JP2004247319A - 電池故障検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出方法が単純であって、より安価な電池故障の検出方法を提供する。
【解決手段】電池単位を少なくとも２以上直列に接続してなる電池列において、電池単位毎に電池の故障を検出する方法であり、各電池単位の放電末の開放電圧値を測定し、その測定電圧値を、全ての電池単位について測定された放電末の開放電圧値の平均値である設定電圧値との間で比較して電圧差を算出し、その電圧差が設定範囲内であるか否かを判定し、その電圧差が設定範囲外である場合にその電池単位を故障として検出することを特徴とする電池故障検出方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば複数のナトリウム−硫黄単電池を接続してなるブロックのような電池単位を、少なくとも２以上直列に接続してモジュール電池のような電池列とした場合において、前記電池単位毎に電池の故障を検出する方法に関するものである。

ナトリウム−硫黄単電池（以下、ＮＡＳ単電池という。）は、一方に陰極活物質である溶融金属ナトリウム、他方には陽極活物質である溶融硫黄を配し、両者をナトリウムイオンに対して選択的な透過性を有するベータアルミナ固体電解質で隔離し、３００〜３５０℃で作動させる高温二次電池である。

通常、ＮＡＳ単電池は、複数本を電気的に接続したモジュール電池の形で用いられるが、その運転は、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、第一休止段階Ｐ₁、放電段階Ｐ₂、第二休止段階Ｐ₃、充電段階Ｐ₄からなるサイクルを繰り返して行われる。

放電段階Ｐ₂においては溶融ナトリウムが電子を放出してナトリウムイオンとなり、これが固体電解質管を透過して陽極側に移動し、硫黄及び外部回路を通ってきた電子と反応して多硫化ナトリウムを生成し、２Ｖ程度の電圧を発生させる。一方、充電段階Ｐ₄においては、放電とは逆にナトリウム及び硫黄の生成反応が起こり、電池が充電される。

モジュール電池は、例えば図２に示すように複数のＮＡＳ単電池２を直列に接続したストリング３を、並列に接続してブロック４を構成し、更に当該ブロック４を少なくとも２以上直列に接続した上で断熱容器５に収容された構造を採る。このようなモジュール電池の故障を検出する方法としては、各ブロックの放電深度を比較することにより、電池の故障を検出する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

当該方法は、モジュール電池１を構成するブロック４毎に電池の故障の有無を判断するため、ブロック４を構成する個々のＮＡＳ単電池２毎に故障を検出する方法と比較して、装置が複雑化せず、また、製造コストも低減できる点において好適な故障検出方法である。
特開平３−１５８７８１号公報

しかしながら、当該方法においては、まず、各ブロック４における電圧値を測定し、当該測定電圧値から各ブロック４の放電深度を算出し、各ブロック４の放電深度を比較することにより、ブロック内の電池の故障の有無を検出していた。従って、検出方法が複雑であることに起因して、検出システムが高価となる点に問題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、検出方法が単純であって、より安価な電池故障の検出方法及び検出システムを提供することにある。

即ち、本発明によれば、電池単位を少なくとも２以上直列に接続してなる電池列において、電池単位毎に電池の故障を検出する方法であって、各電池単位の放電末の開放電圧値を測定し、当該測定電圧値を、全ての電池単位について測定された放電末の開放電圧値の平均値である設定電圧値との間で比較して電圧差を算出し、当該電圧差が設定範囲内であるか否かを判定し、当該電圧差が設定範囲外である場合に当該電池単位を故障として検出することを特徴とする電池故障検出方法が提供される。

また、本発明によれば、電池単位を少なくとも２以上直列に接続してなる電池列において、電池単位毎に電池の故障を検出する方法であって、各電池単位の放電末の開放電圧値を測定し、当該測定電圧値を、最も測定電圧値の低い電池単位以外の全ての電池単位について測定された放電末の開放電圧値の平均値である設定電圧値との間で比較して電圧差を算出し、当該電圧差が設定範囲内であるか否かを判定し、当該電圧差が設定範囲外である場合に当該電池単位を故障として検出することを特徴とする電池故障検出方法が提供される。

本発明においては、前記の電池単位が、複数のナトリウム−硫黄単電池を直列に接続してなるストリングを、更に並列に接続してなるブロックであって、電池列が、当該ブロックを、少なくとも２以上直列に接続し断熱容器に収容してなるモジュール電池であることが好ましく、電池単位が、前記のモジュール電池であって、電池列が当該モジュール電池を少なくとも２以上直列に接続してなるモジュール電池列であってもよい。

上述の検出方法においては、放電終了から充電開始までの休止期間内であって、かつ、放電末の開放電圧値が安定化した後に放電末の開放電圧値を測定することが好ましい。具体的には、放電終了時を基準として当該放電終了後３０分乃至２時間において開放電圧値を測定することが特に好ましいが、充電開始時を基準として開放電圧値の測定時を決定してもよい。

本発明の電池故障検出方法は、測定電圧値から放電深度を算出することなく故障を検出することができるため、検出方法が単純で、安価な検出システムを提供することが可能である。また、多数の単電池が複合的に接続されてなる大規模なバッテリーシステムにおいても、故障が存する電池単位を特定でき、当該電池単位のみを修理・調整等行えば済むようになる。

本発明においては、各電池単位の電圧値を測定し、当該測定電圧値と設定電圧値との電圧差が、設定範囲内にあるか否かを判定することにより、故障を検出する。従って、測定電圧値から放電深度を算出することなく故障を検出することができ、検出方法が単純で、安価な検出システムを提供することが可能である。以下、本発明について説明する。

本発明の方法は、例えば複数のナトリウム−硫黄単電池を接続してなるブロックのような電池単位を、少なくとも２以上直列に接続してモジュール電池のような電池列に対して適用できる。本発明において「電池単位」とは、通常、少なくとも２以上の単電池を電気的に接続した単電池からなるユニットをいい、「電池列」とは、「電池単位」を少なくとも２以上直列に接続してなるユニットをいう。

具体的には例えば、複数のナトリウム−硫黄単電池を直列に接続してなるストリングを、更に並列に接続してなるブロックを「電池単位」、当該ブロックを、少なくとも２以上直列に接続し断熱容器に収容してなるモジュール電池を「電池列」として本発明を適用することが可能である。

また、モジュール電池を更に複数個直列に接続した部分を有するバッテリーシステムにおいては、前記のモジュール電池を電池単位とし、当該モジュール電池を少なくとも２以上直列に接続してなるモジュール電池列を電池列として本発明を適用してもよい。即ち、本発明における「電池単位」は、単独で電池としての機能を発揮し得る限りにおいてユニットの大きさは特に限定されず、場合によっては単電池自体も「電池単位」となり得る。

本発明の方法は、上述の電池列において電池単位毎に電池の故障を検出するものである。従って、検出方法が単純であることに加え、多数の単電池が複合的に接続されてなる大規模なバッテリーシステムにおいても、故障が存する電池単位を特定でき、当該電池単位のみを修理・調整等行えば済むようになる。以下、本発明の検出方法について例示的に説明する。

（第１の検出方法）
第１の検出方法は、各電池単位の電圧値を測定し、当該測定電圧値が設定範囲内にあるか否かを判定し、当該測定電圧値が設定範囲外である場合に故障として検出する方法である。

各電池単位の電圧値を測定した際に、電池単位を構成する単電池に故障があれば当該電池単位の測定電圧値が低下する。従って、各電池単位の正常な電圧値の範囲を予め設定しておくことにより、ある電池単位の測定電圧値が設定電圧値の範囲内であれば正常、範囲外である場合に異常として故障を検出することが可能となる。

（第２の検出方法）
第２の検出方法は、各電池単位の電圧値を測定し、当該測定電圧値を電池単位間で比較して電圧差を算出し、当該電圧差が設定範囲内にあるか否かを判定し、当該電圧差が設定範囲外である場合に、当該比較した電池単位のうち測定電圧値が低い電池単位を故障として検出する検出方法である。

各電池単位の電圧値を測定した際には、単電池に故障がある電池単位の測定電圧値のみが低下し、他の正常な電池単位の測定電圧値は低下しない。従って、各電池単位間の正常な電圧差の範囲を予め設定しておくことにより、測定電圧値を電池単位間で比較した電圧差が設定範囲内であれば双方の電池単位とも正常、範囲外である場合には当該比較した電池単位のうち測定電圧値が低い電池単位を異常として故障を検出することが可能となる。

第２の検出方法は、同一条件で通電された電池単位の間で電圧差を算出するため、故障の検出精度を向上できる点において第１の検出方法より好適な検出方法である。但し、第２の検出方法において、全ての電池単位間で測定電圧値を比較しようとすると検出システムが複雑化するため、２の電池単位を１組として測定電圧値を比較することが好ましい。

上記の方法を採用する場合においては、比較する２の電池単位で同時に１の電池単位が故障したような場合には測定電圧値に顕著な差が生じず、故障を検出することができない。しかしながら、比較する２の電池単位が同時に故障する確率は極めて低いため、システムの簡略化と前記の確率を比較考量した上でシステムを構築すればよい。

（第３の検出方法）
本発明の検出方法に採用した第３の検出方法は、各電池単位の電圧値を測定し、当該測定電圧値を設定電圧値との間で比較して電圧差を算出し、当該電圧差が設定範囲内であるか否かを判定し、当該電圧差が設定範囲外である場合に当該電池単位を故障として検出する方法である。

各電池単位の電圧値を測定した際に、電池単位を構成する単電池に故障があれば当該電池単位の測定電圧値と正常な電圧値との電圧差は大きくなる。従って、各電池単位の正常な電圧値、及び当該電圧値から算出される正常な電圧差の範囲を予め設定しておくことにより、ある電池単位の測定電圧値と設定電圧値との間で比較した電圧差が設定範囲内であれば正常、範囲外である場合に異常として故障を検出することが可能となる。

第３の検出方法における設定電圧値としては、同一電池単位における過去の測定電圧値、例えば１充放電サイクル前の当該電池単位の測定電圧値を用いることができる。この場合、電池特性が等しい、同一の電池単位の間で電圧差を算出するため、故障の検出精度を向上できる点において好適な検出方法である。

但し、本発明の検出方法においては、設定電圧値として、全ての電池単位についての平均電圧値を用いる。この場合は、電池単位の数が多い場合でも、比較する設定電圧値が１つとなり、検出システムを簡略化できる点において好ましい。

また、最も測定電圧値の低い電池単位以外の全ての電池単位についての平均電圧値を用いると、故障の検出精度を向上できる点において更に好ましい。故障の蓋然性が高い電池単位の電圧値を除外した平均電圧値を用いているからである。

既述した第１〜第３の何れの検出方法においても、電圧値は電池運転中の電圧値ではなく、開放電圧値を測定することが好ましい。特に、本発明の検出方法においては、開放電圧値を測定することが必要である。電池運転中の電圧値は電池の内部抵抗による電圧降下を含んだ電圧値であり、内部抵抗は電池の劣化具合により経時的に変動する。従って、電池運転時の電圧値を測定し、或いは比較しても正確に単電池の故障を検出できない場合が生じ得る。

これに対し、開放電圧値は電池の起電圧そのものであり、電圧値が電池の内部抵抗に影響されることがないため、当該電圧値を測定し、比較することにより単電池の故障をより正確に検出することが可能である。開放電圧値には、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように放電末の開放電圧値Ｖ₁と充電末の開放電圧値Ｖ₂があるが、充電末の開放電圧値Ｖ₂は電池単位内の単電池に故障があっても変化しないため、放電末の開放電圧値Ｖ₁を測定する必要がある。

放電末の開放電圧値Ｖ₁を測定する際には、放電終了時ｔ₂から充電開始時ｔ₃までの休止段階Ｐ₂（即ち、第２休止段階）であって、かつ、開放電圧値が安定化した後に開放電圧値を測定することが更に好ましい。放電終了時ｔ₂直後は、活物質の拡散が十分ではなく、陽極側のナトリウム、硫黄或いは多硫化ナトリウムが均一化されていないことに起因して、開放電圧値が不安定なためである。

具体的には、放電終了時ｔ₂を基準として当該放電終了後３０分乃至２時間において開放電圧値を測定することが特に好ましい。３０分未満では活物質の拡散が不十分で電圧値が安定しておらず、２時間を越えると次の充電に移行してしまう場合が多いからである。

通常、ＮＡＳ電池を用いたモジュール電池は、電力需要の高い昼間を放電段階Ｐ₂とし、電力需要の低い夜間に充電段階Ｐ₄とするように運転のサイクルが組まれている。しかし、放電段階Ｐ₂は昼間の電力需要に応じて８時間〜１２時間の間で変動するため、放電終了後３０分以上の休止段階Ｐ₃を取らずに充電段階Ｐ₄に入る場合も生じ得る。

このような場合には、充電開始時ｔ₃を基準として開放電圧値の測定時を決定してもよい。充電開始時ｔ₃から少なくとも検出所要時間を差し引いた時点において開放電圧値を測定することにより、活物質の拡散時間を可能な限り長く取ることができるからである。通常の電池運転のサイクルは、電池に不必要なストレスを与えないために最低でも１０分間の休止段階Ｐ₃を取るように組まれているため、例えば充電開始時ｔ₃から５分前の時点において開放電圧値を測定すればよい。

以下、第１〜第３の検出方法について、モジュール電池を「電池列」、当該モジュール電池のブロックを「電池単位」として具体化した検出システムの参考例、及び実施例により説明する。但し、本発明の検出方法を具体化するシステムは以下の実施例に限定されるものではない。

（参考例１）
既述した第１の検出方法に対応するシステム（以下、第１のシステムという。）は、例えば図４に示すように、電圧計１０と、判定器１１と、警報手段１２及び表示手段１３とを備えて構成される。これらの構成要素は、モジュール電池１自体に設置してもよいが、別途設けた監視手段１５に設置し、モジュール電池１から通信ケーブル１４により接続する方法を採ってもよい。

電圧計１０は、各ブロック４の電圧値を測定するための計器であり、具体的には、絶縁アンプが好適に用いられる。判定器１１は、測定電圧値Ｖ₁が設定範囲Ｖａ≦Ｖ₁≦Ｖｂ内にあるか否かを判定するための計器であり、具体的にはシーケンサ、コンピュータ或いはアナログ設定器等が好適に用いられる。

警報手段１２及び表示手段１３は、測定電圧値Ｖ₁が設定範囲Ｖａ≦Ｖｂ外である場合に故障を警告するための伝達手段である。本発明において警報手段１２とは、故障を聴覚的に伝達する手段を意味し、例えば警告ブザー、自動通報装置等が挙げられる。なお、自動通報装置とは、外部から警報情報が与えられた場合に、予め設定された複数の電話番号に自動的に順次電話をかけ、警告内容に応じて予め録音されたメッセージを繰り返し伝える保安装置をいう。

表示手段１３とは、故障を視覚的に伝達する手段を意味し、例えば警告ランプ、ディスプレイ表示等が挙げられるが、故障発生時刻、故障電池単位等、複数の情報が一時に表示できる点においてディスプレイ表示であることが好ましい。

第１のシステムにおいては、例えばモジュール電池に設置された電圧計１０により、各ブロック４の電圧値を測定し、その測定電圧値Ｖ₁をデジタル信号に変換した上で、通信ケーブル１４を経由して監視手段１５に出力する。監視手段１５に設置された判定器１１には、ブロックの正常な電圧値が予め設定されており、デジタル信号として入力された各ブロック毎の測定電圧値Ｖ₁が設定範囲Ｖａ≦Ｖ₁≦Ｖｂ内にあるか否かを判定する。

ブロック内の単電池が故障すると当該ブロックのストリングの並列数にほぼ反比例して電圧値が低下する。例えば６個の単電池を直列したストリング１０列を並列に接続したモジュール電池の場合、単電池が１本故障すると、当該ブロックの放電末の開放電圧値が約３５０（ｍＶ）、２本故障すると、約７００（ｍＶ）低下する。

従って、正常電圧値±２５０（ｍＶ）の範囲を正常値として設定しておけばブロック内の単電池の故障を検出できることになる。判定器１１により故障と判断した場合は故障信号が、監視手段１５に設置された警告ブザー等の警報手段１２及びディスプレイ等の表示手段１３に出力され、監視者が故障を確認することができる。

（参考例２）
第２の検出方法に対応するシステム（以下、第２のシステムという。）の例としては、図１に示すように第１のシステムに比較器１６を加えたシステムが挙げられる。比較器１６は、測定電圧値Ｖ₁、Ｖ₂を比較するための計器であって、判定器１１と同様にシーケンサ、コンピュータ、アナログ設定器等が好適に用いられる。

第２のシステムでは、第１のシステムと同様に各ブロック４の電圧値を測定し、監視手段１５に設置された比較器１６に出力する。比較器１６では例えば隣接する２つのブロックの測定電圧値Ｖ₁、Ｖ₂を比較して電圧差Ｖｘを算出し、同じく監視手段１５に設置された判定器１１に出力する。

判定器１１には、ブロック間の正常な電圧差Ｖｃが予め設定されており、デジタル信号として入力された電圧差Ｖｘが設定範囲Ｖｘ≦Ｖｃ内にあるか否かを判定する。

一のブロックの単電池が１本故障すると他のブロックとの放電末の開放電圧値の電圧差が約３５０（ｍＶ）、２本故障すると、７００（ｍＶ）となるため、正常電圧差を２５０（ｍＶ）以内と設定しておけばブロック内の単電池の故障を検出できることになる。故障信号の出力方法、故障の警告方法については第１のシステムと同様である。

（参考例３）
第３の検出方法に対応するシステム（以下、第３のシステムという。）の例としては、図５に示すように、第２のシステムに更に記憶手段１７を加えたシステムが挙げられる。記憶手段１７は、測定電圧値Ｖ₁’を記憶するための手段であって、監視手段１５に設置される。記憶手段１７としては、判定器１１、比較器１６と同様にコンピュータやシーケンサが好適に用いられる。

第３のシステムでは、第２のシステムと同様に各ブロック４の電圧値を測定し、監視手段１５に設置された比較器１６に出力する。比較器１６には測定電圧値Ｖ₁とともに、記憶手段１７から同一ブロックにおける過去の測定電圧値Ｖ₁’が入力されており、両者を比較して電圧差Ｖｙを算出し、判定器１１に出力する。

判定器１１には、同一ブロックにおける正常な電圧差Ｖｄが予め設定されており、電圧差Ｖｙが設定範囲Ｖｙ≦Ｖｄ内にあるか否かを判定する。故障の検出方法、故障信号の出力方法、故障の警告方法については第２のシステムと同様である。

（実施例１）
第３のシステムの変形として、図６に示すように、記憶手段１７の代わりに演算手段１８を加えたシステム（以下、第４のシステムという。）も考えられる。

演算手段１８は、電池単位毎の測定電圧値の平均電圧値を算出するための手段であって、監視手段１５に設置される。演算手段１８としては、判定器１１、比較器１６、記憶手段１７と同様にコンピュータやシーケンサが好適に用いられる。

第４のシステムでは、第３のシステムと同様にブロック４の電圧値Ｖ₁を測定し、監視手段１５に設置された演算手段１８に出力する。演算手段１８には測定電圧値Ｖ₁とともに、他のブロックにおける測定電圧値Ｖ₂〜Ｖｎも入力され、これらの平均電圧値Ｖ_Ave.を算出し、比較器１６に出力する。

比較器１６では測定電圧値Ｖ₁と平均電圧値Ｖ_Ave.を比較して電圧差Ｖｚを算出し、同じく監視手段１５に設置された判定器１１に出力する。判定器１１には、正常な電圧差Ｖｅが予め設定されており、電圧差Ｖｚが設定範囲Ｖｚ≦Ｖｅ内にあるか否かを判定する。故障の検出方法、故障信号の出力方法、故障の警告方法については第３のシステムと同様である。

なお、第１〜第４のシステムにおいては、説明の便宜上、判定器１１、比較器１６、記憶手段１７、演算手段１８等を別個独立に表現してあるが、これらの装置・手段の機能を、単一の装置（例えばコンピュータ）に付与することを何ら妨げるものではない。

本発明は、例えば複数のナトリウム−硫黄単電池を接続してなるブロックのような電池単位を、少なくとも２以上直列に接続してモジュール電池のような電池列とした場合において、前記電池単位毎に電池の故障を検出する際に好適に用いることができる。

電池故障検出システムの一の参考例を示す模式図である。 一般的なモジュール電池の構造を示す模式図である。 モジュール電池の運転サイクルを示すグラフであって、図３（ａ）は電圧値、図３（ｂ）は電力値、図３（ｃ）は信号を示すグラフである。 電池故障検出システムの別の参考例を示す模式図である。 電池故障検出システムの更に別の参考例を示す模式図である。 本発明の検出方法を具体化した電池故障検出システムの実施例を示す模式図である。

符号の説明

１…モジュール電池、２…ＮＡＳ単電池、３…ストリング、４…ブロック、５…断熱容器、１０…電圧計、１１…判定器、１２…警報手段、１３…表示手段、１４…通信ケーブル、１５…監視手段、１６…比較器、１７…記憶手段、１８…演算手段。

Claims (7)

1. 電池単位を少なくとも２以上直列に接続してなる電池列において、電池単位毎に電池の故障を検出する方法であって、
   各電池単位の放電末の開放電圧値を測定し、当該測定電圧値を、全ての電池単位について測定された放電末の開放電圧値の平均値である設定電圧値との間で比較して電圧差を算出し、当該電圧差が設定範囲内であるか否かを判定し、当該電圧差が設定範囲外である場合に当該電池単位を故障として検出することを特徴とする電池故障検出方法。
2. 電池単位を少なくとも２以上直列に接続してなる電池列において、電池単位毎に電池の故障を検出する方法であって、
   各電池単位の放電末の開放電圧値を測定し、当該測定電圧値を、最も測定電圧値の低い電池単位以外の全ての電池単位について測定された放電末の開放電圧値の平均値である設定電圧値との間で比較して電圧差を算出し、当該電圧差が設定範囲内であるか否かを判定し、当該電圧差が設定範囲外である場合に当該電池単位を故障として検出することを特徴とする電池故障検出方法。
3. 電池単位が、複数のナトリウム−硫黄単電池を直列に接続してなるストリングを、更に並列に接続してなるブロックであって、電池列が、当該ブロックを、少なくとも２以上直列に接続し断熱容器に収容してなるモジュール電池である請求項１又は２に記載の電池故障検出方法。
4. 電池列が当該モジュール電池を少なくとも２以上直列に接続してなるモジュール電池列である請求項３に記載の電池故障検出方法。
5. 放電終了から充電開始までの休止期間内であって、かつ、放電末の開放電圧値が安定化した後に放電末の開放電圧値を測定する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池故障検出方法。
6. 放電終了時を基準として当該放電終了後３０分乃至２時間において放電末の開放電圧値を測定する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池故障検出方法。
7. 充電開始時を基準として放電末の開放電圧値の測定時を決定する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池故障検出方法。

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