JP5829999B2 - Charger - Google Patents
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Description
本発明は、発電機で発電された電力を蓄電池に充電するための充電装置に関する。 The present invention relates to a charging device for charging a storage battery with electric power generated by a generator.
温室効果ガスの排出削減、化石燃料の高騰、原発事故などを背景に、再生可能エネルギーへの注目が高まっている。再生可能エネルギーの主なものには太陽光、太陽熱、風力、水力、地熱、バイオマス、波力などがある。 The focus on renewable energy is increasing against the backdrop of reducing greenhouse gas emissions, rising fossil fuels, and nuclear accidents. Major renewable energy sources include sunlight, solar heat, wind power, hydropower, geothermal heat, biomass, and wave power.
再生可能エネルギーにより発電された電力は、蓄電池に充電されて使用されることが一般的である(例えば、特許文献1参照)。再生可能エネルギーによる発電は発電量が時間的、環境的影響により不安定になり易いという性質がある。例えば、太陽光発電では暗くなると発電量が低下またはゼロになる。また再生可能エネルギーによる発電は、その不安定さもあり出力電流が微小になり易い傾向がある。ところで蓄電池は、適正範囲から外れた電流で充電されると寿命および信頼性に悪影響が及ぶ場合がある。特に鉛蓄電池ではその傾向がはっきりと現れる。 In general, electric power generated by renewable energy is used by charging a storage battery (see, for example, Patent Document 1). Power generation using renewable energy has the property that the power generation tends to become unstable due to temporal and environmental influences. For example, in solar power generation, the amount of power generation decreases or becomes zero when dark. In addition, power generation using renewable energy tends to be very small due to instability. By the way, if the storage battery is charged with a current out of the proper range, the life and reliability may be adversely affected. This tendency is particularly apparent in lead-acid batteries.
再生可能エネルギーを用いた小電力発電機で発電された電力を鉛蓄電池に充電する場合、微小電力は充電せずに捨てる制御が一般的である。 When charging a lead storage battery with electric power generated by a low-power generator using renewable energy, control is generally performed in which a minute electric power is discarded without being charged.
しかしながら微小電力であっても捨てるのは不経済であり、本来的には充電されるべき電力である。 However, it is uneconomical to throw away even very small electric power, which is electric power that should be charged.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄電池への負担を抑制しつつ、再生可能エネルギーにより発電された電力を効率的に充電する技術を提供することにある。 This invention is made | formed in view of such a condition, The objective is to provide the technique which charges efficiently the electric power generated with renewable energy, suppressing the burden to a storage battery.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の充電装置は、再生可能エネルギーを用いた発電機により発電された電力を一時蓄えるコンデンサと、前記コンデンサと蓄電池との間の経路に挿入されるスイッチと、前記コンデンサの電圧が上限閾値電圧に到達したとき前記スイッチをオンし、前記コンデンサの電圧が下限閾値電圧に到達したとき前記スイッチをオフするスイッチ制御回路と、を備える。 In order to solve the above problems, a charging device according to an aspect of the present invention is inserted into a capacitor that temporarily stores power generated by a generator using renewable energy, and a path between the capacitor and the storage battery. And a switch control circuit that turns on the switch when the voltage of the capacitor reaches an upper threshold voltage and turns off the switch when the voltage of the capacitor reaches the lower threshold voltage.
この態様によると、発電電力が微弱であってもコンデンサに一時蓄えることにより、蓄電池の充電適正範囲内の電流で蓄電池に充電できるようになる。従って蓄電池への負担を抑制しつつ、発電電力を無駄なく効率的に充電できる。 According to this aspect, even if the generated power is weak, it is possible to charge the storage battery with a current within an appropriate charging range of the storage battery by temporarily storing it in the capacitor. Therefore, the generated power can be efficiently charged without waste while suppressing the burden on the storage battery.
本発明によれば、蓄電池への負担を抑制しつつ、再生可能エネルギーにより発電された電力を効率的に充電できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric power generated with renewable energy can be charged efficiently, suppressing the burden on a storage battery.
図1は、本発明と比較すべき充電装置20を説明するための図である。当該充電装置20は、再生可能エネルギーを用いた発電機10により発電された電力を蓄電池30に充電するための充電装置である。本明細書では発電機10として小電力発電機を主に想定する。具体的には小規模ソーラー発電、マイクロ風力発電、マイクロ水力発電など自然環境変化の影響を強く受け、発電量P(W)が小さな発電機を主に想定する。
FIG. 1 is a diagram for explaining a
本明細書では蓄電池30として鉛蓄電池を想定する。鉛蓄電池はリチウムイオン蓄電池やニッケル水素蓄電池などと比較して安価であり、エネルギー密度ではリチウムイオン蓄電池に劣るものの、設置スペースの制約が小さい用途では広く使用されている。鉛蓄電池には適正な充電電流範囲があり、その範囲外の電流で充電されると電池寿命の短縮、信頼性低下を招くことが知られている。
In this specification, a lead storage battery is assumed as the
図1において発電機10の両端は充電装置20のプラス入力端子とマイナス入力端子にそれぞれ接続される。充電装置20のプラス出力端子とマイナス出力端子は、蓄電池30のプラス端子とマイナス端子にそれぞれ接続される。
1, both ends of the
充電装置20はダイオードD1、第1定電流回路CI1を含む。ダイオードD1および第1定電流回路CI1は充電装置20のプラス経路に直列に挿入される。ダイオードD1は蓄電池30から発電機10への逆流を防止する。また発電機10が太陽光発電のように直流発電機ではなく、風力発電のように交流発電機である場合、整流作用も担う。
The
第1定電流回路CI1は出力電流を、設定された定電流値に維持するよう制御する。ここでは蓄電池30の適正充電電流範囲の上限電流値(以下、適正上限電流値という)に維持するよう制御する。定電流回路にはレギュレータを用いるものや定電流ダイオードを用いるものなど様々なものがあり、任意のものを用いることができる。
The first constant current circuit CI1 controls to maintain the output current at a set constant current value. Here, control is performed so as to maintain the upper limit current value (hereinafter referred to as the appropriate upper limit current value) of the appropriate charging current range of the
蓄電池30には第1定電流回路CI1の出力電流が入力される。即ち定電流充電(CC充電)される。
The output current of the first constant current circuit CI1 is input to the
図2は、図1の充電装置20を用いて蓄電池30に充電する場合の充電電流を説明するための図である。充電不可領域は、発電電圧が蓄電池30の充電可能電圧(開放電圧)に満たない領域であり、充電不可領域の発電電力は充電されずに捨てられる。
FIG. 2 is a diagram for explaining a charging current when charging the
非適正充電領域は、発電電圧が蓄電池30の充電可能電圧を超えているが、発電電流が蓄電池30の適正充電電流範囲の下限電流値(以下、適正下限電流値という)に満たない領域である。非適正充電領域では蓄電池30への充電は可能であるが、蓄電池30の寿命および信頼性が損なわれる。従って蓄電池30の保護を優先すれば、非適正充電領域においては充電が停止されるべきである。
The improper charging area is an area where the generated voltage exceeds the chargeable voltage of the
適正充電領域は、蓄電池30の適正充電電流範囲の電流で蓄電池30に充電される領域である。なお発電機10から、適正上限電流値を超える電流が出力される場合は第1定電流回路CI1がその電流を適正上限電流値に制限する。従って自然環境の変化により発電電流が適正上限電流値を超えた場合でも、蓄電池30に負担は発生しない。
The appropriate charging area is an area in which the
このように再生可能エネルギーを用いた小電力発電機の出力は不安定であるため、蓄電池30の適正充電電流範囲外の電流が出力される期間が多く発生し、多くのエネルギーロスが発生する。非適正充電領域における発電電力を充電対象に含めても、図2の斜線領域の面積に相当する充電量にとどまり、空白領域の面積に相当するエネルギーロスが発生する。
Since the output of the low-power generator using renewable energy is unstable in this way, a period during which a current outside the appropriate charging current range of the
図3は、本発明の実施の形態1に係る充電装置20を説明するための図である。実施の形態1に係る充電装置20は、ダイオードD1、第1コンデンサC1、昇圧チョッパ21、第1定電流回路CI1、第2コンデンサC2、スイッチS1、スイッチ制御回路22、第2定電流回路CI2を含む。
FIG. 3 is a diagram for illustrating the
第1コンデンサC1はダイオードD1の後段において、充電装置20のプラス経路とマイナス経路の間に接続される。第1コンデンサC1は発電機10により発電された電力を一時蓄える。
The first capacitor C1 is connected between the positive path and the negative path of the
昇圧チョッパ21は第1コンデンサC1の後段に設けられ、第1コンデンサC1の電圧を、蓄電池30の充電可能電圧以上に昇圧する。昇圧チョッパ21にはインダクタ、スイッチ、ダイオードを用いた一般的なものを用いることができる。
The step-up
第1定電流回路CI1は、昇圧チョッパ21の後段のプラス経路に挿入される。第1定電流回路CI1は出力電流を、設定された定電流値に維持するよう制御する。
The first constant current circuit CI1 is inserted in the plus path at the rear stage of the
第2コンデンサC2は昇圧チョッパ21の後段において、充電装置20のプラス経路とマイナス経路の間に接続される。第2コンデンサC2は昇圧チョッパ21および第1定電流回路CI1を介して入力される、発電機10により発電された電力を一時蓄える。
The second capacitor C <b> 2 is connected between the positive path and the negative path of the
スイッチS1は第2コンデンサC2の後段のプラス経路に挿入される。スイッチS1には、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体スイッチング素子またはリレーを用いることができる。 The switch S1 is inserted in the plus path downstream of the second capacitor C2. As the switch S1, a semiconductor switching element such as a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a relay can be used.
スイッチ制御回路22は、第2コンデンサC2の電圧をもとにスイッチS1をオン/オフ制御する。具体的には第2コンデンサC2の電圧が上限閾値電圧Vth1に到達したときスイッチS1をオンし、第2コンデンサC2の電圧が下限閾値電圧Vth2に到達したときスイッチS1をオフする。
The
上限閾値電圧Vth1には例えば、第2コンデンサC2の充電終止電圧を用いることができる。下限閾値電圧Vth2は、蓄電池30への充電電流が少なくとも適正下限電流値を維持できる電圧に設定する。
For example, the charge end voltage of the second capacitor C2 can be used as the upper threshold voltage Vth1. The lower limit threshold voltage Vth2 is set to a voltage at which the charging current to the
第2定電流回路CI2は、スイッチS1の後段のプラス経路に挿入される。第2定電流回路CI2は出力電流を、設定された定電流値に維持するよう制御する。本実施の形態では適正上限電流値に維持するよう制御する。なお定電流回路の代わりに他の電流制限回路(素子)を用いてもよい。例えば、蓄電池30への充電電流を適正上限電流値以下に制限するための電流制限抵抗を用いてもよい。蓄電池30への充電電流は、スイッチ制御回路22により適正下限電流値未満に低下しないように制御される。従って定電流回路の代わりに、充電電流の上限を制限する電流制限抵抗を用いても、充電電流を適正充電電流範囲に収めることができる。
The second constant current circuit CI2 is inserted in the plus path downstream of the switch S1. The second constant current circuit CI2 controls to maintain the output current at a set constant current value. In the present embodiment, control is performed so as to maintain the appropriate upper limit current value. Note that another current limiting circuit (element) may be used instead of the constant current circuit. For example, a current limiting resistor for limiting the charging current to the
図4は、図3の充電装置20のスイッチ制御回路22の構成例を説明するための図である。スイッチ制御回路22は、第1コンパレータCP1、第2コンパレータCP2、ラッチ回路23を含む。
FIG. 4 is a diagram for explaining a configuration example of the
第1コンパレータCP1は、第2コンデンサC2の端子電圧と上限閾値電圧Vth1を比較し、第2コンデンサC2の端子電圧が上限閾値電圧Vth1以上のとき有意レベルの信号をラッチ回路23に出力する。第2コンパレータCP2は、第2コンデンサC2の端子電圧と下限閾値電圧Vth2を比較し、第2コンデンサC2の端子電圧が下限閾値電圧Vth2以下のとき有意レベルの信号をラッチ回路23に出力する。
The first comparator CP1 compares the terminal voltage of the second capacitor C2 with the upper threshold voltage Vth1, and outputs a signal of a significant level to the
なお有意レベルはハイレベルであってもよいし、ローレベルであってもよい。設計者が任意に選択できる。 The significance level may be a high level or a low level. The designer can choose arbitrarily.
ラッチ回路23は、第1コンパレータCP1および第2コンパレータCP2の出力信号をもとに、スイッチS1に出力する制御信号のレベルを切り換える。具体的にはラッチ回路23は、第1コンパレータCP1から有意レベルの信号を受けると、スイッチS1をオンするための制御信号(nチャンネルMOSFETを用いる場合、ハイレベル信号)を出力する。そして次に第2コンパレータCP2から有意レベルの信号を受けるまでその出力レベルを維持する。
The
ラッチ回路23は、次に第2コンパレータCP2から有意レベルの信号を受けると、スイッチS1をオフするための制御信号(nチャンネルMOSFETを用いる場合、ローレベル信号)を出力する。即ち、第2コンパレータCP2からの有意レベルの信号の受信をトリガとして、出力レベルを反転させる。そして次に第1コンパレータCP1から有意レベルの信号を受けるまでその出力レベルを維持する。
When the
ラッチ回路23は、次に第1コンパレータCP1から有意レベルの信号を受けると、スイッチS1をオンするための制御信号を出力する。即ち、第1コンパレータCP1からの有意レベルの信号の受信をトリガとして、出力レベルを反転させる。そして次に第2コンパレータCP2から有意レベルの信号を受けるまでその出力レベルを維持する。
When the
当業者はこのようなトグル動作をするラッチ回路を、複数の論理ゲートを組み合わせることにより容易に生成可能である。 Those skilled in the art can easily generate a latch circuit that performs such a toggle operation by combining a plurality of logic gates.
図5は、図4の第2コンデンサC2の端子電圧の推移を示す図である。図5は、微小電力が発電されている状態、即ち適正下限電流値に満たない微小電流が充電装置20に出力されている状態を前提とする。
FIG. 5 is a diagram showing the transition of the terminal voltage of the second capacitor C2 of FIG. FIG. 5 is based on the premise that a minute electric power is being generated, that is, a minute current that is less than the appropriate lower limit current value is being output to the charging
スイッチS1がオフの状態では第2コンデンサC2が充電状態となり、その端子電圧が上昇する。第2コンデンサC2の端子電圧が上限閾値電圧Vth1まで到達するとスイッチS1がオンし、第2コンデンサC2が放電状態となる。それにより第2コンデンサC2の端子電圧が低下し、コンデンサC2の端子電圧が下限閾値電圧Vth2まで到達するとスイッチS1がオフする。それにより第2コンデンサC2が再び充電状態となる。 When the switch S1 is off, the second capacitor C2 is in a charged state, and its terminal voltage increases. When the terminal voltage of the second capacitor C2 reaches the upper threshold voltage Vth1, the switch S1 is turned on and the second capacitor C2 is discharged. As a result, the terminal voltage of the second capacitor C2 decreases, and when the terminal voltage of the capacitor C2 reaches the lower limit threshold voltage Vth2, the switch S1 is turned off. As a result, the second capacitor C2 is charged again.
このような充放電サイクルを繰り返すことにより、発電電流が適正下限電流値に満たない微小電流であっても、その微小電流を第2コンデンサC2に蓄えることにより、適正下限電流値以上の電流で蓄電池30を充電できるようになる。 By repeating such a charge / discharge cycle, even if the generated current is a minute current that is less than the appropriate lower limit current value, the minute current is stored in the second capacitor C2, so that the storage battery can be used with a current that is equal to or greater than the appropriate lower limit current value. 30 can be charged.
第2コンデンサC2への充電時間は発電機10の発電量に応じて変化する。例えば、発電量が低下した場合、第2コンデンサC2への充電時間が延びる(図5の充電周期t、充電周期t’参照)。蓄電池30への充電時間(即ち、第2コンデンサC2の放電時間)は、発電量の変化により多少変動するが基本的に一定である。
The charging time for the second capacitor C2 varies according to the amount of power generated by the
このように発電量の変化に応じて蓄電池30への充電周期を変化させることにより、各充電周期の電流時間積を一定にでき、蓄電池30への充電電流が適正下限電流値を下回ることを防止できる。スイッチ制御回路22は、各充電周期の電流時間積を一定にするために、発電量の変化に応じてスイッチS1のデューティ比を変化させる。具体的には発電量が低下するとデューティ比を下げ(オン幅を狭め)、発電量が上昇するとデューティ比を上げる(オン幅を広げる)。
Thus, by changing the charging cycle to the
図6は、実施の形態1に係る充電装置20を用いて蓄電池30に充電する場合の充電電流を説明するための図である。図6と図2を比較すると、図6では発電機10の発電電圧が蓄電池30の充電可能電圧に満たない場合でも、また発電電流が適正下限電流値に満たない場合でも、適正充電電流範囲の電流で充電できることが分かる。即ち、発電電流値の全範囲において適正充電が可能となる。
FIG. 6 is a diagram for describing a charging current when charging
図6では蓄電池30を適正上限電流値でCC充電する例を示している。なお充電する際の定電流値は、適正上限電流値に限るものではなく、適正充電電流範囲内の値であれば任意の値に設定できる。
FIG. 6 shows an example in which the
図6と図2を比較すると、図6のほうが充電量を示す斜線領域の面積が大きく、充電量が大きく改善されたことが分かる。また図6では適正下限電流値未満で充電される領域がなくなり、充電電流により蓄電池30の寿命および信頼性が損なわれることを回避できる。
Comparing FIG. 6 and FIG. 2, it can be seen that the area of the shaded region indicating the charge amount is larger in FIG. 6, and the charge amount is greatly improved. Further, in FIG. 6, there is no region that is charged at a value less than the appropriate lower limit current value, and it is possible to avoid that the life and reliability of the
以上説明したように実施の形態1によれば、発電機10により発電される電力が微弱であっても、蓄電池30の充電可能電圧まで昇圧し、適正電流範囲の電流で蓄電池30に充電できるように第2コンデンサC2に一時、発電電力を蓄える。これにより、発電電力を無駄なく効率的に充電できるとともに、充電電流により蓄電池30の寿命および信頼性が損なわれることを回避できる。またスイッチ制御回路22をマイコンを用いずに簡素に構成できるため、コスト増大を抑制できる。
As described above, according to the first embodiment, even if the power generated by the
このような充電方式は出力が不安定で、出力が微弱になる期間を多く含む再生可能エネルギーを用いた発電機に適している。特に太陽光、風力、水力などを用いたマイクロ発電機に適している。 Such a charging system is suitable for a generator using renewable energy that includes a period in which the output is unstable and the output is weak. It is particularly suitable for micro-generators using sunlight, wind power, hydropower, etc.
図7は、本発明の実施の形態2に係る充電装置20を説明するための図である。実施の形態2に係る充電装置20は、図3に示した実施の形態1に係る充電装置20から第1コンデンサC1および昇圧チョッパ21を取り除いた構成である。昇圧チョッパ21を動作させるには駆動電源が必要である。極めて微弱な発電期間または非発電期間が多く発生する発電機の場合、第1コンデンサC1に蓄えられる電力より、昇圧チョッパ21で消費される電力のほうが大きくなってしまう場合がある。
FIG. 7 is a diagram for illustrating a charging
このような発電機10の場合、昇圧チョッパ21を用いずに、蓄電池30の充電可能電圧に満たない発電電力は捨ててしまうほうが効率的である。実施の形態2に係る充電装置20は、このようなタイプの発電機10に適している。実施の形態2に係る充電装置20も実施の形態1と同様に、適正電流範囲の電流で蓄電池30に充電できるように第2コンデンサC2に発電電力を蓄える。従って蓄電池30に負担をかけずに、発電電力を無駄なく効率的に充電できる。
In the case of such a
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are also within the scope of the present invention. is there.
10 発電機、 20 充電装置、 30 蓄電池、 D1 ダイオード、 CI1 第1定電流回路、 C1 第1コンデンサ、 C2 第2コンデンサ、 S1 スイッチ、 CI2 第2定電流回路、 21 昇圧チョッパ、 22 スイッチ制御回路、 CP1 第1コンパレータ、 CP2 第2コンパレータ、 23 ラッチ回路。 10 generator, 20 charging device, 30 storage battery, D1 diode, CI1 first constant current circuit, C1 first capacitor, C2 second capacitor, S1 switch, CI2 second constant current circuit, 21 step-up chopper, 22 switch control circuit, CP1 first comparator, CP2 second comparator, 23 latch circuit.
Claims (1)
前記第1コンデンサの電圧を、鉛蓄電池の充電可能電圧以上に昇圧する昇圧チョッパと、
前記昇圧チョッパの後段に設けられる第1定電流回路と、
前記昇圧チョッパおよび前記第1定電流回路を介して入力される、前記発電機により発電された電力を一時蓄える第2コンデンサと、
前記第1定電流回路および前記第2コンデンサの後段に設けられるスイッチと、
前記スイッチの後段に設けられ、前記鉛蓄電池に定電流を出力する第2定電流回路と、
前記第2コンデンサの電圧が上限閾値電圧に到達したとき前記スイッチをオンし、前記第2コンデンサの電圧が下限閾値電圧に到達したとき前記スイッチをオフするスイッチ制御回路と、
を備え、
前記スイッチ制御回路は、
前記第2コンデンサの電圧が前記上限閾値電圧以上のとき有意レベルの信号を出力する第1コンパレータと、
前記第2コンデンサの電圧が前記下限閾値電圧以下のとき有意レベルの信号を出力する第2コンパレータと、
前記第1コンパレータおよび前記第2コンパレータの出力信号をもとに、前記スイッチに出力する制御信号のレベルを切り換えるラッチ回路と、
を含み、
前記上限閾値電圧は、前記第2コンデンサの充電終止電圧に設定され、
前記下限閾値電圧は、前記鉛蓄電池への充電電流が少なくとも適正下限電流値を維持できる電圧に設定されることを特徴とする充電装置。 A first capacitor for temporarily storing power generated by a generator using renewable energy;
A step-up chopper that boosts the voltage of the first capacitor to a chargeable voltage or higher of the lead-acid battery;
A first constant current circuit provided downstream of the boost chopper;
A second capacitor for temporarily storing the electric power generated by the generator, which is input through the boost chopper and the first constant current circuit;
A switch provided at a subsequent stage of the first constant current circuit and the second capacitor;
A second constant current circuit provided at a subsequent stage of the switch and outputting a constant current to the lead acid battery;
A switch control circuit that turns on the switch when the voltage of the second capacitor reaches an upper threshold voltage, and turns off the switch when the voltage of the second capacitor reaches the lower threshold voltage;
With
The switch control circuit includes:
A first comparator that outputs a signal of a significant level when the voltage of the second capacitor is equal to or higher than the upper threshold voltage;
A second comparator that outputs a signal of a significant level when the voltage of the second capacitor is equal to or lower than the lower threshold voltage;
A latch circuit that switches a level of a control signal output to the switch based on output signals of the first comparator and the second comparator;
Including
The upper threshold voltage is set to a charge end voltage of the second capacitor,
The lower limit threshold voltage is set to a voltage at which a charging current to the lead storage battery can maintain at least an appropriate lower limit current value .
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