JP6589491B2 - 電源装置、電源制御方法、および制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、電源装置、電源制御方法、および制御プログラムに関するものである。

サーバ装置等に使用される電源は、通常、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply；無停電電源装置）の機能を有すると共に、冗長化構成となっている。ここで、ＵＰＳの機能とは、停電時に電源が動作を停止してもバッテリ（battery；電池）から電源を供給する機能である。また、冗長化構成とは、複数の電源を並列に接続することにより、１台の電源が故障しても電力を継続して供給する構成である。

ここで、特許文献１の図４には、一般的なＵＰＳの例が示されている。更に、特許文献２の段落０００２には、直流電源の冗長化構成について示されている。そこで、この一般的なＵＰＳと、直流電源の冗長化構成とを組み合わせて、図２の様な構成例が考えられる。

図２において、ＵＰＳ１０のＡＣ（Alternating Current；交流）入力端１１に商用電源の電力が供給されている通常時には、切換スイッチ１５はＡＣ入力端１１とＡＣ出力端１６を接続している。そして、ＵＰＳ１０は切換スイッチ１５を介して、ＡＣ出力端１６にＡＣ入力端１１の電力を供給する。また、ＵＰＳ１０は通常時には充電器１２が動作してバッテリ１３を充電し、通常時が継続するとバッテリ１３は満充電となる。

一方、停電時にＡＣ入力端１１に商用電源が供給されなくなると、ＵＰＳ１０はＤＣ（Direct Current；直流）−ＡＣインバータ（Inverter；変換回路）１４を動作させて、バッテリ１３の出力を交流に変換する。そして、停電時には切換スイッチ１５がＤＣ−ＡＣインバータ１４の出力とＡＣ出力端１６とを接続して、ＵＰＳ１０はＡＣ出力端にＤＣ−ＡＣインバータ１４からの電力を供給する。この様にして、停電時にも通常時から継続して電力が供給される。

また、図２に示す電源装置１の構成では、ＡＣ出力端１６とサーバ装置３０の電源の間に、交流を直流に変換する直流電源１（符号２０）と直流電源２（符号２１）とが並列に接続されている。この構成により、２つの直流電源の内、いずれか一方の直流電源が故障して電力が供給できなくなっても、もう片方の直流電源は継続して稼働するので、サーバ装置が停止することは無い。

この様に、図２に示した構成例の電源装置１は、停電時にもサーバ装置３０に対する電源供給は途絶えることは無く、また、通常時に直流電源の１つが故障しても別の直流電源が継続して稼働するので、サーバ装置が停止することは無い。

ここで、サーバ装置の直流電源の電源容量と電源容量に対する使用電力量である負荷率（以下、負荷率）について述べる。

まず、直流電源を冗長化構成とせず、非冗長化構成、即ち１台の直流電源でサーバ装置を稼働する場合について述べる。

通常、サーバ装置の直流電源は、サーバ装置が、ハードディスク、メモリ、増設ボード、増設デバイス、およびＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）等のオプションを全て実装したフル実装構成にしても正常に動作する電源容量に設計される。このようなフル実装構成の場合は、直流電源の、電源容量に対する負荷率は１より小さく１に近い値となる。

しかし、サーバがフル実装構成ではなく、通常構成の場合は、直流電源の電源容量に対する負荷率は一般的に約１／２で動作するように設計されている。

次に、この様に設計された直流電源を冗長化構成とする。例えば、直流電源を２台並列接続すると、２台の直流電源全体の電源容量は２倍になるので、直流電源全体の負荷率は約１／４になる。

一方、一般的な直流電源は、負荷率が約１／２の時に、交流から直流への変換効率（以下、変換効率）が最も高く、負荷率が約１／２より低下するにつれ変換効率が低下する。従って、前述のように直流電源２台で冗長化構成とした場合のように、直流電源が約１／４の負荷率で動作している状態は、非冗長化構成と比べて変換効率が低い状態で動作している状態である。

その結果、直流電源２台で冗長化構成として直流電源の負荷率が約１／４の場合は、非冗長化構成の場合の直流電源の負荷率が約１／２の場合と比べて、停電時のバッテリ動作時間が短くなってしまう。そこで、図２に示した電源装置１は、停電時に負荷率を最適化することが必要である。

ここで、特許文献２には、冗長化構成の直流電源の負荷率を最適化する方法が開示されている。図３に示される様に、特許文献２に示される電源装置６０は、交流を直流に変換する直流電源６１が並列に接続された冗長化構成となっている。そして、各直流電源６１の出力の合流点に接続された検出手段６２が、各直流電源６１の最大定格負荷電流値に対する負荷電流の割合である負荷電流率を検知する。尚、負荷電流率は負荷の電圧が一定であれば、前述の負荷率と同じ意味である。

更に、電源装置６０の制御手段６３は、検出手段６２で検知した負荷電流率を基に直流電源６１の稼働数を制御して、各直流電源６１の入力電力に対する出力電力の割合である効率を、最適化する。

この図３に示される電源装置６０の構成を、前述の図２におけるＵＰＳ１０のＡＣ出力端１６とサーバ装置３０の電源の間に適用することで、図８に示される構成の電源装置１を考えることが出来る。そして、図８に示される電源装置１は、負荷率を最適化して変換効率を高くすることが可能である。

特開２００８−２２８５１７号公報 国際公開第２０１３／０４６８９４号

ところが、図８に示される電源装置１の場合、常に直流電源の稼働数を制御するための制御手段６３が動作している。そのため、停電時にも制御手段６３が電力を消費するので、停電時に電源装置１がバッテリ動作となった時の、バッテリ使用時間が短くなる原因となる。従って、図８に示される電源装置１のように、停電時にも制御手段６３が動作している構成は、無停電の通常時には適しているが、停電時に用いる電源装置の構成としては不適切である。

本発明の電源装置は、停電時のバッテリ動作時のバッテリ使用時間を長くすることを目的とする。

本発明の電源装置は、外部交流電源から供給される電力を直流に変換して出力する複数の直流電源を備え、前記外部交流電源から電力の供給が無い時は、前記複数の直流電源のうち一部の直流電源が無停電電源装置から供給される交流電力を直流に変換して出力する。

本発明の電源装置は、停電時のバッテリ動作時のバッテリ使用時間を長くすることが可能となる。

第１の実施形態の構成例を示す図である。 関連技術の構成例を示す図である。 関連技術の構成例を示す図である。 第２の実施形態の構成例を示す図である。 第３の実施形態の構成例を示す図である。 第３の実施形態の変形例を示す図である。 第４の実施形態の構成例を示す図である。 関連技術の構成例を示す図である。

［第１の実施形態］
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［構成の説明］
図１に第１の実施形態の構成を示す。

本実施形態の電源装置１は、ＵＰＳ１０、直流電源１（符号２０）、直流電源２（符号２１）、サーバ装置３０を備える。更に、電源装置１はリレーを備え、このリレーは接点４１とコイル４２を有する。

そして、ＵＰＳ１０はＡＣ（交流）入力端１１、ＡＣ出力端１６、およびコイル出力端１７の各端子を備える。

更に、ＵＰＳ１０は、充電器１２、バッテリ１３、ＤＣ−ＡＣインバータ１４、および切換スイッチ１５によって構成される。
（ＵＰＳの構成要素の接続）
そして、ＡＣ入力端１１は通常、商用電源に接続される。

また、充電器１２の入力は、ＡＣ入力端１１に接続される。更に、バッテリ１３の正極は充電器１２の出力に接続され、ＤＣ−ＡＣインバータの入力は充電器１２の出力に接続される。

そして、ＵＰＳ１０のＡＣ出力端１６に切換スイッチ１５が接続され、この切換スイッチ１５は、ＤＣ−ＡＣインバータ１４の出力とＡＣ出力端１６との導通か、またはＡＣ入力端１１とＡＣ出力端１６との導通かを切換える。また、コイル出力端１７は、ＤＣ−ＡＣインバータ１４の出力に接続される。
（ＵＰＳの構成要素の説明）
また、充電器１２は交流を直流に変換してバッテリ１３を充電する充電回路である。更に、ＤＣ−ＡＣインバータ１４は停電によりバッテリ１３で電力を供給する際に、バッテリ１３の直流出力を交流に変換する変換回路である。そして、ＤＣ−ＡＣインバータ１４の出力は、停電時に商用電源の代用に供される。

この、ＤＣ−ＡＣインバータ１４は、停電していない通常時は動作せず、停電によってＡＣ入力端１１からの電力供給の停止を検知すると動作する。この動作の制御は、図示せぬリレー（relay；継電器）を使用して実現可能である。即ち、通常時はＡＣ入力端１１からの電力によってリレーのコイルが通電してリレーが遮断し、ＤＣ−ＡＣインバータ１４の電源を遮断して、ＤＣ−ＡＣインバータ１４は動作しない様にする。そして、停電時にリレーのコイルの通電が無くなり、リレーが導通することでＤＣ−ＡＣインバータ１４の電源を通電して、バッテリ１３からの電力でＤＣ−ＡＣインバータ１４が動作するように構成することが可能である。

次に、切換スイッチ１５は、停電していない通常時にはＡＣ入力端１１とＡＣ出力端１６を接続し、停電によってＡＣ入力端１１からの電力供給の停止を検知すると、ＤＣ−ＡＣインバータ１４の出力端とＡＣ出力端１６の接続に切換える切換スイッチである。

この切換スイッチ１５の切換動作の制御は、図示せぬリレーを使用して実現可能である。即ち、通常時はＡＣ入力端１１から供給される電力によってリレーのコイルが通電することで、ＡＣ入力端１１とＡＣ出力端１６が接続するようにする。そして、停電時にはリレーのコイルの通電が無くなることで、ＤＣ−ＡＣインバータ１４の出力とＡＣ出力端１６の接続に切換わる様に構成することが可能である。
（ＵＰＳの出力から先の構成）
続いて、直流電源１（符号２０）と直流電源２（符号２１）は、ＵＰＳ１６のＡＣ出力端１６に出力される交流を、サーバ装置３０が動作する直流に変換する電源回路である。この直流電源１（符号２０）の入力はＡＣ出力端１６に接続され、直流電源２（符号２１）の入力は、接点４１を介してＡＣ出力端１６に接続される。

そして、直流電源１（符号２０）と直流電源２（符号２１）の出力はサーバ装置３０の電源に接続される。

また、サーバ装置３０は情報処理装置である。

更に、前述の様に接点４１はリレーの接点、コイル４２はリレーの接点４１を動作させるリレーのコイルである。ここで、リレーは、コイル入力が交流の交流リレーである。そして、コイル４２は、ＵＰＳ１０のコイル出力端１７に接続され、コイル出力端１７に電力が供給されるとコイル４２は通電する。ここで、コイル４２が通電すると接点４１は遮断状態となり、コイル４２に通電されていないと、接点４１は導通状態となる。
［動作の説明］
次に本実施形態の動作について、図１を参照して説明する。
（無停電の通常時）
先ず、停電していない通常時の電源装置１の動作を説明する。

停電していない通常時（以下、通常時）には、ＵＰＳ１０のＡＣ入力端１１に商用電源からの電力が供給されている。そして、充電器１２はバッテリ１３を充電し、通常時が継続するとバッテリは満充電状態になる。また、ＤＣ−ＡＣインバータ１４は、前述の様に通常時は動作しない。その結果、コイル出力端１７にも電力は供給されないので、コイル４２は非通電状態となる。コイル４２が非通電状態であると、接点４１は導通状態となる。

更に、通常時では切換スイッチ１５はＡＣ入力端１１とＡＣ出力端１６を接続するので、ＡＣ出力端１６にはＡＣ入力端１１の電力が出力される。

また、ＡＣ出力端１６に接続される接点４１は、通常時では上記で説明した様に導通状態であるので、直流電源２（符号２１）は直流電源１（符号２０）と並列接続となる。そして、直流電源１（符号２０）と直流電源２（符号２１）は共に、ＵＰＳ１０のＡＣ出力端１６から交流を入力して直流に変換して出力し、サーバ装置３０に電力を供給する。

このようにして、通常時は直流電源１（符号２０）と直流電源２（符号２１）は、並列接続されているので、片方の直流電源が故障して動作を停止しても、もう片方の直流電源だけでサーバ装置３０を動作させることが可能である。また、故障した直流電源を取り替える作業の間も、故障していない直流電源が稼働しているので、サーバ装置３０の動作が停止することは無い。
（停電時）
次に、停電時の電源装置１の動作を説明する。

停電時には、ＵＰＳ１０のＡＣ入力端１１に商用電源からの電力の供給が無くなる。その結果、切換スイッチ１５はＡＣ入力端１１とＡＣ出力端１６との接続から、ＤＣ−ＡＣインバータ１４の出力とＡＣ出力端１６との接続に切換える。

また、前述の様にＤＣ−ＡＣインバータ１４は、停電によってＡＣ入力端１１からの電力供給の停止を検知すると動作するので、ＤＣ−ＡＣインバータ１４は商用電源に代わる交流の電力を、切換スイッチ１５を介してＡＣ出力端１６に出力する。

更に、ＤＣ−ＡＣインバータ１４が動作することで、コイル出力端１７にコイル４２を動作させる電力が出力され、コイル４２が通電状態となる。コイル４２が通電状態であると、接点４１は遮断状態となる。

また、ＡＣ出力端１６から出力される電力は、接点４１が遮断状態であるので直流電源２（符号２１）には供給されず、直流電源１（符号２０）だけに供給される。そのため、直流電源２（符号２１）は動作せず、直流電源１（符号２０）だけが動作する。そして、直流電源１（符号２０）はＡＣ出力端１６から交流を入力して直流に変換して出力し、サーバ装置３０に電力を供給する。

このようにして、停電時は直流電源１（符号２０）と直流電源２（符号２１）の内、直流電源１（符号２０）だけが動作する。

以上の様に、本実施形態の電源装置１は、通常時には直流電源１（符号２０）と直流電源２（符号２１）の２台が動作するので、通常時の直流電源の負荷率は先に説明した様に約１／４である。しかし、電源装置１は、停電時には直流電源１（符号２０）の１台だけが動作するので、直流電源の負荷率が１／２に近づく。このため、電源装置１は通常時と比べて停電時に、直流電源の変換効率が高くなる。その結果、本実施形態の電源装置１は、図２に示した関連技術の電源装置１と比べて、停電時におけるバッテリ１３の使用時間を長くすることが可能である。

更に、本実施形態の電源装置１は、図８に示される電源装置１の様に制御手段を必要としないので、停電時に制御手段による電力消費が無い。そのため、本実施形態の電源装置１は図８に示される電源装置１と比べて、特に停電時におけるバッテリ１３の使用時間を長くすることが可能である。
［第２の実施形態］
次に第２の実施形態について、図を参照して説明する。

第１の実施形態で示した電源装置１は、停電時には直流電源が１台になるため、停電時に直流電源が故障した際の電源の補償が無い。

そこで、本実施形態では、通常時の直流電源の稼働台数を３台として、停電時には直流電源の稼働台数を２台にすることで冗長化構成を維持する、そして、停電時には直流電源の稼働台数を通常時より減らすことにより、直流電源の負荷率を通常時より高くする。その結果、停電時に直流電源の稼働台数を減らさない場合と比べて、バッテリの動作時間が長くなる。
［構成の説明］
図４は本実施形態の構成例を示す図である。

本実施形態の電源装置１は、直流電源１（符号２０）、直流電源２（符号２２）、および直流電源３（符号２３）を備える。そして、直流電源１（符号２０）と直流電源２（符号２２）の交流入力はＵＰＳ１０のＡＣ出力端１６に接続され、直流電源３（符号２３）の交流入力は接点４１を介してＵＰＳ１０のＡＣ出力端１６に接続されている。更に、直流電源１（符号２０）、直流電源２（符号２２）、および直流電源３（符号２３）の直流出力は、共にサーバ装置３０の電源に接続される。

ＵＰＳ１０の内部構成、接点４１、コイル４２、およびサーバ装置３０の構成については、第１の実施形態で説明した通りである。
［動作の説明］
次に、本実施形態の動作について説明する。

図４に示される直流電源１（符号２０）、直流電源２（符号２２）、および直流電源３（符号２３）は、冗長化構成とせずいずれか１台であってもサーバ装置３０を約１／２の負荷率で稼働する様に設計されている。

そして、無停電の通常時には３台の直流電源が稼働して、停電時にその内２台の直流電源が稼働する。この場合、直流電源の負荷率は通常時には約１／６であるが、停電時には約１／４になる。

このように、本実施形態の電源装置１の停電時における直流電源の負荷率は、第１の実施形態の電源装置１の停電時における直流電源の負荷率である約１／２と比べると小さくなる。従って、本実施形態の電源装置１の停電時における直流電源の変換効率は、第１の実施形態の電源装置１の停電時における変換効率より低い。

そのため、本実施形態の電源装置１は、第１の実施形態の電源装置１と比べて停電時におけるバッテリ１３の使用時間は短い。しかし、関連技術を示す図２の構成の変形として、単に３台の直流電源を並列接続した場合の電源装置は、停電時であっても通常時と同じく負荷率は約１／６である。

従って、本実施形態の電源装置１の停電時におけるバッテリの使用時間は、第１の実施形態に示す電源装置１の停電時におけるバッテリの使用時間より短いが、停電時にも直流電源の稼働台数が変わらない電源装置の停電時のバッテリ使用時間より長い。

そして、本実施形態の電源装置１は、停電時において１台の直流電源が故障しても、もう１台の直流電源が稼働しているので、停電時における直流電源の故障に対する動作の安定性は、第１の実施形態の電源装置１よりはるかに高い。

以上の様に、第１の実施形態の電源装置１は停電時に冗長化構成を実現できなかったが、本実施形態の電源装置１は停電時においても冗長化構成を維持することが出来る。加えて、本実施形態の電源装置１は、停電時にも通常時と直流電源の稼働台数が変わらない電源装置と比べて、バッテリ使用時間を長くすることが出来る。
［第３の実施形態］
次に第３の実施形態について、図を参照して説明する。

本実施形態の構成例を図５に示す。

第３の実施形態の電源装置１の直流電源は３台であった。本実施形態の構成では、第２の実施形態の構成を、より一般化して、通常時の直流電源の稼働台数を（ｎ＋ｘ）台、停電時には直流電源の稼働台数をｎ台に減らす構成としている。

尚、図５において、ＵＰＳ１０は第１の実施形態のＵＰＳ１０と同じであるので、内部の構成は省略されている。

図５に示す電源装置１の構成によると、通常時は（ｎ＋ｘ）台の直流電源が稼働し、停電時はｎ台の直流電源が稼働する。従って、通常時より停電時の方が直流電源の稼働台数が少なくなり、通常時より停電時の方が直流電源の負荷率が高くなる。

前述の様に、直流電源は１台で稼働する場合に負荷率が約１／２に設計されていて、負荷率が１／２より低下すると直流電源の変換効率が低下する。従って、複数の直流電源によって冗長化構成になっている場合、直流電源の台数が多いほど負荷率は低下し、直流電源の稼働台数が少ない方が負荷率は１／２に近づくので変換効率が高くなる。

そして、先に説明した様に本実施形態の電源装置１は、通常時に比べて停電時の直流電源の負荷率が高いので、通常時に比べて停電時の変換効率は高くなる。

その結果、停電時に通常時の稼働台数のままの直流電源をバッテリで駆動する電源装置と比べて、本実施形態の電源装置１は停電時のバッテリの動作時間を長くすることが出来る。更に、停電時にｎ台の直流電源が稼働しているので、冗長化構成も維持される。
［第４の実施形態］
次に第４の実施形態について、図７を参照して説明する。

本実施形態の電源装置５０は、外部交流電源から供給される電力を直流に変換して出力する複数の直流電源である、直流電源５３と直流電源５４とを備える。そして、前記外部交流電源から電力の供給が無い時は、前記複数の直流電源（直流電源５３および直流電源５４）のうち一部の直流電源である直流電源５３が無停電電源装置から供給される交流電力を直流に変換して出力する。

以上の様にして、本実施形態の電源装置５０は、図２に示した関連技術の電源装置１と比べて、停電時における無停電電源装置の電池の使用時間を長くすることが可能である。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、次のように拡張または変形できる。

第３の実施形態で示した電源装置１の構成例は、図６に示す変形例の構成の様に、複数の接点４１および複数のコイル４２を使用することでも、第３の実施形態で示した電源装置１と同様の効果を得ることが出来る。

尚、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、装置に直接或いは遠隔から供給される場合にも適用可能である。

１ 電源装置
１０ ＵＰＳ
１１ ＡＣ入力端
１２ 充電器
１３ バッテリ
１４ ＤＣ−ＡＣインバータ
１５ 切換スイッチ
１６ ＡＣ出力端
１７ コイル出力端
１８ 制御部
１９ 検知部
２０ 直流電源１
２１ 直流電源２
２２ 直流電源２
２３ 直流電源３
３０ サーバ装置
４１ 接点
４２ コイル
５０ 電源装置
５３ 直流電源
５４ 直流電源
６０ 電源装置
６１ 直流電源
６２ 検出手段
６３ 制御手段

Claims (4)

1. 共通端子に対して並列に接続された複数の直流電源であって、外部交流電源から前記共通端子へ供給される電力を直流に変換して出力する複数の直流電源と、前記複数の直流電源の少なくとも一つと前記共通端子との間の経路に挿入された２端子スイッチであって、前記外部交流電源の供給があると導通し、前記外部交流電源の供給が無いと遮断する２端子スイッチと、前記外部交流電源の供給の有無を検出して、前記２端子スイッチを前記導通或いは前記遮断に制御する手段と、を備え、
   前記外部交流電源から電力の供給が無い時は、前記複数の直流電源のうち一部の直流電源が無停電電源装置から供給される交流電力を直流に変換して出力することを特徴とする電源装置。
2. 電池と、
   前記電池の出力を交流に変換して出力する直流交流変換器と、
   外部交流電源の供給があると前記外部交流電源と共通端子とを接続して、前記外部交流電源の供給が無いと前記直流交流変換器の出力端と前記共通端子とを接続する切換スイッチと、
   前記共通端子に接続され、前記外部交流電源の供給があると導通し、前記外部交流電源の供給が無いと遮断する２端子スイッチと、
   前記外部交流電源の供給の有無を検出して、前記２端子スイッチを前記導通或いは前記遮断に制御する手段と、
   前記共通端子に入力端が接続されて交流から直流に変換して出力する少なくとも１つの直流電源と、
   前記２端子スイッチの前記共通端子と接続されない端子に入力端が接続され、出力端が前記直流電源の出力端に接続されて交流から直流に変換して出力する、前記直流電源とは異なる少なくとも１つの直流電源とを備えることを特徴とする電源装置。
3. 共通端子に対して並列に接続された複数の直流電源であって、外部交流電源から前記共通端子へ供給される電力を直流に変換して出力する複数の直流電源と、前記複数の直流電源の少なくとも一つと前記共通端子との間の経路に挿入された２端子スイッチであって、前記外部交流電源の供給があると導通し、前記外部交流電源の供給が無いと遮断する２端子スイッチと、前記外部交流電源の供給の有無を検出して、前記２端子スイッチを前記導通或いは前記遮断に制御する手段と、を備える電源装置のための電源制御方法であり、
   外部交流電源から電力の供給がある時は、交流から直流に変換する複数の直流電源に前記外部交流電源から電力を供給し、
   前記外部交流電源から電力の供給が無い時は、前記複数の直流電源のうち一部の直流電源に無停電電源装置から出力される交流電力を供給することを特徴とする電源制御方法。
4. 共通端子に対して並列に接続された複数の直流電源であって、外部交流電源から前記共通端子へ供給される電力を直流に変換して出力する複数の直流電源と、前記複数の直流電源の少なくとも一つと前記共通端子との間の経路に挿入された２端子スイッチであって、前記外部交流電源の供給があると導通し、前記外部交流電源の供給が無いと遮断する２端子スイッチと、前記外部交流電源の供給の有無を検出して、前記２端子スイッチを前記導通或いは前記遮断に制御する手段と、を備える電源装置のための制御プログラムであり、
   外部交流電源から電力の供給がある時は、交流から直流に変換する複数の直流電源に前記外部交流電源から電力を供給し、
   前記外部交流電源から電力の供給が無い時は、前記複数の直流電源のうち一部の直流電源に無停電電源装置から出力される交流電力を供給することを特徴とする制御プログラム。

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