JP2007248193A - 鉛蓄電池の劣化診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
鉛蓄電池の寿命劣化を、内部インピーダンスの温度補正なしで容易に判断する方法を提供する。
【解決手段】
蓄電池の内部インピーダンスと温度を、ある期間測定し、以下の計算式により判定指数Ｌ２を算出し、その値が蓄電池の初期の判定指数Ｌ１と比較して２倍以上となった時点を劣化寿命とする鉛蓄電池の劣化診断方法。判定指数Ｌの計算式は（Ｚ１−Ｚ２)／（（Ｔ１−Ｔ２）×Ｚ２）。 ここでＺ１、Ｚ２は、ある期間計測した内部インピーダンスの最大値Ｚ１と最小値Ｚ２であり、Ｔ１、Ｔ２はその期間における最高温度Ｔ１と最低温度Ｔ２である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、鉛蓄電池、特に電解液が少ないため液面検知方法では寿命の判定のつきにくい、制御弁式鉛蓄電池の劣化診断に関するものである。

鉛蓄電池、特に制御弁式鉛蓄電池は、その高い信頼性、経済性に加えて、酸を含む排ガスを出さない環境性の良さから、最近は主に非常電源装置の電力源として多数の蓄電池を直列に接続した組み電池として広く使用されている。自然災害、停電などの場合のバックアップ電源であるため緊急時には瞬時にフル能力で放電できることが前提である。このため全ての蓄電池の劣化状態を常に監視する必要があり、寿命劣化の診断技術は非常に重要である。

制御弁式鉛蓄電池は使用期間の経過により、次第に極板の劣化や電解液の減少により固有容量が低下して放電能力が維持できなくなり寿命となる。この劣化程度は、蓄電池の内部インピーダンスと高い相関性があり、この内部インピーダンスを測定することで寿命診断を行うことができる。この様子を図１に示す。一般的には内部インピーダンスの測定値が個々の電池の品種、容量毎の既定値（通常は初期値の２倍程度を目安とする）以上になった時点で、劣化による寿命と判定している。

しかし、内部インピーダンスの絶対値は電池温度により変化する特性を有する。鉛蓄電池では電池温度が上昇すると内部インピーダンスが減少する負の温度係数となり、その大きさは温度変化１℃に対して内部インピーダンス値が５％以上も変化することがある。

このため、蓄電池の環境温度が季節により大きく変動する場所、あるいは蓄電池の設置場所や取り付け位置による電池温度のばらつきが大きい場合には、内部インピーダンス測定値を個々の電池温度により補正して、標準状態でのインピーダンス値に換算して寿命劣化を判断する必要のあることが知られている（特許文献１および２参照）。この温度補正に用いる補正係数は蓄電池の品種、容量によって異なる。

一方、鉛蓄電池の内部インピーダンス値は絶対値が小さく、図２のように多数の電池の小さな数値差により劣化した状態を正確に比較、判断するのはかなり困難である。特に温度が上下して、内部インピーダンス値が変動する場合は、その劣化程度の診断はさらに難しい場合がある。

また、劣化していない蓄電池では、電池温度変化に対する内部インピーダンスの変化すなわち内部インピーダンスの温度係数は小さいが、劣化の進行につれて温度係数が大きくなる傾向があるため、単純に一律な温度補正を行うことは適切でなく、蓄電池の使用期間も考慮する必要がある。

さらに、内部インピーダンスの測定値は、蓄電池に接続された充電器などの機器の仕様によっても変化するため、場合によりその補正を行う必要がある。しかし、その実施は設備的に複雑であるため、通常は電源を停止してその影響が出ない状態で測定している。

以上のように、蓄電池の温度が変化する場合、精度の良い寿命劣化の判断をするためには、内部インピーダンスの補正方法が複雑化する傾向がある。

従来は、定期的に蓄電池の設置場所において、電源回路を停止して、携帯型の測定器により各電池の内部インピーダンスと温度を測定し、予め用意された温度補正用のデータテーブルにより補正作業をおこない、得られた標準状態での換算値を既定値と照合して電池の寿命劣化程度を診断している。 電池温度は設置場所や位置により一定ではない場合が多いため、設置場所での電池の劣化診断にはかなりの労力を要している。

このほかに、多数の蓄電池の状態監視を長期的に継続して自動的に行うため、固定配線方式による内部インピーダンス測定や、固定センサーによる温度測定値をデータとして集積、記憶し、演算処理を行い、その診断結果を記録、端末表示する、あるいは遠隔地にデータ転送のできる自動計測装置もある（特許文献３）。
特開平６−１９４４２８号公報 特開平１１−７９８５号公報 特開２００４−３０１５９５号公報

鉛蓄電池の寿命劣化状態を内部インピーダンスの測定値で診断するには、測定値を蓄電池の温度により補正する必要があるが、従来の補正テーブルを使用する方法では作業が煩雑で手間がかかる。

本発明では、蓄電池の設置初期における内部インピーダンスと温度の測定値を用いて、次式から得られる判定指数Ｌ１（次元は１／℃）と、その後一定期間使用後の同様の測定値による判定指数Ｌ２とを比較して、電池品種やサイズによらずＬ２がＬ１の２倍以上となった時点を、蓄電池の劣化寿命の限界と判定する。これにより、測定時毎の温度補正を必要とせずに容易に精度の良い寿命判定を可能としたものである。

上記の判定指数Lは、次の
（１）
式：Ｌ＝（Ｚ１−Ｚ２）／（（Ｔ１−Ｔ２）×Ｚ２）
により計算する。 ここでＺ１、Ｚ２は、ある期間で測定した内部インピーダンスの最大値Ｚ１と最小値Ｚ２、Ｔ１、Ｔ２は該期間中の最高温度Ｔ１と最低温度Ｔ２である。

単なる内部インピーダンスの温度係数では、その変化が小さくて診断精度が得られないこと、さらに内部インピーダンス値のレベル変化の要素を評価するために（１）式とした。

制御弁式鉛蓄電池では、電池の長期使用で寿命劣化が進行するにつれて内部インピーダンスとその温度係数が大きくなり、またそのばらつきも大きくなる。従って内部インピーダンスと電池温度を長期に、また継続的に測定し、内部インピーダンスの温度依存性を監視することで寿命劣化の進行状態を精度良く把握、判断できることとなり、非常電源の信頼性を確保することができる。

本発明は、電解液の多い液式の鉛蓄電池にも適用できるが、その環境特性の良さから用途の拡大している制御弁式鉛蓄電池に適用するとより効果が大きい。

また、本方式では、季節変動や電源機器の運転状況に関係なく、電池温度の異なる２点の内部インピーダンス測定値のみがあれば良いので、電源機器を停止する必要がない。また、接続機器のノイズ等の影響で内部インピーダンス値とその温度係数に全く規則性が認められない場合を除いて、温度による変化が一定であれば判定指数は有効性があるので劣化診断と寿命判定が可能である。接続機器のノイズが抑制できれば本発明の診断精度が改善できることは言うまでもない。

本発明によれば、測定の時期や間隔を問わず鉛蓄電池の内部インピーダンスと温度を測定するのみで、温度補正を行わないで、蓄電池の劣化状態を診断し、正確かつ容易に寿命を判定することができる。

本発明では、蓄電池の内部インピーダンスと温度を測定するが、その方法は市販の携帯型の４端子式内部インピーダンス測定器や温度計によって行い、劣化指数を手作業で計算して劣化診断を行っても良い。また、前記した固定配線式の内部インピーダンスおよび温度の自動測定装置とそのデータ処理および転送装置を用いて、本発明のアルゴリズムで劣化診断と寿命判定を行っても良い。この場合には、遠隔地であっても、無人で、常時、電源装置を精度よく監視できるので、本発明の効果は大きい。

蓄電池の内部インピーダンスと電池温度はある期間中測定するが、その測定間隔は、時間、日、週、月、年単位でも良く、また季節も問わない。１日もしくは１ヶ月間計測して、最高内部インピーダンスの最高値と最低値および最高温度と最低温度を把握するようにしても良いが、初期の内部インピーダンス（すなわち劣化進行状態）の安定したレベルの把握には１年間の内部インピーダンスと温度を計測するのが望ましい。

また、ある短期間に測定を繰り返してデータを平均化して診断の精度と信頼性を上げることもできる。なお、蓄電池の初期としては、新しい電池を設置してから1年以内が望ましい。寿命劣化が問題となるのは通常、設置後７〜１０年程度が経過してからであり、その時期からは数ヶ月おき、または毎月測定して、加速度的に進行する劣化状態を診断し、寿命の判定を行うことが望ましい。

上記の自動測定装置における計測、演算システムの構成を図３に示す。これらの機能は、蓄電池の内部インピーダンスと温度を連続的に計測する計測回路と、その値をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ、計測データを保存する保持用メモリーおよび劣化判定値を演算、表示するマイクロコンピュータと出力の端末装置となっている。また、劣化判定アルゴリズムの例を図４に示す。このアルゴリズムでは、最初に蓄電池を設置し使用を開始した1年間の蓄電池温度と蓄電池の内部インピーダンスを計測する。蓄電池温度はサーミミスタ等を蓄電池電槽に取付て測定し、内部インピーダンスは交流電流を流した時の蓄電池の端子間に現れる交流電圧を測定することで求めた。次にこの期間に温度変動が設定値以上あったかどうかを判断する。そして、この期間に設定値を越えた温度変動がない場合は、内部インピーダンス値そのものの比較により劣化判断を行う。設定値は（１）式中の（Ｔ１−Ｔ２）の値が０になら無い様にする為で、その設定値は０でも良いが例えば１とした。この1年間の最高温度Ｔ１と最低温度Ｔ２および内部インピーダンスの最大値Ｚ１と最小値Ｚ２により、上記（１）式により判定指数Ｌ１を算出しこれを記憶する。

次に、その後、1年間に渡り上記同様に蓄電池の温度と内部インピーダンスを計測し、温度変動が設定値以上あったか否か判断し、（１）式により判定指数Ｌ２を算出する。

次に、算出した判定指数Ｌ２が初期の判定指数Ｌ１の２倍以上になっているか否かを判断し、なっていなければ再び蓄電池の温度と内部インピーダンスを計測して同様のことを繰返すものである。そして、判定指数Ｌ２が初期の判定指数Ｌ１の2倍を越えた場合は劣化警報出力により、ブザー等の警報は発するか、表示画面に劣化状態であることを表示して蓄電池の劣化を知らしめる。劣化判定のための倍数は、予め蓄電池の品種、サイズごとに実験的に求めて測定装置に記憶しておくことができる。

本発明の方法で、制御弁式鉛蓄電池（ＭＳＥ型、定格容量２００Ａｈ）の内部インピーダンスと温度の測定値から計算した判定指数Lによる、蓄電池の劣化判定結果のデータを表１に示す。表１からも明らかな通り、蓄電池の初期のＬ１値が安定して低く、寿命期に至って急速に上昇してＬ１値の２倍を越えるＬ２値となり寿命劣化を明確に判定できることが判る。また、その時の蓄電池の容量を実際に放電により確認した結果も寿命到達時に初期容量の８割になっており、判定が正しいことを確認した。

なお、上記実施形態では、計測期間を1年としたが、半年或いは1月でも良いことは前述の通りであるが、春夏秋冬があり、温度変化の大きい日本国のような場所では１年とした方がより正確ではある。

鉛蓄電池の内部インピーダンスと寿命（電池容量）の関係を表す図。 鉛蓄電池の内部インピーダンスの年間の変動を示す図。 劣化診断システムの構成図。 劣化診断の劣化判定アルゴリズム。

Claims (1)

1. 鉛蓄電池の内部インピーダンスと温度を計測し、その計測値を用いて、計算式Ｌ=（Ｚ１−Ｚ２）／（（ Ｔ１−Ｔ２）×Ｚ２）（ここでＺ１、Ｚ２はある期間で測定した内部インピーダンスの最大値Ｚ１と最小値Ｚ２、Ｔ１、Ｔ２は該期間中の最高温度Ｔ１と最低温度Ｔ２）により計算した判定指数Ｌを用い、ある時期の判定指数Ｌ２を、該鉛蓄電池の初期の判定指数Ｌ１と比較して鉛蓄電池の劣化状態を診断する鉛蓄電池の寿命判定方法。