JP2009153282A - バックアップ電源およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストとスペースを節約し、安定した直流電力を供給するバックアップ電源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から入力した交流電力を直流電力に変換する整流器２と、組電池４を充電する充電器３と、組電池４が出力する電力を、そのまま、あるいは昇圧してして出力する放電器５とから構成されるバックアップ電源であって、商用電源１が有効であるとき、整流器２から出力される電力が負荷６へ供給され、充電器３は整流器２から出力される電力を用いて組電池４の充電を行い、商用電源１が停電のとき、整流器２は直流電力を出力せず、組電池４の電力が放電器５を介して、そのまま、あるいは昇圧されて負荷６へ供給されることを特徴とするバックアップ電源を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明はバックアップ電源およびその制御方法に関し、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のバックアップを行うバックアップ電源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、３には、複数の組電池と、充電制御手段と、放電制御手段とを備えた電源装置が記載され、特許文献１には、組電池の製造日付に基づいて組電池使用可能期間を算出して組電池交換日付を表示することが記載され、特許文献２には、組電池の放電容量試験を実行する電池監視手段を設けることが記載され、特許文献３には、前記電池監視手段が組電池の残存容量を算出し、その結果に基づいて当該組電池の補充電時期を決定することが記載されている。
特開２００４−１１９１１２号公報 特開２００４−１２０８５６号公報 特開２００４−１２０８５７号公報

整流装置と蓄電池、充電器および放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５に示す。図５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充電器３と負荷６へ供給している。複数の電池を接続して組電池４を構成して、これを１系列とし、６系列を搭載する。

組電池４はそれぞれ、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。この範囲を越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５５Ｖ、組電池４をニッケル水素蓄電池セル（定格１．２Ｖ、１００Ａｈ）を３６セル直列接続してなる組電池（定格４３．２Ｖ、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。ニッケル水素蓄電池セルの電圧は、満充電時には１．６Ｖに達し、放電の可能な最低電圧（最低放電電圧）は１．０Ｖである。つまり、満充電時には組電池４の電圧は５７．６Ｖに達し、また組電池４の最低放電電圧は３６Ｖである。このように、組電池４の使用範囲が負荷６の許容電圧範囲を上下ともに逸脱しているため、放電器５は昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータである必要がある。放電器５は、組電池４の電圧が５４Ｖを上回るときは降圧動作により出力電圧を５４Ｖに維持し（降圧モード）、５４Ｖ以下であるときは入力電圧をそのまま出力し（直結モード）、４２Ｖ以下であるときは昇圧動作により出力電圧を４２Ｖに維持する（昇圧モード）。

放電器５は降圧と昇圧の両方の機能を有するため、降圧回路と昇圧回路の２つの回路が必要であり、放電器の複雑化やコストとスペースの増加の要因となり、また、直結モードでも降圧回路、昇圧回路を経由するため、損失を増大させるという問題がある。解決方法としては、降圧あるいは昇圧時にそれぞれの回路だけを通過させて出力し、さらに直結モードでは別のバイパス回路を介して出力する方法があるが、回路の切替時に出力電圧が瞬間的に変動して出力電圧が不安定化する要因となる。

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、昇降圧型の放電器により、回路の複雑化、コストとスペースの増加、出力電圧の不安定化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、コストとスペースを節約し、安定した直流電力を供給するバックアップ電源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、
１つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力を、そのまま、あるいは昇圧して出力する放電器とを構成要素とするバックアップ電源の制御方法であって、前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ_ＨおよびＶ_Ｌとするとき、前記整流器の出力電圧Ｖｒと、前記放電器の出力電圧に関連する電圧Ｖｄとを、関係式：
Ｖ_Ｈ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ_Ｌ
が成立するように選び、前記放電器の出力電圧がＶｄを下回らないように制御することを特徴とする、バックアップ電源の制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
１つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力を、そのまま、あるいは昇圧して出力する放電器とを構成要素とするバックアップ電源であって、前記放電器には、前記組電池と前記負荷との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路に、前記組電池に近い側にリアクトルが、前記負荷に近い側に、前記組電池から前記負荷へ電力が供給される向きのダイオードが、それぞれ、挿入され、前記リアクトルと前記ダイオードとの間の電路と他方の電路との間にスイッチング素子が挿入され、前記ダイオードよりも前記負荷側にある電路と他方の電路との間にコンデンサが挿入されていることを特徴とするバックアップ電源を構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
１つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力を、そのまま、あるいは昇圧して出力する放電器とを構成要素とするバックアップ電源であって、前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ_ＨおよびＶ_Ｌとするとき、前記整流器の出力電圧Ｖｒと、前記放電器の出力電圧に関連する電圧Ｖｄと、前記組電池の充電最高電圧Ｖｍａｘと、前記組電池の最低放電電圧Ｖｍｉｎとが、関係式：
Ｖ_Ｈ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ_Ｌ
および関係式：
Ｖｒ≧Ｖｍａｘ≧Ｖｄ≧Ｖｍｉｎ
が成立するように選ばれ、前記放電器の出力電圧がＶｄを下回らないように制御されることを特徴とするバックアップ電源を構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
１つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力を、そのまま、あるいは昇圧して出力する放電器とを構成要素とするバックアップ電源の制御方法であって、前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ_ＨおよびＶ_Ｌとするとき、前記整流器の出力電圧Ｖｒと、前記放電器の出力電圧に関連する電圧Ｖｄと、前記組電池の充電最高電圧Ｖｍａｘと、前記組電池の最低放電電圧Ｖｍｉｎとを、関係式：
Ｖ_Ｈ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ_Ｌ
および関係式：
Ｖｒ≧Ｖｍａｘ≧Ｖｄ≧Ｖｍｉｎ
が成立するように選び、前記放電器の出力電圧がＶｄを下回らないように制御することを特徴とする、バックアップ電源の制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項２または３に記載のバックアップ電源において、複数の前記組電池が、それぞれと対をなす前記放電器を介して、前記整流器から前記負荷への給電線に並列接続されていることを特徴とするバックアップ電源を構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
請求項１または４に記載のバックアップ電源の制御方法において、複数の前記組電池が、それぞれと対をなす前記放電器を介して、前記整流器から前記負荷への給電線に並列接続されていることを特徴とするバックアップ電源の制御方法を構成する。

本発明に係るバックアップ電源を構成することによって、放電器の回路が簡素化され、コストとスペースの削減が可能となり、また放電器のモード切替時の出力電圧は、瞬間的な変動無しに、連続的に変化するため出力電圧が安定化する。

本発明に係るバックアップ電源においては、組電池の充電最高電圧を負荷の許容上限電圧以下の整流器出力電圧以下とし、放電器を昇圧回路のみで構成し、昇圧が必要な場合だけ昇圧動作させて他は直結動作させる。

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バックアップ電源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。図において、商用電源１から入力した交流電力を直流電力に変換する整流器２と、組電池４を充電する充電器３と、組電池４が出力する電力を変換して負荷６へ出力する放電器５とから、バックアップ電源が構成されている。

商用電源１が有効であるとき、整流器２から出力される電力が負荷６へ供給され、充電器３は整流器２から出力される電力を用いて組電池４の充電を行う。

商用電源１が停電のとき、整流器２は直流電力を出力せず、組電池４の電力が放電器５を介して負荷６へ供給される。

充電器３は、充電を開始する信号を受信したとき、組電池４の一定電流（２０Ａ）による充電を開始し、満充電を検知して充電を終了する。

負荷６の許容電圧範囲は、５７Ｖ（Ｖ_Ｈ）〜４０．５Ｖ（Ｖ_Ｌ）、すなわち許容上限電圧：Ｖ_Ｈ＝５７Ｖ、許容下限電圧：Ｖ_Ｌ＝４０．５Ｖであり、整流器２および放電器５の出力電圧は、少なくともこの範囲内である必要がある。商用電源１からの給電を優先するため、整流器２の出力電圧は放電器５の出力電圧よりも高く設定する。ここでは、整流器２の出力電圧を５５Ｖ（Ｖｒ）とする。放電器５は、整流器２の出力電圧より低く、かつ負荷６の許容電圧範囲にある電圧を出力する必要があるが、放電器５でどのような動作が必要であるかは、組電池４の使用電圧範囲により決まる。

組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格１．２Ｖ、１００Ａｈ）を複数直列接続して構成した組電池である。組電池４は、充電器３により充電されるが、充電に伴って電池電圧が上昇し、充電末期においては１セル当り１．６Ｖに達する。また、組電池４は放電に伴って電圧が低下し、１セル当りの電圧が１．０Ｖに達するまで可能である。この電圧を下回って放電継続した場合にはニッケル水素蓄電池の劣化が促進されるため放電を禁止する必要がある。つまり、ニッケル水素蓄電池セルの使用電圧範囲は、１．６Ｖ（充電末期電圧）〜１．０Ｖ（最低放電電圧）である。

組電池４を構成するニッケル水素蓄電池セルの直列数によって、組電池４の使用電圧範囲が決定されるが、以下のように直列数の設定よって放電器５に必要な機能が大きく変化する。

（ケース１）
６０セル直列の場合。使用電圧範囲は９６Ｖ（充電最高電圧Ｖｍａｘ）〜６０Ｖ（最低放電電圧Ｖｍｉｎ）であり、負荷６の許容電圧範囲を超えている。よって、放電器５は組電池４の電圧によらず常に降圧動作を行い出力電圧を５４Ｖに維持するものである必要がある。

（ケース２）
４０セル直列の場合。使用電圧範囲は６４Ｖ（充電最高電圧Ｖｍａｘ）〜４０Ｖ（最低放電電圧Ｖｍｉｎ）であり、負荷６の許容電圧範囲が使用電圧範囲に含まれているため、降圧も昇圧も必要としない場合がある。放電器５の最高出力電圧を５４Ｖとし、出力電圧が５４Ｖを上回ろうとするときは出力電圧を５４Ｖに維持し、組電池４の電圧が低く出力電圧が５４Ｖ以下であるときは降圧動作をしないことによって組電池４が出力する電力をそのまま負荷６へ供給することができる。負荷６の最低許容電圧（４０．５Ｖ）が組電池４の最低放電電圧（４０Ｖ）より高いが、４０．５Ｖから４０Ｖまでの放電容量は実用上ほとんど無視できるため、この領域での昇圧は不要である。

（ケース３）
３３セル直列の場合。使用電圧範囲は５２．８Ｖ（充電最高電圧Ｖｍａｘ）〜３３Ｖ（最低放電電圧Ｖｍｉｎ）となる。この場合にも、負荷６の許容電圧範囲の一部が、この使用電圧範囲に含まれている。放電器５は、出力電圧が４２Ｖを超えているときは昇圧動作をしないことによって組電池４が出力する電力をそのまま負荷６へ供給し、４２Ｖを下回ろうとするときは昇圧動作により出力電圧を４２Ｖに維持する。このケースにおける放電器５の最低出力電圧４２Ｖは、放電器５の出力から負荷６への電圧降下（１．５Ｖ）を考慮した値である。

以上３つのケースのうち、ケース１では、放電器５は常時降圧であり、ケース２では、組電池４の電圧が高い場合のみ降圧で他は組電池４をそのまま出力し、ケース３では組電池４の電圧が低い場合のみ昇圧で他は組電池４をそのまま出力する。

放電効率を高めるためには、ケース２あるいは３のように、組電池４をそのまま出力できる場合があるのが望ましい。この２つのケースの違いは、組電池４の電圧が負荷６の許容範囲を逸脱したときに放電器５で昇圧と降圧のどちらを用いるかということである。

放電器５が降圧、昇圧の機能を有するには、例えば、それぞれ図３（降圧）、図４（昇圧）の回路が必要である。降圧回路（図３）、昇圧回路（図４）は、それぞれリアクトル７、コンデンサ８、ダイオード９、スイッチング素子１０、および制御部１１から構成されている。

この場合に、スイッチング素子１０ａ、１０ｂは電界効果トランジスタ（ＦＦＴ）であるが、それらはエンハンスメント型であるとする。エンハンスメント型ＦＥＴとは、ゲート−ソース間に電位差がないときはドレイン−ソース間が開放であり、ゲート−ソース間の電位差増加にしたがってドレイン−ソース間の抵抗が減少し、一定の電位差以上では導通とみなすことができるスイッチング素子である。

制御部１１は、出力電圧を監視し、降圧回路（図３）においては出力電圧が上限値を上回らないように、昇圧回路（図４）においては出力電圧が下限値を下回らないように、スイッチング素子１０へのＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号にかかるデューティー比を設定する。ここで、デューティー比とは、ＰＷＭ信号のＯＮ時間の比率のことであり、スイッチング素子１０ａ、１０ｂがエンハンスメント型であるので、両回路のいずれにおいても、デューティー比を下げる（ＯＦＦ時間の比率を上げる）ことにより出力電圧は低下し、デューティー比を上げる（ＯＮ時間の比率を上げる）ことにより出力電圧は上昇する。ただし、昇圧回路の場合には、デューティー比は必ず１００％よりも低いものとする。降圧回路（図３）においては、出力電圧が上限値を上回ろうとするときにデューティー比を下げる制御を行い、昇圧回路（図４）においては、出力電圧が下限値を下回ろうとするときにデューティー比を上げる制御を行う。

降圧回路（図３）において、降圧する必要がない場合（ケース２で組電池４の電圧が低い場合）は、スイッチング素子１０ａを導通（デューティー比＝１００％）に維持することによって、降圧動作をせずに組電池４からの入力をそのまま負荷６へ出力することができる。

また、昇圧回路（図４）において、昇圧する必要がない場合（ケース３で組電池４の電圧が高い場合）は、スイッチング素子１０ｂを開放（デューティー比＝０）に維持することによって、昇圧動作をせずに組電池４からの入力をそのまま負荷６へ出力することができる。

降圧回路（図３）の動作は、降圧回路の出力電圧が、予め定めた上限値を上回ろうとするとき、スイッチング素子１０ａのスイッチング動作によりデューティー比が下げられ、降圧され出力電圧は上限値に維持される。出力電圧が上限値以下であるときは、スイッチング素子１０ａはスイッチング動作ではなく導通（デューティー比１００％）に維持されることにより、組電池４を負荷６へそのまま接続（直結）する。よって、降圧から直結に変化するときの出力電圧は、瞬間的な変動無しに、連続となる。

昇圧回路（図４）の動作は、昇圧回路の出力電圧が、予め定めた下限値を下回ろうとするとき、スイッチング素子１０ｂのスイッチング動作によりデューティー比が上げられ、昇圧され出力電圧は下限値に維持される。出力電圧が下限値以上であるときは、スイッチング素子１０ｂはスイッチング動作ではなく開放（デューティー比０）に維持されることにより、組電池４を負荷６へそのまま接続（直結）する。これによって、放電器５の出力電圧が予め定めた下限値（下記のＶｄ）を下回らないように制御することが可能となる。また、直結から昇圧に変化するときに出力電圧は、瞬間的な変動無しに、連続となる。

商用電源１の停電時に、組電池４は放電器５を介して放電するが、放電初期において、降圧回路（図３）を用いるケース２では降圧動作であり、昇圧回路（図４）を用いるケース３では直結動作である。降圧動作中（降圧回路、図３）は、スイッチング動作の故障により放電の停止や過電圧出力が起こる可能性があるが、直結動作（昇圧回路、図４）ではスイッチング素子１０ｂを開放とするのみであるため制御が簡単であり、直結動作の方が給電信頼度は高い。

つまり、放電効率を高めるために、放電動作中の一部で降圧あるいは昇圧をして他は直結とする方法が有効であるが、昇圧回路を用いる方が、放電初期における放電器の故障確率が低いこと、また一般に短時間の停電ほど頻度が高いことから、給電信頼性の向上につながる。

また、降圧回路（図３）では、スイッチング素子１０ａが故障により短絡した場合、降圧されない組電池４の電圧が負荷６へ出力され、許容されない高電圧の出力により負荷装置を故障させる可能性があるが、昇圧回路（図４）では、スイッチング素子１０ｂが故障により短絡しても放電器内の故障にとどまり、過電圧の出力がない。

さらに、降圧回路（図３）において、スイッチング素子１０ａが故障により開放した場合、組電池４と負荷６は完全に切り離され負荷６への給電が停止するが、昇圧回路（図４）では、スイッチング素子１０ｂが故障により開放しても、組電池４の電圧が高い間は負荷６への給電は継続される。

よって、本実施の形態例においては、ニッケル水素蓄電池セルを３３セル直列接続して組電池４を構成するケース３とし、降圧回路は具備されていないものとする。

放電器５は図４の昇圧回路を有し、組電池４の電圧が高く出力電圧が４２Ｖ（Ｖｄ、これは放電器５の出力下限電圧に等しい）以上であるときはスイッチング素子１０ｂを開放することによって組電池４が出力する電力をそのまま負荷６へ供給し（直結モード）、出力電圧が４２Ｖを下回ろうとするときはスイッチング素子１０ｂのスイッチング動作により出力電圧を４２Ｖに維持する（昇圧モード）。これによって、放電器５の出力電圧は４２Ｖ（Ｖｄ）を下回らないよいに制御される。

直結モードの期間が長いほど効率は改善するため、放電器５の出力下限電圧Ｖｄ（４２Ｖ）を低く設定するのが望ましいが、整流器２の出力電圧Ｖｒ（５５Ｖ）以下であり、また負荷６の許容電圧範囲（許容上限電圧Ｖ_Ｈ：５７Ｖ〜許容下限電圧Ｖ_Ｌ：４０．５Ｖ）とする条件があるため、以下の式を満たすように電圧を設定すればよい。

Ｖ_Ｈ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ_Ｌ （１）
放電器５が昇圧モードと直結モードの２つだけの動作とするには、昇圧時の出力電圧Ｖｄは組電池４の充電最高電圧Ｖｍａｘと最低放電電圧Ｖｍｉｎの間にあり、Ｖｍａｘが整流器２の出力電圧Ｖｒ以下である、すなわち
Ｖｒ≧Ｖｍａｘ≧Ｖｄ≧Ｖｍｉｎ （２）
とすればよい。

上記の式（１）および（２）が満足されるかぎりにおいて、Ｖｍａｘはなるべく高く、Ｖｄはなるべく低く設定されることが望ましい。

以上のように、組電池の充電最高電圧Ｖｍａｘを負荷の許容上限電圧以下の整流器出力電圧以下とし、放電器を昇圧回路のみで構成し、昇圧が必要な場合だけ昇圧動作させて他は直結動作させることによって、コストとスペースを節約し、動作の移行時にも出力電圧が変化しないバックアップ電源を構築することができる。

＜実施の形態例２＞
図１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、商用電源１から入力した交流電力を直流電力に変換する整流器２と、組電池４を充電する充電器３と、組電池４が出力する電力を変換して負荷６へ出力する放電器５から構成されるバックアップ電源を構成する。

商用電源１が有効であるとき、整流器２から出力される電力が負荷６へ供給され、充電器３は整流器２から出力される電力を用いて組電池４の充電を行う。商用電源１が停電のとき、整流器２は直流電力を出力せず、組電池４の電力が放電器５を介して負荷６へ供給される。充電器３は、充電を開始する信号を受信したとき、組電池４を一定電流（６Ａ）による充電を開始し、満充電を検知して充電を終了する。

負荷６の許容電圧範囲は、１５Ｖ（Ｖ_Ｈ）〜１０．５Ｖ（Ｖ_Ｌ）であり、整流器２および放電器５の出力電圧は、少なくともこの範囲内である必要がある。商用電源１からの給電を優先するため、整流器２の出力電圧は放電器５の出力電圧よりも高く設定する。ここでは、整流器２の出力電圧を１４．７Ｖ（Ｖｒ）とする。放電器５は、整流器２の出力電圧より低く、かつ負荷６の許容電圧範囲にある電圧を出力する必要があるが、放電器５でどのような動作が必要であるかは、組電池４の使用電圧範囲により決まる。

組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格１．２Ｖ、６Ａｈ）を複数直列接続して構成した組電池である。組電池４は、充電器３により充電されるが、充電に伴って電池電圧が上昇し、充電末期においては１セル当り１．６Ｖに達する。また、組電池４は放電に伴って電圧が低下し、１セル当りの電圧が１．０Ｖに達するまで可能である。この電圧を下回って放電継続した場合にはニッケル水素蓄電池の劣化が促進されるため放電を禁止する必要がある。つまり、ニッケル水素蓄電池セルの使用電圧範囲は、１．６Ｖ（充電最高電圧）〜１．０Ｖ（最低放電電圧）である。

組電池４を構成するニッケル水素蓄電池セルの直列数によって、組電池４の使用電圧範囲が決定されるが、実施の形態例１と同様に考え、放電器５を昇圧回路のみで構成するために、ニッケル水素蓄電池セルを９セル直列接続して組電池４を構成する。ここで、組電池４の使用電圧範囲は１４．４Ｖ（Ｖｍａｘ）〜９Ｖ（Ｖｍｉｎ）となる。

放電器５は図４の昇圧回路を有し、組電池４の電圧が高く出力電圧が１１．５Ｖ（Ｖｄ）以上であるときはスイッチング素子１０ｂを開放することによって組電池４が出力する電力をそのまま負荷６へ供給し（直結モード）、出力電圧が１１．５Ｖを下回ろうとするときはスイッチング素子１０ｂのスイッチング動作により出力電圧を１１．５Ｖに維持する（昇圧モード）。この放電器５の出力下限電圧１１．５Ｖ（Ｖｄ）は、放電器５の出力から負荷６への電圧降下（１．０Ｖ）を考慮した値である。

直結モードの期間が長いほど効率は改善するため、放電器５の出力下限電圧Ｖｄ（１１．５Ｖ）を低く設定するのが望ましいが、整流器２の出力電圧Ｖｒ（１４．７Ｖ）以下であり、また負荷６の許容電圧範囲（許容上限電圧Ｖ_Ｈ：１５Ｖ〜許容下限電圧Ｖ_Ｌ：１０．５Ｖ）とする条件があるため、以下の式を満たすように電圧を設定すればよい。

Ｖ_Ｈ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ_Ｌ （１）
放電器５が昇圧モードと直結モードの２つだけの動作とするには、昇圧時の出力電圧Ｖｄは組電池４の充電最高電圧Ｖｍａｘと最低放電電圧Ｖｍｉｎの間にあり、Ｖｍａｘが整流器２の出力電圧Ｖｒ以下である、すなわち
Ｖｒ≧Ｖｍａｘ≧Ｖｄ≧Ｖｍｉｎ （２）
とすればよい。

以上のように、組電池の充電最高電圧を負荷の許容上限電圧以下の整流器出力電圧以下とし、放電器を昇圧回路のみで構成し、昇圧が必要な場合だけ昇圧動作させて他は直結動作させることによって、コストとスペースを節約し、動作の移行時にも出力電圧が変化しないバックアップ電源を構築することができる。

＜実施の形態例３＞
実施の形態例１および２においては、組電池４、充電器３、放電器５が１つずつのバックアップ電源について適用しているが、図２に示す組電池４を複数系列搭載するバックアップ電源においても適用可能である。組電池４ごとに充電器３と放電器５を接続し、組電池４はニッケル水素蓄電池セルを直列接続したもの、充電器３、放電器５および整流器２は実施の形態例１あるいは２と同じ性能を持つものとすればよい。

以上、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バックアップ電源である場合を例として説明したが、本発明はこれに限られるものではない。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

（１）放電器が昇圧と降圧と両方の機能を有する場合、２つの回路を構成することにより回路が複雑化し、コストとスペースの増加を招くという問題がある。

本発明により、放電器は昇圧回路のみであるため、回路を単純化しコスト、スペースを節約するバックアップ電源を提供することが可能となる。

（２）動作モードが変化する放電器、例えば昇圧動作時と直結動作時の放電経路が異なる放電器の場合、動作モードの変化時に出力電圧が瞬間的に変動し、負荷への出力電圧が不安定化するという問題がある。

本発明により、動作モードの変化時には出力電圧は、瞬間的な変動無しに、連続となるため、安定した出力電圧により給電を行うことができる。

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。 降圧回路の構成を説明する図である。 昇圧回路の構成を説明する図である。 整流装置、蓄電池、充電器および放電器を組み合わせた直流バックアップ電源システムを説明する図である。

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：リアクトル、８：コンデンサ、９：ダイオード、１０（１０ａ、１０ｂ）：スイッチング素子、１１（１１ａ、１１ｂ）：制御部。

Claims (6)

1. １つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力を、そのまま、あるいは昇圧して出力する放電器とを構成要素とするバックアップ電源の制御方法であって、
   前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ_ＨおよびＶ_Ｌとするとき、前記整流器の出力電圧Ｖｒと、前記放電器の出力電圧に関連する電圧Ｖｄとを、関係式：
   Ｖ_Ｈ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ_Ｌ
   が成立するように選び、
   前記放電器の出力電圧がＶｄを下回らないように制御することを特徴とする、バックアップ電源の制御方法。
2. １つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力を、そのまま、あるいは昇圧して出力する放電器とを構成要素とするバックアップ電源であって、
   前記放電器には、前記組電池と前記負荷との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路に、前記組電池に近い側にリアクトルが、前記負荷に近い側に、前記組電池から前記負荷へ電力が供給される向きのダイオードが、それぞれ、挿入され、前記リアクトルと前記ダイオードとの間の電路と他方の電路との間にスイッチング素子が挿入され、前記ダイオードよりも前記負荷側にある電路と他方の電路との間にコンデンサが挿入されていることを特徴とするバックアップ電源。
3. １つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力を、そのまま、あるいは昇圧して出力する放電器とを構成要素とするバックアップ電源であって、
   前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ_ＨおよびＶ_Ｌとするとき、前記整流器の出力電圧Ｖｒと、前記放電器の出力電圧に関連する電圧Ｖｄと、前記組電池の充電最高電圧Ｖｍａｘと、前記組電池の最低放電電圧Ｖｍｉｎとが、関係式：
   Ｖ_Ｈ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ_Ｌ
   および関係式：
   Ｖｒ≧Ｖｍａｘ≧Ｖｄ≧Ｖｍｉｎ
   が成立するように選ばれ、
   前記放電器の出力電圧がＶｄを下回らないように制御されることを特徴とするバックアップ電源。
4. １つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力を、そのまま、あるいは昇圧して出力する放電器とを構成要素とするバックアップ電源の制御方法であって、
   前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ_ＨおよびＶ_Ｌとするとき、前記整流器の出力電圧Ｖｒと、前記放電器の出力電圧に関連する電圧Ｖｄと、前記組電池の充電最高電圧Ｖｍａｘと、前記組電池の最低放電電圧Ｖｍｉｎとを、関係式：
   Ｖ_Ｈ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ_Ｌ
   および関係式：
   Ｖｒ≧Ｖｍａｘ≧Ｖｄ≧Ｖｍｉｎ
   が成立するように選び、
   前記放電器の出力電圧がＶｄを下回らないように制御することを特徴とする、バックアップ電源の制御方法。
5. 請求項２または３に記載のバックアップ電源において、
   複数の前記組電池が、それぞれと対をなす前記放電器を介して、前記整流器から前記負荷への給電線に並列接続されていることを特徴とするバックアップ電源。
6. 請求項１または４に記載のバックアップ電源の制御方法において、
   複数の前記組電池が、それぞれと対をなす前記放電器を介して、前記整流器から前記負荷への給電線に並列接続されていることを特徴とするバックアップ電源の制御方法。

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