JP4163221B2

JP4163221B2 - 電源システム及びその放電制御方法

Info

Publication number: JP4163221B2
Application number: JP2006141195A
Authority: JP
Inventors: 利一北野; 幹夫山崎; 明宏宮坂; 明山下; 尊久正代; 義雄鈴木; 克己木暮
Original assignee: Origin Electric Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Origin Electric Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2026-05-22
Also published as: JP2007312558A

Description

本発明は電源システム及びその放電制御方法に関する。

ニッケル水素蓄電池は、鉛蓄電池に比べてエネルギー密度が大きく、電池寿命の長さや環境負荷の少ないことが特長である。軽量、小型で持ち運びが便利であるため、車載バッテリーや災害対策用電源として近年急速に普及しつつある。

ニッケル水素蓄電池を電源として用いる場合には、例えば、単セルと呼ばれる１本（平均電圧１．２Ｖ、容量９５Ａｈ）を１０直列にしたものを１単位（以降１モジュールと称する）とし、４モジュールを直列接続したものを２つ並列接続して用いる。

下記特許文献１、２、３には、複数の組電池と、充電制御手段と、放電制御手段とを備えた電源装置が記載され、特許文献１には、組電池の製造日付に基づいて組電池使用可能期間を算出して組電池交換日付を表示することが記載され、特許文献２には、組電池の放電容量試験を実行する電池監視手段を設けることが記載され、特許文献３には、前記電池監視手段が組電池の残存容量を算出し、その結果に基づいて当該組電池の補充電時期を決定することが記載されている。
特開２００４−１１９１１２号公報特開２００４−１２０８５６号公報特開２００４−１２０８５７号公報

昨今の通信設備の電力需要増に対応するためには、電池系列を並列接続することにより大容量化を図るため、例えば、出力３０ｋＷｈのニッケル水素蓄電池システムが必要である。このようなシステムにおいては、例えば、定格１．２Ｖのセルを１０本直列し、これを１モジュールとしてさらに４モジュールを直列して、これを１系（下記組電池に相当）とし、６系を搭載する。さらに、間欠充電を行うための充電器、電池電圧を負荷の電圧許容範囲に収めるための放電器、および制御部を備える。図５に上記システムの構成図を示す。

図５において、複数の組電池１０が、充電器１２を介して整流器１１の出力によって充電され、複数の放電器１３を介して負荷１４へ電力を供給するようになっている。複数の放電器１３が、その出力点で電気的に接続される構成であり、放電器１３および組電池１０を増設することによってシステムの拡張が可能となる。

放電器１３は、電池電圧が負荷の電圧許容範囲を上回るときはコンバータによる降圧を行い（降圧モード）、許容電圧範囲内のときは電池出力をコンバータ非経由でバイパスし（バイパスモード）、許容範囲を下回るときはコンバータによる昇圧を行う（昇圧モード）。

さらに、上記の３０ｋＷｈシステムを実現させ、そのシステムを３台並列することで、１００ｋＷｈ級のシステムを実現させることができる。

しかし、この３０ｋＷｈニッケル水素蓄電池システムでは、３台の放電器１３がそれぞれ昇圧、バイパスおよび降圧の判断を行っているため、各系の組電池１０のわずかな容量ばらつきが放電器１３の出力電圧の差となって現れ、放電器１３が降圧モードからバイパスモードへ切り替わるタイミングが異なる。先にバイパスモードに入った放電器１３の出力電圧は、未だ降圧モードにある他の放電器１３の出力電圧より高くなるため、負荷１４への電力供給の多くを先にバイパスモードに入った放電器１３が担うことになる。従って、先にバイパスモードに入った放電器１３の配下にある電池系列は他よりも著しく容量低下が早い。その放電器１３の系列は先に切り離された後、残りの系列の負担が大きくなり出力容量を超えるため残りの系列も切り離され、結果として電池に蓄積された放電可能なエネルギーの一部を残したまま負荷への給電が停止し、停電時に負荷へ給電できる時間が短くなり、余分に蓄電池を増設する必要性が生じ、設置スペースやシステム構築にかかる費用を増大させる問題が生じる。

放電器間のモード切替のタイミングのずれを回避するため、降圧からバイパス、バイパスから昇圧への移行のタイミングを全ての放電器で一斉に行うように制御する方法も可能である。電池電圧、負荷電圧を監視しながら、所定の電圧値に到達した時点でシステム上の全ての放電器に対して移行命令を与える方法である。この方法により、移行のタイミングのずれは解消することが可能であるが、放電器を並列構成するシステムでは、放電器間に通信線を敷設し、一斉制御を行うための論理制御回路を追加する必要があるため、費用が増加する問題と、一斉制御を行うための論理制御回路の追加により故障率が上昇する問題が発生する。

なお、前記の動作モード間の移行のタイミングがずれ、その結果として、電池の余力を残したままシステムの放電が停止するという問題は、ニッケル水素蓄電池システムの場合に限らず、リチウムイオン電池などの二次電池を組み合わせてなる組電池を複数個有し、前記組電池が出力する電力を複数のコンバータを介して負荷に供給する二次電池システム、さらには、一次電池を含めて、複数の電池を組合わせてなる複数の組電池が出力する電力を複数のコンバータを介して負荷に供給する電池システム、さらには、電力貯蔵用キャパシタを含めて、複数の直流電源を組合わせてなる複数の電源が出力する電力を複数のコンバータを介して負荷に供給する電源システムにおいても生じる問題である。

本発明は前記の、動作モード間の移行のタイミングがずれ、その結果として、電池の余力を残したままシステムの放電が停止するという問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、並列電源間の容量低下のばらつきを回避し、電源の能力を有効活用しながら電力供給をする電源システム及びその放電制御方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムにおいて、前記放電器は、入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側にリアクトルが、前記出力端に近い側に、前記放電器が前記負荷へ電力を出力するように電流を流す向きのダイオードが、それぞれ、挿入され、前記リアクトルと前記ダイオードとの間の電路と他方の電路との間にはスイッチング素子が挿入され、前記ダイオードと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入されて構成される昇圧回路を有し、前記昇圧回路は、前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よリも大きく、上限値よりも小さい電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記電圧設定値を下回らないように前記スイッチング素子を動作させることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムにおいて、前記放電器は、入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側にスイッチング素子が、前記出力端に近い側にリアクトルが、それぞれ、挿入され、前記スイッチング素子と前記リアクトルとの間の電路と他方の電路との間には、前記マイナス側の電路から前記プラス側の電路へ向けて電流を流す向きのダイオードが挿入され、前記リアクトルと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入されて構成される降圧回路を有し、前記降圧回路は、前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記電圧設定値を上回らないように前記スイッチング素子を動作させることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムにおいて、前記放電器は、請求項１記載の昇圧回路と同一の構成をとる昇圧回路と、請求項２記載の降圧回路と同一の構成をとる降圧回路とを有し、前記昇圧回路は、前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よリも大きく、上限値よりも小さい第１の電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記第１の電圧設定値を下回らないように該昇圧回路のスイッチング素子を動作させるとともに、前記降圧回路は、前記第１の電圧設定値よリも大きく、前記上限値よりも小さい第２の電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記第２の電圧設定値を上回らないように該降圧回路のスイッチング素子を動作させることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムにおいて、前記放電器は、請求項１記載の昇圧回路と同一の構成をとる昇圧回路と、請求項２記載の降圧回路と同一の構成をとる降圧回路とを有し、前記降圧回路は、前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい第１の電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記第１の電圧設定値を上回らないように該降圧回路のスイッチング素子を動作させるとともに、前記昇圧回路は、前記下限値よりも大きく、前記第１の電圧設定値よりも小さい第２の電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記第２の電圧設定値を下回らないように該昇圧回路のスイッチング素子を動作させることを特徴とする電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムの放電制御方法であって、前記放電器は、入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側にリアクトルが、前記出力端に近い側に、前記放電器が前記負荷へ電力を出力するように電流を流す向きのダイオードが、それぞれ、挿入され、前記リアクトルと前記ダイオードとの間の電路と他方の電路との間にはスイッチング素子が挿入され、前記ダイオードと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入されて構成される昇圧回路を有し、前記昇圧回路は、前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記電圧設定値を下回らないように前記スイッチング素子を動作させることを特徴とする電源システムの放電制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムの放電制御方法であって、前記放電器は、入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側にスイッチング素子が、前記出力端に近い側にリアクトルが、それぞれ、挿入され、前記スイッチング素子と前記リアクトルとの間の電路と他方の電路との間には、前記マイナス側の電路から前記プラス側の電路へ向けて電流を流す向きのダイオードが挿入され、前記リアクトルと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入されて構成される降圧回路を有し、前記降圧回路は、前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記電圧設定値を上回らないように前記スイッチング素子を動作させることを特徴とする電源システムの放電制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項７に記載のように、
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムの放電制御方法であって、前記放電器は、請求項５記載の昇圧回路と同一の構成をとる昇圧回路と請求頃６記載の降圧回路と同一の構成をとる降圧回路を有し、前記昇圧回路は、前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい第１の電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記第１の電圧設定値を下回らないように該昇圧回路のスイッチング素子を動作させるとともに、前記降圧回路は、前記第１の電圧設定値よりも大きく、前記上限値よりも小さい第２の電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記第２の電圧設定値を上回らないように該降圧回路のスイッチング素子を動作させることを特徴とする電源システムの放電制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項８に記載のように、
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムの放電制御方法であって、前記放電器は、請求項５記載の昇圧回路と同一の構成をとる昇圧回路と請求項６記載の降圧回路と同一の構成をとる降圧回路を有し、前記降圧回路は、前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よリも大きく、上限値よリも小さい第１の電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記第１の電圧設定値を上回らないように該降圧回路のスイッチング素子を動作させるとともに、前記昇圧回路は、前記下限値よりも大きく、前記第１の電圧設定値よりも小さい第２の電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記第２の電圧設定値を下回らないように該昇圧回路のスイッチング素子を動作させることを特徴とする電源システムの放電制御方法を構成する。

請求項１、２、３または４に記載の電源システム、もしくは、請求項５、６、７または８に記載の電源システムの放電制御方法を構成することによって、並列電源間の容量低下のばらつきを回避し、電源の能力を有効活用しながら電力供給をする電源システム及びその放電制御方法を提供することが可能となる。

すなわち、本発明に係る電源システムを構成するとき、放電器はモード切替時（降圧動作からバイパス動作への移行時、バイパス動作から昇圧動作への移行時）に出力電圧が連続となるため、放電器間で切替のタイミングが異なるとしても、直流電源が有限の放電容量を有する場合には、出力電圧は上昇せずに連続変化するので、出力電圧の上昇による過度の放電が起こらず、放電器間の能力をバランスさせる方向で、自然に切替のタイミングが揃う。特定の放電器に電流が集中することはなく、放電残容量が大きい直流電源に大きな放電電流が分担され、放電が進むに従って、自然に各直流電源の放電残容量が等しくなる。その後、各直流電源は残容量が同じ状態のまま残容量が減少し、全ての直流電源が同時に放電終止電圧に達して放電が停止するため、直流電源に蓄積された放電可能なエネルギーは全て負荷へ供給される。

また外部からの信号線を与えることなく放電制御が行われるため並列によるシステム増築が容易になる。

（昇圧回路の一例）
本発明に係る電源システムの放電器における昇圧回路の一例を図１に示す。図において、直流電力が左側から昇圧回路に入力され、昇圧回路の右側から出力される。昇圧回路はリアクトル５とコンデンサ６とダイオード７とスイッチング素子８（電界効果トランジスタとして表す）とからなり、正側入力端子はリアクトル５の第１の端に接続し、リアクトル５の第２の端は、入力側から出力側に向かう方向を順方向とするダイオード７を介して正側出力端子に接続し、負側入力端子は導線によって負側出力端子に接続し、リアクトル５の第２の端はスイッチング素子８を介して前記導線に接続し、正側出力端子はコンデンサ６を介して負側出力端子に接続する。

昇圧動作は、スイッチング素子８がオン−オフ動作を周期的に繰り返すことによって行われる。スイッチング素子８におけるオン−オフ動作１周期中のオン時間をＴ_ＯＮ、オフ時間をＴ_ＯＦＦとすれば、昇圧回路の出力電圧Ｖ_ＯＵＴは昇圧回路の入力電圧Ｖ_ＩＮの（１＋Ｔ_ＯＮ/Ｔ_ＯＦＦ）倍となり、昇圧が行われる。

なお、スイッチング素子８がオフ状態を保てば、昇圧回路は入力電力を、そのまま出力する。この場合に、昇圧回路はバイパス動作と同等の動作をしていることになるので、この動作を単にバイパス動作と呼ぶ。

図１に示した昇圧回路において、入力電圧Ｖ_ＩＮが第１の設定値Ｖ_１以上第２の設定値Ｖ_２以下で変動するとき、昇圧回路の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが、Ｖ_１よりも大きくＶ_２よりも小さい第３の設定値Ｖ_３を下回らないようにスイッチング素子８が動作する。

設定値Ｖ_１、Ｖ_２が同一の直流電源と、設定値Ｖ_３が同一の上記の放電器とを組合わせたものを複数組並列接続して用いた場合に、異なる組が異なる時間に、バイパス動作から昇圧動作へ移行しても、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは動作移行時点での電圧Ｖ_３に維持されるのみであるので、特定の放電器に電流が集中することはなく、直流電源が有限の放電容量を有する場合には、直流電源から放電器を介しての電力供給は、自然に各直流電源の放電残容量が等しくなる方向に推移する。

直流電源と放電器とを有し、前記直流電源が出力する直流電力を前記放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、前記放電器が、図１に示され、スイッチング素子８が上記の動作を行う昇圧回路を有する放電器であることを特徴とする電源システムを構成することができる。

（降圧回路の一例）
本発明に係る電源システムの放電器における降圧回路の一例を図２に示す。図において、直流電力が左側から降圧回路に入力され、降圧回路の右側から出力される。降圧回路はリアクトル５とコンデンサ６とダイオード７とスイッチング素子９（電界効果トランジスタとして表す）とからなり、正側入力端子はスイッチング素子９の第１の端に接続し、スイッチング素子９の第２の端はリアクトル５を介して正側出力端子に接続し、負側入力端子は導線によって負側出力端子に接続し、スイッチング素子の第２の端は、正側から負側に向かう方向を逆方向とするダイオード７を介して前記導線に接続し、正側出力端子はコンデンサ６を介して負側出力端子に接続する。

降圧動作は、スイッチング素子９がオン−オフ動作を周期的に繰り返すことによって行われる。スイッチング素子９におけるオン−オフ動作１周期中のオン時間をＴ_ＯＮ、オフ時間をＴ_ＯＦＦとすれば、降圧回路の出力電圧Ｖ_ＯＵＴは降圧回路の入力電圧Ｖ_ＩＮのＴ_ＯＮ/(Ｔ_ＯＮ＋Ｔ_ＯＦＦ）倍となり、降圧が行われる。

なお、スイッチング素子９がオン状態を保てば、降圧回路は入力電力を、そのまま出力する。この場合に、降圧回路はバイパス動作と同等の動作をしていることになるので、この動作を単にバイパス動作と呼ぶ。

図２に示した降圧回路において、入力電圧Ｖ_ＩＮが第４の設定値Ｖ_４以上第５の設定値Ｖ_５以下で変動するとき、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが、Ｖ_４よりも大きくＶ_５よりも小さい第６の設定値Ｖ_６を上回らないようにスイッチング素子９が動作する。

設定値Ｖ_４、Ｖ_５が同一の直流電源と、設定値Ｖ_６が同一の上記の放電器とを組合わせたものを複数組並列接続して用いた場合に、異なる組が異なる時間に、降圧動作からバイパス動作へ移行しても、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは動作移行時点での電圧Ｖ_６から連続低下するのみであるので、特定の放電器に電流が集中することはなく、直流電源が有限の放電容量を有する場合には、直流電源から放電器を介しての電力供給は、自然に各直流電源の放電残容量が等しくなる方向に推移する。

直流電源と放電器とを有し、前記直流電源が出力する直流電力を前記放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、前記放電器が、図２に示され、スイッチング素子９が上記の動作を行う降圧回路を有する放電器であることを特徴とする電源システムを構成することができる。

（放電器の一例）
本発明に係る電源システムの放電器の一例を図３に示す。図において、放電器は、昇圧回路２と降圧回路３とを有し、ニッケル水素蓄電池１が出力する直流電力を昇圧回路２に入力し、昇圧回路２が出力する電力を降圧回路３を介して負荷４に供給する。

昇圧回路２の構成は、図１に示した昇圧回路の構成と同じであり、降圧回路３の構成は、図２に示した降圧回路の構成と同じである。

この放電器が昇圧動作を行うときには、スイッチング素子９がオン状態を保ち、降圧回路３がバイパス動作状態となり、スイッチング素子８のオン−オフ動作によって昇圧回路２が昇圧動作を行う。

この放電器が降圧動作を行うときには、スイッチング素子８がオフ状態を保ち、昇圧回路２がバイパス動作状態となり、スイッチング素子９のオン−オフ動作によって降圧回路３が降圧動作を行う。

この放電器がバイパス動作を行うときには、スイッチング素子８がオフ状態を保ち、スイッチング素子９がオン状態を保つ。

なお、下記の動作条件下では、スイッチング素子８とスイッチング素子９とが同時にオン−オフ動作をすることはない。

図３に示した放電器において、入力電圧Ｖ_ＩＮすなわちニッケル水素蓄電池１の電圧が第７の設定値Ｖ_７以上第８の設定値Ｖ_８以下で変動するとき、昇圧回路２の出力電圧Ｖ_Ｍが、Ｖ_７よりも大きくＶ_８よりも小さい第９の設定値Ｖ_９を下回らないようにスイッチング素子８が動作する。

また、図３に示した放電器において、降圧回路３の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが、Ｖ_７よりも大きくＶ_８よりも小さく、かつ、Ｖ_９よりも大きい第１０の設定値Ｖ_１０を上回らないようにスイッチング素子９が動作する。

上記のようなスイッチング素子８、９の動作によって、放電器の出力電圧Ｖ_ＯＵＴはＶ_９以上Ｖ_１０以下となり、ニッケル水素蓄電池１の放電残容量の減少と共に、一定であるか、あるいは連続低下し、上昇することはない。

設定値Ｖ_７、Ｖ_８が同一のニッケル水素蓄電池１と、設定値Ｖ_９、Ｖ_１０が同一の上記の放電器とを組合わせたものを複数組並列接続して用いた場合に、異なる組が異なる時間に、降圧動作からバイパス動作への移行、あるいは、バイパス動作から昇圧動作への移行を行ったとしても、出力電圧Ｖ_ＯＵＴはＶ_９以上Ｖ_１０以下の電圧範囲内で、上昇することはなく連続変化するので、特定の放電器に電流が集中することはなく、負荷４への電力供給は、自然に各ニッケル水素蓄電池１の放電残容量が等しくなる方向に推移する。

直流電源と放電器とを有し、前記直流電源が出力する直流電力を前記放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、前記放電器が、図３に示され、スイッチング素子８、９が上記の動作を行う放電器であることを特徴とする電源システムを構成することができる。図３には、上記直流電源がニッケル水素蓄電池１である、電源システムが示されている。

このような電源システムにおいては、動作間移行時における放電器の出力電圧が連続となり、放電器を複数台並列構成する電源システムにおける前記の問題点、すなわち、動作間移行のタイミングがずれ、その結果として、電池の余力を残したままシステムの放電が停止するという問題点が解消される。

（放電器の他の例）
図３における昇圧回路２と、降圧回路３の位置を入れ替えて直列接続する構成としてもよい。そのような構成を図４に示す。図４に示した放電器についての説明のうち、図３に示した放電器についての説明と重複する部分は省略する。

図４に示した放電器において、入力電圧Ｖ_ＩＮすなわちニッケル水素蓄電池１の電圧が第１１の設定値Ｖ_１１以上第１２の設定値Ｖ_１２以下で変動するとき、降圧回路３の出力電圧Ｖ_Ｍが、Ｖ_１１よりも大きくＶ_１２よりも小さい第１３の設定値Ｖ_１３を上回らないようにスイッチング素子９が動作する。

また、図４に示した放電器において、昇圧回路２の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが、Ｖ_１１よりも大きくＶ_１２よりも小さく、かつ、Ｖ_１３よりも小さい第１４の設定値Ｖ_１４を下回らないようにスイッチング素子８が動作する。

上記のようなスイッチング素子８、９の動作によって、放電器の出力電圧Ｖ_ＯＵＴはＶ_１４以上Ｖ_１３以下となり、ニッケル水素蓄電池１の放電残容量の減少と共に、一定であるか、あるいは連続低下し、上昇することはない。

設定値Ｖ_１１、Ｖ_１２が同一のニッケル水素蓄電池１と、設定値Ｖ_１３、Ｖ_１４が同一の上記の放電器とを組合わせたものを複数組並列接続して用いた場合に、異なる組が異なる時間に、降圧動作からバイパス動作への移行、あるいは、バイパス動作から昇圧動作への移行を行ったとしても、出力電圧Ｖ_ＯＵＴはＶ_１４以上Ｖ_１３以下の電圧範囲内で、上昇することはなく連続変化するので、特定の放電器に電流が集中することはなく、負荷４への電力供給は、自然に各ニッケル水素蓄電池１の放電残容量が等しくなる方向に推移する。

直流電源と放電器とを有し、前記直流電源が出力する直流電力を前記放電器を介して負荷に供給する電源システムにおいて、前記放電器が、図４に示され、スイッチング素子８、９が上記の動作を行う放電器であることを特徴とする電源システムを構成することができる。図４には、上記直流電源がニッケル水素蓄電池１である、電源システムが示されている。

以上、本発明の実施の形態について、直流電源がニッケル水素蓄電池である場合を例として説明したが、本発明はこれに限られるものではない。

一般に、図５に例示した電源システムにおいて、放電器が本発明に係る電源システムの放電器であることを特徴とする電源システムを構成することができる。すなわち、整流器と、複数の充電器と、複数の組電池と、複数の放電器とを有し、前記組電池が前記充電器を介して前記整流器の出力によって充電され、前記放電器を介して負荷へ電力を供給する電源システムにおいて、前記放電器が本発明に係る電源システムの放電器であることを特徴とする電源システムを構成することができる。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

（１）放電器出力点で並列構成するシステムでは、電池系列間に容量偏差があるとき降圧や昇圧に入るタイミングが放電器によって異なるため、放電器のモード切替時の出力電圧不連続性により、容量が少ない電池系列を持つ放電器に電流が集中し、放電終了時は他の電池系列は余力を残すことになる。

本発明により、電源システムを構成するとき、放電器はモード切替時に出力電圧が連続となるため、放電器間で切替のタイミングが異なるとしても、直流電源が有限の放電容量を有する場合には、出力電圧は上昇せずに連続変化するので、出力電圧の上昇による過度の放電が起こらず、放電器間の能力をバランスさせる方向で、自然に切替のタイミングが揃う。特定の放電器に電流が集中することはなく、放電残容量が大きい直流電源に大きな放電電流が分担され、自然に各系列の放電残容量が揃うようになる。電源の能力を有効に引き出し、かつ並列構成によりシステム容量を増やすことが可能となる。

（２）複数の放電器を一斉動作させるための一斉制御を追加することは、一斉制御を行うための論理制御回路を追加するための費用が増加する問題と、一斉制御を行うための論理制御回路の追加により故障率が上昇する問題が発生する。

本発明により、外部からの信号線を与えることなく放電制御が行われるため並列によるシステム増築が容易になる。

（３）電池電圧や負荷電圧を計測しながら強制的に電路や動作モードを切り替える方式では、モード切替時の出力電圧変動は避けられず、これにより並列放電器間で急激な負荷変動が起こり、負荷設備側への電力供給が不安定になることがある。

本発明では、電池電圧もしくは負荷電圧の計測により強制的に電路を切り替える方式をとらないので、切替時の電圧変動が全くない。モード移行時の出力電圧が上昇も下降もしないため、並列放電器間で負荷の急激な変動が起きない。よって負荷設備への電源供給の給電品質が向上する。

本発明に係る電源システムの放電器における昇圧回路の一例を示す図である。本発明に係る電源システムの放電器における降圧回路の一例を示す図である。本発明に係る電源システムの放電器の一例を示す図である。本発明に係る電源システムの放電器の他の例を示す図である。複数の組電池と複数の放電器とを用いる電池システムの構成図である。

符号の説明

１：ニッケル水素蓄電池、２：昇圧回路、３：降圧回路、４：負荷、５：リアクトル、６：コンデンサ、７：ダイオード、８、９：スイッチング素子、１０：組電池、１１：整流器、１２：充電器、１３：放電器。

Claims

複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムにおいて、
前記放電器は、
入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側にリアクトルが、前記出力端に近い側に、前記放電器が前記負荷へ電力を出力するように電流を流す向きのダイオードが、それぞれ、挿入され、前記リアクトルと前記ダイオードとの間の電路と他方の電路との間にはスイッチング素子が挿入され、前記ダイオードと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入されて構成される昇圧回路
を有し、
前記昇圧回路は、
前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よリも大きく、上限値よりも小さい電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記電圧設定値を下回らないように前記スイッチング素子を動作させること
を特徴とする電源システム。
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムにおいて、
前記放電器は、
入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側にスイッチング素子が、前記出力端に近い側にリアクトルが、それぞれ、挿入され、前記スイッチング素子と前記リアクトルとの間の電路と他方の電路との間には、前記マイナス側の電路から前記プラス側の電路へ向けて電流を流す向きのダイオードが挿入され、前記リアクトルと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入されて構成される降圧回路
を有し、
前記降圧回路は、
前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記電圧設定値を上回らないように前記スイッチング素子を動作させること
を特徴とする電源システム。
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムにおいて、
前記放電器は、
請求項１記載の昇圧回路と同一の構成をとる昇圧回路と、請求項２記載の降圧回路と同一の構成をとる降圧回路とを有し、
前記昇圧回路は、
前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よリも大きく、上限値よりも小さい第１の電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記第１の電圧設定値を下回らないように該昇圧回路のスイッチング素子を動作させるとともに、
前記降圧回路は、
前記第１の電圧設定値よリも大きく、前記上限値よりも小さい第２の電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記第２の電圧設定値を上回らないように該降圧回路のスイッチング素子を動作させること
を特徴とする電源システム。
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムにおいて、
前記放電器は、
請求項１記載の昇圧回路と同一の構成をとる昇圧回路と、請求項２記載の降圧回路と同一の構成をとる降圧回路とを有し、
前記降圧回路は、
前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい第１の電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記第１の電圧設定値を上回らないように該降圧回路のスイッチング素子を動作させるとともに、
前記昇圧回路は、
前記下限値よりも大きく、前記第１の電圧設定値よりも小さい第２の電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記第２の電圧設定値を下回らないように該昇圧回路のスイッチング素子を動作させること
を特徴とする電源システム。
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムの放電制御方法であって、
前記放電器は、
入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側にリアクトルが、前記出力端に近い側に、前記放電器が前記負荷へ電力を出力するように電流を流す向きのダイオードが、それぞれ、挿入され、前記リアクトルと前記ダイオードとの間の電路と他方の電路との間にはスイッチング素子が挿入され、前記ダイオードと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入されて構成される昇圧回路
を有し、
前記昇圧回路は、
前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記電圧設定値を下回らないように前記スイッチング素子を動作させること
を特徴とする電源システムの放電制御方法。
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムの放電制御方法であって、
前記放電器は、
入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側にスイッチング素子が、前記出力端に近い側にリアクトルが、それぞれ、挿入され、前記スイッチング素子と前記リアクトルとの間の電路と他方の電路との間には、前記マイナス側の電路から前記プラス側の電路へ向けて電流を流す向きのダイオードが挿入され、前記リアクトルと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入されて構成される降圧回路
を有し、
前記降圧回路は、
前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記電圧設定値を上回らないように前記スイッチング素子を動作させること
を特徴とする電源システムの放電制御方法。
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムの放電制御方法であって、
前記放電器は、
請求項５記載の昇圧回路と同一の構成をとる昇圧回路と請求頃６記載の降圧回路と同一の構成をとる降圧回路を有し、
前記昇圧回路は、
前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい第１の電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記第１の電圧設定値を下回らないように該昇圧回路のスイッチング素子を動作させるとともに、
前記降圧回路は、
前記第１の電圧設定値よりも大きく、前記上限値よりも小さい第２の電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記第２の電圧設定値を上回らないように該降圧回路のスイッチング素子を動作させること
を特徴とする電源システムの放電制御方法。
複数の放電器がそれぞれ組電池を入力とし、各々の前記放電器の出力が出力点において並列接続され負荷へ供給される電源システムの放電制御方法であって、
前記放電器は、
請求項５記載の昇圧回路と同一の構成をとる昇圧回路と請求項６記載の降圧回路と同一の構成をとる降圧回路を有し、
前記降圧回路は、
前記複数の組電池からの入力電圧の下限値よリも大きく、上限値よリも小さい第１の電圧設定値に対して、該降圧回路の出力端電圧が前記第１の電圧設定値を上回らないように該降圧回路のスイッチング素子を動作させるとともに、
前記昇圧回路は、
前記下限値よりも大きく、前記第１の電圧設定値よりも小さい第２の電圧設定値に対して、該昇圧回路の出力端電圧が前記第２の電圧設定値を下回らないように該昇圧回路のスイッチング素子を動作させること
を特徴とする電源システムの放電制御方法。