JP4419093B2

JP4419093B2 - 無停電電源装置および制御方法、並びに蓄電装置および方法

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Publication number: JP4419093B2
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Inventors: 茂盈木曽
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Publication date: 2010-02-24
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Description

本発明は無停電電源装置および制御方法、並びに蓄電装置および方法に関し、特に、バッテリ以外の蓄電素子を使用する無停電電源装置および制御方法、並びに蓄電装置および方法に関する。

近年、コンピュータなどの情報処理装置の普及が進み、その重要性は年々増している。しかしながら、情報処理装置が消費する電力は、商用交流電源から直接供給されることが多く、このため、商用交流電源に異常が発生すると（例えば、瞬間的な電圧の低下（瞬断）や突然の停電などが発生すると）、その時点で情報処理装置が処理していた情報が破損したり損失してしまう他、情報処理装置自身（例えば、内蔵するハードディスクなど）が故障してしまう、といった不具合が発生することが多々ある。

そこで、近年、このような不具合の発生を回避するために、無停電電源装置（UPS（Uninterruptible Power Supply））の普及が進んでいる。このUPSは、商用交流電源からの電力が正常の場合、その商用交流電源からの電力を情報処理装置などの負荷機器に供給し、商用交流電源からの電力が異常の場合、その出力を切り替えて、内蔵するバッテリからの電力を負荷機器に供給することができる。これにより、UPSが接続された負荷機器は、商用交流電源からの電力に異常が発生しても、UPS内のバッテリから供給される電力を使用することができるので、処理をそのまま続行することが可能になる。

また、UPSには、UPSの各部を制御する機能を備える制御部（以下、制御ユニットと称する）と、電力を蓄電するバッテリ（蓄電池）の機能を備える蓄電部（以下、バッテリユニットと称する）とが分離可能に構成されているタイプ（いわゆるセパレートタイプ）のものがある。セパレートタイプのUPSは、それらの２つの機能を分離させて別々にすることで、バッテリユニットが制御ユニットによる熱の影響を受けないので、バッテリユニットのバッテリ性能を向上させることができるなどのメリットがある。

図１は、従来のUPS１の構成を示すブロック図である。

UPS１は、交流電源２から入力される入力電力が正常の場合、その交流電源２からの入力電力を負荷機器３に供給し、入力電力が異常の場合、その出力を切り替えて、自分が蓄電している電力を負荷機器３に供給する。また、UPS１は、セパレートタイプのUPSであるので、UPS１の各部を制御する制御ユニット１１と、電力を蓄電するバッテリユニット１２とから構成される。

制御ユニット１１は、コネクタなどの接続部Ａ１により、バッテリユニット１２と結合（接続）され、UPS１の各部を制御する。また、制御ユニット１１は、電力供給部２１、充電回路２２、CPU（Central Processing Unit）２３、および電圧検知部２４から構成される。

電力供給部２１の入力側には、交流電源２が接続され、出力側には、負荷機器３が接続されている。電力供給部２１は、交流電源２から供給される入力電力が正常である場合、交流電源２からの入力電力を負荷機器３に供給する。これに対して、交流電源２に停電などの異常が発生したりして、入力電力に異常が発生した場合、電源供給部２１は、後述するバッテリユニット１２からの電力を負荷機器３に供給する。

電力供給部２１は、AC-DCコンバータ（Alternating Current to Direct Current Converter）３２、整流ダイオード３３、DC-ACインバータ（DC to AC Inverter）３４、DC-DCコンバータ（DC to DC Converter）３５、整流ダイオード３６、スイッチ３７、およびスイッチ３８から構成される。また、ライン３１は、非常時に、交流電源２からの入力電力を伝播するラインである。

AC-DCコンバータ３２は、交流電力２から入力される入力電力が正常の場合、その入力電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換し、変換した直流電圧を、逆流を防止するための整流ダイオード３３を介して、DC-ACインバータ３４に印加する。DC-ACインバータ３４は、AC-DCコンバータ３２により印加される直流電圧を、所定のレベルの交流電圧に変換し、スイッチ３７およびスイッチ３８を介して、負荷機器３に印加する。

DC-DCコンバータ３５は、交流電力２からの入力電力に異常が発生した場合、接続部Ａ１を介して、バッテリユニット１２から印加される直流電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換し、変換された直流電圧を、逆流を防止するための整流ダイオード３６を介して、DC-ACインバータ３４に供給する。DC-ACインバータ３４は、DC-DCコンバータ３５により印加される直流電圧を、所定のレベルの交流電圧に変換し、スイッチ３７およびスイッチ３８を介して、負荷機器３に印加する。

スイッチ３７は、CPU２３の制御の基に、その入力が切り替えられる。すなわち、CPU２３は、非常時である場合、スイッチ３７の入力をライン３１側に切り替え、交流電源２からの入力電圧を、ライン３１、スイッチ３７、およびスイッチ３８を介して、負荷機器３に印加し、それ以外の場合、スイッチ３７の入力をDC-ACインバータ３４側にする。

スイッチ３８は、CPU２３の制御の基に、その状態が切り替えられる。すなわち、CPU２３は、UPS１が稼働状態の場合、スイッチ３８をオンにし、それ以外の場合、スイッチ３８をオフにする。

充電回路２２は、電力供給部２１から印加される交流の入力電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換して、バッテリユニット１２に印加し、バッテリユニット１２に充電電流を供給する。

CPU２３は、制御ユニット２１の各部を制御する。また、CPU２３は、スイッチ３７およびスイッチ３８のそれぞれのスイッチング動作を制御する。

電圧検知部２４は、接続部Ａ１を介して、バッテリユニット１２から印加される直流電圧を監視することにより、バッテリユニット１２のバッテリの残量を検知し、検知した残量を示す情報をCPU２３に供給する。CPU２３は、電圧検知部２４から供給された情報を基に、所定の処理を行う。

バッテリユニット１２は、入力電力に異常が発生した場合、負荷機器３に電力供給する予備電源（バックアップ電源）である。バッテリユニット１２は、バッテリ５１から構成される。

バッテリ５１は、鉛やリチウムイオンなどのバッテリ（蓄電池）である蓄電素子から構成される。バッテリ５１は、制御ユニット１１の充電回路２２からの充電電流を基に、電力を充電する。また、入力電力に異常が発生した場合、バッテリ５１は放電を開始して、接続部Ａ１を介して、直流電圧を制御ユニット１１に印加する。

すなわち、従来のUPS１では、交流電源２から入力される入力電力が正常の場合、その入力電力を、AC-DCコンバータ３２、整流ダイオード３３、DC-ACインバータ３４、スイッチ３７、およびスイッチ３８を介して、負荷機器３に印加し、それに対して、交流電源２から入力される入力電圧が異常の場合、バッテリユニット１２からの入力電力を、接続部Ａ１、DC-DCコンバータ３５、整流ダイオード３６、DC-ACインバータ３４、スイッチ３７、およびスイッチ３８を介して、負荷機器３に印加する。

以上のようにして、従来のUPS１は構成されている。

さらに、近年、UPSにおいては、蓄電素子として、上述したような、鉛やリチウムイオンなどを使用したバッテリユニット１１以外に、電気二重層キャパシタなどのキャパシタを使用した蓄電部（以下、キャパシタユニットと称する）も利用されている。キャパシタは、一般的に、蓄電素子として使用されると、物理的な寿命がくるまでメンテナンスフリーで使用することができる。また、キャパシタでは、炭素でできた電極に電気的なエネルギーを変換することなく蓄えることができ、さらに、キャパシタの構成物質はほとんどが炭とアルミ箔なので、廃棄に伴う環境の影響が非常に少ないなどのメリットがある。

また、太陽光発電装置、ガスタービン発電装置などの発電装置と、異なる特性を有するバッテリを組合せてなる蓄電装置とを備えてなる分散電源を用いた電力供給方法であって、負荷機器への電力の供給が電源側出力電圧調整処理を経てなされる電力供給方法もある（例えば、特許文献１）。

特開２００４−６４８１４号公報

しかしながら、バッテリを使用するように設計された機器に対して、バッテリの代わりに、バッテリ以外の蓄電素子を使用することができないという問題があった。

例えば、上述したセパレートタイプのUPS１においては、制御ユニット１１に接続されているバッテリユニット１２の代わりに、キャパシタユニットを接続させる場合、バッテリユニット１２とキャパシタユニットとでは出力電圧が異なるために、キャパシタユニットを制御ユニット１１に接続させて使用することができなかった。

また、特開２００４−６４８１４号公報に開示されている電力供給方法は、電源側で、電力に出力電圧調整処理を施してから、処理の施された電力を負荷機器に供給するようになされているが、バッテリの代わりに、バッテリ以外の他の蓄電素子を使用することはできなかった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、バッテリを使用するように設計された機器に対して、バッテリの代わりに、バッテリ以外の蓄電素子も使用することができるようにするものである。

本発明の第１の側面は、分離可能に構成されている、バッテリを使用するように設計された制御部および蓄電部からなる無停電電源装置において、前記蓄電部は、前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記制御部に供給するための電力を蓄える蓄電手段と、前記制御部に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルを制御する電圧制御手段とを備え、前記放電特性は、前記電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび前記電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルを含む無停電電源装置である。

本発明の第１の側面においては、分離可能に構成されている、バッテリを使用するように設計された制御部および蓄電部からなる無停電電源装置において、前記蓄電部は、前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記制御部に供給するための電力が蓄えられ、前記制御部に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、電力の電圧のレベルが制御され、放電特性には、電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルが含まれる。

したがって、バッテリを使用するように設計された制御部が、バッテリの代わりに、バッテリ以外の蓄電素子を使用することができる。

無停電電源装置は、蓄電部に、例えば、キャパシタなどのバッテリ以外の蓄電素子に電力を蓄え、蓄えている電力を放電する無停電電源装置として構成される。

蓄電手段は、例えば、キャパシタなどのバッテリ以外の蓄電素子として構成することができる。

電圧制御手段は、例えば、ある電圧の直流電流を異なる電圧の直流電流に変換するDC-DCコンバータなどとして構成することができる。

したがって、バッテリを使用したときの放電特性と、キャパシタなどのバッテリ以外の蓄電素子を使用したときの放電特性とを合わせることができるので、バッテリを使用するように設計された制御部であっても、バッテリ以外の蓄電素子を使用することができる。

前記蓄電部は、前記蓄電手段に前記電力を充電させる充電手段を備えることができる。

充電手段は、例えば、キャパシタに充電電流を供給することで電力を充電させる充電回路などとして構成することができる。

本発明の第１の側面は、分離可能に構成されている、バッテリを使用するように設計された制御部および蓄電部からなる無停電電源装置の制御方法において、前記蓄電部は、前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記制御部に供給するための電力を蓄える蓄電ステップと、前記制御部に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルを制御する電圧制御ステップとを含み、放電特性は、電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルを含む制御方法である。

本発明の第１の側面においては、分離可能に構成されている、バッテリを使用するように設計された制御部および蓄電部からなる無停電電源装置の制御方法において、前記蓄電部は、前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記制御部に供給するための電力が蓄えられ、前記制御部に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルが制御され、放電特性には、電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルが含まれる。

蓄電ステップは、例えば、バッテリとは異なる蓄電素子からなり、制御部に供給するための電力をキャパシタにより蓄える蓄電ステップにより構成され、電圧制御ステップは、例えば、制御部に対するバッテリによる第１の放電特性と、放電される電力による第２の放電特性とが一致するように、電力の電圧のレベルを制御するDC-DCコンバータによる電圧制御ステップにより構成される。

本発明の第２の側面は、バッテリにより駆動される電子機器に対して前記バッテリの代わりに装着され、その電源として動作する蓄電装置において、前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記電子機器に供給するための電力を蓄える蓄電手段と、前記電子機器に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルを制御する電圧制御手段とを備え、前記放電特性は、前記電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび前記電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルを含む蓄電装置である。

本発明の第２の側面においては、バッテリにより駆動される電子機器に対して前記バッテリの代わりに装着され、その電源として動作する蓄電装置において、前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記電子機器に供給するための電力が蓄えられ、前記電子機器に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルが制御され、放電特性には、電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルが含まれる。

したがって、バッテリにより駆動されるように設計された機器が、バッテリの代わりに、バッテリ以外の蓄電素子を電源として駆動することができる。

蓄電装置は、例えば、キャパシタなどのバッテリ以外の蓄電素子に電力を蓄え、蓄えている電力を放電する蓄電装置として構成される。

したがって、バッテリを使用したときの電圧と、キャパシタなどのバッテリ以外の蓄電素子を使用したときの電圧とを合わせることができるので、バッテリを使用するように設計された機器であっても、バッテリ以外の蓄電素子を使用することができる。

本発明の第２の側面は、バッテリにより駆動される電子機器に対して前記バッテリの代わりに装着され、その電源として動作する蓄電装置の蓄電方法において、前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記電子機器に供給するための電力を蓄える蓄電ステップと、前記電子機器に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルを制御する電圧制御ステップとを含み、前記放電特性は、前記電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび前記電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルを含む蓄電方法である。

本発明の第２の側面においては、バッテリにより駆動される電子機器に対して前記バッテリの代わりに装着され、その電源として動作する蓄電装置の蓄電方法において、前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記電子機器に供給するための電力が蓄えられ、前記電子機器に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルが制御され、放電特性には、電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルが含まれる。

蓄電ステップは、例えば、バッテリとは異なる蓄電素子からなり、電子機器に供給するための電力をキャパシタにより蓄える蓄電ステップにより構成され、電圧制御ステップは、例えば、電子機器に対するバッテリによる第１の放電特性と、放電される電力による第２の放電特性とが一致するように、電力の電圧のレベルを制御するDC-DCコンバータによる電圧制御ステップにより構成される。

本発明の第１の側面によれば、バッテリを使用するように設計された機器が、バッテリの代わりに、バッテリ以外の蓄電素子を使用することができる。

また、本発明の第２の側面によれば、バッテリにより駆動されるように設計された機器が、バッテリの代わりに、バッテリ以外の蓄電素子を電源として駆動することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図２は、本発明を適用したUPS１０１の一実施の形態を示すブロック図である。

UPS１０１は、交流電源２から入力される入力電力が正常の場合、その交流電源２からの入力電力を、例えば、パーソナルコンピュータ（PC（Personal Computer））などの負荷機器３に供給し、入力電力が異常の場合、その出力を切り替えて、自分が蓄電している電力を負荷機器３に供給する。また、UPS１０１は、セパレートタイプのUPSであるので、UPS１０１の各部を制御する制御ユニット１１１と、電力を蓄電するキャパシタユニット１１２を含むように構成される。UPS１０１は、本発明の無停電電源装置の一例である。

制御ユニット１１１は、例えば、コネクタなどからなる接続部Ｂ１乃至Ｂ４のそれぞれにより、キャパシタユニット１１２と結合（接続）され、UPS１０１の各部を制御する。

すなわち、制御ユニット１１１は、交流電源２から入力される入力電力が正常の場合、交流電源２からの入力電力が負荷機器３に供給されるようにUPS１０１の各部を制御するとともに、接続部Ｂ１を介して、充電用の電力（充電電流）をキャパシタユニット１１２に供給することで、キャパシタユニット１１２に電力を蓄電させる（充電させる）。

また、制御ユニット１１１は、交流電源２から入力される入力電力が異常の場合、その出力を、交流電源２からキャパシタユニット１１２に蓄電された電力に切り替えて、接続部Ｂ２を介して、キャパシタユニット１１２に蓄電された電力が負荷機器３に供給される（放電される）ようにUPS１０１の各部を制御する。

なお、制御ユニット１１１は、バッテリユニット（例えば、上述したバッテリユニット１２）を使用するように設計されているが、UPS１０１では、キャパシタユニット１１２と接続されて使用されることになる。

制御ユニット１１１は、電力供給部１２１、CPU１２２、および電圧検知部１２３を含むように構成される。

電力供給部１２１の入力側には、交流電源２が接続され、出力側には、負荷機器３が接続されている。電力供給部１２１は、交流電源２から供給される入力電力が正常である場合、すなわち、入力電力の各種のパラメータ（例えば、電圧値や電流値など）がUPS１０１の許容範囲内である場合、交流電源２からの入力電力を負荷機器３に供給する。これに対して、交流電源２に停電などの異常が発生したり、ブレーカ（図示せず）がオフされたりして、入力電力に異常が発生した場合、すなわち、入力電力の各種のパラメータがUPS１０１の許容範囲外となった場合、電力供給部１２１は、キャパシタユニット１１２からの電力を負荷機器３に供給する。

なお、電力供給部１２１の電力供給方式（すなわち、その構成）は、図２の例では、説明の簡略上、いわゆる常時商用給電方式とされているが、図２の例に限定されず、いわゆるラインインタラクティブ方式や、いわゆる常時インバータ方式といった様々な方式を適用することが可能である。また、負荷機器３に正弦波により近い波形の電圧を印加できるよう、図示はしないが、フィルタ部などの、他の構成要素が設けられることもある。

電力供給部１２１は、AC-DCコンバータ１３２、整流ダイオード１３３、DC-ACインバータ１３４、DC-DCコンバータ１３５、整流ダイオード１３６、スイッチ１３７、およびスイッチ１３８を含むようにして構成される。

ライン１３１は、例えば、非常時に、交流電源２からの入力電力を伝播するラインである。すなわち、非常時となった場合、CPU１２２の制御の基に、スイッチ１３７の入力がライン１３１側に切り替えられ、交流電源２からの入力電力が、ライン１３１、スイッチ１３７、およびスイッチ１３８を介して、負荷機器３に供給される。

AC-DCコンバータ１３２は、交流電力２から入力される入力電力が正常の場合、交流電源２からの入力電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換し、変換した直流電圧を、逆流を防止するための整流ダイオード１３３を介して、DC-ACインバータ１３４に出力する（印加する）。DC-ACインバータ１３４は、整流ダイオード１３３を介して、AC-DCコンバータ１３２により印加される直流電圧を、交流電源２と同一の周波数、かつ、ほぼ同一のレベルの交流電圧に変換し、スイッチ１３７およびスイッチ１３８を介して、負荷機器３に交流電圧を印加する（出力電力を供給する）。

DC-DCコンバータ１３５は、接続部Ｂ２を介して、キャパシタユニット１１２から印加される直流電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換し、変換された直流電圧を、逆流を防止するための整流ダイオード１３６を介して、DC-ACインバータ１３４に供給する。DC-ACインバータ１３４は、整流ダイオード１３６を介して、DC-DCコンバータ１３５により印加される直流電圧を、交流電源２と同一の周波数、かつ、ほぼ同一のレベルの交流電圧に変換し、スイッチ１３７およびスイッチ１３８を介して、負荷機器３に交流電圧を印加する。

スイッチ１３７は、CPU１２２の制御の基に、その入力が切り替えられる。すなわち、CPU１２２は、非常時である場合、スイッチ１３７の入力をライン１３１側に切り替え、交流電源２からの入力電圧を、ライン１３１、スイッチ１３７、およびスイッチ１３８を介して、負荷機器３に印加し、それ以外の場合、スイッチ１３７をDC-ACインバータ１３４側にする。

スイッチ１３８は、CPU１２２の制御の基に、その状態が切り替えられる。すなわち、CPU１２２は、UPS１０１が稼働状態の場合、スイッチ１３８をオンにし、それ以外の場合、スイッチ１３８をオフにする。

CPU１２２は、制御ユニット１２１の各部を制御する。また、CPU１２２は、スイッチ１３７およびスイッチ１３８のそれぞれのスイッチング動作を制御する。

電圧検知部１２３は、接続部Ｂ２を介して、キャパシタユニット１１２から印加される直流電圧を監視することにより、キャパシタユニット１１２の残量を検知し、検知した残量を示す情報をCPU１２２に供給する。CPU１２２は、電圧検知部１２３から供給された情報を基に、所定の処理を行う。例えば、CPU１２２は、電圧検知部１２３から供給された情報を基に、キャパシタユニット１１２の残量がなくなった場合、スイッチ１３７をライン１３１側に切り替える。したがって、交流電源２からの電力が正常な状態に戻ったとき、ライン１３１、スイッチ１３７、およびスイッチ１３８を介して、負荷機器３に電力が供給される。

なお、図示はしていないが、制御ユニット１１１は、例えば、スイッチやボタンなどにより構成され、ユーザがUPS１０１に各種の指令を入力するときに操作される操作部、LCD（Liquid Crystal Display）などにより構成され、UPS１０１の状態、入力電力に関するデータなどを表示する表示部、またはフラッシュメモリ、EEPROM（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）、ハードディスクなどの不揮発性の記憶媒体により構成され、CPU１２２から供給される各種のデータなどを記憶する記憶部などを含むように構成することができる。

キャパシタユニット１１２は、入力電力に異常が発生した場合、負荷機器３に電力を供給する予備電源（バックアップ電源）である。

キャパシタユニット１１２は、充電回路１５１、DC-DCコンバータ１５２、キャパシタ１５３、動作状態検知部１５４、および接続検知部１５５を含むようにして構成される。

充電回路１５１は、接続部Ｂ１を介して、制御ユニット１１１から印加される交流の入力電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換して、キャパシタ１５３に印加し、キャパシタ１５３に充電電流を供給する。すなわち、キャパシタ１５３に注目すると、充電回路１５１は、キャパシタ１５３の充電器であり、接続部Ｂ１を介して、制御ユニット１１１から供給された充電電流をキャパシタ１５３に供給する。なお、充電回路１５１は、UPS１０１がキャパシタユニット１１２からの電力を負荷機器３に供給するバックアップ運転を開始した場合、キャパシタ１５３への充電電流の供給（直流電圧の印加）を停止する。

キャパシタ１５３は、充電回路１５１から供給されてくる充電電流を基に、電力（電荷（電気エネルギー））を蓄電する。換言すれば、キャパシタ１５３は、入力電源に異常が発生した場合、負荷機器３に電力を供給する予備電源（バックアップ電源）である。すなわち、CPU１２２は、入力電圧に異常が発生した場合、電力供給部１２１を制御して、負荷機器３に供給する電力の供給元を、交流電源２からキャパシタユニット１１２に切り替える。すると、DC-DCコンバータ１５２および接続部Ｂ２を介して、キャパシタ１５３は放電し、直流電圧をDC-DCコンバータ１３５に印加することになる。

DC-DCコンバータ１５２は、キャパシタ１５３により印加された直流電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換し、接続部Ｂ２を介して、変換された直流電圧を制御ユニット１１１に印加する。

すなわち、このとき、DC-DCコンバータ１５２は、制御ユニット１１１がバッテリユニットを使用するように設計されているので、制御ユニット１１１に印加される直流電圧が、バッテリユニットを使用した場合と同様の電圧（電圧特性）となるように、キャパシタ１５３により印加された直流電圧を変換する。

動作状態検知部１５４は、充電回路１５１の動作状態を検知し、検知した動作状態を示す情報を、接続部Ｂ３を介して、制御ユニット１１１（のCPU１２２）に供給する。CPU１２２は、動作状態検知部１５４から供給された情報を基に、所定の処理を行う。例えば、CPU１２２は、動作状態検知部１５４から供給された情報を基に、充電回路１５１によるキャパシタ１５３への充電の状態を検知することができるので、キャパシタ１５３の充電が終了している場合、電力供給部１２１を制御して、充電電流の充電回路１５１への供給を停止させる。

接続検知部１５５は、例えば、キャパシタユニット１１２と制御ユニット１１１とが、接続部Ｂ１乃至Ｂ４のそれぞれにより接続された場合、接続されたことを示す情報を、接続部Ｂ４を介して、制御ユニット１１１（のCPU１２２）に供給する。CPU１２２は、接続検知部１５５から供給された情報を基に、所定の処理を行う。例えば、CPU１２２は、制御ユニット１１１と複数のキャパシタユニット１１２とが接続した場合、接続されたキャパシタユニット１１２の接続検知部１５５のそれぞれから供給されてくる情報を基に、制御ユニット１１１に接続されたキャパシタユニット１１２の個数を識別する。

以上のように、交流電源２から入力される入力電力が正常の場合、UPS１０１は、その入力電力を、AC-DCコンバータ１３２、整流ダイオード１３３、DC-ACインバータ１３４、スイッチ１３７、およびスイッチ１３８を介して、負荷機器３に印加する。それに対して、交流電源２から入力される入力電圧が異常の場合、UPS１０１は、キャパシタ１５３から放電される電力を、DC-DCコンバータ１５２、接続部Ｂ２、DC-DCコンバータ１３５、整流ダイオード１３６、DC-ACインバータ１３４、スイッチ１３７、およびスイッチ１３８を介して、負荷機器３に印加する。

次に、図３のフローチャートを参照して、UPS１０１による充放電の処理について説明する。

ステップＳ１１において、充電回路１５１は、制御ユニット１１１から印加される交流の電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換して、キャパシタ１５３に印加することにより、キャパシタ１５３に電力（電荷（電気エネルギー））を蓄電させる。

また、このとき、UPS１０１では、CPU１２２の制御の基に、スイッチ１３７の入力がDC-ACインバータ１３４側に切り替えられているので、UPS１０１は、交流電源２からの入力電力を、AC-DCコンバータ１３２、整流ダイオード１３３、DC-ACインバータ１３４、スイッチ１３７、およびスイッチ１３８を介して、負荷機器３に供給している。

ステップＳ１２において、CPU１２２は、交流電源２から入力される入力電圧に異常が発生したか否かを判定する。

ステップＳ１２において、交流電源２から入力される入力電力に異常が発生していない、すなわち、正常であると判定された場合、ステップＳ１１に戻り、上述した処理が繰り返される。すなわち、入力電圧が正常である場合には、キャパシタ１５３は、電力を充電し続けることになる。

一方、ステップＳ１２において、例えば、交流電源２に停電などの異常が発生することにより、入力電力に異常が発生したと判定された場合、ステップＳ１３に進み、キャパシタ１５３は、自分が蓄えていた電力を放電し、直流電圧をDC-DCコンバータ１５２に印加する。

ステップＳ１４において、DC-DCコンバータ１５２は、キャパシタ１５３により印加された直流電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換し、変換した直流電圧を、接続部Ｂ２を介して、制御ユニット１１１に印加する（出力する）。

ここで、図４および図５を参照して、DC-DCコンバータ１５２による直流電圧を変換する処理の詳細について説明する。

図４は、DC-DCコンバータ１５２の出力電圧の特性と、キャパシタ１５３の端子電圧の特性との関係の例を示す図である。

図４の例で示す２つのグラフにおいて、縦軸は電圧（Ｖ（ボルト））の値を示し、縦軸の値が大きいほど電圧のレベルが高くなる。また、横軸は時間（ｔ）を示し、時間の方向は図中左から右に向かう方向となる。なお、縦軸および横軸においては、電圧のレベルを比較することができればよく、そのため、具体的な軸の値は省略されている。また、図中の残量警報レベルとは、キャパシタやバッテリの蓄電している電力の残量が残り少なくなっているレベルを示し、残量終了レベルとは、キャパシタやバッテリの蓄電している電力の残量がなくなり、放電が終了したことを示している。

上側のグラフは、DC-DCコンバータ１５２の制御ユニット１１１に印加する電圧（出力電圧）の変化を示し、下側のグラフは、キャパシタ１５３が放電する電力による電圧（端子電圧）の変化を示す。

上側のグラフには、実線で示される線Ｌ１と、点線で示される線Ｌ２との２本の線があるが、線Ｌ１は、DC-DCコンバータ１５２の出力する出力電圧の特性を示し、線Ｌ２は、バッテリユニットの出力する出力電圧の特性、すなわち、キャパシタを使用しているキャパシタユニット１１２ではなく、鉛などを使用したバッテリユニットを制御ユニット１１１に接続させたときに、その接続されたバッテリユニットが放電する電力による電圧の特性を示す。

換言すれば、制御ユニット１１１は、本来、バッテリユニット（例えば、バッテリユニット１２）を使用するように設計されているので、バッテリ以外のキャパシタ１５３を蓄電素子として使用する場合、その出力電圧を、バッテリユニットが使用された場合の出力電圧と合わせる必要がある。すなわち、キャパシタユニット１１２による出力電圧の特性と、バッテリユニットによる出力電圧の特性とを一致させる必要がある。

キャパシタ１５３の端子電圧は、下側のグラフに示すように、時間の経過とともに、充電していた電力を放電し続けているので、線Ｌ３で示すように、その端子電圧が時間の経過とともに低下している。すなわち、キャパシタ１５３は、交流電源２から入力される入力電力が正常である場合、フルチャージとなっているが、入力電力に異常が発生した場合、自分が蓄えている電力を放電するので、時間の経過とともに端子電圧が低下し、あるレベルまで端子電圧が低下すると放電を終了することになる。

具体的には、図４の例で示すように、下側のグラフの線Ｌ３で示すキャパシタユニット１１２のキャパシタ１５３の端子電圧と、上側のグラフの線Ｌ２で示すバッテリユニットの電圧の特性が一致しておらず、このままでは、バッテリユニットを使用するように設計されている制御ユニット１１１では、キャパシタユニット１１２を使用することができない。そこで、キャパシタユニット１１２のDC-DCコンバータ１５２は、キャパシタ１５３の放電する電力の電圧を、バッテリユニットを使用した場合と同様の、所定の電圧のレベルとなるように変換する。

すなわち、DC-DCコンバータ１５２は、下側のグラフの線Ｌ３で示すキャパシタ１５３の端子電圧の特性を、上側のグラフの線Ｌ２で示すバッテリユニットによる出力電圧の特性に近似させるように変換することにより、上側のグラフの線Ｌ１で示すような放電特性となるように電圧を出力する。その結果、キャパシタユニット１１２とバッテリユニットの出力電圧が近似しているので、バッテリユニットを使用するように設計されている制御ユニット１１１は、キャパシタユニット１１２を使用することができるようになる。

また、図５の例に示すように、DC-DCコンバータ１５２が出力する電圧は、線Ｌ１に示す放電特性に限らず、線Ｌ４乃至Ｌ６に示す放電特性などであってもよい。

図５の例で示す２つのグラフでは、図４の例と同様に、上側のグラフは、DC-DCコンバータ１５２の出力電圧の特性を示し、下側のグラフは、キャパシタ１５３の端子電圧の特性を示す。なお、図４に示す例と同様となる箇所の説明は適宜省略する。

線Ｌ４は、DC-DCコンバータ１５２の出力する出力電圧が１段階となる場合の放電特性を示している。すなわち、DC-DCコンバータ１５２は、自分の出力する電圧のレベルを、所定の間隔で低下させることにより、出力電圧を１段階に制御している。

線Ｌ５は、DC-DCコンバータ１５２の出力する出力電圧が２段階となる場合の放電特性を示している。すなわち、DC-DCコンバータ１５２は、キャパシタ１５３の電圧低下を検出し、キャパシタ１５３の電圧が残量警告レベルとなったとき、自分の出力する電圧のレベルを低下させることにより、出力電圧を２段階に制御している。

線Ｌ６は、DC-DCコンバータ１５２の出力する出力電圧が複数段階となる場合の放電特性を示している。すなわち、DC-DCコンバータ１５２は、自分の出力する電圧のレベルを、所定のタイミングで段階的に低下させることにより、出力電圧を複数段階に制御している。

このように、DC-DCコンバータ１５２は、キャパシタ１５３の端子電圧の低下に合わせて、出力電圧を１または複数の段階となるように可変制御するので、キャパシタユニット１１２を、バッテリユニット用に設計された制御ユニット１１１に接続させて使用することができる。また、キャパシタユニット１１２では、電圧（低下）特性がキャパシタ１５３の残容量に比例するので（Q=CV）、バッテリユニットを使用したときよりも、それらの特性を正確に把握することが可能になる。

なお、DC-DCコンバータ１５２は、キャパシタ１５３が放電終了（放電終了レベル）となった場合、その動作を停止することになる。

図３のフローチャートに戻り、ステップＳ１５において、電源供給部１２１は、キャパシタユニット１１２からの電力を負荷機器３に供給して、処理は終了する。

すなわち、このとき、UPS１０１では、CPU１２２の制御の基に、スイッチ１３７の入力がDC-ACインバータ１３４側に切り替えられているので、UPS１０１は、キャパシタ１５３から放電された電力を、DC-DCコンバータ１５２、接続部Ｂ２、DC-DCコンバータ１３５、整流ダイオード１３６、DC-ACインバータ１３４、スイッチ１３７、およびスイッチ１３８を介して、負荷機器３に供給することになる。

このように、例えば、鉛電池などによるバッテリユニットを使用するように設計された制御ユニット１１１は、接続されるキャパシタユニット１１２側に、キャパシタ１５３の端子電圧をバッテリユニットと同じ電圧のレベルまで昇圧させるDC-DCコンバータ１５２を設けておくことにより、バッテリユニットの代わりにキャパシタユニット１１２を使用することができる。また、制御ユニット１１１側では、何ら変更を加えることなく、バッテリユニットの代わりに、キャパシタユニット１１２を接続して使用することができ、バッテリユニットが接続されたときと同様に、キャパシタユニット１１２の端子電圧の変化（低下）を検知して、例えば、残量警告（バックアップ残時間）や信号出力などをすることができる。

ところで、上述した例においては、バッテリを使用するように設計された機器として、UPS１０１の制御ユニット１１１を一例にして説明したが、本発明はそれに限らず、バッテリを使用するように設計された機器であれば、いずれに対しても適用することができる。その場合、それらの機器は、例えば、キャパシタからの電力により駆動することになる。

図６は、本発明を適用した蓄電機器２１２の一実施の形態を示すブロック図である。

電子機器２１１は、例えば、携帯電話、デジタルカメラ、またはノート型のパーソナルコンピュータなどの、バッテリにより駆動されるように設計された機器である。

蓄電機器２１２は、バッテリ以外の蓄電素子により電力を蓄え、端子などの接続部Ｃ１を介して、蓄えている電力を電子機器２１１に供給する。蓄電機器２１２は、本発明の蓄電装置の一例である。

蓄電機器２１２は、DC-DCコンバータ２２１およびキャパシタ２２２を含むように構成される。なお、DC-DCコンバータ２２１およびキャパシタ２２２は、それぞれ、図２のDC-DCコンバータ１５２およびキャパシタ１５３と同様の機能を有する。

キャパシタ２２２は、電力（電荷（電気エネルギー））を蓄電し、蓄電している電力を放電することにより、直流電圧をDC-DCコンバータ２２１に印加する。

DC-DCコンバータ２２１は、キャパシタ２２２により印加された直流電圧を、所定のレベルの直流電圧に変換し、接続部Ｃ１を介して、変換された直流電圧を電子機器２１１に印加する。

すなわち、このとき、DC-DCコンバータ２２１は、電子機器２１１がバッテリにより駆動されるように設計されているので、電子機器２１１に印加される直流電圧が、バッテリを使用した場合の電圧（電圧特性）と一致するように、キャパシタ２２２により印加された直流電圧を変換する。

このように、バッテリを使用したときの電圧と、例えば、キャパシタなどのバッテリ以外の蓄電素子を使用したときの電圧とを合わせることができるので、バッテリを使用するように設計された機器であっても、バッテリ以外の蓄電素子を使用することができる。

なお、図６の例においては、説明を分かり易くするために、キャパシタ２２２に電力を蓄電させるため充電回路を図示していないが、キャパシタ２２２に充電電流を供給するための充電回路を、蓄電機器２１２に設けるようにしてもよい。

以上のように、本発明によれば、バッテリを使用するように設計された機器が、バッテリの代わりに、バッテリ以外の蓄電素子を使用することができる。

また、本発明によれば、バッテリにより駆動されるように設計された機器が、バッテリの代わりに、バッテリ以外の蓄電素子を電源として駆動することができる。

なお、上述した例においては、バッテリ以外の蓄電素子として、キャパシタを一例にして説明したが、本発明はそれに限らず、例えば、超伝導コイルなど、他の蓄電素子であってもよい。その場合、蓄電素子に充電電流を供給する充電回路は、使用する蓄電素子に合わせて変更することになる。

さらに、本明細書において、記録媒体に格納されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。

また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

従来のUPSの構成を示すブロック図である。本発明を適用したUPSの一実施の形態を示すブロック図である。 UPSによる充放電の処理を説明するフローチャートである。 DC-DCコンバータの出力電圧の特性と、キャパシタの端子電圧の特性との関係を示す図である。 DC-DCコンバータの出力電圧の特性と、キャパシタの端子電圧の特性との関係を示す図である。本発明を適用した蓄電機器の一実施の形態を示すブロック図である。

符号の説明

１０１ UPS
１１１制御ユニット
１１２キャパシタユニット
１２１電力供給部
１２２ CPU
１２３電圧検知部
１５１充電回路（充電手段）
１５２ DC-DCコンバータ（電圧制御手段）
１５３キャパシタ（蓄電手段）
１５４動作状態検知部
１５５接続検知部
２１１電子機器
２１２蓄電機器
２２１ DC-DCコンバータ（電圧制御手段）
２２２キャパシタ（蓄電手段）

Claims

分離可能に構成されている、バッテリを使用するように設計された制御部および蓄電部からなる無停電電源装置において、
前記蓄電部は、
前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記制御部に供給するための電力を蓄える蓄電手段と、
前記制御部に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルを制御する電圧制御手段と
を備え、
前記放電特性は、前記電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび前記電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルを含む
無停電電源装置。
前記蓄電手段は、キャパシタである
請求項１の無停電電源装置。
前記蓄電部は、
前記蓄電手段に前記電力を充電させる充電手段を備える
請求項１の無停電電源装置。
分離可能に構成されている、バッテリを使用するように設計された制御部および蓄電部からなる無停電電源装置の制御方法において、
前記蓄電部は、
前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記制御部に供給するための電力を蓄える蓄電ステップと、
前記制御部に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルを制御する電圧制御ステップと
を含み、
前記放電特性は、前記電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび前記電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルを含む
制御方法。
バッテリにより駆動される電子機器に対して前記バッテリの代わりに装着され、その電源として動作する蓄電装置において、
前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記電子機器に供給するための電力を蓄える蓄電手段と、
前記電子機器に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルを制御する電圧制御手段と
を備え、
前記放電特性は、前記電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび前記電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルを含む
蓄電装置。
前記蓄電手段は、キャパシタである
請求項５の蓄電装置。
バッテリにより駆動される電子機器に対して前記バッテリの代わりに装着され、その電源として動作する蓄電装置の蓄電方法において、
前記バッテリとは異なる蓄電素子からなり、前記電子機器に供給するための電力を蓄える蓄電ステップと、
前記電子機器に対する前記バッテリによる第１の放電特性と、放電される前記電力による第２の放電特性とが一致するように、前記電力の電圧のレベルを制御する電圧制御ステップと
を含み、
前記放電特性は、前記電力の残量が所定の量となっているレベルを示す残量警告レベルおよび前記電力の残量がなくなり放電が終了したことを示す残量終了レベルを含む
蓄電方法。