JP2011151952A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換効率だけでなく二次電池の充電効率を考慮して二次電池の充電を制御することにより電力損失をより効果的に削減可能な電源装置を提供する。
【解決手段】二次電池４を内蔵し、ＡＣ／ＤＣコンバーター３の電力変換効率や二次電池４の充電効率から二次電池を使用する場合の得失を動的に計算する。二次電池４の充電による電力の損失を電力変換効率の改善による消費電力の削減が上回る場合には、ＡＣ／ＤＣコンバーター３から負荷に電力供給を行い、二次電池４を充電する。二次電池４が充電された後は、ＡＣ／ＤＣコンバーター３を停止させて二次電池４から負荷に電力供給を行う。二次電池４が放電された後は二次電池４を充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＣ／ＤＣコンバーターやＤＣ／ＤＣコンバーター等を用いた電源装置に関するものである。

近年、地球温暖化問題に対する企業の取り組みが大きく注目を集めており、今後、企業において、ＣＯ_２排出量の削減が経営指標として扱われる可能性が高くなる等、環境に対する配慮への関心が高まっている。しかしながら、ＩＴ機器等の高性能化によりこれらＩＴ機器機器が消費する電力は増加傾向にあり、ＩＴ機器の消費電力を削減することが急務となっている。

ところで、従来の電源装置は負荷が重い場合には電力変換効率が高いが、負荷が軽い場合には電力変換効率が低くなってしまう。そのため、常時、高い負荷はかかっておらず、例えば、負荷が軽い時間が長いサーバー等においては電源装置による電力損失が大きくなるという課題があった。

そこで、例えば、特許文献１には、ピーク時の電力の一部を二次電池から賄うことにより、ＡＣ／ＤＣコンバーターの小型、軽量化を図ると共に、負荷の消費電力が小さい間はＡＣ／ＤＣコンバーターを停止させて、二次電池から負荷に電力を供給することが記載されている。

特許文献２には、ＡＣアダプタ等の電源部を接続した電気機器においてＡＣアダプタがシステムに接続された状態でシステムが電源オフ又は軽負荷時にバッテリーからシステムに電源を供給することが記載されている。

特許文献３には、スイッチング電源（ＰＳＵ）の高効率時の電力を充電部に蓄積しておき、ＰＳＵの低効率時に充電部の蓄積電力を使用して負荷に電力を供給することが記載されている。

特許文献４には、蓄電装置の残容量が所定値以下となった場合には、負荷の電子機器に対する電力供給を電源供給装置に切り換えると共に、電源供給装置の変換効率が最も高くなるように充電装置を充電するために電源供給装置から供給される電流を制御することが記載されている。

特許文献５には、電子システムが交流電源から生成された直流電流で稼働中に電子システムの消費電力を求め、電子システムがバッテリーからの電力で稼働を開始する時にバッテリーの充電残量と消費電力の値に基づいてバッテリーの接続時間を求めることが記載されている。

再表２００２／０６１９１７号公報 特開２００２−０６２９５２号公報 特開２００４−０７４５５８号公報 特開２００７−３１２４９９号公報 特開平０９−０４４２７４号公報

特許文献１乃至３のものは、負荷が軽い場合等に二次電池（バッテリー）から負荷に電力を供給することにより電力損失を改善しているが、二次電池の充電効率を考慮して電力削減を行うことは言及されていない。

また、特許文献４には、電流供給装置から充電装置を充電する際に電源供給装置の変換効率が最も高くなるように電源供給装置の電流を制御することに関しては記載されているが、電源供給装置の変換効率のみが考慮され、二次電池の充電効率を考慮することは記載されていない。特許文献５のものは停電時等にバッテリーから負荷に電力を供給するものであり、消費電力を削減することは記載されていない。

本発明の目的は、電力変換効率だけでなく、二次電池の充電効率をも考慮して電力変換回路や二次電池の充電を制御することにより、電力損失をより効果的に削減することが可能な電源装置を提供することにある。

本発明は、電源装置にリチウムイオン電池等の二次電池を内蔵し、電力変換回路（ＡＣ／ＤＣコンバーター又はＤＣ／ＤＣコンバーター）の電力変換効率や二次電池の充電効率から二次電池を使用する場合の得失を動的に計算する。そして、「二次電池を充電することによる電力の損失」を「電力変換効率の改善による消費電力の削減」が上回る場合には、電力変換回路から負荷に電力供給を行うと共に二次電池を充電する。二次電池が充電された後は、電力変換回路の動作を停止させて二次電池からのみ負荷に電力供給を行い、二次電池がある程度まで放電された後は、再び二次電池を充電する。

本発明によれば、電力変換回路の電力変換効率と二次電池の充電効率に基づいて電力変換回路の電力供給と二次電池の充電を制御することにより、常に電力変換効率の高い領域で運転することによって電力変換回路の電力損失を削減できるばかりでなく、二次電池の充電時における電力損失を最小限に抑えられるため、電力損失をより効果的に削減することが可能となる。

本発明に係る電源装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 図１の電源装置の動作を説明するフローチャートである。 ＡＣ／ＤＣコンバーターの出力電力と電力変換効率との関係を示す図である。 二次電池の充電電力と充電効率との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施形態の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第４の実施形態を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
次に、発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る電源装置の第１の実施形態を示すブロック図である。電源装置１はＡＣラインと負荷との間に接続され、商用電源等の交流電力を直流電力に変換する電源装置の例を示す。電源装置１は、各部を制御する制御回路２、交流電圧から所定電圧の直流電源に変換するＡＣ／ＤＣコンバーター３、リチウムイオン電池等の二次電池４、充電回路５、放電回路６、効率テーブル７、タイマー８等を備えている。ＡＣ／ＤＣコンバーター３は出力電圧を所定の一定電圧に安定化する。

効率テーブル７は、ＡＣ／ＤＣコンバーター３の出力電力と電力変換効率との関係、或いは二次電池４の充電電力と充電効率との関係を予め記憶している。タイマー８は後述するように二次電池４の充電時間の測定に用いられる。

制御回路２は、ＡＣ／ＤＣコンバーター３、二次電池４、充電回路５、放電回路６に接続され、ＡＣ／ＤＣコンバーター３と二次電池４の状態に応じて充電回路５と放電回路６を制御する。充電回路５は制御回路２の指令に従い、ＡＣ／ＤＣコンバーター３の電力を用いて二次電池４を充電する。放電回路６は制御回路２の指令に従い、二次電池４を放電させて負荷に電力を供給する。

次に、本実施形態の電源装置の動作を図２を用いて説明する。まず、制御回路２はＡＣ／ＤＣコンバーター３から現在の出力電力を取得する。例えば、非常に小さい抵抗値の抵抗器を用いて出力電流を測定し、その電流値と出力電圧から出力電力を取得する。また、効率テーブル７からＡＣ／ＤＣコンバーター３の現在の電力変換効率と最大となる電力変換効率を求め、効率テーブル７から得られた二次電池４の充電効率も勘案して二次電池４を用いた方が電力損失が少なくなるかどうかを判断する（ステップＳ１）。この判断方法については、具体例を挙げて詳しく後述する。

二次電池４を用いた方が電力損失が少なくなる場合には、二次電池４に残容量があるかを判断する（ステップＳ２）。二次電池４に残容量がある場合には、ＡＣ／ＤＣコンバーター３から負荷に電力を供給するのを停止させて、充電回路５をＯＦＦ、放電回路６をＯＮにすることで、負荷には二次電池４から電力を供給し（ステップＳ３）、ステップＳ１からの処理に戻る。なお、二次電池４の残容量があるかを判断する場合の閾値は予め設定しておく。例えば、閾値は０でも良いし、後述するように二次電池の劣化特性に合わせて設定するのが望ましい。

一方、ステップＳ２で二次電池４に残容量がない場合には、ＡＣ／ＤＣコンバーター３を起動して電力変換効率が最大となるように電力を出力する。即ち、ＡＣ／ＤＣコンバーター３をＯＮ、充電回路５をＯＮ、放電回路６をＯＦＦし、ＡＣ／ＤＣコンバーター３から電力変換効率が最大となる電力を出力して負荷に電力を供給し、残りの余剰電力で二次電池４を充電する（ステップＳ４）。

次に、タイマー８をリセットし（ステップＳ５）、タイマー８のリセット後に６分経過したかを判断する（ステップＳ６）。その際、タイマー８が６分経過したかを判断しているが、任意の待ち時間とする。６分間経過した場合にはステップＳ１からの処理に戻る。６分経過していない場合には、ＡＣ／ＤＣコンバーター３から現在の出力電力を取得し、ステップＳ１と同様に二次電池４を用いた方が電力損失が少なくなるかどうかを判断する（ステップＳ７）。

ステップＳ７で二次電池４を用いた方が電力損失が少なくなる場合にはステップＳ６に戻る。二次電池４を用いた方が電力損失が少なくならない場合にはステップＳ１に戻る。また、ステップＳ１で二次電池４を用いた方が電力損失が少なくならない場合には、ＡＣ／ＤＣコンバーター３から負荷が必要とする分の電力を供給し、充電回路５をＯＦＦ、放電回路６をＯＦＦし、負荷にはＡＣ／ＤＣコンバーター３から電力を供給して（ステップＳ８）、ステップＳ１からの処理に戻る。

なお、ステップＳ６で６分間経過し、二次電池４を充電した後はステップＳ１からステップＳ２に進み、ステップＳ２で二次電池４の残容量がある場合には、ステップＳ３でＡＣ／ＤＣコンバーター３を停止させて二次電池４から負荷に電力を供給する。また、ステップＳ２で二次電池４の残容量がない場合には、ステップＳ４からステップＳ６に進み、ＡＣ／ＤＣコンバーター３を起動して負荷に電力を供給し、余剰電力で二次電池４を６分間充電する。以下、この動作を繰り返し行う。

図３はＡＣ／ＤＣコンバーター３の出力電力と電力変換効率との関係を示す。また、図４は二次電池４の充電電力と充電効率の関係を示す。これらの情報は効率テーブル７に書き込まれている。図３、図４の出力電力と電力変換効率との関係、充電電力と充電効率との関係は一例を示す。

次に、本発明の電力削減効果について説明する。例えば、電源装置１の負荷が６０Ｗの電力を必要とするものとする。その際、二次電池４を用いない場合には、ＡＣ／ＤＣコンバーター３の出力電力として６０Ｗが必要になるので、図３から入力電力は８０Ｗ必要となり、１時間当たり８０Ｗｈの電力量が必要になることが分かる。二次電池４を用いる場合には、最初はＡＣ／ＤＣコンバーター３から電力変換効率が最大となる７２８Ｗの電力を出力し、負荷が消費する６０Ｗの電力を差し引いた６６８Ｗの余剰電力で二次電池４を６分間充電する。

この時、入力電力は図３から８００Ｗ必要となり、６分間で８００Ｗ×０．１時間（＝６分）＝８０Ｗｈの電力量が必要となる。同時に、二次電池４には図４から充電効率が９０％となるので、６６８Ｗ×０．１時間（＝６分）×９０％＝６０．１２Ｗｈの電力が充電される。負荷が消費する電力は６０Ｗなので、二次電池４に充電された電力のみで、６０．１２Ｗｈ÷６０Ｗ＝約１時間に渡って負荷を稼動できる。

以上により、８０Ｗｈの電力量で０．１時間＋１時間＝１．１時間に渡って負荷を稼動できるので、二次電池４を用いた場合には、１時間当たり８０Ｗｈ÷１．１時間＝約７２．７Ｗｈの電力量が必要となる。そのため、負荷が６０Ｗの電力を必要とする場合には、図２のステップＳ１で二次電池４を用いた方が電力損失が少なくなると判断され、１時間当たり、８０Ｗｈ−７２．７Ｗｈ＝７．３Ｗｈの電力量を削減でき、従来の電源装置よりも約９％消費電力を削減できることが分かる。

本実施形態では、電力変換回路の電力変換効率に基づいて電力変換回路の電力供給を制御することにより、常に電力変換効率の高い領域で運転できるため、電力変換回路の電力損失を削減することができる。また、二次電池の充電効率に基づいて二次電池の充電を制御することにより、二次電池の充電時の電力損失を最小限に抑えられ、電力損失をより効果的に削減することが可能となる。

次に、負荷が３６０Ｗの電力を必要とするものとする。二次電池４を用いない場合には、ＡＣ／ＤＣコンバーター３の出力電力として３６０Ｗ必要になるので図３から入力電力は４００Ｗ必要となり、１時間当たり４００Ｗｈの電力量が必要になることが分かる。また、二次電池４を用いる場合には、最初はＡＣ／ＤＣコンバーター３から電力変換効率が最大となる７２８Ｗの電力を供給し、負荷が消費する３６０Ｗの電力を差し引いた３６８Ｗの余剰電力で二次電池４を６分間充電する。

この時、入力電力は図３から８００Ｗ必要となり、６分間で８００Ｗ×０．１時間（＝６分）＝８０Ｗｈの電力量が必要となる。同時に二次電池４には図４から充電効率が８０％となるので、３６８Ｗ×０．１時間（＝６分）×８０％＝２９．４４Ｗｈの電力が充電される。負荷が消費する電力は３６０Ｗなので、二次電池４に充電された電力のみで、２９．４４Ｗｈ÷３６０Ｗ＝約０．０８時間に渡って負荷を稼動できる。

以上により、８０Ｗｈの電力量で０．１時間＋０．０８時間＝０．１８時間に渡って負荷を稼動することになるので、二次電池４を用いた場合には、１時間当たり８０Ｗｈ÷０．１８時間＝約４４４Ｗｈの電力量が必要なる。そのため、負荷が３６０Ｗの電力を必要とする場合には、図２のステップＳ１で二次電池４を用いた方が電力損失が少なくならないと判断され、従来の電源装置と同様の動作及び消費電力となる。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態の動作を説明するフローチャートである。電源装置の構成は図１と同様である。本実施形態では、図５に示すようにステップＳ２で二次電池４の残容量が９０％以上あるかを判断する。そうすることで、鉛蓄電池のような満充電に近い領域で使用した方が劣化が抑えられる特性を持つ二次電池を用いる場合には、二次電池４の寿命を延ばすことができる。

なお、ステップＳ２では９０％に限ることなく、二次電池の特性に合わせて、例えば、リチウムイオン電池の場合には、５０％というように電池特性に応じて設定することが望ましい。また、図５ではステップＳ２以外の処理は図２と同様であるので、詳しい説明は省略する。

（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態の動作を説明するフローチャートである。電源装置の構成は図１と同様である。本実施形態では、図６に示すようにステップＳ１の前にステップＳ９を追加し、ＡＣラインから電力が供給されているかを判断する（ステップＳ９）。その際、ＡＣラインから電力が供給されている場合にはステップＳ１に進み、ＡＣラインから電力が供給されていない場合には、ステップＳ３に進む。そうすることで無停電電源装置の機能を兼ね備えることが可能となる。図５ではステップＳ９以外の処理は図２と同様であるので説明は省略する。

（第４の実施形態）
図７は本発明の第４の実施形態を示すブロック図である。図７では図１と同一部分には同一符号を付している。本実施形態では、図７に示すように効率テーブル７のうちＡＣ／ＤＣコンバーター３の電力変換効率を記憶している電力変換効率テーブル７ａを電源装置１内に配置し、二次電池４とその充電効率を記憶している充電効率テーブル７ｂをバッテリー９として分離し、バッテリー９内の充電効率テーブル７ｂを制御回路２が読み取るようにする。

このような構成にすることで、電源装置１に充電効率が異なる二次電池４を含むバッテリー９を複数種類用いる場合には、二次電池４の種類に応じた充電効率テーブル７ｂを持つことができるので、図２、図５、図６のステップＳ１において二次電池４を用いた方が電力損失が少なくなるかどうかを判断する際に二次電池４の種類に応じて判断することが可能となる。

なお、以上の実施形態では、入力側をＡＣラインに接続して商用電源等を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバーターを例に挙げて説明したが、本発明は入力側をＤＣラインに接続して直流電力から直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバーターにも使用することができる。その際、ＤＣ／ＤＣコンバーターを用いた場合、第３の実施形態と同様の構成とすることで無停電電源装置の機能を備えることが可能となる。

本発明は、ＩＴ機器や家庭電化製品等に用いられる商用電源等を直流電源に変換する電源装置（ＡＣ／ＤＣコンバーター）、直流電源から直流電源に変換する電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバーター）の省電力化に好適に使用することができる。

３ ＡＣ／ＤＣコンバーター
４ 二次電池
５ 充電回路
６ 放電回路
７ 効率テーブル
８ タイマー
９ バッテリー
７ａ 電力変換テーブル
７ｂ 充電効率テーブル

Claims (6)

1. 交流電力を直流電力に変換又は直流電力から直流電力に変換する電力変換回路と、
   二次電池と、
   前記電力変換回路の出力電力に対する電力変換効率及び前記二次電池の充電電力に対する充電効率を記憶したテーブルと、
   前記電力変換回路から負荷に電力を供給した場合の前記電力変換回路の電力変換効率に基づく電力損失と、前記電力変換回路から電力変換効率が最大となる電力を出力し、前記負荷への供給電力の余剰電力で前記二次電池を充電した場合の当該二次電池の充電効率に基づく電力損失から、前記二次電池から負荷に電力を供給した方が電力損失が少ないかを判断する手段と、
   前記二次電池から負荷に電力を供給した方が電力損失が少ない場合に前記二次電池に残容量があるかを判断する手段と、
   前記二次電池の残容量がない場合に前記電力変換回路から負荷に電力供給を行うと共に前記二次電池を所定時間充電する手段と、
   を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記二次電池を充電した後は、前記電力変換回路を停止させて前記二次電池から負荷に電力を供給し、前記二次電池の残容量が所定値以下となった場合には、前記電力変換回路を起動して前記負荷に電力を供給すると共に、前記二次電池を充電することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記二次電池の残容量があると判断した場合には、前記電力変換回路の動作を停止させて、前記二次電池からのみ前記負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記二次電池の残容量があるかを判断する場合には、当該二次電池の劣化特性に応じて前記二次電池の残容量があるかを判断する閾値を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源装置。
5. 前記電力変換回路は、交流又は直流ラインから電力が供給されていない場合には、当該電力変換回路を停止させて前記二次電池から負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. 前記充電効率の異なる複数種類の二次電池を有する場合には、当該二次電池と前記充電効率を記憶したテーブルとをバッテリーとして分離し、当該バッテリーのテーブルから前記二次電池の種類に応じて前記充電効率を読み出すことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電源装置。