JP2009296719A - 直流バックアップ電源システムおよびその充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】給電信頼性の高い直流バックアップ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】交流電源１からの交流電力を直流電力に変換して負荷６へ出力する整流器２と、１つ以上の蓄電池を直列接続してなる組電池４と、組電池４を充電する充電器３とを構成要素とする直流バックアップ電源システムを構成し、整流器２から負荷６への給電線に、組電池４を、組電池４の放電方向にのみ電力を通すダイオード５を介して並列接続し、充電器３の出力上限電圧を、整流器２の設定出力電圧にダイオード５の順方向電圧降下の絶対値を加算した電圧以下に設定し、組電池４を充電するとき、充電器３の出力電圧が上限に達するまでは設定上限電流による一定電流充電を行い、上限に達した後は上限電圧による一定電圧充電に移行し、さらに充電電流が設定下限電流を下回るとき充電を終了する。
【選択図】図１

Description

本発明は直流バックアップ電源システムおよびその充電方法に関する。

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、組電池、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４に示す。図において、交流電源１の交流電力は整流器２に供給され、整流器２は交流電力を直流電力に変換して直流５６．５Ｖを出力し、負荷６（許容電圧範囲：５７Ｖ〜４０．５Ｖ）へ供給している。

組電池４は、複数のニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ）を４０セル直列接続してなる組電池（定格電圧４８Ｖ）である。組電池４は、交流電源１が有効であるときは充電器３を介して充電され、交流電源１の停電時に放電器８を介して負荷６への放電を行う。

組電池４は、充電時、一定電流（２０Ａ）により充電され、満充電直前には、電池電圧が６０Ｖに達し、整流器２の出力電圧（５６．５Ｖ）を上回る。このとき組電池４から負荷６への放電を防ぐため、放電器８が降圧動作して５６．０Ｖを出力する。このように、組電池４の電圧が充電時に整流器２の出力電圧を上回るため、降圧機能を持つ放電器８が必要であるが、組電池４から負荷６へ至る放電電路に放電器８といった装置が介挿されるため、放電器８の故障により負荷６への給電が不可能となる場合が想定され、システムの給電信頼性が低下するという問題がある。また、整流器２の出力電圧は負荷６の許容上限電圧（５７Ｖ）以下である必要があるから、整流器２の出力電圧を組電池４の満充電電圧（６０Ｖ）以上とすることはできない。

以上のように、充電時に組電池の電圧が整流器出力電圧を上回るため、組電池と負荷の間に降圧のための放電器が必要となり、システムの給電信頼性が低下するという問題がある。

本発明は前記の、放電器の介挿により給電信頼性が低下す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、給電信頼性の高い直流バックアップ電源システムおよびその充電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、
交流電力を直流電力に変換して負荷へ出力する整流器と、１つ以上の蓄電池を直列接続してなる組電池と、前記組電池を充電する充電器とを構成要素とする直流バックアップ電源システムにおいて、前記整流器から前記負荷への給電線に、前記組電池が、前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され、前記充電器の出力上限電圧が、前記整流器の設定出力電圧に前記ダイオードの順方向電圧降下の絶対値を加算した電圧以下に設定され、前記充電器は、該充電器の出力電流が設定上限電流を上回るとき該充電器の出力電圧を垂下し、該充電器の出力電流が設定下限電流を下回るとき充電を停止することを特徴とする直流バックアップ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に記載の直流バックアップ電源システムにおいて、前記組電池を、前記充電器によって、前記設定下限電流で充電するときの前記蓄電池１個当たりの満充電電圧をＶ_ｍとし、前記組電池を構成する前記蓄電池の直列数をｎとするとき、Ｖ_ｍとｎの積が前記充電器の出力上限電圧に等しくなるように設定されていることを特徴とする直流バックアップ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、
交流電力を直流電力に変換して負荷へ出力する整流器と、１つ以上の蓄電池を直列接続してなる組電池と、前記組電池を充電する充電器とを構成要素とし、前記整流器から前記負荷への給電線に、前記組電池が、前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続されている直流バックアップ電源システムの充電方法であって、前記充電器の出力上限電圧を、前記整流器の設定出力電圧に前記ダイオードの順方向電圧降下の絶対値を加算した電圧以下に設定し、前記充電器の出力電流が設定上限電流を上回るとき該充電器の出力電圧を垂下し、該充電器の出力電流が設定下限電流を下回るとき充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源システムの充電方法を構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項３に記載の直流バックアップ電源システムの充電方法において、前記組電池を、前記充電器によって、前記設定下限電流で充電するときの前記蓄電池１個当たりの満充電電圧をＶ_ｍとし、前記組電池を構成する前記蓄電池の直列数をｎとするとき、Ｖ_ｍとｎの積を前記充電器の出力上限電圧に等しくなるように設定することを特徴とする直流バックアップ電源システムの充電方法を構成する。

本発明に係る直流バックアップ電源システムおよびその充電方法によれば、充電時に組電池の電圧上昇が抑制され、組電池の電圧は整流器出力電圧を上回らないため、降圧動作のための放電器が必要なく、給電信頼性の高い直流バックアップ電源システムとすることが可能となる。また、充電可能な最低電流を下回る充電電流が流れないため、蓄電池の劣化を抑制することができる。

本発明に係る直流バックアップ電源システムおよびその充電方法においては、交流電力を直流電力に変換して負荷へ出力する整流器と、１つ以上の蓄電池を直列接続してなる組電池と、前記組電池を充電する充電器とを構成要素とする直流バックアップ電源システムにおいて、前記整流器から前記負荷への給電線に、前記組電池が前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続し、前記充電器の出力上限電圧を、前記整流器の設定出力電圧に前記ダイオードの順方向電圧降下の絶対値を加算した電圧以下に設定し、前記組電池を充電するとき、前記充電器の出力電圧が上限に達するまでは上限電流による一定電流充電を行い、上限に達した後は上限電圧による一定電圧充電に移行し、さらに充電電流が下限値を下回るとき充電を終了する。

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バックアップ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。

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、整流器２は交流電源１からの交流電力を入力して直流電力を出力し、負荷６へ供給する。また、ニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を複数直列接続して組電池４を構成する。組電池４は、整流器２から負荷６へ至る給電線に、組電池４からの放電方向にのみ電力を通すダイオード５を介して並列接続されている。さらに、組電池４に、交流電源１を入力とする充電器３が接続されている。このように構成された直流バックアップ電源システムは、交流電源１が有効であれば整流器２が出力する直流電力を負荷６へ供給し、交流電源１が停電すると整流器２は出力を停止するので、それに代えて、組電池４が出力する電力を負荷６へ供給する。

負荷６の許容電圧範囲は５７Ｖ〜４０．５Ｖであり、この範囲を超える電圧が負荷６へ印加されると負荷６を損傷する恐れがあり、またこの範囲を下回る給電電圧では負荷６が動作できない可能性がある。このため、負荷６を正常に動作させるためには、給電電圧を負荷６の許容電圧範囲内とする必要がある。

よって、出力電圧の精度を考慮し、整流器２の出力電圧を５６．５Ｖと設定する。整流器２の出力が停止したときにのみ組電池４から放電を行うようにするため、組電池４の電圧は整流器２の設定出力電圧（５６．５Ｖ）にダイオード５の順方向電圧降下の絶対値を加算した電圧以下とする必要があり、また組電池４は充電器３により充電されるから、充電器３の出力電圧も整流器２の設定出力電圧（５６．５Ｖ）にダイオード５の順方向電圧降下の絶対値を加算した電圧以下に設定する必要がある。

組電池４への充電を行う際に、充電器３が出力する設定上限電流を２０Ａとし、充電器３は最大２０Ａの直流電力を組電池４へ出力する。出力電流が２０Ａを上回るとき、充電器３は出力電圧を垂下する機能を持ち、組電池４への充電電流が２０Ａを超えないようにすることができる。

組電池４は、上記の設定上限電流（２０Ａ）での充電が開始されると、充電の初期では充電電流が２０Ａに維持されながら、電池電圧が上昇し、同時に充電器３の出力電圧も上昇する。２０Ａの充電が継続されるように、充電器３の出力電圧を上げていくと、ニッケル水素蓄電池セルは１．５Ｖ（満充電電圧）まで電圧が上昇して満充電となる。このとき組電池４の満充電電圧は、１．５Ｖと直列セル数の積である。

組電池４の出力はダイオード５を介して整流器２の出力に並列接続される構成であるため、直列セル数によっては、組電池４の満充電電圧が整流器２の設定出力電圧５６．５Ｖを上回る場合がある。

ここで、組電池４の直列セル数を４０セルとする。満充電まで２０Ａの充電を行う場合、組電池４の満充電電圧は６０Ｖ（１．５Ｖ×４０セル）となり、ダイオード５の順方向電圧降下（１．０Ｖ）を考慮しても、並列接続点においては整流器２の設定出力電圧５６．５Ｖを上回っておりバックアップ電源として機能できない（交流電源１有効時にも、充電器３または組電池４からの電力供給が行われてしまう）。

このため、充電器３の出力上限電圧を、整流器２の設定出力電圧（５６．５Ｖ）にダイオード５の順方向電圧降下の絶対値（１．０Ｖ）を加算した電圧（５７．５Ｖ）以下の５７Ｖに設定する。

組電池４の電圧が低い充電初期では、充電電流は２０Ａに維持され、電圧が上昇して充電器３の出力電圧が５７Ｖに達し、５７Ｖに維持されると、充電電流が徐々に減少する。ただし、蓄電池には充電に必要な最低電流があり、最低電流を下回って充電を継続することは充電に寄与しない反応を引き起こし蓄電池の劣化を促進する。このため、充電電流の下限値として３Ａを設定し、充電器３の出力電流が、この設定下限電流（３Ａ）を下回るときに、満充電に達したとして、充電を停止するものとする。

図２に、この充電を行うときの充電電流と、充電器出力電圧との推移を示す。なお、充電器３が上限電圧５７Ｖを出力するとき、ニッケル水素蓄電池の１セル当たりの電圧は１．４２５Ｖであり、これは３Ａ（設定下限電流）充電時の満充電電圧でもある（充電電流が小さいほど満充電電圧は下がる）ため、組電池４の蓄電能力を十分に発揮させることができる。

また、ダイオード５は順方向の電圧降下１．０Ｖがあるため、組電池４の電圧が５７．０Ｖに達したとしても、組電池４のダイオード５を介した出力電圧は５６．０Ｖであり、整流器２の設定出力電圧５６．５Ｖを超えないため、バックアップ電源としての機能に支障はない。

このような充電を行うためには、例えば、充電制御手段７を構成し、充電電流を計測して充電電流が設定下限電流を下回るときに、充電器３に対して充電終了を命令する制御を行えばよい。

図３に、この充電制御のフローチャートの一例を示す。図において、制御を開始すると、ステップ１（Ｓ１で示す、以下同様）において組電池４の充電を開始し、ステップ２へ進む。ステップ２において、充電器３の出力電流（充電電流）Ｉ_ｃが充電電流の下限値（設定下限電流）Ｉ_ｍｉｎ以上の場合はステップ２に戻り、そうでない場合はステップ３に進む。ステップ３において、充電を終了して制御を終了する。

本実施の形態例では、設定上限電流を２０Ａ、設定下限電流を３Ａとしているが、これらの値は蓄電池の種類により異なるのはもちろん、温度環境などの使用条件によっても異なるため、状況に応じて、これらの値の設定を行うようにすればよい。

蓄電池は放電にしたがって電圧が低下するが、ニッケル水素蓄電池セルにおいては、放電により電圧が１．０５Ｖまで低下したとき定格容量の放電が終了する。組電池４では、定格容量の放電が終了する電圧は４２．０Ｖである。負荷６の許容最低電圧４０．５Ｖであるから、組電池４に蓄積したエネルギーは余すことなく負荷６へ供給することが可能である。

以上のように、組電池を充電するとき、充電器出力電圧が、設定された上限電圧に達するまでは、設定上限電流による一定電流充電を行い、充電器出力電圧が上限電圧に達した後は、上限電圧による一定電圧充電に移行し、さらに充電電流が設定下限電流を下回るとき充電を終了することによって、充電時に組電池の電圧上昇が抑制され、組電池の電圧は整流器出力電圧を上回らないため、降圧動作のための放電器が必要なく、給電信頼性の高い直流バックアップ電源システムを実現できる。また、充電可能な最低電流を下回る充電電流が流れないため、蓄電池の劣化を抑制することができる。

本実施の形態例において、組電池４を構成するニッケル水素蓄電池セルの直列数を４０としたが、この直列数は、充電電流が、充電可能な最低電流として設定した電流値（３Ａ、設定下限電流）になるまで満充電を行ったときの１セル当たりの満充電電圧（１．４２５Ｖ）と直列数の積が整流器２の設定出力電圧（５６．５Ｖ）にダイオード５の順方向電圧降下の絶対値（１．０Ｖ）を加算した電圧を超えないように設定している。

一般には、整流器２の設定出力電圧をＶ_ｒとし、ダイオード５の順方向電圧降下の絶対値をＶ_ｆとし、組電池４を、充電器３によって、設定下限電流で充電するときの蓄電池１個当たりの満充電電圧をＶ_ｍとし、組電池４を構成する蓄電池の直列数をｎとするとき、下式（１）が満たされればよい。すなわち、下式（１）の左辺を、充電器３の出力上限電圧とすればよい。

Ｖ_ｍ×ｎ≦Ｖ_ｒ＋Ｖ_ｆ （１）

また、式（１）を満たすように、直列数ｎだけではなく整流器２の設定出力電圧Ｖ_ｒを調整したり、ダイオード５で用いるダイオードの種類や直列接続によりＶ_ｆを調整したりすることができる。さらに、蓄電池の種類を変更してＶ_ｍを調整することも可能である。

以上、本発明の実施の形態について、蓄電池がニッケル水素蓄電池である直流バックアップ電源システム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）整流器、蓄電池、充電器を組み合わせた直流バックアップ電源システムでは、充電時に組電池の電圧が整流器出力電圧を上回るため、組電池と負荷の間に降圧のための放電器が必要となり、システムの給電信頼性が低下するという問題がある。

本発明により、充電時に組電池の電圧上昇が抑制され、組電池の電圧は整流器出力電圧を上回らないため、降圧動作のための放電器が必要なく、給電信頼性の高い直流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。

（２）蓄電池の一定電圧充電を継続すると、充電電流が充電可能な最低電流を下回り、充電に寄与しない反応を引き起こし蓄電池の劣化を促進するという問題がある。

本発明により、充電可能な最低電流を下回る充電電流が流れないため、蓄電池の劣化を抑制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。 本発明の実施の形態例における充電時の充電電流と充電器出力電圧の推移を説明する図である。 本発明の実施の形態例における充電制御フローチャートを説明する図である。 整流器、組電池、充電器および放電器により構成される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：交流電源、２：整流器、３：充電器、４：組電池、５：ダイオード、６：負荷、７：充電制御手段、８：放電器。

Claims (4)

1. 交流電力を直流電力に変換して負荷へ出力する整流器と、１つ以上の蓄電池を直列接続してなる組電池と、前記組電池を充電する充電器とを構成要素とする直流バックアップ電源システムにおいて、
   前記整流器から前記負荷への給電線に、前記組電池が、前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され、
   前記充電器の出力上限電圧が、前記整流器の設定出力電圧に前記ダイオードの順方向電圧降下の絶対値を加算した電圧以下に設定され、
   前記充電器は、該充電器の出力電流が設定上限電流を上回るとき該充電器の出力電圧を垂下し、該充電器の出力電流が設定下限電流を下回るとき充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源システム。
2. 請求項１に記載の直流バックアップ電源システムにおいて、
   前記組電池を、前記充電器によって、前記設定下限電流で充電するときの前記蓄電池１個当たりの満充電電圧をＶ_ｍとし、前記組電池を構成する前記蓄電池の直列数をｎとするとき、Ｖ_ｍとｎの積が前記充電器の出力上限電圧に等しくなるように設定されていることを特徴とする直流バックアップ電源システム。
3. 交流電力を直流電力に変換して負荷へ出力する整流器と、１つ以上の蓄電池を直列接続してなる組電池と、前記組電池を充電する充電器とを構成要素とし、前記整流器から前記負荷への給電線に、前記組電池が、前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続されている直流バックアップ電源システムの充電方法であって、
   前記充電器の出力上限電圧を、前記整流器の設定出力電圧に前記ダイオードの順方向電圧降下の絶対値を加算した電圧以下に設定し、
   前記充電器の出力電流が設定上限電流を上回るとき該充電器の出力電圧を垂下し、該充電器の出力電流が設定下限電流を下回るとき充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源システムの充電方法。
4. 請求項３に記載の直流バックアップ電源システムの充電方法において、
   前記組電池を、前記充電器によって、前記設定下限電流で充電するときの前記蓄電池１個当たりの満充電電圧をＶ_ｍとし、前記組電池を構成する前記蓄電池の直列数をｎとするとき、Ｖ_ｍとｎの積を前記充電器の出力上限電圧に等しくなるように設定することを特徴とする直流バックアップ電源システムの充電方法。

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