特開 2023-173550 二次電池使用システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023173550

(43)【公開日】2023-12-07

(54)【発明の名称】二次電池使用システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/35 20060101AFI20231130BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20231130BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20231130BHJP

【ＦＩ】

H02J7/35 E

H02J7/00 302C

H02J7/02 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022085880

(22)【出願日】2022-05-26

(71)【出願人】

【識別番号】307040691

【氏名又は名称】株式会社風憩セコロ

(74)【代理人】

【識別番号】100085394

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 哲夫

(74)【代理人】

【識別番号】100128392

【弁理士】

【氏名又は名称】服部 秀一

(74)【代理人】

【識別番号】100165456

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 佑子

(72)【発明者】

【氏名】林 美志夫

(72)【発明者】

【氏名】内立 秀人

(72)【発明者】

【氏名】石田 和久

【テーマコード（参考）】

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G503AA06

5G503BA04

5G503BB05

5G503CA08

5G503CB06

5G503CB16

5G503CC02

5G503DA06

5G503EA05

5G503EA08

5G503GD03

5G503GD06

(57)【要約】

【課題】二次電池を用いたソーラーシステムにおいて、二次電池を所望の寿命まで使用できるようにし低コスト化を図る。
【解決手段】主として用いるリチウムイオン電池３と、リチウムイオン電池３に比べ充放電の繰り返しによる充電容量の低下が大きな従として用いる鉛電池４とを有する。コントローラ７と電池制御部６よりなる全体コントローラ１０は、リチウムイオン電池３の充電を鉛電池４の充電より優先し、かつリチウムイオン電池３の放電を鉛電池４の放電より優先する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽エネルギーを受けて発電する発電部と、
前記発電部にて発電された電気を充電する二次電池と、
前記二次電池にて充電された電気を電源として駆動する駆動部と、
前記発電部、二次電池および駆動部のそれぞれに接続され、前記二次電池に対する充放電制御および前記駆動部に対する給電制御を行うコントローラと、を備え、
前記二次電池は、第１二次電池と、この第１二次電池に比べ充放電の繰り返しによる充電容量の低下が大きな第２二次電池とを、有し、
前記コントローラは、前記第１二次電池の充電を前記第２二次電池の充電より優先し、かつ前記第１二次電池の放電を前記第２二次電池の放電より優先する、
ことを特徴とした二次電池使用システム。

【請求項2】

前記コントローラは、前記第１二次電池の充電時間を前記第２二次電池の充電時間より長くし、かつ前記第１二次電池の放電時間を前記第２二次電池の放電時間より長くする、
ことを特徴とした請求項１記載の二次電池使用システム。

【請求項3】

前記コントローラは、前記第１二次電池の充電時間を正午を挟んだ時間とし、前記第２二次電池の充電時間を前記第１二次電池の充電時間の前後少なくとも一方の時間とし、かつ前記第１二次電池の放電時間を午前零時を挟んだ時間とし、前記第２二次電池の放電時間を前記第１二次電池の放電時間の前後の時間とする、
ことを特徴とした請求項１または２記載の二次電池使用システム。

【請求項4】

前記コントローラは、前記第１二次電池の充電が満充電になった後に前記第２二次電池の充電を開始し、かつ前記第１二次電池が所定の放電深度になるまで前記第１二次電池の放電を行った後に前記第２二次電池の放電を開始する、
ことを特徴とした請求項１または２記載の二次電池使用システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、充放電の繰り返しによる充電容量の低下率が異なる複数の二次電池を備えた二次電池使用システムの技術分野に関するものである。

【背景技術】

【0002】

今日、昼間に太陽電池で発電した電力を用いて夜間にＬＥＤ（発光ダイオード、本発明の「駆動部」例に相当する。）を点灯（駆動）することで照明や表示を行う、いわゆるソーラー式の点灯装置（駆動装置）が知られている。このような装置は、一般に、太陽エネルギーを受けて発電する太陽電池と、この太陽電池で発電した電気を充電する二次電池と、この二次電池からの放電を受けて駆動する駆動部とで構成されている（例えば、特許文献１参照）。そして、この装置に用いられる二次電池は繰り返し充電できる必要があり、この二次電池として鉛電池（鉛蓄電池）が古くから広く用いられている。

【0003】

しかしながら、鉛電池の寿命（充放電の繰り返しによる充電容量の低下）は長くなく、例えば本件出願人の経験では、夜間照明や標識表示等を行うためのソーラー点灯装置の電源として鉛電池を単独で用いた場合、５年程度で電池交換が必要となる。この電池交換のためには、電池自体のコスト、交換作業を行う作業者等の人件コストも発生するため、電池交換までの期間をなるべく長くしたいという要望がある。

【0004】

これに対し、近年、二次電池として、ニッケル・カドニウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などが広く用いられるようになっている。この種の二次電池は、鉛電池と比べて寿命が長く軽量な利点があるが、リチウム等の希少金属を使用しているため高価であるという問題がある。

【0005】

一方、例えばハイブリッド型の自動車や電気自動車等に用いられる二次電池として鉛電池とリチウムイオン電池とを併用することで、それぞれの二次電池の特色を発揮できるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１６－８５５５５号公報

【特許文献2】特開２０１８－１８７７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

そこで、前述したようなソーラー式の点灯装置においても、鉛電池とリチウムイオン電池のような特性の異なる２種類の二次電池を併用することで、電池の交換期間をなるべく長くし、かつ低コスト化を図ることが提唱される。ところが、二種類の特性が異なる二次電池をそれぞれどのように充放電すれば交換時期を長くできるか検討が必要であり、ここに本発明の解決すべき課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として発明されたものであって、請求項１の発明は、太陽エネルギーを受けて発電する発電部と、前記発電部にて発電された電気を充電する二次電池と、前記二次電池にて充電された電気を電源として駆動する駆動部と、前記発電部、二次電池および駆動部のそれぞれに接続され、前記二次電池に対する充放電制御および前記駆動部に対する給電制御を行うコントローラと、を備え、前記二次電池は、第１二次電池と、この第１二次電池に比べ充放電の繰り返しによる充電容量の低下が大きな第２二次電池とを、有し、前記コントローラは、前記第１二次電池の充電を前記第２二次電池の充電より優先し、かつ前記第１二次電池の放電を前記第２二次電池の放電より優先する。この結果、二次電池の交換期間を長くでき低コスト化を達成できる。

【0009】

請求項２の発明は、請求項１において、前記コントローラは、前記第１二次電池の充電時間を前記第２二次電池の充電時間より長くし、かつ前記第１二次電池の放電時間を前記第２二次電池の放電時間より長くする。この結果、第２二次電池の充放電の繰り返しによる充電容量の低下を抑制できる。

【0010】

請求項３の発明は、請求項１または２において、前記コントローラは、前記第１二次電池の充電時間を正午を挟んだ時間とし、前記第２二次電池の充電時間を前記第１二次電池の充電時間の前後少なくとも一方の時間とし、かつ前記第１二次電池の放電時間を午前零時を挟んだ時間とし、前記第２二次電池の放電時間を前記第１二次電池の放電時間の前後の時間とする。この結果、第２二次電池の充電量を確保しつつ、第１二次電池の充電量を確実に確保できる。

【0011】

請求項４の発明は、請求項１または２において、前記コントローラは、前記第１二次電池の充電が満充電になった後に前記第２二次電池の充電を開始し、かつ前記第１二次電池が所定の放電深度になるまで前記第１二次電池の放電を行った後に前記第２二次電池の放電を開始する。この結果、第２二次電池よりも第１二次電池を優先して充電でき、第２二次電池よりも第１二次電池の放電を優先できる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、二次電池の交換期間を長くでき低コスト化を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係る二次電池使用システムの構成を示すブロック図である。

【図2】電池制御部の制御手順を示すフローチャートである。

【図3】リチウムイオン電池のサイクル寿命と放電深度との関係を示す図である。

【図4】鉛電池のサイクル寿命と放電深度との関係を示す図である。

【図5】電池制御部の回路図である。

【図6】制御器が行う制御の動作タイミングを示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜基本構成＞
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明が実施されたソーラーシステムとしてのソーラー照明システム１（本発明の「二次電池使用システム」に相当）の構成を示すブロック図である。このソーラー照明システム１は、基本的な構成として、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部としてのソーラーパネル２と、このソーラーパネル２の発電で充電される二次電池としてのリチウムイオン電池（本発明の「第１二次電池」に相当）３および鉛電池（本発明の「第２二次電池」に相当）４とを備えている。

【0015】

また、ソーラー照明システム１は、リチウムイオン電池３および鉛電池４を電源として駆動する駆動部としてのＬＥＤ照明装置５と、リチウムイオン電池３および鉛電池４に接続され、これらリチウムイオン電池３および鉛電池４の充放電を、後述するコントローラ７とともに制御する電池制御部６と、ソーラーパネル２、ＬＥＤ照明装置５および電池制御部６に接続されるコントローラ７とを備えている。

【0016】

ソーラーパネル２は、昼間発電し発電した電流をコントローラ７に送る。コントローラ７に送られた発電電流は、電池制御部６を経由してリチウムイオン電池３または鉛電池４に送られ充電される。夜間は、リチウムイオン電池３または鉛電池４から電池制御部６を経由してコントローラ７に放電電流が送られる。コントローラ７に送られた放電電流は、ＬＥＤ照明装置５に出力されＬＥＤ照明装置５を点灯する。よって、ＬＥＤ照明装置５は、一日を一サイクルとして点灯（駆動）・消灯（停止）を繰り返す構成となっており、ＬＥＤ照明装置５の点灯や消灯（点灯時間の制御も含む）、輝度を調節するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御等のＬＥＤ照明装置５に対する給電制御は、コントローラ７にて行われる。このように、コントローラ７は、現在市販されている１種類の二次電池を使用する一般的なソーラー照明システム用コントローラと同様のものである。このコントローラ７に、各種状態に応じて２種類の二次電池の切換え接続を自ら判断して行う電池制御部６が挿入されたものが本発明であり、コントローラ７と電池制御部６とを一体化して全体コントローラ１０として統合化することも可能である。

【0017】

電池制御部６は、この電池制御部６に備えられた制御器８（ワンチップマイコン等）からの信号で作動するスイッチ９によって、リチウムイオン電池３または鉛電池４の何れか一方を選択的にコントローラ７に接続し、接続されたリチウムイオン電池３または鉛電池４の充電および放電を制御する。

【0018】

スイッチ９は、制御器８からの信号に基づいて、ａ－ｂ接続あるいはａ－ｃ接続の何れかを選択する構成とされている。ａ端子は、電池制御部６のコントローラ接続用プラス端子（Ｏ＋）を介してコントローラ７のバッテリ用プラス端子（Ｂ＋）に接続されている。ｂ端子は、電池制御部６のリチウムイオン電池接続用プラス端子（Ｌ＋）を介してリチウムイオン電池３のプラス端子（＋）に接続されている。ｃ端子は、電池制御部６の鉛電池接続用プラス端子（Ｐ＋）を介して鉛電池４のプラス端子（＋）に接続されている。

【0019】

また、リチウムイオン電池３のマイナス端子（－）は、電池制御部６のリチウムイオン電池接続用マイナス端子（Ｌ－）に接続されている。鉛電池４のマイナス端子（－）は、電池制御部６の鉛電池接続用マイナス端子（Ｐ－）に接続されている。電池制御部６のリチウムイオン電池接続用マイナス端子（Ｌ－）および鉛電池接続用マイナス端子（Ｐ－）は、電池制御部６のコントローラ７接続用マイナス端子（Ｏ－）を介してコントローラ７のバッテリ用マイナス端子（Ｂ－）にそれぞれ接続されている。

【0020】

そして、スイッチ９がａ－ｂ接続の場合は、リチウムイオン電池３がコントローラ７に接続された状態（ＯＮ）となり、かつ鉛電池４が切断された状態（ＯＦＦ）となって、リチウムイオン電池３のみの充電または放電が行われる。スイッチ９がａ－ｃ接続の場合は、鉛電池４がコントローラ７に接続された状態（ＯＮ）となり、かつリチウムイオン電池３が切断された状態（ＯＦＦ）となって、鉛電池４のみの充電または放電が行われる。

【0021】

このようにリチウムイオン電池３と鉛電池４とが同時にＯＮとなる直接の並列状態にしないことで、電気特性の異なる２種類の二次電池を併用しても、別途保護回路を設けることなく、２種類の二次電池の電圧値や内部抵抗の違いに起因する発熱や発火の恐れを確実に回避できる構成となっている。

【0022】

スイッチ９のａ端子の信号は、制御器８に入力され、ａ－ｂ接続時におけるリチウムイオン電池３の電圧測定に用いられる。また、コントローラ７からＬＥＤ照明装置５への照明出力信号は、電池制御部６の照明信号入力端子（ＬＤ）を介して制御器８に入力され、ＬＥＤ照明装置５の点灯（駆動）・消灯（停止）の判断や、ＰＷＭ制御のデューティ比の測定に用いられる。なお、制御器８としては、例えばワンチップマイコンが用いられ、後述する目標放電時間や目標ループ回数ＬＣを設定する手段や、ループ回数の計数手段および電池電圧の測定手段等の各種制御手段を備えている。

【0023】

制御器８は、スイッチ９をａ－ｂ接続またはａ－ｃ接続のいずれかの接続状態に設定する構成となっている。この設定結果は、コントローラ７と電池制御部６との間の接続状態報知用端子（ＢＩ）間を通じて制御器８からコントローラ７へ伝えられる構成となっている。

【0024】

＜制御方法＞
次に、制御器８が行う制御について、図２ないし図６に基づいて説明する。

【0025】

まず、図２に制御のフローチャートを示すが、制御がスタートすると、初期設定として、ＬＥＤ照明装置５を点灯させるために必要な負荷量に応じた目標ループ回数ＬＣを設定し、この目標ループ回数を数える計数器をリセット「ゼロ（０）」する（ステップＳ１）。なお、図示していないが、スイッチ９はａ－ｂ接続状態（Ｌｉ→ＯＮ，Ｐｂ→ＯＦＦ）に設定し、Ｐｂ充電ＯＮフラグ＝１およびＰｂ放電ＯＮフラグ＝０に設定する。

【0026】

ここで、ＬＥＤ照明装置５を点灯させるために必要な負荷量に応じた目標ループ回数ＬＣの設定について説明する。表１に示すように、例えばＬＥＤ照明装置５の負荷量が照明用ＬＥＤ１２個の場合には、負荷電流が１．３Ａとなり、使用するリチウムイオン電池３の定格が２４Ａｈであり、また１０年の使用期間（寿命）を可能にする使用率が６８％となる（図３より）。このため、このリチウムイオン電池３の使用可能なエネルギーは１６．３２Ａｈ（＝２４Ａｈ×０．６８）となる。そして、負荷電流が１．３Ａであるため、リチウムイオン電池３の使用可能時間（鉛電池４に切り換えるまでの時間）は、４５，１９４ｓｅｃ（＝１２．５５４ｈ＝１６．３２Ａｈ／１．３Ａ）となり、５０ｍｓタイマを用いた場合は、目標ループ回数ＬＣ＝９０３，８８０回（＝４５，１９４ｓｅｃ／０．０５ｓｅｃ）となる。

【0027】

【表1】

【0028】

次に、Ｐｂ放電ＯＮフラグが「１」かを判定し（ステップＳ２）、このＰｂ放電ＯＮフラグが「１」の場合（ＹＥＳ：ＯＮ）は、ＬＤ端子信号が放電時かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３にて放電時と判定した場合（ＹＥＳ）は、スイッチ９を操作してａ－ｃ接続とし、リチウムイオン電池３をＯＦＦ、鉛電池４をＯＮの状態とする（ステップＳ４）。この状態で、鉛電池４の放電を開始し、第１所定時間、例えば３０分のタイマを起動させ、この第１所定時間に亘って鉛電池４を放電させてから（ステップＳ５）、Ｐｂ放電ＯＮフラグを「φ」とする（ステップＳ６）。

【0029】

その後、鉛電池４を第１所定時間放電した後の出力電圧（Ｐｂ電圧）を測定し、測定した出力電圧が予め定めた一定値（Ｖ_Ｒ）以上の場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）は、鉛電池４の充電容量に余力があるため、さらに鉛電池４を、例えば９０分間放電させる（ステップＳ８）。ステップＳ７にて鉛電池４の出力電圧がＶ_Ｒ未満の場合（ＮＯ）は、鉛電池４の充電容量に余力がないため、鉛電池４の放電を終了させる。

【0030】

ここで、ステップＳ２にてＰｂ放電ＯＮフラグが「φ」の場合（ＮＯ）や、ステップＳ３にてＬＤ端子信号が充電時の場合（ＮＯ）は、ステップＳ５における鉛電池４の放電を行わない。

【0031】

ステップＳ８での鉛電池４の９０分間の追加放電が終了した後、Ｐｂ充電ＯＮフラグを判定し（ステップＳ９）、Ｐｂ充電ＯＮフラグが「１」の場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）は、ＬＤ端子信号が放電時かを判定する（ステップＳ１０）。このとき、ＬＤ端子信号が放電時でないと判定した場合（ステップＳ１０：ＮＯ）は、Ｐｂ充電ＯＮフラグを「φ」とし（ステップＳ１１）、その後スイッチ９を操作してａ－ｃ接続としリチウムイオン電池３をＯＦＦ、鉛電池４をＯＮの状態とする（ステップＳ１２）。この状態で、鉛電池４の充電を開始し、第２所定時間、例えば１６５分（２時間４５分）のタイマを起動させ、この第２所定時間に亘って鉛電池４を充電させる（ステップＳ１３）。

【0032】

その後、スイッチ９を操作してａ－ｂ接続としリチウムイオン電池３をＯＮ、鉛電池４をＯＦＦの状態とする（ステップＳ１４）。この状態で、リチウムイオン電池３のデューティ比が２０％かをＬＤ端子信号で判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１４での判定にてリチウムイオン電池３のデューティ比が２０％である場合（ＹＥＳ）は、第３所定時間、例えば２５０ｍｓのタイマを起動させ、この第３所定時間に亘ってリチウムイオン電池３を放電させる（ステップＳ１６）。

【0033】

ステップＳ１５での判定にてリチウムイオン電池３のデューティ比が２０％でない場合（ＮＯ）は、リチウムイオン電池３のデューティ比が５０％かを判定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７での判定にてリチウムイオン電池３のデューティ比が５０％である場合（ＹＥＳ）は、第４所定時間、例えば１００ｍｓのタイマを起動させ、この第４所定時間に亘ってリチウムイオン電池３を放電させる（ステップＳ１８）。

【0034】

また、ステップＳ１７での判定にてリチウムイオン電池３のデューティ比が５０％でない場合（ＮＯ）は、リチウムイオン電池３のデューティ比が６５％かを判定する（ステップＳ１９）。ステップＳ１９での判定にてリチウムイオン電池３のデューティ比が６５％である場合（ＹＥＳ）は、第５所定時間、例えば７７ｍｓのタイマを起動させ、この第５所定時間に亘ってリチウムイオン電池３を放電させる（ステップＳ２０）。

【0035】

ステップＳ１９での判定にてリチウムイオン電池３のデューティ比が６５％でない場合（ＮＯ）は、第６所定時間、例えば５０ｍｓのタイマを起動させ（この場合のデューティ比は１００％である）、この第６所定時間に亘ってリチウムイオン電池３を放電させる（ステップＳ２１）。なお、リチウムイオン電池３は充電時のデューティ比が０％（充電時はコントローラ７からの照明出力信号ＬＤが無くなるので）となるため、ステップＳ１５，Ｓ１７，Ｓ１９のいずれにおいても（ＮＯ）となりステップＳ２１へ進む。

【0036】

ここで、ステップＳ９での判定で、Ｐｂ充電ＯＮフラグが「φ」の場合（ＮＯ）や、ステップＳ１０にてＬＤ端子信号により放電時と判定した場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１１ないしステップＳ１３による鉛電池４の充電を行わず、ステップＳ１４へ進む。

【0037】

その後、リチウムイオン電池３の電圧（Ｌｉ電圧）が、満充電時の電圧（上限電圧）、例えば１４．０４Ｖを超えているかを判定する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２での判定でリチウムイオン電池３の電圧が上限電圧を超えている場合（ＹＥＳ）は、リチウムイオン電池３が放電時かを判定する（ステップＳ２３）。リチウムイオン電池３が放電時でない場合（すなわち充電時）（ステップＳ２３：ＮＯ）は、スイッチ９を操作してａ－ｃ接続としリチウムイオン電池３をＯＦＦ、鉛電池４をＯＮの状態とし、鉛電池４の充電を開始させる（ステップＳ２４）。

【0038】

ステップＳ２３での判定で、リチウムイオン電池３が放電時である場合（ＹＥＳ）は（放電時でＬｉ電圧上限越えの場合は通常起こらない）、鉛電池４の充電を開始せず、ステップＳ２へ進む。

【0039】

次いで、Ｐｂ放電ＯＮフラグをＯＮ「１」とする（ステップＳ２５）。なお、Ｐｂ放電ＯＮフラグを「１」とするのは、ステップＳ２５のみであり、ステップＳ２５以降は、鉛電池４のＰｂ日没前充電（図６の８））が終了すると、Ｐｂ日没放電（図６の９））に移行することで、Ｐｂ放電ＯＮフラグとしている。

【0040】

その後、第７所定時間、例えば１秒のタイマを起動させる（ステップＳ２６）。次いで、鉛電池４が放電時かを判定し（ステップＳ２７）、ステップＳ２７にて鉛電池４が放電時でない（充電時）と判定した場合（ＮＯ）は、ステップＳ２６へ戻り、鉛電池４の充電を継続させる。要するに、ステップＳ２６，Ｓ２７は、コントローラ７が充電を維持する（日没まで）限り鉛電池４への接続を維持し、コントローラ７の制御によって照明が開始すると、ステップＳ２７にてＣＤ端子信号により鉛電池４が放電時と判定し（ＹＥＳ）、鉛電池４の充電を完了してステップＳ２へ戻る。

【0041】

ステップＳ２２での判定で、リチウムイオン電池３の電圧が、満充電時の電圧を超えていない場合（ＮＯ）は、リチウムイオン電池３の電圧が、所定電圧（下限電圧）より下がっているかを判定する（ステップＳ２８）。このステップＳ２８での判定で、リチウムイオン電池３の電圧が下限電圧を超えている場合（ＹＥＳ）は、リチウムイオン電池３が放電時か否かを判定する（ステップＳ２９）。そして、このリチウムイオン電池３が放電時である場合（ステップＳ２９：ＹＥＳ）は、スイッチ９を操作してａ－ｃ接続としリチウムイオン電池３をＯＦＦ、鉛電池４をＯＮの状態として、鉛電池４による放電を継続させる（ステップＳ３０）。この後、Ｐｂ充電ＯＮフラグをＯＮ「１」とする（ステップＳ３８）。このとき、鉛電池４が放電時かをＬＤ端子信号により判定し（ステップＳ３１）、この鉛電池４が放電時である場合（ステップＳ３１：ＹＥＳ）は、第８所定時間、例えば１秒のタイマを起動させる（ステップＳ３２）。

【0042】

そして、ステップＳ２９にてリチウムイオン電池３が放電時でない（充電時）場合（ＮＯ）、およびステップ３１にて鉛電池４が放電時でない（充電時）場合（ＮＯ）も、それぞれステップＳ２へ戻る。

【0043】

一方、ステップＳ２８での判定で、リチウムイオン電池３の放電電圧が下限電圧を超えていない場合（ＮＯ）は、ＬＥＤ照明装置５における照明出力のデューティ比を測定し、測定したデューティ比を保存する（ステップＳ３３）。このデューティ比は、図５に示すデューティ比測定回路１０にて測定する。このデューティ比測定回路１０は、コンデンサ１２（例えば１０μＦ）と、第１抵抗１３（例えば２２ｋΩ）とが並列接続され、これらコンデンサ１２および第１抵抗１３に対して第２抵抗１４（例えば１００ｋΩ）が直列接続されて構成されている。要するに、デューティ比測定回路１０は、ＬＥＤ照明装置５における照明出力のデューティ比に比例した直流電圧がデューティ比測定回路１０から出力され、この直流電圧を測定して保存する。

【0044】

制御器８では、約１／６に減衰された後に平均化された直流電圧が測定される。この直流電圧は、ＬＥＤ照明装置５における照明出力のデューティ比が１００％の場合、例えば２．１６Ｖ（＝｛１２Ｖ・２２／（１００＋２２）｝・１．０）となる。また、ＬＥＤ照明装置５における照明出力のデューティ比が５０％の場合は、例えば１．０８Ｖ（＝｛１２Ｖ・２２／（１００＋２２）｝・０．５）となる。また、制御器８としてワンチップマイコンを用いた場合は、内蔵するＡ／Ｄコンバータ（図示せず）にて直流電圧を測定できる。そして、ＬＥＤ照明装置５における照明出力のデューティ比が０「ゼロ」の場合は、この照明出力が０「ゼロ」であり、コントローラ７の制御が、放電が終了して充電に移行したと判定する。

【0045】

その後、リチウムイオン電池３が放電時かを判定する（ステップＳ３４）。ステップＳ３４にてリチウムイオン電池３が放電時と判定した場合（ＹＥＳ）は、ループ回数をカウントする計数器のカウントを「＋１」する（ステップＳ３５）。要するに、ステップＳ３５は、ループを一回りするごとに計数器のカウントを「＋１」する。一方、ステップＳ３４にてリチウムイオン電池３が放電時でないと判定した場合（ＮＯ）は、計数器を０「ゼロ」にリセットして（ステップＳ３９）、ステップＳ２へ戻る。

【0046】

次いで、計数器のカウント数（計数結果）が、既存値の目標ループ回数ＬＣに達しているかを判定する（ステップＳ３６）。ステップＳ３６にて計数器のカウント数がＬＣに達していると判定した場合（ＹＥＳ）は、リチウムイオン電池３の放電時間が所定時間（所定の回数）経過（終了）している。このため、計数器のカウント数を「ＬＣ－１」にプリセット（計数ループを１回のみ通過できるように）してステップＳ３０へ戻り、以降の放電を鉛電池４からとし、ステップＳ３０，Ｓ３８，Ｓ３１，Ｓ３２にて鉛電池４の放電を継続させ、ステップＳ３１にて鉛電池４が放電時でない（充電時）場合（ＮＯ）になったらステップＳ２へ戻る。また、計数器のカウント数が目標ループ回数ＬＣに達していない場合（ステップＳ３６：ＮＯ）もＰｂ充電ＯＮフラグをＯＮ「１」として（ステップＳ４０）、ステップＳ２へ戻る。なお、前記ステップＳ３８においても、Ｐｂ充電ＯＮフラグをＯＮ「１」としていて、充電に移行した際には必ず１６５分間のＰｂ日出充電（図６の５））が行われるようにしている。

【0047】

＜回路構成＞
次いで、電池制御部６の回路図について、図３を参照して説明する。本実施の形態では、制御器８には前述したようにワンチップマイコンが用いられている。また、スイッチ９はＰ型の第１ないし第４ＭＯＳＦＥＴ１２～１５にて構成され、第１および第２ＭＯＳＦＥＴ１２，１３はリチウムイオン電池３のＯＮ－ＯＦＦ（コントローラ７への接続、切断）を切り換え、第３および第４ＭＯＳＦＥＴ１４，１５は鉛電池４のＯＮ－ＯＦＦを切り換える。リチウムイオン電池３用、鉛電池４用にそれぞれ２個づつ用いられているのは、ＦＥＴ内部Ｄ－Ｓ間に形成されるダイオード（ボディダイオード、寄生ダイオード）を無効化するためである。

【0048】

さらに、第１ＭＯＳＦＥＴ１２には識別用ＬＥＤ１６が接続されている。識別用ＬＥＤ１６は、リチウムイオン電池３がＯＮ、鉛電池４がＯＦＦ（リチウムイオン電池モード）の場合に点灯し、リチウムイオン電池３がＯＦＦ、鉛電池４がＯＮ（鉛電池モード）の場合に消灯し、動作状態を識別できる構成とされている。リチウムイオン電池３がＯＮの場合の電圧測定は、制御器８のＡ／ＤコンバータであるＡＮ２端子で行われる。さらに、デューティ比を測定するためのデューティ比測定回路１０と、制御器８に接続される第１および第２スイッチ１７，１８とが設けられている。そして、第１および第２スイッチ１７，１８によって、負荷種類４通りを選択できる構成となっている。また、リチウムイオン電池３の上限電圧および下限電圧は、適切な値が制御器８のプログラム中に設定されている。

【0049】

＜動作タイミング＞
次いで、制御器８が行う制御の動作タイミングの一例について、図６に基づいて説明する。

【0050】

まず、図４に示す動作タイミングは、次の事項を前提としている。
・「３）日出／日没（日出および日没）」の判定は、充放電制御を行うコントローラ７が「２）ソーラー発電電圧（ソーラーパネル２での発電電圧）」に基づいて判定する。
・日出判定以降を「充電期間」とし日没判定以降を「放電期間」とする。制御器８は、ＬＥＤ照明装置５への照明出力が存在（デューティ比２０％以上、すなわち平均電圧１／５以上で放電時と判定し、デューティ比２０％未満で充電時と判定）するかで決定する。
・ＬＥＤ照明装置５の点灯時間や明るさ（デューティ比で定める）はコントローラ７が制御する。制御器８は、ＬＥＤ照明装置５の照明出力の平均電圧を測定して現在のデューティ比（何％）を判定する。
・第４日目における負荷（ＬＥＤ照明装置５による負荷）は、第１日目から第３日目に比べ３１％増加しているものとする。
・「５）Ｐｂ日出充電（鉛電池４を日出のタイミングで行う充電：Ｐｂ短期充電）」、「６）Ｌｉ充電（リチウムイオン電池３を充電：Ｌｉ長期充電」および「１２）Ｌｉ放電（リチウムイオン電池３を放電：Ｌｉ長期放電）」は毎日必ず行われる。

【0051】

まず、日出判定とともに充電期間として「５）Ｐｂ日出充電」を開始する（矢印１，１３，２６，３４）。この「５）Ｐｂ日出充電」は、鉛電池４の充電状態を保つために日出直後の薄暗い時間帯に毎日必ず行われる。

【0052】

次いで、「５）Ｐｂ日出充電」を、所定時間、例えば１６５分間行った後、「６）Ｌｉ充電」に移行する（矢印２，１４，２７，３５）。この所定時間は、鉛電池４の定格容量の所定量、例えば５％程度の充電量を目安として決定している。「５）Ｐｂ日出充電」は、ソーラーパネル２による発電量が少なく充電時間が短いため鉛電池４を十分に充電できないが、主として用いるリチウムイオン電池３の充電を妨げないように所定時間経過後に終了して「６）Ｌｉ充電」を開始する。

【0053】

「６）Ｌｉ充電」中は、リチウムイオン電池３の出力電圧を監視し、この出力電圧が予め定めた上限基準値を超えた場合（ＹＥＳの場合：ほぼ満充電状態）に（矢印３，１５，３６）、「６）Ｌｉ充電」を終了する（矢印４，１６，３７）。要するに、「６）Ｌｉ充電」は、ソーラーパネル２が十分発電可能になった時刻からリチウムイオン電池３がほぼ満充電になるまで行う。

【0054】

その後、「８）Ｐｂ日没前充電（鉛電池４を日没前に充電：Ｐｂ長期充電）」を開始する（矢印５，１７，３８）。そして、日没が到来したら、「８）Ｐｂ日没前充電」を終了する。

【0055】

一方、「７）Ｌｉ電圧上限値越え（リチウムイオン電池３の充電電圧が上限電圧を超えた）」でない場合（ＮＯ）は、例えば雨天などの影響によりリチウムイオン電池３が満充電になっていないため、「６）Ｌｉ充電」を継続し、「８）Ｐｂ日没前充電」を行わない。要するに、従として鉛電池４を用いているため、鉛電池４の充電は、主として用いるリチウムイオン電池３の充電を妨げないように行う。

【0056】

なお、「５）Ｐｂ日出充電」および「８）Ｐｂ日没前充電」による鉛電池４の充電は、鉛電池４の満充電を保つ程度の充電としている。

【0057】

日没を検出した場合、「６）Ｌｉ充電」または「８）Ｐｂ日没前充電」を終了する（矢印６，１８，２８，３９）。

【0058】

一方、「８）Ｐｂ日没前充電」が開始したときは、「８）Ｐｂ日没前充電」の終了後に、「９）Ｐｂ日没放電（鉛電池４の日没後の放電：Ｐｂ短期放電）」を所定時間、例えば０．５時間（３０分間）行う（矢印７，１９，４０）。「９）Ｐｂ日没放電」の実施時間は、ＬＥＤ照明装置５に流れる電流値と鉛電池４の放電時間とから放電電力量（単位：Ａｈ）を算出し、鉛電池４の定格容量（単位：Ａｈ）の２％程度を目安にする。

【0059】

「９）Ｐｂ日没放電」の終了後は、鉛電池４の出力電圧（Ｐｂ電圧）を測定し、この出力電圧が予め定めた基準値を超えた場合、要するにほぼ満充電状態の場合（ＹＥＳ：矢印９，４２，８，４１）、鉛電池４の過充電を解消させて鉛電池４の充放電バランスを取ることを目的として「１１）Ｐｂ延長放電（鉛電池４を延長して放電）」を所定時間、例えば９０分間行う（矢印１０，４３）。この所定時間は、鉛電池４の定格容量の６％程度の放電電力量を目安にする。

【0060】

「１０）Ｐｂ電圧基準値超え（鉛電池４の出力電圧が予め定めた基準値を超えた）」が未達の場合（ＮＯ：矢印２０）は、「１１）Ｐｂ延長放電」を行わずに「１２）Ｌｉ放電」を開始する（矢印２１）。要するに、鉛電池４が十分に充電されていないと想定し、鉛電池４を使いすぎないように「１１）Ｐｂ延長放電」を行わない。

【0061】

一方、「７）Ｌｉ電圧上限値越え」がなければ（ＮＯの場合）、「８）Ｐｂ日没前充電」と「９）Ｐｂ日没放電」を行わず、日没後は「１２）Ｌｉ放電」から開始する（矢印２９）。

【0062】

そして、「１３）Ｌｉ６８％使用（リチウムイオン電池３の定格容量のうちの寿命実現のための所定容量、例えば６８％を放電させて使用）」がＹＥＳの場合（矢印２２，３０，４５）は、「１２）Ｌｉ放電」を停止し（矢印２３，３１，４６）、「１４）Ｐｂ日出前放電：鉛電池４の日出前の放電：Ｐｂ援助放電」を開始し（矢印２４，３２，４７）、ＬＥＤ照明装置５の不点灯を防止するとともに、リチウムイオン電池３の過放電による劣化の進行（寿命の低下）を防止する。ここで、リチウムイオン電池３の定格容量（単位：Ａｈ）は、リチウムイオン電池３からＬＥＤ照明装置５へ流した電流値と放電経過時間とに基づく放電電力量（単位：Ａｈ）を算出し図３を考慮して判断する。

【0063】

日出を検出した場合は、「１２）Ｌｉ放電」または「１４），１６）Ｐｂ日出前放電」を終了する（矢印１２，２５，３３，５１，５２）。

【0064】

そして、「１５）Ｌｉ電池下限値越え：リチウムイオン電池３の出力電圧を測定し、この測定した出力電圧が予め定めた下限値を低下」が発生したとき（矢印４８）、「１２）Ｌｉ放電」を停止し（矢印４９）、「１６）Ｐｂ日出前放電：鉛電池４の日出前放電」を開始して（矢印５０）、リチウムイオン電池３を過放電から保護する。この「下限値」は、例えばリチウムイオン電池３の電池残量１０％時の電圧（下限電圧）などである。また、「１６）Ｐｂ日出前放電」は、鉛電池４の所定の放電深度（例えば、１５％）を超えないように行う。

【0065】

以上により、制御器８が行う制御は、リチウムイオン電池３および鉛電池４が同時に放電（出力ＯＮ）したり停止（出力ＯＦＦ）したりしないようにしている。そして、日没後の放電開始時においては、リチウムイオン電池３の充電電圧が上限電圧を超えＰｂ日没前充電が行われた場合にのみＰｂ日没放電（例えば３０分間程度）を開始させ、その後リチウムイオン電池３の放電を開始させている。リチウムイオン電池３は、定格容量の６８％を消費しても、コントローラ７によって設定された所定の放電時間が終了しない場合に、再度鉛電池４を放電させることで、例えば日没から日出までの全時間に亘ってＬＥＤ照明装置５の点灯を継続させることができる。

【0066】

一方、充電時においては、まず鉛電池４の充電（例えば１６５分間）を開始し、その後リチウムイオン電池３の充電を開始しており、リチウムイオン電池３が満充電状態になった場合に、再度鉛電池４の充電を開始し、日出から日没までの全時間帯に亘って、リチウムイオン電池３および鉛電池４のいずれかの充電を行うようにしている。ただし、例えば悪天候などの影響で、リチウムイオン電池３が満充電状態にならない場合においては、鉛電池４の再度の充電を行わず、主として用いるリチウムイオン電池３の充電を優先させている。

【0067】

要するに、どのような天候においても、鉛電池４のＰｂ日出充電（例えば１６５分間）を必ず行うものの、リチウムイオン電池３を優先して用いているため、リチウムイオン電池３の充放電を十分行う構成としている。すなわち、このような鉛電池４の微小ながら確実な充放電の実施により、サイクリック的に鉛電池４を使用する場合において長寿命化を促すことができる。

【0068】

また、Ｐｂ日没放電（３０分間）の後、鉛電池４の充電量に余力があると見なせる場合、Ｐｂ延長放電（９０分間）をさらに行うようにし、鉛電池４の過充電を軽減させ、過充電が原因とされる鉛電池４の正極端子の腐食を防止する。また、過放電が原因とされる負極端子の腐食については、Ｐｂ日没前充電が実施された時のみＰｂ日没放電を行うことで過放電を軽減させ寿命の低下を抑制している。

【0069】

＜作用効果＞
従来のソーラー照明システムにおいては、日中はソーラーパネルの発電電流で二次電池を充電し、夜間は二次電池からの放電電流でＬＥＤ照明装置を点灯しており、これらの電流制御をコントローラ７が行う構成となっている。二次電池としては、単体または複数並列された同種の蓄電池が用いられることが多く、この種の繰り返しの充放電が可能な二次電池として、リチウムイオン電池や鉛電池が多く用いられている。鉛電池は、形状が嵩張る点や重量が大きな点に加え、繰り返しの充放電に伴う充電容量の低下が大きい（電池寿命が短い：通常５年程度）点が大きな欠点となる。一方、リチウムイオン電池は、電池寿命が長い（鉛電池の３～５倍）ものの、一般的に鉛電池に比べ非常に高額（例えば３．９倍）であって、電池寿命という長所を考慮しても費用的に割高になってしまう傾向にある。このような点から、これら異種の二次電池、要するにリチウムイオン電池と鉛電池とを併用することが考えられ、電池寿命を優先してリチウムイオン電池を主として用い、鉛電池を補佐的またはバックアップ的存在として（従として）用いることが考えられる。

【0070】

一般的にリチウムイオン電池や鉛電池等の二次電池の電池寿命を伸ばすためには、これら二次電池を充電し続けたり放電し続けたりせず、微小な電流での充放電を繰り返すことが望ましいとされている。要するに、充放電の交互動作をさせることで、これら二次電池を充電し続けたり放電し続けたりした場合に発生し得る正極または負極の劣化を抑制できるためである。

【0071】

そこで、本実施の形態においては、リチウムイオン電池３を主として用い、鉛電池４を従として用いつつも、これらリチウムイオン電池３および鉛電池４を長時間に亘って充電し続けたり放電し続けたりせず、これらリチウムイオン電池３および鉛電池４それぞれの電池寿命の長寿命化を目指している。

【0072】

具体的に、本実施の形態において、ソーラー照明システム（二次電池使用システム）１は、太陽エネルギーを受けて発電するソーラーパネル（発電部）２と、ソーラーパネル２にて発電された電気を充電する二次電池３，４と、二次電池３，４にて充電された電気を電源として駆動するＬＥＤ照明装置（駆動部）５と、ソーラーパネル２、二次電池３，４およびＬＥＤ照明装置５のそれぞれに接続され、二次電池３，４に対する充放電制御およびＬＥＤ照明装置５に対する給電制御を行う全体コントローラ１０と、を備えている。そして、二次電池３，４としては、主として用いるリチウムイオン電池（第１二次電池）３と、リチウムイオン電池３に比べ充放電の繰り返しによる充電容量の低下が大きな従として用いる鉛電池（第２二次電池）４とを有しており、全体コントローラ１０が、リチウムイオン電池３の充電を鉛電池４の充電より優先し、かつリチウムイオン電池３の放電を鉛電池４の放電より優先する構成となっている。

【0073】

これにより、主として用いるリチウムイオン電池３の充放電を、鉛電池４の充放電よりも優先させることで、鉛電池４の充放電の繰り返しによる充電容量の低下を適切に抑制できる。このため、リチウムイオン電池３の目標寿命までの不足分に対応できる容量、数の鉛電池４を用い、リチウムイオン電池３および鉛電池４の容量や数を、リチウムイオン電池３の目標寿命を確保できる範囲で最も安価となるように選ぶことで、所望する交換時期（目標寿命）を長くでき、低コスト化を達成できる。

【0074】

そして、全体コントローラ１０は、リチウムイオン電池３の充電時間を鉛電池４の充電時間より長くし、かつリチウムイオン電池３の放電時間を鉛電池４の放電時間より長くするように充放電制御をするため（鉛電池４の充放電量はリチウムイオン電池３の約２０％）、鉛電池４の充放電の繰り返しによる充電容量の低下をより適切に抑制できる。

【0075】

さらに、全体コントローラ１０は、リチウムイオン電池３の充電時間を正午を挟んだ時間とし、鉛電池４の充電時間をリチウムイオン電池３の充電時間の前後少なくとも一方の時間とする充電制御を行う。また同時に、全体コントローラ１０は、リチウムイオン電池３の放電時間を午前零時を挟んだ時間とし、鉛電池４の放電時間をリチウムイオン電池３の放電時間の前後の時とする放電制御を行う構成となっている。

【0076】

これにより、比較的充放電量の大きな主として用いるリチウムイオン電池３を、比較的充電効率の良いタイミングで鉛電池４に優先させて充電できるとともに、鉛電池４に比べて平均で約４倍の時間帯での放電をリチウムイオン電池３で行うことができる。一方、充放電の繰り返しによる充放電量の劣化が大きな鉛電池については、あくまで従として用いることを目的として、リチウムイオン電池３の充電の前後、及びリチウムイオン電池３の放電の前後にて行うようにしているため、主として用いるリチウムイオン電池３の充電量を確実に確保できつつ、鉛電池４の充電量を確保できる。

【0077】

上述のように、本発明に係るソーラー照明システム１は、リチウムイオン電池３が主で充放電動作の約８割を占め（年間平均で）、鉛電池４が従で残りの約２割を占めている。しかし、この割合は、ほとんど天候が順当で、ある程度以上の日照が発生するときに当てはまるものであり、梅雨・秋雨・台風等による数日に亘る長雨などの天候不順時は主従が逆転し、リチウムイオン電池３が一晩程度の照明であり、後は鉛電池４の充電容量頼みとなる。したがって、普段から鉛電池４の充電容量を高く（定格容量に近く）保つ必要があることと、天候不順時のバックアップとして何日間照明を保持するかとにより、鉛電池４の必要な定格容量が決まる側面もある。

【0078】

具体的に、全体コントローラ１０は、リチウムイオン電池３を主として用いる二次電池とし、このリチウムイオン電池３の放電深度を６８％に抑えて使用しているため、リチウムイオン電池３のサイクル寿命特性から目標寿命１０年を達成できる。その一方で、鉛電池４を従として用いる二次電池とし、鉛電池４を充電し続けたり放電し続けたりせず、日出充電もしくは日没前充電という比較的軽度（定格容量の５～１０％程度）な充放電を連日行う構成としているため、鉛電池４においてもサイクル寿命特性から目標寿命１０年を達成できる（図４より定格容量の１５％が限度）。要するに、比較的高価なリチウムイオン電池３を複数個使用して目標寿命１０年を達成する場合に比べ、比較的廉価な鉛電池４とリチウムイオン電池３とをそれぞれ使用し、これらリチウムイオン電池３および鉛電池４のサイクル寿命特性の範囲内で充放電を行うことにより、これらリチウムイオン電池３および鉛電池４の目標寿命１０年を達成でき交換サイクル期間を倍加できるため、運用面を含めたソーラー照明システム１としてのトータルコストを大幅に削減できる。

【産業上の利用可能性】

【0079】

本発明は、二次電池を備えた二次電池使用システムにおいて、充放電の繰り返しによる充電容量の低下が異なる２種類の二次電池を併用する場合に利用できる。

【符号の説明】

【0080】

１ ソーラー照明システム
２ ソーラーパネル
３ リチウムイオン電池
４ 鉛電池
５ ＬＥＤ照明装置
６ 電池制御部
７ コントローラ
８ 制御器
９ スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】