JP2008278674A - 電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池等の蓄電部の出力電圧を昇圧して負荷に供給し、かつ負荷に安定して電圧を供給することが可能な電力供給装置を提供する。
【解決手段】負荷７に電力を供給する電力供給装置６であって、第１の蓄電部１に結合される蓄電部側端子Ｔ３およびＴ４と、第２の蓄電部３と、負荷７に結合される負荷側端子Ｔ１およびＴ２と、第１の蓄電部１の放電時、第１の蓄電部１の出力電圧を第１の電圧に昇圧し、第１の電圧を負荷側端子Ｔ１およびＴ２へ出力するコンバータ部２と、第１の蓄電部１の出力電圧を昇圧し、昇圧した電圧を第２の蓄電部３に供給する昇圧回路４と、第２の蓄電部３と負荷側端子Ｔ１との間に配置され、第２の蓄電部３から負荷側端子Ｔ１へ電流を流し、かつ負荷側端子Ｔ１から第２の蓄電部３へ流れる電流を阻止する逆流防止回路５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力供給装置に関し、特に、蓄電池に蓄えられた電力を所定の電圧に変換して負荷に供給する電力供給装置に関する。

商用電力が配電されていない場所において電気機器を動作させるための装置として、蓄電機能を有する太陽光発電装置が有用である。蓄電機能を有する小型の太陽光発電装置の例としては、電力配線が配設されてない住宅の庭で使用される庭園灯に電力を供給する装置、すなわち昼間に太陽電池の電力を蓄電しておき夜間に放電して電灯に電力を供給する装置などがある。

図３は、従来の蓄電機能を有する太陽光発電システム用系統連系システムの構成を示す図である。

図３を参照して、この系統連系システムは、太陽電池１０１と、蓄電池１０２と、交流負荷１０３と、電力変換装置１０４とを備える。系統連系運転時は、電力変換装置１０４は交流負荷１０３の代わりにＡＣ（Alternating Current）２００Ｖの商用電力系統に対して電流を出力する。

このような蓄電機能を有する太陽光発電システム用系統連系システムでは、商用電力系統が停電している場合であっても昼間は太陽電池１０１の電力を電力変換装置１０４経由で蓄電池１０２に蓄えることができる。また、夜間には蓄電池１０２から電力変換装置１０４を介して放電することにより家庭内の交流負荷１０３に電力を供給することができる。交流負荷１０３は一般的にＡＣ１００Ｖで動作するため、この場合の電力変換装置１０４は、蓄電池および太陽電池からの直流電圧をＡＣ１００Ｖに変換して出力する。

ここで、一般家庭において停電時に動作させたい交流負荷１０３として、近年ではエアコンおよび電磁調理器など消費電力の大きい電気機器が増加しており、これらの消費電力の大きな電気機器は始動時などに特に大きな電力を必要とする場合がある。このような場合、交流負荷１０３が安定して始動するためには、電力変換装置１０４から交流負荷１０３に対して瞬間的に大きな始動電力を供給する必要がある。

上記と類似の課題を解決する従来技術として、特許文献１には、以下のような車両のエンジン始動制御装置が開示されている。すなわち、車両の駆動力を発生するエンジンおよび電力供給を受けて該エンジンを始動するエンジン始動装置を搭載した車両のエンジン始動制御装置であって、蓄積した電力をエンジン始動装置へ供給可能な第１および第２の蓄電装置と、第１および第２の蓄電装置とエンジン始動装置との間に設けられ、第１および第２の蓄電装置のそれぞれからの第１および第２の始動電流の少なくとも一方によってエンジン始動装置の動作電流を供給する始動電流制御部とを備え、始動電流制御部は、エンジン始動時における車両の状態に応じて、動作電流のうちの第１および第２の始動電流の割合を制御する。このような構成により、第１の蓄電装置（二次電池）および第２の蓄電装置（コンデンサ）の両方によってエンジン始動装置への動作電流供給が可能な車両において、車両状態に応じて両者からの電流供給バランスを適切化できる。したがって、消費電力の大きいエンジン始動装置への動作電流供給時に、いずれかの蓄電装置において出力電力過大による出力電圧低下が発生することを防止できるので、車両運転を平滑かつ安定化できる。

また、特許文献２には、以下のような電圧依存性車載用機器が開示されている。すなわち、自動車のＡＣＣ（アクセサリー）電源および／またはバッテリーに接続された電圧依存性車載用機器と、ＡＣＣ電源および／またはバッテリーに接続されて充電され、かつ電圧依存性車載用機器に供給される電力が所定値以下になった際に電圧依存性車載用機器に電力を供給するキャパシタバンクからなる。このような構成により、アイドリングストップ車のエンジンの再起動に伴う瞬時電力低下に対して電圧依存性車載用機器にキャパシタバンクから瞬時に電力を供給することができるようになるため、瞬時電力低下に影響を受けることがない電圧依存性車載用機器ならびに地球環境に優しい優れた性能の自動車を提供することができる。
特開２００６−２９１４２号公報 特開２００５−１９９７３９号公報

しかしながら、特許文献１および２記載の構成は、いずれも、蓄電池の出力電圧を昇圧または降圧するなどの電圧変換をすることなくそのまま負荷に対して供給するシステムに関するものであり、蓄電池の出力電圧より高い電圧で動作する負荷に対しては電力を供給することができない。たとえば、図３の交流負荷１０３のようにＡＣ１００Ｖを必要とする機器を動作させる場合、一旦蓄電池１０２の出力電圧を電力変換装置１０４によって昇圧した後で直流−交流変換を行なう必要がある。

特許文献１および２記載の構成では、蓄電池の出力電圧をそのまま負荷で利用する場合において、負荷の始動時に負荷側から大きな電力が要求されたときには、蓄電池の出力電圧の低下を抑制することができる。しかしながら、特許文献１および２記載の構成では、蓄電池の出力電圧より高い電圧で動作する負荷に対して電力を供給することはできない。

それゆえに、本発明の目的は、蓄電池等の蓄電部の出力電圧を昇圧して負荷に供給し、かつ負荷に安定して電圧を供給することが可能な電力供給装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力供給装置は、負荷に電力を供給する電力供給装置であって、第１の蓄電部に結合される蓄電部側端子と、第２の蓄電部と、負荷に結合される負荷側端子と、第１の蓄電部の放電時、第１の蓄電部の出力電圧を第１の電圧に昇圧し、第１の電圧を負荷側端子へ出力するコンバータ部と、第１の蓄電部の出力電圧を昇圧し、昇圧した電圧を第２の蓄電部に供給する昇圧回路と、第２の蓄電部と負荷側端子との間に配置され、第２の蓄電部から負荷側端子へ電流を流し、かつ負荷側端子から第２の蓄電部へ流れる電流を阻止する逆流防止回路とを備える。

好ましくは、昇圧回路は、第２の蓄電部の出力電圧が第１の電圧より小さくなるように、第１の蓄電部の出力電圧を昇圧し、昇圧した電圧を第２の蓄電部に供給する。

好ましくは、逆流防止回路は、アノードが第２の蓄電部に結合され、カソードが負荷側端子に結合されるダイオードを含む。

好ましくは、コンバータ部は、第１の蓄電部の充電時、負荷側端子から供給される電圧を降圧し、降圧した電圧を第１の蓄電部に供給する。

好ましくは、第１の蓄電部は蓄電池であり、第２の蓄電部はキャパシタである。
またこの発明のさらに別の局面に係わる電力供給装置は、負荷に電力を供給する電力供給装置であって、第１の蓄電部と、第２の蓄電部と、負荷に結合される負荷側端子と、第１の蓄電部の放電時、第１の蓄電部の出力電圧を第１の電圧に昇圧し、第１の電圧を負荷側端子へ出力するコンバータ部と、第１の蓄電部の出力電圧を昇圧し、昇圧した電圧を第２の蓄電部に供給する昇圧回路と、第２の蓄電部と負荷側端子との間に配置され、第２の蓄電部から負荷側端子へ電流を流し、かつ負荷側端子から第２の蓄電部へ流れる電流を阻止する逆流防止回路とを備える。

本発明によれば、蓄電池等の蓄電部の出力電圧を昇圧して負荷に供給し、かつ負荷に安定して電圧を供給することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［構成および基本動作］
図１は、本発明の実施の形態に係る電力供給装置の構成を示す図である。

図１を参照して、電力供給装置６は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ（コンバータ部）２と、キャパシタ（第２の蓄電部）３と、昇圧回路４と、ダイオード（逆流防止回路）５と、負荷側端子Ｔ１およびＴ２と、蓄電池側端子Ｔ３およびＴ４とを備える。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、スイッチ素子９および１０と、リアクトル１１と、コンデンサ１５とを含む。昇圧回路４は、スイッチ素子１２と、リアクトル１３と、ダイオード１４とを含む。

蓄電池（第１の蓄電部）１としては、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、およびリチウムイオン電池等の二次電池を使用することができる。ここではリチウムイオン電池を用いることとし、出力電圧は約３〜４Ｖとする。

スイッチ素子９，１０，１２としては、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）ＦＥＴ（Field Effect Transistor）およびＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチ素子が利用できる。ここではＭＯＳＦＥＴを使用するものとする。

蓄電池側端子Ｔ３に、蓄電池１のプラス端子と、リアクトル１１の第１端と、リアクトル１３の第１端とが接続される。リアクトル１１の第２端に、スイッチ素子９のドレインと、スイッチ素子１０のソースとが接続される。スイッチ素子１０のドレインに、コンデンサ１５のプラス端子と、ダイオード５のカソードと、負荷側端子Ｔ１とが接続される。リアクトル１３の第２端に、スイッチ素子１２のドレインと、ダイオード４のアノードとが接続される。ダイオード４のカソードに、キャパシタ３の第１端と、ダイオード５のアノードとが接続される。蓄電池側端子Ｔ４と、スイッチ素子９のソースと、スイッチ素子１２のソースと、キャパシタ３の第２端と、コンデンサ１５のマイナス端子と、負荷側端子Ｔ２とが接続される。

蓄電池１の出力電圧は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２により昇圧される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力側は負荷側端子Ｔ１およびＴ２に接続される。

負荷側端子Ｔ１およびＴ２には直流負荷７が接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧は、直流負荷７が動作可能な所定電圧範囲に収まるように定電圧制御される。ここでは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧は１２Ｖとする。

負荷側端子Ｔ１およびＴ２に充電器が接続された場合には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、負荷側端子Ｔ１およびＴ２を介して充電器から供給される電圧を蓄電池１用の入力電圧に降圧する電圧変換動作を行なう。

蓄電池１には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２と並列に昇圧回路４が接続される。昇圧回路４の出力はキャパシタ３に接続される。キャパシタ３は、たとえば電気二重層コンデンサとも呼ばれるもので、静電容量が非常に大きいために大電流出力時の電圧低下が蓄電池１と比較して小さい素子である。なお、電気二重層コンデンサの代わりに、電解コンデンサ等、同様の機能を有する蓄電素子を使用することもできる。

昇圧回路４は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧より若干低い電圧を出力するように定電圧制御される。すなわち、昇圧回路４は、キャパシタ３から負荷側端子Ｔ１およびＴ２への出力電圧が双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧より低い電圧になるように、キャパシタ３に電圧を供給して充電する。ここでは、キャパシタ３の出力電圧は１１Ｖとする。

キャパシタ３と負荷側端子Ｔ１との間、すなわち、キャパシタ３と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力との間には、キャパシタ３から負荷側端子Ｔ１への方向が順方向となるダイオード５が接続される。すなわち、ダイオード５は、キャパシタ３と負荷側端子Ｔ１との間に配置され、キャパシタ３から負荷側端子Ｔ１へ電流を流し、かつ負荷側端子Ｔ１からキャパシタ３へ流れる電流を阻止する。

［動作］
次に、本発明の実施の形態に係る電力供給装置の動作について説明する。

図２（ａ）は、蓄電池１の放電時の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２における動作を示す図である。（ｂ）は、蓄電池１の充電時の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２における動作を示す図である。Ｉは電流の流れを示す。以下、蓄電池１の放電時の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を「順方向動作」と称する。また、蓄電池１の充電時の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を「逆方向動作」と称する。

図２（ａ）を参照して、蓄電池１からの放電時は、スイッチ素子１０は常時オフ状態に制御される。このため、スイッチ素子１０に内蔵されるボディダイオードのみが機能する。また、スイッチ素子９は１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波でスイッチング制御される。このため、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は昇圧チョッパとして動作する。ここではスイッチング周波数は４０ｋＨｚとする。

図２（ｂ）を参照して、蓄電池１への充電時、負荷側端子Ｔ１およびＴ２に接続される充電器からの電流は、ダイオード５によりキャパシタ３および昇圧回路４側へは流れないため、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して蓄電池１へ流れる。このとき、スイッチ素子９は常時オフ状態に制御される。このため、スイッチ素子９に内蔵されるボディダイオードのみが機能する。また、スイッチ素子１０は高周波でスイッチング制御される。このため、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は降圧チョッパとして動作する。

再び図１を参照して、電力供給装置６は、起動すると双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２が順方向動作を行ない、昇圧回路４が昇圧動作を行なう。したがって、負荷側端子Ｔ１およびＴ２間の電圧は１２Ｖに制御され、キャパシタ３の出力電圧は１１Ｖに制御される。

直流負荷７の消費電流が小さい場合、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力は１２Ｖが維持されるため、キャパシタ３は放電しない。

一方、直流負荷７の消費電流が過渡的に大きくなった場合、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧は１２Ｖを維持できない場合が生じる。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧が１１Ｖを下回った場合、キャパシタ３と負荷側端子Ｔ１との間に設置されたダイオード５が導通し、キャパシタ３からダイオード５を介して直流負荷７への電力供給が開始される。このとき、キャパシタ３はコンデンサ１５と比較して、大電流を供給したときの電圧低下が小さいため、負荷側端子Ｔ１およびＴ２間の電圧は１１Ｖを下回ることがない。したがって、直流負荷７は、消費電流が変化した場合においても安定した電圧で運転し続けることができるため、本発明の実施の形態に係る電力供給装置では、信頼性の高い電源システムを提供することができる。

直流負荷７の消費電流が過渡的な状態から通常状態に復帰した場合、キャパシタ３の出力電圧は１１Ｖであり、また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧は１１Ｖから１２Ｖに復帰する。このため、ダイオード５が非導通状態となり、再び蓄電池１から双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２のみを介して直流負荷７へ電流が供給される状態に戻る。

上記の直流負荷７の消費電流の過渡的な増大が長く継続し、キャパシタ３からの放電電力量が大きい場合、キャパシタ３の出力電圧が１１Ｖより低下する場合がある。仮にこのときのキャパシタ３の出力電圧が１０Ｖであるとすると、直流負荷７の消費電流が過渡的な状態から通常状態に復帰した場合、昇圧回路４が動作しているため、蓄電池１から昇圧回路４を介してキャパシタ３への充電動作が行われる。すなわち、キャパシタ３の出力電圧が１０Ｖから１１Ｖまで復帰するようにキャパシタ３を充電することができる。

負荷側端子Ｔ１およびＴ２に充電器が接続された場合は、上述したように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２が逆方向動作を行なうことにより、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して蓄電池１が充電される。

以上のように、本発明の実施の形態に係る電力供給装置では、直流負荷７の消費電流が変化した場合に、スイッチの切り替え動作を伴わず自動的に不足電流をキャパシタ３から直流負荷７へ供給することができるため、高い信頼性を実現することができる。

ところで、特許文献１および２記載の構成は、蓄電池の出力電圧より高い電圧で動作する負荷に対しては電力を供給することができない。また、特許文献１および２記載の構成では、蓄電池の出力電圧より高い電圧で動作する負荷に対して電力を供給することはできない。

しかしながら、本発明の実施の形態に係る電力供給装置では、蓄電池１の通常の放電時は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して蓄電池１の出力電圧より高い電圧を要する負荷に対する電力供給を行なうとともに、昇圧回路４を介してキャパシタ３への充電を行なう。一方、負荷が大電力を要求する場合には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２からの出力に加えてキャパシタ３からも不足分の電力供給を行なうことにより、負荷側端子Ｔ１およびＴ２間の電圧が大きく低下することなく安定して負荷を動作させることができる。

すなわち、本発明の実施の形態に係る電力供給装置では、電力供給装置に接続された負荷が蓄電池の出力電圧より高い電圧で動作し、かつ大電流を要求する場合であっても、安定した出力電圧を供給することができるため、高い信頼性を実現することができる。

また、特許文献１および２記載の装置は、いずれも電流制限用の抵抗を備える構成であり、抵抗に電流が流れている際の発熱が過大とならないように電力容量の大きな抵抗を使用する必要があり、部品コストが増加してしまうという問題点があった。

しかしながら、本発明の実施の形態に係る電力供給装置では、昇圧回路４を備える。昇圧回路４により、蓄電池１からキャパシタ３への電流が制限される。したがって、本発明の実施の形態に係る電力供給装置では、電流制限用の抵抗を使用する必要がなくなるため、抵抗での電力損失の発生および発熱を防ぐための部品等のコストを低減することができる。

なお、本発明の実施の形態に係る電力供給装置では、蓄電池１は電力供給装置６の外部に配置される構成であるとしたが、これに限定するものではない。電力供給装置６が蓄電池１を備える構成であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る電力供給装置の構成を示す図である。 （ａ）は、蓄電池１の放電時の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２における動作を示す図である。（ｂ）は、蓄電池１の充電時の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２における動作を示す図である。 従来の蓄電機能を有する太陽光発電システム用系統連系システムの構成を示す図である。

符号の説明

１ 蓄電池（第１の蓄電部）、２ 双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、３ キャパシタ（第２の蓄電部）、４ 昇圧回路、５ ダイオード（逆流防止回路）、６ 電力供給装置、７ 直流負荷、９，１０，１２ スイッチ素子、１１，１３ リアクトル、１４ ダイオード、１５ コンデンサ、１０１ 太陽電池、１０２ 蓄電池、１０３ 交流負荷、１０４ 電力変換装置、Ｔ１，Ｔ２ 負荷側端子、Ｔ３，Ｔ４ 蓄電池側端子。

Claims (6)

1. 負荷に電力を供給する電力供給装置であって、
   第１の蓄電部に結合される蓄電部側端子と、
   第２の蓄電部と、
   前記負荷に結合される負荷側端子と、
   前記第１の蓄電部の放電時、前記第１の蓄電部の出力電圧を第１の電圧に昇圧し、前記第１の電圧を前記負荷側端子へ出力するコンバータ部と、
   前記第１の蓄電部の出力電圧を昇圧し、前記昇圧した電圧を前記第２の蓄電部に供給する昇圧回路と、
   前記第２の蓄電部と前記負荷側端子との間に配置され、前記第２の蓄電部から前記負荷側端子へ電流を流し、かつ前記負荷側端子から前記第２の蓄電部へ流れる電流を阻止する逆流防止回路とを備える電力供給装置。
2. 前記昇圧回路は、前記第２の蓄電部の出力電圧が前記第１の電圧より小さくなるように、前記第１の蓄電部の出力電圧を昇圧し、前記昇圧した電圧を前記第２の蓄電部に供給する請求項１記載の電力供給装置。
3. 前記逆流防止回路は、アノードが前記第２の蓄電部に結合され、カソードが前記負荷側端子に結合されるダイオードを含む請求項１記載の電力供給装置。
4. 前記コンバータ部は、前記第１の蓄電部の充電時、前記負荷側端子から供給される電圧を降圧し、前記降圧した電圧を前記第１の蓄電部に供給する請求項１記載の電力供給装置。
5. 前記第１の蓄電部は蓄電池であり、前記第２の蓄電部はキャパシタである請求項１記載の電力供給装置。
6. 負荷に電力を供給する電力供給装置であって、
   第１の蓄電部と、
   第２の蓄電部と、
   前記負荷に結合される負荷側端子と、
   前記第１の蓄電部の放電時、前記第１の蓄電部の出力電圧を第１の電圧に昇圧し、前記第１の電圧を前記負荷側端子へ出力するコンバータ部と、
   前記第１の蓄電部の出力電圧を昇圧し、前記昇圧した電圧を前記第２の蓄電部に供給する昇圧回路と、
   前記第２の蓄電部と前記負荷側端子との間に配置され、前記第２の蓄電部から前記負荷側端子へ電流を流し、かつ前記負荷側端子から前記第２の蓄電部へ流れる電流を阻止する逆流防止回路とを備える電力供給装置。

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