JP4654262B2 - 直流電源システムおよびその充電方法 - Google Patents

Description

本発明は直流電源システムおよびその充電方法に関する。

一般に、直流負荷装置へ電力を供給する直流電源システムでは、商用交流電力を受け、直流４８Ｖなどの直流電力を出力する整流器が用いられている。さらに、商用電力が停電した場合でも負荷装置への給電を継続するために、整流器の出力に蓄電池と、蓄電池を充電するための充電器を備え、バックアップ電源システムとする。蓄電池を直流電源システムに適用する場合には、通常、単セルと呼ばれる１本の蓄電池を複数個直列にしたものを１つ以上並列接続した組電池を用いる。

下記特許文献１、２には、複数の組電池が出力する電力を放電器を介して負荷に供給する電池システムが記載され、特許文献１には、組電池と放電器中のコンバータとの間の電路が共通導線によって互いに電気的に接続されていることが記載され、特許文献２には、放電器の各動作を、制御部が発信する同一の動作信号に基づいて行わせることが記載されている。
特開２００７−１４３２６６号公報 特開２００７−１４３２９１号公報

整流器、蓄電池、充電器および放電器を組み合わせた直流電源システムを図５に示す。図において、商用電源１の交流電力は整流器２に供給され、整流器２は交流電力を所定の直流電力に変換して負荷３へ供給している。組電池４は、複数の蓄電池を組み合わせてなる組電池であり、その６組が搭載されている。各組電池４は、商用電源１が有効であるときは充電器５を介して充電され、商用電源１の停電時に放電器７を介して負荷３への放電を行う。

各充電器５は、接続されている組電池４の残容量が低下したとき該組電池４の充電を開始し、満充電となったとき組電池４の充電を停止する、いわゆる間欠充電を行っている。組電池４は、商用電源１の停電による放電のほか、蓄電池自身の自己放電によっても残容量が低下する。ここでは、組電池４の残容量が、満充電状態に対して１０％低下したとき、該組電池４に接続されている充電器５により満充電までの充電（補充電）が開始されるものとする。

ここで、６組の組電池４が、同時に残容量が９０％まで低下する場合がある。この場合、合計の残容量も９０％まで低下するため、この低下分を補うための余分な蓄電池を設置する必要があり、コストや設置スペースを増加させる結果となる。また、９０％までの残容量低下を回避するため、例えば９５％まで残容量低下があったときに充電を開始するとした場合、充電頻度が増加することにより蓄電池の劣化が促進されるという別の問題が生じる。

以上のように、複数の組電池で構成される蓄電池システムにおいては、同時に全ての組電池の残容量が低下した場合に合計の残容量が低下するため余分に蓄電池を搭載する必要が生じてコストと設置スペースが増加するという問題と、この問題を回避するために充電頻度を増やすと蓄電池の劣化が促進されるという問題がある。

前記の問題は、直流電源システムだけではなく、複数の蓄電池を並列接続した蓄電池を持つシステムにおいて生じる問題である。

本発明は前記の、同時に全ての組電池の残容量が低下した場合に合計の残容量が低下するため余分に蓄電池を搭載する必要が生じてコストと設置スペースが増加するという問題と、この問題を回避するために充電頻度を増やすと蓄電池の劣化が促進されるという問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、合計の残容量の低下を防ぎつつ蓄電池の劣化を抑制する直流電源システムおよびその充電方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
複数の組電池と、充電器と、該充電器の充電スケジュールを制御する充電制御手段とを構成要素とする直流電源システムにおいて、前記組電池の組数をｎとし、補充電単位時間をＴとし、補充電繰り返し序数を０以上の整数ｍとし、各前記組電池の補充電が開始されるときの該組電池の満充電からの残容量低下割合をｃ［％］とし、前記組電池全体の、満充電時容量に対する所要最低残容量の割合をＱ_ｍｉｎ［％］とするとき、ｎ、Ｑ_ｍｉｎおよびｃが
Ｑ_ｍｉｎ≦１００％−(ｃ/２)(１＋１/ｎ）
を満たすように定められ、ｋを１からｎまでの自然数とするとき、時刻（ｋ/ｎ＋ｍ)Ｔにおいて、ｋ番目の前記組電池の補充電が開始されることを特徴とする直流電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
複数の組電池と、充電器と、該充電器の充電スケジュールを制御する充電制御手段とを構成要素とする直流電源システムの充電方法において、前記組電池の組数をｎとし、補充電単位時間をＴとし、補充電繰り返し序数を０以上の整数ｍとし、各前記組電池の補充電が開始されるときの該組電池の満充電からの残容量低下割合をｃ［％］とし、前記組電池全体の、満充電時容量に対する所要最低残容量の割合をＱ_ｍｉｎ［％］とするとき、ｎ、Ｑ_ｍｉｎおよびｃを
Ｑ_ｍｉｎ≦１００％−(ｃ/２)(１＋１/ｎ）
が満たされるように定め、ｋを１からｎまでの自然数とするとき、時刻（ｋ/ｎ＋ｍ)Ｔにおいて、ｋ番目の前記組電池の補充電を開始することを特徴とする直流電源システムの充電方法を構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項１に記載の直流電源システムにおいて、交流電力を直流電力に変換する整流器を具備し、前記組電池はそれぞれ前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され、さらに前記整流器から負荷への給電線に並列接続され、前記組電池への充電電圧の最大値は、前記整流器の出力電圧以下に設定されることを特徴とする直流電源システムを構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項１に記載の直流電源システムにおいて、交流電力を直流電力に変換する整流器を具備し、前記組電池はそれぞれ放電器を介して並列接続され、さらに前記整流器から負荷への給電線に並列接続され、前記放電器の出力電圧は、前記整流器の出力電圧以下に設定されることを特徴とする直流電源システムを構成する。

本発明の直流電源システムおよびその充電方法によれば、以下のごとき効果を奏することができる。

システムの合計残容量の低下を減らすことができ、余分に設置する蓄電池を減らすことができるため、コストとスペースを節約することが可能となり、また個別の組電池においては充電頻度が増加しないため蓄電池の劣化が抑制される。

本発明に係る直流電源システムにおいては、１つ以上の蓄電池を接続してなる組電池の複数組と、充電器と、該充電器の充電スケジュールを制御する充電制御手段とが具備され、
前記組電池の組数をｎとし、補充電単位時間をＴとし、補充電繰り返し序数を０以上の整数ｍとし、各前記組電池の補充電が開始されるときの該組電池の満充電からの残容量低下割合をｃ［％］とし、前記組電池全体の、満充電時容量に対する所要最低残容量の割合をＱ_ｍｉｎ［％］とするとき、
ｎ、Ｑ_ｍｉｎおよびｃが

を満たすよう定められ、ｋを１からｎまでの自然数とするとき、時刻（ｋ/ｎ＋ｍ）Ｔにおいて、ｋ番目の前記組電池の補充電が開始される。

以下に、本発明の実施の形態について、ニッケル水素蓄電池を用いた直流バックアップ電源システムを例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

＜実施の形態例１＞
図１は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図において、商用電源１の交流電力は整流器２に供給され、整流器２は交流電力を所定の直流電力に変換して５６Ｖを出力し、負荷３へ供給している。組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を３４セル直列接続した組電池（定格電圧４０．８Ｖ、定格容量１００Ａｈ）であり、その２組（１系、２系）が搭載されている（ｎ＝２である）。

各組電池４は、商用電源１が有効であるときは充電器５を介して充電される。各充電器５の動作は、充電制御手段８によって制御される。充電器５の出力電圧は５４．４Ｖであり、整流器２の出力電圧（５６Ｖ）より低いため、商用電源１が有効であるときは整流器２の出力が負荷３へ供給され、整流器２が商用電源１の停電などにより停止した場合、組電池４が出力する電力がダイオード６を介して負荷３へ供給される。

各充電器５は、接続されている組電池４を充電するが、各組電池４がダイオード６を介して並列接続されているため、充電電流が他の組電池４へ流れることはなく、また組電池４の満充電電圧は最高でも５４．４Ｖ（１セルあたり１．６Ｖ）であるため満充電まで充電することができる。組電池４は充電器５により満充電まで充電され、充電電流は零となる。

この後、整流器２が停止することなく負荷３への給電を継続し、組電池４が負荷３へ放電することがなかったとしても、組電池４の残容量は自己放電により徐々に減少する。自己放電量は、３０日間で１０％（定格容量比）である。

よって、残容量の低下に応じて組電池４の充電を行う必要があり、１つの組電池４に対して充電を行う必要がある満充電からの残容量低下を１０％（定格容量比）として、この残容量低下があったときに充電器５による充電（補充電）を行えばよい。

ただし、２組の組電池４が独立して満充電から１０％の残容量低下を判断して補充電を行う場合、両者の残容量が同時に１０％低下して全体（組電池４の２組分）の残容量も１０％低下する可能性がある。そこで、満充電から１０％残容量が低下する時間を３０日とし、１５日ごとに２組の組電池４を交互に補充電する。つまり、ある時点で１組の組電池４が補充電された後、１５日経過後に残り１組が補充電され、その後、それぞれの組電池４が３０日ごとに補充電されるから、合計の残容量の最低値は、図２に示すように（９５％＋９０％)/２＝９２．５％となり、合計の容量低下を減らすことができる。

なお、補充電に関しては、１回の補充電に要する時間は補充電の繰り返し周期（補充電単位時間Ｔ）に対して無視できるほど短いので、「補充電を開始する」と「補充電を行う」とを区別せずに用いる。

ここまで説明した組電池４が２組のシステム（図１）に対して、同じ組電池４を３組接続したシステム（図３）では、図４に示すように、ある時点で１番目（１系）の組電池４の補充電を行った後、１０日後に２番目（２系）の組電池４の補充電を行い、さらに１０日後に３番目（３系）の組電池４の補充電を行った後、それぞれの組電池４の補充電を３０日の周期で行う。このとき、合計の残容量の、満充電時合計容量に対する割合の最低値は（９６．６％＋９３．３％＋９０％)/３＝９３．３％である。

組電池４がｎ組のシステムにおいては、ある時点を起点に、３０×ｋ÷ｎ日目（ｋ＝１、２、…、ｎ、ｋは組電池４に付した番号）にｋ番目の組電池４の補充電を行い、その後それぞれの組電池４の補充電を３０日の周期で行う。このとき、合計残容量の、満充電時合計容量に対する割合の最低値Ｑ_ｍｉｎ［％］は、以下のように求められる。

組電池４全体の、満充電時容量に対する所要最低残容量の割合（以下、所要最小割合と呼ぶ）を、同じく、Ｑ_ｍｉｎ［％］で表すとき、逆に、下記の式（３）を用いることで、所要最小割合Ｑ_ｍｉｎが先に決まっている場合に、組電池４の組数を決定することが可能である。

例えば、所要最小割合Ｑ_ｍｉｎが９４％とされた場合、式（３）よりｎ≧５と求められるから、組電池４の組数を５とし、６日毎に順番に組電池４を補充電していくようにすればよい。

また、所要最小割合Ｑ_ｍｉｎが９３％とされた場合、式（３）よりｎ≧２．５と求められるから、組電池４の組数を３とし、１０日毎に順番に組電池４を補充電していくようにすればよい。

つまり、組電池４の組数ｎと合計残容量の所要最小割合Ｑ_ｍｉｎは、式（３）を満たし、ある時点を起点に、３０×ｋ÷ｎ日目（ｋ＝１、２、…、ｎ）にｋ番目の組電池４の補充電を行い、その後それぞれの組電池４を３０日の周期で補充電することにより、合計残容量の、満充電時合計容量に対する割合が、所要最小割合Ｑ_ｍｉｎを下回らないように、かつ補充電頻度を抑制することが可能となる。

なお、式（３）において、ｎをいかに大きくしても、Ｑ_ｍｉｎ≦９５％であるから、９５％を超えて、所要最小割合Ｑ_ｍｉｎを設定することはできない。

次に、１組の組電池４に定める、補充電を行う必要がある満充電からの容量低下割合（ここまでの説明では１０％とした）をｃ［％］とする（すなわち、１組の組電池４の補充電が開始されるときの該組電池４の満充電からの残容量低下割合をｃ［％］とする）と、ｎと所要最小割合Ｑ_ｍｉｎとの関係は以下の式で表される。

電源システムの設計に際して、式（４）を用いて合計残容量の所要最小割合Ｑ_ｍｉｎと組電池４の組数ｎと補充電を行う容量低下割合ｃ［％］とを互いに調整することで、合計残容量の、満充電時合計容量に対する割合が所要最小割合Ｑ_ｍｉｎを下回らないようにすることができる。

例えば、合計残容量の所要最小割合Ｑ_ｍｉｎは９５％、組電池４の組数ｎは１８と決定している場合、式（４）より補充電を行う容量低下割合ｃは９．４７％以下と求められるから、ｃを９％として補充電を行うようにする。このとき満充電から９％（ｃ）残容量が低下する日数は２７日であり、１．５日（２７日÷１８組）ごとに１８組の組電池４が順番に補充電され、合計残容量の、満充電時合計容量に対する割合は、最低９５．２５％にまで低下する。

このように、組電池４の組数ｎと合計残容量の所要最小割合Ｑ_ｍｉｎは、式（４）を満たし、１組の組電池４の満充電から残容量がｃ［％］低下する時間をＴ（補充電単位時間）とし、ある時点を起点に時刻Ｔ×ｋ÷ｎ（ｋ＝１、２、…、ｎ）にｋ番目の組電池の補充電を行い、その後それぞれの組電池４をＴの周期で補充電することにより、合計残容量の、満充電時合計容量に対する割合が所要最小割合Ｑ_ｍｉｎを下回らないように、かつ補充電頻度を抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態例において、組電池４への充電電圧の最大値は、整流器２の出力電圧以下に設定されているものとする。

＜実施の形態例２＞
図５を、本発明の実施の形態例の説明にも用いる。図において、商用電源１の交流電力は整流器２に供給され、整流器２は交流電力を所定の直流電力に変換して５６Ｖを出力し、負荷３へ供給している。組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格電圧１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を４０セル直列接続した組電池（定格電圧４８Ｖ、定格容量１００Ａｈ）であり、６組（１系〜６系）を搭載している。

各組電池４はそれぞれ、商用電源１が有効であるときは接続されている充電器５を介して充電され、また、放電器７を介して、整流器２から負荷３への配線に並列接続されている。組電池４は、満充電時に６４Ｖ（１セルあたり１．６Ｖ）に達するが、放電器７は降圧動作することにより出力電圧を５５Ｖ以下に維持する。このように、放電器７の出力電圧は整流器２の出力電圧（５６Ｖ）以下に設定されているため、商用電源１が有効であるときは整流器２の出力が負荷３へ供給され、整流器２が商用電源１の停電などにより停止した場合、組電池４が出力する電力が放電器７を介して負荷３へ供給される。なお、各充電器５の動作は、図示されていない充電制御手段によって、実施の形態例１と同様に、制御されているものとする。

実施の形態例１と同様に考え、組電池４の残容量が９０％まで低下（３０日経過、ｃ＝１０％）したときに補充電を行うとすれば、５日ごとに順番に組電池４を補充電すればよく、このとき合計残容量の、満充電時合計容量に対する割合の最低値は式（２）でｎ＝６とすることにより９４．１７％と求められる。

本実施の形態例においても、実施の形態例１と同様に、合計残容量の所要最小割合Ｑ_ｍｉｎ［％］が先に決まっている場合に式（３）を用いて組電池４の組数ｎを求めることも可能である。また、式（４）を用いて所要最小割合Ｑ_ｍｉｎと組電池４の組数ｎと補充電を行う容量低下ｃ［％］とを互いに調整して電源システムの設計を行い、合計残容量の、満充電時合計容量に対する割合がＱ_ｍｉｎ［％］を下回らないようにすることも可能である。

以上のように、合計残容量の所要最小割合をＱ_ｍｉｎ［％］、１組の前記組電池に対して再び補充電が必要であると定める満充電からの残容量低下をｃ［％］とするとき、ｎ、Ｑ_ｍｉｎおよびｃが、

を満たし、１組の組電池４に対して満充電から残容量がｃ［％］低下する時間をＴ、ｋを１からｎまでの自然数、ｍを０以上の整数とするとき、ｋ番目の前記組電池は、時刻（ｋ/ｎ＋ｍ)Ｔに前記補充電が行われるようにすることによって、システムの合計残容量の低下を減らすことができ、余分に設置する蓄電池を減らすことができ、蓄電池の劣化を抑制することができる。

本発明の各実施の形態においては、１組の組電池４に対して１台の充電器５を接続しているが、１台の充電器５を複数の組電池４で共有して使用することも可能である。１台の充電器５と複数の組電池４の間に切替スイッチを備え、充電対象の組電池４が充電されるように切替を行うようにすればよい。

また、本発明の各実施形態においては、ニッケル水素蓄電池を用いた直流電源システムを例として説明したが、鉛蓄電池やリチウムイオン蓄電池といった二次電池を搭載した直流電源システムにおいても適用することができる。さらに、直流電源システムの他に、負荷への供給を行わず、蓄電池残容量を高い状態に維持しながら保存するだけの蓄電池システムにおいても適用可能である。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。
（１）複数の組電池で構成される直流電源システムにおいては、個々の組電池が独立して自己放電による残容量低下を判断して補充電を行う場合、同時に全ての組電池の残容量が低下する可能性があるため、余分に蓄電池を搭載する必要が生じてコストと設置スペースが増加するという問題がある。

本発明により、システムの合計残容量の低下を減らすことができ、余分に設置する蓄電池を減らすことができるため、コストとスペースを節約することが可能となる。
（２）合計残容量の低下を防ぐために、補充電頻度を増加した場合、蓄電池の劣化が促進されるという問題がある。

本発明により、補充電頻度を増加させることなく合計残容量の低下を抑制することが可能となるため、蓄電池の劣化が抑制される。

本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の各組電池の残容量経過を説明する図である。 本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の各組電池の残容量経過を説明する図である。 整流器と、充電器と、放電器と、複数組の組電池を組み合わせた直流バックアップ電源システムの構成図である。

符号の説明

１：商用電源、２：整流器、３：負荷、４：組電池、５：充電器、６：ダイオード、７：放電器、８：充電制御手段。

Claims (4)

1. 複数の組電池と、充電器と、該充電器の充電スケジュールを制御する充電制御手段とを構成要素とする直流電源システムにおいて、
   前記組電池の組数をｎとし、補充電単位時間をＴとし、補充電繰り返し序数を０以上の整数ｍとし、各前記組電池の補充電が開始されるときの該組電池の満充電からの残容量低下割合をｃ［％］とし、前記組電池全体の、満充電時容量に対する所要最低残容量の割合をＱ_ｍｉｎ［％］とするとき、
   ｎ、Ｑ_ｍｉｎおよびｃが
   Ｑ_ｍｉｎ≦１００％−(ｃ/２)(１＋１/ｎ）
   を満たすように定められ、
   ｋを１からｎまでの自然数とするとき、
   時刻（ｋ/ｎ＋ｍ)Ｔにおいて、ｋ番目の前記組電池の補充電が開始されることを特徴とする直流電源システム。
2. 複数の組電池と、充電器と、該充電器の充電スケジュールを制御する充電制御手段とを構成要素とする直流電源システムの充電方法において、
   前記組電池の組数をｎとし、補充電単位時間をＴとし、補充電繰り返し序数を０以上の整数ｍとし、各前記組電池の補充電が開始されるときの該組電池の満充電からの残容量低下割合をｃ［％］とし、前記組電池全体の、満充電時容量に対する所要最低残容量の割合をＱ_ｍｉｎ［％］とするとき、
   ｎ、Ｑ_ｍｉｎおよびｃを
   Ｑ_ｍｉｎ≦１００％−(ｃ/２)(１＋１/ｎ）
   が満たされるように定め、
   ｋを１からｎまでの自然数とするとき、
   時刻（ｋ/ｎ＋ｍ)Ｔにおいて、ｋ番目の前記組電池の補充電を開始することを特徴とする直流電源システムの充電方法。
3. 請求項１に記載の直流電源システムにおいて、
   交流電力を直流電力に変換する整流器を具備し、
   前記組電池はそれぞれ前記組電池の放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され、さらに前記整流器から負荷への給電線に並列接続され、
   前記組電池への充電電圧の最大値は、前記整流器の出力電圧以下に設定されることを特徴とする直流電源システム。
4. 請求項１に記載の直流電源システムにおいて、
   交流電力を直流電力に変換する整流器を具備し、
   前記組電池はそれぞれ放電器を介して並列接続され、さらに前記整流器から負荷への給電線に並列接続され、
   前記放電器の出力電圧は、前記整流器の出力電圧以下に設定されることを特徴とする直流電源システム。

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