JP2014054054A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 二次電池の自己放電等に起因する無駄な電力消費を低減することが可能な電源装置を提供する。
【解決手段】 商用電源からの電力が入力端子に供給される。電気負荷が出力端子に接続される。入力端子から供給された電力により蓄電装置が充電される。さらに、蓄電装置は、出力端子に電力を供給する。制御装置が、入力端子に印加されている商用電源の電圧、及び蓄電装置の充電状態を監視する。商用電源の電圧が規定電圧値以下になり、かつ蓄電装置の充電状態が規定値以下になったことを検出すると、一次電池の出力を出力端子に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、商用電源からの電力供給が停止しても、電気負荷に電力を供給することが可能な電源装置に関する。

停電時のバックアップ電源として、鉛蓄電池等の二次電池が用いられている。また、特許文献１に、商用電源が利用できないときに少なくとも２系統の乾電池からの電気エネルギの和を受信機に供給するバックアップ電源が開示されている。

特開２００７−１８９８１３号公報

鉛蓄電池等の二次電池をバックアップ用の電源に用いる場合、商用電源から正常に電力が供給されている期間は、二次電池が満充電状態に維持される。二次電池が充電された状態に維持されていると、二次電池を使用しない期間も、自己放電によって電力が無駄に消費される。さらに、満充電状態が維持されると、二次電池の劣化が進行するため、定期的に電池を交換しなければならない。

乾電池をバックアップ用の電源に用いる場合には、自己放電等により乾電池の残量が低下する場合がある。乾電池の残量が低下すると、当初の目標の動作時間が得られない状況が生じ得る。規格通りの動作時間を保証するために、乾電池を定期的に交換しなければならない。
本発明の目的は、二次電池の自己放電等に起因する無駄な電力消費を低減することが可能な電源装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
商用電源からの電力が供給される入力端子と、
電気負荷が接続される出力端子と、
前記入力端子から供給された電力により充電されるとともに、前記出力端子に電力を供給する蓄電装置と、
一次電池と、
前記入力端子に印加されている商用電源の電圧、及び前記蓄電装置の充電状態を監視し、前記商用電源の電圧が規定電圧値以下になり、かつ前記蓄電装置の充電状態が規定値以下になったことを検出すると、前記一次電池の出力を前記出力端子に供給する制御装置とを有する電源装置が提供される。

バックアップ用電源として、蓄電装置の他に一次電池が配置されているため、蓄電装置のみでバックアップ用電源を構成する場合に比べて、蓄電装置の容量を小さくすることができる。これにより、自己放電等に起因する無駄な電力消費を低減することができる。

図１は、実施例による電源装置のブロック図である。 図２は、実施例による電源装置に用いられている一次電池の断面図である。 図３は、実施例による電源装置の等価回路図である。 図４は、実施例による電源装置のバックアップ中の電圧の変化を示すグラフである。 図５は、実施例による電源装置のバックアップ中のブロック図である。 図６は、実施例による電源装置のバックアップ中のブロック図である。 図７は、実施例による電源装置のバックアップ中のブロック図である。 図８は、実施例による電源装置のバックアップ中のブロック図である。 図９は、実施例の変形例による電源装置のバックアップ中のブロック図である。

図１に、実施例による電源装置のブロック図を示す。入力端子１０に商用電源１２から交流電力が供給される。出力端子１１に電気負荷１３が接続されている。電気負荷１３は、例えば移動体通信網の無線基地局の送受信機である。ＡＣ−ＤＣコンバータ２０が、入力端子１０に入力された交流電力を直流電力に変換する。この直流電力は、電力輸送回路２１を経由して出力端子１１に出力されるとともに、電力輸送回路２１及びスイッチング素子２６を経由して蓄電装置２５に供給される。これにより、蓄電装置２５が、常時、満充電の状態に維持される。蓄電装置２５には、例えば鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等が用いられる。

電力輸送回路２１に、複数の一次電池３０が、それぞれスイッチング素子３１を介して接続されている。一次電池３０には、金属空気電池、例えば亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、マグネシウム空気電池等が用いられる。

一次電池３０の各々は、正極集電体３２、負極集電体３３、負極活物質３４、及び電解液３５を含む。待機中は、電解液３５が負極活物質３４から分離されている。電解液３５が負極活物質３４から分離された状態を「待機状態」という。電解液３５を負極活物質３４に接触させると、起電力が発生する。電解液３５が負極活物質３４に接触して起電力が発生している状態を「動作状態」という。

入力端子１０に印加されている電圧、蓄電装置２５の端子間電圧、複数の一次電池３０の各々の端子間電圧の測定値が、制御装置４０に入力される。制御装置４０は、入力された電圧の測定値に基づいて、スイッチング素子２６、３１のオンオフ制御、及び一次電池３０の待機状態から動作状態への切換制御を行う。

図２に、実施例による電源装置に用いられている一次電池３０（図１）の断面図を示す。袋状のセパレータ３６内に負極集電体３３及び負極活物質３４が充填されている。負極活物質３４には、例えば金属亜鉛、金属アルミニウム、金属マグネシウム等の金属粒子が用いられる。負極集電体３３には、例えばニッケル等の金属板が用いられる。セパレータ３６には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜、または樹脂不織布、ガラス繊維不織布等が用いられる。

セパレータ３６の外側の表面に正極集電体３２が貼りつけられている。正極集電体３２は、カーボンクロス、カーボンペーパー等のベースにカーボンブラック等の導電材を塗布した構造を有する。導電材には、触媒及び結着剤が含まれる。触媒には、例えば二酸化マンガンが用いられる。結着剤には、例えばポリフッ化ビニリデン等が用いられる。正極集電体３２は、酸素を透過させる多数の微細な孔を有する。大気中の酸素が正極活物質として作用する。負極集電体３３と正極集電体３２とが、一次電池３０の出力端子３７に接続される。

リザーバタンク５１内に、溶媒が蓄えられている。リザーバタンク５１が、開閉バルブ５２を介して電解質収容室５３に接続されている。電解質収容室５３内に、電解質の結晶が収容されている。開閉バルブ５２は、制御装置４０により制御される。開閉バルブ５２を開けると、リザーバタンク５１内の溶媒が電解質収容室５３内に注入される。電解質収容室５３内の電解質の結晶が溶媒に溶解し、電解液が生成される。生成された電解液が、セパレータ３６に設けられた電解液注入口５０から、セパレータ３６内の空間に注入される。一例として、溶媒には水が用いられ、電解質には水酸化カリウム（ＫＯＨ）が用いられる。このとき、セパレータ３６内に、電解液として水酸化カリウム水溶液が注入される。なお、リザーバタンク５１に電解液を収容しておき、電解質収容室５３を省略してもよい。

セパレータ３６内に電解液が注入されると、負極活物質３４の亜鉛（Ｚｎ）と電解液中の水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とが反応し、テトラヒドロキソ亜鉛酸塩（Ｚｎ（ＯＨ）_４ ^２−）と電子とが生成される。テトラヒドロキソ亜鉛酸塩が分解して、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、水酸化物イオン、及び水が生成される。生成された電子は、負極集電体３３に集められる。出力端子３７に電気負荷を接続すると、負極集電体３３に集められた電子が、電気負荷を通って正極集電体３２に供給される。

正極活物質である酸素と、正極集電体３２に供給された電子と、水とが反応して、水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンは、セパレータ３６内を輸送されて、負極活物質３４に達する。上述のように、金属空気電池が放電すると、負極活物質３４が酸化されて酸化金属、例えば酸化亜鉛が蓄積される。

図３に、実施例による電源装置の等価回路図を示す。入力端子１０に印加されている商用電源１２（図１）の電圧を、電圧計２４が測定する。電圧計２４の測定結果が制御装置４０に入力される。制御装置４０は電圧計２４の測定値（入力端子１０に印加されている商用電源１２の電圧）を監視している。制御装置４０は、電圧計２４の測定値と規定電圧値とを比較し、電圧計２４の測定値が規定電圧値以下になると、商用電源１２（図１）からの正常な電力供給が停止したと判定する。

電力輸送回路２１が、バスライン２２及びダイオード２３を含む。蓄電装置２５の入出力端子が、スイッチング素子２６を介してバスライン２２に接続されている。電圧計２７が、蓄電装置２５の入出力端子間の電圧を測定する。電圧計２７の測定結果が制御装置４０に入力される。特段の事情がない限り、スイッチング素子２６は常時オンにされている。このため、電圧計２７で測定される電圧は、バスライン２２に現れている電圧と等しい。

一次電池３０が、それぞれスイッチング素子３１を介してバスライン２２に接続されている。ダイオード２３は、一次電池３０ごとに配置され、一次電池３０と直列に接続されている。ダイオード２３は、一次電池３０からの放電電流の向きが順方向になるように接続されている。このため、一次電池３０への充電電流の流入が禁止される。なお、一次電池３０の正極の電位がバスライン２２の電位より低くなったときに、スイッチング素子３１をオフにして、充電電流の流入を防止する制御を行ってもよい。この制御を行う場合には、ダイオード２３を省略してもよい。

複数の電圧計３８が、それぞれ一次電池３０の出力端子間の電圧を測定する。測定結果が制御装置４０に入力される。一次電池３０を示す破線内に記載したスイッチ３０Ａは、一次電池３０が待機状態と動作状態との２つの状態を有することを意味する。スイッチ３０Ａのオフ状態及びオン状態が、それぞれ待機状態及び動作状態に対応する。

蓄電装置２５は、電気負荷１３で必要とされる電圧に応じた個数の鉛蓄電池を直列接続することにより、必要な電圧を出力する。一次電池３０は、その開路電圧が蓄電装置２５の開路電圧よりもやや高くなるように、複数の亜鉛空気電池が直列接続された構成を有する。

図４〜図８を参照して、実施例による電源回路の動作について説明する。
図４に、バスライン２２（図３）の電圧、及び一次電池３０（図１）の端子間電圧の時間変化の一例を示す。図４において上段の実線ｖ１がバスライン２２（図３）の電圧を示し、中段の実線ｖ２が、最初に動作する一次電池３０（図１）の端子間電圧を示し、下段の実線ｖ３が、２番目に動作する一次電池３０（図１）の端子間電圧を示す。スイッチング素子２６（図３）が常時オン状態であるため、バスライン２２の電圧ｖ１は、電圧計２７（図３）で測定することができる。

時刻ｔ０において、商用電源１２（図１）からの電力の供給が停止したとする。電圧計２４（図３）の測定値が規定電圧値以下になることにより、制御装置４０が、商用電源１２からの電力供給の停止を検知する。時刻ｔ０の時点で、図５に示すように、蓄電装置２５からの放電が開始され、電力輸送回路２１を経由して電気負荷１３に電力が供給される。蓄電装置２５が放電することにより、図４に示すように、蓄電装置２５の端子間電圧ｖ１が時間の経過とともに低下する。

図４に示した時刻ｔ１において、バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が電圧閾値Ｖａまで低下する。電圧ｖ１が電圧閾値Ｖａまで低下したことが、制御装置４０（図１）により検出されると、制御装置４０は、最初に動作させる一次電池３０の開閉バルブ５２（図２）を開く。一次電池３０に電解液が注入されることにより、一次電池３０の端子間電圧ｖ２が上昇し始める。蓄電装置２５の放電電流が定格値の範囲内のとき、蓄電装置２５の端子間電圧は、蓄電装置２５の充電状態（ＳＯＣ）に対応するため、バスライン２２（図３）の電圧ｖ１を監視することは、実質的に、蓄電装置２５のＳＯＣを監視することと等価である。

時刻ｔ２において、電解液が注入された一次電池３０の端子間電圧ｖ２が定格開路電圧Ｖｂに達する。端子間電圧ｖ２が定格開路電圧Ｖｂに達したことを制御装置４０（図１）が検出すると、電解液が注入された一次電池３０に接続されているスイッチング素子３１（図１）をオンにする。これにより、一次電池３０が待機状態から動作状態になる。一次電池３０から放電電流が流れ始め、バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が上昇する。一次電池３０の内部抵抗に起因する電圧降下ΔＶｂが生じるため、バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が、Ｖｂ−ΔＶｂまで上昇する。

図６に示すように、動作状態の一次電池３０から電気負荷１３に電力が供給される。バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が蓄電装置２５の端子間の開路電圧よりも高い場合、すなわち、バスライン２２（図３）の電位が、蓄電装置２５の正極の電位より高い場合には、動作状態の一次電池３０からの放電電力により、蓄電装置２５が充電される。電気負荷１３の消費電力が大きくなると、一次電池３０の放電電流が大きくなる。これにより、一次電池３０の内部抵抗に起因する電圧降下が大きくなり、バスライン２２の電圧ｖ１が低下する。バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が蓄電装置２５の端子間の開路電圧より低くなると、図７に示すように、蓄電装置２５が放電する。このため、一次電池３０及び蓄電装置２５の両方から電気負荷１３に電力が供給される。電気負荷１３の消費電力に応じて蓄電装置２５の充放電が行われ、全体として、バスライン２２の電圧ｖ１が時間の経過とともに低下する。電気負荷１３による消費電力の瞬間的な変動によっても、蓄電装置２５の充電と放電とが切り替わる。

図４の時刻ｔ３において、バスライン２２の電圧ｖ１が電圧閾値Ｖａまで低下すると、制御装置４０（図１）が、２番目に動作させる一次電池３０に、電解液の注入を開始する。これにより、２番目に動作する一次電池３０の端子間電圧ｖ３が上昇する。端子間電圧ｖ３が定格開路電圧Ｖｂに達すると、制御装置４０（図１）は、２番目に動作させる一次電池３０に接続されたスイッチング素子３１（図１）をＯＮにするとともに、最初に動作させた一次電池３０に接続されているスイッチング素子３１（図１）をオフにする。最初に動作させた一次電池３０からの放電電流が流れなくなるため、一次電池３０の端子間電圧ｖ２は、ほぼ一定の値を維持する。

図８に示すように、時刻ｔ４以降は、２番目に動作状態になった一次電池３０が放電する。電気負荷１３の消費電力に応じて、蓄電装置２５の充放電が行われる。時刻ｔ４以降も、バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が電圧閾値Ｖａまで低下するごとに、次に動作させる一次電池３０への電解液の注入を開始する。これにより、電気負荷１３に、継続して電力を供給することができる。

上記実施例においては、一次電池３０（図１）が待機状態の期間は、負極活物質３４（図２）と電解液とが接触していない。このため、自己放電や、電池の劣化を防止することができる。一次電池３０に電解液が注入されて定格電圧を発生するまでの期間（図４の時刻ｔ０〜ｔ２）は、蓄電装置２５により電気負荷１３に電力が供給される。このため、電力供給の継続性が保証される。

蓄電装置２５の容量は、一次電池３０が動作し始めるまでの期間、電気負荷１３に電力を供給できる程度に設定しておけばよい。このため、蓄電装置２５のみでバックアップを行う場合に比べて、その容量を小さくすることができる。このため、蓄電装置２５の自己放電に起因する電力損失を低減することができる。

図９に、実施例の変形例による電源装置のバックアップ動作時のブロック図を示す。図１〜図８の実施例では、図６に示したように、商用電源１２からの電力供給が停止したとき、一次電池３０を１つずつ順番に動作状態にした。図９に示した変形例では、複数の一次電池３０を同時に動作状態にする。図９では、２個の一次電池３０が同時に動作状態になっている例を示している。

同時動作させる一次電池３０の個数は、電気負荷１３に要求される電力に応じて決定される。複数の一次電池３０を同時に動作させることにより、電力負荷１３に十分な電力を供給することができる。同時に動作させる一次電池３０の個数は、制御装置４０内の記憶装置４１に記憶されている。電気負荷１３に要求される電力は、例えば無線基地局ごとに異なる。変形例による電源装置は、記憶装置４１に記憶させる値を無線基地局ごとに設定することが可能であるため、種々の規模の無線基地局に適用することが可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 入力端子
１１ 出力端子
１２ 商用電源
１３ 電気負荷
２０ ＡＣ−ＤＣコンバータ
２１ 電力輸送回路
２２ バスライン
２３ ダイオード
２４ 電圧計
２５ 蓄電装置
２６ スイッチング素子
２７ 電圧計
３０ 一次電池
３１ スイッチング素子
３２ 正極集電体
３３ 負極集電体
３４ 負極活物質
３５ 電解液
３６ セパレータ
３７ 出力端子
３８ 電圧計
４０ 制御装置
４１ 記憶装置
５０ 電解液注入口
５１ リザーバタンク
５２ 開閉バルブ
５３ 電解質収容室

Claims (4)

1. 商用電源からの電力が供給される入力端子と、
   電気負荷が接続される出力端子と、
   前記入力端子から供給された電力により充電されるとともに、前記出力端子に電力を供給する蓄電装置と、
   一次電池と、
   前記入力端子に印加されている商用電源の電圧、及び前記蓄電装置の充電状態を監視し、前記商用電源の電圧が規定電圧値以下になり、かつ前記蓄電装置の充電状態が規定値以下になったことを検出すると、前記一次電池の出力を前記出力端子に供給する制御装置とを有する電源装置。
2. 前記一次電池は、金属空気電池である請求項１に記載の電源装置。
3. 前記一次電池は、負極活物質と電解液とが分離された待機状態とされており、
   前記制御装置は、前記商用電源の電圧が規定電圧値以下になり、かつ前記蓄電装置の充電状態が規定値以下になったことを検出すると、前記一次電池の電解液を前記負極活物質に接触させることにより前記一次電池の出力を前記出力端子に供給する請求項２に記載の電源装置。
4. さらに、前記一次電池以外に、複数の他の一次電池を有し、
   前記制御装置は、前記出力端子に接続されている電気負荷に要求される電力に応じた個数の前記一次電池の出力を、前記出力端子に供給する請求項３に記載の電源装置。

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