JP2018157729A - 非常電源用バッテリー保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電源に付設される非常電源用のバッテリーとしてリチウムイオン電池を用いる場合であっても、突入電流によるバッテリーやスイッチの故障を防ぐことが可能なバッテリー保護回路を提供する。【解決手段】本発明にかかるバッテリー保護回路の構成は、電源側電圧計およびバッテリー側電圧計と、電源とバッテリーとを直結する直結経路と、電源とバッテリーとの間に抵抗が配置される第一の抵抗回路と、電源とバッテリーとの間に抵抗が配置される第一の抵抗よりも抵抗値が小さい第二の抵抗回路と、直結経路、第一の抵抗経路または第二の抵抗回路へのバッテリーの接続を切り替えるスイッチと、スイッチを制御する制御部と、を備え、制御部は、電源の停止に伴いバッテリーが完全放電した後に、電源の復旧を検知したら、スイッチを第一の抵抗回路に切り替え、一定時間経過後に第二の抵抗回路に切り替えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電源に付設される非常電源用のバッテリーを保護する非常電源用バッテリー保護回路に関する。

停電等により商用電源（以下、単に電源と称する）からの電力の供給が一時的に途絶えた場合に備えて、電源には非常電源が設けられることがある。非常電源は、交流である電源を直流に変換して一定電圧で直流電力を供給する充電器と、直流電力を蓄えるバッテリーからなる。これにより、電源からの電力供給が途絶えた場合であっても、非常電源のバッテリーから負荷に対して電力を供給することができる。

従来、バッテリーには鉛蓄電池が用いられていたが、近年では、リチウムイオン電池の性能向上および価格低下が進んでいるため、鉛蓄電池に替えてリチウムイオン電池をバッテリーとして用いることが検討されている。例えば特許文献１では、無停電直流電源装置のバッテリーとしてリチウムイオン電池が採用されていて、過充電、過放電を防止する電池保護回路が備えられている。

特開２００２−６４９４７号公報

停電が発生すると、リチウムイオン電池から負荷に対して電力供給が開始されるが、停電が長期間継続し、リチウムイオン電池の電圧が所定の値以下に達すると完全放電となり、特許文献１にも例示されているように、電池保護回路によりリチウムイオン電池は回路から切り離され、過放電が防止される。

その後、停電が復旧し、リチウムイオン電池が電源の電圧を検知するとスイッチが入り、電源からバッテリーへの充電が開始される。このとき、リチウムイオン電池は内部抵抗が小さいため、スイッチが入った瞬間に、充電器が備える出力平滑用の電解コンデンサから大電流が流れたり、充電器の過電流保護機能が動作する前に大電流が流れたりするおそれがある。この突入電流により、リチウムイオン電池やスイッチが故障することが懸念される。リチウムイオン電池には過電流防止のために内部にヒューズを備えているが、このヒューズが切れた場合には非常電源としての機能が果たせなくなる。

加えて、リチウムイオン電池の内部抵抗が負荷のインピーダンスよりも著しく小さい場合、バッテリーへ多くの充電電流が流れてバッテリーの電流許容値を超えたり、逆に負荷への供給電流が不十分となって負荷が動作しなくなったりするおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑み、電源に付設される非常電源用のバッテリーとしてリチウムイオン電池を用いる場合であっても、突入電流によるバッテリーやスイッチの故障を防ぎつつ、適切な電流でバッテリーを充電することが可能な非常電源用バッテリー保護回路を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる非常電源用バッテリー保護回路の代表的な構成は、電源に付設される非常電源用のバッテリーを保護する非常電源用バッテリー保護回路であって、電源の電圧を測定する電源側電圧計と、バッテリーの電圧を測定するバッテリー側電圧計と、電源とバッテリーとを直結する直結経路と、電源とバッテリーとの間に抵抗が配置される第一の抵抗回路と、電源とバッテリーとの間に抵抗が配置される第一の抵抗よりも抵抗値が小さい第二の抵抗回路と、直結経路、第一の抵抗回路または第二の抵抗回路へのバッテリーの接続を切り替えるスイッチと、スイッチを制御する制御部と、を備え、制御部は、前記電源の停止に伴い前記バッテリーが完全放電した後に、前記電源の復旧を検知したら、前記スイッチを第一の抵抗回路に切り替え、一定時間経過後に第二の抵抗回路に切り替えることを特徴とする。

上記構成によれば、電源の停止に伴い完全放電したバッテリーに対して充電が開始される際、突入電流を抑制する為の第一の抵抗回路を通じて電力が供給される。これにより、停電が復旧し電力の供給が再開した際の突入電流を抑制することができる。続いて、第一の抵抗回路に切り替わってから一定時間経過後、バッテリーへの充電電流を適切に保つための第二の抵抗回路を通じて電力が供給される。したがって、電源に付設される非常電源用のバッテリーとしてリチウムイオン電池を用いる場合であっても、突入電流によるバッテリーやスイッチの故障を防ぎつつ、適切な電流でバッテリーを充電することが可能となる。

上記制御部は、電源の停止に伴いバッテリーが放電している間、電源の復旧を検知したら、スイッチを第二の抵抗回路に切り替える。かかる構成によれば、電源の停止に伴い放電中のバッテリーに対して充電が開始される際、突入電流が発生するおそれがないので、第二の抵抗回路を通じて充電が行われる。これにより、適切な電流でバッテリーを充電することが可能となる。

上記制御部は、電源の電圧とバッテリーの電圧の差を参照し、電圧の差が所定値未満になったら、スイッチを直結経路に切り替える。かかる構成によれば、電源とバッテリーとの電圧の差が所定値未満になると、すなわちそれらの電圧の差が小さくなると、抵抗が設けられていない直結経路を通じて充電が行われる。これにより、許容値を超える充電電流による故障のおそれがなくなった後、バッテリーを効率的に充電することが可能となる。

上記第二の抵抗回路は、可変の抵抗を備え、制御部は、電圧の差に応じて可変の抵抗の抵抗値を切り替えるとよい。これにより、電源とバッテリーの電圧の差に合わせて抵抗値を調整することが可能となる。

本発明によれば、電源に付設される非常電源用のバッテリーとしてリチウムイオン電池を用いる場合であっても、突入電流によるバッテリーやスイッチの故障を防ぎつつ、適切な電流でバッテリーを充電することが可能な非常電源用バッテリー保護回路を提供することができる。

第１実施形態にかかる非常電源用バッテリー保護回路を備える電力系統を説明する図である。 制御部による保護回路の制御動作を説明するフローチャートである。 第２実施形態にかかる非常電源用バッテリー保護回路を備える電力系統を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる非常電源用バッテリー保護回路（以下、保護回路１００と称する）を備える電力系統１００ａを説明する図である。電力系統１００ａでは、電源１０２からの電力が負荷１０４に供給される。負荷１０４としては、例えば通信用の基地局やサーバ等を例示することができる。電源１０２からの電力は、ＡＣＤＣコンバータ１０６において交流から直流に変換され、シリコンドロッパ１０８において降圧された後に、負荷１０４に供給される。

上記の電源１０２には、停電等によってかかる電源１０２からの電力の供給が途絶えた場合に備えて非常電源用のバッテリー（以下、バッテリー１１０と称する）が付設される。バッテリー１１０は、通常時は電源１０２から電力が供給され、かかる電力を蓄電する。そして、停電等の非常時には、バッテリー１１０に蓄電された電力が負荷１０４に供給される。なお、本実施形態では、リチウムイオン電池をバッテリー１１０に用いる場合を想定しているが、これに限定するものではなく、ニッケル水素やニッケルカドミウム等の他の既知の蓄電池を用いることも可能である。

本実施形態の保護回路１００では、上述したバッテリー１１０を保護する。図１に示すように、保護回路１００では、電源１０２とバッテリー１１０とは直結経路１２０によって接続されている。直結経路１２０は、電源１０２とバッテリー１１０とを直結し、充放電を行う経路である。詳細には、通常時は直結経路１２０を通じて電源１０２からの電力がバッテリー１１０に充電される。停電等の非常時には、直結経路１２０を通じてバッテリー１１０の電力が放電され、かかる電力が負荷１０４に対して供給される。

また本実施形態の特徴として、保護回路１００は、電源１０２とバッテリー１１０との間に第一の抵抗１３２が配置される第一の抵抗回路１３０と、第二の抵抗１３６が配置される第二の抵抗回路１３４を備える。直結経路１２０、第一の抵抗回路１３０または第二の抵抗回路１３４へのバッテリー１１０の接続は、スイッチ１４０によって切り替えられる。

第一の抵抗１３２および第二の抵抗１３６は、いわゆる電流制限抵抗として機能する。なお、第一の抵抗回路１３０の第一の抵抗１３２の抵抗値は、１０００Ａを超える電解コンデンサからの突入電流を考慮し、大きく設定する。また、第二の抵抗回路１３４の第二の抵抗１３６の抵抗値は、バッテリー１１０を構成する単電池の内部抵抗を考慮し、バッテリー１１０への印加電圧が、セルあたり０．０５Ｖ以上０．５Ｖ以下となるように、第一の抵抗１３０よりも小さく設定するとよい。

図１に示すように、保護回路１００には、電源側電圧計１５２およびバッテリー側電圧計１５４が設けられている。電源側電圧計１５２は、電源１０２の電圧を測定する。バッテリー側電圧計１５４は、バッテリー１１０の電圧を測定する。これらの電源側電圧計１５２およびバッテリー側電圧計１５４は制御部１５０に接続されている。制御部１５０は、かかる電源側電圧計１５２およびバッテリー側電圧計１５４によって測定された電圧を参照し、スイッチ１４０の制御を行う。

図２は、制御部１５０による保護回路１００の制御動作を説明するフローチャートである。図２に示すように、制御部１５０は、電源側電圧計１５２の電圧を監視し、電源の停止を検知したら（ステップＳ２０２）、直結経路１２０を通じて、バッテリー１１０から放電し、負荷１０４への給電を開始する（ステップＳ２０４）。バッテリー１１０の放電が続くと、バッテリー１１０の消耗に伴って、その電圧は徐々に低下する。

バッテリー１１０から負荷１０４への放電が行われている間、制御部１５０は、引き続き電源側電圧計１５２の電圧を監視し、電源が復旧したか否かを判断する（ステップＳ２０６）。そして、電源復旧を検知したら（ステップＳ２０６のＹＥＳ）、制御部１５０は、スイッチ１４０を操作し、第二の抵抗回路１３４を通じて、バッテリー１１０を充電する（ステップＳ２０８）。

電源が復旧しない場合（ステップＳ２０６のＮＯ）、バッテリー１１０は、放電を続け、所定の電圧に到達すると完全放電となる。この場合、制御部１５０は、過放電からバッテリー１１０を保護する為にスイッチ１４０を全て開放し、放電を停止する（ステップＳ２１０）。

完全放電後のバッテリー１１０の電圧は充電電圧を大きく下回る為、この状態ではスイッチ１４０の操作により充電を開始すると、大きな突入電流が流れるおそれがある。そこで、本実施形態の保護回路１００では、バッテリー１１０が完全放電して放電を停止した後（ステップＳ２１０）、制御部１５０が電源復旧を検知すると（ステップＳ２１２のＹＥＳ）、制御部１５０は、スイッチ１４０を操作し、第一の抵抗回路１３０を通じてバッテリー１１０の充電を開始する（ステップＳ２１４）。

第一の抵抗回路１３０を通じてバッテリー１１０の充電を行っている間、制御部１５０は、充電開始から一定時間経過したかを監視する（ステップＳ２１６）。一定時間が経過すると、電解コンデンサからの放電が終わり、充電器の過電流保護機能が動作して、突入電流のおそれがなくなる。そこで制御部１５０は、充電開始から一定時間経過後（ステップＳ２１６のＹＥＳ）、スイッチ１４０を操作し、第二の抵抗回路１３４を通じて充電を開始する。

上記構成によれば、バッテリー１１０が完全放電してスイッチ１４０を開放した後、電源の復旧を検知してバッテリー１１０の充電が開始される際、第一の抵抗回路１３０を通じてバッテリー１１０に充電する。これにより、復旧後の充電開始時のバッテリー１１０に流れる電流量が小さくなるため、突入電流を抑制することができる。そして、一定時間経過後に、第二の抵抗回路１３４に切り替え、バッテリー１１０を充電する。

上記構成により、バッテリー１１０へ多くの充電電流が流れてバッテリーの電流許容値を超えたり、逆に負荷１０４への供給電流が不十分となって負荷１０４が動作しなくなったりすることを防ぐことができる。したがって、電源１０２に付設される非常電源用のバッテリー１１０としてリチウムイオン電池のような内部抵抗の小さい電池を用いる場合であっても、突入電流によるバッテリー１１０やスイッチの故障を防ぎつつ、適切な充電電流でバッテリーを充電することが可能となる。

なお、バッテリー１１０が完全放電する前に、電源１０２が復旧することも考えられる。その場合には、充電器から突入電流が流れるおそれはないので、スイッチ１４０は、第二の抵抗回路１３４を通じてバッテリー１１０を充電する。これにより、適切な充電電流でバッテリー１１０を充電することが可能となる。

再度図２を参照する。第二の抵抗経路１３４でバッテリー１１０の充電を行っている間（ステップＳ２０８）、制御部１５０は、電源１０２とバッテリー１１０の電圧の差を監視する（ステップＳ２１８）。そして、電圧の差が所定値未満となったら（ステップＳ２１８のＮＯ）、制御部１５０は、スイッチ１４０を切り替えてバッテリー１１０を直結経路１２０に接続し、かかる直結経路１２０を通じてバッテリー１１０を充電する（ステップＳ２２０）。

かかる構成によれば、電源１０２とバッテリー１１０との電圧の差が所定値未満になる、すなわち電圧の差が小さくなると、抵抗１３２が設けられていない直結経路１２０を通じて充電される。これにより、大きな充電電流によるバッテリー１１０の破損のおそれがなくなった後、バッテリー１１０を効率的に充電することが可能となる。

なお、第二の抵抗回路１３４を通じてバッテリー１１０の充電を行っている際に、電源１０２がふたたび停止することも考えられる。バッテリー１１０から放電するためには、バッテリー１１０に直結経路１２０を接続する必要がある。そこで制御部１５０は、電源停止を検出するとバッテリー１１０に第二の抵抗回路１３４が接続されている場合には直結経路１２０に切り替える。バッテリー１００に直結経路１２０が接続されている場合には、そのままの接続を維持する。

図３は、第２実施形態にかかる非常電源用バッテリー保護回路（以下、保護回路３００と称する）を備える電力系統１００ａを説明する図である。なお、第２実施形態では、第１実施形態の１００と共通する構成要素については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

第１実施形態の保護回路１００は第二の抵抗回路１３４の抵抗１３６が固定抵抗であったの対し、第２実施形態の保護回路３００では、第二の抵抗回路３３４の抵抗３３６は可変抵抗である。ここで、バッテリー１１０を充電する際には、充電が進みバッテリー１１０の電圧が高くなると電源１０２との電圧差が小さくなる為、充電速度が徐々に遅くなるという課題がある。それに対し、第２実施形態の保護回路３００は、第二の抵抗３３６が可変抵抗である。これにより、充電が進んでバッテリー１１０の電圧が高くなり電源１０２との電圧差が小さくなるのに合わせて抵抗値を小さくすれば、充電速度が一定に保たれる。

上記説明したように、第２実施形態の保護回路３００では、可変抵抗が配置された第二の抵抗回路１３４を備える。これにより、電源１０２とバッテリー１１０と電圧の差に応じて抵抗値を切り替えて、バッテリー１１０が故障しない範囲でできるだけ大きな電流を流すことができる。したがってバッテリー１１０への充電速度を最適化することができ、速やかに次の電源停止に備えることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、電源に付設される非常電源用のバッテリーを保護するバッテリー保護回路に利用することができる。

１００…保護回路、１００ａ…電力系統、１０２…電源、１０４…負荷、１０６…ＡＣＤＣコンバータ、１０８…シリコンドロッパ、１１０…バッテリー、１２０…直結経路、１３０…第一の抵抗回路、１３２…第一の抵抗、１３４…第二の抵抗回路、１３６…第二の抵抗、１４０…スイッチ、１５０…制御部、１５２…電源側電圧計、１５４…バッテリー側電圧計、３００…保護回路、３３４…第２抵抗回路、３３６…抵抗

Claims (4)

1. 電源に付設される非常電源用のバッテリーを保護する非常電源用バッテリー保護回路であって、
   前記電源の電圧を測定する電源側電圧計と、
   前記バッテリーの電圧を測定するバッテリー側電圧計と、
   前記電源と前記バッテリーとを直結する直結経路と、
   前記電源と前記バッテリーとの間に抵抗が配置される第一の抵抗回路と、
   前記電源と前記バッテリーとの間に抵抗が配置される第一の抵抗よりも抵抗値が小さい第二の抵抗回路と、
   前記直結経路、前記第一の抵抗回路または前記抵抗第二の経路への前記バッテリーの接続を切り替えるスイッチと、
   前記スイッチを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記電源の停止に伴い前記バッテリーが完全放電した後に、前記電源の復旧を検知したら、前記スイッチを第一の抵抗回路に切り替え、一定時間経過後に第二の抵抗回路に切り替えることを特徴とする非常電源用バッテリー保護回路。
2. 前記制御部は、前記電源の停止に伴い前記バッテリーが放電している間、該電源の復旧を検知したら、前記スイッチを前記第二の抵抗回路に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の非常電源用バッテリー保護回路。
3. 前記制御部は、前記電源の電圧と前記バッテリーの電圧の差を参照し、該電圧の差が所定値未満になったら、前記スイッチを前記直結経路に切り替えることを特徴とする請求項１または２に記載の非常電源用バッテリー保護回路。
4. 前記第二の抵抗回路は、可変の抵抗を備え、
   前記制御部は、前記電圧の差に応じて前記可変の抵抗の抵抗値を切り替えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の非常電源用バッテリー保護回路。

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