JP2021097425A - 蓄電機器の接続装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電機器の増設または交換を行うときに発生する突入電流を低減するための回路を蓄電システム内または蓄電機器内に組み込む必要があった。【解決手段】第一の蓄電機器に第二の蓄電機器を並列に接続するための接続装置であって、前記第一の蓄電機器の電源端子に接続する第一の接続端子と、前記第二の蓄電機器の電源端子に接続する第二の接続端子と、前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間に接続される第一の抵抗器と、前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間の電位差を検出する電位差検出回路と、前記電位差検出回路が検出する前記電位差を表示する表示器と、を備えた。【選択図】 図２Ｂ

Description

本願は、蓄電機器の接続装置に関するものである。

工業用電気設備などで使用される従来の蓄電システムは、内蔵する複数の蓄電池またはコンデンサ（以下「蓄電機器」という）及び制御回路から構成されている。蓄電システムの容量増加または内蔵する蓄電機器が劣化した際、蓄電機器を増設または交換する必要がある。例えば蓄電されていない新たな蓄電機器を増設する場合、既設の蓄電機器との電位差によって突入電流が流れる恐れがあった。このような問題を回避するため、蓄電システム自身の制御回路に可変抵抗器及び抵抗制御部を用い、突入電流を低減するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１２７２５号公報（図４）

しかしながら、従来の蓄電システムは、自身の制御回路もしくは蓄電機器内部の制御回路に上述の可変抵抗器及び抵抗制御部を組み込んだ構造とする必要があり、これがコストアップの要因になるという課題があった。

本願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、蓄電システムまたは蓄電機器の制御回路に、可変抵抗器及び抵抗制御部を設けることなく、蓄電機器の増設または交換時、蓄電機器間の突入電流を低減するために利用でき、かつ、増設または交換の作業完了後は取り外して他の蓄電システムにも転用可能な蓄電機器の接続装置を提供することを目的とする。

本願に開示される蓄電機器の接続装置は、第一の蓄電機器に第二の蓄電機器を並列に接続するための接続装置であって、前記第一の蓄電機器の電源端子に接続する第一の接続端子と、前記第二の蓄電機器の電源端子に接続する第二の接続端子と、前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間に接続される第一の抵抗器と、前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間の電位差を検出する電位差検出回路と、前記電位差検出回路が検出する前記電位差を表示する表示器と、を備えたものである。

第一の蓄電機器に第二の蓄電機器を増設または交換の作業を行う場合において、前記第一の蓄電機器の電源端子に接続する第一の接続端子と、前記第二の蓄電機器の電源端子に接続する第二の接続端子と、前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間に接続される第一の抵抗器と、前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間の電位差を検出する電位差検出回路と、前記電位差検出回路が検出する前記電位差を表示する表示器と、を備えた本願装置を用いることにより、蓄電機器の増設または交換時の蓄電機器間の突入電流を低減して接続作業ができる。また、蓄電機器間の電位差が０に近くなった時点で前記蓄電機器の電源端子間を直接接続して、本願装置を切り離すことができるので、増設または交換の作業完了後は、取り外して他の蓄電システムで使用することができる。

実施の形態１に係わる電源設備システムの全体を示すブロック図である。 実施の形態１に係わる接続装置による蓄電機器の接続手順を説明する図である。 実施の形態１に係わる接続装置による蓄電機器の接続手順を説明する図である。 実施の形態１に係わる接続装置による蓄電機器の接続手順を説明する図である。 実施の形態１に係わる接続装置による蓄電機器の接続手順を説明する図である。 実施の形態２に係わる蓄電機器の接続装置の接続時を示す回路図である。 実施の形態３に係わる蓄電機器の接続装置の接続時を示す回路図である。 実施の形態３に係わるスイッチング電源回路の回路図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係わる電源設備システムの全体を示すブロック図である。図１において、交流の商用電源１は交流／直流変換器２によって直流に変換され、直流電源回線３を介して直流負荷４と、蓄電システム５と、直流／交流変換器６とに電源を供給する。また、直流／交流変換器６を介して交流負荷７にも電源が供給される。蓄電システム５は常時は、直流電源回線３を通じて充電が行われており、商用電源１が停電になったとき直流電源回線３を通じて放電して、直流負荷４及び交流負荷７の電源をバックアップする。図１において、蓄電システム５は第一の蓄電機器５１から構成されており、接続装置８によって第二の蓄電機器５２を増設作業中である。

以下、蓄電システム５の第一の蓄電機器５１に第二の蓄電機器５２を増設する場合を例にとり説明する。ただし、蓄電システム５の蓄電機器の数が最初から２台以上ある場合、または蓄電システムの蓄電機器を交換する場合も、同様な方法で接続装置８を使用することができる。

図２Ａから２Ｄは、実施の形態１に係わる接続装置８を用いて、蓄電機器５１へ蓄電機器５２を増設する接続手順を説明する図である。図２Ａは蓄電機器の接続装置８を接続する前の状態を示す。本実施の形態において、第一の蓄電機器５１の電源端子５１１と増設する第二の蓄電機器５２の電源端子５２１との電源端子間を直接に接続しない。そのため、図２Ａにおいて電源端子５１１と５２１との間にまず接続装置８を配置する。

次に、図２Ｂに示すように、電源端子５１１に接続装置８の第一の接続端子８１を、電源端子５２１に第二の接続端子８２を接続する。図２Ｂにおいて接続装置８の構成と動作を説明する。接続装置８は、第一の蓄電機器５１側の第一の接続端子８１と、第二の蓄電機器５２側の第二の接続端子８２との間に固定の抵抗値Ｒ１を持つ第一の抵抗器８３を有する。仮に増設前の第一の蓄電機器５１とこれから増設する第二の蓄電機器５２との電位差がＶ１であったとしたら、この第一の抵抗器８３に第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２との電位差Ｖ１によって第一の蓄電機器５１から第二の蓄電機器５２へ電流Ｉ１が流れる。この電位差Ｖ１は第一の抵抗器８３の両端にある第一の接続端子８１と第二の接続端子８２との電位差と等しくなり、電位差検出回路８４によって検出され、表示器８５に表示される。

第一の抵抗器８３の抵抗値をＲ１と、第一の抵抗器８３の両端の電位差Ｖ１と、第一の抵抗器８３を流れる電流Ｉ１の関係は、Ｉ１＝Ｖ１／Ｒ１となる。この電流は、第一の蓄電機器５１及び第二の蓄電機器５２のいずれか電圧が高い方から低い方に流れ、低い方の蓄電機器に充電され、ある一定の接続時間Ｔ１後に、第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２が同電位になるまで流れる。

もし、この接続装置８を用いずに初期の電位差があるまま直接に第一の蓄電機器５１の電源端子５１１と第二の蓄電機器５２の電源端子５２１を接続すれば、初期の電流Ｉ１が突入電流として流れることになる。仮に蓄電機器の初期の電位差Ｖ１が２０Ｖあり、蓄電機器の内部抵抗が０．１Ωであったとしたら、２００Ａの電流Ｉ１が流れることになり、通常の電線レベルでは加熱溶断することも有り得る。第一の抵抗器８３の抵抗値Ｒ１が１０Ωであれば、接続装置８を通して流れる突入電流Ｉ１は１Ａに抑えることができる。したがって、まず、第一の蓄電機器５１の電源端子５１１に接続装置８の第一の接続端子８１を、第二の蓄電機器５２の電源端子５２１に第二の接続端子８２を接続することによって、突入電流Ｉ１を低く抑えたまま接続装置８への接続作業を実施することができる。

電位差検出回路８４によって計測された電位差は表示器８５に表示される。接続装置８を接続後、表示器８５に表示される値は、最初は第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２の初期の電位差Ｖ１が表示され、その後、時間の経過とともにその値は減っていく。そして、接続時間Ｔ１経過後は、表示器８５に表示される電位差Ｖ１はほぼ０となる。

図２Ｃにおいて、表示器８５に表示される電位差Ｖ１がほぼ０であることを確認した後、第一の蓄電機器５１の電源端子５１１と第二の蓄電機器５２の電源端子５２１とを接続線５３により直接接続する。第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２の電位差はほぼ０となっているため、接続する際に接続線５３に流れる電流は小さくなり、接続線５３を取り付けることに支障は生じない。

接続線５３を接続するときの電位差Ｖ１がほぼ０となる目安としては、電位差Ｖ１は±０．１Ｖ程度とし、接続線５３を流れる電流は１Ａ程度とする。接続線５３を接続した後、電源端子５１１から接続装置８の第一の接続端子８１を、電源端子５２１から第二の接続端子８２を外し、接続装置８を蓄電システム５から取り外すことが可能となる。このようにして、蓄電機器間の突入電流を低減したまま、既存の第一の蓄電機器５１への第二の蓄電機器５２の増設作業が完了する。

図２Ｄにおいて、第一の蓄電機器５１の電源端子５１１と第二の蓄電機器５２の電源端子は接続線５３によって接続が完了しているので、接続装置８の第一の接続端子８１を第一の蓄電機器５１の電源端子５１１から、第二の接続端子８２を第二の蓄電機器５２の電源端子５２１から切り離す。このようにして接続装置８は増設作業を完了した後、取り外すことが可能となるので、他の蓄電システムの増設作業または交換作業に使用することが可能となる。

接続装置８に用いられる第一の抵抗器８３の抵抗値Ｒ１は、蓄電機器の最大電圧をＶｍａｘとすると、Ｒ１＞（Ｖｍａｘ）^２／Ｗ１となる。ここでＷ１は第一の抵抗器８３の定格電力値を示す。ただし、定格電力での使用では第一の抵抗器８３の表面温度が高くなるので、３倍程度の余裕度をみて、Ｒ１＝３×（Ｖｍａｘ）^２／Ｗ１として算出される。

なお、実施の形態１では、既存の第一の蓄電機器５１に第二の蓄電機器５２を増設する場合で説明したが、第一の蓄電機器５１を第二の蓄電機器５２に交換する場合も同様な手順で、電位差Ｖ１がほぼ０になったところで回路を切り替えることにより、蓄電機器間の突入電流を低減したまま、既存の第一の蓄電機器５１から新たな第二の蓄電機器５２に交換作業をすることができる。

実施の形態２．
実施の形態２は実施の形態１の変形例であり、図３は実施の形態２に係わる蓄電機器の接続装置８を示す回路図である。実施の形態２では、実施の形態１と同様に、蓄電システム５の第一の蓄電機器５１に第二の蓄電機器５２を増設する場合を想定して説明する。図３において、接続装置８には第一の抵抗器８３と並列に、スイッチ８６と第二の抵抗器８７とを直列につないだバイパス回路８８が追加されている。他の構成は実施の形態１と同じである。

蓄電システム５に、第一の蓄電機器５１に加えて第二の蓄電機器５２を増設する際、まずは、接続装置８を接続する。このとき、スイッチ８６は開いているものとする。接続装置８の第一の接続端子８１を第一の蓄電機器５１に接続し、続いて、第二の接続端子８２を新たに接続する第二の蓄電機器５２に接続する。このとき、第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２の間に電位差Ｖ１がある場合、電位差Ｖ１は、第一の接続端子８１と第二の接続端子８２の間、即ち第一の抵抗器８３の両端に生じる。

第一の抵抗器８３の抵抗値をＲ１とすると、第一の抵抗器８３の両端に電位差Ｖ１が生じた場合、Ｉ１＝Ｖ１／Ｒ１の電流が流れる。この電流は、第一の蓄電機器５１及び第二の蓄電機器５２のいずれか電圧が高い方から低い方に流れ、低い方の蓄電機器に充電されるため、ある一定の接続時間Ｔ１後に、第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２が同電位になるまで流れる。

このとき、実施の形態１と同様、第一の抵抗器８３の抵抗値Ｒ１は十分に大きいため、突入電流Ｉ１を低く抑えたまま接続装置８への接続作業を実施することができる。

電位差Ｖ１が大きい場合は、接続時間Ｔ１の時間が長くなるので、この時間を短くするため、実施の形態２では、スイッチ８６及び第二の抵抗器８７を備えたバイパス回路８８が設けられている。

電位差検出回路８４によって計測された電位差は表示器８５に表示される。接続装置８を接続後、表示器８５に表示される値は、最初は第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２の初期の電位差Ｖ１が表示され、その後、時間の経過とともにその値は減っていく。表示器８５に表示される電位差Ｖ１が所定の電位差Ｖ２まで低下した時にスイッチ８６を閉じる。

スイッチ８６を閉じることによって、第二の抵抗器８７に流れる電流Ｉ２を発生させる。すなわち、接続装置８を接続後、表示器８５に表示される電位差Ｖ１を計測し、所定の電位差Ｖ２まで落ちた段階でスイッチ８６を閉じることによって接続装置８を流れる電流をＩ１＋Ｉ２に増加させ、電位差Ｖ１が０になる接続時間Ｔ１を早めることができる。スイッチ８６が閉じた場合、第一の抵抗器８３と第二の抵抗器８７は並列接続となり、第二の抵抗器８７が固定の抵抗値Ｒ２を持つとすると、その合成抵抗値は、Ｒ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）となる。

その後、表示器８５の電位差Ｖ１がほぼ０になった後は、実施の形態１と同様になるため、説明を省略する。

なお、第二の抵抗器８７の抵抗値Ｒ２は、実施の形態１にて導出した抵抗値Ｒ１と同じ方法で決定する。スイッチ８６を閉じるタイミングでの第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２の電位差Ｖ２と、第二の抵抗器８７の定格電力値Ｗ２の関係から、Ｒ２＞（Ｖ２）^２／Ｗ２となる。また、温度上昇を考慮して３倍程度の抵抗値となり、Ｒ２＝３×（Ｖ２）^２／Ｗ２となる。

また、スイッチ８６を閉じる電位差Ｖ２は、大きければ大きいほど接続時間Ｔ１を短くでき、第二の抵抗器８７の抵抗値Ｒ２によってＶ２＝√（Ｒ２×Ｗ２／３）で求められる。

したがって、本願の実施の形態２によれば、実施の形態１で述べた効果に加えて、電位差がほぼ０になる接続時間Ｔ１を短くすることが可能となる。これにより作業完了までの時間を短縮する効果をもたらす。

また、実施の形態２では、バイパス回路８８が１つの場合を示したが、バイパス回路８８を複数並列に設けても良い。コスト増にはなるが、バイパス回路８８により抵抗器の数を増やすと、より広い範囲の電位差に対応可能となる。

さらに、実施の形態２では、第二の抵抗器の抵抗値が固定の場合を示したが、可変抵抗器を利用してもよい、その場合、スイッチ８６の代わりに、電位差Ｖ１に応じて可変抵抗器の抵抗値を制御する制御装置を取り付けてもよい。これにより、より抵抗値の切替えをスムーズに行える。また、可変抵抗器を実施の形態１の第一の抵抗器に使用しても同じ効果が得られる。

実施の形態２では、スイッチ８６の操作は作業者が行うことを前提としていたが、電位差検出回路８４に電位差Ｖ１を判定する機能を持たせ、Ｖ１がＶ２以下になった時点で自動的にスイッチ８６を閉塞するような自動回路を持たせてもよい。また、抵抗器の数を増やしたとき、可変抵抗器に置き換えたときも同様に電位差検出回路８４による自動回路で制御してもよい。自動化することで、電位差Ｖ１の変化を表示器８５で監視する手間を省くことができる。

実施の形態３．
実施の形態３は実施の形態１の変形例であり、図４は実施の形態３に係わる蓄電システムと蓄電機器の接続装置８を示す回路図である。実施の形態３では、実施の形態１と同様、蓄電システム５の第一の蓄電機器５１に第二の蓄電機器５２を増設する場合を想定して説明する。図４において、接続装置８には第一の抵抗器８３の代わりに、スイッチング電源回路９０が設けられている。他の構成は実施の形態１と同じである。

スイッチング電源回路９０は、実施の形態１における第一の抵抗器８３と同様の働きをする。即ち、第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２の電位差をなくす働きをする。図５にスイッチング電源回路９０の回路図を示す。図５において、スイッチング電源回路９０は、スイッチ素子９１、９２、９３、９４と、ダイオード９５、９６、９７、９８と、インダクタ９９と、あらかじめ決められたプログラムでスイッチ素子９１〜９４を制御する電源制御部１００とで構成される。

図５において、第一の接続端子８１から第二の接続端子８２へ電流を供給する場合の電源制御部１００による動作は次のようになる。まず、スイッチ素子９１と９３をオンにし、第一の接続端子８１からインダクタ９９に電流を供給し磁気エネルギーを蓄える。次に、スイッチ素子９１と９３をオフすると、インダクタ９９に蓄えた磁気エネルギーはダイオード９６と９８を通して第二の接続端子８２側に電流として供給される。また、第二の接続端子８２から第一の接続端子８１へ電流を供給する場合は、スイッチ素子９２と９４、ダイオード９５と９７で電流を供給する。このようにして、エネルギーの損失なしに電流によるエネルギー移動が行われる。

以上に示したスイッチング電源回路９０を接続装置８に用いれば、スイッチ素子９１〜９４のオン、オフの時間を変化させることによってインダクタ９９を通して流れる電流の大きさを制御することができるので、突入電流Ｉ１を低く抑えたまま接続装置８への接続作業を実施することができる。その後、第一の蓄電機器５１及び第二の蓄電機器５２のいずれか電圧が高い方から低い方に電流を流すように電源制御部１００によって電流を制御することにより、低い方の蓄電機器に充電され、ある一定の接続時間Ｔ１後に、第一の蓄電機器５１と第二の蓄電機器５２の電位差がほぼ０になるまで電流を流すことができる。また、第一の接続端子８１と第二の接続端子８２の電位差を検出する電位差検出回路８４を電源制御部１００に連携させ、電位差が大きい初期の突入電流を少なくし、その後の電流を増加させるように電源制御部１００が制御することにより、実施の形態２と同じように、接続時間Ｔ１を短縮することが可能となる。

表示器８５の電位差Ｖ１がほぼ０になった後は、実施の形態１と同様になるため、説明を省略する。

以上のように実施の形態３ではスイッチング電源回路９０を用いたので、第一の抵抗器８３を用いた場合に比べて効率よくエネルギーを移動する特性を持つため、実施の形態１と比較してエネルギー損失が少なくなる。また、電位差がほぼ０となる接続時間Ｔ１を短縮することが可能となり、これにより作業完了までの時間を短縮する効果をもたらす。

したがって、本願の実施の形態３によれば、実施の形態１および実施の形態２において示された効果に加えて、エネルギー損失の少ない蓄電機器の接続装置が得られる。

なお本願の各実施の形態では、蓄電機器として蓄電池を利用した形態を説明したが、電気を蓄えるもの、例えばコンデンサまたはキャパシタでも同様の回路を構成でき、同様の効果が得られることはいうまでもない。さらに、各回路に過電流が流れた場合、構成機器を保護するためのヒューズ又は遮断器を適宜追加してもよい。

また、実施の形態１から３では、電位差Ｖ１は表示器８５によって作業者が確認するように説明したが、表示器８５の代わりに、電位差がほぼ０になったことを示すブザー等の通知音、音声案内、表示灯点滅など、またはそれらの組合せで通知信号を発する通知装置を設けることも可能である。その場合、作業者による接続作業をより効率的に実施することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 商用電源、２ 交流／直流変換器、３ 直流電源回線、４ 直流負荷、５ 蓄電システム、５１ 第一の蓄電機器、５１１ 電源端子、５２ 第二の蓄電機器、５２１ 電源端子、６ 直流／交流変換器、７ 交流負荷、８ 接続装置、８１ 第一の接続端子、８２ 第二の接続端子、８３ 第一の抵抗器、８４ 電位差検出回路、８５ 表示器、８６ スイッチ、８７ 第二の抵抗器、８８ バイパス回路、９０ スイッチング電源回路、９１，９２，９３，９４ スイッチ素子、９５，９６，９７，９８ ダイオード、９９ インダクタ、１００ 電源制御部

Claims (10)

1. 第一の蓄電機器に第二の蓄電機器を並列に接続するための接続装置であって、
   前記第一の蓄電機器の電源端子に接続する第一の接続端子と、
   前記第二の蓄電機器の電源端子に接続する第二の接続端子と、
   前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間に接続される第一の抵抗器と、
   前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間の電位差を検出する電位差検出回路と、
   前記電位差検出回路が検出する前記電位差を表示する表示器と、
   を備えた蓄電機器の接続装置。
2. 第一の蓄電機器に第二の蓄電機器を並列に接続するための接続装置であって、
   前記第一の蓄電機器の電源端子に接続する第一の接続端子と、
   前記第二の蓄電機器の電源端子に接続する第二の接続端子と、
   前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間に接続される第一の抵抗器と、
   前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間の電位差を検出する電位差検出回路と、
   前記電位差検出回路が検出する前記電位差に応じて通知信号を発する通知装置と、
   を備えた蓄電機器の接続装置。
3. 前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間にスイッチと第二の抵抗器とが直列に接続されたバイパス回路をさらに設けた請求項１または請求項２に記載の蓄電機器の接続装置。
4. 前記バイパス回路が複数並列に設けられている請求項３記載の蓄電機器の接続装置。
5. 前記電位差検出回路が検出した電位差に応じて前記バイパス回路の前記スイッチを閉じる制御装置が設けられた請求項３または請求項４記載の蓄電機器の接続装置。
6. 前記第一の抵抗器は可変抵抗器である請求項１または請求項２記載の蓄電機器の接続装置。
7. 前記第二の抵抗器は可変抵抗器である請求項３記載の蓄電機器の接続装置。
8. 前記電位差検出回路が検出した電位差に応じて前記可変抵抗器の抵抗値を変化させる制御装置が設けられた請求項６または請求項７記載の蓄電機器の接続装置。
9. 第一の蓄電機器に第二の蓄電機器を並列に接続するための接続装置であって、
   前記第一の蓄電機器の電源端子に接続する第一の接続端子と、
   前記第二の蓄電機器の電源端子に接続する第二の接続端子と、
   前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間に接続されるスイッチング電源回路と、
   前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間の電位差を検出する電位差検出回路と、
   前記電位差検出回路が検出する前記電位差を表示する表示器と、
   を備えた蓄電機器の接続装置。
10. 第一の蓄電機器に第二の蓄電機器を並列に接続するための接続装置であって、
    前記第一の蓄電機器の電源端子に接続する第一の接続端子と、
    前記第二の蓄電機器の電源端子に接続する第二の接続端子と、
    前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間に接続されるスイッチング電源回路と、
    前記第一の接続端子と前記第二の接続端子の間の電位差を検出する電位差検出回路と、
    前記電位差検出回路が検出する前記電位差に応じて通知信号を発する通知装置と、
    を備えた蓄電機器の接続装置。

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