JP5587941B2 - 無停電電源装置及び無停電電源供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、無停電電源装置及び無停電電源供給方法に関し、バッテリの劣化を防ぐ無停電電源装置及び無停電電源供給方法に関する。

一般的に、無停電電源装置は、交流商用電源から負荷に電力を供給すると共に、無停電電源装置の備えたリチウムイオン二次電池等のバッテリに電力を蓄えておく。そして、交流商用電源の停電等による電源障害が発生したときには、このバッテリに蓄えた電力を負荷に供給することにより負荷の無停電化を達成している。

無停電電源装置は、バッテリが劣化していると、電源障害が発生したときに予め期待した時間分の電力を負荷に供給することができない。このバッテリの劣化を早める要因の１つとして、電気的使用状況(放電／充電の回数、過剰な放電（過放電）、過剰な充電（過充電）等)がある。

特許文献１に、過剰な充電によるバッテリの劣化を防止することが可能な無停電電源装置が開示されている。特許文献１に開示の無停電電源装置は、放電時間取得手段と、充電制御手段と、リチウムイオン二次電池等のバッテリとを有する。放電時間取得手段は、バッテリが満充電になった後で、例えば、バッテリの両端間に放電用の抵抗を接続してバッテリを定期的に放電させる。そして、バッテリの両端電圧と、この両端電圧が予め定めた設定電圧値に降下するまでの放電時間（降下時間）とを測定する。充電制御手段は、この降下時間と、予め定められたこの無停電電源装置に要求されている負荷のバックアップ時間に応じた要求放電時間とを比較する。そして、この比較結果に基づいて、充電電圧を上下させて最適な充電電圧になるように設定する。そして、バッテリの両端電圧がこの最適な充電電圧になるようにバッテリを充電する。ここで、最適な充電電圧とは、この無停電電源装置に要求されている負荷のバックアップ時間を満足させることができる充電電圧のことである。すなわち、最適な充電電圧とは、バッテリを、バッテリの両端電圧がこの充電電圧になるまで充電したときのバッテリ容量により、この無停電電源装置に要求されている負荷のバックアップ時間の間、この負荷に電力を供給できる充電電圧のことである。

このように、この無停電電源装置は、放電時間取得手段により、バッテリを定期的に放電させて、バッテリの両端電圧が設定電圧値に降下するまでの放電時間（降下時間）を測定する。そして、この降下時間と、無停電電源装置に要求されている負荷のバックアップ時間に応じた要求放電時間との比較結果に基づいて、充電電圧を最適な充電電圧になるように設定し、バッテリの両端電圧がこの最適な充電電圧になるようにバッテリを充電する。

すなわち、特許文献１に開示の無停電電源装置は、負荷の予め定めたバックアップ時間に応じた最適な充電電圧を定期的に設定し、バッテリの電圧が、この最適な充電電圧になるようにバッテリを充電する。このため、過剰な充電電圧に起因するバッテリの劣化を防ぐことができる。

特開２００５−２７８３２９号公報

上述した特許文献１に開示の無停電電源装置は、負荷の予め定めたバックアップ時間に応じた最適な充電電圧を定期的に設定し、バッテリの電圧が、この最適な充電電圧になるようにバッテリを充電する。すなわち、この無停電電源装置は、バックアップ時間に応じた最適な充電電圧をリアルタイムに設定するのでなく、定期的に設定する。このため、負荷の消費電力が大きく変動するような環境では、実際に必要なバックアップ時間を満たすようにバッテリが充電されていないおそれがある。この場合には、電源障害が発生したときに予め期待した時間分の電力を負荷に供給することができず、この無停電電源装置に接続された負荷は予期しない電源断にみまわれるおそれがあるという問題がある。

本発明の目的は、上記課題を解決して、負荷の消費電力が大きく変動するような環境であっても、バッテリの劣化を防ぎつつ、必要なバックアップ時間を満たすようにバッテリを充電することができる無停電電源装置及び無停電電源供給方法を提供することである。

本発明の無停電電源装置は、外部電源により負荷に電力を供給し、この外部電源の入力がないときに、バッテリにより前記負荷に電力を供給する無停電電源装置であって、前記バッテリと、自身の無停電電源装置に対する前記負荷への電力の供給度合いを示す現在の負荷率と前記バッテリの消耗度とを算出し、自身の無停電電源装置に応じて予め定められた基準バックアップ時間に、前記負荷率の補数と前記消耗率とを乗じることにより、前記バッテリにより前記負荷をバックアップすることができる期間を示す現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出するバックアップ時間導出部と、前記外部電源により前記負荷に電力を供給しているときに、前記バックアップ時間導出部が算出した前記現在のバックアップ時間が予め定めた閾値時間未満になったときに、前記バッテリを充電する充電部と、を備えている。

本発明の無停電電源供給方法は、外部電源により負荷に電力を供給し、この外部電源の入力がないときに、バッテリにより前記負荷に電力を供給する無停電電源装置を用いた無停電電源供給方法であって、前記無停電電源装置に対する前記負荷への電力の供給度合いを示す現在の負荷率と前記バッテリの消耗度とを算出し、前記無停電電源装置に応じて予め定められた基準バックアップ時間に、前記負荷率の補数と前記消耗率とを乗じることにより、前記バッテリにより前記負荷をバックアップすることができる期間を示す現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出し、前記外部電源により前記負荷に電力を供給しているとき、前記算出した前記現在のバックアップ時間が予め定めた閾値時間未満になったときに、前記バッテリを充電する、ようにしている。

本発明によれば、負荷の消費電力が大きく変動するような環境であっても、バッテリの劣化を防ぎつつ、必要なバックアップ時間を満たすようにバッテリを充電することが可能な無停電電源装置及び無停電電源供給方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る無停電電源装置の一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る無停電電源装置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の動作の一例を示すフローチャートである。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る無停電電源装置の一例を示す図である。

本実施の形態に係る無停電電源装置１は、バッテリ２と、バックアップ時間導出部３と、充電部４とにより構成する。

図１には、無停電電源装置１に入力する外部電源５と、無停電電源装置１から電力を供給する負荷６も記載してある。

無停電電源装置１は、外部から入力する外部電源５により負荷６に電力を供給し、この外部電源５の入力がないときに、予め備えたバッテリ２により負荷６に電力を供給する。

バッテリ２は、例えばリチウムイオン電池を含む二次電池等である。

バックアップ時間導出部３は、無停電電源装置１に対する負荷６への電力の供給度合いを示す現在の負荷率と、バッテリ２の現在の消耗度とを算出し、この負荷率と消耗度とを用いて負荷６に対するバッテリ２の現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出する。

例えば、バックアップ時間導出部３は、自身の無停電電源装置１に接続される負荷６の定格容量（定格消費電力（Ｗ））に応じて予め定められた基準バックアップ時間に、この算出した負荷率の補数と同じく算出した消耗度とを乗じることにより現在のバックアップ時間を算出する。

ここで、バックアップ時間とは、バッテリ２により負荷６をバックアップすることができる期間を示す。負荷６への電力の供給度合いとは、例えば、負荷６の消費電力の大きさを示し、負荷率とは、無停電電源装置１に対して、この無停電電源装置１に接続された負荷６のために掛かる負担の度合いを示す。また、消耗度とは消耗の度合いを示す。また、基準バックアップ時間（Ｈ）とは、一般的に、無停電電源装置１に接続される負荷６をバックアップする標準的な時間を示す。そして、この時間は、無停電電源装置１の定格出力容量（Ｗ）とこの無停電電源装置１に接続される負荷６の定格容量（定格消費電力（Ｗ））とに応じて予め定められた時間である。そして、この無停電電源装置１には、負荷６の定格容量に対応した基準バックアップ時間が予め格納されている。また、この無停電電源装置１に負荷６を接続する際に、ユーザの操作に基づいて負荷６の定格容量のデータが入力され、このデータを無停電電源装置１内に格納しておく。バックアップ時間導出部３は、現在のバックアップ時間を算出するときに、この格納した負荷６の定格容量に対応する基準バックアップ時間を取り出す。

充電部４は、外部電源５により負荷６に電力を供給しているときに、バックアップ時間導出部３がリアルタイムに算出した現在のバックアップ時間が予め定めた閾値時間未満になったときに、バッテリ２を充電する。予め定めた閾値時間とは、ユーザの希望するバックアップ時間を示す。すなわち、無停電電源装置１に接続した負荷６に対してバックアップすることが必要とされる時間を示す。この閾値時間は、ユーザの操作により、通常、基準バックアップ時間（Ｈ）以下に設定され、予め無停電電源装置１内に格納しておく。

このように、第1の実施の形態によれば、負荷に対するバッテリの現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出し、この算出したバックアップ時間が、この負荷に対してバックアップすることが必要とされる予め定めた閾値時間未満になったときに、バッテリを充電する。このため、第1の実施の形態によれば、算出したバックアップ時間が、バックアップすることが必要とされる予め定めた閾値時間未満になったときに、バッテリを充電するので、不必要な充電を避けることができる。このため、バッテリの劣化を防げる。

また、第1の実施の形態によれば、バッテリの負荷に対する現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出する。このため、現時点のバックアップ時間が算出されるので、負荷の消費電力が大きく変動するような環境であっても、必要とされるバックアップ時間を満たすようにバッテリを充電することができる。
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る無停電電源装置の一例を示す図である。

本実施の形態に係る無停電電源装置１は、バッテリ２と、バックアップ時間導出部３と、充電部４と、格納部１０と、制御部１１と、ＡＣ／ＤＣ変換部１２と、電源切替部１３とにより構成する。バックアップ時間導出部３は、負荷率算出部８と、バッテリ消耗度算出部７と、バックアップ時間計算部９とにより構成する。

図２には、無停電電源装置１に入力する外部電源５と、無停電電源装置１から電力を供給する負荷６も記載してある。

バッテリ２は、例えばリチウムイオン電池を含む二次電池等である。

格納部１０には、自身の無停電電源装置１の定格出力容量（ワット（Ｗ））とこの無停電電源装置１に実装されたバッテリ２の初期バッテリ電圧（ボルト（Ｖ））とが予め格納してある。無停電電源装置１の定格出力容量（ワット（Ｗ））とは、無停電電源装置１が出力可能な予め定められた出力容量である。初期バッテリ電圧（Ｖ）とは、無停電電源装置１に実装された工場出荷時のバッテリ電圧であり、このバッテリ２を満充電したときのバッテリ２の両端の電圧を示す。

また、格納部１０には、負荷６の定格容量（Ｗ）に対応した基準バックアップ時間（Ｈ）が予め格納されている。基準バックアップ時間（Ｈ）とは、一般的に、接続される負荷６を標準的にバックアップする時間を示し、無停電電源装置１の定格出力容量（Ｗ）とこの無停電電源装置１に接続される負荷６の定格容量（定格消費電力（Ｗ））とに応じて予め定められた時間である。負荷６の定格容量のデータは、例えば、この無停電電源装置１に負荷６を接続する際に、ユーザの操作に基づいて入力され、格納部１０に格納しておく。

また、閾値時間（Ｈ）は、ユーザの希望するバックアップ時間を示し、例えば、この無停電電源装置１に負荷６を接続する際に、ユーザの操作に基づいて入力され、格納部１０に格納しておく。閾値時間は、通常、基準バックアップ時間（Ｈ）以下に設定される。

バックアップ時間導出部３内の負荷率算出部８は、無停電電源装置１に対する負荷６への電力の供給度合いを示す現在の負荷率を算出する。負荷６への電力の供給度合いとは、例えば、負荷６の消費電力であり、負荷率とは、無停電電源装置１に対して、負荷６のために掛かる負担の度合いを示す。

バックアップ時間導出部３内のバッテリ消耗度算出部７は、バッテリ２の現在の消耗度を算出する。消耗度とは、消耗の度合いを表す。

バックアップ時間導出部３内のバックアップ時間計算部９は、この算出した負荷率の補数と、同じく算出した消耗度とを用いて負荷６に対するバッテリ２の現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出する。バックアップ時間とは、バッテリ２により負荷６をバックアップすることができる期間を示す。

制御部１１は、バックアップ時間導出部３が算出した現在のバックアップ時間が格納部１０に格納されている閾値時間未満になったときに、充電部４に充電指示を出力する。

充電部４は、制御部１１から充電指示を受けてバッテリ２を充電する。

ＡＣ／ＤＣ変換部１２は、外部から入力する外部電源５の交流を直流に変換して無停電電源装置１の各部に供給する。

電源切替部１３は、制御部１１の指示により、負荷６に電力を供給するようにしたり負荷６に電力を供給しないようにしたりする。負荷６に電力を供給する場合には、外部電源５からの電力とバッテリ２からの電力とを切り替え、直流を交流に変換して負荷６に供給する。

制御部１１は、外部電源５から入力があるときには、外部電源５からの電力を負荷６に供給するよう電源切替部１３に指示を出す。外部電源５からの入力がないときには、負荷６の状況により、バッテリ２からの電力を負荷６に供給するように電源切替部１３に指示を出したり、負荷６に電力を供給しないように電源切替部１３に指示を出したりする。

次に、本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の動作を図３を参照して詳細に説明する。

図３は、本発明の実施の形態の動作の一例を示すフローチャートである。

図３のステップＳ１では、無停電電源装置１の電源スイッチがONされ無停電電源装置１が稼動する。

図３のステップＳ２では、制御部１１が、外部電源５からの入力を検知し、外部電源５からの電力を負荷６に供給するよう電源切替部１３に指示を出す。そして、電源切替部１３が、制御部１１の指示により、外部電源５からの電力を負荷６に供給するように切り替える。

図３のステップＳ３では、負荷率算出部８は、負荷６の現在の消費電力（Ｗ）（例えば、４０（Ｗ））を、無停電電源装置１から負荷６に流れる電流と負荷６に掛かる電圧を例えばリアルタイムに測定することにより算出する。そして、この算出した消費電力（Ｗ）を格納部１０に格納してある自身の無停電電源装置１の定格出力容量（Ｗ）（例えば、９８０（Ｗ））で除することにより現在の負荷率を例えばリアルタイムに算出する。すなわち、現在の負荷率＝算出した消費電力（Ｗ）／無停電電源装置１の定格出力容量（Ｗ）であり、例えば、４０／９８０＝０.０４１である。通常、１未満である。

図３のステップＳ４では、バッテリ消耗度算出部７は、現在のバッテリ電圧（Ｖ）を例えばリアルタイムに測定し、この測定したバッテリ電圧（Ｖ）（例えば、６（Ｖ））を格納部１０に格納してある初期バッテリ電圧（Ｖ）（例えば、８（Ｖ））で除することにより現在の消耗度を例えばリアルタイムに算出する。すなわち、現在の消耗度＝測定したバッテリ電圧（Ｖ）／初期バッテリ電圧（Ｖ）であり、例えば、６／８＝０．７５である。通常、１未満である。

そして、図３のステップＳ５では、バックアップ時間計算部９は、負荷率算出部８が算出した負荷率の補数（例えば、１−（４０／９８０））を算出する。また、格納部１０から負荷６の定格容量（Ｗ）（例えば、７０（Ｗ））を取り出し、この負荷６の定格容量（Ｗ）に対応して格納された基準バックアップ時間（Ｈ）（例えば、３時間）を格納部１０から取り出す。そして、この基準バックアップ時間（Ｈ）に、算出した負荷率の補数とバッテリ消耗度算出部７が算出した消耗度とを乗じることにより、現在のバックアップ時間を例えばリアルタイムに算出する。すなわち、現在のバックアップ時間（Ｈ）＝基準バックアップ時間（Ｈ）×負荷率の補数×消耗度であり、例えば、３（Ｈ）×（１−（４０／９８０））×（６／８）＝２．１６（Ｈ）であり、現在のバックアップ時間（Ｈ）は基準バックアップ時間（Ｈ）より小である。

図３のステップＳ６では、制御部１１が、バックアップ時間導出部３のバックアップ時間計算部９がリアルタイムに算出した現在のバックアップ時間が、格納部１０に格納されている閾値時間未満か否かを調べる。そして、調べた結果が閾値時間未満であることを示すとき、ステップＳ７へ進む。調べた結果が閾値時間未満でないことを示すときには、調べた結果が閾値時間未満になるまで、現在のバックアップ時間が閾値時間未満か否かを調べる。

図３のステップＳ７では、制御部１１が、充電部４に充電指示を出力する。

図３のステップＳ８では、充電部４は、制御部１１から充電指示を受けてバッテリ２を充電する。

上記ステップＳ２からステップＳ７の間に、停電等が発生し、無停電電源装置１に外部電源５から電力が入力されなくなると、制御部１１が、これを検知し、バッテリ２からの電力を負荷６に供給するよう電源切替部１３に指示を出す。電源切替部１３は、制御部１１の指示にしたがい、バッテリ２からの電力を負荷６に供給するように切り替える。制御部１１は、バッテリ２からの電力を負荷６に供給するよう電源切替部１３に指示を出す際、負荷率算出部８がリアルタイムで算出している負荷率を参照する。そして、この負荷率が“０”のときには、制御部１１は、負荷６に電力を供給しないように電源切替部１３に指示を出す。電源切替部１３は、制御部１１の指示にしたがい、負荷６に電力を供給しないようにする。このようにすることにより、停電等の電源障害が発生した際、負荷６がないときには負荷６に電力が供給されない。このため、不必要な放電を抑えられるので、バッテリ劣化を防ぐことができる。

このように、本実施の形態によれば、負荷に対するバッテリの現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出し、この算出した時間が、この負荷に対してバックアップすることが必要とされる予め定めた閾値時間未満になったときに、バッテリを充電する。

このため、本実施の形態によれば、算出したバックアップ時間が、バックアップすることが必要とされる予め定めた閾値時間未満になったときに、バッテリを充電するので、不必要な充電を避けることができる。このため、バッテリの劣化を防げる。

また、本実施の形態によれば、バッテリの負荷に対する現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出する。このため、現時点のバックアップ時間が算出されるので、負荷の消費電力が大きく変動するような環境であっても、必要とされるバックアップ時間を満たすようにバッテリを充電することができる。

尚、上記の説明では、格納部１０に、無停電電源装置１の定格出力容量と、無停電電源装置１に実装されたバッテリ２の初期バッテリ電圧と、負荷６の定格容量（Ｗ）に対応した基準バックアップ時間（Ｈ）とが予め格納されている。しかし、これらのデータは予め格納部１０に格納されていなくても良く、例えば、無停電電源装置１の電源がＯＮになったとき等に、外部より何らかの方法により入力されれば良い。すなわち、無停電電源装置１の電源のＯＮ後に、これらのデータが使用できるようになっていれば良く、入力方法や格納方法にこだわらなくて良い。また、上記の説明では、負荷６の定格容量と予め定めた閾値時間は、無停電電源装置１に負荷６を接続する際に、ユーザの操作に基づいて入力され、格納部１０に格納するようにしている。しかし、これらのデータは、無停電電源装置１に負荷６を接続する際にユーザの操作に基づいて入力されて格納部１０に格納するようにしなくとも良く、例えば、無停電電源装置１の電源のＯＮ後に外部から何らかの方法により入力されれば良い。すなわち、無停電電源装置１の電源のＯＮ後に、これらのデータが使用できるようになっていれば良く、入力方法や格納方法にこだわらなくて良い。

１ 無停電電源装置
２ バッテリ
３ バックアップ時間導出部
４ 充電部
５ 外部電源
６ 負荷
７ バッテリ消耗度算出部
８ 負荷率算出部
９ バックアップ時間計算部
１０ 格納部
１１ 制御部
１２ ＡＣ／ＤＣ変換部
１３ 電源切替部

Claims (7)

1. 外部電源により負荷に電力を供給し、この外部電源の入力がないときに、バッテリにより前記負荷に電力を供給する無停電電源装置であって、
   前記バッテリと、
   自身の無停電電源装置に対する前記負荷への電力の供給度合いを示す現在の負荷率と前記バッテリの消耗度とを算出し、自身の無停電電源装置に応じて予め定められた基準バックアップ時間に、前記負荷率の補数と前記消耗率とを乗じることにより、前記バッテリにより前記負荷をバックアップすることができる期間を示す現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出するバックアップ時間導出部と、
   前記外部電源により前記負荷に電力を供給しているときに、前記バックアップ時間導出部が算出した前記現在のバックアップ時間が予め定めた閾値時間未満になったときに、前記バッテリを充電する充電部と、を備えた、
   ことを特徴とする無停電電源装置。
2. 自身の無停電電源装置の定格出力容量とこの前記無停電電源装置の工場出荷時の前記バッテリを満充電にした時のバッテリ電圧を示す初期バッテリ電圧とを予め格納した格納部を、更に備え、
   前記バックアップ時間導出部は、
   前記負荷の現在の消費電力を測定し、この測定した前記消費電力を前記格納部が格納した前記定格出力容量で除することにより現在の前記負荷率をリアルタイムに算出する負荷率算出部と、
   現在のバッテリ電圧を測定し、この測定した前記バッテリ電圧を前記格納部が格納した前記初期バッテリ電圧で除することにより現在の前記消耗度をリアルタイムに算出するバッテリ消耗度算出部と、
   前記格納部が格納した前記基準バックアップ時間に、前記負荷率算出部が算出した前記負荷率の補数と前記バッテリ消耗度算出部が算出した前記消耗度とを乗じることにより、現在の前記バックアップ時間をリアルタイムに算出するバックアップ時間計算部と、を備えた、
   ことを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
3. 前記バックアップ時間導出部が算出した現在の前記バックアップ時間が前記予め定めた閾値時間未満になったときに、前記充電部に充電指示を出力する制御部を、更に備え、
   前記充電部は、前記制御部から前記充電指示を受けて前記バッテリを充電する、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の無停電電源装置。
4. 前記外部電源の入力が切断されたときに、前記負荷率算出部がリアルタイムに算出している前記負荷率を参照しこの負荷率が０の場合、前記負荷が稼動していないと判断し前記バッテリから負荷に電力を供給しないように制御する制御部をさらに備えた、
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の無停電電源装置。
5. 外部電源により負荷に電力を供給し、この外部電源の入力がないときに、バッテリにより前記負荷に電力を供給する無停電電源装置を用いた無停電電源供給方法であって、
   前記無停電電源装置に対する前記負荷への電力の供給度合いを示す現在の負荷率と前記バッテリの消耗度とを算出し、前記無停電電源装置に応じて予め定められた基準バックアップ時間に、前記負荷率の補数と前記消耗率とを乗じることにより、前記バッテリにより前記負荷をバックアップすることができる期間を示す現在のバックアップ時間をリアルタイムに算出し、
   前記外部電源により前記負荷に電力を供給しているとき、前記算出した前記現在のバックアップ時間が予め定めた閾値時間未満になったときに、前記バッテリを充電する、
   ことを特徴とする無停電電源供給方法。
6. 前記負荷の現在の消費電力を測定し、この測定した前記消費電力を前記無停電電源装置の定格出力容量で除することにより現在の前記負荷率をリアルタイムに算出し、
   現在のバッテリ電圧を測定し、この測定した前記バッテリ電圧を、前記無停電電源装置の工場出荷時の前記バッテリを満充電にした時のバッテリ電圧を示す初期バッテリ電圧で除することにより現在の前記消耗度をリアルタイムに算出し、
   前記基準バックアップ時間に、前記算出した前記負荷率の補数と前記算出した前記消耗度とを乗じることにより、現在の前記バックアップ時間をリアルタイムに算出する、
   ことを特徴とする請求項５記載の無停電電源供給方法。
7. 前記外部電源の入力が切断されたときに、リアルタイムに算出された前記負荷率を参照しこの負荷率が０の場合、負荷が稼動していないと判断し前記バッテリから負荷に電力を供給しないようにする、
   ことを特徴とする請求項６記載の無停電電源供給方法。

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