(57)【要約】【課題】停電時のバックアップ蓄電池を具備した，モータ駆動の負荷を運転する電源装置において，停電時における電池容量が信頼度高く維持でき，停電時間が長引いた時も対応できる電力変換効率の高い電源装置を提供する。【解決手段】蓄電池と並列に，逆流阻止手段を具備した燃料電池を接続した電力貯蔵手段を，燃料電池から蓄電池側への方向にのみ通電可能に直流母線に接続した。スイッチング素子の低電力損失化で電力変換効率の高い装置を実現する為に，蓄電池側から直流母線方向への放電は昇圧し，その逆の充電する方向に降圧するコンバータ機能を有する双方向コンバータを直流母線と蓄電池の間に介在させた。絶えず蓄電池を監視し，蓄電池容量を検知してリフレッシュ充電を指令するバッテリーマネジメントユニット及び，該ユニットから出す信号を受けて自動充電制御する制御回路を具備した双方向コンバータとした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流に接続した整流器とモータ用インバータとが接続された直流母線に，電圧検出手段が接続されたバッテリーと燃料電池の並列接続体である電力貯蔵手段が接続され，該電力貯蔵手段から停電時に無瞬断でモータ用インバータに電力を供給し続ける電源装置において，バッテリーマネジメントユニットと制御回路とを具備した双方向コンバータを該直流母線とバッテリーの間に介在させ，商用交流が停電時に該バッテリーから双方向コンバータを介して直流母線に通電し，停電が長時間に及ぶ時は該制御回路が該バッテリーの電圧を検出して発電起動指令し，発電する該燃料電池から該バッテリーに充電しながら双方向コンバータを介して直流母線に通電して，停電回復と同時に該制御回路が停電回復を検出して停止指令し，該燃料電池の発電を停止させ，前記整流器から該双方向コンバータとバッテリーマネジメントユニットと制御回路とによってバッテリーを充電開始し最適充電量だけ自動充電制御した後，バッテリーを最良の充電完了状態に保持するとともに，バッテリー性能の良否を判定する制御回路を一体化したことを特徴としたモータ制御用電源装置。
【請求項２】
バッテリーと燃料電池の並列接続体である電力貯蔵手段が，燃料電池側への逆電流阻止手段が直列接続された燃料電池に対しバッテリーが並列接続された電力貯蔵手段である請求項１記載のモータ制御用電源装置。
【請求項３】
バッテリーが鉛蓄電池以外の電解液の点険・補充を必要としない密封された蓄電池，または電気二重層蓄電器である請求項１及び２記載のモータ制御用電源装置。
【請求項４】
バッテリーマネジメントユニットは，単セル毎に，または複数個の単セルを集合したユニットセル毎に検知手段を接続して測定される電気的特性等のデータを監視して，測定データが所定の限界を超えている場合にリフレッシュ充電などの指令信号を前記制御回路に伝達するバッテリーマネジメントユニットである請求項１乃至３記載のモータ制御用電源装置。
【請求項５】
バッテリーマネジメントユニットは，単セル毎に，または，複数個の単セルを集合したユニットセル毎に測定されるデータが所定の限界を超えていて，蓄電池の寿命末期が近づいた状態などの異常状態を判断したときは報知，或は充電電流を微少電流に制御又は停止する指令信号を制御回路に与えるバッテリーマネジメントユニットである請求項１乃至４記載のモータ制御用電源装置。
【請求項６】
バッテリーマネジメントユニットは，単セル毎に，または，複数個の単セルを集合したユニットセル毎に，或いは代表セルにおいて測定されるセル温度データが所定の限界を超えていて，蓄電池が異常状態であると判断したときは警報，又は充電電流を微少電流に制御又は停止する指令信号を制御回路に与えるバッテリーマネジメントユニットである請求項１乃至５記載のモータ制御用電源装置。
【請求項７】
双方向コンバータは，バッテリーから直流母線側へ放電中には昇圧コンバータとしての通電回路が形成され，直流母線側からのバッテリー充電中には降圧コンバータとしての通電回路が形成されて，バッテリーから直流母線側への方向では昇圧に，直流母線側からバッテリーへの方向では降圧に，それぞれ電気特性が切り替わる特性を有する双方向コンバータである請求項１乃至６記載のモータ制御用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
商用交流受電時に交流を直流に変換してモータの前段のインバータに供給しつつバッテリーを充電し，商用交流電源が停電時には無瞬断でバッテリーから該インバータに直流電力を供給し長時間停電に対しては，燃料電池からも補助的に直流電力を供給する装置で，停電回復するとバッテリーを監視しながら自動充電を行い完全充電状態を保持しつつ電力をモータに供給する電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蓄電池又は電力貯蔵装置の電圧を利用する電気駆動システムにおいて，蓄電池の信頼性を高めるとともに，性能が向上してコストが下げられる装置を提供する事を目的とした技術の開示として次に述べる特許文献１があり，長時間の停電に対処して無停電で電力を供給する装置の技術として特許文献２がある。
【特許文献１】
「特開平６ー２７６６０９号公報」電気駆動システムの，従来の技術として，段落（０００３）に「インバータの中で費用のかかる部品である電力用半導体については，直流電圧を高くする事で，コストが下げられ性能が改善されるが，蓄電池の直列接続個数が増えてくる。例えば２Ｖの単電池（セル）毎の容量不釣合（ミスマッチ）による蓄電池の信頼性及び寿命を低下させてしまう。」段落（００１０）に「蓄電池の容量に著しい劣化が生じる欠点がある。」との記述がある。この改良案として，実施例の記述の段落（００２０）には，「３つの蓄電池と３つの対応する直流・直流コンバータとの接続体を並列接続し，故障に対する寛容度を有する。」ようにしたり「短絡または開路が検出されたときその回路を不動作（ディセーブル）され，２／３の容量（３並列のうちの２並列）で運転される。」との説明がある。
【０００３】
図４は「特開平６ー２７６６０９号公報」電気駆動システムの発明による実施例の回路図（図４）として示されたものを，理解を容易にするためブロック図として表現したものもある。直流・直流コンバータ６３，６４，６５と蓄電池６０，６１，６２の接続体を３並列接続して直流電源とし，その出力端にコンデンサＣｄｃを接続し，該コンデンサの両端の電圧Ｖｄｃが直流リンク電圧である。この直流をインバータ１０で交流に変換しモータＭ１に接続されている。
【０００４】
長時間の自家発電機能を維持する事を目的とした技術の開示として次に述べる特許文献がある。
【特許文献２】
「特開平１０−１４４３２７号公報」ハイブリッド式電源設備の，従来の技術として，段落（００１５）に「固体高分子型の燃料電池モジュールと，リチウムイオン電池或は酸化銀亜鉛電池のごとき蓄電池を，充放電管理装置を介してモータや他の作動システムに給電される」との記述がある。段落（００２１）に「燃料電池の発電が急に停止するような非常事態に際しても，二次電池が給電する」との記述があり，段落（００２２）に「燃料電池の出力が所定値以下になると，燃料電池の発電を停止させて二次電池のみを作動システムの電源として接続させる」との記述がある。この特許文献２では，燃料電池の弱点を補完するための二次電池の働きを重視しており，燃料電池のバックアップとして二次電池がその役目を担っている。しかし，二次電池に充電された容量が完全充電状態に維持するための手段が，「燃料電池からフロート充電をうける」との記載（段落０００４）と，「外部電源からも充電可能に設けられる」との記述（段落０００７）があるが，二次電池のフロート充電使用状態における容量低下や寿命に近づいたかどうかが不明のままであるから，電池容量が所定容量以下の為すぐに放電し尽くしてしまう危険性があり，信頼性の確保手段を持つ電源装置を提供することが本発明の目的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１による直流電源の信頼性向上の技術は，電気接続回路の冗長設計の基本である並列接続が具体的に示されている。稀硫酸を電解液とした鉛蓄電池の性能は，単電池電圧２Ｖの鉛蓄電池の組み合わせによって改良したシステムとする限りにおいては，『劣化が進行中の蓄電池の並列接続は危険であり，益々劣化を速めることになる』という鉛蓄電池特有の欠点は内在したままであって，この欠点を排除しなければならない。前記の欠点を排除して停電時には無瞬断で電力貯蔵手段から負荷に供給し，停電から復旧すると電力貯蔵手段を監視しながら自動充電を行い完全充電状態を保持しつつ電力を負荷に供給するモータ用制御電源装置を提供し，且つバッテリーや電気二重層コンデンサの電気容量では放電し尽くしてしまうような長時間の停電に対処しようとすることが本発明の課題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
バッテリーを最良の状態で待機させる技術を駆使して電源装置を実現する手段として，電解液である稀硫酸の中に浸された鉛化合物電極がサルフェーション（結晶化した硫酸鉛になって充電しても元に戻らない電極になる事）して，充電しても容量が永久に回復しない性質を原理的に持っている鉛蓄電池ではなくて，鉛蓄電池以外のバッテリーを電力貯蔵手段として接続したシステムにすることに着眼した。
【０００７】
請求項１に関しては，商用交流電源に接続した整流器及とバッテリーの間に，バッテリーマネジメントユニットと制御回路を具備した双方向コンバータが接続され，該双方向コンバータを駆動する制御回路はバッテリーマネジメントユニットからの信号も受けて充電の制御をするように整流器とバッテリーとの間に介在させる。商用交流が停電時にバッテリーから負荷に直流電力を供給し，停電が復旧すると同時に該双方向コンバータからバッテリーを最適の充電量だけ自動充電して後，バッテリーのコンディションを最良の充電完了状態に保持することを特徴とした電源装置とした。
【０００８】
請求項２に関しては，バッテリーと燃料電池の並列接続体である電力貯蔵手段が，燃料電池側への逆電流阻止手段が直列接続された燃料電池に対しバッテリーが並列接続された電力貯蔵手段である請求項１記載の電源装置とした。
【０００９】
請求項３に関しては，バッテリーがサルフェーションという充電可能な容量が減退する現象を生じない，鉛蓄電池以外の蓄電池であり電解液の点険・補充を必要としない密封された，例えばニッケル水素蓄電池，または電気二重層蓄電器である請求項１乃至２記載の電源装置とした。
【００１０】
請求項４に関しては，バッテリーマネジメントユニットは，単セル毎に，または複数個の単セルを集合したユニットセル毎に検知リード線が接続され，測定される放電容量などの電気的特性を監視して所定の限界を超えている場合にリフレッシュ充電などの指令信号を前記制御回路に与えるバッテリーマネジメントユニットである請求項１乃至３記載の電源装置とした。
【００１１】
請求項５に関しては，バッテリーの寿命が末期に近づいて充電してもバッテリー容量の回復が定格容量に比べて大幅に低下したことを，日常的に点検できるように，バッテリーマネジメントユニットは，単セル毎に，または，複数個の単セルを集合したユニットセル毎に端子電圧測定や内部インピーダンス測定などの検知リード線を接続し，測定される電気的特性を監視して所定の限界を超えている場合に，バッテリー寿命末期を示すと判断されるときは警告を発信するか又は充電電流を微少電流に制御又は停止する指令信号を制御回路に与えるバッテリーマネジメントユットである請求項１乃至４記載の無停電電源装置とした。
【００１２】
請求項６に関しては，バッテリーマネジメントユニットは，単セル毎に，または，複数個の単セルを集合したユニットセル毎に，或いは代表的なセルにおいて温度センサが接続され，測定されるセル温度データが所定の限界を超えていて，蓄電池の異常状態と判断されるときは警報発信，又は充電電流を停止したり微少電流に制御する指令信号を制御回路に与えるバッテリーマネジメントユニットである請求項１乃至５記載の無停電電源装置とした。
【００１３】
請求項７に関しては，双方向コンバータは，バッテリー放電時には昇圧コンバータとしての通電回路を形成し，バッテリー充電時には降圧コンバータとしての通電回路を形成して，電流方向がバッテリー側から負荷側方向には昇圧し，整流器側からバッテリー側方向には降圧する電気特性で，双方向に夫々電気特性を無接点で切り替えて作動する双方向コンバータである請求項１乃至６記載の無停電電源装置とした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明による実施の形態を説明する。図１は本発明による一実施形態を説明する回路図。図１において，商用交流電源端子１に整流器２が接続されて交流を直流に整流し，直流母線３を経て電力インバータ１０で直流を交流に変換して負荷であるモータＭ２に交流を供給している。このように商用交流電源が受電中は負荷に交流を供給している。例えば負荷はモータで駆動されるものでモータをインバータで速度制御するものが多い。モータ運転中に商用交流が停電したとき，短時間の停電を補償する容量のバッテリー４が放電してモータに電力を瞬間の切れ目もなく供給するので運転を継続することが出来るように接続されている。バッテリー４を取り替える時など以外は開閉器９は閉じている。燃料電池Ｆが逆方向阻止手段１２を介してバッテリー４に並列に接続されている。図２に示すように，逆方向阻止手段１２は矢印Ｃの方向のみ通電し，その逆方向すなわちバッテリー４から燃料電池Ｆへ流れる方向に通電しないようにして，燃料電池Ｆからバッテリー４へ充電しながら直流母線３へ通電できるようにバッテリー４より燃料電池Ｆの電圧が高いときのみ通電する半導体スイッチ素子のような逆方向阻止手段である。制御回路１０２が停電を検出して燃料電池起動指令信号を出して燃料電池の出力電圧が定常値に達した後，逆方向阻止手段１２が正方向に導通し，バッテリー側に直流を給電する。ところがバッテリーが劣化して燃料電池の出力電圧が所定値に達するまでの所定時間の運転が出来ないことがあった。このようなトラブルを未然に防ぐようにして信頼性の高い軽量小型の無停電電源装置を経済的に供給する為に，バッテリー４を常に最良の充電完了状態に保持する手段として，以下に述べる双方向コンバータ５が構成され該双方向コンバータを介してバッテリー４が直流母線３に接続されている。
【００１５】
双方向コンバータ５は次のように構成されている。整流器の出力端子Ｐ（正）及び，出力端子Ｎ（負）の間に平滑コンデンサ６が接続されていて整流器の出力電圧を平滑している。ＰＮ間の電圧はバッテリー４の端子電圧より高い電圧に選ばれる。例えばバッテリー４の端子電圧が充電時に７９Ｖから１６５Ｖまで変化するようにニッケル水素蓄電池７２セルで構成されている。これに対しＰＮ間の電圧は１３０Ｖから１８０Ｖの間に制御できるようにしている，この電圧をリンク電圧と呼ぶ。このリンク電圧をスイッチング素子５１のＰＷＭ制御によって，バッテリー４の充電中は平滑コンデンサ７の端子電圧が７９Ｖから１１５Ｖに降圧されて，例えばバッテリー４に対し電流値２Ａで定電流充電が制御回路１０２の信号によって行われ，充電終末の検出をして微少電流に制御する。
【００１６】
スイッチング素子５１と５２で直流を降圧する作用を説明する。スイッチング素子５２はオフ，５１はスイッチングの導通期間と不導通期間の比率を変化させる（ＰＷＭ制御する）ことによって幅の広いパルスや狭いパルスを生成させることが出来，この出力波形を平滑リアクトル８と平滑コンデンサ７で平滑化して直流の平均値を下げる作用をし，バッテリー開閉器９が閉じた状態でバッテリー４を充電する。
【００１７】
スイッチング素子５１と５２で直流を昇圧する作用を説明する。バッテリー４から直流母線３に放電する場合に，スイッチング素子５１はオフ，５２はスイッチングの導通期間と不導通期間の比率を変化させる（ＰＷＭ制御する）ことによって放電電流平均値の大きさを変化させる。スイッチング素子５２がオン，平滑リアクトル８に放電電流が流れたとき，平滑リアクトル８にエネルギーが蓄積される。次にスイッチング素子５２がオフの期間，平滑リアクトル８に蓄積されたエネルギーが放出される。この時の電流はスイッチング素子５１に逆並列接続されたダイオード５３を通電して平滑コンデンサ６を充電する。平滑コンデンサ６の端子間にはバッテリー４の放電電圧の略２倍まで高められている。この理由は，平滑コンデンサ７の端子間電圧と略同じ電圧が平滑リアクトル８に蓄積され，両者に蓄積された電圧が加算された電圧で平滑コンデンサ６の端子間を充電するからであり，負荷電流の大きさによって直流電圧が低下するから大電流，例えば５０Ａを負荷に流した時は，バッテリー電圧（単セル１．１Ｖを７２セル直列で）７９Ｖの２倍よりもやや低下した電圧１３０Ｖとなって出力端子Ｐ（正）及び出力端子Ｎ（負）の間に出力される。
【００１８】
双方向コンバータ５は，このようにバッテリー４から直流母線３に対して電流が流れる方向と，逆の方向とでは昇圧作用と，降圧作用とに無接点で切り替わる特性を持っている。バッテリー４を静電容量の極めて大きい電気二重層コンデンサと置き換えることも有効である。
【００１９】
双方向コンバータ５には，バッテリーマネジメントユニット１０１と制御回路１０２を具備しており，図３のフローチャートに示す作用がある。図１を参照しながら図３の作用を説明すると，図３の停電回復（ステップ１５０）でバッテリー４に定電流充電を開始する（ステップ１５１  ），バッテリー４が例えば，定格容量１０Ａｈの密閉型ニッケル水素蓄電池であり，前記のように７２セル直列で使用する場合について述べる。充電電流２Ａで定電流充電を開始した電池電圧の時間的変化は７９．２Ｖ（単セル１．１Ｖ）から緩やかに上昇し続けて充電終末に１１５．２Ｖ（単セル１．６Ｖ）程度まで上昇する。この充電終末電圧（単セル１．６Ｖ）はバッテリー温度が高い程，低い値に留まる特性（−４ｍＶ／℃セル）があり，単セル１．６Ｖ以下の或る電圧で最大値となり，この最大電圧を経て徐々に低下する。そこで最大電圧値と低下した電圧値との差−ΔＶを検出して（ステップ１５２）充電が終末に近くなったと判定する。−ΔＶの値は，単セル当たり略−１０ｍＶ乃至−２０ｍＶである。更に厳密に述べるならば，電圧−ΔＶを検出する時刻に注意が必要である。放電した直後の蓄電池が定電流充電開始に切換えられたとき単セル当たり１．４Ｖ付近の充電電圧から数分間の間に電圧が低下して来る事がある。これは放電直後の電池内部の抵抗が高く，通電中に徐々に低くなってくるからである。このような現象を考慮に入れて充電開始してから１０分間を経た後の−ΔＶを検出するようにした。
【００２０】
充電が終末近くなったと判定したとき，トリクル充電（ステップ１５３）に切り替わり自己放電を補うだけの微少電流で充電を続ける，バッテリーの自己放電で失われる容量を補う意味で補償充電とも呼ばれる。例えば，定格容量１０Ａｈの密閉型ニッケル水素蓄電池で０．２乃至０．５Ａの電流でトリクル充電が行われる例が多い。
【００２１】
バッテリーの−ΔＶを検出できない（ステップ１５２でＮ判定）充電終末に達していない期間で，バッテリー温度が正常（ステップ２０２でＹ判定）の時は定電流充電が続行される。バッテリー温度の検出にはサーミスタを単セル毎，或は複数の単セルを集合したユニットセル毎にサーミスタを固着させて，リード線をバッテリーマネジメントユニット１０１に接続している。例えば４セルを組電池として，その中央部に温度検出器を接触させ，７２個のセルを１８ユニットの組電池に構成して１８組のリード線をバッテリーマネジメントユニット１０１に接続し，各組電池の温度を順次切換えて測定する事で組電池間の温度データを比較し，突出した組電池を「異常電池あり」と判定させる。
【００２２】
バッテリーの−ΔＶを検出できない（ステップ１５２でＮ判定）で，バッテリー温度が正常でない（ステップ２０２でＮ判定）の時は間欠充電や小電流に充電電流制御されるか，充電停止（ステップ２０３）されて警報（ステップ２０４）が出される。これは正常な場合の定電流充電で益々内部劣化を進行させないためである。簡略化された装置では，例えば単セルの温度が４８℃を超過したら正常でないと（Ｎ判定）される。
【００２３】
バッテリー温度の検出に置き換えて，バッテリーマネジメントユニット１０１から単セル毎，または複数の単セルを纏めたユニットセル毎に電気信号で電池の内部インピ−ダンスを計測するよう配線が接続されていて，例えば或るユニットセルが他に比べて突出していたら正常でないと判定されて警報表示される。
【００２４】
バッテリーの容量検査指令（ステップ１５４）は，バッテリーマネジメントユニット１０１から例えば６ヶ月毎に指令信号がだされ，放電電流を検出（ステップ１５５）する電流検出器１１が接続されていて，例えば１．０Ｖ／セルの１４４倍に相当する１４４Ｖの電圧（放電終止電圧）に到達する時間を計り，電流値×時間を制御回路１０２で演算してバッテリー容量積算する（ステップ１５６），ここで得られたバッテリー容量積算値とバッテリーマネジメントユニット１０１に記憶させてあるバッテリー定格容量とを比較して（ステップ１５７）定格容量の５０％あるか判定して５０％以上あれば（Ｙ判定）定電流充電開始（ステップ１５１）する。定格容量の５０％あるか判定して５０％以下ならば（Ｎ判定）で報知し（ステップ１５８）リフレッシュ充電（ステップ１５９）を指令する。このように６ヶ月毎に指令信号が出されバッテリーの放電容量が確認されて所定の容量に達していない時はリフレッシュ充電と放電容量確認が繰返されてバッテリー容量が回復する。例えば報知（ステップ１５８）で放電容量積算が繰返された回数，放電容量の値を表示されるのでバッテリーの容量回復履歴がわかり，バッテリー交換の必要な時期が近いかどうかを知ることができ停電時のバックアップ信頼性が高い装置が得られた。バッテリーに並列に接続された燃料電池の起動に要する時間だけ確実にバッテリー容量が確保できればよいから，バッテリの容量及び寸法が小型になり，リフレッシュ充電の際の予備放電電流が小さくて良いから放電回路部品が小型化できる。
【００２５】
バッテリーに並列に接続するか，又はバッテリーに置き換えて電気二重層コンデンサを用いる事も有効である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば，従来の欠点であったバッテリーの放電可能な容量が不足しているために不意の停電でバックアップすべきバッテリーが機能達成できず，モータが停止してしまうと言う不具合が排除できた。燃料電池が逆電流阻止手段を介して接続されたので，バッテリーの定格容量を小さくして長時間の停電に対処できた。バッテリーの容量回復履歴がわかるのでバッテリー交換の必要な時期が事前に知ることができ，停電時のバックアップ信頼性が向上した。バッテリーマネジメントユニットでバッテリが最良状態に保持管理されるのでバッテリーの直列個数を多くすることができた。直流電圧を高くする事が出来た結果，電流が減らせる為スイッチング回路の電力ロスが少なくなった。電圧が高くなったのでインバータは小電流のスイッチング素子でよく，素子と放熱フィン寸法が小さくてよいから装置全体が小型軽量になり，省資源，省エネルギーにも寄与し工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施形態を説明する回路図。
【図２】本発明による一実施形態を説明する要部回路図
【図３】本発明による一実施形態を説明するフローチャート。
【図４】従来の装置の構成図。
【符号の説明】
１  商用交流電源端子
２  整流器
３  直流母線
４  バッテリー
５  双方向コンバータ
６  平滑コンデンサ
７  平滑コンデンサ
８  平滑リアクトル
９  バッテリー開閉器
１０  インバータ
１１  電流検出器
１２  逆電流阻止手段
Ｆ    燃料電池
Ｍ１    モータ
Ｍ２    モータ
５１  スイッチング素子（降圧用）
５２  スイッチング素子（昇圧用）
５３，５４  ダイオード
６０，６１，６２  蓄電池
６３，６４，６５  直流・直流コンバータ
１０１  バッテリーマネジメントユニット
１０２  制御回路
Ｃｄｃ  コンデンサ
Ｐ    出力端子（プラス端子）
Ｎ    出力端子（マイナス端子）
Ｖｄｃ  直流リンク電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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