JP2006196296A

JP2006196296A - 電力バックアップ装置

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Publication number: JP2006196296A
Application number: JP2005006265A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakazawa; 浩志中澤
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-13
Also published as: JP4560833B2

Abstract

【課題】周囲の温度環境に左右されずに、二次電池の充放電や寿命の特性を改善して、その能力を最大限に発揮できる電源バックアップ装置を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池22の温度を温度センサ26によって検知し、この温度センサ26からの検知出力を温度制御ユニット28が取込んで監視する。これにより、リチウムイオン二次電池22の充放電や寿命の特性が最適となる温度に、温度制御ユニット28がペルチェ素子27への駆動電力（電流の大きさや向き）を制御することができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、各種電子装置のバックアップ電源として、この電子装置に内蔵または外付けされ、電子装置との間で充放電可能なリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などの二次電池を搭載した電力バックアップ装置に関するものである。

一般に、バックアップ電源としての電力バックアップ装置を必要とする無停電電源装置は、商用交流電源からの入力電圧が正常に発生している場合に、電子装置としての電源本体の主電源部から負荷に所要の直流または交流電圧を供給し、且つこの主電源部を介して二次電池を充電する一方で、前記入力電圧が著しく低下若しくは停電すると、バックアップ電源としての二次電池が、主電源部から負荷に引き続き電力を供給するようになっている。ここで使用する二次電池は、従来より鉛蓄電池が使用されているが、その理由は主に鉛蓄電池が安価であって、且つ充放電管理が簡単であるからである。

図５および図６は、従来の無停電電源装置の概略構成を示すブロック図である。これらの各図において、１は例えば商用電源（図示せず）からの交流入力電圧Ｖｉが印加される主電源部としての電源回路で、この電源回路１には交流若しくは直流の出力電圧Ｖｏが与えられる一乃至複数の負荷３が接続される。また４は、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時に、負荷３への電力給電を行なうバックアップ電源としての鉛蓄電池である。前記電源回路１には、入力電圧Ｖｉの正常時に鉛蓄電池４を充電する充電回路５と、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時に鉛蓄電池４を放電して負荷３に電力を供給する放電回路６がそれぞれ組み込まれる。ここで図５は、電源回路１と共に鉛蓄電池４が本体電源である本体ケース７の内部に収容される例を示し、また図６は、電源回路１と別体に鉛蓄電池４が構成される例を示している。

前記電源回路１は、交流入力電圧Ｖｉを負荷３への所要の交流出力電圧Ｖｏに変換するＡＣ／ＡＣ変換部11や、交流入力電圧Ｖｉを昇圧または降圧した直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部12や、ＡＣ／ＤＣ変換部12で得られた直流電圧を負荷３への所要の直流出力電圧Ｖｏに変換するＤＣ／ＤＣ変換部13などが適宜組み込まれる。

ところで、上記鉛蓄電池４を搭載した無停電電源装置は電池収容スペースを多く確保しなければならない上に、重量が極めて重く、さらには環境面でも鉛使用による種々の問題がある。かかる欠点を解消するため、例えば特許文献１には、鉛蓄電池に代わってリチウムイオン二次電池をバックアップ電源とした無停電電源装置が提案されている。ここでのリチウムイオン二次電池は、複数個の電池セルを直列接続した電池モジュールからなり、過充電および過放電を防止する電池保護回路も内蔵されている。

また別な特許文献２には、過放電保護回路や過充電保護回路を備え、リチウムイオン二次電池を内蔵したパッケージ状の二次電池パックが開示されている。
特開２００２−５８１７０号公報特許第２８６１８７９号公報

上記特許文献１や特許文献２に示すリチウムイオン二次電池を搭載した電力バックアップ装置では、当該装置が設置される周囲環境に応じてリチウムイオン二次電池の充放電特性が変動する。具体的には、充電時においてリチウムイオン二次電池の温度（周囲温度）が高いほど、満充電に達するまでの時間（充電時間）は短くなるものの、電池としての寿命も短くなってしまう。また、放電時においてリチウムイオン二次電池の温度が高いほど、電池の放電時間ひいては電子装置に電力を供給し続けることが可能なバックアップ時間を延ばすことができるものの、電池としての寿命は短くなる。

しかし、既存の電力バックアップ装置は、こうしたリチウムイオン二次電池の温度変動による充放電特性のバラツキや寿命の短縮化を十分に考慮しているとは云えず、どのような環境下に置かれた場合でも、リチウムイオン二次電池としての能力を最大限に発揮させることができなかった。

本発明は上記の課題に着目してなされたもので、周囲の温度環境に左右されることなく、二次電池の充放電や寿命の特性を改善して、その能力を最大限に発揮することが可能な電源バックアップ装置を提供することを目的とする。

本発明における請求項１の電力バックアップ装置は、電子装置に装着され、この電子装置との間で充放電を行なう二次電池を搭載した電力バックアップ装置において、前記二次電池の温度を検知する温度検知手段と、前記二次電池に設けたペルチェ素子と、前記温度検知手段からの検知出力に基づき前記ペルチェ素子の駆動電力を制御する温度制御手段と、を備えている。

この場合、二次電池の温度を温度検知手段で検知し、この温度検知手段からの検知出力を温度制御手段が取込むことで、二次電池の充放電や寿命の特性が最適となる温度に、温度制御手段がペルチェ素子への駆動電力を制御することができる。

本発明における請求項２の電力バックアップ装置は、前記二次電池の充電時および待機時に、前記二次電池の温度を一定に保つ制御を行なうように、前記温度制御手段が構成される。

こうすると、特に二次電池に給電を行なう充電時と、満充電の二次電池に対し給電を停止して電池寿命の延伸を図る待機時において、二次電池の充電特性が最適となる温度に維持される。そのため、周囲温度が高い状況下で、二次電池の寿命を延ばすことができるし、周囲温度が低い状況下で、充電時間を短縮することができる。

本発明における請求項３の電力バックアップ装置は、前記二次電池の放電時に前記ペルチェ素子への電力供給を停止させる給電停止手段を備え、この二次電池の放電時には、前記充電時および待機時における前記ペルチェ素子の余熱を該二次電池に与える構成としている。

放電時にはペルチェ素子により二次電池を加熱して、放電時間の延伸化を図ることが望ましいが、その場合は二次電池を電源としてペルチェ素子に電力を供給しなければならず、消費電力の大きなペルチェ素子ではかえって二次電池の放電時間が短くなる。そこで、放電時にはペルチェ素子への電力供給を停止させ、ペルチェ素子による電力消費を回避すると共に、充電時および待機時におけるペルチェ素子の余熱を利用して、二次電池をある程度の温度に維持すれば、二次電池の放電時間を可及的に延ばすことが可能になる。

本発明における請求項４の電力バックアップ装置は、電子装置に装着され、この電子装置との間で充放電を行なう二次電池を収容体内に搭載した電力バックアップ装置において、前記収容体内における前記二次電池の雰囲気温度を検知する温度検知手段と、前記収容体内において前記二次電池に非接触で設けたペルチェ素子と、前記温度検知手段からの検知出力に基づき前記ペルチェ素子の駆動電力を制御する温度制御手段と、を備えている。

この場合、収容体内にある二次電池の雰囲気温度を温度検知手段で検知し、この温度検知手段からの検知出力を温度制御手段が取込むことで、二次電池の充放電や寿命の特性が最適となる雰囲気温度に、温度制御手段がペルチェ素子への駆動電力を制御することができる。特にここでは、二次電池のセルに直接ではなく、二次電池周辺の収容体内の雰囲気温度を最適にすることで、その充放電や寿命の特性をより好ましい方向に改善できる。

本発明における請求項５の電力バックアップ装置は、前記二次電池の充電時および待機時に、前記二次電池の雰囲気温度を一定に保つ制御を行なうように、前記温度制御手段が構成される。

こうすると、特に二次電池に給電を行なう充電時と、満充電の二次電池に対し給電を停止して電池寿命の延伸を図る待機時において、二次電池の充電特性が最適となる雰囲気温度に維持される。そのため、収容体外の周囲温度が高い状況下で、二次電池の寿命をさらに延ばすことができるし、収容体外の周囲温度が低い状況下で、充電時間をさらに短縮することができる。

本発明における請求項６の電力バックアップ装置は、前記二次電池の放電時に前記ペルチェ素子への電力供給を停止させる給電停止手段を備え、この二次電池の放電時には、前記充電時および待機時における前記ペルチェ素子の余熱を前記収容体内に与える構成としている。

このように、放電時にはペルチェ素子への電力供給を停止させることで、ペルチェ素子による電力消費を回避できると共に、充電時および待機時におけるペルチェ素子の余熱を利用して、二次電池をある程度の雰囲気温度に維持すれば、二次電池の放電時間をより可及的に延ばすことが可能になる。

請求項１の発明によれば、周囲の温度環境に左右されることなく、二次電池の充放電や寿命の特性を改善して、その能力を最大限に発揮することが可能な電源バックアップ装置を提供できる。

請求項２の発明によれば、充電時および待機時において、二次電池の充電特性が最適となる温度に維持され、電池寿命の延伸化および充電時間の短縮化を図ることができる。

請求項３の発明によれば、放電時におけるペルチェ素子の電力消費を回避できると共に、二次電池の放電時間を可及的に延ばすことが可能になる。

請求項４の発明によれば、周囲の温度環境に左右されることなく、二次電池の充放電や寿命の特性を改善して、その能力を最大限に発揮することが可能になる。さらに、二次電池の雰囲気温度を最適にすることで、その充放電や寿命の特性をより好ましい方向に改善できる。

請求項５の発明によれば、充電時および待機時において、二次電池の充電特性が最適となる雰囲気温度に維持され、電池寿命の延伸化および充電時間の短縮化をさらに図ることができる。

請求項６の発明によれば、放電時におけるペルチェ素子の電力消費を回避できると共に、二次電池の放電時間をより可及的に延ばすことが可能になる。

以下、本発明における電力バックアップ装置の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、従来例で示す図５や図６と共通する部分には同一の符号を付し、重複する箇所の説明は極力省略する。

図１は、本発明における新規な電力バックアップ装置を、無停電電源装置の電源回路１（電子装置に相当する）に装着する例を示したものである。同図において、21はバックアップ電源として装置に取付けられる電力バックアップ装置としての二次電池パックであり、ここでは二次電池たるリチウムイオン二次電池22の他に、リチウムイオン二次電池22の過放電を防止する過放電保護回路23や、過充電を防止する過充電保護回路24が共に組み込まれている。また31は、リチウムイオン二次電池22と電源回路１との間に介在する電圧交換ユニットであり、この電圧交換ユニット31はリチウムイオン二次電池22と共に二次電池パック21内に一体的に組み込まれる。

さらに本実施例で注目すべき点は、二次電池パック21の内部にリチウムイオン二次電池22の温度を検知する温度検知手段としての温度センサ26と、リチウムイオン二次電池22に接触または非接触に設けたペルチェ素子27と、前記温度センサ26からの検知出力を監視しつつ、リチウムイオン二次電池22の動作状態（充電時，待機時，放電時）に応じて、ペルチェ素子27への駆動電力（電流の方向と大きさ）ひいてはリチウムイオン二次電池22の温度を制御する温度制御手段としての温度制御ユニット28が組込まれていることである。なお、図１に示す例では、リチウムイオン二次電池22に温度センサ26を直接取り付け、このリチウムイオン二次電池22の温度を直接検知する構成となっているが、図２に示すように、リチウムイオン二次電池22の雰囲気温度を検知するために、当該リチウムイオン二次電池22を単独または他の各部と共に収容する収容体（この場合、二次電池パック21の外装体であってもよい）29内において、リチウムイオン二次電池22と非接触に温度センサ26を設けてもよい。また同様に、リチウムイオン二次電池22の雰囲気温度を制御するために、ペルチェ素子27も収容体29の内部で、リチウムイオン二次電池22と非接触に設けてよい。こうして、異種金属を接合してなるペルチェ素子27の一方の面は、リチウムイオン二次電池22、若しくはリチウムイオン二次電池22を収容する収容体の温度を制御するように配置される。

30は、前記ペルチェ素子27の他方の面すなわち反対面に設けられる吸熱／発熱手段である。この吸熱／発熱手段30は、熱伝導性の良好な材料である例えば金属製の板状部材若しくはフィン状部材などで形成され、ペルチェ素子27の一方の面の温度を高くするほど、ペルチェ素子27の他方の面において吸熱（低温）を促進させ、逆にペルチェ素子27の一方の面の温度を低くするほど、ペルチェ素子27の他方の面において放熱（高温）を促進させるものである。また好ましくは、吸熱／発熱手段30が二次電池パック21の外装体であるケースに接触される。

電源回路１は、従来例で示すものと同様に、ＡＣ／ＡＣ変換部11と、ＡＣ／ＤＣ変換部12と、ＤＣ／ＤＣ変換部13がそれぞれ組み込まれると共に、入力電圧Ｖｉの正常時にリチウムイオン二次電池22への充電を行なう充電回路５と、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時にリチウムイオン二次電池22への放電を行って負荷に電力３を供給する放電回路６がそれぞれ組み込まれる。ここでは、電圧変換ユニット31に内蔵する各機能により、電源回路１にどのような二次電池パック21が取付けられた場合でも、電源回路１の内部は一切変更を行なわないようになっている。

電圧変換ユニット31は、二次電池パック21の内部で独立したモジュールとして設けられる。図１に示す例では、本体ケース７とは独立した箱状の二次電池パック21内に電圧変換ユニット31が組み込まれているが、図３に示すように、本体ケース７の内部に二次電池パック21を収納するスペースを設け、二次電池パック21を本体ケース７の内部に収容できるように構成してもよい。このように、本実施例における二次電池パック21は、本体ケース７の寸法形状などに応じて最適な配置形態を採用することができる。

図１および図３に示すように、本実施例における電圧変換ユニット31は、電源回路１からリチウムイオン二次電池22に与えられる給電電圧を、このリチウムイオン二次電池22を充電するのに最適な電圧（最適充電電圧）に昇圧または降圧する昇圧・降圧部32と、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時にリチウムイオン二次電池22を放電する放電回路33と、リチウムイオン二次電池22の満充電を検出すると、このリチウムイオン二次電池22への給電を停止する待機状態に移行して、リチウムイオン二次電池22を自己放電させる満充電検出部34と、リチウムイオン二次電池22の端子電圧が所要値にまで低下したのを検出すると、リチウムイオン二次電池22への給電を開始させる低電圧検出部35とをそれぞれ備えている。これらの各部の構成は、以下詳細に説明する。

図４は、上記二次電池パック21を含む無停電電源装置の構成をさらに詳しく示したものである。同図において、51は電源回路１の入力端子52，52に接続される交流入力電圧Ｖｉの供給源としての商用電源で、この入力電圧Ｖｉは整流ブリッジなどを含むフィルタ53と、昇圧チョッパ回路により構成されるＰＦＣ（力率改善）回路54とにより、昇圧された直流電圧ＶDC1に変換される。即ちここでのフィルタ53およびＰＦＣ回路54は、前述のＡＣ／ＤＣ変換部12に相当する。また、55は直流電圧ＶDC1を負荷３に適した一乃至複数の直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2に変換するＤＣ／ＤＣコンバータで、これは前記ＤＣ／ＤＣ変換部13に相当する。これらの直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2は、本体ケース７に設けた出力端子（図示せず）から負荷３に供給されるようになっている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ55や、このＤＣ／ＤＣコンバータ55から取り出せる直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2の数は、実施例中のものに限定されない。

前記ＤＣ／ＤＣコンバータ55は、前記直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2の他に、リチウムイオン二次電池22を充電するための給電電圧ＶCHGが出力される。一方、56はこの給電電圧ＶCHGを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ55をバイパスするようにして接続されるバッテリコンバータで、これは入力電圧Ｖｉの低下時または停電時にリチウムイオン二次電池22からの給電電圧を昇圧変換して、各ＤＣ／ＤＣコンバータ55の入力側に直流電圧ＶDC2を供給するものである。以上のように、ここに示す電源回路１は、交流入力電圧Ｖｉを直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2に変換するＡＣ／ＤＣユニットとして機能するが、負荷３に交流出力電圧を供給するＡＣ／ＡＣユニットとしての機能を有するものでも構わない。

二次電池パック21は、複数個の電池セルからなるリチウムイオン二次電池22が搭載されると共に、この電池セル間に発生する電圧を検出して、リチウムイオン二次電池22が過放電状態や過充電状態になったか否かを監視する電池保護回路61が内蔵される。即ちこの電池保護回路61は、前記過放電保護回路23および過充電保護回路24に相当する。また、リチウムイオン二次電池22の両端は、内蔵する電圧変換ユニット31の電池接続端子62，62に接続されるが、このリチウムイオン二次電池22から電池接続端子62，62に至る電圧ラインには、過電流時にリチウムイオン二次電池22を電圧変換ユニット31から切り離すヒューズ63と、過充電保護回路24がリチウムイオン二次電池22の過充電を検出すると、電圧変換ユニット31からリチウムイオン二次電池22への電流の流れ込みを阻止すると共に、その両端にダイオード64を接続した第１のスイッチ素子65と、過放電保護回路23がリチウムイオン二次電池22の過放電を検出すると、リチウムイオン二次電池22から電圧変換ユニット31への電流供給を阻止すると共に、その両端にダイオード66を接続した第２のスイッチ素子67が各々接続される。

電圧変換ユニット31は前記リチウムイオン二次電池22の両端に接続する電池接続端子62，62の他に、電源回路１の給電電圧ＶCHGが発生する電圧ラインに接続される本体電源接続端子71，71と、前記直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2が与えられる負荷３とは別に、任意の負荷３Ａが直接接続される放電端子72をそれぞれ備えている。前記昇圧・降圧部32は、リチウムイオン二次電池22を充電する充電回路としての機能を有し、このリチウムイオン二次電池22の仕様にあわせて、ＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGを昇圧または降圧するように設計・調整される。具体的には、リチウムイオン二次電池22の最適充電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGよりも低いことが予め判っている場合は、当該給電電圧ＶCHGを最適充電電圧に降圧する降圧チョッパ電源（降圧部）が組み込まれ、逆にリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGよりも高いことが予め判っている場合は、当該給電電圧ＶCHGを最適充電電圧に昇圧する昇圧チョッパ電源（昇圧部）が組み込まれる。

また、昇圧・降圧部32からリチウムイオン二次電池22に与える電圧を、このリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧に設定・調整するのに、電圧変換ユニット31に与えられる入力電圧（給電電圧ＶCHG）を検出する手段を設けたり、或いは決められた入力電圧に対し、二次電池の端子電圧を検出する手段を設けたりしてもよい。

満充電検出部34は、昇圧・降圧部32からリチウムイオン二次電池22に供給される充電電流を検出する抵抗74の両端に接続される。この電流検出素子としての抵抗74は、他の素子で構成されてもよい。ここでの満充電検出部34は、抵抗74により検出されるリチウムイオン二次電池22への充電電流に基づき、このリチウムイオン二次電池22が満充電状態となったら、昇圧・降圧部32の動作を停止させる充電停止信号を当該昇圧・降圧部32に出力する。また低電圧検出部35は、リチウムイオン二次電池22の端子電圧が自己放電により所要値にまで低下した低電圧状態を検出すると、昇圧・降圧部32の動作を開始させる充電開始信号を当該昇圧・降圧部32に出力するようになっている。なお、満充電検出部34による満充電の検出レベルは、使用する二次電池および電源回路１の仕様に応じて容易に可変設定できるように構成される。

放電回路33は、昇圧・降圧部32と抵抗74からなる直列回路をバイパスして、電圧変換ユニット31の出力端子である一方の電池接続端子62から、電圧変換ユニット31の入力端子である一方の本体電源接続端子71にダイオード75を介して接続される放電ライン76により構成される。このダイオード75は、電源回路１からの給電電圧ＶCHGが昇圧・降圧部32を介さずに二次電池パック21側に直接供給されるのを阻止する機能を有する。また、好ましくは放電ライン76の途中に、リチウムイオン二次電池22の端子電圧を本体電源接続端子71若しくは放電端子72のいずれかに供給する切替手段としての切替スイッチ77が設けられる。これにより、使用する製品（負荷）にあわせてリチウムイオン二次電池22からの電力供給を、電源回路１を介したものか否かに選択することができる。

なお、給電電圧ＶCHGが二次電池の最適充電電圧よりも低く、昇圧・降圧部32で昇圧を行なう場合には、交流入力電圧Ｖｉが正常に供給されている状態でも、二次電池からダイオード75を介して本体電源接続端子71に電流が流れ込んで、二次電池を充電するモードに移行しない。したがって、この場合は、ダイオード75のカソードを放電端子72に直接接続し、充電用のラインと放電用のラインを別々に切り離すのが望ましい。

81は、リチウムイオン二次電池22の動作状態を検出する例えばカレントトランスや抵抗などの電流検出素子である。この電流検出素子81は前述の温度制御ユニット28に接続され、電流検出素子81によって検出したリチウムイオン二次電池22に流れる電流の向きと大きさに基づいて、リチウムイオン二次電池22が充電時，待機時，放電時のいずれであるかを、温度制御ユニット28により判断する構成となっている。なお、リチウムイオン二次電池22の動作状態を検出する手段としては、例えば前記満充電検出部34の充電停止信号や、低電圧検出部35の充電開始信号を利用してもよい。温度制御ユニット28は、電源回路１側からの電力でペルチェ素子27を動作させるために、ＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGを、前記ペルチェ素子27の動作電圧として供給しており、ここでのペルチェ素子27の動作電圧ライン82，82は、好ましくは図４に示すように、二次電池パック21内に配線されて、その基端が本体電源接続端子71，71に接続される。これにより、リチウムイオン二次電池22とペルチェ素子27の二つに電力供給が必要な二次電池パック21でありながら、この二次電池パック21と電源回路１との間には、二次電池パック21に給電電圧ＶCHGを出力する２本のラインだけがあれば済むようになる。

温度制御ユニット28は、リチウムイオン二次電池22の充電時および待機時に、このリチウムイオン二次電池22の温度が一定となるように、ペルチェ素子27への電力（電流）量を制御する。特に、二次電池パック21を無停電電源装置のバックアップ電源として利用する場合、商用電源51が正常な限りリチウムイオン二次電池22は充電状態または待機状態となるので、無停電下電源装置のほぼ全動作期間において、リチウムイオン二次電池22の温度がペルチェ素子27により一定に保たれることになる。

一方、温度制御ユニット28は、電流検出素子81からの検出結果により、リチウムイオン二次電池22が放電していると判断すると、ペルチェ素子27への電力供給を停止させる給電停止手段83を備えている。本実施例では、温度制御ユニット28に内蔵する機能として給電停止手段83が設けられているが、例えばペルチェ素子27の動作電圧ライン82，82の一方にＦＥＴやトランジスタなどのスイッチ素子を介挿させ、電流検出素子81を流れる電流の向きによりリチウムイオン二次電池22の放電状態を検知したら、このスイッチ素子を直ちにオフにする構成としてもよい。

次に、上記構成についてその作用を説明すると、商用電源51からの交流入力電圧Ｖｉが電源回路１内に正常に供給されている場合は、この交流入力電圧Ｖｉがフィルタ53およびＰＦＣ回路54により、昇圧された直流電圧ＶDC1に変換される。そして、ＰＦＣ回路54からの直流電圧ＶDC1はＤＣ／ＤＣコンバータ55に印加され、このＤＣ／ＤＣコンバータ55で得られた直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2が、本体ケース７に接続する負荷３に与えられると共に、リチウムイオン二次電池22を充電すると共に、ペルチェ素子27を動作させるための給電電圧ＶCHGがＤＣ／ＤＣコンバータ55から発生する。なお、これらの直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2および給電電圧ＶCHGは、ＤＣ／ＤＣコンバータ55に内蔵する帰還回路（図示せず）により、その安定化が図られている。

一方、交流入力電圧Ｖｉの低下時若しくは停電時にも、負荷３に一定時間電力を供給させたい場合は、図１〜図４に示す二次電池パック21を装着する。ここでの電源回路１は、従来例における鉛蓄電池４を充放電するのに適した仕様で設計されている。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ55から出力される給電電圧ＶCHGは、鉛蓄電池の最適充電電圧である直流27Vに設定され、また交流入力電圧Ｖｉが入力端子52，52に印加される場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ55から給電電圧ＶCHGが常時出力される。したがって、最適充電電圧が直流27Vの鉛蓄電池４を使用する場合は、電源回路１の給電電圧ＶCHGの電圧ラインに鉛蓄電池４の両端間を直接接続すればよい。

これに対して、鉛蓄電池４以外のリチウムイオン二次電池22を使用する場合は、このリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧が概ね直流24.6Vであるため、電源回路１にそのまま繋ぐと、直流27Vの給電電圧ＶCHGがリチウムイオン二次電池22に常時供給され、リチウムイオン二次電池22の寿命が著しく低下する。そこでこの場合は、上記電圧変換ユニット31を有する二次電池パック21の本体電源接続端子71，71を、電源回路１の給電電圧ＶCHGの電圧ラインに接続する。こうすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGは、昇圧・降圧部（この場合は降圧機能だけを有していればよい）32によってリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧である直流24.6Vに変換され、この降圧した直流電圧がリチウムイオン二次電池22に供給される。そのため、電源回路１の内部に手を加えなくても、二次電池パック21を単に組み込むだけで、リチウムイオン二次電池22を最適な電圧で充電することができる。

また、電圧変換ユニット31内に設けられた満充電検出部34は、抵抗74を流れる充電電流の減少によって、リチウムイオン二次電池22が満充電状態であるか否かを監視しており、リチウムイオン二次電池22の満充電状態を検出すると、降圧チョッパ回路からなる昇圧・降圧部32にその動作を停止させる充電停止信号を出力する。このように、リチウムイオン二次電池22が満充電状態となったら、昇圧・降圧部32からリチウムイオン二次電池22への給電が停止される待機状態に移行するため、リチウムイオン二次電池22が過剰に充電されるのを防止できる。また、この場合は自己放電によってリチウムイオン二次電池22の端子電圧が次第に低下するが、当該端子電圧が、負荷３のバックアップ保障時間に対応した所要値にまで低下すると、今度は電圧変換ユニット31内に設けられた低電圧検出部35が、昇圧・降圧部32にその動作を開始させる充電開始信号を出力し、リチウムイオン二次電池22は充電状態に移行する。そのため、リチウムイオン二次電池22の自己放電時に交流入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電が発生した場合でも、バックアップ保障時間以上の長さで、負荷３に電力を供給し続けることが可能になる。

こうして、商用電源51が正常に交流入力電圧Ｖｉを供給している間は、リチウムイオン二次電池22が充電状態と充電停止の待機状態とを繰り返し、リチウムイオン二次電池22の長寿命化を図ることができる。また、このリチウムイオン二次電池22の充電時および待機時において、温度制御ユニット28は、リチウムイオン二次電池22が例えば常温の一定温度に保たれるように、ペルチェ素子27に対する電流の向きと大きさを制御する。こうすることで、リチウムイオン二次電池22の周囲温度が常温よりも高ければ、リチウムイオン二次電池22の温度を周囲温度よりも低く保つことで、その寿命をさらに延ばすことができる。逆に、リチウムイオン二次電池22の周囲温度が常温よりも低ければ、リチウムイオン二次電池22の温度を周囲温度よりも高く保つことで、その充電時間を短縮して早く待機状態に移行することができる。

より好ましくは、図２に示すようにリチウムイオン二次電池22を収容する収容体29内の温度が例えば常温の一定温度に保たれるように、ペルチェ素子27に対する電流の向きと大きさを温度制御ユニット28が制御する。こうすると、収容体29の内部は云わば恒温槽のような状態となり、ペルチェ素子27による温度制御が空間を介してリチウムイオン二次電池22に作用するため、より好ましい温度環境にリチウムイオン二次電池22を置くことができる。したがって、リチウムイオン二次電池22を直接的に温度制御する場合よりも、リチウムイオン二次電池22の周囲温度が常温よりも高い状況下で、より電池寿命を延ばすことができると共に、リチウムイオン二次電池22の周囲温度が常温よりも低い状況下で、より充電時間を短くできる。

一方、上記電圧変換ユニット31を組み込んだ状態で、交流入力電圧Ｖｉが低下若しくは停電すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ55から電圧変換ユニット31の本体電源接続端子71に与えられる給電電圧ＶCHGも低下する。このとき、切替スイッチ77によりダイオード75のカソードを本体電源接続端子71に接続していると、当該ダイオード75が導通してリチウムイオン二次電池22から電源回路１のバッテリコンバータ56に給電が行なわれる。これを受けてバッテリコンバータ56は、リチウムイオン二次電池22からの給電電圧を、ＰＦＣ回路54からの直流電圧ＶDC1と略同レベルの直流電圧ＶDC2に昇圧し、この直流電圧ＶDC2を各ＤＣ／ＤＣコンバータ55の入力側に供給する。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ55の出力側に接続した負荷３は、リチウムイオン二次電池22の電力供給を受け続けることになる。また、前記切替スイッチ77によりダイオード75のカソードを放電端子72に接続していると、今度はＤＣ／ＤＣコンバータ55に接続する負荷３ではなく、この放電端子72に接続した別の負荷３Ａに電力が供給される。このように、放電端子72と切替スイッチ77の組み合わせで、負荷３，３Ａのいずれかにリチウムイオン二次電池22からの電力を選択的に供給することができる。但し、給電電圧ＶCHGがリチウムイオン二次電池22の端子電圧よりも低い場合には、昇圧・降圧部32が昇圧機能を有するため、前述のようにダイオード75のカソードを放電端子72に直接接続しなければならない。

また、リチウムイオン二次電池22の放電時には、当該リチウムイオン二次電池22の温度が高いほど、その放電時間が長くなるが、ここではペルチェ素子27の消費電力を考慮して、好ましくは温度制御ユニット28に組み込まれた給電停止手段83が、ペルチェ素子27への給電を強制的に遮断する。こうすると、リチウムイオン二次電池22はペルチェ素子27による温度制御を失なうが、それまでの充電時または待機時におけるペルチェ素子27の余熱によって、リチウムイオン二次電池22がある程度そのままの温度を維持することになる。そのため、ペルチェ素子27がリチウムイオン二次電池22を電源として大きな電力を消費することなく、リチウムイオン二次電池22の放電時間を可及的に延ばすことができる。

また、ここでも図２に示すような構成で、リチウムイオン二次電池22の充電時や待機時に、収容体29内の温度が例えば常温の一定温度に保たれるように、ペルチェ素子27に対する電流の向きと大きさを温度制御ユニット28が制御していれば、放電時にペルチェ素子27への給電を強制的に遮断しても、リチウムイオン二次電池22はより温度変化の緩やかな収容対29の内部において、ペルチェ素子27の余熱が空間を介して作用し、さらにリチウムイオン二次電池22の放電時間を可及的に延ばすことができる。

以上のように本実施例では、電子装置である電源回路１に装着され、この電源回路１との間で充放電を行なう二次電池としてのリチウムイオン二次電池22を搭載した二次電池パック21としての電力バックアップ装置において、リチウムイオン二次電池22の温度を検知する温度検知手段としての温度センサ26と、リチウムイオン二次電池22に設けたペルチェ素子27と、温度センサ26からの検知出力に基づきペルチェ素子27の駆動電力を制御する温度制御手段としての温度制御ユニット28と、を備えている。

こうすると、リチウムイオン二次電池22の温度を温度センサ26によって検知し、この温度センサ26からの検知出力を温度制御ユニット28が取込んで監視することで、リチウムイオン二次電池22の充放電や寿命の特性が最適となる温度に、温度制御ユニット28がペルチェ素子27への駆動電力（電流の大きさや向き）を制御することができる。

また、特に本実施例における二次電池パック21は、リチウムイオン二次電池22の充電時および待機時に、リチウムイオン二次電池22の温度を一定（例えば常温）に保つ制御を行なうように、温度制御ユニット28が構成される。

こうすると、特にリチウムイオン二次電池22に給電を行なう充電時と、満充電のリチウムイオン二次電池22に対し給電を停止して電池寿命の延伸を図る待機時において、リチウムイオン二次電池22の充電特性が最適となる温度に維持される。そのため、周囲温度が高い状況下では、リチウムイオン二次電池22の寿命を延ばすことができるし、周囲温度が低い状況下では、チウムイオン二次電池22の充電時間を短縮することができる。

さらに、本実施例における二次電池パック21は、リチウムイオン二次電池22の放電時にペルチェ素子27への電力供給を停止させる給電停止手段83を備え、このリチウムイオン二次電池22の放電時には、前記充電時および待機時におけるペルチェ素子27の余熱をリチウムイオン二次電池22に与える構成としている。

放電時にはペルチェ素子27によりリチウムイオン二次電池22を加熱して、放電時間の延伸化を図ることが望ましいが、その場合はリチウムイオン二次電池22を電源としてペルチェ素子27に電力を供給しなければならず、消費電力の大きなペルチェ素子27ではかえってリチウムイオン二次電池22の放電時間が短くなる。そこで、放電時にはペルチェ素子27への電力供給を停止させ、ペルチェ素子27による大きな電力消費を回避すると共に、充電時および待機時におけるペルチェ素子27の余熱を利用して、リチウムイオン二次電池22をある程度の温度に維持すれば、リチウムイオン二次電池22の放電時間を可及的に延ばすことが可能になる。

また特に図２に示すように、リチウムイオン二次電池22を収容体29内に搭載した二次電池パック21において、収容体29内におけるリチウムイオン二次電池22の雰囲気温度を検知するように設けた温度センサ26と、収容体29内においてリチウムイオン二次電池22に非接触で設けたペルチェ素子27と、温度センサ26からの検知出力に基づきペルチェ素子27の駆動電力を制御する温度制御ユニット28と、を備えた構成を採用してもよい。

この場合、収容体29内にあるリチウムイオン二次電池22の雰囲気温度を温度センサ26で検知し、この温度センサ26からの検知出力を温度制御ユニット28が取込むことで、リチウムイオン二次電池22の充放電や寿命の特性が最適となる雰囲気温度に、温度制御ユニット28がペルチェ素子27への駆動電力を制御することができる。特にここでは、リチウムイオン二次電池22のセルに直接ではなく、リチウムイオン二次電池22周辺の収容体29内の雰囲気温度を最適にすることで、その充放電や寿命の特性をより好ましい方向に改善できる。

またこの場合は、リチウムイオン二次電池22の充電時および待機時に、このリチウムイオン二次電池22の雰囲気温度を一定に保つ制御を行なうように、温度制御ユニット28を構成するのが好ましい。

こうすると、特にリチウムイオン二次電池22に給電を行なう充電時と、満充電のリチウムイオン二次電池22に対し給電を停止して電池寿命の延伸を図る待機時において、リチウムイオン二次電池22の充電特性が最適となる雰囲気温度に維持される。そのため、収容体29外の周囲温度が高い状況下で、リチウムイオン二次電池22の寿命をさらに延ばすことができるし、収容体29外の周囲温度が低い状況下で、充電時間をさらに短縮することができる。

さらにここでは、リチウムイオン二次電池22の放電時にペルチェ素子27への電力供給を停止させる給電停止手段83を備え、このリチウムイオン二次電池22の放電時には、前記充電時および待機時におけるペルチェ素子27の余熱を収容体29内に与える構成としている。

このように、放電時にはペルチェ素子27への電力供給を停止させることで、ペルチェ素子27による電力消費を回避できると共に、充電時および待機時におけるペルチェ素子27の余熱を利用して、リチウムイオン二次電池22をある程度の雰囲気温度に維持すれば、リチウムイオン二次電池22の放電時間をより可及的に延ばすことが可能になる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。例えば、本実施例ではパッケージ状の形態をなす二次電池パック21を、電力バックアップ装置として提示したが、それ以外のあらゆる形態の電力バックアップ装置に対して、本発明の主旨を適用できる。また、電力バックアップ装置をバックアップ電源として使用する電子装置は、本実施例で示す無停電電源装置の主電源回路に限らず、あらゆるものが適用される。

さらに、本実施例では二次電池としてリチウムイオン二次電池を採り上げたが、同様の特性を有する他のあらゆる二次電池にも適用できることは云うまでもない。

本発明における好ましい一実施形態を示す二次電池パックを組み込んだ無停電電源装置のブロック構成図である。同上、二次電池パックのより好ましい例を示す要部のブロック構成図である。同上、図１の変形例を示す無停電電源装置のブロック構成図である。同上、二次電池パックを含む無停電電源装置のさらに詳細なブロック構成図である。従来例における無停電電源装置の一例を示すブロック構成図である。従来例における無停電電源装置の別な一例を示すブロック構成図である。

符号の説明

１電源回路（電子装置）
22 リチウムイオン二次電池（二次電池）
26 温度センサ（温度検知手段）
27 ペルチェ素子
28 温度制御ユニット（温度制御手段）
83 給電停止手段

Claims

電子装置に装着され、この電子装置との間で充放電を行なう二次電池を搭載した電力バックアップ装置において、前記二次電池の温度を検知する温度検知手段と、前記二次電池に設けたペルチェ素子と、前記温度検知手段からの検知出力に基づき前記ペルチェ素子の駆動電力を制御する温度制御手段と、を備えたことを特徴とする電力バックアップ装置。
前記温度制御手段は、前記二次電池の充電時および待機時に、前記二次電池の温度を一定に保つ制御を行なうものであることを特徴とする請求項１記載の電力バックアップ装置。
前記二次電池の放電時に前記ペルチェ素子への電力供給を停止させる給電停止手段を備え、この二次電池の放電時には、前記充電時および待機時における前記ペルチェ素子の余熱を該二次電池に与える構成としたことを特徴とする請求項２記載の電力バックアップ装置。
電子装置に装着され、この電子装置との間で充放電を行なう二次電池を収容体内に搭載した電力バックアップ装置において、前記収容体内における前記二次電池の雰囲気温度を検知する温度検知手段と、前記収容体内において前記二次電池に非接触で設けたペルチェ素子と、前記温度検知手段からの検知出力に基づき前記ペルチェ素子の駆動電力を制御する温度制御手段と、を備えたことを特徴とする電力バックアップ装置。
前記温度制御手段は、前記二次電池の充電時および待機時に、前記二次電池の雰囲気温度を一定に保つ制御を行なうものであることを特徴とする請求項４記載の電力バックアップ装置。
前記二次電池の放電時に前記ペルチェ素子への電力供給を停止させる給電停止手段を備え、この二次電池の放電時には、前記充電時および待機時における前記ペルチェ素子の余熱を前記収容体内に与える構成としたことを特徴とする請求項５記載の電力バックアップ装置。