JP2009254063A - 電源システムおよび充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電源システムの信頼性を低下させずに、放電時に降圧が不要となる電源システムおよび充電方法を提供すること。
【解決手段】整流器１と、ニッケル水素蓄電池セルで構成され複数台並列接続された組電池４と、充電器３と、充電制御手段９と、各組電池４の電圧を監視する電池電圧監視手段４と、各組電池４の放電回路に挿入された組電池接続スイッチ５とを構成要素とする電源システムであって、充電制御手段９が、整流器１の出力電圧と組電池４の電圧とに応じて組電池４を充電することを特徴とする電源システムを構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は電源システムおよび充電方法に関する。

ニッケル水素蓄電池の電圧は、充電及び放電時に大きく変化する。その電圧は充放電電流にも依存するが、０．２Ｃ程度の電流で充電した場合、新品の蓄電池でも充電末期には１．５０Ｖ／セル以上に達し、劣化が進んだ蓄電池では１．６０Ｖ／セルを超える場合もある。

充電が終了して開回路状態になると蓄電池電圧は数分以内に１．４５Ｖ程度まで低下し、その後は少しずつ電圧が下がっていく。この段階で０．２Ｃ程度の電流で放電させると、蓄電池電圧は数分間で１．３０Ｖ以下に低下し、その後は放電が進むに連れてゆっくりと下がっていく。

一般には１．０Ｖ／セルまで電圧が低下した段階で放電を休止する。このように、ニッケル水素蓄電池の使用電圧範囲は単セル当たり１．０Ｖから１．６Ｖ程度と広いため、使用するに当たっては鉛蓄電池に比べて複雑な制御が必要であった。

具体例として、非特許文献１に述べられている携帯電話基地局用直流電源システムでは、公称容量１００Ａｈの単セルを１０本直列に接続してモジュールを形成し、４モジュールを直列に接続して１系列を形成している。さらにこれを２系列並列に接続し、充電は電流１０Ａで１系列ずつ行う。

蓄電池の公称電圧は４８Ｖで通信機器の電源電圧と一致するが、バックアップ時、蓄電池が満充電状態から放電を開始した直後は電圧が高すぎて通信機器にそのまま入力させることができないので降圧する。また放電終止電圧は４０Ｖであるが、放電末期で蓄電池電圧が４０Ｖに近づくと、電圧が低すぎてそのまま通信機器に入力したのでは通信機器が動作しないため、昇圧している。この放電時の昇降圧は放電器を用いて行っている。
K. Saito, et al., "High Performance Backup Power Supply System" Proc. The 25th International Telecommunications Energy Conference, Oct. 19-23, 2003 pp. 261-267.

鉛蓄電池の場合には充電方法が定電流充電ではなくフロート充電であるため、充電電圧は一定である。また放電時の電圧変化もニッケル水素蓄電池に比べて小さいため、一般的に昇降圧は必要なく、従って放電器も不要である。

これに対して、ニッケル水素蓄電池では、これまで放電器が必要であったため、部品点数が増え、そのために故障の確率が増大して信頼性が低下するという欠点があった。

そこで、ニッケル水素蓄電池でも昇降圧をやめ、昇圧または降圧のどちらか一方で済むような構成も考えられる。４８Ｖ入力であれば、例えばニッケル水素蓄電池セル５０本を用いるとすると、電池電圧は最低でも５０Ｖとなり、常に降圧で対応できる。逆に３０本を用いるとすると、劣化して充電末期の電池電圧が高くなったとしても最高で４８Ｖ程度であるので、常に昇圧だけで対応できる。

しかし、昇降圧が大きくなると効率の低下は否めない。鉛蓄電池の場合でも、昇圧に関しては、必要に応じてブースタコンバータが使用されていた。しかし、降圧は鉛蓄電池では必要がなかったため、降圧コンバータ等は大電流対応で信頼性の高い物が得られず、結局信頼性の低下を招いてしまう。

一方で、ニッケル水素蓄電池を満充電にせず、降圧せずにそのまま負荷に供給できる電圧に達した段階で充電を打ち切るという方法も考えられる。バックアップ電源では定常時は整流器から負荷に電源が供給されている。停電時に蓄電池からの給電に切り替わるためには、蓄電池の待機電圧は整流器の電圧未満でなければならないので、充電電圧の上限は整流器の電圧になる。しかしこの方法ではニッケル水素蓄電池の全容量を利用することができないわけであるから、非常に無駄が多く、バックアップ時間が低下する。また、充電電流にも依存するが、ニッケル水素蓄電池は、充電終了後蓄電池電圧が急激に低下するので、整流器電圧で充電を打ち切ったとすると、放電開始時には電圧は必要以上に低下していることになる。

そこで、電源システムの信頼性を低下させずに、放電時に降圧が不要となるニッケル水素蓄電池の充電方法が必要とされていた。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の解決しようとする課題は、電源システムの信頼性を低下させずに、放電時に降圧が不要となる電源システムおよび充電方法を提供することである。

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、
整流器と、ニッケル水素蓄電池セルで構成され複数台並列接続された組電池と、充電器と、充電制御手段と、各前記組電池の電圧を監視する電池電圧監視手段と、各前記組電池の放電回路に挿入された組電池接続スイッチとを構成要素とする電源システムであって、前記充電制御手段が、前記整流器の出力電圧と前記組電池の電圧とに応じて前記組電池を充電す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、前記組電池接続スイッチは、該組電池接続スイッチに接続する前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧を超えると開き、該組電池の電圧が前記整流器の出力電圧以下となると閉じ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３に記載のように、
請求項２に記載の電源システムにおいて、電圧が前記整流器の出力電圧を超えている前記組電池および充電中の前記組電池を除いた残りの前記組電池全体で、負荷が必要とする電流を供給できないと判断される場合には、充電中の前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧を超えない段階で充電を終了す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４に記載のように、
請求項２に記載の電源システムにおいて、すべての前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧以下である場合に、負荷が必要とする電流を、電圧が前記整流器の出力電圧以下である前記組電池によって供給できる条件範囲内において、前記組電池を充電す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５に記載のように、
整流器と、ニッケル水素蓄電池セルで構成され複数台並列接続された組電池と、充電器と、充電制御手段と、各前記組電池の電圧を監視する電池電圧監視手段と、各前記組電池の放電回路に挿入された組電池接続スイッチとを構成要素とする電源システムを充電する充電方法であって、前記充電制御手段によって、前記整流器の出力電圧と前記組電池の電圧とに応じて前記組電池を充電することを特徴とする充電方法を構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
請求項５に記載の充電方法において、前記組電池接続スイッチを、該組電池接続スイッチに接続する前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧を超えると開き、該組電池の電圧が前記整流器の出力電圧以下となると閉じることを特徴とする充電方法を構成する。

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に記載の充電方法において、電圧が前記整流器の出力電圧を超えている前記組電池および充電中の前記組電池を除いた残りの前記組電池全体で、負荷が必要とする電流を供給できないと判断する場合には、充電中の前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧を超えない段階で充電を終了することを特徴とする充電方法を構成する。

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に記載の充電方法において、すべての前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧以下である場合に、負荷が必要とする電流を、電圧が前記整流器の出力電圧以下である前記組電池によって供給できる条件範囲内において、前記組電池を充電することを特徴とする電源システムを構成する。

本発明により、電源システムの信頼性を低下させずに、放電時に降圧が不要となる電源システムおよび充電方法を提供することが可能となる。

通信機器の入力電圧は直流４８Ｖが一般的であり、その電源である整流器の出力電圧は５５Ｖ程度が普通である。現行の鉛蓄電池を用いたバックアップ電源システムでは、鉛蓄電池２３個ないし２４個を直列に接続して用いている。鉛蓄電池はフロート充電されるため、充電時の発熱が小さく、そのため１０００Ａｈ以上の大容量の単セルが使用できる。そのため、鉛蓄電池を用いたバックアップ電源では、通常は蓄電池を並列に接続して用いることはない。

これに対しニッケル水素蓄電池では、定電流充電のため充電時、特に充電末期の発熱が大きく、単セルでは１００Ａｈ程度までしか実用化されていない。そこで、より大容量が必要な場合には、ニッケル水素蓄電池から構成される組電池を複数組、並列にして用いることになる。

実施の形態例では、前記組電池が並列に接続されていることを利用して、降圧コンバータを用いない放電を可能とする電源システムおよび充電方法を解説する。

以下、実施の形態例に基づいて本発明を詳述するが、本発明は本実施の形態例に限定されない。

［実施の形態例１］
図１に示すように、５５Ｖ出力の整流器１が出力する電力を直流の負荷２に供給する電源システムにおいて、停電時バックアップ電源として、ニッケル水素蓄電池から構成される組電池４を用いる電源システムを構築した。

負荷２の入力電圧は４８Ｖであるが、入力上限電圧は５７Ｖである。そこで、組電池４としては、公称容量１００Ａｈの円筒型ニッケル水素蓄電池単セルを１０本直列に接続してなるモジュール（公称電圧１２Ｖ）を４モジュール直列に接続したものを用いた。その公称電圧は４８Ｖである。

負荷２の消費電力が７ｋＷであるため、これを３時間バックアップするためには２１ｋＷｈの電力量が必要になる。４モジュールを直列に接続した組電池４の１台の電力量は４．８ｋＷｈであるので、劣化していない新品の蓄電池であれば５台で十分な計算であるが、８０％まで容量が低下した段階まで使用すると仮定すると、必要台数は６、７０％まで使用すると仮定すると必要台数は７となる。今回は８０％で蓄電池を交換するとして、台数は６とした。

充電器３は組電池４の２台毎に１台を設置し、充電選択スイッチ６で切り替えて使用する。充電器３は２０Ａと３Ａの電流を供給することができ、２０Ａの充電は単位時間あたりの蓄電池温度上昇があらかじめ定めた値を超えた場合に停止する仕様になっている。今回は環境温度を室温として、１分あたり０．３℃の上昇で２０Ａ充電が停止し、次に３Ａの充電が２時間継続するようにした。この３Ａ充電により、組電池４内の単セル間の充電率のばらつきが解消される。

なお、本電源システムには、整流器１、組電池４、充電器３、組電池接続スイッチ５のほかに、図示しない充電制御手段と各組電池４の電圧を監視する電池電圧監視手段とが具備されている。

最初に新品の蓄電池を搭載した時点で、各組電池４の電圧は４９．３Ｖから５０．１Ｖであった。いずれも整流器１の出力電圧以下であったので、組電池接続スイッチ５を閉じて、停電時に無瞬断で切り替わるようにした。なお、組電池４の放電回路には逆流防止ダイオード７が挿入されているので、整流器１から組電池４への電流の逆流は起こらない。

次に、最も電圧の低い１台の組電池４（第１の組電池とする）を選んで、その充電を開始した。このように、前記充電制御手段が、組電池４の電圧に応じて組電池４を充電する。

組電池接続スイッチ５はマイコン回路によって制御され、ここでは、その組電池接続スイッチ５に接続する組電池４の電圧が整流器１の出力電圧を超えると開き、その組電池４の電圧が整流器１の出力電圧以下となると閉じるように制御される。このような制御を行えば、ある組電池４の電圧が整流器１の出力電圧を超えても、その組電池４から負荷２への放電は起こらないので、降圧コンバータが不要となる。

２０Ａ充電が停止した時の組電池４の電圧は６１．２Ｖで、整流器１の出力電圧（５５Ｖ）を超え、負荷２の入力上限電圧（５７Ｖ）も超えているので、第１の組電池に接続する組電池接続スイッチ５は開いていた。その後の３Ａ充電中もその組電池接続スイッチ５は開いていた。

３Ａ充電終了後、一時的に整流器１の電源を切って停電を起こしたところ、負荷２への給電は組電池４に切り替わり、第１の組電池を除く５台の組電池４から負荷２へ電力が供給された。その時の、各組電池４を流れる電流は最大４３Ａ、最小３４Ａであった。

次に、第１の組電池を除く５台の組電池４の中の３台（第２ないし第４の組電池とする）を３台の充電器３から同時に充電した。この時、第１の組電池と現在充電中の組電池４とをすべて、組電池接続スイッチ５の動作によって、放電断とすると、停電時に残りの２台の組電池４から電流を供給しなければならないが、それでは、出力電流が、平均で、組電池１台当たり９０Ａ、場合によっては最大電流１００Ａを超えてしまう。そこで、前記充電制御手段の構成要素であるマイコン回路が判断して、２０Ａ充電は整流器出力電圧５５Ｖを超えない５４．５Ｖで停止した。すなわち、電池電圧が整流器出力電圧を超えている組電池４および充電中の組電池４を除いた残りの組電池４全体で負荷２が必要とする電流を供給できないと判断される場合には、充電中の組電池４の電圧が整流器１の出力電圧を超えない段階で充電が終了するように制御した。一昼夜後、第１の組電池の電圧も整流器出力電圧５５Ｖ以下に低下していた。

使用しているニッケル水素蓄電池の自己放電は室温で１ヶ月に１０％程度であるので、１ヶ月に１度補充電をすることにした。５日に１度、６台中の最も電圧の低い組電池４を選んで補充電するように設定した。最初の補充電は、６台中のまだ１度も充電していなかった２台の組電池４のうちの１台（第５の組電池とする）に対して行われた。充電終了時には、第５の組電池に接続する組電池接続スイッチ５は開いていた。この段階で５分間だけ整流器１の電源を切ったところ、負荷２への給電は瞬時に組電池４に切り替わり、第５の組電池を除く５台の組電池から負荷２へ電力が供給された。充電終了後１日経つと、第５の組電池の電圧は５３．７Ｖに低下しており、第５の組電池に接続する組電池接続スイッチ５は閉じていた。このように、充電直後の電池電圧が整流器出力電圧５５Ｖを超えていても、短時間内に、電池電圧が整流器出力電圧以下となるので、組電池の規定容量を無駄なく利用できるという効果が現れる。また、この時点で、全ての組電池４が５５Ｖ以下となっていた。

その次の補充電は前の充電の５日後に、まだ充電されていない最後の組電池４（第６の組電池）に対して行われ、同様に充電終了時には、第６の組電池に接続する組電池接続スイッチ５は開いていた。その１日後には、その接続スイッチ５は閉じており、第６の組電池の電圧は５４．２Ｖになっていた。この段階で５分間だけ整流器１の電源を切ったところ、負荷２への給電は瞬時に組電池４に切り替わり、第６の組電池を含む全６台の組電池４から負荷２へ電力が供給された。

一般に、すべての組電池４の電圧が整流器１の出力電圧以下である場合に、自己放電分を補う目的で行う組電池４の補充電が行われるようにしてもよい。ただし、負荷２が必要とする電流を、電圧が整流器出力電圧以下である組電池４によって供給できる条件範囲内において、組電池４を充電することことが必要である。このような制御によっても、降圧コンバータが不要となる。

［実施の形態例２］
図２は、実施の形態例１とは、部分的に異なる構成の実施の形態例を説明する図である。図において、整流器１は、交流電源８からの交流電力を直流電力に変換して直流の負荷２へ供給する。

実施の形態例１とは異なり、３台の組電池４は、それぞれ、個別の充電器３に接続し、充電器３は交流電源８からの交流電力を直流電力に変換し、それによって、それぞれの組電池４を充電する。充電制御手段９は、電池電圧監視手段１０によって計測される組電池４の電圧に基づき、充電を必要とする組電池４を選別し、充電器３を制御して、その組電池４が充電されるようにする。

組電池接続スイッチ５はマイコン回路によって制御され、該組電池接続スイッチ５に接続する組電池４の電圧が整流器１の出力電圧を超えると開き、整流器１の出力電圧以下となると閉じるように設定されている。このような設定によって、降圧コンバータが不要となる。

本実施の形態例においても、実施の形態例１と同様の動作が可能であり、実施の形態例１と同様の効果が得られる。

以上に説明したように、整流器と、ニッケル水素蓄電池セルで構成され複数台並列接続された組電池と、充電器と、充電制御手段と、各前記組電池の電圧を監視する電池電圧監視手段と、各前記組電池の放電回路に挿入された組電池接続スイッチとを構成要素とする電源システムであって、前記充電制御手段が、前記整流器の出力電圧と前記組電池の電圧とに応じて前記組電池を充電することを特徴とする電源システムを構成することによって、降圧コンバータを不要とし、組電池の規定容量を無駄なく利用できるという効果が奏せられる。

また、整流器と、ニッケル水素蓄電池セルで構成され複数台並列接続された組電池と、充電器と、充電制御手段と、各前記組電池の電圧を監視する電池電圧監視手段と、各前記組電池の放電回路に挿入された組電池接続スイッチとを構成要素とする電源システムを充電する充電方法であって、前記充電制御手段によって、前記整流器の出力電圧と前記組電池の電圧とに応じて前記組電池を充電することを特徴とする充電方法を構成することによって、降圧コンバータを不要とし、組電池の規定容量を無駄なく利用できるという効果が奏せられる。

本発明に係る電源システムを説明する模式図である。 本発明に係る電源システムを説明する模式図である。

符号の説明

１：整流器、２：負荷、３：充電器、４：組電池、５：組電池接続スイッチ、６：充電選択スイッチ、７：逆流防止ダイオード、８：交流電源、９：充電制御手段、１０：電池電圧監視手段。

Claims (8)

1. 整流器と、ニッケル水素蓄電池セルで構成され複数台並列接続された組電池と、充電器と、充電制御手段と、各前記組電池の電圧を監視する電池電圧監視手段と、各前記組電池の放電回路に挿入された組電池接続スイッチとを構成要素とする電源システムであって、
   前記充電制御手段が、前記整流器の出力電圧と前記組電池の電圧とに応じて前記組電池を充電す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、
   前記組電池接続スイッチは、該組電池接続スイッチに接続する前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧を超えると開き、該組電池の電圧が前記整流器の出力電圧以下となると閉じることを特徴とする電源システム。
3. 請求項２に記載の電源システムにおいて、
   電圧が前記整流器の出力電圧を超えている前記組電池および充電中の前記組電池を除いた残りの前記組電池全体で、負荷が必要とする電流を供給できないと判断される場合には、充電中の前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧を超えない段階で充電を終了することを特徴とする電源システム。
4. 請求項２に記載の電源システムにおいて、
   すべての前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧以下である場合に、負荷が必要とする電流を、電圧が前記整流器の出力電圧以下である前記組電池によって供給できる条件範囲内において、前記組電池を充電することを特徴とする電源システム。
5. 整流器と、ニッケル水素蓄電池セルで構成され複数台並列接続された組電池と、充電器と、充電制御手段と、各前記組電池の電圧を監視する電池電圧監視手段と、各前記組電池の放電回路に挿入された組電池接続スイッチとを構成要素とする電源システムを充電する充電方法であって、
   前記充電制御手段によって、前記整流器の出力電圧と前記組電池の電圧とに応じて前記組電池を充電することを特徴とする充電方法。
6. 請求項５に記載の充電方法において、
   前記組電池接続スイッチを、該組電池接続スイッチに接続する前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧を超えると開き、該組電池の電圧が前記整流器の出力電圧以下となると閉じることを特徴とする充電方法。
7. 請求項６に記載の充電方法において、
   電圧が前記整流器の出力電圧を超えている前記組電池および充電中の前記組電池を除いた残りの前記組電池全体で、負荷が必要とする電流を供給できないと判断する場合には、充電中の前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧を超えない段階で充電を終了することを特徴とする充電方法。
8. 請求項６に記載の充電方法において、
   すべての前記組電池の電圧が前記整流器の出力電圧以下である場合に、負荷が必要とする電流を、電圧が前記整流器の出力電圧以下である前記組電池によって供給できる条件範囲内において、前記組電池を充電することを特徴とする電源システム。

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