WO2022137689A1

WO2022137689A1 - 電源装置

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Publication number: WO2022137689A1
Application number: PCT/JP2021/035287
Authority: WO
Inventors: 清敬隈本; 洋祐齋藤; 恭行勝部; 一裕樋渡
Original assignee: Fdk株式会社
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2022-06-30
Also published as: US20240055886A1; JP2022097773A; CA3205665A1; EP4266539A1

Abstract

電源装置１は、外部電源２、負荷装置３、電源ライン４、および電池ユニット１０を含む電源装置であって、電池ユニットは、第１電池パック１１と、外部電源の電圧を電池パックの充電電圧まで昇圧する昇降圧回路１２と、第１充電回路１３と、外部電源の電圧降下を検出して電池パックから負荷装置へ放電する第１放電回路１４と、充放電を制御する制御回路１５と、を備え、放電回路は、電池パックと電源ラインの間に直列に接続された第１放電スイッチ１６および第２放電スイッチ１７を有し、第１放電スイッチは制御回路から切り替え信号を受信することでオン／オフが切り替えられ、第２放電スイッチは制御回路を通さずに外部電源の電圧に基づいて直接オン／オフが切り替えられる。

Description

電源装置

　本発明は、電源装置に関する。

　無停電電源装置は、予め充電した２次電池から負荷装置へ電力を供給する電源装置あり、停電等によって外部電源から負荷装置へ電力の供給が停止されたときに、負荷装置を停止させることなく電力を供給する。無停電電源装置の２次電池は、通常動作時に外部電源から供給される電力で充電される。無停電電源装置に用いられる２次電池の一例として、例えば、ニッケル水素２次電池等のアルカリ２次電池が知られている。

　アルカリ２次電池は、その性質上、出力可能電圧よりも高い電圧で充電を行う必要がある。しかし、無停電電源装置では、負荷装置に電力を供給する電源線に電池を常時接続することが一般的である。したがって、電池の端子電圧は充電時においても出力可能電圧、すなわち負荷装置の電圧に規制されて満充電されない。その結果、放電可能な電力量が本来の電池容量よりも低下する。充電時に出力可能電圧よりも高い適正な充電電圧を印加するためには、電池と電源線との間にスイッチを設け、充電時に電池を電源線から切り離すことが必要となる。

　一方、無停電電源装置は、停電発生時に電池から負荷装置へ電力を供給するものであるから、停電状態を検出してスイッチを接続状態にして電池を電源線に接続することが必須である。加えて、アルカリ２次電池を適正な充電電圧で満充電まで充電すると、満充電直後に電池の出力電圧が負荷装置の許容電圧の上限値より高くなり、一時的に電池から負荷装置への接続ができない状態となることがある。

　このような電源装置の先行技術として、外部電源および蓄電装置を１つの負荷装置に接続した電力制御装置において、効率よく電力を制御する電源を切り替える技術が、例えば、特許文献１に開示される。

特開２０１４－０５７３９３号公報

　停電時にアルカリ２次電池を電源線に接続して負荷装置に放電するためには、停電状態であることを検出することはもとより、電池に出力電圧が、負荷装置に接続可能な電圧範囲内にあるかを監視することが必須となる。このように、様々な判断を行ってからスイッチの接続信号が送信され、スイッチの接続状態を切り替えるためには時間を要するため、電池から負荷装置に電力を供給する以前に負荷装置が停止する虞がある。

　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アルカリ２次電池を満充電状態まで充電して放電可能な電力量を確保すると共に、停電の発生を検出して瞬時にアルカリ２次電池から負荷装置への放電を開始し得る電源装置を提供することである。

　本開示の電源装置の態様は、外部電源から負荷装置へ電力を供給する電源ラインと、その電源ラインに接続され、外部電源と並列接続される電池ユニットと、を含み、電池ユニットは、充電電圧が外部電源の電圧よりも高い電圧である電池パックと、外部電源の電圧を電池パックの充電電圧まで昇圧する昇降圧回路と、充電電圧で電池パックを充電する充電回路と、外部電源の電圧降下を検出して電源ラインを通じて電池パックから負荷装置へ放電する放電回路と、充電回路および放電回路を制御する制御回路と、を備え、放電回路は、電池パックと電源ラインの間に直列に接続された第１放電スイッチおよび第２放電スイッチを有し、第１放電スイッチは制御回路から切り替え信号を受信することでオン／オフが切り替えられ、第２放電スイッチは制御回路を通さずに外部電源の電圧に基づいて直接オン／オフが切り替えられる、という特徴を有する。

　本開示の電源装置によれば、アルカリ２次電池を満充電状態まで充電して放電可能な電力量を確保すると共に、停電の発生を検出して瞬時にアルカリ２次電池から負荷装置への放電を開始し得る電源装置を提供することができる。

図１は、一実施形態の電源装置のブロック図である。図２は、一実施形態の電源装置の一部分の回路図である。図３は、一実施形態の電源装置を無停電電源として動作されるときのタイミングチャートである。

　以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。

　図１は、一実施形態のブロック図である。この電源装置１は、外部電源２から負荷装置３へ電力を供給する電源ライン４を含む。電源ライン４には電池ユニット１０が接続され、この電池ユニット１０が外部電源２と並列接続されている。この構成により、通常は外部電源２から負荷装置３へ電力を供給し、外部電源２からの供給が停止されるときは、電池ユニット１０から負荷装置３へ電力を供給することが可能となる。電池ユニット１０に入出力端子５を設け、これら電源ライン４と電池ユニット１０との間の相互間の電力供給を、入出力端子５を通じて行ってもよい。

　電池ユニット１０は、第１電池パック１１、昇降圧回路１２、第１充電回路１３、第１放電回路１４、および制御回路１５を備える。外部電源２は、電源ライン４を通して第１電池パック１１を充電可能である。また、第１電池パック１１は電源ライン４へ放電することで負荷装置３へ電力を供給し得る。

　電源ライン４と第１電池パック１１との間には、第１充電回路１３と第１放電回路１４とが並列に接続されている。電源ライン４と第１充電回路１３との間には更に昇降圧回路１２が直列に接続されている。制御回路１５は、電源ライン４の電圧および入出力電流や、第１電池パック１１の充電時および放電時それぞれの電圧、電流、温度、およびその他必要な情報により、電池ユニット１０の内部状況を常時監視すると共に、昇降圧回路１２、第１充電回路１３、および第１放電回路１４の動作を制御する。

　また、電池ユニット１０は、第２電池パック２１、第２充電回路２３、および第２放電回路２４を備える。外部電源２は、電源ライン４を通して第２電池パック２１を充電可能である。第２電池パック２１は電源ライン４へ放電することで負荷装置３へ電力を供給し得る。第２電池パック２１および第１電池パック１１は、電源ライン４に対して互いに並列に接続されており、電源ライン４へ放電は、第１電池パック１１および第２電池パック２１のいずれか一方から、または両方から同時に行うことが可能である。

　電源ライン４と第２電池パック２１との間には、第２充電回路２３および第２放電回路２４が並列に接続されている。電源ライン４と第２充電回路２３との間には更に昇降圧回路１２が直列に接続されている。制御回路１５は、電源ライン４の電圧および入出力電流や、第２電池パック２１の充電時および放電時それぞれの電圧、電流、温度、およびその他必要な情報により電池ユニット１０の内部状況を常時監視すると共に、第２充電回路２３および第２放電回路２４の動作を制御する。

　電源ライン４への電力の供給は、外部電源２と、第１電池パック１１および第２電池パック２１のいずれか一方または両方と、を切り替えて行われる。したがって、外部電源２からの供給電圧と、第１電池パック１１および第２電池パック２１からの出力電圧とは同程度となるよう設定される。

　その一方で、２次電池で構成される第１電池パック１１および第２電池パック２１の充電電圧は、放電時の出力電圧より高い電圧が必要である。そのため、第１電池パック１１および第２電池パック２１の充電時には、昇降圧回路１２を用いて、外部電源２から電源ライン４に供給されている電圧を第１電池パック１１および第２電池パック２１の充電電圧まで昇圧する。第１充電回路１３は、昇圧された電圧で第１電池パック１１を充電する。また、第２充電回路２３は、昇圧された電圧で第２電池パック２１を充電する。

　第１放電回路１４は、外部電源２からの電力の供給の停止、すなわち、電源ライン４の電圧降下を検出して、第１電池パック１１を電源ライン４に接続して負荷装置３へ電力を供給することができる。

　また、第２放電回路２４は、外部電源２からの電力の供給の停止、すなわち、電源ライン４の電圧降下を検出して、第２電池パック２１を電源ライン４に接続して負荷装置３へ電力を供給することができる。

　昇降圧回路１２は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータで構成され、外部電源２から供給される電圧Ｖｉｎを、第１電池パック１１を充電する充電電圧Ｖ１まで昇圧する。第１充電回路１３は、第１充電スイッチ１９と電流方向を制限するダイオード素子Ｄ１１からなる。充電時には、第１充電スイッチ１９をオン状態とし、昇降圧回路１２から供給される充電電圧Ｖ１を第１電池パック１１に印加する。充電を行わないときは第１充電スイッチ１９をオフ状態とし、第１充電回路１３を経由する電源ライン４から第１電池パック１１までの経路を開放状態にする。

　同様に、第２充電回路２３は、第２充電スイッチ２９と電流方向を制限するダイオード素子Ｄ１２からなる。充電時には、第２充電スイッチ２９をオン状態とし、昇降圧回路１２から供給される充電電圧Ｖ１を第２電池パック２１に印加する。充電を行わないときは第２充電スイッチ２９をオフ状態とし、第２充電回路２３を経由する電源ライン４から第２電池パック２１までの経路を開放状態にする。

　第１放電回路１４は、第１放電スイッチ１６および第２放電スイッチ１７を有し、これらのスイッチは、電流方向を制限するダイオード素子Ｄ２１と共に、第１電池パック１１と電源ライン４との間に直列に接続されている。したがって、第１放電スイッチ１６および第２放電スイッチ１７の両方がオン状態のときに、第１電池パック１１が電源ライン４に接続され、第１電池パック１１から負荷装置３に電力が供給される。

　第１放電スイッチ１６は、制御回路１５から切り替え信号を受信することでオン／オフが切り替えられる。第２放電スイッチ１７は、制御回路１５を通さずに電源ライン４の電圧に基づいて直接オン／オフが切り替えられる。第２放電スイッチ１７は、電源ライン４の電圧が所定の電圧以下に降下したとき、すなわち、外部電源２が停電状態になることを検出してオンに切り替えられる。

　第２放電回路２４は、第３放電スイッチ２６および第４放電スイッチ２７を有し、これらのスイッチは、電流方向を制限するダイオード素子Ｄ２２と共に、第１電池パック１１と電源ライン４との間に直列に接続されている。したがって、第３放電スイッチ２６および第４放電スイッチ２７の両方がオン状態のときに、第２電池パック２１が電源ライン４に接続され、第２電池パック２１から負荷装置３に電力が供給される。

　第３放電スイッチ２６は、制御回路１５から切り替え信号を受信することでオン／オフが切り替えられる。第４放電スイッチ２７は、制御回路１５を通さずに外部電源２の電圧に基づいて直接オン／オフが切り替えられる。第４放電スイッチ２７は、電源ライン４の電圧が所定の電圧以下に降下したとき、すなわち、外部電源２が停電状態になることを検出してオンに切り替えられる。

　ダイオード素子Ｄ２１には並列にスイッチが接続されており、第１電池パック１１から放電するときには、このスイッチをオンにしてダイオード素子Ｄ２１の端子間を短絡することで、ダイオード素子Ｄ２１の順方向の電圧降下による電源ライン４への供給電圧の低下を回避することができる。同様に、ダイオード素子Ｄ２２には並列にスイッチが接続されており、第２電池パック２１から放電するときには、このスイッチをオンにしてダイオード素子Ｄ２２の端子間を短絡することで、ダイオード素子Ｄ２２の順方向の電圧降下による電源ライン４への供給電圧の低下を回避することができる。これらのスイッチのオン／オフの切り替えは制御回路１５が制御する。

　制御回路１５は、第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１を監視し、第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１が放電可能範囲にあるときは、第１放電スイッチ１６をオン状態に保持することで電池ユニット１０を放電可能状態とする。また、第１出力電圧Ｖｂａｔ１が放電可能範囲から外れているときは、第１放電スイッチ１６をオフ状態に保持して電池ユニット１０を放電禁止状態とすることができる。

　同様に、制御回路１５は、第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２を監視し、第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２が放電可能範囲にあるときは、第３放電スイッチ２６をオン状態に保持することで電池ユニット１０を放電可能状態とする。また、第２出力電圧Ｖｂａｔ２が放電可能範囲から外れているときは、第３放電スイッチ２６をオフ状態に保持して電池ユニット１０を放電禁止状態とすることができる。

　ここで、放電可能範囲とは、負荷装置３の動作可能電圧範囲である。その電圧の下限値は、第１電池パック１１および第２電池パック２１の放電終止電圧で画定される。放電終止電圧は、一般的に、２次電池において電池の内部構造を損傷することなく安全に放電を行える放電電圧の下限値として規定されている。

　例えば、第１電池パック１１および第２電池パック２１を構成する２次電池として、ニッケル水素電池を使用し得る。ニッケル水素電池は出力可能な電圧範囲が広く、電池の放電終止電圧を負荷装置３の動作可能電圧範囲の下限値として設定した場合、満充電直後の第１出力電圧Ｖｂａｔ１および第２出力電圧Ｖｂａｔ２が負荷装置３の動作許容電圧の上限値より高くなる場合がある。この場合、過電圧印加による負荷装置３の損傷を回避するために、電池ユニット１０の放電可能範囲の上限値は、負荷装置３の許容電圧の上限値で画定する。

　このように、満充電直後の第１出力電圧Ｖｂａｔ１が負荷装置３の動作許容電圧の上限値よりも高い場合には、第１電池パック１１が満充電に達した後も、第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１が負荷装置３の動作許容電圧範囲に低下するまで第１放電スイッチ１６のオフ状態を継続して、電池ユニット１０の放電禁止状態を維持することができる。

　第１放電回路１４の第２放電スイッチ１７と電源ライン４との間に第１電圧降下回路１８を設置することができる。この場合、電池ユニット１０から電源ライン４に出力される電圧は、実際の第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１よりも第１電圧降下回路１８により所定の電圧だけ低下する。この降下回路の挿入により、電池ユニット１０の放電可能範囲の上限値は、第１電圧降下回路１８により低下させる所定の電圧だけ高くすることができる。したがって、第１電池パック１１が満充電となった後に、電池ユニット１０が放電禁止となる期間を短縮することができる。

　この第１電圧降下回路１８は、ダイオード素子を第１電池パック１１から電源ライン４へ向かって順方向に接続して構成することができる。例えば、ＰＮ接合型のダイオードを用いた場合、そのダイオードのビルトインポテンシャルに応じて電圧が降下する。この電圧降下は概ね０．６Ｖ～０．７Ｖである。この構成では、ダイオードを直列接続する個数により電圧が降下する値を調整できる。また、これら第１電圧降下回路１８のダイオード素子には並列にスイッチが接続されており、電圧降下機能を使用しないときは当該スイッチをオンにして、ダイオード素子の端子間を短絡させることができる。

　同様に、満充電直後の第２出力電圧Ｖｂａｔ２が負荷装置３の動作許容電圧の上限値よりも高い場合には、第２電池パック２１が満充電に達した後も、第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２が負荷装置３の動作許容電圧範囲に低下するまで第３放電スイッチ２６のオフ状態を継続して、電池ユニット１０の放電禁止状態を維持し得る。

　加えて、第２放電回路２４の第４放電スイッチ２７と電源ライン４との間に第２電圧降下回路２８を設置することができる。この場合、電池ユニット１０から電源ライン４に出力される電圧は、実際の第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２よりも第２電圧降下回路２８により所定の電圧だけ低下する。この回路の挿入により、電池ユニット１０の放電可能範囲の上限値は、第２電圧降下回路２８により低下させる所定の電圧だけ高くすることができる。したがって、第２電池パック２１を満充電となった後に、電池ユニット１０が放電禁止となる期間を短縮することができる。

　この第２電圧降下回路２８は、ダイオード素子を第２電池パック２１から電源ライン４へ向かって順方向に接続して構成することができる。例えば、ＰＮ接合型のダイオードを用いた場合、そのダイオードのビルトインポテンシャルに応じて電圧が降下する。この電圧降下は概ね０．６Ｖ～０．７Ｖである。この構成では、ダイオードを直列接続する個数により電圧が降下する値を調整できる。また、これら第２電圧降下回路２８のダイオード素子には並列にスイッチが接続されており、電圧降下機能を使用しないときは当該スイッチをオンにして、ダイオード素子の端子間を短絡させることができる。

　また、第１電圧降下回路１８および第２電圧降下回路２８は、電界効果トランジスタで構成してもよい。また、抵抗素子からなる周知の分圧回路により構成してもよい。

　一実施形態に開示された電池ユニット１０は、第１電池パック１１の充電時には、第１放電回路１４の第１放電スイッチ１６がオフ状態に保持されて、第１電池パック１１から電源ライン４に至る放電経路が開放状態となる。また、第２電池パック２１の充電時には、第２放電回路２４の第３放電スイッチ２６がオフ状態に保持されて、第２電池パック２１から電源ライン４に至る放電経路が開放状態となる。

　したがって、充電電圧が電源ライン４の設定電圧に規制されることなく、第１電池パック１１および第２電池パック２１を満充電状態まで充電することが可能となる。これにより、第１電池パック１１および第２電池パック２１のそれぞれが有している電池容量に見合った放電電力量を確保することができる。

　また、第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１が放電可能範囲にあるときは、第１放電スイッチ１６をオン状態に保持することで、電池ユニット１０が放電可能状態に保持されている。この状態で、電源ライン４の電圧が低下すると、駆動回路２０がその電圧降下に瞬時に応答して第２放電スイッチ１７をオン状態に切り替え、即座に第１電池パック１１から電源ライン４に放電され、負荷装置３に電力が供給される。

　同様に、第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２が放電可能範囲にあるときは、第３放電スイッチ２６をオン状態に保持することで、電池ユニット１０が放電可能状態に保持される。この状態で、電源ライン４の電圧が低下すると、駆動回路２０がその電圧降下に瞬時に応答して第４放電スイッチ２７をオン状態に切り替え、即座に第２電池パック２１から電源ライン４に放電され、負荷装置３に電力が供給される。

　このように、本実施形態によれば、第１電池パック１１および第２電池パック２１を満充電状態まで充電して放電可能な電力量を確保すると共に、停電の発生を検出して瞬時に第１電池パック１１および第２電池パック２１から負荷装置３への放電を開始し得る電源装置１を提供することができる。

　図２に、第１充電回路１３および第１放電回路１４の詳細な回路図の一例を示す。第１充電回路１３の第１充電スイッチ１９は絶縁ゲート型電界効果トランジスタＣＱ１で構成されている。この第１充電回路１３の第１充電スイッチ１９は第１電池パック１１を充電するときにオン状態とされ、それ以外ではオフ状態に固定されている。

　第１電池パック１１の充電をするときは、まず、昇降圧回路１２を起動し、充電に必要な充電電圧を出力させる。そして、制御回路１５のＣＱ２端子から充電許可信号が第１充電スイッチ１９のゲート電極に供給されて、第１充電スイッチ１９がオン状態に切り替えられる。そこで、昇降圧回路１２から出力された充電電圧が第１電池パック１１に印加され、充電が開始される。第１充電回路１３は、直列に接続された抵抗素子Ｒを有してもよい。この抵抗素子Ｒを含む第１充電回路１３の回路定数の設定により、充電電流を画定して定電流充電を行うことができる。

　制御回路１５が第１電池パック１１の充電が完了したことを検出すると、制御回路１５のＣＱ２端子から充電禁止信号が第１充電スイッチ１９のゲート電極に供給されることで第１充電スイッチ１９がオフ状態に切り替えられ、第１電池パック１１への充電電圧の印加は停止される。充電の完了は、例えば、第１電池パック１１の端子電圧を監視することにより判定し得る。

　第１放電回路１４の第１放電スイッチ１６および第２放電スイッチ１７の各々は絶縁ゲート型電界効果トランジスタＤＱ１、ＤＱ２により構成され得る。第１放電スイッチ１６のゲート電極は制御回路１５のＤＱ１端子から供給される切り替え信号で駆動される。

　制御回路１５は、第１電池パック１１の出力電圧や温度等の種々のパラメータを常時監視している。第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１が放電可能範囲にあるとき、すなわち、負荷装置３が動作可能な電圧範囲にあるときは、制御回路１５のＤＱ１端子から第１放電スイッチ１６をオンする信号が供給され、第１放電スイッチ１６はオン状態に保持される。また、第１出力電圧Ｖｂａｔ１が放電可能範囲外のとき、すなわち、負荷装置３が動作可能な電圧範囲外のときは、制御回路１５のＤＱ１端子から第１放電スイッチ１６をオフ状態にする信号が供給されて、第１放電スイッチ１６はオフ状態に保持する。

　第２放電スイッチ１７のゲート電極には、外部電源２から電源ライン４に供給される電圧に応答して動作する駆動回路２０が接続されている。外部電源２から所定の電圧で電力が供給されている間は、第２放電スイッチ１７がオフ状態に保持されている。この駆動回路２０は、外部電源２の電圧降下、すなわち、電源ライン４の電圧降下を検出すると瞬時に応答して第２放電スイッチ１７のゲート電極をオン状態に切り替える。

　このように、第１充電回路１３および第１放電回路１４は、図２に示す回路図により構成することができる。また、図２では省略しているが、第２充電回路２３および第２放電回路２４についても、第１充電回路１３および第１放電回路１４とそれぞれ同様な回路構成により同様な回路動作をすることができる。

　図３は、一実施形態の電源装置１を無停電電源として動作させるときの充放電の手順の一例を示すタイミングチャートである。図においては、第１放電スイッチ１６がＳＷ１、第２放電スイッチ１７がＳＷ２、第３放電スイッチ２６がＳＷ３、第４放電スイッチ２７がＳＷ４、第１充電スイッチ１９がＳＷ５、第２充電スイッチ２９がＳＷ６として記載されている。

（区間：電源投入時～Ｔ１）
　停止中の電源装置１では、第１電池パック１１および第２電池パック２１に電源が接続されておらず、自己放電により充電量が低下している。したがって、電源投入時には、第１電池パック１１の第１充電スイッチ１９：ＳＷ５をオン状態にして第１電池パック１１の充電を行い、並行して第２電池パック２１の第２充電スイッチ２９：ＳＷ６をオン状態にして第２電池パック２１の充電も行う。

　第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１が負荷装置３の動作可能な電圧の上限値より低い間は、第１電池パック１１は放電可能状態である。同様に、第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２が負荷装置３の動作可能な電圧の上限値より低い間は、第２電池パック２１も放電可能状態である。放電可能状態とは、外部電源２からの電力の供給が停止したときに、直ちに電池ユニットから電源ライン４を経由して負荷装置３の電力を供給できる状態を意味する。したがって、放電可能状態では、第１放電スイッチ１６：ＳＷ１および第３放電スイッチ２６：ＳＷ３はそれぞれオン状態に保持される。

　このとき、第２放電スイッチ１７：ＳＷ２および第４放電スイッチ２７：ＳＷ４はいずれも停電検知待ち状態にある。図３におけるＯＮ／ＯＦＦとの表記は、外部電源２が動作している間はオフ状態に保持され、外部電源２が停電するとき、すなわち、電源ライン４の電圧が所定の電圧を下回ったことを検出したときにオン状態に切り替わることを示している。電源装置１が通常の動作中であるときは、無停電動作とするために第２放電スイッチ１７：ＳＷ２および第４放電スイッチ２７：ＳＷ４はいずれも常時停電検知待ち状態とするが、特別な事由がある場合は制御回路１５から制御信号を供給して、第１放電スイッチ１６：ＳＷ１をオフ状態にして第１電池パック１１からの放電を禁止状態に固定することが可能である。また、第３放電スイッチ２６：ＳＷ３をオフ状態にして第２電池パック２１からの放電を禁止状態に固定することも可能である。

　充電が継続され、例えば、第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２が負荷装置３の動作可能な電圧の上限値に達する（Ｔ１の時点）と、いくつかのスイッチが切り換えられる。

（区間：Ｔ１～Ｔ２）
　Ｔ１の時点で、第２充電スイッチ２９：ＳＷ６がオフ状態に切り替えられ第２電池パック２１の充電が停止される。一方、第１電池パック１１の充電は継続される。そして、第１出力電圧Ｖｂａｔ１が負荷装置３の動作可能な電圧の上限値を超えているため、第１放電スイッチ１６：ＳＷ１をオフ状態に切り替えて、第１電池パック１１を放電禁止状態に変更する。

　また、この時点では、第２電池パック２１は満充電となっていないが、第２充電スイッチ２９：ＳＷ６がオフ状態に切り替えられ充電は一旦停止する。第２放電回路２４の第３放電スイッチ２６：ＳＷ３のオン状態であり、且つ第４放電スイッチ２７：ＳＷ４の停電検知待ち状態のままであるから、放電可能状態は維持されている。ここで、仮に、外部電源２の停電が発生すると、第２電池パック２１の第２放電回路２４の第４放電スイッチ２７：ＳＷ４が電源ライン４の電圧降下を検出して瞬時にオン状態に切り替わり、第２電池パック２１から第２放電回路２４を経由して電源ライン４に電力が供給され、負荷装置３の動作を継続させる。

　このように、第１電池パック１１が放電禁止状態である間には、第２電池パック２１を必ず放電可能状態を保持することで、電源装置１の無停電動作を実現することができる。

　更に、この区間の動作において、第１電圧降下回路１８を使用することができる。第１電圧降下回路１８は、例えば、第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１の電圧を低下させて電源ライン４の供給することができる。したがって、第１出力電圧Ｖｂａｔ１が負荷装置３の動作可能な電圧の上限値を超えた場合であっても、その超過量が第１電圧降下回路１８で電圧降下可能な範囲内であるときは第１放電スイッチ１６：ＳＷ１のオン状態として、第１電池パック１１の放電可能状態を継続することができる。

（区間：Ｔ２～Ｔ３）
　Ｔ２の時点では、第１電圧降下回路１８を使用して電圧を下げても、第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１が負荷装置３の動作可能な電圧の上限値を上回るため、第１放電スイッチ１６：ＳＷ１をオフ状態に切り替えて、第１電池パック１１を放電禁止状態にしなければならない。一方、第２電池パック２１の第３放電スイッチ２６：ＳＷ３は、この区間においても引き続きオン状態であり、第２電池パック２１は継続して放電可能状態である。

　Ｔ３の時点で、第１電池パック１１が満充電になると、第１充電スイッチ１９：ＳＷ５をオフ状態に切り替えて、充電を停止する。一方、第２電池パック２１の各スイッチは切り替えられることなく放電可能状態を継続する。

（区間：Ｔ３～Ｔ４）
　Ｔ３の時点で、第１電池パック１１の第１電池パック１１の充電は停止したものの、第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１が負荷装置３の動作可能な電圧の上限値を超えているため、第１放電回路１４の第１放電スイッチ１６：ＳＷ１はオフ状態を維持して、放電禁止状態が継続される。第１電池パック１１の放電禁止状態が継続されるため、もう一方の第２電池パック２１の第３放電スイッチ２６：ＳＷ３のオフ状態も維持され、放電可能状態を継続する。

　ここで、第１電池パック１１の充電は停止されているので、その第１出力電圧Ｖｂａｔ１は自己放電により徐々に低下する。必要に応じて、第１電池パック１１の内部に放電用に負荷回路を設けてもよい。その負荷回路を通じて放電させることで第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１の低下を促進し、早期に負荷装置３の動作可能な範囲内に低下させ得る。

（区間：Ｔ４～Ｔ５～Ｔ６）
　Ｔ４～Ｔ６の区間では、Ｔ１～Ｔ２の区間と同様に、第１電圧降下回路１８を使用することで、第１電池パック１１の第１出力電圧Ｖｂａｔ１を負荷装置３の動作可能な範囲内まで電圧を低下させ得る。したがって、第１放電回路１４の第１放電スイッチ１６：ＳＷ１をオン状態に切り替えて、第１電池パック１１を放電可能状態に切り替えてよい。

　また、第１電池パック１１がすでに放電可能状態であり、第２電池パック２１は、任意のタイミングで第２充電スイッチ２９：ＳＷ６をオン状態に切り替えて第２電池パック２１の充電を開始可能である。図３では、Ｔ５の時点で第２充電回路２３の第２充電スイッチ２９：ＳＷ６をオン状態に切り替えて、第２電池パック２１の充電を開始している。但し、充電を開始しても第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２が負荷装置３の動作可能な範囲内にある間は、第２放電回路２４の第３放電スイッチ２６：ＳＷ３をオン状態のままとして、第２電池パック２１についても放電可能状態を継続してよい。

（区間：Ｔ６～Ｔ７）
　Ｔ６の時点から、第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２が、負荷装置３の動作可能な電圧の上限値を上回るため、第２電圧降下回路２８を使用しない場合は、第２放電回路２４の第３放電スイッチ２６：ＳＷ３をオフ状態に切り替えて、第２電池パック２１を放電禁止状態にする。第２電圧降下回路２８を使用する場合は、第３放電スイッチ２６：ＳＷ３をオフ状態に切り替えるタイミングを、Ｔ７の時点まで延期可能である。Ｔ７を越えると、第２電池パック２１の第２出力電圧Ｖｂａｔ２が、第２電圧降下回路２８により電圧降下しても、負荷装置３の動作可能な電圧の上限値を上回るので、第２放電回路２４の第３放電スイッチ２６：ＳＷ３をオフ状態にして第２電池パック２１を放電禁止状態にする。

　この区間の第１電池パック１１の動作は、区間Ｔ２～Ｔ３における第２電池パック２１の動作と同一であり、この区間の第２電池パック２１の動作は、区間Ｔ２～Ｔ３における第１電池パック１１の動作と同一である。

（区間：Ｔ７～Ｔ８～Ｔ９～Ｔ１０）
　この区間の第１電池パック１１の動作は、区間Ｔ２～Ｔ３～Ｔ４～Ｔ６の第２電池パック２１と同一であり、この区間の第２電池パック２１の動作は、区間Ｔ２～Ｔ３～Ｔ４～Ｔ６の第１電池パック１１と同一である。

　このように、２つの電池パック、すなわち、第１電池パック１１および第２電池パック２１を並列に接続して相補的に動作させ、いずれか一方を必ず放電可能状態とすることで、完全な無停電動作が可能な電源装置１を提供することができる。

＜応用例＞
　本開示では、２次電池として、例えば、ニッケル水素電池を使用し得る。一般的なニッケル水素電池は、充電電圧として少なくとも約１．６Ｖが必要であり、満充電直後の出力電圧は概ね１．５Ｖ～１．５５Ｖ程度である。そして、満充電状態から放電を開始した直後は急激に電圧が低下し、電池容量のごく一部を放電することで公称電圧である１．２Ｖ程度まで低下する。それ以降は、公称電圧である１．２Ｖ付近の電圧を維持しながら放電を継続し、電池の容量が少なくなると急激に電圧が低下する。そして、過放電による電池の損傷を回避するために、概ね１．０Ｖが放電終止電圧として規定されており、その電圧で、放電を停止させる必要がある。

　また、本開示の電源装置１の電池ユニット１０として、例えば、４８Ｖ系の鉛蓄電池装置を用いることができる。ニッケル水素電池を４０直列にすると公称電圧は４８Ｖとなり、放電時の出力電圧について、鉛蓄電池とニッケル水素電池とで互換性を持たせることができる。

　但し、４８Ｖ系の鉛蓄電池装置の充電電圧は、例えば、５４．４Ｖである。したがって、電源ライン４の供給電圧の上限は５４．４Ｖ程度となる。一方、４０直列のニッケル水素電池の充電電圧は６４Ｖ程度必要である。ただし、本開示の昇降圧回路１２により、鉛蓄電池に適合する充電電圧の５４．４Ｖを６４Ｖに昇圧することで、４０直列のニッケル水素電池を満充電状態まで充電することができる。

　また、４０直列のニッケル水素電池の満充電直後の出力電圧は６０Ｖ－６２Ｖ程度となる。電源ライン４の電圧は通常５４．４Ｖであり、その上限値が、例えば、５６Ｖ－５７Ｖ程度に設定されると、４０直列のニッケル水素電池の満充電直後の出力電圧は電源ライン４の上限値、つまり、負荷装置３の許容電圧の上限値を超える。したがって、その状態では電池から電源ライン４に電力を供給することができない。

　しかし、本開示の第１放電回路１４は、負荷装置３が動作可能な電圧範囲から外れているときは、第１電池パック１１から電源ライン４への電力の供給を禁止する第１放電スイッチ１６：ＳＷ１を有している。したがって、４０直列のニッケル水素電池の出力電圧が、電源ライン４の上限値を超えている間は、第１電池パック１１から電源ライン４への電力の供給を行わないよう制御可能である。

　このように、本開示の電源装置１は、鉛蓄電池装置からなる電池ユニットおよびニッケル水素２次電池からなる電池ユニットについて互換性をもたせることができる。鉛蓄電池装置は、４８Ｖ系に限定されず、例えば、２４Ｖ系や１２Ｖ系についても同様に互換性があるニッケル水素２次電池からなる電池ユニットを構成することができる。

　また、２次電池としてリチウムイオン電池を採用する場合であっても、本開示の電池ユニット１０内の各々の回路ブロックの回路定数を、リチウムイオン電池に合致させて見直すことにより構成可能であることは明らかである。

　１　　電源装置
　２　　外部電源
　３　　負荷装置
　４　　電源ライン
　５　　入出力端子
　１０　　電池ユニット
　１１　　第１電池パック
　１２　　昇降圧回路
　１３　　第１充電回路
　１４　　第１放電回路
　１５　　制御回路
　１６　　第１放電スイッチ
　１７　　第２放電スイッチ
　１８　　第１電圧降下回路
　１９　　第１充電スイッチ
　２０　　駆動回路
　２１　　第２電池パック
　２３　　第２充電回路
　２４　　第２放電回路
　２６　　第３放電スイッチ
　２７　　第４放電スイッチ
　２８　　第２電圧降下回路
　２９　　第２充電スイッチ
　Ｖ１　　充電電圧
　Ｖｉｎ　電圧
　Ｖｂａｔ１　第１出力電圧
　Ｖｂａｔ２　第２出力電圧

Claims

　外部電源から負荷装置へ電力を供給する電源ラインと、前記電源ラインに接続され、前記外部電源と並列接続される電池ユニットと、を含む電源装置であって、
　前記電池ユニットは、充電電圧が前記外部電源の電圧よりも高い電圧である電池パックと、前記外部電源の電圧を前記電池パックの前記充電電圧まで昇圧する昇降圧回路と、前記充電電圧で前記電池パックを充電する充電回路と、前記外部電源の電圧降下を検出して前記電源ラインを通じて前記電池パックから前記負荷装置へ放電する放電回路と、前記充電回路および前記放電回路を制御する制御回路と、を備え、
　前記放電回路は、前記電池パックと前記電源ラインの間に直列に接続された第１放電スイッチおよび第２放電スイッチを有し、前記第１放電スイッチは前記制御回路から切り替え信号を受信することでオン／オフが切り替えられ、前記第２放電スイッチは前記制御回路を通さずに前記外部電源の前記電圧に基づいて直接オン／オフが切り替えられる、電源装置。
　前記第２放電スイッチは、前記外部電源の前記電圧が所定の電圧以下に降下したときにオンに切り替わる、請求項１に記載の電源装置。
　前記制御回路は、前記電池パックの出力電圧を監視し、前記電池パックの前記出力電圧が放電可能範囲にあるときは前記第１放電スイッチをオン状態とすることで前記電池ユニットを放電可能状態とし、前記出力電圧が前記放電可能範囲から外れているときは前記第１放電スイッチをオフ状態とすることで前記電池ユニットを放電禁止状態とする、請求項１または２に記載の電源装置。
　前記電池パックの前記出力電圧の前記放電可能範囲の下限値が前記電池パックの放電終止電圧で画定され、前記放電可能範囲の上限値が前記負荷装置の許容電圧の上限値で画定される、請求項３に記載の電源装置。
　前記電池パックの満充電状態の出力電圧は、前記負荷装置の前記許容電圧の上限値よりも高い、請求項４に記載の電源装置。
　前記制御回路は、前記電池パックを満充電状態まで充電し、前記満充電状態まで達した後、前記電池パックの出力電圧が前記放電可能範囲に低下するまでの間は、前記第１放電スイッチをオフ状態として前記電池ユニットの前記放電禁止状態を維持する、前記請求項３から５までのいずれか１項に記載の電源装置。
　前記放電回路は、前記電源ラインと前記第２放電スイッチとの間に接続された電圧降下回路を更に有し、前記電圧降下回路は、前記電池パックの出力電圧を所定の電圧だけ低下させて前記電源ラインに出力する、請求項３から６までのいずれか１項に記載の電源装置。
　前記電圧降下回路は、ダイオードまたはトランジスタにより構成される、請求項７に記載の電源装置。
　前記電圧降下回路は、抵抗素子により構成される、請求項７に記載の電源装置。
　前記放電可能範囲の上限値は、前記電圧降下回路により低下する前記所定の電圧の分だけ高くなる、請求項７から９までのいずれか１項に記載の電源装置。
　前記第１放電スイッチおよび前記第２放電スイッチの各々は絶縁ゲート型電界効果トランジスタからなり、前記第１放電スイッチのゲート電極は前記制御回路からの前記切り替え信号で駆動され、前記第２放電スイッチのゲート電極は前記外部電源の電圧降下に瞬時に応答する駆動回路により駆動される、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の電源装置。
　前記電池ユニットは、前記電源ラインに前記電池パックと並列に接続された第２電池パックと、前記充電電圧で前記第２電池パックを充電する第２充電回路と、前記外部電源の電圧降下を検出して前記電源ラインを通じて前記第２電池パックから前記負荷装置へ放電する第２放電回路と、をさらに備え、
　前記第２充電回路および前記第２放電回路は前記制御回路により制御され、
　前記第２放電回路は、前記第２電池パックと前記電源ラインの間に直列に接続された第３放電スイッチおよび第４放電スイッチを有し、前記第３放電スイッチは前記制御回路から切り替え信号を受信することでオン／オフが切り替えられ、前記第４放電スイッチは前記制御回路を通さずに前記外部電源の前記電圧に基づいて直接オン／オフが切り替えられる、請求項１に記載の電源装置。
　前記電池パックおよび前記第２電池パックの少なくとも一方は、放電可能状態である、請求項１２に記載の電源装置。