JP2008545368A - 並列ｕｐｓシステムにおける最大バッテリー稼動時間 - Google Patents

Abstract

無停電電源装置（ＵＰＳ）は、複数のＵＰＳモジュール（１０）を含む。各ＵＰＳモジュール（１０）は、外部電源の停止の場合に、保護される負荷に電力を供給するバッテリー（１８）を有する。複数のコントローラ（２２）は、各バッテリー（１８）が保護される負荷にどれだけの電力を供給するかを制御し、コミュニケーションバス（１２）は、コントローラ（２２）がバッテリー（１８）の電圧に関する情報を交換することを可能とする。コントローラ（２２）の１つは、複数のバッテリー（１８）の平均バッテリー電圧を計算し、バッテリー電圧が平均バッテリー電圧におよそ等しいように個々のバッテリーによって提供されるエネルギー量を調節する。

Description

本出願は、２００５年７月６日に出願された米国仮特許出願第６０／５９５，４４６号明細書の優先権を主張し、参照により組み込みこまれる。

本発明は、概して、無停電電源装置（「ＵＰＳ」）に関し、より詳細には、並列ＵＰＳシステムにおいてバッテリー稼動時間を最大にする方法および装置に関する。

無停電電源装置は、外部電力が一時的に停止する場合、クリチカル負荷に常時電力を供給するように設計されている。いくつかのシステムでは、複数のＵＰＳモジュールは、並列に接続されて、クリチカル負荷に供給する。各ＵＰＳモジュールは、一般的には、整流器、バッテリーおよびインバータを含む。外部電力が中断する場合、クリチカル負荷は、ＵＰＳモジュール中のバッテリーから直流電力によって供給されることとなる。この直流電力は、クリチカルバスに通される前に、ＵＰＳモジュール上のインバータによって交流電力に変換される。

並列ＵＰＳモジュールを使用するシステムの１つの不都合は、ＵＰＳモジュール中の各バッテリーにわたって負荷が均等に分配されるということである。しかしながら、バッテリーは、同じエネルギー供給性能を有する保証はない。例えば、１つのバッテリーは、比較的新しく、比較的古い他のバッテリーの２倍の稼動時間を供給することが可能である。したがって、「古い」バッテリーを有するＵＰＳは、新しいバッテリーを有するＵＰＳの前に、早い放電終了（「ＥＯＤ」）により終了する可能性がある。多数のＵＰＳモジュールを有するシステムでは、最も弱いバッテリーを有するモジュールが、最初に停止し、次に弱いバッテリーが停止するなどと続く可能性がある。ＵＰＳモジュールが停止するごとに、残りのモジュールは、負荷の負担の増加に直面する。これは、残りのバッテリーのために利用可能な稼動時間を低減し、残りのＵＰＳモジュールに過負荷をかける可能性がある。本出願は、これらの欠点に取り組み、当業者に明らかとなる他の利点を提供する。

本発明の一形態は、外部電源が停止する場合に、保護される負荷に電力を供給する複数のバッテリーを有する無停電電源装置に関する。それは、複数の各バッテリーが、保護される負荷にどれだけの電力を供給するかを制御する複数のコントローラと、コントローラがバッテリー電圧に関する情報を交換することを可能とするコミュニケーションバスと、を含む。コントローラの少なくとも１つは、複数のバッテリーの平均バッテリー電圧を計算し、バッテリー電圧が、平均バッテリー電圧におよそ等しいように個々のバッテリーによって提供されるエネルギー量を調節する。このシステムはまた、異なる種類のバッテリーを有するＵＰＳモジュールおよびフライホイールなどの異なるエネルギー貯蔵システムを有するＵＰＳモジュールで動作する。本発明の他の実施形態は、以下の発明の詳細な説明で説明される。

本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明を読み、図面を参照すると明らかとなるであろう。

本発明は、様々な変更および代替形態の影響を受けやすい一方、その特定の実施形態が、図面の例によって示されており、本明細書で詳細に説明される。しかしながら、本明細書の具体的な実施形態の説明は、開示される特定の形態に本発明を限定することは意図されないことが理解されるに違いないが、それどころか、その意図は、添付の請求項によって定義される本発明の精神および範囲内での変更、均等および代替の全てをカバーすることである。

本発明の実例となる実施形態が、以下に説明される。明瞭さのために、実際の実施の全ての特徴が、本明細書で説明されるとは限らない。任意のそのような実際の実施形態の展開では、多数の実施の具体的な判断をして、システム関連、ビジネス関連の制約への順守などの展開者の具体的な目標を達成しなければならないことが当然ながら認識され、ある実施から他の実施まで変化する。さらに、そのような展開努力は、複雑であり、多大な時間を消費する可能性があるが、この開示の利益を有する当業者のためにルーチンな仕事となることが認識される。

図１は、本発明の実施形態による無停電電源装置システムを示す。システムは、複数のＵＰＳモジュール１０を含む。本実施例における各ＵＰＳモジュールは、整流器１６と、バッテリー１８と、インバータ２０と、コントローラ２２とを有する。整流器１６は、モジュール１０によって受けた交流電力を直流電力に変換する。モジュール１０によって受けた交流電力は、外部電力または発電機などの他の交流電源によってもたらされてもよい。インバータ２０は、直流電力を調節条件の交流電力に変換する。バッテリー１８は、交流電力の停止があるという場合に予備直流電力を提供する。

ＵＰＳモジュール１０は、コミュニケーションバス１２に接続されている。コミュニケーションバス１２は、ＵＰＳモジュール１０が、システムにおける各ＵＰＳモジュール１０のバッテリー電圧などのＵＰＳモジュールを操作するのに必要な情報およびコマンドを交換することを可能とする。コミュニケーションバス１２は、コントロールエリアネットワーク（「ＣＡＮ」）バスなどのデジタルコミュニケーションバスであることが好ましいが、イーサネット（登録商標）などの他の従来のディジタルバスが、設計上の選択の問題として代用されることが可能である。あるいは、ＵＰＳモジュール１０間でバスが共有され得、負荷共有および他の並列システム操作を促進する限り、設計上の選択の問題としてアナログバスが代用されることが可能である。

ＵＰＳモジュール１０の出力は、クリチカルバス１４に接続されている。クリチカルバス１４は、クリチカル負荷（図示せず）に電力を供給する。クリチカル負荷は、停電から保護されるように意図される任意の負荷であり、代表例としては、コンピュータおよび医療機器等が挙げられる。ＵＰＳモジュール１０は、バイパス静止スイッチなどの従来の手段によって、クリチカルバス１４に接続されてもよい。バイパス静止スイッチは、共通であってもよく、または、各ＵＰＳモジュール１０は、それ自体のバイパス静止スイッチを備えてもよい。外部電力が中断する場合、クリチカル負荷は、ＵＰＳモジュール１０中のバッテリー１８から直流電力によって供給される。この直流電力は、クリチカルバス１４に通される前に、ＵＰＳモジュール１０上でインバータ２０によって交流電力に変換される。

各ＵＰＳモジュール中のコントローラ２２は、モジュール１０によってクリチカルバス１４に供給される負荷を調節する。コントローラ２２は、フィードバック制御ループを含むＰＩＤコントローラであることが有利であるが、他のコントローラが、設計上の選択の問題として代用されてもよい。図１に示される実施形態で表されたコントローラ２２は、マイクロプロセッサー上のソフトウェア内で実施されており、デジタル信号処理（「ＤＳＰ」）技術を使用するＰＩＤコントローラである。

本発明の一実施形態によれば、フィードバック制御ループは、平均バッテリー電圧に基づいて、各ＵＰＳモジュールの負荷を調節する。図１に関して、平均バッテリー電圧は、以下の式から付与される。Ｖｂａｔｔ＿ａｖｅｒａｇｅ＝（Ｖｂａｔｔ＿ｌ＋Ｖｂａｔｔ＿２＋Ｖｂａｔｔ＿３．．．＋Ｖｂａｔｔ＿ｎ）／ｎ（ここで、ｎは、作動するモジュールの数である）。各バッテリーのバッテリー電圧は、システムにおいて他のＵＰＳモジュールにＣＡＮバスでコミュニケーションをとられる。平均バッテリーの計算は、中央処理装置でなされ、次いで、ＣＡＮバスを通されることが可能であり、また、各ＵＰＳモジュールは、個々に計算を行うことが可能である。

本発明の一実施形態によれば、図２に表されるフィードバックループは、バッテリーの電圧が平均バッテリー電圧より大きければ、ＵＰＳモジュール中の個々のバッテリー上の負荷を増加させ、バッテリー電圧が、平均バッテリー電圧未満ならば、負荷を減少させる。図２に示されるように、平均バッテリー電圧（「Ｖｂａｔｔ＿ａｖｅｒａｇｅ」）を表わす信号は、特定のＵＰＳモジュール中のバッテリーのバッテリー電圧を表わす信号で合計される。合計の結果は、誤差信号としてコントローラに提供される。次いで、コントローラは、インバータに信号を送り、ＵＰＳモジュール中のバッテリーによって供給されるエネルギー量を増加させ、または減少させる。クリチカルバスが交流バスである場合、インバータによって供給される電力の位相角は、クリチカルバス上の電力の位相角に対して進められて、インバータ上の負荷を増加させ、したがって、平均バッテリー電圧に対してバッテリー電圧を減少させる。反対に、相対的位相角は減少されて、インバータ上の負荷を低下させるとともにバッテリー電圧を上げる。このように、負荷は、各バッテリーのバッテリー電圧が、コントロールループ内にあってもよい少量の誤差をプラスまたはマイナスしてＶｂａｔｔ＿ａｖｅｒａｇｅに調節されるように、バッテリー使用中の全てのＵＰＳモジュールに分配される。当然ながら、コントロールループの正確さおよび速度は、設計上の選択の問題である。当業者は、当然ながら、調節する位相角はなく、バッテリー電圧に依存して、多かれ少なかれ電力を提供するようにインバータの出力電圧が調節される以外に、クリチカルバスが直流バスであるシステムにおいて同様の制御が使用されることが可能であることを認識する。

本発明の他の実施形態によれば、１つまたは複数のＵＰＳモジュールが、外部電力を切り放し、バッテリー操作にスイッチする場合、モジュールは一緒に調整して、効率的な方法で負荷を扱うことが可能である。本実施形態では、まず、バッテリー電源上にある１つのＵＰＳモジュール（または複数のモジュール）は、クリチカル負荷の負担を０に低減する。負荷を０に低減することによって、ＵＰＳモジュールのバッテリーは、インバータロスを補うのに十分なエネルギーを供給しさえすればよく、したがって、長期間稼動することができる。しかしながら、負荷の負担を０まで低減すると、残りのＵＰＳモジュール中の１つまたは複数のインバータに過負荷をかける可能性がある。しかしながら、インバータは、典型的には、短期間、例えば、１０分間の過負荷の状態で操作されるように設計されている。過負荷状態を表わす信号は、バッテリー使用中の１つのモジュールまたは複数のモジュールにＣＡＮバスで通される。ＵＰＳモジュールは、そのバッテリーからクリチカル負荷に電力を供給し始め、残りのＵＰＳモジュールが過負荷をかけられなくなるまで提供される電力量を増加させる。

本発明の他の実施形態によれば、ＵＰＳモジュールは、過負荷稼動時間に対してバランスがとれたそれらの様々なバッテリーのために残された、推定されたバッテリー稼動時間に依存して、互いの間で負荷をシフトしてもよい。１つ（または複数の）ＵＰＳモジュールは、ユーティリィティを切り放し、バッテリーから作動し、バッテリー稼動時間は、残りのモジュールの過負荷稼動時間未満であるならば、本実施形態は特に有利である。典型的には、インバータは、１０分間、１２５％で稼動するように設計されている。例えば、ＵＰＳモジュールが、放電終了（「ＥＯＤ」）の１０分以内にある場合、そのＵＰＳモジュール上の負荷を低減し、システムにおいて他のモジュールが過負荷状態で一時的に操作することを可能にすることは有利であり、それにより、可能な限りバッテリー寿命を維持する。したがって、例えば、２つのモジュールシステムにおいて、第１のＵＰＳモジュールが、約ＥＯＤであり、５０％負荷を有する場合、第２のＵＰＳモジュールに２５％放棄することが可能であり、例えば、１００％を有して、過負荷でそのモジュールを置く。これは、バッテリー稼動時間を延長し、クリチカル負荷を保護する。当然ながら、本実施形態は、ＵＰＳモジュールの任意の数で操作可能である。この場合、バッテリー使用中の１つのＵＰＳモジュールまたは複数のＵＰＳモジュールは、供給する電力を低減し、このように、残りのＵＰＳモジュールが過負荷となるようにする。コントロールループは、過負荷稼動時間と推定されたバッテリー稼動時間との釣り合いをとる。当業者は、バッテリー稼動時間を推定する方法に精通しており、使用されているバッテリーおよび具体的な実施に特有の他の要因に依存する。

上述のように開示された特定の実施形態は、例示にすぎず、本発明が、本明細書の教示の利益を有する当業者に明らかな、異なるが均等な方法で変更され、稼動されてもよい。更に、限定は、以下の請求項に記載される以外に、本明細書に示される構成や設計の詳細のためではない。したがって、上記開示された特定の実施形態は、改良、変更されてもよく、そのような変化は、全て、本発明の範囲および精神内で検討されることは明らかである。したがって、そのような同様の用途は、全て、本発明の範囲および精神内とみなされる。したがって、本明細書で求められる保護は、特許請求の範囲で説明される。

本発明の実施形態による並列ＵＰＳシステムの概略図である。 本発明の実施形態によるインバータの出力を調節するためのコントロールループの概略図である。

Claims (13)

1. 複数の無停電電源装置（ＵＰＳ）モジュールにおいて複数のバッテリー電圧を制御する方法にして、各ＵＰＳモジュールが、負荷に対して電力を提供するためのインバータを有し、各インバータが、バッテリーから電力を受ける方法であって、
   少なくとも２つのＵＰＳモジュールからバッテリーの平均電圧を判断するステップと、
   少なくとも２つのＵＰＳモジュールからのバッテリーのためのバッテリー電圧を、平均バッテリー電圧と比較するステップと、
   少なくとも２つの各ＵＰＳモジュールからのバッテリーのバッテリー電圧が、およそ平均バッテリー電圧であるように、インバータにバッテリーによって負荷に供給される電力量を調節させる、比較に応答した制御信号を生成するステップと、を含む、方法。
2. バッテリー電圧の比較が、コントローラに、平均バッテリー電圧に応答する第１の信号および少なくとも２つのバッテリー電圧の１つに応答する第２の信号を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 制御信号の生成が、コントローラから出力信号を生成し、インバータに、負荷に供給される電力位相に対してその出力位相をシフトさせるインバータに信号を供給することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 位相をシフトすることが、負荷に供給される電力の位相角に対してインバータ出力の位相角を進めて、平均バッテリー電圧に対してバッテリー電圧を減少させることを含む、請求項３に記載の方法。
5. 位相をシフトすることが、負荷に供給される電力の位相角に対してインバータ出力の位相角を減少させて、平均バッテリー電圧に対してバッテリー電圧を増加させることを含む、請求項３に記載の方法。
6. 複数の各無停電電源装置モジュールにおいてバッテリー電圧を制御する方法であって、
   保護される負荷に少なくとも１つのバッテリーから供給されるエネルギーを約０に低減するステップと、
   保護される負荷に電力を供給するインバータが過負荷をかけられているかどうかを判断するステップと、
   インバータが過負荷をかけられなくなるまで、少なくとも１つのバッテリーから供給されるエネルギーを増加させるステップと、
   を含む、方法。
7. 無停電電源装置を制御する方法であって、
   インバータの過負荷稼動時間を判断するステップと、
   保護される負荷に電力を供給する少なくとも１つのバッテリーのバッテリー稼動時間を判断するステップと、
   少なくとも１つのバッテリーのバッテリー稼動時間が、インバータの過負荷稼動時間未満である場合、インバータが過負荷をかけられるようにバッテリーのエネルギーを低減するステップと、を含む、方法。
8. 各ＵＰＳモジュールが、外部電源の停止の場合に、保護される負荷に電力を供給するバッテリーを含む複数のＵＰＳモジュールと、
   各バッテリーが、保護される負荷にどれだけの電力を供給するかを制御する複数のコントローラと、
   コントローラがバッテリー電圧に関する情報を交換することを可能とするコミュニケーションバスと、を含み、
   コントローラの少なくとも１つが、複数のバッテリーの平均バッテリー電圧を計算し、バッテリー電圧が、およそ平均バッテリー電圧であるようにバッテリーの少なくとも１つによって提供されるエネルギー量を調節する、無停電電源装置（ＵＰＳ）システム。
9. コントローラが、少なくとも１つのバッテリー用のバッテリー電圧を平均バッテリー電圧と比較する、請求項８に記載のＵＰＳシステム。
10. コントローラが、平均バッテリー電圧に応答する第１の信号および少なくとも１つのバッテリーの電圧に応答する第２の信号を受ける、請求項８に記載のＵＰＳシステム。
11. 各ＵＰＳモジュールが、バッテリーから電力を受けて、保護される負荷に電力を供給するインバータを含み、
    コントローラが、インバータに信号を出力して、インバータに負荷に供給される電力位相に対してその出力位相をシフトさせる、請求項８に記載のＵＰＳシステム。
12. 各ＵＰＳモジュールが、外部電源の停止の場合に、保護される負荷に電力を供給するバッテリーを含む複数のＵＰＳモジュールと、
    各バッテリーが、保護される負荷にどれだけの電力を供給するかを制御する複数のコントローラと、
    コントローラがバッテリー電圧に関する情報を交換することを可能とするコミュニケーションバスと、を含み、
    コントローラの少なくとも１つが、バッテリーの少なくとも１つによって提供される電力量を約０に低減し、過負荷状態がコミュニケーションバス上で示される場合、過負荷状態が補正されるまで、バッテリーの少なくとも１つによって提供される電力を増加する、無停電電源装置（ＵＰＳ）システム。
13. 各ＵＰＳモジュールが、外部電源の停止の場合に、保護される負荷に電力を供給するバッテリーを含む複数のＵＰＳモジュールと、
    各バッテリーが、保護される負荷にどれだけの電力を供給するかを制御する複数のコントローラと、
    コントローラがバッテリー電圧に関する情報を交換することを可能とするコミュニケーションバスと、を含み、
    コントローラの少なくとも１つが、推定されたバッテリー稼動時間をインバータ過負荷稼動時間と比較し、推定されたバッテリー稼動時間が過負荷稼動時間未満である場合、保護される負荷にバッテリーによって提供される電力を低減する、無停電電源装置（ＵＰＳ）システム。

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