JP4262445B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電源等の基幹電源からの電力供給が停止する停電時等において、各種機器のバックアップ電源等として使用される無停電電源装置に関し、特に、停電時に限らず、各種機器の補助電源としても使用することができる無停電電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
密閉化が可能なニッケル水素蓄電池は、ニッケルカドミウム蓄電池よりも高エネルギー化が可能であり、しかも、環境に対して悪影響を与えるおそれがあるカドミウムを使用しないために、各種用途に使用されることが望まれている。このため、ニッケル水素蓄電池は、携帯電話、パソコンのような小型のコードレス電子機器の電源としての使用に限らず、通信システム、コンピュータシステム等のバックアップ電源である無停電電源装置の電源としても、使用されるようになっている。
【０００３】
無停電電源装置の電源としてニッケル水素蓄電池が用いられる場合には、ニッケル水素蓄電池が高出力が可能になっているために、商用電源等の基幹電源から各種機器に電流が供給されない停電時等に使用されるバックアップ電源としての機能のみならず、比較的大きな電力が必要とされる場合に、補助的に電力を供給するピークカットシステムにも使用されるようになっている。
【０００４】
ピークカットシステムでは、事業所等における使用電力を平準化するために、電力が多量に消費される昼間、大電力を消費するエアコン、電子レンジ等の使用時等において、通常の基幹電源からの電力供給に加えて、無停電電源装置からも電力を供給するようになっている。これにより、瞬間的に大電力が消費されることが防止され、消費電力量が平準化されるために、事業所等において、過電流を防止するための設備等が不用になり、設備負担を軽減することができる。
【０００５】
また、エレベータのバックアップ電源として使用される無停電電源装置では、エレベータが下降する際の位置エネルギーを回生して、電源として使用されるニッケル水素蓄電池を充電し、得られる電力を、エレベータの上昇時に使用するようになっている。これにより、大きな電力を消費するエレベータを、省電力化することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような無停電電源装置では、通常の使用時においても、充放電が繰り返されるために、電源として使用されるニッケル水素蓄電池は、化学反応熱のみならず、ジュール熱によっても発熱する。このために、ニッケル水素電池の温度が上昇して、電池寿命が低下するおそれがある。
【０００７】
特開２０００−１５００００号公報には、ニッケル水素電池を電源として使用する際に、ニッケル水素電池の自己放電量に応じて間欠的に満充電にする構成が開示されている。しかしながら、このような構成では、前述したピークカットシステムやエレベータのバックアップ電源のように、放電が頻繁に行われるような場合には、頻繁に満充電とされ、ニッケル水素電池の劣化が促進するおそれがある。
【０００８】
無停電電源装置では、電源として複数の単電池または単位電池によって構成される組電池が使用され、組電池が劣化した場合には、新たな組電池と交換する必要がある。しかしながら、無停電電源装置では、所定の特性を有する組電池しか使用できない構成になっており、組電池の充電、冷却等の制御条件が、所定の組電池に対して予め設定されている。
【０００９】
このために、容量密度、出力密度が向上した組電池が開発されても、そのような組電池を電源として使用することができない。例えば、ニッケル水素蓄電池の組電池を電源として使用する場合には、軽量なリチウム蓄電池に交換することができない。このように特性の異なる組電池を使用する場合には、組電池の制御の条件等を変更しなければならず、無停電電源装置全体を設計変更する必要がある。
【００１０】
特開平８−１２６２２６号公報、特開平１０−２１０６８３号公報等には、組電池が交換可能になった無停電電源装置が開示されている。しかしながら、これらの無停電電源装置は、出力特性等が異なる組電池に交換することについては、何も開示されていない。
【００１１】
特開平１１−２１５７３４号公報には、交換可能になった冷却ファンによって電源を冷却するようになった無停電電源装置が開示されている。しかしながら、この無停電電源装置では、電源であるバッテリーが、他の種類のバッテリーに交換し得るものではない。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、特性の異なる組電池を電源として使用する場合にも、交換することができる無停電電源装置を提供することにある。本願発明の他の目的は、電源として使用される組電池の寿命を向上させることができる無停電電源装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の無停電電源装置は、基幹電源から電力が供給されない場合、または、負荷に対する電力が予め設定された電力値以上になった場合に、負荷に対して電力を供給する無停電電源装置であって、複数の単電池または単位電池によって構成された組電池を有する組電池ユニットが、電源として着脱可能に設けられるとともに、該組電池ユニットを冷媒により冷却する冷却装置が設けられている。
【００１４】
そして、前記組電池ユニットにおける組電池の状態を監視する電池監視装置と、該電池監視装置に基づいて、前記組電池の充放電を制御するとともに、前記冷却ファンを制御する電源制御装置とが設けられている。また、前記電源制御装置は、前記負荷の電力消費が予め設定された電力値以上になった場合に、前記組電池から該負荷に電力を供給する。さらに、前記電源制御装置は、１日における単位時間毎の前記負荷の電力消費量を記録するようになっており、前記負荷の電力消費量が規定値以下になっている単位時間において、前記組電池を充電する。
【００１５】
前記組電池ユニットは、ハウジングに対して着脱されるようになっており、該ハウジングの下部に、前記組電池の各単電池または単位電池から漏出する液体を収容する液溜まりが設けられている。
【００１６】
前記電源制御装置は、前記組電池の充電レベルが下限値以下に低下した場合に、充電レベルが９８％以下になるように、該組電池を充電する。
【００１７】
前記電源制御装置は、前記組電池を、周期的に過充電になるように充電する。
【００２０】
前記電源制御装置は、１日における単位時間毎の前記負荷による電力消費量の記録を、所定の期間における平均値または積算値に基づいて周期的に更新する。
【００２１】
前記単位時間が１時間である。
【００２２】
前記充電レベルの下限値が８０％である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の無停電電源装置の実施の形態の一例を示す概略構成図である。この無停電電源装置は、上下方向の中央部に水平に配置された隔壁３１ａによって、上部の制御室３１ｂと、下部の電源室３１ｃとに分割されたハウジング３１を有している。ハウジング３１の下部に設けられた電源室３１ｃ内には、組電池ユニット１が収容されており、上部の制御室３１ｂ内には、組電池ユニット１を制御する電源制御装置２１、充電回路２２、インバータ回路２３等が設けられている。
【００２５】
図２は、組電池ユニット１の斜視図である。組電池ユニット１は、例えば１６個の単位電池１１を一体的に組み合せた組電池１０を有している。図３は、組電池１０を構成する単位電池１１の正面図である。各単位電池１１は、それぞれ、同様の構成になったニッケル水素蓄電池によって構成されており、上面が開放された厚さの薄い扁平な直方体状の電槽本体１１ａと、この電槽本体１１ａの上面を閉塞する帯状の蓋体１１ｂとを有している。電槽本体１１ａの各表面には、多数のリブ１１ｄがそれぞれ設けられている。
【００２６】
電槽本体１１ａの内部は、厚さ方向に沿った５つの隔壁によって、例えば６つのセルに区画されており、各セル内に、複数の正極板および負極板がそれぞれ収容されている。各セル内には、各正極板と各負極板同士がセパレータを挟んで交互に積層された状態になっている。
【００２７】
各セル内の全ての正極板および全ての負極板は、それぞれ集電板に接続されている。各集電板は、セル内に積層状態で配置された全ての正極板および負極板を挟んで対向した状態になっており、隣接する一方のセルの正極側の集電板と他方のセルの負極板の集電板とが相互に接続されている。そして、電槽本体１１ａの両側の端部にそれぞれ配置された各セル内において、電槽本体１１ａの各側面に沿ってそれぞれ配置された正極側および負極側の集電板が、電槽本体１１ａの各側面にそれぞれ設けられた極柱１１ｃにそれぞれ接続されている。
【００２８】
このような構成の単位電池１１は、図２に示すように、複数が電槽の厚さ方向に積み重ねられた状態で一体化されることにより、組電池１０とされている。隣接して積層される単位電池１１同士は、正極側の極柱１１ｃと負極側の極柱１１ｃとが同じ側に位置するように配置されており、全ての単位電池１１同士が直列に接続されるように、隣接する一対の単位電池１１における所定の正極側および負極側の極柱１１ｃ同士がバスバー１１ｅによって相互に接続されている。
【００２９】
組電池１０の両側にそれぞれ配置された各単位電池１１における隣接する単位電池１１と接続されていない極柱には、それぞれワイヤーハーネス１６が接続されている。
【００３０】
単位電池１１は、例えば、６．５Ａｈの性能を有しており、１６個の単位電池１１を組み合せた組電池１０の電力量は、約８２１Ｗｈ、組電池１０の出力は８ｋＷになっている。
【００３１】
組電池１０における単位電池１１の積み重ね方向の両側には、第１エンドプレート１２および第２エンドプレート１３がそれぞれ設けられており、各エンドプレート１２および１３によって、組電池１０が挟まれている。第２エンドプレート１３は、単位電池１１とほぼ同様の大きさおよび形状になっており、組電池１０の一方の端部に配置された単位電池１１に整合状態で突き合わされている。第１エンドプレート１２は、第２エンドプレート１３よりも上下方向に長くなっており、その上部が、組電池１０の他方の端部に配置された単位電池１１に対して、上方に突出するように突き合わされている。
【００３２】
第２エンドプレート１３の上面には、３本の拘束ロッド１４それぞれの一方の端部が、それぞれビス１５によって取り付けられており、各拘束ロッド１４の他方の端部は、第１エンドプレート１２の上部表面にビス１５によってそれぞれ取り付けられている。第２エンドプレート１３の下面と、第１エンドプレート１２の下面も、３本の拘束ロッド１４によって、相互に連結されている。
【００３３】
このように、上下各３本の拘束ロッド１４によって、相互に連結された第１エンドプレート１２および第２エンドプレート１３によって、相互に積み重ねられた複数個の単位電池１１が一体化されて、組電池１０が構成されている。
【００３４】
このような構成の組電池１０が、図１に示すように、本発明の無停電電源装置に使用される。組電池１０は、無停電電源装置のハウジング３１における下部に設けられた電源室３１ｃ内に着脱可能に設けられている。
【００３５】
ハウジング３１の下部に設けられた電源室３１ｃの一方の側面の下部には、電源室吸気口３１ｄが設けられており、電源室３１ｃの下部には、電源室吸気口３１ｄに一方の端部が連通する吸気ダクト３１ｅが設けられている。吸気ダクト３１ｅの上部は、多数の通気孔が設けられた吸気カバー３１ｆによって覆われている。吸気カバー３１ｆは、電源室吸気口３１ｄの上縁部を覆った状態で、電源室吸気口３１ｄから離れるにつれて順次下側に位置するように傾斜した状態になっている。
【００３６】
電源室３１ｂ内に収容される組電池ユニット１は、傾斜状態になった吸気カバー３１ｆ上に、単位電池１１の積層方向が傾斜方向に沿った状態で載置されており、従って、組電池ユニット１は、吸気カバー３１ｆと同様の傾斜状態になっている。組電池ユニット１における組電池１０の各単位電池１１は、それぞれの極柱１１ｃは、水平になっている。
【００３７】
電源室３１ｂにおける組電池ユニット１の下側に位置する側部の側方には、各単電池１０内の液体が漏出した場合に、その液体を収容する液溜まり３１ｘが形成されている。
【００３８】
組電池ユニット１が配置された電源室３１ｃには、電源室吸気口３１ｄが設けられた側面に対向した側面の上部に、電源室排気口３１ｇが設けられており、電源室３１ｃの上部には、電源室排気口３１ｇに一方の端部が連通する排気ダクト３１ｋが設けられている。排気ダクト３１ｋの下部は、多数の通気孔が設けられた排気カバー３１ｍによって覆われている。排気カバー３１ｍは、電源室３１ｃ内に配置された組電池ユニット１と同様の傾斜状態になっている。排気ダクト３１ｋ内における排気口３１ｇに対向した端部内には、電源室冷却ファン３１ｎが設けられている。
【００３９】
電源室３１ｃ内に配置された組電池１０の各ワイヤーハーネス１６は、ハウジング３１に設けられた接続部３１ｐに、それぞれ着脱可能に接続されるとともに、隔壁３１ａ上に配置された制御装置２１にも、着脱可能に接続されている。ハウジング３１に設けられた接続部３１ｐには、組電池１０が、他の電気機器のバックアップ電源等として使用される際に、その電気機器が接続されるようになっている。
【００４０】
ハウジング３１の上部に設けられた制御室３１ｂの側面には、制御室吸気口３１ｒが設けられている。制御室吸気口３１ｒは、電源室吸気口３１ｄの上方に位置している。また、制御室３１ｂの側面上部には、制御室排気口３１ｓが、電源室吸気口３１ｇの上方に設けられている。制御室３１ｂの内部には、制御室排気口３１ｓに対向して制御室冷却ファン３１ｔが設けられている。
【００４１】
電源室３１ｃに設けられた電源室冷却ファン３１ｎおよび制御室３１ｂに設けられた制御室冷却ファン３１ｔは、それぞれ、制御室３１ｂ内の電源制御装置２１によって制御されるように、コネクタ３１ｕを介して、電源制御装置２１に接続されている。
【００４２】
電源室３１ｃの上部には、組電池１０の温度、電圧、電流等を監視する電池監視装置３２が設けられている。
【００４３】
ハウジング３１の電源室３１ｃに設けられた電源室冷却ファン３１ｎが駆動されると、電源室３１ｃ内が減圧されて、吸気口３１ｄから吸気ダクト３１ｅ内に空気が流入する。吸気ダクト３１ｅ内に流入した空気は、吸気カバー３１ｆの通気孔を通って、吸気カバー３１ｆ上に配置された組電池１０に供給される。
【００４４】
この場合、吸気カバー３１ｆが傾斜状態になっており、吸気ダクト３１ｅは、電源室吸気口３１ｄから離れるにつれて、順次、断面積が小さくなっているために、吸気カバー３１ｆの通気孔を通って組電池１０に供給される空気の流量は、吸気カバー３１ｆの傾斜方向に沿ってほぼ均一にされる。
【００４５】
組電池１０における単位電池１１の間には、各単位電池１１の表面に設けられた多数のリブ１１ｄによって空間が形成されているために、組電池１０に供給される空気は、隣接する単位電池１１間の空間を通って上方に通流する。そして、各単位電池１１間の空間を通流する空気によって、各単位電池１１が冷却される。
【００４６】
この場合、組電池１０に供給される空気の流量は、吸気カバー３１ｆの傾斜方向に沿ってほぼ均一になっているために、吸気カバー３１ｆに沿って配列された各単位電池１１に対して空気が均等に供給され、各単位電池１１は、ほぼ均等に、しかも、効率よく冷却される。その結果、組電池１０における各単位電池１１の性能の劣化、各単位電池１１のＳＯＣ（State Of Charge：電池が完全充電されてから放電した電気量の割合を除いた状態＝充電レベル）のバラツキを抑制することができる。
【００４７】
各単位電池１１を冷却した空気は、排気カバー３１ｍの通気孔を通って排気ダクト３１ｋ内に流入し、電源室冷却ファン３１ｎによって、電源室排気口３１ｇから外部に排出される。
【００４８】
ハウジング３１の上部に設けられた制御室３１ｂ内の制御装置２１も、制御室冷却ファン３１ｔが駆動されることにより、制御室吸気口３１ｒを通って制御室３１ｂ内に流入する空気によって冷却される。制御装置２１を冷却した空気は、制御室冷却ファン３１ｔによって外部に排出される。
【００４９】
図４は、ハウジング３１における電源室３１ｃ内に収容された組電池ユニット１の電気系統を示すブロック図、図５は、無停電電源装置の電気系統を示すブロック図である。図４に示すように、ハウジング３１の電源室３１ｃ内に収容された組電池ユニット１における組電池１０の出力は、電流センサ３３、ヒューズ３４およびブレーカ３５を介して、外部に出力されるようになっている。電流センサ３３は、組電池１０からの放電電流および充電電流をそれぞれ検出するようになっており、それぞれの検出結果は、電池監視装置３２に与えられている。
【００５０】
組電池ユニット１には、１６個の単位電池１１が直列接続された組電池１０の温度を検出する複数の電池温度センサ１７が設けられており、各電池温度センサ１７によって、組電池１０の温度が検出される。各電池温度センサ１７の出力は、電池監視装置３２に与えられている。
【００５１】
また、組電池ユニット１には、組電池１０における各一対の単位電池１１の電圧をそれぞれ検出する電圧検出回路１８が設けられており、電圧検出回路１８の出力が、電池監視装置３２に与えられている。
【００５２】
ハウジング３１の電源収容室３１ｃ内には、電源室冷却ファン３１ｎにより供給される冷却風の温度を検出する冷媒温度センサ３６が設けられており、この冷媒温度センサ３６の出力が電池監視装置３２に与えられている。
【００５３】
電池監視装置３２は、電流センサ３３、電池温度センサ１７、冷媒温度センサ３６の出力に基づいて、組電池１０に関する情報を、電源制御装置２１に出力するようになっている。
【００５４】
図５に示すように、本発明の無停電電源装置は、商用交流電源５１に接続されるとともに、ＰＯＳ、パソコン、オフコン等の負荷５４に接続されるようになっている。商用交流電源５１は、無停電電源装置に設けられた電流センサ５２および第１スイッチ５３を介して、負荷５４に交流電流を供給するようになっている。
【００５５】
無停電電源装置に設けられた電源としての組電池１０は、電流センサ３３、ヒューズ３４およびブレーカ３５を介して、ハウジング３１の制御室３１ｂ内に設けられた充電回路２２およびインバータ回路２３に、それぞれ接続されている。そして、商用交流電源５１の停電時等において、組電池１０の出力が、インバータ回路２３によって交流に変換されて、第２スイッチ５５を介して、負荷５４に与えられるようになっている。
【００５６】
充電回路２２は、商用交流電源５１に接続されており、商用交流電源５１からの交流電流が与えられて、組電池１０を充電するようになっている。インバータ回路２３および充電回路２２は、電源制御装置２１によって制御される。
【００５７】
電源制御装置２１は、例えば、ＣＰＵによって構成された制御部２１ａを有しており、この制御部２１ａに、組電池１０を監視する電池監視装置３２の出力が与えられている。
【００５８】
制御部２１ａには、電源スイッチ２１ｂが設けられており、この電源スイッチ２１ｂがオンすることによって、制御可能な状態とされる。制御部２１ａには商用交流電源５１から出力される交流電流を検出する電流センサ５２の出力が与えられるとともに、その交流電流が、Ａ／Ｄ変換器２１ｃにてデジタル信号に変換されて与えられている。
【００５９】
制御部２１ａの出力は、ハウジング３１に設けられた電源室冷却ファン３１ｎに与えられている。また、制御部２１ａの出力は、第１ＰＷＭ信号発生回路２１ｄを介して充電回路２２に与えられるとともに、第２ＰＷＭ信号発生回路２１ｅを介してインバータ回路２３に与えられている。また、制御部２１ａは、負荷５４に接続される第１スイッチ５３および第２スイッチ５５のオンおよびオフをそれぞれ制御するようになっている。
【００６０】
さらに、制御部２１ａには、電源オン状態、システムの異常、さらには、組電池１０の異常等によって点検等のサービスが必要なこと等を報知するサービス用インジケータランプ２１ｆおよび異常が発生したことを報知する異常用インジケータランプ２１ｈが設けられている。また、制御部２１ａには、組電池１０の異常等の具体的内容を表示するパソコン等のサービスツール２１ｇが接続可能になっている。
【００６１】
図６は、電池監視装置３２の概略構成を示すブロック図である。電池監視装置３２には、電源手段３２ｍおよび監視制御部３２ａが設けられている。電源手段３２ｍは、商用交流電源５１から供給される交流電流が与えられており、この交流電流が直流化されて、組電池１０の電流を検出する電流センサ３３に与えられている。
【００６２】
監視制御部３２ａは、各種演算を実施するＣＰＵ３２ｂ、ＲＡＭ３２ｃ、ＲＯＭ３２ｄ、クロック制御部３２ｅ、タイマ３２ｆ、Ａ／Ｄコンバータ３２ｇ、Ｉ／Ｏポート３２ｈ、シリアルポート３２ｋ等を有している。
【００６３】
監視制御部３２ａには、組電池１０の各種情報が入力されている。組電池１０の電流を検出する電流センサ３３の出力は、アンプ３２ｙを介して、監視制御部３２ａのＡ／Ｄコンバータ３２ｇに入力されている。また、組電池１０における隣接する各一対の単位電池１１の電圧を検出する電圧検出回路１８の出力は、マルチプレクサ３２ｗによって、順番に差動アンプ３２ｘに出力されて、差動アンプ３２ｘの出力が、監視制御部３２ａのＡ／Ｄコンバータ３２ｇに入力されている。さらに、組電池１０における所定位置の温度を検出する各電池温度センサ１７の出力も、監視制御部３２ａのＡ／Ｄコンバータ３２ｇに入力されている。
【００６４】
監視制御部３２ａは、組電池１０における充放電仕様に関する情報として、許容充電電力および許容放電電力をそれぞれ演算するようになっている。許容充電電力は、各電池温度センサ１７から得られる組電池１０の温度と、組電池１０の充電状態を示すＳＯＣとに基づいて、予め設定されたマップから演算される。組電池のＳＯＣは、電流センサ３３によって検出される組電池１０の充電電流を積算処理して得られる積算電流と、組電池１０における電圧および電流の関係とに基づいて、一義的に決定される。組電池１０の許容放電電力は、許容充電電流と電池温度とに基づいて、予め設定されたマップから演算される。
【００６５】
また、監視制御部３２ａでは、電池温度センサ１７によって検出される組電池１０の温度と、組電池ユニット１が収容された電源室３１ｃ内に設けられた冷媒温度センサ３６にて検出される冷媒としての冷却風の温度とに基づいて、電源室冷却ファン３１ｎのオン・オフ信号を出力する。
【００６６】
さらには、監視制御部３２ａは、電源室冷却ファン３１ｎのオン信号を出力した場合に、電池温度センサ１７によって検出される組電池１０の温度と、冷媒温度センサ３６にて検出される冷媒温度との差が、予め設定された所定値以上であれば、ファン故障フラグをセットするようになっている。また、電池温度センサ１７および冷媒温度センサ３６の出力のＡ／Ｄ変換値が、それぞれ、予め設定された上限値以上または下限値以下になっている場合には、電池温度センサ１７または冷媒温度センサ３６が故障しているものとして、電池温度センサ１７および冷媒温度センサ３６の故障フラグをそれぞれセットする。
【００６７】
さらに、監視制御部３２ａでは、電圧検出回路１８によって検出される組電池１０における各一対の単位電池１１の電圧と、組電池１０の電流を検出する電流センサ３３の出力とに基づいて、一対の単位電池１１の内部抵抗をそれぞれ演算し、各一対の単位電池１１の内部抵抗値の差が予め設定された所定値以上になった場合に、単位電池１１の内部抵抗が異常であるとして、電池抵抗値異常フラグをセット状態とする。
【００６８】
監視制御部３２ａは、全ての単位電池１１の内部抵抗が異常である場合には、組電池ユニット１における組電池１０が寿命になったものとして、電池寿命フラグをセットする。
【００６９】
また、各一対の単位電池１１の電圧と、組電池１０の電流を検出する電流センサ３３の出力とに基づいて、電圧無印加時の電圧（切片電圧）を演算し、切片電圧が所定値以下の場合には、単位電池１１が短絡しているとして、電池短絡異常フラグをセット状態とする。そして、内部抵抗が異常になっている単位電池１１、または、単電池ブロックを特定して、所定信号を出力する。
【００７０】
監視制御部３２ａは、組電池１０における各一対の単位電池１１の電圧が、予め設定された上限値以上または下限値以下になっている場合には、電圧検出回路１８が故障しているとして、電圧検出回路故障フラグをセットする。
【００７１】
さらに、監視制御部３２ａは、組電池１０に対して許容充電電流以上の充電電流が検出された場合、許容放電電流以上の放電電流が検出された場合、さらには、電池温度が７０℃以上になった場合に、それぞれ、システムに異常が発生しているものとしてシステム異常フラグをセットする。
【００７２】
監視制御部３２ａは、電池交換フラグがセットされた場合、電圧検出回路故障フラグがセットされた場合、または、電池寿命フラグがセットされた場合に、組電池１０に対する充放電電流の積算値、および、満充電回数の積算値に基づいて、組電池ユニット１の交換が必要であるかを判定し、組電池ユニット１の交換が必要な場合には、組電池ユニット１の交換を指示する組電池ユニット交換フラグをセットする。
【００７３】
電池監視制御装置３２からの出力信号は、電源制御装置２１に与えられている。電源制御装置２１は、電池監視装置３２にて演算される許容充電電力に基づいて、第１ＰＷＭ信号発生回路２１ｄを制御し、充電回路２２による組電池１０の充電が許容範囲内になるように制御する。また、電池監視装置３２にて演算される許容放電電力に基づいて、第２ＰＷＭ信号発生回路２１ｅを制御し、インバータ回路２３による組電池１０の放電が許容範囲内になるように制御する。
【００７４】
さらに、電源制御装置２１は、電池監視装置３２において、電池抵抗値異常フラグ、電池短絡フラグ、ファン故障フラグ、電圧検出回路故障フラグ、システム異常フラグ、組電池ユニット交換フラグ、電池寿命フラグが、それぞれセットされている場合に、サービス用インジケータランプ２１ｆを点灯させるとともに、制御部２１ａに接続されたサービスツール２１ｇに対して、各フラグの内容をそれぞれ表示する。さらに、サービスツール２１ｇに充放電電流の積算値、および満充電回数の積算値を、それぞれ表示するようになっている。
【００７５】
また、電池監視装置３２において、電池抵抗値異常フラグ、電池短絡フラグ、電圧検出回路故障フラグ、システム異常フラグ、組電池ユニット交換フラグのいずれかがセットされている場合には、異常用インジケータランプ２１ｈを点灯する。
【００７６】
さらに、電池監視装置３２において、電池温度センサ１７および冷媒温度センサ３６の出力に基づく電源室冷却ファン３１ｎ制御信号に基づいて、電源室冷却ファン３１ｎのオンオフ用のリレーを制御するようになっている。
【００７７】
このような本発明の無停電電源装置により、ハウジング３１内に配置された組電池１０が効率よく冷却される。このために、電子機器のバックアップ電源のように、商用電源の停電時にのみ使用される場合に限らず、事業所における使用電力を平準化するためのピークカットシステムのバックアップ電源、エレベータのバックアップ電源等のように、頻繁に充放電を繰り返す場合にも、高温になるおそれがなく、組電池は、長期にわたって安定的に使用することができる。
【００７８】
また、組電池１０は、ハウジング３１に対して着脱可能になっており、組電池１０の種類の変更、例えば、ニッケル水素蓄電池からリチウム蓄電池への変更、あるいは、電池の容量密度や出力密度を向上させることができるが、このような場合にも、組電池１０の冷却機構を有しているために、電源制御装置２１を特別に設計変更することなく、出力特性が異なる組電池１０を使用することができる。
【００７９】
例えば、前述したように、組電池１０は、６．５Ａｈの性能を有する１６個の単位電池１１を組み合せて、その電力量が約８２１Ｗｈ、電池出力が８ｋＷになっている場合に、単位電池１１の容量密度および電池出力密度の向上によって、１４個の単位電池によって組電池が構成されるようになっても、そのような組電池をハウジング３１内に装着して使用することができる。
【００８０】
次に、電源制御装置２１の制御部２１ａによる制御について説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、電源制御装置２１の制御部２１ａの動作説明のためのタイムチャートである。本発明の無停電電源装置では、負荷５４に対する商用交流電源５１からの電流供給が停止した場合のみならず、負荷５４に対する電力が予め設定された電力値Ｗｐ以上になった場合には、負荷５４に対して補助的に電力を供給する。そして、組電池１０から負荷５４に対する電力供給によって、組電池１０のＳＯＣが低下すると、組電池１０の充電を実施する。
【００８１】
組電池１０のＳＯＣは、前述したように、組電池１０からの電流の積算値と、組電池１０の電圧および電流との関係とに基づいて演算され、ＳＯＣが予め設定された下限値Ｓ０（例えば８０％）よりも低下した場合に、放電電気量および充電効率に基づいて充電される。そして、組電池１０のＳＯＣが下限値Ｓ０よりも大きく、かつ、９８％以下の上限値Ｓ１（例えば９５％）に達すると、組電池１０の充電が停止される。
【００８２】
すなわち、負荷５４における負荷量が増加すると、組電池１０から負荷５４に対して補助的に電力が供給される（図７（ｂ）参照）。これにより、組電池１０が放電されて、ＳＯＣが低下する。そして、図７（ａ）に示すように、組電池１０のＳＯＣが下限値Ｓ０（例えば８０％）よりも低下した場合に、図７（ｃ）に示すように、組電池１０を充電する。そして、組電池１０のＳＯＣが、予め設定された上限値Ｓ１（例えば９５％）に達すると、組電池１０に対する充電を停止する。
【００８３】
なお、商用交流電源が停電した場合には、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、組電池１０のＳＯＣが下限値Ｓ０よりも低下しても、組電池１０に対して充電されないために、組電池１０のＳＯＣは、下限値Ｓ０よりも低下することになる。
【００８４】
このように、組電池１０のＳＯＣが下限値Ｓ０よりも低下した場合に、組電池１０を、満充電にすることなく、ＳＯＣが９８％以下になるように充電することにより、組電池１０としてニッケル水素蓄電池を用いた場合であっても、電池容量の低下および出力の低下を確実に防止することができる。すなわち、ニッケル水素蓄電池を使用した組電池１０が、負荷５４に対して頻繁に電力を供給することによって頻繁に充電されても、充電時に過充電状態になるおそれがなく、ニッケル水素蓄電池において、劣化の進行が抑制される。
【００８５】
しかも、組電池１０は、放電が開始された直後には充電されず、ＳＯＣが下限値Ｓ０にまで低下した時点で充電を開始するようになっているために、電池温度が上昇することを抑制することができる。その結果、組電池１０の寿命および信頼性を著しく向上させることができる。
【００８６】
図９は、組電池１０におけるＳＯＣの下限値Ｓ０を８０％、上限値Ｓ１を９５％として充電することによって、電池温度が３５℃程度になるようにした場合の単位電池１１の総充放電電気量と電池容量および内部抵抗との関係を示すグラフである。このように、電池温度を３５℃程度に抑制することにより、総充放電電気量が５００００Ａｈを超えても、電池容量の低下および内部抵抗の上昇を抑制することができ、寿命および信頼性が著しく向上する。
【００８７】
比較のために、電池温度を４５℃とした場合の総充放電電気量と電池容量および内部抵抗との関係を点線にて示す。この場合には、総充放電電気量が３００００Ａｈを超えると、電池容量が低下し、また、内部抵抗も上昇した。
【００８８】
また、電源制御装置２１の制御部２１ａは、図１０に示すように、基幹電源である商用交流電源５１から供給される電力の負荷５４における消費量Ｗｎを、１日を等分した単位時間Ｔｎ毎、例えば１時間毎に記録するようになっている。そして、１日における各単位時間Ｔｎ毎に、所定の日数（例えば１０日間）にわたる負荷５４の電力消費量Ｗｎの平均値を演算して、演算された平均値が規定値Ｗｃ以下になっている単位時間Ｔｎにおいて、組電池１０のＳＯＣが、９８％以下の上限値Ｓ１以下になっている場合に、組電池１０を充電する。そして、組電池１０のＳＯＣが、上限値Ｓ１に達すると、組電池１０の充電が停止される。
【００８９】
なお、１日における各単位時間Ｔｎの消費電力Ｗｎの平均値は、毎日更新され、最近の所定の日数（例えば、１週間、１０日等）にわたる平均値が演算される。また、このように、各単位時間Ｔｎ毎に消費電力Ｗｎを、所定の日数にわたって平均した値を演算する構成に替えて、所定の日数にわたって積算した値を演算するようにしてもよい。
【００９０】
このように、組電池１０のＳＯＣが設定された上限値Ｓ１以下の場合に、１日における単位時間Ｔｎ当りの消費電力Ｗｎが小さな時間帯、すなわち、組電池１０の放電電流が少ない時間帯に、組電池１０を、満充電以下の上限値Ｓ１になるように充電することにより、組電池１０のＳＯＣの検出精度が向上する。その結果、組電池１０が過充電されることを確実に防止することができる。また、このように、組電池１０による放電電流が少ない時間帯は、負荷５４による消費電力Ｗｎが少ない時間帯である。このために、電気料金の安価な夜間等において、組電池１０が充電されることになり、経済性が向上する。
【００９１】
さらには、所定の期間（例えば１日）が経過して、１日における単位時間Ｔｎ当りの消費電力Ｗｎが、小さな時間帯に、組電池１０が満充電以下であれば、満充電になるように充電する。このことにより、各単位電池１１が劣化した場合に生じるＳＯＣのバラツキを抑制することが可能となる。
組電池１０からの補助的な電力供給が必要な電力量Ｗｐ以上になっている場合に、
組電池１０が満充電になっていることの検出は、例えば、組電池１０の温度の上昇勾配が所定値（例えば、１．２℃／ｍｉｎ）以上となった場合に満充電と判定するｄＴ／ｄｔ制御、組電池温度の上限値が所定値（例えば５０℃以上）となった場合に満充電と判定するＴ制御、組電池１０の電圧のピーク値から電圧降下の値が所定値（例えば２０ｍＶ／ｃｅｌｌ）となった場合に満充電と判定する−ΔＶ制御等が採用される。
【００９２】
このように、組電池１０が放電しない時間帯、あるいは、組電池１０による放電量が最も少ない時間帯において、定電流充電することにより、満充電の検出精度が向上し、組電池１０が過充電されることを確実に防止することができる。
【００９３】
ニッケル水素蓄電池の満充電の検出方法として採用されるｄＴ／ｄｔ制御方法、Ｔ制御方法、−ΔＶ制御方法等は、いずれも、満充電に近づくにつれて過充電時における反応と同様の反応が発生することに着目して、その反応時における物理量を検出するようになっている。すなわち、ニッケル水素蓄電池では、正極で発生する酸素を、負極表面で還元するリコンビネーション反応が発生して、その反応による発熱によって電池温度が上昇し、また、電池温度の上昇によって、電池の起電圧が低下するために、電池温度、電池電圧に基づいて、満充電であることを検出するようになっている。
【００９４】
しかしながら、このような過充電による反応の結果としての物理量の変化を検出して満充電と判定するために、その判定までの間は、過充電状態になり、単位電池１１の劣化が促進されることになる。
【００９５】
しかしながら、所定の期間が経過した場合であって、しかも、１日における単位時間Ｔｎ当りの消費電力量Ｗｎが小さな時間帯であり、さらには、組電池１０が満充電以下の場合に、はじめて、組電池１０は満充電になるように充電されるために、満充電とする回数が著しく低減される。その結果、満充電を検出する回数が減少し、組電池１０の劣化が抑制され、組電池１０を長期にわたって安定的に使用することができる。
【００９６】
また、組電池１０は、周期的に満充電とされるために、組電池１０における各単位電池１１の充電レベルのバラツキを抑制することができ、組電池１０は、これによっても安定的に使用することができる。
【００９７】
【発明の効果】
本発明の無停電電源装置は、このように、組電池が効率よく冷却されるために、出力が異なるような組電池との交換が可能になる。また、組電池は、満充電とされることが抑制されるために、組電池の劣化が抑制され、長期にわたって安定的に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無停電電源装置の実施の形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】その無停電電源装置に使用される組電池ユニットの斜視図である。
【図３】その組電池ユニットにおける組電池を構成する単位電池の正面図である。
【図４】その組電池ユニットの電気系統を示すブロック図である。
【図５】図１に示す無停電電源装置の電気系統を示すブロック図である。
【図６】その無停電電源装置における電池監視装置の概略構成を示すブロック図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、その無停電電源装置における電源制御装置２１の動作説明のためのタイムチャートである。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、その無停電電源装置における電源制御装置２１の動作説明のためのタイムチャートである。
【図９】その無停電電源装置における組電池のＳＯＣの下限値Ｓ０を８０％、上限値Ｓ１を９５％として充電することによって、電池温度が３５℃程度になるようにした場合の総充放電電気量と電池容量および内部抵抗との関係を示すグラフである。
【図１０】その無停電電源装置の電源制御装置において、基幹電源である商用交流電源５１から供給される電力の負荷の消費量Ｗｎの記録例を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 組電池ユニット
１０ 組電池
１１ 単位電池
２１ 電源制御装置
２２ 充電回路
２３ インバータ回路
３１ ハウジング
３１ｂ 制御室
３１ｃ 電源室
３１ｅ 吸気ダクト
３１ｋ 排気ダクト
３１ｎ 電源室冷却ファン
３１ｔ 制御室冷却ファン
３２ 電池監視装置
３３ 電流センサ
３６ 冷媒温度センサ

Claims (7)

1. 基幹電源から電力が供給されない場合、または、負荷に対する電力が予め設定された電力値以上になった場合に、負荷に対して電力を供給する無停電電源装置であって、
   複数の単電池または単位電池によって構成された組電池を有する組電池ユニットが、電源として着脱可能に設けられるとともに、該組電池ユニットを冷媒により冷却する冷却装置が設けられており、
   前記組電池ユニットにおける組電池の状態を監視する電池監視装置と、該電池監視装置に基づいて、前記組電池の充放電を制御するとともに、前記冷却ファンを制御する電源制御装置とが設けられており、
   前記電源制御装置は、前記負荷の電力消費量が予め設定された電力値以上になった場合に、前記組電池から該負荷に電力を供給し、
   前記電源制御装置は、１日における単位時間毎の前記負荷の電力消費量を記録するようになっており、前記負荷の電力消費量が規定値以下になっている単位時間において、前記組電池を充電することを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記組電池ユニットは、ハウジングに対して着脱されるようになっており、該ハウジングの下部に、前記組電池の各単電池または単位電池から漏出する液体を収容する液溜まりが設けられている請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記電源制御装置は、前記組電池の充電レベルが下限値以下に低下した場合に、充電レベルが９８％以下になるように、該組電池を充電する請求項１に記載の無停電電源装置。
4. 前記電源制御装置は、前記組電池を、周期的に過充電になるように充電する請求項１に記載の無停電電源装置。
5. 前記電源制御装置は、１日における単位時間毎の前記負荷による電力消費量の記録を、所定の期間における平均値または積算値に基づいて周期的に更新する請求項１に記載の無停電電源装置。
6. 前記単位時間が１時間である請求項１に記載の無停電電源装置。
7. 前記充電レベルの下限値が８０％である請求項３に記載の無停電電源装置。

Images