JP6142024B1

JP6142024B1 - 蓄電システム及び蓄電方法

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Publication number: JP6142024B1
Application number: JP2016026751A
Authority: JP
Inventors: 和寛山本; 岡田　顕一; 顕一岡田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: EP3419142A4; WO2017141504A1; US20180301928A1; JP2017147808A; EP3419142A1; CN108292858A

Abstract

【課題】補助用の一次電池を設けた場合に、より消費電力の低減することができる蓄電システムを提供する。【解決手段】蓄電システムは、環境発電を行う発電素子と、発電素子の発電電力により充電されるとともに機器に電力を供給する蓄電池と、蓄電池の蓄電状態を検出する電圧検出部と、補助用の一次電池と、一次電池と蓄電池との間に設けられた第１スイッチ部と、電圧検出部の検出電圧と所定の閾値電圧とを比較し、電圧検出部の検出電圧と所定の閾値電圧との比較出力に基づいて、第１スイッチ部を制御する切替部と、を備え、切替部は、電圧検出部の検出電圧が所定の閾値電圧以下に下降すると、第１スイッチ部をオンし、一次電池からの電源により蓄電池を充電する。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電システム及び蓄電方法に関する。

太陽光等の環境中から得られたエネルギーを蓄電池に蓄電し、機器を動作させる環境発電技術が注目されている。環境発電では、電力は微弱であることが多いため、動作させたい機器への電力供給が不足することが考えられる。そこで、補助用に一次電池を設けておき、機器への電力供給が不足したときには、一次電池から機器に電力を供給することで、機器の動作を継続させるようにすることが提案されている（例えば特許文献１）。補助用の一次電池を設ける場合、出力電圧の異なる様々な一次電池に適用できるように、一次電池の後段にＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電圧−直流電圧変換装置）が設けられる。

特開２０１０−２５９３２０号公報

しかしながら、一次電池から機器に電源を供給し続けると、蓄電システム全体として、消費電力が大きくなるという問題が生じてくる。つまり、一次電池の後段のＤＣ／ＤＣコンバータ自身は、数μＡ〜数十μＡのオーダーであるが、電力を消費する。一次電池から機器に電源を供給し続けると、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作時間が長くなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ自体の電力消費も無視できなくなる。

上述の課題を鑑み、本発明は、補助用の一次電池を設けた場合に、消費電力をより低減することができる蓄電システム及び蓄電方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る蓄電システムは、環境発電を行う発電素子と、前記発電素子の発電電力により充電されるとともに機器に電力を供給する蓄電池と、前記蓄電池の蓄電状態を検出する電圧検出部と、補助用の一次電池と、前記一次電池と前記蓄電池との間に設けられた第１スイッチ部と、前記電圧検出部の検出電圧と所定の閾値電圧とを比較し、前記電圧検出部の検出電圧と所定の閾値電圧との比較出力に基づいて、前記第１スイッチ部を制御する切替部と、前記一次電池と前記機器への給電線との間に第２スイッチ部と、を備え、前記切替部は、前記電圧検出部の検出電圧が前記所定の閾値電圧以下に下降すると、前記第１スイッチ部をオンし、前記一次電池からの電源により前記蓄電池を充電し、前記第１スイッチ部がオン状態の間、前記第２スイッチ部をオフ状態に設定する。

また、本発明の一態様に係る蓄電システムにおいて、前記切替部は、前記所定の閾値電圧として、前記電圧検出部の検出電圧が上昇したときの電圧値と比較する第１閾値電圧と、前記電圧検出部の検出電圧が下降したときの電圧値と比較する第２閾値電圧とを有し、前記電圧検出部の検出電圧が前記第２閾値以下に下降すると、前記第１スイッチ部をオン状態に設定し、前記電圧検出部の検出電圧が前記第１閾値以上に上昇すると、前記第１スイッチ部をオフ状態に設定するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る蓄電システムは、前記一次電池の後段に、前記一次電池の出力電圧を所定の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを有し、前記切替部は、前記第１スイッチ部がオフ状態に設定されている間、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に設定するようにしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る蓄電方法は、環境発電を行う発電素子と、前記発電素子の発電電力により充電されるとともに機器に電力を供給する蓄電池と、補助用の一次電池と、前記一次電池と前記蓄電池との間に設けられた第１スイッチ部と、前記一次電池と前記機器への給電線との間に第２スイッチ部と、を備えた蓄電システムにおける蓄電方法であって、電圧検出部が、前記蓄電池の蓄電電圧を検出する検出手順と、比較部が、前記検出手順によって検出された検出電圧と、所定の閾値電圧とを比較する比較手順と、切換部が、前記比較手順の比較結果に基づいて、前記検出手順によって検出された電圧が前記所定の閾値電圧以下に下降すると、前記第１スイッチ部をオンし、前記一次電池からの電源により前記蓄電池を充電し、前記第１スイッチ部がオン状態の間、前記第２スイッチ部をオフ状態に設定する切り換え手順と、を含む。

本発明によれば、補助用の一次電池の後段のＤＣ／ＤＣコンバータの動作時間が短縮でき、蓄電システム全体での消費電力をより低減することができる。

第１実施形態に係る蓄電システムの構成例を示す構成図である。第１実施形態に係る蓄電システムにおける各部の動作例を示す図である。第１実施形態に係る蓄電システムにおける処理手順を示すフローチャートである。第２実施形態に係る蓄電システムの構成例を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る蓄電システム１００の構成例を示す構成図である。図１に示すように、蓄電システム１００は、環境発電素子を用いた太陽電池１１０と、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０（直流電圧−直流電圧変換装置）と、蓄電池１３０と、電圧検出部１４０と、切替部１５０と、一次電池１６０と、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０と、第１スイッチ部１８０とを備えている。

太陽電池１１０は、受光面側に配列された複数の太陽電池セルを直列に接続し、所定の出力電圧が得られるように構成されている。太陽電池１１０の出力側は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の入力側に接続される。

第１ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０は、太陽電池１１０から入力された電圧を、機器２００への給電電圧に応じた電圧に変換する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の出力側は、負荷である機器２００への給電線ＤＣＬ１に接続される。

蓄電池１３０は、大容量のキャパシタであり、例えば４０Ｆ（ファラド）のリチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）である。蓄電池１３０は、電圧検出部１４０を介して、給電線ＤＣＬ１に接続されるとともに、第１スイッチ部１８０の端子ａに接続される。

電圧検出部１４０は、例えば抵抗分圧回路を用いて構成され、蓄電池１３０の蓄電電圧を検出する。電圧検出部１４０からの検出電圧は、切替部１５０に供給される。

切替部１５０は、電圧検出部１４０の検出電圧に応じて、所定の閾値電圧電圧との比較出力から、蓄電池１３０の蓄電状態を判定し、これに基づいて、第１スイッチ部１８０及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を制御する。切替部１５０は比較部１５１を備えている。比較部１５１には、第１閾値電圧Ｒｅｆ１と第２閾値電圧Ｒｅｆ２とが設定されている。第１閾値電圧Ｒｅｆ１は、電圧検出部１４０の検出電圧が上昇したときの電圧値と比較する閾値であり、例えば２．７Ｖである。第２閾値電圧Ｒｅｆ２は、電圧検出部１４０の検出電圧が下降したときの電圧値と比較する閾値であり、例えば２．５Ｖである。切替部１５０は、比較部１５１の比較出力から、第１閾値電圧Ｒｅｆ１と第２閾値電圧Ｒｅｆ２のヒステリシス特性を持って、第１スイッチ部１８０及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を制御する。

一次電池１６０は、補助用の電源である。一次電池１６０は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０の入力側に接続される。

第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０は、出力電圧の異なる多種の一次電池１６０が適用できるように、一次電池１６０の電圧を給電電圧に応じた電圧に変換する。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０の出力側は、第１スイッチ部１８０の端子ｂに接続される。

第１スイッチ部１８０は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０の出力側と、蓄電池１３０との間をオン／オフする。第１スイッチ部１８０の端子ｂは、電圧検出部１４０を介して蓄電池１３０に接続されるとともに、給電線ＤＣＬ１に接続される。

図２は、本実施形態に係る蓄電システム１００における各部の動作例を示す図である。図２（Ａ）は、電圧検出部１４０の検出電圧の変化を示すものであり、横軸は時間を示し、縦軸は電圧値を示している。図２（Ｂ）は、時間を横軸に第１スイッチ部１８０の状態を示している。図２（Ｃ）は、時間を横軸に第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０の動作状態を示している。

図１に示すように、本実施形態に係る蓄電システム１００では、電圧検出部１４０により、蓄電池１３０の蓄電電圧が検出される。切替部１５０により、電圧検出部１４０の検出電圧に応じて、第１スイッチ部１８０及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０が制御される。

通常状態では、図２に示すように、電圧検出部１４０の検出電圧は、第１閾値電圧Ｒｅｆ１及び第２閾値電圧Ｒｅｆ２より大きくなっており、このときには、切替部１５０は、第１スイッチ部１８０をオフ状態、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を非動作状態に設定している。この間では、太陽電池１１０の発電電力により蓄電池１３０が充電されるとともに、蓄電池１３０からの電力が給電線ＤＣＬ１を通じて機器２００に供給される。なお、通常状態とは、太陽電池１１０によって発電が行われている、または行われていない状態であり、かつ機器２００への電力供給が可能な電圧値である。

発電量の低下等により、電圧検出部１４０の検出電圧が第２閾値電圧Ｒｅｆ２以下まで下降すると、図２に示すように、切替部１５０は、第１スイッチ部１８０をオン状態に設定するとともに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を動作状態に設定する。第１スイッチ部１８０がオン状態に設定されると、蓄電池１３０には、一次電池１６０から、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０、第１スイッチ部１８０、電圧検出部１４０を介して電源が蓄電池１３０と機器２００とに供給され、蓄電池１３０が充電される。

図２では、時刻ｔ１で、電圧検出部１４０の検出電圧が第２閾値電圧Ｒｅｆ２以下まで下降しており、この時点で、図２（Ｂ）に示すように、切替部１５０は、第１スイッチ部１８０をオン状態に切替え、また、図２（Ｃ）に示すように、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を動作状態に切替える。時刻ｔ１から後では、一次電池１６０により蓄電池１３０が充電される。これにより、図２（Ａ）に示すように、電圧検出部１４０の検出電圧が上昇していく。

電圧検出部１４０の検出電圧が第１閾値電圧Ｒｅｆ１以上まで上昇すると、切替部１５０は、蓄電池１３０の蓄電量は回復したと判定し、第１スイッチ部１８０をオフ状態及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を非動作状態に設定する。これにより、通常状態に復帰する。

図２では、時刻ｔ２で、電圧検出部１４０の検出電圧が第１閾値電圧Ｒｅｆ１以上まで上昇しており、この時点で、図２（Ｂ）に示すように、切替部１５０は、第１スイッチ部１８０をオフ状態に切替えるとともに、図２（Ｃ）に示すように、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を非動作状態に切替える。時刻ｔ１から時刻ｔ２の間に、発電量が回復していれば、時刻ｔ２以降では、通常状態に復帰する。

なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２で発電量が回復していなければ、蓄電池１３０の蓄電量は再び不足することになる。しかしながら、本実施形態では、切替部１５０は、第１閾値電圧Ｒｅｆ１と第２閾値電圧Ｒｅｆ２のヒステリシス特性を持って、第１スイッチ部１８０及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を制御している。このため、蓄電池１３０の蓄電電圧が第１閾値電圧Ｒｅｆ１以下に下降しても、第１スイッチ部１８０及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０の状態は、直ちに切替えられることはない。第１スイッチ部１８０及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０は、電圧検出部１４０の検出電圧が第２閾値電圧Ｒｅｆ２以下まで下降するのを待って切替えられる。このように、切替部１５０がヒステリシス特性を持っていることで、安定した動作が維持できる。

図３は、本実施形態に係る蓄電システム１００における処理手順を示すフローチャートである。
（ステップＳ１０１）初期状態では、切替部１５０は、第１スイッチ部１８０をオフ状態に設定するとともに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を非動作状態に設定する。
（ステップＳ１０２）太陽電池１１０からの電力が蓄電池１３０に供給され、蓄電池１３０が充電されるとともに、蓄電池１３０からの電力が機器２００に供給される。

（ステップＳ１０３）電圧検出部１４０は、蓄電池１３０の電圧を検出し、この検出電圧を切替部１５０に出力する。
（ステップＳ１０４）切替部１５０は、電圧検出部１４０の検出電圧が第２閾値電圧Ｒｅｆ２以下まで下降したか否かを判別する。切替部１５０は、電圧検出部１４０の検出電圧が第２閾値電圧Ｒｅｆ２以下まで下降したと判別した場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）、ステップＳ１０５の処理に進め、電圧検出部１４０の検出電圧が第２閾値電圧Ｒｅｆ２以下まで下降していないと判別した場合（ステップＳ１０５；ＮＯ）、ステップＳ１０１の処理に戻す。

（ステップＳ１０５）切替部１５０は、第１スイッチ部１８０をオン状態に切替えるとともに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を動作状態とする。
（ステップＳ１０６）一次電池１６０からの電源により、蓄電池１３０への充電が行われる。
（ステップＳ１０７）電圧検出部１４０は、蓄電池１３０の電圧を検出し、この検出電圧を切替部１５０に出力する。

（ステップＳ１０８）切替部１５０は、電圧検出部１４０の検出電圧が第１閾値電圧Ｒｅｆ１以上まで上昇したか否かを判別する。切替部１５０は、電圧検出部１４０からの検出電圧が第１閾値電圧Ｒｅｆ１以上まで上昇していると判定した場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、ステップＳ１０１に処理を戻し、電圧検出部１４０からの検出電圧が第１閾値電圧Ｒｅｆ１以上まで上昇していないと判定した場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、ステップＳ１０５に処理を戻す。

以上説明したように、本実施形態では、通常状態において、切替部１５０が、第１スイッチ部１８０をオフ状態に設定するとともに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を非動作状態に設定する。電圧検出部１４０の検出電圧から、蓄電池１３０の蓄電量の不足を検出すると、切替部１５０が、第１スイッチ部１８０をオン状態に設定するとともに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を動作状態に設定する。これにより、一次電池１６０により、機器２００に電力の供給を継続しつつ、蓄電池１３０を所定の蓄電量まで充電することができる。本実施形態では、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０は、一次電池１６０により蓄電池１３０が所定の蓄電量まで上昇させる間のみ動作状態に切替部１５０が設定する。このため、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０での電力消費が低減できる。これにより、蓄電システム１００全体での消費電力の低減することができる。

なお、本実施形態では、一次電池１６０から、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０、第１スイッチ部１８０を介して、給電線ＤＣＬ１に電源を供給する経路があるので、蓄電池１３０の蓄電量が回復するまで、機器２００への電源の供給は継続できる。このとき、一次電池１６０から蓄電池１３０への蓄電に用いる電力と、一次電池１６０から機器２００に供給する電力との電力量を制御するようにしても良い。

［第２実施形態］
図４は、本実施形態に係る蓄電システム３００の構成例を示す構成図である。なお、図４において、第１実施形態と同様の部分については、同一符号を付して、その説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態の蓄電システム３００は、更に、第２スイッチ部１９０を備える。第２スイッチ部１９０の端子ｃは、給電線ＤＣＬ１に接続される。第２スイッチ部１９０の端子ｄは、第１スイッチ部１８０の端子ａに接続されるとともに、電圧検出部１４０を介して、蓄電池１３０に接続される。第２スイッチ部１９０は、切替部１５０により制御される。

第１実施形態と同様に、通常状態では、切替部１５０は、第１スイッチ部１８０をオフ状態、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を非動作状態に設定している。更に、本実施形態では、通常状態では、切替部１５０は、第２スイッチ部１９０をオン状態に設定している。

電圧検出部１４０の検出電圧が第２閾値電圧Ｒｅｆ２以下まで下降すると、切替部１５０は、第１スイッチ部１８０をオン状態に設定するとともに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を動作状態に設定する。更に、本実施形態では、電圧検出部１４０の検出電圧が第２閾値電圧Ｒｅｆ２以下まで下降すると、切替部１５０は、第２スイッチ部１９０をオフ状態に設定している。第１スイッチ部１８０がオン状態に設定されると、蓄電池１３０には、一次電池１６０から、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０、第１スイッチ部１８０、電圧検出部１４０を介して電源が供給され、蓄電池１３０が充電される。また、このとき、第２スイッチ部１９０はオフ状態になるので、一次電池１６０から機器２００への電源の供給は停止される。

本実施形態では、一次電池１６０からの電源は、蓄電池１３０の充電にのみ使用されることから、蓄電池１３０を短時間で、所定の蓄電量まで充電することができる。このことから、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０の動作時間を短くでき、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０での電力消費が低減できる。

なお、第１実施形態または第１実施形態で説明した蓄電システム１００（または３００）は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上述の例では、発電素子として環境発電素子を用いた太陽電池１１０の例を示したが、これに限られない。発電素子は、環境発電を行える発電素子であればよい。ここで、光以外の環境発電とは、例えば熱、振動、風力、電波等による発電である。

また、蓄電システム１００（または３００）は、扉の開閉用の電源や電気のスイッチの電源として用いることができる。蓄電システムを扉の開閉用の電源等に用いる場合、扉の開閉用の電源や電気のスイッチの電源は、設置環境や使用状況に応じて電力消費量が異なるため、例え太陽電池１１０に光が当たっていても、発電量と電力消費量の収支がマイナスになる場合もある。このような場合に、蓄電システム１００（または３００）を好適に用いることができる。

１００、３００…蓄電システム、１１０…太陽電池、１２０…第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、１３０…蓄電池、１４０…電圧検出部、１５０…切替部、１５１…比較部、１６０…一次電池、１７０…第２ＤＣ／ＤＣコンバータ、１８０…第１スイッチ部、１９０…第２スイッチ部

Claims

環境発電を行う発電素子と、
前記発電素子の発電電力により充電されるとともに機器に電力を供給する蓄電池と、
前記蓄電池の蓄電状態を検出する電圧検出部と、
補助用の一次電池と、
前記一次電池と前記蓄電池との間に設けられた第１スイッチ部と、
前記電圧検出部の検出電圧と所定の閾値電圧とを比較し、前記電圧検出部の検出電圧と所定の閾値電圧との比較出力に基づいて、前記第１スイッチ部を制御する切替部と、
前記一次電池と前記機器への給電線との間に第２スイッチ部と、を備え、
前記切替部は、前記電圧検出部の検出電圧が前記所定の閾値電圧以下に下降すると、前記第１スイッチ部をオンし、前記一次電池からの電源により前記蓄電池を充電し、前記第１スイッチ部がオン状態の間、前記第２スイッチ部をオフ状態に設定する蓄電システム。
前記切替部は、前記所定の閾値電圧として、前記電圧検出部の検出電圧が上昇したときの電圧値と比較する第１閾値電圧と、前記電圧検出部の検出電圧が下降したときの電圧値と比較する第２閾値電圧とを有し、
前記電圧検出部の検出電圧が前記第２閾値以下に下降すると、前記第１スイッチ部をオン状態に設定し、
前記電圧検出部の検出電圧が前記第１閾値以上に上昇すると、前記第１スイッチ部をオフ状態に設定する、請求項１に記載の蓄電システム。
前記一次電池の後段に、前記一次電池の出力電圧を所定の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを有し、
前記切替部は、前記第１スイッチ部がオフ状態に設定されている間、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に設定するようにした請求項１または請求項２に記載の蓄電システム。
環境発電を行う発電素子と、前記発電素子の発電電力により充電されるとともに機器に電力を供給する蓄電池と、補助用の一次電池と、前記一次電池と前記蓄電池との間に設けられた第１スイッチ部と、前記一次電池と前記機器への給電線との間に第２スイッチ部と、を備えた蓄電システムにおける蓄電方法であって、
電圧検出部が、前記蓄電池の蓄電電圧を検出する検出手順と、
比較部が、前記検出手順によって検出された検出電圧と、所定の閾値電圧とを比較する比較手順と、
切換部が、前記比較手順の比較結果に基づいて、前記検出手順によって検出された電圧が前記所定の閾値電圧以下に下降すると、前記第１スイッチ部をオンし、前記一次電池からの電源により前記蓄電池を充電し、前記第１スイッチ部がオン状態の間、前記第２スイッチ部をオフ状態に設定する切り換え手順と、
を含む蓄電方法。