JP6824616B2 - 可搬型バックアップ電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池ユニットを分割式とした可搬型バックアップ電源装置に関する。

可搬型バックアップ電源装置において、その電池ユニットを分割式とすれば、分割した個々のユニットを小寸法かつ軽量とすることができ、その結果、例えば災害時においても人力で容易に運搬することが可能となる。また、予算に応じて少ない数のユニットを初期導入し、後日、追加して容量を増大することが可能となる。

しかしながら、電池ユニットを分割式とすると、電池残量の互いに異なる電池ユニットや、新旧の入り交じった電池ユニット等の不特定の電池ユニットが相互に接続される可能性がある。電池残量の互いに異なる電池ユニットが互いに並列に接続されると、残量の少ない電池ユニットに大電流が流れて発熱や発火の生じるおそれがある。また、新旧の入り交じった電池ユニットが混在していると、電池ユニットの個体識別が困難となり、無償修理保証や事故解析時に不都合が生じる。さらに、何台の電池ユニットが接続されているのか把握できない場合がある。

互いに並列接続した複数の電池ユニットのうちの一部の電池ユニットに大電流が流れてしまうことを防止できる蓄電池システムが、特許文献１に開示されている。この蓄電池システムにおいて、複数の蓄電池モジュールは複数のグループに分割され、各グループに属する蓄電池モジュールの電流路は１つに並列結合されて複数のグループ電流路が形成されている。複数のグループ電流路は１つに並列結合されて充放電装置に接続されている。複数のグループ電流路には、遮断器の複数の開閉部がそれぞれ挿入され、これら開閉器は１つが開くと残りも開くように構成されている。これにより、特許文献１に開示の蓄電池システムによれば、蓄電池モジュールの１つのグループに過電流が流れた場合に他のグループの蓄電池モジュールに電流が集中し定格容量オーバーを起こすことを防止できる。

国際公開ＷＯ２０１４／０４９６５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された蓄電池システムによると、並列接続された複数の蓄電池モジュールのうちの１つに過電流が流れると、全ての蓄電池モジュールが遮断されてしまうため、このようなシステムを、非常時等に電源供給が必須とされるバックアップ電源装置として用いることには大きな問題があった。

従って本発明の目的は、バックアップ電源装置として使用可能であり、不特定の電池ユニットが互いに並列接続されている場合にも、その一部の電池ユニットに大電流が流れてしまうことを確実に防止できる可搬型バックアップ電源装置を提供することにある。

本発明によれば、可搬型バックアップ電源装置は、互いに並列接続された複数の電池ユニットと、複数の電池ユニットに接続されていると共に充電電流をこれら複数の電池ユニットに供給する充電ユニットと、複数の電池ユニットに接続されていると共にこれら複数の電池ユニットからの放電電流を受け取る放電ユニットと、充電ユニット及び放電ユニットに接続されており、複数の電池ユニットに均等に充電電流を流すと共に複数の電池ユニットから均等に放電電流を流すための均等化回路とを備えている。

均等化回路によって、複数の電池ユニットに均等に充電電流が流され、複数の電池ユニットから均等に放電電流が流されるため、電池残量の互いに異なる電池ユニットが接続されている場合にも、その一部の電池ユニットに大電流が流れてしまうことを確実に防止することができる。

均等化回路が、複数の電池ユニットから放電ユニット方向への電流のみを流すように、複数の電池ユニット及び前記放電ユニット間に接続された複数のダイオードを含んでいることが好ましい。

均等化回路が、充電ユニットから複数の電池ユニット方向への電流のみを流すように、充電ユニット及び複数の電池ユニット間に接続された複数のダイオードを含んでいることも好ましい。

また、均等化回路が、複数の電池ユニットに定電流を流すように、充電ユニット及び複数の電池ユニット間に接続されており出力電流値を調整可能な複数の定電流回路を含んでいることも好ましい。

この場合、均等化回路が、複数の電池ユニットの電池残量を検出する回路と、この回路によって検出された電池残量に応じて複数の定電流回路の出力電流値を指示する回路とをさらに含んでいることがより好ましい。

複数の電池ユニットが充電ユニット及び放電ユニットに接続された後、複数の電池ユニットの各々についてアドレスを付与するアドレス付与回路をさらに備えており、複数の電池ユニットをこのように付与されたアドレスで管理するように構成されていることも好ましい。

本発明によれば、電池残量の互いに異なる電池ユニットが接続されている場合にも、その一部の電池ユニットに大電流が流れてしまうことを確実に防止することができる。

本発明の可搬型バックアップ電源装置の一実施形態におけるシステム構成を概略的に示すブロック図である。 図１の可搬型バックアップ電源装置における均等化回路の機能を概略的に説明する図である。 図１の可搬型バックアップ電源装置における均等化回路の構成を概略的に説明するブロック図である。 本発明の可搬型バックアップ電源装置の他の実施形態におけるシステム構成を概略的に示すブロック図である。 図４の可搬型バックアップ電源装置における均等化回路の機能を概略的に説明する図である。 図４の可搬型バックアップ電源装置における均等化回路の構成を概略的に示すブロック図である。 図４の可搬型バックアップ電源装置における通信バスを用いた通信回路構成の一例を概略的に示すブロック図である。 図７の通信回路構成におけるアドレス付与回路の構成を概略的に示すブロック図である。 図８のアドレス付与回路におけるアドレス付与動作のタイムチャート及びフローを示す図である。 充電及び制御ユニット並びに電池ユニット間の通信バスを用いた通信動作のフローを示す図である。

図１は本発明の可搬型バックアップ電源装置の一実施形態におけるシステム構成を概略的に示しており、図２はこの可搬型バックアップ電源装置における均等化回路の機能を概略的に説明しており、図３はこの均等化回路の構成を概略的に示している。

図１に示すように、本実施形態の可搬型バックアップ電源装置は、各ユニットが約０．５５ｋＷｈの容量を有するリチウムイオン電池で構成され、互いに並列接続された電池ユニット１０ａ〜１０ｈと、これら電池ユニット１０ａ〜１０ｈに接続された充電ユニット１１及び放電ユニット１２とを備えている。同図に示すように、本実施形態では、４つの電池ユニット１０ａ〜１０ｄを互いに積み重ねて配置されており、また、４つの電池ユニット１０ｅ〜１０ｈを互いに積み重ねて配置されている。図には示されていないが、積み重ねられた電池ユニット１０ａ〜１０ｄの上にＡＣ１００Ｖの商用電源をＡＣ／ＤＣ変換して充電電流を供給する充電ユニット１１が載置されており、積み重ねられた電池ユニット１０ｅ〜１０ｈの上に電池ユニットの出力をＤＣ／ＡＣ変換してＡＣ１００Ｖの放電電流を出力する放電ユニット１２が載置されている。

充電ユニット１１は、商用電源入力端子の他に、ＤＣ１２Ｖ又は２４Ｖの入力端子及び太陽電池出力の入力端子を有していても良い。単なる一例であるが、電池ユニット１０ａ〜１０ｈの各々は幅約３２０ｍｍ、長さ約５０６ｍｍ、高さ約６４ｍｍ、重量約１２．０ｋｇであり、充電ユニット１１は幅約３２０ｍｍ、長さ約５１２ｍｍ、高さ約１２６．５ｍｍ、重量約１０．５ｋｇであり、放電ユニット１２は幅約３２０ｍｍ、長さ約５４２ｍｍ、高さ約１２６．５ｍｍ、重量約１２．０ｋｇである。

図２及び図３に示されているように、本実施形態においては、充電ユニット１１と電池ユニット１０ａ〜１０ｃとの間にダイオード１６ａ、１６ｃ及び１６ｅからなる均等化回路がそれぞれ接続されており、電池ユニット１０ａ〜１０ｃと放電ユニット１２との間にダイオード１６ｂ、１６ｄ及び１６ｆからなる均等化回路がそれぞれ接続されている。図３に示すように、ダイオード１６ａ、１６ｃ及び１６ｅは、充電ユニット１１から電池ユニット１０ａ〜１０ｃの方向への電流のみを流すようにその向きが設定されており、ダイオード１６ｂ、１６ｄ及び１６ｆは電池ユニット１０ａ〜１０ｃから放電ユニット１２の方向への電流のみを流すようにその向きが設定されている。このようなダイオードを接続することにより、電池残量に起因して電池ユニット間で大電流が流れることを防止できる。即ち、充電側回路及び放電側回路にこのような向きのダイオードを接続することにより、電池電圧の高い電池ユニット１０ａから電池電圧の低い電池ユニット１０ｂへ大電流が流れることを防止できる。また、電池残量が小さく電池電圧が低い電池ユニット（電池ユニット１０ｂ）の充電電流は大きくなり、電池残量が大きく電池電圧が高い電池ユニット（電池ユニット１０ａ）の充電電流は小さくなる。

なお、図２及び図３においては、一部の電池ユニット１０ａ〜１０ｃのみが示されているが、その他の電池ユニット１０ｄ〜１０ｈにも同様に均等化回路が接続されており、同様の作用効果が得られる。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、充電ユニット１１と電池ユニット１０ａ〜１０ｃとの間に均等化回路としてダイオード１６ａ、１６ｃ及び１６ｅが充電ユニット１１から電池ユニット１０ａ〜１０ｃの方向への電流のみを流すようにその向きが設定されてそれぞれ接続されており、電池ユニット１０ａ〜１０ｃと放電ユニット１２との間に均等化回路としてダイオード１６ｂ、１６ｄ及び１６ｆが電池ユニット１０ａ〜１０ｃから放電ユニット１２の方向への電流のみを流すようにその向きが設定されてそれぞれ接続されているため、電池電圧の高い電池ユニットから電池電圧の低い電池ユニットへ大電流が流れることを確実に防止でき、安全性が非常に高まる。

図４は本発明の可搬型バックアップ電源装置の他の実施形態におけるシステム構成を概略的に示しており、図５はこの可搬型バックアップ電源装置における均等化回路の機能を概略的に説明しており、図６はこの均等化回路の構成を概略的に示している。

図４には示されていないが、本実施形態においても、図１の実施形態の場合と同様の形態で、互いに並列接続された電池ユニット１０ａ〜１０ｈと、これら電池ユニット１０ａ〜１０ｈに接続された充電及び制御ユニット１１′並びに放電ユニット１２とが設けられている。これら電池ユニット１０ａ〜１０ｈ及び放電ユニット１２の構成は、以下に説明する均等化回路を除いて、図１の実施形態の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。

本実施形態においては、さらに、外部通信モジュール１３が設けられており、これら電池ユニット１０ａ〜１０ｈ、充電及び制御ユニット１１′、放電ユニット１２及び外部通信モジュール１３は、給電バス１４及びユニット間通信バス１５に並列に接続されている。また、例えば燃料電池等からなる新たな電池ユニット１０ｉを追加で接続可能となっている。

本実施形態における充電及び制御ユニット１１′は、図１の実施形態における充電ユニット１１にバス管理部を設けて構成されており、電池ユニット１０ａ〜１０ｉには、ユニット間通信バス１５を介してこのバス管理部と通信する通信用回路がそれぞれ設けられている。後述するように、電池ユニット１０ａ〜１０ｉにはこの可搬型バックアップ電源装置の起動時に実行されるアドレス付与モードにおいて、初めてアドレスが付与されるように構成されている。

図４及び図５に示されているように、本実施形態においては、充電及び制御ユニット１１′と電池ユニット１０ａ〜１０ｃとの間に定電流コンバータ５６ａ、５６ｃ及び５６ｅからなる均等化回路がそれぞれ接続されており、電池ユニット１０ａ〜１０ｃと放電ユニット１２との間にダイオード５６ｂ、５６ｄ及び５６ｆからなる均等化回路がそれぞれ接続されている。図５に示すように、定電流コンバータ５６ａ、５６ｃ及び５６ｅは、充電及び制御ユニット１１′に設けられたコンピュータ５７から通信回線５８（ユニット間通信バス１５）を介して指示された電流値に電池ユニット１０ａ〜１０ｃへの充電電流をそれぞれ制御する。コンピュータ５７は、電池ユニット１０ａ〜１０ｃの電池残量を、ユニット間通信バス１５を介した通信によって把握しており、その電池残量に応じて電流値を決定し指示する。ダイオード５６ｂ、５６ｄ及び５６ｆは電池ユニット１０ａ〜１０ｃから放電ユニット１２の方向への電流のみを流すようにその向きが設定されている。このような定電流コンバータ及びダイオードを接続することにより、電池残量に起因して電池ユニット間で大電流が流れることを防止できる。即ち、充電側回路に電流値制御される定電流コンバータを接続することにより、電池ユニットの電池残量が互いに等しくなるように制御され、また、電池電圧の高い電池ユニット１０ａから電池電圧の低い電池ユニット１０ｂへ大電流が流れることを防止できる。また、電池残量が小さく電池電圧が低い電池ユニット（電池ユニット１０ｂ）の充電電流は大きくなり、電池残量が大きく電池電圧が高い電池ユニット（電池ユニット１０ａ）の充電電流は小さくなる。さらに、放電側回路に上述のような向きのダイオードを接続することにより、電池電圧の高い電池ユニット１０ａから電池電圧の低い電池ユニット１０ｂへ大電流が流れることを防止できる。さらにまた、電池残量が小さく電池電圧が低い電池ユニット（電池ユニット１０ｂ）の放電電流は小さくなり、電池残量が大きく電池電圧が高い電池ユニット（電池ユニット１０ａ）の放電電流は大きくなる。

なお、図４及び図５においては、一部の電池ユニット１０ａ〜１０ｃのみが示されているが、その他の電池ユニット１０ｄ〜１０ｈにも同様に均等化回路が接続されており、同様の作用効果が得られる。

均等化回路として、定電流コンバータを用いることにより、ダイオードを用いた場合の順方向降下電圧（０．５〜１．０Ｖ程度）による損失を防ぐことができる。

なお、放電側の均等化回路として、電流値制御される定電流コンバータを設けても良いことはもちろんである。

図７は本実施形態の可搬型バックアップ電源装置における通信バスを用いた通信回路構成の一例を概略的に示しており、図８はこの通信回路構成におけるアドレス付与回路の構成を概略的に示しており、図９はこのアドレス付与回路におけるアドレス付与動作のタイムチャート及びフローを示している。

図７に示すバス管理部７０は充電及び制御ユニット１０′内に設けられており、このバス管理部７０と、例えば電池ユニット１０ａの通信用回路７２とはユニット間通信バス１５のデータ送受用バス７１を介してデータの送受信を行えるように構成されている。バス管理部７０には、コンピュータ５７の基板７０ａと、全二重方式のドライバ７０ｂとが設けられており、コンピュータ５７は基板７０ａ及びドライバ７０ｂを介してデータ送受用バス７１に接続されている。電池ユニット１０ａの通信用回路７２には、全二重方式のドライバ７２ａと、コンピュータ７２ｂと、電池ユニット１０ａの電池残量を検出する回路に相当する電池電圧測定部７２ｃと、アドレス付与用のフリップフロップ７２ｄとが設けられている。電池ユニット１０ｂの通信用回路７３には、全二重方式のドライバ７３ａと、コンピュータ７３ｂと、電池ユニット１０ｂの電池電圧測定部７３ｃと、アドレス付与用のフリップフロップ７３ｄとが設けられている。他の電池ユニットにおいても、同様の通信用回路が設けられている。

前述したように、本実施形態における電池ユニット１０ａ〜１０ｉはあらかじめ決められた固有アドレスを持っておらず、これら電池ユニット１０ａ〜１０ｉは、給電バス１４及びユニット間通信バス１５に接続された後、充電及び制御ユニット１１′のバス管理部７０によってアドレスが付与される。アドレスが付与された後、これら電池ユニット１０ａ〜１０ｉは付与されたアドレスを用いてデータの送受信を行う。また、このアドレス付与により、バス管理部７０は、電池ユニットが何台接続されているかも含めて、接続されている電池ユニットを確実に把握することができる。

次に、各電池ユニットのアドレス付与動作について説明する。

図８に示すように、ユニット間通信バス１５のアドレス付与用制御線７７は、基板７０ａのＧＰＩＯ１〜ＧＰＩＯ４端子に接続されており、このアドレス付与用制御線７７には、各電池ユニットのアドレス付与用のフリップフロップ７２ｄ〜７６ｄが接続されている。

図９（Ａ）に示すように、バス管理部７０のコンピュータ５７は、ＧＰＩＯ１〜ＧＰＩＯ３端子の電圧を制御して各電池ユニットのアドレス付与用のフリップフロップ（Ｄ型フリップフロップ）７２ｄ〜７６ｄのＱ出力ＥＮ１〜ＥＮ５を順次レベル「１」として行く。Ｑ出力がレベル「１」となるとその電池ユニットはバス管理部７０と通信することが可能となる。例えば、Ｑ出力ＥＮ１がレベル「１」となるとその電池ユニット１０ａの通信用回路７２は、基板７０ａのＤＩ、ＤＯ、ＲＯ及びＲ／Ｅ端子に接続されている接続データ送受用バス７１を使用してバス管理部７０と通信することが可能となる。この状態で、バス管理部７０からその電池ユニットについてアドレスが付与される。同様にして全ての電池ユニットに対してアドレスが付与され、終端の電池ユニットにアドレスが付与されると、ＧＰＩＯ４端子の制御線がレベル「０」からレベル「１」となるため、バス管理部７０は、全ての電池ユニットにアドレスが付与されたことを知ることができ、また、接続されている電池ユニットの数を知ることができる。

図９（Ｂ）は以上述べたアドレス付与の処理フローを説明している。即ち、電池ユニットｎのＱ出力ＥＮｎがレベル「１」（Ｈｉｇｈ）の間にこの電池ユニットｎがアドレス付与を請求し、バス管理部７０がアドレスを付与し、電池ユニットｎがアクノレッジ（ＡＣＫ）を行うという手順でアドレス付与が行われる。

次に、以上のごとくしてアドレスが付与された電池ユニットｎとバス管理部７０との間の、例えば電池残量、定電流コンバータの設定電流値等のデータの送受信について、図１０を参照して説明する。通信プロトコルとしては、例えば、非同期のスタートストップ方式が用いられる。

図１０（Ａ）はバス管理部７０から電池ユニットｎへのデータ送信の処理フローを示している。まず、バス管理部７０から電池ユニットｎへアドレスｎとコマンドとを送付し、電池ユニットｎはＡＣＫを返す。次いで、バス管理部７０から電池ユニットｎへｍバイトのデータ、例えばその電池ユニットの定電流コンバータの設定電流値データを送付し、電池ユニットｎはＡＣＫを返す。

図１０（Ｂ）はバス管理部７０から電池ユニットｎへのデータ請求の処理フローを示している。まず、バス管理部７０から電池ユニットｎへアドレスｎとコマンドとを送付し、電池ユニットｎはＡＣＫを返す。次いで、電池ユニットｎからバス管理部７０へｍバイトのデータ、例えばその電池ユニットの電池残量データを送付し、バス管理部７０はＡＣＫを返す。

図１０（Ｃ）は電池ユニットｎからバス管理部７０へのデータ送信の処理フローを示している。まず、電池ユニットｎからバス管理部７０へアドレス０と送付データ数とを送付し、バス管理部７０はＡＣＫを返す。次いで、電池ユニットｎからバス管理部７０へｍバイトのデータ、例えばその電池ユニットの電池残量データを送付し、バス管理部７０はＡＣＫを返す。その後、電池ユニットｎからバス管理部７０へ１バイトのチェックサムを送付し、バス管理部７０はＡＣＫ又はＮＡＣＫを返す。

なお、以上の説明では、ユニット間通信バス７２のドライバ７０ｂ、７１ａとして全二重方式のドライバを用いているが、これに代えて半二重方式のドライバを用いても良いことは明らかである。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、充電及び制御ユニット１１′と電池ユニット１０ａ〜１０ｃとの間に均等化回路として電池残量によって電流値が設定される定電流コンバータ５６ａ、５６ｃ及び５６ｅがそれぞれ接続されており、電池ユニット１０ａ〜１０ｃと放電ユニット１２との間に均等化回路としてダイオード１６ｂ、１６ｄ及び１６ｆが電池ユニット１０ａ〜１０ｃから放電ユニット１２の方向への電流のみを流すようにその向きが設定されてそれぞれ接続されているため、電池電圧の高い電池ユニットから電池電圧の低い電池ユニットへ大電流が流れることを確実に防止でき、安全性が非常に高まる。さらに、定電流コンバータ５６ａ、５６ｃ及び５６ｅにより、充電時は電池残量がそろうように均等化充電される。また、本実施形態によれば、電池ユニットは固有アドレスを有しておらず、接続された後にアドレス付与が行われるため、電池ユニットが何台接続されているかも含めて、接続されている電池ユニットを確実に把握することができる。

以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１０ａ〜１０ｉ 電池ユニット
１１ 充電ユニット
１１′ 充電及び制御ユニット
１２ 放電ユニット
１３ 外部通信モジュール
１４ 給電バス
１５ ユニット間通信バス
１６ａ〜１６ｆ、５６ｂ、５６ｄ、５６ｆ ダイオード
５６ａ〜５６ｃ 定電流コンバータ
５７、７２ｂ、７３ｂ コンピュータ
５８ 通信回線
７０ バス管理部
７１ データ送受用バス
７０ａ 基板
７０ｂ、７２ａ、７３ａ 全二重方式のドライバ
７２ 通信用回路
７２ｃ、７３ｃ 電池電圧測定部
７２ｄ〜７６ｄ フリップフロップ
７７ アドレス付与用制御線

Claims (2)

1. 互いに並列接続された複数の電池ユニットと、前記複数の電池ユニットに接続されていると共に充電電流を該複数の電池ユニットに供給する充電ユニットと、前記複数の電池ユニットに接続されていると共に該複数の電池ユニットからの放電電流を受け取る放電ユニットと、前記充電ユニット及び前記放電ユニットに接続されており、前記複数の電池ユニットから前記放電ユニット方向への電流のみを流すように、前記複数の電池ユニット及び前記放電ユニット間に接続された複数のダイオードと、前記複数の電池ユニットに定電流を流すように、前記充電ユニット及び前記複数の電池ユニット間に接続されており出力電流値を調整可能な複数の定電流回路と、前記複数の電池ユニットが前記充電ユニット及び前記放電ユニットに接続された後、前記複数の電池ユニットの各々についてアドレスを付与するアドレス付与回路とを備えており、
   前記アドレス付与回路は、前記複数の電池ユニットを順次通信可能とし、前記複数の電池ユニットのうちの通信可能となった電池ユニットに順次アドレスを付与し、前記複数の電池ユニットのうちの終端の電池ユニットにアドレスが付与されたことを知り、該付与されたアドレスで前記複数の電池ユニットを管理するように構成されており、前記アドレス付与回路は、アドレス付与用制御線（ＧＰＩＯ１〜ＧＰＩＯ４）を介してバス管理部のコンピュータに接続された前記複数の電池ユニットのアドレス付与用の複数のＤ型フリップフロップを備えており、該複数のＤ型フリップフロップのＱ出力が順次レベル「１」となった際に該当する電池ユニットに前記バス管理部のコンピュータから順次アドレスが付与され、終端の電池ユニットにアドレスが付与された際に、前記アドレス付与用制御線（ＧＰＩＯ４）がレベル「０」からレベル「１」となることにより、全ての電池ユニットにアドレスが付与されたことを知るように構成されていることを特徴とする可搬型バックアップ電源装置。
2. 前記複数の電池ユニットの電池残量を検出する回路と、該回路によって検出された電池残量に応じて前記複数の定電流回路の出力電流値を指示する回路とをさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の可搬型バックアップ電源装置。

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