JP4079106B2

JP4079106B2 - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP4079106B2
Application number: JP2004089656A
Authority: JP
Inventors: 浩志中澤
Original assignee: デンセイ・ラムダ株式会社
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005278329A

Description

この発明は、主電源部を内蔵する電源本体のバックアップ電源として、充放電可能なリチウムイオン二次電池を備えた無停電電源装置に関するものである。

一般に、この種の無停電電源装置は、商用交流電源からの入力電圧が正常に発生している場合に、電源本体の主電源部から負荷に所要の直流または交流電圧を供給し、且つこの主電源部を介して二次電池を充電する一方で、前記入力電圧が著しく低下若しくは停電すると、バックアップ電源としての二次電池が放電して、主電源部から負荷に引き続き電力を供給するようになっている。ここで使用する二次電池は、主に安価であって、且つ充放電管理が簡単な鉛蓄電池が従来より使用されているが、鉛蓄電池は電池収容スペースを多く確保しなければならない上に、重量が極めて重く、さらには環境面でも鉛使用による種々の問題がある。こうした欠点を解消するため、例えば特許文献１には、鉛蓄電池に代わってリチウムイオン二次電池をバックアップ電源とした無停電電源装置が提案されている。ここでのリチウムイオン二次電池は、複数個の電池セルを直列接続した電池モジュールからなり、過充電および過放電を防止する電池保護回路も内蔵されている。
特開２００２−５８１７０号公報

上記従来技術の無停電電源装置では、装置として入力電圧の低下若しくは停電時に負荷に電力を供給し続けることができるバックアップ時間が、二次電池の放電容量に依存しているが、この放電容量は二次電池を長期間使用するにしたがって徐々に低下する。図７は、二次電池の使用期間中における充電電圧Ｖ１と放電容量Ｐ１の各特性を示しているが、従来は二次電池の寿命末期での放電容量を予測し、その寿命末期においても要求されたバックアップ時間（要求バックアップ時間）以上の放電容量Ｐ１を維持できるように、主電源部から二次電池に供給する充電電圧Ｖ１が設定される。

ところがこの充電電圧Ｖ１は、二次電池の使用時間に拘らず主電源部において固定した値に設定されているので、二次電池の使用初期時には、要求バックアップ時間に対して二次電池の放電容量Ｐ１が十分余裕のある状態（図７に示す「過剰設定」を参照）で充電される。つまり二次電池への充電電圧Ｖ１は、二次電池の計時変化による劣化を見越して予め高めに設定されるので、特に余剰な充電が行なわれると寿命の低下が著しいリチウムイオン二次電池では、二次電池ひいては無停電電源装置の寿命低下が顕著になる問題がある。

本発明は上記の課題に着目してなされたもので、使用する全期間に渡って、過剰な充電によるリチウムイオン二次電池の寿命劣化を防止することが可能な無停電電源装置を提供することをその目的とする。

本発明は、入力電圧の正常時にはリチウムイオン二次電池への充電を行ない、前記入力電圧の低下若しくは停電時には前記リチウムイオン二次電池を放電して負荷に電力を供給する無停電電源装置において、前記リチウムイオン二次電池を定期的に放電させ、該リチウムイオン二次電池の両端電圧が設定電圧値に降下するまでの放電時間をカウントする放電時間取得手段と、前記放電時間が設定時間値に近づくように、前記リチウムイオン二次電池への充電電圧を可変制御する充電制御手段とを備え、前記充電制御手段は、前記放電時間が前記設定時間値未満であれば、前記設定時間値に対して前記放電時間が短くなるにしたがって、前記充電電圧の上昇レベルを大きく設定し、前記放電時間が前記設定時間値を越えていれば、前記設定時間値に対して前記放電時間が長くなるにしたがって、前記充電電圧の下降レベルを大きく設定するように構成される。

この場合、放電時間取得手段はリチウムイオン二次電池を放電させる毎に、リチウムイオン二次電池の両端電圧が設定電圧値に降下するまでの放電時間をカウントする。そして充電制御手段は、この放電時間が装置として要求される設定時間値に近づくように、次のリチウムイオン二次電池への充電電圧を可変制御し、放電時間が設定時間値未満であれば、設定時間値に対して放電時間が短くなるにしたがって、充電電圧の上昇レベルを大きく設定し、放電時間が設定時間値を越えていれば、設定時間値に対して放電時間が長くなるにしたがって、充電電圧の下降レベルを大きく設定する。つまり充電制御手段は、リチウムイオン二次電池の使用全期間にわたり、装置の要求バックアップ時間を僅かに越える程度の設定時間値に前記放電時間が近づくように、当該リチウムイオン二次電池の充電電圧を可変設定するので、過剰な充電によるリチウムイオン二次電池の寿命劣化を防止することが可能になる。

本発明によれば、使用する全期間に渡って、過剰な充電によるリチウムイオン二次電池の寿命劣化を防止することが可能な無停電電源装置を提供できる。

以下、本発明における無停電電源装置の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

装置全体の概略構成を示す図１において、１は例えば商用電源51（図４参照）からの交流入力電圧Ｖｉが印加される主電源部としての電源回路で、この電源回路１には交流若しくは直流の出力電圧Ｖｏが与えられる一乃至複数の負荷３が接続される。また21は、バックアップ電源として装置に取付けられる二次電池パックであり、ここでは二次電池としてのリチウムイオン二次電池22の他に、好ましくはこのリチウムイオン二次電池22の過放電を防止する過放電保護回路23や、過充電を防止する過充電保護回路24が共に組み込まれている。前記電源回路１には、入力電圧Ｖｉの正常時にリチウムイオン二次電池22を充電する充電回路５と、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時にリチウムイオン二次電池22を放電して負荷３に電力を供給する放電回路６がそれぞれ組み込まれる。

前記電源回路１は、交流入力電圧Ｖｉを負荷３への所要の交流出力電圧Ｖｏに変換するＡＣ／ＡＣ変換部11や、交流入力電圧Ｖｉを昇圧または降圧した直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部12や、ＡＣ／ＤＣ変換部12で得られた直流電圧を負荷３への所要の直流出力電圧Ｖｏに変換するＤＣ／ＤＣ変換部13などが適宜組み込まれる。

31は、本発明における新規な電圧交換ユニットであり、この電圧交換ユニット31はリチウムイオン二次電池22と主電源部である電源回路１との間に接続される。ここでは、電圧変換ユニット31に内蔵する各機能により、装置にどのような二次電池パック21が取付けられた場合でも、電源回路１の内部は一切変更を行なわないようにしている点が注目される。

電圧変換ユニット31は、電源回路１や二次電池パック21とは別個の、独立したモジュールとして設けられる。図１に示す例では、電源回路１を収容する本体電源としての本体ケース７内に、電圧変換ユニット31を共に組み込んでいるが、例えば図２に示すように、本体ケース７とは独立した箱状の二次電池パック21内に電圧変換ユニット31を組み込んでもよい。いずれの場合も、本体ケース７や二次電池パック21の内部に、電圧変換ユニット31を収納するスペースが設けられる。またこうしたスペースが確保できない場合には、図３に示すように、本体ケース７と二次電池パック21との間に、例えば外部コネクタを利用して電圧変換ユニット31が単独に接続できる構成とするのが好ましい。さらに、図１〜図３に示す例では、いずれも本体ケース７の外部に二次電池パック21が別体で設けられているが、二次電池パック21を本体ケース７の内部に収容できるように構成してもよい。この場合も、本体ケース７若しくは二次電池パック21の内部に電圧変換ユニット31を設けてもよく、さもなければ、二次電池パック21内蔵型の本体ケース７とは別体に、当該本体ケース７の外部に電圧変換ユニット31を設けてもよい。このように、本実施例における電圧変換ユニット31は、本体ケース７や二次電池パック21の寸法形状などに応じて最適な配置形態を採用することができる。

図１〜図３に示すように、本実施例における電圧変換ユニット31は、電源回路１からリチウムイオン二次電池22に与えられる給電電圧を、このリチウムイオン二次電池22を充電するのに最適な電圧（最適充電電圧）に昇圧または降圧する昇圧・降圧部32と、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時にリチウムイオン二次電池22を放電する放電回路33と、リチウムイオン二次電池22の満充電を検出すると、このリチウムイオン二次電池22への給電を停止して、リチウムイオン二次電池22を自己放電させる満充電検出部34と、リチウムイオン二次電池22の端子電圧が所要値にまで低下したのを検出すると、リチウムイオン二次電池22への給電を開始させる低電圧検出部35と、リチウムイオン二次電池22を定期的に放電させ、このリチウムイオン二次電池22の両端電圧が、予め記憶された設定電圧値に降下するまでの放電時間をカウントする放電時間取得手段38と、この放電時間取得手段38で得た放電時間が、装置として要求される負荷３のバックアップ時間よりも若干長い設定時間値に近づくように、リチウムイオン二次電池22への充電電圧を可変制御する充電制御手段39とをそれぞれ備えている。これらの各部の構成は、以下詳細に説明する。

図４は、上記無停電電源装置の構成をさらに詳しく示したものである。同図において、51は電源回路１の入力端子52，52に接続される交流入力電圧Ｖｉの供給源としての商用電源で、この入力電圧Ｖｉは整流ブリッジなどを含むフィルタ53と、昇圧チョッパ回路により構成されるＰＦＣ（力率改善）回路54とにより、昇圧された直流電圧ＶDC1に変換される。即ちここでのフィルタ53およびＰＦＣ回路54は、前述のＡＣ／ＤＣ変換部12に相当する。また、55は直流電圧ＶDC1を負荷３に適した一乃至複数の直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2に変換するＤＣ／ＤＣコンバータで、これは前記ＤＣ／ＤＣ変換部13に相当する。これらの直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2は、本体ケース７に設けた出力端子（図示せず）から負荷３に供給されるようになっている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ55や、このＤＣ／ＤＣコンバータ55から取り出せる直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2の数は、実施例中のものに限定されない。

前記ＤＣ／ＤＣコンバータ55は、前記直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2の他に、リチウムイオン二次電池22を充電するための給電電圧ＶCHGが出力される。一方、56はこの給電電圧ＶCHGを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ55をバイパスするようにして接続されるバッテリコンバータで、これは入力電圧Ｖｉの低下時または停電時にリチウムイオン二次電池22からの給電電圧を昇圧変換して、各ＤＣ／ＤＣコンバータ55の入力側に直流電圧ＶDC2を供給するものである。以上のように、ここに示す電源回路１は、交流入力電圧Ｖｉを直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2に変換するＡＣ／ＤＣユニットとして機能するが、負荷３に交流出力電圧を供給するＡＣ／ＡＣユニットとしての機能を有するものでも構わない。

二次電池パック21は、複数個の電池セルからなるリチウムイオン二次電池22が搭載されると共に、この電池セル間に発生する電圧を検出して、リチウムイオン二次電池22が過放電状態や過充電状態になったか否かを監視する電池保護回路61が内蔵される。即ちこの電池保護回路61は、前記過放電保護回路23および過充電保護回路24に相当する。また、リチウムイオン二次電池22の両端は、電圧変換ユニット31の電池接続端子62，62に接続されるが、このリチウムイオン二次電池22から電池接続端子62，62に至る電圧ラインには、過電流時にリチウムイオン二次電池22を電圧変換ユニット31から切り離すヒューズ63と、過充電保護回路24がリチウムイオン二次電池22の過充電を検出すると、電圧変換ユニット31からリチウムイオン二次電池22への電流の流れ込みを阻止すると共に、その両端にダイオード64を接続した第１のスイッチ素子65と、過放電保護回路23がリチウムイオン二次電池22の過放電を検出すると、リチウムイオン二次電池22から電圧変換ユニット31への電流供給を阻止すると共に、その両端にダイオード66を接続した第２のスイッチ素子67が各々接続される。

電圧変換ユニット31は外部に露出した端子として、前記二次電池パック21を接続する電池接続端子62，62の他に、電源回路１の給電電圧ＶCHGが発生する電圧ラインに接続される本体電源接続端子71，71と、前記直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2が与えられる負荷３とは別に、任意の負荷３Ａが直接接続される放電端子72をそれぞれ備えている。前記昇圧・降圧部32は、リチウムイオン二次電池22を充電する充電回路としての機能を有し、バックアップ電源として組み込まれる二次電池パック21内の二次電池の仕様にあわせて、ＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGを昇圧または降圧するように設計・調整される。具体的には、二次電池の最適充電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGよりも低いことが予め判っている場合は、当該給電電圧ＶCHGを最適充電電圧に降圧する降圧チョッパ電源（降圧部）が組み込まれ、逆に二次電池の最適充電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGよりも高いことが予め判っている場合は、当該給電電圧ＶCHGを最適充電電圧に昇圧する昇圧チョッパ電源（昇圧部）が組み込まれる。

また、昇圧・降圧部32から二次電池パック21内の二次電池に与える電圧を、このリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧に設定・調整するのに、電圧変換ユニット31に与えられる入力電圧（給電電圧ＶCHG）を検出する手段を設けたり、或いは決められた入力電圧に対し、二次電池の端子電圧を検出する手段を設けたりしてもよい。さらには、二次電池の種類を物理的に判別する電池判別手段を電圧変換ユニット31に備え、使用する二次電池に応じて、降圧部若しくは昇圧部のいずれか一方を動作させる構成としてもよい。こうすれば、どのような二次電池に対しても、電圧変換ユニット31から二次電池パック21に最適な電圧を供給できる。

満充電検出部34は、昇圧・降圧部32からリチウムイオン二次電池22に供給される充電電流を検出する抵抗74の両端に接続される。この電流検出素子としての抵抗74は、他の素子で構成されてもよい。ここでの満充電検出部34は、抵抗74により検出されるリチウムイオン二次電池22への充電電流に基づき、このリチウムイオン二次電池22が満充電状態となったら、昇圧・降圧部32の動作を停止させる充電停止信号を当該昇圧・降圧部32に出力する。また低電圧検出部35は、リチウムイオン二次電池22の端子電圧が自己放電により所要値にまで低下した低電圧状態を検出すると、昇圧・降圧部32の動作を開始させる充電開始信号を当該昇圧・降圧部32に出力するようになっている。なお、満充電検出部34による満充電の検出レベルは、使用する二次電池および電源回路１の仕様に応じて容易に可変設定できるように構成される。

放電回路33は、昇圧・降圧部32と抵抗74からなる直列回路をバイパスして、電圧変換ユニット31の出力端子である一方の電池接続端子62から、電圧変換ユニット31の入力端子である一方の本体電源接続端子71にダイオード75を介して接続される放電ライン76により構成される。このダイオード75は、電源回路１からの給電電圧ＶCHGが昇圧・降圧部32を介さずに二次電池パック21側に直接供給されるのを阻止する機能を有する。また、好ましくは放電ライン76の途中に、リチウムイオン二次電池22の端子電圧を本体電源接続端子71若しくは放電端子72のいずれかに供給する切替手段としての切替スイッチ77が設けられる。これにより、使用する製品（負荷）にあわせてリチウムイオン二次電池22からの電力供給を、電源回路１を介したものか否かに選択することができる。

なお、給電電圧ＶCHGが二次電池の最適充電電圧よりも低く、昇圧・降圧部32で昇圧を行なう場合には、交流入力電圧Ｖｉが正常に供給されている状態でも、二次電池からダイオード75を介して本体電源接続端子71に電流が流れ込んで、二次電池を充電するモードに移行しない。したがって、この場合は、ダイオード75のカソードを放電端子72に直接接続し、充電用のラインと放電用のラインを別々に切り離すのが望ましい。

さらにここでの電圧変換ユニット31は、放電時間取得手段38と充電制御手段39とを備える。放電時間取得手段38は、リチウムイオン二次電池22を定期的に放電させ、このリチウムイオン二次電池22の両端電圧が、予め記憶された設定電圧値に降下するまでの放電時間をカウントするが、どのようにして放電させるのかは特に限定しない。また、充電制御手段39は、放電時間取得手段38で得た放電時間が、装置として要求される負荷３のバックアップ時間よりも若干長い設定時間値に近づくように、リチウムイオン二次電池22に与える充電電圧を最適に設定・調整する充電調整信号を、昇圧チョッパ回路または降圧チョッパ回路からなる昇圧・降圧部32に出力する。

次に、上記構成についてその作用を説明すると、商用電源51からの交流入力電圧Ｖｉが電源回路１内に正常に供給されている場合は、この交流入力電圧Ｖｉがフィルタ53およびＰＦＣ回路54により、昇圧された直流電圧ＶDC1に変換される。そして、ＰＦＣ回路54からの直流電圧ＶDC1はＤＣ／ＤＣコンバータ55に印加され、このＤＣ／ＤＣコンバータ55で得られた直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2が、本体ケース７に接続する負荷３に与えられると共に、リチウムイオン二次電池22を充電するための給電電圧ＶCHGがＤＣ／ＤＣコンバータ55から発生する。なお、これらの直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2および給電電圧ＶCHGは、ＤＣ／ＤＣコンバータ55に内蔵する帰還回路（図示せず）により、その安定化が図られている。

一方、交流入力電圧Ｖｉの低下時若しくは停電時にも、負荷３に一定時間電力を供給させたい場合は、図１〜図４に示す二次電池パック21を装着する。ここでの電源回路１は、従来例における鉛蓄電池４を充放電するのに適した仕様で設計されている。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ55から出力される給電電圧ＶCHGは、鉛蓄電池の最適充電電圧である直流27Vに設定され、また交流入力電圧Ｖｉが入力端子52，52に印加される場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ55から給電電圧ＶCHGが常時出力される。したがって、最適充電電圧が直流27Vの鉛蓄電池４を使用する場合は、電圧交換ユニット31を介さずそのまま電源回路１の給電電圧ＶCHGの電圧ラインに鉛蓄電池４の両端間を直接接続すればよい。

これに対して、環境面などを考慮して、鉛蓄電池４以外の二次電池であるリチウムイオン二次電池22を使用する場合は、このリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧が概ね直流24.6Vであるため、電源回路１にそのまま繋ぐと、直流27Vの給電電圧ＶCHGがリチウムイオン二次電池22に常時供給され、リチウムイオン二次電池22の寿命が著しく低下する。そこで仕様の異なる二次電池を使用する場合は、その二次電池の仕様に合せて設計された電圧変換ユニット31を、電源回路１とリチウムイオン二次電池22との間に介在させる。すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGは、昇圧・降圧部（この場合は降圧機能だけを有していればよい）32によってリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧である直流24.6Vに変換され、この降圧した直流電圧がリチウムイオン二次電池22に供給される。そのため、電源回路１の内部に手を加えなくても、二次電池パック21に対応した電圧変換ユニット31を単に組み込むだけで、リチウムイオン二次電池22を最適な電圧で充電することができる。

また、電圧変換ユニット31内に設けられた満充電検出部34は、抵抗74を流れる充電電流の減少によって、リチウムイオン二次電池22が満充電状態であるか否かを監視しており、リチウムイオン二次電池22の満充電状態を検出すると、降圧チョッパ回路からなる昇圧・降圧部32にその動作を停止させる充電停止信号を出力する。このように、リチウムイオン二次電池22が満充電状態となったら、昇圧・降圧部32からリチウムイオン二次電池22への給電が停止されるため、リチウムイオン二次電池22が過剰に充電されるのを防止できる。また、この場合は自己放電によってリチウムイオン二次電池22の端子電圧が次第に低下するが、当該端子電圧が、負荷３のバックアップ保障時間に対応した所要値にまで低下すると、今度は電圧変換ユニット31内に設けられた低電圧検出部35が、昇圧・降圧部32にその動作を開始させる充電開始信号を出力する。そのため、リチウムイオン二次電池22の自己放電時に交流入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電が発生した場合でも、バックアップ保障時間以上の長さで、負荷３に電力を供給し続けることが可能になる。

なお、二次電池として最適充電電圧が直流27Ｖ以外の鉛蓄電池を利用する場合は、満充電検出部34や低電圧検出部35を組み込んでいない別仕様の電圧変換ユニット31を装着すればよい。つまり、ここにある電圧変換ユニット31は、利用する二次電池の仕様（最適充電電圧や自己放電特性など）に応じて複数種用意されていることが好ましい。

上記電圧変換ユニット31を組み込んだ状態で、交流入力電圧Ｖｉが低下若しくは停電すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ55から電圧変換ユニット31の本体電源接続端子71に与えられる給電電圧ＶCHGも低下する。このとき、切替スイッチ77によりダイオード75のカソードを本体電源接続端子71に接続していると、当該ダイオード75が導通してリチウムイオン二次電池22から電源回路１のバッテリコンバータ56に給電が行なわれる。これを受けてバッテリコンバータ56は、リチウムイオン二次電池22からの給電電圧を、ＰＦＣ回路54からの直流電圧ＶDC1と略同レベルの直流電圧ＶDC2に昇圧し、この直流電圧ＶDC2を各ＤＣ／ＤＣコンバータ55の入力側に供給する。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ55の出力側に接続した負荷３は、リチウムイオン二次電池22の電力供給を受け続けることになる。また、前記切替スイッチ77によりダイオード75のカソードを放電端子72に接続していると、今度はＤＣ／ＤＣコンバータ55に接続する負荷３ではなく、この放電端子72に接続した別の負荷３Ａに電力が供給される。このように、放電端子72と切替スイッチ77の組み合わせで、負荷３，３Ａのいずれかにリチウムイオン二次電池22からの電力を選択的に供給することができる。

次に、電源変換ユニット31に備えた放電時間取得手段38と充電制御手段39の動作について、図５のグラフを参照しながら説明する。同図において、Ｖ１は昇圧・降圧部32からリチウムイオン二次電池22への充電電圧値を示し、またＰ１は放電時間取得手段38によりカウントされる所定電圧値にまで降下するまでの放電容量を示している。ここでの放電時間取得手段38と充電制御手段39は、後述する各種処理を高速で実行するために、好ましくはマイクロコンピュータを含むもので構成される。

無停電電源装置として使用を開始すると、放電時間取得手段38はリチウムイオン二次電池22が満充電になった後で、定期的にリチウムイオン二次電池22を放電させる。これは自然放電によるものでも、あるいはリチウムイオン二次電池22の両端間に放電用の抵抗を接続して行なってもよい。リチウムイオン二次電池22の放電が始まると、放電時間取得手段38は内蔵するタイマーを利用して計時を開始し、リチウムイオン二次電池22の両端電圧と、この両端電圧が予め記憶された設定電圧値に降下するまでの放電時間を、それぞれ放電情報として取り込む。一方、充電制御手段39は、放電時間取得手段38が取得した放電情報を基にして、リチウムイオン二次電池22への最適な充電電圧を選定することができる判定手段を備えており、この判定結果が充電調整信号として、リチウムイオン二次電池22の充電回路である昇圧・降圧部32に出力される。

なお、ここで云う最適な充電電圧とは、装置に要求されている負荷３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り、前記放電時間と最適な充電電圧との関係を示す情報は、予めマイクロコンピュータにデータとして記憶保存されている。また好ましくは、そのデータは環境（温度）を加味したものである。これは、リチウムイオン二次電池22の寿命が周囲温度と充電電圧による影響を多く受けるからで、定期的および停電時の放電情報を放電時間取得手段38が記録し、予め入力した放電時間と最適な充電電圧との関係を示すデータとの比較を行なうことで、要求されたバックアップ時間を満たす必要最小限の充電電圧で、リチウムイオン二次電池22を充電することが可能になる。

図６は、より具体的な制御の手順を示したものである。ステップＳ１では、放電時間取得手段38がリチウムイオン二次電池22を放電させたときの基準となる要求放電時間Ａと、実際のリチウムイオン二次電池22の放電時間とそれに基づき設定される充電電圧との相関関係が、それぞれ充電制御手段39を構成するマイコンのデータベースとして予め記憶される。

続くステップＳ２では、放電時間取得手段38がリチウムイオン二次電池22を定期的に放電させる。このとき放電時間取得手段38は、リチウムイオン二次電池22の両端電圧が、予め記憶された一定な設定電圧値に降下するまでの放電時間をカウントし、そのデータを取り込む。即ちこれは、設定電圧値までの降下時間Ｂに相当する（ステップＳ３）。放電時間取得手段38が降下時間Ｂを取得すると、充電制御手段39はこの降下時間Ｂとマイコン内に記憶されている要求放電時間Ａとの差を比較判定する。ここで、降下時間Ｂが要求放電時間Ａ未満であれば、充電電圧を上げる必要があると判定してステップＳ５の手順に進み、降下時間Ｂが要求放電時間Ａを越えていれば、充電電圧を下げる必要があると判定してステップＳ６の手順に進み、降下時間Ｂと要求放電時間Ａが等しければ、そのままの充電電圧でよいと判定して、充電制御手段39による制御手順を終了する（ステップＳ７）。

リチウムイオン二次電池22への充電電圧を上げる必要があると充電制御手段39が判定すると、ステップＳ５において、充電制御手段39から昇圧・降圧部32に充電電圧を上げるための充電調整信号が出力される。充電電圧をどの程度上げるのかは、要求放電時間Ａと降下時間Ｂとの差Ｃ（＝Ａ−Ｂ）に応じて決定する。即ち、要求放電時間Ａに対して降下時間Ｂが短くなるにしたがって、充電電圧の上昇レベルを大きく設定する。

逆に、リチウムイオン二次電池22への充電電圧を下げる必要があると充電制御手段39が判定すると、ステップＳ６において、充電制御手段39から昇圧・降圧部32に充電電圧を下げるための充電調整信号が出力される。充電電圧をどの程度下げるのかは、要求放電時間Ａと降下時間Ｂとの差Ｃ（＝Ａ−Ｂ）に応じて決定する。即ち、要求放電時間Ａに対して降下時間Ｂが長くなるにしたがって、充電電圧の下降レベルを大きく設定する。

こうして、ステップＳ５やステップＳ６で充電電圧の電圧レベルが新たに設定されると、いずれもステップＳ８に移行して、その充電電圧でリチウムイオン二次電池22が充電される。そして、再度リチウムイオン二次電池22の端子電圧が所定値になったら、ステップＳ９により放電が行なわれ、ステップＳ３以下の手順が繰返し行なわれる。これにより、リチウムイオン二次電池22への充電時間は、前記降下時間Ｂが要求放電時間Ａに近づくように、即ち図５に示すように、要求されるバックアップ時間を満たしつつも、この要求バックアップ時間に概ね沿うように調整される。こうして、放電時間取得手段38が取得した放電情報を基に、バックアップ時間に応じた最適充電電圧を定期的に維持することが可能になり、とりわけ使用初期の過剰な充電電圧に起因するリチウムイオン二次電池22の寿命劣化を防いで、リチウムイオン二次電池22をバックアップ電源として利用したことによる利点を長期間発揮させることができる。

以上のように本実施例では、入力電圧Ｖｉの正常時にリチウムイオン二次電池22への充電を行ない、この入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時には前記リチウムイオン二次電池22を放電して負荷３に電力を供給する無停電電源装置において、リチウムイオン二次電池22を定期的に放電させ、このリチウムイオン二次電池の両端電圧が設定電圧値に降下するまでの放電時間をカウントする放電時間取得手段38と、前記放電時間が装置として要求される負荷３のバックアップ時間よりも若干長い設定時間値（要求放電時間Ａ）に近づくように、リチウムイオン二次電池22への充電電圧を可変制御する充電制御手段39とを備えて構成され、この充電制御手段39は、放電時間が設定時間値未満であれば、設定時間値に対して放電時間が短くなるにしたがって、充電電圧の上昇レベルを大きく設定し、放電時間が設定時間値を越えていれば、設定時間値に対して放電時間が長くなるにしたがって、充電電圧の下降レベルを大きく設定するように構成している。

この場合、放電時間取得手段38はリチウムイオン二次電池22を放電させる毎に、リチウムイオン二次電池22の両端電圧が設定電圧値に降下するまでの放電時間をカウントする。そして充電制御手段39は、この放電時間が装置として要求される設定時間値に近づくように、次のリチウムイオン二次電池22への充電電圧を可変制御し、放電時間が設定時間値未満であれば、設定時間値に対して放電時間が短くなるにしたがって、充電電圧の上昇レベルを大きく設定し、放電時間が設定時間値を越えていれば、設定時間値に対して放電時間が長くなるにしたがって、充電電圧の下降レベルを大きく設定する。つまり充電制御手段39は、リチウムイオン二次電池22の使用全期間にわたり、装置の要求バックアップ時間を僅かに越える程度の設定時間値に前記放電時間が近づくように、当該リチウムイオン二次電池22の充電電圧を可変設定するので、過剰な充電によるリチウムイオン二次電池22の寿命劣化を防止することが可能になる。

また、放電時間取得手段38が取得した放電情報を利用して、例えばリチウムイオン電池22が寿命に近づいたことを知らせる寿命予告表示や、電池交換を知らせる電池表示交換や、現状のバックアップ可能時間を知らせる表示などを、表示手段（図示せず）に表示させてもよい。さらに、過剰な充電電圧をリチウムイオン二次電池22に与えないので、リチウムイオン二次電池22の充電回路である昇圧・降圧部32の消費電力を低減化できる。

その他、本実施例における無停電電源装置は、交換可能な二次電池としてのリチウムイオン二次電池22と、入力電圧Ｖｉの正常時にはリチウムイオン二次電池22への給電を行なう一方で、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時には負荷３に引き続き電力を供給するために、リチウムイオン二次電池22から給電を受ける主電源部としての電源回路１を備えた本体電源たる本体ケース７とからなる無停電電源装置において、電源回路１からリチウムイオン二次電池22に与えられる給電電圧ＶCHGを、リチウムイオン二次電池22の最適充電電圧に昇圧または降圧する昇圧・降圧部32を備えた電圧変換ユニット31を、電源回路１とリチウムイオン二次電池22との間に接続している。

この場合、仕様の異なるリチウムイオン二次電池22をバックアップ電源として使用する際に、このリチウムイオン二次電池22を電源回路１に直接接続するのではなく、昇圧・降圧部32を備えた電圧変換ユニット31を介して電源回路１に接続する。こうすると電圧変換ユニット31は、電源回路１からリチウムイオン二次電池22に与える給電電圧ＶCHGを、このリチウムイオン二次電池22を充電するに適した電圧に昇圧または降圧する。このように、電源回路１とリチウムイオン二次電池22との間に電圧変換ユニット31を介在させるだけで、電源回路１内に一切手を加えることなく、リチウムイオン二次電池22を最適な電圧で充電することができる。そのため、既存の電子回路１に一切手を加えることなく、様々な仕様の二次電池をバックアップ電源として問題なく使用できる無停電電源装置を提供できる。

また、本実施例の電圧変換ユニット31は、リチウムイオン二次電池22の満充電を検出すると、このリチウムイオン二次電池22への給電を停止して自己放電させる満充電検出部34を備えている。

この場合、例えばリチウムイオン二次電池22のような二次電池と共に電圧交換ユニット31を組み込むと、この電圧交換ユニット31に備えた満充電検出部34がリチウムイオン二次電池22の満充電を検出したときに、リチウムイオン二次電池22への給電を停止して自己放電させる。このように、常時給電を行なう必要のないリチウムイオン二次電池22のような二次電池に対し、必要最小限の給電を行なうことで、リチウムイオン二次電池22の寿命を可及的に延ばすことが可能になる。

さらに、本実施例の電圧変換ユニット31は、リチウムイオン二次電池22の端子電圧が所要値にまで低下したのを検出すると、このリチウムイオン二次電池22への給電を開始させる低電圧検出部35を備えている。

この場合、電圧交換ユニット31に接続したリチウムイオン二次電池22の端子電圧が、例えば装置として保証する負荷３のバックアップ時間に対応した所要値にまで低下すると、満充電検出部34が満充電を検出するまで、リチウムイオン二次電池22への給電が行なわれる。こうすることで、リチウムイオン二次電池22の充電状態に拘らず、入力電圧Ｖｉの低下時や停電時に負荷３への電力供給を一定時間継続させることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。例えば実施例では、リチウムイオン二次電池への充電電圧を段階的に上昇しているが、経過時間が進むにしたがってこの充電電圧を連続的に上昇させてもよい。

本発明における好ましい一実施形態を示す無停電電源装置のブロック構成図である。同上、図１の変形例を示す無停電電源装置のブロック構成図である。同上、図１のさらに変形例を示す無停電電源装置のブロック構成図である。同上、無停電電源装置のさらに詳細なブロック構成図である。同上、二次電池の使用期間中における充電電圧の特性を示したグラフである。同上、定期的な放電情報に基づき充電電圧を設定する手順を示すフローチャートである。従来の二次電池の使用期間中における充電電圧と放電時間の各特性を示したグラフである。

符号の説明

３負荷
22 リチウムイオン二次電池
38 放電時間取得手段
39 充電制御手段

Claims

入力電圧の正常時にはリチウムイオン二次電池への充電を行ない、前記入力電圧の低下若しくは停電時には前記リチウムイオン二次電池を放電して負荷に電力を供給する無停電電源装置において、
前記リチウムイオン二次電池を放電させ、該リチウムイオン二次電池の両端電圧が設定電圧値に降下するまでの放電時間をカウントする放電時間取得手段と、
前記放電時間が設定時間値に近づくように、前記リチウムイオン二次電池への充電電圧を可変制御する充電制御手段とを備え、
前記充電制御手段は、前記放電時間が前記設定時間値未満であれば、前記設定時間値に対して前記放電時間が短くなるにしたがって、前記充電電圧の上昇レベルを大きく設定し、前記放電時間が前記設定時間値を越えていれば、前記設定時間値に対して前記放電時間が長くなるにしたがって、前記充電電圧の下降レベルを大きく設定するように構成されることを特徴とする無停電電源装置。