JP4446451B2

JP4446451B2 - バックアップ電源システム

Info

Publication number: JP4446451B2
Application number: JP2005174669A
Authority: JP
Inventors: 明宏宮坂; 景一齊藤; 寛若木; 尊久正代; 明山下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: JP2006351311A

Description

本発明は電力を供給するためのバックアップ電源システム、たとえば通信用機器のバックアップ電源システムに関するものである。

図１１は従来のバックアップ電源システム（特許文献１）を示す斜視図、図１２は図１１に示したバックアップ電源システムの電池棚を示す斜視図である。図に示すように、架台１内にニッケル水素電池を搭載した電池箱２が設置され、架台１内にニッケル水素電池の充電放電を行なうための充放電装置３が設置され、架台１内にファンの駆動制御、ニッケル水素電池からの電流制御およびニッケル水素電池の温度監視を行なう制御装置４が設置されている。また、電池箱２の内部を恒温に保つ機能を持つ温度制御装置５が設けられ、温度制御装置５と電池箱２とは風循環機６によって接続され、風循環機６を介して冷却の空気が温度制御装置５から電池箱２に送られる。また、電池箱２内に電池棚７が設置されており、電池棚７にはニッケル水素電池を保持するための孔が作られており、ニッケル水素電池を電池棚７の孔にはめ込む状態で固定している。

このようなバックアップ電源システムは、バックアップ時間や容量が大きくなれば、搭載するニッケル水素電池の容量も増大させなければならず、現在使用されているニッケル水素電池１本あたりの電流容量には限度があるため、ニッケル水素電池の本数を増やすことによって電力容量増大に対処している。そして、図６にバックアップ電源システムでは、１００本以上のニッケル水素電池を搭載することができる。また、ニッケル水素電池は充放電時に発熱が生ずるが、温度制御装置５が設けられているから、ニッケル水素電池を冷却することができる。さらに、バックアップ電源システムではニッケル水素電池の性能を十分に引き出すために、充放電装置３が搭載され、充放電装置３の制御を行なうのに電池温度が測定される。

特開平１１−１７６４８４号公報

しかし、ニッケル水素電池を搭載したバックアップ電源システムは、バックアップの電力容量を増大すると、ニッケル水素電池の本数も増大する。そのため、電池棚７や電池箱２の寸法を大きくして対処していた。また、ニッケル水素電池の本数が増すと、ニッケル水素電池からの総発熱量も増大するため、ニッケル水素電池を冷却する装置も複雑な構造、構成にならざるを得なくなる。特に、冷却ファンを用いる場合には、温度制御の対象となるニッケル水素電池の搭載部の通風抵抗を考慮しなければならず、これに応じたファンの種類、風量、配置を決定する必要があった。しかし、これらの決定までの手順は複雑であり、様々な種類の解析モデルを作成し、さらに詳細には実験で確認をしなければならなかった。したがって、バックアップ電源システムから出力させる電力量が変わったときなど、ニッケル水素電池の本数や配置を変える際には、冷却の設計をやり直さなければならない問題が生じ、それには設計や実験などを含めた時間が掛かり、かつ設計費が増大するという問題があった。

また、バックアップ電源システムを稼動させている状況で、特定のニッケル水素電池の不具合が生じた場合に、ニッケル水素電池を交換する際には、バックアップ電源システム全体を停止させ、電池棚７をバックアップ電源システムから取り出してニッケル水素電池を交換しなければならない。したがって、バックアップ電源システム全体を停止させて、分解するという作業が必要になり、ニッケル水素電池の交換には時間が掛かるという問題があった。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、バックアップ電源システムから出力させる電力量が変わったときなどにも、設計費が増大することがなく、またニッケル水素電池の交換を容易に行なうことができるバックアップ電源システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、直列接続した複数の円筒状電池と、前記直列接続された電池の一端の正極と逆端の負極とを接続するためのコネクタと、前記コネクタに接続された電源線を介して前記電池から駆動電力を供給される冷却ファンと、前記電池の温度を測定する温度センサーとを具備した電池ユニットが架台に複数台収納され、前記複数の電池ユニットが直列または並列に電気的に接続されたバックアップ電源システムであって、前記電池の充放電を制御する充放電装置と、前記冷却ファンの駆動制御および前記電池ユニットの電流制御および前記電池ユニットの温度監視を行なう制御装置とを具備し、前記複数の円筒状電池は、通気穴が付設された２つの対向平面板を有する電池箱に収納され、該円筒軸を水平、かつ前記対向平面板に平行になるように配置され、前記冷却ファンは、前記通気穴から取り込んだ外気によって前記複数の円筒状電池からの発熱を排熱するよう駆動され、前記制御装置により、前記冷却ファンを駆動する上限温度の設定値を上回る高温となった電池ユニットのみを冷却するよう前記冷却ファンを制御する。

この場合、前記架台に前記電池ユニットを装着する際に、前記電池ユニットの前記コネクタと前記架台のコネクタとを嵌合して、前記電池ユニットと前記充放電装置と前記制御装置とを電気的に接続し、前記温度センサーの出力が前記コネクタ間の接続を介して前記制御装置に入力される案内手段を設けてもよい。

これらの場合、前記制御装置が、前記温度センサーからの信号によって前記電池ユニットの満充電判定を行なってもよい。

これらの場合、前記架台に電圧値を変換する電圧変換装置または直流から交流に変換する電圧変換装置を更に具備してもよい。

本発明に係るバックアップ電源システムにおいては、電池ユニットで独立した熱制御を行なうことができるから、熱設計は電池ユニットのみで検討すればよく、バックアップ電源システム全体の熱設計を行なう必要がなくなるので、設計費が増大することがない。また、故障した電池を有する電池ユニットを架台から引き出せば、故障した電池を交換することができるから、バックアップ電源システム全体を停止させることなく、しかも容易に電池の交換を行なうことができる。

また、架台に電圧値を変換する電圧変換装置または直流から交流に変換する電圧変換装置を装着したときには、停電時などに家庭や職場における機器のバックアップ電源として使用することができる。

また、冷却ファンを駆動するための信号線および電源線をコネクタに接続したときには、冷却ファンの電源として電池を用い、冷却ファンの制御手段として制御装置を用いることができる。

また、電池の温度を測定する温度センサーを設け、温度センサーをコネクタに接続したときには、電池の満充電判定を行なうことができる。さらに、温度センサーを有する電池ユニットでは、製造バラツキや充放電によって生じる残存電力容量のバラツキなどが原因で、ある特定の電池ユニットのみが温度上昇したときに、冷却ファンを駆動する上限温度を設定することによって、高温となった電池ユニットだけを冷却することができる。

また、電池箱、架台に電池ユニットを架台に装着する際の案内手段を設けたときには、電池の交換作業を容易に行なうことができる。

図１は本発明に係るバックアップ電源システムを示す図、図２は図１に示したバックアップ電源システムの電池ユニットを示す平断面図、図３は図１に示したバックアップ電源システムの電池ユニットを示す正断面図である。図に示すように、架台１１に電池ユニット１２が装着され、電池ユニット１２の電池箱１３内の下部に板１４が設けられ、板１４上に電池モジュール１７が載置され、電池モジュール１７の２枚の支持板１５に１０本のニッケル水素電池１６が取り付けられ、１０本のニッケル水素電池１６は直列に接続されている。また、電池モジュール１７の上に板１８が設けられ、電池箱１３の裏面および表面に通気穴１９、２０が設けられ、電池箱１３の裏面の内側に冷却ファン（空冷ファン）２１が取り付けられている。冷却ファン２１の種類や寸法は、ニッケル水素電池１６の配置状態により求めることができる。すなわち、通風抵抗が比較的に大きく、冷却ファン２１を小さくしたい場合には、シロッコファンなどを用いることになり、通風抵抗がそれほど大きくなく、かつニッケル水素電池１６全体をできるだけ冷却したい場合には、軸流ファンを使用するなどの選択を行なう。また、電池箱１３の裏面にはコネクタ２２が取り付けられ、コネクタ２２には直列に接続した端のニッケル水素電池１６の正極と逆端のニッケル水素電池１６の負極とが接続され、また冷却ファン２１を駆動するための信号線および電源線も接続している。また、架台１１により電池ユニット１２が直列または並列に電気的に接続されている。また、ニッケル水素電池１６の温度を測定するサーミスタ、熱電対、測温抵抗体等の温度センサー（図示せず）が設けられ、温度センサーがコネクタ２２に接続されている。また、電池箱１３の裏面にはガイド２３が取り付けられ、架台１１にガイド２３を挿入することができる挿入穴（図示せず）が設けられ、ガイド２３および挿入穴により電池ユニット１２を架台１１に装着する際の案内手段が構成されている。また、電池箱１３の表面には取手２４が取り付けられている。また、架台１１にはニッケル水素電池１６の充放電を制御する充放電装置２５および冷却ファン２１の駆動制御、電池ユニット１２の電流制御および電池ユニット１２の温度監視を行なう制御装置２６が装着されている。

このバックアップ電源システムにおいては、冷却ファン２１を作動させることによって、電池箱１３の外気を取り込み、その空気によってニッケル水素電池１６を冷却し、ニッケル水素電池１６からの発熱によって暖められた空気を外部へ放出する。また、冷却ファン２１を駆動する電力はニッケル水素電池１６から供給され、冷却ファン２１の駆動制御は制御装置２６によって行なわれる。また、架台１１に電池ユニット１２を入れて押し込むだけで、コネクタ２２が架台１１側のコネクタ（図示せず）と嵌合して、ニッケル水素電池１６等と充放電装置２５、制御装置２６等とが接続され、また温度センサーの出力がコネクタ２２を介して制御装置２６に入力される。そして、電池ユニット１２に電流容量が１００Ａｈのニッケル水素電池１６を１０本直列に入れ、電池ユニット１２を、横に４個直列に接続し、さらに縦に６並列に接続すれば、３０ｋＷｈ程度の出力可能なバックアップ電源システムになる。

このようなバックアップ電源システムにおいては、電池ユニット１２に冷却ファン２１が設けられているから、電池ユニット１２で独立した熱制御を行なうことができる。したがって、電池ユニット１２が複数個集合したとしても、電池ユニット１２の温度は全てほとんど同じになり、電池ユニット１２間の伝熱は非常に小さくなるから、熱設計は電池ユニット１２のみで検討すればよく、バックアップ電源システム全体の熱設計を行なう必要がなくなる。このため、バックアップ電源システムから出力させる電力量が変わったときなどにも、設計費が増大することがない。また、特定の電池ユニット１２などに電流集中などの不具合が生じた場合にも、予め冷却ファン２１が駆動する電池温度やファン風量を決定しておくことによって十分に対処が可能となる。また、バックアップ電源システムを稼動させている状況で、特定のニッケル水素電池１６の故障が生じた場合に、故障したニッケル水素電池１６を有する電池ユニット１２を架台１１から引き出せば、故障したニッケル水素電池１６を交換することができるから、バックアップ電源システム全体を停止させることなく、しかも容易にニッケル水素電池１６の交換を行なうことができる。また、電池箱１３に取り付けたコネクタ２２にニッケル水素電池１６と冷却ファン２１の信号線および電源線とが接続されているから、冷却ファン２１の電源としてニッケル水素電池１６を用い、冷却ファン２１の制御手段として制御装置２６を用いることができる。また、温度センサーによりニッケル水素電池１６の温度を測定することができるから、ニッケル水素電池１６の満充電判定（最新実用二次ニッケル水素電池ｐｐ．１１０、日刊工業新聞社）を行なうことができる。さらに、温度センサーを有する電池ユニット１２では、製造バラツキや充放電によって生じる残存電力容量のバラツキなどが原因で、ある特定の電池ユニット１２のみが温度上昇したときに、冷却ファン２１を駆動する上限温度を設定することによって、上記上限温度を越えて高温となった電池ユニット１２の冷却ファン２１だけを駆動することにより、高温となった電池ユニット１２だけを冷却することができる。また、電池ユニット１２を架台１１に装着する際の案内手段が設けられているから、電池ユニット１２を架台１１に容易に装着することができるので、ニッケル水素電池１６が故障したときなどのニッケル水素電池１６の交換作業を容易に行なうことができ、さらに架台１１から電池ユニット１２を引き出す際に、多少の外力が引き出す方向以外に働いたとしても、電池箱１３、コネクタ２２が損傷することない。さらに、電池ユニット１２を架台１１に挿入するときにコネクタ２２と架台１１側のコネクタとが自動的に嵌合する配置になっているから、電池ユニット１２と架台１１で極性の接続間違えを排除することができ、作業の安全性を向上することができる。

図４、図５は本発明に係る他のバックアップ電源システムを示す図である。図４に示したバックアップ電源システムにおいては、架台３０に１つの電池ユニット１２が装着され、図５に示したバックアップ電源システムにおいては、架台４０に４つの電池ユニット１２が装着されている。このように、バックアップ電源システムの電池ユニット１２の数を変えれば、バックアップの出力を変えることができる。例えば、図４に示すバックアップ電源システムでは１５０Ｗの電力で６時間程度使用が可能であり、ディスクトップパソコンの電力を賄うことができる。また、図５に示すバックアップ電源システムでは５００Ｗで８時間程度と複数のパソコンやサーバのバックアップ電力を賄うことができる。また、小型になれば可搬型にもでき、緊急時や一時的なバックアップ電源システムとしても利用可能となる。

このように、電池ユニット１２の数を増減するだけで所望の電力量を供給可能となり、これまで不可欠であった熱設計を不要とすることができ、所望の電力量を得ることができるバックアップ電源システムを容易に構築することができる。したがって、要求される電力量が明らかになれば、迅速、かつ信頼性の高いバックアップ電源システムを構成できる。また、ニッケル水素電池１６の交換など、バックアップ電源システムからニッケル水素電池全体を外すことなく、所定の電池ユニット１２を容易に脱着することができるから、作業性の高いバックアップ電源システムが実現できる。

図６は本発明に係る他のバックアップ電源システムを示す図である。図に示すように、架台５０に８つの電池ユニット１２が装着され、４個の電池ユニット１２が直列に接続され、これらが２並列に接続され、１つの電池ユニット１２からは１２Ｖを出力し、８つの電池ユニット１２全体からは４８Ｖ、２００Ａｈを出力する。また、電圧値を変換し、かつ直流から交流に変換する電圧変換装置５１が架台５０に装着され、電圧変換装置５１はＤＣ−ＤＣコンバータ機能により４８Ｖを１００Ｖに変換し、さらにインバータ機能により直流から交流に変換する。

このバックアップ電源システムにおいては、停電時などに家庭や職場における機器のバックアップ電源として使用することができる。

図７は本発明に係る他のバックアップ電源システムを示す図である。図に示すように、架台６０に２０個の電池ユニット１２が装着され、これらの電池ユニット１２の全てが直列に接続されており、１つの電池ユニット１２からは１２Ｖを出力し、全ての電池ユニット１２全体からは２４０Ｖを出力する。

このバックアップ電源システムにおいては、実験機器などの高電圧用として使用することができる。

図８は本発明に係る他のバックアップ電源システムを示す分解斜視図、図９は図８に示したバックアップ電源システムを示す平面図、図１０は図８に示したバックアップ電源システムを示す正面図である。図に示すように、架台７０に凹状ガイド７１が設けられ、電池ユニット１２に凸状ガイド７２が設けられ、凸状ガイド７２が凹状ガイド７１に係合した状態で、４つの電池ユニット１２が架台７０に平面状に装着されている。そして、凹状ガイド７１、凸状ガイド７２により電池ユニット１２を架台７０に装着する際の案内手段が構成されている。また、架台７０にコネクタ７３が設けられ、電池ユニット１２が架台７０に装着された状態でコネクタ２２とコネクタ７３とが構造的および電気的に嵌合している。また、架台７０内には電池ユニット１２を直列または配列に接続する配線が施されている。

このバックアップ電源システムにおいては、凸状ガイド７２を凹状ガイド７１に係合させた状態で、電池ユニット１２を架台７０上でスライドさせることによって、コネクタ２２とコネクタ７３とを自動的に嵌合することができる。

このようなバックアップ電源システムにおいては、高さを抑えた平置用の電力源として使用することができる。

なお、上述実施の形態においては、電池ユニット１２が複数のニッケル水素電池１６を有する場合について説明したが、電池ユニットが１つの電池を有する場合にも本発明を適用することができる。また、上述実施の形態においては、電池ユニット１２が１０本のニッケル水素電池１６を有する場合について説明したが、直列に接続するニッケル水素電池１６の本数は、所望のバックアップ電力量、電池箱１３の寸法、ニッケル水素電池１６の発熱量、冷却ファン２１の種類や寸法、バックアップ電源システムへの適合性などから決定する。また、上述実施の形態においては、電池ユニット１２を架台１１に装着する際の案内手段として電池箱１３にガイド２３を取り付け、架台１１に挿入穴を設けたが、電池箱に挿入穴を設け、架台にガイドを取り付けてもよい。また、上述実施の形態においては、電圧値を変換し、かつ直流から交流に変換する電圧変換装置５１を架台５０に装着したが、電圧値を変換する電圧変換装置を架台に装着してもよく、また直流から交流に変換する電圧変換装置を架台に装着してもよい。

本発明に係るバックアップ電源システムを示す図である。図１に示したバックアップ電源システムの電池ユニットを示す平断面図である。図１に示したバックアップ電源システムの電池ユニットを示す正断面図である。本発明に係る他のバックアップ電源システムを示す図である。本発明に係る他のバックアップ電源システムを示す図である。本発明に係る他のバックアップ電源システムを示す図である。本発明に係る他のバックアップ電源システムを示す図である。本発明に係る他のバックアップ電源システムを示す分解斜視図である。図８に示したバックアップ電源システムを示す平面図である。図８に示したバックアップ電源システムを示す正面図である。従来のバックアップ電源システムを示す斜視図である。図１１に示したバックアップ電源システムの電池棚を示す斜視図である。

符号の説明

１１…架台
１２…電池ユニット
１３…電池箱
１６…ニッケル水素電池
２１…冷却ファン
２２…コネクタ
２３…ガイド
２５…充放電装置
２６…制御装置
３０…架台
４０…架台
５０…架台
５１…電圧変換装置
６０…架台
７０…架台
７１…凹状ガイド
７２…凸状ガイド

Claims

直列接続した複数の円筒状電池と、
前記直列接続された電池の一端の正極と逆端の負極とを接続するためのコネクタと、
前記コネクタに接続された電源線を介して前記電池から駆動電力を供給される冷却ファンと、
前記電池の温度を測定する温度センサーと
を具備した電池ユニットが架台に複数台収納され、前記複数の電池ユニットが直列または並列に電気的に接続されたバックアップ電源システムであって、
前記電池の充放電を制御する充放電装置と、
前記冷却ファンの駆動制御および前記電池ユニットの電流制御および前記電池ユニットの温度監視を行なう制御装置と
を具備し、
前記電池ユニット内の前記複数の円筒状電池は、通気穴が付設された２つの対向平面板を有する電池箱に収納され、該円筒軸を水平、かつ前記対向平面板に平行になるように配置され、
前記冷却ファンは、前記通気穴から取り込んだ外気によって前記複数の円筒状電池からの発熱を排熱するよう駆動され、
前記制御装置は、前記冷却ファンを駆動する上限温度の設定値を上回る高温となった電池ユニットのみを冷却するよう前記冷却ファンを制御すること
を特徴とするバックアップ電源システム。
前記架台に前記電池ユニットを装着する際に、前記電池ユニットの前記コネクタと前記架台のコネクタとを嵌合して、前記電池ユニットと前記充放電装置と前記制御装置とが電気的に接続され、前記温度センサーの出力が前記コネクタ間の接続を介して前記制御装置に入力される案内手段を設けたこと
を特徴とする請求項１に記載のバックアップ電源システム。
前記制御装置は、前記温度センサーからの信号によって前記電池ユニットの満充電判定を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載のバックアップ電源システム。
前記架台に電圧値を変換する電圧変換装置または直流から交流に変換する電圧変換装置を更に具備したことを特徴とする請求項１、２または３に記載のバックアップ電源システム。