蓄電装置及び充電方法
【課題】時間とともに変動する供給電力を蓄積する場合に、充電効率を向上できる蓄電装置を提供する。
【解決手段】二次電池を含んでなる主蓄電部１１と、主蓄電部１１と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部１２と、供給電力の変動に応じて、主蓄電部１１又は補助蓄電部１２のいずれか一方に供給電力を供給する状態と、直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方に供給電力を供給する状態と、を切り替える制御部１３と、を備える蓄電装置である。
【解決手段】二次電池を含んでなる主蓄電部１１と、主蓄電部１１と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部１２と、供給電力の変動に応じて、主蓄電部１１又は補助蓄電部１２のいずれか一方に供給電力を供給する状態と、直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方に供給電力を供給する状態と、を切り替える制御部１３と、を備える蓄電装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタ及び二次電池を用いた蓄電装置及びその充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー対策の一環として、例えば風力や波力などの自然エネルギーを活用した発電システムが注目されている。また、自動車、鉄道、建設機械などの移動体の駆動により得られる回生電力の回収システムの開発も進められている。これらのシステムによって得られた電気エネルギーを利用するためには、電気エネルギーを貯蔵しておくための蓄電装置が必要となる。このような目的のために、二次電池や電気二重層キャパシタなどを用いた各種の蓄電装置が提案されている（例えば特許文献１，２，３，４参照）。
【特許文献１】特開２００５−２０８０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１２４７１９号公報
【特許文献３】特開２００１−６９６８８号公報
【特許文献４】特開２００５−２４５０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
二次電池や、二次電池と電気二重層キャパシタとが並列に接続された組電池などを用いた蓄電装置を充電する場合、供給電力が大きすぎると、二次電池が過充電を起こしたり、供給される電力が二次電池内で熱エネルギーなどに転換されて損失となったりする可能性がある。また、供給電力が小さすぎる場合は、そもそも二次電池への充電ができなくなってしまう。そのため、このような蓄電装置に外部から供給される電力は、一定の範囲に制限されることが望ましい。ところが、前述したような自然エネルギーによる発電システムや回生電力の回収システムから供給される電力は、長時間にわたって安定して供給されるとは限らず、時間とともに変動する傾向がある。この変動の幅が大きいと、供給電力が大きすぎたり小さすぎたりするタイミングで蓄電装置の充電ができなくなり、蓄電装置の充電効率を悪化させるおそれがある。
【０００４】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、時間とともに変動する供給電力を蓄積する場合に、充電効率を向上できる蓄電装置及び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】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明に係る蓄電装置は、時間とともに変動する供給電力により充電される蓄電装置であって、二次電池を含んでなる主蓄電部と、前記主蓄電部と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部と、前記供給電力の変動に応じて、前記主蓄電部又は前記補助蓄電部のいずれか一方に前記供給電力を供給する状態と、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する状態と、を切り替える制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
また、上記蓄電装置において、前記制御部は、前記供給電力の変動と、前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の充電状態と、に応じて、前記供給電力の供給先を切り替えることとしてもよい。
【０００７】
また、上記蓄電装置において、前記制御部は、前記供給電力に応じた入力電圧が所定の上限値を上回る場合に、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給することとしてもよい。
【０００８】
さらに、前記制御部は、前記供給電力に応じた入力電圧が所定の下限値を下回る場合に、前記補助蓄電部に前記供給電力を供給することとしてもよい。
【０００９】
また、上記蓄電装置は、前記補助蓄電部を複数備え、前記制御部は、前記補助蓄電部それぞれの充電状態に応じて、前記複数の補助蓄電部の中から前記供給電力の供給先を切り替えることとしてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る充電方法は、二次電池を含んでなる主蓄電部と、前記主蓄電部と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部と、を備える蓄電装置を、時間とともに変動する供給電力により充電する充電方法であって、前記供給電力の変動に応じて、前記主蓄電部又は前記補助蓄電部のいずれか一方に前記供給電力を供給する状態と、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する状態と、を切り替えることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置１の回路構成の一例を示す回路図である。蓄電装置１は、外部から供給される電力を蓄積する装置であって、特に本実施形態では、時間とともに変動する供給電力Ｐによって充電される。このような時間とともに変動する電力の例としては、風力発電や太陽光発電、水力（揚水）発電等によって得られる電力や、自動車等の駆動によって得られる回生電力などが挙げられる。
【００１３】
図２は、蓄電装置１の使用例を示す説明図である。この図の例では、蓄電装置１は風力発電装置２によって発電された電力を蓄積して、蓄積した電力を外部に放電する。具体的に、風力発電装置２に内蔵された発電機が風力を電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを蓄電装置１に対して供給する。このとき風力発電装置２から蓄電装置１に対して供給される供給電力Ｐは、風の状況によって時間とともに変動することになる。蓄電装置１は、風力発電装置２から供給される電力を蓄積して、蓄積された電力を所定のタイミングで外部に放電する。すなわち、蓄電装置１は、比較的短時間の充電によって蓄積された電力を、外部の電力系統へと放電したり、電力系統による電力供給の補助として家庭内で負荷に対して放電したりする。あるいは、例えば昼間に蓄積された電力を夜間に負荷に対して供給するなど、比較的長時間の充電によって蓄積された電力を、一定時間にわたって外部に供給することとしてもよい。
【００１４】
以下、蓄電装置１を構成する各部について、説明する。図１に示されるように、本実施形態に係る蓄電装置１は、主蓄電部１１と、複数の補助蓄電部１２と、制御部１３と、スイッチＳ１〜Ｓ５と、を含んで構成されている。
【００１５】
主蓄電部１１は、少なくとも二次電池を含んで構成される。具体的に、本実施形態では、主蓄電部１１は、二次電池１１ａと、当該二次電池１１ａに対して並列に接続された電気二重層キャパシタ１１ｂと、を含んで構成されている。
【００１６】
ここで、二次電池１１ａは、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池、ニッケル−カドミウム電池、また制御弁式鉛−酸電池（シール鉛蓄電池）など、充放電が可能な各種の化学電池であってよい。また、このような二次電池が複数接続されてなる組電池であってもよい。
【００１７】
二次電池１１ａを充電する際に供給される電力は、また過充電を避けつつ充電を行うために、その電圧値が予め定められた範囲内に含まれることが要求される。この電圧値の範囲は、二次電池１１ａの特性などによって決定される。以下では、二次電池１１ａに対して許容される入力電圧の範囲は、所定の下限値Ｖｍｉｎ以上で、かつ所定の上限値Ｖｍａｘ以下の範囲であることとする。なお、この下限値Ｖｍｉｎ及び上限値Ｖｍａｘは、二次電池１１ａの製造者によって設定された定格電圧や、満充電時及び完全放電時の二次電池１１ａの電圧に応じて定められてもよい。
【００１８】
本実施形態では、この二次電池１１ａに対して、電気二重層キャパシタ１１ｂが並列に接続されている。なお、電気二重層キャパシタ１１ｂは、複数の電気二重層キャパシタセルが複数個並列又は直列に接続された電気二重層キャパシタモジュールであってもよい。このように、二次電池１１ａに対して電気二重層キャパシタ１１ｂを並列に接続し、両者を相補的に利用して充放電を行うことによって、二次電池１１ａに流れる電流を抑えることができ、主蓄電部１１全体の充電効率を向上するとともに、二次電池１１ａの寿命を延ばすことができる。
【００１９】
複数の補助蓄電部１２は、それぞれ電気二重層キャパシタを含み、いずれもスイッチＳ１を介して主蓄電部１１と直列接続可能に構成されている。本実施形態では、蓄電装置１は、補助蓄電部１２ａ，１２ｂ及び１２ｃの３個の補助蓄電部１２を備えることとする。
【００２０】
制御部１３は、例えばマイクロコンピュータ等によって構成され、所定の条件に従って、外部から供給される供給電力Ｐの供給先となる蓄電部を切り替える制御を行う。また、制御部１３は、蓄電装置１が蓄積する電力を放電する場合に、放電を行う蓄電部を切り替える制御も行う。具体的に、制御部１３は、スイッチＳ１〜Ｓ５の接続を切り替える制御信号を出力することによって、供給電力Ｐの供給先となる蓄電部や、放電を行う蓄電部を切り替える。制御部１３による切り替え制御の具体例については、後述する。
【００２１】
複数の補助蓄電部１２と主蓄電部１１との間には、スイッチＳ１が設けられている。このスイッチＳ１は、制御部１３の制御によって、主蓄電部１１の一方の端子を、複数の補助蓄電部１２それぞれの一方の端子、並びに図１に示される端子Ｔｘ及びＴｙのうちのいずれか一つと接続するよう切り替えられる。スイッチＳ１が切り替えられることによって、複数の補助蓄電部１２は、それぞれ主蓄電部１１と直列に接続されることが可能になっている。
【００２２】
スイッチＳ２は、風力発電装置２からの供給電力Ｐが入力される外部入力端子の一方（以下、入力端子Ｔ１という）と接続されている。そして、スイッチＳ２は、制御部１３の制御によって、この入力端子Ｔ１を、図１に示される端子Ｔｘ、及び各補助蓄電部１２のスイッチＳ１と反対側の端子のうちのいずれか一つと接続するよう切り替えられる。なお、入力端子Ｔ１が端子Ｔｘと接続されるとともに、スイッチＳ１も端子Ｔｘに接続されることによって、入力端子Ｔ１はスイッチＳ２及びＳ１を介して主蓄電部１１と接続される。
【００２３】
スイッチＳ３は、風力発電装置２からの供給電力Ｐが入力される外部入力端子のうち、スイッチＳ２と接続されない側の端子（以下、入力端子Ｔ２という）と接続されている。そして、スイッチＳ３は、制御部１３の制御によって、この入力端子Ｔ２を、主蓄電部１１の両端の端子のいずれかと接続するよう切り替えられる。
【００２４】
制御部１３の制御によってこれらスイッチＳ１，Ｓ２及びＳ３が連動して切り替わることによって、供給電力Ｐの供給先が切り替えられる。すなわち、スイッチＳ１及びＳ２が端子Ｔｘと接続され、スイッチＳ３が主蓄電部１１のスイッチＳ１と反対側の端子と接続されることによって、供給電力Ｐは主蓄電部１１に対して供給される。また、スイッチＳ１及びＳ２がいずれも同じ補助蓄電部１２に接続され、かつスイッチＳ３が主蓄電部１１のスイッチＳ１側の端子と接続されることによって、供給電力Ｐは当該補助蓄電部１２に対して供給される。さらに、スイッチＳ１が主蓄電部１１と補助蓄電部１２のいずれか一つとを接続するとともに、スイッチＳ２がこの主蓄電部１１と接続された補助蓄電部１２に接続され、スイッチＳ３が主蓄電部１１のスイッチＳ１とは反対側の端子と接続されることによって、供給電力Ｐは直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方に対して供給される。なお、図１の例に示すスイッチの接続状態においては、直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２ｂに対して電力供給が行われる。
【００２５】
また、スイッチＳ４は、蓄電装置１に蓄積された電力を外部に供給する外部出力端子の一方（以下、出力端子Ｔ３という）と接続されている。そして、スイッチＳ４は、制御部１３の制御によって、この出力端子Ｔ３を、図１に示される端子Ｔｙ、及び各補助蓄電部１２のスイッチＳ１と反対側の端子のうちのいずれか一つと接続するよう切り替えられる。なお、出力端子Ｔ３が端子Ｔｙと接続されるとともに、スイッチＳ１も端子Ｔｙに接続されることによって、出力端子Ｔ３はスイッチＳ４及びＳ１を介して主蓄電部１１と接続される。
【００２６】
スイッチＳ５は、蓄電装置１に蓄積された電力を外部に供給する外部出力端子のうち、スイッチＳ４と接続されない側の端子（以下、出力端子Ｔ４という）と接続されている。そして、スイッチＳ５は、制御部１３の制御によって、この出力端子Ｔ４を、主蓄電部１１の両端の端子のいずれかと接続するよう切り替えられる。
【００２７】
制御部１３の制御によってこれらスイッチＳ４及びＳ５とスイッチＳ１とが連動して切り替わることによって、外部に電力を放電する蓄電部が切り替えられる。すなわち、スイッチＳ１及びＳ４が端子Ｔｙと接続され、スイッチＳ３が主蓄電部１１のスイッチＳ１と反対側の端子と接続されることによって、主蓄電部１１単体から外部への放電が行われる。また、スイッチＳ１及びＳ４がいずれも同じ補助蓄電部１２に接続され、かつスイッチＳ５が主蓄電部１１のスイッチＳ１側の端子と接続されることによって、当該補助蓄電部１２から外部への放電が行われる。さらに、スイッチＳ１が主蓄電部１１と補助蓄電部１２のいずれか一つとを接続するとともに、スイッチＳ４がこの主蓄電部１１と接続された補助蓄電部１２に接続され、スイッチＳ５が主蓄電部１１のスイッチＳ１とは反対側の端子と接続されることによって、直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方から外部に電力が放電される。
【００２８】
ここで、本実施形態において蓄電装置１によって実現される充放電の態様のいくつかのパターンについて、説明する。蓄電装置１の充放電の態様としては、例えば下記のようなパターンが考えられる。
パターン１：蓄電装置１全体の電力容量に対して１％未満程度の電力量を１秒未満程度の短時間で蓄積し、電力系統に対して放電する
パターン２：蓄電装置１全体の電力容量に対して１０％程度の電力量を数分間程度の時間で蓄積し、電力系統に対して放電したり、負荷に対して放電したりする
パターン３：数時間程度の時間をかけて蓄電装置１全体が満充電になるまで電力を蓄積し、その後、電力系統に対して放電したり、負荷に対して放電したりする（例えば昼間に充電して夜間に放電するなど、比較的長周期で充放電を行う場合）
【００２９】
特にパターン１の場合、供給電力Ｐに応じて蓄電装置１に印加される入力電圧が高くなりにくいため、二次電池１１ａの特性により、主蓄電部１１だけでこのような充放電を実現することは難しい。また、パターン２やパターン３の場合にも、供給電力Ｐに応じた入力電圧が時間とともに変動するので、特に電圧値が下限値Ｖｍｉｎを下回るタイミングや、上限値Ｖｍａｘを上回るタイミングがあると、主蓄電部１１だけでは十分効率よく充電を行うことは困難になる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、制御部１３が、供給電力Ｐの変動に応じて、供給電力Ｐを供給する蓄電部を切り替えることとする。具体的に、例えば制御部１３は、供給電力Ｐの大きさに関する情報を取得し、当該取得した情報に応じてスイッチＳ１〜Ｓ３を切り替えることにより、主蓄電部１１又は補助蓄電部１２のいずれか一方に供給電力Ｐを供給する状態と、直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方に供給電力Ｐを供給する状態と、を切り替える制御を充電中継続して実行する。
【００３１】
以下、制御部１３による供給電力Ｐの供給先の切り替え制御の具体例について、説明する。ここでは制御部１３は、供給電力Ｐによって蓄電装置１に印加される入力電圧が所定の上限値Ｖｍａｘを上回る場合には、供給電力Ｐを直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方に供給する。また、入力電圧が所定の下限値Ｖｍｉｎを下回る場合には、供給電力Ｐを補助蓄電部１２に供給する。なお、これらの場合において、複数の補助蓄電部１２のうちのいずれを供給先とするかは、各補助蓄電部１２の充電状態に応じて決定される。また、供給電力Ｐによって蓄電装置１に印加される入力電圧が下限値Ｖｍｉｎ以上で上限値Ｖｍａｘ以下の場合には、制御部１３は、供給電力Ｐを主蓄電部１１に供給する。
【００３２】
このような制御によって、供給電力Ｐによって印加される入力電圧が下限値Ｖｍｉｎに満たない場合であっても、二次電池１１ａより低い電圧で充電可能な電気二重層キャパシタから構成される補助蓄電部１２に対して供給電力Ｐを供給することによって、充電を行うことができる。また、電圧が上限値Ｖｍａｘを超える場合であっても、直列に接続された主蓄電部１１と補助蓄電部１２の全体に対して供給電力Ｐを供給することによって、二次電池１１ａが過充電にならないようにしながら、充電を行うことができる。
【００３３】
図３は、このような入力電圧の時間変動に応じた充電対象の切り替え制御を説明するための図である。この図は、蓄電装置１に印加される入力電圧の時間変動の一例を示している。ここで、入力電圧が下限値Ｖｍｉｎを下回る時点（図中破線で囲まれた部分）においては、補助蓄電部１２の一つが充電対象として選択される。また、入力電圧が上限値Ｖｍａｘを上回る時点（図中一点鎖線で囲まれた部分）においては、直列に接続された主蓄電部１１及び一つの補助蓄電部１２の両方が、充電対象として選択される。なお、この図の例においては、Ｖｍａｘより高い電圧値Ｖｍａｘ２が蓄電装置１全体の上限電圧として設定されている。電圧がこのＶｍａｘ２を超える時点においては、どの蓄電部にも供給電力Ｐを供給しないこととしてもよい。
【００３４】
また、制御部１３は、供給電力Ｐだけでなく、主蓄電部１１及び各補助蓄電部１２の充電状態に応じて、供給電力Ｐの供給先を切り替えることとしてもよい。特に制御部１３は、各補助蓄電部１２の充電状態に応じて、複数の補助蓄電部１２の中から、供給電力Ｐの供給先を切り替えることとしてもよい。具体的に、例えば制御部１３は、補助蓄電部１２のうちのいずれか一つを単体で充電対象とする場合や、補助蓄電部１２のうちのいずれか一つを主蓄電部１１とともに充電対象とする場合、複数の補助蓄電部１２のうち、満充電の状態にない補助蓄電部１２を充電対象として選択する。そして、充電対象としている補助蓄電部１２が満充電の状態になった場合には、いまだ満充電の状態になっていない他の補助蓄電部１２を新たな充電対象に切り替える。また、全ての補助蓄電部１２が満充電の状態になった場合には、供給電力Ｐによって印加される入力電圧に関わらず、補助蓄電部１２に蓄積された電力の放電が行われるまで補助蓄電部１２を充電対象としないこととする。同様に、主蓄電部１１が既に満充電の状態になっていれば、供給電力Ｐによって印加される入力電圧に関わらず、主蓄電部１１を充電対象としないこととしてもよい。
【００３５】
このような供給電力Ｐによって蓄電装置１に印加される入力電圧の大きさと、各蓄電部が満充電か否かと、に応じた供給電力Ｐの供給先の切り替え制御の一例について、下記の表に示す。
【表１】
【００３６】
この表において、「Ｈ」、「Ｎ」、及び「Ｌ」はそれぞれ主蓄電部１１又は補助蓄電部１２全体の充電状態を示しており、「Ｈ」は満充電の状態、「Ｌ」は空の状態（すなわち、完全に放電がされた状態）、「Ｎ」はその中間の状態をそれぞれ示している。なお、補助蓄電部１２については、全ての補助蓄電部１２が満充電の状態を「Ｈ」、全ての補助蓄電部１２が空の状態を「Ｌ」としている。また、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」及び「Ｄ」は、充電時及び放電時の充電対象又は放電対象を示している。具体的に、「Ａ」は主蓄電部１１単体が充電又は放電の対象となっている状態、「Ｂ」は直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の一つが充放電の対象となっている状態、「Ｃ」は補助蓄電部１２の一つが単体で充放電の対象となっている状態、「Ｄ」はいずれの蓄電部も充放電の対象とならない状態を示している。
【００３７】
例えば表の最上段は、主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の全てが満充電の状態を示しており、この場合にはこれ以上の充電はできないので、制御部１３は充電時の接続状態が「Ｄ」（すなわちどの蓄電部も充電対象としない状態）となるよう接続を切り替える。具体的には、スイッチＳ２及びＳ３を開放状態として入力端子Ｔ１及びＴ２を各蓄電部と切り離す。逆に全ての蓄電部が満充電の状態で放電を行う際には、制御部１３は直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の一つを放電対象とするよう各スイッチを切り替える。
【００３８】
ここで、制御部１３が供給電力Ｐの変動や、各蓄電部の充電状態を検出する方法の具体例について、説明する。
【００３９】
例えば制御部１３は、各蓄電部の充電状態を、各蓄電部に並列に接続された電圧測定部（不図示）によって測定される電圧によって判別する。すなわち、各蓄電部の電圧が予め定められた値まで上昇すると、当該蓄電部が満充電になったと判定する。また、各蓄電部の電圧が予め定められた値まで下降すると、当該蓄電部が空の状態になったと判定する。あるいは、制御部１３は、二次電池１１ａの種類になどによっては、二次電池１１ａの出力インピーダンスなどを測定することによって、主蓄電部１１の充電状態を判定することとしてもよい。
【００４０】
また、供給電力Ｐが風力発電装置２によって供給される場合、制御部１３は、供給電力Ｐの大きさを、以下のようにして算出する。すなわち、制御部１３は、風力発電装置２に内蔵された発電機のモーターの回転数を示す情報を取得することによって、風力発電装置２から出力される電力の大きさを算出する。具体例として、発電機の回転速度ｄΩ／ｄｔは、回転部品の慣性をＪ、発電機の電気トルクをＴＧ、空気力学的トルクをＴＴとすると、以下の式によって表される。
【数１】
ここで、風速をω、風車ブレードの長さをｒとすると、その先端速度λは
【数２】
となる。また、空気密度ρ、トルク係数ＣＴとすると、ＴＴは、
【数３】
と表される。さらに、電力効率ＣＰ＝λＣＴより、風力発電によって得られる電力ＰＴは、
【数４】
と表される。以上より、予め当該発電機におけるλとＣＰとの関係を求めておくことによって、発電機の回転数から風力発電によって得られる電力が算出される。さらに、この電力がＡＣ−ＤＣコンバータによって変換された後の電流及び電圧の関係から、供給電力Ｐに応じた蓄電装置１に対する入力電圧が算出される。なお、このような入力電圧の算出は、例えば
H. D. Battista, R. J. Mantz, and F. Garelli, “Power conditioning for a wind-hydrogen energy system”, Journal of Power Sources, 2006, p.478-486 に記載された方法で実行されてよい。
【００４１】
あるいは、制御部１３は、主蓄電部１１に供給電力Ｐを供給したときの電流の向きを検出することによって、供給電力Ｐの供給先を切り替えてもよい。具体的に、例えば制御部１３は、まず入力端子Ｔ１及びＴ２を直列接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両端に接続する。そして、蓄電装置１と風力発電装置２との間の電流の向きを検出する。電流の向きが逆向き（蓄電装置１側から風力発電装置２側へ流れる向き）になったことが検出された場合には、供給電力Ｐに応じた入力電圧が供給先の蓄電部に対して小さくなっているので、制御部１３は、供給電力Ｐを主蓄電部１１に供給するよう切り替えを行う。さらにこの状態において、再び電流の向きが蓄電装置１側から風力発電装置２側になったことが検出された場合には、供給電力Ｐの供給先を補助蓄電部１２単体に切り替えることとする。こうすれば、供給電力Ｐによって生じる入力電圧を直接測定せずとも、供給電力Ｐの変動に応じてその供給先を切り替えることができる。
【００４２】
以上説明した本実施の形態によれば、供給電力Ｐの変動に応じて、この供給電力Ｐを供給する蓄電部を切り替えることによって、二次電池１１ａの特性から許容される範囲を超えて供給電力Ｐの大きさが変化しても、補助蓄電部１２を利用して供給電力Ｐによる充電を実行することができ、充電効率を損なわないようにすることができる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、主蓄電部１１は主として二次電池１１ａによって構成され、補助蓄電部１２は電気二重層キャパシタによって構成されている。この両者は応答特性が異なるので、これを利用して供給電力Ｐを効率よく蓄積することができる。すなわち、供給電力Ｐの時間変動のサイクルに応じて予め主蓄電部１１の蓄電容量と補助蓄電部１２の蓄電容量とを決定することによって、主蓄電部１１に一定以上の容量の電力を蓄積するまでの間に、二次電池１１ａより高速に充放電可能な補助蓄電部１２が、供給電力Ｐの一部の充放電を繰り返し実行することができる。これによって、蓄電装置１は、主蓄電部１１が１回の充放電を行うサイクルの間に、蓄電装置１全体の蓄電容量を超える電力の蓄積、及び放電を行うことができ、供給電力Ｐの変動サイクルに併せて効率のよい充放電を実現できる。
【００４４】
なお、以上の説明においては、補助蓄電部１２に充電された電力は、直接蓄電装置１の外部に供給されることとしたが、これに限らず、補助蓄電部１２に一定容量以上の電力が蓄積された時点で、この電力が主蓄電部１１へ供給されることとしてもよい。この場合には、蓄電装置１の外部への電力供給は、主蓄電部１１から実行される。
【００４５】
また、以上の説明においては、一例として風力発電装置２から供給電力Ｐが供給される場合について説明したが、これに限らず、供給電力Ｐは各種の電力供給源によって供給されてよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の蓄電装置および充電方法は、自然エネルギーによる発生電力の変動が大きな発電、すなわち位置エネルギー、運動エネルギーなどの力学的エネルギーや光エネルギーによる風力発電、流水・揚水発電、波力発電、太陽光発電など、によって得られる電力の蓄電装置および充電方法として利用できる。
【００４７】
また、力学的エネルギーや熱エネルギーを減衰させるために余剰エネルギーとして排出され、回生されたエネルギーを貯蔵する蓄電装置および充電方法としても応用可能である。具体的には、自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車、各種空港作業車、電動式自動二輪車、電車、ＬＲＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｒａｉｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：次世代型低床路面電車）、電動カート、電動式車椅子、気動車、モノレール、船舶、航空機などの移動体の加速・減速運動；エレベータ、エスカレータ、スライド式移動棚などの搬送装置・設備の昇降運動や移動・停止運動；保冷・冷蔵・冷凍車における冷却機、エアコン、冷蔵庫などの媒体圧縮運動；回転電動工具、ディスク状記録媒体駆動装置を装着したプレーヤーまたはパソコン、洗濯機、ドラム式乾燥機、扇風機、送風機、掃除機などにおける回転体の回転・停止運動；アイロン、ポット、温水器、乾燥機、炊飯器、事務機器、などの発熱体を内装する各種民生用電気機器の蓄熱；玩具、遊具などのばね振動や振り子運動などからの回生エネルギーの蓄電装置および充電方法としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態に係る蓄電装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る蓄電装置の使用例を示す説明図である。
【図３】蓄電装置に印加される入力電圧の時間変動の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 蓄電装置、２ 風力発電装置、１１ 主蓄電部、１２ 補助蓄電部、１３ 制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタ及び二次電池を用いた蓄電装置及びその充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー対策の一環として、例えば風力や波力などの自然エネルギーを活用した発電システムが注目されている。また、自動車、鉄道、建設機械などの移動体の駆動により得られる回生電力の回収システムの開発も進められている。これらのシステムによって得られた電気エネルギーを利用するためには、電気エネルギーを貯蔵しておくための蓄電装置が必要となる。このような目的のために、二次電池や電気二重層キャパシタなどを用いた各種の蓄電装置が提案されている（例えば特許文献１，２，３，４参照）。
【特許文献１】特開２００５−２０８０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１２４７１９号公報
【特許文献３】特開２００１−６９６８８号公報
【特許文献４】特開２００５−２４５０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
二次電池や、二次電池と電気二重層キャパシタとが並列に接続された組電池などを用いた蓄電装置を充電する場合、供給電力が大きすぎると、二次電池が過充電を起こしたり、供給される電力が二次電池内で熱エネルギーなどに転換されて損失となったりする可能性がある。また、供給電力が小さすぎる場合は、そもそも二次電池への充電ができなくなってしまう。そのため、このような蓄電装置に外部から供給される電力は、一定の範囲に制限されることが望ましい。ところが、前述したような自然エネルギーによる発電システムや回生電力の回収システムから供給される電力は、長時間にわたって安定して供給されるとは限らず、時間とともに変動する傾向がある。この変動の幅が大きいと、供給電力が大きすぎたり小さすぎたりするタイミングで蓄電装置の充電ができなくなり、蓄電装置の充電効率を悪化させるおそれがある。
【０００４】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、時間とともに変動する供給電力を蓄積する場合に、充電効率を向上できる蓄電装置及び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】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明に係る蓄電装置は、時間とともに変動する供給電力により充電される蓄電装置であって、二次電池を含んでなる主蓄電部と、前記主蓄電部と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部と、前記供給電力の変動に応じて、前記主蓄電部又は前記補助蓄電部のいずれか一方に前記供給電力を供給する状態と、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する状態と、を切り替える制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
また、上記蓄電装置において、前記制御部は、前記供給電力の変動と、前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の充電状態と、に応じて、前記供給電力の供給先を切り替えることとしてもよい。
【０００７】
また、上記蓄電装置において、前記制御部は、前記供給電力に応じた入力電圧が所定の上限値を上回る場合に、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給することとしてもよい。
【０００８】
さらに、前記制御部は、前記供給電力に応じた入力電圧が所定の下限値を下回る場合に、前記補助蓄電部に前記供給電力を供給することとしてもよい。
【０００９】
また、上記蓄電装置は、前記補助蓄電部を複数備え、前記制御部は、前記補助蓄電部それぞれの充電状態に応じて、前記複数の補助蓄電部の中から前記供給電力の供給先を切り替えることとしてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る充電方法は、二次電池を含んでなる主蓄電部と、前記主蓄電部と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部と、を備える蓄電装置を、時間とともに変動する供給電力により充電する充電方法であって、前記供給電力の変動に応じて、前記主蓄電部又は前記補助蓄電部のいずれか一方に前記供給電力を供給する状態と、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する状態と、を切り替えることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置１の回路構成の一例を示す回路図である。蓄電装置１は、外部から供給される電力を蓄積する装置であって、特に本実施形態では、時間とともに変動する供給電力Ｐによって充電される。このような時間とともに変動する電力の例としては、風力発電や太陽光発電、水力（揚水）発電等によって得られる電力や、自動車等の駆動によって得られる回生電力などが挙げられる。
【００１３】
図２は、蓄電装置１の使用例を示す説明図である。この図の例では、蓄電装置１は風力発電装置２によって発電された電力を蓄積して、蓄積した電力を外部に放電する。具体的に、風力発電装置２に内蔵された発電機が風力を電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを蓄電装置１に対して供給する。このとき風力発電装置２から蓄電装置１に対して供給される供給電力Ｐは、風の状況によって時間とともに変動することになる。蓄電装置１は、風力発電装置２から供給される電力を蓄積して、蓄積された電力を所定のタイミングで外部に放電する。すなわち、蓄電装置１は、比較的短時間の充電によって蓄積された電力を、外部の電力系統へと放電したり、電力系統による電力供給の補助として家庭内で負荷に対して放電したりする。あるいは、例えば昼間に蓄積された電力を夜間に負荷に対して供給するなど、比較的長時間の充電によって蓄積された電力を、一定時間にわたって外部に供給することとしてもよい。
【００１４】
以下、蓄電装置１を構成する各部について、説明する。図１に示されるように、本実施形態に係る蓄電装置１は、主蓄電部１１と、複数の補助蓄電部１２と、制御部１３と、スイッチＳ１〜Ｓ５と、を含んで構成されている。
【００１５】
主蓄電部１１は、少なくとも二次電池を含んで構成される。具体的に、本実施形態では、主蓄電部１１は、二次電池１１ａと、当該二次電池１１ａに対して並列に接続された電気二重層キャパシタ１１ｂと、を含んで構成されている。
【００１６】
ここで、二次電池１１ａは、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池、ニッケル−カドミウム電池、また制御弁式鉛−酸電池（シール鉛蓄電池）など、充放電が可能な各種の化学電池であってよい。また、このような二次電池が複数接続されてなる組電池であってもよい。
【００１７】
二次電池１１ａを充電する際に供給される電力は、また過充電を避けつつ充電を行うために、その電圧値が予め定められた範囲内に含まれることが要求される。この電圧値の範囲は、二次電池１１ａの特性などによって決定される。以下では、二次電池１１ａに対して許容される入力電圧の範囲は、所定の下限値Ｖｍｉｎ以上で、かつ所定の上限値Ｖｍａｘ以下の範囲であることとする。なお、この下限値Ｖｍｉｎ及び上限値Ｖｍａｘは、二次電池１１ａの製造者によって設定された定格電圧や、満充電時及び完全放電時の二次電池１１ａの電圧に応じて定められてもよい。
【００１８】
本実施形態では、この二次電池１１ａに対して、電気二重層キャパシタ１１ｂが並列に接続されている。なお、電気二重層キャパシタ１１ｂは、複数の電気二重層キャパシタセルが複数個並列又は直列に接続された電気二重層キャパシタモジュールであってもよい。このように、二次電池１１ａに対して電気二重層キャパシタ１１ｂを並列に接続し、両者を相補的に利用して充放電を行うことによって、二次電池１１ａに流れる電流を抑えることができ、主蓄電部１１全体の充電効率を向上するとともに、二次電池１１ａの寿命を延ばすことができる。
【００１９】
複数の補助蓄電部１２は、それぞれ電気二重層キャパシタを含み、いずれもスイッチＳ１を介して主蓄電部１１と直列接続可能に構成されている。本実施形態では、蓄電装置１は、補助蓄電部１２ａ，１２ｂ及び１２ｃの３個の補助蓄電部１２を備えることとする。
【００２０】
制御部１３は、例えばマイクロコンピュータ等によって構成され、所定の条件に従って、外部から供給される供給電力Ｐの供給先となる蓄電部を切り替える制御を行う。また、制御部１３は、蓄電装置１が蓄積する電力を放電する場合に、放電を行う蓄電部を切り替える制御も行う。具体的に、制御部１３は、スイッチＳ１〜Ｓ５の接続を切り替える制御信号を出力することによって、供給電力Ｐの供給先となる蓄電部や、放電を行う蓄電部を切り替える。制御部１３による切り替え制御の具体例については、後述する。
【００２１】
複数の補助蓄電部１２と主蓄電部１１との間には、スイッチＳ１が設けられている。このスイッチＳ１は、制御部１３の制御によって、主蓄電部１１の一方の端子を、複数の補助蓄電部１２それぞれの一方の端子、並びに図１に示される端子Ｔｘ及びＴｙのうちのいずれか一つと接続するよう切り替えられる。スイッチＳ１が切り替えられることによって、複数の補助蓄電部１２は、それぞれ主蓄電部１１と直列に接続されることが可能になっている。
【００２２】
スイッチＳ２は、風力発電装置２からの供給電力Ｐが入力される外部入力端子の一方（以下、入力端子Ｔ１という）と接続されている。そして、スイッチＳ２は、制御部１３の制御によって、この入力端子Ｔ１を、図１に示される端子Ｔｘ、及び各補助蓄電部１２のスイッチＳ１と反対側の端子のうちのいずれか一つと接続するよう切り替えられる。なお、入力端子Ｔ１が端子Ｔｘと接続されるとともに、スイッチＳ１も端子Ｔｘに接続されることによって、入力端子Ｔ１はスイッチＳ２及びＳ１を介して主蓄電部１１と接続される。
【００２３】
スイッチＳ３は、風力発電装置２からの供給電力Ｐが入力される外部入力端子のうち、スイッチＳ２と接続されない側の端子（以下、入力端子Ｔ２という）と接続されている。そして、スイッチＳ３は、制御部１３の制御によって、この入力端子Ｔ２を、主蓄電部１１の両端の端子のいずれかと接続するよう切り替えられる。
【００２４】
制御部１３の制御によってこれらスイッチＳ１，Ｓ２及びＳ３が連動して切り替わることによって、供給電力Ｐの供給先が切り替えられる。すなわち、スイッチＳ１及びＳ２が端子Ｔｘと接続され、スイッチＳ３が主蓄電部１１のスイッチＳ１と反対側の端子と接続されることによって、供給電力Ｐは主蓄電部１１に対して供給される。また、スイッチＳ１及びＳ２がいずれも同じ補助蓄電部１２に接続され、かつスイッチＳ３が主蓄電部１１のスイッチＳ１側の端子と接続されることによって、供給電力Ｐは当該補助蓄電部１２に対して供給される。さらに、スイッチＳ１が主蓄電部１１と補助蓄電部１２のいずれか一つとを接続するとともに、スイッチＳ２がこの主蓄電部１１と接続された補助蓄電部１２に接続され、スイッチＳ３が主蓄電部１１のスイッチＳ１とは反対側の端子と接続されることによって、供給電力Ｐは直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方に対して供給される。なお、図１の例に示すスイッチの接続状態においては、直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２ｂに対して電力供給が行われる。
【００２５】
また、スイッチＳ４は、蓄電装置１に蓄積された電力を外部に供給する外部出力端子の一方（以下、出力端子Ｔ３という）と接続されている。そして、スイッチＳ４は、制御部１３の制御によって、この出力端子Ｔ３を、図１に示される端子Ｔｙ、及び各補助蓄電部１２のスイッチＳ１と反対側の端子のうちのいずれか一つと接続するよう切り替えられる。なお、出力端子Ｔ３が端子Ｔｙと接続されるとともに、スイッチＳ１も端子Ｔｙに接続されることによって、出力端子Ｔ３はスイッチＳ４及びＳ１を介して主蓄電部１１と接続される。
【００２６】
スイッチＳ５は、蓄電装置１に蓄積された電力を外部に供給する外部出力端子のうち、スイッチＳ４と接続されない側の端子（以下、出力端子Ｔ４という）と接続されている。そして、スイッチＳ５は、制御部１３の制御によって、この出力端子Ｔ４を、主蓄電部１１の両端の端子のいずれかと接続するよう切り替えられる。
【００２７】
制御部１３の制御によってこれらスイッチＳ４及びＳ５とスイッチＳ１とが連動して切り替わることによって、外部に電力を放電する蓄電部が切り替えられる。すなわち、スイッチＳ１及びＳ４が端子Ｔｙと接続され、スイッチＳ３が主蓄電部１１のスイッチＳ１と反対側の端子と接続されることによって、主蓄電部１１単体から外部への放電が行われる。また、スイッチＳ１及びＳ４がいずれも同じ補助蓄電部１２に接続され、かつスイッチＳ５が主蓄電部１１のスイッチＳ１側の端子と接続されることによって、当該補助蓄電部１２から外部への放電が行われる。さらに、スイッチＳ１が主蓄電部１１と補助蓄電部１２のいずれか一つとを接続するとともに、スイッチＳ４がこの主蓄電部１１と接続された補助蓄電部１２に接続され、スイッチＳ５が主蓄電部１１のスイッチＳ１とは反対側の端子と接続されることによって、直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方から外部に電力が放電される。
【００２８】
ここで、本実施形態において蓄電装置１によって実現される充放電の態様のいくつかのパターンについて、説明する。蓄電装置１の充放電の態様としては、例えば下記のようなパターンが考えられる。
パターン１：蓄電装置１全体の電力容量に対して１％未満程度の電力量を１秒未満程度の短時間で蓄積し、電力系統に対して放電する
パターン２：蓄電装置１全体の電力容量に対して１０％程度の電力量を数分間程度の時間で蓄積し、電力系統に対して放電したり、負荷に対して放電したりする
パターン３：数時間程度の時間をかけて蓄電装置１全体が満充電になるまで電力を蓄積し、その後、電力系統に対して放電したり、負荷に対して放電したりする（例えば昼間に充電して夜間に放電するなど、比較的長周期で充放電を行う場合）
【００２９】
特にパターン１の場合、供給電力Ｐに応じて蓄電装置１に印加される入力電圧が高くなりにくいため、二次電池１１ａの特性により、主蓄電部１１だけでこのような充放電を実現することは難しい。また、パターン２やパターン３の場合にも、供給電力Ｐに応じた入力電圧が時間とともに変動するので、特に電圧値が下限値Ｖｍｉｎを下回るタイミングや、上限値Ｖｍａｘを上回るタイミングがあると、主蓄電部１１だけでは十分効率よく充電を行うことは困難になる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、制御部１３が、供給電力Ｐの変動に応じて、供給電力Ｐを供給する蓄電部を切り替えることとする。具体的に、例えば制御部１３は、供給電力Ｐの大きさに関する情報を取得し、当該取得した情報に応じてスイッチＳ１〜Ｓ３を切り替えることにより、主蓄電部１１又は補助蓄電部１２のいずれか一方に供給電力Ｐを供給する状態と、直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方に供給電力Ｐを供給する状態と、を切り替える制御を充電中継続して実行する。
【００３１】
以下、制御部１３による供給電力Ｐの供給先の切り替え制御の具体例について、説明する。ここでは制御部１３は、供給電力Ｐによって蓄電装置１に印加される入力電圧が所定の上限値Ｖｍａｘを上回る場合には、供給電力Ｐを直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両方に供給する。また、入力電圧が所定の下限値Ｖｍｉｎを下回る場合には、供給電力Ｐを補助蓄電部１２に供給する。なお、これらの場合において、複数の補助蓄電部１２のうちのいずれを供給先とするかは、各補助蓄電部１２の充電状態に応じて決定される。また、供給電力Ｐによって蓄電装置１に印加される入力電圧が下限値Ｖｍｉｎ以上で上限値Ｖｍａｘ以下の場合には、制御部１３は、供給電力Ｐを主蓄電部１１に供給する。
【００３２】
このような制御によって、供給電力Ｐによって印加される入力電圧が下限値Ｖｍｉｎに満たない場合であっても、二次電池１１ａより低い電圧で充電可能な電気二重層キャパシタから構成される補助蓄電部１２に対して供給電力Ｐを供給することによって、充電を行うことができる。また、電圧が上限値Ｖｍａｘを超える場合であっても、直列に接続された主蓄電部１１と補助蓄電部１２の全体に対して供給電力Ｐを供給することによって、二次電池１１ａが過充電にならないようにしながら、充電を行うことができる。
【００３３】
図３は、このような入力電圧の時間変動に応じた充電対象の切り替え制御を説明するための図である。この図は、蓄電装置１に印加される入力電圧の時間変動の一例を示している。ここで、入力電圧が下限値Ｖｍｉｎを下回る時点（図中破線で囲まれた部分）においては、補助蓄電部１２の一つが充電対象として選択される。また、入力電圧が上限値Ｖｍａｘを上回る時点（図中一点鎖線で囲まれた部分）においては、直列に接続された主蓄電部１１及び一つの補助蓄電部１２の両方が、充電対象として選択される。なお、この図の例においては、Ｖｍａｘより高い電圧値Ｖｍａｘ２が蓄電装置１全体の上限電圧として設定されている。電圧がこのＶｍａｘ２を超える時点においては、どの蓄電部にも供給電力Ｐを供給しないこととしてもよい。
【００３４】
また、制御部１３は、供給電力Ｐだけでなく、主蓄電部１１及び各補助蓄電部１２の充電状態に応じて、供給電力Ｐの供給先を切り替えることとしてもよい。特に制御部１３は、各補助蓄電部１２の充電状態に応じて、複数の補助蓄電部１２の中から、供給電力Ｐの供給先を切り替えることとしてもよい。具体的に、例えば制御部１３は、補助蓄電部１２のうちのいずれか一つを単体で充電対象とする場合や、補助蓄電部１２のうちのいずれか一つを主蓄電部１１とともに充電対象とする場合、複数の補助蓄電部１２のうち、満充電の状態にない補助蓄電部１２を充電対象として選択する。そして、充電対象としている補助蓄電部１２が満充電の状態になった場合には、いまだ満充電の状態になっていない他の補助蓄電部１２を新たな充電対象に切り替える。また、全ての補助蓄電部１２が満充電の状態になった場合には、供給電力Ｐによって印加される入力電圧に関わらず、補助蓄電部１２に蓄積された電力の放電が行われるまで補助蓄電部１２を充電対象としないこととする。同様に、主蓄電部１１が既に満充電の状態になっていれば、供給電力Ｐによって印加される入力電圧に関わらず、主蓄電部１１を充電対象としないこととしてもよい。
【００３５】
このような供給電力Ｐによって蓄電装置１に印加される入力電圧の大きさと、各蓄電部が満充電か否かと、に応じた供給電力Ｐの供給先の切り替え制御の一例について、下記の表に示す。
【表１】
【００３６】
この表において、「Ｈ」、「Ｎ」、及び「Ｌ」はそれぞれ主蓄電部１１又は補助蓄電部１２全体の充電状態を示しており、「Ｈ」は満充電の状態、「Ｌ」は空の状態（すなわち、完全に放電がされた状態）、「Ｎ」はその中間の状態をそれぞれ示している。なお、補助蓄電部１２については、全ての補助蓄電部１２が満充電の状態を「Ｈ」、全ての補助蓄電部１２が空の状態を「Ｌ」としている。また、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」及び「Ｄ」は、充電時及び放電時の充電対象又は放電対象を示している。具体的に、「Ａ」は主蓄電部１１単体が充電又は放電の対象となっている状態、「Ｂ」は直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の一つが充放電の対象となっている状態、「Ｃ」は補助蓄電部１２の一つが単体で充放電の対象となっている状態、「Ｄ」はいずれの蓄電部も充放電の対象とならない状態を示している。
【００３７】
例えば表の最上段は、主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の全てが満充電の状態を示しており、この場合にはこれ以上の充電はできないので、制御部１３は充電時の接続状態が「Ｄ」（すなわちどの蓄電部も充電対象としない状態）となるよう接続を切り替える。具体的には、スイッチＳ２及びＳ３を開放状態として入力端子Ｔ１及びＴ２を各蓄電部と切り離す。逆に全ての蓄電部が満充電の状態で放電を行う際には、制御部１３は直列に接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の一つを放電対象とするよう各スイッチを切り替える。
【００３８】
ここで、制御部１３が供給電力Ｐの変動や、各蓄電部の充電状態を検出する方法の具体例について、説明する。
【００３９】
例えば制御部１３は、各蓄電部の充電状態を、各蓄電部に並列に接続された電圧測定部（不図示）によって測定される電圧によって判別する。すなわち、各蓄電部の電圧が予め定められた値まで上昇すると、当該蓄電部が満充電になったと判定する。また、各蓄電部の電圧が予め定められた値まで下降すると、当該蓄電部が空の状態になったと判定する。あるいは、制御部１３は、二次電池１１ａの種類になどによっては、二次電池１１ａの出力インピーダンスなどを測定することによって、主蓄電部１１の充電状態を判定することとしてもよい。
【００４０】
また、供給電力Ｐが風力発電装置２によって供給される場合、制御部１３は、供給電力Ｐの大きさを、以下のようにして算出する。すなわち、制御部１３は、風力発電装置２に内蔵された発電機のモーターの回転数を示す情報を取得することによって、風力発電装置２から出力される電力の大きさを算出する。具体例として、発電機の回転速度ｄΩ／ｄｔは、回転部品の慣性をＪ、発電機の電気トルクをＴＧ、空気力学的トルクをＴＴとすると、以下の式によって表される。
【数１】
ここで、風速をω、風車ブレードの長さをｒとすると、その先端速度λは
【数２】
となる。また、空気密度ρ、トルク係数ＣＴとすると、ＴＴは、
【数３】
と表される。さらに、電力効率ＣＰ＝λＣＴより、風力発電によって得られる電力ＰＴは、
【数４】
と表される。以上より、予め当該発電機におけるλとＣＰとの関係を求めておくことによって、発電機の回転数から風力発電によって得られる電力が算出される。さらに、この電力がＡＣ−ＤＣコンバータによって変換された後の電流及び電圧の関係から、供給電力Ｐに応じた蓄電装置１に対する入力電圧が算出される。なお、このような入力電圧の算出は、例えば
H. D. Battista, R. J. Mantz, and F. Garelli, “Power conditioning for a wind-hydrogen energy system”, Journal of Power Sources, 2006, p.478-486 に記載された方法で実行されてよい。
【００４１】
あるいは、制御部１３は、主蓄電部１１に供給電力Ｐを供給したときの電流の向きを検出することによって、供給電力Ｐの供給先を切り替えてもよい。具体的に、例えば制御部１３は、まず入力端子Ｔ１及びＴ２を直列接続された主蓄電部１１及び補助蓄電部１２の両端に接続する。そして、蓄電装置１と風力発電装置２との間の電流の向きを検出する。電流の向きが逆向き（蓄電装置１側から風力発電装置２側へ流れる向き）になったことが検出された場合には、供給電力Ｐに応じた入力電圧が供給先の蓄電部に対して小さくなっているので、制御部１３は、供給電力Ｐを主蓄電部１１に供給するよう切り替えを行う。さらにこの状態において、再び電流の向きが蓄電装置１側から風力発電装置２側になったことが検出された場合には、供給電力Ｐの供給先を補助蓄電部１２単体に切り替えることとする。こうすれば、供給電力Ｐによって生じる入力電圧を直接測定せずとも、供給電力Ｐの変動に応じてその供給先を切り替えることができる。
【００４２】
以上説明した本実施の形態によれば、供給電力Ｐの変動に応じて、この供給電力Ｐを供給する蓄電部を切り替えることによって、二次電池１１ａの特性から許容される範囲を超えて供給電力Ｐの大きさが変化しても、補助蓄電部１２を利用して供給電力Ｐによる充電を実行することができ、充電効率を損なわないようにすることができる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、主蓄電部１１は主として二次電池１１ａによって構成され、補助蓄電部１２は電気二重層キャパシタによって構成されている。この両者は応答特性が異なるので、これを利用して供給電力Ｐを効率よく蓄積することができる。すなわち、供給電力Ｐの時間変動のサイクルに応じて予め主蓄電部１１の蓄電容量と補助蓄電部１２の蓄電容量とを決定することによって、主蓄電部１１に一定以上の容量の電力を蓄積するまでの間に、二次電池１１ａより高速に充放電可能な補助蓄電部１２が、供給電力Ｐの一部の充放電を繰り返し実行することができる。これによって、蓄電装置１は、主蓄電部１１が１回の充放電を行うサイクルの間に、蓄電装置１全体の蓄電容量を超える電力の蓄積、及び放電を行うことができ、供給電力Ｐの変動サイクルに併せて効率のよい充放電を実現できる。
【００４４】
なお、以上の説明においては、補助蓄電部１２に充電された電力は、直接蓄電装置１の外部に供給されることとしたが、これに限らず、補助蓄電部１２に一定容量以上の電力が蓄積された時点で、この電力が主蓄電部１１へ供給されることとしてもよい。この場合には、蓄電装置１の外部への電力供給は、主蓄電部１１から実行される。
【００４５】
また、以上の説明においては、一例として風力発電装置２から供給電力Ｐが供給される場合について説明したが、これに限らず、供給電力Ｐは各種の電力供給源によって供給されてよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の蓄電装置および充電方法は、自然エネルギーによる発生電力の変動が大きな発電、すなわち位置エネルギー、運動エネルギーなどの力学的エネルギーや光エネルギーによる風力発電、流水・揚水発電、波力発電、太陽光発電など、によって得られる電力の蓄電装置および充電方法として利用できる。
【００４７】
また、力学的エネルギーや熱エネルギーを減衰させるために余剰エネルギーとして排出され、回生されたエネルギーを貯蔵する蓄電装置および充電方法としても応用可能である。具体的には、自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車、各種空港作業車、電動式自動二輪車、電車、ＬＲＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｒａｉｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：次世代型低床路面電車）、電動カート、電動式車椅子、気動車、モノレール、船舶、航空機などの移動体の加速・減速運動；エレベータ、エスカレータ、スライド式移動棚などの搬送装置・設備の昇降運動や移動・停止運動；保冷・冷蔵・冷凍車における冷却機、エアコン、冷蔵庫などの媒体圧縮運動；回転電動工具、ディスク状記録媒体駆動装置を装着したプレーヤーまたはパソコン、洗濯機、ドラム式乾燥機、扇風機、送風機、掃除機などにおける回転体の回転・停止運動；アイロン、ポット、温水器、乾燥機、炊飯器、事務機器、などの発熱体を内装する各種民生用電気機器の蓄熱；玩具、遊具などのばね振動や振り子運動などからの回生エネルギーの蓄電装置および充電方法としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態に係る蓄電装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る蓄電装置の使用例を示す説明図である。
【図３】蓄電装置に印加される入力電圧の時間変動の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 蓄電装置、２ 風力発電装置、１１ 主蓄電部、１２ 補助蓄電部、１３ 制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間とともに変動する供給電力により充電される蓄電装置であって、
二次電池を含んでなる主蓄電部と、
前記主蓄電部と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部と、
前記供給電力の変動に応じて、前記主蓄電部又は前記補助蓄電部のいずれか一方に前記供給電力を供給する状態と、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する状態と、を切り替える制御部と、
を備えることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
請求項１記載の蓄電装置において、
前記制御部は、前記供給電力の変動と、前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の充電状態と、に応じて、前記供給電力の供給先を切り替える
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の蓄電装置において、
前記制御部は、前記供給電力に応じた入力電圧が所定の上限値を上回る場合に、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項記載の蓄電装置において、
前記制御部は、前記供給電力に応じた入力電圧が所定の下限値を下回る場合に、前記補助蓄電部に前記供給電力を供給する
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項記載の蓄電装置において、
前記補助蓄電部を複数備え、
前記制御部は、前記補助蓄電部それぞれの充電状態に応じて、前記複数の補助蓄電部の中から前記供給電力の供給先を切り替える
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項６】
二次電池を含んでなる主蓄電部と、
前記主蓄電部と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部と、
を備える蓄電装置を、時間とともに変動する供給電力により充電する充電方法であって、
前記供給電力の変動に応じて、前記主蓄電部又は前記補助蓄電部のいずれか一方に前記供給電力を供給する状態と、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する状態と、を切り替える
ことを特徴とする充電方法。
【請求項１】
時間とともに変動する供給電力により充電される蓄電装置であって、
二次電池を含んでなる主蓄電部と、
前記主蓄電部と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部と、
前記供給電力の変動に応じて、前記主蓄電部又は前記補助蓄電部のいずれか一方に前記供給電力を供給する状態と、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する状態と、を切り替える制御部と、
を備えることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
請求項１記載の蓄電装置において、
前記制御部は、前記供給電力の変動と、前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の充電状態と、に応じて、前記供給電力の供給先を切り替える
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の蓄電装置において、
前記制御部は、前記供給電力に応じた入力電圧が所定の上限値を上回る場合に、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項記載の蓄電装置において、
前記制御部は、前記供給電力に応じた入力電圧が所定の下限値を下回る場合に、前記補助蓄電部に前記供給電力を供給する
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項記載の蓄電装置において、
前記補助蓄電部を複数備え、
前記制御部は、前記補助蓄電部それぞれの充電状態に応じて、前記複数の補助蓄電部の中から前記供給電力の供給先を切り替える
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項６】
二次電池を含んでなる主蓄電部と、
前記主蓄電部と直列接続可能に構成され、電気二重層キャパシタを含んでなる補助蓄電部と、
を備える蓄電装置を、時間とともに変動する供給電力により充電する充電方法であって、
前記供給電力の変動に応じて、前記主蓄電部又は前記補助蓄電部のいずれか一方に前記供給電力を供給する状態と、直列に接続された前記主蓄電部及び前記補助蓄電部の両方に前記供給電力を供給する状態と、を切り替える
ことを特徴とする充電方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１０４１１６（Ｐ２０１０−１０４１１６Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７２０８１（Ｐ２００８−２７２０８１）
【出願日】平成２０年１０月２２日（２００８．１０．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２００８年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 新エネルギー技術開発 系統連系円滑化蓄電システム技術開発／要素技術開発／高エネルギー密度を有する新型電気二重層キャパシタ及びその蓄電システムの研究開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４３７４）日清紡ホールディングス株式会社 (370)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２２日（２００８．１０．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２００８年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 新エネルギー技術開発 系統連系円滑化蓄電システム技術開発／要素技術開発／高エネルギー密度を有する新型電気二重層キャパシタ及びその蓄電システムの研究開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４３７４）日清紡ホールディングス株式会社 (370)
【Ｆターム（参考）】
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