JP6211017B2

JP6211017B2 - フロート充電用の電源システム

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Publication number: JP6211017B2
Application number: JP2015005671A
Authority: JP
Inventors: 瞬望月; 山下　茂治; 茂治山下
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2035-01-15
Also published as: JP2016131474A

Description

本発明は、負荷と二次電池が並列に接続されたシステムに電源を供給するフロート充電用の電源システムに関する。

通信機器や基地局装置などの負荷には通常、バックアップ用の二次電池が接続される。負荷と二次電池が並列に接続された状態で充電することをフロート充電（浮動充電）という。フロート充電用の電源装置は定電圧・定電流を出力し、その出力電流は、負荷に流れる負荷電流と二次電池に流れる充電電流に分岐される。負荷電流と充電電流の和は出力電流に一致する（キルヒホッフの電流則）。近年の負荷容量の増加に対して、複数の電源装置を並列接続することにより電源容量の増加が図られている。

二次電池に過電流が流れると劣化が促進されるため、適正な範囲の電流で二次電池を充電する必要がある。フロート充電では負荷の状態変化により負荷電流が変化すると、充電電流も変化する。従って負荷が軽くなると充電電流が増加し、二次電池の推奨電流の範囲を超えてしまう可能性がある。

特開２０１４−１９３０７７号公報特開平０８−３２９９９０号公報

これに対して、トリクル充電用の電源装置を追加することが考えられるが、コストが高くなり、電源装置を収納する筐体も大きくなる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、フロート充電において低コストで、二次電池の充電電流を適正な範囲に保つ技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のフロート充電用の電源システムは、負荷と二次電池が並列に接続された並列システムに、電源を供給するフロート充電用の電源システムであって、並列接続された複数のスイッチング電源装置と、前記二次電池の充電電流を検出する電流検出部と、前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、を備える。前記電流検出部により検出された充電電流が前記二次電池の推奨上限電流を超えているとき、並列接続された前記複数のスイッチング電源装置の内、マスタのスイッチング電源装置の出力電圧は維持され、スレーブのスイッチング電源装置の出力電圧は前記電圧検出部により検出された前記二次電池の電圧より低い電圧に制御される。

本発明によれば、フロート充電において低コストで、二次電池の充電電流を適正な範囲に保つことができる。

フロート充電の基本回路を示す図である。並列運転されるフロート充電用の電源システムの構成を示す図である。図２の電源システムの電流電圧特性を示す図である。トリクル充電方式を採用した電源システムを説明するための図である。本発明の実施の形態に係る電源システムの構成例を示す図である。図５の電源ユニットの内部構成例を示す図である。電源ユニットのプログラミング電圧と出力電圧の関係を示す図である。電流制限時における図５の電源システムの電流電圧特性を示す図である。変形例に係る電源システムの構成例を示す図である。

図１は、フロート充電の基本回路を示す図である。蓄電池２０は負荷３０に並列に接続される。電源ユニットＰＯ１は、負荷３０と蓄電池２０が並列接続された並列システムに電源を供給する。本実施の形態では、蓄電池２０として鉛蓄電池を使用することを想定する。電源ユニットＰＯ１はスイッチング電源装置であり、商用電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換する。電源ユニットＰＯ１は定電圧（ＣＶ）・定電流（ＣＣ）制御され、設定された出力電圧Ｖｏで設定された出力電流Ｉｏを並列システムに供給する。

電源ユニットＰＯ１の出力電流Ｉｏは、負荷３０に流れる負荷電流Ｉ_Ｌと蓄電池２０に流れる充電電流Ｉｃに分岐される。負荷電流Ｉ_Ｌと充電電流Ｉｃの和は、電源ユニットＰＯ１の出力電流Ｉｏに常に一致する（キルヒホッフの電流則）。フロート充電では蓄電池２０の電流経路に、充放電を制御するためのスイッチが設けられず基本的に蓄電池２０と負荷３０が直接接続される。このようにフロート充電は簡素で低コストな充電方式である。

図２は、並列運転されるフロート充電用の電源システム１００の構成を示す図である。負荷の容量増加に伴い、電源ユニットの並列運転にて電源容量の増加が図られている。図２に示す例では、電源ユニットＰＯ１、電源ユニットＰＯ２及び電源ユニットＰＯ３の３つの電源ユニットの並列システムにより電源システム１００が構成されている。なお並列数は３に限るものでなく、負荷３０の容量に応じて任意の数の電源ユニットを並列接続できる。

図２に示す例では、負荷電流Ｉ_Ｌと充電電流Ｉｃの和は、電源ユニットＰＯ１の出力電流Ｉｏ１と電源ユニットＰＯ２の出力電流Ｉｏ２と電源ユニットＰＯ３の出力電流Ｉｏ３の和に常に一致する（キルヒホッフの電流則）。電源システム１００の電流供給能力が高くなると蓄電池２０に、推奨上限電流を超える過電流が流れて蓄電池２０を劣化させてしまう可能性がある。フロート充電では、負荷電流Ｉ_Ｌが増えると充電電流Ｉｃが減り、負荷電流Ｉ_Ｌが減ると充電電流Ｉｃが増える関係にあるため、負荷３０が軽くなると推奨上限電流を超える過電流が蓄電池２０に流れる可能性がある。

図３は、図２の電源システム１００の電流電圧特性を示す図である。電源システム１００の出力電圧Ｖｏは、蓄電池２０の設定充電電圧より高い電圧に設定される。各電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の左上がり斜め点線は、蓄電池２０の電圧上昇に伴い、蓄電池２０への充電電流Ｉｃが減少していくことを示している。蓄電池２０の設定充電電圧に到達した後も蓄電池２０への充電電流Ｉｃが減少していき、充電が完了すると蓄電池２０への充電電流Ｉｃがゼロになる。電源システム１００の出力電流Ｉｏは定電流に制御されるため、負荷変動（負荷電流Ｉ_Ｌの変化）に応じて充電電流Ｉｃが変化する。なお図３の例では、各電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の設定値は、電源ユニットＰＯ１＞電源ユニットＰＯ２＞電源ユニットＰＯ３に設定されている。

鉛蓄電池の推奨充電レートは一般に、０．１〜０．３Ｃである。以下、蓄電池２０の容量が３８．０Ａｈ、各電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の出力電流が１０．０Ａの例を考える。蓄電池２０の推奨電流の範囲は３．８（＝３８．０×０．１）〜１１．４（＝３８．０×０．３）Ａとなる。電源ユニットの並列数は３であるため、電源システム１００の出力電流は３０．０Ａとなる。負荷電流Ｉ_Ｌの範囲を１．０〜２４．０Ａとすると、充電電流Ｉｃの範囲は２９．０〜６．０Ａとなる。この状態で電源システム１００から蓄電池２０に充電すると、負荷電流Ｉ_Ｌが１８．６Ａを超えていれば、充電電流Ｉｃが１１．４Ａ以下となり蓄電池２０の推奨電流の範囲を満たすが、負荷電流Ｉ_Ｌが１８．６Ａ以下になると充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流を超えてしまう。この対策として、充電専用の電源ユニットを追加して当該充電専用の電源ユニットからトリクル充電することが考えられる。

図４は、トリクル充電方式を採用した電源システム１００を説明するための図である。図４の電源システム１００は、図２の電源システム１００に充電専用の電源ユニットＰＯｃ及びダイオードＤ１を追加した構成である。充電専用の電源ユニットＰＯｃの入力端子および出力端子は、並列接続された３つの電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の結合点と負荷３０を結ぶ経路に接続される。充電専用の電源ユニットＰＯｃの出力端子と当該経路との間には、充電専用の電源ユニットＰＯｃ側をアノード、当該経路側をカソードとするダイオードＤ１が挿入される。充電専用の電源ユニットＰＯｃの出力端子は蓄電池２０に直接接続される。

充電専用の電源ユニットＰＯｃは、電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の出力電圧を充電電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータで構成される。この充電電圧は、負荷３０に印加される電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の出力電圧より低い値に設定される。従って通常動作時はダイオードＤ１のアノード側の電位がカソード側の電位より低くなり、充電専用の電源ユニットＰＯｃ及び蓄電池２０から負荷３０に電流が流れない。停電時は電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の出力電圧が低下するため、ダイオードＤ１のアノード側の電位がカソード側の電位より高くなり、蓄電池２０から負荷３０に電流が流れる。なお充電専用の電源ユニットＰＯｃをＡＣ−ＤＣコンバータで構成し、当該ＡＣ−ＤＣコンバータの入力端子を交流電源に接続してもよい。

図４に示す回路では蓄電池２０に推奨上限電流を超える電流が流れることを回避できるが、充電専用の電源ユニットＰＯｃを追加する必要があるためコスト高となり、電源システム１００の筐体も大きくなる。以下に説明する本実施の形態では、低コストで回路規模の増大を抑制しつつ、フロート充電時に蓄電池２０に過大な電流が流れることを防止できる技術を提案する。

図５は、本発明の実施の形態に係る電源システム１００の構成例を示す図である。本実施の形態では並列接続された３つの電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の内、１つの電源ユニットＰＯ１がマスタに設定され、２つの電源ユニットＰＯ２がスレーブに設定される。

蓄電池２０のプラス端子とオペアンプＡＰ１の非反転入力端子が抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ６を介して接続される。抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ６の分圧点は、抵抗Ｒ５を介して蓄電池２０のマイナス端子に接続される。オペアンプＡＰ１の非反転入力端子とグラウンドとの間に抵抗Ｒ７が接続され、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７の分圧点電圧がオペアンプＡＰ１の非反転入力端子に印加される。

蓄電池２０のマイナス端子とオペアンプＡＰ１の反転入力端子が抵抗Ｒ８を介して接続される。オペアンプＡＰ１の反転入力端子とオペアンプＡＰ１の出力端子は抵抗Ｒ９を介して接続される。オペアンプＡＰ１と抵抗Ｒ２〜抵抗Ｒ９は反転増幅器を構成し、蓄電池２０の電圧を検出する電圧検出部として機能する。

オペアンプＡＰ１の出力端子は抵抗Ｒ１０を介してオペアンプＡＰ４の非反転入力端子に接続される。オペアンプＡＰ４の非反転入力端子とグラウンドとの間に抵抗Ｒ１１が接続され、抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１の分圧点電圧がノードＮ１に印加される。

蓄電池２０の充放電用の経路に抵抗Ｒ１が挿入される。抵抗Ｒ１はシャント抵抗で構成される。抵抗Ｒ１の一端とオペアンプＡＰ２の非反転入力端子が抵抗Ｒ１２を介して接続される。オペアンプＡＰ２の非反転入力端子とグラウンドとの間に抵抗Ｒ１３が接続され、抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３の分圧点電圧がオペアンプＡＰ２の非反転入力端子に印加される。

抵抗Ｒ１の他端とオペアンプＡＰ２の反転入力端子が抵抗Ｒ１４を介して接続される。オペアンプＡＰ２の反転入力端子とオペアンプＡＰ２の出力端子は抵抗Ｒ１５を介して接続される。オペアンプＡＰ２と抵抗Ｒ１２〜抵抗Ｒ１５は反転増幅器を構成し、蓄電池２０の充電電流Ｉｃを検出する電流検出部として機能する。

オペアンプＡＰ２の出力端子と比較器ＣＰ１の非反転入力端子が抵抗Ｒ１６を介して接続される。比較器ＣＰ１の反転入力端子には基準電圧Ｖｒ１が印加される。比較器ＣＰ１の非反転入力端子と比較器ＣＰ１の出力端子が、抵抗Ｒ１７及びダイオードＤ２を介して接続される。比較器ＣＰ１は、上記の電流検出部により検出された充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流以下のときローレベルを出力し、推奨上限電流を超えるときハイレベルを出力する。

オペアンプＡＰ２の出力端子とオペアンプＡＰ３の反転入力端子が抵抗Ｒ１９を介して接続される。オペアンプＡＰ３の非反転入力端子には抵抗Ｒ１８を介して基準電圧Ｖｒ１が印加される。オペアンプＡＰ３の反転入力端子とオペアンプＡＰ３の出力端子が、抵抗Ｒ２０とコンデンサＣ１の並列回路を介して接続される。オペアンプＡＰ３、抵抗Ｒ１８〜抵抗Ｒ２０及びコンデンサＣ１は、オペアンプＡＰ３の非反転入力端子と反転入力端子間の誤差を増幅する誤差増幅器（エラーアンプ）として機能する。当該誤差増幅器は、上記の電流検出部で検出された蓄電池２０の充電電流Ｉｃに応じた電圧を出力する。

当該誤差増幅器の出力端子はダイオードＤ３及び抵抗Ｒ２１を介して上記ノードＮ１に接続される。ダイオードＤ３は当該誤差増幅器側がカソード、当該ノードＮ１側がアノードの向きに接続される。即ち当該ノードＮ１から電流を引き抜くように接続される。当該ノードＮ１には上記の電圧検出部により検出された蓄電池２０の電圧に応じた電圧が印加される。従って当該ノードＮ１で、蓄電池２０の電圧に応じた電圧から、蓄電池２０の充電電流Ｉｃに相当する成分が取り除かれることになる。

当該ノードＮ１とオペアンプＡＰ４の非反転入力端子が接続される。オペアンプＡＰ４の反転入力端子には抵抗Ｒ２２を介して基準電圧Ｖｒ２が印加される。オペアンプＡＰ４の反転入力端子とオペアンプＡＰ４の出力端子が、抵抗Ｒ２３を介して接続される。オペアンプＡＰ４、抵抗Ｒ２２及び抵抗Ｒ２３は、オペアンプＡＰ４の非反転入力端子と反転入力端子間の誤差を増幅する誤差増幅器（エラーアンプ）として機能する。

オペアンプＡＰ５の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒ３が印加される。オペアンプＡＰ５の反転入力端子とオペアンプＡＰ５の出力端子は接続される。オペアンプＡＰ５の出力端子はダイオードＤ４及び抵抗Ｒ２４を介してマスタの電源ユニットＰＯ１のプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子に接続される。ダイオードＤ４はオペアンプＡＰ５の出力端子側がアノード、プログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子側がカソードの向きに接続される。オペアンプＡＰ５は、プログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子にプログラミング電圧を供給する基準電圧バッファを構成する。

同様に、オペアンプＡＰ６の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒ３が印加される。オペアンプＡＰ６の反転入力端子とオペアンプＡＰ６の出力端子は接続される。オペアンプＡＰ６の出力端子はダイオードＤ５及び抵抗Ｒ２５を介してスレーブの電源ユニットＰＯ２のプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子に接続される。ダイオードＤ５はオペアンプＡＰ６の出力端子側がアノード、プログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子側がカソードの向きに接続される。オペアンプＡＰ６は、プログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子にプログラミング電圧を供給する基準電圧バッファを構成する。

同様に、オペアンプＡＰ７の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒ３が印加される。オペアンプＡＰ７の反転入力端子とオペアンプＡＰ７の出力端子は接続される。オペアンプＡＰ７の出力端子はダイオードＤ６及び抵抗Ｒ２６を介してスレーブの電源ユニットＰＯ３のプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子に接続される。ダイオードＤ６はオペアンプＡＰ７の出力端子側がアノード、プログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子側がカソードの向きに接続される。オペアンプＡＰ７は、プログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子にプログラミング電圧を供給する基準電圧バッファを構成する。

スレーブの電源ユニットＰＯ２のプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子と抵抗Ｒ２５との間のノードと、オペアンプＡＰ４の出力端子がアナログスイッチＳＷ１を介して接続される。同様に、スレーブの電源ユニットＰＯ３のプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子と抵抗Ｒ２６との間のノードと、オペアンプＡＰ４の出力端子がアナログスイッチＳＷ２を介して接続される。なおアナログスイッチの代わりに、リレー等の他の種類のスイッチを使用してもよい。

比較器ＣＰ１の出力端子と電源電圧Ｖｃｃが抵抗Ｒ２７及びダイオードＤ７を介して接続される。ダイオードＤ７は電源電圧Ｖｃｃ側がアノード、比較器ＣＰ１の出力端子側がカソードの向きに接続される。抵抗Ｒ２７とダイオードＤ７との間の分圧点電圧によりアナログスイッチＳＷ１が制御される。

同様に、比較器ＣＰ１の出力端子と電源電圧Ｖｃｃが抵抗Ｒ２８及びダイオードＤ８を介して接続される。ダイオードＤ８は電源電圧Ｖｃｃ側がアノード、比較器ＣＰ１の出力端子側がカソードの向きに接続される。抵抗Ｒ２８とダイオードＤ８との間の分圧点電圧によりアナログスイッチＳＷ２が制御される。

蓄電池２０の充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流以下のときは、比較器ＣＰ１がローレベルを出力するため電源電圧Ｖｃｃから抵抗Ｒ２７及びダイオードＤ７を介して電流が流れる。従って抵抗Ｒ２７とダイオードＤ７との間の分圧点電圧が低下し、アナログスイッチＳＷ１はオフ状態に制御される。同様に、電源電圧Ｖｃｃから抵抗Ｒ２８及びダイオードＤ８を介して電流が流れる。従って抵抗Ｒ２８とダイオードＤ８との間の分圧点電圧が低下し、アナログスイッチＳＷ２もオフ状態に制御される。

蓄電池２０の充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流を超えるときは、比較器ＣＰ１がハイレベルを出力するためダイオードＤ７に電流が流れなくなる。従って抵抗Ｒ２７とダイオードＤ７との間の分圧点電圧が上昇し、アナログスイッチＳＷ１はオン状態に制御される。同様に、ダイオードＤ８にも電流が流れなくなる。従って抵抗Ｒ２８とダイオードＤ８との間の分圧点電圧が上昇し、アナログスイッチＳＷ２もオン状態に制御される。

アナログスイッチＳＷ１がオン状態になると、スレーブの電源ユニットＰＯ２のプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子と抵抗Ｒ２５との間のノードと、オペアンプＡＰ４の出力端子が導通する。これにより当該ノードから蓄電池２０の電圧に応じた成分が引かれることになる。同様に、アナログスイッチＳＷ２がオン状態になると、スレーブの電源ユニットＰＯ３のプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子と抵抗Ｒ２６との間のノードと、オペアンプＡＰ４の出力端子が導通する。これにより当該ノードから蓄電池２０の電圧に応じた成分が引かれることになる。

電源ユニットＰＯ１の電流バランスＣＢ端子と、電源ユニットＰＯ２の電流バランスＣＢ端子と、電源ユニットＰＯ３の電流バランスＣＢ端子が接続される。スレーブの電源ユニットＰＯ２の電流バランスＣＢ端子にはフォトスイッチＰＳ１が接続され、フォトスイッチＰＳ１を介して他の電源ユニットの電流バランスＣＢ端子と接続される。同様に、スレーブの電源ユニットＰＯ３の電流バランスＣＢ端子にはフォトスイッチＰＳ２が接続され、フォトスイッチＰＳ２を介して他の電源ユニットの電流バランスＣＢ端子と接続される。マスタの電源ユニットＰＯ１の電流バランスＣＢ端子にはフォトスイッチを接続する必要はない。

抵抗Ｒ２９、フォトスイッチＰＳ１のフォトダイオード、及びフォトスイッチＰＳ２のフォトダイオードは、電源電圧Ｖｃｃと比較器ＣＰ１の出力端子との間に接続される。当該２つのフォトダイオードは電源電圧Ｖｃｃ側がアノード、比較器ＣＰ１の出力端子側がカソードの向きに接続される。

蓄電池２０の充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流以下のときは、比較器ＣＰ１がローレベルを出力するため電源電圧Ｖｃｃから抵抗Ｒ２９及び上記２つのフォトダイオードに電流が流れる。従ってフォトスイッチＰＳ１及びフォトスイッチＰＳ２が導通状態に制御され、電流バランス機能が有効になる。電流バランス機能は、並列接続された複数の電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の出力電流が均等になるよう制御する機能である。

蓄電池２０の充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流を超えるときは、比較器ＣＰ１がハイレベルを出力するため上記２つのフォトダイオードに電流が流れなくなる。従ってフォトスイッチＰＳ１及びフォトスイッチＰＳ２が非導通状態に制御され、電流バランス機能が無効になる。

図６は、図５の電源ユニットＰＯ１の内部構成例を示す図である。なおマスタの電源ユニットＰＯ１、スレーブの電源ユニットＰＯ２、及びスレーブの電源ユニットＰＯ３の内部構成は同じであり、ここでは代表として電源ユニットＰＯ１の内部構成を説明する。

電源ユニットＰＯ１の入力端子ＩＮに交流電圧が入力される。整流回路１１は交流入力電圧を整流する。整流回路１１は例えばダイオードブリッジ回路で構成される。ＰＦＣ回路１２は整流された電圧の力率を改善する。ＰＦＣ回路１２は例えば昇圧チョッパで構成される。

電力変換部１３はＤＣ−ＤＣコンバータである。ＰＦＣ回路１２の出力両端はトランスＴ１の一次巻線の両端に接続される。ＰＦＣ回路１２と一次巻線との間にスイッチング素子Ｍ１が挿入される。スイッチング素子Ｍ１は例えばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等で構成できる。図６ではスイッチング素子Ｍ１としてＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴを使用している。なお一次側のインバータ部の構成は一例であり、４つのスイッチング素子で構成されるフルブリッジ回路などを使用してもよい。インバータ部に含まれるスイッチング素子は、電源ユニットＰＯ１の出力電圧および出力電流を調整するために使用される。

トランスＴ１の二次巻数には、ダイオードＤ１０及びダイオードＤ１１で構成される整流回路が接続され、当該二次巻数の両端電圧が整流される。整流された電圧は、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１０で構成される平滑化回路で平滑化される。

二次巻数の一端と、電源ユニットＰＯ１のマイナス出力ＯＵＴ（−）端子との間の経路に抵抗Ｒ３０が挿入される。なお抵抗Ｒ３０は二次巻数の一端と、電源ユニットＰＯ１のプラス出力ＯＵＴ（＋）端子との間の経路に挿入されてもよい。電流検出回路１４は、抵抗Ｒ３０の両端電圧を検出して、電源ユニットＰＯ１の出力電流に応じた電圧を出力する。抵抗Ｒ３１は電流検出回路１４の出力経路に挿入され、電流検出回路１４の出力端子は抵抗Ｒ３１を介して電流バランスＣＢ端子に接続される。即ち複数の電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の各電流検出回路１４の出力経路の先端が結合される。

オペアンプＡＰ１０の非反転入力端子と抵抗Ｒ３１の一端が抵抗Ｒ３２を介して接続される。オペアンプＡＰ１０の反転入力端子と抵抗Ｒ３１の他端が抵抗Ｒ３３を介して接続される。オペアンプＡＰ１０の反転入力端子とオペアンプＡＰ１０の出力端子が抵抗Ｒ３４を介して接続される。オペアンプＡＰ１０、抵抗Ｒ３２〜抵抗Ｒ３４は、抵抗Ｒ３１の両端電圧を増幅する誤差増幅器（エラーアンプ）として機能する。オペアンプＡＰ１０の出力端子はダイオードＤ１２を介してノードＮ２に接続される。ダイオードＤ１２はオペアンプＡＰ１０側がアノード、当該ノードＮ２側がカソードの向きに接続される。

並列接続されている複数の電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の出力電流が全て等しい場合は、抵抗Ｒ３１に電流が流れないが、電流バランスが崩れると出力電流が大きい電源ユニットの電流検出回路１４から、出力電流が小さい電源ユニットの電流検出回路１４に電流が流れる。従って複数の電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３の出力電流をバランスさせるために必要な電流の量および向きに相当する電圧が、オペアンプＡＰ１０から上記ノードＮ２に出力されることになる。

オペアンプＡＰ１１の非反転入力端子は当該ノードＮ２に接続される。当該ノードＮ２は抵抗Ｒ３８を介してプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子に接続される。また当該ノードＮ２はダイオードＤ１２を介して上記誤差増幅器と接続される。オペアンプＡＰ１１の非反転入力端子と当該ノードＮ２との間のノードに、抵抗Ｒ３５を介して基準電圧Ｖｒ１０が印加される。電源ユニットＰＯ１のプラス出力ＯＵＴ（＋）端子とオペアンプＡＰ１１の反転入力端子が抵抗Ｒ３６を介して接続される。オペアンプＡＰ１１の反転入力端子とオペアンプＡＰ１１の出力端子は抵抗Ｒ３７を介して接続される。オペアンプＡＰ１１と抵抗Ｒ３５〜抵抗Ｒ３８は、電源ユニットＰＯ１の出力電圧Ｖｏ１と、プログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ及び電流バランス調整電圧に基づく参照電圧を比較して両者の誤差を増幅する誤差増幅器として機能する。当該誤差増幅器は、電源ユニットＰＯ１の出力電圧を検出してスイッチングコントローラ１５に出力する出力電圧検出部としての作用を担う。

スイッチングコントローラ１５はオペアンプＡＰ１１の出力電圧をもとに、電源ユニットＰＯ１の出力電圧Ｖｏ１を一定に保つようスイッチング素子Ｍ１を制御する。

スイッチングコントローラ１５は例えば比較器で構成できる。当該比較器はオペアンプＡＰ１１の出力電圧と、図示しない発振器により生成されるクロック信号電圧とを比較して、その比較結果により生成されるＰＷＭ信号をスイッチング素子Ｍ１の制御端子（ゲート端子）に供給する。

即ちスイッチングコントローラ１５は、電源ユニットＰＯ１の出力電圧Ｖｏ１及び／又は出力電流Ｉｏ１に応じてスイッチング素子Ｍ１のデューティ比を適応的に変化させ、電源ユニットＰＯ１の出力電圧Ｖｏ１及び出力電流Ｉｏ１を一定に保つよう制御する。

図７は、電源ユニットのプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯと出力電圧Ｖｏの関係を示す図である。図７から分かるようにプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯを低下させることにより、出力電圧Ｖｏの設定値を下げることができる。図５、図６に示す電源システム１００では、蓄電池２０の充電電流Ｉｃを検出して、充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流を超える場合、スレーブの電源ユニットＰＯ２、ＰＯ３のプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯを低下させている。これによりスレーブの電源ユニットＰＯ２、ＰＯ３の出力設定電圧が低下し、スレーブの電源ユニットＰＯ２、ＰＯ３から蓄電池２０への電流供給が停止する。マスタの電源ユニットＰＯ１の出力電流Ｉｏ１は蓄電池２０の推奨上限電流以下に設定される。これにより充電電流Ｉｃを推奨上限電流以下に抑えることができる。

以下、より具体的に説明する。マスタの電源ユニットＰＯ１のオペアンプＡＰ１１の非反転入力端子には、プログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子を介して固定の基準電圧が参照電圧として入力される。マスタの電源ユニットＰＯ１のプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子には、蓄電池２０の状態に応じて電流を引き抜く系が存在しないため、蓄電池２０の状態に関係なく参照電圧は常に固定である。

スレーブの電源ユニットＰＯ２のオペアンプＡＰ１１の非反転入力端子には、蓄電池２０の充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流以下のとき、プログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯ端子を介して固定の基準電圧が参照電圧として入力される。一方、蓄電池２０の充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流を超えているとき、当該固定の基準電圧から蓄電池２０のの電圧に応じた電圧分低下した電圧が参照電圧として入力される。

アナログスイッチＳＷ１は蓄電池２０の充電電流Ｉｃに応じて制御されるスイッチであり、充電電流Ｉｃが推奨上限電流を超えるときオン状態に制御され、超えないときオフ状態に制御される。アナログスイッチＳＷ１がオン状態に制御されると、スレーブの電源ユニットＰＯ２のオペアンプＡＰ１１の非反転入力端子と、蓄電池２０の電圧に応じた電圧を出力するオペアンプＡＰ４の出力端子が導通する。これによりオペアンプＡＰ１１の参照電圧とすべきプログラミング電圧Ｖ_ＰＲＯが低下し、スレーブの電源ユニットＰＯ２の出力電圧Ｖｏ２が低下する。スレーブの電源ユニットＰＯ３の出力電圧Ｖｏ３も同様に低下する。

図８は、電流制限時における図５の電源システム１００の電流電圧特性を示す図である。負荷３０が軽くなり、蓄電池２０の充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流を超えるとアナログスイッチＳＷ１及びアナログスイッチＳＷ２がターンオンする。これによりスレーブの電源ユニットＰＯ２の出力電圧Ｖｏ２及びスレーブの電源ユニットＰＯ３の出力電圧Ｖｏ３が、蓄電池２０の電圧より低い電圧に制御される。この状態になってもマスタの電源ユニットＰＯ１の出力電圧Ｖｏ１（≒電源システム１００の出力電圧Ｖｏ）は、蓄電池２０の設定充電電圧より高い状態が維持される。この状態では電源ユニットＰＯ１の出力電流Ｉｏ１により負荷電流Ｉ_Ｌと充電電流Ｉｃの両方がまかなわれる。

負荷３０が重くなる、又は充電完了に近づくことにより充電電流Ｉｃが低下し、充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流以下になるとアナログスイッチＳＷ１及びアナログスイッチＳＷ２がターンオフする。これによりスレーブの電源ユニットＰＯ２の出力電圧Ｖｏ２及びスレーブの電源ユニットＰＯ３の出力電圧Ｖｏ３が、マスタの電源ユニットＰＯ１の出力電圧Ｖｏ１まで復帰し、並列運転が再開される。

以上説明したように本実施の形態によれば、蓄電池２０の充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流を超えると、スレーブの電源ユニットＰＯ２、ＰＯ３の設定出力電圧を低下させて充電電流Ｉｃに制限をかける。これによりフロート充電において、蓄電池２０の充電電流Ｉｃを適正な範囲に保つことができる。しかも図４に示したような充電専用の電源ユニットＰＯｃが不要であり、アナログ素子の追加だけで実現できる。従って低コストかつ回路規模の増大を抑制しつつ、充電電流Ｉｃを適正な範囲に保つことができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図９は、変形例に係る電源システム１００の構成例を示す図である。図５に示した回路構成では、電流制限運転時にマスタの電源ユニットＰＯ１に異常が発生して電源ユニットＰＯ１の動作が停止すると、電源システム１００から負荷３０及び蓄電池２０への電流供給が停止する。変形例ではマスタの電源ユニットＰＯ１に異常が検出されると、スレーブの電源ユニットＰＯ２、ＰＯ３の内、１つの電源ユニットＰＯ２をマスタに変更する仕組みを導入する。

異常検出回路４０はマスタの電源ユニットＰＯ１のアラームＡＬＭ端子に接続される。マスタの電源ユニットＰＯ１は、異常を検出するとアラームＡＬＭ端子から異常検出回路４０にアラーム信号を出力する。

アナログスイッチＳＷ１の状態を制御する電圧を供給しているノードＮ２と、グラウンドとの間にフォトスイッチＰＳ３が接続される。フォトスイッチＰＳ３のフォトダイオード及び抵抗Ｒ４０は、電源電圧Ｖｃｃと異常検出回路４０との間に接続される。当該フォトダイオードは電源電圧Ｖｃｃ側がアノード、異常検出回路４０側がカソードの向きに接続される。

異常検出回路４０がマスタの電源ユニットＰＯ１の異常を検出すると、電源電圧ＶｃｃからフォトスイッチＰＳ３及び抵抗Ｒ４０を介して電流を引き込む。これによりフォトスイッチＰＳ３が導通し、ノードＮ３の電位がグラウンド電位に制御される。従ってマスタの電源ユニットＰＯ１に異常が発生すると、蓄電池２０の充電電流Ｉｃが蓄電池２０の推奨上限電流を超えている場合であっても、アナログスイッチＳＷ１がオフ状態に制御される。即ち電源ユニットＰＯ２は、充電電流Ｉｃに関係なく出力電圧Ｖｏ２が蓄電池２０の電圧より高い状態に維持されるマスタとして振る舞うように切り替えられる。

以上説明したように変形例によれば、マスタの電源ユニットＰＯ１が故障した際に、スレーブの電源ユニットＰＯ２、ＰＯ３の１つをマスタに変更することにより、より安定的に電源供給が可能な電源システム１００を構築できる。

なお上記実施の形態では、電源システム１００に商用電源から交流電圧が入力される例を説明したが、電源システム１００に発電装置などから直流電圧が入力される構成であってもよい。その場合、電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３内の整流回路１１及びＰＦＣ回路１２が不要になる。また上記実施の形態では、電流バランス機能を搭載した電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３を説明したが、電流バランス機能は必須ではなく、電流バランス機能を搭載しない電源ユニットＰＯ１〜ＰＯ３にも本実施の形態に係る技術を適用できる。また上記実施の形態では蓄電池２０として鉛蓄電池を例に説明したが、定電圧充電に対応した蓄電池であればよく、ニッケル水素蓄電池にも本実施の形態に係る技術を適用できる。

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Claims

負荷と二次電池が並列に接続された並列システムに、電源を供給するフロート充電用の電源システムであって、
並列接続された複数のスイッチング電源装置と、
前記二次電池の充電電流を検出する電流検出部と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、を備え、
前記電流検出部により検出された充電電流が前記二次電池の推奨上限電流を超えているとき、並列接続された前記複数のスイッチング電源装置の内、マスタのスイッチング電源装置の出力電圧は維持され、スレーブのスイッチング電源装置の出力電圧は前記電圧検出部により検出された前記二次電池の電圧より低い電圧に制御され、
前記スイッチング電源装置は、
当該スイッチング電源装置の出力電圧を調整するためのスイッチング素子を含む電力変換部と、
当該スイッチング電源装置の出力電圧と参照電圧を比較するアンプと、
前記アンプの出力電圧をもとに、当該スイッチング電源装置の出力電圧を一定に保つよう前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、を含み、
並列接続された前記複数のスイッチング電源装置の内、マスタのスイッチング電源装置は、その出力電流が前記推奨上限電流以下に設定され、そのアンプの参照電圧の入力端子に固定の参照電圧が入力され、
並列接続された前記複数のスイッチング電源装置の内、マスタ以外のスレーブのスイッチング電源装置は、そのアンプの参照電圧の入力端子に、前記電流検出部により検出された充電電流が前記推奨上限電流以下のとき前記固定の参照電圧が入力され、前記推奨上限電流を超えているとき前記固定の参照電圧から前記二次電池の電圧に応じた電圧分低下した電圧が入力されることを特徴とするフロート充電用の電源システム。
前記電流検出部により検出された充電電流により制御されるスイッチをさらに備え、
前記スレーブに設定されたスイッチング電源装置に含まれるアンプの参照電圧の入力端子と、前記電圧検出部の出力端子は前記スイッチを介して導通可能に構成されており、
前記スイッチは、前記電流検出部により検出された充電電流が前記推奨上限電流を超えるときオン状態となり、超えないときオフ状態となることを特徴とする請求項１に記載のフロート充電用の電源システム。
前記マスタのスイッチング電源装置の異常を検出する異常検出部をさらに備え、
前記異常検出部により前記マスタのスイッチング電源装置の異常が検出されると、前記スレーブのスイッチング電源装置の内、１つのスイッチング電源装置をマスタに変更することを特徴とする請求項１に記載のフロート充電用の電源システム。
前記マスタのスイッチング電源装置の異常を検出する異常検出部をさらに備え、
前記異常検出部により前記マスタのスイッチング電源装置の異常が検出されると、前記スレーブのスイッチング電源装置の内、１つのスイッチング電源装置に含まれるアンプの参照電圧の入力端子と、前記電圧検出部の出力端子との導通／非導通を制御する前記スイッチを、前記二次電池の充電電流に関係なくオフ状態に制御することを特徴とする請求項２に記載のフロート充電用の電源システム。