規定の範囲内でない場合は充電が停止され、S1に戻って発電装置10から適正な発電があるかどうかの判定が行われる。
このS5〜S7の処理について、さらに詳細に説明する。図4は、図3におけるS5〜S7の詳細な処理を示すフローチャートである。充電が開始され、MPU22による充電制御が行われると、所定の周期(例えば、数秒であり好ましくは2秒程度)に応じて充電系SR212が所定の時間(例えば、数ミリ秒であり好ましくは発電装置10の開放電圧が計測できる最小の時間で8ミリ秒程度)停止される(S41、S42)。充電系SR212が停止されている間に、MPU22が発電装置10の開放電圧を測定する(S43)。測定した開放電圧に基づいて、MPU22が、充電の継続が可能かどうかを判断し(S44)、充電の継続が不可能であると判断した場合は、充電を一時停止し(S45)、S41に戻って充電可能になるまで以降の処理を繰り返して実行する。充電の継続が可能であると判断した場合は、充電系SR212を起動し(S46)、開放電圧に応じた適切な充電電流に制御して充電動作を1周期間継続する(S47)。そして、S41に戻って次の周期について以降の処理を繰り返して実行する。
充電が継続されているときの充電電圧の出力処理を図5のフローチャートに示す。図4のS47において充電が継続され、充電電圧が二次電池システム30に出力されると(S51)、二次電池システム30における二次電池が満充電かどうかが判定される(S52)。満充電の場合は充電処理を終了し、満充電ではない場合は充電を継続する。
以上のような処理により、充電制御装置20の起動から二次電池システム30の充電完了までが実現される。
このように、本実施形態に係る充電制御装置20においては、発電装置10で発電した電力を利用してMPU22が自立的に起動し、自然エネルギーのみを利用して充電を開始することができる。また、二次電池システム30への充電に必要な十分な電力が得られている場合にのみ充電が開始されるため、自然環境の変化(例えば、風速、日陰の状態、水流量、発熱量等の変化)等により発生する接点のチャタリングを確実に防止することができる。
さらに、基準抵抗23を、少なくともMPU22が起動する際の負荷の大きさ及び二次電池システム30への充電を維持する際の負荷の大きさ以上に設定することで、MPU22の起動及び動作、並びに、二次電池システム30への充電を確実に維持することができる。さらにまた、MPPT制御を所定間隔で所定時間停止し、MPPT制御が停止されている間に発電装置10の開放電圧を監視するため、MPPT制御を適正に行うことができる。
さらにまた、複数の発電装置10が接続されている場合に、当該複数の発電装置10の接続を直列又は並列に切り替えるため、各発電装置10の発電状況に応じて、発電量が少ないときは一部又は全部を直列に接続し、発電量が多いときは一部又は全部を並列に接続することで、効率よく充電を行うことができる。
なお、自然エネルギーとしては太陽光の他に風力、水力、地熱等を利用してもよい。また、図2において、開放電圧の測定周期は2秒に限定されるものではなく、例えば可変であってもよい。測定周期を可変にする場合は、例えば昼間の太陽光が安定している時間帯は測定周期を長くし、夕方に掛けて太陽光が不安定になる時間帯は測定周期が次第に短くなるようにしてもよい。同様に、天候や雲の情報(雲による影が頻発するかどうか等の情報)に応じて測定周期の長さを変更するようにしてもよい。
1 充電制御システム
10 発電装置
20 充電制御装置
21 スイッチングレギュレータ
22 MPU
23 基準抵抗
24 電流検知IC
25 接続切替回路
30 二次電池システム
31 コンタクタ

Claims (5)

  1. 自然エネルギーにより発生した電力を二次電池システムに充電する際の充電制御を行う充電制御装置であって、
    自然エネルギーを電気に変換する発電装置から入力された直流の入力電力を二次電池システムへの充電に適した充電電力に調節するレギュレータと、
    前記入力電圧及び前記充電電力に基づいて、前記レギュレータが最適な充電動作を行うように当該レギュレータに対して制御信号を送信する制御手段と、
    前記レギュレータ及び前記制御手段に接続され、前記充電制御装置が動作維持する際の内部負荷の大きさに相当する大きさの起動判定用負荷とを備え、
    前記入力電力が、前記レギュレータ及び前記起動判定用負荷を介して所定の値以上の大きさで前記制御手段に供給される場合に、当該供給された電力により前記制御手段が起動され、起動された当該制御手段の制御により、前記発電装置と前記二次電池との間で接続のON/OFFを切り替える接点が投入されて前記二次電池システムへの充電が開始されることを特徴とする充電制御装置。
  2. 請求項1に記載の充電制御装置において、
    前記起動判定用負荷が、少なくとも、前記制御手段が起動する際の負荷の大きさ及び前記二次電池システムへの充電を維持する際の負荷の大きさ以上であることを特徴とする充電制御装置。
  3. 請求項1又は2に記載の充電制御装置において、
    前記制御手段が、
    充電される電力の最大電力点追従を行うように前記レギュレータを制御し、
    前記接点が投入されて前記二次電池システムへの充電がなされている場合に、前記レギュレータの制御を所定間隔で所定時間停止し、前記レギュレータの制御が停止されている間に前記発電装置の入力電圧を計測し、当該計測した値に基づいて充電電流を制御することを特徴とする充電制御装置。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載の充電制御装置において、
    複数の前記発電装置が接続されており、
    各発電装置の入力電圧に応じて当該複数の発電装置の接続を直列又は並列に切り替える接続切替手段を備えることを特徴とする充電制御装置。
  5. 自然エネルギーにより発生した電力を二次電池システムに充電する際の充電制御を行う充電制御装置であって、
    自然エネルギーを電気に変換する発電装置から入力された入力電力を二次電池システムへの充電に適した充電電力に調節するレギュレータと、
    前記入力電圧及び前記充電電力に基づいて、前記レギュレータが最適な充電動作を行うように当該レギュレータに対して制御信号を送信する制御手段とを備え、
    前記制御手段が、
    充電される電力の最大電力点追従を行うように前記レギュレータを制御し、
    前記接点が投入されて前記二次電池システムへの充電がなされている場合に、前記レギュレータの制御を所定間隔で所定時間停止し、前記レギュレータの制御が停止されている間に前記発電装置の入力電圧を計測し、当該計測した値に基づいて充電電流を制御することを特徴とする充電制御装置。
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