JP2012085525A - アキュムレータ制御装置および方法、ならびに補助電源のためのシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】補助電源で使用されるアキュムレータの充電および/または放電の制御を改善する。
【解決手段】本発明は、遠隔補助電源装置(10)に接続するためのアキュムレータ制御装置(20)を提供し、アキュムレータ制御装置(20)は、アキュムレータ・パラメータを測定し評価するための制御ユニット(210)と、制御ユニット(210)を遠隔補助電源装置(30)に接続するための通信インタフェース(220)とを備え、制御ユニット(210)は、測定されたパラメータ値を補助電源装置(30)に送信するように構成される。本発明はさらに、補助電源のためのシステム、およびこのようなシステムを制御する方法を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、一般に、無停電電源のためのアキュムレータ式システムに関する。本発明は、特に、このようなシステムで使用されるアキュムレータの充電および放電の最適な制御に関する。
多くの電気装置では、無停電電源(UPS)のためのシステムを使用して、エネルギー供給網の故障時にも電気装置を確実に操作できるようにしている。UPSを使用して、通常のエネルギー供給源の故障時に補助エネルギー供給源を提供する。したがって、以下でUPSを「補助電源」という語を使って示すこともある。
補助電源に関し、通常使用されるアキュムレータは、補助電源装置に接続され、あるいは補助電源に接続された負荷に電気エネルギーを供給する。アキュムレータは、通常、1または複数の二次電池を備えた電気化学システムに基づいて電気エネルギーを蓄積するものである。これらの二次電池は、総電圧を高めるために直列に接続することができ、または容量を増加させるために並列に接続することができる。以下で、「電池」という語は充電式電池を指し、したがって、アキュムレータの同義語として使用される。
エネルギー分布網の通常動作時に、補助電源装置により、電気エネルギーが、接続された負荷と電池の両方に供給される。エネルギー供給網の故障時には、電池が負荷に向かって放電を始めるため、この負荷の電気エネルギー供給は中断されない。エネルギー分布網が通常動作に戻ると、電気エネルギーは再び負荷と電池の両方に供給される。
無停電電源(UPS)をその有用性に大きく期待して設置する際、UPSの電池は、電池動作の持続可能時間、すなわち、バッファ可能時間および装置の耐用寿命、したがって有用性を決定する重要な要素となる。
したがって、UPSの電池管理は非常に重要である。電池をその種類に応じて正しく扱うことにより、装置の有用性が実質的に高まる。電池管理の重要な要素は、電池の質を維持するのに重要な働きをする充電ユニットである。
電池容量を最大限に利用できるように、充電終了電圧を最大可能レベルに設定する。これにより、大量のエネルギーが電池に蓄積される。一方、電池の耐用寿命を最大にするためには、やや小さい充電終了電圧を使用することができる。しかし、このような方法では、耐用寿命の長さを優先すると、電池容量を完全に利用することができない。
したがって、電池の耐用寿命とバッファ可能時間との関係を、正確に定義された充電終了電圧により設定することができる。必要な充電終了電圧は、電池温度とともに変化する。充電中の電池温度を考慮したUPSは、電池を維持しながら電池の耐用寿命およびバッファ可能時間を最大にする。
ドイツ公開公報第19834740A1号は、耐用寿命の長さと良好な電流放電能力を達成するために統合監視装置を有する電池を開示している。この統合監視装置は、電池の種々の動作状態を検出、記憶し、センサにより記憶された値と比較し、充電状態や電池の一般的な技術状態に関する表示を得る。
産業用UPSでは、UPSの電子システムを含む補助電源装置が、通常、例えば、トップハット・レール上に取り付けられたハウジングに配置されるが、電池を別の位置に遠隔で取り付けてもよい。補助電源装置により測定された電池電圧の値は、電池とUPSとの間の電線における電圧降下のため、実際の電池電圧から外れている。補助電源装置、例えば、電子システムに配置されたセンサにより測定された温度も、実際の電池温度から外れていることがある。
このような偏差は、通常、補助電源装置によって補正することはできないため、電池が最適に充電されない。
ドイツ公開公報第19834740A1号
したがって、本発明の目的は、特に、補助電源装置およびアキュムレータを互いに遠隔に配置する場合に、補助電源で使用されるアキュムレータの充電および/または放電の制御を改善することのできる方法を提示することである。
この目的は、請求項1に記載のアキュムレータ制御装置、請求項11に記載の補助電源のためのシステム、および請求項12に記載の方法により達成される。従属請求項は、有利な実施形態および発展を提示する。
したがって、本発明は、局所アキュムレータに接続するための第1の電気接続部と、第1の電気接続部に接続され、遠隔補助電源装置に接続するための第2の電気接続部とを備えたアキュムレータ制御装置を提供する。したがって、アキュムレータ制御装置は、接続されたアキュムレータに空間的に近接して配置されることが好ましい。アキュムレータ制御装置は、アキュムレータの安定器の形状とすることができ、またはアキュムレータ・ハウジング内に組み込むことができることが有利である。
アキュムレータ制御装置は、第1の電気接続部に接続されたアキュムレータの少なくとも1つのパラメータ、および/または環境パラメータを測定するように構成された制御ユニットを備える。制御ユニットを遠隔補助電源装置に接続するために、通信インタフェースが設けられ、制御ユニットは、測定されたパラメータ値および/または測定されたパラメータ値から算出された値を、通信インタフェースを介して遠隔補助電源装置に送信するように構成される。
アキュムレータ制御装置は、接続されたアキュムレータと共通の構造ユニットを形成することができることが有利である。このため、補助電源装置とのデータ通信用に構成されたインテリジェント・アキュムレータ・ユニットを設けることが有利である。
本発明の中核となる概念は、特に産業環境において、補助電源装置とアキュムレータが互いに遠隔に配置されるUPSで、正確なパラメータを知ってアキュムレータの信頼性と有用寿命を大きく向上させるため、アキュムレータの端子の現在の電圧と現在の電池温度が、いつでも決定されて補助電源装置に提供される方法を提示することを含む。
そのために、制御装置に接続され、アキュムレータ電圧、アキュムレータ電流、アキュムレータの内部抵抗を測定し、または環境パラメータ、特に温度を測定するように構成された、少なくとも1つの測定装置を設けることが好ましい。
制御ユニットは、電子回路と、有利にはマイクロコントローラとを備える。アキュムレータ制御装置は、好ましくはアキュムレータに直接取り付けられるか、アキュムレータのハウジング内に収容されるため、制御ユニットは、所望の測定値を電池で直接記録する。例えば、アキュムレータ電圧は、アキュムレータの端子で直接測定されることが有利であり、温度は、アキュムレータの電子システム上、またはアキュムレータのハウジングで直接センサにより測定されることが好ましい。
したがって、測定装置が、第1の電気接続部に接続されたアキュムレータに接触して配置された少なくとも1つのセンサを備えることが好ましい。
好ましい実施形態では、アキュムレータ制御装置は、少なくとも1つの接続可能なアキュムレータの特性データが記憶された不揮発性メモリをさらに備える。これらの特性データは、充電平衡化を行う働きをする特性データを含むことが好ましい。このために、制御ユニットが、測定されたアキュムレータ電流および記憶された特性データに応じて充電平衡化(充電状態、SOG)を行うことにより、アキュムレータの充電状態を監視するように構成されることが有利である。例えば、分流抵抗器が、電流を測定する働きをする。アキュムレータ制御装置は、充電状態を表示するための装置をさらに備えて、操作者が現場で充電状態を確認できるようにすることが有利である。充電状態表示部のエネルギー消費を低く維持するために、表示部を手動で作動できるようにし、作動してから所定時間が経過した後に再び自動的に非作動になるようにすることが好ましい。
アキュムレータと補助電源装置との間の電線を、短絡と過負荷から保護するために、アキュムレータ制御装置は、第1の電気接続部と第2の電気接続部との間に接続された電線保護要素を備えることが好ましい。
アキュムレータ制御装置と補助電源装置との間のデータ通信は、バス、特にLIN(ローカル相互接続ネットワーク)バスとして構成された直列バスを介して行われることが好ましい。LINバスは、その容易さが好まれているが、他の適切なバス・システムを使用することもできる。
有利な実施形態では、アキュムレータ制御装置が、複数のアキュムレータ・セルを有する、接続されたリチウム・イオン・アキュムレータまたはリチウム・ポリマー・アキュムレータとともに動作するように構成される。本実施形態では、アキュムレータ制御装置が、アキュムレータのセル電圧を監視するための監視装置と、セル電圧を平衡化するためのバランサ装置とを備え、制御ユニットが、アキュムレータ・セルの過充電または消耗的な放電が検出された場合に、第1の電気接続部と第2の電気接続部との接続を遮断するように構成される。バランサ装置は、例えば、アキュムレータの充電動作中に、より高い電圧レベルを持つセルの充電エネルギーを抵抗器による熱に変換して、セル電圧を平衡化するように構成される。
アキュムレータ制御装置は、通常、内部に永久に記憶された、例えばシリアル・ナンバの形の一意的な識別情報を有する。
本発明による補助電源のためのシステムは、補助電源装置と、補助電源装置に遠隔で接続された少なくとも1つのアキュムレータとを備え、前記の関連するアキュムレータ制御装置が、各アキュムレータの上流に局所的に接続される。
複数のアキュムレータ制御装置が補助電源装置に接続されている場合、アキュムレータ制御装置をアドレス指定する必要がある。このようなアドレス指定を、シリアル・ナンバを使って行うことができる。しかし、シリアル・ナンバは、通常、データ長が大きいため、好ましくはシリアル・ナンバに応じて補助電源装置により付与された一時通信IDを代わりに使用することが有利である。このために、アキュムレータ制御装置は、一時通信IDを記憶するための不揮発性メモリを備えることが有利である。
補助電源のための上記システムを制御する方法により、少なくとも1つの遠隔で接続されたアキュムレータの充電および/または放電が、少なくとも1つの測定されたパラメータおよび/または測定された変数から算出されたパラメータに応じて、補助電源装置により制御され、少なくとも1つのパラメータが、関連するアキュムレータ制御装置から補助電源装置に送信される。
適用に応じて、パラメータの送信が補助電源装置からの要求に応じて、かつ/または、所定の時間間隔で行われることが有利である。アキュムレータ制御装置により決定されて補助電源装置に送信されたパラメータは、例えば、アキュムレータ電圧、アキュムレータ電流、アキュムレータの内部抵抗、アキュムレータの充電状態、および/または、特にアキュムレータ温度等の環境パラメータを含む。
目的に対処するため、補助電源装置は、好ましくは各アキュムレータ制御装置に永久に記憶された識別情報に応じて、接続された各アキュムレータ制御装置に一時通信IDを付与する。
以下、本発明を、添付図面を参照しながら、好ましい実施形態を例として詳細に説明する。図中、同一の参照符号は同一または同様の部分を示す。
本発明による補助電源のためのシステムの好ましい実施形態の基本構成を示す概略図である。 複数のアキュムレータを備えた、本発明による補助電源のためのシステムの好ましい実施形態を示す概略図である。 接続されたアキュムレータと内部温度センサとを備えた、本発明によるアキュムレータ制御装置の好ましい実施形態を示す概略図である。 接続されたアキュムレータと、アキュムレータに配置された温度センサとを備えた、本発明によるアキュムレータ制御装置の好ましい実施形態を示す概略図である。 充電状態を決定するための電流センサを備えた、図4の実施形態を示す概略図である。 充電状態表示部を備えた、図5の実施形態を示す概略図である。 接続されたアキュムレータと、アキュムレータの内部抵抗を決定するための測定装置とを備えた、本発明によるアキュムレータ制御装置の好ましい実施形態を示す概略図である。 接続されたリチウム・イオン・アキュムレータを備えた、本発明によるアキュムレータ制御装置の好ましい実施形態を示す概略図である。
図1は、補助電源のためのシステムを示す。このシステムが備える補助電源装置10は、接続された負荷150に電気エネルギーを供給する働きをし、そのために電線110を介して電源回路網に接続される。電源回路網が故障した場合、電気エネルギーが充電式電池30から負荷150に向けられて、電池30が放電する。電源回路網が再び使用可能になると、再び負荷150に電源回路網から直接供給されて、電池30が充電される。電池30には充電終了電圧が充電される。この充電終了電圧は、補助電源装置10により制御され、好ましくは電池の種類、電池電圧、および電池温度に応じて調節される。
最適な充電動作に必要なパラメータは、電池30の上流に接続されたアキュムレータ制御装置20からバス140を介して補助電源装置10に送信される。アキュムレータ制御装置20は、そのために、データの測定、評価、送信を制御するマイクロコントローラを備える。
電池30は、アキュムレータ制御装置20を貫通する2本の電流伝送線130を介して補助電源装置10に接続される。バス140を介したデータ通信は、第3の線を介して行われる。この線には、電流を伝送する能力はあまり要求されない。
電力線130は、アキュムレータ制御装置20に配置された電線保護要素230により保護される。図1に示す実施形態では、電流を測定するための分流抵抗器250がさらに設けられる。アキュムレータ制御装置20は、好ましくは、図1に示されていない制御ユニット210を備える。制御ユニット210は、装置制御のためのマイクロコントローラ、および追加の、または別の電子部品を備える。アキュムレータ制御装置20の内部構成は、別の好ましい実施形態20a〜20fについて、図3〜8に詳細に示される。
補助電源装置10は、バス120を介して、より高レベルの制御装置(図示せず)に接続できることが有利である。
アキュムレータ制御装置20は、電池の種類、公称電圧、公称容量、ハードウェアのバージョン、ファームウェアのバージョン、充電方法の種類、電荷保持の種類、充電電流、充電終了電圧、放電終了電圧、充電終了電圧の温度係数、電池モジュールの製造日、電池モジュールのシリアル・ナンバ、通信アドレス等の定数データを、不揮発性に記憶している。
1つまたは複数の電池30を関連する制御装置20および補助電源装置10とともに動作させることができる。したがって、バッファ時間は、電池モジュールの数により増減することができる。
制御装置20が、蓄積中の電池30の負荷とならないように、マイクロコントローラは、データが受信されない、例えば2分間の後に、最小エネルギーのみが消費される動作モードに変更することが有利である。データ・トラフィックが通信チャネルで再開すると、マイクロコントローラが立ち上がる。
図2は、複数の電池30が補助電源装置10に接続された、好ましい実施形態を示す。図示した実施形態では、まず電池30が端子ブロック(端子)40に接続される。電池と端子との間の電線は、電池30の上流に接続された制御装置20内で、ヒューズにより過負荷から保護される。端子40と補助電源装置10との間の電線は、別のヒューズ410により保護される。すべての制御装置20のデータ線は、単に端子40内で互いに接続され、補助電源装置10に向けられる。
したがって、それぞれが電池30と関連する制御装置20とを備える複数の「インテリジェント」電池ユニット50を補助電源装置10に接続することができる。各電池ユニット50と別個に通信できるように、各制御装置(電池端子ユニット、BTU)20を、一意的なアドレス指定ができるようにしなければならない。例えば、各BTU20の一意的なシリアル・ナンバをこの目的で使用することができる。しかし、一般にシリアル・ナンバは非常に長く、結果としてメッセージ・トラフィックを不必要に増加させてしまう。このため、補助電源装置10は、シリアル・ナンバに基づいて各BTU20に一意的な通信アドレスを付与して各BTU20に送信し、各BTU20がその通信アドレスを不揮発性メモリに記憶することが好ましい。
このアドレス指定の好ましい変形例は、以下のステップを含む。
1 同報メッセージにより、接続されたBTU20のすべての通信アドレスが削除され、または無効な通信アドレスに上書きされる。
2 同報メッセージにより、補助電源装置10は、通信アドレスをまだ持っていないBTU20について尋ねる。
3 有効な通信アドレスを持っていないBTU20は、例えば、100〜1000msの任意の待機時間の後に応答する。BTU20は応答前に、通信路が空いているかどうかを確認する。BTU20の応答には、BTU20の一意的なシリアル・ナンバが含まれる。
4 補助電源装置10は、シリアル・ナンバに関連する各BTU20に通信アドレスを伝える。この通信アドレスは、BTU20に不揮発に記憶される。
5 補助電源装置10は、これ以上応答が得られなくなり、すべてのBTU20がアドレス指定されるまで、新しいBTU20について尋ねる。
図3は、第1の電気接続部201に接続されたアキュムレータ30を有するアキュムレータ制御装置20aの好ましい実施形態を示す。第2の電気接続部202は、補助電源装置に接続するために設けられる。接続されたアキュムレータのパラメータを測定し評価するために、制御ユニット210が装置制御(電子装置制御)のために設けられる。制御ユニット210は、マイクロコントローラを備え、LINバス・ドライバ220によりLINバスに接続された補助電源装置と、データ接続部203に接続されたLINバスを介して通信するように構成される。図示した実施形態では、制御ユニット210が、アキュムレータ電圧を測定するように構成され、そのために対応する信号入力部を有する。制御ユニットは、プリント回路基板に配置された温度センサ241をさらに備える。
制御ユニットの電子ユニットが、例えば、12Vまたは24Vの電池電圧から直接操作され、LINバス・ドライバによって、マイクロコントローラへの供給電圧、例えば、3.3Vまたは5Vが使用可能になることが有利である。例えば、ヒューズまたはMOSFETの形状の電線保護要素230は、電池30と補助電源装置との間の電線を短絡および過負荷から保護する。
図4に示す制御装置20bの実施形態は、図3に示す実施形態にほぼ対応しているが、温度センサ242が制御ユニット210のプリント回路基板上ではなく、電池ハウジング上に配置され、電線により制御ユニット210に接続される。
図5に示す制御装置20cの実施形態では、例えば、分流抵抗器の形状の電流センサ250が設けられ、この電流センサ250により、電池電流を測定し評価することができる。その結果、充電平衡化(充電状態、SOC)を電池で直接行うことができる。このために必要な電池30の特性データは、制御ユニット210に不揮発に記憶される。
図6に示す制御装置20dの実施形態は、図5に示す実施形態にほぼ対応しているが、例えば、LED棒グラフ状の表示部270がさらに設けられる。この表示部270により、電池30の現在の充電状態を示すことができる。表示部270は、小さい押しボタン260により始動することができ、電池30が接続されていないときにエネルギーを節約するため、短時間後に自動的に終了する。
図7に示す制御装置20eの実施形態は、電池30の電圧、電流、温度に加えて、内部抵抗(ESR)を測定するように構成される。このために、電池電流が流れるように、切り換え可能な負荷252、例えば、MOSFETを設けて、電池30の内部抵抗(ESR)を測定する。これにより、電池の質(劣化状態(SOH)、容量損失)が決定される。電源256を入れると、電池30に追加電流が掛かる。電池電流は、分流器250の電流とESR分流器252の電流とを合わせたものである。電池のESRは、電池電圧の差と電池電流の差とから算出することができる。
図8に示す制御装置20fの実施形態は、リチウム・イオン電池またはリチウム・ポリマー電池30’を使用するように構成される。本実施形態では、制御ユニットが、セル電圧を測定するための信号入力部と、電池セルを平衡化するための装置とを備える。さらに、制御ユニット210は、過負荷、消耗的な放電、または短絡の場合に、装置280を使用して電池30’を補助電源装置から離すように構成される。このような障害状態は、バス通信により補助電源装置10に伝えられることが好ましい。

Claims (15)

  1. 局所アキュムレータに接続するための第1の電気接続部(201)と、
    前記第1の電気接続部(201)に接続され、遠隔補助電源装置(10)に接続するための第2の電気接続部(202)と、
    前記第1の電気接続部(201)に接続されたアキュムレータの少なくとも1つのパラメータ、および/または環境パラメータを測定するように構成された制御ユニット(210)と、
    前記制御ユニット(210)を前記遠隔補助電源装置(10)に接続するための通信インタフェース(220)とを備え、
    前記制御ユニット(210)が、測定されたパラメータ値および/または測定されたパラメータ値から算出された値を、前記通信インタフェース(220)を介して前記遠隔補助電源装置(10)に送信するように構成された、アキュムレータ制御装置(20、20a−20f)。
  2. アキュムレータ電圧、
    アキュムレータ電流、
    アキュムレータの内部抵抗、または
    環境パラメータ、特に温度を測定するために、前記制御ユニット(210)に接続された少なくとも1つの測定装置を備えた、請求項1に記載のアキュムレータ制御装置。
  3. 前記測定装置が、前記第1の電気接続部に接続されたアキュムレータに接触して配置された少なくとも1つのセンサ(242)を備えた、請求項2に記載のアキュムレータ制御装置。
  4. 少なくとも1つの接続可能なアキュムレータの特性データが記憶された不揮発性メモリをさらに備え、前記制御ユニットが、少なくとも測定されたアキュムレータ電流および記憶された特性データに応じてアキュムレータの充電状態を監視するように構成された、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のアキュムレータ制御装置。
  5. 充電状態を表示するための装置(260、270)をさらに備えた、請求項4に記載のアキュムレータ制御装置。
  6. 前記第1の電気接続部と前記第2の電気接続部との間に接続された電線保護要素(230)をさらに備えた、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のアキュムレータ制御装置。
  7. 前記通信インタフェースが、バス、特にLINバス(140)上で動作するように構成された、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のアキュムレータ制御装置。
  8. 接続されたアキュムレータとともに、共通の構造ユニット(50)を形成する、請求項1乃至7のいずれか1項に記載のアキュムレータ制御装置。
  9. 複数のアキュムレータ・セルを有する、接続されたリチウム・イオン・アキュムレータまたはリチウム・ポリマー・アキュムレータ(30’)のセル電圧を監視するための監視装置と、
    セル電圧を平衡化するためのバランサ装置とを備え、
    前記制御ユニット(210)が、アキュムレータ・セルの過充電または消耗的な放電が検出された場合に、前記第1の電気接続部と前記第2の電気接続部との接続を遮断するように構成された、請求項1乃至8のいずれか1項に記載のアキュムレータ制御装置。
  10. アキュムレータ制御装置を一意的に識別する永久識別情報を記憶し、一時通信IDを記憶するための不揮発性メモリを備えた、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のアキュムレータ制御装置。
  11. 補助電源装置(10)と、
    前記補助電源装置(10)に遠隔で接続された少なくとも1つのアキュムレータ(30)とを備え、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の関連するアキュムレータ制御装置(20)が、各アキュムレータ(30)の上流に局所的に接続される、補助電源のためのシステム。
  12. 少なくとも1つの遠隔で接続されたアキュムレータ(30、30’)の充電および/または放電が、少なくとも1つの測定されたパラメータおよび/または測定された変数から算出されたパラメータに応じて、補助電源装置(10)により制御され、少なくとも1つのパラメータが、関連するアキュムレータ制御装置(20)から前記補助電源装置(10)に送信される、請求項11に記載の補助電源のためのシステムを制御する方法。
  13. パラメータの送信が、前記補助電源装置からの要求に応じて、かつ/または、所定の時間間隔で行われる、請求項12に記載の方法。
  14. 少なくとも1つのパラメータが、
    アキュムレータ電圧、
    アキュムレータ電流、
    アキュムレータの内部抵抗、
    アキュムレータの充電状態、および/または
    環境パラメータを含む、請求項12または13に記載の方法。
  15. 一意的な永久識別情報が各アキュムレータ制御装置(20)および前記補助電源装置(10)に記憶され、各永久識別情報に応じて、接続された各アキュムレータ制御装置(20)に一時通信IDを付与する、請求項12乃至14のいずれか1項に記載の方法。
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