蓄电装置和充电方法与流程

1.本发明涉及蓄电装置和充电方法。


背景技术：

2.不间断电源装置之类的蓄电系统即使在断电时也能向负载装置提供一定时间的电力，因此被广泛地用作为例如受灾时的bcp(业务连续性计划)用的备用电源。通常，在由商用电源向负载装置提供交流电的平常情况下，蓄电系统将该交流电分路并接收，将其转换为直流电，然后通过充电电路对蓄电池充电。当发生断电时，蓄电系统通过逆变器将充电到蓄电池中的电力转换为交流电，并将该交流电提供给负载装置，从而维持对负载装置的供电。
3.上述的蓄电系统构成为包括多个蓄电池的蓄电单元，从而能容易地管理该蓄电系统，并且通过串联连接多个蓄电单元，还能应对需要高电压的负载装置。但是，这样的蓄电系统在充电时，会对串联连接的多个蓄电单元全体施加充电电压，而在各蓄电单元的单元电压存在偏差的情况下，为了防止过充电，需要在任意一个单元电压达到充满电的时刻结束充电。因此，可能导致上述蓄电系统只能以小于原始设计容量的电力容量来进行充放电。
4.为了抑制多个蓄电单元之间的单元电压的偏差，在专利文献1所记载的现有技术中，通过将由串联连接的多个蓄电池构成的蓄电池组a和容量比该蓄电池组a低的一个蓄电池b串联连接来构成电池系统。由此，专利文献1的现有技术通过将蓄电池组a的soc(state of charge：充电状态)管理在一定范围内，从而使得包含在蓄电池组a中的蓄电池都不会过充电和过放电。现有技术文献专利文献
5.专利文献1：日本专利特开2010－9840号公报


技术实现要素：

发明所要解决的技术问题
6.然而，上述现有技术通过使多个蓄电池的soc均等化来抑制过充电和过放电的发生，为此设计的结构限制了包含在电池系统中的蓄电池所能进行充电的电力容量。
7.本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的是提供一种蓄电装置及蓄电装置的充电方法，该蓄电装置在对串联连接的多个蓄电单元进行充电时，能够使蓄电单元之间的容量均等化，并且抑制可充电的电力容量减小。解决技术问题所采用的技术方案
8.本发明的蓄电装置包括：串联连接的多个蓄电单元；以及控制部，该控制部监视多个所述蓄电单元各自的单元电压并且对多个所述蓄电单元分别进行控制，所述蓄电单元包括：串联连接在充放电端子之间的蓄电部和充电开关、以及在所述充放电端子之间进行旁路的旁路开关，所述控制部通过对串联充电的多个所述蓄电单元单独设定充电模式和旁路
模式来使所述单元电压均等化，所述充电模式下，控制所述充电开关接通且控制所述旁路开关关断，从而以恒定电流对所述蓄电部充电，所述旁路模式下，控制所述充电开关关断且控制所述旁路开关接通，从而停止对所述蓄电部的充电。发明效果
9.根据本发明，能提供一种蓄电装置及蓄电装置的充电方法，该蓄电装置在对串联连接的多个蓄电单元进行充电时，能够使蓄电单元之间的容量均等化，并且抑制可充电的电力容量减小。
附图说明
10.图1示出了使用本发明的蓄电装置的备用电源的电路图。图2是表示本发明的蓄电装置的结构的电路图。图3是示出本发明的蓄电装置在充电过程中的充电电压、充电单元数量和合计电压的变化的图表。
具体实施方式
11.下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。此外，本发明不限定于以下说明的内容，在不变更其主旨的范围内可进行任意变更来进行实施。实施方式的说明中所用的附图均示意性示出了结构部件，有时为了加深理解而对局部进行强调、放大、缩小或省略等，而没有正确的表示结构部件的比例尺、形状等。
12.图1示出了使用本发明的蓄电装置1的备用电源的电路图。更详细地，图1是举例示出设置在从商用电源2到负载3的供电路径中的备用电源的结构的电路图。
13.如后文描述的详细结构那样，蓄电装置1是所谓的不间断电源装置(ups：不间断电源系统)，其能够利用从商用电源2提供的电力进行充电，并且在商用电源2断电时进行放电，从而持续地向负载3供电。
14.在本实施方式中，从商用电源2输出的ac 100v的电力在电源电路4中转换为dc 380v，并提供给切换电路5。在没有发生断电的平常情况下，提供给切换电路5的dc 380v的电力在逆变器6中被再次转换为ac 100v，并输出到负载3。
15.此外，从商用电源2输出的ac 100v的电力在充电电路7中被转换为直流电，并且被转换为蓄电装置1所要求的电压而用于蓄电装置1的充电。
16.当商用电源2中发生断电时，蓄电装置1经由切换电路5向逆变器6输出直流电。由此，从蓄电装置1输出的dc 380v的电力在逆变器6中再次被转换为ac 100v，并输出到负载3。即，切换电路5在没有发生断电的平常情况下，将从电源电路4输入的电力输出到逆变器6，在断电时将从蓄电装置1输入的电力输出到逆变器6，从而切换电力供给源。
17.另外，使用了本发明的蓄电装置1的备用电源的结构不限于该电路结构，能根据所应用的设备等的条件进行各种改变。
18.接着，更为详细地对蓄电装置1的结构进行说明。图2是表示本发明涉及的蓄电装置1的结构的电路图。
19.蓄电装置1包括串联连接的第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7和控制部10。这里，在本实施方式中，举例示出了包括串联数n
total
＝7个蓄电单元的结构，但是蓄电装置1
所包括的蓄电单元的个数不限于此，可适当地进行调整以达到负载3所需的输出电压。
20.第一蓄电单元bbu1形成有充放电端子t(
‑
)和t(+)，并且在第一蓄电单元bbu1的内部包括串联连接在该充放电端子之间的蓄电部bat和充电开关sw
c
。此外，第一蓄电单元bbu1包括与充电开关sw
c
并联连接的放电开关sw
d
。此外，在第一蓄电单元bbu1中，在充放电端子之间形成旁路路径，并且在该旁路路径中设有旁路开关sw
b
。
21.这里,蓄电部bat通过串联连接例如由镍氢电池或镍镉电池构成的多个电池单元来构成。此外，充电开关sw
c
、放电开关sw
d
和旁路开关sw
b
由例如mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)或igbt(绝缘栅双极晶体管)等高速动作的开关元件构成。
22.然后，通过分别控制充电开关sw
c
接通、放电开关sw
d
关断和旁路开关sw
b
关断，从而将第一蓄电单元bbu1设定为用施加在充放电端子之间的充电电压对蓄电部bat进行充电的充电模式。通过分别控制充电开关sw
c
关断、放电开关sw
d
接通和旁路开关sw
b
关断，从而将第一蓄电单元bbu1设定为向充放电端子之间输出蓄电部bat的电压作为单元电压的放电模式。
23.这里，由于第二蓄电单元bbu2至第七蓄电单元bbu7的结构与上述第一蓄电单元bbu1的结构相同，因此省略详细描述。
24.控制部10例如是包括公知的微机控制电路来控制蓄电装置1的充放电的所谓bms(电池管理系统)。当对蓄电装置1进行充电时，控制部10从充电电路7接收电力，并在第一蓄电单元bbu1的充放电端子t(
‑
)和第七蓄电单元bbu7的充放电端子t(+)之间施加充电电压v
c
。此外，当蓄电装置1进行放电时，控制部10将第一蓄电单元bbu1的充放电端子t(
‑
)和第七蓄电单元bbu7的充放电端子t(+)之间的合计电压v
total
提供给切换电路5。
25.更具体地，控制部10构成为监视第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7的各单元电压，并且能够单独控制各个蓄电单元的充电开关sw
c
、放电开关sw
d
和旁路开关sw
b
。
26.当对第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7进行串联充电时，控制部10能设定用于停止对特定的蓄电单元进行充电的旁路模式。更具体地，例如，当第一蓄电单元bbu1被设定为旁路模式时，控制部10分别控制第一蓄电单元bbu1的充电开关sw
c
关断、放电开关sw
d
关断和旁路开关sw
b
接通，从而第一蓄电单元bbu1的充放电端子短路，并且禁止蓄电部bat的充电。在这种情况下，在各个蓄电单元的串联充电时，第二蓄电单元bbu2至第七蓄电单元bbu7被充电，并且第一蓄电单元bbu1被排除在串联充电之外。
27.接下来，说明对蓄电装置1的第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7进行串联充电的充电方法。
28.在蓄电装置1中，当第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7的单元电压的合计即合计电压v
total
下降到规定阈值以下时，或者当从断电恢复时等，能任意地设定充电的定时。这里，说明从合计电压v
total
下降到放电结束电压v
cutoff
的状态开始充电的情况。另外，假设放电结束电压v
cutoff
为265v，充电上限电压为380v，来说明本实施方式中的合计电压v
total
。
29.此外，至少在蓄电装置1的充电过程中，控制部10连续地监视第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7的各个蓄电部bat的电压(电压监视步骤)。此外，控制部10将被设定为充电模式的蓄电单元的数量n
c
控制为满足n
c
≥v
cutooff
×
n
total
/v
total
的最小自然数，同时进行各个蓄电单元的串联充电(串联充电步骤)。
30.图3是示出本发明的蓄电装置1在充电过程中的充电电压v
c
、充电单元数量n
c
和合
计电压v
total
的变化的图表。图3的横轴表示从充电开始的定时t0起的经过时间。
31.在充电开始的定时t0，控制部10计算蓄电装置1所具备的多个蓄电单元中被设定为充电模式的蓄电单元的数量n
c
，并开始串联充电。这里，因为放电结束电压v
cutooff
为265v，蓄电单元的串联数n
total
为7个，充电开始时的合计电压v
total
为265v，v
cutooff
×
n
total
/v
total
＝7，因此蓄电装置1将所有蓄电单元设定为充电模式，并开始串联充电。
32.蓄电装置1的充电开始后，合计电压v
total
也随着充电的进行而上升。此处，控制部10控制充电电压v
c
，使其成为将固定的电位差δv加到上升的合计电压v
total
后得到的电压值，从而能够以恒定电流对充电模式下的蓄电单元进行充电。
33.在定时t1，当合计电压v
total
达到310v时，v
cutooff
×
n
total
/v
total
＝5.98，控制部10将设定为充电模式的蓄电单元的数量n
c
设定为6个，并且将剩余的一个设定为旁路模式。此时，为了使蓄电单元的单元电压均等化，控制部10将第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7中充电进行最快(单元电压最高)的蓄电单元设定为旁路模式，并继续串联充电。此外，由于被设定为充电模式的蓄电单元的数量减少，控制部10使充电电压v
c
再次回到放电结束电压v
cutoff
＝265v，并根据被设定为充电模式的蓄电单元的单元电压的合计来控制充电电压v
c
上升。
34.这里，当存在被设定为旁路模式的蓄电单元时，随着充电的进行，充电模式下的一个蓄电单元和旁路模式下的蓄电单元的单元电压可能发生对换。在这种情况下，控制部10能通过切换两个蓄电单元的模式来推进单元电压的均等化。
35.在定时t2，当合计电压v
total
达到371v时，v
cutooff
×
n
total
/v
total
＝5，控制部10将设定为充电模式的蓄电单元的数量n
c
设定为5个，并且将剩余的2个设定为旁路模式。此时，为了使蓄电单元的单元电压均等化，控制部10将第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7中充电进行最快的2个蓄电单元设定为旁路模式，并继续串联充电。此外，由于被设定为充电模式的蓄电单元的数量减少，因此控制部10使充电电压v
c
再次回到放电结束电压v
cutoff
＝265v，并根据被设定为充电模式的蓄电单元的单元电压的合计来控制充电电压v
c
上升。
36.此外，在定时t2之后，控制部10进行与从定时t1到定时t2为止的期间同样的控制，随着充电的进行，对设定为充电模式的蓄电单元和设定为旁路模式的蓄电单元进行切换，同时使单元电压均等化。此时，在从定时t2到定时t3为止的期间中，与从定时t1到定时t2为止的期间相比，设定为旁路模式的蓄电单元的数量增加，因而能更精细地进行单元电压的均等化控制。
37.在定时t3，当合计电压v
total
达到充电上限电压380v时，蓄电装置1处于充满电状态，控制部10停止对所有蓄电单元的充电。由此，在第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7中，随着串联充电的进行，各个蓄电单元的单元电压之差减小，并且在单元电压均等化的状态下完成充电。因此，降低了各蓄电单元陷入过充电状态的可能性，并且每个蓄电单元被充电到可充电的电力容量。
38.这里，在本实施方式中，说明了从合计电压v
total
降低到放电结束电压v
cutooff
的状态开始充电的情况，然而，在从合计电压v
total
例如为310v的状态开始串联充电的情况下，从6个蓄电单元被设定为充电模式的图3中的定时t1处的状态开始充电。
39.此外，当在串联充电过程中发生断电的情况下，控制部10通过对所有蓄电单元都控制充电开关sw
c
和旁路开关sw
b
关断且控制放电开关sw
d
接通，从而将第一蓄电单元bbu1至
第七蓄电单元bbu7同时设定为放电模式。由此，蓄电装置1在充电时发生断电的情况下，也能够立即向负载3输出合计电压v
total
，并且能够降低向负载3提供的电力发生瞬时切断的可能性。
40.如上所述，在本发明的蓄电装置1中，在第一蓄电单元bbu1至第七蓄电单元bbu7进行串联充电时，通过将蓄电单元依次地设定为旁路模式，能使单元电压均等化。此外，蓄电装置1通过随着串联充电的进行而增加被设定为旁路模式的蓄电单元的数量，能够更精细地使单元电压均等化。此外，蓄电装置1通过将设定为充电模式的蓄电单元的数量n
c
控制为满足n
c
≥v
cutoff
×
n
total
/v
total
的最小自然数，从而能抑制达到充满电的充电时间，同时尽可能早地增加设定为旁路模式的蓄电单元的数量，从而能更可靠地使单元电压均等化。蓄电装置1即使在充电过程中发生断电的情况下，也能通过同时将各个蓄电单元设定为放电模式来抑制负载3中的瞬时切断。因此，根据本发明的蓄电装置1，在对串联连接的多个蓄电单元进行充电时，能够使蓄电单元之间的容量均等化，同时抑制可充电的电力容量减小。
41.＜本发明的实施方式＞本发明的第一方式是一种蓄电装置，包括：串联连接的多个蓄电单元；以及控制部，该控制部监视多个所述蓄电单元各自的单元电压并且对多个所述蓄电单元分别进行控制，所述蓄电单元包括：串联连接在充放电端子之间的蓄电部和充电开关、以及在所述充放电端子之间进行旁路的旁路开关，所述控制部通过对串联充电的多个所述蓄电单元单独设定充电模式和旁路模式来使所述单元电压均等化，所述充电模式下，控制所述充电开关接通且控制所述旁路开关关断，从而以恒定电流对所述蓄电部充电，所述旁路模式下，控制所述充电开关关断且控制所述旁路开关接通，从而停止对所述蓄电部的充电。
42.蓄电装置包括串联连接的多个蓄电单元，通过控制部对这些蓄电单元串联充电。这里，各蓄电单元中，在充放电端子之间串联连接蓄电部和充电开关，并且设置旁路开关以在充放电端子之间进行旁路。因此，通过控制充电开关接通并且控制旁路开关关断，将各蓄电单元设定为对蓄电部进行充电的充电模式。通过控制充电开关关断并且控制旁路开关接通，将各蓄电单元设定为对蓄电部进行旁路的旁路模式。
43.并且，控制部在将各个蓄电单元单独设定为充电模式或旁路模式的同时，根据设定为充电模式的蓄电单元的电压来控制充电电压，从而能以恒定电流对各蓄电单元进行串联充电，同时使单元电压均等化。因此，蓄电装置能够降低一部分蓄电单元过充电的可能性，并且能够充电到各蓄电单元的电力容量的上限。
44.因此，根据本发明的第一方式，在对串联连接的多个蓄电单元进行充电时，能够使蓄电单元之间的容量均等化，同时抑制可充电的电力容量减小。
45.本发明的第二方式的蓄电装置是在上述的本发明的第一方式的基础上，随着多个所述蓄电单元的充电的进行，所述控制部增加设定为所述旁路模式的所述蓄电单元的数量。
46.根据本发明的第二方式，蓄电装置中，在多个蓄电单元串联充电时，随着接近充满电状态而增加设定为旁路模式的蓄电单元的数量，从而能更精细地使单元电压均等化。
47.本发明的第三方式的蓄电装置是在本发明的第一或第二方式的基础上，所述控制部进行如下控制：在所述蓄电单元的放电结束电压设为v
cutoff
、所述蓄电单元的串联数量设为n
total
和多个所述蓄电单元的合计电压设为v
total
的情况下，设定为充电模式的所述蓄电
单元的数量n
c
是满足n
c
≥v
cutoff
×
n
total
/v
total
的最小自然数。
48.在多个蓄电单元串联充电时，通过增加设定为充电模式的蓄电单元的数量，能缩短充电所花费的时间。另一方面，通过增加设定为旁路模式的蓄电单元的数量，能更可靠地使单元电压均等化。因此，蓄电装置通过基于n
c
≥v
cutoff
×
n
total
/v
total
的式子来控制设定为充电模式的所述蓄电单元的数量n
c
，能够进行使两者的优点最优化的串联充电。
49.由此，根据本发明的第三方式，蓄电装置能在抑制达到充满电之前的充电时间的同时，尽可能早地增加被设定为旁路模式的蓄电单元的数量，并且更可靠地使单元电压均等化。
50.本发明的第四方式的蓄电装置是在上述本发明的第一至第三方式中的任一方式的基础上，所述蓄电单元包括与所述充电开关并联连接的放电开关，所述控制部在多个所述蓄电单元的充电过程中发生断电的情况下，对所有的所述蓄电单元都控制所述充电开关和所述旁路开关关断并且控制所述放电开关接通。
51.根据本发明的第四方式，蓄电装置即使在充电过程中发生断电的情况下，也能通过同时将各个蓄电单元设定为放电模式来抑制负载发生瞬时切断。
52.本发明的第五方式是一种充电方法，对串联连接的多个蓄电单元进行充电，该充电方法包括：监视多个所述蓄电单元各自的单元电压的电压监视步骤；以及通过对多个所述蓄电单元分别单独地设定以恒定电流对内部的蓄电部进行充电的充电模式、和将内部的蓄电部旁路来停止充电的旁路模式中的任意一个模式，从而在使所述单元电压均等化的同时进行串联充电的串联充电步骤。
53.本发明的第五方式的充电方法中，在串联充电多个蓄电单元时，在监视各单元电压的同时，针对各蓄电单元单独地设定充电模式或旁路模式。此时，通过根据设定为充电模式的蓄电单元的电压来控制充电电压，从而能以恒定电流对各个蓄电单元进行串联充电的同时，使单元电压均等化。因此，本发明的充电方法能够降低一部分蓄电单元过充电的可能性，并且能够充电至各蓄电单元的电力容量的上限。因此，根据本发明的第五方式的充电方法，在对串联连接的多个蓄电单元进行充电时，能够使蓄电单元之间的容量均等化，同时抑制可充电的电力容量减小。
54.本发明的第六方式的充电方法是在上述的本发明的第五方式的基础上，在所述串联充电步骤中，伴随多个所述蓄电单元的充电的进行，增加设定为所述旁路模式的所述蓄电单元的数量。
55.根据本发明的第六方式的充电方法，在多个蓄电单元串联充电时，随着接近充满电状态而增加设定为旁路模式的蓄电单元的数量，从而能更精细地使单元电压均等化。
56.本发明的第七方式的充电方法是在本发明的第五或第六方式的基础上，在所述串联充电步骤中进行如下控制：在所述蓄电单元的放电结束电压设为v
cutoff
、所述蓄电单元的串联数量设为n
total
和多个所述蓄电单元的合计电压设为v
total
的情况下，设定为充电模式的所述蓄电单元的数量n
c
是满足n
c
≥v
cutoff
×
n
total
/v
total
的最小自然数。
57.在多个蓄电单元串联充电时，通过增加设定为充电模式的蓄电单元的数量，能缩短充电所花费的时间。另一方面，通过增加设定为旁路模式的蓄电单元的数量，能更可靠地使单元电压均等化。因此，能通过基于n
c
≥v
cutoff
×
n
total
/v
total
的式子来控制设定为充电模式的所述蓄电单元的数量n
c
，来进行使两者的优点最优化的串联充电。
58.因此，根据本发明的第七方式的充电方法，能在抑制达到充满电之前的充电时间的同时，尽可能早地增加被设定为旁路模式的蓄电单元的数量，并且更可靠地使单元电压均等化。
59.本发明的第八方式的充电方法是在上述的本发明的第五至第七方式中的任一方式的基础上，在所述串联充电步骤中，当在多个所述蓄电单元的充电过程中发生断电的情况下，将所有的所述蓄电单元都设定为停止对内部的所述蓄电部进行充电而使其进行放电的放电模式。
60.根据本发明的第八方式，即使在充电过程中发生断电的情况下，也能通过同时将各个蓄电单元设定为放电模式来抑制负载发生瞬时切断。标号说明
[0061]1ꢀꢀ
蓄电装置2
ꢀꢀ
商用电源3
ꢀꢀ
负载10
ꢀꢀ
控制部bbu1～bbu7
ꢀꢀ
第一蓄电单元～第七蓄电单元bat
ꢀꢀ
蓄电部sw
c
ꢀꢀ
充电开关sw
d
ꢀꢀ
放电开关sw
b
ꢀꢀ
旁路开关t(+)、t(－)
ꢀꢀ
充放电端子。