JP2014191861A - Back-up power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主電源が喪失したときのためのバックアップ電源装置に関する。 The present invention relates to a backup power supply apparatus for when a main power supply is lost.
停電時のバックアップ電源として、鉛蓄電池等の二次電池が用いられている。また、特許文献1に、商用電源が利用できないときに少なくとも2系統の乾電池からの電気エネルギの和を受信機に供給するバックアップ電源が開示されている。 A secondary battery such as a lead storage battery is used as a backup power source during a power failure. Patent Document 1 discloses a backup power source that supplies a receiver with a sum of electrical energy from at least two dry batteries when a commercial power source is not available.
鉛蓄電池等の二次電池をバックアップ用の電源に用いる場合、商用電源から正常に電力が供給されている期間は、二次電池が満充電状態に維持される。二次電池が充電された状態に維持されていると、二次電池を使用しない期間も、自己放電によって電力が無駄に消費される。さらに、満充電状態が維持されると、二次電池の劣化が進行するため、定期的に電池を交換しなければならない。 When a secondary battery such as a lead storage battery is used as a backup power source, the secondary battery is maintained in a fully charged state during a period in which power is normally supplied from the commercial power source. When the secondary battery is maintained in a charged state, power is wasted due to self-discharge even during periods when the secondary battery is not used. Furthermore, when the fully charged state is maintained, the secondary battery deteriorates, so the battery must be periodically replaced.
乾電池をバックアップ用の電源に用いる場合には、自己放電等により乾電池の残量が低下する場合がある。乾電池の残量が低下すると、当初の目標の動作時間が得られない状況が生じ得る。規格通りの動作時間を保証するために、乾電池を定期的に交換しなければならない。 When using a dry cell as a backup power source, the remaining amount of the dry cell may decrease due to self-discharge or the like. When the remaining amount of the dry battery decreases, a situation may occur in which the initial target operation time cannot be obtained. In order to guarantee the operating time according to the standard, the batteries must be replaced periodically.
本発明の目的は、二次電池の自己放電等に起因する無駄な電力消費を低減することが可能なバックアップ電源装置を提供することである。 The objective of this invention is providing the backup power supply device which can reduce the useless power consumption resulting from the self-discharge etc. of a secondary battery.
本発明の一観点によると、
主電源から供給される電力によって駆動される負荷に電力を供給する二次電池と、
前記負荷に電力を供給する予備電源として、電解液が注入されていない状態で待機する複数の金属空気電池と、
前記金属空気電池に注入される電解液を、大気から遮断した状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
制御装置と、
前記制御装置から指令を受けることにより、前記貯蔵タンクに貯蔵されている電解液を前記金属空気電池に注入する注入機構と
を有するバックアップ電源装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
A secondary battery for supplying power to a load driven by power supplied from a main power source;
As a backup power source for supplying power to the load, a plurality of metal-air batteries that wait in a state where no electrolyte is injected, and
A storage tank for storing the electrolyte injected into the metal-air battery in a state of being cut off from the atmosphere;
A control device;
By receiving a command from the control device, a backup power supply device having an injection mechanism for injecting the electrolyte stored in the storage tank into the metal-air battery is provided.
待機状態のとき、金属空気電池に電解液が注入されていないため、金属空気電池の劣化や自己放電を低減することができる。また、二次電池のみならず、金属空気電池が予備電源として備えられているため、二次電池の容量を小さくすることができる。二次電池の容量が小さくなると、自己放電による電力の無駄な消費が抑制されるとともに、二次電池の容積が小さくなり、重量が軽くなる。金属空気電池は、鉛蓄電池等の二次電池に比べてエネルギ密度が高いため、バックアップ電源装置を二次電池のみで構成する場合に比べて、
バックアップ電源装置全体としても、容積を小さくし、かつ重量を軽くすることができる。
In the standby state, since the electrolyte is not injected into the metal-air battery, deterioration of the metal-air battery and self-discharge can be reduced. Moreover, since not only the secondary battery but also a metal-air battery is provided as a backup power source, the capacity of the secondary battery can be reduced. When the capacity of the secondary battery is reduced, unnecessary power consumption due to self-discharge is suppressed, and the volume of the secondary battery is reduced and the weight is reduced. Metal-air batteries have higher energy density than secondary batteries such as lead-acid batteries, so compared to the case where the backup power supply device is composed only of secondary batteries,
The entire backup power supply device can also be reduced in volume and weight.
[実施例1]
図1に、実施例1によるバックアップ電源装置のブロック図を示す。入力端子10に商用電源12(主電源)から交流電力が供給される。出力端子11に電気負荷13が接続されている。電気負荷13は、例えば移動体通信網の無線基地局の送受信機である。AC−DCコンバータ20が、入力端子10に入力された交流電力を直流電力に変換する。この直流電力は、電力輸送回路21を経由して出力端子11に出力されるとともに、電力輸送回路21及びスイッチング素子26を経由して二次電池25に供給される。これにより、二次電池25が、常時、満充電の状態に維持される。二次電池25には、例えば鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等が用いられる。
[Example 1]
FIG. 1 is a block diagram of a backup power supply device according to the first embodiment. AC power is supplied to the
電力輸送回路21に、複数の一次電池ユニット30が、それぞれスイッチング素子31を介して接続されている。一次電池ユニット30の各々は、直列または並列に接続された複数の金属空気電池50、及び貯蔵タンク55を含む。貯蔵タンク55に、金属空気電池50で用いられる電解液が貯蔵されている。金属空気電池には、例えば亜鉛空気電池が用いられる。亜鉛空気電池に代えて、アルミニウム空気電池、マグネシウム空気電池等を用いてもよい。
A plurality of
一次電池ユニット30の各々に含まれる金属空気電池50は、正極集電体、負極集電体、及び負極活物質を含む。待機中は、電解液が貯蔵タンク55に貯蔵されており、金属空気電池50には電解液が注入されておらず、電解液が負極活物質から分離されている。電解液が負極活物質から分離された状態を「待機状態」ということとする。一次電池ユニット30は、電気負荷13に電力を供給する予備電源として待機している。電解液を金属空気電池に注入して負極活物質に接触させると、起電力が発生する。電解液が負極活物質に接触して起電力が発生している状態を「動作状態」ということとする。
The metal-
入力端子10に印加されている電圧、二次電池25の端子間電圧、複数の一次電池ユニット30の各々の端子間電圧の測定値が、制御装置40に入力される。制御装置40は、入力された電圧の測定値に基づいて、スイッチング素子26、31のオンオフ制御、及び一次電池ユニット30の待機状態から動作状態への切換制御を行う。
The measured value of the voltage applied to the
図2に、実施例1による一次電池ユニット30(図1)に含まれる金属空気電池50の断面図を示す。袋状のセパレータ36内に負極集電体33及び負極活物質34が充填されている。負極活物質34には、例えば金属亜鉛粒子が用いられる。金属空気電池50としてアルミニウム空気電池またはマグネシウム空気電池を用いる場合には、負極活物質34として、それぞれ金属アルミニウム粒子または金属マグネシウム粒子が用いられる。負極集電体33には、例えばニッケル等の金属板が用いられる。セパレータ36には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜、または樹脂不織布、ガラス繊維不織布等が用いられる。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the metal-
セパレータ36の外側の表面に正極集電体32が貼りつけられている。正極集電体32
は、カーボンクロス、カーボンペーパー等のベースにカーボンブラック等の導電材を塗布した構造を有する。導電材には、触媒及び結着剤が含まれる。触媒には、例えば二酸化マンガンが用いられる。結着剤には、例えばポリフッ化ビニリデン等が用いられる。正極集電体32は、酸素を透過させる多数の微細な孔を有する。大気中の酸素が正極活物質として作用する。負極集電体33と正極集電体32とが、金属空気電池50の出力端子37に接続される。
A positive electrode
Has a structure in which a conductive material such as carbon black is applied to a base such as carbon cloth or carbon paper. The conductive material includes a catalyst and a binder. For example, manganese dioxide is used as the catalyst. As the binder, for example, polyvinylidene fluoride is used. The positive electrode
セパレータ36に設けられた電解液注入口51から、セパレータ36内の空間に電解液が注入される。電解液には、例えば水酸化カリウム(KOH)水溶液が用いられる。セパレータ36内に電解液が注入されると、出力端子37の間に電圧が発生する。
The electrolytic solution is injected into the space in the
図3に、実施例1によるバックアップ電源装置の等価回路図を示す。入力端子10に印加されている商用電源12(図1)の電圧を、電圧計24が測定する。電圧計24の測定結果が制御装置40に入力される。制御装置40は電圧計24の測定値(入力端子10に印加されている商用電源12の電圧)を監視している。制御装置40は、電圧計24の測定値と規定電圧値とを比較し、電圧計24の測定値が規定電圧値以下になると、商用電源12(図1)からの正常な電力供給が停止したと判定する。
FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the backup power supply device according to the first embodiment. A
電力輸送回路21が、バスライン22及びダイオード23を含む。AC−DCコンバータ20の出力直流電圧がバスライン22に印加される。二次電池25の入出力端子が、スイッチング素子26を介してバスライン22に接続されている。電圧計27が、二次電池25の端子間の電圧を測定する。電圧計27の測定結果が制御装置40に入力される。特段の事情がない限り、スイッチング素子26は常時オンにされている。このため、電圧計27で測定される電圧は、バスライン22に現れている電圧と等しい。
The
一次電池ユニット30が、それぞれスイッチング素子31を介してバスライン22に接続されている。ダイオード23は、一次電池ユニット30ごとに配置され、一次電池ユニット30と直列に接続されている。ダイオード23は、一次電池ユニット30からの放電電流の向きが順方向になるように接続されている。このため、一次電池ユニット30への充電電流の流入が禁止される。なお、一次電池ユニット30の正極の電位がバスライン22の電位より低くなったときに、スイッチング素子31をオフにして、充電電流の流入を防止する制御を行ってもよい。この制御を行う場合には、ダイオード23を省略してもよい。
The
複数の電圧計38が、それぞれ一次電池ユニット30の端子間の電圧を測定する。測定結果が制御装置40に入力される。一次電池ユニット30を示す破線内に記載したスイッチ30Aは、一次電池ユニット30が待機状態と動作状態との2つの状態を有することを意味する。スイッチ30Aのオフ状態及びオン状態が、それぞれ待機状態及び動作状態に対応する。
A plurality of
二次電池25は、電気負荷13で必要とされる電圧に応じた個数の鉛蓄電池を直列接続することにより、必要な電圧を出力する。一次電池ユニット30は、その開路電圧が二次電池25の開路電圧よりもやや高くなるように、直列接続された複数の金属空気電池を含む。
The
図4〜図8を参照して、実施例1によるバックアップ電源装置の動作について説明する。
図4に、バスライン22(図3)の電圧、及び一次電池ユニット30(図1)の端子間電圧の時間変化の一例を示す。図4において上段の実線v1がバスライン22(図3)の電圧を示し、中段の実線v2が、最初に動作する一次電池ユニット30(図1)の端子間
電圧を示し、下段の実線v3が、2番目に動作する一次電池ユニット30(図1)の端子間電圧を示す。スイッチング素子26(図3)が常時オン状態であるため、バスライン22の電圧v1は、電圧計27(図3)で測定することができる。
The operation of the backup power supply apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 shows an example of the time change of the voltage of the bus line 22 (FIG. 3) and the voltage between the terminals of the primary battery unit 30 (FIG. 1). 4, the upper solid line v1 indicates the voltage of the bus line 22 (FIG. 3), the middle solid line v2 indicates the voltage between the terminals of the primary battery unit 30 (FIG. 1) that operates first, and the lower solid line v3 indicates The inter-terminal voltage of the primary battery unit 30 (FIG. 1) that operates second is shown. Since the switching element 26 (FIG. 3) is always on, the voltage v1 of the
時刻t0において、商用電源12(図1)からの電力の供給が停止したとする。電圧計24(図3)の測定値が規定電圧値以下になることにより、制御装置40が、商用電源12からの電力供給の停止を検知する。時刻t0の時点で、図5に示すように、二次電池25からの放電が開始され、電力輸送回路21を経由して電気負荷13に電力が供給される。二次電池25が放電することにより、図4に示すように、二次電池25の端子間電圧v1が時間の経過とともに低下する。
It is assumed that the supply of power from the commercial power supply 12 (FIG. 1) is stopped at time t0. When the measured value of the voltmeter 24 (FIG. 3) is equal to or less than the specified voltage value, the
図4に示した時刻t1において、バスライン22(図3)の電圧v1が電圧閾値Vaまで低下する。電圧v1が電圧閾値Vaまで低下したことが、制御装置40(図1)により検出されると、制御装置40は、最初に動作させる一次電池ユニット30の各金属空気電池50(図2)に電解液を注入する。一次電池ユニット30に電解液が注入されることにより、一次電池ユニット30の端子間電圧v2が上昇し始める。二次電池25の放電電流が定格値の範囲内のとき、二次電池25の端子間電圧は、二次電池25の充電状態(SOC)に対応するため、バスライン22(図3)の電圧v1を監視することは、実質的に、二次電池25のSOCを監視することと等価である。
At time t1 shown in FIG. 4, the voltage v1 of the bus line 22 (FIG. 3) drops to the voltage threshold Va. When the control device 40 (FIG. 1) detects that the voltage v1 has decreased to the voltage threshold Va, the
時刻t2において、電解液が注入された一次電池ユニット30の端子間電圧v2が定格開路電圧Vbに達する。端子間電圧v2が定格開路電圧Vbに達したこと(すなわち、一次電池ユニット30が待機状態から動作状態になったこと)を制御装置40(図1)が検出すると、電解液が注入された一次電池ユニット30に接続されているスイッチング素子31(図1、図3)をオンにする。一次電池ユニット30から放電電流が流れ始め、バスライン22(図3)の電圧v1が上昇する。一次電池ユニット30の内部抵抗に起因する電圧降下ΔVbが生じるため、バスライン22(図3)の上昇後の電圧v1は、Vb−ΔVbになる。
At time t2, the inter-terminal voltage v2 of the
図6に示すように、動作状態の一次電池ユニット30から電気負荷13に電力が供給される。バスライン22(図3)の電圧v1が二次電池25の端子間の開路電圧よりも高い場合、すなわち、バスライン22(図3)の正極の電位が、二次電池25の正極の電位より高い場合には、動作状態の一次電池ユニット30からの放電電力により、二次電池25が充電される。電気負荷13の消費電力が大きくなると、一次電池ユニット30の放電電流が大きくなる。これにより、一次電池ユニット30の内部抵抗に起因する電圧降下が大きくなり、バスライン22の電圧v1が低下する。バスライン22(図3)の電圧v1が二次電池25の端子間の開路電圧より低くなると、図7に示すように、二次電池25が放電する。このため、一次電池ユニット30及び二次電池25の両方から電気負荷13に電力が供給される。電気負荷13の消費電力に応じて二次電池25の充放電が行われ、全体として、バスライン22の電圧v1が時間の経過とともに低下する。電気負荷13による消費電力の瞬間的な変動によっても、二次電池25の充電と放電とが切り替わる。
As shown in FIG. 6, electric power is supplied from the
図4の時刻t3において、バスライン22の電圧v1が電圧閾値Vaまで低下すると、制御装置40(図1)が、2番目に動作させる一次電池ユニット30に、電解液の注入を開始する。これにより、2番目に動作する一次電池ユニット30の端子間電圧v3が上昇する。端子間電圧v3が定格開路電圧Vbに達すると、制御装置40(図1)は、2番目に動作させる一次電池ユニット30に接続されたスイッチング素子31(図1、図3)をONにするとともに、最初に動作させた一次電池ユニット30に接続されているスイッチング素子31(図1)をオフにする。最初に動作させた一次電池ユニット30からの放電電流が流れなくなるため、一次電池ユニット30の端子間電圧v2は、ほぼ一定の値を維
持する。
When the voltage v1 of the
図8に示すように、時刻t4以降は、2番目に動作状態になった一次電池ユニット30が放電する。電気負荷13の消費電力に応じて、二次電池25の充放電が行われる。時刻t4以降も、バスライン22(図3)の電圧v1が電圧閾値Vaまで低下するごとに、次に動作させる一次電池ユニット30への電解液の注入を開始する。これにより、電気負荷13に、継続して電力を供給することができる。
As shown in FIG. 8, after time t4, the
図9に、1つの一次電池ユニット30の概略図を示す。一次電池ユニット30は、複数の金属空気電池50、貯蔵タンク55、及び注入機構60を含む。貯蔵タンク55の上部に開放弁56が取り付けられている。開放弁56が閉じられた状態で、貯蔵タンク55は、金属空気電池50に注入される電解液70を、大気から遮断した状態で貯蔵する。注入機構60は、制御装置40から指令を受けることにより、貯蔵タンク55に貯蔵されている電解液70を金属空気電池50に注入する。金属空気電池50へ電解液70を注入する期間は、制御装置40が開放弁56を開いた状態にする。
FIG. 9 shows a schematic diagram of one
注入機構60は、金属空気電池50の各々と貯蔵タンク55とを接続する流路62、及び流路62に挿入された開閉弁61を含む。制御装置40は、開閉弁61の開閉動作を制御する。開閉弁61を開くと、貯蔵タンク55内の電解液70が重力によって落下し、金属空気電池50に注入される。
The
貯蔵タンク55は、金属空気電池50に対応して準備された複数の収容室57を含む。複数の収容室57は、隔壁58によって相互に仕切られている。貯蔵タンク55の内部空間の上部において、収容室57同士が繋がっている。収容室57の各々に、対応する金属空気電池50に注入すべき体積(目標とすべき体積)の電解液70が貯蔵される。収容室57に貯蔵されている電解液70が、対応する金属空気電池50に注入される。
The
貯蔵タンク55が複数の収容室57に仕切られていない場合、金属空気電池50に注入される電解液の流量が、金属空気電池50ごとに同一になるとは限らない。流量にばらつきが生じると、金属空気電池50に注入される体積がばらついてしまう。相対的に大きな流量で電解液が注入された金属空気電池50から、電解液70が溢れてしまうことが懸念される。
When the
実施例1においては、金属空気電池50に対応して準備された収容室57に、対応する金属空気電池50に注入すべき体積の電解液70が貯蔵されているため、各金属空気電池50に、注入すべき体積の電解液70を注入することができる。
In the first embodiment, since the volume of the
電解液を金属空気電池50に注入する直前に、電解質を溶媒に溶解させる方法では、溶解熱の発生によって、金属空気電池50に注入される前に電解液の温度が高くなってしまう場合がある。実施例1においては、予め電解質を溶媒に溶解させて、電解液として準備されている。このため、ほぼ室温の電解液を金属空気電池50に注入することができる。電解液70は、大気から遮断された状態で貯蔵タンク55に貯蔵されているため、電解液の劣化を抑制することができる。
In the method in which the electrolyte is dissolved in the solvent immediately before the electrolytic solution is injected into the metal-
実施例1においては、一次電池ユニット30(図1)が待機状態の期間は、負極活物質34(図2)と電解液とが接触していない。このため、自己放電や、電池の劣化を防止することができる。一次電池ユニット30に電解液が注入されて定格開路電圧Vb(図4)を発生するまでの期間(図4の時刻t0〜t2)は、二次電池25により電気負荷13に電力が供給される。このため、電力供給の継続性が保証される。
In Example 1, the negative electrode active material 34 (FIG. 2) and the electrolytic solution are not in contact with each other during the period when the primary battery unit 30 (FIG. 1) is in the standby state. For this reason, self-discharge and deterioration of a battery can be prevented. During the period (time t0 to t2 in FIG. 4) from when the electrolytic solution is injected into the
二次電池25の容量は、一次電池ユニット30が動作し始めるまでの期間、電気負荷13に電力を供給できる程度に設定しておけばよい。このため、二次電池25のみでバックアップを行う場合に比べて、二次電池25の容量を小さくすることができる。二次電池25の容量を小さくすると、自己放電に起因する電力損失を低減することができる。
The capacity of the
[実施例2]
図10Aに、実施例2によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット30の概略図を示す。以下、実施例1との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
[Example 2]
FIG. 10A is a schematic diagram of a
実施例2においては、注入機構60が、流路62、昇降機構63、及び止水栓64を含む。止水栓64は、収容室57ごとに配置されており、収容室57の底面に形成された開口を塞ぐことができる。この開口に流路62の上端が接続される。昇降機構63は、止水栓64に対して貯蔵タンク55を昇降させる。例えば、止水栓64は金属空気電池50に固定されている。貯蔵タンク55を昇降させると、貯蔵タンク55の移動量に応じて流路62の長さが変動する。
In the second embodiment, the
制御装置40が昇降機構63を制御する。一次電池ユニット30が待機状態のとき、止水栓64が収容室57の底面に設けられている開口を塞いでいる。このため、貯蔵タンク55内の電解液70は、貯蔵タンク55内に貯蔵された状態を維持する。
The
図10Bに、電解液70を金属空気電池50に注入している状態の一次電池ユニット30の概略図を示す。制御装置40が昇降機構63を制御して、貯蔵タンク55を止水栓64に対して下降させるとともに、開放弁56を開く。貯蔵タンク55が下降すると、止水栓64が収容室57の底面から離れ、電解液70が、収容室57の底面に設けられている開口、及び流路62を通って金属空気電池50に注入される。
FIG. 10B shows a schematic diagram of the
実施例2においても、実施例1と同様に、各金属空気電池50に、注入すべき体積の電解液70を注入することができる。
Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the volume of the
[実施例3]
図11に、実施例3によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット30の概略図を示す。以下、実施例1との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
[Example 3]
FIG. 11 shows a schematic diagram of the
実施例3においては、注入機構60が、1つの開閉弁75と、金属空気電池50ごとに準備された流路62とを含む。1つの開閉弁75に複数の流路62が接続されている。開閉弁75の開閉動作は、制御装置40によって制御される。貯蔵タンク55に、複数の金属空気電池50に注入すべき体積の総和に相当する体積の電解液70が貯蔵されている。
In the third embodiment, the
開閉弁75を開くと、貯蔵タンク55内の電解液70が、複数の流路62に分岐されて金属空気電池50に注入される。各流路62を流れる電解液70の流量が等しくなるように、流路62の形状及び寸法が設定されている。例えば、相対的に長い流路62の流路断面が、相対的に短い流路62の流路断面より太い。各流路62を流れる電解液70の流量が等しくなるため、各金属空気電池50に注入される電解液70の体積がほぼ等しくなる。
When the on-off
実施例3においても、実施例1と同様に、各金属空気電池50に、注入すべき体積の電解液70を注入することができる。
Also in the third embodiment, as in the first embodiment, the volume of
[実施例4]
図12に、実施例4によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット30の概略図を示す。以下、実施例1との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
[Example 4]
FIG. 12 shows a schematic diagram of the
貯蔵タンク55から導出された1本の流路が、複数の流路62に分岐している。複数の流路62は、金属空気電池50に対応して準備されている。流路62の各々に、開閉弁77が挿入されている。複数の内部インピーダンス測定装置78が、それぞれ金属空気電池50の出力端子37に接続されている。内部インピーダンス測定装置78は、金属空気電池50の内部インピーダンスを計測する。内部インピーダンスの計測結果が制御装置40に入力される。開閉弁77、流路62、及び内部インピーダンス測定装置78により、注入機構60が構成される。
One flow path led out from the
図13を参照して、実施例4によるバックアップ電源装置の金属空気電池50に電解液を注入するときの制御装置40の処理について説明する。図13は、複数の金属空気電池50のうち2つの金属空気電池50A、50B(図12)の内部インピーダンスZA、ZBの時間変化、金属空気電池50A、50Bに対応する開閉弁77A、77B(図12)の開閉状態の変化のグラフを示す。
With reference to FIG. 13, the process of the
時刻t11において、制御装置40がすべての開閉弁77を開く。時刻t11は、図4に示した時刻t1、t3等の電解液の注入開始時刻に相当する。金属空気電池50に電解液の注入が開始されると、金属空気電池50の内部インピーダンスが徐々に低下する。内部インピーダンスは、金属空気電池50に注入された電解液の体積に依存する。予め定められた規定量の電解液が注入されると、内部インピーダンスが規定値まで低下する。金属空気電池50A、50Bの内部インピーダンスZA、ZBが、それぞれ時刻t12、t13において規定値Ztまで低下する。
At time t11, the
金属空気電池50によって、電解液の注入の流量にばらつきが生じるため、時刻t12と時刻t13とは必ずしも一致しない。制御装置40は、時刻t12において、金属空気電池50Aの内部インピーダンスZAが規定値Ztまで低下したことを検出すると、開閉弁77Aを閉じる。同様に、時刻t13において、開閉弁77Bを閉じる。
Since the metal-
実施例4においては、金属空気電池50の内部インピーダンスに基づいて電解液の注入量を制御するため、金属空気電池50の各々に、予め定められた規定量(注入すべき体積)の電解液を注入することができる。
In the fourth embodiment, in order to control the injection amount of the electrolyte based on the internal impedance of the metal-
[実施例5]
図14に、実施例5によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット30の概略図を示す。以下、実施例4との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例5においては、実施例4の内部インピーダンス測定装置78(図12)に代えて、重量計80が準備されている。重量計80は、金属空気電池50に対応して準備されており、対応する金属空気電池50の重量を測定する。流路62よりも上流側の部品の重量が、重量計80による計測結果に影響を与えないように、流路62として柔軟性を有するチューブ等が用いられる。重量計80による測定結果が、制御装置40に入力される。
[Example 5]
In FIG. 14, the schematic of the
図15を参照して、実施例5によるバックアップ電源装置の金属空気電池50に電解液を注入するときの制御装置40の処理について説明する。図15は、複数の金属空気電池50のうち2つの金属空気電池50A、50B(図14)の重量WA、WBの時間変化、金属空気電池50A、50Bに対応する開閉弁77A、77B(図14)の開閉状態の変
化のグラフを示す。
With reference to FIG. 15, the process of the
時刻t21において、制御装置40がすべての開閉弁77を開く。時刻t21は、図4に示した時刻t1、t3等の電解液の注入開始時刻に相当する。金属空気電池50に電解液の注入が開始されると、金属空気電池50の重量が徐々に増加する。金属空気電池の重量は、注入された電解液の体積に依存する。予め定められた規定量の電解液が注入されると、金属空気電池50の重量が規定値まで上昇する。金属空気電池50A、50Bの重量WA、WBが、それぞれ時刻t22、t23において規定値Wtに達する。
At time t21, the
金属空気電池50によって、電解液の注入の流量にばらつきが生じるため、時刻t22と時刻t23とは必ずしも一致しない。制御装置40は、時刻t22において、金属空気電池50Aの重量が規定値Wtまで増加したことを検出すると、開閉弁77Aを閉じる。同様に、時刻t23において、開閉弁77Bを閉じる。
Since the flow rate of the electrolyte injection varies depending on the metal-
実施例5においては、金属空気電池50の重量が規定値に到達した時点で電解液の注入を停止させるため、金属空気電池50の各々に、予め定められた規定量の電解液を注入することができる。
In Example 5, in order to stop the injection of the electrolyte when the weight of the metal-
[実施例6]
図16に、実施例6によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット30の概略図を示す。以下、実施例4との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例6においては、実施例4の内部インピーダンス測定装置78(図12)に代えて、流量計83が準備されている。流量計83は、金属空気電池50に対応して準備されており、対応する金属空気電池50に注入される電解液の流量を測定する。流量計83による測定結果が、制御装置40に入力される。
[Example 6]
FIG. 16 is a schematic diagram of a
図17を参照して、実施例6によるバックアップ電源装置の金属空気電池50に電解液を注入するときの制御装置40の処理について説明する。図17は、複数の金属空気電池50のうち2つの金属空気電池50A、50B(図16)に注入されている電解液の流量の積分値VA、VBの時間変化、金属空気電池50A、50Bに対応する開閉弁77A、77B(図16)の開閉状態の変化のグラフを示す。
With reference to FIG. 17, the process of the
時刻t31において、制御装置40がすべての開閉弁77を開く。時刻t31は、図4に示した時刻t1、t3等の電解液の注入開始時刻に相当する。金属空気電池50に電解液の注入が開始されると、電解液の流量の積分値VA、VBが単調に増加する。電解液の流量の積分値は、金属空気電池50に注入された電解液の体積に相当する。金属空気電池50A、50Bに注入されている電解液の積分値VA、VBが、それぞれ時刻t32、t33において、金属空気電池50に充填すべき電解液の体積(規定値)Vfまで増加する。
At time t31, the
金属空気電池50によって、電解液の注入の流量にばらつきが生じるため、時刻t32と時刻t33とは必ずしも一致しない。制御装置40は、時刻t32において、金属空気電池50Aに注入されている電解液の流量の積分値が規定値Vfまで増加したことを検出すると、開閉弁77Aを閉じる。同様に、時刻t33において、開閉弁77Bを閉じる。
Since the metal-
実施例6においては、金属空気電池50に注入された電解液の体積が規定値Vfに到達した時点で電解液の注入を停止させるため、金属空気電池50の各々に、予め定められた注入すべき体積の電解液を注入することができる。
In Example 6, in order to stop the injection of the electrolytic solution when the volume of the electrolytic solution injected into the metal-
[実施例7]
図18に、実施例7によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット30の概略図を示す。以下、実施例1との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
[Example 7]
FIG. 18 is a schematic diagram of a
実施例7によるバックアップ電源装置の注入機構60について説明する。貯蔵タンク55から、開閉弁84を通って1本の共通流路85に電解液が流出する。複数の金属空気電池50が、それぞれサブタンク86及び開閉弁87を介して共通流路85に接続されている。貯蔵タンク55から流出した電解液が、共通流路85を通って、サブタンク86に流入する。サブタンク86は、電解液を一時的に蓄える。サブタンク86に一時的に蓄えられた電解液が、開閉弁87を通って金属空気電池50に注入される。開閉弁84、及び複数の開閉弁87の開閉動作は、制御装置40によって制御される。
The
図19Aにサブタンク86の断面図を示す。サブタンク86が、蓄積量制限機構90を介して共通流路85に接続されている。蓄積量制限機構90は、サブタンク86に、対応する金属空気電池50に注入すべき電解液の体積(規定値)の電解液が蓄積されると、それ以上の電解液の、サブタンクへの蓄積を制限する。実施例7においては、蓄積量制限機構90が、フロート弁で構成される。フロート弁は、フロート91、蓋92、及び開口93を含む。共通流路85内の空間とサブタンク86内の空間とが、開口93を介して繋がっている。フロート91は、サブタンク86内に蓄積された電解液の液面の高さに応じて昇降する。蓋92は、フロート91と共に上昇することにより、開口93を塞ぐ。
FIG. 19A shows a cross-sectional view of the
図19B〜図19Gを参照して、蓄積量制限機構90の動作について説明する。制御装置40が開閉弁84(図18)を開くと、図19Bに示すように、共通流路85に電解液70が流れる。共通流路85内の電解液70は、開口93を通ってサブタンク86内に流入する。サブタンク86内への電解液70の流入が継続すると、電解液70の液面が上昇し、図19Cに示すようにフロート91の底面の高さまで達する。
The operation of the accumulation
さらに電解液70がサブタンク86内に流入すると、図19Dに示すように、フロート91が上昇し、蓋92が開口93を塞ぐ。これにより、サブタンク86内への電解液70の流入が停止する。蓋92が開口93を塞いだ時点で、サブタンク86への電解液の充填が完了する。
When the
貯蔵タンク55(図18)には、すべてのサブタンク86を電解液で満たすのに必要十分な量の電解液70が貯蔵されている。すべてのサブタンク86への電解液70の充填が完了した時点で、図19Eに示すように、貯蔵タンク55及び共通流路85内が空になる。開閉弁84(図18)を開いてから、すべてのサブタンク86への電解液70の充填が完了するまでの時間(充填所要時間)が、予め測定されている。この充填所要時間は、制御装置40に予め記憶されている。
The storage tank 55 (FIG. 18) stores a sufficient amount of
制御装置40(図18)は、開閉弁84(図18)を開いてから、充填所要時間が経過したした時点で、図19Fに示すように開閉弁87を開く。これにより、サブタンク86内の電解液70が金属空気電池50に注入される。図19Gに示すように、サブタンク86が空になると、金属空気電池50への電解液70の注入が停止する。
The control device 40 (FIG. 18) opens the on-off
実施例7では、金属空気電池50に電解液70を注入する前に、サブタンク86に電解液70が一時的に蓄積される。サブタンク86に一時的に蓄積される電解液70の体積は、サブタンク86の容量によって制限される。サブタンク86の容量は、金属空気電池50に注入すべき電解液70の体積と等しくされている。このため、各金属空気電池50に、注入すべき量(規定量)の電解液70を注入することができる。
In the seventh embodiment, the
電解液70は強アルカリ性であり、タンパク質に対して強い腐食性を示す。このため、電解液70を長期間貯蔵しておくための貯蔵タンクには、高い難漏性及び耐腐食性が求められる。実施例7においては、1つの貯蔵タンク55に電解液70が長期間貯蔵されるため、貯蔵タンク55の難漏性及び耐腐食性を高くすることが望まれる。これに対し、複数のサブタンク86には、電解液70が一時的に蓄えられるのみである。このため、サブタンク86には、貯蔵タンク55ほどの高い難漏性及び耐腐食性が要求されない。電解液70を複数のサブタンク86に分散させて貯蔵する構成に比べて、実施例7においては、バックアップ電源装置の安全性を確保し易い。
The
[実施例8]
図20に、実施例8によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット30の概略図を示す。以下、実施例7との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
[Example 8]
FIG. 20 shows a schematic diagram of a
実施例7では、共通流路85(図18)に開閉弁84が取り付けられていたが、実施例8では、共通流路85とサブタンク86との間に、開閉弁84が取り付けられている。また、実施例8では、フロート91(図19A)に代えて、液面レベルセンサ95が用いられる。液面レベルセンサ95は、サブタンク86内の電解液の液面が規定の高さ(レベル)に達すると、制御装置40に検出信号を送信する。
In the seventh embodiment, the open /
液面レベルセンサ95として、例えば一対の電極と、電極間の導通状態を検出する検出回路を用いることができる。電解液の液面が上昇して電解液が一対の電極に接触すると、電極間が導通する。電極間の導通が検出回路で検出され、制御装置40に検出信号が送信される。
As the
図21A〜図21Dを参照して、金属空気電池50に電解液を注入する手順について説明する。金属空気電池50が待機状態のとき、開閉弁84が閉じられている(図21A)。このとき、共通流路85内は電解液70で満たされている。金属空気電池50に電解液70を注入するときには、制御装置40(図20)が開閉弁84を開ける。開閉弁84が開けられると、共通流路85からサブタンク86に電解液70が流入する(図21B)。電解液70の液面が規定の高さに達すると、液面レベルセンサ95から制御装置40(図20)に検出信号が送信される(図21C)。
With reference to FIG. 21A-FIG. 21D, the procedure which inject | pours electrolyte solution into the
制御装置40(図20)は、液面レベルセンサ95から検出信号を受信すると、当該液面レベルセンサ95が取り付けられているサブタンク86に電解液を流入させる開閉弁84を閉じる。これにより、サブタンク86への電解液の流入が停止する。
When the control device 40 (FIG. 20) receives the detection signal from the
開閉弁84を閉じた後、サブタンク86と金属空気電池50との間に挿入された開閉弁87を開ける(図21D)。これにより、サブタンク86から金属空気電池50に電解液70が注される。
After closing the on-off
実施例8においては、液面レベルセンサ95及び開閉弁84が、蓄積量制限機構90としての役割を担う。実施例8においても、実施例7と同様に、サブタンク86内に規定量の電解液70が一時的に蓄えられるため、各金属空気電池50に規定量の電解液70を注入することができる。
In the eighth embodiment, the
[実施例9]
図22に、実施例9によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット30の概略図を示す。以下、実施例7との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
[Example 9]
FIG. 22 is a schematic diagram of the
共通流路85が、開閉弁84から遠ざかるに従って低くなるように傾斜している。共通流路85に、上流から下流に向かって順番に複数のサブタンク86が接続されている。実施例7では、共通流路85とサブタンク86との接続箇所にフロート弁が取り付けられていたが、実施例9では、電解液の流入を止めるフロート弁等の機構は取り付けられていない。
The
図23に示すように、開閉弁84を開くと、貯蔵タンク55から共通流路85に電解液70が流出する。共通流路85を流れる電解液70は、最も上流側に配置されたサブタンク86に流入する。電解液70の流入が継続することにより、最も上流側のサブタンク86が電解液70で満杯になる。図24に示すように、相対的に上流側のサブタンク86が電解液70で満杯になると、上流側のサブタンク86から溢れた電解液70が、共通流路85を経由して、相対的に下流側のサブタンク86に流入する。
As shown in FIG. 23, when the on-off
図25に示すように、最終的には、すべてのサブタンク86が電解液70で満たされる。電解液70の注入開始前には、貯蔵タンク55に、すべてのサブタンク86を満杯にするのに必要十分な電解液70が貯蔵されている。このため、すべてのサブタンク86が満杯になったとき、貯蔵タンク55が空になる。開閉弁84を開いてから、すべてのサブタンク86が満杯になるまでの時間(充填所要時間)は予め求められており、制御装置40に記憶されている。
As shown in FIG. 25, finally, all the
図26に示すように、制御装置40は、開閉弁84を開いた後、充填所要時間が経過した時点で、開閉弁87を開く。サブタンク86に一時的に蓄えられていた電解液70が、開閉弁87を通って金属空気電池50に注入される。
As shown in FIG. 26, the
サブタンク86の容積は、対応する金属空気電池50に注入すべき電解液70の体積に対応している。これにより、各金属空気電池50に、注入すべき体積(規定量)の電解液70を注入することができる。実施例9においては、サブタンク86が電解液70で満杯になった後、サブタンク86から傾斜した共通流路85に電解液70が溢れ出す構造が、蓄積量制限機構としての役割を担う。
The volume of the
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
10 入力端子
11 出力端子
12 商用電源
13 電気負荷
20 AC−DCコンバータ
21 電力輸送回路
22 バスライン
23 ダイオード
24 電圧計
25 二次電池
26 スイッチング素子
27 電圧計
30 一次電池ユニット
31 スイッチング素子
32 正極集電体
33 負極集電体
34 負極活物質
35 電解液
36 セパレータ
37 出力端子
38 電圧計
40 制御装置
41 記憶装置
50 金属空気電池
51 電解液注入口
55 貯蔵タンク
56 開放弁
57 収容室
58 隔壁
60 注入機構
61 開閉弁
62 流路
63 昇降機構
64 止水栓
70 電解液
75 開閉弁
77 開閉弁
78 内部インピーダンス測定装置
80 重量計
83 流量計
84 開閉弁
85 共通流路
86 サブタンク
87 開閉弁
90 蓄積量制限機構
91 フロート
92 蓋
93 開口
95 液面レベルセンサ
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記負荷に電力を供給する予備電源として、電解液が注入されていない状態で待機する複数の金属空気電池と、
前記金属空気電池に注入される電解液を、大気から遮断した状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
制御装置と、
前記制御装置から指令を受けることにより、前記貯蔵タンクに貯蔵されている電解液を前記金属空気電池に注入する注入機構と
を有するバックアップ電源装置。 A secondary battery for supplying power to a load driven by power supplied from a main power source;
As a backup power source for supplying power to the load, a plurality of metal-air batteries that wait in a state where no electrolyte is injected, and
A storage tank for storing the electrolyte injected into the metal-air battery in a state of being cut off from the atmosphere;
A control device;
A backup power supply device having an injection mechanism for injecting the electrolyte stored in the storage tank into the metal-air battery by receiving a command from the control device.
前記金属空気電池の各々と、前記貯蔵タンクとを接続する流路と、
前記流路に挿入された開閉弁と
を含み、
前記制御装置は、前記開閉弁の開閉動作を制御する請求項1に記載のバックアップ電源装置。 The injection mechanism is
A flow path connecting each of the metal-air batteries and the storage tank;
An on-off valve inserted into the flow path,
The backup power supply device according to claim 1, wherein the control device controls an opening / closing operation of the opening / closing valve.
前記制御装置は、前記金属空気電池に電解液を注入する期間に、前記開放弁を開く請求項2に記載のバックアップ電源装置。 Furthermore, it has an open valve that is attached to the storage tank and introduces air into the storage tank,
The backup power supply device according to claim 2, wherein the control device opens the open valve during a period of injecting an electrolyte into the metal-air battery.
複数の前記収容室は、相互に隔壁で仕切られ、前記収容室の各々に、対応する前記金属空気電池に注入すべき体積の電解液が貯蔵されており、
前記注入機構は、前記収容室に貯蔵されている電解液を、対応する前記空気電池に注入する請求項2または3に記載のバックアップ電源装置。 The storage tank includes a plurality of storage chambers prepared for the metal-air batteries,
The plurality of storage chambers are partitioned from each other by a partition, and each of the storage chambers stores a volume of electrolyte to be injected into the corresponding metal-air battery,
The backup power supply device according to claim 2, wherein the injection mechanism injects an electrolyte stored in the storage chamber into the corresponding air battery.
前記開閉弁が、前記金属空気電池の各々に対応して準備されており、
前記制御装置は、前記内部インピーダンスが規定値以下になったことを検出すると、内部インピーダンスが規定値以下になった前記金属空気電池に対応する前記開閉弁を閉じる請求項2または3に記載のバックアップ電源装置。 Furthermore, it has a measuring device for measuring the internal impedance of each of the plurality of metal-air batteries,
The on-off valve is prepared for each of the metal-air batteries,
4. The backup according to claim 2, wherein when the control device detects that the internal impedance is equal to or less than a specified value, the control device closes the on-off valve corresponding to the metal-air battery whose internal impedance is equal to or less than the specified value. Power supply.
前記開閉弁が、前記金属空気電池の各々に対応して準備されており、
前記制御装置は、前記重量計で測定された重量が規定値以上になったことを検出すると、重量が規定値以上になった前記金属空気電池に対応する前記開閉弁を閉じる請求項2または3に記載のバックアップ電源装置。 Furthermore, it has a weighing scale for measuring the weight of each of the metal-air batteries,
The on-off valve is prepared for each of the metal-air batteries,
The said control apparatus closes the said on-off valve corresponding to the said metal air battery in which the weight became more than a regulation value, if it detects that the weight measured with the said weighing scale became more than a regulation value. The backup power supply unit described in 1.
前記開閉弁が、前記金属空気電池の各々に対応して準備されており、
前記制御装置は、前記流量計で測定された流量の積分値が規定値以上になったことを検出すると、流量の積分値が規定値以上になった前記金属空気電池に対応する前記開閉弁を閉じる請求項2または3に記載のバックアップ電源装置。 Furthermore, it has a flow meter for measuring the flow rate of the electrolyte injected into each of the metal-air batteries,
The on-off valve is prepared for each of the metal-air batteries,
When the control device detects that the integrated value of the flow rate measured by the flow meter is equal to or higher than a specified value, the control device opens the on-off valve corresponding to the metal-air battery whose integrated value of the flow rate is equal to or higher than the specified value. The backup power supply device according to claim 2 or 3 to be closed.
複数の前記金属空気電池に対応して準備され、前記貯蔵タンクから流出した電解液を一時的に蓄えるとともに、一時的に蓄えられた電解液を、対応する前記金属空気電池に注入する複数のサブタンクと、
前記サブタンクに、対応する金属空気電池に注入すべき電解液の体積に対応した体積の電解液が蓄積されると、それ以上の電解液の、前記サブタンクへの蓄積を制限する蓄積量制限機構と
を有する請求項1に記載のバックアップ電源装置。 The injection mechanism is
A plurality of sub-tanks that are prepared corresponding to the plurality of metal-air batteries and temporarily store the electrolyte flowing out of the storage tank and inject the temporarily stored electrolyte into the corresponding metal-air batteries When,
An accumulation amount limiting mechanism for restricting the accumulation of more electrolyte in the sub tank when the volume of the electrolyte corresponding to the volume of the electrolyte to be injected into the corresponding metal-air battery is accumulated in the sub tank; The backup power supply device according to claim 1, comprising:
前記複数のサブタンクが、前記流路に接続されており、
相対的に上流側の前記サブタンクが電解液で満杯になると、上流側の前記サブタンクから溢れた電解液が、相対的に下流側の前記サブタンクに流入する請求項9に記載のバックアップ電源装置。 The accumulation amount limiting mechanism includes an inclined channel through which an electrolyte flowing out from the storage tank flows,
The plurality of sub-tanks are connected to the flow path;
10. The backup power supply device according to claim 9, wherein when the relatively upstream sub-tank is filled with electrolyte, the electrolyte overflowing from the upstream sub-tank flows into the relatively downstream sub-tank.
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