JP2003309934A - 直流バックアップ電源装置とその診断方法 - Google Patents
直流バックアップ電源装置とその診断方法Info
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Abstract
こと。 【解決手段】 AC/DCコンバータ2と、DC/DC
コンバータ3と、負荷4が接続された主回路の直流路
に、スイッチング手段13を介して接続される昇降圧チ
ョッパ(151,152,16,18)とバッテリ19
を備えた直流バックアップ電源において、マイコン20
を備え、まず、スイッチング手段13をオフした状態で
昇降圧チョッパを動作させ、バックアップ電源の自己診
断を行い、次に、このスイッチング手段13をオンし
て、残りの自己診断を実行する。 【効果】 主回路に悪影響を与える可能性を小さくし
て、自己診断を実行でき、信頼性の高い無停電機能を果
たす直流バックアップ電源装置を実現できる。
Description
電源装置、特に、電池と直流路との間で電力の充放電を
行う充放電回路を備えた直流バックアップ電源装置の改
良及びその診断方法に関する。
いった通信、情報機器においては、商用の交流電力を受
電してAC/DCコンバータで機器内部の負荷に要求さ
れる所望直流電圧に変換して、電力を供給する。特に通
信、情報機器といった高信頼性が要求される機器におい
ては、機器内電源の信頼性向上のため、AC/DCコン
バータを並列冗長運転することは一般的である。また、
商用の交流電力入力に対する信頼性の向上のため、2系
統の交流電力からAC/DCコンバータの入力をとる手
段も採られる。さらに商用の交流電力入力に対する高信
頼化を実現するため、無停電電源装置(以下UPSと略
す)を機器と商用交流電力間に接続する電源構成が採用
されている。
C/DCコンバータを介して負荷に直流を供給している
ものにおける直流バックアップ電源として、特開200
0−197347号公報が知られている。この公報で
は、両コンバータの中間直流路に直流バックアップ電源
を接続することで、変換効率を高め、容積及びコストを
低減することが提案されている。
は、直流バックアップ電源内の各部の異常に関する配慮
がなく、信頼性にかける問題点があった。
電力を供給できる直流バックアップ電源装置及びその診
断方法を提供することである。
て、交流電力を直流電力に変換するAC/DCコンバー
タと、その出力直流電力を入力し電圧制御しながら負荷
に供給するDC/DCコンバータと、これらの両コンバ
ータ間の直流路にスイッチング手段を介して接続された
双方向DC/DCコンバータと、この双方向DC/DC
コンバータに接続された直流電力蓄積手段を備えた直流
バックアップ電源において、この直流バックアップ電源
内での電流検出手段及び/又は電圧検出手段と、これら
の検出手段の出力に基いて直流バックアップ電源の異常
を監視する手段を備える。
る高信頼の直流バックアップ電源装置を実現できる。
路とバックアップ電源との間のスイッチング手段をオフ
した状態で、直流バックアップ電源の内部の異常診断を
行う手段と、その後に上記スイッチング手段をオンした
状態で、更に直流バックアップ電源の内部の異常診断を
行う手段とを備える。
へ悪影響を与える危険性を少なくしつつ、直流バックア
ップ電源各部の診断を行うことができる。
施例の説明で明らかにする。
よる直流バックアップ電源装置のブロック図である。商
用交流電源1からの電力を、電気機器10内のAC/D
Cコンバータ2で直流電力に変換する。この直流電力を
電圧制御機能を持つDC/DCコンバータ3に入力し、
負荷4に供給する主回路構成である。直流バックアップ
電源は、主回路の前記両コンバータ間の直流路に、スイ
ッチング手段5を介して接続される双方向DC/DCコ
ンバータ6と、二次電池等の直流電力蓄積手段7を主構
成要素とする。これらのスイッチング手段5及び双方向
DC/DCコンバータ6を制御するために、監視・制御
手段8を設け、直流電力蓄積手段7の充放電電流を検出
する手段9などの電気信号を入力し、直流電力蓄積手段
7の充放電量を監視・制御する。
順を示す処理フロー図である。この実施例の特徴は、直
流バックアップ電源が、自分自身の故障を検出・診断す
ることである。図1、2を用いて自己診断の手順を説明
する。まず、ステップ201で、スイッチング手段5を
開放し、直流バックアップ電源を主回路から切り離す。
次いでステップ202で、監視・制御手段8からの指令
により双方向DC/DCコンバータ6を制御して、直流
電力蓄積手段7から双方向DC/DCコンバータ6のス
イッチング手段5側に接続された平滑コンデンサ(後
述)への放電を行う。このときステップ203におい
て、放電電流が流れたか否かを判定し、放電電流がまっ
たく流れなかった場合は、ステップ204で双方向DC
/DCコンバータ6の放電器が故障したと判断する。す
なわち、昇降圧チョッパのうち、昇圧チョッパの故障で
ある。
たことが認められると、放電器は正常であると判定し、
このバックアップ電源を主回路に接続しても問題ないと
判断する。そこで次に、ステップ205においてスイッ
チング手段5を閉じ、この直流バックアップ電源を主回
路に接続する。次いで、ステップ206で監視・制御手
段8からの指令により双方向DC/DCコンバータ6を
制御して、主回路から直流電力蓄積手段7の充電動作を
実施する。ステップ207では、監視・制御手段8が充
放電電流検出手段9の出力を用いて、充電電流が流れた
か否かを判定し、充電電流がまったく流れなかった場
合、ステップ208にて双方向DC/DCコンバータ6
の充電器が故障したと判断する。
電源の自己診断を完了する。自己診断により異常を検出
した場合には、その異常個所を記録するとともに、スイ
ッチング手段5をオフし、あるいはオンすることを禁止
し、また、アラーム及び/又はランプにより警報を発す
る。このアラーム又はランプに気付いたユーザは、前記
記録からどこに異常があったかを確認できるように構成
している。
直流電力を供給でき、しかも自己診断機能を備えた電源
装置を実現できる。また、主回路と切離してできる自己
診断を先行させることにより、主回路に影響を与える危
険性を少なくしつつ、直流バックアップ電源各部の診断
を行うことができる。
具体回路の第1の実施例である。図1におけるスイッチ
ング手段5をHotMOSと呼ぶMOSFET13とM
OSFETドライバ回路14で構成し、監視・制御手段
8を、例えばマイコン20を用いることによって実現し
ている。双方向DC/DCコンバータ6は、充放電を制
御する複数のMOSFET151,152、MOSFE
Tドライバ回路16、平滑コンデンサ17、リアクトル
18で構成した昇降圧チョッパ回路で構成している。す
なわち、MOSFET151は、バッテリ19を充電す
る充電器としての降圧チョッパの主構成要素であり、M
OSFET152は、バッテリ19から放電する放電器
としての昇圧チョッパの主構成要素である。また、直流
電力蓄積手段7としてのバッテリ19には、一般的な二
次電池を用いることができるが、鉛蓄電池を用いるより
も、エネルギー密度の高いニッカド電池や、NiMH電
池、リチウムイオン電池などを用いれば、より小型化が
可能である。
指令により、バッテリ19の充放電の監視・制御のほ
か、図2で説明した自己診断を実現する。
具体回路の第2の実施例図である。本実施例は、図3の
実施例に加え、双方向DC/DCコンバータ回路部とバ
ッテリ19の間に第2のスイッチング手段(バッテリM
OSFET)21を設け、これを駆動するドライバ回路
22を接続し、マイコン20で制御する。
1をマイコン20でON/OFF制御することにより、
昇降圧チョッパの異常等によるバッテリ19からの過大
な電流を防ぐ。例えば、平滑コンデンサ17や、充放電
を制御するMOSFET15で短絡が生じた時に、第2
のスイッチング手段(バッテリMOSFET)21をオ
フすることによって、バッテリ19からの過大電流によ
る回路破壊を防ぐことが可能になる。
処理フローの第2の実施例図である。図4,5を用いて
自己診断の手順を説明する。図2と異なるこの実施例の
特徴は、第1のスイッチング手段(HotMOS)FE
T13をオフした状態で、第2のスイッチング手段21
の異常検出手順501〜504を付加したことである。
したがって、直流バックアップ電源が、主回路と関係無
しに自己診断を行う項目を増やしている。
と同じである。次に、ステップ501においてバッテリ
MOSFET21をOFFし、さらに放電動作させ、ス
テップ502で放電電流が流れたか否かを判定する。放
電電流が流れた場合は、ステップ503に移ってバッテ
リMOSFET21が短絡故障していると判断する。次
に、ステップ504でバッテリMOSFET21をON
させる。
図2のステップ205〜208と同様の手順を実行し、
主回路と接続した状態での診断を行う。この一連の動作
により、自己診断を完了する。
具体回路の第3の実施例図である。図4の実施例と異な
る点は、バッテリ19の総電圧(両端間の電圧)を検出
する回路23を設け、マイコン20に取り込んでいるこ
とである。診断にあたり、充電時、放電時、及び待機時
におけるバッテリの充放電電流のほかに、本構成によ
り、バッテリ電圧を測定することが可能となる。これに
より、充電前のバッテリ電圧Vo、充電後のバッテリ電
圧Vc、充電電流Icの3種類の測定データを用いて、
次式によりバッテリの内部抵抗rを測定することが可能
となる。
よりバッテリの劣化診断が可能となる。例えば、NiM
Hバッテリの場合、バッテリの劣化が進むことにより内
部抵抗が増加するので、加速試験から推定されるバッテ
リの寿命診断基準を設けておく。そして、規定値よりも
高い内部抵抗が測定された場合はバッテリの寿命と判断
し、ユーザに対してバッテリ交換の診断結果を報告する
ことが可能となる。
具体回路の第4の実施例図である。図6の実施例と異な
る点は、バッテリ19の電圧検出回路231が、バッテ
リの複数接続点の電圧を測定する構成になっていること
である。本構成によれば、バッテリ19の総電圧だけで
なく、直列に接続されたバッテリセルの中間電圧を測定
することが可能となる。これにより、例えば20セルの
バッテリ19を直列に接続した場合、電圧検出端子を各
セル毎に接続することによって、バッテリの微短絡、お
よび短絡を測定することが可能となり、バッテリ19の
各セル毎の故障検出が可能となる。また、例えば20セ
ルを直列に接続したバッテリ19に対し、バッテリセル
4直列バッテリモジュール当たりに1個の電圧検出回路
を接続すれば、電圧検出回路は各セル毎に接続した場合
は20個の検出回路が必要であったものが5個で済む。
この場合、バッテリセル4直列モジュール毎の電圧を4
で割った電圧を1セル当たりの電圧とみなすため、故障
セルの検出精度は低くなるが、検出回路を大幅に減らす
ことが可能であり、低コスト化に有利である。
処理フローの第3の実施例図である。図7,8を用いて
自己診断の手順を説明する。図5と異なる点は、次に述
べるステップ801〜803及びステップ804〜80
9を追加したことである。まず、ステップ801におい
て、電圧検出手段231を用いてバッテリモジュールの
電圧を検出し、ステップ802で各バッテリモジュール
の電圧の異常の有無を判定し、ステップ803でバッテ
リモジュール毎のセルの故障を検出する。
と同一であり、重複説明は避ける。さて、ステップ80
4で充電前のバッテリ電圧を検出し、ステップ805で
降圧チョッパ動作により、主回路からバッテリ19への
充電動作を行う。次に、ステップ806で、バッテリ充
電時における充電電流と、充電後のバッテリ電圧とを測
定する。これらの測定データによって、ステップ807
ではバッテリ19の内部抵抗を計算する。ステップ80
8では、計算されたバッテリ19の内部抵抗が、規定し
た内部抵抗値よりも高いか低いかによりバッテリ19の
寿命を診断する。内部抵抗値が規定値より高い値を示し
た場合、ステップ809にてバッテリ19の寿命と判断
する。この場合、ユーザに対してバッテリ交換の診断結
果を報告する。この一連の動作により、自己診断を可能
とする。
具体回路の第5の実施例図である。図7の実施例と異な
る点は、平滑コンデンサ17の電圧を検出する回路24
を接続したことである。本構成によれば、第1のスイッ
チング手段であるMOSFET13の故障を検出するこ
とが可能となる。
す処理フローの第3の実施例図である。図8と異なる点
は、図8のステップ205に代えて、第1のスイッチン
グ手段であるMOSFET13の故障を検出する手順、
すなわちステップ101〜104を挿入したことであ
る。
の故障を検出する手順を説明する。まず、第1のスイッ
チング手段13がOFFし、バックアップ電源を主回路
から切離した状態で、主回路の直流路と異なる電圧値を
目標として双方向DC/DCコンバータを制御する。す
なわち、ステップ101において、平滑コンデンサ17
への放電電圧の目標値を直流路設定電圧より若干高く設
定し、双方向DC/DCコンバータを放電(昇圧チョッ
パ)動作させる。その後、ステップ102において、第
1のスイッチング手段(MOSFET)13をONす
る。この一連の動作により、MOSFET13が正常に
動作していればMOSFETをONした後に電圧計測回
路24で検出される電圧値は、上記放電電圧目標値から
主回路直流路の電圧値へと変化する。この電圧変化を、
ステップ103においてマイコン20が監視することに
より、ステップ104にてMOSFET13の故障の有
無を検出する。
己診断手順において、バッテリの電圧チェック、放電動
作、充電動作、バッテリの劣化診断、MOSFET故障
診断は図示した順序でなくても良い。しかし、以上の実
施例のように、双方向DC/DCコンバータの動作を伴
う自己診断に関しては、まず、第1のスイッチング手段
5(FET13)をオフした状態でのバックアップ電源
の自己診断を先行させ、その正常を確認する。この確認
後に、第1のスイッチング手段5(FET13)をオン
した状態での、バックアップ電源の自己診断を実行すれ
ば、主回路に悪影響を与える可能性を小さくすることが
できる。
流電力を供給でき、しかも自己診断機能を備えた直流バ
ックアップ電源装置を実現できる。
に影響を与える危険性を少なくしつつ、直流バックアッ
プ電源各部の診断を行うことができる。
置のブロック図。
第1の実施例図。
1の実施例図。
2の実施例図。
第2の実施例図。
3の実施例図。
4の実施例図。
第3の実施例図。
5の実施例図。
の第3の実施例図。
C/DCコンバータ、4…負荷、5、13…第1のスイ
ッチング手段、6…双方向DC/DCコンバータ、7
(19)…直流電力蓄積手段(バッテリ)、8…監視・
制御手段、9…充放電電流検出手段、10…電気機器、
13,15,21…MOSFET、17…平滑コンデン
サ、18…リアクトル、19…バッテリ、20…マイコ
ン、23,231…電圧検出回路。
Claims (14)
- 【請求項1】交流電力を直流電力に変換するAC/DC
コンバータと、その直流出力電力を入力し電圧制御を行
うDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータ
に接続された負荷を備えた主回路に対し、前記両コンバ
ータ間の直流路に第1のスイッチング手段を介して接続
された双方向DC/DCコンバータと、この双方向DC
/DCコンバータに接続された直流電力蓄積手段を備え
た直流バックアップ電源装置であって、この直流バック
アップ電源内の電流及び/又は電圧を検出する手段と、
この検出手段の出力に基いて直流バックアップ電源の異
常を監視する手段を備えたことを特徴とする直流バック
アップ電源装置。 - 【請求項2】交流電力を直流電力に変換するAC/DC
コンバータと、その直流出力電力を供給される負荷を備
えた主回路に対し、前記AC/DCコンバータの直流側
に第1のスイッチング手段を介して接続された双方向D
C/DCコンバータと、この双方向DC/DCコンバー
タに接続された直流電力蓄積手段とを備えた直流バック
アップ電源装置であって、この直流バックアップ電源内
の電流及び/又は電圧を検出する手段と、この検出手段
の出力に基いて直流バックアップ電源の異常を監視する
手段を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装
置。 - 【請求項3】交流電力を直流電力に変換するAC/DC
コンバータと、その直流出力電力を入力し電圧制御を行
うDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータ
に接続された負荷を備えた主回路に対し、前記両コンバ
ータ間の直流路に第1のスイッチング手段を介して接続
される双方向DC/DCコンバータと、この双方向DC
/DCコンバータに接続された直流電力蓄積手段を含む
直流バックアップ電源装置において、この直流バックア
ップ電源内の電流及び/又は電圧を検出する手段と、前
記第1のスイッチング手段をオフした状態で、前記電圧
及び/又は電流検出手段の出力に基いて前記直流バック
アップ電源の異常診断を行う監視手段を備えたことを特
徴とする直流バックアップ電源装置。 - 【請求項4】請求項1〜3のいずれかにおいて、前記監
視手段は、前記第1のスイッチング手段をオフした状態
で、前記双方向DC/DCコンバータを動作させ、前記
直流バックアップ電源内の電流及び/又は電圧を検出す
る手段を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源
装置。 - 【請求項5】請求項1〜4のいずれかにおいて、前記監
視手段は、前記第1のスイッチング手段をオンした状態
で、前記双方向DC/DCコンバータを動作させ、前記
直流バックアップ電源内の電流及び/又は電圧を検出す
る手段を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源
装置。 - 【請求項6】請求項1〜5のいずれかにおいて、前記双
方向DC/DCコンバータの前記第1のスイッチング手
段側に平滑コンデンサを備え、前記監視手段は、前記第
1のスイッチング手段がオフした状態で、前記双方向D
C/DCコンバータを動作させ、前記直流電力蓄積手段
から前記平滑コンデンサへの充電を確認する手段を備え
たことを特徴とする直流バックアップ電源装置。 - 【請求項7】請求項1〜6のいずれかにおいて、前記双
方向DC/DCコンバータの前記第1のスイッチング手
段側に平滑コンデンサを備え、前記監視手段は、前記第
1のスイッチング手段がオンした状態で、前記双方向D
C/DCコンバータを動作させ、前記主回路の直流路か
ら前記直流電力蓄積手段への充電を確認する手段を備え
たことを特徴とする直流バックアップ電源装置。 - 【請求項8】請求項1〜7のいずれかにおいて、前記双
方向DC/DCコンバータの前記第1のスイッチング手
段側に平滑コンデンサを備え、前記監視手段は、前記第
1のスイッチング手段をオフした状態で、前記双方向D
C/DCコンバータの動作により前記直流電力蓄積手段
から前記平滑コンデンサを充電する手段と、この充電後
に前記第1のスイッチング手段をオンする手段と、この
第1のスイッチング手段の前記オン前後の前記平滑コン
デンサの電圧の変化を確認する手段を備えたことを特徴
とする直流バックアップ電源装置。 - 【請求項9】請求項1〜8のいずれかにおいて、前記双
方向DC/DCコンバータと前記直流電力蓄積手段との
間に接続された第2のスイッチング手段と、前記双方向
DC/DCコンバータの異常を検出する手段と、この異
常検出手段の動作に基いて前記第2のスイッチング手段
をオフする手段を備えたことを特徴とする直流バックア
ップ電源装置。 - 【請求項10】請求項1〜9のいずれかにおいて、前記
双方向DC/DCコンバータと前記直流電力蓄積手段と
の間に接続された第2のスイッチング手段と、この第2
のスイッチング手段をオフした状態で、前記直流電力蓄
積手段を流れる電流を検出したとき、前記第2のスイッ
チング手段の異常を検出する手段を備えたことを特徴と
する直流バックアップ電源装置。 - 【請求項11】請求項1〜10のいずれかにおいて、前
記直流電力蓄積手段の電圧を検出する手段と、前記直流
電力蓄積手段の電流を検出する手段と、前記第1のスイ
ッチング手段をオンし前記双方向DC/DCコンバータ
を動作させて前記直流電力蓄積手段に電力を充電する手
段と、この充電の前後の前記直流電力蓄積手段の電圧値
と充電電流値に基いて、前記直流電力蓄積手段の状態を
判定する手段を備えたことを特徴とする直流バックアッ
プ電源装置。 - 【請求項12】交流電力を直流電力に変換するAC/D
Cコンバータと、その直流出力電力を供給される負荷を
備えた主回路に対し、前記AC/DCコンバータの直流
側に第1のスイッチング手段を介して接続された双方向
DC/DCコンバータと、この双方向DC/DCコンバ
ータに接続された直流電力蓄積手段とを備えた直流バッ
クアップ電源装置であって、この直流バックアップ電源
内の電流及び/又は電圧を検出する手段と、この検出手
段の出力に基いて直流バックアップ電源の異常を監視す
る手段と、この監視手段が異常を検出したことを表示す
る手段を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源
装置。 - 【請求項13】請求項1〜12のいずれかにおいて、前
記第1のスイッチング手段をオフした状態で、前記直流
バックアップ電源内の前記直流電力蓄積手段及び前記双
方向DC/DCコンバータを含む機器の第1の異常診断
を行う手段と、その後に、前記第1のスイッチング手段
をオンした状態で、前記直流バックアップ電源内の前記
直流電力蓄積手段及び前記双方向DC/DCコンバータ
を含む機器の第2の異常診断を行う手段を備えたことを
特徴とする直流バックアップ電源装置。 - 【請求項14】交流電力を直流電力に変換するAC/D
Cコンバータと、その直流出力電力を入力し電圧制御を
行うDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバー
タに接続された負荷を備えた主回路に対し、前記両コン
バータ間の直流路に第1のスイッチング手段を介して接
続された双方向DC/DCコンバータと、この双方向D
C/DCコンバータに接続された直流電力蓄積手段を備
えた直流バックアップ電源装置の診断方法であって、前
記第1のスイッチング手段をオフした状態で、前記直流
バックアップ電源の第1の異常診断を行うステップと、
この第1の異常診断ステップで異常が認められなかった
とき、前記第1のスイッチング手段をオンして、前記直
流バックアップ電源の第2の異常診断を行うステップを
含むことを特徴とする直流バックアップ電源装置の診断
方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002113117A JP3908077B2 (ja) | 2002-04-16 | 2002-04-16 | 直流バックアップ電源装置とその診断方法 |
DE60322773T DE60322773D1 (de) | 2002-04-16 | 2003-04-11 | Gleichstrom-Reservestromversorgung und Verfahren zur Diagnose derselben |
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