JP2021083145A

JP2021083145A - 直流電源

Info

Publication number: JP2021083145A
Application number: JP2019206031A
Authority: JP
Inventors: 堤　香津雄; Kazuo Tsutsumi; 香津雄堤
Original assignee: Tsutsumi Suiso Kenkyusho Co Ltd
Current assignee: Tsutsumi Suiso Kenkyusho Co Ltd
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-05-27

Abstract

【課題】ＤＣＤＣコンバータを必要とせずスイッチングノイズおよびスイッチングロスが生じない電圧変換が可能な直流電源を提供する。【解決手段】直流電源１０は、二次電池１１と一対の切換スイッチ１２ｎ、１２ｐとを備える。二次電池１１の負極は切換スイッチ１２ｎに接続され、正極は切換スイッチ１２ｐに接続され、切換スイッチ１２ｎの並列取出し口接点ｎａが一の集合端子１５に接続され、切換スイッチ１２ｐの並列取出し口接点ｐａが集合端子１６に接続される。切換スイッチ１２ｐの直列取出し口接点ｐｂと隣接する二次電池における切換スイッチ１２ｎの直列取出し口接点ｎｂを接続線で結ぶことにより複数の電池が直列接続される。【選択図】図２

Description

本発明はＤＣＤＣコンバータを用いない直流電源に関し、詳しくは、二次電池とスイッチを用いた電圧の変更が可能な直流電源に関する。

半導体部品のほとんどが直流（ＤＣ）で動作するので、電気製品の多くは交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを必要としている。そして、プリント基板に実装されている集積回路（ＩＣ）は、それぞれ固有の電圧で動作するので、ＡＣ／ＤＣコンバータからの直流電圧をＤＣＤＣコンバータを用いて、それぞれの集積回路に適合した直流電圧に変換して利用する方式を取っている。

自動車の電装部品もそのほとんどが直流で動作するところ、蓄電池を直流電源として利用することができるのでＡＣ／ＤＣコンバータを必要とせず、蓄電池からの直流をＤＣＤＣコンバータを用いて、必要とする直流電圧に変換して利用する方式を取ることが可能となっている（例えば、特許文献１）。

ＤＣＤＣコンバータは、回路内にもうけた半導体スイッチを高速でＯＮ／ＯＦＦすることにより、所望の電圧の電源を構成することが可能となっている。すなわち、ＤＣＤＣコンバータはスイッチング周波数を変えることにより所望の電圧の直流電源を得ることができるので、種々の電圧を必要とする電子装置に広く用いられている。

特願２０１７−１４３９９２号公報特開２０１８−７４６８３号公報特開２０１７−１０３８８０号公報

ＤＣＤＣコンバータは、半導体スイッチを高速にスイッチングを行う。このとき問題となるのは、（１）半導体のスイッチングによるスイッチングロスと（例えば、特許文献２）、（２）高速スイッチングによる放射ノイズの発生である（例えば、特許文献３）。前者はスイッチング動作時の電流と電圧の位相差に起因するもので、エネルギー損失の原因となり効率の悪化をもたらす。後者は電流の急激な変化に伴う通信機器へのラジオノイズの放射等の悪影響を及ぼす。

ＤＣＤＣコンバータは、電圧の昇降が容易といったメリットがある反面、部品点数が多く、スイッチングノイズを発生するといったデメリットがある。

使用により放電した二次電池を再度充電して利用する態様を取れば、充電に時間がかかるので二次電池の稼働率が低下する。これを避けるためにフローティング充電を行うと二次電池は電池寿命の低下を招き、性能の劣化につながる。また、二次電池は、充電に際して過充電とならないよう留意する必要があり、稼働率を低下させずに電池を利用するには、電池の充電管理が複雑となる。

前記した課題を解決するために、本発明に係る直流電源は、電池と、並列取出し口と直列取出し口のいずれかを選択可能な一対の切換えスイッチとを備えていて、前記電池の一方の電極に接続された１の切換スイッチと、前記電池の他方の電極に接続された２の切換スイッチと、１の前記切換スイッチの並列取出し口が一の集合端子に接続され、２の前記切換スイッチの並列取出し口が他の集合端子に接続され、前記２の切換スイッチの直列取出し口と他の前記電池の一方の電極に接続された３の前記切換スイッチの直列取出し口が接続されている。

一の集合端子と他の集合端子の間には、複数の電池が並列接続された構成となっている。また、２の切換スイッチの直列取出し口と他の電池の一方の電極に接続された３の切換スイッチの直列取出し口の間には、複数の電池が直列接続された構成となっている。

本発明に係る直流電源は、前記一の集合端子と前記他の集合端子の間に前記電池と同じ電圧特性を有する電池が取り付けられている。また、本発明に係る直流電源は、前記電池の前記１の切換えスイッチの直列取出し口と前記他の電池の他方の電極に接続された４の前記切換スイッチの直列取出し口との間に、前記電池と前記他の電池を直列に接続したと同じ電圧特性を有する電池が接続されている。

本発明に係る直流電源は、一の前記直流電源の前記一の集合端子と他の前記直流電源の前記一の集合端子が接続され、前記一の直流電源の前記他の集合端子と前記他の直流電源の前記他の集合端子が接続され、前記一の直流電源の前記直列取出し口と前記他の直流電源の前記直列取出し口とが前記電池の直列接続となる。

本発明に係る直流電源は、前記切換スイッチがロータリースイッチである。また、本発明に係る直流電源は、前記電池は負極活物質を水素とし水素が封入されている。また、本発明に係る直流電源は、前記電池の放電開始電圧が前記電池の充電終止電圧に等しい。

この構成の電池によれば、フローティング充電が可能となり、満充電状態を保持しつつ電池を利用することができ、電池の稼働率が向上する。

本発明に係る直流電源は、前記電池が二次電池である。また、本発明に係る直流電源は、前記電池がリバーシブル燃料電池である。ここにリバーシブル燃料電池は発電が可能であると共に電気エネルギーを水素と酸素の化学エネルギーに変換して貯蔵が可能であると共に貯蔵した化学エネルギーを用いて発電を行うことが可能である。

以上のように、本発明に係る直流電源によれば、ＤＣＤＣコンバータを必要とせず電圧の変換を行うことができる。これにより、スイッチングノイズの発生のない、スイッチングロスが生じない電圧変換が可能となる。更に、フローティング充電が可能な電池を用いることにより電池の稼働率の向上を図ることが可能となる。

二次電池の充電時の接続電気系統図である。直流電源の実施例を示す配線接続図である。直流電源の別の実施例を示す配線接続図である緩衝回路の説明用の接続図である。

以下、本発明に係る一実施形態を説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。また、電池が二次電池の場合について説明するが、電池はリバーシブル燃料電池であってもよい。

本発明が適用される二次電池として水素ガスを封入したニッケル水素電池が好ましいがこれに限定されるものでない。負極材料としては水素吸蔵合金が好ましく、正極材料は酸化金属が好ましいがこれらに限定されるものでない。

導電助剤は、放電時に電解液に溶出することなく、かつ、水素で還元されにくい炭素材料であることが好ましいがこれに限定されるものでない。セパレータとしては、ポリオレフィン系繊維の不織布が好ましい。ポリオレフィン系繊維は疎水性であるので、例えばフッ素ガス処理による親水処理パレータが好ましい。
ている。

二次電池の充電反応は発熱反応であるので、定電圧制御下で、微小な電流で継続的に充電することによって常に満充電の状態を保つ、いわゆるフローティング充電には適さないとされている。すなわち、フローティング充電を行おうとすると、過充電により電池性能の劣化につながるからである。したがって、二次電池は過充電とならないようにするために、満充電せずに使用されている。

水素ガスを封入したニッケル水素電池の場合、フローティング充電により過充電となれば、負極から水素ガスが発生する。充電が進むにつれて、発生水素ガス量が増えて電池内部の水素ガス濃度が上昇して負極の電位は低下して、ついには直流電源の充電電圧と等しくなる。すなわち充電が進めば電池電位が上昇して、直流電源の電圧と等しくなれば充電電流は流れなくなり、事実上、充電は停止する。電池性能の劣化を防ぐことができる。

水素ガスを封入した二次電池のもう一つの特徴は、充電を終了した電圧から放電が開始することである。充電でピークを示した電圧から放電を開始する。従来の二次電池は、放電開始電圧は充電終止電圧に等しくない。

図１は本発明に係る直流電源に用いる二次電池の充電方法を説明するための接続電気系統図である。商用の電力系統６からの交流電力は、電圧調節用のトランス５を経由して整流器４にて直流電力に変換され、直流電源となる二次電池２を充電可能にしている。ここに、二次電池２はフローティング充電が可能な電池である。二次電池２の直流電力は需要家における負荷設備３に供給される。

図２に示す配線接続図を用いて、本発明に係る直流電源の説明を行う。直流電源１０は、二次電池１１と一対の切換スイッチ１２を主な構成要素として備えている。切換スイッチ１２はコモン接点ｃとこれに対向する２つの接点ａ，ｂを備えていて、切換スイッチ１２を操作することにより接点ｃは、接点aもしくは接点ｂに選択的に接続することができる。切換スイッチ１２は連動して動作するようになっていて、コモン接点ｃが接点aと導通するとき、すべての切換スイッチ１２のコモン接点ｃが接点aと導通し、コモン接点ｃが接点ｂと導通するとき、すべての切換スイッチ１２のコモン接点ｃが接点ｂと導通する。

切換スイッチ１２は公知の２極双倒型のスイッチであってもよく、補助リレーの接点であってもよい。具体的には１つのスナップスイッチからの切換信号をリレー増幅して構成してもよい。リレー回路を利用すれば多くの接点が同時に動作する。また、切換スイッチ１２は半導体スイッチで構成してもよい。半導体スイッチを用いれば計算機制御に好適に対応することができる。

一対の切換スイッチ１２は二次電池の数に適合する回路数を有するロータリースイッチであってもよい。ロータリースイッチは、その回転に連動して回路間のスイッチング行われる。つまり、回転毎に全ての回路のコモン接点ｃが接点aと接点ｂの間を切り換わるようなっている。

一つの二次電池１１には２つの切換スイッチ１２が接続されている。すなわち、二次電池１１の負極は一方の切換スイッチ１２ｎのコモン接点に相当する接点ｎｃに接続されていて、正極は他方の切換スイッチ１２ｐのコモン接点に相当する接点ｐｃに接続されている。切換スイッチ１２ｎの接点aに相当する接点ｎａは、配線を介して一方の集合端子１５にビス１３で固定され接続されている。切換スイッチ１２ｐの接点aに相当する接点ｐａは、配線を介して他方の集合端子１６にビス１４で固定され接続されている。接点ｎａ及びｐａは並列取出し口として機能し、接点ｎｂ及びｐｂは直列取出し口として機能する。

一方の切換スイッチ１２ｎの接点ｂに相当する接点ｎｂは配線を介して直流電源１０の出力端子Ａ１に接続されている。他方の切換スイッチ１２ｐの接点ｂに相当する接点ｐｂは接続線１７を介して隣接する二次電池１１に接続された一方の切換スイッチ１２ｎの接点ｎｂに接続されている。このように、切換スイッチ１２ｐの接点ｐｂは次段の切換スイッチ１２ｎの接点ｎｂに接続線１７で結ばれている。最終段の切換スイッチ１２ｐの接点ｐｂは、配線を介して直流電源１０の出力端子Ａ２に接続されている。

本発明の直流電源は、一方の切換スイッチ１２ｎの並列取出し口接点ｎａが一の集合端子１５に接続され、他方の切換スイッチ１２ｐの並列取出し口接点ｐａが他の集合端子１６に接続されている。集合端子１５および集合端子１６は、それぞれ、配線を介して直流電源１０の出力端子Ｂ１およびＢ２に接続され、出力端子Ｂ１とＢ２の間は複数の電池が並列接続される構成となっている。なお、出力端子Ｂ１とＢ２の間には二次電池１１と同じ電圧特性を有するバッファ電池１８が接続されている。

また、一方の二次電池における他方の切換スイッチ１２ｐの直列取出し口接点ｐｂと他方の二次電池における一方の切換スイッチ１２ｎの直列取出し口接点ｎｂを接続線で結ぶことにより複数の電池が直列接続される構成となっている。なお、出力端子Ａ１、Ａ２の間には二次電池１１を直列接続してときと同じ電圧特性を有するバッファ電池１９が接続されている。

二次電池１１は、例えば、公称電圧が４８Ｖ、電池容量が１００Ａｈのニッケル水素電池の組電池であって直流電源１０は８モジュールの二次電池で構成されている。組電池の公称電圧、電池容量および使用するモジュール数は、用途に応じて適宜変更可能である。

直流電源１０の動作について説明を行う。切換スイッチ１２が接点a側（並列取出し口接点側）にあるとき、すべての二次電池１１の負極は集合端子１５に接続され、すべての二次電池１１の正極は集合端子１６に接続されることになる。すなわち、複数の二次電池１１は並列接続され、直流電源１０の出力端子Ｂ１、Ｂ２から４８ＶＤＣ、８００Ａｈの直流電力を取出すことが可能となる。

切換スイッチ１２が接点ｂ側（直列取出し口接点側）にあるとき、すべての二次電池は直列に接続されることになる。このとき、直流電源１０の出力端子Ａ１、Ａ２から３８０ＶＤＣ、１００Ａｈの直流電力を取出すことが可能となる。

図１の接続系統図に示す方法により二次電池１１を充電することができる。出力端子Ｂ１、Ｂ２間に４８Ｖの直流電圧を印加して二次電池１１を充電すれば、８モジュールの二次電池を同時に充電することができる。一方、出力端子Ａ１、Ａ２間に３８０Ｖの直流電圧を印加して二次電池１１を充電すれば、８モジュールの二次電池が一度に充電することができる。

出力端子Ｂ１、Ｂ２間から４８Ｖで充電して、出力端子Ａ１、Ａ２間から３８０Ｖの直流電力を取出すことができるとともに、出力端子Ａ１、Ａ２間から３８０Ｖで充電して、出力端子Ｂ１、Ｂ２間から４８Ｖの直流電力を取出すことができる。換言すれば、スイッチ操作により、４８ＶＤＣから３８０ＶＤＣに変換することが可能であり、また、３８０ＶＤＣから４８ＶＤＣに変換することが可能である。

二次電池の仕様、例えば電圧および容量ならびにモジュール数を適宜選ぶことにより、好みの直流電源に変換することが可能となる。比較的低い電圧で多数の二次電池を並列充電しておき、直列接続で電力を取出せば電流の低減を図ることができ、電源の昇圧化を図ることができる。

満充電された二次電池１１を並列接続して出力端子Ｂ１、Ｂ２間から４８Ｖで電力を取出しているときに、切換スイッチ１２を操作して直列接続された３８０Ｖの電力を出力端子Ａ１、Ａ２間から取り出すことができる。これとは逆に３８０Ｖの電圧で電力を取出し中に切換スイッチを操作して４８Ｖの電力を取出すこともできる。

このような場合、出力端子Ａ１、Ａ２間に設けたバッファ電池１９および出力端子Ｂ１、Ｂ２間に設けたバッファ電池１８は切換時のショックを軽減する役割を果たす。バッファ電池１８は、二次電池１２と同じ電圧仕様である４８Ｖであって４０Ａｈの電池で構成されている。バッファ電池１９は、二次電池１２の８倍の電圧仕様である３８０Ｖであって５Ａｈの電池で構成されている。バッファ電池１８，１９を設けることにより、切換スイッチの作動時に瞬断の発生を防ぐことができる。

ある種の通信設備において、４８ＶＤＣと３８０ＶＤＣの２つの直流電源を必要とするところ、本発明の直流電源によれば設備の簡素化と効率化を図ることできる。また、電気自動車の充電スタンドにおいて本発明の直流電源を用いることにより、低電圧で充電した二次電池を高電圧に変換して利用することができ、充電時間の短縮を図ることができ、利便性が向上する。

図２に示す実施例とは別の実施例を図３に示す。直流電源２０において、二次電池および切換スイッチはそれぞれ２つであるがもっと多くてもよい。
切換スイッチ２２ｎの接点aに相当する接点ｎａは配線を介して集合端子２５にビス２３で接続されている。切換スイッチ２２ｐの接点aに相当する接点ｐａは配線を介して集合端子２６にビス２４で接続されている。集合端子２５および集合端子２６は、それぞれ、配線を介して直流電源２０の出力端子Ｂ３およびＢ４に接続されている。集合端子２５、２６の間には二次電池２１と同じ電圧特性を有するバッファ電池２８が接続されている。集合端子２５および集合端子２６は、それぞれ、接続スイッチ３１ｎおよび接続スイッチ３１ｐを介して直流電源１０の出力端子Ｂ２およびＢ１に接続されている。

切換スイッチ２２ｎの接点ｂに相当する接点ｎｂは接続スイッチ３２ｎを介して直流電源１０の出力端子Ａ２に接続されており、切換スイッチ２２ｐの接点ｂに相当する接点ｐｂは接続線２７を介して隣接する二次電池２１に接続された切換スイッチ２２ｎの接点ｎｂに接続されている。最終段の切換スイッチ２２ｐの接点ｐｂは、配線を介して直流電源２０の出力端子Ａ４に接続されている。出力端子Ａ１とＡ４の間には接続スイッチ３２ｐと切換時のショックを軽減するバッファ電池２９とが接続されている。

図４は、ショック軽減のためのバッファ電池１９，２９の接続状況を説明するための図である。接続スイッチ３３は、接続スイッチ３１，３２が開路しているとき閉路し、閉路しているとき開路する。

接続スイッチ３１、３２は通常は開路しており、直流電源２０は直流電源１０とは接続されていない。接続スイッチ３１、３２が閉路すると、直流電源１０に直流電源２０が付加されて、１０個の二次電池を有する直流電源となる。

本発明の直流電源は、通信設備および充電スタンドにおいて好適に利用することができる。

２二次電池
３負荷設備
３整流器
５トランス
６商用の電力系統
１０直流電源
１１二次電池
１２切換スイッチ
１３ビス
１４ビス
１５集合端子
１６集合端子
１７接続線
１８バッファ電池
１９バッファ電池
３１接続スイッチ
３２接続スイッチ
３３接続スイッチ

Claims

電池と、並列取出し口と直列取出し口のいずれかを選択可能な一対の切換えスイッチとを備えていて、
前記電池の一方の電極に接続された１の切換スイッチと、
前記電池の他方の電極に接続された２の切換スイッチと、
１の前記切換スイッチの並列取出し口が一の集合端子に接続され、
２の前記切換スイッチの並列取出し口が他の集合端子に接続され、
前記２の切換スイッチの直列取出し口と他の前記電池の一方の電極に接続された３の前記切換スイッチの直列取出し口が接続されている、直流電源。
前記一の集合端子と前記他の集合端子の間に前記電池と同じ電圧特性を有する電池が取り付けられている請求項１に記載の直流電源。
前記電池の前記１の切換えスイッチの直列取出し口と前記他の電池の他方の電極に接続された４の前記切換スイッチの直列取出し口との間に、前記電池と前記他の電池を直列に接続したと同じ電圧特性を有する電池が接続されている請求項１に記載の直流電源。
一の前記直流電源の前記一の集合端子と他の前記直流電源の前記一の集合端子が接続され、
前記一の直流電源の前記他の集合端子と前記他の直流電源の前記他の集合端子が接続され、
前記一の直流電源の前記直列取出し口と前記他の直流電源の前記直列取出し口とが前記電池の直列接続となる、請求項１に記載の直流電源。
前記切換スイッチがロータリースイッチである請求項１に記載の直流電源。
前記電池は負極活物質を水素とし水素が封入されている請求項１に記載の直流電源。
前記電池の放電開始電圧が前記電池の充電終止電圧に等しい請求項７に記載の直流電源。
前記電池が二次電池である請求項１〜７のいずれか一項に記載の直流電源。
前記電池がリバーシブル燃料電池である請求項１〜７のいずれか一項に記載の直流電源。