JP2004312849A - 蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置 - Google Patents
蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】蓄電池に必要以上の負担を与えることなく、負荷機器への給電を安定して続けながら正確な判定をできる蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置を提供する。
【解決手段】交流電源１０に繋がる変換器１から蓄電池２に浮動充電しながら負荷８に給電する無停電給電装置において、変換器１の出力電圧を制御する制御回路３、および蓄電池２の劣化判定回路４または５を有し、制御回路３が変換器１の出力電圧を定常状態より下げることで蓄電池２が定格放電電流よりも制限された定電流Ｉｄｃで放電して負荷８に対する給電の一部を供給し、その放電電圧Ｖｄｃにより劣化判定回路４が蓄電池の劣化を判定する。
【選択図】 図１
【解決手段】交流電源１０に繋がる変換器１から蓄電池２に浮動充電しながら負荷８に給電する無停電給電装置において、変換器１の出力電圧を制御する制御回路３、および蓄電池２の劣化判定回路４または５を有し、制御回路３が変換器１の出力電圧を定常状態より下げることで蓄電池２が定格放電電流よりも制限された定電流Ｉｄｃで放電して負荷８に対する給電の一部を供給し、その放電電圧Ｖｄｃにより劣化判定回路４が蓄電池の劣化を判定する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータや通信機器の無停電給電装置であって内蔵されている蓄電池の劣化を判定する回路を付したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流の電源から各種通信機器等に電力を供給する際に、不測の停電やブレーカーの遮断によって給電が停止し、機器が損傷したり作業が中断したりするのを防ぐため、電源から機器に到る途中に無停電給電装置を挿入する。無停電給電装置は、大別して常時インバータ給電方式と常時商用給電方式がある。前者は、整流回路、蓄電池、インバータを備え、常時は、整流回路から得られた直流により蓄電池に浮動充電をしながら、インバータで交流変換して負荷である機器に給電する。後者は、電源から負荷機器に交流を直接給電する一方で、コンバータにより交直変換して蓄電池に浮動充電をする。
【０００３】
いずれの無停電給電装置でも停電等で電源電力が入力しなくなると、蓄電池が放電しその放電電流が直交変換され、蓄電池の放電が続く限り電力が供給されて負荷機器は間断なく動作を続ける。その間に停電等が止めば通常の給電状態へ復帰する。
【０００４】
蓄電池は、過放電したり、あるいは長期間使用すると劣化する。無停電給電装置の蓄電池が劣化していると、放電が長続きせず電源の復帰が間に合わないという事態や、劣化が著しいと放電電圧が負荷機器の動作電圧に足りない事態を招来する。
【０００５】
そのため無停電給電装置には、蓄電池の劣化を判定する回路が付されている。最も一般的には、蓄電池を放電させて放電電流のカーブを採り、正常な蓄電池の放電カーブ（リファレンスカーブ）と比較して判定する方法が知られている。また蓄電池のインピーダンスを測定して劣化を判定する方法も知られている。下記の特許文献１には、電力変換装置から負荷へ供給する電圧を低下させて蓄電池を放電させ、蓄電池の放電経過をみて劣化判定する方法が開示されている。
【０００６】
しかしながら、これらの従来の方法であると蓄電池を、放電電流のカーブを採る程度に放電させるため判定に時間がかかる。蓄電池の種類や放電率等に応じたリファレンスカーブを必要とし、設定が煩雑になったり、リファレンスカーブのためのメモリが必要となったりする。また判定を実施すること自体が蓄電池に無用な負担をかけて劣化を促進する。実際に劣化が進んでいる場合には判定中に放電が終了し、無停電電源として本来の機能を果たすことができない場合もある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−５０５２５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、蓄電池に必要以上の負担を与えることなく、負荷機器への給電を安定して続けるという無停電電源として本来の機能を果たしつつ正確な判定をできる蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するためになされた本発明の第一発明の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置は、交流電源に繋がる変換器から蓄電池に浮動充電しながら負荷に給電する無停電給電装置において、該変換器の出力電圧を制御する制御回路、および蓄電池の劣化判定回路を有し、該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態より下げることで完全に充電されている該蓄電池が定格放電電流よりも制限された電流で放電して該負荷に対する給電の一部を供給し、その放電電圧により該劣化判定回路が該蓄電池の劣化を判定する。
【００１０】
同じく本発明の第二発明の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置は、交流電源に繋がる変換器から蓄電池に浮動充電しながら負荷に給電する無停電給電装置において、該変換器の出力電圧を制御する制御回路、および蓄電池の劣化判定回路を有し、該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態より下げることで完全に充電されている該蓄電池が定格放電電流よりも制限された電流で放電して該負荷に対する給電の一部を供給し、該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態に復帰させて該蓄電池が充電される時間により該劣化判定回路が該蓄電池の劣化を判定する。
【００１１】
第一発明、第二発明の無停電給電装置は、該変換器が整流器であって、該負荷に負荷機器とともに直交変換器が含まれる装置にも適用できる。
【００１２】
第一発明、第二発明の無停電給電装置は、該変換器が整流器であって、蓄電池から該負荷に到る途中に直交変換器を有する、いわゆる常時インバータ給電方式に適用できる。
【００１３】
第一発明、第二発明の無停電給電装置は、該変換器が該負荷と並列に交流電源に繋がる交直相互変換器であって、該交直相互変換器に該蓄電池が接続されている、いわゆる常時商用給電方式に適用することもできる。
【００１４】
また、この第一発明、第二発明の無停電給電装置は、該変換器が該負荷と並列に交流電源に繋がる交直変換器であって、該交直相互変換器に蓄電池と直交変換器が接続される、前記と別な異なるタイプの常時商用給電方式にも適用できる。
該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態より下げることで放電する該蓄電池の前記制限された電流が、負荷の最大電流の１０〜５０％に相当するほぼ一定な電流であると好適に実施できる。負荷の最大電流の３０％前後に相当するほぼ一定な電流であるとさらに好適に実施できる。
【００１５】
該制御回路に、該劣化判定回路の動作スケジュールを記憶したトリガー信号源が接続し、該トリガー信号により該変換器の出力電圧を下げて該蓄電池が前記放電を開始することが好ましい。
【００１６】
該変換器と該制御回路は、交流入力から直流出力を得る整流器であって、交流入力電圧をパルス幅変調制御することで直流出力の電圧値を直流電圧指令値に近づけるクローズループを有している。
【００１７】
第一発明における劣化判定回路は、該制御回路の直流電圧指令値と該蓄電池の放電電圧との比較回路で適切に実施できる。
【００１８】
第一発明における劣化判定回路は、好ましくは、該制御回路の直流電圧指令値と該蓄電池の放電電圧との電圧差を積分する積分回路、および該積分回路の積分出力と基準電圧との比較回路である。
【００１９】
第二発明における劣化判定回路は、該蓄電池の前記充電時間を計測するタイマーであることで適切に実施できる。
【００２０】
第二発明における劣化判定回路は、好ましくは、該蓄電池の前記充電の電流と基準値電流とを比較する比較器に繋がるタイマーである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は本発明の第一発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の一実施形態の構成を示すブロック回路図である。この無停電給電装置は常時インバータ給電方式のものである。
【００２３】
図１に示す無停電給電装置は、商用交流電源１０に変換器である整流器１が接続され、その出力側に蓄電池２、並びにインバータ６を介して負荷機器８が接続されている。整流器１は制御回路３（図２参照）が付され、直流出力は制御回路３により任意の定電圧に制御できるようになっている。さらに制御回路３には蓄電池放電電圧による蓄電池劣化判定回路４が接続されている。制御回路３には、蓄電池劣化判定回路４の動作を開始させるためのトリガー信号が接続されている。
【００２４】
図２に実施形態を示す制御回路３の付された整流器１は、商用交流電源１０から、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を目途とする直流電圧Ｖｄｃの出力を得るものである。直流電圧指令値Ｖｄｃ＊のから順に電圧比較器２３、ＰＩＤ制御（比例制御・積分制御・微分制御）部２４、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御部２５が接続され、直流電圧Ｖｄｃの出力に至る。直流電圧Ｖｄｃは電圧比較器２３にフィードバックされてクローズループを構成している。
【００２５】
この無停電給電装置は、定常状態では商用交流電源１０から整流器１および制御回路３にて定電圧直流に変換される。商用交流電源１０に入力した交流はパルス幅変調制御され、制御回路３に設定入力している直流電圧指令値Ｖｄｃ＊に近づくようにクローズループにより繰り返し制御され、定常状態の直流電圧Ｖｄｃを出力する。この直流出力は、蓄電池２を浮動充電し、インバータ６にて正弦波電圧に変換され、負荷機器８に交流が供給される。
【００２６】
停電等で商用交流電源１０から電源電力が入力しなくなると、蓄電池２が放電しその放電電流がインバータ６で交流に交変換され、蓄電池の放電が続く限り電力が供給されて負荷機器８は間断なく動作を続ける。その間に停電等が止めば定常状態の給電に戻る。
【００２７】
蓄電池２の劣化判定をするため、制御回路３にトリガー信号が入力すると、制御回路３の直流電圧指令値Ｖｄｃ＊が下がり整流器１の出力電圧を定常状態より下げる。この実施の態様では、蓄電池２が負荷機器８の最大電流の３０％に相当する電流を放電するように、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を設定することで劣化判定の動作に入る。
【００２８】
この実施の態様における蓄電池２は、１セルあたり定格電圧２Ｖの蓄電セルをシリーズに１６８セル接続してあり、定格電圧３３６Ｖのものとしてある。制御回路３に設定してある定常状態における直流電圧指令値Ｖｄｃ＊は、浮動充電電圧の３８２Ｖ（１セルあたり２．２７５Ｖ）である。定常状態では制御回路３のクローズループ機能によって整流器１の出力電圧は３８２Ｖに制御されている。トリガー信号を契機に、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を３４０Ｖ（１セルあたり２．０４Ｖ）とし制御回路３のクローズループ機能が動作して劣化判定する。その結果、インバータ６には、負荷機器８が最大の電流で動作しているとすると蓄電池２の放電電流Ｉｄｃが３０％入力し、整流器１からの電流が７０％入力する。制御回路３は、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を一定に保ち、負荷機器８の動作電流が最大より減少すると、蓄電池２の放電電流Ｉｄｃは一定に保ち、整流器１からの電流が減少する。したがって、負荷機器８の動作電流が最大の５０％になると、蓄電池２の放電電流Ｉｄｃから３０％入力し、整流器１からの電流が２０％入力する。すなわち、蓄電池放電電流の設定を３０％とした場合には、負荷率が３０％以上で試験開始可能となる。
【００２９】
図３には、この蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の劣化判定時およびその前後における動作電流波形が示してある。商用交流電源１０から入力電流Ｉｉｎは正弦波に制御されており、劣化判定に入ると（トリガー信号以降）、蓄電池の放電（（Ｃ）参照）が加わるため入力電流Ｉｉｎは正弦波のままその振幅が低下する（（Ａ）参照）。インバータ６からみると整流器１の出力電流に蓄電池２からの電流Ｉｄｃが加わるため、一定の電流とみることができる。したがって、インバータ６の出力交流電流Ｉｏｕｔ、すなわち負荷機器８に供給される電流は一定となり（（Ｄ）参照）、劣化判定をしても定常状態と変わりなく負荷機器８は運転を続けられる。
【００３０】
第３図（Ｂ）には、蓄電池２の定格電圧、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊、放電電圧を示してある。（Ｂ）に示すように、蓄電池２が正常であれば放電電圧Ｖｄｃ１と直流電圧指令値Ｖｄｃ＊の電位差ΔＶｄｃ１は大きい。蓄電池２が劣化していると放電電圧Ｖｄｃ２と直流電圧指令値Ｖｄｃ＊の電位差ΔＶｄｃ２は小さい。蓄電池放電圧による蓄電池劣化判定回路４で、この状態における放電電圧ΔＶｄｃの大小を判別することで蓄電池２の正常、劣化が判別される（図６、図７参照）。例えば、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を３４０Ｖへ低下させた時、蓄電池２が新品の場合は放電電圧が３４６Ｖ、蓄電池容量が５０％程度の場合は３４２Ｖとなり、この放電電圧の大小を判別することで劣化を判定できる。
【００３１】
時間Ｔの経過後、制御回路３の直流電圧指令値Ｖｄｃ＊の設定を劣化判定の３４０Ｖから定常状態の３８２Ｖに戻すと、制御回路３のクローズループ機能によって整流器１の出力電圧Ｖｄｃは蓄電池の充電電流を制限しながら徐々に３８２Ｖにあがる。そのため、第３図（Ｃ）に示すように、それまで放電電流Ｉｄｃで放電していた蓄電池２は、整流器１から充電を受ける。すなわち蓄電池２の電流Ｉｄｃは正側の放電電流から負側の充電電流となり、時間ｔの経過で蓄電池２は飽和する。
【００３２】
図４は本発明の第二発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の一実施形態の構成を示すブロック回路図である。この無停電給電装置は常時商用給電方式の装置である。
【００３３】
図４に示すように、商用交流電源１０に負荷機器８がスイッチング回路９を介して接続されている。その一方で商用交流電源１０には、変換器である交流−直流／直流−交流と相互に変換するコンバータ１２が負荷機器８と並列に接続されている。コンバータ１２には、制御回路３が付され、さらに蓄電池２が接続されている。蓄電池２の出力には電流測定器７が付されており、蓄電池充電時間による蓄電池劣化判定回路５に接続されている。また制御回路３および蓄電池劣化判定回路５には蓄電池劣化判定のトリガー信号が入力するようになっている。制御回路３は図２に示したものと同一の構成である。
【００３４】
この無停電給電装置は、定常状態ではスイッチング回路９がオンになっており商用交流電源１０から負荷機器８に直接給電する一方で、コンバータ１２により交直変換して蓄電池２に浮動充電をしている。商用交流電源１０の停電等があるとスイッチング回路９が即座に動作してコンバータ１２側に切換り、蓄電池２が放電しその放電電流がコンバータ１２により直交変換され、蓄電池２の放電が続く限り電力が供給されて負荷機器８は動作を続ける。その間に停電等が止めばスイッチング回路９は切換り通常の商用給電に復帰する。
【００３５】
図４に示す蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の劣化判定動作における制御回路３の回路およびタイムチャ−トを含む動作説明は、図１の装置におけるものと同様であり詳細に説明してあるから、再度の説明を省略する。ただ蓄電池充電時間による蓄電池劣化判定回路５が使用されているので、その回路動作が若干異なる。すなわち図３（Ｃ）に示すように、蓄電池劣化判定のための制限された電流での放電終了後（時間Ｔの経過後）、蓄電池２が正常であれば充電が長時間持続する（ｔ２参照）。蓄電池２が劣化していると充電は短時間で終了する（ｔ１参照）。したがって、蓄電池劣化判定回路５でこの時間ｔをタイマーで計測することで正常、劣化が判別される。例えば、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を３４０Ｖ、時間Ｔを１５秒間低下させた時、蓄電池２が新品のであれば充電時間ｔは１２秒、蓄電池容量が５０％程度であれば４秒となり劣化が判定できる。
【００３６】
図５は本発明の第一発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置のさらに別な一実施形態の構成を示すブロック回路図である。この無停電給電装置は常時商用給電方式ではあるが、前記とは別な形態の装置である。
【００３７】
図５に示すように、商用交流電源１０に負荷機器８がスイッチング回路９を介して接続されている。その一方で商用交流電源１０には、変換器である整流器１およびインバータ６が接続され、インバータ６の出力が負荷機器８に接続されている。整流器１には制御回路３が付され、制御回路３には蓄電池放電圧による蓄電池劣化判定回路４が接続されている。整流器１およびインバータ６の間には蓄電池２が接続されている。また制御回路３には、蓄電池劣化判定のトリガー信号を発生するスケジュールタイマー１４が接続されている。制御回路３は図２に示したものと同一の構成である。
【００３８】
この無停電給電装置は、定常状態ではスイッチング回路９がオンになっており商用交流電源１０から負荷機器８に直接給電する一方で、整流器１により得られる直流で蓄電池２に浮動充電をしている。商用交流電源１０の停電等で電源電力が入力しなくなると、スイッチング回路９が遮断して蓄電池２が放電し、その放電電流がインバータ６により直交変換され負荷機器８に給電する。その間に停電等が止めばスイッチング回路９がオンに復帰して定常状態の商用給電に復帰する。
【００３９】
図５に示す蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の劣化判定動作における制御回路３の回路およびタイムチャ−トを含む動作説明は、図１の装置におけるものと同様である。ただ蓄電池劣化判定の開始は、スケジュールタイマー１４が機器のメンテナンスサイクルに合わせて発生するトリガー信号によって定期的に行われる。
【００４０】
図６は、図１、図５に示した蓄電池劣化判定回路４の具体的な構成例を示す回路図である。この蓄電池劣化判定回路４は、蓄電池２の放電電圧による劣化判定回路で、基準電圧電源１６と電圧比較器１８を有している。第３図（Ｂ）に示すように、蓄電池劣化判定時における蓄電池２の放電電圧Ｖｄｃと直流電圧指令値Ｖｄｃ＊の電位差ΔＶｄｃは、蓄電池２が正常であれば電位差ΔＶｄｃは大きいが、蓄電池２が劣化していると小さい。電位差ΔＶｄｃと基準電圧電源１６の電圧を電圧比較器１８で比較し、電位差ΔＶｄｃが大であれば正常信号を出す。電位差ΔＶｄｃが基準電圧電源１６の電圧より小さければ劣化信号を出す。
【００４１】
図７は、同じく図１、図５に示した蓄電池放電圧による蓄電池劣化判定回路４の別な構成例を示す回路図である。この蓄電池劣化判定回路４も電位差ΔＶｄｃにもとづき劣化判定するものであるが、電位差ΔＶｄｃは非常に微小な値なので取り扱い上不便なため、積分器１５で電位差ΔＶｄｃをＴ時間積分した値を基準電圧電源１７の電圧と電圧比較器１９で比較している。
【００４２】
図６、図７の蓄電池２の放電電圧による劣化判定回路は、図１、図５に示した無停電給電装置のみならず、図４に示した無停電給電装置にも適用できる。
【００４３】
図４に示した蓄電池劣化判定回路５は、充電時間による劣化判定回路であり基本的にタイマーで、構成されるが、具体的には、図８に示す充電時間による蓄電池劣化判定回路５によっても実施できる。この回路は、基準電流電源２０、電流比較器２１、タイマー２２を備えている。蓄電池２の充電電流Ｉｄｃと基準電流電源２０を電流比較器２１にて比較し、充電電流Ｉｄｃが大なる時間をタイマー２２で計測し、長ければ正常信号を出す。短ければ劣化信号を出す。
【００４４】
充電時間による劣化判定回路５は、図４に示した無停電給電装置のみならず、図１、図５に示した無停電給電装置にも適用できる。
【００４５】
さらに、これら放電電圧による蓄電池劣化判定回路４および充電時間による蓄電池劣化判定回路５は、図１に示す無停電給電装置の回路で、インバータ６と負荷機器８をまとめて負荷１１とみなすような、直流を給電する無停電給電装置にも適用できる。
【００４６】
図５に示した蓄電池劣化判定のトリガー信号を発生するスケジュールタイマー１４は、図１、図４に示した無停電給電装置にも適用できる。
【００４７】
全体として、図示あるいは記述された回路要素は、本発明の本質を外れない範囲でいかなる組み合わせによって実施できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置による蓄電池の判定は、蓄電池を長時間あるいは大電流で放電させることがないので蓄電池に無用な負担をかけることなく、短時間で正確な判定ができる。いわゆる破壊検査につながるような判定動作を防止できる。負荷機器への給電を安定して続けながら正確な判定を可能にするから、負荷機器の停止をせずに自動的かつ計画的に蓄電池のメンテナンスを行うに最適な装置である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の一実施形態の構成を示すブロック回路図である。
【図２】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の制御回路の一実施形態を示すブロック回路図である。
【図３】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の回路動作を説明する波形図である。
【図４】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の上記とは別な実施形態の構成を示すブロック回路図である。
【図５】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の上記とはさらに別な実施形態の構成を示すブロック回路図である。
【図６】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の蓄電池劣化判定回路の実施例を示すブロック回路図である。
【図７】同じく蓄電池劣化判定回路の別な実施例を示すブロック回路図である。
【図８】同じく蓄電池劣化判定回路のさらに別な実施例を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１は整流器、２は蓄電池、３は制御回路、４は蓄電池放電圧による劣化判定回路、５は蓄電池充電時間による劣化判定回路、６はインバータ、７は電流測定器、８は負荷機器、９はスイッチング回路、１０は商用交流電源、１１はインバータを含む負荷、１２はコンバータ、１４はスケジュールタイマー、１５は積分器、１６・１７は基準電圧電源、１８・１９は電圧比較器、２０は基準電流値を示す電源、２１は電圧比較器、２２はタイマー、２３は電圧比較器、２４は比例積分微分制御部、２５はパルス幅変調制御部である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータや通信機器の無停電給電装置であって内蔵されている蓄電池の劣化を判定する回路を付したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流の電源から各種通信機器等に電力を供給する際に、不測の停電やブレーカーの遮断によって給電が停止し、機器が損傷したり作業が中断したりするのを防ぐため、電源から機器に到る途中に無停電給電装置を挿入する。無停電給電装置は、大別して常時インバータ給電方式と常時商用給電方式がある。前者は、整流回路、蓄電池、インバータを備え、常時は、整流回路から得られた直流により蓄電池に浮動充電をしながら、インバータで交流変換して負荷である機器に給電する。後者は、電源から負荷機器に交流を直接給電する一方で、コンバータにより交直変換して蓄電池に浮動充電をする。
【０００３】
いずれの無停電給電装置でも停電等で電源電力が入力しなくなると、蓄電池が放電しその放電電流が直交変換され、蓄電池の放電が続く限り電力が供給されて負荷機器は間断なく動作を続ける。その間に停電等が止めば通常の給電状態へ復帰する。
【０００４】
蓄電池は、過放電したり、あるいは長期間使用すると劣化する。無停電給電装置の蓄電池が劣化していると、放電が長続きせず電源の復帰が間に合わないという事態や、劣化が著しいと放電電圧が負荷機器の動作電圧に足りない事態を招来する。
【０００５】
そのため無停電給電装置には、蓄電池の劣化を判定する回路が付されている。最も一般的には、蓄電池を放電させて放電電流のカーブを採り、正常な蓄電池の放電カーブ（リファレンスカーブ）と比較して判定する方法が知られている。また蓄電池のインピーダンスを測定して劣化を判定する方法も知られている。下記の特許文献１には、電力変換装置から負荷へ供給する電圧を低下させて蓄電池を放電させ、蓄電池の放電経過をみて劣化判定する方法が開示されている。
【０００６】
しかしながら、これらの従来の方法であると蓄電池を、放電電流のカーブを採る程度に放電させるため判定に時間がかかる。蓄電池の種類や放電率等に応じたリファレンスカーブを必要とし、設定が煩雑になったり、リファレンスカーブのためのメモリが必要となったりする。また判定を実施すること自体が蓄電池に無用な負担をかけて劣化を促進する。実際に劣化が進んでいる場合には判定中に放電が終了し、無停電電源として本来の機能を果たすことができない場合もある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−５０５２５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、蓄電池に必要以上の負担を与えることなく、負荷機器への給電を安定して続けるという無停電電源として本来の機能を果たしつつ正確な判定をできる蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するためになされた本発明の第一発明の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置は、交流電源に繋がる変換器から蓄電池に浮動充電しながら負荷に給電する無停電給電装置において、該変換器の出力電圧を制御する制御回路、および蓄電池の劣化判定回路を有し、該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態より下げることで完全に充電されている該蓄電池が定格放電電流よりも制限された電流で放電して該負荷に対する給電の一部を供給し、その放電電圧により該劣化判定回路が該蓄電池の劣化を判定する。
【００１０】
同じく本発明の第二発明の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置は、交流電源に繋がる変換器から蓄電池に浮動充電しながら負荷に給電する無停電給電装置において、該変換器の出力電圧を制御する制御回路、および蓄電池の劣化判定回路を有し、該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態より下げることで完全に充電されている該蓄電池が定格放電電流よりも制限された電流で放電して該負荷に対する給電の一部を供給し、該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態に復帰させて該蓄電池が充電される時間により該劣化判定回路が該蓄電池の劣化を判定する。
【００１１】
第一発明、第二発明の無停電給電装置は、該変換器が整流器であって、該負荷に負荷機器とともに直交変換器が含まれる装置にも適用できる。
【００１２】
第一発明、第二発明の無停電給電装置は、該変換器が整流器であって、蓄電池から該負荷に到る途中に直交変換器を有する、いわゆる常時インバータ給電方式に適用できる。
【００１３】
第一発明、第二発明の無停電給電装置は、該変換器が該負荷と並列に交流電源に繋がる交直相互変換器であって、該交直相互変換器に該蓄電池が接続されている、いわゆる常時商用給電方式に適用することもできる。
【００１４】
また、この第一発明、第二発明の無停電給電装置は、該変換器が該負荷と並列に交流電源に繋がる交直変換器であって、該交直相互変換器に蓄電池と直交変換器が接続される、前記と別な異なるタイプの常時商用給電方式にも適用できる。
該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態より下げることで放電する該蓄電池の前記制限された電流が、負荷の最大電流の１０〜５０％に相当するほぼ一定な電流であると好適に実施できる。負荷の最大電流の３０％前後に相当するほぼ一定な電流であるとさらに好適に実施できる。
【００１５】
該制御回路に、該劣化判定回路の動作スケジュールを記憶したトリガー信号源が接続し、該トリガー信号により該変換器の出力電圧を下げて該蓄電池が前記放電を開始することが好ましい。
【００１６】
該変換器と該制御回路は、交流入力から直流出力を得る整流器であって、交流入力電圧をパルス幅変調制御することで直流出力の電圧値を直流電圧指令値に近づけるクローズループを有している。
【００１７】
第一発明における劣化判定回路は、該制御回路の直流電圧指令値と該蓄電池の放電電圧との比較回路で適切に実施できる。
【００１８】
第一発明における劣化判定回路は、好ましくは、該制御回路の直流電圧指令値と該蓄電池の放電電圧との電圧差を積分する積分回路、および該積分回路の積分出力と基準電圧との比較回路である。
【００１９】
第二発明における劣化判定回路は、該蓄電池の前記充電時間を計測するタイマーであることで適切に実施できる。
【００２０】
第二発明における劣化判定回路は、好ましくは、該蓄電池の前記充電の電流と基準値電流とを比較する比較器に繋がるタイマーである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は本発明の第一発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の一実施形態の構成を示すブロック回路図である。この無停電給電装置は常時インバータ給電方式のものである。
【００２３】
図１に示す無停電給電装置は、商用交流電源１０に変換器である整流器１が接続され、その出力側に蓄電池２、並びにインバータ６を介して負荷機器８が接続されている。整流器１は制御回路３（図２参照）が付され、直流出力は制御回路３により任意の定電圧に制御できるようになっている。さらに制御回路３には蓄電池放電電圧による蓄電池劣化判定回路４が接続されている。制御回路３には、蓄電池劣化判定回路４の動作を開始させるためのトリガー信号が接続されている。
【００２４】
図２に実施形態を示す制御回路３の付された整流器１は、商用交流電源１０から、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を目途とする直流電圧Ｖｄｃの出力を得るものである。直流電圧指令値Ｖｄｃ＊のから順に電圧比較器２３、ＰＩＤ制御（比例制御・積分制御・微分制御）部２４、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御部２５が接続され、直流電圧Ｖｄｃの出力に至る。直流電圧Ｖｄｃは電圧比較器２３にフィードバックされてクローズループを構成している。
【００２５】
この無停電給電装置は、定常状態では商用交流電源１０から整流器１および制御回路３にて定電圧直流に変換される。商用交流電源１０に入力した交流はパルス幅変調制御され、制御回路３に設定入力している直流電圧指令値Ｖｄｃ＊に近づくようにクローズループにより繰り返し制御され、定常状態の直流電圧Ｖｄｃを出力する。この直流出力は、蓄電池２を浮動充電し、インバータ６にて正弦波電圧に変換され、負荷機器８に交流が供給される。
【００２６】
停電等で商用交流電源１０から電源電力が入力しなくなると、蓄電池２が放電しその放電電流がインバータ６で交流に交変換され、蓄電池の放電が続く限り電力が供給されて負荷機器８は間断なく動作を続ける。その間に停電等が止めば定常状態の給電に戻る。
【００２７】
蓄電池２の劣化判定をするため、制御回路３にトリガー信号が入力すると、制御回路３の直流電圧指令値Ｖｄｃ＊が下がり整流器１の出力電圧を定常状態より下げる。この実施の態様では、蓄電池２が負荷機器８の最大電流の３０％に相当する電流を放電するように、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を設定することで劣化判定の動作に入る。
【００２８】
この実施の態様における蓄電池２は、１セルあたり定格電圧２Ｖの蓄電セルをシリーズに１６８セル接続してあり、定格電圧３３６Ｖのものとしてある。制御回路３に設定してある定常状態における直流電圧指令値Ｖｄｃ＊は、浮動充電電圧の３８２Ｖ（１セルあたり２．２７５Ｖ）である。定常状態では制御回路３のクローズループ機能によって整流器１の出力電圧は３８２Ｖに制御されている。トリガー信号を契機に、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を３４０Ｖ（１セルあたり２．０４Ｖ）とし制御回路３のクローズループ機能が動作して劣化判定する。その結果、インバータ６には、負荷機器８が最大の電流で動作しているとすると蓄電池２の放電電流Ｉｄｃが３０％入力し、整流器１からの電流が７０％入力する。制御回路３は、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を一定に保ち、負荷機器８の動作電流が最大より減少すると、蓄電池２の放電電流Ｉｄｃは一定に保ち、整流器１からの電流が減少する。したがって、負荷機器８の動作電流が最大の５０％になると、蓄電池２の放電電流Ｉｄｃから３０％入力し、整流器１からの電流が２０％入力する。すなわち、蓄電池放電電流の設定を３０％とした場合には、負荷率が３０％以上で試験開始可能となる。
【００２９】
図３には、この蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の劣化判定時およびその前後における動作電流波形が示してある。商用交流電源１０から入力電流Ｉｉｎは正弦波に制御されており、劣化判定に入ると（トリガー信号以降）、蓄電池の放電（（Ｃ）参照）が加わるため入力電流Ｉｉｎは正弦波のままその振幅が低下する（（Ａ）参照）。インバータ６からみると整流器１の出力電流に蓄電池２からの電流Ｉｄｃが加わるため、一定の電流とみることができる。したがって、インバータ６の出力交流電流Ｉｏｕｔ、すなわち負荷機器８に供給される電流は一定となり（（Ｄ）参照）、劣化判定をしても定常状態と変わりなく負荷機器８は運転を続けられる。
【００３０】
第３図（Ｂ）には、蓄電池２の定格電圧、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊、放電電圧を示してある。（Ｂ）に示すように、蓄電池２が正常であれば放電電圧Ｖｄｃ１と直流電圧指令値Ｖｄｃ＊の電位差ΔＶｄｃ１は大きい。蓄電池２が劣化していると放電電圧Ｖｄｃ２と直流電圧指令値Ｖｄｃ＊の電位差ΔＶｄｃ２は小さい。蓄電池放電圧による蓄電池劣化判定回路４で、この状態における放電電圧ΔＶｄｃの大小を判別することで蓄電池２の正常、劣化が判別される（図６、図７参照）。例えば、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を３４０Ｖへ低下させた時、蓄電池２が新品の場合は放電電圧が３４６Ｖ、蓄電池容量が５０％程度の場合は３４２Ｖとなり、この放電電圧の大小を判別することで劣化を判定できる。
【００３１】
時間Ｔの経過後、制御回路３の直流電圧指令値Ｖｄｃ＊の設定を劣化判定の３４０Ｖから定常状態の３８２Ｖに戻すと、制御回路３のクローズループ機能によって整流器１の出力電圧Ｖｄｃは蓄電池の充電電流を制限しながら徐々に３８２Ｖにあがる。そのため、第３図（Ｃ）に示すように、それまで放電電流Ｉｄｃで放電していた蓄電池２は、整流器１から充電を受ける。すなわち蓄電池２の電流Ｉｄｃは正側の放電電流から負側の充電電流となり、時間ｔの経過で蓄電池２は飽和する。
【００３２】
図４は本発明の第二発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の一実施形態の構成を示すブロック回路図である。この無停電給電装置は常時商用給電方式の装置である。
【００３３】
図４に示すように、商用交流電源１０に負荷機器８がスイッチング回路９を介して接続されている。その一方で商用交流電源１０には、変換器である交流−直流／直流−交流と相互に変換するコンバータ１２が負荷機器８と並列に接続されている。コンバータ１２には、制御回路３が付され、さらに蓄電池２が接続されている。蓄電池２の出力には電流測定器７が付されており、蓄電池充電時間による蓄電池劣化判定回路５に接続されている。また制御回路３および蓄電池劣化判定回路５には蓄電池劣化判定のトリガー信号が入力するようになっている。制御回路３は図２に示したものと同一の構成である。
【００３４】
この無停電給電装置は、定常状態ではスイッチング回路９がオンになっており商用交流電源１０から負荷機器８に直接給電する一方で、コンバータ１２により交直変換して蓄電池２に浮動充電をしている。商用交流電源１０の停電等があるとスイッチング回路９が即座に動作してコンバータ１２側に切換り、蓄電池２が放電しその放電電流がコンバータ１２により直交変換され、蓄電池２の放電が続く限り電力が供給されて負荷機器８は動作を続ける。その間に停電等が止めばスイッチング回路９は切換り通常の商用給電に復帰する。
【００３５】
図４に示す蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の劣化判定動作における制御回路３の回路およびタイムチャ−トを含む動作説明は、図１の装置におけるものと同様であり詳細に説明してあるから、再度の説明を省略する。ただ蓄電池充電時間による蓄電池劣化判定回路５が使用されているので、その回路動作が若干異なる。すなわち図３（Ｃ）に示すように、蓄電池劣化判定のための制限された電流での放電終了後（時間Ｔの経過後）、蓄電池２が正常であれば充電が長時間持続する（ｔ２参照）。蓄電池２が劣化していると充電は短時間で終了する（ｔ１参照）。したがって、蓄電池劣化判定回路５でこの時間ｔをタイマーで計測することで正常、劣化が判別される。例えば、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を３４０Ｖ、時間Ｔを１５秒間低下させた時、蓄電池２が新品のであれば充電時間ｔは１２秒、蓄電池容量が５０％程度であれば４秒となり劣化が判定できる。
【００３６】
図５は本発明の第一発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置のさらに別な一実施形態の構成を示すブロック回路図である。この無停電給電装置は常時商用給電方式ではあるが、前記とは別な形態の装置である。
【００３７】
図５に示すように、商用交流電源１０に負荷機器８がスイッチング回路９を介して接続されている。その一方で商用交流電源１０には、変換器である整流器１およびインバータ６が接続され、インバータ６の出力が負荷機器８に接続されている。整流器１には制御回路３が付され、制御回路３には蓄電池放電圧による蓄電池劣化判定回路４が接続されている。整流器１およびインバータ６の間には蓄電池２が接続されている。また制御回路３には、蓄電池劣化判定のトリガー信号を発生するスケジュールタイマー１４が接続されている。制御回路３は図２に示したものと同一の構成である。
【００３８】
この無停電給電装置は、定常状態ではスイッチング回路９がオンになっており商用交流電源１０から負荷機器８に直接給電する一方で、整流器１により得られる直流で蓄電池２に浮動充電をしている。商用交流電源１０の停電等で電源電力が入力しなくなると、スイッチング回路９が遮断して蓄電池２が放電し、その放電電流がインバータ６により直交変換され負荷機器８に給電する。その間に停電等が止めばスイッチング回路９がオンに復帰して定常状態の商用給電に復帰する。
【００３９】
図５に示す蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の劣化判定動作における制御回路３の回路およびタイムチャ−トを含む動作説明は、図１の装置におけるものと同様である。ただ蓄電池劣化判定の開始は、スケジュールタイマー１４が機器のメンテナンスサイクルに合わせて発生するトリガー信号によって定期的に行われる。
【００４０】
図６は、図１、図５に示した蓄電池劣化判定回路４の具体的な構成例を示す回路図である。この蓄電池劣化判定回路４は、蓄電池２の放電電圧による劣化判定回路で、基準電圧電源１６と電圧比較器１８を有している。第３図（Ｂ）に示すように、蓄電池劣化判定時における蓄電池２の放電電圧Ｖｄｃと直流電圧指令値Ｖｄｃ＊の電位差ΔＶｄｃは、蓄電池２が正常であれば電位差ΔＶｄｃは大きいが、蓄電池２が劣化していると小さい。電位差ΔＶｄｃと基準電圧電源１６の電圧を電圧比較器１８で比較し、電位差ΔＶｄｃが大であれば正常信号を出す。電位差ΔＶｄｃが基準電圧電源１６の電圧より小さければ劣化信号を出す。
【００４１】
図７は、同じく図１、図５に示した蓄電池放電圧による蓄電池劣化判定回路４の別な構成例を示す回路図である。この蓄電池劣化判定回路４も電位差ΔＶｄｃにもとづき劣化判定するものであるが、電位差ΔＶｄｃは非常に微小な値なので取り扱い上不便なため、積分器１５で電位差ΔＶｄｃをＴ時間積分した値を基準電圧電源１７の電圧と電圧比較器１９で比較している。
【００４２】
図６、図７の蓄電池２の放電電圧による劣化判定回路は、図１、図５に示した無停電給電装置のみならず、図４に示した無停電給電装置にも適用できる。
【００４３】
図４に示した蓄電池劣化判定回路５は、充電時間による劣化判定回路であり基本的にタイマーで、構成されるが、具体的には、図８に示す充電時間による蓄電池劣化判定回路５によっても実施できる。この回路は、基準電流電源２０、電流比較器２１、タイマー２２を備えている。蓄電池２の充電電流Ｉｄｃと基準電流電源２０を電流比較器２１にて比較し、充電電流Ｉｄｃが大なる時間をタイマー２２で計測し、長ければ正常信号を出す。短ければ劣化信号を出す。
【００４４】
充電時間による劣化判定回路５は、図４に示した無停電給電装置のみならず、図１、図５に示した無停電給電装置にも適用できる。
【００４５】
さらに、これら放電電圧による蓄電池劣化判定回路４および充電時間による蓄電池劣化判定回路５は、図１に示す無停電給電装置の回路で、インバータ６と負荷機器８をまとめて負荷１１とみなすような、直流を給電する無停電給電装置にも適用できる。
【００４６】
図５に示した蓄電池劣化判定のトリガー信号を発生するスケジュールタイマー１４は、図１、図４に示した無停電給電装置にも適用できる。
【００４７】
全体として、図示あるいは記述された回路要素は、本発明の本質を外れない範囲でいかなる組み合わせによって実施できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置による蓄電池の判定は、蓄電池を長時間あるいは大電流で放電させることがないので蓄電池に無用な負担をかけることなく、短時間で正確な判定ができる。いわゆる破壊検査につながるような判定動作を防止できる。負荷機器への給電を安定して続けながら正確な判定を可能にするから、負荷機器の停止をせずに自動的かつ計画的に蓄電池のメンテナンスを行うに最適な装置である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の一実施形態の構成を示すブロック回路図である。
【図２】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の制御回路の一実施形態を示すブロック回路図である。
【図３】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の回路動作を説明する波形図である。
【図４】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の上記とは別な実施形態の構成を示すブロック回路図である。
【図５】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の上記とはさらに別な実施形態の構成を示すブロック回路図である。
【図６】本発明を適用する蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置の蓄電池劣化判定回路の実施例を示すブロック回路図である。
【図７】同じく蓄電池劣化判定回路の別な実施例を示すブロック回路図である。
【図８】同じく蓄電池劣化判定回路のさらに別な実施例を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１は整流器、２は蓄電池、３は制御回路、４は蓄電池放電圧による劣化判定回路、５は蓄電池充電時間による劣化判定回路、６はインバータ、７は電流測定器、８は負荷機器、９はスイッチング回路、１０は商用交流電源、１１はインバータを含む負荷、１２はコンバータ、１４はスケジュールタイマー、１５は積分器、１６・１７は基準電圧電源、１８・１９は電圧比較器、２０は基準電流値を示す電源、２１は電圧比較器、２２はタイマー、２３は電圧比較器、２４は比例積分微分制御部、２５はパルス幅変調制御部である。
Claims (13)
- 交流電源に繋がる変換器から蓄電池に浮動充電しながら負荷に給電する無停電給電装置において、該変換器の出力電圧を制御する制御回路、および蓄電池の劣化判定回路を有し、該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態より下げることで該蓄電池が定格放電電流よりも制限された電流で放電して該負荷に対する給電の一部を供給し、その放電電圧により該劣化判定回路が該蓄電池の劣化判定することを特徴とする無停電給電装置。
- 交流電源に繋がる変換器から蓄電池に浮動充電しながら負荷に給電する無停電給電装置において、該変換器の出力電圧を制御する制御回路、および蓄電池の劣化判定回路を有し、該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態より下げることで該蓄電池が定格放電電流よりも制限された電流で放電して該負荷に対する給電の一部を供給し、該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態に復帰させて該蓄電池が充電される時間により該劣化判定回路が該蓄電池の劣化判定することを特徴とする無停電給電装置。
- 該変換器が整流器であって、該負荷に負荷機器とともに直交変換器が含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
- 該変換器が整流器であって、該蓄電池から該負荷に到る途中に直交変換器を有することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
- 該変換器が該負荷と並列に交流電源に繋がる交直相互変換器であって、該交直相互変換器に該蓄電池が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
- 該変換器が該負荷と並列に交流電源に繋がる交直相互変換器であって、該交直相互変換器に該蓄電池と直交変換器が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置
- 該制御回路が該変換器の出力電圧を定常状態より下げることで放電する該蓄電池の前記制限された電流が、負荷の最大電流の１０〜５０％に相当するほぼ一定な電流であることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
- 該制御回路に、該劣化判定回路の動作スケジュールを記憶したトリガー信号源が接続し、該トリガー信号により該変換器の出力電圧を下げて該蓄電池が前記放電を開始することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
- 該変換器と該制御回路は、交流入力から直流出力を得る整流器であって、交流入力電圧をパルス幅変調制御することで直流出力の電圧を直流電圧指令値に近づけるクローズループを有することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
- 該劣化判定回路が、該制御回路の直流電圧指令値と該蓄電池の放電電圧との比較回路であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
- 該劣化判定回路が、該制御回路の直流電圧指令値と該蓄電池の放電電圧との電圧差を積分する積分回路、および該積分回路の積分出力と基準電圧との比較回路であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
- 該劣化判定回路が、該蓄電池の前記充電時間を計測するタイマーであることを特徴とする請求項２に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
- 該劣化判定回路が、該蓄電池の前記充電の電流と基準値電流とを比較する比較器に繋がるタイマーであることを特徴とする請求項２に記載の蓄電池劣化判定回路付無停電給電装置。
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