JP5237161B2 - 直流電源システムおよびその放電制御方法 - Google Patents

Description

本発明は直流電源システムおよびその放電制御方法に関する。

一般に、直流負荷装置へ電力を供給する直流電源システムでは、商用交流電力を受け、直流４８Ｖなどの直流電力を出力する整流器が用いられている。さらに、商用交流電力が停電した場合でも直流負荷装置への給電を継続するために、整流器の出力に蓄電池と、蓄電池を充電するための充電器を備え、バックアップ電源システムとする。蓄電池は、直流負荷装置の動作電圧に対応するように直列接続した組電池とするが、蓄電池の電圧は充電や放電により変動するため、組電池の電圧が直流負荷装置の入力電圧範囲に合致しないことがある。このため、組電池と直流負荷装置との間に放電器を介挿し、昇圧あるいは降圧を行うことにより供給電圧を許容範囲に収めるようにしている。

下記特許文献１、２には、複数の組電池が出力する電力を放電器を介して負荷に供給する電源システムが記載され、特許文献１には、昇圧回路の出力電圧が設定値Ｖ９を下回らないように昇圧回路のスイッチング素子が動作し、降圧回路の出力電圧が設定値Ｖ１０を上回らないように降圧回路のスイッチング素子が動作することが記載され、特許文献２には、放電停止信号、入力電圧低下、過電圧出力のいずれかを検知したとき負荷への放電を停止させ、放電停止信号のリセット時または入力電圧の回復時、負荷への放電を再開し、制御部の電力を、放電器の出力側のみならず、手動スイッチ操作時は放電器入力側からも供給可能とし、かつ、制御部の停電時は、スイッチング素子を開放状態に維持することが記載されている。

特開２００７−３１２５５８号公報 特開２００８−０９２７６８号公報

図４は、整流器と複数の組電池、充電器および放電器からなる直流電源システムの構成図である。組電池１は、複数のニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を４０セル直列接続して構成した組電池であり、６系統（１系〜６系）が搭載されている。

組電池１には、それぞれ、放電器２と充電器３とが接続されている。整流器５は、交流電源６から入力した電力を直流電力に変換して電圧５１Ｖの直流電力とし、それを負荷４へ供給する。充電器３は、交流電源６から入力した電力を直流電力に変換して組電池１を充電するが、充電に従って充電電圧が上昇し、最高６４Ｖまで出力することができ、満充電後は充電が停止する。

放電器２は、出力電圧が５０Ｖに設定され、出力電圧が５０Ｖを上回ろうとするときは降圧動作を行い、出力電圧が５０Ｖ以下であるときは入力をバイパスしてそのまま出力する。６系統の放電器２は、その出力において並列接続され、さらに整流器５から負荷４に至る電路に並列接続される。

この直流電源システムでは、交流電源６が有効であるときは、整流器５が出力する電力が負荷４へ供給され、充電器３により組電池１が充電される。交流電源６が停電であるとき、組電池１が放電する電力が、放電器２を介して負荷４へ供給される。

６台の放電器２は同一仕様であるが、出力電圧の差や放電器出力点から並列接続点までの配線抵抗（配線径、配線長によって定まる）の差により、放電時に系統間で放電電流の偏りが生じる。

放電開始前に全系統の組電池１が等しく充電されていたとしても、この放電電流の偏りは避けられないため、電流が最も集中する系統の組電池１は他の系統よりも容量低下が早くなり、他の系統よりも先に、放電終止電圧（蓄電池の放電を停止させる必要があるとして指定される電圧）に達して放電が停止する。この後、残りの系統の分担する負荷量が増加するため、分担された負荷量が放電器２の出力容量を超えることになり、システム全体の放電動作が停止する。

この結果、６系統の組電池１に蓄積された放電可能なエネルギーの一部が残されたまま、負荷４への給電が停止してしまうため、交流電源６の停電時において、負荷４に対して給電することができる時間が短くなってしまう。したがって、蓄電池すなわち組電池１を余分に増設する必要が生じ、直流電源システムの設置スペースや構築に要する費用を増大させるという問題が生じてしまう。

この問題は、ニッケル水素蓄電池を用いたシステムだけではなく、他の二次電池や一次電池を用いたシステム、電気二重層キャパシタや燃料電池といった直流電源を用いたシステムにおいても起こりうる問題である。

本発明は、前述のように、並列放電器間の出力電圧差や放電器出力点から並列接続点までの配線抵抗差により、直流電源の余力を残したまま、システムの放電が停止するという問題を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、並列接続された各系統間の放電電流ばらつきを解消し、放電時に直流電源の能力を十分に有効活用する放電器と、それを用いる直流電源システムおよびその放電制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載のように、
１つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムにおいて、複数の前記放電器の各々について、当該放電器の出力電流を計測し、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えていなければ第１の持続時間をゼロに設定し、超えていれば該第１の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行い、前記第１の持続時間が第１の時間を超えたとき、当該放電器の出力電圧を低下させる制御を行うことを特徴とする直流電源システムを構成する。

また、本発明は、請求項２に記載のように、
１つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムにおいて、複数の前記放電器の各々について、当該放電器の出力電流を計測し、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回っていなければ第２の持続時間をゼロに設定し、下回っていれば該第２の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行い、前記第２の持続時間が第２の時間を超えたとき、当該放電器の出力電圧を上昇させる制御を行うことを特徴とする直流電源システムを構成する。

また、本発明は、請求項３に記載のように、
１つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムにおいて、複数の前記放電器の各々について、当該放電器の出力電流を計測する処理、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えていなければ第１の持続時間をゼロに設定し、超えていれば該第１の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理、および前記計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回っていなければ第２の持続時間をゼロに設定し、下回っていれば該第２の持続時間に前記所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行い、前記第１の持続時間が第１の時間を超えたとき、当該放電器の出力電圧を低下させる制御を行い、前記第２の持続時間が第２の時間を超えたとき、当該放電器の出力電圧を上昇させる制御を行うことを特徴とする直流電源システムを構成する。

また、本発明は、請求項４に記載のように、
１つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムにおいて、制御手段が具備され、該制御手段は、複数の前記放電器の各々について、当該放電器の出力電流を計測する処理、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えていなければ第１の持続時間をゼロに設定し、超えていれば該第１の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理、および前記計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回っていなければ第２の持続時間をゼロに設定し、下回っていれば該第２の持続時間に前記所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行う制御と、前記第１の持続時間が第１の時間を超えたときに当該放電器の出力電圧を低下させる制御と、前記第２の持続時間が第２の時間を超えたときに当該放電器の出力電圧を上昇させる制御とを行うことを特徴とする直流電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項１ないし４のいずれかに記載の直流電源システムにおいて、交流電力を直流電力に変換する整流器が具備され、該整流器と複数の前記放電器とが出力において並列接続されていることを特徴とする直流電源システムを構成する。

また、本発明は、請求項６に記載のように、
１つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムの放電制御方法であって、複数の前記放電器の各々について、当該放電器の出力電流を計測する処理、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えていなければ第１の持続時間をゼロに設定し、超えていれば該第１の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理、および前記計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回っていなければ第２の持続時間をゼロに設定し、下回っていれば該第２の持続時間に前記所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行う手続きと、前記第１の持続時間が第１の時間を超えたときに当該放電器の出力電圧を低下させる手続きと、前記第２の持続時間が第２の時間を超えたときに当該放電器の出力電圧を上昇させる手続きとを実行することを特徴とする直流電源システムの放電制御方法を構成する。

本発明に係る直流電源システムによれば、直流電源の放電可能なエネルギーを余すことなく使い切ることができるため、余分に設置する直流電源を減らすことができるため、コストとスペースを節約することが可能となる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の放電制御を説明するフローチャートである。 本発明の放電制御を説明するフローチャートである。 整流器と複数の組電池、充電器および放電器からなる直流電源システムの構成図である。

本発明においては、１つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池を有し、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムにおいて、出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えている時間が連続して第１の時間を超えた前記放電器の出力電圧を低下させ、出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回る時間が連続して第２の時間を超えた前記放電器の出力電圧を上昇させる。なお、前記放電器の出力電圧を低下あるいは上昇させる制御は、いずれか一方のみを行うだけでもよい。

以下に、本発明の実施形態について、ニッケル水素蓄電池を用いた直流電源システムに本発明を適用した場合を例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

図１は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図の直流電源システムにおいて、交流電源６から入力した交流電力を直流電力に変換する整流器５（出力電圧５２Ｖ）と６系統の放電器２とが並列接続され、負荷４へ電力を供給する。

組電池１は、ニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を６０セル直列接続した組電池（定格電圧７２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）である。放電器２は、組電池１から入力した電力を降圧して負荷４へ出力するコンバータである。負荷４は、通信機器など直流電力により動作する負荷であり、許容電圧の上限は５３Ｖである。充電器３は、接続先の組電池１を充電する。

組電池１は、満充電時に電圧が９０Ｖに達し、放電終止電圧は６０Ｖである。このため、放電器２は降圧動作を行い、その出力電圧は５０Ｖである。ただし、後述するように、この出力電圧は、例えば、本発明が特徴とする制御手段である制御部７からの命令によって、微調整される。

また、放電器２は、組電池１が過放電となることを防ぐため、入力電圧が６０Ｖ（組電池１の放電終止電圧）に達したとき入力を遮断して放電を停止させる機能を有する。

この直流電源システムでは、交流電源６が有効であるときは整流器５が出力する電力が負荷４へ供給され、交流電源６が停電のときは組電池１が出力する電力が放電器２を介して負荷４へ供給される。

交流電源６が停電のとき、各系統の組電池１が出力する電力は放電器２を介して負荷４へ供給されるが、各系統に分担される放電電流は、停電前の充電状態によってばらつきが生じる。さらに、並列放電器間の出力電圧差や放電器出力点から並列接続点までの配線抵抗差によってもばらつきが起こる。このため、停電により放電を開始すると、放電電流が偏った状態のまま放電が進行し、電流が集中した電池系統では早期に放電停止となり、前述した問題が生じる。

この問題を解決するために、本発明においては、各系統の放電電流を監視しながら、放電器２の出力電圧を上下させることにより出力電流集中を抑制する。すなわち、本実施の形態例において、図１に示したように、本発明が特徴とする制御手段である制御部７が具備され、制御部７は、各系統の放電器２と双方向の通信を行い、放電器２からは自系統の出力電流が制御部７へ送信され、制御部７から放電器２へは出力電圧を変更させる命令が送信される。

制御部７は、各系統の放電器２から受け取った出力電流から、平均出力電流を求め、出力電流が、求めた平均出力電流を超えている系統に対して出力電圧を低下させる命令を送信し、出力電流が平均出力電流を下回っている系統に対して出力電圧を上昇させる命令を送信する。

具体的には、放電器２の出力電圧を低下させる条件は、当該系統の出力電流が平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えている時間が連続して第１の時間を超えたときであり、放電器２の出力電圧を上昇させる条件は、当該系統の出力電流が平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回る時間が連続して第２の時間を超えたときである。

例えば、第１の設定値を５Ａ、第１の時間を１分、第２の設定値を５Ａ、第２の時間を１分とし、全系統の組電池１の充電完了後に交流電源６を停電させ、組電池１から負荷４への放電を開始する。ここで、１〜６系の出力電流（放電器２の出力電流）がそれぞれ、４０Ａ、３５Ａ、３０Ａ、２５Ａ、２０Ａ、１５Ａとなったとすると、平均出力電流は２７．５Ａである。出力電流が平均出力電流に第１の設定値（５Ａ）を加えた電流（３２．５Ａ）を超えている系統は１系と２系であり、出力電流が平均出力電流から第２の設定値（５Ａ）を減じた電流（２２．５Ａ）を下回っている系統は５系と６系である。

このまま放電が継続して１分（第１の時間、第２の時間）が経過すると、制御部７からの命令により、１系と２系の放電器２の出力電圧が０．１Ｖ低下して４９．９Ｖとなり、５系と６系の放電器２の出力電圧が０．１Ｖ上昇して５０．１Ｖとなる。これにより、１〜６系の出力電流はそれぞれ、３５Ａ、３０Ａ、３０Ａ、２５Ａ、２５Ａ、２０Ａとなる。さらに、１系と６系では再び同じ出力電圧変更が起こり、１〜６系の出力電流はそれぞれ、３０Ａ、３０Ａ、３０Ａ、２５Ａ、２５Ａ、２５Ａとなる。ここに、出力電圧が変更される条件を満たす系統が存在しなくなり、同時に出力電流の集中が抑制される。

以上の制御部７による制御は、例えば、図２、図３に示すフローチャートにより表すことができる。

図２において、制御を開始（Ｔ_０＝０）すると、ステップ２１（Ｓ２１で示す、以下同様）において、放電器２の出力電流Ｉ_ｏｕｔが全系統の平均出力電流Ｉ_ａに第１の電流Ｉ_１を加えた電流を超えているときはステップ２３へ進み、そうでないときはステップ２２へ進む。ステップ２２において、Ｔ_０（出力電流Ｉ_ｏｕｔが連続してＩ_ａ＋Ｉ_１を超えている第１の持続時間）をゼロとしてステップ２１に戻る。

ステップ２３において、第１の持続時間Ｔ_０に所定の待機時間１秒を加算してステップ２４へ進む。ステップ２４において、１秒間待機してステップ２５へ進む。ステップ２５において、第１の持続時間Ｔ_０が第１の時間Ｔ_１を超えているときはステップ２６へ進み、そうでないときはステップ２１へ戻る。ステップ２６において、出力電圧を０．１Ｖ下げてステップ２２へ戻る。

図３において、制御を開始（Ｔ_０＝０）すると、ステップ３１において、放電器２の出力電流Ｉ_ｏｕｔが全系統の平均出力電流Ｉ_ａから第２の電流Ｉ_２を減じた電流を下回っているときはステップ３３へ進み、そうでないときはステップ３２へ進む。ステップ３２において、Ｔ_０（出力電流Ｉ_ｏｕｔが連続してＩ_ａ−Ｉ_２を下回っている第２の持続時間）をゼロとしてステップ３１に戻る。

ステップ３３において、第２の持続時間Ｔ_０に所定の待機時間１秒を加算してステップ３４へ進む。ステップ３４において、１秒間待機してステップ３５へ進む。ステップ３５において、第２の持続時間Ｔ_０が第２の時間Ｔ_２を超えているときはステップ３６へ進み、そうでないときはステップ３１へ戻る。ステップ３６において、出力電圧を０．１Ｖ上げてステップ３２へ戻る。

ステップ図２と図３の制御を両方実行することによって、出力電流の集中が抑制される。

本実施の形態例においては、放電器２の出力電圧を下げる制御（図２）と出力電圧を上げる制御（図３）との両方を行っているが、いずれか片方のみの制御だけであっても、出力電圧が変化した系統では出力電流が平均に近づくから、出力電流の集中を抑制することが可能である。

以上、本発明の実施形態について、ニッケル水素蓄電池と制御部とを用いた直流電源システムを例として説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ニッケル水素蓄電池を他の電池で置き換えてもよいし、さらに、制御部なしに、各放電器が自律的に自己の出力電圧を調整する機能を備えているものであってもよく、いずれの場合にも本発明の効果は上記実施の形態例と同様に現れる。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

複数系統の放電器を出力において並列接続した直流電源システムでは、放電器の配置や放電器の入力である電池の状態の差により並列系統間に容量ばらつきが起こり、特定の系統に大きな負荷が分担され、系統間の放電電流に偏りが生じ、放電可能なエネルギーが残されたままシステムの放電が終了し、余分に電池を搭載する必要が生じてコストとスペースを増加させるという問題がある。

本発明の実施により、容量ばらつきが解消され、電池に蓄積された放電可能なエネルギーが余すことなく負荷へ供給されるため、余分に設置する蓄電池を減らすことができ、コストとスペースを節約することが可能となる。

１：組電池、２：放電器、３：充電器、４：負荷、５：整流器、６：交流電源、７：制御部。

Claims (6)

1. １つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムにおいて、
   複数の前記放電器の各々について、
   当該放電器の出力電流を計測し、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えていなければ第１の持続時間をゼロに設定し、超えていれば該第１の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行い、
   前記第１の持続時間が第１の時間を超えたとき、当該放電器の出力電圧を低下させる制御を行うことを特徴とする直流電源システム。
2. １つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムにおいて、
   複数の前記放電器の各々について、
   当該放電器の出力電流を計測し、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回っていなければ第２の持続時間をゼロに設定し、下回っていれば該第２の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行い、
   前記第２の持続時間が第２の時間を超えたとき、当該放電器の出力電圧を上昇させる制御を行うことを特徴とする直流電源システム。
3. １つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムにおいて、
   複数の前記放電器の各々について、
   当該放電器の出力電流を計測する処理、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えていなければ第１の持続時間をゼロに設定し、超えていれば該第１の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理、および前記計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回っていなければ第２の持続時間をゼロに設定し、下回っていれば該第２の持続時間に前記所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行い、
   前記第１の持続時間が第１の時間を超えたとき、当該放電器の出力電圧を低下させる制御を行い、
   前記第２の持続時間が第２の時間を超えたとき、当該放電器の出力電圧を上昇させる制御を行うことを特徴とする直流電源システム。
4. １つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムにおいて、
   制御手段が具備され、該制御手段は、
   複数の前記放電器の各々について、
   当該放電器の出力電流を計測する処理、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えていなければ第１の持続時間をゼロに設定し、超えていれば該第１の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理、および前記計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回っていなければ第２の持続時間をゼロに設定し、下回っていれば該第２の持続時間に前記所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行う制御と、
   前記第１の持続時間が第１の時間を超えたときに当該放電器の出力電圧を低下させる制御と、
   前記第２の持続時間が第２の時間を超えたときに当該放電器の出力電圧を上昇させる制御とを行うことを特徴とする直流電源システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の直流電源システムにおいて、
   交流電力を直流電力に変換する整流器が具備され、該整流器と複数の前記放電器とが出力において並列接続されていることを特徴とする直流電源システム。
6. １つ以上の蓄電池を直列接続してなる複数の組電池が具備され、各前記組電池の出力にはそれぞれ放電器が接続され、複数の前記放電器が出力において並列接続されて負荷へ電力を供給する直流電源システムの放電制御方法であって、
   複数の前記放電器の各々について、
   当該放電器の出力電流を計測する処理、該計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流に第１の設定値を加えた電流を超えていなければ第１の持続時間をゼロに設定し、超えていれば該第１の持続時間に所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理、および前記計測された出力電流が複数の前記放電器の平均出力電流から第２の設定値を減じた電流を下回っていなければ第２の持続時間をゼロに設定し、下回っていれば該第２の持続時間に前記所定の待機時間を加算するとともに該所定の待機時間の間待機する処理を繰り返し行う手続きと、
   前記第１の持続時間が第１の時間を超えたときに当該放電器の出力電圧を低下させる手続きと、
   前記第２の持続時間が第２の時間を超えたときに当該放電器の出力電圧を上昇させる手続きとを実行することを特徴とする直流電源システムの放電制御方法。

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