(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源から出力される商用交流電力を、負荷部が要求する所定電圧の直流電力に変換して電力を供給する主電源部と、二次電池を電力供給源とし、前記商用交流電源に代えあるいは加えて負荷部に対して電力を供給する補助電源部とを備え、前記負荷部に対して前記補助電源部のみから電力を供給する際、少なくとも最大出力電力がＷｍ［Ｗ］でΔｔ［ｈ］の時間、前記二次電池が電力供給を継続可能とすることが要求される電源装置にあって、
前記補助電源部が、最大出力電力Ｗｍ［Ｗ］を供給するときに対応した前記二次電池の出力電力がＷｂｍ [Ｗ] であるとしたとき、
前記補助電源部は、前記商用交流電力が主電源部に供給されている通常運転中に、前記二次電池に対して所定の充電量Ｘ［％］を超える充電を維持する充電制御をする一方、
前記二次電池の初期における定格容量Ｑ［Ａｈ］が下記（２）式を満足し、且つ、
前記二次電池の交流インピーダンスを計測する制御パラメータ検出回路を有し、計測された交流インピーダンスの値が初期値の２倍までの許容範囲内において、最低使用温度環境下での該二次電池の実効抵抗Ｒ［Ω］が、下記（１）式を満足することを特徴とする電源装置。
Ｒ≦Ｖｏ2 ／（４・Ｗｂｍ）・・・（１）
Ｑ≧２・Ｗｂｍ・Δｔ／（Ｖｏ・Ｘ／１００）・・・・（２）
ここで、Ｖｏ［Ｖ］：二次電池の開放電圧
【請求項２】
前記二次電池が更に、下記（３）式および（４）式の少なくとも何れか一方を満足する請求項１記載の電源装置。
Ｑ≦１．１×２・Ｗｂｍ・Δｔ（Ｖｏ・（Ｘ−５）／１００）・・・（３）
Ｒ≧０．９×Ｖｏ2 ／（４・Ｗｂｍ）・・・（４）
【請求項３】
前記制御パラメータ検出回路は、前記二次電池における１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚに相当する周波数の交流インピーダンスを計測する請求項１または２記載の電源装置。
【請求項４】
前記二次電池における初期の実効抵抗Ｒ＊［Ω］が、下記（５）式を満足する請求項３記載の電源装置。
Ｒ＊≦Ｖｏ2 ／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（５）
【請求項５】
前記初期の実効抵抗Ｒ＊［Ω］が、下記（６）式を満足する請求項４記載の電源装置。
Ｒ＊≧０．９×Ｖｏ2 ／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（６）
【請求項６】
前記主電源部が、商用交流電力を所定電圧Ｖａの直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路と、該ＡＣ−ＤＣ変換回路から出力される直流電圧Ｖａを負荷部が要求する所定電圧に変換して供給するＤＣ−ＤＣ変換回路とから構成されており、
前記補助電源部は、前記ＤＣ−ＤＣ変換回路の入力側に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電源装置。  
【請求項７】
前記二次電池の電池電圧Ｖｂは、充電時において前記所定電圧Ｖａを超えず、且つ、給電時において該所定電圧Ｖａの１／３以上であることを特徴とする請求項６記載の電源装置。
【請求項８】
前記二次電池が、電池セルを複数直列に接続した組電池パックである請求項１または２記載の電源装置。
【請求項９】
前記組電池パックは、複数並列に接続してなる請求項８記載の電源装置。
【請求項１０】
前記二次電池が、ニッケル水素電池またはニッケルカドミウム電池である請求項１〜９の何れかに記載の電源装置。  
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流入力を直流電力に変換し負荷に供給する通信・情報機器用の電源装置に関し、特に無停電機能を持った電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の電源装置は、二次電池からの出力電圧をＤＣ−ＡＣ変換して交流電圧を出力可能とする外付けの補助電源、即ち無停電電源装置（以下、「ＵＰＳ」という）を備え、停電時には商用交流電源側からＵＰＳ側に出力を瞬間的に切り換えることにより、作業中のコンピュータ装置・データストレージ装置・ネットワーク機器あるいはその応用装置などの通信・情報機器が不用意に停止されることを未然に防止している。
【０００３】
こうした外付けＵＰＳに対し、例えば特開平９−３２２４３３号公報には、ＵＰＳ内蔵の電源装置が開示されている。そこには、商用交流電源から直流電力に変換して負荷に供給する主電源部と二次電池（バッテリー）から電力を供給するＵＰＳ電源部を備え、両者から所定比率で負荷に電力供給することで効率を改善する、あるいは片方の故障時に他方が即座に電力供給を開始することで信頼性が高まる、との記載がなされている。
【０００４】
また特開２０００−１１６０２９号公報にも、ＵＰＳ機能を機器電源に組み込んだバックアップ電源装置が開示されている。この装置構成では、交流−直流変換回路またはバックアップコンバータの一方から電力を供給することを特徴としている。定期的にバッテリーから直流電力を供給させ、電圧を検出することでシステムが正常に働くか否かの判定を行い、信頼性を高めることも明記されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、外付けＵＰＳを使用する場合は、電源性能に合致したＵＰＳを選定する必要があるが、外部に接続するＵＰＳは汎用品であるため、負荷装置側で必要な電源仕様よりも大きな容量のＵＰＳを選択せねばならないことが多く、体積のスリム化コストの低減が困難である。
【０００６】
また、ＵＰＳは並列冗長運転が難しく、冗長性を持たせると著しく高価になるため、一般に１０ｋＶＡ以下の容量の装置においては、ＵＰＳ１台で負荷に電力を供給する構成となっている。しかし、ＵＰＳの故障時には負荷を停止せずにＵＰＳを交換することは不可能であるため、例えばサーバやデータストレージ装置などの無停止・無瞬断運転が必要である装置では、充分な機能であるとはいえない。
【０００７】
他方、機器組み込みの場合は、電源に合わせた設計が可能であり、常にバックアップ電源装置を監視する動作の追加できるため、高い信頼性が確保できる。更に、ＵＰＳ電源部のメンテナンスに関しても、負荷を停止せずに実施可能とする構成が考えられる。
【０００８】
しかしながら、従来提案されているＵＰＳ電源部を機器に組み込んだ構成では３６０Ｖといった高電圧への昇圧が必要であるために、変換効率が低く、二次電池に貯蔵する電力が増大し、結果としてＵＰＳ電源部の体積が大きなものとなっていた。また、充電には商用交流電力を用いる構成であるために、充電のためのＡＣ−ＤＣコンバータと電力供給（放電）のためのＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、コストの点からも望ましい構成ではなかった。
【０００９】
また、そこに必要とされる二次電池に関しては、その詳細仕様については充分な検討がなされておらず、高い信頼性を確保するに足る必要かつ充分な電池サイズ、電池出力性能については不明であった。
【００１０】
本発明はかかる不都合に鑑みてなされたものであって、停電時におけるバックアップ機能を高い信頼性で有し、且つ、体積のスリム化と低コスト化が可能な電源装置の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる電源装置は、図１にその構成を概略的に示す如く、商用交流電源１から出力される商用交流電力を負荷部５が所望とする所定電圧の直流電力に変換して電力を供給する主電源部２と、二次電池３１を電力供給源とし、商用交流電源１に代えあるいは加えて負荷部５に対して電力を供給する補助電源部３とを備えたものである。
【００１２】
ここで、補助電源部３に備える二次電池３１の定格容量Ｑは、本発明における上記した目的から、必要にして最小であるのが望ましい。そこで、この二次電池３１の容量Ｑ［Ａｈ］を以下のように設定する。
【００１３】
先ず、主電源部２から負荷部５に対する最大出力電力がＷｍであり、停電時のバックアップ機能として要求される時間をΔｔ［ｈ］とすると、Ｗｍ×Δｔ［Ｗｈ］の電力（エネルギー）を供給する必要がある。
【００１４】
一方、商用交流電力１が供給されている通常動作時には、二次電池３１の電力充電量は、所定のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）値であるＸ［％］を下回らないよう、充電制御がなされる。
【００１５】
ここで、図２（ａ）に示す如く、二次電池３１の実効抵抗をＲｅ［Ω］、開放電圧をＶｏ［Ｖ］、電力供給時の出力電力をＷｂ［Ｗ］、電池電圧をＶｂ［Ｖ］、電流をＩｂ［Ａ］とすると、
Ｖｂ＝Ｖｏ−Ｒｅ・Ｉｂ
Ｗｂ＝Ｖｂ・Ｉｂ＝Ｖｏ・Ｉｂ−Ｒｅ・Ｉｂ２
となる。即ち、二次電池３１からの出力Ｗｂは、図２（ｂ）の如く電流Ｉｂの二次関数であり、ＩｂがＶｏ／（２・Ｒｅ）のとき、二次電池３１の出せる最大電力ＷＭは、Ｖｏ２／（４・Ｒｅ）を取ることが解る。
【００１６】
したがって、負荷部５に対して補助電源部３のみから電力を供給する際、少なくとも最大出力電力がＷｍ［Ｗ］でΔｔ［ｈ］の時間、二次電池３１が電力供給を継続可能とすることが要請されている場合にあっては、その電力を供給するためには、前記したＷＭが前記Ｗｍを出力する際の前記二次電池の出力Ｗｂｍを上回ることが必須であり、次式を満足する必要がある。
Ｗｂｍ≦ＷＭ＝Ｖｏ２／（４・Ｒｅ）
従って、二次電池側に立ってこの式を変換すると次式が得られる。
Ｒｅ≦Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）
【００１７】
ところで、図２（ａ）に示す二次電池３１の実効抵抗Ｒｅ［Ω］は、放電時間、電池温度、使用を開始してからの劣化の程度等によって異なる。重要なのは、ある許容される範囲内で劣化した後、装置の最低温度環境下にて、最大出力Ｗｂｍにて電力を供給する際の実効抵抗値である。この値をＲとすると、前式は次式となる。
Ｒ≦Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（１）
本式を満足し、且つ、ある許容される劣化範囲の二次電池であれば、最も出力性能が低下する最低動作温度環境下でも、負荷部が所望する最大電力Ｗｍを供給できる。
【００１８】
なお前記二次電池３１は一般に、電池セルを複数直列に接続した組電池パックであるか、または、複数直列に接続した電池パックを更に複数並列に接続してなる。図３（ｂ）には、二次電池３１がｎセル直列パックをｐパック並列に接続した組電池で形成されている場合を例示したが、各直列パック３１ａ・３１ｂ・・・３１ｐを、スイッチ３１１ａ・３１１ｂ・・・３１１ｐを介して並列接続するのが信頼性の観点からも望ましい。
【００１９】
このとき、並列接続された組電池パック３１ａ〜３１ｐは、主電源部７に対して商用交流電力が供給されている通常運転時にあっては、各々が所定のＳＯＣ値であるＸ１、Ｘ２・・・Ｘｐ以上に維持する制御がなされている。そして、その内の１つの電池パックが何らかの事由により欠けた場合にあっては、新たなＳＯＣ値がその欠けた電池パックを除いて新たに設定され、そのＳＯＣ値以上に維持する制御がなされる。
【００２０】
通常、ｐ個のパックで構成されていた二次電池３１が、（ｐ−１）個のパック構成でバックアップ機能を賄うことになるから、新たに設定されたＳＯＣ値は初期の設定値より高い値になるのが通例である。また、当然のことながら、（ｐ−１）個のパック構成にあっても、要請される最大出力電力Ｗｂｍを供給できる性能を有することが望まれる。
【００２１】
次に、二次電池３１の容量Ｑ［Ａｈ］に関しては、供給時間Δｔ［ｈ］と二次電池３１に蓄えられている充電量が関わってくる。容量Ｑ［Ａｈ］の二次電池３１に、充電量（ＳＯＣ値）がＸ［％］の電力が貯蔵されていたとき、電流Ｉｂにて電力を供給した場合を想定する。
【００２２】
この時の、エネルギーベースの電力供給量Ｑｗ［Ｗｈ］は次式となる。
Ｑｗ≒Ｑ・Ｖｂ・Ｘ／１００≒Ｑ・Ｗｂ／Ｉｂ・Ｘ／１００
【００２３】
また、二次電池３１に要請される最大電力供給量がＷｂｍ・Δｔで与えられることから、次の関係式が得られる。
Ｑｗ≧Ｗｂｍ・Δｔ
Ｑ・Ｗｂ／Ｉｂ・Ｘ／１００≧Ｗｂｍ・Δｔ
【００２４】
ここで、Ｗｂ／Ｉｂの値は、Ｖｏから二次電池３１の最大出力Ｗｍ供給時におけるＶｏ／２まで変化するが、限界での使用を考慮してＶｏ／２を用いると、前式から次の関係式が求められる。
Ｑ≧２・Ｗｂｍ・Δｔ／（Ｖｏ・Ｘ／１００）・・・・（２）
本式を満足する定格容量Ｑ［Ａｈ］の二次電池３１を用いることで、負荷部５が必要とする電力Ｗｍを所望の時間Δｔだけ供給することが可能となる。
【００２５】
これまで述べたように、補助電源部３に備えた二次電池３１に要求される最大出力Ｗｂｍおよびバックアップ時間Δｔを常に可能とするためには、二次電池３１の実効抵抗Ｒおよび容量Ｑが、上記した（１）式および（２）式をともに満足する必要がある。
【００２６】
他方、本発明の目的であるサイズのスリム化、低コスト化を実現するためには、容量は出来るだけ抑える必要がある。電池の抵抗も、一般的な傾向として容量が低いほど高抵抗になることから、支障の無い限り、なるべく高い値を取ることが必要になる。即ち、（１）式および（２）式の不等号を等号に置き換えた式が本発明の目的に理想的な二次電池であるといえる。
【００２７】
しかし、一般に製造される電池は、セル毎に容量、抵抗バラツキが発生する。現実的な値としては、±５％程度のバラツキを見込んで、補助電源部３に使用する二次電池３１を設計する必要がある。
【００２８】
更に、容量については、二次電池３１の充電量Ｑの推定誤差を考慮し、且つ組電池の中で、ある１つのセルが過放電にならないよう考慮する必要がある。推定誤差を±５％とし、過放電に至らぬように５％の充電量で放電を停止するとととする。
【００２９】
このことを、定式化したのが次式である。
Ｑ≦１．１×２・Ｗｂｍ・Δｔ（Ｖｏ・（Ｘ−５）／１００）・・・（３）
Ｒ≧０．９×Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（４）
【００３０】
ここで、（３）式または（４）式のどちらか少なくとも１つを満足することが、前記した（１）式および（２）式を満足しつつ現実的な最もスリムな二次電池を提供する条件となる。
【００３１】
更に本発明にあっては、二次電池３１は、使用や経時変化に伴う劣化をある許容範囲内に保つ装置の運転管理上の制御が、制御回路３４において実行されている。例えば制御パラメータ検出回路３３において交流インピーダンスを計測し、計測された交流インピーダンスの値が初期値の所定倍までを許容範囲として管理するものである。
【００３２】
この制御パラメータ検出回路３３では、二次電池３１の電池電圧、充放電電流、温度等の制御パラメータを計測する。測定された制御パラメータの内、電圧、電流値から計測時点の抵抗値が求められる。
【００３３】
更にこのとき、ステップ状の充電電流を二次電池３１に流し、充電開始からある時間経過後の電圧を測定し、電流を流す前の電圧との差を電流値で割ることにより、その時間に相当する交流インピーダンスが求められる。測定する二次電池のインピーダンス成分としては、劣化に対して最も敏感に変化するオーミックな成分を抽出するのが望ましい。即ち、周波数範囲としては、１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、開始時刻からサブｍｓ〜数十ｍｓの間で計測するのが望ましい。
【００３４】
ところで、本発明に適用する二次電池３１としては、後記する如くニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池が最適である。更に例えばニッケル水素電池の場合、充放電サイクルによる劣化を追うと、交流インピーダンスが単調に増加していく一方で、容量はほぼ一定に推移した後、あるところで急激に減少する。この変更点での交流インピーダンスは、よく調整された組成の電池では初期インピーダンスの２倍程度（２００％）である。このことから、インピーダンスが初期インピーダンスの２００％に近づいた時点で二次電池３１の寿命と判断し、交換の指標とするのである。
【００３５】
更に、上記した式（１）〜（４）の物理量の中で、製造直後の二次電池から測定不能な物理量が、許容範囲の劣化をした後の抵抗値Ｒである。これを、製造直後（初期）の抵抗値Ｒ＊に換算することで、所望の二次電池として具体化できる。
【００３６】
ところで、オーミック抵抗の全体の実効抵抗に占める比率は、出力電流、出力時間に依存するので一概には決まらない。ただ、バックアップ電源のように、５分間から１０分間程度で放電することを前提とすると、一般的なニッケル水素電池では約４０％程度である。そこで、前記した劣化の目安である２００％を入れると、他の抵抗成分が劣化であまり変化しないとすると、初期の実効抵抗Ｒ＊と劣化した後（許容範囲内で）の実効抵抗Ｒとの関係は、次の様になる。
Ｒ≒１．４×Ｒ＊
【００３７】
そこで、前式を上記した（１）式および（４）式に代入することにより、次式が得られる。
Ｒ＊≦Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（５）
Ｒ＊≧０．９×Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（６）
【００３８】
したがって、二次電池３１の製造後における物理量の条件として、（２）式および（５）式を満足し、且つ、（３）式または（６）式の少なくとも何れか一方を満足することが要請される。
【００３９】
なお、主電源部２を、図３（ａ）に示したように、商用交流電力をある所定電圧Ｖａの直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路８と、そのＡＣ−ＤＣ変換回路８から出力される直流電圧Ｖａを負荷部５が要求する所定電圧に変換して供給するＤＣ−ＤＣ変換回路９とから構成するとともに、二次電池３１を電力の供給源とする補助電源部３は、前記した所定電圧Ｖａの直流電力線に接続する態様も望ましい。
【００４０】
図１の構成では、負荷部５の要求する電圧が例えばＣＰＵ、半導体メモリ、ハードディスクドライブ等で各々異なる場合には、補助電源部３から出力される電圧もマルチ出力とする必要がある。それに対し、図３（ａ）に示す構成では、単独の電力出力になる。このため、二次電池電圧Ｖｂと出力電圧Ｖａの最適な設定により、双方向型のＤＣ−ＤＣコンバータの様な所定回路で構成される充放電回路３２の変換効率を高く維持することが可能となる。
【００４１】
具体的には、二次電池３１の電池電圧Ｖｂは、充電時において前記所定電圧Ｖａを超えず、且つ、供給時においてその所定電圧Ｖａの１／３以上であることが必要となる。
【００４２】
その所定電圧Ｖａは、４８Ｖであることが望ましい。情報・通信機器の構成標準化の動きのなかで、４８Ｖ直流バスが一般化しつつあること、二次電池電圧Ｖｂをあまり高くすると、取り扱いの危険性が増大することを考慮すると、補助電源部３の接続箇所は４８Ｖの電力線が最適である。このとき、上記の条件を満たす二次電池３１の定格電圧は、３８．４Ｖ以下、１９．２Ｖ以上となる。
【００４３】
また、本発明に用いる二次電池３１は、ニッケル水素電池からニッケルカドミウム電池が望ましい。補助電源部３に要求されるバックアップ時間Δｔは、通常６分程度であり、３ＣＡ〜１０ＣＡのレートで放電することが要求される。更には、体積のスリム化、特に機器内蔵とするためには高い容量密度の電池が望ましく、且つ火災の心配の少ないこと等の要請から判断して、現時点では上記した２種の二次電池が相応しい。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下本発明にかかる電源装置を、図４に示すサーバ用のコンピュータ装置６における無停電式の電源部４に実施した一例を示す。但し、これに限らず、通信・情報機器の様な恒常的な動作を必要とする各種の電子機器における電源や、その様な電子機器に電力を供給するために独立して動作する電源装置においてもほぼ同様に実施できることは勿論である。
【００４５】
本発明にかかる電源部４は、図４においてその全体的な構成を概略的に示す如く、主電源部７と補助電源部３とを備え、商用交流電源１から出力される１００〜２００Ｖ程度の交流電圧Ｖｓを１〜１２Ｖ程度の低圧直流電圧に変換し、負荷部５に対して供給可能とするものである。
【００４６】
ここで、本実施例における負荷部５としては、ＣＰＵ５２およびそのＣＰＵ５２に対する入出力部（Ｉ／Ｏ）５３に加えて、メモリ、ハードディスク、ディスクドライブ等のコンピュータ装置を構成するのに必要な第１負荷５１ａ〜第ｎ負荷５１ｎを備えた例が示されている。
【００４７】
主電源部７は、商用交流電源１から出力される交流電圧Ｖｓを中圧の直流電圧Ｖａに変換するＡＣ−ＤＣ変換回路８と、その出力された中圧の直流電圧Ｖａを低圧の直流電圧Ｖ１〜Ｖｎに降圧し、負荷部５に供給するＤＣ−ＤＣ変換回路９とから構成される。
【００４８】
ＡＣ−ＤＣ変換回路８は、入力される交流電圧Ｖｓを高圧の直流電圧Ｖｈに変換するＡＣ−ＤＣコンバータ８１と、高圧の直流電圧Ｖｈを中圧の直流電圧Ｖａに降圧するＤＣ−ＤＣコンバータ８２とを直列に接続することにより、力率を改善するとともに、電源高調波を抑制可能としている。
【００４９】
例えば、入力される交流電圧Ｖｓが２００Ｖの場合にあっては、ＡＣ−ＤＣコンバータ８１で３６０Ｖ程度の高圧の直流電圧Ｖｈに変換し、次いでＤＣ−ＤＣコンバータ８２によって４８Ｖ程度の中圧の直流電圧Ｖａに降圧する。この電圧値は適宜変更して実施できることは勿論であるが、中圧の直流電圧Ｖａとしては様々な観点から４８Ｖに標準化される傾向にある。
【００５０】
本実施例にあっては更に、ＡＣ−ＤＣコンバータ８１とＤＣ−ＤＣコンバータ８２とを直列に接続したものを１組とし、必要とする複数組を並列に接続することにより、信頼性を高めるようにしている。更に冗長性（高信頼性）を持たせる場合には、並列に接続配備される組数を必要回路数Ｎに加えて１つ余分に設置する。
【００５１】
またＤＣ−ＤＣ変換回路９は、通常、負荷部５を構成する個別の負荷が異なるいくつかの電圧Ｖ１〜Ｖｎを必要とするため、それに見合った数のＤＣ−ＤＣコンバータ９１ａ〜９１ｎが設置され、必要な電圧Ｖ１〜Ｖｎが作成される。なお、ＣＰＵ５２に供給される低圧の直流電圧Ｖｒは、他の負荷より安定した電圧の供給を必要とするため、ＶＲＭ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ  Ｍｏｄｕｌｅ）９２を介して電圧Ｖｒが供給される。
【００５２】
次に補助電源部３は、所定の電池電圧Ｖｂを有する二次電池３１を電力供給源とし、主電源部７におけるＡＣ−ＤＣ変換回路８の出力端に接続することにより、ＡＣ−ＤＣ変換回路８からの出力電圧Ｖａで二次電池３１に対する充電を可能とする一方、二次電池３１から出力される電力で負荷部５に対する電力供給を可能とする。
【００５３】
補助電源部３は、二次電池３１に対する充電と放電を可能とする充放電回路３２と、補助電源部３における各種制御を行う制御回路３４と、その制御回路３４に対して情報を伝えるための制御パラメータ検出回路３３と、商用交流電源１の停電時期を検知して制御回路３４に伝える停電検出回路３５とから構成される。
【００５４】
ここで充放電回路３２は、二次電池３１に対する充電時には入力電圧Ｖａを降圧して二次電池３１に充電電圧Ｖｂ’を印加する一方、二次電池３１からの放電時には電池電圧Ｖｂを昇圧して直流電圧Ｖａと略一致させ放電する機能とを有する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが使用される。
【００５５】
二次電池３１は、通常、複数個の電池セルから構成される。その電池電圧Ｖｂは特に制限はないが、上記した直流電圧Ｖａの約１／３以上から同等電圧までであることが望ましい。充放電機能を果たす双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の変換効率が、ＶａとＶｂの比が小さいほど効率が良いからである。
【００５６】
すなわち、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２による変換時の電力損失は、理論的にはＶａとＶｂの比の２次式で表わされ、比が大きくなると２乗に比例する項が支配的となる。特にこの比が３を超えると損失は急激に増大し、変換効率が低下する。この変換効率が低下すると、それを補うためにはより多くのあるいは大きな電池を使用することになり、結果として体積が増大することになる。省エネの観点からも望ましくない。
【００５７】
一方、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の変換効率のみの観点からは、電池電圧ＶｂをＶａより高圧側にする構成も可能であるが、そのためには二次電池３１のセルを多数接続することになり、接続によるインピーダンス増加、製造歩留まりの低下が懸念される。また、仮にＶａが４８［Ｖ］とすると、感電の危険性が高まり、製造時やメンテナンス時での取り扱いが面倒になる。
【００５８】
次に制御パラメータ検出回路３３は、二次電池３１の近傍に配置されたサーミスタの様な温度センサ３６により電池温度を、充放電回路３２の入力側に備えた充放電電流センサ３７により二次電池３１に対する充放電電流を、ＡＣ−ＤＣ変換回路８の出力側に備えた負荷電流センサ３８により負荷部５に供給する負荷電流を検出可能とするとともに、電池電圧Ｖｂや中圧の直流電圧Ｖａを入力することにより、二次電池３１に対する充放電時における各種の制御パラメータを取得し、制御回路３４の制御に利用可能としている。
【００５９】
ここで、商用交流電力１が供給されている通常動作時には、二次電池３１の電力充電量は所定のＳＯＣ値であるＸ［％］を下回らないよう、制御回路３４によって制御される。ＳＯＣ値の管理には、充放電量の積算値、自己放電による消失電力を考慮し、ある定められた論理に基づく適切なタイミングで補充電がなされる。
【００６０】
Ｘの具体的な値としては、電池容量をできるだけ小さくコンパクトにしたいとの要請から、７０％以上に設定するのが望ましい。バックアップ機能の時間Δｔは通常５分から１０分間と短時間であることから、二次電池３１の放電電流は通常３ＣＡ〜１０ＣＡ程度であり、高出力仕様に設計、製造されたものを用いるのが望ましい。
【００６１】
また、補助電源部３から負荷部５に対しＷｍの電力を供給する際に、二次電池３１からの出力電力がＷｂｍとすると、ＷｍとＷｂｍの比が、前記した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２と、主電源部７におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９１ａ〜９１ｎとＶＲＭ９２のトータルの変換効率に相当する。なお、電源供給電圧Ｖａと電池電圧Ｖｂとの比が前記のように３以下であるならば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の変換効率は９０％以上が期待される。
【００６２】
本発明は上記構成にあって、二次電池３１の実効抵抗Ｒおよび定格容量Ｑが、下記する（１）式および（２）式を満足し、且つ、（３）式または（４）式の何れか一方を満足する様に設計することを特徴とする。
Ｑ≧２・Ｗｂｍ・Δｔ／（Ｖｏ・Ｘ／１００）・・・・（２）
Ｑ≦１．１×２・Ｗｂｍ・Δｔ（Ｖｏ・（Ｘ−５）／１００）・・・（３）
Ｒ≦Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（１）
Ｒ≧０．９×Ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ）・・・（４）
【００６３】
ところで、二次電池３１が、図３（ｂ）で示すｎセル直列パックをｐパック並列に接続した組電池で形成されている場合を考えると、単セルの実効抵抗に関しても同様の式が導出される。即ち、単セルの劣化後、最低動作温度環境下、最大電力供給時の実効抵抗をｒとし、単セルの開放電圧をｖｏとすると、まず次式が求まる。
Ｒ＝ｎ・ｒ／ｐ
Ｖｏ＝ｎ・ｖｏ
【００６４】
両式を前記した（１）式に入れれば、次式が得られる。
ｎ・ｒ／ｐ≦（ｎ・ｖｏ）２／（４・Ｗｂｍ）
ｒ≦ｖｏ２／（４・Ｗｂｍ／（ｎ・ｐ））＝ｖｏ２／（４・ｗｂｍ）
【００６５】
ここでｗｂｍ（＝Ｗｂｍ／（ｎ・ｐ））は、二次電池３１から最大電力Ｗｂｍを供給時における単セル当たりの出力である。また、ｖｏはニッケル水素電池の場合、約１．３Ｖであり、前式は次式として差し支えない。
ｒ≦１．６９／（４・ｗｂ）
【００６６】
実効抵抗についての関係式を導出したときと同様にして、単セルの容量ｑ［Ａｈ］に関する以下の条件式が得られる。
ｑ≧２・ｗｂｍ・Δｔ／（ｖｏ・Ｘ／１００）
ｑ≧２・ｗｂｍ・Δｔ（１．３０・Ｘ／１００）＝１．５４・ｗｂｍ・Δｔ（Ｘ／１００）
【００６７】
ところで、図４における制御パラメータ検出回路３３では、二次電池３１の電池電圧、充放電電流、温度等の制御パラメータを計測する。測定された制御パラメータの内、電圧、電流値から計測時点の抵抗値が求められる。
【００６８】
例えば、ステップ状の充電電流を二次電池に流し、その時、開始時刻からある時間経過後の電圧を測定し、電流を流す前の電圧との差を電流値で割ることにより、その時間に相当する交流インピーダンスが求められる。測定する二次電池のインピーダンス成分としては、劣化に対して最も敏感に変化するオーミックな成分を抽出するのが望ましい。
【００６９】
即ち、周波数範囲としては、１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、開始時刻からサブｍｓ〜数十ｍｓの間で計測するのが望ましい。先述したように、ニッケル水素電池の例では、通常使用する充放電サイクルによって生ずる劣化によって、このオーミックな成分は単調に、且つ次第に急峻になりつつ上昇する、容量減少が発生する時点では初期値の約２倍になることから、仮にこの時点をもって電池劣化の目安とする。
【００７０】
更に、二次電池３１の製造直後における物理量の条件としては、（２）式と（５）式を共に満足し、（３）式または（６）式の何れか一方を満足するように設計することが可能である。
Ｒ＊≦Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（５）
Ｒ＊≧０．９×Ｖｏ２／（１．４×４・Ｗｂｍ）・・・（６）
【００７１】
もう１つ、二次電池３１の容量と抵抗には密接な関係がある。大雑把に言えば、抵抗は電極面積に反比例し、容量は電極体積に比例する。電極の厚みが、ある値に固定されれば、容量は電極面積に比例するため、容量と抵抗との関係は反比例の関係になる。経験的なニッケル水素電池の値を基に、求めた単セルの容量と２５℃における実効抵抗（７ＣＡ放電）の関係式を図５に示す。３本の関係曲線は異なる電極（正極）厚を示している。
【００７２】
実施例では、Ｓｕｂ−Ｃサイズのニッケル水素電池、容量３．０Ａｈ、使用前（製造後）の２５℃実効抵抗１０．０ｍΩを使用した。電源装置の最低設置温度５℃における実効抵抗を計測すると、１６．１ｍΩであった。負荷側が要求した最大出力は５００Ｗ、バックアップ時間は６分間であり、最大出力時の二次電池の出力は約７００Ｗであった。二次電池３１の充電量は８５％以上になるよう、積算電力量の計測と自己放電分の計算見積に基づく推定値を基に、補充電を実施して制御した。
【００７３】
図６にこのセルを組電池として使用したときの総容量と総抵抗、並びに、上記した（２）式および（５）式から求まるＱの最小値とＲ＊の最大値をプロットした。直列数は電圧の最適範囲から１６から３２とし、並列数は１と２の場合について示してある。組電池の容量は、並列数１（即ち電池パック１つ）の場合は３．０Ａｈ、並列数２の場合は６．０Ａｈであり、直列電池の数が同じであれば同じポイントになり、直列電池数の増加に従って、図の左上から右下に向かって移動する。
【００７４】
ここで、図６から並列数２で、直列数が２２を超えると、（２）（５）式を満足することが分る。次に、（１）式および（６）式からＲ＊の下限、Ｑの上限を考慮すると、直列数２２から２５の組電池がこの範囲に入っていることが分る。
【００７５】
実施例として、前記Ｓｕｂ−Ｃサイズ（２２φ×４２．５）のニッケル水素電池を２並列２４直列の組電池を、参考例として３２直列セル（１並列）の組電池と、２並列３０直列の組電池を用い、バックアップ機能について検証した。その結果を下表に示す。なお、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ３２と二次電池３１の間は、温度フューズを介して接続し、電池に異常が発生した際には強制的に接続が断たれる構成とした。
【００７６】
【表１】
0004165798.tif 000002
【００７７】
表１に示したように、実施例、参考例２の組電池は、充放電サイクル試験後でも電源装置の最低設置温度下にて６分間以上電力を供給することが可能であった。これに対し、参考例１の組電池では、充放電サイクル試験後では７００Ｗを出力することもできなかった。また、表から分るように、実施例は、参考例２に比べ、サイズ、重量共に２５％程度小さく、省スペースと高い信頼性を両立している。
【００７８】
ところで、電池パックの電池数としては素数を避け、できるだけ約数の多い数が望ましい。例えば、１６、２０、２４、２８、３０、３２という数である。これは、パックとして組上げるとき、過不足無く並べることができること、その組み合わせの可能性が多いため、実装するスペースに合わせた設計ができるメリットがある。
【００７９】
図７は、単セルの容量と実効抵抗の図５に、２並列２４直列構成における、（２）（５）式を挿入したものである。このプロットでは、（５）式が最低使用温度における実効抵抗に関する式であることから、最低使用温度を５℃とし、今回使用したＮｉＭＨ電池の温度特性を元に、２５℃の抵抗値に換算し、行った。先述したように、電極厚の差で単セルの容量と実効抵抗の関係が幅を持つが、（２）（５）式の交点に近い電池構成にすれば、よりシステム側の要望に合致したものとなる。
【００８０】
【発明の効果】
本発明は上記の如く、システム側からの供給電力に関する要求仕様に対し、使用する二次電池の容量、実効抵抗を所定の範囲内に選択することで、長期に亘り、システムの要請を満たし、且つ省スペース性に優れたバックアップ機能付き電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電源装置の基本的な構成を示す概略図である。
【図２】補助電源部で使用する二次電池における電流と出力電力の関係を説明するための図であって、（ａ）は二次電池を構成する各要素の関係を示す概略図、（ｂ）は電流と出力電力の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の他の実施例を示す図であって、（ａ）は主電源部の構成に特徴を有するもの、（ｂ）は二次電池を組電池パックとして構成した例を各々示す。
【図４】本発明をコンピュータ装置に実施した一例を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例に用いたニッケル水素電池の容量と２５℃での実効抵抗値との関係を示した図である。
【図６】本発明の実施例のコンピュータ装置の要請に対し、今回用いたＳｕｂＣサイズのニッケル水素電池によって構成する手順を示す図である。
【図７】実施例である２並列２４直列構成パックにおけるニッケル水素電池の最適設計指針を示すための図である。
【符号の説明】
１    商用交流電源
３    補助電源部
４    電源部
５    負荷部
６    コンピュータ装置
７    主電源部
８    ＡＣ−ＤＣ変換回路
９    ＤＣ−ＤＣ変換回路
３１    二次電池
３２    充放電回路
３３    制御パラメータ検出回路
３４    制御回路
３６    温度センサ
３７    充放電電流センサ
３８    負荷電流センサ
５１    負荷
５２  ＣＰＵ
５３  Ｉ／Ｏ
８１    ＡＣ−ＤＣコンバータ
８２    ＤＣ−ＤＣコンバータ
９１    ＤＣ−ＤＣコンバータ
９２    ＶＲＭ
【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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