JP4828511B2 - バックアップ電源およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明はバックアップ電源およびその制御方法に関し、特に、交流電力を直流電力へ変換して負荷へ供給するとともに、蓄電池を備えて停電時にバックアップする直流バックアップ電源システムおよびその制御方法に関する。

一般に、直流負荷装置へ電力を供給する電源システムでは、商用交流電力を受け、直流４８Ｖなどの直流電力を出力する整流器が用いられている。さらに、商用電力が停電した場合でも負荷装置への給電を継続するための蓄電池と、該蓄電池を、商用電力有効時に、整流器の出力によって充電する充電器とを備えている。蓄電池を直流電源システムに適用する場合には、通常、単セルと呼ばれる１本の蓄電池を複数個直列にしたものを１つ以上並列接続した組電池を用いる。

下記特許文献１、２、３には、複数の組電池と、充電制御手段と、放電制御手段とを備えた電源装置が記載され、特許文献１には、組電池の製造日付に基づいて組電池使用可能期間を算出して組電池交換日付を表示することが記載され、特許文献２には、組電池の放電容量試験を実行する電池監視手段を設けることが記載され、特許文献３には、前記電池監視手段が組電池の残存容量を算出し、その結果に基づいて当該組電池の補充電時期を決定することが記載されている。
特開２００４−１１９１１２号公報 特開２００４−１２０８５６号公報 特開２００４−１２０８５７号公報

整流装置と蓄電池、充電器および放電器を組み合わせた直流バックアップ電源システムを図５に示す。

図５において、商用電源１の交流電力は整流器２に供給され、整流器２は交流電力を所定の直流電力に変換して充電器３と負荷６へ供給している。複数の電池を接続して組電池４を構成して、これを１系列とし、６系列を搭載する。組電池４はそれぞれ、商用電源１が有効であるときは充電器３を介して充電され、商用電源１の停電時に放電器５を介して負荷６への放電を行う。

負荷６は直流４８Ｖ負荷であり、電圧許容範囲は５７Ｖ〜４０．５Ｖである。この範囲を超える電圧が印加されると負荷装置が故障する可能性があり、また許容範囲を下回ると負荷装置の動作が停止する。このため、整流器２および放電器５は負荷６が許容する電圧を出力する必要がある。商用電源１が有効であるときは整流器２から負荷６への給電が行われ、商用電源１の停電時に組電池４から放電器５を介して負荷６へ給電を行うため、放電器５の出力電圧は整流器２の出力電圧よりも低く設定される。

組電池４と放電器５の間には、切り離しスイッチ１２が介挿され、組電池４が放電可能な最低電圧以下となったときに切り離すことにより組電池４の過放電を防止する。

整流器２の出力電圧を５５Ｖ、組電池４をニッケル水素蓄電池セル（定格１．２Ｖ、１００Ａｈ）を３６セル直列接続してなる組電池（定格４３．２Ｖ、１００Ａｈ）とする。充電器３は、充電時に一定電流（２０Ａ）を出力し、満充電を検知して出力を停止する、いわゆる間欠充電を行っている。ニッケル水素蓄電池セルの電圧は、満充電時には１．６Ｖに達し、放電の可能な最低電圧（最低許容放電電圧）は１．０Ｖである。つまり、満充電時には組電池４の電圧は５７．６Ｖに達し、また組電池４の最低許容放電電圧は３６Ｖである。このように、組電池４の使用範囲が負荷６の許容電圧範囲を上下ともに逸脱しているため、放電器５は昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータである。放電器５は、組電池４の電圧が５４Ｖを上回るときは降圧動作により出力電圧を５４Ｖに維持し（降圧モード）、５４Ｖ以下であるときは入力電圧をそのまま出力し（直結モード）、４２Ｖ以下であるときは昇圧動作により出力電圧を４２Ｖに維持する（昇圧モード）。

放電器５は降圧と昇圧の両方の機能を有するため、降圧回路と昇圧回路の２つの回路が必要であり、放電器の複雑化やコストとスペースの増加の要因となり、また、直結モードでも降圧回路、昇圧回路を経由するため、損失を増大させるという問題がある。解決方法としては、降圧あるいは昇圧時にそれぞれの回路だけを通過させて出力し、さらに直結モードでは別のバイパス回路を介して出力する方法があるが、回路の切替時に出力電圧が瞬間的に変動して出力電圧が不安定化する要因となる。さらに、過放電防止のために介挿されている切り離しスイッチ１２もコストとスペースの増加要因となっている。

また、図５のシステムでは、３台の放電器５がそれぞれ昇降圧の判断を行っている。各系の組電池４にはわずかでも容量のばらつきがあるため、放電器５が降圧モードから直結モードへ切り替わるタイミングが異なる。先に直結モードに入った放電器５の出力電圧は、未だ降圧モードにある他の放電器５の出力電圧より高くなるため、負荷６への電力供給の多くを先に直結モードに入った放電器５が担うことになる。従って、先に直結モードに入った放電器５の配下にある電池系列は他よりも著しく容量低下が早い。その放電器５の系列は先に切り離された後、残りの系列の負担が大きくなり出力容量を超えるため残りの系列も切り離され、結果として蓄電池に蓄積された放電可能なエネルギーの一部を残したまま負荷への給電が停止し、停電時に負荷へ給電できる時間が短くなり、余分に蓄電池を増設する必要性が生じ、設置スペースやシステム構築にかかる費用を増大させる問題が生じる。

前記の問題は、ニッケル水素蓄電池システムの場合に限らず、鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの二次電池を組み合わせてなる組電池を有する直流バックアップ電源システムにおいても生じる問題である。

本発明は前記の、昇降圧型の放電器により、回路の複雑化、コストとスペースの増加、出力電圧の不安定化があるという問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、コストとスペースを節約し、安定した電力を供給するバックアップ電源およびその制御方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
１つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、商用電源からの交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力をそのまま、あるいはスイッチング素子のスイッチング動作によって降圧制御して前記負荷に供給する放電器とを構成要素とするバックアップ電源を制御する、バックアップ電源の制御方法であって、前記放電器は、出力する電力の電圧があらかじめ定められた最高放電電圧を上回るときは該電力を前記スイッチング素子のスイッチング動作によって降圧制御して前記最高放電電圧の電力として出力し、前記放電器が出力する電力の電圧が前記最高放電電圧を下回り、かつ、前記組電池が出力する電力の電圧があらかじめ定められた最低放電電圧以上のときは前記スイッチング素子を短絡状態にして前記組電池が出力する電力をそのまま出力し、前記組電池が出力する電力の電圧が前記最低放電電圧を下回るときは前記スイッチング素子を開放状態にして前記組電池の放電を終了するように制御し、前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ _Ｈ およびＶ _Ｌ とし、前記整流器の出力電圧をＶｒとし、前記組電池の充電最高電圧をＶｍａｘとし、前記あらかじめ定められた最高放電電圧および最低放電電圧を、それぞれ、ＶｄおよびＶｓとしたとき、関係式：Ｖ _Ｈ ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ _Ｌ 、および、関係式：Ｖｍａｘ≧Ｖｄ＞Ｖｓ≧Ｖ _Ｌ が成立するように制御し、前記組電池の最低許容放電電圧をＶｍｉｎとしたとき、前記組電池において直列接続される蓄電池の個数を選んで、Ｖ _Ｌ とＶｍｉｎとの差の絶対値が前記蓄電池１個の最低許容放電電圧よりも小さくなるようにし、ＶｓはＶ _Ｌ とＶｍｉｎのうちの小でない方に等しいとし、前記放電器は昇圧手段を具備しないことを特徴とするバックアップ電源の制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
請求項１に記載のバックアップ電源の制御方法において、前記放電器は、前記組電池の放電を停止するための外部信号を受信するとき、前記スイッチング素子を開放状態に維持し、前記組電池の放電を停止するように制御することを特徴とするバックアップ電源の制御方法を構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
１つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、商用電源からの交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力をそのまま、あるいはスイッチング素子のスイッチング動作によって降圧制御して前記負荷に供給する放電器とを構成要素とするバックアップ電源であって、前記放電器は、出力する電力の電圧があらかじめ定められた最高放電電圧を上回るときは該電力を前記スイッチング素子のスイッチング動作によって降圧制御して前記最高放電電圧の電力として出力し、前記放電器が出力する電力の電圧が前記最高放電電圧を下回り、かつ、前記組電池が出力する電力の電圧があらかじめ定められた最低放電電圧以上のときは前記スイッチング素子を短絡状態にして前記組電池が出力する電力をそのまま出力し、前記組電池が出力する電力の電圧が前記最低放電電圧を下回るときは前記スイッチング素子を開放状態にして前記組電池の放電を終了し、前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ _Ｈ およびＶ _Ｌ とし、前記整流器の出力電圧をＶｒとし、前記組電池の充電最高電圧をＶｍａｘとし、前記あらかじめ定められた最高放電電圧および最低放電電圧を、それぞれ、ＶｄおよびＶｓとしたとき、関係式：Ｖ _Ｈ ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ _Ｌ 、および、関係式：Ｖｍａｘ≧Ｖｄ＞Ｖｓ≧Ｖ _Ｌ が成立し、前記組電池の最低許容放電電圧をＶｍｉｎとしたとき、前記組電池において直列接続される蓄電池の個数が選ばれ、Ｖ _Ｌ とＶｍｉｎとの差の絶対値が前記蓄電池１個の最低許容放電電圧よりも小さくなり、ＶｓはＶ _Ｌ とＶｍｉｎのうちの小でない方に等しく、前記放電器は昇圧手段を具備しないことを特徴とするバックアップ電源を構成する。

本発明に係るバックアップ電源を構成することによって、放電器の回路が簡素化され、コストとスペースの削減が可能となり、また放電器のモード切替時の出力電圧は連続的に変化するため出力電圧が安定化する。さらに、並列放電器間の放電電流の偏りが解消され、組電池に蓄積されたエネルギーが効率よく負荷へ供給される。

本発明に係るバックアップ電源においては、組電池の最低許容放電電圧と負荷の許容最低電圧を合わせ、放電器を降圧回路のみで構成し、降圧回路のスイッチング素子を、スイッチングによる降圧動作と直結動作を両立させ、さらに組電池からの放電を停止するときに開放とする。

以下に、本発明の実施の形態について、蓄電池がニッケル水素蓄電池であるバックアップ電源の場合を例として説明するが、本発明はこれに限られるものではなく、鉛蓄電池等他の電池にも適用できる。

＜実施の形態例１＞
図１は、本発明の実施の形態例を説明する図である。

図１において、商用電源１から入力した交流電力を直流電力に変換する整流器２と、組電池４を充電する充電器３と、組電池４が出力する電力を変換して負荷６へ出力する放電器５を構成要素とするバックアップ電源を構成する。

商用電源１が有効であるとき、整流器２から出力される電力が負荷６へ供給され、充電器３は整流器２から出力される電力を用いて組電池４の充電を行う。

商用電源１が停電のとき、整流器２は直流電力を出力せず、組電池４の電力が放電器５を介して負荷６へ供給される。

充電器３は、充電を開始する信号を受信したとき、組電池４を一定電流（２０Ａ）による充電を開始し、満充電を検知して充電を終了する。

負荷６の許容電圧範囲は、５７Ｖ〜４０．５Ｖであり、整流器２および放電器５の出力電圧は、少なくともこの範囲内である必要がある。商用電源１からの給電を優先するため、整流器２の出力電圧は放電器５の出力電圧よりも高く設定する。ここでは、整流器２の出力電圧を５５Ｖとする。放電器５は、整流器２の出力電圧より低く、かつ負荷６の許容電圧範囲にある電圧を出力する必要があるが、放電器５でどのような動作が必要であるかは、組電池４の使用電圧範囲により決まる。

組電池４は、ニッケル水素蓄電池セル（定格１．２Ｖ、１００Ａｈ）を複数直列接続して構成した組電池である。組電池４は、充電器３により充電されるが、充電に伴って電池電圧が上昇し、充電末期においては１セル当り１．６Ｖに達する。また、組電池４は、放電に伴って電圧が低下し、１セル当りの電圧が１．０Ｖに達するまで放電してよい。この電圧を下回って放電継続した場合には、ニッケル水素蓄電池の劣化が促進されるため、放電を禁止する必要がある。つまり、ニッケル水素蓄電池セルの使用電庄範囲は、１．６Ｖ（充電末期電圧）〜１．０Ｖ（最低許容放電電圧）である。

組電池４を構成するニッケル水素蓄電池セルの直列数によって、組電池４の使用電圧範囲が決定されるが、以下のように直列数の設定よって放電器５に必要な機能が大きく変化する。

（ケース１）
６０セル直列の場合。使用電圧範囲は９６Ｖ〜６０Ｖであり、負荷６の許容電圧範囲を超えている。よって、放電器５は組電池４の電圧によらず常に降圧動作を行い出力電圧を５４Ｖに維持する。

（ケース２）
４０セル直列の場合。使用電圧範囲は６４Ｖ〜４０Ｖであり、負荷６の許容電圧範囲が使用電圧範囲に含まれているため、降圧も昇圧も必要としない場合がある。放電器５の最高出力電圧を５４Ｖとし、出力電圧が５４Ｖを上回ろうとするときは出力電圧を５４Ｖに維持し、組電池４の電圧が低く出力電圧が５４Ｖ以下であるときは降圧動作をしないことによって組電池４が出力する電力をそのまま負荷６へ供給することができる。負荷６の最低許容電圧（４０．５Ｖ）が組電池４の最低許容放電電圧（４０Ｖ）より高いが、４０．５Ｖから４０Ｖまでの放電容量は実用上ほとんど無視できるため、組電池４の出力電圧が４０．５Ｖを下回るときは、放電は行わず、昇圧も不要としても、実用上の支障は無い。

（ケース３）
３０セル直列の場合。使用電圧範囲は４８Ｖ〜３０Ｖとなる。負荷６の許容電圧範囲の一部が含まれている。放電器５は、出力電圧が４２Ｖを超えているときは昇圧動作をしないことによって組電池４が出力する電力をそのまま負荷６へ供給し、４２Ｖを下回るときは昇圧動作により出力電圧を４２Ｖに維持する。このケースにおける放電器５の最低出力電圧４２Ｖは、出力放電器５の出力から負荷６への電圧降下を考慮した値である。

以上３つのケースのうち、ケース１では、放電器５は常時降圧であり、ケース２では、組電池４の電圧が高い場合のみ降圧で他は組電池４をそのまま出力し、ケース３では組電池４の電圧が低い場合のみ昇圧で他は組電池４をそのまま出力する。

放電効率を高めるためには、ケース２あるいは３のように、組電池４をそのまま出力できるのが望ましい。この２つのケースの違いは、組電池４の電圧が負荷６の許容範囲を逸脱したときに放電器５で昇圧と降圧のどちらを用いるかということである。

放電器５が降圧、昇圧の機能を有するには、それぞれ図３（降圧）、図４（昇圧）の回路が必要である。降圧回路（図３）、昇圧回路（図４）は、それぞれリアクトル７、コンデンサ８、ダイオード９、スイッチング素子１０、および制御部１１（１１ａ、１１ｂ）から構成されている。

降圧回路（図３）において、組電池４と負荷６とを結ぶプラス側の電路（上の水平線）とマイナス側の電路（下の水平線）とが設けられ、マイナス側の電路には、組電池４に近い側にスイッチング素子１０ａが、負荷６に近い側にリアクトル７が、それぞれ挿入され、スイッチング素子１０ａとリアクトル７との間の電路とプラス側の電路との間には、マイナス側の電路からプラス側の電路へ電流を流す向きのダイオード９が挿入され、リアクトル７と負荷６との間の電路とプラス側の電路との間にはコンデンサ８が挿入されているが、スイッチング素子１０ａとリアクトル７とを、それぞれ、プラス側の電路の対応する位置に移しても、回路の動作に変わりは無い。

スイッチング素子１０としては、この場合には、エンハンスメント型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いる。エンハンスメント型ＦＥＴとは、ゲート−ソース間に電位差がないときはドレイン−ソース間が開放であり、ゲート−ソース間の電位差増加にしたがってドレイン−ソース間の抵抗が減少し、一定の電位差以上では導通（短絡状態）とみなすことができるスイッチング素子である。

制御部１１は、出力電圧を監視し、降圧回路（図３）においては出力電圧が上限値を上回らないように、昇圧回路（図４）においては出力電圧が下限値を下回らないように、スイッチング素子１０へのＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号に係るデューティー比を設定する。ここで、デューティー比とは、ＰＷＭ信号のＯＮ時間の比率のことである。ここでの降圧回路においては、エンハンスメント型ＦＥＴが使われているので、デューティー比を下げる（ＯＦＦ時間の比率を上げる）ことにより出力電圧は低下し、デューティー比を上げる（ＯＮ時間の比率を上げる）ことにより出力電圧は上昇する。

なお、スイッチング素子１０として、ディプリーション型ＦＥＴを用いることもできる。ディプリーション型ＦＥＴとは、ゲート−ソース間に電位差がないときはドレイン−ソース間が短絡であり、ゲート−ソース間の電位差増加にしたがってドレイン−ソース間の抵坑が増加し、一定の電位差以上では遮断（開放状態）とみなすことができるスイッチング素子である。この場合には、降圧回路において、デューティー比を下げると出力電圧は上昇し、デューティー比を上げると出力電圧は低下する。

降圧回路（図３）において、降圧する必要がない場合（ケース２で組電池４の電圧が低い場合）は、スイッチング素子１０ａを導通（短絡状態）に維持することによって、降圧動作をせずに組電池４からの入力をそのまま負荷６へ出力することができる。

また、昇圧回路（図４）において、昇圧する必要がない場合（ケース３で組電池４の電圧が高い場合）は、スイッチング素子１０ｂを開放に維持することによって、昇圧動作をせずに組電池４からの入力をそのまま負荷６へ出力することができる。

降圧回路（図３）の動作は、降圧回路の出力電圧が、予め定めた上限値を上回ろうとするとき、スイッチング素子１０ａのスイッチング動作により降圧され、出力電圧は上限値に維持される。出力電圧が上限値以下であるときは、スイッチング素子１０ａはスイッチング動作ではなく導通に維持されることにより、組電池４を負荷６へそのまま接続（直結）する。よって、動作モードが降圧から直結に変化するとき、デューティー比は１００％よりも小さな値から連続的に１００％に到達するので、出力電圧は急激な変動がなく連続となる。

昇圧回路（図４）の動作は、昇圧回路の出力電圧が、予め定めた下限値を下回ろうとするとき、スイッチング素子１０ｂのスイッチング動作により昇圧され出力電圧は下限値に維持される。出力電圧が下限値以上であるときは、スイッチング素子１０ｂはスイッチング動作ではなく開放に維持されることにより、組電池４を負荷６へそのまま接続（直結）する。よって、直結から昇圧に変化するときに出力電圧は急激な変動がなく連続となる。

降圧回路（図３）では、スイッチング素子１０ａを開放とすることにより、組電池４と負荷６を切り離すことが可能である。つまり、スイッチング素子１０ａは、降圧動作だけではなく、放電の停止をも可能にする。この場合に、スイッチング素子１０ａを開放とする制御は、制御部１１ａが独自に行ってもよいし、放電を停止するための外部信号を受信して行ってもよい。電池を用いるバックアップ電源では、電池の過放電を防ぐため、放電の切り離し機能を含めて構成されるが、図３の降圧回路を用いることによって、放電切り離し機能を具備した放電器５とすることが可能となり、別に切り離し装置（例えば、図５における切り離しスイッチ１２）を搭載する必要がない。

放電効率を高めるために、放電動作中に断続的に降圧あるいは昇圧をして他は直結とする方法が有効であるが、降圧回路を用いる方が、降圧回路中に使われているスイッチング素子を放電切り離しも同時に行うことになり、別に切り離しスイッチを追加する必要はないという点で優れる。また、放電器は出力上限値を超えて電力を出力することを防ぐ必要があるが、降圧回路の降圧機能を利用し、出力電流が出力上限値を超えたときに急激に電圧を低下させるようにすれば（垂下制御）、別に保護回路は不要となる。よって、降圧回路を用いれば保護機能と両立でき、効率の向上とコスト低減につながる。

したがって、本実施の形態例においては、ニッケル水素蓄電池セルを４０セル直列接続して組電池４を構成するケース２とし、昇圧回路は用いない。

図１の放電器５は図３の降圧回路を有し、放電器５が出力する電力の電圧が、あらかじめ定められた最高放電電圧である５４Ｖを上回ろうとするときは、スイッチング素子１０ａのスイッチング動作により出力電圧を５４Ｖに維持し（降圧モード）、
組電池４の電圧が低下し、放電器５の出力電圧が５４Ｖを下回り、かつ、あらかじめ定められた最低放電電圧である４０．５Ｖ（負荷６の最低許容電圧に等しく設定されている）以上であるときはスイッチング素子１０ａを短絡することによって組電池４が出力する電力をそのまま負荷６へ供給し（直結モード）、
さらに、組電池４の電圧が低下して、前記最低放電電圧である４０．５Ｖを下回るときは、スイッチング素子１０ａを開放状態にして組電池４の放電を終了する。

この場合に、負荷６の最低許容電圧（４０．５Ｖ）が組電池４の最低許容放電電圧（４０Ｖ）より高いが、４０．５Ｖから４０Ｖまでの放電容量は実用上ほとんど無視できるため、上記のように、上記最低放電電圧を負荷６の最低許容電圧と同じ値（４０．５Ｖ）に設定し、組電池４の出力電圧が、負荷６の最低許容電圧である４０．５Ｖを下回るときは放電を停止し、昇圧は不要としても、実用上の支障は無い。

直結モードの期間が長いほど放電効率は改善されるため、放電器５の出力上限電圧（上記あらかじめ定められた最高放電電圧）Ｖｄ（５４Ｖ）を高く設定するのが望ましいが、整流器２の出力電圧Ｖｒ（５５Ｖ）以下である必要があり、また負荷６の許容電圧範囲（許容上限電圧Ｖ_Ｈ：５７Ｖ〜許容下限電圧Ｖ_Ｌ：４０．５Ｖ）内とする条件があるため、以下の式を満たすように電圧を設定する。

Ｖ_Ｈ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ_Ｌ （１）
本実施の形態例において、Ｖ_Ｈ＝５７Ｖ、Ｖｒ＝５５Ｖ、Ｖｄ＝５４Ｖ、Ｖ_Ｌ＝４０．５Ｖであるから、式（１）は成立している。

放電器５の動作が降圧モードと直結モードだけで足りるためには、降圧モード時の出力電圧Ｖｄは組電池４の充電最高電圧Ｖｍａｘ以下であり、直結モード時の出力電圧は、上記あらかじめ定められた最低放電電圧Ｖｓ（上記のように、かならずしも組電池４の最低許容放電電圧Ｖｍｉｎとは一致しない）以上であり、Ｖｓが負荷６の許容下限電圧Ｖ_Ｌ以上であるように、すなわち、関係式
Ｖｍａｘ≧Ｖｄ≧Ｖｓ≧Ｖ_Ｌ （２）
が成立するようにすればよい。

上記のように、組電池４の最低許容放電電圧Ｖｍｉｎ（４０Ｖ）が負荷６の許容下限電圧Ｖ_Ｌ（４０．５Ｖ）より低い場合でも、組電池４のＶ_ＬからＶｍｉｎまでの放電容量を実用上無視できるときは、Ｖｓ＝Ｖ_Ｌとして、組電池４の放電を、組電池４の出力電圧が負荷６の許容下限電圧Ｖ_Ｌを下回るときに終了するようにすれば、放電器５の動作を降圧と直結だけの動作とすることができる。

いかなる場合においても、ＶｓはＶ_Ｌ以上であり、かつ、Ｖｍｉｎ以上であるように設定しておく必要がある。そのためには、Ｖ_Ｌ≧Ｖｍｉｎである場合にはＶｓ＝Ｖ_Ｌとし、Ｖｍｉｎ＞Ｖ_Ｌである場合にはＶｓ＝Ｖｍｉｎとすればよい。

上記のようにＶｓを設定する場合に、Ｖ_Ｌ≧Ｖｍｉｎである場合には、両電圧間の差（Ｖ_Ｌ−Ｖｍｉｎ＝Ｖｓ−Ｖｍｉｎ）が小さいほど、組電池４に蓄積されたエネルギーの利用効率が向上するので、その差は、単セル(蓄電池１個)の最低許容放電電圧（１．０Ｖ）よりも小とすること（これは必ず可能）が望ましく、また、Ｖｍｉｎ＞Ｖ_Ｌである場合にも、両電圧間の差（Ｖｍｉｎ−Ｖ_Ｌ＝Ｖｓ−Ｖ_Ｌ）が小さいほど、直結モードの期間が長くなって放電効率が改善されるので、その差は、単セルの最低許容放電電圧（１．０Ｖ）よりも小とすること（これも必ず可能）が望ましい。すなわち、直列接続される単セルの個数を選んで、（負荷の）許容下限電圧Ｖ_Ｌと（組電池の）最低許容放電電圧Ｖｍｉｎとの差の絶対値が単セルの最低許容放電電圧よりも小さくなるようにし（これは必ず可能）、Ｖｓは、Ｖ_ＬとＶｍｉｎのうちの小でない方に等しいとすればよい。

また、放電器５が持つ降圧回路を使って、電流制限機能と放電切り離し機能を構成することができる。

放電器５の出力電流が５０Ａ（出力上限値として設定した値Ｉｍａｘ）を上回るとき、スイッチング素子１０ａへのＰＷＭ信号にかかるデューティー比を低下させることにより出力電圧を低下させ（垂下制御)、過電流出力を防止する。

また、放電器５が外部から組電池４の放電を停止するための外部信号を受信したとき、制御部１１ａはスイッチング素子１０ａの制御用電極を無電圧とすることにより、スイッチング素子１０ａは開放され組電池４からの放電は停止する。故障により制御部１１ａが停止した場合もスイッチング素子１０ａの制御用電極は無電圧であるため、故障時には組電池４の放電が切り離される安全な機構である。

以上のように、組電池の最低使用電圧と負荷の許容最低電圧を合わせ、放電器を降圧回路のみで構成し、降圧回路のスイッチング素子を、スイッチングによる降圧動作だけでなく直結動作させ、さらに組電池からの放電を停止するときに開放とすることによって、放電器内の損失を低減し、コストとスペースを節約し、動作の移行時にも出力電圧が不連続的には変化しないバックアップ電源を構築することができる。

＜実施の形態例２＞
実施の形態例１においては、組電池４、充電器３、放電器５が１つずつのバックアップ電源について適用しているが、図２に示すように、組電池４を６系列搭載するバックアップ電源においても適用可能である。組電池４ごとに充電器３と放電器５を接続し、組電池４はニッケル水素蓄電池セルを４０セル直列接続したものとし、充電器３、放電器５および整流器２は実施の形態例１と同じ構成とすればよい。

６台の放電器５が出力において並列接続されているが、出力電圧はモード切替時に急激には変動せず連続であるため、組電池４間の放電電流は容量に応じて分担され、自然に各組電池４の電池容量が揃うようになり、蓄電池の能力を有効に引き出し、蓄電池を余分に増設する必要がなく、結果として設置スペースと費用を抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態について、蓄電池がニッケル水素蓄電池であるバックアップ電源の場合を例として説明したが、本発明はこれに限られるものではない。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

（１）放電器が昇圧と降圧と両方の機能を有する場合、２つの回路を構成することにより回路が複雑化し、コストとスペースの増加を招くという問題がある。 本発明により、放電器は降圧回路のみであるため、回路を単純化し、コスト、スペースを節約するバックアップ電源を提供することが可能となる。

（２）蓄電池で構成されるバックアップ電源では、蓄電池の過放電を防止するため、放電を停止させる機能が必要であるが、切り離し回路といった放電停止手段の追加により回路損失の増加やコスト、スペースの増加という問題がある。

本発明により、放電停止手段を、放電器内の降圧回路に含まれるスイッチング素子により実現するため、回路部品の節約により回路損失、コスト、スペースを低減することができる。

（３）動作モードが変化する放電器、例えば降圧動作時と直結動作時の放電経路が異なる放電器の場合、動作モードの変化時に出力電圧が急激に変動し、負荷への出力電圧が不安定化するという問題がある。

本発明により、動作モードの変化時には出力電圧は急激には変動せず連続であるため、安定した出力電圧により給電を行うことができる。

（４）組電池を入力に持つ放電器の複数を出力において並列接続するバックアップ電源において、動作モードの変化時に出力電圧が変動する放電器を用いる場合、組電池間にわずかでも容量ばらつきがあると切替のタイミングの差により組電池間で放電電流の偏りが発生し、蓄電池に蓄積された放電可能なエネルギーの一部を残したまま負荷への給電が停止し、蓄電池を余分に増設する必要から設置スペースと費用を増加させるという問題がある。

本発明により、動作モードの変化時に出力電圧が急激には変化せず連続となる放電器を用いるため、組電池間の放電電流は容量に応じて分担され、自然に各組電池の電池容量が揃うようになり、蓄電池の能力を有効に引き出し、蓄電池を余分に増設する必要がなく結果として設置スペースと費用を抑えることができる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。 本発明の実施の形態例を説明する図である。 降圧回路の構成を説明する図である。 昇圧回路の構成を説明する図である。 整流器と組電池、充電器および放電器を組み合わせたバックアップ電源を説明する図である。

符号の説明

１：商用電源、２：整流器、３：充電器、４：組電池、５：放電器、６：負荷、７：リアクトル、８：コンデンサ、９：ダイオード、１０（１０ａ、１０ｂ）：スイッチング素子、１１（１１ａ、１１ｂ）：制御部、１２：切り離しスイッチ。

Claims (3)

1. １つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、商用電源からの交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力をそのまま、あるいはスイッチング素子のスイッチング動作によって降圧制御して前記負荷に供給する放電器とを構成要素とするバックアップ電源を制御する、バックアップ電源の制御方法であって、
   前記放電器は、出力する電力の電圧があらかじめ定められた最高放電電圧を上回るときは該電力を前記スイッチング素子のスイッチング動作によって降圧制御して前記最高放電電圧の電力として出力し、
   前記放電器が出力する電力の電圧が前記最高放電電圧を下回り、かつ、前記組電池が出力する電力の電圧があらかじめ定められた最低放電電圧以上のときは前記スイッチング素子を短絡状態にして前記組電池が出力する電力をそのまま出力し、
   前記組電池が出力する電力の電圧が前記最低放電電圧を下回るときは前記スイッチング素子を開放状態にして前記組電池の放電を終了するように制御し、
   前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ _Ｈ およびＶ _Ｌ とし、前記整流器の出力電圧をＶｒとし、前記組電池の充電最高電圧をＶｍａｘとし、前記あらかじめ定められた最高放電電圧および最低放電電圧を、それぞれ、ＶｄおよびＶｓとしたとき、
   関係式：Ｖ _Ｈ ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ _Ｌ 、および、
   関係式：Ｖｍａｘ≧Ｖｄ＞Ｖｓ≧Ｖ _Ｌ が成立するように制御し、
   前記組電池の最低許容放電電圧をＶｍｉｎとしたとき、
   前記組電池において直列接続される蓄電池の個数を選んで、
   Ｖ _Ｌ とＶｍｉｎとの差の絶対値が前記蓄電池１個の最低許容放電電圧よりも小さくなるようにし、
   ＶｓはＶ _Ｌ とＶｍｉｎのうちの小でない方に等しいとし、
   前記放電器は昇圧手段を具備しないことを特徴とするバックアップ電源の制御方法。
2. 請求項１に記載のバックアップ電源の制御方法において、
   前記放電器は、前記組電池の放電を停止するための外部信号を受信するとき、前記スイッチング素子を開放状態に維持し、前記組電池の放電を停止するように制御することを特徴とするバックアップ電源の制御方法。
3. １つ以上の蓄電池を組み合わせてなる組電池と、商用電源からの交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器と、前記組電池を充電する充電器と、前記組電池が出力する電力をそのまま、あるいはスイッチング素子のスイッチング動作によって降圧制御して前記負荷に供給する放電器とを構成要素とするバックアップ電源であって、
   前記放電器は、出力する電力の電圧があらかじめ定められた最高放電電圧を上回るときは該電力を前記スイッチング素子のスイッチング動作によって降圧制御して前記最高放電電圧の電力として出力し、
   前記放電器が出力する電力の電圧が前記最高放電電圧を下回り、かつ、前記組電池が出力する電力の電圧があらかじめ定められた最低放電電圧以上のときは前記スイッチング素子を短絡状態にして前記組電池が出力する電力をそのまま出力し、
   前記組電池が出力する電力の電圧が前記最低放電電圧を下回るときは前記スイッチング素子を開放状態にして前記組電池の放電を終了し、
   前記負荷の許容上限電圧および許容下限電圧を、それぞれ、Ｖ _Ｈ およびＶ _Ｌ とし、前記整流器の出力電圧をＶｒとし、前記組電池の充電最高電圧をＶｍａｘとし、前記あらかじめ定められた最高放電電圧および最低放電電圧を、それぞれ、ＶｄおよびＶｓとしたとき、
   関係式：Ｖ _Ｈ ≧Ｖｒ≧Ｖｄ≧Ｖ _Ｌ 、および、
   関係式：Ｖｍａｘ≧Ｖｄ＞Ｖｓ≧Ｖ _Ｌ が成立し、
   前記組電池の最低許容放電電圧をＶｍｉｎとしたとき、
   前記組電池において直列接続される蓄電池の個数が選ばれ、
   Ｖ _Ｌ とＶｍｉｎとの差の絶対値が前記蓄電池１個の最低許容放電電圧よりも小さくなり、
   ＶｓはＶ _Ｌ とＶｍｉｎのうちの小でない方に等しく、
   前記放電器は昇圧手段を具備しないことを特徴とするバックアップ電源。

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