JP6018097B2

JP6018097B2 - バックアップ電源装置

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Publication number: JP6018097B2
Application number: JP2014003713A
Authority: JP
Inventors: 裕嗣山田
Original assignee: 萩原電気株式会社
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP2015133817A

Description

本発明は、バックアップ電源装置に関する。詳しくは、複数のキャパシタに蓄電された電気エネルギを、キャパシタの電圧不均等を防止して負荷回路に供給するバックアップ電源装置に関する。

商用電源や発電装置等から供給される電気エネルギを蓄積し、主電源が停止したときに各種機械、装置、設備等に対して電源を供給するバックアップ電源装置が広く使用されている。従来、このようなバックアップ用途の蓄電デバイスとして、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池が多く利用されてきたが、近年では、これら二次電池に代わり電気二重層キャパシタ等、エネルギ密度の高いキャパシタが適用される場合も増えている。例えば、電気二重層キャパシタは、リチウムイオン電池に比べてエネルギ密度は数十分の１倍程であるが、近年では、正極を電気二重層の構造とし、負極にリチウムの化学反応を利用したリチウムイオンキャパシタも開発されている。リチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタの数倍〜数十倍程度のエネルギ密度を有している。一般に、これらのキャパシタは蓄電池よりも長寿命である。また、キャパシタは、二次電池に比べてはるかに短時間で充放電することができる。そうすると、大きい電力を消費する負荷を比較的短時間バックアップする用途においては、蓄電デバイスとして小型で長寿命のキャパシタを適用することが有利となってくる。
しかし、高エネルギ密度のキャパシタを使用する場合には、過充電及び過放電を生じさせないようにする充放電対策が重要になる。一例として、静電容量が数１０〜数１００Ｆのリチウムイオンキャパシタにおいて、最大使用電圧は３．８Ｖ、下限電圧は２．２Ｖとされており、その電圧範囲で使用する必要がある。また、蓄電のために複数個のキャパシタが使用される場合が多く、キャパシタ毎に静電容量のばらつきがあるため、それぞれのキャパシタの使用電圧（端子間電圧）を均等化して使用することが好ましい。

複数の電気二重層キャパシタを備えたキャパシタバンクを間欠充電によって急速充電し、各キャパシタの充電電圧を均一化する充電装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この充電装置では、キャパシタ直並列切替回路を設けたキャパシタバンクに間欠充電を行い、充電停止中に各セルを並列接続することによって各キャパシタの充電電圧が均等化されている。
また、複数個のキャパシタを直列に接続したキャパシタモジュールを備えた直流電源装置が開示されている（例えば、特許文献２を参照。）。この直流電源装置においては、常開スイッチ及び抵抗体をキャパシタ毎に並列に接続した電圧不均等化抑制回路が備えられており、複数のキャパシタのうち充電電圧が他のキャパシタの充電電圧よりも許容範囲以上高くなっているキャパシタについて抵抗体を並列接続することによって、各キャパシタの端子間電圧のばらつきが抑制されている。

特開２００１−３０９５７１号特開２０１２−１１５１０３号

前記のとおり、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等、高エネルギ密度のキャパシタにはキャパシタ毎に静電容量のばらつきがある。したがって、このようなキャパシタを複数個使用してバックアップ用の電源装置を構成する場合には、複数のキャパシタを充電する充電期間、及び複数のキャパシタに蓄えられた電気エネルギを負荷回路に供給するバックアップ期間において、キャパシタ毎に、過充電及び過放電を生じさせないようにすることが求められる。
しかし、特許文献１に記載されている充電装置では、充電における各キャパシタの充電電圧は均等化されたとしても、バックアップ用途においてキャパシタを過放電から保護することは検討されていない。すなわち、充電終了後の各キャパシタの端子間電圧は均等化されないため、充電が行われなくなった後に負荷回路に電力を供給するバックアップの期間に、キャパシタの容量のばらつきによって過放電を生じてしまうという問題がある。このような過放電を防止するには、各キャパシタについて使用電圧（端子間電圧）が下限電圧以上であるかどうかを監視することが必要となる。
特許文献２に記載されている直流電源装置においても、上記バックアップ期間におけるキャパシタの過放電の問題は解決されていない。また、複数のキャパシタのうち充電電圧が他のキャパシタの充電電圧よりも許容範囲以上高くなっているキャパシタを検出するために、キャパシタ毎に端子間電圧を測定する必要がある。更に、バックアップ期間において、キャパシタ毎に適宜並列に抵抗体を接続する構成を用いて使用電圧の均等化を図ろうとすると、並列接続された抵抗体によって電力が無駄に消費されてしまうという問題がある。

上記のように、複数のキャパシタを直列に接続して負荷回路に電力を供給する用途では、キャパシタ毎の充電電圧の不均等を充電期間において抑制したとしても、充電後、キャパシタから負荷回路に電力を供給するバックアップ期間において各キャパシタの使用電圧には不均等が生じる。キャパシタ毎に端子間電圧をモニタし、いずれかのキャパシタが下限電圧にまで低下したときには電力の供給を停止する方法も考えられるが、それでは直列に接続された複数のキャパシタのうち最も静電容量の小さいキャパシタによって使用が制限されることになり、複数のキャパシタに蓄えられた電気エネルギをフルに利用することができないという問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、複数のキャパシタに蓄電された電気エネルギを負荷回路に供給するバックアップ時において、キャパシタ毎の電圧不均等を防止すると共に、キャパシタに蓄積された電気エネルギを余すところなく供給することができるバックアップ電源装置を提供することを目的とする。

１．主電源装置から給電を受けてキャパシタを充電し、前記主電源装置からの給電が停止されたときに前記キャパシタから負荷回路に電力を供給するバックアップ電源装置であって、
複数のキャパシタを接続して構成されるキャパシタモジュールと、
前記複数のキャパシタの接続状態を直列又は並列に切り替えるスイッチ回路と、
前記主電源装置から給電を受けて前記キャパシタモジュールを充電する充電モード、及び前記キャパシタモジュールから前記負荷回路に電力を供給するバックアップモードにおいて、前記スイッチ回路により前記複数のキャパシタの接続状態を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記バックアップモードにおいて、前記複数のキャパシタのすべてを直列に接続して前記負荷回路に電力を供給させ、且つ所定の周期ですべてを並列に接続することにより前記キャパシタ毎の端子間電圧を均一化させ、
更に、１つの前記キャパシタの端子間の電圧を検出する使用電圧検出回路を備え、
前記制御手段は、前記バックアップモードにおいて、前記複数のキャパシタを並列に接続したときに前記使用電圧検出回路により検出された電圧が所定値以下となった場合には前記負荷回路への電力供給を停止させることを特徴とするバックアップ電源装置。
２．前記キャパシタモジュールと前記負荷回路との間に直列に挿入されるインダクタを具備する電圧変換回路と、前記電圧変換回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、を備え、
前記制御手段は、前記バックアップモードにおいて、前記出力電圧検出回路によって検出される電圧が所定範囲となるように、前記複数のキャパシタを並列に接続する期間及び周期の少なくとも一つを制御する上記１．記載のバックアップ電源装置。
３．前記制御手段は、前記充電モードにおいて、前記複数のキャパシタを並列に接続して充電を行わせる上記１．又は２．に記載のバックアップ電源装置。
４．前記制御手段は、前記主電源装置から供給を受ける電圧が所定値以上である間は前記充電モードで作動し、前記電圧が前記所定値を下回ったときに前記バックアップモードで作動するように切り替える上記１．乃至３．のいずれかに記載のバックアップ電源装置。
５．前記主電源装置は商用電源の供給を受けており、
前記商用電源の停電及び電圧低下の少なくとも１つを検出する停電検出回路を備え、
前記制御手段は、前記停電検出回路により停電又は電圧低下が検出されたときに前記バックアップモードで作動するように切り替える上記１．乃至３．のいずれかに記載のバックアップ電源装置。

本発明のバックアップ電源装置によれば、主電源装置から給電を受けてキャパシタを充電し、前記主電源装置からの給電が停止されたときに前記キャパシタから負荷回路に電力を供給するバックアップ電源装置であって、複数のキャパシタを接続して構成されるキャパシタモジュールと、前記複数のキャパシタの接続状態を直列又は並列に切り替えるスイッチ回路と、前記主電源装置から給電を受けて前記キャパシタモジュールを充電する充電モード、及び前記キャパシタモジュールから前記負荷回路に電力を供給するバックアップモードにおいて、前記スイッチ回路により前記複数のキャパシタの接続状態を制御する制御手段と、を備え、前記バックアップモードにおいて、制御手段は、前記複数のキャパシタのすべてを直列に接続して前記負荷回路に電力を供給させ、且つ所定の周期ですべてを並列に接続することにより前記キャパシタ毎の端子間電圧を均一化させるため、直列に接続されたキャパシタのうち最も静電容量の小さいキャパシタによって使用が制限されることなく、複数のキャパシタに蓄えられた電気エネルギを余すところなく負荷回路に供給することができる。また、キャパシタ毎に電圧監視を行う必要がなく、端子間電圧を均一化させるために抵抗素子等によって無駄な電力を消費することもない。

更に、１つの前記キャパシタの端子間の電圧を検出する使用電圧検出回路を備え、前記制御手段は、前記バックアップモードにおいて、前記複数のキャパシタを並列に接続したときに前記使用電圧検出回路により検出された電圧が所定値以下となった場合には前記負荷回路への電力供給を停止させるため、すべてのキャパシタの容量をフルに活用した上で過放電を確実に防止することができる。
前記キャパシタモジュールと前記負荷回路との間に直列に挿入されるインダクタを具備する電圧変換回路と、前記電圧変換回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、を備え、前記制御手段は、前記バックアップモードにおいて、前記出力電圧検出回路によって検出される電圧が所定範囲となるように、前記複数のキャパシタを並列に接続する期間及び周期の少なくとも一つを制御する場合には、キャパシタの直列接続及び並列接続の切り替えを利用して極めて簡単にＤＣ−ＤＣコンバータを構成することができ、負荷回路に安定した電源を供給することができる。
前記制御手段は、前記充電モードにおいては前記複数のキャパシタを並列に接続して充電を行わせる場合には、極めて簡単な回路構成及び制御によって、各キャパシタの充電電圧の不均等を生じることなく充電することができ、充電電圧がキャパシタの最大使用電圧を超えないようにする監視・制御も簡単に行うことができる。

前記制御手段は、前記主電源装置から供給を受ける電圧が所定値以上である間は前記充電モードで作動し、前記電圧が前記所定値を下回ったときに前記バックアップモードで作動するように切り替える場合には、別途の手段を用いることなく、主電源装置の出力電圧の低下を検出したとき、負荷回路に対してキャパシタモジュールから素早く電源を供給することができる。
前記主電源装置は商用電源の供給を受けており、前記商用電源の停電及び電圧低下の少なくとも１つを検出する停電検出回路を備え、前記制御手段は、前記停電検出回路により停電又は電圧低下が検出されたときに前記バックアップモードで作動するように切り替える場合には、極めて簡単に無停電電源を構成することができる。

本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
バックアップ電源装置の構成を表すブロック図である。バックアップモードにおいてキャパシタの接続を切り替えたときの出力電圧の変化を説明するためのタイミングチャートである。バックアップ電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。電圧変換回路を備えたバックアップ電源装置の構成を表すブロック図である。バックアップ電源装置のキャパシタが充分に充電されている状態におけるＤＣ−ＤＣコンバータとしての動作を説明するためのタイミングチャートである。バックアップ電源装置のキャパシタの放電が進んだ状態におけるＤＣ−ＤＣコンバータとしての動作を説明するためのタイミングチャートである。バックアップ電源装置の別の構成を表すブロック図である。バックアップ電源装置を用いた無停電電源の構成を表すブロック図である。

以下、図を参照しながら、本発明を詳しく説明する。
ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。

本実施形態に係るバックアップ電源装置の構成を図１に示す。本図において、バックアップ電源装置１の入力側は主電源装置８に、出力側は負荷回路９に接続されている。
主電源装置８は、少なくともバックアップ電源装置１に内蔵されるキャパシタを充電するための直流電源であり、バックアップ電源装置１に対して電源ＤＣｉｎを供給する。電源ＤＣｉｎの電圧はキャパシタを充電可能である限り問わず、必ずしも安定化されていなくてもよい。主電源装置８の種類は特に限定されず、例えば、商用電源の供給を受けて直流電圧を生成するＡＣ−ＤＣコンバータであってもよいし、発電機、太陽電池等の自然エネルギを利用する発電装置、動的エネルギの回収装置等であってもよい。

負荷回路９は、それが通常給電を受ける電源の停止時に、バックアップ電源装置１から電力を供給する対象である。負荷回路９には、主電源装置８から通常の電源を供給するように構成することができる。負荷回路９の種類は問わず、例えば、各種電子装置や情報処理装置、機械、照明設備、電熱器具等が挙げられる。図１において、バックアップ電源装置１から負荷回路９に対して直流電源ＤＣｏｕｔが出力されている。電源ＤＣｏｕｔの電圧は特に問わない。また、この電源ＤＣｏｕｔは、負荷回路９の種類や特性に応じて、電圧平滑化回路、ＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータ等を介して供給するように構成することができる。

バックアップ電源装置１は、主電源装置８から給電を受けて内蔵するキャパシタを充電し、そのキャパシタから負荷回路９に電力を供給するように構成されている。バックアップ電源装置１には、複数のキャパシタ（２ａ、２ｂ、２ｃ等。以下、これらをまとめて「キャパシタ２」ともいう。また、複数のキャパシタを接続して構成される全体を「キャパシタモジュール２」という。）と、その複数のキャパシタ相互の接続状態を直列又は並列に切り替えるスイッチ回路３（３１、３２）と、主電源装置８から給電を受けてキャパシタモジュール２を充電する充電モード、及びキャパシタモジュール２から負荷回路９に電力を供給するバックアップモードにおいて、スイッチ回路３により複数のキャパシタ２の接続状態を制御する制御手段４と、が備えられている。

キャパシタ２の種類は特に限定されず、例えば、エネルギ密度の高い電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等を挙げることができる。図１には３個のキャパシタ（２ａ、２ｂ、２ｃ）が表されているが、キャパシタ２の個数は問わず、負荷回路９に必要な電源電圧及び容量に応じて決められればよい。例えば、負荷回路９の電源電圧が５〜１０Ｖであり、１個の最大使用電圧が４Ｖであるキャパシタを使用する場合には、少なくとも３個のキャパシタを備えて、直列に接続したキャパシタの使用電圧が負荷回路９の電源電圧を上回るように構成することが好ましい。その場合、負荷回路９に対しては、キャパシタモジュール２の出力電圧を降圧する電圧変換回路を介して電源を供給するように構成することができる。また、負荷回路９の電源電圧が高い場合には、キャパシタモジュール２の出力電圧を昇圧する電圧変換回路を介して負荷回路９に接続することも可能である。

スイッチ回路３は、スイッチ素子３１、３２等を備え、主として複数のキャパシタ２相互の接続状態を直列又は並列に切り替えるための回路である。スイッチ素子３１及び３２は、キャパシタ２の個数に対応してそれぞれ複数備えられる。図１の例では、電源ＤＣｉｎと３個のキャパシタの正極端子との間に３個、各キャパシタの負極端子と基準電位０Ｖとの間に２個、の計５個のスイッチ素子３１が備えられている。また、３個のキャパシタ２相互の正極端子と負極端子との間は、２個のスイッチ素子３２を介して接続されている。
すべてのスイッチ素子３１及びすべてのスイッチ素子３２は、同時に切り替えられるように構成することができる。スイッチ回路３は、スイッチ素子３１が閉（オン）且つ３２が開（オフ）のとき、すべてのキャパシタ２が並列に接続され、スイッチ素子３１が開（オフ）且つ３２が閉（オン）のとき、すべてのキャパシタ２が直列に接続されるように構成されている。

スイッチ回路３には、必要に応じてスイッチ素子３１１等、別途のスイッチ素子を備えることができる。例えば、スイッチ素子３１１は負荷回路９側に対する電源供給を制御するために用いることができ、スイッチ素子３１１を開（オフ）としたときは、キャパシタ２からの負荷回路９側への電源供給を停止することができる。なお、スイッチ素子３１１に代わりダイオードＤ１を置き、キャパシタ２から負荷回路９側へ向かう向きのみに電流が流れるように構成されてもよい。
すべてのスイッチ素子は、制御手段４によって制御可能に構成される。スイッチ素子としては、スイッチング用トランジスタ（例えば、ＦＥＴ）を用いることができる。

制御手段４は、主電源装置８から給電を受けてキャパシタ２を充電する充電モードと、充電されたキャパシタ２から負荷回路９に電力を供給するバックアップモードとにおいて、スイッチ回路３を用いて複数のキャパシタ２の接続状態を制御する手段である。また、制御手段４にＰＷＭ（パルス幅変調）制御部を備え、バックアップモードにおいてバックアップ電源装置をＤＣ−ＤＣコンバータとして機能させることができる（後述のバックアップ電源装置１１）。
制御手段４は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれによって構成されてもよいし、それらを組み合わせて構成されてもよい。例えば、制御手段４はマイクロコンピュータ（マイクロコントローラ）及び周辺回路を用いて構成することができる。

なお、バックアップ電源装置１には、その作動に必要な電源（７）が備えられる（図示せず）。制御手段４やスイッチ回路３等、バックアップ電源装置１の作動に必要な電源（７）の構成は特に問わない。例えば、主電源装置８の作動中（充電モード）には主電源装置８（８１）から電源供給を受け、主電源装置８の停止時（バックアップモードでの作動時）には、電圧変換回路（６）等を介して、キャパシタ２に蓄えられた電力の供給を受けるように構成することができる（図８参照）。また、必要な場合には、制御手段４を作動させるための蓄電池等を備えてもよい。

前記「充電モード」は、バックアップ電源装置１が主電源装置８から給電を受けている期間（充電期間）の動作態様を意図している。充電モードの間、キャパシタ２は充電される。また、その間、負荷回路９には主電源装置８又は別途の電源装置から電源（通常電源）を供給するように構成することができる。
前記「バックアップモード」は、負荷回路９に通常電源を供給する電源装置が停止し、バックアップ電源装置１が充電モードにおいて蓄電したキャパシタ２の電力を負荷装置９に供給する期間（バックアップ期間）の動作態様を意図している。

図２は、スイッチ回路３を切り替えたときの、キャパシタモジュール２の電圧の変化を表したタイミングチャートである。同図（ａ）はスイッチ素子３１及び３２のオン、オフの状態、（ｂ）は直列又は並列に接続されたキャパシタモジュール２の両端の間に生じる電圧（図１において基準電位「０Ｖ」に対する「Ａ」点の電圧）Ｖａを表している。
スイッチ素子３１がオフ且つ３２がオンにされた直列接続期間Ｔｓにおいては、キャパシタ２は直列に接続される。そして、周期Ｔ１毎に、スイッチ素子３１がオン且つ３２がオフにされ、キャパシタ２が並列に接続される（並列接続期間Ｔｐ）。
電圧Ｖａは、バックアップ期間においてスイッチ素子３１１がオンの間バックアップ電源装置１の出力ＤＣｏｕｔから出力される電圧であり、以下「キャパシタモジュール２の出力電圧」という。

キャパシタモジュール２にｎ個のキャパシタが備えられており、１個のキャパシタの端子間の電圧がＶｃであるとする。直列接続期間Ｔｓにおいてはｎ個のキャパシタが直列に接続され、このときの電圧Ｖａの値Ｖｓは、ｎ×Ｖｃとなる。また、並列接続期間Ｔｐにおいてはｎ個のキャパシタが並列に接続され、このときの電圧Ｖａの値ＶｐはＶｃと等しい。各キャパシタの容量にばらつきがあっても、並列に接続された状態では各キャパシタ間の電荷移動により使用電圧の不均等が解消される。
なお、「使用電圧」とは１つのキャパシタ２の端子間の電圧をいい、充電モードにおいてはこれを「充電電圧」ともいう。

バックアップ電源装置１は、１つのキャパシタ２の端子間の電圧を検出する使用電圧検出回路４１を備え、その検出結果を制御手段４により取得可能に構成することができる。制御手段４は、直列接続したキャパシタ２を周期的に並列接続に切り替え、並列接続期間Ｔｐにおいて、均等化されたキャパシタ２の使用電圧を検出することができる（図２の「Ｍ」点）。そして、充電モードにおいては、制御手段４は、検出した使用電圧を１個のキャパシタ２について規定されている最大使用電圧と比較することによって、過充電を防止するように構成することができる。また、バックアップモードにおいては、制御手段４は、検出した使用電圧を１個のキャパシタ２について規定されている下限電圧と比較することによって、過放電を防止するように構成することができる。

図３を参照して、充電モード及びバックアップモードを通したバックアップ電源装置１の一連の動作を説明する。同図（ａ）は、主電源装置８から供給される直流電源ＤＣｉｎの電圧を表し、（ｂ）はスイッチ素子３１及び３２のオン・オフ状態、（ｃ）はキャパシタモジュール２の両端間に生じる電圧Ｖａを表す。図において、時間ｔ_０〜ｔ_１は充電モードの動作、時間ｔ_１〜ｔ_２はバックアップモードの動作を表している。

時刻ｔ_０に主電源装置８から直流電源の供給が開始されると、バックアップ電源装置１は充電モードで作動する。充電モードにおいては、バックアップ電源装置１は負荷回路９に対する電源供給は行わず、キャパシタ２を充電する。負荷回路９への電源供給を遮断するには、例えばスイッチ素子３１１をオフとすればよい。
充電モードにおけるキャパシタ２の充電方式は特に限定されない。例えば、図１に示した回路構成によって、制御手段４は複数のキャパシタ２を常時並列に接続して充電を行うように構成することができる（図３の「イ」参照）。また、別の回路構成によって、キャパシタ２を直列に接続して少ない電流により充電するようにすることができる（図３の「ロ」参照）。更に、キャパシタ２を直列に接続して充電を行い、各キャパシタ２のばらつきによって充電電圧が不均等となるのを抑制するために、適宜の周期で並列接続するようにすることもできる。

キャパシタ２の充電を直列状態及び並列状態のいずれで行う場合にも、充電電圧を監視することにより、キャパシタ２の充電電圧が最大使用電圧を超えないように制御して過充電を防止する必要がある。いずれの場合も、制御手段４は、キャパシタ２を並列接続した期間において、使用電圧検出回路４１により充電電圧を検出することができる。そして、例えば、検出した充電電圧が所定電圧（例えば、最大使用電圧の８０％）に達するまでは定電流充電を行い、所定電圧を超えた後は定電圧充電に切り替えるように制御することによって、キャパシタ２を十分に充電すると共に過充電を防止することができる。

時刻ｔ_１に主電源装置８からの電源供給が停止されたとき、バックアップ電源装置１の動作は、制御手段４によって直ちにバックアップモードに切り替えられる。主電源装置８からの電源供給の停止を判断する方法は限定されない。例えば、図１に示されているように、バックアップ電源装置１に入力ＤＣｉｎの電圧（Ｖｉｎ）を検出する入力電圧検出回路４３を備え、制御手段４は、主電源装置８から供給を受ける電圧Ｖｉｎが所定値以上である間は充電モードで作動し、電圧Ｖｉｎが所定値を下回ったときはバックアップモードで作動するように切り替えるようにすることができる。

その他、充電モードからバックアップモードへの切り替えタイミングは、外部からのスイッチ信号等によって選択可能にすることもできる。例えば、電源として発電機を使用する場合、発電機を短時間停止させても、その停止信号によってバックアップモードに切り替え、キャパシタモジュール２から負荷回路９に電源を供給するようにすることができる。また、負荷回路９が商用電源を使用する電気機器であれば、商用電源をオフにしたり電気機器を商用電源から切り離して使用したりしても、バックアップモードへ切り替えることによってキャパシタモジュール２から電気機器に電源を供給するようにすることができる。

バックアップモードにおいて、制御手段４は、複数のキャパシタ２を直列に接続して負荷回路９に電力を供給させ、且つ周期的に所定時間（Ｔｐ）並列に接続する。複数のキャパシタ２は周期的に並列接続状態とされるため、各キャパシタのばらつきに起因して直列に接続された期間（Ｔｓ）に生じたキャパシタ毎の使用電圧の不均等は、並列接続されたときの電荷移動により解消される。キャパシタ２を並列接続状態とする期間Ｔｐの長さ、及び並列接続状態に切り替える周期Ｔ１は、適宜とすることができる。

バックアップ期間において、複数（ｎ個）のキャパシタ２は、期間Ｔｓの間直列に接続され、周期Ｔ１で期間Ｔｐの間並列接続される。ある時点のキャパシタ１個当りの端子間電圧（使用電圧）をＶｃとすると、直列接続されたキャパシタモジュール２の電圧Ｖｓ＝ｎ×Ｖｃ、並列接続されたキャパシタモジュール２の電圧Ｖｐ＝Ｖｃとなる。そして、キャパシタモジュール２からは負荷回路９へ電流が供給されるので、図３に示されるように、上記電圧Ｖｓ及びＶｐは時間経過に伴って放電により減少する。制御手段４は、並列接続期間Ｔｐに、使用電圧検出回路４１により電圧Ｖｐを検出することができる。

そこで、並列接続状態で検出された使用電圧Ｖｐの値がキャパシタ２について規定された下限電圧Ｖｅに至ったときに（時刻ｔ_２）、制御手段４は、負荷回路９への電源供給を停止させることができる。キャパシタ２毎の使用電圧は均等化されているため、すべてのキャパシタについて過放電を防止することができ、且つｎ個のキャパシタに蓄積されたエネルギを余すことなく利用することが可能となる。すなわち、各キャパシタのばらつきによって、いずれかのキャパシタは下限電圧Ｖｅに至ったが、他のキャパシタは下限電圧Ｖｅ以上であって、全体としては利用できる電気エネルギが残っているにもかかわらず、下限電圧Ｖｅに至ったキャパシタを保護するためにバックアップを終了させなければならないという問題は解決される。
負荷回路９への電力供給を停止させる手段は限定されない。例えば、スイッチ素子３１１を開とすればよいが、全てのスイッチ素子３１及び３２を開としてもよい（図１参照）。また、別途の遮断手段が設けられてもよい。

本バックアップ電源装置は、キャパシタモジュール２と負荷回路９との間に直列に挿入されるインダクタを具備する電圧変換回路（６）と、電圧変換回路（６）の出力電圧を検出する出力電圧検出回路（４５）と、を備えることができる。この構成によって、本バックアップ電源装置はバックアップモードにおいてＤＣ−ＤＣコンバータとしての機能を備えることができる。

図４は、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する例を表している。このバックアップ電源装置１１は、キャパシタモジュール２の出力回路に直列にインダクタ６１（インダクタンスＬ）が挿入された電圧変換回路６を備える。キャパシタモジュール２の出力はスイッチ素子３１１を介してインダクタ６１の一端に接続されている。スイッチ素子３１１は、バックアップモードにおいてスイッチ素子３２と同じ開閉動作を行うように構成されている。すなわち、キャパシタ２が直列に接続される間スイッチ素子３１１が閉（オン）となり、キャパシタモジュール２の出力が電圧変換回路６に供給される。一方、キャパシタ２が並列に接続される間はスイッチ素子３１１が開（オフ）となり、キャパシタモジュール２の出力は電圧変換回路６に供給されない。
インダクタ６１の他端は電圧変換回路６の出力端（ＤＣｏｕｔ２）に接続されている。また、インダクタ６１の上記他端には、基準電位０Ｖとの間にキャパシタ６３が接続されている。電圧変換回路６の出力電圧を検出するための出力電圧検出回路４５には、電圧変換回路６の出力電圧を抵抗６５及び６６により分圧した電圧Ｖｍが入力される。なお、インダクタ６１の上記一端と基準電位０Ｖとの間には、ダイオード６２が接続されている。

図５及び図６は、図４に示した電圧変換回路６を備えたバックアップ電源装置１１について、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての動作を説明するためのタイミングチャートである。図５及び６の（ａ）はスイッチ素子３１及び３２のオン・オフ状態、（ｂ）はキャパシタモジュール２の出力電圧（０Ｖを基準とした「Ａ」点の電圧）Ｖａ、（ｃ）はインダクタ６１を流れる電流Ｉ_Ｌ、（ｄ）は電圧変換回路６の出力ＤＣｏｕｔ２の電圧を表す。以下の説明においては、１個当り最大使用電圧４Ｖのキャパシタ２を３個使用し、電圧変換回路６の出力電圧を５Ｖ±２０ｍＶの範囲に制御するものとする。簡単のため、負荷回路９の消費電力は常に２４Ｗであり、電力の変換効率は１００％であると仮定する。

まず、図５を参照して、キャパシタ２が充分に充電されている状態における作用を説明する。制御手段４は、スイッチ回路３により、キャパシタの直列接続状態（期間Ｔｓ_１）と並列接続状態（期間Ｔｐ_１）とを周期的（周期Ｔ１）に切り替える。各キャパシタが最大使用電圧４Ｖに充電されている場合、キャパシタが直列接続される期間Ｔｓ_１のキャパシタモジュール２の出力電圧Ｖａの値Ｖ_１は１２Ｖである。よって、電圧変換回路６に入力される電圧は、ダイオード６２による電圧降下分を無視すれば、直列接続期間Ｔｓ_１において約１２Ｖ、並列接続期間Ｔｐ_１において約０Ｖとなる。

電圧変換回路６の出力電圧は約５Ｖであるので、インダクタ６１の両端間に生じる電圧Ｖ_Ｌは、直列接続期間Ｔｓ_１において約（１２Ｖ−５Ｖ＝）７Ｖ、並列接続期間Ｔｐ_１において約（０Ｖ−５Ｖ＝）−５Ｖとなる。インダクタ６１の両端間に生じる電圧Ｖ_Ｌとそれを流れる電流Ｉ_Ｌとは、ＶＬ＝Ｌ（ｄＩ_Ｌ／ｄｔ）の関係があるため、電流Ｉ_Ｌは、図５（ｃ）に示すように、直列接続期間Ｔｓ_１において増加（上昇率はＬ（ｄＩ_Ｌ／ｄｔ）＝７Ｖ）し、並列接続期間Ｔｐ_１において減少（下降率はＬ（ｄＩ_Ｌ／ｄｔ）＝５Ｖ）する脈流となる。その電流の平均値Ｉ_１は約４．８Ａであり、これにより負荷回路９に約２４Ｗの電力が供給されることとなる。

次に、キャパシタ２の放電が進んで使用電圧が低下した状態では、バックアップ電源装置１１の動作は図６に示すように変化する。この状態においては、制御手段４は、キャパシタの直列接続状態（期間Ｔｓ_２）と並列接続状態（期間Ｔｐ_２）とを周期的に切り替える。本例では、キャパシタを並列接続に切り替える周期Ｔ１は、前図の場合と同一としている。各キャパシタの使用電圧が２Ｖに低下している状態では（キャパシタの下限電圧は２Ｖより低いものとする。）、キャパシタが直列接続される期間Ｔｓ_２のキャパシタモジュール２の出力電圧Ｖａの値Ｖ_２は６Ｖである。よって、電圧変換回路６に入力される電圧は、ダイオード６２による電圧降下分を無視すれば、直列接続期間Ｔｓ_２において約６Ｖ、並列接続期間Ｔｐ_２において約０Ｖとなる。

電圧変換回路６の出力は約５Ｖであるので、インダクタ６１の両端間に生じる電圧Ｖ_Ｌは、直列接続期間Ｔｓ_２において約（６Ｖ−５Ｖ＝）１Ｖ、並列接続期間Ｔｐ_２において約（０Ｖ−５Ｖ＝）−５Ｖとなる。そうすると、インダクタ６１を流れる電流Ｉ_Ｌは、図６（ｃ）に示すように、直列接続期間Ｔｓ_２において増加（上昇率はＬ（ｄＩ_Ｌ／ｄｔ）＝１Ｖ）し、並列接続期間Ｔｐ_２において減少（下降率はＬ（ｄＩ_Ｌ／ｄｔ）＝５Ｖ）する脈流となる。その電流の平均値Ｉ_２は約４．８Ａであり、これにより負荷回路９に約２４Ｗの電力が供給されることとなる。キャパシタ２の使用電圧が低下していない場合に比べて、直列接続期間は長く（Ｔｓ_１＜Ｔｓ_２）、並列接続期間は短く（Ｔｐ_１＞Ｔｐ_２）なる。
以上のように、バックアップ電源装置１１は、直列接続期間Ｔｓ_１及び並列接続期間Ｔｐ_１の時間を制御することにより、負荷回路９に供給する出力（ＤＣｏｕｔ２）の電圧を安定して約５Ｖ（５Ｖ±２０ｍＶ）に保つことができる。

電圧変換回路６を備えたバックアップ電源装置１１においては、上記作用により、キャパシタ２の使用電圧が変化しても、制御手段４は、直列接続期間Ｔｓ及び並列接続期間Ｔｐを変化させることによって出力（ＤＣｏｕｔ２）の電圧を一定範囲に安定化させることができる。このために、制御手段４は、出力電圧検出回路４５によって電圧変換回路６の出力電圧を検出し、その電圧値が所定範囲となるように、キャパシタ２の接続状態の切り替えタイミングを制御するようにすることができる。

制御手段４によるキャパシタ２の接続状態の切り替えタイミングの制御方法は特に限定されない。例えば、図５及び６に示したように、キャパシタ２を並列接続に切り替える周期Ｔ１を一定とすれば、電圧変換回路６の出力電圧が所定範囲となるように、直列接続期間Ｔｓ又は並列接続期間Ｔｐの長さ（ＴｓとＴｐの比）を変化させることができる。また、キャパシタ２を並列に接続する周期Ｔ１を変化させることによって、電圧変換回路６の出力電圧が所定範囲となるように制御してもよい。すなわち、制御手段４は、キャパシタ２の並列接続期間Ｔｐ又は直列接続期間Ｔｓの長さ、及び周期Ｔ１の長さのうちの少なくとも一つを制御することにより、電圧変換回路６の出力電圧が所定範囲となるように制御することができる。制御手段４は、周期Ｔ１、直列接続期間Ｔｓ及び並列接続期間Ｔｐの制御を、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）制御によって容易に行うことができる。スイッチ素子３１又は３２の駆動信号をＰＷＭによって生成されるパルス信号とし、周期Ｔ１を一定とする場合には、ＰＷＭのデューティ比によって並列接続期間Ｔｐ及び直列接続期間Ｔｓを変化させることができる。

また、制御手段４は、キャパシタ２の並列接続期間Ｔｐの間に、使用電圧検出回路４１を用いて、キャパシタ２の使用電圧Ｖｐを検出することができる。そして、図６に示したようなキャパシタ２の放電が進んだ状態において、均等化されたキャパシタ２の使用電圧Ｖｐが下限電圧Ｖｅにまで低下したことを検出したときには、キャパシタモジュール２から負荷回路９側への電力供給を停止させることができる。

本バックアップ電源装置において、前記のとおり、充電モードにおけるキャパシタ２の充電方式は特に限定されない。例えば、バックアップ電源装置１の回路構成（図１参照）を用いて、制御手段４は、充電モードの間キャパシタ２相互を常時並列接続とし、キャパシタ２を充電することができる。また、充電モードの間、スイッチ素子３１１を開とすることによって、負荷回路９側への電力供給を遮断しておくことができる。
これに限らず、例えば、図７に示すような回路構成によって、充電モードにおいてキャパシタ２を直列に接続して充電可能とすることもできる。本図のバックアップ電源装置１２は、スイッチ素子３６及び３７を備え、その他の構成は図１と同様である。スイッチ素子３６及び３７を閉（オン）、スイッチ素子３１を開、３２を閉とした状態で、キャパシタ２を直列に接続して充電することができる。また、周期的に、スイッチ素子３７を開（オフ）とすると共に、スイッチ素子３６及び３１を閉、３２を開の状態とすることにより、キャパシタ２を並列に接続してキャパシタ毎の充電電圧の不均等を解消するようにすることができる。そのキャパシタ２を並列に接続した状態において、使用電圧計測回路４１を用いてキャパシタ２の充電電圧を検出することが可能である。

図８は、以上に説明したバックアップ電源装置を適用した、商用電源の供給を受ける無停電電源装置（ＵＰＳ）の構成例を表している。この無停電電源装置は、キャパシタモジュール２、スイッチ回路３、制御手段４、電圧変換回路６等を備える。キャパシタモジュール２を充電するための主電源装置８は、商用（ＡＣ）電源の供給を受けて直流電源を生成するＡＣ−ＤＣコンバータ８１、定電流供給回路８２、定電圧供給回路８３、及び定電流供給回路８２と定電圧供給回路８３とを切り替える電源切替スイッチ８５等から構成されている。

ＡＣ電源が投入されると、制御手段４は電源切替スイッチ８５により定電流供給回路８２を接続し、キャパシタモジュール２は一定の電流で充電される。そして、制御手段４は、使用電圧検出回路４１を用いてキャパシタ２の充電電圧（Ｖｐ）を検出し、充電電圧Ｖｐが所定の電圧を超えた場合には、電源切替スイッチ８５を定電圧供給回路８３側に接続する。これにより、キャパシタ２の過充電を防止することができる。

本例においては、ＡＣ電源の停電及び電圧低下の少なくとも１つを検出する停電検出回路４７を設けて、主電源装置８に供給されるＡＣ電源の異常（電圧低下、停電、瞬時停電等）を検出するようにしている。停電検出回路４７の具体的な構成・機能は特に限定されず、例えば、ＡＣ電源の電圧が所定値以下となったこと（電圧低下）を検出するようにしてもよいし、ＡＣ電源の入力が所定時間以上断となったこと（停電又は瞬時停電）を検出するようにしてもよい。また、これらの条件を組み合わせてＡＣ電源の異常を検出するようにすることもできる。
制御手段４は、ＡＣ電源が正常に供給されている間は充電モードで作動し、停電検出回路４７によりＡＣ電源の異常が検出されたときにはバックアップモードで作動するように切り替えることができる。
これに限らず、キャパシタモジュール２の入力電源ＤＣｉｎの電圧を検出する前記入力電圧検出回路４３を備え、制御手段４は、主電源装置８から供給を受ける直流電圧が所定値以上であるかどうかによって充電モードとバックアップモードとを切り替えるようにしてもよい。

また、本例では、バックアップ電源装置（制御手段４等）の作動に必要な電源Ｖｃｃを生成するＤＣ−ＤＣコンバータ７を備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ７の入力は、主電源装置８（ＡＣ−ＤＣコンバータ８１）及び電圧変換回路６の各出力と接続されている。これにより、バックアップ電源装置（制御手段４等）は、充電モードにおいては主電源装置８から給電を受け、バックアップモードにおいては電圧変換回路６すなわちバックアップ電源装置自体から給電を受けることができる。

尚、本発明においては、以上に示した実施形態に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した態様とすることができる。

１、１１、１２；バックアップ電源装置、２（２ａ、２ｂ、２ｃ）；キャパシタモジュール（キャパシタ）、３（３１、３２、３４、３６、３７、３１１）；スイッチ回路（スイッチ素子）、４；制御手段、４１；使用電圧検出回路、４３；入力電圧検出回路、４５；出力電圧検出回路、４７；停電検出回路、６；電圧変換回路、６１；インダクタ、６３；キャパシタ、７；ＤＣ−ＤＣコンバータ、８；主電源装置、８１；ＡＣ−ＤＣコンバータ、８２；定電流供給回路、８３；定電圧供給回路、８５；電源切替スイッチ、９；負荷回路。

Claims

主電源装置から給電を受けてキャパシタを充電し、前記主電源装置からの給電が停止されたときに前記キャパシタから負荷回路に電力を供給するバックアップ電源装置であって、
複数のキャパシタを接続して構成されるキャパシタモジュールと、
前記複数のキャパシタの接続状態を直列又は並列に切り替えるスイッチ回路と、
前記主電源装置から給電を受けて前記キャパシタモジュールを充電する充電モード、及び前記キャパシタモジュールから前記負荷回路に電力を供給するバックアップモードにおいて、前記スイッチ回路により前記複数のキャパシタの接続状態を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記バックアップモードにおいて、前記複数のキャパシタのすべてを直列に接続して前記負荷回路に電力を供給させ、且つ所定の周期ですべてを並列に接続することにより前記キャパシタ毎の端子間電圧を均一化させ、
更に、１つの前記キャパシタの端子間の電圧を検出する使用電圧検出回路を備え、
前記制御手段は、前記バックアップモードにおいて、前記複数のキャパシタを並列に接続したときに前記使用電圧検出回路により検出された電圧が所定値以下となった場合には前記負荷回路への電力供給を停止させることを特徴とするバックアップ電源装置。
前記キャパシタモジュールと前記負荷回路との間に直列に挿入されるインダクタを具備する電圧変換回路と、前記電圧変換回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、を備え、
前記制御手段は、前記バックアップモードにおいて、前記出力電圧検出回路によって検出される電圧が所定範囲となるように、前記複数のキャパシタを並列に接続する期間及び周期の少なくとも一つを制御する請求項１記載のバックアップ電源装置。
前記制御手段は、前記充電モードにおいて、前記複数のキャパシタを並列に接続して充電を行わせる請求項１又は２に記載のバックアップ電源装置。
前記制御手段は、前記主電源装置から供給を受ける電圧が所定値以上である間は前記充電モードで作動し、前記電圧が前記所定値を下回ったときに前記バックアップモードで作動するように切り替える請求項１乃至３のいずれかに記載のバックアップ電源装置。
前記主電源装置は商用電源の供給を受けており、
前記商用電源の停電及び電圧低下の少なくとも１つを検出する停電検出回路を備え、
前記制御手段は、前記停電検出回路により停電又は電圧低下が検出されたときに前記バックアップモードで作動するように切り替える請求項１乃至３のいずれかに記載のバックアップ電源装置。