JP2012125123A

JP2012125123A - 電源システム

Info

Publication number: JP2012125123A
Application number: JP2010276292A
Authority: JP
Inventors: Keita Takahashi; 慶多高橋; Keiichi Saito; 景一斉藤; Akihiro Miyasaka; 明宏宮坂
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】組電池が有する複数の蓄電池のうち一部の蓄電池のみの劣化が進む場合でも、蓄電池を効率よく利用することを可能にする。
【解決手段】電源システム１０は、整流器１と、組電池２と、制御部３とを有する。整流器１は、交流電源４から出力される交流電力を直流電力に変換して負荷５へ供給する。組電池２は、整流器１から出力される直流電力により充電される複数の単電池６を直列に接続して構成され、交流電源４の停電時に負荷５へ直流電力を供給する。制御部３は、整流器１の出力電圧を制御する。そして、整流器１の最高出力電圧は、単電池６の満充電電圧の許容範囲に含まれる電圧値と単電池６の直列数との積により得られる電圧値に設定される。また、制御部３は、整流器１の出力電圧が最高出力電圧であり、かつ、印加電圧が満充電電圧の許容範囲の下限値を下回る単電池６がある場合に、整流器１の出力電圧を上昇させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関する。

従来、交流電源から出力される交流電力を直流電力に変換して負荷へ供給する電源システムがある。図５は、従来の電源システムの一例を示す図である。図５に示すように、例えば、従来の電源システム２０は、整流器１１と、組電池１２とを有する。整流器１１は、交流電源１４から出力される交流電力を直流電力に変換して負荷１５へ供給する。組電池１２は、複数の単電池１６を直列に接続して構成される。また、組電池１２は、整流器１１から出力される直流電力により充電され、交流電源１４の停電時に負荷１５へ直流電力を供給する。

特開２００８−１４８４８５号公報特開２００８−２１１９３５号公報特開２００８−２７８６６８号公報

しかしながら、上述した従来の電源システムでは、組電池が有する複数の蓄電池のうち一部の蓄電池のみの劣化が進む場合があり、蓄電池を効率よく利用することができないという課題があった。

例えば、図５に示す電源システム２０では、交流電源１４が有効である限り、組電池１２は常に充電される状態にある。また、組電池１２の印加電圧（組電池１２に印加される電圧）すなわち整流器１１の出力電圧は、単電池１６の満充電電圧と単電池１６の直列数との積に設定される。そのため、通常、各単電池１６の印加電圧は、組電池１２の印加電圧を単電池１６の数で割った値となる。

しかし、偏った経年劣化や製造上のばらつき、使用環境の差などによって、複数の単電池１６の間で印加電圧にばらつきが生じることがある。すなわち、組電池１２内で、他より印加電圧が高い単電池１６や、他より印加電圧が低い単電池１６が存在する状態が生じる。このような印加電圧のばらつきが生じた場合には、単電池１６の全てが満充電になることを想定して設定された充電電圧に組電池１２の印加電圧が到達したとしても、一部の単電池１６の印加電圧が満充電電圧の許容範囲を下回ることになる。かかる印加電圧のばらつきは交流電力が組電池１２に供給されている間は常に継続し、かつ、組電池１２が充放電を繰り返しても解消されない。つまり、組電池１２が満充電電圧に達したとしても、その構成要素である一部の単電池１６の印加電圧が満充電電圧に到達できない状態が継続する。

ここで、単電池１６として一般的に用いられる鉛蓄電池は、満充電の状態が維持されることで寿命が延伸するが、満充電でない状態が継続すると蓄電容量が低下して劣化が進行すること（サルフェーションと呼ばれる）が知られている。そのため、前述した印加電圧のばらつきが生じると、満充電電圧に到達することができない単電池１６では、他の単電池１６よりも劣化のスピードが早まることになる。こうして一部の単電池１６で劣化が進行すると、単電池１６が放電する際に、他の単電池１６が放電可能なエネルギーを残したまま組電池２の放電が停止してしまう。この結果、単電池１６を効率よく利用することができなくなってしまう。

なお、この課題は、整流器と組電池とを並列に接続して構成した電源システムに限らず、単に組電池を充電した後に組電池が出力する電力を負荷へ供給するだけの電池システムにおいても生じる課題である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、組電池が有する複数の蓄電池のうち一部の蓄電池のみの劣化が進む場合でも、蓄電池を効率よく利用することが可能な電源システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源システムは、交流電源から出力される交流電力を直流電力に変換して負荷へ供給する整流器と、前記整流器から出力される直流電力により充電される複数の蓄電池を直列に接続して構成され、前記交流電源の停電時に前記負荷へ直流電力を供給する組電池と、前記整流器の出力電圧を制御する制御部とを有し、前記整流器の最高出力電圧は、前記蓄電池の満充電電圧の許容範囲に含まれる電圧値と該蓄電池の直列数との積により得られる電圧値が初期値として設定され、前記制御部は、前記整流器の出力電圧が前記最高出力電圧であり、かつ、前記複数の蓄電池の中で印加電圧が前記満充電電圧の許容範囲の下限値を下回る蓄電池がある場合に、前記整流器の出力電圧を上昇させることを有することを特徴とする。

本発明によれば、組電池が有する複数の蓄電池のうち一部の蓄電池のみの劣化が進む場合でも、蓄電池を効率よく利用することが可能になるという効果を奏する。

図１は、実施例１に係る電源システムの構成例を示す図である。図２は、実施例１に係る制御部による制御の流れを示すフローチャートである。図３は、実施例１に係る制御部による他の制御の流れを示すフローチャートである。図４は、実施例２に係る制御部による制御の流れを示すフローチャートである。図５は、従来の電源システムの一例を示す図である。

以下に、本発明に係る電源システムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

まず、図１を用いて、本実施例１に係る電源システムの構成例について説明する。図１は、本実施例１に係る電源システムの構成例を示す図である。図１に示すように、本実施例１に係る電源システム１０は、整流器１と、組電池２と、制御部３とを有する。そして、電源システム１０は、交流電源４から出力される交流電力を直流電力に変換して負荷５へ供給する。なお、本実施例１では、負荷５の消費電流は３０［Ａ（アンペア）］とする。

整流器１は、交流電源４から出力される交流電力を直流電力に変換して負荷５へ供給する。この整流器１の出力には、組電池２と負荷５とが並列に接続される。そのため、交流電源４が有効である場合には、整流器１から出力される直流電力は組電池２及び負荷５それぞれに供給される。すなわち、交流電源４が有効である場合には、整流器１から出力される直流電流によって、負荷５への給電と組電池２の充電とが並列に行われる。

組電池２は、整流器１から出力される直流電力により充電される複数の単電池６を直列に接続して構成される。本実施例１では、組電池２は、２４個の単電池６を直列に接続して構成される。また、本実施例１では、単電池６として、定格電圧が２．０［Ｖ（ボルト）］、満充電電圧が２．２［Ｖ］、定格容量が２００［Ａｈ（アンペアアワー）］の鉛蓄電池が用いられる。したがって、本実施例では、組電池２の定格電圧は４８．０［Ｖ］となり、満充電電圧は５２．８［Ｖ］となり、定格容量は２００［Ａｈ］となる。なお、組電池２が有する各単電池６は、それぞれ満充電電圧の許容範囲を有する。本実施例１では、この許容範囲は、２．３０［Ｖ］（＝Ｖ_H）〜２．１０［Ｖ］（＝Ｖ_L）とする。

そして、組電池２は、交流電源４の停電時に負荷５へ直流電力を供給する。本実施例１では、負荷５への給電は、整流器１の出力と組電池２との並列接続により行なわれる。そのため、整流器１の出力が有効である場合には、組電池２の充電と負荷５への給電がそれぞれ行われる。一方、交流電源４の停電等により整流器１の出力が停止した場合には、組電池２が出力する電力が負荷５へ供給される。

制御部３は、整流器１の出力電圧及び各単電池６の印加電圧を計測し、計測した各電圧値に基づいて整流器１の出力電圧を制御する。例えば、制御部３は、整流器１及び各単電池６それぞれに接続された電圧計により、整流器１の出力電圧及び各単電池６の印加電圧を計測する。なお、制御部３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などである。

このような構成のもと、本実施例１に係る電源システムでは、整流器１の最高出力電圧は、単電池６の満充電電圧の許容範囲に含まれる電圧値と単電池６の直列数との積により得られる電圧値が初期値として設定される。ここでいう最高出力電圧は、垂下がないときの出力電圧である。本実施例１では、整流器１の最高出力電圧は、組電池２の満充電電圧と同値である５２．８［Ｖ］（＝Ｖ₁）が初期値として設定される。また、整流器１の最大出力電流（垂下電流）は５０［Ａ（アンペア）］である。

前述したように、整流器１の出力には、組電池２と負荷５が並列に接続される。そのため、組電池２の充電電流と負荷５の消費電流（３０［Ａ］）との合計が整流器１の最大出力電流（５０［Ａ］）を上回る場合には、整流器１が垂下する。つまり、組電池２が十分に充電されていない状態では、整流器１の出力電圧は垂下して組電池２の電圧に一致し、組電池２は一定電流（２０Ａ）により充電される。そして、充電が進行すると、組電池２の電圧は上昇する。しかし、組電池２の電圧が満充電電圧である５２．８［Ｖ］（＝Ｖ₁）に達すると、充電は継続するが充電電流が減少に転じる。

ここで、各単電池６の充電電圧は、通常、組電池２の電圧を単電池６の数で割った２．２［Ｖ］である。しかし、偏った経年劣化や製造上のばらつき、使用環境の差などによって、複数の単電池６の間で印加電圧にばらつきが生じることがある。例えば、充電電圧にばらつきが生じ、１つの単電池電圧が満充電電圧の下限値である２．１０［Ｖ］（＝Ｖ_L）になり、残りの単電池電圧が約２．２０［Ｖ］になったとする。組電池２の充電電圧は５２．８［Ｖ］であるので、これ以上、組電池２の電圧は上昇しない。また、電圧が低い単電池６の電圧も２．１［Ｖ］のままとなり、満充電に達することができない。

そして、制御部３は、この状態を検知した場合に、整流器１の出力電圧を上昇させることによって、電圧の低い単電池６の電圧が上昇するように制御する。具体的には、制御部３は、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁であり、かつ、複数の単電池６の中で印加電圧が満充電電圧の許容範囲の下限値Ｖ_Lを下回る単電池６がある場合に、整流器１の出力電圧を上昇させる。

例えば、制御部３は、出力電圧を上昇させることを指示する信号を生成して整流器１に送信することで、整流器１の出力電圧を上昇させる。この信号を受信すると、整流器１は、出力電圧を０．１［Ｖ］（＝ΔＶ）だけ上昇させる。この制御によって、組電池２の印加電圧が上昇し、その結果、電圧低下が生じていた単電池６の電圧も２．１０［Ｖ］（＝Ｖ_L）から上昇し、満充電電圧の許容範囲内に収めることができる。なお、この制御によって、残りの単電池６の充電電圧も上昇することになるが、満充電電圧の許容範囲内であれば過充電状態とはならない。

次に、図２を用いて、本実施例１に係る制御部３による制御の流れについて説明する。図２は、本実施例１に係る制御部３による制御の流れを示すフローチャートである。制御部３は、図２に示す処理手順を所定の周期で実行する。なお、制御開始時における整流器１の出力電圧は初期値Ｖ₁であったとする。

まず、制御部３は、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。すなわち、制御部３は、整流器１の垂下が停止しているか否かを判定する。ここで、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁でなかった場合には、制御部３は、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁になるまで、この判定を繰り返す（ステップＳ１１，Ｎｏ）。

そして、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁になった場合には（ステップＳ１１，Ｙｅｓ）、制御部３は、複数の単電池６の中で印加電圧がＶ_L以下である単電池６があるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ここで、印加電圧がＶ_L以下である単電池６がなかった場合には、制御部３は、印加電圧がＶ_L以下である単電池６を検出するまで、この判定を繰り返す（ステップＳ１２，Ｎｏ）。一方、印加電圧がＶ_L以下である単電池６があった場合には（ステップＳ１２，Ｙｅｓ）、制御部３は、整流器１の出力電圧をΔＶだけ上昇させる（ステップＳ１３）。

その後、制御部３は、複数の単電池６の中で印加電圧がＶ_H以上である単電池６があるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ここで、印加電圧がＶ_H以上である単電池６がなかった場合には（ステップＳ１４，Ｎｏ）、制御部３は、ステップＳ１１の判定に戻る。一方、印加電圧がＶ_H以上である単電池６があった場合には（ステップＳ１４，Ｙｅｓ）、制御部３は、処理を終了する。

上述したように、本実施例１に係る電源システムは、整流器１と、組電池２と、制御部３とを有する。整流器１は、交流電源４から出力される交流電力を直流電力に変換して負荷５へ供給する。組電池２は、整流器１から出力される直流電力により充電される複数の単電池６を直列に接続して構成され、交流電源４の停電時に負荷５へ直流電力を供給する。制御部３は、整流器１の出力電圧を制御する。そして、整流器１の最高出力電圧は、単電池６の満充電電圧の許容範囲に含まれる電圧値と単電池６の直列数との積により得られる電圧値に設定される。また、制御部３は、整流器１の出力電圧が最高出力電圧であり、かつ、印加電圧が満充電電圧の許容範囲の下限値を下回る単電池６がある場合に、整流器１の出力電圧を上昇させる。

すなわち、本実施例１では、単電池６の電圧が満充電電圧の許容範囲の下限値以下となったときに組電池２の充電電圧が上昇して、印加電圧が低下した単電池６の電圧が上昇する。そのため、印加電圧が低下した単電池６も満充電にすることができ、当該単電池６の劣化の進行を抑制することが可能になる。したがって、本実施例１に係る電源システム１０によれば、組電池２が有する複数の蓄電池のうち一部の蓄電池のみの劣化が進む場合でも、蓄電池を効率よく利用することが可能になる。

なお、本実施例１では、整流器１の出力電圧を上昇させても電圧低下が生じた単電池６の電圧が回復しないまま、他の正常な単電池６の電圧が許容範囲の上限値に達してしまうこともあり得る。このような場合には、例えば、電圧が低下している単電池６の回復は見込めないため、整流器１の出力電圧を初期値に戻すようにしてもよい。

ここで、図３を用いて、本実施例１に係る制御部３による他の制御として、整流器１の出力電圧を初期値に戻す場合の制御について説明する。図３は、本実施例１に係る制御部３による他の制御の流れを示すフローチャートである。制御部３は、図３に示す処理手順を所定の周期で実行する。なお、制御開始時における整流器１の出力電圧は初期値Ｖ₁であったとする。

まず、制御部３は、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。すなわち、制御部３は、整流器１の垂下が停止しているか否かを判定する。ここで、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁でなかった場合には、制御部３は、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁になるまで、この判定を繰り返す（ステップＳ２１，Ｎｏ）。

そして、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁になった場合には（ステップＳ２１，Ｙｅｓ）、制御部３は、複数の単電池６の中で印加電圧がＶ_L以下である単電池６があるか否かを判定する（ステップＳ２２）。ここで、印加電圧がＶ_L以下である単電池６がなかった場合には、制御部３は、印加電圧がＶ_L以下である単電池６を検出するまで、この判定を繰り返す（ステップＳ２２，Ｎｏ）。一方、印加電圧がＶ_L以下である単電池６があった場合には（ステップＳ２２，Ｙｅｓ）、制御部３は、整流器１の出力電圧をΔＶだけ上昇させる（ステップＳ２３）。

その後、制御部３は、複数の単電池６の中で印加電圧がＶ_H以上である単電池６があるか否かを判定する（ステップＳ２４）。ここで、印加電圧がＶ_H以上である単電池６がなかった場合には（ステップＳ２４，Ｎｏ）、制御部３は、ステップＳ２１の判定に戻る。一方、印加電圧がＶ_H以上である単電池６があった場合には（ステップＳ２４，Ｙｅｓ）、制御部３は、整流器１の最高出力電圧を初期値Ｖ₁に戻した後に（ステップＳ２５）、処理を終了する。

このような制御によれば、電圧低下が生じていない正常な単電池６が過充電に近い状態になるのを防ぐことができ、当該単電池６の寿命を延伸することができる。

ところで、上記実施例１では、一部の単電池６における印加電圧低下を回避して当該単電池の劣化の進行を抑制することが可能であるが、印加電圧低下のない単電池６まで電圧が上昇する。その単電池６は、印加電圧が許容範囲であっても過充電に近い状態になる。そこで、例えば、全ての単電池６が満充電になったときに、整流器１の出力電圧を初期値Ｖ₁に戻すようにしてもよい。以下では、このようにした場合の例を実施例２として説明する。

本実施例２に係る電源システムの構成は図１に示したものと同様である。そこで、本実施例２では、図４を用いて、制御部３による制御の流れについて説明する。図４は、本実施例２に係る制御部３による制御の流れを示すフローチャートである。制御部３は、図４に示す処理手順を所定の周期で実行する。なお、制御開始時における整流器１の出力電圧は初期値Ｖ₁であったとする。

また、本実施例２では、制御部３は、組電池２への充電電流が十分小さくなったときの電流地を最低充電電流Ｉ_minとし、組電池２への充電電流が最低充電電流Ｉ_min以下になった場合に、全ての単電池６が満充電になったと判定する。ここで、最低充電電流Ｉ_minは予め操作者等によって設定されることとする。例えば、最低充電電流Ｉ_minは、０．１［Ａ］に設定される。

まず、制御部３は、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。すなわち、制御部３は、整流器１の垂下が停止しているか否かを判定する。ここで、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁でなかった場合には、制御部３は、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁になるまで、この判定を繰り返す（ステップＳ３１，Ｎｏ）。

そして、整流器１の出力電圧が最高出力電圧Ｖ₁になった場合には（ステップＳ３１，Ｙｅｓ）、制御部３は、複数の単電池６の中で印加電圧がＶ_L以下である単電池６があるか否かを判定する（ステップＳ３２）。ここで、印加電圧がＶ_L以下である単電池６があった場合には（ステップＳ３２，Ｙｅｓ）、制御部３は、整流器１の出力電圧をΔＶだけ上昇させる（ステップＳ３３）。

その後、制御部３は、複数の単電池６の中で印加電圧がＶ_H以上である単電池６があるか否かを判定する（ステップＳ３４）。ここで、印加電圧がＶ_H以上である単電池６がなかった場合には（ステップＳ３４，Ｎｏ）、制御部３は、ステップＳ３１の判定に戻る。一方、印加電圧がＶ_H以上である単電池６があった場合には（ステップＳ３４，Ｙｅｓ）、制御部３は、整流器１の最高出力電圧を初期値Ｖ₁に戻した後に（ステップＳ３５）、処理を終了する。

また、ステップＳ３２の判定の結果、電圧がＶ_L以下である単電池６がなかった場合には（ステップＳ３２，Ｎｏ）、制御部３は、組電池２への充電電流がＩ_min以下であるか否かを判定する（ステップＳ３６）。ここで、組電池２への充電電流がＩ_min以下でなかった場合には（ステップＳ３６，Ｎｏ）、制御部３は、ステップＳ３１の判定に戻る。一方、組電池２への充電電流がＩ_min以下であった場合には（ステップＳ３６，Ｙｅｓ）、制御部３は、整流器１の最高出力電圧を初期値Ｖ₁に戻した後に（ステップＳ３５）、処理を終了する。

上述したように、本実施例２では、制御部３は、電圧が満充電電圧の許容範囲の上限値を上回る単電池６がある場合、又は、組電池２の充電電流が予め設定された最低充電電流以下である場合に、整流器１の最高出力電圧を初期値に戻す。したがって、本実施例２に係る電源システム１０によれば、電圧低下が生じていない正常な単電池６が過充電に近い状態になるのをより確実に防ぐことができ、当該単電池６の寿命をさらに延伸することができる。

なお、本実施例２では、制御部３は、電圧が満充電電圧の許容範囲の上限値を上回る単電池６がある場合、又は、組電池２の充電電流が予め設定された最低充電電流以下である場合に、整流器１に最高出力電圧の上昇を停止させてもよい。これにより、電圧低下が生じていない正常な単電池６が過充電に近い状態になるのをより確実に防ぐことができ、当該単電池６の寿命をさらに延伸することができる。

なお、上記実施例１及び２では、単電池６として鉛蓄電池が用いられる場合の例を示したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、満充電の状態が維持されることで寿命が延伸する性質を有する他の蓄電池が用いられる場合でも、本発明を同様に適用することが可能である。

１０電源システム
１整流器
２組電池
３制御部
４交流電源
５負荷
６単電池

Claims

交流電源から出力される交流電力を直流電力に変換して負荷へ供給する整流器と、
前記整流器から出力される直流電力により充電される複数の蓄電池を直列に接続して構成され、前記交流電源の停電時に前記負荷へ直流電力を供給する組電池と、
前記整流器の出力電圧を制御する制御部とを有し、
前記整流器の最高出力電圧は、前記蓄電池の満充電電圧の許容範囲に含まれる電圧値と該蓄電池の直列数との積により得られる電圧値が初期値として設定され、
前記制御部は、前記整流器の出力電圧が前記最高出力電圧であり、かつ、前記複数の蓄電池の中で印加電圧が前記満充電電圧の許容範囲の下限値を下回る蓄電池がある場合に、前記整流器の出力電圧を上昇させる
ことを有することを特徴とする電源システム。
前記制御部は、前記複数の蓄電池の中で印加電圧が前記満充電電圧の許容範囲の上限値を上回る蓄電池がある場合、又は、前記組電池への充電電流が予め設定された最低充電電流以下である場合に、前記整流器に出力電圧の上昇を停止させることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
前記制御部は、前記複数の蓄電池の中で印加電圧が前記満充電電圧の許容範囲の上限値を上回る蓄電池がある場合、又は、前記組電池への充電電流が予め設定された最低充電電流以下である場合に、前記整流器の出力電圧を前記初期値に戻すことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源システム。