JP2016059229A - 給電制御装置、電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置が用いている蓄電池の電池残量を精度よく推定し、かつ電源装置から電気負荷へ給電する期間を比較的長くする。
【解決手段】電源装置２０は、ソーラパネル２１と鉛蓄電池である蓄電池２３とを備えている。給電制御装置１０は、電源装置２０と電気負荷３０との間の電路に一対一に設けられた複数個の開閉器３３を備える。さらに、給電制御装置１０は、制御部１１と通信部１４とを備える。通信部１４は、電源装置２０と通信しソーラパネル２１の発電状態に関する情報と蓄電池２３の電池電圧に関する情報とを受け取る。制御部１１は、蓄電池２３が満充電に達した後、ソーラパネル２１が発電した電力に余剰の電力が生じている期間を、電気負荷３０に電力を供給する給電可能期間Ｔ１として特定の開閉器３３をオンにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置と蓄電池とを備える電源装置から電気負荷への電力供給を制御する給電制御装置、および電源装置と給電制御装置とを組み合わせた電力供給装置に関する。

従来、発電装置と蓄電池とを備える電源装置が提供されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された電源装置（独立電源システム）は、ソーラパネル（太陽電池モジュール）と、太陽電池モジュールから出力される直流電圧を蓄積する蓄電池とを備える。この独立電源システムは、昼間には主として太陽電池モジュールから蓄電池への充電を行い、夜間には主として蓄電池の放電を行う。

特許文献１に記載された電源装置のように蓄電池を備える電源装置は、出力可能な電力には制限があり、電気負荷が消費する電力が増加すると、電気負荷が要求する電力を充足できない可能性がある。仮に、電源装置から供給可能である電力よりも電気負荷が要求する電力のほうが大きくなると、電気負荷に電力を供給することができなくなる。

ここで、電源装置から複数の電気負荷に電力を供給する場合に、電源装置が供給する電力では、すべての電気負荷が要求する電力を充足することができない場合でも、一部の電気負荷が要求する電力は充足できる場合がある。そのため、電源装置から電気負荷への電力の供給を条件に応じて制御する技術が知られている。すなわち、電源装置から電気負荷に供給されている電力を監視することにより、電気負荷が要求する電力が電源装置から供給可能な電力を超えないように制御する技術が知られている。

特開２００５−１４３２１７号公報

ところで、蓄電池は、電池残量が適正に制御されていなければ、蓄電池の寿命が極端に短くなるなどの問題が生じることがある。その一方で、蓄電池を含む電源装置の電力を電気負荷で可能なかぎり利用することも要求される。蓄電池の寿命を管理し、かつ電気負荷で利用可能な電力量を増やすには、蓄電池の電池残量を正確に計測する必要がある。

しかしながら、蓄電池の電池残量を正確に計測することは難しく、多くの場合、蓄電池の電池電圧に基づいて電池残量が推定されているにすぎない。蓄電池の電池電圧は、電気負荷の消費電力の変動などにより変動するから、電池電圧に基づいて蓄電池の電池残量を推定しても、電池残量の推定精度は低く、蓄電池の寿命を延長し、電気負荷で利用可能な電力量を増加させる目的を達成することができない。

本発明は、電源装置が用いている蓄電池の電池残量を精度よく推定し、かつ電源装置から電気負荷へ給電する期間を比較的長くすることが可能な給電制御装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、この給電制御装置を用いた電力供給装置を提供することを目的とする。

本発明に係る給電制御装置は、発電装置と蓄電池とを備える電源装置と前記電源装置から供給される電力が供給される複数の電気負荷との間の電路に一対一に設けられ、前記発電装置から前記電気負荷に給電するオンの状態と前記発電装置から前記電気負荷に給電しないオフの状態とが個別に選択される複数個の開閉器と、前記複数個の開閉器のオンとオフとを個別に制御する制御部と、前記電源装置と通信し前記発電装置の発電状態に関する情報と前記蓄電池の電池電圧に関する情報とを受け取る通信部とを備え、前記制御部は、前記蓄電池が満充電に達した後、前記発電装置が発電した電力に余剰の電力が生じている状態が維持されている期間を、前記電気負荷に電力を供給する給電可能期間として前記複数個の開閉器から選択される特定の開閉器をオンにすることを特徴とする。

本発明に係る電力供給装置は、ソーラパネルと蓄電池とを備える電源装置と、上述した給電制御装置とを備えることを特徴とする。

本発明の構成によれば、電源装置が用いている蓄電池の電池残量が精度よく推定できるようになり、しかも、電源装置から電気負荷へ給電する期間を比較的長くすることが可能になる。

実施形態の全体構成を示すブロック図である。 実施形態の動作説明図である。 図３Ａは実施形態の動作説明図、図３Ｂは比較例の動作説明図である。 図４Ａは実施形態の動作説明図、図４Ｂは比較例の動作説明図である。

以下に説明する電力供給装置は、発電装置と給電制御装置とを備える。給電制御装置は、電力を供給する電源装置と電力を消費する電気負荷との間の電路に設けられ、電源装置における電力の供給能力に応じて電気負荷への電力の供給期間を制御する。

電源装置は、独立型電源を想定している。独立型電源は、電気事業者が電力を供給するために敷設した電力系統に対して電気的に分離された電源を意味する。この種の電源装置は、電力系統であるグリッドから独立しているからオフグリッドと呼ばれることがある。この種の独立型電源は、電化が進んでいない辺境地あるいは島嶼のような地域であっても使用可能である。ただし、以下に説明する技術は、系統電源に連系する分散型電源であっても用いることが可能である。

また、以下に説明する実施形態において、電気負荷は、建物を単位としているが、建物内の部屋を単位としてもよく、また、個別の電気負荷を単位としてもよい。電気負荷の単位は、電源装置との間の電路が１台の開閉器で開閉される範囲を意味する。たとえば、１つの建物に配置された複数の電気機器に給電する電路が１台の開閉器で一括して開閉される場合には、建物に配置された複数の電気機器が電気負荷の１単位になる。建物は、住宅のほか、学校、病院などの公共施設であってもよい。

電源装置は、独立型電源であるから、発電装置を含んでいる。発電装置として、本実施形態は、ソーラパネル（太陽電池）を用いているが、風力あるいは水力のエネルギーを用いる発電装置、バイオマスのエネルギーを用いる発電装置を用いてもよい。また、液体燃料あるいは気体燃料を燃焼させる内燃機関を備えた発電装置を用いることも可能である。

電源装置は、発電装置が発電した電力を受けて、電気負荷に交流の電力を供給するために、充電装置と蓄電池と電力変換器とを備える。充電装置は、発電装置が発電した電力を用いて電圧を調節した直流を出力する。充電装置から出力される電力は、蓄電池と電力変換器とに供給される。電力変換器は、ＤＣ／ＡＣコンバータであって、直流電力を交流電力に変換し、この交流電力が電源装置の出力になる。

充電装置から蓄電池と電力変換器とに電力を供給するために、蓄電池は、充電装置と電力変換器とを接続する電路上に常時接続されている。したがって、発電装置が発電を行っている期間に、蓄電池はフロート充電が行われていることになる。この構成の電源装置において、発電装置の出力電圧の変動は充電装置により抑制され、電気負荷が要求する電力の変動は蓄電池により抑制される。充電装置は、発電装置が発電した電力を蓄電池に供給するだけではなく、蓄電池の電池電圧など蓄電池の充電の状態を把握するための情報を監視する機能を有する。

ところで、ソーラパネルのように、発電を任意のタイミングで停止させることができない発電装置を用いる場合、蓄電池が満充電状態であって、発電した電力が電気負荷で利用される電力を超えていると、電力に余剰が生じる。つまり、発電された電力が、蓄電池の充電に利用されず、かつ電気負荷で利用される電力を超えていると、発電された電力に余剰が生じる。電源装置は独立型電源であるから、このような余剰の電力は、利用されずに破棄される。

発電装置の構成および蓄電池の容量によるが、電源装置としては、数ｋＷｈ〜数百ｋＷｈ程度の容量、かつ数ｋＶＡ〜数十ｋＶＡ程度の出力を想定している。また、電源装置は、自動車などを用いて移動可能な程度のサイズのハウジングを備えることが望ましい。ハウジングは箱状であって、ハウジングのサイズは、たとえば、輸送用のコンテナと同程度であって、幅および高さが２〜３ｍ程度、長さが３〜１５ｍ程度の範囲に収まるように構成される。電源装置が、このようなハウジングを備えていれば、コンテナと同様の輸送手段を用いて設置現場まで電源装置を輸送し、設置現場で組み立てを行った後に、電気負荷との配線を敷設するだけで電源装置を利用することが可能になる。

なお、上述した数値は、実施形態を説明するための例としての数値であって、限定する趣旨ではない。また、本実施形態では、電源装置のハウジングが、ソーラパネルを搭載可能である構成を例示するが、ハウジングがソーラパネルを搭載可能であることは必須ではない。

以下、図面を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態の給電制御装置１０は、上述した電源装置２０と電気負荷３０との間の電路に設けられる。本実施形態では、電気負荷３０が複数設けられている場合を想定して説明するが、給電制御装置１０は、電気負荷３０が一つであっても利用することは可能である。

電源装置２０は、上述したように、ソーラパネル２１と充電装置２２と蓄電池２３と電力変換器２４とにより構成され、コンテナのような箱状のハウジング２に搭載される。電源装置２０と給電制御装置１０とにより電力供給装置１が構成され、ハウジング２は電力供給装置１の運搬および設置にも利用される。

ソーラパネル２１は、ハウジング２を利用して設置されるか、あるいは自立するように構成される。たとえば、ソーラパネル２１は、ハウジング２の屋根に取り付けた架台に載せることが可能である。また、ソーラパネル２１の一部をハウジング２の屋根で支持し、残りの部分を地面に建てた支柱で支持することも可能である。あるいはまた、ソーラパネルを地面に自立する架台に載せることも可能である。ソーラパネル２１の設置作業は、電源装置２０の輸送前と輸送後とのどちらで行ってもよいが、通常は、輸送後に設置現場で行われる。

ところで、本実施形態で用いる蓄電池２３は、鉛蓄電池を想定している。鉛蓄電池は、放電量（または電池残量）と電池電圧との関係がほぼ線形であって、放電量の管理が容易であり、また比較的安価であって入手も比較的容易であるという長所を有している。ただし、鉛蓄電池は、長期にわたって使用するために、過放電を防止し、放電後はただちに充電するように、充電および放電の管理を行う必要がある。なお、以下に説明する蓄電池２３は鉛蓄電池に限定されないが、蓄電池の種類に応じた制御内容の修正が必要である。

充電装置２２は、ソーラパネル２１の出力を安定化し、ほぼ一定の直流電圧を出力するように構成されている。充電装置２２の出力電圧は、蓄電池２３の仕様である推奨電圧と蓄電池２３の接続の態様とにより定められ、たとえば、１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖなどから選択される。また、充電装置２２は、蓄電池２３の電池電圧および充電電流を監視することによって、出力電圧の値および出力電流の値を制御する機能を有している。

鉛蓄電池は、電池電圧が上昇しすぎると過充電になる。そのため、本実施形態の充電装置２２は、第１の充電状態と第２の充電状態と第３の充電状態との３種類の充電状態を選択し、蓄電池２３の過充電を防止している。

第１の充電状態では、電池残量が少ない期間において採用され、充電装置２２は、比較的大きい充電電流で充電を行う。第１の充電状態で充電が進み、蓄電池２３の電池電圧が設定された電圧値に達すると、充電装置２２は、第２の充電状態に移行する。

第２の充電状態に移行させる電圧値は、蓄電池２３がほぼ満充電に達したことを判定するように設定されている。第２の充電状態では、充電装置２２は、充電電流を断続的に流すことによって、電池電圧を設定された電圧値に維持しながら充電を継続し、満充電に近づくように蓄電池２３の充電を継続する。第２の充電状態では、蓄電池２３の電池電圧が設定された電圧値に維持されているから、蓄電池２３の過充電が避けられる。

第２の充電状態では、電池電圧は設定された電圧値に維持されるから、第２の充電状態を維持する期間は、時間を用いて定められる。たとえば、第２の充電状態は２〜３時間程度維持される。第２の充電状態を維持する期間が終了すると、充電装置２２は、第３の充電状態に以降する。

第３の充電状態では、充電装置２２は、出力電圧を、第２の充電状態において維持されている電圧よりも低い電圧値に設定する。本実施形態において、第３の充電状態は、フロート充電を行う状態であり、出力電圧をフロート充電を行うために設定された電圧値まで引き下げる。これは、蓄電池２３が満充電になった状態でさらに充電を継続すると、蓄電池２３が過充電になるからである。したがって、第３の充電状態において設定される電圧値は、蓄電池２３の過充電を防止する程度に設定される。

第１の充電状態では、ソーラパネル２１が発電した電力はほぼすべて蓄電池２３の充電に用いられる。つまり、第１の充電状態ではソーラパネル２１が発電した最大限の電力が蓄電池２３の充電に利用される。ただし、第１の充電状態の期間であっても、電池残量が所定の下限値以上であれば、電気負荷３０に対する電力の供給は可能である。

上述した充電装置２２の動作例を図２に示す。図２において、蓄電池２３の第１の充電状態（ソーラパネル２１が発電した電力をすべて蓄電池２３の充電に利用する充電）を行っている期間において、時刻ｔ１に電池電圧が適宜に設定された閾値Ｖｔ１に達したとする。図示例において、閾値Ｖｔ１は、第２の充電状態において維持する電圧値と第３の充電状態において維持する電圧値との間に設定されている。

上述したように、鉛蓄電池は電池電圧と電池残量との関係がほぼ線形であるから、閾値Ｖｔ１を適切に設定すれば、電池電圧が所定の閾値Ｖｔ１以上である期間を、満充電とみなすことが可能である。

ただし、実際には、電池電圧が閾値Ｖｔ１を超えただけでは、完全に満充電に達したとは言えない。図示例では、充電装置２２は、閾値Ｖｔ１よりやや高く設定した設定値（第２の充電状態において維持する電圧値）に電池電圧が達した時刻ｔ２において、蓄電池２３がほぼ満充電に到達したと判断している。すなわち、充電装置２２は、時刻ｔ２において第１の充電状態から第２の充電状態に移行する。第１の充電状態と第２の充電状態とを切り替える電圧値は、蓄電池２３の仕様などに応じて適宜に設定される。図２に示す動作例では、閾値Ｖｔ１が第２の充電状態において維持する電圧値よりも低く設定されているが、閾値Ｖｔ１は第２の充電状態において維持するように設定された電圧値とすることが可能である。

ところで、充電装置２２の出力電圧を第２の充電状態における設定値に維持して蓄電池２３の充電を継続し、満充電に達した後にも充電を継続すると、蓄電池２３が過充電になって過熱する。蓄電池２３が過充電になると、蓄電池２３の劣化が促進され、結果的に蓄電池２３の寿命が短くなるという問題が生じる。そのため、充電装置２２は、蓄電池２３の過充電を防止するために、出力電圧を、第２の充電状態の設定値よりも低い第３の充電状態の設定値に引き下げるように構成されている。図示例では、時刻ｔ４において充電装置２２の出力電圧が第３の充電状態の設定値に引き下げられている。充電装置２２が第２の充電状態から第３の充電状態に移行する時刻ｔ４は、上述のように、時刻ｔ２から一定時間後としてもよいが、蓄電池２３の温度を監視する温度センサの出力に基づいて定めてもよい。

時刻ｔ４において蓄電池２３は満充電であるから、時刻ｔ４以降には、ソーラパネル２１が発電した電力が電気負荷３０が要求する電力より多ければ、ソーラパネル２１が発電した電力の少なくとも一部は、余剰の電力として破棄される。また、時刻ｔ４以降には、ソーラパネル２１が発電する電力では電気負荷３０が必要とする電力が充足されない場合は、蓄電池２３から不足分の電力が補われる。このような関係の場合は、余剰の電力は生じない。

蓄電池２３が放電することにより、蓄電池２３の電池電圧が第３の充電状態における設定電圧よりも低下し、この状態が所定時間継続すると（時刻ｔ５）、充電装置２２は、第３の充電状態から第１の充電状態に移行する。なお、充電装置２２は、充電状態を切り替えるタイミングを定めるために、蓄電池２３の電池電圧だけではなく、蓄電池２３の充電電流および放電電流の値を併用してもよい。ここではソーラパネル２１が発電している状態を想定しているが、夜間のようにソーラパネル２１が発電していなければ、電源装置２０から出力される電力は蓄電池２３のエネルギーのみを用いて生成される。

ソーラパネル２１が発電した電力に余剰が生じているか否かは、充電装置２２が、ソーラパネル２１の出力電流および出力電圧の値と、蓄電池２３への充電電流の値と、電気負荷３０に供給している電流の値とを用いて判断する。つまり、充電装置２２は、ソーラパネル２１が発電した電力のうち破棄されている電力が生じていると、余剰があると判断する。充電装置２２の判断結果は、電源情報として電源装置２０の外部に取り出すことが可能になっている。電源情報は、ソーラパネル２１が発電しているか否かの情報、および蓄電池２３の電池電圧の値も含む。そのため、充電装置２２は、電源装置２０において適宜に配置された電流センサ２５などの出力を監視し、電源情報を生成して出力する機能を有している。なお、図１に示す電流センサ２５は充電電流および放電電流を計測するために設けられているが、他にもセンサが適宜に配置される。

電力変換器２４は、充電装置２２または蓄電池２３から直流電力を受けて交流電力を出力する。電力変換器２４から出力される交流電圧の実効値は、たとえば、１００Ｖあるいは２２０Ｖなどに設定される。充電装置２２および電力変換器２４は、基本的には、スイッチング電源として構成される。

ところで、図１に示す構成例では、複数の電気負荷３０が設けられ、電源装置２０からそれぞれの電気負荷３０に給電する電路は複数系統に分岐している。以下、電気負荷３０ごとに電力を供給する電路を負荷電路３１と呼ぶ。給電制御装置１０は、電源装置２０に接続される主電路３２を、複数系統の負荷電路３１に分岐させ、負荷電路３１ごとに挿入された複数個の開閉器３３を備える。すなわち、開閉器３３は負荷電路３１に一対一に設けられる。また、一つの負荷電路３１に複数の電気負荷３０が接続されている場合も、一つの電気負荷３０として扱う。開閉器３３のオンとオフとは、開閉器３３ごとに個別に制御される。したがって、開閉器３３がオンである負荷電路３１に接続された電気負荷３０のみが電源装置２０からの電力を受電する。

開閉器３３は、たとえば、電磁継電器、電磁接触器、リモコンブレーカなどから選択される。ここでは、電磁継電器は、アマチュアを備える電磁石装置を用いて接点を駆動する開閉器を意味し、電磁接触器は、直進移動するアクチュエータを備えた電磁石装置を用いて接点を駆動する開閉器を意味する。また、リモコンブレーカは、接点のオンとオフとを遠隔で操作できるブレーカを意味する。なお、開閉器３３は、１次側への指示に応じて２次側の電路を導通または遮断できる構成であればよく、機械式の接点を備える構成に限らず、半導体スイッチを用いた開閉器であってもよい。なお、開閉器３３のオンとオフは、開閉器３３の１次側へのオンまたはオフの指示に応じて、２次側の電路を導通または遮断するという意味で用いている。

開閉器３３のオンとオフとは、給電制御装置１０に設けられた制御部１１から指示される。なお、図１において、実線は電力の経路を表し、破線は情報の経路を表す。制御部１１は、電源装置２０から電気負荷３０に流れる電流と、電源装置２０から出力される電源情報とを用いて、個々の開閉器３３のオンとオフとを決定する。後述するように、制御部１１は、開閉器３３のオンとオフとの決定に、記憶部１２が記憶している補正値を併せて用いることが望ましい。

制御部１１は、開閉器３３のオンとオフとを指示する条件を、開閉器３３ごとに定めている。たとえば、開閉器３３に優先順位が設定され、電力を優先的に供給する電気負荷３０に対応した開閉器３３は、優先順位の低い電気負荷３０に対応する開閉器３３よりもオンになる期間が長くなるように条件が定められる。制御部１１が開閉器３３をオンの状態またはオフの状態にする条件は後述する。

電源装置２０から電気負荷３０に流れる電流は、主電路３２に配置された電流センサ３４で監視され、計測部１３が電流センサ３４の出力から電流値を求める。計測部１３は、電源装置２０の出力電圧も監視することが望ましい。電源情報は、充電装置２２と通信する通信部１４が取得する。電流センサ３４は、トロイダルコアのような環状コアに巻線を巻き付けた構成、平面状の空芯コイルであるロゴスキーコイル、ホール素子あるいは磁気抵抗素子のような磁気応動素子を磁気コアに取り付けた構成などから選択される。

給電制御装置１０は、負荷電路３１あるいは主電路３２の短絡、または電源装置２０に対する過負荷などに備えて、配線用遮断器（ブレーカ）を備えていてもよい。ブレーカとしては、主電路３２に挿入される主幹ブレーカと、負荷電路３１ごとに挿入される分岐ブレーカとがあればよい。また、リモコンブレーカを分岐ブレーカとして用いる場合には、分岐ブレーカを開閉器３３として兼用することが可能である。

本実施形態の制御部１１は、通信部１４を通して電源装置２０から電源情報を取得しており、電源装置２０が図２に示す時刻ｔ２において第２の充電状態に移行すると、原則としてすべての開閉器３３をオンにする。すなわち、時刻ｔ２において電力変換器２４の運転が開始されると、電源装置２０から電力が出力されるから、この電力を電気負荷３０に供給するために、開閉器３３をオンにする。電源装置２０の容量と電気負荷３０の消費電力との関係は、すべての開閉器３３をオンにすることができるように定められている。なお、特定の電気負荷３０に対応した開閉器３３は、蓄電池２３の電池電圧が後述する下限値Ｖｔ２以上であれば、オンにすることが可能である。

ところで、電源装置２０が給電する電力は変動する。そのため、制御部１１は、開閉器３３をオンにした後に、電気負荷３０に流れる電流値を計測部１３から受け取る。そして、制御部１１は、この電流値が電源装置２０の容量を超えないように、オンにする開閉器３３を優先順位に従って制限する。

たとえば、学校のような公共施設の照明、ファンのような電気負荷３０の優先順位は最上位に設定され、水汲み用のポンプのような電気負荷３０の優先順位は低く設定される。また、家庭用の照明のような電気負荷３０の優先順位は、公共施設の照明、ファンなどよりは低いが、比較的高くなるように設定される。

給電制御装置１０は、優先順位が低い電気負荷３０に対して、電源装置２０から供給可能な電力が大きいとき期間にのみ電力が供給されるように開閉器３３を制御する。また、給電制御装置１０は、優先順位が高い電気負荷３０に対しては、可能なかぎり長期間にわたって電力が供給されるように開閉器３３を制御する。

本実施形態では、開閉器３３が優先順位の低いほうの電気負荷３０に対応している場合に、制御部１１は、第２の充電状態の期間と、第３の充電状態において余剰の電力が生じている期間とに当該開閉器３３をオンにする。一方、開閉器３３が優先順位の高いほうの電気負荷３０に対応する場合に、制御部１１は、第２の充電状態および第３の充電状態の期間に加えて、第１の充電状態において蓄電池２３の電池電圧が基準値よりも高い期間に当該開閉器３３をオンにする。基準値は、電気負荷３０の優先順位に応じて適宜に定められ、基準値は個々の開閉器３３において異なっていてもよい。

要するに、優先順位が低いほうの電気負荷３０に対しては、蓄電池２３がほぼ満充電である期間にのみ給電される。また、優先順位が高いほうの電気負荷３０に対しては、電気負荷３０の優先順位に応じて、蓄電池２３の電池電圧に関する許容範囲が基準値によって定められる。

ここで、制御部１１は、通信部１４を通して電源情報を受け取っており、電源装置２０において、第２の充電状態で動作している期間、および第３の充電状態で余剰が生じて電力を破棄している期間を認識する。制御部１１は、蓄電池２３が満充電に近い状態であることを電源情報によって認識すると、一旦、すべての開閉器３３をオンにした後、計測部１３から通知される電流値が、電源装置２０の容量以下になるように、優先順位の低い開閉器３３から順にオフにする。開閉器３３の優先順位は、電気負荷３０の場所および種類によって人為的に定められる。要するに、制御部１１がすべての開閉器３３をオンにできるのは、蓄電池２３が満充電に近い期間のみであり、蓄電池２３が満充電ではない期間には、特定の電気負荷３０に対応する開閉器３３のみをオンにするように定められている。なお、蓄電池２３が満充電に近い状態は、上述したように、第２の充電状態と、第３の充電状態のうち電力に余剰が生じている状態とである。

以上のように、本実施形態では、電気負荷３０に対して電力を供給可能な期間（給電可能期間Ｔ１）が、時刻ｔ２から時刻ｔ５までの比較的長い期間になる。これは、制御部１１が、計測部１３が電流センサ３４が監視する主電路３２の電流に関する情報だけではなく、通信部１４を通して充電装置２２から取得する電源情報を併せて用いることにより実現されている。

本実施形態の比較例として、蓄電池２３の電池電圧が閾値Ｖｔ１を超える期間にのみ電気負荷３０に電力を供給する構成を想定する。この構成では、電池電圧が閾値Ｖｔ１を超えている期間を、蓄電池２３がほぼ満充電である期間とみなしている。このような構成を採用すると、電気負荷３０に電力を供給することができる期間は、図２の動作例であれば、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間になる。本実施形態の動作では、上述したように、時刻ｔ２から時刻ｔ５までが給電可能期間Ｔ１であるから、給電可能期間が時刻ｔ１から時刻ｔ３までである比較例に対して、本実施形態の技術を用いるほうが、給電可能期間が長くなる。

すなわち、電池電圧が閾値以上である期間を給電可能期間とする比較例の動作では、蓄電池２３の過充電を防止するために、第２の充電状態から第３の充電状態に移行させた場合に、給電可能期間が短くなる可能性がある。これに対して、本実施形態では、ソーラパネル２１が発電し、かつ余剰の電力を廃棄している期間は、蓄電池２３の満充電が維持されているとみなし、この期間にも電気負荷３０への給電を可能にしている。したがって、比較例の構成と比べて給電可能期間を延長することが可能になる。

本実施形態のように、蓄電池２３の満充電の状態を、ソーラパネル２１が発電し、かつ余剰の電力を廃棄している状態によって推定する構成では、蓄電池２３の電池残量を計測する必要がない。一般に、蓄電池２３の電池残量を計測する場合、電気負荷３０の消費電力の相違、充電中か放電中かの状態の相違などによって、計測結果にばらつきが生じて誤差が大きくなる可能性がある。これに対して、本実施形態の技術は、電池残量を計測するのではなく、発電と余剰電力の発生という状態の組み合わせで蓄電池２３の満充電を推定するから、満充電を推定する際の精度のばらつきを抑制することが可能になる。

以上説明した動作は、優先順位の低い電気負荷３０に対応する開閉器３３を制御する際に適用することが可能であって、優先順位の低い電気負荷３０に対して、給電可能期間Ｔ１を比較的長くすることを可能にしている。一方、優先順位の高い電気負荷３０に対しては、蓄電池２３が満充電ではない期間にも電力を供給可能し、電源装置２０から可能なかぎり電力を供給することが要求される。すなわち、優先順位の低い電気負荷３０に対して給電を停止している第１の充電状態と、ソーラパネル２１が発電していない期間とについても、優先順位の高い電気負荷３０に対しては給電可能であることが要求される。

給電制御装置１０の制御部１１は、優先順位の高い電気負荷３０に対応した開閉器３３に対しては、以下の条件でオンとオフとの制御を行う。ここでは、ソーラパネル２１が発電する電力では電気負荷３０に必要な電力を充足できなくなった状態を想定する。この状態は、日中においてソーラパネル２１の発電する電力が電気負荷３０に必要な電力を下回るようになった期間だけではなく、夜間においてソーラパネル２１が発電を停止している期間においても生じる。この状態では、優先順位の低い電気負荷３０に対応する開閉器３３はオフである。

この状態では、蓄電池２３が放電するから、図３Ｂに実線で示すように、電池残量に応じて電池電圧は徐々に低下する。給電制御装置１０の制御部１１は、電気負荷３０の優先順位に応じて蓄電池２３の電池電圧に下限値Ｖｔ２を設定する。下限値Ｖｔ２は、電気負荷３０の優先順位が高いほど低く設定される。ただし、下限値Ｖｔ２の最小値は、蓄電池２３が過放電にならないように設定される。つまり、給電制御装置１０の制御部１１は、通信部１４を通して電源装置２０から取得する電源情報を用いて蓄電池２３の電池電圧を監視し、電池電圧が下限値Ｖｔ２に達すると、開閉器３３をオフにして電気負荷３０への給電を停止する。

要するに、蓄電池２３の電力を利用して電気負荷３０に給電している期間には、制御部１１は、電池電圧が下限値Ｖｔ２より大きい期間を給電可能期間Ｔ２として開閉器３３をオンにする。また、図３Ｂの例において、電池電圧が時刻ｔ６に下限値Ｖｔ２に達すると、制御部１１は開閉器３３をオフにする。なお、図示例において、時刻ｔ６の後にも電気負荷３０が電力を消費しているが、下限値Ｖｔ２がより低く設定された開閉器３３に対して給電を継続している状態を示している。

上述した動作では、図３Ｂに破線で示すように電気負荷３０が要求する電力が急に増加すると、負荷インピーダンスの低下によって、蓄電池２３の電池電圧が急激に低下することになる。そのため、蓄電池２３の電池残量が比較的多いにもかかわらず、電気負荷３０の起動時における突入電流などによって一時的に負荷インピーダンスが低下した場合であっても、制御部１１は開閉器３３をオフにする可能性がある。すなわち、蓄電池２３の電池残量が、電気負荷３０への給電を継続できる程度であっても、電池電圧の変動によって開閉器３３がオフになることによって、給電可能期間Ｔ２が短縮される可能性がある。

そのため、制御部１１は、電気負荷３０が要求する電力が急に増加しても制御部１１が過敏に応答して開閉器３３をオフにしないように、記憶部１２が記憶している補正値を用いて電池電圧を補正するように構成されている。つまり、制御部１１は、電源情報により、ソーラパネル２１が発電していない状態と、蓄電池２３の電池電圧が所定値以下である状態との少なくとも一方であると認識すると、給電可能期間Ｔ２を判断する電池電圧を、電源情報の電池電圧よりも高い値に補正する。上述した所定値は、下限値Ｖｔ２よりは高く設定される。また、制御部１１は、電気負荷３０が消費する電力に応じた補正値を適用することにより、給電可能期間Ｔ２を判断する電池電圧を、電源情報の電池電圧よりも高い値に補正する。

補正値は、たとえば、電気負荷３０が消費する電力値に補正する電圧値を対応付けているか、あるいは、電源情報から得られる電池電圧の移動平均を用いる。前者の補正値を採用する場合、たとえば、補正のルールは、１ｋＷ当たりについて１Ｖを加算するように定められる。このルールを適用すると、電源情報により得られた電池電圧が５０Ｖであって、電気負荷３０の消費する電力が１ｋＷであるときには、給電可能期間Ｔ２を判断する電池電圧が５１Ｖになる。後者の補正値を採用する場合は、電気負荷３０が消費する電力が急に変化しても、図３Ａに一点鎖線で示すように、給電可能期間Ｔ２を判断する電池電圧の変動が抑制される。

上述のように電池電圧を補正することによって、電気負荷３０が要求する電力が急に変化したとしても、ただちに開閉器３３が遮断されることがなく、図３Ｂに示した時刻ｔ６よりも遅い時刻ｔ７まで給電可能期間Ｔ２が延長されることになる。

ところで、上述した補正値は自動的に定めることが可能である。以下では、電気負荷３０がオンとオフとのみが可能であって、電気負荷３０の運転と停止とは開閉器３３の開閉のみによって行われると場合について説明する。この場合、開閉器３３のオンとオフとの状態を切り替えることによって、電気負荷３０での消費電力と蓄電池２３の電池電圧とが変動するが、蓄電池２３の電池残量は変化しないと考えてよい。

したがって、開閉器３３の切替前後における電気負荷３０の消費電力の差ΔＷｘと、開閉器３３の切替前後における蓄電池２３の電池電圧の変化ΔＶｘとを用いて補正値を定めることが可能である。ここでは、以下の方法で補正値を求める。

ここでは、説明の簡略化のために、開閉器３３が２個の場合を例として説明する。また、一方の開閉器３３を第１開閉器、他方の開閉器３３を第２開閉器と呼ぶ。制御部１１は、蓄電池２３が満充電である期間（図２の時刻ｔ２から時刻ｔ５の期間）にのみ第１開閉器をオンにし、蓄電池２３の電池残量が下限値Ｖｔ２まで低下すると第２の開閉器をオフにする場合を想定する。この例のように、制御部１１は、個々の開閉器３３に対してオンにする条件とオフにする条件とを定めることが可能である。

ここで、制御部１１が第１開閉器および第２開閉器を次のように制御したと仮定する。制御部１１は、蓄電池２３が満充電になった時刻ｔ１０（図２の時刻ｔ２に相当）において、第１開閉器をオフからオンに切り替え、第１開閉器の切替前後における蓄電池２３の電池電圧と電気負荷３０の消費電力とを記憶部１２に格納する。

次に、制御部１１は、電力供給期間のうち蓄電池２３の電池電圧が閾値Ｖｔ１よりも低い期間において、時刻ｔ１１において、ソーラパネル２１が発電する電力に余剰がなくなると、第１開閉器をオンからオフにする。つまり、給電制御装置１０は、電気負荷３０への給電を停止し、また、電源装置２０は第１の充電状態に移行する。この場合も、第１開閉器の切替前後における蓄電池２３の電池電圧と電気負荷３０の消費電力とが記憶部１２に格納される。

一方、制御部１１は、ソーラパネル２１の発電電力が停止している状態において第２開閉器３３をオンに制御しており、蓄電池２３の電池電圧が時刻ｔ１２において下限値Ｖｔ２まで低下すると第２開閉器３３をオンからオフに切り替える。この場合も、第２開閉器の切替前後における蓄電池２３の電池電圧と電気負荷３０の消費電力とが記憶部１２に格納される。

ところで、開閉器３３の切替の直後には、蓄電池２３の電池電圧および電気負荷３０の消費電力が不安定な期間が生じる。そのため、開閉器３３の切替後に記憶部１２に格納する蓄電池２３の電池電圧および電気負荷３０の消費電力の値は、開閉器３３の切替から３０秒ないし１分程度が経過してからの値を用いることが望ましい。

上述の動作によって記憶部１２には、表１のような結果が格納されたとする。表１において、時刻ｔ１０、ｔ１１、ｔ１２に付加した「−」は該当する時刻の直前を表し、時刻ｔ１０、ｔ１１、ｔ１２に付加した「＋」は該当する時刻の直後を表す。

表１の補正値は、蓄電池２３の電池電圧の電圧差ΔＶｘを、電気負荷３０の消費電力の電力差ΔＷｘで除した値である（ΔＶｘ／ΔＷｘ）。求められた補正値の平均値は０．５４であって、この値が上述した補正値として用いられる。つまり、上述した例のように、蓄電池２３の電池電圧が５０Ｖであって、電気負荷３０の消費電力が１ｋＷであるときに、補正後の電池電圧は５０．５４Ｖになる。

なお、上述した補正値の求め方は一例であって、最終的な補正値として３種類の制御に対して求めた補正値の平均値を用いることは必須ではなく、また、電圧差ΔＶｘを消費電力ΔＷｘで除した値を用いることも必須ではない。たとえば、開閉器３３がオフからオンに切り替える場合の変化のみを用いて補正値を求めてもよく、また、倍率も１００倍ではない適宜の値を用いることが可能である。

上述した動作は、蓄電池２３から電気負荷３０に給電している期間において、開閉器３３をオフにして電気負荷３０への給電を停止させるタイミングを、蓄電池２３の電池電圧が低下したことに基づいて決めている。ここで、開閉器３３がオンからオフに切り替えられる時点は、ソーラパネル２１の発電が停止している期間であることを想定している。

ソーラパネル２１の発電が停止している期間であっても、開閉器３３がオフになったことにより、電気負荷３０の消費電力が低減されると、蓄電池２３の電池電圧が下限値Ｖｔ２より高くなる可能性がある。このように、蓄電池２３の電池電圧が下限値Ｖｔ２を超えると、電気負荷３０への給電を開始することが可能になるが、この時点で給電を開始すると、蓄電池２３の電池電圧がすぐに低下して電気負荷３０への給電が短時間で停止する可能性がある。

一方、開閉器３３のオフ後に、ソーラパネル２１が発電を開始すると、蓄電池２３の電池電圧は上昇し、やがて下限値Ｖｔ２に達することになる。ソーラパネル２１が発電する電力が十分に大きければ、電気負荷３０への給電を行っても蓄電池２３の電池電圧がすぐに低下することはない。しかしながら、ソーラパネル２１の発電する電力が、蓄電池２３を充電する電力と、電気負荷３０が要求する電力とを充足していなければ、蓄電池２３の電池電圧がすぐに低下して電気負荷３０への給電が短時間で停止する可能性がある。

ここで、図４Ｂのように、電気負荷３０への給電を再開するか否かを判定する判定値Ｖｔ３を定め、この判定値Ｖｔ３を下限値Ｖｔ２よりも高い値に定めることが考えられる。この場合、給電可能期間Ｔ３は、電池電圧が判定値Ｖｔ３を超える時刻ｔ８から判定値Ｖｔ３に戻る時刻ｔ９までの期間になる。しかしながら、蓄電池２３の電池電圧は一時的に上昇しているだけであるから、判定値Ｖｔ３を高くするほど、給電可能期間Ｔ３は短い時間に制限される。

そのため、制御部１１では、電池電圧が下限値Ｖｔ２以上になっても、ソーラパネル２１が発電していなければ、オフである開閉器３３に対応した電気負荷３０への給電を再開しないように条件が定められている。また、制御部１１では、ソーラパネル２１が発電し、かつ発電電力が所定の基準値以下である場合も、電気負荷３０への給電を再開しないように条件が定められている。もっとも、上述したように、電源装置２０において蓄電池２３が第１の充電状態であると、ソーラパネル２１が発電したすべての電力が蓄電池２３の充電に利用される。したがって、ソーラパネル２１が発電を開始しても、第１の充電状態で蓄電池２３の充電に利用されている期間は、電気負荷３０への給電は開始されない。

この動作では、図４Ａに示すように、いずれかの電気負荷３０に対応した開閉器３３が時刻ｔ８においてオフになったことにより、全体の消費電力が破線のように低下すると、蓄電池２３の電池電圧は実線のように上昇する。ここで、仮に、蓄電池２３の電池電圧が判定値Ｖｔ３を超えたとしても、ソーラパネル２１が実質的に発電を行っていなければ、オフである開閉器３３に対応した電気負荷３０には給電されることがない。つまり、蓄電池２３の電力が他の電気負荷３０によって消費されることがなく、オンである開閉器３３に対応する電気負荷３０に対してのみ給電が継続される。

このような動作を行うことによって、蓄電池２３に貯えられた電力は、所要の電気負荷３０にだけ供給され、この電気負荷３０を長時間にわたって利用することが可能になる。

給電制御装置１０において、制御部１１、記憶部１２、計測部１３、通信部１４は、プログラムに従って動作するプロセッサを備えたデバイスと、他装置との間で情報を授受するためのインターフェイスを構成するデバイスとを主なハードウェア要素にしている。プロセッサを備えるデバイスは、プロセッサがメモリと一体であるマイコン（Microcontroller）、あるいはプロセッサをメモリとは別に必要とするＭＰＵ（Micro Processing Unit）などから選択される。

また、プログラムは、ＲＯＭ（Read Only Memory）に書き込まれていてもよいが、プログラムを更新することを踏まえて、ＥＥＰＲＯＭにプログラムを書き込み、インターネットのような電気通信回線を通して更新用のプログラムを提供してもよい。また、プログラムは、コンピュータで読取可能な記録媒体により提供してもよい。

以上説明した給電制御装置１０は、発電装置（ソーラパネル２１）と蓄電池２３とを備える電源装置２０と電源装置２０から供給される電力が供給される複数の電気負荷３０との間の電路に一対一に設けられた複数個の開閉器３３を備える。さらに、給電制御装置１０は、制御部１１と通信部１４とを備える。複数個の開閉器３３は、発電装置から電気負荷３０に給電するオンの状態と発電装置から電気負荷３０に給電しないオフの状態とが個別に選択される。制御部１１は、複数個の開閉器３３のオンとオフとを個別に制御する。通信部１４は、電源装置２０と通信し発電装置の発電状態に関する情報と蓄電池２３の電池電圧に関する情報とを受け取る。制御部１１は、蓄電池２３が満充電に達した後、発電装置が発電した電力に余剰の電力が生じている状態が維持されている期間を、電気負荷３０に電力を供給する給電可能期間Ｔ１として複数個の開閉器３３から選択される特定の開閉器３３をオンにする。発電装置はソーラパネル２１を備え、蓄電池２３は鉛蓄電池であることが望ましい。

この構成によれば、制御部１１は、通信部１４を通して電源装置２０から取得する情報（電源情報）により、蓄電池２３が満充電に達したと推定された後に、発電装置（ソーラパネル２１）が発電する電力に余剰が生じている状態を認識することが可能になる。したがって、制御部１１は、蓄電池２３の電池電圧によらずに、蓄電池２３が満充電であるか否かを正確に判断することが可能になる。

たとえば、電源装置２０において、蓄電池２３の過充電を避けるために満充電に達した後に電池電圧を引き下げる充電方法を採用している場合であっても、制御部１１は、満充電の状態を誤りなく認識する。すなわち、蓄電池２３が満充電の期間という条件でいずれかの開閉器３３をオンにする場合に、蓄電池２３の電池電圧のみで判定するよりも正確に条件が判定される。そのため、電池電圧に変動があっても給電可能期間Ｔ１（開閉器３３をオンにする期間）が維持される。その結果、蓄電池２３が満充電であるにもかかわらず、制御部１１が開閉器３３を早期にオフにしてしまうことが防止される。

制御部１１は、蓄電池２３の電池電圧と比較して複数の開閉器３３のうち特定の開閉器を除く開閉器をオフにするための下限値Ｖｔ２を設定していることが望ましい。この場合、蓄電池２３が放電している期間には、制御部１１は、通信部１４を通して電源装置２０から受け取る蓄電池２３の電池電圧を、電気負荷３０が消費している電力に応じて引き上げるように補正することが望ましい。

この構成によれば、発電装置（ソーラパネル２１）の発電が停止している期間に、電気負荷３０で消費する電力が増加し蓄電池２３の電池電圧が急に低下した場合、制御部１１は、電源装置２０から受け取った電池電圧を引き上げるように補正する。そして、制御部１１は、補正後の電池電圧を下限値Ｖｔ２と比較するから、電源装置２０から受け取った電池電圧を下限値Ｖｔ２と比較する場合よりも、開閉器３３がオフになるまでのタイミングが延長される。つまり、電気負荷３０に電力を供給する期間が延長される。また、制御部１１が下限値Ｖｔ２と比較する電池電圧は、電気負荷３０が消費している電力に応じて補正されているから、消費電力に応じた電池電圧の変動幅を加味した補正が可能になる。

上述した給電制御装置１０は、開閉器３３のオンとオフとの切替前後における蓄電池２３の電池電圧の変化分と、開閉器３３のオンとオフとの切替前後における電気負荷３０の消費電力の変化分とを記憶する記憶部１２を備えることが望ましい。この構成において、制御部１１は、記憶部１２が記憶している電池電圧の変化分と消費電力の変化分とに基づいて補正値を算出する機能を有することが望ましい。

この構成によれば、下限値Ｖｔ２と比較する電池電圧を補正する補正値を求める手順が自動化可能になり、補正値の設定に要する工数の低減が可能になる。

この構成において、制御部１１は、蓄電池２３が放電している期間には、開閉器３３を新規にオンにすることが禁止されていることが望ましい。

すなわち、複数の開閉器３３のうちのいずれかがオンからオフになり、電気負荷３０の消費電力が低減すると、蓄電池２３の電池電圧が上昇することがあるが、発電装置（ソーラパネル２１）が発電していなければ、電源装置２０が供給可能な電力量には変化がない。上記構成では、このような状況において、制御部１１が、オンである開閉器３３を新規に増やさず、電気負荷３０の消費電力を増加させないようにしている。

その結果、電源装置２０から電力がすでに供給されている電気負荷３０に対しては、可能なかぎり長く電力を供給することが可能になる。言い換えると、電力の供給が維持されている電気負荷３０について、他の電気負荷３０に給電することによって給電可能期間Ｔ３が予想よりも短縮されず、むしろ給電可能期間Ｔ３が延長されることになる。このことは、電気負荷３０に優先順位を定めている場合に、優先的に電力を供給する必要のある電気負荷３０への給電可能期間Ｔ１の延長につながる。

また、発電装置（ソーラパネル２１）が発電していない期間に、制御部１１がいずれかの開閉器３３をオフにした後に新規に開閉器３３をオンにすると、蓄電池２３の電池残量が早期に低下し、しかも蓄電池２３がただちに充電されることはない。そのため、蓄電池２３が鉛蓄電池であると劣化が進みやすくなるが、上述した構成では、開閉器３３を新規にオンにしないから、蓄電池２３の電池残量が低下する期間が抑制される。その結果、蓄電池２３の寿命の短縮が抑制され、電源装置２０を長期にわたって運用することが可能になる。

なお、上述した実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることはもちろんのことである。

１ 電力供給装置
１０ 給電制御装置
１１ 制御部
１２ 記憶部
１４ 通信部
２０ 電源装置
２１ ソーラパネル
２３ 蓄電池
３０ 電気負荷
３３ 開閉器
Ｖｔ２ 下限値

Claims (6)

1. 発電装置と蓄電池とを備える電源装置と前記電源装置から供給される電力が供給される複数の電気負荷との間の電路に一対一に設けられ、前記発電装置から前記電気負荷に給電するオンの状態と前記発電装置から前記電気負荷に給電しないオフの状態とが個別に選択される複数個の開閉器と、
   前記複数個の開閉器のオンとオフとを個別に制御する制御部と、
   前記電源装置と通信し前記発電装置の発電状態に関する情報と前記蓄電池の電池電圧に関する情報とを受け取る通信部とを備え、
   前記制御部は、
   前記蓄電池が満充電に達した後、前記発電装置が発電した電力に余剰の電力が生じている状態が維持されている期間を、前記電気負荷に電力を供給する給電可能期間として前記複数個の開閉器から選択される特定の開閉器をオンにする
   ことを特徴とする給電制御装置。
2. 前記発電装置はソーラパネルを備え、前記蓄電池は鉛蓄電池である
   請求項１記載の給電制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記蓄電池の電池電圧と比較して前記複数の開閉器のうち前記特定の開閉器を除く開閉器をオフにするための下限値を設定しており、
   前記蓄電池が放電している期間には、前記通信部を通して前記電源装置から受け取る前記蓄電池の電池電圧を、前記電気負荷が消費している電力に応じて引き上げるように補正する
   請求項１又は２記載の給電制御装置。
4. 前記開閉器のオンとオフとの切替前後における前記蓄電池の電池電圧の変化分と、前記開閉器のオンとオフとの切替前後における前記電気負荷の消費電力の変化分とを記憶する記憶部をさらに備え、
   前記制御部は、前記記憶部が記憶している電圧の変化分と電力の変化分とに基づいて前記補正値を算出する機能を有する
   請求項３記載の給電制御装置。
5. 前記制御部は、
   前記蓄電池が放電している期間には、前記開閉器を新規にオンにすることが禁止されている
   請求項３又は４記載の給電制御装置。
6. ソーラパネルと蓄電池とを備える電源装置と、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の給電制御装置とを備える
   ことを特徴とする電力供給装置。

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