JP2007159279A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 交換対象の電池が高電圧であり供給電流が大きい場合であっても電源供給状態のままで電池パックを交換できる電源装置を提供することである。
【解決手段】 電圧降下回路１５は、複数個の電池パック１１の出力電圧を並列的にそれぞれ入力し、複数個の電池パック１１のうちいずれか一つの電池パックの出力電圧を降下させずに出力し、残りの電池パックの出力電圧を降下させて出力する。インバータ１２は、出力電圧を降下させなかった非電圧降下電池パックおよび出力電圧を降下させた電圧降下電池パックのそれぞれの出力電圧を横流防止ダイオード１４を介して並列的に入力し、交流に変換して負荷に出力する。そして、電源制御部１７は、複数個の電池パック１１の放電末を監視し、放電末となった電池パック１１を電圧降下電池パックとし、残りの電圧降下電池パックのいずれかを非電圧降下電池パックとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電池パックとインバータとを組み合わせた電源装置に関する。

電池パック（蓄電池）とインバータ（逆変換装置）とを組合せた電源装置としては、車載用交流出力装置や移動電源車（鉛蓄電池式）などがある。これらの電源装置は、電池パックに蓄電された電力を使用する。従って、電力を連続使用した場合には電池パックに蓄えられた電力がなくなる。

そこで、図７に示すように、２個の電池パック１１ａ、１１ｂを並列に接続し、これら並列接続された２個の電池パック１１ａ、１１ｂからインバータ１２に直流電力を供給し、インバータ１２で交流電力に変換して交流負荷に電力を供給するようにしたものがある。図７に示すものでは、２個の電池パック１１ａ、１１ｂから電力を供給することになるので、連続して供給できる電力量が増加し、連続使用する時間を長くできる。

また、図８に示すように、２個の電池パック１１ａ、１１ｂを並列に接続し、スイッチ１３ａ、１３ｂを介してインバータ１２に直流電力を供給するようしたものがある。これは、電池パック１１ａ、１１ｂのいずれかの蓄電電力がなくなると、スイッチ１３ａ、１３ｂを開いて電池パック１１ａの交換が可能となるので、連続使用する場合の電力を確実に確保できる。

また、図９に示すように、２個の電池パック１１ａ、１１ｂを並列に接続し、横流防止ダイオード１４ａ、１４ｂを介してインバータ１２に直流電力を供給するようしたものがある。これは、電池パック１１ａ、１１ｂの出力電圧が異なる場合に、横流が流れるのを防止することができるようにしたものである。

ここで、外部電池パックが接続されていないときには基準電圧Ｖａを選択させ、外部電池パックの接続時には基準電圧Ｖｂ（＞Ｖａ）を選択させ、電源供給状態のまま電池を交換できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−３２９６５３号公報

しかし、特許文献１のものでは、電源供給状態のままで電池を交換できるように基準値Ｖａ、Ｖｂを変え、電池交換の際に交換対象の電池を取り除いても電源装置の動作に必要な電力を供給できるようにしているが、交換対象の電池から負荷側に電流が流れている状態での電池交換時におけるアーク発生についての考慮がない。

交換対象の電池が低電圧であり供給電流も小さい場合には、交換対象の電池を取り外してもほとんどアークは発生しないので特に問題はないが、交換対象の電池が高電圧であり供給電流が大きい場合にはアークが発生する。従って、電流を供給している状態で交換対象の電池を取り外すことは危険であるので、避けなければならない。

図７のものでは、連続して通電できる時間は２個の電池パック１１ａ、１１ｂの蓄電容量により決まり、交換対象の電池が高電圧であり供給電流が大きい場合には、電源供給状態のままでは電池パック１１ａ、１１ｂの交換はできず、電池パック１１ａ、１１ｂの出力電圧に相違がある場合には電池パック１１ａ、１１ｂ間に横流が流れる。

図８のものでは、スイッチ１３ａ、１３ｂを開いて電池パック１１ａ、１１ｂを交換することが可能であるが、交換対象の電池が供給している電流を遮断する能力がスイッチ１３ａ、１３ｂに求められるので、スイッチ１３ａ、１３ｂの劣化を考慮しなければならない。また、図７の場合と同様に、電池パック１１ａ、１１ｂの出力電圧に相違がある場合には電池パック１１ａ、１１ｂ間に横流が流れる。

図９に示すものでは、横流防止ダイオード１４ａ、１４ｂを接続しているので電池パック１１ａ、１１ｂ間に横流が流れることがないが、交換対象の電池が高電圧であり供給電流が大きい場合には、電源供給状態のままでは電池パック１１ａ、１１ｂの交換ができない。

また、図８と図９を組み合わせた場合、スイッチにより交換対象の電池が供給している電流を遮断できるので電源供給状態のまま電池パックを交換でき、また、横流防止ダイオードにより電池パック間に横流が流れることはないが、図８の場合と同様に、交換対象の電池が供給している電流を遮断する能力がスイッチに求められるので、スイッチの劣化を考慮しなければならない。

本発明の目的は、交換対象の電池が高電圧であり供給電流が大きい場合であっても電源供給状態のままで電池パックを交換できる電源装置を提供することである。

請求項１の発明に係わる電源装置は、直流電力を蓄積した複数個の電池パックと、複数個の電池パックの出力電圧を並列的にそれぞれ入力し複数個の電池パックのうちいずれか一つの電池パックの出力電圧を降下させずに出力し残りの電池パックの出力電圧を降下させて出力する電圧降下回路と、前記電圧降下回路で出力電圧を降下させなかった非電圧降下電池パックおよび前記電圧降下回路で出力電圧を降下させた電圧降下電池パックのそれぞれの出力電圧を横流防止ダイオードを介して並列的に入力し交流に変換して出力するインバータと、複数個の電池パックの放電状態を監視し放電末となった電池パックを電圧降下電池パックとし残りの電圧降下電池パックのいずれかを非電圧降下電池パックとする電源制御部とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる電源装置は、請求項１の発明において、前記電源制御部は、非電圧降下電池パックが放電末となったときは、その旨を表示出力することを特徴とする。

請求項３の発明に係わる電源装置は、請求項１または２の発明において、前記電源制御部は、非電圧降下電池パックが放電末となったときは、その旨を通信回線を介して端末装置に通知することを特徴とする。

請求項４の発明に係わる電源装置は、請求項１ないし３のいずれか一の発明において、前記電池パックの放電状態の監視は、電池パックの出力電圧または出力電流が所定値になったか否かで監視することを特徴とする。

本発明によれば、電圧降下回路により、複数個の電池パックのうちいずれか一つの電池パックを除き他のすべての電池パックの出力電圧を降下させ、強制的に一つの電池パックの電圧を相対的に高くし電圧に差を設けるので、一つの非電圧降下電池パックの電池残存容量が残りの電圧降下電池パックの電池残存容量よりも相対的に小さくなり、一つの非電圧降下電池パックと残りの電圧降下電池パックとの電池残存容量に差をつけることができる。

そして、一つの非電圧降下電池パックが放電末となったときは、その放電末となった電池パックを電圧降下電池パックとし、残りの電圧降下電池パックのいずれかを非電圧降下電池パックとするように切り替えるので、放電末となった電池パックは、インバータ側から見ると、電圧がさらに低くなるので電流が流れなくなり電池交換ができる状態になる。従って、放電末となった電池パックの交換の際に電流が流れることがないので、電源供給状態のままで電池パックを交換できる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる電源装置の構成図である。図１では直流電力を蓄積した２個の電池パック１１ａ、１１ｂを接続したものを示している。２個の電池パック１１ａ、１１ｂをそれぞれ電圧降下回路１５および横流防止ダイオード１４ａ、１４ｂを介してインバータ１２に接続する。インバータ１２は直流電力を交流電力に変換して交流負荷に交流電力を供給するものである。

電圧降下回路１５は、各々の電池パック１１ａ、１１ｂに対して、電圧降下ダイオード１６ａ、１６ｂとスイッチ１３ａ、１３ｂとの並列回路で形成されている。例えば、電池パック１１ａに対して、スイッチ１３ａを閉じたときは電圧降下ダイオード１６ａをバイパスされるので、電池パック１１ａの出力電圧Ｖａが直接的に横流防止ダイオード１４ａに入力される。一方、スイッチ１３ａを開いたときは電池パック１１ａの出力電圧Ｖａは電圧降下ダイオード１６ａに印加されるので、電圧降下ダイオード１６ａで降下電圧ΔＶｄａだけ電圧降下し、その電圧降下した電圧（Ｖａ−ΔＶｄａ）が横流防止ダイオード１４ａに入力される。

横流防止ダイオード１４ａ、１４ｂを通過しインバータ１２に入力されるインバータ印加電圧Ｖａｉ、Ｖｂｉは、電池パック１１ａ、１１ｂの出力電圧Ｖａ、Ｖｂのばらつきや、電圧降下回路１５のスイッチ１３ａ、１３ｂの開閉状態により、一般に異なる電圧となるが、横流防止ダイオード１４ａ、１４ｂにより電池パック１１ａ、１１ｂ間で横流が流れることはない。インバータ１２は、並列的に入力されるインバータ印加電圧Ｖａｉ、Ｖｂｉのうち最も高い電圧を基準として交流に変換し負荷に交流電力を供給する。

電源制御部１７は、電圧降下回路１５のスイッチ１３ａ、１３ｂの開閉操作を行うとともに、２個の電池パック１１ａ、１１ｂの放電状態を監視し、放電末となった電池パック１１ａ、１１ｂに対し電圧降下回路１５のスイッチを開き電圧降下電池パックとし、残りの電圧降下電池パックのいずれかに対し電圧降下回路１５のスイッチを閉じ非電圧降下電池パックとする。

図２は本発明の第１の実施の形態における電圧降下回路１５で電池パック１１ａを電圧降下電池パックとし電池パック１１ｂを非電圧降下電池パックとした場合の動作説明図、図３は本発明の第１の実施の形態における放電末となった電池パック１１ｂを電圧降下電池パックに切り替えるとともに電池パック１１ａを非電圧降下電池パックに切り替えた場合の動作説明図、図４は本発明の第１の実施の形態における電源装置の動作特性図である。

いま、同一定格の電池パック１１ａ、１１ｂを用意し、図２に示すように、一方の電池パック１１ａに対し電圧降下回路１５のスイッチ１３ａを開とし、他方の電池パック１１ｂに対し電圧降下回路１５のスイッチ１３ｂを閉とする。これにより、図２の矢印Ａ１の回路および矢印Ｂ１の回路が形成される。

矢印Ａ１に示すように、電池パック１１ａの出力電圧Ｖａは、電圧降下ダイオード１６ａで降下電圧ΔＶｄａ分だけ電圧降下し、さらに横流防止ダイオード１４ａで電圧降下した電圧がインバータ入力電圧Ｖａｉとしてインバータ１２に入力される。一方、矢印Ｂ１に示すように、電池パック１１ｂの出力電圧Ｖｂは、電圧降下ダイオード１６ｂでの降下電圧ΔＶｄｂはないので、横流防止ダイオード１４ｂで電圧降下した電圧がインバータ入力電圧Ｖｂｉとしてインバータ１２に入力される。これにより、電池パック１１ａは電圧降下電池パックとなり電池パック１１ｂは非電圧降下電池パックとなる。

図４の時点ｔ１は、図２の矢印Ａ１の回路および矢印Ｂ１の回路が形成された時点であり、この時点では電池パック１１ａ、１１ｂは同一定格であるので、それらの出力電圧Ｖａ、Ｖｂは等しく、電池パック１１ａのインバータ入力電圧Ｖａｉは、電池パック１１ｂのインバータ入力電圧Ｖｂｉより電圧降下ダイオード１６ａで降下電圧ΔＶｄａ分だけ低い値となっている。

インバータ入力電圧Ｖｂｉがインバータ電圧Ｖａｉより高いので、インバータ１２には電池パック１１ａからよりも、電池パック１１ｂから多くの直流電力が供給される。やがて、時点ｔ２でインバータ入力電圧Ｖｂｉとインバータ電圧Ｖａｉとが等しくなると、電池パック１１ａおよび電池パック１１ｂからインバータ１２に供給される直流電力は等しくなる。

電池パック１１ａのインバータ電圧Ｖａｉと電池パック１１ｂのインバータ入力電圧Ｖｂｉとが等しくなった時点ｔ２では、電池パック１１ａの出力電圧Ｖａが電池パック１１ｂの出力電圧Ｖｂより高く、その差電圧ΔＶａｂは電池パック１１ａ、１１ｂの電池残存容量差に相当する。つまり、電圧降下電池パックである電池パック１１ａの電池残存容量が非電圧降下電池パックである電池パック１１ｂの電池残存容量の方が大きい。

時点ｔ２以降は、電池パック１１ａのインバータ電圧Ｖａｉと電池パック１１ｂのインバータ入力電圧Ｖｂｉとが等しい状態を保って、それらインバータ電圧Ｖａｉ、Ｖｂｉは低下していく。この場合、電池パック１１ａおよび電池パック１１ｂからインバータ１２に供給される直流電力も等しく、電池パック１１ａの出力電圧Ｖａおよび電池パック１１ｂの出力電圧Ｖｂも、差電圧ΔＶａｂをほぼ一定に保って低下する。

電源制御部１７は電池パック１１ａの出力電圧Ｖａおよび電池パック１１ｂの出力電圧Ｖｂを監視しており、出力電圧Ｖａ、Ｖｂのいずれかが放電末電圧Ｖ０となると、電圧降下回路１５の接点１３ａ、１３ｂの切り替えを行う。すなわち、時点ｔ３において電池パック１１ｂの出力電圧Ｖｂが放電末電圧Ｖ０となると、図３に示すように、放電末となった電池パック１１ｂの電圧降下回路１５の接点１３ｂを開いて電圧降下電池パックとし、電圧降下電池パックであった電池パック１１ａの電圧降下回路１５の接点１３ａを閉じて非電圧降下電池パックとする。

これにより、図３の矢印Ａ２の回路が形成され、電池パック１１ａの出力電圧Ｖａは、電圧降下ダイオード１６ａでの降下電圧ΔＶｄａはなくなるので、横流防止ダイオード１４ａで電圧降下した電圧がインバータ入力電圧Ｖａｉとしてインバータ１２に入力される。従って、電池パック１１ａは非電圧降下電池パックとなり、図４に示すように、電池パック１１ａのインバータ電圧Ｖａｉは時点ｔ３で上昇する。

一方、電池パック１１ｂは、図３に示すように、電池パック１１ｂの電圧降下回路１５の接点１３ｂが開くので、電圧降下ダイオード１６ｂを通した電圧降下電池パックとなり、そのインバータ入力電圧Ｖｂｉはさらに低下する方向となる。従って、電圧パック１１ａのインバータ入力電圧Ｖａｉの方が電圧パック１１ｂのインバータ入力電圧Ｖｂｉより確実に高くなるので、電圧パック１１ｂからインバータ１２に流れる電流は零となる。これにより、電池パック１１ｂの交換ができる状態になる。

以上の説明では、電源制御部１７は電池パック１１ａ、１１ｂの出力電圧Ｖａ、Ｖｂを監視し、出力電圧Ｖａ、Ｖｂのいずれかが放電末電圧Ｖ０となると、電圧降下回路１５の接点１３ａ、１３ｂの切り替えを行うようにしたが、電池パック１１ａ、Ｉｂの出力電流Ｉａ、Ｉｂを監視し、出力電流Ｉａ、Ｉｂのいずれかが放電末電流Ｉ０となると、電圧降下回路１５の接点１３ａ、１３ｂの切り替えを行うようにしてもよい。また、表示装置を設け、電源制御部が電池パック１１ａ、１１ｂの放電末を検出したときは、その旨を表示装置に表示出力するようにしてもよい。これにより、操作員は電池パック１１ａ、１１ｂの交換が必要なことが容易に分かる。さらに、電圧降下用ダイオード１６ａ、１６ｂを直列に複数個配置することで、電池パック１１ａのインバータ電圧Ｖａｉと電池パック１１ｂのインバータ入力電圧Ｖｂｉとの差電圧ΔＶａｂすなわち電池パック１１ａ、１１ｂの電池残存容量差を調整することもできる。

第１の実施の形態によれば、電圧降下回路１５により強制的に一方の電池パック１１ａの出力電圧を降下させて電圧降下電池パックとし、他方の電池パック１１ｂの出力電圧の電圧降下をパイパスさせて非電圧降下電池パックとするので、非電圧降下電池パック１１ｂは電圧降下電池パック１１ａに比較し、電圧降下していない分だけ多く放電することになる。

従って、非電圧降下電池パックの方が先に放電末となり、その放電末となった電池パックを電圧降下電池パックとし、残りの電圧降下電池パックを非電圧降下電池パックとするので、放電末となった電池パックは、インバータ側から見ると電圧がさらに低くなるので電流が流れなくなる。これにより、電源供給状態のままで電池パックを交換できる。なお、電圧降下回路１５に電圧降下用ダイオード１６ａ、１６ｂを配置しない場合、電池パック１１ａおよび電池パック１１ｂはほぼ同時に放電末となり、電池パックを交換する時間的余裕がなくなる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係わる電源装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、電源制御部１７に通信部１８を設け、通信部１８から通信回線１９を介して端末装置２０と通信を行うことができるようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図５において、電源制御部１７は、電池パック１１ａ、１１ｂが放電末となったことを検出したときは、通信部１８により通信回線１９を介して、その旨を端末装置２０に通知する。通信回線１９は公衆通信回線（インターネット）であってもよい。また、有線または無線のいずれでもよい。端末装置は携帯端末、例えば携帯電話やＰＨＳ、あるいはパーソナルコンピュータであってもよい。

第２の実施の形態によれば、電源制御部１７は、電池パック１１ａ、１１ｂの交換が可能であることを携帯装置２０に通知するので、操作員は電源パック１１ａ、１１ｂの交換ができることを容易に把握できる。

（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係わる電源装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、２個の電池パック１１ａ、１１ｂに代えて、ｎ個の電池パック１１ａ〜１１ｎに適用したものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。

ｎ個の電池パック１１ａ〜１１ｎに対して適用するにあたっては、ｎ個の電池パック１１ａ〜１１ｎの出力電圧を並列的にそれぞれ電圧降下回路１５に入力し、ｎ個の電池パック１１ａ〜１１ｎのうちいずれか一つの電池パック１１ｉの出力電圧Ｖｉを降下させずに出力し、その他の残りの電池パックの出力電圧を降下させて出力する。これにより、一つの電池パック１１ｉを非電圧降下電池パックとし、残りのすべての電池パックを電圧降下電池パックとする
そうすると、非電圧降下電池パックである一つの電池パック１１ｉが最先に放電末となる。電源制御部１７は電池パック１１ａ〜１１ｎが放電末に駆ることを監視し、例えば、電池パック１１ｉが放電末となると、その放電末となった電池パック１１ｉを電圧降下電池パックとし、残りの電圧降下電池パックのいずれか一つを非電圧降下電池パックとする。これにより、放電末となった電池パック１１ｉはさらに電圧が降下する方向となるので電流は零となり、電池パック１１ｉの交換が可能な状態となる。

第３の実施の形態によれば、複数個の電池パックのうち必ず一つは非電圧降下電池パックとしておくので、その非電圧降下電池パックが最先に放電末となる。そして、放電末となった電池パックを電池降下電池パックに切り替えるので、その放電末となった電池パックは、さらに電圧を降下させる方向であるので流れる電流は零となる。従って、複数個の電池パックであったとしても放電末の電池パックの交換を安全に行うことができる。

本発明の第１の実施の形態に係わる電源装置の構成図。 本発明の第１の実施の形態における電圧降下回路で一方の電池パックを電圧降下電池パックとし他方の電池パックを非電圧降下電池パックとした場合の動作説明図。 本発明の第１の実施の形態における放電末となった他方の電池パックを電圧降下電池パックに切り替えるとともに一方の電池パックを非電圧降下電池パックに切り替えた場合の動作説明図。 本発明の第１の実施の形態における電源装置の動作特性図。 本発明の第２の実施の形態に係わる電源装置の構成図。 本発明の第３の実施の形態に係わる電源装置の構成図。 従来の電源装置の一例を示す構成図。 従来の電源装置の他の一例を示す構成図。 従来の電源装置の別の他の一例を示す構成図。

符号の説明

１１…電池パック、１２…インバータ、１３…スイッチ、１４…横流防止ダイオード、１５…電圧降下回路、１６…電圧降下ダイオード、１７…電源制御部、１８…通信部、１９…通信回線、２０…端末装置

Claims (4)

1. 直流電力を蓄積した複数個の電池パックと、
   複数個の電池パックの出力電圧を並列的にそれぞれ入力し複数個の電池パックのうちいずれか一つの電池パックの出力電圧を降下させずに出力し残りの電池パックの出力電圧を降下させて出力する電圧降下回路と、
   前記電圧降下回路で出力電圧を降下させなかった非電圧降下電池パックおよび前記電圧降下回路で出力電圧を降下させた電圧降下電池パックのそれぞれの出力電圧を横流防止ダイオードを介して並列的に入力し交流に変換して出力するインバータと、
   複数個の電池パックの放電状態を監視し放電末となった電池パックを電圧降下電池パックとし残りの電圧降下電池パックのいずれかを非電圧降下電池パックとする電源制御部とを備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記電源制御部は、前記電池パックが放電末となったときは、その旨を表示出力することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記電源制御部は、前記電池パックが放電末となったときは、その旨を通信回線を介して端末装置に通知することを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
4. 前記電池パックの放電状態の監視は、電池パックの出力電圧または出力電流が所定値になったか否かで監視することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載の電源装置。
   

Images