JP2003272713A - Power source device - Google Patents
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、交流入力を直流電
力に変換し負荷に供給する通信・情報機器用の電源装置
に関し、特に無停電機能を持った電源装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power supply device for communication / information equipment which converts an AC input into a DC power and supplies it to a load, and more particularly to a power supply device having an uninterruptible function.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来この種の電源装置は、二次電池から
の出力電圧をＤＣ−ＡＣ変換して交流電圧を出力可能と
する外付けの補助電源、即ち無停電電源装置（以下、
「ＵＰＳ」という）を備え、停電時には商用交流電源側
からＵＰＳ側に出力を瞬間的に切り換えることにより、
作業中のコンピュータ装置・データストレージ装置・ネ
ットワーク機器あるいはその応用装置などの通信・情報
機器が不用意に停止されることを未然に防止している。2. Description of the Related Art Conventionally, a power supply device of this type has an external auxiliary power supply, that is, an uninterruptible power supply device (hereinafter referred to as an uninterruptible power supply device) capable of DC-AC converting an output voltage from a secondary battery to output an AC voltage.
"UPS"), and by instantaneously switching the output from the commercial AC power supply side to the UPS side during a power failure,
The computer / data storage device / network device or network device or its applied device during work is prevented from being inadvertently stopped.
【０００３】こうした外付けＵＰＳに対し、例えば特開
平９−３２２４３３号公報には、ＵＰＳ内蔵の電源装置
が開示されている。そこには、商用交流電源から直流電
力に変換して負荷に供給する主電源部と二次電池（バッ
テリー）から電力を供給するＵＰＳ電源部を備え、両者
から所定比率で負荷に電力供給することで効率を改善す
る、あるいは片方の故障時に他方が即座に電力供給を開
始することで信頼性が高まる、との記載がなされてい
る。For such an external UPS, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-322433 discloses a power supply device with a built-in UPS. It has a main power supply that converts commercial AC power to DC power and supplies it to a load, and a UPS power supply that supplies power from a secondary battery (battery), and supplies power to the load from both at a predetermined ratio. There is a description that the reliability is improved by improving the efficiency by, or by immediately starting the power supply by the other when one of them fails.
【０００４】また特開２０００−１１６０２９号公報に
も、ＵＰＳ機能を機器電源に組み込んだバックアップ電
源装置が開示されている。この装置構成では、交流−直
流変換回路またはバックアップコンバータの一方から電
力を供給することを特徴としている。定期的にバッテリ
ーから直流電力を供給させ、電圧を検出することでシス
テムが正常に働くか否かの判定を行い、信頼性を高める
ことも明記されている。Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-116029 also discloses a backup power supply device in which a UPS function is incorporated in a device power supply. This device configuration is characterized in that power is supplied from one of the AC-DC conversion circuit and the backup converter. It also specifies that the system should work normally by supplying DC power from the battery and detecting the voltage to improve reliability.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】さて、外付けＵＰＳを
使用する場合は、電源性能に合致したＵＰＳを選定する
必要があるが、外部に接続するＵＰＳは汎用品であるた
め、負荷装置側で必要な電源仕様よりも大きな容量のＵ
ＰＳを選択せねばならないことが多く、体積のスリム化
コストの低減が困難である。When using an external UPS, it is necessary to select a UPS that matches the power supply performance, but since the UPS connected to the outside is a general-purpose product, the load device side U with larger capacity than required power supply specifications
In many cases, PS must be selected, and it is difficult to reduce the cost of slimming the volume.
【０００６】また、ＵＰＳは並列冗長運転が難しく、冗
長性を持たせると著しく高価になるため、一般に１０ｋ
ＶＡ以下の容量の装置においては、ＵＰＳ１台で負荷に
電力を供給する構成となっている。しかし、ＵＰＳの故
障時には負荷を停止せずにＵＰＳを交換することは不可
能であるため、例えばサーバやデータストレージ装置な
どの無停止・無瞬断運転が必要である装置では、充分な
機能であるとはいえない。In addition, since it is difficult for the UPS to operate in parallel and redundantly, and if it is provided with redundancy, it becomes extremely expensive, so that it is generally 10 k.
In a device having a capacity of VA or less, one UPS supplies power to a load. However, since it is impossible to replace the UPS without stopping the load when the UPS fails, for example, in a device such as a server or a data storage device that requires non-stop / non-interruptible operation, the function is not sufficient. It cannot be said that there is.
【０００７】他方、機器組み込みの場合は、電源に合わ
せた設計が可能であり、常にバックアップ電源装置を監
視する動作の追加できるため、高い信頼性が確保でき
る。更に、ＵＰＳ電源部のメンテナンスに関しても、負
荷を停止せずに実施可能とする構成が考えられる。On the other hand, in the case of being incorporated in the equipment, it is possible to design it according to the power supply and to add the operation of constantly monitoring the backup power supply device, so that high reliability can be secured. Further, it is conceivable that the UPS power supply unit can be maintained without stopping the load.
【０００８】しかしながら、従来提案されているＵＰＳ
電源部を機器に組み込んだ構成では３６０Ｖといった高
電圧への昇圧が必要であるために、変換効率が低く、二
次電池に貯蔵する電力が増大し、結果としてＵＰＳ電源
部の体積が大きなものとなっていた。また、充電には商
用交流電力を用いる構成であるために、充電のためのＡ
Ｃ−ＤＣコンバータと電力供給（放電）のためのＤＣ−
ＤＣコンバータとを備えており、コストの点からも望ま
しい構成ではなかった。However, the conventionally proposed UPS
In the configuration in which the power supply unit is incorporated into the device, since it is necessary to boost the voltage to a high voltage of 360 V, the conversion efficiency is low, the power stored in the secondary battery increases, and as a result, the UPS power supply unit has a large volume. Was becoming. Further, since the commercial AC power is used for charging, A for charging is used.
C-DC converter and DC for power supply (discharge)
It was equipped with a DC converter and was not a desirable configuration from the viewpoint of cost.
【０００９】また、そこに必要とされる二次電池に関し
ては、その詳細仕様については充分な検討がなされてお
らず、高い信頼性を確保するに足る必要かつ充分な電池
サイズ、電池出力性能については不明であった。Further, regarding the secondary battery required therefor, the detailed specifications thereof have not been sufficiently examined, and the necessary and sufficient battery size and battery output performance sufficient to ensure high reliability are not considered. Was unknown.
【００１０】本発明はかかる不都合に鑑みてなされたも
のであって、停電時におけるバックアップ機能を高い信
頼性で有し、且つ、体積のスリム化と低コスト化が可能
な電源装置の提供を目的とする。The present invention has been made in view of such inconveniences, and an object of the present invention is to provide a power supply device which has a highly reliable backup function at the time of power failure and which can be slimmed down in volume and reduced in cost. And
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明にかかる電源装置
は、図１にその構成を概略的に示す如く、商用交流電源
１から出力される商用交流電力を負荷部５が所望とする
所定電圧の直流電力に変換して電力を供給する主電源部
２と、二次電池３１を電力供給源とし、商用交流電源１
に代えあるいは加えて負荷部５に対して電力を供給する
補助電源部３とを備えたものである。A power supply device according to the present invention has a configuration in which a commercial AC power output from a commercial AC power supply 1 has a predetermined voltage desired by a load section 5, as schematically shown in FIG. The main power supply unit 2 for converting into the DC power of 2 and supplying the power, and the secondary battery 31 as the power supply source
Instead of or in addition to the above, an auxiliary power supply unit 3 for supplying electric power to the load unit 5 is provided.
【００１２】ここで、補助電源部３に備える二次電池３
１の定格容量Ｑは、本発明における上記した目的から、
必要にして最小であるのが望ましい。そこで、この二次
電池３１の容量Ｑ［Ａｈ］を以下のように設定する。Here, the secondary battery 3 provided in the auxiliary power supply unit 3
The rated capacity Q of 1 is from the above-mentioned object of the present invention.
It is desirable and minimum is desirable. Therefore, the capacity Q [Ah] of the secondary battery 31 is set as follows.
【００１３】先ず、主電源部２から負荷部５に対する最
大出力電力がＷｍであり、停電時のバックアップ機能と
して要求される時間をΔｔ［ｈ］とすると、Ｗｍ×Δｔ
［Ｗｈ］の電力（エネルギー）を供給する必要がある。First, assuming that the maximum output power from the main power source unit 2 to the load unit 5 is Wm and the time required for the backup function at the time of power failure is Δt [h], Wm × Δt
It is necessary to supply electric power (energy) of [Wh].
【００１４】一方、商用交流電力１が供給されている通
常動作時には、二次電池３１の電力充電量は、所定のＳ
ＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）値であるＸ
［％］を下回らないよう、充電制御がなされる。On the other hand, during the normal operation in which the commercial AC power 1 is supplied, the power charging amount of the secondary battery 31 is a predetermined S.
X, which is an OC (State of Charge) value
Charging is controlled so that it does not fall below [%].
【００１５】ここで、図２（ａ）に示す如く、二次電池
３１の実効抵抗をＲｅ［Ω］、開放電圧をＶｏ［Ｖ］、
電力供給時の出力電力をＷｂ［Ｗ］、電池電圧をＶｂ
［Ｖ］、電流をＩｂ［Ａ］とすると、
Ｖｂ＝Ｖｏ−Ｒｅ・Ｉｂ
Ｗｂ＝Ｖｂ・Ｉｂ＝Ｖｏ・Ｉｂ−Ｒｅ・Ｉｂ２
となる。即ち、二次電池３１からの出力Ｗｂは、図２
（ｂ）の如く電流Ｉｂの二次関数であり、ＩｂがＶｏ／
（２・Ｒｅ）のとき、二次電池３１の出せる最大電力Ｗ
Ｍは、Ｖｏ２／（４・Ｒｅ）を取ることが解る。Here, as shown in FIG. 2A, the secondary battery
The effective resistance of 31 is Re [Ω], the open circuit voltage is Vo [V],
Output power at power supply is Wb [W], battery voltage is Vb
[V] and current is Ib [A],
Vb = Vo-Re · Ib
Wb = Vb.Ib = Vo.Ib-Re.IbTwo
Becomes That is, the output Wb from the secondary battery 31 is as shown in FIG.
As shown in (b), it is a quadratic function of the current Ib, and Ib is Vo /
When (2 · Re), the maximum power W that the secondary battery 31 can output
MIs VoTwoYou can see that / (4 ・ Re) is taken.
【００１６】したがって、負荷部５に対して補助電源部
３のみから電力を供給する際、少なくとも最大出力電力
がＷｍ［Ｗ］でΔｔ［ｈ］の時間、二次電池３１が電力
供給を継続可能とすることが要請されている場合にあっ
ては、その電力を供給するためには、前記したＷＭが前
記Ｗｍを出力する際の前記二次電池の出力Ｗｂｍを上回
ることが必須であり、次式を満足する必要がある。
Ｗｂｍ≦ＷＭ＝Ｖｏ２／（４・Ｒｅ）
従って、二次電池側に立ってこの式を変換すると次式が
得られる。
Ｒｅ≦Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）Therefore, when power is supplied from the auxiliary power supply unit 3 only to the load unit 5, the secondary battery 31 can continue to supply power for at least the time of maximum output power Wm [W] and Δt [h]. and in a case where there is a demand that, in order to supply the electric power, it is essential that the above-mentioned W M exceeds the output Wbm of the secondary battery at the time of outputting the Wm, It is necessary to satisfy the following formula. Wbm ≦ W M = Vo 2 / (4 · Re) Therefore, when this equation is converted from the standpoint of the secondary battery, the following equation is obtained. Re ≦ Vo 2 / (4 ・ Wbm)
【００１７】ところで、図２（ａ）に示す二次電池３１
の実効抵抗Ｒｅ［Ω］は、放電時間、電池温度、使用を
開始してからの劣化の程度等によって異なる。重要なの
は、ある許容される範囲内で劣化した後、装置の最低温
度環境下にて、最大出力Ｗｂｍにて電力を供給する際の
実効抵抗値である。この値をＲとすると、前式は次式と
なる。
Ｒ≦Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（１）
本式を満足し、且つ、ある許容される劣化範囲の二次電
池であれば、最も出力性能が低下する最低動作温度環境
下でも、負荷部が所望する最大電力Ｗｍを供給できる。By the way, the secondary battery 31 shown in FIG.
Effective resistance Re [Ω] varies depending on the discharge time, the battery temperature, the degree of deterioration after the start of use, and the like. What is important is the effective resistance value when power is supplied at the maximum output Wbm in the lowest temperature environment of the device after deterioration within a certain allowable range. If this value is R, the previous equation becomes the following equation. R ≦ Vo 2 / (4 · Wbm) (1) If the secondary battery satisfies this formula and is within a certain allowable deterioration range, even under the minimum operating temperature environment where the output performance is most deteriorated. The maximum electric power Wm desired by the load unit can be supplied.
【００１８】なお前記二次電池３１は一般に、電池セル
を複数直列に接続した組電池パックであるか、または、
複数直列に接続した電池パックを更に複数並列に接続し
てなる。図３（ｂ）には、二次電池３１がｎセル直列パ
ックをｐパック並列に接続した組電池で形成されている
場合を例示したが、各直列パック３１ａ・３１ｂ・・・
３１ｐを、スイッチ３１１ａ・３１１ｂ・・・３１１ｐ
を介して並列接続するのが信頼性の観点からも望まし
い。The secondary battery 31 is generally an assembled battery pack in which a plurality of battery cells are connected in series, or
A plurality of battery packs connected in series are further connected in parallel. FIG. 3B illustrates the case where the secondary battery 31 is formed of an assembled battery in which n-cell series packs are connected in p-pack parallel, but each series pack 31a, 31b ...
31p to the switches 311a, 311b ... 311p
From the viewpoint of reliability, it is desirable to connect them in parallel via.
【００１９】このとき、並列接続された組電池パック３
１ａ〜３１ｐは、主電源部７に対して商用交流電力が供
給されている通常運転時にあっては、各々が所定のＳＯ
Ｃ値であるＸ１、Ｘ２・・・Ｘｐ以上に維持する制御が
なされている。そして、その内の１つの電池パックが何
らかの事由により欠けた場合にあっては、新たなＳＯＣ
値がその欠けた電池パックを除いて新たに設定され、そ
のＳＯＣ値以上に維持する制御がなされる。At this time, the battery packs 3 connected in parallel
1a to 31p each have a predetermined SO during normal operation when commercial AC power is being supplied to the main power supply unit 7.
Control is performed to maintain the C value at or above X1, X2, ... Xp. If one of the battery packs is missing due to some reason, a new SOC
The values are newly set except for the missing battery pack, and control is performed to maintain the SOC value or higher.
【００２０】通常、ｐ個のパックで構成されていた二次
電池３１が、（ｐ−１）個のパック構成でバックアップ
機能を賄うことになるから、新たに設定されたＳＯＣ値
は初期の設定値より高い値になるのが通例である。ま
た、当然のことながら、（ｐ−１）個のパック構成にあ
っても、要請される最大出力電力Ｗｂｍを供給できる性
能を有することが望まれる。Normally, the secondary battery 31 composed of p packs serves a backup function with a pack structure of (p-1) packs, so the newly set SOC value is set to the initial setting. It is usually higher than the value. Further, as a matter of course, even in the case of the (p-1) pack configuration, it is desired to have a performance capable of supplying the required maximum output power Wbm.
【００２１】次に、二次電池３１の容量Ｑ［Ａｈ］に関
しては、供給時間Δｔ［ｈ］と二次電池３１に蓄えられ
ている充電量が関わってくる。容量Ｑ［Ａｈ］の二次電
池３１に、充電量（ＳＯＣ値）がＸ［％］の電力が貯蔵
されていたとき、電流Ｉｂにて電力を供給した場合を想
定する。Next, regarding the capacity Q [Ah] of the secondary battery 31, the supply time Δt [h] and the amount of charge stored in the secondary battery 31 are related. It is assumed that the secondary battery 31 having the capacity Q [Ah] stores the electric power having the charge amount (SOC value) of X [%] and the electric power is supplied by the current Ib.
【００２２】この時の、エネルギーベースの電力供給量
Ｑｗ［Ｗｈ］は次式となる。
Ｑｗ≒Ｑ・Ｖｂ・Ｘ／１００≒Ｑ・Ｗｂ／Ｉｂ・Ｘ／１
００At this time, the energy-based power supply amount Qw [Wh] is given by the following equation. Qw ≒ Q ・ Vb ・ X / 100 ≒ Q ・ Wb / Ib ・ X / 1
00
【００２３】また、二次電池３１に要請される最大電力
供給量がＷｂｍ・Δｔで与えられることから、次の関係
式が得られる。
Ｑｗ≧Ｗｂｍ・Δｔ
Ｑ・Ｗｂ／Ｉｂ・Ｘ／１００≧Ｗｂｍ・ΔｔFurther, since the maximum power supply amount required for the secondary battery 31 is given by Wbm · Δt, the following relational expression is obtained. Qw ≧ Wbm · Δt Q · Wb / Ib · X / 100 ≧ Wbm · Δt
【００２４】ここで、Ｗｂ／Ｉｂの値は、Ｖｏから二次
電池３１の最大出力Ｗｍ供給時におけるＶｏ／２まで変
化するが、限界での使用を考慮してＶｏ／２を用いる
と、前式から次の関係式が求められる。
Ｑ≧２・Ｗｂｍ・Δｔ／（Ｖｏ・Ｘ／１００）・・・・（２）
本式を満足する定格容量Ｑ［Ａｈ］の二次電池３１を用
いることで、負荷部５が必要とする電力Ｗｍを所望の時
間Δｔだけ供給することが可能となる。Here, the value of Wb / Ib changes from Vo to Vo / 2 when the maximum output Wm of the secondary battery 31 is supplied, but if Vo / 2 is used in consideration of use at the limit, The following relational expression is obtained from the expression. Q ≧ 2 · Wbm · Δt / (Vo · X / 100) ··· (2) By using the secondary battery 31 having the rated capacity Q [Ah] that satisfies this formula, the load section 5 is required. It becomes possible to supply the electric power Wm for a desired time Δt.
【００２５】これまで述べたように、補助電源部３に備
えた二次電池３１に要求される最大出力Ｗｂｍおよびバ
ックアップ時間Δｔを常に可能とするためには、二次電
池３１の実効抵抗Ｒおよび容量Ｑが、上記した（１）式
および（２）式をともに満足する必要がある。As described above, in order to always enable the maximum output Wbm and the backup time Δt required for the secondary battery 31 provided in the auxiliary power supply unit 3, the effective resistance R and It is necessary for the capacity Q to satisfy both the expressions (1) and (2) described above.
【００２６】他方、本発明の目的であるサイズのスリム
化、低コスト化を実現するためには、容量は出来るだけ
抑える必要がある。電池の抵抗も、一般的な傾向として
容量が低いほど高抵抗になることから、支障の無い限
り、なるべく高い値を取ることが必要になる。即ち、
（１）式および（２）式の不等号を等号に置き換えた式
が本発明の目的に理想的な二次電池であるといえる。On the other hand, in order to realize the size reduction and the cost reduction which are the objects of the present invention, it is necessary to suppress the capacity as much as possible. As for the resistance of the battery, as a general tendency, the lower the capacity, the higher the resistance. Therefore, it is necessary to take as high a value as possible unless there is a problem. That is,
It can be said that a formula in which the inequality sign in the formulas (1) and (2) is replaced with an equal sign is an ideal secondary battery for the purpose of the present invention.
【００２７】しかし、一般に製造される電池は、セル毎
に容量、抵抗バラツキが発生する。現実的な値として
は、±５％程度のバラツキを見込んで、補助電源部３に
使用する二次電池３１を設計する必要がある。However, generally manufactured batteries have variations in capacity and resistance for each cell. As a realistic value, it is necessary to design the secondary battery 31 used for the auxiliary power supply unit 3 in consideration of a variation of about ± 5%.
【００２８】更に、容量については、二次電池３１の充
電量Ｑの推定誤差を考慮し、且つ組電池の中で、ある１
つのセルが過放電にならないよう考慮する必要がある。
推定誤差を±５％とし、過放電に至らぬように５％の充
電量で放電を停止するとととする。Further, regarding the capacity, in consideration of the estimation error of the charge amount Q of the secondary battery 31, and in the assembled battery,
It is necessary to consider that one cell will not be over-discharged.
It is assumed that the estimation error is ± 5% and the discharge is stopped at a charge amount of 5% so as not to cause over-discharge.
【００２９】このことを、定式化したのが次式である。 Ｑ≦１．１×２・Ｗｂｍ・Δｔ（Ｖｏ・（Ｘ−５）／１００）・・・（３） Ｒ≧０．９×Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（４）This is formulated as follows. Q ≦ 1.1 × 2 · Wbm · Δt (Vo · (X−5) / 100) (3) R ≧ 0.9 × Vo 2 / (4 · Wbm) (4)
【００３０】ここで、（３）式または（４）式のどちら
か少なくとも１つを満足することが、前記した（１）式
および（２）式を満足しつつ現実的な最もスリムな二次
電池を提供する条件となる。Here, satisfying at least one of the equations (3) and (4) is the most practical and slim quadratic while satisfying the above equations (1) and (2). It is a condition to provide batteries.
【００３１】更に本発明にあっては、二次電池３１は、
使用や経時変化に伴う劣化をある許容範囲内に保つ装置
の運転管理上の制御が、制御回路３４において実行され
ている。例えば制御パラメータ検出回路３３において交
流インピーダンスを計測し、計測された交流インピーダ
ンスの値が初期値の所定倍までを許容範囲として管理す
るものである。Further, in the present invention, the secondary battery 31 is
The control circuit 34 executes control for operation management of the device that keeps the deterioration due to use and aging within a certain allowable range. For example, the control parameter detection circuit 33 measures the AC impedance and manages the value of the measured AC impedance up to a predetermined multiple of the initial value as an allowable range.
【００３２】この制御パラメータ検出回路３３では、二
次電池３１の電池電圧、充放電電流、温度等の制御パラ
メータを計測する。測定された制御パラメータの内、電
圧、電流値から計測時点の抵抗値が求められる。The control parameter detection circuit 33 measures control parameters such as battery voltage, charge / discharge current and temperature of the secondary battery 31. Among the measured control parameters, the resistance value at the time of measurement is obtained from the voltage and current values.
【００３３】更にこのとき、ステップ状の充電電流を二
次電池３１に流し、充電開始からある時間経過後の電圧
を測定し、電流を流す前の電圧との差を電流値で割るこ
とにより、その時間に相当する交流インピーダンスが求
められる。測定する二次電池のインピーダンス成分とし
ては、劣化に対して最も敏感に変化するオーミックな成
分を抽出するのが望ましい。即ち、周波数範囲として
は、１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、開始時刻からサブｍｓ〜数
十ｍｓの間で計測するのが望ましい。Further, at this time, a stepwise charging current is passed through the secondary battery 31, the voltage after a lapse of a certain time from the start of charging is measured, and the difference from the voltage before the current is passed is divided by the current value. The AC impedance corresponding to that time is obtained. As the impedance component of the secondary battery to be measured, it is desirable to extract the ohmic component that changes most sensitively to deterioration. That is, it is desirable to measure the frequency range from 10 Hz to 10 kHz, and from the start time to sub ms to several tens of ms.
【００３４】ところで、本発明に適用する二次電池３１
としては、後記する如くニッケル水素電池、ニッケルカ
ドミウム電池が最適である。更に例えばニッケル水素電
池の場合、充放電サイクルによる劣化を追うと、交流イ
ンピーダンスが単調に増加していく一方で、容量はほぼ
一定に推移した後、あるところで急激に減少する。この
変更点での交流インピーダンスは、よく調整された組成
の電池では初期インピーダンスの２倍程度（２００％）
である。このことから、インピーダンスが初期インピー
ダンスの２００％に近づいた時点で二次電池３１の寿命
と判断し、交換の指標とするのである。Incidentally, the secondary battery 31 applied to the present invention
For this, a nickel-hydrogen battery and a nickel-cadmium battery are optimal as described later. Further, for example, in the case of a nickel-hydrogen battery, when the deterioration due to the charge / discharge cycle is followed, the AC impedance monotonously increases, while the capacity changes substantially constant and then sharply decreases at some point. The AC impedance at this change is about twice the initial impedance (200%) for a battery with a well-adjusted composition.
Is. From this, when the impedance approaches 200% of the initial impedance, it is determined that the secondary battery 31 has reached the end of its life and is used as an index for replacement.
【００３５】更に、上記した式（１）〜（４）の物理量
の中で、製造直後の二次電池から測定不能な物理量が、
許容範囲の劣化をした後の抵抗値Ｒである。これを、製
造直後の抵抗値Ｒ＊に換算することで、所望の二次電池
として具体化できる。Furthermore, among the physical quantities of the above formulas (1) to (4), the physical quantity that cannot be measured from the secondary battery immediately after production is
It is the resistance value R after deterioration within the allowable range. By converting this into a resistance value R * immediately after manufacturing, it can be embodied as a desired secondary battery.
【００３６】ところで、オーミック抵抗の全体の実効抵
抗に占める比率は、出力電流、出力時間に依存するので
一概には決まらない。ただ、バックアップ電源のよう
に、５分間から１０分間程度で放電することを前提とす
ると、一般的なニッケル水素電池では約４０％程度であ
る。そこで、前記した劣化の目安である２００％を入れ
ると、他の抵抗成分が劣化であまり変化しないとする
と、初期の実効抵抗Ｒ＊と劣化した後（許容範囲内で）
の実効抵抗Ｒとの関係は、次の様になる。
Ｒ≒１．４×Ｒ＊By the way, the ratio of the ohmic resistance to the total effective resistance depends on the output current and the output time, and therefore cannot be determined unconditionally. However, if it is assumed that the battery is discharged in about 5 to 10 minutes like a backup power source, it is about 40% in a general nickel hydrogen battery. Therefore, if the above-mentioned deterioration criterion of 200% is entered, assuming that other resistance components do not change much due to deterioration, after the initial effective resistance R * and deterioration (within an allowable range).
The relationship with the effective resistance R of is as follows. R≈1.4 × R *
【００３７】そこで、前式を上記した（１）式および
（４）式に代入することにより、次式が得られる。
Ｒ＊≦Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（５）
Ｒ＊≧０．９×Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（６）Therefore, the following equation is obtained by substituting the above equation into the above equations (1) and (4). R * ≦ Vo 2 /(1.4×4·Wbm) (5) R * ≧ 0.9 × Vo 2 /(1.4×4·Wbm) (6)
【００３８】したがって、二次電池３１の製造後におけ
る物理量の条件として、（２）式および（５）式を満足
し、且つ、（３）式または（６）式の少なくとも何れか
一方を満足することが要請される。Therefore, as the physical quantity condition after manufacturing the secondary battery 31, the expressions (2) and (5) are satisfied, and at least one of the expressions (3) and (6) is satisfied. Is required.
【００３９】なお、主電源部２を、図３（ａ）に示した
ように、商用交流電力をある所定電圧Ｖａの直流電力に
変換するＡＣ−ＤＣ変換回路８と、そのＡＣ−ＤＣ変換
回路８から出力される直流電圧Ｖａを負荷部５が要求す
る所定電圧に変換して供給するＤＣ−ＤＣ変換回路９と
から構成するとともに、二次電池３１を電力の供給源と
する補助電源部３は、前記した所定電圧Ｖａの直流電力
線に接続する態様も望ましい。It should be noted that, as shown in FIG. 3A, the main power supply section 2 has an AC-DC conversion circuit 8 for converting commercial AC power into DC power having a predetermined voltage Va, and its AC-DC conversion circuit. 8 and a DC-DC conversion circuit 9 that converts the DC voltage Va output from the DC voltage converter 8 into a predetermined voltage required by the load unit 5 and supplies the voltage, and the auxiliary power supply unit 3 that uses the secondary battery 31 as a power supply source. Is also preferably connected to the DC power line of the above-mentioned predetermined voltage Va.
【００４０】図１の構成では、負荷部５の要求する電圧
が例えばＣＰＵ、半導体メモリ、ハードディスクドライ
ブ等で各々異なる場合には、補助電源部３から出力され
る電圧もマルチ出力とする必要がある。それに対し、図
３（ａ）に示す構成では、単独の電力出力になる。この
ため、二次電池電圧Ｖｂと出力電圧Ｖａの最適な設定に
より、双方向型のＤＣ−ＤＣコンバータの様な所定回路
で構成される充放電回路３２の変換効率を高く維持する
ことが可能となる。In the configuration of FIG. 1, when the voltage required by the load unit 5 is different for each of the CPU, semiconductor memory, hard disk drive, etc., the voltage output from the auxiliary power supply unit 3 must be multi-output. . On the other hand, in the configuration shown in FIG. 3A, the power output is independent. Therefore, by optimally setting the secondary battery voltage Vb and the output voltage Va, it is possible to maintain a high conversion efficiency of the charging / discharging circuit 32 including a predetermined circuit such as a bidirectional DC-DC converter. Become.
【００４１】具体的には、二次電池３１の電池電圧Ｖｂ
は、充電時において前記所定電圧Ｖａを超えず、且つ、
供給時においてその所定電圧Ｖａの１／３以上であるこ
とが必要となる。Specifically, the battery voltage Vb of the secondary battery 31
Does not exceed the predetermined voltage Va during charging, and
At the time of supply, it is necessary to be 1/3 or more of the predetermined voltage Va.
【００４２】その所定電圧Ｖａは、４８Ｖであることが
望ましい。情報・通信機器の構成標準化の動きのなか
で、４８Ｖ直流バスが一般化しつつあること、二次電池
電圧Ｖｂをあまり高くすると、取り扱いの危険性が増大
することを考慮すると、補助電源部３の接続箇所は４８
Ｖの電力線が最適である。このとき、上記の条件を満た
す二次電池３１の定格電圧は、３８．４Ｖ以下、１９．
２Ｖ以上となる。The predetermined voltage Va is preferably 48V. Considering that the 48V DC bus is becoming common in the movement of standardization of the configuration of information / communication equipment, and that the risk of handling increases if the secondary battery voltage Vb is too high, the auxiliary power supply unit 3 48 connection points
V power lines are optimal. At this time, the rated voltage of the secondary battery 31 satisfying the above condition is 38.4 V or less, 19.
It becomes 2V or more.
【００４３】また、本発明に用いる二次電池３１は、ニ
ッケル水素電池からニッケルカドミウム電池が望まし
い。補助電源部３に要求されるバックアップ時間Δｔ
は、通常６分程度であり、３ＣＡ〜１０ＣＡのレートで
放電することが要求される。更には、体積のスリム化、
特に機器内蔵とするためには高い容量密度の電池が望ま
しく、且つ火災の心配の少ないこと等の要請から判断し
て、現時点では上記した２種の二次電池が相応しい。The secondary battery 31 used in the present invention is preferably a nickel hydrogen battery or a nickel cadmium battery. Backup time Δt required for the auxiliary power supply unit 3
Is usually about 6 minutes and is required to be discharged at a rate of 3 CA to 10 CA. Furthermore, slimming down the volume,
In particular, a battery having a high capacity density is desirable to be built in the device, and at the present time, the above-mentioned two types of secondary batteries are suitable, judging from the request that there is little fear of fire.
【００４４】[0044]
【発明の実施の形態】以下本発明にかかる電源装置を、
図４に示すサーバ用のコンピュータ装置６における無停
電式の電源部４に実施した一例を示す。但し、これに限
らず、通信・情報機器の様な恒常的な動作を必要とする
各種の電子機器における電源や、その様な電子機器に電
力を供給するために独立して動作する電源装置において
もほぼ同様に実施できることは勿論である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A power supply device according to the present invention will be described below.
An example implemented in the uninterruptible power supply unit 4 in the computer device 6 for the server shown in FIG. 4 is shown. However, not limited to this, in a power supply for various electronic devices that require constant operation such as communication and information equipment, or a power supply device that operates independently to supply power to such electronic devices. It goes without saying that the above can be implemented in almost the same manner.
【００４５】本発明にかかる電源部４は、図４において
その全体的な構成を概略的に示す如く、主電源部７と補
助電源部３とを備え、商用交流電源１から出力される１
００〜２００Ｖ程度の交流電圧Ｖｓを１〜１２Ｖ程度の
低圧直流電圧に変換し、負荷部５に対して供給可能とす
るものである。The power supply unit 4 according to the present invention is provided with a main power supply unit 7 and an auxiliary power supply unit 3 as schematically shown in FIG.
The AC voltage Vs of about 00 to 200 V is converted into a low-voltage DC voltage of about 1 to 12 V and can be supplied to the load unit 5.
【００４６】ここで、本実施例における負荷部５として
は、ＣＰＵ５２およびそのＣＰＵ５２に対する入出力部
（Ｉ／Ｏ）５３に加えて、メモリ、ハードディスク、デ
ィスクドライブ等のコンピュータ装置を構成するのに必
要な第１負荷５１ａ〜第ｎ負荷５１ｎを備えた例が示さ
れている。Here, in addition to the CPU 52 and the input / output unit (I / O) 53 for the CPU 52, the load unit 5 in this embodiment is necessary to configure a computer device such as a memory, a hard disk, or a disk drive. An example including the first load 51a to the n-th load 51n is shown.
【００４７】主電源部７は、商用交流電源１から出力さ
れる交流電圧Ｖｓを中圧の直流電圧Ｖａに変換するＡＣ
−ＤＣ変換回路８と、その出力された中圧の直流電圧Ｖ
ａを低圧の直流電圧Ｖ１〜Ｖｎに降圧し、負荷部５に供
給するＤＣ−ＤＣ変換回路９とから構成される。The main power supply unit 7 is an AC that converts the AC voltage Vs output from the commercial AC power supply 1 into a medium-voltage DC voltage Va.
-DC conversion circuit 8 and the output intermediate-voltage DC voltage V
It is composed of a DC-DC conversion circuit 9 for stepping down a to low-voltage DC voltages V1 to Vn and supplying it to the load section 5.
【００４８】ＡＣ−ＤＣ変換回路８は、入力される交流
電圧Ｖｓを高圧の直流電圧Ｖｈに変換するＡＣ−ＤＣコ
ンバータ８１と、高圧の直流電圧Ｖｈを中圧の直流電圧
Ｖａに降圧するＤＣ−ＤＣコンバータ８２とを直列に接
続することにより、力率を改善するとともに、電源高調
波を抑制可能としている。The AC-DC conversion circuit 8 includes an AC-DC converter 81 for converting the input AC voltage Vs into a high-voltage DC voltage Vh and a DC-DC for reducing the high-voltage DC voltage Vh into a medium-voltage DC voltage Va. By connecting the DC converter 82 in series, the power factor can be improved and the power source harmonics can be suppressed.
【００４９】例えば、入力される交流電圧Ｖｓが２００
Ｖの場合にあっては、ＡＣ−ＤＣコンバータ８１で３６
０Ｖ程度の高圧の直流電圧Ｖｈに変換し、次いでＤＣ−
ＤＣコンバータ８２によって４８Ｖ程度の中圧の直流電
圧Ｖａに降圧する。この電圧値は適宜変更して実施でき
ることは勿論であるが、中圧の直流電圧Ｖａとしては様
々な観点から４８Ｖに標準化される傾向にある。For example, the input AC voltage Vs is 200
In the case of V, the AC-DC converter 81
Converted to a high voltage DC voltage Vh of about 0V, and then DC-
The DC converter 82 steps down to a medium-voltage DC voltage Va of about 48V. It goes without saying that this voltage value can be appropriately changed and implemented, but the medium-voltage DC voltage Va tends to be standardized to 48V from various viewpoints.
【００５０】本実施例にあっては更に、ＡＣ−ＤＣコン
バータ８１とＤＣ−ＤＣコンバータ８２とを直列に接続
したものを１組とし、必要とする複数組を並列に接続す
ることにより、信頼性を高めるようにしている。更に冗
長性（高信頼性）を持たせる場合には、並列に接続配備
される組数を必要回路数Ｎに加えて１つ余分に設置す
る。Further, in this embodiment, the AC-DC converter 81 and the DC-DC converter 82 are connected in series to form one set, and a plurality of required sets are connected in parallel to improve reliability. I am trying to increase. To further provide redundancy (high reliability), the number of sets connected and arranged in parallel is added in addition to the required number N of circuits, and one extra is installed.
【００５１】またＤＣ−ＤＣ変換回路９は、通常、負荷
部５を構成する個別の負荷が異なるいくつかの電圧Ｖ１
〜Ｖｎを必要とするため、それに見合った数のＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ９１ａ〜９１ｎが設置され、必要な電圧Ｖ
１〜Ｖｎが作成される。なお、ＣＰＵ５２に供給される
低圧の直流電圧Ｖｒは、他の負荷より安定した電圧の供
給を必要とするため、ＶＲＭ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇ
ｕｌａｔｏｒ Ｍｏｄｕｌｅ）９２を介して電圧Ｖｒが
供給される。In addition, the DC-DC conversion circuit 9 is normally provided with several voltages V1 with different loads constituting the load unit 5.
~ Vn is required, so a corresponding number of DC-D
C converters 91a to 91n are installed, and the required voltage V
1 to Vn are created. The low-voltage DC voltage Vr supplied to the CPU 52 requires a more stable voltage supply than other loads, and therefore VRM (Voltage Reg)
The voltage Vr is supplied via an ultor module) 92.
【００５２】次に補助電源部３は、所定の電池電圧Ｖｂ
を有する二次電池３１を電力供給源とし、主電源部７に
おけるＡＣ−ＤＣ変換回路８の出力端に接続することに
より、ＡＣ−ＤＣ変換回路８からの出力電圧Ｖａで二次
電池３１に対する充電を可能とする一方、二次電池３１
から出力される電力で負荷部５に対する電力供給を可能
とする。Next, the auxiliary power supply unit 3 receives the predetermined battery voltage Vb.
By using the secondary battery 31 having the above as a power supply source and connecting to the output end of the AC-DC conversion circuit 8 in the main power supply unit 7, the secondary battery 31 is charged with the output voltage Va from the AC-DC conversion circuit 8. While enabling the secondary battery 31
It is possible to supply power to the load unit 5 with the power output from the load unit 5.
【００５３】補助電源部３は、二次電池３１に対する充
電と放電を可能とする充放電回路３２と、補助電源部３
における各種制御を行う制御回路３４と、その制御回路
３４に対して情報を伝えるための制御パラメータ検出回
路３３と、商用交流電源１の停電時期を検知して制御回
路３４に伝える停電検出回路３５とから構成される。The auxiliary power supply unit 3 includes a charging / discharging circuit 32 for charging and discharging the secondary battery 31, and the auxiliary power supply unit 3.
A control circuit 34 for performing various controls, a control parameter detection circuit 33 for transmitting information to the control circuit 34, and a power failure detection circuit 35 for detecting the power failure timing of the commercial AC power supply 1 and transmitting it to the control circuit 34. Composed of.
【００５４】ここで充放電回路３２は、二次電池３１に
対する充電時には入力電圧Ｖａを降圧して二次電池３１
に充電電圧Ｖｂ’を印加する一方、二次電池３１からの
放電時には電池電圧Ｖｂを昇圧して直流電圧Ｖａと略一
致させ放電する機能とを有する双方向ＤＣ−ＤＣコンバ
ータが使用される。Here, the charging / discharging circuit 32 lowers the input voltage Va during charging of the secondary battery 31 to reduce the input voltage Va.
A bidirectional DC-DC converter having a function of applying a charging voltage Vb ′ to the battery and discharging the secondary battery 31 by boosting the battery voltage Vb to substantially match the DC voltage Va and discharging the battery is used.
【００５５】二次電池３１は、通常、複数個の電池セル
から構成される。その電池電圧Ｖｂは特に制限はない
が、上記した直流電圧Ｖａの約１／３以上から同等電圧
までであることが望ましい。充放電機能を果たす双方向
ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の変換効率が、ＶａとＶｂの
比が小さいほど効率が良いからである。The secondary battery 31 is usually composed of a plurality of battery cells. The battery voltage Vb is not particularly limited, but it is desirable that the battery voltage Vb is approximately 1/3 or more of the DC voltage Va described above to an equivalent voltage. This is because the conversion efficiency of the bidirectional DC-DC converter 32 that performs the charge / discharge function is higher as the ratio of Va to Vb is smaller.
【００５６】すなわち、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３
２による変換時の電力損失は、理論的にはＶａとＶｂの
比の２次式で表わされ、比が大きくなると２乗に比例す
る項が支配的となる。特にこの比が３を超えると損失は
急激に増大し、変換効率が低下する。この変換効率が低
下すると、それを補うためにはより多くのあるいは大き
な電池を使用することになり、結果として体積が増大す
ることになる。省エネの観点からも望ましくない。That is, the bidirectional DC-DC converter 3
The power loss at the time of conversion by 2 is theoretically expressed by a quadratic expression of the ratio of Va and Vb, and as the ratio increases, the term proportional to the square becomes dominant. In particular, if this ratio exceeds 3, the loss will rapidly increase and the conversion efficiency will decrease. This reduction in conversion efficiency requires the use of more or larger batteries to make up for it, resulting in increased volume. It is not desirable from the viewpoint of energy saving.
【００５７】一方、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の
変換効率のみの観点からは、電池電圧ＶｂをＶａより高
圧側にする構成も可能であるが、そのためには二次電池
３１のセルを多数接続することになり、接続によるイン
ピーダンス増加、製造歩留まりの低下が懸念される。ま
た、仮にＶａが４８［Ｖ］とすると、感電の危険性が高
まり、製造時やメンテナンス時での取り扱いが面倒にな
る。On the other hand, from the viewpoint of only the conversion efficiency of the bidirectional DC-DC converter 32, it is possible to make the battery voltage Vb higher than Va, but for that purpose, many cells of the secondary battery 31 are connected. Therefore, there is a concern that the connection may increase the impedance and decrease the manufacturing yield. Further, if Va is set to 48 [V], the risk of electric shock increases, and handling during manufacturing and maintenance becomes troublesome.
【００５８】次に制御パラメータ検出回路３３は、二次
電池３１の近傍に配置されたサーミスタの様な温度セン
サ３６により電池温度を、充放電回路３２の入力側に備
えた充放電電流センサ３７により二次電池３１に対する
充放電電流を、ＡＣ−ＤＣ変換回路８の出力側に備えた
負荷電流センサ３８により負荷部５に供給する負荷電流
を検出可能とするとともに、電池電圧Ｖｂや中圧の直流
電圧Ｖａを入力することにより、二次電池３１に対する
充放電時における各種の制御パラメータを取得し、制御
回路３４の制御に利用可能としている。Next, the control parameter detection circuit 33 detects the battery temperature by a temperature sensor 36 such as a thermistor arranged in the vicinity of the secondary battery 31, and a charge / discharge current sensor 37 provided on the input side of the charge / discharge circuit 32. With respect to the charging / discharging current for the secondary battery 31, the load current supplied to the load unit 5 can be detected by the load current sensor 38 provided on the output side of the AC-DC conversion circuit 8, and the battery voltage Vb or the intermediate voltage DC By inputting the voltage Va, various control parameters at the time of charging / discharging the secondary battery 31 are acquired and can be used for controlling the control circuit 34.
【００５９】ここで、商用交流電力１が供給されている
通常動作時には、二次電池３１の電力充電量は所定のＳ
ＯＣ値であるＸ［％］を下回らないよう、制御回路３４
によって制御される。ＳＯＣ値の管理には、充放電量の
積算値、自己放電による消失電力を考慮し、ある定めら
れた論理に基づく適切なタイミングで補充電がなされ
る。Here, during the normal operation in which the commercial AC power 1 is supplied, the power charge amount of the secondary battery 31 is a predetermined S.
The control circuit 34 does not drop below the OC value X [%].
Controlled by. In managing the SOC value, supplementary charging is performed at an appropriate timing based on a predetermined logic in consideration of the integrated value of charge / discharge amount and the power lost by self-discharge.
【００６０】Ｘの具体的な値としては、電池容量をでき
るだけ小さくコンパクトにしたいとの要請から、７０％
以上に設定するのが望ましい。バックアップ機能の時間
Δｔは通常５分から１０分間と短時間であることから、
二次電池３１の放電電流は通常３ＣＡ〜１０ＣＡ程度で
あり、高出力仕様に設計、製造されたものを用いるのが
望ましい。The specific value of X is 70% because of the demand to make the battery capacity as small and compact as possible.
It is desirable to set the above. Since the time Δt of the backup function is usually as short as 5 to 10 minutes,
The discharge current of the secondary battery 31 is usually about 3 CA to 10 CA, and it is desirable to use one designed and manufactured for high output specifications.
【００６１】また、補助電源部３から負荷部５に対しＷ
ｍの電力を供給する際に、二次電池３１からの出力電力
がＷｂｍとすると、ＷｍとＷｂｍの比が、前記した双方
向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２と、主電源部７におけるＤ
Ｃ−ＤＣコンバータ９１ａ〜９１ｎとＶＲＭ９２のトー
タルの変換効率に相当する。なお、電源供給電圧Ｖａと
電池電圧Ｖｂとの比が前記のように３以下であるなら
ば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の変換効率は９０
％以上が期待される。In addition, the auxiliary power source unit 3 outputs W to the load unit 5.
When the output power from the secondary battery 31 is Wbm when the power of m is supplied, the ratio of Wm and Wbm becomes D in the bidirectional DC-DC converter 32 and the main power supply unit 7.
This corresponds to the total conversion efficiency of the C-DC converters 91a to 91n and the VRM 92. If the ratio between the power supply voltage Va and the battery voltage Vb is 3 or less as described above, the conversion efficiency of the bidirectional DC-DC converter 32 is 90.
% Or more is expected.
【００６２】本発明は上記構成にあって、二次電池３１
の実効抵抗Ｒおよび定格容量Ｑが、下記する（１）式お
よび（２）式を満足し、且つ、（３）式または（４）式
の何れか一方を満足する様に設計することを特徴とす
る。
Ｑ≧２・Ｗｂｍ・Δｔ／（Ｖｏ・Ｘ／１００）・・・・（２）
Ｑ≦１．１×２・Ｗｂｍ・Δｔ（Ｖｏ・（Ｘ−５）／１００）・・・（３）
Ｒ≦Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（１）
Ｒ≧０．９×Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（４）The present invention has the above-described structure, and has the secondary battery 31.
Is designed so that the effective resistance R and the rated capacity Q of the above satisfy the following equations (1) and (2) and at least one of the equations (3) and (4). And Q ≧ 2 · Wbm · Δt / (Vo · X / 100) ... (2) Q ≦ 1.1 × 2 · Wbm · Δt (Vo · (X-5) / 100) ... (3) R ≦ Vo 2 / (4 · Wbm) (1) R ≧ 0.9 × Vo 2 / (4 · Wbm) (4)
【００６３】ところで、二次電池３１が、図３（ｂ）で
示すｎセル直列パックをｐパック並列に接続した組電池
で形成されている場合を考えると、単セルの実効抵抗に
関しても同様の式が導出される。即ち、単セルの劣化
後、最低動作温度環境下、最大電力供給時の実効抵抗を
ｒとし、単セルの開放電圧をｖｏとすると、まず次式が
求まる。
Ｒ＝ｎ・ｒ／ｐ
Ｖｏ＝ｎ・ｖｏ Considering the case where the secondary battery 31 is formed of an assembled battery in which n-cell series packs shown in FIG. 3B are connected in p-pack parallel, the same applies to the effective resistance of a single cell. The formula is derived. That is, when the effective resistance at the time of maximum power supply is r and the open circuit voltage of the single cell is vo under the minimum operating temperature environment after the deterioration of the single cell, the following equation is first obtained. R = n · r / p Vo = n · vo
【００６４】両式を前記した（１）式に入れれば、次式
が得られる。
ｎ・ｒ／ｐ≦（ｎ・ｖｏ）２／（４・Ｗｂｍ）
ｒ≦ｖｏ ２／（４・Ｗｂｍ／（ｎ・ｐ））＝ｖｏ ２／
（４・ｗｂｍ）By inserting both equations into the above equation (1), the following equation is obtained. n · r / p ≦ (n · v o ) 2 / (4 · Wbm) r ≦ v o 2 / (4 · Wbm / (n · p)) = v o 2 /
( 4.w bm )
【００６５】ここでｗｂｍ（＝Ｗｂｍ／（ｎ・ｐ））
は、二次電池３１から最大電力Ｗｂｍを供給時における
単セル当たりの出力である。また、ｖｏはニッケル水素
電池の場合、約１．３Ｖであり、前式は次式として差し
支えない。ｒ≦１．６９／（４・ｗｂ）Where w bm (= Wbm / (n · p))
Is the output per unit cell when the maximum power Wbm is supplied from the secondary battery 31. In addition, in the case of a nickel-hydrogen battery, v o is about 1.3 V, and the above equation can be expressed as the following equation. r ≦ 1.69 / (4 · wb)
【００６６】実効抵抗についての関係式を導出したとき
と同様にして、単セルの容量ｑ［Ａｈ］に関する以下の
条件式が得られる。
ｑ≧２・ｗｂｍ・Δｔ／（ｖｏ・Ｘ／１００）
ｑ≧２・ｗｂｍ・Δｔ（１．３０・Ｘ／１００）＝１．
５４・ｗｂｍ・Δｔ（Ｘ／１００）Similar to the case where the relational expression for the effective resistance is derived, the following conditional expression regarding the capacity q [Ah] of the single cell is obtained. q ≧ 2 · w bm · Δt / ( vo · X / 100) q ≧ 2 · w bm · Δt (1.30 · X / 100) = 1.
54 ・ w bm・ Δt (X / 100)
【００６７】ところで、図４における制御パラメータ検
出回路３３では、二次電池３１の電池電圧、充放電電
流、温度等の制御パラメータを計測する。測定された制
御パラメータの内、電圧、電流値から計測時点の抵抗値
が求められる。By the way, the control parameter detection circuit 33 in FIG. 4 measures control parameters such as the battery voltage, charge / discharge current and temperature of the secondary battery 31. Among the measured control parameters, the resistance value at the time of measurement is obtained from the voltage and current values.
【００６８】例えば、ステップ状の充電電流を二次電池
に流し、その時、開始時刻からある時間経過後の電圧を
測定し、電流を流す前の電圧との差を電流値で割ること
により、その時間に相当する交流インピーダンスが求め
られる。測定する二次電池のインピーダンス成分として
は、劣化に対して最も敏感に変化するオーミックな成分
を抽出するのが望ましい。For example, a stepwise charging current is passed through the secondary battery, the voltage after a lapse of a certain time from the start time is measured at that time, and the difference from the voltage before the current is passed is divided by the current value to obtain An AC impedance corresponding to time is obtained. As the impedance component of the secondary battery to be measured, it is desirable to extract the ohmic component that changes most sensitively to deterioration.
【００６９】即ち、周波数範囲としては、１０Ｈｚ〜１
０ｋＨｚ、開始時刻からサブｍｓ〜数十ｍｓの間で計測
するのが望ましい。先述したように、ニッケル水素電池
の例では、通常使用する充放電サイクルによって生ずる
劣化によって、このオーミックな成分は単調に、且つ次
第に急峻になりつつ上昇する、容量減少が発生する時点
では初期値の約２倍になることから、仮にこの時点をも
って電池劣化の目安とする。That is, the frequency range is 10 Hz to 1
It is desirable to measure at 0 kHz and from sub ms to several tens of ms from the start time. As described above, in the example of the nickel-metal hydride battery, this ohmic component increases monotonously and gradually and steeply due to the deterioration caused by the charge / discharge cycle normally used. Since it will be approximately doubled, this point will be used as a guideline for battery deterioration.
【００７０】更に、二次電池３１の製造直後における物
理量の条件としては、（２）式と（５）式を共に満足
し、（３）式または（６）式の何れか一方を満足するよ
うに設計することが可能である。
Ｒ＊≦Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（５）
Ｒ＊≧０．９×Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（６）Further, as the condition of the physical quantity immediately after the production of the secondary battery 31, both the expressions (2) and (5) are satisfied, and either the expression (3) or the expression (6) is satisfied. It is possible to design R * ≦ Vo 2 /(1.4×4·Wbm) (5) R * ≧ 0.9 × Vo 2 /(1.4×4·Wbm) (6)
【００７１】もう１つ、二次電池３１の容量と抵抗には
密接な関係がある。大雑把に言えば、抵抗は電極面積に
反比例し、容量は電極体積に比例する。電極の厚みが、
ある値に固定されれば、容量は電極面積に比例するた
め、容量と抵抗との関係は反比例の関係になる。経験的
なニッケル水素電池の値を基に、求めた単セルの容量と
２５℃における実効抵抗（７ＣＡ放電）の関係式を図５
に示す。３本の関係曲線は異なる電極（正極）厚を示し
ている。On the other hand, there is a close relationship between the capacity and resistance of the secondary battery 31. Roughly speaking, resistance is inversely proportional to electrode area and capacitance is proportional to electrode volume. The thickness of the electrode is
If fixed to a certain value, the capacitance is proportional to the electrode area, so the relation between capacitance and resistance is inversely proportional. Fig. 5 shows the relational expression between the capacity of the single cell and the effective resistance (7CA discharge) at 25 ° C, which was obtained based on the empirical value of the nickel-hydrogen battery.
Shown in. The three relationship curves show different electrode (positive electrode) thicknesses.
【００７２】実施例では、Ｓｕｂ−Ｃサイズのニッケル
水素電池、容量３．０Ａｈ、使用前（製造後）の２５℃
実効抵抗１０．０ｍΩを使用した。電源装置の最低設置
温度５℃における実効抵抗を計測すると、１６．１ｍΩ
であった。負荷側が要求した最大出力は５００Ｗ、バッ
クアップ時間は６分間であり、最大出力時の二次電池の
出力は約７００Ｗであった。二次電池３１の充電量は８
５％以上になるよう、積算電力量の計測と自己放電分の
計算見積に基づく推定値を基に、補充電を実施して制御
した。In the examples, Sub-C size nickel-hydrogen batteries, capacity 3.0 Ah, 25 ° C. before use (after manufacture)
An effective resistance of 10.0 mΩ was used. Measuring the effective resistance of the power supply at a minimum installation temperature of 5 ° C, 16.1 mΩ
Met. The maximum output requested by the load side was 500 W, the backup time was 6 minutes, and the output of the secondary battery at the maximum output was about 700 W. The charge amount of the secondary battery 31 is 8
Based on the estimated value based on the measurement of the integrated electric energy and the calculation and estimation of the self-discharge amount, supplementary charging was performed and controlled so as to be 5% or more.
【００７３】図６にこのセルを組電池として使用したと
きの総容量と総抵抗、並びに、上記した（２）式および
（５）式から求まるＱの最小値とＲ＊の最大値をプロッ
トした。直列数は電圧の最適範囲から１６から３２と
し、並列数は１と２の場合について示してある。組電池
の容量は、並列数１（即ち電池パック１つ）の場合は
３．０Ａｈ、並列数２の場合は６．０Ａｈであり、直列
電池の数が同じであれば同じポイントになり、直列電池
数の増加に従って、図の左上から右下に向かって移動す
る。FIG. 6 is a plot of the total capacity and the total resistance when this cell is used as an assembled battery, and the minimum value of Q and the maximum value of R * obtained from the above equations (2) and (5). . The number of series is set to 16 to 32 from the optimum range of voltage, and the number of parallels is set to 1 and 2. The capacity of the assembled battery is 3.0 Ah in the case of the parallel number 1 (that is, one battery pack) and 6.0 Ah in the case of the parallel number 2, and is the same point if the number of the series batteries is the same. It moves from the upper left to the lower right as the number of batteries increases.
【００７４】ここで、図６から並列数２で、直列数が２
２を超えると、（２）（５）式を満足することが分る。
次に、（１）式および（６）式からＲ＊の下限、Ｑの上
限を考慮すると、直列数２２から２５の組電池がこの範
囲に入っていることが分る。From FIG. 6, the parallel number is 2 and the serial number is 2.
It can be seen that when it exceeds 2, the expressions (2) and (5) are satisfied.
Next, when considering the lower limit of R * and the upper limit of Q from the equations (1) and (6), it can be seen that the assembled battery having the number of series 22 to 25 is within this range.
【００７５】実施例として、前記Ｓｕｂ−Ｃサイズ（２
２φ×４２．５）のニッケル水素電池を２並列２４直列
の組電池を、参考例として３２直列セル（１並列）の組
電池と、２並列３０直列の組電池を用い、バックアップ
機能について検証した。その結果を下表に示す。なお、
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２と二次電池３１の間
は、温度フューズを介して接続し、電池に異常が発生し
た際には強制的に接続が断たれる構成とした。As an example, the Sub-C size (2
2φ × 42.5) nickel-metal hydride battery of 2 parallel and 24 series assembled battery, 32 series cell (1 parallel) assembled battery and 2 parallel 30 series assembled battery were used as reference examples to verify the backup function. . The results are shown in the table below. In addition,
The bidirectional DC-DC converter 32 and the secondary battery 31 are connected via a temperature fuse, and the connection is forcibly disconnected when an abnormality occurs in the battery.
【００７６】[0076]
【表１】 [Table 1]
【００７７】表１に示したように、実施例、参考例２の
組電池は、充放電サイクル試験後でも電源装置の最低設
置温度下にて６分間以上電力を供給することが可能であ
った。これに対し、参考例１の組電池では、充放電サイ
クル試験後では７００Ｗを出力することもできなかっ
た。また、表から分るように、実施例は、参考例２に比
べ、サイズ、重量共に２５％程度小さく、省スペースと
高い信頼性を両立している。As shown in Table 1, the assembled batteries of Example and Reference Example 2 were capable of supplying electric power for 6 minutes or more at the minimum installation temperature of the power supply device even after the charge / discharge cycle test. . On the other hand, the assembled battery of Reference Example 1 could not output 700 W after the charge / discharge cycle test. Further, as can be seen from the table, the embodiment is smaller in size and weight by about 25% than the reference example 2, and both space saving and high reliability are achieved.
【００７８】ところで、電池パックの電池数としては素
数を避け、できるだけ約数の多い数が望ましい。例え
ば、１６、２０、２４、２８、３０、３２という数であ
る。これは、パックとして組上げるとき、過不足無く並
べることができること、その組み合わせの可能性が多い
ため、実装するスペースに合わせた設計ができるメリッ
トがある。By the way, it is desirable that the number of batteries in a battery pack is as large as possible, avoiding prime numbers. For example, the numbers are 16, 20, 24, 28, 30, 32. This has the advantage that when assembled as a pack, they can be arranged without excess or deficiency, and there is a high possibility of combinations, so there is an advantage that the design can be tailored to the mounting space.
【００７９】図７は、単セルの容量と実効抵抗の図５
に、２並列２４直列構成における、（２）（５）式を挿
入したものである。このプロットでは、（５）式が最低
使用温度における実効抵抗に関する式であることから、
最低使用温度を５℃とし、今回使用したＮｉＭＨ電池の
温度特性を元に、２５℃の抵抗値に換算し、行った。先
述したように、電極厚の差で単セルの容量と実効抵抗の
関係が幅を持つが、（２）（５）式の交点に近い電池構
成にすれば、よりシステム側の要望に合致したものとな
る。FIG. 7 is a graph showing the capacitance and effective resistance of a single cell.
In addition, the equations (2) and (5) in the 2 parallel 24 series configuration are inserted. In this plot, since the equation (5) is an equation relating to the effective resistance at the minimum operating temperature,
The minimum operating temperature was 5 ° C., and the resistance value of 25 ° C. was used for conversion based on the temperature characteristics of the NiMH battery used this time. As described above, the relationship between the capacity of the single cell and the effective resistance has a width due to the difference in the electrode thickness, but if the battery configuration is close to the intersection of equations (2) and (5), it will meet the needs of the system side more. Will be things.
【００８０】[0080]
【発明の効果】本発明は上記の如く、システム側からの
供給電力に関する要求仕様に対し、使用する二次電池の
容量、実効抵抗を所定の範囲内に選択することで、長期
に亘り、システムの要請を満たし、且つ省スペース性に
優れたバックアップ機能付き電源装置を提供することが
できる。As described above, according to the present invention, by selecting the capacity and the effective resistance of the secondary battery to be used within a predetermined range with respect to the required specifications regarding the power supplied from the system side, the system can be used for a long period of time. It is possible to provide a power supply device with a backup function, which satisfies the above requirement and is excellent in space saving.
【図１】本発明にかかる電源装置の基本的な構成を示す
概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a power supply device according to the present invention.
【図２】補助電源部で使用する二次電池における電流と
出力電力の関係を説明するための図であって、（ａ）は
二次電池を構成する各要素の関係を示す概略図、（ｂ）
は電流と出力電力の関係を示すグラフである。FIG. 2 is a diagram for explaining a relationship between current and output power in a secondary battery used in an auxiliary power supply unit, in which (a) is a schematic diagram showing a relationship between respective elements constituting the secondary battery, b)
Is a graph showing the relationship between current and output power.
【図３】本発明の他の実施例を示す図であって、（ａ）
は主電源部の構成に特徴を有するもの、（ｂ）は二次電
池を組電池パックとして構成した例を各々示す。FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the present invention, wherein FIG.
Shows the structure of the main power source section, and (b) shows an example in which the secondary battery is formed as an assembled battery pack.
【図４】本発明をコンピュータ装置に実施した一例を示
すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing an example in which the present invention is applied to a computer device.
【図５】本発明の実施例に用いたニッケル水素電池の容
量と２５℃での実効抵抗値との関係を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the capacity of the nickel-hydrogen battery used in the examples of the present invention and the effective resistance value at 25 ° C.
【図６】本発明の実施例のコンピュータ装置の要請に対
し、今回用いたＳｕｂＣサイズのニッケル水素電池によ
って構成する手順を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a procedure of configuring a SubC size nickel hydrogen battery used this time in response to a request from a computer device according to an embodiment of the present invention.
【図７】実施例である２並列２４直列構成パックにおけ
るニッケル水素電池の最適設計指針を示すための図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing an optimum design guideline for a nickel-hydrogen battery in a pack of 2 parallel 24 series constitutions which is an embodiment.
１ 商用交流電源 ３ 補助電源部 ４ 電源部 ５ 負荷部 ６ コンピュータ装置 ７ 主電源部 ８ ＡＣ−ＤＣ変換回路 ９ ＤＣ−ＤＣ変換回路 ３１ 二次電池 ３２ 充放電回路 ３３ 制御パラメータ検出回路 ３４ 制御回路 ３６ 温度センサ ３７ 充放電電流センサ ３８ 負荷電流センサ ５１ 負荷 ５２ ＣＰＵ ５３ Ｉ／Ｏ ８１ ＡＣ−ＤＣコンバータ ８２ ＤＣ−ＤＣコンバータ ９１ ＤＣ−ＤＣコンバータ ９２ ＶＲＭ 1 Commercial AC power supply 3 Auxiliary power supply 4 power supply 5 load section 6 Computer equipment 7 Main power supply section 8 AC-DC conversion circuit 9 DC-DC conversion circuit 31 secondary battery 32 charging / discharging circuit 33 Control parameter detection circuit 34 Control circuit 36 Temperature sensor 37 Charge / discharge current sensor 38 Load current sensor 51 load 52 CPU 53 I / O 81 AC-DC converter 82 DC-DC converter 91 DC-DC converter 92 VRM
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮田 寿勝 大阪府茨木市丑寅１丁目１番88号 日立マ クセル株式会社内 (72)発明者 大西 益弘 大阪府茨木市丑寅１丁目１番88号 日立マ クセル株式会社内 Ｆターム(参考） 5G003 BA03 BA04 CA01 CA05 CA11 CB01 DA05 EA08 GB03 GC05 5G015 FA18 GB02 HA02 HA15 JA10 JA32 JA34 JA35 JA53 JA55 JA56 5H006 AA05 BB06 DC05 5H030 AS03 BB09 DD08 FF41 FF43 FF44 FF52 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Toshikatsu Miyata Hitachi Ma, 1-88, Torora, Ibaraki City, Osaka Prefecture Within Kucsel Co., Ltd. (72) Inventor Masuhiro Onishi Hitachi Ma, 1-88, Torora, Ibaraki City, Osaka Prefecture Within Kucsel Co., Ltd. F-term (reference) 5G003 BA03 BA04 CA01 CA05 CA11 CB01 DA05 EA08 GB03 GC05 5G015 FA18 GB02 HA02 HA15 JA10 JA32 JA34 JA35 JA53 JA55 JA56 5H006 AA05 BB06 DC05 5H030 AS03 BB09 DD08 FF41 FF43 FF44 FF52
Claims (12)
力を、負荷部が要求する所定電圧の直流電力に変換して
電力を供給する主電源部と、二次電池を電力供給源と
し、前記商用交流電源に代えあるいは加えて負荷部に対
して電力を供給する補助電源部とを備え、前記負荷部に
対して前記補助電源部のみから電力を供給する際、少な
くとも最大出力電力がＷｍ［Ｗ］でΔｔ［ｈ］の時間、
前記二次電池が電力供給を継続可能とすることが要求さ
れる電源装置にあって、 前記補助電源部が、最大出力電力Ｗｍ［Ｗ］を供給する
ときに対応した前記二次電池の出力電力がＷｂｍ [Ｗ]
であるとしたとき、 前記補助電源部は、前記商用交流電力が主電源部に供給
されている通常運転中に、前記二次電池に対して所定の
充電量Ｘ［％］を超える充電を維持する充電制御をする
一方、 前記二次電池の初期における定格容量Ｑ［Ａｈ］が下記
（２）式を満足し、且つ、 ある許容された劣化範囲内で二次電池が最も劣化した後
において、最低使用温度環境下での実効抵抗Ｒ［Ω］
が、下記（１）式を満足することを特徴とする電源装
置。 Ｒ≦Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（１） Ｑ≧２・Ｗｂｍ・Δｔ／（Ｖｏ・Ｘ／１００）・・・・（２） ここで、Ｖｏ［Ｖ］：二次電池の開放電圧1. A main power supply unit for converting commercial AC power output from a commercial AC power supply into DC power of a predetermined voltage required by a load unit to supply power, and a secondary battery as a power supply source, wherein: An auxiliary power supply unit that supplies electric power to the load unit instead of or in addition to the commercial AC power supply, and when supplying electric power to the load unit from only the auxiliary power supply unit, at least the maximum output power is Wm [W ], The time of Δt [h],
An output power of the secondary battery corresponding to when the auxiliary power supply unit supplies the maximum output power Wm [W] in a power supply device that requires the secondary battery to be able to continuously supply power. Is Wbm [W]
The auxiliary power supply unit maintains the charge exceeding the predetermined charge amount X [%] for the secondary battery during the normal operation in which the commercial AC power is being supplied to the main power supply unit. While the charging control is performed, the rated capacity Q [Ah] of the secondary battery at the initial stage satisfies the following equation (2), and after the secondary battery is most deteriorated within a certain allowable deterioration range, Effective resistance R [Ω] under the minimum operating temperature environment
However, the power supply device is characterized by satisfying the following formula (1). R ≦ Vo 2 /(4·Wbm)...(1) Q ≧ 2 · Wbm · Δt / (Vo · X / 100) ... (2) where Vo [V]: of the secondary battery Open circuit voltage
び（４）式の少なくとも何れか一方を満足することを特
徴とする請求項１記載の電源装置。 Ｑ≦１．１×２・Ｗｂｍ・Δｔ（Ｖｏ・（Ｘ−５）／１００）・・・（３） Ｒ≧０．９×Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（４）2. The power supply device according to claim 1, wherein the secondary battery further satisfies at least one of the following expressions (3) and (4). Q ≦ 1.1 × 2 · Wbm · Δt (Vo · (X−5) / 100) (3) R ≧ 0.9 × Vo 2 / (4 · Wbm) (4)
劣化をある許容範囲内に保つ装置の運転管理上の制御が
なされることを特徴とする請求項１または２記載の電源
装置。3. The power supply device according to claim 1, wherein the secondary battery is controlled in terms of operation management of a device that keeps deterioration due to use and aging within a certain allowable range.
周波数の交流インピーダンスを計測するとともに、 その計測した交流インピーダンスの値を、初期値の２０
０％までを許容範囲として制御することを特徴とする請
求項３記載の電源装置。4. The operation management control measures an AC impedance of a frequency corresponding to 10 Hz to 10 kHz in the secondary battery, and sets the measured AC impedance value to an initial value of 20.
The power supply device according to claim 3, wherein the power supply device is controlled up to 0% as an allowable range.
抗Ｒ＊［Ω］が、下記（５）式を満足することを特徴と
する請求項４記載の電源装置。 Ｒ＊≦Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（５）5. The power supply device according to claim 4, wherein the effective resistance R * [Ω] of the secondary battery at the initial stage of manufacture satisfies the following expression (5). R * ≦ Vo 2 /(1.4×4 ・ Wbm) ・ ・ ・ (5)
抗Ｒ＊［Ω］が、下記（６）式を満足することを特徴と
する請求項５記載の電源装置。 Ｒ＊≧０．９×Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（６）6. The power supply device according to claim 5, wherein the effective resistance R * [Ω] of the secondary battery at the initial stage of manufacture satisfies the following expression (6). R * ≧ 0.9 × Vo 2 /(1.4×4·Wbm) (6)
−ＤＣ変換回路と、 該ＡＣ−ＤＣ変換回路から出力される直流電圧Ｖａを負
荷部が要求する所定電圧に変換して供給するＤＣ−ＤＣ
変換回路とから構成されており、 前記補助電源部は、前記ＤＣ−ＤＣ変換回路の入力側に
接続されていることを特徴とする請求項１記載の電源装
置。7. The AC, wherein the main power supply unit converts commercial AC power into DC power having a predetermined voltage Va.
-DC conversion circuit, and DC-DC that converts the DC voltage Va output from the AC-DC conversion circuit into a predetermined voltage required by the load unit and supplies the voltage.
The power supply device according to claim 1, further comprising a conversion circuit, wherein the auxiliary power supply unit is connected to an input side of the DC-DC conversion circuit.
において前記所定電圧Ｖａを超えず、且つ、給電時にお
いて該所定電圧Ｖａの１／３以上であることを特徴とす
る請求項７記載の電源装置。8. The battery voltage Vb of the secondary battery does not exceed the predetermined voltage Va during charging, and is 1/3 or more of the predetermined voltage Va during power supply. The power supply described.
接続した組電池パックであることを特徴とする請求項１
または２記載の電源装置。9. The rechargeable battery is an assembled battery pack in which a plurality of battery cells are connected in series.
Alternatively, the power supply device according to item 2.
してなることを特徴とする請求項９記載の電源装置。10. The power supply device according to claim 9, wherein a plurality of the battery packs are connected in parallel.
は、 商用電力が供給されている通常運転時にあっては、所定
の充電量以上に維持する制御が個別になされており、 その内の１つの組電池パックが何らかの事由により欠け
た場合には、その欠けた組電池パックを除いて新たな充
電量が設定され、その値以上に維持する制御が個別にな
されることを特徴とする請求項１０記載の電源装置。11. The battery packs connected in parallel are individually controlled to maintain a predetermined charge amount or more during normal operation in which commercial power is supplied. When one battery pack is missing due to some reason, a new charge amount is set excluding the battery pack that is missing, and control is individually performed to maintain the new charge amount or more. 10. The power supply device according to 10.
たはニッケルカドミウム電池であることを特徴とする請
求項１〜１１の何れかに記載の電源装置。12. The power supply device according to claim 1, wherein the secondary battery is a nickel hydrogen battery or a nickel cadmium battery.
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