(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-28
(45)【発行日】2024-12-06
(54)【発明の名称】電源装置
(51)【国際特許分類】
H02J 9/06 20060101AFI20241129BHJP
H02J 1/00 20060101ALI20241129BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20241129BHJP
【FI】
H02J9/06 110
H02J1/00 304E
H02J7/00 302C
(21)【出願番号】P 2024073485
(22)【出願日】2024-04-30
【審査請求日】2024-04-30
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】506142794
【氏名又は名称】MIRAI-LABO株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001667
【氏名又は名称】弁理士法人プロウィン
(72)【発明者】
【氏名】平塚 利男
(72)【発明者】
【氏名】平塚 雷太
(72)【発明者】
【氏名】遠山 明
(72)【発明者】
【氏名】安井 哲夫
【審査官】三橋 竜太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開2023-136257(JP,A)
【文献】特開2009-181797(JP,A)
【文献】特開2006-149078(JP,A)
【文献】特開2020-198762(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02J 9/00-11/00
H02J 1/00-1/16
H02J 7/00-7/12
H02J 7/34-7/36
H01M 10/42-10/48
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
充放電を行う第1バッテリーおよび第2バッテリーと、
一端が前記第1バッテリーの第1出力部に接続された第1スイッチ列と、
一端が前記第2バッテリーの第2出力部に接続された第2スイッチ列と、
前記第1スイッチ列の他端および前記第2スイッチ列の他端が接続される並列接続部と、
前記第1スイッチ列および前記第2スイッチ列の開閉を制御するスイッチ制御部を備え、
前記第1スイッチ列は、一端が前記第1出力部に接続された第1スイッチと、一端が前記第1スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第3スイッチと、前記第1スイッチに並列に順方向接続された第1ダイオードとを有し、
前記第2スイッチ列は、一端が前記第2出力部に接続された第2スイッチと、一端が前記第2スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第4スイッチと、前記第2スイッチに並列に順方向接続された第2ダイオードとを有し、
前記スイッチ制御部は、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオン状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオフ状態の第1接続期間から、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオフ状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態の第2接続期間に変更する間に、
前記第1スイッチおよび前記第2スイッチがオフ状態かつ前記第3スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態のオーバーラップ期間を備え
、
前記第1接続期間、前記オーバーラップ期間および前記第2接続期間は、連続していることを特徴とする電源装置。
【請求項2】
請求項1に記載の電源装置であって、
前記オーバーラップ期間は、5m秒以上60m秒以下の範囲であることを特徴とする電源装置。
【請求項3】
充放電を行う第1バッテリーおよび第2バッテリーと、
一端が前記第1バッテリーの第1出力部に接続された第1スイッチ列と、
一端が前記第2バッテリーの第2出力部に接続された第2スイッチ列と、
前記第1スイッチ列の他端および前記第2スイッチ列の他端が接続される並列接続部と、
前記第1スイッチ列および前記第2スイッチ列の開閉を制御するスイッチ制御部を備え、
前記第1スイッチ列は、一端が前記第1出力部に接続された第1スイッチと、一端が前記第1スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第3スイッチと、前記第1スイッチに並列に順方向接続された第1ダイオードとを有し、
前記第2スイッチ列は、一端が前記第2出力部に接続された第2スイッチと、一端が前記第2スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第4スイッチと、前記第2スイッチに並列に順方向接続された第2ダイオードとを有し、
前記スイッチ制御部は、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオン状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオフ状態の第1接続期間から、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオフ状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態の第2接続期間に変更する間に、
前記第1スイッチおよび前記第2スイッチがオフ状態かつ前記第3スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態のオーバーラップ期間を備え、
前記並列接続部は、DC-ACインバータに接続され、
前記オーバーラップ期間は、前記DC-ACインバータからの出力波形の0.5周期から5周期の範囲であることを特徴とする電源装置。
【請求項4】
請求項3に記載の電源装置であって、
前記オーバーラップ期間における前記出力波形のピーク変動が10%以下であることを特徴とする電源装置。
【請求項5】
充放電を行う第1バッテリーおよび第2バッテリーと、
一端が前記第1バッテリーの第1出力部に接続された第1スイッチ列と、
一端が前記第2バッテリーの第2出力部に接続された第2スイッチ列と、
前記第1スイッチ列の他端および前記第2スイッチ列の他端が接続される並列接続部と、
前記第1スイッチ列および前記第2スイッチ列の開閉を制御するスイッチ制御部を備え、
前記第1スイッチ列は、一端が前記第1出力部に接続された第1スイッチと、一端が前記第1スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第3スイッチと、前記第1スイッチに並列に順方向接続された第1ダイオードとを有し、
前記第2スイッチ列は、一端が前記第2出力部に接続された第2スイッチと、一端が前記第2スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第4スイッチと、前記第2スイッチに並列に順方向接続された第2ダイオードとを有し、
前記スイッチ制御部は、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオン状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオフ状態の第1接続期間から、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオフ状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態の第2接続期間に変更する間に、
前記第1スイッチおよび前記第2スイッチがオフ状態かつ前記第3スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態のオーバーラップ期間を備え、
前記第1バッテリーの出力部が第1電位であり、
前記第2バッテリーの出力部が第2電位であり、
前記オーバーラップ期間において、前記並列接続部の電位が前記第1電位と前記第2電位の間である中間電位をとることを特徴とする電源装置。
【請求項6】
請求項1から5の何れか一つに記載の電源装置であって、
前記第1スイッチおよび前記第2スイッチは電界効果トランジスタであり、
前記第1ダイオードおよび前記第2ダイオードは、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチのボディダイオードであることを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置に関し、特に複数の二次電池を切り替えて電力を供給する電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、屋外や緊急時においても電気機器を使用可能とするための電源装置が提案されている。このような電源装置では、ガソリンやガスを燃料として内燃機関の発動機を駆動し、発動機の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するものが一般的であった。しかし、このような内燃機関を用いた電源装置では、燃料の燃焼により酸素を消費するため、室内空間や密閉された空間内での使用ができないという難点があった。そこで、近年になって電力を貯蔵した二次電池から電力を供給する電源装置も普及しつつある。
【0003】
このような二次電池を用いた電源装置では、供給可能な電力量が二次電池の充電容量に依存するため、大電力を継続して供給するには二次電池が大型化し、重量増加と高価格化を招くという問題があった。このような問題を回避するために、複数の二次電池を着脱可能に搭載して、複数の二次電池からの電力供給を切り替える電源装置も提案されている(例えば特許文献1を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来の電源装置では、負荷に接続された二次電池の充電残量が減少した場合や二次電池を取り外す場合に、その二次電池の接続を切り離した後に、別の二次電池を選択して負荷に接続している。そのような従来技術では、DC-ACインバータの入力位置での電圧は、二次電池の接続を切り替える前後において変化し、切り替えの瞬間に二次電池から電力が供給されない時間が存在し、電圧が急激に低下してしまう。
【0006】
よって従来の電源装置における二次電池の接続切替では、瞬間的に電力が供給されない瞬断が生じてしまい、負荷に対して電力を供給し続けることが困難である。特に、二次電池から供給される直流電流をDC-ACインバータで交流電流に変換する電源装置では、出力される交流電流の電圧変動が大きくなり、精密機器や情報機器などの誤作動を引き起こす可能性があった。また、出力電圧の変動を抑制するためには、応答性の速いインバータ電源回路が必要となり、電源装置の大型化やコストが増加してしまうという問題があった。特に、電気自動車に用いられた二次電池を再利用する場合等には、二次電池の内部インピーダンスが小さいため、二次電池の接続切替で生じる電圧変動の問題は顕著になる。
【0007】
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、負荷に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能な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に、本発明の電源装置は、充放電を行う第1バッテリーおよび第2バッテリーと、一端が前記第1バッテリーの第1出力部に接続された第1スイッチ列と、一端が前記第2バッテリーの第2出力部に接続された第2スイッチ列と、前記第1スイッチ列の他端および前記第2スイッチ列の他端が接続される並列接続部と、前記第1スイッチ列および前記第2スイッチ列の開閉を制御するスイッチ制御部を備え、前記第1スイッチ列は、一端が前記第1出力部に接続された第1スイッチと、一端が前記第1スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第3スイッチと、前記第1スイッチに並列に順方向接続された第1ダイオードとを有し、前記第2スイッチ列は、一端が前記第2出力部に接続された第2スイッチと、一端が前記第2スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第4スイッチと、前記第2スイッチに並列に順方向接続された第2ダイオードとを有し、前記スイッチ制御部は、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオン状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオフ状態の第1接続期間から、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオフ状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態の第2接続期間に変更する間に、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチがオフ状態かつ前記第3スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態のオーバーラップ期間を備え、前記第1接続期間、オーバーラップ期間および前記第2接続期間は、連続していることを特徴とする。
【0009】
このような本発明の電源装置では、第1バッテリーから第2バッテリーに接続を切り替える際に、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチがオフ状態かつ前記第3スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態のオーバーラップ期間を備えるため、負荷に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能となる。
【0010】
また、本発明の一態様では、前記オーバーラップ期間は、5m秒以上60m秒以下の範囲である。
【0011】
また、上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、充放電を行う第1バッテリーおよび第2バッテリーと、一端が前記第1バッテリーの第1出力部に接続された第1スイッチ列と、一端が前記第2バッテリーの第2出力部に接続された第2スイッチ列と、前記第1スイッチ列の他端および前記第2スイッチ列の他端が接続される並列接続部と、前記第1スイッチ列および前記第2スイッチ列の開閉を制御するスイッチ制御部を備え、前記第1スイッチ列は、一端が前記第1出力部に接続された第1スイッチと、一端が前記第1スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第3スイッチと、前記第1スイッチに並列に順方向接続された第1ダイオードとを有し、前記第2スイッチ列は、一端が前記第2出力部に接続された第2スイッチと、一端が前記第2スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第4スイッチと、前記第2スイッチに並列に順方向接続された第2ダイオードとを有し、前記スイッチ制御部は、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオン状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオフ状態の第1接続期間から、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオフ状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態の第2接続期間に変更する間に、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチがオフ状態かつ前記第3スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態のオーバーラップ期間を備え、前記並列接続部は、DC-ACインバータに接続され、前記オーバーラップ期間は、前記DC-ACインバータからの出力波形の0.5周期から5周期の範囲であることを特徴とする。
【0012】
また、本発明の一態様では、前記オーバーラップ期間における前記出力波形のピーク変動が10%以下である。
【0013】
また、上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、充放電を行う第1バッテリーおよび第2バッテリーと、一端が前記第1バッテリーの第1出力部に接続された第1スイッチ列と、一端が前記第2バッテリーの第2出力部に接続された第2スイッチ列と、前記第1スイッチ列の他端および前記第2スイッチ列の他端が接続される並列接続部と、前記第1スイッチ列および前記第2スイッチ列の開閉を制御するスイッチ制御部を備え、前記第1スイッチ列は、一端が前記第1出力部に接続された第1スイッチと、一端が前記第1スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第3スイッチと、前記第1スイッチに並列に順方向接続された第1ダイオードとを有し、前記第2スイッチ列は、一端が前記第2出力部に接続された第2スイッチと、一端が前記第2スイッチの他端に接続され他端が前記並列接続部に接続された第4スイッチと、前記第2スイッチに並列に順方向接続された第2ダイオードとを有し、前記スイッチ制御部は、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオン状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオフ状態の第1接続期間から、前記第1スイッチおよび前記第3スイッチがオフ状態かつ前記第2スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態の第2接続期間に変更する間に、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチがオフ状態かつ前記第3スイッチおよび前記第4スイッチがオン状態のオーバーラップ期間を備え、前記第1バッテリーの出力部が第1電位であり、前記第2バッテリーの出力部が第2電位であり、前記オーバーラップ期間において、前記並列接続部の電位が前記第1電位と前記第2電位の間である中間電位をとることを特徴とする。
【0014】
また、本発明の一態様では、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチは電界効果トランジスタであり、
前記第1ダイオードおよび前記第2ダイオードは、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチのボディダイオードである。
【発明の効果】
【0015】
本発明では、負荷に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能な電源装置および電源制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【
図1】本発明の第1実施形態に係る電源装置10の構成例を示すブロック図である。
【
図2】電源装置10に用いられるスイッチとダイオードの構成例を示す図であり、
図2(a)は等価回路を示し、
図2(b)は回路記号を示している。
【
図3】電源装置10における接続の切り替えを示す図であり、
図3(a)は第1接続期間を示し、
図3(b)はオーバーラップ期間を示し、
図3(c)は第2接続期間を示している。
【
図4】電源装置10における接続の切り替えを示すタイミングチャートであり、
図4(a)は第1スイッチS1aの信号を示し、
図4(b)は第3スイッチS1bの信号を示し、
図4(c)は第2スイッチS2aの信号を示し、
図4(d)は第4スイッチS2bの信号を示し、
図4(e)はDC-ACインバータ13の入力位置での電圧を示している。
【
図5】DC-ACインバータ13の出力位置での出力電圧AC_OUTの変化を模式的に示すグラフである。
【
図6】高電圧側から低電圧側に接続切替をする場合のDC-ACインバータ13の入力位置での電圧を示している。
【
図7】第2実施形態に係る電源装置10における接続の切り替えを示す図であり、オーバーラップ期間の前に設ける第3接続期間を示している。
【
図8】電源装置10における接続の切り替えを示すタイミングチャートであり、
図8(a)は第1スイッチS1aの信号を示し、
図8(b)は第3スイッチS1bの信号を示し、
図8(c)は第2スイッチS2aの信号を示し、
図8(d)は第4スイッチS2bの信号を示し、
図4(e)はDC-ACインバータ13の入力位置での電圧を示している。
【発明を実施するための形態】
【0017】
(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。
図1は、本実施形態に係る電源装置10の構成例を示すブロック図である。
図1に示すように電源装置10は、スイッチ制御部11と、第1バッテリー12aと、第2バッテリー12bと、第1スイッチS1aと、第2スイッチS2aと、第3スイッチS1bと、第4スイッチS2bと、第1ダイオードD1aと、第2ダイオードD2aと、第3ダイオードD1bと、第4ダイオードD2bと、DC-ACインバータ13と、負荷14を備えている。
【0018】
ここで、第1スイッチS1aと、第3スイッチS1bと、第1ダイオードD1aと、第3ダイオードD1bは本願発明における第1スイッチ列を構成している。第1スイッチ列は、開閉動作によって第1バッテリー12aと負荷14との間の接続と切断を行う部分である。また、第2スイッチS2aと、第4スイッチS2bと、第2ダイオードD2aと、第4ダイオードD2bは本願発明における第2スイッチ列を構成している。第2スイッチ列は、開閉動作によって第2バッテリー12bと負荷14との間の接続と切断を行う部分である。第1バッテリー12aと第1スイッチ列の直列接続と、第2バッテリー12bと第2スイッチ列の直列接続は、それぞれ並列接続部を介してDC-ACインバータ13に並列接続されている。並列接続部の電圧はDCAC_INである。
【0019】
スイッチ制御部11は、第1スイッチ列および第2スイッチ列(第1スイッチS1a、第2スイッチS2a、第3スイッチS1b、第4スイッチS2b)の開閉動作を制御する部分である。スイッチ制御部11の具体的構成は限定されないが、図示しないメモリと外部記憶装置、中央演算処理装置(CPU:Central Processing Unit)、情報通信装置等を備えており、所定のプログラムに従って情報処理を行って、第1スイッチ列および第2スイッチ列を制御するとしてもよい。また、スイッチ制御部11は、電源装置10の各部における状態を監視しておき、各部の状態と所定のプログラムに基づいて第1スイッチ列および第2スイッチ列の開閉動作を制御するとしてもよい。
【0020】
第1バッテリー12aおよび第2バッテリー12bは、電力の充電および放電を行うことができる二次電池である。また、公知の二次電池と同様に、第1バッテリー12aおよび第2バッテリー12bは充電および放電に用いる端子や、充電および放電を制御するBMS(Battery Management System)等を備えている。第1バッテリー12aの出力部は第1スイッチS1aの一端に接続されており、第2バッテリー12bの出力部は第2スイッチS2aに接続されている。第1バッテリー12aの出力部における電圧はVBA1であり、第2バッテリー12bの出力部における電圧はVBA2である。
【0021】
第1バッテリー12aおよび第2バッテリー12bの具体的な構成は限定されず、公知のリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、全固体電池等を用いることができる。また、電気自動車やハイブリッド自動車等で使用された二次電池に含まれていたバッテリーセルを再利用し、第1バッテリー12aおよび第2バッテリー12bとして用いるとしてもよい。再利用されたバッテリーセルは劣化度が異なり、充電可能な容量や出力電圧が個別に相違している場合が想定されるが、本実施形態の電源装置10では問題無く使用可能である。第1バッテリー12aおよび第2バッテリー12bの内部インピーダンスは限定されず、10mΩ未満であってもよい。
【0022】
第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aは、それぞれ第1バッテリー12aおよび第2バッテリー12bの出力部に一端が接続されている。また、第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aの他端は、それぞれ第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bに接続されている。また、第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aには、それぞれ第1ダイオードD1aおよび第2ダイオードD2aが順方向に並列接続されている。
【0023】
第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bは、それぞれ第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aに一端が接続されている。また、第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bの他端は、それぞれ並列接続部を介してDC-ACインバータ13に接続されている。また、第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bには、それぞれ第3ダイオードD1bおよび第4ダイオードD2bが逆方向に並列接続されている。
【0024】
第1スイッチS1a、第2スイッチS2a、第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bの具体的構成は限定されず、公知の半導体スイッチや機械スイッチを用いることができる。後述するように、第1スイッチS1a、第2スイッチS2a、第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bの開閉動作はミリ秒レベルで行うため、高速な切替動作が可能な電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)等の半導体スイッチを用いることが好ましい。
【0025】
第1ダイオードD1aおよび第2ダイオードD2aは、それぞれ第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aに並列接続されたダイオードである。第1ダイオードD1aおよび第2ダイオードD2aは、アノード側がそれぞれ第1バッテリー12aおよび第2バッテリー12bの出力部に接続されている。また、第1ダイオードD1aおよび第2ダイオードD2aは、カソード側がそれぞれ第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bに接続されている。したがって第1ダイオードD1aおよび第2ダイオードD2aは、順方向に接続されている。
【0026】
第3ダイオードD1bおよび第4ダイオードD2bは、それぞれ第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bに並列接続されたダイオードである。第3ダイオードD1bおよび第4ダイオードD2bは、アノード側がそれぞれ第1ダイオードD1aおよび第2ダイオードD2aの他端に接続されている。また、第3ダイオードD1bおよび第4ダイオードD2bは、カソード側がそれぞれ並列接続部を介してDC-ACインバータ13に接続されている。したがって第3ダイオードD1bおよび第4ダイオードD2bは、逆方向に接続されている。
図1では第3ダイオードD1bと第4ダイオードD2bを設けた例を示したが、第3ダイオードD1bおよび第4ダイオードD2bを省略するとしてもよい。
【0027】
DC-ACインバータ13は、並列接続部と負荷14の間に設けられ、並列接続部から入力された直流のDCAC_INを交流のAC_OUTに変換して負荷14に対して出力する部分である。DC-ACインバータ13の具体的な回路構成は限定されず、公知の構成を用いることができるが、負荷14として動作させる対象の幅を広げるためには正弦波を出力することが好ましい。DC-ACインバータ13から出力されるAC_OUTは限定されないが、各国において商用電源として用いられる100V~220Vの電圧範囲と、50~60Hzの周波数範囲であることが好ましい。
【0028】
負荷14は、DC-ACインバータ13の出力に接続され、DC-ACインバータ13から出力される交流電流によって駆動される電子機器である。負荷14は限定されないが、一例としてはコンピュータ装置やネットワーク装置、電子医療機器、超低温冷凍庫等が挙げられる。本実施形態の電源装置10では、複数の二次電池を切り替える際にも瞬断が生じず、出力電圧の変動も抑制できるため、安定的な電力供給が要求されるこれらの負荷14を接続して使用を継続することができる。
【0029】
図1では2つのバッテリーと2つのスイッチ列を用いた例を示しているが、バッテリーとスイッチの数は限定されず、3つ以上のバッテリーとスイッチ列を用いるとしてもよい。3つ以上のバッテリーを選択的に切り替える場合にも、切り替え前の第1接続期間に接続されているバッテリーと、切り替え後の第2接続期間に接続されるバッテリーとは、一対で動作する。したがって、3つ以上のバッテリーを電源装置10に備えても、接続切替の動作と制御は2つのバッテリーを用いる場合と同様となる。
【0030】
図2は、電源装置10に用いられるスイッチとダイオードの構成例を示す図であり、
図2(a)は等価回路を示し、
図2(b)は回路記号を示している。第1スイッチS1a、第2スイッチS2a、第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bとして電界効果トランジスタを用いる場合には、電界効果トランジスタにおけるボディダイオードをそれぞれ第1ダイオードD1a、第2ダイオードD2a、第3ダイオードD1bおよび第4ダイオードD2bとして用いることができる。
【0031】
図3は、電源装置10における接続の切り替えを示す図であり、
図3(a)は第1接続期間を示し、
図3(b)はオーバーラップ期間を示し、
図3(c)は第2接続期間を示している。
図3では、簡略化のためにスイッチ制御部11の図示を省略しているが、スイッチ制御部11から送出される制御信号によって第1スイッチS1a、第2スイッチS2a、第3スイッチS1b、第4スイッチS2bが開閉制御される。また、図中に示した矢印は電流の向きの一例を模式的に表現している。
【0032】
図3(a)に示した第1接続期間では、第1スイッチS1aおよび第3スイッチS1bが閉状態(オン)であり、かつ第2スイッチS2aおよび第4スイッチS2bが開状態(オフ)とされている。したがって、第1バッテリー12aから第1スイッチS1a、第3スイッチS1b、並列接続部まで直流電流が供給され、DC-ACインバータ13でAC_OUTに変換されて負荷14に供給される。電源装置10において、第1バッテリー12aからの放電を停止し、第2バッテリー12bからの放電に切り替える指示が発生した場合には、オーバーラップ期間に移行する。
【0033】
ここで、第1バッテリー12aからの放電を停止する場合とは、第1バッテリー12aの充電残量が低下して放電対象から充電対象に切り替わる場合が挙げられる。また、第1バッテリー12aに取り外しの動作が加えられて、図示しないロック機構が解除状態となった場合も挙げられる。また、使用者が第1バッテリー12aを放電対象から除外する指示を入力した場合が挙げられる。また、第1バッテリー12aの温度が上昇して、電源装置10に備えられた制御部によって放電を停止する保護指示が送出された場合が挙げられる。
【0034】
図3(b)に示したオーバーラップ期間では、第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bが閉状態(オン)であり、かつ第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aが開状態(オフ)とされている。このオーバーラップ期間においては、第1バッテリー12aから第1ダイオードD1a、第3スイッチS1b、並列接続部まで直流電流が供給される。また、第2バッテリー12bから第2ダイオードD2a、第4スイッチS2b、並列接続部まで直流電流が供給される。このとき、第1ダイオードD1aと第2ダイオードD2aは、第1バッテリー12aと第2バッテリー12bから順方向に接続されているため、並列接続部から第1バッテリー12aと第2バッテリー12bへの電流の逆流は生じない。このオーバーラップ期間においては、第1バッテリー12aと第2バッテリー12bの電圧から並列接続部まで直流電流が供給され、DC-ACインバータ13でAC_OUTに変換されて負荷14に供給される。所定の長さに設定されたオーバーラップ期間が経過した後に、第2接続期間に移行する。
【0035】
図3(c)に示した第2接続期間では、第1スイッチS1aおよび第3スイッチS1bが開状態(オフ)であり、かつ第2スイッチS2aおよび第4スイッチS2bが閉状態(オン)とされている。したがって、第2バッテリー12bから第2スイッチS2a、第4スイッチS2b、並列接続部まで直流電流が供給され、DC-ACインバータ13でAC_OUTに変換されて負荷14に供給される。以後、第2バッテリー12bから供給される電力によって負荷14が継続して稼働される。
【0036】
上述したように本実施形態の電源装置10では、スイッチ制御部11が、第1バッテリー12aから第2バッテリー12bに接続を切り替える際に、第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aがオフ状態かつ第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bがオン状態のオーバーラップ期間を備える。したがって、第1接続期間、オーバーラップ期間および第2接続期間を通して、並列接続部には第1バッテリー12aまたは第2バッテリー12bが接続され、切り替え時の瞬断が発生しない。
【0037】
図4は、電源装置10における接続の切り替えを示すタイミングチャートであり、
図4(a)は第1スイッチS1aの信号を示し、
図4(b)は第3スイッチS1bの信号を示し、
図4(c)は第2スイッチS2aの信号を示し、
図4(d)は第4スイッチS2bの信号を示し、
図4(e)はDC-ACインバータ13の入力位置での電圧を示している。図中の横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示している。また、時間t
1までは第1接続期間(期間A)を示し、時間t
1からt
2まではオーバーラップ期間(期間B)を示し、時間t
2以後は第2接続期間(期間C)を示している。
【0038】
図4(a)に示すように、第1スイッチS1aには、第1接続期間にオン信号が印加され、オーバーラップ期間および第2接続期間にオフ信号が印加されている。また、
図4(b)に示すように、第3スイッチS1bには、第1接続期間およびオーバーラップ期間にオン信号が印加され、第2接続期間にオフ信号が印加されている。また、
図4(c)に示すように、第2スイッチS2aには、第1接続期間およびオーバーラップ期間にオフ信号が印加され、第2接続期間にオン信号が印加されている。また、
図4(d)に示すように、第4スイッチS2bには、第1接続期間にオフ信号が印加され、オーバーラップ期間および第1接続期間にオン信号が印加されている。
【0039】
図4(e)では、第1バッテリー12aが低電圧で、第2バッテリー12bが高電圧であり、低電圧側から高電圧側に接続切替をする場合を示している。
図4(e)に示すように、DC-ACインバータ13の入力位置(並列接続部)での電圧は、第1接続期間には第1バッテリー12aの出力部における電圧VBA1(第1電位に相当)と略同等であり、第2接続期間には第2バッテリー12bの出力部における電圧VBA2(第2電位に相当)と略同等である。オーバーラップ期間には、DC-ACインバータ13の入力位置(並列接続部)での電圧は、VBA1とVBA2の間の電位である中間電位となっている。
【0040】
図4(e)では、中間電位としてVBA1とVBA2の平均値近傍である例を示しているが、VBA1とVBA2の間であれば平均値でなくともよい。また、
図4(e)ではオーバーラップ期間を通して中間電位が一定値である例を示しているが、VBA1とVBA2の間で電位が変化するとしてもよい。また、オーバーラップ期間では、第1ダイオードD1aと第2ダイオードD2aによって電圧降下が生じるため、VBA1とVBA2の平均よりも高い電圧となるとしてもよい。
【0041】
図5は、DC-ACインバータ13の出力位置での出力電圧AC_OUTの変化を模式的に示すグラフである。
図5に示したように、DC-ACインバータ13の出力位置での出力電圧AC_OUTは、正弦波の交流として出力されている。
図5中においては、時間t
1より後のAC_OUTの波形に丸数字を付しており、ピークとボトムで1周期であるため各数字は出力波形の半周期順を示している。第1接続期間では、AC_OUTのピーク電圧は安定しているが、時間t
1でオーバーラップ期間に入り、DCAC_INがVBA1から中間電位に変化した後に、ピーク電圧が変動している。また、時間t
2でオーバーラップ期間から第2接続期間に入った際にも、DCAC_INが中間電位からVBA2に変化した後に、ピーク電圧が変動している。本実施形態では、
図5に示したように、オーバーラップ期間において並列接続部が中間電位となるため、出力電圧AC_OUTのピーク電圧の変動を抑制することができる。
【0042】
AC_OUTのピーク電圧の変動は、オーバーラップ期間に入ったt1と第2接続期間に入ったt2で大きくなり、正弦波の周期が経過するにしたがって減衰している。これはDC-ACインバータ13への入力電圧が変化しても、DC-ACインバータ13の性能および時定数によって目標値の出力電圧に変換されるためである。しかし、出力電圧AC_OUTのピーク電圧の変動が大きく、減衰して安定化するまでの時間が長いと、負荷14が正常に動作しなくなる可能性がある。
【0043】
そこで、本実施形態の電源装置10では、オーバーラップ期間を5m秒以上60m秒以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは5m秒以上20m秒以下の範囲である。オーバーラップ期間がこれらの範囲よりも小さいと、ピーク電圧の変動を十分に抑制することが困難になる。また、オーバーラップ期間がこれらの範囲よりも大きいと、第1ダイオードD1aおよび第2ダイオードD2aにボディダイオードを用いた場合等に、ボディダイオードが破損する可能性が高まり好ましくない。
【0044】
また、DC-ACインバータ13の応答時間内にオーバーラップ期間を設定することで、オーバーラップ期間の終わりの時刻t2をDC-ACインバータ13の応答時間内にして、二度目のピーク変動量増加を抑制することができる。したがってオーバーラップ期間は、DC-ACインバータ13からのAC_OUTの出力波形の0.5周期から5周期の範囲であることが好ましい。
【0045】
また、DC-ACインバータ13の時定数内にオーバーラップ期間を設定することで、オーバーラップ期間の終わりの時刻t2をDC-ACインバータ13の時定数内にして、二度目のピーク変動量増加を抑制することができる。したがってオーバーラップ期間は、DC-ACインバータ13からのAC_OUTの出力波形の0.5周期から2周期の範囲であることがより好ましい。さらに、オーバーラップ期間におけるDC-ACインバータ13からの出力波形のピーク変動が10%以下であることが好ましい。
【0046】
図6は、高電圧側から低電圧側に接続切替をする場合のDC-ACインバータ13の入力位置での電圧を示している。
図6では、第1バッテリー12aが高電圧で、第2バッテリー12bが低電圧であり、高電圧側から低電圧側に接続切替をする場合を示している。
図6に示した例でも、DC-ACインバータ13の入力位置(並列接続部)での電圧は、第1接続期間には第1バッテリー12aの出力部における電圧VBA1(第1電位に相当)と略同等であり、第2接続期間には第2バッテリー12bの出力部における電圧VBA2(第2電位に相当)と略同等である。オーバーラップ期間には、DC-ACインバータ13の入力位置(並列接続部)での電圧は、VBA1とVBA2の間の電位である中間電位となっている。この場合にも、オーバーラップ期間には並列接続部に中間電位が生じるため、出力電圧AC_OUTのピーク電圧の変動を抑制することができる。
【0047】
上述したように本実施形態の電源装置10では、第1バッテリー12aから第2バッテリー12bに接続を切り替える際に、第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aがオフ状態かつ第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bがオン状態のオーバーラップ期間を備えるため、負荷14に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能となる。
【0048】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について
図7および
図8を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、第1接続期間とオーバーラップ期間の間に第3接続期間を設ける点が第1実施形態とは異なっている。
図7は、本実施形態に係る電源装置10における接続の切り替えを示す図であり、オーバーラップ期間の前に設ける第3接続期間を示している。本実施形態においても、第1接続期間、オーバーラップ期間および第2接続期間は
図3で示したものと同様である。第3接続期間は
図3(a)と
図3(b)の間に設けられ、第1接続期間の後に
図7に示した第3接続期間に移行する。
【0049】
図7に示した第3接続期間では、第3スイッチS1bが閉状態(オン)であり、かつ第1スイッチS1a、第2スイッチS2aおよび第4スイッチS2bが開状態(オフ)とされている。したがって、第1バッテリー12aから第1ダイオードD1a、第3スイッチS1b、並列接続部まで直流電流が供給され、DC-ACインバータ13でAC_OUTに変換されて負荷14に供給される。所定の長さに設定された第3接続期間が経過した後に、オーバーラップ期間に移行する。
【0050】
図8は、電源装置10における接続の切り替えを示すタイミングチャートであり、
図8(a)は第1スイッチS1aの信号を示し、
図8(b)は第3スイッチS1bの信号を示し、
図8(c)は第2スイッチS2aの信号を示し、
図8(d)は第4スイッチS2bの信号を示し、
図8(e)はDC-ACインバータ13の入力位置での電圧を示している。図中の横軸は時間tを示し、縦軸は電圧を示している。また、時間t
3までは第1接続期間(期間A)を示し、時間t
3からt
1までは第3接続期間(期間D)を示し、時間t
1からt
2まではオーバーラップ期間(期間B)を示し、時間t
2以後は第2接続期間(期間C)を示している。
【0051】
図8(a)に示すように、第1スイッチS1aには、第1接続期間にオン信号が印加され、第3接続期間、オーバーラップ期間および第2接続期間にオフ信号が印加されている。また、
図8(b)に示すように、第3スイッチS1bには、第1接続期間、第3接続期間およびオーバーラップ期間にオン信号が印加され、第2接続期間にオフ信号が印加されている。また、
図8(c)に示すように、第2スイッチS2aには、第1接続期間、第3接続期間およびオーバーラップ期間にオフ信号が印加され、第2接続期間にオン信号が印加されている。また、
図8(d)に示すように、第4スイッチS2bには、第1接続期間および第3接続期間にオフ信号が印加され、オーバーラップ期間および第1接続期間にオン信号が印加されている。
【0052】
図8(e)では、第1バッテリー12aが低電圧で、第2バッテリー12bが高電圧であり、低電圧側から高電圧側に接続切替をする場合を示している。
図8(e)に示すように、DC-ACインバータ13の入力位置(並列接続部)での電圧は、第1接続期間には第1バッテリー12aの出力部における電圧VBA1(第1電位に相当)と略同等であり、第2接続期間には第2バッテリー12bの出力部における電圧VBA2(第2電位に相当)と略同等である。オーバーラップ期間には、DC-ACインバータ13の入力位置(並列接続部)での電圧は、VBA1とVBA2の間の電位である中間電位となっている。また、第3接続期間には、第1接続期間のVBA1とオーバーラップ期間の中間電位との中間の電位となっている。
【0053】
図8(e)では、第3接続期間の電位としてVBA1と中間電位の平均値近傍である例を示しているが、VBA1と中間電位の間であれば平均値でなくともよい。また、
図8(e)では第3接続期間を通して電位が一定値である例を示しているが、電位が変化するとしてもよい。また、第3接続期間では、第1ダイオードD1aによって電圧降下が生じるため、VBA1と中間電位の平均よりも高い電圧となるとしてもよい。また、
図8(e)では、第3接続期間の電位が第1接続期間とオーバーラップ期間の中間の電位である例を示しているが、オーバーラップ期間の中間電位と同じであってもよい。
【0054】
本実施形態の電源装置10でも、第1バッテリー12aから第2バッテリー12bに接続を切り替える際に、第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aがオフ状態かつ第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bがオン状態のオーバーラップ期間を備えるため、負荷14に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能となる。
【0055】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。第1実施形態では、第1スイッチ列および第2スイッチ列の並列接続部と負荷14の間にDC-ACインバータ13を設けて、直流電流を交流電流に変換したが、DC-ACインバータ13に代えてDC-DCコンバータを設けるとしてもよい。DC-DCコンバータを用いる場合には、負荷14は直流電流によって駆動される電子機器が用いられる。
【0056】
DC-DCコンバータを用いる場合にも、第1スイッチ列と第2スイッチ列は並列接続部に接続されており、第1接続期間、オーバーラップ期間、第2接続期間の順に接続を切り替える。これにより、DC-DCコンバータに入力される電圧DCAC_INには瞬断が生じず、オーバーラップ期間に中間電位となる。
【0057】
本実施形態の電源装置10でも、第1バッテリー12aから第2バッテリー12bに接続を切り替える際に、第1スイッチS1aおよび第2スイッチS2aがオフ状態かつ第3スイッチS1bおよび第4スイッチS2bがオン状態のオーバーラップ期間を備えるため、負荷14に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能となる。
【0058】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0059】
10…電源装置
11…スイッチ制御部
12a…第1バッテリー
12b…第2バッテリー
13…DC-ACインバータ
14…負荷
S1a…第1スイッチ
S2a…第2スイッチ
S1b…第3スイッチ
S2b…第4スイッチ
D1a…第1ダイオード
D2a…第2ダイオード
D1b…第3ダイオード
D2b…第4ダイオード
【要約】
【課題】負荷に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能な電源装置を提供する。
【解決手段】充放電を行う第1バッテリー(12a)および第2バッテリー(12b)と、第1スイッチ列と、第2スイッチ列と、並列接続部と、スイッチ制御部(11)を備え、第1スイッチ列は、第1スイッチ(S1a)と第3スイッチ(S1b)と第1ダイオード(D1a)とを有し、第2スイッチ列は、第2スイッチ(S2a)と第4スイッチ(S2b)と第2ダイオード(D2a)とを有し、スイッチ制御部(11)は、第1接続期間から第2接続期間に変更する間に、第1スイッチ(S1a)および第2スイッチ(S2a)がオフ状態かつ第3スイッチ(S1b)および第4スイッチ(S2b)がオン状態のオーバーラップ期間を備える電源装置。
【選択図】
図1