JP2014192909A - Charger and power generating system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バッテリに強制的に充電を行う強制充電モード時に、バッテリからの放電を抑制して安定した充電を行うことが可能な充電装置、及び、当該充電装置を備える発電システムに関する。 The present invention relates to a charging device capable of performing stable charging while suppressing discharge from a battery, and a power generation system including the charging device, in a forced charging mode in which the battery is forcibly charged.
バッテリの充電には、大きく分けて定電流充電と定電圧充電の2つの手段がある。このうち、より短時間で充電を行うためには、特許文献1に開示されているように、定電流充電を行うことが一般的である。定電流充電を行う充電装置の一例として図5に示す回路を有する充電装置150が挙げられる。このような充電装置150では、商用電源6より供給されて整流器61によって整流された電力を電力ライン7等を介してバッテリ5に入力させる。このとき、図示しない制御手段によって充電電流Icの電流値が一定になるようにスイッチング素子SW1等が制御される。充電装置150ではまた、バッテリ5に蓄えた電力を電力ライン7等を介して負荷64に供給することも可能であり、この場合、放電電流は、バッテリ5からスイッチング素子SW1と並列に設けられた還流ダイオード52を通って電力ライン7に流れる。
Battery charging can be roughly divided into two means: constant current charging and constant voltage charging. Among these, in order to perform charging in a shorter time, as disclosed in Patent Document 1, it is common to perform constant current charging. As an example of a charging device that performs constant current charging, a
ところで、上記のような充電及び放電の両方を行える充電装置150では、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcは、電力ライン7の入出力端7a,7b間に並列に設置されたコンデンサ60の容量やスイッチング素子SW1に流れる電流Idcの電流量等によって変化するものであり、例えば電流Idcを多く流すほど低下する。また、商用電源6と電力ライン7との間にトランスを含む交流入力回路を備える充電装置の場合には、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcは、この交流入力回路のインピーダンスによっても変化し、さらに、商用電源6の電圧のばらつきによっても変化する。一方、バッテリ5の電圧Vbtはその充電率によって変化し、充電率が高くなるほどバッテリ5の電圧Vbtは高くなる傾向がある。
By the way, in the
このように充電装置150内の各装置の電圧は様々な要因によって変化することから、その変化幅が大きくなると、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcがバッテリ5の電圧Vbtよりも低くなることがあり、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcのほうが低くなると、充電モード中であるにも拘らず、バッテリ5から還流ダイオード52を通って電力ライン7に電流が流れてバッテリ5からの放電が起こる。この放電によって充電電流Icが低下すると電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcが上昇して再び充電電流Icの電流量が大きくなり、それに伴って電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcが再度低下するという充放電を繰り返す不安定な動作が行われるようになり、場合によっては過電流が流れるという問題がある。
As described above, the voltage of each device in the
このような問題を解決するために、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcを一定に維持するための定電圧装置を設けて、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcを一定にする方法が考えられるが、このような装置は高価であり、安価なシステムとするためには利用することは好ましくない。
In order to solve such a problem, a constant voltage device is provided for maintaining the voltage Vdc between the input /
本発明は、このような課題を有効に解決することを目的としており、具体的には、電力ラインの入出力端間の電圧を一定に維持するための高価な装置を用いることなく、充電中におけるバッテリの放電を抑制して、短時間で安定した充電を行うことが可能な充電装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to effectively solve such a problem. Specifically, charging is performed without using an expensive device for maintaining a constant voltage between the input and output terminals of the power line. It is an object of the present invention to provide a charging device that can stably discharge in a short time while suppressing discharge of the battery.
本発明は、かかる目的を達成するために次のような手段を講じたものである。 The present invention takes the following means in order to achieve such an object.
すなわち、本発明の充電装置は、電力ラインとの間で充放電に供されるバッテリと、前記電力ライン上に設定される入出力端と前記バッテリの入出力端との間を並列に接続する位置に配置されるスイッチング素子を有する充電ラインおよび前記スイッチング素子を迂回する放電ラインと、前記充電ラインを通じて前記バッテリに流入する充電電流を検出する充電電流検出手段と、この充電電流検出手段の検出結果に基づき前記スイッチング素子を通じて前記充電電流を目標値に向かって制御する制御手段とを具備するものにおいて、前記電力ラインの入出力端間の電圧と前記バッテリの電圧との電圧差を取得する電圧差取得手段をさらに備え、前記制御手段は、充電電流検出手段が検出した前記充電電流が目標値未満であり、且つ前記電圧差取得手段が取得する前記電圧差に基づいて前記電力ラインの入出力端間の電圧が前記バッテリの電圧を下回る兆しとなる前兆条件を満たすと判断すると、前記目標値への制御に優先して前記充電電流を下げる制御を行うことを特徴とする。 That is, the charging device of the present invention connects in parallel between a battery that is charged and discharged with the power line, and an input / output terminal set on the power line and an input / output terminal of the battery. A charging line having a switching element arranged at a position, a discharging line bypassing the switching element, a charging current detecting means for detecting a charging current flowing into the battery through the charging line, and a detection result of the charging current detecting means Control means for controlling the charging current toward the target value through the switching element based on the voltage difference for obtaining a voltage difference between the voltage between the input and output terminals of the power line and the voltage of the battery The control means further comprises an acquisition means, wherein the charging current detected by the charging current detection means is less than a target value, and the voltage difference When it is determined that the precondition that the voltage between the input and output terminals of the power line is less than the voltage of the battery is satisfied based on the voltage difference acquired by the obtaining unit, the control is performed in preference to the control to the target value. Control is performed to reduce the charging current.
ここで、上記前兆条件とは、この条件が満たされた状態が継続すると、所定時間後には電力ラインの入出力端間の電圧がバッテリの電圧より低くなることが予測されるものを指す。 Here, the precursor condition refers to a condition in which the voltage between the input and output terminals of the power line is predicted to be lower than the voltage of the battery after a predetermined time if the state where this condition is satisfied continues.
上記のように構成すれば、前記充電電流が目標値未満であり且つ前記前兆条件を満たす場合に充電電流を下げることができるので、電力ラインの入出力端間の電圧を一定値に調整するための高価な装置を用いることなく、電力ラインの入出力端間の電圧とバッテリの電圧とが逆転しないように制御することができる。そのため、充電電流の目標値を比較的大きく設定してバッテリに大電流を入力させたとしても充電中に放電ラインを介して放電が起こることを抑制でき、短時間で安定した充電を行える充電装置を安価なシステムで実現できる。 If configured as described above, the charging current can be lowered when the charging current is less than the target value and the precursor condition is satisfied, so that the voltage between the input and output terminals of the power line is adjusted to a constant value. Without using an expensive device, the voltage between the input and output terminals of the power line and the voltage of the battery can be controlled so as not to reverse. Therefore, even if the target value of the charging current is set to be relatively large and a large current is input to the battery, the charging device that can suppress the discharge through the discharge line during charging and can perform stable charging in a short time Can be realized with an inexpensive system.
特に、フィードバック制御等の複雑な制御を行わなくても、上記充電電流の制御を容易且つ適切に行うことを可能にするためには、前記制御手段が、前記充電電流検出手段の検出結果に基づき前記スイッチング素子のデューティ比を変更することで充電電流の制御を行うものであって、当該充電電流の制御における1回あたりのデューティ比の変更量を所定量に制限するとともに、当該充電電流の制御を所定間隔で繰り返し行うように構成することが望ましい。 In particular, in order to enable easy and appropriate control of the charging current without performing complicated control such as feedback control, the control means is based on the detection result of the charging current detection means. The charging current is controlled by changing the duty ratio of the switching element, and the amount of change of the duty ratio per control in the control of the charging current is limited to a predetermined amount, and the control of the charging current is performed. It is desirable to repeat the process at predetermined intervals.
上記のような制御を容易に行うためには、デューティ比と充電電流とが線形性を保つ範囲内でスイッチング素子の制御を行うことが好ましく、そのためには、前記スイッチング素子のデューティ比が増大するにつれ電力ラインの入出力端間の電圧が低下していくとともに、前記充電電流が直線状に増大した後に減少に転じるものであって、前記制御手段は、前記電力ラインの入出力端間の電圧より前記バッテリの電圧を差し引いた電圧差が、前記充電電流の変曲点に対応する電圧差もしくはこの電圧差よりも僅かに大きく設定した所定の電圧差以下となった場合に、前記前兆条件を満たしたと判断するように構成されることが望ましい。 In order to easily perform the control as described above, it is preferable to control the switching element within a range in which the duty ratio and the charging current maintain linearity. For this purpose, the duty ratio of the switching element increases. As the voltage between the input and output ends of the power line decreases, the charging current increases after linearly increasing, and the control means is configured to reduce the voltage between the input and output ends of the power line. When the voltage difference obtained by subtracting the voltage of the battery is equal to or less than a voltage difference corresponding to the inflection point of the charging current or a predetermined voltage difference set slightly larger than the voltage difference, the precursor condition is Desirably configured to be satisfied.
また、電力ラインの入出力端間の電圧の変動を抑制して、より上記の効果を高めるためには、電力を蓄積するコンデンサを前記電力ラインの入出力端間に並列に配置するように構成することが望ましい。 Further, in order to suppress the fluctuation of the voltage between the input and output terminals of the power line and enhance the above effect, a capacitor for storing power is arranged in parallel between the input and output terminals of the power line. It is desirable to do.
さらに、充電ラインの一部を放電ラインと兼用させて、充電装置の回路構成を単純化するためには、前記充電電流と逆方向に電流を流す還流ダイオードを前記スイッチング素子と並列に設け、前記充電ラインの少なくとも一部を前記スイッチング素子により構成し、前記放電ラインの少なくとも一部を前記還流ダイオードにより構成することが望ましい。 Furthermore, in order to simplify the circuit configuration of the charging device by using a part of the charging line also as the discharging line, a free-wheeling diode that flows current in a direction opposite to the charging current is provided in parallel with the switching element, It is desirable that at least a part of the charging line is constituted by the switching element, and at least a part of the discharging line is constituted by the reflux diode.
また、上記充電装置を有効に活用する発電システムとする場合には、再生可能エネルギーを利用して電力を発生させる1又は複数の発電源と、前記発電源から前記電力が供給される電力ラインと、前記電力ラインに接続された前記充電装置と、を備えるように構成することが望ましい。 In the case of a power generation system that effectively uses the charging device, one or a plurality of power generation sources that generate electric power using renewable energy, and a power line to which the electric power is supplied from the power generation source, And the charging device connected to the power line.
以上説明した本発明によれば、充電電流を目標値に制御しつつ、電力ラインの入出力端間の電圧とバッテリの電圧とが逆転するおそれがあるときには前記制御の補正を行うことで電圧の逆転を抑えることができることから、電力ラインの入出力端間の電圧を一定にするための高価な装置を用いることなく、充電中におけるバッテリの放電を抑制して、短時間で安定した充電を行える充電装置を提供することが可能である。 According to the present invention described above, when there is a possibility that the voltage between the input and output terminals of the power line and the voltage of the battery are reversed while controlling the charging current to the target value, the voltage is corrected by correcting the control. Since reversal can be suppressed, battery discharge during charging can be suppressed and stable charging can be performed in a short time without using an expensive device for keeping the voltage between the input and output terminals of the power line constant. A charging device can be provided.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に示す本実施形態の充電装置50は、図2に示す発電システム100に備わるものであり、商用電源6、太陽光パネル1、水力発電装置2及び風力発電装置3から供給される電力をバッテリ5に蓄えるものである。
A
充電装置50は、図1,2に示すように、商用電源6、太陽光パネル1、水力発電装置2及び風力発電装置3から電力が供給される電力ライン7との間で充放電に供されるバッテリ5と、バッテリ5と電力ライン7との間に介在するDC/DCコンバータ51と、DC/DCコンバータ51からバッテリ5に流入する充電電流Icを検出する電流検出手段70と、電力ライン7の一対の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとの電圧差を取得する電圧差取得手段71と、DC/DCコンバータ51等の制御を行う制御手段としてのコントローラ4とを含む。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
バッテリ5は、商用電源6から供給される電力や、太陽光パネル1、水力発電装置2及び風力発電装置3がそれぞれ発生した電力を蓄えたり、蓄えた電力を電力ライン7に放出するものである。
The
充放電制御装置として機能するDC/DCコンバータ51は、コントローラ4から動作指令を受けて動作し、充電電流Icの調整等を行う。
The DC /
DC/DCコンバータ51は、図1に示すようにトランジスタによってそれぞれ構成される2つのスイッチング素子SW1,SW2を備えるものとなっている。また、各スイッチング素子SW1,SW2と並列になるように環流ダイオード52,53が設けられている。スイッチング素子SW1,SW2として、環流ダイオード52,53を内部に備えている環流ダイオード付きスイッチング素子を用いることも好適である。スイッチング素子SW1は電力ライン7の入出力端7aと接続され、スイッチング素子SW2は電力ライン7の入出力端7b及びバッテリ5の低電圧側(バッテリ5の入出力端5b)とそれぞれ接続され、スイッチング素子SW1とスイッチング素子SW2とは直列に接続されている。さらにスイッチング素子SW1とスイッチング素子SW2との中点と、バッテリ5の高電圧側(バッテリ5の入出力端5a)との間にはリアクトル57が介在している。このようにスイッチング素子SW1は、電力ライン7の入出力端7a,7bとバッテリ5の入出力端5a,5bとの間を並列に接続する位置に配置されている。スイッチング素子SW1,SW2は、一方がオン状態のときに他方がオフ状態となるよう背反的に制御される。
As shown in FIG. 1, the DC /
充電時、充電電流Icは、図1に二点鎖線で示すように、電力ライン7の入出力端7aからスイッチング素子SW1等を介してバッテリ5の入出力端5aに至る充電ライン55を通ってバッテリ5に流入する。これに対して放電時には、バッテリ5の入出力端5aから還流ダイオード52等を介して電力ライン7の入出力端7aに至る放電ライン56を通って放電電流が電力ライン7に流出する。すなわちスイッチング素子SW1と還流ダイオード52とは互いに逆方向に電流を流すものであり、充電ライン55と放電ライン56とは、スイッチング素子SW1及び還流ダイオード52以外の部分は同一ラインで構成されている。なお、充電電流Icには、バッテリ5及びスイッチング素子SW1等によって決まる上限値が存在する。
At the time of charging, the charging current Ic passes through the charging
充電ライン55を流れる充電電流Icは、図3に示すように、スイッチング素子SW1のデューティ比が大きくなるにつれて直線的に増加していき、これに伴って電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcは低下していく。そして、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとの電圧差がΔV1まで低下すると、充電電流Icは変曲点Ic1に達して減少に転じる。そのため、スイッチング素子SW1のデューティ比を制御して充電電流Icの電流量を調整することにより、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcを調整することができるものの、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとの電圧差がΔV1以下になることで、上記線形関係が崩れ、充電電流Icの制御が不安定になることが予測される。そこで、前記電圧差がΔV1を超える範囲を制御範囲とすることで、充電電流Icの安定化を図り、ひいては電圧Vdc,Vbtの逆転による放電現象を抑制することが可能となる。
As shown in FIG. 3, the charging current Ic flowing through the charging
電力ライン7は、商用電源6、太陽光パネル1、水力発電装置2及び風力発電装置3から電力が供給されるものであり、電力ライン7の入出力端7a,7bのうち、一方は充電ライン55を介してバッテリ5の高電圧側に接続され、他方はバッテリ5の低電圧側に接続されている。この電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdc及びバッテリ5の電圧Vbtは直流電圧である。また、図1に示すように、電力ライン7には、電力を蓄積するコンデンサ60が電力ライン7の入出力端7a,7b間に並列に配置されている。なお、図2では、このコンデンサ60等の図1に示される装置の一部を省略している。
The
図2に示す太陽光パネル1は、再生可能エネルギーである太陽光を利用して発電を行うものであり、図示しない太陽電池セルによって構成される。太陽光パネル1は、DC/DCコンバータ11に接続されており、この太陽光用コンバータ11は、太陽光パネル1から発生した直流電流を母線である電力ライン7に出力させるものである。
A solar panel 1 shown in FIG. 2 generates power using sunlight, which is renewable energy, and is configured by solar cells (not shown). The solar panel 1 is connected to a DC /
太陽光用コンバータ11は、コントローラ4から動作指令を受けて、太陽光パネル1から最大電力が得られるよう太陽光パネル1の出力電圧又は出力電流を制御する最大電力点追従(Maximum Power Point Tracking:MPPT)制御を行うものである。
The
風力発電装置3は、再生可能エネルギーである風力を利用して発電を行うものであり、例えば図示しない発電機とその発電機の回転子に接続された複数の翼を備えたロータと前記発電機より発生する電力を蓄えるバッテリとから構成される風力発電装置3が挙げられる。風力発電装置3は、風を受けてロータが回転することによって発電を行うことができる。なお、風力発電装置3内の前記発電機は交流電圧を発生するものであり、これが直流電圧に変換された上で風力発電装置3内の前記バッテリに与えられるようになっている。
The
水力発電装置2は、再生可能エネルギーである水力を利用して発電を行うものであり、例えば、図示しない水車と発電機と当該発電機より発生する電力を蓄えるバッテリとが一体化された構成のものが挙げられる。水力発電装置2は、水流が確保できる限り、気象条件に左右されずに一定の発電量を得ることができる。なお、水力発電装置2内の前記発電機は交流電圧を発生するものであり、これが直流電圧に変換された上で水力発電装置2内の前記バッテリに与えられるようになっている。 The hydroelectric generator 2 generates power using hydropower that is renewable energy. For example, the hydroelectric generator 2 has a configuration in which a turbine (not shown), a generator, and a battery that stores electric power generated by the generator are integrated. Things. As long as a water flow can be ensured, the hydroelectric generator 2 can obtain a certain amount of power generation regardless of weather conditions. The generator in the hydroelectric generator 2 generates an AC voltage, which is converted into a DC voltage and then supplied to the battery in the hydroelectric generator 2.
風力発電装置3には風力発電用のDC/DCコンバータ(以下「風力発電用コンバータ」と記載する)31、水力発電装置2には水力発電用のDC/DCコンバータ(以下「水力発電用コンバータ」)21が接続されており、コントローラ4から動作指令を受けて、風力発電装置3や水力発電装置2にそれぞれ備わる前記バッテリから供給された直流出力電圧を、電力ライン7の規定値電圧まで昇圧させて電力ライン7に出力させる。
The
DC/ACインバータ62は、電力ライン7に接続されており、コントローラ4からの動作指令を受けて、太陽光パネル1、風力発電装置3、水力発電装置2又はバッテリ5から供給される直流電力から交流電力(例えば200V)を電気的に生成する(逆変換する)電力変換装置である。このDC/ACインバータ62を介してバッテリ5等から負荷64に電力を供給する。負荷64としては、家庭用の電気機器や、工場、オフィス等における電気設備等の任意のものを用いることができ、こうした受電側の仕様に応じてDC/ACインバータ62側で出力電圧を調整するように構成することが好適である。
The DC /
商用電源6は、整流器61を介して電力ライン7に接続されており、この電力ライン7を介してバッテリ5やDC/DCコンバータ41に電力を供給できるように構成されている。
The commercial power supply 6 is connected to the
制御電圧生成部としてのDC/DCコンバータ41は、電力ライン7に接続され、電力ライン7を介して太陽光パネル1、水力発電装置2、風力発電装置3、バッテリ5、商用電源6より得られる電力を基に制御電圧を生成する。DC/DCコンバータ41は、電力ライン7に現れる電圧を降圧して制御電圧(例えば24V)を生成することが可能となっている。そして、生成した制御電圧を、コントローラ4、太陽光用コンバータ11、風力発電用コンバータ31、水力発電用コンバータ21、バッテリ5に接続されたDC/DCコンバータ51、DC/ACインバータ62に入力する。これらの装置は、入力された制御電圧を利用して各々の動作を行う。
A DC /
制御手段としてのコントローラ4は、図示しない記憶部に格納された制御プログラムに従ってシステム全体を制御し、後述する通常制御モード及び強制充電モード等を実行する。この制御プログラムとしては、DC/DCコンバータ51が定電圧制御を行う通常制御モードに対応する通常制御プログラムや、DC/DCコンバータ51が定電流制御を行う強制充電モードに対応する強制充電プログラム等が含まれる。
The controller 4 as control means controls the entire system according to a control program stored in a storage unit (not shown), and executes a normal control mode and a forced charging mode, which will be described later. The control program includes a normal control program corresponding to a normal control mode in which the DC /
前記通常制御モードは通常時に実行されるものであり、コントローラ4は、通常制御モード時には、前記記憶部から通常制御プログラムを読み込み、そのプログラムに従って動作することにより、周辺ハードリソースと協働して、太陽光用コンバータ11、風力発電用コンバータ31、水力発電用コンバータ21及びDC/DCコンバータ51等に制御信号を送信して(動作指令を与えて)、前述のMPPT制御、昇圧制御等を行わせるとともに、DC/DCコンバータ51により電圧ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcが所定値になるように定電圧制御を行わせる。この定電圧制御中、電圧ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcはバッテリ5の電圧Vbtよりも常に高い状態となるように制御され、充電電流Ic及び放電電流の電流量は各発電装置1,2,3から供給される電力と負荷64に供給される電力との差分によって決まる。すなわち、バッテリ5の充電又は放電のどちらが行われるかは電力のバランスに応じて自動的に決まるようになっている。こうすることで、通常制御モード時においては、太陽光パネル1、水力発電装置2及び風力発電装置3によって十分に発電が行われている場合には、専らこれらより電力ライン7を介して負荷64に電力が供給されるとともに、適宜バッテリ5への充電が行われる。また、太陽光パネル1、水力発電装置2及び風力発電装置3による発電量が十分でない場合には、適宜バッテリ5より負荷64への電力供給が行われる。
The normal control mode is executed at normal time, and the controller 4 reads the normal control program from the storage unit and operates according to the program in the normal control mode, thereby cooperating with peripheral hardware resources, A control signal is transmitted to the
また、バッテリ5の充電率には上限値及び下限値があり、バッテリ5の充電率が設定された範囲を超えると(充電リミット時)、過充電状態とならないように、DC/DCコンバータ51を制御することでバッテリ5への充電が行われないようにする。他方、バッテリ5の充電率が設定された範囲を下回ると(放電リミット時)、過放電状態とならないように通常制御モードから強制充電モードへ切り替えて、電力ライン7を介してバッテリ5に充電が行われるようにする。なお、強制充電モードは、このように所定の条件が満たされることで自動的に実行するものであっても、外部より与えられる指令に応じて実行するものとしてもよい。さらに、電力費用の安い夜間にバッテリ5を充電し、蓄えた電力を日中に利用するように構成すると、ランニングコストを低減できる。また、日中の商用電源6の利用を控えてピーク電力を低減することもできる。
Further, the charging rate of the
コントローラ4は、強制充電モード時には前記記憶部から強制充電プログラムを読み込み、そのプログラムに従って動作することにより、周辺ハードリソースと協働して、DC/DCコンバータ51に、充電電流Icを目標値に向かわせる定電流制御を行わせる。この目標値は、前述した充電電流Icの上限値に設定することが好ましく、これによってバッテリ5に大電流を流入させて充電時間を短縮させることができる。なお、定電流制御を行う強制充電モード時には、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcは電力ライン7に供給される電力のバランスに応じて決まる。
In the forced charge mode, the controller 4 reads the forced charge program from the storage unit and operates according to the program, thereby causing the DC /
定電流制御として具体的には、コントローラ4は、図1に示す充電電流検出手段70の検出結果に基づいて充電電流Icが目標値に向かうデューティ比を求め、そのデューティ比でオンオフ動作が行われるようにスイッチング素子SW1等を制御する。さらに、コントローラ4は、充電電流検出手段70が検出した充電電流Icが目標値未満であり、且つ図1に示す電圧差取得手段71が取得する電圧差(電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとの電圧差)に基づいて、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcがバッテリ5の電圧Vbtを下回る兆しとなる前兆条件を満たすと判断すると、前述の目標値への制御に優先してDC/DCコンバータ51に充電電流Icを下げる制御を行わせる。
Specifically, as the constant current control, the controller 4 obtains the duty ratio at which the charging current Ic is directed to the target value based on the detection result of the charging current detection means 70 shown in FIG. 1, and the on / off operation is performed at the duty ratio. Thus, the switching element SW1 and the like are controlled. Further, the controller 4 determines that the charging current Ic detected by the charging current detecting
本実施形態では、コントローラ4は、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcよりバッテリ5の電圧Vbtを差し引いた電圧差が、充電電流Icの変曲点Ic1に対応する電圧差ΔV1、すなわち図3に示す制御範囲の上限値における電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとの電圧差ΔV1以下となった場合に、前兆条件を満たしたと判断して、充電電流Icを下げる制御を行う。こうすることで上述したように充電電流Icが不安定となる領域を避けて電圧Vdc,Vbtの逆転を防ぎ放電を抑えることができる。
In the present embodiment, the controller 4 determines that the voltage difference ΔV1 corresponding to the inflection point Ic1 of the charging current Ic is a voltage difference obtained by subtracting the voltage Vbt of the
なお、コントローラ4は、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcよりバッテリ5の電圧Vbtを差し引いた電圧差が、充電電流Icの変曲点Ic1に対応する電圧差ΔV1よりも僅かに大きく設定した所定の電圧差以下となった場合に、前兆条件を満たしたと判断するように構成されてもよく、こうすることでバッテリ5の充放電の安定性をより高めることが可能となる。さらに、例えば、電圧差取得手段71が取得する電圧差の単位時間あたりの変化量が大きいほど、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcがバッテリ5の電圧Vbtを下回るおそれが高くなることから、前記電圧差を順次記憶可能な構成とし、コントローラ4は、前記電圧差の単位時間あたりの変化量が所定値以上である場合に、前兆条件を満たしたと判断するように構成されてもよい。
Note that the controller 4 has a voltage difference obtained by subtracting the voltage Vbt of the
以下、充電装置50で行われる処理について、強制充電モード時の制御をメインに具体的に説明する。
Hereinafter, the processing performed in the charging
図4のフローチャートにて示すように、コントローラ4は、まず、強制充電モードかどうか判断し(ステップSP1)、強制充電モードではないと判断すると(ステップSP1:NO)本処理を終了する。強制充電モードであると判断(ステップSP1:YES)した場合には、充電電流検出手段70から充電電流Icの電流値を取得して、充電電流Icの電流値が前述した上限値(目標値)未満かどうか判断する(ステップSP2)。コントローラ4は、充電電流Icが上限値未満ではない、すなわち上限値以上であると判断すると(ステップSP2:NO)、図1に示すスイッチング素子SW1のデューティ比を一定値下げて、充電電流Icを下げる処理を行い(ステップSP4)、本処理の終了となる。なお、この充電電流Icを下げる処理は、前述した目標値への制御に対応するものである。コントローラ4は、充電電流Icが上限値未満であると判断すると(ステップSP2:YES)、電圧差取得手段71から電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとの電圧差を取得し、取得した電圧差が所定値以下かどうか判断する(ステップSP3)。この所定値は、コントローラ4が前記前兆条件を満たすかどうか判断する際の基準となる値であり、本実施形態では前記変曲点Ic1に対応する電圧差ΔV1である。ここで取得した電圧差が所定値以下である、すなわち電圧Vdc,Vbtが逆転するおそれがあると判断(ステップSP3:YES)した場合には、スイッチング素子SW1のデューティ比を一定値下げて、充電電流Icを下げる処理を行い(ステップSP4)、本処理の終了となる。コントローラ4は、前記電圧差が所定値を超える、すなわち電圧Vdc,Vbtが逆転するおそれがないと判断(ステップSP3:NO)した場合には、スイッチング素子SW1のデューティ比を一定値上げて、充電電流Icを上げる処理を行い(ステップSP5)、本処理の終了となる。なお、この充電電流Icを上げる処理は、前記目標値への制御に対応するものである。以上のような処理では、スイッチング素子SW1のデューティ比は図3に示す制御範囲内で調整されることになる。また、上記処理は、所定間隔で繰り返し行われる。
As shown in the flowchart of FIG. 4, the controller 4 first determines whether or not the forced charging mode is set (step SP1), and determines that the mode is not the forced charging mode (step SP1: NO), the process is terminated. If it is determined that the current mode is the forced charging mode (step SP1: YES), the current value of the charging current Ic is acquired from the charging current detecting
以上のような発電システム100では、気象条件等を監視し、コントローラ4はそれに応じて、太陽光パネル1等の動作状態を変更する上述した通常制御プログラムを実行する。こうすることで、例えば、風の弱い晴天の日の日中には、風力発電装置3からの発電量が減少するものの太陽光パネル1から負荷64に多くの電力を供給できるようになり、夜間に十分強い風が吹いている場合には、太陽光パネル1で発電が行えなくなるものの風力発電装置3から負荷64に多くの電力を供給できるようになる。また、風の強い晴天の日の日中には、太陽光パネル1及び風力発電装置3両方の発電量が増加するので、負荷64に電力を供給しつつバッテリ5に余剰の電力を蓄えることができる。また、強風の吹いていない曇りの日には、太陽光パネル1及び風力発電装置3の発電量が低下するので、バッテリ5に蓄えた電力を負荷64に供給することで不足分を補うことができる。さらに、バッテリ5に蓄えた電力が少なくなると、前記通常制御モードから前記強制充電モードに移行して商用電源6から供給される電力をバッテリ5に蓄えたり、商用電源6から負荷64に電力を供給することができるように構成されている。
In the
以上のように本実施形態の本発明の充電装置50は、電力ライン7との間で充放電に供されるバッテリ5と、電力ライン7上に設定される入出力端7a,7bとバッテリ5の入出力端5a,5bとの間を並列に接続する位置に配置されるスイッチング素子SW1を有する充電ライン55およびスイッチング素子SW1を迂回する放電ライン56と、充電ライン55を通じてバッテリ5に流入する充電電流Icを検出する充電電流検出手段70と、この充電電流検出手段70の検出結果に基づきスイッチング素子SW1を通じて充電電流Icを目標値に向かって制御する制御手段としてのコントローラ4とを具備するものにおいて、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとの電圧差を取得する電圧差取得手段71をさらに備え、コントローラ4は、充電電流検出手段70が検出した充電電流Icが目標値未満であり、且つ電圧差取得手段71が取得する前記電圧差に基づいて電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcがバッテリ5の電圧Vbtを下回る兆しとなる前兆条件を満たすと判断すると、前記目標値への制御に優先して充電電流Icを下げる制御を行うことを特徴とする。
As described above, the charging
図3に示すように充電電流Icが電流量Ic1に達するまでは、スイッチング素子SW1のデューティ比と充電電流Icとは線形性を保っており、充電ライン55を通じてバッテリ5に流入する充電電流Icが大きくなるほど電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcは下がる。したがって、充電電流Icをたとえ好ましい目標値に制御していたとしても、背景技術で述べた諸般の原因から電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcがバッテリ5の電圧Vbtを下回ることがあり、充電中であるにも拘わらずバッテリ5の入出力端5a,5bから放電ライン56を通じて放電が起こることになる。これを回避するためには、充電電流Icを目標値に制御しながら、電圧Vdc,Vbtを監視し、電圧Vdc,Vbtが逆転するおそれがあるときには制御を補正することも必要である。
As shown in FIG. 3, until the charging current Ic reaches the current amount Ic1, the duty ratio of the switching element SW1 and the charging current Ic are kept linear, and the charging current Ic flowing into the
これに対して、上記のように構成すれば、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcを一定値に調整するための高価な装置を用いなくても、充電電流Icが目標値未満であり且つ前記前兆条件を満たす場合において、充電電流Icを下げることで、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcがバッテリ5の電圧を下回らないように制御することができる。そのため、前記目標値を比較的大きく設定してバッテリ5に大電流を入力させたとしても、充電中に放電ライン56を介して放電が起こることを抑制でき、短時間で安定した充電を行える充電装置50を安価なシステムで実現できる。
On the other hand, when configured as described above, the charging current Ic can be set to the target value without using an expensive device for adjusting the voltage Vdc between the input /
特に、コントローラ4が、充電電流検出手段70の検出結果に基づきスイッチング素子SW1のデューティ比を変更することで充電電流Icの制御を行うものであって、当該充電電流Icの制御における1回あたりのデューティ比の変更量を所定量に制限するとともに、当該充電電流Icの制御を所定間隔で繰り返し行うように構成したことから、フィードバック制御等の複雑な制御を行わなくても、上記充電電流Icの制御を容易且つ適切に行うことができる。
In particular, the controller 4 controls the charging current Ic by changing the duty ratio of the switching element SW1 based on the detection result of the charging current detecting
また、スイッチング素子SW1のデューティ比と電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcと充電電流Icとの関係は、スイッチング素子SW1のデューティ比が増大するにつれ電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcが低下していくとともに、充電電流Icが直線状に増大した後に減少に転じるものであり、コントローラ4は、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcより前記バッテリ5の電圧Vbtを差し引いた電圧差が、前記充電電流Icの変曲点Ic1に対応する電圧差ΔV1もしくはこの電圧差ΔV1よりも僅かに大きく設定した所定の電圧差以下となった場合に、前記前兆条件を満たしたと判断するように構成したことから、スイッチング素子SW1のデューティ比と充電電流Icとが線形性を保つ範囲内でスイッチング素子SW1の制御を行うことができ、上記目標値への制御及び上記充電電流Icを下げる制御を容易に行うことができる。
The relationship between the duty ratio of the switching element SW1 and the voltage Vdc between the input /
特に、電力を蓄積するコンデンサ60を電力ライン7の入出力端7a,7b間に並列に配置するように構成したことから、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcの変動を抑制して、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcがバッテリ5の電圧Vbtを下回ることを確実に防止することができる。
In particular, since the
加えて、充電電流Icと逆方向に電流を流す還流ダイオード52をスイッチング素子SW1と並列に設け、充電ライン55の少なくとも一部をスイッチング素子SW1により構成し、放電ライン56の少なくとも一部を還流ダイオード52により構成したことから、充電ライン55の一部を放電ライン56と兼用させて、充電装置50の回路構成を単純化することができる。
In addition, a free-wheeling
また、発電システム100は、再生可能エネルギーを利用して電力を発生させる発電源としての太陽光パネル1、水力発電装置2及び水力発電装置3と、これらの発電源1,2,3から前記電力が供給される電力ライン7と、電力ライン7に接続された充電装置50と、を備えるように構成されていることから、比較的不安定な再生可能エネルギーを利用しながらも安定的に電力を供給することが可能となる。
The
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。 The specific configuration of each unit is not limited to the above-described embodiment.
本実施形態では、充電ライン55の一部と放電ライン56の一部とが同一ラインで構成されているが、放電ライン56を充電ライン55とはまったく別のラインとしてもよい。
In the present embodiment, a part of the charging
また本実施形態では、コントローラ4は、電圧差取得手段71を介して電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとの電圧差を取得するが、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとをそれぞれ検出可能な手段を設け、そのような手段からコントローラ4が各電圧Vdc,Vbtを取得して両電圧Vdc,Vbtの差を演算することで前記電圧差を取得するように構成してもよい。
In this embodiment, the controller 4 acquires the voltage difference between the voltage Vdc between the input /
また本実施形態では、電力ライン7の入出力端7a,7b間の電圧Vdcとバッテリ5の電圧Vbtとの電圧差が所定値以下の場合、スイッチング素子SW1のデューティ比を一定値ずつ下げるように制御しているが、前記電圧差に応じて当該デューティ比の低減量を変更してもよい。この場合、前記電圧差が小さいほど当該デューティ比の低減量を大きくすることが好ましい。
In this embodiment, when the voltage difference between the voltage Vdc between the input /
さらに本実施形態では、コントローラ4によって前記通常制御プログラム及び前記強制充電プログラムの両方を実行するが、これに限定されず、例えばこれらのプログラムを実行するコントローラをそれぞれ設けて、一方のコントローラにより通常制御プログラムを実行し、このコントローラよりも上位の制御手段である他方のコントローラにより強制充電プログラムを実行するように構成してもよい。 Furthermore, in this embodiment, the controller 4 executes both the normal control program and the forced charging program. However, the present invention is not limited to this. For example, a controller that executes these programs is provided, and normal control is performed by one controller. You may comprise so that a program may be run and a forced charge program may be run by the other controller which is a control means higher than this controller.
さらに、発電源である発電装置として太陽光パネル1、水力発電装置2及び風力発電装置3を用いたが、地熱発電装置等これら以外の発電装置がさらに用いられてもよく、また水力発電装置2又は風力発電装置3が選択的に用いられてもよい。
Furthermore, although the solar panel 1, the hydroelectric generator 2, and the
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 Other configurations can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
1,2,3・・・発電源(太陽光パネル、水力発電装置、風力発電装置)
4・・・制御手段(コントローラ)
5・・・バッテリ
5a,5b…入出力端
7・・・電力ライン
7a,7b…入出力端
50…充電装置
52,53…還流ダイオード
55…充電ライン
56…放電ライン
70…充電電流検出手段
71…電圧差取得手段
SW1…スイッチング素子
Ic…充電電流
Vdc,Vbt…電圧
Ic1…変曲点
ΔV1…電圧差
1, 2, 3 ... Power generation (solar panels, hydroelectric generators, wind generators)
4 ... Control means (controller)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電力ラインの入出力端間の電圧と前記バッテリの電圧との電圧差を取得する電圧差取得手段をさらに備え、
前記制御手段は、充電電流検出手段が検出した前記充電電流が目標値未満であり、且つ前記電圧差取得手段が取得する前記電圧差に基づいて前記電力ラインの入出力端間の電圧が前記バッテリの電圧を下回る兆しとなる前兆条件を満たすと判断すると、前記目標値への制御に優先して前記充電電流を下げる制御を行うことを特徴とする充電装置。 A battery to be charged / discharged to / from the power line, and a switching element disposed at a position connecting in parallel between the input / output terminal set on the power line and the input / output terminal of the battery A charge line and a discharge line bypassing the switching element; charge current detection means for detecting a charge current flowing into the battery through the charge line; and the charge current through the switching element based on a detection result of the charge current detection means Comprising control means for controlling the value toward the target value,
Voltage difference obtaining means for obtaining a voltage difference between the voltage between the input and output terminals of the power line and the voltage of the battery;
The control unit is configured such that the charging current detected by the charging current detection unit is less than a target value, and the voltage between the input and output terminals of the power line is based on the voltage difference acquired by the voltage difference acquisition unit. When it is determined that the precursor condition that indicates that the voltage is lower than the target voltage is determined, control is performed to reduce the charging current in preference to the control to the target value.
前記制御手段は、前記電力ラインの入出力端間の電圧より前記バッテリの電圧を差し引いた電圧差が、前記充電電流の変曲点に対応する電圧差もしくはこの電圧差よりも僅かに大きく設定した所定の電圧差以下となった場合に、前記前兆条件を満たしたと判断することを特徴とする請求項2記載の充電装置。 As the duty ratio of the switching element increases, the voltage between the input and output ends of the power line decreases, and the charging current increases linearly and then decreases.
The control means sets the voltage difference obtained by subtracting the battery voltage from the voltage between the input and output terminals of the power line, or a voltage difference corresponding to the inflection point of the charging current or slightly larger than this voltage difference. The charging device according to claim 2, wherein when the voltage difference is equal to or less than a predetermined voltage difference, it is determined that the precursor condition is satisfied.
前記充電ラインの少なくとも一部を前記スイッチング素子により構成し、前記放電ラインの少なくとも一部を前記還流ダイオードにより構成したことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の充電装置。 Provided in parallel with the switching element a reflux diode for flowing a current in a direction opposite to the charging current,
5. The charging device according to claim 1, wherein at least a part of the charging line is configured by the switching element, and at least a part of the discharging line is configured by the reflux diode.
前記発電源から前記電力が供給される電力ラインと、
前記電力ラインに接続された請求項1〜5のいずれかに記載の充電装置と、を備えることを特徴とする発電システム。 One or more power generation sources that generate power using renewable energy;
A power line to which the power is supplied from the power source;
A power generation system comprising: the charging device according to claim 1 connected to the power line.
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