CN105210256B - 电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的电源装置包括：多个电池串联连接而成的电池模块(10)；与电池模块(10)的负极端子相连接的负极输出端子(22)；经由多个放电用开关(SW1～SW3)分别与电池模块(10)的正极端子及规定的电池间的连接点相连接的正极输出端子(21)；检测输出电压的输出电压检测电路(40)；对电池模块(10)的充电电流进行调整的充电电流调整电路(30)；检测电池模块(10)的充电状态的热敏电阻(14～16)；以及对电池模块(10)的充放电进行控制的控制装置(50)，控制装置(50)包括：对放电用开关(SW1～SW3)进行控制以使得输出电压处于一定范围内的单元；以及基于电池模块(10)的各电池的充电状态对充电电流调整电路(30)进行控制的单元。

Description

电源装置
技术领域
本发明涉及包括多个电池串联连接而成的电池模块的电源装置。
背景技术
已知有在多个电容器中储存电荷，并将其用作为电子设备等的电力的电源装置。在上述电源装置中，具有如下问题：伴随电容器的充电状态的变动，输出电压发生变动。然后，为了在电容器的充电状态发生变动的情况下获得固定的输出电压，考虑使用例如公知的DC-DC转换器等开关电源。然而，若设置开关电源，则会因此而产生电力损耗，并且也可能导致电源装置的大型化及成本的大幅增加。
作为鉴于上述情况而不设置开关电源，以抑制伴随电容器的充电状态的变动而产生的输出电压的变动为目的的现有技术，已知有对多个电容器分别设置旁路电路，并根据电容器的充电状态切换多个电容器的连接的电源装置(例如参照专利文献1)。此外，以同样的目的已知有如下电源装置：设有从多个电容器的各连接点经由开关取出电力的多个中间抽头输出端子，根据电容器的电压变动控制各开关，来切换中间抽头输出端子(例如参照专利文献2)。
在上述那样结构的电源装置中，在该结构上产生多个电容器的充电状态变得不平衡的问题。作为以解决上述问题为目的的现有技术，已知有如下电源装置：例如设有从多个电容器的各连接点经由开关取出电力的多个抽头，充电时，根据充电器电压经由该抽头选择与充电器相连接的电容器(例如参照专利文献3)。此外，已知有具有同样的目的的如下电源装置：设有多个输出用电容器和调整用电容器，通过串联连接或切断输出用电容器和调整用电容器来调整输出电压，并且对不与输出用电容器相连接的状态的调整用电容器进行缓和充电，以抑制因自放电引起的电压下降(例如参照专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平10-108360号公报
专利文献2：日本专利特开2009－213242号公报
专利文献3：日本专利特开2011－55649号公报
专利文献4：日本专利特开2000－152495号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
例如对于设置于数据中心的服务器等装置，在停电时需要长时间提供电力的备用电源装置中，使用上述电容器的电源装置可能无法向装置提供充足的电力。为了能够利用使用电容器的电源装置来提供充足的电力，需要大量电容器，因此可能导致电源装置的大型化。因此，在上述那样用途的电源装置中，使用镍氢充电电池等充电电池的情况较多。
然而，在将上述现有技术的电源装置中的多个电容器全部置换成充电电池的情况下，由于多个充电电池的电池间的充电状态变得不平衡，因此充电时，若同时对多个充电电池进行充电，则有可能会导致一部分的电池变为过充电。并且，充电电池与电容器不同，有时会因过充电而产生充放电特性的劣化等。此外，若对于多个充电电池，根据各自的充电状态对各个充电电池进行充电，则有可能导致电路结构变得复杂，成本大幅增加，并且可能会导致充电时间大幅变长。
本发明是鉴于上述状况完成的，其目的在于，以低成本来提供一种能提供更多电力的电源装置。
解决技术问题所采用的技术手段
<本发明的第一方式>
本发明的第一方式的特征在于，包括：多个电池串联连接而成的电池模块；负极输出端子，该负极输出端子与所述电池模块的负极端子相连接；正极输出端子，该正极输出端子经由多个开关分别与所述电池模块的正极端子及规定的电池间的连接点相连接；输出电压检测电路，该输出电压检测电路对所述正极输出端子和所述负极输出端子之间的输出电压进行检测；充电电流调整电路，该充电电流调整电路对所述电池模块的充电电流进行调整；充电状态检测电路，该充电状态检测电路对所述电池模块的各电池的充电状态进行检测；以及控制装置，该控制装置对所述电池模块的充放电进行控制，所述控制装置包括：对多个所述开关进行控制以使得所述输出电压处于一定范围内的单元；以及基于所述电池模块的各电池的充电状态对所述充电电流调整电路进行控制的单元。
放电时，对多个开关进行控制使得输出电压处于一定范围内。更具体而言，选择闭合多个开关的某一个，以使得输出电压处于一定范围内。由此，能够以不设置开关电源的低成本的结构，将输出电压设在一定范围内而无论电池模块的充电状态如何。然而，由此电池模块的各电池的充电状态变得不平衡。因此，若在对电池模块进行充电时以固定的电流值进行恒电流充电，则可能会导致一部分电池变为过充电，从而产生充放电特性劣化等。该情况下，若例如无论电池模块的各电池的充电状态如何均统一地以较低的电流值进行恒电流充电，则降低了因过充电而导致的充放电特性劣化等的可能性。然而，这样的充电控制在使电池模块所有的电池均达到满充电之前需要花费相当多的时间，因此并不现实。
因此，本发明基于电池模块的各电池的充电状态来控制充电电流调整电路。也就是说，充电时，基于电池模块的各电池的充电状态来调整电池模块的充电电流的电流值。由此，能降低因对电池模块的一部分电池进行过充电而导致的充放电特性劣化等产生的可能性，并且能大幅缩短使电池模块成为满充电所需的时间。
由此，根据本发明的第一方式，可获得能以低成本来提供一种能提供更多电力的电源装置的作用效果。
<本发明的第二方式>
本发明的第二方式在上述本发明的第一方式中，其特征在于，所述控制装置包括：以所述电池模块的各电池的任一个均未达到满充电的情况为条件，以第一电流值对所述电池模块进行恒电流充电的单元；以及以所述电池模块的各电池的任一个达到了满充电的情况为条件，以比所述第一电流值要小的第二电流值对所述电池模块进行恒电流充电的单元。
由此，在充电时，在电池模块的各电池的任一个达到满充电之前，以第一电流值对电池模块进行恒电流充电。因此，能高速地对电池模块进行充电。此外，在电池模块的各电池的任一个达到满充电之后，以比第一电流值要小的第二电流值对电池模块进行恒电流充电。由此，对没有达到满充电的电池继续进行充电，并能降低已达到满充电的电池因过充电而导致充放电特性劣化等的可能性。
发明效果
根据本发明，能以低成本来提供一种能提供更多电力的电源装置。
附图说明
图1是图示出本发明所涉及的电源装置的结构的电路图
图2是图示出控制装置的放电控制的步骤的流程图。
图3是图示出通过控制装置的放电控制而产生的输出电压的变化的时序图。
图4是图示出控制装置的充电控制的步骤的流程图。
图5是图示出通过控制装置的充电控制而产生的输出电压的变化的时序图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
另外，本发明并不特别限定于以下说明的实施例，当然可以在权利要求所记载的发明范围内进行各种变形。
<电源装置的结构>
参照图1对本发明所涉及的电源装置的结构进行说明。
图1是图示出本发明所涉及的电源装置的结构的电路图
本发明所涉及的电源装置包括电池模块10、放电电压调整电路20、充电电流调整电路30、输出电压检测电路40及控制装置50。
电池模块10通过多个电池串联连接而构成，包含以规定个数的电池单位构成的第一电池组11、第二电池组12、第三电池组13。构成第一电池组11、第二电池组12及第三电池组13的电池是能进行充放电的碱性蓄电池等充电电池，更具体而言，例如是镍氢充电电池。
此外，电池模块10包含作为“充电状态检测电路”的第一热敏电阻14、第二热敏电阻15、第三热敏电阻16。第一热敏电阻14检测第一电池组11的温度。第二热敏电阻15检测第二电池组12的温度。第三热敏电阻16检测第三电池组13的温度。第一热敏电阻14、第二热敏电阻15、第三热敏电阻16的输出信号输出至控制装置50。控制装置50根据第一热敏电阻14、第二热敏电阻15、第三热敏电阻16的输出信号来计算并求得第一电池组11、第二电池组12、第三电池组13的各个充电状态。
放电电压调整电路20包含三个放电用开关SW1～SW3、三个整流二极管D1～D3、正极输出端子21、负极输出端子22。放电用开关SW1的一端与第一电池组11和第二电池组12之间的连接点相连接，另一端与整流二极管D1的阳极端子相连接。放电用开关SW2的一端与第二电池组12和第三电池组13之间的连接点相连接，另一端与整流二极管D2的阳极端子相连接。放电用开关SW3的一端与电池模块10的正极端子(第三电池组13的正极)相连接，另一端与整流二极管D3的阳极端子相连接。正极输出端子21与整流二极管D1～D3的阴极端子相连接。也就是说，正极输出端子21经由多个放电用开关SW1～SW3分别与电池模块10的正极端子、第一电池组11和第二电池组12之间的连接点、第二电池组12和第三电池组13之间的连接点相连接。负极输出端子22与电池模块10的负极端子(第一电池组13的负极)相连接。正极输出端子21和负极输出端子22连接有例如服务器装置等负载60。由控制装置50对放电用开关SW1～SW3进行开闭控制。
充电电流调整电路30是对电池模块10的充电电流进行调整的电路，包含两个充电用开关SW4、SW5、以及电流限制电阻R1。充电用开关SW4的一端与电池模块10的正极端子相连接，另一端与充电用电源70相连接。充电用开关SW5的一端与电池模块10的正极端子相连接，另一端与电流限制电阻R1的一端相连接。电流限制电阻R1的另一端与充电用电源70相连接。由控制装置50对充电用开关SW4、SW5进行开闭控制。
输出电压检测电路40是检测输出电压(正极输出端子21和负极输出端子22之间的电压)的电路，包含比较器41、基准电压电源42。比较器41是运算放大器，非反相输入端子与正极输出端子21相连接，反相输入端子与基准电压电源42相连接。因此，比较器41的输出端子的电压成为相当于输出电压与基准电压之差的电压。比较器41的输出端子与控制装置50相连接。
控制装置50是公知的微机控制装置，对电池模块10的充放电进行控制。更具体而言，控制装置50在放电时，执行选择并闭合放电用开关SW1～SW3的某一个的控制，使得输出电压处于一定范围内。此外，控制装置50在充电时基于第一电池组11、第二电池组12、第三电池组13各自的充电状态来控制充电电流调整电路30。
<放电控制>
参照图2及图3对控制装置50的放电控制进行说明。
图2是图示出控制装置50的放电控制的步骤的流程图。图3是图示出通过控制装置50的放电控制而产生的输出电压的变化的时序图。
首先，将放电用开关SW1设为接通(ON)(图2的步骤S1、图3的时刻T1)。由此，第一电池组11的满充电电压V1成为输出电压。接着，对输出电压是否高于电压阈值V2进行判定(图2的步骤S2)。电压阈值V2是对输出电压的下限进行规定的值，根据电源装置的规格等来适当设定。
在输出电压处于比电压阈值V2要高的状态的期间(步骤S2为是)，维持放电用开关SW1接通的状态。然后，在第一电池组11的充电状态下降，输出电压变为电压阈值V2以下的时刻(步骤S2为否)，在使放电用开关SW2接通的同时，使放电用开关SW1断开(OFF)(图2的步骤S3、图3的时刻T2)。由此，第一电池组11的电压与第二电池组12的电压相加后的电压成为输出电压，因此输出电压上升至超过电压阈值V2的电压。
接着，对输出电压是否高于电压阈值V2进行判定(图2的步骤S4)。在输出电压处于比电压阈值V2要高的状态的期间(步骤S4为是)，维持放电用开关SW2接通的状态。然后，在第二电池组12的充电状态下降，输出电压变为电压阈值V2以下的时刻(步骤S4为否)，在使放电用开关SW3接通的同时，使放电用开关SW2断开(OFF)(图2的步骤S5、图3的时刻T3)。由此，第一电池组11的电压与第二电池组12的电压、第三电池组13的电压相加后的电压成为输出电压，因此输出电压上升至超过电压阈值V2的电压。
接着，对输出电压是否高于电压阈值V2进行判定(图2的步骤S6)。在输出电压处于比电压阈值V2要高的状态的期间(步骤S6为是)，维持放电用开关SW3接通的状态。然后，在第三电池组13的充电状态下降，输出电压变为电压阈值V2以下的时刻(步骤S6为否)，使放电用开关SW3断开，从而停止从电池模块10放电(图2的步骤S7)。
由此，能将输出电压维持在第一电池组11的满充电电压V1以下、且比电压阈值V2要高的电压范围内。由此，能够以不设置开关电源的低成本的结构，来将输出电压设在一定范围内，而无论电池模块10的充电状态如何。
<充电控制>
参照图4及图5对控制装置50的充电控制进行说明。
图4是图示出控制装置50的充电控制的步骤的流程图。图5是图示出通过控制装置50的充电控制而产生的输出电压的变化的时序图。
首先，将充电用开关SW4设为接通(ON)(图4的步骤S11、图5的时刻T11)。由此，开始以第一电流值I1进行电池模块10的恒电流充电。从进行更高速的恒电流充电的观点出发，第一电流值I1优选为根据构成电池模块10的电池的规格等设定为尽可能高的电流值。
接着，判定第一电池组11的温度Th1、第二电池组12的温度Th2、第三电池组13的温度Th3的任一个是否达到了温度阈值Ths(图4的步骤S12)。将温度阈值Ths设定为能检测出第一电池组11、第二电池组12、第三电池组13的充电状态因恒电流充电而达到满充电时的温度上升的值。
在第一电池组11的温度Th1、第二电池组12的温度Th2、第三电池组13的温度Th3的任一个均处于未达到温度阈值Ths的状态的期间(步骤S12为否)，将恒电流充电的电流值维持在第一电流值I1。也就是说，控制装置50将第一电池组11、第二电池组12、第三电池组13均未达到满充电的情况作为条件，以第一电流值I1对电池模块10进行恒电流充电。由此，能高速地对电池模块10进行充电。
然后，在第一电池组11的温度Th1、第二电池组12的温度Th2、第三电池组13的温度Th3的任一个达到了温度阈值Ths的时刻(步骤S12为是)，例如第一电池组11的温度Th1达到了温度阈值Ths的时刻，使充电用开关SW4断开，并使充电用开关SW5接通。由此，电池模块10通过电流限制电阻R1进行恒电流充电，因此该恒电流充电的电流值从第一电流值I1下降至第二电流值I2(图4的步骤S13、图5的时刻T12)。
第二电流值I2设定为比第一电流值I1要低的电流值，能利用电流限制电阻R1的电阻值将第二电流值I2设定为任意的电流值。更具体而言，第二电流值I2优选为根据构成电池模块10的电池的规格等，设为不会发生因过充电而导致电池特性发生劣化等可能性的足够低的电流值。也就是说，控制装置50将第一电池组11、第二电池组12、第三电池组13的某一个达到满充电的情况作为条件，以比第一电流值I1要小的第二电流值I2对电池模块10进行恒电流充电。由此，对没有达到满充电的电池组继续进行充电，并能降低已达到满充电的电池组发生因过充电而导致充放电特性劣化等的可能性。
接着，判定第一电池组11的温度Th1、第二电池组12的温度Th2、第三电池组13的温度Th3是否全部达到了温度阈值Ths(图4的步骤S14)。在处于第一电池组11的温度Th1、第二电池组12的温度Th2、第三电池组13的温度Th3没有全部达到温度阈值Ths的状态的期间(步骤S14为否)，以第二电流值I2继续进行恒电流充电。然后，在第一电池组11的温度Th1、第二电池组12的温度Th2、第三电池组13的温度Th3全部达到了温度阈值Ths的时刻，也就是说第一电池组11、第二电池组12、第三电池组13全部达到满充电的时刻，使充电用开关SW5断开，从而结束电池模块10的恒电流充电(图4的步骤S15、图5的时刻T13)。
由此，本发明所涉及的电源装置在充电时基于第一电池组11、第二电池组12、第三电池组13各自的充电状态，来调整电池模块10的充电电流的电流值。由此，能降低因对电池模块10的一部分电池组进行过充电而导致的充放电特性的劣化等产生的可能性，并且能大幅缩短使电池模块10成为满充电所需的时间。
标号说明
10 电池模块
11 第一电池组
12 第二电池组
13 第三电池组
14 第一热敏电阻
15 第二热敏电阻
16 第三热敏电阻
20 放电电压调整电路
21 正极输出端子
22 负极输出端子
30 充电电流调整电路
40 输出电压检测电路
50 控制装置
D1～D3 整流二极管
R1 电流限制电阻
SW1～SW3 放电用开关
SW4、SW5 充电用开关

Claims (2)

1.一种电源装置，其特征在于，包括：
电池模块，该电池模块由多个电池串联连接而成；
负极输出端子，该负极输出端子与所述电池模块的负极端子相连接；
正极输出端子，该正极输出端子经由多个放电用开关分别与所述电池模块的正极端子及规定的电池间的连接点相连接；
输出电压检测电路，该输出电压检测电路对所述正极输出端子和所述负极输出端子之间的输出电压进行检测；
充电电流调整电路，该充电电流调整电路包含两个充电用开关和电流限制电阻，对所述电池模块的充电电流进行调整；
充电状态检测电路，该充电状态检测电路通过测量所述多个电池各自的温度，来对所述电池模块的各电池的充电状态进行检测；以及
控制装置，该控制装置对所述电池模块的充放电进行控制，
所述控制装置包括：对多个所述放电用开关进行控制以使得所述输出电压处于一定范围内的单元；以及
基于所述电池模块的各电池的充电状态对所述充电电流调整电路中的两个所述充电用开关进行控制的单元。
2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于，
所述控制装置包括：以所述电池模块的各电池的任一个均未达到满充电的情况为条件，以第一电流值对所述电池模块进行恒电流充电的单元；以及
以所述电池模块的各电池的某一个达到了满充电的情况为条件，以比所述第一电流值要小的第二电流值对所述电池模块进行恒电流充电的单元。
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