電源装置
【課題】複数の電池を用いて充放電を行なうとともに、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ放電時における各電池の電力の有効活用を図ることが可能な電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置１０１は、電池１２に対応して設けられ、直列接続された複数のキャパシタ２１と、キャパシタ２１に対応して設けられ、受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の電池１２へ出力する充電動作、対応の電池１２から受けた直流電圧を昇圧または降圧して出力する放電動作が可能であり、充電動作における出力電圧および放電動作における出力電圧を調整可能な複数の昇降圧回路１１とを備える。充電動作において、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端において受けた直流電圧の分圧電圧が各昇降圧回路１１に与えられる。放電動作において、各昇降圧回路１１の出力電圧の合成電圧が上記両端から出力される。
【解決手段】電源装置１０１は、電池１２に対応して設けられ、直列接続された複数のキャパシタ２１と、キャパシタ２１に対応して設けられ、受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の電池１２へ出力する充電動作、対応の電池１２から受けた直流電圧を昇圧または降圧して出力する放電動作が可能であり、充電動作における出力電圧および放電動作における出力電圧を調整可能な複数の昇降圧回路１１とを備える。充電動作において、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端において受けた直流電圧の分圧電圧が各昇降圧回路１１に与えられる。放電動作において、各昇降圧回路１１の出力電圧の合成電圧が上記両端から出力される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、特に、複数の電池を備え、これらの電池を充放電する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
繰り返しの充電が可能な二次電池を用いて電力を蓄え、必要なときに当該二次電池から系統に電力を供給する電力貯蔵システムが開発されている（たとえば、三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月（非特許文献１）参照）。
【０００３】
このような電力貯蔵システムは、電力需要の変動を緩和して発電設備の利用率を高める用途の他、太陽光発電および風力発電のように発電量の変動が大きい発電方式を採用する発電設備を補完する用途にも適用可能である（たとえば、電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」（非特許文献２）参照）。
【０００４】
このような用途で用いられる電源装置は、たとえば複数の電池の集合体を備える。二次電池がたとえばリチウムイオン電池である場合には、１つの電池の電圧はたとえば３Ｖ〜４Ｖ程度であるので、複数の電池を直列に接続する。この直列接続された電池を充電しておくことにより、必要なときに電力を供給することができる。すなわち、充電時には電池の直列体に電流が流れ込んで電力が蓄えられ、放電時には電池の直列体から電流が流れ出て、電力が負荷に供給される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月
【非特許文献２】電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、直列体の各電池の充電時において、いずれか１つの電池が満充電の状態になると、充電を停止しなければならない。すなわち、他の電池が満充電の状態に達していなくても、当該他の電池をさらに充電することはできない。
【０００７】
また、直列体の各電池を放電して負荷に電力を供給する場合には、残量が最も少ない電池が放電限界に達すると、他の電池の残量は十分であっても、放電を継続することはできない。
【０００８】
このように、電池の直列体を用いる電源装置では、各電池の特性のばらつきにより、充放電性能がいずれかの電池の特性に拘束されるため、各電池を十分に充電することができず、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができない、という問題点がある。
【０００９】
このような充電時の問題点を解決するために、たとえば、満充電状態の電池に充電電流が供給されないように充電電流を他の回路へ逃がす構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、損失の発生により充電効率が低下してしまい、また、上述の放電時の問題点を解決することはできない。
【００１０】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、複数の電池を用いて充放電を行なうとともに、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ放電時における各電池の電力の有効活用を図ることが可能な電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電源装置は、複数の電池と、上記電池に対応して設けられ、直列接続された複数のキャパシタと、上記キャパシタに対応して設けられ、対応の上記キャパシタから受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の上記電池へ出力する充電動作、および対応の上記電池から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の上記キャパシタへ出力する放電動作が可能であり、上記充電動作における出力電圧および上記放電動作における出力電圧を調整可能な複数の昇降圧回路とを備え、上記充電動作において、直列接続された上記複数のキャパシタの両端において受けた直流電圧の分圧電圧が各上記昇降圧回路に与えられ、上記放電動作において、上記各昇降圧回路の出力電圧の合成電圧が上記両端から出力される。
【００１２】
このような構成により、各電池の特性にばらつきがある場合でも、特定の電池の特性に拘束されて充電または放電を停止しなければならなくなることを防ぐことができる。すなわち、各電池を十分に充電し、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができる。さらに、満充電状態の電池に充電電流が供給されないように充電電流を他の回路へ逃がす必要が無くなり、損失の発生による充電効率の低下を防ぐことができる。したがって、複数の電池を用いて充放電を行なうとともに、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ放電時における各電池の電力の有効活用を図ることができる。
【００１３】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、上記電圧測定部によって測定された上記電池の電圧に基づいて、対応の上記昇降圧回路を制御することにより、上記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、上記制御部は、上記充電動作において、各上記電圧測定部の測定結果に基づいて、上記複数の電池の電圧が略等しい状態を保ちながら、上記複数の電池の電圧が共通の目標値に達するように上記各昇降圧回路を制御する。
【００１４】
このような構成により、各電池の電圧を均一に変化させることができるため、充電効率を向上させることができる。
【００１５】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、上記電圧測定部によって測定された上記電池の電圧に基づいて、対応の上記昇降圧回路を制御することにより、上記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、上記制御部は、上記充電動作において、各上記電圧測定部の測定結果に基づいて、目標値に達する前の所定の閾値に上記電池の電圧が達すると、上記所定の閾値に達した上記電池の電圧の上記目標値への到達が抑制されるように対応の上記昇降圧回路を制御する。
【００１６】
このような構成により、各電池の電圧を把握して昇降圧回路を制御する必要が無くなるため、たとえば、電池ごとに安価なＣＰＵ（Central Processing Unit）を制御部として設けた構成において、これらのＣＰＵ間で電池の電圧情報をやり取りする必要が無くなり、構成および処理の簡易化を図ることができる。
【００１７】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、上記電圧測定部によって測定された上記電池の電圧に基づいて、対応の上記昇降圧回路を制御することにより、上記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、上記制御部は、上記放電動作において、各上記電圧測定部の測定結果に基づいて、上記各昇降圧回路を制御することにより、上記複数の電池の電圧が略等しい状態を保ちながら上記複数の電池を放電し、上記複数の電池の電圧が共通の下限値に達すると上記放電を停止する。
【００１８】
このような構成により、各電池の電圧を均一に変化させることができるため、放電効率を向上させることができる。
【００１９】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、上記電圧測定部によって測定された上記電池の電圧に基づいて、対応の上記昇降圧回路を制御することにより、上記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、上記制御部は、上記放電動作において、各上記電圧測定部の測定結果に基づいて、上記各昇降圧回路を制御することにより上記複数の電池を放電し、共通の下限値よりも絶対値の大きい所定の閾値に上記電池の電圧が達すると、上記閾値に達した上記電池の放電が抑制されるように対応の上記昇降圧回路を制御する。
【００２０】
このような構成により、各電池の電圧を把握して昇降圧回路を制御する必要が無くなるため、たとえば、電池ごとに安価なＣＰＵを制御部として設けた構成において、これらのＣＰＵ間で電池の電圧情報をやり取りする必要が無くなり、構成および処理の簡易化を図ることができる。
【００２１】
好ましくは、上記昇降圧回路は、対応の上記電池に並列接続されたキャパシタを含む。
【００２２】
このような構成により、電池を安定化させ、充電動作および放電動作をより良好に行なうことができる。
【００２３】
好ましくは、上記キャパシタは、第１端および第２端を有し、上記昇降圧回路は、上記キャパシタの第１端に電気的に接続された第１端と、第２端とを有する第１のスイッチと、上記第１のスイッチの第２端に電気的に接続された第１端と、上記キャパシタの第２端に電気的に接続された第２端とを有する第２のスイッチと、上記第１のスイッチの第２端に電気的に接続された第１端と、上記電池の第１端に電気的に接続された第２端とを有するインダクタとを含み、上記第２のスイッチの第２端および上記電池の第２端が電気的に接続されている。
【００２４】
このような構成により、昇降圧回路において、電池側の回路とキャパシタ側の回路とを絶縁するためのトランス等を設けることなく、簡易な構成で昇降圧回路を実現することができる。
【００２５】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、直列接続された上記複数のキャパシタの両端間に接続され、上記充電動作において、受けた交流電圧を直流電圧に変換して上記複数のキャパシタの両端へ出力し、上記放電動作において、上記複数のキャパシタの両端から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷へ出力するための電圧変換回路を備える。
【００２６】
このような構成により、たとえば交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して各電池を充電し、また、各電池の出力電圧を交流電圧に変換して負荷に供給することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、複数の電池を用いて充放電を行なうとともに、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ放電時における各電池の電力の有効活用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および充電動作における接続例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および放電動作における接続例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および充電動作における接続例を示す図である。図２は、本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および放電動作における接続例を示す図である。
【００３１】
図１および図２を参照して、電源装置１０１は、キャパシタ２１、昇降圧回路１１、電池１２、電圧測定部１３および制御部１４の組を複数備え、さらに、ＡＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換回路）１５と、電圧測定部１６とを備える。昇降圧回路１１は、キャパシタ２５と、スイッチ２２，２３と、インダクタ２４とを含む。スイッチ２２，２３は、たとえばトランジスタ等の半導体素子である。これにより、高速なスイッチングが可能となる。なお、制御部１４は、組ごとに設けられる構成に限らず、すべての組または一部の組で共通化されてもよい。
【００３２】
電池１２としては、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池、およびその他各種の充電可能な電池を用いることができる。
【００３３】
図１において、交流電源２０１は、たとえば振幅が１００Ｖ、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧を電源装置１０１に供給する。
【００３４】
そして、電源装置１０１は、交流電源２０１から供給される交流電圧に基づいて各組の電池１２を充電する。
【００３５】
図２において、電源装置１０１は、各組の電池１２を放電することにより、たとえば振幅が１００Ｖ、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧を負荷２０２に供給する。
【００３６】
より詳細には、電源装置１０１において、各キャパシタ２１は、直列接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端間に接続されている。
【００３７】
充電動作において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、交流電源２０１から受けた交流電圧を直流電圧に変換し、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端へ出力する。また、放電動作において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷２０２へ出力する。
【００３８】
昇降圧回路１１において、スイッチ２２は、キャパシタ２１の第１端に電気的に接続された第１端と、第２端とを有する。スイッチ２３は、スイッチ２２の第２端に電気的に接続された第１端と、キャパシタ２１の第２端に電気的に接続された第２端とを有する。インダクタ２４は、スイッチ２２の第２端に電気的に接続された第１端と、電池１２の第１端に電気的に接続された第２端とを有する。スイッチ２３の第２端および電池１２の第２端が電気的に接続されている。キャパシタ２５は、電池１２の安定化のために、電池１２と並列に接続されている。
【００３９】
昇降圧回路１１は、双方向動作が可能である。より詳細には、昇降圧回路１１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５から対応のキャパシタ２１経由で受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の電池１２へ出力する充電動作、および対応の電池１２から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応のキャパシタ２１経由でＡＣ／ＤＣコンバータ１５へ出力する放電動作が可能である。昇降圧回路１１において、充電動作における出力電圧および放電動作における出力電圧は調整可能である。
【００４０】
充電動作において、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端において受けた直流電圧の分圧電圧、すなわちＡＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧の分圧電圧が各昇降圧回路１１に与えられる。また、放電動作において、各昇降圧回路１１の出力電圧の合成電圧が、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端からＡＣ／ＤＣコンバータ１５へ出力される。
【００４１】
電圧測定部１３は、電池１２に対応して設けられ、対応の電池１２の電圧を測定する。また、電圧測定部１６は、放電動作において、たとえば、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端間の電圧を測定する。なお、電圧測定部１６の代わりに、各キャパシタ２１を通して流れる電流を測定する電流測定部が設けられてもよい。
【００４２】
制御部１４は、対応の電圧測定部１３によって測定された電池１２の電圧、および電圧測定部１６によって測定された電圧に基づいて、対応の昇降圧回路１１を制御することにより、当該昇降圧回路１１の出力電圧を調整する。具体的には、制御部１４は、対応の昇降圧回路１１における各スイッチをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより、当該昇降圧回路１１の出力電圧を調整する。
【００４３】
より詳細には、制御部１４は、充電動作において、スイッチ２２をオンし、かつスイッチ２３をオフすることにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５からの電流をインダクタ２４に供給し、インダクタ２４にエネルギーを蓄積する動作、およびスイッチ２２をオフし、かつスイッチ２３をオンすることにより、インダクタ２４に蓄えられたエネルギーを電池１２へ放出する動作を交互に繰り返すことにより、電池１２を充電する。
【００４４】
また、制御部１４は、放電動作において、スイッチ２２をオフし、かつスイッチ２３をオンすることにより、電池１２からの電流をインダクタ２４に供給し、インダクタ２４にエネルギーを蓄積する動作、およびスイッチ２２をオンし、かつスイッチ２３をオフすることにより、インダクタ２４に蓄えられたエネルギーをＡＣ／ＤＣコンバータ１５へ放出する動作を交互に繰り返すことにより、電池１２を放電する。
【００４５】
これらの充電動作および放電動作において、制御部１４は、たとえば、キャパシタ２１の両端電圧と電池１２の電圧とが略等しくなるように、昇降圧回路１１を制御する。
【００４６】
次に、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作について説明する。以下では、充電動作における電池１２の目標値を４．２Ｖとし、充電動作における電池１２の充電前の電圧を３．０Ｖとする。
【００４７】
図３は、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。
【００４８】
図３を参照して、制御部１４は、充電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各電池１２の電圧が略等しい状態を保ちながら、各電池１２の電圧が共通の目標値に達するように各昇降圧回路１１を制御する。
【００４９】
より詳細には、制御部１４は、タイミングｔ１において対応の電池１２の充電を開始する。ここで、制御部１４は、対応の電圧測定部１３の測定結果を参照しながら、各電池１２の電圧が等しくなるように対応の昇降圧回路１１における各スイッチを制御する。
【００５０】
具体的には、たとえば、制御部１４は、他の制御部１４と通信することにより、他の制御部１４に対応する電池１２と同じタイミングで、自己に対応する電池１２の電圧が共通のレベルに達するように対応の昇降圧回路１１を制御する。また、各制御部１４は、目標値まで段階的に上記共通のレベルを設定する。
【００５１】
あるいは、制御部１４は、予め設定された所要時間で対応の電池１２の電圧が所定値に達するように対応の昇降圧回路１１を制御する。また、制御部１４は、目標値まで段階的に上記所定値を設定する。上記所要時間および所定値については、制御部１４間で共通の値が設定される。この方法では、制御部１４間の通信が不要となる。
【００５２】
そして、制御部１４は、タイミングｔ２において、対応の電池１２の電圧が目標値に達すると、対応の昇降圧回路１１におけるスイッチ２２およびスイッチ２３をオフし、充電動作を終了する。
【００５３】
図４は、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。
【００５４】
図４を参照して、制御部１４は、充電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、目標値に達する前の所定の閾値に電池１２の電圧が達すると、所定の閾値に達した電池１２の電圧の目標値への到達が抑制されるように対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００５５】
より詳細には、制御部１４は、タイミングｔ１１において対応の電池１２の充電を開始する。ここで、制御部１４は、最初は、他の制御部１４に対応する電池１２の電圧を考慮することなく、対応の電池１２を充電する。そして、制御部１４は、対応の電池１２の電圧が、目標値である４．２Ｖより所定値だけ小さい電圧たとえば４．１Ｖに達した状態において、他の制御部１４に対応する電池１２の電圧が４．１Ｖに達していない場合には、対応の電池１２の両端電圧が４．１Ｖになるように昇降圧回路１１を制御する。これにより、対応の電池１２の電圧上昇が抑制される。ここでは、電圧が波形Ａ１となる電池１２がタイミングｔ１２において４．１Ｖに達したために電圧上昇が抑制され、電圧が波形Ａ２となる他の電池１２と同じタイミングｔ１３で、各電池１２の電圧が、目標値である４．２Ｖに達している。
【００５６】
そして、制御部１４は、対応の電池１２の電圧が目標値に達すると、対応の昇降圧回路１１におけるスイッチ２２およびスイッチ２３をオフし、充電動作を終了する。
【００５７】
次に、本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作について説明する。以下では、放電動作における電池１２の放電前の電圧を４．２Ｖとし、電池１２の下限値すなわち放電動作を停止すべき電圧値を３．０Ｖとする。
【００５８】
図５は、本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作の一例を示す図である。
【００５９】
図５を参照して、制御部１４は、放電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各昇降圧回路１１を制御することにより、各電池１２の電圧が略等しい状態を保ちながら各電池１２を放電する。そして、制御部１４は、各電池１２の電圧が共通の下限値に達すると放電を停止する。
【００６０】
より詳細には、制御部１４は、タイミングｔ２１において対応の電池１２の放電を開始する。制御部１４は、負荷２０２に供給される電圧のレベルが一定になるように、たとえば電圧測定部１６によって測定される電圧が所定値を保つように、対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００６１】
ここで、制御部１４は、対応の電圧測定部１３の測定結果を参照しながら、各電池１２の電圧が等しくなるように対応の昇降圧回路１１における各スイッチを制御する。
【００６２】
具体的には、たとえば、制御部１４は、他の制御部１４と通信することにより、他の制御部１４に対応する電池１２と同じタイミングで、自己に対応する電池１２の電圧が共通のレベルまで下降するように対応の昇降圧回路１１を制御する。また、各制御部１４は、下限値まで段階的に上記共通のレベルを設定する。
【００６３】
あるいは、制御部１４は、予め設定された所要時間で対応の電池１２の電圧が所定値まで下降するように対応の昇降圧回路１１を制御する。また、制御部１４は、下限値まで段階的に上記所定値を設定する。上記所要時間および所定値については、制御部１４間で共通の値が設定される。この方法では、制御部１４間の通信が不要となる。
【００６４】
そして、制御部１４は、タイミングｔ２２において、対応の電池１２の電圧が下限値に達すると、対応の昇降圧回路１１におけるスイッチ２２およびスイッチ２３をオフし、放電動作を終了する。
【００６５】
図６は、本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作の一例を示す図である。
【００６６】
図６を参照して、制御部１４は、放電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各昇降圧回路１１を制御することにより各電池１２を放電する。そして、制御部１４は、共通の下限値よりも絶対値の大きい所定の閾値に電池１２の電圧が達すると、閾値に達した電池１２の放電が抑制されるように対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００６７】
より詳細には、制御部１４は、タイミングｔ３１において対応の電池１２の放電を開始する。制御部１４は、負荷２０２に供給される電圧のレベルが一定になるように、たとえば電圧測定部１６によって測定される電圧が所定値を保つように、対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００６８】
ここで、制御部１４は、最初は、他の制御部１４に対応する電池１２の電圧を考慮することなく、対応の電池１２を放電する。そして、制御部１４は、対応の電池１２の電圧が、下限値である３．０Ｖより所定値だけ大きい電圧たとえば３．１Ｖに達した状態において、他の制御部１４に対応する電池１２の電圧が３．１Ｖに達していない場合には、対応の電池１２の両端電圧が３．１Ｖになるように昇降圧回路１１を制御する。これにより、対応の電池１２の電圧下降が抑制される。ここでは、電圧が波形Ｂ１となる電池１２がタイミングｔ３２において３．１Ｖに達したために電圧下降が抑制され、電圧が波形Ｂ２となる他の電池１２と同じタイミングｔ３３で、各電池１２の電圧が、下限値である３．０Ｖに達している。
【００６９】
そして、制御部１４は、対応の電池１２の電圧が下限値に達すると、対応の昇降圧回路１１におけるスイッチ２２およびスイッチ２３をオフし、放電動作を終了する。
【００７０】
ところで、電池の直列体を用いる電源装置では、各電池の特性のばらつきにより、充放電性能がいずれかの電池の特性に拘束されるため、各電池を十分に充電することができず、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができない、という問題点がある。このような充電時の問題点を解決するために、たとえば、満充電状態の電池に充電電流が供給されないように充電電流を他の回路へ逃がす構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、損失の発生により充電効率が低下してしまい、また、上述の放電時の問題点を解決することはできない。
【００７１】
これに対して、本発明の実施の形態に係る電源装置では、キャパシタ２１は、電池１２に対応して設けられ、各キャパシタ２１は直列接続されている。昇降圧回路１１は、キャパシタ２１に対応して設けられ、対応のキャパシタ２１から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の電池１２へ出力する充電動作、および対応の電池１２から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応のキャパシタ２１へ出力する放電動作が可能であり、充電動作における出力電圧および放電動作における出力電圧が調整可能である。そして、充電動作において、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端において受けた直流電圧の分圧電圧が各昇降圧回路１１に与えられる。また、放電動作において、各昇降圧回路１１の出力電圧の合成電圧が、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端から出力される。
【００７２】
このような構成により、各電池１２の特性にばらつきがある場合でも、特定の電池の特性に拘束されて充電または放電を停止しなければならなくなることを防ぐことができる。すなわち、各電池１２を十分に充電し、また、放電時において、各電池１２に蓄えられた電力を有効活用することができる。さらに、満充電状態の電池に充電電流が供給されないように充電電流を他の回路へ逃がす必要が無くなり、損失の発生による充電効率の低下を防ぐことができる。
【００７３】
したがって、本発明の実施の形態に係る電源装置では、複数の電池を用いて充放電を行なうとともに、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ放電時における各電池の電力の有効活用を図ることができる。
【００７４】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、制御部１４は、充電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各電池１２の電圧が略等しい状態を保ちながら、各電池１２の電圧が共通の目標値に達するように各昇降圧回路１１を制御する。
【００７５】
このような構成により、各電池１２の電圧を均一に変化させることができるため、充電効率を向上させることができる。
【００７６】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、制御部１４は、充電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、目標値に達する前の所定の閾値に電池１２の電圧が達すると、所定の閾値に達した電池１２の電圧の目標値への到達が抑制されるように対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００７７】
このような構成により、各電池１２の電圧を把握して昇降圧回路１１を制御する必要が無くなるため、たとえば、電池１２ごとに安価なＣＰＵ（Central Processing Unit）を制御部として設けた構成において、これらのＣＰＵ間で電池１２の電圧情報をやり取りする必要が無くなり、構成および処理の簡易化を図ることができる。
【００７８】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、制御部１４は、放電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各昇降圧回路１１を制御することにより、各電池１２の電圧が略等しい状態を保ちながら各電池１２を放電する。そして、制御部１４は、各電池１２の電圧が共通の下限値に達すると放電を停止する。
【００７９】
このような構成により、各電池１２の電圧を均一に変化させることができるため、放電効率を向上させることができる。
【００８０】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、制御部１４は、放電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各昇降圧回路１１を制御することにより各電池１２を放電する。そして、制御部１４は、共通の下限値よりも絶対値の大きい所定の閾値に電池１２の電圧が達すると、閾値に達した電池１２の放電が抑制されるように対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００８１】
このような構成により、各電池１２の電圧を把握して昇降圧回路１１を制御する必要が無くなるため、たとえば、電池１２ごとに安価なＣＰＵを制御部として設けた構成において、これらのＣＰＵ間で電池１２の電圧情報をやり取りする必要が無くなり、構成および処理の簡易化を図ることができる。
【００８２】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、昇降圧回路１１は、対応の電池１２に並列接続されたキャパシタ２５を含む。
【００８３】
このような構成により、電池１２を安定化させ、充電動作および放電動作をより良好に行なうことができる。
【００８４】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、昇降圧回路１１において、スイッチ２２は、キャパシタ２１の第１端に電気的に接続された第１端と、第２端とを有する。スイッチ２３は、スイッチ２２の第２端に電気的に接続された第１端と、キャパシタ２１の第２端に電気的に接続された第２端とを有する。インダクタ２４は、スイッチ２２の第２端に電気的に接続された第１端と、電池１２の第１端に電気的に接続された第２端とを有する。スイッチ２３の第２端および電池１２の第２端が電気的に接続されている。
【００８５】
このような構成により、昇降圧回路において、電池１２側の回路とキャパシタ２１側の回路とを絶縁するためのトランス等を設けることなく、簡易な構成で昇降圧回路を実現することができる。
【００８６】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端間に接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、充電動作において、受けた交流電圧を直流電圧に変換して複数のキャパシタ２１の両端へ出力し、放電動作において、複数のキャパシタ２１の両端から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷２０２へ出力する。
【００８７】
このような構成により、交流電源２０１から供給される交流電圧を直流電圧に変換して各電池１２を充電し、また、各電池１２の出力電圧を交流電圧に変換して負荷２０２に供給することができる。
【００８８】
なお、本発明の実施の形態に係る電源装置は、電圧測定部１３および制御部１４を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。電源装置１０１の外部に電圧測定部１３および制御部１４が設けられる構成であってもよい。
【００８９】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。ＡＣ／ＤＣコンバータ１５を備えない構成であっても、外部から供給される直流電圧に基づいて各電池１２を充電し、かつ各電池１２を放電して直流電圧を外部に供給することが可能である。
【００９０】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、電池１２の電圧は正電圧であるとしたが、これに限定するものではなく、電池１２の電圧は負電圧であってもよい。
【００９１】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置において、「インダクタ」は、リアクトルのような大型の部品も含むものとする。
【００９２】
上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９３】
１１ 昇降圧回路
１２ 電池
１３ 電圧測定部
１４ 制御部
１５ ＡＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換回路）
１６ 電圧測定部
２１，２５ キャパシタ
２２，２３ スイッチ
２４ インダクタ
１０１ 電源装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、特に、複数の電池を備え、これらの電池を充放電する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
繰り返しの充電が可能な二次電池を用いて電力を蓄え、必要なときに当該二次電池から系統に電力を供給する電力貯蔵システムが開発されている（たとえば、三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月（非特許文献１）参照）。
【０００３】
このような電力貯蔵システムは、電力需要の変動を緩和して発電設備の利用率を高める用途の他、太陽光発電および風力発電のように発電量の変動が大きい発電方式を採用する発電設備を補完する用途にも適用可能である（たとえば、電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」（非特許文献２）参照）。
【０００４】
このような用途で用いられる電源装置は、たとえば複数の電池の集合体を備える。二次電池がたとえばリチウムイオン電池である場合には、１つの電池の電圧はたとえば３Ｖ〜４Ｖ程度であるので、複数の電池を直列に接続する。この直列接続された電池を充電しておくことにより、必要なときに電力を供給することができる。すなわち、充電時には電池の直列体に電流が流れ込んで電力が蓄えられ、放電時には電池の直列体から電流が流れ出て、電力が負荷に供給される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月
【非特許文献２】電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、直列体の各電池の充電時において、いずれか１つの電池が満充電の状態になると、充電を停止しなければならない。すなわち、他の電池が満充電の状態に達していなくても、当該他の電池をさらに充電することはできない。
【０００７】
また、直列体の各電池を放電して負荷に電力を供給する場合には、残量が最も少ない電池が放電限界に達すると、他の電池の残量は十分であっても、放電を継続することはできない。
【０００８】
このように、電池の直列体を用いる電源装置では、各電池の特性のばらつきにより、充放電性能がいずれかの電池の特性に拘束されるため、各電池を十分に充電することができず、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができない、という問題点がある。
【０００９】
このような充電時の問題点を解決するために、たとえば、満充電状態の電池に充電電流が供給されないように充電電流を他の回路へ逃がす構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、損失の発生により充電効率が低下してしまい、また、上述の放電時の問題点を解決することはできない。
【００１０】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、複数の電池を用いて充放電を行なうとともに、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ放電時における各電池の電力の有効活用を図ることが可能な電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電源装置は、複数の電池と、上記電池に対応して設けられ、直列接続された複数のキャパシタと、上記キャパシタに対応して設けられ、対応の上記キャパシタから受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の上記電池へ出力する充電動作、および対応の上記電池から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の上記キャパシタへ出力する放電動作が可能であり、上記充電動作における出力電圧および上記放電動作における出力電圧を調整可能な複数の昇降圧回路とを備え、上記充電動作において、直列接続された上記複数のキャパシタの両端において受けた直流電圧の分圧電圧が各上記昇降圧回路に与えられ、上記放電動作において、上記各昇降圧回路の出力電圧の合成電圧が上記両端から出力される。
【００１２】
このような構成により、各電池の特性にばらつきがある場合でも、特定の電池の特性に拘束されて充電または放電を停止しなければならなくなることを防ぐことができる。すなわち、各電池を十分に充電し、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができる。さらに、満充電状態の電池に充電電流が供給されないように充電電流を他の回路へ逃がす必要が無くなり、損失の発生による充電効率の低下を防ぐことができる。したがって、複数の電池を用いて充放電を行なうとともに、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ放電時における各電池の電力の有効活用を図ることができる。
【００１３】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、上記電圧測定部によって測定された上記電池の電圧に基づいて、対応の上記昇降圧回路を制御することにより、上記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、上記制御部は、上記充電動作において、各上記電圧測定部の測定結果に基づいて、上記複数の電池の電圧が略等しい状態を保ちながら、上記複数の電池の電圧が共通の目標値に達するように上記各昇降圧回路を制御する。
【００１４】
このような構成により、各電池の電圧を均一に変化させることができるため、充電効率を向上させることができる。
【００１５】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、上記電圧測定部によって測定された上記電池の電圧に基づいて、対応の上記昇降圧回路を制御することにより、上記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、上記制御部は、上記充電動作において、各上記電圧測定部の測定結果に基づいて、目標値に達する前の所定の閾値に上記電池の電圧が達すると、上記所定の閾値に達した上記電池の電圧の上記目標値への到達が抑制されるように対応の上記昇降圧回路を制御する。
【００１６】
このような構成により、各電池の電圧を把握して昇降圧回路を制御する必要が無くなるため、たとえば、電池ごとに安価なＣＰＵ（Central Processing Unit）を制御部として設けた構成において、これらのＣＰＵ間で電池の電圧情報をやり取りする必要が無くなり、構成および処理の簡易化を図ることができる。
【００１７】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、上記電圧測定部によって測定された上記電池の電圧に基づいて、対応の上記昇降圧回路を制御することにより、上記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、上記制御部は、上記放電動作において、各上記電圧測定部の測定結果に基づいて、上記各昇降圧回路を制御することにより、上記複数の電池の電圧が略等しい状態を保ちながら上記複数の電池を放電し、上記複数の電池の電圧が共通の下限値に達すると上記放電を停止する。
【００１８】
このような構成により、各電池の電圧を均一に変化させることができるため、放電効率を向上させることができる。
【００１９】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、上記電圧測定部によって測定された上記電池の電圧に基づいて、対応の上記昇降圧回路を制御することにより、上記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、上記制御部は、上記放電動作において、各上記電圧測定部の測定結果に基づいて、上記各昇降圧回路を制御することにより上記複数の電池を放電し、共通の下限値よりも絶対値の大きい所定の閾値に上記電池の電圧が達すると、上記閾値に達した上記電池の放電が抑制されるように対応の上記昇降圧回路を制御する。
【００２０】
このような構成により、各電池の電圧を把握して昇降圧回路を制御する必要が無くなるため、たとえば、電池ごとに安価なＣＰＵを制御部として設けた構成において、これらのＣＰＵ間で電池の電圧情報をやり取りする必要が無くなり、構成および処理の簡易化を図ることができる。
【００２１】
好ましくは、上記昇降圧回路は、対応の上記電池に並列接続されたキャパシタを含む。
【００２２】
このような構成により、電池を安定化させ、充電動作および放電動作をより良好に行なうことができる。
【００２３】
好ましくは、上記キャパシタは、第１端および第２端を有し、上記昇降圧回路は、上記キャパシタの第１端に電気的に接続された第１端と、第２端とを有する第１のスイッチと、上記第１のスイッチの第２端に電気的に接続された第１端と、上記キャパシタの第２端に電気的に接続された第２端とを有する第２のスイッチと、上記第１のスイッチの第２端に電気的に接続された第１端と、上記電池の第１端に電気的に接続された第２端とを有するインダクタとを含み、上記第２のスイッチの第２端および上記電池の第２端が電気的に接続されている。
【００２４】
このような構成により、昇降圧回路において、電池側の回路とキャパシタ側の回路とを絶縁するためのトランス等を設けることなく、簡易な構成で昇降圧回路を実現することができる。
【００２５】
好ましくは、上記電源装置は、さらに、直列接続された上記複数のキャパシタの両端間に接続され、上記充電動作において、受けた交流電圧を直流電圧に変換して上記複数のキャパシタの両端へ出力し、上記放電動作において、上記複数のキャパシタの両端から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷へ出力するための電圧変換回路を備える。
【００２６】
このような構成により、たとえば交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して各電池を充電し、また、各電池の出力電圧を交流電圧に変換して負荷に供給することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、複数の電池を用いて充放電を行なうとともに、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ放電時における各電池の電力の有効活用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および充電動作における接続例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および放電動作における接続例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および充電動作における接続例を示す図である。図２は、本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および放電動作における接続例を示す図である。
【００３１】
図１および図２を参照して、電源装置１０１は、キャパシタ２１、昇降圧回路１１、電池１２、電圧測定部１３および制御部１４の組を複数備え、さらに、ＡＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換回路）１５と、電圧測定部１６とを備える。昇降圧回路１１は、キャパシタ２５と、スイッチ２２，２３と、インダクタ２４とを含む。スイッチ２２，２３は、たとえばトランジスタ等の半導体素子である。これにより、高速なスイッチングが可能となる。なお、制御部１４は、組ごとに設けられる構成に限らず、すべての組または一部の組で共通化されてもよい。
【００３２】
電池１２としては、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池、およびその他各種の充電可能な電池を用いることができる。
【００３３】
図１において、交流電源２０１は、たとえば振幅が１００Ｖ、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧を電源装置１０１に供給する。
【００３４】
そして、電源装置１０１は、交流電源２０１から供給される交流電圧に基づいて各組の電池１２を充電する。
【００３５】
図２において、電源装置１０１は、各組の電池１２を放電することにより、たとえば振幅が１００Ｖ、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧を負荷２０２に供給する。
【００３６】
より詳細には、電源装置１０１において、各キャパシタ２１は、直列接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端間に接続されている。
【００３７】
充電動作において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、交流電源２０１から受けた交流電圧を直流電圧に変換し、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端へ出力する。また、放電動作において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷２０２へ出力する。
【００３８】
昇降圧回路１１において、スイッチ２２は、キャパシタ２１の第１端に電気的に接続された第１端と、第２端とを有する。スイッチ２３は、スイッチ２２の第２端に電気的に接続された第１端と、キャパシタ２１の第２端に電気的に接続された第２端とを有する。インダクタ２４は、スイッチ２２の第２端に電気的に接続された第１端と、電池１２の第１端に電気的に接続された第２端とを有する。スイッチ２３の第２端および電池１２の第２端が電気的に接続されている。キャパシタ２５は、電池１２の安定化のために、電池１２と並列に接続されている。
【００３９】
昇降圧回路１１は、双方向動作が可能である。より詳細には、昇降圧回路１１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５から対応のキャパシタ２１経由で受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の電池１２へ出力する充電動作、および対応の電池１２から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応のキャパシタ２１経由でＡＣ／ＤＣコンバータ１５へ出力する放電動作が可能である。昇降圧回路１１において、充電動作における出力電圧および放電動作における出力電圧は調整可能である。
【００４０】
充電動作において、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端において受けた直流電圧の分圧電圧、すなわちＡＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧の分圧電圧が各昇降圧回路１１に与えられる。また、放電動作において、各昇降圧回路１１の出力電圧の合成電圧が、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端からＡＣ／ＤＣコンバータ１５へ出力される。
【００４１】
電圧測定部１３は、電池１２に対応して設けられ、対応の電池１２の電圧を測定する。また、電圧測定部１６は、放電動作において、たとえば、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端間の電圧を測定する。なお、電圧測定部１６の代わりに、各キャパシタ２１を通して流れる電流を測定する電流測定部が設けられてもよい。
【００４２】
制御部１４は、対応の電圧測定部１３によって測定された電池１２の電圧、および電圧測定部１６によって測定された電圧に基づいて、対応の昇降圧回路１１を制御することにより、当該昇降圧回路１１の出力電圧を調整する。具体的には、制御部１４は、対応の昇降圧回路１１における各スイッチをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより、当該昇降圧回路１１の出力電圧を調整する。
【００４３】
より詳細には、制御部１４は、充電動作において、スイッチ２２をオンし、かつスイッチ２３をオフすることにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５からの電流をインダクタ２４に供給し、インダクタ２４にエネルギーを蓄積する動作、およびスイッチ２２をオフし、かつスイッチ２３をオンすることにより、インダクタ２４に蓄えられたエネルギーを電池１２へ放出する動作を交互に繰り返すことにより、電池１２を充電する。
【００４４】
また、制御部１４は、放電動作において、スイッチ２２をオフし、かつスイッチ２３をオンすることにより、電池１２からの電流をインダクタ２４に供給し、インダクタ２４にエネルギーを蓄積する動作、およびスイッチ２２をオンし、かつスイッチ２３をオフすることにより、インダクタ２４に蓄えられたエネルギーをＡＣ／ＤＣコンバータ１５へ放出する動作を交互に繰り返すことにより、電池１２を放電する。
【００４５】
これらの充電動作および放電動作において、制御部１４は、たとえば、キャパシタ２１の両端電圧と電池１２の電圧とが略等しくなるように、昇降圧回路１１を制御する。
【００４６】
次に、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作について説明する。以下では、充電動作における電池１２の目標値を４．２Ｖとし、充電動作における電池１２の充電前の電圧を３．０Ｖとする。
【００４７】
図３は、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。
【００４８】
図３を参照して、制御部１４は、充電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各電池１２の電圧が略等しい状態を保ちながら、各電池１２の電圧が共通の目標値に達するように各昇降圧回路１１を制御する。
【００４９】
より詳細には、制御部１４は、タイミングｔ１において対応の電池１２の充電を開始する。ここで、制御部１４は、対応の電圧測定部１３の測定結果を参照しながら、各電池１２の電圧が等しくなるように対応の昇降圧回路１１における各スイッチを制御する。
【００５０】
具体的には、たとえば、制御部１４は、他の制御部１４と通信することにより、他の制御部１４に対応する電池１２と同じタイミングで、自己に対応する電池１２の電圧が共通のレベルに達するように対応の昇降圧回路１１を制御する。また、各制御部１４は、目標値まで段階的に上記共通のレベルを設定する。
【００５１】
あるいは、制御部１４は、予め設定された所要時間で対応の電池１２の電圧が所定値に達するように対応の昇降圧回路１１を制御する。また、制御部１４は、目標値まで段階的に上記所定値を設定する。上記所要時間および所定値については、制御部１４間で共通の値が設定される。この方法では、制御部１４間の通信が不要となる。
【００５２】
そして、制御部１４は、タイミングｔ２において、対応の電池１２の電圧が目標値に達すると、対応の昇降圧回路１１におけるスイッチ２２およびスイッチ２３をオフし、充電動作を終了する。
【００５３】
図４は、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。
【００５４】
図４を参照して、制御部１４は、充電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、目標値に達する前の所定の閾値に電池１２の電圧が達すると、所定の閾値に達した電池１２の電圧の目標値への到達が抑制されるように対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００５５】
より詳細には、制御部１４は、タイミングｔ１１において対応の電池１２の充電を開始する。ここで、制御部１４は、最初は、他の制御部１４に対応する電池１２の電圧を考慮することなく、対応の電池１２を充電する。そして、制御部１４は、対応の電池１２の電圧が、目標値である４．２Ｖより所定値だけ小さい電圧たとえば４．１Ｖに達した状態において、他の制御部１４に対応する電池１２の電圧が４．１Ｖに達していない場合には、対応の電池１２の両端電圧が４．１Ｖになるように昇降圧回路１１を制御する。これにより、対応の電池１２の電圧上昇が抑制される。ここでは、電圧が波形Ａ１となる電池１２がタイミングｔ１２において４．１Ｖに達したために電圧上昇が抑制され、電圧が波形Ａ２となる他の電池１２と同じタイミングｔ１３で、各電池１２の電圧が、目標値である４．２Ｖに達している。
【００５６】
そして、制御部１４は、対応の電池１２の電圧が目標値に達すると、対応の昇降圧回路１１におけるスイッチ２２およびスイッチ２３をオフし、充電動作を終了する。
【００５７】
次に、本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作について説明する。以下では、放電動作における電池１２の放電前の電圧を４．２Ｖとし、電池１２の下限値すなわち放電動作を停止すべき電圧値を３．０Ｖとする。
【００５８】
図５は、本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作の一例を示す図である。
【００５９】
図５を参照して、制御部１４は、放電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各昇降圧回路１１を制御することにより、各電池１２の電圧が略等しい状態を保ちながら各電池１２を放電する。そして、制御部１４は、各電池１２の電圧が共通の下限値に達すると放電を停止する。
【００６０】
より詳細には、制御部１４は、タイミングｔ２１において対応の電池１２の放電を開始する。制御部１４は、負荷２０２に供給される電圧のレベルが一定になるように、たとえば電圧測定部１６によって測定される電圧が所定値を保つように、対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００６１】
ここで、制御部１４は、対応の電圧測定部１３の測定結果を参照しながら、各電池１２の電圧が等しくなるように対応の昇降圧回路１１における各スイッチを制御する。
【００６２】
具体的には、たとえば、制御部１４は、他の制御部１４と通信することにより、他の制御部１４に対応する電池１２と同じタイミングで、自己に対応する電池１２の電圧が共通のレベルまで下降するように対応の昇降圧回路１１を制御する。また、各制御部１４は、下限値まで段階的に上記共通のレベルを設定する。
【００６３】
あるいは、制御部１４は、予め設定された所要時間で対応の電池１２の電圧が所定値まで下降するように対応の昇降圧回路１１を制御する。また、制御部１４は、下限値まで段階的に上記所定値を設定する。上記所要時間および所定値については、制御部１４間で共通の値が設定される。この方法では、制御部１４間の通信が不要となる。
【００６４】
そして、制御部１４は、タイミングｔ２２において、対応の電池１２の電圧が下限値に達すると、対応の昇降圧回路１１におけるスイッチ２２およびスイッチ２３をオフし、放電動作を終了する。
【００６５】
図６は、本発明の実施の形態に係る電源装置による放電動作の一例を示す図である。
【００６６】
図６を参照して、制御部１４は、放電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各昇降圧回路１１を制御することにより各電池１２を放電する。そして、制御部１４は、共通の下限値よりも絶対値の大きい所定の閾値に電池１２の電圧が達すると、閾値に達した電池１２の放電が抑制されるように対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００６７】
より詳細には、制御部１４は、タイミングｔ３１において対応の電池１２の放電を開始する。制御部１４は、負荷２０２に供給される電圧のレベルが一定になるように、たとえば電圧測定部１６によって測定される電圧が所定値を保つように、対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００６８】
ここで、制御部１４は、最初は、他の制御部１４に対応する電池１２の電圧を考慮することなく、対応の電池１２を放電する。そして、制御部１４は、対応の電池１２の電圧が、下限値である３．０Ｖより所定値だけ大きい電圧たとえば３．１Ｖに達した状態において、他の制御部１４に対応する電池１２の電圧が３．１Ｖに達していない場合には、対応の電池１２の両端電圧が３．１Ｖになるように昇降圧回路１１を制御する。これにより、対応の電池１２の電圧下降が抑制される。ここでは、電圧が波形Ｂ１となる電池１２がタイミングｔ３２において３．１Ｖに達したために電圧下降が抑制され、電圧が波形Ｂ２となる他の電池１２と同じタイミングｔ３３で、各電池１２の電圧が、下限値である３．０Ｖに達している。
【００６９】
そして、制御部１４は、対応の電池１２の電圧が下限値に達すると、対応の昇降圧回路１１におけるスイッチ２２およびスイッチ２３をオフし、放電動作を終了する。
【００７０】
ところで、電池の直列体を用いる電源装置では、各電池の特性のばらつきにより、充放電性能がいずれかの電池の特性に拘束されるため、各電池を十分に充電することができず、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができない、という問題点がある。このような充電時の問題点を解決するために、たとえば、満充電状態の電池に充電電流が供給されないように充電電流を他の回路へ逃がす構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、損失の発生により充電効率が低下してしまい、また、上述の放電時の問題点を解決することはできない。
【００７１】
これに対して、本発明の実施の形態に係る電源装置では、キャパシタ２１は、電池１２に対応して設けられ、各キャパシタ２１は直列接続されている。昇降圧回路１１は、キャパシタ２１に対応して設けられ、対応のキャパシタ２１から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の電池１２へ出力する充電動作、および対応の電池１２から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応のキャパシタ２１へ出力する放電動作が可能であり、充電動作における出力電圧および放電動作における出力電圧が調整可能である。そして、充電動作において、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端において受けた直流電圧の分圧電圧が各昇降圧回路１１に与えられる。また、放電動作において、各昇降圧回路１１の出力電圧の合成電圧が、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端から出力される。
【００７２】
このような構成により、各電池１２の特性にばらつきがある場合でも、特定の電池の特性に拘束されて充電または放電を停止しなければならなくなることを防ぐことができる。すなわち、各電池１２を十分に充電し、また、放電時において、各電池１２に蓄えられた電力を有効活用することができる。さらに、満充電状態の電池に充電電流が供給されないように充電電流を他の回路へ逃がす必要が無くなり、損失の発生による充電効率の低下を防ぐことができる。
【００７３】
したがって、本発明の実施の形態に係る電源装置では、複数の電池を用いて充放電を行なうとともに、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ放電時における各電池の電力の有効活用を図ることができる。
【００７４】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、制御部１４は、充電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各電池１２の電圧が略等しい状態を保ちながら、各電池１２の電圧が共通の目標値に達するように各昇降圧回路１１を制御する。
【００７５】
このような構成により、各電池１２の電圧を均一に変化させることができるため、充電効率を向上させることができる。
【００７６】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、制御部１４は、充電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、目標値に達する前の所定の閾値に電池１２の電圧が達すると、所定の閾値に達した電池１２の電圧の目標値への到達が抑制されるように対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００７７】
このような構成により、各電池１２の電圧を把握して昇降圧回路１１を制御する必要が無くなるため、たとえば、電池１２ごとに安価なＣＰＵ（Central Processing Unit）を制御部として設けた構成において、これらのＣＰＵ間で電池１２の電圧情報をやり取りする必要が無くなり、構成および処理の簡易化を図ることができる。
【００７８】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、制御部１４は、放電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各昇降圧回路１１を制御することにより、各電池１２の電圧が略等しい状態を保ちながら各電池１２を放電する。そして、制御部１４は、各電池１２の電圧が共通の下限値に達すると放電を停止する。
【００７９】
このような構成により、各電池１２の電圧を均一に変化させることができるため、放電効率を向上させることができる。
【００８０】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、制御部１４は、放電動作において、各電圧測定部１３の測定結果に基づいて、各昇降圧回路１１を制御することにより各電池１２を放電する。そして、制御部１４は、共通の下限値よりも絶対値の大きい所定の閾値に電池１２の電圧が達すると、閾値に達した電池１２の放電が抑制されるように対応の昇降圧回路１１を制御する。
【００８１】
このような構成により、各電池１２の電圧を把握して昇降圧回路１１を制御する必要が無くなるため、たとえば、電池１２ごとに安価なＣＰＵを制御部として設けた構成において、これらのＣＰＵ間で電池１２の電圧情報をやり取りする必要が無くなり、構成および処理の簡易化を図ることができる。
【００８２】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、昇降圧回路１１は、対応の電池１２に並列接続されたキャパシタ２５を含む。
【００８３】
このような構成により、電池１２を安定化させ、充電動作および放電動作をより良好に行なうことができる。
【００８４】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、昇降圧回路１１において、スイッチ２２は、キャパシタ２１の第１端に電気的に接続された第１端と、第２端とを有する。スイッチ２３は、スイッチ２２の第２端に電気的に接続された第１端と、キャパシタ２１の第２端に電気的に接続された第２端とを有する。インダクタ２４は、スイッチ２２の第２端に電気的に接続された第１端と、電池１２の第１端に電気的に接続された第２端とを有する。スイッチ２３の第２端および電池１２の第２端が電気的に接続されている。
【００８５】
このような構成により、昇降圧回路において、電池１２側の回路とキャパシタ２１側の回路とを絶縁するためのトランス等を設けることなく、簡易な構成で昇降圧回路を実現することができる。
【００８６】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、直列接続された複数のキャパシタ２１の両端間に接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は、充電動作において、受けた交流電圧を直流電圧に変換して複数のキャパシタ２１の両端へ出力し、放電動作において、複数のキャパシタ２１の両端から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷２０２へ出力する。
【００８７】
このような構成により、交流電源２０１から供給される交流電圧を直流電圧に変換して各電池１２を充電し、また、各電池１２の出力電圧を交流電圧に変換して負荷２０２に供給することができる。
【００８８】
なお、本発明の実施の形態に係る電源装置は、電圧測定部１３および制御部１４を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。電源装置１０１の外部に電圧測定部１３および制御部１４が設けられる構成であってもよい。
【００８９】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。ＡＣ／ＤＣコンバータ１５を備えない構成であっても、外部から供給される直流電圧に基づいて各電池１２を充電し、かつ各電池１２を放電して直流電圧を外部に供給することが可能である。
【００９０】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置では、電池１２の電圧は正電圧であるとしたが、これに限定するものではなく、電池１２の電圧は負電圧であってもよい。
【００９１】
また、本発明の実施の形態に係る電源装置において、「インダクタ」は、リアクトルのような大型の部品も含むものとする。
【００９２】
上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９３】
１１ 昇降圧回路
１２ 電池
１３ 電圧測定部
１４ 制御部
１５ ＡＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換回路）
１６ 電圧測定部
２１，２５ キャパシタ
２２，２３ スイッチ
２４ インダクタ
１０１ 電源装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池と、
前記電池に対応して設けられ、直列接続された複数のキャパシタと、
前記キャパシタに対応して設けられ、対応の前記キャパシタから受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の前記電池へ出力する充電動作、および対応の前記電池から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の前記キャパシタへ出力する放電動作が可能であり、前記充電動作における出力電圧および前記放電動作における出力電圧を調整可能な複数の昇降圧回路とを備え、
前記充電動作において、直列接続された前記複数のキャパシタの両端において受けた直流電圧の分圧電圧が各前記昇降圧回路に与えられ、
前記放電動作において、前記各昇降圧回路の出力電圧の合成電圧が前記両端から出力される、電源装置。
【請求項２】
前記電源装置は、さらに、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された前記電池の電圧に基づいて、対応の前記昇降圧回路を制御することにより、前記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記充電動作において、各前記電圧測定部の測定結果に基づいて、前記複数の電池の電圧が略等しい状態を保ちながら、前記複数の電池の電圧が共通の目標値に達するように前記各昇降圧回路を制御する、請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記電源装置は、さらに、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された前記電池の電圧に基づいて、対応の前記昇降圧回路を制御することにより、前記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記充電動作において、各前記電圧測定部の測定結果に基づいて、目標値に達する前の所定の閾値に前記電池の電圧が達すると、前記所定の閾値に達した前記電池の電圧の前記目標値への到達が抑制されるように対応の前記昇降圧回路を制御する、請求項１に記載の電源装置。
【請求項４】
前記電源装置は、さらに、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された前記電池の電圧に基づいて、対応の前記昇降圧回路を制御することにより、前記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記放電動作において、各前記電圧測定部の測定結果に基づいて、前記各昇降圧回路を制御することにより、前記複数の電池の電圧が略等しい状態を保ちながら前記複数の電池を放電し、前記複数の電池の電圧が共通の下限値に達すると前記放電を停止する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項５】
前記電源装置は、さらに、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された前記電池の電圧に基づいて、対応の前記昇降圧回路を制御することにより、前記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記放電動作において、各前記電圧測定部の測定結果に基づいて、前記各昇降圧回路を制御することにより前記複数の電池を放電し、共通の下限値よりも絶対値の大きい所定の閾値に前記電池の電圧が達すると、前記閾値に達した前記電池の放電が抑制されるように対応の前記昇降圧回路を制御する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項６】
前記昇降圧回路は、対応の前記電池に並列接続されたキャパシタを含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項７】
前記キャパシタは、第１端および第２端を有し、
前記昇降圧回路は、
前記キャパシタの第１端に電気的に接続された第１端と、第２端とを有する第１のスイッチと、
前記第１のスイッチの第２端に電気的に接続された第１端と、前記キャパシタの第２端に電気的に接続された第２端とを有する第２のスイッチと、
前記第１のスイッチの第２端に電気的に接続された第１端と、前記電池の第１端に電気的に接続された第２端とを有するインダクタとを含み、
前記第２のスイッチの第２端および前記電池の第２端が電気的に接続されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項８】
前記電源装置は、さらに、
直列接続された前記複数のキャパシタの両端間に接続され、前記充電動作において、受けた交流電圧を直流電圧に変換して前記複数のキャパシタの両端へ出力し、前記放電動作において、前記複数のキャパシタの両端から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷へ出力するための電圧変換回路を備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項１】
複数の電池と、
前記電池に対応して設けられ、直列接続された複数のキャパシタと、
前記キャパシタに対応して設けられ、対応の前記キャパシタから受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の前記電池へ出力する充電動作、および対応の前記電池から受けた直流電圧を昇圧または降圧して対応の前記キャパシタへ出力する放電動作が可能であり、前記充電動作における出力電圧および前記放電動作における出力電圧を調整可能な複数の昇降圧回路とを備え、
前記充電動作において、直列接続された前記複数のキャパシタの両端において受けた直流電圧の分圧電圧が各前記昇降圧回路に与えられ、
前記放電動作において、前記各昇降圧回路の出力電圧の合成電圧が前記両端から出力される、電源装置。
【請求項２】
前記電源装置は、さらに、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された前記電池の電圧に基づいて、対応の前記昇降圧回路を制御することにより、前記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記充電動作において、各前記電圧測定部の測定結果に基づいて、前記複数の電池の電圧が略等しい状態を保ちながら、前記複数の電池の電圧が共通の目標値に達するように前記各昇降圧回路を制御する、請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記電源装置は、さらに、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された前記電池の電圧に基づいて、対応の前記昇降圧回路を制御することにより、前記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記充電動作において、各前記電圧測定部の測定結果に基づいて、目標値に達する前の所定の閾値に前記電池の電圧が達すると、前記所定の閾値に達した前記電池の電圧の前記目標値への到達が抑制されるように対応の前記昇降圧回路を制御する、請求項１に記載の電源装置。
【請求項４】
前記電源装置は、さらに、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された前記電池の電圧に基づいて、対応の前記昇降圧回路を制御することにより、前記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記放電動作において、各前記電圧測定部の測定結果に基づいて、前記各昇降圧回路を制御することにより、前記複数の電池の電圧が略等しい状態を保ちながら前記複数の電池を放電し、前記複数の電池の電圧が共通の下限値に達すると前記放電を停止する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項５】
前記電源装置は、さらに、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池の電圧を測定するための複数の電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された前記電池の電圧に基づいて、対応の前記昇降圧回路を制御することにより、前記昇降圧回路の出力電圧を調整するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記放電動作において、各前記電圧測定部の測定結果に基づいて、前記各昇降圧回路を制御することにより前記複数の電池を放電し、共通の下限値よりも絶対値の大きい所定の閾値に前記電池の電圧が達すると、前記閾値に達した前記電池の放電が抑制されるように対応の前記昇降圧回路を制御する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項６】
前記昇降圧回路は、対応の前記電池に並列接続されたキャパシタを含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項７】
前記キャパシタは、第１端および第２端を有し、
前記昇降圧回路は、
前記キャパシタの第１端に電気的に接続された第１端と、第２端とを有する第１のスイッチと、
前記第１のスイッチの第２端に電気的に接続された第１端と、前記キャパシタの第２端に電気的に接続された第２端とを有する第２のスイッチと、
前記第１のスイッチの第２端に電気的に接続された第１端と、前記電池の第１端に電気的に接続された第２端とを有するインダクタとを含み、
前記第２のスイッチの第２端および前記電池の第２端が電気的に接続されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項８】
前記電源装置は、さらに、
直列接続された前記複数のキャパシタの両端間に接続され、前記充電動作において、受けた交流電圧を直流電圧に変換して前記複数のキャパシタの両端へ出力し、前記放電動作において、前記複数のキャパシタの両端から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷へ出力するための電圧変換回路を備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−９９０９３（Ｐ２０１３−９９０９３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３９２８７（Ｐ２０１１−２３９２８７）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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