JP2009044923A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】電源システムにおいて、ニッケル水素電池を充電する場合、過充電を確実に防止することができる電源システムを提供することを目的する。
【解決手段】サーミスタが検出したニッケル水素電池モジュールの温度に応じて、充電器が出力する電圧を段階的または無段階に制御し、ニッケル水素電池モジュールを充電器が充電する充電ループ中に、充電器が出力する電力をニッケル水素電池モジュールに供給するループを充電スイッチが開いた場合、ニッケル水素電池モジュールへの充電を阻止し、停電時に、ニッケル水素電池モジュールの電力を放電器に供給し、充電スイッチと並列に放電用ダイオードが設けられ、ニッケル水素電池モジュールにサーモスタットが設けられ、サーモスタットが検出した温度が所定の閾値以上であれば、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する動作を充電器が停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は電源システムに関し、特に、入力した電力を蓄電池へ充電しながら負荷へ供給し、停電時は蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する、過放電防止継電器を有するバックアップ電源システムに関する。

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、小型で持ち運びが容易であるため、車載用の蓄電池や災害対策用電源の蓄電池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、たとえば、単セルと呼ばれる１本（定格電圧１．２Ｖ、容量９５Ａｈ）を１０個、直列にしたものを１組として用いる。

蓄電池と放電器と充電器とを組み合わせることによって、停電時にも電気機器（負荷）を動作させるためのバックアップ電源システムを構成することが可能である。このような従来の電源システムは、たとえば、図３に示すように、複数の電池を組み合わせた組電池３と、商用交流電源７からの交流入力をバイパスする回路５と、交流電力を直流電力へ変換して組電池３を充電する充電器１と、蓄電池が出力する電力を交流電力へ変換するインバータ２と、切替器１７とを有する。

交流入力を受電しているときは、入力された電力は、バイパス回路５を介してそのまま負荷６へ出力され、また充電器１で直流に変換され、組電池３が充電される。

停電時、切替器１７は、インバータ出力側に切り替わり、装置出力として、組電池３から放電されたエネルギーは、インバータ２を介して負荷６へ供給される。

蓄電池の安全の確保および電池劣化の防止のために、電源システムでは、蓄電池の状態を監視し、充電中の満充電の検知や、異常時の蓄電池の充放電停止を行う必要がある。このために、システムには制御部４が追加される。

従来、ニッケル水素電池を充電制御する場合、マイコンを使用した制御系で充電制御する。具体的には、次の（１）〜（５）の制御のうちで、いくつかを組み合わせて充電制御している。

（１）−ΔＶ検出制御
ニッケル水素電池が満充電状態に充電されると、電池電圧が瞬時に、ΔＶだけ低下する（−ΔＶ変化する）。この特性を利用し、−ΔＶを検出したときに、充電が完了したと判断し、充電を停止する。これが、−ΔＶ検出制御である。

（２）ΔＴ／Δｔ検出制御
ニッケル水素電池が満充電状態に充電されると、ニッケル水素電池の温度が瞬時に上昇する。満充電状態になると、通常、１〜２℃／分の温度上昇がある。この特性を利用し、１〜２℃／分の温度上昇があったときに、充電が完了したと判断し、充電を停止する。この制御が、ΔＴ／Δｔ検出制御である（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

（３）充電時間制御
充電を開始したときからの充電時間をカウントし、充電時間が、予め設定していた時間に到達すると、充電が完了したと判断し、充電を停止する。この制御が、充電時間制御である。

（４）残容量制御
ニッケル水素電池が放電した放電量を常に計測し、前回の満充電以降、放電した電流の合計値を記憶し、次の充電時に、充電電流値を計測し、上記記憶されている合計電流値（残容量）以上に設定された電流容量が充電されたら、充電が完了したと判断し、充電を停止する。この制御が、残容量制御である。

（５）保護機能制御
ニッケル水素電池温度、ニッケル水素電池電圧を常時監視し、電池温度、電池電圧が、予め設定した値を越えたら、充電が完了したと判断し、充電を停止する。この制御が、保護機能制御である。
特開平７−７８６５号公報 特開平９−３３１６３６号公報

ニッケル水素電池における従来の充電制御系は、マイコンによる制御系だけであるので、マイコンに万一異常が発生した場合（ソフトウェアが暴走等した場合）、また充電スイッチが故障して充電制御が不能になると、ニッケル水素電池が充電不足や過充電状態になる。

ニッケル水素電池が充電不足になると、放電時間が減少し、寿命が低下し、一方、ニッケル水素電池が過充電になると、爆発する場合があり、安全上からも信頼性の向上が責務である。

また、充電器の出力電圧が一定であるので、充電時ニッケル水素電池の温度が低いと、充電時間が長くかかり、効率よく短時間で充電することができないという問題がある。

本発明は、ニッケル水素電池の充電制御部にマイコンが設けられているニッケル水素電池の充電制御装置において、ニッケル水素電池を充電する場合、過充電を確実に防止することができる電源システムを提供することを目的する。

本発明は、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、ニッケル水素電池モジュールを充電する充電器と、上記ニッケル水素電池モジュールに設けられているサーミスタと、上記サーミスタが検出した上記ニッケル水素電池モジュールの温度に応じて、上記充電器が出力する電圧を段階的または無段階に制御する制御部と、上記ニッケル水素電池モジュールを上記充電器が充電する充電ループ中に設けられている充電スイッチであって、上記制御部の制御によって、上記充電器が出力する電力を上記ニッケル水素電池モジュールに供給するループを開、閉する充電スイッチと、上記ニッケル水素電池モジュールに供給するループを開いた場合に、上記ニッケル水素電池モジュールへの充電を阻止し、また、停電時に、上記ニッケル水素電池モジュールの電力を放電器に供給し、上記充電スイッチと並列に設けられている放電用ダイオードと、上記充電器または上記ニッケル水素電池モジュールが出力したＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する放電器と、上記ニッケル水素電池モジュールに設けられているサーモスタットとを有し、上記充電器は、上記サーモスタットが検出した温度が所定の閾値以上であれば、上記ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する動作を停止する手段である電源システムである。

本発明は、ニッケル水素電池の充電制御部にマイコンが設けられているニッケル水素電池の充電制御装置において、ニッケル水素電池を充電する場合、過充電を確実に防止することができるという効果を奏する。

発明を実施するための最良の形態は、次の実施例である。なお、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。

ニッケル水素電池等の二次電池は適正に充電を行えば再び放電することができ、長期間繰り返し使用できる。ニッケル水素電池を安全に使用するうえで、重要なことは充放電を適正に管理することである。充電が適正にできないと、充電不足で短時間しか放電できず、また過充電状態になると、最悪の場合ニッケル水素電池が爆発する場合がある。

図１は、本発明の実施例１である電源システム１００を示すブロック図である。

電源システム１００は、充電器１０と、ニッケル水素電池ユニットＵ１と、サーミスタ２０と、制御部３０と、充電スイッチ４０と、放電用ダイオード５０と、放電器６０と、サーモスタット７０と、交流入力源８０と、バイパス回路８１と、切替器８２と、シャント抵抗８３とを有する。

ニッケル水素電池ユニットＵ１は、複数のニッケル水素電池モジュールＭ１のセルと、温度計測用部品であるサーミスタ２０、サーモスタット７０とを有する構造である。ニッケル水素電池モジュールＭ１は、複数のニッケル水素電池セルが直列に接続されたものであり、たとえば、１０個のニッケル水素電池モジュールＭ１のセルが直列に接続されている。

充電器１０は、ニッケル水素電池モジュールＭ１を、定電流で充電するＡＣ／ＤＣコンバータであり、サーモスタット７０が検出した温度が所定の閾値以上であれば、充電器１０の動作を停止させることができるリモート端子１１を有する。また、充電器１０は、受電時は常時運転し、制御部３０内のマイコン３１に電源を供給するので、ニッケル水素電池モジュールＭ１に充電された電力の消費を軽減することができ、商用停電時に、ニッケル水素電池モジュールＭ１が長時間、放電することができる。

サーミスタ２０は、ニッケル水素電池モジュールＭ１の表面に貼り付けられ、ニッケル水素電池モジュールＭ１の表面の温度を測定する。ニッケル水素電池モジュールＭ１を構成するセルが複数、互いに接続されている場合、最も高温になる１つのセルの表面に、サーミスタ２０を貼り付け、電池温度として制御部３０へ入力するようにしてもよい。

制御部３０は、サーミスタ２０が検出したニッケル水素電池モジュールＭ１の温度に応じて、充電器１０が出力する電圧を無段階に制御する。制御部３０は、マイコン３１を内蔵し、マイコン３１が、ニッケル水素電池モジュールＭ１の充電制御（充電スイッチ４０の制御）、ニッケル水素電池モジュールＭ１の放電制御（放電器６０の制御）、外部との通信機能、装置内のＬＣＤ、ＬＥＤ表示を実行する。

充電スイッチ４０は、ニッケル水素電池モジュールＭ１を充電器１０が充電する充電ループ中に設けられているスイッチである。また、充電スイッチ４０は、制御部３０からの命令によって、ニッケル水素電池モジュールＭ１の充電制御を適正に行うスイッチであり、充電時はオンし、充電完了時はオフする。

放電用ダイオード５０は、停電時にニッケル水素電池モジュールＭ１から放電器６０へ電力を供給するための放電回路を構成している。放電用ダイオード５０は、停電時等、充電スイッチ４０がオフしている場合、充電器１０からのニッケル水素電池モジュールＭ１への充電を阻止し、かつ、放電器６０へ電力を供給することができる極性になるように回路に挿入されている。なお、充電スイッチ４０として、ＦＥＴを使用した場合、充電スイッチ４０の内部ダイオードを利用できるので、別途放電用ダイオード５０を設ける必要はない。

放電器６０は、ＡＣ出力のＤＣ／ＡＣインバータである。制御部３０が出力する信号の指令によって、放電器６０を運転・停止することができる。また、入力されるＤＣ電圧を監視し、放電器６０を自動的に停止させる機能を有する。

サーモスタット７０は、ニッケル水素電池モジュールＭ１の表面に貼り付けられている。サーモスタット７０は、配線Ｌ１を介して、充電器１０の動作を中止させる信号を印加するリモート端子１１に接続されている。電池モジュールＭ１の異常温度を検出すると、充電器１０を直接停止させ、過充電を防止することができる。なお、サーモスタット７０は、サーミスタ２０と同様に、最も高温になる１つのセルの表面に貼り付け、電池温度を監視するようにしてもよい。

切替器８２は、制御部３０の命令によって、交流出力を、バイパス回路８１を介して、交流入力源８０側をそのまま出力するか、または、放電器６０側を出力するかを切り替えるスイッチであり、これらの２つのスイッチが同時にオンすることを防止する機能を備えている。

シャント抵抗８３は、ニッケル水素電池モジュールＭ１の充放電電流を計測するための抵抗器である。シャント抵抗８３の両端電圧を、制御部３０のマイコン３１が取り込み、マイコン３１に搭載されているＡＤコンバータで、電流値に換算し、充放電電流を常時管理する。

次に、実施例１の動作について説明する。

交流入力源８０がある場合（商用受電時）は、交流入力源８０である商用電力が、バイパス回路８１、切替器８２を介して、そのまま交流出力に電力を供給する。商用受電時には、常時充電器１０を動作させ、制御部３０内のマイコン３１等の電力を供給する。ニッケル水素電池モジュールＭ１を充電する場合、制御部３０の指令を受け、充電スイッチ４０をオンし、交流入力源８０から充電器１０を介して、定電圧で、ニッケル水素電池モジュールＭ１を充電する。なお、この動作では、交流入力源８０がそのまま交流出力端子に電力供給するので、放電器６０の動作を停止させる。

商用電源の停電時等、交流入力源８０から電力を供給することができなければ、制御部３０の命令によって放電器６０を運転する。この場合、充電用スイッチ４０を導通させないので、ニッケル水素電池モジュールＭ１から放電用ダイオード５０を経由し、放電器６０に放電電流が流れる。この放電器６０で交流変換され、切替器８２を経て、交流出力に電力が供給される。なお、この場合、充電器１０は、運転を停止している。

次に、実施例１において、ニッケル水素電池モジュールＭ１を充電する場合における制御について説明する。

ニッケル水素電池モジュールＭ１を充電制御するモードは、開始モードと、中止モードと、停止（完了）モードとの３モードがある。これら３モードの制御は複雑であるので、制御部３０のマイコン３１が、充電スイッチ４０を高速かつ正確に制御する。

充電制御の開始モードは、ニッケル水素電池モジュールＭ１の残容量が設定値以下に低下したら、充電スイッチ４０をオンし、ニッケル水素電池モジュールＭ１に充電を開始させるモードである。また上記設定値は、パラメータ化されているので、外部接続ＰＣが、パラメータを変更することができる。

充電中止制御モードは、ニッケル水素電池モジュールＭ１に充電中に重大な故障、たとえば、ニッケル水素電池モジュールＭ１の電圧・温度の異常、充電器１０の故障、制御部３０の異常等が発生すると、充電スイッチ４０をオフすることによって、充電を中止させるモードである。

充電の停止（完了）制御モードは、複数のＯＲ条件で充電の停止（完了）を判断するモードである。−ΔＶ検出制御、ΔＴ／Δｔ検出制御、充電時間制御、残容量制御の４つの制御における所定の条件を検出した場合、充電完了（満充電）したと判断し、充電スイッチ４０をオフすることによって、充電を停止（完了）する。

これら３モードの制御系では、ニッケル水素電池モジュールＭ１の電圧、温度（サーミスタ２０）を、マイコン３１が管理する。

制御部３０が充電スイッチ４０の制御信号を出力し、充電スイッチ４０のオフを制御する。

また、シャント抵抗８３の両端電圧を、制御部３０のマイコン３１に取り込み、マイコン３１に搭載されているＡＤコンバータが、検出電圧値を充放電電流値に換算し、充放電電流値を管理する。マイコン３１は、この充放電電流値を用い、充放電量を算出し、算出された充放電量に応じて、ニッケル水素電池モジュールＭ１の残容量を管理する。残容量が設定値以上であるか以下であるかを判断し、制御部３０が、充電スイッチ４０の制御信号を出力し、充電スイッチ４０のオンを制御する。

ニッケル水素電池モジュールＭ１の温度の検出は、具体的には、制御部３０のマイコン３１に内蔵されているＡＤコンバータが管理し、サーミスタ２０の出力信号の変動によって、制御部３０のマイコン３１に内蔵されているＡＤコンバータの入力電圧が変動する。

さらに、信頼性を高めるために、ニッケル水素電池モジュールＭ１内に搭載されているサーモスタット７０が温度異常を検出すると、充電器１０を直接停止させる。したがって、マイコン３１が異常動作を起こした場合や、充電スイッチ４０が故障し制御不能になった場合でも、充電器１０を緊急に停止させることができ、過充電を防止することができる。

実施例１によれば、制御部３０のマイコン３１によって、複雑な充電制御を高速に正確に行うことができる。また、ニッケル水素電池モジュールＭ１内にサーモスタット７０を搭載するので、ニッケル水素電池モジュールＭ１の過充電防止に対して信頼性が向上される。これらのことを実現するための回路構成は簡略化、小型化、経済化されている。

実施例１は、放電用ダイオード５０を有する点に特徴がある。ニッケル水素電池モジュールＭ１を充電する場合、充電スイッチ４０をオンし、充電する回路を構成する。つまり、充電器１０→ニッケル水素電池モジュールＭ１→充電スイッチ４０の回路を構成する。

次に、充電スイッチ４０をオフすることによって、充電を完了する。充電スイッチ４０をオフすると、ダイオード５０が、充電する系の導通を阻止するので、充電されることはない。また、充電スイッチ４０がオンしない限り、電圧状態によって、ダイオード５０を導通し、ニッケル水素電池モジュールＭ１から放電器６０へ放電される。つまり、ニッケル水素電池モジュールＭ１→放電器６０→ダイオード５０の経路で放電する。

すなわち、ニッケル水素電池モジュールＭ１の充電については、充電スイッチ４０とダイオード５０とによって、適正に管理できる一方、ニッケル水素電池モジュールＭ１の放電については、制御部３０からの命令で放電器６０が運転を開始すると自動的に、ダイオード５０を経由して、ニッケル水素電池モジュールＭ１から放電が行われる。

図２は、本発明の実施例２である電源システム２００を示す回路図である。

電源システム２００は、基本的に、電源システム１００と同じである。つまり、電源システム２００は、電源システム１００において、充電器１０の代わりに、充電器１０ａが設けられ、制御部３０の代わりに、制御部３０ａが設けられ、配線Ｌ２が設けられている。

充電器１０ａは、リモート端子１１とＶＡＤＪ端子１２とを有する。制御部３０ａは、配線Ｌ２を介して、ＶＡＤＪ端子１２に、電圧制御信号を送る。

実施例２は、制御部３０ａの指令によって、充電器１０ａの出力電圧を変化することができるように、配線Ｌ２を介して、制御部３０ａから充電器１０ａのＶＡＤＪ端子１２に信号を入力する。上記「ＶＡＤＪ端子」は、電圧Ｖをアジャストするための端子である。

次に、実施例２の動作について説明する。

ニッケル水素電池モジュールＭ１を、一定電圧で充電した場合、ニッケル水素電池モジュールＭ１の温度が高いと、化学反応が過剰に促進され、過充電気味になる。また、ニッケル水素電池モジュールＭ１の温度が低いと逆に化学反応が促進されず、満充電になるまで長時間かかる。

そこで、ニッケル水素電池モジュールＭ１の温度を監視し、充電器１０ａの出力電圧を制御することによって、ニッケル水素電池モジュールＭ１の温度が高い場合、充電器１０ａの出力電圧を下げ、逆にニッケル水素電池モジュールＭ１の温度が低い場合、充電器１０ａの出力電圧を上げ、これによって、短時間で効率よく充電することができる。

具体的には、充電器１０ａは、制御部３０ａの指令によって充電器１０ａの出力電圧を可変できるＶＡＤＪ端子１２を有し、ＶＡＤＪ端子１２には、制御部３０ａから、電池温度情報がデジタル信号に変換され、入力される。充電器１０ａの出力電圧は、出力定電圧制御用誤差増幅器によって、基準電圧と出力電圧とを比較し、出力電圧が一定になるように制御している。充電器１０ａ内で、電池温度のデジタル信号をアナログ信号に変換し、出力定電圧制御用誤差増幅器の基準電圧を自動的に変化することによって、出力電圧を制御することができる。よって、サーミスタ２０が電池温度を測定し、この測定データに基づいて、電池温度が低い場合、充電器１０ａの出力電圧を高くし、電池温度が高い場合、出力電圧を低くするように、自動的に制御することができる。

実施例２によれば、制御部３０ａには、充電器１０のａ出力電圧制御機能があり、ニッケル水素電池モジュールＭ１の温度が変動しても、効率よく短時間で充電することができる。

実施例１では、サーモスタット７０からの信号によって、充電器１０が出力する、しないを制御するが、実施例２では、充電器１０ａの出力電圧を可変制御することができる。

本発明の実施例１である電源システム１００を示すブロック図である。 本発明の実施例２である電源システム２００を示すブロック図である。 従来の電源システム３００を示すブロック図である。

符号の説明

１００…電源システム、
１０…充電器、
１１…リモート端子、
２０…サーミスタ、
３０…制御部、
３１…マイコン、
４０…充電スイッチ、
５０…放電用ダイオード、
６０…ＡＣ出力用放電器、
７０…サーモスタット
８０…シャント抵抗、
Ｕ１…ニッケル水素電池ユニット、
Ｍ１…ニッケル水素電池モジュール、
２００…電源システム、
１０ａ…充電器、
１２…ＶＡＤＪ端子、
３０ａ…制御部。

Claims (2)

1. ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、ニッケル水素電池モジュールを充電する充電器と；
   上記ニッケル水素電池モジュールに設けられているサーミスタと；
   上記サーミスタが検出した上記ニッケル水素電池モジュールの温度に応じて、上記充電器が出力する電圧を段階的または無段階に制御する制御部と；
   上記ニッケル水素電池モジュールを上記充電器が充電する充電ループ中に設けられている充電スイッチであって、上記制御部の制御によって、上記充電器が出力する電力を上記ニッケル水素電池モジュールに供給するループを開、閉する充電スイッチと；
   上記ニッケル水素電池モジュールに供給するループを開いた場合に、上記ニッケル水素電池モジュールへの充電を阻止し、また、停電時に、上記ニッケル水素電池モジュールの電力を放電器に供給し、上記充電スイッチと並列に設けられている放電用ダイオードと；
   上記充電器または上記ニッケル水素電池モジュールが出力したＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する放電器と；
   上記ニッケル水素電池モジュールに設けられているサーモスタットと；
   を有し、上記充電器は、上記サーモスタットが検出した温度が所定の閾値以上であれば、上記ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する動作を停止する手段であることを特徴とする電源システム。
2. 請求項１において、
   上記放電用ダイオードは、上記充電スイッチの内部ダイオードであることを特徴とする電源システム。

Images