JP2023139689A - Uninterruptible power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外部から負荷に供給されるべき商用電力が停電した場合に直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する無停電電源システムに関するものである。 The present invention relates to an uninterruptible power supply system that converts DC power into AC power and supplies the AC power to the load when commercial power to be supplied to the load from the outside is interrupted.
無停電電源システムに関する技術として、例えば、下記特許文献1に開示される「無停電電源装置のバッテリー診断機能付きコントローラおよびその診断方法」がある。この無停電電源装置では直流電力を供給するバッテリを複数備えており、これらのバッテリに異常が生じた場合にはそのバッテリを特定するとともに異常の種類も診断し得るように構成されている。これにより、例えば、商用電力の停電時、即ちバッテリによるバックアップ運転中においても異常が特定されたバッテリを電気的に切り離してバッテリの交換や点検等のメンテナンス作業を可能にする。
As a technique related to an uninterruptible power supply system, for example, there is "a controller with a battery diagnosis function for an uninterruptible power supply and its diagnostic method" disclosed in
ところで、上記特許文献1の無停電電源装置のように複数のバッテリを備えた無停電電源システムは、バックアップ可能な電力容量等の仕様からバックアップ用のバッテリ数が予め定められている。そのため、例えば、システム導入時に、ユーザが必要とする電力容量とバックアップ可能な電力容量とがマッチしない場合には、バッテリ数が不足しない構成として、バッテリ数が必要以上に多いシステム構成を選択せざるを得ないことから、過度なバッテリ構成がコスト高の原因になり得るという問題がある。また、システム導入後においては、バッテリ数の増減が容易ではないことから、バックアップ可能な電力容量がユーザのニーズに合わなくなった場合には新たなシステムに入れ替えなければならず設備コストのさらなる増加を招くという問題も生じ得る。
Incidentally, in an uninterruptible power supply system including a plurality of batteries, such as the uninterruptible power supply device of
また、上記特許文献1に開示されているように、1台の充電器で複数のバッテリの充電を行う構成を採用した場合、充電制御の容易から一般的には、複数のバッテリはそれらの種類や定格容量を同じものに揃えられていることが多い。同文献1の無停電電源装置では、複数のバッテリはいずれも鉛バッテリ(鉛蓄電池)である。そのため、例えば、ユーザのニーズやバッテリ市場等の変化に伴って、複数のバッテリのなかに異なる種類のバッテリ(例えば、鉛蓄電池とリチウムイオン二次電池)を混在させる必要が生じてもそれには応えることが難しいという問題がある。
Furthermore, as disclosed in
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、ユーザのニーズにマッチしたバッテリ構成にし得る無停電電源システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an uninterruptible power supply system that can have a battery configuration that matches the needs of users.
上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項1に記載された無停電電源システムは、外部から負荷に供給されるべき商用電力が停電した場合に直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給する無停電電源システムであって、前記直流電力を出力するバッテリ部と、前記商用電力を直流電力に変換して前記バッテリ部を充電する充電部と、前記バッテリ部から出力される直流電力を前記交流電力に変換し得るインバータ部と、前記バッテリ部および前記インバータ部の電気的な導通を可能にするスイッチ部と、前記商用電力が停電した場合に前記スイッチ部を導通状態に制御する制御部と、を含み、少なくとも前記バッテリ部および前記充電部は、構造的に一体であり、かつ、前記インバータ部および前記制御部から構造的に独立または着脱自在であるバッテリユニットを構成するとともに、前記バッテリユニットは複数である、ことを技術的特徴とする。なお、スイッチ部が電気的な導通を可能にする、バッテリ部とインバータ部の間には、例えば、バッテリ部の出力電圧をインバータ部の入力電圧に適した電圧値に変換(昇圧または降圧)してインバータ部に出力する電圧コンバータが介在する場合がある。 In order to achieve the above object, the uninterruptible power supply system according to claim 1 converts DC power into AC power when the commercial power to be supplied to the load from the outside is interrupted. An uninterruptible power supply system that supplies to a load, the battery unit outputting the DC power, the charging unit converting the commercial power into DC power and charging the battery unit, and the DC power output from the battery unit. an inverter section that can convert electric power into the alternating current power; a switch section that enables electrical continuity between the battery section and the inverter section; and a switch section that controls the switch section to be in a conductive state in the event of a power outage of the commercial power. a control section, at least the battery section and the charging section are structurally integrated, and constitute a battery unit that is structurally independent or detachable from the inverter section and the control section; A technical feature is that the number of battery units is plural. Note that between the battery section and the inverter section, which the switch section enables electrical continuity with, there is, for example, a device that converts the output voltage of the battery section into a voltage value suitable for the input voltage of the inverter section (step-up or step-down). In some cases, there is a voltage converter that outputs the voltage to the inverter section.
請求項1の無停電電源システムの発明では、少なくとも、バッテリ部とこのバッテリ部を充電する充電部は、構造的に一体であり、かつ、バッテリユニットを構成する。バッテリユニットは複数であり、バッテリ部から出力される直流電力を交流電力に変換し得るインバータ部や、バッテリ部およびインバータ部の電気的な導通を可能にするスイッチ部を商用電力が停電した場合に導通状態に制御する制御部から、構造的に独立または着脱自在である。これにより、バッテリ部と充電部が構造的に一体に構成されるバッテリユニットは、他の部分(インバータ部および制御部)から、構造的に独立であったり、構造的に着脱自在であったりするので、当該他の部分に対して、バッテリユニットの数を自由に設定することが可能になる。また、バッテリ部とそれを充電する充電部とは構造的に一体に構成されて両者は一対一の関係にあることから、複数のバッテリユニットを構成するそれぞれのバッテリ部は同じバッテリの種類にする必要がない。そのため、複数のバッテリユニットのなかに異なるバッテリの種類のバッテリ部で構成されるバッテリユニットを混在させることも可能になる。
In the invention of the uninterruptible power supply system according to
また、特許請求の範囲の請求項2に記載された無停電電源システムは、請求項1に記載の無停電電源システムであって、前記商用電力が停電している場合において、前記制御部は、前記インバータ部に前記スイッチ部を介して電気的に接続されている前記バッテリユニットの前記バッテリ部が所定の充電容量未満になったときには、当該バッテリ部と前記インバータ部とを電気的に遮断するように前記スイッチ部を制御するとともに、複数の前記バッテリユニットのうち前記所定の充電容量以上である前記バッテリ部と前記インバータ部とが電気的に導通するように前記スイッチ部を制御する、ことを技術的特徴とする。
Further, the uninterruptible power supply system described in claim 2 of the claims is the uninterruptible power supply system according to
請求項2の無停電電源システムの発明では、商用電力が停電している場合においては、制御部は、インバータ部にスイッチ部を介して電気的に接続されているバッテリユニットのバッテリ部が所定の充電容量未満になったときには、当該バッテリ部とインバータ部とを電気的に遮断するようにスイッチ部を制御するとともに、複数のバッテリユニットのうち所定の充電容量以上であるバッテリ部とインバータ部とが電気的に導通するようにスイッチ部を制御する。これにより、複数のバッテリユニットのなかに、バッテリ部が所定の充電容量以上であるバッテリユニットが存在する限り、負荷に対して交流電力を供給することが可能になる。 In the invention of the uninterruptible power supply system of claim 2, when there is a power outage in the commercial power supply, the control section controls the battery section of the battery unit electrically connected to the inverter section via the switch section to a predetermined state. When the charging capacity is less than the predetermined charging capacity, the switch unit is controlled to electrically cut off the battery unit and the inverter unit, and the battery unit and the inverter unit, which have a predetermined charging capacity or more among the plurality of battery units, are The switch section is controlled to be electrically conductive. As a result, as long as there is a battery unit whose battery portion has a predetermined charging capacity or more among the plurality of battery units, AC power can be supplied to the load.
さらに、特許請求の範囲の請求項3に記載された無停電電源システムは、請求項1または2に記載の無停電電源システムであって、前記無停電電源システムが前記バッテリ部の充電を制御する充電制御部を有しており、所定の充電容量未満である前記バッテリ部(以下、本請求項において「要充電バッテリ部」という)を有する前記バッテリユニットが複数存在する状態において、前記充電制御部は、前記商用電力が供給可能な最大許容電力から、前記負荷の最大消費電力を差し引いた余剰電力の範囲内で、複数の前記要充電バッテリ部を同時期に充電する、ことを技術的特徴とする。
Furthermore, the uninterruptible power supply system according to claim 3 is the uninterruptible power supply system according to
請求項3の無停電電源システムの発明では、無停電電源システムがバッテリ部の充電を制御する充電制御部を有する。そして、要充電バッテリ部を有するバッテリユニットが複数存在する状態では、充電制御部は、商用電力が供給可能な最大許容電力から、負荷の最大消費電力を差し引いた余剰電力の範囲内で、複数の要充電バッテリ部を同時期に充電する。これにより、負荷が最大電力で運転している状態においても、商用電力が供給可能な最大許容電力を超えない範囲で複数の要充電バッテリ部を充電することが可能になるので、要充電バッテリ部を1つずつ順番に充電する場合に比べて、要充電バッテリ部を短時間に充電することができる。 In the invention of the uninterruptible power supply system according to claim 3, the uninterruptible power supply system includes a charging control section that controls charging of the battery section. When there are multiple battery units each having a battery section that requires charging, the charging control section charges multiple battery units within the range of surplus power obtained by subtracting the maximum power consumption of the load from the maximum allowable power that commercial power can supply. Charge the battery parts that require charging at the same time. As a result, even when the load is operating at maximum power, it is possible to charge multiple battery sections that require charging within a range that does not exceed the maximum allowable power that commercial power can supply. Compared to the case where the battery parts are charged one by one in sequence, the battery parts that require charging can be charged in a shorter time.
また、特許請求の範囲の請求項4に記載された無停電電源システムは、請求項1または2に記載の無停電電源システムであって、前記無停電電源システムが前記バッテリ部の充電を制御する充電制御部を有しており、前記バッテリユニットは、当該バッテリユニットが有する前記バッテリ部の電気的または物理的な状態を表す状態情報または前記バッテリ部に固有な情報を前記充電制御部に出力する構成を有し、所定の充電容量未満である前記バッテリ部(以下、本請求項において「要充電バッテリ部」という)を有する前記バッテリユニットが複数存在する状態において、前記充電制御部は、複数の前記バッテリユニットから出力された前記状態情報または前記固有な情報に基づいて決定された順位に従って、それら複数のバッテリユニットが有する前記要充電バッテリ部を順番に充電する、ことを技術的特徴とする。なお、バッテリ部の電気的な状態を表す状態情報は、例えば、当該バッテリ部の出力電圧や出力電流等の情報である。また、バッテリ部の物理的な状態を表す状態情報は、当該バッテリ部の内部温度や表面温度の情報であったり、当該バッテリ部が放電を開始してから現在に至るまでの放電累積時間の情報であったり、当該バッテリ部が電解液を有する場合にはその液量の情報であったりする。さらに、バッテリ部に固有な情報は、例えば、当該バッテリ部またはそのバッテリユニットを一意的に特定可能な識別情報である。
Further, the uninterruptible power supply system recited in claim 4 is the uninterruptible power supply system according to
請求項4の無停電電源システムの発明では、無停電電源システムがバッテリ部の充電を制御する充電制御部を有する。また、バッテリユニットは、当該バッテリユニットが有するバッテリ部の電気的または物理的な状態を表す状態情報や、バッテリ部に固有な情報を充電制御部に出力する構成を有する。そして、要充電バッテリ部を有するバッテリユニットが複数存在する状態では、充電制御部は、複数のバッテリユニットから出力された状態情報またはバッテリ部に固有な情報に基づいて決定された順位に従ってそれら複数のバッテリユニットが有する要充電バッテリ部を順番に充電する。これにより、バッテリ部の電気的な状態を表す状態情報(バッテリ部の出力電圧や出力電流の情報)やバッテリ部の物理的な状態を表す状態情報(バッテリ部の温度や電解液量の情報)またはバッテリ部に固有な情報(バッテリ部やバッテリユニットを特定可能な識別情報)に基づいて、例えば、経年劣化の進み具合や予め定められた優先順位に従って、バッテリユニットを充電することが可能になる。例えば、劣化度合いが小さいバッテリ部に比べて劣化度合いが大きいバッテリ部の方が短時間で満充電になることが多いので、許容される所定の範囲内で劣化度合いが大きいバッテリ部のバッテリユニットを優先的に充電することによって、充電済みのバッテリ部を有するバッテリユニットを短期間で準備することができる。 In the invention of the uninterruptible power supply system according to claim 4, the uninterruptible power supply system has a charging control section that controls charging of the battery section. Further, the battery unit has a configuration that outputs state information representing the electrical or physical state of a battery section included in the battery unit and information unique to the battery section to the charging control section. Then, in a state where there are multiple battery units each having a battery section that requires charging, the charging control section selects the battery units according to the order determined based on the status information output from the multiple battery units or the information specific to the battery section. Charging battery parts of the battery unit that require charging are sequentially charged. This provides status information that represents the electrical status of the battery (information on the output voltage and output current of the battery) and status information that represents the physical status of the battery (information on the temperature and electrolyte amount of the battery). Or, based on information unique to the battery part (identification information that can identify the battery part or battery unit), for example, it becomes possible to charge the battery unit according to the progress of aging and a predetermined priority order. . For example, a battery unit with a high degree of deterioration will often be fully charged in a shorter time than a battery unit with a low degree of deterioration, so a battery unit with a high degree of deterioration will be charged within a predetermined allowable range. By preferentially charging, a battery unit having a charged battery section can be prepared in a short period of time.
本発明の無停電電源システムでは、バッテリ部と充電部が構造的に一体に構成されるバッテリユニットは、他の部分(インバータ部および制御部)から、構造的に独立であったり、構造的に着脱自在であったりするので、当該他の部分に対して、バッテリユニットの数を自由に設定することが可能になる。また、バッテリ部とそれを充電する充電部とは構造的に一体に構成されて両者は一対一の関係にあることから、複数のバッテリユニットを構成するそれぞれのバッテリ部は同じバッテリの種類にする必要がない。そのため、複数のバッテリユニットのなかに異なるバッテリの種類のバッテリ部で構成されるバッテリユニットを混在させることも可能になる。したがって、ユーザが必要とするバックアップ可能な電力容量に適合するようにバッテリユニットの数を設定することが可能になるので、ユーザのニーズにマッチしたバッテリ構成にすることができる。 In the uninterruptible power supply system of the present invention, the battery unit in which the battery part and the charging part are structurally integrated may be structurally independent from other parts (the inverter part and the control part), or the battery unit may be structurally independent from other parts (inverter part and control part). Since it is removable, it is possible to freely set the number of battery units for the other parts. In addition, since the battery section and the charging section that charges it are structurally integrated and have a one-to-one relationship, each battery section that makes up multiple battery units should be of the same type. There's no need. Therefore, it is also possible to mix battery units configured with battery parts of different battery types among the plurality of battery units. Therefore, it is possible to set the number of battery units to match the backup power capacity required by the user, so it is possible to create a battery configuration that matches the user's needs.
以下、本発明の無停電電源システムを適用したUPS(Uninterruptible Power Supply)の実施形態について図を参照して説明する。まず、常時商用給電方式のUPS10の構成例を図1に基づいて説明する。図1に示すように、UPS10は、商用交流電力(商用電力)の供給源である交流電源50(例えば単相交流電源や三相交流電源等)と負荷70との間に接続される装置であり、当該負荷70に供給されるべき商用電力が停電した場合に直流電力を交流電力に変換して供給するものである。なお、負荷70は、電気機械器具や情報通信機器等、エネルギー源として交流電力を使用する様々なものが想定される。
Hereinafter, embodiments of a UPS (Uninterruptible Power Supply) to which the uninterruptible power supply system of the present invention is applied will be described with reference to the drawings. First, a configuration example of a
UPS10は、主に、切換えスイッチ17、制御ユニット21、DC/DCユニット22、インバータユニット23、複数のバッテリユニット30により構成されており、例えば、金属製の矩形箱形状に構成される筐体11内に収容されている。筐体11には、後述するようにバッテリユニット30を外部から着脱自在に収容し得る収容スペース11a、交流電源50が電気的に接続される入力端子12や、負荷70が電気的に接続される出力端子13等が設けられている。これらの端子12,13には内部ライン15が接続されており、内部ライン15の途中には切換えスイッチ17やセンサ19が接続されている。なお、後述するように、バッテリユニット30の出力する直流電圧がインバータユニット23の入力電圧として適した電圧値である場合にはDC/DCユニット22は不要になる。
The
切換えスイッチ17は、内部ライン15の途中に設けられる、例えばリレー回路であり、後述する制御ユニット21から送出される制御コマンドを受けて切換え制御可能に構成されている。本実施形態では、切換えスイッチ17は、商用電力の受電時(以下「通常時」という場合がある)においては出力端子13を入力端子12に、また停電時においては出力端子13をインバータユニット23に、それぞれ電気的に接続し得るように構成されている。切換えスイッチ17は、例えば、機械的に接続対象を切り換えるメカニカルリレーや、半導体スイッチング素子によりオンオフを切り換える半導体リレー(SSR;Solid State Relay)等である。
The
センサ19は、入力端子12に印加される電圧を検出可能な電圧センサ、および入力端子12に流れる電流を検出可能な電流センサであり、検出した電圧情報や電流情報を制御ユニット21に出力し得るように制御ユニット21に接続されている。本実施形態では、センサ19は、入力端子12に接続される交流電源50から交流電力が供給されているか否かの情報を制御ユニット21に出力して交流電源50が停電した場合にその情報を制御ユニット21に知らせたり、交流電源50から交流電力が供給されている場合にはその電流情報を制御ユニット21に知らせたりする機能を有する。なお、本実施形態では、センサ19は電圧センサと電流センサの2つの機能を有するが、これらの機能を2つのセンサで別々に担うように構成してもよい。
The
制御ユニット21は、例えば、MPU、メモリ(RAM、EEPROM)、入出力インタフェース、A/Dコンバータ、ドライバ回路、時計モジュール等(いずれも不図示)により構成されるマイコンユニットである。本実施形態では、制御ユニット21は、センサ19、DC/DCユニット22、インバータユニット23や複数のバッテリユニット30に接続されている。当該制御ユニット21の駆動電力は各バッテリユニット30から供給される。なお、時計モジュールは、例えば、電源喪失時に備えてそれが実装されている基板上の小型二次電池により電源がバックアップされている。
The
制御ユニット21は、DC/DCユニット22やインバータユニット23に対する所定の制御を行ったり、センサ19からA/Dコンバータを介して入力される電圧情報に基づいて切換えスイッチ17をドライバ回路を介して切り換えたりする。また、本実施形態では、後述するように、各バッテリユニット30から送られてくるそれぞれのバッテリ35の状態情報やIDに基づいて、DC/DCユニット22に電気的に接続するバッテリ35を切り換えたりもする。なお、これらの制御処理や状態情報等については後述する。
The
DC/DCユニット22は、各バッテリユニット30のバッテリ35から出力される直流電圧をインバータユニット23の入力電圧に適した所定電圧まで昇圧させる昇圧タイプの電圧変換装置(電圧コンバータ)である。そのため、DC/DCユニット22の入力側には、各バッテリユニット30が接続されているとともに、後述するようにそれらのうちの1つのバッテリ35が接続され得るように構成されている。また、DC/DCユニット22の出力側にはインバータユニット23が接続されている。
The DC/
DC/DCユニット22は、例えば、昇圧用の電気エネルギーを蓄積するためのコイル、このコイルに電気エネルギーを蓄えたりコイルから電気エネルギーを取り出したりするためのスイッチング制御を行う半導体スイッチング素子(パワーMOSFETやIGBT等)や、このような半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路等(いずれも不図示)により構成されており、後述するように、制御ユニット21により電圧変換機能の起動や停止等が制御される。
The DC/
なお、DC/DCユニット22は、各バッテリユニット30のバッテリ35から出力される直流電圧をインバータユニット23の入力電圧に適した所定電圧まで降圧させる降圧タイプの電圧変換装置(電圧コンバータ)である場合もある。また、バッテリユニット30のバッテリ35から出力される直流電圧がこのような所定電圧である場合には昇圧したり降圧したりする必要がないため、当該DC/DCユニット22は不要になる。
Note that the DC/
インバータユニット23は、DC/DCユニット22により昇圧された直流電圧を交流電圧(直流電力を交流電力)に変換する交流変換機能を有する電力変換装置である。そのため、インバータユニット23の入力側にはDC/DCユニット22の出力側が接続されており、またインバータユニット23の出力側には、一方側(受電時側)が内部ライン15に接続されている切換えスイッチ17の他方側(停電時側)が接続されている。
The
インバータユニット23は、例えば、交流電源50が供給する交流波形とほぼ同様の周波数および電圧の交流波形を生成し得るように、交流相数分の上下それぞれのスイッチングアームを構成する半導体スイッチング素子(パワーMOSFETやIGBT等)や、これらの半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路等(いずれも不図示)により構成されており、後述するように、制御ユニット21により交流変換機能の起動や停止等が制御される。
The
バッテリユニット30は、主に、充電モジュール32、バッテリ35、切換えスイッチ37、センサ39により構成されており、これらはハウジング31内に収容されている。本実施形態では、バッテリユニット30は複数個であり、これらは電気的に並列や直列に接続されているのではなく、後述するように、これら複数のバッテリユニット30のうち1つのバッテリユニット30がDC/DCユニット22に接続されるように切換えスイッチ37が制御される。
The
なお、図1には、UPS10内に収容スペース11aに収容されている3台のバッテリユニット30と、UPS10外に取り外されている1台のバッテリユニット30’とが表されているが、これらは、原則的にはすべて同様に構成されている。なお、UPS10外に取り外されているバッテリユニット30’は、筐体11の収容スペース11aに対してバッテリユニット30は外部から着脱自在であることを表す。
Note that FIG. 1 shows three
充電モジュール32は、交流電源50から受電した商用電力(交流電力)をバッテリユニット30に収容されているバッテリ35に適した直流電力に変換して、当該バッテリ35を充電する充電装置である。即ち、充電モジュール32とバッテリ35は、予め定められた一組のペアを構成しており、本実施形態では、充電モジュール32は、それが収容されているハウジング31内のバッテリ35だけに対して充電を行い得るように構成されている。つまり、当該バッテリ35専用にそのバッテリセルの種類に適した充電方式で当該バッテリ35を充電し得るように構成されている。本実施形態では、充電モジュール32には内部ライン15に接続された分岐ライン16を介して交流電力が供給されている。
The charging
充電モジュール32は、後述するように制御ユニット21から送出される制御コマンドを受けて充電を開始したり停止したりし得るように構成されている。そのため、切換えスイッチ37を介して充電モジュール32とバッテリ35とが電気的に接続されても、充電開始コマンドを制御ユニット21から受信しなければ当該バッテリ35に対する充電は行われない。充電モジュール32は、当該バッテリ35の充電状態(充電中、充電完了または充電中止)を知らせる情報(充電情報)を制御ユニット21の要求に応えて送出したり、所定周期で制御ユニット21に送出したりする。
The charging
また、充電モジュール32は、バッテリ35の充電を完了すると自動的に充電を停止する。そのため、制御ユニット21から送出される充電停止コマンドは、充電中に充電を強制的に終了させる場合に使用される。充電情報は、当該充電モジュール32が収容されるバッテリユニット30やそのバッテリ35のIDとともに送出される。なお、本実施形態では、バッテリ35にIDが付与されている場合を例示して説明するが、バッテリユニット30にIDが付与されていてもよい。その場合には、本明細書中における「バッテリ35のID」等は「バッテリユニット30のID」等に読み替えられる。
Moreover, the charging
バッテリ35は、複数のバッテリセルを有する組電池タイプの二次電池であり、例えば、電気的に直列に接続されて所定の直流電圧(例えば48V)を所定の定格容量で出力し得るように構成されている。定格容量は、バッテリセルの単体容量または並列接続数により異なり、例えば40Ah等に設定されている。バッテリセルは、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池や全固体電池等、所定の一種類で構成されている。そのため、前述の充電モジュール32は、このようなバッテリセルの種類に適した充電方式で、充電対象のバッテリ35を充電し得るように構成されている。
The
切換えスイッチ37は、充電モジュール32とバッテリ35の間に介在する、例えば、リレー回路であり、制御ユニット21から送出される制御コマンドを受けて切換え制御可能に構成されている。本実施形態では、切換えスイッチ37は、バッテリ35を充電モジュール32またはDC/DCユニット22のいずれか一方に電気的に接続し得るように構成されている。切換えスイッチ37は、後述する主制御処理により、複数のバッテリユニット30のうちの1つが当該切換えスイッチ37を介してDC/DCユニット22に接続されるように制御される。切換えスイッチ37は、例えば、メカニカルリレーや半導体リレー等である。
The
本実施形態では、バッテリ35の接続先を充電モジュール32かDC/DCユニット22のいずれかに切り換える切換えスイッチ37をバッテリユニット30内に設ける構成を採用したが、このようなスイッチはバッテリユニット30外に設けてもよい。例えば、充電モジュール32からバッテリ35に順方向を向けたシリコンダイオードをこれらの間に介在させ、かつ同ダイオードのカソードとバッテリ35の陽極との接続部から外部にバッテリ電圧を出力し得るように構成し、このような各バッテリユニット30のバッテリ出力を多接点切換えスイッチで切り換えてDC/DCユニット22に入力し得るように構成してもよい。このようなスイッチの切り換えも、制御ユニット21から送出される制御コマンドにより制御可能に構成される。
In this embodiment, a configuration is adopted in which a
センサ39は、例えば、バッテリ35の現在時点の出力電圧や出力電流等の電気的な状態情報(電気的状態情報)を検出可能なものと、バッテリ35のその時点の内部温度(セル温度)や表面温度等の温度情報、バッテリ35が放電を開始してからその時点に至るまでの放電累積時間の情報、その時点までにバッテリ35に対して行われた充電回数の情報や、鉛蓄電池のように当該バッテリ35が電解液を有する場合はその時点の電解液の液量情報等の物理的な状態情報(物理的状態情報)を検出可能なものと、があり、バッテリユニット30が有するバッテリ35の種類により構成が異なる。そのため、図1においては、これら複数のセンサを概念的に1つのセンサ39として表しているが、具体的には2つ以上のセンサにより構成される。
The
また、センサ39はマイコンモジュールを含む概念であり、そのメモリに、当該バッテリ35(またはバッテリユニット30)を一意的に特定可能なID(識別情報、固有な情報)や、当該バッテリ35の種類、公称電圧や定格容量等の仕様情報等を記憶している。そのため、センサ39は、検出された電気的状態情報や物理的状態情報に加えてIDや仕様情報等を制御ユニット21に出力し得るように、制御ユニット21に接続されている。これらの情報の送出は、制御ユニット21の要求に応えて行われたり所定周期で自発的に行われたりする。
The
なお、本実施形態では、UPS10の筐体11は金属製の矩形箱形状のものを例示したが、例えば、JIS規格やEIA規格に準拠した幅や高さに設定されている19インチラック等の所定のシステムラックにUPS10を構成してもよい。この場合には、例えば、入力端子12、出力端子13および内部ライン15等を収容するメインユニット、制御ユニット21、インバータユニット23やバッテリユニット30は、それぞれ所定の幅、高さ、奥行きに設定された薄箱状の筐体に収容される。そして、重量が軽い、メインユニット、制御ユニット21やインバータユニット23はラックの上方に、また重量が重いバッテリユニット30はラックの下方にそれぞれマウントされる。各ユニット間の配線はバックパネル側で行われる。
In this embodiment, the
このように構成される図1に示す常時商用給電方式のUPS10に対して、図2に示すUPS10’は、常時インバータ給電方式と呼ばれるものであり、AC/DCユニット24が追加されている点と、内部ライン15の途中の切換えスイッチ17と出力端子13の間にインバータユニット23が介在する点が図1のUPS10と異なる。常時インバータ給電方式では、通常時においても商用電力(交流電力)を直流電力に変換し、それをインバータにより、再度、交流電力に変換して負荷に出力する構成を採る。停電時に限られず受電時にもインバータが動作する構成であることから、常時商用給電方式に比べて構成が複雑にはなるものの、停電時に瞬断が生じ難いという特徴がある。
In contrast to the
このUPS10’では、内部ライン15の途中にAC/DCユニット24を介在させ、また内部ライン15の途中の切換えスイッチ17と出力端子13の間にインバータユニット23が介在させる。インバータユニット23は受電時および停電時のいずれの場合も、つまり常時動作している。そして、切換えスイッチ17の一方側(受電時側)にはAC/DCユニット24の出力側を接続し、また切換えスイッチ17の他方側(停電時側)にはDC/DCユニット22の出力側を接続する。AC/DCユニット24は、例えば、入力端子12から入力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路である。
In this UPS 10', an AC/
このように構成されるUPS10やUPS10’は、入力端子12に接続される交流電源50が停電すると次のように動作する。交流電源50が停電したことをセンサ19が検出しその情報が制御ユニット21に入力されると、制御ユニット21は、通常時においては内部ライン15側またはAC/DCユニット24側に接続するように制御していた切換えスイッチ17を、停電時にはインバータユニット23側またはDC/DCユニット22側に切り換えるように制御する。これにより、いずかのバッテリユニット30から供給される直流電力がインバータユニット23により交流電力に変換されて出力端子13に出力されるため、それまで停電で中断していた負荷70に対する交流電力の供給が復旧する。
The
次に、制御ユニット21により行われるこのような制御について、図3~図5を参照しながら説明する。本実施形態のUPS10,10’(以下「UPS10等」という)は、入力端子12に交流電源50が接続されて商用電力を受電すると自動的に電源が投入され得るように構成されている。制御ユニット21では、UPS10等の電源投入直後に起動されて電源が遮断されて運転が終了するまで実行し続ける主制御処理や、商用電力受電中の所定周期や所定時刻に起動されて実行される充電制御処理等が行われる。まず、図3に基づいて主制御処理の流れを説明する。
Next, such control performed by the
<主制御処理>
図3に示すように、主制御処理では、まずステップS101により所定の初期化処理が行われる。この処理では、例えば、制御ユニット21のメモリ(RAM)のワーク領域やフラグをクリアしたり、切換えスイッチ17を受電側に切り換える制御コマンドを送出したりする。これにより、後述する充電フラグはすべてオフに設定され、また出力端子13は切換えスイッチ17を介して内部ライン15に接続される。そのため、UPS10等が交流電源50から商用電力を受電している場合には、当該商用電力は、入力端子12、内部ライン15、切換えスイッチ17および出力端子13(UPS10’では、入力端子12、内部ライン15、AC/DCユニット24、切換えスイッチ17、インバータユニット23および出力端子13)を経由して負荷70に供給される。
<Main control processing>
As shown in FIG. 3, in the main control process, a predetermined initialization process is first performed in step S101. In this process, for example, the work area and flags of the memory (RAM) of the
また、この初期化処理においては、制御ユニット21のメモリ(EEPROM)に保存されているバッテリユニット30の切替え情報が読み出される。そして、前回、当該UPS10等の運転終了時に接続されていたバッテリ35を有するバッテリユニット30に対して切換えスイッチ37をDC/DCユニット22側に切り換える制御コマンドを送出し、またそれ以外のバッテリユニット30に対して切換えスイッチ37を充電モジュール32側に切り換える制御コマンドを送出する。これにより、前回の運転終了時に接続されていたバッテリユニット30のバッテリ35がDC/DCユニット22に電気的に接続され、それ以外のバッテリユニット30のバッテリ35は充電モジュール32に接続される。
Also, in this initialization process, switching information for the
なお、充電フラグは、各バッテリ35のIDに関連付けられる充電要否(オン:充電要、オフ:充電否)を表す情報(充電要否情報)であり、本実施形態ではバッテリ35ごとに付与されるIDに対応して設けられている。また、充電モジュール32は、充電開始コマンドを制御ユニット21から受信しなければ充電を行わない。そのため、この初期化処理の段階ではバッテリユニット30のバッテリ35の充電は開始されない。
The charging flag is information (charging necessity information) associated with the ID of each battery 35 (on: charging required, off: charging not required), and is given to each
続くステップS103では受電情報取得処理が行われ、さらに次のステップS105では停電発生判定処理が行われる。受電情報取得処理ではセンサ19から出力される電圧情報が取得され、その情報に基づいて入力端子12に商用電力が入力されているか否か、つまり停電が発生しているか否かを判定する停電発生判定処理が行われる。入力端子12に商用電力が入力されていない場合、つまり停電している場合にはセンサ19により検出された電圧情報は交流電圧がほぼ0Vになるため、停電発生の判定が可能になる。
In the subsequent step S103, a power reception information acquisition process is performed, and in the next step S105, a power outage occurrence determination process is performed. In the power reception information acquisition process, voltage information output from the
そして、ステップS105により停電発生と判定された場合には(S105;Yes)、次のステップS107に処理を移行し、また停電発生と判定されない場合には(S105;No)、ステップS103に戻って、再度、受電情報取得処理を行う。つまり、停電が発生するまで、ステップS103とステップS105の両処理が繰り返し行われる。なお、ステップS105の判定処理では、交流電源50の交流電圧が所定電圧未満(例えば、公称電圧の90%未満の電圧)になった場合に停電が発生したと判定してもよい。
If it is determined in step S105 that a power outage has occurred (S105; Yes), the process moves to the next step S107, and if it is not determined that a power outage has occurred (S105; No), the process returns to step S103. , performs the power receiving information acquisition process again. In other words, both steps S103 and S105 are repeated until a power outage occurs. In addition, in the determination process of step S105, it may be determined that a power outage has occurred when the AC voltage of the
次のステップS107ではインバータ等起動処理が行われる。先の判定処理(S105)により停電発生と判定された場合には(S105;Yes)、バッテリユニット30から出力される直流電力を交流電力に変換して負荷70に供給する必要がある。そのため、この処理では、DC/DCユニット22およびインバータユニット23に対して半導体スイッチング素子のスイッチング動作を開始する制御コマンド(起動コマンド)を出力する。これら両ユニット22,23は、起動コマンドを受けると直ちに半導体スイッチング素子のオンオフ制御を開始する。これにより、両ユニット22,23は、それぞれ出力電圧が安定するまでに要する所定時間(例えば約10ミリ秒)を経過すると、電圧変換機能や交流変換機能を発揮することが可能になる。なお、UPS10’の場合、インバータユニット23は常時動作しているため、このインバータ等起動処理(S107)においては、DC/DCユニット22だけに起動コマンドが送出される。
In the next step S107, inverter activation processing is performed. If it is determined in the previous determination process (S105) that a power outage has occurred (S105; Yes), it is necessary to convert the DC power output from the
続くステップS109ではスイッチ切換え処理が行われる。この処理は、DC/DCユニット22およびインバータユニット23(UPS10’ではDC/DCユニット22)の出力電圧が安定するまでの所定時間を待って行われ、切換えスイッチ17に対して受電時側から停電時側に切り換える制御コマンドが出力される。これにより、インバータユニット23(UPS10’ではDC/DCユニット22)の出力側と出力端子13側とが切換えスイッチ17を介して電気的に接続されるため、バッテリユニット30のバッテリ35から供給された直流電力は、DC/DCユニット22により昇圧された後にインバータユニット23により交流電力に変換されて出力端子13から負荷70に出力される。
In the subsequent step S109, switch switching processing is performed. This process is performed after waiting a predetermined time until the output voltages of the DC/
なお、このときDC/DCユニット22に対して電気的に接続されているバッテリ35は、前述したように、初期化処理(S101)において切換えスイッチ37がDC/DCユニット22側に切り換えられたバッテリ35であり、前回の運転終了時に接続されていたバッテリユニット30のバッテリ35である。例えば、図1に示す構成例においては、複数のバッテリユニット30のうち、最上部に位置するバッテリユニット30であり、他のバッテリユニット30は、いずれも充電モジュール32に接続されておりDC/DCユニット22には接続されていない。
Note that the
続くステップS111では受電情報取得処理が行われ、さらに次のステップS113では受電復旧判定処理が行われる。受電情報取得処理では前述のステップS103と同様にセンサ19の電圧情報が取得され、その情報に基づいて入力端子12に商用電力が入力されているか否か、つまり停電が解消されて交流電源50による商用電力の供給、つまり受電が復旧しているか否かを判定する受電復旧判定処理が行われる。
In the subsequent step S111, power reception information acquisition processing is performed, and in the next step S113, power reception restoration determination processing is performed. In the power reception information acquisition process, the voltage information of the
そして、ステップS113により受電が復旧していると判定された場合には(S113;Yes)、交流電源50から商用電力が供給されていることになるので、ステップS115に処理を移行してスイッチ切換え処理が行われる。この処理では、切換えスイッチ17に対して停電時側から受電時側に切り換える制御コマンドを出力する。これにより、交流電源50から供給される商用電力は、入力端子12、内部ライン15、切換えスイッチ17等を経由して負荷70に供給される。
If it is determined in step S113 that the power reception has been restored (S113; Yes), it means that commercial power is being supplied from the
また、ステップS117によりインバータ等停止処理が行われる。即ち、停電が解消されて受電が復旧している場合にはDC/DCユニット22やインバータユニット23を動作させる必要がない。そのため、この処理では、DC/DCユニット22およびインバータユニット23に対して半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止する制御コマンド(停止コマンド)を出力する。インバータ等停止処理(S117)が完了すると、ステップS103に処理を移して再び受電情報取得処理を行い、ステップS105の判定処理とともに次の停電発生に備えて待機する。なお、UPS10’の場合、インバータユニット23は常時動作しているため、このインバータ等停止処理(S117)においては、DC/DCユニット22だけに停止コマンドが送出される。
Further, inverter etc. stop processing is performed in step S117. That is, when the power outage is resolved and power reception is restored, there is no need to operate the DC/
これに対して、ステップS113により受電が復旧していると判定されない場合には(S113;No)、まだ停電が続いている蓋然性が高いことから、次のステップS119によりバッテリ情報取得処理が行われる。この処理では、現在、DC/DCユニット22に電気的に接続されているバッテリ35の状態情報を取得する。当該バッテリ35は、それが蓄電している電気エネルギーをDC/DCユニット22やインバータユニット23を介して負荷70に供給していることから、バッテリユニット30に収容されているセンサ39からバッテリ35の電気的状態情報(出力電圧、出力電流)や物理的状態情報(温度情報、放電累積時間情報等)を取得する。また、センサ39のマイコンモジュールにバッテリ35の種類、公称電圧や定格容量等の仕様情報が記憶されている場合には、それらの情報も取得する。
On the other hand, if it is not determined in step S113 that the power reception has been restored (S113; No), there is a high probability that the power outage is still continuing, so battery information acquisition processing is performed in the next step S119. . In this process, status information of the
続くステップS121ではバッテリ充電要否判定処理が行われる。この処理では、バッテリ情報取得処理(S119)により取得したバッテリ35の電気的状態情報、物理的状態情報や仕様情報に基づいて当該バッテリ35が充電を必要としているか否かを判定する。例えば、バッテリ35の電気的状態情報(出力電圧や出力電流)、物理的状態情報(温度情報や放電累積時間情報)や仕様情報(種類、公称電圧や定格容量)に基づいて当該バッテリ35の蓄電残容量を推定する。そして、満充電時の充電容量を100%とした場合に推定された蓄電残容量が例えば10%未満であるときには充電が必要であると判定し、蓄電残容量が例えば10%以上であるときには充電が必要でないと判定する。
In the following step S121, a battery charging necessity determination process is performed. In this process, it is determined whether or not the
ステップS121のバッテリ充電要否判定処理により充電が必要でないと判定された場合には(S121;No)、当該バッテリ35はその後も蓄電している電気エネルギーをDC/DCユニット22やインバータユニット23を介して負荷70に供給し続けることが可能であることから、ステップS111に処理を移して再び受電情報取得処理を行い、受電復旧までステップS111~S121までの各処理を繰り返し行う。
If it is determined that charging is not necessary in the battery charging necessity determination process in step S121 (S121; No), the
これに対して、ステップS121のバッテリ充電要否判定処理により充電が必要であると判定された場合には(S121;Yes)、次のステップS123により当該バッテリ35に対応する充電フラグをオンに設定した後、続くステップS125に処理を移行する。なお、充電フラグは、前述したように、制御ユニット21のメモリ(RAM)にバッテリ35のIDごとに対応して設けられる充電要否(オン:充電要、オフ:充電否)を表す充電要否情報である。
On the other hand, if it is determined that charging is necessary in the battery charging necessity determination process in step S121 (S121; Yes), the charging flag corresponding to the
ステップS125ではバッテリ切替え処理が行われる。この処理では、現在、DC/DCユニット22に電気的に接続されているバッテリ35(ここでは「現バッテリ35」という)以外のバッテリ35を有するバッテリユニット30のうち充電フラグがオフに設定されているものの中から所定のルールに従って1つのバッテリユニット30を選択しそのバッテリユニット30が有する切換えスイッチ37をDC/DCユニット22側に切り換える。その後、現バッテリ35を有するバッテリユニット30に対して切換えスイッチ37を充電モジュール32側に切り換える。
In step S125, battery switching processing is performed. In this process, the charging flag is set to OFF among the
切換えスイッチ37の切り換えは、制御ユニット21が各バッテリユニット30に制御コマンドを送出することにより行われる。また所定のルールは、例えば、バッテリ35に予め付与されているIDを昇順または降順にソートした順番に選択するものであったり、バッテリ35の蓄電残容量が多い順番に選択するものであったりする。バッテリ35の蓄電残容量は、例えば、後述する充電制御処理により得られる蓄電残容量情報を利用する。
Switching of the
ステップS125により切り替えられたバッテリユニット30の切換えスイッチ37の情報(バッテリユニット30の切替え情報)は、続くステップS127の切替え情報保存処理によって、バッテリ35のIDとともに制御ユニット21のメモリ(EEPROM)に保存される。切替え情報保存処理(S127)が完了すると、処理をステップS111に移行して上述したステップS111以降の各処理を繰り返し行う。これにより、ステップS103~S125のいずれかの処理の実行中に当該UPS10等の運転が終了しても、運転中や運転終了直前において最後にDC/DCユニット22に接続されていたバッテリユニット30やそのバッテリ35の情報が保存されるため、前述した初期化処理(S101)においてバッテリユニット30の切替え情報を取得することが可能なる。
The information of the
このように主制御処理を構成して各ステップによる情報処理を制御ユニット21が実行することによって、当該UPS10等は、交流電源50から負荷70に供給されるべき商用電力が停電した場合、バッテリユニット30のバッテリ35から供給される直流電力を交流電力に変換して、商用電力の代わりに負荷70に供給することが可能になる。つまり、無停電電源装置として機能することが可能になる。
By configuring the main control process in this way and having the
<充電制御処理>
続いて、UPS10等に実装されている各バッテリユニット30を充電する際に制御ユニット21が実行する充電制御処理の流れについて図4および図5を参照して説明する。なお、この充電制御処理は、前述したように、UPS10等の電源が投入された後、UPS10等が商用電力を受電している期間中において、予め設定された所定周期(例えば1時間間隔)または所定時刻(例えば午前0時)に起動される。
<Charging control processing>
Next, the flow of the charging control process executed by the
図4に示すように、充電制御処理では、まずステップS201により所定の初期化処理が行われる。この処理では、例えば、本充電制御処理において、制御ユニット21が使用するメモリ(RAM)のワーク領域等をクリアしたり、各バッテリユニット30の充電モジュール32を初期化したりする。これにより、各充電モジュール32は、充電待機状態にリセットされる。
As shown in FIG. 4, in the charging control process, a predetermined initialization process is first performed in step S201. In this process, for example, in the present charging control process, the work area of the memory (RAM) used by the
続くステップS203では充電フラグ取得処理が行われる。充電フラグは、前述した主制御処理において、充電が必要なバッテリ35についてはオンに設定され、それ以外のバッテリ35はオフに設定される充電要否情報であり、各バッテリ35のIDに関連付けられているものである。この処理により取得された充電フラグは、次のステップS205による判定処理において用いられる。なお、充電が必要なバッテリ35は、特許請求の範囲に記載の「要充電バッテリ」に相当し得るものである。
In the following step S203, charging flag acquisition processing is performed. The charging flag is charging necessity information that is set to ON for
ステップS205の充電要バッテリ有無判定処理では、ステップS203で取得した充電フラグに基づいて、充電が必要なバッテリ35が存在するか否かを判定する。つまり、オンに設定されている充電フラグが有るか否かを判定する。そして、オンの充電フラグが有る場合には(S205;Yes)、充電が必要なバッテリ35が存在するため、次のステップS207に処理を移行し、オンの充電フラグが無い場合には(S205;No)、充電が必要なバッテリ35が存在しないので、本充電制御処理を終了する。
In step S205, which determines whether or not a battery needs to be charged, it is determined whether or not there is a
ステップS207の充電順位決定処理はその詳細が図5に図示されているので、ここからは図5も参照しながら説明する。図5に示すように、充電順位決定処理では、前述のステップS203により取得した充電フラグの情報(フラグ情報)を取得する処理から始める。ステップS301のフラグ情報取得処理では、オンに設定されている充電フラグの数をカウントして充電が必要なバッテリ35の数量情報を取得する。
The details of the charging order determination process in step S207 are shown in FIG. 5, so the description will be made with reference to FIG. 5 from here on. As shown in FIG. 5, the charging order determination process starts with the process of acquiring charging flag information (flag information) acquired in step S203 described above. In the flag information acquisition process of step S301, the number of charging flags set to on is counted to acquire quantity information of the
そして、続くステップS303の判定処理により、充電が必要なバッテリ35が複数であるか否かの判定を行い、複数である場合には(S303;Yes)、次のステップS305に処理を移行する。一方、複数でない場合、即ち充電が必要なバッテリ35が1つである場合には(S303;No)、ステップS308の順位決定処理により当該充電フラグに対応するバッテリ35を充電順位1位に設定した後、本充電順位決定処理を終えて充電制御処理に戻る。
Then, in the determination process of step S303, it is determined whether or not there are a plurality of
ステップS305ではバッテリ情報取得処理が行われる。この処理は、前述した主制御処理のステップS119とほぼ同じであるが、充電フラグがオンに設定されているすべてのバッテリ35からそれらの状態情報を取得する点がステップS119の処理と異なる。このバッテリ情報取得処理(S305)により取得されるバッテリ35の状態情報は、本実施形態では、例えば、電気的状態情報、物理的状態情報や仕様情報等であり、これらは当該バッテリ35のIDに関連付けられて取得される。
In step S305, battery information acquisition processing is performed. This process is almost the same as step S119 of the main control process described above, but differs from the process in step S119 in that status information is acquired from all
電気的状態情報は、例えば、バッテリ35の出力電圧や出力電流の情報であり、物理的状態情報は、例えば、バッテリ35の内部温度(セル温度)の温度情報、バッテリ35の放電累積時間の情報、充電回数の情報や、バッテリ35の電解液の液量情報である。また、仕様情報は、例えば、バッテリ35の種類、公称電圧や定格容量の情報である。
The electrical status information is, for example, information on the output voltage and output current of the
続くステップS307では複数のバッテリユニット30(バッテリ35)を同時に充電するように予め設定されているか否かを判定する処理が行われる。この判定は、例えば、当該UPS10等の出荷時やメンテナンス時等において制御ユニット21のメモリ(EEPROM)に書き込まれるオプション機能情報に基づいて行われる。そのため、複数同時充電のオプション機能が設定がされていないと判定された場合には(S307;No)、ステップS308の順位決定処理に移行する。
In the subsequent step S307, a process is performed to determine whether or not it is set in advance to charge a plurality of battery units 30 (batteries 35) at the same time. This determination is made, for example, based on optional function information written in the memory (EEPROM) of the
ステップS308の充電順位決定処理では、バッテリ情報取得処理(S305)により取得されたバッテリ35の状態情報等に基づいて充電順位を決定する。例えば、バッテリ35の出力電圧、充電回数、内部温度等の情報に基づいて経年劣化の進み具合をランク付け可能な区分処理を行うことによって当該バッテリ35の劣化度合いランク(劣化ランク)を得る。一般的に、劣化度合いが小さいバッテリ35に比べて劣化度合いが大きいバッテリ35の方が短時間で満充電になることが多い。そのため、劣化度合いが許容される所定の範囲内のバッテリ35については、劣化ランクが高い(劣化が大きい)順に充電の順番が先になるように充電順位を決定する。
In the charging order determining process of step S308, the charging order is determined based on the state information of the
即ち、許容範囲内において劣化ランクが最も高いバッテリ35を充電順位1位に決定し劣化ランクが最も低いバッテリ35を最後の充電順位に決定する。これにより、充電済みのバッテリ35を有するバッテリユニット30を短期間で準備することが可能になる。また、このような劣化度合いに関係なく、バッテリ35のIDに関連付けられて予め定められた順位に従って充電順位を決定してもよい。さらに、バッテリ35の種類(鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池や全固体電池等)に基づいて、充電時間が短い種類のバッテリ35を優先的に充電するように充電順位に決定してもよい。
That is, the
なお、劣化ランクが許容範囲外のバッテリ35(またはそのバッテリユニット30)については、今後充電を行わない情報として充電不可情報(故障情報)を当該バッテリ35のIDに関連付けて制御ユニット21のメモリ(EEPROM)に保存してもよい。これにより、メンテナンス時等において、このような充電不可情報(故障情報)が関連付けられたバッテリユニット30を、交換が必要なバッテリユニット30として容易に見つけることが可能になる。
Regarding the battery 35 (or its battery unit 30) whose deterioration rank is outside the allowable range, the
ステップS307の判定処理により複数同時充電のオプション機能が設定がされていると判定された場合には(S307;Yes)、ステップS309の負荷電力情報取得処理が行われる。この処理では、例えば、センサ19から出力される電流情報を取得し、その情報に基づいて、交流電源50から供給されている商用電力の現在時点における使用電力値を算出しこれを負荷70が消費している負荷電力情報として得る。
If it is determined by the determination process in step S307 that the optional function of multiple simultaneous charging is set (S307; Yes), load power information acquisition process in step S309 is performed. In this process, for example, the current information output from the
この時点においては、各バッテリユニット30の充電モジュール32は充電をまだ開始してなく、また制御ユニット21が消費する電力は、想定される負荷70の消費電力に比べて桁違いに小さい。そのため、商用電力の現在時点における使用電力値は、負荷70が消費している負荷電力値とほぼ同値であると推定され得る。なお、負荷70の消費可能な最大消費電力の電力値が予めわかっている場合には、その最大消費電力情報を負荷電力情報としてステップS309により取得してもよい。
At this point, the charging
続くステップS311では余剰電力算出処理が行われる。交流電源50が供給可能な最大許容電力の電力値は予めわかっている(既知である)ため、この最大許容電力値から、ステップS309により得られた負荷電力値を減算することによって余剰電力値を算出する。そして、次のステップS313によって、充電対象となるバッテリ35の組み合わせを決定する処理が行われる。
In the following step S311, surplus power calculation processing is performed. Since the power value of the maximum allowable power that the
例えば、充電が必要なバッテリ35をそれぞれに対応する充電モジュール32によって充電した場合に消費される充電電流の合計最大値を算出し、その充電電流合計最大値から充電時における商用電力の使用電力値(充電時使用電力値)を推定する。そして、余剰電力算出処理(S311)により算出した余剰電力値から、この推定された充電時使用電力値を減算した結果が正値である場合(余剰電力値>充電時使用電力値)には、余剰電力の範囲内でこれら充電が必要なバッテリ35をすべて同時期に充電することが可能になる。そのため、充電が必要なバッテリ35をすべて同時に充電する決定、つまりこれらのバッテリ35のすべてを充電順位1位に決定する。これにより、充電が必要なバッテリ35を1つずつ順番に充電する場合に比べてバッテリ35を短時間に充電することができる。
For example, the total maximum value of charging current consumed when each
これに対して、余剰電力値から充電時使用電力値を減算した結果が負値またはゼロである場合(余剰電力値≦充電時使用電力値)には、充電が必要なバッテリ35の中から所定のバッテリ35を選択して除外し、その所定のバッテリ35は充電することなく、充電が必要な残りのバッテリ35を充電したときに消費される充電電流の合計最大値を算出して、前述と同様に、充電時使用電力値を推定する。そして、余剰電力値から充電時使用電力値を減算した結果を求め、その値が正値になるまで、所定のバッテリ35を選択して除外する処理を続ける。
On the other hand, if the result of subtracting the power usage value during charging from the surplus power value is a negative value or zero (surplus power value ≦ power usage value during charging), a predetermined amount of power is selected from among the
このように除外されたバッテリ35は充電順位2位に決定する。除外されたバッテリ35が複数存在し、それら除外されたバッテリ35を充電したときに消費される充電電流の合計最大値を算出し、前述と同様、充電時使用電力値を推定する。そして、余剰電力値から充電時使用電力値を減算した結果を求め、その値が正値になる場合には、これら除外されたバッテリ35のすべてを充電順位2位に決定する。
The
これに対して、余剰電力値から充電時使用電力値を減算した結果を求め、その値が負値になる場合には、これら除外されたバッテリ35の中から所定のバッテリ35を選択してさらに除外して、残りのバッテリ35を充電順位2位に決定する。ここでさらに除外されたバッテリ35は充電順位3位に決定する。このように充電フラグがオンに設定されているバッテリ35(充電が必要なバッテリ35)のすべてについて充電順位が決まるまで、同様の処理に繰り返して充電順位を決定する。
On the other hand, the result of subtracting the electric power value used during charging from the surplus electric power value is obtained, and if the value is a negative value, a
なお、このように充電対象から除外される所定のバッテリ35は、充電フラグがオンに設定されているバッテリ35(充電が必要なバッテリ35)のうち、劣化ランクが最も高いものまたは劣化ランクが最も低いものや、バッテリ35のIDに関連付けられて予め定められもの等が選択される。また、このような情報に関係なく、所定のバッテリ35を無作為に選択してもよい。なお、劣化ランクは、前述の充電順位決定処理(S308)において説明したものである。ステップS313の充電対象バッテリ組合わせ決定処理を完了すると、本充電順位決定処理を終えて充電制御処理に戻る。
Note that the
図4に示すように、ステップS207の充電順位決定処理により、充電するバッテリユニット30の順番が決まると、次のステップS209により充電コマンド送出処理が行われる。本実施形態では、各バッテリユニット30のうち充電が必要なバッテリ35を有するものについては、充電順位決定処理(S207)により充電順位が決定されていることから、このステップS209の処理では充電順位1位に決定されたバッテリユニット30に対して、充電を開始する制御コマンド(充電開始コマンド)を送出する。
As shown in FIG. 4, when the order of
前述したように、複数同時充電のオプション機能が設定がされている場合には、充電順位1位に決定されたバッテリユニット30が複数存在するため、その場合にはそれらのすべてに対して充電開始コマンドを送出する。これにより、充電開始コマンドを受信したバッテリユニット30の充電モジュール32は、当該バッテリユニット30内に収容されたバッテリ35の充電を開始するとともに、当該バッテリ35の充電状態(充電中、充電完了または充電中止)を知らせる情報(充電情報)を制御ユニット21の要求に応えて送出したり、所定周期で制御ユニット21に送出したりする。このような充電情報は、当該バッテリ35のIDとともに(関連付けられて)送出される。
As mentioned above, if the optional function of multiple simultaneous charging is set, there are
続くステップS211では充電情報取得処理が行われる。この処理では、充電開始コマンドを送出したバッテリユニット30から送られてくる充電情報を取得する。充電情報は、当該バッテリ35の充電状態(充電中、充電完了または充電中止)を知らせる情報であることから、次のステップS213の充電完了判定処理では、この充電情報に基づいて当該バッテリ35の充電が完了しているか否かを判定する。
In the following step S211, charging information acquisition processing is performed. In this process, charging information sent from the
即ち、ステップS213では充電モジュール32から送られてきた充電情報が充電完了を示す情報であると判定した場合には(S213;Yes)、当該充電モジュール32が対応するバッテリ35はその充電が完了していることから、続くステップS215の処理に移行する。一方、充電情報が充電完了を示す情報であると判定しない場合には(S213;No)、ステップS211に戻って、再度、充電情報取得処理を行う。つまり、充電モジュール32から充電完了を示す充電情報が送られてくるまで、ステップS211とステップS213の両処理が繰り返し行われる。
That is, in step S213, if it is determined that the charging information sent from the charging
次のステップS215では充電フラグオフ処理が行われる。充電モジュール32から送られてくる充電情報には、当該充電モジュール32により充電されたバッテリ35のIDが関連付けられている。そのため、制御ユニット21では、充電が完了したバッテリ35やバッテリユニット30を当該バッテリ35のIDから特定することが可能になるため、充電完了済みのバッテリ35のIDに関連付けられている充電フラグを、充電要のオンから充電否のオフに設定する。
In the next step S215, charging flag off processing is performed. The charging information sent from the charging
続くステップS217では要充電バッテリの残りがあるか否かを判定する処理が行われる。例えば、充電が完了したバッテリ35の充電順位と同順位かそれよりも低い順位のバッテリ35が存在する場合には要充電バッテリの残りが有ることになる。そのため、バッテリ35のIDに関連付けられている充電フラグのなかに充電要のオンに設定されているものが存在する場合には(S217;Yes)、再度、ステップS209に処理を移行してする。そして、充電要のオンに設定されている充電フラグがなくなるまで(S217;No)、ステップS211~S217の各処理を繰り返し行う。
In the following step S217, a process is performed to determine whether there is any remaining battery that needs to be charged. For example, if there is a
そして、最後のステップS219では充電情報保存処理が行われる。今回、各バッテリユニット30に対して行われたそれぞれのバッテリ35の充電に関する情報として、例えば、時計モジュールから提供される年月日時分秒の日時情報とともに充電開始や充電完了の情報、また充電時における充電順位の情報等が保存される。
Then, in the final step S219, charging information storage processing is performed. This time, the information regarding the charging of each
また、各バッテリユニット30のセンサ39から取得された電気的状態情報(例えば、バッテリ35の出力電圧や出力電流の情報)、物理的状態情報(例えば、バッテリ35の内部温度(セル温度)の温度情報、バッテリ35の放電累積時間の情報、充電回数の情報や、バッテリ35の電解液の液量情報)や、仕様情報(例えば、バッテリ35の種類、公称電圧や定格容量の情報)、さらに負荷電力値や余剰電力値の情報等も保存される。充電情報保存処理(S219)が完了すると、本充電制御処理を終了する。
In addition, electrical state information (for example, information on the output voltage and output current of the battery 35) acquired from the
以上説明したように、本実施形態に係るUPS10等では、バッテリ35とこれを充電する充電モジュール32は、構造的に一体であり、かつ、バッテリユニット30を構成する。バッテリユニット30は、複数であり、バッテリ35から出力される直流電力を交流電力に変換し得るインバータユニット23や、商用電力が停電した場合に導通状態に切換えスイッチ37(DC/DCユニット22を介してバッテリ35とインバータユニット23の電気的な導通を可能にする)を制御する制御ユニット21から、構造的に独立または着脱自在である。
As described above, in the
これにより、バッテリユニット30は、制御ユニット21、DC/DCユニット22、インバータユニット23等の他の部分から、構造的に独立であったり構造的に着脱自在であったりするので、当該他の部分に対してバッテリユニット30の数を自由に設定することが可能になる。バッテリユニット30の増減が容易であるため、例えば、システム導入時にはバッテリユニット30を最小数(例えば2つ)でUPS10等を構成し、その後、負荷70の使用電力の増加に伴うシステム拡張時には、バッテリユニット30を任意数(例えば5つ)に増設することが可能になる。システム縮小時には、任意数のバッテリユニット30を撤去することが可能になる。
As a result, the
このように本実施形態に係るUPS10等では、ユーザが必要とするバックアップ可能な電力容量に適合するようにバッテリユニット30の数を任意に設定することが可能になる。そのため、システム導入時や拡張時等の設備コストを抑制することができる。また、バッテリ35とそれを充電する充電モジュール32とが一対一の関係にあることから、例えば、複数のバッテリユニット30が有するそれぞれのバッテリ35は同じ種類にする必要がない。そのため、複数のバッテリユニット30のなかに異なる種類のバッテリ35を有するバッテリユニット30を混在させることも可能になる。したがって、ユーザのニーズにマッチしたバッテリ構成にすることができる。
In this way, in the
また、本実施形態に係るUPS10等では、複数のバッテリユニット30が電気的に並列や直列に接続されるのではなく、それらのうちの1つのバッテリユニット30が切換えスイッチ37を介してDC/DCユニット22に接続されることから、DC/DCユニット22に接続されていない他のバッテリユニット30は交換したり撤去したりすることが可能になる。そのため、停電中に負荷70に対してDC/DCユニット22やインバータユニット23により交流電力を供給している最中においても、例えば、蓄電残容量が僅かになった使用済みのバッテリユニット30を満充電状態の新たなバッテリユニット30と交換することができる。
Further, in the
また、このような満充電状態のバッテリユニット30と使用済みのバッテリユニット30との交換を繰り返し行うことによって、満充電状態のバッテリユニット30を準備できる限り停電時におけるUPS10等による交流電力の供給を継続することができる。さらに、バッテリユニット30のバッテリ35相当の直流電力エネルギーを供給可能なものであれば、例えば、太陽光発電ユニット、風力発電ユニットや地熱発電ユニット等の再生可能なエネルギー源をバッテリユニット30の代わりに使用することもできる。
In addition, by repeatedly replacing the fully charged
さらに、本実施形態に係るUPS10等では、商用電力を供給する交流電源50が停電している場合においては、制御ユニット21は、インバータユニット23に切換えスイッチ37を介して電気的に接続されているバッテリユニット30のバッテリ35が所定の充電容量未満になったときには(S121;Yes)、当該バッテリ35とインバータユニット23を電気的に遮断するように切換えスイッチ37を制御するとともに、複数のバッテリユニット30のうち所定の充電容量以上であるバッテリ35とインバータユニット23とが電気的に導通するように切換えスイッチ37を制御する(S125)。これにより、複数のバッテリユニット30のなかにバッテリ35が所定の充電容量以上であるバッテリユニット30が存在する限り負荷70に対して交流電力を供給することが可能になる。
Furthermore, in the
なお、上述したUPS10等では、バッテリユニットの充電部として、UPS10等が交流電源50から受電した商用電力(交流電力)を内部ライン15や分岐ライン16を介して充電モジュール32に供給する構成を例示して説明したが、このような構成に限られることはなく、UPS10等とは別に、例えば、充電モジュール32を有する各バッテリユニット30が交流電源50から直接受電し得るように各バッテリユニット30に電源ラインを設けそれぞれの充電モジュール32に商用電力(交流電力)を供給してもよい。
In addition, in the above-mentioned
また、上述したUPS10等では、充電制御処理(図4)においては、充電順位決定処理(S207)を含めたアルゴリズムを例示して説明したが、例えば、各バッテリユニット30のバッテリ35に対して優先順位を付けることなく、予め定められた順番や無作為(ランダム)に充電を行う場合には充電順位決定処理(S207)は不要になる。そのため、このような場合のアルゴリズムにおいては同処理は削除される。
In addition, in the above-mentioned
さらに、上述したUPS10等では、各バッテリユニット30の充電モジュール32は、制御ユニット21から送出される制御コマンド(充電開始コマンド)を受信してからバッテリ35に対する充電を開始するように構成したが、充電開始コマンドを受信することなく、各バッテリユニット30の充電モジュール32がそれぞれ自律(独立)して各バッテリ35を充電するように構成してもよい。この場合、充電モジュール32は、商用電力の受電期間中にバッテリ35を充電するように制御アルゴリズムを構成する必要があり、また制御ユニット21で行われる充電制御処理(図4,図5)は不要になる。
Furthermore, in the
また、上述した実施形態では、本発明の無停電電源システムを適用するUPSとして、常時商用給電方式のUPS10や、常時インバータ給電方式のUPS10’を例示して説明したが、特許請求の範囲に記載の「バッテリ部、充電部、インバータ部、スイッチ部および制御部」(以下「バッテリ部等」という)に相当する各部を含むものであれば、ラインインタラクティブ方式のUPSにも適用することができる。また、これらバッテリ部等に相当する各部が、それぞれ別体に構成されていたり、またそれらの一部と残部が構成されていたりする場合にも本発明の無停電電源システムを適用することができる。
Furthermore, in the above-described embodiments, the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した具体例を様々に変形または変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。さらに、本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つ。なお、[符号の説明]の欄における括弧内の記載は、上述した各実施形態で用いた用語と、特許請求の範囲に記載の用語との対応関係を明示し得るものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely illustrative and do not limit the scope of the claims. The techniques described in the claims include various modifications or changes to the specific examples described above. Further, the technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as filed. Furthermore, the techniques illustrated in this specification or the drawings simultaneously achieve a plurality of objectives, and achieving one of the objectives has technical utility in itself. Note that the descriptions in parentheses in the [Explanation of symbols] column can clarify the correspondence between the terms used in each of the embodiments described above and the terms described in the claims.
10,10’…UPS(無停電電源システム)
11…筐体
17…切換えスイッチ
19…センサ
21…制御ユニット(制御部、充電制御部)
22…AC/DCユニット
23…インバータユニット(インバータ部)
24…DC/DCユニット
30,30’…バッテリユニット
31…ハウジング
32…充電モジュール(充電部)
35…バッテリ(バッテリ部)
37…切換えスイッチ(スイッチ部)
39…センサ
50…交流電源
70…負荷
10,10'...UPS (uninterruptible power supply system)
11...
22...AC/
24...DC/
35...Battery (battery part)
37…Selector switch (switch section)
39...
Claims (4)
前記直流電力を出力するバッテリ部と、
前記商用電力を直流電力に変換して前記バッテリ部を充電する充電部と、
前記バッテリ部から出力される直流電力を前記交流電力に変換し得るインバータ部と、
前記バッテリ部および前記インバータ部の電気的な導通を可能にするスイッチ部と、
前記商用電力が停電した場合に前記スイッチ部を導通状態に制御する制御部と、
を含み、
少なくとも前記バッテリ部および前記充電部は、構造的に一体であり、かつ、前記インバータ部および前記制御部から構造的に独立または着脱自在であるバッテリユニットを構成するとともに、
前記バッテリユニットは複数である、ことを特徴とする無停電電源システム。 An uninterruptible power supply system that converts DC power into AC power and supplies it to the load when commercial power to be supplied to the load from the outside is interrupted,
a battery section that outputs the DC power;
a charging unit that converts the commercial power to DC power and charges the battery unit;
an inverter unit capable of converting DC power output from the battery unit into the AC power;
a switch unit that enables electrical continuity between the battery unit and the inverter unit;
a control unit that controls the switch unit to be in a conductive state in the case of a power outage of the commercial power;
including;
At least the battery section and the charging section constitute a battery unit that is structurally integrated and structurally independent or detachable from the inverter section and the control section,
An uninterruptible power supply system characterized in that the number of battery units is plural.
前記制御部は、前記インバータ部に前記スイッチ部を介して電気的に接続されている前記バッテリユニットの前記バッテリ部が所定の充電容量未満になったときには、当該バッテリ部と前記インバータ部とを電気的に遮断するように前記スイッチ部を制御するとともに、複数の前記バッテリユニットのうち前記所定の充電容量以上である前記バッテリ部と前記インバータ部とが電気的に導通するように前記スイッチ部を制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の無停電電源システム。 In the case where the commercial power is out of power,
When the battery section of the battery unit electrically connected to the inverter section via the switch section becomes less than a predetermined charging capacity, the control section is configured to electrically connect the battery section and the inverter section. and controlling the switch unit so that the inverter unit is electrically connected to the battery unit whose charging capacity is equal to or greater than the predetermined charging capacity among the plurality of battery units. The uninterruptible power supply system according to claim 1, characterized in that:
所定の充電容量未満である前記バッテリ部(以下、本請求項において「要充電バッテリ部」という)を有する前記バッテリユニットが複数存在する状態において、
前記充電制御部は、前記商用電力が供給可能な最大許容電力から、前記負荷の最大消費電力を差し引いた余剰電力の範囲内で、複数の前記要充電バッテリ部を同時期に充電する、ことを特徴とする請求項1または2に記載の無停電電源システム。 The uninterruptible power supply system has a charging control section that controls charging of the battery section,
In a state in which there are a plurality of battery units each having a battery section (hereinafter referred to as a "required battery section" in the present claim) having a charging capacity of less than a predetermined charging capacity,
The charging control unit charges the plurality of battery units requiring charging at the same time within a range of surplus power obtained by subtracting the maximum power consumption of the load from the maximum allowable power that the commercial power can supply. The uninterruptible power supply system according to claim 1 or 2.
前記バッテリユニットは、当該バッテリユニットが有する前記バッテリ部の電気的または物理的な状態を表す状態情報または前記バッテリ部に固有な情報を前記充電制御部に出力する構成を有し、
所定の充電容量未満である前記バッテリ部(以下、本請求項において「要充電バッテリ部」という)を有する前記バッテリユニットが複数存在する状態において、
前記充電制御部は、複数の前記バッテリユニットから出力された前記状態情報または前記固有な情報に基づいて決定された順位に従って、それら複数のバッテリユニットが有する前記要充電バッテリ部を順番に充電する、ことを特徴とする請求項1または2に記載の無停電電源システム。 The uninterruptible power supply system has a charging control section that controls charging of the battery section,
The battery unit has a configuration that outputs state information representing an electrical or physical state of the battery unit included in the battery unit or information unique to the battery unit to the charging control unit,
In a state in which there are a plurality of battery units each having a battery section (hereinafter referred to as a "required battery section" in the present claim) having a charging capacity of less than a predetermined charging capacity,
The charging control unit sequentially charges the battery units requiring charging included in the plurality of battery units according to a ranking determined based on the status information or the unique information output from the plurality of battery units. The uninterruptible power supply system according to claim 1 or 2, characterized in that:
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