JP2013141379A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載される蓄電池の劣化診断を精度良く行なうことでことが可能な無停電電源装置を提供する。
【解決手段】無停電電源装置は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ８と、コンバータ８によって変換された直流電力を蓄える蓄電池３０と、交流電源の停電時、蓄電池３０に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して負荷３２に供給するインバータ１２と、蓄電池３０からの放電電力の電圧を検出する電圧検出器２０とを備える。電圧検出器２０は、蓄電池３０の放電電圧の検出値に基づいて蓄電池３０の劣化モードを判別するとともに、判別した劣化モードにおける蓄電池２０の内部状態値の使用に伴う劣化特性に基づいて蓄電池３０の劣化を診断する。
【選択図】図１

Description

この発明は、無停電電源装置に関し、より特定的には、無停電電源装置に搭載された蓄電池の劣化を診断する技術に関する。

無停電電源装置においては、商用交流電源の停電時に負荷に電力を供給するための蓄電池が搭載される。商用交流電源から交流電力が供給されている通常時には、商用交流電源から供給される交流電力は、コンバータによって直流電力に変換されると、インバータによって商用交流周波数の交流電力に変換されて負荷に供給されるとともに、蓄電池に蓄えられる。そして、商用交流電源の停電時には、蓄電池に蓄えられた直流電力がインバータによって交流電力に変換された負荷に供給される。

蓄電池は、経年劣化し、劣化した状態で継続使用すると故障する。したがって、無停電電源装置においては、蓄電池の劣化の程度を把握しておくことが重要となる。この点について、たとえば特開２０００−３５０３８４号公報（特許文献１）には、商用交流電源の停電時に蓄電池が放電したときの電圧を検出して蓄電池の劣化診断を行なう技術が開示されている。この特許文献１に記載される無停電電源装置においては、蓄電池が放電を開始したときの電圧である放電開始電圧の検出値と予め設定された蓄電池異常値とを比較することにより、蓄電池が寿命期に近いか否かを判断する。

特開２０００−３５０３８４号公報

上記の特許文献１に記載される蓄電池の劣化診断は、蓄電池の寿命期の放電電圧特性を蓄電池の新品時の放電電圧特性と比較したときに、蓄電池不足電圧に至る時間が短くなるとともに、放電開始電圧が低下することに基づいている。

しかしながら、蓄電池として代表的に使用される二次電池の放電電圧特性は、二次電池の劣化モードによって異なる。二次電池の内部状態値である内部抵抗および電池容量の変化の度合いが劣化モードによって異なるためである。したがって、これらの劣化モードを十分に反映して蓄電池の劣化を診断する必要がある。しかしながら、上記の特許文献１は、このような劣化モードを考慮することなく、放電開始電圧と蓄電池異常値との比較結果のみに基づいて蓄電池が寿命期に近いか否かを判断する構成となっているため、蓄電池の寿命を正確に判定することが困難となっていた。

それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、無停電電源装置に搭載される蓄電池の劣化診断を精度良く行なうことである。

この発明のある局面に従えば、無停電電源装置は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータによって変換された直流電力を蓄える蓄電池と、交流電源の停電時、蓄電池に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、蓄電池からの放電電力の電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器の検出値に基づいて蓄電池の劣化モードを判別するとともに、判別した劣化モードにおける蓄電池の内部状態値の使用に伴う劣化特性に基づいて蓄電池の劣化を診断する劣化診断部とを備える。

好ましくは、劣化診断部は、放電開始時点での電圧検出器の検出値と、放電が開始されてから所定時間経過した時点での電圧検出器の検出値との差分である蓄電池の電圧降下量に基づいて、蓄電池の劣化モードを判別する。

好ましくは、劣化診断部は、放電開始時点での電圧検出器の検出値に基づいて蓄電池の内部抵抗を推定し、かつ、判別した劣化モードにおける内部抵抗および電池容量の使用に伴なう劣化特性を参照することにより、内部抵抗の推定値に基づいて蓄電池の電池容量を推定する。

好ましくは、無停電電源装置は、交流電源から交流電力が供給されている通常時、蓄電池の劣化診断の実行を指示する実行指令を所定周期で発生する実行指令発生部と、実行指令発生部から実行指令を受けたときに、コンバータから供給される交流電圧の電圧が蓄電池の電圧よりも低くなるように、コンバータの出力電圧の電圧指令値を変更する電圧指令発生部とをさらに備える。

好ましくは、無停電電源装置は、劣化診断部による診断結果を無停電電源装置の外部へ送信するための通信部をさらに備える。

この発明によれば、無停電電源装置に搭載される蓄電池の劣化診断を精度良く行なうことができる。

本発明の実施の形態１に従う無停電電源装置の全体構成図である。 従来の無停電電源装置の動作を説明するフローチャートである。 交流電源に停電が発生したときの蓄電池の放電電圧特性を示す図である。 図２のステップＳ７０の処理を説明するフローチャートである。 交流電源に停電が発生したときの蓄電池の放電電圧特性の一例を示す図である。 蓄電池の放電開始直後における放電電圧の変化を模式的に示す図である。 セパレータの減液率と拡散抵抗による電圧低下量との関係が示す図である。 蓄電池の内部抵抗と電池容量との間の相関関係を説明する図である。 この発明の実施の形態１による無停電電源装置における蓄電池の劣化診断を実現するための制御処理手順を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１の変更例に従う無停電電源装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態２に従う無停電電源装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態２による無停電電源装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態２の変更例に従う無停電電源装置の全体構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明を繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に従う無停電電源装置の全体構成図である。

図１を参照して、無停電電源装置は、本体部を収容した筐体１と、筐体１に設けられたバイパス入力端子Ｔ１、交流入力端子Ｔ２、蓄電池端子Ｔ３、および出力端子Ｔ４とを備える。

入力端子Ｔ１，Ｔ２の各々は、交流電源からの交流電力を受ける。交流電源は、商用電源、自家用発電機などである。交流電源は、単相または三相の交流電力を供給する。

蓄電池端子Ｔ３は、蓄電池３０の正極３０ａに接続されている。蓄電池３０は、筐体１とは別の筐体３１に収容されている。出力端子Ｔ４には、負荷３２が接続される。

無停電電源装置は、本体部として、電磁接触器（コンタクタ）５，１０，１５，１６と、ヒューズ６，９と、リアクトル７と、コンバータ８と、コンデンサ１１，１４と、インバータ１２と、トランス１３と、サイリスタスイッチ１７とを備える。このうち、コンタクタ５、ヒューズ６、リアクトル７、コンバータ８、インバータ１２、トランス１３およびコンタクタ１５は、交流入力端子Ｔ２と出力端子Ｔ４との間に直列に接続される。

ヒューズ９およびコンタクタ１０は、コンバータ８の出力ノード８ａと蓄電池端子Ｔ３との間に直列に接続される。コンデンサ１１は、コンバータ８の出力ノード８ａと基準電圧のラインとの間に接続される。コンデンサ１４は、トランス１３の出力ノード１３ａと基準電圧のラインとの間に接続される。

コンタクタ１５は、出力端子Ｔ４から負荷３２に出力される交流出力を、インバータ１２の出力と、サイリスタスイッチ１７およびコンタクタ１６からなるバイパス回路の出力との間で切換えるためのものである。サイリスタスイッチ１７およびコンタクタ１６は、バイパス入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ４との間に並列に接続される。サイリスタスイッチ１７は、出力端子Ｔ４から負荷３２に出力される交流出力を、インバータ１２の出力からバイパス入力電源からの交流電力に高速に切換えるためのスイッチである。コンタクタ１６は、バイパス入力端子Ｔ１から出力端子Ｔ４までの通電経路に介挿接続される。コンタクタ１６は、バイパス入力電源からの交流電力を無停電電源装置から出力される交流出力として維持するためのものである。コンタクタ１５、サイリスタスイッチ１７およびコンタクタ１６は、図示しない制御装置からの指令に応答して閉成および開放する。

コンバータ８は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する。コンデンサ１１は、コンバータ８の出力電圧を平滑化する。蓄電池３０は、コンバータ８によって生成された直流電力を蓄える。インバータ１２は、コンバータ８または蓄電池３０から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷３２に供給する。なお、コンバータ８およびインバータ１２の各々は、図示しない制御装置によって制御される。

交流電源から交流電力を供給されている通常時には、コンバータ８によって生成された直流電力が蓄電池３０に蓄えられるとともに、インバータ１２によって交流電力に変換されて負荷３２に供給される。一方、交流電源からの交流電力の供給が停止した停電時には、コンバータ８の運転が停止され、蓄電池３０に蓄えられた直流電力がインバータ１２によって交流電力に変換されて負荷３２に供給される。したがって、無停電電源装置によれば、停電時でも蓄電池３０に蓄えられた電力を用いて負荷３２の運転を継続することができる。

蓄電池３０は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素であり、たとえば、鉛蓄電池、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池などの二次電池を含んで構成される。無停電電源装置では、一般的に、３〜５年程度の期待寿命を有する蓄電池が適用される。しかしながら、蓄電池の寿命は、蓄電池が設置される環境によって大きく左右される。たとえば、設置場所の温度が高くなるほど、蓄電池の寿命は短くなる。また、設置場所の湿度が低くなるほど、蓄電池の寿命は短くなる。そのため、メーカが提示する期待寿命よりも早く蓄電池が寿命期に至ってしまう可能性がある。無停電電源装置の信頼性を維持するためには、蓄電池の劣化を診断し、蓄電池が寿命期に近いことをユーザに事前に知らせる仕組みが必要とされる。

無停電電源装置は、蓄電池３０の劣化を診断するための構成として、直流電流検出回路１９と、直流電圧検出回路２０とをさらに備える。

直流電流検出回路１９は、蓄電池３０からの放電電力の電流値である放電電流Ｉを検出する。直流電流検出回路１９は、放電電流Ｉの検出値を直流電圧検出回路２０へ出力する。

直流電圧検出回路２０は、蓄電池３０からの放電電力の電圧値である放電電圧Ｖを検出する。直流電圧検出回路２０は、放電電圧Ｖの検出値に基づいて、後述する方法によって蓄電池３０の劣化を診断する。

（従来の無停電電源装置における蓄電池の劣化診断）
最初に、図２から図４を用いて、従来の無停電電源装置において実行されている蓄電池の劣化診断およびその課題について説明する。

図２は、従来の無停電電源装置の動作を説明するフローチャートである。
図２を参照して、ステップＳ１０による無停電電源装置の運転中において、交流電源に停電が発生すると（ステップＳ２０のＹＥＳ判定時）、蓄電池３０からインバータ１２に直流電力が供給される。この直流電力はインバータ１２によって交流電力に変換されて負荷３２に供給される。

このとき、直流電圧検出回路２０においては、蓄電池３０の放電電圧Ｖを検出し、その検出した放電電圧Ｖに基づいて蓄電池３０の電圧不足および寿命期を判断する。具体的には、直流電圧検出回路２０は、ステップＳ３０により、蓄電池３０の放電電圧Ｖと予め設定された直流不足電圧値Ｄとを比較する。放電電圧Ｖが直流不足電圧値Ｄ以下となる場合（ステップＳ３０のＹＥＳ判定時）には、直流電圧検出回路２０は、ステップＳ４０により、無停電電源装置をトリップ停止する。一方、放電電圧Ｖが直流不足電圧値Ｄより大きい場合（ステップＳ３０のＮＯ判定時）には、蓄電池３０からの直流電力をインバータ１２に供給する。

また、直流電圧検出回路２０は、ステップＳ５０により、放電電圧Ｖと直流不足電圧予告値Ｃとを比較する。放電電圧Ｖが直流不足電圧予告値Ｃ以下となる場合（ステップＳ５０のＹＥＳ判定時）には、直流電圧検出回路２０は、ステップＳ６０により、「もうすぐ電圧不足となる」と判断し、外部にその旨を警告する。一方、放電電圧Ｖが直流不足電圧予告値Ｃよりも大きい場合（ステップＳ５０のＮＯ判定時）には、直流電圧検出回路２０は、蓄電池３０からの直流電力をインバータ１２に供給する。

さらに、直流電圧検出回路２０は、ステップＳ７０により、蓄電池３０の放電開始時の電圧（以下、「放電開始電圧」とも称する）に基づいて、蓄電池３０の劣化を診断する。

図３は、交流電源に停電が発生したときの蓄電池３０の放電電圧特性を示す図である。図３において、曲線Ｘは蓄電池３０が新品のときの放電電圧特性を示し、曲線Ｙは蓄電池３０が寿命期に達したときの放電電圧特性を示している。

図３を参照して、電圧Ａは、蓄電池３０が新品のときの放電開始電圧であり、電圧Ｂは、蓄電池３０が寿命期のときの放電開始電圧である。また、電圧Ｃは、図２に示した直流不測電圧予告値Ｅであり、電圧Ｄは、図２に示した直流不足電圧値Ｄである。

蓄電池３０が寿命期のときには、蓄電池３０が新品のときと比較して、直流不足電圧値Ｄに至るまでの放電時間が短くなっている。さらに、蓄電池３０が寿命期のときには、蓄電池３０が新品のときと比較して、放電開始電圧が低くなっている。これは、蓄電池３０の劣化が進行するに従って、蓄電池３０の内部状態値の１つである内部抵抗が増加するとともに、内部状態値の他の１つである電池容量が低下することによる。

このように蓄電池３０の劣化が進行するに従って放電開始電圧が低くなることから、従来の無停電電源装置では、放電開始電圧の電圧降下を検知して蓄電池３０が寿命期に近いことを判断している。図４は、図２のステップＳ７０の処理を説明するフローチャートである。図４を参照して、直流電圧検出回路２０は、ステップＳ７０１により、放電開始電圧と蓄電池異常値Ｅとを比較する。なお、蓄電池異常値Ｅは、図３の電圧Ｅに対応しており、電圧Ａと電圧Ｂとの間をとるように予め設定されている。

放電開始電圧が蓄電池異常値Ｅ以下である場合（ステップＳ７０１のＹＥＳ判定時）には、直流電圧検出回路２０は、ステップＳ７０２により、蓄電池３０が「寿命期に近い」と判断し、外部にその旨を警告する。一方、放電開始電圧が蓄電池異常値Ｅよりも大きい場合（ステップＳ７０１のＮＯ判定時）には、直流電圧検出回路２０は、蓄電池３０からの直流電力をインバータ１２に供給する。

以上説明したように、従来の無停電電源装置では、蓄電池３０の放電開始電圧と蓄電池異常値Ｅとを比較することにより、蓄電池３０が寿命期に近いか否かを判断する。なお、蓄電池異常値Ｅは、放電開始時の電圧が最も低くなる１００％負荷の条件で予め設定し、固定される。

しかしながら、蓄電池３０の放電電圧特性は、蓄電池３０の劣化モードによって異なる。蓄電池３０の内部状態値の１つである内部抵抗の上昇度合い、および内部状態値の他の１つである電池容量の低下度合いが蓄電池３０の劣化モードによって異なるためである。そのため、蓄電池３０の放電開始電圧も、蓄電池３０の劣化モードに応じて異なる値となる。一方、従来の無停電電源装置は、蓄電池３０の劣化モードを考慮することなく、放電開始電圧と蓄電池異常値Ｅ（固定値）との比較結果のみに基づいて蓄電池３０が寿命期に近いか否かを判断する構成となっているため、蓄電池３０の寿命を正確に判定することが困難となっていた。

したがって、本発明の実施の形態１による無停電電源装置では、蓄電池３０の劣化モードを判別するとともに、その判別した劣化モードにおける蓄電池３０の使用に伴なう内部状態値の劣化特性に基づいて、蓄電池３０が寿命期であるか否かを判定する。

図５および図６を用いて、蓄電池３０の劣化モードの判別について詳細に説明する。
図５は、交流電源に停電が発生したときの蓄電池３０の放電電圧特性の一例を示す図である。図５の放電電圧特性は、蓄電池３０に密閉型鉛蓄電池を適用した場合において、蓄電池３０を一定電流（たとえば、放電電流Ｉ＝０．６５ＣＡとする）で放電したときの電池セル当たりの放電電圧を測定したものである。なお、ＣＡは、放電電流（Ａ）／電池容量（Ａｈ）で計算される値であり、ＣＡ＝１の場合には１時間で電池容量全てを放電してしまうような放電電流である。

ここで、密閉型鉛蓄電池は、一般に、正極板、負極板、セパレータおよび電解液などを収容する電槽と、電槽の上端に取り付けられた蓋とを備えている。電解液は硫酸溶液（希硫酸）である。電槽および蓋は合成樹脂で形成されている。密閉型鉛蓄電池においては、高温または低湿での使用により電解液が電槽の外部に漏れ出すことがある。そのため長時間使用すると、電解液の減少が進行する虞がある。電解液が減少すると、多孔体である活物質への電解液の拡散が妨げられるため、電池容量が低下する。さらに、活物質が充填された極板と電解液が保持されたセパレータとの接触面積が小さくなることにより、内部抵抗が増加する。

また、密閉型鉛蓄電池においては、過充電や高温での使用によって正極板の腐食が進行する。正極板が腐食すると、活物質と正極格子との密着性が低下するために、電池容量が低下する。さらに、集電体である正極格子のやせおよび折損により電気伝導性が低下することにより、内部抵抗が増加する。

このように密閉型鉛蓄電池の劣化モードには、電解液の減少と、正極板の腐食とが存在する。そして、これらの劣化モードに応じて、密閉型鉛蓄電池は異なる放電電圧特性を示す。

図５を参照して、曲線ｋ１は、蓄電池３０（密閉型鉛蓄電池）が新品のときの放電電圧特性を示す。一方、曲線ｋ２は、蓄電池３０の電解液が減少しているときの放電電圧特性を示す。また、曲線ｋ３は、蓄電池３０の正極板が腐食しているときの放電電圧特性を示す。

放電を開始すると、放電電圧は、開放電圧から急に低下した後、徐々に低下する。蓄電池３０が劣化しているときには、蓄電池３０が新品のときと比較して、同じ放電時間に対する電圧低下量（図中のΔＶに相当）が大きくなっている。また、蓄電池３０が劣化しているときには、蓄電池３０が新品のときと比較して、放電開始電圧が低くなる。これらは、蓄電池３０の劣化によって、電池容量の低下と内部抵抗の増加とが生じていることを示している。

さらに、放電開始電圧は、蓄電池３０の劣化モードによって異なる値を示す。詳細には、電解液が減少しているときには、正極板が腐食しているときと比較して、放電開始電圧が高くなる。また、同じ放電時間に対する電圧低下量についても、蓄電池３０の劣化モードによって異なる値となっている。電解液が減少しているときには、正極板が腐食しているときと比較して、同じ放電時間に対する電圧低下量が大きくなる。その結果、放電電圧が所定の放電終止電圧に到達するまでの放電時間は、電解液が減少しているときの方が正極板が腐食しているときよりも短くなる。

図６を用いて、蓄電池３０の劣化に伴なう放電電圧の変化について詳細に説明する。
図６は、蓄電池３０の放電開始直後における放電電圧の変化を模式的に示す図である。図６の放電電圧特性は、蓄電池３０に密閉型鉛蓄電池を適用した場合において、蓄電池３０を一定電流（たとえば、放電電流Ｉ＝０．１５ＣＡとする）で短時間放電したときの電池セル当たりの放電電圧を測定したものである。図６においては、縦軸に電池セル当たりの電圧変化量が示され、横軸には放電時間が示される。なお、電圧変化量は、放電電圧の増加時に「正」の値に算出され、放電電圧の低下時に「負」の値に算出される。

図６を参照して、曲線ｋ１１は、蓄電池３０が新品のときの放電電圧特性を示す。一方、曲線ｋ１２は、蓄電池３０の電解液が減少しているときの放電電圧特性を示す。また、曲線ｋ１３は、蓄電池３０の正極板が腐食しているときの放電電圧特性を示す。

蓄電池３０の放電を開始した直後において、開放電圧から放電電圧は急に低下する。このときの電圧低下量ΔＶは、放電電流Ｉと蓄電池３０の内部抵抗Ｒとを積算した値に相当する（すなわち、ΔＶ＝Ｉ×Ｒ）。図６では、放電電流Ｉが一定電流であることから、電圧低下量ΔＶの大きさは内部抵抗Ｒの大きさを表わしている。蓄電池３０が新品のときの内部抵抗をＲ１とし、蓄電池３０の電解液が減少しているときの内部抵抗をＲ２とし、蓄電池３０の正極板が腐食しているときの内部抵抗をＲ３とすると、これらの内部抵抗の間には、Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３の関係が成り立っている。すなわち、正極板が腐食しているときには、電解液が減少しているときよりも内部抵抗が大きくなっている。このように蓄電池３０の劣化モードによって内部抵抗が異なってくる。したがって、蓄電池３０の劣化モードによらず、固定された内部抵抗と電池容量との間の相関関係を参照して電池容量を推定する従来の劣化診断では、電池容量を正確に推定することができない。

次に、放電を開始してから所定時間（たとえば５秒）が経過した時点での電圧低下量から放電を開始した直後における電圧低下量（ΔＶ＝Ｉ×Ｒ）を差し引くことにより、内部抵抗による電圧低下量を除いた電圧低下量を算出する。図中のΔＶ１は蓄電池３０が新品のときの電圧低下量を示し、ΔＶ２は蓄電池３０の電解液が減少しているときの電圧低下量を示し、ΔＶ３は蓄電池３０の正極板が腐食しているときの電圧低下量を示す。

ここで、放電開始から所定時間内における電圧低下量ΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３は、放電中における活物質への電解液の硫酸イオンの拡散の容易さ（拡散抵抗の大きさ）を表している。詳細には、蓄電池３０内部において活物質への電解液の拡散が容易に行なわれず、拡散速度が低下している場合には、いわゆる拡散抵抗が増加するために電圧低下量が増加する。すなわち、電圧低下量ΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３は、拡散抵抗による電圧低下量を示している。

図６に示す３つの電圧低下量ΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３を比較すると、蓄電池３０の正極板が腐食しているときの電圧低下量ΔＶ３は、蓄電池３０が新品のときの電圧低下量ΔＶ１と略等しい値を示している。その一方で、蓄電池３０の電解液が減少しているときの電圧低下量ΔＶ２は、電圧低下量ΔＶ３よりも大きい値を示している（ΔＶ２＞ΔＶ３）。電圧低下量ΔＶ１と電圧低下量ΔＶ３とが略等しいことから、蓄電池３０の正極板が腐食しているときにも拡散抵抗は新品時からほとんど変化していないものと判断できる。一方、電圧低下量ΔＶ２は電圧低下量ΔＶ１よりも大きいことから、蓄電池３０の電解液が減少することによって活物質の拡散抵抗が増大していると判断される。

図７には、蓄電池３０のセパレータに保持される電解液の減少度合いを示す減液率と、拡散抵抗による電圧低下量との関係が示される。減液率は、蓄電池３０が新品のときの電解液の液量からの電解液の減少量を百分率（０〜１００％）で示したものである。また、拡散抵抗による電圧低下量は、図６と同様に、一定電流で放電を開始してから所定時間（たとえば５秒）が経過した時点での電圧低下量から内部抵抗による電圧低下量を差し引いた値である。

図７を参照して、セパレータの減液率が１０％付近に達するまでは電圧低下量は略一定となる一方で、減液率が１０％を超えると電圧低下量は増加し始める。これは、蓄電池３０の減液率が１０％を超えると、活物質への電解液の拡散を容易に行なうことができないことを示している。本実施の形態では、蓄電池３０が電解液が減少する劣化モードであるか否かを判別するための閾値としての判定値を、減液率が１０％のときの電圧低下量である４０ｍＶに設定する。すなわち、拡散抵抗による電圧低下量が４０ｍＶ以上となる場合には、蓄電池３０が電解液が減少する劣化モードであると判別する。

ここで、図５に示したように、電解液が減少する劣化モード（図中の曲線ｋ２）においては、正極板が腐食する劣化モード（図中の曲線ｋ３）と比較して、同じ放電時間における電圧低下量が大きく、放電終止電圧に達するまでの放電時間が短くなる。すなわち、電解液の減少により拡散抵抗が大きくなるほど、電池容量が低下する。

蓄電池の電池容量を推定する方法としては、従来より、予め取得された蓄電池の内部抵抗と電池容量との間に相関関係があることを利用して、内部抵抗に基づいて電池容量を推定する方法が採用されている。しかしながら、上記のように、電池容量は拡散抵抗に応じて変化するため、拡散抵抗が変化することにより内部抵抗と電池容量との間の相関関係も変化する。そのため、常に同じ相関関係を用いて電池容量を推定する従来の推定方法では、電池容量を正確に推定することが困難である。

したがって、本実施の形態１では、内部抵抗と電池容量との間の相関関係に拡散抵抗の大きさを反映させる。具体的には、拡散抵抗による電圧低下量が判定値（４０ｍＶ）以上となる場合と当該電圧低下量が判定値を下回る場合との間で、異なる相関関係を利用する。

図８は、蓄電池３０の内部抵抗と電池容量との間の相関関係を説明する図である。
図８を参照して、直線ｋ２１は拡散抵抗による電圧低下量が判定値を下回るときの内部抵抗と電池容量との間の相関関係を示し、直線ｋ２２は拡散抵抗による電圧低下量が判定値以上となるときの内部抵抗と電池容量との間の相関関係を示す。これら２つの相関関係を比較すると、拡散抵抗による電圧低下量が判定値以上となるときには、同じ内部抵抗に対する電池容量が小さくなる。このように、内部抵抗と電池容量との間の相関関係に拡散抵抗の大きさを反映させることにより、電池容量を精度良く推定することができる。そして、電池容量の推定値に基づいて、蓄電池３０が寿命期であるか否かを正確に判定することができる。

（処理フロー）
図９は、この発明の実施の形態１による無停電電源装置における蓄電池の劣化診断を実現するための制御処理手順を示したフローチャートである。なお、図９は、図２のステップＳ７０の処理をさらに詳細に説明するフローチャートである。

図９を参照して、ステップＳ７１０では、交流電源に停電が発生することにより（図２のステップＳ２０のＹＥＳ判定時）蓄電池３０からインバータ１２に直流電力が供給される。ステップＳ７２０により、直流電圧検出回路２０は、放電を開始したときの蓄電池３０の放電電圧（放電開始電圧）Ｖを検出する。直流電圧検出回路２０は、ステップＳ７３０では、放電開始電圧Ｖの検出値に基づいて、放電を開始した直後における電圧低下量ΔＶを算出する。そして、直流電圧検出回路２０は、算出した電圧低下量ΔＶを放電電流Ｉ（一定電流）で除算することにより、蓄電池３０の内部抵抗Ｒを算出する。

ステップＳ７４０では、直流電圧検出回路２０は、放電を開始してから所定時間（５秒）が経過した時点での放電電圧の検出値に基づいて、当該時点での放電電圧の電圧低下量ΔＶを算出する。そして、算出した電圧低下量ΔＶから放電を開始した直後における電圧低下量（すなわち、内部抵抗による電圧低下量）を差し引くことにより、拡散抵抗による電圧低下量ΔＶを算出する。

ステップＳ７５０において、直流電圧検出回路２０は、拡散抵抗による電圧低下量ΔＶに基づいて、蓄電池３０の劣化モードを判別する。具体的には、拡散抵抗による電圧低下量ΔＶと判定値（４０ｍＶ）とを比較する。拡散抵抗による電圧低下量ΔＶが判定値以上となる場合には、直流電圧検出回路２０は、蓄電池３０が電解液が減少する劣化モードであると判別する。一方、拡散抵抗による電圧低下量ΔＶが判定値を下回る場合には、直流電圧検出回路２０は、蓄電池３０が電解液が減少する劣化モードではないと判別する。すなわち、ステップＳ７３０〜Ｓ７５０の処理は、図１に示した蓄電池劣化モード判定部２３０の機能に対応する。

さらに、直流電圧検出回路２０は、ステップＳ７５０で判別した蓄電池３０の劣化モードにおける蓄電池３０の内部抵抗と電池容量との間の相関関係（図８）を取得する。蓄電池３０が電解液が減少する劣化モードであると判別された場合、直流電圧検出回路２０は、図８の直線ｋ２２で示される相関関係を取得する。一方、蓄電池３０が電解液が減少する劣化モードでないと判別された場合には、直流電圧検出回路２０は、図８の直線ｋ２１で示される相関関係を取得する。

ステップＳ７７０により、直流電圧検出回路２０は、取得した相関関係を参照することにより、ステップＳ７３０で算出された内部抵抗に基づいて、蓄電池３０の電池容量を推定する。

ステップＳ７８０では、直流電圧検出回路２０は、ステップＳ７７０で推定された電池容量に基づいて、蓄電池３０が寿命期に近いか否かを判断する。具体的には、直流電圧検出回路２０は、電池容量の推定値と所定の基準値とを比較する。そして、直流電圧検出回路２０は、電池容量の推定値が基準値を下回るときには、蓄電池３０が寿命期に近いと判断する。直流電圧検出回路２０は、ステップＳ７９０により、蓄電池３０が「寿命期に近い」と旨を外部に警告する。一方、電池容量の推定値が基準値以上となる場合には、直流電圧検出回路２０は、蓄電池３０からの直流電力をインバータ１２に供給する。すなわち、ステップＳ７６０〜Ｓ７９０の処理は、図１に示した劣化診断部２４０の機能に対応する。

なお、図９のステップＳ７０において蓄電池３０が「寿命期に近い」旨を外部に警告する方法としては、筐体１に設けられた計器盤に異常表示するなど視覚的に使用者に蓄電池３０が寿命期に近い旨を報知してもよく、ブザーを鳴らす、「異常です」の音声を出すなど、聴覚的に使用者に蓄電池３０が寿命期に近い旨を報知してもよい。

あるいは、図１０に示すように、無停電電源装置と外部の制御装置３４との間で通信を行なうための通信インターフェースとして、筐体１内部にＩ／Ｆ回路４０を搭載する構成としてもよい。図１０によれば、蓄電池３０が寿命期に近いという診断結果がＩ／Ｆ回路４０を介して制御装置３４に送信されると、制御装置３４が使用者にその旨を報知する。したがって、使用者は筐体１の計器盤を確認する動作が不要となる。

このように、実施の形態１による無停電電源装置によれば、蓄電池の劣化モードを判別し、その判別した劣化モードにおける蓄電池の使用に伴なう内部状態値の劣化特性に基づいて、蓄電池が寿命期であるか否かを判定する。これにより、蓄電池の寿命を正確に診断することができる。

また、蓄電池の放電を開始してから所定時間（５秒）が経過した時点で蓄電池の寿命期が近いか否かを判定することができるため、蓄電池の劣化診断を短時間で行なうことが可能となる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、交流電源に停電が発生して蓄電池３０からインバータ１２に直流電力が供給されるときに、蓄電池３０の放電電圧の検出値に基づいて蓄電池３０の劣化を診断する構成について説明した。

実施の形態２では、交流電源の停電時以外にも、定期的に蓄電池３０の劣化診断が可能な構成について説明する。

図１１は、本発明の実施の形態２に従う無停電電源装置の全体構成図である。
図１１を参照して、実施の形態２による無停電電源装置は、図１に示した実施の形態１による無停電電源装置と比較して、筐体１の内部にテスト信号発生回路５０および直流電圧指令発生回路５２をさらに備える。

テスト信号発生回路５０は、交流電源から交流電力が供給されている通常時において、無停電電源装置に蓄電池３０の劣化診断を実行させるためのテスト指令信号を発生する。具体的には、テスト信号発生回路５０は、内部に計時のためのタイマを有しており、タイマからの信号に基づいて所定周期でテスト指令信号を発生する。所定周期は、無停電電源装置の使用者からの入力操作に基づいて設定することができ、たとえば７２０時間に設定される。テスト信号発生回路５０は、所定周期で生成したテスト指令信号を直流電圧検出回路２０および直流電圧指令発生回路５２へ出力する。

直流電圧指令発生回路５２は、コンバータ８における電力変換動作を制御する。具体的には、直流電圧指令発生回路５２は、コンバータ８からインバータ１２へ供給される直流電力の電圧値の目標値を生成し、その生成した目標値を電圧指令値としてコンバータ８へ出力する。コンバータ８は、出力電圧が直流電圧指令発生回路５２からの電圧指令値となるように電力変換動作が制御される。

直流電圧指令発生回路５２は、電圧指令値を、蓄電池３０の端子間電圧よりも高い電圧となるように設定する。これにより、通常時には、コンバータ８によって生成された直流電力が蓄電池３０に蓄えられる。そして、交流電源からの交流電力の供給が停止した停電時には、コンバータ８の出力電圧が蓄電池３０の端子間電圧よりも低下するため、コンバータ８に代えて蓄電池３０からインバータ１２に直流電力が供給される。

さらに直流電圧指令発生回路５２は、テスト信号発生回路５０からテスト指令信号を受けると、電圧指令値を通常時の電圧値よりも低い電圧値に切換える。具体的には、直流電圧指令発生回路５２は、蓄電池３０の端子間電圧よりも低い電圧となるように電圧指令値を設定する。

したがって、通常時にテスト指令信号が発生されると、コンバータ８の出力電圧は蓄電池３０の端子間電圧よりも低い電圧に変化する。これにより、蓄電池３０に蓄えられた直流電力がインバータ１２に供給される。そして、蓄電池３０の放電が開始されると、直流電圧検出回路２０は、テスト指令信号に従って、蓄電池３０の劣化診断を実行する。

図１２は、この発明の実施の形態２による無停電電源装置の動作を説明するフローチャートである。

図１２を参照して、ステップＳ１０による無停電電源装置の運転中において、交流電源に停電が発生すると（ステップＳ２０のＹＥＳ判定時）、蓄電池３０からインバータ１２に直流電力が供給される。この直流電力はインバータ１２によって交流電力に変換されて負荷３２に供給される。

このとき、直流電圧検出回路２０においては、図２と同様のステップＳ３０〜Ｓ７０により、蓄電池３０の放電電圧Ｖの検出値に基づいて、蓄電池３０の電圧不足および寿命期を判断する。

一方、交流電源に停電が発生していないとき（ステップＳ２０のＮＯ判定時）、すなわち、交流電源から交流電力を供給されている通常時には、ステップＳ２００により、テスト信号発生回路からテスト指令信号が発生されたか否かを判定する。

テスト指令信号が発生されているときには（ステップＳ２００のＹＥＳ判定時）、直流電圧指令発生回路５２は、ステップＳ２１０により、コンバータ８に与える電圧指令値を通常時の電圧値よりも低い電圧値に切換える。

直流電圧検出回路２０は、ステップＳ７０により、蓄電池３０の劣化を診断する。ステップＳ７０では、直流電圧検出回路２０は、図９に示したフローチャートに従って蓄電池３０の劣化を診断する。

なお、本実施の形態２においても、上記の実施の形態１と同様に、ステップＳ７０において蓄電池３０が「寿命期に近い」旨を外部に警告する方法としては、筐体１に設けられた計器盤に異常表示するなど視覚的に使用者に蓄電池３０が寿命期に近い旨を報知してもよく、ブザーを鳴らす、「異常です」の音声を出すなど、聴覚的に使用者に蓄電池３０が寿命期に近い旨を報知してもよい。

あるいは、図１３に示すように、無停電電源装置と外部の制御装置３４との間で通信を行なうための通信インターフェースとして、筐体１内部にＩ／Ｆ回路４０を搭載する構成としてもよい。

このように、実施の形態２による無停電電源装置によれば、交流電源の停電時のみならず、通常時においても定期的に蓄電池の劣化が診断される。これにより、蓄電池の劣化を早期に検出できるため、交流電源の停電時に蓄電池を使用できないという不具合を未然に防ぐことができる。その結果、無停電電源装置の信頼性を向上することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，３１ 筐体、５，１０，１５，１６ コンタクタ、６，９ ヒューズ、７ リアクトル、８ コンバータ、１１，１４ コンデンサ、１２ インバータ、１３ トランス、１７ サイリスタスイッチ、１９ 直流電流検出回路、２０ 直流電圧検出回路、３０ 蓄電池、３２ 負荷、３４ 制御装置、４０ Ｉ／Ｆ回路、５０ テスト信号発生回路、５２ 直流電圧指令発生回路、２１０ 直流不足電圧比較部、２２０ 不足電圧警告部、２３０ 蓄電池劣化モード判定部、２４０ 劣化診断部。

Claims (5)

1. 交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータによって変換された直流電力を蓄える蓄電池と、
   前記交流電源の停電時、前記蓄電池に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、
   前記蓄電池からの放電電力の電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電圧検出器の検出値に基づいて前記蓄電池の劣化モードを判別するとともに、判別した前記劣化モードにおける前記蓄電池の内部状態値の使用に伴う劣化特性に基づいて前記蓄電池の劣化を診断する劣化診断部とを備える、無停電電源装置。
2. 前記劣化診断部は、放電開始時点での前記電圧検出器の検出値と、放電が開始されてから所定時間経過した時点での前記電圧検出器の検出値との差分である前記蓄電池の電圧降下量に基づいて、前記蓄電池の劣化モードを判別する、請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記劣化診断部は、放電開始時点での前記電圧検出器の検出値に基づいて前記蓄電池の内部抵抗を推定し、かつ、判別した前記劣化モードにおける内部抵抗および電池容量の使用に伴なう劣化特性を参照することにより、前記内部抵抗の推定値に基づいて前記蓄電池の電池容量を推定する、請求項１または２に記載の無停電電源装置。
4. 前記交流電源から交流電力が供給されている通常時、前記蓄電池の劣化診断の実行を指示する実行指令を所定周期で発生する実行指令発生部と、
   前記実行指令発生部から前記実行指令を受けたときに、前記コンバータから供給される交流電圧の電圧が前記蓄電池の電圧よりも低くなるように、前記コンバータの出力電圧の電圧指令値を変更する電圧指令発生部とをさらに備える、請求項１に記載の無停電電源装置。
5. 前記劣化診断部による診断結果を前記無停電電源装置の外部へ送信するための通信部をさらに備える、請求項１に記載の無停電電源装置。

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