JP2014150592A - 自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池などの自然エネルギー発電装置の出力でもって、バッテリをより速やかに、より残容量の大きな状態まで充電する。
【解決手段】自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法は、自然エネルギー発電装置１の出力で、充電できるバッテリ３を一定の制限電流値に制限して充電すると共に、充電されるバッテリ３の電圧が満充電電圧に上昇することを検出して満充電と判定して充電を停止する。さらに、バッテリの充電方法は、充電されるバッテリ３の電圧が高くなるにしたがって、バッテリ３を充電する制限電流値を小さくして充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池や風力発電などの自然エネルギーでバッテリを充電する方法に関し、とくにバッテリをより満充電に近い状態に充電できる充電方法に関する。

自然エネルギーを利用して発電する太陽電池によるバッテリの充電方法は開発されている。この充電方法は、バッテリの満充電を検出して充電を停止する必要がある。バッテリの過充電による劣化を防止し、また安全性を確保するためである。バッテリの満充電は、バッテリの電圧が満充電電圧まで上昇することを検出して判定できる。たとえば、リチウムイオン電池は、定電圧・定電流充電して満充電できる。このバッテリは、電圧が４.２Ｖ／セル〜４.３Ｖ／セルの最高電圧に上昇するまでは定電流充電し、バッテリの電圧がこの電圧まで上昇した後は、定電圧充電して満充電し、定電圧充電する状態で充電電流が設定値よりも小さくなると満充電と判定できる。商用電源でリチウムイオン電池を充電する方法は、商用電源の出力が安定しているので、以上のように定電圧・定電流充電して満充電できる。ところが、太陽電池などの自然エネルギー発電装置の出力でバッテリを充電する状態にあっては、自然エネルギーで発電する太陽電池の出力が天候で変動するので、バッテリを定電圧・定電流充電して満充電できない。たとえば、バッテリの電圧が最高電圧まで上昇する状態で、太陽電池の出力が小さくなると、バッテリが満充電されない状態にあっても充電電流が減少する。したがって、充電電流が減少することで満充電を判定できない。この弊害を避けるために、太陽電池などの自然エネルギーを利用して充電する方法は、バッテリの電圧が最高電圧まで上昇すると満充電と判定して充電を停止している。

この方法でバッテリの満充電を判定する充電方法は、バッテリを完全に満充電できる状態、言い換えると、残容量を１００％とするまで充電できない。とくに、バッテリの充電電流が大きくなると、バッテリの電圧が高くなるので、充電電流が大きくなるほど、バッテリを満充電と判定して充電を停止する状態で残容量が１００％よりも小さくなる。たとえば、バッテリの充電電流を０．５Ｃの充電電流で充電する状態にあっては、最高電圧で充電を停止して残容量を９０％とするまで充電できるが、２Ｃ〜３Ｃで充電する状態にあっては、最高電圧で充電を停止すると残容量は６０％程度と相当に減少する。

ところで、自然エネルギーで発電する太陽電池の出力でバッテリを充電する電流を次第に小さくして充電する方法が特許文献１に開示されている。
また、太陽電池にてバッテリを充電する太陽電池システムについて、特許文献２にも開示されている。

特開２０００−３５０３７８号公報 特開２０１１−４１３７８号公報

特許文献１に記載される充電方法は、充電されるバッテリの電圧が最高電圧に上昇した後は、次第にバッテリの充電電流を小さくする。この充電方法は、バッテリの電圧が最高電圧に上昇する状態で充電を停止する方法に比較して、残容量を大きく充電できる。しかしながら、この方法は、バッテリの電圧が最高電圧まで充電した後、最高電圧を上昇しないように充電電流を減少させるので、バッテリの電圧が最初に最高電圧に上昇した後の充電電流を相当に小さくする必要がある。このため、最高電圧に上昇してから残容量を増加する充電に時間がかかる欠点がある。

本発明は、さらに以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、太陽電池などの自然エネルギー発電装置の出力でもって、バッテリをより速やかに、より残容量の大きな状態まで充電できる自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法は、自然エネルギー発電装置１の出力で、充電できるバッテリ３を一定の制限電流値に制限して充電すると共に、充電されるバッテリ３の電圧が満充電電圧に上昇することを検出して満充電と判定して充電を停止する。さらに、バッテリの充電方法は、充電されるバッテリ３の電圧が高くなるにしたがって、バッテリ３を充電する制限電流値を小さくして充電する。

以上の充電方法は、太陽電池などの自然エネルギーの出力でバッテリをより速やかに、より満充電に近い状態、すなわち残容量を大きくする状態まで充電できる特徴がある。それは、以上の充電方法が、充電されるバッテリの電圧が高くなるにしたがって充電電流を小さく制限して充電するからである。

本発明の自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法は、自然エネルギー発電装置１を、太陽電池２と風力発電機のいずれかとすることができる。

本発明の自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法は、充電されるバッテリ３をリチウムイオン電池とすることができる。
以上の充電方法は、リチウムイオン電池の劣化を防止し、さらに安全かつ速やかに満充電に近い状態まで充電できる。

本発明の自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法は、バッテリ３の制限電流を減少させる電流減少電圧と、電流減少電圧に対する制限電流値とをメモリ７に記憶し、自然エネルギーで充電されるバッテリ３の電圧が電流減少電圧まで上昇する毎に、バッテリ３を充電する電流を制限電流値に制限して充電することができる。
以上の充電方法は、充電されるバッテリの電圧が上昇するごとに段階的に充電する電流を小さく制限して充電するので、簡単な方法で満充電により近い状態まで速やかに充電できる特徴がある。

本発明の自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法は、複数の電流減少電圧と、電流減少電圧に対する制限電流値を記憶し、自然エネルギー発電装置１で充電されるバッテリ３の電圧が電流減少電圧に上昇する毎に、バッテリ３を充電する制限電流値を小さくすることができる。
以上の充電方法は、自然エネルギーで充電されるバッテリの電圧が上昇する毎に段階的に充電する電流を小さく制限するので、バッテリの劣化を防止し、さらに安全により速やかに満充電に近い状態まで充電できる特徴がある。

本発明の一実施例にかかるバッテリの充電方法でバッテリを充電するシステムの一例を示すブロック図である。 バッテリを充電する電流、電圧特性の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法を例示するものであって、本発明はバッテリの充電方法を以下の実施例に示す方法や回路構成には特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１は、本発明の実施例にかかる方法でバッテリを充電するシステムを示す。このシステムは、自然エネルギー発電装置１を太陽電池２として、太陽電池２でバッテリ３を充電する。本発明の充電方法は、自然エネルギー発電装置を太陽電池には特定せず、たとえば、風力発電機、潮力発電機等であって、自然エネルギーで発電する全ての発電装置とすることができる。

図１は、太陽電池２でバッテリ３を充電するシステムで、この太陽電池システムは、太陽電池２と、この太陽電池２から出力される電力で充電されるバッテリ３と、太陽電池２とバッテリ３との間に接続されて太陽電池２の出力をバッテリ３に供給する安定化回路４と、この安定化回路４を制御する制御回路５とを備えている。

自然エネルギー発電装置１である太陽電池２の定格出力は、バッテリ３の充電電流を０．５Ｃ以上、好ましくは１Ｃ〜３Ｃとする大きさとしている。太陽電池２は、定格出力を大きくして、バッテリ３を速やかに満充電できる。バッテリ３を１Ｃ〜３Ｃの充電電流で充電する太陽電池２は、例えば、容量を１０（Ａｈ）とするバッテリ３を１０Ａ〜３０Ａの電流で充電する。大容量のバッテリ３は、複数の素電池６を直列に接続して出力電圧を高くし、さらに複数の素電池６を並列に接続して充電電流を大きくしている。このバッテリ３を充電する太陽電池２は、各々の素電池６の充電電流を前述の範囲とする出力としている。

バッテリ３は、リチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、太陽電池２の出力が低い状態での充電効率を高くでき、また大きさや重量に対する容量を大きくできる特徴がある。ただし、バッテリには、リチウムイオン電池に代わって、ニッケル水素電池やニッケルカドミウムバッテリなど、太陽電池などの自然エネルギー発電装置で充電できる全てのバッテリ３を使用できる。

安定化回路４は、太陽電池２の出力を定電圧・定電流特性に安定化して出力する定電圧・定電流特性のＤＣ／ＤＣコンバータである。定電圧・定電流特性のＤＣ／ＤＣコンバータからなる安定化回路４は、太陽電池２から入力される直流の電圧と電流とを一定値に制限してバッテリ３に出力する。定電圧・定電流回路の安定化回路４は、リチウムイオン電池を好ましい電流と電圧で充電する。ただ、本発明は、安定化回路を定電圧・定電流回路には特定しない。バッテリの電圧を検出して、バッテリの充電電流を制限しながら充電するので、安定化回路を定電流回路としてバッテリを充電できるからである。

自然エネルギー発電装置１である太陽電池２の出力は、入射される太陽光線の強度で変動する。安定化回路４は、バッテリ３を充電する電流と電圧を一定値以下に制限し、あるいは電流を一定値以下に制限しながら充電する。たとえば、太陽電池２は、バッテリ３の電流を１０Ａに制限しながら充電する。したがって、太陽電池２に入射される太陽光線の強度が設定値よりも大きい状態では、太陽電池２がバッテリ３を１０Ａの電流で充電する。しかしながら、太陽電池２に入射する太陽光線が弱くなって出力が低下するとバッテリ３の充電電流は１０Ａ以下となる。このため、安定化回路４は、バッテリ３を充電する電流と電圧とを制限しながら充電するが、バッテリ３を充電する電流と電圧は太陽電池２の出力で変動する。

太陽電池２の出力を安定化回路４でコントロールしてバッテリ３を充電する太陽電池システムは、バッテリ３を変動する電流と電圧とで充電する。この状態で充電されるバッテリ３は、満充電に近づくにしたがって電圧が上昇する。バッテリ３は電圧が最高電圧よりも高く充電されると、著しく劣化し、また安全性も低下する。とくに、リチウムイオン電池は、最高電圧よりも高く充電されるとこの弊害が大きい。

バッテリ３の劣化を少なくし、さらに安全に速やかに充電するために、制御回路５は、バッテリ３の電圧を検出してＤＣ／ＤＣコンバータの安定化回路４をコントロールする。制御回路５は、充電されるバッテリ３の電圧が高くなるにしたがって、バッテリ３を充電する制限電流を小さくして充電するようにＤＣ／ＤＣコンバータの安定化回路４をコントロールする。図２は、制御回路５が安定化回路４をコントロールして、バッテリ３を充電する電流と電圧とを示している。この図に示すように、制御回路５は、バッテリ３の電圧が上昇するにしたがって、バッテリ３を充電する制限電流を小さくするように安定化回路４をコントロールする。

図２は、バッテリ３をリチウムイオン電池とする電流、電圧特性を例示している。この図は、充電されるリチウムイオン電池の電圧が第１の電流減少電圧である４．０Ｖに上昇するまでは、第１の制限電流値を３Ｃとし、第２の電流減少電圧である４．１Ｖに上昇するまでは第２の制限電流値を２Ｃとし、さらに、満充電電圧である４．２Ｖに上昇するまでは、制限電流値を０．１Ｃとして、リチウムイオン電池からなるバッテリ３を速やかに、しかもほぼ満充電に近い状態まで充電する。

制御回路５は、バッテリ３の制限電流を減少させる電流減少電圧と、電流減少電圧に対する制限電流値とをメモリ７に記憶しており、太陽電池２で充電されるバッテリ３の電圧が電流減少電圧まで上昇する毎に、安定化回路４を制御して、バッテリ３を充電する電流を制限電流値に制限する。図２で示すように安定化回路４をコントロールする制御回路５は、複数の電流減少電圧、すなわち、４．０Ｖ、４．１Ｖ、４．２Ｖと、電流減少電圧に対する制限電流値、すなわち３Ｃ、２Ｃ、０．１Ｃとを記憶している。ここで、バッテリの制限電流を減少させる電流減少電圧については、１直列の電池に対する電圧値を示している。したがって、複数の電池をｎ直列に接続してなるバッテリの充電制御においては、以上の電圧値をｎ倍した電流減少電圧を利用し、ｎ直列されたバッテリのトータル電圧がｎ倍された電流減少電圧まで上昇する毎に、充電電流を制限電流値に制限しながら充電する。図２は、３つの電流減少電圧と、各々の電流減少電圧に対する制限電流値とを記憶しているが、４つ以上の、あるいは２つの電流減少電圧と、その電流減少電圧に対する制限電流値とを記憶して、安定化回路４をコントロールすることもできる。

電流を小さく制限する最初の、すなわち最も低い電圧の電流減少電圧が低すぎると、最初にバッテリ３を大きな電流で速やかに充電できなくなって、充電に時間がかかる弊害がある。反対に、最初の電流減少電圧が高すぎると、大電流で長時間充電されてバッテリ３の電圧上昇が速く、残容量の小さい状態で電圧が高くなるので、その後に小さい電流に制限して充電しても、電圧が上昇するので、より満充電に近い状態まで充電するのが難しくなる。この弊害を避けるために、最後にバッテリ３を充電する制限電流値を小さく設定すると、その状態でバッテリ３を充電する時間が長くなって、バッテリ３を速やかに満充電に近い状態まで充電できなくなる。したがって、制御回路５が安定化回路４をコントロールして、バッテリ３の充電電流を小さく減少させる電流減少電圧と、この電流減少電圧に対する制限電流値とは、バッテリ３をより速やかに満充電に近い状態まで充電できる電圧と電流とに設定される。

図２に示す特性でバッテリ３を充電する太陽電池システムは、以下のようにしてバッテリ３を充電する。ただし、以下の充電方法は、１直列の電池を充電する状態を示している。したがって、複数の電池をｎ直列に接続してなるバッテリを充電する場合においては、以下の電圧値をｎ倍してなる電流減少電圧をバッテリのトータル電圧に比較して充電を制御する。
（１）バッテリ３の電圧が最も低い第１の電流減少電圧の４．０Ｖよりも低い状態
この状態にあっては、制御回路５がバッテリ３の電圧を検出して安定化回路４を制御して、バッテリ３を充電する電流の最大値を第１の制限電流値である３Ｃとするようにコントロールして、バッテリ３を充電する。

（２）バッテリ３の電圧が最も低い第１の電流減少電圧の４．０Ｖを越えて、第２の電流減少電圧の４．１Ｖよりも低い状態
この状態にあっては、制御回路５がバッテリ３の電圧を検出して安定化回路４を制御して、バッテリ３を充電する電流の最大値を第２の制限電流値である２Ｃとするようにコントロールしてバッテリ３を充電する。

（３）バッテリ３の電圧が第２の電流減少電圧の４．１Ｖを越えて、満充電電圧の４．２Ｖよりも低い状態
この状態にあっては、制御回路５がバッテリ３の電圧を検出して安定化回路４を制御して、バッテリ３を充電する電流の最大値を第３の制限電流値である０．１Ｃとするようにコントロールする。

（４）バッテリ３の電圧が満充電電圧まで上昇する状態
この状態になると、制御回路５がバッテリ３の電圧を検出して、安定化回路４を制御して、バッテリ３が満充電されたと判定してバッテリ３の充電を停止する。

充電されたバッテリ３は、ＤＣ／ＡＣインバータを介して商用電源を出力する。商用電源を出力するために、図１のブロック図に示す太陽電池システムは、太陽電池２で充電されたバッテリ３に接続しているＤＣ／ＡＣインバータ８を備えている。ＤＣ／ＡＣインバータ８は、バッテリ３の出力を商用電源の交流に変換して出力する。したがって、ＤＣ／ＡＣインバータ８には、商用電源に接続するコンセント９を接続している。

１…自然エネルギー発電装置
２…太陽電池
３…バッテリ
４…安定化回路
５…制御回路
６…素電池
７…メモリ
８…ＤＣ／ＡＣインバータ
９…コンセント

Claims (5)

1. 自然エネルギー発電装置(1)の出力で、充電できるバッテリ(3)を一定の制限電流値に制限して充電すると共に、充電されるバッテリ(3)の電圧が満充電電圧に上昇することを検出して満充電と判定して充電を停止するバッテリの充電方法であって、
   充電されるバッテリ(3)の電圧が高くなるにしたがって、バッテリ(3)を充電する制限電流値を小さくして充電することを特徴とする自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法。
2. 自然エネルギー発電装置(1)が、太陽電池(2)と風力発電機のいずれかである請求項１に記載される自然エネルギーによるバッテリの充電方法。
3. 充電されるバッテリ(3)がリチウムイオン電池である請求項１または２に記載される自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法。
4. バッテリ(3)の制限電流を減少させる電流減少電圧と、電流減少電圧に対する制限電流値とをメモリ(7)に記憶し、
   自然エネルギーで充電されるバッテリ(3)の電圧が電流減少電圧まで上昇する毎に、バッテリ(3)を充電する電流を制限電流値に制限して充電する請求項１ないし３のいずれかに記載される自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法。
5. 複数の電流減少電圧と、電流減少電圧に対する制限電流値を記憶し、自然エネルギー発電装置(1)で充電されるバッテリ(3)の電圧が電流減少電圧に上昇する毎に、バッテリ(3)を充電する制限電流値を小さくする請求項１ないし４のいずれかに記載される自然エネルギーの出力によるバッテリの充電方法。

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