(57)【要約】【課題】スイッチング電源装置の筐体内にバックアップ用の二次電池、及びその充放電制御回路を内蔵して、二次電池の充放電を適正に管理する。【解決手段】スイッチング電源回路は、通常動作時に商用電源Ｖｉｎの交流入力を平滑化する整流・平滑回路２１、所定の直流電源電圧が継続的に出力可能に構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ２２、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２によって充電されるとともに、交流入力が停止された時にＤＣ／ＤＣコンバータ２２に対して電源電圧を供給するバッテリパック３０、バッテリパック３０の充放電を制御する充電回路部２３、充放電制御回路２６から構成される。バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ２２などの回路は、同じ装置筐体内に搭載される。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源の停電時などに所定の直流電源電圧が得られるよう、二次電池によるバッテリバックアップ機能を備えたスイッチング電源装置において、
通常動作時に前記商用電源の交流入力を平滑化して、前記所定の直流電源電圧に変換するとともに、前記所定の直流電源電圧が継続的に出力可能に構成された安定化電源回路と、
前記安定化電源回路によって充電されるとともに、前記交流入力が停止された時に前記安定化電源回路に対して電源電圧を供給する直流電源部、及び前記直流電源部の充放電を制御する電源制御部を含み、前記安定化電源回路と同じ筐体内に搭載された電源制御回路と、
を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記電源制御回路は、前記安定化電源回路から供給される電力を充電して蓄積する二次電池を含んでいることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記二次電池は、複数のリチウムイオンバッテリセルを接続してなるリチウムイオンバッテリであることを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記安定化電源回路と前記電源制御回路との間の接続を制御する放電制御スイッチを備え、バックアップ不要時に前記リチウムイオンバッテリからの漏れ電流を抑制することを特徴とする請求項３記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記放電制御スイッチは、前記安定化電源回路に対するバッテリバックアップを停止した時点でオフ状態にラッチされるとともに、前記安定化電源回路の再起動時にラッチを自動的に解除するように制御されることを特徴とする請求項４記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記直流電源部は、前記各リチウムイオンバッテリセルの過放電、過充電等による劣化を検知する手段を備え、前記リチウムイオンバッテリの急速充電に伴う発熱を防止していることを特徴とする請求項３記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記電源制御部は、前記リチウムイオンバッテリの出力電圧値を監視する第１の監視手段と、前記リチウムイオンバッテリセル毎の電圧異常を監視する第２の監視手段とを備え、前記第１、第２の監視手段での監視結果に応じて前記リチウムイオンバッテリの急速充電を制御することを特徴とする請求項３記載のスイッチング電源装置。
【請求項８】
前記直流電源部は、前記安定化電源回路に対するバッテリバックアップ時の前記リチウムイオンバッテリからの過放電電流を検知する検知手段を備え、大電流放電時に放電を停止制御することを特徴とする請求項３記載のスイッチング電源装置。
【請求項９】
前記直流電源部は、前記リチウムイオンバッテリの周辺温度を測定する温度測定手段を備え、前記リチウムイオンバッテリで大電流放電に伴う所定値以上の温度上昇があったとき、前記電源制御部により放電を停止制御することを特徴とする請求項３記載のスイッチング電源装置。
【請求項１０】
前記安定化電源回路から電源供給されている情報処理装置に対して、前記安定化電源回路に対するバッテリバックアップの停止を予告する通信手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項１１】
前記電源制御部は、前記直流電源部の出力端子間に接続されたコンデンサへの突入電流を抑制する突入電流抑制手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項１２】
前記突入電流抑制手段は、前記商用電源の給電中に前記コンデンサを充電しておく回路を含むことを特徴とする請求項１１記載のスイッチング電源装置。
【請求項１３】
前記直流電源部は、充電ルートと放電ルートとを別々に備えたことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項１４】
前記安定化電源回路内に、前記直流電源部の放電を制御する放電制御用スイッチが設けられ、前記直流電源部の放電ルート内で放電を禁止するためのスイッチを省略するようにしたことを特徴とする請求項１３記載のスイッチング電源装置。
【請求項１５】
前記安定化電源回路を構成する電力半導体素子の放熱板と前記二次電池の収納部とを一体に構成して、前記放熱板を介して前記電力半導体素子から前記二次電池への熱伝導を可能としたことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項１６】
前記放熱板の近傍に冷却用のファンと、前記放熱板の温度を検知する温度センサを設け、前記放熱板から前記二次電池への熱伝導量を制御することを特徴とする請求項１５記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、商用電源の停電時などにも所定の直流電源電圧が得られるよう、二次電池によるバッテリバックアップ機能を備えたスイッチング電源装置に係り、詳しくは、商用電源からの交流入力が停止した場合でも、情報処理装置等の接続先への電力供給が安定して継続できるスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
商用電源入力を利用する電源装置では、停電時のような電力障害又は故障がいつでも起こりうるのであって、そのような事態はほとんど予想することができない。情報処理装置、例えばパーソナル・コンピュータ・システム内のデータを不揮発性記憶媒体にバックアップしていない場合に、このような電力障害が発生すると、そのデータは喪失される。電力障害又は故障が数十ミリ秒以上の場合、パーソナル・コンピュータがデータを喪失することもある。
【０００３】
こうした問題の解決策の１つは、無停電電源装置（ＵＰＳ）を採用することである。ＵＰＳを使用すると、商用電源からの電力の供給が妨害されるか、又は途切れたときにパーソナル・コンピュータ（以下パソコンという）、サーバ、又はメインフレームへの電力を維持することができ、ユーザへの割り込みなしにコンピュータ・システムがその通常動作状態を維持することができる。しかし、ＵＰＳがコンピュータ・システムに電力供給できる時間には制限がある。
【０００４】
そのため、ＵＰＳが電力を供給できる時間（すなわち、ＵＰＳの貯蔵電荷が尽きたとき）より長く電力障害が続く場合、コンピュータ・システムは電力が途切れ、現在、使用、表示などが行われているデータとアプリケーションが損害を受ける。しかも、無停電電源装置は非常に高価であり、通常、法人ユーザが使用している。さらに、ＵＰＳが電力供給できる時間が長ければ長いほど、ＵＰＳの価格が高くなる。したがって、ほとんどの小規模事業所や家庭内ユーザは、ＵＰＳを購入することができないので、電力障害又は故障時にデータを喪失する可能性がより高くなる。
【０００５】
そこで、例えば下記の特許文献１には、商用電源で動作するコンピュータのための内蔵型無停電電源装置の発明が記載されている。この種の無停電電源装置では、サスペンド／レジュームなどの電力管理機構を有するパーソナル・コンピュータ・システムに統合可能で、交流電力障害が発生した場合にデータを保持するためには、確実で安価な電源バックアップシステムを使用することが望ましい。
【０００６】
また、従来からＵＰＳは情報処理装置の外部に接続して使用するために、装置スペースを要するだけでなく、高価であることから、バックアップ機能を有する直流安定化電源装置を使用することが考えられている。例えば下記の特許文献２には、無停電電源装置の併用を不要としてシステム構成の簡素化を図ったバックアップ電源を備えた電子機器装置の発明が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１４０４３号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７６８３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のバックアップ電源では、放電禁止用スイッチがバッテリパックに内蔵されていて、充電・放電を一つの端子で兼用していたため、バッテリからコンバータ部への漏れ電流を抑制することが難しかった。また、バックアップ電源を備えたスイッチング電源装置は、装置筐体にバッテリを内蔵すると装置が大型化してしまうため、バッテリを内蔵していない場合が多い。さらに、スイッチング電源回路を情報処理装置の筐体内ドライブ搭載用ベイ等に実装する構造であったため、その分の実装スペースと配線が余分に必要になるという問題があった。
【０００９】
とくに、スイッチング電源回路をベイに搭載する場合には、バッテリ搭載用の専用ベイ（スロット）も必要となるなど、バッテリパック全体が高価になるという問題もあった。
【００１０】
また、サーバ、パーソナルコンピュータのように、空調が完備した室内環境で使用するものとは異なり、ＦＡ（ファクトリオートメーション）用途に使用される二次電池では、環境温度が高すぎれば電池寿命が短縮され、環境温度が低すぎれば電池の内部インピーダンスが上昇して、十分な電力が引き出せないという問題が生じる。
【００１１】
この発明の目的は、筐体内にバックアップ用の二次電池、及びその充放電制御回路を内蔵して、二次電池の充放電を適正に管理することができるスイッチング電源装置を提供することにある。
【００１２】
また、この発明の他の目的は、バックアップ電源として内蔵された二次電池の温度を適正に管理して、外部温度環境が変化しても安定した直流電源電圧を得られるスイッチング電源装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、商用電源の停電時などに所定の直流電源電圧が得られるよう、二次電池によるバッテリバックアップ機能を備えたスイッチング電源装置が提供される。このスイッチング電源装置は、通常動作時に前記商用電源の交流入力を平滑化して、所定の直流電源電圧に変換するとともに、前記所定の直流電源電圧が継続的に出力可能に構成された安定化電源回路と、前記安定化電源回路によって充電されるとともに、前記交流入力が停止された時に前記安定化電源回路に対して電源電圧を供給する直流電源部、及び前記直流電源部の充放電を制御する電源制御部を含み、前記安定化電源回路と同じ筐体内に搭載された電源制御回路とから構成される。
【００１４】
この発明では、直流安定化電源回路と同じ筐体内にバックアップ用の二次電池及びその充放電制御回路を含むバッテリパックを内蔵することで、情報処理装置に使用して好適なスイッチング電源装置を実現できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、バッテリ内蔵型のスイッチング電源装置を示す外観図である。
【００１６】
同図（Ａ）には、電源装置の交流入力用の電源コネクタ１１が形成された装置筐体１０の正面状態が示されている。装置筐体１０の内部には、リチウムイオンバッテリ１２、冷却用ファン１３、及び複数枚のプリント基板１４が設けられている。
【００１７】
交流電力に障害が発生した場合のバックアップ用の二次電池としては、従来から鉛バッテリが主流であった。しかし、鉛バッテリは体積が大きいだけでなく、寿命が短く、しかも液漏れの危険があった。そこで、ここではバックアップ用の二次電池として、リチウムイオンバッテリ１２が使用される。リチウムイオンバッテリ１２は、正極にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、負極にグラファイト（炭素）を使い、それぞれの極板を何層かに積み重ねた構造になっており、体積エネルギー密度は４００Ｗｈ／ｌとニッカド、ニッケル水素電池の２倍近くあって、小型で軽いため、携帯機器用の電源として最適である。
【００１８】
バックアップ用の二次電池としては、リチウムイオンバッテリ１２以外にもニッケル水素バッテリが使用可能であるが、ここでは、とくに容量／体積率に優れたリチウムイオンバッテリを採用している。リチウムイオンバッテリ１２を採用したことによって、バッテリパック全体を小型に構成することができ、容易にスイッチング電源装置の装置筐体１０内に内蔵できるようになる。
【００１９】
冷却用ファン１３は、電源装置の内部を冷却して、リチウムイオンバッテリ１２の劣化を防止するためのものである。リチウムイオンバッテリ１２の場合には、保存温度が高いほど劣化が早くすすむため、その充放電に際しては、後述するように温度管理が重要になる。
【００２０】
このバッテリ内蔵型のスイッチング電源装置は、図１（Ｂ）の側面図に示すように、装置筐体１０の背面からケーブル１５が引き出されて、その末端部分には出力コネクタ１６を備えている。この出力コネクタ１６は、情報処理装置の筐体１７内部で電源端子と接続され、直流電力を情報処理装置に供給するように構成されている。また、この出力コネクタ１６を介して、あるいは図示しない別のコネクタを介して、情報処理装置に対してリチウムイオンバッテリ１２の電圧や周辺温度等の状況やスイッチング電源装置の制御状況などの情報を提供できる。したがって、通常時には、情報処理装置に接続されたディスプレイ手段に各種の情報を表示させ、停電時などには、リチウムイオンバッテリ１２の残量に応じて情報処理装置のシャットダウンを自動的に行うことが可能になる。
【００２１】
プリント基板１４は、同図（Ｃ）に示すように、リチウムイオンバッテリ１２とともに装置筐体１０に内蔵されており、つぎに説明する整流・平滑回路や電力変換のためのＤＣ／ＤＣコンバータなどを含んだ安定化電源回路と、この安定化電源回路によって充電される直流電源部やその充放電を制御する電源制御部などを含んだ電源制御回路とが、これらのプリント基板１４上に構成される。
【００２２】
また、スイッチング電源装置を情報処理装置の筐体１７に取り付けた後でも、図１（Ｄ）に示すように、装置筐体１０の電源コネクタ１１と同じ面からリチウムイオンバッテリ１２だけを引き出せる構造となっている。このため、装置筐体１０自体を情報処理装置の筐体１７から外すことなく、リチウムイオンバッテリ１２を交換することができる。さらに、装置筐体１０はリチウムイオンバッテリ１２を内蔵しているので、情報処理装置の筐体にバッテリ専用のベイを設ける必要がなく、しかも情報処理装置の筐体１７内でリチウムイオンバッテリ１２と装置筐体１０とを接続する作業が不要になる。
【００２３】
つぎに、この発明装置を構成するスイッチング電源回路について説明する。
図２は、二次電池を内蔵したスイッチング電源回路の概略構成を示す回路ブロック図である。
【００２４】
このスイッチング電源回路２０は、商用電源の交流入力を平滑化する整流・平滑回路２１、所定の直流電源電圧に変換して情報処理装置に直流出力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ２２、充電回路部２３、この充電回路部２３により充電制御される二次電池２４、この二次電池２４から直流電源電圧を出力するための放電スイッチ２５、充放電制御回路２６、及び情報処理装置に信号を出力する通信制御部２７から構成されている。
【００２５】
このうち整流・平滑回路２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、通常動作時に商用電源の交流入力を平滑化して、所定の直流電源電圧に変換するとともに、所定の直流電源電圧が継続的に出力可能な安定化電源回路を構成している。二次電池２４は、安定化電源回路から供給される電力を充電して蓄積する直流電源部であって、交流入力が停止された時に安定化電源回路に対して電源電圧を供給するものである。また、直流電源部の充放電を制御する充電回路部２３、放電スイッチ２５、充放電制御回路２６は、二次電池２４に対する電源制御部を構成する。
【００２６】
つぎに、スイッチング電源回路２０の充放電動作について説明する。
図２において、スイッチング電源回路２０の電力の流れは二本線の矢印で表され、信号の流れは一本線の矢印で表される。スイッチング電源回路２０の直流電源部と電源制御部は、安定化電源回路と同様に図１に示すプリント基板１４上で電源制御回路を構成しており、二次電池２４とともに装置筐体１０内に搭載されている。
【００２７】
このスイッチング電源回路２０では、図１の電源コネクタ１１からの交流入力が整流・平滑回路２１を介して直流に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に供給される。整流・平滑回路２１で直流変換された電力は充電回路部２３にも供給され、充電回路部２３から二次電池２４に蓄積される。二次電池２４は、充電ルートと放電ルートとを別々に備え、ここに充電して蓄積された電力が放電スイッチ２５によって放電される。
【００２８】
また、二次電池２４から充電に伴う出力電圧の上昇や放電に伴う温度上昇を充放電制御回路２６に知らせて、充放電制御回路２６により充電回路部２３と放電スイッチ２５をオンオフ制御している。これによって、二次電池２４にはバッテリバックアップに必要な電力が充電され、商用電源の停電時などにＤＣ／ＤＣコンバータ２２に対して二次電池２４に蓄積された電荷を放電して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２で所定の直流電源電圧を得ている。
【００２９】
充放電制御回路２６は、充電回路部２３における充電制御の状態や、二次電池２４の放電状態などが、情報処理装置との間で通信制御部２７を介して適宜通信される。このようなバッテリバックアップ機能を有するスイッチング電源装置では、商用電源からの交流入力が停止しても、情報処理装置等の接続先への電力供給が安定して継続できる。したがって、情報処理装置等の情報処理機能が停電によって損なわれないだけでなく、そこに保管されたデータが確実に保持される。
【００３０】
つぎに、スイッチング電源回路の主要部の構成について説明する。
図３は、スイッチング電源回路の主要部の具体的な構成を示す回路図である。整流・平滑回路２１は、図１の電源コネクタ１１を経由して受け取った商用電源Ｖｉｎを整流するためのダイオードＤ１〜Ｄ４からなる整流ブリッジと、平滑用のコンデンサＣ１とから構成されており、主電源である交流入力（例えば、１００Ｖ〜２４０Ｖ）を整流・平滑して直流に変換してＤＣ／ＤＣコンバータ２２に供給している。
【００３１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、３つの巻線（Ｎ１巻線、Ｎ２巻線、Ｎ３巻線）を含む変換トランスＴ１と、２つのＦＥＴによるスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２、及び３つのダイオードＤ５〜Ｄ７を含むＮ１巻線側の入力回路と、整流ダイオードＤ８、転流ダイオードＤ９、チョークコイルＬ、及び出力側の平滑コンデンサＣ２を含むＮ２巻線側の出力回路と、２つのＦＥＴによるスイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ４、２つのダイオードＤ１０，Ｄ１１、及びコンデンサＣ３を含むＮ３巻線側の入力回路とから構成されている。また、図３ではスイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ４を使用する２石型コンバータを採用しているが、１石型コンバータにも適用可能である。
【００３２】
整流・平滑回路２１では、通常時には商用電源Ｖｉｎが平滑化されて、直流電流がＤＣ／ＤＣコンバータ２２に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、供給された直流電圧を２つのスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をオンオフさせることにより、変換トランスＴ１のＮ１巻線に断続された電圧として印加し、Ｎ２巻線の両端に発生する電圧をＮ２巻線側出力回路によって平滑して、所望の直流出力電圧Ｖｏｕｔ（例えば、ＤＣ１２Ｖ）を取り出すものである。なお、変換トランスＴ１のＮ２巻線は、必要に応じて複数設けて直流出力電圧Ｖｏｕｔを複数得るように構成してもよく、あるいは巻数の異なる巻線を別途に設けて、複数の異なる直流出力電圧（例えば、ＤＣ１２ＶとＤＣ５Ｖ）を得るように構成してもよい。
【００３３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２では、充放電制御回路２６からコンバータ駆動回路２８を介してドライブ信号Ｓ１が供給され、入力回路側のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンオフ制御される。充放電制御回路２６は、停電検出信号Ｓ０を受信するほか、一次、二次コンバータのドライブ信号Ｓ１，Ｓ２、放電制御信号Ｓ３、充電制御信号Ｓ４、及び情報処理装置との通信信号Ｓ８により停電情報・バックアップ中止予告を通知するなど、情報処理装置からの切断指示により安全に電源を切断する。また、充放電制御回路２６には、温度検出信号Ｓ５、バッテリ電圧検出信号Ｓ６、及びセル電圧異常検出信号Ｓ７などが入力されている。
【００３４】
充電回路部２３は、変換トランスＴ２と充電回路２９とから構成され、変換トランスＴ２を介して充電回路２９に整流・平滑回路２１の直流出力が供給されている。また、変換トランスＴ２には充放電制御回路２６から充電制御信号Ｓ４が供給されている。さらに、充電回路２９は抵抗ＲとダイオードＤ１３の直列回路を介してコンデンサＣ３を充電するとともに、バッテリパック３０に対する充電を行う。バッテリパック３０に対する充電制御は、後述する予備充電、及び急速充電の充電シーケンスにしたがって行われる。
【００３５】
バッテリパック３０は、充電用保護回路３１、ダイオードＤ１２、放電用保護回路３２、セル電圧監視回路３３、バッテリ温度センサ３４、及び複数のリチウムイオンバッテリセルＥを含んだ直流電源部として構成されている。このバッテリパック３０は、充電ルートと放電ルートとを別々に備え、商用電源の停電時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２のＮ３巻線側の入力回路に対して直流電源電圧を供給するように接続されている。
【００３６】
つぎに、停電時の放電動作について説明する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、Ｎ３巻線側の入力回路がダイオードＤ１０とスイッチ素子ＳＷ３を介してバッテリパック３０と接続され、ダイオードＤ１１とスイッチ素子ＳＷ４を介してバッテリパック３０の電源電圧が供給される。充放電制御回路２６からは、商用電源Ｖｉｎが停電したときに、停電検出信号Ｓ０を受けて放電制御信号Ｓ３が出力され、これによりスイッチ素子ＳＷ４がオンされる。また、二次コンバータのドライブ信号Ｓ２によってスイッチ素子ＳＷ３がオンされることによって、バッテリパック３０から変換トランスＴ１のＮ３巻線を経由して、Ｎ２巻線に電力供給が開始される。
【００３７】
通常動作時に、商用電源ＶｉｎがＤＣ／ＤＣコンバータ２２に供給されると、変換トランスＴ１のＮ１巻線を経由して、Ｎ２巻線に供給された電力が所定の直流電源電圧Ｖｏｕｔとして出力される。その時点で、バッテリパック３０の放電を禁止するように、スイッチ素子ＳＷ４がスイッチ素子ＳＷ３とともにオフされる。従来のバッテリパックでは、充電端子と放電端子とが一つの端子で兼用され、しかも放電禁止用スイッチはバッテリパックに内蔵されていた。しかし、このスイッチング電源回路２０では、ＦＥＴによるスイッチ素子ＳＷ４が放電禁止用スイッチとしてＤＣ／ＤＣコンバータ２２内に配置され、このスイッチ素子ＳＷ４が放電禁止用スイッチとＤＣ／ＤＣコンバータ２２側の放電制御スイッチとを兼用することで、バッテリパック３０内の放電禁止用スイッチを省くことができる。
【００３８】
つぎに、リチウムイオンバッテリを含むバッテリパックについて説明する。
図４は、バッテリパックの構成を示す回路図である。このバッテリパック３０は、外部端子として６つの端子Ｔａ〜Ｔｆを備え、二次電池を構成する例えば４つのリチウムイオンバッテリセルＥ１〜Ｅ４が直列接続されている。リチウムイオンバッテリは１個の電圧は平均３．６Ｖであることから、所定の電圧を得るために必要な個数のセルが直列に接続される。また、この二次電池のセルＥ２とセルＥ３との間には、所定値以上の温度が検知されたときに開路するバイメタルなどによって構成された短絡保護回路３５が挿入され、リチウムイオンバッテリの温度が過度に上昇したときに、充電・放電が停止されるように構成されている。
【００３９】
また、端子Ｔａにはセル電圧監視回路３３からセル電圧異常検出信号Ｓ７が出力される。端子Ｔｂはバッテリ温度センサ３４及びリチウムイオンバッテリセルＥの接地側に接続されたグラウンド端子である。端子Ｔｃにはバッテリ温度センサ３４から温度検出信号Ｓ５が出力され、端子Ｔｄにはバッテリ電圧検出信号Ｓ６が出力される。さらに、充電端子Ｔｅは充電用保護回路３１と接続され、放電端子Ｔｆは放電用保護回路３２と接続されている。
【００４０】
充電用保護回路３１は、第１のヒューズＦ１、過充電防止プロテクタ３６、及びＦＥＴ等のスイッチ素子ＳＷ５を直列に接続して構成されている。過充電防止プロテクタ３６は、直列接続された２つのヒューズＦ２，Ｆ３と、これらのヒューズＦ２，Ｆ３の接続点に接続される抵抗Ｒ１とから構成されている。
【００４１】
充電用保護回路３１の出力側は、ダイオードＤ１２を介してリチウムイオンバッテリＥの第４のセルＥ４と接続されている。リチウムイオンバッテリＥの第４のセルＥ４は、放電用保護回路３２を介して放電端子Ｔｆに接続されている。この放電用保護回路３２は、過充電防止プロテクタ３６と同様に、直列接続された２つのヒューズＦ４，Ｆ５と、これらのヒューズＦ４，Ｆ５の接続点に接続される抵抗Ｒ２とから構成されている。
【００４２】
つぎに、複数のリチウムイオンバッテリセルを接続した二次電池の充放電動作について説明する。
一般に、リチウムイオンバッテリは容量／体積率に優れる反面で、長時間にわたって過充電、過放電などの故障モードで充放電動作が続いた場合に、バッテリセルの特性劣化を招く。そのため、ここでは充電回路２９とバッテリパック３０内に８つの保護手段を設けて、過充電などの故障モードを検出するとともに、過電流が流れるような場合にも適宜に充放電を停止するように制御している。
【００４３】
第１の保護手段では、充電端子Ｔｅからの充電電圧をバッテリパック３０内で監視することによって、保護が実行される。
充放電制御回路２６には、バッテリパック３０からバッテリ電圧検出信号Ｓ６が供給されている。そこで、バッテリ電圧が規定値（＝Ｖ１）以上になった場合には、充電回路部２３に対する充電制御信号Ｓ４をオフにすることで、充電を中止することができる。
【００４４】
第２、第３の保護手段では、セル電圧監視回路３３によりバッテリ電圧を監視し、充電用保護回路３１によって保護が実行される。
セル電圧監視回路３３は、リチウムイオンバッテリＥ４の＋端子と接続され、バッテリ電圧が規定値（＝Ｖ２）以上になった場合には、充電用保護回路３１の充電用のスイッチ素子ＳＷ５をオフにすることで、充電中止とすることができる。また、充電用保護回路３１の過充電防止プロテクタ３６は、バッテリパック３０の充電端子ＴｅとリチウムイオンバッテリＥとの間を機械的に切り離す最終保護機能を果たしている。バッテリ電圧が規定値（＝Ｖ３）以上になった場合に、過充電防止プロテクタ３６のヒューズＦ２，Ｆ３のいずれかを切断することで、充電時にバッテリパック３０が自己保護される。
【００４５】
これら第１ないし第３の保護手段では、バッテリ充電保護のための規定電圧Ｖ１〜Ｖ３が、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３のように設定される。
第４の保護手段は、充電時に過大な電流に対して作用する。
【００４６】
充電時に、バッテリパック３０に充電端子Ｔｅから過電流が流れ込んだ場合、充電用保護回路３１のヒューズＦ１が切断され、リチウムイオンバッテリＥへの過電流が防止される。
【００４７】
第５の保護手段では、セル電圧監視回路３３により、放電時にバッテリ電圧を監視し、放電用保護回路３２によって保護が実行される。
放電用保護回路３２には、セル電圧監視回路３３から、ヒューズＦ４，Ｆ５のいずれかを切断するように過電流保護兼異常時切離し信号が供給される。したがって、放電用保護回路３２は過充電防止プロテクタ３６による保護と同様に、バッテリパック３０の放電端子ＴｆとリチウムイオンバッテリＥとの間を機械的に切り離す最終保護機能を果たしている。
【００４８】
第６の保護手段では、セル電圧監視回路３３により、充電時に各セル電圧を監視することによって、保護が実行される。
バッテリパック３０は、４個のリチウムイオンバッテリセルＥ１〜Ｅ４が直列接続して使用されているので、１個のセルの故障については、トータル電圧を監視するだけでは検出できない。そこで、セル電圧監視回路３３を設けて、充電時の各セル電圧を判定して、セル電圧に異常があったときには、セル電圧異常検出信号Ｓ７を検出端子Ｔａから充放電制御回路２６に出力している。したがって、リチウムイオンバッテリの一部のセルが故障した場合でも、急速充電を停止することによって、リチウムイオンバッテリの過充電による劣化を防止できる。
【００４９】
第７の保護手段では、セルＥ２とセルＥ３の間に挿入された短絡保護回路３５によって、保護が実行される。
この短絡保護回路３５はバイメタルなどによって構成されている。リチウムイオンバッテリの温度が規定以上に上昇したとき、バイメタルが開路することによって、リチウムイオンバッテリセルＥ１〜Ｅ４に所定値以上の過電流が流れないように作用する。
【００５０】
第８の保護手段では、バッテリ温度センサ３４によりバッテリ温度を検出することによって、保護が実行される。
バッテリ温度センサ３４は、リチウムイオンバッテリＥの近傍に配置され、リチウムイオンバッテリの周辺温度を測定する。温度検出信号Ｓ５は、バッテリ温度センサ３４から温度検出端子Ｔｃから充放電制御回路２６に出力される。したがって、リチウムイオンバッテリＥでの大電流放電に伴い、所定値以上に温度上昇があったとき、スイッチ素子ＳＷ４をオフして放電を停止する。
【００５１】
以上、８つの保護手段のうち、第１の保護手段はバッテリパック３０からのバッテリ電圧検出信号Ｓ６を受けて、外部に設けられた充電回路部２３において機能している。これに対して第２〜第７の保護手段では、いずれもバッテリパック３０内に搭載された保護回路３１，３２，３５などが判定部として機能している。さらに、第８の保護手段では、バッテリパック３０内のバッテリ温度センサ３４がセンサ部として機能し、充放電制御回路２６で判定して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２側に搭載されたスイッチ素子ＳＷ４をオフしている。
【００５２】
また、スイッチ素子ＳＷ４がオンした際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の出力回路側のコンデンサＣ３の突入電流を抑えるために、商用電源の給電中に抵抗ＲとダイオードＤ１３との直列回路を介して、充電回路部２３から予めコンデンサＣ３を二次電池のバッテリ電圧より高い電圧に充電している。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２側に突入電流の抑制回路が不必要になって、放電ルートのインピーダンスを低下させることができる。
【００５３】
また、スイッチング電源装置にバッテリが内蔵されている場合、製品出荷から設置までの期間はバッテリが接続されたままとなる。そのため、バッテリの漏れ電流を抑制しないとバッテリの過放電を招いて、二次電池としての寿命が低下することになる。そこで、スイッチング電源装置が情報処理装置と切断されて、バックアップする必要がないときには、スイッチ素子ＳＷ４をオフすることによって漏れ電流を抑制している。なお、スイッチ素子ＳＷ４は、安定化電源回路に対するバッテリバックアップを停止した時点で充放電制御回路２６によってオフ状態にラッチされるとともに、安定化電源回路が再起動される時に、ラッチが自動的に解除されるように、充放電制御回路２６によって制御される。
【００５４】
このようにして、バッテリパック３０からＤＣ／ＤＣコンバータ２２への漏れ電流が抑制され、バッテリパック３０を搭載した状態でのスイッチング電源装置の保管や輸送が可能になるだけでなく、バッテリ内蔵のスイッチング電源装置におけるメンテナンス上での問題が生じないようになる。なお、スイッチング電源装置が情報処理装置と切断されているか否かは、スイッチング電源装置への投入信号を受けて、充放電制御回路２６によって判定できる。
【００５５】
また、この発明のスイッチング電源装置では、バッテリパック３０側の放電用保護回路３２上には放電防止スイッチを設けずに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２側に設けた放電制御用のスイッチ素子ＳＷ４によって兼用している。しかも、バッテリパック３０内では、放電用保護回路３２に超小型のプロテクタを複数個並列使用することで、体積の大きな大電流用保護素子の代用としている。したがって、リチウムイオンバッテリ１２の寿命を低下させないで、スイッチング電源装置の装置筐体１０内に収容されるバッテリパック３０の小型化を図ることができる。
【００５６】
つぎに、リチウムイオンバッテリの充電管理について説明する。
リチウムイオンバッテリの充電は、予備充電−急速充電という手順で行われる。この予備充電は、充電の安全性を考慮した充電工程であって、バッテリ電圧が例えば３．２ボルトに達するまで小電流（例えば、０．２アンペア）による定電流制御が行われる。また、急速充電はメインの充電工程であり、充電工程の前半では、例えば１アンペア程度の充電最大電流値（バッテリの性能と安全性とから決められた最大連続充電電流）による定電流充電工程が実行され、バッテリ電圧が例えば４．２ボルト程度の満充電電圧（充電容量が１００％のときのバッテリ電圧）に達した段階で、この満充電電圧による定電圧充電工程に移る。
【００５７】
定電圧充電工程では、充電が進んでバッテリ容量が増加するにしたがって電流が減少していって、充電電流が充電完了電流値（充電完了と判断される電流値）以下になった時点で充電を終了させる。この充電完了電流値は、例えば０．１アンペアと設定される。なお、充電電流が０．１アンペアになったときのバッテリ充電容量は約９５％である。充電容量を１００％に近づけたい場合は、定電圧充電工程に続いてトリクル充電と呼ばれる１時間程度の定電圧充電を行ってもよい。
【００５８】
図５は、バッテリの充電管理の手順を示す図である。
この発明のスイッチング電源装置では、以下に説明する充電管理を行うことにより、リチウムイオンバッテリの故障を的確に判定し、故障バッテリへの急速充電による劣化や、過充電を確実に防止して、バッテリ寿命を延ばすようにしている。
【００５９】
（１）予備充電の管理
ステップＳＴ１では、バッテリパック３０に供給される充電電流Ｉｃｈ、バッテリ温度Ｔｂａｔ、バッテリ電圧Ｖｂａｔをチェックして、リチウムイオンバッテリに異常がないかを確認する。
【００６０】
そのときのバッテリ温度Ｔｂａｔが規定範囲（Ｔｂ１〜Ｔｂ２）内で、バッテリ電圧Ｖｂａｔが予備充電移行下限電圧Ｖｂ１に達しており、しかも、バッテリ電圧Ｖｂａｔが急速充電移行下限電圧Ｖｂ２に達していなければ、ステップＳＴ２に進んで予備充電が実施される。
【００６１】
バッテリ温度Ｔｂａｔが規定範囲（Ｔｂ１〜Ｔｂ２）外であれば予備充電は開始されない。バッテリ温度Ｔｂａｔが下限温度Ｔｂ１より低いとき、リチウムイオンバッテリは活性化していないので、充電ができないからである。また、放電により温度が上限温度Ｔｂ２より高く上昇した場合には、すぐには充電することができない。
【００６２】
予備充電中もバッテリ温度を監視して（ステップＳＴ３）、異常時には充電が中止され、所定の異常処理が実施される。また、ステップＳＴ４でバッテリ電圧Ｖｂａｔが予備充電移行下限電圧Ｖｂ１以下であると判断した場合にも、異常処理が実施される。バッテリ電圧が急速充電移行下限電圧Ｖｂ２に達した時点で、予備充電を完了する。
【００６３】
（２）急速充電の管理
つぎに、補充電又は急速充電が実施される。ここで、ステップＳＴ５における急速充電は、予備充電が完了した後、バッテリ温度Ｔｂａｔが規定範囲内であり（ステップＳＴ３）、バッテリ電圧Ｖｂａｔが急速充電移行下限電圧Ｖｂ２と補充電移行電圧Ｖｂ３の間にあるとき（ステップＳＴ４）、開始される。また直列接続されたバッテリの各セルの電圧が規定電圧より低いときには、バッテリセルが故障しているとされ（ステップＳＴ７）、充電は行われない。
【００６４】
また、急速充電中に、ステップＳＴ６でバッテリ温度Ｔｂａｔを監視して、異常時には充電が中止される。ステップＳＴ８では、バッテリ電圧Ｖｂａｔが規定値（満充電判定電圧Ｖｂ４）に達し、かつ充電電流Ｉｃｈが規定値Ｉｃｈ１以下に低下したら、バッテリは満充電と判断して、充電が中止される。
【００６５】
（３）補充電電圧の管理
バッテリ充電前にバッテリ電圧Ｖｂａｔが補充電移行電圧Ｖｂ３以上であれば、バッテリ容量がバックアップするのに十分と判定し、過充電を防ぐために充電は行わない。補充電移行電圧Ｖｂ３の値は端子電圧・バッテリ容量よりバックアップに十分な容量に相当する電圧で、かつ補充電の回数が寿命に影響を与えない範囲に設定する。自己放電や、安定化電源回路側への漏れ電流によってバッテリ容量が減り、ステップＳＴ９でバッテリ電圧Ｖｂａｔが補充電移行電圧Ｖｂ３以下に低下したと判定された場合、ステップＳＴ１０で補充電が行われる。この補充電のプロセスは急速充電と同一のプロセスにして、ソフトウェアの簡略化を図っている。
【００６６】
つぎに、バッテリの放電管理について説明する。
商用電源の停電時、リチウムイオンバッテリのトータル電圧Ｖｂａｔが規定値以上であって、各セル電圧が正常であれば、バッテリ温度Ｔｂａｔが規定範囲内にあることを条件として、スイッチ素子ＳＷ４をオンする。
【００６７】
充放電制御回路２６は、停電検出信号Ｓ０により停電したことを検知すると、通信信号Ｓ８により情報処理装置に通知する。バックアップによる放電の結果、バッテリの容量が情報処理装置の切断に必要な時間に相当するまで低下すると、通信信号Ｓ８によりバックアップ中止予告をスイッチング電源装置から情報処理装置に送信して、情報処理装置をシャットダウンするように依頼する。これと並行してバッテリ温度Ｔｂａｔが規定値まで上昇したときにも同様に、バックアップ中止予告を情報処理装置に送信し、情報処理装置をシャットダウンするよう依頼する。情報処理装置は、このバックアップ中止予告を受信すると、情報処理装置を安全に切断できる状態にした後に、通信信号Ｓ８によりスイッチング電源にシャットダウン指示を返信する。スイッチング電源装置は、このシャットダウン指示により二次コンバータのドライブ信号Ｓ２と放電制御信号Ｓ３をオフして、直流出力を停止させる。
【００６８】
このバッテリ温度Ｔｂａｔに基づく充放電制御は、リチウムイオンバッテリの大電流放電時にセル温度が線形に上昇する特性を利用しているため、バックアップ中止を的確に行うことができる。
【００６９】
このように、バッテリ電圧の検出値に基づく制御とバッテリ温度の検出値に基づく制御を並行して行うことにより、リチウムイオンバッテリの過度の放電や過度の温度上昇を防止し、バッテリの劣化を招かない範囲で、安定化電源回路によるバックアップが安全かつ確実に行え、バッテリの寿命を延ばすことができる。
【００７０】
ところで、リチウムイオンバッテリなどの二次電池は、低温時にはその内部インピーダンスが上昇するから、バッテリバックアップ時の放電電流による電圧降下の大きさは無視できない。バッテリを加熱する手段としてヒータを用いる場合には、一般にヒータの駆動回路、及び制御回路などが必要になり、コスト面で負担が大きい。そこで、スイッチング電源回路を構成している電力半導体が発生する熱を、冷却用の放熱板経由で間接的にバッテリ収納部に伝達することによって二次電池の温度を適正に管理すれば、不必要なコストアップを回避して、スイッチング電源装置の環境温度の変化に対処することが可能になる。
【００７１】
図６は、リチウムイオンバッテリの収納部の構成を示す斜視図である。
図示した２個のパワートランジスタ３７は、図２に示すスイッチング電源回路２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２２などを構成する電力半導体素子であり、電源装置の装置筐体１０内に設けたプリント基板１４にそれぞれ植設されるとともに、Ｌ字型に折り曲げられた冷却用放熱板（以下、単に放熱板３８という。）に対して固定されている。この放熱板３８は、パワートランジスタ３７の発熱が伝達され放熱するように、所定の面積を有する垂直面３８Ｖと、これに連続する水平面３８Ｈの折り返し部３８Ｓとを備え、さらにリチウムイオンバッテリ１２を収納している金属製収納筒３９の側面部分に、この折り返し部３８Ｓをねじ止めにより固着している。したがって、スイッチング電源装置の充放電制御を行う場合に、例えばリチウムイオンバッテリ１２が低温時には放熱板３８からの熱伝導によって、バッテリケースを構成する金属製収納筒３９を暖めて、装置の外周温度とは独立にバッテリ温度Ｔｂａｔを高めることができる。
【００７２】
パワートランジスタ３７の放熱板３８には、上述したバッテリ温度センサ３４とは別に、放熱板３８の温度を測定するための温度センサ４０が設けられている。また、これらのプリント基板１４と放熱板３８を冷却するために、図６には示していない冷却用ファン（図１では冷却用ファン１３）から冷却用のエアを送るように構成されている。したがって、温度センサ４０によって放熱板３８の温度を監視して、低温時には冷却用ファンの回転数を低下させて放熱板３８から金属製収納筒３９への熱伝導を促進するだけでなく、周囲温度の上昇、パワートランジスタ３７の発熱に伴って所定値以上に温度上昇した場合など、バッテリ温度Ｔｂａｔが適正な値に復帰するように、冷却用ファンから所定量の冷却用のエアを送り込んで冷却するようにしている。この場合、ファンの回転速度を切替えることで、パワートランジスタ３７から放熱板３８を媒介する熱伝導を利用して、二次電池の充放電を適正に管理できる。
【００７３】
このように、電源装置内部に設けた放熱板３８を介して電力半導体素子からの熱を利用することによって、外部の環境温度の変動に対してリチウムイオンバッテリ１２の温度を一定の温度範囲に保つことができるので、低コストで二次電池の充放電を適正に管理できるようになる。また、熱伝導に利用される放熱板３８の温度に応じて冷却用ファンの回転速度を制御するだけで、リチウムイオンバッテリ１２を必要以上に加熱しないことができる。
【００７４】
なお、この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えばバッテリパック３０の二次電池としては、リチウムイオンバッテリでなくても、ニッケル・カドミウム電池やニッケル水素電池等を用いることができる。また、情報処理装置としては、パソコン以外にもサーバ、メインフレーム、ハードディスクを記録媒体とする記録装置などに広く適用できる。
【００７５】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明のスイッチング電源装置によれば、二次電池とその充放電制御回路を一体に内蔵し、バッテリパックの小型化、放電ルートの低インピーダンス化を図るとともに、二次電池の充放電を適正に管理して、商用電源からの交流入力が停止した場合でも、情報処理装置等の接続先への電力供給が安定して継続できる。
【００７６】
また、この発明のスイッチング電源装置によれば、二次電池の急速充電に伴う発熱を防止でき、しかも大電流放電に対して確実かつ安全に放電制御が実行できるから、バッテリパックの二次電池の寿命を高めることができる。
【００７７】
さらに、この発明のスイッチング電源装置によれば、バックアップ不要時における漏れ電流を抑制して、バッテリパックが内部に搭載された状態で出荷できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この実施形態に係るバッテリ内蔵型のスイッチング電源装置を示す外観図である。
【図２】二次電池を内蔵したスイッチング電源回路の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図３】スイッチング電源回路の主要部の具体的な構成を示す回路図である。
【図４】バッテリパックの構成を示す回路図である。
【図５】バッテリの充電管理の手順を示す図である。
【図６】リチウムイオンバッテリの収納部の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０　装置筐体
１１　電源コネクタ
１２　リチウムイオンバッテリ
１３　冷却用ファン
１４　プリント基板
１５　ケーブル
１６　出力コネクタ
１７　情報処理装置の筐体
２０　スイッチング電源回路
２１　整流・平滑回路
２２　ＤＣ／ＤＣコンバータ
２３　充電回路部
２４　二次電池
２５　放電スイッチ
２６　充放電制御回路
２７　通信制御部
２８　コンバータ駆動回路
２９　充電回路
３０　バッテリパック
３１　充電用保護回路
３２　放電用保護回路
３３　セル電圧監視回路
３４　バッテリ温度センサ
３５　短絡保護回路
３６　過充電防止プロテクタ
３７　パワートランジスタ
３８　冷却用放熱板
３９　金属製収納筒
４０　温度センサ
Ｆ１〜Ｆ５　ヒューズ
Ｓ０　停電検出信号
Ｓ１　一次コンバータのドライブ信号
Ｓ２　二次コンバータのドライブ信号
Ｓ３　放電制御信号
Ｓ４　充電制御信号
Ｓ５　温度検出信号
Ｓ６　バッテリ電圧検出信号
Ｓ７　セル電圧異常検出信号
Ｓ８　通信信号
【図１】
2004007950.tif 000003
【図２】
2004007950.tif 000004
【図３】
2004007950.tif 000005
【図４】
2004007950.tif 000006
【図５】
2004007950.tif 000007
【図６】
2004007950.tif 000008