(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流入力電源が正常時は、交流電力を直流電力に変換しかつ直流電力を交流電力に変換する電力変換器を介して負荷に交流電力を供給すると共にバッテリを充電し、前記交流入力電源が停電時は前記電力変換器を介して前記バッテリの放電電力を前記負荷に対して供給停止可能にするバッテリ充放電回路を有する無停電電源装置において、
前記バッテリの放電電圧を検出する放電電圧検出手段と、
前記バッテリの充電時間を計測する充電時間計測手段と、
前記バッテリの放電時間を計測する放電時間計測手段と、
前記バッテリの放電時間に対する放電終止電圧を換算可能で、正味の放電時間を入力することで、この正味の放電時間に対する放電終止電圧を出力する放電終止電圧換算手段と、
前記充電時間計測手段の出力である計測充電時間及び前記放電時間計測手段の出力である計測放電時間を入力し、満充電に要する時間から前記計測充電時間を引いて満充電に必要だった時間を得て、この時間を放電時間相当に換算し、前記計測放電時間を加えることで前記正味の放電時間を得、前記正味の放電時間を、前記バッテリが満充電状態から放電した時間に相当するものとして前記放電終止電圧換算手段の正味の放電時間として入力する充放電時間換算器と、
前記放電終止電圧換算手段の出力である放電終止電圧と、前記放電電圧検出手段で検出した検出放電電圧を比較し、前記検出放電電圧が前記放電終止電圧以下のとき、前記バッテリに対して放電停止するための放電停止指令を出力する比較手段と、
を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流入力電源の停電時にはバッテリに蓄積されたエネルギを放電し、交流入力電源の復電時には前記バッテリを充電する無停電電源装置に係り、特にバッテリ放電電流の大小に関わらず、バッテリからの放電エネルギをなるべく一定値に保つことができる無停電電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、コンピュータ等の重要負荷に交流電力を安定的に供給するための電源装置として、無停電電源装置が開示されている。これは、交流入力電源の停電時にはバッテリに蓄積されたエネルギを放電し、この放電エネルギを負荷に供給して交流入力電源の停電時でも常に電力を供給できるようにしたものである。なお、交流入力電源の復電時（正常時）にはバッテリを充電するようになっている。
【０００３】
このような構成の無停電電源装置にあっては、バッテリが常に正常で、その寿命が長く維持できるように管理することは重要なことである。
【０００４】
以下この点について、考慮されている従来の無停電電源装置について、図５から図７を参照して説明する。
【０００５】
図５は、従来の無停電電源装置の第１の例を説明するための概略構成図であり、バッテリ２０の放電電圧を電圧検出器１２により検出し、この検出電圧と放電終止電圧設定器５５で定める放電終止電圧を比較器５０で比較し、比較器５０の出力である、チョッパゲート信号６０を昇降圧チョッパ８に与えるように構成したものである。
【０００６】
図５において、交流入力電源３１の停電時はコンバータ３が停止し、昇降圧チョッパ８は放電動作になりバッテリ２０を放電する。そして、放電が進行するにつれバッテリ２０の放電電圧が徐々に低下し、この放電電圧を電圧検出器１２により検出し、この検出電圧が放電終止電圧設定器５５で定める放電終止電圧を下回り、比較器５０の出力であるチョッパゲート信号６０が１から０に変わって昇降圧チョッパ８が放電動作を停止する。
【０００７】
ここで、放電終止電圧とは、放電にあたりバッテリ２０が許容できる最低電圧のことで、その値は放電電流（放電の時間率）によらず一定値であることがもっぱらであった。
【０００８】
なお、図５には、以上述べた構成以外に、交流入力電源３１と負荷３２の間に、無停電電源装置の主たる構成である、入力スイッチ１、入力フィルタ２、交流電力を直流電力に変換するコンバータ３、直流電解コンデンサ４、直流電力を交流電力に変換するインバータ５、出力フィルタ６が接続され、これらの入力フィルタ２、コンバータ３、直流電解コンデンサ４、インバータ５、出力フィルタ６の直列回路に並列にバイパススイッチ７が接続され、また昇降圧チョッパ８とバッテリ２０との間に、直流リアクトル９が接続されている。
【０００９】
図６は、従来の無停電電源装置の第２の例を説明するための概略構成図であり、これは無停電電源装置の主たる構成は図５と同じであるが、図５の放電終止電圧設定器５５の代りに、負荷３２に入力される電流を検出する出力電流センサ１０と、出力電流センサ１０の検出電流を入力することでこれに対応する放電終止電圧を出力する放電終止電圧調整器５６とを設けたものである。
【００１０】
図６において、交流入力電源３１の停電時の基本的動作は図５と同じである。図６で無停電電源装置の出力電流が低い場合はバッテリ２０の放電電流も低くなる。一般にバッテリは放電電流が低いとその電圧の低下が遅くなり、放電終止までの間にバッテリから取り出せるエネルギ（バッテリ電圧×放電電流×放電時間）が大きい深放電状態になる。この場合バッテリ２０は回復充電に時間がかかるか、最悪は回復充電ができないほどのダメージを受けることがある。放電電流が無停電電源装置の出力電流に概ね比例することから、出力電流センサ１０で無停電電源装置の出力電流を検出し、放電終止電圧調整器５６で出力電流が低いときほどバッテリ２０の放電終止電圧を高く設定し、出力電流の大小によらずバッテリ２０から取り出せるエネルギをなるべく一定にすることによって深放電状態を回避できる。
【００１１】
図７は、従来の無停電電源装置の第３の例を説明するための概略構成図であり、バッテリ２０の電流を検出するバッテリ電流センサ１１の出力と、電圧検出器１２により検出したバッテリ検出電圧とを放電電力積算器５７に入力し、放電電力積算器５７で演算した放電電力と放電終止エネルギ設定器５８とを比較器５０で比較し、この比較結果を昇降圧チョッパ８に与えるように構成したものである。
【００１２】
図７において、交流入力電源３１の停電時の基本的動作は図５や図６と同じである。図７では無停電電源装置の出力電流の大小に関わらず、放電電力積算器５７によって、バッテリ２０とバッテリ電流センサ１１で得られたバッテリ電流の積を時間積算することによって放電エネルギを算出できる。これを放電終止エネルギ設定器５８が指定する許容放電エネルギと比較器５０で比較した結果、放電エネルギが許容値を上回ればバッテリ２０の放電を停止することができて、出力電流の大小によらずバッテリ２０から取り出せるエネルギをなるべく一定にすることによって深放電状態を回避できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−１０９６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図５に示す従来例は、放電終止電圧を一定値に設定した、いわゆる一次元管理の無停電電源装置であり、これにあっては次のような問題点がある。すなわち、バッテリ２０の放電終止電圧を一律に放電中のバッテリ電圧の監視だけであるので、放電電流が小さい時（軽負荷時）に、放電終止までの間にバッテリ２０の放電エネルギが大きく深放電状態になるため、バッテリ２０の復電後の回復充電に時間がかかるか、最悪は回復充電ができないほどのダメージを受ける問題があった。
【００１５】
図６に示す従来例は、放電終止電圧を出力電流が低いほど放電終止電圧を高くした、いわゆる二次元管理の無停電電源装置であり、これにあっては次のような問題点がある。すなわち、出力電流の大小に応じてバッテリ２０の放電終止電圧を操作できるため、深放電が回避できる。出力電流センサ１０はインバータ５の過電流保護や過負荷保護などの目的で、無停電電源装置として元々具備されている場合が殆どなので、既存の構成要素を用いて深放電回避できる利点がある。しかし図６中の増設バッテリ２１が追加された場合のようにバッテリ２０が複数（例えば２〜５並列）個並列接続されると、該無停電電源装置の出力電流が定格電流近辺であっても、並列接続の各々のバッテリ２０にとっては放電電流が低くなり、結局バッテリ２０の放電エネルギが大きく深放電状態になる。従って、図６の従来例でも図５の従来例と同じ問題が完全には回避できない。
【００１６】
図７に示す従来例は、バッテリ電圧と放電終止電圧を比較するのではなく、バッテリ２０の放電電力を時間積算し、許容できる放電終止エネルギを超えた場含に放電を停止させる、いわゆる三次元管理の無停電電源装置であり、これにあっては次のような問題点がある。すなわち、常設のバッテリ２０のバンクに加え、増設バッテリ２１のバンクが並列接続されても、放電電流は分流されて、バッテリバンク毎の電流センサ１１はバッテリバンク１個分の放電電流を検出できるので、放電電力積算器５７もバッテリバンク１個分の放電エネルギを概算できる。従ってバッテリ２０のバンクないし増設バッテリ２１のバンクの深放電は本質的に回避できる。しかし、図７の従来例は、バッテリの並列数が例えば２〜５ある場合に各バッテリバンク毎に電流センサ１１を必要とし、また放電電力積算器５７は放電時間の経過と共に変化するバッテリバンクの電圧と電流を極めて短い時間間隔で積算演算しなければならないことから、制御回路には演算処理の負担が大きく、場合によってはプロセッサの追加を要する場合もある。
【００１７】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、負荷に供給される出力電流の大小やバッテリの並列接続構成によらず、既存の回路構成要素を利用して新たに追加する構成要素をあまり増やすことなく、バッテリの深放電をより確実に回避することができる無停電電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は前記目的を達成するために、請求項１に対応する発明は、交流入力電源が正常時は、交流電力を直流電力に変換しかつ直流電力を交流電力に変換する電力変換器を介して負荷に交流電力を供給すると共にバッテリを充電し、前記交流入力電源が停電時は前記電力変換器を介して前記バッテリの放電電力を前記負荷に対して供給停止可能にするバッテリ充放電回路を有する無停電電源装置において、
前記バッテリの放電電圧を検出する放電電圧検出手段と、
前記バッテリの充電時間を計測する充電時間計測手段と、
前記バッテリの放電時間を計測する放電時間計測手段と、
前記バッテリの放電時間に対する放電終止電圧を換算可能で、正味の放電時間を入力することで、この正味の放電時間に対する放電終止電圧を出力する放電終止電圧換算手段と、
前記充電時間計測手段の出力である計測充電時間及び前記放電時間計測手段の出力である計測放電時間を入力し、満充電に要する時間から前記計測充電時間を引いて満充電に必要だった時間を得て、この時間を放電時間相当に換算し、前記計測放電時間を加えることで前記正味の放電時間を得、前記正味の放電時間を、前記バッテリが満充電状態から放電した時間に相当するものとして前記放電終止電圧換算手段の正味の放電時間として入力する充放電時間換算器と、
前記放電終止電圧換算手段の出力である放電終止電圧と、前記放電電圧検出手段で検出した検出放電電圧を比較し、前記検出放電電圧が前記放電終止電圧以下のとき、前記バッテリに対して放電停止するための放電停止指令を出力する比較手段と、
を備えたことを特徴とする無停電電源装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、負荷に供給される出力電流の大小やバッテリの並列接続構成によらず、既存の回路構成要素を利用して新たに追加する構成要素をあまり増やすことなく、バッテリの深放電をより確実に回避することができる無停電電源装置を提供すること。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の無停電電源装置の実施形態１を説明するための概略構成図。
【図２】図１の要部を説明するための概略構成図。
【図３】本発明の無停電電源装置の実施形態２を説明するための概略構成図。
【図４】図３の要部を説明するための概略構成図。
【図５】従来の無停電電源装置の第１の例を説明するための概略構成図。
【図６】従来の無停電電源装置の第２の例を説明するための概略構成図。
【図７】従来の無停電電源装置の第３の例を説明するための概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の無停電電源装置の実施形態１について、図１及び図２を参照して説明するが、ここでは前述した図５〜図７と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２３】
交流入力電源３１が正常時は、交流電力を直流電力に変換しかつ直流電力を交流電力に変換する電力変換器（例えばコンバータ３とインバータ５と直流電解コンデンサを備えたもの）を介して負荷３２に交流電力を供給すると共にバッテリ２０を充電し、交流入力電源３１が停電時は電力変換器を介してバッテリ２０の放電電力を前記負荷に供給可能にするバッテリ充放電回路（例えば昇降圧チョッパ８及び直流リアクトル９を含む回路）を有する無停電電源装置において、次のようにしたものである。
【００２４】
すなわち、バッテリ２０の放電電圧を検出する放電電圧検出手段例えば放電電圧検出器１２と、バッテリ２０の放電時間を計測する放電時間計測手段例えば放電時間カウンタ５２と、バッテリ２０の放電時間に対する放電終止電圧を換算可能で、放電時間カウンタ５２で計測された放電時間を入力することで、この放電時間に対する放電終止電圧を出力する放電終止電圧換算手段例えば放電終止電圧換算器５１と、放電終止電圧換算器５１の出力である放電終止電圧と、放電電圧検出器１２で検出した検出放電電圧を比較し、前記検出放電電圧が所定値以下のとき、バッテリ２０に対して、具体的には昇降圧チョッパ８に放電停止するための放電停止指令例えばチョッパケート信号６０を出力する比較手段例えば比較器５０とを備えたものである。
【００２５】
放電終止電圧換算器５１は、種類の異なるバッテリを複数個それぞれ試験を行うか、又はシミュレーション或いは実際の装置におけるデータデータベース化して作成する。図１の放電終止電圧換算器５１は、その一例を示すもので、最初から所定時間までは、放電終止電圧は一定であり、その後放電時間が経過する毎に放電終止電圧は徐々に増加していくような特性となっている。実際に、この特性は、一次関数、二次関数の場合もある。
【００２６】
図２は、図１の実施形態と従来使用されている無停電電源装置の制御回路５００を説明するための概略図であり、次の構成を備えている。交流入力電源３１の入力電圧を検出する入力電圧検出回路５０１と、この検出電圧と停電検出レベル設定器５０３で設定した停電検出レベルとを比較器５０２で比較し、停電を検出している。この場合の停電検出ロジックは、「１」で交流入力電源３１は停電を示し、「０」で交流入力電源３１は正常を示している。制御回路５００内には基準クロックパルスを出力する水晶発信器５０４と、水晶発信器５０４からの基準クロックパルスに基き、バッテリ２０の保守診断のためにあるカウンタを放電時間カウンタ５２として利用し、比較器５０２の出力に基き放電開始タイミングはカウント開始のトリガとする。このように構成された放電時間カウンタ５２で計測される放電時間を放電終止電圧換算器５１に入力するようになっている。
【００２７】
本発明の実施形態１によれば下記の効果が得られる。交流入力電源３１が停電してバッテリ２０の放電が開始されると、放電時間カウンタ５２が放電時間を計測し、放電時間６１を放電終止電圧換算器５１に与える。一般に該無停電電源装置の制御回路にはマイコン等の時間計測可能な放電時間計測手段が予め具備されていることがもっぱらで、放電時間力ウンタ５２に相当する手段は簡単に実現できる。
【００２８】
負荷３２の電流が低い場合や、図６の増設バッテリ２１の追加などの理由でバッテリ２０の放電電流が低ければ、放電時間は長時間になるため、放電終止電圧換算器５１は徐々に放電終止電圧を高く設定してゆく。
【００２９】
これにより比較器５０は、従来の実施形態第１で示すような一定値の放電終止電圧よりも高い電圧で放電を停止させる信号を昇降圧チョッパ８に与える。
【００３０】
この結果バッテリ２０は、前述した第１及び第２の従来例よりも早めの時間でバッテリ２０の放電停止が行われる。この場合、バッテリ２０の、放電電圧×放電電流×放電時間の３者の積のうち、放電電圧×放電電流の積の部分を検出する手段のうち、図６に示す出力電流センサ１０とか、図７に示すバッテリ電流センサ１１がなくても、従来制御回路に必ず有するバックアップの保守診断のために有するカウンタを、放電時間カウンタ５２
として利用し、新たに追加する構成要素としては放電終止電圧換算器５１だけで、放電時間を適宜短縮できて、バッテリ２０の放電終止に至るまでの放電エネルギを概ね一定に保つことができる。従って、本発明の実施形態１によれば、図７に示す従来例のように三次元管理であり、バッテリ電流センサ１１や放電電力積算器５７のような構成要素を何ら必要とせず、図７と同様にバッテリ２０の深放電をより確実に回避でき、また、構成要素を少なくできることから製品のコストダウンを図る上でも有利となる。
【００３１】
次に、本発明の無停電電源装置の実施形態２について、図３及び図４を参照して説明する。既に説明した図５〜図７や実施形態１と同一の構成要素については、同一の符号をつけてその説明を省略する。
【００３２】
図３は、本発明の無停電電源装置の実施形態２を説明するための概略構成図であり、
ここでは実施形態１と同様に単に放電時間６１の経過だけを追うのではなく、放電時間６１から充電時間６２を加味した時間で終止電圧を適当に操作することによって、充電途上の放電ならば早めに終止電圧を上昇させてバッテリの深放電防止がより良い精度で実現できるように、実施形態１に充電時間カウンタ５３と、満充電時間設定器５４ａと比較器５４ｂとプラスリミタ５４ｃと定数器５４ｄと加算器５４ｅを有する充放電時間換算器５４を追加したものである。
具体的には、図４に示すように比較器５０２の出力端子と放電時間カウンタ５２の入力端子の接続回路を途中から分岐してインバータ５０５を設け、インバータ５０５の出力端子に充電時間カウンタ５３を設け、充電時間カウンタ５３の出力である、充電時間６２と、放電時間カウンタ５２の出力である、放電時間６１を充放電時間換算器５４に入力させるように構成ものである。
【００３３】
このような構成の実施形態２では、バッテリ２０が、過去の放電後の回復充電途上で満充電に達していなかった場合、再び放電開始するまでの充電時間６２を充電時間カウンタ５３で計測し、充放電時間換算器５４に与える。
【００３４】
充放電時間換算器５４は、満充電に要する時間から充電時間６２を引いて満充電に必要だった時間を得て、この時間を放電時間相当に換算して、新たな放電時間６１に加えることで正味の放電時間６３を得る。この正味の放電時間６３は、バッテリ２０が満充電状態から放電した時間に相当する。なお、既にバッテリ２０が満充電に達していた場合は、前期満充電に必要だった時間はリミッタによりゼロになり、放電時間６１には加算されない。
【００３５】
放電終止電圧換算器５１は実施形態１で説明したのと同様に、放電時間の経過に従って、正味の放電時間６３に応じて徐々に放電終止電圧を高く設定してゆく。
【００３６】
以上によりバッテリ２０は、正味の放電時間６３に応じて放電終止電圧が調整されることにより、充電途上の放電であっても放電終止に至るまでの放電エネルギを概ね一定に保つことができる。
【００３７】
従って、実施形態２でも実施形態１と同様に、構成要素を増やすことなく、無停電電源装置の性能向上、直接的にはバッテリ２０の深放電が回避でき、これによりバッテリ２０の寿命を延ばすことができる。
【００３８】
以上述べた実施形態で、放電エネルギＪは、放電電圧Ｖ、電流Ｉの積の時間積分になる。従って、
Ｊ＝∫（Ｖ・Ｉ）ｄｔ≒Ｖ・Ｉ・Ｔ
と簡略表現できるが、電圧電流積Ｖ・Ｉに応じて放電停止する代わりに、放電時間Ｔが延びるに連れて放電停止を早めてやれば、等価的に放電エネルギＪを監視できる。
【符号の説明】
【００３９】
１…入力スイッチ、２…入力フィルタ、３…コンバータ、４…直流電解コンデンサ、５…インバータ、６…出力フィルタ、７…バイパススイッチ、８…昇降圧チョッパ、９…直流リアクトル、１０…出力電流センサ、１１…バッテリ電流センサ、１２…放電電圧検出器、２０…バッテリ、２１…増設バッテリ、３１…交流入力電源、３２…負荷、５０…比較器、５１…放電終止電圧換算器、５２…放電時間カウンタ、５３…充電時間カウンタ、
５４ａ…満充電時間設定器、５４ｂ…比較器、５４ｃ…プラスリミタ、５４ｄ…定数器、５４ｅ…加算器、５４…充放電時間換算器、５５…放電終止電圧設定器、５６…放電終止電圧調整器、５７…放電電力積算器、５８…放電終止エネルギ設定器、６１…放電時間、６２…充電時間、６３…放電時間、５００…制御回路、５０１…入力電圧検出回路、５０２…比較器、５０３…停電検出レベル設定器、５０４…水晶発信器、５０５…インバータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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