JP4896937B2 - 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、整流器の出力に蓄電池と、蓄電池を充電するための充電器を備え、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

整流装置、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図１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負荷３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、６組を搭載している。各組電池４は、交流電源１が有効であるときは充電器５を介して充電され、交流電源１の停電時に放電器６を介して負荷３への放電を行う。

各充電器５は、接続されている組電池４の残容量が低下したとき該組電池４の充電を開始し、満充電となったとき組電池４の充電を停止する、いわゆる間欠充電を行っている。組電池４は、交流電源１の停電による放電のほか、蓄電池自身の自己放電によっても残容量が低下する。ここでは、組電池４の残容量が、満充電状態に対して１０％低下したとき、該組電池４に接続されている充電器５により充電が開始されるものとする。

ここで、６組の組電池４が、同時に残容量が９０％まで低下する場合がある。この場合、合計の残容量も９０％まで低下するため、この低下分を補うための余分な蓄電池を設置する必要があり、コストや設置スペースを増加させる結果となる。また、９０％までの残容量低下を回避するため、例えば９５％まで残容量低下があったときに充電を開始するとした場合、充電頻度が増加することにより蓄電池の劣化が促進されるという別の問題が生じる。

以上のように、複数の組電池で構成される蓄電池システムにおいては、同時に全ての組電池の残容量が低下した場合に合計の残容量が低下するため余分に蓄電池を搭載する必要が生じてコストと設置スペースが増加するという問題と、この問題を回避するために充電頻度を増やすと蓄電池の劣化が促進されるという問題がある。

前記の問題は、直流電源システムだけではなく、複数の蓄電池を並列接続した蓄電池を持つシステムにおいて生じる問題である。

本発明は前記の、同時に全ての組電池の残容量が低下した場合に合計の残容量が低下するため余分に蓄電池を搭載する必要が生じてコストと設置スペースが増加するという問題と、この問題を回避するために充電頻度を増やすと蓄電池の劣化が促進され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、合計の残容量の低下を防ぎつつ蓄電池の劣化を抑制する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、
１つ以上の蓄電池を接続してなる組電池を複数組有し、各前記組電池が並列接続して出力する電力が負荷へ供給される直流電源システムにおいて、前記組電池の組数をｎとし、前記組電池に対して補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｋを１からｎまでの自然数とするとき、全ての前記組電池が満充電まで充電された後、ｋ番目の前記組電池が（ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電まで充電され、以降は各前記組電池がＴ経過毎に満充電まで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、交流電力を直流電力に変換する整流器を具備し、前記交流電力が有効であるときは前記整流器が出力する電力が負荷へ供給され、前記交流電力が停電のときは各前記組電池が並列接続して出力する電力が負荷へ供給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、
交流電力を直流電力に変換する整流器と、１つ以上の蓄電池を接続してなる組電池を複数組有し、前記組電池にはそれぞれ充電器が接続され、前記交流電力が有効であるときは前記整流器が出力する電力が負荷へ供給され、前記交流電力が停電のときは前記組電池が出力する電力が負荷へ供給される直流電源システムにおいて、前記組電池の組数をｎとし、前記組電池に対して補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、各前記充電器に１からｎまで順に自然数ｋを予め割り当て、前記充電器はそれぞれ、予め定めた外部現象を感知したとき、該充電器に接続する組電池を満充電まで充電した後、(ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電までの充電を行い、以降はＴ経過毎に満充電までの充電を行う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、
交流電力を直流電力に変換する整流器と、１つ以上の蓄電池を接続してなる組電池を複数組有し、前記組電池にはそれぞれ充電器が接続され、前記交流電力が有効であるときは前記整流器が出力する電力が負荷へ供給され、前記交流電力が停電のときは前記組電池が出力する電力が負荷へ供給される直流電源システムにおいて、前記組電池の組数をｎとし、前記組電池に対して補充電間隔として予め定められた時間をＴとするとき、前記充電器はそれぞれ、予め定めた外部現象を感知したとき、該充電器に接続する組電池を満充電まで充電した後、１からｎまでの自然数の中から無作為に選んだ自然数をｋとし、(ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電までの充電を行い、以降はＴ経過毎に満充電までの充電を行う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３ないし４に記載の直流電源システムにおいて、前記予め定めた外部現象は、前記交流電力の停電からの復帰であ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、
１つ以上の蓄電池を接続してなる組電池を複数組有し、各前記組電池が並列接続して出力する電力が負荷へ供給される直流電源システムの充電方法であって、前記組電池の組数をｎとし、前記組電池に対して補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｋを１からｎまでの自然数とするとき、全ての前記組電池を満充電まで充電した後、ｋ番目の前記組電池を（ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電まで充電し、以降は各前記組電池をＴ経過毎に満充電まで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。

本発明の直流電源システムによれば、各組電池の補充電時期を分散することによって、システム全体の残容量低下を減らすことができ、余分に設置する蓄電池を減らすことができるため、コストとスペースを節約することが可能となり、また個別の組電池においては充電頻度が増加しないため蓄電池の劣化が抑制される。

本発明においては、例えば、１つ以上の蓄電池を接続してなる組電池を複数組有し、各前記組電池が並列接続して出力する電力が負荷へ供給される直流電源システムにおいて、前記組電池の組数をｎとし、前記組電池に対して補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｋを１からｎまでの自然数とするとき、全ての前記組電池が満充電まで充電された後、ｋ番目の前記組電池が（ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電まで充電され、以降は各前記組電池がＴ経過毎に満充電まで充電される。

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を用いて、本発明の実施の形態例を説明する。図の直流電源システムにおいて、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５６Ｖを出力し、負荷３へ供給している。

組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を４０セル直列接続した組電池（定格電圧４８Ｖ、定格容量１００Ａｈ）であり、６組（１系、２系、３系、４系、５系、６系）を搭載している。それぞれの組電池４に対して、交流電源１を入力とする充電器５が接続されている。充電器５は、接続する組電池４を２０Ａ一定電流により充電するが、満充電時の組電池４の電圧は６４Ｖに達する。

放電器６は、組電池４を入力とし、最高出力電圧は５５Ｖに設定され、入力電圧が高いときは降圧動作を行う。放電器６の最高出力電圧（５５Ｖ）は整流器２の出力電圧（５６Ｖ）より低いため、交流電源１が有効であるときは整流器２の出力が負荷３へ供給され、整流器２が交流電源１の停電などにより停止した場合、各組電池４が出力する電力がそれぞれ放電器６を介して、放電器６の出力において並列接続されて負荷３へ供給される。

組電池４は一定電流により充電され、満充電になると充電電流が零となる。このため、交流電源１が有効であっても、自己放電により組電池４の容量は低下する。組電池４は、３０日で１０％（ｃ％）の容量低下があり、３０日毎に充電（補充電）を行うべきものと定める。

よって、各々の充電器５は、充電完了から３０日後に接続先の組電池４を補充電すればよいが、全ての組電池４が同じ時期に補充電される場合、全体の残容量が９０％まで低下してしまい、余計に蓄電池を搭載する必要が生じる。

そこで、補充電が行われるタイミングを、組電池間でずらすことにより、全体の残容量低下を抑制する。すなわち、補充電周期（Ｔ）を組電池４の組数６で割って得た５日毎に、組電池４を１組ずつ補充電する。つまり、５日毎に順番に充電器５が接続先の組電池４を補充電する。

この充電方法を、各組電池４の残容量の推移である図２を使って説明する。各組電池４が３０日毎に補充電され、かつ補充電時期をずらすために、全ての組電池４を満充電とした（Ａ時点）後、１系の組電池４を５日後、２系の組電池４を１０日後、３系の組電池４を１５日後、４系の組電池４を２０日後、５系の組電池４を２５日後、６系の組電池４を３０日後に補充電し、その後各組電池４は３０日毎に補充電される。ここで、補充電にかかる時間は数時間であり補充電周期（Ｔ）より十分短いため、充電時間の表示は省略している。

全体の最低残容量は、或る組電池の補充電が実施される直前であって、（９８．３％＋９６．７％＋９５％＋９３．３％＋９１．７％＋９０％）/６＝９４．１７％となり、容量低下が抑制される。

この充電方法を実現するには、最初に全ての組電池４を満充電とする操作と、その後の補充電時期の分散が必要であり、例えば、別に制御部（図示せず）を備え、全ての充電器５へ充電信号を同時送信し、その後の時間経過に従い順に充電信号を送信する方法が可能である。なお、全ての組電池を満充電とした（図２のＡ時点）後に、初回の補充電の後は各組電池４が３０日毎に補充電されればよいから、充電器５が個別に３０日の経過を判断して補充電を行うようにし、２回目以降の充電信号を不要とすることも可能である。

このように充電を行うことで、各組電池の補充電周期を短縮することなくシステム全体の残容量低下を抑制することができる。

この充電方法は、整流器を持たず、組電池と充電器により構成される直流電源システムにおいても適用可能である。

次に、充電器５へ充電を指令する制御部を必要としない、コストや信頼性の点でより有利な構成を示す。制御部からの充電信号の替わりに、予め定めた外部現象の一例である、停電からの復電を各充電器５が検知することで充電開始の指示とする。各充電器５は共通して交流電源１を入力としているため、停電発生は全ての充電器５の知るところとなり、その後の復電も同時に全ての充電器５が検知することができる。充電器５はそれぞれ、交流電源１の復電を検知したとき満充電までの充電（図２のＡ時点）を行った後、１系の組電池４から５日ずらしながら補充電を行い、その後３０日毎に補充電を行えばよい。ただし、各充電器５において、最初の充電（図２のＡ時点）後、何日後に最初の補充電を行うかを予め設定しておく（１系の組電池４は５日後、２系の組電池４は１０日後、…、６系の組電池４は３０日後）。

さらに、最初の充電（図２のＡ時点）から最初の補充電までの日数の設定を必要としない、誤設定による全体残容量の低下を防ぎ、保守稼動も削減することができる構成を示す。最初の充電（図２のＡ時点）を行った後、充電器５が１から６の中から無作為に自然数ｋを選び、（ｋ×５）日後に最初の補充電を行うようにする。各充電器５に対して、等確率で補充電時期を分散させることができるため、全体の残容量の最低値は補充電時期を予め設定した場合と大きな差は無い。すなわち、６台の充電器５が１から６の中から無作為に自然数ｋを選んで、６台のすべてが１つの自然数を選び、分散が０となる確率は、６×６^−６すなわち約０．０１３％に過ぎず、このようなことは、ほとんど起こらないと考えてよい。

上記の、６台の充電器５のすべてが１つの自然数を選ぶ場合を完全に排除するには、例えば、２組の充電器５、例えば、１系と２系を選び、２系を１系に従属させ、１系の充電器５が、１から６の中から無作為に２つの異なる自然数ｋ、ｊを選び、１系の充電器５は（ｋ×５）日後に最初の補充電を行い、２系の充電器５は（ｊ×５）日後に最初の補充電を行うようにすればよい。

さらに、各充電器５が、各自の次回補充電までの残り日数を算出していて、停電時に、その残り日数を各自記憶しておき、最初の充電（図２のＡ時点）後、それぞれが記憶している残り日数に応じて次回補充電を行うようにすれば、補充電時期の分散は停電前と変わらない。

このように、各組電池４の補充電時期を分散して全体の残容量低下を抑制する充電方法を、最初の充電と補充電時期を指定するための制御部を必要とせず、さらに充電器５に補充電時期を予め設定せずに実現することができる。

上記の説明においては、組電池４（充電器５）の組数を６としたが、組数は何組でも可能である。組数をｎ、１組の組電池４に対して補充電間隔として定められた時間をＴとし、停電後に復電を検知したとき、各充電器５が接続先の組電池４を満充電まで充電した後、Ｔ/ｎ経過毎に、充電器５の１つずつが、それに付けられた順番に従って、接続先の組電池４を満充電まで充電し、以降は、各充電器５がそれに接続する組電池４をＴ経過毎に満充電まで充電する場合の全体の最低残容量Ｑ_ｍｉｎは、満充電からＴ経過後の容量低下をｃ［％］とすると、式（１）により表される。

また、停電後に復電を検知したとき、各充電器５が接続先の組電池４を満充電まで充電した後、自然数１からｎの中から無作為に選んだ自然数をｋとし、（ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電までの充電を行い、以降はＴ経過毎に満充電までの充電を行うようにしても、最低残容量Ｑ_ｍｉｎの値は大きくは変らない。

また、上記の説明においては、予め定めた外部現象である、最初の充電（図２のＡ時点）を行う指示とする現象を停電後の復電としているが、これに限らず、全ての充電器５が同時に検知できる現象であればよい。例えば、予め定めた外部現象を、台風の接近とし、この台風の接近を、例えば、手操作によって発生させた信号によって各充電器５が検知し、一斉に充電を開始して、すべての組電池を満充電とし、台風による停電に備えるようにするとよい。

さらに、本実施の形態例においては、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、鉛蓄電池やリチウムイオン蓄電池といった二次電池を搭載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。

以上、本発明の実施形態について、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。
（１）複数の組電池で構成される蓄電池システムにおいては、同時に全ての組電池の残容量が低下した場合に全体の残容量が低下するため余分に蓄電池を搭載する必要が生じてコストと設置スペースが増加するという問題と、この問題を回避するために充電頻度を増やすと蓄電池の劣化が促進されるという問題がある。

本発明により、システムの全体残容量の低下を減らすことができ、余分に設置する蓄電池を減らすことができるため、コストとスペースを節約することが可能となり、また個別の組電池においては充電頻度が増加しないため蓄電池の劣化が抑制される。
（２）各組電池の補充電時期を分散させる充電方法を実現するため、制御部が各充電器に充電を指令する構成が可能であるが、制御部搭載によるコスト増加や制御部の故障による信頼性低下の問題がある。本発明により、全ての充電器が同時に検知できる現象を利用して上記の充電方法が実行されるため、充電を指令する制御部を必要とせず、コストや信頼性の点でより有利なシステムとすることができる。
（３）各組電池の補充電時期の分散にあたって、各充電器に最初の補充電までの期間を予め定める場合、使用する前に充電器に値を設定する手間が生じるため、誤設定や保守稼動増加の問題がある。本発明により、必要な数値は無作為に選ばれ等確率で補充電時期が分散するため、充電器の設定を必要とせず、誤設定を回避し保守稼動も削減することができる。

整流器と複数の組電池、充電器および放電器からなる直流電源システムの構成図である。 本発明に係る充電方法における各組電池の残容量の推移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：組電池、５：充電器、６：放電器。

Claims (6)

1. １つ以上の蓄電池を接続してなる組電池を複数組有し、各前記組電池が並列接続して出力する電力が負荷へ供給される直流電源システムにおいて、
   前記組電池の組数をｎとし、前記組電池に対して補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｋを１からｎまでの自然数とするとき、
   全ての前記組電池が満充電まで充電された後、ｋ番目の前記組電池が（ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電まで充電され、以降は各前記組電池がＴ経過毎に満充電まで充電され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、
   交流電力を直流電力に変換する整流器を具備し、前記交流電力が有効であるときは前記整流器が出力する電力が負荷へ供給され、前記交流電力が停電のときは各前記組電池が並列接続して出力する電力が負荷へ供給されることを特徴とする直流電源システム。
3. 交流電力を直流電力に変換する整流器と、１つ以上の蓄電池を接続してなる組電池を複数組有し、前記組電池にはそれぞれ充電器が接続され、前記交流電力が有効であるときは前記整流器が出力する電力が負荷へ供給され、前記交流電力が停電のときは前記組電池が出力する電力が負荷へ供給される直流電源システムにおいて、
   前記組電池の組数をｎとし、前記組電池に対して補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、各前記充電器に１からｎまで順に自然数ｋを予め割り当て、
   前記充電器はそれぞれ、予め定めた外部現象を感知したとき、該充電器に接続する組電池を満充電まで充電した後、(ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電までの充電を行い、以降はＴ経過毎に満充電までの充電を行うことを特徴とする直流電源システム。
4. 交流電力を直流電力に変換する整流器と、１つ以上の蓄電池を接続してなる組電池を複数組有し、前記組電池にはそれぞれ充電器が接続され、前記交流電力が有効であるときは前記整流器が出力する電力が負荷へ供給され、前記交流電力が停電のときは前記組電池が出力する電力が負荷へ供給される直流電源システムにおいて、
   前記組電池の組数をｎとし、前記組電池に対して補充電間隔として予め定められた時間をＴとするとき、
   前記充電器はそれぞれ、予め定めた外部現象を感知したとき、該充電器に接続する組電池を満充電まで充電した後、１からｎまでの自然数の中から無作為に選んだ自然数をｋとし、(ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電までの充電を行い、以降はＴ経過毎に満充電までの充電を行うことを特徴とする直流電源システム。
5. 請求項３ないし４に記載の直流電源システムにおいて、前記予め定めた外部現象は、前記交流電力の停電からの復帰であることを特徴とする直流電源システム。
6. １つ以上の蓄電池を接続してなる組電池を複数組有し、各前記組電池が並列接続して出力する電力が負荷へ供給される直流電源システムの充電方法であって、
   前記組電池の組数をｎとし、前記組電池に対して補充電間隔として予め定められた時間をＴとし、ｋを１からｎまでの自然数とするとき、
   全ての前記組電池を満充電まで充電した後、ｋ番目の前記組電池を（ｋ/ｎ)Ｔ後に満充電まで充電し、以降は各前記組電池をＴ経過毎に満充電まで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