特許 6207196 直流電源システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6207196

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】直流電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/34 20060101AFI20170925BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20170925BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20170925BHJP

   H02J 3/32 20060101ALI20170925BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/34 E

   H02J7/00 H

   H02J7/34 G

   H02J9/06

   H02J3/32

   H01M10/44 P

【請求項の数】7

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2013-69078(P2013-69078)

(22)【出願日】2013年3月28日

(65)【公開番号】特開2014-193077(P2014-193077A)

(43)【公開日】2014年10月6日

【審査請求日】2016年1月6日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】593063161

【氏名又は名称】株式会社ＮＴＴファシリティーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100126561

【弁理士】

【氏名又は名称】原嶋 成時郎

(72)【発明者】

【氏名】辻川 知伸

(72)【発明者】

【氏名】松島 敏雄

【審査官】 緑川 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−１８４３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５５７８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １０／４２−１０／４８

Ｈ０２Ｊ １／００−７／１２

７／３４−１１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

商用電源から電力が供給される直流電源からの直流電力が供給される直流負荷と、前記直流電源からの直流電力によって充電される蓄電池とが並列に接続された直流電源システムであって、
前記直流電源の出力電圧には、前記蓄電池の充電および前記直流負荷への給電を行うための第一の電圧値と、前記第一の電圧値よりも低く設定され前記蓄電池の前記直流負荷への放電を可能とする第二の電圧値が有り、前記第二の電圧値は予め設定された所定の時間帯に対して設定され、前記蓄電池の放電特性および所望の放電量に対応する値であり、前記蓄電池の容量は、前記所定の時間帯の放電で使用される容量と停電時における前記直流負荷のバックアップに対応する容量とを合計したものとなっている、ことを特徴とする直流電源システム。

【請求項2】

前記直流電源には、前記直流負荷へ供給される電力を計測する第一の電力監視手段からの信号および前記蓄電池に対して出入りする電力を計測する第二の電力監視手段からの信号に基づき、前記直流電源の出力電圧を調整する制御部が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電源システム。

【請求項3】

前記第二の電圧値は、前記蓄電池の使用環境温度に対応して調整可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の直流電源システム。

【請求項4】

前記第二の電圧値は、前記蓄電池の劣化度に対応して調整可能であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の直流電源システム。

【請求項5】

前記直流電源と前記蓄電池とを接続する回路には、再生可能エネルギーを利用して発電された直流電力が供給可能であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の直流電源システム。

【請求項6】

前記所定の時間帯は、深夜電力料金が適用される時間帯に至るまであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の直流電源システム。

【請求項7】

前記蓄電池は、リチウムイオン二次電池から構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の直流電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、バックアップ用蓄電池を使用して深夜電力や再生可能エネルギーによる電力を有効利用することが可能な直流電源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

通信装置などへ電力を供給する電力供給システムにおいては、停電時における負荷のバックアップのための蓄電装置が必須であり、また電力負荷の平準化による省エネルギーの実現も要求される。そこで、停電時のバックアップを行うと同時に、空調などの負荷の平準化を行うことが可能な交流給電と直流給電とを併用した電力供給システムが提案されている（例えば特許文献１参照。）。

【0003】

従来から採用されている交流給電方式は、通信機器などの交流負荷に給電するまでに複数回の電力変換を行う必要があり、電力ロスが多くなるという問題がある。そこで、近年では、負荷を直流で動作する機器とした直流給電システムが導入されている。直流給電システムにおいては、通信機器などの負荷が直流機器から構成されているので、電力会社から供給される交流電力を整流器などの電力変換装置で直流に変換するだけでよく、電力ロスを小に抑えることができる。

【0004】

図２０ないし図２２は、バックアップ用蓄電池の有効利用を図るための直流電源システムの一例を示している。図２０に示すように、この直流電源システムは、スイッチ７の切替え動作により二つの蓄電池３、５を切替えて使用するものであり、電力会社側の商用電源１からの交流電力は整流器などのＤＣ電源２を介して直流電力に変換され、この変換された直流電力は一方のバックアップ用蓄電池３を充電するとともに、ＤＣ負荷４に供給される。また、他方のサイクル使用の蓄電池５は、専用充電器６を介して深夜時間帯に充電され、昼間の時間帯にＤＣ負荷４に向けて電力を供給するようになっている。

【0005】

図２１の直流電源システムでは、所定の時間帯にＤＣ電源２の出力を強制的に停止させることにより、バックアップ用蓄電池３からＤＣ負荷４に向けて電力を供給し、バックアップ用蓄電池３の有効利用を図るようにしている。図２２の直流電源システムでは、ＤＣ電源２の出力部に切り離しスイッチ８を設け、切り離しスイッチ８によってＤＣ電源２とバックアップ用蓄電池３を電気的に切り離すことにより、バックアップ用蓄電池３からＤＣ負荷４に向けて電力を供給し、バックアップ用蓄電池３の有効利用を図るようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第３６９５６４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上述した図２０ないし図２２の直流電源システムは、つぎの問題を有しており、実用化には多くの課題がある。

【0008】

図２０の直流電源システムでは、サイクル使用に相当する蓄電池５の容量が大きくなるという問題がある。すなわち、サイクル使用の蓄電池５の寿命を伸ばす目的で蓄電池５の放電深度を下げようとすると、大きな容量の蓄電池が必要となり、システムのコストが増加する。また、専用充電器６が必要となるのでシステムが煩雑になる。さらに、回路切替え用のスイッチ７を使用しなければならないので、システムの信頼性が低下する。

【0009】

図２１の直流電源システムでは、ＤＣ電源２の出力を停止するので、システム運用時の信頼性が低下するという問題がある。また、バックアップ用の蓄電池３の放電電気量の制御が不正確であり、蓄電池３の突発故障が起きた際に、復旧時に給電電圧の低下などのトラブルが懸念される。

【0010】

図２２の直流電源システムでは、直流電力をＤＣ負荷４に供給する電源ラインに切り離しスイッチ８が設けられるので、ＤＣ電源２からの電力供給が停止され、図２１の直流電源システムと同様なトラブルが懸念される。

【0011】

そこでこの発明は、停電時における直流負荷に対するバックアップの信頼性を高く維持しつつ、バックアップのための蓄電池を有効利用することが可能な直流電源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】

【0012】

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、商用電源から電力が供給される直流電源からの直流電力が供給される直流負荷と、前記直流電源からの直流電力によって充電される蓄電池とが並列に接続された直流電源システムであって、前記直流電源の出力電圧には、前記蓄電池の充電および前記直流負荷への給電を行うための第一の電圧値と、前記第一の電圧値よりも低く設定され前記蓄電池の前記直流負荷への放電を可能とする第二の電圧値が有り、前記第二の電圧値は予め設定された所定の時間帯に対して設定され、前記蓄電池の容量は、前記所定の時間帯の放電で使用される容量と停電時における前記直流負荷のバックアップに対応する容量とを合計したものとなっている、ことを特徴とする直流電源システムである。

【0013】

この発明によれば、直流電源の出力電圧を第一の電圧値から第二の電圧値に低下させることにより、蓄電池の電圧が直流電源の出力電圧よりも高い状態となり、直流負荷には蓄電池の放電による直流電力のみが供給される。蓄電池からの直流負荷への電力供給は、予め設定された所定の時間帯に行われ、所定の時間帯の経過後には、直流電源の出力電圧が第一の電圧値まで復帰し、直流電源による蓄電池の充電と直流負荷への給電が再び開始される。

【0014】

請求項１に記載の発明は、前記直流電源の前記第二の電圧値は、前記蓄電池の放電特性および所望の放電量に対応する値であることを特徴としている。

【0015】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直流電源システムにおいて、前記直流電源には、前記直流負荷へ供給される電力を計測する第一の電力監視手段からの信号および前記蓄電池に対して出入りする電力を計測する第二の電力監視手段からの信号に基づき、前記直流電源の出力電圧を調整する制御部が接続されていることを特徴としている。

【0016】

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の直流電源システムにおいて、前記第二の電圧値は、前記蓄電池の使用環境温度に対応して調整可能であることを特徴としている。

【0017】

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の直流電源システムにおいて、前記第二の電圧値は、前記蓄電池の劣化度に対応して調整可能であることを特徴としている。

【0018】

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の直流電源システムにおいて、前記直流電源と前記蓄電池とを接続する回路には、再生可能エネルギーを利用して発電された直流電力が供給可能であることを特徴としている。

【0019】

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の直流電源システムにおいて、前記所定の時間帯は、深夜電力料金が適用される時間帯に至るまであることを特徴としている。

【0020】

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の直流電源システムにおいて、前記蓄電池は、リチウムイオン二次電池から構成されていることを特徴としている。

【発明の効果】

【0021】

請求項１に記載の発明によれば、予め設定された所定の時間帯に蓄電池を充電するための出力電圧よりも出力電圧を低下させることにより、蓄電池から直流負荷への放電が可能となるので、バックアップのための蓄電池を有効利用することができ、電力負荷の平準化を図ることができる。また、バックアップ用の蓄電池とサイクル用の蓄電池の二組の蓄電池を用いることが不要となるので、バックアップ用の蓄電池とサイクル用の蓄電池をそれぞれ用いるシステムに比べて、システム全体の蓄電池の容量を少なくすることが可能となり、直流電源システムのコストを低減することができる。さらに、スイッチによる直流電源と蓄電池との切り離しを必要としないので、直流電源システムの信頼性を高めることができる。

【0022】

請求項１に記載の発明によれば、直流電源の第二の電圧値は、蓄電池の放電特性および所望の放電量に対応する値であるので、蓄電池の過剰の放電を防止することができ、しかも不測の停電発生に際しても直流負荷に対する十分なバックアップが可能となる。

【0023】

請求項２に記載の発明によれば、直流負荷へ供給される電力を計測する第一の電力監視手段からの信号および蓄電池に対して出入りする電力を計測する第二の電力監視手段からの信号に基づき、直流電源の出力電圧を調整することが可能となり、蓄電池の充電と直流負荷への電力供給を最適化することができる。

【0024】

請求項３に記載の発明によれば、第二の電圧値は、蓄電池の周囲温度に対応して調整することが可能であるので、使用環境温度によって変化する蓄電池の放電特性を考慮して第一の電圧値と第二の電圧値を調整することができ、蓄電池のバックアップ放電量またはサイクル放電量を確保することができる。

【0025】

請求項４に記載の発明によれば、第二の電圧値は、蓄電池の劣化度に対応して調整することが可能であるので、劣化が進行した蓄電池の放電特性を考慮して第一の電圧値と第二の電圧値を調整することができ、蓄電池のサイクル放電量を確保することができる。

【0026】

請求項５に記載の発明によれば、直流電源と蓄電池とを接続する回路には、再生可能エネルギーを利用して発電された直流電力が供給可能であるので、例えば太陽光による電力や風力などによる電力も利用可能となり、地球環境の改善に寄与することができる。

【0027】

請求項６に記載の発明によれば、所定の時間帯は、深夜電力料金が適用される時間帯に至るまでとしているので、料金の安価な電力を蓄電池の充電に利用することができ、直流電源システムの運用コストを低減することができる。

【0028】

請求項７に記載の発明によれば、蓄電池はリチウムイオン二次電池から構成されているので、蓄電池のエネルギー密度を高めることができ、蓄電池の小型化によって設置スペースが制限される場所での使用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】この発明の実施の形態１に係る直流電源システムの概略構成図であり、図１（ａ）はフロート充電時の状態を示し、図１（ｂ）はＤＣ電源の出力電圧を低下させた時の状態を示し、図１（ｃ）はフロート充電に復帰させた直後の状態を示した図である。

【図2】図１の直流電源システムにおけるＤＣ電源の出力電圧の調整を行うための全体制御ブロック図である。

【図3】図１の直流電源システムにおけるＤＣ電源の出力電圧の制御を行う制御部の機能を示すブロック図である。

【図4】図１の直流電源システムにおけるＤＣ電源の出力電圧低下の設定と蓄電池の動作状況を示す特性図である。

【図5】図１の直流電源システムにおけるＤＣ電源の出力電圧低下値の選定法を示す特性図である。

【図6】図１の直流電源システムにおける蓄電池から直流負荷への放電量とＤＣ電源の出力電圧低下値の関係を示す特性図である。

【図7】図１の直流電源システムにおける蓄電池から直流負荷への放電量とＤＣ電源の出力電圧低下値の関係を数値で示した特性図である。

【図8】図１の直流電源システムにおけるＤＣ電源の出力低下時の蓄電池放電とその後の充電状況を示す特性図である。

【図9】この発明におけるＤＣ電源の出力電流等によって蓄電池の充電状況（完全充電、充電不足）を判定しＤＣ電源の出力電圧低下の制御を行うための特性図である。

【図10】この発明におけるＤＣ電源の出力電圧低下時の蓄電池放電特性から蓄電池の劣化状態を推定する特性図である。

【図11】この発明における蓄電池の劣化状態と放電特性との関係を示す特性図である。

【図12】この発明における蓄電池の使用環境温度とＤＣ電源の出力電圧との関係を示す特性図である。

【図13】図１２における蓄電池の使用環境温度とＤＣ電源の出力電圧との関係を数値で示した特性図である。

【図14】この発明における蓄電池の劣化時におけるサイクル放電量とＤＣ電源における出力電圧との関係を示す特性図である。

【図15】この発明における蓄電池の劣化時におけるバックアップ放電量とＤＣ電源における出力電圧との関係を示す特性図である。

【図16】この発明におけるＤＣ電源の出力電圧の設定範囲を示す特性図である。

【図17】この発明の実施の形態２に係る直流電源システムの概略構成図であり、図１の直流電源システムにおけるＤＣ電源に太陽電池を併設した例を示す概略構成図である。

【図18】図１７の直流電源システムにおける電力供給の手順を示す特性図である。

【図19】図１７の直流電源システムにおける電力供給の手順の具体例を示す特性図である。

【図20】バックアップ用蓄電池を有効利用することが可能な直流電源システムの一例を示す概略構成図である。

【図21】バックアップ用蓄電池を有効利用することが可能な直流電源システムの別の例を示す概略構成図である。

【図22】バックアップ用蓄電池を有効利用することが可能な直流電源システムのさらに別の例を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

つぎに、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

【0031】

（実施の形態１）
図１ないし図１６は、この実施の形態１に係る直流電源システム１０を示している。直流電源システム１０は、直流電源（ＤＣ電源）１２と、蓄電池１３と、直流負荷（ＤＣ負荷）１４とを有している。ＤＣ電源１２には、商用電源１１からの交流電力が供給されている。ＤＣ電源１２は、交流電力を直流電力に変換する整流器（ＲＦ）から構成されている。ＤＣ電源１２の出力側には、蓄電池１３とＤＣ負荷１４が並列に接続されている。

【0032】

蓄電池１３は、単電池（セル）１３ａとしてのリチウムイオン二次電池を複数直列に接続した組電池から構成されている。この実施の形態１においては、蓄電池１３は、単電池１３ａが直列に１２個接続された電池群が並列に接続された比較的大きな容量の蓄電池から構成されている。これにより、蓄電池１３は、電力平準化のための電力供給および停電時のバックアップの双方に対応可能となっている。蓄電池１３は、各セルの充電バランスを調整するための組電池管理装置（図示略）によって管理されている。

【0033】

蓄電池１３は、停電発生時および後述するＤＣ電源１２による強制的な電圧低下操作を除き、通常はフロート充電（浮動充電）で運用されている。この実施の形態１における直流電源システム１０では、ＤＣ電源１２による蓄電池１３のフロート充電時の出力電圧は、４９．２Ｖに設定されており、ＤＣ負荷１４へ供給可能な負荷電流は、例えば１０〜１００Ａに設定されている。また、蓄電池１３の放電によるＤＣ負荷１４のバックアップ時間は、例えば１０〜３０時間に設定されている。

【0034】

ＤＣ負荷１４は、例えば通信機器から構成されている。ＤＣ負荷１４は、例えばＤＣ電源１２または蓄電池１３から供給される直流電力の電圧を所望の電圧に制御するＤＣ−ＤＣコンバータ（図示略）を有している。ＤＣ負荷１４は、図１（ａ）に示すように、蓄電池１３がＤＣ電源１２によってフロート充電されている状態では、同じＤＣ電源１２からの直流電力の供給によって動作している。ＤＣ負荷１４は、ＤＣ電源１２または蓄電池１３から供給される直流電力の電圧変動を考慮した仕様であれば、供給電圧が一定範囲で変動しても正常に動作するので、とくにＤＣ−ＤＣコンバータを必要としない。

【0035】

ＤＣ電源１２は、予め設定された所定の時間帯に限り、「出力電圧の設定値」（以下、単に「出力電圧」と略記）を、蓄電池１３をフロート充電するための出力電圧よりも出力電圧を低下させることにより蓄電池１３からＤＣ負荷１４への放電を可能にし、所定の時間帯の経過後には低下させた出力電圧を蓄電池１３のフロート充電をするための出力電圧に復帰させることにより蓄電池１３の回復充電を行う機能を有している。すなわち、ＤＣ電源１２は、交流電力を直流電力に変換する整流器の機能に加え、蓄電池１３の充電および放電を自動で行うための充放電制御機能を有している。ＤＣ電源１２には、蓄電池１３の充放電制御を行うための制御部１２３が接続されており、蓄電池１３の充放電制御は、制御部１２３に予め入力されたプログラムに基づいて行われるようになっている。

【0036】

図２は、図１の直流電源システム１０におけるＤＣ電源１２の出力電圧の調整を行うための全体制御のブロック図を示している。ＤＣ電源１２には、ＤＣ負荷１４へ供給される電力を計測する第一の監視手段１２１からの信号および蓄電池１３に対して出入りする電力を計測する第二の電力監視手段１２２からの信号に基づき、ＤＣ電源１２の出力電圧を調整する制御部１２３が接続されている。

【0037】

第一の電力監視手段１２１は、負荷電流計測手段１２１ａとシステム電圧計測手段１２１ｂを有している。負荷電流計測手段１２１ａは、ＤＣ電源１２または蓄電池１３からＤＣ負荷１４に供給される直流電力の電流を計測する機能を有している。システム電圧計測手段１２１ｂは、ＤＣ電源１２または蓄電池１３からＤＣ負荷１４に供給される直流電力の電圧を計測する機能を有している。

【0038】

第二の電力監視手段１２２は、組電池電流計測手段１２２ａと、組電池電圧計測手段１２２ｂと、組電池温度計測手段１２２ｃを有している。組電池電流計測手段１２２ａは、蓄電池１３に対して出入りする直流電力の電流を計測する機能を有している。組電池電圧計測手段１２２ｂは、蓄電池１３に対して出入りする直流電力の電圧を計測する機能を有している。組電池温度計測手段１２２ｃは、例えば蓄電池１３の使用環境温度（周囲温度）から間接的に蓄電池１３の温度を計測する機能を有している。

【0039】

第一の電力監視手段１２１からの信号と第二の電力監視手段１２２からの信号は、それぞれ制御部１２３に入力されている。図３に示すように、制御部１２３は、測定データ入力部１２３ａと、演算部１２３ｂと、整流器電圧制御部１２３ｃと、電池データ記憶部１２３ｄと、電池データ・測定条件設定値入力部１２３ｅと、表示部１２３ｆと、電源部１２３ｇを有している。演算部１２３ｂは、測定データ入力部１２３ａおよび電池データ記憶部１２３ｄなどから送られてくる信号に基づき、整流器電圧制御部１２３ｃを制御する機能を有している。整流器電圧制御部１２３ｃは、演算部１２３ｂからの信号に基づき、整流器電圧制御信号ＳをＤＣ電源１２に出力する機能を有している。

【0040】

図４は、ＤＣ電源１２に入力されているプログラムに基づくＤＣ電源１２の出力電圧の制御、蓄電池１３に対する充放電制御、およびＤＣ負荷１４に対する電力供給制御の手順および特性を示している。図４に示すように、０時から６時までは、ＤＣ電源１２は通常の出力電圧であるフロート充電電圧Ｖｆ（第一の電圧値）で蓄電池１３をフロート充電している。そして、６時から１８時の間では、ＤＣ電源１２は出力電圧を低下させた状態を保つことになり、その電圧低下時の出力電圧Ｖ（第二の電圧値）は、「Ｖ＝Ｖｒｆ−ｄ」に設定されている。蓄電池１３の放電は、６時から１６時の時間帯に行われる。ＤＣ電源１２は、１６時から１８時の時間帯には、ＤＣ負荷１４および蓄電池１３への電力供給が可能となっている。１８時から２４時の間では、ＤＣ電源１２は出力電圧をフロート充電電圧Ｖｆまで復帰させ、ＤＣ負荷１４への電力供給および蓄電池１３のフロート充電を再び行うようになっている。

【0041】

図５は、ＤＣ電源１２における出力電圧と蓄電池１３の容量との関係を示している。この直流電源システム１０における蓄電池１３の容量は、昼間の放電で使用される容量ＡとＤＣ負荷１４のバックアップに対応する容量Ｂとを合計したものである。この実施の形態１では、ＤＣ電源１２におけるフロート充電時の出力電圧は４９．２Ｖ（単電池電圧４．１Ｖ）に設定されており、電圧低下時の出力電圧は４５．６Ｖ（単電池電圧３．８Ｖ）に設定されている。また、ＤＣ電源１２の電圧低下時間は、１２時間に設定されている。図５の上側の特性は、ＤＣ負荷１４が消費する電流における、定電流放電電圧特性を示している。最近のデジタル機器系の負荷では、負荷電流はほぼ一定であることから、この実施の形態１では、負荷電流は運用中一定としている。フロート充電状態で単電池１３ａは、４．１Ｖ／セルで完全充電状態にあり、完全充電状態から一定電流で放電させると、図５の上側の特性となる。

【0042】

図５の特性に従ってＤＣ電源１２の出力電圧を低下させると、単電池１３ａの放電が開始される。しかし、単電池１３ａの放電が進み、単電池１３ａの電圧がＤＣ電源１２の低下した出力電圧に対応する値まで低下すると、単電池１３ａの放電はそれ以上進まない。図５の上側の特性に示すように、電池容量の５０％に相当する時点の電池電圧が３．８Ｖ／セルとすると、ＤＣ電源１２の出力電圧をこの「３．８Ｖ／セル相当値」としておけば、電池電圧がここまで低下すると、単電池１３ａの放電は自動的に停止する。そして、その後は、ＤＣ電源１２から電力が供給される。１２個組電池の場合、「４．１Ｖ／セル」、「３．８Ｖ／セル」に相当するＤＣ電源１２の出力は、それぞれ、４．１Ｖ×１２＝４９．２Ｖ、３．８×１２＝４５．６Ｖであるので、「４９．２Ｖでフロート充電中のＤＣ電源１２の出力電圧を４５．６Ｖまで低下」させれば、図５の上側の特性に示すように、単電池１３ａの放電は「５０％」まで進んで停止する。

【0043】

図６および図７は、蓄電池１３を構成する新品の単電池１３ａにおける放電量（放電深度）と電圧との関係を示している。図６および図７に示すように、単電池１３ａの放電量が増加するにつれて単電池１３ａの電圧が低下することがわかる。例えば、放電量２０％においては単電池１３ａの電圧は４．０Ｖであり、放電量５０％においては単電池１３ａの電圧は３．８Ｖとなる。蓄電池１３の放電量の調整において、放電量の減少の場合、放電特性に基づき「高い電圧の選定」、また放電量の増加の場合、「低い電圧の選定」を行う。このように、放電量を変える場合、使用するリチウムイオン二次電池からなる単電池の放電特性に基づいて、希望する放電量（％）に対応した「電圧値」を選定し、これを「ＤＣ電源１２の電圧低下時の設定値」としてシステムに入力すればよい。

【0044】

つぎに、この直流電源システム１０における蓄電池１３の容量算出について説明する。

【0045】

下記は、容量算出の条件の一例を示している。
（１）電池種類：リチウムイオン二次電池
（２）負荷電流：２０Ａ（常時一定）
（３）負荷バックアップ時間：１０時間（ｈ）
（４）昼間のサイクル放電時間：１０ｈ（負荷電流２０Ａ）

【0046】

蓄電池１３の容量算出
（１）昼間のサイクル放電量
２０Ａ×１０ｈ＝２００Ａｈ
（２）バックアップ用の放電量
２０Ａ×１０ｈ＝２００Ａｈ

【0047】

したがって、この直流電源システム１０では、昼間の放電量とバックアップ用の放電量を合計した「４００Ａｈ」の蓄電池が設置される。単なるバックアップ用のみの場合は、「２００Ａｈ」の電池のみが設置されるが、この直流電源システム１０において、使用電池の容量は、「サイクル放電量＋バックアップ放電量」で４００Ａｈとなり、図６に示すように、放電深度は「５０％」になる。

【0048】

一方、同様の目的で、「サイクル用の専用電池」を設置すると、放電深度は１００％になり、電池寿命が低下する。蓄電池の寿命延長の一つの手段として、電池容量を増加させる方法があるが、そうすると、この発明の直流電源システム１０の蓄電池１３よりも電池全体の容量が増加することになり、また専用充電器の追加によりシステムの構成も複雑となる（図２０参照）。

【0049】

図２０の直流電源システムについて、この発明の直流電源システム１０と同じ条件で蓄電池の容量を試算するとつぎのようになる。

【0050】

バックアップ用：２００Ａｈ
サイクル専用：事例Ａ：２００Ａｈ（放電深度：１００％）
事例Ｂ：４００Ａｈ（放電深度：５０％ 本発明と同じ）

【0051】

このように、バックアップ用電池と事例Ａの電池を合計した容量は４００Ａｈとなり、本願と同じ容量になるが、これでは、放電深度が１００％であるためサイクル専用電池の寿命が低下する。そこで、放電深度を低下させることになり、放電深度を５０％として選定される事例Ｂの４００Ａｈの電池を使用すると２００Ａｈのバックアップ用電池と合わせて総容量は６００Ａｈとなる。この結果、放電深度は本発明と同じになるが、電池容量は１．５倍に増加することになる。

【0052】

図８は、この直流電源システム１０におけるＤＣ電源１２の出力電圧低下時の電池放電とその後の回復充電時の特性および図４の電流の流れに対応する特性を示している。図８に示すように、６時から１６時までの間は蓄電池１３の放電のみによりＤＣ負荷１４への直流電力の供給が行われる。また、１６時から１８時の間では、ＤＣ負荷１４および蓄電池１３への電力供給が可能となっている。これにより、蓄電池１３の単電池１３ａの電圧が１６時から徐々に上昇するようになっている。そして、１８時からはＤＣ電源１２の出力電圧が４９．２Ｖに復帰し、これにより蓄電池１３のフロート充電が再び開始されるようになっている。図８における１８時からの蓄電池１３の充電は、ＤＣ電源１２による定電流定電圧充電によって行われる。

【0053】

図９は、直流電源システム１０におけるＤＣ電源の出力電流等によって電池の充電状況（完全充電、充電不足）を判定するための特性を示している。

【0054】

蓄電池の充電状況（完全充電、充電不足）が判定された場合の制御は下記になる。

【0055】

実施条件と実施内容
（１）放電量≦充電量 放電時間Ｔｄはそのままとする。
（２）放電量＞充電量 放電時間Ｔｄを短縮する。例：１０ｈ→８ｈ

【0056】

必要性
（１）日射量が少ない期間に電池放電量の増加（充電回復が少ない期間）
（２）放電時間Ｔｂが長い状態
（３）負荷電流が当初の見込みよりも増加した場合

【0057】

実施単位
（１）日単位ではなく、１週間単位等で計測し、実施する。

【0058】

図１０および図１１は、この発明における蓄電池１３の劣化判定を行うための特性を示している。図１０に示すように、負荷電流が一定の場合、電池放電時の特性から劣化状態を推定することが可能となる。これは、蓄電池の定電流放電特性は、新品時と劣化時で違いが生ずるからである。この発明の直流電源システム１０においては、放電時間の観測から劣化推定が可能になる。例えば、蓄電池１３は新品時は放電時間が１０時間であるのに対し、劣化により容量低下した電池（容量７０％）では放電時間が８時間、劣化により容量がさらに低下した電池（容量５０％）では放電時間が５時間となる。従って、蓄電池１３の劣化は、電池電圧の計測によって推定可能である。例えば、組電池の総電圧またはセル個別の電圧を計測することにより、蓄電池１３の劣化が推定可能となる。このように、負荷電流に応じた「劣化度と電圧の関係テーブルを作成しておくことにより、蓄電池１３の劣化度が容易に推定可能となる。なお、負荷電流値に変動がある場合、電流の平均値を使用することとしてもよい。

【0059】

図１１に示すように、蓄電池１３が劣化すると、同一の負荷電流における放電特性に差が生じる。すなわち、蓄電池１３は、特定の電圧に至る放電時間に差が生じる。したがって、新品時の電池特性から、１０ｈの放電時間Ｔｄに対応した電圧を選定しても、「電池の放電時間Ｔｄ」は、劣化した蓄電池１３では短縮される。このように、蓄電池１３の放電時間のモニタから、劣化状態の推定が可能となる。

【0060】

図１２および図１３は、蓄電池１３の温度変化によるサイクル放電量もしくはバックアップ放電量を確保するために使用するＤＣ電源１２の電圧設定値の調整のための特性を示している。ここでは、蓄電池１３の使用環境温度（＝電池温度）によって蓄電池１３の放電特性が変わることから、使用環境温度に応じてＤＣ電源１２の出力電圧を調整するようにしている。図１２は、蓄電池１３の温度が低下した際の放電特性を示している。図１２に示すように、蓄電池１３の温度の低下によって放電電圧が低下するので、ＤＣ電源１２の出力電圧の値を一定にしておいた場合、サイクル放電時の容量とバックアップ容量に影響がでる。そこで、蓄電池１３の温度の計測値に応じて出力電圧値の変更を行うことで、サイクル放電時の容量とバックアップ容量を確保することが可能となる。サイクル放電時の容量低下の防止には、ＤＣ電源１２の出力電圧の低下が、逆に、バックアップ容量の低下防止には、ＤＣ電源１２の出力電圧の上昇が行われる。

【0061】

図１４は、図１１と同様に蓄電池１３の経年劣化に伴うサイクル放電量を確保するために使用するＤＣ電源１２の電圧設定値の調整のための特性を示している。図１４（ａ）に示すように、蓄電池１３が経年劣化すると、放電電圧特性に変化が生じ、ＤＣ電源１２による同一の出力電圧では、サイクル放電量が低下することになる。そこで、図１４（ｂ）および図１４（ｃ）に示すように、蓄電池１３の劣化状況に応じて、ＤＣ電源１２の出力電圧を低下させることにより、蓄電池１３は劣化前と同じサイクル容量を確保することが可能となる。

【0062】

図１５は、蓄電池１３の経年劣化に伴うバックアップ放電量を確保するために使用するＤＣ電源１２の電圧設定値の調整のための特性を示している。図１５（ａ）に示すように、蓄電池１３が経年劣化すると、放電電圧特性に変化が生じ、ＤＣ電源１２による同一の出力電圧では、バックアップ放電量が低下することになる。そこで、図１５（ｂ）に示すように、蓄電池１３の劣化状況に応じて、ＤＣ電源１２の出力電圧を上昇させることにより、蓄電池１３は劣化前と同じバックアップ容量を確保することが可能となる。図１５（ｃ）は、バックアップ容量の低下防止対策の効果を示している。図１５（ｃ）に示すように、ＤＣ電源１２の出力電圧を蓄電池１３の放電量に対応した電圧値に上昇させることにより、蓄電池１３のバックアップ容量の低下を防止することが可能となる。図１６は、この発明におけるＤＣ電源１２の出力低下時に設定可能な電圧範囲の１例を示している。図１６に示すように、この発明におけるＤＣ電源１２の出力電圧の設定可能な電圧範囲は、３．３Ｖ／セル〜４．１Ｖ／セルとなっており、これらは電源システムの動作電圧範囲と組電池の直列数等から算出される。

【0063】

つぎに、実施の形態１における直流電源システム１０の動作手順および作用について説明する。

【0064】

図１（ａ）に示すように、蓄電池１３のフロート充電時（前日の１８時から翌日の６時までの時間帯）には、ＤＣ電源１２の出力電圧は、第一の電圧値であるＶ＝Ｖｆ（４２．９Ｖ）に設定されており、ＤＣ電源１２からの直流電力はＤＣ負荷１４に供給され、蓄電池１３はＤＣ電源１２から供給される直流電力によってフロート充電されている。

【0065】

図１（ｂ）に示すように、６時になるとＤＣ電源１２の出力電圧Ｖは、第二の電圧値である「Ｖ＝Ｖｒｆ−ｄ」となり、フロート充電時の出力電圧に比べて低下する。これにより、蓄電池１３の電圧がＤＣ電源１２の出力電圧よりも高い状態となり、ＤＣ負荷１４には蓄電池１３の放電による直流電力が供給される。蓄電池１３からのＤＣ負荷１４への電力供給は、蓄電池１３の放電により蓄電池１３の電圧がＤＣ電源１の出力電圧Ｖ「Ｖ＝Ｖｒｆ−ｄ」に低下するまで行われる。蓄電池１３の放電中は、蓄電池１３の電圧が徐々に低下することになるが、ＤＣ負荷１４は受け取った直流電力の電圧を適正な電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ（図示略）を有しているので、蓄電池１３から供給される電圧が変動しても影響を受けない。この実施の形態１においては、６時から１８時の間で、ＤＣ電源１２の出力電圧Ｖである第二の電圧値は、「Ｖ＝Ｖｒｆ−ｄ」まで低下されるが、蓄電池１３の放電が終了している１６時から１８時の間では、ＤＣ電源１２からＤＣ負荷１２に直流電力が供給される。

【0066】

１８時から翌日の６時までの時間帯は、ＤＣ電源１２の出力電圧が蓄電池１３をフロート充電するための第一の電圧値である電圧４９．２Ｖに復帰するので、図１（ｃ）に示すように、ＤＣ電源１２からはＤＣ負荷１４と蓄電池１３の双方に直流電力が供給される。これにより、蓄電池１３はＤＣ電源１２からの電力供給により回復充電状態に移行し、蓄電池１３の電池電圧は徐々に上昇することになる。

【0067】

このように、予め設定された所定の時間帯（６時〜１８時）には、ＤＣ電源１２の出力電圧は、蓄電池１３をフロート充電するための出力電圧４９．２Ｖよりも低い出力電圧４５．６Ｖに低下する。従って、蓄電池１３の放電によるＤＣ負荷１４への電力供給が可能となり、バックアップのための蓄電池１３を有効利用することができ、電力負荷の平準化を図ることができる。また、バックアップ用の蓄電池とサイクル用の蓄電池の二組の蓄電池を用いることが不要となるので、バックアップ用の蓄電池とサイクル用の蓄電池をそれぞれ用いるシステムに比べて、システム全体の蓄電池の容量を少なくすることが可能となり、直流電源システム１０のコストを低減することができる。さらに、スイッチによる直流電源と蓄電池との切り離しを必要としないので、直流電源システム１０の信頼性を高めることができる。

【0068】

ＤＣ電源１２の第二の電圧値は、蓄電池１３の放電特性および所望の放電量に対応する値であるので、蓄電池１３の過剰の放電を防止することができ、しかも不測の停電発生に際しても直流負荷に対する十分なバックアップが可能となる。また、ＤＣ負荷１４へ供給される電力を計測する第一の電力監視手段１２１からの信号および蓄電池１３に対して出入りする電力を計測する第二の電力監視手段１２２からの信号に基づき、ＤＣ電源１２の出力電圧を調整することが可能となり、蓄電池１３の充電とＤＣ負荷１４への電力供給を最適化することができる。さらに、ＤＣ電源１２の出力電圧における第一の電圧値「Ｖｆ」と第二の電圧値「「Ｖ＝Ｖｒｆ−ｄ」を蓄電池１３の使用環境温度に対応して調整することが可能であるので、使用環境温度によって変化する蓄電池１３の放電特性を考慮して第一の電圧値と第二の電圧値を調整することができ、蓄電池１３のバックアップ放電量またはサイクル放電量を確保することができる。

【0069】

ＤＣ電源１２の出力電圧における第一の電圧値と第二の電圧値は、蓄電池１３の劣化度に対応して調整することが可能であるので、劣化が進行した蓄電池１３の放電特性を考慮して第一の電圧値と第二の電圧値を調整することができ、蓄電池１３のサイクル放電量を確保することができる。そして、蓄電池１３はリチウムイオン二次電池から構成されているので、蓄電池１３のエネルギー密度を高めることができ、蓄電池１３の小型化によって設置スペースに制約のある場所での直流電力システム１０の使用が可能となる。

【0070】

また、ＤＣ電源１２の電圧低下時間を深夜電力料金の時間帯に至るまでとすれば、放電後の蓄電池１３の充電は、深夜電力料金が適用される時間帯で行われるので、料金の安価な電力を充電に利用することができ、直流電源システム１０の運用コストを低減することができる。すなわち、実施の形態１においては、放電によって蓄電池１３の電圧が設定値まで低下すると、その時点で自動的に蓄電池１３からの放電が終了し、ＤＣ電源１２からの電力供給となり、ＤＣ電源１２の電圧低下時間を深夜電力料金の時間帯に至るまでと設定しておくことで、深夜時間帯になってからＤＣ電源１２の出力電圧をフロート充電の値に復帰し、蓄電池１３の充電を安価な深夜電力料金によって行うことができる。

【0071】

この実施の形態１においては、蓄電池１３の容量を「バックアップ相当容量＋ＤＣ電圧低下時の放電量」とすることで、バックアップ用とサイクル用の二組の蓄電池を設置することなく、同一構成でＤＣ電源１２を構成する整流器の容量を増すのみで、直流電源システム１０を容易に構成することができる。そして、この発明の直流電源システム１０では、サイクル専用蓄電池とバックアップ用蓄電池を別個に設置する場合に比べて、システム全体の電池容量を少なくすることが可能となる。さらに、蓄電池１３の昼間の放電中はもとより、蓄電池１３の放電終了直後に、停電等の事故が発生しても、当初必要とされるバックアップ時間に応じた電池容量を蓄電池１３は確保しているので、電源本来のＤＣ負荷１４に対するバックアップにはまったく支障がない。

【0072】

（実施の形態２）
図１７ないし図１９は、この実施の形態２に係る直流電源システムを示している。実施の形態２が実施の形態１と異なるところは、太陽電池の有無のみであり、その他の部分は実施の形態１に準ずるので、準ずる部分に実施の形態１と同一の符号を付すことにより、準ずる部分の説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

【0073】

図１７に示すように、ＤＣ電源１２と蓄電池１３とを接続する回路には、再生可能エネルギーを利用して発電された直流電力が供給可能となっている。この実施の形態２においては、再生可能エネルギーとしての太陽光の照射によって発電可能な太陽電池（ＰＶ）２０がＤＣ電源１２の出力側と蓄電池１３との間の回路に接続されている。太陽電池２０は、例えば電力変換機能を有するパワーコンデショナ（図示略）に接続可能となっており、蓄電池およびＤＣ負荷１４には、ＤＣ電源１２および太陽電池２０からの電力が供給可能となっている。

【0074】

図１８は、太陽電池２０を併設した直流電源システム１０のおける電力供給の特性図を示している。図１８に示すように、ＤＣ電源１２を構成する整流器による出力電圧低下の時間は、６時から１８時までの１２時間となっている。また、「Ｔｒｆ−ｄ」開始時刻は、６時に設定されている。太陽電池２０による出力は、Ｖｆと同一値またはやや高めに設定されている。図１９は、日射強度の相違によるＤＣ負荷１４および蓄電池１３に対する電力供給の特性を示している。図１９に示すように、日射強度１００％では太陽電池２０から蓄電池１３への電力供給が可能となっており、日射強度５０％および３０パーセントにおいては太陽電池２０からの蓄電池１３への供給は行わないようになっている。

【0075】

このように構成された実施の形態２においては、蓄電池１３のフロート充電時（前日の１８時から翌日の６時までの時間帯）には、ＤＣ電源１２の出力電圧は、Ｖ＝Ｖｆ（４２．９Ｖ）に設定されており、ＤＣ電源１２からの直流電力はＤＣ負荷１４に供給され、蓄電池１３はＤＣ電源１２から供給される直流電力によってフロート充電されている。

【0076】

図１９に示すように、６時になるとＤＣ電源１２の出力電圧Ｖは、フロート充電時の出力電圧に比べて低下する。これにより、蓄電池１３の電圧がＤＣ電源１２の出力電圧よりも高い状態となり、ＤＣ負荷１４には蓄電池１３の放電による直流電力が供給される。また、６時から１８時の間は、太陽電池２０による発電が可能となるので、日射強度が１００％となる条件では、太陽電池２０からＤＣ負荷１４および蓄電池１３に電力が供給可能となる。また、日射強度が５０％または３０％となる気象条件では、太陽電池２０からの電力はＤＣ負荷１４にのみ供給される。１８時から翌日の６時までは、ＤＣ電源１２の出力電圧が蓄電池１３をフロート充電するための電圧に復帰するので、ＤＣ電源１２からはＤＣ負荷１４と蓄電池１３の双方に直流電力が供給される。これにより、蓄電池１３はＤＣ電源１２からの電力供給により回復充電状態に移行し、蓄電池１３の電池電圧は徐々に上昇することになる。

【0077】

このように、実施の形態２においては、ＤＣ電源１２と蓄電池１３とを接続する回路には太陽電池２０が接続されているので、再生可能エネルギーである太陽光を利用して発電された直流電力をＤＣ負荷１４に供給することができ、地球環境の改善に寄与することができる。

【0078】

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、実施の形態１、２の直流電源システム１０は、ＤＣ負荷１４としての通信機器に電力を供給する構成としたが、ＤＣ負荷１４はサーバーを構成するＣＰＵやＬＥＤ照明機器などであってもよい。また、実施の形態２においては、ＤＣ電源１２に太陽電池２０を併設する構成としたが、再生可能エネルギーとしての風力で発電する風力発電機や水素を燃料として発電する燃料電池を併設する構成としてもよい。

【符号の説明】

【0079】

１０ 直流電源システム
１１ 交流電源
１２ ＤＣ電源（直流電源）
１２１ 第一の電力監視手段
１２２ 第二の電力監視手段
１２３ 制御部
１３ 蓄電池
１３ａ 単電池
１４ ＤＣ負荷（直流負荷）
２０ 太陽電池

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】