JP3908076B2 - 直流バックアップ電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流バックアップ電源装置、特に、電池と直流路との間で電力の充放電を行う充放電回路を備えた直流バックアップ電源装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、商用交流電源が万一停電することによって、データ喪失などの被害発生が懸念されるサーバ、ルータ、ストレージ装置などのいわゆるネットワーク情報処理装置においては、外部にＵＰＳ（無停電電源装置）を設置し、停電対策を行っている。このうち、１９インチラックと呼ばれる幅約４８０［ｍｍ］のラックに実装されるラックマウントタイプの情報処理装置に対し、同じラック内にマウント可能なラックマウントタイプのＵＰＳが製品化されている。これは、例えば（株）ＡＰＣ Japan社の「Smart-UPS」カタログに見られるような形状寸法である。これは、交流バックアップ電源装置であり、二次電池からインバータとトランスを介して負荷に交流電力を出力し、負荷の動作を維持するものである。
【０００３】
一方、交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷に直流を供給しているものにおける直流バックアップ電源として、特開２０００−１９７３４７号公報が知られている。この公報では、両コンバータの中間直流路に直流バックアップ電源装置を接続することで、変換効率を高め、容積及びコストを低減することが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、二次電池としてＵＰＳに一般的に用いられるシール型鉛蓄電池は比較的安価であるが、体積が大きく、情報処理装置等への実装が難しい課題がある。しかも、情報処理装置等においては、その信頼性を確保するため、バックアップ電源として、２重あるいは３重の冗長系が要求され、更に寸法が大きくなり、実装上の問題は切実であった。
【０００５】
なお、シール型鉛蓄電池は、鉛を含んでいるため、廃棄物として環境に悪影響を与えるという課題もある。
【０００６】
本発明の目的は、薄型化された直流バックアップ電源装置を提供することである。具体的には、１〜１．４［ｋＶＡ］の容量の直流バックアップ電源装置を１９インチラックの１ユニットサイズへ実装できる高さ、すなわち、４５［ｍｍ］以下に薄型化を図ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴とするところは、電池と直流路との間で電力の充放電を行う充放電回路と、この充放電回路を制御する制御回路とを備えた直流バックアップ電源装置において、前記電池は多数の電池セルを備え、これらのセルの円筒部がほぼ水平になるように寝かせて配置したことである。
【０００８】
本発明の第２の特徴とするところは、これらの電池セルに、高いエネルギー密度を有するニッケル水素（ＮｉＭＨ）二次電池を用いることである。
【０００９】
このような構成により、バックアップ電源１台あたり、高さ約４３［ｍｍ］、直径約２２．５［ｍｍ］のＳｕｂ−Ｃ（サブＣ）サイズのニッケル水素電池を多数内蔵することにより、薄型の直流バックアップ電源装置を実現する。
【００１０】
具体的には、１台あたりの定格出力７００［Ｗ］以上を確保するために、４０セル以上のニッケル水素電池を内蔵することにより、薄型化のネックとなっていたシール型鉛蓄電池をなくすことが可能となる。その結果、１９インチラックの１ユニット（１Ｕ）サイズにバックアップ電源２台を収納できる。このとき、前記ニッケル水素電池を少なくとも２組以上を並列接続することが望ましい。
【００１１】
また、前記１９インチラックの１Ｕサイズへの収納台数を３台とし、１台あたりの定格出力を４００［Ｗ］以上とすることも可能である。このときには、Ｓｕｂ−Ｃサイズのニッケル水素電池を２０セル以上内蔵することによって実現することが可能である。
【００１２】
さらに、本発明の他の特徴とするところは、電池の満充電電圧が４８［Ｖ］以内であるとき、前記直流路すなわち充放電回路との接続点の電圧を、５１［Ｖ］〜５５［Ｖ］に設定したことを特徴とする
また、停電発生時における負荷装置のバックアップ時間については、ニッケル水素電池を用いることにより、電池温度が１０［℃］以上かつ電池の内部インピーダンスが初期値の２倍以下、かつ満充電状態の条件において、定格電力の６分間以上の出力を保証できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源装置（ＵＰＳ）と情報処理装置の、１９インチラックへの実装状況を示す斜視図である。図１において、４１は１９インチラックであり、情報処理装置２６が、６段×２ユニット＝１２ユニット分の高さに収納されている。その最下部の１ユニット分の高さスペース内には、本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源装置１が２台実装されている。この図から、僅かのスペース内に２台の直流バックアップ電源装置１を収容していることが分かる。なお、前面に見える３はラック取り付け金具、４はＬＥＤ、１２は空気孔、１９は引き出しハンドルである。
【００１４】
図２は、本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源のみの外観を示す斜視図である。図示のように、バックアップ電源１は、筐体２に２台並べて実装できる形状となっており、それぞれ個別に引き出すことが可能である。バックアップ電源１の横幅Ｌは約２２５［ｍｍ］以下、高さＨ２は４４［ｍｍ］以下、奥行きＤは６００［ｍｍ］以下である。筐体２の高さＨ２は１ユニット（１Ｕ）すなわち約４４．４５［ｍｍ］であり、いわゆる１９インチラックに搭載可能な寸法となっている。筐体２には、ラック取り付け金具３が左右に取り付けられており、また、バックアップ電源１の正面には、前述したようにＬＥＤ４と空気孔１２およびハンドル１９が備えられている。
【００１５】
図３は、本実施の形態における直流バックアップ電源１の蓋を開け、その内部を上方向から見た平面図である。図３において、図１，２と同じ構成要素には同じ符号を付している。図において、電池パック５が２つ奥行き方向に並べられており、それらの手前側にはコイル８、電解コンデンサ９、ヒートシンク１１を搭載した充放電回路６とマイコン１０を搭載した制御回路７の基板が取り付けられている。裏面側には、冷却ファン１３、コネクタ２０と２１、及びスイッチ２２が設置されている。
【００１６】
図４は、本実施の形態における直流バックアップ電源に用いる電池パック５の内部の電池セル構成を表わす斜視図である。図において、電池セル１５は、横方向に７セルが導電材１８により直列に接続され、この組が４組縦方向に並べられている。また、各電池セルの組の間には絶縁シート１４が設置されている。このようにして、プラス電極１６とマイナス電極１７の間に計２８個の電池セルが全て直列接続されている。電池セル１５は、１セルあたり、高さ約４３［ｍｍ］、直径約２２．５［ｍｍ］のＳｕｂ−Ｃ（サブＣ）サイズのニッケル水素電池を使用している。このため、電池パックの寸法は、横方向が約１６０［ｍｍ］、縦方向が約１８０［ｍｍ］、厚さが約２５［ｍｍ］である。そして、電池パック５のバックアップ電源１への実装形態は、厚さ方向が高さ方向になるように配置される。すなわち、電池セル１５の円筒部がほぼ水平になるように寝かせた形で実装される。これにより、高さ１Ｕサイズの直流バックアップ電源を実現することが可能となる。
【００１７】
図５は、本実施の形態における直流バックアップ電源と情報処理装置との接続関係についてラック裏面から見た外観を表わす斜視図である。図において、図１〜３と同じ構成要素には同じ符号を付している。情報処理装置２６の背面には２台の装置電源２５が設置されている。この装置電源２５の背面には、ＡＣプラグ２７、電源スイッチ２８の他、コネクタ２９、ハンドル３０、及び冷却ファン３１が設置されている。情報処理装置２６の背面には、この他、２つのコネクタ３３が設置される。一方、筐体２には、バックアップ電源１が２台実装されている。筐体２と情報処理装置２６は、同じ１９インチラックに搭載される。装置電源２５とバックアップ電源１は、それぞれコネクタ２９から直流電力・信号ケーブル２４、コネクタ２１を介して接続される。また、情報処理装置２６とバックアップ電源１は、それぞれコネクタ３３から、信号ケーブル２３及びコネクタ２０を介して接続される。
【００１８】
バックアップ電源１の発熱は主に放電時に発生する。このとき制御回路７は、冷却ファン１３を回転させて正面の空気孔１２から充放電回路６、電池パック、冷却ファン１３という経路で風を流し、バックアップ電源１を冷却する。
【００１９】
図６は、図１〜５に示す第１の実施形態における直流バックアップ電源１と情報処理装置２６との電気的な接続関係を示すブロック図である。図において、図１〜５と同じ構成要素には同じ符号を付している。バックアップ電源１の内部の電池パック５は、充放電回路６に接続されるとともに、充放電回路６の制御回路７に電源及び信号を供給／出力する。充放電回路６の出力端子はコネクタ２１に接続される。また、制御回路７はコネクタ２０とコネクタ２１に接続されている。情報処理装置２６の内部には、図５で説明した通り、装置電源２５が２台内蔵されている。これらの装置電源２５は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４とＤＣ／ＤＣコンバータ３５を備えている。交流電源３２から、ＡＣプラグ２７、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４、及びＤＣ／ＤＣコンバータ３５を介して負荷３９に直流電力を供給する。２台の装置電源２５は全く同じ構成となっており、その出力が負荷３９に並列に接続される。負荷３９は、制御回路３６、ディスク３７、及びメモリ３８が含まれている。また、装置電源２５内のＡＣ／ＤＣコンバータ３４とＤＣ／ＤＣコンバータ３４の接続点がコネクタ２９に接続される。この他、ＡＣ／ＤＣコンバータのパワーグッド信号がコネクタ２９に接続される。コネクタ２９は、直流電力・信号ケーブル２４を介してバックアップ電源１のコネクタ２１に接続される。また、負荷３９内の制御回路３６はコネクタ３３に接続され、信号ケーブル２３を介してバックアップ電源１のコネクタ２０に接続されている。
【００２０】
制御回路７は、電池パックの状態を常に監視しており、充放電回路の充電電流をコントロールする。また、電池パック５が満充電状態となった時には制御回路７から充放電回路６の動作を停止させる。２台のバックアップ電源１はそれぞれ同じ構成となっており、個別に電池パック５の状態を把握して充電制御を行う。また、満充電状態で充放電回路６の動作を止めることによって、いわゆるトリクル充電を防止し、ニッケル水素電池の長寿命化を図ることができる。
【００２１】
ここで、２８セル×２並列＝５６セルのニッケル水素電池１５への充電を考えると、公称１．２［Ｖ］のセルは、その満充電近くでは１．６［Ｖ］に達するので、電池パック５の端子電圧は、２８セルで４４．８［Ｖ］となる。この場合、中間直流路２９の設定電圧すなわちバックアップ電源１の出力端子２１の設定電圧を４８［Ｖ］中心に設定すると、電池パック５の端子電圧４４．８［Ｖ］を維持することができなくなる。これは、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４の制御誤差±１０％による直流出力電圧のばらつきや、回路の電圧降下のためである。そこで，本発明の実施形態では、中間直流路２９の電圧の中心値（設計値）を、余裕を持たせて５４［Ｖ］に設定し、前記ばらつきや電圧降下を考えても確実に充電電圧を保つようにしている。しかし、通常、５１［Ｖ］〜５５［Ｖ］に設定すれば、問題は無い。
【００２２】
図７は、本実施の形態における直流バックアップ電源の動作状態を表わす簡略化ブロック図である。図において、他の図と同じ構成要素には同じ符号を付している。図６で説明したように、商用交流電源３２は２系統があるが、これは同じ交流電源でも構わないし、また、一方は発電機あるいは大容量の無停電電源装置などに接続していても良い。これら商用電源３２が両方とも健全な状態であるときには、バックアップ電源１は充電状態あるいは待機状態にある。
【００２３】
図７（ａ）は、充電状態におけるブロック図であり、２つの電力経路がある。第１の電力経路は、商用交流電源３２からＡＣ／ＤＣコンバータ３４、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５を通って負荷３９に供給する経路である。もうひとつは、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４の出力点から、バックアップ電源１の充放電回路６を介して電池パック５を充電する電力経路である。ＡＣ／ＤＣコンバータ３４の出力点の電圧は、およそＤＣ４８［Ｖ］（又は前述した５１〜５５［Ｖ］）であることが望ましい。他の１２［Ｖ］や２４［Ｖ］などでも実現可能であるが、負荷３９の電力容量に比べて電圧が低い場合には、その分だけ電流が増加するので直流電力・信号ケーブル２４は太くする必要がある。
【００２４】
一方、一般的なＡＣ／ＤＣコンバータ３４内に既存のＰＦＣ（力率改善回路）の出力であるＤＣ３８０［Ｖ］をこの出力点とすることもできる。しかし、このときはバックアップ電源や電力・信号ケーブル２４の絶縁が４８［Ｖ］（又は前述した５１〜５５［Ｖ］）系に比較して難しくなる点に注意することが必要である。
【００２５】
図７（ｂ）は、本実施の形態におけるピークカット機能時の電力経路を示すブロック図である。このピークカット機能は、商用交流電源３２の健全時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５に予定値を超える負荷電流が流れた際に、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４から給電する電力に加えてバックアップ電源１側からも電力を供給する制御手段を備えるものである。この制御手段は、充放電回路６と制御回路７によって構成される。これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４の出力電流を予定値以内に押さることができる。この結果、ＡＣ／ＤＣコンバータの定格容量を低く抑えることができる他、商用交流電源３２から入力する電流も低く抑えることができるため、電力平準化や契約電力の低減などのユーザメリットを発揮することができる。
【００２６】
図７（ｃ）は、停電のときの電力経路を示すブロック図である。本実施形態では、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４のパワーグッド信号を受けて放電を開始するため、停電のみならず、ＡＣ／ＤＣコンバータの故障に対しても全く同様の手順により負荷への電力供給をバックアップすることが可能である。これにより装置の信頼性をより向上することができる。
【００２７】
以下に、商用交流電源３２が停電した場合の動作を説明する。商用交流電源３２が停電すると、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４の出力電圧が低下するが、このときＡＣ／ＤＣコンバータ内部にあるパワーグッド信号が異常状態信号へと変化する。これは、上記のように、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４の故障時にも同じと考えて良い。このパワーグッド信号の変化は、コネクタ２９から直流電力・信号ケーブル２４、コネクタ２１の経路によって、バックアップ電源１内の制御回路７に電気的に伝えられる。バックアップ電源１はこのパワーグッド信号の変化を受けて充放電回路６の放電動作を開始する。このとき、電池パック５の直流電力が、充放電回路６の昇圧チョッパにより所定の４８［Ｖ］（又は前述した５１〜５５［Ｖ］）に電力変換され、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４の出力点に出力される。昇圧チョッパは、コイル８、ヒートシンク１１に取り付けられたパワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体デバイスおよび電解コンデンサ９から構成される公知の回路を用いることができる。
【００２８】
本実施の形態における電池パック５は、図４で述べたように、ニッケル水素電池２８セルの直列体で、これを２つ並列接続して使用している。この端子間電圧は状態により変化するが、公称電圧は３３．６［Ｖ］（１．２［Ｖ］／セル）である。この電池から安定な４８［Ｖ］（又は前述した５１〜５５［Ｖ］）を作成する電力変換回路はいくつかあるが、上記したように昇圧チョッパ回路が最も簡便である。
【００２９】
図８は、本実施の形態に関するニッケル水素電池セル数をパラメータとして、電池最大供給可能電力およびバックアップ電源の最大供給可能電力と、バックアップ時間の関係を示すグラフである。このグラフは、Ｓｕｂ−Ｃサイズのニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池を用い、充放電回路の効率を９０％、内部インピーダンスが初期値の２倍となった電池劣化時で、かつ１０［℃］の低温という過酷な条件を想定している。これによると、７００［Ｗ］出力で６分間バックアップ可能なバックアップ電源を構成するためには、４０セルと５０セルの間の電池セルが必要であることが分かる。図８は、上記のように最悪条件で出力を出すためのグラフであり、初期値としては、４０セルで十分に７００［Ｗ］出力×６分間のバックアップが可能である。但し、上記の最悪条件でも７００［Ｗ］出力で６分間バックアップを確実にする必要がある用途のためには、およそ４５セル以上の電池を用意することが望ましい。
【００３０】
同様に、４００［Ｗ］出力×６分間、あるいは５００［Ｗ］出力×５分間（図８に破線記入）バックアップという仕様では，図８から明らかなように、２０〜３０セルが必要である。したがって、上記と同様の理由により、２０セル以上、望ましくは２８セル程度が必要であることが分かる。
【００３１】
さて、前記第１の実施形態であるＳｕｂ−Ｃサイズのニッケル水素電池１５を２８セル×２並列＝５６セル用いた直流バックアップ電源におけるバックアップ能力を図８で見てみる。条件は、充放電回路６の効率を９０％とし、電池が内部インピーダンス２倍にまで劣化した状態において、１０［℃］の低温という過酷条件とする。バックアップできる出力は、電池最大で約１０００［Ｗ］×３分以内、約９２０［Ｗ］×５分（破線記入）、約８８０［Ｗ］×６分程度、電源効率を考慮すると、約７９０［Ｗ］×６分であることが分かる。この容量は、一般的１［ｋＶＡ］交流ＵＰＳが６７０〜７００［Ｗ］×６分を初期状態でバックアップ可能という仕様を十分に凌駕でき、１．２［ｋＶＡ］の交流ＵＰＳが８４０［Ｗ］×６分を初期状態でバックアップ可能という仕様に匹敵する。したがって、第１の実施形態のバックアップ電源装置は、１．２［ｋＶＡ］の交流ＵＰＳとほぼ等価なバックアップ能力を有する。
【００３２】
さらに、本実施形態のバックアップ電源１は、バックアップを行う際にはＡＣ／ＤＣコンバータを介して給電しないため、ＡＣ／ＤＣコンバータの効率の分だけ交流ＵＰＳよりも効率が向上する。言い換えれば、交流ＵＰＳと同容量のバックアップ電源の場合には、交流ＵＰＳよりもＡＣ／ＤＣコンバータの効率の分だけバックアップ時間を長くすることができる。これは、たとえばＡＣ／ＤＣコンバータの効率を９０％とし、交流ＵＰＳのバックアップ時間を６分とすると、同容量のバックアップ電源の場合で、６分／０．９＝６．６分のバックアップ時間を確保できる。
【００３３】
また、本実施形態においては、停電発生から４８［Ｖ］（又は前述した５１〜５５［Ｖ］）出力までの切り替え動作は数１００μｓ以内に行われる。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５の入力は大きく変動することがなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５は停電に関係なく動作する。このため、負荷３９は安定に動作を継続することが可能である。
【００３４】
停電が比較的短時間で解消し、商用交流電源３２が復電した場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４のパワーグッド信号が異常状態から通常状態に変化するため、この信号の変化を制御回路７で捕らえて放電をストップする。
【００３５】
なお、電池パックの残容量（ＳＯＣ）は制御回路７により常に監視している。このＳＯＣは主に電池パック５への充電電流あるいは放電電流を積算することにより推定することができる。停電が続き、電池パック５のＳＯＣが低下した場合には、制御回路７は制御回路３６に対してシャットダウン信号を出力する。制御回路３６ではこの信号を受けてシャットダウン動作に入る。この動作は例えばメモリ３８の内容をディスク３７に退避させるような操作である。
【００３６】
シャットダウン動作が終了すると、制御回路３６はＵＰＳシャットダウン信号を制御回路７に出力する。制御回路７はこのＵＰＳシャットダウン信号を受けて電池パックからの放電動作を停止する。
【００３７】
次に、バックアップ電源１が故障した場合について説明する。バックアップ電源１が故障した際には、制御回路７は充放電回路７の動作を停止し、ＬＥＤ４によりアラームを発生する。図示していないがこのアラームはバックアップ電源１内に実装されたブザーによっておこなってもよい。また、バックアップ電源１の故障を制御回路３６に伝達し、装置側からユーザに伝達してもよい。ユーザはこのようにしてバックアップ電源１の故障を認識し、バックアップ電源１を交換する。バックアップ電源１の交換手順は、裏面のスイッチ２２をオフし、ケーブルを抜き、ハンドル１９によって手前に引き出す。次に、正常なバックアップ電源１を図１，２のように差込み、図５のようにケーブル類をコネクタに配線し、スイッチをオンする。このとき、負荷である情報処理装置を止める必要はない。本実施形態のバックアップ電源では、図６に示すように商用交流電源３２から負荷３６の経路に並列にバックアップ電源１が入っているため、負荷を動作させたままバックアップ電源１を挿抜することが可能である。
【００３８】
図９は、本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源装置の大きさを市販されているいくつかのラックマウントタイプ交流ＵＰＳと比較説明するグラフである。この図は、バックアップ電源の出力電力［Ｗ］とＵＰＳの高さの関係を示す。図に○印でプロットしているように、ラックマウントタイプ交流ＵＰＳの高さは、１９インチラックの高さピッチが約４４．４５［ｍｍ］（１Ｕ）であることから、一般的に約４４［ｍｍ］（１Ｕ）、あるいは約８８［ｍｍ］（２Ｕ）…となっている。しかし、交流ＵＰＳは、トランス、インバータやシール型鉛蓄電池の体積がネックとなるため、最も高さが低い１ＵサイズのＵＰＳは出力の比較的小さな４００［Ｗ］以下のものしか存在しない。生産台数の多い１〜１．４［ｋＶＡ］（およそ７００〜１０００［Ｗ］に相当）のラックマウントタイプ交流ＵＰＳは、１台あたり２Ｕ〜３Ｕの高さを占有する。しかしながら、情報処理装置は実装密度の向上を図るために年々薄型化が進展し、最近では１Ｕサイズのサーバが発表されており、ラック全体の実装密度を向上させる要求が高まっている。
【００３９】
これに対して、図９に●印（ａ）でプロットしたように、本発明の第１の実施形態によれば、生産台数の多い１〜１．４［ｋＶＡ］（およそ７００〜１０００［Ｗ］に相当）のラックマウントタイプ直流ＵＰＳ×２台を１Ｕに収納できる。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態による直流バックアップ電源装置について、図１０−１２を用いて説明する。
【００４１】
図１０は、本発明の第２の実施形態による直流バックアップ電源の形状を表わす外観斜視図であり、基本的には図２と同じであるので相違点のみ説明する。図では、３台のバックアップ電源１を筐体２に実装できることを示しており、筐体２の高さＨ２は図１と同じ１Ｕである。したがって、バックアップ電源１の高さＨ１も図１と同じ４４［ｍｍ］以下である。バックアップ電源１の幅であるＬ２は１５０［ｍｍ］以下である。
【００４２】
図１１は、本発明の第２の実施形態による直流バックアップ電源１の内部の構成を示す平面図である。充放電回路６と制御回路７は図３と同じ寸法であるが、Ｌ２が１５０［ｍｍ］以下と狭くなっているため、正面側から制御回路７、充放電回路６、電池パック５の順序で配置している。
【００４３】
図１２は、電池パック５の内部構造を示す電池構成斜視図である。電池パック５は並列接続せず、Ｓｕｂ−Ｃサイズのニッケル水素電池を３０セル直列にした構成である。１列に５個の電池セルを並べ、これを縦方向に６組積み上げ、それらの間に絶縁シート１４を挟んだ構成であり、両端にプラス電極１６およびマイナス電極１７が設置される。この電池パックの寸法は、縦が約２７０［ｍｍ］、幅は約１１５［ｍｍ］である。また、厚さは約２５［ｍｍ］であって、図１１の寸法に実装することが可能である。
【００４４】
本第２の実施形態におけるバックアップ電源１の動作は、第１の実施の形態における動作と同じである。ただし、１台あたりの容量が異なる。これについて図８を用いて説明する。図８において、今、電池パック５に含まれるＳｕＢ−Ｃサイズのニッケル水素電池は３０セルである。そこで、充放電回路６の効率を９０％とし、電池が内部インピーダンス２倍にまで劣化した状態において、１０［℃］の低温でバックアップできる出力は次の通りである。図示のように、電池最大で約５５０［Ｗ］×３分以内、約４８０［Ｗ］×６分程度、電源効率を考慮すると４３０［Ｗ］×６分である。これは、５００［ＶＡ］（３５０［Ｗ］）の交流ＵＰＳの出力を凌駕し、７００［ＶＡ］（４９０［Ｗ］）の交流ＵＰＳの初期性能に匹敵する。したがって、本第２の実施形態におけるバックアップ電源１の出力は、劣化時においても、７００［ＶＡ］の交流ＵＰＳの初期値として保証されている容量をバックアップする能力を有している。
【００４５】
図９に●印（ｂ）でプロットしたように、上記の４３０［Ｗ］×６分のバックアップ能力を持つ第２の実施形態の直流バックアップ電源１は、１９インチラックの１ユニット（１Ｕ）サイズの高さ内に３台を収納できる。
【００４６】
ここで、３０セルのニッケル水素電池１５への充電を考えると、満充電近くでは１セルあたり１．６［Ｖ］になるので、電池パック５の端子電圧は、３０セルで４８［Ｖ］となる。この場合、中間直流路２９の設定電圧すなわちバックアップ電源１の出力端子２１の設定電圧は、少なくとも回路の電圧降下分以上、高く設定しなければならない。そこで，本発明の第２の実施形態においても、中間直流路２９の電圧を５４［Ｖ］に設定し、ＡＣ／ＤＣコンバータ３４のレギュレーションによるばらつきや回路の電圧降下を考えても、余裕を持って充電電圧を保つようにしている。
【００４７】
本実施形態のバックアップ電源においても、充電、放電、およびピークカットの各機能は、第１の実施の形態と同じように動作させることが可能である。
【００４８】
以上の実施例によれば、ラックマウントタイプの交流ＵＰＳを本実施形態のバックアップ電源に置き換えることにより、同容量のバックアップ機能を、より薄型のサイズである１Ｕサイズで実現することが可能である。この結果、システム装置、情報処理装置、サーバなどの実装台数を増加することができる。また、これら負荷装置の容量を増加することができ、結果的にラックの実装密度を向上することが可能になる。
【００４９】
また、以上の実施形態においては、バックアップ電源の内部の二次電池や他の部品の保守交換をおこなう際には、背後のコネクタとケーブルの接離によって、バックアップ電源１を１台ずつ活線挿抜することができ、負荷無停止・無瞬断での交換作業を実現できる。
【００５０】
さらに、このバックアップ電源では、ピークカット機能を使用することによって、入力電力の平準化や契約電力の低減、ＡＣ／ＤＣコンバータの定格容量低減を図り、低コスト化を図ることが可能である。
【００５１】
また、シール型鉛蓄電池を廃止し、ニッケル水素電池を用いることにより廃棄時の環境負荷を軽減し安全な装置を提供することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、直流バックアップ電源装置を薄型のサイズで実現することが可能であり、システム装置、情報処理装置やサーバなどへの実装を容易にすることができる。
【００５３】
また、シール型鉛蓄電池を廃止し、ニッケル水素電池を用いた場合には、廃棄時の環境負荷を軽減し安全な装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源を実装したラックの実装形態の斜視図。
【図２】本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源の外観斜視図。
【図３】本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源の平面図。
【図４】本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源の電池構成斜視図。
【図５】本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源と情報処理装置との接続関係をラック裏面から見た外観斜視図。
【図６】本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源と情報処理装置との接続関係を表わすブロック図。
【図７】本発明の実施形態による直流バックアップ電源の動作状態を示すブロック図。
【図８】本発明の第１の実施形態による直流バックアップ電源の最大供給可能電力とバックアップ時間の関係を、電池セル数をパラメータとして表わしたグラフ。
【図９】本発明の第１の実施形態によるＵＰＳの高さと出力電力関係の従来比較図。
【図１０】本発明の第２の実施形態による直流バックアップ電源の外観斜視図。
【図１１】本発明の第２の実施形態による直流バックアップ電源の平面図。
【図１２】本発明の第２の実施形態による直流バックアップ電源の電池構成斜視図。
【符号の説明】
１…バックアップ電源、２…筐体、３…ラック取り付け金具、４…ＬＥＤ、５…電池パック、６…充放電回路、７…制御回路、８…コイル、９…電解コンデンサ、１０…マイコン、１１…ヒートシンク、１２…空気孔、１３…冷却ファン、１４…絶縁シート、１５…電池セル、１６…プラス電極、１７…マイナス電極、１８…導電材、１９…ハンドル、２０，２１，２９，３３…コネクタ、２２…スイッチ、２３…信号ケーブル、２４…直流電力・信号ケーブル、２５…装置電源、２６…情報処理装置、２７…ＡＣプラグ、２８…電源スイッチ、３０…ハンドル、３１…冷却ファン、３２…商用交流電源、３４…ＡＣ／ＤＣコンバータ、３５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３６…制御回路、３７…ディスク、３８…メモリ、３９…負荷、４１…１９インチラック。

Claims (10)

1. 商用交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、直流路を通して情報処理装置に供給するＡＣ／ＤＣコンバータ、並びに
   二次電池、該二次電池と前記直流路との間で電力の充放電を行う充放電回路、および該充放電回路を制御する制御回路を有するバックアップ電源
   を備え、前記商用交流電源の停電時に、前記情報処理装置に前記二次電池からの電力を供給する直流バックアップ電源装置において、
   前記情報処理装置を収納したラックの１ユニット（１Ｕ）サイズの高さスペース内に挿抜可能に収容された複数の前記バックアップ電源、
   それぞれが前記ＡＣ／ＤＣコンバータと、その直流出力端子に接続され共通の前記情報処理装置に並列に直流を供給するＤＣ／ＤＣコンバータとを含む複数の装置電源、並びに
   複数の前記装置電源内の前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記ＤＣ／ＤＣコンバータの接続点である複数の前記直流路に対して、複数の前記バックアップ電源をそれぞれ活線挿抜により接離可能とするコネクタ
   を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
2. 請求項１において、前記電池は、多数の電池セルを備え、これらのセルの円筒部がほぼ水平になるように寝かせて配置され、高さが４５［ｍｍ］以下であることを特徴とする直流バックアップ電源装置。
3. 請求項１において、前記電池は、多数の電池セルを備え、これらのセルの円筒部がほぼ水平になるように寝かせて配置され、１９インチラックの１ユニット（１Ｕ）サイズの高さスペース内に収納されたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
4. 請求項３において、１台あたりの定格出力が７００［Ｗ］以上のバックアップ電源を、前記１ユニット（１Ｕ）サイズの高さスペース内に２台並べて収納したことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、バックアップ電源１台あたりに４０セル以上のＳｕｂ−Ｃサイズのニッケル水素電池を内蔵したことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記ニッケル水素電池は、２組以上が並列接続されていることを特徴とする直流バックアップ電源装置。
7. 請求項３において、１台あたりの定格出力が４００［Ｗ］以上のバックアップ電源を、前記１ユニット（１Ｕ）サイズの高さスペース内に３台並べて収納したことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
8. 請求項７において、バックアップ電源１台あたりに、２０セル以上のＳｕｂ−Ｃサイズのニッケル水素電池を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、前記電池の満充電電圧が４８［Ｖ］以内であるとき、前記直流路の電圧を、５１〜５５［Ｖ］に設定したことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
10. 請求項４又は７において、電池温度が１０［℃］以上、電池の内部インピーダンスが初期値の２倍以下で、前記電池が満充電状態にある条件から、前記定格電力を６分間以上出力する容量であることを特徴とする直流バックアップ電源装置。

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