KR20140032313A - 전원장치 - Google Patents

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KR20140032313A
KR20140032313A KR1020130093046A KR20130093046A KR20140032313A KR 20140032313 A KR20140032313 A KR 20140032313A KR 1020130093046 A KR1020130093046 A KR 1020130093046A KR 20130093046 A KR20130093046 A KR 20130093046A KR 20140032313 A KR20140032313 A KR 20140032313A
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KR1020130093046A
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카즈히로 히라타
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

2차전지의 자기방전 등에 기인하는 불필요한 전력소비를 저감시키는 것이 가능한 전원장치를 제공한다.
상용전원으로부터 입력단자에 전력이 공급된다. 출력단자에 전기부하가 접속된다. 입력단자로부터 공급된 전력에 의하여 축전장치가 충전된다. 축전장치는, 출력단자에 전력을 공급한다. 제어장치가, 입력단자에 인가되고 있는 상용전원의 전압, 및 축전장치의 충전 상태를 감시한다. 감시결과에 근거하여, 복수의 1차전지 중 적어도 1개의 1차전지를, 출력단자에 전력공급 가능한 동작 상태로 한다. 또한, 동작 상태가 된 1차전지의 동작의 불량 여부를 판정하여, 동작 상태가 불량인 경우, 다른 1차전지를 동작 상태로 한다.

Description

전원장치{Power Supply Apparatus}
본 발명은, 상용전원으로부터의 전력공급이 정지되어도, 전기부하에 전력을 공급하는 것이 가능한 전원장치에 관한 것이다.
정전시의 백업전원으로서, 납축전지 등의 2차전지가 이용되고 있다. 또, 특허문헌 1에, 상용전원을 이용할 수 없을 때에 적어도 2계통의 건전지로부터의 전기 에너지의 합을 수신기에 공급하는 백업전원이 개시되어 있다.
(특허문헌)
특허문헌 1: 일본 특허공개공보 2007-189813호
납축전지 등의 2차전지를 백업용의 전원으로 이용하는 경우, 상용전원으로부터 정상적으로 전력이 공급되고 있는 기간은, 2차전지가 만충전 상태로 유지된다. 2차전지가 충전된 상태로 유지되어 있으면, 2차전지를 사용하지 않는 기간도, 자기방전에 의하여 전력이 불필요하게 소비된다. 또한, 만충전 상태가 유지되면, 2차전지의 열화가 진행되기 때문에, 정기적으로 전지를 교환하여야 한다.
건전지를 백업용의 전원으로 이용하는 경우에는, 자기방전 등에 의하여 건전지의 잔량이 저하되는 경우가 있다. 건전지의 잔량이 저하되면, 당초 목표한 동작시간이 얻어지지 않는 상황이 발생할 수 있다. 규격대로의 동작시간을 보증하기 위하여, 건전지를 정기적으로 교환하여야 한다.
본 발명의 목적은, 2차전지의 자기방전 등에 기인하는 불필요한 전력소비를 저감시키는 것이 가능한 전원장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점에 의하면,
상용전원으로부터의 전력이 공급되는 입력단자와,
전기부하가 접속되는 출력단자와,
상기 입력단자로부터 공급된 전력에 의하여 충전됨과 함께, 상기 출력단자에 전력을 공급하는 축전장치와,
1차전지와,
상기 입력단자에 인가되고 있는 상용전원의 전압, 및 상기 축전장치의 충전 상태를 감시하여, 상기 상용전원의 전압이 규정 전압치 이하가 되고, 또한 상기 축전장치의 충전 상태가 규정치 이하가 된 것을 검출하면, 상기 1차전지의 출력을 상기 출력단자에 공급하는 제어장치를 가지는 전원장치가 제공된다.
백업용 전원으로서, 축전장치 외에 1차전지가 배치되어 있기 때문에, 축전장치만으로 백업용 전원을 구성하는 경우에 비하여, 축전장치의 용량을 작게 할 수 있다. 축전장치의 용량이 작기 때문에, 축전장치를 만충전 상태로 유지해 두어도, 자기방전에 의한 전력소비가 작아진다. 이로써, 불필요한 전력소비를 저감시킬 수 있다.
도 1은 실시예 1에 의한 전원장치의 블록도이다.
도 2는 실시예 1에 의한 전원장치에 이용되고 있는 1차전지의 단면도이다.
도 3은 실시예 1에 의한 전원장치의 등가 회로도이다.
도 4는 실시예 1에 의한 전원장치의 백업 중의 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 1에 의한 전원장치의 백업 중의 블록도이다.
도 6은 실시예 1에 의한 전원장치의 백업 중의 블록도이다.
도 7은 실시예 1에 의한 전원장치의 백업 중의 블록도이다.
도 8은 실시예 1에 의한 전원장치의 백업 중의 블록도이다.
도 9는 실시예 1에 의한 전원장치의 1차전지를 동작시키는 계기를 판정하는 플로우차트이다.
도 10은 실시예 1에 의한 전원장치의 백업 중에 1차전지의 이상이 발생하였을 때의 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 1의 변형예에 의한 전원장치의 백업 중의 블록도이다.
도 12는 실시예 2에 의한 전원장치에 이용되고 있는 1차전지의 단면도이다.
도 13은 실시예 2의 변형예에 의한 전원장치에 이용되고 있는 1차전지의 단면도이다.
[실시예 1]
도 1에, 실시예 1에 의한 전원장치의 블록도를 나타낸다. 입력단자(10)에 상용전원(12)으로부터 교류전력이 공급된다. 출력단자(11)에 전기부하(13)가 접속되어 있다. 전기부하(13)는, 예를 들면 이동체 통신망의 무선 기지국의 송수신기이다. AC-DC컨버터(20)가, 입력단자(10)에 입력된 교류전력을 직류전력으로 변환한다. 이 직류전력은, 전력수송회로(21)를 경유하여 출력단자(11)에 출력됨과 함께, 전력수송회로(21) 및 스위칭소자(26)를 경유하여 축전장치(25)에 공급된다. 이로써, 축전장치(25)가, 상시, 만충전 상태로 유지된다. 축전장치(25)에는, 예를 들면 납축전지, 리튬이온 2차전지, 리튬이온 커패시터 등이 이용된다.
전력수송회로(21)에, 복수의 1차전지(30)가, 각각 스위칭소자(31)를 통하여 접속되어 있다. 1차전지(30)에는, 금속공기전지, 예를 들면 아연공기전지, 알루미늄공기전지, 마그네슘공기전지 등이 이용된다.
1차전지(30)의 각각은, 양극 집전체(32), 음극 집전체(33), 음극 활물질(34), 및 전해액(35)을 포함한다. 대기 중에는, 전해액(35)이 음극 활물질(34)로부터 분리되어 있다. 전해액(35)이 음극 활물질(34)로부터 분리된 상태를 "대기 상태"라고 한다. 전해액(35)을 음극 활물질(34)에 접촉시키면, 기전력이 발생한다. 전해액(35)이 음극 활물질(34)에 접촉하여 기전력이 발생하고 있는 상태를 "동작 상태"라고 한다.
입력단자(10)에 인가되고 있는 전압, 축전장치(25)의 단자간 전압, 복수의 1차전지(30)의 각각의 단자간 전압의 측정치가, 제어장치(40)에 입력된다. 제어장치(40)는, 입력된 전압의 측정치에 근거하여, 스위칭소자(26, 31)의 온오프제어, 및 1차전지(30)의 대기 상태로부터 동작 상태로의 전환 제어를 행한다.
도 2에, 실시예 1에 의한 전원장치에 이용되고 있는 1차전지(30)(도 1)의 단면도를 나타낸다. 자루 형상의 세퍼레이터(36) 내에 음극 집전체(33) 및 음극 활물질(34)이 충전되어 있다. 음극 활물질(34)에는, 예를 들면 금속아연, 금속알루미늄, 금속마그네슘 등의 금속입자가 이용된다. 음극 집전체(33)에는, 예를 들면 니켈 등의 금속판이 이용된다. 세퍼레이터(36)에는, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 다공막, 또는 수지 부직포, 유리섬유 부직포 등이 이용된다.
세퍼레이터(36)의 외측의 표면에 양극 집전체(32)가 접합되어 있다. 양극 집전체(32)는, 카본 크로스, 카본 페이퍼 등의 베이스에 카본 블랙 등의 도전재를 도포한 구조를 가진다. 도전재에는, 촉매 및 결착제가 포함된다. 촉매에는, 예를 들면 이산화망간이 이용된다. 결착제에는, 예를 들면 폴리불화비닐리덴 등이 이용된다. 양극 집전체(32)는, 산소를 투과시키는 다수의 미세한 구멍을 가진다. 대기 중의 산소가 양극 활물질로서 작용한다. 음극 집전체(33)와 양극 집전체(32)가, 1차전지(30)의 출력단자(37)에 접속된다.
리저버탱크(51) 내에, 용매가 저장되어 있다. 리저버탱크(51)가, 개폐밸브(52)를 통하여 전해질수용실(53)에 접속되어 있다. 전해질수용실(53) 내에, 전해질의 결정이 수용되어 있다. 개폐밸브(52)는, 제어장치(40)에 의하여 제어된다. 개폐밸브(52)를 개방하면, 리저버탱크(51) 내의 용매가 전해질수용실(53) 내에 주입된다. 전해질수용실(53) 내의 전해질의 결정이 용매에 용해되어, 전해액이 생성된다. 생성된 전해액이, 세퍼레이터(36)에 형성된 전해액주입구(50)로부터, 세퍼레이터(36) 내의 공간에 주입된다. 일례로서, 용매로는 물이 이용되고, 전해질로는 수산화칼륨(KOH)이 이용된다. 이 때, 세퍼레이터(36) 내에, 전해액으로서 수산화칼륨 수용액이 주입된다. 다만, 리저버탱크(51)에 전해액을 수용해 두고, 전해질수용실(53)을 생략하여도 된다.
세퍼레이터(36) 내에 전해액이 주입되면, 음극 활물질(34)의 아연(Zn)과 전해액 중의 수산화물 이온(OH-)이 반응하여, 테트라히드록소아연산염(Zn(OH)4 2-)과 전자가 생성된다. 테트라히드록소아연산염이 분해되어, 산화아연(ZnO), 수산화물 이온, 및 물이 생성된다. 생성된 전자는, 음극 집전체(33)에 모인다. 출력단자(37)에 전기부하를 접속하면, 음극 집전체(33)에 모여진 전자가, 전기부하를 통하여 양극 집전체(32)에 공급된다.
양극 활물질인 산소와, 양극 집전체(32)에 공급된 전자와, 물이 반응하여, 수산화물 이온이 생성된다. 수산화물 이온은, 세퍼레이터(36) 내에 수송되어, 음극 활물질(34)에 도달한다. 상술과 같이, 금속공기전지가 방전되면, 음극 활물질(34)이 산화되어 산화 금속, 예를 들면 산화아연이 축적된다.
도 3에, 실시예 1에 의한 전원장치의 등가 회로도를 나타낸다. 입력단자(10)에 인가되고 있는 상용전원(12)(도 1)의 전압을, 전압계(24)가 측정한다. 전압계(24)의 측정결과가 제어장치(40)에 입력된다. 제어장치(40)는 전압계(24)의 측정치(입력단자(10)에 인가되고 있는 상용전원(12)의 전압)를 감시하고 있다. 제어장치(40)는, 전압계(24)의 측정치와 규정 전압치를 비교하여, 전압계(24)의 측정치가 규정 전압치 이하가 되면, 상용전원(12)(도 1)으로부터의 정상적인 전력공급이 정지되었다고 판정한다.
전력수송회로(21)가, 버스라인(22) 및 다이오드(23)를 포함한다. 축전장치(25)의 입출력단자가, 스위칭소자(26)를 통하여 버스라인(22)에 접속되어 있다. 전압계(27)가, 축전장치(25)의 입출력단자간의 전압을 측정한다. 전압계(27)의 측정결과가 제어장치(40)에 입력된다. 특별한 사정이 없는 한, 스위칭소자(26)는 상시 온으로 되어 있다. 이로 인하여, 전압계(27)로 측정되는 전압은, 버스라인(22)에 나타나 있는 전압과 동일하다.
복수의 1차전지(30)가, 각각 스위칭소자(31)를 통하여 서로 병렬로, 또한 축전장치(25)와 병렬로 버스라인(22)에 접속되어 있다. 다이오드(23)는, 1차전지(30)마다 배치되고, 1차전지(30)와 직렬로 접속되어 있다. 다이오드(23)는, 1차전지(30)로부터의 방전전류의 방향이 순방향이 되도록 접속되어 있다. 이로 인하여, 1차전지(30)로의 충전전류의 유입이 금지된다. 다만, 1차전지(30)의 양극의 전위가 버스라인(22)의 전위보다 낮아졌을 때에, 스위칭소자(31)를 오프로 하여, 충전전류의 유입을 방지하는 제어를 행하여도 된다. 이 제어를 행하는 경우에는, 다이오드(23)를 생략하여도 된다.
복수의 전압계(38)가, 각각 1차전지(30)의 출력단자간의 전압을 측정한다. 측정결과가 제어장치(40)에 입력된다. 1차전지(30)를 나타내는 파선 내에 기재한 스위치(30A)는, 1차전지(30)가 대기 상태와 동작 상태의 2가지 상태를 가지는 것을 의미한다. 스위치(30A)의 오프 상태 및 온 상태가, 각각 대기 상태 및 동작 상태에 대응한다.
축전장치(25)는, 전기부하(13)에서 필요로 하는 전압에 따른 개수의 납축전지를 직렬 접속함으로써, 필요한 전압을 출력한다. 1차전지(30)는, 그 개방전압이 축전장치(25)의 개방전압보다 약간 높아지도록, 복수의 아연공기전지가 직렬 접속된 구성을 가진다.
출력단자(11)로부터, 복수의 1차전지(30)의 각각이 접속된 버스라인(22) 상의 위치까지의 거리는, 출력단자(11)로부터, 축전장치(25)가 접속된 버스라인(22) 상의 위치까지의 거리보다 짧다. 1차전지(30)부터 출력단자(11)까지의 거리를 짧게 함으로써, 1차전지(30)로부터 전기부하(13)(도 1)에 전력을 공급하고 있을 때, 버스라인(22)이 가지는 저항의 영향을 경감시킬 수 있다.
도 4 내지 도 8을 참조하여, 실시예 1에 의한 전원 회로의 동작에 대하여 설명한다.
도 4에, 버스라인(22)(도 3)의 전압, 및 1차전지(30)(도 1)의 단자간 전압의 시간 변화의 일례를 나타낸다. 도 4에 있어서 상단의 실선(v1)이 버스라인(22)(도 3)의 전압을 나타내고, 중간단의 실선(v2)이, 최초로 동작하는 1차전지(30)(도 1)의 단자간 전압을 나타내며, 하단의 실선(v3)이, 2번째로 동작하는 1차전지(30)(도 1)의 단자간 전압을 나타낸다. 스위칭소자(26)(도 3)가 상시 온 상태이기 때문에, 버스라인(22)의 전압(v1)은, 전압계(27)(도 3)로 측정할 수 있다.
시각(t0)에 있어서, 상용전원(12)(도 1)으로부터의 전력의 공급이 정지된 것으로 한다. 전압계(24)(도 3)의 측정치가 규정 전압치 이하가 됨으로써, 제어장치(40)가, 상용전원(12)으로부터의 전력공급의 정지를 검지한다. 시각(t0)의 시점에서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 축전장치(25)로부터의 방전이 개시되어, 전력수송회로(21)를 경유하여 전기부하(13)에 전력이 공급된다. 축전장치(25)가 방전됨으로써, 도 4에 나타내는 바와 같이, 축전장치(25)의 단자간 전압(v1)이 시간의 경과와 함께 저하된다.
도 4에 나타낸 시각(t1)에 있어서, 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)이 전압 임계값(Va)까지 저하된다. 전압(v1)이 전압 임계값(Va)까지 저하된 것이, 제어장치(40)(도 1)에 의하여 검출되면, 제어장치(40)는, 최초로 동작시키는 1차전지(30)의 개폐밸브(52)(도 2)를 개방한다. 1차전지(30)에 전해액이 주입됨으로써, 1차전지(30)의 단자간 전압(v2)이 상승하기 시작한다. 축전장치(25)의 방전전류가 정격치의 범위 내일 때, 축전장치(25)의 단자간 전압은, 축전장치(25)의 충전 상태(SOC)에 대응하기 때문에, 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)을 감시하는 것은, 실질적으로, 축전장치(25)의 SOC를 감시하는 것과 등가이다.
시각(t2)에 있어서, 전해액이 주입된 1차전지(30)의 단자간 전압(v2)이 정격개방전압(Vb)에 도달한다. 단자간 전압(v2)이 정격개방전압(Vb)에 도달한 것을 제어장치(40)(도 1)가 검출하면, 전해액이 주입된 1차전지(30)에 접속되어 있는 스위칭소자(31)(도 1)를 온으로 한다. 이로써, 1차전지(30)가 대기 상태로부터 동작 상태가 된다. 1차전지(30)로부터 방전전류가 흐르기 시작하여, 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)이 상승한다. 1차전지(30)의 내부저항에 기인하는 전압강하(ΔVb)가 발생하기 때문에, 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)이, Vb-ΔVb까지 상승한다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 동작 상태의 1차전지(30)로부터 전기부하(13)에 전력이 공급된다. 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)이 축전장치(25)의 단자간의 개방전압보다 높은 경우, 즉, 버스라인(22)(도 3)의 전위가, 축전장치(25)의 양극의 전위보다 높은 경우에는, 동작 상태의 1차전지(30)로부터의 방전전력에 의하여, 축전장치(25)가 충전된다. 전기부하(13)의 소비전력이 커지면, 1차전지(30)의 방전전류가 커진다. 이로써, 1차전지(30)의 내부저항에 기인하는 전압강하가 커져, 버스라인(22)의 전압(v1)이 저하된다. 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)이 축전장치(25)의 단자간의 개방전압보다 낮아지면, 도 7에 나타내는 바와 같이, 축전장치(25)가 방전된다. 이로 인하여, 1차전지(30) 및 축전장치(25)의 양방으로부터 전기부하(13)에 전력이 공급된다. 전기부하(13)의 소비전력에 따라 축전장치(25)의 충방전이 행하여지고, 전체적으로, 버스라인(22)의 전압(v1)이 시간의 경과와 함께 저하된다. 전기부하(13)에 의한 소비전력의 순간적인 변동에 따라서도, 축전장치(25)의 충전과 방전이 전환된다.
도 4의 시각(t3)에 있어서, 버스라인(22)의 전압(v1)이 전압 임계값(Va)까지 저하되면, 제어장치(40)(도 1)가, 2번째로 동작시키는 1차전지(30)에, 전해액의 주입을 개시한다. 이로써, 2번째로 동작하는 1차전지(30)의 단자간 전압(v3)이 상승한다. 단자간 전압(v3)이 정격개방전압(Vb)에 도달하면, 제어장치(40)(도 1)는, 2번째로 동작시키는 1차전지(30)에 접속된 스위칭소자(31)(도 1)를 ON으로 함과 함께, 최초로 동작시킨 1차전지(30)에 접속되어 있는 스위칭소자(31)(도 1)를 오프로 한다. 최초로 동작시킨 1차전지(30)로부터의 방전전류가 흐르지 않게 되기 때문에, 1차전지(30)의 단자간 전압(v2)은, 대략 일정한 값을 유지한다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 시각(t4) 이후는, 2번째로 동작 상태가 된 1차전지(30)가 방전된다. 전기부하(13)의 소비전력에 따라, 축전장치(25)의 충방전이 행하여진다. 시각(t4) 이후도, 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)이 전압 임계값(Va)까지 저하될 때마다, 다음으로 동작시키는 1차전지(30)로의 전해액의 주입을 개시한다. 이로써, 전기부하(13)에, 계속해서 전력을 공급할 수 있다.
상기 실시예 1에 있어서는, 1차전지(30)(도 1)가 대기 상태인 기간은, 음극 활물질(34)(도 2)과 전해액이 접촉하고 있지 않다. 이로 인하여, 자기방전이나, 전지의 열화를 방지할 수 있다. 1차전지(30)에 전해액이 주입되어 정격전압을 발생시킬 때까지의 기간(도 4의 시각(t0~t2))은, 축전장치(25)에 의하여 전기부하(13)에 전력이 공급된다. 이로 인하여, 전력공급의 계속성이 보증된다.
상술과 같이, 제어장치(40)는, 입력단자(10)에 인가되고 있는 상용전원의 전압, 및 축전장치(25)의 SOC를 감시하고, 감시결과에 근거하여, 복수의 1차전지(30)중 적어도 1개의 1차전지의 출력을 출력단자(11)에 공급한다. 보다 구체적으로는, 제어장치(40)는, 입력단자(10)에 인가되고 있는 상용전원의 전압이, 규정 전압치 이하가 된 것, 및 축전장치(25)의 SOC가, 미리 설정되어 있는 규정치 이하가 된 것 중 적어도 일방의 사상(事象)의 검출을 계기로 하여, 복수의 1차전지(30) 중 적어도 1개의 1차전지의 출력을 출력단자(11)에 공급한다.
축전장치(25)의 용량은, 1차전지(30)가 동작하기 시작할 때까지의 기간동안, 전기부하(13)에 전력을 공급할 수 있을 정도로 설정해 두면 된다. 이로 인하여, 축전장치(25)만으로 백업을 행하는 경우에 비하여, 그 용량을 작게 할 수 있다. 축전장치(25)의 용량을 작게 하면, 축전장치(25)의 자기방전에 의한 전력소비가 작아진다. 이로 인하여, 축전장치(25)를 만충전 상태로 유지해 두어도, 자기방전에 기인하는 전력손실을 저감시킬 수 있다.
상기 실시예 1에서는, 1차전지(30)(도 1)를 동작시키는 계기로서, 축전장치(25)(도 1)의 SOC의 감시결과(도 4의 전압(v1))를 채용하였다. 1차전지(30)를 최초로 동작시키는 계기로서, 입력단자(10)에 인가되고 있는 상용전원의 전압의 감시결과를 채용하여도 된다. 예를 들면, 입력단자(10)에 인가되고 있는 상용전원의 전압이 규정 전압치 이하가 된 것을, 제어장치(40)가 검출하면, 미리 설정된 대기시간 경과 후에, 최초로 동작시키는 1차전지(30)의 개폐밸브(52)(도 2)를 개방하여도 된다. 이 대기시간은, 축전장치(25)가 전기부하(13)(도 1)에 충분한 전력을 공급할 수 있는 시간에 근거하여 결정된다.
또한, 1차전지(30)(도 1)를 동작시키는 계기로서, 축전장치(25)(도 1)의 SOC의 감시결과, 및 입력단자(10)에 인가되고 있는 상용전원의 전압의 감시결과의 양방을 채용하여도 된다.
도 9에, 1차전지(30)를 동작시키는 계기로서, 축전장치(25)의 SOC의 감시결과, 및 입력단자(10)에 인가되고 있는 상용전원의 전압의 감시결과의 양방을 채용한 경우에, 제어장치(40)가 실행하는 처리의 플로우차트의 일례를 나타낸다. 제어장치(40)가, 상용전원의 전압이 규정 전압치 이하가 된 것을 검출한 시점부터, 이 플로우차트의 처리가 개시된다.
상용전원의 전압이 규정 전압치 이하가 된 것이 검출되면, 스텝 ST1에 있어서, 대기시간판정 카운터를 초기 설정한다. 초기 설정된 카운터는, 시간의 경과와 함께 감산되어, 대기시간이 경과한 시점에서 0이 된다. 스텝 ST2에 있어서, 소정의 대기시간이 경과하였는지 아닌지를 판정한다. 구체적으로는, 대기시간판정 카운터가 0까지 감산되었는지 아닌지를 판정한다. 소정의 대기시간이 경과하고 있지 않은 경우는, 스텝 ST3에 있어서, 축전장치(25)(도 1)의 SOC가 규정치 이하인지 아닌지를 판정한다. 규정치 이하가 아닌 경우, 스텝 ST4에 있어서, 상용전원의 전압이 규정 전압치까지 회복되었는지 아닌지를 판정한다. 상용전원의 전압이 회복된 경우에는, 처리를 종료한다. 상용전원의 전압이 규정 전압치까지 회복되어 있지 않은 경우, 스텝 ST2로 되돌아온다.
스텝 ST2에서, 소정의 대기시간이 경과하였다고 판정된 경우, 또는 스텝 ST3에서, 축전장치(25)의 SOC가 규정치 이하까지 저하되었다고 판정된 경우(도 4의 시각(t1, t3)에 상당), 스텝 ST5에 있어서, 대기 중인 1차전지(30)가 남아 있는지 아닌지를 판정한다. 대기 중인 1차전지(30)가 남아 있지 않은 경우, 처리를 종료한다. 대기 중인 1차전지(30)가 남아 있는 경우는, 스텝 ST6에 있어서, 대기 중인 1차전지(30)를 동작시킨다.
스텝 ST6의 처리는, 도 4의 시각(t1부터 t2)까지의 처리와 동일하다. 즉, 동작시켜야 하는 1차전지(30)의 개폐밸브(52)(도 2)를 개방한다. 1차전지(30)의 개방전압이 정격치까지 상승하면, 스위칭소자(31)를 온으로 한다.
그 후, 스텝 ST7에 있어서, 대기시간판정 카운터를 초기 설정하여, 카운터의 감산처리를 재개한다. 대기시간판정 카운터의 초기 설정 후, 스텝 ST2로 되돌아온다. 스텝 ST1에서 설정된 대기시간의 초기치와, 스텝 ST7에서 설정된 대기시간의 초기치는, 반드시 동일한 것은 아니다. 스텝 ST1에서 설정되는 초기치는, 만충전된 축전장치(25)에 의하여 전기부하(13)(도 1)에 충분한 전력을 공급할 수 있는 시간으로 하면 된다. 스텝 ST7에서 설정되는 초기치는, 1차전지(30)에 의하여 전기부하(13)(도 1)에 충분한 전력을 공급할 수 있는 시간으로 하면 된다.
도 10을 참조하여, 동작 상태가 된 1차전지(30)의 동작이 불량인 경우의 제어에 대하여 설명한다.
도 10에, 버스라인(22)(도 3)의 전압, 및 1차전지(30)(도 1)의 단자간 전압의 시간 변화의 일례를 나타낸다. 이하, 도 4에 나타낸 시간 변화와의 상이점에 대하여 설명한다. 시각(t1)에 있어서, 최초로 동작시켜야 하는 1차전지의 개폐밸브(52)(도 2)를 개방함으로써, 1차전지(30)를 동작 상태로 한다. 도 10의 2단째에 나타내는 바와 같이, 이로써, 최초로 동작시키는 1차전지(30)의 단자간 전압(v2)이 상승하기 시작한다. 그런데, 1차전지(30)에 어떠한 이상이 발생하고 있기 때문에, 도 4의 경우에 비하여, 단자간 전압(v2)의 상승 속도가 완만하다. 개폐밸브(52)(도 2)가 개방된 1차전지(30)는, 전력을 출력 가능한 동작 상태가 된다. 다만, 어떠한 이상에 의하여, 음극 활물질(34)이 수용된 공간에 전해액이 주입되지 않아, 기전력이 발생하지 않은 경우에도, 개폐밸브(52)를 개방한 1차전지(30)의 상태를 "동작 상태"라고 한다.
시각(t1)부터 감시 시간(tr)이 경과하여도, 동작 상태의 1차전지(30)의 단자간 전압(v2)이, 정격개방전압(Vb)에 도달하지 않는다. 동작 상태가 된 1차전지(30)의 동작의 불량 여부를 감시한다. 제어장치(40)는, 시각(t1)부터 감시 시간(tr)이 경과한 시각(t5)에 있어서, 단자간 전압(v2)이 정격개방전압(Vb)에 도달하지 않은 것을 검출하면, 1차전지(30)가 동작 불량이라고 판정한다. 동작 상태가 된 1차전지(30)가 동작 불량이라고 판정되면, 다음으로 동작시키는 1차전지(30)의 개폐밸브(52)(도 2)를 개방한다.
도 10의 3단째에 나타내는 바와 같이, 다음으로 동작시키는 1차전지(30)의 단자간 전압(v3)이 상승하기 시작한다. 시각(t6)에 있어서, 단자간 전압(v3)이 정격개방전압(Vb)에 도달한다. 제어장치(40)는, 단자간 전압(v3)이 정격개방전압(Vb)에 도달한 것을 검출하면, 정격개방전압(Vb)에 도달한 1차전지(30)에 접속되어 있는 스위칭소자(31)(도 1)를 온으로 한다. 1차전지(30)의 단자간 전압(v3)이, 내부저항에 기인하는 전압강하(ΔVb)분만큼 저하된다. 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)은, 시각(t6)까지의 사이에, 전압 임계값(Va)보다 낮은 전압(Vc)까지 저하하고 있다. 동작 상태의 1차전지(30)의 스위칭소자(31)를 온으로 하면, 버스라인(22)의 전압(v1)이 Vb-ΔVb까지 회복된다.
시각(t6) 이후는, 2번째로 동작 상태가 된 1차전지(30)로부터 전기부하(13)(도 1)에 전력이 공급된다. 버스라인(22)의 전압(v1)이 전압 임계값(Va)까지 저하되면, 제어장치(40)는, 다음으로 동작시키는 1차전지(30)의 개폐밸브(52)(도 2)를 개방한다.
1개의 1차전지(30)의 동작이 불량일 때, 다른 1차전지(30)를 동작 상태로 함으로써, 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)의 과도한 저하를 억제할 수 있다.
도 11에, 실시예 1의 변형예에 의한 전원장치의 백업 동작 시의 블록도를 나타낸다. 도 1 내지 도 9의 실시예 1에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상용전원(12)으로부터의 전력공급이 정지되었을 때, 1차전지(30)를 1개씩 차례로 동작 상태로 하였다. 도 11에 나타낸 변형예에서는, 복수의 1차전지(30)를 동시에 동작 상태로 한다. 도 11에서는, 2개의 1차전지(30)가 동시에 동작 상태로 되어 있는 예를 나타내고 있다.
동시 동작시키는 1차전지(30)의 개수는, 전기부하(13)에 요구되는 전력에 따라 결정된다. 복수의 1차전지(30)를 동시에 동작시킴으로써, 전기부하(13)에 충분한 전력을 공급할 수 있다. 동시에 동작시키는 1차전지(30)의 개수는, 제어장치(40) 내의 기억장치(41)에 기억되어 있다. 전기부하(13)에 요구되는 전력은, 예를 들면 무선 기지국마다 상이하다. 변형예에 의한 전원장치는, 기억장치(41)에 기억시키는 값을 무선 기지국마다 설정하는 것이 가능하기 때문에, 다양한 규모의 무선 기지국에 적용하는 것이 가능하다.
복수의 1차전지(30)를 동시에 동작시키는 경우, 제어장치(40)는, 동작 상태의 1차전지(30)의 각각의 단자간 전압을, 독립적으로 감시한다. 동작 상태가 된 1차전지(30) 중 적어도 1개의 1차전지(30)가 동작 불량으로 판정된 경우에는, 동작 불량으로 판정된 1차전지(30)의 개수와 동일한 개수의 다른 1차전지(30)를 동작 상태로 한다. 이로써, 버스라인(22)(도 3)의 전압(v1)의 과도한 저하를 억제할 수 있다.
[실시예 2]
도 12에, 실시예 2에 의한 1차전지의 개략도를 나타낸다. 이하, 도 2에 나타낸 실시예 1과의 상이점에 대하여 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 중량계(55)가, 양극 집전체(32), 음극 집전체(33), 음극 활물질(34), 및 세퍼레이터(36)의 중량을 계측한다. 리저버탱크(51), 개폐밸브(52), 및 전해질수용실(53)은, 기대(基台) 등에 고정되어 있기 때문에, 이들의 중량은 중량계(55)로 계측되지 않는다. 계측결과가 제어장치(40)에 입력된다. 세퍼레이터(36) 내에 전해액이 주입되면, 중량계(55)로 계측되는 중량이 증가한다. 중량의 증가에 의하여, 전해액의 주입량을 추정할 수 있다. 전해액이 세퍼레이터(36) 내에 정상적으로 주입되고 있을 때의 중량의 증가 경향이, 제어장치(40)에 기억되어 있다. 중량계(55)로 계측된 중량의 증가 경향과, 미리 기억되어 있는 정상 시의 중량의 증가 경향을 비교함으로써, 전해액의 주입이 정상적으로 행하여지고 있는지 아닌지를 검출할 수 있다.
제어장치(40)는, 도 10에 나타낸 시각(t1) 이후의 중량계(55)에 의한 계측결과를 감시한다. 중량계(55)에 의하여 계측된 중량의 증가 경향이 정상 범위를 일탈하고 있을 때, 전해액이 세퍼레이터(36) 내에 정상적으로 주입되고 있지 않다고 판단된다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 중량계(55)로 중량을 계측하는 대신에, 전해액의 주입 경로에 유량계(56)를 삽입하여도 된다. 유량계(56)의 계측결과가 제어장치(40)에 입력된다. 유량계(56)로 전해액의 유량을 계측함으로써, 전해액이 세퍼레이터(36) 내에 정상적으로 주입되고 있는지 아닌지를 판정할 수 있다.
상술과 같이, 중량계(55), 유량계(56) 등으로 전해액의 주입 상태를 감시함으로써, 동작 상태가 된 1차전지(30)의 동작의 불량 여부를 판정할 수 있다. 실시예 1에서 채용한 1차전지(30)의 단자간 전압에 근거하는 동작의 불량 여부의 판정과, 실시예 2에서 채용한 전해액의 주입 상태에 근거하는 동작의 불량 여부의 판정을 병용하여도 된다.
[실시예 3]
다음으로, 실시예 3에 의한 전원장치에 대하여 설명한다. 실시예 3에 의한 전원장치의 블록도는, 도 1에 나타낸 실시예 1에 의한 전원장치의 블록도와 동일하다. 실시예 1에서는, 상용전원(12)으로부터 전력이 공급되고 있는 기간은, 축전장치(25)가 만충전 상태로 유지되어 있었지만, 반드시 만충전으로 해 둘 필요는 없다. 축전장치(25)에는, 정전이 발생하였을 때, 1차전지(30)가 동작을 개시할 때까지의 기간에 필요로 하는 전기 에너지가 축전되어 있으면 된다.
실시예 1에서는, 축전장치(25)로서, 정전이 발생하였을 때, 1차전지(30)가 동작을 개시할 때까지의 기간에 필요로 하는 전기 에너지를 축적 가능한 소용량의 것을 이용하였다. 실시예 3에서 이용되는 축전장치(25)는, 실시예 1에서 이용되고 있는 축전장치(25)의 용량보다 큰 용량을 가진다. 이로 인하여, 축전장치(25)를 만충전 상태로 유지하지 않아도, 충분한 전기 에너지를 축적할 수 있다.
제어장치(40)가 축전장치(25)의 충전 상태(SOC)를 감시하여, 충전 상태가 기준치보다 저하되면, 스위칭소자(26)를 온으로 함으로써, 축전장치(25)를 충전한다. 충전 상태가 기준치 이상까지 회복되면, 제어장치(40)가 스위칭소자(26)를 오프로 한다. 이와 같이, 백업에 필요한 충전 상태가 유지되도록, 제어장치(40)가 축전장치(25)의 충전을 제어한다.
실시예 3에 있어서는, 실시예 1의 축전장치(25)보다 큰 용량의 축전장치(25)를 이용하고 있지만, 축전장치(25)를 만충전으로 하지 않음으로써, 실시예 1과 마찬가지로, 자기방전에 의한 전력소비를 저감시킬 수 있다.
이상 실시예를 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이들에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 다양한 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명한 것이다.
10: 입력단자 11: 출력단자
12: 상용전원 13: 전기부하
20: AC-DC컨버터 21: 전력수송회로
22: 버스라인 23: 다이오드
24: 전압계 25: 축전장치
26: 스위칭소자 27: 전압계
30: 1차전지 31: 스위칭소자
32: 양극 집전체 33: 음극 집전체
34: 음극 활물질 35: 전해액
36: 세퍼레이터 37: 출력단자
38: 전압계 40: 제어장치
41: 기억장치 50: 전해액주입구
51: 리저버탱크 52: 개폐밸브
53: 전해질수용실 55: 중량계
56: 유량계

Claims (8)

  1. 상용전원으로부터의 전력이 공급되는 입력단자와,
    전기부하가 접속되는 출력단자와,
    상기 입력단자로부터 공급된 전력에 의하여 충전됨과 함께, 상기 출력단자에 전력을 공급하는 축전장치와,
    1차전지와,
    상기 입력단자에 인가되고 있는 상용전원의 전압, 및 상기 축전장치의 충전 상태를 감시하여, 상기 상용전원의 전압이 규정 전압치 이하가 되고, 또한 상기 축전장치의 충전 상태가 규정치 이하가 된 것을 검출하면, 상기 1차전지의 출력을 상기 출력단자에 공급하는 제어장치를 가지는 전원장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차전지는, 금속공기전지인 전원장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 1차전지는, 음극 활물질과 전해액이 분리된 대기 상태로 되어 있으며,
    상기 제어장치는, 상기 상용전원의 전압이 규정 전압치 이하가 되고, 또한 상기 축전장치의 충전 상태가 규정치 이하가 된 것을 검출하면, 상기 1차전지의 전해액을 상기 음극 활물질에 접촉시킴으로써 상기 1차전지의 출력을 상기 출력단자에 공급하는 전원장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 1차전지 이외에, 복수의 다른 1차전지를 더욱 가지고,
    상기 제어장치는, 상기 출력단자에 접속되어 있는 전기부하에 요구되는 전력에 따른 개수의 상기 1차전지의 출력을, 상기 출력단자에 공급하는 전원장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차전지 이외에, 복수의 다른 1차전지를 더욱 가지고,
    상기 제어장치는, 상기 축전장치의 충전 상태의 감시결과에 근거하여, 상기 복수의 1차전지 중 적어도 1개의 1차전지를, 상기 출력단자에 전력공급 가능한 동작 상태로 하고, 또한, 동작 상태가 된 상기 1차전지의 동작의 불량 여부를 판정하여, 동작 상태가 불량인 경우, 동작 상태가 되어 있지 않은 다른 1차전지를 동작 상태로 하는 전원장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 동작 상태가 된 상기 1차전지의 단자간 전압을 계측하고, 단자간 전압의 계측결과에 근거하여, 동작 상태가 된 상기 1차전지의 동작 상태의 불량 여부를 판정하는 전원장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 1차전지는 금속공기전지이며, 동작 상태로 되기 전, 음극 활물질과 전해액이 분리된 대기 상태로 되어 있으며,
    상기 제어장치는, 상기 1차전지의 전해액을 상기 음극 활물질이 수용된 공간에 주입함으로써 상기 1차전지를 동작 상태로 하고, 상기 전해액의 주입 상태를 감시함으로써, 상기 1차전지의 동작 상태의 불량 여부를 판정하는 전원장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 1차전지의 각각은, 스위칭소자를 통하여 상기 출력단자에 접속되어 있으며,
    대기 상태의 상기 1차전지에 접속되어 있는 상기 스위칭소자는 오프 상태이고, 상기 제어장치는, 동작 상태로 한 상기 1차전지에 접속되어 있는 상기 스위칭소자를 온으로 하는 전원장치.
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