JP2008306806A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】放電可能なエネルギーを余すことなく負荷へ給電し、直流電源の過電流放電を防止するバックアップ電源システムを提供すること。
【解決手段】組電池１と、複数の放電器４を並列接続してなる組放電器７とを有し、組電池１が出力する電力を、組放電器７を介して負荷５に供給する電源システムにおいて、負荷５の所要電力をＰとし、組放電器７の組数をｓとし、Ｐをｓで割り、自然数であるｔで割って得た値をＲとしたとき、組放電器７は、出力上限値Ｗ_ｍａｘがＲ以上である放電器４を、ｔに自然数であるｕを加算した台数だけ並列接続して構成され、組電池１の最大許容電流をＩ_ｍａｘとし、放電器４がＷ_ｍａｘの電力を出力するときの、放電器４の効率と組電池１の電圧との積の最小値を(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎとしたとき、ｔとｕとが、Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎを満たす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に関し、特に、直流電源が出力する電力を、放電器を介して負荷へ供給する電源システムに関する。

一般に、直流負荷装置へ電力を供給する電源システムでは、商用交流電力を受け、直流４８Ｖなどの直流電力を出力する整流器が用いられている。さらに、商用電力が停電した場合でも負荷装置への給電を継続するために、蓄電池と、蓄電池を充電するための充電器と、放電器とを備える場合がある。その場合に、蓄電池を直流電源システムに適用する場合には、通常、単セルと呼ばれる１本の蓄電池を複数個直列にしたものを１つ以上並列接続した組電池を用いる。整流装置、蓄電池、充電器、放電器を組合わせた直流電源システムを図４に示す。

図４において、商用電源６の交流電力は整流器２に供給され、整流器２は交流電力を所定の直流電力に変換して負荷５へ供給している。組電池１は、複数の蓄電池を組み合わせて構成され、商用電源６が有効であるときは、整流器２と充電器３を介し、充電電路８を通じて充電され、商用電源６が停電のとき複数の放電器４を介して負荷５への放電を行う。

放電器４は、電池電圧が負荷の電圧許容範囲を上回るときは内蔵するコンバータによる降圧を行い（降圧動作）、許容範囲内のときは電池出力をコンバータ非経由でバイパスし（バイパス動作）、許容範囲を下回るときはコンバータによる昇圧を行う（昇圧動作）。

このような直流電源システムでは、商用電源停止時には整流器は停止し、負荷への電力供給は蓄電池から放電器を介して行うため蓄電池だけでなく放電器の信頼性がシステムの信頼性に大きく影響する。

通常、放電器は複数台を並列搭載して所要容量を確保するが、放電器の故障時にも放電を継続するため、放電器を１台余分に搭載して冗長構成とする。

下記特許文献１、２には、電源を冗長構成とする電源システムが記載され、特許文献１には、電源の冗長構成回路において電圧検出により動作するスイッチを設けることが記載され、特許文献２には、制御ユニットの電源部をＮ＋１の冗長化構成とし、スイッチにより分流することが記載されている。
特開平８−６５９１８号公報 特開平８−１２６２２７号公報

＜放電電流の偏りによるバックアップ時間縮減の問題＞
図４のようなバックアップ電源システムにおいては、例えば、定格
1.2Ｖのニッケル水素蓄電池セル（単セル定格電圧 1.2Ｖ、定格容量 100Ａｈ、使用電圧範囲 1.5Ｖ〜1.0Ｖ、最大許容電流 120Ａ）を 40 セル直列接続して定格電圧 48Ｖの組電池１を構成し、これを１系（下記組電池に相当）とし、２系を搭載する。さらに、商用電源６からの出力によって組電池１の間欠充電を行うための充電器３、電池電圧を負荷の電圧許容範囲に収めるための放電器４を備える。２つの組電池１が、充電器３を介し、充電電路８を通じて整流器２の出力によって充電され、複数の放電器４を介して負荷５へ電力を供給するようになっている。

放電器４は、電池電圧が負荷５の電圧許容範囲を上回るときは内蔵するコンバータによる降圧を行い（降圧モード）、許容範囲内のときは電池出力をコンバータ非経由でバイパスし（バイパスモード）、許容範囲を下回るときはコンバータによる昇圧を行う（昇圧モード）。このような電圧変換によりエネルギー損失が発生するが、放電器４の効率（動作状態によって効率は変化するため最低効率とする）は 80〜90％である。また、放電器４は給電信頼性を高めるため、複数台を並列搭載する冗長構成とする必要がある。

負荷５が 7500Ｗであるとき、給電信頼性の向上のため、2500Ｗ出力の放電器４を４台搭載し、各組電池系列に２台ずつ接続する。この冗長構成では、2500Ｗの放電器が４台であるから、１台が故障したとしても 7500Ｗの出力は可能である。

停電中、負荷５へ 7500Ｗのバックアップ給電を行っているとき、停電前に各電池系列が満充電であるという前提では、各電池系列が負担する放電電力は同じであり、４台の各放電器４へ均等に放電電力が分担される。この後、２系電池に接続されている放電器４の１台が故障により停止した場合、負荷５への給電は、１系電池に接続されている２台の放電器４と、２系電池に接続されている１台の放電器４とを合わせて、３台の放電器４により行われる。３台の放電器４であっても合計出力は 7500Ｗであり、給電の継続は可能であるが、１台の最大出力は 2500Ｗであるため、２系電池がつながる放電器４からは放電器４の１台分の 2500Ｗしか出力されず、一方で１系電池がつながる放電器４からは（２台分の） 5000Ｗが出力される。このように１系から 5000Ｗが、２系から 2500Ｗが出力されるため、１系電池の放電電力が２系の倍となり、このまま放電が継続すると、１系電池が放電終止電圧に達して停止したとき、２系電池に放電可能なエネルギーが残されたままバックアップ給電が終了してしまう。

このように、放電器を冗長構成としただけでは、放電器停止時に電池系列間の放電アンバランスが発生して最後には放電可能なエネルギーが残されたままバックアップ給電が終了するという問題が発生する。

＜電池の放電電流が過剰になる問題＞
図５の電池システムにおいて、組電池１はニッケル水素蓄電池（単セル定格電圧 1.2Ｖ定格容量 100Ａｈ、使用電圧範囲 1.5Ｖ〜1.0Ｖ）を 40 本直列して構成した定格電圧 48Ｖの組電池とし、この電池が出力する最大許容電流は 120Ａ、負荷５が要求する電力が 3750Ｗとする。放電器４は冗長構成であり、1250Ｗ出力の放電器を４台並列搭載して、１台が故障した場合でも 3750Ｗを出力できるようにする。ここで、放電器４は合計 5000Ｗの出力が可能であり、放電器の効率を 80％とすると、放電器４の入力すなわち組電池１から出力される最大電力は 6250Ｗ（＝5000Ｗ÷0.8）である。組電池１の最低使用電圧は 40Ｖ（単セル1.0Ｖ×40 本）であるから、組電池１から出力される電流は最大 156Ａ（＝6250Ｗ÷40Ｖ）に達する。組電池１の最大許容電流が 120Ａであるから、電池出力電流が許容値を超えており、過熱や電池の劣化が起こり得る。

冗長構成としない場合は、1250Ｗ出力の放電器は３台でよいから、組電池１から出力される最大電力は 4687.5Ｗ（＝3750Ｗ÷0.8）であり、最大出力電流は117Ａ（＝4687.5Ｗ÷40Ｖ）となるため、電池出力電流が許容範囲内である。

このように、冗長構成の仕方により、電池からの放電電流が過剰となる場合があり、これを防ぐためには、負荷容量を制限しなければならないという問題が発生する。

なお、前記の、放電器を冗長構成としただけでは放電可能なエネルギーが残されたままバックアップ給電が終了してしまうという問題と、電池からの放電電流が過剰になるという問題は、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組み合わせてなる組電池を複数個有し、前記組電池が出力する電力を複数のコンバータを介して負荷に供給する二次電池システム、さらには、一次電池を含めて、複数の電池を組合わせてなる複数の組電池が出力する電力を複数のコンバータを介して負荷に供給する電池システム、さらには、電力貯蔵用キャパシタを含めて、複数の直流電圧源を組合わせてなる複数の電源が出力する電力を複数のコンバータを介して負荷に供給する電源システムにおいても生じる問題である。

本発明は前記の、放電器を冗長構成としただけでは放電可能なエネルギーが残されたままバックアップ給電が終了してしまうという問題と、直流電源からの放電電流が過剰になるという問題と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、放電可能なエネルギーを余すことなく負荷へ給電し、直流電源の過電流放電を防止するバックアップ電源システムを提供することにある。

本発明においては、上記課題を解決するために、請求項１に記載のように、
複数の直流電源を接続してなる組電源と、複数の放電器を並列接続してなる組放電器とを有し、前記組電源が出力する電力を、前記組放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、複数組の前記組放電器が出力側において並列接続され前記負荷へ電力を供給し、それぞれの前記組放電器には前記組電源が入力電源として接続され、前記負荷の所要電力を第１の設定値Ｐとし、前記組放電器の組数を第２の設定値ｓとし、前記第１の設定値Ｐを前記第２の設定値ｓで割って得た値を第３の設定値Ｑとし、前記第３の設定値Ｑを自然数である第４の設定値ｔで割って得た値を第５の設定値Ｒとしたとき、前記組放電器は、出力上限値Ｗ_ｍａｘが前記第５の設定値Ｒ以上である前記放電器を、前記第４の設定値ｔに自然数である第６の設定値ｕを加算した台数だけ並列接続して構成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２に記載のように、
請求項１に記載の電源システムにおいて、前記組電源の最大許容電流および電圧を、それぞれ、Ｉ_ｍａｘおよびＶとし、前記放電器が前記出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの効率をη_ｍとしたとき、前記第４の設定値ｔと、前記第６の設定値ｕとが、
Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ) （１）
を満たす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に記載の電源システムにおいて、前記組電源の最大許容電流をＩ_ｍａｘとし、前記放電器が前記出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの、前記放電器の効率と前記組電源の電圧との積の最小値を(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎとしたとき、前記第４の設定値ｔと、前記第６の設定値ｕとが、
Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎ （１'）
を満たす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、
複数の直流電源を接続してなる組電源と、複数の放電器を並列接続してなる組放電器とを有し、前記組電源が出力する電力を、前記組放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、前記負荷の所要電力をＰとし、前記組放電器の組数を１とし、前記Ｐを自然数であるｔで割って得た値をＲとしたとき、前記組放電器は、出力上限値Ｗ_ｍａｘが前記Ｒ以上である前記放電器を、前記ｔに自然数であるｕを加算した台数だけ並列接続して構成され、前記組電源の最大許容電流および電圧を、それぞれ、Ｉ_ｍａｘおよびＶとし、前記放電器が前記出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの効率をη_ｍとしたとき、前記ｔと、前記ｕとが、
Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ) （１）
を満たす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、
複数の直流電源を接続してなる組電源と、複数の放電器を並列接続してなる組放電器とを有し、前記組電源が出力する電力を、前記組放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、前記負荷の所要電力をＰとし、前記組放電器の組数を１とし、前記Ｐを自然数であるｔで割って得た値をＲとしたとき、前記組放電器は、出力上限値Ｗ_ｍａｘが前記Ｒ以上である前記放電器を、前記ｔに自然数であるｕを加算した台数だけ並列接続して構成され、前記組電源の最大許容電流をＩ_ｍａｘとし、前記放電器が前記出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの、前記放電器の効率と前記組電源の電圧との積の最小値を(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎとしたとき、前記ｔと、前記ｕとが、
Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎ （１'）
を満たす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１ないし５のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記直流電源は電池であることを特徴とする電源システムを構成する。

本発明の電源システムによれば、以下のごとき効果を奏することができる。すなわち、
複数搭載される放電器のうちの一部（冗長分）が故障などにより停止したとき、停止した放電器を持つ直流電源系列の給電能力は分担された給電容量を下回らないため、直流電源系列間の放電アンバランスが発生しない電源システムの提供が可能となる。

また、冗長構成に特定の条件を設けることによって、直流電源系列に過剰な放電電流が流れることがない電源システムの提供が可能になる。

このように、本発明の実施によって、放電可能なエネルギーを余すことなく負荷へ給電し、直流電源の過電流放電を防止するバックアップ電源システムを提供することが可能となる。

本発明に係る電源システムにおいては、負荷の所要電力を２つ以上の直流電源系列に分担させ、各直流電源系列に放電器を冗長分を含めて並列搭載する。また、各直流電源系列の最大出力電流を超えることのないように直流電源系列の数、放電器並列搭載数を定める。そのために、
複数の直流電源を接続してなる組電源と、複数の放電器を並列接続してなる組放電器とを有し、前記組電源が出力する電力を、前記組放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、
例えば、複数組の前記組放電器が出力側において並列接続され前記負荷へ電力を供給し、それぞれの前記組放電器には前記組電源が入力電源として接続され、前記負荷の所要電力を第１の設定値Ｐとし、前記組放電器の組数（２以上）を第２の設定値ｓとし、Ｐをｓで割って得た値を第３の設定値Ｑとし、Ｑを自然数である第４の設定値ｔで割って得た値を第５の設定値Ｒとし、前記組放電器は、出力上限値Ｗ_ｍａｘがＲ以上である前記放電器を、ｔに自然数である第６の設定値ｕを加算した台数（＝ｔ＋ｕ）だけ並列接続して構成されることを特徴とする電源システムを構成し、
または、これに加えて、例えば、前記組電源の最大許容電流および電圧を、それぞれ、Ｉ_ｍａｘおよびＶとし、前記放電器が前記出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力しているときの効率をη_ｍとしたとき、前記第４の設定値ｔと、前記第６の設定値ｕとが、
Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ) （１）
を満たすようにする。

前記放電器は、出力が上限Ｗ_ｍａｘを超えるとき、出力電圧を急激に低下する機能（いわゆる垂下制御）を有している。この機能によって、前記組放電器の出力電力はＷ_ｍａｘ×（ｔ＋ｕ）を超えることがないため、電池出力の過電流を防止することが可能となる。

例えば、前記放電器は自身の出力電流を常に監視し、上限値を超えているときは出力電圧を急激に低下させる制御を行うものとすればよい。

以下に、本発明の実施の形態について、直流電源が電池（例えば、ニッケル水素蓄電池）で構成され、組電源が組電池である場合を例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

＜実施の形態例１＞
図１は、本発明の第１の実施の形態例を説明する図である。図１において、組電源である組電池１が出力する電力を組放電器７を介して負荷５へ供給するようになっている。

負荷５の所要電力を第１の設定値Ｐとし、組放電器７の組数を第２の設定値ｓ（２以上の自然数）とし、組放電器７を構成する放電器４の並列台数を以下のように設計する。

負荷５の所要電力すなわち第１の設定値Ｐを、組放電器７の組数すなわち第２の設定値ｓで割った値を第３の設定値Ｑ（Ｑ＝Ｐ/ｓ）とする。Ｑは、組放電器７の１組当たりの負荷分担に相当する。

Ｑを、さらに、自然数である第４の設定値ｔで割った値を第５の設定値Ｒ（Ｒ＝Ｑ/ｔ）とし、組放電器７を、出力容量Ｒ以上の放電器４をｔ＋ｕ（ｕは自然数である第６の設定値）台並列接続して構成し、各々の組放電器７に組電池１からの電力を入力する電源システムを構成する。

以上のように構成された電源システムにおいて、放電器４の出力はＲ以上であるから、放電器４の並列台数がｔ台であっても組放電器７の出力容量はＲ×ｔ以上であり、Ｑ＝Ｒ×ｔより、組放電器７は分担された負荷をまかなうことが可能であることが分かる。

放電器４を、必要台数よりもｕ台余計に搭載するのは、放電器４が故障した場合でも組放電器７が分担された負荷分の供給能力を維持するためである。放電器４が故障して停止した場合、同じ組放電器７の中で故障した放電器４の台数がｕ台以内である限りは、組放電器７に要求された出力容量は維持されているため、各組放電器７において稼働する放電器４の台数を揃えてもよく、その結果として、組放電器７間で出力容量の偏りが発生せず、組放電器７の入力である組電池１の放電ばらつきが発生するという前記の問題は起こらない。

＜実施の形態例２＞
図２は、本発明の第２の実施の形態例を説明する図である。図において、負荷５は直流 48Ｖ負荷、組電源である組電池１は定格 1.2Ｖのニッケル水素蓄電池セル（単セル定格電圧 1.2Ｖ、定格容量 100Ａｈ、使用電圧範囲 1.5Ｖ〜1.0Ｖ、最大出力電流 100Ａ）を 40 セル直列接続して定格電圧 48Ｖとしたものによって構成するものとする。

通常時、商用電源６から入力される電力を整流器２によって直流電力へ変換し、負荷５へ直流電力を供給しながら、充電器３を介し、充電電路８を通じて組電池１を充電する。

停電時は、組電池１が出力する電力を組放電器７を介して負荷５へ電力を供給する。

放電器４は、電池電圧が負荷５の電圧許容範囲を上回るときは内蔵するコンバータによる降圧を行い（降圧モード）、許容範囲内のときは電池出力をコンバータ非経由でバイパスし（バイパスモード）、許容範囲を下回るときはコンバータによる昇圧を行う（昇圧モード）。

負荷５の所要電力が 7500Ｗ（＝Ｐ）であるとき、実施の形態例１に準じて組放電器７の組数と放電器４の並列接続数を定める。ｓ、ｔ、ｕは自然数（ｓは２以上）であればよいから、ｓ＝２、ｔ＝２、ｕ＝１とする。このとき、組放電器７の組数ｓは２組、組放電器７を構成する放電器４の並列接続数は３台（３＝ｔ＋ｕ）となる。組放電器７にはそれぞれ 3750Ｗ（＝Ｐ/ｔ＝Ｐ/２＝Ｑ）が分担され、放電器４の出力は 1875Ｗ（＝Ｑ/ｔ＝Ｒ）以上のものとすればよい。

以上のように構成することによって、いずれの組放電器７においても、放電器４が１台（１＝ｕ）停止した場合でも負荷分担分である 3750Ｗ（＝Ｑ）が給電可能であり、組放電器７に要求された出力容量は維持されているため、組放電器７間で出力容量の偏りが発生せず、組放電器７の入力である組電池１の放電ばらつきが発生するという前記の問題は起こらないようにすることができる。

＜実施の形態例３＞
図２および３は、本発明の第３の実施の形態例を説明する図である。図において、組電池１を、定格 1.2Ｖのニッケル水素蓄電池セル（単セル定格電圧 1.2Ｖ、定格容量 100Ａｈ、使用電圧範囲 1.5Ｖ〜1.0Ｖ、最大許容電流Ｉ_ｍａｘは 100Ａ）を 60 セル直列接続した定格電圧 72Ｖの組電池とし、これを１系（下記組電池１に相当）とする（図２において、この条件は実施の形態例２とは異なる）。このとき、組電池１の最大許容電流Ｉ_ｍａｘは 100Ａ、最低使用電圧Ｖｍｉｎは 60Ｖ（＝1.0Ｖ×60）である。さらに、この電源システムは、間欠充電を行うための充電器３、電池電圧を負荷の電圧許容範囲に収めるための組放電器７（放電器４の並列接続）を備える。組電池１が、充電器３を介し、充電電路８を通じて、整流器２の出力によって充電され、複数の組放電器７を介して負荷５へ電力を供給するようになっている。負荷５の所要電力は 7500Ｗ（＝Ｐ）である。

放電器４は、降圧コンバータであり、その出力電圧は 50Ｖである。このような電圧変換によりエネルギー損失が発生するが、放電器４の効率ηはほぼ一定であり、効率の変動が少なく、電圧Ｖの変動に比べて無視できるため、最低効率 90％とする。

ここで、場合を分けて考察する。

（１）ケース１（図２の場合）
まず、実施の形態例１に準じて組放電器７の組数と放電器４の並列接続数を定める。ｓ、ｔ、ｕは自然数であればよいから、図２の場合のように、ｓ＝２、ｔ＝２、ｕ＝１とする。このとき、組放電器７の組数は２組、組放電器７を構成する放電器４の並列接続数は３台となる。

組放電器７にはそれぞれ 3750Ｗ（＝Ｐ/ｓ＝Ｑ）が分担され、放電器４の１台の出力は 1875Ｗ（＝Ｑ/t＝Ｒ）のものとする。１組の組放電器７の出力容量は 5625Ｗ（＝Ｒ×(ｔ＋ｕ)）となり、組放電器７の入力電力つまり組電池１の出力電力は 6250Ｗ（＝Ｒ×(ｔ＋ｕ)÷η）である。よって、組電池１の出力電流は 104Ａ（＝Ｒ×(ｔ＋ｕ)÷(η×Ｖｍｉｎ））となり（組電池１の電圧値は最低値Ｖｍｉｎとしている）、組電池１の最大許容電流 100Ａ（＝Ｉ_ｍａｘ）を越えてしまうため、電源システムとしての安全な運用は困難である。

放電器４の１台の出力が設計上の最低値である 1875Ｗであっても組電池１の最大許容電流を超えているため、これ以上の出力の放電器４であっても結果は同じである。
（２）ケース２（図３）
そこで、組放電器７の所要出力Ｑの分割数ｔを１つ増やしてｓ＝２、ｔ＝３、ｕ＝１とすると、組放電器７の組数は２組、組放電器７を構成する放電器４の並列接続数は４台となる。組放電器７にはそれぞれ 3750Ｗ（＝Ｐ/ｓ＝Ｑ）が分担され、放電器４の１台の出力は 1250Ｗ（＝Ｑ/ｔ＝Ｒ）のものとなる。１組の放電器７の出力容量は 5000Ｗ（＝Ｒ×(ｔ＋ｕ））となり、組放電器７の入力電力つまり組電池１の出力電力は 5556Ｗ（＝Ｒ×(ｔ＋ｕ)÷η）である。よって、組電池１の出力電流は92.6Ａ（＝Ｒ×(ｔ＋ｕ)÷(η×Ｖｍｉｎ））となり、組電池１の最大許容電流100Ａ（＝Ｉ_ｍａｘ）以下であり、出力過電流が発生しない電源システムが構築可能である。

放電器４は、出力 1250Ｗのものとしたが、αの分だけ容量の大きいものを選定することが可能である。上記と同様の計算を行うことによって、α≦ 100Ｗであれば、出力電流は最大許容電流100Ａを超えないことが判るから、放電器４は出力 1350Ｗのものまで選定することができる。

ケース１とケース２においては、組放電器７の所要出力Ｑの分割数ｔの違いにより出力過電流の有無が生じたが、電池出力過電流が起こらないための条件は、影響する他のパラメータを含めて、以下の判定式で表される。

Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ) （１）
ここに、組電源である組電池１の最大許容電流および電圧を、それぞれ、Ｉ_ｍａｘおよびＶとし、放電器４が出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの効率をη_ｍとする。

以下に、式（１）の導出過程を示す。

一般に、放電器４がＷの電力を出力しているときの効率をηとすれば、電池出力過電流が起こらないための条件は、
Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ×(ｔ＋ｕ)/(η×Ｖ) （２）
で表される。

放電器４は出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力することがありうるので、その場合を含めて、式（１）が満たされるかぎり、電池出力過電流は起こらない。このようにして、電池出力過電流が起こらないための条件として、式（１）が導き出される。

なお、
Ｗ_ｍａｘ＝Ｐ/(ｓ×ｔ）＋α （３）
とすれば、αは負でない電力値となり、この式（３）を式（１）に代入して、
Ｉ_ｍａｘ ≧ (Ｐ/(ｓ×ｔ）＋α)×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ) （４）
を得る。

電池出力過電流が起こらないようにするには、式（４）が満たされればよいから、設計の際に、組放電器７の所要出力Ｑの分割数ｔだけが調整される必要はない。例えば、ケース２では、ケース１に対してｔを１増やすことにより過電流を回避したが、ｓを１増やす方法（ｓ＝３、ｔ＝２、ｕ＝１）も可能である。この方法では、式（４）の右辺は、α＝０として、69.4Ａと計算されるから、式（４）が満足され、電池出力過電流は回避される。

また、式（４）から明らかなように、放電器４の効率ηを改善すること、電池の種類・組み合わせの変更や使用電圧の下限設定を高くすることにより使用電圧Ｖを高くすること、冗長分ｕを減らすこと、負荷５の所要電力Ｐを減らすことによっても電池出力過電流を避けることが可能である。

なお、本実施の形態例においては、ｓ＝２であるが、ｓ＝１であってもよい。

＜実施の形態例４＞
図３は、本発明の第４の実施の形態例を説明する図である。図において、負荷５は直流 48Ｖ負荷、組電源である組電池１は定格 1.2Ｖのニッケル水素蓄電池セル（単セル定格電圧 1.2Ｖ、定格容量 100Ａｈ、使用電圧範囲 1.5Ｖ〜1.0Ｖ、最大出力電流Ｉ_ｍａｘは 100Ａ）を 40セル直列接続して定格電圧 48Ｖとしたものによって構成するものとする。このとき、組電池１の最大許容電流Ｉ_ｍａｘは 100Ａ、使用電圧範囲は 60Ｖ〜40Ｖである。

通常時、商用電源６から入力される電力を整流器２によって直流電力へ変換し、負荷５へ直流電力を供給しながら、充電器３を介し、充電電路８を通じて組電池１を充電する。

停電時は、組電池１が出力する電力を組放電器７を介して負荷５へ電力を供給する。

放電器４は、電池電圧が高く出力電圧が負荷５の電圧許容範囲を上回るときはコンバータによる降圧を行い（降圧モード）出力電圧を 52Ｖに維持し、許容範囲内のときは電池出力をコンバータ非経由でバイパスし（バイパスモード）、電池電圧が低く出力電圧が許容範囲を下回るときはコンバータによる昇圧を行い（昇圧モード）出力電圧を 45Ｖに維持する。昇圧または降圧モードにある間は、電圧変換を行っているため、バイパスモードよりも効率が低下する。図６に、本実施の形態例で用いる放電器４の出力上限値を出力しているとき（出力が大きいほど効率が低下するため、効率×入力電圧の最小値を求めるときは出力上限値を出力しているときの値を検討すればよい）の効率および効率と入力電圧の積を、入力電圧との関係で示す。効率と入力電圧の積は、入力電圧が 40Ｖ（放電末期の最低使用電圧）のとき最小値を取る。出力が上限のときの効率が最も低いから、このときの効率と入力電圧の値、すなわち 93％と 40Ｖを式（１）に適用する効率と電池電圧とする。すなわち、η_ｍ＝ 93％、Ｖ＝ 40Ｖとする。放電器４が出力上限値の電力を出力するときの、放電器４の効率と組電池１の電圧との積の最小値を(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎとすれば、この場合には、(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎ＝ 93％×40Ｖと計算される。

負荷５の所要電力を 5000(＝Ｐ）とし、実施の形態例３に準じて組放電器７の組数と放電器４の並列接続数を定める。ｓ、ｔ、ｕは自然数であればよいから、図３のようにｓ＝２、ｔ＝３、ｕ＝１とする。このとき、組放電器７の組数は２組、組放電器７を構成する放電器４の並列接続数は４台となる。

組放電器７にはそれぞれ 2500Ｗ(＝Ｐ/ｓ＝Ｑ）が分担され、放電器４の１台の出力は 833Ｗ(＝Ｑ/ｔ）以上と計算される。さらに、式（１）において、η_ｍ×Ｖ＝ 93％×40Ｖととして、放電器４の１台の出力は 930Ｗまでと計算されるから、放電器４は、833Ｗ〜930Ｗのものまで選定することができる。

ここで、900Ｗ出力の放電器４を選定すると、１組の組放電器７の出力容量は 3600Ｗ、組放電器７の最大入力電力すなわち組電池１の最大出力電力は
3871Ｗ、組電池１の最大出力電流は 96.8Ａとなる。最大出力電流が組電池１の最大許容電流 100Ａ＝Ｉ_ｍａｘ）以下であり、放電器４の出力電力や組電池１の電圧の変動があっても、出力過電流が発生しない電源システムが構築可能である。

＜実施の形態例５＞
図３は、本発明の第５の実施の形態例を説明する図である。図において、負荷５は直流 48Ｖ負荷、組電源である組電池１は定格 1.2Ｖのニヅケル水素蓄電池セル（単セル定格電圧 1.2Ｖ、定格容量 100Ａｈ、使用電圧範囲 1.5Ｖ〜1.0Ｖ、最大出力電流Ｉ_ｍａｘは 100）を 45セル直列接続して定格電圧 54Ｖとしたものによって構成するものとする。このとき、組電池１の最大許容電流Ｉ_ｍａｘは 100Ａ、使用電圧範囲は 67.5Ｖ〜45.0Ｖである。

通常時、商用電源６から入力される電力を整流器２によって直流電力へ変換し、負荷５へ直流電力を供給しながら、充電器３を介し、充電電路８を通じて組電池１を充電する。

停電時は、組電池１が出力する電力を組放電器７を介して負荷５へ電力を供給する。

放電器４は、電池電圧が高く出力電圧が負荷５の電圧許容範囲を上回るときはドロッパによる降圧を行い（降圧モード）出力電圧を 52Ｖに維持し、許容範囲内のときは電池出力をコンバータ非経由でバイパスする（バイパスモード）。降圧モードにある間は、電圧変換を行っているため、バイパスモードよりも効率が低下する。図７に、本実施の形態例で用いる放電器４の出力上限値を出力しているとき（出力が大きいほど効率が低下するため効率×入力電圧の最小値を求めるときは出力上限値を出力しているときの値を検討すればよい）の効率および効率と入力電圧の積を、入力電圧との関係で示す。効率と入力電圧の積は、入力電圧が 67.5Ｖ（放電初期の最大使用電圧）のとき最小値を取る。出力が上限のときの効率が最も低いから、このときの効率と入力電圧の値、すなわち 44％と 67.5Ｖを式（１）に適用する効率と電池電圧とする。すなわち、η_ｍ＝ 44％、Ｖ＝ 67.5Ｖとする。放電器４が出力上限値の電力を出力するときの、放電器４の効率と組電池１の電圧との積の最小値を(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎとすれば、この場合には、(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎ＝ 44％×67.5Ｖと計算される。

負荷５の所要電力を 4000Ｗ(＝Ｐ）とし、実施の形態例３に準じて組放電器７の組数と放電器４の並列接続数を定める。ｓ、ｔ、ｕは自然数であればよいから、図３のようにｓ＝２、ｔ＝３、ｕ＝１とする。このとき、組放電器７の組数は２組、組放電器７を構成する放電器４の並列接続数は４台となる。

組放電器７にはそれぞれ 2000Ｗ(＝Ｐ/ｓ＝Ｑ）が分担され、放置器４の１台の出力は 667Ｗ(＝Ｑ/ｔ）以上と計算される。さらに、式（１）において、η_ｍ×Ｖ＝ 44％×67.5Ｖとして、放電器４の１台の出力は 743Ｗまでと計算されるから、放電器４は、667Ｗ〜743Ｗのものまで選定することができる。

ここで、700Ｗ出力の放電器４を選定すると、１組の組放電器７の出力容量は 2800Ｗ、組放電器７の最大入力電力すなわち組電池１の最大出力電力は
6364Ｗ、組電池１の最大出力電流は 94.3Ａとなる。最大出力電流が組電池１の最大許容電流 100Ａ＝Ｉ_ｍａｘ）以下であり、放電器４の出力電力や組電池１の電圧の変動があっても、出力過電流が発生しない電源システムが構築可能である。

式（１）の右辺の値は、η_ｍ×Ｖが最小のときに最大となる。そこで、式（１）の右辺の値をその最大値で置き換えても、得られた結果は、やはり、電池出力過電流が起こらないための条件となる。具体的には、放電器４が出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの、放電器４の効率と組電池１の電圧との積の最小値を(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎとし、それをη_ｍ×Ｖに代えて使えばよい。すなわち、式（１）に代えて、下記の式（１'）を、電池出力過電流が起こらないための条件を表す式として採用してよい。

Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎ （１'）
(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎは、放電器４と組電池１とを決めれば、それによって定まる定数である。ただし、上記の最小値(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎは、組電池１の使用電圧範囲内において求められるものとする。

上記実施の形態例４および５において、(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎが、それぞれ、 93％×40Ｖおよび 44％×67.5Ｖとして求められている。

本発明に係る電源システムの特徴は、直流電源が電池である場合、例えば、負荷の所要電力を１つ以上の電池系列（組放電器）に分担させ、各電池系列（組放電器）に放電器を冗長分を含めて並列搭載し、負荷の所要電力をＰ、組放電器に電力を供給する組電池が出力することができる最大許容電流をＩ_ｍａｘ、その組電池の使用電圧をＶ、放電器の効率をηとするとき、負荷の所要電力Ｐを、組放電器の組数であるｓ（２以上）で割った値をＱとし、Ｑをさらに組放電器内の所要負荷分割数ｔ（自然数）で割った値をＲとし、組放電器を、出力上限値Ｗ_ｍａｘがＲ以上の放電器をｔ＋ｕ（ｕは自然数）台並列接続して構成し、各々の組放電器に組電池からの電力を入力して電源システムを構成し、
これに加えて、組電池の最大許容電流および電圧を、それぞれ、Ｉ_ｍａｘおよびＶとし、放電器が出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの効率をη_ｍとしたとき、ｔとｕとが、
Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ) （１）
を満たすことである。

この特徴によって、複数搭載される放電器のうちの一部（冗長分）が故障などにより停止した場合でも、停止した放電器を持つ電池系列の給電能力は分担された給電容量を下回らないため、電池系列間の放電アンバランスが発生しない電源システムの提供が可能となり、また、冗長構成ではあるが電池系列に過剰な放電電流が流れることがない電源システムの提供が可能になる。その結果として、電池の保護に寄与する安全な、信頼性の高い電源システムを提供することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について、直流電源が電池（例えば、ニッケル水素蓄電池）で構成され、組電源が組電池である場合を例として説明したが、本発明はこれに限られるものではない。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

（１）電源システムにおいて放電器を用いる場合、放電器の故障を想定して負荷の所要量に対して放電器を冗長構成とするが、放電器停止時に直流電源系列間の放電アンバランスが発生して最後には放電可能なエネルギーが残されたままバックアップ給電が終了するという問題が発生する。

本発明により、放電器の故障に対しても並列システム間での負荷電流の集中が起こらないので、直流電源から出力される電力が効率よく負荷へ供給されるため余分に直流電源を備える必要がなくなる。結果として、システム構築にかかるスペースと費用が節約できる。

（２）放電器を冗長構成すると、直流電源からの放電電流が過剰となる場合があり、これが継続すると直流電源のパフォーマンスが著しく低下し、直流電源寿命にも悪影響を及ぼす。

本発明により、直流電源の上限電流に従って直流電源系列数と放電器並列台数とが決定されるようにするため、直流電源の出力電流が放電器により制限され、直流電源の過電流出力を回避することができる。従来は直流電源に直列接続されていた切り離しスイッチ等の保護回路を省略することも可能となる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の形態例を説明する図である。 整流器、充電器、組電池および放電器からなる電源システムの構成図である。 組電池と放電器とからなる電源システムの構成図である。 放電器が出力上限値の電力を出力しているときの、効率と、効率と入力電圧との積を、入力電圧との関係で示す図である。 放電器が出力上限値の電力を出力しているときの、効率と、効率と入力電圧との積を、入力電圧との関係で示す図である。

符号の説明

１：組電池、２：整流器、３：充電器、４：放電器、５：負荷、６：商用電源、７：組放電器、８：充電電路。

Claims (6)

1. 複数の直流電源を接続してなる組電源と、複数の放電器を並列接続してなる組放電器とを有し、前記組電源が出力する電力を、前記組放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、
   複数組の前記組放電器が出力側において並列接続され前記負荷へ電力を供給し、それぞれの前記組放電器には前記組電源が入力電源として接続され、
   前記負荷の所要電力を第１の設定値Ｐとし、
   前記組放電器の組数を第２の設定値ｓとし、
   前記第１の設定値Ｐを前記第２の設定値ｓで割って得た値を第３の設定値Ｑとし、
   前記第３の設定値Ｑを自然数である第４の設定値ｔで割って得た値を第５の設定値Ｒとしたとき、
   前記組放電器は、出力上限値Ｗ_ｍａｘが前記第５の設定値Ｒ以上である前記放電器を、前記第４の設定値ｔに自然数である第６の設定値ｕを加算した台数だけ並列接続して構成されることを特徴とする電源システム。
2. 請求項１に記載の電源システムにおいて、
   前記組電源の最大許容電流および電圧を、それぞれ、Ｉ_ｍａｘおよびＶとし、
   前記放電器が前記出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの効率をη_ｍとしたとき、
   前記第４の設定値ｔと、前記第６の設定値ｕとが、
   Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ) （１）
   を満たすことを特徴とする電源システム。
3. 請求項１に記載の電源システムにおいて、
   前記組電源の最大許容電流をＩ_ｍａｘとし、前記放電器が前記出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの、前記放電器の効率と前記組電源の電圧との積の最小値を(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎとしたとき、
   前記第４の設定値ｔと、前記第６の設定値ｕとが、
   Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎ （１'）
   を満たすことを特徴とする電源システム。
4. 複数の直流電源を接続してなる組電源と、複数の放電器を並列接続してなる組放電器とを有し、前記組電源が出力する電力を、前記組放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、
   前記負荷の所要電力をＰとし、
   前記組放電器の組数を１とし、
   前記Ｐを自然数であるｔで割って得た値をＲとしたとき、
   前記組放電器は、出力上限値Ｗ_ｍａｘが前記Ｒ以上である前記放電器を、前記ｔに自然数であるｕを加算した台数だけ並列接続して構成され、
   前記組電源の最大許容電流および電圧を、それぞれ、Ｉ_ｍａｘおよびＶとし、
   前記放電器が前記出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの効率をη_ｍとしたとき、
   前記ｔと、前記ｕとが、
   Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ) （１）
   を満たすことを特徴とする電源システム。
5. 複数の直流電源を接続してなる組電源と、複数の放電器を並列接続してなる組放電器とを有し、前記組電源が出力する電力を、前記組放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、
   前記負荷の所要電力をＰとし、
   前記組放電器の組数を１とし、
   前記Ｐを自然数であるｔで割って得た値をＲとしたとき、
   前記組放電器は、出力上限値Ｗ_ｍａｘが前記Ｒ以上である前記放電器を、前記ｔに自然数であるｕを加算した台数だけ並列接続して構成され、
   前記組電源の最大許容電流をＩ_ｍａｘとし、前記放電器が前記出力上限値Ｗ_ｍａｘの電力を出力するときの、前記放電器の効率と前記組電源の電圧との積の最小値を(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎとしたとき、
   前記ｔと、前記ｕとが、
   Ｉ_ｍａｘ ≧ Ｗ_ｍａｘ×(ｔ＋ｕ)/(η_ｍ×Ｖ)_ｍｉｎ （１'）
   を満たすことを特徴とする電源システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の電源システムにおいて、
   前記直流電源は電池であることを特徴とする電源システム。

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