JP7299095B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本開示は、無停電電源装置に関する。

従来より、商用電源が停電した場合に蓄電装置より電力を負荷へ供給し、復電した場合に商用電源から電力を負荷に供給する無停電電源装置が知られている（特許文献１）。

特開２０１３－１１０８８７号公報

一方で、蓄電装置に異常が発生した場合に蓄電装置を構成する部品を交換する必要がある。

この場合、蓄電装置が互いに並列に接続された複数の電池ユニットで構成されている場合に、複数の電池ユニットのうち交換された電池ユニットと、残りの電池ユニットとの間に電位差が有る場合には、当該電池ユニット間で電流が流れる可能性がある。

そのため、過電流が電池ユニット間で流れた場合には保護回路により動作が停止する可能性がある。

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、蓄電装置に異常が生じた場合であっても安全に蓄電装置を復旧させることが可能な無停電電源装置を提供する。

ある局面に従う無停電電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換する交流直流変換器と、直流電圧を交流電圧に変換して交流負荷に供給する直流交流変換器と、直流交流変換器と並列に接続され、直流電圧を蓄電して、交流負荷に電力を供給するための蓄電装置と、蓄電装置を制御するコントローラとを備える。蓄電装置は、互いに並列に接続され、取り外し可能に設けられた複数の電池ユニットを含む。各電池ユニットは、２次電池と、２次電池と直流交流変換器との間の接続を制御するスイッチとを含む。コントローラは、複数の電池ユニットのうちの少なくとも１つの電池ユニットをリペア用の電池ユニットに交換する場合に、リペア用の電池ユニットの２次電池の電圧と、残りの各電池ユニットの２次電池の電圧とを検出し、リペア用電池ユニットの２次電池の電圧と、残りの各電池ユニットの２次電池の電圧とが同じ電圧となった場合にリペア用の電池ユニットのスイッチを導通させる。

好ましくは、コントローラは、リペア用の電池ユニットの２次電池の電圧が残りの各電池ユニットの２次電池の電圧よりも大きい場合には、残りの各電池ユニットの２次電池を充電する。

好ましくは、コントローラは、リペア用の電池ユニットの２次電池の電圧が残りの各電池ユニットの２次電池の電圧よりも小さい場合には、残りの各電池ユニットの２次電池を放電する。

好ましくは、リペア用の電池ユニットは、スイッチと並列に設けられ、スイッチが設けられる経路よりもインピーダンスが高いバイパス経路をさらに含む。

好ましくは、バイパス経路は、抵抗素子と、抵抗素子を介してバイパス経路を導通させるためのバイパススイッチとを含む。

好ましくは、バイパス経路は、スイッチと並列に設けられたトランジスタスイッチを含む。

好ましくは、バイパス経路は、トランジスタスイッチと直列に接続され抵抗素子をさらに含む。

一実施例によれば、無停電電源装置は、蓄電装置を安全に復旧させることが可能である。

実施形態１に基づく無停電電源装置１０の構成を説明する図である。 実施形態１に基づく蓄電装置６およびコントローラ４の構成について説明する図である。 実施形態１に基づくコントローラ４の制御について説明する図である。 実施形態１に基づくコントローラ４の制御について説明する別の図である。 実施形態２に従う電池ユニットの構成について説明する図である。

本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に基づく無停電電源装置１０の構成を説明する図である。

図１に示されるように、無停電電源装置１０は、交流入力電源３Ａ、バイパス入力電源３Ｂおよび負荷２０に接続される。

交流入力電源３Ａおよびバイパス入力電源３Ｂは、無停電電源装置１０に交流電力を供給する交流電源である。これらの入力電源の各々は、たとえば商用交流電源もしくは自家用発電機等によって構成される。

入力交流電源の一例として三相三線（３φ３Ｗ）式を示す。ただし、入力交流電源の種類は三相三線式に限定されず、たとえば三相四線式の電源でもよいし、単相三線式の電源でもよい。

無停電電源装置１０は、コンバータ５と、蓄電装置６と、インバータ７と、コンタクタ８，９と、無停電電源装置１０全体を制御するコントローラ４とを備える。

コンバータ５と、インバータ７と、コンタクタ９は、交流入力電源３Ａと負荷２０との間に直列に接続される。

コンタクタ８は、コンタクタ９と並列にバイパス入力電源３Ｂと負荷２０との間に接続される。

蓄電装置６は、インバータ７と並列にコンバータ５と接続される。
コンバータ５は、交流入力電源３Ａから供給される交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ７は、コンバータ５により変換された直流電圧を交流電圧に変換する。なお、コンバータ５およびインバータ７の各々は、コントローラ４によって制御される。

コンタクタ８，９は、コントローラ４からの指令に応答して開放（オン）および閉成（オフ）する。

コンタクタ８は、インバータ７から負荷２０に出力される交流電圧を、バイパス経路に切り替えるためのものである。

蓄電装置６は、交流入力電源３Ａが交流電圧を供給できないとき（たとえば停電時）において、インバータ７に直流電圧を供給するための装置である。

交流入力電源３Ａから交流電力を供給されている通常時には、コンバータ５によって生成された直流電圧が蓄電装置６に蓄電されるとともに、インバータ７によって交流電圧に変換されて負荷２０に供給される。一方、交流入力電源３Ａからの交流電圧の供給が停止した停電時には、コンバータ５の運転が停止され、蓄電装置６に蓄えられた直流電圧がインバータ７によって交流電圧に変換されて負荷２０に供給される。したがって、無停電電源装置によれば、停電時でも蓄電装置６に蓄えられた電力を用いて負荷２０の運転を継続することができる。

コントローラ４は、通常時および停電時において、負荷２０に供給する交流電圧を発生させるために、コンバータ５、蓄電装置６およびインバータ７を制御するための制御装置であり、一例として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory)などの記憶部とを含むマイクロコンピュータを主体として構成される。そして、コントローラ４は、予めＲＯＭなどに格納されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭに読出して実行することによって、コンバータ５、蓄電装置６およびインバータ７等を制御する。

さらに、コントローラ４は、このコンバータ５、蓄電装置６およびインバータ７の制御加えて、コンタクタ８，９を制御する。なお、コントローラ４の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。

図２は、実施形態１に基づく蓄電装置６およびコントローラ４の構成について説明する図である。

図２に示されるように、蓄電装置６は、互いに並列に接続された複数の電池ユニット３０で構成される。本例においては、各電池ユニット３０は、着脱（取り外し）可能に設けられている。本例においては、３つの電池ユニット３０Ａ～３０Ｃについて説明する。ここで、電池ユニット３０Ｂは、リペア用の電池ユニットであり、当該箇所の電池ユニットに異常が生じて、交換した場合について説明する。

電池ユニット３０Ａ～３０Ｃは、同一の構成であり、スイッチ３２Ａ～３２Ｃと、２次電池３４Ａ～３４Ｃとをそれぞれ含む。

コントローラ４は、電圧検出部４０と、スイッチ制御部４２と、充放電制御部４４とを含む。

電圧検出部４０は、電池ユニット３０Ａ～３０Ｃのそれぞれの２次電池３４Ａ～３４Ｃにおいて蓄電している電圧を検出する。

スイッチ制御部４２は、電圧検出部４０で検出された２次電池３４Ａ～３４Ｃの電圧に基づいて各電池ユニット３０のスイッチ３２を制御する。

充放電制御部４４は、スイッチ制御部４２からの指示に従ってコンバータ５を調整する。

図３は、実施形態１に基づくコントローラ４の制御について説明する図である。
図３に示されるように、本例においては、リペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧が、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧よりも高い場合について説明する。

なお、スイッチ３２Ａ，３２Ｃは導通しており、コンバータ５から２次電池３４Ａ，３４Ｃに対する充電が行われている。

時刻Ｔ１において、電池ユニット３０Ｂを投入した場合が示されている。具体的には、故障した電池ユニットの代わりにリペア用の電池ユニット３０Ｂを接続したことを意味する。これに伴い、電圧検出部４０は、電池ユニット３０Ａ～３０Ｃのそれぞれの２次電池３４Ａ～３４Ｃにおいて蓄電している電圧を検出して、スイッチ制御部４２に出力する。スイッチ制御部４２は、リペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧が、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧よりも高いと判断する。

スイッチ制御部４２は、リペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧が、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧よりも高い場合には、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃに対する充電指令を継続する。これにより、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの電圧が上昇する。

時刻Ｔ２において、リペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧と他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧とが同じ電圧となる。

スイッチ制御部４２は、電圧検出部４０の検出結果に基づいてリペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧と他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧とが同じ電圧となった場合には、スイッチ３２Ｂを導通させる。

これにより、スイッチ３２Ｂを介して２次電池３４Ｂとコンバータ５とが接続される。
当該方式により、電池ユニット３０Ａ～３０Ｃ間の電位差が無い状態でリペア用の電池ユニット３０Ｂをコンバータ５と接続させることが可能であり、蓄電装置６に異常が生じた場合であっても安全に蓄電装置６を復旧させることが可能である。

図４は、実施形態１に基づくコントローラ４の制御について説明する別の図である。
図４に示されるように、本例においては、リペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧が、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧よりも低い場合について説明する。

なお、スイッチ３２Ａ，３２Ｃは導通しており、コンバータ５から２次電池３４Ａ，３４Ｃに対する充電が行われている。

時刻Ｔ３において、電池ユニット３０Ｂを投入した場合が示されている。具体的には、故障した電池ユニットの代わりにリペア用の電池ユニット３０Ｂを接続したことを意味する。これに伴い、電圧検出部４０は、電池ユニット３０Ａ～３０Ｃのそれぞれの２次電池３４Ａ～３４Ｃにおいて蓄電している電圧を検出して、スイッチ制御部４２に出力する。スイッチ制御部４２は、リペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧が、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧よりも低いと判断する。

時刻Ｔ４において、スイッチ制御部４２は、リペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧が、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧よりも低い場合には、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃに対する放電指令を出力する。

具体的には、スイッチ制御部４２は、充放電制御部４４に放電指令を出力する。
充放電制御部４４は、スイッチ制御部４２からの放電指令に従ってコンバータ５を調整する。例えば、充放電制御部４４は、コンバータ５を停止させるあるいは、蓄電装置６側から直流電圧が放電されるようにコンバータ５で変換される電力量を少なく調整する。

これにより、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの電圧が下降する。
時刻Ｔ５において、リペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧と他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧とが同じ電圧となる。

スイッチ制御部４２は、電圧検出部４０の検出結果に基づいてリペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧と他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧とが同じ電圧となった場合には、スイッチ３２Ｂを導通させる。

これにより、スイッチ３２Ｂを介して２次電池３４Ｂとコンバータ５とが接続される。
スイッチ制御部４２は、電池ユニット３０Ａ～３０Ｃの２次電池３４Ａ～３４Ｃに対する充電指令を出力する。具体的には、スイッチ制御部４２は、充放電制御部４４に充電指令を出力する。充放電制御部４４は、スイッチ制御部４２からの充電指令に従ってコンバータ５の調整を終了する。例えば、充放電制御部４４は、コンバータ５の停止を終了あるいは、蓄電装置６側に充電されるようにコンバータ５で変換される電力量を調整する。

当該方式により、電池ユニット３０Ａ～３０Ｃ間の電位差が無い状態でリペア用の電池ユニット３０Ｂをコンバータ５と接続させることが可能であり、蓄電装置６に異常が生じた場合であっても安全に蓄電装置６を復旧させることが可能である。

従来は、上記で説明したように電池ユニット３０Ａ～３０Ｃ間で電位差が生じている可能性があるため電池ユニット３０Ａ～３０Ｃのスイッチ３２Ａ～３２Ｃを全部非導通に設定した後、それぞれの電池ユニット３０Ａ～３０Ｃの電圧をモニタリングして、それぞれの電圧を揃えるために個別に電池ユニット３０Ａ～３０Ｃを充電する等の煩雑な作業を必要としていた。

当該方式により、上記煩雑な作業を要する必要が無く、安全かつ早期に蓄電装置６を復旧させることが可能である。

本実施形態においては、スイッチ制御部４２は、電圧検出部４０の検出結果に基づいてリペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧と他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧とが同じ電圧となった場合には、スイッチ３２Ｂを導通させる場合について説明した。一方で、同じ電圧となった場合とは完全に同一である必要はなく、リペア用の電池ユニット３０Ｂの２次電池３４Ｂの電圧が他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧と比較して所定範囲内に含まれた場合に同じ電圧であると判断してもよい。

（実施形態２）
上記で説明したように、蓄電装置が互いに並列に接続された複数の電池ユニットで構成されている場合に、複数の電池ユニットのうち交換された電池ユニットと、残りの電池ユニットとの間に電位差が有る場合には、当該電池ユニット間で電流が流れる可能性がある。

したがって、インピーダンスが高いバイパス経路を介して接続すれば当該電流を抑制することが可能である。

実施形態２においては、実施形態１に従う電池ユニット３０と異なる電池ユニットの形態について説明する。

具体的には、インピーダンスが高いバイパス経路を設ける構成について説明する。
図５は、実施形態２に従う電池ユニットの構成について説明する図である。

図５（Ａ）には、電池ユニット５０Ｐの回路構成が示されている。
電池ユニット５０Ｐは、スイッチ５２と、バイパススイッチ５３と、抵抗素子５５と、２次電池５４とを含む。

スイッチ５２は、２次電池５４と接続される。バイパススイッチ５３と、抵抗素子５５とは直列に接続され、スイッチ５２と並列に設けられる。

スイッチ制御部４２は、リペア用の電池ユニット５０Ｐが装着された場合には、スイッチ５２を非導通とし、バイパススイッチ５３を導通させる。これにより、インピーダンスが高いバイパス経路を介して充電あるいは放電が実行される。

その際、複数の電池ユニットのうち交換された電池ユニットと、残りの電池ユニットとの間に電位差が有る場合には、当該電池ユニット間で電流が流れる可能性があるが、インピーダンスが高いバイパス経路を介して電流が流れるため電流量を抑制することが可能である。したがって、過電流が電池ユニットに流れることを抑制して保護回路により動作が停止することを防止することが可能である。

スイッチ制御部４２は、電圧検出部４０の検出結果に基づいてリペア用の電池ユニット５０Ｐの２次電池５４の電圧と他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧とが同じ電圧となった場合には、スイッチ５２を導通させ、バイパススイッチ５３を非導通にする。

当該方式により、上記煩雑な作業を要する必要が無く、安全かつ早期に蓄電装置６を復旧させることが可能である。

図５（Ｂ）には、電池ユニット５０Ｑの回路構成が示されている。
電池ユニット５０Ｑは、電池ユニット５０Ｐと比較して、バイパススイッチ５３および抵抗素子５５の代わりにトランジスタスイッチ５１と、当該トランジスタスイッチ５１のゲートを制御するゲート制御回路５６とを含む。

ゲート制御回路５６がトランジスタスイッチ５１のゲートを制御することによりトランジスタスイッチ５１を流れる電流量を調整することが可能である。

スイッチ制御部４２は、リペア用の電池ユニット５０Ｑが装着された場合には、スイッチ５２を非導通とし、ゲート制御回路５６によりトランジスタスイッチ５１を導通させる。これにより、インピーダンスが高いバイパス経路を介して充電あるいは放電が実行される。

その際、複数の電池ユニットのうち交換された電池ユニットと、残りの電池ユニットとの間に電位差が有る場合には、当該電池ユニット間で電流が流れる可能性があるが、ゲート制御回路５６によりバイパス経路を介して流れる電流量を抑制することが可能である。したがって、過電流が電池ユニットに流れることを抑制して保護回路により動作が停止することを防止することが可能である。

スイッチ制御部４２は、電圧検出部４０の検出結果に基づいてリペア用の電池ユニット５０Ｑの２次電池５４の電圧と他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧とが同じ電圧となった場合には、スイッチ５２を導通させ、ゲート制御回路５６によるトランジスタスイッチ５１の動作を停止する。

当該方式により、上記煩雑な作業を要する必要が無く、安全かつ早期に蓄電装置６を復旧させることが可能である。

バイパススイッチ５３および抵抗素子５５の代わりにトランジスタスイッチ５１をバイパス経路に配置するため回路規模を縮小することが可能である。

図５（Ｃ）には、電池ユニット５０Ｒの回路構成が示されている。
電池ユニット５０Ｒは、電池ユニット５０Ｑと比較して、抵抗素子５５を設けて、トランジスタスイッチ５１と直列に接続した点が異なる。その他の点については同様であるのでその詳細は説明については繰り返さない。

ゲート制御回路５６がトランジスタスイッチ５１のゲートを制御することによりトランジスタスイッチ５１を流れる電流量を調整することが可能である。また、抵抗素子５５が設けられているためトランジスタスイッチ５１が導通した際の突入電流も抑制することが可能である。

スイッチ制御部４２は、リペア用の電池ユニット５０Ｑが装着された場合には、スイッチ５２を非導通とし、ゲート制御回路５６によりトランジスタスイッチ５１を導通させる。これにより、インピーダンスが高いバイパス経路を介して充電あるいは放電が実行される。

その際、複数の電池ユニットのうち交換された電池ユニットと、残りの電池ユニットとの間に電位差が有る場合には、当該電池ユニット間で電流が流れる可能性があるが、ゲート制御回路５６によりバイパス経路を介して流れる電流量を抑制することが可能である。したがって、過電流が電池ユニットに流れることを抑制して保護回路により動作が停止することを防止することが可能である。

スイッチ制御部４２は、電圧検出部４０の検出結果に基づいてリペア用の電池ユニット５０Ｑの２次電池５４の電圧と他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃの２次電池３４Ａ，３４Ｃの電圧とが同じ電圧となった場合には、スイッチ５２を導通させ、ゲート制御回路５６によるトランジスタスイッチ５１の動作を停止する。

当該方式により、上記煩雑な作業を要する必要が無く、安全かつ早期に蓄電装置６を復旧させることが可能である。

なお、他の電池ユニット３０Ａ，３０Ｃについても電池ユニット５０Ｐ～５０Ｒと同様の構成とすることも可能である。

また、実施形態２に従う方式においては、コンバータ５を調整する必要はないためコントローラ４に充放電制御部４４を設けない構成とすることも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

３Ａ 交流入力電源、３Ｂ バイパス入力電源、４ コントローラ、５ コンバータ、６ 蓄電装置、７ インバータ、８，９ コンタクタ、１０ 無停電電源装置、２０ 負荷、４０ 電圧検出部、４２ スイッチ制御部、４４ 充放電制御部。

Claims (6)

1. 交流電圧を直流電圧に変換する交流直流変換器と、
   前記直流電圧を交流電圧に変換して交流負荷に供給する直流交流変換器と、
   前記直流交流変換器と並列に接続され、前記直流電圧を蓄電して、前記交流負荷に電力を供給するための蓄電装置と、
   前記蓄電装置を制御するコントローラとを備え、
   前記蓄電装置は、互いに並列に接続され、取り外し可能に設けられた複数の電池ユニットを含み、
   各前記電池ユニットは、２次電池と、前記２次電池と前記直流交流変換器との間の接続を制御するスイッチとを含み、
   前記コントローラは、
   前記複数の電池ユニットのうちの少なくとも１つの電池ユニットをリペア用の電池ユニットに交換する場合に、前記リペア用の電池ユニットの２次電池の電圧と、残りの各前記電池ユニットの２次電池の電圧とを検出し、
   前記リペア用の電池ユニットの２次電池の電圧と、前記残りの各前記電池ユニットの２次電池の電圧とが同じ電圧となった場合に前記リペア用の電池ユニットのスイッチを導通させ、
   前記コントローラは、前記リペア用の電池ユニットの２次電池の電圧が残りの各前記電池ユニットの２次電池の電圧よりも小さい場合には、前記交流直流変換器を調整して、前記残りの各前記電池ユニットの２次電池を放電する、無停電電源装置。
2. 前記コントローラは、前記リペア用の電池ユニットの２次電池の電圧が残りの各前記電池ユニットの２次電池の電圧よりも大きい場合には、前記残りの各前記電池ユニットの２次電池を充電する、請求項１記載の無停電電源装置。
3. 前記リペア用の電池ユニットは、前記スイッチと並列に設けられ、前記スイッチが設けられる経路よりもインピーダンスが高いバイパス経路をさらに含む、請求項１記載の無停電電源装置。
4. 前記バイパス経路は、
   抵抗素子と、
   前記抵抗素子を介して前記バイパス経路を導通させるためのバイパススイッチとを含む、請求項３記載の無停電電源装置。
5. 前記バイパス経路は、前記スイッチと並列に設けられたトランジスタスイッチを含む、請求項３記載の無停電電源装置。
6. 前記バイパス経路は、前記トランジスタスイッチと直列に接続され抵抗素子をさらに含む、請求項５記載の無停電電源装置。

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