(57)【要約】【課題】より多くの電力を供給可能な電源装置を低コストで提供する。【解決手段】本発明の電源装置は、複数の電池が直列に接続された電池モジュール１０と、電池モジュール１０の負極端子が接続された負極出力端子２２と、電池モジュール１０の正極端子及び所定の電池間の接続点が複数の放電用スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を介して個々に接続された正極出力端子２１と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路４０と、電池モジュール１０の充電電流を調整する充電電流調整回路３０と、電池モジュール１０の充電状態を検出するサーミスタ１４〜１６と、電池モジュール１０の充放電を制御する制御装置５０と、を備え、制御装置５０は、出力電圧が一定の範囲内となるように放電用スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を制御する手段と、電池モジュール１０の各電池の充電状態に基づいて充電電流調整回路３０を制御する手段と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池が直列に接続された電池モジュールと、
前記電池モジュールの負極端子が接続された負極出力端子と、
前記電池モジュールの正極端子及び所定の電池間の接続点が複数のスイッチを介して個々に接続された正極出力端子と、
前記正極出力端子と前記負極出力端子との間の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記電池モジュールの充電電流を調整する充電電流調整回路と、
前記電池モジュールの各電池の充電状態を検出する充電状態検出回路と、
前記電池モジュールの充放電を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記出力電圧が一定の範囲内となるように前記複数のスイッチを制御する手段と、
前記電池モジュールの各電池の充電状態に基づいて前記充電電流調整回路を制御する手段と、を含む、ことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、前記制御装置は、前記電池モジュールの各電池がいずれも満充電に至っていないことを条件として第１電流値で前記電池モジュールを定電流充電する手段と、
前記電池モジュールの各電池のいずれか一が満充電に至っていることを条件として、前記第１電流値より小さい第２電流値で前記電池モジュールを定電流充電する手段と、を含む、ことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池が直列に接続された電池モジュールを備える電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のキャパシタに電荷を蓄え、これを電子機器等の電力として用いる電源装置が公知である。このような電源装置においては、キャパシタの充電状態の変動に伴う出力電圧の変動が問題となる。そしてキャパシタの充電状態が変動しても一定の出力電圧を得るには、例えば公知のＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッチング電源を用いることが考えられる。しかしスイッチング電源を設けると、それによって電力の損失が生ずるとともに、電源装置の大型化やコストの大幅な増加を招来する虞が生ずる。
【０００３】
このようなことからスイッチング電源を設けずに、キャパシタの充電状態の変動に伴う出力電圧の変動を抑制することを目的とした従来技術として、複数のキャパシタのそれぞれにバイパス回路を設け、キャパシタの充電状態に応じて複数のキャパシタの接続を切り換える電源装置が公知である（例えば特許文献１を参照）。また同様の目的で、複数のキャパシタの各接続点からスイッチを介して電力を取り出す複数の中間タップ出力端子を設け、キャパシタの電圧変動に応じて各スイッチを制御して中間タップ出力端子を切り換える電源装置が公知である（例えば特許文献２を参照）。
【０００４】
また上記のような構成の電源装置においては、その構成上、複数のキャパシタの充電状態がアンバランスになってしまうという課題が生ずる。このような課題を解決することを目的とした従来技術としては、例えば複数のキャパシタの各接続点からスイッチを介して電力を取り出す複数のタップを設け、充電時には、このタップを介して充電器に接続するキャパシタを充電器電圧に応じて選択する電源装置が公知である（例えば特許文献３を参照）。また同様の目的で、複数の出力用キャパシタと調整用キャパシタとを設け、出力用キャパシタに調整用キャパシタを直列に接続したり切り離したりすることによって出力電圧を調整するとともに、出力用キャパシタに接続されていない状態の調整用キャパシタに対し、自己放電による電圧低下を抑制するために緩和充電を行う電源装置が公知である（例えば特許文献４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１０８３６０号公報
【特許文献２】特開２００９−２１３２４２号公報
【特許文献３】特開２０１１−５５６４９号公報
【特許文献４】特開２０００−１５２４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えばデータセンタに設置されたサーバ等の装置に対し、停電時に長時間電力を供給する必要があるバックアップ電源装置においては、前述したキャパシタを用いた電源装置では十分な電力を装置に供給できない虞がある。またキャパシタを用いた電源装置で十分な電力を供給できるようにするには、多数のキャパシタが必要になるため、電源装置が大型化してしまう虞がある。そのため上記のような用途の電源装置においては、ニッケル水素二次電池等の二次電池が用いられる場合が多い。
【０００７】
しかしながら前述した従来技術の電源装置において複数のキャパシタを全て二次電池に置き換えた場合、複数の二次電池の電池間の充電状態がアンバランスになるため、充電時に、複数の二次電池に同時に充電を行うと一部の電池が過充電となってしまう虞が生ずる。そして二次電池は、キャパシタと異なり、過充電によって充放電特性の劣化等が生ずる場合がある。また複数の二次電池に対し、それぞれの充電状態に応じて個々に充電を行うようにするとなると、回路構成が複雑になって大幅なコスト増となってしまう虞が生ずるとともに、充電時間が大幅に長くなってしまう虞が生ずる。
【０００８】
このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、より多くの電力を供給可能な電源装置を低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、複数の電池が直列に接続された電池モジュールと、前記電池モジュールの負極端子が接続された負極出力端子と、前記電池モジュールの正極端子及び所定の電池間の接続点が複数のスイッチを介して個々に接続された正極出力端子と、前記正極出力端子と前記負極出力端子との間の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記電池モジュールの充電電流を調整する充電電流調整回路と、前記電池モジュールの各電池の充電状態を検出する充電状態検出回路と、前記電池モジュールの充放電を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記出力電圧が一定の範囲内となるように前記複数のスイッチを制御する手段と、前記電池モジュールの各電池の充電状態に基づいて前記充電電流調整回路を制御する手段と、を含む、ことを特徴とする電源装置である。
【００１０】
放電時には、出力電圧が一定の範囲内となるように複数のスイッチを制御する。より具体的には、出力電圧が一定の範囲内となるように複数のスイッチのいずれかを選択して閉じる。それによってスイッチング電源を設けない低コストの構成で、電池モジュールの充電状態にかかわらず出力電圧を一定の範囲内にすることができる。しかしそれによって電池モジュールの各電池の充電状態がアンバランスになる。そのため電池モジュールの充電時に一定の電流値で定電流充電を行うと、一部の電池が過充電となって充放電特性の劣化等してしまう虞が生ずる。この場合、例えば電池モジュールの各電池の充電状態にかかわらず画一的に低い電流値で定電流充電を行えば、過充電による充放電特性の劣化等の虞は低減される。しかしそのような充電制御は、電池モジュールの全ての電池が満充電となるまでに相当な時間を要することとなってしまうため現実的ではない。
【００１１】
そこで本発明は、電池モジュールの各電池の充電状態に基づいて充電電流調整回路を制御する。つまり充電時には、電池モジュールの各電池の充電状態に基づいて、電池モジュールの充電電流の電流値を調整する。それによって電池モジュールの一部の電池に過充電による充放電特性の劣化等が生ずる虞を低減しつつ、電池モジュールを満充電にするのに要する時間を大幅に短縮することができる。
【００１２】
これにより本発明の第１の態様によれば、より多くの電力を供給可能な電源装置を低コストで提供することができるという作用効果が得られる。
【００１３】
＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記制御装置は、前記電池モジュールの各電池がいずれも満充電に至っていないことを条件として第１電流値で前記電池モジュールを定電流充電する手段と、前記電池モジュールの各電池のいずれか一が満充電に至っていることを条件として、前記第１電流値より小さい第２電流値で前記電池モジュールを定電流充電する手段と、を含む、ことを特徴とする電源装置である。
【００１４】
このように充電時には、電池モジュールの各電池のいずれかが満充電に至るまでは、第１電流値で電池モジュールを定電流充電する。それによって電池モジュールを高速に充電することができる。そして電池モジュールの各電池のいずれかが満充電に至った後は、第１電流値より小さい第２電流値で電池モジュールを定電流充電する。それによって満充電に至っていない電池の充電を継続しつつ、すでに満充電に至っている電池に過充電による充放電特性の劣化等が生ずる虞を低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、より多くの電力を供給可能な電源装置を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る電源装置の構成を図示した回路図。
【図２】制御装置の放電制御の手順を図示したフローチャート。
【図３】制御装置の放電制御による出力電圧の変化を図示したタイミングチャート。
【図４】制御装置の充電制御の手順を図示したフローチャート。
【図５】制御装置の充電制御による出力電圧の変化を図示したタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【００１８】
＜電源装置の構成＞
本発明に係る電源装置の構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る電源装置の構成を図示した回路図である。
【００１９】
本発明に係る電源装置は、電池モジュール１０、放電電圧調整回路２０、充電電流調整回路３０、出力電圧検出回路４０及び制御装置５０を備える。
【００２０】
電池モジュール１０は、複数の電池が直列に接続されて構成されており、所定数の電池単位で構成される第１電池バンク１１、第２電池バンク１２、第３電池バンク１３を含む。第１電池バンク１１、第２電池バンク１２及び第３電池バンク１３を構成する電池は、充放電可能なアルカリ蓄電池等の二次電池であり、より具体的には例えばニッケル水素二次電池である。
【００２１】
また電池モジュール１０は、「充電状態検出回路」としての第１サーミスタ１４、第２サーミスタ１５、第３サーミスタ１６を含む。第１サーミスタ１４は、第１電池バンク１１の温度を検出する。第２サーミスタ１５は、第２電池バンク１２の温度を検出する。第３サーミスタ１６は、第３電池バンク１３の温度を検出する。第１サーミスタ１４、第２サーミスタ１５、第３サーミスタ１６の出力信号は、制御装置５０へ出力される。制御装置５０は、第１サーミスタ１４、第２サーミスタ１５、第３サーミスタ１６の出力信号から第１電池バンク１１、第２電池バンク１２、第３電池バンク１３の各々の充電状態を演算して求める。
【００２２】
放電電圧調整回路２０は、３つの放電用スイッチＳＷ１〜ＳＷ３、３つの整流ダイオードＤ１〜Ｄ３、正極出力端子２１、負極出力端子２２を含む。放電用スイッチＳＷ１は、一端が第１電池バンク１１と第２電池バンク１２との接続点に接続されており、他端が整流ダイオードＤ１のアノード端子に接続されている。放電用スイッチＳＷ２は、一端が第２電池バンク１２と第３電池バンク１３との接続点に接続されており、他端が整流ダイオードＤ２のアノード端子に接続されている。放電用スイッチＳＷ３は、一端が電池モジュール１０の正極端子（第３電池バンク１３の正極）に接続されており、他端が整流ダイオードＤ３のアノード端子に接続されている。正極出力端子２１は、整流ダイオードＤ１〜Ｄ３のカソード端子に接続されている。つまり正極出力端子２１は、電池モジュール１０の正極端子、第１電池バンク１１と第２電池バンク１２との接続点、第２電池バンク１２と第３電池バンク１３との接続点が複数の放電用スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を介して個々に接続されている。負極出力端子２２は、電池モジュール１０の負極端子（第１電池バンク１３の負極）に接続されている。正極出力端子２１と負極出力端子２２は、例えばサーバ装置等の負荷６０が接続される。放電用スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、制御装置５０によって開閉制御される。
【００２３】
充電電流調整回路３０は、電池モジュール１０の充電電流を調整する回路であり、２つの充電用スイッチＳＷ４、ＳＷ５、電流制限抵抗Ｒ１を含む。充電用スイッチＳＷ４は、一端が電池モジュール１０の正極端子に接続されており、他端が充電用電源７０に接続される。充電用スイッチＳＷ５は、一端が電池モジュール１０の正極端子に接続されており、他端が電流制限抵抗Ｒ１の一端に接続されている。電流制限抵抗Ｒ１の他端は、充電用電源７０に接続される。充電用スイッチＳＷ４、ＳＷ５は、制御装置５０によって開閉制御される。
【００２４】
出力電圧検出回路４０は、出力電圧（正極出力端子２１と負極出力端子２２との間の電圧）を検出する回路であり、比較器４１、基準電圧電源４２を含む。比較器４１はオペアンプであり、非反転入力端子が正極出力端子２１に接続されており、反転入力端子が基準電圧電源４２に接続されている。したがって比較器４１の出力端子の電圧は、出力電圧と基準電圧との差に相当する電圧となる。比較器４１の出力端子は、制御装置５０に接続されている。
【００２５】
制御装置５０は、公知のマイコン制御装置であり、電池モジュール１０の充放電を制御する。より具体的には制御装置５０は、放電時には、出力電圧が一定の範囲内となるように、放電用スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のいずれかを選択して閉じる制御を実行する。また制御装置５０は、充電時には、第１電池バンク１１、第２電池バンク１２、第３電池バンク１３のそれぞれの充電状態に基づいて充電電流調整回路３０を制御する。
【００２６】
＜放電制御＞
制御装置５０の放電制御について、図２及び図３を参照しながら説明する。
図２は、制御装置５０の放電制御の手順を図示したフローチャートである。図３は、制御装置５０の放電制御による出力電圧の変化を図示したタイミングチャートである。
【００２７】
まず放電用スイッチＳＷ１をＯＮする（図２のステップＳ１、図３のタイミングＴ１）。それによって第１電池バンク１１の満充電電圧Ｖ１が出力電圧となる。つづいて出力電圧が電圧閾値Ｖ２より高いか否かを判定する（図２のステップＳ２）。電圧閾値Ｖ２は、出力電圧の下限を規定する値であり、電源装置の仕様等に応じて適宜設定される。
【００２８】
出力電圧が電圧閾値Ｖ２より高い状態である間は（ステップＳ２でＹｅｓ）、放電用スイッチＳＷ１をＯＮした状態を維持する。そして第１電池バンク１１の充電状態が低下して出力電圧が電圧閾値Ｖ２以下になった時点で（ステップＳ２でＮｏ）、放電用スイッチＳＷ２をＯＮするとともに、放電用スイッチＳＷ１をＯＦＦする（図２のステップＳ３、図３のタイミングＴ２）。それによって第１電池バンク１１の電圧に第２電池バンク１２の電圧を加えた電圧が出力電圧となるため、出力電圧が電圧閾値Ｖ２を超える電圧に上昇する。
【００２９】
つづいて出力電圧が電圧閾値Ｖ２より高いか否かを判定する（図２のステップＳ４）。出力電圧が電圧閾値Ｖ２より高い状態である間は（ステップＳ４でＹｅｓ）、放電用スイッチＳＷ２をＯＮした状態を維持する。そして第２電池バンク１２の充電状態が低下して出力電圧が電圧閾値Ｖ２以下になった時点で（ステップＳ４でＮｏ）、放電用スイッチＳＷ３をＯＮするとともに、放電用スイッチＳＷ２をＯＦＦする（図２のステップＳ５、図３のタイミングＴ３）。それによって第１電池バンク１１の電圧に第２電池バンク１２の電圧及び第３電池バンク１３の電圧を加えた電圧が出力電圧となるため、出力電圧が電圧閾値Ｖ２を超える電圧に上昇する。
【００３０】
つづいて出力電圧が電圧閾値Ｖ２より高いか否かを判定する（図２のステップＳ６）。出力電圧が電圧閾値Ｖ２より高い状態である間は（ステップＳ６でＹｅｓ）、放電用スイッチＳＷ３をＯＮした状態を維持する。そして第３電池バンク１３の充電状態が低下して出力電圧が電圧閾値Ｖ２以下になった時点で（ステップＳ６でＮｏ）、放電用スイッチＳＷ３をＯＦＦして電池モジュール１０からの放電を停止する（図２のステップＳ７）。
【００３１】
このようにして第１電池バンク１１の満充電電圧Ｖ１以下で電圧閾値Ｖ２より高い電圧の範囲内に出力電圧を維持することができる。それによってスイッチング電源を設けない低コストの構成で、電池モジュール１０の充電状態にかかわらず出力電圧を一定の範囲内にすることができる。
【００３２】
＜充電制御＞
制御装置５０の充電制御について、図４及び図５を参照しながら説明する。
図４は、制御装置５０の充電制御の手順を図示したフローチャートである。図５は、制御装置５０の充電制御による出力電圧の変化を図示したタイミングチャートである。
【００３３】
まず充電用スイッチＳＷ４をＯＮする（図４のステップＳ１１、図５のタイミングＴ１１）。それによって第１電流値Ｉ１で電池モジュール１０の定電流充電が開始される。第１電流値Ｉ１は、より高速な定電流充電を行う観点から、電池モジュール１０を構成する電池の仕様等に応じて可能な限り高い電流値に設定するのが好ましい。
【００３４】
つづいて第１電池バンク１１の温度Ｔｈ１、第２電池バンク１２の温度Ｔｈ２、第３電池バンク１３の温度Ｔｈ３のいずれかが温度閾値Ｔｈｓに達したか否かを判定する（図４のステップＳ１２）。温度閾値Ｔｈｓは、第１電池バンク１１、第２電池バンク１２、第３電池バンク１３の充電状態が定電流充電によって満充電に達したときの温度上昇を検出可能な値に設定される。
【００３５】
第１電池バンク１１の温度Ｔｈ１、第２電池バンク１２の温度Ｔｈ２、第３電池バンク１３の温度Ｔｈ３がいずれも温度閾値Ｔｈｓに達していない状態である間は（ステップＳ１２でＮｏ）、定電流充電の電流値を第１電流値Ｉ１に維持する。つまり制御装置５０は、第１電池バンク１１、第２電池バンク１２、第３電池バンク１３がいずれも満充電に至っていないことを条件として、第１電流値Ｉ１で電池モジュール１０を定電流充電する。それによって電池モジュール１０を高速に充電することができる。
【００３６】
そして第１電池バンク１１の温度Ｔｈ１、第２電池バンク１２の温度Ｔｈ２、第３電池バンク１３の温度Ｔｈ３のいずれかが温度閾値Ｔｈｓに達した時点で（ステップＳ１２でＹｅｓ）、例えば第１電池バンク１１の温度Ｔｈ１が温度閾値Ｔｈｓに達した時点で、充電用スイッチＳＷ４をＯＦＦするとともに、充電用スイッチＳＷ５をＯＮする。それによって電池モジュール１０は、電流制限抵抗Ｒ１を通じて定電流充電が行われることになるので、その定電流充電の電流値が第１電流値Ｉ１から第２電流値Ｉ２に低下する（図４のステップＳ１３、図５のタイミングＴ１２）。
【００３７】
第２電流値Ｉ２は、第１電流値Ｉ１より低い電流値に設定され、電流制限抵抗Ｒ１の抵抗値によって任意の電流値に設定することができる。より具体的には第２電流値Ｉ２は、電池モジュール１０を構成する電池の仕様等に応じて、過充電による電池特性の劣化等の虞が生じない十分に低い電流値とするのが好ましい。つまり制御装置５０は、第１電池バンク１１、第２電池バンク１２、第３電池バンク１３のいずれか一が満充電に至っていることを条件として、第１電流値Ｉ１より小さい第２電流値Ｉ２で電池モジュール１０を定電流充電する。それによって満充電に至っていない電池バンクの充電を継続しつつ、すでに満充電に至っている電池バンクに過充電による充放電特性の劣化等が生ずる虞を低減することができる。
【００３８】
つづいて第１電池バンク１１の温度Ｔｈ１、第２電池バンク１２の温度Ｔｈ２、第３電池バンク１３の温度Ｔｈ３の全てが温度閾値Ｔｈｓに達したか否かを判定する（図４のステップＳ１４）。第１電池バンク１１の温度Ｔｈ１、第２電池バンク１２の温度Ｔｈ２、第３電池バンク１３の温度Ｔｈ３の全てが温度閾値Ｔｈｓに達していない状態である間は（ステップＳ１４でＮｏ）、第２電流値Ｉ２で定電流充電を継続する。そして第１電池バンク１１の温度Ｔｈ１、第２電池バンク１２の温度Ｔｈ２、第３電池バンク１３の温度Ｔｈ３の全てが温度閾値Ｔｈｓに達した時点で、つまり第１電池バンク１１、第２電池バンク１２、第３電池バンク１３の全てが満充電に至った時点で、充電用スイッチＳＷ５をＯＦＦして電池モジュール１０の定電流充電を終了する（図４のステップＳ１５、図５のタイミングＴ１３）。
【００３９】
このように本発明に係る電源装置は、充電時には、第１電池バンク１１、第２電池バンク１２、第３電池バンク１３のそれぞれの充電状態に基づいて、電池モジュール１０の充電電流の電流値を調整する。それによって電池モジュール１０の一部の電池バンクに過充電による充放電特性の劣化等が生ずる虞を低減しつつ、電池モジュール１０を満充電にするのに要する時間を大幅に短縮することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  電池モジュール
１１  第１電池バンク
１２  第２電池バンク
１３  第３電池バンク
１４  第１サーミスタ
１５  第２サーミスタ
１６  第３サーミスタ
２０  放電電圧調整回路
２１  正極出力端子
２２  負極出力端子
３０  充電電流調整回路
４０  出力電圧検出回路
５０  制御装置
Ｄ１〜Ｄ３  整流ダイオード
Ｒ１  電流制限抵抗
ＳＷ１〜ＳＷ３  放電用スイッチ
ＳＷ４、ＳＷ５  充電用スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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