JP2012152057A

JP2012152057A - 電力供給装置

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Publication number: JP2012152057A
Application number: JP2011009822A
Authority: JP
Inventors: Toshihide Nakano; 俊秀中野; Kazunori Sanada; 和法真田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: JP5547665B2

Abstract

【課題】低温時における電流供給能力の低下を防止することが可能な電力供給装置を提供する。
【解決手段】この電力供給装置は、充電装置３、電力を蓄える蓄電装置４、蓄電装置４の温度を検出する温度センサ５、蓄電装置４の出力電圧を検出する電圧センサ６、および放電装置８を備える。蓄電装置４の温度が参照温度よりも低下した場合、充電装置３は交流電流を供給して蓄電装置４を発熱させる。したがって、低温時に蓄電装置４の蓄電能力が低下して電流供給能力が低下することを防止できる。
【選択図】図１

Description

この発明は電力供給装置に関し、特に、電力を蓄える蓄電部を備えた電力供給装置に関する。

一般に、電力変換装置、無停電電源装置などの電力供給装置には、直流電力を蓄えるコンデンサが設けられている。しかし、コンデンサの容量値は温度低下に応じて減少し、コンデンサの端子間電圧を一定に保持すると、コンデンサの蓄積エネルギーは温度低下に応じて減少する。そこで、温度低下に応じてコンデンサの端子間電圧を上昇させ、コンデンサの蓄積エネルギーを一定に保つ方法がある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００２−１４２３７３号公報

しかし、コンデンサの端子間電圧は、無制限に調整できるものではなく、コンデンサの定格電圧、充電部の能力などで制限される。このため、低温時には電力供給装置の電流供給能力が低下すると言う問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、低温時における電流供給能力の低下を防止することが可能な電力供給装置を提供することである。

この発明に係る電力供給装置は、電力を蓄える蓄電部と、直流電流を供給して蓄電部を充電するとともに、交流電流を供給して蓄電部を発熱させる充電部と、蓄電部の電力を負荷に供給する放電部とを備えたものである。

好ましくは、さらに、蓄電部の出力電圧を検出する電圧検出部と、蓄電部またはその周辺の温度を検出する温度検出部とを備える。充電部は、電圧検出部の検出値が予め定められた参照電圧になるように直流電流を蓄電部に供給し、温度検出部の検出値が予め定められた参照温度よりも低い場合は、さらに交流電流を蓄電部に供給する。

また好ましくは、充電部は、温度検出部の検出値が予め定められた参照温度よりも低い場合、温度検出部の検出値に応じて、交流電流の振幅および周波数のうちの少なくともいずれか一方を制御して蓄電部の発熱量を制御する。

また好ましくは、充電部は、交流電流を蓄電部に供給しても蓄電部の温度が予め定められた参照温度を越えない場合、異常が発生したことを報知する報知信号を出力する。

また好ましくは、さらに、蓄電部の出力電圧を検出する電圧検出部と、蓄電部の放電電流を検出する電流検出部と、電圧検出部および電流検出部の検出結果に基づいて蓄電部の内部抵抗値を検出する抵抗検出部とを備える。充電部は、電圧検出部の検出値が予め定められた参照電圧になるように直流電流を蓄電部に供給し、抵抗検出部の検出値が予め定められた参照抵抗値よりも高い場合は、さらに交流電流を蓄電部に供給する。

また好ましくは、充電部は、抵抗検出部の検出値が予め定められた参照抵抗値よりも高い場合、抵抗検出部の検出値に応じて、交流電流の振幅および周波数のうちの少なくともいずれか一方を制御して蓄電部の発熱量を制御する。

また好ましくは、充電部は、交流電流を蓄電部に供給しても蓄電部の内部抵抗値が予め定められた参照抵抗値を越えない場合、異常が発生したことを報知する報知信号を出力する。

また好ましくは、さらに、蓄電部の出力電圧を検出する電圧検出部と、蓄電部の放電電流を検出する電流検出部と、電圧検出部および電流検出部の検出結果に基づいて蓄電部の容量値を検出する容量検出部とを備える。充電部は、電圧検出部の検出値が予め定められた参照電圧になるように直流電流を蓄電部に供給し、容量検出部の検出値が予め定められた参照容量値よりも低い場合は、さらに交流電流を蓄電部に供給する。

また好ましくは、充電部は、容量検出部の検出値が予め定められた参照容量値よりも高い場合、容量検出部の検出値に応じて、交流電流の振幅および周波数のうちの少なくともいずれか一方を制御して蓄電部の発熱量を制御する。

また好ましくは、充電部は、交流電流を蓄電部に供給しても蓄電部の容量値が予め定められた参照容量値を越えない場合、異常が発生したことを報知する報知信号を出力する。

この発明に係る電力供給装置では、直流電流を供給して蓄電部を充電するとともに、交流電流を供給して蓄電部を発熱させる。したがって、低温時に蓄電部の蓄電能力が低下して電流供給能力が低下するのを防止することができる。

この発明の実施の形態１による電力供給装置の構成を示す回路ブロック図である。図１に示した蓄電装置の構成を例示する回路ブロック図である。図１に示した電力供給装置の低温時の動作を示すタイムチャートである。実施の形態１の変更例を示す回路ブロック図である。実施の形態１の他の変更例を示すタイムチャートである。実施の形態１のさらに他の変更例を示すタイムチャートである。実施の形態１のさらに他の変更例を示すタイムチャートである。この発明の実施の形態２による電力供給装置の構成を示す回路ブロック図である。図８に示した蓄電装置の等価回路を示す回路図である。図９に示した内部抵抗値および容量値を検出する方法を示すタイムチャートである。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１による電力供給装置は、図１に示すように、電圧センサ２，６、充電装置３、蓄電装置４、温度センサ５、電流センサ７、放電装置８、および制御装置９を備える。

電圧センサ２は、商用交流電源１からの交流電圧を検出し、検出値を示す信号を制御装置９に与える。電圧センサ２の出力信号は、停電の有無、交流電圧の位相を検出するために使用される。

充電装置３は、制御装置９によって制御されるとともに、商用交流電源１からの交流電力によって駆動され、直流電流を供給して蓄電装置４を充電するとともに、交流電流を供給して蓄電装置４を発熱させる。

すなわち、充電装置３は、蓄電装置４の出力電圧が所定の参照電圧ＶＲになるように、蓄電装置４に直流電流を供給する。また、充電装置３は、蓄電装置４の温度が所定の参照温度ＴＲよりも低い場合、蓄電装置４の温度が所定の参照温度ＴＲよりも高くなるように、蓄電装置４に交流電流を供給して蓄電装置４を発熱させる。

蓄電装置４は、図２に示すように、充電装置３の出力ノードと接地電圧ＧＮＤのラインとの間に接続された電気二重層コンデンサ４ａを含む。コンデンサ４ａの容量値は温度低下に応じて減少し、コンデンサ４ａの端子間電圧を一定に保持すると、コンデンサ４ａの蓄積エネルギーは温度低下に応じて減少する。しかし、本実施の形態では、コンデンサ４ａの温度が参照温度ＴＲよりも低下した場合、充電装置３から交流電流が供給されてコンデンサ４ａが加熱されるので、低温時においてコンデンサ４ａの容量値が低下してコンデンサ４ａの蓄積エネルギーが低下するのを防止することができる。

温度センサ５は、蓄電装置４の温度を直接または間接的に検出し、検出結果を示す信号を制御装置９に与える。温度センサ５によって蓄電装置４の周辺の温度を測定してもよい。電圧センサ６は、蓄電装置４の出力電圧（コンデンサ４ａの端子間電圧）を検出し、検出結果を示す信号を制御装置９に与える。電流センサ７は、蓄電装置４から放電装置８に流れる電流を検出し、検出結果を示す信号を制御装置９に与える。放電装置８は、制御装置９によって制御され、蓄電装置４に蓄えられた直流電力を負荷１０に供給する。放電装置８は、たとえば、インバータであり、充電装置３および蓄電装置４からの直流電力を交流電力に変換して負荷１０に与える。

制御装置９は、電圧センサ６の出力信号に基づき、蓄電装置４の出力電圧が所定の参照電圧ＶＲに一致するように充電装置３を制御し、充電装置３から蓄電装置４に直流電流を流す。また、制御装置９は、温度センサ５の出力信号に基づき、蓄電装置４の温度が所定の参照温度ＴＲ以上になるように充電装置３を制御し、蓄電装置４に交流電流を流して蓄電装置４を発熱させる。

また、制御装置９は、所定時間、蓄電装置４に交流電流を流したにも関わらず蓄電装置４の温度が参照温度ＴＲを越えない場合、蓄電装置４などに異常が発生したことを報知する報知信号φＡを出力する。報知信号φＡに応答して、音、光などにより異常発生を作業者に報知するブザー、ランプなどの報知装置を設けてもよい。

また、制御装置９は、電圧センサ２の出力信号に基づき、商用交流電源１が停電しているか否かを判別し、停電したと判別したときは充電装置３の運転を停止させる。また、放電装置８がインバータである場合、制御装置９は、電圧センサ２の出力信号に基づいて放電装置８を制御し、商用交流電源１からの交流電圧と同位相の交流電圧を負荷１０に供給する。

次に、この電力供給装置の動作について説明する。商用交流電源１から交流電力が供給される通常時は、充電装置３で生成された直流電力によって蓄電装置４が充電されるとともに放電装置８が駆動され、負荷１０に交流電力が供給される。この場合、充電装置３の出力と放電装置８の出力は一致し、蓄電装置４の電圧は一定に保持される。

また、負荷１０の消費電力が充電装置３の出力よりも大きくなった過負荷時は、不足分の電力は蓄電装置４から供給される。また、商用交流電源１からの交流電力の供給が停止された停電時は、充電装置３の運転が停止され、蓄電装置４から放電装置８に直流電力が供給される。したがって、停電時や過負荷時でも、蓄電装置４に直流電力が蓄えられている間は、負荷１０の運転を継続することができる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、低温時における電流供給装置の動作を示すタイムチャートである。特に、図３（ａ）は蓄電装置４の充電電流Ｉｃと放電電流Ｉｄを示すタイムチャートであり、図３（ｂ）は蓄電装置４に流れる電流Ｉｂ＝Ｉｃ−Ｉｄを示すタイムチャートであり、図３（ｃ）は蓄電装置４の出力電圧Ｖｂを示すタイムチャートである。

蓄電装置４の温度が参照温度ＴＲよりも低下した場合、充電電流Ｉｃは、図３（ａ）に示すように矩形波状に変化し、所定の周期で交互に０ＡまたはＩｃ０になる。また、放電電流Ｉｄは、一定の電流Ｉｃ０／２となる。蓄電装置４の内部電流Ｉｂ＝Ｉｃ−Ｉｄは、図３（ｂ）に示すように矩形波状に変化し、所定の周期で交互に＋Ｉｃ０／２または−Ｉｃ０／２となる。

これにより、蓄電装置４が発熱して蓄電装置４の温度が上昇し、蓄電装置４の内部抵抗値が低下し、容量値が増大する。また、蓄電装置４の出力電圧Ｖｂは、図３（ｃ）に示すように、充電電流ＩｃがＩｃ０である期間は徐々に上昇し、充電電流Ｉｃが０Ａである場合は徐々に下降する。

この実施の形態１では、低温時には蓄電装置４に交流電流を供給して蓄電装置４を発熱させる。したがって、低温時に蓄電装置４の蓄電能力が低下して電流供給能力が低下するのを防止することができる。

なお、この実施の形態１では、蓄電装置４を電気二重層コンデンサ４ａで構成したが、これに限るものではなく、蓄電装置４を他のコンデンサで構成してもよい。また、図４に示すように、蓄電装置４をバッテリ４ｂで構成してもよい。この場合、バッテリ４ｂの正極は充電装置３の出力ノードに接続され、その負極は接地電圧ＧＮＤのラインに接続される。

また、この実施の形態１では、図３（ａ）〜（ｃ）で示したように、一定振幅、一定周波数の交流電流Ｉｂを蓄電装置４に流したが、温度センサ５の検出結果に基づいて、交流電流Ｉｂの振幅、周波数を変えてもよい。すなわち、交流電流Ｉｂの振幅、周波数を大きくするほど蓄電装置４の温度上昇速度が大きくなる。

そこで、参照温度ＴＲと、温度センサ５によって検出した蓄電装置４の温度Ｔとの差ＴＲ−Ｔが大きいほど、交流電流Ｉｂの振幅、周波数を増大させる。これにより、蓄電装置４の温度Ｔを参照温度ＴＲに迅速に近付けることができる。また、ＴＲ−Ｔが小さいほど、交流電流Ｉｂの振幅、周波数を減少させる。これにより、蓄電装置４の温度Ｔが参照温度ＴＲよりも高くなり過ぎるのを防止することができる。

なお、交流電流Ｉｂの周波数を調整せずに振幅のみを調整すると、図５（ａ）（ｂ）に示すように、蓄電装置４の端子間電圧の振幅がＶｂ０からＶｂ１に大きくなり、蓄電装置４が破壊される恐れがある。しかし、交流電流Ｉｂの周波数を高くすると、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、蓄電装置４の端子間電圧の振幅をＶｂ１からＶｂ２に小さくすることができ、蓄電装置４が破壊されるのを防止することができる。

また、図６（ａ）（ｂ）において、Ｉｂ０は蓄電装置４が０℃のときに蓄電装置４に流す交流電流を示し、Ｉｂ１は蓄電装置４が−１０℃のときに蓄電装置４に流す交流電流を示している。また、Ｖｂ０は蓄電装置４にＩｂ０を流したときの蓄電装置４の端子間電圧Ｖｂ０を示し、Ｖｂ１は蓄電装置４にＩｂ１を流したときの蓄電装置４の端子間電圧Ｖｂ１を示している。ここで、−１０℃は、電力供給装置の使用条件における最低温度である。交流電流Ｉｂの周波数は、蓄電装置４の端子間電圧Ｖｂ１の振幅が規定範囲Ｖｍａｘ内になるように設定される。

また、図７（ａ）（ｂ）に示すように、蓄電装置４の温度に応じて交流電流Ｉｂの値（振幅）を設定し、交流電圧Ｖｂが規定範囲Ｖｍａｘの上限値または下限値に到達するごとに、放電と充電を切換えてもよい。

［実施の形態２］
図８は、この発明の実施の形態２による電力供給装置の構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図８を参照して、この電力供給装置が図１の電力供給装置と異なる点は、温度センサ５が除去されている点である。制御装置９は、蓄電装置４の充電および放電を停止させた後に、蓄電装置４から所定の電流を流出させ、そのときの蓄電装置４の端子間電圧Ｖｂの時間変化を検出し、その検出結果に基づいて、蓄電装置４の内部抵抗値Ｒおよび容量値Ｃを検出する。

すなわち蓄電装置４は、図９に示すように、コンデンサ１１と抵抗素子１２の直列接続体と等価である。また、放電装置８および負荷１０は、スイッチ１３および定電流源１４と等価であるものとする。図１０は、図９に示した蓄電装置４とスイッチ１３の間のノードの電圧Ｖｂの時間変化を示すタイムチャートである。図１０において、スイッチ１３がオフされているとき（時刻ｔ０）、電圧Ｖｂは一定である。時刻ｔ１において、スイッチ１３がオンされると、ＶｂがΔＶ１＝Ｒ×Ｉだけ低下する。ただし、Ｉは定電流源１４が流す定電流Ｉである。したがって、ΔＶ１の測定値から蓄電装置４の内部抵抗値Ｒ＝ΔＶ１／Ｉを求めることができる。

また、時刻ｔ１からｔ２の間にＶｂがΔＶ２だけ低下したものとする。時間ｔ２−ｔ１と、ΔＶ２と、電流Ｉから蓄電装置４の容量値Ｃ＝Ｉ（ｔ２−ｔ１）／ΔＶ２を求めることができる。温度低下に応じて、蓄電装置４の内部抵抗値Ｒが増大し、容量値Ｃが減少することが予め分かっている。

制御装置９は、内部抵抗値Ｒの検出値が所定の参照抵抗値Ｒｒよりも大きい場合（あるいは、容量値Ｃが所定の参照容量値Ｃｒよりも小さい場合）、蓄電装置４に交流電流を流して蓄電装置４を発熱させる。

この実施の形態２では、実施の形態１と同じ効果が得られる他、温度センサ５が不要となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１商用交流電源、２，６電圧センサ、３充電装置、４蓄電装置、４ａ電気二重層コンデンサ、４ｂバッテリ、５温度センサ、７電流センサ、８放電装置、９制御装置、１０負荷、１１コンデンサ、１２抵抗素子、１３スイッチ、１４定電流源。

Claims

電力を蓄える蓄電部と、
直流電流を供給して前記蓄電部を充電するとともに、交流電流を供給して前記蓄電部を発熱させる充電部と、
前記蓄電部の電力を負荷に供給する放電部とを備える、電力供給装置。
さらに、前記蓄電部の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記蓄電部またはその周辺の温度を検出する温度検出部とを備え、
前記充電部は、前記電圧検出部の検出値が予め定められた参照電圧になるように前記直流電流を前記蓄電部に供給し、前記温度検出部の検出値が前記予め定められた参照温度よりも低い場合は、さらに前記交流電流を前記蓄電部に供給する、請求項１に記載の電力供給装置。
前記充電部は、前記温度検出部の検出値が前記予め定められた参照温度よりも低い場合、前記温度検出部の検出値に応じて、前記交流電流の振幅および周波数のうちの少なくともいずれか一方を制御して前記蓄電部の発熱量を制御する、請求項２に記載の電力供給装置。
前記充電部は、前記交流電流を前記蓄電部に供給しても前記蓄電部の温度が前記予め定められた参照温度を越えない場合、異常が発生したことを報知する報知信号を出力する、請求項２または請求項３に記載の電力供給装置。
さらに、前記蓄電部の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記蓄電部の放電電流を検出する電流検出部と、
前記電圧検出部および前記電流検出部の検出結果に基づいて前記蓄電部の内部抵抗値を検出する抵抗検出部とを備え、
前記充電部は、前記電圧検出部の検出値が予め定められた参照電圧になるように前記直流電流を前記蓄電部に供給し、前記抵抗検出部の検出値が前記予め定められた参照抵抗値よりも高い場合は、さらに前記交流電流を前記蓄電部に供給する、請求項１に記載の電力供給装置。
前記充電部は、前記抵抗検出部の検出値が前記予め定められた参照抵抗値よりも高い場合、前記抵抗検出部の検出値に応じて、前記交流電流の振幅および周波数のうちの少なくともいずれか一方を制御して前記蓄電部の発熱量を制御する、請求項５に記載の電力供給装置。
前記充電部は、前記交流電流を前記蓄電部に供給しても前記蓄電部の内部抵抗値が前記予め定められた参照抵抗値を越えない場合、異常が発生したことを報知する報知信号を出力する、請求項５または請求項６に記載の電力供給装置。
さらに、前記蓄電部の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記蓄電部の放電電流を検出する電流検出部と、
前記電圧検出部および前記電流検出部の検出結果に基づいて前記蓄電部の容量値を検出する容量検出部とを備え、
前記充電部は、前記電圧検出部の検出値が予め定められた参照電圧になるように前記直流電流を前記蓄電部に供給し、前記容量検出部の検出値が前記予め定められた参照容量値よりも低い場合は、さらに前記交流電流を前記蓄電部に供給する、請求項１に記載の電力供給装置。
前記充電部は、前記容量検出部の検出値が前記予め定められた参照容量値よりも高い場合、前記容量検出部の検出値に応じて、前記交流電流の振幅および周波数のうちの少なくともいずれか一方を制御して前記蓄電部の発熱量を制御する、請求項８に記載の電力供給装置。
前記充電部は、前記交流電流を前記蓄電部に供給しても前記蓄電部の容量値が前記予め定められた参照容量値を越えない場合、異常が発生したことを報知する報知信号を出力する、請求項８または請求項９に記載の電力供給装置。