JP2653235B2 - 無停電電源装置とその放電終止検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 商用交流入力の停電時等にバッテリーから電力を供給
することにより動作を継続させるための無停電電源装置
に関し、 バッテリー漏れ電流の発生を防止し、かつバッテリー
電圧が高い場合にも放電終止電圧を確実に検出できる高
信頼性・低コストの無停電電源装置を提供することを目
的とし、 充放電可能なバッテリーと、該バッテリーを充電する
ための定電流垂下特性を有する充電用電源を備え、該充
電用電源からダイオードを介して前記バッテリーに充電
するようにした無停電電源装置において、停電時に前記
バッテリーの出力を前記充電用電源に供給する供給手段
と、該供給手段を介して供給される前記バッテリーの出
力により動作する前記充電用電源の出力が放電終止電圧
になったことを検出する検出手段とを具備したものであ
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、商用交流入力の停電時等にバッテリーから
電力を供給することにより給電を継続させる無停電電源
装置に関し、時に放電時のバッテリー電圧を検出する手
段の改良に関する。

近年、様々な規模の電子計算機、パーソナルコンピュ
ータ、ファクシミリなどの普及により商用電源の瞬断や
停電による被害が増大している。

そこで、停電対策として無停電電源装置を使用するこ
とが多くなってきた。現実に、ここ数年、無停電電源装
置の市場は年率30％以上の勢いで伸びている。

このような無停電電源装置を導入するにあたっては、
該無停電電源装置を装置外部に接続することが一般的で
あったが、最近では始めから装置に内蔵させ、商用電源
の瞬断や停電などによる被害を確実に防止しようとする
ものも出現している。

無停電電源装置は、通常は、商用電源を負荷装置（電
子計算機など）に適した電圧に変換して該負荷装置に供
給すると同時に、無停電電源装置の内部に備えたバッテ
リーを充電しておき、停電が発生すると内部のバッテリ
ーから電力を供給して給電を継続するようになってい
る。

かかる目的に使用されるバッテリーは、充放電可能な
バッテリー（『二次電池』と呼ばれる）であるが、放電
によりバッテリー電圧がある規定値（放電終止電圧）以
下になるとバッテリーが劣化し、バッテリー寿命に影響
を与える場合がある。

したがって、放電中のバッテリー電圧を監視し、放電
によりバッテリー電圧が放電終止電圧まで低下した時、
バッテリーからの電力供給を停止する必要がある。

〔従来の技術〕

第６図は従来の無停電電源装置の代表的な構成を示す
図である。

図において、１はバッテリー、２は充電用電源、4aは
比較器、SW1,SW2はスイッチ、D1,D2はダイオード、R1,R
2は抵抗である。

バッテリー１としては、充放電可能な二次電池が用い
られている。

充電用電源２は、バッテリー１を充電するための電源
であり、例えばスイッチングレギュレータ等により構成
される。

この充電用電源２は、第２図に示すような過電流垂下
特性を有する。

また、充電用電源２は、第３図に示すように、充電開
始直後であってバッテリー１がほとんど空の時は、大き
な充電電流が流れようとするため過電流垂下により定電
流充電を行い、ある程度充電が進むと充電電流が垂下点
より下がるため定電圧充電を行う。

比較器4aは、オペアンプで構成されるものでバッテリ
ー１の出力電圧を抵抗R1,R2で分圧した電圧と基準電圧V
refとを比較し、抵抗R1,R2により分圧した電圧が基準電
圧Vrefより小さくなった時に、放電終止検出信号を出力
するものである。

次に、上記構成の無停電電源装置の動作について説明
する。

通常時は、入出力端子Ｔから充電のための電力が供給
される。この電力はダイオードD1に遮られて直接バッテ
リー１には供給されず、スイッチSW2を通して、バッテ
リー１の充電用電源２を動作させる。この充電用電源２
の出力電圧はダイオードD2を通してバッテリー１に印加
され、これによりバッテリー１の充電が行われる。

停電時は、入出力端子Ｔからの電力供給がなくなり、
バッテリー１からダイオードD1、スイッチSW1及び入出
力端子Ｔを通して放電が行われ、負荷に電力を供給す
る。このとき充電用電源２は動作する必要がないので、
スイッチSW2を開放するのが一般的である。また、ダイ
オードD2によりバッテリー１から充電用電源２へ電流が
流れることはない。

放電終止電圧の検出は、バッテリー１の正極電圧を検
出することにより行われる。即ち、バッテリー１の出力
電圧を抵抗R1,R2で分圧して比較器4aに入力し、基準電
圧Vrefと比較する。

バッテリー電圧が低下し放電終止電圧になると、比較
器4aの出力が反転し、放電終止検出信号が出力される。
これにより、スイッチSW1が切断されてバッテリー１か
らの放電が停止され、過放電が防止されるようになって
いる。

しかしながら、上記構成では、放電を停止した後や無
停電電源装置を使用していない場合であっても、抵抗R
1,R2を通して漏れ電流が流れることで僅かずつバッテリ
ー１の放電が継続している。したがって、かかる状態を
長期間放置するとバッテリー電圧が放電終止電圧以下と
なることは避けられない。

抵抗R1,R2を数100KΩ以上にすると漏れ電流は減少す
るが、湿度やノイズ等の影響を受けやすくなり、放電終
止電圧の検出が困難になるので、漏れ電流を少なくする
には限度がある。

このような従来装置の欠点を解消するものとして、第
７図に示すように、インピーダンス変換器５を用いてバ
ッテリー電圧を検出するものがある。

これは、バッテリー１の出力電圧を、インピーダンス
変換器５を介在させて抵抗R1,R2に供給することを除け
ば第４図で説明したものと同じである。

インピーダンス変換器５は高入力インピーダンス・低
出力インピーダンスという特性を有する回路であり、こ
れによりバッテリー１からの漏れ電流を少なくすること
ができる。インピーダンス変換器５の具体的な例として
は、第８図に示すように、オペアンプをボルテージフォ
ロワ接続して用いる場合が多い。

しかし、この場合、バッテリー電圧が高いとオペアン
プの部品耐圧が不足し使用できないという問題がある。
また、その他のインピーダンス変換器を用いると、部品
点数が増えて信頼性が低下するとともにコスト高になる
という問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、バッテリー電圧を抵抗で分圧して基準電
圧と比較することにより放電終止電圧を検出するもの
は、放電を停止した後や無停電電源装置を使用していな
い場合にバッテリー漏れ電流が発生し、放電が継続発生
することを避けられない。

これを避けるために、インピーダンス変換器を介在さ
せてバッテリー電圧を取り出し、これを抵抗で分圧して
基準電圧と比較することにより放電終止電圧を検出する
ものは、インピーダンス変換器の耐圧が低く、この耐圧
を高くできるインピーダンス変換器は部品点数が増加
し、信頼性が低下するとともにコスト高になるという欠
点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、バッ
テリー漏れ電流の発生を防止し、かつバッテリー電圧が
高い場合にも放電終止電圧を確実に検出できる高信頼性
・低コストの無停電電源装置を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明を原理的に説明するための図である。
即ち、本発明の無停電電源装置は、上記目的を達成する
ために、充放電可能なバッテリー１と、該バッテリー１
を充電するための定電流垂下特性を有する充電用電源２
を備え、該充電用電源２からダイオードD2を介して前記
バッテリー１に充電するようにした無停電電源装置にお
いて、停電時に前記バッテリー１の出力を前記充電用電
源２に供給する供給手段３と、該供給手段３を介して供
給される前記バッテリー１の出力により動作する前記充
電用電源２の出力が放電終止電圧になったことを検出す
る検出手段４とを備えたものである。

〔作用〕

通常時は、入出力端子Ｔから充電のために電力が供給
される。この電力は供給手段３に設けられたダイオード
D1に遮られ、バッテリー１には直接供給されず、バッテ
リー１の充電用電源２に供給される。これにより充電用
電源２が駆動される。

充電用電源２の出力電圧はダイオードD2を通してバッ
テリー１に印加され、これによりバッテリー１への充電
がおこなわれる。

ここで、充電用電源２は、第２図に示すように、過電
流垂下特性を有し、第３図に示すように、バッテリー１
がほとんど空の時は、大きな充電電流が流れようとする
ため過電流垂下により定電流充電を行い、ある程度充電
が進むと充電電流が過電流垂下点より下がるため定電圧
充電を行うようになっている。

停電時は、入出力端子Ｔからの電力供給がなくなり、
バッテリー１からの放電がダイオードD1及びスイッチSW
1を通して行われる。このとき、充電用電源２に至る経
路には電力供給を阻害するものはないので、充電用電源
２はバッテリー１の出力を受けて動作しつづけている。

なお、ダイオードD2によりバッテリー１から充電用電
源２へ電流が流れ込むことはない。

放電中における放電終止電圧の検出は、充電用電源２
の出力電圧を、検出手段４を構成する抵抗R1,R2で分圧
して比較器4aに入力し、基準電圧Vrefと比較することに
より行われる。

停電が発生し、バッテリー１から負荷（入出力端子
Ｔ）及び充電用電源２に電力が供給されると、充電用電
源２が動作を停止しないため、この充電用電源２からも
負荷へ電力供給が行われる。

この際、充電用電源２は、第２図に示すように、過電
流垂下特性を持つため、出力が垂下し 「バッテリー電圧＋ダイオードD2の順方向電圧降下」 まで低下する。したがって、この電圧をR1,R2で分圧し
検出することでバッテリー電圧を監視することができ
る。

このような構成によれば、放電を停止した後や無停電
電源装置を使用していない場合には、ダイオードD2が充
電用電源方向への電流の流れを阻止するため、バッテリ
ー１の出力が抵抗R1,R2を通して漏洩することはなく、
長期間放置してもバッテリー電圧が放電終止電圧以下と
なることはない。

また、インピーダンス変換器等を必要としないため、
部品点数が減少し、高信頼性・低コストで実現できる。

さらに、バッテリー電圧が高い場合でも、R1,R2で分
圧することができるので、耐圧の低い素子を用いて放電
終止電圧を検出するための比較器を構成することができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。

第４図は、本発明の実施例の構成を示すブロック図で
ある。図中、第１図に示したものと同一又は相当部分に
は同一符号を付して説明する。

図において、10は基板であり、この基板10の上に無停
電電源装置（UPS）を構成する各種ハードウエアが搭載
されるようになっている。

この基板10の端部には２つのコネクタCN1,CN2に設け
られている。

コネクタCN1は、第１図に示した入出力端子Ｔとして
用いられるものであって、「充電＋31V」ラインと「0
V」のラインが設けられている。

「充電＋31V」ラインは、通常時は外部から充電用の
直流電圧＋31VDCが供給され、停電時はバッテリー１か
ら直流電圧＋25〜＋20VDCを出力する。

コネクタCN2は、本無停電電源装置と他のユニットと
の間の各種制御信号を送受するものである。この制御信
号には、UPS有効信号、停電発生信号、アラーム信号、
放電終止信号等がある。

UPS有効信号は、外部ユニットから与えられる信号で
あり、本無停電電源装置を有効にすることを指示するも
のである。

停電発生信号も外部装置から与えられる信号であり、
停電が発生した旨を本無停電電源装置に知らせるもので
ある。上記UPS有効信号が有意であり、且つ、この停電
発生信号が有意になったときにバッテリー１の電力が外
部に出力されることになる。

アラーム信号は本無停電電源装置の異常を外部装置に
知らせるものであり、例えばバッテリー１から過電流が
供給されたときに出力されるものである。

放電終止信号は、本無停電電源装置のバッテリー１か
ら出力される電圧が放電終止電圧になったことを外部ユ
ニットに知らせる信号である。

１はバッテリーであり、充放電可能な二次電池であ
る。このバッテリー１は、例えば、6Vモノブロック×８
個（１モノブロックは３セルより成る）で構成され、＋
25V〜20Vの直流電圧を出力するものである。

２は充電用電源としての充電回路であり、バッテリー
１を充電するために用いられる。この充電回路２は、例
えば外部からの＋31VDCの電力を入力して内部の充電回
路を動作させるようになっている。

この充電回路２はリンギングチョークコンバータ（RC
C）方式のスイッチングレギュレータであり、＋31VCDが
入力されたことにより動作を開始する。充電回路２は、
定電圧充電時は、＋28.2VDC（2.35×12セル）を出力す
る。また、過電流検出点（OCP）は１〜2Aに設定されて
いるので、これを越える充電電流が流れるときは過電流
垂下特性により出力電圧が低下する。

抵抗R1,R2は、充電回路２から出力される充電電圧を
分圧するもので、これら抵抗R1及びR2の接続点から取り
出された電圧がバッテリー電圧検出回路4aに供給される
ようになっている。

4aはバッテリー電圧検出回路であり、第１図に示した
ように、抵抗R1,R2で分圧された電圧を一方の入力と
し、図示しない基準電圧発生回路から発生される基準電
圧Vrefを他方の入力として、これらを比較するオペアン
プ（比較器）から構成される。このバッテリー電圧検出
回路4aは、バッテリー１の出力電圧を抵抗R1,R2で分圧
した電圧と基準電圧Vrefとを比較し、分圧した電圧が基
準電圧Vrefより小さくなった時に、放電終止検出信号を
出力するものである。そして、上記オペアンプの出力が
放電終止信号として、コネクタCN2を介して外部に出力
されるようになっている。

SW1は放電回路であり、例えばMOS−FET等の半導体ス
イッチで構成される。この放電回路SW1は、UPS有効信号
及び停電発生信号の両信号が有意になることによりオン
状態になるものである。この放電回路SW1がオン状態に
なることにより、バッテリー１からの放電が開始される
ようになっている。

６はノンヒューズブレーカ（NFB）であり、例えば50A
の電流が該回路に流れると自動的に電流を遮断するもの
である。

７は異常検出回路であり、NFB6により回路が切断され
たことを検出してアラーム信号を出力するものである。

次に上記構成の無停電電源装置の動作について説明す
る。なお、以下の例では、UPS有効信号は予め有意にさ
れているものとする。

通常時は、コネクタCN1から充電のために＋31VDCの直
流電力が供給される。この電力は、停電発生信号が有意
でなく、したがって放電回路SW1がオフ状態になってい
るので、該放電回路SW1に遮られて直接バッテリー１に
は供給されない。したがって、＋31VDCの直流電力は充
電回路２のみに供給され、バッテリー１の充電回路２を
動作させる。

この充電回路２の出力はダイオードD2を通してバッテ
リー１に印加され、これによりバッテリー１への充電が
行われる。

一方、停電が発生すると停電発生信号が有意になり、
放電回路SW1がオン状態になる。この際、コネクタCN1か
らの＋31VDCの電力供給はなくなっており、バッテリー
１から放電回路SW1、コネクタCN1を通して放電が行わ
れ、負荷及び充電回路２に電力を供給する。なお、ダイ
オードD2によりバッテリー１から充電回路２の出力端子
へ電流が流れることはない。

バッテリー１の出力を受けた充電回路２は動作を継続
する。そして、その出力は、バッテリー電圧にダイオー
ドD2の順方向電圧降下を加えた値となる。

放電終止電圧の検出は、この充電回路２の出力を監視
することにより行われる。即ち、バッテリー１の出力電
圧を抵抗R1,R2で分圧してバッテリー電圧検出回路4aに
入力し、該回路4a内部で生成される基準電圧Vrefと比較
する。バッテリー電圧が低下し放電終止電圧になると、
バッテリー電圧検出回路4aはその旨を示す放電終止検出
信号を出力する。この放電終止検出信号を受け取った外
部装置は、UPS有効信号を無効にすることにより、放電
回路SW1を開放する。これにより、バッテリー１からの
放電が停止され、電源の供給は停止されることになる。

第５図は、本発明の応用例であり、電子計算機の停電
対策として内部に無停電電源装置を有する電子計算機の
一例を示している。

図において、21はフィルタ、22はメインラインスイッ
チ、23はプレレギュレータ（PDU）、24は無停電電源装
置（UPS）、25はDC−DCコンバータ、26はプリント板ユ
ニット等、27は制御部である。

フィルタ21は商用電源100VACをフィルタリングしてノ
イズ等を除去するものである。

メインラインスイッチ22は、電子計算機本体の電源を
投入するスイッチである。

プレレギュレータ23は、商用電源100VACを入力し、＋
31VDCの直流に変換して出力するものである。この＋31V
CDの直流電力は無停電電源装置24及びDC−DCコンバータ
25に供給されるようになっている。

また、このプレレギュレータ23は停電検出機構（図示
しない）を有しており、停電を検出した場合は停電発生
信号を出力するようになっている。この停電発生信号は
無停電電源装置24に供給されるようになっている。

無停電電源装置24は上述したものと同じものであり、
ここでは説明を省略する。

DC−DCコンバータ26は、プレレギュレータ23が出力す
る＋31VDC又は無停電電源装置24が出力する＋25VDC〜＋
20VDCの直流を変換し、＋5VDC,±12VDC等の通常のロジ
ック回路で使用する直流電圧を生成するものである。こ
のDC−DCコンバータ25の出力がプリント板ユニット等26
に供給されるようになっている。

プリント板ユニット等26は、電力を消費するロジック
回路、その他の負荷である。

制御部27は、電子計算機全体を制御するものであり、
この制御部27からはUPS有効信号が出力され、無停電電
源装置24に供給されるようになっている。また、制御部
27には、無停電電源装置24から放電終止信号が供給され
るようになっている。

次に、上記構成において、停電発生時の動作を主体に
説明する。

先ず、メインラインスイッチ22が投入されると、電子
計算機には、商用電源100VACが供給される。これを一旦
プレレギュレータ23によって＋31VDCに変換して無停電
電源装置24の入力として使用する。

一方、この電圧＋31VDCは、DC−DCコンバータ25に供
給され、該DC−DCコンバータ25により＋5V,±12V等の通
常のロジック回路で使用する電圧が生成され、負荷であ
るプリント板ユニット等26に供給される。

無停電電源装置24は、上述したように、＋31VDCを入
力として内部の充電回路を動作させる。UPS有効信号、
停電発生信号は、無停電電源装置24内の放電回路SW1に
接続され、制御部27からUSP有効信号が来ているとき
に、プレレギュレータ23から停電発生信号が来ることに
より、つまり停電が発生することにより放電を開始す
る。

かかる状態でバッテリー電圧検出回路4aは充電回路２
の出力、即ちバッテリーで電圧を監視し、バッテリー電
圧が放電終止電圧以下となると、放電終止信号が制御部
27へ出力される。制御部27はこの信号を受け取るとシス
テムを正常に終了させた後、UPS有効信号を無効にする
ことにより無停電電源装置24内の放電回路SW1をオフ状
態にして放電を停止させ、電源遮断にして全ての動作を
停止する。

〔発明の効果〕

以上詳述したようにこの発明によれば、バッテリー漏
れ電流の発生を防止し、かつバッテリー電圧が高い場合
にも放電終止電圧を確実に検出できる高信頼性・低コス
トの無停電電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図は充電用電源の過電流垂下特性を説明するための
図、 第３図はバッテリー充電電流特性を説明するための図、 第４図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、 第５図は本発明の応用例の構成を示すブロック図、 第６図は従来の無停電電源装置の第１の例を示すブロッ
ク図、 第７図は従来の無停電電源装置の第２の例を示すブロッ
ク図、 第８図は第７図に示すインピーダンス変換器の一例を示
す図である。 図において、 １……バッテリー、 ２……充電用電源（充電回路）、 ３……供給手段、 ４……検出手段、 4a……比較器、 R1,R2……抵抗、 D1,D2……ダイオード、 SW1……スイッチ手段（放電回路）。 図中、同一符号は同一又は相当部を示す。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】充放電可能なバッテリーと、 該バッテリーを充電するための定電流垂下特性を有する
   充電用電源と を備え、該充電用電源からダイオードを介して前記バッ
   テリーに充電する無停電電源装置において、 停電時に前記バッテリーの出力を前記充電用電源に供給
   する供給手段と、 該供給手段を介して供給される前記バッテリーの出力に
   より動作する前記充電用電源の出力が放電終止電圧にな
   ったことを検出する検出手段と を具備したことを特徴とする無停電電源装置。
2. 【請求項２】前記供給手段は、前記バッテリーに直列に
   設けられたダイオードで構成されることを特徴とする請
   求項１記載の無停電電源装置。
3. 【請求項３】前記検出手段は、前記充電用電源の出力電
   圧を分圧して比較器に供給し、該比較器で基準電圧と比
   較することにより放電終止電圧を検出することを特徴と
   する請求項１記載の無停電電源装置。
4. 【請求項４】前記供給手段は、前記バッテリーに直列に
   設けられたスイッチ手段を有し、前記検出手段で放電停
   止電圧を検出した際に、該スイッチ手段を開放すること
   を特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
5. 【請求項５】充放電可能なバッテリーと、 該バッテリーを充電するための定電流垂下特性を有する
   充電用電源と を備え、該充電用電源からダイオードを介して前記バッ
   テリーに充電する無停電電源装置において、 通常時は外部から供給される電力により動作する充電用
   電源により前記バッテリーを充電し、 停電時は前記バッテリーを放電して外部に出力するとと
   もに前記充電用電源に電力を供給し、 前記バッテリーで駆動される前記充電用電源の出力を基
   準電圧と比較することにより放電終止電圧になったこと
   を検出する ことを特徴とする無停電電源装置の放電終止検出方法。