JP5332062B2 - 無停電電源システムおよびバッテリの充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ部を内蔵して電力を無停電に電子機器に供給する無停電電源システム及びバッテリの充電方法に係り、特にバッテリ容量を容易に増設・変更することができる無停電電源システム及びバッテリの充電方法に関する。

一般に無停電電源システムは、例えばコンピュータ等の電子機器に接続され、通常時は商用電源からの電力を電子機器に供給しつつバッテリ部に充電を行い、電源が停電した場合、そのバッテリから電力を供給することによって、無停電を実現するためのものである。

従来技術による無停電電源システムは、商用電源に接続される充電回路と、該充電回路から供給される電力を蓄電するバッテリ部と、停電が発生した場合、前記バッテリ部に蓄電した電力を電子機器に供給する放電回路と、後述する周辺回路とを１筐体に内蔵し、前記充電回路と放電回路間にバッテリ部を並列接続する様に構成されている。

また前記バッテリ部は、（瞬）停電が頻繁に発生する環境や電源のオンオフにより充放電が頻繁に繰り返される環境において長寿命化を図るためにニッケル水素バッテリが使用されているが、このニッケル水素バッテリは鉛バッテリ等に比して電圧監視回路／温度監視回路／該監視回路を制御するための制御回路（マイコン）が必要となるため、周辺回路が複雑となるものであった。

特開平８−３３２１８号公報 特開２００２−２１６７８２号公報 特開２００２−２１６７８２号公報

前述の従来技術による無停電電源システムは、バッテリ部を増設して複数のバッテリに充電を行う場合、バッテリ部を充電回路及び放電回路間に並列接続しているため、充電方式としては、（１）複数のバッテリ部に同時に充電を行うために充電回路から供給すべき電流量を増加するか、又は（２）各バッテリ部に分配される電流量が少ない状態で充電を行う必要があり、前者は、大容量電源を用意しなければならないために設備のコストアップを招く不具合があり、後者は満充電検出が困難になると共に充電効率が低下すると言う不具合があった。

また従来技術による無停電電源システムは、バッテリ部を増設する場合、この増設するバッテリ部用の充電回路／周辺回路も増設しなければならず、装置のコストアップを招くと共に、筐体も増設しなければならないために余分なスペースも要すると言う不具合があった。

本発明の目的は、前述の従来技術による不具合を解決することであり、大容量電源を用意することなく複数のバッテリ部に対してバランスをとった充電及び放電を行うことができる無停電電源システム及び該無停電電源システムの充電方法を提供することである。

前記目的を達成するため本発明は、電力を蓄電する複数のバッテリ部と、外部電源からの電力を前記バッテリ部へ充電する充電回路と、前記バッテリ部に蓄電した電力を外部へ出力する放電回路と、前記バッテリ部の電圧と電流と温度を検出して前記充電回路及び放電回路を制御する制御回路とを備える無停電電源システムにおいて、前記制御回路が、前記複数のバッテリ部に対する充電を規定時間毎に切り替えて行うことを第１の特徴とし、この無停電電源システムにおいて、前記制御回路の充電切替回路が、バッテリ部容量をα〔Ah〕、充電電流をβ〔A〕、満充電検出に要する最低時間をｔ_０〔h〕、並列バッテリ部から放電する際に電流アンバランスを許容できる容量比をγ〔％〕とし、前記規定時間がｔｘ〔h〕、ｔｘ>ｔ_０としたとき、前記規定時間ｔｘ〔h〕を、数式１［ｔｘ<α×γ／（１００×β）］で得られる範囲に設定することを第２の特徴とする。

また本発明は、電力を蓄電する複数のバッテリ部と、外部電源からの電力を前記バッテリ部へ充電する充電回路と、前記バッテリ部に蓄電した電力を外部へ出力する放電回路と、前記バッテリ部の電圧と電流と温度を検出して前記充電回路及び放電回路を制御する制御回路とを備える無停電電源システムの充電方法であって、前記制御回路が、前記複数のバッテリ部に対する充電を規定時間毎に切り替えて行うことを第３の特徴とし、この無停電電源システムの充電方法において、前記各バッテリ部容量をα〔Ah〕、充電電流をβ〔A〕、満充電検出に要する最低時間をｔ_０〔h〕、並列バッテリ部から放電する際に電流アンバランスを許容できる容量比をγ〔％〕とし、前記規定時間がｔｘ〔h〕、ｔｘ>ｔ_０としたとき、前記制御回路が、規定時間がｔｘ〔h〕を、数式１［ｔｘ<α×γ／（１００×β）］で得られる範囲に設定して充電を制御することを第４の特徴とする。

本発明の請求項１〜４記載の無停電電源システムによれば、複数のバッテリ部に対する充電を規定時間毎に切り替えて行うことによって、大容量電源を用意することなく複数のバッテリ部に対してバランスをとった充電及び放電を行うことができる。

本発明の一実施形態による無停電電源システムの構成を示す図。 本無停電電源ユニットの動作を説明するためのフロー図。 本実施形態による充電量及び充電電流との関係を示す図。 本実施形態による充電開始及びバッテリ切替シーケンスを示す図。 本発明の他の実施形態による無停電電源システムの構成を示す図。

以下、本発明による無停電電源システム及び該無停電電源システムの充電方法の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態による無停電電源システム及び該無停電電源システムの充電方法の詳細構成を示す図、図２は、本無停電電源ユニットの動作を説明するためのフロー図、図３は実施形態による分割充電時の充電量及び充電電流との関係を示す図、図４は本実施形態による充電開始及びバッテリ切り替えシーケンスを示す図、図５は本発明の他の実施形態による無停電電源システムの構成を示す図である。

＜構成の説明＞
本実施形態による無停電電源システムの基本構成は、 図１に示す如く、商用電源に接続された入力回路１０と、該入力回路１０から入力された電力を充電及び放電を行う基本バッテリ部３０と、停電時等に該基本バッテリ部３０の電力を接続された電子機器に供給する放電回路６０と、前記各回路に接続され、各回路の制御を行う制御回路４０と、前記バッテリ部の電池群に流れる電流値を測定する電流検出回路７０から構成され、増設時には増設バッテリ部５０が前記基本バッテリ部３０と並列に増設される様に構成されている。尚、前記入力回路１０は、電源からの突入電流を防止するための突入電流防止回路１１を含み、充電回路２０は昇圧制御回路２１及び定電流制御回路２２を含み、放電回路６０は出力制御回路６１を含むものであるが、これら詳細回路構成は公知な回路のため説明を省略する。

前記制御回路４０は、入力回路１０からＰＳ（電源）４１を介して電力が供給される制御司令部４２と、充電回路２０の昇圧制御回路２１及び定電流制御回路２２を用いて充電を制御する充電指令回路４３と、後述する充電の切り替えを制御する充電切り替え回路４５と、放電回路６０からの出力を制御する出力指令回路４７と、外部の電子機器等と接続されるインタフェース回路４８と、バッテリ部３０内電池群３ｃ及び増設バッテリ部５０内電池群５ｃの抵抗値を測定する為にパルス電流を発生させる回路に契機を指令する抵抗測定指令回路４６とを備える。

また、前記基本バッテリ部３０は、充電のオンオフを行うスイッチ素子（ＭＯＳ）を制御するドライブ回路３ａと、電力の充電及び放電を行う電池群３ｃと、該電池群３ｃの電圧及び温度を検出する電圧／温度検出回路３ｂと、前記抵抗測定指令回路４６からの指令により電池群３ｃにパルス電流を流すように動作するドライブ回路３ｄとを備え、前記増設バッテリ部５０も同様に、充電のオンオフを行うスイッチ素子（ＭＯＳ）を制御するドライブ回路５ａと、電力の充電及び放電を行う電池群５ｃと、該電池群５ｃの電圧及び温度を検出する電圧／温度検出回路５ｂと、前記抵抗測定指令回路４６からの指令により電池群５ｃにパルス電流を流すように動作するドライブ回路５ｄとを備える。

＜動作の説明＞
本実施形態による無停電電源システム及びバッテリの充電方法は、制御回路４０の充電切替え回路４５が、各バッテリ部３０及び５０のドライブ回路３ａ及び５ａに接続され、基本バッテリ部３０又は増設バッテリ部５０に対する充電を時分割で行う様に制御するものである。尚、充電切替え回路４５は、更に増設バッテリ部が接続された場合も個々の充電が時間的に重複しないように時分割で充電を行う制御を行う機能を有する。

この時分割充電は、図３に示す、基本バッテリ部３０の充電電流と充電量との関係を示す符号ａと、増設バッテリ部５０の充電電流と充電量との関係を示す符号ｂと、両バッテリ部の充電電流と充電量との関係を示す符号ｃを参照すれば明らかな如く、基本バッテリ部３０と増設バッテリ部５０との所定時間充電を繰り返すことによって、一定量バッテリ部の充電量を段階的に増加させる様に動作する。

この時分割充電の制御は、図２に示す如く、充電の開始（ステップ１０１）により０系（基本バッテリ部３０）の電圧の測定（ステップ１０２）及び１系（増設バッテリ部５０）の電圧の測定（ステップ１０３）を順次行い、１系に比して０系の電圧が低いか否かの判定（ステップ１０４）を行い、０系の電圧が低い場合、１系の充電を休止すると共に０系の充電を行い（ステップ１０５）、０系が満充電か否かを規定時間に至る迄、常時監視（ステップ１０６、１１０）し、満充電となったときには０系の充電を休止すると共に１系の充電を開始（ステップ１０７）し、この１系の満充電を検出（ステップ１０８）したときに充電を完了する様に動作する。前記ステップ１０６において０系が満充電に至る前に規定時間が経過（ステップ１１０）したとき、０系充電を休止（ステップ１１１）すると共に１系の充電を開始（ステップ１１１）する。１系が満充電か否かを規定時間に至る迄、常時監視（ステップ１１２、１１５）し、満充電となったときには１系の充電を休止すると共に０系の充電を再開（ステップ１１３）し、０系の満充電を検出（ステップ１１４）したときに充電を完了するように動作する。前記ステップ１１２において１系が満充電に至る前に規定時間が経過（ステップ１１５）したとき、１系の充電を休止すると共に０系の充電を再開し、前記ステップ１０６に戻る様に動作する。

また本システムは、前記ステップ１０４による０系と１系の電圧比較の結果、１系の電圧が低いと判定された場合、前記ステップ１１０において０系の充電が規定時間経過したと判定したときと同様に、前記ステップ１１１とし、０系の充電を休止すると共に１系の充電を開始（ステップ１１１）する。１系が満充電か否かを規定時間に至る迄、常時監視（ステップ１１２、１１５）し、満充電となったときには１系の充電を休止すると共に０系の充電を再開（ステップ１１３）し、０系の満充電を検出（ステップ１１４）したときに充電を完了するように動作する。前記ステップ１１２において１系が満充電に至る前に規定時間が経過（ステップ１１５）したとき、１系の充電を休止すると共に０系の充電を再開し、前記ステップ１０６に戻る様に動作する。

この様に本実施形態による無停電電源システム及びバッテリの充電方法は、複数のバッテリ部が接続された場合、個々のバッテリ部に規定時間毎に時分割で電力を供給して充電を行うことによって、個々のバッテリ毎に充電を行うために大容量電源を用意する必要がなく、満充電検出も従来の個々のバッテリ部に対する検出技術を使用するために容易であると言う効果を奏する。

前記バッテリ部の時分割充電を切り替える規定時間は、バッテリ部のバッテリ部容量等の複数のパラメータによって制限される場合がある。

これを具体的に説明すると、(1)バッテリ部に使用する電池により決まるパラメータであるバッテリ部容量をα〔Ah〕、(2)回路（充電回路）の設定により求めたパラメータである充電電流をβ〔A〕、(3)規定時間（切替え時間）をｔｘ〔h〕、(4)バッテリ部の特性や充電制御方法にて決まるパラメータである満充電検出に要する最低時間をｔ_０〔h〕、(5)バッテリ部の特性や回路／使用方法により推定可能なパラメータである並列バッテリから放電する際に電流アンバランスを許容できる容量比をγ〔％〕としたとき、規定時間ｔｘは下記数式２及び数式３を用いて算出することができる。
ｔｘの最大値を決める条件より

γ>β×ｔｘ／α×１００ ・・数式１

∴ｔｘ<α×γ／（１００×β） ・・数式２

ｔｘの最低値を決める条件より

ｔｘ>ｔ_０ ・・数式３

これを具体的に説明すると、例えば、α＝６．４〔Ａｈ〕のバッテリを使用し、β＝０．５〔Ａｈ〕、γ＝３０〔％〕、ｔ_０＝２〔Ａｈ〕として設定した場合、数式２よりｔｘ<３．８４〔ｈ〕、数式３よりｔｘ>２．０〔ｈ〕が得られ、従ってｔｘ＝３〔ｈ〕として設定、即ち、切替え時間を３時間として設定する。

前記バッテリ部３０及び５０に対する充電を開始するシーケンスは、図４（ａ）に示す如く、(1)制御回路部が基本バッテリ部の電圧を検出する工程と、(2)制御回路部が増設バッテリ部の電圧を検出する工程と、(3)制御回路部が充電指令を発する工程と、(4)制御回路部が充電動作信号を確認する工程と、(5)基本バッテリ部が充電対象としたときに制御回路が基本バッテリ部のドライブ回路３ａのＭＯＳをオンする指令を発する工程とを順次実行することによって行われ、このとき増設バッテリ部は充電休止中とする。

前記バッテリ部３０の充電を休止し、前記バッテリ部５０の充電を開始するシーケンスは、図４（ｂ）に示す如く、前述した規定時間経過又は満充電の検出により制御回路が、(1)基本バッテリ部のドライブ回路３ａのＭＯＳオン指令を解除する工程と、（2）増設バッテリ部のドライブ回路５ａのＭＯＳをオンする指令を発する工程とを同時にオンしない分の十分な間隔を空けて順次実行することによって行われる。

この様に本実施形態による無停電電源システムは、複数のバッテリ部に対する充電を規定時間毎に切り替えて行うことによって、複数のバッテリ部に対して電源設備を増加させることなく容易に増設することができ、更に前記切り替えを行う規定時間を、容量α〔Ah〕／充電電流β〔A〕／満充電検出に要する最低時間をｔ_０〔h〕／放電時の電流アンバランスを許容できる容量比をγ〔％〕をファクターとして決定することによって、複数のバッテリ部に対してバランスをとった充電及び放電を行うことができる。

＜他の実施形態＞
図５は、本発明の他の実施形態による無停電電源システム及びバッテリの充電方法を説明するための図である。この実施形態による無停電電源システムは、図５に示す如く、電源に接続される突入電流防止回路７１と、充電回路７２と、該充電回路７２にスイッチを介して接続される容量が異なる電池群７６ａ及び７６ｂと、前記電池群７６ａからの電力をＣＨ（チャネル）１から放電するための放電回路７７ａと、前記電池群７６ｂからの電力をＣＨ（チャネル）２から出力するための放電回路７７ｂと、図示しない制御回路とから構成され、該制御回路による制御により充電回路７２並びに各放電回路７７ａ及び７７ｂは接続された電子機器に応じた充電並びに放電を行う様に構成されている。

本実施形態による前記充電回路７２は、前記電池群７６ａ及び７６ｂの容量比／充電電流値／満充電検出に要する最低時間／各ＣＨ（チャネル）に対するバックアップ義務の重要度及び必要なバックアップ容量に応じて、各電池群７６ａ及び７６ｂへの充電電流及び規定時間を決定した充電を行うことができる。例えば、各電池群７６ａ及び７６ｂの容量比が１：２の場合で、ＣＨ（チャネル）１のバックアップ義務が優先される場合には、まずはＣＨ（チャネル）１の充電を満充電迄完了し、その後ＣＨ（チャネル）２の充電をすれば良い。また、バックアップ義務が各ＣＨ（チャネル）共に同等に重要な場合には、切替え規定時間の設定は、満充電検出に要する最低時間以上で容量比１：２に応じた時間で設定することができる。また、放電回路７７ａ及び７７ｂは、チャネルに接続された電子機器の特性、例えばメモリ等用の電子機器に応じた瞬時電流は小さいが長時間のバックアップが必要とされる特性／ファンやＨＤＤ等電子機器に応じた長時間バックアップは必要としないが瞬時的なパワーを要する特性に応じて放電を行う様に構成されている。

本実施形態による無停電電源システムは、前述の実施形態と同様に電池群７６ａ及び７６ｂへの充電を図示しない制御回路が充電を切り替えることによって、電源容量を増加することなく、両電池群７６ａ及び７６ｂの充電を行うことができ、且つ各放電回路７ａ及び７ｂが各ＣＨ（チャネル）から接続された電子機器に応じた電力を放電することができる。

尚、前記実施形態においては、基本バッテリ部に対して増設バッテリ部が１セットの例を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、更に複数の増設バッテリ部を必要に応じて増設することもできる。

３ａ：ドライブ回路、３ｂ：温度検出回路、３ｃ：電池群、３ｄ：ドライブ回路、５ａ：ドライブ回路、５ｂ：温度検出回路、５ｃ：電池群、５ｄ：ドライブ回路、７ａ：放電回路、１０：入力回路、１１：突入電流防止回路、２０：充電回路、２１：昇圧制御回路、２２：定電流制御回路、３０：基本バッテリ部、４０：制御回路、４２：制御指令部、４３：充電指令回路、４５：充電切替回路、４６：抵抗測定指令回路、４７：出力指令回路、４８：インタフェース回路、５０：増設バッテリ部、６０：放電回路、６１：出力制御回路、７０：電流検出回路、７１：突入電流防止回路、７２：充電回路、７６ａ：電池群、７６ｂ：電池群、７７ａ：放電回路、７７ｂ：放電回路。

Claims (2)

1. 電力を蓄電する複数のバッテリ部と、外部電源からの電力を前記バッテリ部へ充電する充電回路と、前記バッテリ部に蓄電した電力を外部へ出力する放電回路と、前記バッテリ部の電圧と電流と温度を検出して前記充電回路及び放電回路を制御する制御回路とを備える無停電電源システムであって、前記制御回路は、並列バッテリからの放電バランスを保てるように、前記複数のバッテリ部に対する充電を、放電する際の複数バッテリ部の各電流アンバランスを許容可能な、所定のバッテリ容量比を満足する時間毎に切り替えながら制御することを特徴とする無停電電源システム。
2. 電力を蓄電する複数のバッテリ部と、外部電源からの電力を前記バッテリ部へ充電する充電回路と、前記バッテリ部に蓄電した電力を外部へ出力する放電回路と、前記バッテリ部の電圧と電流と温度を検出して前記充電回路及び放電回路を制御する制御回路とを備える無停電電源システムの充電方法であって、前記複数のバッテリ部に対する充電を、並列バッテリからの放電バランスを保てるように、放電する際の複数バッテリ部の各電流アンバランスを許容可能な、所定のバッテリ容量比を満足する時間毎に切り替えながら制御することを特徴とするバッテリの充電方法。