JP3892812B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、交流入力を直流電力に変換し負荷に供給する通信・情報機器用の電源装置に関し、特に無停電機能を持った電源装置に関する。
背景技術
従来この種の電源装置は、二次電池からの出力電圧をＤＣ−ＡＣ変換して交流電圧を出力可能とする外付けの補助電源として例えば無停電電源装置（以下「ＵＰＳ」という。）を備え、停電時には商用交流電源側からＵＰＳ側に出力を瞬間的に切り換えることにより、作業中のコンピュータ装置・データストレージ装置・ネットワーク機器あるいはその応用装置などの通信・情報機器が不用意に停止されることを未然に防止している。
例えば特開平９−３２２４３３号公報には、ＵＰＳ内蔵の電源装置が開示されている。そこには、商用交流電源から直流電力に変換して負荷に供給する主電源部と二次電池（バッテリー）から電力を供給するＵＰＳ電源部を備え、両者から所定比率で負荷に電力供給することで効率を改善する、あるいは片方の故障時に他方が即座に電力供給を開始することで信頼性が高まる、との記載がなされている。
また特開２０００−１１６０２９にも、ＵＰＳ機能を機器電源に組み込んだバックアップ電源装置が開示されている。この装置構成では、交流−直流変換回路またはバックアップコンバータの一方から電力を供給することを特徴としている。定期的にバッテリーから直流電力を供給させ、電圧を検出することでシステムが正常に働くか否かの判定を行い、信頼性を高めることも明記されている。
しかしながら、無停電電源装置は入力から出力までの間に整流器、インバータという２段の変換器を通るため、効率が低下するという欠点を持つ。またインバータは、整流器やＤＣ−ＤＣコンバータにくらべ制御が複雑で、コストも高いという課題がある。
一方、コンピュータ装置やその応用装置にあっては、ＣＰＵを含めて回路素子の消費電力が低減された結果、起動初期の様な特別な場合を除いて定常的な動作時における負荷の消費電力は小さく、短時間のピーク電力を供給可能とするためだけに、大容量のＡＣ−ＤＣコンバータを用意しなければならない。更にこの種のＡＣ−ＤＣコンバータは、１００〜２００Ｖの交流高電圧を３〜１２Ｖ程度の直流低電圧に変換するものが一般的であるが、特に軽負荷時においては交流電力から直流電力への変換効率が悪く省電力化が難しい。
更にまた、ＵＰＳとして外付けのものを使用する場合は、電源性能に合致したＵＰＳを選定する必要があるが、外部に接続するＵＰＳは汎用品であるため、負荷装置側で必要な電源仕様よりも大きな容量のＵＰＳを選択せねばならないことが多く、体積やコストのスリム化が困難である。
また、ＵＰＳは並列冗長運転が難しく、冗長性を持たせると著しく高価になるため、一般に１０ｋＶＡ以下の容量の装置においては、ＵＰＳ１台で負荷に電力を供給する構成となっている。しかし、ＵＰＳの故障時には負荷を停止せずにＵＰＳを交換することは不可能であるため、例えばサーバやデータストレージ装置などの無停止・無瞬断運転が必要である装置では、信頼性が充分とはいえない。
他方、機器組み込みの場合は、電源に合わせた設計が可能であり、常にバックアップ電源装置を監視する動作の追加が可能であるため、高い信頼性が確保できる。その反面、設置容積が限られる、機器内部の回路による発熱の影響を受けるために二次電池の寿命が短くなる、といった問題が生ずる。
加えて、商用電源停電時以外に二次電池からの電力供給を行う方式の電源装置では、部分充放電が常時行われることになるため、二次電池の劣化が加速し、信頼性が損なわれるという問題がある。
発明の開示
本発明はかかる不都合に鑑みてなされたものであって、ピーク時の電力の一部を二次電池側から賄うことによってＡＣ−ＤＣコンバータの小型・小容量化を図るとともに、負荷における消費電力が小さい間はＡＣ−ＤＣコンバータを停止して二次電池から電力を供給する様に構成することにより、停電時におけるバックアップ電源としての機能を維持しながら、交流電源における電力損失を防止し、電源装置全体としての高効率化を図ることが可能な電源装置を提供することを目的とする。
本発明は更に、停電時におけるバックアップ機能を長期に亘り高い信頼性を持って維持し得る電源装置を提供することを目的とする。
本発明のもう１つの目的は、停電時のバックアップ電源としての機能を維持しながら負荷の程度に応じて電力の一部を二次電池装置側から供給することで高効率化を実現し得る電源装置において、その電源装置の長期信頼性を実現することにある。
本発明にかかる電源装置４は、図１にその全体的な構成を概略的に示すごとく、商用交流電源１から出力される交流電圧を直流電圧に変換し負荷３５に電力を供給可能とする主電源部２と、二次電池２０を電力供給源として負荷３５に電力を供給可能とする補助電源部３とを備えたものである。
ここで、補助電源部３には、二次電池２０の充放電手段５と、二次電池２０の電池容量検出手段６と、充放電手段５における充放電量と充放電時期を規制可能とする制御手段７とを備え、その制御手段７が、二次電池２０の残存容量と負荷側の必要電力量に基づいて制御動作を行う様に構成している。
すなわち、前記した主電源部２による電力の供給中にあっても、例えば４（ａ）で示す上限電力Ｐ２と下限電力Ｐ１間の様な予め設定した範囲を外れる大きさの負荷に対する電力供給が検出されると、補助電源部３の二次電池２０から負荷３５に対して電力が供給されることを特徴とする。
ここで供給電力が下限電力Ｐ１を下回った場合にあっては、二次電池２０から負荷３５に電力を供給するのと同時に、主電源部２による負荷３５に対する電力の供給を強制的に停止する。また供給電力が上限電力Ｐ２を上回った場合にあっては、主電源部２から負荷３５に対して供給される電力を上限電力Ｐ２に維持しながら、その上限電力Ｐ２を上回る電力分を補助電源部３から供給する。
一方、補助電源部３における二次電池２０の充電残量が、例えば図４（ｂ）で示す５０％程度の下限容量Ｃ１を下回ると、上記した補助電源部３からの電力供給中であっても、その二次電池２０から負荷３５に対する電力供給を強制的に停止し、主電源部２からのみ負荷３５に対して電力を供給する。
また二次電池２０の充電残量が、例えば満充電容量Ｃ３よりやや低い規定容量Ｃ２を下回ったことが判定された場合、更に負荷３５に対する供給電力が上限電力Ｐ２を下回り、且つ、補助電源部３から負荷３５に対する電力供給が停止されている期間中に対応して、二次電池２０に対して定常的な充電が行われる。
補助電源部３の二次電池２０に対し、所定のタイミングで間欠的に、満充電量を超える電力を供給して充電することが好ましい。この満充電量を超える電力が供給される毎に、その時点における電池容量を基準値として設定し、それ以後の電池残容量の算出に利用する。
上記した満充電を超える充電を実施する間隔は、例えば１回／週、１回／２週あるいは１回／３週の様に、週を単位とする適当な頻度で行うのが望ましい。また実施の時間帯は、システムの運転に支障のない時間帯、換言すれば、前記補助電源部３が最も機能しない時間帯を選ぶ必要がある。
一般に、この発明が対象とする通信・情報機器８の運転状況は、１日単位、１週間単位、あるいは１年単位で周期的に変動すると考えられるが、最良とする時間帯の設定は１週間を単位とするのが実用上、最適と考える。
頻度については、実際に使用される二次電池２０の性能に応じて設定する。その設定は、ユーザーが手動で設定することも可能であるが、電源装置４の運転状況に合わせて制御系が学習して自動的に設定する構成にすれば、ユーザーが特に設定しなくとも最適なシステム管理が行える。
上記した補助電源部３から負荷３５側に電力を供給し、あるいは二次電池２０側に給電（充電）する運転制御条件は、二次電池２０の電力残容量と負荷３５側の必要電力量に基づいて設定される。電力残容量は、上記した満充電を超える充電が行われた時点を基準時、即ち満充電時として以後の残容量を算出する。この計算は、例えば基準時以降に計測した充放電積算電力と、二次電池２０の自己放電による容量減少分を勘案して求める。自己放電分は、前記した基準時からの経過時間、並びにある周期で測定された電池温度のデータに基づき計算する。
また本発明の電源装置４は、コンピュータ装置、データストレージ装置あるいはネットワーク機器の様な通信・情報機器８内に一体に内蔵された形態が望ましい。
また、本発明に用いる二次電池２０は、ニッケル水素電池またはニッケルカドミウム電池であることが望ましい。負荷３５の状況に応じて充放電を頻繁に繰り返すこと、機器内蔵とするために高い容量密度の電池が望ましいこと、火災の心配の少ないこと等の要請に適う電池として、現時点では上記２種の二次電池が相応しい。
発明を実施するための最良の形態
以下本発明にかかる電源装置を、図２に示すサーバ用のコンピュータ装置１０における無停電式の電源部１１に実施した一例を示す。但し、これに限らず、恒常的な動作を必要とする各種の電子機器（通信・情報機器）における電源や、その様な電子機器に電力を供給するために独立して動作する電源装置においても、ほぼ同様に実施できることは勿論である。
本発明にかかる電源部１１は、図２においてその全体的な構成を概略的に示す如く、例えば１００〜２００Ｖ程度の交流電圧Ｖ１を出力する商用交流電源１に接続され、ＣＰＵ３５ａ、メモリ３５ｂおよび入出力部（Ｉ／Ｏ）３５ｃを始めとする各種負荷３５に対して、例えば直流１〜５Ｖ程度の低圧直流電圧Ｖ４・Ｖ５を供給可能とするものである。
電源部１１は、商用交流電圧Ｖ１を例えば４８Ｖ程度の直流電圧Ｖ３に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ３０およびＤＣ−ＤＣコンバータ３１と、前記した直流電圧Ｖ３を負荷３５に応じた電圧Ｖ４・Ｖ５に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ３２およびＶＲＭ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ Ｍｏｄｕｌｅ）３３と、二次電池装置１２とから構成される。
主電源系では、入力交流電圧Ｖ１が２００Ｖの場合、ＡＣ−ＤＣコンバータ３０で３６０Ｖ程度の高圧の直流電圧Ｖ２に変換し、次いでＤＣ−ＤＣコンバータ３１で直流４８Ｖの中圧の直流電圧Ｖ３に降圧する構成をとる。この構成により、力率を改善し電源高調波を抑制可能とする。なお、ＡＣ−ＤＣコンバータ３０とＤＣ−ＤＣコンバータ３１・３２は、必ずしも１つとは限らない。必要な負荷に応じて複数で構成される場合もあるし、冗長性を持たせて信頼性を高めるために必要数より多数で構成される場合もある。また、最終出力電圧も必ずしもＶ４・Ｖ５だけに留まらない。
二次電池装置１２は、電池電圧Ｖ６を有する二次電池２０と、その二次電池２０に対する充電を可能とする充電回路２１と、二次電池２０から出力される電池電圧Ｖ６を昇圧し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１からの出力電圧Ｖ３と略一致させる放電回路２２と、後記する各種の制御動作を行う制御回路２３とから構成される。
二次電池２０は、通常複数個の電池セルから構成される。電池電圧Ｖ６は特に制限はないが、上記した直流電圧Ｖ３の約１／３以上から同等電圧までであることが望ましい。また二次電池２０は、無停電電源としての設計仕様にあわせて、出力性能と容量が定められる。
例えば本実施例のコンピュータ装置１０用の電源部１１では、最大出力電力が３００Ｗであり、二次電池装置１２のバックアップ機能は、充電残量が５０％の段階で６分間電力を供給する仕様とした。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の出力電圧Ｖ３は４８Ｖとし、定格二次電池電圧を１８Ｖとした。二次電池２０は、ニッケル水素電池セルを１５セル直列に接続して構成した。バックアップ機能の要請から、サイズが２６ｍｍφ×６０ｍｍで、電池容量が５．８Ａｈのニッケル水素電池を後述する方法に従い作成して用いた。
充電回路２１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１から出力される直流電圧Ｖ３を降圧するとともに、制御回路２３による制御に基づいて所定のタイミングで充電動作を行うことにより、二次電池２０をできるだけ満充電状態に近い状態に維持できる様にしている。
放電回路２２は、二次電池２０の電池電圧Ｖ６を昇圧し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１から出力される直流電圧Ｖ３とほぼ等しい電圧を形成可能とする。更に、ＣＰＵ３５ａ、メモリ３５ｂあるいはＩ／Ｏ３５ｃ等の負荷３５に供給される電力の大小に対応し、制御回路２３による制御動作によって、二次電池２０から供給される電力の制御を可能とする。
制御回路２３は、マイクロプロセッサを演算素子として使用し、プログラムで動作するものであって、各種センサからの入力に対応して電源部１１における上記した充電回路２１および放電回路２２に制御信号Ｓｂ・Ｓｃを送って、所定の制御動作を行う。同時に、コンピュータ装置１０の全体を制御するＣＰＵ３５ａとの間においても、Ｉ／Ｏ３５ｃを介して電池管理や動作に関わる各種信号Ｓｄ・Ｓｅの受け渡しをし、二次電池装置全体の制御動作を行う。
センサとして、二次電池２０の温度Ｔａを測定する温度センサ４０、充電および放電電流Ｉａを測定する充放電電流センサ４１が付設され、また電池電圧Ｖ６、放電電圧Ｖ７を検出する手段を備えている。これらセンサからの信号が制御回路２３に入力される。
かかるセンサから出力される信号に基づいて、二次電池２０の充放電量および充放電時期を制御するとともに、検出された充放電電流Ｉａを積算することによって、二次電池２０の充電残量をリアルタイムに把握可能とする。
更に、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１から負荷３５側に流れる電流Ｉｂを、負荷電流センサ４２で検出可能とする。なお本実施例にあっては、負荷電流センサ４２を利用して負荷電流Ｉｂの大きさを検出することにより供給電力の検出および制御が実質的に行われる様にしているが、供給電力を直接的に検出するようにしてもよい。
また、ＡＣ−ＤＣコンバータ３０からの出力電圧Ｖ２あるいはその検知処理信号を入力信号Ｓａとして入力することにより、商用交流電源１からＡＣ−ＤＣコンバータ３０までが正常に動作しているか否かを検出できる様にしている。これらの信号入力を利用し、下記の制御回路２３における各種制御動作が行われる。
ここで電源部１１は、上記の如く、二次電池２０でバックアップされた無停電電源と略同様な動作を行う。あるいは、更に二次電池２０の充放電を活用した様々な動作の態様もある。最も多機能な電源部１１の動作を、充放電時期の制御動作を中心にして、図３に示す。
コンピュータ装置１０が完全に停止した「停止モード」、交流電源のみで動作する「ＡＣモード」、直流電源のみで動作する「ＤＣモード」、交流電源による給電を主として直流電源による給電で不足分を補充する「ピークカットモード」、二次電池２０を充電する「第１充電モード」、「第２充電モード」および「第３充電モード」、交流電源がオフされた際に直流電源で給電を補償する「バックアップモード」が存在する。
こうした各モード間を、負荷３５に対する供給電力量、二次電池充電量、ＡＣ入力状態すなわち停電や機器故障か否か等に応じて自動的に切り換えて動作する。
本発明の特徴は、いずれの電源にあっても、あるいは他のモードの動作が追加された態様の電源においても、ピークカットモードと充電モードの動作機能にある。
ここで「停止モード」は、電源部１１に対する商用交流電源１の供給の如何に拘らず、電源部１１が強制的にオフされてコンピュータ装置１０の動作が完全に停止されている状態である。
かかる状態に入るのは、コンピュータ装置１０のメインスイッチを手動でオフさせるとともに、コンセントを抜いて商用交流電源１の供給を断った場合のほかに、コンピュータ装置１０が動作中で且つ、商用交流電源１の供給が停電あるいはＡＣ−ＤＣコンバータ３０の故障をはじめとする何らかの原因で停止することにより二次電池２０によるバックアップモードに入っている期間中に、更に二次電池２０の残容量が最下限容量Ｃ０を下回ったことが検出されることにより、二次電池２０の残存容量を利用してＣＰＵ３５ａが所定のシャットダウン動作を行った場合である。
次に「ＡＣモード」は、電源部１１に商用交流電源１が接続されてＡＣ−ＤＣコンバータ３０とＤＣ−ＤＣコンバータ３１がオン状態にあり、且つ二次電池２０の残容量が例えば満充電時の５０％に設定した下限容量Ｃ１を上回って残存するとともに、負荷３５に対する電力供給量が、ＡＣ−ＤＣ変換回路２９からの定格出力である、予め設定された下限電力Ｐ１以上で上限電力Ｐ２以下の中領域にある場合に、二次電池２０に対する充放電動作は行われず、専ら商用交流電源１からのみ負荷３５に対して電力供給が行われる状態である。
更に「ピークカットモード」に入るのは、二次電池２０の残容量が上記した下限容量Ｃ１を上回っている状態で、更に負荷３５に供給される電力が上限電力Ｐ２を超えた大領域に入った場合である。
すなわち、ＡＣ−ＤＣ変換回路２９から負荷３５に電力を供給中にあっても、上限の設定電力Ｐ２を上回って電力が供給されたことが負荷電流センサ４２によって検出された場合にあっては、その上回った分の電力が二次電池２０側から供給される様に放電回路２２の放電電流量を制御することにより、ＡＣ−ＤＣ変換回路２９側から供給される電力量を前記した上限電力Ｐ２に維持しながら、不足する部分を二次電池２０側から供給する。
ただし、かかる放電中に二次電池２０の容量が下限容量Ｃ１を下回るか、負荷３５に対する供給電力が上限電力Ｐ２を下回ると、二次電池２０からの放電が停止され、商用交流電源１からのみ電力供給が行われる「ＡＣモード」に戻る。
また「ＤＣモード」に入るのは、二次電池２０の残容量が下限容量Ｃ１を上回っている場合にあって、前記したピークカットモードとは逆に、負荷３５に対する供給電力が下限電力Ｐ１を下回ったことが負荷電流センサ４２により検出された場合である。
このモードに入ると、例えばＡＣ−ＤＣコンバータ３０の動作を停止してＤＣ−ＤＣコンバータ３１からの出力を止めると同時に、放電回路２２を作動させることにより、負荷３５に対する電力供給を専ら二次電池２０からのみに制限している。
しかしながらこの場合にあっても、二次電池２０による電力供給中に残容量が下限容量Ｃ１を下回るか、負荷３５に対する電力供給量が下限電力Ｐ１を上回ると、ＡＣ−ＤＣ変換回路２９を始動して「ＡＣモード」に戻る。
「第３充電モード」は、上記した「ＡＣモード」中にあって、二次電池２０の残容量が、上記した下限容量Ｃ１より大きく満充電時の容量の様な上限容量Ｃ３より小さい範囲内で予め設定した規定容量Ｃ２を下回っていることが検出された場合に行われるものであって、更に負荷３５に供給される電力と充電のために消費される電力の和が上限電力Ｐ２を超えないように、充電回路２１における電流制御が行われる。そして、二次電池２０の容量が上限容量Ｃ３になると、充電回路２１を停止して「ＡＣモード」に戻る。
また「バックアップモード」は、電源部１１に対する商用交流電圧Ｖ１の入力が停止した、あるいはＡＣ−ＤＣコンバータ３０の機能が停止したことをＡＣ信号Ｓａで検知した場合に入るモードであって、その時点における二次電池２０の残容量が最下限容量Ｃ０を上回っている場合は、二次電池２０から負荷３５に対して電力供給を続け、交流電源１が復帰するとそのまま「ＡＣモード」に戻る。
しかしながら、二次電池２０の残容量が最下限容量Ｃ０をも下回った場合にあっては、コンピュータ装置１０に対する所定のシャットダウン操作を自動的に行って停止操作を行い、「停止モード」に移る。なお最下限容量Ｃ０は、コンピュータ装置１０およびそのコンピュータ装置１０が接続されているシステムに悪影響を与えない、例えばデータの破壊を未然に防止しながら正常にコンピュータ装置１０を停止するのに必要な電力に相当する二次電池容量である。
以下図４に示す説明図に基づいて、負荷３５に対する供給電力と各動作モードとの関係を更に具体的に説明する。なお図４（ａ）において示す供給電力のうち、左斜線部分は交流電源側から負荷３５に供給される電力量を、右斜線は二次電池側から供給される電力量を、縦斜線は二次電池２０に対する充電に供する電力量を各々示す。
時刻ｔ０に、コンピュータ装置１０の電源プラグを介して商用交流電圧Ｖ１を入力したあと電源スイッチをオンして起動するのと同時に停止モードからＡＣモードに入り、ＣＰＵ３５ａに対する負荷が急激に増大し供給電力は下限電力Ｐ１を超えて更に上昇する。この時点では二次電池２０は満充電状態であるから、電源部１２はＡＣモードを続ける。
必要なソフトウェアが立ち上がるのにつれて負荷量は減少するので、電源部１１からの供給電力も次第に減少する。そして時刻ｔ１において供給電力が下限電力Ｐ１を下回ると、ＡＣ−ＤＣ変換回路２９の動作が停止されるのと同時にＤＣモードに入り、二次電池２０からのみ電力供給がなされる様になる。更に時刻ｔ２になるとＣＰＵ３５ａはスリープモードに入って、負荷電力はメモリ３５ｂ上のデータを保存するような必要最小限に抑制される。
時刻ｔ３に負荷が増大し、時刻ｔ４に供給電力が下限電力Ｐ１を超えると二次電池２０からの放電が停止されるとともに、ＡＣ−ＤＣ変換回路２９が再起動して商用交流電源１から負荷３５に電力が供給される。
負荷３５に供給される電力が時刻ｔ５において上限電力Ｐ２を超えると、その上限電力Ｐ２を超える部分の電力については、放電回路２２が働いて二次電池２０から供給される。それと同時に、二次電池２０の残容量は徐々に減少するが、時刻ｔ６に供給電力が上限電力Ｐ２を下回るのと同時に放電回路２２に代えて充電回路２１が作動可能となる。
そして、かかる段階で二次電池２０の残容量が規定容量Ｃ２を下回っていると、上限電力Ｐ２から負荷３５に供給される電力を引いた量の電力を限度とする電力が充電回路２１を通じて二次電池２０に供給され、二次電池２０の充電が行われる。
また、時刻ｔ７からピークカットモードに戻った場合にあっても、時刻ｔ８において二次電池２０の充電容量が下限容量Ｃ１に達すると、それ以後は放電回路２２による二次電池２０の放電が停止されることにより残容量を下限容量Ｃ１に維持すると同時に、上限電力Ｐ２を下回る分の電力に加えて、上限電力Ｐ２を超える電力分についても交流電源側から供給される。
そして、時刻ｔ９に負荷３５に対する供給電力が上限電力Ｐ２を下回るのと同時に、その下回った分の電力分に対応して、二次電池２０の充電が満充電に達する時刻ｔ１０まで行われるのである。
なお、上記したピークカットモードにおける上限電力Ｐ２の値を固定した例を示したが、例えば二次電池２０の残容量の増減に対応して自動的に変更させることもできる。二次電池２０の残容量が大きい間はピークカットを行う割合を大きくし、残容量が下限容量Ｃ１に近づくにつれてピークカット量を減少させるのである。また上限電力Ｐ２を変更させるタイミングも、秒単位から日単位まで任意に設定変更できる。
次に、上記した「第１充電モード」および「第２充電モード」について詳細に説明する。
「第１充電モード」は、上記した「ＡＣモード」中にあって、一定期間毎に満充電を超える電力を二次電池２０に供給するものである。この場合にあっても、充電のために消費される電力の和が上限電力Ｐ２を超えないように、充電回路２１における電流制御が行われる。
二次電池２０の充電量が１００％（満充電）になった時点からは、充電電流を最大０．２ＣＡ程度以下とし、計算上１２０％程度になるまで充電が持続される。例えば０．２ＣＡの定電流充電の場合は、１時間継続して充電した後、充電回路２１を停止して「ＡＣモード」に戻る。
なお充電量１００％の検知は、本実施例にあっては、充放電電流センサ４１を用いた二次電池２０に対する充放電電流Ｉａに基づく積算電力量から計算を利用して行っている。しかしながら、この充電量が１００％に達したのちの充電モードをここでは「均等充電モード」と呼ぶことにすると、この均等充電モードに移行するポイントの検知は、前記した計算による方法に限定されるものではない。例えば、電池温度Ｔａの時間変化率がある設定値以上になった時点とする、電池電圧Ｖ６が上昇後下降に転じて更にある設定値以上降下した時点とする、電池電圧Ｖ６の時間に対する二次微分が充電量１００％に近い領域で正から負に変化した時点とする、等の方法がある。また均等充電モードでの充電量も、こうした方法に応じて適正な設定量とし、必ずしも２０％に限定されない。
この「第１充電モード」が動作している期間は、「ＡＣモード」が継続している、つまり上限電力Ｐ２を超える負荷電流が必要とされないことが望ましい。そのため、コンピュータ装置１０が高負荷運転に入らない時期を選ぶ必要がある。コンピュータ装置１０の運転状況は、設置されている状況、与えられる運転機能、使用環境等に応じて異なるが、一般に１週間単位である特徴的な運転パターンが見られる。
その中で、「ＡＣモード」が継続している頻度の高い、ある曜日のある時間帯をこの「第１充電モード」の動作時間帯として設定する。本発明は、定期的に実施するこの「第１充電モード」の時間帯を、週を単位とする上記時間帯に設定することを特徴とする。必ずしも毎週実施する必要はなく、２週に１回、あるいは３週に１回という具合に実施してもよい。
本実施例における二次電池２０として使用したニッケル水素電池での、自己放電特性、充放電によるセル間での充電量バラツキの発生を勘案すると、１から４週に１回の実施が望ましく、設置される温度環境が４０℃を超える場合には、１から２週に１回の実施が望ましい。勿論この頻度は、今回試作したニッケル水素電池や現在市販されているニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池の特性を基にしたものであり、電池性能の向上や新たな電池系の開発に応じて設定されるべきものである。ただ、いずれの場合でも、週を単位とした定期的に実施することに変わりはない。
「第１充電モード」に関わるもう１つの特徴が、二次電池２０の充電量の制御に用いる基準点として、「第１充電モード」を実施した直後の充電量を１００％とすることである。即ち、「第１充電モード」を実施して電池容量が１２０％に達する毎に、１００％の基準点をリセットする。
単純には、この後の充放電電力を積算し、加減算によりその時点での二次電池２０の充電量を求め、制御に使用する。しかしながら、二次電池２０の設置場所が比較的に高温になる場所、例えば４０℃を超える場所に設置されるような場合には、自己放電に伴う充電量の減衰を考慮する必要がある。その場合、減衰量を温度と時間をパラメータとするデータテーブルとして与えてもよいし、ある近似関数、例えばｅｘｐ（−ｔ／τ）（但し、ｔは時間、τはある時定数）で与えてもよい。
なお、上記した「第１充電モード」の実施時間帯であるが、コンピュータ装置１０の使用者が適正な時間帯に任意に設定する態様の他に、コンピュータ装置１０の負荷電力の推移を自動的に記録し、実際の運転パターンから適正な時間帯を自動設定する態様も考えられる。いわゆる学習機能を付与することで、より適正な時間帯に設定することが可能になる。この場合も、週を単位として定期的に実施することに変わりはない。
次に「第２充電モード」は、「停止モード」からコンピュータ装置１０を立ち上げた、すなわち運転を再開させた場合に実施されるもので、バックアップ機能を回復させる目的で行われるものである。
コンピュータ装置１０を起動すると、まず「ＡＣモード」に入って起動手続が実施され、その起動手続が終了した時点にて、「第２充電モード」が開始される。
ところで、コンピュータ装置１０が「停止モード」に入った場合には、通常は二次電池２０の残容量が最下限容量Ｃ０を下回っており、バックアップ機能をできるだけ短時間に回復することがコンピュータ機器の信頼性に繋がる。
そこで、負荷３５に供給される電力と充電のために消費される電力の和が上限電力Ｐ２を超えない範囲で、かつ二次電池２０の充電能力以下のある充電電流設定値（例えば、３ＣＡ）を最大電流とするように、充電回路２１において電流制御が行われる。そして積算計算による充電量が、上限容量Ｃ３と最下限容量Ｃ０の差に対応する値になった時点で、充電モードを「第１充電モード」に切り換える。
なお、停電に起因してコンピュータ装置１０がシャットダウンした場合にあっては、商用交流電源１が復帰するのと同時に、コンピュータ装置１０は自動的に起動動作が行われるとともに、二次電池２０の残存容量は最下限容量Ｃ０を切る放電終止となっているのが一般的である。その場合にあっては、コンピュータ装置１０を立ち上げる前に先ず第２充電モードに入り、上記した充電電流設定値で所定時間だけ二次電池２０の充電を急速に行った後にコンピュータ装置１０を立ち上げるように構成することもできる。この様な構成を採用すれば、バックアップ容量回復後の機器立ち上げとなり、二次電池２０によるバックアップ効果がより発揮できる。
またコンピュータ装置１０が「停止モード」になる場合として、上記の様な停電によるシャットダウン以外に、使用者が停止措置を施した場合もある。この場合、起動時における二次電池２０の充電量は必ずしも最下限容量Ｃ０以下とは限らず、その時点における正確な充電残量が不明であるため、電池温度Ｔａあるいは電池電圧Ｖ６による制御を併用する。
すなわち、電池温度Ｔａの変化率、あるいは絶対値がそれぞれのある設定値を超えたとき、または充電電圧Ｖ６の変化率、あるいは二次微分の変化率がある設定条件になったときに充電量が上限容量Ｃ３に達したものと判断し、「第１充電モード」に切り換える。この場合における「第１充電モード」中での均等充電モードへの移行ポイントも、充電量を正確に見積もれないため、上記の電池温度Ｔａあるいは電池電圧Ｖ６の時間変化を基にしている。
なお、電池でバックアップしたメモリまたは不揮発性メモリ上に、コンピュータ装置１０の停止時における二次電池２０の残容量と停止時刻に関するデータを記録することにより、再起動時における電池残量が比較的正確に把握できる場合にあっては、積算電力量による制御を主とすることもできる。
本実施例で用いたニッケル水素電池は、次の要領で作成した。正極はＣｏコートした水酸化ニッケル（固溶亜鉛量３％、Ｃｏ量４％）を活物質とし、ポリエチレンテレフタレート（ＰＴＦＥ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）をバインダ材としてペースト状にし、Ｎｉ発泡基材に塗布し、乾燥、プレスして作成した。負極は、一般に、ＡＢ５系と称される水素吸蔵合金（具体的な組成は、本発明では重要でないので省略する。）の一種を活物質とし、スチレンブチレンラバー（ＳＢＲ）とＣＭＣをバインダ材としてＮｉメッキしたパンチングメタル基材に塗布、乾燥、プレスして作製した。セパレータにはスルホン化ポリプロピレンを、電解液にはＫＯＨ３０％水溶液を用いた。
高出力化のために、接合ポイントが１０ケ所以上になるように工夫した集電部品を使って正負極から集電をとり、電池セルを作製したのち、化成工程を経てニッケル水素電池セルとして完成させた。実施例として試作したコンピュータ装置１０の出力、ＵＰＳ機能の設定時間の要請から、電池セルサイズは２６φ×６０ｍｍとした。試作した電池の容量は５．８Ａｈ、室温（２５℃）での５ＣＡ容量は５．２Ａｈであり、充電保持率は４５℃１４日経過で８０％であった。本実施例では、このセルを１５本直列に接続して用いた。
上記した「第１充電モード」を例えば１週間に１回実施して本発明の実施例とし、１００％までの充電（補充電）は週１回実施したが、均等充電モードを実施しなかった参考例との比較を行った。
ＵＰＳにピークカット機能を含む全モードを機能させて運転させ、１０週後のセル間における充電量のバラツキ、即ち充電量最大のセルと最小のセルとの差を求めたところ、実施例では０．２Ａｈとなって初期のバラツキとほとんど変化が無かったのに対し、参考例では０．４Ａｈとなった。しかも１００％の補充電を、自己放電補正を考慮して行ったのにも関わらず、８％程度のズレを生じていた。たまたま、今回の検討では、ズレはマイナス側に発生したが、補正の仕方によってはプラス側（過充電側）に発生することも予想され、場合によっては電池の損傷に繋がることも考えられる。一般的なコンピュータ機器の製品寿命が５年程度であることを考えると、上記バラツキないしズレは更に拡大すると予想され、「第１充電モード」の重要性が認識される。
本発明は上記の如く、ピーク時の電力の一部を二次電池２０側から賄うことによって、交流電源の小型化を図ることができる。更に、負荷３５における消費電力が小さい間は交流電源を停止して二次電池２０から電力を供給する様に構成することにより、停電時におけるバックアップ電源としての機能を維持しながら、交流電源における電力損失を防止し、電源装置全体としての高効率化を図ることが可能となる。
更に満充電を超えた充電を行う「第１充電モード」の実施により、二次電池２０が組電池で構成される場合にあっては特に電池セル間のバラツキを軽減し、正確な二次電池２０の充電量を推定可能にすることで、組電池自体の長寿命化が実現でき、コンピュータ機器自体の長期信頼性を高めることができる。
また、均等充電の実施周期を週単位とするある一定期間とすることで、機器の運転に最も負担の無い時間帯に実施することを可能とし、トラブルの無い機器の運転を可能にする。また、二次電池２０の充電制御が正確に行えることから、コンピュータ機器の運転信頼性も高まる。また均等充電の実施時間帯をシステム制御内容の学習に基づいて自動的に設定可能とすることにより、ユーザーの手間を要することなく最適なシステム管理が行える。
一方、機器の起動時に二次電池２０に対して急速に充電をさせる「第２充電モード」の実施により、再起動直後におけるバックアップ機能回復までの時間を軽減し、停電や事故等に対する信頼性を向上させることもできる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明にかかる電源装置の基本的な構成を示す概略図である。
図２は、本発明にかかる電源装置をサーバ用のコンピュータ装置における電源部に実施した一例を概略的に示すブロック図である。
図３は、電源部が備える各動作モードの関係を示す状態遷移図である。
図４は、電源部の動作の一例を示す説明図である。

Claims (11)

1. 商用交流電圧を直流電圧に変換し負荷に電力を供給可能とする主電源部と、二次電池を電力供給源として負荷に電力を供給可能とする補助電源部とを備えた電源装置であって、
   前記補助電源部の二次電池に対し、所定のタイミングで間欠的に、満充電量を超える電力を供給して充電し、
   前記補助電源部には、
   前記二次電池の充放電手段と、二次電池の電池容量検出手段と、前記充放電手段における充放電量と充放電時期を規制可能とする制御手段とを備え、
   該制御手段が、二次電池の残存容量と負荷側の必要電力量に基づいて制御動作を行うことを特徴とする電源装置。
2. 商用交流電圧を直流電圧に変換し負荷に電力を供給可能とする主電源部と、二次電池を電力供給源として負荷に電力を供給可能とする補助電源部とを備えた電源装置であって、
   前記補助電源部の二次電池に対し、所定のタイミングで間欠的に、満充電量を超える電力を供給して充電し、
   前記補助電源部から負荷に電力が供給されるのは、負荷に対する供給電力が下限電力を下回った場合であって、
   同時に前記主電源部による電力の供給を強制的に停止することを特徴とする電源装置。
3. 商用交流電圧を直流電圧に変換し負荷に電力を供給可能とする主電源部と、二次電池を電力供給源として負荷に電力を供給可能とする補助電源部とを備えた電源装置であって、
   前記補助電源部の二次電池に対し、所定のタイミングで間欠的に、満充電量を超える電力を供給して充電し、
   前記補助電源部から負荷に対して電力が供給されるのは、負荷に対する供給電力が上限電力を上回った場合であって、
   前記主電源部から負荷に対して供給される電力を前記上限電力に維持しながら、その上限電力を上回る電力分を前記補助電源部から供給し、
   前記二次電池の充電残量が下限容量を下回ると、前記補助電源部から負荷に対する電力供給を強制的に停止し、前記主電源部からのみ負荷に対して電力を供給し、
   前記二次電池の充電残量が規定容量を下回ると、
   負荷に対する供給電力が前記上限電力を下回り、且つ、前記補助電源部から負荷に対する電力供給が停止されている期間中に、前記二次電池に対して充電が行われることを特徴とする電源装置。
4. 前記満充電量を超える電力が供給される毎に、その時点における電池容量を基準値として設定し、それ以後の電池残容量の算出に利用する請求項１乃至３のいずれかに記載の電源装置。
5. 前記電池残容量の算出は、
   二次電池に入出力される電力量を積算することを基本とし、二次電池の電池温度と、前記基準値を設定した時点からの経過時間とに基づいて補正される請求項４記載の電源装置。
6. 前記満充電量を超える電力が供給される時間間隔は、週を単位とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電源装置。
7. 前記満充電量を超える電力が供給される時間帯は、前記補助電源部が最も機能しない時間帯に設定されている請求項１乃至３のいずれかに記載の電源装置。
8. 前記補助電源部が最も機能しない時間帯は、装置全体の運転状況が学習され、自動的に設定される請求項７記載の電源装置。
9. 前記主電源部の起動時に、前記補助電源部の二次電池に対して所定容量分の充電を行うとともに、
   その充電時における充電条件が、充電すべき二次電池の電池性能と、前記主電源部の性能と、主電源部の負荷量に基づいて設定される請求項１乃至３のいずれかに記載の電源装置。
10. 通信・情報機器内に一体に内蔵されている請求項１乃至９のいずれかに記載の電源装置。
11. 前記二次電池が、ニッケル水素電池またはニッケルカドミウム電池である請求項１乃至１０のいずれかに記載の電源装置。

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