JP2005224013A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリを現在の使用状態でチェック可能にして、どのようなバッテリが接続された場合でもそのバッテリに応じた適切な充放電制御などのバッテリ管理が可能な電源装置を提供すること。
【解決手段】バッテリ６の出力とエンジンにより駆動されるを発電機の出力とで負荷への給電を行う。検出部２１でバッテリ電圧Ｖ、バッテリ電流Ｉおよびバッテリ雰囲気温度Ｔを検出し、バッテリ容量算出部２３および放電率算出部２５でバッテリ容量および放電率を推定し、放電許容時間算出部２６で放電許容時間を求める。この放電許容時間によりバッテリ６の放電時間制限を行う。バッテリ６は発電機出力で充電され、このときの充電電流は充電上限電流算出部２７で算出された充電上限電流に従って制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、エンジンで駆動される発電機の出力に対して、バッテリからの電力補給を無理なく行うことができるようにした電源装置に関する。

エンジン駆動式発電機などの発電装置は、携帯用から非常用までさまざまな用途の電源装置として普及している。比較的小出力の電源装置では、例えば、水銀灯負荷とか電動機負荷などの起動時に一時的に大電流が流れる負荷が接続された場合、一時的に過負荷状態が発生し、エンジンおよび発電機の回転数が低下し、ストール（エンスト）が起こることがある。すなわち、一時的な過負荷状態が発生すると、エンジンの回転数が低下し、この低下により発電機の出力が低下し、さらなる過負荷状態に陥るという悪循環によりストールが起こる。従って、エンジン駆動式発電機の定格に対し電動機負荷などの誘導負荷は１／３程度のものしか使用できない。

下記特許文献１には、過負荷時に不足電力分をバッテリから融通するようにして一時的な過負荷やこれに起因する負荷追従遅れを抑制するインバータ式発電機が記載されている。
特開２００３−１０２２００号公報

上記特許文献１に記載されているような過負荷時に不足電力分をバッテリから融通するシステムでは、バッテリの過放電を防止するためにバッテリの状態に応じて逐次自動的に充電するなどのバッテリ管理システムが必要となる。バッテリは長期使用での劣化が大きく、また温度などの環境の影響を受けやすいため、ただ単にバッテリ電圧の低下検出に基づいて充電したり、表示容量を基準にして一律的な消費制限を行ったりする、持ち出し電荷量と充電電荷量を考慮するだけのバッテリ管理ではバッテリの過放電を十分に防止することができない。

また、バッテリをエンジン始動用バッテリと兼用する場合には、エンジン始動用モータを起動するのに必要なバッテリの容量を確保しつつバッテリから負荷へ給電する必要がある。

さらに、接続される負荷の大きさに応じて容量の異なるバッテリに取り替えることが考えられるが、そのような場合には、取り替えられたバッテリに対する充放電レベルなどをその都度設定してバッテリ管理を行わなければならず、その設定が面倒であると共にそれを適切に設定することが困難であるという課題がある。

本発明は、上記課題を解決し、バッテリを現在の使用状態でチェック可能にして、どのようなバッテリが接続された場合でもそのバッテリに応じた適切な充放電制御などのバッテリ管理が可能な電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、エンジンで駆動される発電機と、該発電機の出力を負荷に供給する制御回路と、電力源としてのバッテリと、該バッテリの出力と前記発電機の出力とで負荷への給電を行う電源装置において、バッテリの容量および放電率を推定し、これらに基づいてバッテリの出力に応じた放電許容時間を求め、該放電許容時間が設定時間以下となったときに前記バッテリからの出力取り出しを停止させ、前記発電機の出力で前記バッテリを充電するように構成した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、バッテリ電圧、バッテリ電流およびバッテリ雰囲気温度をそれぞれ監視する検出部を備え、バッテリ電圧とバッテリ電流の時間変化から前記バッテリの内部抵抗を推定し、該内部抵抗に基づいて前記バッテリ容量を推定すると共に、該内部抵抗とバッテリ電圧、バッテリ電流およびバッテリ雰囲気温度から使用時点での前記バッテリの起電圧を推定し、該起電圧から前記バッテリの放電率を推定する点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記バッテリの容量と放電率から充電電流上限許容値を求め、前記バッテリへの充電電流を該充電電流上限許容値に従って制御する点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記バッテリの容量あるいは放電率が許容値を外れている場合、警告表示を行うように構成した点に第４の特徴がある。

また、本発明は、前記発電機の出力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して負荷側へ出力するインバータと、前記バッテリの出力を前記インバータの入力側へ出力するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、負荷電流が所定値以下のときには前記発電機から出力を取り出さずに前記バッテリから出力を取り出して負荷への給電を行う点に第５の特徴がある。

また、本発明は、前記放電許容時間が所定値以下になったときには前記エンジンを自動的に始動して前記発電機の出力で前記バッテリを充電するように構成した点に第６の特徴がある。

さらに、本発明は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである点に第７の特徴がある。

本発明の第１の特徴によれば、発電機の出力に対してバッテリからの電力供給を無理なく行うことができるようになる。

また、第２の特徴によれば、バッテリの状態を現在の使用状態でチェックできるので、どのようなバッテリが接続された場合でもバッテリ状態に応じた適切な充放電制御などのバッテリ管理が可能になる。

また、第３の特徴によれば、充電電流を適正範囲に抑制でき、かつ過充電を防止することができると共に、効率のよい運転を行わせることができる。

また、第４の特徴によれば、バッテリの容量や放電率に基づいてバッテリの劣化を警告し、過放電を防止することができる。

また、第５の特徴によれば、軽負荷時にはバッテリ側から負荷へ給電することで、エンジン発電機の出力を使用せずに負荷への給電を効率的に行うことができる。

また、第６の特徴によれば、バッテリの能力が不足したときにエンジン発電機を始動してバッテリを充電し、負荷量に応じてエンジン発電機を間欠的に運転することでバッテリの能力不足に対応するため、軽負荷時の運転効率を高めることができる。

さらに、第７の特徴によれば、バッテリからの電力の取り出しおよびバッテリの充電を同一回路で簡単、確実に行うことができるようになる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係る電源装置の概念を示すブロック構成図である。同図において、発電機１は、例えば３相の多極磁石発電機からなる。発電機１は、エンジン２に連結され、エンジン２により駆動されるエンジン駆動式発電機であり、エンジン始動用電動機として動作することもできる電動機兼用発電機である。

整流回路３は、発電機１の出力を整流するものであり、また、その出力側から与えられるＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加する駆動用インバータとしても機能する。

電力変換部４は、ＤＣレギュレータ４−１とインバータ４−２とを有し、整流回路３あるいは後述するＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力を所定周波数の交流電力に変換して負荷側へ出力する。なお、電力変換部４のＤＣレギュレータ４−１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力変動がインバータ４−２に及ばないようにようにする。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、バッテリ６の電圧を昇圧し、昇圧したＤＣ電圧を整流回路３の出力側に出力する。負荷に対するバッテリ６の電力供給能力が低下したとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、バッテリ６側からの出力取り出しを停止し、発電機１の出力を変換してバッテリ６に供給してバッテリ６を充電する。

以下では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５のバッテリ６側を一次側、整流回路３側を二次側と呼ぶことがある。バッテリ６は、例えば、セルスタータ駆動用として一般的に使用されている１２Ｖのバッテリである。

次に、図１の動作を説明する。以下では、エンジン２で駆動される発電機１による負荷への給電を「ジェネレータ発電」と称し、バッテリ６による負荷への給電を「バッテリ発電」と称する。

負荷電流が所定値以下の軽負荷時、バッテリ６の出力をＤＣ−ＤＣコンバータ５でＤＣ−ＤＣ変換し、さらに電力変換部４で所定周波数の交流電力に変換して負荷へ供給する。

このバッテリ発電の状態で常に後述のバッテリ管理が行われる。バッテリ６からの出力取り出しにより負荷に対するバッテリ６の電力供給能力が低下したとき、バッテリ６からの出力取り出しを停止させ、すなわちバッテリ発電を停止させると共に、エンジン２を自動的に始動させてジェネレータ発電を行わせる。

エンジン２の始動時には、バッテリ６のＤＣ電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ５で昇圧し、昇圧されたＤＣ電圧を駆動用インバータ（整流回路）３に与える。駆動用インバータ３は、始動指令によってスイッチング駆動され、ＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に与える。これにより、発電機１はエンジン始動用電動機として起動される。したがって、バッテリ６は電力供給能力が低下してもエンジン２を始動させるだけの能力は確保されていなければならない。

エンジン２が始動すると発電機１はエンジン２により駆動される。駆動用インバータ３は、スイッチング動作を停止して整流回路として機能する。発電機１の出力は、整流回路（駆動用インバータ）２で整流され、電力変換部４でのＤＣレギュレータ４−１で調整され、さらにインバータ４−２で所定周波数の交流電力に変換されて負荷へ供給される。また、バッテリ６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を通して整流回路２の出力により充電される。

図２は、バッテリ管理例の概念を示すブロック図である。バッテリ６の状態を認識するために、検出部２１でバッテリ電圧Ｖ、バッテリ電流（消費電流、充電電流）Ｉおよびバッテリ雰囲気温度Ｔを検出する。なお、このバッテリ雰囲気温度Ｔはバッテリ６が配置されている環境温度であり、本実施例においてはバッテリ６に隣接配置された電子回路ユニット基板のうちで、発熱部分を含まない部分の温度検出で対応している。以下に説明するバッテリ電圧Ｖ、バッテリ電流Ｉおよびバッテリ雰囲気温度Ｔに基づくバッテリ管理は、ソフトウエアあるいはハードウエアで実現される。

まず、内部抵抗算出部２２でバッテリ電圧Ｖおよびバッテリ電流Ｉの時間変化からバッテリ６の内部抵抗Ｒｘを算出する。この内部抵抗Ｒｘは、バッテリ電圧Ｖおよびバッテリ電流Ｉの時間変化をそれぞれΔＶ、ΔＩとすると、下記(1)式で算出することができる。

Ｒｘ＝ΔＶ／ΔＩ (1)

内部抵抗Ｒｘをバッテリ雰囲気温度Ｔで温度補正し、温度補正された内部抵抗Ｒｘをバッテリ容量算出部２３に入力して容量換算マップ（テーブル）を用いてバッテリ６の現在の容量Ｑｏを推定する。内部抵抗Ｒｘはバッテリ雰囲気温度Ｔで温度補正されていることから、バッテリ容量算出部２３では温度補正された容量Ｑｏを推定することができる。

また、バッテリ起電圧推定部２４でバッテリ電圧Ｖ、バッテリ電流Ｉおよびバッテリ６の内部抵抗Ｒｘを用いて下記(2)式でバッテリ６の起電圧Ｖｏを推定する。なお、この推定に際しての下記(2)式のバッテリ電圧Ｖとしては、バッテリ雰囲気温度Ｔで温度補正されたバッテリ電圧を用いる。

次に、放電率算出部２５で、推定された起電圧Ｖｏから放電率換算マップを用いてバッテリ６の放電率Ｑｄを推定する。バッテリ電圧Ｖはバッテリ雰囲気温度Ｔで温度補正されていることから、放電率算出部２５では温度補正された放電率Ｑｄを推定することができる。

Ｖｏ＝Ｖ＋Ｒｘ×Ｉ (2)

推定されたバッテリ６の容量Ｑｏと放電率Ｑｄは現在のバッテリ６の現在の状態を表すので、これらに基づいてバッテリ６の充放電を制御する。具体的には、バッテリの容量Ｑｏと放電率Ｑｄを放電許容時間算出部２６に入力し、放電許容時間マップを用いて放電許容時間を求める。また、バッテリの容量Ｑｏと放電率Ｑｄを充電上限電流算出部２７に入力し、充電上限電流マップを用いて充電上限電流（充電電流上限許容値）を求める。

ここで、放電許容時間はバッテリ６から出力取り出しを許容する時間であり、充電上限電流はバッテリ６を充電するのに適切な電流であり、これらに基づいて放電時間制限および充電時電流制限を行う。

以上のようにして求められた放電許容時間を設定し、放電許容時間を下回ったときにはバッテリ６からの出力取り出しを停止させ、すなわちバッテリ発電を停止させると共に、エンジン２を自動的に始動させてジェネレータ発電を行わせて発電機１側からの出力でバッテリ６を充電する。

このときの充電電流は上記のようにして求められた充電上限電流に近づくように制御することによって効率のよい運転を行わせることができる。また、バッテリの容量値や放電率の異常を検出してバッテリ６の劣化や電力供給能力不足を判断し、バッテリエラーを警告表示させることもできる。

図３は、本発明に係る電源装置の具体的回路の一例を示す回路図であり、図１と同一あるいは同等部分には同じ番号を付してある。３相の発電機１は、エンジン（図示せず）に連結される。発電機１の出力側は、整流回路（駆動用インバータ）３に接続される。整流回路３の各整流素子（ダイオード）にはＦＥＴなどのスイッチング素子（以下、ＦＥＴと記す。）３−１〜３−６が並列接続されており、これらのＦＥＴ３−１〜３−６は、そのオン、オフによりＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加する駆動用インバータを構成している。

なお、整流回路３を構成する整流素子は、ＦＥＴなどのスイッチング素子の寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。

電力変換部４のＤＣレギュレータ４−１は、例えばＦＥＴ、チョークコイル、コンデンサ、ダイオードなどを含み、ＦＥＴがＰＷＭ変調されて整流回路３の出力を平滑・調整する。インバータ４−２は、例えば４つのＦＥＴ４−２−１〜４−２−４をブリッジ接続して構成される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、バッテリ６と整流回路３の出力側との間で双方向で電力をやり取り可能なものであり、一次側の低圧側巻線５−１−１と二次側の高圧側巻線５−１−２を備えるトランス５−１含む。バッテリ６の充放電制御は、上記説明のようにして求められた放電許容時間および充電上限電流に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ５を制御することにより実現できる。ＤＣ−ＤＣコンバータ５の昇圧比は、低圧側巻線５−１−１と高圧側巻線５−１−２の巻線比により決定される。

低圧側スイッチング部５−２は、低圧側巻線５−１−１側に挿入され、高圧側スイッチング部５−３は、高圧側巻線５−１−２側に挿入される。低圧側スイッチング部５−２は、例えば、４つのＦＥＴ５−２−１〜５−２−４をブリッジ接続して構成され、高圧側スイッチング部５−３も同様に４つのＦＥＴ５−３−１〜５−３−４で構成される。

低圧側スイッチング部５−２および高圧側スイッチング部５−３の各ＦＥＴ５−２−１〜５−２−４、５−３−１〜５−３−４にはダイオードなどの整流素子が並列接続される。これらの整流素子もＦＥＴの寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。並列接続された整流素子を合わせれば、低圧側スイッチング部５−２および高圧側スイッチング部５−３はそれぞれ、スイッチング・整流部と考えることができる。

トランス５−１の高圧側巻線５−１−２側にはＬＣ共振回路５−４が挿入される。ＬＣ共振回路５−４は、低圧側スイッチング部５−２および高圧側スイッチング部５−３の少なくとも一方が駆動されたときに流れる電流を正弦波状にし、スイッチング損失を低減し、また、大電流によるＦＥＴ破壊を招かないように機能する。これは、正弦波状の電流の零クロス点付近でＦＥＴをオン、オフさせることが容易に可能になるからである。なお、ＬＣ共振回路５−４は、二次側に限られず一次側に設けてもよい。

低圧側スイッチング部５−２のＦＥＴ５−２−１〜５−２−４および高圧側スイッチング部５−３のＦＥＴ５−３−１〜５−３−４は、ＣＰＵなどからなる制御回路（図示せず）によりスイッチング制御される。なお、一次側および二次側に接続されているコンデンサ７、８は、出力平滑用コンデンサである。

低圧側スイッチング部５−２と高圧側スイッチング部５−３は、周知のように、低圧側スイッチング部５−２においてはＦＥＴ５−２−１と５−２−４のペア、ＦＥＴ５−２−２と５−２−３のペアが交互にオン、オフされ、高圧側スイッチング部５−３においてはＦＥＴ５−３−１と５−３−４のペア、ＦＥＴ５−３−２と５−３−３のペアが交互にオン、オフされるように駆動される。

駆動用インバータ３のＦＥＴ３−１〜３−６を周知のようにＰＷＭ駆動すれば、発電機１をエンジン始動用電動機として動作させることができる。この際、発電機（電動機）１の動きに従って逆起電圧で電流分配が変化することを利用して位相判別することにより、センサレスでＦＥＴ３−１〜３−６を同期駆動することができる。ＦＥＴ３−１〜３−６を駆動しなければ、駆動用インバータ部分は発電機１の出力の整流回路として動作するようになる。

以上、実施形態について説明したが、本発明においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を、一次側と二次側とを完全同期ですなわち同一の駆動信号で駆動させる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとして構成することもできる。この形態によりＤＣ−ＤＣコンバータ５は、トランスの巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に基づいて双方向で電力変換を行うものとなり、またバッテリ６側からの給電とバッテリ６の充電とを同一回路で簡単、確実に行わせることができる。

本発明に係る電源装置の概念を示すブロック構成図である。 バッテリ管理例の概念を示すブロック図である。 本発明に係る電源装置の具体的回路の一例を示す回路図である。

符号の説明

１・・・発電機、２・・・エンジン、３・・・整流回路（駆動用インバータ）、３−１〜３−６，４−１〜４−４，５−２−１〜５−２−４，５−３−１〜５−３−４・・・ＦＥＴ、４・・・電力変換部、４−１・・・ＤＣレギュレータ、４−２・・・インバータ、５・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ、５−１・・・トランス、５−１−１・・・低圧側巻線、５−１−２・・・高圧側巻線、５−２・・・低圧側スイッチング部、５−３・・・高圧側スイッチング部、５−４・・・ＬＣ共振回路、６・・・バッテリ、７，８・・・平滑用コンデンサ、２１・・・検出部、２２・・・内部抵抗算出部、２３・・・バッテリ起電圧推定部、２４・・・バッテリ容量算出部、２５・・・放電率算出部、２６・・・放電許容時間算出部、２７・・・充電上限電流算出部

Claims (7)

1. エンジンで駆動される発電機と、該発電機の出力を負荷に供給する制御回路と、電力源としてのバッテリと、該バッテリの出力と前記発電機の出力とで負荷への給電を行う電源装置において、
   バッテリの容量および放電率を推定し、これらに基づいてバッテリの出力に応じた放電許容時間を求め、該放電許容時間が設定時間以下となったときに前記バッテリからの出力取り出しを停止させ、前記発電機の出力で前記バッテリを充電するように構成したことを特徴とする電源装置。
2. バッテリ電圧、バッテリ電流およびバッテリ雰囲気温度をそれぞれ監視する検出部を備え、バッテリ電圧とバッテリ電流の時間変化から前記バッテリの内部抵抗を推定し、該内部抵抗に基づいて前記バッテリ容量を推定すると共に、該内部抵抗とバッテリ電圧、バッテリ電流およびバッテリ雰囲気温度から使用時点での前記バッテリの起電圧を推定し、該起電圧から前記バッテリの放電率を推定することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記バッテリの容量と放電率から充電電流上限許容値を求め、前記バッテリへの充電電流を該充電電流上限許容値に従って制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記バッテリの容量あるいは放電率が許容値を外れている場合、警告表示を行うように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
5. 前記発電機の出力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して負荷側へ出力するインバータと、前記バッテリの出力を前記インバータの入力側へ出力するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、負荷電流が所定値以下のときには前記発電機から出力を取り出さずに前記バッテリから出力を取り出して負荷への給電を行うことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
6. 前記放電許容時間が所定値以下になったときには前記エンジンを自動的に始動して前記発電機の出力で前記バッテリを充電するように構成したことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
7. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項５に記載の電源装置。

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