JP2014239561A - 切替装置および蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電された電力の出力先が切り替わるシステムにおいて、出力先に応じた電圧および電流に、簡素な構成で調整する。
【解決手段】直並列切替部２０は、発電する複数の直流電源の複数の出力系統を、複数の直流電源が直列接続されるよう単一の出力系統に統合してパワーコンディショナ２１０に接続するか、複数の直流電源が並列接続されるよう単一の出力系統に統合して充放電回路１２０を介して蓄電池に接続するかを切り替える。直並列切替部２０は、複数の出力系統にそれぞれ対応する接続先切替用の複数のリレーと、接続先切替用の複数のリレーの接続状態を検知するための状態検知用のリレーを有する。接続先切替用の複数のリレーおよび状態検知用のリレーは、共通のコイルにより駆動される。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池などにより発電された電力の出力先を切り替える切替装置、およびそれを用いた蓄電システムに関する。

近年、太陽光発電システムの普及が加速している。また、太陽光発電システムと蓄電システムを連携し、太陽電池で発電された電力を蓄電池（二次電池ともいう）に貯蔵するシステムも実用化されている（たとえば、特許文献１参照）。このようなシステムでは、発電された電力をパワーコンディショナで交流電力に変換し、系統または負荷に出力するか、蓄電池に出力するか切り替える必要がある。

特開２０１１−１５５０１号公報

パワーコンディショナに供給する場合に適した電圧および電流と、蓄電池に供給する場合に適した電圧および電流は異なる。一般に、前者が後者より、高電圧および低電流の関係になる。このような関係を実現するために、太陽電池と蓄電池との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータを挿入して太陽電池の出力電圧を降圧する手法が用いられている。本発明者はＤＣ−ＤＣコンバータを用いずに簡素な構成で、発電された電力の電圧および電流を調整する手法を見出した。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、発電された電力の出力先が切り替わるシステムにおいて、出力先に応じた電圧および電流に、簡素な構成で調整可能な技術を提供することにある。

本発明のある態様の切替装置は、発電する複数の直流電源の複数の出力系統を、複数の直流電源が直列接続されるよう単一の出力系統に統合してパワーコンディショナに接続するか、複数の直流電源が並列接続されるよう単一の出力系統に統合して蓄電池に接続するかを切り替える切替部と、切替部を制御する制御部と、を備える。切替部は、複数の出力系統にそれぞれ対応する接続先切替用の複数のリレーと、接続先切替用の複数のリレーの接続状態を検知するための状態検知用のリレーと、を有する。接続先切替用の複数のリレーのそれぞれは、パワーコンディショナに接続するための接点と、蓄電池に接続するための接点を含む。状態検知用のリレーは、制御部に第１固定電圧を供給するための接点と、制御部に第２固定電圧を供給するための接点とを含む。接続先切替用の複数のリレーおよび状態検知用のリレーは、共通のコイルにより駆動される。制御部は、第１固定電圧を受けるか第２固定電圧を受けるかにより、接続状態を検知する。

本発明によれば、発電された電力の出力先が切り替わるシステムにおいて、出力先に応じた電圧および電流に、簡素な構成で調整できる。

本発明の実施の形態に係る蓄電システムを説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る直並列切替装置の構成例を示す図である。 直並列切替部の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る直並列切替装置の立ち上げ時の動作シーケンスを説明するためのフローチャートである。 パワーＭＯＳＦＥＴとリレーの動作シーケンスを説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る直並列切替装置の直並列切替時の動作シーケンスを説明するためのフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム５００を説明するための図である。本実施の形態では、太陽光発電システムと蓄電システム５００とを連携させたシステムを想定する。このシステムは、当初から太陽光発電システムと蓄電システム５００とが一体的に構成されたものであってもよいし、既存の太陽光発電システムに事後的に蓄電システム５００が追加されたものであってもよい。

太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３、パワーコンディショナ２１０および双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２２０を備える。蓄電システム５００は、直並列切替装置１００、蓄電池１１０、充放電回路１２０および蓄電池管理部１３０を備える。本実施の形態では三つの太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３を用いる例を説明する。複数の太陽電池モジュールの複数の出力系統は、直並列切替装置１００により統合される。

パワーコンディショナ２１０は、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３により発電された直流電力を交流電力に変換するとともに、各種施設または家庭内で使用可能な電圧に調整する。パワーコンディショナ２１０により変換および調整された交流電力は、各種施設または家庭内の負荷４００で消費されるか、系統３００を通じて電力会社に売電される。

双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２２０は、系統３００から供給される交流電力を直流電力に変換して、充放電回路１２０に供給する。また、充放電回路１２０から供給される直流電力を交流電力に変換して、負荷４００または系統３００に供給する。なお、蓄電池１１０に蓄電された電力を系統３００に供給することを禁止している制度を採用している電力会社が多い。この場合、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２２０から系統３００に電力は供給されない。

図１において、系統３００と、パワーコンディショナ２１０、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２２０および負荷４００との間には、実際には分電盤が設けられるが図面を簡略化するために省略している。

蓄電池１１０にはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池などが採用される。本実施の形態ではリチウムイオン電池が採用される例を説明する。実際には複数の蓄電池ユニットが設けられるが、本実施の形態では複数の蓄電池ユニットを総称して単に蓄電池１１０と表記する。

充放電回路１２０は各種スイッチを備え、蓄電池管理部１３０による指示にしたがい、蓄電池１１０の充放電を制御する。より具体的には、充電する際、蓄電池１１０に双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２２０を接続するか直並列切替装置１００を接続するか選択する。また、放電する際、蓄電池１１０に双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ２２０を接続するか、蓄電池１１０を専用の電源とする図示しない負荷（主に、直流負荷）への電力供給路に接続するかを選択する。

また、充電または放電する際、充放電回路１２０は、蓄電池管理部１３０による指示にしたがい、充電電圧および充電電流、または放電電圧および放電電流を管理する。なお、リチウムイオン電池ではなく、ニッケル水素電池が採用される場合、電圧の管理は必要ない。

蓄電池管理部１３０は蓄電システム５００全体を管理する。まず、蓄電池管理部１３０はＳＯＣ（State Of Charge）、温度などの蓄電池１１０の状態を管理する。また、蓄電池管理部１３０はユーザ操作に起因して充放電回路１２０に充放電制御を実行させる。その際、蓄電池１１０の状態に応じたスイッチング制御を実行するよう指示する。また、蓄電池管理部１３０はユーザ操作に起因して直並列切替装置１００の出力先を切り替える。

直並列切替装置１００は、蓄電池管理部１３０からの指示に応じて複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３により発電された電力をパワーコンディショナ２１０に供給するか、充放電回路１２０を介して蓄電池１１０に供給するか切り替える。以下、より具体的に説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る直並列切替装置１００の構成例を示す図である。直並列切替装置１００は、主に、複数のスイッチ１１、１２、１３、直並列切替部２０、制御部３０、複数の温度検出部４１、４２、４３、電圧監視部５０、温度監視部６０およびＡＮＤ回路７０を備える。

上述したように、本実施の形態では三つの太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３が設置される。図２では、太陽電池モジュール２０１の出力をＰＶ１、太陽電池モジュール２０２の出力をＰＶ２、および太陽電池モジュール２０３の出力をＰＶ３と表記している。なお、太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の各出力系統はプラス配線とマイナス配線の二線により形成されるが、図２では図面を簡略化するため、プラス配線のみを描いている。すなわち、実際には太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３のマイナス側の電位は固定されていないが、図２ではグラウンドに固定されていると仮定している。

太陽電池モジュール２０１からの配線が接続される入力端子とグラウンド（実際にはマイナス配線。以下省略）との間に第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２の直列回路が接続される。第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２のノードと、グラウンドとの間に第１発光ダイオードＤ１および第２発光ダイオードＤ２の並列回路が接続される。また、当該ノード電圧は、図示しないフォトカプラを介して電圧監視部５０に出力される。

第１発光ダイオードＤ１および第２発光ダイオードＤ２は逆向きに接続される。図２では第１発光ダイオードＤ１のカソードが上記ノードに接続され、アノードがグラウンドに接続される。第２発光ダイオードＤ２のアノードが上記ノードに接続され、カソードがグラウンドに接続される。

また、第１発光ダイオードＤ１および第２発光ダイオードＤ２は、色違いの発光ダイオードが用いられる。たとえば、第１発光ダイオードＤ１に赤の発光ダイオード、第２発光ダイオードＤ２に緑の発光ダイオードが用いられる。この場合において、上記ノードからグラウンドに電流が流れているとき緑の発光ダイオードが発光し、グラウンドから上記ノードに電流が流れているとき赤の発光ダイオードが発光する。ユーザは第１発光ダイオードＤ１および第２発光ダイオードＤ２の発光状態を目視することにより、太陽電池モジュール２０１の発電の有無、入力端子に接続された配線の極性を確認できる。

同様に、太陽電池モジュール２０２からの配線が接続される入力端子とグラウンドとの間に第３抵抗Ｒ３および第４抵抗Ｒ４の直列回路が接続される。第３抵抗Ｒ３および第４抵抗Ｒ４のノードと、グラウンドとの間に第３発光ダイオードＤ３および第４発光ダイオードＤ４の並列回路が接続される。また、当該ノード電圧は、図示しないフォトカプラを介して電圧監視部５０に出力される。

同様に、太陽電池モジュール２０３からの配線が接続される入力端子とグラウンドとの間に第５抵抗Ｒ５および第６抵抗Ｒ６の直列回路が接続される。第５抵抗Ｒ５および第６抵抗Ｒ６のノードと、グラウンドとの間に第５発光ダイオードＤ５および第６発光ダイオードＤ６の並列回路が接続される。また、当該ノード電圧は、図示しないフォトカプラを介して電圧監視部５０に出力される。

複数のスイッチ１１、１２、１３は、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の複数の出力系統にそれぞれ挿入される。複数のスイッチ１１、１２、１３は、直並列切替部２０を保護するために、直並列切替部２０の前段に設けられる。本実施の形態では、複数のスイッチ１１、１２、１３に半導体スイッチの一つであるパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を用いる例を説明する。なお、パワーＭＯＳＦＥＴの代わりにＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧａＮトランジスタ、ＳｉＣトランジスタなどを用いてもよい。

複数の温度検出部４１、４２、４３は、複数のスイッチ１１、１２、１３のそれぞれの温度を検出する。それぞれの検出結果は、図示しないフォトカプラを介して温度監視部６０およびＡＮＤ回路７０に出力される。本実施の形態では温度検出部４１、４２、４３にサーモスタットを用いる例を説明する。サーモスタットの検出端子はパワーＭＯＳＦＥＴに接続され、サーモスタットの出力端子は、図示しないフォトカプラを介して温度監視部６０およびＡＮＤ回路７０に接続される。サーモスタットはパワーＭＯＳＦＥＴの温度が正常なときハイレベル信号を出力し、異常なときローレベル信号を出力する。すなわち、サーモスタットはアクティブロー信号を出力する。

直並列切替部２０は、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の複数の出力系統を単一の出力系統に統合するとともに、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３をパワーコンディショナ２１０に接続するか、充放電回路１２０を介して蓄電池１１０に接続するかを切り替える。直並列切替部２０は、パワーコンディショナ２１０に接続するとき、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３が直列接続されるよう複数の出力系統を統合し、充放電回路１２０を介して蓄電池１１０に接続するとき、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３が並列接続されるよう複数の出力系統を統合する。直並列切替部２０の詳細な構成例は後述する。

電圧監視部５０は上述の複数のノード電圧を受け、一つでも異常がある場合、異常を示す信号を制御部３０に出力し、すべてが正常な場合、正常を示す信号を制御部３０に出力する。温度監視部６０は、複数の温度検出部４１、４２、４３からの信号を受け、一つでも異常がある場合、異常を示す信号を制御部３０に出力し、すべてが正常である場合、正常を示す信号を制御部３０に出力する。

制御部３０は、複数のスイッチ１１、１２、１３および直並列切替部２０を制御する。制御部３０は、マイクロコンピュータで構成される。以下、より具体的に説明する。制御部３０は、複数のスイッチ１１、１２、１３（本実施の形態ではパワーＭＯＳＦＥＴのゲート）のオンオフを制御するための制御信号を、図示しないフォトカプラを介してＡＮＤ回路７０に出力する。本実施の形態ではｎチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴを使用するため、制御部３０は、複数のスイッチ１１、１２、１３をオンするときハイレベル信号を出力し、オフするときローレベル信号を出力する。

制御部３０は、複数のスイッチ１１、１２、１３がオフしているときに、直並列切替部２０の接続先を切り替える。制御部３０は、直並列切替部２０の接続先の切替が正常に終了したことを検知した後、複数のスイッチ１１、１２、１３をオンする。なお、制御部３０は、複数のスイッチ１１、１２、１３の温度が異常なとき直並列切替部２０の接続先の切替を停止または中止する。制御部３０のその他の動作は後述する。

ＡＮＤ回路７０は、複数の温度検出部４１、４２、４３からの信号と、制御部３０からの信号を受ける。ＡＮＤ回路７０の出力信号は、図示しないフォトカプラを介して、複数のスイッチ１１、１２、１３（本実施の形態ではパワーＭＯＳＦＥＴのゲート）および制御部３０に入力される。

複数のスイッチ１１、１２、１３のすべての温度が正常な場合、複数の温度検出部４１、４２、４３からの信号はすべてハイレベル信号となる。この場合、ＡＮＤ回路７０の出力信号は制御部３０からの信号により決定される。すなわち、制御部３０からの信号がそのまま出力される。制御部３０からの信号がハイレベル信号のとき、複数のスイッチ１１、１２、１３はすべてオンし、制御部３０からの信号がローレベル信号のとき、複数のスイッチ１１、１２、１３はすべてオフする。

複数のスイッチ１１、１２、１３の少なくとも一つの温度が異常な場合、複数の温度検出部４１、４２、４３からの信号の少なくとも一つがローレベル信号となる。この場合、ＡＮＤ回路７０の出力は制御部３０からの信号にかかわらず、ローレベル信号となる。この場合、複数のスイッチ１１、１２、１３はすべてオフする。

図３は、直並列切替部２０の構成例を示す図である。直並列切替部２０は、複数の出力系統にそれぞれ対応する複数の接続先切替用のリレーと、それら複数の接続先切替用のリレーの接続状態を検知するための状態検知用のリレーを有する。これらのリレーは、切替接点（Ｃ接点）型のメカリレーである。すなわち、各リレーは二つ接点を持つ。

接続先切替用のリレーの第１接点は、パワーコンディショナ２１０に接続するための接点である。接続先切替用のリレーの第２接点は、充放電回路１２０を介して蓄電池１１０に接続するための接点である。状態検知用のリレーの第１接点は、制御部３０に第１固定電圧（本実施の形態では電源電圧ＶＤＤ）を供給するための接点である。状態検知用のリレーの第２接点は、制御部３０に第２固定電圧（本実施の形態ではグラウンド電圧ＧＮＤ）を供給するための接点である。複数の接続先切替用のリレーおよび状態検知用のリレーは、少なくとも一つの共通のコイルにより駆動される。本実施の形態ではコイルに通電されていない状態では、第１接点が閉路および第２接点が開路し、通電されている状態では、第１接点が開路および第２接点が閉路するものとする。

図３では、太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の各出力系統のプラス配線とマイナス配線の両方を描いている。また、太陽電池モジュール２０１のプラス側の出力をＰＶ１＋、マイナス側の出力をＰＶ１−、太陽電池モジュール２０２のプラス側の出力をＰＶ２＋、マイナス側の出力をＰＶ２−、および太陽電池モジュール２０３のプラス側の出力をＰＶ３＋、マイナス側の出力をＰＶ３−と表記している。

図３に示す直並列切替部２０は、第１リレー部ＲＬ１および第２リレー部ＲＬ２を含む。第１リレー部ＲＬ１は、第１リレー接点ＲＣ１−、第２リレー接点ＲＣ２＋、第３リレー接点ＲＣ１＋、第４リレー接点ＲＣｓ１および第１コイルＬ１を含む。第１リレー接点ＲＣ１−は、太陽電池モジュール２０１のマイナス側の出力を切り替えるための接点である。第２リレー接点ＲＣ２＋は、太陽電池モジュール２０２のプラス側の出力を切り替えるための接点である。第３リレー接点ＲＣ１＋は、太陽電池モジュール２０１のプラス側の出力を切り替えるための接点である。第４リレー接点ＲＣｓ１は、制御部３０に図示しないフォトカプラを介して第１リレー部ＲＬ１の状態を通知するための接点である。

第１コイルＬ１は、制御部３０からの信号に応じて、第１リレー接点ＲＣ１−、第２リレー接点ＲＣ２＋、第３リレー接点ＲＣ１＋および第４リレー接点ＲＣｓ１の接続状態を決定する。第１コイルＬ１に電流が流れていない状態で第１接点（図３の上側の接点）が閉路され、電流が流れている状態で第２接点（図３の下側の接点）が閉路される。

第２リレー部ＲＬ２は、第５リレー接点ＲＣ２−、第６リレー接点ＲＣ３＋、第７リレー接点ＲＣ３−、第８リレー接点ＲＣｓ２および第２コイルＬ２を含む。第５リレー接点ＲＣ２−は、太陽電池モジュール２０２のマイナス側の出力を切り替えるための接点である。第６リレー接点ＲＣ３＋は、太陽電池モジュール２０３のプラス側の出力を切り替えるための接点である。第７リレー接点ＲＣ３−は、太陽電池モジュール２０３のマイナス側の出力を切り替えるための接点である。第８リレー接点ＲＣｓ２は、制御部３０に図示しないフォトカプラを介して第２リレー部ＲＬ２の状態を通知するための接点である。

第２コイルＬ２は、制御部３０からの信号に応じて、第５リレー接点ＲＣ２−、第６リレー接点ＲＣ３＋、第７リレー接点ＲＣ３−および第８リレー接点ＲＣｓ２の接続状態を決定する。第２コイルＬ２に電流が流れていない状態で第１接点（図３の上側の接点）が閉路され、電流が流れている状態で第２接点（図３の下側の接点）が閉路される。

第３リレー接点ＲＣ１＋の第１接点は、パワーコンディショナ２１０のプラス側入力端子に接続される。第１リレー接点ＲＣ１−の第１接点と第２リレー接点ＲＣ２＋の第１接点が接続される。第５リレー接点ＲＣ２−の第１接点と第６リレー接点ＲＣ３＋の第１接点が接続される。第７リレー接点ＲＣ３−の第１接点は、パワーコンディショナ２１０のマイナス側入力端子に接続される。

第３リレー接点ＲＣ１＋の第２接点、第２リレー接点ＲＣ２＋の第２接点および第６リレー接点ＲＣ３＋の第２接点は結合され、充放電回路１２０のプラス側入力端子に接続される。第１リレー接点ＲＣ１−の第２接点、第５リレー接点ＲＣ２−の第２接点および第７リレー接点ＲＣ３−の第２接点は結合され、充放電回路１２０のマイナス側入力端子に接続される。

第１コイルＬ１の高電位側端子は、電源、第２コイルＬ２の高電位側端子、第７ダイオードＤ７のカソード端子および第８ダイオードＤ８のカソード端子に接続される。第１コイルＬ１の低電位側端子は、駆動スイッチＳＷｄ、第２コイルＬ２の低電位側端子、第７ダイオードＤ７のアノード端子および第８ダイオードＤ８のアノード端子に接続される。

第７ダイオードＤ７および第８ダイオードＤ８は、リレーのオンオフ時の第１コイルＬ１および第２コイルＬ２による逆起電力を電源に吸収させるための素子である。

駆動スイッチＳＷｄは、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２の低電位側端子とグラウンドとの間に接続される。駆動スイッチＳＷｄは、制御部３０から図示しないフォトカプラを介して入力される制御信号によりオンオフ制御される。駆動スイッチＳＷｄがオンすると、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２に電流が流れ、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３により発電された電力は、充放電回路１２０を介して蓄電池１１０に供給される。一方、駆動スイッチＳＷｄがオフすると、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２に電流が流れず、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３により発電された電力は、パワーコンディショナ２１０に供給される。

前者の場合、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３は直列接続となる。後者の場合、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３は並列接続となる。直列接続の場合、電圧が加算され、電流は変化しない。並列接続の場合、電流が加算され、電圧は変化しない。たとえば、それぞれの太陽電池モジュールの出力電圧が１５０Ｖ、出力電流が７Ａの場合において、直列接続の場合、出力電圧が４５０Ｖ、出力電流が７Ａとなる。並列接続の場合、出力電圧が１５０Ｖ、出力電流が２１Ａとなる。パワーコンディショナ２１０に電力を供給する場合、高電圧が望ましいため直列接続が望ましい。一方、蓄電池１１０に電力を供給する場合、電流を増加させることが望ましいため、並列接続が望ましい。このように、制御部３０は、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２に流れる電流を制御して、直並列切替部２０を制御する。

なお、図３では複数のリレーを、第１リレー部ＲＬ１および第２リレー部ＲＬ２の二つのモジュールに分けて構成する例を説明したが、一つのモジュールで構成してもよいし、三つ以上のモジュールで構成してもよい。

つぎに、直並列切替装置１００の立ち上げ時の処理について説明する。まず、ユーザは、直並列切替装置１００の電源投入前に、第１発光ダイオードＤ１〜第６発光ダイオードＤ６の点灯状態を目視して、太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の発電の有無、入力端子に接続された配線の極性を確認する。第１発光ダイオードＤ１、第３発光ダイオードＤ３または第５発光ダイオードＤ５が発光している場合、その出力系統ではプラス配線とマイナス配線が逆に接続されていることになるため、ユーザは配線を接続し直す。配線が正しく接続されたことが確認されると、ユーザは直並列切替装置１００の電源をオンする。

図４は、本発明の実施の形態に係る直並列切替装置１００の立ち上げ時の動作シーケンスを説明するためのフローチャートである。電圧監視部５０は、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３からの配線が接続される複数の入力端子のそれぞれから抵抗分割により得られるそれぞれのノード電圧を監視し、太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の出力を検出する（Ｓ１０）。電圧監視部５０は上述の複数のノード電圧のうち、一つでも異常がある場合、異常を示す信号を制御部３０に出力し、すべてが正常な場合、正常を示す信号を制御部３０に出力する。

制御部３０は、電圧監視部５０からの信号が正常を示す信号であるか否か判定する（Ｓ１１）。正常でない場合（Ｓ１１のＮ）、ユーザに太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の出力電力の異常を通知する（Ｓ２３）。正常な場合（Ｓ１１のＹ）、ステップＳ１２に遷移する。

温度監視部６０は、複数のパワーＭＯＳＦＥＴにそれぞれ接続されたサーモスタットからの信号を受け、一つでも異常高温を示す信号がある場合、異常を示す信号を制御部３０に出力し、すべての信号が正常温度を示す信号である場合、正常を示す信号を制御部３０に出力する（Ｓ１２）。なお、この複数のサーモスタットの出力をＡＮＤ回路７０に入力し、ＡＮＤ回路７０の出力信号でパワーＭＯＳＦＥＴのゲートを制御することにより、ハードウェア的にもパワーＭＯＳＦＥＴをスイッチングできる。すなわち、パワーＭＯＳＦＥＴの温度が異常高温になったとき制御部３０からの指示がなくてもパワーＭＯＳＦＥＴをオフできる。このように、ハードウェア処理による保護とソフトウェア処理による保護を併用することにより、パワーＭＯＳＦＥＴの安全性をより高めることができる。

制御部３０は、温度監視部６０からの信号が正常を示す信号であるか否か判定する（Ｓ１３）。正常でない場合（Ｓ１３のＮ）、ユーザにパワーＭＯＳＦＥＴの異常を通知する（Ｓ２３）。正常な場合（Ｓ１３のＹ）、制御部３０はＡＮＤ回路７０にパワーＭＯＳＦＥＴの制御信号を出力するとともに、ＡＮＤ回路７０の出力信号を検出する（Ｓ１４）。

制御部３０は、ＡＮＤ回路７０の出力信号が正常であるか否か判定する（Ｓ１５）。当該制御信号とＡＮＤ回路７０の出力信号の論理レベルが一致し、電圧監視部５０および温度監視部６０からの信号とも整合的であれば、正常と判定する。正常でない場合（Ｓ１５のＮ）、ユーザに制御信号ラインの異常を通知する（Ｓ２３）。正常な場合（Ｓ１５のＹ）、ステップＳ１６に遷移する。

制御部３０は、直並列切替部２０の状態検知用のリレーからの信号を受け、複数の接続先切替用のリレーの接続状態を検知する（Ｓ１６）。図３の構成例ではハイレベル信号が、複数の接続先切替用のリレーが直列接続される状態を示し、ローレベル信号が複数の接続先切替用のリレーが並列接続される状態を示す。接続先切替用のリレーと連動して動作する状態検知用のリレーからの信号を用いることにより、直接的に接続先切替用のリレーの状態を検知できる。

制御部３０は、直並列切替部２０のリレーコイルに電流を流すか否かを制御することにより、複数の接続先切替用のリレーを初期状態に設定する（Ｓ１７）。本実施の形態では第１接点が閉路され、複数の接続先切替用のリレーが直列接続される状態を初期状態とする。したがって、制御部３０はリレーコイルが通電されないように制御する。

その後、制御部３０は、直並列切替部２０の状態検知用のリレーからの信号を受け、複数の接続先切替用のリレーの接続状態を検知する（Ｓ１８）。制御部３０は、直並列切替部２０の状態検知用のリレーからの信号が正常であるか否か判定する（Ｓ１９）。指示している接続状態と、実際に検知される接続状態が一致していれば、正常と判定する。正常でない場合（Ｓ１９のＮ）、ユーザに直並列切替部２０（その制御信号ラインを含む）の異常を通知する（Ｓ２３）。正常な場合（Ｓ１９のＹ）、ステップＳ２０に遷移する。

制御部３０は、ＡＮＤ回路７０にパワーＭＯＳＦＥＴの制御信号としてハイレベル信号を出力して、パワーＭＯＳＦＥＴをオンする（Ｓ２０）。これにより、太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３から直並列切替部２０に電力が供給される。制御部３０は、ＡＮＤ回路７０の出力信号を検出する（Ｓ２１）。これにより、パワーＭＯＳＦＥＴがオンされたか否かを確認できる。

制御部３０は、ＡＮＤ回路７０の出力信号が正常であるか否か判定する（Ｓ２２）。正常でない場合（Ｓ２２のＮ）、ユーザに制御信号ラインの異常を通知する（Ｓ２３）。正常な場合（Ｓ２２のＹ）、蓄電池管理部１３０からの切替信号を待つ待機状態に移行する。以上の動作シーケンスを実行することにより、直並列切替装置１００を安全に立ち上げることができる。

つぎに、直並列切替装置１００の直並列切替時について説明する。図５は、パワーＭＯＳＦＥＴとリレーの動作シーケンスを説明するための図である。パワーＭＯＳＦＥＴのタイミング波形はオンオフ信号を示し、ハイレベルがオンを示し、ローレベルがオフを示す。リレーのタイミング波形は状態検知信号を示し、ハイレベルが直列接続状態を示し、ローレベルが並列接続状態を示す。立ち上げりエッジおよび立ち下がりエッジで、接続状態が切り替わる。

制御部３０は、ＡＮＤ回路７０の出力信号が正常であることを確認して、パワーＭＯＳＦＥＴをオフする。その後、制御部３０はリレーの接続状態を切り替える。その後、制御部３０は、状態検知用のリレーからの信号が正常であることを確認して、パワーＭＯＳＦＥＴをオンする。このように、パワーＭＯＳＦＥＴをオフして電力を遮断した状態で、リレーを切り替えることにより、リレー接点の固着を防止し、安全な切り替えを行うことができる。

図６は、本発明の実施の形態に係る直並列切替装置１００の直並列切替時の動作シーケンスを説明するためのフローチャートである。制御部３０は蓄電池管理部１３０から切替指示を受けると（Ｓ３０のＹ）、制御部３０は、直並列切替部２０の状態検知用のリレーからの信号を受け、複数の接続先切替用のリレーの接続状態を検知する（Ｓ３１）。

制御部３０は、指示した接続状態と、検知された接続状態とを比較する（Ｓ３２）。両者が一致する場合、リレーの切替は必要なく、切替処理は終了する（Ｓ３２のＮ）。両者が一致しない場合、切替処理が継続する（Ｓ３２のＹ）。

制御部３０は、ＡＮＤ回路７０にパワーＭＯＳＦＥＴの制御信号としてローレベル信号を出力して、パワーＭＯＳＦＥＴをオフする（Ｓ３３）。これにより、太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３から直並列切替部２０への電力供給が遮断される。制御部３０は、ＡＮＤ回路７０の出力信号を検出する（Ｓ３４）。これにより、パワーＭＯＳＦＥＴがオフされたか否かを確認できる。制御部３０はＡＮＤ回路７０の出力信号が正常であるか否か判定する（Ｓ３５）。正常でない場合（Ｓ３５のＮ）、ユーザに制御信号ラインの異常を通知する（Ｓ４４）。正常な場合（Ｓ３５のＹ）、ステップＳ３６に遷移する。

電圧監視部５０は、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３からの配線が接続される複数の入力端子のそれぞれから抵抗分割により得られるそれぞれのノード電圧を監視し、太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の出力を検出する（Ｓ３６）。電圧監視部５０は上述の複数のノード電圧のうち、一つでも異常がある場合、異常を示す信号を制御部３０に出力し、すべてが正常な場合、正常を示す信号を制御部３０に出力する。

制御部３０は、電圧監視部５０からの信号が正常を示す信号であるか否か判定する（Ｓ３７）。正常でない場合（Ｓ３７のＮ）、ユーザに太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の出力電力の異常を通知する（Ｓ４４）。正常な場合（Ｓ３７のＹ）、ステップＳ３８に遷移する。

温度監視部６０は、複数のパワーＭＯＳＦＥＴにそれぞれ接続されたサーモスタットからの信号を受け、一つでも異常高温を示す信号がある場合、異常を示す信号を制御部３０に出力し、すべての信号が正常温度を示す信号である場合、正常を示す信号を制御部３０に出力する（Ｓ３８）。

制御部３０は、温度監視部６０からの信号が正常を示す信号であるか否か判定する（Ｓ３９）。正常でない場合（Ｓ３９のＮ）、ユーザにパワーＭＯＳＦＥＴの異常を通知する（Ｓ４４）。正常な場合（Ｓ３９のＹ）、制御部３０は、直並列切替部２０のリレーのコイルの通電状態を制御することにより、リレーの接続状態を切り替える（Ｓ４０）。

制御部３０は、直並列切替部２０の状態検知用のリレーからの信号を受け、複数の接続先切替用のリレーの接続状態を検知する（Ｓ４１）。制御部３０は、当該信号が正常であるか否か判定する（Ｓ４２）。正常でない場合（Ｓ４２のＮ）、ユーザに直並列切替部２０（その制御信号ラインを含む）の異常を通知する（Ｓ４４）。正常な場合（Ｓ４２のＹ）、制御部３０は、ＡＮＤ回路７０にパワーＭＯＳＦＥＴの制御信号としてハイレベル信号を出力して、パワーＭＯＳＦＥＴをオンする（Ｓ４３）。これにより、太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３から直並列切替部２０への電力供給が再開される。

その後、図示しないがステップＳ３４と同様に、制御部３０は、ＡＮＤ回路７０の出力信号を検出して、パワーＭＯＳＦＥＴがオンされたか否かを確認する。そして、蓄電池管理部１３０からの切替信号を待つ待機状態に移行する。以上の動作シーケンスを実行することにより、直並列切替装置１００の直並列切替を安全に実行できる。

以上説明したように本実施の形態によれば、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３により発電された電力の出力先が切り替わるシステムにおいて、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３を直列接続するか並列接続するか切替可能な直並列切替装置１００を設けることにより、出力先に応じた電圧および電流に、簡素な構成で調整できる。この直並列切替装置１００は、太陽光発電システムの接続箱の機能も果たし、太陽光発電システムの回路規模の増大を抑制できる。また、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３と蓄電池１１０との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータを設けない構成が可能となり、この場合、蓄電システム５００を簡素化、低コスト化できる。

直並列切替部２０を切替接点型のメカリレーを用いて構成することにより、スイッチング素子の数を最低限に抑えることができる。また、複数のリレー間でコイルを共通化することにより、回路規模の簡素化、低コスト化を図ることができる。また、状態検知用のリレーを設けることにより、直接的に接続先切替用のリレーの状態を検知でき、高精度な状態検知が可能である。

また、直並列切替部２０の前段に複数のスイッチ１１、１２、１３を設けることにより、直並列切替装置１００の信頼性をより高めることができる。具体的には、直並列切替部２０の直並列切替を、複数のスイッチ１１、１２、１３がオフされて電力が遮断された状態で行うことにより、より安全な切り替えが可能である。また、複数の太陽電池モジュール２０１、２０２、２０３の配線が接続される入力端子の電圧、およびパワーＭＯＳＦＥＴの温度を監視し、異常な場合、パワーＭＯＳＦＥＴをオンしないことにより、より安全性を高めることができる。また、制御部３０の各種信号入出力ラインに、フォトカプラを挿入して絶縁することにより、制御部３０、パワーＭＯＳＦＥＴおよび直並列切替部２０の安全性をより高めることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、自然エネルギーをもとに発電する複数の直流電源として複数の太陽電池モジュールを用いる例を挙げた。この点、当該複数の直流電源として複数の風力発電機を用いてもよい。また、必ずしも自然エネルギーをもとに発電する複数の電源に限定されず、化石燃料をもとに発電する複数の電源を用いてもよい。

また、制御部３０は、複数のスイッチ１１、１２、１３がオンする数を調整することにより、直並列切替部２０の出力電圧または出力電流を調整してもよい。たとえば、発電機の出力電力が所定の閾値を超えた場合、複数のスイッチ１１、１２、１３がオンする数を減らすことにより、直並列切替部２０に供給される電力を低下させることができる。

１００ 直並列切替装置、 １１，１２，１３ スイッチ、 ２０ 直並列切替部、 ＲＬ１ 第１リレー部、 ＲＬ２ 第２リレー部、 ＲＣ１− 第１リレー接点、 ＲＣ２＋ 第２リレー接点、 ＲＣ１＋ 第３リレー接点、 ＲＣｓ１ 第４リレー接点、 ＲＣ２− 第５リレー接点、 ＲＣ３＋ 第６リレー接点、 ＲＣ３− 第７リレー接点、 ＲＣｓ１ 第８リレー接点、 Ｌ１ 第１コイル、 Ｌ２ 第２コイル、 Ｄ７ 第７ダイオード、 Ｄ８ 第８ダイオード、 ＳＷｄ 駆動スイッチ、 ３０ 制御部、 ４１，４２，４３ 温度検出部、 ５０ 電圧監視部、 ６０ 温度監視部、 ７０ ＡＮＤ回路、 Ｒ１ 第１抵抗、 Ｒ２ 第２抵抗、 Ｒ３ 第３抵抗、 Ｒ４ 第４抵抗、 Ｒ５ 第５抵抗、 Ｒ６ 第６抵抗、 Ｄ１ 第１発光ダイオード、 Ｄ２ 第２発光ダイオード、 Ｄ３ 第３発光ダイオード、 Ｄ４ 第４発光ダイオード、 Ｄ５ 第５発光ダイオード、 Ｄ６ 第６発光ダイオード、 １１０ 蓄電池、 １２０ 充放電回路、 １３０ 蓄電池管理部、 ２０１，２０２，２０３ 太陽電池モジュール、 ２１０ パワーコンディショナ、 ２２０ 双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ、 ３００ 系統、 ４００ 負荷、 ５００ 蓄電システム。

Claims (4)

1. 発電する複数の直流電源の複数の出力系統を、前記複数の直流電源が直列接続されるよう単一の出力系統に統合してパワーコンディショナに接続するか、前記複数の直流電源が並列接続されるよう単一の出力系統に統合して蓄電池に接続するかを切り替える切替部と、
   前記切替部を制御する制御部と、を備え、
   前記切替部は、
   前記複数の出力系統にそれぞれ対応する接続先切替用の複数のリレーと、
   前記接続先切替用の複数のリレーの接続状態を検知するための状態検知用のリレーと、を有し、
   前記接続先切替用の複数のリレーのそれぞれは、前記パワーコンディショナに接続するための接点と、前記蓄電池に接続するための接点を含み、
   前記状態検知用のリレーは、前記制御部に第１固定電圧を供給するための接点と、前記制御部に第２固定電圧を供給するための接点とを含み、
   前記接続先切替用の複数のリレーおよび前記状態検知用のリレーは、共通のコイルにより駆動され、
   前記制御部は、前記第１固定電圧を受けるか前記第２固定電圧を受けるかにより、前記接続状態を検知することを特徴とする切替装置。
2. 前記複数の直流電源の複数の出力系統にそれぞれ挿入され、前記切替部を保護するための複数のスイッチをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の切替装置。
3. 前記複数の直流電源は、複数の太陽電池モジュールであることを特徴とする請求項１または２に記載の切替装置。
4. 蓄電池と、
   前記蓄電池を充放電制御する充放電回路と、
   前記充放電回路に接続される請求項１から３のいずれかに記載の切替装置と、
   前記蓄電池および前記充放電回路を管理する蓄電池管理部と、
   を備えることを特徴とする蓄電システム。

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