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技術 電力供給装置、蓄電装置、電子機器及び電力システム

出願人 株式会社村田製作所
発明者 岡田真実南淳志
出願日 2016年7月15日 (4年5ヶ月経過) 出願番号 2016-140194
公開日 2018年1月18日 (2年11ヶ月経過) 公開番号 2018-011470
状態 特許登録済
技術分野 予備電源装置 二次電池の保守(充放電、状態検知) 直流の給配電 電池等の充放電回路
主要キーワード マイクロコントローラユニット 非常用照明 非常用電源装置 接触センサー VI特性 クランプ式電流計 非常用負荷 交流給電
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年1月18日)のものです。
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図面 (7)

課題

非常用電源信頼性を損ねることなく、安全に充放電を可能とする。

解決手段

系統からの交流電力直流電力に変換し、直流電力を蓄電装置及び負荷に供給する整流器と、整流器の負荷に対する直流電流と整流器の蓄電装置に対する直流電流のいずれか一方又は両方を検出する電流センサとを備え、電流センサの測定結果を整流器にフィードバックして整流器の出力電流可変制御する電力供給装置である。

概要

背景

複数の単電池電池セルとも称される)を直列接続した蓄電装置を使用して非常用直流電源装置を構成することが知られている。特許文献1には、2個の蓄電装置を備えた非常用電源装置が記載されている。特許文献1には、交流電源に直列接続された整流器と、整流器の出力に対してそれぞれ並列負荷蓄電池が接続された構成が記載されている。かかる特許文献1では、蓄電池への充電充電器が行う構成になっており、鉛蓄電池に代えてニッケル水素二次電池を使用するもので、整流器の出力によって一方の蓄電池を充電(補充電)することを可能とするものである。

特許文献2には、2つのセンサ電力センサ電流センサ)によって、測定した結果を基に蓄電池からの放電電流を制御する技術が開示されている。特許文献3には、整流器に並列接続された蓄電池と負荷を備えた蓄電システムが記載されており、蓄電池と負荷には電流センサがそれぞれ設けられた構成が記載されている。

概要

非常用電源信頼性を損ねることなく、安全に充放電を可能とする。系統からの交流電力直流電力に変換し、直流電力を蓄電装置及び負荷に供給する整流器と、整流器の負荷に対する直流電流と整流器の蓄電装置に対する直流電流のいずれか一方又は両方を検出する電流センサとを備え、電流センサの測定結果を整流器にフィードバックして整流器の出力電流可変制御する電力供給装置である。

目的

したがって、本技術の目的は、非常用電源の信頼性を損ねることなく、安全に充放電が可能となる電力供給装置、蓄電装置、電子機器及び電力システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

系統からの交流電力直流電力に変換し、前記直流電力を蓄電装置及び負荷に供給する整流器と、前記整流器の前記負荷に対する直流電流と前記整流器の前記蓄電装置に対する直流電流のいずれか一方又は両方を検出する電流センサとを備え、前記電流センサの測定結果を前記整流器にフィードバックして前記整流器の出力電流可変制御する電力供給装置

請求項2

前記整流器及び前記蓄電装置から前記負荷に対して直接的に電源が供給されるようにした請求項1に記載の電力供給装置。

請求項3

停電時に、前記蓄電装置から前記負荷へ電力を供給する請求項1に記載の電力供給装置。

請求項4

前記負荷に対する直流電流が前記整流器の出力電流より大きくなった時に、前記蓄電装置の放電電流を前記負荷に供給するようにする請求項3に記載の電力供給装置。

請求項5

前記負荷に対する電流が減少する時に、前記整流器の出力電流を減少させるようにする請求項1に記載の電力供給装置。

請求項6

前記蓄電装置に対する電流が増加する時に、前記整流器の出力電流を減少させるようにする請求項1に記載の電力供給装置。

請求項7

前記蓄電装置の電池部の状態に応じて前記整流器の出力電流を制御する請求項1に記載の電力供給装置。

請求項8

前記電池部の状態は、電池電圧、残容量、劣化状態電池温度の少なくとも1つである請求項7に記載の電力供給装置。

請求項9

系統からの交流電力を整流器によって直流電力に変換し、該直流電力によって充電され、充電電流が前記整流器から負荷に出力される直流電流に応じて可変制御される蓄電装置。

請求項10

前記蓄電装置の電池部の状態に応じて前記整流器の出力電流を制御する請求項9に記載の蓄電装置。

請求項11

前記電池部の状態は、電池電圧、残容量、劣化状態、電池温度の少なくとも1つである請求項10に記載の蓄電装置。

請求項12

請求項9に記載の蓄電装置から電力の供給を受ける電子機器

請求項13

請求項9に記載の蓄電装置から電力の供給を受ける電力システム

技術分野

0001

本技術は 例えばリチウムイオン二次電池を使用した電力供給装置蓄電装置電子機器及び電力システムに関する。

背景技術

0002

複数の単電池電池セルとも称される)を直列接続した蓄電装置を使用して非常用直流電源装置を構成することが知られている。特許文献1には、2個の蓄電装置を備えた非常用電源装置が記載されている。特許文献1には、交流電源に直列接続された整流器と、整流器の出力に対してそれぞれ並列負荷蓄電池が接続された構成が記載されている。かかる特許文献1では、蓄電池への充電充電器が行う構成になっており、鉛蓄電池に代えてニッケル水素二次電池を使用するもので、整流器の出力によって一方の蓄電池を充電(補充電)することを可能とするものである。

0003

特許文献2には、2つのセンサ電力センサ電流センサ)によって、測定した結果を基に蓄電池からの放電電流を制御する技術が開示されている。特許文献3には、整流器に並列接続された蓄電池と負荷を備えた蓄電システムが記載されており、蓄電池と負荷には電流センサがそれぞれ設けられた構成が記載されている。

先行技術

0004

特開2004−120857号公報
特開2001−294138号公報
特開2013−200312号公報

発明が解決しようとする課題

0005

特許文献1乃至3に記載のものは、非常用電源信頼性を損ねる可能性があり、また、電池寿命等に悪影響を及ぼす可能性があるものであった。したがって、本技術の目的は、非常用電源の信頼性を損ねることなく、安全に充放電が可能となる電力供給装置、蓄電装置、電子機器及び電力システムを提供するものである。

課題を解決するための手段

0006

本技術は、系統からの交流電力直流電力に変換し、直流電力を蓄電装置及び負荷に供給する整流器と、
整流器の負荷に対する直流電流と整流器の蓄電装置に対する直流電流のいずれか一方又は両方を検出する電流センサとを備え、
電流センサの測定結果を整流器にフィードバックして整流器の出力電流可変制御する電力供給装置である。

0007

また、本技術は、系統からの交流電力を整流器によって直流電力に変換し、該直流電力によってフロート充電され、充電電流が整流器の負荷電流に応じて可変制御される蓄電装置である。
本技術は、上述した蓄電装置から電力の供給を受ける電子機器である。
本技術は、上述した蓄電装置から電力の供給を受ける電力システムである。

発明の効果

0008

少なくとも一つの実施形態によれば、本技術は、従来の非常用電源のシステム構成を変えることなく鉛蓄電池からリチウムイオン蓄電池への置き換えを可能とする。また、リチウムイオン電池用の特別な充電器を用いない構成のため、非常用電源の信頼性を損ねることなく、安全に充放電が可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれかの効果であっても良い。

図面の簡単な説明

0009

本技術の第1の実施の形態のシステム構成を示すブロック図である。
整流器の出力電圧−出力電流の特性を示す略線図である。
本技術の第1の実施の形態の動作の一例を説明するための略線図である。
本技術の第2の実施の形態のシステム構成を示すブロック図である。
本技術の第2の実施の形態の動作の一例を説明するための略線図である。
本技術が適用された住宅用の蓄電システムを示す概略図である。

実施例

0010

以下に説明する実施の形態は、本技術の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかしながら、本技術の範囲は、以下の説明において、特に本技術を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
なお、本技術の説明は、下記の順序にしたがってなされる。
<<1.第1の実施の形態>>
<<2.第2の実施の形態>>
<<3.応用例>>
<<4.変形例>>

0011

<<1.第1の実施の形態>>
図1を参照して本技術の第1の実施の形態のシステム構成について説明する。系統1からの交流電力がヒューズ2を介して整流器3に供給される。整流器3は、交流電力を直流電力に変換する機能を有する。整流器3は、一定の出力電圧VOを出力すると共に、出力電流IOの値がコントローラ4からの制御信号に応じて制御することが可能とされている。

0012

整流器3の出力電流がスイッチSW1を介して非常用負荷LD1に供給される。また、整流器3の出力電流が電圧ドロッパー5及びスイッチSW2を介して電圧補償負荷LD2に供給される。さらに、整流器3の出力電流がスイッチSW3を介して直接負荷LD3に供給される。これらのスイッチSW1,SW2,SW3は、図示しない制御部からのコントロール信号によって制御されてもよいし、制御部を設けず、SW1をリレーで構成して、系統1からの交流電力の有無に応じてオンオフ切り替えを行い、SW2,SW3をブレーカーで構成して、過電流が流れた場合にトリップするようにしてもよい。また、SW1のみリレーで非常用負荷LD1、電圧補償負荷LD2及び直接負荷LD3は、工場無線基地局等に設置されているものである。

0013

非常用負荷LD1は停電時のみ電力を供給することが必要な負荷例えば非常用照明である。電圧補償負荷LD2は、所定の電圧範囲(例えば90V〜110V)で動作することが可能とされた負荷(電子機器等)である。電圧ドロッパー5は電圧補償負荷LD2に対して供給される電圧が所定の範囲に収まるように制御する。直接負荷LD3は、電圧補償負荷LD2以外の通常時に電力が供給される負荷である。LD2とLD3は停電に関係なく常時電力が供給される負荷で、LD1は停電時のみ電力供給される負荷ともいえる。一例として、通常時には、スイッチSW2及びSW3がオンとされ、スイッチSW1がオフとされ、停電時には、スイッチSW2及びSW3がオンとされ、スイッチSW1もオンとされる。

0014

整流器3の出力電流IOの一部が蓄電装置6に対して充電電流ICとして供給される。蓄電装置6は、電池部7及びバッテリモジュールコントローラ(BMU)8からなる。電池部7及びバッテリモジュールコントローラ8のそれぞれにマイクロコントローラユニット(MCU)9及び10が設けられている。これらのマイクロコントローラユニット9及び10間で通信を行うようになされている。電池部7及びバッテリモジュールコントローラ(BMU)8は別体である例を示したが、一体であってもよい。

0015

蓄電装置6の電池部7は、複数の電池セルが直列及び並列に接続された構成とされる。電池部7の各電池セルの電圧が監視され、バッテリモジュールコントローラ8によって、電池部7の動作が制御される。電池部7は、整流器3の出力電流によってフロート充電される。すなわち、整流器3によって満充電となると、電圧印加が継続していても充電電流がゼロとなり、過充電が防止される。但し、リチウムイオン二次電池の場合、あまり大きな充電電流で充電すると、電池の劣化が進み、寿命を短くしてしまうので、充電電流が過大となることを防止するようになされる。

0016

通常時には、スイッチSW2及びSW3を介して電圧補償負荷LD2及び直接負荷LD3に対して電力が供給される。若し、負荷側の必要とする電力が整流器3の供給電力より大きい場合に、蓄電装置6から電力を負荷側に供給してもよい。停電時には、蓄電装置6から非常用負荷LD1に対して電力が供給される。

0017

負荷側に対して流れる負荷電流ILを検出する電流センサCT1が設けられ、蓄電装置6に対して流れる充電電流ICを検出する電流センサCT2が設けられている。電流センサCT1及びCT2としては、ホール素子を有するクランプ式電流計が使用できる。クランプ式電流計は、伝送線を切断せずに電流値を測定することができる。なお、図1では、電流センサCT1及びCT2が設けられているが、整流器3の出力電流をIOとすると、(IO=IL+IC)の関係があるので、一方の電流センサを設ければよい。

0018

電流センサCT1及びCT2によってそれぞれ検出した電流IL及びICの情報がコントローラ4に対して供給される。コントローラ4は、電流IL及びICの情報を基に整流器3の出力電流IOを制御する。整流器3の出力電圧VO及び出力電流IOの特性を図2に示す。通常動作時のVI特性実線とする。整流器3は、出力電圧VOが一定で、出力電流IOがコントローラ4によって制御される。出力電流IOは、線形又はステップ的に変化する。

0019

蓄電装置6側に流れる電流ICと負荷側に流れる電流ILを電流センサCT1及びCT2により測定しながら、電池部7の充電状況や負荷の需要電力に基づき、出力電流の値を点線で示すようにシフトさせる。これにより、特別な充電器なしでも電池部7の温度や劣化度に応じて、充電電流ICを制御することができるため、電池の長寿命化に寄与できる。

0020

上述した第1の実施の形態において、整流器3の出力電流IOの最大値図3に示すように、40Aとする。蓄電装置6への充電電流ICが20Aで、負荷電流ILが20Aとする。この状態で、負荷電流ILが10Aに減少すると、充電電流ICが30Aとなる。この充電電流IC(=30A)は、電池部7の電池にとって大きなもので、電池が劣化することになる。本技術では、負荷電流ILの減少が電流センサCT1によって検出されるか、又は充電電流ICの増大が電流センサCT2によって検出され、検出結果がコントローラ4にフィードバックされる。コントローラ4は、図3において破線で示すように、整流器3の出力電流IOを30Aに減少させる。その結果、充電電流ICが20Aに抑えられ、電池部7の劣化が防止される。

0021

逆に負荷電流ILが30Aに増大した場合には、充電電流ICが10Aに減少する。結果、充電電流ICの最大値の20Aを超えないようになされる。さらに、負荷電流ILが40Aを超えた場合には整流器3の出力では不足する。この場合は、蓄電装置6からの放電電流によって不足分を補う動作となる。

0022

<<2.第2の実施の形態>>
図4を参照して本技術の第2の実施の形態について説明する。蓄電装置6のバッテリモジュールコントローラ8のマイクロコントローラユニット10から整流器3のコントローラ4に対して蓄電装置6の電池部7の状態が送信され、コントローラ4が電池部7の状態に応じて整流器3の出力電流を制御する。例えば電池部7の温度が状態として検出され、検出された温度の情報がマイクロコントローラユニット9及び10を通じてコントローラ4に対して送信される。

0023

コントローラ4は、得られた温度情報から、負荷電流ILに基づき整流器3の出力電流IOを制御して蓄電装置6に対する充電電流ICを制御する。例えば、整流器3の出力電流IOの最大値が図5において実線で示すように、40Aとする。蓄電装置6への充電電流ICが20Aで、負荷電流ILが20Aとする。電池部7の温度が低下し、5℃になったとする。リチウムイオン二次電池は,5℃以下の低温で、大きい電流にて充電すると劣化が進行する。そこで、図5において破線で示すように、整流器3の出力電流IOを25Aに設定する。このように出力電流値を25Aに設定することによって、負荷電流20Aを出力電流IOから差し引いた5Aの充電電流が蓄電装置6に流れることになり、劣化を抑制した充電制御が可能となる。なお、蓄電装置6の電池部7の状態として、温度以外に残容量、劣化状態電池電圧等を使用してもよい。

0024

上述した本技術によれば、従来の非常用電源のシステム構成を変えることなく鉛蓄電池からリチウムイオン蓄電池への置き換えが可能となる。また、リチウムイオン二次電池用の特別な充電器を用いない構成のため、非常用電源の信頼性を損ねることなく、安全に充放電が可能となる。さらに、整流器の出力電流を制御することによって過大な充電電流が流れることを防止でき、蓄電装置(電池部)の劣化を防止し、長寿命化を図ることができる。さらに、負荷の要求量と蓄電池の状態に応じて、整流器で電流量を制御することにより電池の状態や周囲環境ににあわせた充電を行うことができる。このため、蓄電池を長寿命で使用することが可能となる。

0025

<<3.応用例>>
「応用例としての住宅における蓄電システム」
本開示を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図6を参照して説明する。例えば住宅9001用の蓄電システム9100においては、火力発電9002a、原子力発電9002b、水力発電9002c等の集中型電力系統9002から電力網9009、情報網9012、スマートメータ9007、パワーハブ9008等を介し、電力が蓄電装置9003に供給される。
これと共に、家庭内発電装置9004等の独立電源から電力が蓄電装置9003に供給される。蓄電装置9003に供給された電力が蓄電される。蓄電装置9003を使用して、住宅9001で使用する電力が給電される。住宅9001に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。

0026

住宅9001には、発電装置9004、電力消費装置9005、蓄電装置9003、各装置を制御する制御装置9010、スマートメータ9007、各種情報を取得するセンサー9011が設けられている。各装置は、電力網9009および情報網9012によって接続されている。発電装置9004として、太陽電池燃料電池等が利用され、発電した電力が電力消費装置9005および/または蓄電装置9003に供給される。電力消費装置9005は、冷蔵庫9005a、空調装置9005b、テレビジョン受信機9005c、風呂9005d等である。さらに、電力消費装置9005には、電動車両9006が含まれる。電動車両9006は、電気自動車9006a、ハイブリッドカー9006b、電気バイク9006cである。

0027

蓄電装置9003に対して、上述した本開示のバッテリユニットが適用される。蓄電装置9003は、二次電池又はキャパシタから構成されている。例えば、リチウムイオン電池によって構成されている。リチウムイオン電池は、定置型であっても、電動車両9006で使用されるものでも良い。スマートメータ9007は、商用電力の使用量を測定し、測定された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。電力網9009は、直流給電交流給電非接触給電の何れか一つまたは複数を組み合わせても良い。

0028

各種のセンサー9011は、例えば人感センサー照度センサー物体検知センサー、消費電力センサー、振動センサー接触センサー温度センサー赤外線センサー等である。各種センサー9011により取得された情報は、制御装置9010に送信される。センサー9011からの情報によって、気象の状態、人の状態等が把握されて電力消費装置9005を自動的に制御してエネルギー消費を最小とすることができる。さらに、制御装置9010は、住宅9001に関する情報をインターネットを介して外部の電力会社等に送信することができる。

0029

パワーハブ9008によって、電力線分岐直流交流変換等の処理がなされる。制御装置9010と接続される情報網9012の通信方式としては、UART(Universal synchronous Receiver-Transmitter:非同期シリアル通信送受信回路)等の通信インターフェースを使う方法、Bluetooth(登録商標)、ZigBee、Wi−Fi等の無線通信規格によるセンサーネットワークを利用する方法がある。Bluetooth方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ZigBeeは、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4の物理層を使用するものである。IEEE802.15.4は、PAN(Personal Area Network) またはW(Wireless)PANと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格名称である。

0030

制御装置9010は、外部のサーバ9013と接続されている。このサーバ9013は、住宅9001、電力会社、サービスプロバイダーの何れかによって管理されていても良い。サーバ9013が送受信する情報は、たとえば、消費電力情報生活パターン情報電力料金天気情報天災情報、電力取引に関する情報である。これらの情報は、家庭内の電力消費装置(たとえばテレビジョン受信機)から送受信しても良いが、家庭外の装置(たとえば、携帯電話機等)から送受信しても良い。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビジョン受信機、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistants)等に、表示されても良い。

0031

各部を制御する制御装置9010は、CPU(Central Processing Unit )、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等で構成され、この例では、蓄電装置9003に格納されている。制御装置9010は、蓄電装置9003、家庭内発電装置9004、電力消費装置9005、各種センサー9011、サーバ9013と情報網9012により接続され、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、電力市場で電力取引を行う機能等を備えていても良い。

0032

以上のように、電力が火力9002a、原子力9002b、水力9002c等の集中型電力系統9002のみならず、家庭内発電装置9004(太陽光発電風力発電)の発電電力を蓄電装置9003に蓄えることができる。したがって、家庭内発電装置9004の発電電力が変動しても、外部に送出する電力量を一定にしたり、または、必要なだけ放電するといった制御を行うことができる。例えば、太陽光発電で得られた電力を蓄電装置9003に蓄えると共に、夜間は料金が安い深夜電力を蓄電装置9003に蓄え、昼間の料金が高い時間帯に蓄電装置9003によって蓄電した電力を放電して利用するといった使い方もできる。

0033

なお、この例では、制御装置9010が蓄電装置9003内に格納される例を説明したが、スマートメータ9007内に格納されても良いし、単独で構成されていても良い。さらに、蓄電システム9100は、集合住宅における複数の家庭を対象として用いられてもよいし、複数の戸建て住宅を対象として用いられてもよい。

0034

以上、本開示に係る技術が適用され得る蓄電システム9100の一例について説明した。本技術に係る技術は、以上説明した構成のうち、蓄電装置9003に好適に適用され得る。但し、本技術は直流電力を供給するものであるので、家庭用交流機器に対しては、直流電力を交流電力に変換して供給する必要がある。

0035

<<4.変形例>>
以上、本技術の一実施の形態について具体的に説明したが、本技術は、上述の一実施の形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、電池部7は直列および並列に接続された例を示したが、直列のみでもよいし、並列のみでもよい。また、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。

0036

なお、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
(1)
系統からの交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を蓄電装置及び負荷に供給する整流器と、
前記整流器の前記負荷に対する直流電流と前記整流器の前記蓄電装置に対する直流電流のいずれか一方又は両方を検出する電流センサとを備え、
前記電流センサの測定結果を前記整流器にフィードバックして前記整流器の出力電流を可変制御する
電力供給装置。
(2)
前記整流器及び前記蓄電装置から前記負荷に対して直接的に電源が供給されるようにした(1)に記載の電力供給装置。
(3)
停電時に、前記蓄電装置から前記負荷へ電力を供給する(1)に記載の電力供給装置。
(4)
前記負荷に対する直流電流が前記整流器の出力電流より大きくなった時に、前記蓄電装置の放電電流を前記負荷に供給するようにする(3)に記載の電力供給装置。
(5)
前記負荷に対する電流が減少する時に、前記整流器の出力電流を減少させるようにする(1)に記載の電力供給装置。
(6)
前記蓄電装置に対する電流が増加する時に、前記整流器の出力電流を減少させるようにする(1)に記載の電力供給装置。
(7)
前記蓄電装置の電池部の状態に応じて前記整流器の出力電流を制御する(1)に記載の電力供給装置。
(8)
前記電池部の状態は、電池電圧、残容量、劣化状態、電池温度の少なくとも1つである(7)に記載の電力供給装置。
(9)
系統からの交流電力を整流器によって直流電力に変換し、該直流電力によって充電され、
充電電流が前記整流器から負荷に出力される直流電流に応じて可変制御される蓄電装置。
(10)
前記蓄電装置の電池部の状態に応じて前記整流器の出力電流を制御する(9)に記載の蓄電装置。
(11)
前記電池部の状態は、電池電圧、残容量、劣化状態、電池温度の少なくとも1つである(10)に記載の蓄電装置。
(12)
(9)に記載の蓄電装置から電力の供給を受ける電子機器。
(13)
(9)に記載の蓄電装置から電力の供給を受ける電力システム。

0037

1・・・系統
3・・・整流器
4・・・コントローラ
6・・・蓄電装置
7・・・電池部
CT1,CT2・・・電流センサ

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