JP3908077B2 - 直流バックアップ電源装置とその診断方法 - 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及びその診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーバやルータ、ディスクアレイ装置といった通信、情報機器においては、商用の交流電力を受電してＡＣ／ＤＣコンバータで機器内部の負荷に要求される所望直流電圧に変換して、電力を供給する。特に通信、情報機器といった高信頼性が要求される機器においては、機器内電源の信頼性向上のため、ＡＣ／ＤＣコンバータを並列冗長運転することは一般的である。また、商用の交流電力入力に対する信頼性の向上のため、２系統の交流電力からＡＣ／ＤＣコンバータの入力をとる手段も採られる。さらに商用の交流電力入力に対する高信頼化を実現するため、無停電電源装置（以下ＵＰＳと略す）を機器と商用交流電力間に接続する電源構成が採用されている。
【０００３】
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】
上記従来技術においては、直流バックアップ電源内の各部の異常に関する配慮がなく、信頼性にかける問題点があった。
【０００５】
本発明の目的は、高い信頼性で負荷に直流電力を供給できる直流バックアップ電源装置及びその診断方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はその一面において、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、その出力直流電力を入力し電圧制御しながら負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、これらの両コンバータ間の直流路にスイッチング手段を介して接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続された直流電力蓄積手段を備えた直流バックアップ電源において、この直流バックアップ電源内での電流検出手段及び／又は電圧検出手段と、これらの検出手段の出力に基いて直流バックアップ電源の異常を監視する手段を備える。
【０００７】
このような構成により、無停電機能を有する高信頼の直流バックアップ電源装置を実現できる。
【０００８】
本発明は他の一面において、主回路の直流路とバックアップ電源との間のスイッチング手段をオフした状態で、直流バックアップ電源の内部の異常診断を行う手段と、その後に上記スイッチング手段をオンした状態で、更に直流バックアップ電源の内部の異常診断を行う手段とを備える。
【０００９】
このように構成することによって、主回路へ悪影響を与える危険性を少なくしつつ、直流バックアップ電源各部の診断を行うことができる。
【００１０】
本発明のその他の目的及び特徴は以下の実施例の説明で明らかにする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例による直流バックアップ電源装置のブロック図である。商用交流電源１からの電力を、電気機器１０内のＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電力に変換する。この直流電力を電圧制御機能を持つＤＣ／ＤＣコンバータ３に入力し、負荷４に供給する主回路構成である。直流バックアップ電源は、主回路の前記両コンバータ間の直流路に、スイッチング手段５を介して接続される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、二次電池等の直流電力蓄積手段７を主構成要素とする。これらのスイッチング手段５及び双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御するために、監視・制御手段８を設け、直流電力蓄積手段７の充放電電流を検出する手段９などの電気信号を入力し、直流電力蓄積手段７の充放電量を監視・制御する。
【００１２】
図２は、図１の実施例における自己診断手順を示す処理フロー図である。この実施例の特徴は、直流バックアップ電源が、自分自身の故障を検出・診断することである。図１、２を用いて自己診断の手順を説明する。まず、ステップ２０１で、スイッチング手段５を開放し、直流バックアップ電源を主回路から切り離す。次いでステップ２０２で、監視・制御手段８からの指令により双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御して、直流電力蓄積手段７から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６のスイッチング手段５側に接続された平滑コンデンサ（後述）への放電を行う。このときステップ２０３において、放電電流が流れたか否かを判定し、放電電流がまったく流れなかった場合は、ステップ２０４で双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６の放電器が故障したと判断する。すなわち、昇降圧チョッパのうち、昇圧チョッパの故障である。
【００１３】
ステップ２０３において、放電電流が流れたことが認められると、放電器は正常であると判定し、このバックアップ電源を主回路に接続しても問題ないと判断する。そこで次に、ステップ２０５においてスイッチング手段５を閉じ、この直流バックアップ電源を主回路に接続する。次いで、ステップ２０６で監視・制御手段８からの指令により双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御して、主回路から直流電力蓄積手段７の充電動作を実施する。ステップ２０７では、監視・制御手段８が充放電電流検出手段９の出力を用いて、充電電流が流れたか否かを判定し、充電電流がまったく流れなかった場合、ステップ２０８にて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６の充電器が故障したと判断する。
【００１４】
この一連の動作により、直流バックアップ電源の自己診断を完了する。自己診断により異常を検出した場合には、その異常個所を記録するとともに、スイッチング手段５をオフし、あるいはオンすることを禁止し、また、アラーム及び／又はランプにより警報を発する。このアラーム又はランプに気付いたユーザは、前記記録からどこに異常があったかを確認できるように構成している。
【００１５】
この実施例によれば、高い信頼性で負荷に直流電力を供給でき、しかも自己診断機能を備えた電源装置を実現できる。また、主回路と切離してできる自己診断を先行させることにより、主回路に影響を与える危険性を少なくしつつ、直流バックアップ電源各部の診断を行うことができる。
【００１６】
図３は、本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第１の実施例である。図１におけるスイッチング手段５をＨｏｔＭＯＳと呼ぶＭＯＳＦＥＴ１３とＭＯＳＦＥＴドライバ回路１４で構成し、監視・制御手段８を、例えばマイコン２０を用いることによって実現している。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、充放電を制御する複数のＭＯＳＦＥＴ１５１，１５２、ＭＯＳＦＥＴドライバ回路１６、平滑コンデンサ１７、リアクトル１８で構成した昇降圧チョッパ回路で構成している。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１５１は、バッテリ１９を充電する充電器としての降圧チョッパの主構成要素であり、ＭＯＳＦＥＴ１５２は、バッテリ１９から放電する放電器としての昇圧チョッパの主構成要素である。また、直流電力蓄積手段７としてのバッテリ１９には、一般的な二次電池を用いることができるが、鉛蓄電池を用いるよりも、エネルギー密度の高いニッカド電池や、ＮｉＭＨ電池、リチウムイオン電池などを用いれば、より小型化が可能である。
【００１７】
この構成においては、マイコン２０からの指令により、バッテリ１９の充放電の監視・制御のほか、図２で説明した自己診断を実現する。
【００１８】
図４は、本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第２の実施例図である。本実施例は、図３の実施例に加え、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部とバッテリ１９の間に第２のスイッチング手段（バッテリＭＯＳＦＥＴ）２１を設け、これを駆動するドライバ回路２２を接続し、マイコン２０で制御する。
【００１９】
本構成によれば、バッテリＭＯＳＦＥＴ２１をマイコン２０でＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、昇降圧チョッパの異常等によるバッテリ１９からの過大な電流を防ぐ。例えば、平滑コンデンサ１７や、充放電を制御するＭＯＳＦＥＴ１５で短絡が生じた時に、第２のスイッチング手段（バッテリＭＯＳＦＥＴ）２１をオフすることによって、バッテリ１９からの過大電流による回路破壊を防ぐことが可能になる。
【００２０】
図５は、本発明による自己診断手順を示す処理フローの第２の実施例図である。図４，５を用いて自己診断の手順を説明する。図２と異なるこの実施例の特徴は、第１のスイッチング手段（ＨｏｔＭＯＳ）ＦＥＴ１３をオフした状態で、第２のスイッチング手段２１の異常検出手順５０１〜５０４を付加したことである。したがって、直流バックアップ電源が、主回路と関係無しに自己診断を行う項目を増やしている。
【００２１】
まず、ステップ２０１〜２０４までは図２と同じである。次に、ステップ５０１においてバッテリＭＯＳＦＥＴ２１をＯＦＦし、さらに放電動作させ、ステップ５０２で放電電流が流れたか否かを判定する。放電電流が流れた場合は、ステップ５０３に移ってバッテリＭＯＳＦＥＴ２１が短絡故障していると判断する。次に、ステップ５０４でバッテリＭＯＳＦＥＴ２１をＯＮさせる。
【００２２】
以上の自己診断に全て合格した場合には、図２のステップ２０５〜２０８と同様の手順を実行し、主回路と接続した状態での診断を行う。この一連の動作により、自己診断を完了する。
【００２３】
図６は、本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第３の実施例図である。図４の実施例と異なる点は、バッテリ１９の総電圧（両端間の電圧）を検出する回路２３を設け、マイコン２０に取り込んでいることである。診断にあたり、充電時、放電時、及び待機時におけるバッテリの充放電電流のほかに、本構成により、バッテリ電圧を測定することが可能となる。これにより、充電前のバッテリ電圧Ｖｏ、充電後のバッテリ電圧Ｖｃ、充電電流Ｉｃの３種類の測定データを用いて、次式によりバッテリの内部抵抗ｒを測定することが可能となる。
【００２４】
ｒ＝（Ｖｃ−Ｖｏ）／Ｉｃ
このようにして、バッテリの内部抵抗を測定することによりバッテリの劣化診断が可能となる。例えば、ＮｉＭＨバッテリの場合、バッテリの劣化が進むことにより内部抵抗が増加するので、加速試験から推定されるバッテリの寿命診断基準を設けておく。そして、規定値よりも高い内部抵抗が測定された場合はバッテリの寿命と判断し、ユーザに対してバッテリ交換の診断結果を報告することが可能となる。
【００２５】
図７は、本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第４の実施例図である。図６の実施例と異なる点は、バッテリ１９の電圧検出回路２３１が、バッテリの複数接続点の電圧を測定する構成になっていることである。本構成によれば、バッテリ１９の総電圧だけでなく、直列に接続されたバッテリセルの中間電圧を測定することが可能となる。これにより、例えば２０セルのバッテリ１９を直列に接続した場合、電圧検出端子を各セル毎に接続することによって、バッテリの微短絡、および短絡を測定することが可能となり、バッテリ１９の各セル毎の故障検出が可能となる。また、例えば２０セルを直列に接続したバッテリ１９に対し、バッテリセル４直列バッテリモジュール当たりに１個の電圧検出回路を接続すれば、電圧検出回路は各セル毎に接続した場合は２０個の検出回路が必要であったものが５個で済む。この場合、バッテリセル４直列モジュール毎の電圧を４で割った電圧を１セル当たりの電圧とみなすため、故障セルの検出精度は低くなるが、検出回路を大幅に減らすことが可能であり、低コスト化に有利である。
【００２６】
図８は、本発明による自己診断手順を示す処理フローの第３の実施例図である。図７，８を用いて自己診断の手順を説明する。図５と異なる点は、次に述べるステップ８０１〜８０３及びステップ８０４〜８０９を追加したことである。まず、ステップ８０１において、電圧検出手段２３１を用いてバッテリモジュールの電圧を検出し、ステップ８０２で各バッテリモジュールの電圧の異常の有無を判定し、ステップ８０３でバッテリモジュール毎のセルの故障を検出する。
【００２７】
次に、２０１から２０８までの処理は図５と同一であり、重複説明は避ける。さて、ステップ８０４で充電前のバッテリ電圧を検出し、ステップ８０５で降圧チョッパ動作により、主回路からバッテリ１９への充電動作を行う。次に、ステップ８０６で、バッテリ充電時における充電電流と、充電後のバッテリ電圧とを測定する。これらの測定データによって、ステップ８０７ではバッテリ１９の内部抵抗を計算する。ステップ８０８では、計算されたバッテリ１９の内部抵抗が、規定した内部抵抗値よりも高いか低いかによりバッテリ１９の寿命を診断する。内部抵抗値が規定値より高い値を示した場合、ステップ８０９にてバッテリ１９の寿命と判断する。この場合、ユーザに対してバッテリ交換の診断結果を報告する。この一連の動作により、自己診断を可能とする。
【００２８】
図９は、本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第５の実施例図である。図７の実施例と異なる点は、平滑コンデンサ１７の電圧を検出する回路２４を接続したことである。本構成によれば、第１のスイッチング手段であるＭＯＳＦＥＴ１３の故障を検出することが可能となる。
【００２９】
図１０は、本発明による自己診断手順を示す処理フローの第３の実施例図である。図８と異なる点は、図８のステップ２０５に代えて、第１のスイッチング手段であるＭＯＳＦＥＴ１３の故障を検出する手順、すなわちステップ１０１〜１０４を挿入したことである。
【００３０】
図９，１０を参照して、ＭＯＳＦＥＴ１３の故障を検出する手順を説明する。まず、第１のスイッチング手段１３がＯＦＦし、バックアップ電源を主回路から切離した状態で、主回路の直流路と異なる電圧値を目標として双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。すなわち、ステップ１０１において、平滑コンデンサ１７への放電電圧の目標値を直流路設定電圧より若干高く設定し、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを放電（昇圧チョッパ）動作させる。その後、ステップ１０２において、第１のスイッチング手段（ＭＯＳＦＥＴ）１３をＯＮする。この一連の動作により、ＭＯＳＦＥＴ１３が正常に動作していればＭＯＳＦＥＴをＯＮした後に電圧計測回路２４で検出される電圧値は、上記放電電圧目標値から主回路直流路の電圧値へと変化する。この電圧変化を、ステップ１０３においてマイコン２０が監視することにより、ステップ１０４にてＭＯＳＦＥＴ１３の故障の有無を検出する。
【００３１】
なお、図２，５，８及び図１０で示した自己診断手順において、バッテリの電圧チェック、放電動作、充電動作、バッテリの劣化診断、ＭＯＳＦＥＴ故障診断は図示した順序でなくても良い。しかし、以上の実施例のように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を伴う自己診断に関しては、まず、第１のスイッチング手段５（ＦＥＴ１３）をオフした状態でのバックアップ電源の自己診断を先行させ、その正常を確認する。この確認後に、第１のスイッチング手段５（ＦＥＴ１３）をオンした状態での、バックアップ電源の自己診断を実行すれば、主回路に悪影響を与える可能性を小さくすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、高い信頼性で負荷に直流電力を供給でき、しかも自己診断機能を備えた直流バックアップ電源装置を実現できる。
【００３３】
また、診断順序を定めた場合には、主回路に影響を与える危険性を少なくしつつ、直流バックアップ電源各部の診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による直流バックアップ電源装置のブロック図。
【図２】本発明による自己診断手順を示す処理フローの第１の実施例図。
【図３】本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第１の実施例図。
【図４】本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第２の実施例図。
【図５】本発明による自己診断手順を示す処理フローの第２の実施例図。
【図６】本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第３の実施例図。
【図７】本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第４の実施例図。
【図８】本発明による自己診断手順を示す処理フローの第３の実施例図。
【図９】本発明の直流バックアップ電源の具体回路の第５の実施例図。
【図１０】本発明による自己診断手順を示す処理フローの第３の実施例図。
【符号の説明】
１…商用交流電源、２…ＡＣ／ＤＣコンバータ、３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、４…負荷、５、１３…第１のスイッチング手段、６…双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、７（１９）…直流電力蓄積手段（バッテリ）、８…監視・制御手段、９…充放電電流検出手段、１０…電気機器、１３，１５，２１…ＭＯＳＦＥＴ、１７…平滑コンデンサ、１８…リアクトル、１９…バッテリ、２０…マイコン、２３，２３１…電圧検出回路。

Claims (12)

1. 交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、その直流出力電力を入力し電圧制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータに接続された負荷を備えた主回路に対し、前記両コンバータ間の直流路に第１のスイッチング手段を介して接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続された直流電力蓄積手段を備えた直流バックアップ電源装置において、この直流バックアップ電源内の電流及び／又は電圧を検出する手段と、この検出手段の出力に基いて前記直流バックアップ電源の異常を監視する手段を備え、前記監視手段は、前記第１のスイッチング手段をオフした状態で、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、前記直流バックアップ電源内の電流及び／又は電圧を検出することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
2. 交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、その直流出力電力を供給される負荷を備えた主回路に対し、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの直流側に第１のスイッチング手段を介して接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続された直流電力蓄積手段とを備えた直流バックアップ電源装置において、この直流バックアップ電源内の電流及び／又は電圧を検出する手段と、この検出手段の出力に基いて前記直流バックアップ電源の異常を監視する手段を備え、前記監視手段は、前記第１のスイッチング手段をオフした状態で、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、前記直流バックアップ電源内の電流及び／又は電圧を検出することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
3. 交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、その直流出力電力を入力し電圧制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータに接続された負荷を備えた主回路に対し、前記両コンバータ間の直流路に第１のスイッチング手段を介して接続される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続された直流電力蓄積手段を含む直流バックアップ電源装置において、この直流バックアップ電源内の電流及び／又は電圧を検出する手段と、前記第１のスイッチング手段をオフした状態で、前記電圧及び／又は電流検出手段の出力に基いて前記直流バックアップ電源の異常診断を行う監視手段を備え、前記監視手段は、前記第１のスイッチング手段をオフした状態で、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、前記直流バックアップ電源内の電流及び／又は電圧を検出することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記監視手段は、前記第１のスイッチング手段をオンした状態で、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、前記直流バックアップ電源内の電流及び／又は電圧を検出する手段を備え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、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１のスイッチング手段側に平滑コンデンサを備え、前記監視手段は、前記第１のスイッチング手段がオフした状態で、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、前記直流電力蓄積手段から前記平滑コンデンサへの充電を確認する手段を備え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、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１のスイッチング手段側に平滑コンデンサを備え、前記監視手段は、前記第１のスイッチング手段がオンした状態で、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、前記主回路の直流路から前記直流電力蓄積手段への充電を確認する手段を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１のスイッチング手段側に平滑コンデンサを備え、前記監視手段は、前記第１のスイッチング手段をオフした状態で、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの動作により前記直流電力蓄積手段から前記平滑コンデンサを充電する手段と、この充電後に前記第１のスイッチング手段をオンする手段と、この第１のスイッチング手段の前記オン前後の前記平滑コンデンサの電圧の変化を確認する手段を備え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１〜７のいずれかにおいて、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと前記直流電力蓄積手段との間に接続された第２のスイッチング手段と、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの異常を検出する手段と、この異常検出手段の動作に基いて前記第２のスイッチング手段をオフする手段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、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと前記直流電力蓄積手段との間に接続された第２のスイッチング手段と、この第２のスイッチング手段をオフした状態で、前記直流電力蓄積手段を流れる電流を検出したとき、前記第２のスイッチング手段の異常を検出する手段を備え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１〜９のいずれかにおいて、前記直流電力蓄積手段の電圧を検出する手段と、前記直流電力蓄積手段の電流を検出する手段と、前記第１のスイッチング手段をオンし前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させて前記直流電力蓄積手段に電力を充電する手段と、この充電の前後の前記直流電力蓄積手段の電圧値と充電電流値に基いて、前記直流電力蓄積手段の状態を判定する手段を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかにおいて、前記第１のスイッチング手段をオフした状態で、前記直流バックアップ電源内の前記直流電力蓄積手段及び前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを含む機器の第１の異常診断を行う手段と、その後に、前記第１のスイッチング手段をオンした状態で、前記直流バックアップ電源内の前記直流電力蓄積手段及び前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを含む機器の第２の異常診断を行う手段を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
12. 交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、その直流出力電力を入力し電圧制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータに接続された負荷を備えた主回路に対し、前記両コンバータ間の直流路に第１のスイッチング手段を介して接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続された直流電力蓄積手段を備えた直流バックアップ電源装置の診断方法であって、前記第１のスイッチング手段をオフした状態で、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、前記直流バックアップ電源内の電流及び／又は電圧を検出することにより前記直流バックアップ電源の第１の異常診断を行うステップと、この第１の異常診断ステップで異常が認められなかったとき、前記第１のスイッチング手段をオンして、前記直流バックアップ電源の第２の異常診断を行うステップを含むことを特徴とする直流バックアップ電源装置の診断方法。

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