JP2014018046A - ポータブル電源装置の給電切換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】常用電源よりポータブル電源装置への停電時電源切換を行う電源切換装置を提供する。
【解決手段】ポータブル電源装置（２００）の給電切換装置（１００）は、装置本体側の二次電池（２３４）への充電端子（２１２）と給電端子（２１４）に夫々接続される第１及び第２の端子（１２２，１２４）及び常用電源（４００）に接続する第３の端子（１１２）と充電制御信号を入出力する信号端子（１２６）とを備える。また、常用電源に接続された第３の端子より前記常用電源の停電信号を取りこみ、給電端子と第２の端子を介して二次電池より負荷（３００）側への給電がなされるように構成した制御回路（１５０）を備えたことを特徴とする
【選択図】図２

Description

本発明は、所定条件成立時（例えば停電時若しくは電力ピーク使用時）に外部電源の補完電力として利用可能なポータブル電源装置に脱着自在に取り付けることにより、該ポータブル電源装置の給電及び充電を自動的に切換可能なポータブル電源装置の給電切換装置の技術分野に関する。

ポータブル電源装置は可搬性に優れており、必要に応じて様々な場所で機器用の電源を供給するために広く用いられている。この種のポータブル電源装置は、例えばエネルギー密度の高いリチウムイオン電池等の二次電池を内部に収納しており、負荷側で必要な電力を蓄えている。このようなポータブル電源装置の用途として、災害発生時などの非常時に停電が生じた場合に非常用電源として用いることが考えられるが、ポータブル電源装置は可搬性を有するために、突然の停電時等に設置位置が判然とせず、特に夜間や建物の中は暗い為、視界不良となり、その中でポータブル電源装置を探すことが困難になる場合がある。停電時にはすみやかに電源切換を行う必要がある。

一方、停電発生時にサーバなどの情報処理機器が突然のシャットダウンによってデータを喪失しないように、停電発生後のある程度の期間、電力供給を確保する無停電電源装置が知られている。この種の無停電電源装置として、例えば特許文献１には、負荷側に流れる電流をモニタリングすることによって、停電の有無を判断し、停電が発生したと判断した場合に、自動的に非常用電源を負荷側に供給する電源装置が開示されている。

特開２０００―５６４２７７号公報

特許文献１のような無停電電源装置は、突然生じうる停電に対して迅速に検知を行い、且つ、負荷側に迅速に電力を供給できるようにするために、装置構成が複雑にならざるを得ない。そのため装置サイズが大型になる傾向があり、災害時のような緊急時には必要な場所に搬送して使用することが難しい。また、この種の無停電電源装置は、負荷として、例えばサーバなどの情報処理機器を主な対象としており、停電時のデータ喪失を防止するための期間を賄えるだけの電源供給を目的としているため、充電容量が限られている（例えば、負荷であるサーバを正常にシャットダウンするのに必要な期間を持ちこたえるための電力しか充電できない）。そのため、非常時に常用電源の代替として使用するには、充電容量が十分でない。

一方、ポータブル電源は無停電電源に比べて充電容量は多いものの、上述したように、停電時に速やかに常用電源の代替として利用することが難しい。またポータブル電源の充電残量は給電を行わない場合であっても時間経過と共に少なからず減少するため、停電時に使用する場合には、常日頃から非常時に備えて十分な充電残量を確保すべく、定期的に充電作業を行うなど、メンテナンスが必要となる。しかしながら、このような非常時に備えて常にメンテナンスを徹底することは、ユーザの作業負担が大きく、利便性が悪い。

本発明は上述の課題に鑑みなされたものであり、ポータブル電源装置の充電残量を適切に維持すると共に、必要に応じて負荷への給電が可能になるように、ポータブル電源装置の充電及び給電を自動的且つ容易に切換可能とするポータブル電源装置の給電切換装置を提供することを目的とする。

本発明に係るポータブル電源装置の給電切換装置は上記課題を解決するために、二次電池と、該二次電池より負荷に給電を行う給電端子と、外部電源より前記二次電池の充電を行う充電端子とを備えたポータブル電源装置に脱着自在に装着される給電切換装置であって、前記充電端子及び前記給電端子に夫々接続可能な第１及び第２の端子と、前記外部電源に接続可能な第３の端子と、前記負荷に接続可能な第４の端子と、前記外部電源が停電した場合に、前記給電端子に接続された前記第２の端子を介して前記二次電池から前記負荷に給電がなされるように構成された制御回路とを備えたことを特徴とする。

本発明の給電切換装置をポータブル電源装置に装着することにより、外部電源が停電した場合、ポータブル電源装置の給電端子に接続された第２の端子を介して二次電池から負荷に自動的に給電が行われる。このように停電時に備えてポータブル電源装置に給電切換装置を予め装着しておくことにより、停電時に一時的にポータブル電源装置の設置場所を視認できなくなっても、自動的にポータブル電源装置から補完電力が負荷に供給されるため、停電が発生した場合にも迅速な復旧が可能となる。
また、この給電切換装置はポータブル電源装置に脱着可能であるため、例えば既存のポータブル電源装置にオプションとして用意しておくことにより、低コストでポータブル電源装置を非常用電源としても利用可能とすることができる。

一実施形態では、前記制御回路は、前記第１の端子と前記第３の端子との間に配置され、前記第１の端子と前記第３の端子との間の電気的な接続状態を切り換える第１のリレーと、前記第３の端子及び前記第１のリレーと前記第２の端子及び前記第４の端子との間に配置され、前記第３の端子及び前記第１のリレーと前記第２の端子及び前記第４の端子との間の電気的な接続状態を切り換える第２のリレーと、を含んでなる。
この給電切換装置では、外部電源の状態（停電又は非停電）に応じて第１のリレー及び第２のリレーを切り換え操作することにより、外部電源から負荷への給電、外部電源から二次電池への充電、或いは、二次電池から負荷への給電をそれぞれ自動的且つ容易に切り換えることができる。

一実施形態に係る給電切換装置では、前記二次電池の給電及び充電に関する制御信号を入出力可能な信号端子を更に備える。
一般的にポータブル電源装置が備える二次電池は長い電池寿命を得るために充電量の上限値や下限値が設定されており、それに応じて外部電源からの充電や負荷への給電の許可制御又は禁止制御が実施されている。この給電切換装置では、このようにポータブル電源装置側から給電及び充電に関する制御信号を用いて制御回路を操作することによって、二次電池の過充電や過放電を防止し、電池寿命に配慮した給電切換を行うことができる。

一実施形態では、前記制御回路は、前記外部電源が非停電である場合に、前記外部電源を前記二次電池に接続することなく、前記負荷に接続する。
この給電切換装置では、外部電源が非停電（正常）である場合に、外部電源から負荷に給電することにより、二次電池の不要な充電や給電を防止して電池寿命を延命しつつ、負荷に電力を安定供給することができる。

一実施形態では、前記制御回路は、前記外部電源が停電である場合に、前記二次電池を自動的に前記負荷に接続することにより、前記二次電池からの給電を行う。
この給電切換装置では、外部電源が停電した場合には、負荷への電力供給源を外部電源から二次電池に自動的に切り換えることができるので、ユーザの操作を必要とすることなく、迅速に停電の復旧を図ることができる。

一実施形態に係る給電切換装置は、経過時間を計測する計時手段を備え、前記制御回路は、前記計時手段で経過時間が所定値に達した場合に、前記充電端子に接続された前記第１の端子を前記外部電源に接続することにより、前記二次電池を充電するように構成されている。
二次電池の充電量は、負荷への給電を行わない場合であっても時間の経過と共に少なからず減少する。この給電切換装置では、計時手段（例えばカレンダタイマ）によって前回充電時から所定の時間が経過した場合には、二次電池の充電量が減少していると判断して、外部電源から自動的に二次電池へ充電する。これによりユーザはポータブル電池をメンテナンスする手間を負うことなく、非常時に備えて二次電池の充電量を適切に維持することができる。これにより、不意に停電が発生した場合であっても、二次電池には十分な充電量が確保されているので、迅速な復旧が可能となる。

一実施形態に係る給電切換装置は、経過時間を計測する計時手段を備え、前記制御回路は、前記計時手段で計測した経過時間に基づいて所定時間帯の間、前記充電端子に接続された前記第１の端子を前記外部電源が接続された前記第３の端子に接続しないことにより、前記二次電池への充電を禁止する。
この給電切換装置では、計時手段で計測した経過時間に基づいて、例えば、電力使用ピーク時間や夜間時間帯のように商用電力料金の変動時間帯に合わせ、該時間帯に応じて給電を切り換える。これにより、ピーク時の電力使用量の抑制（平滑化）や、低廉な電力料金を実現することができる。

一実施形態に係る前記ポータブル電源装置は、前記二次電池を第１の筐体内に収容して構成されており、前記給電切換装置は、前記第１の筐体に脱着自在に装着される第２の筐体を備え、前記第１の筐体及び前記第２の筐体は、互いに対峙する対峙面をそれぞれ有し、前記第１の筐体の対峙面には、前記充電端子、前記給電端子及び前記信号端子が設けられると共に、前記第２の筐体の対峙面には、前記第１及び第２の端子及び前記信号端子が設けられており、前記第２の筐体が前記第１の筐体に装着された際に、前記充電端子が前記第１の端子に嵌合すると共に、前記給電端子が前記第２の端子に嵌合するように構成されている。
この給電切換装置では、ポータブル電源装置及び給電切換装置のそれぞれの対峙面に端子類を設けることで、これらの端子類をワンタッチで嵌合できる。これにより、給電切換装置のポータブル電源装置への脱着を容易に行うことができる。

本発明の給電切換装置をポータブル電源装置に装着することにより、外部電源が停電した場合には、ポータブル電源装置の給電端子に接続された第２の端子を介して二次電池から負荷に自動的に給電が行われる。停電時に備えてポータブル電源装置に給電切換装置を予め装着しておくことにより、停電時に一時的にポータブル電源装置の設置場所を視認できなくなっても、自動的にポータブル電源装置から補完電力が負荷に供給されるため、停電が発生した場合にも迅速な復旧が可能となる。
また、本発明の給電切換装置はポータブル電源装置に脱着可能であるため、例えば既存のポータブル電源装置にオプションとして用意しておくことにより、低コストでポータブル電源装置を非常用電源としても利用可能とすることができると共に、必要に応じて非常用電源として利用するポータブル電源装置を従来の用途に容易に戻すこともできる。

本発明の実施形態に係る給電切換装置が装着されたポータブル電源装置の外観を示す斜視図である。 前記給電切換装置の外観を示す斜視図である。 前記ポータブル電源装置に給電切換装置を取り付ける様子を模式的に示す斜視図である。 前記給電切換装置の内部構成を示すブロック図である。 前記ポータブル電源装置及び給電切換装置の内部構成を示す回路図である。 前記給電切換装置の動作を示すフロー図である。 本発明に適用されるポータブル電源装置の内部構成を透過的に示す斜視図である。 前記ポータブル電源装置の内部構成を示す回路図である。 前記ポータブル電源装置に組み込まれる二次電池の充電率（ＳＯＣ）の算出方法を示すフローチャートである。 関数ｆ（Ｖ）を求めるためにデータベースに記憶された端子電圧Ｖ_０とＳＯＣ値と関係の一例である。 抵抗損ｋｃを求めるためにデータベースに記憶された充放電電流値Ｉと電圧降下値ΔＶとの関係の一例である。 前記ポータブル電源装置の内部構成を透過的に示す共に、該内部構成の冷却空気の流れの一部を模式的に示した図である。 前記ポータブル電源装置に組み込まれたインバータの内部における冷却空気の流れを模式的に示す図である。 前記ポータブル電源装置の内部において前記インバータの内部を経由する冷却空気の流れを模式的に示す図である。 前記ポータブル電源装置の内部における冷却空気の流れ全体を模式的に示す図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の実施形態における給電切換装置１００が装着されたポータブル電源装置２００の外観を示す斜視図であり、図２は前記給電切換装置１００の外観を示す斜視図であり、図３はポータブル電源装置２００に給電切換装置１００を取り付ける様子を模式的に示す斜視図である。尚、図２（ａ）は給電切換装置１００を前面側から示した斜視図であり、図２（ｂ）は給電切換装置１００を後面側から示した斜視図である。
前記ポータブル電源装置２００は、主として停電時若しくは電力ピーク使用時に常用電源の補完電力として利用可能な電源装置であり、第１の筐体内部２０２に例えばリチウムイオン電池等の二次電池を収納してなる。二次電池には予め電力が（充電）蓄えられており、停電時若しくは電力ピーク使用時に補完電力として出力できるようになっている。ポータブル電源装置２００の前面２１０には、充電時に電力供給源である外部電源からの充電電力を入力するための充電端子２１２と、給電時に負荷３００側に二次電池からの放電電力を出力するための給電端子２１４と、二次電池の充放電制御を行うための制御信号の送受信を行うための信号端子２１６とが設けられている。

第１の筐体上部には取っ手２０４が備えられており、ユーザが可搬に構成されている。

前記給電切換装置１００は、ポータブル電源装置２００に装着することにより、平常時における常用電源から負荷３００側への電力の提供、ポータブル電源装置２００内に収納された二次電池への充電、非常時における二次電池から負荷３００側への補完電力の提供を、状況に応じて切り換える切換装置である。
給電切換装置１００は外観として第２の筐体１０２を有しており、その後面１２０には、ポータブル電源装置２００（第１の筐体２０２）の前面２１０に設けられた充電端子２１２に嵌合可能な第１の端子１２２と、ポータブル電源装置２００の前面２１０に設けられた給電端子２１４に嵌合可能な第２の端子１２４と、ポータブル電源装置２００の前面２１０に設けられた信号端子２１６に嵌合可能な第３の端子１２６とが設けられている。

充電端子２１２、給電端子２１４及び信号端子２１６はポータブル電源装置２００の一面（前面２１０）上に設けられ、第１の端子１２２、第２の端子１２４及び第３の端子１２６は給電切換装置１００の一面（後面１２０）上に設けられている。これにより、図３に示すようにポータブル電源装置１００に給電切換装置２００を装着する際に、複数の端子間の嵌合をワンタッチで行うことができ、良好な組み付け性が得られる。
尚、本実施形態ではポータブル電源装置２００の前面２１０に端子類をメス型として設けると共に、給電切換装置１００の後面１２０に端子類をオス型として設けることで嵌合させているが、逆でもよく、更には各端子間の電気的な接続が可能な範囲において他の手段を用いてもよいことは言うまでも無い。
また、本発明の実施形態によれば常用電源よりポータブル電源装置への停電時電源切換を行う電源切換装置を第２の筐体１０２としており、ポータブル電源装置２００（第１の筐体２０２）とは別体としている。このように、給電切換装置１００をオプション化とすることで、ポータブル電源装置本体側のコスト低減を図ると共に、前記オプション化した装置の装置本体側への着脱容易化を図ることが出来る。また、既存のポータブル電源装置を用意に給電切換可能とすることが出来る。
さらに、従来の無停電電源装置は、停電時に十分な継続的使用ができない場合がある。長時間使用するためには、容量を大きくする必要があり高価になってしまう。本発明の実施形態によれば、無停電電源装置より安価に自動給電切換を実現することができ、長時間の停電時にも電源として使用することができる。

給電切換装置１００の前面１１０には常用電源（外部電源）４００の出力端子４０２が接続される第３の端子１１２と、負荷３００（図１の例では電球）側の入力端子３０２が接続される第４の端子１１４が設けられている。第３の端子１１２に接続される常用電源４００（典型的には１００Ｖａｃの商用電源）から入力された交流電力は、給電切換装置１００の切換条件に応じて、ポータブル電源装置２００の内部に収納されている二次電池に直流変換された後に充電されるか、又は、第４の端子１１４を介して負荷３００側で消費される。

尚、給電切換装置１００の第２の筐体１０２上部には、ポータブル電源装置２００から補完電力が出力されている際に、その旨を表示するための表示パネル１３０が接続される第５の端子１３２が設けられている。表示パネル１３０はポータブル電源装置２００の外面上に張り付けられており、例えば停電時にポータブル電源装置２００から補完電力を負荷３００に出力する際には、表示パネル１３０を発光させることにより、視界不良の状況下においてもポータブル電源装置２００の位置をユーザに知らしめることができる。

図４は本発明の実施形態に係る給電切換装置１００の内部構成を示すブロック図である。
前記給電切換装置１００には、（ｉ）常用電源４００に接続される第４の端子１１２と、ポータブル電源装置２００の充電端子２１２に嵌合可能な第１の端子１２２との接続状態をＯＮ／ＯＦＦ切換可能な第１のリレー１４０、（ｉｉ）常用電源４００に接続される第３の端子１１２を、負荷３００に接続される第４の端子１１４又はポータブル電源装置２００の給電端子２１４に嵌合可能な第２の端子１２４のいずれか一方にＯＮ／ＯＦＦ切換可能な第２のリレー１４２、（ｉｉｉ）信号端子１２６を用いて制御信号を送受信することにより給電切換装置１００の動作制御を実施する制御手段であるＣＰＵ１５０、及び、（ｉｖ）該ＣＰＵ１５０によって参照される計時手段であるタイマ１４４を備える。

第１のリレー１４０はＣＰＵ１５０から受信する制御信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦが切り換えられる。第２のリレー１４０は電磁式リレーであり、第３の端子１１２に入力される常用電源４００からの入力電力に応じてＯＮ／ＯＦＦが切り換えられる。ＣＰＵ１５０は第１のリレー１４０のＯＮ／ＯＦＦ制御の他、給電切換装置１００を構成する各部位の制御を実施すると共に、信号端子１２６を介してポータブル電源装置２００との間でも制御信号の送受信を行う。
尚、表示パネル１３０が接続される第５の端子１３２は第２の端子１２４と第２のリレー１４２とを接続する配線に接続されており、第２の端子１２４を介してポータブル電源装置２００から出力される補完電力によって駆動されるようになっている。

図５は前記ポータブル電源装置２００及び給電切換装置１００の内部構成を示す回路図である。
常用電源４００の出力端子４０２が給電切換装置１００の第３の端子１１２に接されることにより、給電切換装置１００に交流電力が入力される。第３の端子１１２に入力された交流電力は、安全用のヒューズ１５２が設けられた配線１５０に印加される。配線１５０は第２のリレー１４２の端子１４２ａ、１４２ｃ及び励磁部１４２ｇに接続される。平常時には、常用電源４００から所定の交流電力が入力されるので、該交流電力によって励磁部１４２ｇによって、第２のリレー１４２は端子１４２ａ、１４２ｃがそれぞれ端子１４２e及び１４２ｆに接続されるように切り換えられる（以下、この状態を「第２のリレー１４２がＯＦＦ状態にある」と適宜称する）。第２のリレー１４２の端子１４２e及び１４２ｆは、配線１５４を介して、負荷３００が接続された第４の端子１１４に接続されている。これにより、平常時においては、常用電源４００から入力された交流電力は、第２のリレー１４２を介して、負荷３００に供給される。

このとき、第１のリレー１４０は、ＣＰＵ１５０からの制御信号によってＯＦＦ状態に切り換えられている。常用電源４００から交流電力が入力される配線１５０は、該配線１５０から分岐した配線１５６を介して、第１のリレー１４０の端子１４０ａ及び１４０ｂに接続されている。一方、第１のリレー１４０の端子１４０ｃ及び１４０ｄはポータブル電源装置２００の充電端子２１２に嵌合する第１の端子１２２に接続されているが、上述のように第１のリレー１４０がＯＦＦ状態に切り換えられているため、ポータブル電源装置２００は常用電源４００から電気的に隔離されている。
これにより、平常状態において給電切換装置１００を介してポータブル電源装置２００を常用電源４００に接続していても、ポータブル電源装置２００に収納された二次電池に常用電源４００から過充電されることにより、二次電池の寿命が低下することを効果的に防止することができる。

尚、配線１５６には更に配線１５８が並列に接続されており、該配線１５８を介してＡＣＤＣコンバータ１６０が接続されている。ＡＣＤＣコンバータ１６０は配線１５８から入力された交流電力を直流電力（例えば＋１２Ｖｄｃ）に変換して出力する。このようにＡＣＤＣコンバータ１６０にて整流された直流電力は、例えばＣＰＵ１５０等の給電切換装置１００内の各部位に駆動用として供給される。

一方、常用電源４００から正常に交流電力が供給される平常時においても、ポータブル電源装置２００の二次電池の充電率（ＳＯＣ）が低下した場合には、ＣＰＵ１５０はその旨を信号端子１２６を介してポータブル電源装置２００から受信し、第１のリレー１４０をＯＮ状態に切り換える（すなわち、端子１４０ａ及び１４０ｂをそれぞれ端子１４０ｃ及び１４０ｄに接続するように切り換える）。これにより、常用電源４００から入力された交流電力は、配線１５０、配線１５６及び第１のリレー１４０を介して第１の端子１２２に印加され、該第１の端子１２２と嵌合している充電端子２１２からポータブル電源装置２００に入力される。
ポータブル電源装置２００に入力された交流電力は充電回路２３０を介してインバータ２３２に供給され、直流変換された後、二次電池２３４に充電される。このようにして、平常時においても二次電池２３４の充電率が不足した場合には、適宜間隔で自動的に常用電源４００から供給される交流電力を二次電池に充電することにより、充電率を回復することができる。この際、ポータブル電源装置２００には給電切換装置１００を装着した状態のままであり、ユーザも配線の切り換え操作を行う必要もない。そのため、停電等の非常時に備えて、少ない管理負担のもと、二次電池２３４の充電率を適切な範囲内に維持することができる。

常用電源４００から停電等の要因によって交流電力の供給が停止した場合、第２のリレー１４０の励磁部１４０ｇへの交流電力の供給もなくなる。すると、第２のリレー１４０は端子１４２ｂ及び１４２ｄがそれぞれ端子１４２e及び１４２ｆに接続されるように切り換えられる（すなわち、図５に示す状態に切り換わる。以下、この状態を「第２のリレー１４２がＯＮ状態にある」と適宜称する））ことによって、第２の端子１２４は第２のリレー１４０及び配線１５４を介して、第４の端子１１４に接続された負荷３００に電気的に接続される。
このときポータブル電源装置２００の動作制御を実施するＣＰＵ２５０は、信号端子１２６を介して給電切換装置１００のＣＰＵ１５０から二次電池２３４から補完電力を出力（すなわち放電）する旨の制御信号を受信し、ポータブル電源装置２００の各部位を制御することによって、給電端子２１４から補完電力を出力する。このとき二次電池２３４に充電された直流電力はインバータ２３２によって交流変換された後、給電回路２３６を介して給電端子２１４から、補完電力として出力される。
給電端子２１４から出力された補完電力は、該給電端子２１４に嵌合している第２の端子１２４から給電切換装置１００に入力され、第１のリレー１４０及び配線１５４を介して負荷３００に供給される。

図６は前記給電切換装置１００の詳細な動作を示すフロー図である。
まず初期状態（ステップＳ１０１）では、停電等が生じていない平常時にあり、第１のリレー１４０はＯＦＦ状態（図５において端子１４０ａ及び１４０ｂがそれぞれ端子１４０ｃ及び１４０ｄに接続されていない状態）にあり、且つ、第２のリレー１４２もＯＦＦ状態（図５において、第２のリレー１４２は端子１４２ａ、１４２ｃがそれぞれ端子１４２e及び１４２ｆに接続されている状態）にある。このように平常時である初期状態では、常用電源は負荷３００に電気的に接続されている。
そしてＣＰＵ１５０はタイマ１４４によって２秒カウントした後、配線１５０に設けられた不図示の電流センサについて基準電流値ゼロのキャリブレーションを行う（ステップＳ１０２）。

その後、ＣＰＵ１５０は第２のリレー１４０をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り換えることによって、常用電源４００に接続されていた負荷３００を電気的に切り離す（ステップＳ１０３）。ＣＰＵ１５０はこの状態で３秒間待機した後、第１のリレー１４０をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り換えることによって、常用電源４００を第１の端子１２２と嵌合している充電端子２１２に接続する（ステップＳ１０４）。
ＣＰＵ１５０は上述の配線１５０に設けられた電流センサをモニタリングすることによって、充電端子２１２を介して二次電池２３４に流れる充電電流値がどの程度なのかを測定する（ステップＳ１０５）。その結果、充電電流が５００ｍＡ以下である場合、ＣＰＵ１５０は二次電池２３４の充電率（ＳＯＣ）が十分に高く、充電を行う必要がないと判断して、第１のリレー１４０をＯＦＦ状態に戻す（ステップＳ１０６）。一方、充電電流が５００ｍＡ以上より大きい場合、二次電池２３４の充電率（ＳＯＣ）が減っているため充電が必要と判断し、電流センサのモニタリング値が２Ａ未満になるまでステップＳ１０６に待機する。

ステップＳ１０６を実施した後、ＣＰＵ１５０は１５秒間待機し、第２のリレー１４０２をＯＦＦ状態に切り換えると共に、タイマ１４４によって９０日間のカウントダウンを開始する（ステップＳ１０７）。そして、９０日間のカウントダウンが終了するタイミングで、処理をステップＳ１０３に戻して、上記処理を繰り返し実行する。二次電池２３４の充電率（ＳＯＣ）は、停電などの補完電力を必要とする事態が生じない場合であっても、時間の経過と共に次第に減少する。本実施形態では、このように規定日数をカウントダウンすることによって、定期的に二次電池２３４への充電を行うことができ、万が一停電などの非常事態が生じた場合給電に切り換えることができる。特に、このような制御は自動的に行われるため、ユーザの管理負担が少なくて済む。

停電等が生じない平常時には、上記充電操作がカレンダタイマに基づいて適宜間隔で実施されるが、その間に停電等が生じた場合には以下の制御が実施される。配線１５０に設けられた電流センサは常に電流値を監視しており、ＣＰＵ１５０は当該電流値が予め設定された閾値未満になった場合に停電等の非常事態が発生したと判断する。ステップＳ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６、Ｓ１０７のいずれかのステップを実施中に、このような非常事態が検知された場合、ＣＰＵ１５０は処理をステップＳ１０８に進め、第１のリレー１４０をＯＮ状態に切り換えると共に、第２のリレー１４２をＯＦＦ状態に切り換え（ステップＳ１０８）、２秒待機した後、第１のリレー１４０をＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ１０９）。これにより、二次電池２３４は充電端子２１２を介して負荷３００に電気的に接続され、補完電力（充電電力）が負荷３００に供給される。このとき表示パネル１３０にも補完電力の一部が供給され、発光することによりユーザに対してポータブル電源装置２００の位置を知らしめる。

ステップＳ１０９において二次電池２３４から負荷３００に補完電力が供給される状態は、停電等の非常事態が終了して常用電源４００が復旧するか、或いは、ユーザが手動によって初期化を行うまでの間、継続される。前者の場合は、ＣＰＵ１５０は処理をステップＳ１０３に戻し、後者の場合はＳ１０１に戻す。

尚、本実施形態では停電などの非常事態が発生することによって常用電源４００がシャットダウンした場合に、給電切換装置１００によって負荷３００への給電源を切り換える制御を説明した。これに代えて、常用電源４００がシャットダウンしない場合であっても、電気料金の価格が時間帯によって変化する場合には、電気料金の価格が高い時間帯には二次電池２３４からの補完電力によって負荷３００を駆動しつつ、電気料金が安い時間帯に常用電源４００から負荷３００への給電を行うと共に二次電池２３４の充電を行ってもよい。これにより、負荷３００で消費する電力コストを効果的に節約することができる。

次に本発明の実施形態としての給電切換装置１００に使用されるポータブル電源装置２００の内部構成を図７に基づいて説明する。
ポータブル電源装置２００は、必要に応じて様々な場所で機器用の電源を供給するために、可搬性に優れたポータブル電源装置であり、筐体２０２内にエネルギー密度の高いリチウムイオン電池等の二次電池セルが複数集積してなる矩形状の二次電池集積体（以下、「二次電池２３４」と称する）を収納している。二次電池２３４は充電端子２１２（図２を参照）に外部交流電源（例えば商用１００Ｖａｃ）を接続することにより充電可能であり、給電端子２１４（図２を参照）に負荷を接続することにより給電可能に構成されている。

筐体２０２には、上述の二次電池２３４と共に、インバータ２３２、充電回路２３０、給電回路２３６、リレー２６２が収納されている。
インバータ２３２は、外部交流電源から入力された交流電力を直流変換して二次電池２３４に充電、又は、二次電池２３４に蓄積された直流電力を交流変換して給電する直流／交流変換ユニットである。
充電回路２３０及び給電回路２３６は、二次電池２３４の充電制御又は給電制御に関する回路部品であって、例えば、インバータ２３２の入出力制御や、二次電池２３４の過充電・過放電を防止するために充電又は放電の許可・禁止を判断する制御回路、二次電池２３４の充電率（ＳＯＣ）の演算回路のようなポータブル電源装置２００の動作に関する各種制御回路を含んでいてもよい。尚、図１の例では、充電回路２３０及び給電回路２３６は一つの基板上に集積されている。
リレー２６２はインバータ２３２、充電回路２３０及び給電回路２３６を含む、ポータブル電源装置２００の動作に関する回路上に設置された充放電の許可リレーであり、電源回路上には、安全用のヒューズ２６１が設けられている。

図８は前記ポータブル電源装置２００の内部構成を示す回路図である。
インバータ２３２と二次電池２３４とは、配線２３７によって接続されている。該配線２３７には、二次電池２３４の充電時にはインバータ２３２によって直流変換された直流充電電流が二次電池２３４に向かって流れる。二次電池２３４の放電時（補完電力の出力時）には、該配線２３７には二次電池２３４からインバータ２３２に向かって直流放電電流が流れる。

このように充放電電流が流れる配線２３７には、電圧検知センサ２４０が並列に接続されており、該配線２３７における電位が測定可能に構成されている。また、配線２３７には電流検知センサ２４２が直列に接続されており、該配線２３７を流れる充放電電流が測定可能に構成されている。電圧検知センサ２４０及び電流検知センサ２４２の検出値は、それぞれ演算手段であるＣＰＵ２５０に送信され、二次電池２３４の充電率（ＳＯＣ）の算出に用いられる。
尚、電圧検知センサ２４０は例えば集積基板からなるＣＰＵ２５０と一体的に構成されていてもよい。

ここで、ＣＰＵ２５０によって実施される、二次電池２３４の充電率（ＳＯＣ）の演算方法について具体的に説明する。図９は二次電池２３４の充電率（ＳＯＣ）の演算方法を示すフローチャートである。
まずＣＰＵ２５０は、メモリなどの記憶手段に予め記憶されたデータテーブル２６０，２６１からデータを取得し（ステップＳ１０１）、二次電池２３４の電圧（Ｖ）と充電率（ＳＯＣ）との関係を示す関数ｆ（Ｖ）、及び、二次電池２３４の抵抗損を求める（ステップＳ１０２及びＳ１０３）。

一般的に二次電池２３４の電圧（Ｖ）と充電率（ＳＯＣ）とは任意の関数によって規定される関係にあるが、その関数は二次電池２３４の種類毎に異なる。データテーブル２６０には、当該使用される二次電池或いは同型の二次電池について、電池入出電流が０で静定した状態の電池端子電圧Ｖ_０と、それに応じたＳＯＣ値とを予め試験的に得られたものにより構成されている。
図４はデータテーブル２６０の一例であり、電池入出電流が０で静定した状態の電池端子電圧Ｖ_０と、それに応じたＳＯＣ値との組み合わせがテーブル状に多数記憶されている。

ステップＳ１０２では、ＣＰＵ２５０はこのようなデータテーブル２６０に含まれるデータに基づいて、二次電池２３４の電圧（Ｖ）と充電率（ＳＯＣ）との関係を、ｆ（Ｖ）として求める。例えば、データテーブル２６０に含まれる電圧と充電率（ＳＯＣ）との値に基づいて、最小二乗法等の手法を用いて近似的にｆ（Ｖ）を求めるとよい。
尚、データテーブル２６０に代えて、メモリなどの記憶手段にｆ（Ｖ）自体を記憶することで、ＣＰＵ２５０でｆ（Ｖ）を演算するための処理負担を軽減してもよい。

また、電圧検知手段２４０による電圧検知の際には、配線２３７には充放電電流が流れているため、二次電池２３４の内部抵抗や各種配線抵抗などによって少なからず電圧降下が生じる。そのため、電圧検知センサ２４０の検出値には、このような電圧降下成分が少なからず含まれ、これを補正することが充電率（ＳＯＣ）の演算精度上、重要である。
メモリなどの記憶手段には、二次電池２３４の充放電電流Ｉと該二次電池２３４の端子間における電圧降下値ΔＶとの関係を予め定めたデータテーブル２６１が予め記憶されている。図５はデータテーブル２６１の一例であり、充放電電流値Ｉと、それに応じた回路における電圧降下値ΔＶとの組み合わせがテーブル状に多数記憶されている。

ステップＳ１０３では、ＣＰＵ２５０はこのようなデータテーブル２６１に含まれるデータに基づいて、二次電池２３４の抵抗損ｋｃを算出する。ＣＰＵ２５０はデータテーブル２６１を読み込むことにより、例えば最小二乗法のような手法によって近似関数として抵抗損ｋｃを算出する。これにより、データテーブル２６１に記憶された実測値に従って、抵抗損ｋｃを精度よく求められる。本実施形態では、ＣＰＵ２５０に求める処理速度を優先するために、充放電電流Ｉと電圧降下値ΔＶとの関係を一次関数であると近似し、その比例定数として抵抗損ｋｃを求める。なお、充放電電流Ｉと電圧降下値ΔＶとの関係を高次関数であると近似することにより、抵抗損ｋｃをより精度よく求め、充電率ＳＯＣの算出精度を向上させてもよい。

続いて、ＣＰＵ２５０は次式
ＳＯＣ＝ｆ（Ｖ）＋Ｋ
の式に基づいて二次電池２３４の充電率（ＳＯＣ）を求める（ステップＳ１０４）。ここでＫは電圧検知センサ２４０に対して上述した電圧降下分を補正するための定数である。この定数Ｋは電圧降下分を打ち消すように予め試験的に求められてもよい。

本実施形態では特に、定数Ｋは電流検知センサ２４２の検出値Ｉを用いて、次式
Ｋ＝ｆ（ｋｃ×Ｉ）
により求めたものを採用する。ここでｋｃはステップＳ１０３で求めたものを使用しており、二次電池２３４の流入電流による抵抗損（回路＋電池内部抵抗ほか）を電流に比例したものとみなす際の定数である。電圧降下分は配線２３７を流れる電流値に依存するため、このように定数Ｋを電流値に基づいて求めることにより、配線２３７を流れる充放電電流の大きさに基づいて、電圧降下成分である定数Ｋをより正確に求めることができる。

尚、一般的に、二次電池２３４の充電率（ＳＯＣ）は二次電池２３４が置かれる環境温度にも依存するため、定数Ｋを算出する上式に当該温度をパラメータとして含めてもよい。

このように二次電池２３４が充放電する際には、充放電電流に比例した電圧低下（電池内部抵抗、回路抵抗による電圧降下）が生じ、電圧検知センサ２４０によって検出可能なみかけの電圧Ｖが低下してしまうことを考慮して、それを補うべく、電流比例の電圧降下分を補足することによって、算出される充電率（ＳＯＣ）の精度低下を減じることができる。尚、補正項ｋｃは、厳密には、１次直線での直線とはならないが、それであっても直線近似が概ね適合する。

また本実施形態における算出方法によれば、従来技術で説明したような積分を用いた演算を行わないので、リセット等の処置が不要で、精度の低い電流計（安価で入手性がよい）を用いて簡易に信頼性のある精度で充電率（ＳＯＣ）を求めることができる。
本実施形態を検証した結果、定数Ｋを用いた補正項を用いない場合、算出したＳＯＣ値の精度は±５％程度変動していたが、補正項を設けることで、その分はキャンセルされ、電流による変動は±１％程度に抑えられた。電池の電流−電圧特性（補正項計算）が比例特性でない等により、直線近似である本考案では、その変動をゼロに抑えることはできなかったが、実用上は十分な効果が確認（実感）できた。

次に本発明の本発明の実施形態に係る給電切換装置１００に適用されるポータブル電源装置２００の内部の冷却空気の流れを図１２に基づいて模式的に示す。
ポータブル電源装置２００は、必要に応じて様々な場所で機器用の電源を供給するために、可搬性に優れた電源装置であり、筐体２０２内にエネルギー密度の高いリチウムイオン電池等の二次電池セルが複数集積してなる矩形状の二次電池集積体（以下、「二次電池２３４」と称する）を収納している。二次電池２３４は不図示の充電端子に外部交流電源（例えば商用１００Ｖａｃ）を接続することにより充電可能であり、不図示の給電端子に負荷を接続することにより給電可能に構成されている。

筐体２０２には、上述の二次電池２３４と共に、インバータ２３２、充電回路２３０、給電回路２３６、リレー２６２が収納されている。
インバータ２３２は、外部交流電源から入力された交流電力を直流変換して二次電池２３４に充電、又は、二次電池２３４に蓄積された直流電力を交流変換して給電する直流／交流変換ユニットである。
充電回路２３０及び給電回路２３６は、二次電池２３４の充電制御又は給電制御に関する回路部品であって、例えば、インバータ２３２の入出力制御や、二次電池２３４の過充電・過放電を防止するために充電又は放電の許可・禁止を判断する制御回路、二次電池２３４の充電量（ＳＯＣ）の演算回路のようなポータブル電源装置２００の動作に関する各種制御回路を含んでいてもよい。
リレー２６２はインバータ２３２、充電回路２３０及び給電回路２３６を含む、ポータブル電源装置２００の動作に関する回路上に設置されたリレーである。
尚、電源回路上には、安全用のヒューズ２６１が設けられている。

ポータブル電源装置２００の動作時には、インバータ２３２、充電回路２３０、給電回路２３６、リレー２６２はそれぞれ発熱体として機能する。特にインバータ２３２は発熱量が多く、本実施例において第１の発熱体として機能する。充電回路２３０、給電回路２３６、リレー２６２は、インバータ２３２より発熱量が少なく、それぞれ第２の発熱体として機能する。

尚、本実施例では図示を省略しているが、筐体２０２内には、ポータブル電源装置２００の全体動作を制御するコントローラ基板も収納されている。コントローラ基板は、共に筐体２０２内に収納された各ユニット、部品等との間で制御信号を送受信することにより、ポータブル電源装置２００の動作を制御する。このコントローラ基板もまた、動作時に少なからず熱量を発生させるので、上述の発熱体として取り扱って良いことは言うまでもない。

筐体２０２内においてインバータ２３２は二次電池２３４の一の外壁面２７０に沿って配設されており、充電回路２３０、給電回路２３６及びリレー２６２は該一の外壁面２７０に隣接する他の外壁面２７１に沿って配設されている。また、一の外壁面２７０とインバータ２３２との間には通風ガイド２７６が配設されており、該通風ガイド２７６と筐体２０２の内壁面との間には第１の通風空間２７２が形成されている。この第１の通風空間２７２は一の外壁面２７０に沿って、筐体２０２の下方から上方に向かって延在している。
なお、これら発熱体はその発熱が二次電池２３４に悪影響を及ぼさないようにするため、それぞれ二次電池２３４の垂直方向に延在する一の壁面２７０（垂直面）及び他の外壁面２７１から離隔した位置に配置されている。

一方、二次電池２３４の一の外壁面２７０と隣接する他の外壁面２７１（水平面）と離隔した位置には、第２の発熱体である充電回路２３０及び給電回路２３６が該他の外壁面２７１に沿って配設されている。図１の例では、充電回路２３０及び給電回路２３６と共に発熱源となり得るリレー２６２や制御回路等も配置されている。

筐体２０２のインバータ２３２に対向する面には、スリット状に形成された第１の通気孔２７４が設けられており、外気が筐体２０２内に導入可能に構成されている。また、筐体２０２のうち、二次電池２３４を挟んで通風ガイド２７６の反対側の側壁面２７８の、第２の発熱体（充電回路２３０、給電回路２３６及びリレー２６２）と対面する位置には、排気孔２８０と共に排気ファン２８２が設けられている。第１の通気孔２７４から装置内部に導入された外気は、図１において矢印Ａ１−Ａ３で示す流路に従って、第１の通風空間２７２を通って筐体２０２内を上昇した後（矢印Ａ１を参照）、筐体２０２の天井壁に沿って旋回して（矢印Ａ２を参照）、排気ファン２８２によって排気孔２８０から外部に排出される（矢印Ａ３を参照）。このように筐体２０２内に一連の外気の流れを形成することによって、装置内部に配置された各種発熱体を効果的に冷却できる。

この例では、第１の通風空間２７２は第２の発熱体（充電回路２３０、給電回路２３６及びリレー２６２）と対面する位置まで延在して形成されている。これにより、第１の通気孔２７４から第１の通風空間２７２内に導入された外気は、第１の発熱体（インバータ２３２）を冷却した後、第２の発熱体が存在する空間に導かれ、第２の発熱体を冷却する。このように、シンプルな構造で複数の発熱体を効率的に冷却できる。

通風ガイド２７６の第１の通気孔２７４と反対側の端部には、第１の排気ファン２８２に向かうように湾曲した湾曲部２７５が形成されている。第１の通風孔２７４から導入された外気は、第１の通風空間２７２を通った後、湾曲部２７５により第２の発熱体に向かってスムーズに旋回される。これにより、インバータ２３２を冷却した後の外気を第２の発熱体に効率的に当てることで冷却を促進できる。また、湾曲部２７５によって旋回された外気は、充電回路２３０及び給電回路２３６等の発熱部品上を通りながら冷却排風出来るように構成されている。

また発熱量の大きなインバータ２３２を外気の流れの上流側（第１の通気孔２７４側）に配置することにより、外部から導入した低温の外気に曝し、優先的に冷却できる。一方、インバータ２３２を冷却した後の外気は、比較的発熱量が少なく、第１の排気ファン２８２側（下流側）に配置された第２発熱体に導くことによって、第２の発熱体の冷却に使用できる。このように、発熱量を考慮して筐体２０２内における発熱体のレイアウトを設定することによって、効率的な冷却効果を得ることができる。

インバータ２３２を冷却する際に温められた外気は、取得した熱量によって上昇しようとする。本実施例では、第１の通風空間２７２が上下方向に延在しているので、このような外気の流れを阻害することなく、筐体２０２をスムーズに流れることができる。そして、このような外気の流路上に各発熱部材を配置することで、選択的且つ効率的な冷却が可能となる。

図１３は前記インバータ２３２の内部における冷却空気の流れを模式的に示す図であり、図１４はポータブル電源装置２００の内部においてインバータ２３２の内部を経由する冷却空気の流れを模式的に示す図である。

インバータ２３２の壁面のうち第１の通気孔２７４に対向する側には、インバータ２３２内に外気を導入するための第２の通気孔２８４が設けられている。またインバータ２３２の、第２の通気孔２８４とは反対側にはインバータ２３２内の空気を排出するための第２の排気ファン２８６が設けられている。そして、インバータ２３２内には、第２の通気孔２８４及び第２の排気ファン２８６を互いに連通するように形成された第２の通風空間２８７が形成されている。
これにより、筐体２０２の外部から第１の通気孔２７４を介して導入された外気の一部が、第２の通気孔２８４を介してインバータ２３２内部に導かれる（矢印Ｂ１を参照）。インバータ２３２内部に導入された外気は、インバータ２３２を内部から冷却しながら上昇し、上方に設けられた第２の排気ファン２８６からインバータ２３２外に排出される（矢印Ｂ２を参照）。
第２の排気ファン２８６によってインバータ２３２から排出された空気は、インバータ２３２と反対側の２の筐体２０２側面に設けられた第１の排気ファン２８２によって引き込まれることによって充電回路２３０、給電回路２３６及びリレー２６２等の発熱部品上を通りながら外部に排出される（矢印Ｂ３を参照）。

図１５はポータブル電源装置２００の内部における冷却空気の流れ全体を模式的に示す図である。
ポータブル電源装置２００の内部において、第１の通気孔２７４から導入された外気の流れは、インバータ２３２の外側を通る気流Ａ（詳しくは、図１０の矢印Ａ１〜Ａ３を参照）と、インバータ２３２の内部を通る気流Ｂ（詳しくは、図１２の矢印Ｂ１〜Ｂ３を参照）とから構成される。このような２つのルートを形成することによって、ポータブル電源装置２００の内部に配設されたインバータ２３２、充電回路２３０及び給電回路２３６等の発熱部品を効果的に冷却できると共に、これらの部品によって暖められた空気の流れを妨げることなくスムーズに形成することで、効率的な冷却が可能となる。

本発明は、主として停電時若しくは電力ピーク使用時に外部電源（商用及び自家発電等の常用電源を含む）の補完電力として利用可能なポータブル電源装置に脱着自在に取り付けることにより、必要に応じてポータブル電源装置の給電及び充電を自動的に切換可能なポータブル電源装置の給電切換装置に利用可能である。

１００ 給電切換装置
１０２ 第２の筐体
１１０ 前面
１１２ 第３の端子
１１４ 第４の端子
１２０ 後面
１２２ 第１の端子
１２４ 第２の端子
１２６ 第３の端子
１３０ 表示パネル
１３２ 第５の端子
１４０ 第１のリレー
１４２ 第２のリレー
１５０ ＣＰＵ
１６０ ＡＣＤＣコンバータ
２００ ポータブル電源装置
２０２ 第１の筐体
２１０ 前面
２１２ 充電端子
２１４ 給電端子
２１６ 信号端子
２３０ 充電回路
２３４ 二次電池
２３６ 給電回路
２５０ ＣＰＵ
３００ 負荷
４００ 常用電源

Claims (8)

1. 二次電池と、該二次電池より負荷に給電を行う給電端子と、外部電源より前記二次電池の充電を行う充電端子とを備えたポータブル電源装置に脱着自在に装着される給電切換装置であって、
   前記充電端子及び前記給電端子に夫々接続可能な第１及び第２の端子と、
   前記外部電源に接続可能な第３の端子と、
   前記負荷に接続可能な第４の端子と、
   前記外部電源が停電した場合に、前記給電端子に接続された前記第２の端子を介して前記二次電池から前記負荷に給電がなされるように構成された制御回路と
   を備えたことを特徴とするポータブル電源装置の給電切換装置。
2. 前記制御回路は、
   前記第１の端子と前記第３の端子との間に配置され、前記第１の端子と前記第３の端子との間の電気的な接続状態を切り換える第１のリレーと、
   前記第３の端子及び前記第１のリレーと前記第２の端子及び前記第４の端子との間に配置され、前記第３の端子及び前記第１のリレーと前記第２の端子及び前記第４の端子との間の電気的な接続状態を切り換える第２のリレーと、
   を含んでなることを特徴とする請求項１に記載のポータブル電源装置の給電切換装置。
3. 前記二次電池の給電及び充電に関する制御信号を入出力可能な信号端子を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のポータブル電源装置の給電切換装置。
4. 前記制御回路は、前記外部電源が非停電である場合に、前記外部電源を前記二次電池に接続することなく、前記負荷に接続することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のポータブル電源装置の給電切換装置。
5. 前記制御回路は、前記外部電源が停電である場合に、前記二次電池を自動的に前記負荷に接続することにより、前記二次電池からの給電を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のポータブル電源装置の給電切換装置。
6. 経過時間を計測する計時手段を備え、
   前記制御回路は、前記計時手段で経過時間が所定値に達した場合に、前記充電端子に接続された前記第１の端子を前記外部電源に接続することにより、前記二次電池を充電するように構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のポータブル電源装置の給電切換装置。
7. 経過時間を計測する計時手段を備え、
   前記制御回路は、前記計時手段で計測した経過時間に基づいて所定時間帯の間、前記充電端子に接続された前記第１の端子を前記外部電源が接続された前記第３の端子に接続しないことにより、前記二次電池への充電を禁止することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のポータブル電源装置の給電切換装置。
8. 前記ポータブル電源装置は、前記二次電池を第１の筐体内に収容して構成されており、
   前記給電切換装置は、前記第１の筐体に脱着自在に装着される第２の筐体を備え、
   前記第１の筐体及び前記第２の筐体は、互いに対峙する対峙面をそれぞれ有し、
   前記第１の筐体の対峙面には、前記充電端子、前記給電端子及び前記信号端子が設けられると共に、前記第２の筐体の対峙面には、前記第１及び第２の端子及び前記信号端子が設けられており、
   前記第２の筐体が前記第１の筐体に装着された際に、前記充電端子が前記第１の端子に嵌合すると共に、前記給電端子が前記第２の端子に嵌合するように構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のポータブル電源装置の給電切換装置。

Images