JP3564885B2 - 密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源により浮動充電される密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無停電電源装置や自動車の電源装置等では、浮動充電される密閉型鉛蓄電池を備えている。この種の電源装置においては、通常時でも密閉型鉛蓄電池の劣化状態を判定することが重要な課題となっている。鉛蓄電池の劣化判定方法としては電解液の比重を測定する方法が最も一般的に行われている。ところが完全密閉式の密閉型鉛蓄電池では電解液の比重を直接測定できないために、電解液比重測定用の二酸化鉛電極を電槽内に設置して電解液の比重を測定する技術（特開昭６１−２９４７７１号）や、陽極板の伸びを検出する技術（特開平２−１５２１７０号）や、内部インピーダンスを測定する技術（特開平４−１９８７８３号）などが提案されてきた。
【０００３】
しかしながら、電解液比重測定用電極を電槽内に設置して電解液比重を測定する技術，陽極板の伸びを検出する技術は、電池内部にセンサーを入れる必要があり、部品点数が増加する問題がある上，電池製作工数の増加などの製造上の問題もあって、実際にはほとんど実施されていないのが現状である。
【０００４】
これに対して内部インピーダンスを測定する技術は密閉型鉛蓄電池の劣化状態の検出技術として実際に実用化されている。しかしながら内部インピーダンス測定値のみから高い精度で劣化判定を行うのは無理がある。そこで内部インピーダンスと短時間の放電電圧の測定値とから放電容量を推定する技術を用いると、内部インピーダンスあるいは短時間放電電圧いずれか一方から推定するよりも精度が良くなるという研究結果が発表されている（電気設備学会誌 1993,NO.12,VOL.13,P1247）。具体的な方法としては、内部インピーダンスと放電中の平均の電圧低下速度に相関があることを利用して、内部インピーダンスから放電中の平均電圧低下速度を算出する。そしてこの平均電圧低下速度と短時間の放電を行ったときの電圧値とから放電電圧が終止電圧に達するまでの時間、つまり放電持続時間を推定して、寿命を推定する方法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この内部インピーダンスの測定を密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置に適用する場合には次の点が問題となる。
【０００６】
まずは内部インピーダンスを測定するためには比較的大きな交流電流を通電する必要があり、測定用の交流電流通電部が必要になる点である。一般的に密閉型鉛蓄電池の内部インピーダンスは、一定振幅の交流電流通電時の端子電圧に含まれる交流電圧成分を測定することによって求める。しかしながら密閉型鉛蓄電池は内部インピーダンス値が小さいためにノイズの影響を受けやすく通電される交流電流の電流値が小さいと正確な測定が困難である。２Ｖ，２００Ａｈの据置密閉型鉛蓄電池の例では、周波数１０Ｈｚ程度で１ｍΩ以下の内部インピーダンス値であり、±２Ａの交流電流の通電で端子電圧に現れる交流電圧成分は±２ｍＶ以下と非常に小さい値となりノイズの影響を受けやすい。このためには、通電電流の値を大きくすればよいが、交流電流通電部に用いる半導体スイッチング素子の大型化が避けられず、発熱，消費電力，コストなどの点で問題があり、通電電流の値を単純に大きくするのは実用的ではない。
【０００７】
また、リプル電流が密閉型鉛蓄電池に流れている場合もあり、測定時の端子電圧にリプル電圧が含まれて誤差となる場合もある。インバータ回路を負荷とする無停電交流電源装置に使用される密閉型鉛蓄電池について実測したところ、フロート充電中で６０Ｈｚのリプル電圧が１０ｍＶも密閉型鉛蓄電池の端子電圧に含まれていた例もある。この場合、単に密閉型鉛蓄電池の端子電圧に含まれる交流電圧成分のピーク−ピーク値（Ｐ−Ｐ値）を通電電流で割って内部インピーダンス値とすると大きな誤差を伴うという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、専用の交流電流通電部を設けずに精度よく密閉型鉛蓄電池の内部インピーダンスを測定して密閉型鉛蓄電池の劣化状態を判定して表示することができる密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置は、常時は負荷に直流電力を供給するとともに密閉型鉛蓄電池を浮動充電する充電装置と、密閉型鉛蓄電池の劣化状態を内部インピーダンに基づいて判定する劣化判定装置と、劣化判定装置の判定結果を表示する表示部とを備えている。前述の劣化判定装置は、密閉型鉛蓄電池の内部インピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、この測定した内部インピーダンスに基づいて密閉型鉛蓄電池の劣化状態を判定する劣化判定部とを具備している。
【００１０】
前述の充電装置は、内部インピーダンス測定時に、密閉型鉛蓄電池の充電のための通常の設定電圧と前記密閉型鉛蓄電池から前記負荷に放電電流を流すための低い電圧とを、一定周波数で出力するように構成されている。
【００１１】
また前述の劣化判定装置のインピーダンス測定部は、放電電流を検出する放電電流検出手段と、放電電流の放電電流波形をフーリエ変換して前述の一定周波数を基本周波数とする放電電流波形のフーリエ変換値を求める第１のフーリエ変換手段と、電池の放電中の電池電圧を検出する放電電圧検出手段と、放電中の電池電圧の電圧応答波形をフーリエ変換して前述の一定周波数を基本周波数とする電圧応答波形のフーリエ変換値を求める第２のフーリエ変換手段と、求めた電圧応答波形のフーリエ変換値を放電電流波形のフーリエ変換値で除して（割って）内部インピーダンスを求めるインピーダンス演算手段とから構成されている。
【００１２】
劣化判定部は、演算により求めた内部インピーダンスに基づいて寿命を判定するものであるが、特別に判定を行わずに、単に前述の表示部に密閉型鉛蓄電池の内部インピーダンスを表示するようにしてもよい。表示部に内部インピーダンスを表示する場合に、寿命到達の基準となる内部インピーダンスの判定基準値または判定基準レベルを一緒に表示すれば、使用者は内部インピーダンスと判定基準値または判定基準レベルを対比することにより、寿命の到来を予測することができる。また劣化判定部を、演算により求めた内部インピーダンスに基づいて寿命を判定する場合には、例えば寿命到達の基準となる内部インピーダンスの判定基準値または判定基準レベルと演算により求めた内部インピーダンスとを比較してその結果を数字または量で表すようにしてもよいし、また公知の方法で推定放電持続時間を求めて劣化状態を判定してもよい。
【００１３】
本発明に係る密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置は、充電装置の出力電圧を通常の設定電圧と通常の設定電圧より低い電圧値に一定周波数で切り換える。したがって充電装置の出力電圧が通常の設定電圧の場合には密閉型鉛蓄電池と負荷へ充電装置から電力が供給され、充電装置の出力電圧が通常の設定電圧より低い場合には密閉型鉛蓄電池から負荷に電力が供給される。すなわち、密閉型鉛蓄電池からは一定周期毎に放電電流が放電され、当該周期に対応した周波数の成分を含む交流電流が放電されることになる。内部インピーダンスはこの放電の際の密閉型鉛蓄電池の電圧応答成分の当該周波数成分の振幅を放電電流の当該周波数成分の振幅で除した値となる。なお、本発明ではフーリエ変換により放電電流波形と電圧応答波形の当該周波数成分を求めているため、当該周波数成分以外の周波数成分は除去され、ノイズ，リプル電圧の影響を少なくして精度よく内部インピーダンスを測定できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して、本発明の密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置を無停電電源装置に適用した実施の形態の一例を説明する。図１は本発明の密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置の実施の形態の一例を示す概略構成図である。同図において、１は商用電源を入力とする充電装置である。この充電装置１の２つの出力端子間には、密閉型鉛蓄電池２とシャント抵抗５の直列回路が接続されている。このシャント抵抗５は密閉型鉛蓄電池２からの放電電流を電圧の変化で検出する目的で配置されたものである。そして密閉型鉛蓄電池２とシャント抵抗５の直列回路に対して負荷６が並列接続されている。この負荷６は、この例が交流無停電電源装置に使用される場合には、インバータ回路であり、また自動車の電源に使用さる場合には、バッテリ以外の電装品である。
【００１５】
充電装置１はマイクロプロセッサ７によって実現される図３に示した放電制御部７５により制御されて、通常は負荷６に直流電流を供給するとともに密閉型鉛蓄電池２を浮動充電している。そして、内部インピーダンス測定時には、充電装置１は、密閉型鉛蓄電池２の充電のための通常の設定電圧と密閉型鉛蓄電池２から負荷６に放電電流を流すための低い電圧とを交互に一定の周波数で出力する。このような充電装置１の構成は、図２に示す通りである。
【００１６】
図２は、充電装置１の一例の回路を示す回路図である。この充電装置１の回路は、トランスＴを介して入力された交流を４つのダイオードをブリッジ接続してなる整流回路ＲＣを通して直流に整流する。整流回路ＲＣの出力は、主制御トランジスタＴｒ1 によって制御される。主制御トランジスタＴｒ1 のベースには抵抗Ｒ2 を介してトランジスタＴｒ2 が接続され、このトランジスタＴｒ2 のベースには抵抗Ｒ3 及びＲ4 からなる分圧回路の分圧点が接続されている。抵抗Ｒ3 及びＲ4 からなる分圧回路には、誤差増幅器ＯＰの出力が印加されている。誤差増幅器ＯＰの反転入力は、逆流防止用ダイオードＤ及び抵抗Ｒ5 を介して、主制御トランジスタＴｒ1 の出力に接続されており、また誤差増幅器ＯＰの非反転入力には基準電圧源Ｖref から基準電圧が入力されている。この誤差増幅器ＯＰを含む回路により、出力電圧を定電圧にするためのフィードバックループが構成されている。誤差増幅器ＯＰの反転入力は、抵抗Ｒ5 、抵抗Ｒ6 及び抵抗Ｒ7 からなる分圧回路によって分圧されている。抵抗Ｒ7 の両端には、出力電圧切替用のトランジスタＴｒ3 のエミッタ−コレクタ回路が並列接続されており、トランジスタＴｒ3 のベースには抵抗Ｒ8 及び抵抗Ｒ9 からなる分圧回路の分圧点が接続されている。抵抗Ｒ8 の端部には、図１のマイクロプロセッサ７から制御信号が入力される。トランジスタＴｒ3 がオン状態にあると抵抗Ｒ7 が短絡されて、誤差増幅器ＯＰの反転入力に接続されている抵抗Ｒ5 、抵抗Ｒ6 及び抵抗Ｒ7 からなる分圧回路の分圧比は低くなる。またトランジスタＴｒ3 がオフ状態にあると抵抗Ｒ7 が短絡されずに分圧回路に挿入されるため、誤差増幅器ＯＰの反転入力に接続されている抵抗Ｒ5 、抵抗Ｒ6 及び抵抗Ｒ7 からなる分圧回路の分圧比は高くなる。この分圧比が高いときには、充電装置の出力電圧が高くなり、分圧比が低いときには充電装置の出力電圧は低くなる。したがって通常の充電時には、マイクロプロセッサ７からトランジスタＴｒ3 をオフ状態にする制御信号が出力されて抵抗Ｒ8 を通してトランジスタＴｒ3 のベースに供給され、またインピーダンス測定時には、マイクロプロセッサ７から一定の周波数でトランジスタＴｒ3 をオン・オフする制御信号が出力されて、抵抗Ｒ8 を通してトランジスタＴｒ3 のベースに供給される。なおこの回路の各回路要素は、インピーダンス測定時に、密閉型鉛蓄電池２の充電のための通常の設定電圧と密閉型鉛蓄電池から負荷に放電電流を流すための低い電圧とが、一定の周波数で出力されるように定められている。
【００１７】
シャント抵抗５の両端には、放電電流値に比例した電流波形が得られる。そしてシャント抵抗５の両端には、交流電圧増幅部３ａの入力部が接続されている。この交流電圧増幅部３ａは、シャント抵抗５の両端に現れる電流波形を後のＡ／Ｄコンバータ３ｂによるＡ／Ｄ変換に必要な値まで電流波形を増幅する。交流電圧増幅部３ａの出力部に接続されたＡ／Ｄコンバータ３ｂによりデジタル信号に変換された放電電流波形は、図３に示すようにマイクロプロセッサ７で実現される第１のフーリエ変換手段７１に入力されてフーリエ変換される。この第１のフーリエ変換手段７１は、Ａ／Ｄコンバータ３ｂから出力された放電電流の放電電流波形をフーリエ変換して、前述の充電装置１の出力電圧によって定まる一定周波数（以下、放電周波数という）を基本周波数とする放電電流波形のフーリエ変換値を出力する。第１のフーリエ変換手段７１がフリーエ変換を行うタイミング及び前述の一定周波数は、充電装置１を制御する制御信号を出力する放電制御部７５からの指令に基づいて定まる。
【００１８】
また、密閉型鉛蓄電池２の両端には交流電圧増幅部３ｃの入力端が接続されている。この交流電圧増幅部３ｃも、前述の交流電圧増幅部３ａと同様に、後のＡ／Ｄコンバータ３ｄによるＡ／Ｄ変換に必要な値まで電池電圧を増幅する。交流電圧増幅部３ｃの出力部には、Ａ／Ｄコンバータ３ｄが接続されており、Ａ／Ｄコンバータ３ｄによりデジタル信号に変換された電池電圧応答波形は、マイクロプロセッサ７によって実現される図３の第２のフーリエ変換手段７２に入力されてフーリエ変換される。この第２のフーリエ変換手段７２は、Ａ／Ｄコンバータ３ｄから出力された放電電圧応答波形をフーリエ変換して、前述の放電周波数を基本周波数とする電圧応答波形のフーリエ変換値を出力する。
【００１９】
上記例において、シャント抵抗５、交流電圧増幅部３ａ及びＡ／Ｄコンバータ３ｂによって放電電流検出手段が構成され、交流電圧増幅部３ｃ及びＡ／Ｄコンバータ３ｄによって放電電圧検出手段が構成されている。
【００２０】
図３におけるインピーダンス演算手段７３、劣化判定部７４及び放電制御部７５はいずれもマイクロプロセッサ７によって実現される。表示部４はＬＥＤセグメント等を用いたものでマイクロプロセッサ７によって実現される表示制御部を通して劣化判定部の結果等を表示する。なおこの例では劣化判定部７４が表示制御部の機能を有していて、インピーダンス演算手段７３で演算した演算結果を表示部４に表示させ、内部インピーダンスが予め定めた値以上になると表示部４の表示を点滅させる等して寿命の到来を表示するようにように構成されている。なお劣化判定部７４の構成は、インピーダンス演算手段７３で演算した演算結果を表示部４に表示させるだけもよいが、インピーダンス演算手段７３で演算した演算結果を用いて公知の寿命判定技術で寿命を判定して、その結果を表示部４に表示させるように構成してもよいのは勿論である。
【００２１】
この例では、インピーダンス測定（寿命判定）の指令はマイクロプロセッサ７に接続している入力スイッチ部８を通じて行うようにしている。即ち、この例では、常時劣化状態を判定せずに、必要なときに入力スイッチ部８をオン状態として、そのときだけ劣化状態の判定を行う。このようにすると、節電が図れるだけでなく、表示部４として専用の表示手段を設けることなく、他の特性の表示に用いる表示手段を兼用することができる。
【００２２】
次に本実施例の動作を説明する。充電装置１は通常運転では負荷６に直流電流を供給するとともに密閉型鉛蓄電池２を浮動充電している。密閉型鉛蓄電池２の劣化状態を判定しようとする際、すなわち、密閉型鉛蓄電池２の内部インピーダンスの測定を行おうとするときには、入力スイッチ部８からの入力でマイクロプロセッサ７の放電制御部７５から放電制御指令を出力する。充電装置１は、放電制御指令を受けとると、密閉型鉛蓄電池２の充電のための通常の設定電圧と密閉型鉛蓄電池２から負荷６に放電電流を流すための低い電圧（通常の設定電圧よりも低い電圧）とを一定の周波数で出力する。充電装置１の出力電圧が、設定電圧より低い電圧になると密閉型鉛蓄電池２から負荷６及びシャント抵抗５に一定の周期で放電電流が流れ、設定電圧のときは充電装置１から負荷６へ電力が供給されるとともに密閉型鉛蓄電池２は浮動充電される。これにより負荷６への電力の供給に支障を与えることなく、密閉型鉛蓄電池２からは上述の一定周期で放電電流が流れることになる。 マイクロプロセッサ７はこの放電電流が流れる時の放電電流波形と電圧応答波形のデータを取り込み処理する。すなわち、マイクロプロセッサ７は、交流電圧増幅部３ａと３ｃとで増幅された密閉型鉛蓄電池２の放電電流波形と電圧応答波形のデータをそれぞれＡ／Ｄコンバータ３ｂと３ｄを通してデジタル信号として取り込み、マイクロプロセッサ７の第１及び第２のフーリエ変換手段７１及び７２でそれぞれ放電周波数を基本とする放電電流波形と電圧応答波形のフーリエ変換値を求める。この例では、放電制御部７５から与えられるタイミングで、第１及び第２のフーリエ変換手段７１及び７２がフーリエ変換を行い、かつインピーダンス演算手段７３がインピーダンスの演算を行う。マイクロプロセッサ７のインピーダンス演算手段７３では、求められた電圧応答波形のフーリエ変換値を前述の放電電流波形のフーリエ変換値で除して（割って）、蓄電池の内部インピーダンスを求める。マイクロプロセッサ７の劣化判定部７４では得られた内部インピーダンスを基に密閉型鉛蓄電池２の劣化状態を判定する。得られた内部インピーダンス値、密閉型鉛蓄電池２の劣化状態の判定結果等については表示部４に表示するようにしている。以上の内部インピーダンス測定が終了すると充電装置１は、マイクロプロセッサ７の放電制御部により通常の浮動充電状態に戻る。
【００２３】
このように本発明では充電装置１の出力電圧を制御することにより密閉型鉛蓄電池２を放電させるようにしているため、専用の交流電流通電部が不要となり、また、放電周波数成分のフーリエ変換値により内部インピーダンス値を算出するようにしているため、ノイズ，リプル電圧成分などの影響を受けず正確な内部インピーダンス測定が可能となる。
【００２４】
次に、１２Ｖ，６．５Ａｈの密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置とした実施例において内部インピーダンス測定を行った例を示す。充電装置１の浮動充電時の設定電圧は１３．６５Ｖ、放電時の設定電圧は１０．９Ｖ、負荷６は約１Ａ流れる負荷である。充電装置１への出力電圧の切換周期は３２ｍｓｅｃ、Ａ／Ｄコンバータ３ｂと３ｄのサンプリング間隔は０．５ｍｓｅｃである。従って放電電流の１周期は６４ｍｓｅｃであり、放電周波数15.625Ｈｚの内部インピーダンスを測定することになる。この測定を行ったときの放電電流波形を図４に、電圧応答波形を図５に示す。この波形を高速フーリエ変換でフーリエ変換した結果、電流波形の放電周波数15.625Ｈｚの成分は０．７００Ａ、電圧応答波形の放電周波数15.625Ｈｚの成分は３０．３ｍＶであった。従って、放電周波数15.652Ｈｚの内部インピーダンスは３０．３（ｍＶ）／０．７００（Ａ）＝４３．３（ｍΩ）であった。この値は同一電池を高精度のインピーダンス測定装置で測定した値４４．６（ｍΩ）とほぼ同じ値であり、本発明でもインピーダンス測定装置とほぼ同じ値が得られた。その結果、得られた内部インピーダンス値に基づいて従来よりも高い精度で劣化状態を判定することが可能になることが分かった。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、専用の交流電流通電部を設けることなく、充電装置の設定電圧を周期的に切り換えることによって密閉型鉛蓄電池から負荷電流を周期的に放電し、内部インピーダンスを測定することができる。また、測定が行われている間も負荷への電力供給は継続されており、負荷の運転を中断することなく密閉型鉛蓄電池の内部インピーダンス測定ができる点でも優れている。また、フーリエ変換を行うことにより放電周期成分以外の周波数成分を除去するため、ノイズ，リプル電圧などの影響も受けることなく正確な密閉型鉛蓄電池の内部インピーダンス測定ができる点でも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置の実施の形態の一例の構成のブロック図である。
【図２】充電装置の一例を示す回路図である。
【図３】マイクロプイロセッサ７で実現する手段を示すブロック図である。
【図４】密閉型鉛蓄電池の放電電流波形を示す特性線図である。
【図５】密閉型鉛蓄電池の電圧応答波形を示す特性線図である。
【符号の説明】
１ 充電装置
２ 密閉型鉛蓄電池
４ 表示部
５ シャント抵抗
６ 負荷
７ マイクロプロセッサ
８ 入力スイッチ部
３ａ，３ｃ 交流電圧増幅部
３ｂ，３ｄ Ａ／Ｄコンバータ
７１ 第１のフーリエ変換手段
７２ 第２のフーリエ変換手段
７３ インピーダンス演算手段
７４ 劣化判定部
７５ 放電制御部

Claims (2)

1. 常時は負荷に直流電力を供給するとともに密閉型鉛蓄電池を浮動充電する充電装置と、前記密閉型鉛蓄電池の劣化状態を内部インピーダンスに基づいて判定する劣化判定装置と、前記劣化判定装置の判定結果を表示する表示部とを備え、
   前記劣化判定装置が前記密閉型鉛蓄電池の前記内部インピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、測定した前記内部インピーダンスに基づいて前記密閉型鉛蓄電池の劣化状態を判定する劣化判定部とを具備している密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置であって、
   前記充電装置は、内部インピーダンス測定時に、前記密閉型鉛蓄電池の充電のための通常の設定電圧と前記密閉型鉛蓄電池から前記負荷に放電電流を流すための低い電圧とを、一定周波数で出力するように構成され、
   前記劣化判定装置の前記インピーダンス測定部は、
   前記放電電流を検出する放電電流検出手段と、
   前記放電電流検出手段で検出した前記放電電流の放電電流波形をフーリエ変換して前記一定周波数を基本周波数とする放電電流波形のフーリエ変換値を求める第１のフーリエ変換手段と、
   前記電池の放電中の電池電圧を検出する放電電圧検出手段と、
   前記放電電圧検出手段で検出した放電中の電池電圧の電圧応答波形をフーリエ変換して前記一定周波数を基本周波数とする電圧応答波形のフーリエ変換値を求める第２のフーリエ変換手段と、
   前記電圧応答波形のフーリエ変換値を前記放電電流波形のフーリエ変換値で除して前記内部インピーダンスを求めるインピーダンス演算手段とを具備してなることを特徴とする密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置。
2. 前記劣化判定部は前記表示部に前記内部インピーダンスを表示する請求項１に記載の密閉型鉛蓄電池を備えた電源装置。

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