JP6078374B2 - 電源装置及び充電制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置及び充電制御方法に関する。さらに詳しくは、電力変換回路から供給される自然エネルギーをもとにした電力を有効に利用することができる電源装置及び充電制御方法に関する。

電源装置として、例えば、太陽電池等の直流電力や、風力発電機や潮力発電機等の交流電力といった自然エネルギーをもとにした電力を直流電力に変換して、出力端子を介して外部の負荷に供給する電力変換回路を備えた電源システム等が知られており（例えば、特許文献１を参照。）、低コストとなる効率のよい電源システムが求められている。

図５は、従来の電源装置９の一態様を示したブロック図であり、電源装置９は、外部の負荷９１及び蓄電池９２に接続される出力端子９３と、交流の電力供給源９４から入力され、直流電圧を出力端子に出力する整流器９５と、太陽電池９６から直流電圧を出力端子に出力する電力変換回路９７と、を備えている。

図５に示した電源装置９は、時刻により蓄電池９２への充電及び放電を制御可能なシステムであり、整流器９５の運転を停止または出力を制限することにより、蓄電池９２から放電させ、交流の電力供給源９４から入力される商用入力電力の消費を削減するものである。また、電源装置９は、出力端子９３と接続される外部の負荷９１の消費電力がそれ程大きくない場合等といった入力電力にある程度余裕ができる場合には、整流器９５を運転して蓄電池９２への充電を行うことにより、太陽電池９６からの電力の有効利用や使用電力の平滑化を図るようにしている。

特開２０００−０５５４３９号公報

図５に示した電源装置９では、太陽電池９６からの電力が入力される電力変換回路９７が整流器９５と並列に接続される。このため、自然エネルギーをもとにする太陽電池９６による発電能力が負荷９１の電力を超えるレベルであれば、太陽電池９６によって発電された電力を蓄電池９２に充電した方が低コストとなり、環境的にも望ましい動作となる。

ところが、図５に示した電源装置９は、整流器９５の運転及び停止等を制御して蓄電池９２への充電を行うが、通常、整流器９５は定格電流まで出力してしまうので、蓄電池９２への充電が開始されると、整流器９５の出力能力の上限まで充電をしてしまう。このため、太陽電池９６の発電能力が低いときには、蓄電池９２は、整流器９５からの充電電流を優先的に使用して充電してしまうため、太陽電池９６の発電能力が高くなったときでも、電力を蓄電池９２の充電に使用できずに廃棄してしまっているのが現状であった。

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、時刻により蓄電池への充電及び放電を制御するにあたり、電力変換回路を介して自然エネルギーをもとにした電力を有効に利用することができる電源装置及び充電制御方法を提供するものである。

上記の目的を達成するために、本発明の電源装置は、外部の負荷に接続される出力端子と、前記出力端子及び蓄電池に接続される充放電端子と、交流又は直流の電力供給源から直流電圧を前記出力端子に出力する電力変換回路と、交流の電力供給源から入力され、直流電圧を前記出力端子に出力する整流器と、前記充放電端子に接続された前記蓄電池へ充電する充電モード、及び前記蓄電池から前記出力端子へ放電する放電モードを有し、前記充電モードでは、前記充放電端子を通じて供給される電流によって前記蓄電池が充電される充電量が予め算出した目標充電量を下回ると、前記目標充電量になるように前記整流器からの出力を増大させ、前記充放電端子を通じて供給される電流によって前記蓄電池が充電される充電量が予め算出した前記目標充電量を上回ると、前記整流器からの出力を減少させるように制御し、前記放電モードでは、前記電力変換回路及び前記整流器から前記蓄電池を充電させないように制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
できる限り、自然エネルギーを利用した電力変換回路から電流が供給されるため、自然エネルギーを基にした電力を有効に利用することができる。

本発明の電源装置は、前記した本発明において、前記制御部は、前記充電モードの時間内で充電すべき総充電量を設定し、前記総充電量を基に前記充電モードにおける設定した時刻での前記目標充電量を算出することが好ましい。
目標充電量を設定することにより、制御部による制御及び蓄電池の充電を効率よく実施することができる。

本発明の電源装置は、前記した本発明において、前記制御部は、前記放電モードの期間に蓄電池から前記充放電端子を通じて放電した電流の総和を基に前記総充電量として設定することが好ましい。
放電モードにおいて蓄電池が放電した電流の総和を基に総充電量として設定することにより、放電した分だけを充電することになり、特性や充電量の不明な蓄電池であっても効率よく充電することができる。

上記の目的を達成するために、本発明の充電制御方法は、外部の負荷に接続される出力端子と、前記出力端子及び蓄電池に接続される充放電端子と、交流又は直流の電力供給源から直流電圧を前記出力端子に出力する電力変換回路と、交流の電力供給源から入力され、直流電圧を前記出力端子に出力する整流器と、を備える電源装置の充電制御方法であって、前記充放電端子に接続された前記蓄電池へ充電する充電モード、及び前記蓄電池から前記出力端子へ放電する放電モードを有し、前記充電モードでは、前記充放電端子を通じて供給される電流によって前記蓄電池に充電される充電量が予め算出した目標充電量を下回ると、前記目標充電量になるように前記整流器からの出力を増大させ、前記充放電端子を通じて供給される電流によって前記蓄電池が充電される充電量が予め算出した前記目標充電量を上回ると、前記整流器からの出力を減少させるように制御し、前記放電モードでは、前記電力変換回路及び前記整流器から前記蓄電池を充電させないように制御することを特徴とする。
できる限り、自然エネルギーを利用した電力変換回路から電流が供給されるため、自然エネルギーを基にした電力を有効に利用することができる。

本発明の充電制御方法は、前記した本発明において、前記充電モードの時間内で充電すべき総充電量を設定し、前記総充電量を基に前記充電モードにおける設定した時刻での前記目標充電量を算出することが好ましい。
目標充電量を設定することにより、制御部による制御及び蓄電池の充電を効率よく実施することができる。

本発明の充電制御方法は、前記した本発明において、前記放電モードの期間に蓄電池から前記充放電端子を通じで放電した電流の総和を基に前記総充電量として設定することが好ましい。
放電モードにおいて蓄電池が放電した電流の総和を基に総充電量として設定することにより、放電した分だけを充電することになり、特性や充電量の不明な蓄電池であっても効率よく充電することができる。

本発明の電源装置及び充電制御方法によれば、充電モード及び放電モードを有し、時刻により蓄電池への充電及び放電を制御するため、電力変換回路から入力される自然エネルギーをもとにした電力を有効に利用することができる。

本発明の実施形態に係る電源装置の一態様を示したブロック図である。 蓄電池の充電時における充電制御方法を示すフローチャートである。 自然エネルギーを太陽光とした場合の時刻と充電量の関係の一例を示した図である。 自然エネルギーを太陽光とした場合の時刻と電力変換回路から供給される充電量の関係の一例を示した図である。 従来の電源装置の一態様を示したブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
（１）電源装置の構成：
図１は、本発明の実施形態に係る電源装置１の一態様を示したブロック図である。図１に示した電源装置１は、外部の負荷７１に接続される出力端子２と、出力端子２及び蓄電池７３に接続される充放電端子３と、電力変換回路４と、交流の電力供給源７２から入力される整流器５と、制御部６と、を基本構成として備える。

出力端子２は、外部の負荷７１と接続され、電力変換回路４、整流器５及び蓄電池７３から供給された直流電力を外部の負荷７１に出力する。ここで、外部の負荷７１としては、出力端子２より供給される直流電力によって動作する任意の機器等であり、例えば、工場、ビルディング、マンション、戸建て住宅等の建築物の内外に配設された各種設備や機器等が挙げられる。

充放電端子３は、出力端子２及び蓄電池７３に接続され、接続される出力端子２に、蓄電池７３が放電した電力を供給する。また、充放電端子３は、電力変換回路４及び整流器５と接続され、これらから供給される電力を蓄電池７３に出力する。

電力変換回路４は、太陽光等の自然エネルギーにより生じた交流又は直流の電力供給源から直流電圧を出力端子及び充放電端子に出力する。例えば、自然エネルギーである太陽光を利用した太陽電池７４により生じた直流電力を電圧変換して、あるいは自然エネルギーである風力発電や潮力発電によって生じた交流電力を直流電力に変換し、直流電力を出力端子及び充放電端子に供給する。なお、図１では、自然エネルギーによる発電として、太陽光発電とした態様を示している。

整流器５は、交流の電力供給源７２から入力された交流を整流し、直流を出力端子２及び充放電端子３に出力する。例えば、整流器５は、商用電源等から供給される交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を出力端子２及び充放電端子３に供給する。出力端子２に供給された直流電力は、前記したとおり外部の負荷７１に供給され、また、充放電端子３に供給された直流電力は、接続される蓄電池７３の充電に使用されることになる。

制御部６は、充放電端子３の充電電流及び放電電流を監視し、蓄電池７３への充電、蓄電池７３からの放電を実施するために、電力変換回路４及び整流器５を制御するものである。制御部６は、充放電端子３に接続された蓄電池７３へ充電する充電モードと、蓄電池７３から出力端子２へ放電する放電モードを有している。

充電モードは、蓄電池７３を充電させるモードである。充電モードでは、蓄電池７３を充電するに際して、充放電端子３を通じて供給される電流によって蓄電池７３が充電される充電量が予め算出した目標充電量を下回ると、目標充電量になるように整流器５の出力を増大させるように制御する。充放電端子３を通じて供給される電流によって蓄電池７３が充電される充電量が目標充電量を上回ると、整流器５の出力を減少させるように制御する。電力変換回路４を通じて供給される電流だけで、目標充電量を上回ると、整流器５の出力を停止させてもよい。

ここで、充電量とは、充電モードにおける設定した時刻までに充電された電流の総和をいう。

このように、蓄電池７３への充電は、電力変換回路４を通じて供給される太陽光等の自然エネルギーによる電力及び整流器５を通じて供給される交流の電力供給源７２による電力を用いる。電力変換回路４を通じて供給される電力で目標充電量を上回る場合は、整流器５から供給される電力を減少ないしは停止させるように整流器５を制御する。一方、電力変換回路４を通じて供給される電力で目標充電量を下回る場合は、目標充電量となるように整流器５から供給する電力を増大させて整流器５の出力を制御する。

このように制御すると、自然エネルギーを利用した電力変換回路４を通じて供給される電力を最大限に利用しつつ、充電モードの期間内に蓄電池７３に目標とする総充電量を充電することができる。

制御部６が有するもう１つのモードである放電モードは、蓄電池７３を充電させないモードであり、制御部６は、電力変換回路４や整流器５に対して、電力変換回路４又は整流器５を通じて蓄電池７３を充電させないように制御する。放電モードでは、負荷の要求に応じて蓄電池７３を放電させる。このとき、制御部６は、積算放電量を監視し、次の充電で充電する容量を把握しておく。

制御部６は、例えば、充電モードの時間内で充電すべき総充電量を設定した場合に、総充電量を基に充電モードにおける設定した時刻での目標充電量を算出することができる。このように、目標充電量を算出して、各時刻での目標充電量を設定すると、蓄電池７３の充電モードの期間内での充電が確実になる。

総充電量は、必要とされる所望の充電量としてもよいが、制御部６は、放電モードの期間に蓄電池から充放電端子を通じて放電した電流の総和を基に総充電量を設定するようにしてもよい。総充電量は充放電効率を考慮して、放電した電流の総和よりも適宜大きく設定する。このように設定した総充電量は、放電モードにおいて蓄電池７３が放電した電流量に応じたものであるから、これを総充電量とすることにより、放電した分に応じて充電することになり、蓄電池７３の充電状態を確実に回復することができる。

次に、図２を用いて、図１に示す電源装置１を構成する制御部６の動作の一例を説明する。図２は、充電モードにおける制御部６の動作を示すフローチャートである。図１に示した電源装置１は、接続される蓄電池７３の充電モードが開始されると、図２に示した制御手順を開始することになる。

制御部６の時刻管理により充電モードが開始される。制御部６は、充電モード開始時刻から充電モード終了時刻までの時間から、充電のために必要な時間（充電時間）を算出する（図２のステップ１）。あるいは、入力された充電時間を直接設定してもよい。また、後記する図３でも示しているが、放電モード開始時刻での総充電量までの充電を確実にするため、余裕の時間を見込んで充電時間を算出するようにしてもよい。

充電時間を算出又は設定したら、総充電量を充電時間で除して、設定した時刻での目標充電量が算出される（図２のステップ２）。

前記したように、蓄電池７３の充電は、電力変換回路４を通じて供給される太陽電池７４等の自然エネルギーからの電力、及び整流器５を通じて供給される交流の電力供給源７２（商用電源）からの電力がある。充電が行われている間、設定した時刻における目標充電量と蓄電池７３への充電量とを比較した場合に、充電量が目標充電量より多い場合と少ない場合がある。

蓄電池７３への充電量が目標充電量より少ない場合には（図２のステップ３の「Ｙ」）、制御部６が、整流器５に対して、整流器５から供給する電力の出力を抑制しない（図２のステップ４）。整流器５は、交流の電力供給源７２（商用電源）からの電力を供給して蓄電池７３を充電し、電力変換回路４を通じて供給される太陽電池７４等の自然エネルギーからの電力で足りない分を補填するようにする。

一方、蓄電池７３への充電量が目標充電量より多い、あるいは両者が等しい場合にあっては（図２のステップ３の「Ｎ」）、制御部６が、整流器５に対して、整流器５から供給する電力の出力を抑制又は停止する（図２のステップ５）。この場合は、電力変換回路４からの電力を優先的に蓄電池７３に供給することになる。蓄電池７３への充電量と目標充電量とが等しい場合は、ここでは、ステップ５に進めたが、ステップ４に進めてもよい。

なお、整流器５から供給される電力の出力を抑制するには、出力電流を制限する方法及び出力電圧を制限する方法が考えられるが、これらのいずれを用いてもよいし、両方を用いるようにしてもよい。

蓄電池７３への充電量が総充電量に達したら（図２のステップ６の「Ｙ」）、充電モードが終了する。達していない場合には（図２のステップ６の「Ｎ」）、達するまでこれが繰り返されることになる。

自然エネルギーを利用する太陽電池７４とした場合の時刻と充電量の関係の一例を図３に示す。図３では、放電モード終了時刻から充電が開始される。つまり、放電モード終了時刻＝充電モード開始時刻となる。一方、本来は放電モード開始時刻で充電モードを終了とするが、放電モード開始時刻での総充電量の充電達成を確実にするため、図３に示すように、放電モード開始時刻１時間前に総充電量の充電達成することを目標としてもよい。制御部６は、放電モード開始時刻の１時間前を総充電量の充電達成時刻、つまり充電モードの終了時刻と設定して、充電モード終了時刻に蓄電池７３が総充電量の充電完了となるように、図２に示したような手順で動作することになる。

また、制御部６は、充電モード開始時刻から充電モード終了時刻まで、設定した目標充電量を算出する。設定した時刻と目標充電量の関係の一例を、図３にラインＡとして示す。制御部６は、充電中にあっては、蓄電池７３への充電量を監視しながら、目標充電量を下回らないように、整流器５の出力を制御する。

図３では、時刻と蓄電池７３の充電量の関係の一例をラインＢとして示している。充電モード開始時刻を日の出時刻、充電モード終了時刻を日の入り時刻とした場合にあっては、例えば１０時頃〜１４時頃については、日射量が大きく、太陽電池７４の発電電力に余力がある時間帯となる。図３に示したラインＢにもあるように、電力変換回路４から供給される電力も多くなり、蓄電池７３にも、目標充電量を上回って充電されることになる。設定した時刻での充電量が目標充電量を上回っているとき、例えば、図３のラインＢにおける１０時頃から１４時頃は整流器５の出力を減少又は停止させている。

ところで、図５に示した従来の電源装置９のように、制御部による充電管理が行われない場合、時刻と蓄電池９２の充電量の関係は図３のラインＣのようになる。蓄電池９２の充電量は、整流器９５の容量によって決まる充電電流で充電されるため、ほとんどが交流の電力供給源９４（商用電源）からの電力が充電されることになる。よって、整流器９５は定格電流まで出力してしまい、ラインＣに示すように充電モード終了時刻よりかなり早く総充電量を充電達成してしまう。その結果、システムの運用コストは高くなり、加えて電力的にもコスト高となってしまう。

一方、本発明の電源装置１にあっては、制御部６により充放電端子の充電電流及び放電電流を監視し、蓄電池７３の充放電状態を制御するので、太陽光発電に余剰がある場合には、その余剰電力が蓄電池に充電されるため、太陽光発電による発電量の余剰分を有効に使用して充電することができ、かつ、交流の電力供給源７２（商用電源）からの入力で充電される充電量を必要最小限とすることができる。さらに、太陽光発電等の自然エネルギーを有効に活用することができることになる。

なお、例えば、日の出から１０時頃まで、また、１４時頃から日の入りまでには、日射量がそれ程大きくない場合がある。図４は、図３において、電力変換回路４から供給される充電量と蓄電池７３への目標充電量の関係の一例を示した図である。電力変換回路４から供給される充電量を、ラインＤとして示している。図４に示すように、電力変換回路４から供給される太陽電池７４による電力だけでは、日の出から１０時頃及び１４時頃から日の入りまでが、目標充電量（ラインＡ）に達しないことになる。これは、図２に示した充電量が目標充電量より少ない状態を指す（図２におけるステップ３の「Ｙ」）。この場合には、制御部６は、整流器５から電力を増大するように制御する（図２におけるステップ４）。電力変換回路４から供給される太陽電池７４による電力で足りない分は、整流器５から供給される電力により補填される。図４の斜線部分が補填される分を示している。制御部６は、整流器５からの補填で蓄電池７３を充電し、目標充電量を上回るように制御する。

制御部６が、放電モードの期間に蓄電池から充放電端子を通じて放電した電流の総和を基に総充電量を設定する場合は、放電モードでは放電モード開始時刻から放電した電流量を積算する。充電モードでは、充電した電流量を積算し、その積算量が放電した電流量の積算値に達すると充電完了とする。

なお、図３や図４では、設定時刻における目標充電量について、ラインＡで示したリニアのライン（直線状）の例を挙げているが、目標充電量は時刻に対して凸凹があるようなラインとなるようにしてもよい。例えば、日射量が大きい１０時頃〜１４時頃の時間帯については、太陽電池７４による相当量の発電が期待できるので、ラインＡ（直線状）より目標充電量が大きくなるように設定してもよい。逆に、日の入りから１０時頃、１５時頃から日の入りといった時間帯は、太陽電池７４では発電量が小さくなる場合があるので、ラインＡ（直線状）より目標充電量が小さくなるように設定してもよい。潮力発電や風力発電についても同様である。潮流速度や風力に応じて目標充電量を調整してもよい。

以上説明したように、図１に示した本発明の電源装置１は、充電モードと放電モードを有する制御部６を備え、制御部６が、時刻により蓄電池７３への充電及び放電を制御するため、電力変換回路４から入力される自然エネルギーをもとにした電力を有効に利用する電源装置１とすることができる。

すなわち、本発明の電源装置１は、時刻により充電及び放電を繰り返すシステムとして、例えば、自然エネルギーを太陽光発電とした場合に、発電開始時刻や発電終了時刻（日の出時刻や日の入り時刻）が分かる場合等は、充電モード終了までに総充電量の充電が達成できるように、各時刻での目標充電量を設定し、整流器５からの充電により目標充電量を満たすように電力変換回路４や整流器５から供給される充電のための電流を制御するものである。これにより、設定された時刻に充電が完了し、太陽電池７４による電力を用いて蓄電池へ充電できることになり、電力変換回路４から供給される電力をさらに有効に使用する電源装置１とすることができる。

（実施形態の変形）
なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に載せるような変更等は、本発明の範囲に含まれるものである。

例えば、前記した図３や図４で示した時刻と蓄電池７３の充電量の関係（ラインＡ、ラインＢ、ラインＣ、ラインＤ）はあくまでも一例であり、電力変換回路４へ供給される自然エネルギーの種類や、整流器５や蓄電池７３の容量等に応じて任意に設定することができる。

また、前記した実施形態では、自然エネルギーによる発電の手段の例として太陽光発電を例に挙げて説明したが、自然エネルギーによる発電の手段としては風力発電や潮力発電等やそれ以外の自然エネルギーによる発電手段を用いてもよい。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等については、前記した実施形態等に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に変形等するようにしてもよい。

本発明は、低コストで蓄電池を充電することが可能な電源装置として、産業上の利用可能性は高い。

１ 電源装置
２ 出力端子
３ 充放電端子
４ 電力変換回路
５ 整流器
６ 制御部
７１ 負荷
７２ 交流の電力供給源
７３ 蓄電池
７４ 太陽電池
９ 電源装置
９１ 負荷
９２ 蓄電池
９３ 出力端子
９４ 交流の電力供給源
９５ 整流器
９６ 太陽電池
９７ 電力変換回路

Claims (6)

1. 外部の負荷に接続される出力端子と、
   前記出力端子及び蓄電池に接続される充放電端子と、
   交流又は直流の自然エネルギーをもとにした電力源から直流電圧を前記出力端子及び前記充放電端子に出力する電力変換回路と、
   交流の商用電源から入力され、直流電圧を前記出力端子及び前記充放電端子に出力する整流器と、
   前記電力変換回路、又は前記電力変換回路と前記整流器から前記充放電端子を通じて供給される電流によって前記蓄電池を充電する充電モード、及び前記蓄電池から前記出力端子へ放電する放電モードを有し、前記充電モードでは、任意時刻での前記蓄電池の充電量と予め算出した前記任意時刻での目標充電量とを比較し、前記任意時刻での前記蓄電池の充電量が前記任意時刻での目標充電量を下回ると、前記整流器からの出力を増大させ、前記任意時刻での前記蓄電池の充電量が前記任意時刻での目標充電量を上回ると、前記整流器からの出力を減少させるように制御し、前記放電モードでは、前記電力変換回路及び前記整流器から前記蓄電池を充電させないように制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記制御部は、前記充電モードの時間内で充電すべき総充電量を設定し、
   前記総充電量を基に前記充電モードにおける設定した時刻での前記目標充電量を算出することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御部は、前記放電モードの期間に蓄電池から前記充放電端子を通じて放電した電流の総和を基に前記総充電量として設定することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 外部の負荷に接続される出力端子と、
   前記出力端子及び蓄電池に接続される充放電端子と、
   交流又は直流の自然エネルギーをもとにした電力源から直流電圧を前記出力端子及び前記充放電端子に出力する電力変換回路と、
   交流の商用電源から入力され、直流電圧を前記出力端子及び前記充放電端子に出力する整流器と、を備える電源装置の充電制御方法であって、
   前記電力変換回路、又は前記電力変換回路と前記整流器から前記充放電端子を通じて供給される電流によって前記蓄電池を充電する充電モード、及び前記蓄電池から前記出力端子へ放電する放電モードを有し、前記充電モードでは、任意時刻において前記蓄電池の充電量と予め算出した前記任意時刻における目標充電量とを比較し、前記任意時刻での前記蓄電池の充電量が前記任意時刻での目標充電量を下回ると、前記整流器からの出力を増大させ、前記任意時刻での前記蓄電池の充電量が前記任意時刻での目標充電量を上回ると、前記整流器からの出力を減少させるように制御し、前記放電モードでは、前記電力変換回路及び前記整流器から前記蓄電池を充電させないように制御することを特徴とする充電制御方法。
5. 前記充電モードの時間内で充電すべき総充電量を設定し、
   前記総充電量を基に前記充電モードにおける設定した時刻での前記目標充電量を算出することを特徴とする請求項４に記載の充電制御方法。
6. 前記放電モードの期間に蓄電池から前記充放電端子を通じて放電した電流の総和を基に前記総充電量として設定することを特徴とする請求項５に記載の充電制御方法。

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