(57)【要約】【課題】バックアップ電源を供給するための二次電池の放電時間を適正化する。【解決手段】コンパレータは、二次電池Ｖｂの検出電圧と、当該二次電池Ｖｂの放電終止電圧に対応する参照電圧とを比較する。スイッチＳＷは、コンパレータの比較結果をもとに、二次電池Ｖｂから負荷Ｌｏへの電源供給を停止させる。交流補正回路１０ａは、交流負荷Ｌｏへの放電時に二次電池Ｖｂの電圧に重畳されるリップル成分により、コンパレータの出力反転タイミングが早まることを補正する。交流補正回路１０ａは、リップル成分を直流成分に変換し、その直流電圧に対応して参照電圧を低下させることができる。【選択図】図４
2012042419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷の電源をバックアップするための二次電池の電圧を検出する電池電圧検出回路であって、
前記二次電池の検出電圧と、当該二次電池の放電終止電圧に対応する参照電圧とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータの比較結果をもとに、前記二次電池から負荷への電源供給を停止させるスイッチと、
交流負荷への放電時に前記二次電池の電圧に重畳されるリップル成分により、前記コンパレータの出力反転タイミングが早まることを補正するための交流補正回路と、
を備えることを特徴とする電池電圧検出回路。
【請求項２】
前記交流補正回路は、前記リップル成分を直流成分に変換し、その直流電圧に対応して前記参照電圧を低下させることを特徴とする請求項１に記載の電池電圧検出回路。
【請求項３】
前記交流補正回路は、
前記二次電池の検出電圧の直流成分をカットする直流カット容量と、
前記直流カット容量を通過した交流成分を平滑化する平滑化容量と、
前記平滑化容量により平滑化された電圧を反転増幅する反転増幅器と、
前記反転増幅器により反転増幅された電圧を調整する可変抵抗と、を含み、
前記可変抵抗により調整された電圧が、前記参照電圧に加算されることを特徴とする請求項１または２に記載の電池電圧検出回路。
【請求項４】
前記二次電池から負荷に流れる放電電流に応じて、前記参照電圧を補正する直流補正回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電池電圧検出回路。
【請求項５】
前記直流補正回路は、前記負荷に流れる放電電流の実効値が高いほど、前記参照電圧を低下させることを特徴とする請求項４に記載の電池電圧検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無停電電源装置などに使用される電池の電圧を検出するための電池電圧検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
瞬時電圧低下や停電が発生した際に、機器に一定時間、電力を供給するための装置として、無停電電源装置（以下、バックアップ電源装置という）がある（たとえば、特許文献１参照）。バックアップ電源装置は、高い信頼性が要求される機器、たとえば、放送機器や中継機器などの通信機器、医療機器、データセンター内のデータ保管装置などに利用される。
【０００３】
バックアップ電源装置には二次電池（蓄電池）が設けられ、当該二次電池は瞬時電圧低下や停電時に放電し、それらが収まると商用電源（ＡＣ電源）から充電することにより、繰り返し使用される。二次電池には、鉛電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などがある。二次電池は過放電すると電池寿命が短くなるという性質がある。過放電とは、電池ごとに規定された放電終止電圧を下回るまで放電することをいう。また、二次電池は放電電流が大きくなるほど、その放電終止電圧が低下するという性質がある。
【０００４】
図１は、従来技術に係るバックアップ電源装置に搭載される二次電池の電圧を検出するための電池電圧検出回路１００ｐの構成例を示す図である。瞬時電圧低下や停電が発生するとスイッチ（図１では、リレー接点ｒｌ）がクローズし、二次電池Ｖｂから負荷Ｌｏに電源が供給される。本明細書では、二次電池Ｖｂとして鉛電池を使用する例で説明する。電池電圧検出回路１００ｐは二次電池Ｖｂの電圧を検出し、当該二次電池Ｖｂの過放電を防止する。
【０００５】
電池電圧検出回路１００ｐは、コンパレータとして機能する第１オペアンプＯＰ１、リレー駆動コイルＲＬを備える。第１オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、二次電池Ｖｂの検出電圧が第１抵抗Ｒ１を介して入力される。第１オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、参照電圧Ｖｒｅｆが第２抵抗Ｒ２を介して入力される。この参照電圧Ｖｒｅｆは二次電池Ｖｂの規定電圧（すなわち、その放電終止電圧）に対応する電圧である。放電終止電圧とは、過放電か否かを判定するための閾値電圧である。
【０００６】
リレー駆動コイルＬＲは電源電圧端子Ｖｄｄと第１オペアンプＯＰ１の出力端子との間に接続される。リレー駆動コイルＲＬの両端に、当該リレー駆動コイルＲＬと並列に第１ダイオードＤ１が接続される。第１ダイオードＤ１はリレー駆動コイルＲＬにより発生する逆起電圧から、リレー駆動コイルＲＬ自身を保護する。
【０００７】
二次電池Ｖｂの検出電圧が参照電圧Ｖｒｅｆを上回っている間、第１オペアンプＯＰ１はローレベルを出力し、リレー駆動コイルＲＬに電流が流れ続ける。これにより、リレー接点ｒｌはクローズの状態を維持する。二次電池Ｖｂの検出電圧が参照電圧Ｖｒｅｆに到達すると、第１オペアンプＯＰ１の出力はハイレベルに反転し、リレー駆動コイルＲＬに流れている電流が止まる。これにより、リレー接点ｒｌがオープンし、二次電池Ｖｂと負荷Ｌｏとが電気的に切り離される。
【０００８】
図２は、図１における二次電池Ｖｂの電圧Ｖ−時間Ｔ特性を示す図である。時刻ｔ１にリレー接点ｒｌがクローズし、二次電池Ｖｂから負荷Ｌｏへの放電が開始されると、時間経過と共にリップル電圧が増大しながら電池電圧の直流成分が低下していく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３２５４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
二次電池Ｖｂの検出電圧が、放電終止電圧Ｖｔｈ（上述した参照電圧Ｖｒｅｆに対応）に到達すると、リレー接点ｒｌがオープンし、二次電池Ｖｂと負荷Ｌｏとが電気的に切り離され、放電が終了する。本来、二次電池Ｖｂの検出電圧に交流成分であるリップル成分が重畳されていなければ、時刻ｔ３に放電終止電圧Ｖｔｈに到達し、放電が終了する。したがって、交流成分を発生させない負荷（以下、直流負荷という）であれば、時刻ｔ３に放電が終了する。
【００１１】
これに対し、交流成分を発生させる負荷（以下、交流負荷という）では、直流電源にリップル成分が重畳されることがある。図２ではリップル成分が時刻ｔ２に放電終止電圧Ｖｔｈにタッチし、時刻ｔ２に放電が終了する。このように、直流負荷と交流負荷とで検出電圧に差が生じてしまう。交流負荷のほうが直流負荷よりΔｔ（ｔ３−ｔ２）だけ、放電時間（バックアップ時間）が短縮されてしまう。これは、二次電池Ｖｂが本来持っている放電性能をフルに発揮できていないことを意味し、結果的に電池寿命を短縮する要因となる。急激な負荷変動によっても、同様のことが発生する。
【００１２】
本来、鉛電池などの二次電池は負荷電流増大に伴いその放電終止電圧は低下するが、図１に示した検出回路ではその電池特性とは逆に、負荷電流増大に伴うリップル成分の振幅増大に伴い、結果的に放電終止電圧が上昇してしまう。
【００１３】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、バックアップ電源を供給するための二次電池の放電時間を適正化する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電池電圧検出回路は、負荷の電源をバックアップするための二次電池の電圧を検出する電池電圧検出回路であって、二次電池の検出電圧と、当該二次電池の放電終止電圧に対応する参照電圧とを比較するコンパレータと、コンパレータの比較結果をもとに、二次電池から負荷への電源供給を停止させるスイッチと、交流負荷への放電時に二次電池の電圧に重畳されるリップル成分により、コンパレータの出力反転タイミングが早まることを補正するための交流補正回路と、を備える。
【００１５】
この態様によると、リップル成分が放電終止電圧にタッチすることによる、放電時間の短縮を抑制することができる。
【００１６】
交流補正回路は、リップル成分を直流成分に変換し、その直流電圧に対応して参照電圧を低下させてもよい。これを実現するために、交流補正回路は、二次電池の検出電圧の直流成分をカットする直流カット容量と、直流カット容量を通過した交流成分を平滑化する平滑化容量と、平滑化容量により平滑化された電圧を反転増幅する反転増幅器と、反転増幅器により反転増幅された電圧を調整する可変抵抗と、を含んでもよい。可変抵抗により調整された電圧が、参照電圧に加算されてもよい。
【００１７】
二次電池から負荷に流れる放電電流に応じて、参照電圧を補正する直流補正回路をさらに備えてもよい。これにより、二次電池からの放電電流の変化による放電終止電圧の変化を自動的に補正することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、バックアップ電源を供給するための二次電池の放電時間を適正化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術に係るバックアップ電源装置に搭載される二次電池の電圧を検出するための電池電圧検出回路の構成例を示す図である。
【図２】図１における二次電池の電圧−時間特性を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電池電圧検出回路の機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る電池電圧検出回路の回路構成例を示す図である。
【図５】図４における二次電池の電圧−時間特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電池電圧検出回路の機能ブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る電池電圧検出回路の回路構成例を示す図である。
【図８】図７における二次電池の電圧−時間特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図３は、本発明の実施の形態１に係る電池電圧検出回路１００ａの機能ブロック図である。電池電圧検出回路１００ａは、負荷Ｌｏの電源をバックアップするための二次電池Ｖｂの電圧を検出する。以下の実施の形態では、負荷Ｌｏとしてインバータなどの交流負荷を想定する。
【００２１】
電池電圧検出回路１００ａは、実効値電圧検出補正部１０および比較部２０を備える。実効値電圧検出補正部１０は、二次電池Ｖｂの検出電圧に含まれる交流成分を実効値に変換し、その実効値を、二次電池Ｖｂの検出電圧に加算、または当該二次電池Ｖｂの放電終止電圧に対応する参照電圧から減算する。この実効値は擬似的な値であってもよい。比較部２０は、二次電池Ｖｂの検出電圧と当該参照電圧とを比較し、その比較結果に応じてスイッチＳＷを制御する。スイッチＳＷは、比較部２０の比較結果をもとに、二次電池Ｖｂから負荷Ｌｏへの電源供給を停止させる。具体的には、二次電池Ｖｂの検出電圧が当該参照電圧に到達すると、スイッチＳＷはオフする。以下、当該機能ブロックを実現するための具体的な回路構成例について説明する。
【００２２】
図４は、本発明の実施の形態１に係る電池電圧検出回路１００ａの回路構成例を示す図である。この回路構成例は、上記実効値（負電圧）を上記参照電圧に加算する例である。この回路構成例では、図３の比較部２０はヒステリシスコンパレータにより構成され、図３のスイッチＳＷはリレーにより構成される。
【００２３】
第１オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、二次電池Ｖｂの検出電圧が第１抵抗Ｒ１を介して入力される。第１抵抗Ｒ１と当該非反転入力端子との接続点とグラウンドとの間に第３抵抗Ｒ３が接続される。当該非反転入力端子には、第１抵抗Ｒ１と第３抵抗Ｒ３とにより抵抗分割された後の、二次電池Ｖｂの検出電圧が入力される。
【００２４】
第１オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、参照電圧Ｖｒｅｆが第２抵抗Ｒ２を介して入力される。この参照電圧Ｖｒｅｆは二次電池Ｖｂの放電終止電圧に対応する電圧である。第１オペアンプＯＰ１の出力端子と、第２抵抗Ｒ２と第１オペアンプＯＰ１の非反転入力端子との接続点との間に第４抵抗Ｒ４が接続される。この第４抵抗Ｒ４を帰還抵抗として挿入することにより、不感帯を作り出すことができる。
【００２５】
リレー駆動コイルＬＲは電源電圧端子Ｖｄｄと第１オペアンプＯＰ１の出力端子との間に接続される。リレー駆動コイルＲＬの両端に、当該リレー駆動コイルＲＬと並列に第１ダイオードＤ１が接続される。
【００２６】
二次電池Ｖｂの検出電圧が参照電圧Ｖｒｅｆを上回っている間、第１オペアンプＯＰ１はローレベルを出力し、リレー駆動コイルＲＬに電流が流れ続ける。これにより、リレー接点ｒｌはクローズの状態を維持する。二次電池Ｖｂの検出電圧が参照電圧Ｖｒｅｆに到達すると、第１オペアンプＯＰ１の出力はハイレベルに反転し、リレー駆動コイルＲＬに流れている電流が止まる。これにより、リレー接点ｒｌがオープンし、二次電池Ｖｂと負荷Ｌｏとが電気的に切り離される。
【００２７】
図４の回路構成例では、図３の実効値電圧検出補正部１０は、交流補正回路１０ａにより構成される。交流補正回路１０ａは、交流負荷への放電時に二次電池の電圧に重畳されるリップル成分により、上記コンパレータの出力反転タイミングが早まることを補正する。そのために、リップル成分を直流電圧（実効値）に変換し、その直流電圧に対応して参照電圧Ｖｒｅｆを低下させる。以下、具体的に説明する。
【００２８】
交流補正回路１０ａは、第１容量Ｃ１、第５抵抗Ｒ５、第２ダイオードＤ２、第２容量Ｃ２、第６抵抗Ｒ６、第７抵抗Ｒ７、第２オペアンプＯＰ２、第８抵抗Ｒ８、第３ダイオードＤ３および第１可変抵抗Ｒｖ１を含む。
【００２９】
二次電池Ｖｂの検出電圧は、第１容量Ｃ１、第２ダイオードＤ２および第７抵抗Ｒ７を介して、第２オペアンプＯＰ２の反転入力端子に入力される。第１容量Ｃ１と第２ダイオードＤ２との接続点とグラウンドとの間に第５抵抗Ｒ５が接続される。第２ダイオードＤ２と第７抵抗Ｒ７との接続点とグラウンドとの間に、第２容量と第６抵抗Ｒ６との並列回路が接続される。
【００３０】
第１容量Ｃ１は二次電池Ｖｂの直流成分をカットするための直流カット容量として作用する。第２ダイオードＤ２は第２オペアンプＯＰ２または第２容量から、二次電池Ｖｂまたは負荷Ｌｏに電流が流れることを防止する。第２容量Ｃ２は第１容量および第２ダイオードＤ２を通過した交流成分をチャージし、平滑化する平滑化容量として作用する。この平滑化容量により、リップル成分以外の急激な電圧変化を平滑化し、ノイズなどの短時間の電圧変化による誤動作を防止することができる。
【００３１】
第２オペアンプＯＰ２の非反転入力端子はグラウンドに接続される。第２オペアンプＯＰ２の出力端子と、第７抵抗Ｒ７と第２オペアンプＯＰ２の反転入力端子との接続点との間に第８抵抗Ｒ８が帰還抵抗として接続される。第２オペアンプＯＰ２、第７抵抗Ｒ７および第８抵抗Ｒ８は、反転増幅器を構成する。当該反転増幅器は、第２容量Ｃ２により平滑化された電圧を反転増幅する。
【００３２】
当該反転増幅器の出力電圧は、第３ダイオードＤ３を介して第１可変抵抗Ｒｖ１に入力される。第３ダイオードＤ３は当該反転増幅器から上記ヒステリシスコンパレータに電流が流れることを防止する。第１可変抵抗Ｒｖ１は、当該反転増幅器により反転増幅された電圧を調整する。設計者は温度特性などを考慮して、第１可変抵抗Ｒｖ１のボリュームを調整することができる。第１可変抵抗Ｒｖ１により調整された電圧（負電圧）は、上記参照電圧Ｖｒｅｆに加算される。すなわち、上記参照電圧Ｖｒｅｆを、上記リップル成分に対応する実効電圧に相当する分、低下させることができる。
【００３３】
図５は、図４における二次電池Ｖｂの電圧Ｖ−時間Ｔ特性を示す図である。時刻ｔ１にリレー接点ｒｌがクローズし、二次電池Ｖｂから負荷Ｌｏへの放電が開始されると、時間経過と共にリップル電圧が増大しながら電池電圧の直流成分が低下していく。
【００３４】
図４における電池電圧検出回路１００ａでは、リップル電圧の振幅増大に伴い、上記ヒステリシスコンパレータの参照電圧Ｖｒｅｆが低下していく。図５では、二次電池Ｖｂの放電終止電圧Ｖｔｈが放電終止電圧Ｖｔｈ’に低下した状態を示している。これにより、図２に示したようにリップル成分が、時刻ｔ２に放電終止電圧Ｖｔｈにタッチし、放電が終了することを回避することができる。
【００３５】
図５では、リップル成分が時刻ｔ３に、低下した放電終止電圧Ｖｔｈ’にタッチすることにより放電が終了する。すなわち、図２に示したΔｔ（ｔ３−ｔ２）の、放電時間（バックアップ時間）の短縮を回避することができたことを示している。これは、二次電池Ｖｂから検出される直流電圧が本来の放電終了電圧Ｖｔｈに到達することにより、二次電池Ｖｂからの放電が、本来の終了タイミングで終了したことを示している。すなわち、二次電池Ｖｂが本来持っている放電性能をフルに発揮したことを示している。
【００３６】
図６は、本発明の実施の形態２に係る電池電圧検出回路１００ｂの機能ブロック図である。実施の形態２に係る電池電圧検出回路１００ｂは、実施の形態１に係る電池電圧検出回路１００ａに実効値電流検出補正部３０が追加された構成である。実施の形態２では、負荷Ｌｏの低電位側端子と二次電池Ｖｂの低電位側端子との間にシャント抵抗Ｒｓが接続される。
【００３７】
実効値電流検出補正部３０は、シャント抵抗Ｒｓの両端電圧を検出することにより、二次電池Ｖｂから負荷Ｌｏに流れる放電電流を検出し、その放電電流に応じて二次電池Ｖｂの放電終止電圧に対応する参照電圧、または二次電池Ｖｂの検出電圧を補正する。当該放電電流が交流電流の場合、実効値で検出する。ここで、上述したように、二次電池から負荷への放電電流が大きくなると、その放電終止電圧は低下する。直流補正回路３０ａはこの二次電池の性質に対応して、自動的に放電終止電圧を低下させる。以下、当該機能ブロックを実現するための具体的な回路構成例について説明する。
【００３８】
図７は、本発明の実施の形態２に係る電池電圧検出回路１００ｂの回路構成例を示す図である。この回路構成例は、上記放電電流の増大に伴う放電終止電圧の低下分（負電圧）を、上記参照電圧に加算する例である。当該回路構成例は、図４に示した回路構成例に直流補正回路３０ａが追加された構成である。直流補正回路３０ａは、第９抵抗Ｒ９、第３オペアンプＯＰ３および第１０抵抗Ｒ１０、第４ダイオードＤ４および第２可変抵抗Ｒｖ２を含む。
【００３９】
シャント抵抗Ｒｓと負荷Ｌｏとの接続点から検出される電圧は、第９抵抗Ｒ９を介して、第３オペアンプＯＰ３の反転入力端子に入力される。なお、負荷Ｌｏに流れる放電電流が交流電流の場合、図示しない交流−直流変換回路により実効値電圧に変換されて、第３オペアンプＯＰ３の反転入力端子に入力される。第３オペアンプＯＰ３の非反転入力端子には、直流成分補正用の参照電圧Ｖｒｅｆｄが入力される。第３オペアンプＯＰ３の出力端子と、第９抵抗Ｒ９と第３オペアンプＯＰ３の反転入力端子との接続点との間に第１０抵抗Ｒ１０が帰還抵抗として接続される。第３オペアンプＯＰ３、第９抵抗Ｒ９および第１０抵抗Ｒ１０は、反転増幅器を構成する。当該反転増幅器は、負荷Ｌｏに流れる放電電流に対応する電圧を反転増幅する。
【００４０】
当該反転増幅器の出力電圧は、第４ダイオードＤ４を介して第２可変抵抗Ｒｖ２に入力される。第４ダイオードＤ４は当該反転増幅器から上記ヒステリシスコンパレータに電流が流れることを防止する。第２可変抵抗Ｒｖ２は、当該反転増幅器により反転増幅された電圧を調整する。設計者は温度特性などを考慮して、第２可変抵抗Ｒｖ２のボリュームを調整することができる。第２可変抵抗Ｒｖ２により調整された電圧（負電圧）は、上記参照電圧Ｖｒｅｆに加算される。すなわち、上記参照電圧Ｖｒｅｆを、上記放電電流に対応する電圧に相当する分、低下させることができる。上記放電電流が大きくなるほど、上記参照電圧Ｖｒｅｆが大きく低下する。
【００４１】
図８は、図７における二次電池Ｖｂの電圧Ｖ−時間Ｔ特性を示す図である。図８では、負荷Ｌｏに発生する交流成分は無視するものとする。または、負荷Ｌｏとして直流負荷を想定する。時刻ｔ１にリレー接点ｒｌがクローズし、二次電池Ｖｂから負荷Ｌｏへの放電が開始されると、時間経過と共に電池電圧が低下していく。
【００４２】
パックアップ電源の供給では、通常、時間経過とともに二次電池からの放電電流が増大する。それに伴い、上記ヒステリシスコンパレータの参照電圧Ｖｒｅｆが低下していく。図８では、二次電池Ｖｂの放電終止電圧Ｖｔｈが放電終止電圧Ｖｔｈ”に低下した状態を示している。これにより、放電終止電圧Ｖｔｈ”に到達する時刻を、Δｔ（ｔ４−ｔ３）分、延長することができ、二次電池Ｖｂが本来持っている放電性能をフルに発揮することができる。
【００４３】
以上説明したように実施の形態１、２によれば、バックアップ電源を供給するための二次電池の放電終止電圧を自動的に補正する回路を追加したことにより、当該二次電池の放電時間を適正化することができる。すなわち、実施の形態１に係る交流補正回路１０ａを追加したことにより、交流成分による放電時間の短縮をできるだけゼロに近づけることができる。また、実施の形態２に係る直流補正回路３０ａを追加したことにより、直流電流の増大による放電時間の短縮をできるだけゼロに近づけることができる。これらにより、本来、二次電池が持っている放電時間の性能をフルに発揮させ、結果的に電池寿命を最大化することができる。
【００４４】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４５】
実施の形態２に係る電池電圧検出回路１００ｂは、交流補正回路１０ａおよび直流補正回路３０ａの両方を備えたが、負荷Ｌｏが直流負荷の場合、交流補正回路１０ａは備える必要はなく、比較部２０および直流補正回路３０ａを備えるだけでよい。
【符号の説明】
【００４６】
１００ｐ，１００ａ，１００ｂ  電池電圧検出回路、  Ｌｏ  負荷、  Ｖｂ  二次電池、  ＳＷ  スイッチ、  １０  実効値電圧検出補正部、  １０ａ  交流補正回路、  ２０  比較部、  ３０  実効値電流検出補正部、  ３０ａ  直流補正回路。
【図１】
2012042419.tif 000003
【図２】
2012042419.tif 000004
【図３】
2012042419.tif 000005
【図４】
2012042419.tif 000006
【図５】
2012042419.tif 000007
【図６】
2012042419.tif 000008
【図７】
2012042419.tif 000009
【図８】
2012042419.tif 000010