JP2018201267A - 電源制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池を任意のタイミングで充放電制御することが可能な電源制御システムを提供する。【解決手段】電源制御システム１は、整流器３、直流電力を消費する通信装置５と、整流器３と通信装置５とを接続するバスラインＬ１に電気的に接続される蓄電池６と、バスラインＬ１と蓄電池６との間に設けられ、蓄電池６の充電および放電に関する状態を制御するコンバータ１０と、を備える。コンバータ１０は、バスラインＬ１と蓄電池６との間に接続され、蓄電池６の直流電力を昇圧してバスラインＬ１に供給する放電回路１１と、放電回路１１に対して並列に設けられ、バスラインＬ１と蓄電池６との間に接続されるスイッチ１２と、スイッチ１２に対して並列に設けられ、アノードが蓄電池に接続されカソードがバスラインＬ１に接続されるダイオード１３と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、電源制御システムに関する。

無線基地局に設けられる電源システムとして、商用電力網からの交流電力を整流器によって直流電力に変換し、通信装置等の直流負荷に電力供給する電源システムが知られている。このような電源システムにおいては、整流器と直流負荷との間に、バックアップ用の蓄電池が設けられている。昨今、このような構成において電力コスト削減を目的にした蓄電池の制御が注目されている（たとえば非特許文献１参照）。一例として、電力需要が小さく電力料金が比較的安い夜間の電力を蓄電池に充電し昼間に放電させる（電力シフトさせる）ことで、電力需要が大きく電力料金が比較的高い昼間の電力の購入量（受電量）を減らし、電力コストを削減することができる。さらには、受電量をモニタリングし、受電量があらかじめ設定されたしきい値を超過した際に蓄電池から電力供給を行うことで受電量のピークを抑制して契約電力料金を削減するといった蓄電池制御も想定される。このように、無線基地局の蓄電池制御への期待が大きくなっている。

古谷 崇・小宮一公・竹野和彦著「グリーン基地局試験装置のパワーシフト制御による自活率向上特性」、２０１５年総合大会講演論文集 Ｂ−９−１３、電子情報通信学会、２０１５年３月

しかしながら、無線基地局に設置されているバックアップ用の蓄電池は主に停電時等に非常用電源として電力供給を行う仕組みとなっており、それ以外の任意のタイミングで充放電を行えるようにはなっていない。したがって、無線基地局に設置された蓄電池を任意のタイミングで充放電制御することについての要望が存在する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、蓄電池の充放電を任意のタイミングで制御することが可能な電源制御システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る電源制御システムは、直流電源と、直流電力を消費する負荷と、直流電源と負荷とを接続するバスラインに電気的に接続される蓄電池と、バスラインと蓄電池との間に設けられ、蓄電池の充電および放電に関する状態を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、バスラインと蓄電池との間に接続され、蓄電池の直流電力を昇圧してバスラインに供給する放電回路と、放電回路に対して並列に設けられ、バスラインと蓄電池との間に接続されるスイッチと、スイッチに対して並列に設けられ、アノードが蓄電池に接続されカソードがバスラインに接続されるダイオードと、を含む。

上記の電源制御システムでは、蓄電池の充電および放電に関する状態を制御する制御装置が、直流電源および負荷を接続するバスラインと、蓄電池との間に設けられる。これにより、蓄電池の充放電を任意のタイミングで制御することができるようになる。たとえば直流電源が商用電力網からの交流電力を直流電力に変換する整流器であれば、夜間の電力で蓄電池を充電して昼間に放電する電力シフトや受電量のピークの抑制を行うことで、電力コストを削減することができる。ここで、蓄電池の充放電状態を制御するために専用の充放電回路を用いることも考えられる。しかしながら、そのような充放電回路は比較的高価であるため、上述の電力コストの削減の利点が損なわれる可能性がある。これに対し、上記の電源制御システムでは、制御装置は、放電回路、スイッチおよびダイオードを含んで構成される。このような制御装置は、たとえば充電回路を含まない点等で充放電回路よりも構成がシンプルになるので、その分、安価なものとすることができる。

本発明によれば、蓄電池の充放電を任意のタイミングで制御することが可能な電源制御システムが提供される。

実施形態に係る電源制御システムの概略構成を示す図である。 蓄電池の充電状態を示す図である。 蓄電池の待機状態を示す図である。 蓄電池の放電状態を示す図である。 電源制御システムによる制御の例を示す図である。 電源制御システムによる制御の例を示す図である。 電源制御システムによる制御の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、実施形態に係る電源制御システムの概略構成を示す図である。電源制御システムは、たとえば通信装置を備えた無線基地局で用いられる。電源制御システムでは、商用電力網等の外部の電力網からの電力を用いて、負荷への電力供給が行われる。図１に示される例では、電源制御システム１は、交流電源２と、整流器３と、空調装置４と、通信装置５と、蓄電池６と、コンバータ１０とを含む。

交流電源２は、電源制御システム１の外部の電力網と、電源制御システム１とのインタフェースである。交流電源２を介して、電力網からの電力が電源制御システム１に取り込まれる。電力網の例は商用電力網であり、その場合、電源制御システム１には、商用電力網を介して、電力会社の電力網から電力が供給される。このような商用電力網からの電力は、電力会社から購入される。

整流器３は、交流電源２からの交流電力を直流電力に変換する直流電源である。整流器３の具体的な構成は特に限定されない。一実施形態において、整流器３は、ダイオード等の整流素子および平滑化コンデンサ等を組み合わせて構成されてよい。別の実施形態において、整流器３として、ＡＣ／ＤＣコンバータが採用されてもよい。整流器３の直流電力の電圧レベルは、通信装置５の動作電圧の下限電圧レベル以上に設定される。整流器３の直流電圧の電圧レベルは、蓄電池６の電圧レベルよりも大きく、たとえば５３Ｖに設定される。

交流電源２と整流器３との接続箇所を、ノードＮ１と称し図示する。ノードＮ１は、交流電力を有するノード（交流ノード）である。ノードＮ１には、交流電力を消費する負荷（交流負荷）が接続されてよい。この例では、交流負荷は、空調装置４である。

通信装置５は、直流電力を消費する負荷（直流負荷）である。通信装置５は、バスラインＬ１によって、整流器３と接続されている。バスラインＬ１における整流器３と通信装置５との接続箇所を、ノードＮ２と称し図示する。バスラインＬ１は、直流電力を伝送する電力線（直流ライン）であり、ノードＮ２は、直流電力を有するノード（直流ノード）である。バスラインＬ１およびノードＮ２は、整流器３および通信装置５の接続箇所を概念的に示すものであり、電源制御システム１の物理的な構成要素である必要はない。

蓄電池６は、充放電が可能な二次電池であり、直流電力を蓄電する蓄電要素である。蓄電池６は、コンバータ１０を介して、バスラインＬ１（あるいはノードＮ２）に電気的に接続される。

コンバータ１０は、バスラインＬ１と蓄電池６との間に接続され、蓄電池６の充電および放電に関する状態を制御する制御装置である。コンバータ１０は、放電回路１１と、スイッチ１２と、ダイオード１３とを含む。放電回路１１およびスイッチ１２は、コンバータ１０において個別に制御が可能である。制御の手法はとくに限定されないが、たとえばコンバータ１０の有するマイクロコンピュータ（不図示）が所定のプログラムを実行することによって制御が行われてよい。コンバータ１０と通信可能な外部装置から、放電回路１１およびスイッチ１２を制御するためのコマンド（制御コマンド）をコンバータ１０に送信することによって、放電回路１１およびスイッチ１２の制御が行われてもよい。

放電回路１１は、バスラインＬ１と蓄電池６との間に接続され、蓄電池６の直流電力を昇圧して、バスラインＬ１に供給する。放電回路１１は、蓄電池６からバスラインＬ１への電力フロー（蓄電池６の放電）を生じさせる一方で、バスラインＬ１から蓄電池６への電力フロー（蓄電池６の充電）は生じさせない。一実施形態において、放電回路１１として、昇圧コンバータが用いられてよい。その場合、コンバータ１０は、昇圧コンバータによる昇圧の実行および停止を切り替えることによって、放電回路１１を制御する。昇圧レベルは調節が可能であり、放電回路１１は、蓄電池６の直流電力の電圧レベルが、整流器３の直流電力の電圧レベルよりも大きくなるように（たとえば５４Ｖまで）昇圧を行うことができる。放電回路１１は、蓄電池６の直流電力の電圧レベルが、整流器３の直流電力の電圧レベル未満となるような昇圧を行うこともできる。他の実施形態において、放電回路１１は、いずれも図示しないダイオード回路と、ダイオード回路をバイパスするようにダイオード回路に対して並列に接続されるスイッチとを含む構成とされてよい。ダイオード回路は、蓄電池６から放電回路１１に向かって順方向に設けられた１つ以上のダイオードを含む。ダイオードが２つ以上の場合、各ダイオードは直列接続される。このような構成の放電回路１１では、昇圧を実行する際にスイッチがオンとされ、昇圧を停止する際にスイッチがオフとされる。スイッチがオフのときには、ダイオード回路内のダイオードに発生する順方向電圧の分だけ、バスラインＬ１からは、蓄電池６の電圧レベルが低く見える。これに対し、スイッチがオンのときには、ダイオード回路がスイッチによってバイパスされるので、バスラインＬ１からは、蓄電池６の電圧レベルがそのまま見える。したがって、スイッチがオンのときの方が、スイッチがオフのときよりも、バスラインＬ１から見たときの蓄電池６の電圧レベルが高くなるという昇圧機能が実現される。

スイッチ１２は、放電回路１１に対して並列に設けられ、バスラインＬ１と蓄電池６との間に接続される。スイッチ１２は、たとえばトランジスタのような半導体素子を用いて構成されてよい。その場合、コンバータ１０は、半導体素子の制御端子（トランジスタの場合はベース）への印加電圧を調節することによって、スイッチ１２の状態を導通状態（ＯＮ）と非導通状態（ＯＦＦ）との間で切り替える。

ダイオード１３は、スイッチ１２に対して並列に設けられる。ダイオード１３のアノードは、蓄電池６に接続される。ダイオード１３のカソードは、バスラインＬ１に接続される。

以上の構成を備える電源制御システム１では、蓄電池６が、充電および放電に関するさまざまな状態に置かれる。具体的に、蓄電池の状態は、充電状態、放電状態および待機状態の３つの状態を含む。充電状態は、蓄電池６が、バスラインＬ１を介して整流器３の直流電力によって充電される状態である。放電状態は、蓄電池６が、バスラインＬ１を介して通信装置５へ直流電力を放電する状態である。待機状態は、上述の充電および放電がいずれも行われない状態である。これらの蓄電池の状態は、コンバータ１０によって制御される。これについて、次に、図２〜図４を参照して説明する。

図２は、蓄電池６の充電状態を示す図である。蓄電池６が充電状態となるように制御する際、コンバータ１０は、放電回路１１による昇圧を停止するとともに、スイッチ１２をＯＮにする。この場合、蓄電池６は、スイッチ１２を介して、バスラインＬ１に接続される。すなわち、蓄電池６がバスラインＬ１に直結され、整流器３と、通信装置５と、蓄電池６とがバスラインＬ１で接続された状態となる。上述のように整流器３の直流電力の電圧レベルは蓄電池６の直流電力の電圧レベルよりも大きく、この場合、蓄電池６は浮動充電状態となる。したがって、図２に示されるように、整流器３の直流電力（矢印Ａ）は、通信装置５に供給される（矢印Ｂ）とともに蓄電池６にも供給される（矢印Ｃ）。

図３は、蓄電池６の待機状態を示す図である。蓄電池６が待機状態となるように制御する際、コンバータ１０は、放電回路１１による昇圧を停止するとともに、スイッチ１２をＯＦＦにする。スイッチ１２がＯＦＦになると、ダイオード１３の二次側が無電圧になり、疑似的に停電状態となるとも言える。この場合、蓄電池６からバスラインＬ１へ向かって順方向に設けられているダイオード１３を介して蓄電池６が放電を開始しようとする。ただし、上述のように蓄電池６の直流電力の電圧レベルが整流器３の直流電力の電圧レベルより低いので、蓄電池６がバスラインＬ１を介して通信装置５に放電することはない。また、ダイオード１３は、バスラインＬ１から蓄電池６に向かって逆方向に設けられているので、整流器３の直流電力によって蓄電池６が充電されることもない。したがって、蓄電池６は、充電も放電も行わず、整流器３の直流電力によって通信装置５の消費電力が賄われる（矢印Ａおよび矢印Ｂ）。なお、コンバータ１０は、放電回路１１による昇圧を停止するのではなく、蓄電池６の直流電力の電圧レベルが整流器３の直流電力の電圧レベル未満となるように放電回路１１による昇圧を実行してもよい。この場合も、蓄電池６がバスラインＬ１を介して通信装置５に放電することはないので、蓄電池６は待機状態となる。

図４は、蓄電池６の放電状態を示す図である。コンバータ１０は、蓄電池６の直流電力の電圧レベルが整流器３の直流電力の電圧レベル以上となるように放電回路１１による昇圧を実行するとともに、スイッチ１２をＯＦＦにする。この場合、放電回路１１によって昇圧された蓄電池６の直流電力（矢印Ｄ）が、整流器３の直流電力に優先して、通信装置５に供給される（矢印Ｂ）。

以上説明した電源制御システム１では、蓄電池６の充電および放電に関する状態を制御するコンバータ１０が、バスラインＬ１と蓄電池６との間に設けられる。これにより、蓄電池６を任意のタイミングで充放電制御することができるようになる。たとえば交流電源２を介して商用電力網からの電力が電源制御システム１に取り込まれる場合には、夜間の電力で蓄電池６を充電して昼間に放電する電力シフトや、受電量のピークの抑制を行うことによって、電力コストを削減することが可能になる。ここで、電源制御システム１では、コンバータ１０は、放電回路１１、スイッチ１２およびダイオード１３を含んで構成される。このようなコンバータ１０は、たとえば蓄電池６を充電するための専用の充電回路を含まない等の点で構成がシンプルになるので、その分、安価なものとすることができる。

なお、整流器３の直流電力の電圧レベルを制御することで蓄電池６の充放電を制御することも考えられる。しかしながらその場合には、蓄電池６を待機状態にするために整流器３の出力電圧を非常に細かく調整しなければならない。また、整流器３が出力電圧を調整する機能を有さない場合には、そのような調整を行う余地がない。整流器を製造する業者、整流器の機種等も多種多様であることも考慮すると、整流器３の出力電圧の調整による蓄電池６の充放電制御が困難な場合も少なくない。これに対し、実施形態に係る電源制御システム１によれば、整流器のメーカ、機種等に依らず、蓄電池６の充放電制御を行えるようになる。

蓄電池６の充電および放電に関する状態は、バスラインＬ１を介して整流器３の直流電力によって充電される充電状態と、バスラインＬ１を介して通信装置５へ直流電力を放電する放電状態と、充電および放電のいずれも行わない待機状態と、を含む。整流器３の直流電力は、蓄電池６の直流電力の電圧レベルよりも大きい電圧レベルを有する。蓄電池６が充電状態となるように制御する際、コンバータ１０は、放電回路１１による昇圧を停止するとともに、スイッチ１２をＯＮにする。蓄電池６が放電状態となるように制御する際、コンバータ１０は、蓄電池６の直流電力の電圧レベルが整流器３の直流電力の電圧レベル以上となるように放電回路１１による昇圧を実行するとともに、スイッチをＯＦＦにする。蓄電池６が待機状態となるように制御する際、コンバータ１０は、放電回路１１による昇圧を停止するか蓄電池６の直流電力の電圧レベルが直流電源の直流電力の電圧レベル未満となるように放電回路による昇圧を実行するとともに、スイッチをＯＦＦにする。このように、コンバータ１０によって、放電回路１１による昇圧の実行または停止と、スイッチ１２のオンまたはオフとを組み合わせた制御を行うことで、蓄電池６の状態を制御することができる。

図５は、電源制御システム１による制御の例を示す図である。図５に示される各グラフの横軸は時刻を示し、縦軸は蓄電池６の充電率（ＳＯＣ）を示す。図５（ａ）は、蓄電池６が、充電状態から他の状態に切り替わる様子を示す。当初（時刻ｔ１より前）、蓄電池６は、充電状態に制御されており、ＳＯＣは上昇している。時刻ｔ１において、蓄電池６が放電状態となるように制御される。蓄電池６は、充電状態から放電状態に切り替わる。蓄電池６の放電により、ＳＯＣが低下し始める。時刻ｔ２において、蓄電池６が充電状態となるように制御される。蓄電池６は、放電状態から充電状態に切り替わる。蓄電池６の放電により、ＳＯＣが上昇し始める。時刻ｔ３において、蓄電池６が待機状態となるように制御される。蓄電池６は、充電状態から待機状態に切り替わる。蓄電池６が充電も放電も行わないので、ＳＯＣは変化しない。時刻ｔ４において、蓄電池６が充電状態となるように制御される。蓄電池６は、待機状態から充電状態に切り替わる。時刻ｔ５においては、蓄電池６が引き続き充電状態とされる。

図５（ｂ）は、蓄電池６が、放電状態から他の状態に切り替わる様子を示す。当初（時刻ｔ１１より前）、蓄電池６は、放電状態に制御されている。時刻ｔ１１および時刻ｔ１２においては、蓄電池６が引き続き放電状態とされる。時刻ｔ１３において、蓄電池６が待機状態となるように制御される。蓄電池６は、放電状態から待機状態に切り替わる。時刻ｔ１４において、蓄電池６が放電状態となるように制御される。蓄電池６は、待機状態から放電状態に切り替わる。時刻ｔ１５において、蓄電池６が充電状態となるように制御される。蓄電池６は、放電状態から充電状態に切り替わる。

図５（ｃ）は、蓄電池６が、待機状態から他の状態に切り替わる様子を示す。当初（時刻ｔ２１より前）、蓄電池６は、待機状態に制御されている。時刻ｔ２１において、蓄電池６が放電状態となるように制御される。蓄電池６は、待機状態から放電状態に切り替わる。時刻ｔ２２において、蓄電池６が待機状態となるように制御される。蓄電池６は、放電状態から待機状態に切り替わる。時刻ｔ２３および時刻ｔ２４においては、蓄電池６が引き続き待機状態とされる。時刻ｔ２５において、蓄電池６が充電状態となるように制御される。蓄電池６は、待機状態から充電状態に切り替わる。

このように、電源制御システム１によれば、蓄電池６の状態が充電状態、放電状態および待機状態の各状態の間を任意のタイミングで遷移させることができる。

さらに、上記構成の電源制御システム１は、蓄電池６が充電状態、放電状態および待機状態のいずれの状態のときに停電等により整流器３が停止して整流器３の直流電力が失われたとしても、通信装置５への電力供給が途切れないように動作する。すなわち、蓄電池６が充電状態（図２）のときに整流器３が停止すると、スイッチ１２およびバスラインＬ１を介して蓄電池６から通信装置５に直流電力が供給される。蓄電池６が放電状態（図４）のときに整流器３が停止しても、蓄電池６の放電によって引き続き通信装置５への電力供給が継続される。蓄電池６が待機状態（図３）のときに直流電源が停止すると、ダイオード１３およびバスラインＬ１を介して、または、放電回路１１およびバスラインＬ１を介して、蓄電池６から通信装置５に直流電力が供給される。したがって、蓄電池６が充電状態、放電状態および待機状態のいずれの状態であっても、停電等によって通信装置５の動作が停止してしまうことを防ぐことができる。

図６は、停電時を含む電源制御システム１による制御の例を示す図である。図６に示されるグラフの横軸は時刻を示し、縦軸は蓄電池６のＳＯＣを示す。たとえば、時刻ｔ３１より前は、蓄電池６が充電状態に制御されており、通信装置５の消費電力は、整流器３の直流電力によって賄われている。時刻ｔ３１で停電が発生し整流器３の出力が停止すると、蓄電池６が放電を開始し（ＳＯＣが低下し）、通信装置５への直流電力の供給が維持される。時刻ｔ３２で停電が終わると（復電すると）、蓄電池６は充電状態に戻る。時刻ｔ３３において蓄電池６が放電状態に切り替えられ、通信装置５の消費電力が、蓄電池６の直流電力によって賄われる。その後、時刻ｔ３４において停電が発生しても、蓄電池６が放電を継続するので、通信装置５への直流電力の供給が維持される。時刻ｔ３５において停電が終わった後は、蓄電池６は放電状態に戻る。時刻ｔ３６において蓄電池６の状態が待機状態に切り替えられ、通信装置５の消費電力が整流器３の直流電力によって賄われる。時刻ｔ３７において停電が発生すると、蓄電池６が放電を開始し、通信装置５への直流電力の供給が維持される。時刻ｔ３８で停電が終わると、蓄電池６は待機状態に戻る。

このように、電源制御システム１によれば、蓄電池が充電状態、放電状態および待機状態のいずれの状態であっても、停電時等に負荷を動作させるための直流電力の供給が途切れないようにすることができる。

図７は、蓄電池６が待機状態のときに停電が発生した場合の、通信装置５に供給される負荷電圧および負荷電流（すなわち直流電力）の挙動を示す実験データである。図７に示されるグラフの横軸は時刻を示し、縦軸は電流および電圧を示す。横軸において、一つのメモリが、５００μｓに相当する。縦軸において、一つのメモリが、１０Ｖおよび５Ａに相当する。図７に示されるように、μｓオーダーで見た場合でも、停電時には、負荷電圧および負荷電流が途切れることなく、通信装置５への電力供給が維持されることが分かる。蓄電池６が充電状態のときまたは放電状態のときに停電が発生した場合についても同様の結果が得られることは、当業者であれば理解できるであろう。

１…電源制御システム、２…交流電源、３…整流器、４…空調装置、５…通信装置、６…蓄電池、１０…コンバータ、１１…放電回路、１２…スイッチ、１３…ダイオード。

Claims (3)

1. 直流電源と、
   直流電力を消費する負荷と、
   前記直流電源と前記負荷とを接続するバスラインに電気的に接続される蓄電池と、
   前記バスラインと前記蓄電池との間に設けられ、前記蓄電池の充電および放電に関する状態を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記バスラインと前記蓄電池との間に接続され、前記蓄電池の直流電力を昇圧して前記バスラインに供給する放電回路と、
   前記放電回路に対して並列に設けられ、前記バスラインと前記蓄電池との間に接続されるスイッチと、
   前記スイッチに対して並列に設けられ、アノードが前記蓄電池に接続されカソードが前記バスラインに接続されるダイオードと、
   を含む、
   電源制御システム。
2. 前記蓄電池の充電および放電に関する状態は、
   前記バスラインを介して前記直流電源の直流電力によって充電される充電状態と、
   前記バスラインを介して前記負荷へ直流電力を放電する放電状態と、
   前記充電および前記放電のいずれも行わない待機状態と、
   を含み、
   前記直流電源の直流電力は、前記蓄電池の直流電力の電圧レベルよりも大きい電圧レベルを有し、
   前記制御装置は、
   前記蓄電池が前記充電状態となるように制御する際は、前記放電回路による前記昇圧を停止するとともに、前記スイッチを導通状態とし、
   前記蓄電池が前記放電状態となるように制御する際は、前記蓄電池の直流電力の電圧レベルが前記直流電源の直流電力の電圧レベル以上となるように前記放電回路による前記昇圧を実行するとともに、前記スイッチを非導通状態とし、
   前記蓄電池が前記待機状態となるように制御する際は、前記放電回路による前記昇圧を停止するか前記蓄電池の直流電力の電圧レベルが前記直流電源の直流電力の電圧レベル未満となるように前記放電回路による前記昇圧を実行するとともに、前記スイッチを非導通状態とする、
   請求項１に記載の電源制御システム。
3. 前記蓄電池が前記充電状態のときに前記直流電源が停止すると、前記スイッチをおよび前記バスラインを介して前記蓄電池から前記負荷に直流電力が供給され、
   前記蓄電池が前記放電状態のときに前記直流電源が停止すると、前記放電状態が継続され、
   前記蓄電池が前記待機状態のときに前記直流電源が停止すると、前記ダイオードおよび前記バスラインを介してまたは前記放電回路および前記バスラインを介して前記蓄電池から前記負荷に直流電力が供給される、
   請求項２に記載の電源制御システム。

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