JP4724726B2 - 直流電源システムおよびその充電方法 - Google Patents

Description

本発明は直流電源システムおよびその充電方法に関する。

一般に、直流負荷装置へ電力を供給する直流電源システムでは、商用交流電力を受け、直流４８Ｖなどの直流電力を出力する整流器が用いられている。さらに、商用電力が停電した場合でも負荷装置への給電を継続するために、整流器の出力側に蓄電池と、蓄電池を充電するための充電器とを備え、バックアップ電源システムとする。蓄電池を直流電源システムに適用する場合には、通常、単セルと呼ばれる１本の蓄電池を複数個直列にしたものを１つ以上並列接続した組電池を用いる。

下記特許文献１、２には、複数の組電池が出力する電力を放電器を介して負荷に供給する電池システムが記載され、特許文献１には、組電池と放電器中のコンバータとの間の電路が共通導線によって互いに電気的に接続されていることが記載され、特許文献２には、放電器の各動作を、制御部が発信する同一の動作信号に基づいて行わせることが記載されている。
特開２００７−１４３２６６号公報 特開２００７−１４３２９１号公報

整流器、電池系列、充電器および放電器を組み合わせた直流電源システムを図４に示す。図において、交流電源１の交流電力は整流器２に供給され、整流器２は交流電力を所定の直流電力に変換して直流５６Ｖを出力し、負荷３（許容電圧範囲：５７Ｖ〜４０．５Ｖ）へ供給している。

電池系列６は、複数のニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ）を４０セル直列接続してなる電池系列（定格電圧４８Ｖ）である。電池系列６は、交流電源１が有効であるときは充電器４を介して充電され、交流電源１の停電時に放電器８を介して負荷３への放電を行う。

電池系列６は、充電時、一定電流により充電され、満充電直前には、電池系列６の電圧が６４Ｖに達し、整流器２の出力電圧（５６Ｖ）を上回る。このとき電池系列６から負荷３への放電を防ぐため、放電器８が降圧動作して５５Ｖを出力する。このように、電池系列６の電圧が充電時に整流器２の出力電圧を上回るため、降圧機能を持つ放電器８が必要であるが、電池系列６と負荷３へ至る放電電路に放電器８といった装置が介挿されるため、放電器８の故障により負荷３への給電が不可能となる場合が想定され、システムの給電信頼性が低下するという問題がある。また、整流器２の出力電圧は負荷３の許容上限電圧（５７Ｖ）以下である必要があるから、整流器２の出力電圧を電池系列６の満充電電圧（６４Ｖ）以上とすることはできない。

以上のように、充電時に電池系列の電圧が整流器出力電圧を上回るため、電池系列と負荷の間に降圧のための放電器が必要となり、システムの給電信頼性が低下するという問題がある。

本発明は前記の、放電器の介挿により給電信頼性が低下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、給電信頼性の高い直流電源システムおよびその充電方法を提供することにある。

本発明においては、上記課題を解決するために、請求項１に記載のように、
整流器と、複数の組電池と、前記組電池を選択充電する選択充電手段とを具備し、前記整流器が出力する直流電力を負荷へ供給する直流電源システムであって、複数の前記組電池を直列接続してなる電池系列の出力端が前記整流器から前記負荷への給電線に並列接続され、１つの前記電池系列を構成する前記組電池の組数をｍとし、１つの前記電池系列において同時に充電される前記組電池の組数をｎとしたとき、１つの前記電池系列におけるｎ組の前記組電池の同時充電時に、該電池系列の電圧は前記整流器の出力電圧以下に保たれていることを特徴とする直流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、
請求項１に記載の直流電源システムにおいて、前記整流器の出力電圧をＶｒとし、前記組電池１組の、充電時、非充電時の最高電圧を、それぞれ、Ｖｃ、Ｖｓとしたとき、１つの前記電池系列におけるｎ組の前記組電池は、
Ｖｒ≧Ｖｃ×ｎ＋Ｖｓ×(ｍ−ｎ）
なる条件下において、同時に充電されることを特徴とする直流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、
請求項１または２に記載の直流電源システムにおいて、前記選択充電手段には、前記組電池のそれぞれに対して、該組電池のみを充電する充電器が具備されていることを特徴とする直流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、
請求項１または２に記載の直流電源システムにおいて、前記選択充電手段には、充電器と切替え器とが具備され、前記充電器は、前記切替え器を介して、前記組電池を充電することを特徴とする直流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、
整流器と、複数の組電池と、前記組電池を選択充電する選択充電手段とを具備し、前記整流器が出力する直流電力を負荷へ供給する直流電源システムの充電方法であって、複数の前記組電池を直列接続してなる電池系列の出力端を前記整流器から前記負荷への給電線に並列接続し、１つの前記電池系列を構成する前記組電池の組数をｍとし、１つの前記電池系列において同時に充電される前記組電池の組数をｎとしたとき、１つの前記電池系列の電圧が前記整流器の出力電圧以下となる条件下で該電池系列におけるｎ組の前記組電池を同時に充電することを特徴とする直流電源システムの充電方法を構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
請求項５に記載の直流電源システムの充電方法において、前記整流器の出力電圧をＶｒとし、前記組電池１組の、充電時、非充電時の最高電圧を、それぞれ、Ｖｃ、Ｖｓとしたとき、１つの前記電池系列におけるｎ組の前記組電池を、
Ｖｒ≧Ｖｃ×ｎ＋Ｖｓ×(ｍ−ｎ）
なる条件下で同時に充電することを特徴とする直流電源システムの充電方法を構成する。

また、本発明においては、請求項７に記載のように、
請求項５または６に記載の直流電源システムの充電方法において、前記組電池のそれぞれを、該組電池のみを充電する充電器によって充電することを特徴とする直流電源システムの充電方法を構成する。

また、本発明においては、請求項８に記載のように、
請求項５または６に記載の直流電源システムの充電方法において、前記組電池を、切替え器を介して、充電器によって充電することを特徴とする直流電源システムの充電方法を構成する。

本発明に係る直流電源システムおよびその充電方法によれば、組電池の充電時に電池系列の電圧上昇が抑制され、電池系列の電圧は整流器出力電圧を上回らないため、降圧動作のための放電器が必要でなくなり、給電信頼性の高い直流電源システムおよびその充電方法を提供することが可能となる。

本発明に係る直流電源システムおよびその充電方法においては、組電池の直列接続により構成された１つの電池系列の組電池を充電するとき、同時に全ての組電池を充電するのではなく、順次、組電池を選択して充電する。

以下に、本発明の実施の形態について、ニッケル水素蓄電池を用いた直流電源システムを例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

図１は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図において、整流器２は交流電源１からの交流電力を入力として５６Ｖ（Ｖｒ）の直流電力を出力し、負荷３へ供給する。ニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を１０セル直列接続して組電池５（定格電圧１２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を構成し、さらに組電池５を４組（組電池Ａ、組電池Ｂ、組電池Ｃ、組電池Ｄ）直列接続して電池系列６（定格電圧４８Ｖ、定格容量１００Ａｈ）とする（１電池系列を構成する組電池の組数をｍとすると、この場合ｍ＝４である)。電池系列６は、整流器２から負荷３へ至る給電線に、電池系列６からの放電方向にのみ電力を通すダイオード７を介して並列接続されている。また、それぞれの組電池５に、交流電源１からの交流電力を入力とする充電器４（充電器Ａ、充電器Ｂ、充電器Ｃ、充電器Ｄ）が接続されている。

本発明においては、ｍよりも少ない組数（ｎ）の組電池５を選択して充電器４によって同時に充電する。そのための選択充電制御手段（図示せず）が設けられ、この選択充電制御手段と充電器４とが選択充電手段９を構成している。

電池系列６の充電を、組電池５を１組ずつ選択して充電することにより行う（この場合に、ｎ＝１である)。まず、組電池Ａに接続されている充電器Ａを動作させて充電を行う。組電池Ａが満充電に達した後、充電器Ａを停止させ、充電器Ｂを動作させて組電池Ｂを充電する。以降同様に、組電池Ｃ、組電池Ｄを、それぞれに接続されている充電器４により充電する。このように、組電池Ａから順に満充電まで充電を行い、１つの組電池５が充電されている間は他の組電池５は充電されないようにすることで、電池系列６の電圧上昇は、全ての組電池５を同時に充電する場合より抑制することができる。

組電池５は一定電流により充電され、充電されるにしたがって電圧が上昇し、満充電直前には１６Ｖに達するが、充電されていないとき（待機中あるいは放電時）の電圧は１３Ｖ以下である。全ての組電池５を同時に充電する場合、電池系列６の電圧は満充電直前に６４Ｖに達して整流器２の出力電圧（５６Ｖ）を超えてしまう。一方、組電池５を１組ずつ充電する本発明の充電方法では、充電されている１組のみが満充電直前に１６Ｖに達し、他は待機状態で１３Ｖ以下であるため、電池系列６が到達しうる最高電圧は５５Ｖ（１６Ｖ＋１３Ｖ×３）であり、整流器２の出力電圧（５６Ｖ）以下である。

交流電源１が有効であるとき、各組電池５は前述の充電方法により充電され、整流器２の出力電圧は電池系列６の電圧より高いため整流器２の出力が負荷３へ供給される。交流電源１が停電すると、整流器２が停止し、電池系列６が出力する電力がダイオード７を介して負荷３へ供給される。

以上のように、組電池の直列接続により構成された電池系列を組電池ごとに順次充電を行うことにより、電池系列の最高電圧を整流器出力電圧以下に抑え、降圧を必要としない直流電源システムとすることができる。

本実施の形態例においては、電池系列６は１系列のみであるが、図２に示すように、複数の電池系列６を整流器２から負荷３への給電線に並列接続した直流電源システムにおいても適用することができる。なお、図２において、選択充電手段９の記載を省略している。

また、本実施の形態例においては、組電池５にそれぞれ個別の充電器４が接続されているが、図３に示したように、組電池５が個別の充電器４によって充電されるのではなく、共通の充電器４の出力を切替え器１０によって切替えて、組電池５を１組ずつ充電するようにしてもよい。

さらに、本実施の形態例においては、同時に充電される組電池５は１組であるが、電池は充電初期の電圧が低く、充電されるにしたがって電圧が上昇するため、電池系列６の電圧が整流器２の出力電圧を超えない限り、複数の組電池５を同時に充電することも可能である。つまり、電池系列６を構成する組電池５の組数をｍ、整流器２の出力電圧をＶｒ、組電池５の充電時最高電圧をＶｃ、組電池５の充電されていないとき（非充電時）の最高電圧をＶｓ、ｎをｍ末満の自然数とすると、
Ｖｒ≧Ｖｃ×ｎ＋Ｖｓ×（ｍ−ｎ）
なる条件が満たされる限り、電池系列６内のｎ組の組電池５を同時に充電することも可能である。このようにすれば、組電池５の充電時における電池系列６の電圧は整流器２の出力電圧以下となる。

なお、上記の条件が満たされなくても、電池系列６の電圧が整流器２の出力電圧を上回らない限りにおいて、任意の組数の組電池５を同時に充電してもよい。例えば、電池系列６の電圧が５２Ｖ（１組あたり１３Ｖ）に達するまでは４組全ての組電池５を同時に充電し、この後１組ずつ充電を行えばよい。これによって、最初から１組ずつ充電する場合に比べて、充電時間を短縮することができる。

選択充電手段９の構成要素である選択充電制御手段（図示せず）が、マイコン制御により全組電池５の電圧を検知して、上記の式で表される条件下、あるいは、もっと一般に、電池系列６の電圧が整流器２の出力電圧を上回らないような条件下で組電池５が充電されるように充電制御を行うようにしてよい。この場合に、上記のような自由度の高い充電制御を容易に行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について、ニッケル水素蓄電池を用いた直流電源システム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。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

組電池の直列接続により構成された電池系列を一度に充電するとき、電池系列の電圧が整流器出力電圧を上回るため、電池系列と負荷の間に降圧のための放電器が必要となり、システムの給電信頼性が低下するという問題がある。

本発明により、充電時の電池系列の電圧上昇が抑制され、電池系列の電圧は整流器出力電圧を上回らないため、降圧動作のための放電器が必要なく、給電信頼性の高い電源システムとすることが可能となる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の形態例を説明する図である。 整流器、電池系列、充電器および放電器を組み合わせた直流電源システムを説明する図である。

符号の説明

１：交流電源、２：整流器、３：負荷、４：充電器、５：組電池、６：電池系列、７：ダイオード、８：放電器、９：選択充電手段、１０：切替え器。

Claims (8)

1. 整流器と、複数の組電池と、前記組電池を選択充電する選択充電手段とを具備し、前記整流器が出力する直流電力を負荷へ供給する直流電源システムであって、
   複数の前記組電池を直列接続してなる電池系列の出力端が前記整流器から前記負荷への給電線に並列接続され、１つの前記電池系列を構成する前記組電池の組数をｍとし、１つの前記電池系列において同時に充電される前記組電池の組数をｎとしたとき、１つの前記電池系列におけるｎ組の前記組電池の同時充電時に、該電池系列の電圧は前記整流器の出力電圧以下に保たれていることを特徴とする直流電源システム。
2. 請求項１に記載の直流電源システムにおいて、
   前記整流器の出力電圧をＶｒとし、前記組電池１組の、充電時、非充電時の最高電圧を、それぞれ、Ｖｃ、Ｖｓとしたとき、１つの前記電池系列におけるｎ組の前記組電池は、
   Ｖｒ≧Ｖｃ×ｎ＋Ｖｓ×(ｍ−ｎ）
   なる条件下において、同時に充電されることを特徴とする直流電源システム。
3. 請求項１または２に記載の直流電源システムにおいて、
   前記選択充電手段には、前記組電池のそれぞれに対して、該組電池のみを充電する充電器が具備されていることを特徴とする直流電源システム。
4. 請求項１または２に記載の直流電源システムにおいて、
   前記選択充電手段には、充電器と切替え器とが具備され、前記充電器は、前記切替え器を介して、前記組電池を充電することを特徴とする直流電源システム。
5. 整流器と、複数の組電池と、前記組電池を選択充電する選択充電手段とを具備し、前記整流器が出力する直流電力を負荷へ供給する直流電源システムの充電方法であって、
   複数の前記組電池を直列接続してなる電池系列の出力端を前記整流器から前記負荷への給電線に並列接続し、１つの前記電池系列を構成する前記組電池の組数をｍとし、１つの前記電池系列において同時に充電される前記組電池の組数をｎとしたとき、１つの前記電池系列の電圧が前記整流器の出力電圧以下となる条件下で該電池系列におけるｎ組の前記組電池を同時に充電することを特徴とする直流電源システムの充電方法。
6. 請求項５に記載の直流電源システムの充電方法において、
   前記整流器の出力電圧をＶｒとし、前記組電池１組の、充電時、非充電時の最高電圧を、それぞれ、Ｖｃ、Ｖｓとしたとき、１つの前記電池系列におけるｎ組の前記組電池を、
   Ｖｒ≧Ｖｃ×ｎ＋Ｖｓ×(ｍ−ｎ）
   なる条件下で同時に充電することを特徴とする直流電源システムの充電方法。
7. 請求項５または６に記載の直流電源システムの充電方法において、
   前記組電池のそれぞれを、該組電池のみを充電する充電器によって充電することを特徴とする直流電源システムの充電方法。
8. 請求項５または６に記載の直流電源システムの充電方法において、
   前記組電池を、切替え器を介して、充電器によって充電することを特徴とする直流電源システムの充電方法。

Images