WO2022004109A1

WO2022004109A1 - バックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法

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Publication number: WO2022004109A1
Application number: PCT/JP2021/016585
Authority: WO
Inventors: 克彦玉木; 恭行勝部; 尚章近田
Original assignee: Fdk株式会社
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-01-06
Also published as: CA3184304A1; EP4175118A4; EP4175118A1; JP2022011203A; US20230246478A1

Abstract

マイコン制御により効率的な給電を行うバックアップ電源装置を提供する。バックアップ電源装置１は、所定電圧の電力を生成する整流器２によって充電され、整流器２の電力により動作する負荷装置３に対し供給電力が不足するときに給電する。バックアップ電源装置１は、整流器からの電力により充電される２次電池１２と、２次電池の充放電を制御する制御部１５と、整流器からの出力電圧を検出する入出力電圧検出部１８と、を備える。制御部は、出力電圧が第１閾値電圧以下に低下したとき、２次電池の充電を停止したり、又は、２次電池の充電電流を減らす。

Description

バックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法

　本発明は、バックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法に関する。

　蓄電池を用いたバックアップ装置を必要とする分野において、従来から蓄電池とそれに合わせた整流器が用いられている。また、蓄電池として、鉛電池が広く用いられている。

　整流器の許容電力に余裕がなく、負荷装置に瞬間的に大きな電流が流れる場合、整流器に対しては過負荷となって整流器の出力電圧が瞬間的に低下する場合がある。整流器が過負荷により出力電圧を下げると、負荷装置の異常や、遮断機での低電圧の発生として検出されることがある。

　そこで、整流器の出力電力が低下したときに、鉛電池を負荷装置に接続して放電させることにより負荷装置の動作を継続させていた。

　近年、バックアップ電源として、鉛電池に代えて、軽量、且つコンパクトで長寿命な電池が用いられる傾向にある。また、このような電池は、高機能な制御を行うために制御基板を搭載しており、マイコン等による制御を必要としている。

　本発明の目的は、マイコン制御により効率的な給電を行うバックアップ電源装置及びその制御方法を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明の第１の態様のバックアップ電源装置は、所定電圧の電力を生成する整流器によって充電されると共に、前記整流器からの給電により動作する負荷装置に対し前記整流器から前記負荷装置への供給電力が不足するときに給電するバックアップ電源装置であって、前記整流器からの電力により充電される２次電池と、前記２次電池の充放電を制御する制御部と、前記整流器からの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、を備え、前記制御部は、前記出力電圧が前記所定電圧より低い第１閾値電圧以下に低下したとき、前記２次電池を充電する充電電流の低減と、前記２次電池の充電の停止との少なくとも一方を行う、ことを特徴とする。

　本発明の第２の態様のバックアップ電源装置は、所定電圧の電力を生成する整流器によって充電されると共に、前記整流器からの給電により動作する負荷装置に対し前記整流器から前記負荷装置への供給電力が不足するときに給電するバックアップ電源装置であって、前記整流器からの電力により充電される２次電池と、前記２次電池の充放電を制御する制御部と、前記整流器からの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記２次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出部と、を備え、前記制御部は、前記出力電圧が前記所定電圧より低い第３閾値電圧以下に低下し、且つ前記出力電圧が前記電池電圧より低いとき、前記２次電池から前記負荷装置に対して第１時間に亘り放電させ、前記第１時間の経過後に、前記出力電圧が前記所定電圧に復帰しているときは、前記２次電池から前記負荷装置への放電を停止する、ことを特徴とする。

　本発明の第３の態様の方法は、所定電圧の電力を生成する整流器からの給電により動作する負荷装置に対し前記整流器から前記負荷装置への供給電力が不足するときに給電するバックアップ電源装置を制御する方法であって、前記バックアップ電源装置を前記整流器により充電する工程と、前記整流器からの出力電圧が前記所定電圧より低い第１閾値電圧以下に低下したとき、前記バックアップ電源装置の充電を停止する工程とを有する、ことを特徴とする。

　本発明の第４の態様の方法は、所定電圧の電力を生成する整流器によって充電されると共に、前記整流器からの給電により動作する負荷装置に対し前記整流器から前記負荷装置への供給電力が不足するときに給電するバックアップ電源装置を制御する方法であって、前記整流器からの出力電圧が前記所定電圧より低い第３閾値電圧以下に低下したときに、前記バックアップ電源装置の出力電圧が前記整流器からの出力電圧よりも高いことを条件に、前記バックアップ電源装置から前記負荷装置に第１期間に亘り給電する工程を有する、ことを特徴とする。

　本発明によれば、バックアップ電源装置において、整流器からの給電により動作する負荷装置に対し、整流器から負荷装置への供給電力が不足したとき、当該供給電力の不足電力を、２次電池からの放電により迅速に供給し、負荷装置の動作を継続することができる。

一実施形態に係るバックアップ電源装置の回路図である。バックアップ電源装置の入出力部での電圧の時間変化を示すグラフである。バックアップ電源装置の入出力部での電圧の時間変化を示すグラフである。バックアップ電源装置の入出力部での電圧の時間変化を示すグラフである。バックアップ電源装置の入出力部での電圧の時間変化を示すグラフである。

　本発明の一実施形態に係るバックアップ電源装置１を、図１を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

＜バックアップ電源装置の構成＞
　図１に示すように、バックアップ電源装置１は、整流器２と負荷装置３とを電気的に接続する電源ラインＬに接続される。整流器２は、外部の商用電力を利用して通常電圧Ｖ_０の直流電力を生成して出力するＡＣ－ＤＣコンバータである。本実施形態において、電圧Ｖ_０は２６．２Ｖ～２８．８Ｖである。負荷装置３は、整流器２から給電されて動作する装置である。本実施形態では、負荷装置３は、例えば踏切装置においては、踏切に設置された遮断器からなり、列車の運行に応じて遮断器に取り付けられた竿を開閉する。負荷装置３は、定格電圧が２４Ｖである。

　バックアップ電源装置１は、入出力部１１と、２次電池１２と、ＤＣ－ＤＣコンバータ１３と、定電流制御回路１４と、制御部１５とを備える。入出力部１１は、整流器２から負荷装置３へ電力を供給する電源ラインＬに接続される。バックアップ電源装置１が充電されるときは、整流器２からの出力電圧が入出力部１１に印加される。一方、バックアップ電源装置１がバックアップ電源として負荷装置３に給電するときは、２次電池１２の電池電圧Ｖ_ｂが入出力部１１の電圧になる。

　２次電池１２は、ニッケル水素二次電池セル等のアルカリ二次電池セルの複数個を直列や並列に接続することにより構成される。本実施形態では、２次電池１２は、２０個のアルカリ二次電池セルが直列接続され、充電容量に応じて２０．０～２８．８Ｖの電池電圧Ｖｂの電力を放電する。

　ＤＣ－ＤＣコンバータ１３は、整流器２の出力電圧Ｖ_０を２次電池１２の満充電可能となる電圧まで昇圧して、定電流制御回路１４を介して２次電池１２に向けて出力する昇圧型電圧変換器である。

　定電流制御回路１４と２次電池１２の一方の電極との間には、２次電池１２の充電をオン・オフする充電スイッチ１６が設けられている。一方、２次電池１２の他方の電極と入出力部１１との間には、２次電池１２の放電をオン・オフする放電スイッチ１７が設けられている。なお、放電スイッチ１７と入出力部１１との間には、ダイオードＤが挿入され、アノードが２次電池１２の他方の電極に接続され、カソードが入出力部１１に接続されている。

　制御部１５は、マイコンからなり、入出力部１１における電圧Ｖ_ｉを検出する入出力電圧検出部１８と、２次電池１２の電池電圧Ｖ_ｂを検出する電池電圧検出部１９とを備える。制御部１５は、入出力部１１における電圧Ｖ_ｉと、２次電池１２の電池電圧Ｖ_ｂとに基づき、充電スイッチ１６及び放電スイッチ１７のオン・オフを制御する。入出力部１１における電圧Ｖ_ｉは、整流器２の出力電圧Ｖ_０と等しいので、制御部１５が、入出力部１１の電圧Ｖ_ｉを監視することによって、バックアップ電源装置１は、整流器２や負荷装置３の動作状態を把握することができる。

＜バックアップ電源装置の動作＞
（１）バックアップ電源装置の充電停止
　バックアップ電源装置１の動作について、図２から図５を参照して説明する。

　最初に、図２を参照して、バックアップ電源装置１の充電停止動作について説明する。
　図２は、バックアップ電源装置１の入出力部１１における電圧Ｖ_ｉの時間変化を示す。図２において、電圧Ｖ_０は、整流器２が正常に動作しているときに出力する電圧値、電圧Ｖ_ｃは、第１閾値電圧又は第４閾値電圧として、制御部１５が充電スイッチ１６をオフにして２次電池１２の充電を停止する電圧値である。電圧Ｖ_ｓは、制御部１５が整流器２の状態を停電と判断する電圧値であり、Ｖ_ｃより低い電圧である。また、電圧Ｖ_ｒは、第２閾値電圧として、２次電池１２の充電再開の基準となる電圧値であり、電圧Ｖ_ｃよりも高く設定される。なお、電圧Ｖ_ｃ，Ｖ_ｓのいずれも電圧Ｖ_０よりは低い電圧である。本実施形態では、Ｖ_ｃは２４Ｖ、Ｖ_ｓは２３Ｖ、Ｖ_ｒは２４．５Ｖに設定される。

　図２において、時刻ｔ_０にて、整流器２から負荷装置３への給電が正常に行われている場合、バックアップ電源装置１の入出力部１１の電圧Ｖ_ｉは電圧Ｖ_０と等しい。このとき、バックアップ電源装置１では、制御部１５により充電スイッチ１６がオンにされて整流器２からの電力により２次電池１２の充電が行われる。一方、制御部１５は放電スイッチ１７をオフにして、２次電池１２を放電させず、将来の放電に備える。

　次に、時刻ｔ_１において、例えば踏切装置の場合で言えば、遮断器の竿を上昇させるためなど、負荷装置３に最大電流が流れて整流器２にとって過負荷になると、電圧Ｖ_ｉは低下し始める。時刻ｔ_２において、整流器２の出力電圧がＶ_ｃより下がると、制御部１５は、充電スイッチ１６をオフにして２次電池１２の充電を停止する。しかし、時刻ｔ_２の後竿が上がりきるなどして負荷装置３を流れる電流が通常に戻ると、電圧Ｖ_ｉは、整流器２の停電発生と判断される電圧Ｖ_ｓまで低下する前に増加に転じ、時刻ｔ_３にて電圧Ｖ_ｒまで増加し、やがて電圧Ｖ_０に復帰する。そして、時刻ｔ_３から例えば３０秒が経過した時刻ｔ_４にて制御部１５は充電スイッチ１６をオンに切り換えて２次電池１２の充電を再開する。

　このように、整流器２への過負荷により出力電圧Ｖ_ｉが不意に低下した場合に、負荷装置３への供給電力を増やすために、時刻ｔ_２から時刻ｔ_４までの期間、バックアップ電源装置１の充電を停止するので、整流器２は、時刻ｔ_２から時刻ｔ_４までの間にバックアップ電源装置１に供給する予定の電力を、バックアップ電源装置１に代えて、負荷装置３に供給することができる。このようなバックアップ電源装置１の動作により、整流器２は、過負荷状態を短時間で解消することができる。すなわち、バックアップ電源装置１の充電を短時間停止することで、整流器２の過負荷を解消するとともに、負荷装置３の動作を継続させることができる。

　なお、時刻ｔ_３から例えば３０秒の経過を待って２次電池１２の充電を再開するのは、整流器２での異常の発生を避けるためである。また、図２に示す実施形態では、整流器２の出力電圧がＶ_ｃより下がったときに、制御部１５は、２次電池１２の充電を停止した。
　しかし、他の実施形態では、整流器２の出力電圧がＶ_ｃより下がったときに、２次電池１２の充電のために２次電池１２に流す電流量を減らして、その分の電力を負荷装置３に供給することもできる。

（２）バックアップ電源装置の放電
　次に、バックアップ電源装置１の放電制御について図３から図５を参照して説明する。
　図３は、バックアップ電源装置１の入出力部１１における電圧Ｖ_ｉの時間変化を示す。図３において、電圧Ｖ_０は、整流器２が正常に動作しているときに出力する電圧、電圧Ｖ_ｓは第３閾値電圧として、制御部１５が整流器２の状態を停電と判断する電圧であり、Ｖ_０より低い。本実施形態では、Ｖ_ｓは２３Ｖである。

　図３において、時刻ｔ_０にて、整流器２から負荷装置３への給電が正常に行われている場合、バックアップ電源装置１の入出力部１１の電圧Ｖ_ｉは電圧Ｖ_０と等しくなる。このとき、バックアップ電源装置１では、制御部１５は、充電スイッチ１６をオンにして整流器２からの電力により２次電池１２の充電を行っている。一方、制御部１５は、放電スイッチ１７をオフにして２次電池１２を放電させず、将来の放電に備える。

　次に、時刻ｔ₁₁において、例えば踏切装置の場合で言えば、遮断器の竿を上昇させるなど、負荷装置３に最大電流が流れて整流器２にとって過負荷になると、電圧Ｖ_ｉは低下し始める。さらに、時刻ｔ₁₂にて電圧Ｖ_ｉが電圧Ｖ_ｓまで低下すると、制御部１５は、整流器２に停電が発生したと判断し、時刻ｔ₁₂から２００マイクロ秒後の時刻ｔ₁₃に、2次電池１２の電池電圧Ｖ_ｂがＶ_ｉよりも高いことを確認したうえで、放電スイッチ１７をオフからオンに切り換えて２次電池１２の放電を開始し、バックアップ電源装置１から負荷装置３への給電を開始する。従って、時刻ｔ₁₃から時刻ｔ₁₄までの１０秒間、バックアップ電源装置１から負荷装置３へ、２次電池１２の放電による給電が行われる。従って、時刻ｔ₁₃から時刻ｔ₁₄までの１０秒間、入出力部１１の電圧Ｖ_ｉは２次電池１２の電池電圧Ｖ_ｂと等しくなる。

　時刻ｔ₁₄にて、制御部１５は、放電スイッチ１７をオフにして整流器２の出力電圧を検出する。時刻ｔ₁₄における整流器２の出力電圧がＶ_０に復帰していれば、制御部１５は、時刻ｔ₁₄以降、放電スイッチ１７のオフを継続して２次電池１２からの放電を停止する。
　従って、バックアップ電源装置１から負荷装置３への給電は行われず、負荷装置３への入力は整流器２からの電力のみになるので、入出力部１１の電圧Ｖ_ｉは、整流器２の出力電圧Ｖ_０と等しくなる。

　このように、時刻ｔ₁₁から時刻ｔ₁₄までの間に、整流器２に過負荷が生じた場合、時刻ｔ₁₃から時刻ｔ₁₄までの間にバックアップ電源装置１から負荷装置３に対して給電して、整流器２から負荷装置３への電力不足を補うことで、負荷装置３の動作を継続させることができる。

　一方、図４に示すように、時刻ｔ₁₄にて、検出された整流器２の出力電力が依然として電圧Ｖ_ｓ以下の場合、時刻ｔ₁₄から２００マイクロ秒後の時刻ｔ₁₅に、制御部１５は、電池電圧Ｖ_ｂが電圧Ｖ_ｉよりも高いことを確認したうえで、放電スイッチ１７をオフからオンに切替えて２次電池１２の放電を開始して負荷装置３への給電を再開する。従って、時刻ｔ₁₅から時刻ｔ₁₆までの１０秒間、バックアップ電源装置１から負荷装置３へ、２次電池１２の放電による給電が行われる。これにより、時刻ｔ₁₅から時刻ｔ₁₆までの１０秒間、入出力部１１の電圧Ｖ_ｉは２次電池１２の電池電圧Ｖ_ｂと等しくなる。

　時刻ｔ₁₆にて、制御部１５は、放電スイッチ１７をオフにして整流器２の出力電圧を検出する。時刻ｔ₁₆における整流器２の出力電圧がＶ_０に復帰していれば、制御部１５は、時刻ｔ₁₆以降、放電スイッチ１７のオフを継続して２次電池１２からの放電を停止する。
　従って、バックアップ電源装置１から負荷装置３への給電は行われず、負荷装置３への入力は整流器２からの電力のみになるので、入出力部１１の電圧Ｖ_ｉは、整流器２の出力電圧Ｖ_０と等しくなる。

　このように、バックアップ電源装置１からの最初の１０秒間の負荷装置３への給電によっても整流器２の過負荷状態が改善しなかった場合、バックアップ電源装置１からの給電期間を延長することによって、負荷装置３の動作を継続させることができる。

　一方、図５に示すように、時刻ｔ₁₆にて、検出された整流器２の出力電力が依然として電圧Ｖ_ｓ以下の場合、制御部１５は、整流器２若しくは負荷装置３、又はその両方に数十秒程度では正常に復帰しえない障害が発生したと判断し、時刻ｔ₁₆から２００マイクロ秒後の時刻ｔ₁₇に、放電スイッチ１７をオフからオンに切替えて２次電池１２から放電を再開して、バックアップ電源装置１から負荷装置３に給電する。この状態では、入出力部１１での電圧がＶ_ｓ以下となる期間が２０秒以上と長期にわたることから、時刻ｔ₁₇以降は、入出力部１１での電圧Ｖ_ｉが電池電圧Ｖ_ｂを上回るまでバックアップ電源装置１から負荷装置３への給電を継続する。従って、整流器の出力電圧の長期にわたる低下にも拘わらず、負荷装置３の動作の継続が可能になる。

　時刻ｔ₁₇以降の入出力部１１の電圧Ｖ_ｉは２次電池１２の電池電圧Ｖ_ｂと等しくなる。

　なお、バックアップ電源装置１から負荷装置３への給電が行われている間は、整流器２の電力によるバックアップ電源装置１内の２次電池１２の充電は停止して、バックアップ電源装置１の充電に用いられる電力も負荷装置３に供給しても良い。

　このように、整流器２に過負荷状態が発生したときは、バックアップ電源装置１の充電を停止して整流器２が出力する電力の全てを負荷装置３に供給して、負荷装置３の動作を継続させる。さらなる整流器２の出力電圧の低下が発生したときは、バックアップ電源装置１からも負荷装置３に給電することによって、負荷装置３の電力不足を補い、負荷装置３の動作を継続させる。

　　１　　バックアップ電源装置
　　２　　整流器
　　３　　負荷装置
　１２　　２次電池
　１５　　制御部
　１８　　入出力電圧検出部
　１９　　電池電圧検出部

Claims

　所定電圧の電力を生成する整流器によって充電されると共に、前記整流器からの給電により動作する負荷装置に対し前記整流器から前記負荷装置への供給電力が不足するときに給電するバックアップ電源装置であって、
　前記整流器からの電力により充電される２次電池と、
　前記２次電池の充放電を制御する制御部と、
　前記整流器からの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、を備え、
　前記制御部は、前記出力電圧が前記所定電圧より低い第１閾値電圧以下に低下したとき、前記２次電池を充電する充電電流の低減と、前記２次電池の充電の停止との少なくとも一方を行う、ことを特徴とするバックアップ電源装置。
　前記制御部は、前記第１閾値電圧以下に低下した前記出力電圧が、前記第１閾値電圧よりも高い第２閾値電圧に増加するまで、前記２次電池の充電停止を継続する、請求項１記載のバックアップ電源装置。
　所定電圧の電力を生成する整流器によって充電されると共に、前記整流器からの給電により動作する負荷装置に対し前記整流器から前記負荷装置への供給電力が不足するときに給電するバックアップ電源装置であって、
　前記整流器からの電力により充電される２次電池と、
　前記２次電池の充放電を制御する制御部と、
　前記整流器からの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
　前記２次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出部と、を備え、
　前記制御部は、
　　前記出力電圧が前記所定電圧より低い第３閾値電圧以下に低下し、且つ前記出力電圧が前記電池電圧より低いとき、前記２次電池から前記負荷装置に対して第１時間に亘り放電させ、
　　前記第１時間の経過後に、前記出力電圧が前記所定電圧に復帰しているときは、前記２次電池から前記負荷装置への放電を停止する、ことを特徴とするバックアップ電源装置。
　前記制御部は、
　　前記第１時間の経過後の前記出力電圧が前記第３閾値電圧よりも低く、且つ前記出力電圧が前記電池電圧より低いとき、前記２次電池から前記負荷装置に対して第２時間に亘り放電させ、
　　前記第２時間の経過後に、前記出力電圧が前記所定電圧に復帰しているときは、前記２次電池から前記負荷装置への放電を停止する、請求項３記載のバックアップ電源装置。
　前記制御部は、前記第２時間の経過後の前記出力電圧が前記第３閾値電圧よりも低いとき、前記２次電池から前記負荷装置に対して放電させ、前記２次電池から前記負荷装置への放電は、前記電池電圧が前記出力電圧以下になるまで継続する、請求項４に記載のバックアップ電源装置。
　前記制御部は、前記出力電圧が、前記所定電圧より低く且つ前記第３閾値電圧より高い第４閾値電圧以下に低下したとき、前記２次電池の充電を停止し、前記出力電圧が前記所定電圧に復帰するまで、前記２次電池の充電停止を継続する、請求項３から５のいずれか一に記載のバックアップ電源装置。
　所定電圧の電力を生成する整流器からの給電により動作する負荷装置に対し、前記整流器から前記負荷装置への供給電力が不足するときに給電するバックアップ電源装置を制御する方法であって、
　前記バックアップ電源装置を前記整流器により充電する工程と、
　前記整流器からの出力電圧が前記所定電圧より低い第１閾値電圧以下に低下したとき、前記バックアップ電源装置の充電を停止する工程と
を有する、ことを特徴とする方法。
　前記停止工程の後、前記出力電圧が前記第１閾値電圧よりも高く且つ前記所定電圧よりも低い第２閾値電圧に増加するまで、前記バックアップ電源装置の充電停止を継続する工程を有する、請求項７記載の方法。
　所定電圧の電力を生成する整流器によって充電されると共に、前記整流器からの給電により動作する負荷装置に対し前記整流器から前記負荷装置への供給電力が不足するときに給電するバックアップ電源装置を制御する方法であって、
　前記整流器からの出力電圧が前記所定電圧より低い第３閾値電圧以下に低下したときに、前記バックアップ電源装置の出力電圧が前記整流器からの出力電圧よりも高いことを条件に、前記バックアップ電源装置から前記負荷装置に第１期間に亘り給電する工程を有する、ことを特徴とする方法。
　前記第１期間の給電工程の後、前記整流器の出力電圧が、前記第３閾値電圧よりも低く且つ前記バックアップ電源装置の出力電圧よりも低い場合、第２期間に亘り前記バックアップ電源装置から前記負荷装置に給電する工程をさらに有する、請求項９記載の方法。