JP6196650B2 - 電力供給システム - Google Patents

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Description

本発明は、外部電源からの電力で充電され、制御負荷に電力を供給する蓄電手段を備える電力供給システム、及び電力供給システムに具備される蓄電手段の温度管理に関する。
従来の電力供給システムにおいては、蓄電池を充放電に適した温度にするため、蓄電池の温度を検出する蓄電池温度検出手段と、内燃機関の排熱を利用して生成された温水で給湯を行うコージェネレーションユニットによって生成された温水で蓄電池を昇温させる蓄電池昇温手段と、検出された温度に基づいて蓄電池昇温手段の動作を制御する蓄電池温度制御手段とを備えた構成が開示されている。(例えば、特許文献1参照)
特開2014−182934
従来の電力供給システムでは、外部電源からの電力で充電され、制御負荷に電力を供給する蓄電手段の寿命劣化の進行を抑制可能に構成されたものではなく、簡便な方法で蓄電手段の寿命劣化の進行を抑制することに対応できないという課題があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、外部電源からの電力で充電され、制御負荷に電力を供給する蓄電手段の寿命劣化の進行を、従来より抑制することが可能な電力供給システムを得ることを目的とする。
本発明の電力供給システムは、外部電源からの電力で充電され、制御負荷に電力を供給する蓄電手段を備える電力供給システムであって、蓄電手段を冷却する冷却手段と、蓄電手段を加熱する加熱手段と、蓄電手段の温度が第1温度より高い場合は、冷却手段を動作させ、第2温度より低い場合は加熱手段を動作させる温度制御手段とを備えるものである。
本発明は、外部電源からの電力で充電され、制御負荷に電力を供給する蓄電手段の温度を一定範囲内に制御するため、従来より蓄電手段の寿命劣化の進行を抑制することができるという効果を奏する。
本発明に係る実施の形態1における電力供給システムの構成図である。 本発明に係る実施の形態1の電力供給システムにおける二次電池の温度に対する温度閾値の設定例である。 本発明に係る実施の形態1における電力供給システムの動作を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態2における電力供給システムの構成図である。 本発明に係る実施の形態2における電力供給システムの動作を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態3における電力供給システムの構成図である。
実施の形態1.
図1から図3を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は、本発明に係る実施の形態1における電力供給システムの構成図である。
電力供給システム100は、系統電源200と直流電源300の外部電源を接続可能で、この外部電源からの電力供給により宅内負荷400に電力を供給する構成である。系統電源200は商用電源等の交流電力が供給される。直流電源300は、例えば、EV(Electric Vehicle)、又は太陽光発電で構成され直流電力が供給される。宅内負荷400は、例えばIHクッキングヒータ、冷蔵庫、及び照明などの家電機器である。宅内負荷400には、電力変換手段の具体的な構成である電力変換回路3から出力される交流電力、又は系統電源200から出力される交流電力が供給される。
外部電源からの電力供給の無いとき(以下「待機状態時」と記載)、電力供給システム100内の制御負荷7(例えば、CPU、リモコン、電圧電流状態監視センサ等)への待機電力を供給するために、蓄電手段の具体的な構成である二次電池1を搭載する。この二次電池1には、例えば鉛蓄電池を使用してもよい。
電力供給システム100は、主たる構成部として、主回路20、二次電池温度調節部21、及びバックアップ用電源となる二次電池1を備えている。系統電源200から供給される交流電力は、主回路20を介さずに宅内負荷400に供給され、一方で、主回路20にも供給される。主回路20は、系統電源200から供給される交流電力を、整流手段の具体的な構成である整流回路4によって直流電力に変換して制御電源5を介して直流負荷である制御負荷7に供給する。二次電池1の出力は、外部電源から電力が供給されないとき、制御負荷7に供給する。
主回路20は、EV等の直流電源300から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換回路3と、系統電源200または電力変換回路3から供給される交流電圧を整流する整流回路4と、整流回路4の出力を第1の直流電圧Vaに変換して制御負荷7に印加する制御電源5と、整流回路4の出力を第1の直流電圧Vaよりも低い第2の直流電圧Vbで二次電池1を充電する、バッテリ充電手段の具体的な構成であるバッテリ充電回路(以下「BCG」と記載)6と、BCG6をオンオフ制御する制御部(図示せず。)と、一端であるカソードが制御電源5の出力端側に電気的に接続され、他端であるアノードがBCG6の出力端側に電気的に接続され、制御電源5からの電流が二次電池1に流れ込むのを阻止する向きに接続され、一方向性素子の具体的な構成である分離ダイオード2と、を備えている。分離ダイオード2の存在により、制御電源5の出力によって二次電池1が充電されるのが防止されると共に、系統電源200及び直流電源300のうちの少なくとも一つから電力が供給されるとき(以下「通常状態時」と記載)には、二次電池1から制御負荷7への放電が防止される。
この通常状態であるか否かの判定は、制御部(図示省略。)で実施しており、具体的には整流回路4又は制御電源5の入力電圧値で判定される。
待機状態時は、二次電池1から制御負荷7に向けて待機電力分の放電動作が実施されるため自己発熱は発生しない。また電力供給システム100内の発熱回路(電力変換回路3、制御電源5、BCG6が相当)は動作していないため発熱がなく、二次電池1の本体温度は電力供給システム100の外気温度で決定される。
一方、通常状態時には、BCG6により二次電池1が充電されるため、二次電池1には自己発熱が発生する。BCG6は、電力変換回路3又は系統電源200からの出力が入力されると、二次電池1の入力に対して定電圧制御を行い、二次電池1への充電動作を行う。
例えば、BCG6からの充電電圧は6セル構成の鉛蓄電池に対しては約13.5Vが一般的であり、鉛蓄電池の2個を直列接続した構成(12V×2=24V使用)であれば、約27Vで充電を行う。
また制御電源5も同様に動作し、制御負荷7へ電力供給を行う。制御電源5の出力電圧はBCG6の出力(約27V)よりも高く、例えば28.5Vに設定される。図1に示すように逆流防止ダイオード2を設けることにより、通常状態時は制御電源5から制御負荷7へ電力供給動作、BCG6から二次電池1へ充電動作を行うことが可能となる。
通常状態時は、二次電池1の充電による自己発熱に加え、電力変換回路3と制御電源5の動作での発熱の発生、即ち電力供給システム100内部の温度上昇により、二次電池1の本体温度(電池の周囲温度含む)が上昇することとなる。二次電池1は温度上昇によりアレニウスの法則に従って寿命が低下するため、寿命劣化の進行を防止(軽減)するためには温度上昇の抑制が必要となる。
次に、二次電池温度調節部21の構成を説明する。
二次電池温度調節部21内に配置される二次電池1は、温度上昇を抑制するため、冷却用風路の風上に配置される。冷却手段の具体的な構成である冷却ファン12によって外気を導入し、この外気で放熱材10(ヒートシンク、ヒートパイプなど)が空冷され、二次電池1が冷却される。
さらに、二次電池1の本体温度を検出するための、温度検出手段の具体的な構成である温度検出部11と、放熱材10を冷却するための冷却ファン12と、外気を導入する冷却用風路31と、二次電池1を加熱するため、加熱手段の具体的な構成である加熱用風路30と、加熱用風路30内の加熱空気の流れを調整する風量調整手段の具体的構成である加熱用弁8と、冷却ファン12と加熱用弁8を制御するため、温度制御手段の具体的な構成である温度制御部9とを備えている。
温度検出部11は、例えば、サーミスタを放熱材10に取り付け、二次電池1の温度を間接的に測定する構成であっても良い。また、赤外線センサを用いる構成であれば、二次電池1の温度を非接触で検出するので、冷却用風路31上に温度検出部11が無くなり、冷却空気の圧損を低減することが可能になる。
尚、図1中の冷却用風路31と加熱用風路30に記載する矢印は、空気の流れる方向を模式的に示すものである。また、加熱用弁8、温度検出部11、及び冷却ファン12と温度制御部9との間に記載される矢印は、信号の入出力方向を模式的に示すものである。
温度検出部11及び温度制御部9により、二次電池1の温度が高いと判断されたときは、冷却ファン12を動作し冷却用風路31を経由した外気によって二次電池1を冷却する。温度検出部11の温度に応じて、温度制御部9によるファン12の風量(風速)制御を行い、二次電池1を適切な温度に保つことになる。
温度検出部11及び温度制御部9により、二次電池1の温度が低いと判断されたときは、温度制御部9が加熱用弁8を開口するように制御する。加熱用弁8は、電力変換回路3の発熱を二次電池1に供給する加熱用風路30上に配置され、加熱用弁8の開口量に応じて加熱された空気が供給され、二次電池1の温度が上昇する構成になる。
上述したように、二次電池1を風上に配置し、二次電池1に放熱材10を取り付けることで、電力供給システム100内の最も低温の空気での冷却が可能となる。また、電力変換回路3の発熱を二次電池1に供給することで、二次電池1の温度を上げることが可能になり、二次電池1の周囲温度を常に一定範囲に設定することが可能になる。
つぎに、二次電池1の冷却及び加熱動作と温度閾値の関係を説明する。
図2は、本発明に係る実施の形態1の電力供給システムにおける二次電池の温度に対する温度閾値の設定例である。温度制御部9の記憶部には、二次電池1の温度を判定するため、複数の温度閾値が設けられ、判定結果に応じて二次電池1の冷却及び加熱動作を行う。
図2において、二次電池1の温度が高いところから、冷却動作の必要領域、適正温度、加熱動作の必要領域を示している。複数の温度閾値は、冷却動作の必要領域であるか否かを判定する温度閾値が閾値A1、適正温度であるか否かを判定する温度閾値の上限が閾値A2、下限が閾値B2、加熱動作の必要領域であるか否かを判定する温度閾値が閾値B1である。
電力供給システム100の通常状態は、系統電源200又は直流電源300のうち、少なくともどちらか一方から電力が供給される状態である。系統電源200から交流電力が供給される状態では、整流回路4に交流電力が入力される。又は、直流電源300から電力が供給される状態では、直流電力が電力変換回路3でDC/AC変換された後、整流回路4に入力される。
制御電源5は制御負荷7へ電力供給を行うと共に、二次電池1はBCG6により充電される。電力変換回路3、制御電源5、及びBCG6動作タイミングにて、温度検出部11が二次電池1の温度を検出し、この検出温度に応じて温度制御部9が以下の制御を実施する。
二次電池1の温度が、第1温度の具体的な値である閾値A1(例えば57℃)を超えると、温度制御部9は温度検出部11の出力に応じて冷却動作を行う。この冷却動作の一つとして、冷却ファン12を動作させるための入力の電圧可変、又はPWM(Pulse Width Modulation)制御により冷却ファン12の風量を調整する制御を行う。この制御は、例えば温度検出部11が検出した温度が高いほど風量が増加する動作を行う。同時に、温度検出部11の出力に応じてBCG6の出力電圧を可変する制御を行う。この制御は、例えば温度検出部11が検出した温度が高いほど、BCG6の出力電圧を下げる動作を行う。尚、冷却ファン12とBCG6の制御は、どちらか一方の制御を実行することでも問題ない。
冷却ファン12は外気の取り込みにより、二次電池1を冷却する。この外気の温度は、夏であれば例えば37℃になる。
冷却ファン12の動作等により、二次電池1の温度は低下し、温度検出部11で検出する二次電池1の温度が閾値A2(例えば53℃)まで達すると、上述の冷却動作を停止させる。温度制御部9は冷却動作を継続する制御をしてもよいが、電力消費を極力抑えるために冷却動作を停止させる制御としている。このように閾値A1、A2に対する冷却動作にヒステリシス特性を持たせる制御とすることが望ましい。
二次電池1の温度が、第2温度の具体的な値である閾値B1(例えば0℃)を下回ると、温度制御部9は温度検出部11の出力に応じて加熱動作を行う。この加熱動作の一つとして、加熱用弁8が温度制御部9の指令に応じて開口する。加熱用弁8は、電力変換回路3の排熱を二次電池1に誘導する加熱用風路30に設置されており、加熱用弁8が開口すると、電力変換回路3の発熱が二次電池1に送風される構成となっている。電力変換回路3の損失による発熱により、電力供給システム100内の温度に対し、例えば20℃ほど高い温度が、二次電池1に送風されることで、二次電池1の温度は上昇する。
これら動作により、二次電池1の温度は上昇し、温度検出部11による二次電池1の温度が閾値B2(例えば10℃)まで達すると、上述の加熱動作を停止させる。加熱動作の継続は、逆に二次電池1の過昇を招く恐れがあるため、二次電池1の温度が閾値B2に達したら加熱動作を停止させる。このように閾値B1、B2に対する加熱動作にヒステリシス特性を持たせる制御とすることが望ましい。
つぎに、電力システム100における二次電池1の冷却及び加熱時の動作をフローチャートを用いて説明する。
図3は、実施の形態1における電力供給システムの動作を示すフローチャートである。なお、図3では、電力供給システムの各構成部に付される符号の表記を省略している。
温度制御部9の記憶部に温度検出用として図2に記載された複数の温度閾値が設けられることを前提として、フローチャートを説明する。尚、図3のフローチャート内の判定動作では、閾値A1、A2、B1、B2という4つの温度閾値を例示するが、温度閾値の種類はこれに限定されるものではない。
通常状態がスタート(ステップS30)すると、電力変換回路3の動作(ステップS31)と、制御電源5から制御負荷7への電力供給(ステップS32)と、BCG6による二次電池1への充電(ステップS33)と、温度検出部11により二次電池1の温度を検出(ステップS34)とを実行する。
その後、温度制御部9は、温度検出部11が検出した温度、すなわち二次電池2の温度が第1の閾値である閾値A1以上であるか否かを判定する第1の判定処理を行う(ステップS35)。
二次電池2の温度が閾値A1以上の場合には(ステップS35、Yes)、冷却動作を開始(ステップS36)し、温度検出部11の検出温度に基づきBCG6の出力電圧を加減(ステップS37)する。このステップS36とS37の動作は、どちらか一方のみを実行するフローチャートであっても問題ない。
次に、二次電池2の温度が第2の閾値である閾値A2以下であるか否かを判定する第2の判定処理を行う(ステップS38)。二次電池1の温度が閾値A2超過の場合(ステップS38、No)には、ステップS38の処理を繰り返す。二次電池1の温度が第2の閾値である閾値A2以下(ステップS38、Yes)であれば、冷却動作を停止する(ステップS39)。その後、通常状態であるか否かを判定(ステップS44)し、通常状態を継続するのであれば、第1の判定処理(ステップS35)に戻る。
二次電池1の温度が閾値A1未満の場合には(ステップS35、No)、二次電池2の温度が第3の閾値である閾値B1以下であるか否かを判定する第3の判定処理を行う(ステップS40)。
二次電池2の温度が閾値B1より大きい場合には(ステップS40、No)、第1の判定処理を再度行う(ステップS35)。
二次電池1の温度が閾値B1以下の場合には(ステップS40、Yes)、温度検出部11が検出した温度に基づき加熱用弁を開口(ステップS37)し、二次電池1を加熱する。
次に、二次電池1の温度が第4の閾値である閾値B2以上であるか否かを判定する第4の判定処理を行う(ステップS42)。二次電池1の温度が閾値B2未満の場合には(ステップS42、No)、ステップS42の処理を繰り返す。二次電池1の温度が第4の閾値である閾値B2以上(ステップS42、Yes)であれば、加熱用弁8を閉口し加熱動作を停止する(ステップS43)。
その後、通常状態であるか否かを判定(ステップS44)し、通常状態が終了であると判定すると、動作は終了(ステップS45)となる。
以上のように、二次電池1の温度に応じて冷却動作及び加熱動作を行うことにより、二次電池1を適正温度に保つため、寿命劣化の進行を抑制することが可能となり、長寿命化による二次電池1の交換頻度が減り、交換費用削減、即ちコスト削減を図ることができる。また、交換頻度の減少により、使用者の使い勝手が向上する。
実施の形態2.
図4を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
図4は、本発明に係る実施の形態2における電力供給システムの構成図である。
実施の形態1と異なる構成は、強制冷却手段の具体的な構成である強制冷却部13を備えることである。
図4において、冷却ファン12の最大風量での冷却で、二次電池1が設定時間内に閾値A2まで低下しない場合、温度制御部9は強制冷却部13を動作させ、二次電池1の温度を低下させる構成である。強制冷却部13は、例えばペルチェ素子による外気の冷却であり、外気温(例えば37℃)を例えば30℃にまで低下させた冷却風を、冷却ファン12によって二次電池1に送風することで、一層の温度低下を実現させる。尚、ペルチェ素子の発熱は、電力供給システム100の外に排熱する。
強制冷却部13は、外気温より低い温度の空気を冷却ファン12に供給する構成であり、外気温で送風される空気によって、二次電池1の温度を適正な温度にまで冷却できないときに作動させる。このため、真夏など、外気温が高い時にも二次電池1の温度を適正に保つことが可能となり、従来より確実に二次電池1の寿命劣化の進行を抑制することができる。
つぎに、実施の形態2に係る電力システムにおける二次電池の冷却及び加熱時の動作を説明する。
図5は、実施の形態2における電力供給システムの動作を示すフローチャートである。以下の説明では、実施の形態1のフローチャートと異なる箇所を主に説明する。
図5において、二次電池1の温度が閾値A2以下であるか否かを判定(ステップS38、No)後、二次電池1の冷却動作が設定時間を経過した場合(ステップS46、Yes)に強制冷却部13を動作(ステップS47)させ、二次電池1を冷却する動作になる。二次電池1の温度が閾値A2以下(ステップS38、Yes)の場合、冷却動作を停止する。
実施の形態3.
図6を参照して、本発明の実施の形態3ついて説明する。
図6は、本発明に係る実施の形態3における電力供給システムの構成図である。この構成図は、電力供給システムを設置した状態を模式的に示している。
実施の形態3は、実施の形態1及び2と冷却用風路の構成が異なっている。電力供給システム100内の内部発熱体としては、電力変換回路3、制御電源5、及び二次電池1があり、実施の形態1及び2では、二次電池1を冷却及び加熱する構成を説明した。実施の形態3では、電力供給システム100内の上述の内部発熱体と二次電池1を冷却する風路構成について説明する。
図6において、電力供給システム100を収納する筐体50は支持部51を備えており、この支持部51が筐体50と設置面52との間に配置される。
第1風路40は内部発熱体を冷却するための外気を導入する風路であり、図6に筐体50の下端から吸気し、上端から排気する構成を示しているが、この構成に限定されるものではない。尚、矢印60が示す方向が筐体50の上方向を示す。
一方、第1風路40とは別に、二次電池1の近傍に第2風路41を形成し二次電池1を冷却する。この第2風路41は、第1風路40と同様の筐体50の下端からの吸気とする必要はなく、筐体50の上端からの吸気でも構わない。その際は、第1風路40の排気を第2風路41が吸気として取り込まないような、ショートサイクル防止のための構造設計を留意すればよい。
第2風路41は、二次電池1を冷却するための専用風路としているため、第1風路40の構成を考慮することなく電力供給システム100内に二次電池1を配置することが可能になる。例えば、第2風路41を筐体50の上端からの吸気とすれば、二次電池1交換時のアクセスが容易となるように二次電池1を電力供給システム100の筐体50の上部に配置することが可能になり、二次電池1交換時の施工性向上を図ることができる。
以上のように、電力供給システム100の内部の第1風路40とは別に、二次電池1を冷却するための専用の第2風路41を設けることで、第2風路41の吸気風は必ず外気温になる。この吸気風は、電力供給システム100内の発熱による温度上昇の影響を受けないので、筐体50内の温度より低温を維持できる。このため、二次電池1の効率的な冷却を実現することが可能となる。
また、電力供給システム100内部の第1風路40と関係なく二次電池1を配置することができるため、二次電池1を交換する時の施工性を向上する等の内部配置にすることが可能となる。
さらに、上述した二次電池1を冷却する風路構成は、二次電池1の温度上昇を低減するので、寿命劣化の進行を抑制できる。例えば、電力供給システム100の製品寿命15年に対し、二次電池1の交換が3回から2回、又は2回から0回に削減できる。このように、二次電池1の交換頻度を下げることが可能となり、交換費用を削減する効果がある。
尚、上記の実施例では、二次電池1の冷却に外気を取り込む気体流路を設ける構成としたが、その限りではなく、冷却方式として水冷式を用いても構わない。水冷式による冷却の場合は、二次電池1の温度に応じて水流(水量)を可変させる制御を行う。
また、本発明は、上述した実施の形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。
1 二次電池、2 ダイオード、3 電力変換回路、4 整流回路、5 制御電源、6 バッテリ充電回路、7 制御負荷、8 加熱用弁、9 温度制御部、10 放熱部、11 温度検出部、12 冷却ファン、13 強制冷却部、20 主回路、21 二次電池温度調節部、30 加熱用風路、31 冷却用風路、40 第1風路、41 第2風路、50 筐体、51 支持部、52 設置面、60 矢印、100 電力供給システム、200 系統電源、300 直流電源、400 宅内負荷

Claims (6)

  1. 系統電源からの交流電力を交流負荷に供給する電力供給システムであって、
    直流電源又は前記系統電源からの電力で充電され、直流負荷である制御負荷に電力を供給する蓄電手段と、
    前記直流電源が供給する直流電力を交流電力に変換して交流負荷に供給する電力変換手段と、
    前記電力変換手段又は前記系統電源が供給する交流電力を整流する整流手段と、
    前記整流手段の出力を降圧して前記制御負荷に供給する制御電源と、
    前記整流手段の出力を降圧して前記蓄電手段を充電するバッテリ充電手段と、
    前記蓄電手段の発熱を放熱するヒートシンクと、前記ヒートシンクを冷却する冷却ファンとで構成され、前記蓄電手段を冷却する冷却手段と、
    前記蓄電手段を加熱する加熱手段と、
    前記蓄電手段の温度を検出する温度検出手段と、
    前記温度検出手段が検出した温度に応じて、前記冷却手段を動作させ、前記冷却手段の冷却動作を停止させ、前記加熱手段を動作させ、又は前記加熱手段の加熱動作を停止させる温度制御手段と、
    を備え、
    前記冷却手段は、導入する外気の温度を下げる強制冷却手段をさらに有し、前記強制冷却手段の風下に前記冷却ファンが配置され、
    前記温度制御手段は、
    前記蓄電手段の温度が第1温度より高い場合は前記冷却手段を動作させ、第2温度より低い場合は前記加熱手段を動作させると共に、
    前記蓄電手段の温度が前記第1温度より低く、前記第2温度より高い第3温度のときに加熱動作を停止させ、
    前記蓄電手段の温度が前記第温度より高く、前記第温度より低い第4温度のときに冷却動作を停止させ、
    前記蓄電手段の温度が前記第1温度より低く、前記第4温度より高い温度のとき、冷却動作が設定時間を経過した場合には、前記強制冷却手段を動作させる
    ことを特徴とする電力供給システム。
  2. 前記加熱手段は、前記電力変換手段、前記制御電源、及び前記バッテリ充電手段の少なくとも一つからの発熱で加熱された空気を前記蓄電手段に送風する加熱用風路と、
    前記加熱用風路内の風量を調整する風量調整手段と、を備える
    ことを特徴とする請求項に記載の電力供給システム。
  3. 前記温度制御手段は、前記温度検出手段で検出した温度に応じて、前記風量調整手段を制御する
    ことを特徴とする請求項に記載の電力供給システム。
  4. 前記温度制御手段は、前記温度検出手段で検出した温度に応じて、前記冷却ファンの風量を調整する
    ことを特徴とする請求項からのいずれか1項に記載の電力供給システム。
  5. 前記温度制御手段は、前記温度検出手段で検出した温度に応じて、前記バッテリ充電手段の出力電圧を調整する
    ことを特徴とする請求項からのいずれか1項に記載の電力供給システム。
  6. 前記温度検出手段は、サーミスタ又は赤外線センサで構成される
    ことを特徴とする請求項からのいずれか1項に記載の電力供給システム。
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