JP2016010288A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱が少なく短時間で充電が可能な無停電電源装置を提供する。
【解決手段】本発明の無停電電源装置１０は、外部電源２０から負荷装置３０へ電力を供給する電源ライン２１に並列に接続される入出力端子１１と、定格電圧が外部電源２０の電圧Ｖ１と同じ電圧である電池ユニット１２と、外部電源２０の電圧Ｖ１を電池ユニット１２の定格電圧と電池ユニット１２の充電電圧との差分に相当する電圧Ｖ３に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、外部電源２０の電圧Ｖ１にＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３を加算した電圧で、電池ユニット１２を充電する充電回路１４と、外部電源２０の停電時に、入出力端子１１を通じて電池ユニット１２から負荷装置３０へ放電する放電回路１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、無停電電源装置に関する。

無停電電源装置は、停電等によって外部電源から負荷装置へ電力が供給されない状態になったときに、負荷装置の動作を継続するために、予め充電した二次電池から負荷装置へ電力を供給する電源装置である。無停電電源装置の二次電池は、通常時に外部電源の電力で充電されるのが一般的である。無停電電源装置に用いられる二次電池の一例として、例えばニッケル水素二次電池等のアルカリ二次電池が公知である。

アルカリ二次電池は、その性質上、定格電圧よりも高い電圧で充電を行う必要がある。しかし一般的に無停電電源装置において、アルカリ二次電池の定格電圧は、外部電源の電圧と同じである。そのため、そのままでは外部電源の電力でアルカリ二次電池を満充電状態まで充電することができない。

このようなことから外部電源の電圧を昇圧する補助電源（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を備える無停電電源装置が公知である。より具体的にはアルカリ二次電池の充電時には、外部電源の電圧を補助電源で昇圧し、その昇圧した電圧でアルカリ二次電池を充電する。それによって外部電源の電圧と同じ定格電圧のアルカリ二次電池であっても、そのアルカリ二次電池を定格電圧よりも高い電圧で満充電状態まで充電することができる。また無停電電源装置ではないが、補助電源を用いた技術の一例として、電動モータの電力需要が一時的に増加したときに、電動モータに供給可能な電力量を補助電源によって増加させるモータ制御装置が公知である（例えば特許文献１を参照）。

しかし補助電源で外部電源の電圧を昇圧し、その昇圧した電圧でアルカリ二次電池を充電する従来技術は、充電時に大きな電力損失が生ずるという課題がある。またこのような従来技術は、その電力損失によって生ずる補助電源の発熱が無停電電源装置の信頼性等の面で問題となる場合がある。このような課題に対し、例えば直列接続された複数の単位セルを含む二次電池を充電する際に、その複数の単位セルの一部を選択的に電力変換器に接続する分割充電制御を行う充電制御装置が公知である（例えば特許文献２を参照）。この分割充電制御を行う充電制御装置は、二次電池を構成する複数の単位セルに選択的に充電するため、より小型の電力変換器を用いることができる。それによって分割充電制御を行う充電制御装置は、電力変換器における電力損失を小さくすることができるので、電力変換器の発熱を低減することができる。

特開２０１３−１１０８９９号公報 特開２００９−２９６８２０号公報

しかしながら上記の分割充電制御を行う充電制御装置は、二次電池を構成する複数の単位セルに選択的に充電する時分割充電であるため、二次電池を満充電状態まで充電するのに長い時間を要することになる虞がある。

このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、発熱が少なく短時間で充電が可能な無停電電源装置を提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、外部電源から負荷装置へ電力を供給する電源ラインに並列に接続される入出力端子と、定格電圧が前記外部電源の電圧と同じ電圧である電池ユニットと、前記外部電源の電圧を前記電池ユニットの定格電圧と前記電池ユニットの充電電圧との差分に相当する電圧に変換する電圧変換装置と、前記外部電源の電圧に前記電圧変換装置の出力電圧を加算した電圧で、前記電池ユニットを充電する充電回路と、前記外部電源の停電時に、前記入出力端子を通じて前記電池ユニットから前記負荷装置へ放電する放電回路と、を備える無停電電源装置である。

ここで電池ユニットの充電電圧は、電池ユニットの定格電圧より高い電圧であり、電池ユニットを満充電状態まで充電するのに必要な電圧である。他方、外部電源の電圧は、電池ユニットの定格電圧と同じ電圧である。そのため外部電源の電圧でそのまま電池ユニットを充電することはできない。

電圧変換装置は、外部電源の電圧を電池ユニットの定格電圧と電池ユニットの充電電圧との差分に相当する電圧に変換する。そして充電回路は、外部電源の電圧に電圧変換装置の出力電圧を加算した電圧で電池ユニットを充電する。それによって電池ユニットの充電電圧で電池ユニットを充電することができるので、従来のように時分割充電制御をする必要がない。したがって短時間で電池ユニットを満充電状態まで充電することができる。

そして本発明において電圧変換装置は、外部電源の電圧を電池ユニットの定格電圧と電池ユニットの充電電圧との差分に相当する電圧に変換するので、外部電源の電圧を昇圧する従来技術に比べて、電圧変換装置で生ずる電力損失を大幅に低減することができる。それによって電圧変換装置の発熱を従来よりも大幅に低減することができる。

これにより本発明の第１の態様によれば、発熱が少なく短時間で充電が可能な無停電電源装置を提供できるという作用効果が得られる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、外部電源から負荷装置へ電力を供給する電源ラインに並列に接続される入出力端子と、直列に接続された第１電池パック及び第２電池パックを含み、定格電圧が前記外部電源の電圧と同じ電圧である電池ユニットと、前記外部電源の電圧を前記電池ユニットの定格電圧と前記電池ユニットの充電電圧との差分に相当する電圧に変換する電圧変換装置と、前記電圧変換装置の出力電圧で前記第１電池パックを充電し、前記外部電源の電圧で前記第２電池パックを充電する充電回路と、前記外部電源の停電時に、前記入出力端子を通じて前記電池ユニットから前記負荷装置へ放電する放電回路と、を備える無停電電源装置である。

電圧変換装置は、外部電源の電圧を電池ユニットの定格電圧と電池ユニットの充電電圧との差分に相当する電圧に変換する。そして充電回路は、電圧変換装置の出力電圧で第１電池パックを充電し、外部電源の電圧で第２電池パックを充電する。それによって電池ユニットの第１電池パック及び第２電池パックをそれぞれの充電電圧（定格電圧より高い電圧）で充電することができる。そして第１電池パックの充電と第２電池パックの充電は、並行して同時に行うことができるので、従来のように時分割充電制御をする必要がない。したがって短時間で電池ユニットを満充電状態まで充電することができる。

そして本発明において電圧変換装置は、外部電源の電圧を電池ユニットの定格電圧と電池ユニットの充電電圧との差分に相当する電圧に変換するので、外部電源の電圧を昇圧する従来技術に比べて、電圧変換装置で生ずる電力損失を大幅に低減することができる。それによって電圧変換装置の発熱を従来よりも大幅に低減することができる。

これにより本発明の第２の態様によれば、発熱が少なく短時間で充電が可能な無停電電源装置を提供できるという作用効果が得られる。

本発明によれば、発熱が少なく短時間で充電が可能な無停電電源装置を提供することができる。

本発明に係る無停電電源装置の第１実施例を図示した回路図。 本発明に係る無停電電源装置の第２実施例を図示した回路図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

＜第１実施例＞
本発明の第１実施例について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る無停電電源装置１０の第１実施例を図示した回路図である。

無停電電源装置１０は、停電等によって外部電源２０から負荷装置３０へ電力を供給できない状態になったときに、負荷装置３０の動作を継続するために、負荷装置３０へ電力を供給する電源装置である。
第１実施例の無停電電源装置１０は、入出力端子１１、電池ユニット１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、充電回路１４、放電回路１５、制御装置１６を備える。

入出力端子１１は、外部電源２０から負荷装置３０へ電力を供給する電源ライン２１に並列に接続される。ここで外部電源２０は、例えば商用交流電力を電圧Ｖ１の直流電力に変換する電源装置である。また負荷装置３０は、電圧Ｖ１の直流電力で動作する電子機器である。

電池ユニット１２は、定格電圧が外部電源２０の電圧Ｖ１と同じ電圧の電池電源である。電池ユニット１２は、ニッケル水素二次電池等のアルカリ二次電池を直列乃至並列に接続することによって構成された電池パック１２０を含む。また電池ユニット１２は、電池パック１２０の電圧及び温度を検出する回路を含む（図示省略）。

「電圧変換装置」としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、外部電源２０の電圧Ｖ１を電池ユニット１２の定格電圧と電池ユニット１２の充電電圧との差分に相当する電圧Ｖ３に変換する。より具体的にはＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、外部電源２０の電圧Ｖ１を電圧Ｖ３に降圧する入出力絶縁型の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力側は、＋端子が入出力端子１１に接続されており、−端子がグランドに接続されている。またＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力側は、＋端子が充電回路１４のスイッチＳＷ１の一端側に接続されており、−端子が入出力端子１１に接続されている。

充電回路１４は、スイッチＳＷ１、ダイオードＤ１を含む。より具体的には充電回路１４は、スイッチＳＷ１の一端側がＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力側の＋端子に接続されており、スイッチＳＷ１の他端側がダイオードＤ１のアノードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、電池ユニット１２の正極端子に接続されている。このような構成の充電回路１４において電池ユニット１２は、スイッチＳＷ１をオンすることによって、外部電源２０の電圧Ｖ１にＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３を加算した電圧で充電される。

放電回路１５は、スイッチＳＷ２、ダイオードＤ２を含む。より具体的には放電回路１５は、スイッチＳＷ２の一端側が電池ユニット１２の正極端子に接続されており、スイッチＳＷ２の他端側がダイオードＤ２のアノードに接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、入出力端子１１に接続されている。このような構成の放電回路１５は、外部電源の停電時にスイッチＳＷ２をオンすることによって、入出力端子１１を通じて電池ユニット１２から負荷装置３０へ放電することができる。

制御装置１６は、公知のマイコン制御装置である。制御装置１６は、電池ユニット１２の電圧Ｖ２や温度等に基づいて、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２のオン／オフ等の制御を実行する。

次に第１実施例の無停電電源装置１０の動作について、引き続き図１を参照しながら説明する。

制御装置１６は、通常時、つまり外部電源２０から負荷装置３０へ電力が供給されている状態では、外部電源２０の電力で電池ユニット１２を満充電状態まで充電する。より具体的には、スイッチＳＷ１をオンし、スイッチＳＷ２をオフすることによって、外部電源２０の電圧Ｖ１にＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３を加算した電圧で電池ユニット１２を充電する（符合Ａ）。そして電池ユニット１２が満充電状態まで充電された後、スイッチＳＷ１をオフする。他方、制御装置１６は、停電時にはスイッチＳＷ２をオンすることによって、入出力端子１１を通じて電池ユニット１２の電力を負荷装置３０へ放電する（符合Ｂ）。

電池ユニット１２の充電電圧は、電池ユニット１２の定格電圧より高い電圧であり、電池ユニット１２を満充電状態まで充電するのに必要な電圧である。前述したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３は、電池ユニット１２の定格電圧と電池ユニット１２の充電電圧との差分に相当する。また電池ユニット１２の定格電圧は、外部電源２０の電圧Ｖ１と同じ電圧である。

例えば定格電圧が１．３５Ｖのニッケル水素二次電池の電池セルを満充電状態まで充電するのに必要な充電電圧は、約１．５Ｖとなる。ここで外部電源２０の電圧Ｖ１を５４Ｖとする。また定格電圧が１．３５Ｖのニッケル水素二次電池の電池セルを４０個直列に接続して、定格電圧が外部電源２０の電圧Ｖ１と同じ５４Ｖとなる電池ユニット１２を構成する。この場合、電池ユニット１２を満充電状態まで充電するのに必要な充電電圧は、約６０Ｖ（１．５Ｖ×４０）となる。したがってＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３を約６Ｖとすればよい。

本発明に係る無停電電源装置１０は、スイッチＳＷ１をオンすることによって、その充電電圧（電圧Ｖ１＋Ｖ３）で電池ユニット１２が充電されることになるので、電池ユニット１２を満充電状態まで充電することができる。それによって本発明に係る無停電電源装置１０は、従来のように時分割充電制御をする必要がないので、短時間で電池ユニット１２を満充電状態まで充電することができる。

またＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、外部電源２０の電圧Ｖ１を電池ユニット１２の定格電圧と電池ユニット１２の充電電圧との差分に相当する電圧Ｖ３に降圧する。そのため本発明に係る無停電電源装置１０は、外部電源２０の電圧Ｖ１を昇圧する従来技術に比べて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３で生ずる電力損失を大幅に低減することができる。それによって本発明に係る無停電電源装置１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の発熱を従来よりも大幅に低減することができる。

このようにして本発明によれば、発熱が少なく短時間で充電が可能な無停電電源装置１０を提供することができる。

＜第２実施例＞
本発明の第２実施例について、図２を参照しながら説明する。
図２は、本発明に係る無停電電源装置１０の第２実施例を図示した回路図である。

第２実施例の無停電電源装置１０は、第１実施例と同様に、入出力端子１１、電池ユニット１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、充電回路１４、放電回路１５、制御装置１６を備える。そして第２実施例の無停電電源装置１０は、電池ユニット１２の構成と充電回路１４の構成が第１実施例と異なる。それ以外の構成要素については、第１実施例と同様であるため、同一の構成要素には同一の符合を付して詳細な説明を省略する。

第２実施例の電池ユニット１２は、直列に接続された第１電池パック１２１及び第２電池パック１２２を含み、定格電圧が外部電源２０の電圧Ｖ１と同じ電圧である。第２実施例においては、第１電池パック１２１の電圧と第２電池パック１２２の電圧とを合算した電圧が電池ユニット１２の電圧Ｖ２となる。

第２実施例の充電回路１４は、スイッチＳＷ１、ダイオードＤ１に加えて、さらにスイッチＳＷ３とダイオードＤ３を含む。より具体的には充電回路１４は、スイッチＳＷ１の一端側がＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力側の＋端子に接続されており、スイッチＳＷ１の他端側がダイオードＤ１のアノードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、第１電池パック１２１の正極端子に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力側の−端子は、第１電池パック１２１の負極端子に接続されている。また充電回路１４は、スイッチＳＷ３の一端側が入出力端子１１に接続されており、スイッチＳＷ３の他端側がダイオードＤ３のアノードに接続されている。ダイオードＤ３のカソードは、第２電池パック１２２の正極端子に接続されている。

このような構成の充電回路１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３で第１電池パック１２１を充電し、外部電源２０の電圧Ｖ１で第２電池パック１２２を充電することができる。より具体的には充電回路１４は、スイッチＳＷ１をオンすることによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３で第１電池パック１２１が充電される。また充電回路１４は、スイッチＳＷ３をオンすることによって、外部電源２０の電圧Ｖ１で第２電池パック１２２が充電される。

制御装置１６は、通常時、つまり外部電源２０から負荷装置３０へ電力が供給されている状態では、外部電源２０の電力で電池ユニット１２を満充電状態まで充電する。より具体的には、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ３をオンし、スイッチＳＷ２をオフすることによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３で第１電池パック１２１を充電し（符合Ｃ）、外部電源２０の電圧Ｖ１で第２電池パック１２２を充電する（符合Ｄ）。そして第１電池パック１２１が満充電状態まで充電された後、スイッチＳＷ１をオフする。また第２電池パック１２２が満充電状態まで充電された後、スイッチＳＷ３をオフする。他方、制御装置１６は、停電時にはスイッチＳＷ２をオンすることによって、入出力端子１１を通じて電池ユニット１２の電力を負荷装置３０へ放電する（符合Ｅ）。

例えば定格電圧が１．３５Ｖのニッケル水素二次電池の電池セルを満充電状態まで充電するのに必要な充電電圧は、約１．５Ｖとなる。ここで外部電源２０の電圧Ｖ１を５４Ｖとする。また定格電圧が１．３５Ｖのニッケル水素二次電池の電池セルを４０個直列に接続して、定格電圧が外部電源２０の電圧Ｖ１と同じ５４Ｖとなる電池ユニット１２を構成する。この場合、電池ユニット１２を満充電状態まで充電するのに必要な充電電圧は、約６０Ｖ（１．５Ｖ×４０）となる。したがってＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３を約６Ｖとすればよい。

そして電池ユニット１２の第１電池パック１２１は、定格電圧が１．３５Ｖのニッケル水素二次電池の電池セルを４個直列に接続して構成すれば、その定格電圧は５．４Ｖとなる。また電池ユニット１２の第２電池パック１２２は、残りのニッケル水素二次電池の電池セル３６個を直列に接続して構成すれば、その定格電圧は４８．６Ｖとなる。定格電圧を５．４Ｖの第１電池パック１２１は、満充電状態まで充電するのに必要な充電電圧が６Ｖ（１．５Ｖ×４）であるから、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３（約６Ｖ）で満充電状態まで充電することができる。また定格電圧を４８．６Ｖの第２電池パック１２２は、満充電状態まで充電するのに必要な充電電圧が５４Ｖ（１．５Ｖ×３６）であるから、第１電池パック１２１の充電と並行して同時に、外部電源２０の電圧Ｖ１（５４Ｖ）で満充電状態まで充電することができる。

このように第２実施例の無停電電源装置１０は、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ３をオンすることによって、第１電池パック１２１及び第２電池パック１２２をそれぞれの充電電圧（定格電圧より高い電圧）で充電することができる。そして第１電池パック１２１の充電と第２電池パック１２２の充電は、並行して同時に行うことができる。それによって本発明に係る無停電電源装置１０は、従来のように時分割充電制御をする必要がないので、短時間で電池ユニット１２を満充電状態まで充電することができる。

またＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、外部電源２０の電圧Ｖ１を電池ユニット１２の定格電圧と電池ユニット１２の充電電圧との差分に相当する電圧Ｖ３に降圧する。そのため本発明に係る無停電電源装置１０は、外部電源２０の電圧Ｖ１を昇圧する従来技術に比べて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３で生ずる電力損失を大幅に低減することができる。それによって本発明に係る無停電電源装置１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の発熱を従来よりも大幅に低減することができる。

このようにして本発明によれば、発熱が少なく短時間で充電が可能な無停電電源装置１０を提供することができる。

１０ 無停電電源装置
１１ 入出力端子
１２ 電池ユニット
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ 充電回路
１５ 放電回路
１６ 制御装置
２０ 外部電源
２１ 電源ライン
３０ 負荷装置

Claims (2)

1. 外部電源から負荷装置へ電力を供給する電源ラインに並列に接続される入出力端子と、
   定格電圧が前記外部電源の電圧と同じ電圧である電池ユニットと、
   前記外部電源の電圧を前記電池ユニットの定格電圧と前記電池ユニットの充電電圧との差分に相当する電圧に変換する電圧変換装置と、
   前記外部電源の電圧に前記電圧変換装置の出力電圧を加算した電圧で、前記電池ユニットを充電する充電回路と、
   前記外部電源の停電時に、前記入出力端子を通じて前記電池ユニットから前記負荷装置へ放電する放電回路と、を備える無停電電源装置。
2. 外部電源から負荷装置へ電力を供給する電源ラインに並列に接続される入出力端子と、
   直列に接続された第１電池パック及び第２電池パックを含み、定格電圧が前記外部電源の電圧と同じ電圧である電池ユニットと、
   前記外部電源の電圧を前記電池ユニットの定格電圧と前記電池ユニットの充電電圧との差分に相当する電圧に変換する電圧変換装置と、
   前記電圧変換装置の出力電圧で前記第１電池パックを充電し、前記外部電源の電圧で前記第２電池パックを充電する充電回路と、
   前記外部電源の停電時に、前記入出力端子を通じて前記電池ユニットから前記負荷装置へ放電する放電回路と、を備える無停電電源装置。

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