JP2009071922A

JP2009071922A - 直流バックアップ電源装置およびその制御方法

Info

Publication number: JP2009071922A
Application number: JP2007235134A
Authority: JP
Inventors: Riichi Kitano; 利一北野; Takahisa Masashiro; 尊久正代; Akihiro Miyasaka; 明宏宮坂; Akira Yamashita; 明山下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】コストと設置スペースを節約し、負荷装置の故障を回避し電力損失を低減する直流バックアップ電源装置およびその制御方法を提供すること。
【解決手段】商用電源１からの交流電力を直流電力に変換する整流器２と、蓄電池である組電池４と、組電池４を充電する充電器３とを有し、整流器２または組電池４が出力する電力を負荷６へ供給し、組電池４から負荷６への放電は、組電池４からの放電方向にのみ電力を通すダイオード７を介して行われ、負荷６とダイオード７の間に整流器２の出力が並列接続され、ダイオード７と組電池４の間に充電器３が並列接続され、充電器３は、組電池４の一定電流充電を行い、充電器３が放電開始トリガ信号を受信したとき充電を開始し、充電器３の出力電圧すなわち組電池４の電圧が、整流器２の出力電圧以下の設定値以上となったときあるいは時間あたりの電池温度上昇が設定値以上となったとき充電を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は交流電力を直流電力へ変換して負荷へ供給する、特に、蓄電池を備えて停電時にバックアップする直流バックアップ電源装置およびその制御方法に関する。

一般に、直流負荷装置へ電力を供給する電源システムでは、商用交流電力を受け、直流４８Ｖなどの直流電力を出力する整流器が用いられている。さらに、商用電力が停電した場合でも負荷装置への給電を継続するために、整流器の出力に蓄電池と、蓄電池を充電するための充電器を備えている。蓄電池を直流電源システムに適用する場合には、通常、単セルと呼ばれる１本の蓄電池を複数個直列にしたものを１つ以上並列接続した組電池を用いる。

下記特許文献１、２には、複数の組電池が出力する電力を放電器を介して負荷に供給する電池システムが記載され、特許文献１には、組電池と放電器中のコンバータとの間の電路が共通導線によって互いに電気的に接続されていることが記載され、特許文献２には、放電器の各動作を、制御部が発信する同一の動作信号に基づいて行わせることが記載されている。
特開２００７−１４３２６６号公報特開２００７−１４３２９１号公報

整流装置と蓄電池および充電器を組み合わせた直流バックアップ電源システムを図７に示す。図において、商用電源１の交流電力は整流器２に供給され、整流器２は交流電力を所定の直流電力に変換して負荷６へ供給している。組電池４は、商用電源１が有効であるときは充電器３を介して充電され、商用電源１の停電時に放電器５を介して負荷６への放電を行う。負荷６は直流４８Ｖ負荷であり、電圧許容範囲は５７Ｖ〜４０．５Ｖである。この許容範囲を超える電圧が印加されると負荷装置が故障する可能性があり、また許容範囲を下回ると負荷装置の動作が停止する。このため、整流器２および放電器５の出力電圧は負荷６が許容する電圧を出力する必要がある。

商用電源１が有効であるときは整流器２から負荷６への給電が行われ、商用電源１の停電時に組電池４から放電器５を介して負荷６へ給電を行うため、放電器５の出力電圧は整流器２の出力電圧よりも低く設定される。整流器２の出力電圧を５６Ｖ、組電池４をニッケル水素蓄電池セル（定格１．２Ｖ、１００Ａｈ）を４０セル直列接続してなる組電池（定格４８Ｖ、１００Ａｈ）とする。

充電器３は、充電時に一定電流（２０Ａ）を出力し、満充電を検知して出力を停止する、いわゆる間欠充電を行っている。

放電器５は、出力電圧が５５Ｖを上回ろうとするときは降圧動作により出力電圧を５５Ｖに維持し、５５Ｖ以下であるときは入力電圧をそのまま出力する。充電器３が２０Ａ定電流充電を行うとき、組電池４の電圧は充電末期（満充電時）に６４Ｖに達する。組電池４の電圧が整流器２の出力電圧より高い充電末期においても、放電器５の出力電圧が整流器２の出力電圧より低いため、組電池４が放電することはない。組電池４は充電されていないときであっても、満充電に近い状態では５８Ｖであり、放電器５の降圧動作により商用給電時の組電池４からの放電を防いでいる。

このように組電池４の電圧を降圧する必要から放電器５が必要であり、放電器５を搭載することによるコストと設置スペースの増加という問題がある。

また、放電器５の故障状態として、入力された電圧がそのまま出力される、すなわち組電池４の電圧がそのまま負荷６へ出力される状態があり、負荷６へ上限である５７Ｖを上回る電圧が印加されることにより負荷装置が故障するという問題がある。

さらに、放電器５は組電池４の電圧が負荷６の許容範囲を超えるときに降圧動作を行い、許容範囲内で降圧動作がない場合があっても出力電圧を監視するため放電器５内の制御回路の駆動電力が必要であり、これらの要因により電力損失が発生し、結果としてシステムに搭載される組電池の容量を増やさなければならないという問題がある。

以上のように、放電器を搭載することにより、コストと設置スペースの増加、放電器故障時の負荷装置故障、電力損失という問題が生じる。

前記の問題は、ニッケル水素蓄電池システムの場合に限らず、鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの二次電池を組み合わせてなる組電池を有する直流バックアップ電源システムにおいても生じる問題である。

本発明は前記の、放電器を搭載することにより、コストと設置スペースの増加、放電器故障時の負荷装置故障、電力損失があるという問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、コストと設置スペースを節約し、負荷装置の故障を回避し電力損失を低減する直流バックアップ電源装置およびその制御方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
交流電力を直流電力に変換する整流器と、蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器とを有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置において、前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段とが具備され、前記蓄電池から前記負荷への放電は、前記蓄電池からの放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して行われ、前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、ＶｃはＶｒ以下であり、充電開始トリガ信号を受信したとき、前記充電器は前記蓄電池へ充電を開始し、前記充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは前記蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたときに充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置を構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器を有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置において、各前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、各前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段とが具備され、前記蓄電池はそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され前記負荷へ接続され、前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、前記蓄電池はそれぞれ前記充電器を有し、複数の前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、ＶｃはＶｒ以下であり、充電開始トリガ信号を受信したとき、前記信号が指定する前記蓄電池と対をなす前記充電器は該蓄電池の充電を開始し、該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたとき該蓄電池への充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置を構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器を有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置において、各前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、各前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段と、充電制御手段とが具備され、前記蓄電池はそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され前記負荷へ接続され、前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、前記蓄電池はそれぞれ前記充電器を有し、複数の前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、ＶｃはＶｒ以下であり、前記充電制御手段は、充電開始トリガ信号を受信したとき、前記信号が指定する前記蓄電池と対をなす前記充電器に該蓄電池の充電を開始させ、該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたとき該蓄電池への充電を停止させる制御を行うことを特徴とする直流バックアップ電源装置を構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器を有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置において、各前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、各前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段と、充電制御手段とが具備され、前記蓄電池はそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され前記負荷へ接続され、前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、各前記蓄電池は充電スイッチを介して前記充電器に接続し、前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、ＶｃはＶｒ以下であり、前記充電制御手段は、充電開始トリガ信号を受信したとき、前記信号が指定する前記蓄電池に接続する前記充電スイッチを閉成して該蓄電池の充電を開始させ、充電動作中の前記充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたとき閉成中の該充電スイッチを開放して、該蓄電池への充電を停止させる制御を行うことを特徴とする直流バックアップ電源装置を構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
交流電力を直流電力に変換する整流器と、蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器とを有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置を制御する、直流バックアップ電源装置の制御方法において、該直流バックアップ電源装置は、前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段とを具備し、前記蓄電池から前記負荷への放電は、前記蓄電池からの放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して行われ、前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、ＶｃはＶｒ以下であり、充電開始トリガ信号を受信したとき、前記充電器は前記蓄電池へ充電を開始し、前記充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは前記蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたときに充電を停止することを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器を有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置を制御する、直流バックアップ電源装置の制御方法において、該直流バックアップ電源装置は、各前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、各前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段とを具備し、前記蓄電池はそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され前記負荷へ接続され、前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、前記蓄電池はそれぞれ前記充電器を有し、複数の前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、ＶｃはＶｒ以下であり、充電開始トリガ信号を受信したとき、前記信号が指定する前記蓄電池と対をなす前記充電器は該蓄電池の充電を開始し、該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたとき該蓄電池への充電を停止することを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項７に記載のように、
請求項１ないし４のいずれかに記載の直流バックアップ電源装置において、前記充電器が垂下設定電流値Ｉ１での充電を停止した後、該充電器が、Ｉ１より小さい垂下設定電流値Ｉ２での充電を再び開始し、充電再開後一定時間が経過したとき、あるいは該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第２の設定値を超えたとき充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置を構成する。

また、本発明においては、請求項８に記載のように、
請求項１ないし４のいずれかに記載の直流バックアップ電源装置において、前記充電器が垂下設定電流値Ｉ１での充電を停止した後、該充電器が、Ｉ１より小さい垂下設定電流値Ｉ２での充電を再び開始し、該蓄電池の充電電気量が予め定められた一定値に達したとき、あるいは該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第２の設定値を超えたとき充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置を構成する。

また、本発明においては、請求項９に記載のように、
請求項５または６に記載の、直流バックアップ電源装置の制御方法において、前記充電器が垂下設定電流値Ｉ１での充電を停止した後、該充電器が、Ｉ１より小さい垂下設定電流値Ｉ２での充電を再び開始し、充電再開後一定時間が経過したとき、あるいは該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第２の設定値を超えたとき充電を停止することを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項１０に記載のように、
請求項５または６に記載の、直流バックアップ電源装置の制御方法において、前記充電器が垂下設定電流値Ｉ１での充電を停止した後、該充電器が、Ｉ１より小さい垂下設定電流値Ｉ２での充電を再び開始し、該蓄電池の充電電気量が予め定められた一定値に達したとき、あるいは該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第２の設定値を超えたとき充電を停止することを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項１１に記載のように、
請求項１、２、３、４、７または８に記載の直流バックアップ電源装置において、前記蓄電池は、ニッケル水素蓄電池であることを特徴とする直流バックアップ電源装置を構成する。

また、本発明においては、請求項１２に記載のように、
請求項５、６、９または１０に記載の、直流バックアップ電源装置の制御方法において、前記蓄電池は、ニッケル水素蓄電池であることを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法を構成する。

本発明の直流バックアップ電源装置およびその制御方法によれば、整流器と蓄電池と充電器とダイオードとを組み合わせて直流バックアップ電源装置およびその制御方法を構成することで、放電器を不要とし、コストと設置スペースを節約し、負荷装置の故障を回避し、電力損失を低減することが可能となる。

本発明に係る直流バックアップ電源装置においては、交流電力を直流電力に変換する整流器と、蓄電池である、複数の二次電池を組み合わせてなる組電池と、前記組電池を充電する単数あるいは複数の充電器と、ダイオードとを具備し、商用電源断の際、前記組電池から前記負荷への放電は、前記組電池からの放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して行われ、前記負荷と前記ダイオードの間に前記整流器の出力が並列接続され、前記ダイオードと前記組電池の間に前記充電器が並列接続され、前記充電器は、前記組電池の一定電流充電を行うものであり、前記充電器が、充電開始トリガ信号である外部信号を受信したとき充電を開始し、前記充電器の出力電圧すなわち前記組電池の電圧が、前記整流器の出力電圧以下の設定値以上となったときあるいは時間あたりの温度上昇が設定値以上となったとき充電を停止する。

充電開始トリガ信号としては、停電復旧後の商用電源電力検知信号、組電池の自己放電等による蓄電残量を検知するセンサ信号、組電池の電圧が予め設定された電圧値を下回ったときの発せられる信号などがある。

以下に、本発明の実施の形態について、蓄電池がニッケル水素蓄電池である場合を例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

＜実施の形態例１＞
図１は、本発明の実施の形態例を説明する図である。

図１において、負荷６は直流４８Ｖ負荷であり、その許容電圧範囲は５７．０Ｖ（Ｖｍａｘ）〜４０．５Ｖ（Ｖｍｉｎ）である。蓄電池である組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を４０セル直接接続してなる組電池（定格４８Ｖ、定格容量１００Ａｈ）である。整流器２は、商用電源１から入力される交流電力を直流電力に変換して、５６．５Ｖ（Ｖｒ）の直流電力を出力し、負荷６あるいは充電器３へ給電する。

充電器３は、整流器２が出力する直流電力を変換して組電池４の一定電流充電（１０Ａ）を行うＤＣ/ＤＣコンバータであり、出力電流が１０Ａ（Ｉ１）以下である間は出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）であり、出力電流が１０Ａ（Ｉ１）を超えるときは出力電圧が急激に低下する機能（垂下機能）を有する。すなわち、充電器３は、その出力電流が予め設定された垂下設定電流値（この場合は１０Ａ（Ｉ１））を超えると垂下動作を起こす。よって、充電器３が組電池４を充電するとき、充電電流が１０Ａ（Ｉ１）まで増加して垂下機能が働き充電電圧は組電池４の電圧と等しくなり、充電電流は１０Ａ（Ｉ１）に維持される。

また、充電器３は、温度監視手段１１によって、組電池４の温度を検知し、時間あたりの温度上昇（ｄＴ/ｄｔ）が５分あたり１℃（予め定められた第１の設定値α）以上となったとき充電を停止する機能を有する。

ダイオード７は、組電池４の放電方向にのみ電力を通すため、整流器２は直接組電池４を充電することはできず、充電器３による一定電流充電を可能としている。

充電は、充電器３の出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）に達するか、組電池４の時間あたりの温度上昇が５分あたり１℃（α）以上となったときに停止するようにする。充電器３の出力電圧の監視は、電圧監視手段１０によって行われる。電圧監視手段１０は充電器３に内蔵されていてもよい。上記のことを実行するために、例えば、図２に示すフローチャートにより充電器３が動作するようにする。

充電器３は始動すると、まずステップ１１（図中、「Ｓ１１」と表示、以下同様）において充電を指令する外部信号（図１においては「充電開始トリガ信号」で表示）の有無を検知し、外部信号が無い場合はステップ１１に戻り、有る場合はステップ１２に進む。ステップ１２において、組電池４の充電を開始し（１０Ａ一定電流充電）、ステップ１３に進む。ステップ１３において、充電器３の出力電圧ＶｂをＶｃと比較し、Ｖｂの方が低い場合はステップ１４へ進み、ＶｂがＶｃ以上である場合はステップ１５へ進む。ステップ１４において、組電池４の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値α（５分あたり１℃）以上である場合はステップ１５へ進み、α未満である場合はステップ１３へ戻る。ステップ１５において、充電を停止してステップ１１へ戻る。

Ｖｃの値は整流器２の出力電圧５６．５Ｖ（Ｖｒ）以下であり、整流器２の出力電圧は負荷６の上限電圧（５７．０Ｖ）以下であるから、充電器３や組電池４の電圧が負荷６の許容電圧範囲を上回ることはない。よって、組電池４と負荷６の間で降圧する必要がないため、放電器を省くことが可能となる。

本実施の形態例においては、充電器３の出力電圧Ｖｃを整流器２の出力電圧Ｖｒ（５６．５Ｖ）より低い５６．０Ｖとしているが、ＶｃをＶｒと同じ５６．５Ｖとした場合でも、同様に降圧は必要ないため放電器を省くことができる。さらに、整流器２の出力電圧Ｖｒと充電器３の出力電圧Ｖｃを負荷６の上限電圧Ｖｍａｘと等しく５７．０Ｖとしても同様に放電器を省略した電源装置を構築することが可能である。

また、本実施の形態例においては、充電器３は整流器２から出力された電力を組電池４の充電に用いているが、充電に必要な電力を整流器２からではなく、商用電源１から入力する方法もある。この方法においては、充電器３は、交流電力を直流電力へ変換する、出力電圧Ｖｃ、設定垂下電流値Ｉ１のＡＣ/ＤＣコンバータであればよい。

＜実施の形態例２＞
図３は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図において、負荷６は直流４８Ｖ負荷であり、その許容電圧範囲は５７．０Ｖ（Ｖｍａｘ）〜４０．５Ｖ（Ｖｍｉｎ）である。蓄電池である組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を４０セル直接接続してなる組電池（定格４８Ｖ、定格容量１００Ａｈ）であり、これを６組有する。

整流器２は、商用電源１から入力される交流電力を直流電力に変換して直流５６．５Ｖ（Ｖｒ）を出力し、負荷６へ給電する。充電器３は、各組電池４に接続され、商用電源１から入力される交流電力を変換して組電池４の一定電流充電（１０Ａ）を行うＡＣ/ＤＣコンバータであり、出力電流が１０Ａ（Ｉ１）以下である間は出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）であり、出力電流が１０Ａ（Ｉ１）を超えるときは出力電圧が急激に低下する機能（垂下機能）を有する。よって、充電器３が組電池４を充電するとき、充電電流が１０Ａ（Ｉ１）まで増加して垂下機能が働き充電電圧は組電池４の電圧と等しくなり、充電電流は１０Ａ（Ｉ１）に維持される。

ダイオード７は、各組電池４の放電方向にのみ電力を通すため、整流器２は組電池４を充電することはできず、また各組電池４が互いに充放電を行うことを防いでいるため、充電器３による一定電流充電を可能としている。

充電は、充電器３の出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）に達するか、時間あたりの温度上昇が５分あたり１℃（α）以上となったときに停止するようにする。この際に、図示されていないが、図１に示した電圧監視手段と温度監視手段とが利用される。上記のことを実行するため、例えば、図２に示すフローチャートにより充電器３が動作するようにする。

充電器３は始動すると、まずステップ１１において充電を指令する外部信号（図３中、「放電開始トリガ信号Ｓｇ」で表示）の有無を検知し、外部信号が無い場合はステップ１１に戻り、有る場合はステップ１２に進む。ステップ１２において、接続されている組電池４の充電を開始し（１０Ａ一定電流充電）、ステップ１３に進む。ステップ１３において、充電器３の出力電圧ＶｂをＶｃと比較し、Ｖｂの方が低い場合はステップ１４に進み、ＶｂがＶｃ以上である場合はステップ１５へ進む。ステップ１４において、組電池４の時間あたりの温度上昇がα（５分あたり１℃）以上である場合はステップ１５へ進み、α未満である場合はステップ１３へ戻る。ステップ１５において、組電池４の充電を停止してステップ１１へ戻る。

充電はそれぞれの組電池４に接続される充電器３により行われ、それぞれの充電器３が図２のフローチャートによる充電を行うため、同時に外部信号を受信した場合であっても組電池４によって充電停止時刻が異なることがある。その結果、満充電に至る前に停電によって放電が開始される場合があるが、各組電池は並列接続されているので問題はない。特定の組電池４だけを充電する必要があるときは、該当する充電器３に対してのみ充電指令する信号を送信するようにすればよい。

Ｖｃの値は整流器２の出力電圧５６．５Ｖ（Ｖｒ）以下であり、整流器２の出力電圧は負荷６の上限電圧以下であるから、充電器３や組電池４の電圧が負荷６の許容電圧範囲を上回ることはない。よって、組電池４と負荷６の間で降圧する必要がないため、放電器を省くことが可能となる。

また、本実施の形態例においては、充電器３は商用電源１から入力された電力を組電池４の充電に用いているが、充電に必要な電力を商用電源１からではなく、整流器２から入力する方法もある。この方法においては、充電器３は、直流電力を変換する、出力電圧Ｖｃ、垂下設定電流値Ｉ１のＤＣ/ＤＣコンバータであればよい。

なお、図４に示したように、充電制御手段である制御部８が具備され、制御部８が、放電開始トリガ信号を受けて、各充電器３を個別に制御する構成にしてもよい。このような構成にすることによって、各組電池の個別充電スケジューリングによる充電電力の均等化が可能となる。

本実施の形態例においては、複数の組電池を使用しているので、その総容量を容量とする単一の組電池を使用した場合と比較して、組電池の個別管理が可能となり、電池部品の交換なども経済的に行えるという利点がある。

＜実施の形態例３＞
図５は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図において、負荷６は直流４８Ｖ負荷であり、その許容電圧範囲は５７．０Ｖ（Ｖｍａｘ）〜４０．５Ｖ（Ｖｍｉｎ）である。組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格１．２Ｖ、定格容量１００Ａｈ）を４０セル直接接続してなる組電池（定格４８Ｖ、定格容量１００Ａｈ）であり、これを６組有する。

整流器２は、商用電源１から入力される交流電力を直流電力に変換して直流５６．５Ｖ（Ｖｒ）を出力し、負荷６へ給電する。充電器３は、商用電源１から入力される交流電力を変換して一定電流（１０Ａ）を出力するＡＣ/ＤＣコンバータであり、出力電流が１０Ａ（Ｉ１）以下である間は出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）であり、出力電流が１０Ａ（Ｉ１）を超えるときは出力電圧が急激に低下する機能（垂下機能）を有する。よって、充電器３が組電池４を充電するとき、充電電流が１０Ａ（Ｉ１）まで増加して垂下機能が働き充電電圧は組電池４の電圧と等しくなり、充電電流は１０Ａ（Ｉ１）に維持される。組電池４は、それぞれ充電器３との接続のための充電スイッチ９を有する。

充電制御手段である制御部８は、外部信号（図中、「充電開始トリガ信号」で表示）が指定する組電池４を充電するため、充電スイッチ９の開閉を行うが、複数の組電池４を同時に１つの充電器３で充電することは充電電流のばらっきを招くため、同時に閉成される充電スイッチ９は１つだけであり、外部信号が指定する組電池４も１つである。

充電は、充電器３の出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）に達するか、時間あたりの温度上昇が５分あたり１℃（α）以上となったときに停止するようにする。この際に、図示されていないが、図１に示した電圧監視手段と温度監視手段とが利用される。上記のことを実行するため、例えば、図２に示すフローチャートにより制御部８が動作するようにする。制御部８は始動すると、まずステップ１１において充電を指令する外部信号の有無を検知し、外部信号が無い場合はステップ１１に戻り、有る場合はステップ１２に進む。ステップ１２において、外部信号が指定する１つの組電池４に該当する充電スイッチ９を閉成して充電を開始し（１０Ａ一定電流充電）、ステップ１３に進む。ステップ１３において、充電器３の出力電圧ＶｂをＶｃと比較し、Ｖｂの方が低い場合はステップ１４に進み、ＶｂがＶｃ以上である場合はステップ１５へ進む。ステップ１４において、充電中の組電池４の時間あたりの温度上昇がα（５分あたり１℃）以上である場合はステップ１５へ進み、α未満である場合はステップ１３へ戻る。ステップ１５において、充電スイッチ９を開放して充電を停止し、ステップ１１へ戻る。

さらに、本実施の形態例においては、１台の充電器３が全ての組電池４に充電スイッチ９を介して接続され、同時に充電できる組電池４は１組だけであるが、充電器３を複数台搭載することにより、同時に充電できる組電池４を増やすことが可能である。この方法では、例えば充電器３を３台搭載し、１つの充電器３に２組の組電池４を割り当て、充電スイッチ９により両者を切り替えて充電するものとすれば、同時に３組も組電池４を充電することができる。

＜実施の形態例４＞
本実施の形態例の構成は実施の形態例１と同じであり、同じ図１を用いて説明するが、充電器３の仕様と充電制御法が異なる。整流器２の出力電圧は、実施の形態例１と同じ５６．５Ｖ（Ｖｒ）である。充電器３は、２つの動作モードがあり、動作モードの１つ（第１段階充電モード）では実施の形態例１に記載の通り、出力電流が１０Ａ（Ｉ１）以下である間は出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）であり、出力電流が１０Ａ（Ｉ１）を超えるときは出力電圧が急激に低下（垂下）する。すなわち、垂下設定電流値が１０Ａである。

もう１つの動作モード（第２段階充電モード）では、出力電流が３Ａ（Ｉ２）以下である間は出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）であり、出力電流が３Ａ（Ｉ２）を超えるときは出力電圧が急激に低下（垂下）する。すなわち、垂下設定電流値が３Ａである。

外部信号を受信して、充電器３は第１段階充電モードで組電池４の充電を開始し、充電器３の出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）に達するか、組電池４の時間あたりの温度上昇が５分あたり１℃（α）以上となったとき第１段階の充電は終了する。

この後、充電器３を第２段階充電モードヘ変更して再び充電を開始し、第１の時間（２時間）が経過するか、充電器３の出力電圧が５６．０Ｖ（Ｖｃ）に達したとき第２段階の充電を終了する。

図６は、本実施の形態例の充電制御のフローチャートを説明する図である。充電器３は始動すると、まずステップ２１において充電を指令する外部信号の有無を検知し、外部信号が無い場合はステップ２１に戻り、有る場合はステップ２２に進む。ステップ２２において、組電池４の充電を第１段階充電モードで開始し（１０Ａ一定電流充電）、ステップ２３に進む。ステップ２３において、充電器３の出力電圧ＶｂをＶｃと比較し、Ｖｂの方が低い場合はステップ２４へ進み、ＶｂがＶｃ以上である場合はステップ２５へ進む。ステップ２４において、組電池４の時間あたりの温度上昇がα（５分あたり１℃）以上である場合はステップ２５へ進み、α未満である場合はステップ２３へ戻る。ステップ２５において、第２段階充電モードへ変更し、ステップ２６へ進む。ステップ２６において、充電器３の出力電圧ＶｂをＶｃと比較し、Ｖｂの方が低い場合はステップ２７へ進み、ＶｂがＶｃ以上である場合はステップ２８へ進む。ステップ２７において、第２段階充電モードヘ移行した時点（ステップ２５）から２時間（Ｔ１、第１の時間）が経過している場合はステップ２８へ進み、そうでない場合はステップ２６に戻る。ステップ２８において、組電池４の充電を停止しステップ２１へ戻る。

電池や配線には抵抗の寄与があるため、充電電流が大きいほど充電器３の出力電圧すなわち組電池４の電圧は大きくなる。第１段階の充電の後、充電電流を減らすことにより組電池４の電圧を下げることができるため、第１段階充電で満充電に至らなかった場合でも第２段階充電により充電量を増やすことができる。

Ｖｃの値は充電器３のモードによらず整流器２の出力電圧５６．５Ｖ（Ｖｒ）以下であり、整流器２の出力電圧は負荷６の上限電圧以下であるから、充電器３や組電池４の電圧が負荷６の許容電圧範囲を上回ることはない。よって、組電池４と負荷６の間で降圧する必要がないため、放電器を省くことが可能となる。

第２段階充電の停止条件は、充電器３の出力電圧ＶｂがＶｃ以上の場合あるいは時間経過（Ｔ１）としているが、時間経過の条件を充電電気量（Ａｈ）に置き換えることも可能である。例えば、充電器３の出力電圧ＶｂがＶｃ以上の場合あるいは第２段階充電を開始してからの充電電気量が６Ａｈに達したときに第２段階充電を停止するようにすればよい。

第２段階充電において、時間あたりの温度上昇（ｄＴ／ｄｔ）を停止条件としていない理由は、３Ａ充電（充電レート０．０３Ｃ）では発熱が小さく、満充電となっても温度上昇を検知することが困難であるからである。ただし、第２段階充電の垂下設定電流値が１０Ａ以上であるときは、ｄＴ／ｄｔ検知を充電停止条件に含めてもよい。

また、充電停止の条件に時間経過または充電電気量を含めている理由は、充電器３の出力電圧ＶｂがＶｃを超えたかどうかの条件（ステップ２６）のみとした場合、３Ａ充電（充電レート０．０３Ｃ）では組電池４が満充電を超過して過充電となる場合があるからである。時間経過や充電容量の条件があれば、第１段階で組電池４が満充電となったとしても、第２段階の充電量が抑制され過充電とはならない。

また、本実施の形態例においては、充電器３は整流器２から出力された電力を組電池４の充電に用いているが、充電に必要な電力を整流器２からではなく、商用電源１から入力する方法もある。この方法においては、充電器３は、交流電力を直流電力ヘ変換する、出力電圧Ｖｃ、垂下設定電流値Ｉ１あるいはＩ２のＡＣ/ＤＣコンバータであればよい。

さらに、本実施の形態例で説明した充電器３および充電制御を、前述の実施の形態例２、３に適用することも可能である。実施の形態例２に適用する場合は、全ての充電器３を本実施の形態例の充電器３とし、図６のフローチャートに従って制御されるようにすればよい。実施の形態例３に適用する場合は、充電器３を本実施の形態例の充電器３とし、外部信号が指定する組電池４に対して図６のフローチャートに従って充電スイッチ９を開閉するようにすればよい。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。整流装置と蓄電池および充電器を組み合わせた直流バックアップ電源装置においては、放電器を搭載することにより、コストと設置スペースの増加、放電器故障時の負荷装置故障、電力損失という問題がある。

本発明により、蓄電池の電圧が負荷の許容電圧範囲を上回ることがなく、蓄電池と負荷の問で降圧する必要がないため、放電器を省くことができ、コストと設置スペースを節約し、負荷装置の故障を回避し電力損失を低減する直流バックアップ電源装置を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。本発明の充電制御のフローチャートを説明する図である。本発明の実施の形態例を説明する図である。本発明の実施の形態例を説明する図である。本発明の実施の形態例を説明する図である。本発明の充電制御のフローチャートを説明する図である。整流器と蓄電池を有し、充電器を介して蓄電池の充電を行い、蓄電池は放電器を介して負荷へ放電する直流バックアップ電源システムの構成図である。

符号の説明

１：商用電源、２：整流器、３：充電器、４：組電池、５：放電器、６：負荷、７：ダイオード、８：制御部、９：充電スイッチ、１０：電圧監視手段、１１：温度監視手段、Ｓｇ：充電開始トリガ信号。

Claims

交流電力を直流電力に変換する整流器と、蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器とを有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置において、
前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段とが具備され、
前記蓄電池から前記負荷への放電は、前記蓄電池からの放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して行われ、
前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、
前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、
前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、
ＶｃはＶｒ以下であり、
充電開始トリガ信号を受信したとき、前記充電器は前記蓄電池へ充電を開始し、
前記充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは前記蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたときに充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器を有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置において、
各前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、各前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段とが具備され、
前記蓄電池はそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され前記負荷へ接続され、
前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、
前記蓄電池はそれぞれ前記充電器を有し、
複数の前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、
前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、
ＶｃはＶｒ以下であり、
充電開始トリガ信号を受信したとき、前記信号が指定する前記蓄電池と対をなす前記充電器は該蓄電池の充電を開始し、
該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたとき該蓄電池への充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器を有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置において、
各前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、各前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段と、充電制御手段とが具備され、
前記蓄電池はそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され前記負荷へ接続され、
前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、
前記蓄電池はそれぞれ前記充電器を有し、
複数の前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、
前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、
ＶｃはＶｒ以下であり、
前記充電制御手段は、充電開始トリガ信号を受信したとき、前記信号が指定する前記蓄電池と対をなす前記充電器に該蓄電池の充電を開始させ、該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたとき該蓄電池への充電を停止させる制御を行うことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器を有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置において、
各前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、各前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段と、充電制御手段とが具備され、
前記蓄電池はそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され前記負荷へ接続され、
前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、
前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、
各前記蓄電池は充電スイッチを介して前記充電器に接続し、
前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、
ＶｃはＶｒ以下であり、
前記充電制御手段は、充電開始トリガ信号を受信したとき、前記信号が指定する前記蓄電池に接続する前記充電スイッチを閉成して該蓄電池の充電を開始させ、充電動作中の前記充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたとき閉成中の該充電スイッチを開放して、該蓄電池への充電を停止させる制御を行うことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
交流電力を直流電力に変換する整流器と、蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器とを有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置を制御する、直流バックアップ電源装置の制御方法において、
該直流バックアップ電源装置は、前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段とを具備し、
前記蓄電池から前記負荷への放電は、前記蓄電池からの放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して行われ、
前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、
前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、
前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、
ＶｃはＶｒ以下であり、
充電開始トリガ信号を受信したとき、前記充電器は前記蓄電池へ充電を開始し、
前記充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは前記蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたときに充電を停止することを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法。
交流電力を直流電力に変換する整流器と、複数の蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電器を有し、前記整流器または前記蓄電池が出力する電力を負荷へ供給する直流バックアップ電源装置を制御する、直流バックアップ電源装置の制御方法において、
該直流バックアップ電源装置は、各前記充電器の出力電圧を監視する電圧監視手段と、各前記蓄電池の温度を監視する温度監視手段とを具備し、
前記蓄電池はそれぞれ放電方向にのみ電力を通すダイオードを介して並列接続され前記負荷へ接続され、
前記整流器から前記負荷への給電は、前記ダイオードを介さずに行われ、
前記蓄電池はそれぞれ前記充電器を有し、
複数の前記充電器はＶｃ以下の出力電圧で直流電力を前記ダイオードを介さずに供給し、出力電流が予め設定された垂下設定電流値を超えると出力電圧低下を起こす垂下機能を有するものであり、
前記整流器の出力電圧Ｖｒは、前記負荷の許容電圧の上限値Ｖｍａｘ以下であり、
ＶｃはＶｒ以下であり、
充電開始トリガ信号を受信したとき、前記信号が指定する前記蓄電池と対をなす前記充電器は該蓄電池の充電を開始し、
該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第１の設定値を超えたとき該蓄電池への充電を停止することを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法。
請求項１ないし４のいずれかに記載の直流バックアップ電源装置において、
前記充電器が垂下設定電流値Ｉ１での充電を停止した後、該充電器が、Ｉ１より小さい垂下設定電流値Ｉ２での充電を再び開始し、
充電再開後一定時間が経過したとき、あるいは該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第２の設定値を超えたとき充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載の直流バックアップ電源装置において、
前記充電器が垂下設定電流値Ｉ１での充電を停止した後、該充電器が、Ｉ１より小さい垂下設定電流値Ｉ２での充電を再び開始し、
該蓄電池の充電電気量が予め定められた一定値に達したとき、あるいは該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第２の設定値を超えたとき充電を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
請求項５または６に記載の、直流バックアップ電源装置の制御方法において、
前記充電器が垂下設定電流値Ｉ１での充電を停止した後、該充電器が、Ｉ１より小さい垂下設定電流値Ｉ２での充電を再び開始し、
充電再開後一定時間が経過したとき、あるいは該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第２の設定値を超えたとき充電を停止することを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法。
請求項５または６に記載の、直流バックアップ電源装置の制御方法において、
前記充電器が垂下設定電流値Ｉ１での充電を停止した後、該充電器が、Ｉ１より小さい垂下設定電流値Ｉ２での充電を再び開始し、
該蓄電池の充電電気量が予め定められた一定値に達したとき、あるいは該充電器の出力電圧がＶｃ以上となったとき、あるいは該蓄電池の時間あたりの温度上昇が予め定められた第２の設定値を超えたとき充電を停止することを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法。
請求項１、２、３、４、７または８に記載の直流バックアップ電源装置において、
前記蓄電池は、ニッケル水素蓄電池であることを特徴とする直流バックアップ電源装置。
請求項５、６、９または１０に記載の、直流バックアップ電源装置の制御方法において、
前記蓄電池は、ニッケル水素蓄電池であることを特徴とする、直流バックアップ電源装置の制御方法。