JP2014128179A - 蓄電池の充放電器及び蓄電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の蓄電池を有し、変換器から負荷へ電力を供給するシステムでは、蓄電池を充電する充電器や放電器により回路の構成や動作が複雑になり、放電時にダイオードを介する場合に損失が生じるという課題であった。そこで、本発明は、比較的簡素な回路構成で、かつ放電時の損失を低減することができる蓄電池の充放電器及び蓄電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る蓄電池の充放電器５及び蓄電池システム１０では、充電時に蓄電池電圧が目標値に達すると、制御部は制御信号を切り替えて電圧目標値に達した時の蓄電池の電流よりも小さくさせ、目標値よりも低い値に下がる蓄電池電圧が次の目標値に達するまでさらに充電させ、放電時にはＦＥＴを充電時とは逆方向に導通させて蓄電池のエネルギーが負荷に供給させるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに用いられる蓄電池に電力を蓄電したり放電したりする蓄電池の充放電器及び蓄電池システムに関する。

従来の電源システムとして、交流入力を直流に変換する整流器を介して負荷装置へ電力を供給し、かつ負荷装置への電力を供給する蓄電池を備えたものある（例えば特許文献１参照）。この特許文献１の図３に記載される電源システムでは、交流の商用電源１から整流器２を介して直流の負荷４へ電力を供給する。また、商用電源１から入力される交流電力を直流電力に変換して出力する充電用整流器９を通じて組電池３を充電する。組電池３からの放電のときは、ダイオード５ａを介して組電池３から負荷４へ電力を供給する。さらに、特許文献１の図２に記載される電源システムでは、交流の商用電源１から整流器２を介して直流の負荷４へ電力を供給する。整流器２の出力側には充電器８が接続され、充電器８が具備する充電用ＤＣ／ＤＣコンバータにより整流器２の出力電圧よりも昇圧して組電池３を充電している。組電池３からの放電時には放電用ＤＣ／ＤＣコンバータを有する放電器８を介して負荷４へ電力を供給している。

特開２００８−３０１６４８号公報

しかし、特許文献１に示したような従来の蓄電池の充放電器は、組電池３の充電時は、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータを有する充電器８や交流電力を直流電力に変換する機能を有する充電用整流器９を用いているため、回路の構成や制御が複雑になるという問題点がある。また、組電池からの放電時は、ダイオード５ａを介して負荷へ供給する場合はダイオード５ａの電圧降下による損失が生じ、放電用ＤＣ／ＤＣコンバータを有する放電器７を介して負荷へ供給する場合はさらに回路の構成や制御が複雑になるという問題点がある。

そこで、本発明は、比較的簡素な回路構成で、かつ放電時の損失を低減することができる蓄電池の充放電器及び蓄電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電池の充放電器は、入力される電力を変換して直流電力を出力する変換器の出力側で前記変換器と負荷とに接続される蓄電池に直列に接続され、制御信号に応じて前記蓄電池に流れる電流を可変させるＦＥＴと、電圧検出手段によって検出された前記蓄電池の両端電圧と電流検出手段によって検出された前記蓄電池の電流とが入力され、前記ＦＥＴに与える前記制御信号を出力する制御部と、を有し、前記制御部は、前記蓄電池の充電時には前記ＦＥＴを介して前記蓄電池を充電し、前記電圧検出手段によって検出される前記蓄電池の電圧が目標値に達すると前記制御信号を切り替えて前記蓄電池に流れる電流を前記蓄電池の電圧が前記目標値に達した時の電流よりも小さくし、前記目標値よりも低い値で検出される前記蓄電池の電圧が次の目標値に達するまで前記蓄電池をさらに充電させ、前記蓄電池の放電時には前記ＦＥＴを前記充電時とは逆方向に導通させて前記蓄電池のエネルギーが前記負荷に供給させるように前記制御信号を出力することを特徴とする。

また、本発明に係る蓄電池システムは、交流電力を入力し、直流電力を出力する前記変換器と、前記変換器の出力側に接続される前記蓄電池と、前記蓄電池の充放電を行う本発明の充放電器とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、比較的簡素な回路構成で、かつ放電時の損失を低減することができる。

本発明の実施形態に係る蓄電池の充放電器を有した蓄電池システムの構成図である。 本発明の実施形態に係る蓄電池の充放電器を有した蓄電池システムの動作の一例を示す波形図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明の一形態であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、本明細書の以下の実施形態及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１、図２によって本発明に係る実施形態の蓄電池の充放電器を有した蓄電池システムについて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る蓄電池の充放電器を有した蓄電池システムの構成図である。図２は、本発明の実施形態に係る蓄電池の充放電器を有した蓄電池システムの動作の一例を示す波形図である。なお、本実施形態の説明においては、図１、図２を適宜参照することとする。

図１に示す蓄電池システム１０は、入力端子１から入力される電力を所定の直流電力に変換する変換器２の出力側に負荷３が接続され、変換器２を介して直流電力が負荷３へ供給される。また、変換器２の出力側には蓄電池４が接続される。入力端子１から入力される電力が例えば交流商用電源のような交流電力の場合は、変換器２はＡＣ−ＤＣ変換を行う整流器を用いる。また、入力端子１から入力される電力が例えば太陽光発電、風力発電、燃料電池などの直流電力の場合は、変換器２にはＤＣ−ＤＣ変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータを用いる。なお、入力端子１の先に接続される商用交流電源や太陽光発電などの電源や負荷３は蓄電池システム１０に外付けされるものであって、本発明に係る蓄電池システム１０の必須の構成要素ではない。

蓄電池４の充放電器５は、ＦＥＴ６と制御部７とを有する。ＦＥＴ６は、蓄電池４に直列に接続される。入力端子１から入力される電力は、変換器２で所定の直流電力に変換されたのち、負荷３へ供給されると共に、ＦＥＴ６を介して蓄電池４に充電される。また、停電などにより入力端子１から入力される商用電源の電力供給が途絶えたときや太陽光発電等からの供給がなくなったときに、蓄電池４に蓄電された電力が放電され負荷３に供給される。その蓄電池４の放電時にはＦＥＴ６を介して蓄電池４のエネルギーが負荷３に供給される。

制御部７には、電圧検出手段８で検出される蓄電池４の両端電圧値と電流検出手段９で検出される蓄電池４の電流値とが入力され、制御部７はＦＥＴ６に制御信号を出力してＦＥＴ６の導通を制御する。ＦＥＴ６は、ゲート・ソース間電圧を大きくするとドレイン電流が増加するので、制御信号すなわちゲート・ソース間電圧に応じて蓄電池４に流れる電流を可変させることができる。ここでは、ＦＥＴ６のドレイン電流が流れ始める制御信号しきい値となる電圧をＶｔｈとする。

電圧検出手段８としては、例えば複数の抵抗を直列に接続して抵抗分割したものを蓄電池４に並列に接続して用いる。電流検出手段９としては、例えばシャント抵抗を用いる。これらの電圧検出手段８及び電流検出手段９による検出方式については特に限定しない。また、蓄電池システム１０は、上述の変換器２と蓄電池４と蓄電池の充放電器５とを備える。なお、変換器２、蓄電池４は負荷の仕様に応じて複数台が並列に接続されるものであってもよい。

つぎに、図２を用いて本発明に係る蓄電池の充放電器５の動作について説明する。図２は、電圧検出手段８で検出される蓄電池４の両端電圧値Ｖ、電流検出手段９で検出される蓄電池４の電流値Ｉ、ＦＥＴ６の制御信号としてゲート・ソース間に与えるゲート電圧Ｖｇの一例をそれぞれ示す波形図である。蓄電池４の電流値Ｉは、プラス側が充電電流、マイナス側が放電電流とする。

図２の時刻ｔ１より以前においては、商用交流電源１からの交流電力が供給されており、制御部７からＦＥＴ６に供給される制御信号は、ＦＥＴ６のドレイン電流が流れ始めるしきい値の電圧Ｖｔｈよりも十分に大きな値のゲート信号Ｖｇ１にしている。これにより、ＦＥＴ６が導通しており、入力端子１からの入力された電力は変換器２で所定の直流電力に変換されたのち負荷３へ供給されると共に、ＦＥＴ６を介して蓄電池４に充電される。

いま、蓄電池４は満充電状態にあるものとする。従って、蓄電池４の電圧Ｖは、満充電時の電圧Ｖ１にあり、蓄電池４に流れる電流Ｉは、充電が終わっているためほぼゼロアンペアとなっている。

時刻ｔ１で、例えば、入力端子１からの入力される商用交流電源が停電し、又は太陽光発電等からの供給がなくなったとし、蓄電池４からの放電を開始させるものとする。制御部７からＦＥＴ６に供給される制御信号は、ＦＥＴ６のドレイン電流が流れ始める制御信号しきい値の電圧Ｖｔｈよりも十分に大きな値のゲート電圧Ｖｇ１を維持しておく。すなわち、制御信号をゲート電圧Ｖｇ１とし、導通時に大きな電流を流すことを可能にする。時刻ｔ１でＦＥＴ６が導通可能となっているので、蓄電池４からＦＥＴ６を通って負荷３の要求に応じた放電電流が流れ、蓄電池４に蓄積されていたエネルギーが負荷３に供給される。放電電流が流れることによって、図２に示すように、蓄電池４の両端電圧は下降し時点ｔ２でＶ２まで低下する。

ここでは、図２に示すように、時刻ｔ１よりも前のＦＥＴ６の制御信号は、時刻ｔ１の放電開始時に備えて待機状態にするためゲート電圧Ｖｇ１としている。なお、時刻ｔ１より前には蓄電池４は既に満充電状態にあり充電する必要がないときは、ＦＥＴ６は導通可能な状態にしなくてもよい。その場合は、ＦＥＴ６の制御信号は例えばゼロボルトであってもよく、ゼロボルトよりも大きな電圧値であってもよい。

次に、時刻ｔ２で、蓄電池４からの放電を終了させ、蓄電池４の充電を開始させるものとする。なお、時刻ｔ２で放電を終了させるタイミングは外部要因などによる。例えば、停電が復旧した場合や太陽光発電等からの電力の供給が開始された場合など、蓄電池４から負荷３への電力供給が不要になった場合などである。蓄電池４の充電の開始時は蓄電池４の両端電圧ＶがＶ２と低いため、大きな充電電流Ｉを流すことができるように制御信号をゲート電圧Ｖｇ１とする。図２に示すように、蓄電池４に流れる充電電流Ｉによって蓄電池４の電圧Ｖは上昇し始める。

そして、時刻ｔ３で、蓄電池４の電圧が目標値Ｖ１に達するものとする。ここでは、目標値は時刻ｔ１の満充電時と同様の電圧Ｖ１としている。このとき、蓄電池４には、図２に示すように比較的大きな充電電流が流れている。ここで、蓄電池４の電圧Ｖは、図１に示すように、電圧検出手段８によって蓄電池４の両端電圧Ｖを検出することによって得られた値である。ところが、この蓄電池４の両端電圧の検出値には、不図示の内部インピーダンスが等価的には蓄電池４と直列に存在するため、この内部インピーダンスの電圧分だけ実際の蓄電池４の両端電圧よりも高い値で検出される。この内部インピーダンスによる見かけ上の電圧上昇分は、内部インピーダンスに流れる電流に比例する。

このため、本実施形態では、時刻ｔ３で電圧検出手段８によって検出される蓄電池４の電圧検出値が目標値Ｖ１に達すると制御部７は制御信号をゲート電圧Ｖｇ２に切り替えて、時刻ｔ３の後に蓄電池４に流れる電流を蓄電池４の電圧検出値が目標値Ｖ１に達した時刻ｔ３の時の電流よりも小さくする。なお、制御信号であるゲート電圧Ｖｇ２は、制御信号しきい値電圧Ｖｔｈよりも大きく、かつ、時刻ｔ３より前のゲート電圧Ｖｇ１よりも小さい値とする。

図２に示すように、時刻ｔ３にゲート電圧Ｖｇ１であったＦＥＴ６の制御信号をゲート電圧Ｖｇ２まで引き下げと、ＦＥＴ６のインピーダンスが大きくなり、図２に示すように、蓄電池４の充電電流は、ＦＥＴ６の制御信号がゲート電圧Ｖｇ１のときよりも小さい電流値となる。一方、変圧器２の出力電圧は同じ電圧値のままであるので、蓄電値４の電圧検出値は、図２に示すように、時刻ｔ３の時の電圧値Ｖ１から時刻ｔ３の後に電圧値Ｖ３まで下がる。つまり、このＶ１−Ｖ３の電圧差分は、上述の内部インピーダンスの両端電圧が電流値変動によって変化した電圧差分に相当する。

次に、電圧値Ｖ１よりも低い電圧値Ｖ３で検出される蓄電池４の電圧検出値Ｖが、次の充電期間の目標電圧値Ｖ１に達する時刻ｔ４まで蓄電池４を再度充電する。時刻ｔ４では、時刻ｔ３の時と同様に、ＦＥＴ６の制御信号を引き下げる。ここでは、図２に示すように、ゲート電圧Ｖｇ２であったＦＥＴ６の制御信号をゲート電圧Ｖｇ３まで引き下げる。すると、蓄電値４の電圧検出値Ｖは、図２に示すように、時刻ｔ４の時の電圧値Ｖ１から時刻ｔ４後は電圧値Ｖ４まで下がる。つまり、このＶ１−Ｖ４の電圧差分は、上述の内部インピーダンスの両端電圧が電流値変動によって変化した電圧差分に相当する。電圧値Ｖ１よりも低い値で検出される蓄電池４の電圧検出値Ｖが、目標電圧値Ｖ１に達する時刻ｔ５まで再度蓄電池４を充電する。図２に示すように、時刻ｔ５から時刻ｔ６についても同様の方法で充電する。

上述の実施形態では、時刻ｔ３、時刻ｔ４、時刻ｔ５でＦＥＴ６の制御信号であるゲート電圧を段階的に変化させ、ＦＥＴ６を介して蓄電池４に流れる電流Ｉを段階的に小さくすることで蓄電池４が満充電状態に近づくように充電する。制御信号の段階的な変更の回数やゲート電圧Ｖｇ２、Ｖｇ３、Ｖｇ４は、例えば蓄電池４の容量によって決定する。

時刻ｔ６では、ＦＥＴ６の制御信号のゲート電圧を段階的に引き下げた充電を終了する。ここでは、図２に示すように、ＦＥＴ６の制御信号をゲート電圧Ｖｇ１としている。時刻ｔ６の時点では蓄電池４ほぼ満充電状態にあるため充電電流Ｉは小さくなるので、ＦＥＴ６の制御信号をゲート電圧Ｖｇ１としても特に問題はない。このため、蓄電池４の放電に備えて、負荷の要求に応じた大きさの放電電流を流せるようにＦＥＴ６の制御信号を十分に大きな値のゲート電圧Ｖｇ１としている。

時刻ｔ６以降で放電する場合は、上述の時刻ｔ１と同様に蓄電池４を放電させる。この放電電流は、蓄電池４の充電時とは逆方向にＦＥＴ６を導通して流れ、蓄電池４のエネルギーを負荷３に供給する。上述の実施形態に係る蓄電池４の充放電器５は、蓄電池４の充放電に応じて、上述の時刻ｔ１から時刻ｔ６までの一連の動作を繰り返す。

なお、上述の説明では、図２に示すように、時刻ｔ３後に制御信号であるゲート電圧Ｖｇ１をゲート電圧Ｖｇ２まで引き下げると、蓄電池４の充電電流Ｉは、時刻ｔ３の時よりも小さい一定の電流が流れている。

このような蓄電池４の充電電流の制御方法として、例えば、制御部７において不図示のアンプを内蔵し、蓄電池４に流れる電流が定電流になるように制御するようにしてもよい。具体的には、不図示のアンプに電流検出手段９で検出された電流検出値と電流基準信号とを入力し、電流検出値と電流基準信号との差分をＦＥＴ６の制御信号として出力する。すなわち、制御部７の不図示のアンプによって電流検出値が電流基準信号に近づくように制御する。例えば、制御信号を段階的に引き下げて制御する時刻ｔ３〜ｔ６までの期間では、上述のような蓄電池４に流れる充電電流を定電流で制御する。

また、上述の不図示のアンプを用いて時刻ｔ１〜ｔ２の放電電流、時刻ｔ２〜ｔ３までの充電電流を制御する場合は、不図示のアンプに入力される電流検出手段９からの電流検出値と電流基準信号とのうち電流基準信号を電流検出値の最大値よりも十分に大きな値にする。このため、蓄電池４の電流値の値に関わらず十分大きな値の制御信号Ｖｇ１が出力させるので、蓄電池４から負荷に応じた放電電流や十分に大きな充電電流を流すことができる。

上述の説明では、時刻ｔ３、時刻ｔ４、時刻ｔ５などで、目標値を目標電圧値Ｖ１としたが、これらの目標値は同一の値の他に異なる値に設定してもよい。

また、電圧検出手段８によって検出される蓄電池の電圧や、電流検出手段９によって検出される蓄電池の電流には、実際に検出される値の他に、これらの値にある係数を乗除算したり、ある値を加減算等したりといった演算をして得られた検出値に基づく値も含まれる。

本発明に係る蓄電池の充放電器及び蓄電池システムは、放電用ＤＣ／ＤＣコンバータを有する放電器やダイオードを用いずに、電圧降下の低いＦＥＴ６を充電時とは逆方向に導通させて放電電流を流すことができるので、放電時の損失を低減させることができる。また、上述のように、本発明に係る蓄電池の充放電器及び蓄電池システムは、比較的簡素な回路構成で実現することができる。

本発明の電気回路において、接続点とは電気的に接続されて同電位にある部位を言い、物理的に接続された点を言うものではない。また、本発明の蓄電池の充放電器及び蓄電池システムにおける各部の構成、構造、数、配置、形状、材質などに関しては、上記具体例に限定されず、当業者が適宜選択的に採用したものも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に包含される。

より具体的には、例えば、ＦＥＴとして記号により例示したものなどは、これら特定の電気素子には限定されず、同様の機能または作用を有する単一の電気素子あるいは複数の電気素子を含む電気回路として構成することができ、これらすべての変形は、本発明の範囲に包含される。同様に、ダイオード、蓄電池、変換器をはじめとする各回路素子、構成要素の数や配置関係などについても、当業者が適宜設計変更したものは本発明の範囲に包含される。

１…入力端子、２…変換器、３…負荷、４…蓄電池、５…蓄電池の充放電器、６…ＦＥＴ、７…制御部、８…電圧検出手段、９…電流検出手段、１０…蓄電池システム

Claims (4)

1. 入力される電力を変換して直流電力を出力する変換器の出力側で前記変換器と負荷とに接続される蓄電池に直列に接続され、制御信号に応じて前記蓄電池に流れる電流を可変させるＦＥＴと、
   電圧検出手段によって検出された前記蓄電池の両端電圧と電流検出手段によって検出された前記蓄電池の電流とが入力され、前記ＦＥＴに与える前記制御信号を出力する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記蓄電池の充電時には前記ＦＥＴを介して前記蓄電池を充電し、前記電圧検出手段によって検出される前記蓄電池の電圧が目標値に達すると前記制御信号を切り替えて前記蓄電池に流れる電流を前記蓄電池の電圧が前記目標値に達した時の電流よりも小さくし、前記目標値よりも低い値で検出される前記蓄電池の電圧が次の目標値に達するまで前記蓄電池をさらに充電させ、
   前記蓄電池の放電時には前記ＦＥＴを前記充電時とは逆方向に導通させて前記蓄電池のエネルギーが前記負荷に供給させるように前記制御信号を出力することを特徴とする蓄電池の充放電器。
2. 前記制御部は、前記蓄電池の充電時に、前記ＦＥＴの前記制御信号を段階的に変化させ、前記ＦＥＴを介して前記蓄電池に流れる電流を段階的に小さくすることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池システム。
3. 前記制御部は、
   前記蓄電池の充電時には、前記ＦＥＴが導通し始める制御信号しきい値より十分に大きい値の第１制御信号を与えて前記ＦＥＴを導通させ、前記蓄電池の電圧が目標値に達すると前記制御信号しきい値よりも大きくかつ前記第１制御信号よりも小さい第２制御信号を与えて前記目標値よりも低い値で検出される前記蓄電池の電圧が次の目標値に達するまで前記蓄電池に流れる電流が基準値に近づくように前記蓄電池を充電させ、
   前記蓄電池の放電時には、前記蓄電池に流れる電流に基づく値に関わらず前記制御信号しきい値より十分に大きい値の前記制御信号を出力することを特徴とする請求項1又は請求項２に記載の蓄電池の充放電器。
4. 交流電力を入力し、直流電力を出力する前記変換器と、
   前記変換器の出力側に接続される前記蓄電池と、
   前記蓄電池の充放電を行う請求項１ないし請求項３のいずれか一の充放電器とを備えることを特徴とする蓄電池システム。

Images