JP7350706B2 - 無停電電源システムおよび無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、無停電電源システムおよび無停電電源装置に関する。

特許第５９９０８７８号公報（特許文献１）は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータからの直流電力により充電される蓄電池と、停電時に蓄電池からの直流電力を交流電力に変換するインバータとを備える無停電電源装置を開示する。上記無停電電源装置において、蓄電池からインバータへの放電経路には回路遮断器が配置される。無停電電源装置は、蓄電池の状態を検出する電池状態検出回路を有する。電池状態検出回路は、蓄電池の異常を検出したときには、回路遮断器にトリップ信号を出力することにより、回路遮断器に遮断動作を行なわせる。

特許第５９９０８７８号公報

上記特許文献１において、蓄電池は、リチウムイオン二次電池からなる複数の単電池の集合体である。電池状態検出回路は、各単電池のセル電圧を監視しており、監視したセル電圧の少なくとも１つが異常低下閾値を下回ったときに、電池異常を検出し、回路遮断器の遮断動作を行なわせる。

特許文献１に記載の無停電電源装置によれば、蓄電池の異常を検出したときに回路遮断器の遮断動作によって放電経路を遮断することにより、蓄電池の保護を図ることができる。しかしながら、複数の単電池の少なくとも１つの異常が検出されると、蓄電池からインバータへの電力供給が直ちに停止されるため、蓄電池に蓄えられている電力を有効に利用することができない。

この発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、蓄電装置に蓄えられた電力を有効に利用することができる無停電電源システムおよび無停電電源装置を提供することである。

この発明に係る無停電電源システムは、交流電源および負荷の間に接続される無停電電源装置と、蓄電装置とを備える。無停電電源装置は、蓄電装置が接続される端子と、交流電源の停電時、蓄電装置から端子を介して供給される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するように構成されたインバータと、インバータから負荷に出力される負荷電流を検出する電流検出器と、端子およびインバータの間に接続される遮断器と、遮断器の導通および遮断を制御する制御装置とを含む。蓄電装置は、端子に対して並列接続される複数の蓄電池と、複数の蓄電池にそれぞれ対応して設けられ、対応する蓄電池と端子との間の接続および切断を切り替えるための複数のスイッチと、複数の蓄電池の異常の有無を検出するように構成された電池管理装置とを含む。電池管理装置は、複数の蓄電池のうちの少なくとも１つの蓄電池の異常が検出された場合には、少なくとも１つの蓄電池を端子から切断するように複数のスイッチを制御するとともに、複数の蓄電池のうち正常な蓄電池の数を示す有効電池数を制御装置に送信する。制御装置は、負荷電流を供給するために少なくとも必要な蓄電池の下限電池数を求め、蓄電装置から受信した有効電池数が下限電池数よりも小さい場合には、遮断器を遮断する。

この発明に係る無停電電源装置は、交流電源および負荷の間に接続される。無停電電源装置は、蓄電装置が接続される端子と、交流電源の停電時、蓄電装置から端子を介して供給される直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するように構成されたインバータと、インバータから負荷に出力される負荷電流を検出する電流検出器と、端子およびインバータの間に接続される遮断器と、遮断器の導通および遮断を制御する制御装置とを備える。蓄電装置は、端子に対して並列接続される複数の蓄電池と、複数の蓄電池にそれぞれ対応して設けられ、対応する蓄電池と端子との間の接続および切断を切り替えるための複数のスイッチと、複数の蓄電池の異常の有無を検出するように構成された電池管理装置とを含む。電池管理装置は、複数の蓄電池のうちの少なくとも１つの蓄電池の異常が検出された場合には、少なくとも１つの蓄電池を端子から切断するように複数のスイッチを制御するとともに、複数の蓄電池のうち正常な蓄電池の数を示す有効電池数を制御装置に送信する。制御装置は、負荷電流を供給するために少なくとも必要な蓄電池の下限電池数を求め、蓄電装置から受信した有効電池数が前記下限電池数よりも小さい場合には、遮断器を遮断する。

本発明によれば、蓄電装置に蓄えられた電力を有効に利用することができる無停電電源システムおよび無停電電源装置を提供することができる。

実施の形態１に係る無停電電源システムの構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した蓄電装置の構成例を示す回路ブロック図である。 電池管理装置における蓄電池の異常検出の処理手順を説明するためのフローチャートである。 無停電電源装置の制御装置における制御の処理手順を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２に係る無停電電源システムの構成を示す回路ブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る無停電電源システムの構成を示す回路ブロック図である。実施の形態１に係る無停電電源システムは、三相交流電力を負荷３０に供給するものであるが、図面および説明の簡単化のため、図１では一相に関連する部分のみが示されている。

図１を参照して、実施の形態１に係る無停電電源システムは、無停電電源装置１と、蓄電装置２３とを備える。

無停電電源装置１は、交流入力端子Ｔ１、バイパス入力端子Ｔ２、バッテリ端子Ｔ３および交流出力端子Ｔ４を備える。交流入力端子Ｔ１は、商用交流電源２１から商用周波数の交流電力を受ける。バイパス入力端子Ｔ２は、バイパス交流電源２２から商用周波数の交流電力を受ける。バイパス交流電源２２は、例えば自家用発電機である。

バッテリ端子Ｔ３は、蓄電装置２３に接続される。蓄電装置２３は、直流電力を蓄える。蓄電装置２３は、蓄電部２４と、蓄電部２４を管理するための電池管理装置２５とを有する。蓄電装置２３の詳細な構成については後述する。交流出力端子Ｔ４は、負荷３０に接続される。負荷３０は、交流電力によって駆動される。

無停電電源装置１は、電磁接触器２，８，１４、電流検出器３，１１，１７、コンデンサ４，９，１３、リアクトル５，１２、コンバータ６、双方向チョッパ７、インバータ１０、半導体スイッチ１５、および制御装置１８をさらに備える。

電磁接触器２およびリアクトル５は、交流入力端子Ｔ１とコンバータ６の入力ノードとの間に直列接続される。コンデンサ４は、電磁接触器２とリアクトル５との間のノードＮ１に接続される。電磁接触器２は、無停電電源装置１の使用時にオン（導通）され、例えば無停電電源装置１のメンテナンス時にオフ（非導通）される。

ノードＮ１に現れる交流入力電圧Ｖｉの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。交流入力電圧Ｖｉの瞬時値に基づいて、商用交流電源２１の停電の発生の有無などが判別される。電流検出器３は、ノードＮ１に流れる交流入力電流Ｉｉを検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｆを制御装置１８に与える。

コンデンサ４およびリアクトル５は、低域通過フィルタを構成し、商用交流電源２１からコンバータ６に商用周波数の交流電力を通過させ、コンバータ６で発生するスイッチング周波数の信号が商用交流電源２１に通過することを防止する。

コンバータ６は、制御装置１８によって制御され、商用交流電源２１から交流電力が供給されている健全時は、交流電力を直流電力に変換して直流ラインＬ１に出力する。商用交流電源２１からの交流電力の供給が停止された停電時は、コンバータ６の運転は停止される。コンバータ６の出力電圧は、所望の値に制御可能になっている。

コンデンサ９は、直流ラインＬ１に接続され、直流ラインＬ１の電圧を平滑化させる。直流ラインＬ１に現れる直流電圧ＶＤＣの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。直流ラインＬ１は双方向チョッパ７の高電圧側ノードに接続され、双方向チョッパ７の低電圧側ノードは電磁接触器８を介してバッテリ端子Ｔ３に接続される。

電磁接触器８は、無停電電源装置１の使用時はオンされ、例えば無停電電源装置１および蓄電装置２３のメンテナンス時にオフされる。電磁接触器８は「遮断器」の一実施例に対応する。バッテリ端子Ｔ３に現れる蓄電池Ｂの端子間電圧（以下、「バッテリ電圧」とも称する）ＶＢの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。

双方向チョッパ７は、制御装置１８によって制御され、商用交流電源２１から交流電力が供給されている健全時は、コンバータ６によって生成された直流電力を蓄電装置２３に蓄え、商用交流電源２１からの交流電力の供給が停止された停電時は、蓄電装置２３の直流電力を直流ラインＬ１を介してインバータ１０に供給する。

双方向チョッパ７は、直流電力を蓄電装置２３に蓄える場合は、直流ラインＬ１の直流電圧ＶＤＣを降圧して蓄電装置２３に与える。また、双方向チョッパ７は、蓄電装置２３の直流電力をインバータ１０に供給する場合は、蓄電池Ｂの端子間電圧ＶＢを昇圧して直流ラインＬ１に出力する。直流ラインＬ１は、インバータ１０の入力ノードに接続されている。

インバータ１０は、制御装置１８によって制御され、コンバータ６または双方向チョッパ７から直流ラインＬ１を介して供給される直流電力を商用周波数の交流電力に変換して出力する。すなわち、インバータ１０は、商用交流電源２１の健全時はコンバータ６から直流ラインＬ１を介して供給される直流電力を交流電力に変換し、商用交流電源２１の停電時は蓄電装置２３から双方向チョッパ７を介して供給される直流電力を交流電力に変換する。インバータ１０の出力電圧は、所望の値に制御可能になっている。

インバータ１０の出力ノードはリアクトル１２の一方端子に接続され、リアクトル１２の他方端子（ノードＮ２）は電磁接触器１４の一方端子に接続され、電磁接触器１４の他方端子（ノードＮ３）は交流ラインＬ２を介して交流出力端子Ｔ４に接続される。コンデンサ１３はノードＮ２に接続される。

電流検出器１１は、インバータ１０の出力電流Ｉｏの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉｏｆを制御装置１８に与える。ノードＮ２に現れる交流出力電圧Ｖｏの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。

リアクトル１２およびコンデンサ１３は、低域通過フィルタを構成し、インバータ１０によって生成された商用周波数の交流電力を交流出力端子Ｔ４に通過させ、インバータ１０で発生するスイッチング周波数の信号が交流出力端子Ｔ４に通過することを防止する。

電磁接触器１４は、制御装置１８によって制御され、インバータ１０によって生成された交流電力を負荷３０に供給するインバータ給電モード時にはオンされ、バイパス交流電源２２からの交流電力を負荷３０に供給するバイパス給電モード時にはオフされる。

電流検出器１７は、交流ラインＬ２に流れる電流（以下、「負荷電流」とも称する）Ｉｌｏａｄの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉｌｏａｄを制御装置１８に与える。

半導体スイッチ１５の一方端子はバイパス入力端子Ｔ２に接続され、他方端子は交流ラインＬ３を介してノードＮ３に接続される。半導体スイッチ１５は、制御装置１８によって制御され、バイパス給電モード時にはオンされ、インバータ給電モード時にはオフされる。半導体スイッチ１５は、互いに逆並列に接続された一対のサイリスタを含む。

制御装置１８は、交流入力電圧Ｖｉ、交流入力電流Ｉｉ、直流電圧ＶＤＣ、バッテリ電圧ＶＢ、交流出力電流Ｉｏ、交流出力電圧Ｖｏ、負荷電流Ｉｌｏａｄなどに基づいて無停電電源装置１全体を制御する。制御装置１８は、例えばマイクロコンピュータなどで構成することができる。一例として、制御装置１８は、図示しないメモリおよびＣＰＵ（Central Processing Unit）を内蔵し、メモリに予め格納されたプログラムをＣＰＵが実行することによるソフトウェア処理によって、制御動作を実行することができる。あるいは、当該制御動作の一部または全部について、ソフトウェア処理に代えて、内蔵された専用の電子回路などを用いたハードウェア処理によって実現することも可能である。

制御装置１８は、交流入力電圧Ｖｉの検出値に基づいて商用交流電源２１の停電が発生したか否かを検出し、交流入力電圧Ｖｉ、交流入力電流Ｉｉおよび直流電圧ＶＤＣに基づいてコンバータ６を制御する。

商用交流電源２１の健全時には、制御装置１８は、直流電圧ＶＤＣが所望の目標直流電圧ＶＤＣＴになるようにコンバータ６を制御する。商用交流電源２１の停電時は、制御装置１８はコンバータ６の運転を停止させる。

さらに制御装置１８は、商用交流電源２１の健全時は、バッテリ電圧ＶＢが所望の目標バッテリ電圧ＶＢＴになるように双方向チョッパ７を制御し、商用交流電源２１の停電時は、直流電圧ＶＤＣが所望の目標直流電圧ＶＤＣＴになるように双方向チョッパ７を制御する。

さらに制御装置１８は、商用交流電源２１の健全時には、制御装置１８は、インバータ給電モードを選択して実行する。インバータ給電モード時には、制御装置１８は、電磁接触器１４をオンさせるとともに、半導体スイッチ１５をオフさせる。また制御装置１８は、交流出力電圧Ｖｏおよび交流出力電流Ｉｏに基づいて、交流出力電圧Ｖｏが所望の目標交流電圧ＶｏＴになるようにインバータ１０を制御する。これにより、インバータ１０からリアクトル１２、電磁接触器１４および交流ラインＬ２を介して負荷３０に負荷電流Ｉｌｏａｄが供給され、負荷３０が駆動される。

インバータ給電モード時において、商用交流電源２１の停電が発生した場合には、制御装置１８は、コンバータ６の運転を停止させるとともに、蓄電装置２３の直流電力を電磁接触器８および双方向チョッパ７を介してインバータ１０に供給するバッテリ給電を実行する。蓄電装置２３の直流電力はインバータ１０によって交流電力に変換されて負荷３０に供給される。

制御装置１８は、蓄電装置２３内部の電池管理装置２５との間で通信を行なうことにより、蓄電部２４の状態を示す情報を取得する。バッテリ給電の実行中、制御装置１８は、電池管理装置２５から取得した情報に基づいて、蓄電装置２３の直流電力に基づいて負荷３０の運転を継続することが可能であるか否かを判定する。蓄電装置２３の直流電力に基づいて負荷３０の運転を継続することが不可能と判定された場合には、制御装置１８は、インバータ給電モードの実行を停止してバイパス給電モードを実行する。

バイパス給電モード時には、制御装置１８は、電磁接触器１４をオフさせるとともに、半導体スイッチ１５をオンさせる。これにより、バイパス交流電源２２から半導体スイッチ１５および交流ラインＬ３，Ｌ２を介して負荷３０に負荷電流Ｉｌｏａｄが供給され、負荷３０が駆動される。

図２は、図１に示した蓄電装置２３の構成例を示す回路ブロック図である。

図２に示すように、蓄電装置２３は、蓄電部２４と、電池管理装置２５と、検出器２７とを含む。

蓄電部２４は、バッテリ端子Ｔ３に対して電気的に並列接続された複数の蓄電池Ｂ１～Ｂｎを含む（ｎは２以上の整数）。以下、蓄電池Ｂ１～Ｂｎを総称して「蓄電池Ｂ」とも称する。蓄電池Ｂは、少なくとも１個の電池セル（単電池）を含む。電池セルには任意の二次電池を採用可能である。電池セルは、例えばリチウムイオン二次電池またはニッケル水素電池である。図２の例では、蓄電池Ｂは、直列接続された複数の電池セルを有する。

蓄電装置２３は、複数のスイッチＳ１～Ｓｎをさらに含む。複数のスイッチＳ１～Ｓｎは、バッテリ端子Ｔ３と複数の蓄電池Ｂ１～Ｂｎの正極端子との間にそれぞれ接続される。スイッチＳ１～Ｓｎの各々には、例えば、半導体スイッチまたは電磁接触器を用いることができる。以下、スイッチＳ１～Ｓｎを総称して「スイッチＳ」とも称する。

検出器２７は、各蓄電池Ｂの端子間電圧および温度（以下、「電池温度」とも称する）を検出する。検出器２７は、検出した各蓄電池Ｂの端子間電圧および電池温度を示す信号を電池管理装置２５へ出力する。

電池管理装置２５は、検出器２７から与えられる信号に基づいて、蓄電部２４を管理する。電池管理装置２５は、無停電電源装置１の制御装置１８と通信可能に接続されている。電池管理装置２５および制御装置１８間の通信は有線であっても無線であってもよい。

具体的には、電池管理装置２５は、蓄電池ＢごとにＳＯＣ（State Of Charge）を検出する。なお、ＳＯＣは、蓄電残量を示し、例えば、満充電状態の蓄電量に対する現在の蓄電量の割合を０～１００％で表したものである。ＳＯＣの検出方法は、例えば開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage)の推定による手法など公知の手法を採用することができる。

電池管理装置２５は、各蓄電池ＢのＳＯＣを検出すると、検出したＳＯＣの代表値を制御装置１８へ送信する。ＳＯＣの代表値には、例えば、複数の蓄電池Ｂ１～ＢｎのＳＯＣの平均値、最頻値、中央値および最小値などを採用することができる。

電池管理装置２５はさらに、検出器２７による端子間電圧および電池温度の検出値に基づいて蓄電池Ｂの異常の有無を検出する。蓄電池Ｂを構成するリチウムイオン電池またはニッケル水素などの二次電池は、過充電状態、過放電状態または過熱状態となることによって故障または、急激に劣化してしまう可能性がある。蓄電池Ｂを故障や劣化から保護するためには、蓄電池Ｂが過充電状態、過放電状態または過熱状態となったときには、直ちに蓄電池Ｂの使用を停止する必要がある。

具体的には、電池管理装置２５は、蓄電池Ｂの端子間電圧の検出値が予め定められた電圧範囲の上限値を超えている場合には、蓄電池Ｂが過充電状態であると判定し、蓄電池Ｂの異常を検出する。また電池管理装置２５は、蓄電池Ｂの端子間電圧の検出値が上記電圧範囲の下限値よりも低下している場合には、蓄電池Ｂが過放電状態であると判定し、蓄電池Ｂの異常を検出する。さらに電池管理装置２５は、蓄電池Ｂの電池温度の検出値が予め定められた上限温度を超えている場合には、蓄電池Ｂが過熱状態であると判定し、蓄電池Ｂの異常を検出する。

電池管理装置２５は、複数の蓄電池Ｂ１～Ｂｎの各々について、上記判定に基づいて異常の有無を検出する。複数の蓄電池Ｂ１～Ｂｎのうちのいずれかの蓄電池Ｂにおいて異常が検出された場合、電池管理装置２５は、異常が検出された蓄電池Ｂに接続されるスイッチＳをオフすることにより、当該蓄電池Ｂをバッテリ端子Ｔ３から切り離す。異常の蓄電池Ｂを解列させることによって当該蓄電池Ｂの使用（充放電）が停止される。

電池管理装置２５はさらに、複数の蓄電池Ｂ１～Ｂｎから異常の蓄電池Ｂを除いた正常な蓄電池Ｂの数（以下、「有効電池数Ｎｅｆｆ」とも称する）を示す情報を制御装置１８へ送信する。

図３は、電池管理装置２５における蓄電池Ｂの異常検出の処理手順を説明するためのフローチャートである。

図３に示すように、蓄電装置２３において、ステップＳ０１において、検出器２７は、蓄電部２４を構成する複数の蓄電池Ｂの各々の端子間電圧および電池温度を検出する。検出器２７は、検出した各蓄電池Ｂの端子間電圧および電池温度を示す信号を電池管理装置２５へ出力する。

ステップＳ０２において、電池管理装置２５は、検出器２７から与えれる信号に基づいて、各蓄電池ＢのＳＯＣを検出する。電池管理装置２５は、ステップＳ０３により、複数の蓄電池ＢのＳＯＣの代表値（例えば、平均値、最小値、最頻値または中央値など）を求める。電池管理装置２５は、求めたＳＯＣの代表値を示す信号を無停電電源装置１の制御装置１８へ送信する。

電池管理装置２５はさらに、検出器２７から与えられる信号に基づいて、複数の蓄電池Ｂ１～Ｂｎの異常の有無を検出する。具体的には、ステップＳ０４において、電池管理装置２５は、蓄電池Ｂごとに、端子間電圧の検出値と予め定められた電圧範囲とを比較することにより、電圧異常の有無を検出する。ステップＳ０４では、蓄電池Ｂの端子間電圧の検出値が上記電圧範囲の上限値を超えている場合、または上記電圧範囲の下限値よりも低下している場合には、蓄電池Ｂの異常を検出する。

複数の蓄電池Ｂ１～Ｂｎの少なくとも１つの蓄電池Ｂの電圧異常が検出された場合、電池管理装置２５はステップＳ０４にてＹＥＳと判定し、処理をステップＳ０６に進める。電池管理装置２５は、ステップＳ０６において、電圧異常の蓄電池Ｂに対応するスイッチＳをオフすることにより、蓄電部２４から当該蓄電池Ｂを解列させる。

さらに電池管理装置２５は、ステップＳ０５において、蓄電池Ｂごとに、電池温度の検出値と予め定められた上限温度とを比較することにより、温度異常の有無を検出する。ステップＳ０５では、蓄電池Ｂの電池温度の検出値が上記上限温度を超えている場合、蓄電池Ｂの異常を検出する。

複数の蓄電池Ｂ１～Ｂｎの少なくとも１つの蓄電池Ｂの温度異常が検出された場合、電池管理装置２５はステップＳ０５にてＹＥＳと判定する。この場合、電池管理装置２５は、ステップＳ０６において、温度異常の蓄電池Ｂに対応するスイッチＳをオフすることにより、蓄電部２４から当該蓄電池Ｂを解列させる。

電池管理装置２５は、ステップＳ０７に進み、複数の蓄電池Ｂ１～Ｂｎのうちの正常な蓄電池Ｂの数を示す有効電池数Ｎｅｆｆを示す情報を制御装置１８へ送信する。

図２に戻って、無停電電源装置１において、制御装置１８は、蓄電装置２３の電池管理装置２５から、蓄電部２４のＳＯＣの代表値を示す情報、および有効電池数Ｎｅｆｆを示す情報を受信する。制御装置１８は、これらの情報に基づいて、電磁接触器８、双方向チョッパ７およびインバータ１０を制御する。

図４は、無停電電源装置１の制御装置１８における制御の処理手順を説明するためのフローチャートである。

図４に示すように、制御装置１８は、ステップＳ１０により、無停電電源装置１がバッテリ給電の実行中であるか否かを判定する。ステップＳ１０では、インバータ給電モード時において、制御装置１８は、交流入力電圧Ｖｉの検出値に基づいて商用交流電源２１の停電が発生したか否かを検出する。商用交流電源２１の停電の発生が検出された場合には、制御装置１８は、商用交流電源２１による給電を停止してバッテリ給電を実行する。

バッテリ給電の実行中（Ｓ１０のＹＥＳ判定時）、制御装置１８は、電池管理装置２５から送信される信号に基づいて、蓄電装置２３の直流電力に基づいて負荷３０の運転を継続することが可能であるか否かを判定する。具体的には、電池管理装置２５は、ステップＳ１１において、蓄電部２４のＳＯＣの代表値と予め定められた下限値ＳＯＣｔｈとを比較する。ＳＯＣの代表値が下限値ＳＯＣｔｈ以下である場合（Ｓ１１のＮＯ判定時）、制御装置１８は、インバータ給電モードの実行を停止し、バイパス給電モードに切り換える。制御装置１８は、ステップＳ１８により半導体スイッチ１５をオンするとともに、ステップＳ１９により電磁接触器８をオフする。バイパス交流電源２２から半導体スイッチ１５および交流ラインＬ３，Ｌ２を介して負荷３０に交流電力が供給され、負荷３０が駆動される。

一方、蓄電部２４のＳＯＣの代表値が下限値ＳＯＣｔｈよりも大きい場合（Ｓ１１のＹＥＳ判定時）、制御装置１８は、ステップＳ１２において、電流検出器１７からの信号に基づいて負荷電流Ｉｌｏａｄを取得する。さらに制御装置１８は、ステップＳ１３により、電池管理装置２５から送信された信号に基づいて、蓄電部２４の有効電池数Ｎｅｆｆを取得する。

また制御装置１８は、ステップＳ１４において、蓄電池Ｂの最大放電電流Ｉｄｍａｘを取得する。最大放電電流Ｉｄｍａｘは、蓄電部２４を構成する複数の蓄電池Ｂの各々が放電時に流すことができる電流の上限値に相当する。最大放電電流Ｉｄｍａｘは、蓄電池Ｂの放電特性などを考慮して予め設定され、電池管理装置２５内部の記憶部に記憶されている。制御装置１８は、電池管理装置２５との間で通信を行なうことにより、最大放電電流Ｉｄｍａｘを取得することができる。

制御装置１８は、ステップＳ１５において、ステップＳ１２で取得した負荷電流ＩｌｏａｄおよびステップＳ１４で取得した最大放電電流Ｉｄｍａｘに基づいて、下限電池数Ｎｍｉｎを算出する。下限電池数Ｎｍｉｎは、バッテリ給電時において無停電電源装置１から負荷電流Ｉｌｏａｄを供給するために少なくとも必要な蓄電池Ｂの数に相当する。下限電池数Ｎｍｉｎは、例えば、負荷電流Ｉｌｏａｄのピーク値（または実効値）を最大放電電流Ｉｄｍａｘで除算することにより算出することができる（Ｎｍｉｎ＝Ｉｌｏａｄ／Ｉｄｍａｘ）。

制御装置１８は、ステップＳ１６において、有効電池数Ｎｅｆｆと下限電池数Ｎｍｉｎとを比較する。有効電池数Ｎｅｆｆが下限電池数Ｎｍｉｎ以上である場合（Ｓ１６のＹＥＳ判定時）、制御装置１８は、蓄電装置２３の直流電力に基づいて負荷３０の運転を継続することが可能であると判定し、バッテリ給電を引き続き実行する。この場合、制御装置１８は、ステップＳ１７により、電磁接触器８をオン状態に維持する。

一方、有効電池数Ｎｅｆｆが下限電池数Ｎｍｉｎ未満である場合（Ｓ１６のＮＯ判定時）、制御装置１８は、蓄電装置２３の直流電力に基づいて負荷３０の運転を継続することが不可能であると判定し、バッテリ給電の実行を停止する。この場合、制御装置１８は、インバータ給電モードの実行を停止し、バイパス給電モードに切り換える。制御装置１８は、ステップＳ１８により半導体スイッチ１５をオンするとともに、ステップＳ１９により電磁接触器８をオフする。

以上説明したように、制御装置１８は、蓄電装置２３内の電池管理装置２５との間で通信を行なうことによって蓄電部２４の有効電池数Ｎｅｆｆを取得するとともに、負荷電流Ｉｌｏａｄを供給するために必要な下限電池数Ｎｍｉｎを算出する。そして制御装置１８は、有効電池数Ｎｅｆｆが下限電池数Ｎｍｉｎ以上である場合には、バッテリ給電の実行を継続させる。

このようにすると、蓄電装置２３において、蓄電部２４を構成する複数の蓄電池Ｂのいずれかに異常が発生した場合であっても、有効電池数Ｎｅｆｆが下限電池数Ｎｍｉｎ以上を満たしていれば、蓄電装置２３の直流電力を用いて負荷３０の駆動を継続させることができる。

従来技術によると、蓄電池Ｂの異常が検出されると電磁接触器８をオフし、蓄電装置２３からの電力供給を遮断させるため、蓄電装置２３に蓄えられた電力を有効に利用することができない。そのため、負荷３０を駆動させるために、バイパス交流電源２２である発電機を起動させることが必要となる。これに対して、実施の形態１に係る無停電電源システムによれば、蓄電装置２３に蓄えられた電力を有効に利用して負荷３０を駆動させることができる。

［実施の形態２］
図５は、実施の形態２に係る無停電電源システムの構成を示す回路ブロック図である。

図５に示すように、実施の形態２に係る無停電電源システムは、実施の形態１に係る無停電電源システムと比較して、無停電電源装置１に代えて無停電電源装置１Ａを備える点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同じであるため説明を繰り返さない。無停電電源装置１Ａは瞬低補償装置とも呼ばれる。

無停電電源装置１Ａは、交流入力端子Ｔ１と、バイパス入力端子Ｔ２と、バッテリ端子Ｔ３と、交流出力端子Ｔ４と、半導体スイッチ１５，１６と、インバータ（双方向コンバータ）２０と、電磁接触器８と、電流検出器１７と、制御装置１８とを備える。

交流入力端子Ｔ１は、商用交流電源２１から商用周波数の交流電力を受ける。交流入力電圧Ｖｉの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。交流入力電圧Ｖｉの瞬時値に基づいて、商用交流電源２１の停電の発生の有無などが判別される。バイパス入力端子Ｔ２は、バイパス交流電源２２から商用周波数の交流電力を受ける。バイパス交流電源２２は、例えば自家用発電機である。

バッテリ端子Ｔ３は、蓄電装置２３に接続される。バッテリ端子Ｔ３に現れる蓄電池Ｂの端子間電圧（バッテリ電圧）ＶＢの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。

交流出力端子Ｔ４は、負荷３０に接続される。負荷３０は、無停電電源装置１Ａから供給される交流電力によって駆動される。交流出力端子Ｔ４に現れる交流出力電圧Ｖｏの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。

半導体スイッチ１６の一方端子は交流入力端子Ｔ１に接続され、他方端子は交流出力端子Ｔ４に接続される。半導体スイッチ１６は、制御装置１８によって制御され、商用交流電源２１の健全時にはオン状態にされ、商用交流電源２１の停電時にはオフされる。半導体スイッチ１６は、互いに逆並列に接続された一対のサイリスタを含む。

電流検出器１７は、半導体スイッチ１６の他方端子から交流出力端子Ｔ４に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉｌｏａｄを制御装置１８に与える。

インバータ２０は、半導体スイッチ１６の他方端子とバッテリ端子Ｔ３との間に接続され、制御装置１８によって制御される。インバータ２０は、商用交流電源２１の健全時には、商用交流電源２１から供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電装置２３に蓄える。このとき制御装置１８は、バッテリ電圧ＶＢが所望の目標バッテリ電圧ＶＢＴになるようにインバータ２０を制御する。

またインバータ２０は、商用交流電源２１の停電時には、蓄電装置２３の直流電力を商用周波数の交流電力に変換して負荷３０に供給する。このとき制御装置１８は、交流出力電圧Ｖｏおよび負荷電流Ｉｌｏａｄに基づき、交流出力電圧Ｖｏが所望の目標交流電圧ＶｏＴになるようにインバータ２０を制御する。制御装置１８は、例えばマイクロコンピュータなどで構成することができる。

実施の形態２に係る無停電電源システムでは、商用交流電源２１の健全時には、半導体スイッチ１６がオンされ、商用交流電源２１から半導体スイッチ１６を介して負荷３０に交流電力が供給され、負荷３０が駆動される。また、商用交流電源２１から半導体スイッチ１６を介してインバータ２０に交流電力が供給され、その交流電力が直流電力に変換されて蓄電装置２３に蓄えられる。

一方、商用交流電源２１の停電時には、半導体スイッチ１６がオフされるとともに、蓄電装置２３の直流電力がインバータ２０によって交流電力に変換されて負荷３０に供給される。すなわち、無停電電源装置１によるバッテリ給電が実行される。

制御装置１８は、実施の形態１と同様に、蓄電装置２３の電池管理装置２５との間で通信を行なうことにより、蓄電部２４のＳＯＣの代表値および有効電池数Ｎｅｆｆを示す情報を取得することができる。

バッテリ給電中、制御装置１８は、図４に示すフローチャートを実行する。すなわち、制御装置１８は、蓄電装置２３内の電池管理装置２５との間で通信を行なうことによって蓄電部２４の有効電池数Ｎｅｆｆを取得するとともに、負荷電流Ｉｌｏａｄを供給するために必要な下限電池数Ｎｍｉｎを算出する。そして制御装置１８は、有効電池数Ｎｅｆｆが下限電池数Ｎｍｉｎ以上であるときには、バッテリ給電の実行を継続させる。これによると、実施の形態２に係る無停電電源システムにおいても、実施の形態１に係る無停電電源システムと同様の効果を得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 無停電電源装置、２，８，１４ 電磁接触器、６ コンバータ、７ 双方向チョッパ、１０，２０ インバータ、１５，１６ 半導体スイッチ、１８ 制御装置、２１ 商用交流電源、２２ バイパス交流電源、２３ 蓄電装置、２４ 蓄電部、２５ 電池管理装置、３０ 負荷、Ｂ１～Ｂｎ 蓄電池、Ｓ１～Ｓｎ スイッチ、Ｔ１ 交流入力端子、Ｔ２ バイパス入力端子、Ｔ３ バッテリ端子、Ｔ４ 交流出力端子。

Claims (5)

1. 交流電源および負荷の間に接続される無停電電源装置と、
   蓄電装置とを備え、
   前記無停電電源装置は、
   前記蓄電装置が接続される端子と、
   前記交流電源の停電時、前記蓄電装置から前記端子を介して供給される直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するように構成されたインバータと、
   前記インバータから前記負荷に出力される負荷電流を検出する電流検出器と、
   前記端子および前記インバータの間に接続される遮断器と、
   前記遮断器の導通および遮断を制御する制御装置とを含み、
   前記蓄電装置は、
   前記端子に対して並列接続される複数の蓄電池と、
   前記複数の蓄電池にそれぞれ対応して設けられ、対応する蓄電池と前記端子との間の接続および切断を切り替えるための複数のスイッチと、
   前記複数の蓄電池の異常の有無を検出するように構成された電池管理装置とを含み、
   前記電池管理装置は、前記複数の蓄電池のうちの少なくとも１つの蓄電池の異常が検出された場合には、前記少なくとも１つの蓄電池を前記端子から切断するように前記複数のスイッチを制御するとともに、前記複数の蓄電池のうち正常な蓄電池の数を示す有効電池数を前記制御装置に送信し、
   前記制御装置は、前記負荷電流を供給するために少なくとも必要な蓄電池の下限電池数を求め、前記蓄電装置から受信した前記有効電池数が前記下限電池数よりも小さい場合には、前記遮断器を遮断する、無停電電源システム。
2. 前記制御装置は、前記電流検出器により検出される前記負荷電流を、予め取得した前記蓄電池の最大放電電流で除算することにより、前記下限電池数を求める、請求項１に記載の無停電電源システム。
3. 前記蓄電装置は、各前記複数の蓄電池の端子間電圧および温度を検出する検出器をさらに含み、
   前記電池管理装置は、前記検出器の検出結果に基づいて各前記複数の蓄電池の異常の有無を検出する、請求項１または２に記載の無停電電源システム。
4. 前記無停電電源装置は、バイパス交流電源および前記負荷の間に接続されるバイパススイッチをさらに含み、
   前記制御装置は、前記蓄電装置から受信した前記有効電池数が前記下限電池数よりも小さい場合には、前記バイパススイッチを導通するとともに、前記遮断器を遮断する、請求項１から３のいずれか１項に記載の無停電電源システム。
5. 交流電源および負荷の間に接続される無停電電源装置であって、
   蓄電装置が接続される端子と、
   前記交流電源の停電時、前記蓄電装置から前記端子を介して供給される直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するように構成されたインバータと、
   前記インバータから前記負荷に出力される負荷電流を検出する電流検出器と、
   前記端子および前記インバータの間に接続される遮断器と、
   前記遮断器の導通および遮断を制御する制御装置とを備え、
   前記蓄電装置は、
   前記端子に対して並列接続される複数の蓄電池と、
   前記複数の蓄電池にそれぞれ対応して設けられ、対応する蓄電池と前記端子との間の接続および切断を切り替えるための複数のスイッチと、
   前記複数の蓄電池の異常の有無を検出するように構成された電池管理装置とを含み、
   前記電池管理装置は、前記複数の蓄電池のうちの少なくとも１つの蓄電池の異常が検出された場合には、前記少なくとも１つの蓄電池を前記端子から切断するように前記複数のスイッチを制御するとともに、前記複数の蓄電池のうち正常な蓄電池の数を示す有効電池数を前記制御装置に送信し、
   前記制御装置は、前記負荷電流を供給するために少なくとも必要な蓄電池の下限電池数を求め、前記蓄電装置から受信した前記有効電池数が前記下限電池数よりも小さい場合には、前記遮断器を遮断する、無停電電源装置。

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