JP7326675B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電システムに関するものである。

従来、回転体と、回転体の回転力を電力に変換する発電機とを備え、発電機により発電した電力を二次電池に蓄電する蓄電システムが知られている。

特許文献１には、上記発電装置として、発電機の回転数を検出する回転検出部と、発電機にブレーキをかける電磁ブレーキとを備え、回転検出部から得られる発電機の回転数が設定された回転数まで上昇すると、電磁ブレーキのブレーキを制御し、発電機の回転を調整しながら発電を続ける発電制御部を備えるものが記載されている。

しかしながら、特許文献１では、装置が高価になるという課題があった。

上述した課題を解決するために、本発明は、回転体と、前記回転体の回転力を電力に変換する発電機とを備え、前記発電機により発電した電力を二次電池に蓄電する蓄電システムにおいて、前記二次電池は、前記発電機に並列、且つ常時接続され、前記二次電池の電池電圧を前記発電機の電機子に印加して回転数を制御することを特徴とするものである。

本発明によれば、装置のコストダウンを図り、発電－充電効率を改善することができる。

実施形態に係る水力発電装置のブロック図。 実施形態に係る水力発電装置の回路図。 直流／交流変換器を用いない構成とした水力発電装置のブロック図。 直流発電機を用いた水力発電装置の第一の態様を示すブロック図。 直流発電機を用いた水力発電装置の第二の態様を示すブロック図。 負荷が接続されていない構成の水力発電装置のブロック図。 従来の水力発電装置の一例を示すブロック図。 検証試験に用いた水力発電装置のブロック図。 検証試験に用いた水車発電部の概略図。 実施例１～３について、二次電池の電池電圧と接続する前の発電機電圧と接続後の発電機電圧との差ΔＶを横軸とし、二次電池充電電流を縦軸としてプロットしたグラフ。 発電機に印加する電池電圧を変更可能な蓄電システムの一例を示すブロック図。

以下、本発明に係る蓄電システムとして、水力発電装置について説明する。
図１は、実施形態に係る水力発電装置のブロック図であり、図２は、実施形態に係る水力発電装置の回路図である。
本実施形態の水力発電装置は、発電出力が数ｋｗ程度のピコ水力発電装置であり、回転体たる水車１００と、交流電力を発電する発電機１１と、整流器３０と、二次電池２０と、直流／交流変換器３１とを備えている。

発電機１１は、三相交流発電機であり、水車１００と機械的に接続されている。整流器３０は、発電機１１からの交流出力を整流して直流にする。二次電池２０は、整流器３０を介して発電機１１に並列に接続されており、整流器３０により変換された直流電力が充電されるとともに、発電機１１の電機子（コイル）に電池電圧を印加する。

二次電池２０の端子には、直流／交流変換器３１が接続されている。直流／交流変換器３１は、二次電池２０から放電された直流電力を家電製品等の負荷５０の電力として、交流１００Ｖに変換する。

二次電池２０としては、内部抵抗が６０［ｍΩ・Ａｈ］以下の二次電池を用いることで、二次電池２０の発熱を抑えることができ、効率的に電力を充電することができ好ましく、特に、リチウムイオン電池が好ましい。リチウムイオン電池の中でも発煙発火するリスクが小さく、かつ内部抵抗が低い、オリビン構造またはスピネル構造を有する活性物質が正極に使用されたリチウムイオン電池が好ましく、特に内部抵抗の低いスピネル構造のマンガン酸リチウム化合物が望ましい。
オリビン構造を有する活性物質としては、リン酸鉄を挙げることができ、スピネル構造をもつ活性物質としては、マンガン酸化物を挙げることができる。

水流により水車１００が回転する事で、連動した３相交流同期発電機の磁束を備えた回転子の回転により、固定子側に設けられた電機子（コイル）に誘起電圧が発生する。発生する誘起電圧は磁気飽和領域までは水車１００の回転数と比例関係にあり、水流による水車１００の回転数が変化すると連動した発電機１１の誘起電圧も変化する。発電機１１で発生する電力は、交流であるため、整流器３０により直流化を行い、直流化された電力が二次電池２０に充電される。

なお、二次電池２０の電池電圧を、あらかじめ必要な負荷５０の定格電圧に合わせる事で、図３に示すように、直流／交流変換器３１を用いない構成とすることもできる。また、図４、図５に示すように、発電機として直流発電機１０を用い、整流器３０を無くした構成とすることができる。

また、図６に示すように、負荷５０が接続されていない構成で、二次電池２０を容易に着脱可能に構成し、充電後に別の場所で二次電池２０を用いるようにする構成でもよい。

図７は、従来の水力発電装置の一例を示すブロック図である。
図７に示すように、従来の小型水力発電装置においては、発電制御部３２と、充電制御部２１を備えていた。
発電制御部３２は、ＭＰＰＴ（Maximum power point tracking）制御により、発電機１１からの出力電圧を、二次電池２０の電池電圧とほぼ同値の電圧に変換するとともに、電流値を最適にして二次電池２０に供給する。

ピコ水力発電装置などの小型水力発電設備の場合、水車１００を河川に設置することにより発電を行うことが一般的である。このように河川の水流で水車１００を回して発電する場合、河川の水流により水車１００の回転数が変化し、発電機１１の電力が変動する。

発電制御部３２は、水車１００の特性に合わせた電流電圧曲線のアルゴリズムを有しており、発電機１１の発電電圧を、二次電池の電池電圧に変換するとともに、このアルゴリズムに基づいて、二次電池２０に流す電流値を最大限に引き上げている。しかし、水車１００の特性により電流電圧曲線のアルゴリズムが異なるため、水車１００毎に見合うアルゴリズムの入力が必要となる。なお、風力発電装置においても、風量により風車の回転数が変化するため、発電制御部を設けて、発電機の回転数を制御しており、風車毎に見合うアルゴリズムの入力が必要となる。

充電制御部２１は、二次電池２０が満充電に到達した時点で、例えば、バルブを閉じて、水車へ水が流れないようにして、水車を停止し二次電池２０を保護する。

このように、従来の水力発電装置では、発電機１１の出力電圧を、二次電池２０の充電に最適な電圧および電流に変換する発電制御部３２や、二次電池保護のための充電制御部２１などの制御部が必要であり、装置のコストアップにつながるという課題がある。また、発電制御部３２や、充電制御部２１などを備えた制御装置を設置するスペースが必要となり、装置が大型化するという課題もあった。また、発電制御部３２で二次電池２０の充電に最適な電圧および電流に変換する際に変換ロスが生じてしまうという課題もあった。

本実施形態では、これら課題を解決するために、二次電池２０を発電機１１と並列接続して、二次電池２０の電池電圧で発電機１１の回転数を制御するようにした。二次電池２０を発電機１１と並列接続することで、発電機１１に二次電池の電池電圧が印加される。これにより、発電機１１の各相の電機子に発生する誘起電圧が、電池電圧から発電機の内部抵抗による電圧降下を差し引いた値に制御される。このように誘起電圧が制御されることで、各相の電機子に流れる電流により発生する回転磁界が変化し、回転子に制動がかかり、発電機１１の回転数が制御される。このように、発電機１１に電池電圧を印加することで、発電機１１の出力電圧（誘起電圧）が制御され、二次電池２０への過電圧が抑制され、二次電池の破損や劣化を抑制することができる。

二次電池２０としては、内部抵抗が６０［ｍΩ・Ａｈ］以下であるものが好ましい。内部抵抗が６０［ｍΩ・Ａｈ］以下のものを用いることで、過充電、過放電による発煙発火のリスクを小さくし、二次電池保護のための充電制御部２１も不要にできる。また、熱損失を抑えることができ、発電機１１の出力電力が弱く、二次電池２０への充電電流が少なくても、良好に充電を行うことができる。

また、二次電池２０として、リチウムイオン電池を用いることで、安定的に発電機１１の回転数の制御を行うことができ、発電機１１の出力電圧を一定に保つことができる。特に、リチウムイオン電池として、オリビン構造、或いはスピネル構造の少なくともいずれかを有する活性物質が正極に使用されたリチウムイオン電池を用いるのが好ましい。オリビン構造、或いはスピネル構造の少なくともいずれかを有する活性物質が正極に使用されたリチウムイオン電池は、発煙発火するリスクが小さく、望ましい。特に内部抵抗の低いスピネル構造のマンガン酸リチウム化合物を用いることで、内部抵抗を６０［ｍΩ・Ａｈ］以下に抑えることができ、望ましい。

鉛二次電池およびレドックスフロー電池などの化学電池を、発電機に並列接続しても、充電初期であれば、発電機１１の回転数を一定の回転数に制御できる。しかし、充電が進むと、内部抵抗が増加し、発電機１１に印加する電池電圧（＝電流量×内部抵抗）が上昇する。電池電圧が上昇することで、発電機１１の各相の電機子の誘起電圧が上昇し、回転子の回転数が上昇する。その結果、発電機１１からの出力電圧および出力電流が増加し、二次電池２０への充電電圧値および充電電流値が大きくなる。その結果、二次電池２０に過電圧および過電流をかける状態となり、電池内で電気分解反応が起き、電池の劣化が進行するおそれがある。また、災厄の場合は二次電池２０が壊れるおそれがある。従って、鉛二次電池およびレドックスフロー電池などの化学電池を用いる場合は、電池容量を発電機１１の能力の８倍以上にして、満充電になるまでの時間を遅くするとともに、充電制御部２１を設けて、満充電前に、二次電池への充電を停止する必要がある。

また、鉛二次電池およびレドックスフロー電池などの化学電池は、充電と同時に放電は可能であるが、充電と放電では化学反応が逆方向（ヒステリシス）であるため、電極表面に逆電圧がかかる。これが電池の反応界面をいため、電池寿命を短くする。従って、発電機１１の出力電力を充電しながら発電機１１に二次電池２０の電池電圧を印加する（発電機に放電する）本実施形態に化学電池を用いると、二次電池２０の寿命が短くなるおそれがある。

リチウムイオン電池は、鉛電池より高容量密度を持ち、狭い範囲で、容量に対応した電圧を持ち、キャパシタの電荷移動がリチウムイオンの移動におき変わった「非化学電池」である。また、リチウムイオン電池は、充電量が８０％以下であれば、内部抵抗はほぼ一定であり、充電が進んでも電池電圧をほぼ一定に維持することができる。また、リチウムイオンの移動は電流に依存し、電圧は影響しない。そのため、満充電となっても、電池に電流が流れる状態（放電状態）であれば、電池電圧は、ほぼ一定に保たれる。二次電池２０を発電機１１に並列に接続し、発電機１１に電池電圧を印加（発電機に放電）しているため、二次電池２０は発電機１１による充電中は、常に放電しており、電池に電流が流れる状態である。従って、満充電となっても、電池電圧は、ほぼ一定に保たれる。

このように、リチウムイオン電池を用いることで、二次電池２０への充電が進んでも、発電機１１に印加する電池電圧をほぼ一定に保つことができ、発電機１１の各相の電機子の誘起電圧をほぼ一定に制御でき、発電機の回転数をほぼ一定に維持することができる。これにより、二次電池２０への充電電圧および充電電流をほぼ一定に維持でき、二次電池２０に過電圧および過電流をかける状態となるのを抑制することができる。

また、リチウムイオン電池は、「充電・放電に化学反応を伴う解離エネルギーを必要としない」ため、一般的な化学電池とは異なり、充電と放電とを同時に行ったときに「ヒステリシス」はない。従って、充電と同時に放電を行っても、電池の反応界面をいためることがなく電池寿命の低下が抑制される。よって、発電機１１の出力電力を充電しながら発電機１１に二次電池２０の電池電圧を印加する本実施形態の構成において、長期にわたり二次電池２０を使用することができる。

さらに、突入電流の危険性を考えると、オリビン構造をもつリン酸化物を正極材料に使ったリン酸鉄リチウムイオン電池や、スピネル構造をもつマンガン酸化物を正極材料に使ったマンガン酸リチウムイオン電池が望ましい。マンガン酸リチウムイオン電池およびリン酸鉄リチウムイオン電池は、発煙発火するリスクが小さく、かつ内部インピーダンスが低い。そのため、マンガン酸リチウムイオン電池およびリン酸鉄リチウムイオン電池を用いることで、突入電流が発生したときの発煙発火のリスクを低減でき、好ましい。

一般的な三元系正極材料およびコバルト酸正極材料は自己発熱する危険性があるため、充電電流および充電電圧を厳しく制限している。そのために保護回路をつけることが必要になるが、この回路は水力発電装置の内部抵抗を上昇させ、充電効率を低下させる。

発煙発火するリスクが小さくスピネル構造をもつマンガン系正極材料や、オリビン構造をもつリン酸系正極材料を使うことによって、保護回路が不要となり、コストと蓄電システムの内部抵抗を削減することができる。また、発電機１１の出力電力を、保護回路を介さずに、二次電池２０へ供給することができ、充電効率を高めることができる。さらに、マンガン、リンおよび鉄は材料的に豊富であり、三元系に使われるコバルトのような資源問題がないため、このシステムが広く世界に普及するためには極めて有益である。

二次電池２０の内部抵抗を、６０［ｍΩ・Ａｈ］以下に抑えることで、二次電池２０の発熱を抑えることができ、熱安定性を高めることができ、過充電、過放電による発煙発火のリスクを小さく抑える事が出来る。また、内部抵抗を、６０［ｍΩ・Ａｈ］以下に抑えることで、内部抵抗による損失を抑えることができ、二次電池２０に流れる充電電流が少なくても、良好に充電することができる。二次電池２０として、リチウムイオン電池を用いることで、電池の内部抵抗を設計で６０［ｍΩ・Ａｈ］以下にすることが可能であり、この点からも、リチウムイオン電池が好ましい。

次に、本出願人が行った検証試験について、説明する。
図８は、検証試験に用いた蓄電システムたる水力発電装置のブロック図である。
図８に示すように、検証試験に用いた水力発電装置は、整流器３０と二次電池２０との間に開閉器３３を直列に接続している。二次電池２０は、図２と同様、発電機と並列に接続し、発電機１１は、３相交流発電機を用いた。

図９は、検証試験に用いた水車発電部の概略図である。
図９に示すように、サイフォン方式により通水させ、バルブ２０２の開度により水車１００に流す流量制御が可能となっている。バルブ２０２と水車１００を収納した水車発電部２０１とは、配管２０４により接続されている。配管２０４を通って水車発電部２０１に水が流れ込むことで、水車１００が回転し、３相交流発電機１１が発電する。

検証試験は、まず、開閉器３３を開き、発電機１１と二次電池２０とが電気的に接続されていない状態で、バルブ２０２を１００％開き、水車１００を回転させる。そして、水車１００の回転数と、発電機１１の電圧［ＶＡＣ］と、整流器３０により整流後の直流電圧［ＶＤＣ］とを測定する。

次に、開閉器３３を閉じて、発電機１１と二次電池２０とを電気的に５分間接続する。そして、水車１００の回転数と、発電機１１の電圧［ＶＡＣ］と、整流器３０により整流後の直流電圧［ＶＤＣ］と、整流後の電流［Ａ］と、二次電池の電圧［ＶＤＣ］と、充電電流［Ａ］とを測定する。

次に、開閉器３３を開いて、発電機１１と二次電池２０とを電気的に切断した後、バルブ２０２開度を７５％にし、上述と同様、水車１００を回転させる。そして、水車１００の回転数と、発電機１１の電圧［ＶＡＣ］と、整流器３０により整流後の直流電圧［ＶＤＣ］とを測定する。次に、開閉器３３を閉じて、発電機１１と二次電池２０とを電気的に５分間接続する。そして、水車１００の回転数と、発電機１１の発電交流電圧［ＶＡＣ］と、整流器３０により整流後の直流電圧［ＶＤＣ］と、整流後の電流［Ａ］と、二次電池２０の電圧［ＶＤＣ］と、充電電流［Ａ］とを測定する。その後、バルブ２０２開度：５０％および３０％について、上述と同様な手順で測定を行う。バブル開度：３０％で測定を行った後、２０時間放置後の二次電池２０の解放電圧を測定する。

［実施例１］
実施例１では、二次電池として、東北大学標準仕様電池モジュールを使用した。東北大学標準仕様電池モジュールは、正極がスピネル構造をもつマンガン酸リチウムイオン電池であり、電池モジュールの公称電池電圧は２４［ＶＤＣ］、内部抵抗は、６０［ｍΩ・Ａｈ］である。また、検証試験前のマンガン酸リチウムイオン電池の解放電圧は、２３．７［ＶＤＣ］であった。
下記表１に、実施例１における実験結果を示す。

表１からわかるように、バブル開度１００％において、発電機１１に二次電池２０を接続し、発電機１１に二次電池２０の電池電圧を印加することで、発電機１１の誘起電圧が制御され、発電機１１の端子電圧が、１４６［ＶＡＣ］から１９．２２［ＶＡＣ］に変化した。この端子電圧の変化に比例して回転数が１９００［ｒｐｍ］から５１０［ｒｐｍ］に低下した。また、発電機１１と二次電池２０との接続時の整流後の直流電圧は、２４．４［ＶＤＣ］であり、二次電池２０の解放電圧２３．７［ＶＤＣ］とほぼ同値であった。また、充電時の二次電池２０の電圧が２３．８［ＶＤＣ］であり、開放電圧とほぼ同じ値であった。

バルブ開度を７５％、５０％、３０％とし、流量を変えてもバルブ開度１００％のときと同様に、発電機１１と二次電池２０との接続時の整流後の直流電圧、充電時の二次電池２０の電圧が、二次電池２０の解放電圧とほぼ同値であった。
また、２０時間後の解放電圧が、２３．９［ＶＤＣ］となっており、小電力で充電できていることが確認できた。

［実施例２］
実施例２は、二次電池２０として、東北大学標準仕様電池モジュール２つを直列に接続したものを使用した。電池公称電池電圧は４８［ＶＤＣ］であり、検証試験前の２次電池の解放電圧は、４６．７［ＶＤＣ］であった。
下記表２に、実施例２における実験結果を示す。

表２に示すように、実施例２でも、実施例１と同様、二次電池２０の電池電圧により発電機１１の誘起電圧が制御され、整流後の直流電圧が、二次電池２０の解放電圧４６．７［ＶＤＣ］とほぼ同値にできた。また、充電時の二次電池２０の電圧も、開放電圧とほぼ同じ値であった。また、２０時間放置後の解放電圧が、４７．３［ＶＤＣ］となっており、小電力で充電できていることが確認できた。

［実施例３］
実施例３は、二次電池として、定格電圧１２［ＶＤＣ］、内部抵抗２２６．８［ｍΩ・Ａｈ］の鉛蓄電池を４つ直列に接続したものを使用した。電池電圧は４８［ＶＤＣ］であり、検証試験前の二次電池２０の解放電圧は、４９．８［ＶＤＣ］であった。
下記表３に、実施例３における実験結果を示す。

表３に示すように、実施例１、実施例２に比べて整流後の直流電圧が二次電池２０の解放電圧４９．８［ＶＤＣ］よりも若干高い。しかし、実施例３も、二次電池２０の電池電圧により発電機１１の誘起電圧が制御され、整流後の直流電圧を二次電池２０の解放電圧に近づけることができた。

実施例３では充電時の二次電池２０の電池電圧が、開放電圧よりも若干高かった。これは、実施例１、実施例２よりも内部抵抗が高いことや、内部抵抗が上昇したことにより二次電池２０の電池電圧が高くなったと考えられる。このように、充電時の二次電池２０の電池電圧が、開放電圧よりも若干高いので、発電機１１に開放電圧よりも若干高い電池電圧が印加される。その結果、実施例１、実施例２に比べて整流後の直流電圧が二次電池２０の解放電圧４９．８［ＶＤＣ］よりも若干高いものになったと考えられる。

実施例３においては、２０時間放置後の解放電圧が、４９．８［ＶＤＣ］であり、試験前の解放電圧と同値であり、ほとんど充電されなかった。これは、内部抵抗が、実施例１や実施例２よりも高いことで、内部抵抗が６０［ｍΩ・Ａｈ］の実施例１、実施例２に比べて充電効率が悪いため、ほとんど充電されなかったと考えられる。

表１～表３に示すように、二次電池を発電機１１と並列に接続することで、二次電池の電池電圧により誘起電圧が制御され、発電機の回転数を制御することができる。これにより、発電機の出力電圧を抑えることができ、二次電圧に印加される整流後の直流電圧を、ほぼ、二次電池の電池電圧にすることができる。これにより、二次電池に過電圧が印加されるのを抑制することができ、二次電池の破損や寿命低下を抑制することができる。

また、表１～表３に示すように、バルブ開度１００％時であっても、充電電流は２［Ａ］以下であり、緩やかに充電することができる。その結果、二次電池の発熱を抑えることができ、熱安定性の高い充電システムを提供できる。また、緩やかに充電することで、二次電池の寿命を長くすることができる。

特に、実施例１、２に示すように、内部抵抗が６０［ｍΩ・Ａｈ］以下のマンガン酸リチウムイオン電池を用いることで、２［Ａ］以下の充電電流で良好に充電を行うことができた。さらに、マンガン酸リチウムイオン電池を用いることで、表１、表２からわかるように、電池電圧の上昇を抑えることができた。また、充電効率の向上を確認した。これにより、発電機１１に印加する電池電圧の上昇を抑えることができ、安定的に発電機の誘起電圧を制御することができる。その結果、安定的に自然エネルギーから電力を効率良く回収することができる。また、正極がスピネル構造のマンガン酸リチウムイオン電池を用いることで、過充電、過放電による発熱発火のリスクを小さくでき、二次電池２０を保護するための保護回路が不要にでき、装置のコストダウンや、装置の小スペース化を図ることができる。

図１０は、実施例１～３について、二次電池の電池電圧と接続する前の発電機電圧と接続後の発電機電圧との差ΔＶを横軸とし、二次電池充電電流を縦軸としてプロットしたグラフである。
図１０に示すように、ΔＶと、充電電流とは比例関係にある。従って、水量が多く発電機１１の発電量が多いときは、ΔＶが大きくなり、充電電流が多くなることがわかる。このように、二次電池２０を発電機１１と並列に接続し、発電機１１に電池電圧を印加することで、発電機１１からの出力電圧を、二次電池２０の電池電圧とほぼ同値の電圧で、発電機１１の発電量に応じた電流を二次電池に流すことができる。これにより、ＭＰＰＴ制御と同様な機能を有することができ、発電制御部が不要にでき、装置のコストダウンや、装置の小型化を図ることができる。また、変換ロスが生じるという不具合も抑制することができる。

また、鉛電池を用いた実施例３の傾きが、実施例１、実施例２よりも大きい。二次電池２０の内部抵抗、配線抵抗は一定であるので定数Ｋと置けば、Ｖ（Δ電圧）=Ｋ（抵抗係数）×I（充電電流）が成り立ち、オームの法則に習う。傾きは、抵抗係数Ｋであり、二次電池以外のシステムが同等であるため、配線抵抗は、実施例１、２と、実施例３とで同一である。そのため、この傾きの差は、鉛蓄電池の内部抵抗が、実施例１、２のマンガン酸リチウムイオン電池よりも高いためである。

また、鉛電池は、上述したように、内部抵抗が上昇しやすく、内部抵抗の上昇により誘起電圧が上昇する。その結果、ΔＶが小さくなり、充電電流が低下し、リチウムイオン電池に比べて充電効率が低下する。

下記表４は、実施例１、２で用いた公称電池電圧２４［Ｖ］のマンガン酸リチウムイオン電池と、実施例３で用いた定格電圧１２［Ｖ］の鉛蓄電池を直列で２つつないだものとを用いて、充電時の二次電池の温度上昇を調べて結果を示したものである。各二次電池を充電する充電器は、ＭＣＰ（lab electronics社 品番：M10-MSS1005）を使用した。充電設定電圧は、２８Ｖである。

表４からわかるように、鉛電池については、充電開始から９０分後、充電開始から４℃近く電池温度が上昇しているのに対し、マンガン酸リチウムイオン電池は、電池表面温度の温度上昇はなかった。これはマンガン酸リチウムイオン電池の内部抵抗は、６０［ｍΩ・Ａｈ］であり、内部抵抗が低かったため、二次電池の発熱が抑えられたと考えられる。よって、少なくとも二次電池２０の内部抵抗を、６０［ｍΩ・Ａｈ］以下に抑えることで、熱安定性の高い充電システムを提供することができる。

図１０に示したように、充電電流は、二次電池の電池電圧と接続する前の発電機電圧と接続後の発電機電圧の差ΔＶに比例する。また、表１、表２からわかるように、電池電圧と接続したときの発電機電圧は、電池電圧に比例する。そのため、電池電圧を落とすことで、上記差ΔＶを大きくでき、充電電流を多くでき、電池電圧を上げることで、上記差ΔＶを小さくでき、充電電流を少なくできる。このように、電池電圧により発電機の発電を制御することが可能である。

図１１は、発電機に印加する電池電圧を変更可能な蓄電システムの一例を示すブロック図である。
図１１に示す蓄電システムは、複数の二次電池２０ａ～２０ｃと、複数のスイッチ２３ａ～２３ｅと有している。これらスイッチを切り替えることで、接続する二次電池の数や、直列接続する二次電池の数や、並列に接続する二次電池の数を変更できるようになっている。

図１１は、複数の二次電池のうち、二次電池２０ａだけ接続している状態を示している。二次電池２０ｂだけ接続する場合は、図１１に示す状態から、スイッチ２３ａをＯＦＦ、スイッチ２３ｂをＯＮにする。二次電池２０ｃだけ接続する場合は、図１１に示す状態から、スイッチ２３ａをＯＦＦ、スイッチ２３ｃをＯＮにする。

二次電池２０ａと二次電池２０ｂとを直列接続する場合は、図１１の状態からスイッチ２３ｄの接続を端子ａから端子ｂに切り替える。３つの二次電池２０ａ～２０ｃを直列で接続する場合は、図１１の状態からスイッチ２３ｄの接続を端子ａから端子ｂに切り替え、スイッチ２３ｅの接続を端子ｃから端子ｄに切り替える。また、二次電池２０ｂと二次電池２０ｃとを直列接続する場合は、図１１の状態からスイッチ２３ａをＯＦＦ、スイッチ２３ｂをＯＮにし、スイッチ２３ｅの接続を端子ｃから端子ｄに切り替える。

二次電池２０ａと二次電池２０ｂとを並列接続する場合は、図１１の状態からスイッチ２３ｂをＯＮにする。３つの二次電池２０ａ～２０ｃを並列で接続する場合は、図１１の状態からスイッチ２３ｂとスイッチ２３ｃとをＯＮにする。また、二次電池２０ｂと二次電池２０ｃとを並列接続する場合は、図１１の状態からスイッチ２３ａをＯＦＦ、スイッチ２３ｂとスイッチ２３ｃをＯＮにする。

また、図１１に示す状態から、スイッチ２３ｂとスイッチ２３ｃとをＯＮ、スイッチ２３ｅの接続を端子ｃから端子ｄに切り替える。これにより、二次電池２０ｂと二次電池２０ｃとは直列接続で、二次電池２０ａは、二次電池２０ｂおよび二次電池２０ｃに対して並列に接続できる。

このように、複数の二次電池の接続数や接続の仕方（直列または並列）を変更することで、発電機に印加する電池電圧を変更することができ、発電機１１の発電をコントロールすることができる。また、二次電池を接続する数を変更することで、二次電池に流れる充電電流もコントロールすることができる。

上述では、二次電池２０の電池電圧で発電機の回転数を制御しているが、二次電池の電池電圧とほぼ同値の一次電池の電池電圧で発電機の回転数を制御してもよい。かかる構成でも、発電機の発電電圧を、二次電池の電池電圧とほぼ同値にできるとともに、水量に応じた充電電流を得ることができる。

また、上述では、本発明の蓄電システムを水力発電装置に適用した実施形態について説明したが、風力発電装置に本発明の蓄電システムを適用することができる。

以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様１）
水車１００などの回転体と、回転体の回転力を電力に変換する発電機１１とを備え、発電機１１により発電した電力を二次電池２０に蓄電する蓄電システムにおいて、発電機１１に電池電圧を印加する。
これによれば、上述した検証試験からわかるように、発電機に電池電圧を印加することで、発電機の電機子（コイル）に発生する誘起電圧が、電池電圧により制御される。このように、誘起電圧が電池電圧で制御させることで、電機子に流れる電流により発生する回転磁界が変化し、回転子に制動がかかり回転子の回転数が低下する。これにより、発電機の回転数を規定回転数以下に抑えることができる。これにより、発電機の回転数を検出する回転検出部、発電機にブレーキをかける電磁ブレーキ、電磁ブレーキのブレーキを制御する発電制御部を用いずとも、発電機の回転数を規定回転数以下に抑えることができ、装置のコストダウンを図ることができる。
また、発電機の誘起電圧が制御されることで、二次電池への過電圧を抑制することができる。これにより、二次電池の破損や、二次電池の劣化を抑制することができる。さらに、発電機からの出力電圧を二次電池の電池電圧とほぼ同値の電圧に変換する制御を不要にでき、変換ロスの発生を防止でき、発電－充電効率の改善を図ることができる。

（態様２）
態様１において、発電機１１の回転数を制御する電池電圧は、二次電池２０の電池電圧である。
これによれば、二次電池と、発電機１１の回転数を制御する電池とをそれぞれ設ける場合に比べて、部品点数を削減することができ、装置のコストダウンを図ることができる。また、装置の小型化を図ることができる。

（態様３）
態様２において、二次電池は、発電機１１に並列接続されている。
これによれば、実施形態で説明したように、発電機により発電した電力を二次電池２０に蓄電するとともに、発電機の回転数を二次電池の電池電圧で制御することができる。

（態様４）
態様１乃至３いずれかにおいて、二次電池が、リチウムイオン電池である。
これによれば、実施形態で説明したように、発電機により発電した電力を二次電池２０に蓄電するとともに、発電機に二次電池の電池電圧を印加するように、充電と放電とを同時に行う場合でも、化学電池とは異なり「充放電ヒステリシス」はない。従って、充電と同時に放電を行っても電池の反応界面をいためることがなく電池寿命が低下を抑制できる。
また、鉛蓄電池などの化学電池よりも充電が進んだときの内部抵抗の上昇を抑制でき、電池電圧を化学電池よりも一定に維持することができる。これにより、二次電池２０への充電電圧をほぼ一定に維持でき、二次電池２０に過電圧をかける状態となるのを抑制することができる。

（態様５）
態様４において、二次電池の正極が、スピネル構造またはオリビン構造を有する活性物質である。
これによれば、実施形態で説明したように、二次電池の発煙発火のリスクを小さくすることができる。これにより、二次電池を保護するための制御部を無くすことが可能となり、装置のコストダウンおよび装置の省スペース化を図ることができる。また、二次電池の内部抵抗が低いため、少ない充電電流でも、良好に充電を行うことができ、充電効率を向上させることができる。また、二次電池の温度上昇も抑制できる。

（態様６）
態様１乃至５いずれかにおいて、二次電池の１セルの内部抵抗が６０［ｍΩ・Ａｈ］以下である。
これによれば、実施形態で説明したように、少ない充電電流でも、良好に充電を行うことができ、充電効率を向上させることができる。また、二次電池の温度上昇も抑制できる。

（態様７）
態様１乃至６いずれかにおいて、二次電池を複数備え、接続する二次電池の数、および、複数の二次電池間の接続を変更可能に構成した。
これによれば、図１１を用いて説明したように、発電機１１の発電と二次電池に流れる充電電流とをコントロールすることができる。

（態様８）
態様１乃至７いずれかにおいて、回転体が、水車１００であり、発電機が交流発電機であり、交流発電機からの交流を直流に変換する整流器を備える。
これによれば、水流が変動して、水車の回転数が変動しても、発電機の発電電圧を一定に保つことができ、安定的に自然エネルギーから電力を回収することができる。

（態様９）
態様１乃至７いずれかにおいて、前記回転体が、水車であり、発電機が直流発電機である。
これによれば、水流が変動して、水車の回転数が変動しても、発電機の発電電圧を一定に保つことができ、安定的に自然エネルギーから電力を回収することができる。

１０ ：直流発電機
１１ ：発電機
２０ ：二次電池
２１ ：充電制御部
２３ ：スイッチ
２４ ：公称電池電圧
３０ ：整流器
３１ ：交流変換器
３２ ：発電制御部
３３ ：開閉器
５０ ：負荷
１００ ：水車
２０１ ：水車発電部
２０２ ：バルブ
２０４ ：配管

特許第６５７７０７８号公報

Claims (7)

1. 回転体と、
   前記回転体の回転力を電力に変換する発電機とを備え、
   前記発電機により発電した電力を二次電池に蓄電する蓄電システムにおいて、
   前記二次電池は、前記発電機に並列、且つ常時接続され、前記二次電池の電池電圧を前記発電機の電機子に印加して回転数を制御することを特徴とする蓄電システム。
2. 請求項１に記載の蓄電システムにおいて、
   前記二次電池が、リチウムイオン電池であることを特徴とする蓄電システム。
3. 請求項２に記載の蓄電システムにおいて、
   前記二次電池の正極が、スピネル構造またはオリビン構造を有する活性物質であることを特徴とする蓄電システム。
4. 請求項１乃至３いずれか一項に記載の蓄電システムにおいて、
   前記二次電池の１セルの内部抵抗が６０［ｍΩ・Ａｈ］以下であることを特徴とする蓄電システム。
5. 請求項１乃至４いずれか一項に記載の蓄電システムにおいて、
   前記二次電池を複数備え、
   接続する二次電池の数、および、複数の二次電池間の接続を変更可能に構成したことを特徴とする蓄電システム。
6. 請求項１乃至５いずれか一項に記載の蓄電システムにおいて、
   前記回転体が、水車であり、
   前記発電機が交流発電機であり、
   交流発電機からの交流を直流に変換する整流器を備えることを特徴とする蓄電システム。
7. 請求項１乃至５いずれか一項に記載の蓄電システムにおいて、
   前記回転体が、水車であり、
   前記発電機が直流発電機であることを特徴とする蓄電システム。

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