JP6701504B2 - 無停電電源装置のコントローラ - Google Patents

Description

この発明は、複数のバッテリーが並列接続された無停電電源装置の充放電制御を行うコントローラに関するものである。

従来より、停電等の商用電力遮断時に備えて、電力供給が必要な機器に常に接続しておき、停電等の商用電力遮断時に機器に対して電力を供給することが可能なバッテリーを搭載した無停電電源装置が知られている。この際、長時間のバックアップが求められる場合には、複数のバッテリーを並列接続するものが採用されている。

例えば特許文献１には、複数のバッテリーが並列接続された無停電電源装置において、通常時には各バッテリーが充電されるように切替器の切替制御が行われ、停電発生時にはバッテリーからインバータ／コンバータ部に給電が行われるように切替器の切替制御が行われ、バッテリーのチェック時にはチェック対象となるバッテリーがＵＰＳ内部負荷に接続されるように切替器の切替制御が行われることが記載されている。

特開２００５−２８７１７４号公報

しかしながら、例えば特許文献１に記載されているような従来の無停電電源装置では、複数のバッテリーが並列接続されていることにより、バッテリー間で循環電流が流れ、充電されているバッテリーの電池容量が減ってしまい、常に電力を消費し続けてバッテリー容量を低下させてしまうため、バッテリーの寿命が短くなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、並列接続された複数のバッテリー間で循環電流が流れず、バッテリーの寿命を長持ちさせることができる無停電電源装置のコントローラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明は、並列接続された複数のバッテリーと、外部の機器に対して電力を放電可能な１台の放電器とに接続される、無停電電源装置のコントローラであって、商用電源と接続されて電力を充電する１台の充電器と、前記複数のバッテリーのうちの１つのみを、前記充電器から充電可能な状態に接続するよう制御する充電切替器と、前記複数のバッテリーのうち、前記充電切替器により前記充電器から充電可能な状態に接続されたバッテリー以外のバッテリーのうちの少なくとも１つを、前記放電器に電力を放電可能な状態に接続するよう制御する放電切替器と、前記放電器と前記複数のバッテリーすべてとの間のそれぞれに、前記複数のバッテリーのいずれかから各バッテリーへの循環電流を防止する向きに設けられる循環電流防止ダイオードと、を備えたことを特徴とする。

この発明の無停電電源装置のコントローラによれば、並列接続された複数のバッテリーについて、すべてのバッテリーを適切な状態で管理することができ、バッテリーの長寿命化をはかることができる。

複数のバッテリーが並列接続されている無停電電源装置において、循環電流が流れることを示す説明図である。 複数のバッテリーが並列接続されている従来の無停電電源装置の概略構成および充電時の制御状態を示す説明図である。 複数のバッテリーが並列接続されている従来の無停電電源装置の概略構成および放電時の制御状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態における無停電電源装置のコントローラおよび無停電電源装置全体の概略構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態における無停電電源装置のコントローラの構成および充電・放電・待機の制御状態の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態における無停電電源装置のコントローラの構成および充電・放電・待機の制御状態の別の一例を示す説明図である。

この発明は、複数のバッテリーが並列接続された無停電電源装置の充放電制御を行うコントローラに関するものである。
以下、この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。

図１は、一般的に、複数のバッテリーが並列接続されている無停電電源装置において、各バッテリー間に循環電流が流れることを示す説明図である。
この図１では、複数のバッテリー１〜４が並列接続されている。このように複数のバッテリーが並列接続されている場合には、通常、各バッテリー間で電流が流れ、電池容量が減っていくが、この際に流れる電流を、循環電流という。

この循環電流は、接続されているバッテリー同士の電圧の差や内部抵抗の差によって発生する。しかし、たとえ同種のバッテリーであっても個体差があり、バッテリー同士の電圧や内部抵抗が一致することはないため、複数のバッテリーが並列接続されている限り、無負荷であっても常に循環電流が流れてバッテリーの電力が消費され続けることとなり、バッテリー容量を低下させ、バッテリーの寿命が短くなる要因となっている。

例えば、図１では、バッテリー２の電圧がバッテリー１，３，４より低い電圧のバッテリーであるとする。この場合、実線で示す矢印Ａは、バッテリー１，３，４から、バッテリー２に流れている循環電流の様子を示している。そして、バッテリー２の電圧が他のバッテリーよりも高くなると、破線で示す矢印Ｂのように、今度はバッテリー２から他のバッテリー１，３，４に対して循環電流が流れてしまう。

図２は、複数のバッテリーが並列接続されている従来の無停電電源装置の概略構成および充電時の制御状態を示す説明図である。図２においても、複数のバッテリー１〜４が並列接続されており、各バッテリーには充電器１０および放電器（インバータ）２０が接続されている。そして、図２において、バッテリー１はほぼ満充電状態であり、バッテリー２はほぼ空（カラ）になっている状態であり、バッテリー３，４は少しだけ使われている状態であるとする。充電中は、スイッチＳＷ１をＯＮ、スイッチＳＷ２をＯＦＦとする。

この状態で充電が行われる場合、図２では、充電器１０からの充電時に、実線の矢印Ｃで示すように、充電器１０から１２Ａの電流がバッテリー２に流れている。また同時に、破線の矢印Ｄに示すように、バッテリー１から３Ａ、バッテリー３から１Ａ、バッテリー４から１Ａがそれぞれバッテリー２に循環電流として流れ、合計１７Ａで充電が行われることを示している。

このように、従来の無停電電源装置においては、例えば、あるバッテリーがせっかく新品に近い、ほぼ満充電状態にあるバッテリーであったとしても、そのバッテリーから循環電流が流れてしまったり、同じくらいの状態に見えるバッテリーであっても、電圧の差や内部抵抗の差によって循環電流が流れてしまうため、バッテリーに無駄な負荷をかけ続けてしまい、バッテリーの長寿命化の妨げになってしまうという問題があった。

また、図３は、複数のバッテリーが並列接続されている従来の無停電電源装置の概略構成および放電時の制御状態を示す説明図である。構成については図２と同じであるが、図３においても、バッテリー１はほぼ満充電状態であり、バッテリー２はほぼ空（カラ）になっている状態であり、バッテリー３，４は少しだけ使われている状態であるとする。放電中は、スイッチＳＷ１をＯＦＦ、スイッチＳＷ２をＯＮとする。

この状態で放電が行われる場合、図３では、放電器２０への放電時に、二重線の矢印Ｅで示すように、バッテリー１から１２Ａの電流が放電器２０へ流れている。また同時に、破線の矢印Ｆに示すように、バッテリー１からバッテリー２へ１２Ａ、バッテリー３へ１Ａ、バッテリー４へ１Ａがそれぞれ循環電流として流れ、バッテリー１からは合計２６Ａの電流が流れることを示している。

また、この際、各バッテリーの放電速度に差があるため、バッテリーの使用頻度に差が発生してしまう。これにより、複数のバッテリーのうちいずれか１つのバッテリーだけが早く寿命を迎えてしまい、無停電電源装置全体の長寿命化の妨げになってしまうという問題もあった。

そこで、この発明の実施の形態では、複数のバッテリーそれぞれの寿命を長くすることにより、無停電電源装置全体の長寿命化をはかるため、充電時にはバッテリーを１つずつ充電する、すなわち、１つのバッテリーのみが接続されるよう制御して充電することにより、他のバッテリーに循環電流が流れないようにするものである。また、複数のバッテリーそれぞれと放電器２０との間にそれぞれ循環電流防止ダイオードを設けることにより、放電時にも各バッテリーに循環電流が流れないようにするものである。

また、上記のとおり、充電時にも放電時にも各バッテリーに循環電流が流れないようにするとともに、充電もせず放電もさせない他のバッテリーは、回路から切り離して休ませることができるよう制御して待機状態にすることにより、すべてのバッテリーを最適な状態で管理し、バッテリーの長寿命化をはかるものである。

図４は、この発明の実施の形態における無停電電源装置のコントローラおよび無停電電源装置全体の概略構成を示す模式図である。この図４に示す無停電電源装置においても、複数のバッテリー１〜４が並列接続されており、充電器１０および放電器２０が接続されている。ここで、充電器１０は、商用電源（図示せず）と接続されて電力を充電するものである。また、放電器２０は、外部の例えば計測器等の機器（図示せず）と接続されており、それら機器に対して電力を放電可能なものである。

なお、一点鎖線で囲まれた部分に含まれている、複数のバッテリー１〜４および放電器２０については、既存のものを使用することが可能であり、この一点鎖線で囲まれた部分以外の部分が、この発明の実施の形態における無停電電源装置のコントローラである。

すなわち、この発明の実施の形態における無停電電源装置のコントローラは、並列接続された複数のバッテリー１〜４と、外部の機器に対して電力を放電可能な１台の放電器２０とに接続されるものであり、充電器１０と、充電切替器３０と、放電切替器４０と、循環電流防止ダイオード５１〜５４を備えている。

充電切替器３０は、複数のバッテリー１〜４のうちの１つのみを、充電器１０から充電可能な状態に接続するよう制御する切替器である。なお、この図４においては、充電切替器３０は、充電器１０のプラス側と複数のバッテリー１〜４との間に設けられているような図になっているが、この図４はあくまでも模式図であり、後述する図５および図６に示すとおり、充電器１０のマイナス側と複数のバッテリー１〜４との間にもスイッチがあることにより、複数のバッテリー１〜４のうちの１つのみを充電可能な状態に接続するよう制御することができるものである。

また、放電切替器４０は、複数のバッテリー１〜４のうちの少なくとも１つを、放電器２０に電力を放電可能な状態に接続するよう制御する切替器であり、充電切替器３０により充電器１０から充電可能な状態に接続されたバッテリー（充電接続状態のバッテリー）以外のバッテリーのうちの少なくとも１つを、放電器２０に電力を放電可能な状態に接続するよう制御する。すなわち、充電接続状態のバッテリー以外のバッテリーのうちの１つのみを放電可能な状態に接続してもよいし、充電接続状態のバッテリー以外のバッテリーすべてを放電可能な状態に接続することも可能である。

このように、放電切替器４０により、常に少なくとも１つのバッテリーから放電器２０に電力を放電可能な状態に接続しておくことにより、落雷時等の急な停電時においても、タイムラグなく瞬時に放電器２０から外部の機器への電力供給を行うことができる。

また、循環電流防止ダイオード５１〜５４は、放電器２０と複数のバッテリー１〜４との間のそれぞれに設けられており、複数のバッテリー１〜４のいずれかから各バッテリーへの循環電流を防止するものである。すなわち、循環電流防止ダイオード５１〜５４は、放電器２０と複数のバッテリー１〜４との間のそれぞれに、複数のバッテリー１〜４のいずれかから各バッテリーへの循環電流を防止する向きに設けられている。

具体的には、循環電流防止ダイオード５１は、放電器２０とバッテリー１との間に、バッテリー１から放電器２０の方向にしか電流が流れないような向きに設けられている。同様に、循環電流防止ダイオード５２は、放電器２０とバッテリー２との間に、バッテリー２から放電器２０の方向にしか電流が流れないような向きに設けられ、循環電流防止ダイオード５３は、放電器２０とバッテリー３との間に、バッテリー３から放電器２０の方向にしか電流が流れないような向きに設けられ、循環電流防止ダイオード５４は、放電器２０とバッテリー４との間に、バッテリー４から放電器２０の方向にしか電流が流れないような向きに設けられている。

この結果、放電切替器４０によって、例えばバッテリー２〜４の３つが同時に放電器２０に電力を放電可能な状態に接続されたとしても、バッテリー２からの電流がバッテリー３やバッテリー４に流れることはなく、同様に、いずれのバッテリーからも他のバッテリーへ電流が流れることがなく、各バッテリーへの循環電流を防止することができる。

図５は、この発明の実施の形態における無停電電源装置のコントローラの構成および充電・放電・待機の制御状態の一例を示す説明図である。すなわち、図４における充電切替器３０および放電切替器４０において、具体的にどのようなスイッチ構成によりどのような切替制御が行われるかという一例を示すものであり、この図５では、バッテリー１のみを充電接続状態、バッテリー２のみを放電接続状態、残りのバッテリー３およびバッテリー４を待機状態とするよう制御している例を示している。

バッテリー１には、充電用スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２、放電用スイッチＳＷ１３、循環電流防止ダイオード５１が接続されている。同様に、バッテリー２には、充電用スイッチＳＷ２１およびＳＷ２２、放電用スイッチＳＷ２３、循環電流防止ダイオード５２が接続されている。

また、バッテリー３には、充電用スイッチＳＷ３１およびＳＷ３２、放電用スイッチＳＷ３３、循環電流防止ダイオード５３が接続されている。同様に、バッテリー４には、充電用スイッチＳＷ４１およびＳＷ４２、放電用スイッチＳＷ４３、循環電流防止ダイオード５４が接続されている。

そして、この図５においては、バッテリー１のみを充電接続状態とするため、バッテリー１の充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をＯＮに、他のバッテリーの充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２，ＳＷ４１，ＳＷ４２をすべてＯＦＦにしている。すなわち、これら充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２，ＳＷ４１，ＳＷ４２が、図４に示す充電切替器３０を構成しており、充電切替器３０がこれらスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、複数のバッテリーのうちのいずれか１つのみを充電器１０と接続する。

また、この図５においては、バッテリー２の放電用スイッチＳＷ２３をＯＮに、他のバッテリーの放電用スイッチＳＷ１３，ＳＷ３３，ＳＷ４３をＯＦＦにしている。すなわち、これら放電用スイッチＳＷ１３，ＳＷ２３，ＳＷ３３，ＳＷ４３が、図４に示す放電切替器４０を構成しており、放電切替器４０がこれらスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、複数のバッテリーのうちの少なくとも１つを放電器２０と接続する。

そしてこの場合、図５の実線の矢印Ｇで示すように、充電器１０からの電流１２Ａは、すべてバッテリー１にのみ流れることとなり、１２Ａの電流でバッテリー１を充電させることができる。また、二重線の矢印Ｈで示すように、例えば放電器２０に１２Ａの電流が流れる負荷を接続した場合、バッテリー２からのみ１２Ａの電流が放電器２０に流れ、放電を行うことができる。他のバッテリー３およびバッテリー４については、すべてのスイッチがＯＦＦになっているため、完全に回路から切り離された待機状態となっている。

図６は、この発明の実施の形態における無停電電源装置のコントローラの構成および充電・放電・待機の制御状態の別の一例を示す説明図である。すなわち、図５と同様に、図４における充電切替器３０および放電切替器４０において、具体的にどのようなスイッチ構成によりどのような切替制御が行われるかという一例（図５とは別の一例）を示すものであり、この図６では、バッテリー１のみを充電接続状態、バッテリー２およびバッテリー３を放電接続状態、残りのバッテリー４を待機状態とするよう制御している例を示している。

また、図５と同様に、バッテリー１には、充電用スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２、放電用スイッチＳＷ１３、循環電流防止ダイオード５１が接続され、バッテリー２には、充電用スイッチＳＷ２１およびＳＷ２２、放電用スイッチＳＷ２３、循環電流防止ダイオード５２が接続されている。

また、バッテリー３には、充電用スイッチＳＷ３１およびＳＷ３２、放電用スイッチＳＷ３３、循環電流防止ダイオード５３が接続され、バッテリー４には、充電用スイッチＳＷ４１およびＳＷ４２、放電用スイッチＳＷ４３、循環電流防止ダイオード５４が接続されている。

そして、この図６においても、バッテリー１のみを充電接続状態とするため、バッテリー１の充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をＯＮに、他のバッテリーの充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２，ＳＷ４１，ＳＷ４２をすべてＯＦＦにしている。すなわち、これら充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２，ＳＷ４１，ＳＷ４２が、図４に示す充電切替器３０を構成しており、これらスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、複数のバッテリーのうちのいずれか１つのみを充電器１０と接続している点も、図５に示す例と同様である。

また、バッテリー２およびバッテリー３の放電用スイッチＳＷ２３およびＳＷ３３をＯＮに、他のバッテリーの放電用スイッチＳＷ１３，ＳＷ４３をＯＦＦにしている。すなわち、これら放電用スイッチＳＷ１３，ＳＷ２３，ＳＷ３３，ＳＷ４３が、図４に示す放電切替器４０を構成しており、これらスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、複数のバッテリーのうちの少なくとも１つを放電器２０と接続している点も、図５に示す例と同様である。

そしてこの場合、図６の実線の矢印Ｇで示すように、充電器１０からの電流１２Ａは、すべてバッテリー１にのみ流れることとなり、１２Ａの電流でバッテリー１を充電させることができる。また、二重線の矢印Ｊで示すように、バッテリー２およびバッテリー３から６Ａずつの電流が放電器２０に流れ、残りのバッテリー４については、すべてのスイッチがＯＦＦになっているため、完全に回路から切り離された待機状態となっている。

そして、図４においても説明したとおり、図５の例でも図６の例でも同様に、放電器２０と各バッテリー１〜４との間のそれぞれに、循環電流防止ダイオード５１〜５４が接続されていることにより、各バッテリー間に循環電流が流れることがないため、確実に充電接続状態のバッテリー（図５および図６に示す例ではバッテリー１）のみを充電させ、また、放電時には放電接続状態のバッテリー（図５に示す例ではバッテリー２、図６に示す例ではバッテリー２およびバッテリー３）からのみ放電を行うことができ、他のバッテリーに循環電流が流れることはない。

この結果、待機状態にあるバッテリー（図５に示す例ではバッテリー３およびバッテリー４、図６に示す例ではバッテリー４）については、完全に回路から切り離されるため、電流が流れることなく休ませることができるので、バッテリーの長寿命化をはかることができる。
すなわち、個々のバッテリーについて、個別に充電、放電、待機を切り替えて制御することができるので、すべてのバッテリーを適切な状態で管理することができ、バッテリーの長寿命化をはかることができる。

また、上記のとおり、並列接続されている複数のバッテリーを個々に管理することができるため、これらの複数のバッテリーについては、必ずしも同種のバッテリーである必要はない。例えば、電圧が同程度であり、温度のチェックが不要である等、充電電圧と管理条件が同等なバッテリーであれば、容量の異なるバッテリーを使用することができる。

なお、この実施の形態では、並列接続する複数のバッテリーについては、出願時の技術水準に基づき、典型的なバッテリーとして鉛バッテリーを想定しているが、同様の特性を有するものであれば、鉛バッテリー以外のバッテリーを採用しても構わない。

また、並列接続する複数のバッテリーの数について、この実施の形態では４つということで説明したが、最低２つあればよい。すなわち、１つは充電用であり、１つは放電用である。そして、このように少なくとも１つ以上のバッテリーを常に放電器２０に接続しておくことにより、落雷時等の急な停電時にもタイムラグなく瞬時に放電器２０から外部の機器への電力供給を行うことができる。

なお、この実施の形態のように、３つ以上のバッテリーが複数接続されている場合には、充電用でも放電用でもないバッテリーを、充電器１０にも放電器２０にも接続されない待機状態とすることができるので、電流が流れることなく休ませることができ、バッテリーの寿命をより長くすることができる。

また、例えば１つのバッテリーが故障したり寿命だったりして交換が必要になった場合にも、その交換すべきバッテリーを待機状態にすることにより無停電電源装置の回路から切り離すことができるので、無停電電源装置としては稼働させたまま、バッテリーの交換を行うことができる。

以上のように、この発明の実施の形態の無停電電源装置のコントローラによれば、並列接続された複数のバッテリーについて、個別に充電、放電、待機を切り替えて制御することができるので、すべてのバッテリーを適切な状態で管理することができ、バッテリーの長寿命化をはかることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１，２，３，４ バッテリー
１０ 充電器
２０ 放電器（インバータ）
３０ 充電切替器
４０ 放電切替器
５１ バッテリー１の循環電流防止ダイオード
５２ バッテリー２の循環電流防止ダイオード
５３ バッテリー３の循環電流防止ダイオード
５４ バッテリー４の循環電流防止ダイオード
ＳＷ１１，ＳＷ１２ バッテリー１の充電用スイッチ
ＳＷ１３ バッテリー１の放電用スイッチ
ＳＷ２１，ＳＷ２２ バッテリー２の充電用スイッチ
ＳＷ２３ バッテリー２の放電用スイッチ
ＳＷ３１，ＳＷ３２ バッテリー３の充電用スイッチ
ＳＷ３３ バッテリー３の放電用スイッチ
ＳＷ４１，ＳＷ４２ バッテリー４の充電用スイッチ
ＳＷ４３ バッテリー４の放電用スイッチ

Claims (1)

1. 並列接続された複数のバッテリーと、外部の機器に対して電力を放電可能な１台の放電器とに接続される、無停電電源装置のコントローラであって、
   商用電源と接続されて電力を充電する１台の充電器と、
   前記複数のバッテリーのうちの１つのみを、前記充電器から充電可能な状態に接続するよう制御する充電切替器と、
   前記複数のバッテリーのうち、前記充電切替器により前記充電器から充電可能な状態に接続されたバッテリー以外のバッテリーのうちの少なくとも１つを、前記放電器に電力を放電可能な状態に接続するよう制御する放電切替器と、
   前記放電器と前記複数のバッテリーすべてとの間のそれぞれに、前記複数のバッテリーのいずれかから各バッテリーへの循環電流を防止する向きに設けられる循環電流防止ダイオードと、
   を備えたことを特徴とする無停電電源装置のコントローラ。

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