JP2009195013A5

JP2009195013A5 -

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Publication number: JP2009195013A5
Application number: JP2008032834A
Authority: JP
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2011-03-17

Description

電源供給システム

本発明は、電源供給システムに関する。特に、一般家庭の家内またはオフィス等で使用される市販の電気機器に対して、効率的に電力を供給する、損失が少なく省エネルギーを実践できる、電源供給システムに関する。

現在一般に市販されている電気機器は、家屋またはオフィスなどに電力会社から引き込まれている、ＡＣ電源をコンセントから引き込み利用している。最近の電気機器は、多機能化・高効率化（省エネルギー）の要請から、高効率制御を可能にするコンピュータ化、きめ細かい制御によりモータなどのパワー機器を効率的に運転可能とするインバータ化が、進められている。

コンピュータは基本的に低電圧の５Ｖから２０Ｖ程度の直流ＤＣ電源を必要とし、インバータも直流ＤＣ（１００Ｖ〜６００Ｖ程度）からの電力供給を制御する回路である。これらの電気機器は、ＡＣ電源をＤＣに変換するＡＣ／ＤＣ変換回路を内部に必ず有している。ＡＣ／ＤＣ変換回路は、ダイオードブリッジと平滑コンデンサ等により実現されるが、ダイオードを電流が流れるときに発生する損失を有しており、熱として電力を無駄に捨てており、５〜１０％の損失がある。

一方、最近、太陽電池や燃料電池などの電池技術が進んできており、電力会社から供給される電力以外に、家屋内やビルなどに電力会社のＡＣ電力を介さない電力源を有するように変化してきている。上記電池によって生成される電力は、直流ＤＣであるが、家庭内の従来の電源供給線路はＡＣであり、殆どの電気機器が電力会社からのＡＣ電源を利用するように作られているため、電力供給はＤＣ／ＡＣ変換器を通してＡＣ電力として家屋内のＡＣ電源ラインに供給するシステムとなっている。ここで、電池には例えばインバータ回路によるＤＣ／ＡＣ変換器が用いられ、５〜１０％程度の損失を有しており、熱として電力を無駄に捨てているのが現状である。
特開２００１−３２７１００号公報

従来の電源供給システムにおいて、電気機器を電池により発電された電力で使用する場合を想定すると、電池のＤＣ電力から、電池のＤＣ／ＡＣ変換器において５〜１０％程度の損失をともなってＡＣ電力に変換される。更に電気機器のＡＣ／ＤＣ変換器において５〜１０％程度の損失をともなってＤＣ電力に戻され、使用されることになる。つまり、上記ＤＣ／ＡＣ変換およびＡＣ／ＤＣ変換において、５〜２０％程度の損失を伴うことになり、電力を熱として捨ててしまうことになる。省エネルギーが求められ、そのために導入されている電池により生成されたエネルギーの１０〜２０％が損失されてしまう使い方をしていることは、電源システムとして考慮されるべき課題である。

図５を用いて、従来の電源供給システムの概略を説明する。電力会社から供給されるＡＣ電源１が、住宅やオフィスのＡＣ配電盤２に供給されている。一方、住宅に設置された、太陽電池、燃料電池、蓄電池などの電池３の全体の出力は、ＤＣ／ＡＣ変換器４に入力され、電池３のＤＣとＡＣ電源１との相互のカップリングを取ってＡＣ電力に変換されて、ＡＣ配電盤２に入力されている。ＡＣ配電盤２は、住宅内での消費電力が小さく、電池３からの発電に余剰が出来た場合は、ＡＣ電源１に電力を返す場合もある。

上記ＡＣ配電盤２から、住宅内ＡＣライン５を介して、ＡＣコンセント５ｃ、更に住宅内の照明６、エアコンなどのモータ関連の家電機器７、デジタル家電と呼ばれるコンピュータ関連機器８、携帯電話などの充電器９、等にＡＣ電源が従来から供給されている。

例えば照明６は、ＡＣ電源を引き込んで、例えばダイオードブリッジとコンデンサで構成されるＡＣ／ＤＣ変換器６１で一度ＤＣに変換され、例えばＭＯＳＦＥＴ等のスイッチングデバイスにより構成されるインバータ６２により、管球６３の電極に高周波ＡＣを供給しグロー放電を起こし明かりとする。

例えばエアコンのコンプレッサ等を駆動するモータ７は、ＡＣ電源を引き込んで、例えばダイオードブリッジとコンデンサで構成されるＡＣ／ＤＣ変換器７１で一度ＤＣに変換され、例えばＭＯＳＦＥＴ等のスイッチングデバイスにより構成されるインバータ７２により、モータ駆動用のＡＣに変換されて、モータ７３を駆動する。

例えばコンピュータ８は、ＡＣ電源を引き込んで、ＡＣ／ＤＣ変換器８１により、コンピュータを構成する部品用の１６Ｖ程度のＤＣ電圧に変換され、情報処理計算される。

例えば携帯電話充電器９は、ＡＣ電源を引き込んで、ＡＣ／ＤＣ変換器９１により、携帯電話用の６Ｖ程度のＤＣ電圧に変換される。

上記、従来の電源供給システムにおいて、電池のＤＣ電力を住宅内に供給するための、ＤＣ／ＡＣ変換器４は、５〜１０％程度の電力損失を有している。また、上記各機器に含まれる、引き込んだＡＣ電源をＤＣに変換しているＡＣ／ＤＣ変換器６１，７１，８１，９１等は、やはり５〜１０％程度の損失を有している。電池のＤＣ電力を利用している場合は、ＤＣをＡＣに変換して住宅内に配電して、電力を使用する電気機器において、もう一度ＤＣに変換して戻して利用しているわけである。電池のＤＣ電力をＤＣのまま配電し利用し、上記二重の変換の電力損失を低減して、省エネルギーを推進しようとするのが本発明である。

本願発明は、上記課題を解決するものであり、その目的とするところは、燃料電池等の直流電源から交流へ変換した後、その交流から直流へ変換する際の損失を少なくし、省エネルギーを実現する、電源供給システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の電源供給システムは、交流のＡＣ電源からのＡＣ電力を供給する線路と、直流のＤＣ電源からの少なくとも２系列以上のＤＣ電力を供給する線路と、前記ＡＣ電源または前記ＤＣ電源を選択して電力を引き込む機器とを含み、前記２系列以上のＤＣ電力は、それぞれ異なる電圧を有することを特徴とする。

殆どの情報処理（コンピュータチップへの電力供給等）とパワエレクトロニクス関係の機器の電源は、ＤＣを想定しており、電源供給ラインは交流に依っているため、ＡＣ／ＤＣ変換により電源供給が行われる。例えば太陽電池での発電電力（ＤＣ）を用いて、上記一般電源供給側にＤＣ／ＡＣ変換により電力を戻し、機器に引き込まれたＡＣ電源をＡＣ／ＤＣ変換によりＤＣに変換して用いる場合は、ＤＣ、ＡＣ、ＤＣの順で変換がなされている。太陽電池等のＤＣ電源をＡＣ電源に変換せずにそのまま用いて機器を運転すれば、上記ＤＣ、ＡＣ、ＤＣの順の変換におけるＤＣ／ＡＣ変換器およびＤＣ／ＡＣ変換器による電力損失が低減できる。

好適な実施形態として、電源供給システムは、少なくとも２系列以上のＤＣ電力を供給する線路が、複数の直流電線により構成され、複数の直流電線が、１本のＣＯＭ端子線路と、複数のその他の直流電線とを備え、少なくとも２系列以上のＤＣ電力が、複数のその他の直流電線の各々を通して供給される。本電源供給システムにより、最も少ない線路により、効率的にＤＣ電力を供給することができる。

好適な実施形態として、電源供給システムは、ＤＣ電源が、直列に接続されている複数個の単位セルから構成されるスタックを備え、複数のその他の直流電線の各々が、複数個の単位セルのそれぞれ異なる部分に接続され、少なくとも２系列以上のＤＣ電力が、複数個の単位セル内の少なくとも一部から供給される。

好適な実施形態として、電源供給システムは、ＤＣ電源が、太陽電池、燃料電池、及び蓄電池の何れか１つを少なくとも含む。あるいは、ＤＣ電源が、太陽電池、燃料電池を並列に接続させた電池である。また、直列に接続されている複数個の単位セルを有する太陽電池あるいは燃料電池において、直列に接続されている複数個の単位セルのうちの端の電極から、引き出しＣＯＭ端子線路として用い、直列に接続されている複数個の単位セルの内の一部から電池全体の電圧よりも小さい電圧を引き出して、複数の直流ＤＣ線路に用いる。

太陽電池や燃料電池などは、基本構造であるスタックによる出力電圧は数Ｖ程度で、これを何段にも直列に積み上げることにより、要求される出力電圧を確保している。つまり、太陽電池・燃料電池・蓄電池の全体の出力電圧が１００Ｖであっても、電極の取り出し方により、数Ｖから数十Ｖの出力は、電力変換回路などを用いずに、電池から直接に取り出すことができる。上記直列に積み上げられているスタックの一部からのみ電力を取り出す方法は、時としてスタックのバランスを崩し、寿命の低下などを引き起こすが、出力ＤＣ電力の上限以上の電力を必要とする場合は、ＡＣ／ＤＣ変換回路も動作させて、一部のスタックのみの過剰な負荷をかけないような制御をかけることにより、十分な寿命を確保できる。

好適な実施形態として、電源供給システムは、ＤＣ電源から出力されたＤＣ電圧を変換するＤＣ／ＤＣ変換器をさらに備える。さらに、好適な実施形態として、ＤＣ／ＤＣ変換器が、ＤＣ／ＡＣ変換器と、絶縁トランスと、ＡＣ／ＤＣ変換器とを具備する。

当該実施形態においては、上記形態とは異なり、電池のスタック全体の電圧をＤＣ／ＤＣ電力変換器を用いて、低い電圧の出力を生成する。上記ＤＣ／ＤＣ変換器として、絶縁トランスを用いたトランス降圧型の変換器を用いると、出力されるＤＣ電力は、アースを任意に設定することができ、非常に安全に使うことができる。

好適な実施形態として、電源供給システムは、複数の異なる電圧を有するＤＣ電力線路は、それぞれ別のＣＯＭ線路を有し、それぞれのＤＣ電力を供給する線路は２本ずつで送電されている。

好適な実施形態として、電源供給システムは、ＤＣ電源が並列に接続された複数個のスタックを備え、スタックは複数個の単位セルを有し、少なくとも２系列以上のＤＣ電力は、スタックから供給される。このとき、低電圧が引き出されているスタックは全体に比べて電流容量の大きいスタックになっている。

好適な実施形態として、電源供給システムは、ＤＣ電源が、スタックがスイッチを備える。

本発明の電源供給システムによれば、機器側でＤＣ電源の選択が可能となり、機器側に備えられたＡＣ／ＤＣ変換器を使用する必要がなくなり、ＡＣ／ＤＣ変換器での変換による損失を無くす、または低減でき、省エネルギーを実現できる。

（第１の実施形態）
図１を用いて、本発明の電源供給システムの概略を説明する。従来例と同様に、電力会社から供給されるＡＣ電源１が、住宅やオフィスのＡＣ配電盤２に供給されている。一方、住宅に設置された、太陽電池、燃料電池、蓄電池などの電池３は、図１に示したように小電圧のスタック３ａ，３ｂ，３ｃ，・・・が直列につなげられて、所定の電圧となるように積み上げられている。電池の全体の出力は、ＤＣ／ＡＣ変換器４に入力され、電池３のＤＣとＡＣ電源１との相互のカップリングを取ってＡＣ電力に変換されて、ＡＣ配電盤２に入力されている。ＡＣ配電盤２は、住宅内での消費電力が小さく、電池３からの発電に余剰が出来た場合は、ＡＣ電源１に電力を返す場合もある。

上記ＡＣ配電盤２から、住宅内ＡＣライン５を介して、ＡＣコンセント５ｃ、更に住宅内の照明６、エアコンなどのモータ関連の家電機器７、デジタル家電と呼ばれるコンピュータ関連機器８、携帯電話などの充電器９、等にＡＣ電源が従来から供給されている。本発明の電源供給システムにおいては、上記ＡＣ電源ライン５と並行して、ＤＣ電源ライン１０が設置されており、ＤＣ電源を各電器機器に供給するＤＣコンセント１０ｃが設置されている。ここで、電池のスタックの異なる部分から取り出された異なるＤＣ電圧を有するＤＣラインＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，・・・・が取り出されており、２種類以上の電圧を有するＤＣラインがＤＣ配電盤１１に供給され、上記ＤＣ電源ライン１０により、住宅内に配電されている。

ここで、上記各機器がＤＣ電源も併用して動作する機器であれば、図１のような本実施形態の電源供給システムからＤＣ電源を利用することができる。ＤＣ電源を利用するこことで、各機器に含まれるＡＣ／ＤＣ変換器６１，７１，８１，９１は動作させなくてもよく、ＡＣ／ＤＣ変換器による損失を削減でき、省エネルギーを実現することができる。たとえば、上記ＤＣライン１０を２種類の電圧を有するＤＣ電源供給とし、それぞれの電圧を１００Ｖと１６Ｖと設定する。１００ＶのＤＣ電源はエアコンに対して供給され、１６ＶのＤＣ電源はパソコンに対して供給され、エアコン及びパソコン内部のＡＣ／ＤＣ変換器を経由せずに機器を動作させることが可能である。この場合、エアコンおよびパソコンでの消費電力をＡＣ／ＤＣ変換器の損失分低減することができる。

なお、各機器側において、ＤＣ電源供給ラインが結線されない場合またはＤＣ電力供給が不十分の場合は、従来と同様にＡＣ／ＤＣ変換器を用いて動作させるように設計されていれば、本システムの能力に応じて臨機応変に省エネルギーを実現できる。すなわち、機器においては、ＤＣ電源とＡＣ電源との入力を有しており、ＤＣ電源からの入力によって機器が駆動可能か判断し、ＤＣ電源では駆動が十分でない場合はＡＣ電源に切り替えるか、ＡＣ電源に切り替えることをユーザに提示する機能を備えておくことが好ましい。

（第２の実施形態）
図２を用いて、本発明の第２の実施形態の電源供給システムの概略を説明する。

第１の実施形態と異なる部分は、電池のＤＣ出力から２種類以上の電圧を有するＤＣラインを取り出す方法である。第２の実施形態においては、まず電池全体の電圧の出力が取り出され、ＤＣ／ＡＣ変換機１２により交流に一度変換される。絶縁トランス１３によって、必要な数種類の電圧が生成される。もう一度ＤＣ／ＡＣ変換器１４を通すことにより数種類の電圧のＤＣ出力ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３，・・・・が取り出されている。２種類以上の電圧を有するＤＣラインがＤＣ配電盤１１に供給され、上記ＤＣ電源ライン１０により、住宅内に配電されている。

第２の実施形態において、数種類の電圧のＤＣ電源を生成するために、ＤＣ／ＡＣ変換器１２およびＡＣ／ＤＣ変換器１４を経由することになる。しかしながら、機器側にあるＡＣ／ＤＣ変換器６１等では、家庭用ＡＣ電源の周波数（６０Ｈｚまたは５０Ｈｚ）の制約を受けつつＤＣへ変換するためにＡＣとＤＣとの変換マッチングが十分でないのに対して、電池の出力を受けるＤＣ／ＡＣ変換器１２では、ＤＣラインで必要なＤＣ電圧出力に対して変換マッチングが最適になるようにＡＣの周波数を決定できる利点がある。したがって、本実施形態のようにＤＣ／ＡＣ変換器１２およびＡＣ／ＤＣ変換器１４の経由を使う方が、従来の電池からＡＣ電源ラインへ電力供給するためのＤＣ／ＡＣ変換器４に比べて損失が小さく効率が良い。

さらに、第２の実施形態では絶縁トランス１３によってＤＣ電圧が生成されるので、ＤＣ電圧は電池の電位に対して浮いた状態となっている。そのため、機器のアースの状態による漏電がおきた時でも電流が流れることがなく、安全に動作可能である。第１の実施形態に比べて、安全性に優れた電源供給システムとして動作させることができる。

（第３の実施形態）
燃料電池等の直列に積み上げられているスタックの一部からのみ電力を取り出すと、スタックのバランスを崩し寿命の低下などを引き起こす。そこで、本実施形態の電源供給システムでは、太陽電池や燃料電池のスタックの一部からＤＣ出力を取り出す場合に、ＤＣ出力に対応する電池のスタック部分が、複数の並列に接続されたスタックにより構成されている。

スタックを並列に複数の接続することで、１つのスタックが破壊あるいは性能が低下したとしても他のスタックが並列に接続されているため、寿命低下が抑制できる。また、電池のスタックの並列個数が、全体に対して、上記ＤＣ出力に対応する部分において多くなっていることにより、電池の寿命が延びる。つまり、電池スタックの低電圧側のスタックが、複数の並列に接続されたスタックにより構成され、全体に比べて電流容量の大きいスタックになっている。低圧側のＤＣ出力が別に取り出され、低圧側のみがより多くの電流を供給しても、低圧側の電流容量が高く余裕があるために、電池（スタック）の寿命低下が抑制される。

本実施形態を図３に示す。燃料電池や太陽電池などの電池３０のＤＣ出力に接続されている低圧側のスタック（例えば３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）に、並列に３２，３３のスタックが接続されている。スタック３１と同様に、スタック３３ａ，３３ｂ，３３ｃのように、それぞれの電圧に対応するスタック数が並列接続されている。図３では省略しているが、スタック３２に関してもスタック３１，３３と同様に、たとえばスタック３２ａ，ｂ，ｃのスタックが並列接続されている。

なお、図３において示されている電池のスタック、たとえば３１ａなどは、実際の電池のスタックの所定の電圧に対応した部分を示したもので、実際の物理構成である一つ一つのスタックのユニットを示しているものではない。また、スタック３１ａ，ｂ，ｃ等は、３つに限定されるものでもない。また、並列の数もスタック３１，３２，３３のように３つに限定されるものでなく、２つでも４つ以上でも可能である。

本実施形態の変形例として図４を示す。図４では、それぞれの並列に接続されたスタック３１，３２，３３にスイッチ３４を取り付けている（図４には３１，３２，３３について３個ずつ９個示されている）。スイッチ３４は、リレー等で実現できる。１つのスタックに負荷が集中しないように、スイッチ３４で切り換え制御することにより、電池（スタック）の寿命低下を防止できる。スイッチ３４による切り換えは、たとえばタイマーにより定期的に実施したり、使用時間を測定することで切り換えたりしても良い。

以上説明したように、本発明の電源供給システムは、家庭内・ビル内に太陽電池・燃料電池・蓄電池などの電池を有する電源供給システム等において、従来に比べて５〜２０％の省エネルギーを達成できる。
１０ｃＤＣコンセント
１１ＤＣ配電盤
１２ＤＣ／ＡＣ変換器
１３トランス
１４ＡＣ／ＤＣ変換機
３１，３２，３３電池スタック
３１ａ，３１ｂ，３１ｃスタック
３３ａ，３３ｂ，３３ｃスタック

Claims

交流のＡＣ電源からのＡＣ電力を供給する線路と、
直流のＤＣ電源からの少なくとも２系列以上のＤＣ電力を供給する線路と、
前記ＡＣ電源または前記ＤＣ電源を選択して電力を引き込む機器と、を含み、
前記２系列以上のＤＣ電力は、それぞれ異なる電圧を有することを特徴とする、電源供給システム。
請求項１に記載の電源供給システムにおいて、
前記少なくとも２系列以上のＤＣ電力を供給する線路が、複数の直流電線により構成され、
前記複数の直流電線が、１本のＣＯＭ端子線路と、複数のその他の直流電線とを備え、
前記少なくとも２系列以上のＤＣ電力が、前記複数のその他の直流電線の各々を通して供給される、電源供給システム。
請求項２に記載の電源供給システムにおいて、
前記ＤＣ電源が、直列に接続されている複数個の単位セルから構成されるスタックを備え、
前記複数のその他の直流電線の各々が、前記複数個の単位セルのそれぞれ異なる部分に接続され、
前記少なくとも２系列以上のＤＣ電力が、前記複数個の単位セル内の少なくとも一部から供給される、電源供給システム。
請求項２に記載の電源供給システムにおいて、
前記ＤＣ電源は並列に接続された複数個のスタックを備え、
前記スタックは複数個の単位セルを有し、
前記少なくとも２系列以上のＤＣ電力は、前記スタックから供給される、電源供給システム。
請求項３または４に記載の電源供給システムにおいて、
前記スタックがスイッチを備える、電源供給システム。
請求項１から５のいずれか１項に記載の電源供給システムにおいて、
前記ＤＣ電源が、太陽電池、燃料電池、及び蓄電池のいずれか１つを少なくとも含む、電源供給システム。
請求項１から６のいずれか１項に記載の電源供給システムにおいて、
前記ＤＣ電源から出力されたＤＣ電圧を変換するＤＣ／ＤＣ変換器をさらに備える、電源供給システム。
請求項７に記載の電源供給システムにおいて、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、ＤＣ／ＡＣ変換器と、絶縁トランスと、ＡＣ／ＤＣ変換器とを具備する、電源供給システム。
請求項１から８のいずれか１項に記載の電源供給システムにおいて、
前記電力を引き込む機器は、当該機器が前記ＤＣ電力によって駆動可能でない場合に、前記ＡＣ電源を選択する、電源供給システム。
請求項１から８のいずれか１項に記載の電源供給システムにおいて、
前記電力を引き込む機器は、当該機器が前記ＤＣ電力によって駆動可能でない場合に、前記ＡＣ電源に切り替えるようにユーザに提示する、電源供給システム。