JP2005037232A

JP2005037232A - 蓄電池の放電残時間推定方法

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Publication number: JP2005037232A
Application number: JP2003274191A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Hoshi; 敏彦星; Yuichi Watakabe; 雄一渡壁; Kiyoshi Takahashi; 高橋　　清
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: JP4317399B2

Abstract

【課題】放電中の蓄電池の放電特性曲線が近似曲線から離れた場合に、近似曲線を実際の放電特性曲線に近づくように補正して放電中の蓄電池の正確な放電残時間を求める。
【解決手段】電源装置のバックアップに用いられる蓄電池が放電終止電圧となるまでの残時間を推定するに際し、蓄電池の放電電圧を電源装置のバックアップ中に測定し、測定された放電電圧が放電終止電圧以上の所定の電圧となるまでの中間実測時間と、放電特性近似曲線における前記所定の電圧となるまでの中間予測時間とを比較し、中間実測時間が中間予測時間と比較して一定範囲以上離れている場合には、放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、電気通信設備や生産設備などの設備に供給される電源のバックアップとして用いられる蓄電池の放電残時間を、当該蓄電池の使用中に正確に推定する方法に関する。

電気通信設備や生産設備などの設備に用いられる電源装置には、そのバックアップを目的として蓄電池が備え付けられている。この蓄電池としては、密閉型鉛蓄電池などが広く用いられている。

ところで、バックアップ用の蓄電池は放電可能な時間が限られるため、放電可能な時間または容量を推定することが求められている。ここで、放電中の蓄電池の電圧（放電電圧）については、例えば密閉型鉛蓄電池のように徐々に低下するもの、例えばアルカリ蓄電池のように放電限界付近で急激に低下するものがあり、これらの蓄電池についてあらかじめ得られた放電時間と放電電圧との関係（放電特性曲線）を数式近似することにより、使用可能時間または使用可能容量を推定することが知られている（特許文献１〜３参照）。また、蓄電池の放電時間を蓄電池の劣化状態に応じて補正することが知られている（特許文献４参照）。

特開平１１−１３３１２２号公報特開平９−８０１３０号公報特開平１０−２９４１３２号公報特開平９−８０１３１号公報

しかし、前述の特許文献１〜３に記載された技術は、いずれもあらかじめ得られた放電特性曲線を数式近似するだけに過ぎず、実際の蓄電池の放電特性曲線が近似曲線から離れた場合には、正確な放電残時間または残容量を求めることが極めて困難となる。また、特許文献４に記載された技術は、蓄電池を短時間放電にして蓄電池の劣化状態を測定することを前提としているため、劣化状態の測定中または充電中に停電があった場合は、実質的な蓄電池の放電時間が短縮されるという問題が新たに発生する。

そこで、本発明は、放電中の蓄電池の推定放電特性曲線が近似曲線から離れた場合に、近似曲線を放電中の蓄電池の実際の放電特性曲線に近づくように補正することにより、放電中の蓄電池の正確な放電残時間を求めることを目的とする。

請求項１の発明は、電源装置のバックアップに用いられる蓄電池が放電終止電圧となるまでの残時間を、放電時間と放電電圧との関係である放電特性曲線を数式近似して得られる放電特性近似曲線を用いて推定する蓄電池の放電残時間推定方法において、前記蓄電池の放電電圧を前記電源装置のバックアップ中に測定し、測定された前記放電電圧が前記放電終止電圧以上の所定の電圧となるまでの放電開始からの時間である中間実測時間と、前記放電特性近似曲線における前記所定の電圧となるまでの放電開始からの時間である中間予測時間とを比較し、前記中間実測時間が前記中間予測時間と一定範囲以上離れている場合には、前記放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定することを特徴とする。

本発明によれば、電源装置のバックアップに用いられる蓄電池が放電終止電圧となるまでの残時間を、放電特性曲線を数式近似した放電特性近似曲線から推定するに際し、蓄電池の放電電圧を電源装置のバックアップ中に測定し、測定された放電電圧が放電終止電圧以上の所定の電圧となる中間実測時間と、放電特性近似曲線における前記所定の電圧となるまでの中間予測時間とを比較し、その結果一定範囲以上離れている場合には、前記放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定するため、蓄電池の放電中の残容量を、蓄電池の内部抵抗成分およびその劣化、蓄電池の使用温度、蓄電池の放電電流等による変動の影響を考慮してほぼ正確に推定することができる。

本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態である蓄電池の放電残時間推定方法が適用される電源バックアップシステムの一例を概略的に示す説明図である。

図１において、１は建物、２は建物１内に設置された負荷設備、３は負荷設備２に電力を供給する電源装置、４は電源装置３のバックアップ用の蓄電池、５はバックアップ動作中の蓄電池４の放電残時間を推定する放電残時間推定装置である。放電残時間推定装置５は、他の装置等と独立に設けられている例を示しているが、電源装置３内に組み込まれていてもよく、蓄電池４と一体化されていてもよい。

また、放電残時間推定装置５は、バックアップ動作中の蓄電池４の放電電圧を測定する機能を備えている。ここで、一般に蓄電池４の容量と内部抵抗成分との間に密接な関係があるため、充電中の蓄電池４の内部抵抗成分を測定する機能をさらに備えていることが、バックアップ動作中の蓄電池４の放電残時間を正確に推定する観点から望ましい。なお、本明細書において、内部抵抗成分とは、インピーダンス（直流抵抗成分のみまたはリアクタンス成分のみでも可）のほか、アドミタンス（コンダクタンス成分のみまたはサセプタンス成分のみでも可）を含むものとし、実際の蓄電池４の内部抵抗成分の測定に際しては、インピーダンスを測定してもよく、アドミタンスを測定してもよい。

次に、放電残時間推定装置５の構成の概略を説明する。図２は、本発明の実施形態である蓄電池の放電残時間推定方法を実現するために用いられる放電残時間推定装置の概略構成の一例を示す説明図である。

図２において、放電残時間推定装置５は、蓄電池４の放電残時間を推定するためのデータを測定するデータ測定部２１と、データ測定部２１からのデータを処理して蓄電池４の放電残時間を推定するデータ処理部２２とを備えている。

また、データ測定部２１は、アナログ信号、デジタル信号相互間の変換を行うコンバータ２１１と、蓄電池４の放電電流を検出する放電電流検出手段２１２と、蓄電池４の各セルの内部抵抗成分および電池電圧を検出する内部抵抗成分検出手段２１３と、蓄電池４の使用環境温度を測定する温度検出手段２１４とを備えている。ここで、放電電流検出手段２１２または内部抵抗成分検出手段２１３はさらに停電検知機能を有していてもよく、温度検出手段２１４は使用環境温度の代わりに、蓄電池４の温度を検出するようにしてもよい。また、放電電流検出手段２１２は、負荷の性質（定電力負荷、定抵抗負荷など）によって放電電流を予測する機能をさらに備えていてもよい。

コンバータ２１１は、放電電流検出手段２１２、内部抵抗成分検出手段２１３および温度検出手段２１４により測定されたデータをアナログ信号からデジタル信号に変換する機能を備えている。

放電電流検出手段２１２には、蓄電池４の放電電流が測定可能となるように放電電流センサ２１５が接続され、内部抵抗成分検出手段２１３には、蓄電池４の各セルの内部抵抗成分が測定可能となるように内部抵抗成分センサ２１６が接続され、温度検出手段２１４には、蓄電池４の使用環境温度または蓄電池４自体の温度が測定可能となるように温度センサ２１７が接続されている。ここで、蓄電池の内部抵抗成分測定方法としては、蓄電池に一定の交流電流を印加し、その際に各セル間に生じる交流電圧を測定し、この交流電流と交流電圧から各セルの内部インピーダンスを演算して求める方法が好適に行われる。

また、データ処理部２２は、演算部２２１、記憶部２２２、インターフェイス部２２３、表示制御部２２４からなる。

演算部２２１は、記憶部２２２に記憶されたプログラムに基づきコンバータ２１１に、蓄電池４の各セルの内部抵抗成分および蓄電池４の使用環境温度の測定を開始させるための信号を発信する。また、コンバータ２１１からの測定データを受信し、記憶部２２２に記憶するとともにインターフェイス部２２３に発信する。

記憶部２２２は、演算部２２１を動作させるためのプログラムを格納する機能と、演算部２２１がコンバータ２１１から受け取ったデータを格納する機能とを有する。

インターフェイス部２２３は、放電残時間推定装置５の外部との接続を行うためのもので、例えばＩＥＥＥ８０２、ＲＳ−２３２Ｃ、ＳＣＳＩ等のインターフェイスが用いられる。インターフェイス部２２３により、放電残時間推定装置５の外部に接続された図示しない通信設備に信号を送り、建物１の内外にバックアップ動作中の蓄電池４の放電残時間についての情報などを伝達することが可能となる。

表示制御部２２４は、放電残時間推定装置５の設置場所で作業者が蓄電池４の放電残時間を確認するために用いられる。また、放電残時間推定装置５にパーソナルコンピュータ等を接続して表示制御部２２４の代用とすることにより、蓄電池４の放電残時間を確認することもできる。

次に、本発明の蓄電池の放電残時間推定方法の概略を説明する。一般に、蓄電池の容量、放電率、環境温度、放電電圧がわかれば、蓄電池４の放電時間を推定することが可能となる。そこで、本発明の蓄電池の放電残時間推定方法においては、蓄電池４の内部抵抗成分を測定することにより蓄電池４の最大放電可能容量をあらかじめ求めておき、蓄電池４の放電中にその放電電圧を測定することにより、蓄電池４の放電可能容量を最大限に利用しつつ、蓄電池４の放電残時間を正確に推定することができる。

次に、本発明の蓄電池の放電残時間推定方法の具体的一例について説明する。本発明の実施形態である蓄電池の放電残時間推定方法の具体例として、放電開始後の蓄電池電圧が放電終止電圧となるまでの間の放電特性曲線全体を１本の放電特性近似曲線で近似する場合が挙げられる。もちろん、本発明の実施形態の具体例は、以下の例に限られないことはいうまでもない。

本発明の実施形態の具体例は、蓄電池の放電電圧を電源装置のバックアップ中に測定し、中間実測時間と中間予測時間とを比較し、中間実測時間が中間予測時間と一定範囲以上離れている場合に放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定する方法であって、放電開始後の蓄電池電圧が放電終止電圧となるまでの間の放電特性曲線全体を１本の放電特性近似曲線で近似する方法である。以下に詳細を説明する。

図３は、本発明の実施形態である蓄電池の放電残時間推定方法において用いられる一般的な蓄電池の放電特性曲線の一例を示す説明図であり、図４は、本発明の実施形態における一般的な蓄電池の放電特性曲線およびそれを数式近似して得られる放電特性近似曲線の一例を示す説明図である。

図３および図４において、蓄電池４の放電直後は、蓄電池電圧が急激に変化しているが、例えば２０分程度経過すると安定するため、蓄電池電圧の安定化後、放電終止電圧となるまで放電すると、放電特性曲線はｎ次曲線で好適に近似することができる。ここで、蓄電池４が鉛蓄電池である場合には、放電終止電圧を１．９Ｖ程度とすると、蓄電池４の放電特性曲線は時間に対してなだらかに低下する特性を示し、２次あるいは３次曲線等で好適に近似することができる。

例えば、２次曲線で近似できる場合、Ｖを蓄電池電圧、ｔを放電開始後の時間、ａ、ｂ、ｃをそれぞれ定数とすると、放電特性近似曲線が２次曲線の場合には、Ｖ＝ａｔ^２＋ｂｔ＋ｃのように示される。具体的には、図４における放電電圧の過渡変動がなくなった点をＰ１（Ｖ１，Ｔ１）、任意時間経過後の点をＰ２（Ｖ２，Ｔ２）、あらかじめ予測された電池容量により求められる放電時間をＰ３（Ｖ３，Ｔ３）として、この３点を通るように放電特性近似曲線を決定する。

また、本発明の蓄電池の放電残時間推定方法においては、蓄電池４の放電電圧を電源装置のバックアップ中に測定し、測定された放電電圧が放電終止電圧（例えば１．９Ｖ）以上の所定の電圧（例えば２．０Ｖ）となるまでの放電開始からの時間（中間実測時間）と、放電特性近似曲線における前記所定の電圧となるまでの放電開始からの時間（中間予測時間）とを比較し、中間実測時間が中間予測時間と比較して一定範囲（例えば３％）以上離れている場合には、前記放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定することを最大の特徴とする。

すなわち、蓄電池４の放電電圧を電源装置のバックアップ中に測定し、その結果に基づいて放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定することにより、蓄電池４の放電時間が短縮されることなく、放電中の蓄電池４の正確な放電残時間を求めることができる。

以下、本発明の実施形態の方法の流れを説明する。図５は、本発明の実施形態に係る蓄電池の放電残時間推定方法の流れの一例を示す流れ図である。図５に示されるように、本実施形態の蓄電池４の放電残時間推定方法は、以下のステップからなっている。なお、蓄電池４の内部抵抗成分の測定は、以下のステップにかかわらず、蓄電池４の放電時を除きほぼ一定間隔で行われている。

ＳＴＥＰ−１：放電特性近似曲線の設定
あらかじめ蓄電池４の放電電流に応じて得られる放電特性曲線を数式近似して放電特性近似曲線を求める。放電特性近似曲線は、Ｖを蓄電池電圧、ｔを放電開始後の時間、ａ、ｂ、ｃ、ｄをそれぞれ定数とすると、例えばＶ＝ａｔ^３＋ｂｔ^２＋ｃｔ＋ｄのように３次式で好適に示される。

ＳＴＥＰ−２：中間実測時間と中間予測時間との比較・判定
蓄電池４の放電電圧を電源装置のバックアップ中に測定し、蓄電池４の放電電圧が放電終止電圧以上の所定の電圧となったときを中間実測時間として、放電特性近似曲線における所定の電圧となるまでの放電開始からの時間（中間予測時間）と比較し、放電特性近似曲線の補正要否を判定する。なお、放電終止電圧および所定の電圧は、あらかじめ放電残時間推定装置５の記憶部２２２に読み込まれている。

ＳＴＥＰ−３：放電特性近似曲線の補正
中間実測時間が中間予測時間と比較して一定範囲以上離れている場合には、放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定して終了する。一定範囲内の場合は、放電残時間を再設定することなく終了する。放電特性近似曲線を補正する方法としては、中間実測時間と中間予測時間との差を放電特性近似曲線Ｖ＝ａｔ^３＋ｂｔ^２＋ｃｔ＋ｄの時間ｔに代入する方法、放電特性近似曲線Ｖ＝ａｔ^３＋ｂｔ^２＋ｃｔ＋ｄの時間ｔの進行を遅らせる方法などが好適に実行される。

以上、実施例１の各ステップを説明したが、この例においては、上記のＳＴＥＰ−２およびＳＴＥＰ−３により、従来技術である各特許文献に記載された技術と比較して、蓄電池の放電残時間を正確に推定することができる。その具体例として、放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定した結果の一例を図６に示す。線Ａは３点から求めた近似式の特性曲線である。点Ｑ１で実際の電圧を計測した結果、補正され太点線Ｂで示される曲線となった。次いで点Ｑ２で実際の電圧を測定した結果、再度補正され太線Ｃで示される曲線となった。実際の放電曲線は点線Ｄで示されるもので、放電特性近似曲線を補正することにより、放電特性近似曲線による放電残時間が実際の放電残時間にほぼ一致していることがわかる。従って、その都度放電終止電圧１．９Ｖに到達する時間が補正して表示される。

なお、本発明の実施形態の蓄電池の放電残時間推定方法は、上述の事項に限られることはなく、例えば、上記ＳＴＥＰ−２とＳＴＥＰ−３を１回又は３回以上繰り返しても差し支えない。また、上述の実施形態においては近似式として３次式を用いたが、少なくとも２次以上の近似式などを用いることが可能である。

本発明の実施形態である蓄電池の放電残時間推定方法が適用される電源バックアップシステムの一例を概略的に示す説明図である。本発明の実施形態である蓄電池の放電残時間推定方法を実現するために用いられる放電残時間推定装置の概略構成の一例を示す説明図である。本発明の実施形態である蓄電池の放電残時間推定方法において用いられる一般的な蓄電池の放電特性曲線の一例を示す説明図である。本発明の実施形態における一般的な蓄電池の放電特性曲線およびそれを数式近似して得られる放電特性近似曲線の一例を示す説明図である。本発明の実施形態に係る蓄電池の放電残時間推定方法の流れの一例を示す流れ図である。本発明の実施形態において放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定した結果の一例を示す説明図である。

符号の説明

１建物
２負荷設備
３電源装置
４蓄電池
５放電残時間推定装置
２１データ測定部
２２データ処理部
２１１コンバータ
２１２放電電流検出手段
２１３内部抵抗成分検出手段
２１４温度検出手段
２１５放電電流センサ
２１６内部抵抗成分センサ
２１７温度センサ
２２１演算部
２２２記憶部
２２３インターフェイス部
２２４表示制御部

Claims

電源装置のバックアップに用いられる蓄電池が放電終止電圧となるまでの残時間を、放電時間と放電電圧との関係である放電特性曲線を数式近似して得られる放電特性近似曲線を用いて推定する蓄電池の放電残時間推定方法において、
前記蓄電池の放電電圧を前記電源装置のバックアップ中に測定し、
測定された前記放電電圧が前記放電終止電圧以上の所定の電圧となるまでの放電開始からの時間である中間実測時間と、前記放電特性近似曲線における前記所定の電圧となるまでの放電開始からの時間である中間予測時間とを比較し、
前記中間実測時間が前記中間予測時間と一定範囲以上離れている場合には、前記放電特性近似曲線を補正して放電残時間を再設定することを特徴とする蓄電池の放電残時間推定方法。