(57)【要約】      （修正有）【課題】電池モジュールを構成する各蓄電池セル間に電圧のばらつきが生じた場合でも安定した電圧を供給する。【解決手段】所定の個数の蓄電池を縦列配置した蓄電池セルを少なくとも１つ含む組電池と、所定の個数と同数の蓄電池を直列接続した予備蓄電池セルと、蓄電池セルの蓄電池と予備電池セルの蓄電池とを選択的に切り替えるスイッチとを有する蓄電池モジュールと、当該スイッチの切り替えを行う制御部とを備え、予備蓄電池セルの蓄電池のそれぞれを蓄電池セルのそれぞれについて、対応する蓄電池と並列配置されており、制御部は、通常動作時は蓄電池セルの複数の蓄電池を直列接続状態とし、蓄電池セルのいずれかの蓄電池の電圧が所定の上限閾値電圧以上または所定の下限閾値電圧以下となった場合に、当該蓄電池に代えて予備蓄電池セルの対応する蓄電池を蓄電池セルの他の蓄電池と直列接続状態にするようにスイッチの切り替えを行う電源システム。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の個数の蓄電池を縦列配置した蓄電池セルを少なくとも１つ含む組電池と、前記所定の個数と同数の蓄電池を直列接続した予備蓄電池セルと、前記蓄電池セルの蓄電池と前記予備電池セルの蓄電池とを選択的に切り替えるスイッチとを有する蓄電池モジュールと、
該蓄電池モジュールの前記スイッチの切り替えを行う制御部とを備えた電源システムであって、
前記予備蓄電池セルの蓄電池のそれぞれを前記蓄電池セルのそれぞれについて、対応する蓄電池と並列配置されており、
前記制御部は、通常動作時は前記蓄電池セルの複数の蓄電池を直列接続状態とし、前記蓄電池セルのいずれかの蓄電池の電圧が所定の上限閾値電圧以上または所定の下限閾値電圧以下となった場合に、当該蓄電池に代えて前記予備蓄電池セルの対応する蓄電池を前記蓄電池セルの他の蓄電池と直列接続状態にするように前記スイッチの切り替えを行うことを特徴とする電源システム。
【請求項２】
６角形の筒状モジュールに請求項１に記載の電源システムを収容した可搬型電源システムであって、
前記蓄電池として円筒型形状の蓄電池を用い、前記筒状モジュールの断面中央に前記予備蓄電池セルを配置し、該予備蓄電池セルの断面周囲に前記蓄電池セルを配置したことを特徴とする可搬型電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電源システムおよび可搬型電源システムに関し、詳細には、直流電源システムに適用可能な電源システムおよび可搬型電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、直流負荷装置へ電力を供給する直流電源システムでは、商用交流電力を受け、直流４８Ｖなどの直流電力を出力する整流器が用いられている。さらに、商用電力が停電した場合でも負荷装置への給電を継続するために、整流器の出力に蓄電池と蓄電池を充電するための充電器とを設けたバックアップ電源システムとすることが行われている。蓄電池を直流電源システムに適用する場合には、例えば図１に示す組電池２２が用いられている。この組電池２２としては、図１に示すように、単電池と呼ばれる１本の蓄電池を複数個直列接続にした電池セル２０ａ、２０ｂ、２０ｃ・・・を複数並列接続してパッケージ２１内に収容したもの知られている。この組電池２２は、図２に示すように、蓄電池架２３に収容してサーバー用として構築される。
【０００３】
また、複数の組電池が出力する電力を負荷に供給する電源システムとしては以下に示すものが知られている。特許文献１には、複数の電池を直列接続した組電池の電力を負荷に供給する電源システムに関する設計方法が記載されている。この設計方法では、電池の直列接続数と電池の蓄積電流容量とを一定の条件を満たす値に決定して電源システムを構成することが提案されている。
【０００４】
特許文献２には、組電池の過放電や劣化を抑制し、かつ、給電動作の停止状態からの復帰が可能な電源システムが記載されている。この電源システムでは、制御部の動作電源を、スイッチング素子が挿入された給電線を介して組電池から供給し、組電池の出力電圧があらかじめ定めた電圧閾値以下のとき、スイッチング素子は開放され、負荷の動作は停止される。さらに、組電池の給電動作が完全に停止し、制御部への給電がないとき、スイッチング素子は開放され、負荷の動作が停止した状態を継続し、組電池の交換後、スイッチング素子に並列接続した手動スイッチを操作することにより、組電池から制御部への給電動作を再開し、再開した制御部の制御により、スイッチング素子を閉成させ、負荷の動作も再開させている。
【０００５】
特許文献３には、１組以上の組電池が並列接続されて遮断器を介して負荷へ電力を供給する電池システムが記載されている。この電池システムでは、組電池から遮断器を介して動作電力が供給される制御部が、いずれかの組電池の出力電圧が所定の電圧閾値以下となったことを検知したとき、該組電池の遮断器を開放する制御信号を送信して、該遮断器を開放させている。そして閉成された状態の遮断器が残り１つになった場合に、その残りの遮断器に対応する組電池の出力電圧が電圧閾値以下となったことを検知したとき、まず、負荷の動作を停止させる制御信号を送信した後、さらに、所定の経過時間の計数後にその組電池の遮断器を開放している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１４８４８５号公報
【特許文献２】特開２００８−２１１９３５号公報
【特許文献３】特開２００８−２７８６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した電源システムでは、通常動作時は商用電源を直流電力に変換した後、負荷へ電力供給を行ない、商用電源の停電時は図１に示すような組電池２２を用いた蓄電池がバックアップ給電を行い、商用電源の復帰後は再び入力からの電力が負荷へと供給される。この電源システムでは、電力供給経路に並列に蓄電池が接続されており、入力からの給電が停止した際に蓄電池から負荷へと供給される。
【０００８】
しかしながら、組電池２２を構成する複数の電池セル２０ａ、２０ｂ、２０ｃ・・・のそれぞれを構成する１つの蓄電池のばらつき、または複数の電池セルの間にセルばらつきが生じることがある。すなわち、各蓄電池１つ１つの電圧のばらつきや、１つの電池セルの電圧のばらつきが生じることがある。この場合、入力の制御だけではセルばらつきを解消することができない。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、本発明の課題は、蓄電池モジュールを構成する各蓄電池セル間に電圧のばらつきが生じた場合でも安定した電圧を供給することにある。
【００１０】
本発明の他の課題は、蓄電池セルをスペース的に効率よく配置することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、所定の個数の蓄電池を縦列配置した蓄電池セルを少なくとも１つ含む組電池と、前記所定の個数と同数の蓄電池を直列接続した予備蓄電池セルと、前記蓄電池セルの蓄電池と前記予備電池セルの蓄電池とを選択的に切り替えるスイッチとを有する蓄電池モジュールと、該蓄電池モジュールの前記スイッチの切り替えを行う制御部とを備えた電源システムであって、前記予備蓄電池セルの蓄電池のそれぞれを前記蓄電池セルのそれぞれについて、対応する蓄電池と並列配置されており、前記制御部は、通常動作時は前記蓄電池セルの複数の蓄電池を直列接続状態とし、前記蓄電池セルのいずれかの蓄電池の電圧が所定の上限閾値電圧以上または所定の下限閾値電圧以下となった場合に、当該蓄電池に代えて前記予備蓄電池セルの対応する蓄電池を前記蓄電池セルの他の蓄電池と直列接続状態にするように前記スイッチの切り替えを行うことを特徴とする電源システムである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、６角形の筒状モジュールに請求項１に記載の電源システムを収容した可搬型電源システムであって、前記蓄電池として円筒型形状の蓄電池を用い、前記筒状モジュールの断面中央に前記予備蓄電池セルを配置し、該予備蓄電池セルの断面周囲に前記蓄電池セルを配置したことを特徴とする可搬型電源システムである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、端子間スイッチの制御を行うだけで、専用のセルバランス調整器を必要とせずに、蓄電池電圧をそろえることが可能となる。また、好ましい形態によれば、スペースを最大限に活かし、負荷のバックアップ保持時間を延長することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来型の電池モジュールを示す図である。
【図２】電池モジュール架を示す図である。
【図３】電源システムの構成図である。
【図４】リレーＲｙによる接続の切り替えについて説明するための図である。
【図５】リレーＲｙの切り替えを説明する図である。
【図６】可搬型電源システムを示す図である。
【図７】可搬型電源システムで搭載されるファンを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１６】
本発明の実施の形態について、差込型蓄電池架を用いた直流電源システム（電源システムともいう）を例に挙げて説明する。図３は、本発明の蓄電池モジュールを電源システムに適用したときの電池セルの接続状態を示す図である。電源システムは、商用電源と接続された入力４と、負荷５との間にスイッチング手段３を介して蓄電池モジュール１０が並列接続されて構成されている。蓄電池モジュール１０は、複数の蓄電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ・・・からなる組電池１と予備電池セル２とリレーＲｙとを備えて構成されている。
【００１７】
組電池１を構成する蓄電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ・・・のそれぞれは、複数の第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nがリレーＲｙを介して縦列配置されて構成されている。縦列配置とは、互いに接続されると直列接続となるような配置である。第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nとしては、サイクル寿命に優れる電池を用いることができる。負荷平準化に対応することができるからである。蓄電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ・・・は、対応するスイッチング手段３により、負荷５への接続状態が切り替えられる。
【００１８】
予備電池セル２は、複数の第２の蓄電池Ｖ21、Ｖ22・・・Ｖ2nが直列接続されて構成されている。第２の蓄電池Ｖ21、Ｖ22・・・Ｖ2nとしては、サイクル寿命に劣るが容量が大きい電池を用いることができる。第２の蓄電池Ｖ21、Ｖ22・・・Ｖ2nは、２つのリレーＲｙを介して第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nと並列に配置されており、リレーＲｙで接続を切り替えて所定の第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nの代わりに使用することで、負荷のバックアップ保持時間を大きく伸ばすことが可能となる。
【００１９】
ここで、第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nと第２の蓄電池Ｖ21、Ｖ22・・・Ｖ2nとのリレーＲｙを用いた切り替えについて説明する。図４は、リレーＲｙによる接続の切り替えについて説明するための図である。図４において、（ａ）は第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nと第２の蓄電池Ｖ21、Ｖ22・・・Ｖ2nとの切り替え手法を示し、（ｂ）はリレーＲｙの制御手法を示している。
【００２０】
図４（ａ）に示すように、第１の蓄電池Ｖ11と第２の蓄電池Ｖ21とは、２つのリレーＲｙ１、Ｒｙ２を介して他の第１の蓄電池Ｖ12・・・Ｖ1nと接続可能に構成されている。リレーＲｙ１、Ｒｙ２は、第１の蓄電池Ｖ11を他の第１の蓄電池Ｖ12・・・Ｖ1nと直列接続状態にする接点ａと、第１の蓄電池Ｖ11の代わりに第２の蓄電池Ｖ21を他の第１の蓄電池Ｖ12・・・Ｖ1nと直列接続状態とする接点ｂとの間で移動して、接続を切り替えている。リレーＲｙ１、Ｒｙ２には制御手段６１、６２を介して制御部７が接続されており、制御部７で制御手段６１、６２を切り替えることによりリレーＲｙ１、Ｒｙ２の接点の切り替えを行う。
【００２１】
図４（ｂ）に示すように、制御手段６１には引き外しコイルが接続されており、制御部７によるマイコン制御により制御手段６１の端子Ｐ１に電流を負荷すると引き外しコイルに電流が流れ、その結果リレーＲｙ１が接点ａに移動する。一方、制御手段６２には投入コイルが接続されており、制御部７によるマイコン制御により制御手段６２の端子Ｐ２に電流を負荷すると投入コイルに電流が流れ、その結果リレーＲｙ１が接点ｂに移動する。リレーＲｙ２に接続された制御手段６１、６２においても同様の制御を行なう。図４（ａ）に示すように、リレーＲｙ１、Ｒｙ２の両方において接点ａへの接続を行うことにより、正規電池列が形成される。また、リレーＲｙ１、Ｒｙ２の両方において接点ｂへの接続を行うことにより、冗長電池列が形成される。
【００２２】
図５はリレーＲｙの切り替えを説明する図である。図５において（ａ）は、通常時の接続状態（正規電池列）を示し、（ｂ）は電池の一部が不調などの所定の場合の接続状態（冗長電池列）を示す図である。なお、図５では１つめの蓄電池Ｖ11、Ｖ21の切り替えを行う場合を例に挙げて示しているが、２つめの蓄電池Ｖ12、Ｖ22でもそれ以降の蓄電池でも同様に切り替えできる。
【００２３】
リレーＲｙ１、Ｒｙ２は、通常時は図５（ａ）に示すように接点ａに接続された状態となるので、蓄電池セル１において第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nが直列接続状態となる。
【００２４】
一方、リレーＲｙ１、Ｒｙ２は、電池の一部が不調などの所定の場合は図５（ｂ）に示すように接点ｂに接続された状態となるので、蓄電池セル１の第１の蓄電池Ｖ11に代えて予備電池セル２の第２の蓄電池Ｖ21が蓄電池セル１の他の蓄電池Ｖ12・・・Ｖ1nと直列接続状態となる。
【００２５】
第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nが短絡した場合には第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nそれぞれの電圧がゼロ近傍になっていると考えられる。したがって、マイコンによって第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nそれぞれの電圧を測定し、ある一定の電圧を下回った場合には接点ｂへ切り替える。ある一定の電圧は、例えば、ノミナル電圧×０．３Ｖに設定できる。
【００２６】
また、電池劣化時には、充電時に電圧が上昇する。したがって、充電直後の第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nの電圧をマイコンで観測し、第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nの電圧がある電圧以上、例えばノミナル電圧×１．３Ｖ以上の時には接点ｂへ切り替える。
【００２７】
また、上記リレーＲｙによる切り替えは、蓄電池モジュール１０の充電時にも行われる。電源システムに用いられる際には、蓄電池モジュール１０は図２に示すような蓄電池架２３に差込んで収容されており、蓄電池モジュール１０は蓄電池架２３のマイコン、パソコン等の制御ユニットに接続されている。蓄電池モジュール１０の充電時には、蓄電池架２３の制御ユニットにより、蓄電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ・・・の総電圧が満充電電圧になるまで、全ての電池に対し、定電流充電が行われる。このとき、それぞれの第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1n単体の電圧を監視して、満充電電圧に達したら接続を切り替え、代わりに第２の蓄電池Ｖ21、Ｖ22・・・Ｖ2nにつなぐ切り替えが行われ、満充電電圧に達していない他の第１の蓄電池の充電を続ける。このような制御は、蓄電池モジュール１０が図３に示す接続構成を有することで可能になる。総電圧が満充電電圧になっても、個々のセルにはばらつきがあり、満充電電圧に満たないセルも存在するということを防止できる。
【００２８】
また、蓄電池モジュール１０には各第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nの温度を測定する温度センサ（図示せず）が設けられていることが好ましい。温度センサにより温度を検知し、検出した温度データは、蓄電池架２３の制御ユニットへ送付される。蓄電池充電可能上限温度に達した場合には、電池架側の制御により充電を停止する。同様に放電可能上限温度に達した場合にも、放電を停止する。温度データは寿命判定機能にも適用される。電池架側に搭載されるシステムに応じて、センサ及び通信方式は変更することが可能となる。また、蓄電池モジュール１０を収納する蓄電池架において、冷却ファンを設置すること、二重床下、または冷却風取り込み口に接し、電池接続部の冷却の効果を高めることも可能である。この冷却ファンは温度データに基づいて制御してもよい。
【００２９】
以上説明した蓄電池モジュール１０によれば、蓄電池容量が減ると、劣化した蓄電池Ｖ１ｎが接続されている２つのリレーＲｙが予備電池Ｖ２ｎに接続を切り替えることとなり、蓄電池容量が減っても全セルでの給電とすることができる。予備電池は予備として用いるため、サイクル特性は求められず、容量に特化した電池を用いることが可能となる。
【００３０】
また、電池セルを大量につなぐ電源システムでは、蓄電池充放電時に電池電圧ばらつきが生じる。本特許における蓄電池モジュールでは、電池ばらつきが生じた場合に予備電池が接続され、劣化していると判断された蓄電池に接続されているスイッチを予備電池に切り替えることにより、電池電圧が均等となるように電流の経路を変更する。充電時の電池ばらつきが解消されることで、付近に発熱体があった場合に生じる、従来の電池制御では防ぐことができなかった劣化の問題を解決することが可能となる。因みに従来では、付近に発熱体があった場合に局所的に蓄電池の劣化が起きることが想定された。主に車載用途・屋外設置用途では、付近に発熱体が生じることから、この従来の問題を解決することにより用途が広がる。
【００３１】
以上、蓄電池モジュール１０の実施の形態について、差込型蓄電池架を用いた直流電源システムに適用した場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、図６に示す蓄電池モジュールのような可搬型電源などの他の構造の蓄電池においても適用が可能である。
【００３２】
図６に示すように、可搬型電源システムは、６角形の筒状モジュール９に上記電源システムを収容した構成を備える。また、可搬方電源システムでは、蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1n、Ｖ21、Ｖ22・・・Ｖ2nとして円筒型形状の蓄電池を用い、筒状モジュール９の断面において中央位置に予備蓄電池セル２を配置し、予備蓄電池セル２の断面において周囲となる位置に蓄電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ・・・を配置している。図６では６つの蓄電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆが用いられている。
【００３３】
各蓄電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ・・・の各第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1nには温度センサ８が設けられている。図６に示す可搬型電源システムには図示しないマイコンが内蔵されており制御部７や、制御ユニットとして機能する。
【００３４】
可搬型電源システムには、図７に示すように、ファン１１、１２が設けられていることが好ましい。ファン１２としては、セル軸方向の抵抗が大きい場合には、風速が必要な軸流ファンよりもシロッコファンを用いることが好ましい。シロッコファン１２を図７に示すように上面に取り付けて組電池の中の空気を外へ取り出す。放電時には、第１の蓄電池Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1n１つずつの温度をマイコンで測定しておき、最も温度が高いセルが許容値、例えば５０度を超えた場合にファン１１、１２を駆動する。充電時には、できるだけ均一に充電量を揃えるため、セル間の温度差が生じないように、常にファン１１、１２を駆動する。
【００３５】
以上の可搬型電源システムによれば、上記電源システムの効果に加えて、スペースを最大限に活かし、負荷のバックアップ保持時間を延長することが可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
１０    蓄電池モジュール
１      組電池
１ａ、１ｂ、１ｃ・・・  蓄電池セル
２      予備電池セル
３      スイッチング手段
４      入力
５      負荷
Ｖ11、Ｖ12・・・Ｖ1n 第１の蓄電池
Ｖ21、Ｖ22・・・Ｖ2n 第２の蓄電池
Ｒｙ    リレー
６１、６２  制御手段
７      制御部
８      温度センサ
９      筒状モジュール
１１、１２  ファン
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ・・・  電池セル
２１    パッケージ
２２    組電池
２３    蓄電池架
【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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