JP2015197946A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の鉛蓄電池の充電状態を考慮しながら、非放電期間中における抵抗放電を制御することにより、複数の鉛蓄電池の寿命を延ばすことができる蓄電システムを提供する。
【解決手段】自然エネルギを利用して発電する発電装置（太陽電池）３と、発電装置が発電した電気を充電装置７を介して複数の鉛蓄電池１３に蓄電する蓄電装置９と、非放電期間を含む放電モードに従って負荷に電力を供給する放電装置１１と、非放電期間において、複数の鉛蓄電池１３のそれぞれの閉回路電圧を測定する電圧測定装置１９と、放電抵抗接続回路２１とを備えてなる。放電抵抗接続回路２１は、非放電期間内で、充電装置７により複数の鉛蓄電池１３が充電されていない非充電期間において、閉回路電圧が第１の基準電圧以上ある鉛蓄電池１３に対して放電抵抗１７をそれぞれ接続し、閉回路電圧が第２の基準電圧以下になった鉛蓄電池１３から放電抵抗１７を切り離す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉛蓄電池を使用して充放電を行う蓄電システムに関するものである。

鉛蓄電池は、その信頼性の高さから、現在でも様々な用途に用いられており、負荷に対して充放電を行う蓄電システムの蓄電装置にも用いられている。しかしながら、鉛蓄電池は、満充電に満たない状態で放置されると、性能が低下し、設計寿命よりも寿命が短くなってしまうという問題がある。より詳細に述べると、放電によって電解液中の硫酸が消費されると電解液比重が低下し、金属鉛の溶解度が上昇する。このような状態で長期放置されると正極の鉛格子体が腐食する。腐食の進行にともない、鉛格子体の導電性が低下して内部抵抗値が上昇したり、鉛格子体の膨張応力により鉛格子体と活物質の間に剥離が生じて電池容量が低下して鉛蓄電池の短寿命化につながる。また、完全に放電し切ると、負極板表面に硫酸鉛の硬い結晶が発生（サルフェーション）して十分な充放電が行えなくなる。

太陽電池に代表される自然エネルギを利用して発電する発電装置が発電した電気を充電する蓄電システムでは、発電時間や発電量が、日照時間等の自然条件に左右される。そのため、このような蓄電システムの蓄電池に鉛蓄電池を使用すると、鉛蓄電池が満充電に満たない状態で充放電が行われない放置期間が発生する、あるいは、完全に放電した状態になって鉛蓄電池が早期に劣化しやすい。

そこで、充放電を行わない放置期間を生じさせないように工夫することが考えられる。例えば、特開２００２−２０８４４４号公報（特許文献１）に記載の発明では、負荷への放電が終了した後の放置期間中に放電時の電流よりも小さい電流で弱放電を行うことで、継続的に放電を行い、放置期間を生じさせないようにしている。

特開２００２−２０８４４４号公報

しかしながら、特開２００２−２０８４４４号公報（特許文献１）に記載の発明は、自然エネルギを利用した蓄電システムではない。そのため、発電条件が整わず、長期間、充電が再開されないような事態を想定していない。自然エネルギを利用して発電を行い、複数の鉛蓄電池に蓄電する蓄電システムにおいて、特開２００２−２０８４４４号公報（特許文献１）に記載の放電方法を用いると、複数の鉛蓄電池の充電状態にバラツキが生じているときでも、これを考慮した充電制御を行わないので、負荷が必要とする電力を供給できなくなるまで放電し過ぎてしまったり、過放電になるまで放電をしてしまい、かえって鉛蓄電池の寿命を短くしてしまう場合がある。

本発明の目的は、自然エネルギを利用した蓄電システムにおいて、複数の鉛蓄電池の充電状態を考慮しながら、非放電期間中における抵抗放電を制御することにより、複数の鉛蓄電池の寿命を延ばすことができる蓄電システムを提供することにある。

本発明の蓄電システムは、自然エネルギを利用して発電する発電装置と、発電装置が発電した電気を充電装置を介して複数の鉛蓄電池に蓄電する蓄電装置と、非放電期間を含む放電モードに従って負荷に電力を供給する放電装置と、非放電期間において、複数の鉛蓄電池のそれぞれの閉回路電圧を測定する電圧測定装置と、放電抵抗接続回路とを備えてなる。放電抵抗接続回路は、非放電期間内で、充電装置により複数の鉛蓄電池が充電されていない非充電期間において、閉回路電圧が予め定めた第１の基準電圧以上ある鉛蓄電池に対して０．１ｍＣＡ以下の維持電流に相当する内部インピーダンスを持つ放電抵抗をそれぞれ接続し、閉回路電圧が第１の基準電圧よりも低い第２の基準電圧以下になった鉛蓄電池から放電抵抗を切り離すように構成されている。

このように構成することにより、自然エネルギを利用した蓄電システムにおいて、複数の鉛蓄電池の充電状態を考慮して、放電抵抗を用いた放電を実施することができる。すなわち、複数の鉛蓄電池の閉回路電圧を電圧測定装置によりそれぞれ測定することにより、放電抵抗を接続することが好ましい鉛蓄電池であるか否かの判定を行った上で、放電抵抗を利用した弱放電を実施する。具体的には、複数の鉛蓄電池の中で、充放電が行われていない期間において、まず、閉回路電圧が第１の基準電圧以上の鉛蓄電池のみ弱放電を開始させ、すでに閉回路電圧が第１の基準電圧を下回っている鉛蓄電池については、弱放電をしないことで、弱放電が可能な鉛蓄電池だけを放電することにより、放電し過ぎを防止することができる。その上で、弱放電を開始した鉛蓄電池についても、第２の基準電圧以下になると、弱放電を止めることで放電し過ぎを防止することができる。そのため、発電時間や発電量が不安定になる可能性のある自然エネルギを利用した発電装置を用いて充電される複数の鉛蓄電池の寿命の低下を有効に抑制することができる。

第１及び第２の基準電圧の定め方は種々考えられるが、例えば、第１の基準電圧は、鉛蓄電池がＤＯＤ３０％まで放電されたときの閉回路電圧に相当する電圧として、第２の基準電圧は、鉛蓄電池がＤＯＤ６０％まで放電されたときの閉回路電圧に相当する電圧とすることができる。ここで、ＤＯＤとは、Depth of Discharge（放電深度）のことであり、充電容量に対する放電容量の割合である。より具体的には、第１の基準電圧は、鉛蓄電池のセル電圧が２．０８Ｖであるときの閉回路電圧に相当する電圧として、第２の基準電圧は、鉛蓄電池のセル電圧が２．００Ｖであるときの閉回路電圧に相当する電圧とすることができる。このように第１及び第２の基準電圧を定めれば、効果的に蓄電装置の放電し過ぎを防止することができる。

自然エネルギは、季節や天候によっても発電時間や発電量が変動する。そのため、放電モードは、非放電期間が、季節または天候により変わるように構成されていてもよい。このようにすると自然エネルギの利用可能状況を考慮した充電と弱放電制御とを行うことができる。

本実施の形態の蓄電システムのブロック図である。 本実施の形態の蓄電システムの放電抵抗接続回路の制御を示すフローチャート図である。

以下、図面を参照して、本発明の蓄電システムの実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態のブロック図であり、図２は、本実施の形態の蓄電システムの放電抵抗接続回路の制御を示すフローチャート図である。

図１に示すように、蓄電システム１は、主に、太陽光を受けて発電する太陽電池３と、太陽電池３が発電する直流電力を交流電力に変換する電力変換装置５と、充電装置７と、蓄電装置９と、放電装置１１とから構成されている。蓄電装置９は、複数の鉛蓄電池１３を備えており、太陽電池３が発電した電力は、電力変換装置５及び充電装置７を介して、複数の鉛蓄電池１３に蓄えられるように構成されている。電力変換装置５から出力される交流電力は、充電装置７内で電圧調整された後、充電装置７内の整流回路で直流電圧に変換されて、複数の鉛蓄電池１３の充電に利用される。

本実施の形態で用いる鉛蓄電池１３は、セル電圧が２Ｖのセルを、６セル直列接続にした公称電圧１２Ｖの鉛蓄電池である。なお本願明細書においては、このような鉛蓄電池を複数個組み合わせて構成される組電池も、「鉛蓄電池」の概念に含まれるものである。鉛蓄電池１３のそれぞれには、後述の弱放電を行うため、スイッチ１５を介して接続された放電抵抗１７と、鉛蓄電池１３の閉回路電圧を測定する電圧測定装置１９と、スイッチ１５のオン・オフを制御する放電抵抗接続回路２１とが接続されている。本実施の形態では、１つの鉛蓄電池１３、スイッチ１５，放電抵抗１７，電圧測定装置１９及び放電抵抗接続回路２１により、鉛蓄電池ユニット２３が構成されている。

なお、図１では、鉛蓄電池ユニット２３を１つのみ詳細に図示しているが、鉛蓄電池ユニット２３が複数並列接続されて、全体として蓄電装置９が構成されている。

蓄電装置９に蓄えられた直流電力は、放電装置１１を介して負荷２５に給電される。本実施の形態の蓄電システム１は、商用の電力系統と連系していない独立電源である。放電装置は、負荷が交流電気機器の場合には、蓄電装置９に蓄電された直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する。負荷２５としては、商用電源が接続されていない街灯等や、電気のインフラが整っていない地域における電気設備等が想定されている。負荷２５の稼働時間等に応じて、放電装置１１は、非放電期間を含む放電モードに従って負荷２５への放電を制御する。季節または天候により、日照時間や、季節によって負荷の需要が変化するため、放電モードは、季節または天候により非放電期間を変えるように構成されている。

放電抵抗１７は、スイッチ１５がオンになって鉛蓄電池１３に接続された場合に、０．１ｍＣＡ以下の維持電流に相当する内部インピーダンスを持つ放電抵抗である。放電抵抗１７の抵抗値は、Ｒ＝Ｖ／Ｉの式から求められる。ただし、Ｖは、鉛蓄電池１３の電圧値（Vpc〔１セル当たりの電圧値〕×n〔セル数〕）、Ｉは、維持電流（０．１ｍＣＡ）であり、本実施の形態では、１２０ｋΩの抵抗を放電抵抗１７として用いている。

放電抵抗接続回路２１は、充電装置７及び放電装置１１の稼働状態を示す信号を充電装置７及び放電装置１１から受信し、複数の鉛蓄電池１３の充放電が行われていない放置期間、すなわち、放電装置１１が非放電期間内において、充電装置７により複数の鉛蓄電池１３が充電されていない非充電期間が確認された場合に、電圧測定装置１９で測定した閉回路電圧が予め定めた第１の基準電圧以上ある鉛蓄電池１３に対して放電抵抗１７を接続して弱放電を行う。そして放電抵抗接続回路２１は、閉回路電圧が第１の基準電圧よりも低い予め定めた第２の基準電圧以下になった鉛蓄電池１３から放電抵抗１７を切り離すように構成されている。

第１の基準電圧は、鉛蓄電池１７がＤＯＤ３０％まで放電されたときの閉回路電圧に相当する電圧であり、第２の基準電圧は、鉛蓄電池がＤＯＤ６０％まで放電されたときの閉回路電圧に相当する電圧である。ここで、ＤＯＤとは、Depth of Discharge（放電深度）のことであり、充電容量に対する放電容量の割合である（例えばＤＯＤ６０％であれば、満充電状態から６０％放電した状態のことを意味する）。より具体的には、第１の基準電圧は、鉛蓄電池のセル電圧が２．０８Ｖであるときの閉回路電圧に相当する電圧であり、第２の基準電圧は、鉛蓄電池のセル電圧が２．００Ｖであるときの閉回路電圧である。したがって、本実施の形態では、第１の基準電圧は、２．０８Ｖ×６＝１２．４８Ｖであり、第２基準電圧は、２．００Ｖ×６＝１２．００Ｖに設定している。

なお第１の基準電圧及び第２の基準電圧の上記基準は、汎用的な基準であるが、第１の基準電圧及び第２の基準電圧を鉛蓄電池の特性に応じてより適正な値にすることは、許容されることである。

次に、図２のフローチャートを用いて、本実施の形態の蓄電システム１の放電抵抗接続回路の制御の流れを説明する。放電抵抗接続回路２１のそれぞれは、充電装置７及び放電装置１１の稼働状態を示す信号に基づき、定期的に、放電装置１１が非放電期間にあるか（ステップＳＴ１）、及び、充電装置７から充電が行われているか（ステップＳＴ２）を確認し、鉛蓄電池１３が充電も放電もされていない放置期間に入っていないかの監視を行っている。放置期間に入ったことが確認できた場合、放電抵抗接続回路２１は、電圧測定装置１９から鉛蓄電池１３の閉回路電圧の測定結果を取得し、閉回路電圧が第１の基準電圧（１２．４８Ｖ）以上であるか否かを確認する（ステップＳＴ３）。鉛蓄電池１３の閉回路電圧が第１の基準電圧以上であることが確認できた場合には、その鉛蓄電池１３に接続されたスイッチ１５をオンにして、放電抵抗１７を接続する（ステップＳＴ４）。このことにより、放電抵抗を接続することが好ましい鉛蓄電池であるか否かの判定を行った上で、弱放電が可能な鉛蓄電池についてのみ放電抵抗１７を利用した弱放電を実施することができる。

放電抵抗１７が接続されて弱放電が行われている期間において、充電装置７からの充電または放電装置１１による放電が開始された場合には、放電抵抗１７による弱放電は不要になる。そのため、弱放電期間中は、定期的に放電装置１１が非放電期間にあるか（ステップＳＴ５）、充電装置７から充電が開始されていないか（ステップＳＴ６）の監視を行う。充電または放電のいずれかが開始された場合には、スイッチ１５をオフにして放電抵抗１７を切り離す（ステップＳＴ８）。鉛蓄電池１３の充放電が開始されない間は、放電抵抗接続回路２１は、電圧測定装置１９から鉛蓄電池１３の閉回路電圧の測定結果を取得し、鉛蓄電池１３が放電し過ぎて、閉回路電圧が第２の基準電圧（１２．００Ｖ）以下にならないように監視を行う（ステップＳＴ７）。閉回路電圧が第２の基準電圧以下になった鉛蓄電池１３については、スイッチ１５をオフにして放電抵抗１７を切り離す（ステップＳＴ８）。このようにして、弱放電を開始した鉛蓄電池についても、弱放電を止めることで放電し過ぎを防止することができる。本実施の形態の放電抵抗接続回路２１のそれぞれは、上記ステップＳＴ１〜ステップＳＴ８を繰り返すように設定されている。

上記実施の形態は、一例として記載したものであり、その要旨を逸脱しない限り、本実施例に限定されるものではない。例えば、本実施の形態では、発電装置として、太陽電池を用いた例を示したが、風力発電用風車等のその他の自然エネルギを利用した発電装置を用いてよいのはもちろんである。また、本実施の形態では、鉛蓄電池ユニットそれぞれに放電抵抗接続回路を備えるようにしているが、１つの放電抵抗接続回路で複数の鉛蓄電池に接続された複数の放電抵抗の接続・切り離しを制御するように構成してもよいのはもちろんである。

本発明によれば、自然エネルギを利用した蓄電システムにおいて、鉛蓄電池が充電も放電もされていない放置期間に、複数の鉛蓄電池の充電状態を考慮して、放電抵抗を用いた弱放電を実施することができる。そのため、発電時間や発電量が不安定になる可能性のある自然エネルギを利用した発電装置を用いて充電される複数の鉛蓄電池の寿命の低下を有効に抑制することができる。

１ 蓄電システム
３ 太陽電池
５ 電力変換装置
７ 充電装置
９ 蓄電装置
１１ 放電装置
１３ 鉛蓄電池
１５ スイッチ
１７ 放電抵抗
１９ 電圧測定装置
２１ 放電抵抗接続回路
２３ 鉛蓄電池ユニット
２５ 負荷

Claims (4)

1. 自然エネルギを利用して発電する発電装置と、
   前記発電装置が発電した電気を充電装置を介して複数の鉛蓄電池に蓄電する蓄電装置と、
   非放電期間を含む放電モードに従って負荷に電力を供給する放電装置と、
   前記非放電期間において、前記複数の鉛蓄電池のそれぞれの閉回路電圧を測定する電圧測定装置と、
   前記非放電期間内で、前記充電装置により前記複数の鉛蓄電池が充電されていない非充電期間において、前記閉回路電圧が予め定めた第１の基準電圧以上ある前記鉛蓄電池に対して０．１ｍＣＡ以下の維持電流に相当する内部インピーダンスを持つ放電抵抗をそれぞれ接続し、前記閉回路電圧が前記第１の基準電圧よりも低い第２の基準電圧以下になった前記鉛蓄電池から前記放電抵抗を切り離すように構成された放電抵抗接続回路とを備えてなる蓄電システム。
2. 前記第１の基準電圧が、前記鉛蓄電池がＤＯＤ３０％まで放電されたときの前記閉回路電圧に相当する電圧であり、前記第２の基準電圧が、前記鉛蓄電池がＤＯＤ６０％まで放電されたときの前記閉回路電圧に相当する電圧である請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記第１の基準電圧が、前記鉛蓄電池のセル電圧が２．０８Ｖであるときの前記閉回路電圧に相当する電圧であり、前記第２の基準電圧が前記鉛蓄電池のセル電圧が２．００Ｖであるときの前記閉回路電圧に相当する電圧である請求項１に記載の蓄電システム。
4. 前記放電モードは、前記非放電期間が、季節または天候により変わるように構成されている請求項１，２または３に記載の蓄電システム。

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