JP2021016269A - 蓄電システムおよび充電方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電源の種別に応じて蓄電池を効率よく充電できる蓄電システムおよび充電方法を提供する。【解決手段】電源2に接続される入力部3と、この入力部3に接続される制御機構4と、この制御機構4に接続される蓄電池5とを備える蓄電システム1において、蓄電システム1に接続されている電源2の種別を制御機構4の種別判定部8で判定して、この判定結果に基づいて電源2から供給される電気の電圧または電流の少なくとも一方を制御機構4の変換部9で変換して、この変換部9で変換された電気で蓄電池5を充電する。【選択図】図1

Description

本発明は、電源から供給される電気により蓄電池を充電する蓄電システムおよび充電方法に関するものであり、詳しくは電源の種別に応じて蓄電池を効率よく充電できる蓄電システムおよび充電方法に関するものである。
蓄電池を充電する蓄電システムが種々提案されている(例えば特許文献1参照)。特許文献1に記載の蓄電システムは、太陽電池から供給される電気を蓄電池に充電する構成を有している。太陽電池からの充電に特化した回路等で構成されているため、蓄電システムは別種の電源による充電に対応できなかった。そもそも従来の蓄電システムは、別種の電源による充電を想定していなかった。
日本国特開2014−100050号公報
本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は電源の種別に応じて蓄電池を効率よく充電できる蓄電システムおよび充電方法を提供することである。
上記の目的を達成するための蓄電システムは、電源に接続される入力部と、この入力部に接続されて前記電源から供給される電気で充電される蓄電池と、前記入力部と前記蓄電池との間に接続されて前記蓄電池に供給される電気の制御を行う制御機構とを備える蓄電システムにおいて、前記入力部に接続されている前記電源の種別を判定する種別判定部と、この種別判定部の判定結果に基づいて前記電源から供給される電気の電圧または電流の少なくとも一方を変換する変換部とを前記制御機構が備えることを特徴とする。
上記の目的を達成するための充電方法は、電源から供給される電気の電圧および電流を調整して蓄電池に供給して前記蓄電池を充電する充電方法において、前記蓄電池に接続されている前記電源の種別を判定して、この判定に基づいて前記電源から供給される電気の電圧または電流の少なくとも一方を変換して前記蓄電池に供給することを特徴とする。
本発明によれば、電源の種別を判定できるので電源の種別に応じて蓄電池を効率よく充電するには有利である。
蓄電システムの構成の概略を例示する説明図である。 図1の蓄電システムの変形例を例示する説明図である。 図1の蓄電システムの変形例を例示する説明図である。 図1の蓄電システムの変形例を例示する説明図である。
以下、蓄電システムおよび充電方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。
図1に例示するように蓄電システム1は、電源2に接続される入力部3と、この入力部3に接続される制御機構4と、この制御機構4に接続される蓄電池5と、この蓄電池5に接続される出力部6とを備えている。出力部6は蓄電池5から電気の供給を受ける外部機器7に接続される。上記構成どうしは電線等で接続されている。図1では説明のため電気の流れる方向を矢印で示している。
この実施形態では制御機構4は、入力部3に接続される種別判定部8と、この種別判定部8と蓄電池5の間に接続される変換部9とを有している。入力部3に接続されている電源2の種別を判定する構成を種別判定部8は有している。種別判定部8は、電源2が交流電源または直流電源のいずれであるかを判定する構成を有している。また種別判定部8は電源2から供給される電気の電圧値や電流値から電源2の種別を判定する構成を有している。
種別判定部8での判定結果に基づいて電源2から供給される電気を適切な方法で変換して蓄電池5に充電する構成を変換部9は有している。具体的には例えば電源2から供給される電気が交流であれば交流から直流への変換を行い、直流であれば充電に適した電圧への変換を行う構成を変換部9は有している。
蓄電池5は例えばリチウムイオン電池で構成することができる。蓄電池5は電気を蓄電できる構成を有していればよく、リチウムイオン電池に限定されない。例えば鉛蓄電池や電気二重層などで蓄電池5を構成してもよい。
出力部6は、蓄電池5から出力される直流の電気を交流に変換するDC/ACコンバータを備える構成にすることができる。このとき出力部6は例えば100Vの交流の電気を外部機器7に供給する構成を有している。また出力部6は、蓄電池5から出力される直流の電気を直流のまま外部機器7に供給する構成を有していてもよい。蓄電池5の定格出力が12Vの場合は例えば11V〜14Vの電気が出力部6を介して外部機器7に供給される。蓄電池5の定格出力が24Vの場合は例えば22V〜28Vの電気が出力部6を介して外部機器7に供給される。出力部6は交流または直流の少なくとも一方の電気を外部機器7に供給する構成を有していればよい。
蓄電システム1に電源2が接続されているとき、種別判定部8により電源2の種別が判定される。種別判定部8の判定結果に基づき変換部9が電圧値または電流値の少なくとも一方を変換して蓄電池5を充電する。
図2に例示するように電源2の種別として例えば交流電源2A、直流高圧電源2B、直流低圧電源2Cが想定される。交流電源2Aとは、例えば100Vまたは200Vの交流の電気を出力する商用電源や発電機などが該当する。交流電源2Aは200V以上の交流の電気を出力する発電機で構成されてもよい。直流高圧電源2Bとは、例えば100V〜400Vの直流の電気を出力する太陽光パネルや風力発電機などが該当する。直流低圧電源2Cとは、例えば5〜64Vの直流の電気を出力する車両用のオルタネータや小型の太陽光パネルなどが該当する。
直流高圧電源2Bと直流低圧電源2Cとは、蓄電池5を充電可能な電圧を境界として区別することができる。例えば定格出力が12Vのリチウムイオン電池で蓄電池5が構成される場合は、充電可能な電圧は定格出力よりも高い15V程度となる。定格出力が24Vのリチウムイオン電池で蓄電池5が構成される場合は、充電可能な電圧は30V程度となる。定格出力が12Vの鉛蓄電池で蓄電池5が構成される場合は、充電可能な電圧は14.5V程度となる。この充電可能な電圧以上の電圧の電気を発生させる電源を直流高圧電源2Bとして、充電可能な電圧より小さい電圧の電気を発生させる電源を直流低圧電源2Cとして区別することができる。
直流高圧電源2Bと直流低圧電源2Cとの境界となる電圧の値は、上記に限定されない。蓄電池5の充電可能な電圧に応じて適宜決定することができる。また例えば90Vなど充電可能な電圧よりも高い値を予め設定しておき、この値を境界として直流高圧電源2Bと直流低圧電源2Cとを区別する構成としてもよい。蓄電システム1に設置される蓄電池5に応じて、直流高圧電源2Bと直流低圧電源2Cとの境界となる電圧の値は予め設定される。
入力部3は、各電源2を接続するための接続口をそれぞれ有している。各接続口は独立して形成されるそれぞれの経路を介して種別判定部8に接続されている。種別判定部8はいずれの電源2から電気が供給されているかを判定することができる。いずれの接続口に電源が接続されているか、またはいずれの接続口を介して電気が供給されているかを検出する検出センサ10を入力部3または種別判定部8が備える構成にしてもよい。交流電源用の接続口は例えば交流電源から延びるケーブルを接続されるACインレットや端子台で構成できる。直流電源用の接続口は例えば直流電源から延びるケーブルを接続されるDC電源コネクタや端子台で構成できる。種別判定部8が入力部3に設置される検出センサ10からの信号に基づき、電源2が交流電源2A、直流高圧電源2B、直流低圧電源2Cのいずれであるかを判定する構成としてもよい。このとき検出センサ10と種別判定部8とを信号線L1で接続する構成としてもよい。図2では説明のためこの信号線L1を一点鎖線で示している。信号線L1は有線または無線のいずれで構成してもよい。
図2に例示するように直流低圧電源2Cから供給される電気を交流に変換するDC/ACコンバータ11を入力部3と種別判定部8との間に接続する構成にしてもよい。このDC/ACコンバータ11は例えば100Vの交流の電気を種別判定部8に送る。
図2に例示するように変換部9は、電源2の種別にそれぞれ対応する複数の変換部から構成されている。交流電源2Aから供給される電気を交流から直流に変換する第一変換部9Aと、直流高圧電源2Bから供給される電気を直流のまま降圧する第二変換部9Bと、直流低圧電源2Cから供給される電気を昇圧した直流に変換する第三変換部9Cとを、変換部9は備えている。
第一変換部9AはAC/DCコンバータで構成できる。第一変換部9Aは、交流電源2Aから供給される交流を、蓄電池5の充電可能な電圧以上であり且つ蓄電池5を安全に充電できる電圧の上限以下となる範囲の電圧(以下、適正充電電圧ということがある)を有する直流に変換して、蓄電池5に供給する。
第二変換部9BはDC/DCコンバータで構成できる。第二変換部9Bは、蓄電池5を安全に充電できる電圧以上の電圧を有する直流を、直流のまま適正充電電圧まで降圧させて蓄電池5に供給する。
第三変換部9CはAC/DCコンバータで構成できる。直流低圧電源2Cから供給されてDC/ACコンバータ11で交流に変換された電気を、第三変換部9Cは適正充電電圧の直流に変換して蓄電池5に供給する。DC/ACコンバータ11が接続されていない場合は、第三変換部9CはDC/ACコンバータとAC/DCコンバータとで構成される。第三変換部9Cは、直流低圧電源2Cから供給される直流を、交流に変換したのち直流に再変換して適正充電電圧まで昇圧させる。直流低圧電源2Cから供給される直流を直流のまま昇圧するDC/DCコンバータで第三変換部9を構成してもよい。
DC/ACコンバータ11を備えている場合は、例えば13Vなど比較的小さい電圧の電気を100Vの交流に変換することで電流値を小さくすることができる。これにともない蓄電システム1を構成する電線等の太さを大幅に小さくできる。蓄電システム1を小型化するには有利である。
蓄電システム1は、電源2の種別を判定する種別判定部8を備えるとともに、電源2の種別に応じて異なる処理を行う複数の変換部9を備えている。種別判定部8での判定結果に応じて、対応する変換部9が電圧等の変換を行うので、蓄電池5を効率よく充電するには有利である。
交流電源2Aや直流高圧電源2Bなど供給される電力が比較的大きい電源2の場合には、比較的短時間で効率よく蓄電池5を充電できる。直流低圧電源2Cなど電圧が比較的小さい電源2の場合には、昇圧させて蓄電池5に充電できる。適正充電電圧が比較的高い値であるリチウムイオン電池で蓄電池5が構成されている場合であっても、第三変換部9Cで電圧を昇圧して充電できるので、蓄電池5の容量の100%まで充電することが可能となる。そのため直流低圧電源2Cが例えば車両用のオルタネータで構成されていて車両の走行中であっても、蓄電池5の容量の100%まで充電することができる。
図3に例示するように制御機構4が、種別判定部8と変換部9との間に接続される充電制御部12を備える構成にしてもよい。充電制御部12は蓄電システム1の必須要件ではない。充電制御部12は種別判定部8の判定結果に基づいて蓄電池5への充電を制御する構成を有していてもよい。
充電制御部12は、例えば電源2から供給される電気が充電可能条件を満たすか否かを判定して、この条件を満たす場合には蓄電池5への充電を行い、この条件を満たさない場合は蓄電池5への充電を停止する制御を行う構成にできる。このとき充電可能条件は電源2ごとにそれぞれ予め設定されている。充電制御部12と種別判定部8とが信号線L2で接続されていてもよい。図2では説明のため信号線L2を一点鎖線で示している。
交流電源2Aの充電可能条件は例えば電圧がAC85V以上265V以下に設定される。直流高圧電源2Bの充電可能条件は例えば電圧がDC120V以上350V以下に設定される。直流低圧電源2Cの充電可能条件は蓄電池5への充電可能な電力量を満たす範囲で設定される。電源2ごとの充電可能条件は例えば充電制御部12に記憶させておくことができる。充電可能条件は制御機構4のメモリ等に記憶させてもよい。
充電制御部12は電源2から供給される電気の電圧や電流を監視する構成を有していて、この電圧等と種別判定部8の判断結果とから、予め設定されている充電可能条件を満たしているか否かを判定する。この構成により例えばオルタネータなど比較的発電量が小さい機器で直流低圧電源2Cが構成されていて発電量が十分でないときには、充電可能条件を満たさないとして充電制御部12が充電を停止できる。オルタネータ等が過剰出力となり故障等を引き起こす不具合を回避するには有利である。
充電制御部12は例えば電源2の種別ごとに予め定められる適正充電量と、種別判定部8の判断結果とから変換部9に送る電気の量を制御する構成にできる。適正充電量は、電源2の種別ごとに例えば電力量の範囲で規定される。充電制御部12はこの電力量の範囲内で蓄電池5への充電量を制御する。適正充電量は例えば制御機構4のメモリ等または充電制御部12に記憶させておくことができる。この充電制御部12の構成により、電源2の種別に応じて適切な充電量で蓄電池5を充電できる。具体的には電源2から供給される電力が比較的小さい場合には蓄電池5への充電量を抑制する制御を充電制御部12が行う。電源2から供給される電力が比較的大きい場合には蓄電池5への充電量を増加させる制御を充電制御部12が行う。
例えば発電量が比較的小さい300Wのオルタネータなどで構成される直流低圧電源2Cから電気が供給される場合、充電制御部12は充電量を300W以下とする範囲で第三変換部9Cに電気を送る。一方で電力量が1500Wの商用電源や3000Wの発電機などで構成される交流電源2Aから電気の供給を受けている場合、充電制御部12は充電量を500W〜1500W程度として第一変換部9Aに電気を送る。
電源2が発電量の小さい直流低圧電源2Cの場合には充電量を抑制できるので、直流低圧電源2Cが過剰出力となる不具合を回避するには有利である。直流低圧電源2Cを構成するオルタネータ等が過剰出力となり故障する不具合を回避できる。供給される電力が大きい交流電源2Aで電源2が構成される場合は、充電量を大きくできるので、蓄電システム1は蓄電池5を比較的短時間で効率よく充電することができる。
適正充電量で規定される範囲内で蓄電池5に電気を供給できない場合に、充電制御部12が蓄電池5への充電を停止する制御を行う構成としてもよい。また蓄電池5の充電が完了している場合に、充電制御部12が充電を停止する構成を有していてもよい。つまり充電制御部12は、電源2から供給される電気に応じて充電を制御する構成や、蓄電池5の残量に応じて充電を制御する構成を備えることができる。
図3に例示するように蓄電システム1が、種別判定部8と充電制御部12との間に接続される状態取得部13を備える構成にしてもよい。状態取得部13は蓄電システム1の必須要件ではない。図3では説明のため状態取得部13を破線で示している。蓄電システム1に状態取得部13が組み込まれる場合には同時に充電制御部12が組み込まれる。状態取得部13は電源2の状態を取得する構成を有している。また状態取得部13は信号線L3で充電制御部12と接続されている。
状態取得部13が取得する電源2の状態とは、発電機やオルタネータ等で構成される電源2の動作または停止の状態や、電源2が供給する電力量などを含む情報を意味する。状態取得部13が、電源2から供給される電気の電圧値や電流値から電源2の状態を推定する構成を有していてもよい。また状態取得部13と電源2とを信号線L4で接続して電源2から直接的にその状態を状態取得部13が取得する構成にしてもよい。
直流低圧電源2Cが車両用のオルタネータで構成される場合、オルタネータと状態取得部13とを信号線L4で接続して、オルタネータの発電状態を直接取得する構成にしてもよい。また車両の制御コンピュータと状態取得部13とを信号線で接続して、オルタネータの状態を制御コンピュータから取得する構成にしてもよい。オルタネータの発電量や回転数などの情報を電源2の状態として状態取得部13は取得する。
車両のエンジンのアイドリング時にはオルタネータの発電量が比較的少ない。状態取得部13がこの電源2の状態を取得したとき、状態取得部13で取得される情報に基づき充電制御部12は充電量を抑制したり充電を停止したりする。蓄電池5への充電量がオルタネータの発電量を超えて、オルタネータが過剰出力となる不具合を抑制するには有利である。過剰出力となりオルタネータが故障する不具合を回避するには有利である。
車両のアクセサリー電源(ACC電源)のオンオフを状態取得部13が取得する構成にしてもよい。ACC電源がオフのときは、この信号に基づき充電制御部12が充電を停止する構成にできる。車両が停止している際に、車両に搭載されオルタネータに接続されている鉛バッテリから蓄電システム1の蓄電池5に電気が流れることを防止できる。鉛バッテリの残量が減りすぎて車両が始動できなくなる不具合を回避するには有利である。
交流電源2Aが発電機で構成される場合、発電機と状態取得部13とを信号線L4で接続して発電機の発電状態を直接取得する構成にしてもよい。発電機の起動または停止の状態や、発電量などの情報を電源2の状態として状態取得部13は取得する。発電量が多い場合は充電量を増加させて、発電量が少ない場合または発電機が停止している場合は充電量を減少させたり充電を停止する制御を、状態取得部13の情報に基づき充電制御部12が行う。
蓄電システム1は、それぞれの電源2に対応する複数の変換部9A〜9Cを備えているので、複数の電源2が接続されて同時に電気が供給される状態であっても、蓄電池5への充電が可能となる。例えば図4に例示するように交流電源2Aとして発電機を接続して、直流高圧電源2Bとして太陽電池を接続することができる。制御機構4の充電制御部12が対応するそれぞれの変換部9を介して電源2から供給される電気を蓄電池5に送る。図4では説明のため制御機構4が備える種別判定部8等を省略している。
このとき制御機構4は、例えば二つ以上の電源2から供給される電気を合成して蓄電池5に送る構成を有していてもよい。例えば交流電源2Aと直流高圧電源2Bとから同時に電気が供給される場合は、それぞれの電気を充電適正電圧に変換した後に合成して蓄電池5に送ることができる。例えば交流電源2Aと直流低圧電源2Cとから同時に電気が供給される場合は、位相を合わせて合成した後に直流に変換して蓄電池5に送ることができる。また制御機構4は、二つ以上の電源2から電気が供給される場合に、複数の電源2のうちの一部から供給される電気でのみ蓄電池5を優先的に充電する構成を有していてもよい。
制御機構4が蓄電池5の残量を監視する監視部14を備えていてもよい。監視部14は、蓄電池5の電圧から残量を推定する構成を有している。監視部14の構成はこれに限らず蓄電池5の残量を取得できる構成であればよい。例えば変換部9から蓄電池5に入力される電力と蓄電池5から外部機器7に出力される電力との差から蓄電池5の残量を推定する構成としてもよい。
図4に例示する実施形態では制御機構4の状態取得部13が、信号線L4を介して発電機の起動および停止を制御する制御信号を交流電源2Aに送る構成を有している。
制御機構4は残量の変化量から、蓄電池5への充電量が十分か否かを判断する。蓄電池5の残量が所定量以上あるときや残量が増加傾向にあるときなどは、状態取得部13からの制御信号で発電機を停止させることができる。また蓄電池5の残量が所定量より少ないときや残量が減少傾向にあるときなどは、状態取得部13が発電機を起動させることができる。このとき直流高圧電源2Bによる蓄電池5の充電と並行して、交流電源2Aによる蓄電池5の充電が行われる。
蓄電池5を充電する際には太陽電池からの充電を優先するとともに状況に応じて発電機の起動および停止を蓄電システム1は制御できるので、発電機の燃料消費を抑制しつつ蓄電池5を効率よく充電できる。蓄電システム1が発電機を制御できるので、蓄電池5の容量を自動的に一定に保つことができる。
電源2から供給される電気が、蓄電池5をバイパスして直接的に出力部6から外部機器7に供給される構成にしてもよい。図4に例示するように制御機構4と出力部6とを直接接続するバイパスケーブル15を有する構成にすることができる。この実施形態では出力部6が、DC/ACコンバータ16の他に、ソリッドステートリレーやメカニカルリレーで構成されるリレー17を有している。リレー17をソリッドステートリレーで構成することで、交流電源2Aからバイパスケーブル15を介して供給される電気と、蓄電池5から供給される電気とを遮断させることなく切り替えて外部機器7に供給することができる。このリレー17は、バイパスケーブル15を介して供給される電気と蓄電池5から供給される電気とを同時に外部機器7に供給することもできる。
制御機構4の充電制御部12が、バイパスケーブル15および出力部6を介して外部機器7に必要な電力を供給するとともに、変換部9を介して蓄電池5に外部機器7が使用せず余る電力を送る構成にしてもよい。例えば太陽電池から供給される電気を優先して外部機器7へ供給することができる。外部機器7が必要とする電力が大きい場合には不足する電力を蓄電池5から供給して、必要とする電力が小さい場合には余った電力を蓄電池5に充電することができる。
本明細書に記載されている信号線L1〜L4は有線で構成してもよく、無線で構成してもよい。交流電源2Aと直流高圧電源2Bと直流低圧電源2Cとで構成される電源2に接続可能な蓄電システム1を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。蓄電システム1は交流電源2Aと直流高圧電源2Bと直流低圧電源2Cのうち、少なくとも二つの電源2に対して接続可能な構成を有していればよい。
1 蓄電システム
2 電源
2A 交流電源
2B 直流高圧電源
2C 直流低圧電源
3 入力部
4 制御機構
5 蓄電池
6 出力部
7 外部機器
8 種別判定部
9 変換部
9A 第一変換部
9B 第二変換部
9C 第三変換部
10 検出センサ
11 DC/ACコンバータ
12 充電制御部
13 状態取得部
14 監視部
15 バイパスケーブル
16 DC/ACコンバータ
17 リレー
L1〜L4 信号線

Claims (7)

  1. 電源に接続される入力部と、この入力部に接続されて前記電源から供給される電気で充電される蓄電池と、前記入力部と前記蓄電池との間に接続されて前記蓄電池に供給される電気の制御を行う制御機構とを備える蓄電システムにおいて、
    前記入力部に接続されている前記電源の種別を判定する種別判定部と、この種別判定部の判定結果に基づいて前記電源から供給される電気の電圧または電流の少なくとも一方を変換する変換部とを前記制御機構が備えることを特徴とする蓄電システム。
  2. 前記種別判定部の判定結果に基づいて前記蓄電池への充電を制御する充電制御部を前記制御機構が有していて、
    前記電源の種別ごとに予め定められる充電可能条件を前記電源から供給される電気が満たすか否かを判定して、この判定結果に基づいて前記蓄電池への充電を制御する構成を前記充電制御部が備える請求項1に記載の蓄電システム。
  3. 前記種別判定部の判定結果に基づいて前記蓄電池への充電を制御する充電制御部を前記制御機構が有していて、
    前記電源の種別ごとに予め定められる適正充電量に基づき前記蓄電池に充電される充電量を制御する構成を前記充電制御部が備える請求項1または2に記載の蓄電システム。
  4. 前記電源が、交流の電気を発生させる交流電源、または直流であり所定の値以上の電圧の電気を発生させる直流高圧電源、または直流であり前記所定の値よりも小さい電圧の電気を発生させる直流低圧電源のいずれであるかを判定する構成を前記種別判定部が備える請求項1〜3のいずれかに記載の蓄電システム。
  5. 電源から供給される電気の電圧または電流の少なくとも一方を制御して蓄電池に供給して前記蓄電池を充電する充電方法において、
    前記蓄電池に接続されている前記電源の種別を判定して、この判定結果に基づいて前記蓄電池への充電を制御して、前記電源から供給される電気の電圧または電流の少なくとも一方を変換して前記蓄電池に供給することを特徴とする充電方法。
  6. 前記電源の種別ごとに予め定められる充電可能条件を前記電源から供給される電気が満たすか否かを判定して、この判定結果に基づいて前記蓄電池への充電を制御する請求項5に記載の充電方法。
  7. 前記電源の種別ごとに予め定められる適正充電量に基づき前記蓄電池に充電される充電量を制御する請求項5または6に記載の充電方法。
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