WO2017141504A1 - 蓄電システム及び蓄電方法 - Google Patents
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Abstract
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であって、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切替部と、を備える。
Description
本発明は、蓄電システム及び蓄電方法に関する。
本願は、2016年2月16日に、日本に出願された特願2016-026751号に基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。
本願は、2016年2月16日に、日本に出願された特願2016-026751号に基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。
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ある。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。
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るため、DC/DCコンバータ自体の電力消費も無視できない。
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。
本発明の第1態様は、蓄電システムであって、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であって、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する切替部と、を備える。
本発明の第2態様は、上記第1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。
本発明の第3態様は、上記第1または第2態様に係る蓄電システムにおいて、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。
本発明の第4態様は、上記第1から第3態様のいずれか1態様に係る蓄電システムにおいて、前記一次電池と前記機器への給電線との間に第2スイッチ部を有し、前記切替部は、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ようにしてもよい。
本発明の第5態様は、蓄電システムにおける蓄電方法であって、前記蓄電システムは、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補助用の一次電池とを備え、前記蓄電池の蓄電電圧を検出し、前記蓄電池の蓄電電圧の検出電圧と所定の閾値電圧とを比較し、前記蓄電池の蓄電電圧の検出電圧が前記所定の閾値電圧以下に下降すると、前記一次電池からの電源により前記蓄電池を充電する。
上記本発明に係る態様によれば、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。
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。
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、所定の閾値電圧との比較出力から、蓄電池130の蓄電状態を判定し、判定結果に基づいて、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し、横軸は時間、縦軸は電圧値である。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。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よい。
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。
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
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 (5)
- 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であって、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する切替部と、
を備える、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、
請求項1または請求項2に記載の蓄電システム。 - 前記一次電池と前記機器への給電線との間に第2スイッチ部を有し、
前記切替部は、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、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の蓄電システム。 - 蓄電システムにおける蓄電方法であって、
前記蓄電システムは、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補助用の一次電池とを備え、
前記蓄電池の蓄電電圧を検出し、
前記蓄電池の蓄電電圧の検出電圧と所定の閾値電圧とを比較し、
前記蓄電池の蓄電電圧の検出電圧が前記所定の閾値電圧以下に下降すると、前記一次電池からの電源により前記蓄電池を充電する、
蓄電方法。
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