JP4034228B2 - 電池電圧補償システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素電池等の蓄電池から負荷に電力供給する際に電池電圧を昇降圧して負荷に適した電圧に調整するための電池電圧補償システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電池電圧補償システムＢを図５に示す。通信用のバックアップシステムでは図５に示すように、電池１’の電圧Ｖｉｎ’に出力電圧Ｖｏｕｔ’を重畳する形で昇圧するブースタコンバータ３’が使われている。このブースタコンバータ３’は図６に示すように電池電圧と負荷４の許容最小電圧との差電圧のみ昇圧するため、昇圧チョッパ等の回路と比較して変換電力が小さくて済み、小型高効率な回路構成といえる。なお、蓄電池の直列数は、放電開始電圧が負荷の許容最小電圧以下となるように決定される。また、負荷４の許容最大電圧と許容最小電圧は、ダイオード３８’および配線での電圧ドロップ分や負荷電流変動時の電圧変動等を考慮して実際の許容電圧範囲よりも余裕を持って設定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示すように蓄電池の放電電圧は放電初期に大きく低下し、続いて緩やかに低下し、放電末期には再び大きく低下する。放電終止電圧を低くすると放電期間を延ばすことができその分多くの電力を蓄電池から供給できるが、蓄電池の電圧変動幅が大きくなる。従来の電池電圧補償システムでは、蓄電池の電圧変動幅が大きくなると補償電圧を大きくしなければならず、変換電力が大きくなりブースタコンバータのサイズやコストの増大につながるという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、蓄電池の電圧変動幅が大きい場合でも小型で低コストの電池電圧補償システムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、蓄電池の電圧を昇降圧して負荷に電力供給する電池電圧補償システムにおいて、前記電池電圧補償システムは、前記蓄電池に出力端が直列に接続され、当該蓄電池の電圧を昇圧するブースタコンバータと、当該ブースタコンバータの出力端に直列に接続され前記蓄電池の電圧を降圧するドロッパとを具備し、前記ドロッパは、前記負荷の電圧を分圧して検出する手段と、前記検出電圧と第１の基準電圧とを比較し、前記両電圧の差分である誤差信号を出力する差動増幅器と、前記検出電圧と第２の基準電圧とを比較して前記検出電圧のほうが前記第２の基準電圧よりも小さい時に論理“１”を出力し、前記検出電圧のほうが前記第２の基準電圧よりも大きい時に論理“０”を出力するコンパレータと、当該コンパレータの出力と前記差動増幅器の出力とを乗算する乗算器と、当該乗算器の出力を駆動信号とする半導体スイッチとから構成され、前記ドロッパは、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧を超えたときに当該許容最大電圧以下に降圧し、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧以下のときは降圧せず、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧以下のときに、前記半導体スイッチへの駆動電圧を、当該半導体スイッチのドレイン・ソース間電圧が一定値となるように設定する構成とした。
【０００６】
また、本発明は、請求項１において、前記差動増幅器に接続された第１の基準電圧は、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧を超える時には、前記蓄電池の電圧から前記半導体スイッチのドレイン・ソース間電圧を差し引いた電圧が前記負荷の許容最大電圧以下となり、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧以下の時には、前記半導体スイッチのドレイン・ソース間電圧が一定値となるように設定し、前記コンパレータに接続された前記第２の基準電圧は、前記負荷に接続する整流器の通常時の出力電圧を分圧した前記検出電圧より低く設定することを特徴としている。
【０００７】
また、本発明は、前記ブースタコンバータが、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最小電圧以下となったときに当該許容最小電圧以上に昇圧し、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最小電圧以上のときは昇圧しないことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態例の電池電圧補償システムＡの構成を示すブロック図である。図中、１は蓄電池、２はドロッパ、３はブースタコンバータ、４は負荷、５は整流器、６は充電器、２１、３１は半導体スイッチ、２２、２３は抵抗、２４は差動増幅器、２５、２７は基準電圧源、２６はコンパレータ、２８は乗算器、３２はトランス、３３、３４、３７、３８はダイオード、３５はリアクトル、３６はコンデンサ、３９は制御回路である。図２は、本発明の実施の形態例の電池電圧補償システムＡの動作を説明する図である。
【００１１】
本発明の実施の形態例の電池電圧補償システムＡの動作を、図１および図２を参照しながら以下に説明する。
差動増幅器２４は、負荷４に印加される電圧を抵抗２２、２３で分圧した電圧を基準電圧源２５と比較し誤差信号を出力する。
コンパレータ２６は、負荷４に印加される電圧を抵抗２２、２３で分圧した電圧を基準電圧源２７と比較し、基準電圧源２７のほうが大きい時、すなわち印加電圧側の電圧が小さい場合は論理“１”を出力し、基準電圧源２７のほうが小さい時、すなわち印加電圧側の電圧が大きい場合は論理“０”を出力する。
【００１２】
乗算器２８は、差動増幅器２４の出力とコンパレータ２６の出力を乗算して半導体スイッチ２１の駆動電圧として出力する。
半導体スイッチ２１では、ゲート電極に印加される駆動電圧が高いほどドレイン・ソース間電圧が減少し、駆動電圧が閾値以上に達するとドレイン・ソース間電圧は約０．３Ｖ程度の一定値となる。また、駆動電圧がこの一定値を下回ると半導体スイッチ２１は遮断状態となる。
【００１３】
差動増幅器２４に接続された基準電圧源２５は、蓄電池１の電圧が負荷４の許容最大電圧を超える時には蓄電池１の電圧から半導体スイッチ２１のドレイン・ソース間電圧を差し引いた電圧が負荷４の許容最大電圧以下となるように、また、蓄電池１の電圧が負荷４の許容最大電圧以下の時には半導体スイッチ２１のドレイン・ソース間電圧が約０．３Ｖ程度の一定値となるように設定する。
コンパレータ２６に接続された基準電圧源２７は、通常時の整流器５の出力電圧を抵抗２２、２３で分圧した電圧よりもやや低く設定する。
【００１４】
通常時は整流器５から負荷４に電力が供給されるため、抵抗２２、２３で分圧した電圧が基準電圧源２７よりも高いのでコンパレータ２６の出力は常に０となり、駆動電圧が０となるので半導体スイッチ２１は遮断状態となる。
停電により整流器５の出力電圧が低下すると、抵抗２２、２３で分圧した電圧が基準電圧源２７よりも低くなりコンパレータ２６の出力は論理“１”となる。
このときの負荷電圧は許容最大電圧以下なので差動増幅器２４の出力は半導体スイッチ２１のドレイン・ソース間電圧を約０．３Ｖ程度の一定値とするような駆動電圧となる。したがって、半導体スイッチ２１のドレイン・ソース間電圧は約０．３Ｖ程度の一定値となり、蓄電池１の電圧が負荷４に印加される。このとき蓄電池１の電圧が負荷４の許容最大電圧よりも高いときは、半導体スイッチ２１の駆動電圧が低下し、電池電圧をドレイン・ソース間電圧分降圧することにより負荷４の許容最大電圧以下の電圧を負荷４に供給することができる。また、蓄電池１の電圧が負荷４の許容最大電圧よりも低いときには駆動電圧が高くなり半導体スイッチ２１は飽和領域で動作するため、負荷４には蓄電池１の電圧とほぼ同じ電圧（約０．３Ｖ程度低い電圧）が供給される。
【００１５】
制御回路３９は電池電圧Ｖｉｎとブースタ出力電圧Ｖｏｕｔを検出し、Ｖｉｎが負荷４の許容最小電圧を超える時は半導体スイッチ３１にオフ信号を送出し、Ｖｉｎが負荷４の許容最小電圧に満たない時にはＶｉｎとＶｏｕｔの和が負荷４の許容最小電圧以上となるように半導体スイッチ３１をオンオフ制御する。
【００１６】
Ｖｉｎが負荷４の許容最小電圧を超える時は、上述したように半導体スイッチ３１がオフしており、入力電圧Ｖｉｎはダイオード３８を介して負荷４に印加される。
ただし、負荷４の許容最大電圧と許容最小電圧は、半導体スイッチ２１やダイオード３８、および配線での電圧ドロップ分や負荷電流変動時の電圧変動等を考慮して実際の許容電圧範囲よりも余裕を持って設定する必要がある。
【００１７】
以上の動作により、停電時、蓄電池１の電圧が負荷４の許容最大電圧よりも高いときには、ドロッパ２が蓄電池電圧を負荷４の許容最大電圧以下に降圧し、蓄電池１→負荷４→ドロッパ２→ダイオード３８の経路で負荷に電力供給される。また、蓄電池１の電圧が負荷４の許容最大電圧より低く負荷４の許容最小電圧を超える時はドロッパ２は降圧せず、蓄電池１→負荷４→半導体スイッチ２１→ダイオード３８の経路で負荷に電力供給される。蓄電池１の電圧がさらに低下して電池電圧Ｖｉｎが負荷４の許容最小電圧に満たない時はドロッパ２は降圧せず、ブースタコンバータ３はブースタ入力電圧Ｖｉｎとブースタ出力電圧Ｖｏｕｔの和が負荷４の許容最小電圧以上となるよう昇圧し、蓄電池１→半導体スイッチ２１→負荷４→ブースタコンバータ３の経路で負荷に電力供給される。
ブースタコンバータ３の補償電圧とブースタコンバータ３のサイズやコストとの関係を図３に、ドロッパ２の降圧電圧とドロッパ２での損失との関係を図４に、それぞれ示す。図３に示す通り、ブースタコンバータ３の補償電圧を上げると半導体スイッチ等の定格増大によるサイズやコスト増のためブースタコンバータ３のサイズやコストは階段状に増大する。一方ドロッパ２は、回路構成が簡単であるため低コストで、降圧電圧を大きくした時のコスト上昇もほとんどない。したがってドロッパ２の降圧電圧を大きくしてブースタコンバータ３の補償電圧を抑える必要がある。しかし、ドロッパ２の降圧した電圧分は全て損失となるため、ドロッパ２の降圧電圧を大きくし過ぎるとドロッパ２での損失が大きくなる。特に、図４に示す通り、ドロッパ２の降圧電圧をある程度以上大きくするとドロッパ２での損失が急激に増大し始める。これは、図２に示すように蓄電池の放電初期に急激に電圧が低下するため、ドロッパ２の降圧電圧が低いうちはドロッパ２の動作する期間の全放電期間に占める割合が小さいためである。
したがって、電池の直列数、ブースタコンバータ３の補償電圧、およびドロッパ２の降圧電圧は、負荷の許容電圧範囲を考慮の上、ドロッパ２の降圧による損失ができるだけ小さくなるように、また、ブースタコンバータ３のサイズやコストができるだけ小さくなるように選べば良い。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、蓄電池の電圧変動幅が大きい場合でも放電初期の電池電圧が高い期間はドロッパにより降圧するため、ブースタコンバータの補償電圧を小さくすることができ、小型で低コストの電池電圧補償システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例の電池電圧補償システムＡの構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施の形態例の電池電圧補償システムＡの動作を説明する時間−電圧関係図。
【図３】ブースタコンバータの補償電圧とブースタコンバータのサイズやコストとの関係図。
【図４】ドロッパの降圧電圧とドロッパでの損失との関係図。
【図５】従来の電池電圧補償システムＢの構成を示すブロック図。
【図６】従来の電池電圧補償システムＢの動作を説明する時間−電圧関係図。
【符号の説明】
１、１’…蓄電池、 ２…ドロッパ、
３、３’…ブースタコンバータ、 ４…負荷、
５…整流器、 ６…充電器、
２１、３１、３１’…半導体スイッチ駆動用電圧源、
２２、２３…抵抗、 ２４…差動増幅器、
２５、２７…基準電圧源、 ２６…コンパレータ、
２８…乗算器、 ３２、３２’…トランス、
３３、３３’、３４、３４’、３７、３７’、３８、３８’…ダイオード、
３５、３５’…リアクトル、 ３６、３６’…コンデンサ、
３９、３９’…制御回路。

Claims (3)

1. 蓄電池の電圧を昇降圧して負荷に電力供給する電池電圧補償システムにおいて、
   前記電池電圧補償システムは、前記蓄電池に出力端が直列に接続され、当該蓄電池の電圧を昇圧するブースタコンバータと、当該ブースタコンバータの出力端に直列に接続され前記蓄電池の電圧を降圧するドロッパとを具備し、
   前記ドロッパは、前記負荷の電圧を分圧して検出する手段と、前記検出電圧と第１の基準電圧とを比較し、前記両電圧の差分である誤差信号を出力する差動増幅器と、前記検出電圧と第２の基準電圧とを比較して前記検出電圧のほうが前記第２の基準電圧よりも小さい時に論理“１”を出力し、前記検出電圧のほうが前記第２の基準電圧よりも大きい時に論理“０”を出力するコンパレータと、当該コンパレータの出力と前記差動増幅器の出力とを乗算する乗算器と、当該乗算器の出力を駆動信号とする半導体スイッチとから構成され、
   前記ドロッパは、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧を超えたときに当該許容最大電圧以下に降圧し、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧以下のときは降圧せず、
   前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧以下のときに、前記半導体スイッチへの駆動電圧を、当該半導体スイッチのドレイン・ソース間電圧が一定値となるように設定することを特徴とする電池電圧補償システム。
2. 請求項１において、
   前記差動増幅器に接続された第１の基準電圧は、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧を超える時には、前記蓄電池の電圧から前記半導体スイッチのドレイン・ソース間電圧を差し引いた電圧が前記負荷の許容最大電圧以下となり、
   前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最大電圧以下の時には、前記半導体スイッチのドレイン・ソース間電圧が一定値となるように設定し、
   前記コンパレータに接続された前記第２の基準電圧は、前記負荷に接続する整流器の通常時の出力電圧を分圧した前記検出電圧より低く設定することを特徴とする電池電圧補償システム。
3. 請求項１において、
   前記ブースタコンバータは、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最小電圧以下となったときに当該許容最小電圧以上に昇圧し、前記蓄電池の電圧が前記負荷の許容最小電圧以上のときは昇圧しない
   ことを特徴とする電池電圧補償システム。

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