JPWO2015059873A1 - 電力管理装置 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、大型化あるいはコスト高を伴わずにサルフェーションを抑制し、鉛蓄電池の寿命を延ばすことである。本発明の電力管理装置（１０）は、充電装置（１１）と変換装置（１２）と監視装置（１３）と制御装置（３０）とを備える。制御装置（３０）は、監視装置（１３）から鉛蓄電池（２０）の残容量を取得し、充電装置（１１）および変換装置（１２）を制御する。制御装置（３０）において、設定部（３４）は、鉛蓄電池（２０）の残容量について下限値および上限値を設定する。判断部（３５）は、残容量が下限値まで低下すると鉛蓄電池（２０）の放電を停止するように変換装置（１２）に指示する。判断部（３５）は、鉛蓄電池（２０）の放電を停止させた後に、残容量が下限値と上限値との間に設定された許可値まで上昇すると鉛蓄電池（２０）の放電を許可するように変換装置（１２）に指示する。

Description

本発明は、一般に電力管理装置に関し、より詳細には、鉛蓄電池の充電および放電を行う電力管理装置に関する。

鉛蓄電池は、過放電状態になった場合、あるいは放電した状態で放置した場合に、サルフェーションと呼ばれる現象が生じ、寿命が短くなるという問題がある。サルフェーションは、電極に硫酸鉛が付着することにより生じる鉛蓄電池の劣化現象であり、サルフェーションが生じると、鉛蓄電池の容量が低下する。

そのため、鉛蓄電池を放置する期間中に音波を電池に加えることによって、サルフェーションを抑制する技術が提案されている（たとえば、日本国特許出願公開番号２００２−５６８９７（以下「文献１」という）参照）。また、充電電流あるいは放電電流をパルス的（間欠的）に流すことによって、電極を活性化する技術も提案されている（たとえば、日本国特許出願公開番号２００６−２４４９７３（以下「文献２」という）参照）。

文献１に記載された技術は、音波を与えるための装置が必要であり、鉛蓄電池の充電あるいは放電とは無関係な装置が付加される。また、多数個の鉛蓄電池を用いる場合には、音波を与えるための装置が大型化する可能性がある。

一方、文献２に記載された技術は、比較的大きい充電電流あるいは比較的大きい放電電流をパルス的に流すように制御するから、大電流に対応した電流容量の大きい充電回路あるいは放電回路が必要であり、コスト高につながる可能性がある。

本発明は、大型化あるいはコスト高を伴わずにサルフェーションを抑制し、鉛蓄電池の寿命を延ばすようにした電力管理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力管理装置は、鉛蓄電池の充電を行う充電装置と、前記鉛蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を電気負荷に供給する変換装置と、前記鉛蓄電池の残容量を監視する監視装置と、前記監視装置から前記鉛蓄電池の前記残容量を取得し、前記充電装置および前記変換装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記鉛蓄電池の前記残容量について下限値および上限値を設定する設定部と、前記残容量が前記下限値まで低下すると前記鉛蓄電池の放電を停止するように前記変換装置に指示する判断部とを備え、前記判断部は、前記鉛蓄電池の放電を停止させた後に、前記残容量が前記下限値と前記上限値との間に設定された許可値まで上昇すると前記鉛蓄電池の放電を許可することを特徴とする。

本発明の好ましい実施形態をより詳細に記述する。本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な記述および添付図面に関連して一層よく理解される。
実施形態を示すブロック図である。 図２Ａ，２Ｂは、実施形態において鉛蓄電池の残容量を計測する構成例を示す図である。 実施形態の動作例を示す図である。 実施形態の動作をフローチャートで示す図である。 実施形態の動作を示す図である。 比較例の動作を示す図である。

図１に示すように、電力管理装置１０は、充電装置１１と変換装置１２と監視装置１３と制御装置３０とを備える。充電装置１１は、鉛蓄電池２０の充電を行い、変換装置１２は、鉛蓄電池２０から出力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を電気負荷４０に供給する。監視装置１３は、鉛蓄電池２０の残容量を監視する。制御装置３０は、監視装置１３から鉛蓄電池２０の残容量を取得し、充電装置１１および変換装置１２を制御する。また、制御装置３０は、設定部３４と判断部３５とを備える。設定部３４は、鉛蓄電池２０の残容量について下限値および上限値を設定する。判断部３５は、残容量が下限値まで低下すると鉛蓄電池２０の放電を停止するように変換装置１２に指示する。さらに、判断部３５は、鉛蓄電池２０の放電を停止させた後に、残容量が下限値と上限値との間に設定された許可値まで上昇すると鉛蓄電池２０の放電を許可するように変換装置１２に指示する。

このような電力管理装置１０によれば、鉛蓄電池２０の放電を抑制し、かつ放電後にはただちに充電を行うから、大型化あるいはコスト高を伴わずにサルフェーションを抑制することが可能になるという利点がある。その結果、鉛蓄電池２０の寿命が延びることになる。

電力管理装置１０は、電気負荷４０に対する交流電力の供給を調節する給電調節装置１４をさらに備えることが望ましい。この場合、制御装置３０は、残容量に応じて電気負荷４０に供給する交流電力が調節されるように給電調節装置１４に指示することが望ましい。

充電装置１１は、自然エネルギーを用いて発電する発電設備５０の電力を鉛蓄電池２０に充電する電力として用いることが望ましい。この場合、制御装置３０は、発電設備５０が所定期間に発電する電力量を予測する予測部３８を備えることが望ましい。判断部３５は、予測部３８が予測した電力量と、監視装置１３が監視した鉛蓄電池２０の残容量とにより、所定期間において電気負荷４０に供給可能な電力量を見積もる。さらに、判断部３５は、電気負荷４０に供給可能な電力量に基づいて給電調節装置１４に指示を与える。

監視装置１３は、鉛蓄電池２０の電池電圧と、鉛蓄電池２０の内部インピーダンスとの少なくとも一方を用いて鉛蓄電池２０の残容量を推定することが好ましい。また、監視装置１３は、鉛蓄電池２０の電池電圧と鉛蓄電池２０の内部インピーダンスとの少なくとも一方と、鉛蓄電池２０の開放電圧とを用いて鉛蓄電池２０の残容量を推定するようにしてもよい。この場合、鉛蓄電池２０の電池電圧は、抵抗値が既知である疑似負荷２１（図２参照）を鉛蓄電池２０に接続してから所定時間が経過した後の電圧が用いられる。また、内部インピーダンスは、疑似負荷２１を鉛蓄電池２０に接続してから前記所定時間が経過した後の鉛蓄電池２０のインピーダンスが用いられる。開放電圧は、疑似負荷２１を鉛蓄電池２０に接続していない状態の鉛蓄電池２０の電圧が用いられる。

監視装置１３は、鉛蓄電池２０が充電または放電を行う電力が所定の基準値以下である時間帯に残容量を推定するための情報（値）を計測することが望ましい。

また、電力管理装置１０は、鉛蓄電池２０の温度を所定の許容範囲に維持する温度調節装置１５をさらに備えることが好ましい。

設定部３４は、監視装置１３が監視する鉛蓄電池２０の残容量の推移に基づいて、鉛蓄電池２０の劣化の程度を推定し、前記劣化の程度に基づいて前記上限値および前記下限値を設定することが望ましい。

制御装置３０は、判断部３５が鉛蓄電池２０の放電を停止させるときに、通知装置６０への通知信号を出力する通知部３６を備えることが望ましい。

判断部３５は、鉛蓄電池２０の残容量が前記上限値に達すると、電気負荷４０で消費する電力の増加を許可するように給電調節装置１４に指示することが望ましい。

また、電力管理装置１０は、変換装置１２が停止したときに電気負荷４０に給電するバックアップ電源５２を備えることが望ましい。

以下、実施形態についてさらに詳しく説明する。ここでは、配電網が敷設されていない無電化地域を想定して説明する。すなわち、電力系統から受電せずに、発電設備５０と鉛蓄電池２０とを組み合わせることによって、複数の電気負荷４０（図示例では２台の電気負荷）の運転に必要な電力を供給する構成例について説明する。なお、以下に説明する構成例は、数千〜数万ｋＷｈの規模を想定しているが、実施形態で想定している規模よりも小さい場合あるいは大きい場合であっても以下に説明する技術思想は適用可能である。

発電設備５０は、自然エネルギーを用いて発電する。本実施形態では、太陽光発電設備５１を発電設備５０の例として説明するが、風力発電設備、水力発電設備など、他の発電設備５０を用いることも可能である。この種の自然エネルギーを用いた発電設備５０は、出力される電力が時間経過に伴って変動する。水力発電設備は、太陽光発電設備５１、風力発電設備と比較すれば、出力が比較的安定しているが、発電に用いる水量は一定ではなく、天候などによって変動する。

電力系統の配電網が整備されている場合には、自然エネルギーにより発電する発電設備５０を、電圧が安定している系統電源と併用することによって、電力の安定化を図ることが可能であるが、無電化地域では電力系統を利用することができない。そのため、発電設備５０を蓄電池と併用し、発電設備５０の出力が過剰であれば蓄電池を充電し、発電設備５０の出力が不足していれば蓄電池から放電することにより、電力の安定化を図ることが考えられている。

この種の用途に用いることができる蓄電池として、現状では、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン蓄電池、鉛蓄電池２０を候補に挙げることができる。リチウムイオン電池は電力密度が高いが、構造が複雑である上に材料費用が高く、現状ではもっとも高価である。また、ニッケル水素蓄電池は、メモリ効果があるから、出力が不安定な発電設備５０と組み合わせて充電と放電とを繰り返す用途には適していない。

一方、鉛蓄電池２０は、エネルギー密度がリチウムイオン電池よりは低いが、リチウムイオン電池と比較すると構造が簡単であり、材料の入手も容易であって、安価であるという利点を有している。無電化地域を想定した場合に、設備費用が低額であることは重要である。つまり、自然エネルギーを用いて発電する発電設備５０に鉛蓄電池２０を組み合わせることは、現状の無電化地域において、現実的な対応であると言える。

また、無電化地域に限らず、電力系統の停電の頻度が高い地域、電力系統の電圧が不安定な地域においても、鉛蓄電池２０を設けることは、複数の電気負荷４０を使用する利用者にとって、電力の安定化のための現実的な対応策として望ましいと言える。

ただし、鉛蓄電池２０は、過放電状態になった場合あるいは放電した状態で放置した場合に、サルフェーションと呼ばれる現象が生じ、寿命が短くなるという問題がある。鉛蓄電池２０には、サルフェーションが生じにくい構成のディープサイクルバッテリも提供されているが、できるだけ設備費用を低減するという目的には適さない。

本実施形態は、サルフェーションが生じにくくなるように鉛蓄電池２０の充電および放電を制御することにより、サルフェーションに対する対策を施していない鉛蓄電池２０であっても、鉛蓄電池２０を長期間に亘って利用することを可能にしている。

鉛蓄電池２０は、太陽光発電設備５１が発電した電力により充電される。太陽光発電設備５１が発電した直流電力は、充電装置１１を通して鉛蓄電池２０に供給される。充電装置１１は、太陽光発電設備５１が発電する電力と鉛蓄電池２０の電池電圧（開放電圧）とに基づいて、鉛蓄電池２０を充電する際の電流および電圧の条件を制御する。

太陽光発電設備５１の出力は日照量に応じて変動するから、充電装置１１は、最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御を行うことによって、太陽光発電設備５１が出力する電力を無駄なく利用するように構成されていることが望ましい。また、太陽光発電設備５１は電流の供給能力に制限があるから、充電装置１１は、鉛蓄電池２０を充電する際の電圧に上限となる閾値を設定し、さらに、充電時の電流にも上限となる閾値を設定していることが望ましい。

この構成により、充電装置１１は、鉛蓄電池２０の残容量が少ない期間に、鉛蓄電池２０を充電する電流を上限までの範囲で最大にして充電を短時間で行えるようにする。また、充電装置１１は、鉛蓄電池２０の残容量が多くなると（電池電圧が所定の閾値に達すると）、鉛蓄電池２０を充電する電流を低減させる。さらに、鉛蓄電池２０が満充電になれば（充電電流が所定値まで低下すると）、充電装置１１は、トリクル充電を行うことが望ましい。

上述した充電装置１１の動作は一例であって、他の動作（たとえば、電池電圧を２段階に設定する２段定電圧充電など）を採用してもよい。ただし、どのような動作を採用するにしても、充電の電流と電池電圧とを制限することは必要である。

鉛蓄電池２０の充電を上述のように制御するために、充電装置１１はスイッチング電源を用いた構成が採用される。充電装置１１は、電池電圧と充電電流とを監視する機能を有し、制御の内容は、電池電圧および充電電流を用いて自動的に決定する。ただし、充電の開始および停止に関しては、後述する制御装置３０からの指示に従う。

制御装置３０は、プログラムに従って動作するプロセッサを備えたデバイスを主なハードウェア要素として備える。この種のプロセッサは、プロセッサとともにメモリを搭載したマイクロコントローラ（マイコン）で実現されてもよいし、メモリが別に接続される構成であってもよい。また、プログラムは、あらかじめＲＯＭ（Read Only Memory）に書き込まれるか、インターネットのような電気通信回線を通して提供されるか、あるいはまた、コンピュータで読取可能な記録媒体により提供される。

鉛蓄電池２０に充電された電力は、直流電力を交流電力に変換する変換装置１２を通して複数の電気負荷４０に供給される。すなわち、変換装置１２は、インバータ回路を備える。また、変換装置１２は、電圧を調節するためにＤＣ−ＤＣコンバータを含んでいてもよい。変換装置１２は、太陽光発電設備５１が発電した直流電力を交流電力に変換する機能も有している。変換装置１２は、鉛蓄電池２０から出力される直流電力を交流電力に変換する構成と、太陽光発電設備５１から出力される直流電力を交流電力に変換する構成とを個別に備えていることが望ましい。

変換装置１２において太陽光発電設備５１に対応する構成は、充電装置１１と同様に、最大電力点追従制御を行う。変換装置１２は、複数の電気負荷４０で消費される電力（電力量）を太陽光発電設備５１が発電する電力（電力量）で充足できる場合は、太陽光発電設備５１の電力を各電気負荷４０に供給する。また、変換装置１２は、複数の電気負荷４０で消費される電力を太陽光発電設備５１が発電する電力では充足できない場合は、鉛蓄電池２０が出力する電力を各電気負荷４０に供給する。

ここでは、鉛蓄電池２０は、放電が可能な状態で充電を行う、いわゆるフローティング充電を行うことを想定している。したがって、複数の電気負荷４０の運転に要する電力が、太陽光発電設備５１が出力する電力だけでは不足する場合には、鉛蓄電池２０が出力する電力により不足分が充足される。また、太陽光発電設備５１が発電できない夜間、あるいは太陽光発電設備５１の出力が小さい曇天または雨天の際には、鉛蓄電池２０の電力で不足分を補うことによって複数の電気負荷４０の運転が可能になる。

ところで、上述したように、鉛蓄電池２０の残容量が少ない状態で放置すると、サルフェーションが生じる。そこで、本実施形態は、鉛蓄電池２０の残容量が少ない状態の継続時間が短くなるように、鉛蓄電池２０の充電を可能なかぎり優先的に行う技術を採用している。また、鉛蓄電池２０の残容量を維持するために、残容量が下限値まで低下すると鉛蓄電池２０からの放電を禁止（停止）する技術と、鉛蓄電池２０の残容量が低下すると複数の電気負荷４０に供給する電力を低減する技術とを採用している。これらの技術について、以下に具体的に説明する。

上述した技術を実現するには、鉛蓄電池２０の残容量を管理する必要があるから、電力管理装置１０は、鉛蓄電池２０の残容量（ＳＯＣ：State Of Charge）を監視するために監視装置１３を備えている。監視装置１３は、基本的には、鉛蓄電池２０の電池電圧を計測することにより、鉛蓄電池２０の残容量を推定する。つまり、鉛蓄電池２０では放電量と電池電圧との関係がほぼ線形になるという特性を利用することにより、電池電圧から残容量を推定することが可能である。鉛蓄電池２０の残容量を推定する技術は、他にも知られているから、監視装置１３は、他の技術によって鉛蓄電池２０の残容量を推定してもよい。鉛蓄電池２０の残容量を計測する他の技術は後述する。

電力管理装置１０は、監視装置１３が監視した鉛蓄電池２０の残容量を用いて充電装置１１および変換装置１２を制御する制御装置３０を備える。制御装置３０は、鉛蓄電池２０の残容量に関して下限値および上限値を設定する設定部３４を備える。設定部３４に設定される下限値および上限値は、鉛蓄電池２０の仕様に応じて設定されるだけではなく、鉛蓄電池２０の劣化の程度に応じて調節される。

鉛蓄電池２０の劣化の程度は、内部インピーダンスにより推定する。具体的には、満充電に達したときの電流値と電池電圧との関係によって推定する。言い換えると、上述した上限値の推移によって鉛蓄電池２０の劣化の程度が推定される。設定部３４は、鉛蓄電池２０の劣化が進むほど上限値を引き下げる。また、下限値は上限値と一定の差を持つように設定される。したがって、下限値も鉛蓄電池２０の劣化が進むほど引き下げられる。なお、下限値は、放電終了電圧に対応する残容量ではなく、この残容量に比べて大きい値に設定される。制御装置３０は、設定部３４のほかに、第１の指示部３１と第２の指示部３２と第３の指示部３３と判断部３５とを備える。

判断部３５は、監視装置１３から取得した残容量が下限値まで低下すると鉛蓄電池２０の放電を禁止（停止）するために、第１の指示部３１を通して変換装置１２に停止を指示する。第１の指示部３１が鉛蓄電池２０の放電を禁止（停止）した後は、放電を許可する条件が成立するまで、変換装置１２は停止状態を継続する。つまり、鉛蓄電池２０は残容量が下限値未満になることが防止される。なお、本実施形態において、自然放電は実用上では無視できる程度であり、下限値は余裕をもって設定されている。したがって、下限値を適正に設定しておけば、鉛蓄電池２０の過放電を避け、過放電によるサルフェーションの発生を防止できる。

判断部３５は、第１の指示部３１が変換装置１２を停止させ鉛蓄電池２０の放電が停止した後に、鉛蓄電池２０の放電を許可する条件が成立すると、第２の指示部３２を通して変換装置１２に運転を許可する指示を与える。鉛蓄電池２０の放電を許可する条件は、鉛蓄電池２０の残容量によって定められている。

すなわち、判断部３５は、鉛蓄電池２０の残容量が、下限値と上限値との間に設定された許可値まで上昇すると、第２の指示部３２を通して、変換装置１２に運転を許可する指示を与える。充電装置１１は、変換装置１２の運転が停止している間にも、鉛蓄電池２０の充電を行っているから、太陽光発電設備５１が発電をしていれば、放電を禁止（停止）している期間に、比較的短い時間で鉛蓄電池２０の残容量を許可値まで充電することが可能になる。鉛蓄電池２０の残容量の上限値は、鉛蓄電池２０の満充電時の残容量程度に設定してあり、許可値は、上限値よりは低いが、満充電に近い残容量に設定されていることが望ましい。たとえば、許可値は、上限値から一定値を減じた値に設定される。許可値は、たとえば、ユーザによる入力によって設定部３４が設定する値である。この場合、設定部３４は、許可値を設定する機能を有する。

ところで、図１に示すように、変換装置１２から複数の電気負荷４０に電力を供給する経路には、各電気負荷４０に対する交流電力の供給を調節する給電調節装置１４が設けられる。給電調節装置１４は、必須ではないが、給電調節装置１４を設けることによって、鉛蓄電池２０から放電する電力の低減が可能になる。給電調節装置１４に対する指示は、第３の指示部３３を通して行われる。

たとえば、給電調節装置１４は、変換装置１２から複数の電気負荷４０に給電する経路を複数系統に分岐させる分電盤または配電盤（図示せず）と、系統ごとに給電するか否かを選択するコントローラ（図示せず）とを備える。すなわち、分電盤または配電盤は、系統ごとに電路に通電するか否かを選択するブレーカあるいは開閉器を備える。ブレーカあるいは開閉器は、制御信号によって系統ごとの電路に通電するか否かを選択するように構成され、コントローラはブレーカあるいは開閉器に制御信号を与えるように構成される。

給電調節装置１４は、制御装置３０からの指示を受けて、複数の電気負荷４０の中から、変換装置１２からの電力を給電する電気負荷４０を選択する。制御装置３０は、複数の電気負荷４０にあらかじめ優先順位を定めており、鉛蓄電池２０の残容量があらかじめ定めた閾値まで低下すると、優先順位の低い（つまり、停止させてもよい）電気負荷４０への給電を停止させるように給電調節装置１４に指示する。

鉛蓄電池２０の残容量に関する閾値は、複数段階に定められていてもよい。この場合、閾値の段階ごとに優先順位の低い電気負荷４０から順に給電が停止される。したがって、優先順位がもっとも高い電気負荷４０は、鉛蓄電池２０の残容量が下限値に達するまで給電され続けることになる。

ところで、監視装置１３は、上述した構成例では、鉛蓄電池２０の電池電圧を監視することによって、鉛蓄電池２０の残容量を推定している。鉛蓄電池２０の残容量を推定するには、鉛蓄電池２０の電池電圧のほかに、鉛蓄電池２０の内部インピーダンスを用いることも可能である。また、電池電圧と内部インピーダンスとの一方から残容量を推定するのではなく、両方を用いて推定した残容量について、平均値あるいは重み付き平均値を推定してもよい。あるいはまた、鉛蓄電池２０の電池電圧と内部インピーダンスとの変化を（たとえば、過渡応答）を用いることも可能である。

たとえば、抵抗値が既知である疑似負荷２１を鉛蓄電池２０に接続してから所定時間が経過した後に、電池電圧と内部インピーダンスとの少なくとも一方と、疑似負荷２１の接続前の鉛蓄電池２０の電池電圧（開放電圧）とから、監視装置１３は、鉛蓄電池２０の残容量を推定してもよい。この場合、監視装置１３は、疑似負荷２１を接続してから所定時間が経過した後の電池電圧と内部インピーダンスとについて、開放電圧に対応付けたテーブルを持つことが望ましい。

図２Ａ，２Ｂには、疑似負荷２１を用いる場合の構成例を模式的に示す。図示する構成では、鉛蓄電池２０に接続された電路の線間に、疑似負荷２１とスイッチ２２との直列回路を接続してある。監視装置１３は、図２Ａのように、スイッチ２２をオフにして開放電圧を計測する。次に、監視装置１３は、図２Ｂのように、スイッチ２２をオンにし、スイッチ２２のオンから所定時間が経過した時点において、電池電圧と内部インピーダンスとの少なくとも一方を計測する。監視装置１３は、計測した電池電圧と内部インピーダンスとの少なくとも一方と、開放電圧とをテーブルに照らし合わせ、必要ならば補間演算を行うことによって、鉛蓄電池２０の残容量を求める。

監視装置１３は、鉛蓄電池２０の電池電圧によって残容量を推定する場合には、鉛蓄電池２０の残容量をリアルタイムで連続的に推定することが可能である。一方、上述したように、鉛蓄電池２０に疑似負荷２１を接続することによって鉛蓄電池２０の残容量を推定する場合には、監視装置１３は、鉛蓄電池２０の残容量をリアルタイムで推定することはできない。複数の電気負荷４０で消費する電力（電力量）と太陽光発電設備５１で発電する電力（電力量）とがリアルタイムで計測されていれば、監視装置１３は、鉛蓄電池２０の残容量を、リアルタイムで計測しなくとも、連続的に推定することが可能である。

いま、太陽光発電設備５１が発電する電力をＰ１［Ｗ］、複数の電気負荷４０が消費する電力をＰ２［Ｗ］、鉛蓄電池２０が放電または充電する電力をＰ３［Ｗ］とする。電力の変換に伴う損失を無視すると、Ｐ１−Ｐ２±Ｐ３＝０が成立する。ここで、電力Ｐ３は、鉛蓄電池２０の充電および放電が可能な範囲内とする。言い換えると、太陽光発電設備５１が発電するすべての電力Ｐ１は、複数の電気負荷４０および鉛蓄電池２０で使用され、かつ複数の電気負荷４０が消費するすべての電力は、太陽光発電設備５１および鉛蓄電池２０から供給可能であると仮定している。

ただし、実際には、太陽光発電設備５１が発電する電力Ｐ１は、複数の電気負荷４０が消費する電力Ｐ２と鉛蓄電池２０に充電可能な電力Ｐ３との合算を上回る状態がある（Ｐ１＞Ｐ２＋Ｐ３）。また、太陽光発電設備５１が発電する電力Ｐ１と鉛蓄電池２０から出力可能な電力Ｐ３との合算では、複数の電気負荷４０が要求する電力Ｐ２に不足する状態がある（Ｐ１＋Ｐ３＜Ｐ２）。前者の状態には、太陽光発電設備５１の出力を制限することにより対応し、後者の状態には、複数の電気負荷４０の少なくとも１つの動作を制限することにより対応する。したがって、これらの状態はここでは考えない。

複数の電気負荷４０の要求する電力Ｐ２が太陽光発電設備５１が発電する電力Ｐ１を上回る（Ｐ１＜Ｐ２）場合、鉛蓄電池２０は放電する（Ｐ３＞０）。一方、複数の電気負荷４０の要求する電力Ｐ２が太陽光発電設備５１が発電する電力Ｐ１を下回る（Ｐ１＜Ｐ２）場合、鉛蓄電池２０は充電される（Ｐ３＜０）。

この場合の１日の動作例を図３に示す。図３において、Ｐ１は太陽光発電設備５１が発電する電力、Ｐ２は複数の電気負荷４０が消費する電力を示している。日中は、おおむねＰ１＞Ｐ２が成立しており、この間には鉛蓄電池２０が充電される。一方、夜半から朝方、および夕方から夜半の期間では、Ｐ１＝０であり、この期間のうちＰ２＞０の期間には鉛蓄電池２０は放電する。図３では、日中においてＰ１＞Ｐ２であるが、鉛蓄電池２０が満充電であって充電できない状態を領域Ｄ１で示している。領域Ｄ１では、太陽光発電設備５１の出力が抑制される。

ところで、図３において、日中でも一時的にＰ１＜Ｐ２になる期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が存在している。上述のように、電力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の大小のみを、鉛蓄電池２０の放電の条件に用いている場合、すべての期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３において、鉛蓄電池２０は放電することになる。一方、本実施形態は、鉛蓄電池２０が下限値まで放電した後には残容量が許容値に達するまで放電を行わないから、たとえば、鉛蓄電池２０が夜間に下限値まで放電していたとすれば、鉛蓄電池２０は期間Ｔ１，Ｔ２には放電せず、期間Ｔ３にのみ放電する。

もちろん、期間Ｔ１の前に鉛蓄電池２０の残容量が許容値に達している場合は、期間Ｔ１にも鉛蓄電池２０から放電が行われる。すなわち、期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３において鉛蓄電池２０が放電するか否かは、鉛蓄電池２０の満充電時の残容量と、複数の電気負荷４０が消費する電力Ｐ２と、太陽光発電設備５１が発電する電力Ｐ１との関係による。

上述したように、鉛蓄電池２０の残容量は、リアルタイムで計測しなくとも、特定の時点での残容量と、太陽光発電設備５１で発電する電力Ｐ１および複数の電気負荷４０が消費する電力Ｐ２とがわかれば、リアルタイムに推定することが可能である。すなわち、時刻ｔにおける残容量Ｐ（ｔ）と、時刻ｔからｘ時間後における電力Ｐ１の積算値ΣＰ１と、電力Ｐ２の積算値ΣＰ２とを用い、残容量Ｐが下限値まで低下したか否かで場合を分けると、時刻ｔからｘ時間後の残容量Ｐ（ｘ）が計算により求められる。実際の演算では、充電装置１１および変換装置１２の変換効率に関する補正を行うことが必要である。また、計算に代えて、実測に基づくデータテーブルを用いると、補正を折り込んでｘ時間後の残容量Ｐ（ｘ）を求めることが可能になる。

疑似負荷２１を用いて鉛蓄電池２０の残容量を計測する場合は、鉛蓄電池２０の残容量をリアルタイムに求めることはできないが、上述のように、特定の時点での鉛蓄電池２０の残容量を求めることによって、残容量の推移を推定することが可能である。残容量を計測する時間間隔は、１日から１週間程度で設定すればよい。また、鉛蓄電池２０の残容量を計測する際には、鉛蓄電池２０の残容量の変動が少ない期間が望ましい。そのため、監視装置１３は、鉛蓄電池２０が放電する電力が所定の基準値以下である時間帯に鉛蓄電池２０の残容量を推定するための情報（値）を計測する。

ところで、鉛蓄電池２０の残容量が下限値まで低下すると、鉛蓄電池２０の放電が禁止（停止）されるから、複数の電気負荷４０が要求する電力（電力量）に対して供給可能な電力（電力量）が不足する可能性がある。そのため、制御装置３０は、鉛蓄電池２０の残容量が下限値まで低下することにより鉛蓄電池２０からの放電が禁止（停止）されたことを、複数の電気負荷４０の利用者に通知することが望ましい。

具体的には、制御装置３０は、鉛蓄電池２０の放電を禁止（停止）する指示を第１の指示部３１から変換装置１２に与える際に通知装置６０に通知信号を出力する通知部３６を備える。鉛蓄電池２０の放電が禁止（停止）されたことを通知装置６０を通して利用者に通知することにより、利用者に複数の電気負荷４０が消費する電力（電力量）を低減させるように促すことが可能になる。

制御装置３０は、鉛蓄電池２０の残容量が下限値まで低下した時点で通知部３６が通知信号を出力する構成を採用してもよいが、鉛蓄電池２０の残容量が下限値よりも多い時点で通知部３６が通知信号を出力する構成を採用するほうが望ましい。後者の構成を採用すると、鉛蓄電池２０の残容量が下限値に達して放電が禁止（停止）される前に、利用者に注意を喚起し、複数の電気負荷４０が消費する電力（電力量）を低減させる行動を利用者に行わせることが可能になる。すなわち、鉛蓄電池２０の残容量が下限値に達することを未然に防止し、電力を利用可能な時間を延長することが可能になる。

また、制御装置３０の通知部３６は、鉛蓄電池２０が満充電である状態が、所定時間を超える場合に、利用可能な電力（電力量）が増加したことを通知装置６０に通知するようにしてもよい。利用者は、通知装置６０に提示された通知の内容に応じて、複数の電気負荷４０で消費する電力（電力量）を増加させることが可能になる。

通知装置６０を通して、複数の電気負荷４０の利用者に、使用可能な電力の増加が通知されると、たとえば、平時は使用を控えている電気負荷４０を利用することが可能になる。一例を挙げると、利用者は、電力の供給に余剰が生じているときに、洗濯機や掃除機のように使用する時間帯の自由度が高い電気負荷４０を利用することが可能になる。この構成を採用すると、利用者は、電力不足を回避し電気負荷４０による利便性を享受することが可能になる。

上述した構成例では、太陽光発電設備５１が発電する電力では、複数の電気負荷４０が消費する電力を充足できない場合に、不足分の電力を鉛蓄電池２０から複数の電気負荷４０に供給している。このように、電力の不足分を鉛蓄電池２０から補給する構成では、鉛蓄電池２０からの放電が禁止（停止）された時点で、複数の電気負荷４０に供給可能な電力が不足し、複数の電気負荷４０により享受できる利便性の質が低下する可能性がある。また、この構成では、鉛蓄電池２０の放電が禁止（停止）された時点で複数の電気負荷４０のうちの一部の運転が停止することがある。ここで、停止する電気負荷４０の種類によっては、停止する電気負荷４０に設定されている情報がリセットされるなどの不都合を生じることがある。

このような問題を回避するために、鉛蓄電池２０の放電が禁止（停止）されている状態で、複数の電気負荷４０に供給する電力の不足分を補うバックアップ電源５２を設けることが望ましい。バックアップ電源５２は、蓄電池（図示せず）を備え、この蓄電池は、太陽光発電設備５１が発電した電力のうち、鉛蓄電池２０の充電と各電気負荷４０の運転とのいずれにも利用していない電力を用いて充電される。

バックアップ電源５２の容量は、鉛蓄電池２０の放電が禁止（停止）されてから放電が再開されるまでの電力を充足できる大きさであることが望ましいが、このような容量のバックアップ電源５２を用いると高コストになり、目的に反することになる。したがって、バックアップ電源５２の容量は、各電気負荷４０を正常に停止させることができる程度であってもよい。また、バックアップ電源５２は、鉛蓄電池２０と比較すると、満充電のときの残容量は小さく、充電と放電との頻度が少ないから、バックアップ電源５２に用いる蓄電池は、どのような蓄電池であってもよい。

バックアップ電源５２の容量を低減させるためには、バックアップ電源５２は、鉛蓄電池２０からの放電が禁止（停止）されたときに各電気負荷４０には正常な停止までに必要な程度の電力を放電し、以後は、制御装置３０のみに給電するようにしてもよい。また、鉛蓄電池２０の放電が禁止（停止）され、太陽光発電設備５１が発電していない期間には、制御装置３０が動作できないから、この期間にはバックアップ電源５２は制御装置３０に電力を供給することが望ましい。なお、制御装置３０は、外部から電力が供給されない期間にのみ内部電源を供給するために、電池による電源を備えていてもよい。

ところで、給電調節装置１４は、系統ごとの電路に通電するか否かの選択が可能になっている。したがって、鉛蓄電池２０と太陽光発電設備５１とから複数の電気負荷４０に給電可能な電力量が既知であれば、複数の電気負荷４０で消費してもよい電力量が決められる。太陽光発電設備５１が発電するのは日中であるから、１日において、太陽光発電設備５１の発電が開始されるよりも前に、太陽光発電設備５１が発電する電力量を予測し、また、鉛蓄電池２０の残容量を推定すれば、以後に使用可能な電力量が決まる。

太陽光発電設備５１の発電量は、日照量と温度とを主な変数として推定可能である。日照量は、天気予報による天候と、季節（月日）に応じた太陽高度および日照時間とにより推定され、温度は天気予報により推定される。

図１に示す構成例では、制御装置３０に設けた予測部３８が、天気予報の情報をインターネットのような電気通信網７１を通してサーバ７０から取得している。また、予測部３８は、季節の情報を、制御装置３０が内蔵している時計部３７から取得している。なお、予測精度を高めるために、温度、湿度、日射（明るさ）を計測するセンサを併用することも可能である。これらのセンサから得られる情報を用いることにより、地域単位で発表される天気予報の情報と、太陽光発電設備５１が実際に設置されている場所に関する情報との誤差を修正することが可能になる。

鉛蓄電池２０の残容量が計測されていれば、鉛蓄電池２０の残容量を許容値まで充電するのに必要な電力量が求められる。したがって、太陽光発電設備５１が以後に発電する電力量が予測部３８により予測される。鉛蓄電池２０の残容量が監視装置１３により推定されていれば、給電調節装置１４において、複数の電気負荷４０に供給可能な電力量を見積もることができる。また、給電調節装置１４は、供給可能な電力量と複数の電気負荷４０が消費する電力量とが等しくなるように、電力を複数の電気負荷４０に分配する。この動作により、複数の電気負荷４０に供給される電力（電力量）の過不足が抑制される。

電力管理装置１０は、鉛蓄電池２０の温度を所定の許容範囲に維持する温度調節装置１５を備えていてもよい。つまり、鉛蓄電池２０の温度を温度センサ１６により監視し、温度調節装置１５は、温度センサ１６が監視した温度を許容範囲に維持するように、鉛蓄電池２０の温度を調節する。温度調節装置１５は、ペルチェ素子、ヒートポンプなどが用いられる。

鉛蓄電池２０の温度が許容範囲（たとえば、２５℃）に維持されると、給電調節装置１４は、鉛蓄電池２０の残容量に関して温度を考慮せずに推定することが可能になる。すなわち、監視装置１３は、温度による補正を行うことなく鉛蓄電池２０の残容量を精度よく推定することが可能になる。

図４に本実施形態に係る電力管理装置１０の動作例をフローチャートで示す。図４に示す動作例では、鉛蓄電池２０の残容量を鉛蓄電池２０の電池電圧によって推定している。また、鉛蓄電池２０の残容量が下限値以下である（電池電圧が下限値以下である）状態が所定時間（図示例では５分）継続すると鉛蓄電池２０からの放電を禁止（停止）する動作を採用している。鉛蓄電池２０の残容量が上限値より高い（電池電圧が上限値より高い）状態が所定時間（図示例では５分）継続した場合は、複数の電気負荷４０で消費させる電力を増加させている。

以下、図４に示した動作例について説明する。なお、太陽光発電設備５１が発電する電力量の予測は前日に行う。制御装置３０の予測部３８は、太陽光発電設備５１が翌日に発電する電力量を予測し（Ｓ１１）、また監視装置１３は、鉛蓄電池２０の残容量を監視する（Ｓ１２）。

判断部３５は、太陽光発電設備５１が発電する電力量と、鉛蓄電池２０の残容量とを用いることにより、翌日に複数の電気負荷４０に供給可能な電力量（配電量）を見積もる（Ｓ１３）。また、設定部３４は、鉛蓄電池２０の劣化の程度を推定し、この劣化の程度に基づいて残容量の上限値および下限値を定める（Ｓ１４）。ステップＳ１１〜Ｓ１４の処理は、翌日において複数の電気負荷４０に電力を供給する場合に備えて前日の深夜に行われる。また、鉛蓄電池２０の残容量および劣化の程度は、監視装置１３が、疑似負荷２１を接続して鉛蓄電池２０の内部インピーダンスを計測することにより求める技術を想定している。

その後、判断部３５は、太陽光発電設備５１が発電する電力量と、複数の電気負荷４０が消費する電力量との関係に基づいて鉛蓄電池２０の充電または放電を指示する（Ｓ２１）。監視装置１３は、鉛蓄電池２０の電池電圧を計測して鉛蓄電池２０の残容量を推定する（Ｓ２２）。鉛蓄電池２０の電池電圧が下限値より高い期間には（Ｓ２３：Ｎｏ）、電池電圧が上限値に達するまでは（Ｓ２４：Ｎｏ）、第１の指示部３１および第２の指示部３２を通して、鉛蓄電池２０の充電または放電を行う。

一方、鉛蓄電池２０の電池電圧が下限値以下になると（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、その状態が所定時間（たとえば、５分）継続しているか否かが判断される（Ｓ２５）。電池電圧が下限値以下であっても、その状態が一時的であって所定時間継続していなければ（Ｓ２５：Ｎｏ）、ステップＳ２４に戻る。電池電圧が下限値以下である状態が所定時間継続すると（Ｓ２５：Ｙｅｓ）、通知部３６が通知信号を出力し（Ｓ２６）、第１の指示部３１が変換装置１２に放電の停止を指示する（Ｓ２７）。

第１の指示部３１が変換装置１２に停止を指示した後は、第２の指示部３２が充電装置１１に鉛蓄電池２０の充電を指示し（Ｓ２８）、鉛蓄電池２０の残容量が許容値に達するまで（Ｓ２９：Ｎｏ）、鉛蓄電池２０の充電が継続される。鉛蓄電池２０の残容量が許容値に達した後は（Ｓ２９：Ｙｅｓ）、ステップＳ２１に戻って鉛蓄電池２０の充電または放電が行われる。

ところで、ステップＳ２４において、鉛蓄電池２０の電池電圧が上限値に達した場合には（Ｓ２４：Ｙｅｓ）、判断部３５は、この状態が所定時間（たとえば、５分）継続しているか否かを判断する（Ｓ３０）。電池電圧が上限値に達していることは、鉛蓄電池２０が実質的に満充電である状態を意味する。電池電圧が上限値に達しても、その状態が一時的であって所定時間継続していなければ（Ｓ３０：Ｎｏ）、ステップＳ２１に戻って鉛蓄電池２０の充電または放電が繰り返される。電池電圧が上限値を超える状態が所定時間継続すると（Ｓ３０：Ｙｅｓ）、第３の指示部３３は給電調節装置１４に対して複数の電気負荷４０に供給する電力を増加させるように指示する（Ｓ３１）。

電力管理装置１０が以上説明した動作を行うことにより、鉛蓄電池２０の残容量と、太陽光発電設備５１が発電する電力量とは、たとえば、図５に示すように推移する。図５は１年間について、鉛蓄電池２０の残容量Ｕ１と、太陽光発電設備５１が発電する電力量Ｕ２との関係を示している。残容量Ｕ１の上端は上述した上限値に対応し、残容量Ｕ１の下端は上述した下限値に対応する。図からは、時間経過に伴って上限値および下限値が減少することが読み取れる。この現象は、鉛蓄電池２０の容量が劣化によって徐々に低下していることを意味する。

比較のために、鉛蓄電池の残容量に下限値を設定せずに、放電終了電圧まで放電することを許容した場合の動作例を図６に示す。図６においても、鉛蓄電池の残容量Ｕ３と、太陽光発電設備が発電する電力量Ｕ４との関係を示している。図からわかるように、この例では、鉛蓄電池の残容量Ｕ３に下限値を設定していないから、一部の期間において、深い放電が行われている。そのため、図５に示した本実施形態の動作と比較すると、１年経過後の残容量Ｕ３の上端は初期値に対して大幅に減少しており（ΔＡ＜ΔＢ）、比較例の場合のほうが本実施形態よりも鉛蓄電池の劣化が進んでいることが読み取れる。

すなわち、本実施形態で説明した技術を採用することによって、鉛蓄電池２０の劣化の進行を抑制することができることがわかった。上述した構成例は一例であって、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることはもちろんのことである。

たとえば、上述した構成例は、太陽光発電設備５１を鉛蓄電池２０と組み合わせて用いているが、自然エネルギーにより発電する発電設備５０であれば、上述した技術を適用することが可能である。また、鉛蓄電池２０は、発電設備５０を設けずに、電力系統と組み合わせて用いる場合にも電力の安定化に寄与する。すなわち、無電化地域ではない場合にも本実施形態の技術は適用可能である。

上述した実施形態の電力管理装置１０は、複数の電気負荷４０に給電する場合に限定されない。電力管理装置は、１つの電気負荷のみに給電する場合であっても、上述した動作を行うことができる。

本発明をいくつかの好ましい実施形態によって記述したが、本発明の本来の精神および範囲、すなわち請求の範囲を逸脱することなく、当業者によってさまざまな修正および変形が可能である。

Claims (11)

1. 鉛蓄電池の充電を行う充電装置と、
   前記鉛蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を電気負荷に供給する変換装置と、
   前記鉛蓄電池の残容量を監視する監視装置と、
   前記監視装置から前記鉛蓄電池の前記残容量を取得し、前記充電装置および前記変換装置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記鉛蓄電池の前記残容量について下限値および上限値を設定する設定部と、
   前記残容量が前記下限値まで低下すると前記鉛蓄電池の放電を停止するように前記変換装置に指示する判断部とを備え、
   前記判断部は、
   前記鉛蓄電池の放電を停止させた後に、前記残容量が前記下限値と前記上限値との間に設定された許可値まで上昇すると前記鉛蓄電池の放電を許可するように前記変換装置に指示する
   ことを特徴とする電力管理装置。
2. 前記電気負荷に対する前記交流電力の供給を調節する給電調節装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記残容量に応じて前記電気負荷に供給する前記交流電力が調節されるように前記給電調節装置に指示する
   請求項１記載の電力管理装置。
3. 前記充電装置は、自然エネルギーを用いて発電する発電設備の電力を前記鉛蓄電池に充電する電力として用い、
   前記制御装置は、
   前記発電設備が所定期間に発電する電力量を予測する予測部をさらに備え、
   前記判断部は、前記予測部が予測した電力量と、前記監視装置が監視した前記鉛蓄電池の前記残容量とにより、前記所定期間において前記電気負荷に供給可能な電力量を見積もり、かつ前記電気負荷に供給可能な電力量に基づいて前記給電調節装置に指示を与える
   請求項２記載の電力管理装置。
4. 前記監視装置は、
   前記鉛蓄電池の電池電圧と、前記鉛蓄電池の内部インピーダンスとの少なくとも一方を用いて前記鉛蓄電池の前記残容量を推定する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力管理装置。
5. 前記監視装置は、
   抵抗値が既知である疑似負荷を前記鉛蓄電池に接続してから所定時間が経過した後の前記鉛蓄電池の電池電圧と、前記疑似負荷を前記鉛蓄電池に接続してから前記所定時間が経過した後の前記鉛蓄電池の内部インピーダンスとの少なくとも一方と、
   前記疑似負荷を前記鉛蓄電池に接続していない状態の前記鉛蓄電池の開放電圧とを用いて前記鉛蓄電池の前記残容量を推定する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力管理装置。
6. 前記監視装置は、
   前記鉛蓄電池が充電または放電を行う電力が所定の基準値以下である時間帯に前記残容量を推定するための情報を計測する
   請求項４又は５記載の電力管理装置。
7. 前記鉛蓄電池の温度を所定の許容範囲に維持する温度調節装置をさらに備える
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力管理装置。
8. 前記設定部は、前記監視装置が監視する前記鉛蓄電池の前記残容量の推移に基づいて、前記鉛蓄電池の劣化の程度を推定し、前記劣化の程度に基づいて前記上限値および前記下限値を設定する
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力管理装置。
9. 前記制御装置は、
   前記判断部が前記鉛蓄電池の放電を停止させるときに、通知装置への通知信号を出力する通知部をさらに備える
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力管理装置。
10. 前記判断部は、前記鉛蓄電池の前記残容量が前記上限値に達すると、前記電気負荷で消費する電力の増加を許可するように前記給電調節装置に指示する
    請求項２記載の電力管理装置。
11. 前記変換装置が停止したときに前記電気負荷に給電するバックアップ電源をさらに備える
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力管理装置。

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