JP2019221092A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧電力を出力するマルチセル構成の電池ユニットから、パワーコンディショナの制御部等の各種低電圧負荷動作用の電力を、比較的小型の電力変換回路によって変換生成可能にするとともに、各セル間のＳＯＣのバランスが大きく崩れないようにする。【解決手段】高電圧電力を出力するよう直列接続された複数の電池セルＢのうち一部の電池セルＢから出力される部分電圧電力に基づいて所定の電力を変換出力するよう動作する電力変換回路４１と、複数の電池セルＢのＳＯＣのアンバランスを抑制すべく電力変換回路４１の動作を停止制御する制御部４２とを備えた電源装置１とする。【選択図】図１

Description

本発明は電源装置に関し、特に、複数の電池セルを直列接続したマルチセル構成の蓄電式電源装置に関する。

直列接続された多数の二次電池セルを直列接続することにより高電圧電力を出力可能に構成されたマルチセル構成の電池ユニットを備える蓄電式電源装置が、例えば下記の特許文献１〜３に開示されている。

一般に、二次電池の性能を引き出すためには、充電状態（以下、「ＳＯＣ」という。）を的確に把握しつつ、過放電や過充電に至らないようきめ細かな充放電制御を行うことが要求される。加えて、上述のマルチセル構成の蓄電式電源装置においては、各電池セルのＳＯＣを均等にするためのバランシング制御も行うことが、電池ユニット全体としての実効容量を確保するために重要となる。

すなわち、各セルのＳＯＣにばらつきが生じると、放電時には最も実容量の小さいセルが放電終止電圧に至ると他のセルは放電可能であっても放電を停止させる必要があるし、また、充電時には最も実容量の大きいセルが充電終止電圧に至ると他のセルは満充電に至っていなくても充電を停止させる必要があり、その結果、電池ユニット全体としての充放電サイクルにおける実効容量が小さくなってしまう。

したがって、従来より、直列接続された多数の二次電池セルからの放電時、並びに、多数の二次電池セルへの充電時に、各電池セルのＳＯＣを均等化するためのバランシング制御が行われている。

特開２０１７−１６２７２１号公報 特開２０１６−１７１６５８号公報 国際公開２０１６／１４７３０６号公報

上記従来の蓄電式電源装置の電池ユニットは、典型的には、パワーコンディショナを介して商用電力系統又は自立コンセントに接続される。パワーコンディショナは、一般に、ＤＣ／ＤＣコンバータ並びにＤＣ／ＡＣインバータにより主構成される電力変換部と、該電力変換部による電力変換動作を制御する制御部とを備えている。

蓄電式電源装置は、停電時などの非常時におけるバックアップ電源として利用され、通常時は商用電力系統から供給される交流電力をパワーコンディショナによって直流電力に変換し、この直流電力によって電池ユニットを充電する。非常時には、電池ユニットからの放電出力をパワーコンディショナによって交流電力に変換し、該交流電力をＤＣ／ＡＣインバータの出力側に設けた自立コンセントに供給する。したがって、自立コンセントに電気機器を接続することによって、電気機器を作動させることができる。

パワーコンディショナの制御部は、正常時には、商用電力系統から供給される高電圧電力に基づいて生成される低電圧の制御用電圧を電源として動作する。なお、上記電力変換部が制御用電圧を生成出力するよう電力変換部を回路構成することもできるし、上記電力変換部とは別のコンバータをパワーコンディショナに内蔵して、該コンバータが系統電圧等に基づいて制御用電圧を生成出力するよう回路構成することもできる。

また、通常、電池ユニットからパワーコンディショナへの電力入出力部には常開接点式の遮断器が設けられ、該遮断器は上記制御部によって動作制御される。したがって、遮断器を短絡動作させて、電池ユニットからの出力電力をパワーコンディショナに入力させるには、制御部に制御用電圧を供給する必要がある。

停電や発電システムの異常などが発生すると、制御用電圧の出力も停止してしまう。これにより、蓄電式電源装置からパワーコンディショナへの電力入力部に設けた遮断器が遮断動作（開動作）するため、電池ユニットから供給される電力によりパワーコンディショナの制御部を動作させることもできなくなる。

一方、上記遮断器を手動で強制的に短絡操作可能にすれば、電池ユニットが出力する高電圧電力をパワーコンディショナの電力変換部に入力させ、電力変換部から制御用電圧を変換出力させることもできるが、種々の判定を行うことなく高電圧電力をパワーコンディショナの電力変換部に入力させると、想定外の動作モードに至って故障を生じるおそれがあるため好ましくない。

したがって、停電等の非常時に、パワーコンディショナの制御部を起動するための非常起動用電力を、電池ユニットが出力する電力に基づいて変換生成するには、電池ユニットが出力する電力に基づいて制御用電圧を変換生成する別の電力変換回路を設ける必要がある。

しかし、マルチセル構成の電池ユニットが出力する数百Ｖ程度の高電圧から数Ｖ〜１０数Ｖ程度の制御用電圧に変換する電力変換回路は大型のものとなり、非常起動用の一時的な電源回路であるにも関わらずコスト高となる。

また、電池ユニットの複数の電池セルのうちの一部から比較的低い部分電圧を取出し、該部分電圧から制御用電圧に変換すれば、非常起動用の電力変換回路の小型化並びに低コスト化を図ることができるが、非常起動用の電力を一部の電池セルからのみ消費することによって各セル間のＳＯＣのバランスが崩れてしまうという問題がある。

そこで、本発明は、高電圧電力を出力するマルチセル構成の電池ユニットから、パワーコンディショナの制御部等の各種低電圧負荷動作用の電力を、比較的小型の電力変換回路によって変換生成可能にするとともに、各セル間のＳＯＣのバランスが大きく崩れないようにすることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、次の技術的手段を講じた。

即ち、本発明の電源装置は、高電圧電力を出力するよう直列接続された複数の電池セルのうち一部の電池セルから出力される部分電圧電力に基づいて所定の電力を変換出力するよう動作する電力変換回路と、前記複数の電池セルのＳＯＣのアンバランスを抑制すべく前記電力変換回路の動作を停止制御する第１の制御部とを備えている。

かかる本発明の電源装置によれば、所定の電力を、高電圧電力を出力する複数の電池セル全体ではなく、一部の電池セルから出力される部分電圧電力に基づいて変換出力するため、電力変換回路を小型化することができると共に、小型化による熱損失の低減、ひいては電力効率の向上を図り、また、コスト低減を図ることができる。

なお、「高電圧」とは、部分電圧に対して比較的高い電圧であればよく、特定の電圧範囲内のものに限定するものではない。商用電力系統の停電時などの非常用の蓄電システムとして利用する場合には、複数の電池セル全体で数百Ｖ、例えば２００〜５００Ｖ程度の高電圧電力を出力するものであってよい。

電池セルの数も特定のものに限定されず、少なくとも２つの電池セルを有していれば良いが、数十〜１００数十の多数の電池セルを直列接続することで数百Ｖの出力電圧を得ることができる。多数の電池セルを直列接続する場合、全ての電池セルを一体に備える電池モジュールとして構成することもできるが、直列接続された数個〜１０数個の複数の電池セルが内蔵された電池モジュールを複数直列接続することによって、（一つの電池モジュールに内蔵された電池セルの数）×（直列接続された電池モジュールの数）により算出される数の電池セルが直列接続された構成とすることができる。

複数の電池モジュールを直列接続する構成とする場合、部分電圧電力は、一又は二以上の電池モジュールの両端から出力されるものであって良い。

電力変換回路は、スイッチングレギュレータ、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ若しくはＤＣ／ＡＣコンバータなど、負荷の動作に必要な直流電力乃至交流電力を部分電圧電力に基づいて変換出力するものであってよい。

第１の制御部は、一部の電池セルのみ電力消費することで生じる複数の電池セルのＳＯＣのアンバランスの発生を適宜の条件や検出値に基づいて検出乃至推定して、アンバランスが許容範囲外となる前に前記電力変換回路の動作を停止制御するものであればよい。アンバランスが許容範囲外か否かの判定基準も、各電池セルの仕様やユーザーの要望等に応じて適宜設計することができる。

上記した本発明の電源装置において、前記電力変換回路の動作を開始させるための操作部をさらに備えることができる。なお、操作部は、オルタネートスイッチやモーメンタリスイッチやタッチパネルなど、適宜の構成のものを採用できる。

また、前記第１の制御部は、前記操作部の操作後所定時間を経過したことを計時するタイマーを備えると共に、前記所定時間を経過すると前記電力変換回路の動作を停止制御するよう構成されていてよい。これによれば、非常起動用電力が必要になったときに操作部を操作することによって容易かつ迅速に一部の電池セルの出力に基づく非常起動用電力の出力を開始できる。さらに、所定時間、例えば１分、を経過すると第１の制御部が電力変換回路を停止制御するため、長時間にわたって一部の電池セルのみが電力消費することを回避でき、複数の電池セルのアンバランスの発生を抑制できる。

なお、第１の制御部は、例えば、タイマー機能を内蔵するマイクロコントロールユニット（ＭＣＵ）により構成することもできる。これに代えて、第１の制御部は、マイクロコントロールユニットと、該マイクロコントロールユニットに外付けされたタイマー回路とを備えて構成することもできる。外付けのタイマー回路は、組み込み電池や交換可能な内蔵電池を電源として動作するよう構成することが好ましい。また、マイクロコントロールユニットに代えて、適宜の論理回路によって第１の制御部を主構成することもできる。

また、前記電力変換回路の出力電力を測定して前記第１の制御部に測定信号を出力する電力検出回路をさらに備えることができる。前記第１の制御部は、所定時点からの前記電力変換回路の出力電力量が所定値を超えると前記電力変換回路の動作を停止制御するよう構成されていてよい。これによれば、一部の電池セルから電力変換回路を介して出力されている間の出力電力を測定し、所定時点（例えば電力変換回路の出力開始時点）からの出力電力量が所定値を超えると電力変換回路の出力動作が停止するため、上記出力電力量の閾値を適切に設定しておくことによって、一部の電池セルのみが過度に電力消費してしまうことを回避し、複数の電池セルに過度のアンバランスが発生することを抑制できる。

また、本発明の電源装置は、各電池セルの電圧を検出する電池電圧検出部をさらに備えることができる。前記第１の制御部は、前記電池電圧検出部との通信により取得する所定の情報に基づいて前記複数の電池セルのＳＯＣのアンバランスを判定して前記電力変換回路の動作を停止制御するよう構成することもできる。これによれば、各電池セルの実容量に基づいて複数の電池セルのＳＯＣのアンバランスをより的確に判定して、電力変換回路の停止制御をより的確に行うことが可能となる。

なお、電池電圧検出部との通信により取得する所定の情報は適宜のものであってよく、例えば、すべての電池セルの電圧に関する情報を第１の制御部が取得して、当該電圧情報に基づいて第１の制御部が複数の電池セルのＳＯＣのアンバランスを判定するよう構成できる。これに代えて、電池電圧検出部が、各電池セルのＳＯＣのバランスレベルに関する情報（例えば、許容範囲を超えるアンバランスが生じた場合は「１」、許容範囲内であれば「０」となる情報など）を生成して第１の制御部に出力し、第１の制御部が上記バランスレベルに関する情報に基づいてアンバランスを判定するように構成することもできる。

前記電力変換回路が出力する所定の電力は直流負荷用の低電圧電力であってよい。また、本発明の電源装置は、前記複数の電池セルが出力する高電圧電力に基づいて前記低電圧電力を変換出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数の電池セルから前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの電力供給線の途中に設けられた遮断器と、前記低電圧電力を電源として動作するとともに所定の条件を満たすと前記遮断器を短絡動作させるよう短絡制御動作を行う第２の制御部とをさらに備えていてよい。これにより、前記第２の制御部は、前記電力変換回路及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータのいずれか一方が前記低電圧電力を出力していれば動作可能となる。なお、これらＤＣ／ＤＣコンバータ、遮断器、並びに、第２の制御部は、複数の電池セルから構成される電池ユニットから出力される高電圧電力を、商用系統電力と実質的に同等の交流電力に変換するパワーコンディショナの構成要素であってよい。

かかる構成によれば、第２の制御部の起動用電力は、前記電力変換回路を動作させることによって一部の電池セルから供給することができる。第２の制御部が起動して、該第２の制御部によって遮断器が短絡動作されるとともに、複数の電池セルが出力する高電圧電力から前記低電圧電力への変換動作制御が開始されると、その後は、前記電力変換回路の動作が停止しても第２の制御部を動作させるための前記低電圧電力が継続して供給されるため、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作制御も継続して行うことができる。このように、第２の制御部の起動用の電力のみを一部の電池セルから取り出し、その後の継続動作用の電力は全ての電池セルから取り出すようにすることで、複数の電池セルのＳＯＣのアンバランス発生を抑制できる。さらに、高電圧電力から低電圧電力に変換出力するＤＣ／ＤＣコンバータと複数の電池セルとの間に設けた遮断器を第２の制御部によって動作制御することで、適切な条件を満たしたときのみ遮断器が短絡動作することを保証でき、高電圧電力によってＤＣ／ＤＣコンバータその他の回路が破損することを防止できる。

また、前記複数の電池セルから前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの電力供給線の途中に、前記第１の制御部により動作制御される遮断器を設けることもできる。この場合、第１の制御部は、所定の条件を満たすと上記遮断器を短絡動作させるよう短絡制御動作を行う。所定の条件とは、例えば、パワーコンディショナと非常起動用電源回路ユニットとの通信によって取得した情報などに基づいて正常であると判定されたことなど、適宜の条件であってよい。

また、前記電力変換回路の動作中、及び／又は、前記電力変換回路の動作停止後に、前記一部の電池セルとは異なる他の電池セルを所定の放電量放電させるよう前記第１の制御部からの指令信号により動作する放電回路をさらに備えることもできる。これによれば、一部の電池セルから非常起動用電力を取り出しつつ、若しくは、取り出した後に、他の電池セルを所定量放電させることによって、複数の電池セルのＳＯＣを積極的にバランスさせることができる。なお、他の電池セルから放電された電力は、抵抗負荷に供給することで熱に変換して消費してもよいし、他の電池セルからの放電電力によって上記一部の電池セルを充電するよう構成されていてもよい。

このような他の電池セルの放電による積極的なバランス制御は、上記電力変換回路の停止制御と組み合わせて行うことが好ましいが、上記電力変換回路の停止制御を行わずに他の電池セルの放電によるバランス制御のみを行うことも可能である。すなわち、高電圧電力を出力するよう直列接続された複数の電池セルのうち一部の電池セルから出力される部分電圧電力に基づいて所定の電力を変換出力するよう動作する電力変換回路と、第１の制御部と、前記電力変換回路の動作中、及び／又は、前記電力変換回路の動作停止後に、前記一部の電池セルとは異なる他の電池セルを所定の放電量放電させるよう前記第１の制御部からの指令信号により動作する放電回路とを備える電源装置として構成することができる。

直列接続された複数の電池セルを内蔵する複数の電池モジュールをさらに直列接続することによって多数の電池セルが直列接続された構成の場合、上記した放電は、各電池モジュール単位で行うことが好ましい。これにより、第１の制御部による放電制御の簡素化を図ることができる。勿論、各電池モジュールが、外部の制御部からの指令によって各電池セル毎に放電可能に構成されている場合には、電池モジュールに内蔵された各電池セル単位で放電させることもできる。各電池モジュール単位若しくは各電池セル単位で放電させる場合、放電中に各電池モジュール若しくは各電池セルの電圧を検出して、放電完了時の各電池モジュール若しくは各電池セルの電圧が一定となるように放電制御することもできる。

本発明は、各電池セルが二次電池セルによって構成された蓄電式電源装置に好適に適用できる。

本発明の電源装置によれば、直列接続された複数の電池セルが出力する高電圧電力を単相１００Ｖ交流電力、単相２００Ｖ交流電力乃至三相交流電力など適宜の交流電力に変換出力するパワーコンディショナの制御部などの低電圧負荷を、停電時などの非常時に動作させるための低電圧電力を、一部の電池セルから出力される部分電圧電力に基づいて変換生成するため、かかる電力変換回路の小型化、低コスト化、並びに、電力変換効率の向上を図ることができる。

さらに、第１の制御部が電力変換回路の動作を停止制御することで、一部の電池セルからの電力消費が長時間継続することを回避して、複数の電池セルのＳＯＣのバランスが大きく崩れることがなく、直列接続された複数の電池セル全体の状態を良好に維持できる。

本発明の一実施形態に係る蓄電式電源システムの概略回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電式電源装置１を示している。電源装置１は、電池ユニット２と、パワーコンディショナ３と、非常起動用電源回路ユニット４とを備えている。

〔電池ユニット２の構成及び動作〕
電池ユニット２は、直列接続された複数の電池モジュール２１を備えている。各電池モジュール２１は、直列接続された複数の電池セルＢを内蔵している。電池モジュール２１の数、並びに、各電池モジュール２１に内蔵された電池セルＢの数は適宜であって良いが、例えば、各電池モジュール２１に１６個の電池セルＢが内蔵され、６つの電池モジュール２１を直列接続した場合は、全体で９６個の電池セルＢが直列接続された構成となる。各電池モジュール２１の最大定格出力電圧は例えば６４Ｖであり、６つの電池モジュール全体で４００Ｖ弱の高電圧電力を出力するよう構成できる。

電池ユニット２には、各電池モジュール２１に対応して、電池電圧検出部２２と、放電回路２３とがそれぞれ設けられている。

各電池電圧検出部２２は、セルモニターＩＣによってそれぞれ構成できる。各電池電圧検出部２２のセル電圧監視ポートVsense0〜Vsense16には、対応する電池モジュール２１の各電池セルＢの端子電圧がそれぞれ入力されており、これにより各電池セルＢの端子間電圧、すなわちＳＯＣを検出する。

すべての電池電圧検出部２２は、ＣＯＭポートを介してデイジーチェーン接続され、各電池電圧検出部２２が検出したセル電圧情報や各種指令情報などを共有する。

また、各電池電圧検出部２２は、検出した各電池セルＢの電圧情報に基づいて異常判定を行うよう構成されており、異常が発生すると異常信号をＦＡＵＬＴ＿ｏｕｔポートから出力する。各電池電圧検出部２２は、直列接続の下位側（図１において上側）の他の電池電圧検出部２２が出力する異常信号を入力するＦＡＵＬＴ＿ｉｎポートを備えている。すべての電池電圧検出部２２は、ＦＡＵＬＴ＿ｏｕｔポート及びＦＡＵＬＴ＿ｉｎポートを介してデイジーチェーン接続され、いずれかの電池電圧検出部２２が異常信号を出力すると、最も上位側（図１において最下部）の電池電圧検出部２２に異常信号が伝達されるようになっている。

各放電回路２３は、対応する電池モジュール２１に内蔵された各電池セルＢの正極側端子と負極側端子とを短絡させる複数のスイッチング素子を備えている。なお、通常、各スイッチング素子には抵抗素子が直列接続されるが、図１においては図示省略している。各スイッチング素子は、対応する電池電圧検出部２２が出力する制御信号によって駆動される。各スイッチング素子が短絡動作すると、対応する電池セルＢの正極側端子と負極側端子とがスイッチング素子及び抵抗素子を介して短絡し、これにより対応する電池セルＢが放電する。

各電池電圧検出部２２は、対応する電池モジュール２１の各電池セルＢの端子間電圧（すなわちＳＯＣ）を均等にするよう、対応する放電回路２３の各スイッチング素子を駆動制御する。例えば、電池モジュール２１の放電中、最も端子間電圧が低下した電池セルＢの端子間電圧に揃えるように、他の電池セルＢに対応するスイッチング素子を短絡動作させて他の電池セルＢを放電させるよう構成できる。なお、本実施形態においては、各電池電圧検出部２２は、対応する電池モジュール２１の各電池セルＢの端子間電圧（実容量）を均等にするよう上述の放電制御を行うよう構成され、他の電池モジュール２１の電池セルＢの端子間電圧は参照しないよう構成されている。動作モードの切り換えによって、他の電池モジュール２１の電池セルＢの端子間電圧をも参照して、すべての電池モジュール２１のすべての電池セルＢの中で最も端子間電圧が低下した電池セルＢに合わせるように、他の電池セルＢを放電可能とするよう、各電池電圧検出部２２を構成することも可能である。

〔パワーコンディショナ３の構成及び動作〕
パワーコンディショナ３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１及びＤＣ／ＡＣインバータ３２により主構成される電力変換部と、これらコンバータ３１及びインバータ３２の動作制御を行うＰＣＳ制御部３４（第２の制御部）と、自立コンセント３５とを備えている。

コンバータ３１は、電池ユニット２の多数の電池セルＢの両端に接続される高電圧入出力部（図示左側）と、低電圧入出力部（図示右側）とを有する。図示例では、低電圧入出力部には、ＤＣリンク電圧入出力端子と、２４Ｖの制御用電圧（低電圧電力）を制御用電源電圧ラインＬ１に出力する制御用電圧出力端子と、グラウンド端子ＧＮＤとが設けられている。なお、図示実施形態ではコンバータ３１に２４Ｖの制御用電圧出力回路を内蔵した例を示したが、ＤＣリンク電圧に基づいて制御用電圧を変換生成する別のコンバータを設けても良い。

コンバータ３１は、電池ユニット２から高電圧入出力部を介して入力する高電圧をＤＣリンク電圧（例えば４００Ｖ）に降圧してＤＣリンク電圧入出力端子から出力する降圧動作モードと、ＤＣリンク電圧入出力端子から入力するＤＣリンク電圧を電池ユニット２の充電に必要かつ十分な高電圧に変換して高電圧入出力部から出力する昇圧動作モードとに、動作モードを変更可能な昇降圧コンバータによって構成されている。

電池ユニット２からコンバータ３１の高電圧入出力部への電力供給線の途中には電池ユニット用遮断器３６が設けられている。遮断器３６はＰＣＳ制御部３４によって遮断状態及び短絡状態のいずれかに切換動作制御される。遮断器３６が遮断動作すると電池ユニット２がコンバータ３１から遮断され、遮断器３６が短絡動作すると電池ユニット２の正極側端子及び負極側端子がコンバータ３１の高電圧入出力部に電気的に接続される。遮断器３６は常開接点式のものとすることが好ましく、これにより、ＰＣＳ制御部３４が電源断によりシャットダウンすると遮断器３６が遮断動作して、電池ユニット２がコンバータ３１から遮断される。

インバータ３２は、例えばフルブリッジインバータによって構成され、直流電力入出力部（図示左側）と、交流電力入出力部（図示右側）とを有する。直流電力入出力部は、コンバータ３１の低電圧入出力部に接続される。より詳細には、本実施形態では、直流電力入出力部は、コンバータ３１のＤＣリンク電圧入出力端子及びグラウンド端子ＧＮＤに、グラウンドライン及び４００Ｖ電源ラインを介してそれぞれ接続されている。なお、本実施形態では、インバータ３２の直流電力入出力部には昇降圧コンバータが内蔵されており、交流電力の出力時にはＤＣリンク電圧の４００Ｖを例えば１２０Ｖに降圧する一方、電池ユニット２の充電時には系統電圧を整流してなる１２０Ｖ直流電圧を４００Ｖに昇圧してＤＣリンク部に出力するよう構成されている。なお、グラウンドラインと４００Ｖ電源ラインとの間には、通常、ＤＣリンク部を構成する大容量の平滑コンデンサが設けられるが、図示省略している。

インバータ３２の交流電力入出力部は、系統５からパワーコンディショナ３を解列させるための解列器３７を介して系統５に接続されているとともに、自立コンセント用遮断器３８を介して自立コンセント３５に接続されている。解列器３７及び遮断器３８は、いずれも常開接点式のものを用いることが好ましい。また、解列器３７及び遮断器３８は、いずれもＰＣＳ制御部３４からの制御信号によって遮断状態及び短絡状態のいずれかに切換動作制御される。

コンバータ３１の制御用電圧出力端子には、整流器Ｄ１を介してレギュレータ３９が接続されており、２４Ｖ出力電圧をＰＣＳ制御部３４の電源電圧となる５Ｖに変換して出力する。なお、電池ユニット用遮断器３６、解列器３７及び自立コンセント用遮断器３８は、２４Ｖ電源ラインから供給される２４Ｖ電圧を電源として駆動させることができる。

パワーコンディショナ３は、商用系統電力によって電池ユニット２の多数の電池セルＢを充電するための充電モードと、電池ユニット２が出力する高電圧電力に基づいて商用系統電力に実質的に等価な交流電力を変換生成して自立コンセント３５に出力する放電モードとに、動作モードを切り替え可能に構成されている。

充電モードでの動作中、ＰＣＳ制御部３４は、電池ユニット用遮断器３６及び解列器３７を短絡動作させる一方、自立コンセント用遮断器３８を遮断動作させる。さらに、ＰＣＳ制御部３４は、コンバータ３１を昇圧動作モードで動作するよう制御する。なお、充電モードでの動作時は、インバータ３２のスイッチング制御を行わず、これによりインバータを構成するフルブリッジ回路を全波整流回路として機能させ、交流電力入出力部に入力される商用電力系統の交流電圧を直流電圧に変換するとともに、この直流電圧を４００Ｖに昇圧してＤＣリンク部に出力する。昇圧動作モードで動作するコンバータ３１は、ＤＣリンク電圧を昇圧して電池ユニット２の充電に必要かつ十分な高電圧電力を生成し、電池ユニット２に対して出力する。また、コンバータ３１は、ＤＣリンク電圧を分圧乃至降圧することで２４Ｖの制御用電圧を生成して制御用電源電圧ラインＬ１に出力する。

一方、放電モードでの動作中、ＰＣＳ制御部３４は、電池ユニット用遮断器３６及び自立コンセント用遮断器３８を短絡動作させる一方、解列器３７を解列動作させる。さらに、ＰＣＳ制御部３４は、コンバータ３１を降圧動作モードで動作するよう制御するとともに、インバータ３２を動作させて、ＤＣリンク部からインバータ３２に入力されるＤＣリンク電圧に基づいて商用系統電力と実質的に等価な交流電力を変換生成し、該交流電力を自立コンセント３５に出力する。また、コンバータ３１は、ＤＣリンク電圧を分圧乃至降圧することで２４Ｖの制御用電圧を生成して制御用電源電圧ラインＬ１に出力する。

ＰＣＳ制御部３４は、通電により起動すると、所定の自立運転条件を満たしているか否かを各種検出値や、電池ユニット２や非常起動用電源回路ユニット４との通信によって取得した情報などに基づいて判定し、自立運転条件を満たしていれば上記した放電モードでの運転を開始する。

〔非常起動用電源回路ユニット４の構成及び動作〕
非常起動用電源回路ユニット４は、電池ユニット２を構成する一の電池モジュール２１のみから出力される最大定格６４Ｖの部分電圧電力に基づいて２４Ｖの制御用電圧電力を変換出力するよう動作するＤＣ／ＤＣコンバータ４１（電力変換回路）と、複数の電池モジュール２１に内蔵された多数の電池セルＢのＳＯＣのアンバランスを抑制すべくコンバータ４１の動作を停止制御する制御部４２（第１の制御部）と、コンバータ４１の出力電力を測定して制御部４２に測定信号を出力する電力検出回路４３とを備えている。

コンバータ４１は適宜の回路構成のものを採用できるが、例えば、同期整流式降圧レギュレータにより構成できる。本実施形態のコンバータ４１は、ＲＵＮ／ＳＴＯＰ入力端子を備えており、該端子に例えばＨＩＧＨ信号が入力されると上記変換動作が行われ、該端子への入力がＬＯＷ信号になると上記変換動作が停止するよう回路構成されている。

コンバータ４１が出力する制御用電圧電力は、制御用電源電圧ラインＬ２に出力される。非常起動用電源回路ユニット４の制御用電源電圧ラインＬ２は、接続ケーブル６を介してパワーコンディショナ３の制御用電源電圧ラインＬ１に電気的に接続されている。したがって、パワーコンディショナ３が充電モード若しくは放電モードのいずれかで動作していれば、パワーコンディショナ３の制御用電源電圧ラインＬ１から接続ケーブル６を介して２４Ｖの制御用電源電圧が非常起動用電源回路ユニット４の制御用電源電圧ラインＬ２に供給される。一方、パワーコンディショナ３が電源断状態の場合、非常起動用電源回路ユニット４のコンバータ４１の電力変換動作が実行されると、該コンバータ４１が出力する制御用電源電圧が、電源電圧ラインＬ２及び接続ケーブル６を介してパワーコンディショナ３の制御用電源電圧ラインＬ１に供給され、これによりＰＣＳ制御部３４に電源電圧が供給されて、ＰＣＳ制御部３４が起動する。なお、電源電圧ラインＬ２には逆流防止ダイオードＤ２が設けられている。

また、非常起動用電源回路ユニット４は、制御用電源電圧ラインＬ２から供給される２４Ｖの制御用電圧を５Ｖに降圧するレギュレータ４８をさらに備えている。

非常起動用電源回路ユニット４の制御部４２は、本実施形態では、ＭＣＵ４２ａと、該ＭＣＵ４２ａに外付けされたタイマー回路４２ｂ（タイマー）とにより主構成されている。ＭＣＵ４２ａは、上記レギュレータ４８が出力する５Ｖ電圧を電源として動作する。なお、ＭＣＵ４２ａにタイマーが内蔵されていても良い。

非常起動用電源回路ユニット４には、コネクタ４４を介して操作スイッチ４５（操作部）が接続されている。操作スイッチ４５は、例えばオルタネートスイッチにより構成できる。操作スイッチ４５の対の接点の一方は小型の内蔵電池４６、例えばコイン電池、に接続されており、他方はタイマー回路４２ｂの電源端子Ｖｃｃに接続されている。タイマー回路４２ｂは、内蔵電池４６を電源として動作する。なお、操作スイッチ４５をモーメンタリスイッチにより構成する場合には、内蔵電池４６を負荷抵抗を介してタイマー回路４２ｂの電源端子Ｖｃｃに直接接続し、操作スイッチ４５の対の接点の他方をタイマー回路４２ｂのリセット信号入力端子に接続するなど、操作スイッチ４５及びタイマー回路４２ｂの周辺回路は適宜設計変更できる。

パワーコンディショナ３が電源断により動作しておらず、且つ、非常起動用電源回路ユニット４のコンバータ４１の動作も停止しているとき、制御用電源電圧ラインＬ１，Ｌ２への制御用電圧の供給がなされないため、ＭＣＵ４２ａも電源断によりシャットダウンしている。操作スイッチ４５を操作して対の接点同士を短絡させると、内蔵電池４６の出力電圧に基づくＨＩＧＨ信号がタイマー回路４２ｂの計時開始信号入力端子に入力され、タイマー回路４２ｂが所定時間、例えば１分、の計時を開始する。また、タイマー回路４２ｂは、計時中、コンバータ４１のＲＵＮ／ＳＴＯＰ入力端子にＨＩＧＨ信号（ＲＵＮ信号）を継続して出力し、これによりコンバータ４１による上述の電力変換動作が開始され、一の電池モジュール２１のみから出力される部分電圧電力に基づいて２４Ｖの制御用電圧電力が変換出力される。すると、レギュレータ４８によってＭＣＵ４２ａへの電源供給がなされ、これによりＭＣＵ４２ａが起動する。なお、操作スイッチ４５の操作時点からＭＣＵ４２ａの起動完了までのタイムラグはできる限り短くすることが好ましく、例えば数秒程度が好ましい。

所定時間の計時を終了すると、タイマー回路４２ｂは、コンバータ４１のＲＵＮ／ＳＴＯＰ入力端子へのＨＩＧＨ信号の出力を停止し、これによりコンバータ４１による電力変換動作が終了して、コンバータ４１による制御用電圧電力の出力が停止する。しかし、上記計時時間中に、コンバータ４１の出力電力がパワーコンディショナ２のＰＣＳ制御部３４に供給されてＰＣＳ制御部３４が起動し、放電モードでの運転が開始されると、パワーコンディショナ３のコンバータ３１が出力する２４Ｖの制御用電圧電力が非常起動用電源回路ユニット４の制御用電源電圧ラインＬ２に供給されるため、コンバータ４１による制御用電圧電力の出力停止後もＭＣＵ４２ａへの電源電圧の供給が継続して、ＭＣＵ４２ａは制御動作を継続可能である。

また、タイマー回路４２ｂは、ＭＣＵ４２ａからタイマーリセット指令を入力すると、即時、計時を終了して、コンバータ４１による電力変換動作を終了させるよう構成されている。

電力検出回路４３は、制御用電源電圧ラインＬ２に設けられたシャント抵抗４３ａと、該シャント抵抗４３の両端電圧を増幅する増幅器４３ｂと、該増幅器４３ｂのアナログ出力電圧を数ビット（図示例では３ビット）のデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ４３ｃとを備えている。シャント抵抗４３ａを流れる電流の大きさに応じて、シャント抵抗４３ａの両端電圧が変化するため、この両端電圧を検出することによってコンバータ４１からの出力電流を検出できる。コンバータ４１の出力電圧は２４Ｖの定電圧であるため、出力電流と出力電力とは比例関係となり、出力電流の検出は出力電力の検出と等価である。

ＭＣＵ４２ａは、操作スイッチ４５が操作された時点（より厳密には操作スイッチ４５の操作によってＭＣＵ４２ａが起動完了した時点）からのコンバータ４１の出力電力量を随時算出するとともに、当該出力電力量が所定値を超えると、上記タイマー回路４２ｂの計時が終了していなくとも、タイマー回路４２ｂにタイマーリセット指令を出力することによってコンバータ４１の電力変換動作を停止制御するよう構成されている。

また、ＭＣＵ４２ａは、電池ユニット２の最上位の電池電圧検出部２２と通信可能に接続されている。通信する情報は適宜のものであって良いが、例えば、電池ユニット２側からＭＣＵ４２ａへは各電池セルＢの電圧情報や上記異常信号などを送信することができ、ＭＣＵ４２ａから電池ユニット２側へは各種指令信号を送信することができる。

また、本実施形態では、ＭＣＵ４２ａは、電池ユニット２の電池電圧検出部２２との通信によって取得する各電池セルＢの電圧情報に基づいて、多数の電池セルＢのＳＯＣのアンバランスを判定する。そして、許容範囲を超えるアンバランスが生じたと判定すると、タイマー回路４２ｂの計時が終了しておらず且つコンバータ４１の出力電力量が所定値を超えていなくとも、タイマー回路４２ｂにタイマーリセット指令を出力することによってＭＣＵ４２ａがコンバータ４１の電力変換動作を停止制御するよう構成されている。

さらに、電池ユニット２側から異常信号を受信したときも、タイマー回路４２ｂにタイマーリセット指令を出力することによってＭＣＵ４２ａがコンバータ４１の電力変換動作を停止制御するよう構成することもできる。

また、ＭＣＵ４２ａは、コンバータ４１の電力変換動作中、及び／又は、その電力変換動作停止後に、部分電圧電力を取り出している一の電池モジュール２１とは異なる他の電池モジュール２１の電池セルＢを、一の電池モジュール２１の放電量と同等程度放電させるよう電池ユニット２の最上位の電池電圧検出部２２に対して指令信号を出力する。この指令信号はデイジーチェーン接続された全ての電池電圧検出部２２に伝達され、ＭＣＵ４２ａが指定した他の電池モジュール２１に対応する電池電圧検出部２２が、対応する放電回路２３のスイッチング素子を制御することにより、対応する電池モジュール２１の電池セルＢが放電する。なお、すべての電池セルＢのうち放電させる電池セルをＭＣＵ４２ａが個別に指定するよう構成することもできる。

また、本実施形態では、電池ユニット２にも遮断器２４が内蔵されており、この遮断器２４は、複数の電池モジュール２１からパワーコンディショナ３への電力供給線の途中に設けられている。遮断器２４は、ＭＣＵ４２ａによって所定の条件を満たすと短絡制御動作が行われる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、非常起動用電源回路ユニット４が出力する制御用電圧電力は、パワーコンディショナ３以外の適宜の電気負荷の動作用電力として用いることができる。電気負荷が交流モータなどの交流機器の場合は、非常起動用電源回路ユニット４のコンバータ４１は、一の電池モジュール２１が出力する部分電圧電力に基づいて交流負荷動作用の交流電力を変換出力するよう構成することもできる。

１ 電源装置
Ｂ 電池セル、２２ 電池電圧検出部、２３ 放電回路
３１ ＤＣ／ＤＣコンバータ、３４ 第２の制御部、３６ 遮断器
４１ 電力変換回路、４２ 第１の制御部、４２ｂ タイマー、４３ 電力検出回路
４５ 操作部

Claims (6)

1. 高電圧電力を出力するよう直列接続された複数の電池セルのうち一部の電池セルから出力される部分電圧電力に基づいて所定の電力を変換出力するよう動作する電力変換回路と、前記複数の電池セルの充電状態のアンバランスを抑制すべく前記電力変換回路の動作を停止制御する第１の制御部とを備える、電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記電力変換回路の動作を開始させるための操作部をさらに備え、
   前記第１の制御部は、前記操作部の操作後所定時間を経過したことを計時するタイマーを備えると共に、前記所定時間を経過すると前記電力変換回路の動作を停止制御するよう構成されている、電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の電源装置において、
   前記電力変換回路の出力電力を測定して前記第１の制御部に測定信号を出力する電力検出回路をさらに備え、
   前記第１の制御部は、所定時点からの前記電力変換回路の出力電力量が所定値を超えると前記電力変換回路の動作を停止制御するよう構成されている、電源装置。
4. 請求項１，２又は３に記載の電源装置において、
   各電池セルの電圧を検出する電池電圧検出部をさらに備え、
   前記第１の制御部は、前記電池電圧検出部との通信により取得する所定の情報に基づいて前記複数の電池セルの充電状態のアンバランスを判定して前記電力変換回路の動作を停止制御するよう構成されている、電源装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置において、
   前記電力変換回路が出力する所定の電力は直流負荷用の低電圧電力であり、
   前記複数の電池セルが出力する高電圧電力に基づいて前記低電圧電力を変換出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数の電池セルから前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの電力供給線の途中に設けられた遮断器と、前記低電圧電力を電源として動作するとともに所定の条件を満たすと前記遮断器を短絡動作させるよう短絡制御動作を行う第２の制御部とをさらに備え、
   前記第２の制御部は、前記電力変換回路及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータのいずれか一方が前記低電圧電力を出力していれば動作可能である、電源装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源装置において、
   前記電力変換回路の動作中、及び／又は、前記電力変換回路の動作停止後に、前記一部の電池セルとは異なる他の電池セルを所定の放電量放電させるよう前記第１の制御部からの指令信号により動作する放電回路をさらに備えている、電源装置。

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