(57)【要約】【課題】高効率化および小型化を実現することができる電池電圧補償システムを提供すること。【解決手段】電池電圧補償システム３は、通信装置４側に接続され、通信装置４に電力を供給する主電池３１と、端電池３２と、端電池３２の出力端が直列接続され、端電池３２の電圧を調整して通信装置４に電力を供給するブースタコンバータ３３と、通信装置４の端子電圧を検出する電圧検出器４０と、検出の結果に基づいて、端子電圧が規定値以下になるように、端電池３２の電圧の昇圧または降圧をブーストコンバータ３３に指示する制御部６０とを含む。【選択図】図４
2015213384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池の電圧を補償して負荷に供給する電池電圧補償システムであって、
負荷側に接続され、前記負荷に電力を供給する第１の蓄電池と、
第２の蓄電池と、
前記第２の蓄電池の出力端が直列接続され、前記第２の蓄電池の電圧を調整して前記負荷に電力を供給するブースタコンバータと、
前記負荷側の端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記検出の結果に基づいて、前記端子電圧が規定値以下になるように、前記第２の蓄電池の電圧の昇圧または降圧を前記ブーストコンバータに指示する制御部と
を含むことを特徴とする電池電圧補償システム。
【請求項２】
前記ブーストコンバータは、スイッチング素子を含んでおり、
前記制御部は、前記検出の結果に応じて、前記スイッチング素子のオンまたはオフを指示して前記ブーストコンバータの出力電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧補償システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記端子電圧が規定値よりも大きい場合、前記スイッチング素子のオンオフのデューティ比を決定し、
前記ブーストコンバータは、前記デューティ比に基づく前記スイッチング素子のオンオフ制御により、前記出力電圧を調整することを特徴とする請求項２に記載の電池電圧補償システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池の電圧を調整して負荷に電力を供給する電池電圧補償システムに関する。
【０００２】
従来、ブースタコンバータを介して給電し、ブーストコンバータの入力電圧が規格値より低下した場合には、その変動に応じて発生した出力電圧をブースタコンバータの入力電圧に重畳して電圧規格を維持する給電システムが知られている（非特許文献１）。ブースタコンバータは、数ボルトの昇圧電圧を発生させ、それを入力電圧に重畳させることにより給電系の電圧を一定の範囲内に補償するようにするものである。
【０００３】
図１は、従来の給電システム１００の構成を示す図である。
図１において、給電システム１００は、交流系統（商用給電）と直流系統（直流給電）とが混在しており、ＲＦ（整流装置）１０１は、正常時は、交流系統の電源供給を受けて、直流電力を通信装置（負荷装置）２００に供給する。また、正常時において、充電装置１０２は、交流系統の電源供給を受けて、蓄電池１０３をフロー充電する。
一方、停電時等の異常状態が発生し、ＲＦ１０１および充電装置１０２に対する電源供給が停止した場合、蓄電池１０３は、ブースタコンバータ１０４を介して、通信装置２００に直流電力を供給する。
【０００４】
図２は、ブースタコンバータ１０４の構成を示す図である。
図２において、蓄電池１０３の電圧は、ブーストコンバータ１０４を介して、通信装置２００に供給される。
ブーストコンバータ１０４は、半導体スイッチ１１と、トランス１２と、ダイオード１３，１４，１５と、リアクトル１６と、コンデンサ１７とを備える。
ブーストコンバータ１０４において、通信装置２００の電圧に応じて、半導体スイッチ１１がオフまたはオンし、蓄電池１０３の電圧を調整して通信装置２００に電力を供給する。
【０００５】
図２において、バイパスダイオード１０５は、停電が発生した直後に電圧を降下させる機能を果たす。一般に、停電の発生直後は、蓄電池１０３の電圧は、通信装置２００の入力電圧（例えば４８Ｖ）より数ボルト高くなる可能性があることが知られている（非特許文献１の図３．４８を参照）。このため、バイパスダイオード１０５によって、そのコンデンサ分の電圧を降下させ、上述した入力電圧を許容範囲内にするようにしている。
なお、電磁接触器１０６は、接触子と接点とで構成され、通信装置２００側の回路との接続または切り離しを行うようになっている。
【０００６】
ブースタコンバータ１０４によって、蓄電池１０３の放電時は昇圧機能により配線分の電圧降下があったとしても、放電の終止電圧まで蓄電池１０３を使用することができる。このため、蓄電池１０３の利用率が向上する。また、このようなブースタコンバータ１０４の昇降圧機能によって、給電する電圧の範囲を小さくすることができるので通信装置２００側の電源効率が向上する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】情報・通信用電源、マルチメディアを支えるエネルギー技術、株式会社オーム社、通信用電源研究会編、ｐ96-p97、平成10年3月30日新改訂発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の電池電圧補償システムは、ブースタコンバータの昇降圧機能によって、負荷側に供給する電圧を許容範囲する。しかしながら、ブースタコンバータの入力側に蓄電池全体の電圧が印加されるため、電池電圧補償システムでは、ブースタコンバータの導通損失により効率が低下するという問題があった。また、ブースタコンバータの入力側に蓄電池全体分の電圧が印加されるため、電池電圧補償システムの小型化が実現し難いという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に対処するためになされたものであり、高効率化および小型化を実現することができる電池電圧補償システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための発明は、蓄電池の電圧を補償して負荷に供給する電池電圧補償システムであって、負荷側に接続され、前記負荷に電力を供給する第１の蓄電池と、第２の蓄電池と、前記第２の蓄電池の出力端が直列接続され、前記第２の蓄電池の電圧を調整して前記負荷に電力を供給するブースタコンバータと、前記負荷側の端子電圧を検出する電圧検出器と、前記検出の結果に基づいて、前記端子電圧が規定値以下になるように、前記第２の蓄電池の電圧の昇圧または降圧を前記ブーストコンバータに指示する制御部とを含む。
【００１１】
前記ブーストコンバータは、スイッチング素子を含んでおり、前記制御部は、前記検出の結果に応じて、前記スイッチング素子のオンまたはオフを指示して前記ブーストコンバータの出力電圧を調整するようにしてもよい。
【００１２】
前記制御部は、前記端子電圧が規定値よりも大きい場合、前記スイッチング素子のオンオフのデューティ比を決定し、前記ブーストコンバータは、前記デューティ比に基づく前記スイッチング素子のオンオフ制御により、前記出力電圧を調整するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高効率化および小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の給電システムの構成を示す図である。
【図２】図１のブースタコンバータの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態の電池電圧補償システムを含む給電システムの概略構成例を示す図である。
【図４】図２のブースタコンバータの構成例を示す図である。
【図５】電池電圧補償システムの動作例を示すフローチャートである。
【図６】蓄電池の放電容量と電圧との関係を示す図である。
【図７】主電池および端電池の容量を決定する手順を説明するための図である。
【図８】単一のリチウムイオン電池の放電容量と電圧との関係を示す図である。
【図９】主電池の放電容量と電圧の関係を示す図である。
【図１０】主電池の放電特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の電池電圧補償システムの実施形態について説明する。
【００１６】
[電池電圧補償システムの構成]
図３は、本実施形態の電池電圧補償システム３を含む給電システム１０の概要構成の一例を示す図である。
図３に示すように、給電システム１０は、交流系統（商用給電）と直流系統（直流給電）とが混在しており、ＲＦ（整流装置）１は、正常時は、交流系統の電源供給を受けて、直流電力を通信装置（負荷装置）４に供給する。また、正常時において、充電装置２は、交流系統の電源供給を受けて、電池電圧補償システム３内の主電池（第１の蓄電池）３１および端電池（第２の蓄電池）３２をフロー充電する。
【００１７】
一方、停電時等の異常時において、ＲＦ１および充電装置２に対する電源供給が停止した場合、電池電圧補償システム３では、主電池３が、通信装置４に直流電力を供給するとともに、端電池３２が、ブースタコンバータ３３を介して、通信装置４に直流電力を供給するように構成されている。この構成については後述する。
【００１８】
図４は、ブースタコンバータ３３の構成例を示す図である。
図４に示すように、電池電圧補償システム３３内の主電池３１および端電池３２の各電圧は、充電装置２の各々によって充電されるように構成されている。
【００１９】
電池電圧補償システム３３は、負荷側の通信装置４に接続され、通信装置４に電力を供給する主電池３１と、端電池３２と、端電池３２の出力端が直列接続され、端電池３２の電圧Ｖを調整して通信装置４に供給するブースタコンバータ３３とを備える。さらに電池電圧補償システム３３は、通信装置４の端子電圧Ｖｃｄを検出する電圧検出器４０と、この検出の結果に基づいて、通信装置４の端子電圧が規定値以下になるように、端電池３２の電圧の昇圧または降圧をブーストコンバータ３３に指示する制御部６０とを備える。
【００２０】
上述した規定値はあらかじめ設定されるが、この実施形態では、通信装置４が負荷装置として想定されているので、規定値としては、例えば、通信装置４の許容電圧値などが考えられる。
【００２１】
ブーストコンバータ３３は、リアクトル３３１と、半導体スイッチ（スイッチング素子）３３２と、ダイオード３３３と、コンデンサ３３４，バイパスダイオード３３６と、電磁接触器（ＭＣ）３３５とを備える。半導体スイッチ３３２は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴで構成されており、ゲート駆動用の還流ダイオードＤＬが設けられている。
電磁接触器３３５は、通常時は接触子が接点aで主電池３１と通信装置４が接続された状態となっているが、端子電圧Ｖｃｄが規定値電圧よりも大きい場合には接触子が接点aと接点ｂの間となり、主電池３１と通信装置４の間にはバイパスダイオード３３６が接続された状態となる。また、端子電圧Ｖｃｄが規定値電圧よりも小さい場合には接点ｂで、接触子がブーストコンバータ３３を主電池３１と通信装置４との回路に接続するようになっている。
【００２２】
図４において、制御部６０は、指示部２０と演算部３０とを有する。演算部３０は、半導体スイッチ３３２のオンオフのデューティ比を演算する。
指示部２０は、そのデューティ比を制御するための制御信号を半導体スイッチ３３２のゲート端子に出力するように構成されている。
【００２３】
この実施形態の制御部６０では、演算部３０は、半導体スイッチ３３２のオンオフのデューティ比を制御してブーストコンバータ３３の出力電圧（図４では、ａｂ間の電圧）、すなわち端電池３２の電圧Ｖを調整する処理を行う。デューティ比をαとすると、ブーストコンバータ３３の出力電圧は、Ｖ／（１−α）となる。
なお、ブーストコンバータ３３の出力電圧を調整する処理が可能であればブーストコンバータ３３の回路構成としていかなる構成もとり得る。
【００２４】
また、ブーストコンバータ３３の回路構成は一例であり、昇圧機能や降圧機能、昇降圧を有する回路構成であればよい。この場合、降圧機能は、通信装置４の入力電圧をナローレンジに対応させるのに好適である。
【００２５】
後述するように、この電池電圧補償システム３３では、制御部６０は、給電システム１０の異常時（停電時など）に上述したデューティ比を演算して端電池３２の電圧Ｖ、すなわちブーストコンバータ３３の出力電圧を調整するが、通常時はブーストコンバータ３３には電流が流れず、デューティ比は０で半導体スイッチ３３２のオンオフ制御は行われない。
【００２６】
なお、図４において、電磁接触器３３５が閉じた状態で半導体スイッチ３３２がオフのままになっている場合でも、充電装置２は基本的には単一方向にしか電流を供給できないため、充電装置２側に電流が流れることはないと考えられる。仮に、流れるとしても、ブースタコンバータ３３に接続されているダイオード３３３が充電装置２側への潮流を防ぐことになる。
【００２７】
次に、このブーストコンバータ３３の出力電圧を調整するために実行される処理について、図３〜図５を参照して説明する。図５は、電池電圧補償システム３の動作例を示すフローチャートである。
【００２８】
例えば給電システム１０の停電時に、通信装置４に電力を供給している蓄電池（この実施形態では、主電池３１）の放電が開始し主電池３１の電圧が低下した場合（Ｓ１を参照）、電圧検出器４０は、通信装置４０の端子電圧Ｖｃｄを測定する（Ｓ２）。
【００２９】
制御部３０は、端子電圧Ｖｃｄが規定値Ｖｔｈより小さい場合は（Ｓ３のＹＥＳ）、ブーストコンバータ３３で蓄電池（主電池３１と端電池３２）の電圧を昇圧させる（Ｓ４）。規定値Ｖｔｈは、通信装置４の電圧変動範囲等に基づいてあらかじめ設定されている。図５のフローチャートによると、制御部６０では、演算部３０は、端子電圧Ｖｃｄに対して、半導体スイッチ３３２のオンオフのデューティ比を演算する。そして、指示部２０は、そのデューティ比を制御するための制御信号を半導体スイッチ３３２のゲート端子に出力する。例えば、演算部３０が演算したデューティ比をαの場合、ブーストコンバータ３３の出力電圧は、Ｖ／（１−α）となる。なお、上述したαの値は、端子電圧Ｖｃｄおよび規定値Ｖｔｈの値から決定されるようになっている。
これにより、主電池３１の電圧に加え、さらにＶ／（１−α）の電圧も、通信装置４０に印加されることになる。つまり、端電池３２で端子電圧Ｖｃｄが昇圧する。
【００３０】
そしてＳ４で、主電池３１の放電が終了、または、交流系統の電源が復旧した場合は（ＹＥＳ）、蓄電池の放電が停止して処理を終了し、そうでない場合（ＮＯ）は上述のＳ１の処理に戻る。
【００３１】
Ｓ３において、端子電圧Ｖｃｄが規定値Ｖｔｈ以上の場合には（ＮＯ）、制御部３０は、ブーストコンバータ３３で蓄電池（主電池３１と端電池３２）の電圧を降圧させる（Ｓ５）。図５の例では、制御部６０では、演算部３０は、半導体スイッチ３３２のオンオフのデューティ比を０と設定するので、半導体スイッチ３３２のオンオフ制御は行われない。この場合、ブーストコンバータ３３では、端電池３２の電圧Ｖは、リアクタンス３３１およびダイオード３３３を介して、通信装置４に給電されることになる。その結果、Ｖｃｄ＜Ｖｔｈとならない場合には、制御部６０は、電磁接触器３３５の接触子を切り離しための信号を電磁接触器３３５に出力する。この場合、主電池３１と通信装置４とバイパスダイオード３３６とからなる回路内のバイパスダイオード３３６によって電圧が降下し、結果として、端子電圧Ｖｃｄが低下する。
【００３２】
次に、上述した主電池３１および端電池３２の各放電容量について、図６を参照して説明する。図６は、主電池３１の放電容量と電圧との関係を示す図である。
【００３３】
図６に示すように、主電池３１の電圧は、主電池３１の放電が進むにつれ、電圧が低下するので、放電容量は、例えばv１，v２およびv３で示すような放電カーブで表される。この放電カーブv１〜v３は、放電する電流が大きくなるほど、放電開始点である原点０側に近づく。
【００３４】
この実施形態では、主電池３１の放電カーブの一例として、v１で示す放電特性を有する場合に、必要な端電池３２の放電容量について検討する。この場合、主電池３１から取り出せるエネルギー容量Ｓb（Wh）は、放電開始点０（図６）から放電終了点ｃ（図６）までの積分値となり、下記式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
2015213384.tif 000003
【００３６】
式（１）において、v（Ah）は放電電流の値によって変化する。
【００３７】
電池電圧補償システム１０は、図６に示した放電開始点0から放電終了点cまでの間、通信装置４に一定の電圧を供給する必要がある。そのため、電池電圧補償システム１全体で、図６に示した点０-ａ-ｂ-ｃで囲まれた面積に相当するＳｏのエネルギー容量を有する必要がある。
【００３８】
つまり、主電池３１のエネルギー容量をＳｂとした場合、端電池３２のエネルギー容量Ｓｓは、下記式（２）で示すような容量を必要とする。
【００３９】
【数２】
2015213384.tif 000004
【００４０】
次に、主電池３１を構成する単電池の一例として、リチウムイオン電池（例えば、パナソニック社のＮＣＲ１８６５０）を使用し、給電システム１０の供給電源を４８ｖとする場合の端電池３２の放電容量について、図７〜図１０を参照して検討する。
【００４１】
図７は、図４と同様の電池電圧補償システム３の構成例であって、主電池３１の起電力が４８ｖの場合について示している。図７に示す例では、単電池１個分の起電力は４ｖであるため、主電池３１は、１２個の単電池が直列接続され、その１２個分の単電池を１グループとして１０グループ分並列して構成されている。
【００４２】
図８は、単電池の放電容量Ｓ１と電圧との関係を示している。この例では、単電池の起電力は４ｖから約２．７ｖに低下している。放電容量Ｓ１は、上記式（１）で示した積分値になる。
【００４３】
図９は、図７に示した主電池３１の放電容量Ｓｂと電圧との関係を示している。この例では、主電池３１の起電力は４８ｖから約３２ｖに低下している。放電容量Ｓｂは、上記式（１）で示した積分値になる。
【００４４】
図１０は、図７に示した主電池３１の放電特性とブーストコンバータ３３の出力電圧との関係を示している。これは、ブーストコンバータ３３で補償するべき電圧を主電池３１の放電に従って示してある。
【００４５】
一般に、蓄電池は放電電流が増加すると、放電容量は低下することになる。この観点も踏まえて、端電池３２の放電容量Ｓｓは、図１０に示した放電容量Ｓｓ（上記式（２））を満たすように端電池３２を選択することになる。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態の電池電圧補償システム３によると、制御部６０は、通信装置４の端子電圧の検出の結果に基づいて、この端子電圧が規定値以下になるように、端電池３２の電圧の昇圧または降圧をブーストコンバータ３３に指示する。これにより、電池電圧補償システム３の高効率化および小型化を実現することができる
【００４７】
一般に、半導体スイッチの導通時におけるオン抵抗値は、金属とソース/ドレイン間のコンタクト抵抗値、ソース/ドレインのシート抵抗、チャネル領域の抵抗値、およびドリフト領域の抵抗値から構成され、耐圧が大きいほどオン抵抗値が増加する。このため、導通時の損失は大きくなる。しかしながら、本実施形態の電池電圧補償システム３では、蓄電池が主電池３１と端電池３２とに分けられ、半導体スイッチ３３２には、その端電池３２の電圧Ｖが印加されるようになっている。このため、半導体スイッチ３３２の導通時におけるオン抵抗値が小さくなるので、導通時の損失も小さくなり、結果として、効率が向上する。
【００４８】
また、これにより、半導体スイッチ３３２の損失が低減し、結果として、その損失によって発生する熱量を冷却するためのヒートシンクも小型になる。
例えば、３８０Ｖ程度で給電するＨＶＤＣ給電システムに本実施形態の電池電圧補償システム３を適用したとしても、従来のように電池セル全体の電圧が印加するようにブースタコンバータを構成する必要がないため、ブースタコンバータ３３自体も小型化にすることができる。
【００４９】
一般に、ブーストコンバータ３３内のコンデンサ３３４は、コンデンサ３３４のエネルギーが１／２（ＣＶ２）（ただし、Ｃはコンデンサの静電容量、Ｖはコンデンサキャパシタの端子電圧）となるため、耐圧が大きいほど大きくなる。しかしながら、本実施形態の電池電圧補償システム３では、上述のように、コンデンサ３３４の耐圧がブーストコンバータ３３の出力電圧Ｖに基づくため、コンデンサ３３４を小さくすることができる。
【００５０】
なお、本実施形態は上述した例に限られず、変更することができる。例えば、主電池３１や端電池３２の充電方法として、例えば、主電池３１をフロート充電、端電池３２をトリクル充電とするようにしてもよいし、ブースタコンバータ３３を双方向のコンバータに構成し主電池３１と端電池３２とを一括して充電するようにすることなども考えられる。
【符号の説明】
【００５１】
１  ＲＦ（整流装置）
２  充電装置
３  電池補償システム
４  通信装置（負荷）
３１  主電池
３２  端電池
３３  ブーストコンバータ
３３２  半導体スイッチ
【図１】
2015213384.tif 000005
【図２】
2015213384.tif 000006
【図３】
2015213384.tif 000007
【図４】
2015213384.tif 000008
【図５】
2015213384.tif 000009
【図６】
2015213384.tif 000010
【図７】
2015213384.tif 000011
【図８】
2015213384.tif 000012
【図９】
2015213384.tif 000013
【図１０】
2015213384.tif 000014