JP4767976B2

JP4767976B2 - 直流電源システム

Info

Publication number: JP4767976B2
Application number: JP2008000106A
Authority: JP
Inventors: 利一北野; 尊久正代; 明宏宮坂; 明山下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2028-01-04
Also published as: JP2009165257A

Description

本発明は直流電源システムに関し、特に、交流電力を直流電力へ変換して負荷へ供給する、蓄電池を備えて停電時のバックアップとする直流電源システムに関する。

一般に、直流負荷装置へ電力を供給する電源システムでは、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、蓄電池と、蓄電池を充電するための充電器とを備えている。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

図６は、直流電源システムの基本構成を説明する図である。図において、商用電源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負荷６へ供給している。組電池４は、複数の蓄電池を組み合わせてなる組電池であり、商用電源１が有効であるときは充電器３を介して充電され、商用電源１の停電時に放電器１４を介して負荷６への放電を行う。

充電器３は、組電池４が満充電になると停止し、組電池４が放電して蓄電量が低下するまで再び充電を行わない。このため、充電器３は組電池４の充電時にしか動作せず、機器の利用率が低下するという問題がある。

本発明は、充電時にしか充電器を利用できない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、充電していない時でも充電器を有効利用して機器の利用率を向上させることが可能な直流電源システムを提供することにある。すなわち、従来技術においては、整流器と充電器が各々独立動作してきたところを、充電器が具備する整流器と前記電力供給用整流器とを協調動作させることにより、整流機能と充電機能とを一体化して、整流機能の高効率化を図り、整流器の冗長分を減らすことを解決課題とする。

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、
１つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷へ給電する整流器と、整流機能を有する充電器と、スイッチング手段とを構成要素とする直流電源システムであって、前記充電器は、前記交流電力を直流電力に変換して出力し、前記スイッチング手段は、前記充電器の出力を前記組電池へ供給する接続と、該出力を前記負荷へ供給する接続との間の切替を行い、前記組電池は、前記交流電力の停電時に、放電方向にのみ電流を通すダイオードを介して、前記負荷に直流電力を供給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、前記充電器の出力電圧は前記整流器の出力電圧以下の第１の電圧以下であり、前記充電器の出力電流は上限として設定された電流値以下であり、前記スイッチング手段による接続が、前記充電器の出力を前記組電池へ供給する接続である場合、前記充電器の出力電圧が前記第１の電圧以下の第２の電圧以上となったとき、前記スイッチング手段は、接続を、前記充電器の出力を前記負荷へ供給する接続に切替え、前記スイッチング手段による接続が、前記充電器の出力を前記負荷へ供給する接続である場合、前記組電池の電圧が前記第２の電圧より低い第３の電圧以下となったとき、あるいは、前記組電池の蓄電容量が一定量よりも低下したとき、前記スイッチング手段は、接続を、前記充電器の出力を前記組電池へ供給する接続に切替え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、前記スイッチング手段は、前記充電器から前記組電池に到る電路に介挿されたスイッチング素子と、前記充電器から前記負荷に到る電路に介挿されたスイッチング素子とを構成要素とし、前記スイッチング素子の一方のみが閉成されることにより前記スイッチング手段による切替が行わ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４に記載のように、
請求項１、２または３に記載の直流電源システムにおいて、前記充電器は、整流器と降圧手段とを具備し、前記交流電力を前記整流器によって直流電力に変換し、前記降圧手段を介して出力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、
請求項４に記載の直流電源システムにおいて、前記降圧手段である降圧回路には、入力端と出力端と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前記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、マイナス側の電路からプラス側の電路へ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他方の電路との間にはコンデンサが挿入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６に記載のように、
請求項１ないし５のいずれかに記載の直流電源システムにおいて、前記スイッチング手段による接続が、前記充電器の出力を前記組電池へ供給する接続である場合、前記充電器の出力電流値が第１の電流値を下回ったとき、前記スイッチング手段は、接続を、前記充電器の出力を前記負荷へ供給する接続に切替え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７に記載のように、
請求項１ないし６のいずれかに記載の直流電源システムにおいて、複数組の前記組電池がそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され、それぞれの前記組電池に前記充電器が接続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８に記載のように、
請求項７に記載の直流電源システムにおいて、同時に充電される前記組電池の組数は前記組電池の全組数よりも少ないことを特徴とする直流電源システムを構成する。

本発明に係る直流電源システムによれば、以下のごとき効果を奏することができる。

充電器が充電をしていないとき、整流器とともに負荷への供給を担うため、充電器は予備用の整流器として有効利用され、整流器の冗長分を減らすことができ、コストとスペースを節約することが可能となる。

本発明に係る直流電源システムは、１つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷へ給電する整流器と、整流機能を有する充電器と、スイッチング手段とを構成要素とする直流電源システムであって、前記充電器は、前記交流電力を直流電力に変換して出力し、前記スイッチング手段は、前記充電器の出力を前記組電池へ供給する接続と、該出力を前記負荷へ供給する接続との間の切替を行い、前記組電池は、前記交流電力の停電時に、放電方向にのみ電流を通すダイオードを介して、前記負荷に直流電力を供給する。

以下に、本発明の実施の形態について、蓄電池が鉛蓄電池あるいはニッケル水素蓄電池である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は商用電源１から入力した交流電力を直流電力に変換して直流５１Ｖを出力し、負荷６へ給電する。

組電池４は、鉛蓄電池セル（定格電圧２．０Ｖ、定格容量２００Ａｈ）を２３セル直列接続して構成した組電池（定格電圧４６Ｖ、定格容量２００Ａｈ）である。組電池４は、充電されると電圧が上昇するが、鉛蓄電池セルの満充電電圧は２．２Ｖであり、組電池４の満充電電圧は５０．６Ｖ（第１の電圧）である。この第１の電圧（５０．６Ｖ）は整流器２の出力電圧（５１Ｖ）以下であるようにする。また組電池４は、放電方向にのみ電力を通すダイオード５が接続されている給電線を介して負荷６へ放電する。

充電器３は、商用電源１から入力した交流電力を直流電力に変換して直流５０．６Ｖ（第１の電圧）を出力するが、出力電流の上限として設定された電流値が１０Ａであり、出力電流が１０Ａを超えると出力電圧が垂下する。

充電器３の出力は、スイッチング手段の構成要素であるスイッチング素子７ａ、７ｂの動作により、組電池４へ充電用として供給されるか、または負荷６へ供給される。スイッチング素子７ａが閉成、７ｂが開放であるとき、充電器３の出力は組電池４へ供給され、それによって組電池４が充電される。スイッチング素子７ａが開放、７ｂが閉成であるとき、充電器３の出力は負荷６へ供給可能であるが、充電器３の出力電圧（５０．６Ｖ）よりも整流器２の出力電圧（５１Ｖ）の方が高いため、整流器２の出力が優先して負荷６へ供給される。このように、スイッチング素子７ａ、７ｂを構成要素とするスイッチング手段は、充電器３の出力を組電池４へ供給する接続と、該出力を負荷６へ供給する接続との間の切替を行う。

充電器３は、商用電源１から入力した交流電力を直流電力に変換するのみならず、直流電力の電圧制御も行う。このような電圧制御は組電池４の充電に際して必要となる。この電圧制御のためには、例えば、充電器３は整流器と降圧手段を具備し、充電器３が具備する整流器が商用電源１から入力した交流電力を直流電力に変換して出力し、これを充電器３が具備する降圧手段（例えば降圧回路）が降圧して充電器３の出力とすればよい。

上記降圧回路の一例を図２に示す。図において、入力端と出力端とを結ぶプラス側の電路（上の水平線）とマイナス側の電路（下の水平線）とが設けられ、マイナス側の電路には、入力端に近い側にスイッチング素子１１が、出力端に近い側にリアクトル８が、それぞれ挿入され、スイッチング素子１１とリアクトル８との間の電路とプラス側の電路との間には、マイナス側の電路からプラス側の電路へ電流を流す向きのダイオード１０が挿入され、リアクトル８と出力端との間の電路とプラス側の電路との間にはコンデンサ９が挿入されているが、スイッチング素子１１とリアクトル８とを、それぞれ、プラス側の電路の対応する位置に移しても、回路の動作に変わりは無い。

スイッチング素子１１としては、この場合には、エンハンスメント型の電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）を用いる。エンハンスメント型ＦＥＴとは、ゲート−ソース間に電位差がないときはドレイン−ソース間が開放であり、ゲート−ソース間の電位差増加にしたがってドレイン−ソース間の抵抗が減少し、一定の電位差以上では導通（短絡状態）とみなすことができるスイッチング素子である。

制御部１２は出力電圧を監視し、出力電圧を制御するために、スイッチング素子１１へのＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号に係るデューティー比を設定する。ここで、デューティー比とは、ＰＷＭ信号のＯＮ時間の比率のことである。ここでの降圧回路においては、エンハンスメント型ＦＥＴが使われているので、デューティー比を下げる（ＯＦＦ時間の比率を上げる）ことにより出力電圧は低下し、デューティー比を上げる（ＯＮ時間の比率を上げる）ことにより出力電圧は上昇する。

商用電源１が有効であるとき、整流器２は直流５１Ｖを出力して負荷６への給電を行い、スイッチング素子７ａを閉成、７ｂを開放とし、充電器３は組電池４を充電する。充電により組電池４の電圧が上昇し、充電器３の出力電圧が５０．５Ｖ（第２の電圧）に達すると、スィッチング素子７ａを開放、７ｂを閉成として充電を終了し、かつ充電器３は負荷６への給電が可能となる。この第２の電圧（５０．５Ｖ）は第１の電圧（５０．６Ｖ）以下であるようにする。

ここで、充電器３は直流５０．６Ｖ（第１の電圧）を出力し、その電圧（５０．６Ｖ）は整流器２の出力電圧５１Ｖより低いため、負荷６への給電を行っていないが、予備用の整流器として働く。

整流器２は、複数台の整流器ユニットを並列接続して構成されているが、ユニットの一部が故障により停止し、残りのユニットでは負荷６への給電をまかなえないとき、不足分を充電器３が担うことにより、組電池４からの放電を防ぐことができる。

商用電源１が停電した場合は、組電池４がダイオード５を介して負荷６への給電を行い、その後停電から復帰したとき、スイッチング素子７ａを閉成、７ｂを開放として組電池４の充電を行う。

ここで、スイッチング素子７ａ、７ｂを、エンハンスメント型電界効果トランジスタとし、そのゲート電極に電圧が印加されることにより閉成され、電圧がリセットされることにより開放されるものとし、図３に示すフローチャートに従ってスイッチング素子７ａ、７ｂを制御するものとする。

図３において、初期状態においては、スイッチング素子７ａ、７ｂともにゲート電極に電圧が印加されないため開放である。

ステップ１１（Ｓ１１で表す、以下同様）において、スイッチング素子７ａを閉成し（組電池４が充電される）、ステップ１２へ進む。

ステップ１２において、充電器３の出力電圧（Ｖｃ）が第２の電圧（Ｖ_２＝５０．５Ｖ）以上である場合はステップ１３へ進み、そうでない場合はステップ１２に戻る。

ステップ１３において、スイッチング素子７ａを開放し、ステップ１４へ進む。

ステップ１４において、スイッチング素子７ｂを閉成し、ステップ１５へ進む。

ステップ１５において、組電池４の電圧（Ｖｂ）が第３の電圧（Ｖ_３＝５０．０Ｖ）以下である場合はステップ１６へ進み、そうでない場合はステップ１５へ戻る。ここで、第３の電圧（Ｖ_３＝５０．０Ｖ）は第２の電圧（Ｖ_２＝５０．５Ｖ）よりも低いものとする。

ステップ１６において、スイッチング素子７ｂを開放し、ステップ１１へ戻り、商用電源１が有効であれば、組電池４の充電が開始させる。

以上のように、充電器３は、組電池４が満充電近く充電されたとき出力が負荷６へと切り替わり、予備用の整流器として働くため、余分に整流器を搭載する必要がなく、コストとスペースを節約することが可能となる。

本実施の形態例においては、鉛蓄電池を用いているが、ニッケル水素蓄電池を用いることも可能である。ただし、ニッケル水素蓄電池では、一定電流による充電が適しているため、充電器３が組電池４を充電しているとき、出力電流値が８Ａ（第１の電流値）を下回った段階で充電を終了し、充電器３の出力を負荷６へ切り替えるようにすればよい。

また、本実施の形態例においては、充電器３の出力を組電池４へ切り替えて充電を開始する条件を、組電池４の電圧が第３の電圧以下となったときとしているが、組電池４の充放電量の積算や自己放電量の見積を行い、組電池４の蓄電容量が一定量よりも低下したときに充電を開始することも可能である。

さらに、本実施の形態例においては、組電池４は１組であるが、図４に示すように、複数組の組電池４を放電方向にのみ電力を通すダイオード５を介して並列接続したシステムにおいても適用できる。それぞれの組電池４に充電器３を備え、スイッチング素子７ａ、７ｂにより組電池４の充電と負荷６への給電ができるようにすればよい。図４においては、３台の充電器３が予備用の整流器として利用できるので、１組ずつ組電池４を充電するようにすれば、常時２台以上の予備用整流器が確保できるため、負荷６への給電信頼度を高めることができる。すなわち、同時に充電される組電池４の組数を組電池４の全組数よりも少なくし、停電時の対応も含めて、負荷６への給電信頼度を高めることができる。

図５は、整流機能と充電機能との一体化を、上記の実施の形態例よりもさらに進めた実施の形態例を示す図である。図において、充電器３が具有する機能とスイッチング手段が具有する機能とを、整流器２が具有している。すなわち、整流器２は、ｎ（複数）個の整流器ユニット：２−１、… …２−ｎとスイッチング素子７ａ、７ｂとを具備し、整流器ユニット制御部１３の一部分と、整流器ユニット２−ｎとが、充電器３と同じ機能を具有するように構成され、スイッチング素子７ａ、７ｂは、整流器ユニット制御部１３によって、上記と同じ動作を行うスイッチング手段を構成している。

以上、本発明の実施の形態について、蓄電池が鉛蓄電池あるいはニッケル水素蓄電池である直流電源システム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。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

整流器と蓄電池を組み合わせた直流バックアップ電源システムでは、整流器の故障時にも給電能力を確保するため、整流器は必要な台数より多く搭載（冗長構成）しているが、本発明では、蓄電池を用いる充電器を、充電する必要がないときは出力を負荷へ接続して予備用の整流器として有効利用できるため、整流器の冗長分を減らすことが可能となる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。降圧回路の一例を説明する図である。本発明の実施の形態例における制御フローチャート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。整流器と蓄電池、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：商用電源、２：整流器、３：充電器、４：組電池、５：ダイオード、６：負荷、７ａ、７ｂ：スイッチング素子、８：リアクトル、９：コンデンサ、１０：ダイオード、１１：スイッチング素子、１２：制御部、１３：整流器ユニット制御部、１４：放電器。

Claims

１つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷へ給電する整流器と、整流機能を有する充電器と、スイッチング手段とを構成要素とする直流電源システムであって、
前記充電器は、前記交流電力を直流電力に変換して出力し、
前記スイッチング手段は、前記充電器の出力を前記組電池へ供給する接続と、該出力を前記負荷へ供給する接続との間の切替を行い、
前記組電池は、前記交流電力の停電時に、放電方向にのみ電流を通すダイオードを介して、前記負荷に直流電力を供給することを特徴とする直流電源システム。
請求項１に記載の直流電源システムにおいて、
前記充電器の出力電圧は前記整流器の出力電圧以下の第１の電圧以下であり、
前記充電器の出力電流は上限として設定された電流値以下であり、
前記スイッチング手段による接続が、前記充電器の出力を前記組電池へ供給する接続である場合、前記充電器の出力電圧が前記第１の電圧以下の第２の電圧以上となったとき、前記スイッチング手段は、接続を、前記充電器の出力を前記負荷へ供給する接続に切替え、
前記スイッチング手段による接続が、前記充電器の出力を前記負荷へ供給する接続である場合、前記組電池の電圧が前記第２の電圧より低い第３の電圧以下となったとき、あるいは、前記組電池の蓄電容量が一定量よりも低下したとき、前記スイッチング手段は、接続を、前記充電器の出力を前記組電池へ供給する接続に切替えることを特徴とする直流電源システム。
請求項１または２に記載の直流電源システムにおいて、
前記スイッチング手段は、前記充電器から前記組電池に到る電路に介挿されたスイッチング素子と、前記充電器から前記負荷に到る電路に介挿されたスイッチング素子とを構成要素とし、前記スイッチング素子の一方のみが閉成されることにより前記スイッチング手段による切替が行われることを特徴とする直流電源システム。
請求項１、２または３に記載の直流電源システムにおいて、
前記充電器は、整流器と降圧手段とを具備し、前記交流電力を前記整流器によって直流電力に変換し、前記降圧手段を介して出力することを特徴とする直流電源システム。
請求項４に記載の直流電源システムにおいて、
前記降圧手段である降圧回路には、入力端と出力端と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前記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、マイナス側の電路からプラス側の電路へ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他方の電路との間にはコンデンサが挿入されていることを特徴とする直流電源システム。
請求項１ないし５のいずれかに記載の直流電源システムにおいて、
前記スイッチング手段による接続が、前記充電器の出力を前記組電池へ供給する接続である場合、前記充電器の出力電流値が第１の電流値を下回ったとき、前記スイッチング手段は、接続を、前記充電器の出力を前記負荷へ供給する接続に切替えることを特徴とする直流電源システム。
請求項１ないし６のいずれかに記載の直流電源システムにおいて、
複数組の前記組電池がそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され、それぞれの前記組電池に前記充電器が接続されていることを特徴とする直流電源システム。
請求項７に記載の直流電源システムにおいて、
同時に充電される前記組電池の組数は前記組電池の全組数よりも少ないことを特徴とする直流電源システム。