JP2018048893A - 二次電池の劣化判定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】非常電源等における各バッテリの劣化を精度良く判定することができ、かつ無線部の個数が少なくて済み、電源系も簡単な構成とできる装置を提供する。【解決手段】バッテリ２の直列接続体であるバッテリ群３が複数並列に接続された電源における各バッテリ２の劣化を判定する。バッテリ群３の複数のバッテリ２の端子間電圧を個別に検出部７ａで検出しその検出された信号から交流成分を演算し、演算結果を計測値として一つの無線部で送信する複数の電圧センサユニット７を備える。交流成分を含む計測用電流をバッテリ群３に印加する計測用電流印加装置と、各電圧センサユニット７の送信した計測値を受信し、その計測値を用いて各バッテリ２の内部抵抗を算出し、バッテリ２の劣化を判定するコントローラを備える。電圧センサユニット７は、検出部７ａに接続されたバッテリ２から駆動電力を得る電源部７ｈを有する。【選択図】図２

Description

この発明は、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等に用いられる二次電池の劣化を判定する劣化判定装置に関する。
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。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端子法バッテリー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
"内部抵抗計測器・バッテリーテスタ IW7807 東京デバイセズ"、[online]、東京デバイセズ［平成２８年５月３０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｔｏｋｙｏｄｅｖｉｃｅｓ. ｊｐ／ｉｔｅｍｓ／３７＞
従来の前記ハンディチェッカー（非特許文献１）は、バッテリが何十、何百と接続された非常用電源では、計測箇所が多くなり過ぎ、実現性がない。
特許文献１，２の技術は、いずれも、バッテリからなる電源の全体を計測するものであり、個々のバッテリ、つまり個々のセルの計測を行うものではない。そのため、劣化判定の精度が低く、また劣化した個々のバッテリを特定することができない。
特許文献３の技術は、直列接続された個々のセルの内部抵抗を計測することでは、劣化判定の精度向上、および劣化した個々のバッテリを特定する技術に繋がる。
しかし、各電圧センサの基準電位（グランドレベル）は、各セルのマイナス端子電位となる。よって、そのままでは数十〜数百個のバッテリが直接接続されたバッテリ群の各バッテリの基準電位が全て異なる。この基準電位の相違への対処は、同文献には開示されていない。一般的には、個々のセルの電位を取得するためには、差動演算で電位差を検出するか、絶縁トランスを使用する必要があり、複雑で高価な構成となる。
これらの課題を解消するものとして、図１３、図１４に示す二次電池の劣化判定装置を先に提案した（特願２０１６−０３２９４５号）。これは、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が複数並列に接続された電源１における前記各バッテリ２の劣化を判定する二次電池の劣化判定装置であって、前記各バッテリ２に個別に接続された複数の電圧センサユニット７と、交流成分を含む計測用電流を前記バッテリ群３毎に印加する計測用電流印加装置９と、前記各電圧センサユニット７に設けられ計測された交流成分の電圧の計測値を無線で送信するセンサ毎無線通信手段１０Ａと、前記各電圧センサ毎無線通信手段１０Ａ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。
なお、同図において、後述の実施形態と対応する部分は、同一の符号を付してある。
この構成によると、電圧センサユニット７の検出部７ａの計測値を無線でコントローラ１１に送信する。このように無線で送信するため、バッテリ群３を構成する直列に接続されたバッテリ２が複数であっても、例えば数十〜数百であっても、個々の検出部７ａの基準電位（グランドレベル）がいずれも共通化でき、基準電位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、複数ある個々の検出部７ａ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。これらにより、簡単で安価な構成とできる。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の劣化を判定するため、バッテリ２の劣化を精度良く判定することができる。
しかし、個々のバッテリ２毎に設けられる検出部７ａ毎に電圧センサユニット７を構成してセンサ毎無線通信手段１０Ａを設けているため、センサ毎無線通信手段１０Ａの個数が多くて、構成が複雑であり、高価となる。センサ毎無線通信手段１０Ａは無線通信を行う高価な部品であるため、これを多数設けると、劣化判定装置の全体が高価となる。
また、上記提案例において、検出部７ａはバッテリ２の端子間電圧を測定するため、ケーブルで端子と接続するが、同時に電圧センサユニット７の駆動電源をバッテリ２から得る。一般的にバッテリには２Ｖ、６Ｖ、１２Ｖ等があるが、施設の補助電源等で容量が必要な場合は２Ｖバッテリが使用されている。
しかし、電圧センサユニット７内の演算部等の回路の駆動電源は３．３Ｖまたは５Ｖであり、２Ｖバッテリの場合は昇圧する必要がある。そのため、２Ｖバッテリ用に昇圧回路を設けたタイプ、６Ｖ、１２Ｖ用に降圧回路を設けたタイプ、または全て対応できるように電源部７ｈに昇降圧回路を設ける必要がある。この場合に、特に昇圧回路は変圧トランス等が必要な複雑な構成のために高価であり、また電圧センサユニット７は多数必要であるため、これによっても劣化判定装置の全体が高価になる。
この発明の目的は、バッテリの直列接続体からなるバッテリ群が複数並列に接続された電源における前記各バッテリの劣化を精度良く判定することができ、かつ無線部の個数が少なくて済み、また２Ｖバッテリの場合にも昇圧回路が不要で、簡素で安価に製造可能な二次電池の劣化判定装置を提供することである。
この発明の二次電池の劣化判定装置は、それぞれ二次電池である複数のバッテリ２が直列接続されたバッテリ群３が複数並列に接続された電源１における前記各バッテリ２の劣化を判定する二次電池の劣化判定装置であって、
前記バッテリ群３の内の連続して直列接続されている複数のバッテリ２の端子間電圧を個別に検出する複数の検出部７ａ、これらの検出部７ａにより検出された信号から交流成分を演算する演算部７ｂ、およびこの演算部７ｂの演算結果を送信する無線部１０を有する複数の電圧センサユニット７と、
前記バッテリ群３の電流を検出する電流センサ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装置９と、
前記各電圧センサユニット７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、
前記電圧センサユニット７は、前記検出部７ａに接続されたバッテリ２から駆動電力を得る電源部７ｈを有する。
なお、この明細書で言う交流成分は、電圧の大きさが繰り返し変化する成分であり、電圧の向きが常に一定であっても良く、例えばリップル電流やパルス電流であっても良い。前記「バッテリ」は、複数のセルが直列接続されたものであっても、セル単独であっても良い。また、前記「コントローラ」は、単体に限らず、例えば前記計測値を受信する手段を備えた主コントローラ１１Ａと、この主コントローラ１１ＡにＬＡＮ等の通信手段１２を介して接続されて前記各バッテリ２の内部抵抗を算出するデータサーバ１３等の情報処理装置とに分かれていても良い。
この構成によると、各電圧センサユニット７の各検出部７ａにより個々のバッテリ２の電圧を検出し、検出された信号から交流成分を演算部７ｂで演算し、演算結果を無線部１０により計測値としてコントローラ１１に送信する。バッテリ群３を構成する直列に接続されたバッテリ２が複数であっても、例えば数十〜数百であっても、無線で送信するため、個々の電圧センサ等からなる検出部７ａの基準電位（グランドレベル）がいずれも共通化でき、基準電位を気にする必要がない。そのため、基準電位を考慮するための差動演算や絶縁トランスの必要がない。
また、多数のバッテリ２についての計測値を無線で送信するため、複雑な配線の必要がなくて構成が簡素化され、安価に製造できる。この場合に、複数のバッテリ２についての個々の計測値を一つの無線部１０で送信するため、無線部１０の個数が少なくできて、劣化判定装置の全体の構成がより簡素化され、安価に製造できる。
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の劣化を判定するようにし、その判定については、交流成分を含む計測用電流を印加し、送信した前記電圧の計測値と前記電流センサ８の計測値と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。そのため、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。
さらに、前記電圧センサユニットは、前記検出部７ａに接続されたバッテリ２から駆動電力を電源部１０ｈにより得るが、複数のバッテリ２に接続されるため、個々のバッテリ２が２Ｖバッテリ等の低電圧のバッテリであっても、この電圧センサユニット７に接続された個数のバッテリ２の直列接続分の合計電圧を駆動電圧として得ることができる。そのため、一つのバッテリ２の電圧よりも高い駆動電力で動作する演算部や無線部を有する構成であっても、高価な部品である昇圧回路が不要であり、多数設けられる各電圧センサユニット７の構成が簡素化される。これによっても安価に製造することができる。
この発明において、前記電源部７ｈは、前記連続して直列接続された複数のバッテリ２の最低電位と最大電位から駆動電力を得るようにしても良い。
この構成の場合、前記直列接続された複数のバッテリ２の最低電位と最大電位から、この接続された個数のバッテリ２の直列接続分の合計電圧を駆動電圧として得ることができる。そのため、一つのバッテリ２の電圧よりも高い電圧で動作する演算部７ｂや無線部１０を有する構成であっても、高価な部品である昇圧回路が不要であり、前記電源部７ｈに必要に応じて降圧回路を設けるだけで、個々のバッテリ２が２Ｖバッテリ等の低電圧のバッテリであっても、前記演算部７ｂや無線部１０の駆動電圧に応じた電圧を印加することができる。降圧回路は抵抗等の簡単な回路素子で構成することができる。なお、この構成は、前記複数の検出部７ａと演算部７ｂとが一つのチップまたは一つの回路基板上に一体化された構成である場合に適用することが好ましい。
この発明において、前記電源部７ｈは、前記連続して直列接続された複数のバッテリ２にそれぞれスイッチ７ｓを介して接続され、これらのバッテリ２から前記スイッチ７ｓを切替えて選択的に前記駆動電力を得るようにされていても良い。
この構成の場合、前記スイッチ７ｓの切替えにより、前記電源部７ｈへの供給電圧を選択することができる。前記スイッチ７ｓは、例えば手動のスイッチで良く、接続されるバッテリ２の電圧が予め分かっている場合に、その電圧に応じて前記スイッチを切替えておいて劣化検出の運用をすれば良い。
この発明において、前記電源部７ｈは、前記連続して直列接続された複数のバッテリ２における個々の高電位側の電極に前記バッテリ２側から前記電源部７ｈ側への流れのみ許容するダイオード７ｔを介して接続され、かつ前記連続して直列接続された複数のバッテリ２における最低電位の電極が接続されていても良い。
このようにダイオード７ｔを用いた構成であれば、受動的に、直列接続されたバッテリ２の最大電圧を得ることが出来る。
この構成の場合に、前記各ダイオード７ｔと前記電源部７ｈとの間にスイッチ７ｓが接続され、前記電源部７ｈは接続される電圧を前記スイッチ７ｓにより切替え可能であっても良い。
各ダイオード７ｔと直列にスイッチ７ｓが接続されていると、先ず接続されたバッテリ２の最大電圧を得た後、前記電源部７ｈに設けられた制御部７ｕ等で高電位側の接続を切り、効率のよい電圧（例えば、回路を駆動する電圧よりやや高い）に切替えることができる。前記スイッチ７ｓは、ＦＥＴ等の半導体スイッチやリレー等であって、操作信号によって切替え可能な構成のものであることが好ましい。
この発明の二次電池の劣化判定装置は、それぞれ二次電池である複数のバッテリが直列接続されたバッテリ群が複数並列に接続された電源における前記各バッテリの劣化を判定する二次電池の劣化判定装置であって、前記バッテリ群の内の連続して直列接続されている複数のバッテリの端子間電圧を個別に検出する複数の検出部、これらの検出部により検出された信号から交流成分を演算する演算部、およびこの演算部の演算結果を送信する無線部を有する複数の電圧センサユニットと、前記バッテリ群の電流を検出する電流センサと、交流成分を含む計測用電流を前記バッテリ群に印加する計測用電流印加装置と、前記各電圧センサユニット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の内部抵抗を算出し、内部抵抗から前記バッテリの劣化を判定するコントローラとを備え、前記電圧センサユニットは、前記検出部に接続されたバッテリから駆動電力を得る電源部を有するため、前記電源における前記各バッテリの劣化を精度良く判定することができ、かつ無線部の個数が少なくて済み、また２Ｖバッテリ等の低電圧バッテリの場合にも昇圧回路が不要で、簡素で安価に製造可能となる。
この発明の第１の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。 同劣化判定装置における電圧センサユニットとバッテリとの接続形態の例を示すブロック図である。 同劣化判定装置における電圧センサユニットの概念構成の一例を示すブロック図である。 同劣化判定装置における電圧センサユニットの概念構成の他の例を示すブロック図である。 同劣化判定装置における電圧センサユニットの概念構成およびその電源部とバッテリとの接続形態の変形例を示すブロック図である。 同劣化判定装置における電圧センサユニットの概念構成およびその電源部とバッテリとの接続形態の他の変形例を示すブロック図である。 図６の電圧センサユニットにおいて、接続するバッテリの個数を減らした状態を示すブロック図である。 同劣化判定装置における電圧センサユニットの概念構成およびその電源部とバッテリとの接続形態のさらに他の変形例を示すブロック図である。 同二次電池の劣化判定装置における電圧センサユニットとコントローラの概念構成を示すブロック図である。 同二次電池の劣化判定装置の動作例を示す流れ図である。 この発明の他の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。 参考提案例に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。 同参考提案例に係る劣化判定装置における電圧センサユニットのブロック図である。
この発明の第１の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置を、図１〜図３、および図９〜図１０と共に説明する。図１において、劣化判定対象の電源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、互いに同じ電圧であり、また例えば２Ｖ，６Ｖ、または１２Ｖのいずれかの端子間電圧のものである。
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判定装置は、このような電源１における各バッテリ２の劣化を判定する装置である。この二次電池の劣化判定装置は、前記バッテリ群３の内の複数のバッテリ２の端子間電圧を個別に検出部７ａで検出しその検出された信号から交流成分を個別に演算し、演算結果を計測値として一つの無線部１０で送信する複数の電圧センサユニット７と、個々のバッテリ群３の電流を検出する電流センサ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装置９と、前記各電圧センサユニット７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。
前記電圧センサユニット７は、この実施形態では、図３に示すように、前記バッテリ２の端子間電圧の個別の検出を行う複数の検出部７ａと、これら各検出部７ａで検出された信号から前記交流成分の個別の演算を行う複数の演算部７ｂとを有する。電圧センサユニット７前記検出部７ａは、具体例を説明すると、前記電圧の検出値として交流電圧のアナログの検出値として出力する電圧センサまたは差動演算素子であり、前記演算部７ｂはアナログ信号の検出値を、ディジタル信号による実効値または平均値に変換する。検出部７ａは、この他に直流電圧を検出する機能を有し、直流成分の検出値は、前記演算部７ｂを介してまたは直接に前記無線部１０が送信する。前記複数の検出部７ａと前記複数の演算部７ｂとで、検出・演算部７ｆが構成される。前記検出部７ａの適切な個数は、バッテリ２が２Ｖ，６Ｖ，１２Ｖ等のいずれの電圧かによっても異なるが、例えば２個以上で１０個未満が好ましく、２〜８個、または４〜６個であっても良い。
前記無線部１０は、無線通信を行う機能の他に、与えられたコマンドを実行する制御機能や、コマンドに対して検出部７ａによる計測の開始を、定められた時間だけ遅延させる遅延機能等を有していても良い。この場合に、前記無線部１０は、例えば予め送信順が送信遅延時間で設定されていて、各検出部７ａの計測値を、設定された順に送信遅延時間後に順次送信するようにしても良い。前記無線部１０はアンテナ１０ａを備える。
前記検出・演算部７ｆは、例えば、一つの集積回路チップまたは一つの基板上に全ての回路素子が組み込まれたセンサアレイ（「センサモジュール」とも称す）で構成される。この検出・演算部７ｆと無線部１０と、図２に示す電源部７ｈとが同じ基板上に実装され、または同じ筐体（図示せず）内に搭載されて一体の電圧センサユニット７が構成されている。電圧センサユニット７の全体が一つの集積回路チップとして構成されていても良い。この一体の部品とした電圧センサユニット７の場合、取扱性や保管性に優れる。
前記電源部７ｈは、前記連続して直列接続された複数のバッテリ２の最低電位と最大電位から駆動電力を得るように構成されている。具体的には、前記電圧センサユニット７は、個々のバッテリ２に接続する端子を有するが、このうち、バッテリ２の最低電位と最大電位の電極７ｈＬ，７ｈＨに電源部７ｈが導電路（図２中に太線で示す）で接続されている。
前記電源部７ｈは、この実施形態では降圧回路からなり、その降圧後の電圧が、前記センサアレイ等からなる検出・演算部７ｆの回路電源端子に接続されている。前記降圧回路は、例えばレギュレータや分圧抵抗等からなる。
上記のような無線部１０を共有した構成において、複数の検出部７ａおよび演算部７ｂがセンサアレイあるいはセンサモジュールとして一体化された構造であれば、複数のバッテリ２を直列接続した電圧を使用することができ、昇圧回路が不要になる。降圧回路は必要な場合があるが、降圧回路であれば昇圧回路とは異なり、変圧トランス等の複雑な構成は不要であり、レギュレータや分圧抵抗等の簡単な構成で済む。
なお、電圧センサユニット７は、この他に、バッテリ２の周囲の温度やバッテリの温度を計測する温度センサ（図示せず）を有していても良い。この温度センサの検出温度は、前記検出部７ａの検出信号から演算部７ｂで演算される前記実効値または平均値による電圧計測値と共に、前記無線部１０で前記コントローラ１１へ送信される。
図１において前記計測用電流印加装置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。この計測用電流印加装置９は、例えば、交流の商用電源から、交流成分を含む計測用電流を生成し前記各バッテリ群３に印加する構成、または劣化判定対象の電源１の放電を行う放電回路で構成される。前記交流の商用電源を用いる構成では、前記計測用電流印加手段９は、より具体的には、前記交流の商用電源の電圧が前記非常用の電源１の電圧に適するように電圧変換するトランス（図示せず）と、このトランスで変換された電流から交流成分のみを分離して前記各バッテリ群３に印加するコンデンサ（図示せず）と、前記各バッテリ群３に印加する電流を制限する抵抗等の電流制限部（図示せず）とで構成される。前記トランスの一次回路には、商用電源を開閉する開閉スイッチ（図示せず）が設けられる。前記開閉スイッチは、コントローラ１１の後述の主コントローラ１１Ａにおける前記電流印加制御部１１ｅ（図９参照）により開閉が制御される。
放電回路とされる場合、図１２の実施形態で示すように、計測用電流印加装置９は、電流制限用抵抗２６とスイッチング素子２７の直列回路からなる放電回路で構成され、この放電回路が前記バッテリ群３と並列に接続される。スイッチング素子２７にはバイパス用のダイオード２８が設けられている。スイッチング素子２７は、コントローラ１１の前記主コントローラ１１Ａ（図９参照）における前記電流印加制御部１１ｅによって、放電回路を流れる電流がパルス状ないし正弦波状の電流となるように前記スイッチング素子２７が開閉駆動される。なおこの場合、電流印加制御部１１ｅは、パルス状ないし正弦波状の電流となるようにスイッチング素子２７を駆動する指令を与える構成とされる。
なお、図１２の実施形態における残りの構成については後に説明する。
図１において、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、この実施形態では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できる。
図９に示すように、主コントローラ１１Ａは、各無線部１０から送信された電圧センサユニット７の各検出部７ａの検出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、各電圧センサユニット７の無線部１０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、計測用電流印加装置９（図１）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。
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ユニット７の無線部１０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、検出温度と、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。検出温度は、温度補正に用いられる。前記電流値を得る各電流センサ８（図１参照）は、主コントローラ１１Ａに有線の配線で接続され、その電流の計測値は図９の前記転送部１１ｄから電圧計測値と共に転送される。
判定部１３ｂは、閾値が設定され、算出された内部抵抗が閾値以上であると劣化と判定する。前記閾値は、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と計測用電流印加装置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。
上記構成の劣化判定装置の動作を説明する。図１０はその動作の一例である。データサーバ１３は、コマンド送信部１１ｃ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）、各電圧センサユニット７の無線部１０、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（ステップＳ２０でＹＥＳ）、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、全数の電圧センサユニット７が受信し（ステップＳ４）、各電圧センサユニット７は、自己の個々の検出部７ａ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、電圧センサユニット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、無線部１０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および温度センサ（図示せず）の検出値と共に、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Ｓ１２）。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（ステップＳ１４でＹＥＳ）、バッテリ２が正常であると判定する（ステップＳ１５）。演算された内部抵抗が第１しきい値よりも小さくない場合は（ステップＳ１４でＮＯ）、さらに演算された内部抵抗を第２しきい値と比較し（ステップＳ７）、演算された内部抵抗が第２しきい値より小さい場合には（ステップＳ７でＹＥＳ）、注意を喚起する警報である警告を出力する（ステップＳ１８）。演算された内部抵抗が第２しきい値よりも小さくない場合は（ステップＳ１７でＮＯ）、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１）で表示する。ステップＳ１５にて正常であると判定された場合には、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、非常用の電源１の全てのバッテリ２の劣化判定を行う。
この二次電池の劣化判定装置によると、このように、各電圧センサユニット７は、無線通信によりディジタル信号でデータの受け取り、受け渡しをするため、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、複数ある個々の検出部７ａ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。これらにより、簡単で安価な構成とできる。
この場合に、複数のバッテリ２についての個々の計測値を一つの無線部１０で送信するため、無線部１０の個数が少なくできて、劣化判定装置の全体の構成がより簡素化され、安価に製造できる。
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の劣化を判定するようにし、またその判定については、交流成分を含む計測用電流を印加し、各無線部１０の送信した前記計測値を用いて各バッテリ２の内部抵抗を演算し、内部抵抗から前記バッテリ２の劣化を判定するため、精度良く劣化判定をすることができる。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２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、各検出部７ａの計測した前記計測値を、ディジタル信号で表される実効値または平均値に変換し、送信するため、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。
バッテリ２の内部抵抗の算出については、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２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つ設ければ足りる。
各電圧センサユニット７の電源については、図２のように前記検出部７ａに接続されたバッテリ２から駆動電力を電源部７ｈにより得るが、直列接続された複数のバッテリ２のうち、その最低電位と最大電位から駆動電圧を得るため、個々のバッテリ２が２Ｖバッテリ等の低電圧のバッテリであっても、この電圧センサユニット７に接続された個数のバッテリ２の直列接続分の合計電圧を駆動電圧として得ることができる。そのため、一つのバッテリ２の電圧よりも高い駆動電力で動作する演算部７ｂや無線部１０を有する構成であっても、高価な部品である昇圧回路が不要であり、多数設けられる電圧センサユニット７に電源系が簡素化されるため、これによっても安価に製造することができる。
前記コントローラ１１は、前記電圧センサユニット７の無線部１０に計測開始コマンドを送信し、このコマンドによって各検出部７ａの計測を開始させるため、多数存在する各検出部７ａ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、前記各電圧センサユニット７に個々の検出部７ａの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、各検出部７ａ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ユニット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ユニット７がコマンドに対応する検出部７ａの演算部７ｂによる演算後のデータを送信し、以上を繰り返すことで、データ通信を行ってもよい。この実施形態において、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ユニット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、各電圧センサユニット７の各検出部７ａ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は、各無線部１０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ユニット７の各検出部７ａによる計測を、無線送受に支障がないように順に行い、送信することかできる。例えば、送信開始コマンドはグローバルコマンドであり、電圧センサユニト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ユニット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、一部の電圧センサユニット７の無線部１０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ユニット７の無線部１０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、電圧センサユニット７側に前記遅延機能が不要となり、電圧センサユニット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。
図４，図５は、前記電圧センサユニット７の変形例を示す。この例では、前記電圧センサユニット７は、バッテリ２の端子間電圧の個別の検出を行う複数の検出部７ａと、これら各検出部７ａで検出された信号を切り替え可能に選択にして出力するデータ選択部７ｄと、このデータ選択部７ｄにより選択された信号から前記交流成分の個別の演算を行う一つの演算部７ｂとを有する構成とされている。この他に演算部７ｂにより演算された結果を記憶する記憶部７ｅを有し、各検出部７ａで検出されデータ選択部７ｄで選択されて演算部７ｂにより実行値等に変換された各バッテリ２の電圧計測値は、一旦、記憶部７ｅに記憶され、無線部１０から順次出力される。前記検出部７ａは差動演算回路からなり、これら差動演算回路からなる複数の検出部７ａにより、センサアレイあるいはセンサモジュール等からなる差動演算部７ａＡを構成している。
前記複数の検出部７ａ、データ選択部７ｄ、演算部７ｂ、記憶部７ｅ、および無線部１０は、共通の基板に実装されてセンサユニット本体７Ａ（図５）を構成し、このセンサユニット本体７Ａの電源端子（図示せず）に、電源部７ｈが接続されている。電源部７ｈは、劣化検出対象の連続して直列接続された複数のバッテリ２に、それぞれスイッチ７ｓを介して接続され、これらのバッテリ２から前記スイッチ７ｓを切替えて選択的に駆動電力を得るようにされている。前記スイッチ７ｓは、例えば手動スイッチである。電源部７ｈは、前記実施形態と同様に降圧回路で構成される。
この例のようにデータ選択部７ｄを設けた場合、演算部７ｂが一つで済む。そのため、前記検出部７ａ、演算部７ｂ、またはデータ選択部７ｄを構成する回路要素の個数が少なく済む。
電源については、前記スイッチ７ｓの切替えにより、前記電源部７ｈへの供給電圧を選択することができる。電源１におけるバッテリ２の電圧が劣化検出の前に予め分かっている場合、その電圧に応じて前記スイッチ７ｓを切替えておいて劣化検出の運用をすれば良い。
その他の構成，効果は、第１の実施形態と同様である。
図６，図７は、電圧センサユニット７の他の変形例を示す。この変形例は、図４，図５の実施形態において、スイッチ７ｓを設ける代わりに、電源部７ｈは、前記連続して直列接続された複数のバッテリ２における個々の高電位側の電極にバッテリ２側から電源部側７ｈへの流れのみ許容するダイオード７ｔを介して接続され、かつ前記直列接続された複数のバッテリ２における最低電位の電極が直接に接続されている。
このようにダイオード７ｔを用いた構成であれば、図６のように全ての検出部７ａをバッテリ２に接続した場合であっても、また図７のように一部の検出部７ａのみにバッテリ２に接続した場合であっても、受動的に、直列接続されたバッテリ２の最大電圧を得ることが出来る。
その他の構成，効果は、図４，図５の実施形態と同様である。
図８は、電圧センサユニット７のさらに他の変形例を示す。この変形例は、図６，図７のダイオード７ｔを介して接続される構成において、各ダイオード７ｔと電源部７ｈとの間にスイッチ７ｓが接続されている。スイッチ７ｓは、操作信号によって切替え可能な構成のもの、例えばＦＥＴ等の半導体スイッチやリレー等が用いられ、電源部７ｈに設けられた制御部７ｕによって開閉可能である。
上記のように各ダイオード７ｔと直列にスイッチ７ｓが接続されていると、先ず接続されたバッテリ２の直列接続体の最大電圧を得た後、電源部７ｈに設けられた制御部７ｕで高電位側の適宜の接続をスイッチ７ｓで切り、効率のよい電圧（例えば、回路を駆動する電圧よりやや高い）に切替えることができる。
その他の構成，効果は、図７の実施形態と同様である。
図１１は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１に示す第１の実施形態において、電流センサ８を個々のバッテリ群３毎に設けた構成に代えて、劣化検出対象の電源１につき電流センサ８を一つとしている。
バッテリ群３の電流の計測につき、同図の例のように、電源１の全体で電流センサ８を一つとし、バッテリ群３に流れる電流を検出するようにしても、個々のバッテリ群３毎に電流センサ８を設けた場合と、各バッテリ２の内部抵抗を求めるにつき、実用上で殆ど差が生じない。そのため、電流センサ８は、バッテリ群３毎に1 個とすることで、劣化検出の精度を維持しながら、電流センサ８の削減による構成の簡素化および低コスト化が図れる。
具体的に説明すると、例えば前記計測用電流印加装置９が放電回路で構成されて電流制限抵抗２６（図１２参照）を用いる場合、電流制限抵抗２６は、バッテリ２の内部抵抗に比べて十分大きいため、バッテリ内部抵抗が劣化により変化しても電流値への影響はほとんどない。そのため、複数のバッテリ群３が並列接続されていても、電流値を放電回路（計測用電流印加装置９）の位置で測定し、バッテリ群３の並列個数で割った値を個々のバッテリ２の測定用電流とすることが出来る。
例えば、電流制限抵抗２６を２０〜３０Ωとした場合、バッテリ内部抵抗は数ｍ〜１０ｍΩ程度であるため、１０ｍΩとして１５０個直列接続で１．５Ωである。３並列であれば０．５となり、電流制限抵抗２６に比べ小さい。ここで１０％の抵抗が劣化により内部抵抗が２倍になったとしても、０．５５Ωであり、総インピーダンスは２０．５Ωが２０．５５Ωとなる程度であり、測定用電流への影響は小さい。そのため、電流センサ８を共通としてもよい。
図１１の実施形態におけるその他の事項は、図１に示す実施形態と同様である。
図１２は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態において、特に説明した事項の他は、図１等と共に説明した第１の実施形態と同様である。
図１２において、電源１は、複数のバッテリ群３が直列に接続され、このバッテリ群３の直列接続体３Ａが複数並列に接続されている。各バッテリ群３の直列接続体３Ａの間で、互いに対応する個々の前記バッテリ群３の間の部位ａは相互に接続されていて、前記バッテリ群３の直列接続体３Ａにおける一つのバッテリ群３毎にバッテリ群３の並列接続体３Ｂを成す。この一つのバッテリ群３の並列接続体３Ｂ毎に前記計測用電流印加装置９および電流センサ８が設けられている。計測用電流印加装置９は、この例では前述の放電回路からなる。
この実施形態は、換言すれば、前記電源１における前記バッテリ群３の直列接続体３Ａが一つのバッテリ群であると見做すと、この一つのバッテリ群が、直列方向に並ぶ二つのバッテリ群分割体３ａに分割され、このバッテリ群分割体３ａが他のバッテリ群のバッテリ群分割体３ａと並列に接続されている。このバッテリ群分割体３ａの並列接続体３Ｂ毎に並列に前記計測用電流印加装置（放電回路）９が設けられた構成である。分割数は問わないが、個々のバッテリ群分割体３ａは、前記バッテリ２が複数直列に接続されている。
前記電源１がデータセンタの非常用電源等である場合、電源１の全体におけるバッテリ２の直列接続体の電圧は、例えば３００Ｖを超える高い電圧となる。このため、前記電源１の全体に対して計測用電流印加装置（放電回路）９を設けると、測定電流を印加するためのパワー素子である前記スイッチング素子２７に耐圧が高いものが必要である。
しかし、この実施形態のようにバッテリ２の直列接続体を直列方向に二つに分割された構成とすることで、前記計測用電流印加装置（放電回路）９における測定電流印加用のパワー素子である前記スイッチング素子２７に、耐圧の低いものが使用できる。
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…電圧センサユニット
７ａ…検出部
７ｂ…演算部
７ｃ…切替部
７ｄ…データ選択部
７ｅ…記憶部
７ｈ…電源部
７ｓ…スイッチ
７Ａ…センサユニト本体
８…電流センサ
９…計測用電流印加装置
１０…無線部
１１…コントローラ
１１Ａ…主コントローラ
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

Claims (5)

  1. それぞれ二次電池である複数のバッテリが直列接続されたバッテリ群が複数並列に接続された電源における前記各バッテリの劣化を判定する二次電池の劣化判定装置であって、 前記バッテリ群の内の連続して直列接続されている複数のバッテリの端子間電圧を個別に検出する複数の検出部、これらの検出部により検出された信号から交流成分を演算する演算部、およびこの演算部の演算結果を送信する無線部を有する複数の電圧センサユニットと、
    前記バッテリ群の電流を検出する電流センサと、
    交流成分を含む計測用電流を前記バッテリ群に印加する計測用電流印加装置と、
    前記各電圧センサユニット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の内部抵抗を算出し、内部抵抗から前記バッテリの劣化を判定するコントローラとを備え、
    前記電圧センサユニットは、前記検出部に接続されたバッテリから駆動電力を得る電源部を有する、
    二次電池の劣化判定装置。
  2. 請求項１に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記電源部は、前記連続して直列接続された複数のバッテリの最低電位と最大電位から駆動電力を得る二次電池の劣化判定装置。
  3. 請求項１に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記電源部は、前記連続して直列接続された複数のバッテリにそれぞれスイッチを介して接続され、これらのバッテリから前記スイッチを切替えて選択的に前記駆動電力を得る二次電池の劣化判定装置。
  4. 請求項１に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記電源部は、前記連続して直列接続された複数のバッテリにおける個々の高電位側の電極に前記バッテリ側から前記電源部側への流れのみ許容するダイオードを介して接続され、かつ前記連続して直列接続された複数のバッテリにおける最低電位の電極が接続された二次電池の劣化判定装置。
  5. 請求項４に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記各ダイオードと前記電源部との間にスイッチが接続され、前記電源部は接続される電圧を前記スイッチにより切替え可能である二次電池の劣化判定装置。
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