JPWO2018043319A1 - 電源システム - Google Patents

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Abstract

入力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ出力するコンバータ（１０３）と、コンバータ（１０３）に対して、複数の交流電源の何れか一つを電気的に接続する切替部（１０２）と、コンバータ（１０３）への入力電圧を検出する電圧検出部（１０６）と、コンバータ（１０３）からの出力電流を検出する電流検出部（１０７）とを備える。切替部（１０２）は、電圧検出部（１０６）が検出する入力電圧に基づく交流電源の異常判定を、所定時間繰り返す処理と、異常と判定した場合、コンバータ（１０３）に接続する交流電源を切り替える処理と、電流検出部（１０７）が検出する検出結果に応じて、判定時間を調整する処理とを実行する。

Description

本発明は、複数の交流電源の何れかから負荷へ電圧を供給する電源システムに関する。
特許文献１には、商用電力系統と連系して、宅内負荷へ交流電力を供給する分散型電源装置が開示されている。特許文献１に記載の電源装置は、商用電力系統の瞬停（瞬時電圧低下、瞬時停電）等による入力電圧の異常が頻発する地域に設置される。この電源装置は、異常検出毎の異常種別と特性値の発生パターンが、予め記憶してある、異常種別と特性値の時系列的な発生パターンと一致するとき、装置故障と判定する。判定後は、装置の再起動や本格的な停止を行なう。
特開２００９−２９０９１８号公報
高い信頼性が要求される電源システムにおいては、停電などにより商用電力系統からの電力供給が途絶えた場合に備えて、複数の商用電力系統を選択できるように、電源システムが冗長化される場合がある。複数の商用電力系統の切り替えには、機械式リレースイッチが用いられる。機械式リレースイッチは、その切替回数が多いと、製品寿命または信頼性が低下するおそれがある。このため、頻繁に機械式リレースイッチの切り替えを行わないことが望ましいが、そのために１回の異常判定にかける時間を維持しつつ異常判定の回数を減らすと、異常判定の精度が低下し、異常時に適切な対応を行うことができなくなるおそれがある。
そこで、本発明の目的は、交流電源のシステム構成・負荷状態に応じて異常判定時間を適切に設定することで異常判定を精度よく行い、負荷への電力供給を維持する電源システムを提供することにある。
本発明に係る電源システムは、入力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ出力するコンバータと、前記コンバータに対して、複数の交流電源の何れか一つを電気的に接続するスイッチ素子と、前記コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧検出部と、前記コンバータからの出力電流を検出する出力電流検出部と、前記入力電圧検出部が検出する入力電圧に基づく交流電源の異常判定を、所定時間繰り返す異常判定部と、前記異常判定部が異常と判定した場合、前記スイッチ素子を切り替えて、前記コンバータに接続する交流電源を切り替える切替制御部と、前記出力電流検出部が検出する検出値に応じて、前記所定時間を調整する時間調整部と、を備えることを特徴とする。
この構成では、コンバータに接続する交流電源の異常判定を行い、異常と判定された場合には、コンバータに接続する交流電源を、別の交流電源に切り替えることができる。これにより、例えば、負荷が常時駆動し続ける必要がある場合、交流電源の異常により負荷へ電圧が供給されなくなり、負荷の動作が停止するといった問題を回避できる。
この異常判定を行う所定時間は、出力電流、つまり、負荷の軽重に応じて調整される。例えば、軽負荷の場合には、異常判定にかける時間を長くすれば、異常判定の精度を高めることができる。そして、スイッチ素子の切り替え頻度を抑えることができる。また、重負荷の場合には、異常判定にかける時間を短くすることで、負荷への供給電圧が低下することによる負荷の誤作動、停止を抑制できる。これにより、交流電源の異常判定を精度よく行い、負荷への電力供給を維持することができる。
前記時間調整部は、前記出力電流検出部が検出する出力電流の値が第１閾値を上回る場合、前記所定時間を短くしてもよい。
この構成では、重負荷の場合には、異常判定にかける時間を短くすることで、負荷への供給電圧が低下することによる負荷の誤作動、停止を抑制できる。
前記時間調整部は、前記出力電流検出部が検出する出力電流の値が第２閾値を下回る場合、前記所定時間を長くしてもよい。
この構成では、軽負荷の場合には、異常判定にかける時間が長くなり、異常判定の精度を高めることができる。そして、スイッチ素子の切り替え頻度を抑えることができる。
前記第１閾値は、前記複数のＡＣ−ＤＣコンバータが全て稼動しており、かつ各々のＡＣ−ＤＣコンバータの負荷率が５０％の時の出力電流値であることが好ましい。
前記第２閾値は、前記複数のＡＣ−ＤＣコンバータのうち１つを停止させると前記稼動制御部が判断する時の出力電流値であることが好ましい。
前記スイッチ素子は機械式リレースイッチであってもよい。
この構成では、オン抵抗が小さく、スイッチ素子での発熱を抑えることができる。
前記スイッチ素子は、機械式リレースイッチおよび半導体スイッチを含むハイブリッドスイッチであってもよい。
この構成では、機械式リレースイッチはオン抵抗が小さいが、オンになるのに時間を要する。このため、切替速度が速い半導体スイッチを用いることで、切替速度を改善できる。
前記電源システムは、前記コンバータに対し、着脱可能に並列接続される蓄電装置と、前記蓄電装置の接続の有無を判定する接続判定部と、を備え、前記時間調整部は、前記接続判定部により、前記蓄電装置が接続されていると判定される場合、前記所定時間を長くし、前記蓄電装置が接続されていないと判定される場合、前記所定時間を短くする構成でもよい。
この構成では、蓄電装置から負荷への電力アシストがある場合には、それを考慮して、異常判定にかける時間を調整する。これにより、重負荷であっても異常判定にかける時間を長くすることで、異常判定の精度を高めることができ、また、スイッチ素子の切り替え頻度を抑えることができる。
本発明によれば、負荷の軽重によって、異常判定を行う時間を調整することで、精度のよい異常判定を行うことができる。
図１は、本実施形態に係る電源システムのブロック図である。 図２は、切替部の構成を示す図である。 図３は、制御部が実行する異常判定処理およびスイッチ切替処理のフローチャートである。 図４は、制御部が実行する判定時間調整処理のフローチャートである。 図５は、ハイブリッドスイッチの一例を示す図である。 図６は、ハイブリッドスイッチのタイミングチャートを示す図である。
図１は、本実施形態に係る電源システム１００のブロック図である。
電源システム１００は、商用電源１０１Ａ、１０１Ｂと、切替部１０２と、コンバータ部１０３と、負荷１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃと、バッテリモジュール１０５と、電圧検出部１０６と、電流検出部１０７とを含む。
負荷１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃは、例えばブレードサーバであり、筐体内に収められる。負荷１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃは、並列接続され、コンバータ部１０３に接続される。そして、負荷１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃは、コンバータ部１０３から電力が供給される。以下では、負荷１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃは、纏めて負荷１０４で表す。
切替部１０２は、商用電源１０１Ａ、１０１Ｂとコンバータ部１０３との間に接続される。切替部１０２は、商用電源１０１Ａ、１０１Ｂの一方と、コンバータ部１０３とを電気的に接続する。商用電源１０１Ａ、１０１Ｂは、それぞれ異なる電力系統に接続されている。切替部１０２は、後に詳述するが、コンバータ部１０３に接続している商用電源１０１Ａ、１０１Ｂの一方が異常である場合に、他方に切り替える。前記のように、負荷１０４は、例えばブレードサーバであり、供給電力不足、または、電力遮断等で、動作が停止することは許されない。本実施形態によれば、商用電源の異常で負荷１０４へ電力が供給されなくなっても、切替部１０２が切り替えられるので、負荷１０４の誤動作または停止といった問題を回避できる。
コンバータ部１０３は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃを有する。ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃは並列接続される。そして、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃそれぞれは、切替部１０２により接続される商用電源１０１Ａ、１０１Ｂの何れかからの交流電圧（例えば２００Ｖ）を直流電圧（例えば１２Ｖ）に変換して、負荷１０４へ供給する。
コンバータ部１０３は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃを並列化して冗長性を持たせている。このため、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃの一つまたは二つが故障等で停止しても、残りのＡＣ−ＤＣコンバータで負荷１０４へ電力供給できる。そして、コンバータ部１０３は常時稼動した状態で、障害が発生したＡＣ−ＤＣコンバータの交換が可能である。
なお、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃそれぞれは、自身の出力電流を他の出力電流と比較し、出力電流を平衡化する機能（所謂カレントシェア機能）を有している。つまり、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃの出力電流はそれぞれ同じである。この機能を有することで、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃの一台当たりの出力電流量が抑えられ、ストレスが軽減されることで、長寿命化が図れる。
一般的にコンバータは軽負荷の時の効率が悪く、定格負荷の５０％程度で稼動させると最も効率が高いように設計されている。このため、各ＡＣ−ＤＣコンバータの出力電流が小さい場合は軽負荷であると判断し、そのうち１台を停止させるよう稼動を制御することで、残りのＡＣ−ＤＣコンバータの出力電流が増大し、結果として高効率領域で稼動させることができる。
バッテリモジュール１０５は、制御部１０５Ａと、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５Ｂと、二次電池１０５Ｃとを有する。二次電池１０５Ｃは、例えばリチウムイオン電池等である。バッテリモジュール１４は、本発明に係る「蓄電装置」の一例である。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５Ｂは、コンバータ部１０３の出力部と、二次電池１０５Ｃとの間に接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５Ｂは、例えば、昇圧チョッパと降圧チョッパを組み合わせた回路であって、コンバータ部１０３の出力部と、二次電池１０５Ｃとの間で双方向に電圧変換する。そして、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５Ｂは、二次電池１０５Ｃの放電電圧を負荷１０４へ出力し、また、コンバータ部１０３の出力電圧で二次電池１０５Ｃを充電する。
制御部１０５Ａは、例えばマイコンであって、二次電池１０５Ｃの接続の有無を判定する。二次電池１０５Ｃが接続されている場合、制御部１０５Ａは、カレントシェア信号を適宜受信して、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５Ｂをスイッチング制御して、前記した二次電池１０５Ｃの充放電制御を行う。カレントシェア信号は、カレントシェア機能により平衡化されるＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃの出力電流値を含む。制御部１０５Ａは、本発明に係る「接続判定部」の一例である。
電圧検出部１０６は、コンバータ部１０３への入力電圧を検出する回路である。コンバータ部１０３への入力電圧は、切替部１０２により接続される商用電源１０１Ａ、１０１Ｂの一方からの出力電圧である。電圧検出部１０６は、本発明に係る「入力電圧検出部」の一例である。
電流検出部１０７は、例えば電流検出用抵抗を有し、コンバータ部１０３からの出力電流を検出する。コンバータ部１０３からの出力電流は、負荷１０４へ入力される負荷電流である。電流検出部１０７が検出する電流値から、負荷１０４の軽重が判定できる。電流検出部１０７は、本発明に係る「出力電流検出部」の一例である。
電流検出部１０７によって、負荷１０４が軽負荷であると判定した場合は、制御部１０５Ａによって、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ〜１０３Ｃのうち、少なくとも１台を停止させ、起動しているＡＣ−ＤＣコンバータの負荷率を高めることにより効率が悪化することを防ぐことができる。
図２は、切替部１０２の構成を示す図である。
切替部１０２は、商用電源１０１Ａ、１０１Ｂそれぞれが接続される２つの系統を有している。２つの系統はそれぞれ、ヒューズ２１Ａ、２１Ｂと、バリスタ２２Ａ、２２Ｂと、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂとで構成されている。ヒューズ２１Ａ、２１Ｂは過電流から保護し、バリスタ２２Ａ、２２Ｂは、サージから保護する。
スイッチ部２３Ａ、２３Ｂは、機械式リレースイッチであって、制御部２０により何れか一方がオンされ、他方がオフされる。スイッチ部２３Ａがオン、スイッチ部２３Ｂがオフの場合、商用電源１０１Ａとコンバータ部１０３とが電気的に接続される。スイッチ部２３Ｂがオン、スイッチ部２３Ａがオフの場合、商用電源１０１Ｂとコンバータ部１０３とが電気的に接続される。スイッチ部２３Ａ、２３Ｂは、機械式リレースイッチとすることで、オン抵抗を小さくでき、発熱を抑えることができる。スイッチ部２３Ａ、２３Ｂは、本発明に係る「スイッチ素子」の一例である。
制御部２０は、以下に説明する、スイッチ切替処理と、異常判定処理と、判定時間調整処理とを実行する。制御部２０は、本発明に係る「異常判定部」、「切替制御部」、「時間調整部」の一例である。
（スイッチ切替処理）
制御部２０は、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂの一方をオンし、他方をオフにする。また、制御部２０は、後述の異常判定処理の結果に応じて、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂのオンとオフとを切り替える。例えば、制御部２０は、スイッチ部２３Ａをオンし、スイッチ部２３Ｂをオフしている場合、異常判定処理の結果によって、スイッチ部２３Ａをオフし、スイッチ部２３Ｂをオンする。つまり、制御部２０は、コンバータ部１０３に接続する商用電源を、商用電源１０１Ａから、商用電源１０１Ｂへ切り替える。
（異常判定処理）
制御部２０は、コンバータ部１０３への入力電圧の異常を判定する。入力電圧の異常とは、切替部１０２によりコンバータ部１０３に接続されている商用電源１０１Ａまたは商用電源１０１Ｂの異常である。以下では、切替部１０２により商用電源１０１Ａがコンバータ部１０３に接続されていて、制御部２０は、商用電源１０１Ａの異常を判定するものとして説明する。つまり、スイッチ部２３Ａがオン、スイッチ部２３Ｂがオフである。
制御部２０は、所定時間、基準値を下回る電圧値を電圧検出部１０６が検出する回数を計測する。例えば、電圧検出部１０６は、０．１ｍｓ毎に電圧を検出する。制御部２０は、０．１ｍｓ毎に検出された電圧値が基準値を下回っているか否かを判定する。そして、その回数が規定値を超える場合、制御部２０は、商用電源１０１Ａが異常と判定する。
商用電源１０１Ａが異常と判定された場合、制御部２０は、スイッチ部２３Ａをオフ、スイッチ部２３Ｂをオンに切り替え、コンバータ部１０３に接続する商用電源を、商用電源１０１Ａから、商用電源１０１Ｂへ切り替える。商用電源１０１Ａに異常がある場合、負荷１０４への電圧供給が停止し、または、供給電圧が低下して、負荷１０４は誤動作または停止するおそれがある。そこで、制御部２０は、商用電源１０１Ａに代えて、商用電源１０１Ｂをコンバータ部１０３に接続することで、負荷１０４への電圧供給を維持する。これにより、負荷１０４の誤作動または停止を回避できる。
この異常判定処理において、基準値を下回る電圧値を電圧検出部１０６が検出する回数によって異常判定することで、異常判定の精度を高めることができる。これにより、不要なスイッチ部２３Ａ、２３Ｂの切り替えをなくし、切り替え回数を抑えることができる。スイッチ部２３Ａ、２３Ｂは機械式リレースイッチであるため、頻繁に切り替えを行うと、製品寿命が短くなり、劣化等により信頼性も低下する。そこで、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂの切り替え回数を抑えることで、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂの長寿命化、および信頼性の向上を図ることができる。
なお、異常判定は、入力電圧の周波数、波形などに基づいて行われてもよい。
（判定時間調整処理）
制御部２０は、異常判定処理を実行する時間（以下、判定時間という）を、電流検出部１０７が検出する電流値に基づいて調整する。制御部２０は、電流検出部１０７が検出する電流値、すなわち、負荷電流から、負荷１０４の軽重を判定する。そして、負荷１０４が軽い場合には、制御部２０は判定時間を長くする。一方、負荷１０４が重い場合には、制御部２０は判定時間を短くする。
例えば、制御部１０５Ａによって、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ〜１０３Ｃが全て起動していて、かつ定格負荷の５０％以上の負荷率であった場合、重負荷であると判定してもよい。その際に電流検出部１０７が検出する電流値を第１の閾値として設定する。また、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０３Ａ〜１０３Ｃのうち、起動していないコンバータがあれば、軽負荷であると判定してもよい。その際に電流検出部１０７が検出する電流値を第２の閾値として設定する。
負荷１０４が軽負荷の場合には、判定時間を長くすることで、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂの不要な切り替えを抑制できる。例えば、瞬停により入力電圧が途絶えても、負荷１０４が軽負荷の場合、電源システム１００内のキャパシタ、例えばコンバータ部１０３のキャパシタに充電された電圧で、一定時間（例えば２０ｍｓ）駆動を維持できる場合がある。
仮に、判定時間が１０ｍｓであり、瞬停は発生から２０ｍｓ以内に復帰するものとする。この場合、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂを切り替えなくても、負荷１０４は駆動し続けることができる。上記判定時間の制御を行われれば、判定時間内に、入力電圧は異常と判定され、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂは切り替えられる。つまり、不要なスイッチ部２３Ａ、２３Ｂの切り替えが行われる。本実施形態によれば、判定時間を長く（例えば２０ｍｓ）することで、異常判定が終了するまでに、瞬停から復帰するため、前記の不要なスイッチ部２３Ａ、２３Ｂの切り替えを回避できる。これにより、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂの長寿命化、および信頼性の向上を図ることができる。
また、判定時間を長くすることで、ノイズ等による誤判定を防止でき、高精度な判定結果を得ることができる。
負荷１０４が重負荷の場合、負荷１０４は、供給電圧不足により、短時間で駆動が停止するおそれがある。このため、判定時間を短くすることで、制御部２０は、商用電源１０１Ａの異常判定を短時間で行う。そして、制御部２０は、スイッチ部２３Ａをオフし、スイッチ部２３Ｂをオンにする。これにより、コンバータ部１０３には商用電源１０１Ｂが接続される。その結果、商用電源１０１Ｂによって負荷１０４への電圧供給が維持されて、負荷１０４の誤作動または停止を回避できる。
さらに、制御部２０は、バッテリモジュール１０５の制御部１０５Ａから、二次電池１０５Ｃの接続の有無を取得し、二次電池１０５Ｃが接続されている場合には、負荷１０４の軽重にかかわらず、判定時間を長くする。二次電池１０５Ｃが接続されている場合、負荷１０４には、二次電池１０５Ｃから電力供給がアシストされる。このため、コンバータ部１０３への入力電圧に異常があっても、負荷１０４には、二次電池１０５Ｃから電力供給されるため、負荷１０４はすぐには動作が停止しない。そこで、負荷１０４が軽負荷の場合と同様、判定時間を長くすることで、異常判定の精度を高めることができる。
また、二次電池１０５Ｃから電力供給がアシストされる場合には、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂを高速に切り替える必要がなく、高速切替ができるスイッチを用いなくてもよくなり、低コスト化が図れる。
なお、制御部２０が実行する処理は、他で実行されてもよい。例えば、電源システム１００は、全体を制御する制御部を備え、その制御部が、上述の各処理を実行する構成であってもよい。
図３は、制御部２０が実行する異常判定処理およびスイッチ切替処理のフローチャートである。
制御部２０は、電圧検出部１０６が検出する電圧値を取得し（Ｓ１）、その電圧値と基準値とを比較する（Ｓ２）。制御部２０は、電圧検出部１０６が検出する電圧値が基準値を下回る場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、回数を計測する（Ｓ４）。電圧値が基準値を下回らない場合（Ｓ３：ＮＯ）、制御部２０は回数を計測することなく、Ｓ５の処理を時刻する。
本処理を開始してから所定時間が経過していないと（Ｓ５：ＮＯ）、制御部２０はＳ１の処理を実行する。所定時間経過した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、制御部２０は計測した回数が規定値を超えるか否かによって、入力電圧の異常を判定する（Ｓ６）。入力電圧が異常と判定する場合には（Ｓ６：ＹＥＳ）、制御部２０はスイッチ部２３Ａ、２３Ｂを切り替える（Ｓ７）。例えば、スイッチ部２３Ａがオン、スイッチ部２３Ｂがオフの状態であれば、制御部２０は、スイッチ部２３Ａをオフ、スイッチ部２３Ｂをオンにする。入力電圧が異常でない場合には（Ｓ６：ＮＯ）、制御部２０は本処理を終了する。
図４は、制御部２０が実行する判定時間調整処理のフローチャートである。以下では、時間調整を行わない初期状態での判定時間は、判定時間Ａで表す。
制御部２０は、電流検出部１０７が検出する電流値を取得し（Ｓ１１）、電流値から負荷１０４が軽負荷である否かを判定する（Ｓ１２）。軽負荷の場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、制御部２０は、二次電池１０５Ｃから負荷１０４へ電力供給がアシストされているかを判定する（Ｓ１３）。電力アシストがされていない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、制御部２０は、判定時間を、判定時間Ａより長い判定時間Ｂにする（Ｓ１５）。電力アシストがされている場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、制御部２０は、判定時間を、判定時間Ｂよりもさらに長い判定時間Ｃにする（Ｓ１６）。
負荷１０４が軽負荷でない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、つまり、負荷１０４が重負荷である場合、制御部２０は、二次電池１０５Ｃから負荷１０４へ電力供給がアシストされているかを判定する（Ｓ１４）。電力アシストがされていない場合（Ｓ１４：ＮＯ）、制御部２０は、判定時間を、判定時間Ａよりを短い判定時間Ｄにする（Ｓ１７）。電力アシストがされている場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、制御部２０は、判定時間を、判定時間Ａより長く、かつ、判定時間Ｃより短い判定時間Ｅにする（Ｓ１８）。
以上のように、異常判定処理を行う判定時間を、負荷１０４の軽重に応じて、調整することで、異常判定の精度を高めることができ、かつ、負荷１０４への電圧供給を維持して、負荷１０４の誤作動または停止を回避できる。また、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂの不要な切り替えを抑制することで、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂの長寿命化、および信頼性の向上を図ることができる。
なお、本実施形態では、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂは機械式リレースイッチとしているが、機械式リレースイッチと半導体スイッチとのハイブリッドスイッチであってもよい。
図５は、ハイブリッドスイッチ２３Ｃの一例を示す図である。
ハイブリッドスイッチ２３Ｃは、機械式リレースイッチ２３１と、ダイオードＤ１およびトランジスタ２３２の直列回路と、ダイオードＤ２およびトランジスタ２３３の直列回路と、が並列に接続されて構成されている。ダイオードＤ１およびトランジスタ２３２の直列回路と、ダイオードＤ２およびトランジスタ２３３の直列回路とは、それぞれ整流方向が逆である。ハイブリッドスイッチ２３Ｃは、２つの直列回路を有することで、交流電流が流れる何れのラインにも用いることができる。
この構成において、制御部２０は、機械式リレースイッチ２３１のみをオン状態にして、商用電源１０１Ａ、１０１Ｂとコンバータ部１０３とを電気的に接続する。機械式リレースイッチ２３１はオン抵抗が小さいため、損失を低減でき、また、発熱を抑えることができる。そして、制御部２０は、異常時にコンバータ部１０３に接続する商用電源を切り替える際に、トランジスタ２３２、２３３をオンにして、そのオン期間中に機械式リレースイッチ２３１を切り替える。機械式リレースイッチ２３１は切り替えに時間を要するため、切替速度が速いトランジスタ（例えばＩＧＢＴ）２３２、２３３を用いることで、切替速度を改善できる。
以下に、入力電圧の異常時でのハイブリッドスイッチ２３Ｃの動作を説明する。
図６は、ハイブリッドスイッチ２３Ｃのタイミングチャートを示す図である。この図において、図中の上側は、商用電源１０１Ａに接続されるハイブリッドスイッチ２３Ｃのタイミングチャートであり、下側は、商用電源１０１Ｂに接続されるハイブリッドスイッチ２３Ｃのタイミングチャートである。また、図６は、商用電源１０１Ａがコンバータ部１０３に接続されている状態で、入力電圧の異常と判定され、商用電源１０１Ｂをコンバータ部１０３に接続する場合のタイミングチャートを示す。
制御部２０は、商用電源１０１Ａが異常と判定すると、商用電源１０１Ａ側のトランジスタ２３２，２３３へ制御信号を出力する。トランジスタ２３２，２３３は、制御信号が出力されると、ほぼ遅延なしにオンする。トランジスタ２３２，２３３がオンとなると、制御部２０は、商用電源１０１Ａ側の機械式リレースイッチ２３１をオフにする制御信号を出力する。機械式リレースイッチ２３１は、この制御信号が出力されてから遅延してオフする。トランジスタ２３２，２３３のオン期間に、機械式リレースイッチ２３１をオフすることで、アークの発生を防止できる。制御部２０は、機械式リレースイッチ２３１がオフすると、トランジスタ２３２，２３３もオフにする。これにより、商用電源１０１Ａとコンバータ部１０３との接続が遮断される。
その後、制御部２０は、商用電源１０１Ｂ側のトランジスタ２３２，２３３へ制御信号を出力して、トランジスタ２３２，２３３をオンにする。これにより、商用電源１０１Ｂとコンバータ部１０３とが接続され、商用電源１０１Ｂからの電力供給が開始される。制御部２０は、トランジスタ２３２，２３３がオンの期間中に、商用電源１０１Ｂ側の機械式リレースイッチ２３１をオンにする制御信号を出力する。機械式リレースイッチ２３１は、この制御信号が出力されてから遅延してオンする。制御部２０は、機械式リレースイッチ２３１がオンすると、トランジスタ２３２，２３３をオフにする。これにより、商用電源１０１Ｂとコンバータ部１０３とは、オン抵抗が低く、発熱が少ない機械式リレースイッチ２３１により接続される。
Ｄ１、Ｄ２…ダイオード
１４…バッテリモジュール
２０…制御部
２１Ａ…ヒューズ
２２Ａ…バリスタ
２３Ａ、２３Ｂ…スイッチ部
２３Ｃ…ハイブリッドスイッチ
１００…電源システム
１０１Ａ、１０１Ｂ…商用電源
１０２…切替部
１０３…コンバータ部
１０３Ａ…ＡＣ−ＤＣコンバータ
１０４…負荷
１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ…負荷
１０５…バッテリモジュール
１０５Ａ…制御部
１０５Ｂ…ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０５Ｃ…二次電池
１０６…電圧検出部
１０７…電流検出部
１４１…制御部
２３１…機械式リレースイッチ
２３２，２３３…トランジスタ
本発明に係る電源システムは、入力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ出力するコンバータ部と、前記コンバータ部は、共通の交流入力電圧を共通の直流出力電圧に変換するように並列接続された複数のＡＣ−ＤＣコンバータを含み、前記負荷の状態に基づいて前記複数のＡＣ−ＤＣコンバータの稼動または停止を制御する稼動制御部と、前記コンバータ部に対して、複数の交流電源の何れか一つを電気的に接続するスイッチ素子と、前記コンバータ部への入力電圧を検出する入力電圧検出部と、前記コンバータ部からの出力電流を検出する出力電流検出部と、前記入力電圧検出部が検出する入力電圧に基づく交流電源の異常判定を、所定時間繰り返す異常判定部と、前記異常判定部が異常と判定した場合、前記スイッチ素子を切り替えて、前記コンバータ部に接続する交流電源を切り替える切替制御部と、前記出力電流検出部が検出する検出値に応じて、前記所定時間を調整する時間調整部と、を備えることを特徴とする。
この構成では、コンバータ部に接続する交流電源の異常判定を行い、異常と判定された場合には、コンバータ部に接続する交流電源を、別の交流電源に切り替えることができる。これにより、例えば、負荷が常時駆動し続ける必要がある場合、交流電源の異常により負荷へ電圧が供給されなくなり、負荷の動作が停止するといった問題を回避できる。
前記電源システムは、前記コンバータ部に対し、着脱可能に並列接続される蓄電装置と、前記蓄電装置の接続の有無を判定する接続判定部と、を備え、前記時間調整部は、前記接続判定部により、前記蓄電装置が接続されていると判定される場合、前記所定時間を長くし、前記蓄電装置が接続されていないと判定される場合、前記所定時間を短くする構成でもよい。
バッテリモジュール１０５は、制御部１０５Ａと、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５Ｂと、二次電池１０５Ｃとを有する。二次電池１０５Ｃは、例えばリチウムイオン電池等である。バッテリモジュール１０５は、本発明に係る「蓄電装置」の一例である。
仮に、判定時間が１０ｍｓであり、瞬停は発生から２０ｍｓ以内に復帰するものとする。この場合、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂを切り替えなくても、負荷１０４は駆動し続けることができる。上記判定時間の制御を行わなければ、判定時間内に、入力電圧は異常と判定され、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂは切り替えられる。つまり、不要なスイッチ部２３Ａ、２３Ｂの切り替えが行われる。本実施形態によれば、判定時間を長く（例えば２０ｍｓ）することで、異常判定が終了するまでに、瞬停から復帰するため、前記の不要なスイッチ部２３Ａ、２３Ｂの切り替えを回避できる。これにより、スイッチ部２３Ａ、２３Ｂの長寿命化、および信頼性の向上を図ることができる。
制御部２０は、電圧検出部１０６が検出する電圧値を取得し（Ｓ１）、その電圧値と基準値とを比較する（Ｓ２）。制御部２０は、電圧検出部１０６が検出する電圧値が基準値を下回る場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、回数を計測する（Ｓ４）。電圧値が基準値を下回らない場合（Ｓ３：ＮＯ）、制御部２０は回数を計測することなく、Ｓ５の処理を実行する。
制御部２０は、電流検出部１０７が検出する電流値を取得し（Ｓ１１）、電流値から負荷１０４が軽負荷である否かを判定する（Ｓ１２）。軽負荷の場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、制御部２０は、二次電池１０５Ｃから負荷１０４へ電力供給がアシストされているかを判定する（Ｓ１３）。電力アシストがされていない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、制御部２０は、判定時間を、判定時間Ａより長い判定時間Ｂにする（Ｓ１５）。電力供給のアシストがされている場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、制御部２０は、判定時間を、判定時間Ｂよりもさらに長い判定時間Ｃにする（Ｓ１６）。
Ｄ１、Ｄ２…ダイオード
２０…制御部
２１Ａ…ヒューズ
２２Ａ…バリスタ
２３Ａ、２３Ｂ…スイッチ部
２３Ｃ…ハイブリッドスイッチ
１００…電源システム
１０１Ａ、１０１Ｂ…商用電源
１０２…切替部
１０３…コンバータ部
１０３Ａ…ＡＣ−ＤＣコンバータ
１０４…負荷
１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ…負荷
１０５…バッテリモジュール
１０５Ａ…制御部
１０５Ｂ…双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０５Ｃ…二次電池
１０６…電圧検出部
１０７…電流検出部
１４１…制御部
２３１…機械式リレースイッチ
２３２，２３３…トランジスタ

Claims (8)

  1. 入力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ出力するコンバータ部と、
    前記コンバータ部は、共通の交流入力電圧を共通の直流出力電圧に変換するように並列接続された複数のＡＣ−ＤＣコンバータを含み、
    前記負荷の状態に基づいて前記複数のＡＣ−ＤＣコンバータの稼動または停止を制御する稼動制御部と、
    前記コンバータ部に対して、複数の交流電源の何れか一つを電気的に接続するスイッチ素子と、
    前記コンバータ部への入力電圧を検出する入力電圧検出部と、
    前記コンバータ部からの出力電流を検出する出力電流検出部と、
    前記入力電圧検出部が検出する入力電圧に基づく交流電源の異常判定を、所定時間繰り返す異常判定部と、
    前記異常判定部が異常と判定した場合、前記スイッチ素子を切り替えて、前記コンバータ部に接続する交流電源を切り替える切替制御部と、
    前記出力電流検出部が検出する検出値に応じて、前記所定時間を調整する時間調整部と、
    を備える電源システム。
  2. 前記時間調整部は、
    前記出力電流検出部が検出する出力電流の値が第１閾値を上回る場合、前記所定時間を短くする、
    請求項１に記載の電源システム。
  3. 前記時間調整部は、
    前記出力電流検出部が検出する出力電流の値が第２閾値を下回る場合、前記所定時間を長くする、
    請求項１又は２に記載の電源システム。
  4. 前記第１閾値は、前記複数のＡＣ−ＤＣコンバータが全て稼動しており、かつ各々のＡＣ−ＤＣコンバータの負荷率が５０％の時の出力電流値である、
    請求項２に記載の電源システム。
  5. 前記第２閾値は、前記複数のＡＣ−ＤＣコンバータのうち１つを停止させると前記稼動制御部が判断する時の出力電流値である、
    請求項３に記載の電源システム。
  6. 前記スイッチ素子は機械式リレースイッチである、
    請求項１から５の何れかに記載の電源システム。
  7. 前記スイッチ素子は、機械式リレースイッチおよび半導体スイッチを含むハイブリッドスイッチである、
    請求項１から５の何れかに記載の電源システム。
  8. 前記コンバータに対し、着脱可能に並列接続される蓄電装置と、
    前記蓄電装置の接続の有無を判定する接続判定部と、
    を備え、
    前記時間調整部は、
    前記接続判定部により、前記蓄電装置が接続されていると判定される場合、前記所定時間を長くし、前記蓄電装置が接続されていないと判定される場合、前記所定時間を短くする、
    請求項１から７の何れかに記載の電源システム。
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