JP2012105509A - 直並列切替システム、電力供給装置、電力供給制御装置及び直並列切替方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力源の直並列の切り替えを、簡易な構成で実現することが可能な、新規かつ改良された直並列切替システムを提供する。
【解決手段】２以上の電力供給源を直列に接続する２以上の第１スイッチと、２以上の電力供給源を並列に接続する２以上の第２スイッチと、第１のスイッチ及び第２のスイッチをそれぞれのスイッチに対して独立して切り替えるスイッチ切替部と、を備え、２以上の電力供給源は、電力入力側にそれぞれ共通して接続される第１のバスラインと、電力出力側にそれぞれ共通して接続される第２のバスラインと、を少なくとも含むバスラインに接続され、第１スイッチ及び第２スイッチを、スイッチ切替部によって切り替えることで、第１のバスライン及び第２のバスラインへ接続してまたは第１のバスライン及び第２のバスラインから切り離して、電力供給装置の接続を直列と並列とで切り替える、直並列切替システムが提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、直並列切替システム、電力供給装置、電力供給制御装置及び直並列切替方法に関する。

電力源あるいは負荷の直列、並列接続は、電気回路の基本となるものである。受動負荷においては直列、並列の接続は原理的な困難は伴わず、対応する電気配線を実現すればいい。一方、電力源においては、その電圧、あるいは電流容量を考慮しないと危険であり単純な直列、並列接続はできない。

例えば、電池の並列接続の場合、並列接続される個々の電池の出力電圧が等しいという条件や、電池の種類（さらには、メーカ、ロットまで）が同一という条件が必要になる。これは各々の電池の種類が異なると、充電、放電特性が異なり、当初は同じ電圧であっても、時間が経つと電圧のアンバランスが発生し、どれかの電池が他を充電してしまったり、特定の電池のみにストレスが掛かったりするなどの悪影響があるからである。

直列接続においては、直列接続された全体の電流容量は一番小さいもので決まり、各素子の電流容量が同程度でないと、効果的な接続はできない。しかし、この電気的特性をよく揃えることで、あるいは各素子に対する電流配分の制御（並列の場合）、電流容量を同程度とする（直列の場合）等の対策を入れることで、電力源も直列、並列接続及びそれらの切り替えが可能となり、実際に使用されている。

しかし、従来の電力源の直列、並列接続の切り替えには、多くの配線が必要になるという問題があった。具体的には後述するが、例えば、電力源と同様に電力を制御する負荷としてのモータの例を示すと、この場合４つのモータの直並列を切り替えようとする場合でも複雑な配線が必要になり、しかも、すべての配線は電力配線であり、モータの容量に見合ったものが必要になってしまう。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電力源の直並列の切り替えを、簡易な構成で実現することが可能な、新規かつ改良された直並列切替システム、電力供給装置、電力供給制御装置及び直並列切替方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、２以上の電力供給源と、各前記電力供給源に対応して設けられ、前記２以上の電力供給源を直列に接続する２以上の第１スイッチと、各前記電力供給源に対応して設けられ、前記２以上の電力供給源を並列に接続する２以上の第２スイッチと、を備え、前記２以上の第１のスイッチ及び前記２以上の第２のスイッチの組、それぞれ独立して切り替えられ、前記２以上の電力供給源は、各前記電力供給源の電力入力側にそれぞれ共通して接続される第１のバスラインと、各前記電力供給源の電力出力側にそれぞれ共通して接続される第２のバスラインと、を少なくとも含むバスラインに接続され、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを、前記スイッチ切替部によって切り替えることで、前記第１のバスライン及び前記第２のバスラインへ接続してまたは前記第１のバスライン及び前記第２のバスラインから切り離して、前記電力供給装置の接続を直列と並列とで切り替える、直並列切替システムが提供される。

上記直並列切替システムは、前記電力供給源に、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えを指示するスイッチ切替指示部をさらに備えていてもよい。

上記直並列切替システムは、前記電力供給源に、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えに関する情報の通信を実行するモデムをさらに備え、前記モデムは、前記切り替えに関する情報の通信により受信した情報を前記スイッチ切替指示部に通知し、前記スイッチ切替指示部は前記モデムから受信した情報に基づいて前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えを指示するようにしてもよい。

前記モデムは、電力に重畳された前記切り替えに関する情報を受信するようにしてもよい。

前記バスラインは、前記電力供給源間の出力側と入力側とを接続する第３のバスラインをさらに備え、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチは前記第３のバスライン上に設けられているようにしてもよい。

上記直並列切替システムは、前記モデムとの間で前記切り替えに関する情報の通信を実行する電力供給制御装置をさらに含んでいてもよい。

前記電力供給源は太陽電池モジュールであってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、他の電力供給源と直列に接続するための第１スイッチと、他の電力供給源と並列に接続するための第２スイッチと、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えに関する情報の通信を実行するモデムと、を備え、前記２以上の第１のスイッチ及び前記２以上の第２のスイッチの組、それぞれ独立して切り替えられ、他の電力供給源の電力入力側にそれぞれ共通して接続される第１のバスラインと、他の電力供給源の電力出力側にそれぞれ共通して接続される第２のバスラインと、を少なくとも含むバスラインに接続されており、前記モデムは、前記切り替えに関する情報の通信により受信した情報を前記スイッチ切替指示部に通知し、前記スイッチ切替指示部は前記モデムから受信した情報に基づいて前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えを指示する、電力供給装置が提供される。

前記モデムは、電力に重畳された前記切り替えに関する情報を受信するようにしてもよい。

前記電力供給源は太陽電池モジュールであってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、各電力供給源に対応して設けられ、他の電力供給源と直列に接続するための第１スイッチと、各前記電力供給源に対応して設けられ、他の電力供給源と並列に接続するための第２スイッチと、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えを指示するスイッチ切替指示部と、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えに関する情報の通信を実行するモデムと、を含み、他の電力供給源の電力入力側にそれぞれ共通して接続される第１のバスラインと、他の電力供給源の電力出力側にそれぞれ共通して接続される第２のバスラインと、を少なくとも含むバスラインに接続されている電力供給装置との間で、前記切り替えに関する情報の通信を実行する、電力供給制御装置が提供される。

上記電力供給制御装置は、前記モデムとの間で、前記切り替えに関する情報を電力に重畳させて通信するようにしてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、２以上の電力供給源と、各前記電力供給源に対応して設けられ、前記２以上の電力供給源を直列に接続する２以上の第１スイッチと、各前記電力供給源に対応して設けられ、前記２以上の電力供給源を並列に接続する２以上の第２スイッチと、を備え、前記２以上の第１のスイッチ及び前記２以上の第２のスイッチの組、それぞれ独立して切り替えられ、前記２以上の電力供給源は、各前記電力供給源の電力入力側にそれぞれ共通して接続される第１のバスラインと、各前記電力供給源の電力出力側にそれぞれ共通して接続される第２のバスラインと、を少なくとも含むバスラインに接続される直並列切替システムにおいて、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを、前記スイッチ切替部によって切り替えることで前記電力供給装置の接続を直列と並列とで切り替える直並列切り替えステップを含む、直並列切替方法が提供される。

以上説明したように本発明によれば、電力源の直並列の切り替えを、簡易な構成で実現することが可能な、新規かつ改良された直並列切替システム、電力供給装置、電力供給制御装置及び直並列切替方法を提供することができる。

従来の直並列接続の切り替えの一方法を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システムの構成例を示す説明図である。 図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０において、電力源Ｖ１〜Ｖ６をすべて並列接続とした場合を示す説明図である。 図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０において、電力源Ｖ１〜Ｖ６をすべて直列接続とした場合を示す説明図である。 図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０において、電力源Ｖ１、Ｖ２を直列に接続し、電力源Ｖ３、Ｖ４を直列に接続し、電力源Ｖ５、Ｖ６を直列に接続し、これら直列に接続した電力源を並列接続とした場合を示す説明図である。 図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０において、電力源Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を直列に接続し、電力源Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を直列に接続し、これら直列に接続した電力源を並列接続とした場合を示す説明図である。 図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０に含まれる一つの電力源を抜き出して示す説明図である 図７に示したこれらの構成要素とバスラインを分離し、接続点を明確にしたものを示す説明図である。 本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０における、バスライン側の構成を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０の構成例を示す説明図である。 図１０に示した本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０を、バスラインと、バスラインに接続される電力源をユニットという形態で表す説明図である。 本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０による直並列接続を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０による直並列接続を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０による直並列接続を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０による直並列接続を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０の構成例について示す説明図である。 本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０の構成例について示す説明図である。 本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０の構成例について示す説明図である。 本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム４０の構成例について示す説明図である。 図１４に示した本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム４０の構成要素であるユニット（バッテリ装置４１０ａ）の内部を機能ブロックで示す説明図である。 本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０の構成例を示す説明図である。 本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０の構成例を示す説明図である。 本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０の構成例を示す説明図である。 本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０の構成例を示す説明図である。 本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０の構成例を示す説明図である。 本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０のバスライン、およびユニット構造を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
＜１．従来の直並列切り替え＞
＜２．本発明の第１の実施形態＞
＜３．本発明の第２の実施形態＞
＜４．本発明の第３の実施形態＞
＜５．本発明の第４の実施形態＞
＜６．本発明の第５の実施形態＞
＜７．まとめ＞

＜１．従来の直並列切り替え＞
まず、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する前に、従来において広く用いられている電力源の直並列切り替え、及びその問題点について説明する。

永久的な直並列接続は、設計時に使用されるデバイスの物理特性を考慮して実施されるので、それらの配線は永久に変更される事はない。

一方、ダイナミックに直列、並列を切り替えて使用する場合については、その配線が大きな問題となる。一つの古典的な例では、抵抗制御とモータの直並列切り替えにより制御される直流電気機関車がある。なお、近代的な直流電気機関車では、半導体を使用してモータ端子電圧をゼロから連続的に上昇させるのが普通であり、ここで述べる直並列制御は使用されない。

例えば、日本で使用された、動輪が６軸の機関車では直流モータが各軸に対して１個用意され、合計で６個使用される。一方、架線電圧は通常１５００Ｖの直流であり、停止状態から起動状態に移行したり、速度を増加したりする際には、直流モータにかかる電圧を制御する必要がある。交流電化ならば、機関車内部にトランスを用意し、沢山の電圧を容易に発生できるが、（半導体の無い時代では）直流の電圧変換は極めて困難であった。

このため、このような直流電気機関車は、起動時には６個のモータをすべて直列にし、さらに直列に抵抗を挿入して回転を始めている。即ち、既存の直流電気機関車は、電源の供給電圧をモータの端子電圧でいわば６分割する訳である。なお、ここではモータは全く同一の特性、各モータ間での速度は同一とする。抵抗はモータへの電流制限を行う。モータが回転を始めると、モータの逆起電圧によりある一定回転数となってしまう事、および常時、抵抗器に電流を流し続けると発熱が大きすぎるため、徐々に抵抗を小さくし、単純に６個直列とする。

さらにモータを高速にするために、３個直列のペアを並列に接続する（このとき抵抗器も併用してもいい）。そしてさらに高速にするには２個直列の３ペアの並列にし、最終的には６個すべて並列というように切り替えて行く（さらに高速が欲しい場合には直流モータの界磁電流を減らすという制御も行われるが、ここではこの制御は関係しない）。すなわち、６個のモータの接続を直列と並列とで切り替えることになり、この切り替えのためのスイッチが用意され、運転手の制御によりこのスイッチを切り替えながら直流電気機関車は走行する。

図１は、従来の直並列接続の切り替えの一方法を示す説明図である。説明の簡素化のために、図１では、モータが４個の場合における直並列接続の切り替えについて示されている。また図１には、パンタグラフ１０００及び電線１０１０も図示している。この図１では、スイッチＳｎＡ、ＳｎＢ（ｎ＝１，２，３，４）により、モータは三状態の接続が実現される。なお、いわゆる抵抗制御では直列抵抗が必要であるが、これは図１では省略した。

スイッチＳｎＡ、ＳｎＢは、端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が設けられ、端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の切り替えにより、モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の接続は以下のように切り替えられる。
Ｐ１：Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は直列
Ｐ２：（Ｍ１，Ｍ２直列）と（Ｍ３，Ｍ４直列）の並列
Ｐ３：Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４すべて並列

しかし、図１から明らかなように、これらの切り替えには、４個のモータでさえ、図１に示したような煩雑な配線が必要であった。また、これらすべての配線は電力配線であり、モータの容量に見合ったものが必要であった。

また、太陽電池のような自然エネルギーを用いてバッテリを充電する場合を考えると、その特性を有効に用いるために、いわゆるＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ）という技術が用いられる。このＭＰＰＴは、天候に応じた太陽電池の出力電力の最大値を、トラッキングするように負荷（例えばバッテリーチャージャ）を制御するものである。

一方、太陽電池はその天候により発電量は大きく変化し、特に曇りの日や夕方などになると、一枚のパネルからの出力電圧はＭＰＰＴの許容範囲外にまで達する。このような場合、太陽電池を直列接続すれば、少なくとも電圧は高めることができる。この場合、電流としては、晴天に比べ、非常に小さいかもしれないが、電圧が高く取れるという事は、その電力を変換するのに都合がいい。

例えば、１０枚の太陽電池があり、一枚あたり１Ｖの出力では、これを昇圧し利用するのは困難であるが、すべて直列接続すれば１０Ｖととなり、利用しやすくなる。一方、太陽光が十分なときに、一枚あたり１０Ｖが得られるならば、これを５枚直列にしたものを並列にすれば５０Ｖが期待できる。電圧が５０Ｖであれば感電の危険はほぼ回避でき、安全性が（１０Ｖの太陽電池を１０枚直列の接続した場合の）１００Ｖの場合よりも高まる。

しかしながら、図１に示したようなスイッチャーによる切り替えではその配線が複雑であるし、また太陽電池を途中で増減させたい場合などではその配線の組み直し等が極めて困難である。

そこで、以下で説明する本発明の一実施形態では、配線を複雑にすること無く、複数の電力源の接続形態を容易に切り替えることができる直並列切替システムについて説明する。

＜２．本発明の第１の実施形態＞
上述したように、同じ仕様の太陽電池の直並列が容易に切り替えられると、配線等が単純化され、そのメリットは大きい。そのためには、図１に示したような、個々の配線を一点に集中するような方式ではなく、それぞれの太陽電池の入力側と出力側にそれぞれ共通して接続されるバスラインを用意し、このバスラインに太陽電池を接続できると都合がいい。以下において、そのような構成を有する、本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システムの構成例について説明する。

図２は、例えば太陽電池のような、複数の電力源の接続形態を切り替えるための、本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０の構成例を示す説明図である。以下、図２を用いて、本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０の構成例について説明する。

図２に示したように、本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０は、電力源Ｖ１〜Ｖ６と、スイッチＳ１１，Ｓ１２，・・・，Ｓ６１，Ｓ６２と、を含んで構成される。電力源Ｖ１〜Ｖ６は、スイッチＳ１１，Ｓ１２，・・・，Ｓ６１，Ｓ６２の切り替えによって、直列、並列接続が実現される。電力源Ｖ１を直流電源、ＯＵＴを＋出力とする場合には、電力源Ｖ１のＡは−入力端子であり、Ｂは＋出力端子である。もちろん、＋、−を完全に逆にしてもいい。また、電力源Ｖ１が直流電源ではなく交流電源であった場合でも、周波数や位相が揃ったものであるならば、図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０と同様に動作可能である。

なお、図中のスイッチＳ１１，Ｓ１２間の破線は、これらのスイッチＳ１１，Ｓ１２が連動して動作することを意味している。図２に示したその他のスイッチ間の破線についても同様である。

基本的な構造は同じユニットで構成されるが、図２で示したように、電力源の開始点（左端）は、直列、並列ともＡ点はＧＮＤに接続される必要がある。同様に電力源の最終端（右端）は、直列、並列に限らずＢ点はＯＵＴに接続される。

以上、図２を用いて、本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０の構成例について説明した。次に、本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０に含まれる電力源の接続形態の変化について、図面を参照しながら説明する。

図３は、図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０において、電力源Ｖ１〜Ｖ６をすべて並列接続とした場合を示す説明図である。スイッチＳ１１，Ｓ１２，・・・，Ｓ６１，Ｓ６２を図３のように接続するように設定することで、電力源Ｖ１〜Ｖ６は、全て並列接続となる。このスイッチの切替は、例えば、各動力源の外部からのスイッチ切り替え命令の送出により遠隔操作されるようにしてもよい。このように各スイッチを遠隔操作されるようにすることで、面倒な配線の切り替えを要すること無く、出力の変化に応じて動的に各動力源の接続形態を変化させることが出来る。なお、この時、電力源Ｖ１〜Ｖ６の電圧が揃っている事などの前提条件が実用上は必要となるが、ここではまずトポロジーを問題とする。以下の説明においても同様である。

図４は、図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０において、電力源Ｖ１〜Ｖ６をすべて直列接続とした場合を示す説明図である。スイッチＳ１１，Ｓ１２，・・・，Ｓ６１，Ｓ６２を図４のように接続するよう設定することで、電力源Ｖ１〜Ｖ６は、全て直列接続となる。ここでスイッチＳ６２は、他の対応する部分と接続が異なっている。これは出力の最終端では、直列でも並列でも、ＯＵＴ端子から出力を得られるようにするためである。

図５は、図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０において、電力源Ｖ１、Ｖ２を直列に接続し、電力源Ｖ３、Ｖ４を直列に接続し、電力源Ｖ５、Ｖ６を直列に接続し、これら直列に接続した電力源を並列接続とした場合を示す説明図である。スイッチＳ１１，Ｓ１２，・・・，Ｓ６１，Ｓ６２を図５のように接続するよう設定することで、電力源Ｖ１〜Ｖ６は、電力源Ｖ１、Ｖ２を直列に接続し、電力源Ｖ３、Ｖ４を直列に接続し、電力源Ｖ５、Ｖ６を直列に接続した上で、これら直列に接続した電力源を並列接続することができる。

図６は、図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０において、電力源Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を直列に接続し、電力源Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を直列に接続し、これら直列に接続した電力源を並列接続とした場合を示す説明図である。スイッチＳ１１，Ｓ１２，・・・，Ｓ６１，Ｓ６２を図６のように接続するよう設定することで、電力源Ｖ１〜Ｖ６は、電力源Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を直列に接続し、電力源Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を直列に接続した上で、これら直列に接続した電力源を並列接続することができる。

このように、スイッチＳ１１，Ｓ１２，・・・，Ｓ６１，Ｓ６２の接続を制御することで、電力源Ｖ１〜Ｖ６の接続状態を直列、並列とで容易に切り替えることが可能になる。

ここで、図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０が、このようにバスラインとして実現可能かどうかはこのままでは分かりにくい。そこで、図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０が、バスラインとして実現可能であることを説明する。図７は、図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０に含まれる一つの電力源及びスイッチを抜き出して示す説明図である。すなわち、図７では、電力源Ｖｎ、スイッチＳｎ１、Ｓｎ２（ｎ＝１，２，３，４，５，６）が構成要素である。

図８は、図７に示したこれらの構成要素とバスラインを分離し、バスライン１１０と、そのバスライン１１０と電力源Ｖ１との接続点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を明確にしたものを示す説明図である。

図８に示したように、電力源Ｖ１はバスライン１１０と接続点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４で接続されており、電力源Ｖ１に接続されるバスライン１１０は、少なくとも、出力（ＯＵＴ）、共通（ＣＯＭ）、隣接接続（ＪＭＰ）ラインの３線でいいことが分かる。

図９は、図２に示した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０における、バスライン１１０側の構成を示す説明図である。なお、図９では、電力源Ｖ１は省略して図示している。

図９に示したように、バスラインは基本的に３本の電力線により構成され、これらのユニットとの接続点（Ｎｏｄｅ）は４箇所必要である。すなわち、３本のバスラインと、４ピンのコネクタによるＮｏｄｅがあれば、電力源の直列、並列接続の基本的な制御ができる。なお、３本のバスラインの内、一本は隣の電力源との接続に用いられるため、連続線ではない。このようにバスラインが構成されていることで、例えば上述したような６個の電力源の直列、並列接続の切り替えが完全に可能であり、これが例え１２個に増えた場合であっても、バスラインの本数や、コネクタのピン数は同じ数でいい。

ただし、隣接する電力源をスキップすることや、隣接する電力源をスキップした上で、直列接続した電力源を入れ子状に並列接続することはこの例では出来ない。

ここまで述べてきた本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０においては、スイッチＳ１１，Ｓ１２，・・・，Ｓ６１，Ｓ６２を手動または何らかの手段により遠隔切り替えを行う事で、電力源Ｖ１〜Ｖ６の直並列の切り替えを行うものである。これにより、本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０は、複雑な配線を用いること無く、複数の電力源の接続形態を直列・並列で切り替えることが可能になる。

＜３．本発明の第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下で説明する本発明の第２の実施形態は、電力源として直流電力源を前提とする。これは太陽電池やバイオマスなどの自然エネルギーによる電力源が直流であること、また風力発電のように（その発電したままでは）交流でも周波数、電圧とも不定なものは一旦直流化してから扱う方が便利だからである。ただし、時間変化する直流を、あえて直流＋交流とはみなさない。

図１０は、本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０の構成例を示す説明図である。以下、図１０を用いて本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０の構成例について説明する。

図１０に示した本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０では、スイッチは半導体による２個のスイッチに置き換えられている。また図１０に示したように、並列時には動作するが直列時にはカットオフするダイオードが含まれている。このようにスイッチとダイオードとを組み合わせることで、構成が簡素化され制御しやすくなるという利点が生じる。そして、それぞれのバッテリＢａｔ１〜Ｂａｔ７は、出力（ＯＵＴ）、共通（ＣＯＭ）、隣接接続（ＪＭＰ）ラインからなる３線のバスライン２１０上に接続される。

これら複数の直流電力源であるバッテリＢａｔ１〜Ｂａｔ７が、すべて並列、すべて直列、２直列の３並列、３直列の２並列のいずれも制御可能となるのは図１０より明確である。

一方、上記スイッチをメカニカルスイッチとして、電力源が接続された時にはオープンとなるようなものも使用できる。例えば、電力源同士の接続にはコネクタを用いることになるので、これが挿入されるとオープンとなるマイクロスイッチのようなものが用いられる。

図１１は、図１０に示した本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０を、バスライン２１０と、バスライン２１０に接続される電力源をユニットという形態で表す説明図である。図１１に示した構成も、すべて並列、すべて直列、２直列の３並列、３直列の２並列のいずれも制御可能となるのは明らかである。

図１１に示したダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、ユニットが抜かれている場合でも、直列が可能となるように挿入したダイオードであり、この点、上述した本発明の第１の実施形態にかかる直並列切替システム１０よりも利点がある。このダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、バスラインにユニットが接続され、直列モードに設定された時には、そのユニット自体の起電力により逆バイアスされ、動作しない。また、並列モードではもともと動作に無関係となる。このダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３が無い場合には、あるユニットが抜かれてしまうか、またはユニットが接続されていても完全オフである（つまり、直列でも、並列でもない）場合には、このユニットを挟んでの直列はできない。

なお、図１１に示したダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、ユニットが接続されるとＯＦＦとなるメカニカル接点でもいい。この場合、コネクタが抜かれるとメカニカル接点がＯＮする構造であり、これは例えば、スイッチ付イヤフォンジャックなどのようなものに用いられている機構が使用できる。

図１２Ａ〜図１２Ｄは、本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０による直並列接続を示す説明図である。

図１２Ａは電力源をすべて並列に、図１２Ｂは電力源をすべて直列に、図１２Ｃは２直列の電力源を３並列に、図１２Ｄは３直列の電力源を２並列に接続した状態を、それぞれ示したものである。このように、本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０においても、電力源の直並列の動的な切り替えが可能であることが分かる。

なお、この図１２Ａ〜図１２Ｄでは、電力源が６個の場合を示したが、本発明はかかる例に限定されない。一般的にｎ個のユニットが、バスラインの本数を増加させることなく、直並列接続可能となることは言うまでもない。

＜４．本発明の第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明の第３の実施形態では、電力源を入れ子構造にした直列接続を可能とするものである。図１３Ａ〜図１３Ｃは、本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０の構成例について示す説明図である。以下、図１３Ａ〜図１３Ｃを用いて本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０の構成例について説明する。

図１３Ａは、本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０の構成例の基本構造である。図１３Ａは、６つのバッテリＢａｔ１〜Ｂａｔ６を、スイッチＳ１１〜Ｓ１６を図示したように接続することで、全て直列接続とした場合を示したものである。各バッテリＢａｔ１〜Ｂａｔ６には３接点の切り替えスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１６が設けられ、このスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１６を切り替えることで、バッテリＢａｔ１〜Ｂａｔ６の接続形態を切り替えることが可能になる。なお、図１３Ａに示したように、本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０では、６つのバッテリＢａｔ１〜Ｂａｔ６は、ＰＯＷＥＲ線とＧＮＤ線からなるバスライン３１０上に接続されている。

また、本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０には、バッテリの数に応じてダイオード（ここでは６つのダイオードＤ１〜Ｄ６）が設けられている。本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０は、このダイオードＤ１〜Ｄ６によって、あるバッテリから別のバッテリへの電流の流入を防いでいる。

図１３Ｂは、スイッチＳ１１〜Ｓ１６を図示したように接続することで、バッテリＢａｔ１、Ｂａｔ３、Ｂａｔ５を直列に、バッテリＢａｔ２、Ｂａｔ４、Ｂａｔ６を直列に、それぞれ接続した上で、これらを並列接続としたものである。

図１３Ｃは、スイッチＳ１１〜Ｓ１６を図示したように接続することで、バッテリＢａｔ１、Ｂａｔ３を直列に、バッテリＢａｔ２、Ｂａｔ４を直列に、バッテリＢａｔ５、Ｂａｔ６を直列に、それぞれ接続した上で、これらを並列接続としたものである。

なお、本発明の第３の実施形態にかかる直並列切替システム３０でも、ユニット（バッテリ）２個をバイパスした入れ子構造はできず、１個のユニットのみをバイパスする入れ子構造となる。２個のユニットをバイパスするためには、バイパスラインと、切り替えスイッチの接点をさらに一系統増やす必要があり、バス構造は可能であるが、バスライン数が増加し、実用性が減少する。従って、ここでは、２個以上のユニットの入れ子構造が可能であるとすることに止め、実際のバス構造への展開は省略する。

＜５．本発明の第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明の第４の実施形態では、上述した本発明の第２の実施形態に、各ユニットの制御及び通信手段が追加されたものについて説明する。

図１４は、本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム４０の構成例について示す説明図である。以下、図１４を用いて本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム３０の構成例について説明する。

図１４は、図１１に示した本発明の第２の実施形態にかかる直並列切替システム２０の構成に対し、各ユニット（バッテリ装置４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ）に、内部のスイッチのオン・オフを制御するマイクロプロセッサ４１１及び通信を実行するモデム４１２が用意されており、さらに、このマイクロプロセッサ４１１及びモデム４１２に対して、常時動作電力をシステム制御装置４３０から供給するための共通線が一本追加されたバスライン４４０を示す。

本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム４０では、図１４に示したように、バスライン４４０の本数は４本となる。本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム４０で追加された補助電力線は、マイクロプロセッサに対する比較的小さな電力を供給するものである。もちろん、図１４に示したユニットが、本実施形態のようにバッテリ装置４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃではなく、電力を発生させることができる電力源の場合には、マイクロプロセッサ等の電力をこれから得ることも可能である。一方、全く電力が無い場合からの起動を考えると、この起動のための電力が外部から供給されると非常に便利である。

また、本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム４０で追加された第４のラインは、高周波で変調した信号が重畳され、通信ラインとしても使用される。通信ラインとして、電力用ＯＵＴライン（図１４ではＰＯＷＥＲライン）を使用することも可能であるが、この場合、ダイオードに並列に小容量のコンデンサを挿入し、高周波ではダイオードの部分が双方向に導通するようにすることが望ましい。なお、ダイオードの逆バイアス時の容量で代用できる場合もある。

図１４に示した４本のバスライン４４０の内、ＣＯＭラインはすべてに共通で、一般的にはＧＮＤラインとして使用する。またＪｕｍｐｅｒラインはシステム制御装置４３０に対しては、不要であり、省略可能である。

このバスラインは、電力に対して方向性があり、図１４に示したような構成の場合は、電力は図の左側から右側にしか送れない。また、バスラインの端には、バッテリーチャージャおよび、全体のシステムを制御するシステム制御装置４３０が用意される。このシステム制御装置４３０が、各ノードに接続された、電力源の直列、並列を制御する。

従って、システム制御装置４３０と各ユニット（バッテリ装置４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ）は通信を行い、システム制御装置４３０はバスライン上の電力源（バッテリ装置４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ）の存在認識を行い、管理も実施するが、本実施形態でのポイントは電力源と制御装置のトポロジーと、その直並列制御であるので、その詳細については省略する。

図１５は、図１４に示した本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム４０の構成要素であるユニット（バッテリ装置４１０ａ）の内部を機能ブロックで示す説明図である。

図１５に示したように、本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム４０の構成要素であるバッテリ装置４１０ａは、マイクロプロセッサ４１１と、モデム４１２と、スイッチＳｐ、Ｓｓと、バッテリＢａｔ１と、を含んで構成される。

モデム４１２は、図１４に示したシステム制御装置４３０と通信するためのものである。モデム４１２は、システム制御装置４３０からの、スイッチＳｓ、Ｓｐのオン・オフを制御するための情報（オン・オフのタイミング等）を受信することができる。またマイクロプロセッサ４１１は、バッテリ装置４１０ａの内部の動作、特にスイッチＳｓ、Ｓｐのオン・オフを制御するものである。マイクロプロセッサ４１１は、モデム４１２が受信した情報に基づいて、スイッチＳｓ、Ｓｐのオン・オフを実行する。ここで、スイッチＳｓは直列用スイッチであり、スイッチＳｐは並列用スイッチである。

図１５に示した＋５Ｖ／Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎラインは、システム制御装置４３０と、モデム４１２との間での通信ラインであり、システム制御装置４３０と、モデム４１２とは、電力に重畳された情報の送受信を実行することができる。なお、図１５に示した＋５Ｖ／Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎラインと、バッテリ装置４１０ａとの間にはインダクタンスが挿入され、高周波信号に対してインピーダンスが低くなり過ぎないようにしてもよい。

また、ダイオードＤｐは、並列接続時出力用ダイオードであり、ダイオードＤｊは、直列バイパスダイオードである。ダイオードＤｐはバッテリ装置４１０ａに内蔵することも可能である、一方、ダイオードＤｊはバスライン側に接続することが望ましい。

図１５に示したようにバッテリ装置４１０ａを構成することで、システム制御装置４３０からの制御によってスイッチＳｓ、Ｓｐの開閉を制御することができる。そして、システム制御装置４３０からの制御によってスイッチＳｓ、Ｓｐの開閉を制御することで、遠隔操作によってユニットの接続形態を直列と並列とで切り替えることが可能になる。

＜６．本発明の第５の実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１６Ａ〜図１６Ｅは、本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０の構成例を示す説明図である。以下、図１６Ａ〜図１６Ｅを用いて本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０の構成例について説明する。

本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０は、複数の電力源およびスイッチが図１６Ａの構成となっているものである。図１６Ａに示したスイッチを適宜切り替えることで、複数の電力源の直並列の状態を切り替えることができる。

図１６Ａに示したように、本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０は、バッテリＢａｔ１〜Ｂａｔ７と、スイッチＳ１，Ｓ２と、ダイオードＤ１〜Ｄ７と、を含んで構成されている。スイッチＳ１，Ｓ２のオン・オフを切り替えることで、バッテリＢａｔ１〜Ｂａｔ７の接続を直列と並列とで切り替えることができる。

なお、スイッチＳ１，Ｓ２のオン・オフについては、上述した本発明の第４の実施形態のように、有線または無線通信によってそのオン・オフを制御するようにしてもよい。有線または無線通信によってスイッチＳ１，Ｓ２のオン・オフを制御することで、バッテリＢａｔ１〜Ｂａｔ７の接続形態を遠隔操作によって切り替えることが可能になる。

図１６Ｂは、本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０において、すべての電力源を並列に接続する場合を示したものである。この場合、ダイオードが、左の電力源に対してはシリーズにｎ個挿入される。また、図１６Ｃは、電力源を（ｎ−１）個並列に接続するのに対して、１個の電力源を直列にした場合を示したものである。また、図１６Ｄは電力源を（ｎ−２）個並列に接続するのに対して、２個の電力源を直列にした場合を示したものである。そして、図１６Ｅは、全ての電力源を直列に接続した場合を示したものである。

本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０のような方式では、図５に示した直並列は実現できないが、電力源（あるいは負荷）を一つずつ直列にしていく場合に応用できる。

図１７は、図１６Ａ〜図１６Ｅに示した本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０のバスライン５２０、およびユニット構造を示す説明図である。本発明の第５の実施形態にかかる直並列切替システム５０によるユニットの直並列の切り替え方式は、本発明の第４の実施形態にかかる直並列切替システム４０に比べ、バスライン５２０の本数が一本少なく済み、電源供給（および通信）ラインを除けば、２本のバスラインで構成できる利点がある。この時はＰＯＷＥＲラインに通信信号を重畳すればいい。なお、この場合にはダイオードＤに対する高周波的バイパスコンデンサを設けても良い。

また、バスラインとのコネクタのピン数も、常時電源ラインを使用した場合でも４ピンでいい。そして、スイッチＳ１，Ｓ２とも、メカニカルなリレー、ＭＯＳ半導体を用いたスイッチが使用できる。

＜７．まとめ＞
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、電力源の直列、並列制御を、比較的少ない本数のバスラインを用いて可能とするシステムを提供することができる。これにより、例えば任意の数の太陽電池をバスラインに接続し、その出力電圧に応じて、直並列をダイナミックに切り替え、太陽電池やその日照状況をフルに使用した発電や、その電力のバッテリに対するチャージが可能となる。

現在、インテリジェントバッテリーサーバの開発が盛んであるが、本発明の各実施形態は、このインテリジェントバッテリーサーバのチャージ側に対して、非常に広範な方式を提供する事ができ、今後の自然電力を応用した、分散型、個人ベースでの電力システム構築の基本技術となるものである。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０、２０、３０、４０、５０ 直並列切替システム
１１０、２１０、３１０、４４０、５２０ バスライン
４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ バッテリ装置
４１１ マイクロプロセッサ
４１２ モデム
４３０ システム制御装置

Claims (13)

1. ２以上の電力供給源と、
   各前記電力供給源に対応して設けられ、前記２以上の電力供給源を直列に接続する２以上の第１スイッチと、
   各前記電力供給源に対応して設けられ、前記２以上の電力供給源を並列に接続する２以上の第２スイッチと、
   を備え、
   前記２以上の第１のスイッチ及び前記２以上の第２のスイッチの組、それぞれ独立して切り替えられ、
   前記２以上の電力供給源は、各前記電力供給源の電力入力側にそれぞれ共通して接続される第１のバスラインと、各前記電力供給源の電力出力側にそれぞれ共通して接続される第２のバスラインと、を少なくとも含むバスラインに接続され、
   前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを、前記スイッチ切替部によって切り替えることで、前記第１のバスライン及び前記第２のバスラインへ接続してまたは前記第１のバスライン及び前記第２のバスラインから切り離して、前記電力供給装置の接続を直列と並列とで切り替える、直並列切替システム。
2. 前記電力供給源は、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えを指示するスイッチ切替指示部をさらに備える、請求項１に記載の直並列切替システム。
3. 前記電力供給源は、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えに関する情報の通信を実行するモデムをさらに備え、
   前記モデムは、前記切り替えに関する情報の通信により受信した情報を前記スイッチ切替指示部に通知し、前記スイッチ切替指示部は前記モデムから受信した情報に基づいて前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えを指示する、請求項２に記載の直並列切替システム。
4. 前記モデムは、電力に重畳された前記切り替えに関する情報を受信する、請求項３に記載の直並列切替システム。
5. 前記バスラインは、前記電力供給源間の出力側と入力側とを接続する第３のバスラインをさらに備え、
   前記第１スイッチ及び前記第２スイッチは前記第３のバスライン上に設けられている、請求項１に記載の直並列切替システム。
6. 前記モデムとの間で前記切り替えに関する情報の通信を実行する電力供給制御装置をさらに含む、請求項１に記載の直並列切替システム。
7. 前記電力供給源は太陽電池モジュールである、請求項１に記載の直並列切替システム。
8. 他の電力供給源と直列に接続するための第１スイッチと、
   他の電力供給源と並列に接続するための第２スイッチと、
   前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えに関する情報の通信を実行するモデムと、
   を備え、
   前記２以上の第１のスイッチ及び前記２以上の第２のスイッチの組、それぞれ独立して切り替えられ、
   他の電力供給源の電力入力側にそれぞれ共通して接続される第１のバスラインと、他の電力供給源の電力出力側にそれぞれ共通して接続される第２のバスラインと、を少なくとも含むバスラインに接続されており、
   前記モデムは、前記切り替えに関する情報の通信により受信した情報を前記スイッチ切替指示部に通知し、前記スイッチ切替指示部は前記モデムから受信した情報に基づいて前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えを指示する、電力供給装置。
9. 前記モデムは、電力に重畳された前記切り替えに関する情報を受信する、請求項８に記載の電力供給装置。
10. 前記電力供給源は太陽電池モジュールである、請求項８に記載の電力供給装置。
11. 各電力供給源に対応して設けられ、他の電力供給源と直列に接続するための第１スイッチと、各前記電力供給源に対応して設けられ、他の電力供給源と並列に接続するための第２スイッチと、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えを指示するスイッチ切替指示部と、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの切り替えに関する情報の通信を実行するモデムと、を含み、他の電力供給源の電力入力側にそれぞれ共通して接続される第１のバスラインと、他の電力供給源の電力出力側にそれぞれ共通して接続される第２のバスラインと、を少なくとも含むバスラインに接続されている電力供給装置との間で、前記切り替えに関する情報の通信を実行する、電力供給制御装置。
12. 前記モデムとの間で、前記切り替えに関する情報を電力に重畳させて通信する、請求項１１に記載の電力供給制御装置。
13. ２以上の電力供給源と、
    各前記電力供給源に対応して設けられ、前記２以上の電力供給源を直列に接続する２以上の第１スイッチと、
    各前記電力供給源に対応して設けられ、前記２以上の電力供給源を並列に接続する２以上の第２スイッチと、
    を備え、
    前記２以上の第１のスイッチ及び前記２以上の第２のスイッチの組、それぞれ独立して切り替えられ、
    前記２以上の電力供給源は、各前記電力供給源の電力入力側にそれぞれ共通して接続される第１のバスラインと、各前記電力供給源の電力出力側にそれぞれ共通して接続される第２のバスラインと、を少なくとも含むバスラインに接続される直並列切替システムにおいて、
    前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを、前記スイッチ切替部によって切り替えることで前記電力供給装置の接続を直列と並列とで切り替える直並列切り替えステップを含む、直並列切替方法。
    

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