JP2004064977A

JP2004064977A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2004064977A
Application number: JP2002223985A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakazawa; 中澤　浩志
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】低温時における放電特性を改善すると共に、バッテリの交換を不要にするメンテナンスフリー化を確実に達成する。
【解決手段】交流入力電圧が正常である場合は、バッテリ充電電圧制御回路３０によりバッテリ１６を充電する。交流入力電圧が低下若しくは停電すると、バッテリ１６から負荷に電力を供給する。バッテリ１６はリチウムイオン電池からなり、バッテリ１６を充電する際に、バッテリ１６若しくはその周辺の温度が低くなる程、バッテリ１６の充電電圧を高く設定するバッテリ充電電圧制御回路３０を備えている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、停電バックアップ用のバッテリと、このバッテリを充電する充電器を内蔵した無停電電源装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
最近のＯＡ機器の普及に伴い、例えば情報処理装置（パーソナル・コンピュータ等）及び情報記憶装置（磁気ディスク装置等）においては、作動中の商用電源の停電発生は、処理中または記憶中のデータの致命的な喪失につながり、大きな作業損失を招く結果となる。このような問題に対処するために使用されるバッテリ内蔵の無停電電源装置が、従来から知られている。
【０００３】
無停電電源装置による停電時のバックアップ継続時間は、内蔵するバッテリの放電持続時間により決定され、この放電持続時間が長いほど無停電電源装置としての利用価値が高くなる。放電持続時間は、使用するバッテリの種類により決定されるが、無停電電源装置においては従来から鉛蓄電池が使用されてきた。
【０００４】
鉛蓄電池は放電時における環境特性が悪く、低温時においてはその放電持続時間が高温時に比較して短時間となって、放電特性が低下する。それに対して放電持続時間に関しては、放電終了近くで放電電圧が急峻に降下する特性を有するため、放電開始時におけるバッテリ電圧すなわち充電電圧がある程度変動しても、放電持続時間はさほど差を生じない。
【０００５】
また、鉛蓄電池はそもそも特性的に充電電流が小さく（約０．２５Ｃ以下）、急速充電を行なうことができないため、充電時間の関係から充電電圧を高く設定する必要があるが、充電電圧を高く設定すると、その分だけ鉛蓄電池の寿命が短くなる。鉛蓄電池としての寿命を延ばすには、充電電圧を低く設定すればよいが、その場合でも結局は３，４年程度の寿命で鉛蓄電池の交換が必要となり、充電電圧の制御機能を付加したとしても、無停電電源装置としてバッテリの交換を不要にするメンテナンスフリー化を図ることができなかった。
【０００６】
そこで本発明は、低温時における放電特性を改善すると共に、バッテリの交換を不要にするメンテナンスフリー化を確実に達成できる無停電電源装置を提供することをその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の無停電電源装置は、入力電圧が正常である場合は、充電器によりバッテリを充電し、前記入力電圧が低下若しくは停電すると、前記バッテリから負荷に電力を供給する無停電電源装置において、前記バッテリはリチウムイオン電池からなると共に、前記バッテリまたはバッテリの周囲温度を検出する温度検出素子と、前記温度検出素子の検出温度が低い程、前記バッテリの充電電圧を高く設定するバッテリ充電電圧制御回路とを備えて構成される。
【０００８】
この場合、リチウムイオン電池も鉛蓄電池の場合と同様に、低温時における放電持続時間が高温時に比べて短くなるが、リチウムイオン電池においては、放電時間の経過に伴ないバッテリ電圧が緩やかに低下して行く比較的フラットな放電特性を有しているので、充電電圧を高く設定すれば、鉛蓄電池では殆ど得られなかった顕著な放電時間の延長効果が得られる。
【０００９】
しかも、バッテリ若しくはバッテリの温度が低い程、バッテリの充電電圧を高く設定しているので、放電時間が短くなる低温時には、前述のような放電時間の延長効果を得ることができると共に、比較的放電時間の長い高温時には充電電圧を低くして電池寿命の短命化への影響を少なくすることができる。これにより、低温時における放電特性を改善すると共に、バッテリの交換を不要にするメンテナンスフリー化を確実に達成できる。さらには、リチウムイオン電池の高エネルギー密度により装置の小型軽量化をも図ることができるので、より利用性の高い無停電電源装置を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下、本発明における好ましい実施形態について、添付図を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は、装置の全体構成を示す回路図であり、負荷の所望の交流電圧を供給する無停電電源装置を対象としている。ここでは、従来から使用されていた無停電電源装置と比較して、充電器を兼用する新規なバッテリ充電電圧制御回路３０を備えていることと、停電バックアップ時の電源であるバッテリ１６が従来の鉛蓄電池に代わりリチウムイオン電池を使用していることが注目される。このリチウムイオン電池は、性能や信頼性の面で改良進歩を遂げていると共に経済性も改善されて、次第に普及の途上にある。リチウムイオン電池は、従来の鉛蓄電池に対して優れた高エネルギー密度を有しており、小型軽量，長寿命であり、無停電電源装置用のバッテリとしての有用性は高い。
【００１２】
さて、先ず本実施例で取り上げた無停電電源装置の主回路部分についての動作を説明する。図１において、１は装置に交流入力電圧を給電する例えばＡＣ１００Ｖの交流電源、２は負荷（図示せず）への給電を切換える切換スイッチであって、交流電源１からの交流入力電圧を直接負荷に供給するためのバイパスライン３が、交流電源１と切換スイッチ２の一つの入力端子との間に設けられている。また、このバイパスライン３とは別に、安定化した交流電圧を負荷に供給するために、交流電源１からの交流入力電圧を整流して交流電圧を直流に変換する整流器４と、整流器４もしくは後述するバッテリ１６からの直流電圧を交流に変換するインバータ５とを直列接続したものが、交流電源１と切換スイッチ２の他の入力端子との間に設けられる。これにより、切換スイッチ２の接点を一方の入力端子に接続すると、交流電源１からの交流入力電圧がそのまま切換えスイッチ２を通して負荷に送られる。また、切換えスイッチ２の接点を他方の入力端子に接続すると、インバータ５からの交流電圧が切換えスイッチ２を通して負荷に送られるようになっている。
【００１３】
１６は停電バックアップ用の電源であるバッテリで、これは一般に複数のセルを直列および並列に積み重ねた充放電可能なリチウムイオン電池により構成される。そして、このバッテリ１６を充電するために、充電器を兼用するバッテリ充電電圧制御回路３０の出力端子５１から、ダイオード２３を介してバッテリ１６に所定の充電電圧が供給される。ダイオード２３は、バッテリ１６からバッテリ充電電圧制御回路３０への逆流を防止するためのものである。さらに、前記整流器４からインバータ５に至る直流電圧ライン７と、バッテリ充電電圧制御回路３０からバッテリ１６に至る直流電圧ライン１３との間に、直流切換スイッチ１４が接続される。
【００１４】
そして、交流電源１からの交流入力電圧が通常の電圧レベルであれば、直流切換スイッチ１４をオフにして、交流入力電圧をそのまま負荷に供給するか、さもなければ、図１の実線矢印に示すように、交流入力電圧を整流器４により整流して直流電圧Ｖｃｃに変換し、この直流電圧をインバータ５で所望の交流電圧に（例えばＡＣ１００Ｖ）に変換して負荷に供給する。一方、交流入力電圧が例えば停電などで所定の電圧レベルを下回ると、直流切換スイッチ１４をオンに切換え、図１の点線矢印で示すように、バッテリ１６からの直流電圧をインバータ５により所望の交流電圧に変換して、この交流電圧を負荷に供給するようになっている。
【００１５】
次に、バッテリ１６の充電電圧を温度に応じて設定する充電電圧制御回路３０の構成を説明する。図１において、３１は一次側と二次側とを絶縁するトランス，３２は例えばＭＯＳ型ＦＥＴで構成されるスイッチング素子であり、トランス３１の一次巻線３１Ａとスイッチング素子３２とからなる直列回路に、前記整流器４からの直流入力電圧Ｖｃｃが供給される。またトランス３１の二次巻線３１Ｂには、整流ダイオード３５，転流ダイオード３６，チョークコイル３７及び平滑コンデンサ３８からなる整流平滑回路が接続され、スイッチング素子３２のスイッチングに伴い二次巻線３１Ｂに誘起した電圧を平滑整流し、平滑コンデンサ３８の両端間ひいては出力端子５１にバッテリ１６を充電するための直流電圧（充電電圧）Ｖｏを得るようにしている。
【００１６】
そして、スイッチング素子３２をオンすると、トランス３１の二次巻線３１Ｂのドット側端子に正極性の電圧が誘起されるので、整流ダイオード３５がオンし、転流ダイオード６がオフする。これにより、整流ダイオード３５を介してチョークコイル３７にエネルギーが供給され、平滑コンデンサ３８の両端間ひいては出力端子５１にバッテリ１６の充電電圧Ｖｏが発生する。一方、スイッチング素子３２がオフすると、今度は二次巻線３１Ｂの非ドット側端子に正極性の電圧が誘起され、整流ダイオード３５がオフし、転流ダイオード３６がオンする。従って、この場合はそれまでチョークコイル３７に蓄えられていたエネルギーが、転流ダイオード３６を通して平滑コンデンサ３８の両端間ひいては出力端子５１に与えられる。
【００１７】
さて、以上の動作回路に対して、本発明ではさらに、出力端子５１に発生する充電電圧Ｖｏの安定化を図りつつ、バッテリ１６若しくはバッテリ１６の周囲温度に応じて充電電圧Ｖｏを可変させる帰還回路５０（図１の点線で囲んだ範囲）を備えている。
【００１８】
次にこの回路の構成について説明する。４７は、バッテリ１６またはバッテリ１６の周囲温度を測定するための温度検出素子で、サーミスタ或いは他の温度検出素子を利用する。この温度検出素子４７の設置位置はバッテリ１６本体に直接取り付けるのが最良であるが、例えばバッテリ１６に直接取り付け難い等の問題が在る場合は、バッテリ１６自体の温度にできるだけ近い温度が測定できるバッテリ１６の周辺位置を選択して、バッテリ１６以外の場所に適宜取り付けてもよい。本実施例では、温度検出素子４７として温度変化に敏感で一般性の高いサーミスタを利用している。サーミスタによる温度検出の利用法は抵抗との組み合わせにより種々あるが、本例ではサーミスタの温度検出特性として容易に温度−抵抗値の直線特性が得られる回路、すなわちサーミスタに並列に抵抗４５を入れて、符号４８，４９を温度検出端子とした並列回路を使用する。そして、この抵抗４５の両側にそれぞれ分圧抵抗４４と４６を直列に接続する。
【００１９】
バッテリ１６の充電電圧ラインの両端間に接続する抵抗４４，４５，４６の直列回路には、フォトカプラ４１の発光素子４１ａと分圧抵抗４２とシャントレギュレータ４３とからなる直列回路が並列に接続する。このシャントレギュレータ４３は抵抗４５，４６の接続点がリファレンスに接続され、内蔵する基準電圧とリファレンス電圧との差異に応じて、カソードからアノードを流れる電流が変化するようになっている。なお、シャントレギュレータ４３に代わり、分圧用抵抗４５，４６の接続点の電位と基準電圧とを比較して、その比較結果に基づきフォトカプラ４１の発光素子４１ａを流れる電流を可変させるコンパレータを利用しても良い。そして、フォトカプラ４１の発光素子４１ａの発光量に応じた電流が受光素子４１ｂを流れ、これを受けたＰＷＭ制御回路３３が、スイッチング素子３２に供給するパルス駆動信号の導通幅を可変設定することで、バッテリ１６若しくはバッテリ１６の周辺温度に応じて変化する充電電圧Ｖｏの安定化を、帰還回路５０が図るようにしている。
【００２０】
次に、上記構成についてその作用を説明する。先ず交流電源１が投入され、通常の交流入力電圧が無停電電源装置に印加されると、ＰＷＭ制御回路３３によりスイッチング素子３２をスイッチングすることにより、整流器４で整流された直流入力電圧Ｖｃｃがトランス３１の一次巻線３１Ａに断続的に供給される。そして、トランス３１の二次巻線３１Ｂに誘起された電圧を、整流ダイオード３５，転流ダイオード３６，チョークコイル３７及び平滑コンデンサ３８からなる整流平滑回路により整流平滑することで、バッテリ充電電圧制御回路３０の出力端子５１には、バッテリ１６の充電電圧Ｖｏが発生する。この場合、交流電源１からの交流入力電圧が通常の電圧レベルであるので、直流切換スイッチ１４はオフになり、前記充電電圧Ｖｏがダイオード２３を通してバッテリ１６に供給される。それと共に、交流電源１からの交流入力電圧は、バイパスライン３を経由してそのまま負荷に供給されるか、さもなければ、整流器４により直流入力電圧Ｖｃｃに変換され、さらにはインバータ５で所望の交流電圧に変換して負荷に供給される。
【００２１】
一方、帰還回路５０は、温度検出素子４７によりバッテリ１６の温度を検出し、その検出温度に基づき、ＰＷＭ制御回路３３がスイッチング素子３２へのパルス駆動信号の導通幅を変えることで、バッテリ１６の充電電圧Ｖｏを最適な値に設定する制御が行われる。この場合の温度−充電電圧の特性を、図２のグラフに示す。
【００２２】
とりわけ本実施例では、温度検出素子４７であるサーミスタに抵抗４５を並列接続した構成を採用したので、温度−抵抗値特性の直線性が良く、バッテリ１６の充電電圧Ｖｏは、このバッテリ１６の温度変化に対して直線的な特性が得られる。この結果、例えば図２に示す特性では、バッテリ１６の温度が５０℃のときに単位セル当たりの充電電圧Ｖｏが３．８Ｖとなり、バッテリ１６の温度が２５℃ときに単位セル当たりの充電電圧Ｖｏが４．０Ｖとなり、バッテリ１６の温度が０℃のときに単位セル当たりの充電電圧Ｖｏが４．２Ｖとなって、バッテリ１６の温度が上昇するにしたがって、充電電圧Ｖｏが直線的に降下する特性となる。なお、このバッテリ１６の温度による充電電圧Ｖｏの設定は、使用するリチウムイオン電池の個々の特性や、無停電電源装置の利用条件などに従って種々選定がされるのがよい。
【００２３】
帰還回路５０の具体的な動作を説明すると、バッテリ１６（或いはその周囲温度）が低下したとすると、バッテリ１６に設置された温度検出素子４７の抵抗値がその負抵抗特性のため上昇し、抵抗４５の両端すなわち端子４８，４９間の分電圧が上昇して抵抗４６の分電圧が低下する。これにより抵抗４５，４６の接続点をリファレンスに接続したシャントレギュレータ４３のカソード電流が減少する。この結果、このシャントレギュレータ４３と直列に接続されているフォトカプラ４１の発光素子４１ａの電流ひいては発光量が減少し、フォトカプラ４１の受光素子４１ｂからＰＷＭ制御回路３３への帰還電流が減少する。この結果、ＰＷＭ制御回路３３はスイッチング素子３２のゲートに供給するパルス駆動信号の導通幅を拡げて、バッテリ充電電圧制御回路３０の出力端子５１の充電電圧Ｖｏを上昇させる。
【００２４】
一方、バッテリ１６或いはその周辺温度が上昇した場合は、この逆の動作が行なわれる。すなわち温度検出素子４７の抵抗値が下降し、抵抗４６の分電圧が上昇し、シャントレギュレータ４３のカソード電流が増加し、フォトカプラ４１の発光素子４１ａを流れる電流が増加してその発光量が増加し、フォトカプラの受光素子４１ｂからＰＷＭ制御回路３３への帰還電流が増加する。それにより、ＰＷＭ制御回路３３はスイッチング素子３２のゲートに供給するパルス駆動信号の導通幅を狭めて、バッテリ充電電圧制御回路３０の出力端子５１の充電電圧Ｖｏを降下させる。
【００２５】
以上のバッテリ温度による充電電圧の制御により、バッテリ１６の温度の違いによるリチウムイオン電池の充電電圧と放電時間の特性は、図３に示すようになる。同図において、低温時ではバッテリ１６に対する充電電圧Ｖｏ１が高く設定され、その放電特性は曲線Ｖｃ１に示すようになり、中温度時は充電電圧Ｖｏ２が中程度に設定され、その放電特性は曲線Ｖｃ２に示すようになり、高温時では充電電圧Ｖｏ３が低く設定され、その放電特性は曲線Ｖｃ３に示すようになる。
【００２６】
このような制御を行なう理由を、図４および図５に示す別のグラフで説明する。図４および図５は、それぞれリチウムイオン電池と鉛蓄電池について、放電開始電圧（充電電圧）を低く設定した場合と高く設定した場合に、バッテリ温度の違いにより放電時間がどの程度変わるのかを示したものである。すなわち、ＶＨ１は放電開始電圧が高くバッテリ温度が低い場合、ＶＨ２は放電開始電圧が高くバッテリ温度が中程度の場合、ＶＨ３は放電開始電圧が高くバッテリ温度が高い場合、ＶＬ１は放電開始電圧が低くバッテリ温度が低い場合、ＶＬ２は放電開始電圧が低くバッテリ温度が中程度の場合、ＶＬ３は放電開始電圧が低くバッテリ温度が高い場合をそれぞれ示している。
【００２７】
図４に示すように、リチウムイオン電池は、放電開始時における充電電圧の高低に拘らず、バッテリ温度が高温になる程、放電時間が延びて放電特性が向上し、逆にバッテリ温度が低温になる程、放電時間が短くなって放電特性が悪化する。またリチウムイオン電池は、放電時間の経過に伴ないバッテリ電圧が緩やかに低下して行く比較的フラットな放電特性を有しており、同じバッテリ温度では、充電電圧を高く設定した方が、顕著な放電時間の延長効果が得られる（図４に示す時間ｔｏ参照）。しかし、単純に充電電圧を高く設定するだけでは、電池寿命を短かくすることになり、リチウムイオン電池の長所である寿命の長さを十分に生かせず、結果的に無停電電源装置のメンテナンスフリー化を実現することができない。
【００２８】
そこで本実施例では、温度検出素子４７で検出されるバッテリ１６若しくはバッテリ１６の周辺温度が低くなる程、バッテリ１６の充電電圧Ｖｏを高く設定することで、主に放電時間が短くなる低温時における放電時間延長の改善効果を得ると共に（図３に示す効果）、必要以上に充電電圧Ｖｏを高く設定しないことで、リチウムイオン電池の長所である寿命の長さを十分に生かし、無停電電源装置としてのメンテナンスフリー化（１０年以上の寿命）を実現している。また、リチウムイオン電池では、急速充電（１Ｃ）が可能であるため、充電電圧Ｖｏを低く設定しても充電時間には差ほど影響を及ぼさない。
【００２９】
因みに、図５に示す鉛蓄電池の場合も、低温時においてはその放電時間が高温時に比較して短時間となり、高温時に比較して低温時においては無停電電源装置による停電時のバックアップ継続時間が短くなる。しかし、鉛蓄電池においては図５に示すように放電特性曲線がフラットではなく、放電終了近くでは急峻な電圧降下特性を有するため、バッテリ温度に応じて放電開始電圧（充電電圧）の設定を変える制御を行っても、放電持続時間の延長効果は極めて少ない（図５に示す時間ｔｏ参照）。さらに、充電電圧を高く設定すればその寿命はさらに短くなり、逆に充電電圧を低く設定すれば、リチウムイオン電池とは異なり急速充電ができないので、充電完了までに時間がかかるといった問題がある。つまり鉛蓄電池を利用した無停電電源装置では、温度の如何にかかわらず常に一定の充電電圧により充電を行なわざるを得なかった。
【００３０】
以上のように本実施例では、入力電圧が正常である場合は、充電器を兼用するバッテリ充電電圧制御回路３０によりバッテリ１６を充電し、入力電圧が低下若しくは停電すると、バッテリ１６から負荷に電力を供給する無停電電源装置において、バッテリ１６は鉛蓄電池よりも長寿命であるリチウムイオン電池からなると共に、バッテリ１６またはバッテリ１６の周囲温度を検出する温度検出素子４７と、この温度検出素子４７の検出温度が低い程、バッテリ１６の充電電圧Ｖｏを高く設定するバッテリ充電電圧制御回路３０とを備えた無停電電源装置を提案している。
【００３１】
この場合、リチウムイオン電池も鉛蓄電池の場合と同様に、低温時における放電持続時間が高温時に比べて短くなるが、リチウムイオン電池においては、放電時間の経過に伴ないバッテリ電圧が緩やかに低下して行く比較的フラットな放電特性を有しているので、充電電圧Ｖｏを高く設定すれば、鉛蓄電池では殆ど得られなかった顕著な放電時間の延長効果が得られる。
【００３２】
しかも、バッテリ１６若しくはバッテリ１６の温度が低い程、バッテリ１６の充電電圧Ｖｏを高く設定しているので、放電時間が短くなる低温時には、前述のような放電時間の延長効果を得ることができると共に、逆に比較的放電時間の長い高温時には、充電電圧Ｖｏを低くして電池寿命の短命化への影響を少なくすることができる。これにより、低温時における放電特性を改善すると共に、バッテリ１６の交換を不要にするメンテナンスフリー化を確実に達成できる。さらには、リチウムイオン電池の高エネルギー密度により装置の小型軽量化をも図ることができるので、より利用性の高い無停電電源装置を提供することができる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００３４】
例えば、本実施例では交流出力の無停電電源装置を例に説明したが、図１のＤＣ／ＤＣコンバータから直流電圧を負荷に供給する無停電電源装置（ＤＣ−ＵＰＳ）に、本発明を適用してもよい。また、本実施例で使用したバッテリ充電電圧制御回路３０は、トランス３１とフォトカプラ４１とにより一次側と二次側とを絶縁した回路を使用したが、トランス３１を介さず直接エネルギー供給を行なう非絶縁型の回路を使用してもよい。また、バッテリ１６の温度検出信号を変換する方式も、使用する温度検出素子４７の特性に適合した回路構成を採用してよい。
【００３５】
その他、フォトカプラ４１の帰還電流によるＰＷＭ制御回路３３の動作に関し、本実施例における帰還電流の増減による充電電圧の変化指令方式はあくまでも一例であり、ＰＷＭ制御回路３３の動作条件を変えることにより適宜変更してもよい。また、帰還回路５０を構成するフォトカプラ４１の代わりに、絶縁トランスなどの各種絶縁素子を使用してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の無停電電源装置は、低温時における放電特性を改善すると共に、バッテリの交換を不要にするメンテナンスフリー化を確実に達成できる。またリチウムイオン電池の高エネルギー密度により電源装置の小型軽量化が可能であり、より利用性の高い無停電電源装置を提供することができる。
【００３７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す無停電電源装置の回路構成図である。
【図２】本実施例におけるバッテリの温度と充電電圧との関係を示すグラフである。
【図３】本実施例におけるリチウムイオン電池の放電特性を示すグラフである。
【図４】リチウムイオン電池の温度の違いによる放電特性を示すグラフである。
【図５】鉛蓄電池の温度の違いによる放電特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１６　バッテリ
３０　バッテリ充電電圧制御回路（充電器）

Claims

入力電圧が正常である場合は、充電器によりバッテリを充電し、前記入力電圧が低下若しくは停電すると、前記バッテリから負荷に電力を供給する無停電電源装置において、前記バッテリはリチウムイオン電池からなると共に、前記バッテリまたはバッテリの周囲温度を検出する温度検出素子と、前記温度検出素子の検出温度が低い程、前記バッテリの充電電圧を高く設定するバッテリ充電電圧制御回路とを備えたことを特徴とする無停電電源装置。