(54)【考案の名称】充放電システム

(73)【実用新案権者】【実用新案権者】

(73)【実用新案権者】【実用新案権者】

(73)【実用新案権者】【実用新案権者】

(72)【考案者】【考案者】

[fig000002]
【選択図】図1

【概要説明】

【分野】

【0001】
本考案は、直流駆動型の発電機により発電された電力が充電される二次電池の充放電動作を制御する充放電システムに関するものである。

【従来の技術】

【0002】
太陽光エネルギを電気エネルギに変換して直流電力を発電する太陽光発電パネルは、太陽光を受ける状態により、発電状態が常に変化する。このため、太陽光発電パネルは、発電した発電電力を蓄電する二次電池と接続されている。すなわち、太陽光発電パネルにより発電された発電電力は、二次電池を介して、例えば太陽光発電パネルが設置された家屋の屋内に配置された電気機器に供給される。
【0003】
太陽光発電パネルや、太陽光発電パネルで発電した電力を蓄えるバッテリが直流電力を出力するのに対して、従来のLED照明器具は、商用交流電源の供給を受けて駆動される。このため、従来のLED照明器具を動作させるには、太陽光発電パネルやバッテリから電源供給を受けるため、直流を交流に変換するインバーターを別途設ける必要があった。
【0004】
また、太陽光発電パネルで発電された電力が充電される二次電池の充電効率を高くすることが望まれる。
【0005】
例えば、特許文献1には、交流の発電機に接続された電気的負荷に対して常に最大の発電出力を供給するための最大電力追従制御において、交流の発電機の電流−電圧特性が多項式で近似可能なことに着目し、それらの係数を用いて最大電力点をもたらす動作点を予測的にすばやく決定し設定する技術が記載されている。
【0006】

【効果】

【0009】
本考案は、電流電圧特性を多項式近似した式に基づいて算出した最大電力点となるように、直流電源電圧変換部の動作を制御することで、太陽光発電パネルの発電状態と負荷回路の動作状態とが変化しても迅速に最大電力点となるように、二次電池の充電動作を行うことができる。このため、本考案は、太陽光発電パネルの発電状態と二次電池の充電状態とに応じて、最大電力点追跡制御法に従い、二次電池の充放電動作を制御することによって、太陽光発電パネルで発電された電力をより高い効率で二次電池に充電しつつ、二次電池が過充電状態とならないようにすることができる。
【0010】
また、本考案は、二次電池から放電される直流電源を用いて、発光ダイオード素子を有する照明器具を交流に変換することなく直流駆動させるので、交流駆動型の照明器具に比べて、高効率で照明を行うことができ、かつ、直流電源を交流電源に変換するインバータを設ける必要がなくコストを抑えることができる。
【0011】
このようにして、本考案は、太陽光発電パネルの発電状態と二次電池の充電状態とに応じて、最大電力点追跡制御法に従い、二次電池の充放電動作を制御することによって、太陽光発電パネルで発電された電力をより高い効率で二次電池に充電することができるとともに、高いエネルギー効率で発光ダイオードからなる照明器具を駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】図1は、本考案が適用された充放電システム1の全体構成を示す図である。
【図2】図2は、充放電制御部の全体構成を示す図である。
【図3】図3は、マイクロコンピュータによる過充電防止制御について説明するための図である。
【図4】図4は、マイクロコンピュータによる過放電防止制御について説明するための図である。

【0013】
以下、本考案を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0014】
図1は、本考案が適用された充放電システム1の全体構成を示す図である。
【0015】
すなわち、充放電システム1は、太陽光発電パネル11と、充放電制御部12と、二次電池13と、DC−DC変換器14と、LED照明器15とを備える。また、充放電システム1は、交流電源16と、SW電源部17と、AC−DC変換器18とを備える。
【0016】
太陽光発電パネル11は、太陽光エネルギを電気エネルギに変換して、直流電力を発電する。太陽光発電パネル11は、充放電制御部12を介して二次電池13と接続されており、発電した直流電力を二次電池13に供給する。また、太陽光発電パネル11の発電状態は、太陽光の放射照度、及び、パネルの温度に応じて変化する。
【0017】
充放電制御部12は、太陽光発電パネル11から二次電池13に流れる充電電流経路の電流の流れを制御するとともに、二次電池13の放電動作を制御する。
【0018】
二次電池13は、充放電制御部12の充放電動作に従って、太陽光発電パネル11から供給された直流電力を充電し、また、当該二次電池2に充電した電力を、DC−DC変換器14を介してLED照明器15に放電する。
【0019】
DC−DC変換器14は、二次電池13からの放電電圧を、LED照明器15の動作直流電圧に変圧して、変圧したに二次電池13からの電力をLED照明器15に供給する。
【0020】
LED照明器15は、DC−DC変換器14を介して二次電池13の電源電力により直流駆動される電気機器であって、発光ダイオード素子からなる照明器具である。
【0021】
交流電源16は、例えば、100V又は200Vの商用交流電源であって、SW電源部17とAC−DC変換器18とに供給される。
【0022】
SW電源部17は、交流電源16からの電源電圧を直流に変換して充放電制御部12を介して二次電池13に供給する。
【0023】
AC−DC変換器18は、交流電源16からの電源電圧を、LED照明器15の動作直流電圧に変圧して、変圧した交流電源16からの電力をLED照明器15に供給して、LED照明器15を駆動させる。
【0024】
以上のような構成からなる充放電システム1では、太陽光発電パネル11で発電された電力をより高い効率で二次電池13に充電するため、充放電制御部12が次のような動作を行う。
【0025】
すなわち、充放電制御部12は、太陽光発電パネル11の発電状態と二次電池13の充電状態とに応じて、最大電力点追跡制御法に従い、二次電池13の充放電動作を制御するため、図2に示すような構成を有している。
【0026】
すなわち、充放電制御部12は、図2に示すように、直流電源電圧変換部12aと、負荷電流電圧検出部12bと、二次電池13の正負端子間の電圧を検出する電池電圧検出部12cと、マイクロコンピュータ12dとを備える。
【0027】
直流電源電圧変換部12aは、太陽光発電パネル11により発電した直流電圧を変圧して、変圧した直流電圧を二次電池13に印加する。ここで、直流電源電圧変換部12aは、ちょうど電気的に巻線比を調整可能な変圧器のように振る舞い、太陽光発電パネル11と二次電池13との整合器の役目を果たしている。直流電源電圧変換部12aは、接続される電力変換器の種類は問わないが、特に非絶縁型昇降圧チョッパ回路を用いることが望ましい。この理由は、昇降圧動作が可能であること、入力側と出力側が電気的に絶縁されている必要がないこと、構成が簡単で制御が容易であること、トランスを用いていない分変換効率を高く保つことができることが挙げられる。また、太陽光発電パネル11からの出力電圧が十分高く降圧動作のみしか必要でないときは、降圧型コンバータを採用すればよい。
【0028】
負荷電流電圧検出部12bは、太陽光発電パネル11の出力端から、直流電源電圧変換部12aと二次電池13とを負荷回路2とした負荷電流と負荷電圧とを検出する。具体的には、負荷電流電圧検出部12bは、太陽光発電パネル11と直流電源電圧変換部12aとの信号経路間に接続した電流計から負荷電流I1を検出し、太陽光発電パネル11の出力端側から直流電源電圧変換部12aと並列接続した電圧計から負荷電圧V1を検出する。
【0029】
電池電圧検出部12cは、二次電池13の正負端子と接続された電圧計から二次電池13の電圧を検出する。
【0030】
マイクロコンピュータ12dは、負荷電流電圧検出部12bによる検出結果と、電池電圧検出部12cによる検出結果とに基づいて、直流電源電圧変換部12aの動作を制御する。
【0031】
<最大電力点追従制御>
【0032】
マイクロコンピュータ12dは、太陽光発電パネル11の発電状態を考慮して高効率で充電動作を行うため、負荷電流電圧検出部12bによる検出結果から、負荷電流を変化させたときの負荷電圧の変化を示す電流電圧特性を多項式近似し、多項式近似した式に基づいて算出した最大電力点となるように、直流電源電圧変換部12aの動作を制御する。
【0033】
ここで、負荷電流I1を変化させたときの負荷電圧I2の変化を示す電流電圧特性について説明する。まず、太陽光発電パネル11が無負荷状態において、所定の発電状態で発電しており、これを初期発電状態と呼ぶこととする。この状態から負荷回路2に流れる負荷電流I1を徐々に増加させていくと、負荷回路2に供給される電力P1(=V1×I1)が変化する。
【0034】
ここで、太陽光発電パネル11から負荷回路2に供給される電力P1は負荷電流I1の関数で表すことができるので、最大電力をもたらす最適な電流値が存在する。例えば、最大電力Pmaxをもたらす最適な電流値をImとすると、それ以外、例えばIaやIbなどの負荷電流値で運転しても最大電力は得られていないことになる。また、太陽光発電パネル11の放射照度、パネルの温度が変化して発電状態が変化してしまうと最適な電流値も変化してしまう。
【0035】
このような前提の下、負荷回路2の電流−電圧特性曲線について説明する。負荷回路2の負荷抵抗が高インピーダンスのときは、負荷電流I1は流れにくく負荷電圧V1は高い状態である。逆に負荷抵抗を低インピーダンスにすると、負荷電流I1は多く流れ負荷電圧V1は低くなる。
【0036】
電流−電圧特性曲線は、例えば、近似直線のような一次関数で直線近似することができる。
【0037】
近似直線は、下記の(1)式で表すことができる。
【0038】
V1(I1)=αI1+β ・・・ (1)
【0039】
(1)式では、負荷電圧V1を負荷電流I1の一次関数として表し、αは近似直線の傾き、βはそのオフセット(切片)である。
【0040】
また、電力P1は下記の(2)式で与えられる。
【0041】
P1=V1×I1 ・・・(2)
【0042】
(1)式及び(2)式より、下記の(3)式のように電力P1を負荷電流I1のみを変数として表せることができる。
【0043】
P1(I1)=(αI1+β)I1 ・・・(3)
【0044】
このように、(3)式に示した電力の関数P1もI1に関する2次関数であるため、最大電力点を有する。そこで、その最大電力点を解析的に求めるために(3)式を変数I1で微分して、最大電力点を与える電流値I1mは、その一階導関数が0と交差する点から求まる。
【0045】
(3)式の一階導関数は下記の(4)式のようになる。
【0046】
∂P1(I1)/∂I1=2αI1+β=0・・・(4)
【0047】
ここで、一変数の微分記号dを用いずに多変数の偏微分記号∂を用いている意味は、(3)式で示した電力P1は実際には負荷電流I1のみの関数ではなく太陽光発電パネル11の発電状態にも関係しているためである。(4)式を解くと、最大電力点を与える最適な負荷電流値I1mは、下記の(5)式となる。
【0048】
I1m=−β/(2α) ・・・(5)
【0049】
(5)式から明らかなように、最大電力点を与える最適な負荷電流I1は電流−電圧特性曲線の傾きを示すαと、オフセット(切片)を示すβから求まる。
【0050】
そして、その電流−電圧特性曲線の傾きは、2点の電圧と電流のデータ対をサンプリングすれば決定できる。これは極めて高速な推定が可能であることを意味している。
【0051】
そこで、マイクロコンピュータ12dは、負荷電流電圧検出部12bにより2つの異なる負荷状態で検出した負荷電流I1と負荷電圧V1とを用いて、電流電圧特性の1次近似式を表すためのαとβとを算出して、算出したαとβとから上述した(5)式から最大電力点となる負荷電流値I1mを算出して、負荷電流値I1mとなるように直流電源電圧変換部12aの動作を制御する。
【0052】
なお、上述したように電流電圧特性曲線を1次多項式で近似したが、これに限定されず、より高次多項式により近似することで、演算量は増大するが、最大電力点を精度良く算出することができる。
【0053】
例えば電流電圧特性曲線は、下記の(6)式に示すような、p次多項式で近似的に表される。
【0054】
V1=γI1+γp−1I1p−1+・・・+γI1+γ ・・・(6)
【0055】
よって、最大電力点となる負荷電流I1は、下記の(7)式を満足する根(解)で与えられる。
【0056】
∂P1(I1)/∂I1=(p+1)γI1+pγp−1I1p−1+・・・2γI1+γ=0 ・・・(7)
【0057】
(7)式で示されるp次一般多項式の実係数γ、γp−1、・・・、γ、γを決定するためには、最低限p+1個のサンプリング点が必要である。従って、あまり次数pを高くし過ぎるとモデリングのための計算量が増加してしまう。よって、制御のリアルタイム性より解析的に(7)式の根(解)求めることができる限界としてp=2次程度である。
【0058】
マイクロコンピュータ12dは、負荷電流電圧検出部12bによりp個の異なる負荷状態で検出した負荷電流I1と負荷電圧V1とを用いて、電流電圧特性のp次近似式を表すためのγを算出する。そして、マイクロコンピュータ12dは、算出したγから最大電力点となる負荷電流値を算出して、この負荷電流値となるように直流電源電圧変換部12aの動作を制御するようにしてもよい。
【0059】
このようにして、マイクロコンピュータ12dは、電流電圧特性を多項式近似した式に基づいて算出した最大電力点となるように、直流電源電圧変換部12aの動作を制御することで、太陽光発電パネル11の発電状態と負荷回路3の動作状態とが変化しても迅速に最大電力点となるように直流電源電圧変換部12aを動作させることができる。このため、マイクロコンピュータ12dは、太陽光発電パネル11の発電状態を考慮して高効率で二次電池13の充電動作を行うことができる。
【0060】
<過充電防止制御>
【0061】
また、マイクロコンピュータ12dは、具体的には、図3に示すフローチャートに従って、二次電池13が過充電状態にならないようにするため、電池電圧検出部12cによる検出結果に基づいて、直流電源電圧変換部12aの動作を制御する。
【0062】
ステップS11において、マイクロコンピュータ12dは、直流電源電圧変換部12aを駆動させて、二次電池13と太陽光発電パネル11との間に流れる充電電流経路を接続する。
【0063】
ステップS12において、マイクロコンピュータ12dは、電池電圧検出部12cにより検出した二次電池13の電圧の値が、過充電状態の電圧を示す過充電電圧の値以上となっているか否かを判断する。ここで、電圧の値が過充電電圧の値以上のときステップS13に進み、それ以外のときは、繰り返し当該判断処理ステップを行う。
【0064】
ステップS13において、マイクロコンピュータ12dは、直流電源電圧変換部12aの動作を停止して、二次電池13と太陽光発電パネル11との間に流れる充電電流経路を遮断する。
【0065】
ステップS14において、マイクロコンピュータ12dは、電池電圧検出部12cにより検出した二次電池13の電圧の値が、過充電電圧以下に設定した規定電圧1の値以下となっているか否かを判断する。マイクロコンピュータ12dは、二次電池13の電圧の値が規定電圧1の値以下となるまで繰り返し、当該判断処理ステップを行い、二次電池13の電圧の値が規定電圧1の値以下になるとステップS11に戻って充電動作を再開する。ここで、単に過充電状態での充電動作を防止するには、規定電圧1を過充電電圧に設定すればよいが、規定電圧1の値を過充電電圧よりも低く設定することで、二次電池13の電圧の変動によって頻繁に充電動作の停止と開始とを繰り返すのを防止するヒステリシス特性を実現し、過充電状態での充電を確実に防止することができる。
【0066】
上述したステップS11からステップS14の処理に従って、マイクロコンピュータ12dは、電池電圧検出部12cにより検出された二次電池13の電圧が過充電電圧以上となったとき、直流電源電圧変換部12aを制御して充電動作を停止することによって、二次電池13が過充電状態での充電を防止することができる。
【0067】
<過放電防止制御>
【0068】
また、マイクロコンピュータ12dは、具体的には、図4に示すフローチャートに従って、二次電池13が過放電状態にならないようにするため、電池電圧検出部12cによる検出結果に基づいて、DC/DC変換器14の動作を制御する。
【0069】
ステップS21において、マイクロコンピュータ12dは、DC/DC変換器14を駆動させて、二次電池13とLED照明器15との間に流れる放電電流経路を接続する。
【0070】
ステップS22において、マイクロコンピュータ12dは、電池電圧検出部12cにより検出した二次電池13の電圧の値が、過放電状態の電圧を示す過放電電圧の値以下となっているか否かを判断する。ここで、電圧の値が過放電電圧の値以上のときステップS23に進み、それ以外のときは、繰り返し当該判断処理ステップを行う。
【0071】
ステップS23において、マイクロコンピュータ12dは、DC/DC変換器14の動作を停止して、二次電池13とLED照明器15との間に流れる放電電流経路を遮断する。
【0072】
ステップS24において、マイクロコンピュータ12dは、電池電圧検出部12cにより検出した二次電池13の電圧の値が、過放電電圧以上に設定した規定電圧2の値以上となっているか否かを判断する。マイクロコンピュータ12dは、二次電池13の電圧の値が規定電圧2の値以上となるまで繰り返して当該判断処理ステップを行い、二次電池13の電圧の値が規定電圧2の値以上になるとステップS21に戻って放電動作を再開する。ここで、単に過放電状態での放電動作を防止するには、規定電圧2を過放電電圧に設定すればよいが、特に、規定電圧2の値を過放電電圧よりも高く設定することで、二次電池13の電圧の変動によって頻繁に放電動作の停止と開始とを繰り返すのを防止するヒステリシス特性を実現し、過放電状態での放電を確実に防止することができる。
【0073】
上述したステップS12からステップS24の処理に従って、マイクロコンピュータ12dは、電池電圧検出部12cにより検出された二次電池13の電圧が過放電電圧以下となったとき、DC/DC変換器14を制御して放電動作を停止することによって、二次電池13が過放電状態での放電を防止することができる。
【0074】
以上のようにして、充放電制御部12は、負荷電流電圧検出部12bによる検出結果と、電池電圧検出部12cによる検出結果とに基づいて、直流電源電圧変換部12aの動作を制御することで、高充電効率で二次電池13の充電動作を行いつつ、二次電池13が過充電状態とならないようにすることができる。さらに、充放電制御部12は、二次電池13が過放電状態とならないようにすることもできる。
【0075】
したがって、充放電制御部12は、太陽光発電パネル11の発電状態と二次電池13の充電状態とに応じて、最大電力点追跡制御法に従い、二次電池13の充放電動作を制御することによって、太陽光発電パネル11で発電された電力をより高い効率で二次電池13に充電することができる。
【0076】
なお、太陽光発電パネル11の電圧が二次電池の13電圧以下になった場合には、充放電制御部12のマイクロコンピュータ12dは、太陽光発電パネル11からの発電電力による充電電流経路を遮断する。このようにして、充放電制御部12は、有効な電圧のみを二次電池13に印加するように制御する。
【0077】
また、太陽光発電パネル11の発電状態が悪い場合、二次電池13が長時間の無充電となって、二次電池13自体の劣化してしまうのを抑制するため、充放電制御部12のマイクロコンピュータ12dは、SW電源部17により直流に変換された電力を二次電池13に供給するように制御する。この動作に合わせて、充放電制御部12は、AD−DC変換器18を駆動させて、二次電池13からの電源経路ではなく、交流電源16からの電源経路によってLED照明器15を動作させるようにしてもよい。
【0078】
また、以上の構成からなる充放電システム1は、二次電池13から放電される直流電源を用いて、発光ダイオード素子を有するLED照明器15を交流に変換することなく直流駆動させるので、交流駆動型の照明器具に比べて、高効率で照明を行うことができ、かつ、直流電源を交流電源に変換するインバータを設ける必要がなくコストを抑えることができる。
【0079】
このようにして、充放電システム1は、太陽光発電パネル11の発電状態と二次電池13の充電状態とに応じて、最大電力点追跡制御法に従い、二次電池13の充放電動作を制御することによって、太陽光発電パネル11で発電された電力をより高い効率で二次電池13に充電することができるとともに、高いエネルギー効率で発光ダイオードからなるLED照明器15を駆動させることができる。
【0080】
なお、本考案は、以上の実施形態のみに限定されるものではなく、本考案の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
【0081】
1 充放電システム、2 負荷回路、11 太陽光発電パネル、12 充放電制御部、12a 直流電源電圧変換部、12b 負荷電流電圧検出部、12c 電池電圧検出部、12d マイクロコンピュータ、
13 二次電池、14 DC−DC変換器、15 LED照明器、16 交流電源、17 SW電源部、18 AC−DC変換器

(57)【要約】

【課題】太陽光発電パネルで発電された電力をより高い効率で二次電池に充電可能であり、かつ、高いエネルギー効率で発光ダイオードからなる照明器具を駆動可能な充放電システムを提供する。【解決手段】太陽光エネルギを電気エネルギに変換して、直流電力を発電する太陽光発電パネル11と、太陽光発電パネル11により発電した直流電力が充電する二次電池13と、太陽光発電パネル11の発電状態と二次電池13の充電状態とに応じて、最大電力点追跡制御法に従い、二次電池13の充放電動作を制御する充放電制御部12と、二次電池13から供給される電力によって直流駆動される発光ダイオード素子を有する照明器15とを備える。


【パテントレビュー】

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