直流給電装置
【課題】直流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ直流給電装置を小型化する。
【解決手段】本発明に係る直流給電装置は、商用交流電力を直流電力に変換するＰＳＵ１０と、ＰＳＵ１０が出力する直流電力を蓄電池２２に充電する充電回路２１と、蓄電池２２の電圧を任意の電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２３と、ＰＳＵ１０が出力する直流電力とＤＣ／ＤＣコンバータ２３が出力する直流電力とを合成して出力するダイオードＯＲ回路３０と、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧をＰＳＵ１０の出力電圧より低い電圧に設定し、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧をＰＳＵ１０の出力電圧以上の電圧に設定する制御装置２４と、を備える。
【解決手段】本発明に係る直流給電装置は、商用交流電力を直流電力に変換するＰＳＵ１０と、ＰＳＵ１０が出力する直流電力を蓄電池２２に充電する充電回路２１と、蓄電池２２の電圧を任意の電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２３と、ＰＳＵ１０が出力する直流電力とＤＣ／ＤＣコンバータ２３が出力する直流電力とを合成して出力するダイオードＯＲ回路３０と、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧をＰＳＵ１０の出力電圧より低い電圧に設定し、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧をＰＳＵ１０の出力電圧以上の電圧に設定する制御装置２４と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を機器へ供給する直流給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば各種コンピュータ（メインフレーム、サーバー等）やデータ通信装置等が設置されて運用されるＩＤＳ（インターネットデータセンター）等の情報通信設備には、給電装置から各機器に電力を給電する給電システムが設けられる。このような給電システムとしては、交流給電装置を用いた交流給電システムが一般的に採用されている。
【０００３】
情報通信設備においては、例えば機器の起動時の突入電流や機器の処理負荷の急激な変動等に起因して、消費電力が瞬間的に大きく増減変動することがある。そのため給電システムとしては、そのような瞬間的な消費電力の最大ピークに対応可能な電力量を供給可能な構成とする必要が生ずる。しかし情報通信設備における消費電力の平均値は、最大ピークの電力値よりはるかに小さい場合が多い。つまり従来の給電システムは、瞬間的な消費電力の最大ピークに対応するために、本来的に必要な電力を大幅に超える電力を供給可能な構成とする必要があり、給電装置が必要以上に大型化してしまうという課題が生ずる。
【０００４】
このような課題を解決することを目的とした従来技術の一例としては、交流ピークカット電源装置を備えた交流給電システムが公知である（例えば特許文献１を参照）。この交流ピークカット電源装置は、商用交流電力を負荷機器へ供給するとともに、商用交流電力をインバータで直流電力に変換して蓄電池に充電する。そして瞬間的に負荷電流が増加したときには、商用交流電力に加えて、さらに蓄電池に蓄えられた直流電力がインバータで交流電力に変換されて負荷機器へ供給される。蓄電池の充電と放電の切り換えは、商用交流電力の位相に対するインバータの誘起電圧の位相を調整することによって行われる。当該従来技術によれば、交流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ交流給電装置を大幅に小型化することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１７８８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
情報通信設備で一般的に採用されている交流給電システムにおいては、まず商用交流電力が直流電力に変換され、情報通信設備のＵＰＳ（無停電電源システム）のバッテリに充電される。またその直流電力は、ＡＣ１００〜２００Ｖの交流電力に変換されて各機器に分配される。各機器は、分配された交流電力を直流電力に変換し、さらにその直流電力を所望の電圧の直流電力に変換する。つまり交流給電システムにおいては、合計４回の電力変換が必要になるため、電力変換による電力損失が大きいという課題がある。
【０００７】
近年は、情報通信設備における消費電力を削減するために、高電圧直流給電（ＨＶＤＣ）技術を用いた直流給電システムが注目されつつある。直流給電システムは、商用交流電力を直流電力に変換した後、その直流電力をそのまま各機器に分配するため、電力変換の回数は２回で済むことになる。つまり直流給電システムは、交流給電システムと比較して、電力を変換する回数を少なくすることができるため、電力変換時の損失が減少し、電力の利用効率を向上させることができる。
【０００８】
このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、直流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ直流給電装置を小型化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、商用交流電力を直流電力に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置が出力する直流電力を蓄電池に充電する充電回路と、前記蓄電池の電圧を任意の電圧に変換して出力する直流電圧変換装置と、前記電力変換装置が出力する直流電力と前記直流電圧変換装置が出力する直流電力とを合成して出力するダイオードＯＲ回路と、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態では、前記直流電圧変換装置の出力電圧を前記電力変換装置の出力電圧より低い電圧に設定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態では、前記直流電圧変換装置の出力電圧を前記電力変換装置の出力電圧以上の電圧に設定する制御装置と、を備える直流給電装置である。
【００１０】
ここで許容電力量とは、電力変換装置が供給可能な電力量の定格、すなわち電力変換装置が定格電圧で供給可能な単位時間当たりの電力量の最大量、又は商用交流電力の定格、すなわち商用交流電力が定格電圧で供給可能な単位時間当たりの電力量の最大量を意味する。
【００１１】
電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態では、電力変換装置が出力する直流電力だけで負荷機器への電力供給を十分に行うことができる。この状態では制御装置は、直流電圧変換装置の出力電圧を電力変換装置の出力電圧より低い電圧に設定する。電力変換装置が出力する直流電力と直流電圧変換装置が出力する直流電力とは、ダイオードＯＲ回路で合成されて出力される。よって直流給電装置は、電力変換装置が出力する直流電力がダイオードＯＲ回路を介して負荷機器へ供給され、蓄電池に蓄えられた電力はほとんど負荷機器へ供給されない状態となる。
【００１２】
他方、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態では、電力変換装置が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない可能性が生ずる。この状態では制御装置は、直流電圧変換装置の出力電圧を電力変換装置の出力電圧以上の電圧に設定する。それによって直流給電装置は、電力変換装置が出力する直流電力に加えて、さらに直流電圧変換装置が出力する直流電力（蓄電池に予め蓄えられた電力）がダイオードＯＲ回路を介して負荷機器へ供給される状態となる。
【００１３】
つまり本発明に係る直流給電装置は、負荷機器において生ずる瞬間的な消費電力の最大ピーク等により、電力変換装置が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない状態では、その不足分の電力を蓄電池から供給することができる。それによって瞬間的な消費電力の最大ピークに柔軟に対応しつつ、直流給電装置が必要以上に大型化してしまうことを抑制することができる。
【００１４】
これにより本発明の第１の態様によれば、直流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ直流給電装置を小型化することができるという作用効果が得られる。
【００１５】
＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧を検出する電圧検出回路をさらに備え、前記制御装置は、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧が電圧閾値より高いことを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態と判定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧が前記電圧閾値以下であることを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定する、ことを特徴とした直流給電装置である。
【００１６】
電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えて増加していくと、それに伴って、電力変換装置が出力する直流電力の電圧が低下していくことになる。したがって電力変換装置が出力する直流電力の電圧が電圧閾値以下に低下したことを条件として、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定することができる。この電圧閾値は、直流給電装置から電力を供給される負荷機器が安定的に動作する状態を維持する観点から、その負荷機器が安定的に動作可能な最低電圧から直流給電装置が出力する直流電力の定格電圧の範囲内で任意の電圧に設定すればよい。
【００１７】
＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流を検出する電流検出回路をさらに備え、前記制御装置は、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流が電流閾値より小さいことを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態と判定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流が前記電流閾値以上であることを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定する、ことを特徴とした直流給電装置である。
【００１８】
電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が増加していくと、それに伴って、電力変換装置が出力する直流電力の電流も増加していくことになる。したがって電力変換装置が出力する直流電力の電流が一定の電流値以上流れていることを条件として、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定することができる。そして上記の一定の電流値としての電流閾値は、例えば電力変換装置が出力する直流電力の定格電圧と許容電力量との関係から導出することができる。つまり電流閾値は、直流給電装置から電力を供給される負荷機器が安定的に動作する状態を維持する観点から、例えば電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量に達した状態における電流値を目安に任意の値に設定すればよい。
【００１９】
＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流を検出する電流検出回路とをさらに備え、前記制御装置は、前記電圧検出回路が検出する電圧及び前記電流検出回路が検出する電流に基づいて、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を演算する、ことを特徴とした直流給電装置である。
【００２０】
このような特徴によれば、電力変換装置が出力する直流電力の電圧と電流を実測し、その実測値から単位時間当たりの電力量を演算して求めるので、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を高精度に特定することができる。したがって電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態か否かを高精度に特定することができる。それによって直流電圧変換装置の出力電圧の制御をより高精度に行うことができるので、負荷機器へ供給する電力が不足する状態が生ずる虞をさらに低減させることができる。
【００２１】
＜本発明の第５の態様＞
本発明の第５の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を検出する電力検出回路をさらに備える、ことを特徴とした直流給電装置である。
【００２２】
このような特徴によれば、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を電力検出回路で実測するので、その単位時間当たりの電力量を高精度に特定することができる。したがって電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態か否かを高精度に特定することができる。それによって直流電圧変換装置の出力電圧の制御をより高精度に行うことができるので、負荷機器へ供給する電力が不足する状態が生ずる虞を低減させることができる。また上記特徴によれば、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を制御装置で演算して求める必要がないので、制御装置の処理負荷を低減させることができる。
【００２３】
＜本発明の第６の態様＞
本発明の第６の態様は、前述した本発明の第１〜第５の態様のいずれかにおいて、前記直流電圧変換装置の出力インピーダンスが前記電力変換装置の出力インピーダンスより低く設定されている、ことを特徴とした直流給電装置である。
このような特徴によれば、直流電圧変換装置の出力電圧を電力変換装置の出力電圧以上の電圧に設定した状態において、より多くの直流電力を蓄電池から供給することが可能になるので、瞬間的な消費電力の増加に対し、より柔軟かつ確実に対応することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、直流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ直流給電装置を小型化することができるという作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る直流給電装置の全体構成図。
【図２】制御装置による電力制御の第１実施例を図示したフローチャート。
【図３】制御装置による電力制御の第２実施例を図示したフローチャート。
【図４】制御装置による電力制御の第３実施例を図示したフローチャート。
【図５】ＰＳＵ及びＢＢＵの出力電圧及び出力電流の変化を図示したタイミングチャート。
【図６】直流給電装置が供給する電力量の時間軸に対する変化を図示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２７】
＜直流給電装置の構成＞
本発明に係る直流給電装置の構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、直流給電装置１００の全体構成図である。
【００２８】
本発明に係る直流給電装置１００は、ＰＳＵ（Power Supply Unit）１０、ＢＢＵ（Battery Backup Unit）２０、ダイオードＯＲ回路３０、電力検出回路４０及びＰＤＵ（電力分配装置：Power Distribution Unit）５０を備える。
【００２９】
「電力変換装置」としてのＰＳＵ１０は、商用交流電力（例えばＡＣ２００Ｖ）を直流電力に変換する装置であり、フィルタ回路１１、整流平滑回路１２及びスイッチング回路１３を含む。フィルタ回路１１は、供給される商用交流電力に含まれるノイズ成分を除去する。整流平滑回路１２は、フィルタ回路１１を通過した商用交流電力を整流及び平滑して直流電力に変換する。スイッチング回路１３は、例えば昇圧チョッパ回路等を含み、整流平滑回路１２が出力する直流電力の電圧を昇圧して定格電圧（例えばＤＣ２５０Ｖ〜４００Ｖ）に変換する。
【００３０】
ＢＢＵ２０は、充電回路２１、蓄電池２２、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３及び制御装置２４を含む。充電回路２１は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力を蓄電池２２に充電する回路であり、制御装置２４によって制御される。蓄電池２２は、例えばニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等である。「直流電圧変換装置」としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、蓄電池２２の電圧を任意の電圧に変換して出力する。制御装置２４は、いわゆるマイコン制御装置やＰＬＣ（Programmable Logic Controller：プログラマブル・ロジック・コントローラ）であり、予め記憶された制御プログラムを実行するＣＰＵ（中央演算処理装置：Central Processing Unit）等を含む。
【００３１】
ダイオードＯＲ回路３０は、二つのダイオードＤ１、Ｄ２を含む。ダイオードＤ１のアノード端子は、スイッチング回路１３の出力端子に接続されている。ダイオードＤ２のアノード端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力端子に接続されている。ダイオードＤ１のカソード端子は、ダイオードＤ２のカソード端子に接続されており、この接続点がＰＤＵ５０に接続されている。つまりダイオードＯＲ回路３０は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力（スイッチング回路１３が出力する直流電力）とＢＢＵ２０が出力する直流電力（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が出力する直流電力）とを合成してＰＤＵ５０へ出力する回路である。例えば商用交流電力にいわゆる瞬停が発生した場合には、その瞬停の間、ＰＳＵ１０からの電力供給は停止するが、ＢＢＵ２０からの電力供給によって負荷機器への電力供給が維持される。
【００３２】
電力検出回路４０は、電流検出用トランス（カレントトランス）ＣＴ、二つの抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＡ／Ｄコンバータ４１を含む。「電流検出回路」としての電流検出用トランスＣＴは、ＰＳＵ１０の出力ラインに直列に接続されており、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電流を検出する。電流検出用トランスＣＴの出力端子は、制御装置２４の入力ポートに接続されている。この「電流検出回路」としては、電流検出用トランスＣＴの他、例えばシャント抵抗器等を用いることもできる。抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＡ／Ｄコンバータ４１は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電圧を検出する「電圧検出回路」を構成する。抵抗Ｒ１の一端側は、スイッチング回路１３の出力端子に接続されている。抵抗Ｒ１の他端側は、抵抗Ｒ２の一端側に接続されている。抵抗Ｒ２の他端側はグランドに接続されている。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点は、Ａ／Ｄコンバータ４１の入力端子に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ４１の出力端子は、制御装置２４の入力ポートに接続されている。ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電圧は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗比に応じた分圧比で分圧され、Ａ／Ｄコンバータ４１でデジタル信号に変換されて制御装置２４へ出力される。
【００３３】
ＰＤＵ５０は、ダイオードＯＲ回路３０が出力する直流電力を複数の負荷機器（図示せず）に分配する装置である。
【００３４】
＜制御装置２４による電力制御の第１実施例＞
制御装置２４による電力制御の第１実施例について、図２、図５及び図６を参照しながら説明する。
尚、当該実施例においては、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電流を検出する「電流検出回路」（電流検出用トランスＣＴ、シャント抵抗器等）を設ける必要はない。
【００３５】
図２は、制御装置２４による電力制御の第１実施例を図示したフローチャートである。当該フローチャートに図示した制御手順は、定周期で繰り返し実行される手順である。
図５は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力及びＢＢＵ２０が出力する直流電力の電圧及び電流の変化を図示したタイミングチャートであり、図５（ａ）は電圧の変化、図５（ｂ）は電流の変化をそれぞれ図示したものである。図６は、直流給電装置１００が供給する電力量の時間軸に対する変化を図示したグラフである。
【００３６】
まずＰＳＵ１０が出力する直流電力の電圧Ｖ１（以下、「ＰＳＵ電圧Ｖ１」という。）をＡ／Ｄコンバータ４１が出力する信号から演算し、そのＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔより高いか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで電圧閾値Ｖｔは、直流給電装置１００から電力を供給される負荷機器が安定的に動作する状態を維持する観点から、その負荷機器が安定的に動作可能な最低電圧から直流給電装置１００が出力する直流電力の定格電圧の範囲内で任意の電圧に設定すればよい。
【００３７】
ＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔより高い場合には（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量Ｐ１（以下、「ＰＳＵ電力量Ｐ１」という。）が許容電力量Ｐｔ以下である状態と判定する。ここで許容電力量Ｐｔとは、ＰＳＵ１０が供給可能な電力量の定格、すなわちＰＳＵ１０が定格電圧で供給可能な単位時間当たりの電力量の最大量、又は商用交流電力の定格、すなわち商用交流電力が定格電圧で供給可能な単位時間当たりの電力量の最大量を意味する。
【００３８】
ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である状態では、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけで負荷機器への電力供給を十分に行うことができる。したがってＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔより高い場合には（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＢＢＵ２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧Ｖ２（以下、「ＢＢＵ電圧Ｖ２」という。）をＰＳＵ電圧Ｖ１より低い電圧に設定する（ステップＳ２）。それによって直流給電装置１００は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給され、蓄電池２２に蓄えられた電力はほとんど負荷機器へ供給されない状態となる。
【００３９】
他方、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えて増加していくと、それに伴ってＰＳＵ電圧Ｖ１が低下していくことになる（図５のタイミングＴ１）。したがってＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔ以下である場合には（ステップＳ１でＮｏ）、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態と判定する（図５のタイミングＴ２）。
【００４０】
ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない可能性が生ずる。したがってＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔ以下である場合には（ステップＳ１でＮｏ）、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１以上の電圧に設定する（ステップＳ３）。それによってＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ電力量Ｐ１に加えて、さらにＢＢＵ２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２３が出力する直流電力（蓄電池２２に予め蓄えられた電力）の単位時間当たりの電力量Ｐ２（以下、「ＢＢＵ電力量Ｐ２」という。）がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給される状態となる（図６）。
【００４１】
このときＢＢＵ電圧Ｖ２は、ＰＳＵ電力量Ｐ１の電力不足分がＢＢＵ電力量Ｐ２としてＢＢＵ２０から供給されるように設定する。より具体的には、例えばＰＳＵ電圧Ｖ１、ＰＳＵ１０の出力インピーダンス（スイッチング回路１３の出力インピーダンス）、ＢＢＵ２０の出力インピーダンス（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力インピーダンス）等に基づいて、ＰＳＵ電力量Ｐ１とＢＢＵ電力量Ｐ２とが所望の比率となるようにＢＢＵ電圧Ｖ２を設定すればよい。
【００４２】
また直流給電装置１００の構成としては、ＢＢＵ２０の出力インピーダンス（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力インピーダンス）がＰＳＵ１０の出力インピーダンス（スイッチング回路１３の出力インピーダンス）より低く設定されているのが好ましい。それによってＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１以上の電圧に設定した状態において、より多くの直流電力を蓄電池２２から供給することが可能になるので、瞬間的な消費電力の増加に対し、より柔軟かつ確実に対応することができる。さらに直流給電装置１００の構成としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に出力インピーダンス制御回路を設け、制御装置２４がＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力インピーダンスを増減調整可能な構成とするのが好ましい。それによってＰＳＵ電力量Ｐ１とＢＢＵ電力量Ｐ２との比率をより柔軟かつ高精度に設定することが可能になる。
【００４３】
以上説明したように本発明に係る直流給電装置１００は、負荷機器において生ずる瞬間的な消費電力の最大ピーク等により、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない状態では、その不足分の電力を蓄電池２２から供給することができる。それによって瞬間的な消費電力の最大ピークに柔軟に対応しつつ、直流給電装置１００が必要以上に大型化してしまうことを抑制することができる。
【００４４】
このようにして本発明によれば、直流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ直流給電装置１００を小型化することができる。
【００４５】
＜制御装置２４による電力制御の第２実施例＞
制御装置２４による電力制御の第２実施例について、図３、図５及び図６を参照しながら説明する。
尚、当該実施例においては、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電圧を検出する「電圧検出回路」（抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＡ／Ｄコンバータ４１等）を設ける必要はない。
【００４６】
図３は、制御装置２４による電力制御の第２実施例を図示したフローチャートである。当該フローチャートに図示した制御手順は、定周期で繰り返し実行される手順である。
【００４７】
まずＰＳＵ１０が出力する直流電力の電流Ｉ１（以下、「ＰＳＵ電流Ｉ１」という。）を電流検出用トランスＣＴが出力する信号から演算し、そのＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔより小さいか否かを判定する（ステップＳ１１）。ここで電流閾値Ｉｔは、例えばＰＳＵ１０が出力する直流電力の定格電圧と許容電力量Ｐｔとの関係から導出することができる。つまり電流閾値Ｉｔは、ＰＳＵ１０から電力を供給される負荷機器が安定的に動作する状態を維持する観点から、例えばＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔに達した状態における電流値を目安に任意の値に設定すればよい。
【００４８】
ＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔより小さい場合には（ステップＳ１１でＹｅｓ）、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である状態と判定する。ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である状態では、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけで負荷機器への電力供給を十分に行うことができる。したがってＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔより小さい場合には（ステップＳ１１でＹｅｓ）、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１より低い電圧に設定する（ステップＳ１２）。それによって直流給電装置１００は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給され、蓄電池２２に蓄えられた電力はほとんど負荷機器へ供給されない状態となる。
【００４９】
他方、ＰＳＵ電力量Ｐ１が増加していくと、それに伴ってＰＳＵ電流Ｉ１も増加していくことになる（図５（ｂ））。したがってＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔ以上流れている場合には（ステップＳ１１でＮｏ）、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態と判定する（図５のタイミングＴ２）。
【００５０】
ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない可能性が生ずる。したがってＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔ以上流れている場合には（ステップＳ１１でＮｏ）、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１以上の電圧に設定する（ステップＳ１３）。それによって負荷機器には、ＰＳＵ電流Ｉ１に加えて、ＢＢＵ２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２３からの電流Ｉ２（以下、「ＢＢＵ電流Ｉ２」という。）が流れることになる（図５（ｂ））。すなわちＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ電力量Ｐ１に加えて、さらにＢＢＵ電力量Ｐ２がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給される状態となる（図６）。
【００５１】
このような態様でも本発明は実施可能であり、第１実施例と同様の作用効果を得ることができる。
【００５２】
＜制御装置２４による電力制御の第３実施例＞
制御装置２４による電力制御の第３実施例について、図４〜図６を参照しながら説明する。
図４は、制御装置２４による電力制御の第３実施例を図示したフローチャートである。当該フローチャートに図示した制御手順は、定周期で繰り返し実行される手順である。
【００５３】
まずＡ／Ｄコンバータ４１が出力する信号からＰＳＵ電圧Ｖ１を演算し、電流検出用トランスＣＴが出力する信号からＰＳＵ電流Ｉ１を演算し、このＰＳＵ電圧Ｖ１及びＰＳＵ電流Ｉ１に基づいてＰＳＵ電力量Ｐ１を演算する（ステップＳ２１）。つづいて演算して求めたＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。
【００５４】
ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である場合には（ステップＳ２２でＹｅｓ）、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけで負荷機器への電力供給を十分に行うことができるので、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１より低い電圧に設定する（ステップＳ２３）。それによって直流給電装置１００は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給され、蓄電池２２に蓄えられた電力はほとんど負荷機器へ供給されない状態となる。
【００５５】
他方、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている場合には（ステップＳ２２でＮｏ）、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない可能性が生ずるので、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１以上の電圧に設定する（ステップＳ２４）。それによってＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ電力量Ｐ１に加えて、さらにＢＢＵ電力量Ｐ２がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給される状態となる（図６）。
【００５６】
このような態様でも本発明は実施可能であり、第１実施例と同様の作用効果を得ることができる。また第３実施例においては、実測したＰＳＵ電圧Ｖ１とＰＳＵ電流Ｉ１からＰＳＵ電力量Ｐ１を演算して求めるので、ＰＳＵ電力量Ｐ１を高精度に特定することができる。したがってＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態か否かを高精度に特定することができる。それによってＢＢＵ２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧の制御をより高精度に行うことができるので、負荷機器へ供給する電力が不足する状態が生ずる虞をさらに低減させることができる。
【００５７】
＜他の実施例、変形例＞
本発明は、上記説明した実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であること言うまでもない。
【００５８】
例えば第３実施例において電力検出回路４０は、電流検出用トランスＣＴ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及びＡ／Ｄコンバータ４１に代えて、ＰＳＵ電力量Ｐ１を実測して検出する電力計等を用いてもよい。このような態様でも本発明は実施可能であり、ＰＳＵ電力量Ｐ１を制御装置２４で演算して求める必要がないので、制御装置２４の処理負荷を低減させることができる。
【００５９】
また第１〜第３実施例の制御手順（図２〜図４に図示したフローチャートの手順）をコンピュータに実行させる制御プログラム、この制御プログラムを格納した記憶媒体も本発明の対象となり得る。
【符号の説明】
【００６０】
１０ ＰＳＵ（Power Supply Unit）
１１ フィルタ回路
１２ 整流平滑回路
１３ スイッチング回路
２０ ＢＢＵ（Battery Backup Unit）
２１ 充電回路
２２ 蓄電池
２３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４ 制御装置
３０ ダイオードＯＲ回路
４０ 電力検出回路
４１ ＡＣ／ＤＣコンバータ
５０ ＰＤＵ（電力分配装置：Power Distribution Unit）
１００ 直流給電装置
ＣＴ 電流検出用トランス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を機器へ供給する直流給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば各種コンピュータ（メインフレーム、サーバー等）やデータ通信装置等が設置されて運用されるＩＤＳ（インターネットデータセンター）等の情報通信設備には、給電装置から各機器に電力を給電する給電システムが設けられる。このような給電システムとしては、交流給電装置を用いた交流給電システムが一般的に採用されている。
【０００３】
情報通信設備においては、例えば機器の起動時の突入電流や機器の処理負荷の急激な変動等に起因して、消費電力が瞬間的に大きく増減変動することがある。そのため給電システムとしては、そのような瞬間的な消費電力の最大ピークに対応可能な電力量を供給可能な構成とする必要が生ずる。しかし情報通信設備における消費電力の平均値は、最大ピークの電力値よりはるかに小さい場合が多い。つまり従来の給電システムは、瞬間的な消費電力の最大ピークに対応するために、本来的に必要な電力を大幅に超える電力を供給可能な構成とする必要があり、給電装置が必要以上に大型化してしまうという課題が生ずる。
【０００４】
このような課題を解決することを目的とした従来技術の一例としては、交流ピークカット電源装置を備えた交流給電システムが公知である（例えば特許文献１を参照）。この交流ピークカット電源装置は、商用交流電力を負荷機器へ供給するとともに、商用交流電力をインバータで直流電力に変換して蓄電池に充電する。そして瞬間的に負荷電流が増加したときには、商用交流電力に加えて、さらに蓄電池に蓄えられた直流電力がインバータで交流電力に変換されて負荷機器へ供給される。蓄電池の充電と放電の切り換えは、商用交流電力の位相に対するインバータの誘起電圧の位相を調整することによって行われる。当該従来技術によれば、交流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ交流給電装置を大幅に小型化することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１７８８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
情報通信設備で一般的に採用されている交流給電システムにおいては、まず商用交流電力が直流電力に変換され、情報通信設備のＵＰＳ（無停電電源システム）のバッテリに充電される。またその直流電力は、ＡＣ１００〜２００Ｖの交流電力に変換されて各機器に分配される。各機器は、分配された交流電力を直流電力に変換し、さらにその直流電力を所望の電圧の直流電力に変換する。つまり交流給電システムにおいては、合計４回の電力変換が必要になるため、電力変換による電力損失が大きいという課題がある。
【０００７】
近年は、情報通信設備における消費電力を削減するために、高電圧直流給電（ＨＶＤＣ）技術を用いた直流給電システムが注目されつつある。直流給電システムは、商用交流電力を直流電力に変換した後、その直流電力をそのまま各機器に分配するため、電力変換の回数は２回で済むことになる。つまり直流給電システムは、交流給電システムと比較して、電力を変換する回数を少なくすることができるため、電力変換時の損失が減少し、電力の利用効率を向上させることができる。
【０００８】
このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、直流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ直流給電装置を小型化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、商用交流電力を直流電力に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置が出力する直流電力を蓄電池に充電する充電回路と、前記蓄電池の電圧を任意の電圧に変換して出力する直流電圧変換装置と、前記電力変換装置が出力する直流電力と前記直流電圧変換装置が出力する直流電力とを合成して出力するダイオードＯＲ回路と、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態では、前記直流電圧変換装置の出力電圧を前記電力変換装置の出力電圧より低い電圧に設定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態では、前記直流電圧変換装置の出力電圧を前記電力変換装置の出力電圧以上の電圧に設定する制御装置と、を備える直流給電装置である。
【００１０】
ここで許容電力量とは、電力変換装置が供給可能な電力量の定格、すなわち電力変換装置が定格電圧で供給可能な単位時間当たりの電力量の最大量、又は商用交流電力の定格、すなわち商用交流電力が定格電圧で供給可能な単位時間当たりの電力量の最大量を意味する。
【００１１】
電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態では、電力変換装置が出力する直流電力だけで負荷機器への電力供給を十分に行うことができる。この状態では制御装置は、直流電圧変換装置の出力電圧を電力変換装置の出力電圧より低い電圧に設定する。電力変換装置が出力する直流電力と直流電圧変換装置が出力する直流電力とは、ダイオードＯＲ回路で合成されて出力される。よって直流給電装置は、電力変換装置が出力する直流電力がダイオードＯＲ回路を介して負荷機器へ供給され、蓄電池に蓄えられた電力はほとんど負荷機器へ供給されない状態となる。
【００１２】
他方、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態では、電力変換装置が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない可能性が生ずる。この状態では制御装置は、直流電圧変換装置の出力電圧を電力変換装置の出力電圧以上の電圧に設定する。それによって直流給電装置は、電力変換装置が出力する直流電力に加えて、さらに直流電圧変換装置が出力する直流電力（蓄電池に予め蓄えられた電力）がダイオードＯＲ回路を介して負荷機器へ供給される状態となる。
【００１３】
つまり本発明に係る直流給電装置は、負荷機器において生ずる瞬間的な消費電力の最大ピーク等により、電力変換装置が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない状態では、その不足分の電力を蓄電池から供給することができる。それによって瞬間的な消費電力の最大ピークに柔軟に対応しつつ、直流給電装置が必要以上に大型化してしまうことを抑制することができる。
【００１４】
これにより本発明の第１の態様によれば、直流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ直流給電装置を小型化することができるという作用効果が得られる。
【００１５】
＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧を検出する電圧検出回路をさらに備え、前記制御装置は、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧が電圧閾値より高いことを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態と判定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧が前記電圧閾値以下であることを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定する、ことを特徴とした直流給電装置である。
【００１６】
電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えて増加していくと、それに伴って、電力変換装置が出力する直流電力の電圧が低下していくことになる。したがって電力変換装置が出力する直流電力の電圧が電圧閾値以下に低下したことを条件として、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定することができる。この電圧閾値は、直流給電装置から電力を供給される負荷機器が安定的に動作する状態を維持する観点から、その負荷機器が安定的に動作可能な最低電圧から直流給電装置が出力する直流電力の定格電圧の範囲内で任意の電圧に設定すればよい。
【００１７】
＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流を検出する電流検出回路をさらに備え、前記制御装置は、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流が電流閾値より小さいことを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態と判定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流が前記電流閾値以上であることを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定する、ことを特徴とした直流給電装置である。
【００１８】
電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が増加していくと、それに伴って、電力変換装置が出力する直流電力の電流も増加していくことになる。したがって電力変換装置が出力する直流電力の電流が一定の電流値以上流れていることを条件として、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定することができる。そして上記の一定の電流値としての電流閾値は、例えば電力変換装置が出力する直流電力の定格電圧と許容電力量との関係から導出することができる。つまり電流閾値は、直流給電装置から電力を供給される負荷機器が安定的に動作する状態を維持する観点から、例えば電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量に達した状態における電流値を目安に任意の値に設定すればよい。
【００１９】
＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流を検出する電流検出回路とをさらに備え、前記制御装置は、前記電圧検出回路が検出する電圧及び前記電流検出回路が検出する電流に基づいて、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を演算する、ことを特徴とした直流給電装置である。
【００２０】
このような特徴によれば、電力変換装置が出力する直流電力の電圧と電流を実測し、その実測値から単位時間当たりの電力量を演算して求めるので、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を高精度に特定することができる。したがって電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態か否かを高精度に特定することができる。それによって直流電圧変換装置の出力電圧の制御をより高精度に行うことができるので、負荷機器へ供給する電力が不足する状態が生ずる虞をさらに低減させることができる。
【００２１】
＜本発明の第５の態様＞
本発明の第５の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を検出する電力検出回路をさらに備える、ことを特徴とした直流給電装置である。
【００２２】
このような特徴によれば、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を電力検出回路で実測するので、その単位時間当たりの電力量を高精度に特定することができる。したがって電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態か否かを高精度に特定することができる。それによって直流電圧変換装置の出力電圧の制御をより高精度に行うことができるので、負荷機器へ供給する電力が不足する状態が生ずる虞を低減させることができる。また上記特徴によれば、電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を制御装置で演算して求める必要がないので、制御装置の処理負荷を低減させることができる。
【００２３】
＜本発明の第６の態様＞
本発明の第６の態様は、前述した本発明の第１〜第５の態様のいずれかにおいて、前記直流電圧変換装置の出力インピーダンスが前記電力変換装置の出力インピーダンスより低く設定されている、ことを特徴とした直流給電装置である。
このような特徴によれば、直流電圧変換装置の出力電圧を電力変換装置の出力電圧以上の電圧に設定した状態において、より多くの直流電力を蓄電池から供給することが可能になるので、瞬間的な消費電力の増加に対し、より柔軟かつ確実に対応することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、直流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ直流給電装置を小型化することができるという作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る直流給電装置の全体構成図。
【図２】制御装置による電力制御の第１実施例を図示したフローチャート。
【図３】制御装置による電力制御の第２実施例を図示したフローチャート。
【図４】制御装置による電力制御の第３実施例を図示したフローチャート。
【図５】ＰＳＵ及びＢＢＵの出力電圧及び出力電流の変化を図示したタイミングチャート。
【図６】直流給電装置が供給する電力量の時間軸に対する変化を図示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２７】
＜直流給電装置の構成＞
本発明に係る直流給電装置の構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、直流給電装置１００の全体構成図である。
【００２８】
本発明に係る直流給電装置１００は、ＰＳＵ（Power Supply Unit）１０、ＢＢＵ（Battery Backup Unit）２０、ダイオードＯＲ回路３０、電力検出回路４０及びＰＤＵ（電力分配装置：Power Distribution Unit）５０を備える。
【００２９】
「電力変換装置」としてのＰＳＵ１０は、商用交流電力（例えばＡＣ２００Ｖ）を直流電力に変換する装置であり、フィルタ回路１１、整流平滑回路１２及びスイッチング回路１３を含む。フィルタ回路１１は、供給される商用交流電力に含まれるノイズ成分を除去する。整流平滑回路１２は、フィルタ回路１１を通過した商用交流電力を整流及び平滑して直流電力に変換する。スイッチング回路１３は、例えば昇圧チョッパ回路等を含み、整流平滑回路１２が出力する直流電力の電圧を昇圧して定格電圧（例えばＤＣ２５０Ｖ〜４００Ｖ）に変換する。
【００３０】
ＢＢＵ２０は、充電回路２１、蓄電池２２、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３及び制御装置２４を含む。充電回路２１は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力を蓄電池２２に充電する回路であり、制御装置２４によって制御される。蓄電池２２は、例えばニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等である。「直流電圧変換装置」としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、蓄電池２２の電圧を任意の電圧に変換して出力する。制御装置２４は、いわゆるマイコン制御装置やＰＬＣ（Programmable Logic Controller：プログラマブル・ロジック・コントローラ）であり、予め記憶された制御プログラムを実行するＣＰＵ（中央演算処理装置：Central Processing Unit）等を含む。
【００３１】
ダイオードＯＲ回路３０は、二つのダイオードＤ１、Ｄ２を含む。ダイオードＤ１のアノード端子は、スイッチング回路１３の出力端子に接続されている。ダイオードＤ２のアノード端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力端子に接続されている。ダイオードＤ１のカソード端子は、ダイオードＤ２のカソード端子に接続されており、この接続点がＰＤＵ５０に接続されている。つまりダイオードＯＲ回路３０は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力（スイッチング回路１３が出力する直流電力）とＢＢＵ２０が出力する直流電力（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が出力する直流電力）とを合成してＰＤＵ５０へ出力する回路である。例えば商用交流電力にいわゆる瞬停が発生した場合には、その瞬停の間、ＰＳＵ１０からの電力供給は停止するが、ＢＢＵ２０からの電力供給によって負荷機器への電力供給が維持される。
【００３２】
電力検出回路４０は、電流検出用トランス（カレントトランス）ＣＴ、二つの抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＡ／Ｄコンバータ４１を含む。「電流検出回路」としての電流検出用トランスＣＴは、ＰＳＵ１０の出力ラインに直列に接続されており、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電流を検出する。電流検出用トランスＣＴの出力端子は、制御装置２４の入力ポートに接続されている。この「電流検出回路」としては、電流検出用トランスＣＴの他、例えばシャント抵抗器等を用いることもできる。抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＡ／Ｄコンバータ４１は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電圧を検出する「電圧検出回路」を構成する。抵抗Ｒ１の一端側は、スイッチング回路１３の出力端子に接続されている。抵抗Ｒ１の他端側は、抵抗Ｒ２の一端側に接続されている。抵抗Ｒ２の他端側はグランドに接続されている。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点は、Ａ／Ｄコンバータ４１の入力端子に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ４１の出力端子は、制御装置２４の入力ポートに接続されている。ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電圧は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗比に応じた分圧比で分圧され、Ａ／Ｄコンバータ４１でデジタル信号に変換されて制御装置２４へ出力される。
【００３３】
ＰＤＵ５０は、ダイオードＯＲ回路３０が出力する直流電力を複数の負荷機器（図示せず）に分配する装置である。
【００３４】
＜制御装置２４による電力制御の第１実施例＞
制御装置２４による電力制御の第１実施例について、図２、図５及び図６を参照しながら説明する。
尚、当該実施例においては、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電流を検出する「電流検出回路」（電流検出用トランスＣＴ、シャント抵抗器等）を設ける必要はない。
【００３５】
図２は、制御装置２４による電力制御の第１実施例を図示したフローチャートである。当該フローチャートに図示した制御手順は、定周期で繰り返し実行される手順である。
図５は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力及びＢＢＵ２０が出力する直流電力の電圧及び電流の変化を図示したタイミングチャートであり、図５（ａ）は電圧の変化、図５（ｂ）は電流の変化をそれぞれ図示したものである。図６は、直流給電装置１００が供給する電力量の時間軸に対する変化を図示したグラフである。
【００３６】
まずＰＳＵ１０が出力する直流電力の電圧Ｖ１（以下、「ＰＳＵ電圧Ｖ１」という。）をＡ／Ｄコンバータ４１が出力する信号から演算し、そのＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔより高いか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで電圧閾値Ｖｔは、直流給電装置１００から電力を供給される負荷機器が安定的に動作する状態を維持する観点から、その負荷機器が安定的に動作可能な最低電圧から直流給電装置１００が出力する直流電力の定格電圧の範囲内で任意の電圧に設定すればよい。
【００３７】
ＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔより高い場合には（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量Ｐ１（以下、「ＰＳＵ電力量Ｐ１」という。）が許容電力量Ｐｔ以下である状態と判定する。ここで許容電力量Ｐｔとは、ＰＳＵ１０が供給可能な電力量の定格、すなわちＰＳＵ１０が定格電圧で供給可能な単位時間当たりの電力量の最大量、又は商用交流電力の定格、すなわち商用交流電力が定格電圧で供給可能な単位時間当たりの電力量の最大量を意味する。
【００３８】
ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である状態では、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけで負荷機器への電力供給を十分に行うことができる。したがってＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔより高い場合には（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＢＢＵ２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧Ｖ２（以下、「ＢＢＵ電圧Ｖ２」という。）をＰＳＵ電圧Ｖ１より低い電圧に設定する（ステップＳ２）。それによって直流給電装置１００は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給され、蓄電池２２に蓄えられた電力はほとんど負荷機器へ供給されない状態となる。
【００３９】
他方、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えて増加していくと、それに伴ってＰＳＵ電圧Ｖ１が低下していくことになる（図５のタイミングＴ１）。したがってＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔ以下である場合には（ステップＳ１でＮｏ）、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態と判定する（図５のタイミングＴ２）。
【００４０】
ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない可能性が生ずる。したがってＰＳＵ電圧Ｖ１が電圧閾値Ｖｔ以下である場合には（ステップＳ１でＮｏ）、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１以上の電圧に設定する（ステップＳ３）。それによってＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ電力量Ｐ１に加えて、さらにＢＢＵ２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２３が出力する直流電力（蓄電池２２に予め蓄えられた電力）の単位時間当たりの電力量Ｐ２（以下、「ＢＢＵ電力量Ｐ２」という。）がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給される状態となる（図６）。
【００４１】
このときＢＢＵ電圧Ｖ２は、ＰＳＵ電力量Ｐ１の電力不足分がＢＢＵ電力量Ｐ２としてＢＢＵ２０から供給されるように設定する。より具体的には、例えばＰＳＵ電圧Ｖ１、ＰＳＵ１０の出力インピーダンス（スイッチング回路１３の出力インピーダンス）、ＢＢＵ２０の出力インピーダンス（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力インピーダンス）等に基づいて、ＰＳＵ電力量Ｐ１とＢＢＵ電力量Ｐ２とが所望の比率となるようにＢＢＵ電圧Ｖ２を設定すればよい。
【００４２】
また直流給電装置１００の構成としては、ＢＢＵ２０の出力インピーダンス（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力インピーダンス）がＰＳＵ１０の出力インピーダンス（スイッチング回路１３の出力インピーダンス）より低く設定されているのが好ましい。それによってＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１以上の電圧に設定した状態において、より多くの直流電力を蓄電池２２から供給することが可能になるので、瞬間的な消費電力の増加に対し、より柔軟かつ確実に対応することができる。さらに直流給電装置１００の構成としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に出力インピーダンス制御回路を設け、制御装置２４がＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力インピーダンスを増減調整可能な構成とするのが好ましい。それによってＰＳＵ電力量Ｐ１とＢＢＵ電力量Ｐ２との比率をより柔軟かつ高精度に設定することが可能になる。
【００４３】
以上説明したように本発明に係る直流給電装置１００は、負荷機器において生ずる瞬間的な消費電力の最大ピーク等により、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない状態では、その不足分の電力を蓄電池２２から供給することができる。それによって瞬間的な消費電力の最大ピークに柔軟に対応しつつ、直流給電装置１００が必要以上に大型化してしまうことを抑制することができる。
【００４４】
このようにして本発明によれば、直流給電システムにおいて、瞬間的な消費電力の増加に対応しつつ直流給電装置１００を小型化することができる。
【００４５】
＜制御装置２４による電力制御の第２実施例＞
制御装置２４による電力制御の第２実施例について、図３、図５及び図６を参照しながら説明する。
尚、当該実施例においては、ＰＳＵ１０が出力する直流電力の電圧を検出する「電圧検出回路」（抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＡ／Ｄコンバータ４１等）を設ける必要はない。
【００４６】
図３は、制御装置２４による電力制御の第２実施例を図示したフローチャートである。当該フローチャートに図示した制御手順は、定周期で繰り返し実行される手順である。
【００４７】
まずＰＳＵ１０が出力する直流電力の電流Ｉ１（以下、「ＰＳＵ電流Ｉ１」という。）を電流検出用トランスＣＴが出力する信号から演算し、そのＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔより小さいか否かを判定する（ステップＳ１１）。ここで電流閾値Ｉｔは、例えばＰＳＵ１０が出力する直流電力の定格電圧と許容電力量Ｐｔとの関係から導出することができる。つまり電流閾値Ｉｔは、ＰＳＵ１０から電力を供給される負荷機器が安定的に動作する状態を維持する観点から、例えばＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔに達した状態における電流値を目安に任意の値に設定すればよい。
【００４８】
ＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔより小さい場合には（ステップＳ１１でＹｅｓ）、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である状態と判定する。ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である状態では、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけで負荷機器への電力供給を十分に行うことができる。したがってＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔより小さい場合には（ステップＳ１１でＹｅｓ）、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１より低い電圧に設定する（ステップＳ１２）。それによって直流給電装置１００は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給され、蓄電池２２に蓄えられた電力はほとんど負荷機器へ供給されない状態となる。
【００４９】
他方、ＰＳＵ電力量Ｐ１が増加していくと、それに伴ってＰＳＵ電流Ｉ１も増加していくことになる（図５（ｂ））。したがってＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔ以上流れている場合には（ステップＳ１１でＮｏ）、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態と判定する（図５のタイミングＴ２）。
【００５０】
ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない可能性が生ずる。したがってＰＳＵ電流Ｉ１が電流閾値Ｉｔ以上流れている場合には（ステップＳ１１でＮｏ）、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１以上の電圧に設定する（ステップＳ１３）。それによって負荷機器には、ＰＳＵ電流Ｉ１に加えて、ＢＢＵ２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２３からの電流Ｉ２（以下、「ＢＢＵ電流Ｉ２」という。）が流れることになる（図５（ｂ））。すなわちＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ電力量Ｐ１に加えて、さらにＢＢＵ電力量Ｐ２がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給される状態となる（図６）。
【００５１】
このような態様でも本発明は実施可能であり、第１実施例と同様の作用効果を得ることができる。
【００５２】
＜制御装置２４による電力制御の第３実施例＞
制御装置２４による電力制御の第３実施例について、図４〜図６を参照しながら説明する。
図４は、制御装置２４による電力制御の第３実施例を図示したフローチャートである。当該フローチャートに図示した制御手順は、定周期で繰り返し実行される手順である。
【００５３】
まずＡ／Ｄコンバータ４１が出力する信号からＰＳＵ電圧Ｖ１を演算し、電流検出用トランスＣＴが出力する信号からＰＳＵ電流Ｉ１を演算し、このＰＳＵ電圧Ｖ１及びＰＳＵ電流Ｉ１に基づいてＰＳＵ電力量Ｐ１を演算する（ステップＳ２１）。つづいて演算して求めたＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。
【００５４】
ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔ以下である場合には（ステップＳ２２でＹｅｓ）、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけで負荷機器への電力供給を十分に行うことができるので、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１より低い電圧に設定する（ステップＳ２３）。それによって直流給電装置１００は、ＰＳＵ１０が出力する直流電力がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給され、蓄電池２２に蓄えられた電力はほとんど負荷機器へ供給されない状態となる。
【００５５】
他方、ＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている場合には（ステップＳ２２でＮｏ）、ＰＳＵ１０が出力する直流電力だけでは負荷機器への電力供給を十分に行うことができない可能性が生ずるので、ＢＢＵ電圧Ｖ２をＰＳＵ電圧Ｖ１以上の電圧に設定する（ステップＳ２４）。それによってＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態では、ＰＳＵ電力量Ｐ１に加えて、さらにＢＢＵ電力量Ｐ２がダイオードＯＲ回路３０を介して負荷機器へ供給される状態となる（図６）。
【００５６】
このような態様でも本発明は実施可能であり、第１実施例と同様の作用効果を得ることができる。また第３実施例においては、実測したＰＳＵ電圧Ｖ１とＰＳＵ電流Ｉ１からＰＳＵ電力量Ｐ１を演算して求めるので、ＰＳＵ電力量Ｐ１を高精度に特定することができる。したがってＰＳＵ電力量Ｐ１が許容電力量Ｐｔを越えている状態か否かを高精度に特定することができる。それによってＢＢＵ２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧の制御をより高精度に行うことができるので、負荷機器へ供給する電力が不足する状態が生ずる虞をさらに低減させることができる。
【００５７】
＜他の実施例、変形例＞
本発明は、上記説明した実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であること言うまでもない。
【００５８】
例えば第３実施例において電力検出回路４０は、電流検出用トランスＣＴ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及びＡ／Ｄコンバータ４１に代えて、ＰＳＵ電力量Ｐ１を実測して検出する電力計等を用いてもよい。このような態様でも本発明は実施可能であり、ＰＳＵ電力量Ｐ１を制御装置２４で演算して求める必要がないので、制御装置２４の処理負荷を低減させることができる。
【００５９】
また第１〜第３実施例の制御手順（図２〜図４に図示したフローチャートの手順）をコンピュータに実行させる制御プログラム、この制御プログラムを格納した記憶媒体も本発明の対象となり得る。
【符号の説明】
【００６０】
１０ ＰＳＵ（Power Supply Unit）
１１ フィルタ回路
１２ 整流平滑回路
１３ スイッチング回路
２０ ＢＢＵ（Battery Backup Unit）
２１ 充電回路
２２ 蓄電池
２３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４ 制御装置
３０ ダイオードＯＲ回路
４０ 電力検出回路
４１ ＡＣ／ＤＣコンバータ
５０ ＰＤＵ（電力分配装置：Power Distribution Unit）
１００ 直流給電装置
ＣＴ 電流検出用トランス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電力を直流電力に変換する電力変換装置と、
前記電力変換装置が出力する直流電力を蓄電池に充電する充電回路と、
前記蓄電池の電圧を任意の電圧に変換して出力する直流電圧変換装置と、
前記電力変換装置が出力する直流電力と前記直流電圧変換装置が出力する直流電力とを合成して出力するダイオードＯＲ回路と、
前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態では、前記直流電圧変換装置の出力電圧を前記電力変換装置の出力電圧より低い電圧に設定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態では、前記直流電圧変換装置の出力電圧を前記電力変換装置の出力電圧以上の電圧に設定する制御装置と、を備える直流給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の直流給電装置において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧を検出する電圧検出回路をさらに備え、
前記制御装置は、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧が電圧閾値より高いことを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態と判定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧が前記電圧閾値以下であることを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定する、ことを特徴とした直流給電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の直流給電装置において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流を検出する電流検出回路をさらに備え、
前記制御装置は、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流が電流閾値より小さいことを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態と判定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流が前記電流閾値以上であることを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定する、ことを特徴とした直流給電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の直流給電装置において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流を検出する電流検出回路とをさらに備え、
前記制御装置は、前記電圧検出回路が検出する電圧及び前記電流検出回路が検出する電流に基づいて、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を演算する、ことを特徴とした直流給電装置。
【請求項５】
請求項１に記載の直流給電装置において、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を検出する電力検出回路をさらに備える、ことを特徴とした直流給電装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の直流給電装置において、前記直流電圧変換装置の出力インピーダンスが前記電力変換装置の出力インピーダンスより低く設定されている、ことを特徴とした直流給電装置。
【請求項１】
商用交流電力を直流電力に変換する電力変換装置と、
前記電力変換装置が出力する直流電力を蓄電池に充電する充電回路と、
前記蓄電池の電圧を任意の電圧に変換して出力する直流電圧変換装置と、
前記電力変換装置が出力する直流電力と前記直流電圧変換装置が出力する直流電力とを合成して出力するダイオードＯＲ回路と、
前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態では、前記直流電圧変換装置の出力電圧を前記電力変換装置の出力電圧より低い電圧に設定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態では、前記直流電圧変換装置の出力電圧を前記電力変換装置の出力電圧以上の電圧に設定する制御装置と、を備える直流給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の直流給電装置において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧を検出する電圧検出回路をさらに備え、
前記制御装置は、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧が電圧閾値より高いことを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態と判定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧が前記電圧閾値以下であることを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定する、ことを特徴とした直流給電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の直流給電装置において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流を検出する電流検出回路をさらに備え、
前記制御装置は、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流が電流閾値より小さいことを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量以下である状態と判定し、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流が前記電流閾値以上であることを条件として、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量が許容電力量を越えている状態と判定する、ことを特徴とした直流給電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の直流給電装置において、前記電力変換装置が出力する直流電力の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電力変換装置が出力する直流電力の電流を検出する電流検出回路とをさらに備え、
前記制御装置は、前記電圧検出回路が検出する電圧及び前記電流検出回路が検出する電流に基づいて、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を演算する、ことを特徴とした直流給電装置。
【請求項５】
請求項１に記載の直流給電装置において、前記電力変換装置が出力する直流電力の単位時間当たりの電力量を検出する電力検出回路をさらに備える、ことを特徴とした直流給電装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の直流給電装置において、前記直流電圧変換装置の出力インピーダンスが前記電力変換装置の出力インピーダンスより低く設定されている、ことを特徴とした直流給電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２５３９３３（Ｐ２０１２−２５３９３３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５３６４（Ｐ２０１１−１２５３６４）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（５１０２０６２１３）ＦＤＫトワイセル株式会社 (36)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（５１０２０６２１３）ＦＤＫトワイセル株式会社 (36)
【Ｆターム（参考）】
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