JP2007312544A

JP2007312544A - バックアップ電源装置

Info

Publication number: JP2007312544A
Application number: JP2006140577A
Authority: JP
Inventors: Shigeji Yamashita; 茂治山下; Kunihiko Fujii; 邦彦藤井; Kazuomi Watanabe; 和臣渡辺
Original assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Current assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2007-11-29

Abstract

【課題】交流電源停電によっても負荷に直流電圧を供給できるバックアップ電源装置に関し、比較的廉価な構成且つ信頼性を維持する。
【解決手段】主電源部１と充電部２とバッテリ３とを含み、交流電源１停電時に、エンジンを起動して交流電圧を発生して、交流電源１０の代わりとするバックアップ電源装置であり、バッテリ３から負荷７に直流電流を供給した時の電流を検出する電流検出部４と、充電部２に電流検出部４による検出信号を保持部１２に保持すると共に、この保持状態を解除するまで、バッテリ３に対する充電部２の充電作用を停止する充電停止手段と、交流電源１０の停電検出により、交流発電機２０を駆動するエンジンを起動した後、交流電源１０の復電検出により、エンジンを停止させると共に保持部１２をリセットする停電検出部８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本願発明は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給すると共に、充電器によりバッテリを充電し、交流電源の停電時にバッテリから負荷に直流電圧を供給するバックアップ電源装置に関する。

交流電源からの交流電圧又は交流電源の停電時に動作を開始する交流発電機からの交流電圧を、スイッチング電源等による主電源部から負荷に直流の定電圧を供給し、交流電源からの交流電圧を、スイッチング電源装置等によるバッテリ充電部から常時バッテリを充電し、交流電源の停電時に、そのバッテリから負荷に直流電圧を供給するバックアップ電源装置が知られている。又交流電源の停電時に、エンジンを起動して交流発電機を駆動し、この交流発電機からの交流電圧を主電源部に供給し、主電源部からの直流電圧を負荷に供給する無停電装置ＵＰＳ（ＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔａｂｌｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ）も知られている。

従来のバックアップ電源装置の主要部は、例えば、図５に示すように、交流電圧ＡＣを入力して直流定電圧を出力するスイッチ電源等の構成を有する主電源部５１と、交流電圧ＡＣを入力して、バッテリ５３を充電するスイッチング電源等の構成を有する充電部５２と、逆流防止用のダイオード５４とを含み、交流電源が正常の場合、主電源部５１の出力電圧Ｖｏｕｔを負荷５５に供給し、充電部５２の出力電圧によりバッテリ５３を充電し、その充電電圧ＶＢｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＞ＶＢｏｕｔの関係となるから、ダイオード５４は逆方向電圧が印加された状態となり、バッテリ５３からは負荷５５への直流電流は供給されない。そして、交流電源の停電時に、バッテリ５３の電圧ＶＢｏｕｔを、ダイオード５４を介して負荷５５に供給し、交流電源停電時のバックアップを行うものである。又エンジン駆動の交流発電機を備えている場合は、交流電源停電時に、エンジンを起動し、交流発電機を回転させて交流電圧を発生させ、交流電源からの交流電圧の代わりに、交流発電機からの交流電圧を主電源部５１に供給し、交流電源停電時のバックアップを行う構成も前述のように知られている。

又複数のバッテリを並列にＡＣ／ＤＣコンバータにより充電し、バッテリの端子電圧と充電電流及び放電電流を検出して、ＡＣ／ＤＣコンバータを制御し、バッテリの過充電及び過放電を制御可能としたコントローラを設け、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧又は交流電源停電時にバッテリの充電電圧を複数のＤＣ／ＤＣコンバータに供給して、所定の直流電圧に変換して負荷に供給するバックアップ電源としての機能を備えた構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１８７６４号公報

交流電源停電時には、主電源部５１の出力電圧が零となるから、前述のように、バッテリ５３からダイオード５４を介して負荷５５に直流電流を供給する状態となり、交流電源停電時に於いても負荷５５を動作状態とすることができる。この場合のバッテリ５３の容量を大きくすれば、停電時間が長くなっても負荷５５を継続して動作状態とすることができるが、大容量バッテリを設けることによるコスト上昇の問題があり、前述のように、交流電源停電時に、エンジンを起動し、交流発電機を駆動する構成とすることにより、バッテリ５５の容量は、停電発生からエンジン起動による所定の交流電圧が主電源部５１に供給するまでの間、負荷５５に動作電力を供給する容量ですむことになる。又エンジン駆動の交流発電機は、その発電容量を負荷５５に供給する電力量に相当する必要最小限とすることがコスト的に要望される。

例えば、図６の（ａ）に示すように、主電源部５１に入力する交流電圧が時刻ｔ１に於いて停電により零となると、バッテリ５３からダイオード５４を介して負荷５５に供給する電流は、図６の（ｂ）に示すものとなる。そして、時刻ｔ２に、交流電源復電により、交流電圧を主電源部５１に入力すると、バッテリ５３から負荷５５に供給していた電流は、図６の（ｂ）に示すように零となる。又充電部５２からバッテリ５３に供給する充電電流は、図６の（ｃ）に示すように、停電の時刻ｔ１から零となり、時刻ｔ２に、主電源部５１と共に充電部５２に対しても交流電圧が入力されるから、充電部５２からの充電電流は、一時的ではあるが、バッテリ５３から負荷５５に対するバックアップ電力に相当する放電量に従った充電電流が流れる。即ち、時刻ｔ１以前は、バッテリ５３に対するフロー充電状態の充電電流であるが、時刻ｔ２の交流電圧印加時に、充電部５２からバッテリ５３に対する充電電流は増加し、充電時間の経過に従って次第に減少し、停電前と同様のフロー充電状態の充電電流となる。

時刻ｔ２に交流電源の復電した場合は、交流電源の電流容量が充分に大きいから、充電部５２からバッテリ５３に対する充電電流が多少増加しても問題がないが、停電により起動した交流発電機からの交流電圧を、主電源部５１と充電部５２とに印加し、充電部５２からバッテリ５３の充電電流を、図６の（ｃ）の時刻ｔ２以降に示すように供給する場合、交流発電機は、この充電電流に相当する出力容量を備える必要がある。即ち、バックアップ用の交流発電機の電力容量を、負荷５５駆動用の電力容量よりも、増大する充電電流を供給できる分だけ大きくする必要がある。従って、バックアップ電源装置としてのコストが上昇する問題があった。又バッテリ５３は、長期間信頼性を維持することが要望されるが、過放電状態が発生すると、その耐用期間が短くなる問題がある。又このように、バッテリ５３の信頼性を維持する為に、所定期間毎や、バックアップ頻度等により交換することがあり、その場合に、バッテリ５３は、製造年月日等に対応して、各種の使用条件の構成となる場合があり、常に初期時の充放電特性を有するものとは限らない問題があり、その為に、バッテリを交換した場合、充電部５２の充電条件を設定変更しなければならないことがあり、再設定時に誤設定が発生する可能性を含む問題がある。

本発明は、前述の従来の問題点を解決することを目的とし、比較的廉価で且つ信頼性のある構成のバックアップ電源装置を提供するものである。

本発明のバックアップ電源装置は、交流電源からの交流電圧を直流定電圧に変換して負荷に供給し、且つ充電部により直流電圧に変換してバッテリを充電し、前記交流電源の停電時に、エンジンを起動して該エンジンで駆動される交流発電機からの交流電圧が立ち上がるまでの間、前記バッテリから逆流防止用のダイオードを介して前記負荷に直流電圧を供給するバックアップ電源装置に於いて、前記バッテリから前記負荷に前記ダイオードを介して直流電流を供給した時の電流を検出する電流検出手段と、前記充電部に前記電流検出手段による検出信号を入力して保持部に保持すると共に、該検出信号の保持状態を解除するまで前記バッテリに対する充電作用を停止する充電停止手段と、前記交流電源の停電検出により前記エンジンを起動した後、該交流発電機の復電検出により、前記エンジンを停止させると共に前記保持部をリセットする停電検出部とを備えている。

又前記バッテリから前記ダイオードを介して前記負荷に電流を供給し、該バッテリの電圧が予め設定した値に低下したことを検出して前記負荷へ供給する電流を遮断するスイッチ回路を設けることができる。

又前記充電部は、前記バッテリの特性に対応した充電特性で充電制御する充電制御部と、前記バッテリに設けた特性設定部の設定情報を該バッテリの装着により読み取って前記充電制御部に入力する特性設定入力部とを備えることができる。

交流電源の停電時に、バッテリから負荷に供給する電流を検出して、充電部によるバッテリに対する充電作用を停止することにより、エンジン駆動の交流発電機から充電部を介してバッテリ充電の為の電力を供給する必要がなくなり、交流発電機は、負荷のバックアップ用の電力容量ですむ利点がある。又バッテリから負荷にバックアップ用の電流を供給した場合の過放電を防止することにより、バッテリの使用可能期間を延長可能とすることができる。又特性設定部により、バッテリ交換時の充電特性の設定の自動化が可能となり、信頼性を維持することが可能となる。

本発明のバックアップ電源装置は、図１を参照すると、交流電源１０からの交流電圧ＡＣを直流定電圧に変換して負荷７に供給し、且つ交流電圧ＡＣを充電部２により直流電圧に変換してバッテリ３を充電し、交流電源１０の停電時に、エンジンを起動して交流発電機２０を駆動し、この交流発電機２０からの交流電圧が所定の値に上昇するまでの間、バッテリ３から逆流防止用のダイオード６を介して、負荷７に直流電流を供給するバックアップ電源装置に於いて、バッテリ３から負荷７にダイオード６を介して直流電流を供給した時の電流を検出する電流検出部４等による電流検出手段と、充電部２に電流検出手段による検出信号を入力して保持部１２に保持すると共に、検出信号の保持状態を解除するまで、バッテリ３に対する充電作用を停止する制御部１３を含む充電停止手段と、エンジンを起動した後、交流電源の復電検出により、エンジンを停止させると共に、保持部１２をリセットする停電検出部８とを備えている。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、１は交流電圧ＡＣを安定化した直流電圧に変換して出力するスイッチング電源等の主電源部、２はバッテリ充電用の充電部、３はバッテリ、４は電流検出手段としての抵抗等の電流検出部、５は電磁スイッチ等のスイッチ回路、６は逆流防止用のダイオード、７は各種の電子回路等の負荷、８は停電検出部、９は切替スイッチ回路、１０は商用交流電源や大工場等に於ける自家発電設備等の交流電源、１１はバッテリ充電用の変換出力部、１２は保持部、１３はバッテリ３の電圧を検出して変換出力部１１とスイッチ回路５とを制御する制御部、２０はエンジン駆動の交流発電機（Ｇ）を示す。なお、主電源部１は、負荷７に安定化した直流電圧を印加する既に知られているスイッチング電源等の各種の構成を適用することができる。又変換出力部１１も、既に知られているバッテリ充電手段を適用することができる。

交流電源１０が正常の場合、その交流電圧ＡＣは、主電源部１と充電部２とに印加され、主電源部１から負荷７に対して安定化した直流電圧を供給し、又充電部２からバッテリ３の充電を行う。この充電電流は、バッテリ３の構造や特性によっても異なるが、バッテリ３の容量をＣ（ＡＨ）とすると、０．１Ｃ〜０．３Ｃとすることが推奨されている。又バッテリ３の電圧は、正常時の主電源部１の出力直流電圧より低くなるように設定されているから、ダイオード６には逆方向電圧が印加されている状態となり、バッテリ３からは負荷７への電流は流れない。又制御部１３は、バッテリ３の端子電圧を検出して変換出力部１１を制御し、この変換出力部１１からバッテリ３への充電電流を制御して過充電となることを回避し、又停電時には、バッテリ３からダイオード６を介して負荷７に直流電流を供給し、比較的長時間となる場合のバッテリ３の過放電状態を示す時に、制御部１３からの制御によりスイッチ回路５をオフとして、過放電によるバッテリ３の使用可能時間が短くなることを回避することができる。

又交流電源１０の停電時には、停電検出部８により検出し、交流発電機２０駆動用のエンジンを起動し、切替スイッチ回路９を、商用交流電源１０側から交流発電機２０側へ切替える。又停電により主電源部１の出力電圧は零となるから、バッテリ３から、電流検出部４、スイッチ回路５、ダイオード６を介して、負荷７の動作電力が供給される。このバッテリ３から負荷７に供給する電流を、電流検出手段を構成する電流検出部４により検出し、この電流検出信号を充電部２の保持部１２に保持し、この保持部１２に保持した電流検出信号を、変換出力部１１に対して動作停止信号として入力する。即ち、保持された検出信号に基づいて変換出力部１１からバッテリ３を充電する機能を停止させる充電停止手段を、変換出力部１１と保持部１２との機能によって構成している。このように、交流電源１０の停電により、交流発電機２０からの交流電圧が主電源部１と充電部２とに印加されても、充電部２は充電動作を停止しているから、従来例の問題点としての図６に（ｃ）の時刻ｔ２以後の比較的大きな充電電流を交流発電機２０から供給する必要はなくなり、交流発電機２０は、負荷７のバックアップ用の電力容量の構成で済むことになる。

又交流電源１０の復電を停電検出部８により検出すると、切替スイッチ回路９を制御して、交流発電機２０側から交流電源１０側へ切替え、又交流発電機２０駆動用のエンジンを停止させ、又充電部２の保持部１２をリセットし、変換出力部１１を動作可能の状態とする。それにより、初期状態に戻り、交流電源１０からの交流電圧ＡＣを主電源部１により直流電圧に変換して負荷７に供給し、充電部２により直流電圧に変換してバッテリ３の充電を行う。この場合に、例えば、図６の（ｃ）の時刻ｔ２以後の比較的大きな充電電流が流れても、交流電源１０は充分な電力容量を有する構成であるから、何らの問題も生じない。

図２は、前述の動作説明図であり、（ａ）は交流電源１０の電圧、（ｂ）は交流発電機２０の電圧、（ｃ）は主電源部１と充電部２とに入力される電圧、（ｄ）はバッテリの充放電電流の概要を示し、正側を充電電流、負側を充電電流とした場合を示す。時刻ｔ１に、交流電源１０の停電により、（ａ）に示すように電圧は零となり、エンジンが起動されて、交流発電機２０の電圧は、時刻ｔ２に所定の値に上昇する。なお、説明の便宜上、上昇過程や低下過程は図示を省略している。従って、主電源部１と充電部２とに入力される電圧は、時刻ｔ１〜ｔ２の間、零となり、この間、バッテリ３から（ｄ）に示すように負荷７に供給される。又交流発電機２０からの交流電圧が充電部２に印加されても、バッテリ３から負荷７に対する電流を検出して、変換出力部１１の動作が停止されているから、充電部２からバッテリ３に対する充電は行われない。

次に、時刻ｔ３に交流電源１０が復電すると、切替スイッチ回路９により交流電源１０からの交流電圧が主電源部１と充電部２とに印加され、エンジンは停止するように制御され、時刻ｔ４に交流発電機２０の出力電圧が零となる場合を示している。又時刻ｔ３に於ける復電検出により、充電部２の保持部１２はリセットされるから、変換出力部１１は動作を開始し、バッテリ３の充電を開始する。その時、図６の（ｃ）の時刻ｔ２に於ける場合と同様に、バッテリ３の充電電流が大きくなるが、電力容量の大きい交流電源１０から充電部２を介して供給するので、充分な充電電流を供給することができる。

図３は、本発明の実施例２の要部説明図であり、図１と同一符号は同一部分を示す。この実施例２は、主電源部１の出力電圧を、負荷７に印加すると共に、充電部２の入力電圧として印加する構成の場合を示し、図１に於ける停電検出部８と切替スイッチ回路９と交流電源１０と交流発電機２０とは図示を省略している。この実施例２に於ける充電部２は、主電源部１からの直流電圧を基に、バッテリ３の充電を行うものであり、交流電源の停電により、バッテリ３から負荷７に直流電圧を供給する機能は、前述の実施例１と同様であるが、バッテリ３から負荷７に直流電圧を供給する時に、充電部２にも入力される接続構成であり、この充電部２に対する逆流防止用のダイオードを設けることもできるが、このダイオードによる順方向の電力損失が生じる。しかし、バッテリ３から負荷７に供給する電流を検出して充電部２の動作を停止させるから、バッテリ３の電圧が充電部２に入力されても問題は生じない。なお、停電検出によるエンジン起動等を含む前述の実施例１と同様の重複した作用の説明は省略する。

図４は、本発明の実施例３の説明図であり、図１と同一符号は同一部分を示し、３Ａはバッテリユニット、１４はバッテリユニット３Ａの特性設定部、１５は制御部１１の特性設定入力部を示す。なお、図１に於ける停電検出部８と、切替スイッチ回路９と、交流電源１０と、交流発電機２０とについての図示を省略している。交流電圧ＡＣが正常の時、停電発生時、復電時については、前述の各実施例と同様の作用を行うものであり、重複した説明は省略する。

又バックアップ用のバッテリは、使用可能期間が経過することにより交換する場合が一般的であり、通常は、同一充放電特性のバッテリと交換するものである。その場合は、充電部２に於ける充放電特性の再設定は必要でない。しかし、バックアップ特性の改善等に従って、異なる充放電特性のバッテリと交換する場合もある。或いは、旧バッテリと同一充放電特性のバッテリの生産中止により、新たな充放電特性のバッテリと交換しなければならない場合もある。このように、充放電特性が前回と異なるバッテリと交換した場合、充電部２によるバッテリの充電特性に従って設定変更を行う必要が生じる場合がある。そこで、バッテリユニット３Ａとして、充放電特性情報を示す特性設定部１４をバッテリユニット３Ａに設け、充電部２側には、特性設定入力部１５を設け、バッテリユニット３Ａ装着により、特性設定部１４の充放電特性情報を、特性設定入力部１５により読取り、制御部１３に充放電特性を設定する。従って、バッテリユニット３Ａを装着するだけで、新たなバッテリに対する変換出力部１１の充電特性を設定して、充電を行うことができる。又放電特性の過放電判定電圧等の放電特性を制御部１３に設定し、バックアップ動作による放電時のバッテリ電圧が、過放電状態か否かを判定し、過放電状態となった時、スイッチ回路５をオフとなるように制御して、過放電を防止することができる。

特性設定部１４と特性設定入力部１５とは、例えば、複数のピン接点の選択による充放電特性情報とすることができるが、バッテリユニット３Ａは、完全充電状態でなくても、充電電圧を有する状態であるから、非接触による設定情報の伝達手段を適用し、バッテリユニット３Ａを装着した時に、特性設定部１４の充放電特性情報を、特性設定入力部１５に伝達することも可能である。例えば、ＲＦＩＤ等による電磁波を利用した非接触情報伝達手段を適用することもできる。従って、バッテリ交換は、充放電特性等の知識がない作業員によっても簡単に行うことができ、且つ新たなバッテリの充放電特性の誤設定を確実に防止することができ、信頼性を維持することができる。

本発明の実施例１の説明図である。本発明の実施例１の動作説明図である。本発明の実施例２の要部説明図である。本発明の実施例３の要部説明図である。従来例のバックアップ電源装置の説明図である。従来例の充電電流変化の説明図である。

符号の説明

１主電源部
２充電部
３バッテリ
４電流検出部
５スイッチ回路
６ダイオード
７負荷
８停電検出部
９切替スイッチ回路
１０交流電源
１１変換出力部
１２保持部
１３制御部
２０交流発電機

Claims

交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給し、且つ充電部により直流電圧に変換してバッテリを充電し、前記交流電源の停電時に、エンジンを起動して該エンジンで駆動される交流発電機からの交流電圧が立ち上がるまでの間、前記バッテリから逆流防止用のダイオードを介して前記負荷に直流電圧を供給するバックアップ電源装置に於いて、
前記バッテリから前記負荷に前記ダイオードを介して直流電流を供給した時の電流を検出する電流検出手段と、
前記充電部に前記電流検出手段による検出信号を入力して保持部に保持すると共に、該検出信号の保持状態を解除するまで前記バッテリに対する充電作用を停止する充電停止手段と、
前記交流電源の停電検出により前記エンジンを起動した後、該交流電源の復電検出により、前記エンジンを停止させると共に前記保持部をリセットする停電検出部と
を備えたことを特徴とするバックアップ電源装置。
前記バッテリから前記ダイオードを介して前記負荷に電流を供給し、該バッテリの電圧が予め設定した値に低下したことを検出して前記負荷へ供給する電流を遮断するスイッチ回路を設けたことを特徴とする請求項１記載のバックアップ電源装置。
前記充電部は、前記バッテリの特性に対応した充電特性で充電制御する充電制御部と、前記バッテリに設けた特性設定部の設定情報を該バッテリの装着により読み取って前記充電制御部に入力する特性設定入力部とを備えたことを特徴とする請求項１記載のバックアップ電源装置。