JP2007202241A - 電源システムならびに電源システム制御のためのプログラムおよびそれを記録した記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源さえ入力しておけば、常に十分なバックアップ能力を備え、停電時の対応制御を自動的に行う電源システムならびに電源システム制御のためのプログラムおよびそれを記録した記録媒体を提供すること。
【解決手段】第１の変換器２と、蓄電装置３と、第２の変換器４と、切替器５とを有し、切替器５を介して商用系統１からの電力を直接負荷６に供給するバイパス動作と、商用系統１からの電力を用いて蓄電装置３を充電する充電動作と、蓄電装置３が出力する電力を第２の変換器４が変換し切替器５を介して負荷６に供給する放電動作とを行う電源システムにおいて、制御部７が、前記バイパス動作の制御を行い、前記充電動作の制御、前記放電動作の制御のうちの少なくとも１つを行うことを特徴とする電源システムを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は電源システムならびに電源システム制御のためのプログラムおよびそれを記録した記録媒体に関する。

ニッケル水素蓄電池は、鉛蓄電池に比べてエネルギー密度が大きく、電池寿命の長さや環境負荷の少ないことが特長である。軽量、小型で持ち運びで有利であるため、車載バッテリーや災害対策用電源として近年急速に普及しつつある。

ニッケル水素蓄電池を電源として用いる場合には、例えば、単セルと呼ばれる１本（平均電圧１．２Ｖ、容量９５Ａｈ）を１０直列にしたものを１単位（１モジュールと称する）とし、４モジュールを直列接続したものを２つ並列接続して用いる。

下記特許文献１には、複数の組電池と、充電制御手段と、放電制御手段とを備えた電源装置において、電池監視手段が組電池の残存容量を算出し、その結果に基づいて当該組電池の補充電時期を決定することが記載されている。
特開2004-120857号公報

屋外での電力需要や、災害時等の非常電源確保の手段として、発動発電装置（エンジン）が一般に用いられているが、発電時の騒音や排気ガスにより、使用場所周辺の環境汚染や近隣住民への騒音、排煙被害が問題になっている。

屋内におけるＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの停電への備えとして、ＵＰＳ（無停電電源装置）が普及している。ＵＰＳ用の電池としては鉛蓄電池が用いられているため、長時間のバックアップを行うにも設置面積、床荷重の制約があり、サーバ類が正常にシャットダウンする時間（２〜３分）のみの能力しか確保できないのが現状である。また、鉛製品は有害物質に指定されており、環境保護の観点から鉛蓄電池を廃止することが求められている。

現在では、小型で軽量なニッケル水素蓄電池による直流バックアップ電源システムが構成可能となった。そこで、前記の災害、停電用電源への適用も可能となり、持ち運びが可能で、長時間のバックアップ能力を持ち、無騒音、無排気、さらには鉛フリーの環境に優しい電源システムが実現できる。

小型・軽量なニッケル水素蓄電池と、電池を充電する充電器と、負荷が所望する電気方式（ＡＣ１００Ｖ、ＤＣ１２Ｖなど）へ変換する変換器（インバータ、コンバータ）を組合わせることによって、バックアップ電源システムが構成可能である。

しかし、ニッケル水素蓄電池は、フロート充電（一定電圧による充電）には不適であり、一定電流による充電が必要である。このため、一定電流を出力する充電器に対して、充電開始および停止の命令を出す制御部を搭載する必要がある。

また、ニッケル水素蓄電池は、過放電状態（単セルで１．０Ｖ未満）になると、劣化が進行し電池寿命に悪影響を与える。このため、負荷への放電中には電池電圧を監視し、所定の電圧値を下回ったときに放電を停止させる必要がある。

つまり、単純に、ニッケル水素蓄電池を充電器、放電器（インバータ、コンバータ）と組合わせただけでは、充電制御、放電制御、故障検出を行うことはできず、安全に充電を行うこともできず、電池が劣化する前に放電を止めることもできず、電池が異常な状態になっても検知することもできず、危険な温度上昇があってもシステムを保護することもできない。

上記の問題は、ニッケル水素蓄電池システムの場合に限らず、リチウムイオン電池などの二次電池を用いたシステムにおいても生じる問題である。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、ユーザはとくに意識することなく、商用電源さえ入力しておけば、常に十分なバックアップ能力を備え、停電時の対応制御を自動的に行う電源システムならびに電源システム制御のためのプログラムおよびそれを記録した記録媒体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
商用系統からの電力を入力とする第１の変換器と、電池を構成要素とする蓄電装置と、前記蓄電装置からの電力または前記第１の変換器からの電力を入力とする第２の変換器と、切替器とを有し、前記切替器を介して前記商用系統からの電力を直接負荷に供給するバイパス動作と、前記蓄電装置が二次電池を構成要素とする場合には前記商用系統からの電力を用いて前記蓄電装置を充電する充電動作と、前記蓄電装置が出力する電力を前記第２の変換器が変換し前記切替器を介して負荷に供給する放電動作とを行う電源システムにおいて、制御部が具備され、該制御部は、前記バイパス動作の開始・終了を含めた制御を行い、前記蓄電装置が二次電池を構成要素としていない場合には前記放電動作の開始・終了を含めた制御を行い、前記蓄電装置が二次電池を構成要素とする場合には前記充電動作の開始・終了を含めた制御、前記放電動作の開始・終了を含めた制御のうちの少なくとも１つを行うことを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
商用系統からの電力を入力とする第１の変換器と、電池を構成要素とする蓄電装置と、前記第１の変換器からの電力または前記蓄電装置からの電力を入力とする第２の変換器とを有し、前記第１の変換器が出力する電力を前記第２の変換器が変換して負荷に供給する二変換動作と、前記蓄電装置が二次電池を構成要素とする場合には前記商用系統からの電力を用いて前記蓄電装置を充電する充電動作と、前記蓄電装置が出力する電力を前記第２の変換器が変換して負荷に供給する放電動作とを行う電源システムにおいて、制御部が具備され、該制御部は、前記二変換動作の開始・終了を含めた制御を行い、前記蓄電装置が二次電池を構成要素としていない場合には前記放電動作の開始・終了を含めた制御を行い、前記蓄電装置が二次電池を構成要素とする場合には前記充電動作の開始・終了を含めた制御、前記放電動作の開始・終了を含めた制御のうちの少なくとも１つを行うことを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項１または２に記載の電源システムにおいて、前記蓄電装置の入出力回路に抵抗が挿入され、該抵抗における電圧降下の値が、正負の符号を含めて、前記制御部に入力されることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項１、２または３に記載の電源システムにおいて、前記蓄電装置の充電と放電とを切替えるための充電スイッチと放電スイッチとが具備されていることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項１ないし４のいずれかに記載の電源システムにおいて、複数の前記蓄電装置が並列接続され、該蓄電装置の各々の出力電路には逆流阻止のためのダイオードが設けられていることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
請求項２に記載の電源システムにおいて、該電源システムは携帯電話器充電装置であることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項７に記載のように、
請求項１ないし６のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記商用系統は、ＡＣ１００Ｖ電源を含む交流電源であり、前記第１の変換器は、定電圧コンバータを含むコンバータまたは充電器であり、前記第２の変換器は、インバータまたはコンバータであり、前記蓄電装置は、一次電池、ニッケル水素蓄電池を含む二次電池のうちの少なくとも１つを構成要素とし、前記負荷は、ＡＣ１００Ｖ負荷を含む交流負荷、または、ＤＣ１２Ｖ負荷を含む直流負荷であることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項８に記載のように、
請求項７に記載の電源システムにおいて、前記蓄電装置はニッケル水素蓄電池を構成要素とすることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項９に記載のように、
請求項１ないし８のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記制御部は、上記充電動作を制御する動作、上記放電動作を制御する動作、該電源システム内で故障が発生した場合に故障警報を発生させる動作、前記蓄電装置中の電池の残容量を算出する動作、前記バイパス動作、充電動作、放電動作および二変換動作の動作間切替えを制御する動作、該電池システム中の液晶表示装置の動作を制御する動作、該電池システムの入出力機能を制御する動作、パーソナルコンピュータのモニター機能を制御する動作、パラメータ設定機能を制御する動作、前記蓄電装置中の電池の劣化を判定する動作、のうちの、少なくとも１つの動作を行うことを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項１０に記載のように、
請求項１ないし９のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記制御部は、前記バイパス動作の制御、前記充電動作の制御、前記放電動作の制御、前記二変換動作の制御のうちの少なくとも１つを、電気回路が生成する動作信号に基づいて行うことを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項１１に記載のように、
請求項１ないし９のいずれかに記載の電源システムの前記制御部において行われる電源システム制御のためのプログラムであって、該電源システムへの商用系統入力が正常でない場合には、前記放電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順と、該電源システムへの商用系統入力が正常の場合には、前記バイパス動作を実行することを命令する動作信号、または、前記二変換動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順と、前記蓄電装置の充電が必要な場合には、前記充電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順とをマイクロプロセッサまたはコンピュータに実行させることを特徴とする、電源システム制御のためのプログラムを構成する。

また、本発明においては、請求項１２に記載のように、
請求項１ないし９のいずれかに記載の電源システムの前記制御部において行われる電源システム制御のためのプログラムを記録した記録媒体であって、該電源システムへの入力が正常でない場合には、前記放電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順と、該電源システムへの入力が正常の場合には、前記バイパス動作を実行することを命令する動作信号、または、前記二変換動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順と、前記蓄電装置の充電が必要な場合には、前記充電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順とをコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な、電源システム制御のためのプログラムを記録した記録媒体を構成する。

また、本発明においては、請求項１３に記載のように、
請求項１ないし１０のいずれかに記載の電源システムにおいて、静電容量とインダクタンスとからなる並列共振回路が前記商用系統からの入力に並列接続されていることを特徴とする電源システムを構成する。

本発明により、正常時の動作および停電時の動作を制御する制御部を具備する電源システムを構成して、商用電源さえ入力しておけば、常に十分なバックアップ能力を備え、停電時の対応制御を自動的に行う電源システムを提供することが可能となる。

（構成例１）
図１に、本発明に係る電源システムの構成例を示す。図において、１は商用系統の電源（以下、単に、商用系統と呼ぶ）であり、２は商用系統１からの電力を入力とする第１の変換器であり、３は電池を構成要素とする蓄電装置であり、４は蓄電装置３からの電力または第１の変換器２からの電力を入力とする第２の変換器であり、５は、商用系統１からの電力をバイパス回路を通して負荷６に供給するか、第２の変換器４からの電力を負荷６に供給するかを切替える切替器である。負荷６は、商用系統１を電力供給源としうる負荷であり、第１の変換器２はＡＣ／ＤＣ変換器であり、第２の変換器４はＤＣ／ＡＣ変換器である。

この電源システムは、商用系統１からの電力が正常に供給されている間は、切替器５を介して商用系統１からの電力を直接負荷６に供給するバイパス動作を行い、蓄電装置３が二次電池を構成要素とする場合には商用系統１からの電力を用いて、この場合には第１の変換器２を経由して、蓄電装置３を充電する充電動作を行い、商用系統１からの電力が正常に供給されない場合、例えば停電の場合には、蓄電装置３が出力する電力を第２の変換器４が変換し、切替器５を介して負荷に供給する放電動作を行う。

本構成例の特徴は、制御部７が具備され、制御部７は、前記バイパス動作の開始・終了を含めた制御を行い、蓄電装置３が二次電池をを構成要素としない場合には前記放電動作の開始・終了を含めた制御を行い、蓄電装置３が二次電池を構成要素とする場合には前記充電動作の開始・終了を含めた制御、前記放電動作の開始・終了を含めた制御のうちの少なくとも１つを行うことである。制御部７を動作させるための電源としては、蓄電装置３を用いてもよいし、蓄電装置３とは異なる蓄電装置を用いてもよい。

制御部７は、図２に示したように、構成要素ごとに備えられていてもよい。

本構成例において、商用系統１からの電力が第１の変換器２で変換され、さらに第２の変換器４で変換され、切替器５を介して負荷に供給される場合（常時変換方式）もある。この場合には、図３に示したように、商用系統１からの電力を用い、専用のコンバータを有する充電器／放電器８を経由して、蓄電装置３を充電してもよい。

本構成例は、商用電源さえ入力しておけば、常に十分なバックアップ能力を備え、停電時の対応制御を自動的に行う電源システムとなっている。

（構成例２）
図４に、本発明に係る電源システムの他の構成例を示す。図において、１は商用系統の電源であり、２は商用系統１からの電力を入力とする第１の変換器であり、３は電池を構成要素とする蓄電装置であり、４は蓄電装置３からの電力または第１の変換器２からの電力を入力とし、負荷６に電力を供給する第２の変換器であある。第１の変換器２はＡＣ／ＤＣ変換器であり、第２の変換器４はＤＣ／ＡＣ変換器あるいはＤＣ／ＤＣ変換器である。負荷６は、商用系統１を電力供給源としうる負荷であってもよいし、商用系統１を電力供給源とし得ない負荷であってもよい。

この電源システムは、商用系統１からの電力が正常に供給されている間は、第１の変換器２からの電力を第２の変換器４を介して負荷６に電力を供給する二変換動作を行い、蓄電装置３が二次電池を構成要素とする場合には商用系統１からの電力を用いて、この場合には第１の変換器２を経由して、蓄電装置３を充電する充電動作を行い、商用系統１からの電力が正常に供給されない場合、例えば停電の場合には、蓄電装置３が出力する電力を第２の変換器４が変換して負荷６に供給する放電動作を行う。

本構成例の特徴は、制御部７が具備され、制御部７は、蓄電装置３が二次電池を構成要素としない場合には前記放電動作の開始・終了を含めた制御を行い、蓄電装置３が二次電池を構成要素とする場合には前記充電動作の開始・終了を含めた制御、前記放電動作の開始・終了を含めた制御のうちの少なくとも１つを行うことである。

制御部７は、図５に示したように、構成要素ごとに備えられていてもよい。

本構成例において、商用系統１からの電力が第１の変換器２で変換され、さらに第２の変換器４で変換され、負荷に供給される（常時変換方式）。この場合に、図３に示したように、商用系統１からの電力を用い、専用のコンバータを有する充電器／放電器８を経由して、蓄電装置３を充電してもよい。

（蓄電装置の入出力監視）
上記の構成例において、図６に示したように、蓄電装置３の入出力回路に抵抗９が挿入され、抵抗９における電圧降下の値が、正負の符号を含めて、制御部７に入力されることによって、制御部７は、蓄電装置３の入出力電流の値を計算でき、蓄電装置３の入出力状態を監視し、適切な動作制御を行うことができる。

蓄電装置３の入出力回路が、入力回路と出力回路とに分かれている場合には、入力回路と出力回路との両方に抵抗９を挿入し、それぞれにおける電圧降下の値が制御部７に入力されるようにすればよい。

（放電スイッチと充電スイッチ）
上記の構成例において、図７に示したように、放電スイッチ１０と充電スイッチ１１とを、蓄電装置３中の二次電池の入出力回路に挿入することによって、その二次電池の入出力切替えができる。各スイッチは、ダイオード（Ｄ１、Ｄ２で示す）とノーマリオフのＭＯＳトランジスタとを組合わせたものである。放電の際には、放電スイッチ１０のＭＯＳトランジスタのゲートに正電圧を印加してトランジスタをオンとし、放電電流が、放電スイッチ１０のトランジスタと充電スイッチ１１のダイオードＤ２を通って流れるようにする。充電の際には、充電スイッチ１１のＭＯＳトランジスタのゲートに正電圧を印加してトランジスタをオンとし、充電電流が、充電スイッチ１１のトランジスタと放電スイッチ１０のダイオードＤ１を通って流れるようにする。

図８、図９、図１０は、放電スイッチ１０と充電スイッチ１１との利用形態の例を示している。図８および図１０は、蓄電装置３中に二次電池が複数設置されている場合を示し、図９は、第１の変換器２と第２の変換器４とが、それぞれ、複数設置されている場合である。

（逆流阻止用ダイオード）
上記の構成例において、図１１に示したように、複数の蓄電装置３が並列接続されている場合に、蓄電装置３の各々の出力電路にダイオード１２を設け、放電動作中において電流の逆流を阻止することができる。

なお、この場合に、図１２に示したように、商用系統１からの電力を用い、専用のコンバータを有する充電器／放電器８を経由して、蓄電装置３を充電してもよい。

なお、図７ないし図１０における充電スイッチ１１中のダイオード（Ｄ２、Ｄ４）は、このような逆流阻止用ダイオードとしての役割も果たしている。

（携帯電話器充電装置）
図１３は、図４に示した構成例（構成例２）に構成要素を付加して、携帯電話器充電装置とした構成を示している。図において、１３はＤＣ／ＤＣコンバータであり、１４は携帯電話器充電端子である。この場合に、携帯電話器充電端子１４を通して、最大４台の携帯電話器を充電することができる。充電中、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、制御部７によって、個別に制御される。

（構成要素の具体例）
上記の構成例における構成要素の具体例を以下に示す。

商用系統１は、ＡＣ１００Ｖ電源を含む交流電源であり、
第１の変換器２は、定電圧コンバータ、２０Ａ垂下型ＤＣコンバータを含むコンバータまたは後述のクリーン電源（タイプＡ、タイプＢ）の充電器であり、
第２の変換器４は、後述のクリーン電源（タイプＡ、タイプＢ）のインバータを含むインバータ、またはコンバータであり、
蓄電装置３は、一次電池、ニッケル水素蓄電池を含む二次電池のうちの少なくとも１つを構成要素とし、
負荷６は、ＡＣ１００Ｖ負荷を含む交流負荷、または、ＤＣ１２Ｖ負荷を含む直流負荷である。

（制御部の動作例）
制御部７が行う動作の例は以下の通りである。
（１）上記充電動作を制御する動作
（２）上記放電動作を制御する動作
（３）電源システム内で故障が発生した場合に故障警報を発生させる動作
（４）蓄電装置３中の電池の残容量を算出する動作
（５）前記バイパス動作、充電動作、放電動作および二変換動作の動作間切替えを制御する動作
（６）電池システム中の液晶表示装置の動作を制御する動作
（７）電池システムの入出力機能を制御する動作
（８）パーソナルコンピュータのモニター機能を制御する動作
（９）パラメータ設定機能を制御する動作
（１０）蓄電装置３中の電池の劣化判定機能を制御する動作
上記、入出力機能、パラメータ設定機能、劣化判定機能については、後述のクリーン電源の説明において説明する。

（電気回路が生成する動作信号に基づく動作制御）
制御部７が制御動作を行う際には、制御動作を命令する動作信号を、電気回路、マイクロプロセッサまたはコンピュータによって生成し、その動作信号に基づいて、制御部７が制御動作を行うようにするとよい。

電気回路が動作信号を生成する場合には、各種のスイッチが有効に利用される。例えば、放電動作を命令する動作信号は、入力電圧が所定の値以上ならばオフとなり、所定の値を下回ればオンとなるスイッチを流れる電流を抵抗に通し、その抵抗の両端間電圧差として得られる。

（マイクロプロセッサまたはコンピュータによる動作信号の生成）
上記構成例１における、マイクロプロセッサまたはコンピュータによる動作信号生成の流れ図の一例を図１４に示す。

ステップＳ１で、入力は正常か否かを判断する。例えば、入力電圧が所定の値以上か否かを判断する。否の場合には、ステップＳ２で、放電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成してからステップＳ１に戻る。入力が正常の場合には、ステップＳ３で、バイパス動作を実行することを命令する動作信号を生成してステップＳ４に進む。

ステップＳ４で、電源システムが充電動作中か否かを判断する。充電動作中であれば、ステップＳ１に戻り、充電動作中でなければ、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５で、充電動作が必要か否かを判断する。充電動作が必要であれば、ステップＳ６で、充電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成してからステップＳ１に戻る。充電動作が必要でなければ、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７で、システム動作を終了するか否かを判断し、否ならばステップＳ１に戻り、システム動作を終了する場合には、システム動作終了を命令する動作信号を生成して、動作信号生成も終了する。

上記構成例２における、マイクロプロセッサまたはコンピュータによる動作信号生成の流れ図の一例を図１５に示す。図１５が図１４と異なる点は、ステップＳ３が、二変換動作バイパス動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成するステップであることのみである。

（電源システム制御のためのプログラムおよびそれを記録した記録媒体）
図１４または図１５に例示した流れ図に従って動作信号を生成する手順をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成することができ、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を製造することができる。

（共振回路による瞬断防止）
上記構成例１、２において、図１６に示したように、静電容量とインダクタンスとからなる並列共振回路１６を商用系統１からの入力に並列接続することによって、商用系統１が停電した場合に、負荷６への電力供給が、瞬断ではなく、短時間継続するようになる。

静電容量Ｃ、インダクタンスＬからなる共振回路１６の共振周波数は
１/[２π(ＬＣ)^１／２]
で表される。

この共振周波数を商用系統１の周波数と正確に一致させておけば、共振回路１６には、常時、(１/２)Ｃ(Ｖ_ＭＡＸ)^２のエネルギーが蓄積されている。ここに、Ｖ_ＭＡＸは入力電圧の、２の平方根倍である。商用系統１がＡＣ１００Ｖの電源であるときに、Ｃ＝１Ｆとすれば、その蓄積エネルギーは１０ｋＪとなる。

そこで、負荷６がたまたま１ｋＷで電力を消費していたときに停電が起こったとすると、共振回路は、そのまま共振を続け、同じ周波数の電力を負荷６に供給し、停電１秒後には蓄積エネルギーは約９ｋＪに減り、共振回路１６の出力電圧は（蓄積エネルギーの平方根に比例するから）約ＡＣ９５Ｖとなっている。

そこで、この場合に、第２の変換器４が停電後１秒以内に起動するようにしておけば、電源システムは無瞬断給電を行うことができる。

なお、共振回路１６は、図１６の（ａ）に示したように、システム筐体の内部に設置してもよいし、（ｂ）に示したように、システム筐体の外部に外付けしてもよい。

（具体例）
以下に、本発明に係る電源装置の具体例として、災害対策用クリーン電源について説明する。

従来では、災害対策用の電源や機器のバックアップ電源として、発動発電機や鉛蓄電池を搭載した電源が使用されていた。しかし、発動発電機では、騒音や悪臭の問題に加えて、日常の保守点検が煩雑であるという課題があり、また、鉛蓄電池では、重く、かつ占有する体積が大きいという課題があった。さらに近年では、欧州のＲｏＨＳ規制など、地球環境への配慮や有害物質への規制に関して厳しい対応になっている。鉛は有害物質に指定されており、鉛蓄電池に関しては、その代替手段がないという理由により、ＲｏＨＳ規制の対象外である。しかし、これら有害物質の規制は強まる傾向にあり、鉛蓄電池の代替となる手段が提供されれば、鉛蓄電池についても規制の対象となるものと考えられる。

（災害対策用クリーン電源の構成と動作）
本発明者らが開発したニッケル水素蓄電池は、小型・軽量に加えて長寿命の長所を有することから通信用バックアップ電源以外の領域においても活躍が期待できる。例えば、小型軽量であることから、災害時には可搬型電源として用いることが可能である。また、鉛蓄電池を用いた無瞬断電源では、機器を安全にシャットダウンできる２〜３分間で電力供給するだけであるが、ニッケル水素蓄電池に替えることによって、長時間のバックアップが可能になる。このように、ニッケル水素蓄電池を用いた電源の長所は、特に災害時の臨時用電源や非常用電源として期待できる点である。これらの点を踏まえた結果、ニッケル水素蓄電池を用いてＡＣ１００ＶやＤＣ１２Ｖを出力する小型電源システムとして、本発明者らは「災害対策用クリーン電源」を開発した。

その災害対策用クリーン電源の特長を以下に示す。
（１）ニッケル水素蓄電池の形状を円筒型へ改良し、品質を大きく変えずに、従来の角型の蓄電池よりも３割程度のコスト削減が可能になる。
（２）電池１０セルをファンや電気コネクタを配した電池ユニット化することによって、ユニット数の増減により、カスタマの所望の電力量を有する電源を迅速に提供できる。また、電源箱へ挿入するだけで電気的な配線が完了し、複雑な配線作業を除くことができ、安全性を向上させ、迅速な作業が可能になる。
（３）ニッケル水素蓄電池の性能を十分発揮するように充放電の制御用マイコンを設けることによって煩雑な制御を効率よく制御可能である。

ＡＣ１００Ｖ電源（タイプＡ、タイプＢ）
図１７に、商用電源を電源とし、負荷（図中、バックアップ機器と表示）にＡＣ１００Ｖの電力を供給する災害対策用クリーン電源の構成例を示す。この上記構成例１（図１）を具体的に構成したものである。図１における構成要素と図１７における構成要素との対応を、同じ符号によって示す。

このクリーン電源は、平常時には、ＡＣ１００Ｖの商用電源から電力を給電しており、停電時には、切換えスイッチを切換えて、蓄電池の電力をインバータを通して負荷へ供給する。出力はＡＣ１００Ｖである。このクリーン電源には、可搬型電源であるタイプＡと、長時間バックアップ用の小型電源であるタイプＢとがある。

＜動作説明＞
商用電源（ＡＣ１００Ｖ）が有効のとき、切替えスイッチはバイパス側にあり、商用電力が直接負荷へ供給される。商用電力有効時は、インバータは完全に停止させるように制御している（無負荷電力の節約のため）。この商用電力が有効な状態で、充電条件（後述）を満たすと、充電器は交流電力を整流して電池を充電する。このときインバータは停止しているので、充電器の出力は全て電池の充電に使われる。

停電が発生すると、インバータは制御部から信号を受けて起動し、さらに切替えスィッチがインバータ側になり、負荷へ電力が供給される（切替時間４秒）。このとき、商用電源により動作する充電器は停電により停止しているので、自然に電池からインバータへ放電する回路が形成される。

タイプＡ、タイプＢの主な構成は、円筒系のニッケル水素蓄電池を搭載した電池ユニット、充電器、インバータ、制御用マイコンである。

図１８にタイプＡの電力系統図を、図１９にタイプＢの系統図を示す。タイプＡで用いた充電器は、商用電力１００Ｖが入力可能であり、電池へは、電圧１６Ｖ、直流電流２０Ａの直流電力で出力される。

一方、タイプＢの充電器では、出力が電圧３１．５Ｖ、直流電流２０Ａであり、それを２台直列に配置している。したがって、タイプＢの充電電力は６３Ｖ、２０Ａである。

コントローラとマイコンは、機器の故障や電池温度や電流や電圧などのモニタ機能を持ち、ファンの駆動、停止、充放電制御を行う。

負荷への電力は、平常には商用１００Ｖ電源から供給され、停電時には、スイッチで切換えることによって、蓄電池からインバータを通して供給される。開発した電源は、商用電源と電池電源の切換えスイッチとして、リレースイッチを使用しており、停電が生じた後、電池からの電力へ切り替わる時間が４秒程度かかる。

カスタマによっては、ＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂ１ｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐ１ｙ Ｓｙｓｔｅｍ：無瞬断電源）機能が必要である場合や直流の出力が必要になる場合がある。

そこで、これに変わる選択肢として、図１８、図１９で示した切り替えスイッチを、より高速に駆動するため、高速半導体スイッチを使用する方法などがある。

さらに、精密機械やコンピュータの一部などで高品質な電力を要求される場合には、常時インバータ給電方式が考えられ、常にインバータで高品質の電力を保証する方法が用いられる。図２０に、そのような常時インバータ給電方式を示す。

この方式では、平時には、商用電源からの電力を整流器にて交流から直流へ変換する。その後に、インバータで再度、交流へ変換して機器へ電力を供給する。停電が発生すると、蓄電池からインバータを通り電力が供給される。蓄電池の系統では、放電器から出力される電圧を整流器から流れている電圧よりもわずかに低い値に設定することによって、商用電源が正常に作動しているときには蓄電池からの電力は、機器へ供給されない、いわゆるホットスタンバイ状態で待機している。しかし、商用電源からの電力が停止、あるいは電圧が低下すると、蓄電池から電力が供給される。常時インバータの長所は、機器への供給する電力の品質は、インバータからの出力で保証され、商用電力からの電源に依存せずに常に同じ品質の電力を機器へ供給できる。

（災害対策用クリーン電源の制御方法）
ニッケル水素蓄電池では、電池の劣化を予防するため、あるいは性能を十分に発揮させるため、充放電時に制御が必要になる。充電では、過充電を防止し、放電では過放電を防止する。そこで、災害対策用クリーン電源は、マイコンを内蔵し、その制御によって充放電を行っている。図２１に充放電時の制御フローを示す。

マイコンは、様々な機能を有し、電源の正常性の監視や、正常動作を保証する運転を行う。以下にマイコンが有する機能を示す。
（１）充電制御機能
充電開始条件は、図２１の制御フローに示す番号、１〜３までの項目である。
（２）放電制御機能
放電時の条件としては、過放電状態にならないようにするため、放電を許容する下限値を規定している。図２１中の番号１０である。
（３）故障警報機能
機器や電池の故障を検出し、表示する機能を有する。図２１中の番号１１、１２などである。
（４）残容量の算出機能
電池の残容量を把握するため、残容量を計算、表示する機能を有する。
（５）系統切り替え機能
タイプＡおよびタイプＢでは、通常では商用電力を負荷へ供給しているが、停電時では、電池から負荷へ電力供給を行う。その際にリレーによって切り替えを行っている。

構成例１を説明する図である。 複数の制御部が設置されている場合を示す図である。 蓄電装置を別系統で充電する場合を示す図である。 構成例２を説明する図である。 複数の制御部が設置されている場合を示す図である。 蓄電装置の入出力回路に電流計測のための抵抗が挿入されている場合を示す図である。 放電スイッチと充電スイッチとを説明する図である。 放電スイッチと充電スイッチとを説明する図である。 放電スイッチと充電スイッチとを説明する図である。 放電スイッチと充電スイッチとを説明する図である。 逆流阻止のためのダイオードが設けられている場合を説明する図である。 逆流阻止のためのダイオードが設けられている場合を説明する図である。 本発明に係る電源システムが携帯電話器充電装置である場合を説明する図である。 構成例１における動作信号の生成の流れ図である。 構成例２における動作信号の生成の流れ図である。 共振回路を入力に並列に接続する場合を説明する図である。 災害対策用クリーン電源（ＡＣ１００Ｖ）の構成図である。 タイプＡの電力系統図である。 タイプＢの電力系統図である。 常時インバータ給電方式を説明する図である。 制御フロー（タイプＡ、タイプＢ）を説明する図である。

符号の説明

１：商用系統、２：第１の変換器、３：蓄電池装置、４：第２の変換器、５：切替器、６：負荷、７：制御部、８：充電器／放電器、９：抵抗、１０：放電スイッチ、１１：充電スイッチ、１２：ダイオード、１３：ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４：携帯電話器充電端子、１５：入力端子、１６：並列共振回路。

Claims (13)

1. 商用系統からの電力を入力とする第１の変換器と、電池を構成要素とする蓄電装置と、前記蓄電装置からの電力または前記第１の変換器からの電力を入力とする第２の変換器と、切替器とを有し、前記切替器を介して前記商用系統からの電力を直接負荷に供給するバイパス動作と、前記蓄電装置が二次電池を構成要素とする場合には前記商用系統からの電力を用いて前記蓄電装置を充電する充電動作と、前記蓄電装置が出力する電力を前記第２の変換器が変換し前記切替器を介して負荷に供給する放電動作とを行う電源システムにおいて、
   制御部が具備され、該制御部は、前記バイパス動作の開始・終了を含めた制御を行い、前記蓄電装置が二次電池を構成要素としていない場合には前記放電動作の開始・終了を含めた制御を行い、前記蓄電装置が二次電池を構成要素とする場合には前記充電動作の開始・終了を含めた制御、前記放電動作の開始・終了を含めた制御のうちの少なくとも１つを行うことを特徴とする電源システム。
2. 商用系統からの電力を入力とする第１の変換器と、電池を構成要素とする蓄電装置と、前記第１の変換器からの電力または前記蓄電装置からの電力を入力とする第２の変換器とを有し、前記第１の変換器が出力する電力を前記第２の変換器が変換して負荷に供給する二変換動作と、前記蓄電装置が二次電池を構成要素とする場合には前記商用系統からの電力を用いて前記蓄電装置を充電する充電動作と、前記蓄電装置が出力する電力を前記第２の変換器が変換して負荷に供給する放電動作とを行う電源システムにおいて、
   制御部が具備され、該制御部は、前記二変換動作の開始・終了を含めた制御を行い、前記蓄電装置が二次電池を構成要素としていない場合には前記放電動作の開始・終了を含めた制御を行い、前記蓄電装置が二次電池を構成要素とする場合には前記充電動作の開始・終了を含めた制御、前記放電動作の開始・終了を含めた制御のうちの少なくとも１つを行うことを特徴とする電源システム。
3. 請求項１または２に記載の電源システムにおいて、
   前記蓄電装置の入出力回路に抵抗が挿入され、該抵抗における電圧降下の値が、正負の符号を含めて、前記制御部に入力されることを特徴とする電源システム。
4. 請求項１、２または３に記載の電源システムにおいて、
   前記蓄電装置の充電と放電とを切替えるための充電スイッチと放電スイッチとが具備されていることを特徴とする電源システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の電源システムにおいて、
   複数の前記蓄電装置が並列接続され、該蓄電装置の各々の出力電路には逆流阻止のためのダイオードが設けられていることを特徴とする電源システム。
6. 請求項２に記載の電源システムにおいて、
   該電源システムは携帯電話器充電装置であることを特徴とする電源システム。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の電源システムにおいて、
   前記商用系統は、ＡＣ１００Ｖ電源を含む交流電源であり、
   前記第１の変換器は、定電圧コンバータを含むコンバータまたは充電器であり、
   前記第２の変換器は、インバータまたはコンバータであり、
   前記蓄電装置は、一次電池、ニッケル水素蓄電池を含む二次電池のうちの少なくとも１つを構成要素とし、
   前記負荷は、ＡＣ１００Ｖ負荷を含む交流負荷、または、ＤＣ１２Ｖ負荷を含む直流負荷であることを特徴とする電源システム。
8. 請求項７に記載の電源システムにおいて、前記蓄電装置はニッケル水素蓄電池を構成要素とすることを特徴とする電源システム。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の電源システムにおいて、
   前記制御部は、
   上記充電動作を制御する動作、
   上記放電動作を制御する動作、
   該電源システム内で故障が発生した場合に故障警報を発生させる動作、
   前記蓄電装置中の電池の残容量を算出する動作、
   前記バイパス動作、充電動作、放電動作および二変換動作の動作間切替えを制御する動作、
   該電池システム中の液晶表示装置の動作を制御する動作、
   該電池システムの入出力機能を制御する動作、
   パーソナルコンピュータのモニター機能を制御する動作、
   パラメータ設定機能を制御する動作、
   前記蓄電装置中の電池の劣化を判定する動作、
   のうちの、少なくとも１つの動作を行うことを特徴とする電源システム。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の電源システムにおいて、
    前記制御部は、前記バイパス動作の制御、前記充電動作の制御、前記放電動作の制御、前記二変換動作の制御のうちの少なくとも１つを、電気回路が生成する動作信号に基づいて行うことを特徴とする電源システム。
11. 請求項１ないし９のいずれかに記載の電源システムの前記制御部において行われる電源システム制御のためのプログラムであって、
    該電源システムへの商用系統入力が正常でない場合には、前記放電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順と、
    該電源システムへの商用系統入力が正常の場合には、前記バイパス動作を実行することを命令する動作信号、または、前記二変換動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順と、
    前記蓄電装置の充電が必要な場合には、前記充電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順とをマイクロプロセッサまたはコンピュータに実行させることを特徴とする、電源システム制御のためのプログラム。
12. 請求項１ないし９のいずれかに記載の電源システムの前記制御部において行われる電源システム制御のためのプログラムを記録した記録媒体であって、
    該電源システムへの入力が正常でない場合には、前記放電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順と、
    該電源システムへの入力が正常の場合には、前記バイパス動作を実行することを命令する動作信号、または、前記二変換動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順と、
    前記蓄電装置の充電が必要な場合には、前記充電動作を実行し制御することを命令する動作信号を生成する手順とをコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な、電源システム制御のためのプログラムを記録した記録媒体。
13. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の電源システムにおいて、
    静電容量とインダクタンスとからなる並列共振回路が前記商用系統からの入力に並列接続されていることを特徴とする電源システム。

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