JP2009201240A - 直流電源システムおよびその充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】合計の残容量の低下を防ぐ直流電源システムおよびその充電方法を提供すること。
【解決手段】商用電源１からの交流電力を直流電力に変換して負荷３へ供給する整流器２と、整流器２が商用電源１の停電などにより停止した場合、直流電力を、ダイオード６を介して負荷３へ供給する２組（組数：ｎ＝２）の組電池４（ｋ＝１の組とｋ＝２の組）と、商用電源１からの交流電力によって組電池４を充電する充電器５と、充電器５の動作を制御する充電制御手段８とを構成要素とする直流電源システムであって、補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｍを０以上の整数としたとき、組電池４の各々は（ｋ/ｎ)Ｔ＋ｍＴのスケジュールで補充電されることを特徴とする直流電源システムを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は直流電源システムおよびその充電制御方法に関する。

一般に、直流負荷装置へ電力を供給する直流電源システムでは、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、整流器の出力に蓄電池と、蓄電池を充電するための充電器を備え、バックアップ電源システム（直流電源システム）とする。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。

下記特許文献１、２には、複数の組電池が出力する電力を放電器を介して負荷に供給する電池システムが記載され、特許文献１には、組電池と放電器中のコンバータとの間の電路が共通導線によって互いに電気的に接続されていることが記載され、特許文献２には、放電器の各動作を、制御部が発信する同一の動作信号に基づいて行わせることが記載されている。
特開２００７−１４３２６６号公報 特開２００７−１４３２９１号公報

整流器、蓄電池、充電器および放電器を組み合わせた直流バックアップ電源システムを図５に示す。図において、商用電源１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３へ供給している。組電池４は、複数の蓄電池を組み合わせてなる組電池であり、その６組が搭載されている。各組電池４は、商用電源１が有効であるときは充電器５を介して充電され、商用電源１の停電時に放電器７を介して負荷３への放電を行う。

各充電器５は、接続されている組電池４の残容量が低下したとき該組電池４の充電を開始し、満充電となったとき組電池４の充電を停止する、間欠充電を行っている。例えば、組電池４の残容量が、満充電状態に対して１０％低下したとき、該組電池４に接続されている充電器５により充電が開始され、満充電に達して充電が終了する。

ここで、６組の組電池４が、同時に残容量が９０％まで低下する場合がある。この場合、合計の残容量も９０％まで低下するため、この低下分を補うための余分な蓄電池を設置する必要があり、コストや設置スペースを増加させる結果となる。

以上のように、複数の組電池で構成される蓄電池システムにおいては、同時に全ての組電池の残容量が低下した場合に合計の残容量が低下するため、余分に蓄電池を搭載する必要が生じて、コストと設置スペースが増加するという問題がある。

前記の問題は、直流バックアップ電源システムだけではなく、複数の蓄電池を並列接統した蓄電池を持つシステムにおいて生じる問題である。

本発明は前記の、同時に全ての組電池の残容量が低下した場合に合計の残容量が低下して蓄電池が余分に必要となるという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、合計の残容量の低下を防ぐ直流電源システムおよびその充電制御方法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、
複数組の組電池と、前記組電池を充電する充電器と、前記充電器の動作を制御する充電制御手段とを構成要素とする直流電源システムであって、前記組電池は少なくとも２つの群に分けられ、同一の群に属する前記組電池の補充電が開始される時刻は同一であり、少なくとも２つの相異なる群に属する前記組電池の補充電が開始される時刻は相異なることを特徴とする直流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に記載の直流電源システムにおいて、補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｎを２以上の自然数とし、ｋを１からｎまでの自然数とし、ｍを０以上の整数とするとき、前記組電池は１番目からｎ番目までのｎ群に分けられ、ｎ番目の群に属する前記組電池の補充電が開始された時点から、ｋ番目の群に属する前記組電池の補充電が開始されるまでの経過時間は（ｋ/ｎ)Ｔ＋ｍＴであることを特徴とする直流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に記載の直流電源システムにおいて、同一の群に属する前記組電池のいずれかにおいて、満充電からの残容量低下が、予め定められた設定値に達したときに、該群に属する前記組電池の補充電が開始されることを特徴とする直流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に記載の直流電源システムにおいて、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器が具備され、前記組電池の出力端は、前記組電池の放電方向にのみ通電するダイオードを介して、前記整流器から前記負荷への電力供給路に並列接続されることを特徴とする直流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、２または３に記載の直流電源システムにおいて、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器が具備され、前記組電池の出力端は、放電器を介して、前記整流器から前記負荷への電力供給路に並列接続されることを特徴とする直流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、
複数組の組電池と、前記組電池を充電する充電器と、前記充電器の動作を制御する充電制御手段とを構成要素とする直流電源システムの充電制御方法であって、前記組電池を少なくとも２つの群に分け、同一の群に属する前記組電池の補充電を同一時刻に開始し、少なくとも２つの相異なる群に属する前記組電池の補充電を相異なる時刻に開始することを特徴とする直流電源システムの充電制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項７に記載のように、
請求項６に記載の直流電源システムの充電制御方法において、補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｎを２以上の自然数とし、ｋを１からｎまでの自然数とし、ｍを０以上の整数とするとき、前記組電池を１番目からｎ番目までのｎ群に分け、ｎ番目の群に属する前記組電池の補充電を開始した時点から、時間が（ｋ/ｎ)Ｔ＋ｍＴだけ経過した時点で、ｋ番目の群に属する前記組電池の補充電を開始することを特徴とする直流電源システムの充電制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項８に記載のように、
請求項６に記載の直流電源システムの充電制御方法において、同一の群に属する前記組電池のいずれかにおいて、満充電からの残容量低下が、予め定められた設定値に達したときに、該群に属する前記組電池の補充電を開始することを特徴とする直流電源システムの充電制御方法を構成する。

本発明に係る直流電源システムおよびその充電制御方法によれば、以下のごとき効果を奏することができる。

直流電源システムの合計残容量の低下を減らすことができ、余分に設置する蓄電池を減らすことができるため、コストとスペースを節約することが可能となる。

本発明に係る直流電源システムにおいては、１つ以上の蓄電池を接続してなる組電池の複数組と、前記組電池を充電する充電器と、前記充電器の動作を制御する充電制御手段とが具備され、
前記組電池は少なくとも２つの群に分けられ、同一の群に属する前記組電池の補充電が開始される時刻は同一であり、少なくとも２つの相異なる群に属する前記組電池の補充電が開始される時刻は相異なるようにする。

より具体的には、例えば、補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｎを２以上の自然数とし、ｋを１からｎまでの自然数とし、ｍを０以上の整数とするとき、前記組電池は１番目からｎ番目までのｎ群に分けられ、ｎ番目の群に属するすべての前記組電池の補充電が開始されてから、ｋ番目の群に属するすべての前記組電池の補充電が開始されるまでの経過時間は（ｋ/ｎ)Ｔ＋ｍＴであるようにする。この場合には、各群に属する前記組電池の補充電が開始される時刻は他の群に属する前記組電池の補充電が開始される時刻とは異なる。

以下に、本発明の実施の形態について、ニッケル水素蓄電池を用いた直流電源システム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、本発明の実施の形態例を説明する図である。図において、商用電源１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５６Ｖを出力し、負荷３へ供給している。組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を３４セル直列接続した組電池（定格電圧４０．８Ｖ、定格容量１００Ａｈ）であり、その２組（１系、２系）が搭載されている。この場合に、補充電を開始する時刻を、前記の（ｋ/ｎ)Ｔ＋ｍＴを用いて定めると、ｎ＝２であるのでｋ＝１、２となり、ｋ番目の群は、ｍ＝０、１、２、… に対応して、時間間隔Ｔで補充電される。以下、特記しない限りは、１つの群が１組の組電池４からなるので、群と組とを区別しない。

各組電池４は、商用電源１が有効であるときは充電器５を介して充電される。各充電器５の動作は、充電制御手段８によって制御される。

組電池４の出力端は、組電池４の放電方向にのみ通電するダイオード６を介して、整流器２から負荷３への電力供給路に並列接続されているが、充電器５の出力電圧は５４．４Ｖであり、整流器２の出力電圧（５６Ｖ）より低いため、商用電源１が有効であるときは、整流器２の出力のみが負荷３へ供給される。

整流器２が商用電源１の停電などにより停止した場合、組電池４が出力する直流電力が、ダイオード６を介して負荷３へ供給される。

各充電器５は、接続されている組電池４を充電するが、各組電池４がダイオード６を介して並列接続されているため、充電電流が他の組電池４へ流れることはなく、また、ニッケル水素蓄電池セルの満充電電圧は最高１．６Ｖであり、組電池４の満充電電圧は最高でも５４．４Ｖであるため、満充電まで充電することができる。

組電池４は満充電まで充電され、充電電流は零となる。その後、整流器２が停止することなく負荷３への給電を継続した場合、組電池４が負荷３へ放電することはないが、組電池４の残容量は自己放電により徐々に減少する。このため、この自己放電を補うための充電（補充電）を定期的に行う必要がある。

組電池４を構成するニッケル水素蓄電池は、１ヶ月に１０％程度（定格容量比）の自己放電があり、補充電を３０日（補充電間隔として予め定められた時間Ｔ）ごとに行うこととする。１回の補充電に要する時間はＴに比べて著しく短いから、「補充電を行う」は「補充電を開始する」を意味するものとする。充電器５は、それぞれに接続されている組電池４の満充電から３０日経過し、その組電池４の残容量が満充電時容量の９０％にまで低下したとき補充電を行うが、独立して補充電の開始を判断する場合、２組の組電池４が同時に残容量９０％となり、合計の残容量が９０％まで低下する可能性がある。

そこで、補充電を行うタイミングを互いに１５日（Ｔ/２）ずらす。つまり、２組の組電池４は３０日毎に補充電されるが、ある時点で１組の組電池４の補充電を行った後、１５日後にもう１組の組電池４の補充電を行う。このような補充電を行った場合の、それぞれの組電池４の残容量と経過時間との関係を図２に示す。１系の組電池４を１番目の組電池とし、２系の組電池４を２番目の組電池としたとき、図２左端に示された「１系充電」はｋ＝１、ｍ＝０に対応し、次の「２系充電」はｋ＝２、ｍ＝０に対応し、その次の「１系充電」はｋ＝１、ｍ＝１に対応し、その次の「２系充電」はｋ＝２、ｍ＝１に対応する。

このように、それぞれの組電池４が、１５日（Ｔ/２）ずつずれて、３０日（Ｔ）毎に補充電されるから、合計の残容量の最低値は、図２に示すように（９５％＋９０％)/２＝９２．５％である。このように、補充電を行う周期を、組電池４の１組の補充電周期の半分毎とすることにより、合計の容量低下を減らすことができる。

ここまで説明した組電池４が２組のシステム（図１、ｎ＝２）に対して、同じ組電池４を３組接続したシステム（図３、ｎ＝３）では、図４に示すように、ある時点で１組目の組電池４の補充電（ｋ＝１、ｍ＝０）を行った後、、１０日（Ｔ/３）後に２組目の組電池４の補充電（ｋ＝２、ｍ＝０）を行い、さらに１０日後に３組目の組電池４の補充電（ｋ＝３、ｍ＝０）を行った後、それぞれ３０日（Ｔ）の周期で補充電（ｍ＝１、２、３、…）を行う。このとき、合計の残容量の最低値は（９６．６％＋９３．３％＋９０％)/３＝９３．３％である。

組電池４がｎ組のシステムにおいては、１組の組電池４に定められた補充電周期は３０日であるから、ある時点（ｎ番目の組電池４の補充電を行った時点）を起点に、３０×(ｋ/ｎ)日目（ｋ＝１、２、…、ｎ）にｋ組目の補充電を行い、その後、ｍ＝１、２、３、…として、それぞれの組電池４の補充電を３０日の周期で行う。このとき、合計残容量の最低値Ｑ_ｍｉｎは、以下のように求められる。

逆に、式（１）を用いることで、合計残容量の最低値Ｑ_ｍｉｎが先に決まっている場合に組電池４の組数を決定することが可能である。例えば、Ｑ_ｍｉｎが９４％とされた場合、式（１）よりｎ＝５と求められるから、組電池４の組数を５とし、６日毎に順番に組電池４を充電していくようにすればよい。また、Ｑ_ｍｉｎが９３％とされた場合、式（１）よりｎ＝２．５と求められるから、組電池４の組数を３とし、１０日毎に順番に組電池４の補充電を行うようにすればよい。

なお、式（１）において、ｎを無限に大きくするとＱ_ｍｉｎは９５％に収束するので、この値以上に合計残容量の最低値Ｑ_ｍｉｎを設定することはできない。そこで、１組の組電池４に定める、補充電を行う必要がある満充電からの容量低下（ここまでの説明では１０％とした）を、予め定められた設定値ｃ［％］とし、容量低下がｃに達した組電池４の補充電を、その時点で行うこととすると、合計残容量の最低値Ｑ_ｍｉｎは以下の式で表される。

電源システムの設計に際して、式（２）を用いて、合計残容量の最低値Ｑ_ｍｉｎと、組電池４の組数ｎと、補充電を行う容量低下ｃ［％］とを互いに調整することで、合計残容量の低下をＱ_ｍｉｎに抑えることができる。

例えば、合計残容量の最低値Ｑ_ｍｉｎは９５％、組電池４の組数ｎは１８と決定している場合、式（２）より補充電を行う容量低下ｃは９．４７％と求められるから、ｃを９％（式（２）で求めた値以下であればよい）として充電制御を行うようにする。このときのＱ_ｍｉｎは９５．２５％である。

このように、組電池４の満充電からの残容量低下が、予め定められた設定値（例えば上記のｃ）に達した時点で、その組電池４の補充電を開始する充電制御を行う場合には、前もって、各組電池４の補充電を、ｋ番順に、時刻をＴ/ｎずつずらして行っておくものとする（ただし、Ｔはｃに応じて変更する）。

また、組電池の群が複数の組電池４からなる場合には、同一の群に属する組電池４のいずれか１つにおいて、満充電からの残容量低下が、予め定められた設定値（例えば上記のｃ）に達したときに、該群に属するすべての組電池４の補充電が開始されるようにすればよい。この場合に、１つの群に属する複数組の組電池４を並列接続したものを１つの充電器５によって補充電するようにしてもよい。

鉛蓄電池では、トリクル充電（微弱な電流を継続的に与えることによる充電方式）も可能であるが、間欠充電の方が電池性能を劣化させ難い点で好ましい。ただし、補充電間隔Ｔおよび補充電を開始する際の満充電からの残容量低下の設定値（例えば上記のｃ）を適宜決定することにより、トリクル充電に近い時間間隔の充電を予め計画したスケジュールで制御することも可能である。

ｋ番目の組電池４の補充電中に、停電の発生により補充電を中断して放電を開始した場合、ｎ組の組電池４のうちｋ番目以降の組電池４が満充電に至る前に放電を開始するため、復帰後、再び補充電を再開する際の各組電池４の初期容量は停電発生前とは異なるが、復電後、全ての組電池を満充電にした後に、上記の制御による補充電を再開すればよい。

＜実施の形態例２＞
図５を、本発明の実施の形態例の説明にも用いる。図において、商用電源１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５６Ｖを出力し、負荷３へ供給している。

組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を４０セル直列接続した組電池（定格電圧４８Ｖ、定格容量１００Ａｈ）であり、６組（１系〜６系）が搭載されている。各組電池４はそれぞれ、商用電源１が有効であるときは接続されている充電器５を介して充電され、また、放電器７を介して、整流器２から負荷３への配線に並列接続されている。

組電池４の電圧は、ニッケル水素蓄電池セルの満充電電圧は最高１．６Ｖであるので、満充電時に６４Ｖに達するが、放電器７は降圧動作することにより出力電圧を５５Ｖ以下に維持する。このように放電器７の出力電圧は整流器２の出力電圧（５６Ｖ）以下であるため、商用電源１が有効であるときは整流器２の出力が負荷３へ供給され、整流器２が商用電源１の停電などにより停止した場合、組電池４が出力する電力が放電器７を介して負荷３へ供給される。

実施の形態例１と同様に考え、組電池４の残容量が９０％まで低下（３０日経過）したときに補充電を行うとすれば、５日ごとに順番に組電池４を充電すればよく、このとき合計残容量の最低値は式（１）でｎ＝６とすることにより９４．１７％と求められる。なお、各充電器５の動作は、図示されていない充電制御手段によって、実施の形態例１と同様に、制御されているものとする。

本実施の形態例においても、実施の形態例１と同様に、合計残容量の最低値Ｑ_ｍｉｎが先に決まっている場合に式（１）を用いて組電池４の組数ｎを求めることも可能である。また、式（２）を用いて合計残容量の最低値Ｑ_ｍｉｎと組電池４の組数ｎと補充電を行う容量低下ｃ［％］とを互いに調整して電源システムの設計を行い合計残容量の低下をＱ_ｍｉｎに抑えることも可能である。

以上のように、複数の組電池を有するシステムにおいて、１組の組電池に予め定められた補充電間隔をＴ、組電池の搭載組数をｎとするとき、時間経過Ｔ/ｎごとに順番に１組ずつ組電池の充電を行うことによって、合計残容量の低下を軽減することができる。

本発明の各実施形態においては、１組の組電池４に対して１台の充電器５を接続しているが、１台の充電器５を複数の組電池４で共有して使用することも可能である。１台の充電器５と複数の組電池４の間に切替スイッチを備え、充電対象の組電池４が充電されるように切替を行うようにすればよい。

また、本発明の各実施形態においては、ニッケル水素蓄電池を用いた直流電源システムを例として説明したが、鉛蓄電池やリチウムイオン蓄電池といった二次電池を搭載した直流電源システムにおいても適用することができる。さらに、直流電源システムの他に、負荷への供給を行わず、蓄電池残容量を高い状態に維持しながら保存するだけの蓄電池システムにおいても適用可能である。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

複数の組電池で構成される蓄電池システムにおいては、同時に全ての組電池の残容量が低下した場合に合計の残容量が低下するため、余分に蓄電池を搭載する必要が生じてコストと設置スペースが増加するという問題がある。

本発明により、システムの合計残容量の低下を減らすことができ、余分に設置する蓄電池を減らすことができるため、コストとスペースを節約することが可能となる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の各組電池の残容量経過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。 本発明の実施の各組電池の残容量経過を説明する図である。 整流器と、充電器と、放電器と、複数組の組電池を組み合わせた直流バックアップ電源システムの構成図である。

符号の説明

１：商用電源、２：整流器、３：負荷、４：組電池、５：充電器、６：ダイオード、７：放電器、８：充電制御手段。

Claims (8)

1. 複数組の組電池と、前記組電池を充電する充電器と、前記充電器の動作を制御する充電制御手段とを構成要素とする直流電源システムであって、
   前記組電池は少なくとも２つの群に分けられ、同一の群に属する前記組電池の補充電が開始される時刻は同一であり、少なくとも２つの相異なる群に属する前記組電池の補充電が開始される時刻は相異なることを特徴とする直流電源システム。
2. 請求項１に記載の直流電源システムにおいて、
   補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｎを２以上の自然数とし、ｋを１からｎまでの自然数とし、ｍを０以上の整数とするとき、
   前記組電池は１番目からｎ番目までのｎ群に分けられ、ｎ番目の群に属する前記組電池の補充電が開始された時点から、ｋ番目の群に属する前記組電池の補充電が開始されるまでの経過時間は（ｋ/ｎ)Ｔ＋ｍＴであることを特徴とする直流電源システム。
3. 請求項１に記載の直流電源システムにおいて、
   同一の群に属する前記組電池のいずれかにおいて、満充電からの残容量低下が、予め定められた設定値に達したときに、該群に属する前記組電池の補充電が開始されることを特徴とする直流電源システム。
4. 請求項１、２または３に記載の直流電源システムにおいて、
   交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器が具備され、前記組電池の出力端は、前記組電池の放電方向にのみ通電するダイオードを介して、前記整流器から前記負荷への電力供給路に並列接続されることを特徴とする直流電源システム。
5. 請求項１、２または３に記載の直流電源システムにおいて、
   交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器が具備され、前記組電池の出力端は、放電器を介して、前記整流器から前記負荷への電力供給路に並列接続されることを特徴とする直流電源システム。
6. 複数組の組電池と、前記組電池を充電する充電器と、前記充電器の動作を制御する充電制御手段とを構成要素とする直流電源システムの充電制御方法であって、
   前記組電池を少なくとも２つの群に分け、同一の群に属する前記組電池の補充電を同一時刻に開始し、少なくとも２つの相異なる群に属する前記組電池の補充電を相異なる時刻に開始することを特徴とする直流電源システムの充電制御方法。
7. 請求項６に記載の直流電源システムの充電制御方法において、
   補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｎを２以上の自然数とし、ｋを１からｎまでの自然数とし、ｍを０以上の整数とするとき、
   前記組電池を１番目からｎ番目までのｎ群に分け、ｎ番目の群に属する前記組電池の補充電を開始した時点から、時間が（ｋ/ｎ)Ｔ＋ｍＴだけ経過した時点で、ｋ番目の群に属する前記組電池の補充電を開始することを特徴とする直流電源システムの充電制御方法。
8. 請求項６に記載の直流電源システムの充電制御方法において、
   同一の群に属する前記組電池のいずれかにおいて、満充電からの残容量低下が、予め定められた設定値に達したときに、該群に属する前記組電池の補充電を開始することを特徴とする直流電源システムの充電制御方法。

Images