JP2009104808A

JP2009104808A - 鉛蓄電池装置

Info

Publication number: JP2009104808A
Application number: JP2007272977A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Fukuda; 真一郎福田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-05-14

Abstract

【課題】鉛蓄電池の異臭，発煙による異常を速やかに感知し、迅速に保護対策を講じることにある。
【解決手段】各種の盤２１内に複数の鉛蓄電池２２が多段配列で収納された鉛蓄電池装置であって、前記盤２１の天井面または盤内上部壁面に設けられ、複数の鉛蓄電池のうち、何れかの鉛蓄電池内部の両極板短絡によって発生する発煙を感知する煙感知センサ２４と、予め判定参照値となる濃度レベルが設定され、煙感知センサで感知された感知濃度レベルが判定参照値に達したとき、アラーム信号を出力する濃度レベル判定部２６とを設けた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛蓄電池（セル）の異常を感知する複数の鉛蓄電池を備えた鉛蓄電池装置に関する。

鉛蓄電池装置は、例えば無停電電源システム（UPS：Uninterruptible Power System）、各種システム制御用電源装置、非常照明用電源装置などの各種の産業用システムに広く使用されている。特に、産業用システムに使用される鉛蓄電池装置は、蓄電池収納盤内や各種制御盤内に複数段の電池トレーが引き出し可能に設けられ、各電池トレーにはそれぞれ６個ないし１０個の鉛蓄電池（セル）が収納されている。

このような鉛蓄電池装置の各鉛蓄電池は、寿命期を超えて使用し続けたときに正極板が化学反応によって腐食膨張し、あるいは使用中に製品不良の影響により、図２に示すように正極板と負極板との間で内部短絡が発生することが知られている。各鉛蓄電池に内部短絡が発生すると、ガス成分による異臭や発煙となって現れ、最終的には異臭騒ぎや発煙発火に至る。同図において、５１は電池トレーである。

そこで、鉛蓄電池を使用した製品を製作しているメーカなどでは、ＰＬの観点から取扱説明書、注意銘板、新聞広告などにより、鉛蓄電池の液漏れ、異臭、発煙現象などに注意を促し、液漏れ、異臭、発煙が発生した際には速やかに通報することを喚起している。

ところで、鉛蓄電池の発煙に至るメカニズムとしては様々考えられるが、多くは次の２つに大別できる。

その１つは、鉛蓄電池単体が前述した要因によって内部短絡を起こし、その鉛蓄電池自身が発煙するケースである。

他の１つは、直列接続された複数の鉛蓄電池のうち、幾つかの鉛蓄電池で内部短絡が発生すると、健全な鉛蓄電池に過大な充電電圧が印加し、該当鉛蓄電池内部でアーク放電し、発煙に至るケースである。

一般に、このような異臭・発煙に至るプロセスは、図３に示すように、経年劣化による正極板の腐食膨張（Ｓ１）、幾つかの蓄電池内部での両極板の短絡発生（Ｓ２）、正常蓄電池（セル）への課題な充電電圧の印加（Ｓ３）、両極板間の微小隙間部への高電圧印加（Ｓ４）、電池内部のアーク放電の発生（Ｓ５）、アーク放電部での発熱・熱変形（Ｓ６）、樹脂の焦げ発生（Ｓ７）、異臭・発煙現象（Ｓ８）に至り、発煙発火となる。

そこで、従来、鉛蓄電池を含む充電装置５２においては、多数の蓄電池のうち、数１０個ごとに１個程度の温度センサを設け、温度センサの検出温度を利用して鉛蓄電池の充電電圧を制御することが行われている。

この充電装置５２で使用される温度センサは、鉛蓄電池の充電電圧を制御する役割を有するものであるが、これを例えば鉛蓄電池の発煙発火時の保護対策に適用することが考えられる。

しかし、温度センサは、一般に発煙発火の状態に達したことを検出するものと考えられ、他の健全な鉛蓄電池にも甚大な被害を与えたり、多数の鉛蓄電池を始め、蓄電池収納盤や各種制御盤を延焼させることが予想される。

他のもう１つの保護対策を講じた装置としては、無停電電源装置における電源装置が提案されている（特許文献１）。

この特許文献１の保護対策は、交流入力電源の電力を電力変換して負荷に供給する電源装置であって、電源装置の過電圧、過電流、不足電圧等の電気的異常を検出する第１の異常検出手段と、電源装置内部の音、煙、匂い、振動等の異常を検出する複合検出器である第２の異常検出手段を設け、これら異常検出手段による検出情報と電源装置の正常時における情報とを比較し、電源装置の異常を判定する判定手段とを設け、異常と判定したときに電力変換出力ラインのしゃ断器を遮断する構成である。
特開平０４−２８５４４０号公報

ところで、以上のような特許文献１の保護対策技術は、無停電電源装置等の電源装置盤内に破裂音を検出する音検出器、焼損を検出する匂い検出器、発火を検出する光検出器、発煙を検出する煙検出器を設置し、電源装置を構成する整流器、インバータ、インバータ制御装置などの器具・部品類の異常を検出するものであって、多数の鉛蓄電池については何ら保護対策が講じられていない。

また、現状の産業用システムに適用される鉛蓄電池装置は、大型、かつ、多数の鉛蓄電池で構成され、システムにとって非常に重要な装置であり、価格的にも高価なものである。これら多数の鉛蓄電池のうち、何れか１個の鉛蓄電池に異臭・発煙が発生すると、発煙発火に移行する可能性があり、健全な鉛蓄電池だけでなく、鉛蓄電池装置を電源とする各種制御盤にも大きな被害を与えることが予想される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、発煙発火に至る前兆段階で早期に異常を感知し、速やかに必要な保護対策を講じ得る鉛蓄電池装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、各種の盤内に複数の鉛蓄電池が多段配列で収納された本発明に係る鉛蓄電池装置は、前記盤の天井面または盤内上部壁面に設けられ、前記複数の鉛蓄電池のうち、何れかの鉛蓄電池内部の両極板短絡によって発生する発煙を感知する煙感知センサと、予め判定参照値となる濃度レベルが設定され、前記煙感知センサで感知された感知濃度レベルが前記判定参照値を超えたとき、アラーム信号を出力する濃度レベル判定手段とを備えた構成である。

なお、前記判定参照値としては低濃度レベル範囲と高濃度レベル範囲とに分けて設定してもよい。このように複数の濃度レベル範囲が設定された場合、濃度レベル判定手段としては、煙感知センサで感知された感知濃度レベルが低濃度レベル範囲に入ったとき、第１の表示用アラーム信号を出力し、前記感知濃度レベルが高濃度レベル範囲に入ったとき、産業用システムと連携関係にある前記鉛蓄電池装置の出力ラインを切り離すとともに、前記第１の表示用アラーム信号と異なる表示形態の第２の表示用アラーム信号を出力するものである。

さらに、前記煙感知センサとしては、引き出し可能に設けられた各段の棚を含むトレーごとに鉛蓄電池が設置されている場合、前記盤の天井面または盤内上部壁面に代えて、各段の電池トレーごとに設置してもよく、また、各段の棚に鉛蓄電池が固定設置されている場合、前記盤の天井面または盤内上部壁面に代えて、各段ごとに設置してもよい。

本発明によれば、発煙発火に至る前兆段階である発煙の初期段階で異常を感知でき、速やかにアラーム信号を出力でき、これにより例えば発煙状態の鉛蓄電池を新たな鉛蓄電池に交換し、健全な鉛蓄電池への連鎖を未然に回避でき、また、発煙発火に至る前に鉛蓄電池の出力ラインを切り離すことができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る鉛蓄電池装置を例えば無停電電源装置などの産業用システムに適用した一例を示す構成図である。

この無停電電源装置は、商用交流電力を所望の周波数の交流電力に変換する電力変換装置１と、鉛蓄電池装置２とで構成される。

電力変換装置１は、従来の一般的な電力変換装置であって、商用交流電源１１の商用交流電力を直流電力に変換するコンバータ１２と、このコンバータ１２で変換された直流電力を平滑化する平滑コンデンサ１３と、この平滑コンデンサ１３で平滑化された直流電力を所要とする周波数の交流電力に変換するインバータ１４とで構成され、このインバータ１４で変換された交流電力は電動機などの負荷１５に供給される。さらに、電力変換装置１には、コンバータ１２及びインバータ１４を制御するスイッチング制御部（図示せず）が設けられている。

鉛蓄電池装置２は、電力変換装置１の直流ラインに常時閉状態にある開閉器１６を介して接続され、商用交流電源１１の停電時にコンバータ１２の出力側となる直流ラインから充電されている所要の直流電力を当該直流ラインに放電し、無停電電源装置としての役割を持っている。

鉛蓄電池装置２は、所要の直流電力を出力するために、蓄電池収納盤２１内には複数の鉛蓄電池（セル）２２が直列に接続された状態で収納されている。因みに、直流電圧３６０Ｖを出力する場合、蓄電池収納盤２１内に直列接続された１８０個の鉛蓄電池２２が収納されている。ここで、蓄電池収納盤２１とは、鉛蓄電池２２，…のみを収納する盤の他、複数の鉛蓄電池２２，…と例えば電力変換装置１の構成電気部品とを組込んだ各種の制御盤を含むものである。

蓄電池収納盤２１内には、通常、複数段の棚やトレー（以下、電池トレーと総称する）２３が引き出し可能に設けられ、各トレー２３には例えば６個ないし１０個の鉛蓄電池２２が収納される。

この蓄電池収納盤２１内の天井板面あるいは盤を構成する背面板，正面板，側板の何れかの板上部には煙感知センサ２４が取り付けられる。この煙感知センサ２４としては、光学素子を用いた煙感知センサやガス・空気の汚れなどのガス濃度を感知する煙感知センサが使用される。光学素子を用いた煙感知センサでは、煙による散乱光や輻射ノイズに比例した信号レベル（濃度レベル）に変換して出力する。ガス濃度を感知する煙感知センサとしては、半導体式、電気化学式の煙感知センサが用いられ、ガス・空気の汚れなどの微量の雑ガス濃度を感知するもので、０．１ｐｐｍ〜１００ｐｐｍのガス濃度を感知するものが市販されている。なお、蓄電池収納盤２１内には、感知能力を高めるために異臭感知センサと発煙感知センサとに分けて設置してもよい。

さらに、煙感知センサ２４の出力側には濃度レベル設定部２５及び濃度レベル判定部２６が設けられている。

濃度レベル設定部２５としては、判定参照値となる１つの濃度レベル（しきい値）を設定するか、あるいは２段階の濃度レベル（軽故障レベル及び重故障レベル）を設定するものとする。１つの濃度レベルとは、鉛蓄電池２２の内部短絡により発煙が生じた後、発煙発火に至る前の十分に余裕を持った濃度レベルとする。２段階の濃度レベルとは、低濃度レベル範囲と高濃度レベル範囲とを分けた濃度レベルとする
濃度レベル判定部２６は、煙感知センサ２４で感知される感知濃度レベルと判定参照値であるの濃度レベルとを比較し、感知濃度レベルが設定濃度レベルを超えたとき、前述した開閉器１６を開放制御する機能を有する他、出力側には接続される表示灯を含む表示部２７をアラーム表示する。

なお、濃度レベル設定部２５としては、濃度レベル判定部２６に２段階の濃度レベルが設定されている場合、煙感知センサ２４で感知された感知濃度レベルが低濃度レベル範囲に入ったとき、第１の表示用アラーム信号を出力し、表示部２７を点灯し、前記感知濃度レベルが高濃度レベル範囲に入ったとき、開閉器１６を開放制御し、かつ、第１の表示用アラーム信号と異なる第２の表示用アラーム信号を出力し、表示部２７を点滅するとか、色替え表示する。

表示部２７は、各種制御盤を含む蓄電池収納盤２１の適宜な面部に設置し、あるいは濃度レベル判定部２６から伝送ライン（図示せず）を通して監視室の監視盤に設置される。

次に、以上のような鉛蓄電池装置２の作用について説明する。
無停電電源装置は、商用交流電源１１から供給される商用交流電力をコンバータ１２及びインバータ１４を介して所要周波数の交流電力に変換し、負荷１５に給電している。このとき、開閉器１６は常時閉状態に有るので、コンバータ１２の出力ラインとなる直流ラインに現れる直流電力が開閉器１６を通して直列接続される鉛蓄電池２２，…に充電される。

ところで、何らかの要因によって商用交流電源１１が停電すると、直列接続される鉛蓄電池２２，…に充電されている直流電力がコンバータ１２の出力側の直流ラインに印加され、負荷１５に対する停電時のバックアップ電源として働く。

以上のような動作状態において、蓄電池収納盤２１内の鉛蓄電池２２が寿命期を超えて使用し続けると正極板が化学反応によって腐食膨張し、あるいは使用中に製品不良の影響を受け、複数の鉛蓄電池２２，…中の少なくとも１個以上の鉛蓄電池２２が前述したように内部短絡を起こしたとき、異臭や発煙が発生する。

このとき、煙感知センサ２４は、蓄電池収納盤２１内である程度の異臭や発煙状態が続いたとき、異臭や発煙状態を感知し、その異臭，発煙による濃度に比例した濃度レベル信号が出力され、濃度レベル判定部２６に送出される。

ここで、濃度レベル判定部２６は、煙感知センサ２４の感知濃度レベルと濃度レベル設定部２５に設定される例えば２段階の濃度レベルと比較し、感知濃度レベルが低濃度レベル範囲に入ったとき、軽故障レベルと判定し、アラーム信号として表示部２７を点灯ないし点滅表示する。

軽故障レベルの段階は、異臭・発煙の比較的初期の段階であり、表示部２７の点灯ないし点滅表示から異常と把握したときには、手動的に開閉器１６を開状態に設定するか、あるいは接続コネクタ等により切り離し、各鉛蓄電池２２，…の異常の有無を確認する。ここで、異常となった鉛蓄電池２２が確認されると、新たな鉛蓄電池２２と交換し、あるいは寿命を超える期間を超えている場合には、例えば異常となった鉛蓄電池２２が設置されている電池トレー２３に設置される全部の鉛蓄電池２２を新たな鉛蓄電池２２と交換し、未然に発煙発火を未然に回避する。

一方、軽故障レベルの段階によるアラームの発生を把握できないとき、煙感知センサ２４の出力レベルが低濃度レベル範囲から高濃度レベル範囲に入っていく。ここで、濃度レベル判定部２６は、煙感知センサ２４の感知濃度レベルが高濃度レベル範囲に入って重故障レベルであると判定したとき、自動的に開閉器１６を開状態とし、直流ラインから鉛蓄電池装置２を切り離すとともに、重故障レベルのアラーム信号を出力し、表示部２７を軽故障レベル時とは異なる表示形態で表示する。例えば軽故障レベル時に点灯した場合、重故障レベルの場合には点滅制御するか、色替え表示し、必要に応じて監視室に対してアラーム警報を出力する。

その結果、異臭・発煙の初期段階で直ちに鉛蓄電池装置２を切り離すことができ、被害を最小限に抑えることができる。

従って、以上のような実施の形態によれば、複数の鉛蓄電池２２，…からなる電池ユニットに対して煙感知センサ２４を設置し、濃度レベル判定部２６が煙感知センサ２４の感知濃度レベルと予め設定される鉛蓄電池２２から発生する発煙または異臭・発煙から発煙発火に至る前兆段階の濃度レベルとを比較し、感知濃度レベルが前兆段階の濃度レベルに達したとき、電池異常のアラーム信号を出力するので、発煙の初期段階で鉛蓄電池２２の異常を感知でき、鉛蓄電池２２の出力ラインを自動的に切り離すことができる。

これにより、速やかに発煙状態の鉛蓄電池２２を新たな鉛蓄電池２２に交換でき、他の健全な鉛蓄電池２２への連鎖を未然に回避することができ、発煙発火による延焼を防ぐことができ、また鉛蓄電池装置を電源とする各種制御盤２１に対する被害も回避することができる。

（他の実施の形態）
その他、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

（１）上記実施の形態では、蓄電池収納盤２１内の天井面や盤筐体板上部に煙感知センサ２４を設置したが、上下方向に引き出し可能な電池トレー２３を複数段にわたって設けられている場合、各電池トレー２３ごとに煙感知センサ２４を設けた構成であってもよい。

通常、煙感知センサ２４は、鉛蓄電池２２から発生する異臭・発煙による同一の濃度レベルを感知する場合でも蓄電池収納盤２１の容積、複数段の何れの段の電池トレー２３に設置されている鉛蓄電池２２から異臭・発煙が発生するかによって感知時間が異なってくる。その結果、煙感知センサ２４が例えば最下段の電池トレー２３内の鉛蓄電池２２から異臭・発煙が発生した場合、蓄電池収納盤２１の天井面または盤筐体板上部に達するまで時間がかかる。このことは、濃度レベル判定部２６の判定精度の信頼を損ねるだけでなく、異常状態にある鉛蓄電池２２だけでなく、該当電池トレー２３以外の他の電池トレー２３の健全な鉛蓄電池２２に対しても高電圧印加や発煙発火等の影響を受けてしまう、
そこで、電池トレー２３ごとに煙感知センサ２４を設置し、濃度レベル判定部２６では、周期ごとに各段の煙感知センサ２４の出力レベルを判定し、判定結果を出力すれば、何れの段の鉛蓄電池２２の異常に対しても、ほぼ同一の感知時間で異常を判定でき、被害を未然に防ぐことができる。

さらに、各電池トレー２３に対応して表示部２７、…を備え、濃度レベル判定部２６が軽故障レベルまたは重故障レベルと判定したとき、その電池トレー２３に対応する表示部２７を点灯、点滅制御し、また、開閉器１６に対してはＯＲ出力し、電力変換装置１の直流ラインから切り離し制御する。

従って、この実施の形態によれば、各段とも同一濃度レベルで異常を感知でき、また同一の時間で異臭・発煙状態を感知できる。また、複数段の鉛蓄電池２２の配置構成であっても同一の濃度レベルの設定値（判定参照値）を使用して高精度に軽故障レベル、重故障レベルを判定できる。

さらに、各電池トレー２３に対応して表示部２７、…を設けることにより、速やかに何れのトレー２３内の鉛蓄電池２２から異臭・発煙しているかを把握でき、速やかに新しい鉛蓄電池２２と交換でき、発煙発火による影響を回避できるとともに、少ない鉛蓄電池２２の交換で元の状態に復旧させることができる。

（２）上記実施の形態では、引き出し可能な電池トレー２３にそれぞれ複数の鉛蓄電池２２を設置したが、各棚仕切り板にそれぞれ複数の鉛蓄電池２２を固定設置する場合もある。このように各棚仕切り板に鉛蓄電池２２を固定設置した場合には、前述した他の実施の形態１と同様に各段ごとに煙感知センサ２４を設置するものである。その他の構成についても他の実施の形態の（１）と同様である。

（３）前述した他の実施の形態１，２では、電池トレー２３ごとねあるいは各段ごとに煙感知センサ２４を設置したが、例えば各鉛蓄電池２２ごとに煙感知センサ２４を設置する構成であってもよい。この煙感知センサ２４の取り付け位置は該当煙感知センサ２４のほぼ真上のトレー２３の下面あるいは専用の取り付け板を設け、当該取り付け板に取り付ける構成であってもよい。このとき、各鉛蓄電池２２に対応する表示部２７を点灯、点滅制御し、また、開閉器１６に対してはＯＲ出力し、電力変換装置１の直流ラインから切り離し制御すれば、即座に発煙を起している鉛蓄電池２２の異常を知ることができる。

本発明に係る鉛蓄電池装置を適用した無停電電源装置の一例を示す構成図。鉛蓄電池２２の内部短絡による異臭・発煙を説明する図。鉛蓄電池２２の内部短絡による異臭・発煙に至るメカニズムを説明する図。

符号の説明

１…電力変換装置、２…鉛蓄電池装置、１１…商用交流電源、１２…コンバータ、１４…インバータ、１５…負荷、１６…開閉器、２１…蓄電池収納盤、２２…鉛蓄電池（セル）、２３…電池トレー、２４…煙感知センサ、２５…濃度レベル設定部、２６…濃度レベル判定部、２７…表示部。

Claims

各種の盤内に複数の鉛蓄電池が多段配列で収納された鉛蓄電池装置において、
前記盤の天井面または盤内上部壁面に設けられ、前記複数の鉛蓄電池のうち、何れかの鉛蓄電池内部の両極板短絡によって発生する発煙を感知する煙感知センサと、
予め判定参照値となる濃度レベルが設定され、前記煙感知センサで感知された感知濃度レベルが前記判定参照値に達したとき、アラーム信号を出力する濃度レベル判定手段とを備えたことを特徴とする鉛蓄電池装置。
請求項１に記載の鉛蓄電池装置において、
前記濃度レベル判定手段は、前記判定参照値が低濃度レベル範囲と高濃度レベル範囲とに分けて設定されている場合、前記煙感知センサで感知された感知濃度レベルが低濃度レベル範囲に入ったとき、第１の表示用アラーム信号を出力し、前記感知濃度レベルが高濃度レベル範囲に入ったとき、産業用システムと連携関係にある前記鉛蓄電池装置の出力ラインを切り離すとともに、前記第１の表示用アラーム信号と異なる表示形態の第２の表示用アラーム信号を出力することを特徴とする鉛蓄電池装置。
請求項１または請求項２に記載の鉛蓄電池装置において、
前記煙感知センサは、引き出し可能に設けられた各段の棚を含むトレーごとに鉛蓄電池が設置されている場合、前記盤の天井面または盤内上部壁面に代えて、各段の電池トレーごとに設置することを特徴とする鉛蓄電池装置。
請求項１または請求項２に記載の鉛蓄電池装置において、
前記煙感知センサは、各段の棚に鉛蓄電池が固定設置されている場合、前記盤の天井面または盤内上部壁面に代えて、各段ごとに設置することを特徴とする鉛蓄電池装置。
請求項１または請求項２に記載の鉛蓄電池装置において、
前記煙感知センサは、前記盤の天井面または盤内上部壁面に代えて、前記鉛蓄電池ごとに設置することを特徴とする鉛蓄電池装置。