JP5890341B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は蓄電装置に関する。

無停電電源装置は、蓄電池または電気二重層キャパシタを蓄電部として備える。蓄電池または電気二重層キャパシタのセル当たりの定格電圧は、たとえば２〜４Ｖである。多数のセルが直列に接続されることにより、蓄電部の充放電電圧が調整される。直列に接続された複数のセルはモジュールとも呼ばれる。必要な容量を確保するために、複数のモジュールが並列に接続されて蓄電部を構成する。

製造ばらつき等の要因に起因して、各セルの静電容量は不均一であり得る。理想的なコンデンサにおける充電電流Ｉと、電圧Ｖと、静電容量Ｃとの間の関係は、Ｉ＝ＣｄＶ／ｄｔと表される。直列に接続されるすべてのセルには、等しい充電電流Ｉが流れる。このため、静電容量の小さいセルの電圧は、静電容量の大きいセルの電圧よりも速く増加する。

すべてのセルが耐電圧を上回らないように充電する必要がある。しかし、静電容量の大きいセルの電圧を満充電状態まで充電すると、静電容量の小さいセルの電圧が耐電圧を上回る可能性がある。一方で、静電容量の小さいセルの電圧が耐電圧未満になるように充電すると、静電容量の大きいセルを満充電状態まで充電することができない。

上記課題を解決するために、分圧抵抗を用いてセルの電圧を調整する構成が提案されている。たとえば特開２００１―１７８００９号公報（特許文献１）が開示するキャパシタ蓄電装置は、複数のキャパシタを複数段に直列接続して構成される。このキャパシタ蓄電装置は、各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備える。分圧抵抗の抵抗値の下限値の設定基準は、キャパシタ蓄電装置の初期充電時における分圧抵抗への分流率が１０％以下となることである。また、分圧抵抗の抵抗値の上限値の設定基準は、各キャパシタの漏れ抵抗と分圧抵抗との合成抵抗値が１０％以下となることである。

特開２００１―１７８００９号公報

電圧の印加により、電極または電解液が劣化し得る。あるいは、電解液は時間の経過に伴って蒸発し得る。これらの要因に起因して、セルの内部抵抗が増加する。この現象をセルの高抵抗化という。セルの高抵抗化が進行すると、そのセルは開放故障に至る可能性がある。開放故障とは、セルの電極間が開放状態となる故障である。開放故障は、たとえば断線または電極の接触不良等により生じる可能性もある。

たとえば充電状態が長期間継続されると、一部のセルで高抵抗化が進行し得る。定常状態では、モジュールに印加される電圧は、各セルの抵抗値に比例して分圧される。このため、セルの高抵抗化の進行に伴って、そのセルに印加される電圧が徐々に増加する。したがって、セルに印加される電圧がセルの耐圧を超える可能性がある。

一般に蓄電部には多数のセルが含まれる。一例として、蓄電部は、並列に接続された５個のモジュールを備える。各モジュールは、直列に接続された、たとえば２５０個のセルを含む。２５０個のセルのうちの１個のセルの高抵抗化が進行した場合、そのセルに耐圧を超える電圧が印加される可能性がある。したがって、セルが過電圧破壊されるおそれがある。あるいは、断線等でセルの開放故障が生じた場合も、そのセルが過電圧破壊されるおそれがある。これにより、そのセルを含むモジュールが役に立たなくなる。１個のモジュールが役に立たなくなると、蓄電部の容量が大きく減少する。残りの４個のモジュールだけでは蓄電部への要求性能を満足できなくなってしまう可能性がある。したがって、一部のセルが役に立たなくなった場合でも、蓄電部全体として容量を維持することが求められる。

特許文献１に開示されたキャパシタ蓄電装置では、過電圧保護回路が各セルに並列に接続される。過電圧保護回路によって、定常状態において、高抵抗化が生じたセルに印加される電圧が所定の基準電圧以上となることが防がれる。これにより、高抵抗化が生じたセルが過電圧破壊されることを防止できる。

しかしながら、特許文献１に開示されたキャパシタ蓄電装置では、過渡的な状態（たとえば放電時）において、高抵抗化が生じたセルに耐圧を超える電圧が印加される可能性がある。したがって、高抵抗化が生じたセルの過電圧破壊を防止することができない。

本発明の目的は、高抵抗化が生じたセルを過電圧破壊から保護するとともに、一部のセルに高抵抗化が生じた場合でも、蓄電部全体として容量を概ね維持可能な蓄電装置を提供することである。

本発明のある局面に従えば、蓄電装置は、蓄電モジュールを備える。蓄電モジュールは、複数のセルと、複数の第１の過電圧保護回路とを含む。複数のセルは、各々が正極および負極を有し、直列に接続される。複数の第１の過電圧保護回路は、複数のセルにそれぞれ並列に接続される。複数の第１の過電圧保護回路の各々は、第１のスイッチと、第１の電圧検出部と有する。第１のスイッチは、複数のセルのうちの対応するセルの正極と負極との間に電気的に接続され、第１の導通信号に応答して、非導通状態から導通状態へと移行する。第１の電圧検出部は、正極と負極との間の電極間電圧を検出して、電極間電圧が所定の第１の基準電圧を上回る場合に、第１の導通信号を出力する。

好ましくは、第１の基準電圧は、複数のセルの各々の満充電状態における電極間電圧よりも高く設定される。

好ましくは、蓄電モジュールは、複数の第２の過電圧保護回路をさらに含む。複数の第２の過電圧保護回路は、複数のセルにそれぞれ並列に接続される。複数の第２の過電圧保護回路の各々は、第２の電圧検出部と、分流抵抗と、第２のスイッチとを有する。第２のスイッチは、複数のセルのうちの対応するセルの正極と負極との間に電気的に接続され、第２の導通信号に応答して、非導通状態から導通状態へと移行する。第２の電圧検出部は、正極と負極との間の電極間電圧を検出して、電極間電圧が所定の第２の基準電圧を上回る場合に、第２の導通信号を出力する。分流抵抗は、第２のスイッチと直列に接続される。第２の基準電圧は、満充電状態における電極間電圧よりも高く、かつ第１の基準電圧よりも低く設定される。

好ましくは、蓄電モジュールは、複数のセルのうちのいずれかの開放故障に備えて、複数のセルに直列に接続された予備のセルをさらに含む。

好ましくは、蓄電モジュールは、複数の分圧抵抗をさらに含む。複数の分圧抵抗は、複数のセルにそれぞれ並列に接続される。

好ましくは、直流電源は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータである。蓄電装置は、コンバータと、インバータとをさらに備える。インバータは、コンバータからの直流電力および蓄電モジュールに蓄えられた直流電力を交流電力に変換して、当該交流電力を負荷に供給可能に構成される。

好ましくは、蓄電装置は、警告を発する警告部と、警告部を制御する制御回路とをさらに備える。制御回路は、複数の第１の過電圧保護回路の各々から、第１の導通信号の出力の有無を示す信号を受ける。制御回路は、信号が、複数の第１の過電圧保護回路のうちの少なくとも一つにおける第１の導通信号の出力を示す場合に、警告を発するように警告部を制御する。

本発明によれば、高抵抗化が生じたセルを過電圧破壊から保護するとともに、一部のセルに高抵抗化が生じた場合でも、蓄電部全体として容量を概ね維持可能な蓄電装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る蓄電装置を概略的に示す回路ブロック図である。 図１に示した蓄電部の構成を概略的に示す回路図である。 従来の蓄電装置が備える第２の過電圧保護回路の構成を概略的に示す回路図である。 図１に示した蓄電装置が備える第１の過電圧保護回路の構成を概略的に示す回路図である。 図３および図４にそれぞれ示した第１および第２の過電圧保護回路における、セルの高抵抗化に伴う電極間電圧の変化を比較するための図である。 図２に示した蓄電部の放電を説明するための図である。 図３および図４にそれぞれ示した第１および第２の過電圧保護回路において、蓄電部の放電時の電極間電圧の変化を比較するための図である。 蓄電部の放電後における、分圧回路が並列に接続された各セルでの電圧降下を説明するための図である。 図２に示した蓄電部において、セルの個数に冗長性を持たせる構成について説明するための図である。 図４に示した第１の過電圧保護回路から制御回路への第１の導通信号の伝達を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る蓄電装置が備える第１および第２の過電圧保護回路の構成を概略的に示す回路ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明を繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る無停電電源装置の構成を概略的に示す回路ブロック図である。図１を参照して、無停電電源装置（蓄電装置）１００は、たとえば常時インバータ給電方式の無停電電源装置である。無停電電源装置１００は、蓄電部３と、コンバータ４と、インバータ５と、絶縁トランス６と、制御回路８と、スイッチ９１と，無瞬断切替スイッチ（Static Transfer Switch）９２と、警告部９とを備える。なお、本発明に係る「蓄電装置」は、蓄電部を備えるのであれば無停電電源装置に特に限定されない。

交流電源７１，７２の各々は交流電力を供給し、たとえば三相交流電源である。交流電源７１，７２の各々は単相交流電源であってもよい。無停電電源装置１００は交流電源７２から交流電力を受けて、その交流電力を負荷１１に供給する。また、無停電電源装置１００は、コンバータ４またはインバータ５に故障が生じた場合でも給電を継続するために、別系統の交流電源７１から交流電力を受けることが可能に構成されている。

スイッチ９１の一方端子は、交流電源７１からの交流電圧を受ける。スイッチ９１の他方端子は負荷１１に電気的に接続される。無瞬断切替スイッチ９２は、スイッチ９１に並列に接続される。

制御回路８は無停電電源装置１００を制御する。制御回路８は、たとえばマイクロコンピュータである。コンバータ４は、制御回路８からの制御信号ＣＴＲＬ１に基づいて、交流電源７２からの交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をインバータ５および蓄電部３に供給する。蓄電部３は、コンバータ４によって生成された直流電力を蓄える。蓄電部３は、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、もしくは鉛蓄電池などの蓄電池、または電気二重層キャパシタもしくはリチウムイオンキャパシタなどのキャパシタである。インバータ５は、制御回路８からの制御信号ＣＴＲＬ２に基づいて、コンバータ４または蓄電部３からの直流電力を交流電力に変換して、その交流電力を絶縁トランス６に出力する。絶縁トランス６は、インバータ５からの交流電圧を負荷１１に伝達する。

負荷１１は、交流電力を消費する電気機器であれば特に限定されない。負荷１１は、たとえばパーソナルコンピュータまたはサーバである。

警告部９は、蓄電部３の異常が生じた場合に、制御回路８による制御に基づいて、無停電電源装置１００の使用者または管理者に警告を発する。警告を発する方法としては、異常報知灯（図示せず）を点灯させる、警告音を発生させる、または制御回路８の表示画面（図示せず）にメッセージを表示するなどの手法を採用することができる。

無停電電源装置１００は、インバータ給電モードおよびバイパス給電モードを有する。インバータ給電モードにおいて、コンバータ４は、交流電源７２からの交流電力を直流電力に変換して、その直流電力をコンバータ４および蓄電部３に供給する。インバータ５は、コンバータ４または蓄電部３からの直流電力を交流電力に変換して、その交流電力を絶縁トランス６に出力する。スイッチ９１，９２の各々は非導通状態である。

インバータ５またはコンバータ４の故障が生じた場合に、無停電電源装置１００は、インバータ給電モードからバイパス給電モードに切り替わる。バイパス給電モードでは、無瞬断切替スイッチ９２は、制御回路８による制御に基づいて、非導通状態から導通状態へと移行する。これにより、交流電力を途切れないように負荷１１に供給することができる。また、スイッチ９１は、制御回路８による制御に基づいて、非導通状態から導通状態へと移行する。無瞬断切替スイッチ９２は、スイッチ９１が導通状態へと移行した後に、非導通状態へと再び切り替えられる。このように、バイパス給電モードでは、交流電源７１からの交流電力が負荷１１に直接供給される。一方、コンバータ４およびインバータ５の運転は、制御回路８による制御に基づいて停止される。

図２は、図１に示した蓄電部３の構成を概略的に示す回路図である。図２を参照して、蓄電部３は、並列に接続されたｎ（ｎは自然数）個のモジュール（蓄電モジュール）２１〜２ｎを備える。モジュール２１〜２ｎの各々は、直列に接続されたｍ（ｍは自然数）個のセル１を含む。一例として、ｍ＝２５０、ｎ＝５である。各セル１の定格電圧が約２．５Ｖの場合、各モジュールの定格電圧は約６２５Ｖとなる。なお、蓄電部３にはインバータ５（図１参照）も接続されるが、図２では煩雑になるためコンバータ４のみが示されている。

以上の構成は、実施の形態１に係る無停電電源装置１００に限らず、従来の無停電電源装置でも共通である。従来の無停電電源装置においても、各セルには過電圧保護回路が設けられる。まず従来の蓄電装置が備える過電圧保護回路について説明する。

図３は、従来の無停電電源装置が備える分圧回路の構成を概略的に示す回路図である。図３を参照して、セル１は正極Ｔ１および負極Ｔ２を含む。セル１の正極Ｔ１と負極Ｔ２との間（電極間）には、分圧抵抗Ｒと分圧回路２０とが並列に接続される。

セル１は、コンデンサＣと，内部抵抗Ｒａと、漏れ抵抗Ｒｂとを含む等価回路によって表わされる。セル１の電極間に、内部抵抗ＲａとコンデンサＣとが直列に接続される。漏れ抵抗Ｒｂとは、コンデンサＣの漏れ電流の大きさに対応する抵抗成分である。漏れ抵抗Ｒｂは、内部抵抗ＲａとコンデンサＣとの直列回路に並列に接続される。

コンデンサＣに電荷が蓄積されていない初期充電時には、各セル１は、他のセル１との間でのコンデンサＣの静電容量の反比（逆数の比）に応じて充電される。言い換えると、静電容量Ｃ１のセルの電圧と、静電容量Ｃ２のセルの電圧との比は、１／Ｃ１：１／Ｃ２と表わされる。充電が完了した後の定常状態においても、モジュールには充電電圧が継続して印加される。

漏れ抵抗Ｒｂの抵抗値（たとえば１，０００Ω）は、内部抵抗Ｒａの抵抗値（たとえば２ｍΩ）と比べて著しく高い。モジュールの充電状態が長期間継続されると、各セル１の正極Ｔ１と負極Ｔ２との間の電圧（以下、電極間電圧Ｖ２とも称する）は、他のセル１との間での漏れ抵抗Ｒｂの抵抗値の正比に収束する。言い換えると、漏れ抵抗Ｒｂ１（図示せず）を有するセルの電極間電圧と、漏れ抵抗Ｒｂ２（図示せず）を有する他のセルの電極間電圧とは、Ｒｂ１：Ｒｂ２で表される比に収束する。

製造ばらつき等の要因に起因して、漏れ抵抗Ｒｂの抵抗値は不均一であり得る。このため、漏れ抵抗Ｒｂの抵抗値のばらつきが電極間電圧Ｖ２に与える影響を低減するために、分圧抵抗Ｒがセル１の電極間に並列に接続される。これにより、長期間経過後の各セル１の電極間電圧Ｖ２は、各セル１における漏れ抵抗Ｒｂと分圧抵抗Ｒとの合成抵抗値（Ｒｂ×Ｒ／（Ｒｂ＋Ｒ））に比例した電圧となる。言い換えると、いずれも図示しないが、漏れ抵抗Ｒｂ１０および分圧抵抗Ｒ１０を有するセルの電極間電圧と、漏れ抵抗Ｒｂ２０および分圧抵抗Ｒ２０を有する他のセルの電極間電圧との比は、（Ｒｂ１０×Ｒ１０／（Ｒｂ１０＋Ｒ１０））：（Ｒｂ２０×Ｒ２０／（Ｒｂ２０＋Ｒ２０））に収束する。分圧抵抗Ｒの抵抗値（たとえば１００Ω）は、漏れ抵抗Ｒｂの抵抗値（たとえば１，０００Ω）よりも１桁程度小さく設定される。このため、漏れ抵抗Ｒｂと分圧抵抗Ｒとの合成抵抗値は、分圧抵抗Ｒの抵抗値でほぼ定まる。分圧抵抗Ｒの抵抗値のばらつきは、漏れ抵抗Ｒｂの抵抗値のばらつきよりも小さい。したがって、電極間電圧Ｖ２における漏れ抵抗Ｒｂの抵抗値のばらつきの影響を低減することができる。

分圧回路２０は、電圧検出部ＶＤ２と、分流抵抗Ｒ２と、トランジスタ（第２のスイッチ）Ｑ２とを含む。電圧検出部ＶＤ２は、セル１の電極間電圧Ｖ２を検出する。電圧検出部ＶＤ２は、電極間電圧Ｖ２を所定の基準電圧Ｅ２と比較して、比較結果を示す信号を出力ノードから出力する。基準電圧Ｅ２は、公知の基準電圧生成回路（図示せず）により与えられる。セル１の電極間電圧Ｖ２は、セル１の満充電状態において最も高い。セル１の放電が進むにつれて電極間電圧Ｖ２は減少する。基準電圧Ｅ２は、セル１の満充電状態における電極間電圧Ｖ２よりも高く設定される。一例として、セル１の満充電状態における電極間電圧Ｖ２が２．５Ｖである場合、基準電圧Ｅ２は２．６Ｖに設定される。

トランジスタＱ２は、たとえばＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。トランジスタＱ２のドレインおよびソースは、セル１の電極間に電気的に接続される。トランジスタＱ２のゲートは、電圧検出部ＶＤ２の出力ノードに電気的に接続される。分流抵抗Ｒ２は、セル１の充放電電流を分流させるために設けられる。分流抵抗Ｒ２は、トランジスタＱ２のドレインと正極Ｔ１との間に電気的に接続される。

電圧検出部ＶＤ２は、電極間電圧Ｖ２が基準電圧Ｅ２を上回った場合、導通信号（第２の導通信号：論理ハイ）Ｓ２をトランジスタＱ２のゲートに出力する。トランジスタＱ２は、導通信号Ｓ２に応答して、非導通状態から導通状態へと移行する。

次に、実施の形態１に係る蓄電装置が備える過電圧保護回路について説明する。図４は、図１に示した無停電電源装置１００が備える短絡回路の構成を概略的に示す回路図である。図４を参照して、短絡回路（第１の過電圧保護回路）１０は、分流抵抗Ｒ２を含まない点において、図３に示した分圧回路２０と異なる。また、電圧検出部（第１の電圧検出部）ＶＤ１からの導通信号Ｓ１は、制御回路８にも出力される。短絡回路１０の他の構成は、分圧回路２０の構成と同等であるため、詳細な説明を繰り返さない。なお、短絡回路１０は、本発明に係る「第１の過電圧保護回路」に相当する。分圧回路２０は、本発明に係る「第２の過電圧保護回路」に相当する。

電圧検出部ＶＤ１は、セル１の電極間電圧Ｖ１を検出し、電極間電圧Ｖ１を所定の基準電圧Ｅ１と比較する。基準電圧Ｅ１は基準電圧Ｅ２よりも大きく設定される。一例として、セル１の満充電状態における電極間電圧Ｖ２が２．５Ｖであって、基準電圧Ｅ２が２．６Ｖである場合、基準電圧Ｅ１は２．８Ｖに設定される。したがって、基準電圧Ｅ１は、モジュール２１〜２ｎを満充電する際に複数のセル１の各々の電極間に印加される電圧の最大値よりも高い。また、基準電圧Ｅ２は、モジュール２１〜２ｎを満充電する際に複数のセル１の各々の電極間に印加される電圧の最大値よりも高く、かつ基準電圧Ｅ１よりも低い。

電圧検出部ＶＤ１は、電極間電圧Ｖ１が基準電圧Ｅ１を上回った場合、導通信号（第１の導通信号：論理ハイ）Ｓ１をトランジスタ（第１のスイッチ）Ｑ１のゲートに出力する。トランジスタＱ１は、導通信号Ｓ１に応答して、非導通状態から導通状態へと移行する。

図５は、図３および図４にそれぞれ示した分圧回路２０および短絡回路１０における、セル１の高抵抗化に伴う電極間電圧Ｖ１，Ｖ２の変化を比較するための図である。図５（Ａ）は、分圧回路２０が並列に接続されたセル１での電極間電圧Ｖ２を示す。図５（Ｂ）は、短絡回路１０が並列に接続されたセル１での電極間電圧Ｖ１を示す。

まず図５（Ａ）を参照して、分圧回路２０が並列に接続されたセル１での電極間電圧Ｖ２について説明する。時刻ｔ０は、セル１に電荷が蓄えられていない状態における任意の時刻である。時刻ｔｃｈにおいて、充電電圧Ｅｃｈの印加による定電圧充電が開始される。

時刻ｔｃｈから時刻ｔ１までの期間、セル１は満充電状態である。この間、セル１には一定の充電電圧Ｅｃｈが継続して印加される。

時刻ｔ１において、セル１の内部抵抗Ｒａの増加が始まる。一方で、他の正常なセルの内部抵抗Ｒａは変化しない。充電電圧Ｅｃｈは、各セルの抵抗値（内部抵抗Ｒａ、漏れ抵抗Ｒｂ、および分圧抵抗Ｒの合成抵抗値）に応じて各セルに分圧される。したがって、セル１の電極間電圧Ｖ２が増加する。

時刻ｔ２において、セル１の電極間電圧Ｖ２が基準電圧Ｅ２を上回る。電圧検出部ＶＤ２はこれを検出して、導通信号Ｓ２をトランジスタＱ２のゲートに出力する。トランジスタＱ２は、導通信号Ｓ２に応答して、非導通状態から導通状態へと移行する。分流抵抗Ｒ２とトランジスタＱ２のオン抵抗との合成抵抗値は、高抵抗化が生じたセル１の抵抗値よりも小さい。したがって、セル１にそれまで流れていた充電電流は、分流抵抗Ｒ２およびトランジスタＱ２のドレイン―ソース間に主に流れる。セル１には充電電流がほとんど流れなくなるので、セル１に蓄えられたエネルギーは増加しない。したがって、セル１の電極間電圧Ｖ２はほぼ基準電圧Ｅ２に維持される。

次に図５（Ｂ）を参照して、短絡回路１０が並列に接続されたセル１の電極間電圧Ｖ１について説明する。時刻ｔ１までの電極間電圧Ｖ１の変化は、同時刻までの電極間電圧Ｖ２の変化と同様であるため、詳細な説明を繰り返さない。基準電圧Ｅ１は基準電圧Ｅ２よりも高く設定される。そのため、時刻ｔ２からさらに時間が経過した時刻ｔ３まで、セル１の内部抵抗Ｒａの増加に伴う電極間電圧Ｖ１の増加が続く。

時刻ｔ３において、電極間電圧Ｖ１が基準電圧Ｅ１を上回る。電圧検出部ＶＤ１はこれを検出して、導通信号Ｓ１をトランジスタＱ１のゲートに出力する。トランジスタＱ１は、導通信号Ｓ１に応答して、非導通状態から導通状態へと移行する。つまり、セル１の電極間が短絡される。トランジスタＱ１のオン抵抗は、漏れ抵抗Ｒｂと分圧抵抗Ｒとの合成抵抗値よりも著しく小さい。このため、セル１に蓄えられた電荷は、トランジスタＱ１のドレイン―ソース間を通って放電される。したがって、セル１の電極間電圧Ｖ１は０Ｖとなる。

このように、短絡回路１０および分圧回路２０は、それぞれセル１の高抵抗化に起因する電極間電圧Ｖ１，Ｖ２の増加を防止することができる。しかしながら、分圧回路２０では、充放電によってセルに過電圧が印加される可能性がある。高抵抗化が生じたセルの電極間電圧Ｖ１，Ｖ２の放電による変化について説明する。

図６は、図２に示した蓄電部３の放電を説明するための図である。図６を参照して、モジュール２１，２ａ，２ｎの各々は、ｍ個のセルを含む。モジュール２ａは、高抵抗化が生じたセル１ａを含む。モジュール２ａのセル１ａ以外のセル１は正常である。モジュール２１，２ｎに含まれるセル１は、すべて正常である。放電電流Ｉ１，Ｉ２は、それぞれモジュール２１，２ｎおよびモジュール２ａを流れる放電電流を表す。なお、セル１，１ａの各々には分圧抵抗Ｒと、短絡回路１０または分圧回路２０とが並列に接続されるが、煩雑になるため図６では示されていない。

図７は、図３および図４にそれぞれ示した分圧回路２０および短絡回路１０において、蓄電部３の放電時の電極間電圧Ｖ１，Ｖ２の変化を比較するための図である。図７を参照して、図７は図５と対比される。

図８は、蓄電部３の放電後における、分圧回路２０が並列に接続された各セルでの電圧降下を説明するための図である。図８を参照して、横軸は各モジュール内のセルを表す。縦軸は、ｍ番目のセルの電位を基準とした各セルの電位を表す。モジュール２１，２ｎ内の各セルの放電後の電位を破線で示す。モジュール２ａ内の各セルの放電後の電位を実線で示す。

まず、図３、図７（Ａ）、および図８を参照して、分圧抵抗Ｒおよび分圧回路２０が並列に接続されたセル１ａでの電圧変化について説明する。時刻ｔ２までのセル１ａの電極間電圧Ｖ２の変化は、図５における同時刻までの電極間電圧Ｖ２の変化と同様であるため、詳細な説明を繰り返さない。

時刻ｔ４において、蓄電部３の放電が開始される。一例として、各セルの定格電圧が約２．５Ｖであって、直列に接続されたセルの数が２５０個である場合、放電開始前のモジュール２１，２ａ，２ｎの各々の電圧は約６２５Ｖである。放電により、正常なモジュール２１，２ｎの各々の電圧は、たとえば１２５Ｖ低下する。モジュール２１，２ｎでは、セル１の各々は均等に放電される。したがって、セル１とセルｍとの間で各セルの電位は直線的に変化する（図８の破線参照）。つまり、各セルでの電圧降下は、１２５Ｖ／２５０＝０．５Ｖである。

高抵抗化が生じたセル１ａを含むモジュール２ａにおいて、正常なセル１の抵抗値（たとえば２ｍΩ）は、分圧抵抗Ｒの抵抗値（たとえば１００Ω）よりも著しく小さい。したがって、放電電流Ｉ２はセル１を流れる。

一方、高抵抗化が生じたセル１ａの抵抗値（たとえば１０，０００Ω）は大きい。分圧抵抗Ｒおよび分流抵抗Ｒ２の抵抗値は、たとえば１００Ωである。トランジスタＱ２のオン抵抗の抵抗値（たとえば１０ｍΩ）も小さい。したがって、高抵抗化が生じたセル１ａでは、放電電流Ｉ２は、分圧抵抗Ｒと、分流抵抗Ｒ２およびトランジスタＱ２のドレイン―ソース間とを主に流れる。

放電電流Ｉ２（たとえば１Ａ）は、正常なモジュール２１，２ｎを流れる放電電流Ｉ１（たとえば１０Ａ）と比較すると小さい。しかし、分圧抵抗Ｒおよび分流抵抗Ｒ２の抵抗値は、いずれも比較的大きい。その結果として、セル１ａの分圧抵抗Ｒおよび分流抵抗Ｒ２での電圧降下ΔＶ（１Ａ×１００Ω＝１００Ｖ）は非常に大きい（図８の実線参照）。このようにモジュール２ａの放電時には、セル１とセルｍとの間での電圧降下のほとんどが、セル１ａの分圧抵抗Ｒまたは分流抵抗Ｒ２での電圧降下ΔＶによって実現される。したがって、放電時にセル１ａの電極間電圧Ｖ２が大幅に増加する。これにより、セル１ａが過電圧破壊に至るおそれがある。

次に、図４および図７（Ｂ）を参照して、短絡回路１０が並列に接続されたセル１ａでの電圧変化について説明する。時刻ｔ３までのセル１の電極間電圧Ｖ１の変化は、図５における同時刻までの電極間電圧Ｖ１の変化と同様であるため、詳細な説明を繰り返さない。

時刻ｔ４において、蓄電部３の放電が開始される。セル１ａの電極間は、短絡回路１０によって短絡されている。上述のように、トランジスタＱ１のオン抵抗の抵抗値（たとえば１０ｍΩ）は、高抵抗化が生じたセル１ａの抵抗値（たとえば１０，０００Ω）および分圧抵抗Ｒの抵抗値（たとえば１００Ω）と比べて著しく小さい。したがって、放電電流Ｉ２は、トランジスタＱ１のドレイン―ソース間を主に流れる。放電電流Ｉ２（たとえば１０Ａ）が大きくても、トランジスタＱ１での電圧降下は非常に小さい（たとえば１０Ａ×１０ｍΩ＝０．１Ｖ）。したがって、放電時にもセル１ａの電極間電圧Ｖ１はほとんど変化しない。よって、セル１ａが過電圧破壊に至ることを防止できる。

蓄電部３の放電による電極間電圧Ｖ１，Ｖ２の変化について説明した。しかし、蓄電部３の初期充電（電荷が蓄積されていない状態からの充電）の前に、たとえば断線または接触不良等により、セル１ａに開放故障が生じる可能性もある。初期充電時には、コンバータ４（図１参照）からの充電電流が、開放故障したセル１ａを含むモジュール２ａに流入する。充電時と放電時とで電流の向きが異なるものの、抵抗での電圧降下は電流の向きに関わらず生じる。したがって、セル１ａの電極間電圧Ｖ１，Ｖ２の変化は、上述の説明と同様であるため、詳細な説明を繰り返さない。

１個のセル１ａの電極間が短絡されると、セル１ａに印加されるべき電圧が他の正常なセル１の各々に分圧される。しかし、モジュールには多数（たとえば２５０個）のセルが直列に接続される。このため、正常なセル１の各々の電極間電圧Ｖ１への影響は軽微である。一例として、１個のセル１ａが短絡されたとき、２４９個の正常なセル１の各々の電極間電圧Ｖ１の増加量は０．４％程度に過ぎない。したがって、正常な２４９個のセル１は継続して機能する。よって、実施の形態１によれば、セル１ａに高抵抗化が生じた場合でも、蓄電部３の容量を概ね維持することができる。これにより、無停電電源装置１００についての要求性能を安定的に満足することができる。

また、各分流抵抗Ｒ２での電力損失がたとえば１Ｗである場合でも、蓄電部としては１，２５０Ｗの電力損失が生じる。実施の形態１によれば、各セルに分流抵抗Ｒ２を設ける必要がない。このため、この電力損失に相当する分の消費電力が低減される。さらに、この電力損失に相当する熱を除去するための冷却ファンを設ける必要がない。一般に冷却ファンは騒音を生じるとともに故障し易い。実施の形態１によれば、静音化および信頼性の向上を図ることができる。

従来の無停電電源装置では、分圧抵抗Ｒまたは分流抵抗Ｒ２が過電圧破壊される可能性もある。一般に、各モジュールに含まれるすべてのセルの分圧抵抗Ｒおよび分圧回路２０は、同一の基板に設けられる。したがって、一部の分圧抵抗Ｒまたは分流抵抗Ｒ２が破損した場合でも、その修理には基板ごと交換する必要があるため、部材コストが大きい。実施の形態１によれば、分圧抵抗Ｒの破損が防止されるため、このコストを削減することができる。

なお、分圧抵抗Ｒを設けなくてもよい。この場合、分圧回路２０では、セル１ａでの充放電電流が主に分流抵抗Ｒ２を流れる。これにより、分流抵抗Ｒ２で電圧降下ΔＶが生じる。一方、短絡回路１０では、上述の説明と同様に、充放電電流はトランジスタＱ１のドレイン―ソース間を流れる。トランジスタＱ１での電圧降下は非常に小さい。つまり、セル１ａの電極間電圧Ｖ１，Ｖ２の変化は、上述の説明と同様であるため、詳細な説明を繰り返さない。

各モジュールに含まれるセルの個数に冗長性を持たせることにより、モジュールの信頼性を向上することができる。図９は、図２に示した蓄電部３において、セル１の個数に冗長性を持たせる構成について説明するための図である。図９を参照して、上述の２５０直列×５並列の構成の例を用いて説明する。図９（Ａ）は、従来の無停電電源装置における蓄電部の構成を示す図である。図９（Ｂ）は、実施の形態１に係る無停電電源装置１００における蓄電部３の構成を示す図である。

図９（Ａ）を参照して、従来の無停電電源装置が備えるセル１，１ａの各々には、分圧抵抗Ｒと分圧回路２０とが並列に接続される（図３参照）。しかし、煩雑になるため、図９（Ａ）では示されていない。従来の無停電電源装置では、セル１ａが開放故障した場合に、セル１ａを含むモジュール（図９（Ａ）ではモジュール２１，２２）が役に立たなくなる。そのため、１個のセル１の開放故障に備えるために、予備のモジュール２６が追加される。つまり、２５０個のセル１を追加する必要がある。

一方、図９（Ｂ）を参照して、実施の形態１に係る無停電電源装置１００が備えるセル１，１ａの各々には、分圧抵抗Ｒと短絡回路１０とが並列に接続される（図４参照）。しかし、煩雑になるため、図９（Ｂ）では示されていない。実施の形態１に係る無停電電源装置１００では、各モジュールは２５２個のセル１を含む。つまり、モジュール２１〜２５の各々に２個の予備のセル１ｂが追加される。同一のモジュール内で２個のセルが開放故障しても、そのモジュールは正常な２５０個のセルを含む。このため、そのモジュールは正常に機能する。数個のセルがさらに開放故障して、正常なセルの個数が２５０個を下回っても、そのモジュールは正常に機能し得る。

このように、実施の形態１によれば、従来の無停電電源装置での冗長性の持たせ方と比較して、より長期間にわたって蓄電部３の信頼性を確保することが可能になる。また、実施の形態１によれば、５個のモジュール２１〜２５の各々に２個のセル１を追加するだけでよい。つまり、従来の無停電電源装置では２５０個のセル１を追加する必要があるのに対し、実施の形態１に係る無停電電源装置によれば予備のセル１の個数は１０個でよい。

また、従来の無停電電源装置では１個の予備のモジュール２６を追加しても、２個のモジュール２１，２２の各々に含まれるセル１ａに異常が生じた場合には、結果的に１個のモジュールが不足する。このため、必要な容量を確保できない。実施の形態１に係る無停電電源装置によれば、２個以上のモジュールの各々に含まれるセルに異常が生じた場合でもバックアップが可能である。このように、実施の形態１に係る無停電電源装置１００は、部材コストの低減および信頼性の向上の観点からも有利である。

図１０は、図４に示した短絡回路１０から制御回路８への導通信号Ｓ１の伝達を説明するための図である。図１０を参照して、複数のセル１の各々がトランジスタＱ１への導通指令を示す導通信号Ｓ１を発生させる。したがって、セル１の個数と同数（たとえば１，２５０個）の導通信号Ｓ１が発生する。しかし、制御回路８の入力端子（図示せず）の数には制限がある。そのため、複数の短絡回路１０と制御回路８との間に、ＯＲ回路８１〜８ｎおよびＯＲ回路８０が電気的に接続される。

モジュール２１〜２ｎの各々には、ｍ個のセルが含まれる。ＯＲ回路８１〜８ｎは、それぞれモジュール２１〜２ｎからのｍ個の入力信号を受ける。ＯＲ回路８１〜８ｎの各々は、ｍ個の入力信号のうちの少なくとも１つが導通信号Ｓ１（論理ハイ）である場合に、ＯＲ回路８０に論理ハイの信号を出力する。ＯＲ回路８０は、ＯＲ回路８１〜８ｎからｎ個の信号を受ける。ＯＲ回路８０は、ｎ個の入力信号のうちの少なくとも１つが論理ハイである場合に、制御回路８に論理ハイの信号を出力する。これにより、合計（ｍ×ｎ）個の電圧検出部ＶＤ１のうちの少なくとも１つが導通信号Ｓ１を出力した場合に、制御回路８はそれを検出することができる。

また、制御回路８は、蓄電部３の異常を検出した場合、その旨を示す警告を発するように警告部９を制御する。無停電電源装置１００の使用者または管理者は、この警告を受けることにより、無停電電源装置１００の製造業者または保守管理業者に点検を依頼することができる。なお、上述のＯＲ回路の構成は一例であって、ＯＲ回路の個数および段数は適宜設定される。

［実施の形態２］
短絡回路１０と分圧回路２０とを併用することもできる。図１１は、本発明の実施の形態２に係る無停電電源装置が備える過電圧保護回路の構成を概略的に示す回路ブロック図である。図１１を参照して、セル１の電極間に分圧回路２０と短絡回路１０とが並列に接続される。基準電圧Ｅ１は基準電圧Ｅ２よりも高く設定される。

実施の形態２によれば、高抵抗化によりセル１の電極間電圧が徐々に増加して基準電圧Ｅ２を上回った場合、分圧回路２０によってセル１の電極間電圧が基準電圧Ｅ２に維持される。つまり、電極間電圧が基準電圧Ｅ２よりも大きくならないため、各セル１の電極間電圧のばらつきの拡大を抑制できる。電極間電圧のばらつきは、セル１の静電容量のばらつきが大きい場合、またはセル１の劣化のばらつきが大きい場合に拡大し易い。したがって、実施の形態２に係る無停電電源装置は、これらの場合に有効である。

また、高抵抗化の進行または断線等の異常の発生により、セル１ａの電極間電圧が基準電圧Ｅ１を上回った場合には、短絡回路１０によってセル１ａの電極間が短絡される。これにより、セル１ａを過電圧破壊から保護することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１ａ，１ｂ セル、２ａ，２１，２２，２ｎ モジュール、３ 蓄電部、４ コンバータ、５ インバータ、６ 絶縁トランス、７１，７２ 交流電源、８ 制御回路、８０，８１〜８ｎ ＯＲ回路、９ 警告部、１０ 短絡回路、１１ 負荷、２０ 分圧回路、１００ 無停電電源装置、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｅ１，Ｅ２ 基準電圧、Ｑ１，Ｑ２ トランジスタ、Ｒ 分圧抵抗、Ｒ２ 分流抵抗、Ｒａ 内部抵抗、Ｒｂ 漏れ抵抗、Ｔ１ 正極、Ｔ２ 負極、ＶＤ１，ＶＤ２ 電圧検出部。

Claims (5)

1. 直流電源からの直流電力を蓄える蓄電モジュールを備え、
   前記蓄電モジュールは、
   各々が正極および負極を有し、直列に接続された複数のセルと、
   前記複数のセルにそれぞれ並列に接続される、複数の第１の過電圧保護回路と、
   前記複数のセルにそれぞれ並列に接続される、複数の第２の過電圧保護回路とを含み、
   前記複数の第１の過電圧保護回路の各々は、
   前記複数のセルのうちの対応するセルの前記正極と前記負極との間に電気的に接続され、第１の導通信号に応答して、非導通状態から導通状態へと移行する第１のスイッチと、
   前記正極と前記負極との間の電極間電圧を検出して、前記電極間電圧が所定の第１の基準電圧を上回る場合に、前記第１の導通信号を出力する第１の電圧検出部とを有し、
   前記複数の第２の過電圧保護回路の各々は、
   前記複数のセルのうちの対応するセルの前記正極と前記負極との間に電気的に接続され、第２の導通信号に応答して、非導通状態から導通状態へと移行する第２のスイッチと、
   前記正極と前記負極との間の前記電極間電圧を検出して、前記電極間電圧が所定の第２の基準電圧を上回る場合に、前記第２の導通信号を出力する第２の電圧検出部と、
   前記第２のスイッチと直列に接続された分流抵抗とを有し、
   前記第１の基準電圧は、前記複数のセルの各々の満充電状態における前記電極間電圧よりも高く設定され、
   前記第２の基準電圧は、前記満充電状態における前記電極間電圧よりも高く、かつ前記第１の基準電圧よりも低く設定される、蓄電装置。
2. 前記蓄電モジュールは、前記複数のセルのうちのいずれかの開放故障に備えて、前記複数のセルに直列に接続された予備のセルをさらに含む、請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記蓄電モジュールは、前記複数のセルにそれぞれ並列に接続される、複数の分圧抵抗をさらに含む、請求項１に記載の蓄電装置。
4. 前記直流電源は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータであって、
   前記コンバータと、
   前記コンバータからの直流電力および前記蓄電モジュールに蓄えられた直流電力を交流電力に変換して、当該交流電力を負荷に供給可能に構成されたインバータとをさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
5. 警告を発する警告部と、
   前記警告部を制御する制御部とをさらに備え、
   前記制御部は、前記複数の第１の過電圧保護回路の各々から、前記第１の導通信号の出力の有無を示す信号を受けて、前記信号が、前記複数の第１の過電圧保護回路のうちの少なくとも一つにおける前記第１の導通信号の出力を示す場合に、前記警告を発するように前記警告部を制御する、請求項４に記載の蓄電装置。

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