JP2015019540A - 電力供給システム - Google Patents

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Abstract

【課題】新たにリニアレギュレータやスイッチングレギュレータ等の電源回路を設けることなく、通常時/停電時に関わらず、各負荷に印加する電圧を各負荷の上限電圧以下とすることができ、回路の大型化やコスト増加に与える影響を抑制することができる電力供給システムを得ること。【解決手段】直流共通部8に第1の所定電圧Vaの直流電力を供給する第1の電力変換部3と、直流共通部8に第1の所定電圧Vaよりも小さい第2の所定電圧Vbの直流電力を供給する第2の電力変換部4と、第2の所定電圧Vbにより充電される蓄電部5とを具備し、直流共通部8から第1の所定電圧Vaよりも上限電圧が小さい第1の負荷21への電力供給経路にスイッチ回路10を設け、商用電源1の非停電時(通常時)に第1の負荷21への電力供給が必要なときのみ、第1の電力変換部3をオフ制御すると共にスイッチ回路10をオン制御して蓄電部5から電力供給を行うようにした。【選択図】図1

Description

本発明は、電力供給システムに関する。
商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力供給システムでは、商用電源の停電時等、商用電源から切り離された場合に備えたバックアップ用の電源として、リチウムイオン電池等の二次電池を用いたものがある。このような電力供給システムとしては、例えば、通常時(非停電時)に負荷装置に対して電力を供給する直流出力装置の他に、二次電池であるリチウムイオン電池を充電するための充電電源部を設け、停電時等で直流出力供給装置の出力電圧が低下した時にリチウムイオン電池から負荷装置に対して電力を供給するものがある(例えば、特許文献1)。
特開2006−223050号公報
上記従来技術では、停電時等で直流出力供給装置の出力電圧が低下した時にリチウムイオン電池から負荷装置に対して電力が供給されるという電力供給ラインの切替えを、ダイオードによって受動的に実現している。このダイオードによる切替えを実現するために、直流出力供給装置の出力電圧はリチウムイオン電池の出力電圧よりも高く設定される。これより、通常時(非停電時)には、直流出力供給装置から負荷装置に対して電力が供給され、停電時には、ダイオードを介してリチウムイオン電池から負荷装置に対して電力が供給される。このため、上記従来技術では、通常時と停電時とでは、負荷装置に印加される電圧が異なるため、例えば上限電圧が低いなど動作電圧範囲に制約のある負荷装置に対しては、印加される電圧が負荷装置の上限電圧を超過しないように、新たにリニアレギュレータやスイッチングレギュレータ等の電源回路を設けるなどが必要となるため、回路の大型化やコスト増加に与える影響が大きい、という問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、新たにリニアレギュレータやスイッチングレギュレータ等の電源回路を設けることなく、通常時/停電時に関わらず、各負荷に印加する電圧を各負荷の上限電圧以下とすることができ、回路の大型化やコスト増加に与える影響を抑制しつつ、回路の大型化やコスト増加に与える影響を抑制することができる電力供給システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力供給システムは、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換して第1の負荷および該第1の負荷よりも上限電圧が大きい第2の負荷に供給する電力供給システムであって、前記商用電源の出力電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を前記第1の負荷の上限電圧よりも大きく前記第2の負荷の上限電圧よりも小さい第1の所定電圧に変換して直流共通部に直流電力を供給する第1の電力変換部と、前記整流回路の出力を前記第1の負荷の上限電圧よりも小さい第2の所定電圧に変換して前記直流共通部に直流電力を供給する第2の電力変換部と、前記第2の所定電圧により充電されると共に、前記第1の電力変換部からの電流を阻止する一方向性素子を介して前記直流共通部に直流電力を供給する蓄電部と、前記直流共通部から前記第1の負荷および前記第2の負荷に直流電力を供給可能に構成され、前記第1の負荷への電力供給経路にスイッチ回路が設けられた電力分岐部と、前記商用電源の非停電時において、前記第1の負荷への電力供給を行わない場合に、前記第1の電力変換部の出力をオン制御すると共に、前記スイッチ回路をオフ制御し、前記第1の負荷への電力供給を行う場合に、前記第1の電力変換部の出力をオフ制御すると共に、前記スイッチ回路をオン制御する制御回路と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、新たにリニアレギュレータやスイッチングレギュレータ等の電源回路を設けることなく、通常時/停電時に関わらず、各負荷に印加する電圧を各負荷の上限電圧以下とすることができ、回路の大型化やコスト増加に与える影響を抑制することができる、という効果を奏する。
図1は、実施の形態1にかかる電力供給システムの一構成例を示す図である。 図2は、実施の形態1にかかる電力供給システムの、商用電源の非停電時(通常時)において第1の負荷への電力供給が不要である場合の電流経路を示す図である。 図3は、実施の形態1にかかる電力供給システムの、商用電源の停電時、および、商用電源の非停電時(通常時)において第1の負荷への電力供給が必要である場合の電流経路を示す図である。 図4は、実施の形態1にかかる電力供給システムの非停電時(通常時)における第1の電力変換部の制御状態と直流共通部の電圧の関係を示す図である。 図5は、実施の形態1にかかる電力供給システムのタイムチャートである。 図6は、実施の形態2にかかる電力供給システムの、商用電源の非停電時(通常時)において、第1の負荷への電力供給が不要である場合の電流経路を示す図である。
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力供給システムについて説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかる電力供給システムの一構成例を示す図である。図1に示す例では、商用電源1から供給される交流電力を直流電力に変換して電力供給システム100に接続される負荷群20に供給する例を示している。実施の形態1にかかる電力供給システム100は、商用電源1から正常に電力が供給されている通常時(非停電時)と、商用電源1の停電等により商用電源1から切り離された状態(以下、「停電時」という)とで異なる動作を行う。
図1に示す例では、負荷群20は、上限電圧をV1とする第1の負荷21と上限電圧をV2とする第2の負荷22とで構成している。
図1に示すように、実施の形態1にかかる電力供給システム100は、商用電源1の電圧を検知する電圧検出回路7と、商用電源1の出力電圧を整流する整流回路2と、整流回路2の出力を第1の所定電圧Vaに変換して直流共通部8に直流電力を供給する第1の電力変換部3と、整流回路2の出力を第1の所定電圧Vaよりも小さい第2の所定電圧Vbに変換する第2の電力変換部4と、商用電源1の非停電時(通常時)において、第2の所定電圧Vbにより充電されると共に、商用電源1の停電時において、第1の電力変換部3からの電流を阻止する一方向性素子(ダイオード)6を介して直流共通部8に直流電力を供給する蓄電部5と、直流共通部8から電力供給システム100に接続された負荷群20に直流電力を供給可能に構成され、第1の負荷21への電力供給経路にスイッチ回路10が設けられた電力分岐部11と、電圧検出回路7の電圧検出値に基づいて、商用電源1の停電を検出し、商用電源1の非停電時(通常時)において、第1の負荷21への電力供給を行わない場合に、第1の電力変換部3の出力をオン制御すると共に、スイッチ回路10をオフ制御し、第1の負荷21への電力供給を行う場合に、第1の電力変換部3をオフ制御すると共に、スイッチ回路10をオン制御する制御回路9とを備えている。なお、上述した構成では、商用電源1の停電を検出する停電検出手段の一つとして、電圧検出回路7を設け、この電圧検出回路7の電圧検出値に基づいて、商用電源1の停電を検出する例について説明したが、商用電源1の停電検出手段はこれに限らず、停電か否かを検出する公知の停電検出手段を設けて商用電源1の停電検出を行えばよい。この商用電源1の停電検出手段により本発明が限定されるものではない。
第1の負荷21に印加される電圧Vo1は、スイッチ回路10が制御回路9によりオン制御されているときに、直流共通部8の電圧となり、第2の負荷22に印加される電圧Vo2は、常時、直流共通部8の電圧となる。ここで、第1の負荷21としては、例えば、ラッチ式のコンタクタ等、短時間のみ電力供給を必要とする負荷を想定している。
蓄電部5は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池であり、この蓄電部5の充電電流の上限値はImaxで規定されている。したがって、第2の電力変換部4は、出力電流Ibが蓄電部5の充電電流上限値Imax以下となるように構成されている(Ib≦Imax)。なお、第1の電力変換部3の出力電流Iaおよび蓄電部5から直流電力が供給される際の蓄電部電流Ibttは、負荷群20の消費電力量に応じて変動する。
また、本実施の形態では、第1の所定電圧Vaおよび第2の所定電圧Vbの大小関係をVb<Vaとする。これにより、商用電源1の非停電時(通常時)において、第1の負荷21への電力供給が不要であり、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4の出力がオン制御、スイッチ回路10がオフ制御されている場合には、第1の電力変換部3から直流共通部8を介して負荷群20に直流電力が供給されるが、第1の電力変換部3の出力電圧である第1の所定電圧Vaよりも上限電圧V1が小さい第1の負荷21には電力は供給されない。また、商用電源1の停電時、および、商用電源1の非停電時(通常時)において、第1の負荷21への電力供給が必要であり、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4の出力がオフ制御、スイッチ回路10がオン制御されている場合には、蓄電部5からダイオード6、直流共通部8を介して負荷群20を構成する第1の負荷21および第2の負荷22の双方に直流電力が供給される。
つぎに、上述した構成における制御回路9の動作について、図2〜図4を参照して説明する。図2は、実施の形態1にかかる電力供給システムの、商用電源の非停電時(通常時)において第1の負荷への電力供給が不要である場合の電流経路を示す図である。また、図3は、実施の形態1にかかる電力供給システムの、商用電源の停電時、および、商用電源の非停電時(通常時)において第1の負荷への電力供給が必要である場合の電流経路を示す図である。
図2に示すように、商用電源1の非停電時(通常時)において第1の負荷21への電力供給が不要である場合、制御回路9により第1の電力変換部3および第2の電力変換部4の出力がオン制御、スイッチ回路10がオフ制御される。このとき、図2において破線矢印で示す経路で電流が流れ、整流回路2の出力が第1の電力変換部3により第1の所定電圧Vaに変換されて直流共通部8に供給される(直流共通部8の電圧Vs1=Va)。また、図2において一点鎖線矢印で示す経路で電流が流れ、整流回路2の出力が第2の電力変換部4により第2の所定電圧Vbに変換されて出力電流Ibで蓄電部5に供給され、蓄電部5の充電が行われる。
また、図3に示すように、商用電源1の停電時、および、商用電源1の非停電時(通常時)において第1の負荷21への電力供給が必要である場合には、制御回路9により第1の電力変換部3および第2の電力変換部4の出力がオフ制御される。このとき、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4の出力電圧は略零となり、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4から直流共通部8および蓄電部5への電力供給は行われず、図3において二点鎖線矢印で示す経路で電流が流れ、蓄電部5に充電された直流電力がダイオード6を介して直流共通部8に供給される(直流共通部8の電圧Vs2=Vbtt−α)。
図4は、実施の形態1にかかる電力供給システムの非停電時(通常時)における第1の電力変換部の制御状態と直流共通部の電圧の関係を示す図である。
非停電時(通常時)において、制御回路9により第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオン制御されると、図2に示すように、直流共通部8の電圧Vs1は、第1の電力変換部3から出力される第1の所定電圧Vaとなる(Vs1=Va)。
ここで、制御回路9により第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオフ制御されると、図3に示すように、直流共通部8の電圧Vs2は、蓄電部5から出力される蓄電部電圧Vbttからダイオード6の電圧降下分αを減じた電圧となる(Vs2=Vbtt−α)。
蓄電部5が満充電状態である場合には、蓄電部電圧Vbttが第2の電力変換部4の出力電圧である第2の所定電圧Vbと等しく(Vbtt=Vb)、直流共通部8の電圧Vs2の最大電圧は、第2の所定電圧Vbからダイオード6の電圧降下分αを減じた電圧となる(Vs2=Vb−α)。つまり、直流共通部8の電圧Vs2は、Vb−αを最大電圧とする電圧範囲となる(Vs2=Vbtt−α≦Vb−α)。
したがって、直流共通部8の電圧は、非停電時(通常時)において第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオンオフ制御されることにより、図4に示すように、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオン制御されている状態では第1の所定電圧Va(Vs1=Va)、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオフ制御されている状態ではVbtt−α(≦Vb−α)となる(Vs2=Vbtt−α≦Vb−α)。
ここで、本実施の形態では、第1の負荷21の上限電圧V1、第2の負荷22の上限電圧V2、非停電時(通常時)において第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオン制御されているときの直流共通部8の電圧Vs1(=Va)、非停電時(通常時)において第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオフ制御されているときの直流共通部8の電圧Vs2の上限値(=Vb−α)の大小関係は、Vs2(=Vb−α)<V1<Vs1(=Va)<V2であるものとする。
つまり、非停電時(通常時)における直流共通部8の電圧は、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4のオンオフ制御状態によらず第2の負荷22の上限電圧V2未満となり(Vs1=VaあるいはVs2=Vbtt−α≦Vb−α)、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオフ制御されている状態で第1の負荷21の上限電圧V1未満となる(Vs2=Vbtt−α≦Vb−α)。
本実施の形態では、上限電圧V1の第1の負荷21への電力供給経路にスイッチ回路10を設け、第1の負荷21への電力供給が不要である場合には、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4をオン制御すると共にスイッチ回路10をオフ制御し、第1の負荷21への電力供給が必要なときのみ、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4をオフ制御すると共にスイッチ回路10をオン制御する。
このように制御することにより、第1の負荷21への電力供給が必要なときのみ、第1の負荷21に上限電圧V1未満の電圧が印加され(Vo1=Vo2=Vs2=Vbtt−α≦Vb−α)、第1の負荷21への電力供給が不要である場合には、第1の負荷21への電力供給が停止される(Vo1=0、Vo2=Vs1=Va)。
つぎに、実施の形態1にかかる電力供給システムの動作について、図1〜図5を参照して説明する。図5は、実施の形態4にかかる電力供給システムのタイムチャートである。
図5(a)は、スイッチ回路10の制御状態を示し、図5(b)は、第1の電力変換部3の制御状態を示している。また、図5(c)は、直流共通部8の電圧を示し、図5(d)は、第1の負荷21に出力される電圧Vo1を示している。
まず、図5に示す状態1について説明する。第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオン制御されている場合、直流共通部8の電圧は、上述したように、第1の電力変換部3から出力される第1の所定電圧Vaとなる(Vs1=Va)。このとき、スイッチ回路10はオフ制御されており、第1の負荷21に印加される電圧Vo1はゼロとなる(Vo1=0)。
つぎに、図5に示す状態2について説明する。第1の電力変換部3および第2の電力変換部4がオフ制御されている場合、直流共通部8の電圧は、上述したように、Vbtt−α(≦Vb−α)となる(Vs2=Vbtt−α≦Vb−α)。このとき、スイッチ回路10はオン制御されており、第1の負荷21に印加される電圧Vo1は、最大で第2の所定電圧Vbからダイオード6の電圧降下分αを減じた電圧となる(Vo1=Vs2=Vbtt−α≦Vb−α)。
このように、第1の負荷21に電力を供給する場合には、図5に示す状態2となる制御、つまり、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4をオフ制御すると同時にスイッチ回路10をオン制御することで、上限電圧V1が小さい第1の負荷21に対して印加される電圧Vo1が上限電圧V1以下となるようにしている。
また、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4をオンオフ制御すると、図5に示す状態2となった場合には、蓄電部5からダイオード6、直流共通部8を介して第1の負荷21および第2の負荷22に直流電力が供給される。このため、状態1となる時間、つまり、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4のオン制御時間よりも、状態2となる時間、つまり、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4のオフ制御時間の方が長くなると、蓄電部5の放電エネルギーが第2の電力変換部4から供給される充電エネルギーを上回り、蓄電部電圧Vbttが徐々に低下して放電限界値以下となる。
したがって、本実施の形態では、状態2となる時間つまり、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4のオフ制御時間よりも状態1となる時間、つまり、第1の電力変換部3および第2の電力変換部4のオン制御時間が長くなるように設定する。
以上説明したように、実施の形態1の電力供給システムによれば、直流共通部から第1の電力変換部の出力電圧(第1の所定電圧Va)よりも上限電圧が小さい第1の負荷への電力供給経路にスイッチ回路を設け、商用電源の非停電時(通常時)において、第1の負荷への電力供給が不要である場合には、第1の電力変換部および第2の電力変換部をオン制御すると共にスイッチ回路をオフ制御して第1の負荷への電力供給を停止し、第1の負荷への電力供給が必要なときのみ、第1の電力変換部および第2の電力変換部をオフ制御すると共にスイッチ回路をオン制御して蓄電部から電力供給を行うようにしたので、新たにリニアレギュレータやスイッチングレギュレータ等の電源回路を設けることなく、各負荷に印加する電圧を各負荷の上限電圧以下とすることができ、回路の大型化やコスト増加に与える影響を抑制することができる。
また、第1の電力変換部および第2の電力変換部のオン制御時間が、第1の電力変換部および第2の電力変換部のオフ制御時間よりも長くなるように設定することで、蓄電部から各負荷に印加される電圧(蓄電部電圧Vbtt)が低下して放電限界値以下となるのを抑制することができる。
なお、上述した実施の形態1では、図1において第1の負荷および第2の負荷をそれぞれ1つ記載したが、いずれも2つ以上の複数であってもよく、それぞれの上限電圧と第1の電力変換部および蓄電部の各出力電圧との関係が、実施の形態1において説明した関係を満たすものであればよい。
実施の形態2.
上述した実施の形態1では、商用電源の非停電時(通常時)に第1の電力変換部の出力電圧Vaよりも上限電圧が小さい第1の負荷への電力供給が不要である場合には、第1の電力変換部および第2の電力変換部をオン制御すると共にスイッチ回路をオフ制御し、第1の負荷への電力供給が必要なときのみ、第1の電力変換部および第2の電力変換部を停電時と同様にオフ制御すると共にスイッチ回路をオン制御して、蓄電部から第1の負荷および第2の負荷に電力を供給する例について説明したが、本実施の形態では、商用電源の非停電時において第1の負荷および第2の負荷に電力供給を行う際の蓄電部の放電を抑制する制御例について説明する。なお、実施の形態2にかかる電力供給システムの構成は、実施の形態1にかかる電力供給システムと同一であるので、ここでは説明を省略する。
図6は、実施の形態2にかかる電力供給システムの、商用電源の非停電時(通常時)において第1の負荷への電力供給が不要である場合の電流経路を示す図である。
本実施の形態では、図6に示すように、商用電源1の非停電時(通常時)において、第1の負荷21への電力供給が必要である場合には、制御回路9は、第1の電力変換部3をオフ制御、第2の電力変換部4をオン制御すると共に、スイッチ回路10をオン制御する。
このように制御することにより、商用電源1の非停電時に第1の負荷21への電力供給が必要である場合には、図6において一点鎖線矢印で示す経路で電流が流れ、整流回路2の出力が第2の電力変換部4により第2の所定電圧Vbに変換され蓄電部5に供給されて蓄電部5への充電が行われると共に、二点鎖線矢印で示す経路で電流が流れ、蓄電部5に充電された直流電力がダイオード6を介して直流共通部8に供給される(直流共通部8の電圧Vs2=Vbtt−α)。なお、蓄電部5が満充電状態である場合には、蓄電部電圧Vbttが第2の電力変換部4の出力電圧である第2の所定電圧Vbと等しく(Vbtt=Vb)、蓄電部5への充電は行われない。
したがって、本実施の形態では、商用電源の非停電時(通常時)には、整流回路2の出力が第2の電力変換部4により第2の所定電圧Vbに変換され、蓄電部5の充放電が同時に行われるので、蓄電部5の放電が抑制される。
以上説明したように、実施の形態2の電力供給システムによれば、商用電源の非停電時に第1の負荷への電力供給を行う場合は、商用電源の停電時とは異なり、第1の電力変換部をオフ制御、第2の電力変換部をオン制御することで、蓄電部の充放電を同時に行うようにしたので、蓄電部の放電を抑制することができる。
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
1 商用電源、2 整流回路、3 第1の電力変換部、4 第2の電力変換部、5 蓄電部、6 一方向性素子(ダイオード)、7 電圧検出回路、8 直流共通部、9 制御回路、10 スイッチ回路、11 電力分岐部、20 負荷群、21 第1の負荷、22 第2の負荷、100 電力供給システム。

Claims (3)

  1. 商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換して第1の負荷および該第1の負荷よりも上限電圧が大きい第2の負荷に供給する電力供給システムであって、
    前記商用電源の出力電圧を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力を前記第1の負荷の上限電圧よりも大きく前記第2の負荷の上限電圧よりも小さい第1の所定電圧に変換して直流共通部に直流電力を供給する第1の電力変換部と、
    前記整流回路の出力を前記第1の負荷の上限電圧よりも小さい第2の所定電圧に変換して前記直流共通部に直流電力を供給する第2の電力変換部と、
    前記第2の所定電圧により充電されると共に、前記第1の電力変換部からの電流を阻止する一方向性素子を介して前記直流共通部に直流電力を供給する蓄電部と、
    前記直流共通部から前記第1の負荷および前記第2の負荷に直流電力を供給可能に構成され、前記第1の負荷への電力供給経路にスイッチ回路が設けられた電力分岐部と、
    前記商用電源の非停電時において、前記第1の負荷への電力供給を行わない場合に、前記第1の電力変換部の出力をオン制御すると共に、前記スイッチ回路をオフ制御し、前記第1の負荷への電力供給を行う場合に、前記第1の電力変換部の出力をオフ制御すると共に、前記スイッチ回路をオン制御する制御回路と、
    を備えることを特徴とする電力供給システム。
  2. 前記制御回路は、前記商用電源の非停電時における前記第1の電力変換部のオン制御時間が、前記第1の電力変換部のオフ制御時間よりも長く設定されたことを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。
  3. 前記商用電源の非停電時において、前記第1の負荷への電力供給を行う場合に、前記第2の電力変換部の出力をオン制御することを特徴とする請求項1または2に記載の電力供給システム。
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