JP2006223050A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】過充電による電池の保護あるいはリチウムイオン電池の容量低下を防ぎ、個々のリチウムイオン電池に対する充電中のセル電圧のばらつき防止をはかる。
【解決手段】リチウムイオン電池１を充電する充電電源部４が、リチウムイオン電池１の充電経路に負荷変動に依存しない任意の値の充電電流を供給し、スイッチ６により、リチウムイオン電池１を負荷装置３からの切り離し、もしくは接続を行う。また、複数直列に接続されて成るリチウムイオン電池の単セル毎並列に接続された電圧調整回路５により、それぞれの単セルの満充電電圧を検出して充電流をバイパスし、充電時におけるリチウムイオン電池１の個々の充電電圧のばらつきを調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バックアップ用にリチウムイオン電池等の二次電池を備え、負荷装置に対して瞬断無く電力を供給する際に用いて好適な電力供給システムに関する。

通信機器等の負荷装置に電力を供給する電力供給システムに、バックアップ用としてシール鉛蓄電池が主に使用されている。このシール鉛蓄電池が通信機器のために広く使われてきた理由として、価格が安いことに加え、一定電圧に維持することで容量保存に必要な維持充電や停電後の回復充電も行えるというシステム構成上のメリットがあげられる。

一方、近年、電源システムの小型化やバックアップ時間の短縮化といった要求がある。このような要求に対応するために従来から使用されているシール鉛蓄電池を用いた場合、大電流放電時の電流値に制限があるため電池の小型化に限界があった。このため電力供給システムの小型化にも制限が生じていた。

シール鉛蓄電池の小型化のためには、高エネルギー密度であると共に、大電流放電にも耐えうる特徴を持つ二次電池の適用が有効である。リチウムイオン電池は、上記のような特徴を備えると共に、シール鉛蓄電池のように定電圧充電にも適するという特徴を有している。従って、リチウムイオン電池を使用することで、小型化、大容量化が可能となる電力供給システムが実現できる。

一方、リチウムイオン電池は、電池の許容電流値を越える電流が流れた場合に、電池の破損が生じることがある。そのため、リチウムイオン電池では、電池の安全上の観点からセル電圧を監視し、上限値を越える場合には電池容量の低下等を来たすため電池の保護が必要である。特許文献１には、リチウムイオン電池を保護するための機能を備えた装置が記載されている。

特許文献１に記載されている装置では、２個の直列接続された電池を充電する際に、各電池の電圧を検知し、少なくとも一方の電池が所定の基準電圧を超えた場合に電池と充電装置との接続を切断することで過充電を防止している。また、電池を放電して負荷装置に電力を供給する際には電池の電圧が他の所定の基準電圧より低下した場合に、負荷装置との接続を切断することで過放電を防止するようにしている。
特開平４−３３１４２５号公報

特許文献１による充電方法では直列接続された２個の電池の一方が所定の充電状態となった場合に充電装置が切断されるため、他の電池の充電状態を正確に制御することができないという課題があった。この課題を解決するため、スイッチ手段を追加して個々の電池を独立して遮断できるようにすることが考えられるが、この場合には充電状態から放電状態へ切り替えの際にスイッチ手段の制御が複雑化するおそれがある。通信機器等へ電力供給するシステムでは、無瞬断が要求されており、充電装置および負荷装置からリチウムイオン電池の接続の切替え、または切り離しが、短時間で安全に行える簡単な構成とすることが望ましい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、過充電による電池の保護あるいはリチウムイオン電池の容量低下を防ぎ、リチウムイオン電池の接続切替えのための構成を簡単化することができる電力供給システムを提供することを目的とする。また、個々のリチウムイオン電池に対する充電中のセル電圧のばらつき防止をはかった電力供給システムを提供することも目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、バックアップ用の二次電池を備えて所定の電源から供給される電力を負荷装置に対して供給する電力供給システムであって、前記二次電池に接続され、当該二次電池の充電経路に負荷変動に依存しない任意の値の充電電流を供給する充電手段と、前記電源の出力低下時にのみ前記二次電池から前記負荷装置に対して電力を供給するための電力切替手段と、前記二次電池をなす複数直列に接続された単セル毎、並列に接続され、前記それぞれの単セルの電圧を検知して所定条件にて前記充電電流をバイバスさせる電圧調整手段と、前記二次電池を、負荷装置から切り離し、又は接続する第１のスイッチと、前記二次電池の出力が所定の値を超えた場合に前記第１のスイッチを開放する制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、前記二次電池がリチウムイオン電池であることを特徴とする。また、請求項３記載の発明は、前記電源が交流電力を供給するものであって、前記電源の出力を直流電力に変換する直流出力供給手段と、前記直流出力供給手段の出力又は前記二次電池の出力を交流電力に変換して前記負荷装置に対して供給する交流出力供給手段とを備えたことを特徴とする。また、請求項４記載の発明は、前記電力切替手段が、ダイオードであることを特徴とする。また、請求項５記載の発明は、前記電力切替手段が、前記電源の出力低下を検出する検出手段と、検出手段の出力に応じて動作する第２のスイッチとからなることを特徴とする。

本発明によれば、リチウムイオン電池等の二次電池（以下、リチウムイオン電池）に接続された充電手段が、リチウムイオン電池の充電経路に負荷変動に依存しない任意の値の充電電流を供給し、電圧調整手段によって、それぞれの単セルの充電電圧を検出して充電電流をバイパスし、充電時におけるリチウムイオン電池の個々の充電電圧のばらつきを調整し、また、第１のスイッチにより、リチウムイオン電池を負荷装置から切り離し、もしくは接続することで、スイッチからなる消費電力の少ない簡易な回路構成により、リチウムイオン電池の放電電流を所定の電流値に制限し、設置したリチウムイオン電池の容量に合わせた最適な充電電流で回復充電を行うことができる。

図１は、本発明の電力供給システムの一実施形態を示すブロック図ある。本発明の電力供給システムは、バックアップ用のリチウムイオン電池１がダイオード１０を介して直流出力供給装置２と負荷装置３に並列に接続され、更に、充電電源部４と、複数の電圧調整回路５と、スイッチ６（第１のスイッチ）と、制御部７と、電流計測部８および９とで構成される。ここでは、直流出力供給装置２は、複数台設けられている。

図１に示す電力供給システムは、例えば、負荷装置３に直流電源を供給する一般の通信用電源システムとして用いることができる。直流出力供給装置２は、商用電源等の交流電源１００から供給される交流を直流に変換する。２個の電流計測部８および９によって、負荷装置３へ供給される電流値と、その電流値が直流出力供給装置２またはリチウムイオン電池１のどちらからいくらの大きさで供給されているのかが検知される。ダイオード１０は、停電時等において直流出力供給装置２の出力電圧がリチウムイオン電池１の電圧より低下した場合にのみ通電する。したがって、通常時には直流出力供給装置２から負荷装置３に対して電力が供給され、停電時等で直流出力供給装置２の出力電圧が低下した時にリチウムイオン電池１から負荷装置３に対して電力が供給されるという電力供給ラインの切替えがダイオード１０によって受動的に実現される。

充電電源部４はリチウムイオン電池１に並列に接続され、リチウムイオン電池１の充電経路に、負荷変動に依存しない一定の電流で充電するために充電電流を制御する。すなわち、充電電源部４は、直流出力装置２と別系統で電源１００から交流電力を受け、所定の直流電力に変換してリチウムイオン電池１に対して充電電流を供給する。この際、充電電源部４の出力電圧は、直流出力供給装置２の出力電圧よりも少なくともダイオード１０の順方向降下電圧分だけ低く設定される。これによって通常時にはダイオード１０は遮断状態となる。

スイッチ６は、リチウムイオン電池１の過充電または過放電の保護用に用いられ、リチウムイオン電池１を負荷装置３もしくは充電電源部４から切り離しもしくは接続する。また、電圧調整回路５は、複数直列に接続されて成るリチウムイオン電池１の単セル毎並列に接続され、それぞれの単セルの満充電電圧を検出して充電電流をバイバスさせる機能を持つ。

制御部７はマイコンで構成され、リチウムイオン電池１の電圧値および電流値を電流計測部８および９等を介して監視し、充電電源部４に対して任意の充電電流値を設定するための基準電圧、および電圧調整回路５に対する満充電の基準電圧の設定、ならびに充電時または放電時に所定の電圧値を越えたときまたは下回ったときにスイッチ６を切替える機能を持つ。

上記したリチウムイオン電池１の過充電または過放電の保護用に用いられるスイッチ６は、リチウムイオン電池１の充放電経路に直列に接続されている。スイッチ６は、リチウムイオン電池１保護のための回路切離しが主目的であり、充電時におけるリチウムイオン電池１の各セルの端子電圧の制御は電圧調整回路５によって行われる。スイッチ６は通常時には閉じられているが、過充電状態の場合には開かれてリチウムイオン電池１と充電電源部４とを切り離し、放電中、任意の単セルの電圧が所定の値まで低下すると（過放電の場合）、リチウムイオン電池１の保護のためにリチウムイオン電池１と負荷装置４とを切り離すために“開”となる。

過充電で動作する電圧としては、例えば４．５Ｖ等が挙げられ、過放電で動作する電圧値としては、例えば３．０Ｖ等が挙げられる。これらの電圧は、使用するリチウムイオン電池の種類によって変化するため、使用するリチウムイオン電池に必要となる値を設定すればよい。

なお、スイッチ６が動作した場合の復帰につき、過充電の場合のスイッチ６は手動復帰、過放電の場合は自動復帰される。

なお、直流出力供給装置２は１台構成でも良いが、ここでは、通信機器のシステムとして冗長構成をとっている。また、電圧調整回路５の基準電圧や充電電源部４の限界電流値は、マイコンで構成される制御部７から設定される。更に、制御部７は、電力供給システムの各部位の電圧および電流を計測する機能も備え、例えば、電流計測部８および９はシャント抵抗器などを使用して電流を検出し、制御部７で監視している。

また、制御部７は、各セル電圧の監視が可能であるため、充電時にセル電圧がリチウムイオン電池１の安全範囲を越えた場合にはこれを検出し、リチウムイオン電池１の充放電経路に設置されたスイッチ６を“開”とし、このことにより、過充電が行われることを防止でき、リチウムイオン電池１の安全性の確保が可能である。

本電力供給システムでは、通常において、直流出力供給装置２が負荷装置３に電力を供給し、充電電源部４はリチウムイオン電池１への充電電流を供給する。そのため、負荷電流が変化しても、リチウムイオン電池１への充電電流は変動しないので、設置するリチウムイオン電池１に対して最適な容量の充電電源を設けることができる。

また、商用電源等の交流電源１００が停電した場合には、ダイオード１０を通電状態としてリチウムイオン電池１と負荷装置３を接続することにより、無瞬断で負荷に電力供給をすることが可能である。さらに、複数のリチウムイオン電池のセル（あるいはリチウムイオン電池ユニット）を直列に接続して充電する場合、リチウムイオン電池の各セルの充電状態のバラツキにより何れかのリチウムイオン電池のセルが早く満充電に充電されるが、電圧調整回路５を動作させて充電電流をバイパスさせることで、リチウムイオン電池の個々の充電電圧のバラツキを調整し、過充電から回避することができる。

更に、リチウムイオン電池１が満充電時において、リチウムイオン電池１の内部インピーダンスの変化により個々のリチウムイオン電池１の充電電圧にばらつきが生じた場合、電圧調整回路５が動作して全てのリチウムイオン電池１の充電電圧を均一な充電電圧に調整することができる。

図２に、図１の電圧調整回路５の一実施形態を示す。電圧調整回路５は、誤差増幅器５１と、バイパス電流制御素子５２１およびバイバス電流制限素子５２２が直列に接続される充電電流バイパス回路５２で構成される。充電電流バイパス回路５２は、バイパス電流最大値を決定するバイパス電流制限素子５２２である、例えば、抵抗等と、バイパス電流の電流値を制御するバイパス電流制御素子５２１例えばトランジスタ等で構成されている。ここで、トランジスタが完全にオンしていれば、バイパス電流は電流制限素子５２２で決定される最大電流が流れる。また完全にオフしていればバイパス電流は流れない。更に、トランジスタを増幅領域（不飽和領域）で使用することでトランジスタが可変抵抗と同じ状態となり、この場合、バイパス電流値は連続の値で変動できる。バイパス電流制御素子５２１を連続で使用できることは、リチウムイオン電池１が満充電に近づいた場合に充電電流は微小な電流値になるが、微小な充電電流もバイパスできることを意味している。

バイパス電流の量は電圧調整回路５で制御される。すなわち、過充電（あるいは満充電）の基準電圧と個々のリチウムイオン電池１における充電電圧の検出値を誤差増幅器５１に入力することで、充電電流バイパス回路５２の電流制御素子５２１を制御する。このように、個々のリチウムイオン電池１が満充電電圧以上の電圧にならないように充電電流バイパス回路５２で充電電流を必要量だけ連続的にバイパスさせる。このように、複数のリチウムイオン電池１の充電電圧にばらつきがあった場合でも全てのリチウムイオン電池が満充電になるまで充電電源部４で設定された充電電流が流れ、早く満充電になったリチウムイオン電池Ａは、全てのリチウムイオン電池１が満充電になるまで電圧調整回路５が動作し、充電電流バイパス回路５２で充電電流をバイパスさせる。

リチウムイオン電池１は充電電源部４と接続されているので、満充電状態となった後も充電電源部４から微少電流が供給されるようになっている。電圧調整回路５も個々のリチウムイオン電池１から切り離すことなく接続されているため、全てのリチウムイオン電池１は均一な充電電圧で維持されている。リチウムイオン電池１が均一な充電電圧で維持されている状態で、個々のリチウムイオン電池１に何らかの原因で内部インピーダンスに変動が生じた場合、充電電圧は均一でなくなる可能性がある。この場合も、電圧調整回路５が動作することで、充電電圧は均一に維持される。

なお、充電電源部４でリチウムイオン電池１の充電電流を制限しながら充電するが、その充電過程において、複数のリチウムイオン電池１は、個々の充電状態がばらつくことが予測される。その様子が図３に充示す充電時および満充電時におけるリチウムイオン電池１の電流電圧の状態図として示されている。この状態図では、例えばリチウムイオン電池１に単セル２個を用いた場合が示されている。図３において、個々のリチウムイオン電池１（Ａ、Ｂ）に並列に接続された電圧調整回路５は充電電圧を検出し、例えば、リチウムイオン電池Ａが早く満充電状態になった場合、電圧調整回路５内の充電電流バイパス回路５２で満充電になったリチウムイオン電池Ａの充電電流をバイパスさせて過充電状態を回避している。

リチウムイオン電池Ａが満充電状態時に内部インピーダンスが変動し大きくなってしまった場合、充電電圧が上昇してしまうが満充電電圧を基準としている電圧調整回路５が動作し、充電電流バイパス回路５２を動作させ上昇した分だけバイパス電流で放電する。そのため、充電電圧が上昇しようとしたリチウムイオン電池Ａは、満充電電圧に維持され、個々のリチウムイオン電池の充電電圧は均一状態を維持できる。リチウムイオン電池１が常に均一な充電電圧であることは、負荷装置３に電力を供給する場合でも、リチウムイオン電池１の性能を最大限利用することができる（図３参照）。

なお、充電電源部４の充電電流値は、リチウムイオン電池１の状態または容量によって任意に設定できる。リチウムイオン電池１の場合、大電流放電が可能であり、公称容量の５〜６倍の電流での放電も可能である（蓄電池容量が５０Ａｈの場合、おのおの、２５０Ａ〜３００Ａ）が、充電の場合、公称容量の０．１〜１倍の電流値が許容される最大値になる（蓄電池容量が５０Ａｈの場合、おのおの、５Ａ〜５０Ａ）。そこで、上記した充電電源部４の充電電流値は、設置したリチウムイオン電池１の容量に基づいて設定される。

次に、図４を参照して、図１を参照して説明した実施の形態の変形例について説明する。図４において図１に示すものと同一の構成には同一の参照符号を用いて説明を省略する。

図４に示す電力供給システムは、電源１００の出力低下時にのみリチウムイオン電池１から負荷装置３に対して電力を供給するための切替機能を有する構成（電力切替手段）として、図１のダイオード１０に代えて、スイッチ２０（第２のスイッチ）と停電検出部２１を設けたものである。停電検出部２１は、所定の基準値に対する交流電源１００の電圧低下あるいは電流低下を検出して、検出結果を出力する。スイッチ２０は、通常時に“開”状態にあり、停電検出部２１で出力低下状態が検出された場合に“閉”状態となり、リチウムイオン電池１と負荷装置３とを接続する。これらの構成によって図１の構成と同様の機能が実現される。

次に上記実施の形態のさらに他の変形例について説明する。図１および図４に示した電力供給システムの実施形態は、負荷装置３に直流電源を供給する一般の通信用電源システムを考慮して説明した。これに対して、図５および図６に示す電力供給システムの実施の形態は、負荷装置３に交流電源を無瞬断で供給する電源システムを想定している。図５および図６の電源システムとして、具体的にはＵＰＳ（無停電電源装置）、非常照明装置などがある。図示したシステム内には、図１および図４に示す構成に対して、リチウムイオン電池１から出力される直流電力を交流電力に変換する複数のインバータ３０、通常時に交流電源１００を負荷装置３に直接接続するためのバイパス配線３１、およびインバータ３０の出力とバイパス配線３１とを選択的に負荷装置３に接続するためのスイッチ３２が追加されている。このスイッチ３２は、通常時にバイパス配線３１と負荷装置３を接続し、停電時等に例えば図４の停電検出部２１と同様な構成を用いてインバータ３０と負荷装置３を接続する。なお、図５および図６において、図１および図４と同一の構成には同一の参照符号を用いている。

次に、図７を参照して負荷装置３が例えば一般の電子機器（すなわちバックアップ電源を内蔵していない電子機器）である場合に本発明を適用するときの一例について説明する。図７において図１と同一あるいは同様の構成については同一の参照符号を用いている。この場合、交流電源１００と負荷装置３は直接接続され、リチウムイオン電池１は交流電源１００および負荷装置３に対してスイッチ４０と双方向電力変換装置４１とを介して接続されている。その際、リチウムイオン電池１と双方向電力装置４１との間には電流計測部４２とスイッチ６が設けられている。スイッチ４０は通常“閉”状態で動作し、本システムを停止する場合等に操作者によって“開”状態とされる。双方向電力変換装置４１は、図３の直流出力供給装置２、充電電源部４、インバータ３０等の構成を含み、それらの構成を図示していない切替スイッチを介して相互に接続することで、電源１００の電力によってリチウムイオン電池１を充電したり、リチウムイオン電池１を放電して負荷装置３に交流電力を供給する。また、電流計測部４２によって過充電または過放電が検知された場合には、制御部７によってスイッチ６が切断される。

上述した本発明の各実施の形態は、通常時にはリチウムイオン電池１を負荷装置３から切り離して充電を行うトリクル充電方式の電力供給システムである。また、直流電力供給装置２とは別系統のリチウムイオン電池専用の充電電源部４を設けることにより、リチウムイオン電池１を充電するようにしている。ところで、これと異なるフロート充電方式の電力供給システムでは、リチウムイオン電池と負荷装置とが常時接続されている。そのため、直流出力供給装置は、負荷電流と充電電流との両者を供給しなければならない。したがって、直流出力供給装置がリチウムイオン電池に対して過不足充電とならないようにするため、負荷に対して十分余裕のある装置容量を選ぶ必要がある。また、負荷が減少した際に、リチウムイオン電池に過大な充電電流が流入する恐れがあるので、充電電流を制限する回路が必要である。一方、本システムでは、充電時にリチウムイオン電池１と負荷装置３とが遮断されているので、その必要が無い。また、独立した充電電源部４によって充電を行うので、容易に充電電流の大きさを一定にすることができ、最適なリチウムイオン電池の回復充電が実施できる。また、過充電、過放電による電池の保護、および、各セルの充電中の電圧バラツキ防止を図ることにより、組電池の容量低下を防ぐこともできる。

本電力供給システムでは、直流出力供給装置２は負荷装置３に電力を供給し、充電電源部４はリチウムイオン電池１への充電電流を供給する。そのため、負荷電流が変化しても、リチウムイオン電池１への充電電流は変動しないので、設置するリチウムイオン電池１に対して最適な容量の充電電源を設けることができる。また、商用電源１００が停電した場合には、ダイオード１０を介して、または、停電信号を検知し、スイッチ２０を閉じることにより、無瞬断で負荷に電力供給をすることが可能である。

さらに、複数のリチウムイオン電池を直列に接続して充電する場合、リチウムイオン電池の充電状態のバラツキにより何れかのリチウムイオン電池が早く満充電に充電されるが、電圧調整回路５を動作させて充電電流をバイパスさせることで、リチウムイオン電池の個々の充電電圧のバラツキを調整し、過充電から回避することができる。

以上説明のように本発明は、リチウムイオン電池専用の充電電源部を設けることにより、負荷変動に依存しない一定の電流でリチウムイオン電池の回復充電を実施するとともに、無瞬断で負荷に電力供給を実施できる。また、複数直列に接続されたリチウムイオン電池の各セルに接続された電圧調整回路により、それぞれの満充電電圧を検出して充電電流をバイパスすることによって、充電時におけるリチウムイオン電池の電圧バラツキを抑制することができる。

なお、本発明の実施の形態は上記に限定されず、例えば二次電池としてニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等のアルカリ電池を用いることも可能である。また、充電電源部４を冗長に設ける等の変更が適宜可能である。また、特許請求の範囲に記載の構成と、実施の形態の構成との対応は次の通りである。充電手段：充電電源部４、電力切替手段：ダイオード１０、第２のスイッチ：スイッチ２０および停電検出部２１、電圧調整手段：電圧調整回路５、二次電池を負荷装置から切り離し又は接続する第１のスイッチ：スイッチ６、制御手段：制御部７、直流出力供給手段：直流出力供給装置２、交流出力供給手段：インバータ３０。

本発明の電力供給システムの一実施形態を示すブロック図ある。 図１に示す電圧調整回路５の一実施形態を示す図である。 充電時、満充電時の電圧電流の状態を説明するために引用した図である。 本発明の電力供給システムの他の実施形態を示すブロック図である。 本発明の電力供給システムの他の実施形態を示すブロック図である。 本発明の電力供給システムの他の実施形態を示すブロック図である。 本発明の電力供給システムの他の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１…リチウムイオン電池、２…直流出力供給装置、３…負荷装置、４…充電電源部、５…電圧調整回路、６…スイッチ、７…制御部、１０…ダイオード、２０…スイッチ、３０…インバータ、５１…誤差増幅器、５２…充電電流バイパス回路、５２１…バイパス電流制御素子、５２２…バイバス電流制限素子

Claims (5)

1. バックアップ用の二次電池を備えて所定の電源から供給される電力を負荷装置に対して供給する電力供給システムであって、
   前記二次電池に接続され、当該二次電池の充電経路に負荷変動に依存しない任意の値の充電電流を供給する充電手段と、
   前記電源の出力低下時にのみ前記二次電池から前記負荷装置に対して電力を供給するための電力切替手段と、
   前記二次電池をなす複数直列に接続された単セル毎、並列に接続され、前記それぞれの単セルの電圧を検知して所定条件にて前記充電電流をバイバスさせる電圧調整手段と、
   前記二次電池を、負荷装置から切り離し、又は接続する第１のスイッチと、
   前記二次電池の出力が所定の値を超えた場合に前記第１のスイッチを開放する制御手段と
   を備えたことを特徴とする電力供給システム。
2. 前記二次電池がリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記電源が交流電力を供給するものであって、
   前記電源の出力を直流電力に変換する直流出力供給手段と、
   前記直流出力供給手段の出力又は前記二次電池の出力を交流電力に変換して前記負荷装置に対して供給する交流出力供給手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給システム。
4. 前記電力切替手段が、ダイオードであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
5. 前記電力切替手段が、前記電源の出力低下を検出する検出手段と、検出手段の出力に応じて動作する第２のスイッチとからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
   

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