JP2014192909A - 充電装置及び発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力ラインの電圧を一定にするための高価な装置を用いることなく、充電中におけるバッテリの放電を防止して、短時間で安定した充電を行うことが可能な充電装置を提供する。
【解決手段】充電装置５０は、バッテリ５と、バッテリ５と電力ライン７との間に介在するスイッチング素子ＳＷ１を有する充電ライン５５と、スイッチング素子ＳＷ１を通じて充電電流Ｉｃを目標値に向かって制御するコントローラ４と、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差を取得する電圧差取得手段７１とを備え、コントローラ４により、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃがバッテリ５の電圧Ｖｂｔを下回る兆しとなる前兆条件等を満たすと判断されると、目標値への制御に優先して充電電流Ｉｃを下げる制御を行うように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリに強制的に充電を行う強制充電モード時に、バッテリからの放電を抑制して安定した充電を行うことが可能な充電装置、及び、当該充電装置を備える発電システムに関する。

バッテリの充電には、大きく分けて定電流充電と定電圧充電の２つの手段がある。このうち、より短時間で充電を行うためには、特許文献１に開示されているように、定電流充電を行うことが一般的である。定電流充電を行う充電装置の一例として図５に示す回路を有する充電装置１５０が挙げられる。このような充電装置１５０では、商用電源６より供給されて整流器６１によって整流された電力を電力ライン７等を介してバッテリ５に入力させる。このとき、図示しない制御手段によって充電電流Ｉｃの電流値が一定になるようにスイッチング素子ＳＷ１等が制御される。充電装置１５０ではまた、バッテリ５に蓄えた電力を電力ライン７等を介して負荷６４に供給することも可能であり、この場合、放電電流は、バッテリ５からスイッチング素子ＳＷ１と並列に設けられた還流ダイオード５２を通って電力ライン７に流れる。

特開２００５−２６１０２０号公報

ところで、上記のような充電及び放電の両方を行える充電装置１５０では、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃは、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間に並列に設置されたコンデンサ６０の容量やスイッチング素子ＳＷ１に流れる電流Ｉｄｃの電流量等によって変化するものであり、例えば電流Ｉｄｃを多く流すほど低下する。また、商用電源６と電力ライン７との間にトランスを含む交流入力回路を備える充電装置の場合には、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃは、この交流入力回路のインピーダンスによっても変化し、さらに、商用電源６の電圧のばらつきによっても変化する。一方、バッテリ５の電圧Ｖｂｔはその充電率によって変化し、充電率が高くなるほどバッテリ５の電圧Ｖｂｔは高くなる傾向がある。

このように充電装置１５０内の各装置の電圧は様々な要因によって変化することから、その変化幅が大きくなると、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃがバッテリ５の電圧Ｖｂｔよりも低くなることがあり、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃのほうが低くなると、充電モード中であるにも拘らず、バッテリ５から還流ダイオード５２を通って電力ライン７に電流が流れてバッテリ５からの放電が起こる。この放電によって充電電流Ｉｃが低下すると電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃが上昇して再び充電電流Ｉｃの電流量が大きくなり、それに伴って電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃが再度低下するという充放電を繰り返す不安定な動作が行われるようになり、場合によっては過電流が流れるという問題がある。

このような問題を解決するために、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃを一定に維持するための定電圧装置を設けて、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃを一定にする方法が考えられるが、このような装置は高価であり、安価なシステムとするためには利用することは好ましくない。

本発明は、このような課題を有効に解決することを目的としており、具体的には、電力ラインの入出力端間の電圧を一定に維持するための高価な装置を用いることなく、充電中におけるバッテリの放電を抑制して、短時間で安定した充電を行うことが可能な充電装置を提供することを目的とする。

本発明は、かかる目的を達成するために次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の充電装置は、電力ラインとの間で充放電に供されるバッテリと、前記電力ライン上に設定される入出力端と前記バッテリの入出力端との間を並列に接続する位置に配置されるスイッチング素子を有する充電ラインおよび前記スイッチング素子を迂回する放電ラインと、前記充電ラインを通じて前記バッテリに流入する充電電流を検出する充電電流検出手段と、この充電電流検出手段の検出結果に基づき前記スイッチング素子を通じて前記充電電流を目標値に向かって制御する制御手段とを具備するものにおいて、前記電力ラインの入出力端間の電圧と前記バッテリの電圧との電圧差を取得する電圧差取得手段をさらに備え、前記制御手段は、充電電流検出手段が検出した前記充電電流が目標値未満であり、且つ前記電圧差取得手段が取得する前記電圧差に基づいて前記電力ラインの入出力端間の電圧が前記バッテリの電圧を下回る兆しとなる前兆条件を満たすと判断すると、前記目標値への制御に優先して前記充電電流を下げる制御を行うことを特徴とする。

ここで、上記前兆条件とは、この条件が満たされた状態が継続すると、所定時間後には電力ラインの入出力端間の電圧がバッテリの電圧より低くなることが予測されるものを指す。

上記のように構成すれば、前記充電電流が目標値未満であり且つ前記前兆条件を満たす場合に充電電流を下げることができるので、電力ラインの入出力端間の電圧を一定値に調整するための高価な装置を用いることなく、電力ラインの入出力端間の電圧とバッテリの電圧とが逆転しないように制御することができる。そのため、充電電流の目標値を比較的大きく設定してバッテリに大電流を入力させたとしても充電中に放電ラインを介して放電が起こることを抑制でき、短時間で安定した充電を行える充電装置を安価なシステムで実現できる。

特に、フィードバック制御等の複雑な制御を行わなくても、上記充電電流の制御を容易且つ適切に行うことを可能にするためには、前記制御手段が、前記充電電流検出手段の検出結果に基づき前記スイッチング素子のデューティ比を変更することで充電電流の制御を行うものであって、当該充電電流の制御における１回あたりのデューティ比の変更量を所定量に制限するとともに、当該充電電流の制御を所定間隔で繰り返し行うように構成することが望ましい。

上記のような制御を容易に行うためには、デューティ比と充電電流とが線形性を保つ範囲内でスイッチング素子の制御を行うことが好ましく、そのためには、前記スイッチング素子のデューティ比が増大するにつれ電力ラインの入出力端間の電圧が低下していくとともに、前記充電電流が直線状に増大した後に減少に転じるものであって、前記制御手段は、前記電力ラインの入出力端間の電圧より前記バッテリの電圧を差し引いた電圧差が、前記充電電流の変曲点に対応する電圧差もしくはこの電圧差よりも僅かに大きく設定した所定の電圧差以下となった場合に、前記前兆条件を満たしたと判断するように構成されることが望ましい。

また、電力ラインの入出力端間の電圧の変動を抑制して、より上記の効果を高めるためには、電力を蓄積するコンデンサを前記電力ラインの入出力端間に並列に配置するように構成することが望ましい。

さらに、充電ラインの一部を放電ラインと兼用させて、充電装置の回路構成を単純化するためには、前記充電電流と逆方向に電流を流す還流ダイオードを前記スイッチング素子と並列に設け、前記充電ラインの少なくとも一部を前記スイッチング素子により構成し、前記放電ラインの少なくとも一部を前記還流ダイオードにより構成することが望ましい。

また、上記充電装置を有効に活用する発電システムとする場合には、再生可能エネルギーを利用して電力を発生させる１又は複数の発電源と、前記発電源から前記電力が供給される電力ラインと、前記電力ラインに接続された前記充電装置と、を備えるように構成することが望ましい。

以上説明した本発明によれば、充電電流を目標値に制御しつつ、電力ラインの入出力端間の電圧とバッテリの電圧とが逆転するおそれがあるときには前記制御の補正を行うことで電圧の逆転を抑えることができることから、電力ラインの入出力端間の電圧を一定にするための高価な装置を用いることなく、充電中におけるバッテリの放電を抑制して、短時間で安定した充電を行える充電装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る充電装置を示す回路図。 同充電装置を備える発電システムの構成図。 スイッチング素子のデューティ比と、充電電流と、電圧との関係を表すグラフ。 充電装置により行われる処理を示すフローチャート。 従来の充電システムを示す回路図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に示す本実施形態の充電装置５０は、図２に示す発電システム１００に備わるものであり、商用電源６、太陽光パネル１、水力発電装置２及び風力発電装置３から供給される電力をバッテリ５に蓄えるものである。

充電装置５０は、図１，２に示すように、商用電源６、太陽光パネル１、水力発電装置２及び風力発電装置３から電力が供給される電力ライン７との間で充放電に供されるバッテリ５と、バッテリ５と電力ライン７との間に介在するＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１からバッテリ５に流入する充電電流Ｉｃを検出する電流検出手段７０と、電力ライン７の一対の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差を取得する電圧差取得手段７１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１等の制御を行う制御手段としてのコントローラ４とを含む。

バッテリ５は、商用電源６から供給される電力や、太陽光パネル１、水力発電装置２及び風力発電装置３がそれぞれ発生した電力を蓄えたり、蓄えた電力を電力ライン７に放出するものである。

充放電制御装置として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、コントローラ４から動作指令を受けて動作し、充電電流Ｉｃの調整等を行う。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、図１に示すようにトランジスタによってそれぞれ構成される２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２を備えるものとなっている。また、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と並列になるように環流ダイオード５２，５３が設けられている。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２として、環流ダイオード５２，５３を内部に備えている環流ダイオード付きスイッチング素子を用いることも好適である。スイッチング素子ＳＷ１は電力ライン７の入出力端７ａと接続され、スイッチング素子ＳＷ２は電力ライン７の入出力端７ｂ及びバッテリ５の低電圧側（バッテリ５の入出力端５ｂ）とそれぞれ接続され、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２とは直列に接続されている。さらにスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２との中点と、バッテリ５の高電圧側（バッテリ５の入出力端５ａ）との間にはリアクトル５７が介在している。このようにスイッチング素子ＳＷ１は、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂとバッテリ５の入出力端５ａ，５ｂとの間を並列に接続する位置に配置されている。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、一方がオン状態のときに他方がオフ状態となるよう背反的に制御される。

充電時、充電電流Ｉｃは、図１に二点鎖線で示すように、電力ライン７の入出力端７ａからスイッチング素子ＳＷ１等を介してバッテリ５の入出力端５ａに至る充電ライン５５を通ってバッテリ５に流入する。これに対して放電時には、バッテリ５の入出力端５ａから還流ダイオード５２等を介して電力ライン７の入出力端７ａに至る放電ライン５６を通って放電電流が電力ライン７に流出する。すなわちスイッチング素子ＳＷ１と還流ダイオード５２とは互いに逆方向に電流を流すものであり、充電ライン５５と放電ライン５６とは、スイッチング素子ＳＷ１及び還流ダイオード５２以外の部分は同一ラインで構成されている。なお、充電電流Ｉｃには、バッテリ５及びスイッチング素子ＳＷ１等によって決まる上限値が存在する。

充電ライン５５を流れる充電電流Ｉｃは、図３に示すように、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比が大きくなるにつれて直線的に増加していき、これに伴って電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃは低下していく。そして、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差がΔＶ１まで低下すると、充電電流Ｉｃは変曲点Ｉｃ１に達して減少に転じる。そのため、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を制御して充電電流Ｉｃの電流量を調整することにより、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃを調整することができるものの、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差がΔＶ１以下になることで、上記線形関係が崩れ、充電電流Ｉｃの制御が不安定になることが予測される。そこで、前記電圧差がΔＶ１を超える範囲を制御範囲とすることで、充電電流Ｉｃの安定化を図り、ひいては電圧Ｖｄｃ，Ｖｂｔの逆転による放電現象を抑制することが可能となる。

電力ライン７は、商用電源６、太陽光パネル１、水力発電装置２及び風力発電装置３から電力が供給されるものであり、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂのうち、一方は充電ライン５５を介してバッテリ５の高電圧側に接続され、他方はバッテリ５の低電圧側に接続されている。この電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃ及びバッテリ５の電圧Ｖｂｔは直流電圧である。また、図１に示すように、電力ライン７には、電力を蓄積するコンデンサ６０が電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間に並列に配置されている。なお、図２では、このコンデンサ６０等の図１に示される装置の一部を省略している。

図２に示す太陽光パネル１は、再生可能エネルギーである太陽光を利用して発電を行うものであり、図示しない太陽電池セルによって構成される。太陽光パネル１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１に接続されており、この太陽光用コンバータ１１は、太陽光パネル１から発生した直流電流を母線である電力ライン７に出力させるものである。

太陽光用コンバータ１１は、コントローラ４から動作指令を受けて、太陽光パネル１から最大電力が得られるよう太陽光パネル１の出力電圧又は出力電流を制御する最大電力点追従（Maximum Power Point Tracking：ＭＰＰＴ）制御を行うものである。

風力発電装置３は、再生可能エネルギーである風力を利用して発電を行うものであり、例えば図示しない発電機とその発電機の回転子に接続された複数の翼を備えたロータと前記発電機より発生する電力を蓄えるバッテリとから構成される風力発電装置３が挙げられる。風力発電装置３は、風を受けてロータが回転することによって発電を行うことができる。なお、風力発電装置３内の前記発電機は交流電圧を発生するものであり、これが直流電圧に変換された上で風力発電装置３内の前記バッテリに与えられるようになっている。

水力発電装置２は、再生可能エネルギーである水力を利用して発電を行うものであり、例えば、図示しない水車と発電機と当該発電機より発生する電力を蓄えるバッテリとが一体化された構成のものが挙げられる。水力発電装置２は、水流が確保できる限り、気象条件に左右されずに一定の発電量を得ることができる。なお、水力発電装置２内の前記発電機は交流電圧を発生するものであり、これが直流電圧に変換された上で水力発電装置２内の前記バッテリに与えられるようになっている。

風力発電装置３には風力発電用のＤＣ／ＤＣコンバータ（以下「風力発電用コンバータ」と記載する）３１、水力発電装置２には水力発電用のＤＣ／ＤＣコンバータ（以下「水力発電用コンバータ」）２１が接続されており、コントローラ４から動作指令を受けて、風力発電装置３や水力発電装置２にそれぞれ備わる前記バッテリから供給された直流出力電圧を、電力ライン７の規定値電圧まで昇圧させて電力ライン７に出力させる。

ＤＣ／ＡＣインバータ６２は、電力ライン７に接続されており、コントローラ４からの動作指令を受けて、太陽光パネル１、風力発電装置３、水力発電装置２又はバッテリ５から供給される直流電力から交流電力（例えば２００Ｖ）を電気的に生成する（逆変換する）電力変換装置である。このＤＣ／ＡＣインバータ６２を介してバッテリ５等から負荷６４に電力を供給する。負荷６４としては、家庭用の電気機器や、工場、オフィス等における電気設備等の任意のものを用いることができ、こうした受電側の仕様に応じてＤＣ／ＡＣインバータ６２側で出力電圧を調整するように構成することが好適である。

商用電源６は、整流器６１を介して電力ライン７に接続されており、この電力ライン７を介してバッテリ５やＤＣ／ＤＣコンバータ４１に電力を供給できるように構成されている。

制御電圧生成部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、電力ライン７に接続され、電力ライン７を介して太陽光パネル１、水力発電装置２、風力発電装置３、バッテリ５、商用電源６より得られる電力を基に制御電圧を生成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、電力ライン７に現れる電圧を降圧して制御電圧（例えば２４Ｖ）を生成することが可能となっている。そして、生成した制御電圧を、コントローラ４、太陽光用コンバータ１１、風力発電用コンバータ３１、水力発電用コンバータ２１、バッテリ５に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ５１、ＤＣ／ＡＣインバータ６２に入力する。これらの装置は、入力された制御電圧を利用して各々の動作を行う。

制御手段としてのコントローラ４は、図示しない記憶部に格納された制御プログラムに従ってシステム全体を制御し、後述する通常制御モード及び強制充電モード等を実行する。この制御プログラムとしては、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１が定電圧制御を行う通常制御モードに対応する通常制御プログラムや、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１が定電流制御を行う強制充電モードに対応する強制充電プログラム等が含まれる。

前記通常制御モードは通常時に実行されるものであり、コントローラ４は、通常制御モード時には、前記記憶部から通常制御プログラムを読み込み、そのプログラムに従って動作することにより、周辺ハードリソースと協働して、太陽光用コンバータ１１、風力発電用コンバータ３１、水力発電用コンバータ２１及びＤＣ／ＤＣコンバータ５１等に制御信号を送信して（動作指令を与えて）、前述のＭＰＰＴ制御、昇圧制御等を行わせるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により電圧ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃが所定値になるように定電圧制御を行わせる。この定電圧制御中、電圧ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃはバッテリ５の電圧Ｖｂｔよりも常に高い状態となるように制御され、充電電流Ｉｃ及び放電電流の電流量は各発電装置１，２，３から供給される電力と負荷６４に供給される電力との差分によって決まる。すなわち、バッテリ５の充電又は放電のどちらが行われるかは電力のバランスに応じて自動的に決まるようになっている。こうすることで、通常制御モード時においては、太陽光パネル１、水力発電装置２及び風力発電装置３によって十分に発電が行われている場合には、専らこれらより電力ライン７を介して負荷６４に電力が供給されるとともに、適宜バッテリ５への充電が行われる。また、太陽光パネル１、水力発電装置２及び風力発電装置３による発電量が十分でない場合には、適宜バッテリ５より負荷６４への電力供給が行われる。

また、バッテリ５の充電率には上限値及び下限値があり、バッテリ５の充電率が設定された範囲を超えると（充電リミット時）、過充電状態とならないように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御することでバッテリ５への充電が行われないようにする。他方、バッテリ５の充電率が設定された範囲を下回ると（放電リミット時）、過放電状態とならないように通常制御モードから強制充電モードへ切り替えて、電力ライン７を介してバッテリ５に充電が行われるようにする。なお、強制充電モードは、このように所定の条件が満たされることで自動的に実行するものであっても、外部より与えられる指令に応じて実行するものとしてもよい。さらに、電力費用の安い夜間にバッテリ５を充電し、蓄えた電力を日中に利用するように構成すると、ランニングコストを低減できる。また、日中の商用電源６の利用を控えてピーク電力を低減することもできる。

コントローラ４は、強制充電モード時には前記記憶部から強制充電プログラムを読み込み、そのプログラムに従って動作することにより、周辺ハードリソースと協働して、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に、充電電流Ｉｃを目標値に向かわせる定電流制御を行わせる。この目標値は、前述した充電電流Ｉｃの上限値に設定することが好ましく、これによってバッテリ５に大電流を流入させて充電時間を短縮させることができる。なお、定電流制御を行う強制充電モード時には、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃは電力ライン７に供給される電力のバランスに応じて決まる。

定電流制御として具体的には、コントローラ４は、図１に示す充電電流検出手段７０の検出結果に基づいて充電電流Ｉｃが目標値に向かうデューティ比を求め、そのデューティ比でオンオフ動作が行われるようにスイッチング素子ＳＷ１等を制御する。さらに、コントローラ４は、充電電流検出手段７０が検出した充電電流Ｉｃが目標値未満であり、且つ図１に示す電圧差取得手段７１が取得する電圧差（電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差）に基づいて、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃがバッテリ５の電圧Ｖｂｔを下回る兆しとなる前兆条件を満たすと判断すると、前述の目標値への制御に優先してＤＣ／ＤＣコンバータ５１に充電電流Ｉｃを下げる制御を行わせる。

本実施形態では、コントローラ４は、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃよりバッテリ５の電圧Ｖｂｔを差し引いた電圧差が、充電電流Ｉｃの変曲点Ｉｃ１に対応する電圧差ΔＶ１、すなわち図３に示す制御範囲の上限値における電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差ΔＶ１以下となった場合に、前兆条件を満たしたと判断して、充電電流Ｉｃを下げる制御を行う。こうすることで上述したように充電電流Ｉｃが不安定となる領域を避けて電圧Ｖｄｃ，Ｖｂｔの逆転を防ぎ放電を抑えることができる。

なお、コントローラ４は、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃよりバッテリ５の電圧Ｖｂｔを差し引いた電圧差が、充電電流Ｉｃの変曲点Ｉｃ１に対応する電圧差ΔＶ１よりも僅かに大きく設定した所定の電圧差以下となった場合に、前兆条件を満たしたと判断するように構成されてもよく、こうすることでバッテリ５の充放電の安定性をより高めることが可能となる。さらに、例えば、電圧差取得手段７１が取得する電圧差の単位時間あたりの変化量が大きいほど、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃがバッテリ５の電圧Ｖｂｔを下回るおそれが高くなることから、前記電圧差を順次記憶可能な構成とし、コントローラ４は、前記電圧差の単位時間あたりの変化量が所定値以上である場合に、前兆条件を満たしたと判断するように構成されてもよい。

以下、充電装置５０で行われる処理について、強制充電モード時の制御をメインに具体的に説明する。

図４のフローチャートにて示すように、コントローラ４は、まず、強制充電モードかどうか判断し（ステップＳＰ１）、強制充電モードではないと判断すると（ステップＳＰ１：ＮＯ）本処理を終了する。強制充電モードであると判断（ステップＳＰ１：ＹＥＳ）した場合には、充電電流検出手段７０から充電電流Ｉｃの電流値を取得して、充電電流Ｉｃの電流値が前述した上限値（目標値）未満かどうか判断する（ステップＳＰ２）。コントローラ４は、充電電流Ｉｃが上限値未満ではない、すなわち上限値以上であると判断すると（ステップＳＰ２：ＮＯ）、図１に示すスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を一定値下げて、充電電流Ｉｃを下げる処理を行い（ステップＳＰ４）、本処理の終了となる。なお、この充電電流Ｉｃを下げる処理は、前述した目標値への制御に対応するものである。コントローラ４は、充電電流Ｉｃが上限値未満であると判断すると（ステップＳＰ２：ＹＥＳ）、電圧差取得手段７１から電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差を取得し、取得した電圧差が所定値以下かどうか判断する（ステップＳＰ３）。この所定値は、コントローラ４が前記前兆条件を満たすかどうか判断する際の基準となる値であり、本実施形態では前記変曲点Ｉｃ１に対応する電圧差ΔＶ１である。ここで取得した電圧差が所定値以下である、すなわち電圧Ｖｄｃ，Ｖｂｔが逆転するおそれがあると判断（ステップＳＰ３：ＹＥＳ）した場合には、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を一定値下げて、充電電流Ｉｃを下げる処理を行い（ステップＳＰ４）、本処理の終了となる。コントローラ４は、前記電圧差が所定値を超える、すなわち電圧Ｖｄｃ，Ｖｂｔが逆転するおそれがないと判断（ステップＳＰ３：ＮＯ）した場合には、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を一定値上げて、充電電流Ｉｃを上げる処理を行い（ステップＳＰ５）、本処理の終了となる。なお、この充電電流Ｉｃを上げる処理は、前記目標値への制御に対応するものである。以上のような処理では、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比は図３に示す制御範囲内で調整されることになる。また、上記処理は、所定間隔で繰り返し行われる。

以上のような発電システム１００では、気象条件等を監視し、コントローラ４はそれに応じて、太陽光パネル１等の動作状態を変更する上述した通常制御プログラムを実行する。こうすることで、例えば、風の弱い晴天の日の日中には、風力発電装置３からの発電量が減少するものの太陽光パネル１から負荷６４に多くの電力を供給できるようになり、夜間に十分強い風が吹いている場合には、太陽光パネル１で発電が行えなくなるものの風力発電装置３から負荷６４に多くの電力を供給できるようになる。また、風の強い晴天の日の日中には、太陽光パネル１及び風力発電装置３両方の発電量が増加するので、負荷６４に電力を供給しつつバッテリ５に余剰の電力を蓄えることができる。また、強風の吹いていない曇りの日には、太陽光パネル１及び風力発電装置３の発電量が低下するので、バッテリ５に蓄えた電力を負荷６４に供給することで不足分を補うことができる。さらに、バッテリ５に蓄えた電力が少なくなると、前記通常制御モードから前記強制充電モードに移行して商用電源６から供給される電力をバッテリ５に蓄えたり、商用電源６から負荷６４に電力を供給することができるように構成されている。

以上のように本実施形態の本発明の充電装置５０は、電力ライン７との間で充放電に供されるバッテリ５と、電力ライン７上に設定される入出力端７ａ，７ｂとバッテリ５の入出力端５ａ，５ｂとの間を並列に接続する位置に配置されるスイッチング素子ＳＷ１を有する充電ライン５５およびスイッチング素子ＳＷ１を迂回する放電ライン５６と、充電ライン５５を通じてバッテリ５に流入する充電電流Ｉｃを検出する充電電流検出手段７０と、この充電電流検出手段７０の検出結果に基づきスイッチング素子ＳＷ１を通じて充電電流Ｉｃを目標値に向かって制御する制御手段としてのコントローラ４とを具備するものにおいて、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差を取得する電圧差取得手段７１をさらに備え、コントローラ４は、充電電流検出手段７０が検出した充電電流Ｉｃが目標値未満であり、且つ電圧差取得手段７１が取得する前記電圧差に基づいて電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃがバッテリ５の電圧Ｖｂｔを下回る兆しとなる前兆条件を満たすと判断すると、前記目標値への制御に優先して充電電流Ｉｃを下げる制御を行うことを特徴とする。

図３に示すように充電電流Ｉｃが電流量Ｉｃ１に達するまでは、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比と充電電流Ｉｃとは線形性を保っており、充電ライン５５を通じてバッテリ５に流入する充電電流Ｉｃが大きくなるほど電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃは下がる。したがって、充電電流Ｉｃをたとえ好ましい目標値に制御していたとしても、背景技術で述べた諸般の原因から電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃがバッテリ５の電圧Ｖｂｔを下回ることがあり、充電中であるにも拘わらずバッテリ５の入出力端５ａ，５ｂから放電ライン５６を通じて放電が起こることになる。これを回避するためには、充電電流Ｉｃを目標値に制御しながら、電圧Ｖｄｃ，Ｖｂｔを監視し、電圧Ｖｄｃ，Ｖｂｔが逆転するおそれがあるときには制御を補正することも必要である。

これに対して、上記のように構成すれば、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃを一定値に調整するための高価な装置を用いなくても、充電電流Ｉｃが目標値未満であり且つ前記前兆条件を満たす場合において、充電電流Ｉｃを下げることで、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃがバッテリ５の電圧を下回らないように制御することができる。そのため、前記目標値を比較的大きく設定してバッテリ５に大電流を入力させたとしても、充電中に放電ライン５６を介して放電が起こることを抑制でき、短時間で安定した充電を行える充電装置５０を安価なシステムで実現できる。

特に、コントローラ４が、充電電流検出手段７０の検出結果に基づきスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を変更することで充電電流Ｉｃの制御を行うものであって、当該充電電流Ｉｃの制御における１回あたりのデューティ比の変更量を所定量に制限するとともに、当該充電電流Ｉｃの制御を所定間隔で繰り返し行うように構成したことから、フィードバック制御等の複雑な制御を行わなくても、上記充電電流Ｉｃの制御を容易且つ適切に行うことができる。

また、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比と電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃと充電電流Ｉｃとの関係は、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比が増大するにつれ電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃが低下していくとともに、充電電流Ｉｃが直線状に増大した後に減少に転じるものであり、コントローラ４は、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃより前記バッテリ５の電圧Ｖｂｔを差し引いた電圧差が、前記充電電流Ｉｃの変曲点Ｉｃ１に対応する電圧差ΔＶ１もしくはこの電圧差ΔＶ１よりも僅かに大きく設定した所定の電圧差以下となった場合に、前記前兆条件を満たしたと判断するように構成したことから、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比と充電電流Ｉｃとが線形性を保つ範囲内でスイッチング素子ＳＷ１の制御を行うことができ、上記目標値への制御及び上記充電電流Ｉｃを下げる制御を容易に行うことができる。

特に、電力を蓄積するコンデンサ６０を電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間に並列に配置するように構成したことから、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃの変動を抑制して、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃがバッテリ５の電圧Ｖｂｔを下回ることを確実に防止することができる。

加えて、充電電流Ｉｃと逆方向に電流を流す還流ダイオード５２をスイッチング素子ＳＷ１と並列に設け、充電ライン５５の少なくとも一部をスイッチング素子ＳＷ１により構成し、放電ライン５６の少なくとも一部を還流ダイオード５２により構成したことから、充電ライン５５の一部を放電ライン５６と兼用させて、充電装置５０の回路構成を単純化することができる。

また、発電システム１００は、再生可能エネルギーを利用して電力を発生させる発電源としての太陽光パネル１、水力発電装置２及び水力発電装置３と、これらの発電源１，２，３から前記電力が供給される電力ライン７と、電力ライン７に接続された充電装置５０と、を備えるように構成されていることから、比較的不安定な再生可能エネルギーを利用しながらも安定的に電力を供給することが可能となる。

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

本実施形態では、充電ライン５５の一部と放電ライン５６の一部とが同一ラインで構成されているが、放電ライン５６を充電ライン５５とはまったく別のラインとしてもよい。

また本実施形態では、コントローラ４は、電圧差取得手段７１を介して電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差を取得するが、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとをそれぞれ検出可能な手段を設け、そのような手段からコントローラ４が各電圧Ｖｄｃ，Ｖｂｔを取得して両電圧Ｖｄｃ，Ｖｂｔの差を演算することで前記電圧差を取得するように構成してもよい。

また本実施形態では、電力ライン７の入出力端７ａ，７ｂ間の電圧Ｖｄｃとバッテリ５の電圧Ｖｂｔとの電圧差が所定値以下の場合、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を一定値ずつ下げるように制御しているが、前記電圧差に応じて当該デューティ比の低減量を変更してもよい。この場合、前記電圧差が小さいほど当該デューティ比の低減量を大きくすることが好ましい。

さらに本実施形態では、コントローラ４によって前記通常制御プログラム及び前記強制充電プログラムの両方を実行するが、これに限定されず、例えばこれらのプログラムを実行するコントローラをそれぞれ設けて、一方のコントローラにより通常制御プログラムを実行し、このコントローラよりも上位の制御手段である他方のコントローラにより強制充電プログラムを実行するように構成してもよい。

さらに、発電源である発電装置として太陽光パネル１、水力発電装置２及び風力発電装置３を用いたが、地熱発電装置等これら以外の発電装置がさらに用いられてもよく、また水力発電装置２又は風力発電装置３が選択的に用いられてもよい。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１，２，３・・・発電源（太陽光パネル、水力発電装置、風力発電装置）
４・・・制御手段（コントローラ）
５・・・バッテリ
５ａ，５ｂ…入出力端
７・・・電力ライン
７ａ，７ｂ…入出力端
５０…充電装置
５２，５３…還流ダイオード
５５…充電ライン
５６…放電ライン
７０…充電電流検出手段
７１…電圧差取得手段
ＳＷ１…スイッチング素子
Ｉｃ…充電電流
Ｖｄｃ，Ｖｂｔ…電圧
Ｉｃ１…変曲点
ΔＶ１…電圧差

Claims (6)

1. 電力ラインとの間で充放電に供されるバッテリと、前記電力ライン上に設定される入出力端と前記バッテリの入出力端との間を並列に接続する位置に配置されるスイッチング素子を有する充電ラインおよび前記スイッチング素子を迂回する放電ラインと、前記充電ラインを通じて前記バッテリに流入する充電電流を検出する充電電流検出手段と、この充電電流検出手段の検出結果に基づき前記スイッチング素子を通じて前記充電電流を目標値に向かって制御する制御手段とを具備するものにおいて、
   前記電力ラインの入出力端間の電圧と前記バッテリの電圧との電圧差を取得する電圧差取得手段をさらに備え、
   前記制御手段は、充電電流検出手段が検出した前記充電電流が目標値未満であり、且つ前記電圧差取得手段が取得する前記電圧差に基づいて前記電力ラインの入出力端間の電圧が前記バッテリの電圧を下回る兆しとなる前兆条件を満たすと判断すると、前記目標値への制御に優先して前記充電電流を下げる制御を行うことを特徴とする充電装置。
2. 前記制御手段は、前記充電電流検出手段の検出結果に基づき前記スイッチング素子のデューティ比を変更することで充電電流の制御を行うものであって、当該充電電流の制御における１回あたりのデューティ比の変更量を所定量に制限するとともに、当該充電電流の制御を所定間隔で繰り返し行うことを特徴とする請求項１記載の充電装置。
3. 前記スイッチング素子のデューティ比が増大するにつれ電力ラインの入出力端間の電圧が低下していくとともに、前記充電電流が直線状に増大した後に減少に転じるものであって、
   前記制御手段は、前記電力ラインの入出力端間の電圧より前記バッテリの電圧を差し引いた電圧差が、前記充電電流の変曲点に対応する電圧差もしくはこの電圧差よりも僅かに大きく設定した所定の電圧差以下となった場合に、前記前兆条件を満たしたと判断することを特徴とする請求項２記載の充電装置。
4. 電力を蓄積するコンデンサを前記電力ラインの入出力端間に並列に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の充電装置。
5. 前記充電電流と逆方向に電流を流す還流ダイオードを前記スイッチング素子と並列に設け、
   前記充電ラインの少なくとも一部を前記スイッチング素子により構成し、前記放電ラインの少なくとも一部を前記還流ダイオードにより構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の充電装置。
6. 再生可能エネルギーを利用して電力を発生させる１又は複数の発電源と、
   前記発電源から前記電力が供給される電力ラインと、
   前記電力ラインに接続された請求項１〜５のいずれかに記載の充電装置と、を備えることを特徴とする発電システム。

Images