JP2017175705A - 二次電池の劣化抑制装置および個別劣化抑制装置 - Google Patents

二次電池の劣化抑制装置および個別劣化抑制装置 Download PDF

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Abstract

【課題】個々のバッテリの劣化程度の差によって、充電時等に、劣化の進んだ一部のバッテリの劣化を加速させてしまうことを防止できる二次電池の劣化抑制装置を提供する。
【解決手段】複数のバッテリ２が直列に接続された電源の前記バッテリ２の劣化を抑制する二次電池の劣化抑制装置であり、複数の個別劣化抑制装置を有する。各個別劣化抑制装置は、バッテリ２の端子間のＤＣ電圧を計測する電圧計測部２１と、計測された電圧をしきい値と比較して高いか否かを判定する比較部と、前記比較部により高いと判定されると、前記バッテリ２を放電させる放電部３０とを備える。放電部３０は、バッテリ２と並列に接続された放電回路３５と、この放電回路３５を制御する放電管理部２２とでなる。放電回路３５は、電流制限抵抗３６とスイッチ３７との直列回路からなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、データセンタ、携帯電話基地局、若しくはその他各種の電力安定供給が求められる非常用電源、または複数のバッテリが直列に接続された電源一般に使用されて、充電時等にバッテリが劣化することを抑制する二次電池の劣化抑制装置、および個別劣化抑制装置に関する。
データセンタおよび携帯電話基地局等では、電力の安定供給が重要であり、定常時には交流商用電源が用いられるが、交流商用電源が停止した場合の無停電装置として、二次電池を用いた非常用電源が装備される。非常用電源の充電方式としては、充電回路を用いて定常時に微小電流で充電するトリクル充電の形式と、整流器に対して負荷と二次電池を並列に接続し、一定電流を印加して負荷を運転させつつ充電するフロート充電の形式とがある。一般的に非常用電源にはトリクル充電の形式が多く採用されている。
前記非常用電源は、商用電源で駆動される負荷の駆動が可能な電圧と電流が要求され、一つの二次電池であるバッテリの電圧は低く、また容量も小さいため、複数のバッテリが直列接続されたバッテリ群を複数並列に接続した構成とされる。個々のバッテリは、鉛蓄電池やリチウムイオン電池である。
このような非常用電源において、バッテリは劣化によって電圧が低下するため、信頼性確保のために、バッテリの劣化判定を行い、劣化したバッテリを交換しておくことが望まれる。しかし、データセンタ、携帯電話基地局等の大規模な非常用電源における多数のバッテリを精度良く劣化判定できる装置は、提案されるに至っていない。
従来のバッテリの劣化判定の提案例としては、車載バッテリチェッカーとして、バッテリ全体を纏めて計測する提案（例えば、特許文献１）、バッテリにパルス状電圧を印加し、入力電圧と応答電圧とからバッテリの内部インピーダンスを算出する提案（例えば、特許文献２）、バッテリにおける直列接続された個々のセルの内部抵抗を計測し、劣化判定する方法（例えば、特許文献３）等が提案されている。個々のセルの内部抵抗を計測には交流４端子法が用いられている。また、バッテリの内部抵抗等の非常に小さな抵抗値を計測するハンディチェッカーとして、交流４端子法バッテリテスタが商品化されている（例えば、非特許文献１）。
前記特許文献１，２では、無線によるデータ送信も提案され、ケーブルの取り回しや手作業の削減、コンピュータによるデータ管理も提案されている。
特開平１０−１７０６１５号公報 特開２００５−１００９６９号公報 特開２０１０−１６４４４１号公報
交流４端子法バッテリテスタ（東京デバイセズIW7807）（https://tokyodevices.jp/categories/battery-testers）
上記のように種々の劣化判定装置ないし判定方法が提案されている。しかし、個々のバッテリの劣化程度の差によって、充電時に、劣化の進んだ一部のバッテリの劣化を加速させてしまうと言う問題がある。これにつき具体的に説明する。
非常用電源のバッテリは直列接続されて使用する場合がほとんどであり、フロート充電やトリクル充電で常時充電状態を維持している。バッテリが劣化すると内部抵抗が増加するため、端子間電圧が上昇する。直列接続の場合、直列接続される個数に応じて両端の充電電圧が設定されるが、個々のバッテリの端子間電圧は内部抵抗の影響でばらつきが生じる。劣化が進んだバッテリの端子間電圧は高くなり、過電圧状態となる場合がある。つまり劣化したバッテリをさらに劣化させるようになり、劣化を加速させてしまうと言う問題があった。
なお、複数のバッテリが直列接続されたバッテリ群の両端に充電電圧を印加する場合に限らず、例えば劣化判定のための電圧計測時に、４端子法等で各電圧センサから各バッテリに個別に電圧を印加する場合にも、上記の個々のバッテリの劣化程度の差によって、劣化の進んだ一部のバッテリの劣化を加速させてしまうと言う問題が生じる。
この発明の目的は、個々のバッテリの劣化程度の差によって、充電時等に、劣化の進んだ一部のバッテリの劣化を加速させてしまうことを防止できる二次電池の劣化抑制装置、および二次電池の並設型劣化抑制装置。
この発明の二次電池の劣化抑制装置は、それぞれ二次電池である複数のバッテリ２が直列に接続された電源１の前記バッテリ２の劣化を抑制する二次電池の劣化抑制装置であって、
各バッテリに接続される複数の個別劣化抑制装置７を備え、
各個別劣化抑制装置７は、前記バッテリ２の端子間の直流電圧を計測する電圧計測部２１と、この電圧計測部２１で計測された電圧をしきい値と比較して高いか否かを判定する比較部３１と、前記比較部３１により高いと判定されると、前記バッテリ２を放電させる放電部３０とを備える。
なお、前記電圧計測部２１は、例えば電圧センサを構成する部品のうち、電圧の計測に直接に係わる部分を言う。また、「しきい値と比較して高いか否か」は、しきい値を超えるか否かで判断しても、しきい値以上であるか否かで判断しても良い。
この構成によると、前記比較部３１は、前記電圧計測部２１で計測された直流電圧（以下、ＤＣ電圧と称する場合がある）をしきい値と比較して高いか否かを判定し、高いと判定されると、前記放電部３０は前記バッテリ２を放電させる。バッテリ２が劣化すると内部抵抗が増加するため、端子間電圧が上昇する。このため、計測された電圧の高いバッテリ２につき放電させることで、直列接続された各バッテリ２の電圧を均等化させることができ、充電時等に、劣化の進んだ一部のバッテリ２の劣化を加速させてしまうことが防止できる。バッテリ２への電圧の印加については、バッテリ２を直列接続したバッテリ郡３の両端に充電電圧を印加する場合に限らず、例えば４端子法で抵抗計測を行う場合等のように、個々のバッテリ２に充電電圧を印加する場合も、前記放電による劣化防止の効果が得られる。
前記電圧計測部２１は、例えばバッテリ２の劣化判定などの場合に交流電圧の計測に用いられるものを、端子間電圧（セル電圧）である直流電圧の判定のための監視についても用いるようにすれば良い。
なお、バッテリ２に定常電圧が２Ｖのセルを用いた場合、そのセルの正常範囲とされる電圧は、例えば一般的に１．８〜２．２３Ｖの範囲とされる。そのような場合、前記バッテリ２が１個のセルからなるときに、前記しきい値を、例えば上限値の２．２３Ｖ、または上限値に充電電流と内部抵抗による電圧上昇分を考慮して２．２３〜２．４Ｖ程度に設定しておくことで、劣化したバッテリ２の判別が行える。充電中に各バッテリの相対値から劣化を判断することも可能であり、その場合は前記しきい値は、２.２３Ｖ以下で前記正常範囲の中間の値としても良い。
なお、鉛蓄電池の場合、正常範囲の上限電圧は２．２３Ｖになる。トリクル充電の場合、常に充電しているため、この電圧に充電電流と内部抵抗による電圧が加算されるので、しきい値は２．２３Ｖより大きくなる。また、本方式は充電中であっても、充電電流が同じとなる直列接続されたバッテリに対し、端子間電圧を監視し相対的に劣化判断することも可能なため、しきい値は２．２３Ｖ以下に設定することも可能である。
この発明において、前記放電部３０は、前記バッテリ２と並列に接続された電流制限抵抗３６とスイッチ３７との直列回路からなる放電回路３５と、この放電回路３５を制御する放電管理部２２とで構成しても良い。
この放電管理部２２は、前記比較部３１と、この比較部３１により高いと判定されると前記スイッチ３７をＯＮにし、設定時間後に前記スイッチをＯＦＦにする放電処理部３３とを有する構成であっても良い。
前記放電部３０をこのように放電回路３５とその放電管理部２２とで構成し、前記放電回路３５を電流制限抵抗３６とスイッチ３７とで構成することで、電流制限抵抗３６により電力を消費させてバッテリ電圧を低下させ、その電圧低下をスイッチ３７による制御で調整し、簡易に前記放電を適切に行わせることができる。また、前記放電管理部２２が、設定時間によって放電をＯＦＦにする構成であるため、タイマー等による簡易な構成で適切な放電が行える。
また、前記のように前記放電部３０を構成した場合に、前記放電管理部２２は、前記比較部３１により高いと判定されると、前記スイッチ３７をＯＮとして前記バッテリ２と電流制限抵抗３６とを接続し、このスイッチ３７をＯＮとする間に一定間隔で一時的に前記スイッチ３７をＯＦＦにして、前記電圧計測部２１による電圧計測および前記比較部３１による比較を再度行わせ、前記比較部３１で低いと判定されると前記スイッチ３７のＯＦＦ状態を維持し、前記比較部３７で高いと判定されると、再度、前記スイッチ３７をＯＮとして前記一定間隔の一時的なＯＦＦ、電圧計測、比較の過程を繰り返す放電処理部３２を有する構成であっても良い。
この構成の場合、放電管理部２２は、放電を行う間に一定間隔で一時的に前記スイッチ３７をＯＦＦにして電圧計測を行い、計測したバッテリ電圧をしきい値と比較して放電を終了させるため、タイマーにより放電時間を制御する場合よりも精度良く、バッテリ２の放電後の電圧を得ることができる。そのため、バッテリ２の劣化防止がより一層確実となる。
この構成の場合に、前記放電処理部３２による前記繰り返し過程により前記スイッチ３７をＯＮとする放電の回数を計測し、放電回数が設定値に達すると警告手段に警告を行わせる回数管理部３３を有する構成としても良い。
放電を多数繰り返しても適切な電圧にならない場合は、何らかの異常が発生した場合である。そのため、警告手段に警告を行わせることで、作業者による異常の認識が迅速に行え、早期の対処が可能となる。なお、「放電回数が設定値に達する」とは、設定値を超えるか否かで判断しても、以上か否かで判断しても良い。
この発明において、前記放電部３０が、前記バッテリ２と並列に接続されて電流制限抵抗３６とスイッチ３７との直列回路からなる放電回路３５を有する場合に、前記電流制限抵抗３６とスイッチ３７とは、前記電圧計測部２１と同一の回路基板７Ａ上に実装されていても良い。前記電圧計測部２１は、一つのチップであっても良い。
同じ回路基板７Ａ上に前記電圧計測部２１と電流制限抵抗３６とスイッチ３７とが実装させていると、この劣化抑制装置の構成がより簡素でコンパクトに構成できる。
この発明において、前記放電部３０は、前記バッテリ２と並列に接続されて電流制限抵抗３６とスイッチ３７との直列回路からなる放電回路３５を有する場合に、この放電回路３５と前記電圧計測部２１の前記バッテリ２に接続される回路とはケーブル３８を共有するようにしても良い。
放電回路３５の電流制限抵抗３６およびスイッチ３７をバッテリ２に接続する回路と、前記電圧計測部２１をバッテリ２に接続する回路とで、ケーブル３８を共有することで、配線系が簡素になる。
この発明において、前記電圧計測部２１は、前記バッテリ２の端子間に印加された交流成分の電圧を計測する機能を有していても良い。
前記電圧計測部２１がバッテリ２に印加された交流成分の電圧を計測可能であると、その交流成分の電圧値からバッテリ２の内部抵抗が演算できる。この内部抵抗をしきい値と比較することなどで、バッテリ２の劣化の判定が行える。したがって、この二次電池の劣化抑制装置を、劣化判定装置と兼用させることができる。
この構成の場合に、前記電圧計測部２１で計測された前記交流成分の電圧を無線で送信する無線通信部を有していても良い。
バッテリ２が複数直列に接続されていると、接地点から離れるバッテリ２であるほど、マイナス電位が高くなるようにバイアスが掛かるため、基準電位（グランドレベル）を考慮する必要があるが、無線で送信するようにすると、基準電位を気にする必要がない。
この発明の二次電池の劣化抑制装置において、前記比較部３１は、前記各個別劣化抑制装置７で計測した直列接続の全バッテリ２２の平均値を計算し、この平均値に設定された加算値を加えて前記しきい値とする構成としても良い。
個々の電源によって、適正となる電圧の範囲が僅かではあるが変わる。そのため、平均値を用いることで、予めしきい値を定めておくよりも、劣化抑制対象の電源１について、より一層適正な電圧となるように放電することができ、劣化抑制がより一層確実となる。
この発明の二次電池の劣化抑制装置において、前記複数のバッテリ２が直列に接続されたバッテリ群３に交流成分を有する電流を印加する計測用電流印加手段９と、前記電圧計測部２１で計測された前記交流成分の電圧から前記バッテリ２の内部抵抗演算する内部抵抗演算部１３ａと、この内部抵抗演算部１３ａで演算された内部抵抗から前記バッテリ２の劣化を判定する判定部１３ｂとを備えるようにしても良い。
このように、計測用電流印加手段、内部抵抗演算部１３ａ、および判定部１３ｂを備えることで、バッテリ２の劣化判定が精度良く行える。
この発明の二次電池の個別劣化抑制装置７は、二次電池であるバッテリ２の劣化を抑制するであって、
前記バッテリ２の端子間の直流電圧を計測する電圧計測部２１と、この電圧計測部２１で計測された電圧をしきい値と比較して高いか否かを判定する比較部３１と、前記比較部３１により高いと判定されると前記バッテリ２を放電させる放電部３０とを備え、
前記放電部３０は、前記バッテリ２と並列に接続された電流制限抵抗３６とスイッチ３７との直列回路からなる放電回路３５と、この放電回路３５を制御する放電管理部２２とでなり、この放電管理部２２は、前記比較部３１と、この比較部３１により高いと判定されると前記スイッチ３７をＯＮにして放電させ、定められた放電の条件が充足すると放電の処理を停止する放電処理部３２とを有するようにしても良い。前記「定められた放電の条件が充足する」とは、例えば、設定時間を経過することであっても、バッテリ電圧が設定電圧より低くなることであっても良い。
前記各構成の二次電池の劣化抑制装置は、複数の個別劣化抑制装置７で構成されているが、個別劣化抑制装置７を単独で用いても、バッテリ２の劣化抑制効果を得ることができる。
この発明の二次電池の劣化抑制装置は、それぞれ二次電池である複数のバッテリが直列に接続された電源の前記バッテリの劣化を抑制する二次電池の劣化抑制装置であって、前記バッテリの端子間の電圧を計測する電圧計測部と、この電圧計測部で計測された電圧をしきい値と比較して高いか否かを判定する比較部と、前記比較部により高いと判定されると前記バッテリを放電させる放電部とを備えるため、個々のバッテリの劣化程度の差によって、充電時等に、劣化の進んだ一部のバッテリの劣化を加速させてしまうことを、防止することができる。
この発明の二次電池の個別劣化抑制装置は、二次電池であるバッテリの劣化を抑制する装置であって、前記バッテリの端子間の直流電圧を計測する電圧計測部と、この電圧計測部で計測された電圧をしきい値と比較して高いか否かを判定する比較部と、前記比較部により高いと判定されると前記バッテリを放電させる放電部とを備え、前記放電部は、前記バッテリと並列に接続された電流制限抵抗とスイッチとの直列回路からなる放電回路と、この放電回路を制御する放電管理部とでなり、この放電管理部は、前記比較部と、この比較部により高いと判定されると前記スイッチをＯＮにして放電させ、定められた放電の条件が充足すると放電の処理を停止する放電処理部とを有するため、バッテリが複数接続されたバッテリ群の両端に充電電圧を印加する場合や内部抵抗計測のための電圧印加時等に、前記複数のバッテリのそれぞれにつき、劣化程度の差によって、充電時等に、劣化の進んだ一部のバッテリの劣化を加速させてしまうことを、防止することができる。
この発明の一実施形態に係る二次電池の劣化抑制装置における個別劣化抑制装置を劣化検出のための電圧センサとして構成した例の概略を示す説明図である。 同電圧センサの概念構成のブロック図である。 同電圧センサの並設状態を示す説明図である。 同劣化抑制装置の動作例の流れ図である。 同劣化抑制装置の他の動作例の流れ図である。 同二次電池の劣化抑制装置を装備した二次電池の劣化判定装置の回路図である。 同劣化抑制装置におけるコントローラと電圧センサの関係を示すブロック図である。 図６に示す二次電池の劣化判定装置の動作を示す流れ図である。
この発明の一実施形態を図１ないし図８と共に説明する。図１は、この二次電池の劣化抑制装置における個別劣化抑制装置を、劣化検出のための電圧センサ７として構成した例の概略を示す説明図、図６は同電圧センサ７を複数備えた劣化判定装置を兼ねる劣化抑制装置の回路図である。
図６において、劣化抑制および劣化判定の対象となる電源１は、データセンタ、携帯電話基地局、またはその他各種の電力安定供給が求められる電源装置における非常用電源である。この電源１は、それぞれ二次電池である複数のバッテリ２が直列接続されたバッテリ群３を複数有し、これらバッテリ群３が並列に接続され負荷４に接続される。各バッテリ２は、一つのセルであっても、また複数のセルが直列接続されたものであっても良いが、この例では一つのセルからなる。
この非常用の電源１は、負荷４の正負の端子に接続された主電源５の正負の端子５Ａ，５Ｂのうち、正の端子５Ａには充電回路６とダイオード１５とを介して接続され、負の端子５Ｂには直接に接続されている。ダイオード１５は非常用の電源１から負荷４に電流を流す向きで、充電回路６と並列に接続されている。主電源５は、例えば交流商用電源に整流回路および平滑回路（いずれも図示せず）介して接続されて直流電力に変換する直流電源等からなる。
非常用の電源１の正電位は、主電源５の正電位よりも低く、通常は負荷４には流れないが、主電源５が停止または機能低下すると、主電源５側の電位が低下することから、非常用の電源１に蓄電した電荷により、ダイオード１５を介して負荷４に給電される。なお、上記のように充電回路６を接続した充電形式は、トリクル充電形式と呼ばれる。
この二次電池の劣化抑制装置は、このような電源１における各バッテリ２が充電時に劣化することを抑制する装置であり、劣化判定のための電圧センサ７に構成されている。電圧センサ７は、各バッテリ２に個別に接続されて複数備えられる。
この劣化抑制装置を備える二次電池の劣化判定装置は、前記複数の電圧センサ７の他に、バッテリ群３毎に接続された複数の電流センサ８と、交流成分を含む計測用電流を前記バッテリ群３に印加する計測用電流印加手段９と、電圧センサ７毎に設けられ計測した交流成分の電圧の計測値を無線で送信する無線通信部２４と、前記各無線通信部２４の送信した前記計測値を受信し、この受信した計測値を用いて各バッテリ２の内部抵抗を算出し、内部抵抗から前記バッテリ２の劣化を判定するコントローラ１１とを備える。このコントローラ１１は、この例では、主コントローラ１１Ａとデータサーバ１３とで構成されている。
前記計測用電流印加手段９は、電源１のバッテリ群３に電流を印加する放電装置または充電装置からなる。計測用電流印加手段９は、バッテリ群３の正負の端子端に接続され、パルス状ないし正弦波状に変化する交流成分を有する電流、例えばリップル電流を電源１に与える。
前記個別劣化抑制装置を兼用する電圧センサ７につき、図１および図２と共に説明する。この電圧センサ７は、計測・制御部２０と、放電回路３５とを有する。前記計測・制御部２０に、バッテリ２の電圧を計測する電圧計測部２１と、計測された電圧に応じて放電回路３５を制御する放電管理部２２とが設けられ、この放電管理部２２と放電回路３５とで放電部３０が構成される。前記電圧計測部２１は、電圧センサ７を構成する部分のうちの、電圧の計測に直接に係わる部分、あるいは電圧計測に必須の部分を言い、付加的な構成を除いた部分である。なお、前記電圧計測部２１を電圧センサと称し、前記電圧センサ７をセンサユニットと称しても良い。
放電回路３５は、電流制限抵抗３６とスイッチ３７との直列回路からなり、バッテリ２に並列に接続されている。前記電流制限抵抗３６は、ブリーダ抵抗とも呼ばれる。前記スイッチ３７は、トランジスタ等の半導体スイッチング素子からなる。前記電圧計測部２１を有する前記計測・制御部２０は、劣化判定対象のバッテリ２の電力により駆動されるが、この計測・制御部２０にバッテリ２から給電する回路は、前記放電回路３５を構成する回路とケーブル３８を共有している。
前記計測・制御部２０は、具体的には図２に示すように、前記電圧計測部２１と、演算制御部２３と、無線通信部２４とで構成される。前記演算制御部２３は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置で構成される。
前記電圧計測部２１は、バッテリ２の端子間に作用する交流成分の電圧（ＡＣ電圧）を計測する機能と、直流成分の電圧（ＤＣ電圧）を計測する機能とを備え、そのＡＣ電圧を計測する機能を持つ部分を交流電圧計測部２５、ＤＣ電圧を計測する機能を持つ部分を直流電圧計測部２６として示す。交流電圧計測部２５は、バッテリ２の劣化判定のために用いられ、直流電圧計測部２６は劣化抑制および劣化判定のために用いられる。
前記演算制御部２３は、前記放電管理部２３と、制御部２７と、遅延部２８と、変換部２９とを有する。制御部２７、遅延部２８、および変換部２９は、劣化判定に用いられる手段であり、後に説明する。
放電管理部２３は、前記電圧計測部２１で計測されたバッテリ２の直流電圧をしきい値と比較して高いか否かを判定する比較部３１と、この比較部３１により高いと判定されると前記バッテリ２を放電させる放電処理部３２と、回数管理部３３とを有する。
前記回数管理部３３は、前記放電処理部３２の放電の繰り返し回数を計測し、放電回数が設定値を超えると警告手段に警告を行わせる手段である。
上記構成の劣化抑制装置による劣化抑制する動作例を、図４、図５にそれぞれ流れ図で示す。劣化判定については、後に図６〜８と共に説明する。
図４の例では、ステップＱ２が前記比較部３１を構成し、ステップＱ３〜Ｑ６が前記放電処理部３２を構成し、ステップＱ７〜Ｑ９が前記回数管理部３３を構成する。
図４においてステップＱ１では、電圧センサ７の電圧計測部２１によってバッテリ２のＤＣ電圧を計測する。前記放電管理部３１（図１，図２）の比較部３１（図２，図４）は、計測されたＤＣ電圧を、予め設定したしきい値と比較し（ステップＱ２）、計測されたＤＣ電圧がしきい値よりも低い場合は処理を終了する。前記しきい値は、例えばバッテリ２の電圧の正常範囲の上限として定められる値であり、しきい値よりも低い場合はバッテリ２が正常であると想定できるため、放電処理を行わずに終了する。
計測されたＤＣ電圧がしきい値よりも高い場合は、放電処理部３２によってスイッチ３７をＯＮとして放電を開始し（ステップＱ３）、放電処理部３２が有するタイマー（図示せず）をスタートさせる（ステップＱ４）。タイマーで経過時間をカウントし（ステップＱ５）、放電設定時間に達するとスイッチ３７をＯＦＦとして放電を停止する（ステップＱ６）。前記タイマーの放電設定時間は、放電を電圧計測のために定期的に一時的に止めるための極短時間である。
放電停止（ステップＱ６）の後、前記回数管理部３３は、放電処理部３２が有する放電回数カウンタを１だけインクリメントし（ステップＱ７）、予め設定したカウント値よりも低いか否かを判定する（ステップＱ８）。前記カウント値は、放電回数が適正範囲であるか否かを判断する回数として設定された回数であり、前記カウント値よりも低い場合は、再度、ＤＣ電圧の計測過程（ステップＱ１に戻り、しきい値との比較（ステップＱ２）を行って、前述の各過程を繰り返す。
前記ステップＱ８で、放電回数のカウント値が設定されたカウント値に達した場合は、回数管理部３３によって、表示パネルや音声発生手段等の警告手段に警告を行わせる（ステップＱ９）。
以上の処理を、電源１の直列接続された全てのバッテリ２について個々に行う。
図５は、放電管理部３１（図１，図２）による他の処理例を示す。同図の例では、ステップＲ２〜Ｒ４が前記比較部３１を構成し、ステップＲ５〜Ｑ８が前記放電処理部３２を構成し、ステップＲ９〜Ｑ１１が前記回数管理部３３を構成する。
図５の例は、比較部３１による処理だけが図４の例とは異なっていて、他の処理は図４の例と同様であるため、異なる箇所のみを説明する。図５の例では、電圧センサ７の電圧計測部２１によるバッテリ２のＤＣ電圧の計測の後、直列接続された全バッテリ２のＤＣ電圧を計測したか否かを判定し（ステップＲ２）、全数に達しない場合は計測過程（ステップＲ２）に戻って残りのバッテリ２の計測を行う。なお、どのバッテリ２を計測したかについては、例えばバッテリ２毎に設けたフラグ等で管理しておく。また、計測した各バッテリ２のＱＤＣ電圧は所定の記憶領域に記憶しておく。
全てのバッテリ２のＤＣ電圧の計測が完了すると、これら全てのバッテリ２のＤＣ電圧の平均値を求め（ステップＲ３）、この平均値に、予め設定した加算値を加算した値をしきい値として、個々のバッテリ２の計測されたＤＣ電圧がしきい値よりも低いか否かを判定する（ステップＲ４）。しきい値よりも高いバッテリ２がある場合は、そのバッテリ２につき、図４の例と同様にスイッチ３７をＯＮとして放電を行う。前記平均値を求めるステップＲ３は、複数の電圧センサ７のいずれか一つで行ってその計算結果を各電圧センサ７が用いるようにしても良い。
なお、図４、図５の例は、いずれも放電を開始した後、バッテリ２のＤＣ電圧によって放電を終了するか否かを判断したが、放電管理部２２は、放電停止の判断をＤＣ電圧によらずに、放電開始からの設定時間後に放電を停止するようにして良い。
上記各構成の劣化抑制装置によると、いずれも、計測された電圧の高いバッテリ２につき放電させるようにしたため、直列接続された各バッテリ２の電圧を均等化させることができる。例えば、図３に電源１を簡素化して示すように、直列接続された各バッテリ２（２１〜２４）のＤＣ電圧がそれぞれＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４であって、Ｖ２だけが劣化判断の基準値（前記「しきい値」）よりも高かったとすると、バッテリ２２だけを放電させる。このように各バッテリ２の電圧を均等化させることにより、充電時等に、劣化の進んだバッテリ２２である端子間電圧の高いバッテリ２２の劣化を加速させてしまうことが防止できる。
放電を行う場合に、設定時間によって放電をＯＦＦにする構成とする場合は、タイマー等による簡易な構成で適切な放電が行える。
また、放電中に一定間隔で放電を一時的に停止させてバッテリ電圧を計測し、そのバッテリ電圧の判定結果によって放電を終了する構成の場合（図４，図５の例）は、タイマーにより放電時間を制御する場合よりも精度良くバッテリ２の放電後の電圧を得ることができる。そのため、バッテリ２の劣化防止がより一層確実となる。
図４，図５の例のように、放電中に一定間隔で放電を一時的に停止させてバッテリ電圧を計測し、放電の停止をバッテリ電圧としきい値との比較で行う場合に、同図の例のように放電回数が設定値を超えると警告手段に警告を行わせるようにしたときは、放電を行っても適切な電圧にならない異常を作業者に迅速に認識させることができ、早期の対処が可能となる。
前記放電部３０の電流制限抵抗３６およびスイッチ３７と、前記電圧計測部２１を構成する回路素子２１Ａ（図１）とは同じ回路基板７Ａに実装されていても良く、その場合、この劣化抑制装置の構成がより簡素でコンパクトに構成できる。
また、この実施形態では、放電回路３６と、電圧計測部２１におけるバッテリ２に接続される回路とがケーブル３８を共有するようにしたため、配線系が簡素になる。
図５の例のように、放電させるか否かを判定するしきい値につき、全バッテリ２のＤＣ電圧の平均値を計算し、この平均値に設定された加算値を加えて前記しきい値とする場合は、予めしきい値を定めておくよりも、より一層適正な電圧となるように放電させることができる。個々の電源１によって、適正となる電圧の範囲が僅かではあるが変わるため、予めしきい値を定めておくよりも平均値を用いる方がより適切な電圧になるように放電することでできる。これにより、劣化抑制がより一層確実となる。
また、ＤＣ電圧の平均値に設定された加算値を加えてしきい値とするため、充電中であっても、充電電流が同じとなる直列接続されたバッテリに対し、端子間電圧を監視し相対的に劣化判断することが可能である。
次に、この劣化抑制装置を用いた二次電池の劣化判定装置の全体につき、図６〜図８と共に説明する。なお、この明細書で既に述べた事項については説明を省略する。
図６に示すように、前記コントローラ１１は、この実施形態では主コントローラ１１Ａに、通信網１２を介してデータサーバ１３およびモニタ１４を接続してなる。通信網１２は、無線ＬＡＮなどのＬＡＮからなり、ハブ１２ａを有している。通信網１２は広域通信網であっても良い。データサーバ１３は、前記通信網１２や他の通信網により、遠隔地のパーソナルコンピュータ（図示せず）等と通信可能であり、どこからでもデータ監視することができる。通信網１２を介する主コントローラ１１Ａとデータサーバ１３との間の通信は、ハンドシェイクによって確実な通信を行うようにすることが好ましい。
図７において、主コントローラ１１Ａは、各無線通信部２４から送信された電圧センサ７の計測値を受信する受信部１１ａと、受信部１１ａで受信した計測値を通信網１２へ転送する転送部１１ｂと、各電圧センサ７の無線通信部２４に無線で送信開始等のコマンドを送信するコマンド送信部１１ｃと、待機部１１ｄと、電流印加制御部１１ｅとを有している。電流印加制御部１１ｅは、計測用電流印加手段９（図６）を制御する。コマンド送信部１１ｃおよび受信部１１ａの無線送受は、アンテナ１９を介して行われる。
図６に示すように、各電流センサ８は、主コントローラ１１Ａに配線で接続され、その電流の計測値は図７の前記転送部１１ｄから電圧計測値と共に転送される。
前記主コントローラ１１Ａの前記コマンド送信部１１ｃは、自己でコマンドを生成しても良いが、この実施形態では、データサーバ１３から送信された計測開始コマンドに応答して各電圧センサ７の無線通信部２４へ前記計測開始コマンドを転送する。
なお、主コントローラ１１Ａまたは電流センサ８に、この電流センサ８の計測値を実効値または平均値に換算する換算部（図示せず）が設けられている。
データサーバ１３は、内部抵抗計算部１３ａと判定部１３ｂとを有する。内部抵抗計算部１３ａは、主コントローラ１１Ａから送信されて受信した交流電圧値（実行値または平均値）と、直流電圧値（セル電圧）と、計測温度と、電流値（実行値または平均値）とを用い、定められた計算式に従ってバッテリ２の内部抵抗を算出する。計測温度は、温度補正に用いられる。
判定部１３ｂは、しきい値が設定され、算出された内部抵抗がしきい値以上であると劣化と判定する。前記しきい値は、複数、例えば２〜３段階に設けられ、複数段階の劣化判定を行う。
判定部１３ｂは、判定結果を、前記通信網１２を介して、または専用の配線を介してモニタ１４に表示させる機能を有する。
データサーバ１３は、この他に、主コントローラ１１Ａへ計測開始コマンドおよび計測終了コマンドを送信するコマンド送信部１３ｃと、主コントローラ１１Ａから送信された電圧計測値などのデータを格納するデータ格納部１３ｄとを有している。
なお、上記構成において、主コントローラ１１Ａと計測用電流印加手段９とは、同一ケースに入れた一体のコントローラとして構成しても良い。また、コントローラ１１は、この実施形態では主コントローラ１１Ａとデータサーバ１３とで構成したが、これら主コントローラ１１Ａとデータサーバ１３とは、同一ケースに入った一つのコントローラ１１として構成しても良く、また一つの基板等で構成される一つの情報処理装置に、主コントローラ１１Ａとデータサーバ１３との区別なく構成されていても良い。
次にこの二次電池の劣化判定装置の動作を図８と共に説明する。データサーバ１３は、コマンド送信部１１ｃ（図７）から計測開始コマンドを送信する（ステップＳ１）。主コントローラ１１Ａは、データサーバ１３から計測開始コマンド受信し（ステップＳ２）、各電圧センサ７の無線通信部２４、および各電流センサ８へ計測開始コマンドを送信する（ステップＳ３）。
この送信以降の処理と並行して、待機部１１ｄにより待機時間の終了判定（ステップＳ２０）および待機時間のカウント（ステップＳ２２）を行う。設定された待機時間が終了すると、計測用電流印加装置９により電流の印加を行う（ステップＳ２１）。この電流の印加は、計測用電流印加装置９が放電装置であれば放電の開始、充電装置であれば充電の開始を行う。
ステップＳ３で送信された計測開始コマンドは、全数の電圧センサ７が受信し（ステップＳ４）、各電圧センサ７は、自己の計測遅延時間の終了を待って（ステップＳ５）、バッテリ２のＤＣ電圧（端子間電圧）を計測する（ステップＳ６）。この後、電圧センサ７は、待機時間の終了を待って（ステップＳ７）、バッテリ２のＡＣ電圧を計測する（ステップＳ８）。ＡＣ電圧の計測については、直接の計測値を実効電圧または平均電圧に換算し、その換算値を計測値として出力する。
計測したＤＣ電圧およびＡＣ電圧は、無線通信部２４により無線で送信し（ステップＳ９）、コントローラ１１の主コントローラ１１Ａが無線で受信する（ステップＳ１０）。主コントローラ１１Ａは、受信したＤＣ電圧およびＡＣ電圧を、電流センサ８の計測値と共に、データサーバ１３へＬＡＮ等の通信網１２で送信する（ステップＳ１１）。データサーバ１３は、順に送信される各電圧センサ７等のセンサのデータを受信してデータ格納部１３ｄに格納する（ステップＳ）。前記無線送信のステップＳ９からデータサーバ１３によるデータ格納までは、全電圧センサ７のデータの受信および格納が終了するまで行う。
この受信および格納の終了（ステップＳ１２）の後、その終了信号のデータサーバ１３から主コントローラ１１Ａへの送信、および主コントローラ１１Ａの電流印加制御信号の出力によって、前記計測用電流印加装置９の電流印加をオフにし（ステップＳ１６）、データサーバ１３では内部抵抗演算部１３ａで各バッテリ２の内部抵抗を演算する（ステップＳ１３）。
データサーバ１３の判定部１３ｂは、演算された内部抵抗を、適宜定められた第１しきい値と比較し（ステップＳ１４）、第１しきい値よりも小さい場合は、バッテリ２が正常であると判定する（ステップＳ１５）。第１しきい値よりも小さくない場合は、さらに第２しきい値と比較し（ステップＳ７）、第２しきい値より小さい場合、注意を喚起する警報である警告を出力する（ステップＳ１８）。第２しきい値よりも小さくない場合は、警告よりも強い知らせである警報を出力する（ステップＳ１９）。前記警報および警告は、モニタ１４（図６）で表示する。正常な場合は、モニタ１４に正常である旨を表示しても、また特に表示しなくても良い。前記モニタ１４による警報および警告の表示は、例えば定められたアイコン等のマークにより行っても、所定部位の点灯等で行っても良い。このようにして、非常用の伝言１の全てのバッテリ２の劣化判定を行う。
この構成の劣化判定装置によると、上記のように、バッテリ２に交流成分を与えてその交流成分の電圧を電圧センサ７で計測する。この計測値を用いて各バッテリ２の内部抵抗を算出し、内部抵抗から前記バッテリ２の劣化を判定する。このため、精度良く劣化を判定することができる。バッテリ２の内部抵抗は、バッテリ２の容量、つまり劣化の程度と密接な関係があり、内部抵抗が分かれば、バッテリ２の劣化を精度良く判定できる。また、劣化判定対象の電源１の全体ではなく、個々のバッテリ２の劣化を判定するが、交流成分を含む計測用電流を生じさせ、バッテリ２の内部抵抗を計測して劣化判定する構成であるため、比較的に簡易な構成で計測できる。
この実施形態では、前記電圧センサ７は、無線通信によりデータの受け取り受け渡しをする構成であるため、数十から数百個のバッテリ２を備える非常用の電源１であっても、各バッテリ２につき、電気的に基準電位（グランドレベル）を気にする必要がない。そのため、差動演算や絶縁トランスの必要がない。また、複数ある個々の電圧センサ７の計測値を無線で送信するため、複雑な配線の必要がない。その反面、無線通信のために電圧センサ７における電力消費が多くなり、判定対象のバッテリ２の電力を電圧センサ７の駆動に用いる構成では、電力消費の問題がより一層大きくなる。そのため、この実施形態における電力供給を設定時間だけ遮断する時間管理電源制御部３１を設けたことによる電力消費の節減効果がより一層効果的となる。
また、この実施形態では、各電圧センサ７の計測した前記計測値を、実効値または平均値に変換して送信する場合、電圧波形の信号を送る場合に比べて飛躍的に送信データ量が少なくて済む。バッテリ２の内部抵抗の算出は実効値または平均値で精度良く行える。このような変換部２９を有する場合も、この変換部２９を構成するＩＣ（例えばＣＰＵ）の電力消費が問題となり、この実施形態における電力供給を設定時間だけ遮断する時間管理電源制御部３１を設けたことによる電力消費の節減効果が効果的となる。
前記電圧センサ７の制御は、上記のように計測開始コマンドおよび前記計測完了コマンドを用いて行うようにしたため、多数ある各電圧センサ７による電圧計測を適切なタイミング行うことができる。
また、バッテリ２の内部抵抗を求めるにつき、電圧の計測だけであっても、電流を一定値に仮定することなどで、算出が可能ではあるが、バッテリ２に実際に流れる電流を計測し、電圧と電流との両方を求めることで、内部抵抗をより一層精度良く算出することができる。直列に並んだ各バッテリに流れる電流は同じであるため、電流センサ８はバッテリ群３毎に１つ設けられていれば足りる。電流センサ８はバッテリ２毎ではなくバッテリ群３毎に設けられるため、個数が少なく、有線であっても配線上の支障はない。
この二次電池の劣化判定装置によると、さらに次の作用効果が得られる。
前記コントローラ１１は、前記各電圧センサ７の各無線通信部２４に計測開始コマンドを送信し、このコマンドによって電圧センサ２の計測を開始させるため、多数存在する各電圧センサ２の計測開始タイミングを整えることができる。
この場合に、前記コントローラ１１は、前記各電圧センサ７に計測開始コマンドを同時にシリアル伝送またはパラレル伝送で送信し、各電圧センサ７は、計測開始遅延時間経過後に同時に計測を行う。計測終了後、前記コントローラ１１は、順に前記各電圧センサ７にデータ送信の要求コマンドを送信し、コマンドを受けた電圧センサ７がデータを送信し、以上を繰り返すことで、データ通信を行ってもよい。この発明において、前記コントローラ１１は、データ送信要求コマンドの送信から一定時間後に、データ受信できなかった前記電圧センサ７に対し再送信要求を行うようにして良い。
別の例として、各電圧センサ７毎に定められた計測開始遅延時間だけ経過後に計測を行うようにする場合、各無線通信部２４へ同時に計測開始コマンドを送信しても、多数ある各電圧センサ７の計測を、無線送受に支障がないように順に行い、送信することができる。例えば、送信開始コマンドはグローバルコマンドであり、電圧センサ７は同時に取得する。
前記コントローラ１１は、前記計測開始コマンドの送信から一定時間後に、データ受信できなかった前記電圧センサ７に対し再送信要求を行う。何らかの一時的な送信の障害等により、一部の電圧センサ７の無線通信部２４で計測開始コマンドを受信できない場合がある。そのような場合でも、前記再送信要求を行うことで、電圧を計測して送信でき、電源の全てのバッテリ２の電圧計測値を得ることができる。計測開始コマンドを受信できたか否かは、コントローラ１１側で、電圧の計測値が受信されたか否かを判断することで行えば良い。
コントローラ１１は、前記のように計測開始コマンドを同時に送信するのではなく前記各電圧センサ７の無線通信部２４に個別にデータ要求コマンドを送信し、順にデータを受信するようにしても良い。この構成の場合、電圧センサ７側に遅延部７ｂｂが不要となり、電圧センサ７側の構成が簡素化される。
前記コントローラ１１は、算出した前記内部抵抗の大きさに応じて複数段階の警報を出力するため、バッテリ交換の必要性の緊急度がわかり、無駄なバッテリ交換を行うことなく、保守の計画や準備が円滑かつ迅速に行える。
なお、上記実施形態では、電源１が非常用電源であって、トリクル充電を行う場合につき説明したが、フロート充電の形式が採られる電源であっても良い。また、非常用電源に限らず、二次電池であるバッテリ２を複数個直列に接続した電源一般に、この発明の二次電池の劣化抑制装置を適用することができる。
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示し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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許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…電源
２…バッテリ
３…バッテリ群
４…負荷
５…主電源
５Ａ，５Ｂ…端子
６…充電回路
７…電圧センサ（個別劣化抑制装置）
７Ａ…回路基板
８…電流センサ
９…計測用電流印加装置
１１…コントローラ
１１Ａ…主コントローラ
１１ａ…受信部
１１ｂ…転送部
１１ｃ…コマンド送信部
１１ｄ…待機部
１１ｅ…電流印加制御部
１２…通信網
１３…データサーバ
１３ａ…内部抵抗計算部
１３ｂ…判定部
１４…モニタ
１５…ダイオード
２０…計測・制御部
２１…電圧計測部
２１Ａ…回路素子
２２…放電管理部
２３…演算制御部
２４…無線通信部
２５…交流電圧計測部
２６…直流電圧計測部
２７…制御部
２８…遅延部
２９…変換部
３０…放電部
３１…比較部
３２…放電処理部
３３…回数管理部
３３ａ…主電源スイッチ
３５…放電回路
３６…電流制限抵抗
３７…スイッチ
３８…ケーブル

Claims (11)

  1. それぞれ二次電池である複数のバッテリが直列に接続された電源の前記バッテリの劣化を抑制する二次電池の劣化抑制装置であって、各バッテリに接続される複数の個別劣化抑制装置を備え、
    各個別劣化抑制装置は、前記バッテリの端子間の直流電圧を計測する電圧計測部と、この電圧計測部で計測された電圧をしきい値と比較して高いか否かを判定する比較部と、前記比較部により高いと判定されると前記バッテリを放電させる放電部とを備える二次電池の劣化抑制装置。
  2. 請求項１に記載の二次電池の劣化抑制装置において、前記放電部は、前記バッテリと並列に接続されて電流制限抵抗とスイッチとの直列回路からなる放電回路と、この放電回路を制御する放電管理部とでなり、この放電管理部は、前記比較部と、この比較部により高いと判定されると前記スイッチをＯＮにし、設定時間後に前記スイッチをＯＦＦにする放電処理部とを有する二次電池の劣化抑制装置。
  3. 請求項１に記載の二次電池の劣化抑制装置において、前記放電部は、前記バッテリと並列に接続されて電流制限抵抗とスイッチとの直列回路からなる放電回路と、この放電回路を制御する放電管理部とでなり、
    この放電管理部は、前記比較部により高いと判定されると、前記スイッチをＯＮとして
    前記バッテリと電流制限抵抗とを接続し、このスイッチをＯＮとする間に一定間隔で一時的に前記スイッチをＯＦＦにして、前記電圧計測部による電圧計測および前記比較部による比較を再度行わせ、前記比較部で低いと判定されると前記スイッチのＯＦＦ状態を維持し、前記比較部で高いと判定されると、再度、前記スイッチをＯＮとして前記一定間隔の一時的なＯＦＦ、電圧計測、比較の過程を繰り返す放電処理部を有する二次電池の劣化抑制装置。
  4. 請求項３に記載の二次電池の劣化抑制装置において、前記放電処理部の前記繰り返しの過程により前記スイッチをＯＮとする放電の回数を計測し、放電回数が設定値に達すると警告手段に警告を行わせる回数管理部を有する二次電池の劣化抑制装置。
  5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の二次電池の劣化抑制装置において、前記放電部は、前記バッテリと並列に接続された電流制限抵抗とスイッチとの直列回路からなる放電回路を有し、前記電流制限抵抗とスイッチとは、前記電圧計測部と同一の回路基板上に実装されている二次電池の劣化抑制装置。
  6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の二次電池の劣化抑制装置において、前記放電部は、前記バッテリと並列に接続された電流制限抵抗とスイッチとの直列回路からなる放電回路を有し、この放電回路と前記電圧計測部の前記バッテリに接続される回路とはケーブルを共有する二次電池の劣化抑制装置。
  7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の二次電池の劣化抑制装置において、前記電圧計測部は、前記バッテリの端子間に印加された交流成分の電圧を計測する機能を有する構成である二次電池の劣化抑制装置。
  8. 請求項７に記載の二次電池の劣化抑制装置において、前記電圧計測部で計測された前記交流成分の電圧を無線で送信する無線通信部を有する二次電池の劣化抑制装置。
  9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の二次電池の劣化抑制装置において、前記比較部は、前記各個別劣化抑制装置の前記電圧計測部で計測した全バッテリの直流電圧の平均値を計算し、この平均値に設定された加算値を加えて前記しきい値とする二次電池の並設型劣化抑制装置。
  10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の二次電池の劣化抑制装置において、前記複数のバッテリが直列に接続されたバッテリ群に交流成分を有する電流を印加する計測用電流印加手段と、前記電圧計測部で計測された前記交流成分の電圧から前記バッテリの内部抵抗演算する内部抵抗演算部と、この内部抵抗演算部で演算された内部抵抗から前記バッテリの劣化を判定する判定部とを備える二次電池の並設型劣化抑制装置。
  11. 二次電池であるバッテリの劣化を抑制する二次電池の個別劣化抑制装置であって、
    前記バッテリの端子間の直流電圧を計測する電圧計測部と、この電圧計測部で計測された電圧をしきい値と比較して高いか否かを判定する比較部と、前記比較部により高いと判定されると前記バッテリを放電させる放電部とを備え、
    前記放電部は、前記バッテリと並列に接続された電流制限抵抗とスイッチとの直列回路からなる放電回路と、この放電回路を制御する放電管理部とでなり、この放電管理部は、前記比較部と、この比較部により高いと判定されると前記スイッチをＯＮにして放電させ、定められた放電の条件が充足すると放電の処理を停止する放電処理部とを有する二次電池の個別劣化抑制装置。
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