JP2016019326A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より電力損失が少なく信頼性が高い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より低い電池ユニット１２と、電池ユニット１２の電圧Ｖ２を外部電源２０の電圧Ｖ１と電池ユニット１２の電圧Ｖ２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、入出力端子１１を通じて、外部電源２０の電力で電池ユニット１２を充電する充電回路１４と、外部電源２０の停電時に、電池ユニット１２の電圧Ｖ２にＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３を加算した電圧で、入出力端子１１を通じて負荷装置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）。

特開２０１３−１１０８９９号公報

しかしながら従来の無停電電源装置は、二次電池の充電時に、外部電源の電圧を補助電源で昇圧することによって大きな電力損失が生ずるという課題がある。また従来の無停電電源装置は、何らかの要因で補助電源が故障したときに二次電池を充電することができなくなる虞があり、それによって信頼性が低下する虞がある。

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、より電力損失が少なく信頼性が高い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より低い電池ユニットと、前記電池ユニットの電圧を前記外部電源の電圧と前記電池ユニットの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、前記入出力端子を通じて、前記外部電源の電力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、前記電池ユニット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、前記入出力端子を通じて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。

このように電池ユニットの定格電圧が外部電源の電圧より低いので、外部電源の電力でそのまま電池ユニットを満充電状態まで充電することができる。つまり従来のように補助電源を用いることなく、電池ユニットの定格電圧より高い電圧で電池ユニットを充電することができる。それによって電池ユニットが充電できない状態になる虞を低減することができるので、無停電電源装置の信頼性を向上させることができる。

他方、停電時には、電圧変換装置によって、電池ユニットの電圧を外部電源の電圧と電池ユニットの電圧との差分に相当する電圧に変換し、その電圧変換装置の出力電圧を電池ユニットの電圧に加算した電圧で負荷装置へ放電する。それによって停電時には、外部電源の電圧と同じ電圧で負荷装置へ電力を供給することができる。そして電圧変換装置は、電池ユニットの電圧を外部電源の電圧と電池ユニットの電圧との差分に相当する電圧に変換するので、電圧変換装置における電力損失は、外部電源の電圧を昇圧する従来技術よりも大幅に小さくなる。それによって無停電電源装置における電力損失を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、より電力損失が少なく信頼性が高い無停電電源装置を提供することが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、前述した本発明の第１の態様において、前記外部電源の停電時に、前記電池ユニットの電圧に前記電圧変換装置の出力電圧を加算した電圧が前記外部電源の電圧に相当する電圧となるように、前記電池ユニットの電圧の低下に応じて前記電圧変換装置の出力電圧を調整する制御装置をさらに備える、無停電電源装置である。
本発明の第２の態様によれば、停電時において、例えば電池ユニットの電力が消費されることによって電池ユニットの電圧が低下しても、外部電源の電圧と同じ電圧で負荷装置へ電力を供給することができる。それによって無停電電源装置の出力電圧の変動を抑制することができる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１の態様又は第２の態様において、前記放電回路は、前記電圧変換装置の出力と前記電池ユニットとが前記入出力端子にダイオードオア接続されている、無停電電源装置である。
本発明の第３の態様によれば、仮に電力変換装置に故障等が生じたとしても、停電時には、そのときの電池ユニットの電圧で負荷装置へ電力を供給することができる。したがってそのような場合でも、少なくとも電池ユニットの電圧が負荷装置の動作電圧の許容範囲内である間は、電池ユニットの電力で負荷装置の動作を継続することができるので、無停電電源装置の信頼性が大きく低下することがない。また例えば停電時には、電池ユニットの電圧が負荷装置の動作電圧の許容範囲内である間は、電力変換装置の動作を停止して、電池ユニットの電力を負荷装置へ直接供給してもよい。それによって無停電電源装置における電力損失を低減することができる。

＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、前述した本発明の第１〜第３の態様のいずれかにおいて、前記充電回路は、前記外部電源の電圧を前記電池ユニットの充電電圧まで降圧する降圧装置を含む、無停電電源装置である。
本発明の第４の態様によれば、外部電源の電圧より充電電圧が低い電池ユニットを用いることもできるので、様々な仕様の電池ユニットに柔軟に対応することができる。

本発明によれば、より電力損失が少なく信頼性が高い無停電電源装置を提供することができる。

無停電電源装置の構成を図示した回路図。 通常時における無停電電源装置の要部を図示した回路図。 停電時における無停電電源装置の要部を図示した回路図。 停電時においてＤＣ／ＤＣコンバータが動作していない状態の無停電電源装置の要部を図示した回路図。 無停電電源装置の変形例の構成を図示した回路図。

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。

＜無停電電源装置１０の構成＞
本発明に係る無停電電源装置１０の構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、無停電電源装置１０の構成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。
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、第１〜第３電流検出回路１６〜１８、制御装置１９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、外部電源２０の電圧Ｖ１より低い定格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１２１を含む。また電池ユニット１２は、電池パック１２１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、電池ユニット１２の電圧Ｖ２を降圧して、外部電源２０の電圧Ｖ１と電池ユニットの電圧Ｖ２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、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は、制御装置１９からの制御信号によって出力電圧を調整可能な構成であるのが好ましい。

充電回路１４は、スイッチＳＷ１、ダイオードＤ３を含む。より具体的にはダイオードＤ３のアノードは、スイッチＳＷ１を通じて入出力端子１１に接続されている。ダイオードＤ３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、入出力端子１１を通じて外部電源２０の電力で充電される。したがって電池ユニット１２の充電電圧は、外部電源２０の電圧Ｖ１ということになる。

放電回路１５は、スイッチＳＷ２、ダイオードＤ１、ダイオードＤ２を含む。より具体的にはＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力側は、＋端子に電池ユニット１２の正極端子がスイッチＳＷ２を通じて接続されており、−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、＋端子がダイオードＤ１のアノードに接続されており、−端子が電池ユニット１２の正極端子に接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、入出力端子１１に接続されている。電池ユニット１２の正極端子は、ダイオードＤ２のアノードに接続されており、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。つまり電池ユニット１２の正極端子は、ダイオードＤ２を通じて入出力端子１１に接続されている。電池ユニット１２の負極端子は、グランドに接続されている。

このように放電回路１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力側と電池ユニット１２とを入出力端子１１にダイオードオア接続する。このような構成の放電回路１５において、ダイオードＤ１を通じて入出力端子１１に出力される電圧は、電池ユニット１２の電圧Ｖ２にＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３を加算した電圧となる。他方、ダイオードＤ２を通じて入出力端子１１に出力される電圧は、電池ユニット１２の電圧Ｖ２となる。したがってＤＣ／ＤＣコンバータ１３から電圧が出力されている状態では、電池ユニット１２の電力は、電池ユニット１２の電圧Ｖ２にＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３を加算した電圧で、ダイオードＤ１から入出力端子１１を通じて負荷装置３０へ放電されることになる。他方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３から電圧が出力されていない状態では、電池ユニット１２の電力は、電池ユニット１２の電圧Ｖ２で、ダイオードＤ２から入出力端子１１を通じて負荷装置３０へ放電されることになる。

第１電流検出回路１６は、ダイオードＤ３と電池ユニット１２の正極端子との間に設けられており、電池ユニット１２の充電電流を検出する。第２電流検出回路１７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力側の−端子と電池ユニット１２の負極端子との間に設けられており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力側の電流を検出する。第３電流検出回路１８は、電池ユニット１２の負極端子とグランドとの間に設けられており、電池ユニット１２の放電電流を検出する。この第１〜第３電流検出回路１６〜１８は、例えばシャント抵抗を用いた電流検出回路である。

制御装置１９は、公知のマイコン制御装置である。制御装置１９は、第１〜第３電流検出回路１６〜１８の検出電流、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、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３の調整等の制御を実行する。

＜無停電電源装置１０の動作＞
無停電電源装置１０の動作について、図２〜図４を参照しながら説明する。

図２は、無停電電源装置１０の要部を図示した回路図であり、通常時における無停電電源装置１０を図示したものである。
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ＳＷ２をオフし、スイッチＳＷ１をオンすることによって、外部電源２０の電力を電池ユニット１２へ供給して電池ユニット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。

前述したように電池ユニット１２の定格電圧が外部電源２０の電圧Ｖ１より低いので、外部電源２０の電力でそのまま電池ユニット１２を満充電状態まで充電することができる。つまり従来のように補助電源を用いることなく、電池ユニット１２の定格電圧より高い電圧Ｖ１で電池ユニット１２を充電することができる。それによって電池ユニット１２が充電できない状態になる虞を低減することができるので、無停電電源装置１０の信頼性を向上させることができる。

図３は、無停電電源装置１０の要部を図示した回路図であり、停電時における無停電電源装置１０を図示したものである。

停電時、つまり外部電源２０から負荷装置３０へ電力が供給されない状態では、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。より具体的には停電時には、スイッチＳＷ１をオフし、スイッチＳＷ２をオンすることによって、電池ユニット１２の電圧Ｖ２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の電力がダイオードＤ１を通じて負荷装置３０へ放電される（符合Ｂ及びＣ）。それによって停電時には、外部電源２０の電圧Ｖ１と同じ電圧（電圧Ｖ２＋Ｖ３）で負荷装置３０へ電力を供給することができる。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、電池ユニット１２の電圧Ｖ２を外部電源２０の電圧Ｖ１と電池ユニット１２の電圧Ｖ２との差分に相当する電圧Ｖ３に変換する。したがってＤＣ／ＤＣコンバータ１３における電力損失は、外部電源２０の電圧を昇圧する従来技術よりも大幅に小さくなる。それによって無停電電源装置１０における電力損失を大幅に低減することができる。

またＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３は、電池ユニット１２の電圧Ｖ２の低下に応じて、電池ユニット１２の電圧Ｖ２にＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖ３を加算した電圧が外部電源２０の電圧Ｖ１に相当する電圧となるように調整するのが好ましい。これは本発明に必須の構成要素ではないが、それによって電池ユニット１２の電圧Ｖ２が低下しても、外部電源２０の電圧Ｖ１と同じ電圧で負荷装置３０へ電力を供給することができる。それによって無停電電源装置１０の出力電圧（電圧Ｖ２＋Ｖ３）の変動を抑制することができる。

図４は、無停電電源装置１０の要部を図示した回路図であり、停電時においてＤＣ／ＤＣコンバータ１３が動作していない状態を図示したものである。

前述したように停電時、無停電電源装置１０は、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。このときスイッチＳＷ２をオフすると、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１３に故障等が生ずると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３から電圧が出力されない状態になる。しかしＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力と電池ユニット１２は、前述したように入出力端子１１にダイオードオア接続されている。それによってＤＣ／ＤＣコンバータ１３から電圧が出力されない状態では、電池ユニット１２の電力がダイオードＤ２を通じて負荷装置３０へ直接供給されることになる（符合Ｄ）。

したがって例えば停電時にＤＣ／ＤＣコンバータ１３に故障等が生じた場合には、少なくとも電池ユニット１２の電圧Ｖ２が負荷装置３０の動作電圧の許容範囲内である間は、電池ユニット１２の電力で負荷装置３０の動作を継続することができるので、無停電電源装置１０の信頼性が大きく低下することがない。また例えば停電時には、電池ユニット１２の電圧Ｖ２が負荷装置３０の動作電圧の許容範囲内である間は、スイッチＳＷ２をオフしたまま、電池ユニット１２の電力を負荷装置３０へ直接供給してもよい。それによって無停電電源装置１０における電力損失を低減することができる。

以上説明したように、本発明によれば、より電力損失が少なく信頼性が高い無停電電源装置１０を提供することができる。

＜変形例＞
本発明に係る無停電電源装置１０の変形例について、図５を参照しながら説明する。
図５は、無停電電源装置１０の変形例の構成を図示した回路図である。無停電電源装置１０の変形例の構成は、充電回路１４の構成が異なる点で図１に図示した実施例と異なる。それ以外の構成については、図１に図示した実施例と同じ構成であるため、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。

変形例の充電回路１４は、スイッチＳＷ１、ダイオードＤ３及びＤＣ／ＤＣコンバータ１４１を含む。「降圧装置」としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１４１は、例えば入出力絶縁型の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであり、外部電源２０の電圧Ｖ１を電池ユニット１２の充電電圧まで降圧する装置である。より具体的には変形例の充電回路１４は、スイッチＳＷ１の一端側が入出力端子１１に接続されており、スイッチＳＷ１の他端側がＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の入力側の＋端子に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の入力側の−端子及び出力側の−端子は、グランドに接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の出力側の＋端子は、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、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、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の出力電圧で充電される。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ１４１は、外部電源２０の電圧Ｖ１を電池ユニット１２の充電電圧まで降圧するので、適切な充電電圧で電池ユニット１２を満充電状態まで充電することができる。このような態様でも本発明は実施可能であり、例えば外部電源２０の電圧Ｖ１より充電電圧が低い電池ユニット１２を用いることもできるので、様々な仕様の電池ユニット１２に柔軟に対応することができる。

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
１６〜１８ 第１〜第３電流検出回路
１９ 制御装置
２０ 外部電源
２１ 電源ライン
３０ 負荷装置

Claims (4)

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より低い電池ユニットと、
   前記電池ユニットの電圧を前記外部電源の電圧と前記電池ユニットの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、
   前記入出力端子を通じて、前記外部電源の電力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、前記電池ユニット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、前記入出力端子を通じて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. 請求項１に記載の無停電電源装置において、前記外部電源の停電時に、前記電池ユニットの電圧に前記電圧変換装置の出力電圧を加算した電圧が前記外部電源の電圧に相当する電圧となるように、前記電池ユニットの電圧の低下に応じて前記電圧変換装置の出力電圧を調整する制御装置をさらに備える、無停電電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の無停電電源装置において、前記放電回路は、前記電圧変換装置の出力と前記電池ユニットとが前記入出力端子にダイオードオア接続されている、無停電電源装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の無停電電源装置において、前記充電回路は、前記外部電源の電圧を前記電池ユニットの充電電圧まで降圧する降圧装置を含む、無停電電源装置。

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