JP4165798B2

JP4165798B2 - Power supply

Info

Publication number: JP4165798B2
Application number: JP2002075717A
Authority: JP
Inventors: 正人磯貝; 浩福永; 寿勝宮田; 益弘大西
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP2003272713A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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、即ち無停電電源装置（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。
【０００３】
こうした外付けＵＰＳに対し、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。
【０００４】
また特開２０００−１１６０２９号公報にも、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、外付けＵＰＳ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、体積のスリム化コストの低減が困難である。
【０００６】
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、充分な機能であるとはいえない。
【０００７】
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できるため、高い信頼性が確保できる。更に、ＵＰＳ電源部のメンテナンスに関しても、負荷を停止せずに実施可能とする構成が考えられる。
【０００８】
しかしながら、従来提案されているＵＰＳ電源部を機器に組み込んだ構成では３６０Ｖといった高電圧への昇圧が必要であるために、変換効率が低く、二次電池に貯蔵する電力が増大し、結果としてＵＰＳ電源部の体積が大きなものとなっていた。また、充電には商用交流電力を用いる構成であるために、充電のためのＡＣ−ＤＣコンバータと電力供給（放電）のためのＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、コストの点からも望ましい構成ではなかった。
【０００９】
また、そこに必要とされる二次電池に関しては、その詳細仕様については充分な検討がなされておらず、高い信頼性を確保するに足る必要かつ充分な電池サイズ、電池出力性能については不明であった。
【００１０】
本発明はかかる不都合に鑑みてなされたものであって、停電時におけるバックアップ機能を高い信頼性で有し、且つ、体積のスリム化と低コスト化が可能な電源装置の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる電源装置は、図１にその構成を概略的に示す如く、商用交流電源１から出力される商用交流電力を負荷部５が所望とする所定電圧の直流電力に変換して電力を供給する主電源部２と、二次電池３１を電力供給源とし、商用交流電源１に代えあるいは加えて負荷部５に対して電力を供給する補助電源部３とを備えたものである。
【００１２】
ここで、補助電源部３に備える二次電池３１の定格容量Ｑは、本発明における上記した目的から、必要にして最小であるのが望ましい。そこで、この二次電池３１の容量Ｑ［Ａｈ］を以下のように設定する。
【００１３】
先ず、主電源部２から負荷部５に対する最大出力電力がＷｍであり、停電時のバックアップ機能として要求される時間をΔｔ［ｈ］とすると、Ｗｍ×Δｔ［Ｗｈ］の電力（エネルギー）を供給する必要がある。
【００１４】
一方、商用交流電力１が供給されている通常動作時には、二次電池３１の電力充電量は、所定のＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）値であるＸ［％］を下回らないよう、充電制御がなされる。
【００１５】
ここで、図２（ａ）に示す如く、二次電池３１の実効抵抗をＲｅ［Ω］、開放電圧をＶｏ［Ｖ］、電力供給時の出力電力をＷｂ［Ｗ］、電池電圧をＶｂ［Ｖ］、電流をＩｂ［Ａ］とすると、
Ｖｂ＝Ｖｏ−Ｒｅ・Ｉｂ
Ｗｂ＝Ｖｂ・Ｉｂ＝Ｖｏ・Ｉｂ−Ｒｅ・Ｉｂ^２
となる。即ち、二次電池３１からの出力Ｗｂは、図２（ｂ）の如く電流Ｉｂの二次関数であり、ＩｂがＶｏ／（２・Ｒｅ）のとき、二次電池３１の出せる最大電力Ｗ_Ｍは、Ｖｏ^２／（４・Ｒｅ）を取ることが解る。
【００１６】
したがって、負荷部５に対して補助電源部３のみから電力を供給する際、少なくとも最大出力電力がＷｍ［Ｗ］でΔｔ［ｈ］の時間、二次電池３１が電力供給を継続可能とすることが要請されている場合にあっては、その電力を供給するためには、前記したＷ_Ｍが前記Ｗｍを出力する際の前記二次電池の出力Ｗｂｍを上回ることが必須であり、次式を満足する必要がある。
Ｗｂｍ≦Ｗ_Ｍ＝Ｖｏ^２／（４・Ｒｅ）
従って、二次電池側に立ってこの式を変換すると次式が得られる。
Ｒｅ≦Ｖｏ^２／（４・Ｗｂｍ）
【００１７】
ところで、図２（ａ）に示す二次電池３１の実効抵抗Ｒｅ［Ω］は、放電時間、電池温度、使用を開始してからの劣化の程度等によって異なる。重要なのは、ある許容される範囲内で劣化した後、装置の最低温度環境下にて、最大出力Ｗｂｍにて電力を供給する際の実効抵抗値である。この値をＲとすると、前式は次式となる。
Ｒ≦Ｖｏ^２／（４・Ｗｂｍ）・・・（１）
本式を満足し、且つ、ある許容される劣化範囲の二次電池であれば、最も出力性能が低下する最低動作温度環境下でも、負荷部が所望する最大電力Ｗｍを供給できる。
【００１８】
なお前記二次電池３１は一般に、電池セルを複数直列に接続した組電池パックであるか、または、複数直列に接続した電池パックを更に複数並列に接続してなる。図３（ｂ）には、二次電池３１がｎセル直列パックをｐパック並列に接続した組電池で形成されている場合を例示したが、各直列パック３１ａ・３１ｂ・・・３１ｐを、スイッチ３１１ａ・３１１ｂ・・・３１１ｐを介して並列接続するのが信頼性の観点からも望ましい。
【００１９】
このとき、並列接続された組電池パック３１ａ〜３１ｐは、主電源部７に対して商用交流電力が供給されている通常運転時にあっては、各々が所定のＳＯＣ値であるＸ１、Ｘ２・・・Ｘｐ以上に維持する制御がなされている。そして、その内の１つの電池パックが何らかの事由により欠けた場合にあっては、新たなＳＯＣ値がその欠けた電池パックを除いて新たに設定され、そのＳＯＣ値以上に維持する制御がなされる。
【００２０】
通常、ｐ個のパックで構成されていた二次電池３１が、（ｐ−１）個のパック構成でバックアップ機能を賄うことになるから、新たに設定されたＳＯＣ値は初期の設定値より高い値になるのが通例である。また、当然のことながら、（ｐ−１）個のパック構成にあっても、要請される最大出力電力Ｗｂｍを供給できる性能を有することが望まれる。
【００２１】
次に、二次電池３１の容量Ｑ［Ａｈ］に関しては、供給時間Δｔ［ｈ］と二次電池３１に蓄えられている充電量が関わってくる。容量Ｑ［Ａｈ］の二次電池３１に、充電量（ＳＯＣ値）がＸ［％］の電力が貯蔵されていたとき、電流Ｉｂにて電力を供給した場合を想定する。
【００２２】
この時の、エネルギーベースの電力供給量Ｑｗ［Ｗｈ］は次式となる。
Ｑｗ≒Ｑ・Ｖｂ・Ｘ／１００≒Ｑ・Ｗｂ／Ｉｂ・Ｘ／１００
【００２３】
また、二次電池３１に要請される最大電力供給量がＷｂｍ・Δｔで与えられることから、次の関係式が得られる。
Ｑｗ≧Ｗｂｍ・Δｔ
Ｑ・Ｗｂ／Ｉｂ・Ｘ／１００≧Ｗｂｍ・Δｔ
【００２４】
ここで、Ｗｂ／Ｉｂの値は、Ｖｏから二次電池３１の最大出力Ｗｍ供給時におけるＶｏ／２まで変化するが、限界での使用を考慮してＶｏ／２を用いると、前式から次の関係式が求められる。
Ｑ≧２・Ｗｂｍ・Δｔ／（Ｖｏ・Ｘ／１００）・・・・（２）
本式を満足する定格容量Ｑ［Ａｈ］の二次電池３１を用いることで、負荷部５が必要とする電力Ｗｍを所望の時間Δｔだけ供給することが可能となる。
【００２５】
これまで述べたように、補助電源部３に備えた二次電池３１に要求される最大出力Ｗｂｍおよびバックアップ時間Δｔを常に可能とするためには、二次電池３１の実効抵抗Ｒおよび容量Ｑが、上記した（１）式および（２）式をともに満足する必要がある。
【００２６】
他方、本発明の目的であるサイズのスリム化、低コスト化を実現するためには、容量は出来るだけ抑える必要がある。電池の抵抗も、一般的な傾向として容量が低いほど高抵抗になることから、支障の無い限り、なるべく高い値を取ることが必要になる。即ち、（１）式および（２）式の不等号を等号に置き換えた式が本発明の目的に理想的な二次電池であるといえる。
【００２７】
しかし、一般に製造される電池は、セル毎に容量、抵抗バラツキが発生する。現実的な値としては、±５％程度のバラツキを見込んで、補助電源部３に使用する二次電池３１を設計する必要がある。
【００２８】
更に、容量については、二次電池３１の充電量Ｑの推定誤差を考慮し、且つ組電池の中で、ある１つのセルが過放電にならないよう考慮する必要がある。推定誤差を±５％とし、過放電に至らぬように５％の充電量で放電を停止するとととする。
【００２９】
このことを、定式化したのが次式である。
Ｑ≦１．１×２・Ｗｂｍ・Δｔ（Ｖｏ・（Ｘ−５）／１００）・・・（３）
Ｒ≧０．９×Ｖｏ^２／（４・Ｗｂｍ）・・・（４）
【００３０】
ここで、（３）式または（４）式のどちらか少なくとも１つを満足することが、前記した（１）式および（２）式を満足しつつ現実的な最もスリムな二次電池を提供する条件となる。
【００３１】
更に本発明にあっては、二次電池３１は、使用や経時変化に伴う劣化をある許容範囲内に保つ装置の運転管理上の制御が、制御回路３４において実行されている。例えば制御パラメータ検出回路３３において交流インピーダンスを計測し、計測された交流インピーダンスの値が初期値の所定倍までを許容範囲として管理するものである。
【００３２】
この制御パラメータ検出回路３３では、二次電池３１の電池電圧、充放電電流、温度等の制御パラメータを計測する。測定された制御パラメータの内、電圧、電流値から計測時点の抵抗値が求められる。
【００３３】
更にこのとき、ステップ状の充電電流を二次電池３１に流し、充電開始からある時間経過後の電圧を測定し、電流を流す前の電圧との差を電流値で割ることにより、その時間に相当する交流インピーダンスが求められる。測定する二次電池のインピーダンス成分としては、劣化に対して最も敏感に変化するオーミックな成分を抽出するのが望ましい。即ち、周波数範囲としては、１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、開始時刻からサブｍｓ〜数十ｍｓの間で計測するのが望ましい。
【００３４】
ところで、本発明に適用する二次電池３１としては、後記する如くニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池が最適である。更に例えばニッケル水素電池の場合、充放電サイクルによる劣化を追うと、交流インピーダンスが単調に増加していく一方で、容量はほぼ一定に推移した後、あるところで急激に減少する。この変更点での交流インピーダンスは、よく調整された組成の電池では初期インピーダンスの２倍程度（２００％）である。このことから、インピーダンスが初期インピーダンスの２００％に近づいた時点で二次電池３１の寿命と判断し、交換の指標とするのである。
【００３５】
更に、上記した式（１）〜（４）の物理量の中で、製造直後の二次電池から測定不能な物理量が、許容範囲の劣化をした後の抵抗値Ｒである。これを、製造直後（初期）の抵抗値Ｒ＊に換算することで、所望の二次電池として具体化できる。
【００３６】
ところで、オーミック抵抗の全体の実効抵抗に占める比率は、出力電流、出力時間に依存するので一概には決まらない。ただ、バックアップ電源のように、５分間から１０分間程度で放電することを前提とすると、一般的なニッケル水素電池では約４０％程度である。そこで、前記した劣化の目安である２００％を入れると、他の抵抗成分が劣化であまり変化しないとすると、初期の実効抵抗Ｒ＊と劣化した後（許容範囲内で）の実効抵抗Ｒとの関係は、次の様になる。
Ｒ≒１．４×Ｒ＊
【００３７】
そこで、前式を上記した（１）式および（４）式に代入することにより、次式が得られる。
Ｒ＊≦Ｖｏ^２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（５）
Ｒ＊≧０．９×Ｖｏ^２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（６）
【００３８】
したがって、二次電池３１の製造後における物理量の条件として、（２）式および（５）式を満足し、且つ、（３）式または（６）式の少なくとも何れか一方を満足することが要請される。
【００３９】
なお、主電源部２を、図３（ａ）に示したように、商用交流電力をある所定電圧Ｖａの直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路８と、そのＡＣ−ＤＣ変換回路８から出力される直流電圧Ｖａを負荷部５が要求する所定電圧に変換して供給するＤＣ−ＤＣ変換回路９とから構成するとともに、二次電池３１を電力の供給源とする補助電源部３は、前記した所定電圧Ｖａの直流電力線に接続する態様も望ましい。
【００４０】
図１の構成では、負荷部５の要求する電圧が例えばＣＰＵ、半導体メモリ、ハードディスクドライブ等で各々異なる場合には、補助電源部３から出力される電圧もマルチ出力とする必要がある。それに対し、図３（ａ）に示す構成では、単独の電力出力になる。このため、二次電池電圧Ｖｂと出力電圧Ｖａの最適な設定により、双方向型のＤＣ−ＤＣコンバータの様な所定回路で構成される充放電回路３２の変換効率を高く維持することが可能となる。
【００４１】
具体的には、二次電池３１の電池電圧Ｖｂは、充電時において前記所定電圧Ｖａを超えず、且つ、供給時においてその所定電圧Ｖａの１／３以上であることが必要となる。
【００４２】
その所定電圧Ｖａは、４８Ｖであることが望ましい。情報・通信機器の構成標準化の動きのなかで、４８Ｖ直流バスが一般化しつつあること、二次電池電圧Ｖｂをあまり高くすると、取り扱いの危険性が増大することを考慮すると、補助電源部３の接続箇所は４８Ｖの電力線が最適である。このとき、上記の条件を満たす二次電池３１の定格電圧は、３８．４Ｖ以下、１９．２Ｖ以上となる。
【００４３】
また、本発明に用いる二次電池３１は、ニッケル水素電池からニッケルカドミウム電池が望ましい。補助電源部３に要求されるバックアップ時間Δｔは、通常６分程度であり、３ＣＡ〜１０ＣＡのレートで放電することが要求される。更には、体積のスリム化、特に機器内蔵とするためには高い容量密度の電池が望ましく、且つ火災の心配の少ないこと等の要請から判断して、現時点では上記した２種の二次電池が相応しい。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下本発明にかかる電源装置を、図４に示すサーバ用のコンピュータ装置６における無停電式の電源部４に実施した一例を示す。但し、これに限らず、通信・情報機器の様な恒常的な動作を必要とする各種の電子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。
【００４５】
本発明にかかる電源部４は、図４においてその全体的な構成を概略的に示す如く、主電源部７と補助電源部３とを備え、商用交流電源１から出力される１００〜２００Ｖ程度の交流電圧Ｖｓを１〜１２Ｖ程度の低圧直流電圧に変換し、負荷部５に対して供給可能とするものである。
【００４６】
ここで、本実施例における負荷部５としては、ＣＰＵ５２およびそのＣＰＵ５２に対する入出力部（Ｉ／Ｏ）５３に加えて、メモリ、ハードディスク、ディスクドライブ等のコンピュータ装置を構成するのに必要な第１負荷５１ａ〜第ｎ負荷５１ｎを備えた例が示されている。
【００４７】
主電源部７は、商用交流電源１から出力される交流電圧Ｖｓを中圧の直流電圧Ｖａに変換するＡＣ−ＤＣ変換回路８と、その出力された中圧の直流電圧Ｖａを低圧の直流電圧Ｖ１〜Ｖｎに降圧し、負荷部５に供給するＤＣ−ＤＣ変換回路９とから構成される。
【００４８】
ＡＣ−ＤＣ変換回路８は、入力される交流電圧Ｖｓを高圧の直流電圧Ｖｈに変換するＡＣ−ＤＣコンバータ８１と、高圧の直流電圧Ｖｈを中圧の直流電圧Ｖａに降圧するＤＣ−ＤＣコンバータ８２とを直列に接続することにより、力率を改善するとともに、電源高調波を抑制可能としている。
【００４９】
例えば、入力される交流電圧Ｖｓが２００Ｖの場合にあっては、ＡＣ−ＤＣコンバータ８１で３６０Ｖ程度の高圧の直流電圧Ｖｈに変換し、次いでＤＣ−ＤＣコンバータ８２によって４８Ｖ程度の中圧の直流電圧Ｖａに降圧する。この電圧値は適宜変更して実施できることは勿論であるが、中圧の直流電圧Ｖａとしては様々な観点から４８Ｖに標準化される傾向にある。
【００５０】
本実施例にあっては更に、ＡＣ−ＤＣコンバータ８１とＤＣ−ＤＣコンバータ８２とを直列に接続したものを１組とし、必要とする複数組を並列に接続することにより、信頼性を高めるようにしている。更に冗長性（高信頼性）を持たせる場合には、並列に接続配備される組数を必要回路数Ｎに加えて１つ余分に設置する。
【００５１】
またＤＣ−ＤＣ変換回路９は、通常、負荷部５を構成する個別の負荷が異なるいくつかの電圧Ｖ１〜Ｖｎを必要とするため、それに見合った数のＤＣ−ＤＣコンバータ９１ａ〜９１ｎが設置され、必要な電圧Ｖ１〜Ｖｎが作成される。なお、ＣＰＵ５２に供給される低圧の直流電圧Ｖｒは、他の負荷より安定した電圧の供給を必要とするため、ＶＲＭ（ＶｏｌｔａｇｅＲｅｇｕｌａｔｏｒＭｏｄｕｌｅ）９２を介して電圧Ｖｒが供給される。
【００５２】
次に補助電源部３は、所定の電池電圧Ｖｂを有する二次電池３１を電力供給源とし、主電源部７におけるＡＣ−ＤＣ変換回路８の出力端に接続することにより、ＡＣ−ＤＣ変換回路８からの出力電圧Ｖａで二次電池３１に対する充電を可能とする一方、二次電池３１から出力される電力で負荷部５に対する電力供給を可能とする。
【００５３】
補助電源部３は、二次電池３１に対する充電と放電を可能とする充放電回路３２と、補助電源部３における各種制御を行う制御回路３４と、その制御回路３４に対して情報を伝えるための制御パラメータ検出回路３３と、商用交流電源１の停電時期を検知して制御回路３４に伝える停電検出回路３５とから構成される。
【００５４】
ここで充放電回路３２は、二次電池３１に対する充電時には入力電圧Ｖａを降圧して二次電池３１に充電電圧Ｖｂ’を印加する一方、二次電池３１からの放電時には電池電圧Ｖｂを昇圧して直流電圧Ｖａと略一致させ放電する機能とを有する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが使用される。
【００５５】
二次電池３１は、通常、複数個の電池セルから構成される。その電池電圧Ｖｂは特に制限はないが、上記した直流電圧Ｖａの約１／３以上から同等電圧までであることが望ましい。充放電機能を果たす双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の変換効率が、ＶａとＶｂの比が小さいほど効率が良いからである。
【００５６】
すなわち、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２による変換時の電力損失は、理論的にはＶａとＶｂの比の２次式で表わされ、比が大きくなると２乗に比例する項が支配的となる。特にこの比が３を超えると損失は急激に増大し、変換効率が低下する。この変換効率が低下すると、それを補うためにはより多くのあるいは大きな電池を使用することになり、結果として体積が増大することになる。省エネの観点からも望ましくない。
【００５７】
一方、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の変換効率のみの観点からは、電池電圧ＶｂをＶａより高圧側にする構成も可能であるが、そのためには二次電池３１のセルを多数接続することになり、接続によるインピーダンス増加、製造歩留まりの低下が懸念される。また、仮にＶａが４８［Ｖ］とすると、感電の危険性が高まり、製造時やメンテナンス時での取り扱いが面倒になる。
【００５８】
次に制御パラメータ検出回路３３は、二次電池３１の近傍に配置されたサーミスタの様な温度センサ３６により電池温度を、充放電回路３２の入力側に備えた充放電電流センサ３７により二次電池３１に対する充放電電流を、ＡＣ−ＤＣ変換回路８の出力側に備えた負荷電流センサ３８により負荷部５に供給する負荷電流を検出可能とするとともに、電池電圧Ｖｂや中圧の直流電圧Ｖａを入力することにより、二次電池３１に対する充放電時における各種の制御パラメータを取得し、制御回路３４の制御に利用可能としている。
【００５９】
ここで、商用交流電力１が供給されている通常動作時には、二次電池３１の電力充電量は所定のＳＯＣ値であるＸ［％］を下回らないよう、制御回路３４によって制御される。ＳＯＣ値の管理には、充放電量の積算値、自己放電による消失電力を考慮し、ある定められた論理に基づく適切なタイミングで補充電がなされる。
【００６０】
Ｘの具体的な値としては、電池容量をできるだけ小さくコンパクトにしたいとの要請から、７０％以上に設定するのが望ましい。バックアップ機能の時間Δｔは通常５分から１０分間と短時間であることから、二次電池３１の放電電流は通常３ＣＡ〜１０ＣＡ程度であり、高出力仕様に設計、製造されたものを用いるのが望ましい。
【００６１】
また、補助電源部３から負荷部５に対しＷｍの電力を供給する際に、二次電池３１からの出力電力がＷｂｍとすると、ＷｍとＷｂｍの比が、前記した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２と、主電源部７におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９１ａ〜９１ｎとＶＲＭ９２のトータルの変換効率に相当する。なお、電源供給電圧Ｖａと電池電圧Ｖｂとの比が前記のように３以下であるならば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の変換効率は９０％以上が期待される。
【００６２】
本発明は上記構成にあって、二次電池３１の実効抵抗Ｒおよび定格容量Ｑが、下記する（１）式および（２）式を満足し、且つ、（３）式または（４）式の何れか一方を満足する様に設計することを特徴とする。
Ｑ≧２・Ｗｂｍ・Δｔ／（Ｖｏ・Ｘ／１００）・・・・（２）
Ｑ≦１．１×２・Ｗｂｍ・Δｔ（Ｖｏ・（Ｘ−５）／１００）・・・（３）
Ｒ≦Ｖｏ^２／（４・Ｗｂｍ）・・・（１）
Ｒ≧０．９×Ｖｏ^２／（４・Ｗｂｍ）・・・（４）
【００６３】
ところで、二次電池３１が、図３（ｂ）で示すｎセル直列パックをｐパック並列に接続した組電池で形成されている場合を考えると、単セルの実効抵抗に関しても同様の式が導出される。即ち、単セルの劣化後、最低動作温度環境下、最大電力供給時の実効抵抗をｒとし、単セルの開放電圧をｖ_ｏとすると、まず次式が求まる。
Ｒ＝ｎ・ｒ／ｐ
Ｖｏ＝ｎ・ｖ_ｏ
【００６４】
両式を前記した（１）式に入れれば、次式が得られる。
ｎ・ｒ／ｐ≦（ｎ・ｖ_ｏ）^２／（４・Ｗｂｍ）
ｒ≦ｖ_ｏ ^２／（４・Ｗｂｍ／（ｎ・ｐ））＝ｖ_ｏ ^２／（４・ｗ_ｂｍ）
【００６５】
ここでｗ_ｂｍ（＝Ｗｂｍ／（ｎ・ｐ））は、二次電池３１から最大電力Ｗｂｍを供給時における単セル当たりの出力である。また、ｖ_ｏはニッケル水素電池の場合、約１．３Ｖであり、前式は次式として差し支えない。
ｒ≦１．６９／（４・ｗｂ）
【００６６】
実効抵抗についての関係式を導出したときと同様にして、単セルの容量ｑ［Ａｈ］に関する以下の条件式が得られる。
ｑ≧２・ｗ_ｂｍ・Δｔ／（ｖ_ｏ・Ｘ／１００）
ｑ≧２・ｗ_ｂｍ・Δｔ（１．３０・Ｘ／１００）＝１．５４・ｗ_ｂｍ・Δｔ（Ｘ／１００）
【００６７】
ところで、図４における制御パラメータ検出回路３３では、二次電池３１の電池電圧、充放電電流、温度等の制御パラメータを計測する。測定された制御パラメータの内、電圧、電流値から計測時点の抵抗値が求められる。
【００６８】
例えば、ステップ状の充電電流を二次電池に流し、その時、開始時刻からある時間経過後の電圧を測定し、電流を流す前の電圧との差を電流値で割ることにより、その時間に相当する交流インピーダンスが求められる。測定する二次電池のインピーダンス成分としては、劣化に対して最も敏感に変化するオーミックな成分を抽出するのが望ましい。
【００６９】
即ち、周波数範囲としては、１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、開始時刻からサブｍｓ〜数十ｍｓの間で計測するのが望ましい。先述したように、ニッケル水素電池の例では、通常使用する充放電サイクルによって生ずる劣化によって、このオーミックな成分は単調に、且つ次第に急峻になりつつ上昇する、容量減少が発生する時点では初期値の約２倍になることから、仮にこの時点をもって電池劣化の目安とする。
【００７０】
更に、二次電池３１の製造直後における物理量の条件としては、（２）式と（５）式を共に満足し、（３）式または（６）式の何れか一方を満足するように設計することが可能である。
Ｒ＊≦Ｖｏ^２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（５）
Ｒ＊≧０．９×Ｖｏ^２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（６）
【００７１】
もう１つ、二次電池３１の容量と抵抗には密接な関係がある。大雑把に言えば、抵抗は電極面積に反比例し、容量は電極体積に比例する。電極の厚みが、ある値に固定されれば、容量は電極面積に比例するため、容量と抵抗との関係は反比例の関係になる。経験的なニッケル水素電池の値を基に、求めた単セルの容量と２５℃における実効抵抗（７ＣＡ放電）の関係式を図５に示す。３本の関係曲線は異なる電極（正極）厚を示している。
【００７２】
実施例では、Ｓｕｂ−Ｃサイズのニッケル水素電池、容量３．０Ａｈ、使用前（製造後）の２５℃実効抵抗１０．０ｍΩを使用した。電源装置の最低設置温度５℃における実効抵抗を計測すると、１６．１ｍΩであった。負荷側が要求した最大出力は５００Ｗ、バックアップ時間は６分間であり、最大出力時の二次電池の出力は約７００Ｗであった。二次電池３１の充電量は８５％以上になるよう、積算電力量の計測と自己放電分の計算見積に基づく推定値を基に、補充電を実施して制御した。
【００７３】
図６にこのセルを組電池として使用したときの総容量と総抵抗、並びに、上記した（２）式および（５）式から求まるＱの最小値とＲ＊の最大値をプロットした。直列数は電圧の最適範囲から１６から３２とし、並列数は１と２の場合について示してある。組電池の容量は、並列数１（即ち電池パック１つ）の場合は３．０Ａｈ、並列数２の場合は６．０Ａｈであり、直列電池の数が同じであれば同じポイントになり、直列電池数の増加に従って、図の左上から右下に向かって移動する。
【００７４】
ここで、図６から並列数２で、直列数が２２を超えると、（２）（５）式を満足することが分る。次に、（１）式および（６）式からＲ＊の下限、Ｑの上限を考慮すると、直列数２２から２５の組電池がこの範囲に入っていることが分る。
【００７５】
実施例として、前記Ｓｕｂ−Ｃサイズ（２２φ×４２．５）のニッケル水素電池を２並列２４直列の組電池を、参考例として３２直列セル（１並列）の組電池と、２並列３０直列の組電池を用い、バックアップ機能について検証した。その結果を下表に示す。なお、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２と二次電池３１の間は、温度フューズを介して接続し、電池に異常が発生した際には強制的に接続が断たれる構成とした。
【００７６】
【表１】

【００７７】
表１に示したように、実施例、参考例２の組電池は、充放電サイクル試験後でも電源装置の最低設置温度下にて６分間以上電力を供給することが可能であった。これに対し、参考例１の組電池では、充放電サイクル試験後では７００Ｗを出力することもできなかった。また、表から分るように、実施例は、参考例２に比べ、サイズ、重量共に２５％程度小さく、省スペースと高い信頼性を両立している。
【００７８】
ところで、電池パックの電池数としては素数を避け、できるだけ約数の多い数が望ましい。例えば、１６、２０、２４、２８、３０、３２という数である。これは、パックとして組上げるとき、過不足無く並べることができること、その組み合わせの可能性が多いため、実装するスペースに合わせた設計ができるメリットがある。
【００７９】
図７は、単セルの容量と実効抵抗の図５に、２並列２４直列構成における、（２）（５）式を挿入したものである。このプロットでは、（５）式が最低使用温度における実効抵抗に関する式であることから、最低使用温度を５℃とし、今回使用したＮｉＭＨ電池の温度特性を元に、２５℃の抵抗値に換算し、行った。先述したように、電極厚の差で単セルの容量と実効抵抗の関係が幅を持つが、（２）（５）式の交点に近い電池構成にすれば、よりシステム側の要望に合致したものとなる。
【００８０】
【発明の効果】
本発明は上記の如く、システム側からの供給電力に関する要求仕様に対し、使用する二次電池の容量、実効抵抗を所定の範囲内に選択することで、長期に亘り、システムの要請を満たし、且つ省スペース性に優れたバックアップ機能付き電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】補助電源部で使用する二次電池における電流と出力電力の関係を説明するための図であって、（ａ）は二次電池を構成する各要素の関係を示す概略図、（ｂ）は電流と出力電力の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の他の実施例を示す図であって、（ａ）は主電源部の構成に特徴を有するもの、（ｂ）は二次電池を組電池パックとして構成した例を各々示す。
【図４】本発明をコンピュータ装置に実施した一例を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例に用いたニッケル水素電池の容量と２５℃での実効抵抗値との関係を示した図である。
【図６】本発明の実施例のコンピュータ装置の要請に対し、今回用いたＳｕｂＣサイズのニッケル水素電池によって構成する手順を示す図である。
【図７】実施例である２並列２４直列構成パックにおけるニッケル水素電池の最適設計指針を示すための図である。
【符号の説明】
１商用交流電源
３補助電源部
４電源部
５負荷部
６コンピュータ装置
７主電源部
８ＡＣ−ＤＣ変換回路
９ＤＣ−ＤＣ変換回路
３１二次電池
３２充放電回路
３３制御パラメータ検出回路
３４制御回路
３６温度センサ
３７充放電電流センサ
３８負荷電流センサ
５１負荷
５２ＣＰＵ
５３Ｉ／Ｏ
８１ＡＣ−ＤＣコンバータ
８２ＤＣ−ＤＣコンバータ
９１ＤＣ−ＤＣコンバータ
９２ＶＲＭ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply device for communication / information equipment that converts AC input into DC power and supplies it to a load, and more particularly to a power supply device having an uninterruptible function.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of power supply device includes an external auxiliary power supply that can output an alternating voltage by DC-AC conversion of the output voltage from the secondary battery, that is, an uninterruptible power supply (hereinafter referred to as “UPS”). In the event of a power failure, the communication / information device such as a computer device, data storage device, network device or its application device that is in operation is inadvertently stopped by instantaneously switching the output from the commercial AC power supply side to the UPS side. Has been prevented.
[0003]
For such an external UPS, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-322433 discloses a power supply device incorporating a UPS. It is equipped with a main power supply that converts commercial AC power into DC power and supplies it to the load, and a UPS power supply that supplies power from the secondary battery (battery), and supplies power to the load at a predetermined ratio from both. It is described that the reliability is improved by improving the efficiency or by immediately starting the power supply when one of the two fails.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-116029 also discloses a backup power supply device in which a UPS function is incorporated in a device power supply. This device configuration is characterized in that power is supplied from one of the AC-DC conversion circuit or the backup converter. It is also specified that DC power is periodically supplied from the battery and the voltage is detected to determine whether the system works normally and to improve reliability.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Now, when using an external UPS, it is necessary to select a UPS that matches the power supply performance. However, since the UPS connected to the outside is a general-purpose product, it has a larger capacity than the power supply specifications required on the load device side. It is often necessary to select a UPS, and it is difficult to reduce the cost of slimming the volume.
[0006]
In addition, since UPS is difficult to perform in parallel redundant operation and becomes redundant, it is extremely expensive. Generally, in a device having a capacity of 10 kVA or less, power is supplied to a load with one UPS. However, since it is impossible to replace the UPS without stopping the load when the UPS fails, for example, a device that requires non-stop / non-disruptive operation, such as a server or a data storage device, has a sufficient function. There is no such thing.
[0007]
On the other hand, in the case of built-in equipment, it is possible to design in accordance with the power source, and an operation for constantly monitoring the backup power supply device can be added, thus ensuring high reliability. Furthermore, regarding the maintenance of the UPS power supply unit, a configuration that can be implemented without stopping the load is conceivable.
[0008]
However, in the configuration in which the conventionally proposed UPS power supply unit is incorporated in the device, it is necessary to boost the voltage to a high voltage of 360 V, so that the conversion efficiency is low and the electric power stored in the secondary battery is increased. As a result, the UPS The volume of the power supply unit was large. Moreover, since it is the structure which uses commercial alternating current power for charge, it is equipped with the AC-DC converter for charge, and the DC-DC converter for electric power supply (discharge), and is desirable also from the point of cost. It wasn't.
[0009]
In addition, with regard to the secondary batteries required there, the detailed specifications have not been fully studied, and the battery size and battery output performance necessary and sufficient to ensure high reliability are unknown. there were.
[0010]
The present invention has been made in view of such inconveniences, and an object of the present invention is to provide a power supply apparatus that has a highly reliable backup function in the event of a power failure, and that can be reduced in volume and cost.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As shown schematically in FIG. 1, the power supply device according to the present invention converts commercial AC power output from the commercial AC power source 1 into DC power of a predetermined voltage desired by the load unit 5 to generate power. The main power supply unit 2 to be supplied and the auxiliary power supply unit 3 that uses the secondary battery 31 as a power supply source and supplies power to the load unit 5 instead of or in addition to the commercial AC power supply 1 are provided.
[0012]
Here, it is desirable that the rated capacity Q of the secondary battery 31 provided in the auxiliary power supply unit 3 is minimum as necessary for the above-described purpose in the present invention. Therefore, the capacity Q [Ah] of the secondary battery 31 is set as follows.
[0013]
First, if the maximum output power from the main power supply unit 2 to the load unit 5 is Wm and the time required as a backup function at the time of power failure is Δt [h], power (energy) of Wm × Δt [Wh] is supplied. There is a need to.
[0014]
On the other hand, during normal operation when commercial AC power 1 is supplied, charging control is performed so that the power charge amount of the secondary battery 31 does not fall below a predetermined SOC (State of Charge) value X [%]. .
[0015]
Here, as shown in FIG. 2A, the effective resistance of the secondary battery 31 is Re [Ω], the open circuit voltage is Vo [V], the output power when power is supplied is Wb [W], and the battery voltage is Vb [V]. V] and the current Ib [A],
Vb = Vo-Re · Ib
Wb = Vb.Ib = Vo.Ib-Re.Ib²
It becomes. That is, the output Wb from the secondary battery 31 is a quadratic function of the current Ib as shown in FIG. 2B, and when the Ib is Vo / (2 · Re), the maximum power W that the secondary battery 31 can output._MIs Vo²It turns out that / (4 · Re) is taken.
[0016]
Therefore, when power is supplied to the load unit 5 only from the auxiliary power supply unit 3, the secondary battery 31 can continue to supply power at least for a time of Δt [h] when the maximum output power is Wm [W]. In order to supply the power, the above-mentioned W is required._MExceeds the output Wbm of the secondary battery when outputting the Wm, and it is necessary to satisfy the following formula.
Wbm ≦ W_M= Vo²/ (4 ・ Re)
Therefore, the following equation is obtained by converting this equation while standing on the secondary battery side.
Re ≦ Vo²/ (4 ・ Wbm)
[0017]
Incidentally, the effective resistance Re [Ω] of the secondary battery 31 shown in FIG. 2A varies depending on the discharge time, the battery temperature, the degree of deterioration after the start of use, and the like. What is important is an effective resistance value when power is supplied at the maximum output Wbm under the minimum temperature environment of the apparatus after being deteriorated within a certain allowable range. When this value is R, the previous equation becomes the following equation.
R ≦ Vo²/ (4 · Wbm) (1)
If the secondary battery satisfies this equation and has an allowable deterioration range, the maximum power Wm desired by the load unit can be supplied even under the lowest operating temperature environment where the output performance is most deteriorated.
[0018]
The secondary battery 31 is generally an assembled battery pack in which a plurality of battery cells are connected in series, or a plurality of battery packs connected in series are further connected in parallel. FIG. 3B illustrates the case where the secondary battery 31 is formed of an assembled battery in which n-cell series packs are connected in parallel with p-packs, but each

series pack

31a, 31b,. 311a, 311b,... 311p are preferably connected in parallel from the viewpoint of reliability.
[0019]
At this time, the assembled battery packs 31a to 31p connected in parallel are each at a predetermined SOC value X1, X2,... During normal operation in which commercial AC power is supplied to the main power supply unit 7. -Control is maintained to maintain at or above Xp. If one of the battery packs is missing for some reason, a new SOC value is newly set except for the missing battery pack, and control is performed to maintain the SOC value or higher. .
[0020]
Usually, since the secondary battery 31 configured with p packs provides the backup function with the (p-1) pack configuration, the newly set SOC value is higher than the initial set value. Usually it is a value. Further, as a matter of course, it is desired to have the performance capable of supplying the required maximum output power Wbm even in the (p-1) pack configuration.
[0021]
Next, regarding the capacity Q [Ah] of the secondary battery 31, the supply time Δt [h] and the charge amount stored in the secondary battery 31 are involved. Assume that the secondary battery 31 having a capacity Q [Ah] is supplied with electric current Ib when electric power with a charge amount (SOC value) of X [%] is stored.
[0022]
At this time, the energy-based power supply amount Qw [Wh] is expressed by the following equation.
Qw ≒ Q ・ Vb ・ X / 100 ≒ Q ・ Wb / Ib ・ X / 100
[0023]
Further, since the maximum power supply amount required for the secondary battery 31 is given by Wbm · Δt, the following relational expression is obtained.
Qw ≧ Wbm · Δt
Q · Wb / Ib · X / 100 ≧ Wbm · Δt
[0024]
Here, the value of Wb / Ib varies from Vo to Vo / 2 when the maximum output Wm of the secondary battery 31 is supplied. However, when Vo / 2 is used in consideration of the use at the limit, the following equation is obtained. Is obtained.
Q ≧ 2 · Wbm · Δt / (Vo · X / 100) (2)
By using the secondary battery 31 with the rated capacity Q [Ah] that satisfies this formula, it is possible to supply the power Wm required by the load unit 5 for a desired time Δt.
[0025]
As described above, in order to always allow the maximum output Wbm and the backup time Δt required for the secondary battery 31 provided in the auxiliary power supply unit 3, the effective resistance R and the capacity Q of the secondary battery 31 are Therefore, it is necessary to satisfy both the expressions (1) and (2).
[0026]
On the other hand, in order to realize the slimness and cost reduction which are the objects of the present invention, it is necessary to suppress the capacity as much as possible. As a general tendency, the resistance of the battery also increases as the capacity decreases, so it is necessary to take as high a value as possible unless there is a problem. That is, it can be said that the formula obtained by replacing the inequality signs in the formulas (1) and (2) with equal signs is an ideal secondary battery for the purpose of the present invention.
[0027]
However, generally manufactured batteries have capacity and resistance variations for each cell. As a practical value, it is necessary to design the secondary battery 31 used for the auxiliary power supply unit 3 in consideration of a variation of about ± 5%.
[0028]
Further, regarding the capacity, it is necessary to consider an estimation error of the charge amount Q of the secondary battery 31 and to prevent one cell from being overdischarged in the assembled battery. Assume that the estimation error is ± 5% and the discharge is stopped at a charge amount of 5% so as not to cause overdischarge.
[0029]
The following formula formulated this.
Q ≦ 1.1 × 2 · Wbm · Δt (Vo · (X−5) / 100) (3)
R ≧ 0.9 × Vo²/ (4 · Wbm) (4)
[0030]
Here, satisfying at least one of the formulas (3) and (4) provides the most slim secondary battery that satisfies the above formulas (1) and (2). It becomes condition to do.
[0031]
Further, according to the present invention, the control circuit 34 executes the operation management control of the secondary battery 31 that keeps the deterioration due to use and change with time within a certain allowable range. For example, the control parameter detection circuit 33 measures AC impedance, and manages the measured AC impedance value up to a predetermined multiple of the initial value as an allowable range.
[0032]
The control parameter detection circuit 33 measures control parameters such as battery voltage, charge / discharge current, and temperature of the secondary battery 31. Of the measured control parameters, the resistance value at the time of measurement is obtained from the voltage and current values.
[0033]
Further, at this time, a stepped charging current is passed through the secondary battery 31, the voltage after a certain time has elapsed since the start of charging is measured, and the difference from the voltage before passing the current is divided by the current value. Corresponding AC impedance is required. As the impedance component of the secondary battery to be measured, it is desirable to extract an ohmic component that changes most sensitively to deterioration. That is, as a frequency range, it is desirable to measure from 10 Hz to 10 kHz, and from sub ms to several tens of ms from the start time.
[0034]
By the way, as the secondary battery 31 applied to the present invention, a nickel hydride battery and a nickel cadmium battery are optimal as will be described later. Further, for example, in the case of a nickel metal hydride battery, when the deterioration due to the charge / discharge cycle is followed, the AC impedance increases monotonously, while the capacity changes substantially constant and then decreases rapidly at a certain point. The AC impedance at this change is about twice (200%) the initial impedance in a well-tuned battery. From this, when the impedance approaches 200% of the initial impedance, the life of the secondary battery 31 is determined and used as an index for replacement.
[0035]
Furthermore, among the physical quantities of the above-described formulas (1) to (4), the physical quantity that cannot be measured from the secondary battery immediately after manufacture is the resistance value R after deterioration of the allowable range. Immediately after manufacturing(initial)The resistance value R * can be converted into a desired secondary battery.
[0036]
By the way, the ratio of the ohmic resistance to the total effective resistance depends on the output current and the output time, and therefore cannot be decided unconditionally. However, if it is assumed that the battery is discharged in about 5 to 10 minutes like a backup power supply, it is about 40% in a general nickel metal hydride battery. Therefore, if 200% which is an indication of the deterioration described above is included, if the other resistance components do not change so much due to deterioration, the initial effective resistance R * and the effective resistance R after deterioration (within an allowable range) The relationship is as follows.
R ≒ 1.4 × R *
[0037]
Therefore, the following formula is obtained by substituting the previous formula into the above formulas (1) and (4).
R * ≦ Vo²/(1.4×4·Wbm) (5)
R * ≧ 0.9 × Vo²/(1.4×4·Wbm) (6)
[0038]
Therefore, it is required that the physical quantity condition after manufacturing the secondary battery 31 satisfies the expressions (2) and (5) and satisfies at least one of the expressions (3) and (6). Is done.
[0039]
As shown in FIG. 3A, the main power supply unit 2 outputs an AC-DC conversion circuit 8 that converts commercial AC power into DC power of a predetermined voltage Va, and an output from the AC-DC conversion circuit 8. The DC power supply 3 that converts the supplied direct current voltage Va into a predetermined voltage required by the load section 5 and supplies the same is supplied, and the auxiliary power supply section 3 that uses the secondary battery 31 as a power supply source It is also desirable to connect to the DC power line having the predetermined voltage Va.
[0040]
In the configuration of FIG. 1, when the voltage required by the load unit 5 is different for each CPU, semiconductor memory, hard disk drive, etc., the voltage output from the auxiliary power supply unit 3 must also be multi-output. On the other hand, in the configuration shown in FIG. For this reason, it is possible to maintain high conversion efficiency of the charge / discharge circuit 32 configured by a predetermined circuit such as a bidirectional DC-DC converter by optimal setting of the secondary battery voltage Vb and the output voltage Va. Become.
[0041]
Specifically, the battery voltage Vb of the secondary battery 31 does not exceed the predetermined voltage Va at the time of charging, and needs to be 1/3 or more of the predetermined voltage Va at the time of supply.
[0042]
The predetermined voltage Va is preferably 48V. Considering the fact that the 48V DC bus is becoming common in the movement of standardization of the configuration of information / communication equipment, and that the risk of handling increases if the secondary battery voltage Vb is too high, the auxiliary power supply unit 3 A 48V power line is optimal for the connection location. At this time, the rated voltage of the secondary battery 31 that satisfies the above conditions is 38.4 V or lower and 19.2 V or higher.
[0043]
The secondary battery 31 used in the present invention is preferably a nickel hydride battery to a nickel cadmium battery. The backup time Δt required for the auxiliary power supply unit 3 is normally about 6 minutes and is required to be discharged at a rate of 3CA to 10CA. Furthermore, in order to reduce the volume, especially in order to incorporate a device, a battery with a high capacity density is desirable, and judging from the demands that there is less concern about fire, the two types of secondary batteries described above are currently available. suitable.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example in which the power supply device according to the present invention is implemented in the uninterruptible power supply unit 4 in the server computer device 6 shown in FIG. 4 will be described. However, the present invention is not limited to this, in power sources for various electronic devices that require constant operation such as communication and information devices, and in power supply devices that operate independently to supply power to such electronic devices. Of course, it can be carried out in substantially the same manner.
[0045]
As schematically shown in FIG. 4, the power supply unit 4 according to the present invention includes a main power supply unit 7 and an auxiliary power supply unit 3, and is about 100 to 200 V output from the commercial AC power supply 1. The AC voltage Vs is converted into a low-voltage DC voltage of about 1 to 12 V and can be supplied to the load unit 5.
[0046]
Here, as the load unit 5 in the present embodiment, in addition to the CPU 52 and the input / output unit (I / O) 53 for the CPU 52, a first computer necessary for configuring a computer device such as a memory, a hard disk, a disk drive, or the like. An example including a load 51a to an nth load 51n is shown.
[0047]
The main power supply unit 7 includes an AC-DC conversion circuit 8 that converts the AC voltage Vs output from the commercial AC power source 1 into a medium-voltage DC voltage Va, and the medium-voltage DC voltage Va that is output as a low-voltage DC voltage. It is composed of a DC-DC conversion circuit 9 that steps down to V1 to Vn and supplies it to the load unit 5.
[0048]
The AC-DC conversion circuit 8 includes an AC-DC converter 81 that converts an input AC voltage Vs into a high-voltage DC voltage Vh, and a DC-DC converter 82 that steps down the high-voltage DC voltage Vh into a medium-voltage DC voltage Va. Are connected in series to improve the power factor and suppress power supply harmonics.
[0049]
For example, when the input AC voltage Vs is 200 V, the AC-DC converter 81 converts it to a high DC voltage Vh of about 360 V, and then the DC-DC converter 82 uses a medium voltage DC voltage of about 48 V. Step down to Va. Of course, this voltage value can be changed as appropriate, but the medium-voltage DC voltage Va tends to be standardized to 48 V from various viewpoints.
[0050]
In this embodiment, the AC-DC converter 81 and the DC-DC converter 82 are connected in series as one set, and a plurality of necessary sets are connected in parallel to improve reliability. I have to. Further, in order to provide redundancy (high reliability), the number of groups connected and arranged in parallel is added to the required number of circuits N and one extra is installed.
[0051]
In addition, the DC-DC conversion circuit 9 normally requires several voltages V1 to Vn with different individual loads constituting the load unit 5, and therefore, a corresponding number of DC-DC converters 91a to 91n are installed. Necessary voltages V1 to Vn are generated. The low-voltage DC voltage Vr supplied to the CPU 52 is supplied with a voltage Vr via a VRM (Voltage Regulator Module) 92 because it needs to be supplied more stably than other loads.
[0052]
Next, the auxiliary power supply unit 3 uses the secondary battery 31 having a predetermined battery voltage Vb as a power supply source and connects it to the output terminal of the AC-DC conversion circuit 8 in the main power supply unit 7, whereby the AC-DC conversion circuit is connected. The secondary battery 31 can be charged with the output voltage Va from 8, while the power supplied to the load unit 5 can be supplied with the power output from the secondary battery 31.
[0053]
The auxiliary power supply unit 3 includes a charge / discharge circuit 32 that enables charging and discharging of the secondary battery 31, a control circuit 34 that performs various controls in the auxiliary power supply unit 3, and information to the control circuit 34. The control parameter detection circuit 33 and the power failure detection circuit 35 that detects the power failure time of the commercial AC power source 1 and transmits the detected power failure time to the control circuit 34 are configured.
[0054]
Here, the charging / discharging circuit 32 steps down the input voltage Va when charging the secondary battery 31 and applies the charging voltage Vb ′ to the secondary battery 31, while boosting the battery voltage Vb when discharging from the secondary battery 31. Thus, a bidirectional DC-DC converter having a function of discharging substantially the same as the DC voltage Va is used.
[0055]
The secondary battery 31 is usually composed of a plurality of battery cells. The battery voltage Vb is not particularly limited, but is preferably from about 1/3 or more to the equivalent voltage of the above-described DC voltage Va. This is because the conversion efficiency of the bidirectional DC-DC converter 32 that performs the charge / discharge function is more efficient as the ratio of Va and Vb is smaller.
[0056]
That is, the power loss at the time of conversion by the bidirectional DC-DC converter 32 is theoretically expressed by a quadratic expression of the ratio of Va and Vb, and a term proportional to the square becomes dominant as the ratio increases. . In particular, when this ratio exceeds 3, the loss increases rapidly and the conversion efficiency decreases. When this conversion efficiency decreases, more or larger batteries are used to compensate for this, resulting in an increase in volume. It is not desirable from the viewpoint of energy saving.
[0057]
On the other hand, from the viewpoint of only the conversion efficiency of the bidirectional DC-DC converter 32, a configuration in which the battery voltage Vb is set to a higher voltage side than Va is possible. To that end, a large number of cells of the secondary battery 31 are connected. Therefore, there is a concern about an increase in impedance due to connection and a decrease in manufacturing yield. If Va is 48 [V], the risk of electric shock increases, and handling during manufacturing and maintenance becomes troublesome.
[0058]
Next, the control parameter detection circuit 33 detects the battery temperature by a temperature sensor 36 such as a thermistor disposed in the vicinity of the secondary battery 31, and the secondary battery by a charge / discharge current sensor 37 provided on the input side of the charge / discharge circuit 32. The load current supplied to the load unit 5 can be detected by the load current sensor 38 provided on the output side of the AC-DC conversion circuit 8, and the battery voltage Vb and the medium-voltage DC voltage Va can be detected. By inputting, various control parameters at the time of charging / discharging the secondary battery 31 can be acquired and used for control of the control circuit 34.
[0059]
Here, during the normal operation in which the commercial AC power 1 is supplied, the control circuit 34 controls the power charge amount of the secondary battery 31 so that it does not fall below a predetermined SOC value X [%]. In managing the SOC value, supplementary charging is performed at an appropriate timing based on a predetermined logic in consideration of the integrated value of the charge / discharge amount and the lost power due to self-discharge.
[0060]
The specific value of X is preferably set to 70% or more in order to reduce the battery capacity as small as possible. Since the time Δt for the backup function is usually as short as 5 to 10 minutes, the discharge current of the secondary battery 31 is usually about 3 CA to 10 CA, and it is desirable to use one designed and manufactured for high output specifications. .
[0061]
Further, when supplying the Wm power from the auxiliary power supply unit 3 to the load unit 5, if the output power from the secondary battery 31 is Wbm, the ratio of Wm to Wbm is the above-described bidirectional DC-DC converter 32. This corresponds to the total conversion efficiency of the DC-DC converters 91 a to 91 n and the VRM 92 in the main power supply unit 7. If the ratio between the power supply voltage Va and the battery voltage Vb is 3 or less as described above, the conversion efficiency of the bidirectional DC-DC converter 32 is expected to be 90% or more.
[0062]
The present invention has the above-described configuration, and the effective resistance R and the rated capacity Q of the secondary battery 31 satisfy the following expressions (1) and (2), and the expressions (3) and (4) It is designed to satisfy either one of them.
Q ≧ 2 · Wbm · Δt / (Vo · X / 100) (2)
Q ≦ 1.1 × 2 · Wbm · Δt (Vo · (X−5) / 100) (3)
R ≦ Vo²/ (4 · Wbm) (1)
R ≧ 0.9 × Vo²/ (4 · Wbm) (4)
[0063]
By the way, considering the case where the secondary battery 31 is formed of an assembled battery in which the n-cell series pack shown in FIG. 3B is connected in parallel with the p-pack, a similar expression is derived for the effective resistance of the single cell. Is done. That is, after the deterioration of the single cell, the effective resistance at the time of maximum power supply is r and the open voltage of the single cell is v in the minimum operating temperature environment._oThen, the following equation is obtained first.
R = n · r / p
Vo = n · v_o
[0064]
If both formulas are put into the above formula (1), the following formula is obtained.
n · r / p ≦ (n · v_o)²/ (4 ・ Wbm)
r ≦ v_o ²/ (4 · Wbm / (n · p)) = v_o ²/ (4 ・ w_bm)
[0065]
Where w_bm(= Wbm / (n · p)) is an output per unit cell when the maximum power Wbm is supplied from the secondary battery 31. And v_oIn the case of a nickel metal hydride battery, it is about 1.3 V, and the previous equation may be the following equation.
r ≦ 1.69 / (4 · wb)
[0066]
In the same manner as when the relational expression regarding the effective resistance is derived, the following conditional expression regarding the capacity q [Ah] of the single cell is obtained.
q ≧ 2 ・ w_bmΔt / (v_o・ X / 100)
q ≧ 2 ・ w_bmΔt (1.30 · X / 100) = 1.54 · w_bm・ Δt (X / 100)
[0067]
Incidentally, the control parameter detection circuit 33 in FIG. 4 measures control parameters such as battery voltage, charge / discharge current, and temperature of the secondary battery 31. Of the measured control parameters, the resistance value at the time of measurement is obtained from the voltage and current values.
[0068]
For example, when a stepped charging current is passed through a secondary battery, the voltage after a certain amount of time has elapsed from the start time, and the difference from the voltage before passing the current is divided by the current value to correspond to that time. AC impedance is required. As the impedance component of the secondary battery to be measured, it is desirable to extract an ohmic component that changes most sensitively to deterioration.
[0069]
That is, as a frequency range, it is desirable to measure from 10 Hz to 10 kHz, and from sub ms to several tens of ms from the start time. As described above, in the example of the nickel-metal hydride battery, this ohmic component increases monotonously and gradually while becoming steep due to deterioration caused by a normally used charge / discharge cycle. Since it is approximately doubled, this point is used as a standard for battery deterioration.
[0070]
Furthermore, the physical quantity condition immediately after the production of the secondary battery 31 is designed so that both the expressions (2) and (5) are satisfied and either the expression (3) or the expression (6) is satisfied. It is possible.
R * ≦ Vo²/(1.4×4·Wbm) (5)
R * ≧ 0.9 × Vo²/(1.4×4·Wbm) (6)
[0071]
Another, the capacity and resistance of the secondary battery 31 are closely related. Roughly speaking, resistance is inversely proportional to electrode area, and capacitance is proportional to electrode volume. If the thickness of the electrode is fixed to a certain value, the capacitance is proportional to the electrode area, so the relationship between the capacitance and the resistance is inversely proportional. FIG. 5 shows a relational expression between the obtained single cell capacity and the effective resistance (7 CA discharge) at 25 ° C. based on the empirical value of the nickel metal hydride battery. The three relational curves show different electrode (positive electrode) thicknesses.
[0072]
In the examples, a Sub-C size nickel metal hydride battery, a capacity of 3.0 Ah, and a 25 ° C. effective resistance of 10.0 mΩ before use (after manufacture) were used. When the effective resistance of the power supply device at the minimum installation temperature of 5 ° C. was measured, it was 16.1 mΩ. The maximum output requested by the load side was 500 W, the backup time was 6 minutes, and the output of the secondary battery at the maximum output was about 700 W. Based on the estimated value based on the measurement of the integrated electric energy and the calculation estimate of the self-discharge, the secondary battery 31 was controlled so as to have a charge amount of 85% or more.
[0073]
FIG. 6 plots the total capacity and total resistance when this cell is used as an assembled battery, and the minimum value of Q and the maximum value of R * obtained from the above formulas (2) and (5). The number of series is 16 to 32 from the optimum range of voltage, and the number of parallel is shown for 1 and 2. The capacity of the assembled battery is 3.0 Ah for the parallel number 1 (that is, one battery pack) and 6.0 Ah for the parallel number 2 and is the same point if the number of series batteries is the same. As the number of batteries increases, it moves from the upper left to the lower right in the figure.
[0074]
Here, it can be seen from FIG. 6 that when the number of parallel is 2 and the number of series exceeds 22, the expressions (2) and (5) are satisfied. Next, considering the lower limit of R * and the upper limit of Q from the formulas (1) and (6), it can be seen that the assembled batteries having 22 to 25 in series are within this range.
[0075]
As an example, the sub-C size (22φ × 42.5) nickel-metal hydride batteries are arranged in two parallel 24 series batteries, and as reference examples, 32 series cell (one parallel) battery packs and two parallel 30 series batteries. Using the battery pack, the backup function was verified. The results are shown in the table below. Note that the bidirectional DC-DC converter 32 and the secondary battery 31 are connected via a temperature fuse so that the connection is forcibly disconnected when an abnormality occurs in the battery.
[0076]
[Table 1]

[0077]
As shown in Table 1, the assembled batteries of Example and Reference Example 2 were able to supply power for 6 minutes or more at the minimum installation temperature of the power supply device even after the charge / discharge cycle test. In contrast, the assembled battery of Reference Example 1 could not output 700 W after the charge / discharge cycle test. Further, as can be seen from the table, the embodiment is about 25% smaller in size and weight than the reference example 2, and achieves both space saving and high reliability.
[0078]
By the way, as the number of batteries of the battery pack, avoiding prime numbers, it is desirable that the number is as large as possible. For example, the numbers are 16, 20, 24, 28, 30, 32. This is advantageous in that it can be arranged without excess or deficiency when assembled as a pack, and there are many possibilities of the combination, so that it can be designed according to the mounting space.
[0079]
FIG. 7 is obtained by inserting the equations (2) and (5) in the 2-parallel 24-series configuration into FIG. 5 of the single cell capacity and effective resistance. In this plot, equation (5) is an equation for effective resistance at the minimum operating temperature, so the minimum operating temperature is 5 ° C, and converted to a resistance value of 25 ° C based on the temperature characteristics of the NiMH battery used this time. ,went. As described above, the relationship between the capacity of the single cell and the effective resistance varies depending on the difference in electrode thickness. However, if the battery configuration is close to the intersection of equations (2) and (5), it more meets the requirements of the system side. It will be a thing.
[0080]
【The invention's effect】
As described above, the present invention satisfies the requirements of the system over a long period of time by selecting the capacity and effective resistance of the secondary battery to be used within the predetermined range with respect to the required specifications related to the power supplied from the system side. In addition, a power supply device with a backup function that is excellent in space saving can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a power supply device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between current and output power in a secondary battery used in an auxiliary power supply unit, wherein (a) is a schematic diagram showing the relationship between each element constituting the secondary battery; b) is a graph showing the relationship between current and output power.
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing another embodiment of the present invention, in which FIG. 3A is characterized by the configuration of the main power supply unit, and FIG. 3B is an example in which the secondary battery is configured as an assembled battery pack. Show.
FIG. 4 is a block diagram illustrating an example in which the present invention is implemented in a computer apparatus.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the capacity of a nickel metal hydride battery used in an example of the present invention and the effective resistance value at 25 ° C.
FIG. 6 is a diagram showing a procedure of configuring with a SubC size nickel-metal hydride battery used this time in response to a request for a computer apparatus of an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for illustrating an optimum design guideline for a nickel metal hydride battery in a two-parallel 24-series configuration pack that is an embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Commercial AC power supply
3 Auxiliary power supply
4 Power supply
5 Load section
6 Computer equipment
7 Main power supply
8 AC-DC conversion circuit
9 DC-DC conversion circuit
31 Secondary battery
32 Charge / discharge circuit
33 Control parameter detection circuit
34 Control circuit
36 Temperature sensor
37 Charge / Discharge Current Sensor
38 Load current sensor
51 Load
52 CPU
53 I / O
81 AC-DC converter
82 DC-DC converter
91 DC-DC converter
92 VRM

Claims

A commercial AC power output from a commercial AC power source is converted into a DC power of a predetermined voltage required by the load unit, and a main power source unit that supplies the power and a secondary battery as a power supply source, replacing the commercial AC power source. Alternatively, an auxiliary power supply unit that supplies power to the load unit is provided, and when power is supplied only from the auxiliary power supply unit to the load unit, at least the maximum output power is Wm [W] and Δt [h ], The secondary battery is required to be able to continue power supply,
When the output power of the secondary battery corresponding to when the auxiliary power supply supplies the maximum output power Wm [W] is Wbm [W],
While the auxiliary power supply unit performs charge control to maintain the charge exceeding the predetermined charge amount X [%] for the secondary battery during the normal operation in which the commercial AC power is supplied to the main power supply unit. ,
The rated capacity Q [Ah] in the initial stage of the secondary battery satisfies the following formula (2), and
A control parameter detecting circuit for measuring an AC impedance of the secondary battery, and the measured value of the AC impedance is within an allowable range up to twice the initial value ; An effective resistance R [Ω] satisfies the following formula (1):
R ≦ Vo ² / (4 · Wbm) (1)
Q ≧ 2 · Wbm · Δt / (Vo · X / 100) (2)
Where Vo [V]: open circuit voltage of the secondary battery

The secondary battery further below (3) and (4) power supply 請 Motomeko 1, wherein you satisfied at least one of formulas.
Q ≦ 1.1 × 2 · Wbm · Δt (Vo · (X−5) / 100) (3)
R ≧ 0.9 × Vo ² / (4 · Wbm) (4)

The power supply apparatus according to claim 1 , wherein the control parameter detection circuit measures an AC impedance of a frequency corresponding to 10 Hz to 10 kHz in the secondary battery .

The power supply device according to claim 3, wherein an initial effective resistance R * [Ω] of the secondary battery satisfies the following expression (5) .
R * ≦ Vo ² /(1.4×4·Wbm) (5)

The power supply device according to claim 4, wherein the initial effective resistance R * [Ω] satisfies the following expression (6) .
R * ≧ 0.9 × Vo ² /(1.4×4·Wbm) (6)

The main power supply unit converts an AC-DC conversion circuit that converts commercial AC power into DC power of a predetermined voltage Va, and converts the DC voltage Va output from the AC-DC conversion circuit into a predetermined voltage required by the load unit. And a DC-DC conversion circuit to be supplied.
The auxiliary power unit includes a power supply device according to claim 1, characterized in that it is connected to the input side of the DC-DC converter circuit.

7. The power supply device according to claim 6 , wherein the battery voltage Vb of the secondary battery does not exceed the predetermined voltage Va at the time of charging and is not less than 1/3 of the predetermined voltage Va at the time of power feeding .

The secondary battery, the power supply device according to claim 1 or 2, wherein the assembled battery packs connected battery cells into a plurality series.

The power supply device according to claim 8 , wherein a plurality of the assembled battery packs are connected in parallel .

The power supply device according to any one of claims 1 to 9, wherein the secondary battery is a nickel metal hydride battery or a nickel cadmium battery .