JP2010216914A - 電池寿命基準指標作成方法及び蓄電池寿命判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池は変電所においてバックアップ電源として使用される。この蓄電池は経年変化により劣化するので、定期的に蓄電池の寿命を判定が必要。従来の寿命評価手法では精度が低いものであった。より精度の高い基準指標を作成し電池寿命を判定する。
【解決手段】複数個のセルが直列接続された蓄電池の健全セルの内部抵抗及び充電電流より１００％容量時の単セル起電力を算出、又劣化セルの容量及び起電力を測定して求め、１００％容量時の単セル起電力及び劣化セルの容量及び起電力を用いてセルの容量−起電力特性関数を求め、容量−起電力特性関数から電池寿命基準となる所定容量の単セル起電力を求め、均等充電時の予め定めた等価回路に劣化セルの内部抵抗及び起電力、健全セルの内部抵抗及び起電力の各パラメータを入力し、寿命基準となる所定容量に低下した劣化セルの端子電圧、バラツキ率、充電電流を寿命基準指標として算出して寿命基準指標を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個の電池セルが直列接続された蓄電池の寿命を判定する電池寿命基準指標を作成する電池寿命基準指標作成方法及びその電池寿命基準指標を用いて電池寿命を判定する蓄電池寿命判定方法に関する。

蓄電池は産業界で幅広く活用されているが、例えば、電力設備の変電所においても所内電源喪失時のバックアップ電源として使用されている。このような蓄電池は経年変化により劣化するので、定期的に蓄電池の寿命を判定するようにしている。

現状の蓄電池寿命判定方法は、まず、浮動充電時や均等充電時において、蓄電池の電池セルの端子電圧、電解溶液の比重、液温等の保全項目を測定し、これらの単一保全項目別の管理値と比較し、蓄電池点検における管理値の超過の有無により１次診断を実施している。そして、管理値を超過した蓄電池の電池セルについては、２次診断として高額な容量測定を実施することにより蓄電池の寿命判定を実施している。

すなわち、従来においては、蓄電池の電池セルの端子電圧測定、電解溶液の比重測定、液温測定等を定期的（例えば、６ヶ月に１度）に点検し、その点検時に取得する単一の保全項目データにより蓄電池の寿命判定（１次診断）を実施し、その寿命評価手法では精度が低いものであったため、寿命限界まで活用するために、２次診断として高価な容量測定（劣化診断測定）を実施していた。

ここで、貯蔵電力の使用量に応じて均等充電を行って、必要最低限の均等充電を施すことで組電池寿命の維持・延命を図り、信頼ある電力貯蔵設備を普及させることができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、均等充電の頻度を気温や季節によって変化させることにより、必要以上の均等充電頻度となることなく、寿命特性の優れた蓄電池システムを提供することができるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−１６４０６７号公報 特開２００３−２８８９４７号公報

しかし、従来の蓄電池寿命判定方法では、単一の保全項目について各々の管理値で蓄電池の寿命判定を行っているので、保全項目を超過している場合であっても、実際には十分な容量を有している場合があり、現状の単一保全項目による１次診断は必ずしも精度が高い蓄電池寿命判定方法とはいえない。このように、現状の単一の保全項目における管理値では蓄電池寿命を適正に評価することができない。

そこで、保全項目が管理値を超過した電池セルに対し、２次診断として追加で高価な容量測定を実施することにより、適正寿命を見極めた効率的な保全が実現されるが、そうした場合には、１次診断の点検費用に、さらに２次診断の追加費用が付加されるという問題がある。

本発明の目的は、新たなコストをかけることなく効率的な保全が可能となる電池寿命基準指標作成方法及び蓄電池寿命判定方法を提供することである。

本発明の請求項１の発明に係る電池寿命基準指標作成方法は、複数個の電池セルが直列接続された蓄電池の健全セルの内部抵抗及び充電電流より１００％容量時の単セル起電力を算出し、前記蓄電池の電池セルのうちの劣化セルの容量を測定して求めるとともに起電力を計算して求め、前記１００％容量時の単セル起電力及び前記劣化セルの容量及び起電力を用いて電池セルの容量−起電力特性関数を求め、前記容量−起電力特性関数から電池寿命基準となる所定容量の単セル起電力を求め、均等充電時の予め定めた蓄電池等価回路に劣化セルの内部抵抗値及び起電力、健全セルの内部抵抗値及び起電力の各パラメータを入力し、前記電池寿命基準となる所定容量に低下した劣化セルの蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流を電池寿命基準指標として算出して電池寿命基準指標を求めることを特徴とする。

本発明の請求項２の発明に係る電池寿命基準指標作成方法は、請求項１の発明において、前記電池寿命基準となる所定容量は、８０％容量であることを特徴とする。

本発明の請求項３の発明に係る蓄電池寿命判定方法は、均等充電時において、前記蓄電池の電池セルの蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流を測定し、請求項１で求めた前記電池寿命基準指標と比較して、蓄電池の寿命を判定することを特徴とする。

本発明の請求項４の発明に係る蓄電池寿命判定方法は、請求項３の発明において、前記蓄電池の電池セルの蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流のすべてが、請求項１で求めた前記電池寿命基準指標を逸脱したときに、蓄電池の寿命と判定することを特徴とする。

本発明によれば、蓄電池の電池セルの容量−起電力特性関数を求め、その容量−起電力特性関数から電池寿命基準となる所定容量の単セル起電力を求め、均等充電時の予め定めた蓄電池等価回路に劣化セルの内部抵抗値及び起電力、健全セルの内部抵抗値及び起電力の各パラメータを入力し、電池寿命基準となる所定容量に低下した劣化セルの蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流を電池寿命基準指標として算出するので、電池寿命基準となる所定容量を適切に選択することにより、電池寿命の判定の基準として精度が良く総合的な判断が可能な電池寿命基準指標を求めることができる。

また、均等充電時において、電池寿命基準指標である蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流の３指標により総合的な蓄電池寿命判定を行えるので、新たなコストをかけることなく効率的な保全が可能となる。

本発明の実施の形態に係る電池寿命基準指標作成方法の工程を示すフローチャート。 本発明の実施の形態における電池セルの容量−起電力特性関数の一例を示すグラフ。 本発明の実施の形態に係る蓄電池寿命判定方法の工程を示すフローチャート。 本発明の実施の形態で蓄電池の５３個の電圧セルのうち５２個の健全セル（１００％容量）と１個の劣化セル（８０％容量）とを有し１４０Ｖで均等充電したときの蓄電池の等価回路の回路図。

図１は本発明の実施の形態に係る電池寿命基準指標作成方法の工程を示すフローチャートである。本発明の実施の形態では、蓄電池端子電圧Ｖ、電解溶液の比重、液温に代えて、均等充電時の蓄電池端子電圧Ｖ、均等充電時の複数個の電池セルの端子電圧Ｖのバラツキ率、均等充電時の充電電流Ｉcを寿命基準指標とするものであり、そのために、所定容量における均等充電時の蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流を寿命基準指標値（管理値）として予め算出するものである。

蓄電池端子電圧は電池セルが劣化したときに変動する量であり、バラツキ率は複数個の電池セルから成る蓄電池に劣化セルが含まれる場合に変動する量であり、充電電流も劣化セルが含まれる場合に変動する量である。これらの諸量は高価な容量測定によらず測定できるものであり、測定した蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流を予め算出しておいた寿命基準指標値（管理値）と比較し、蓄電池寿命判定を行えるようにしたものである。

図１において、まず、複数個の電池セルが直列接続された蓄電池の健全セルの内部抵抗及び充電電流より１００％容量時の単セル起電力を算出する（Ｓ１）。例えば、新品の電池セルの内部抵抗Ｒ、充電電流Ｉc、端子電圧Ｖを実測で求め、１００％容量時の単セル起電力Ｅを、内部抵抗Ｒ、充電電流Ｉc、端子電圧Ｖを用いて、下記（１）式で求める。すなわち、電池セルの端子電圧Ｖから内部抵抗Ｒによる電圧降下ＲＩcを減算して算出する。

Ｅ＝Ｖ−ＲＩc …（１）
次に、蓄電池の電池セルのうちの劣化セルの容量Ｃxiを測定して求め, 起電力Ｅxiを計算して求める（Ｓ２）。これは、劣化していると推定される電池セルにつき容量測定を実施して求めることになる。この容量測定は高額であるが、劣化している電池セルの容量Ｃxi、内部抵抗Ｒxi、充電電流Ｉxi、端子電圧Ｖxiを求めることができ、起電力ＥxiはＣxi、Ｒxi、Ｉxiを用いて、下記の（２）式で求めることができる。

Ｅxi＝Ｖxi−ＲxiＩxi …（２）
次に、１００％容量時の単セル起電力Ｅ100及び劣化セルの容量Ｃxi及び起電力Ｅxiを用いて電池セルの容量−起電力特性関数を求める（Ｓ３）。図２に電池セルの容量−起電力特性関数の一例を示す。図２では、１００％容量時のデータＰ100(容量Ｃ100、単セル起電力Ｅ100）、ｘ１％容量時のデータＰx1(容量Ｃx1、単セル起電力Ｅx1）、ｘ２％容量時のデータＰx2(容量Ｃx2、単セル起電力Ｅx2）の３個のデータで、容量−起電力特性関数ｆ（ｃ）を求めた場合を示している。

そして、この容量−起電力特性関数ｆ（ｃ）から電池寿命基準となる所定容量（例えば８０％容量）時の単セル起電力Ｅｒを求める（Ｓ４）。

次に、所定容量時の内部抵抗Ｒｒを求める（Ｓ５）。これは容量試験で測定した劣化セルの内部抵抗の平均値を所定容量時の内部抵抗Ｒｒとする。

次に、電池寿命基準となる所定容量（例えば８０％容量）に低下した劣化セルの端子電圧Ｖｒ、バラツキ率αｒ、充電電流Ｉｒを電池寿命基準指標として算出して電池寿命基準指標を求める（Ｓ６）。

バラツキ率αは、ｎ個の電池セル１１-1〜１１-nの端子電圧Ｖ1〜Ｖnのうち、最大端子電圧Ｖmaxと最小端子電圧Ｖminとの差分を平均端子電圧Ｖaveで除算し１００分率で表した値であり、下記（３）式で示される。

（Ｖmax−Ｖmin）／Ｖave …（３）
ここで、電池寿命基準指標として均等充電時の端子電圧Ｖ、バラツキ率α、充電電流Ｉcを用いるのは、以下の理由による。端子電圧Ｖ、バラツキ率α、充電電流Ｉｃが容量低下と密接な関わりをもつとともに、端子電圧Ｖおよび充電電流Ｉｃは従来から実施している１次診断時の単一保全項目であり、容易に測定（入手）可能であるからである。

図３は、本発明の実施の形態に係る蓄電池寿命判定方法の工程を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る蓄電池寿命判定方法は、図１に示した電池寿命基準指標作成方法の工程に、寿命判定のステップＳ７を追加したものである。すなわち、健全な電池セルであってもバラツキがあるので、蓄電池の電池セルがすべて健全であっても、端子電圧Ｖ、バラツキ率α、充電電流Ｉcは、個々にはばらつくことがある。そこで、端子電圧Ｖ、バラツキ率α、充電電流Ｉcの３指標の組合せにより寿命判定を行う（Ｓ７）。つまり、端子電圧Ｖ、バラツキ率α、充電電流Ｉcの３指標のすべてがそれぞれの電池寿命基準指標値を逸脱したときに蓄電池寿命の可能性があると判定する。

図４は、蓄電池の５３個の電圧セルのうち５２個の健全セル（１００％容量）と１個の劣化セル（所定容量、例えば８０％容量）とを有し１４０Ｖで均等充電したときの蓄電池の等価回路である。この場合の３つの電池寿命基準指標値である端子電圧Ｖ80、バラツキ率α、充電電流Ｉcを求める。

図４において、電池セル１１-1を劣化セル（所定容量）とし、残りの電池セル１１-2〜１１-53を健全セル（１００％容量）とする。すなわち、電池セル１１-1の起電力Ｅ1に図１のステップＳ４で求めた劣化セル（所定容量）の起電力Ｅｒ（＝２．４３１Ｖ）を入力し、内部抵抗Ｒ1に図１のステップＳ５で求めた内部抵抗Ｒｒ（＝３．４ｍΩ）を入力する。同様に、電池セル１１-2〜１１-53の起電力Ｅ2〜Ｅ53に図１のステップＳ１で求めた起電力Ｅ100（＝２．６３４Ｖ）を入力し、内部抵抗Ｒ2〜Ｒ53に図１のステップＳ１で求めた内部抵抗Ｒ100（＝２．９ｍΩ）を入力する。

これにより、所定容量時の劣化セルの充電電流Ｉcは下記（４）式で示される。

Ｉc＝１４０／｛２.４３１＋２.６３４×５２＋（０．００３４＋０．００２９×５２）｝
＝３.９［Ａ］ …（４）
また、所定容量時の劣化セルの端子電圧Ｖｒは（５）式で示され、１００％容量時の健全セルの端子電圧Ｖ100は（６）式で示される。

Ｖｒ＝２.４３１＋０．００３４×３.９＝２.４４［Ｖ］ …（５）
Ｖ100＝２.６３４＋０．００２９×３.９＝２.６５［Ｖ］ …（６）
また、所定容量時の劣化セルを有した蓄電池のバラツキ率αは、劣化セルの端子電圧Ｖｒが最小端子電圧Ｖminであり、健全セルの端子電圧Ｖ100が最大端子電圧Ｖmaxであることから（７）式で示される。

α＝（Ｖmax-Ｖmin）／Ｖave
＝（２.６５−２.４４）／｛（２.４４＋２.６５×５２）／５３｝
＝７.６［％］ …（７）
ここで、電池寿命基準指標値としてのバラツキ率α及び充電電流Ｉｃは、初期値からの上昇分を判定基準とする。すなわち、バラツキ率αについては、初期値０なので、結果的には、（７）式での計算値をそのまま採用し、充電電流Ｉｃについては、初期値２．５Ａ（２．５Ａは、容量試験における平均値）のため、増加分として、（４）式で求めた充電電流Ｉｃから初期値２．５Ａを減算した１．４Ａ（３．９Ａ−２．５Ａ＝１．４Ａ）を指標値とする。従って、３つの電池寿命基準指標値として、端子電圧Ｖ80（＝２.４４［Ｖ］）、バラツキ率α（＝７.６［％］）、充電電流Ｉc（＝１．４［Ａ］）が求まる。３つの電池寿命基準指標値を表１に示す。

次に、６つの変電所に設置された蓄電池につき容量試験を行い、電池セルの最低容量、端子電圧、バラツキ率、充電電流の試験結果を表２に示す。バラツキ率α及び充電電流Ｉｃは、初期値からの上昇分を判定基準とするので、表２では初期値からの＋での表現となり、バラツキ率αは＋７．６％、充電電流Ｉｃは＋１．４Ａで判定している。

表２に示すように、変電所Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｆの蓄電池の電池セルについて、最低容量の電池セルが１００％容量を超えていることから、変電所Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｆの蓄電池の電池セルはすべてが健全セルである。また、変電所Ｅの蓄電池の電池セルについて、最低容量の電池セルが９７．５％であり１００％容量ではないが、劣化の判断基準である所定容量（８０％容量）は超えているので、すべてが健全セルである。また、変電所Ｂの蓄電池の電池セルについて、最低容量の電池セルが７０．４％であり劣化の判断基準である所定容量（８０％容量）を逸脱しているので、劣化セルを含んでいると判断できる。このように、容量試験を行った場合には、劣化の判断基準である所定容量を逸脱しているかどうかを容易に判定できる。

本発明による３つの電池寿命基準指標値で、この容量試験と同等の判断ができるかどうかを検証する。変電所Ａ、Ｄは、表１に示す３つの電池寿命基準指標値のいずれも逸脱していないので、本発明による３つの電池寿命基準指標値での判定結果と容量試験での判定結果は同じである。

変電所Ｃ、Ｅ、Ｆは、表１に示す３つの電池寿命基準指標値のうち充電電流が逸脱しているが、他の２つの電池寿命基準指標値である端子電圧及びバラツキ率は逸脱していない。また、変電所Ｂは、表１に示す３つの電池寿命基準指標値をすべて逸脱している。これから、３つの電池寿命基準指標値のうち２つ以上の指標が電池寿命基準指標値を逸脱したときに蓄電池寿命の可能性があると判定するようにすると、容量試験の場合と同じ判定結果となる。その判定基準で判断すると、変電所Ｃ、Ｅ、Ｆは、１つの電池寿命基準指標値（充電電流）しか逸脱していないので、蓄電池の電池セルは健全であると判定することになる。一方、変電所Ｂは、３つの電池寿命基準指標値をすべて逸脱しているので、劣化セルが含まれると判定することになり、容量試験の場合と同じ判定結果となる。

このように、３指標のすべての指標が電池寿命基準指標値を逸脱したときに蓄電池寿命の可能性があると判定するようにすると、高額な容量試験と同等の判定結果が得られることが分かる。

以上の説明では、劣化の判断基準である電池セルの所定容量を８０％容量としたが、蓄電池の種類に応じて変更するようにしてもよい。

本発明の実施の形態によれば、電池寿命基準となる所定容量（８０％容量）の蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流の３つの電池寿命基準指標値を予め求めておき、これらを組み合わせて、容量試験の判定結果に一致するように電池寿命の判定を行うので、容量試験を追加実施することなく高精度な寿命判定が可能となる。これにより、新たなコストをかけることなく効率的な保全が実現される。

１１…電池セル、Ｅ…起電力、Ｃ…コンデンサ、Ｒ…内部抵抗、ｒ…充電抵抗

Claims (4)

1. 複数個の電池セルが直列接続された蓄電池の健全セルの内部抵抗及び充電電流より１００％容量時の単セル起電力を算出し、
   前記蓄電池の電池セルのうちの劣化セルの容量を測定して求めるとともに起電力を計算して求め、
   前記１００％容量時の単セル起電力及び前記劣化セルの容量及び起電力を用いて電池セルの容量−起電力特性関数を求め、
   前記容量−起電力特性関数から電池寿命基準となる所定容量の単セル起電力を求め、
   均等充電時の予め定めた蓄電池等価回路に劣化セルの内部抵抗値及び起電力、健全セルの内部抵抗値及び起電力の各パラメータを入力し、
   前記電池寿命基準となる所定容量に低下した劣化セルの蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流を寿命基準指標として算出して電池寿命基準指標を求めることを特徴とする電池寿命基準指標作成方法。
2. 前記電池寿命基準となる所定容量は、８０％容量であることを特徴とする請求項１記載の電池寿命基準指標作成方法。
3. 均等充電時において、前記蓄電池の電池セルの蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流を測定し、請求項１で求めた前記電池寿命基準指標と比較して、蓄電池の寿命を判定することを特徴とする蓄電池寿命判定方法。
4. 前記蓄電池の電池セルの蓄電池端子電圧、バラツキ率、充電電流のすべてが、請求項１で求めた前記電池寿命基準指標を逸脱したときに、蓄電池の寿命と判定することを特徴とする請求項４記載の蓄電池寿命判定方法。

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