JP4859855B2 - 停電補償装置 - Google Patents

Description

この発明は、停電補償装置に関する。具体的には、補償用電源として満充電での保存に適さない蓄電池を採用した停電補償装置における蓄電池の充電制御技術に関する。

例えば、直流電源を供給するタイプの停電補償装置は、商用電源を直流電源に変換して、その直流電源に直流で駆動する機器を接続している。停電補償装置は、停電時においてもこれらの機器が連続駆動できるように、蓄電池とその蓄電池を充電するための充電器とを内蔵している。蓄電池は、停電に備え、通常は、充電状態で待機している。そして、停電が発生すると、電力供給経路を商用電源側から蓄電池側に瞬時に切り替え、電力を負荷側に供給し続ける。なお、停電補償装置については、以下の特許文献に記載されている。
特願２００５−１７６４６１号公報

停電時でも継続稼働が必要な機器は多く、停電補償装置には、多くの機器が接続される可能性がある。そのため、停電時の補償電力を供給する蓄電池として、小型で高容量のもの、すなわち高エネルギー密度のものが必要とされている。そして、リチウム二次電池（リチウムイオン電池）は、他の蓄電池と比較してエネルギー密度が高く、継ぎ足し充電による劣化も少ないことから、停電補償装置用の蓄電池として有望視されている。しかし、周知のごとく、リチウムイオン電池は、満充電状態で保存すると充電容量が低下し、高温環境下ではその容量低下がさらに顕著になる、という問題がある。

そのため、リチウムイオン電池のように、満充電状態で保存すると容量が低下してしまう特性を有する蓄電池を停電補償装置に使用する場合には、満充電状態まで蓄電池を充電しないように、停電時に補償すべき電力に相当する容量より遙かに大きな充電容量の蓄電池を使用していた。また、停電補償装置に接続する機器が増えるなど、負荷が増えた場合、例え、それまでに接続されていた蓄電池を満充電状態さえすれば、その負荷に対する電力を確保できたとしても、蓄電池が満充電状態にならないように、新規の蓄電池を追加していた。すなわち、満充電状態で保存すると容量が低下してしまう特性を有する蓄電池を使用する停電補償装置には、蓄電池の利用効率が低い、という課題を有していた。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その目的は、満充電状態での保存に適さない蓄電池を補償電源として使用した停電補償装置において、蓄電池の利用効率を向上させ、負荷の増加に対して過剰に新規の蓄電池を追加するなどの無駄を排除し、停電時には、必要な電力を確実に供給できる充電制御技術を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、停電時においても接続された負荷に電力供給を維持する停電補償装置であって、
少なくとも一つ以上のＮ個の蓄電池と、当該Ｎ個の蓄電池のそれぞれに対応するＮ個の充電器と、充電状態監視手段と、制御手段とを備え、
蓄電池は、補償電源として使用され、満充電状態での保存に適さない特性を有し、
充電器は、制御手段の制御に従って対応する蓄電池を充電し、
充電状態監視手段は、各蓄電池における現時点での充電容量を特定するための情報を取得し、
制御手段は、充電器を制御して畜電池を充電させるとともに、容量設定処理と、補償容量設定処理と、容量検出処理と、容量算出処理と、充電制御処理とを実行可能であり、
容量設定処理は、各蓄電池について、満充電容量未満で、かつ充電状態で保存できる最大容量となる充電可能容量ａと、充電可能容量未満の最適容量ｂとを設定し、
補償容量設定処理は、停電時に負荷に供給すべき電力に相当する補償容量Ｃを設定し、
容量検出処理は、充電状態監視手段が取得した各蓄電池における前記情報に基づいて各蓄電池の現在の充電容量ｄを検出し、
容量算出処理は、各蓄電池の充電可能容量ａを合計した合計充電可能容量Ａと、各蓄電池の最適容量ｂを合計した合計最適容量Ｂとを算出し、
充電制御処理は、前記合計充電可能容量Ａと、前記合計最適容量Ｂと、前記補償容量Ｃとの大小関係に基づく第１〜第３処理とを含み、
第１処理は、Ｃ≦Ｂである場合に、各蓄電池の容量ｄをｂまで充電させ、
第２処理は、Ｂ＜Ｃ≦Ａである場合に、各畜電池の容量ｄの上限をａとして、各蓄電池の容量ｄを合計した容量がＣとなるように、各蓄電池を充電させ、
第３処理は、Ａ＜Ｃである場合に、各蓄電池の容量ｄをａまで充電させる停電補償装置としている。

また、制御部の制御により、利用者に向けて情報出力を行う出力手段を備え、制御手段は、第３処理を実行した際に、蓄電池の充電容量が補償容量に満たない旨を警告する情報を当該出力手段に出力させる容量不足報知処理を実行する停電補償装置とすればより好ましい。

制御手段は、各蓄電池について、充電可能容量ａおよび最適容量ｂの経時劣化特性を記憶するとともに、現時点が当該劣化特性において、どの時点であるのかを特定し、前記容量設定処理は、当該劣化特性に基づいて現時点での充電可能容量ａと最適容量ｂを設定する停電補償装置。および、当該停電補償装置において、前記容量設定処理にて充電可能容量ａあるいは最適容量ｂが所定容量以下となった蓄電池については、前記第３処理において、充電可能容量ａを超えた容量を充電させる停電補償装置とすることもできる。

本発明の停電補償装置によれば、満充電状態での保存に適さない蓄電池を補償電源として使用した際に、負荷の増加に対して過剰に新規の蓄電池を追加するなどの無駄が排除できるとともに、停電時には、必要な電力を確実に供給することができる。

＝＝＝停電補償装置の基本構成＝＝＝
図１に本発明の一実施形態に係る停電補償装置（以下、補償装置）の構成図を示した。当該補償装置１は、直流電源で動作する機器を停電時の電源補償対象とし、停電時でない通常状態（非停電状態）では、交流商用電源２から整流回路３にて整流された直流電源を機器に供給するように構成されている。停電時には、電源の出力系統を整流回路３側から蓄電池１２側に切り替えることで接続機器に継続して電源を供給する。

具体的には、プログラムされたコンピュータと同様の構成でＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを含んで当該補償装置１を統括する制御部１０が、整流器３からの出力状態を停電検出用信号線３０ｄを介して監視し、停電状態を検出すると、充電器１１と蓄電池１２との間に挿入されているスイッチ２０ａを該当するスイッチ用制御信号線３０ａからの制御信号により開くことで、充電器１１と蓄電池１２との接続を遮断するとともに、電源出力経路４と蓄電池１２の端子間に挿入されているスイッチ２０ｂを該当するスイッチ用制御信号線３０ｂからの制御信号により閉じることで、電源出力経路４と蓄電池１２とを接続させる。それによって、停電時には、蓄電池１２から負荷側に電力が供給される。なお、制御部１０は、停電中でも停電の終了を検出したり、停電の前後でスイッチ（２０ａ，２０ｂ）を切り替えたりする必要があるため、停電時には蓄電池１２からの電力で動作したり、別途電源を内蔵したりする構成としている。また、制御部１０は、ハードウエア回路によって構成されていてもよい。

非停電状態では、制御部１０は、充電器制御用信号線３０ｃを介して充電器１１を制御し、各蓄電池１２を停電時に備えて充電させておく。なお、蓄電池１２の個数は、停電時に必要な負荷側の電力容量に応じて適宜増減可能であり、この例では、複数個の蓄電池１２がそれぞれ個別の充電器１１によって充電される構成となっている。なお、このように蓄電池１２ごとに個別に充電器１１が対応する構成では、蓄電池１２ごとに寿命や特性が異なる場合や、充電器１１や蓄電池１２に異常が発生した場合、寿命が尽きたり性能が劣化したりした蓄電池、あるいは異常が発生した充電器や蓄電池のみを切り離したり、交換したりすることができる、という利点がある。

また、補償装置１は、ユーザインタフェースとして、キーなどによって利用者入力を受け付ける入力部１３と、各種情報を表示や音声で出力する出力部１４とを備え、制御部１０は、このユーザインタフェースに対する入出力制御も行う。

上記補償装置１の基本的な構成や動作は、従来の補償装置とほぼ同様である。しかし、本実施形態における補償装置１は、リチウムイオン電池など、満充電状態での保存に適ささない蓄電池１２を補償電源として使用しており、制御部１０は、各蓄電池１２の充電容量を随時監視しながら充電器１１を所定のアルゴリズムに基づいて制御し、蓄電池１２の劣化を抑制しながら、負荷側の機器を停電期間中に確実に継続動作させるのに十分な充電容量を可能な限り確保する。

＝＝＝充電制御＝＝＝
図２に制御部１０における充電制御処理の流れ図を示した。まず、個々の畜電池１２について、常時充電状態が可能な最大容量（以下、充電可能容量）ａと、望ましい容量、すなわち劣化の可能性がほとんど無いと推定される充電容量の最大値（以下、最適容量）ｂを設定する（ｓ１）。本実施形態において、個々の蓄電池１２は、満充電状態での充電容量、すなわち公称充電容量がそれぞれ異なっており、各蓄電池１２について、その公称充電容量と充電可能容量とを利用者入力によって設定する。例えば、ある充電器１１を指定し、その充電器１１に接続される蓄電池１２の公称電池容量を数値入力する。そして、充電可能容量として、その公称電池容量に対する割合値で入力する（例えば、９５％など）。最適容量についても、公称電池容量や充電可能容量ａに対する割合値（例えば、充電可能容量の９０％など）を利用者入力に基づいて設定する。もちろん、充電可能容量ａや最適容量ｂを算出するための割合値などがあらかじめ制御部１０のＥＥＰ−ＲＯＭなどに設定されていて、公称充電容量だけを数値入力するようにしてもよい。ここでは、Ｎ個の蓄電池１２が接続されているとして、各蓄電池１２の充電可能容量と最適容量を、それぞれａｉ、ｂｉ（但し、i=１〜Ｎ）とする。

まず、制御部１０は、入力部１３を介して入力した充電容量に関する情報に基づいて算出した各蓄電池１２の充電可能容量ａｉと最適容量ｂｉを内部のＲＡＭなどに記憶するなどして、充電可能容量ａｉと最適容量ｂｉを設定する。また制御部１０は、設定した先のａｉとｂｉの値に基づいて、全ての蓄電値１２における充電可能容量ａｉの合計Ａと、最適容量ｂの合計Ｂを計算する（ｓ２）。すなわち、
Ａ＝Σａｉ、Ｂ＝Σｂｉ
となる。

つぎに、制御部１０は、停電時に必要とされる電力量（補償容量）Ｃを設定する（ｓ３）。本実施形態では、電源出力側の負荷電流Ｉを所定期間毎に検出し、最新の平均負荷電流Ｉに停電時において電力を供給しつづける時間Ｔを乗算して得た値を補償容量Ｃとして設定し、これを記憶する。なお、この補償時間Ｔは、利用者入力により設定されるものとする。

制御部１０は、このようにしてＡ、Ｂ、Ｃを設定すると、蓄電池１２の充電状態に応じて充電器１１を制御し、停電時に必要な補償容量Ｃを蓄電池１２に確保しておく。もちろん、補償対象となる機器の消費電力と入力電圧とに基づいて算出される負荷を利用者入力によって設定することも考えられる。

そして制御部１０は、非停電状態では、以上により設定した各種値（ａｉ、ｂｉ、Ａ、Ｂ、Ｃ）を所定のアルゴリズムに適用して充電器１１を制御する（ｓ４→ｓ５）。停電時には、電源を蓄電池側に切り替え（ｓ４→ｓ２１）、停電の終了を検知するまでその状態を維持する（ｓ２２→ｓ２２）。停電が終了すれば電源を整流器側からの供給経路に切り替え、充電制御に移行する（ｓ２２→ｓ２３→ｓ５）。

制御部１０は、Ａ、Ｂ、Ｃの大小関係が以下の（１）〜（３）のそれぞれの場合について異なる充電制御を行う。なお、本実施形態では、各蓄電池１２の充電器１１には、充電対象の蓄電池１２の端子間電圧を検出する回路を内蔵し、制御部１０は、端子間電圧値と充電容量との関係を内部のＲＡＭやＥＥＰ−ＲＯＭなどに記憶し、この検出した電圧値から現時点での充電容量を特定している。

（１）Ｃ≦Ｂの場合
各蓄電池１２の充電容量がそれぞれの最適容量ｂｉとなるまで充電する（ｓ５→ｓ７）。それによって、必要な容量Ｃを確保することができるとともに、各蓄電池１２が自身の最適容量ｂｉの充電状態で保存されるので各蓄電池１２はほとんど劣化することがない。

（２）Ｂ＜Ｃ≦Ａの場合
各蓄電池１２をそれぞれの最適容量ｂｉまで充電したとしても、必要とされる容量Ｃに満たない。しかし、各蓄電池１２をそれぞれの充電可能容量ａｉを上限として充電すれば確実に停電補償できる。したがって、Ｎ個の蓄電池１２で補償容量Ｃを確保することになり、各蓄電池１２が実際に充電される充電容量をｃｉとすると、
Σｃｉ＝Ｃとなるように充電する。すなわち、各蓄電池１２の充電容量ｃｉが、
ｃｉ＝ａｉ×Ｃ／Ａ
となるまで各蓄電池１２を充電する（ｓ５→ｓ６→ｓ９）。この場合、ｂ＜ｃｉ≦ａとなり、各蓄電池１２は、最大でも充電可能容量ａｉまでしか充電されないので劣化の可能性が少ない。

（３）Ａ＜Ｃの場合
この場合は、全ての蓄電池１２を充電可能容量ａｉまで充電しても補償容量Ｃを確保できない。そのため、各蓄電池をａｉまで充電して合計容量が最大となるＡを確保し、蓄電池１２の劣化の可能性をある程度抑制した上で、できる限り長く停電補償できるように備えておく（ｓ６→ｓ８）。また、本実施形態では、制御部１０が、（３）の大小関係を認知すると、警報や警告表示などを出力部１４に出力させることとしている（ｓ１０）。利用者は、この報知出力によって、蓄電池１２を追加したり、容量の大きな蓄電池１２に交換したりするなど、蓄電池１２の充電容量不足に対して速やかに対処することができる。

＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
蓄電池１２の満充電時の容量は、充放電回数や使用開始からの経過時間、温度などによって変化する。すなわち、充電可能容量ａや最適容量ｂが経時変化する。そこで、各蓄電池１２の充電可能容量ａや最適容量ｂを固定的に設定せず、動的に随時再設定する実施形態もあり得る。例えば、充放電回数に基づいて可変設定する場合、制御部１０は、充放電回数と容量変化との関係を記憶しておくとともに、放電回数に応じて各蓄電池１２の充電可能容量ａや最適容量ｂを可変設定していく。また、負荷の増加などによって新規に蓄電池１２が追加されたことを検出すると、その新規の蓄電池１２と、それまで使用していた蓄電池１２とでは経時劣化の度合いが異なるので、各蓄電池１２の充電可能容量ａや最適容量ｂを個別に設定し、その設定に基づいて充電するように制御してもよい。

上記実施形態において、蓄電池１２の充電状態が（３）の状態で場合、公称充電容量まで充電して確実に停電補償できるようにしておくことも考えられるが、上記実施形態では全ての蓄電池１２を一律に公称充電容量まで充電してしまうことになり、全ての蓄電池１２が一斉に劣化し、全ての蓄電池１２を速やかに交換する必要がある。そこで、充電可能容量ａの設定値を公称充電量未満で可変設定することが考えられる。また、各蓄電池１２を劣化の度合いに応じて個別に充電する制御を行うのであれば、充放電を繰り返すなどして劣化が激しい蓄電池１２については、優先的に公称充電量まで充電して補償容量Ｃを確保してもよい。この場合、劣化した蓄電池１２の指定情報と、その畜電池１２を速やかに交換する旨の情報とを出力部１４により出力すればより好ましい。

なお、充電された蓄電池１２は自己放電により充電容量が低下する。そこで、充電完了後も定期的に充電を行うことで，常時必要な充電容量を確保しておくような構成も考えられる。

また，充電状態で周辺温度が異常に上昇した場合は，停電時と同じく自動的に蓄電池１２を放電させることも考えられる。この場合、蓄電池１２の保護を優先するため、放電時間帯においては所定の停電補償時間が確保できない可能性もあるが、蓄電池性能の急激な劣化を抑えることができるため、正常温度に復帰した後は、停電補償時間を確保できる良好な充電状態を維持することができる。

本発明の一実施形態における停電補償装置の構成図である。 上記停電補償装置における充電制御処理の流れ図である。

符号の説明

１ 停電補償装置
１０ 制御部
１１ 充電器
１２ 蓄電池
１３ 入力部
１４ 出力部

Claims (4)

1. 停電時においても接続された負荷に電力供給を維持する停電補償装置であって、
   少なくとも一つ以上のＮ個の蓄電池と、当該Ｎ個の蓄電池のそれぞれに対応するＮ個の充電器と、充電状態監視手段と、制御手段とを備え、
   蓄電池は、補償電源として使用され、満充電状態での保存に適さない特性を有し、
   充電器は、制御手段の制御に従って対応する蓄電池を充電し、
   充電状態監視手段は、各蓄電池における現時点での充電容量を特定するための情報を取得し、
   制御手段は、充電器を制御して畜電池を充電させるとともに、容量設定処理と、補償容量設定処理と、容量検出処理と、容量算出処理と、充電制御処理とを実行可能であり、
   容量設定処理は、各蓄電池について、満充電容量未満で、かつ充電状態で保存できる最大容量となる充電可能容量ａと、充電可能容量未満の最適容量ｂとを設定し、
   補償容量設定処理は、停電時に負荷に供給すべき電力に相当する補償容量Ｃを設定し、
   容量検出処理は、充電状態監視手段が取得した各蓄電池における前記情報に基づいて各蓄電池の現在の充電容量ｄを検出し、
   容量算出処理は、各蓄電池の充電可能容量ａを合計した合計充電可能容量Ａと、各蓄電池の最適容量ｂを合計した合計最適容量Ｂとを算出し、
   充電制御処理は、前記合計充電可能容量Ａと、前記合計最適容量Ｂと、前記補償容量Ｃとの大小関係に基づく第１〜第３処理とを含み、
   第１処理は、Ｃ≦Ｂである場合に、各蓄電池の容量ｄをｂまで充電させ、
   第２処理は、Ｂ＜Ｃ≦Ａである場合に、各畜電池の容量ｄの上限をａとして、各蓄電池の容量ｄを合計した容量がＣとなるように、各蓄電池を充電させ、
   第３処理は、Ａ＜Ｃである場合に、各蓄電池の容量ｄをａまで充電させる
   ことを特徴とする停電補償装置。
2. 請求項１において、制御部の制御により、利用者に向けて情報出力を行う出力手段を備え、制御手段は、第３処理を実行した際に、蓄電池の充電容量が補償容量に満たない旨を警告する情報を当該出力手段に出力させる容量不足報知処理を実行することを特徴とする停電補償装置。
3. 請求項１または２において、制御手段は、各蓄電池について、充電可能容量ａおよび最適容量ｂの経時劣化特性を記憶するとともに、現時点が当該劣化特性において、どの時点であるのかを特定し、前記容量設定処理は、当該劣化特性に基づいて現時点での充電可能容量ａと最適容量ｂを設定することを特徴とする停電補償装置。
4. 請求項３において、前記容量設定処理にて充電可能容量ａあるいは最適容量ｂが所定容量以下となった蓄電池については、前記第３処理において、充電可能容量ａを超えた容量を充電させることを特徴とする停電補償装置。

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