JP2003272713A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
に対し電力を供給する一方、停電時には二次電池31か
ら負荷部5に対し、少なくとも最大出力電力WmでΔt
の時間だけ電力供給を要請される無停電式の電源装置に
おいて、長期に亘る運転時の信頼性と省スペースに優れ
た電源装置を実現する。 【解決手段】 Wbmが最大出力電力Wmに対応する二
次電池31の出力としたとき、定格容量Qおよび実効抵
抗Rが下記(1)および(2)式を共に満足し、且つ
(3)式または(4)式の何れか一方を満足する二次電
池31を使用する。そして通常運転中に、二次電池31
に対し所定の充電量X[%]を超える充電を維持する充
電制御をする。 R≦Vo2/(4・Wbm)・・・(1) Q≧2・Wbm・Δt/(Vo・X/100)・・・・
(2) Q≦1.1×2・Wbm・Δt(Vo・(X−5)/1
00)・・・(3) R≧0.9×Vo2/(4・Wbm)・・・(4)
Description
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。
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。
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。
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。
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U
PS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。
長性を持たせると著しく高価になるため、一般に10k
VA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。
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。
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A
C−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。
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。
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。
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。
1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。
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。
常動作時には、二次電池31の電力充電量は、所定のS
OC(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。
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W
Mは、Vo2/(4・Re)を取ることが解る。
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)
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。
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。
1a〜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SO
C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。
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。
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。
Qw[Wh]は次式となる。 Qw≒Q・Vb・X/100≒Q・Wb/Ib・X/1
00
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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*
(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)
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。
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。
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。
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。
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48
V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。
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。
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。
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1
00〜200V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。
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。
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V
a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。
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。
Vの場合にあっては、AC−DCコンバータ81で36
0V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。
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。
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−D
Cコンバータ91a〜91nが設置され、必要な電圧V
1〜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 Reg
ulator Module)92を介して電圧Vrが
供給される。
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。
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。
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。
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。
2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。
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。
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。
通常動作時には、二次電池31の電力充電量は所定のS
OC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。
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。
m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D
C−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。
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)
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
が得られる。 n・r/p≦(n・vo)2/(4・Wbm) r≦vo 2/(4・Wbm/(n・p))=vo 2/
(4・wbm)
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)
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)
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。
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。
0kHz、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。
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)
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。
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8
5%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。
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。
2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。
2φ×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。
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。
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。
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。
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。
概略図である。
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。
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。
すブロック図である。
量と25℃での実効抵抗値との関係を示した図である。
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。
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。
Claims (12)
- 【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、 ある許容された劣化範囲内で二次電池が最も劣化した後
において、最低使用温度環境下での実効抵抗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ことを特
徴とする請求項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】 前記二次電池は、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
なされることを特徴とする請求項1または2記載の電源
装置。 - 【請求項4】 前記運転管理上の制御は、 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とともに、 その計測した交流インピーダンスの値を、初期値の20
0%までを許容範囲として制御することを特徴とする請
求項3記載の電源装置。 - 【請求項5】 前記二次電池における製造初期の実効抵
抗R*[Ω]が、下記(5)式を満足することを特徴と
する請求項4記載の電源装置。 R*≦Vo2/(1.4×4・Wbm)・・・(5) - 【請求項6】 前記二次電池における製造初期の実効抵
抗R*[Ω]が、下記(6)式を満足することを特徴と
する請求項5記載の電源装置。 R*≧0.9×Vo2/(1.4×4・Wbm)・・・(6) - 【請求項7】 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8】 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7記載の電源装置。 - 【請求項9】 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ことを特徴とする請求項1
または2記載の電源装置。 - 【請求項10】 前記組電池パックは、複数並列に接続
してなることを特徴とする請求項9記載の電源装置。 - 【請求項11】 前記並列接続された各組電池パック
は、 商用電力が供給されている通常運転時にあっては、所定
の充電量以上に維持する制御が個別になされており、 その内の1つの組電池パックが何らかの事由により欠け
た場合には、その欠けた組電池パックを除いて新たな充
電量が設定され、その値以上に維持する制御が個別にな
されることを特徴とする請求項10記載の電源装置。 - 【請求項12】 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ことを特徴とする請
求項1〜11の何れかに記載の電源装置。
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