电源装置、蓄电装置、及蓄电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电源装置，从输出变动的发电装置接受电力，及向外部供给电力，且包括：电力贮存器件，具有较作为被动元件的电容器元件高的贮存电力量及/或低的自放电率，且具有较二次电池高的充放电效率及/或高的响应性，并且接受上述发电装置的电力，及向外部释放电力；电流控制部，控制从上述电力贮存器件流向外部的电流；以及控制部，以所述发电装置的发电量成为最大的方式进行所述电力贮存器件的充放电而控制所述发电装置的电流及电压。
【专利说明】电源装置、蓄电装置、及蓄电系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种从输出变动的电源接受电力，并向外部供给电力的电源装置、蓄 电装置、及蓄电系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，考虑到环境问题而推进利用太阳光、风力、波浪力、潮力、潮汐等自然能量 的电源装置的开发。然而，利用自然能量的发电方式除能量密度低以外，还具有如下缺点， 即其发电的输出受气象条件影响而变动，无法进行始终稳定的电力供给。
[0003] 例如，在下述专利文献1中，提出有如下的风力发电装置：为了避免风力发电机的 过电流流入至二次电池，而检测风力发电机的平滑电容器（smoothing capacitor)的电压， 在该平滑电容器的电压成为与二次电池大致相同的电压时连接二次电池与风力发电机，且 在该平滑电容器的电压与二次电池的电压不同时，经由限流电路而连接风力发电机与二次 电池。
[0004] 此外，在专利文献2中表示有如下的充电控制装置：将蓄电器的多个蓄电单元 (cell)串联连接，当通过充电控制部，根据利用单元电压检测部所得的各单元电压的检 测结果而特定单元电压最低的蓄电单元时，对分别连接于多个蓄电单元之间的多个开关 (switch)个别地进行接通断开（on-off)控制，而使利用太阳电池获得的电力充电至该特 定的蓄电单元，由此可使各蓄电单元的剩余容量（remaining capacity)高效率地均等化。
[0005] 此外，非专利文献1中表示有如下的太阳光发电系统（system):将电容器分别并 联连接于多个太阳电池模块（module)，在阴影投至任一个太阳电池模块的情况下，通过金 属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， M0 SFET)将该太阳电池模块一次性地从太阳电池模块的阵列（array)切断，在对其他电容 器充分地进行充电之后，将切断的太阳电池模块再次与阵列连接。
【背景技术】 [0006] 文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1 :日本专利特开2005-20805
[0009] 专利文献2 :日本专利特开2009-142071
[0010] 非专利文献
[0011] 非专利文献1 :"清水俊秀、吉田俊哉、大庭胜实、"改善因阴影导致的电力降低的 太阳光发电系统"，电气学会论文杂志D，vol. 126, 2006, pp. 92-93"
【发明内容】
[0012] 专利文献1中记载的风力发电装置，针对风速强烈产生的过电流，可通过由限流 电阻等构成的限流电路控制流向二次电池的电流而保护二次电池。此外，在限流电路的上 级设置有直流电容器，但该直流电容器是防止电压摆动的构件。如此，所揭示的风力发电装 置对于在风速弱时的低电流发电时的电力的有效回收并未进行任何揭示。如果将风力发电 机的电力直接连接于二次电池，则在风速弱时达不到二次电池的电压，无法获得风力发电 机的电力。
[0013] 此外，对于太阳光发电的情况，在照射光的能量弱的情况下，也达不到二次电池的 电压而无法获得太阳光发电机的电力。
[0014] 此外，专利文献2中记载的充电控制装置是通过充电控制部而均等地对蓄电器的 各蓄电单元充电，但在该充电控制装置中为如下构成，即，只使利用太阳电池获得的电力 经由各个蓄电单元之间的开关而充电至蓄电单元。而且，该蓄电单元如锂离子电池单元 (lithium ion battery cell)般响应性低，且充放电效率低。
[0015] 此外，在所述情况下，如果太阳电池模块的一部分存在发电电力降低的情况，则受 到伴随着输出降低的太阳电池模块的影响，太阳电池整体的发电效率降低，并且在转换器 (converter)中的电压转换损失变大，因此无法对蓄电单元高效率地进行充电。
[0016] 此外，在非专利文献1中记载的太阳光发电系统中，电容器分别并联连接在多个 太阳电池模块，在阴影投至任一个太阳电池模块的情况下，该太阳电池模块被一次性地从 太阳电池模块的阵列切断，因此不受伴随着输出降低的太阳电池模块的影响而对电容器进 行充电。
[0017] 然而，在此种太阳光发电系统中，为了避免伴随着输出降低的太阳电池模块的影 响，必须使M0SFET介于各个太阳电池模块之间，该M0SFET用以将投有阴影的太阳电池模块 从阵列切断。如此，因阴影等而导致发电电力降低的模块被从阵列切断，因此在形成多个太 阳电池模块串联连接而成的阵列的情况下，其他太阳电池模块无法以最大电力点发电。因 此，受所述发电电力降低的太阳电池模块的影响，而无法充分地显现出作为太阳电池整体 的发电电力。
[0018] 如此，以往提出的充电从自然能量发电所得的电力的装置在电力降低的情况下， 无法高效率地充电电力。
[0019] 一实施方式的电源装置的目的在于，从输出变动的电源接受电力而高效率地对电 力进行储存，并且向外部供给电力。
[0020] 解决所述课题的实施方式为如以下的项目所述。
[0021] 1. 一种电源装置，其从输出变动的发电装置接受电力，及向外部供给电力，包括：
[0022] 电力贮存器件，具有较作为被动元件的电容器元件高的贮存电力量及/或低的自 放电率，且具有较二次电池高的充放电效率及/或高的响应性，并且接受所述发电装置的 电力，及向外部释放电力；
[0023] 电流控制部，控制从所述电力贮存器件流向外部的电流；以及
[0024] 控制部，以所述发电装置的发电量成为最大的方式进行所述电力贮存器件的充放 电，而控制所述发电装置的电流及电压。
[0025] 就电源装置而言，太阳光发电或风力发电等发电装置与电力贮存器件之间不绝 缘，发电装置与电力贮存器件始终构成并联电路而可从发电装置接受电力并高效率地储存 电力，并且可向外部供给电力。
[0026] 2.根据本发明的第一项所述的电源装置，其包括：
[0027] 第1电压传感器（sensor)，计测所述电力贮存器件的电压；
[0028] 第1电流传感器，计测所述电力贮存器件的输入输出电流；以及
[0029] 第2电流传感器，计测所述发电装置的电流；并且
[0030] 所述控制部通过第1电压传感器、及第2电流传感器而算出所述发电装置的电力， 且以使来自所述发电装置的电力为最大的方式控制所述电流控制部。
[0031] 电源装置通过第2电流传感器计测来自发电装置的电流，且使用来自电力贮存器 件的电流的利用第1电流传感器所得的计测结果及利用第1电压传感器所得的电压测定结 果而算出电力，并以使来自太阳光发电的电力为最大的方式进行电流控制部的电流控制。
[0032] 3.根据本发明的第一项或第二项所述的电源装置，其中所述电力贮存器件为锂离 子电容器（lithium ion capacitor)。
[0033] 4.根据本发明的第一项至第三项中任一项所述的电源装置，其中所述发电装置为 太阳光发电装置或风力发电装置。
[0034] 5.根据本发明的第一项至第四项中任一项所述的电源装置，其中在外部负载的消 耗电力大于所述发电装置的情况下，所述控制部从所述电力贮存器件向外部放电，且
[0035] 在外部负载的消耗电力小于所述发电装置的情况下，所述控制部对所述电力贮存 器件充电。
[0036] 6.根据本发明的第一项至第五项中任一项所述的电源装置，其中该电源装置具备 第1电力贮存器件?第η (η为2以上的自然数）电力贮存器件，所述第1电力贮存器件与 所述第1发电装置并联连接，所述第η电力贮存器件与所述第η发电装置并联连接，此外， 所述第1电力贮存器件?第η电力贮存器件分别串联连接，
[0037] 第1发电装置?第η发电装置分别经由二极管（diode)而串联连接。
[0038] 在所述构成中，电源装置不会对在最大电力点上的输出造成影响，第1电力贮存 器件?第η电力贮存器件分别可进行所对应的第1发电装置?第η发电装置的最大电力点 上的电力的充电。
[0039] 例如，在将第1发电装置?第η发电装置设为太阳电池的情况下，由于各个发电装 置相互串联连接，因此如果阴影投至任一个太阳电池上，则太阳电池整体的输出会降低。然 而，在各个太阳电池并联连接第1电力贮存器件?第η电力贮存器件，而且使太阳电池彼此 经由二极管串联连接，由此可不受投有阴影的任一个太阳电池的影响，而对连接于未投阴 影的太阳电池的任一个第1电力贮存器件?第η电力贮存器件进行充电。也就是说，投有 阴影的太阳电池通过二极管的作用而被自未投阴影的太阳电池切断，因此未投阴影的太阳 电池可不受投有阴影的太阳电池的影响。
[0040] 7.根据本发明的第6项所述的电源装置，其中所述电流控制部连接于串联连接的 所述第1电力贮存器件的+端子与所述第η电力贮存器件的-端子之间，而将所述两端子 间的电压转换为规定的电压，且
[0041] 所述控制部根据所述两端子间的电压的变化而控制所述电流控制部的转换动作。
[0042] 在所述构成中，通过使电流控制部驱动，而使第1电力贮存器件?第η电力贮存器 件的整体的电压与可输出第1发电装置?第η发电装置的最大电力的动作电压一致，从而 可避免在可运用第1电力贮存器件?第η电力贮存器件的上限电压附近利用该第1电力贮 存器件?第η电力贮存器件，因此第1电力贮存器件?第η电力贮存器件的自放电损失变 小，可实现1?效率的充电。
[0043] 8.根据本发明的第6项所述的电源装置，其中在所述电流控制部的输出端连接有 串联连接的多个蓄电器件，
[0044] 所述控制部根据所述两端子间的电压的变动而控制所述电流控制部的转换动作， 且
[0045] 通过所述电流控制部的转换动作而将来自所述第1电力贮存器件?第η电力贮存 器件的电力充电至所述多个蓄电器件。
[0046] 通过控制部，根据第1电力贮存器件?第η电力贮存器件整体的电压的变动而驱 动电流控制部，将来自第1电力贮存器件?第η电力贮存器件的电力充电至多个蓄电器件， 由此，可将贮存在第1电力贮存器件?第η电力贮存器件中的电力量的剩余部分转移至多 个蓄电器件。
[0047] 9.根据本发明的第6项至第8项中任一项所述的电源装置，其中在所述第1电力 贮存器件的端子间连接有第1切换开关，
[0048] 在所述第η电力贮存器件的端子间连接有第η切换开关，
[0049] 在这些第1切换开关?第η切换开关连接有将母线的电压转换为规定的电压的第 1电压转换部，
[0050] 所述控制部根据各个所述第1电力贮存器件?第η电力贮存器件的端子间电压的 变动而使所述第1切换开关?第η切换开关接通（on)或断开（off)，并且控制所述第1电 压转换部的转换动作，且
[0051] 通过所述第1电压转换部转换的电力经由接通的所述第1切换开关?第η切换开 关而充电至所对应的所述第1电力贮存器件?第η电力贮存器件。
[0052] 通过第1电压转换部转换的电力经由第1切换开关?第η切换开关中的任一者而 充电至第1电力贮存器件?第η电力贮存器件中的任一者，由此，可填补相互串联连接的第 1电力贮存器件?第η电力贮存器件的电压不均衡，从而可抑制第1电力贮存器件?第η电 力C存器件的两端间的电压降（voltage drop)。
[0053] 10.根据本发明的第9项所述的电源装置，其中在所述第1电力贮存器件的+端子 与所述第η电力贮存器件的-端子之间连接有第2电压转换部，所述第2电压转换部将该 两端子间的电压转换为规定的电压，并且将所述母线的电压转换为规定的电压，在串联连 接的所述多个蓄电器件的全体的两端连接有第3电压转换部，所述第3电压转换部将该两 端的电压转换为规定的电压，并且将所述母线的电压转换为规定的电压，
[0054] 所述控制部根据所述母线的电压的变动而控制所述第2电压转换部及/或所述第 3电压转换部的转换动作，且
[0055] 在所述母线的电压稳定之前，进行所述第1电力贮存器件?第η电力贮存器件、及 /或所述多个蓄电器件的充放电。
[0056] 通过控制部控制第2电压转换部及/或第3电压转换部的转换动作，由此，控制母 线与第1电力贮存器件?第η电力贮存器件之间的充放电、及/或母线与多个蓄电器件之 间的充放电，而使根据负载的工作状况而变动的母线的电压稳定化。
[0057] 11. -种蓄电装置，其包括：本发明的第一项至第10项中任一项所述的电源装置； 以及蓄电器件，贮存所述电源装置输出的电力。
[0058] 12. -种蓄电系统，其包括：本发明的第1项至第10项中任一项所述的电源装置、 或本发明的第11项所述的蓄电装置；以及太阳光发电装置或风力发电装置，连接于所述电 源装置。
[0059] -实施方式的电源装置可从输出变动的电源接受电力，并高效率地对电力进行储 存，并且向外部供给电力。
【专利附图】
【附图说明】
[0060] 图1是表示电源装置的构成的一例的图。
[0061] 图2A是表示贮存能量的各种器件的图。
[0062] 图2B是表示日照射强度与发电曲线的关系的图。
[0063] 图3是表示应用于风力发电机的电源装置的详细例的电路图。
[0064] 图4是表示风力发电与风速的关系的图。
[0065] 图5是表示风力发电的发电电力与电源装置的受电能力的一例的图。
[0066] 图6是表示连接于太阳光发电装置的电源装置的构成例的图。
[0067] 图7是表示连接于多个发电装置的电源装置的构成的一例的图。
[0068] 图8A是连接于太阳光发电装置的电源装置的电路图。
[0069] 图8B是连接于太阳光发电装置的电源装置的电路图。
[0070] 图8C是连接于太阳光发电装置的电源装置的电路图。
[0071] 图8D是连接于太阳光发电装置的电源装置的电路图。
[0072] 图8E是连接于太阳光发电装置的电源装置的电路图。
[0073] 图8F是连接于太阳光发电装置的电源装置的电路图。
[0074] 图9是表示将电源装置应用于车辆的情况的构成例的图。
[0075] 图10是说明将电源装置应用于其他电源的情况的电路图。
[0076] 图11是说明将电源装置应用于其他电源的情况的电路图。
【具体实施方式】
[0077] 以下，参照图式对本发明的电源装置的实施方式的详情进行说明。本实施方式的 电源装置从输出变动的发电装置接受电力，及向外部供给电力。作为输出变动的发电装置， 有太阳光发电装置、风力发电装置、水力发电装置、波浪力发电装置、潮力发电装置、潮汐发 电装置、以及振动发电装置。另外，本发明的电源装置也与输出保持为固定的火力发电装 置、柴油（diesel)发电装置、燃料电池发电装置连接，但其连接方法与输出变动的发电装 置不同。
[0078] 首先，[1]作为第1实施方式而说明发电装置为单数的情况，[2]作为第2实施方 式而说明发电装置为多个的情况，[3]作为第3实施方式而说明将电源装置应用于车辆的 情况。
[0079] [1]第1实施方式
[0080] 第1实施方式是发电装置为单数的情况。
[0081] [1. 1]电源装置
[0082] 图1是表示本实施方式的电源装置的构成的一例的图。图1所示的本电源装置 100是从输出变动的发电装置5接受电力，及向外部供给电力的电源装置，且包括：电力贮 存器件20,具有较作为被动元件的电容器元件高的贮存电力量及/或低的自放电率，且具 有较二次电池高的充放电效率及/或高的响应性，并且接受所述发电装置的电力，及向外 部释放电力；电流控制部60,控制从所述电力贮存器件流向外部的电流；以及控制部80,以 所述发电装置的发电量成为最大的方式进行所述电力贮存器件的充放电，而控制所述发电 装置的电流及电压。
[0083] 电源装置100进而包括：电压传感器62a，计测电力贮存器件20的电压；电流传感 器62b，计测电力贮存器件20的输入输出电流；以及电流传感器63,计测发电装置的电流。
[0084] 电源装置100接受电力的发电装置例如为风力发电机或太阳光发电装置。以下， 对电源装置100的各构成要素进行说明。
[0085] [1. 1. 1]电力贮存器件
[0086] 图2A为说明贮存能量的各种器件的图。表1中表示有锂离子电容器、超导磁储能 (SMES，superconducting magnetic energy storage)、电双层电容器、或作为二次电池的 镍氢电池、锂离子电池、及铅蓄电池等。虚线500的左侧是直流电阻小且充放电效率高的器 件，虚线500的右侧是直流电阻大且充放电效率低的器件。
[0087] 如图示般，这些器件以贮存电力量[Wh]及最大输出[W]进行分类。此外，这些器 件如下述般以输入输出响应性或充放电效率来区分。
[0088] A.输入输出响应性
[0089] 众所周知，电力贮存器件的输入输出响应性与电力贮存器件的额定电输出之间存 在正相关关系。换言之，电力C存器件的额定电输出越大，则电力C存器件的输入输出响应 性越高，而电力贮存器件的额定电输出越小，则电力贮存器件的输入输出响应性越低。
[0090] B.充放电效率
[0091] 此外，众所周知，电力贮存器件的充放电效率与电力贮存器件的直流电阻之间存 在负相关关系。换言之，电力贮存器件的直流电阻越小则电力贮存器件的充放电效率越高， 而电力贮存器件的直流电阻越大则电力贮存器件的充放电效率越低。另外，作为在电路中 使用的被动元件的电容器的贮存电力量极低，因此无法图示。
[0092] 表1是表示电力贮存器件的响应性、充放电效率、自放电率的表。应用于本电源装 置的电力贮存器件构成为：以即便输出变动的多个电源中的一个电源的输出降低，其他电 源也会以其最大电力点动作的方式，即便电源的输出降低，也可通过贮存电力而维持电力。 此外，当电源的电力变化频繁时，如果充放电效率低，则会使通过电源产生的电力损失。因 此，应用于本电源装置的电力贮存器件具有高的充放电效率。
[0093] [表 1]
[0094]
【权利要求】
1. 一种电源装置，其从输出变动的发电装置接受电力及向外部供给电力，包括： 电力贮存器件，具有较作为被动元件的电容器元件高的贮存电力量及/或低的自放电 率，且具有较二次电池高的充放电效率及/或高的响应性，并且接受所述发电装置的电力 及向外部释放电力； 电流控制部，控制从所述电力贮存器件流向外部的电流；以及 控制部，以所述发电装置的发电量成为最大的方式进行所述电力贮存器件的充放电， 而控制所述发电装置的电流及电压。
2. 根据权利要求1所述的电源装置，其包括： 第1电流传感器，计测所述电力贮存器件的输入输出电流； 第1电压传感器，计测所述电力贮存器件的电压；以及 第2电流传感器，计测所述发电装置的电流；并且 所述控制部通过所述第1电压传感器、及所述第2电流传感器算出所述发电装置的电 力，而以使来自所述发电装置的电力成为最大的方式控制所述电流控制部。
3. 根据权利要求1或2所述的电源装置，其中所述电力贮存器件为锂离子电容器。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的电源装置，其中所述发电装置为太阳光发电装 置或风力发电装置。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的电源装置，其中在外部负载的消耗电力大于所 述发电装置的情况下，所述控制部从所述电力贮存器件向外部放电，且 在外部负载的消耗电力小于所述发电装置的情况下，所述控制部从所述电力贮存器件 对外部充电。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的电源装置，其中该电源装置包括第1电力贮存 器件?第η (η为2以上的自然数）电力贮存器件；并且 所述第1电力贮存器件与所述第1发电装置并联连接， 所述第η电力贮存器件与所述第η发电装置并联连接， 进而，所述第1电力贮存器件?所述第η电力贮存器件分别串联连接， 所述第1发电装置?所述第η发电装置分别经由二极管而串联连接。
7. 根据权利要求6所述的电源装置，其中 所述电流控制部连接于串联连接的所述第1电力贮存器件的+端子与所述第η电力贮 存器件的-端子之间，而将所述两端子间的电压转换为规定的电压， 所述控制部根据所述两端子间的电压的变化而控制所述电流控制部的转换动作。
8. 根据权利要求7所述的电源装置，其中 在所述电流控制部的输出端连接有串联连接的多个蓄电器件， 所述控制部根据所述两端子间的电压的变动而控制所述电流控制部的转换动作， 通过所述电流控制部的转换动作，而将来自所述第1电力贮存器件?所述第η电力贮 存器件的电力充电至所述多个蓄电器件。
9. 根据权利要求6至8中任一项所述的电源装置，其中 在所述第1电力贮存器件的端子间连接有第1切换开关， 在所述第η电力贮存器件的端子间连接有第η切换开关， 在所述第1切换开关?所述第η切换开关连接有第1电压转换部，该第1电压转换部 将母线的电压转换为规定的电压， 所述控制部根据各个所述第1电力贮存器件?所述第η电力贮存器件的端子间电压的 变动而接通或断开所述第1切换开关?所述第η切换开关，并且控制所述第1电压转换部 的转换动作， 通过所述第1电压转换部转换的电力经由接通的所述第1切换开关?所述第η切换开 关而充电至所对应的所述第1电力贮存器件?所述第η电力贮存器件。
10. 根据权利要求9所述的电源装置，其中 在所述第1电力贮存器件的+端子与所述第η电力贮存器件的-端子之间连接有第 2电压转换部，所述第2电压转换部将该两端子间的电压转换为规定的电压，并且将所述母 线的电压转换为规定的电压， 在串联连接的所述多个蓄电器件的全体的两端连接有第3电压转换部，所述第3电压 转换部将该两端的电压转换为规定的电压，并且将所述母线的电压转换为规定的电压， 所述控制部根据所述母线的电压的变动而控制所述第2电压转换部及/或所述第3电 压转换部的转换动作，且 在所述母线的电压稳定之前进行所述第1电力贮存器件?所述第η电力贮存器件、及 /或所述多个蓄电器件的充放电。
11. 一种蓄电装置，其包括：权利要求1至10中任一项所述的电源装置；以及蓄电器 件，贮存所述电源装置输出的电力。
12. -种蓄电系统，其包括：权利要求1至10中任一项所述的电源装置、或权利要求11 所述的蓄电装置；以及太阳光发电装置或风力发电装置，连接于所述电源装置。
【文档编号】H01M10/48GK104160586SQ201380012078
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年3月4日 优先权日:2012年3月2日
【发明者】中山知纪, 石田政义, 长谷川裕晃, 平冈一高, 永井敏之, 柿崎信郎 申请人:日挥株式会社