(57)【要約】【課題】  複数種類の直流電圧を出力することができる複電圧電源装置を提供する。【解決手段】  両端のバッテリーセルとともに途中のバッテリーセルにもタップを接続して複数種類の直流電圧を取り出し得るバッテリー装置１１と、可変電圧電源である充電装置１４と、充電装置１４の直流出力電圧を前記バッテリー装置１１のタップ間に選択的に印加するスイッチング手段１５と、所定のタップに前記充電装置の出力電圧が印加されるようスイッチング手段１５によるタップの切換え選択動作を制御する制御装置１６とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバッテリーセルを直列に接続する一方、両端のバッテリーセルとともに途中のバッテリーセルにもタップを接続して複数種類の直流電圧を取り出し得るように構成したバッテリー装置と、
直流出力電圧を調整可能に構成した可変電圧電源である充電装置と、
充電装置の直流出力電圧を前記バッテリー装置のタップ間に選択的に印加するスイッチング手段と、
所定のタップに前記充電装置の出力電圧が印加されるようスイッチング手段によるタップの切換え選択動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする複電圧電源装置。
【請求項２】
請求項１の複電圧電源装置において、
前記タップは各バッテリーセルにそれぞれ接続し、前記制御手段は前記スイッチング手段を制御して各バッテリーセルのセル充電を行うと同時に、いずれか一つのバッテリーセルを選択的に逐次放電抵抗に接続して放電試験を行うように構成したことを特徴とする複電圧電源装置。
【請求項３】
請求項１の複電圧電源装置において、
前記充電装置は、サイリスタ制御回路を有しており、各相のサイリスタ位相角を制御することで任意の充電電圧を出力するようにしたことを特徴とする複電圧電源装置。
【請求項４】
請求項１の複電圧電源装置において、
前記充電装置の他に車両用バッテリーの充電装置を非常用の充電装置として利用し得るようにしたことを特徴とする複電圧電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複電圧電源装置に関し、特に複数のバッテリーセルを直列に接続してなるバッテリー装置から複数の直流電圧を出力させる場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は従来技術に係る電源装置を示すブロック線図である。同図に示すように、当該電源装置は、交流電源１が供給する交流電圧を整流器２で整流して負荷４に供給するものであるが、停電時等の非常時にも電力の供給を継続するため、整流器２と負荷４との間に非常用電源としてのバッテリー装置３を並列に接続してある。このバッテリー装置３は、複数のバッテリーセルを直列に接続してなり、通常時に整流器２が供給する直流電圧で浮動充電される。
【０００３】
ところが、従来技術にかかるこの種の電源装置においては、バッテリー装置３の出力電圧としては一種類の電圧しか取り出すことができなかった。このため、例えば定格電圧が１００Ｖの電力負荷用の電源装置と、４８Ｖの通信負荷用の電源装置は、別々に用意する必要があった。つまり、一台の電源装置を定格電圧が異なる複数の負荷に兼用することはできなかった。
【０００４】
このことが、電源装置のコストの低減乃至合理化を進める際の障害となっていた。もっとも、直列接続した複数のバッテリーセルの途中からタップを出せば、複数種類の電圧を取り出すことができなくはないが、このような構成を採用した場合には、各バッテリーセルの充電電圧分布が不平衡となり、バッテリー容量の低下やバッテリーセルの寿命を短くしてしまう。したがって、かかる構成は実用的には採用することができない。
【０００５】
なお、複電圧電源装置を開示する従来技術として次の特許公報を挙げることができる。  
【０００６】
【特許文献１】特開平０２−１９７２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、バッテリーセルに悪影響を与えることなく、複数種類の直流電圧を出力することができる複電圧電源装置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】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の第１の態様は、
複数のバッテリーセルを直列に接続する一方、両端のバッテリーセルとともに途中のバッテリーセルにもタップを接続して複数種類の直流電圧を取り出し得るように構成したバッテリー装置と、
直流出力電圧を調整可能に構成した可変電圧電源である充電装置と、
充電装置の直流出力電圧を前記バッテリー装置のタップ間に選択的に印加するスイッチング手段と、
所定のタップに前記充電装置の出力電圧が印加されるようスイッチング手段によるタップの切換え選択動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
本態様によれば、バッテリーセルに接続するタップをスイッチング手段で適宜選択することにより、充電放電を行いつつ一台の電源装置で任意の複数の直流電圧を取り出すことができる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、
第１の態様に係る複電圧電源装置において、
前記タップは各バッテリーセルにそれぞれ接続し、前記制御手段は前記スイッチング手段を制御して各バッテリーセルのセル充電を行うと同時に、いずれか一つのバッテリーセルを選択的に逐次放電抵抗に接続して放電試験を行うように構成したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の態様は、
第１の態様に係る複電圧電源装置において、
前記充電装置は、サイリスタ制御回路を有しており、各相のサイリスタ位相角を制御することで任意の充電電圧を出力するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第４の態様は、
第１の態様に係る複電圧電源装置において、
前記充電装置の他に車両用バッテリーの充電装置を非常用の充電装置として利用し得るようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、充電放電を行いつつ一台の電源装置で任意の複数の直流電圧を取り出すことができる。この結果、定格電圧が異なる、例えば電力負荷と通信負荷の電源装置として複数の負荷に兼用することができる。また、各バッテリーセルを１個ずつ選択してのセル充電も可能になるばかりでなく、セル充電を行いつつ任意のバッテリーセルの放電試験を行うこともできる。さらに、電圧が異なる電源（例えば車両用のバッテリー）を非常用として電圧変換ロスなしで活用できるため、災害時の対応の能力等を飛躍的に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本実施の形態の説明は例示であり、本発明の構成は以下の説明に限定されない。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る複電圧電源装置の全体を示すブロック図である。同図に示すように、バッテリー装置１１は複数個（本形態では４８セル）のバッテリーセル１１−１、・・・、１１−４８（本形態の場合、単位セルの出力電圧を２．１５Ｖとして考える。）を直列に接続してなり、両端のバッテリーセル１１−１、１１−４８に接続するタップ１２−０、１２−８とともに途中の６セル毎のバッテリーセル１１−６、・・・、１１−４２にもタップ１２−１、・・・、１２−７を接続して複数種類の直流電圧を取り出し得るように構成してある。本形態の場合、タップ１２−０、１２−８を介して４８セル分の電圧（１０３．２Ｖ）を出力すると同時に、タップ１２−０及びタップ１２−４を介して２４セル分の電圧（５１．６Ｖ）をそれぞれ出力する。ここで、例えば４８セル分の電圧（１０３．２Ｖ）は電力負荷に供給し、２４セル分の電圧（５１．６Ｖ）は通信負荷に供給する。
【００１６】
充電装置１４は直流出力電圧を調整可能に構成した可変電圧電源であり、本形態の場合１２．０Ｖから１１０Ｖの間の任意の電圧に調整し得る。スイッチング手段１５は充電マトリックス回路１５ａと放電マトリックス回路１５ｂとを有している。充電マトリックス回路１５ａは、バッテリー装置１１のタップ１２−０乃至１２−８の対を選択するとともに、選択したタップ１２−０乃至１２−４、又はタップ１２−４乃至１２−８の対間に所定の直流電圧（５１．６Ｖ）を交互に印加する。
【００１７】
ＣＰＵである制御装置１６は所定のタップ１２−０、１２−４又はタップ１２−４、１２−８に充電装置１４の出力電圧が印加されるようタップの選択切換え動作を制御するとともに、充電装置１４の出力電圧により所定の充電供給量になるように制御する。ここで所定電圧は、バッテリー装置１１の充電量（電圧に比例する。）と放電量（負荷に比例する。）が同量となるように管理され、バッテリー容量が１００％となるように電圧が制御される。
【００１８】
リアクトル１９は充電装置１４の出力側に接続され、充電切替時の過渡電流や直流電圧の脈動の低減を図っている。切替フィルター２０はスイッチング手段１５によるタップ１２−０乃至１２−８の選択・切替により発生する切替ノイズを除去するためのものである。ちなみに、前記スイッチング手段１５によるスイッチング周波数は１２０Ｈｚである。
【００１９】
このときのセル切替信号、端子電圧等の一例を図２に示す。同図に示すように、当該バッテリー装置１１では１２０Ｈｚの電源ノイズが発生する。一般的に、フィルターの製作は高い周波数の方が作成しやすいため、高品質の電源が必要な場合はスイッチング周波数を上げると良い。
【００２０】
なお、ドロッパー２１は、充電電圧を高くする必要がある場合（負荷電流が増える）に対処するために負荷のコモン側に設けたもので、負荷電圧の上昇を抑制するためのものである。また、電流センサ２２，２３に付した符号ａ，ｂは各電流信号が制御装置１６の符号ａ，ｂ部分に供給されることを示している。
【００２１】
非常用電源入力２４は、充電装置１４が停電乃至故障により機能停止に至った場合でもバッテリー装置１１の充電放電を継続するためのものである。例えば車両用バッテリー装置（１２Ｖ）等、バッテリー装置１１の最大出力電圧よりはるかに低圧の電源であっても利用し得る。低電圧の車両用バッテリー装置の出力電圧を、複数に分割したバッテリーセル１１−１乃至１１−４８の６セル（１２Ｖ）ブロック毎に順次切換えて印加すれば良いからである。リアクトル２５は非常用電源入力２４の出力側に接続され、前記リアクトル１９と同様に、充電切替時の過渡電流や直流電圧の脈動の低減を図るためのものである。
【００２２】
図３は上記スイッチング手段１５の充電マトリックス回路１５ａの具体的な構成例を示す回路図である。同図では説明を簡単にするため、６個のバッテリーセルを１単位として８個のバッテリーセル１１−１−６、・・・、１１−８−６を構成した場合を示している。当該充電マトリックス回路１５ａは、プラス側及びマイナス側にそれぞれ８個の切換えスイッチ１５ａ１乃至１５ｈ１と切換えスイッチ１５ａ２乃至１５ｈ２を有している。また、プラス側端子ａとマイナス側端子ａが接続され、以下同様に、プラス側端子ｂ乃至ｈとマイナス側端子ｂ乃至ｈとがそれぞれ接続されている。この結果、切換えスイッチ１５ａ１と切換えスイッチ１５ａ２とを選択的にＯＮ状態としたときにはバッテリーセル１１−１−６が選択される。以下同様に、バッテリーセル１１−２−６乃至１１−８−６を１単位（６セル）ずつ選択する場合には、切換えスイッチ１５ｂ１乃至１５ｈ１と切換えスイッチ１５ｂ２乃至１５ｈ２とを選択的にＯＮ状態とする。また、最大電圧を入力する場合には、切換えスイッチ１５ａ１と切換えスイッチ１５ｈ２とを選択的にＯＮ状態とし、１／２の電圧を入力する場合には、切換えスイッチ１５ａ１と切換えスイッチ１５ｄ２又は切換えスイッチ１５ｄ１と切換えスイッチ１５ｈ２とを選択的にＯＮ状態とする。
【００２３】
かくして、切換えスイッチ１５ａ１乃至１５ｈ１と切換えスイッチ１５ａ２乃至１５ｈ２との組み合わせにより充電装置１４に接続して充電するバッテリーセル１１−１−６、・・・、１１−８−６を選択することができる。
【００２４】
上記切換えスイッチ１５ａ１乃至１５ｈ１及び切換えスイッチ１５ａ２乃至１５ｈ２の切替は前記制御装置１６により各リレーのコイルａ１乃至ｈ２を励磁乃至その解除により行う。
【００２５】
図４はこのときの充電マトリックスパターンを示す表である。同図中、丸印１〜丸印２が順次ＯＮ状態となるパターンは２４セル充電パターンで５１．６Ｖを印加する。また、三角印１〜三角印２が順次ＯＮ状態となるパターンは６セル充電パターンで１２．９Ｖを印加する。
【００２６】
かかる複電圧電源装置を１００Ｖの電力負荷用と、４８Ｖの通信負荷用との電源装置として兼用する場合には、丸印がＯＮ状態となる切換パターンで制御手段１６により充電マトリックス回路１５ａで２４個の上位セル（１〜２４セル）に充電装置１４の出力電圧を印加するとモードと、２４個の下位セル（２５〜４８セル）に充電装置１４の出力電圧を印加するモードとを高速で切換えて交互に充電・放電を繰り返す。このことによりバッテリーセル１１−１乃至１１−４８の電圧がアンバランスになるのを防止して所定の充電・放電を行いつつ複電圧電源としても動作する。
【００２７】
このときには、充電装置１４の出力電圧はバッテリー装置１１の充電量と放電量のバランスが取れるように制御する。
【００２８】
一方、非常用電源入力２４による非常充電の場合には、電圧が１２Ｖであるため６セルのバッテリーセル１１−１乃至１１−４８の選択となり、前記バッテリーセル１１−１−６、・・・、１１−８−６を１単位ずつ順次選択する。この結果、同図中、三角印がＯＮ状態となる切換パターンで切換えスイッチ１５ａ１乃至１５ｈ１及び切換えスイッチ１５ａ２乃至１５ｈ２をそれぞれ所定の対で高速に順次選択して充放電を行う。
【００２９】
本形態では各バッテリーセル１１−１乃至１１−４８の任意のセル（パイロットセル）の放電試験も行うことができるように構成してある。「放電試験」とは、実際に各バッテリーセル１１−１乃至１１−４８の任意のセルを放電させていき、放電終了電圧となったときの放電電流の総量でそのバッテリーセルの容量を把握する試験で、バッテリーセル１１−１乃至１１−４８の寿命の判定に用いられる。そこで、試験を行う任意のバッテリーセルについて放電マトッリクス回路１５ｂにより放電抵抗が接続されて放電試験のための放電を行わせる。このときの放電抵抗に流れる電流と負荷電流を合計したものが電池の放電量となり、放電終了電圧となったときの放電量の総和が放電試験を行ったバッテリーセルの容量となる。
【００３０】
かかる放電試験を行うため、スイッチング手段１５の放電マトリックス回路１５ｂ及び放電回路２６を有している。放電マトリックス回路１５ｂは、制御装置１６による切替制御の下、各バッテリーセル１１−１乃至１１−４８に選択的に放電回路２６の放電抵抗を接続するように構成したもので、基本的には充電マトリックス回路１５ａと同様の回路構成を有する。また、放電電流は電流センサ２７で検出して、その信号が制御装置１６に供給される。
【００３１】
図５は上記スイッチング手段１５の放電マトリックス回路１５ｂの具体的な構成例を示す回路図である。同図では説明を簡単にするため、６個のバッテリーセルを１単位として８個のバッテリーセル１１−１−６乃至１１−８−６を対象とした場合を示している。当該放電マトリックス回路１５ｂは、プラス側及びマイナス側にそれぞれ８個の切換えスイッチ３５ａ１乃至３５ｈ１と切換えスイッチ３５ａ２乃至３５ｈ２を有している。また、プラス側端子ａとマイナス側端子ａが接続され、以下同様に、プラス側端子ｂ乃至ｈとマイナス側端子ｂ乃至ｈとがそれぞれ接続されている。この結果、切換えスイッチ３５ａ１と切換えスイッチ３５ａ２とを選択的にＯＮ状態としたときにはバッテリーセル１１−１−６が選択される。以下同様に、バッテリーセル１１−２−６乃至１１−８−６を選択する場合には、切換えスイッチ３５ｂ１乃至３５ｈ１と切換えスイッチ３５ｂ２乃至３５ｈ２とを選択的にＯＮ状態とする。また、放電抵抗Ｒは切換えスイッチ３５ａ１と切換えスイッチ３５ａ２との間に接続してある。
【００３２】
この結果、切換えスイッチ３５ａ１と切換えスイッチ３５ａ２との対、・・・切換えスイッチ３５ｈ１と切換えスイッチ３５ｈ２との対を逐次放電抵抗Ｒに接続することで各バッテリーセル１１−１乃至１１−８の放電試験を可能とする。
【００３３】
ここで、放電試験中の任意のバッテリーセルの出力電圧は放電終止電圧（１０．５Ｖ）まで低下するが、全体のバッテリーセル１１−１乃至１１−４８の数からみると小さいので電源電圧（１００Ｖ）に影響を与えることはない。この場合、放電試験を行っている任意のバッテリーセル１１−１乃至１１−４８は充電するバッテリーセル１１−１乃至１１−４８からは除外され、又、充電パターンは三角印の６セルごとの１２Ｖ充電となる。一方、放電試験後には、回復充電として充電マトリックス回路１５ａにより他のバッテリーセル１１−１乃至１１−４８よりも多く充電する。ここで、充放電量については制御装置１６で管理し、常に１００％となるように充放電サイクルが行われる。
【００３４】
図６はこのときの放電マトリックスパターンを示す表である。同図中、三角印がＯＮ状態となる切換えスイッチ３５ａ１乃至３５ｈ１及び切換えスイッチ３５ａ２乃至３５ｈ２である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、定格電圧が異なる、例えば電力負荷と通信負荷である複数の負荷に、浮動充電を行いつつ電力を同時に供給する電源装置として利用し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係る複電圧電源装置の全体を示すブロック図である。
【図２】上記実施の形態におけるセル切替信号等を示す波形図である。
【図３】図１の充電マトリックス回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図４】図３の充電マトリックスパターンを示す表である。
【図５】図１の放電マトリックス回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図６】図５の放電マトリックスパターンを示す表である。
【図７】従来技術に係る電源装置を示すブロック線図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１        バッテリー装置
１１−１乃至１１−４８      バッテリーセル
１２−０乃至１２−８        タップ
１４        充電装置
１５        スイッチング手段
１５ａ      充電マトリックス回路
１５ｂ      放電マトリックス回路
１６        制御装置
２４        非常用電源入力
２６        放電回路
【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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【図６】
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【図７】
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