JP2010263755A - 充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電装置に並列接続される複数のアルカリ蓄電池を微小電流にて充電する場合でも、特定のアルカリ蓄電池の劣化が進行することを回避して、効率よく充電すること。
【解決手段】相関関数記憶部５ａは、組電池の充電電流および電池温度を入力変数とし、組電池の満充電時における充電電圧を出力変数とする相関関数を記憶する。電流取得部５ｂ、温度取得部５ｃおよび電圧取得部５ｄは、各組電池の充電電流、電池温度および電池電圧（Ｖａ）を取得する。推定値算出部５ｅは、充電可能な充電電流がＰＶパネル１から供給可能となった場合、各組電池の電池温度および充電電流と、相関関数とから、各組電池の満充電時における電池電圧の推定値（Ｖｓ）を算出する。スイッチ制御部５ｆは、Ｖａ／Ｖｓが小さい組電池から順にＰＶパネル１からの充電電流を順次集中させて充電するように、電池切り替えスイッチ７を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、アルカリ蓄電池の充電制御方法に関する。

従来より、自然エネルギーを利用して電力を出力する太陽電池などの発電装置と蓄電池とで構成される自立型電源は、電源インフラの確保が困難な場所などに設置される負荷の電源として用いられている。

ここで、設置場所に応じて蓄電池を分散して配置したり、負荷への出力電流を大きくしたりするために、複数の蓄電池が発電装置に並列に接続された構成にて自立型電源が設置される場合がある。かかる構成にて、発電装置の出力電力を各蓄電池に充電する際には、充電容量が特定の蓄電池に偏らないように均等に充電する必要がある。特定の蓄電池のみに充放電の負荷がかかると、充放電の負荷が集中した蓄電池が劣化し、自立型電源における充電容量は、全体的に不足することとなり、その結果、蓄電池の交換時期は、早まってしまう。

ここで、用いられる蓄電池には、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、レドックスフロー電池、ＮＡＳ電池がある。この中では体積あたり、および重量あたりのエネルギー密度が大きいアルカリ蓄電池が自立型電源には有効になる。その際に発電規模が大きくなると、充電する系統数、すなわち発電装置に接続される蓄電池が複数並列になる。発電装置に並列に接続された複数系統の蓄電池への充電は、一般的に、放電の後、系統ごとに充電を実施して満充電判定（例えば、温度勾配法や規定電圧設定など）を行い、満充電と判定された時点で、他の系統への充電が開始されることが行われている。

しかし、太陽光や風力などの自然エネルギーにより発生した電力を蓄電池に蓄える際には、日照変動などの気象変化により発電が不安定となることが多いので、長時間充電しても満充電に達するとは限らない。したがって、自然エネルギーを利用して微小電流で充電する際には、並列接続された各蓄電池へ均等に充電されるように電池系全体を見て充電する必要がある。

そこで、発電装置に並列に接続された複数系統の蓄電池へ充電を行なう場合の基本的な充電法としては、予め各系統の充電時間を決めておき、電池電圧の低い系統から順次充電を実施するという方法がある。

また、発電装置に並列に接続された複数系統の蓄電池へ充電を行なう場合の充電法としては、放電時に負荷と切り離して電池の開放電圧を測定することで電池残容量を見積もり、見積もった電池残容量に基づいて、例えば、鉛蓄電池などで用いられているフロート充電のように、一定の充電電圧を決定し、満充電時では、充電電流を著しく低下させ、満充電状態を各系統にて維持する方法も知られている（例えば、非特許文献１参照）。

Moo, C.S.; Ng, K.S.; Hsieh, Y.C.; "Parallel Operation of Battery Power Modules", Power Electronics and Drives Systems, 2005. PEDS 2005. International Conference on Volume 2, 28-01 Nov. 2005 Page(s):983 - 988

しかしながら、発電装置に並列接続される複数の蓄電池がニッケル・水素蓄電池やニッケル・カドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池である場合、アルカリ蓄電池は、微小電流では充電できず、さらに、アルカリ蓄電池の電池電圧は、環境温度に応じて変動する。すなわち、電池電圧が設置場所の温度条件に依存して変動するため、電池電圧が最も低い蓄電池が充電容量を最も必要とする蓄電池になるとは限らない。

したがって、発電装置に複数のアルカリ蓄電池が並列接続される自立型電源の運用時に、上記した従来の技術のように、電池電圧が最も低いアルカリ蓄電池を充電容量が最も低い蓄電池として充電を行なったとしても、曇りや無風の状態が続いて自然エネルギーの発生量が少ない状況における低充電電流時には、特定のアルカリ蓄電池のみが充電され、他のアルカリ蓄電池との充電容量差がさらに開くことになり、その結果、特定のアルカリ蓄電池が想定された寿命より早く劣化してしまう原因となる。

このように、上記した従来の技術は、発電装置に並列接続される複数のアルカリ蓄電池を微小電流にて充電する際に、特定のアルカリ蓄電池の劣化が進んでしまう場合があるという課題があった。

そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、発電装置に並列接続される複数のアルカリ蓄電池を微小電流にて充電する場合でも、特定のアルカリ蓄電池の劣化が進行することを回避して、効率よく充電することが可能となる充電制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この方法は、自然エネルギーによって電力を発生する発電装置と、前記発電装置に並列接続され、当該発電装置が発生した電力を用いて充電を行なう複数のアルカリ蓄電池とから構成される自立型電源において、前記複数のアルカリ蓄電池の充電を制御する充電制御方法であって、前記発電装置から前記アルカリ蓄電池への充電電流および当該アルカリ蓄電池の温度である電池温度を入力変数とし、当該アルカリ蓄電池の満充電時における充電電圧を出力変数とする相関関数を所定の記憶部に格納する相関関数格納ステップと、前記複数のアルカリ蓄電池が充電可能となる所定の条件となった場合に、現時点での電池温度にて現時点での充電電流により充電された際の満充電時における推定満充電電圧を、前記所定の記憶部が記憶する前記相関関数を用いて前記複数のアルカリ蓄電池ごとに算出する算出ステップと、前記算出ステップによって算出された推定満充電電圧と現時点における電池電圧との差が大きいアルカリ蓄電池から順に、前記発電装置からの充電電流を順次集中させて充電するように制御する制御ステップと、を含んだことを要件とする。

開示の方法および装置によれば、発電装置に並列接続される複数のアルカリ蓄電池を微小電流にて充電する場合でも、特定のアルカリ蓄電池の劣化が進行することを回避して、効率よく充電することが可能となる。

図１は、本実施例における自立型電源システムの構成を説明するための図である。 図２は、本実施例における自立型電源システムに組み込まれる組電池を説明するための図である。 図３は、充電電流と充電電圧との関係を説明するための図である。 図４は、電池温度と充電電圧との関係を説明するための図である。 図５は、充電電流と放電容量との関係を説明するための図である。 図６は、電池温度と放電容量との関係を説明するための図である。 図７は、相関関数による計算値と実測値との比較結果を説明するための図である。 図８は、本実施例における制御装置の充電制御処理を説明するためのフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、本願の開示する充電制御方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下では、太陽電池とアルカリ蓄電池とから構成される自立型電源と自立型電源から供給される電力により動作する負荷とからなる自立型電源システムに、本願の開示する充電制御方法を実行する制御装置が設置された場合を実施例として説明する。

まず、本実施例における自立型電源システムの構成について、図１などを用いて説明する。図１は、本実施例における自立型電源システムの構成を説明するための図である。

図１に示すように、本実施例における自立型電源システムは、ＰＶパネル１と、ＰＶパネル１に並列接続される３つの組電池（第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃ）と、コントローラ３と、負荷４と、制御装置５と、第一組電池２ａと接続される第一シャント抵抗６ａと、第二組電池２ｂと接続される第二シャント抵抗６ｂと、第三組電池２ｃと接続される第三シャント抵抗６ｃと、電池切り替えスイッチ７と、負荷切り離しスイッチ８とを有する。なお、図１において、実線は、電力線を示しており、点線は、制御装置５による制御の対応関係を示している。

ＰＶパネル１は、太陽光によって電力を発生する発電装置である。なお、本実施例における自立型電源システムに組み込まれる発電装置は、例えば、風力発電装置のように、自然エネルギーによって電力を発生する発電装置であるならば、本発明にかかる充電制御方法を適用可能である。

第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃそれぞれは、複数のアルカリ蓄電池から構成される電池モジュールであり、ＰＶパネル１に並列接続される。例えば、第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃそれぞれは、図２に示すように、「公称電圧：１．２Ｖ、公称容量：９５Ａｈ」のニッケル水素蓄電池セルが１０個直列に接続され、これにより、「公称電圧：１２Ｖ、公称容量：９５Ａｈ」となり、１１４０Ｗｈの蓄電能力を有する電池モジュールとなっている。なお、図２は、本実施例における自立型電源システムに組み込まれる組電池を説明するための図である。

また、第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃそれぞれは、図２に示すように、電池セルに取り付けられた温度センサーと、温度センサーおよび電力線を取り出すコネクタと、冷却ファンと、収納箱とから構成される。ここで、温度センサーは、組電池の温度（電池温度）を検知するセンサーであり、後述する制御装置５は、温度センサーが検知した電池温度および電力線から検知される組電池の電圧（電池電圧）それぞれをコネクタから取得する。

なお、本実施例における自立型電源システムでは、ＰＶパネル１に３つの組電池が並列接続される場合について説明するが、本発明にかかる充電制御方法は、ＰＶパネル１に２つ以上の組電池が並列接続される場合であるならば適用可能である。

ここで、以下では、同一の構成からなる第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃのことを、組電池と省略して記載する場合がある。

コントローラ３は、ＰＶパネル１の出力電力を最大にする最大電力点（ＭＰＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ）を追跡して検知し、ＰＶパネル１から最大電力を取り出すＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）と、後述する負荷４に供給する電圧と、各組電池への電池充電電圧との２種類の電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータとから構成される。

負荷４は、ＰＶパネル１または各組電池（第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃ）から供給される電力によって動作する装置であり、例えば、連続的に電力を消費して駆動する監視モニタや、定期的に（例えば、１分おきに）電力を消費して駆動する無線送信機などの装置である。

本実施例における自立型電源システムでは、日中、太陽が照っている際には、ＰＶパネル１で発電が行なわれ、コントローラ３により、ＭＰＰＴが検知されて最大電力が取り出される。また、コントローラ３では、負荷４へ供給する電圧が生成され、生成された電力が負荷４に供給されるとともに、余剰電力から電池充電電圧が生成されたうえで各組電池に供給されて充電される。また、夜間や日照が十分ではない期間では、負荷４への電力供給は、各組電池からの放電により賄われる。

電池切り替えスイッチ７は、コントローラ３を介して供給されるＰＶパネル１からの充電電流を各組電池へ均等に分散させたり、特定の組電池へ集中させたりするために用いられるスイッチである。また、電池切り替えスイッチ７は、コントローラ３を介して負荷４に対して供給される充電電流の供給源を、第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃから選択する際にも用いられる。

負荷切り離しスイッチ８は、負荷４を電気的に保護するために用いられるスイッチである。

制御装置５は、コントローラ３から負荷４に出力される電圧・電流を取得することによりコントローラ３の状態を監視し、取得した電圧・電流の値に基づいて、負荷切り離しスイッチ８のオン・オフの制御をすることで、負荷４を電気的に保護する。

例えば、制御装置５は、負荷４に出力される電流値が規定の値を超えた場合、コントローラ３に故障が発生したと判定して、負荷切り離しスイッチ８をオフにすることで、負荷４を電気的に保護する。なお、制御装置５は、コントローラ３から負荷４に出力される電圧・電流が正常になった場合、負荷切り離しスイッチ８をオンにする。

さらに、制御装置５は、各組電池（第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃ）の状態を監視して、電池切り替えスイッチ７の動作を制御する。

すなわち、本実施例における自立型電源システムは、ＰＶパネル１と、ＰＶパネル１に並列接続され、ＰＶパネル１が発生した電力を用いて充電を行なう第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃとを有するが、以下、詳細に説明する制御装置５による電池切り替えスイッチ７の動作制御により、ＰＶパネル１に並列接続される複数の組電池を微小電流にて充電する場合でも、特定の組電池の劣化が進行することを回避して、効率よく充電することが可能となることに主たる特徴がある。

以下、この主たる特徴について、図１および図２とともに、図３〜図７を用いて説明する。なお、図３は、充電電流と充電電圧との関係を説明するための図であり、図４は、電池温度と充電電圧との関係を説明するための図であり、図５は、充電電流と放電容量との関係を説明するための図であり、図６は、電池温度と放電容量との関係を説明するための図であり、図７は、相関関数による計算値と実測値との比較結果を説明するための図である。

図１に示すように、本実施例における制御装置５は、電池切り替えスイッチ７の動作を制御するために、相関関数記憶部５ａと、電流取得部５ｂと、温度取得部５ｃと、電圧取得部５ｄと、推定値算出部５ｅと、スイッチ制御部５ｆとを有する。

相関関数記憶部５ａは、ＰＶパネル１からコントローラ３を介して供給される組電池への充電電流および充電電流が供給されている組電池の温度である電池温度を入力変数とし、充電電流が供給されている組電池の満充電時における充電電圧を出力変数とする相関関数を記憶する。

ここで、相関関数は、自立型電源システムの管理者により、組電池の特性に基づいて決定され、自立型電源システムの運用開始前に、予め、相関関数記憶部５ａに格納される。

以下、本実施例にて用いられる相関関数について、図２に示した組電池「公称電圧：１２Ｖ、公称容量：９５Ａｈ」を用いて行なった実験結果に基づいて、詳細に説明する。

まず、４５℃の環境下、すなわち、電池温度「４５℃」にて、種々の充電電流値により図２に示した組電池を１１０％の充電容量に至る時間、充電したときの充電電圧値について、図３を用いて説明する。なお、図３において、横軸は、充電電流（単位：Ａ）であり、縦軸は、充電電圧（単位：Ｖ）である。

ここで、１１０％の充電容量とは、「９５Ａｈ×１．１＝１０４．５Ａｈ」であり、１１０％の充電容量に至る時間とは、充電電流の値との積が「１０４．５」となる時間のことである。すなわち、図３に示す充電電圧値は、「充電電流値：１Ａ」にて１０４．５時間充電した場合の組電池の電圧値や、「充電電流値：２Ａ」にて５２．２５時間充電した場合の組電池の電圧値などの実測値を示している。なお、組電池の電圧値は、図２に示したコネクタから取得された値である。

図３に示すように、満充電となるはずの時間にて充電しても、組電池の充電電圧は、充電電流が小さくなるにしたがって値が低くなることが分かる。ここで、電圧は、電気ポテンシャルであることから、充電電圧と充電容量とは、正の相関関係があると考えられるので、図３では、組電池の充電容量が、充電電流が小さくなるにしたがって低下することが示唆されている。特に、１Ａ（０．０１Ｃ）のように微小な充電電流では、電圧が１４Ｖ以上にならないことが分かる。

次に、一定の充電電流（１Ａ）にて、１１０％の充電容量に至る時間（１０４．５時間）、図２に示した組電池を種々の電池温度にて充電したときの充電電圧値について、図４を用いて説明する。なお、図４において、横軸は、電池温度（単位：℃）であり、縦軸は、充電電圧（単位：Ｖ）である。

図４に示すように、満充電となるはずの時間にて充電した組電池の充電電圧は、同じ充電電流であっても、電池温度が高くなるにしたがって値が低くなることが分かる。すなわち、図４では、組電池の充電容量が、電池温度が高くなるにしたがって低下することが示唆されている。

次に、図３の実験結果を裏づけするために、電池温度「４５℃」にて、種々の充電電流値により１１０％の充電容量に至る時間充電したのちに、組電池から放電を実施して放電容量を計測した結果を、図５を用いて説明する。なお、図５において、横軸は、充電電流（単位：Ａ）であり、縦軸は、放電容量（単位：Ａｈ）である。

図５に示すように、満充電となるはずの十分な時間にて充電しても組電池から実際に放電される放電容量は、充電電流が小さくなるにしたがって、値が低くなることが分かる。すなわち、図５においても、図３と同様に、組電池の充電容量が、充電電流が小さくなるにしたがって低下することが示唆されている。特に、１Ａ（０．０１Ｃ）のように微小な充電電流では、実放電容量が「公称容量：９５Ａｈ」より低い値となっていることから、微小電流にて長い期間充電しても十分な充電容量が得られていないことがわかる。

次に、図４の実験結果を裏づけするために、一定の充電電流（１Ａ）にて、１１０％の充電容量に至る時間（１０４．５時間）種々の電池温度にて充電したのちに、組電池から放電を実施して放電容量を計測した結果を、図６を用いて説明する。なお、図６において、横軸は、電池温度（単位：℃）であり、縦軸は、放電容量（単位：Ａｈ）である。

図６に示すように、同じ充電電流で満充電となるはずの十分な時間にて充電しても、組電池から実際に放電される放電容量は、電池温度が高くなるにしたがって値が低くなることが分かる。すなわち、図６においても、図４と同様に、組電池の充電容量が、電池温度が高くなるにしたがって低下することが示唆されている。

以上の結果から、低い充電電流や高い電池温度にて充電を行なったとしても、組電池は、必ずしも十分に充電されるとは限らず、特に、図３および図５から、微少電流による充電では、組電池に充電されることなく、電池内部で熱となって損失となってしまうことが分かる。例えば、図５に示すように、１Ａで１１０％の充電時間充電した場合では、放電容量が約９１Ａｈであることから、「１０４．５−９１＝１３．３Ａｈ」が熱に変換されており、「１３．３Ａｈ」に相当する熱エネルギーは、組電池の劣化の原因となる。

また、以上の結果から、満充電時における電池電圧や放電容量は、充電電流および電池温度から決定されることが分かる。したがって、充電電流と電池温度とを変数とする相関関数により、満充電時における組電池の電池電圧（本実施例では、１１０％の充電容量における電池電圧）を推定し、推定値と実際に測定された組電池の電池電圧とを比較すれば、現時点での組電池における充電容量の程度を推定することができる。

そこで、本実施例では、図３に示した充電電流ごとの電池電圧の状態と、図４に示した電池温度ごとの電池電圧の状態とを、組電池の満充電状態であるとする。すなわち、本実施例では、充電時間との積が一定となるように充電電流値を変化させて充電した場合、最終到達電圧（満充電時の電池電圧）が図３に示す状態となると見なし、充電電流値を一定として環境温度（電池温度）を変えた場合の最終充電電圧（満充電時の電池電圧）が図４に示す状態となると見なす。

具体的には、本実施例においては、ＰＶパネル１から組電池への充電電流を「Ｉ（単位：Ａ）」とし、組電池の電池温度を「Ｔ（単位：℃）」とし、組電池の満充電時における充電電圧を「Ｖｓ（単位：Ｖ）」とした場合、組電池の特性に基づいて決定される３つのパラメータ「ｚ」、「α」および「β」により、以下に示す式（１）にて表される相関関数（常用対数を用いた対数関数で表される相関関数）が、管理者により決定される。

例えば、図３および図４に示すそれぞれのプロットにフィッティングする「ｚ」、「α」および「β」は、「１５．６」、「０．０１６８」および「１８９」として決定される。ここで、「α＝１５．６」、「β＝０．０１６８」および「ｚ＝１８９」を式（１）に代入して得られた計算値と、実測値との比較結果を図７に示す。

なお、図７の（Ａ）は、図３で説明した実測値のプロットに対して、式（１）の相関関数により算出された計算値のカーブを重ねた図であり、図７の（Ｂ）は、図４で説明した実測値のプロットに対して、式（１）の相関関数により算出された計算値のカーブを重ねた図である。図７の（Ａ）および（Ｂ）に示すように、計算値と実測値とは、ほぼ一致している。

また、式（１）の「Ｔ」は、摂氏温度であるので、「０℃」の場合、満充電時の電池電圧は、一定値となる。図４に示すように、満充電時の電池電圧は、電池温度が低くなるにつれて高くなるが、「０℃」近傍までは直線的に上昇したのち、「０℃」以下の場合、一定となる傾向にあることが分かっている。このことから、本実施例では、「０℃」以下での満充電時の電池電圧が一定値となるように、式（１）が設定されている。

以上、説明したように、管理者は、自立型電源システムに組み込まれる組電池の特性に応じて３つのパラメータ「ｚ」、「α」および「β」を決定し、決定した「ｚ」、「α」および「β」が代入された式（１）を、相関関数記憶部５ａに格納する。

図１に戻って、電流取得部５ｂは、第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃそれぞれに対する充電電流を、第一シャント抵抗６ａ、第二シャント抵抗６ｂおよび第三シャント抵抗６ｃそれぞれの両端に発生する電圧を計測することで取得する。

温度取得部５ｃは、第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃそれぞれの電池温度を、各組電池に設置された温度センサーからコネクタを介して取得する（図２参照）。

電圧取得部５ｄは、第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃそれぞれの電池電圧を、各組電池に設置されたコネクタから取得する（図２参照）。

スイッチ制御部５ｆは、上述した電池切り替えスイッチ７を制御することで、コントローラ３を介して供給されるＰＶパネル１からの充電電流を各組電池へ均等に分散させたり、特定の組電池へ集中させたりする。

推定値算出部５ｅは、各組電池が充電可能な充電電流がＰＶパネル１からコントローラ３を介して供給可能となった場合に、温度取得部５ｃが取得した各組電池の電池温度および電流取得部５ｂが取得した各組電池への充電電流と、相関関数記憶部５ａが記憶する相関関数とから、各組電池が現時点における状況で充電された際の満充電時における電池電圧の推定値（Ｖｓ）を算出する。

例えば、スイッチ制御部５ｆは、ＰＶパネル１からの発電電流を分岐することで、均等な充電電流が各組電池に流入するように、電池切り替えスイッチを制御する。そして、スイッチ制御部５ｆは、温度取得部５ｃに対して各組電池の電池温度を取得するように制御するとともに電流取得部５ｂに対して各組電池への充電電流を取得するように制御し、電流取得部５ｂが取得した各組電池への充電電流の総和が、０．０１Ｃ（１Ａ）以上ならば、充電可能と判定する。そして、スイッチ制御部５ｆは、推定値算出部５ｅに対してＶｓを算出するように制御し、さらに、電圧取得部５ｄに対して各組電池の現時点での電池電圧（Ｖａ）を取得するように制御する。

そして、スイッチ制御部５ｆは、各組電池ごとに、Ｖｓに対するＶａの比（Ｖａ／Ｖｓ）を算出し、Ｖａ／Ｖｓが小さい組電池から順に充電すると充電実行順序を決定して、ＰＶパネル１からの充電電流を充電実行順序に該当する組電池に順次集中させて充電するように、電池切り替えスイッチ７を制御する。すなわち、スイッチ制御部５ｆは、充電容量に対して、蓄電量が少ない組電池から順に、充電電流を集中させるように制御する。

また、推定値算出部５ｅは、スイッチ制御部５ｆによる制御のもと、充電が行なわれている組電池の満充電時における電池電圧の推定値（Ｖｓ’）を、充電が行なわれている組電池の電池温度および充電電流と相関関数とを用いて算出する。なお、充電が行なわれている組電池の電池温度および充電電流は、スイッチ制御部５ｆによる制御のもと、温度取得部５ｃおよび電流取得部５ｂにより取得される。

そして、スイッチ制御部５ｆは、電圧取得部５ｄに対して充電が行なわれている組電池の現時点での電池電圧（Ｖａ）を取得するように制御し、ＶａがＶｓ’以上となった場合に、充電実行順序にて次に充電を行なうと決定されている組電池へ充電電流を集中させて充電するように、電池切り替えスイッチ７を制御する。

また、スイッチ制御部５ｆは、所定の期間がたってもＶａがＶｓ’以上とならない場合、充電を中止して、充電実行順序にて次に充電を行なうと決定されている組電池に切り替えて充電電流を集中させて充電するように、電池切り替えスイッチ７を制御する。

なお、上記したスイッチ制御部５ｆによる制御については、以下、フローチャートを用いて詳細に説明する。

次に、図８を用いて、本実施例における制御装置５の充電制御処理について説明する。図８は、本実施例における制御装置の充電制御処理を説明するためのフローチャートである。なお、以下では、管理者によって相関関数記憶部５ａに相関関数が格納されたのちに、制御装置５が実行する処理について説明する。

図８に示すように、本実施例における自立型電源システムに設置される制御装置５は、自立型電源の運用が開始されると（ステップＳ１０１肯定）、所定の期間（例えば、１時間）経過したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ここで、所定の期間が経過していない場合（ステップＳ１０２否定）、制御装置５は、再度、ステップＳ１０２の判定処理を行なう。

一方、所定の期間が経過した場合（ステップＳ１０２肯定）、スイッチ制御部５ｆは、電池切り替えスイッチ７を制御することで、各組電池にて、コントローラ３を介したＰＶパネル１からの発電電流を分岐して充電させる（ステップＳ１０３）。

そして、スイッチ制御部５ｆの制御により、電流取得部５ｂは、各組電池の電流値（充電電流）を取得し（ステップＳ１０４）、スイッチ制御部５ｆは、電流値の総和が、所定の値（例えば、１Ａ）より小さいか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

ここで、電流値の総和が、所定の値（例えば、１Ａ）より小さい場合（ステップＳ１０５肯定）、スイッチ制御部５ｆは、電池切り替えスイッチ７を制御して各組電池への充電電流の供給を中止したのち、規定時間（例えば、５分間）待機し（ステップＳ１０６）、再度、ステップＳ１０３の処理を実行する。

一方、電流値の総和が、所定の値以上である場合（ステップＳ１０５否定）、スイッチ制御部５ｆの制御により、電流取得部５ｂおよび温度取得部５ｃそれぞれは、各組電池の所要時間（例えば、１０秒間）における電流値および電池温度を取得する（ステップＳ１０７）。

そして、スイッチ制御部５ｆは、各組電池の所要時間における電流値が安定しているか否かを判定する（ステップＳ１０８）。例えば、スイッチ制御部５ｆは、所要時間にて各組電池へ流れ込んだ充電電流の電流値の変動幅が、０．５Ａ以内であるならば安定していると判定する。

ここで、各組電池の所要時間における電流値が安定していない場合（ステップＳ１０８否定）、ステップＳ１０７に戻って、スイッチ制御部５ｆの制御により、電流取得部５ｂおよび温度取得部５ｃそれぞれは、各組電池の所要時間（例えば、１０秒間）における電流値および電池温度を取得する。あるいは、スイッチ制御部５ｆは、ステップＳ１０２に戻って、所定の期間が経過するまで待機するように自立型電源システムを制御してもよい。

一方、各組電池の所要時間における電流値が安定している場合（ステップＳ１０８肯定）、スイッチ制御部５ｆの制御により、推定値算出部５ｅは、電流取得部５ｂおよび温度取得部５ｃが取得した各組電池の所要時間における電流値および電池温度から、各組電池の所要時間における平均電流値および平均電池温度を算出し、算出した各組電池の平均電流値および平均電池温度から、相関関数を用いて、各組電池のＶｓを算出する（ステップＳ１０９）。

なお、推定値算出部５ｅは、ステップＳ１０９において、スイッチ制御部５ｆの制御により、電流取得部５ｂおよび温度取得部５ｃが取得した現時点での各組電池における電流値および電池温度から、相関関数を用いて、各組電池のＶｓを算出してもよい。また、本発明は、ステップＳ１０８の判定処理が省略されて、ステップＳ１０７ののちステップＳ１０９の処理が実行される場合であってもよい。

そののち、スイッチ制御部５ｆの制御により、電圧取得部５ｄは、各組電池の電池電圧Ｖａを取得し（ステップＳ１１０）、スイッチ制御部５ｆは、各組電池のＶａ／Ｖｓを算出する（ステップＳ１１１）。

続いて、スイッチ制御部５ｆは、Ｖａ／Ｖｓの小さい順を、充電実行順序として決定し（ステップＳ１１２）、Ｖａ／Ｖｓが最も小さい（蓄電量が最も小さい）ことから、１番目に充電を行なうとして決定された組電池への充電を開始させるために、「ｉ＝１」の初期設定を行なう（ステップＳ１１３）。

そののち、スイッチ制御部５ｆは、ｉ番目の組電池にて充電が集中して実行されるように、電池切り替えスイッチ７を制御し（ステップＳ１１４）、スイッチ制御部５ｆの制御により、電流取得部５ｂおよび温度取得部５ｃそれぞれは、ｉ番目の組電池の充電電流および電池温度を取得する（ステップＳ１１５）。

そして、スイッチ制御部５ｆの制御により、推定値算出部５ｅは、ｉ番目の組電池の現時点での充電条件（ステップＳ１１５にて取得された充電電流および電池温度）におけるＶｓをＶｓ’として算出する（ステップＳ１１６）。

そして、電圧取得部５ｄは、スイッチ制御部５ｆの制御により、ｉ番目の組電池の電池電圧Ｖａを取得し（ステップＳ１１７）、スイッチ制御部５ｆは、ｉ番目の組電池の現時点での電池電圧ＶａがＶｓ’以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１８）。

ここで、ＶａがＶｓ’以上である場合（ステップＳ１１８肯定）、スイッチ制御部５ｆは、ｉ番目の組電池に対する充電完了と判定する（ステップＳ１１９）。

一方、ＶａがＶｓ’より小さい場合（ステップＳ１１８否定）、スイッチ制御部５ｆは、待機回数が所定の回数（例えば、３回）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。

ここで、待機回数が所定の回数より少ない場合（ステップＳ１２０否定）、スイッチ制御部５ｆは、所定の充電期間（例えば、１０分間）待機し（ステップＳ１２１）、ステップＳ１１７にて再度、電圧取得部５ｄに電池電圧の取得処理を実行させる。

一方、待機回数が所定の回数以上となった場合（ステップＳ１２０肯定）、スイッチ制御部５ｆは、ｉ番目の組電池に対する充電中止と判定する（ステップＳ１２２）。

そして、スイッチ制御部５ｆは、ステップＳ１１９またはステップＳ１２２にて、充電完了または充電中止として判定した場合、全組電池に対する充電処理が終了したか否かを判定する（ステップＳ１２３）。

ここで、全組電池に対する充電処理が終了していない場合（ステップＳ１２３否定）、スイッチ制御部５ｆは、充電実行順序にて次の組電池における充電処理を実行するために、「ｉ＝ｉ＋１」と設定して（ステップＳ１２４）、ステップＳ１１４にて、電池切り替えスイッチ７の切り替え制御を実行する。

一方、全組電池に対する充電処理が終了した場合（ステップＳ１２３肯定）、スイッチ制御部５ｆは、処理を終了する。なお、全組電池に対する充電処理が終了したのちは、スイッチ制御部５ｆは、ステップＳ１０２に戻って、所定の期間が経過したか否かの判定処理を実行したり、日没となった時点で、ステップＳ１０３の処理を実行したりすることで、再度、各組電池への充電制御処理を行なう。

上記したように、本実施例によれば、相関関数記憶部５ａは、ＰＶパネル１からコントローラ３を介して供給される組電池への充電電流および充電電流が供給されている組電池の温度である電池温度を入力変数とし、充電電流が供給されている組電池の満充電時における充電電圧を出力変数とする相関関数を記憶する。また、電流取得部５ｂは、第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃそれぞれに対する充電電流を、第一シャント抵抗６ａ、第二シャント抵抗６ｂおよび第三シャント抵抗６ｃそれぞれの両端に発生する電圧を計測することで取得し、温度取得部５ｃは、第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃそれぞれの電池温度を、各組電池に設置された温度センサーから取得し、電圧取得部５ｄは、第一組電池２ａ、第二組電池２ｂおよび第三組電池２ｃそれぞれの電池電圧（Ｖａ）を、各組電池に設置されたコネクタから取得する。

そして、推定値算出部５ｅは、各組電池が充電可能な充電電流がＰＶパネル１からコントローラ３を介して供給可能となった場合に、温度取得部５ｃが取得した現時点での各組電池の電池温度および電流取得部５ｂが取得した現時点での各組電池への充電電流と、相関関数記憶部５ａが記憶する相関関数とから、各組電池が現時点における状況で充電された際の満充電時における電池電圧の推定値（Ｖｓ）を算出する。そして、スイッチ制御部５ｆは、Ｖａ／Ｖｓが小さい組電池から順に充電すると充電実行順序を決定して、ＰＶパネル１からの充電電流を充電実行順序に該当する組電池に順次集中させて充電するように、電池切り替えスイッチ７を制御する。

したがって、並列接続されるアルカリ蓄電池から構成される各組電池の満充電状態を電池温度と充電電流との変動に応じて正確に判定したうえで、蓄電量が少ない組電池から順に充電可能な充電電流にて充電させることができ、上記した主たる特徴の通り、ＰＶパネル１に並列接続される複数の組電池を微小電流にて充電する場合でも、特定の組電池の劣化が進行することを回避して、効率よく充電することが可能となる。

また、本実施例によれば、推定値算出部５ｅは、スイッチ制御部５ｆによる制御のもと、充電が行なわれている組電池の満充電時における電池電圧の推定値（Ｖｓ’）を、充電が行なわれている組電池の電池温度および充電電流と相関関数とを用いて算出する。そして、スイッチ制御部５ｆは、電圧取得部５ｄに対して充電が行なわれている組電池の現時点での電池電圧（Ｖａ）を取得するように制御し、ＶａがＶｓ’以上となった場合に、充電実行順序にて次に充電を行なうと決定されている組電池へ充電電流を集中させて充電するように、電池切り替えスイッチ７を制御する。

したがって、各組電池の充電状態を、電池温度と充電電流との変動に応じて正確に判定したうえで、次の組電池に対する充電を開始することができ、ＰＶパネル１に並列接続される複数の組電池をさらに効率よく充電することが可能となる。

なお、上記した実施例では、各組電池への充電電流切り替えを、電池切り替えスイッチ７を用いて実行する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、各組電池への充電電流切り替えを、各組電池に接続されたシャント抵抗それぞれを用いて実行する場合であってもよい。

また、上記した実施例では、自立型電源を構成する蓄電池が、ニッケル水素蓄電池である場合について説明したが、本発明は自立型電源を構成する蓄電池が、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池であるならば、適用可能である。

また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。さらに、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部または任意の一部が、ＣＰＵおよび当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。

なお、本実施例で説明した充電制御方法は、あらかじめ用意されたプログラムをパーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータで実行することによって実現することができる。このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。

以上のように、本発明に係る充電制御方法は、自然エネルギーによって電力を発生する発電装置と、発電装置に並列接続され、当該発電装置が発生した電力を用いて充電を行なう複数のアルカリ蓄電池とから構成される自立型電源において、複数のアルカリ蓄電池の充電を制御する場合に有用であり、特に、発電装置に並列接続される複数のアルカリ蓄電池を微小電流にて充電する場合でも、特定のアルカリ蓄電池の劣化が進行することを回避して、効率よく充電することに適する。

１ ＰＶパネル
２ａ 第一組電池
２ｂ 第二組電池
２ｃ 第三組電池
３ コントローラ
４ 負荷
５ 制御装置
５ａ 相関関数記憶部
５ｂ 電流取得部
５ｃ 温度取得部
５ｄ 電圧取得部
５ｅ 推定値算出部
５ｆ スイッチ制御部
６ａ 第一シャント抵抗
６ｂ 第二シャント抵抗
６ｃ 第三シャント抵抗
７ 電池切り替えスイッチ
８ 負荷切り離しスイッチ

Claims (3)

1. 自然エネルギーによって電力を発生する発電装置と、前記発電装置に並列接続され、当該発電装置が発生した電力を用いて充電を行なう複数のアルカリ蓄電池とから構成される自立型電源において、前記複数のアルカリ蓄電池の充電を制御する充電制御方法であって、
   前記発電装置から前記アルカリ蓄電池への充電電流および当該アルカリ蓄電池の温度である電池温度を入力変数とし、当該アルカリ蓄電池の満充電時における充電電圧を出力変数とする相関関数を所定の記憶部に格納する相関関数格納ステップと、
   前記複数のアルカリ蓄電池が充電可能となる所定の条件となった場合に、現時点での電池温度にて現時点での充電電流により充電された際の満充電時における推定満充電電圧を、前記所定の記憶部が記憶する前記相関関数を用いて前記複数のアルカリ蓄電池ごとに算出する算出ステップと、
   前記算出ステップによって算出された推定満充電電圧と現時点における電池電圧との差が大きいアルカリ蓄電池から順に、前記発電装置からの充電電流を順次集中させて充電するように制御する制御ステップと、
   を含んだことを特徴とする充電制御方法。
2. 前記算出ステップは、前記制御ステップの制御により充電が行なわれている所定のアルカリ蓄電池の推定満充電電圧を、当該所定のアルカリ蓄電池の充電時における電池温度および充電電流と前記所定の記憶部が記憶する前記相関関数とを用いてさらに算出し、
   前記制御ステップは、前記所定のアルカリ蓄電池の充電時における電池電圧が、前記算出ステップによって算出された前記推定満充電電圧以上となった場合、当該所定のアルカリ蓄電池から次に充電を行なうとしたアルカリ蓄電池に切り替えて前記発電装置からの充電電流を集中させて充電するように制御することを特徴とする請求項１に記載の充電制御方法。
3. 前記相関関数は、前記発電装置から前記アルカリ蓄電池への充電電流を「Ｉ」とし、当該アルカリ蓄電池の電池温度を「Ｔ」とし、当該アルカリ蓄電池の満充電時における充電電圧を「Ｖｓ」とした場合、当該アルカリ蓄電池の特性に基づいて決定される３つのパラメータ「ｚ」、「α」および「β」により、以下に示す式（１）にて表されることを特徴とする請求項１または２に記載の充電制御方法。
   

   

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