JP6552973B2 - 切替回路及び電源システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池等の直流電源を複数備え、例えば、商用電源の停電時に、その複数の直流電源の出力電力を切り替えて負荷へ供給するための、無瞬断の切替回路と、この切替回路を備える電源システムと、に関するものである。

従来、特許文献１等には、複数の蓄電池を並列接続して、交流電力を供給する商用電源の停電時に、交流電力を直流電力に変換するためのＡＣ／ＤＣコンバータに代えて、その複数の蓄電池から負荷へ直流電力の供給を継続する無停電の電源システムが記載されている。

この種の電源システムでは、商用電源の停電時におけるバックアップ時間を長時間化する目的で、蓄電池の並列数を増やすことで、総蓄電池容量を増やし、放電可能時間を長時間化している。しかし、蓄電池の並列接続数が増えると、並列接続された蓄電池間の横流が問題となる。即ち、蓄電池の内部抵抗等の特性ばらつきにより、蓄電池間に横流が発生して過渡電流が流れ、電源システムの効率の低下や、蓄電池の劣化を招く。このような理由から、一般的に、無制限に蓄電池の並列数を増やすことができない。この対策として、特許文献１の技術では、並列接続する蓄電池を２系統に分けて、各々の蓄電池と負荷との間にスイッチを設け、１系統ずつ、蓄電池から負荷へ放電するようにしている。

特開２００８−２６３７１８号公報

しかしながら、従来の特許文献１の電源システムでは、無瞬断で蓄電池を切り替えるために、機械開閉器と複数の半導体スイッチを使用して各スイッチの複雑なオン／オフタイミング制御を行う必要があることから、負荷への給電信頼性の低下やコストアップになってしまうという課題がある。又、各々の蓄電池と負荷との間に、双方向の電圧変換を行う双方向コンバータ等を設けて、蓄電池毎に充放電を行う方法もあるが、電源システムが複雑になり、同じく負荷への給電信頼性の低下やコストアップになってしまうという課題がある。

本発明の切替回路は、共通端子と第１直流電源の電源端子との間を、第１切替信号によってオン／オフする第１スイッチと、前記第１直流電源に対して並列に接続される第２直流電源の電源端子と前記共通端子との間を、第２切替信号によってオン／オフする第２スイッチと、入力端子及び出力端子を有し、前記入力端子が前記第１直流電源の電源端子に接続され、前記出力端子が前記共通端子に接続され、前記入力端子から前記出力端子へ一方向に電流を流す整流手段と、を備えている。そして、前記第１スイッチがオンした時には、前記第１直流電源の電源端子から出力される第１直流電力を負荷へ供給し、前記第１スイッチがオフすると前記整流手段を介して前記第１直流電力の供給を継続すると共に前記第２スイッチがオンした時には、前記第２直流電源の電源端子から出力される第２直流電力を前記負荷へ無瞬断で供給することを特徴とする。

本発明の電源システムは、前記発明の切替回路と、前記共通端子を流れる電流値と、前記第１、第２直流電源等の電源端子の電圧値と、に基づき前記第１切替信号及び前記第２切替信号を生成して所定のタイミングで出力する制御部と、直流電力を出力する直流電源装置と、を備えている。そして、通常時は、前記直流電源装置から出力される前記直流電力を前記負荷へ供給し、前記直流電源装置が停止する異常時は、前記第１直流電力又は前記第２直流電力を前記負荷へ供給することを特徴とする。

本発明の切替回路及び電源システムによれば、次の（ａ）〜（ｄ）のような効果がある。

（ａ） 蓄電池等の直流電源の並列接続数に制約がある場合にも、容易に並列数を増やすことが可能となる。

（ｂ） 直流電源系統を切り替える際に、複数の半導体スイッチによる複雑なオン／オフ制御を必要とせず、無瞬断での切り替えが可能となり、負荷側の装置や機器等を停止させることなく、長時間の直流電源バックアップが可能なシステムを容易に構築することができる。これにより、負荷への給電信頼性の向上を期待できる。

（ｃ） 例えば、第２、第３直流電源として、蓄電池だけではなく、可搬型の分散型電源を非常時のみ接続する場合等に、無電圧状態で可搬型の分散型電源を接続してからスイッチを切り替えることが可能となるため、より安全に作業を行うことができるようになる。

（ｄ） スイッチの切り替え動作時に、それまでスイッチを通過していた電流は、整流手段でバイパスされる。そのため、スイッチによる電流遮断が発生せず、例えば、機械接点式のスイッチの場合は、スイッチ切り替え動作によるアークの発生を防止できるので、スイッチの摩耗を抑制できる。

図１Ａは発明の実施例１における電源システムの概略の構成を示す回路図である。 図１Ｂは図１Ａ中の第１、第２スイッチ１２−１，１２−２がオフの場合を示す回路図である。 図１Ｃは図１Ａ中の第１スイッチ１２−１がオフ、第２スイッチ１２−２がオンの場合を示す回路図である。 図２は図１Ａ〜図１Ｃにおけるスイッチ切り替え動作時の出力電圧推移を示す波形図である。 図３Ａは図１Ａ〜図１Ｃにおける１系放電開始から２系切り替え放電までの制御処理を示すフローチャートである。 図３Ｂは図１Ａ〜図１Ｃにおける２系充電開始から１系切り替え充電までの制御処理を示すフローチャートである。 図４は本発明の実施例２における電源システムの概略の構成を示す回路図である。 図５は図４におけるスイッチ切り替え動作時の出力電圧推移を示す波形図である。 図６は本発明の実施例３における電源システムの概略の構成を示す回路図である。

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の構成）
図１Ａは、本発明の実施例１における電源システムの概略の構成を示す回路図である。

電源システムは、直流電源装置１を備え、この出力側に、正極側電源線２ａ及び負極側電源線２ｂを介して、負荷３の装置や機器等が接続されている。直流電源装置１は、例えば、商用電源の交流電力を直流電力に変換し、この出力電圧Ｖｏｕｔを電源線２ａ，２ｂを介して負荷３へ供給する装置であり、スイッチング電源装置等により構成されている。正極側電源線２ａには、切替回路１０が分岐接続されている。この切替回路１０には、複数系統（例えば、２系統）の第１直流電源としての１系直流電源２１と、第２直流電源としての２系直流電源２２と、が並列に分岐接続されている。

切替回路１０は、第１切替信号Ｓ１及び第２切替信号Ｓ２に基づき、直流電源装置１から出力される直流電力と、１系直流電源２１の正極側電源端子２１ａから出力される第１直流電力又は２系直流電源２２の正極側電源端子２２ａから出力される第２直流電力と、を切り替えて負荷３へ供給する回路である。切替回路１０は、直流電源装置１が動作している通常時には、この直流電源装置１から出力される直流電力を負荷３へ供給し、直流電源装置１が停止する異常時には、１系直流電源２１の正極側電源端子２１ａから出力される第１直流電力又は２系直流電源２２の正極側電源端子２２ａから出力される第２直流電力を負荷３へ供給する機能を有している。

切替回路１０は、正極側電源線２ａに接続された共通端子１１を有し、この共通端子１１と１系直流電源２１の正極側電源端子２１ａとの間に、第１スイッチ１２−１が接続され、更に、その共通端子１１と２系直流電源２２の正極側電源端子２２ａとの間にも、第２スイッチ１２−２が接続されている。第１スイッチ１２−１には、これと並列に整流手段が接続されている。

第１スイッチ１２−１は、第１切替信号Ｓ１に基づき、共通端子１１と電源端子２１ａとの間をオン／オフするものである。第２スイッチ１２−２は、第２切替信号Ｓ２に基づき、共通端子１１と電源端子２２ａとの間をオン／オフするものである。第１、第２スイッチ１２−１，１２−２は、機械接点式スイッチや、半導体スイッチング素子等により構成されている。

前記整流手段は、電源端子２１ａから共通端子１１へ一方向に電流を流すものであり、例えば、ダイオード１３−１により構成されている。ダイオード１３−１は、この出力端子としてのカソードが共通端子１１に接続され、入力端子としてのアノードが電源端子２１ａに接続され、順方向の電圧降下値Ｖｆを有している。

１系直流電源２１は、正極側電源端子２１ａと、負極側電源線２ｂに接続された負極側電源端子２１ｂと、を有し、その電源端子２１ａ，２１ｂ間に、複数（Ｎ）の蓄電池２１−１〜２１−Ｎが並列に接続されている。同様に、２系直流電源２２は、正極側電源端子２２ａと、負極側電源線２ｂに接続された負極側電源端子２２ｂと、を有し、その電源端子２２ａ，２２ｂ間に、複数（Ｎ）の蓄電池２２−１〜２２−Ｎが並列に接続されている。

共通端子１１には電流計測部３０が接続され、更に、電源端子２１ａには電圧計測部３１が、電源端子２２ａには電圧計測部３２が、それぞれ接続されている。電流計測部３０は、共通端子１１を流れる直流の電池電流Ｉｂを計測するものであり、シャント抵抗や変流器（ＣＴ）等により構成されている。電圧計測部３１は、電源端子２１ａ上の電池電圧Ｖｂ１を計測するものである。同様に、電圧計測部３２は、電源端子２２ａ上の電池電圧Ｖｂ２を計測するものである。電圧計測部３１，３２は、分圧抵抗等によってそれぞれ構成されている。これらの電流計測部３０及び電圧計測部３１，３２には、監視制御部４０が接続されている。

監視制御部４０は、第１、第２スイッチ１２−１，１２−２のオン／オフを制御するものであり、電流監視部４１、電圧監視部４２、演算部４３、及び制御部としてのスイッチ制御部４４を有し、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）を有するプロセッサ等により構成されている。

電流監視部４１は、電流計測部３０によって計測された電池電流Ｉｂを監視する機能を有している。電圧監視部４２は、電圧計測部３１，３２によってそれぞれ計測された電池電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２を監視する機能を有している。演算部４３は、電池放電電圧の最低規定電圧Ｖｂｍｉｎや電池最大放電電力量Ｗｂｍａｘ等を記憶し、電流監視部４１及び電圧監視部４２の監視結果に基づき、１系、２系充放電電力Ｐｂ１，Ｐｂ２、及び１系、２系充放電電力量Ｗｂ１，Ｗｂ２を算出し、更に、算出した１系、２系充放電電力量Ｗｂ１，Ｗｂ２と電池最大放電電力量Ｗｂｍａｘ等との大小を比較する演算・比較機能を有している。スイッチ制御部４４は、演算部４３の演算・比較結果に基づき、第１、第２スイッチ１２−１，１２−２をオン／オフ動作させるための第１、第２切替信号Ｓ１，Ｓ２を生成して所定のタイミングで出力する機能を有している。

（実施例１の動作）
図１Ｂは、図１Ａ中の第１、第２スイッチ１２−１，１２−２がオフの場合を示す回路図である。図１Ｃは、図１Ａ中の第１スイッチ１２−１がオフ、第２スイッチ１２−２がオンの場合を示す回路図である。

更に、図２は、図１Ａ〜図１Ｃにおけるスイッチ切り替え動作時の出力電圧推移を示す波形図である。図２の横軸は時刻（ｔ）、縦軸は電源線２ａ，２ｂの出力電圧Ｖｏｕｔ、電池電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２、及びスイッチ１２−１，１２−２のオン／オフ状態である。Ｖｆはダイオード１３−１の順方向の電圧降下値、Ｖｂｍｉｎは電池放電電圧の最低規定電圧である。

以下、１系放電開始から２系切り替え放電までの動作（Ｉ）と、２系充電開始から１系切り替え充電までの動作（ＩＩ）と、を説明する。

（Ｉ） １系放電開始から２系切り替え放電までの動作
図３Ａは、図１Ａ〜図１Ｃにおける１系放電開始から２系切り替え放電までの制御処理を示すフローチャートである。

図３Ａのフローチャートでは、図２の１系放電期間Ｈ１の処理（ステップＳＴ１〜ＳＴ７）と、図２のスイッチ切替期間Ｈ２の処理（ステップＳＴ８，ＳＴ９）と、図２の２系放電期間Ｈ３の処理（ステップＳＴ１０〜ＳＴ１５）と、が以下のように行われる。

図１Ａの電源システムにおいて、商用電源の停電等によって直流電源装置１の出力が停止すると、図２中の時刻ｔ０において、図１Ａに示すように、スイッチ制御部４４の第１切替信号Ｓ１によって第１スイッチ１２−１がオン、第２切替信号Ｓ２によって第２スイッチ１２−２がオフとなっているため、図３ＡのステップＳＴ１で、１系直流電源２１の放電が開始される。１系直流電源２１が放電すると、この放電電力が、次の経路にて負荷３へ供給される。

「１系直流電源２１の正極側電源端子２１ａ→第１スイッチ１２−１→共通端子１１→正極側電源線２ａ→負荷３→負極側電源線２ｂ→１系直流電源２１の負極側電源端子２１ｂ」

１系直流電源２１の放電により、図２に示すように、電池電圧Ｖｂ１（＝出力電圧Ｖｏｕｔ）が低下していく。

次のステップＳＴ２において、演算部４３に、電池最大放電電力量Ｗｂｍａｘが設定され、ステップＳＴ３，ＳＴ４へ進む。ステップＳＴ３において、電圧計測部３１により、所定のサンプリング時刻ｔ毎に、電極端子２１ａ上の電池電圧Ｖｂ１が計測されると共に、ステップＳＴ４において、電流計測部３０により、所定のサンプリング時刻ｔ毎に、放電された共通端子１１上の電池電流＋Ｉｂが計測され、これらの電池電圧Ｖｂ１及び電池電流＋Ｉｂの計測結果が、電圧監視部４２及び電流監視部４１へそれぞれ送られ、ステップＳＴ５へ進む。

ステップＳＴ５において、演算部４３は、電流監視部４１及び電圧監視部４２の監視結果に基づき、１系放電電力Ｐｂ１を次式から算出し、ステップＳＴ６へ進む。
Ｐｂ１＝Ｖｂ１＊Ｉｂ

ステップＳＴ６において、演算部４５は、現在の計測時の１系放電電力量Ｗｂ１（ｎ）を次式から算出し、ステップＳＴ７へ進む。
Ｗｂ１（ｎ）＝Ｗｂ１（ｎ−１）＋Ｐｂ１（ｎ）＊ｔ
但し、Ｐｂ１（ｎ）；現在のサンプリング時刻ｔの１系放電電力
Ｗｂ１（ｎ−１）；１サンプリング時刻前の１系放電電力量

ステップＳＴ７において、演算部４３は、現在の１系放電電力量Ｗｂ１（ｎ）が電池最大放電電力量Ｗｂｍａｘよりも大きいか否かを判定する。１系放電電力量Ｗｂ１（ｎ）が電池最大放電電力量Ｗｂｍａｘよりも小さいときには（Ｎｏ）、ステップＳＴ３へ戻って１系放電を継続する。これにより、図２に示すように、電池電圧Ｖｂ１（＝出力電圧Ｖｏｕｔ）が低下していく。１系放電電力量Ｗｂ１（ｎ）が電池最大放電電力量Ｗｂｍａｘ以上のときには（Ｙｅｓ）、１系放電を中止して、１系直流電源２１の過放電による劣化を防止するために、ステップＳＴ８へ進む。

ステップＳＴ８において、スイッチ制御部４４は、図２の時刻ｔ１において、演算部４３の判定結果に基づき、図１Ｂに示すように、第１切替信号Ｓ１により、第１スイッチ１２−１をオフに切り替える。この時、第２スイッチ１２−２は、オフのままである。そのため、１系直流電源２１の放電電力は、瞬断することなく継続して、電源端子２１ａ、ダイオード１３−１、共通端子１１、及び電源線２ａを経由して負荷３へ供給される。この時、電源線２ａの出力電圧Ｖｏｕｔは、図２に示すように、ダイオード１３−１の順方向の電圧降下値Ｖｆだけ低下し、次のステップＳＴ９へ進む。

ステップＳＴ９において、スイッチ制御部４４は、図２の時刻ｔ２において、演算部４３の判定結果に基づき、図１Ｃに示すように、第２切替信号Ｓ２により、第２スイッチ１２−２をオンに切り替える。図２に示すように、満充電された２系直流電源２２の出力電圧により、電源端子２２ａ上の電池電圧Ｖｂ２は、放電している１系直流電源２１における電源端子２１ａ上の電池電圧Ｖｂ１よりも高い。そのため、ダイオード１３−１を介して放電していた１系直流電源２１からの電力供給が遮断され、２系直流電源２２の放電電力が、瞬断することなく継続して、電源端子２２ａ、第２スイッチ１２−２、共通端子１１、及び電源線２ａを経由して負荷３へ供給され、次のステップＳＴ１０へ進む。

ステップＳＴ１０において、電圧計測部３２により、所定のサンプリング時刻ｔ毎に、電源端子２２ａ上の電池電圧Ｖｂ２が計測され、更に、ステップＳＴ１１において、電流計測部３０により、所定のサンプリング時刻ｔ毎に、放電された共通端子１１上の電池電流＋Ｉｂが計測され、これらの電池電圧Ｖｂ２及び電池電流＋Ｉｂの計測結果が、電圧監視部４２及び電流監視部４１へそれぞれ送られる。

次のステップＳＴ１２において、演算部４３は、電流監視部４１及び電圧監視部４２の監視結果に基づき、２系放電電力Ｐｂ２を次式から算出し、ステップＳＴ１３へ進む。
Ｐｂ２＝Ｖｂ２＊Ｉｂ

ステップＳＴ１３において、演算部４５は、現在の計測時の２系放電電力量Ｗｂ２（ｎ）を次式から算出し、ステップＳＴ１４へ進む。
Ｗｂ２（ｎ）＝Ｗｂ２（ｎ−１）＋Ｐｂ２（ｎ）＊ｔ
但し、Ｐｂ２（ｎ）；現在のサンプリング時刻ｔの２系放電電力
Ｗｂ２（ｎ−１）；１サンプリング時刻前の２系放電電力量

ステップＳＴ１４において、演算部４３は、現在の２系放電電力量Ｗｂ２（ｎ）が電池最大放電電力量Ｗｂｍａｘよりも大きいか否かを判定する。２系放電電力量Ｗｂ２（ｎ）が電池最大放電電力量Ｗｂｍａｘよりも小さいときには（Ｎｏ）、ステップＳＴ１０へ戻って２系放電を継続する。２系放電電力量Ｗｂ２（ｎ）が電池最大放電電力量Ｗｂｍａｘ以上のときには（Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１５へ進み、２系放電を中止して他の処理を行うために、図３Ａの処理を終了する。

このように、本実施例１では、以下のように動作する。
第１スイッチ１２−１に対してダイオード１３−１を並列に接続しているので、第１スイッチ１２−１が１系直流電源２１側に接続されている場合は、ダイオード１３−１が導通せず、従来回路と同様に、第１スイッチ１２−１を介して負荷３へ電力供給が行われる。その後、１系直流電源２１が放電して、電池放電電圧の最低規定電圧Ｖｂｍｉｎまで低下した際に、第１、第２スイッチ１２−１，１２−２を２系直流電源２２に切り替える動作に入るが、この時、瞬間的に回路オープンの状態が発生する。従来回路では、１系直流電源２１及び２系直流電源２２が共に負荷３から完全に切り離されてしまうため、スイッチ切り替え中に瞬断が発生する。

これに対して、本実施例１では、第１スイッチ１２−１が無接続の中間状態になると、ダイオード１３−１を経由して１系直流電源２１から負荷３へ電力供給を継続するため、スイッチ切り替え中は放電電流に対応したダイオード１３−１の順方向の電圧降下値Ｖｆまでしか電圧が低下しない。その後、第２スイッチ１２−２が、２系直流電源２２との接続に切り替わると、放電していない２系直流電源２２の電池電圧Ｖｂ２が、１系直流電源２１の電池電圧Ｖｂ１より高いため、ダイオード１３−１を介して放電していた１系直流電源２１からの電力供給が遮断され、負荷３への電力供給が２系直流電源２２側へ無瞬断で切り替わる。

（ＩＩ） ２系充電開始から１系切り替え充電までの動作
図３Ｂは、図１Ａ〜図１Ｃにおける２系充電開始から１系切り替え充電までの制御処理を示すフローチャートである。

図３Ｂのフローチャートでは、２系充電期間Ｈ４の処理（ステップＳＴ２１〜ＳＴ２６）と、スイッチ切替期間Ｈ５の処理（ステップＳＴ２７，ＳＴ２８）と、１系充電期間Ｈ６の処理（ステップＳＴ２９〜ＳＴ３４）と、が以下のように行われる。

直流電源装置１が再起動して、この直流電力が電源線２ａ，２ｂを介して負荷３へ供給されると、図１Ｃに示すように、スイッチ制御部４４の第１切替信号Ｓ１によって第１スイッチ１２−１がオフ、第２切替信号Ｓ２によって第２スイッチ１２−２がオンとなっているため、図３ＢのステップＳＴ２１にて、２系直流電源２２への充電が開始され、次のステップＳＴ２２へ進む。

ステップＳＴ２２において、電圧計測部３２により、所定のサンプリング時刻ｔ毎に、電源端子２２ａ上の電池電圧Ｖｂ２が計測されると共に、ステップＳＴ２３において、電流計測部３０により、所定のサンプリング時刻ｔ毎に、充電時における共通端子１１上の電池電流−Ｉｂが計測され、これらの電池電圧Ｖｂ２及び電池電流−Ｉｂの計測結果が、電圧監視部４２及び電流監視部４１へそれぞれ送られ、ステップＳＴ２４へ進む。

ステップＳＴ２４において、演算部４３は、電流監視部４１及び電圧監視部４２の監視結果に基づき、２系充電電力−Ｐｂ２を次式から算出し、ステップＳＴ２５へ進む。
−Ｐｂ２＝Ｖｂ２＊（−Ｉｂ）

ステップＳＴ２５において、演算部４５は、現在の計測時の２系放電電力量Ｗｂ２（ｎ）を次式から算出し、ステップＳＴ２６へ進む。
Ｗｂ２（ｎ）＝Ｗｂ２（ｎ−１）−Ｐｂ２（ｎ）＊ｔ
但し、−Ｐｂ２（ｎ）；現在のサンプリング時刻ｔの２系充電電力
Ｗｂ２（ｎ−１）；１サンプリング時刻前の２系放電電力量

ステップＳＴ２６において、演算部４３は、現在の２系放電電力量Ｗｂ２（ｎ）が０よりも小さいか否かを判定する。２系放電電力量Ｗｂ２（ｎ）が０よりも大きいときには（Ｎｏ）、ステップＳＴ２２へ戻って２系充電を継続する。２系放電電力量Ｗｂ２（ｎ）が０以下のとき（Ｙｅｓ）、２系直流電源２２が満充電の状態になっているので、ステップＳＴ２７，ＳＴ２８へ進む。

ステップＳＴ２７，ＳＴ２８において、スイッチ制御部４４は、図１Ａに示すように、演算部４３の判定結果に基づき、第２切替信号Ｓ２により、第２スイッチ１２−２をオフに切り替えた後、第１切替信号Ｓ１により、第１スイッチ１２−１をオンに切り替えて、１系直流電源２１への充電を開始し、次のステップＳＴ２９へ進む。

ステップＳＴ２９において、電圧計測部３１により、所定のサンプリング時刻ｔ毎に、電源端子２１ａ上の電池電圧Ｖｂ１が計測された後、ステップＳＴ３０において、電流計測部３０により、所定のサンプリング時刻ｔ毎に、充電中の共通端子１１上の電池電流−Ｉｂが計測され、これらの電池電圧Ｖｂ１及び電池電流−Ｉｂの計測結果が、電圧監視部４２及び電流監視部４１へそれぞれ送られ、ステップＳＴ３１へ進む。

ステップＳＴ３１において、演算部４３は、電流監視部４１及び電圧監視部４２の監視結果に基づき、１系充電電力−Ｐｂ１を次式から算出し、ステップＳＴ３２へ進む。
−Ｐｂ１＝Ｖｂ１＊（−Ｉｂ）

ステップＳＴ３２において、演算部４５は、現在の計測時の１系放電電力量Ｗｂ１（ｎ）を次式から算出し、ステップＳＴ３３へ進む。
Ｗｂ１（ｎ）＝Ｗｂ１（ｎ−１）−Ｐｂ１（ｎ）＊ｔ
但し、−Ｐｂ１（ｎ）；現在のサンプリング時刻ｔの１系充電電力
Ｗｂ１（ｎ−１）；１サンプリング時刻前の１系放電電力量

ステップＳＴ３３において、演算部４３は、現在の１系放電電力量Ｗｂ１（ｎ）が０よりも小さいか否かを判定する。１系放電電力量Ｗｂ１（ｎ）が０よりも大きいときには（Ｎｏ）、ステップＳＴ２９へ戻って１系充電を継続する。１系放電電力量Ｗｂ１（ｎ）が０以下のとき（Ｙｅｓ）、１系直流電源２１が満充電になっているので、ステップＳＴ３４において、図３Ｂの処理を終了する。

（実施例１の効果）
本実施例１によれば、次の（ａ）〜（ｃ）のような効果がある。

（ａ） 本実施例１を利用することにより、電池並列接続数に制約がある場合にも、容易に並列数を増やすことが可能となる。

（ｂ） 電池系統を切り替える際に、複数の半導体スイッチによる複雑なオン／オフ制御を必要とせず、無瞬断での切り替えが可能となり、負荷３の装置や機器等を停止させることなく、長時間の電池バックアップが可能な電源システムを容易に構築することができ、負荷３への給電信頼性の向上を期待できる。

（ｃ） スイッチ切り替え動作時に、それまでスイッチ１２−１又は１２−２を通過していた電流は、ダイオード１３−１でバイパスされるため、スイッチ切り替えによる電流遮断が発生せず、例えば、機械接点式のスイッチ１２−１，１２−２の場合は、スイッチ切り替え動作によるアークの発生が抑制されることにより、スイッチ１２−１，１２−２の摩耗が抑制されるという効果も期待できる。

（実施例２の構成）
図４は、本発明の実施例２における電源システムの概略の構成を示す回路図であり、実施例１を示す図１Ａ中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

本実施例２の電源システムでは、実施例１の切替回路１０及び監視制御部４０に代えて、これらとは構成の異なる切替回路１０Ａ及び監視制御部４０Ａが設けられている。

本実施例２の切替回路１０Ａでは、実施例１の切替回路１０に対して、ダイオード１３−１のアノードと電源端子２１ａとの間に、第３切替信号Ｓ３によりオン／オフが切り替えられる第３スイッチ１２−３と、ダイオード１３−１のアノードと電源端子２２ａとの間に、第４切替信号Ｓ４によりオン／オフが切り替えられる第４スイッチ１２−４と、が追加されている。第３、第４スイッチ１２−３，１２−４は、機械接点式スイッチや、半導体スイッチング素子等により構成されている。

更に、本実施例２の監視制御部４０Ａでは、実施例１の監視制御部４０内のスイッチ制御部４４に代えて、これとは機能の異なるスイッチ制御部４４Ａが設けられている。スイッチ制御部４４Ａは、演算部４３の演算・比較結果に基づき、第１、第２スイッチ１２−１，１２−２をオン／オフするための第１、第２切替信号Ｓ１，Ｓ２と、第３、第４スイッチ１２−３，１２−４をオン／オフするための第３、第４切替信号Ｓ３，Ｓ４と、を生成して所定のタイミングで出力する機能を有している。その他の構成は、実施例１と同様である。

（実施例２の動作）
図５は、図４におけるスイッチ切り替え動作時の出力電圧推移を示す波形図である。図２と同様に、図５の横軸は計測サンプリング時刻（ｔ）、縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔ、電池電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２、及び第１〜第４スイッチ１２−１〜１２−４のオン／オフ状態である。Ｖｆはダイオード１３−１の電圧降下値、Ｖｂｍｉｎは電池放電電圧の最低規定電圧である。

本実施例２では、図５に示す時刻ｔ０〜ｔ１の１系放電期間Ｈ１、時刻ｔ１〜ｔ２のスイッチ切替期間Ｈ２、時刻ｔ２〜ｔ３の２系放電期間Ｈ３、時刻ｔ３〜ｔ５の２系充電期間Ｈ４、時刻ｔ５〜ｔ６のスイッチ切替期間Ｈ５、及び、時刻ｔ６以降の１系充電期間Ｈ６において、以下のような動作が行われる。

図５の時刻ｔ０〜ｔ１の１系放電期間Ｈ１において、時刻ｔ０では、図４に示す監視制御部４０Ａ内のスイッチ制御部４４Ａの第１〜第４切替信号Ｓ１〜Ｓ４により、第１、第３スイッチ１２−１，１２−３がオンし、第２、第４スイッチ１２−２，１２−４がオフする。これにより、１系直流電源２１の放電が開始され、この放電電力が、次の経路にて負荷３へ供給され、電池電圧Ｖｂ１（＝出力電圧Ｖｏｕｔ）が低下していく。

「正極側電源端子２１ａ→第１スイッチ１２−１→共通端子１１→正極側電源線２ａ→負荷３→負極側電源線２ｂ→負極側電源端子２１ｂ」

時刻ｔ１〜ｔ２のスイッチ切替期間Ｈ２において、時刻ｔ１では、スイッチ制御部４４Ａの第１切替信号Ｓ１により、第１スイッチ１２−１がオフする。すると、１系直流電源２１の放電電力が、第３スイッチ１２−３、ダイオード１３−１、及び電源線２ａを経由して負荷３へ供給され、この負荷３への電力供給が継続される。この時、電源線２ａの出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオード１３−１の順方向の電圧降下値Ｖｆだけ低下する。

時刻ｔ２〜ｔ３の２系放電期間Ｈ３において、時刻ｔ２では、スイッチ制御部４４Ａの第２切替信号Ｓ２により、第２スイッチ１２−２がオンする。第２スイッチ１２−２がオンすると、ダイオード１３−１からの電力供給が遮断され、２系直流電源２２からの電力供給に切り替わる。２系直流電源２２の放電電力は、次の経路にて負荷３へ供給され、電池電圧Ｖｂ２（＝出力電圧Ｖｏｕｔ）が低下していく。

「正極側電源端子２２ａ→第２スイッチ１２−２→共通端子１１→正極側電源線２ａ→負荷３→負極側電源線２ｂ→負極側電源端子２２ｂ」

時刻ｔ２が経過すると、スイッチ制御部４４Ａの第３、第４切替信号Ｓ３，Ｓ４により、第３スイッチ１２−３がオフした後、第４スイッチ１２−４がオンする。時刻ｔ３になると、２系直流電源２２の電池電圧Ｖｂ２（＝出力電圧Ｖｏｕｔ）は、電池放電電圧の最低規定電圧Ｖｂｍｉｎまで降下する。

時刻ｔ３〜ｔ５の２系充電期間Ｈ４において、例えば、時刻ｔ３の時に、直流電源装置１が再起動すると、この直流電源装置１の出力電圧Ｖｏｕｔが、最低規定電圧Ｖｂｍｉｎから上昇していく。これにより、直流電源装置１の直流電力が、電源線２ａ，２ｂを介して負荷３へ供給される。同時に、直流電源装置１の直流電力により、共通端子１１、第２スイッチ１２−２、及び、電源端子２２ａを経由して、２系直流電源２２が充電され、電池電圧Ｖｂ２が上昇していく。

時刻ｔ４になると、スイッチ制御部４４Ａの第３、第４切替信号Ｓ３，Ｓ４により、第４スイッチ１２−４がオフした後、第３スイッチ１２−３がオンする。時刻ｔ５になると、２系直流電源２２が満充電されるので、スイッチ制御部４４Ａの第２切替信号Ｓ２により、第２スイッチ１２−２がオフする。

時刻ｔ５〜ｔ６のスイッチ切替期間Ｈ５において、第３スイッチ１２−３がオンした後の時刻ｔ５の時に、第２スイッチ１２−２がオフする。その後、時刻ｔ６になると、スイッチ制御部４４Ａの第１切替信号Ｓ１により、第１スイッチ１２−１がオンし、時刻ｔ６以降の１系充電期間Ｈ６へ進む。

前述したように、時刻ｔ２の時に２系放電期間Ｈ３が開始し、負荷３への電力供給が２系直流電源２２に切り替わった後に、第４スイッチ１２−４がオンし、直流電源装置１が再起動して、２系直流電源２２の充電が完了する時刻ｔ５の前に、第４スイッチ１２−４がオフしてから第３スイッチ１２−３がオンし、時刻ｔ６の時に、第１スイッチ１２−１がオンに切り替わる。第１スイッチ１２−１がオンになる１系放電期間Ｈ１から、第２スイッチ１２−２がオンする２系放電期間Ｈ３へ、切り替わる際に、１系直流電源２１が完全に過放電状態になる前に、２系直流電源２２側へ切り替わる。そのため、２系充電期間Ｈ４の終了時刻ｔ５において、２系直流電源２２が満充電になった後、第１スイッチ１２−１がオンになる１系充電期間Ｈ６へ切り替える際に、仮に、直流電源装置１が停止しても、１系直流電源２１から第３スイッチ１２−３及びダイオード１３−１を介して負荷３へ電力供給が可能である。従って、２系直流電源２２から１系直流電源２１へ切り替わる際にも、無瞬断での切り替えが可能となる。

（実施例２の効果）
本実施例２によれば、実施例１と略同様の効果がある。更に、１系放電期間Ｈ１から２系放電期間Ｈ３へ切り替わる際に、１系直流電源２１が完全に過放電状態になる前に、２系直流電源２２側へ切り替わる。そのため、２系直流電源２２が満充電になった後、１系充電期間Ｈ６へ切り替わる際に、仮に、直流電源装置１が停止しても、１系直流電源２１から負荷３へ電力供給が可能である。これにより、２系直流電源２２から１系直流電源２１へ切り替わる際にも、無瞬断での切り替えが可能になる、といった効果がある。

並列接続する直流電源系統は、上記実施例１、２のように２系統だけではなく、３系統以上の複数系統であって対応が可能である。本実施例３では、直流電源系統が３系統の場合について説明する。

（実施例３の構成）
図６は、本発明の実施例３における電源システムの概略の構成を示す回路図であり、実施例２を示す図４中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

本実施例３の電源システムでは、実施例２に対して、第３直流電源としての３系直流電源２３が追加され、２系統直流電源２２とその３系直流電源２３との間に、実施例２の切替回路１０Ａと同様の構成の切替回路１０Ｂが接続されている。これに対応して、実施例２の監視制御部４０Ａに代えて、これとは構成の異なる監視制御部４０Ｂが設けられている。

追加された３系直流電源２３は、１系直流電源２１及び２系直流電源２２と同様に、正極側電源端子２３ａ及び負極側電源端子２３ｂを有し、この電源端子２３ａ，２３ｂ間に、複数の蓄電池が並列に接続されて構成されている。追加された切替回路１０Ｂは、２系直流電源２２の電源端子２２ａと、３系直流電源２３の電源端子２３ａと、の間に接続されている。切替回路１０Ｂは、切替回路１０Ａと同様の構成であり、４つの第５〜第８切替信号Ｓ５〜Ｓ８によりそれぞれオン／オフする４つの第５〜第８スイッチ１２−５〜１２−８と、整流手段としてのダイオード１３−２と、により構成されている。第５〜第８スイッチ１２−５〜１２−８は、第１〜第４スイッチ１２−１〜１２−４と同様に、機械接点式スイッチや、半導体スイッチング素子等により構成されている。

監視制御部４０Ｂでは、実施例２のスイッチ制御部４４Ａに代えて、これとは機能の異なるスイッチ制御部４４Ｂが設けられている。スイッチ制御部４４Ｂは、演算部４３の演算・比較結果に基づき、８つの第１〜第８スイッチ１２−１〜１２−８をそれぞれオン／オフするための８つの第１〜第８切替信号Ｓ１〜Ｓ８を生成して所定のタイミングで出力する機能を有している。その他の構成は、実施例２と同様である。

（実施例３の動作・効果）
本実施例３の追加された切替回路１０Ｂでは、実施例２の切替回路１０Ａと同様の動作が行われる。これにより、実施例１、２と同様の効果を奏することができ、直流電源の系統が増えても対応が可能になる。

（変形例）
本発明は、上記実施例１〜３に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（１）〜（５）のようなものがある。

（１） １系、２系、３系直流電源２１，２２，２３は、並列接続された複数の蓄電池により構成されているが、他の分散型電源により構成しても良い。例えば、実施例１、２を示す図１Ａ及び図４中の２系直流電源２２に代えて、あるいは、実施例３を示す図６中の３系直流電源２３に代えて、分散型電源としての可搬型電源装置を非常時のみ接続する構成等に変更しても良い。この場合、無電圧状態で可搬型電源装置を接続してから第２スイッチ１２−２（あるいは第６スイッチ１２−６）を切り替えることが可能となるため、より安全に作業を行うことができるようになる。

（２） ダイオード１３−１，１３−２は、これに代えて、トランジスタ等の半導体素子からなる他の整流手段で構成しても良い。

（３） スイッチ１２−１〜１２−８を切り替えるための切替信号Ｓ１〜Ｓ８を生成する監視制御部４０，４０Ａ、４０Ｂは、図示以外の構成に変更しても良い。例えば、スイッチ制御部４４，４４Ａ，４４Ｂは、切替信号Ｓ１〜Ｓ８を出力し、スイッチ１２−１〜１２−８が正常にオン／オフしているか否かを検出するためのホトカプラ等の検出手段からのスイッチ状態信号を入力し、スイッチ１２−１〜１２−８が動作不良を起こしている場合には、警報等を出力するような、構成に変更しても良い。

（４） 監視制御部４０，４０Ａ，４０Ｂは、直流電源装置１内に設けられる制御部内に設けても良い。

（５） ２つの第１、第２スイッチ１２−１，１２−２、２つの第３、第４スイッチ１２−３，１２−４、２つの第５、第６スイッチ１２−５，１２−６、更に、２つの第７、第８スイッチ１２−７，１２−８は、それぞれ１つの切替スイッチ（即ち、切替信号によって１つの共通端子と２つの接続端子との間の接続状態が切り替わるスイッチ）により構成しても良い。このような切替スイッチを使用しても、実施例１〜３と同様の作用効果を奏することができる。

１ 直流電源装置
３ 負荷
１０，１０Ａ，１０Ｂ 切替回路
１１ 共通端子
１２−１〜１２−８ 第１〜第８スイッチ
１３−１，１３−２ ダイオード
２１，２２，２３ 第１、第２、第３直流電源
２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ 電源端子
２１−１〜２１−Ｎ，２２−１〜２２−Ｎ 蓄電池
３０ 電流計測部
３１，３２，３３ 電圧計測部
４０，４０Ａ，４０Ｂ 監視制御部
４１ 電流監視部
４２ 電圧監視部
４３ 演算部
４４，４４Ａ，４４Ｂ スイッチ制御部

Claims (8)

1. 共通端子と第１直流電源の電源端子との間を、第１切替信号によってオン／オフする第１スイッチと、
   前記第１直流電源に対して並列に接続される第２直流電源の電源端子と前記共通端子との間を、第２切替信号によってオン／オフする第２スイッチと、
   入力端子及び出力端子を有し、前記入力端子が前記第１直流電源の電源端子に接続され、前記出力端子が前記共通端子に接続され、前記入力端子から前記出力端子へ一方向に電流を流す整流手段と、
   を備え、
   前記第１スイッチがオンした時には、前記第１直流電源の電源端子から出力される第１直流電力を負荷へ供給し、前記第１スイッチがオフしてから前記第２スイッチがオンする間は、前記整流手段を介して前記第１直流電力を前記負荷へ供給し、前記第１スイッチがオフすると共に前記第２スイッチがオンした時には、前記第２直流電源の電源端子から出力される第２直流電力を前記負荷へ供給する、
   ことを特徴とする切替回路。
2. 請求項１記載の切替回路は、更に、
   前記整流手段の前記入力端子と前記第１直流電源の電源端子との間を、第３切替信号によってオン／オフする第３スイッチと、
   前記整流手段の前記入力端子と前記第２直流電源の電源端子との間を、第４切替信号によってオン／オフする第４スイッチと、
   を備えることを特徴とする切替回路。
   
3. 請求項２記載の切替回路は、更に、
   前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ、前記第４スイッチ、及び前記整流手段からなる回路と同様の１つ又は複数の回路を備え、
   前記１つ又は複数の回路は、
   前記第１直流電源及び前記第２直流電源に対して並列に接続される１つ又は複数の第３直流電源の電源端子と、前記第２直流電源の電源端子と、の間に接続されていることを特徴とする切替回路。
4. 前記第１直流電源と前記第２直流電源とは、
   並列接続された複数の蓄電池、又は分散型電源のいずれか１つにより、それぞれ構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の切替回路。
5. 前記第１直流電源と、前記第２直流電源と、前記１つ又は複数の第３直流電源とは、
   並列接続された複数の蓄電池、又は分散型電源のいずれか１つにより、それぞれ構成されていることを特徴とする請求項３記載の切替回路。
6. 請求項１記載の切替回路と、
   前記共通端子を流れる電流値と、前記第１直流電源の電源端子及び前記第２直流電源の電源端子の電圧値と、に基づき前記第１切替信号及び前記第２切替信号を生成して所定のタイミングで出力する制御部と、
   直流電力を出力する直流電源装置と、
   を備え、
   通常時は、前記直流電源装置から出力される前記直流電力を前記負荷へ供給し、
   前記直流電源装置が停止する異常時は、前記第１直流電力又は前記第２直流電力を前記負荷へ供給する、
   ことを特徴とする電源システム。
7. 請求項２記載の切替回路と、
   前記共通端子を流れる電流値と、前記第１直流電源の電源端子及び前記第２直流電源の電源端子の電圧値と、に基づき前記第１切替信号、前記第２切替信号、前記第３切替信号、及び前記第４切替信号を生成して所定のタイミングで出力する制御部と、
   直流電力を出力する直流電源装置と、
   を備え、
   通常時は、前記直流電源装置から出力される前記直流電力を前記負荷へ供給し、
   前記直流電源装置が停止する異常時は、前記第１直流電力又は前記第２直流電力を前記負荷へ供給する、
   ことを特徴とする電源システム。
8. 請求項３記載の切替回路と、
   前記共通端子を流れる電流値と、前記第１直流電源の電源端子、前記第２直流電源の電源端子、及び前記第３直流電源の電源端子の電圧値と、に基づき前記第１切替信号、前記第２切替信号、前記第３切替信号、前記第４切替信号、及び前記１つ又は複数の回路内のスイッチの切替信号を生成して所定のタイミングで出力する制御部と、
   直流電力を出力する直流電源装置と、
   を備え、
   通常時は、前記直流電源装置から出力される前記直流電力を前記負荷へ供給し、
   前記直流電源装置が停止する異常時は、前記第１直流電力、前記第２直流電力、又は、前記第３直流電源の電源端子から出力される直流電力、のいずれか１つを前記負荷へ供給する、
   ことを特徴とする電源システム。

Images