JP3632798B2 - 蓄電池容量推定法および蓄電池容量推定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用中のバックアップ用蓄電池の容量を予測するための蓄電池容量推定法および蓄電池容量推定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、通信サービスの多様化、大規模化が進行し、同時に高信頼性も要求されている。これに伴って多種多様な無停電給電システムが導入され、バックアップ用蓄電池も大量に使用されるようになってきた。該システムの信頼性確保のために、バックアップ用蓄電池の保守と適切な取り替え時期の把握が必要となってきた。
【0003】
従来の蓄電池容量試験方法の概略を図14に示す。
図14は、給電システムに組み込まれた蓄電池の容量試験を実施する際の回路構成を示したものであり、1は交流、または直流電源であり、2は電力変換装置であり、3はバックアップ用蓄電池であり、4は負荷装置である。蓄電池3は、切替スイッチ5によりシステムから切り離され、放電用定電流負荷装置6に接続されて試験を行う。試験ではバックアップ用蓄電池3が放電用定電流負荷装置6によって定電流放電され、端子電圧が規定の放電終止電圧に到達するまでの時間を求める。
【0004】
この方法では、バックアップ用蓄電池3の容量は正確に求めることができるが、長時間の測定となり、また、測定中に停電などのトラブルが生じると負荷装置4への給電が不可能となるという欠点があった。
【0005】
蓄電池を切り離さないで測定を可能とするための改良も行われている。図15には、バックアップ用蓄電池3をシステムから切り離さないで容量推定する方法の概念を示した。図15において、1〜6は図14と同様の構成要素であり、7は最低電圧を示す蓄電池単体であり、8は試験により放電した蓄電池を再充電するための充電器である。
【0006】
図15に示した方法では、バックアップ用蓄電池3の全ての電池単体についてあらかじめ端子電圧を測定し、端子電圧が最も低い蓄電池単体7について放電用定電流負荷装置6によって放電試験を行って規定の放電終止電圧に到達した時の時間を求めるものである。
【0007】
図15に示す方法では、電圧が最も低い蓄電池単体7のみをシステムから切り離せばよいため、複数電池単体で構成されるバックアップ用蓄電池3の電圧は最大で電池単体1個分の電圧が低下するだけで負荷装置4への給電は可能となる。しかしながら、この方法では最も低い電圧を示す蓄電池単体7の放電試験は図14と同様に長時間必要のうえ、あらかじめ電圧を測定する稼働が新たに必要となるという欠点を有していた。
【0008】
さらに、これらの方法による欠点を改善するために、蓄電池を短時間放電して、その放電特性から、あらかじめ作成しておいた2次関数以上の高次関数、あるいは指数関数を使用して、規定の放電終止電圧に達する時間を求める方法が発明された(特願平7−238363号)。同方法では、短時間の放電を行えばよく、測定時間が短縮され、かつ蓄電池についても給電を行うに必要な一定以上の残存容量を有することができる反面、測定精度が大幅に低下するという新たな欠点が生じていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、比較的短時間で測定でき、かつ実用上支障のない精度で蓄電池容量を推定できる蓄電池容量推定法および蓄電池容量推定装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、あらかじめ蓄電池と同種の新品電池の特性から作成した基準式を、試験蓄電池を一定容量(一定放電時間)放電してその端子電圧の時間変化に適合させ、規定の放電終止電圧に到達した時間を推定する方法において、電池起電力と電池内部抵抗の因子を含んでなり、起電力は放電時間の一次式であり、内部抵抗は放電時間の指数式である高精度の新規な基準式を用いることを特徴とした蓄電池容量推定法と、データを管理するコンピュータと、該蓄電池の試験条件をコントロールする充放電器とから構成され、該蓄電池容量推定法における適用基準式を演算する回路または機能を該コンピュータに内蔵して上記に記載する手順に従って蓄電池、または蓄電池群の容量推定を行うことを特徴とする容量推定装置と、既存の無停電給電システムや蓄電池充放電自動試験装置に組み込み、蓄電池の容量推定を行うための、試験データを収集管理し、かつ、上記に記載する蓄電池容量推定法に従って容量推定値を求めるために演算を行うコンピュータと、必要ならば、該蓄電池の試験放電条件を制御する放電電流制御器、または充放電制御器とから構成されるか、または、既設コンピュータに上記に記載した蓄電池容量推定法の手順を行う演算回路、または機能とを増設し搭載してなり、必要ならば、該放電電流制御器、または充放電制御器とから構成される容量推定装置を提案するものである。
【0011】
本発明になる蓄電池容量推定法が高い精度で容量推定可能な理由は、放電の進行によって電解液濃度が低下し、電池の起電力低下をきたすこと、また放電の進行によって正極活物質が反応して鉛が硫酸鉛に変化することにより内部抵抗が上昇すること、また、電池が劣化すると電解液の枯渇や正極格子腐食が進行し、内部抵抗が増大することが知られており、電池の放電特性が起電力、内部抵抗と密接に関係しているため、この2つの因子で構成される本推定法の基準式が電池の放電特性をより正確に表現できるためと考えられる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
本発明になる蓄電池容量推定法では、試験対象となる蓄電池、または直列に接続された複数個の蓄電池群を短時間放電してその端子電圧の時間変化を測定する。
【0013】
容量推定のために必要な放電時間はできるだけ短時間が好ましいが、電池容量の10%未満の放電量(時間)では、フロート、またはトリクル充電状態や充電時間、あるいは環境温度、湿度などによって、蓄電池内部の電極状態などが影響され、放電電圧、および放電電圧の時間による変化が大きく異なり、精度よく電池容量を推定する妨げとなる恐れがある。一方、定格容量の50%を越える放電量(時間)では、精度と測定時間との兼ね合いから、短時間の利点が大幅に損なわれ、むしろ完全放電から容量を判断するほうが有効である場合さえ生じる。また、容量推定に使用する放電データは、推定誤差率を最大10%程度に押さえるために、少なくとも定格容量の10%の時間分必要である。従って、蓄電池の定格容量の20%以上、50%以下の放電を行って、そのうち定格容量の10%以上、50%以下の放電電圧データを使用して容量を推定することが好ましい。
【0014】
推定精度にある程度の大きさの誤差が生じて差し支えない場合には、定格容量の20%以上、30%未満の放電を行い10%以上、30%以下の放電データを使用して容量推定を行うことができる。無停電給電システムに適用されている蓄電池、または蓄電池群の容量推定を行う場合には、蓄電池、または蓄電池群の給電可能な残存容量と測定時間との兼ね合いから好ましくは定格容量の30%以下の放電に留め、定格容量の10%を経過し、30%に至るまでの電圧変化を測定する。
【0015】
また、非常に特殊な場合として、電池が極端に劣化し通常は劣化電池として使用されないような、放電可能な容量が定格容量の30%に満たないような状態であることがあらかじめ想定される場合には、例外的に部分放電量を30%より小さくなるようにして試験することもできるが、判定誤差は極めて大きくなってしまうことが避けられない。
【0016】
試験蓄電池、または蓄電池群の放電は、定電流負荷装置による定電流放電が最も好ましいが、電流流動が大きくない場合には無停電給電システム等の負荷による実負荷放電でもかまわない。また、試験中の温度は室温で、しかも温度変化のない状態が最も好ましいが、温度モニタ等を用いて温度測定をし、さらにあらかじめ容量と温度の関係が把握されており、かつ測定中の温度変化が著しく大きくない状態でも実用上さしつかえない。
【0017】
放電には、定電流負荷装置、電流計、電圧計などデータ取得に必要な装置類を揃えて行うが、無停電給電システムに一定期間ごとに試験を行うよう指示する自動試験回路を設け、試験の指示、端子電圧、電流、さらには温度などのデータ収集を自動で行うことが可能なソフトウェアを搭載して行うこともできる。後者に示した自動試験機能には、さらに規定容量以下になると警告を発する機能も付与できる。
【0018】
このようにして取得した部分放電のデータ、すなわち端子電圧の時間変化に対し、あらかじめ作成した基準式を適用して規定の放電終止電圧に到達した時の時間を推定し、さらに必要ならば、この値に電流値を乗じて電池容量の推定値を求める。
【0019】
本発明になる蓄電池容量推定法に用いる基準式は以下のように作成する。図1は本発明になる蓄電池容量推定法に用いる基準式の作成手順を示したフローチャートである。作成の手順をこの図1に示すフローに従って説明する。 すなわち、図1の手順1において、試験対象の蓄電池と同種類の新品蓄電池の放電特性を前もって測定し、あるいは該蓄電池製造メーカなどから開示された放電特性を入手して、これを基準式作成のための基礎データとする。
【0020】
放電特性データは、少なくとも3種の異なる電流値(以下、放電率と称す。)における電圧変化が明確になっていることが好ましい。
この放電特性データをもとに、端子電圧Vを電池起電力Eと内部抵抗Rで示した近似方程式(1)を作成して基準式とする。
【0021】
V=E−IR (Iは放電電流値) (1)
本発明になる蓄電池容量推定法の基準式である式(1)は、放電終止電圧に到達した時の時間を求める必要があるため、放電時間tの関数にする。
【0022】
次に図1の手順2において、電池の放電データから、一定の放電容量における電圧値を求める。
図2は、図1の手順2における操作を説明するために、各放電率における放電特性を示した図である。図2において、I1,I2,Inの3つの曲線は放電率がそれぞれI1,I2,Inでの放電曲線である。図2に示すように、電池電圧の放電容量に伴う変化において、放電量がC1,C2,Cnの一定容量における各放電率での電圧を求める。
【0023】
このようにして求めた電圧と放電率とを図1の手順3において、一定放電容量における各電池電圧を放電電流に対してプロットする。
図3は、図1の手順3における操作を説明するために作成した、放電電流値と電池電圧の関係を示す図であり、図2において抽出したそれぞれC1,C2,Cnの放電容量における電圧を放電電流率に対してプロットした概念図である。図3において、各値を直線近似し、y軸切片の値E1,E2,Enを各容量における起電力Eとして、各直線の傾きR1,R2,Rnを内部抵抗Rとして求める。
【0024】
次に、図1の手順4において、上記に示した手順3によって求めた起電力Eの放電容量との関係を求める。手順4および後述する手順5において、求めようとする基準式は各放電率への適用を目的としており、かつ実際の使用においては放電時間を判断の要素とするから、容量は規格化時間Tとする。
【0025】
図4は、図1の手順4における操作を示すために作成した図であり、起電力Eと該規格化時間Tとの関係を示した図である。
図4において、起電力E(V)と規格化時間T(h)との関係を直線で近似し、
E=aT+b (a,bは定数) (2)
とした式(2)に関わる定数aおよびbの値を求める。
【0026】
更に図1の手順5において、手順3において求めた内部抵抗Rの規格化時間Tとの関係を求める。
図5は図1の手順5における操作を説明するために作成した図であり、内部抵抗R(Ω)と規格化時間T(h)との関係を示した図である。
【0027】
図5において、内部抵抗Rと規格化時間Tとの関係を指数関数によって近似し、 R=cTd +f (c,d,fは定数) (3)
とした式(3)に関わる定数c,d,fを求める。
【0028】
以上述べた図1における手順1から5に至る操作によって求めた起電力Eと内部抵抗Rに関する上記の式(2),(3)を式(1)に代入すれば、式(4)に示される基準式が導出できることになる。
【0029】
V=(aT+b)−I(cTd +f) (4)
この様にして作成した基準式を測定データに適用し、上記基準式(4)の定数b、およびfと、規格化時間Tを補正し、この補正操作を行った基準式、すなわち判定式に規定の放電終止電圧の値を代入して放電時間、あるいは容量を推定する。
【0030】
上記に記述するようにして作成した基準式(4)を蓄電池の部分放電データに適用し定数bとf、および規格化時間Tを補正する手順は幾通りか考えられるがその一例を図6を用いて以下に説明する。ただし、本発明になる蓄電池容量推定法は何らこれに限定されるものではない。
【0031】
即ち、図6は基準式(4)を、蓄電池の部分放電データに適用し、該基準式(4)の定数bおよびfと規格化時間Tを補正して放電時間、または容量を推定する手順の一例を示したフローチャートである。
【0032】
図6の手順1に示すように、一定の短時間部分放電して求めた端子電圧のうちから、少なくとも3点の放電時間における電圧を選定する。
次に、図6の手順2に示すように、選定した時間、電圧のうちの最も初期の時間t1における電圧V1を起電力とみなして、基準式(4)の第1項である起電力を示す式(2)に代入し、定数bをBに補正する。その補正操作概念を図7に示した。すなわち、図7において、基準式起電力を試験対象の電池の起電力への合わせ込みのために、基準式(4)の定数bを補正する。この場合、式(2)において、
B=a(t1)−V1 (5)
として補正定数Bを求める。
【0033】
次に、図6の手順3に示すように、選定したデータのうち中間の時間t2での電圧V2に関して、R2=(V2)/Iを試験対象電池の内部抵抗初期値とみなし、基準式(4)の内部抵抗Rを表す式(3)に代入し、定数fをFに補正する。その操作概念を図8に示す。図8において、基準式内部抵抗を示す曲線を試験対象電池の内部抵抗R2へ縦軸方向に移動して合わせ込み、定数fを補正する。この場合、式(3)より、
として補正定数Fが求まる。
【0034】
さらに、図6の手順4に示すように、選定したデータのうち、最も遅い放電時間t3での電圧V3に関して、試験対象電池の内部抵抗R3をR3=V3/Iとして求め、補正後の内部抵抗R=cTd +Fを示す曲線をこれに代入して規格化時間Tを(T+G)に補正する。その操作概念を図9に示す。すなわち、図9に示すように、新品電池に比べ、使用電池では内部抵抗が上昇するからその上昇分を考慮して式(6)より、時間軸補正を行う。即ち、t3における内部抵抗R3は、
として時間を規格化のTから(T+G)へと補正する。
【0035】
こうして補正した定数BおよびFと規格化時間(T+G)を用いて、図6の手順5に示すように、式(5),(6),(7)より基準式(4)から判定式(8)が導出される。
【0036】
最後に、図6の手順6に示すように、このようにして導出された判定式(8)に規定の放電終止電圧を代入すれば終止電圧に到達した際の時間Tが求められる。容量はこの時間Tに電流値Iを乗ずれば求められる。
【0037】
試験電池の部分放電より求められた少なくとも3点のデータは、明らかに容量判定誤差を拡大すると考えられる放電初期の領域以外は特に規定されないが、精度向上のため、好ましくは定格容量の最低10%より最大30%以上50%以内の範囲において取得し、さらに好ましくは少なくとも3点の放電時間と電圧のデータをできる限り時間の等間隔に設定して選択するのがよい。
【0038】
本発明になる蓄電池容量推定法を適用して容量推定を行う装置は、データを管理するコンピュータと、蓄電池の試験条件をコントロールする充放電器とから構成され、該蓄電池容量推定法における適用基準式を演算する回路または機能を該コンピュータに内蔵して上記に記載する手順に従って蓄電池、または蓄電池群の容量推定を行うことを特徴とする。該容量推定装置の構成概念の一例を図10に示すが、試験制御、データ収集、蓄電池容量推定の実行機能が満足されれば、構成は何らこれに限定されるものではない。
【0039】
図10において、3は試験対象蓄電池であり、9は試験電池を試験するために一定電流で放電させたり、必要ならば容量推定の部分放電をする前に一定電流や一定電圧で充電を行うなど具体的な試験実行を行う充放電器であり、10はこの充放電器の制御や記憶、記録を行うコンピュータである。
【0040】
充放電器9は、定電流負荷装置6と定電流定電圧電源11と、スイッチS1,S2とから構成されている。定電流負荷装置6は、試験対象蓄電池3から供給される電流が一定の設定値に維持されるように負荷を変動させるものである。定電流定電圧電源11は充電、放電が一定の時間で規定されている場合に設定電圧に達するまでの間、定電流電源として動作し、設定電圧に達した後は定電圧電源として動作する。
【0041】
コンピュータ10は、試験全体を制御するCPU12、充放電制御とデータ記録、さらには本発明の蓄電池容量推定法に関する基準式のプログラムがあらかじめ収納されているROM13の他、さらに該基準式を記載した手順によって試験データに適用して判定式を作成し、容量推定を行う作業用RAM14、およびプリンタ15、キーボード16、充放電状態や試験結果を表示する表示器17から構成される。
【0042】
ROM13に格納されているプログラムに従って、CPU12が充放電器9の定電流定電圧電源11、定電流負荷装置6、スイッチS1,S2の装置全体を制御する。個々の特性試験に必要な設定値などはキーボード16によって入力される。
【0043】
コンピュータ10においては、あらかじめ設定された条件において試験の制御を行いながら、試験対象蓄電池3の端子電圧、電流、さらに必要に応じて温度、湿度、電池歪みなどのデータを所定の時間間隔で測定し、記憶し、さらに記録する。また、得られた試験データに基準式を適用し、判定式を作成して蓄電池の容量推定を行う演算機能、さらに必要ならば試験データを一定時間毎にプロットする特性作成機能を具備している。
【0044】
本発明になる、試験データを収集管理し、かつ、上記に記載する蓄電池容量推定法に従って容量推定値を求めるために演算を行うコンピュータと、必要ならば、該蓄電池の試験放電条件を制御する放電電流制御器、または充放電制御器とから構成されるか、または、既設コンピュータに上記に記載した蓄電池容量推定法の手順を行う演算回路、または機能とを増設し搭載してなり、必要ならば、放電電流制御器、または充放電制御器とから構成される容量推定機能は、既存の無停電給電システムや蓄電池充放電自動試験装置に組み込んで、従来の機能に加えて対象蓄電池の容量推定を可能にする機能を付与することを特徴とするものである。
【0045】
従って、本発明になる該蓄電池容量推定機能は、できるだけ、既存装置、あるいはシステム本来の機能を損なったり、低下させないことで、容量推定をおこなう。そのために、既存の機能に応じて、蓄電池の部分放電試験は、定電流でなく一定の条件で電圧制御されて実際の負荷を利用して行われる場合が生じる。実負荷放電による容量推定を行い、かつ高精度の推定値を求める場合には、できる限り実負荷変動が起こらない、すなわちできる限り一定電流になるような条件を選択して試験を行うことが必要である。
【0046】
一例として無停電給電システムに本発明になる蓄電池容量推定機能を付与した構成概念を図11に示す。
図11は本発明になる蓄電池容量推定機能のコンピュータ制御部を電力変換装置の外部に配置し、接続して構成された無停電給電システムの構成概念の一例を示したものである。
【0047】
図11において、1は交流、または直流電源であり、2は電力変換装置であり、3は蓄電池であり、4は負荷装置であり、これらによって無停電給電システムの基本構成をなしている。電力変換装置2内には、主変換回路18が搭載されて、交流、または直流電源1の交流、または直流電力を変換する。
【0048】
本発明における蓄電池容量推定機能は、コンピュータ10と定電圧制御回路19で構成され、定電圧制御回路19は電力変換装置2内に、コンピュータ部10は電力変換装置2の外側に配置される。この例において、容量推定のための放電試験は、定電流放電ではなく、実負荷放電によることになる。なお、既存の電力変換装置2に安定化制御回路が定電圧制御回路19に変わって搭載されていれば、これを使用して容量推定を行うことができる。
【0049】
本発明の容量推定機能を構成するコンピュータ10は、容量推定のための放電試験全体を制御するCPU12、試験制御とデータ記録、さらには本発明の蓄電池容量推定法に関する基準式のプログラムがあらかじめ収納されているROM13の他、さらに該基準式を上記に記載した手順によって試験データに適用して判定式を作成し、容量推定を行う作業用RAM14、およびプリンタ15、キーボード16、放電状態や試験結果を表示する表示器17から構成される。表示器17は、使用上の利便性を考慮して該コンピュータ10の他に、電力変換装置2の壁面の作業者の認識しやすい部位にも取り付けることができる。
【0050】
図12には無停電給電システムに本発明になる蓄電池容量推定機能を付与した構成概念の別の一例を示した。
図12は本発明になる蓄電池容量推定機能のコンピュータ10を電力変換装置2の外部に配置し、さらに個々の電力変換装置2に接続される蓄電池(群)3の情報を独立して保持するため、ROM13′とRAM14′と表示器17′で構成されるコンピュータ部10′を電力変換装置2内にも設置してなる無停電給電システムの構成概念の例である。
【0051】
電力変換装置2の外部に設置されているコンピュータ10は、図11におけるコンピュータ10と同様の機能を行うが、さらに、電力変換装置2内に設置されたコンピュータ部10′のROM13′とRAM14′と交信し、コンピュータ部10′の設置された電力変換装置2に接続されている蓄電池(群)3に関する放電データ、容量推定値などの情報を演算し記憶するように制御する。
【0052】
図11、および図12に示した本発明になる蓄電池容量推定法を搭載した無停電給電システムにおいては、試験対象蓄電池(群)3を試験のために取り外さず、そのままの状態で試験を行う。CPU12より、通常の電圧を低下させると、主変換回路18を経過して負荷装置4に供給さされる電圧を補うように試験対象蓄電池(群)3の放電が開始される。この場合、放電は、主変換回路18を経過して供給される電力の電圧と試験対象蓄電池(群)3の電圧との差が解消されるまで放電は継続されるが、放電電流と電圧、時間をモニタしながら、容量推定の操作に必要な試験データを過不足なく取得できるようCPU12から制御する。試験終了の後は、実使用に耐えられるよう、試験放電量に相当する電気量を速やかに充電するような制御を行なうことが好ましい。
【0053】
なお、図11、および図12に示した構成概念はあくまで具体的な一例であって、上述した容量推定の機能を保持し、構成要素を完備していれば、無停電給電システム、あるいはそれ以外の装置に該容量推定機能を付与する構成は何らこれに限定されることはない。
【0054】
以下に、本発明になる蓄電池容量推定法について実施例によって説明するが、本発明は何らこれらに限定されるものではない。
[実施例1]
製造メーカが異なる定格容量200Ahのシール鉛電池を5個用意し、基準式作成のための電池特性測定に用いた。
【0055】
該電池の放電試験には、従来の定電流定電圧電源と定電流負荷装置を組み合わせて使用した。
該電池を放電電流率0.1Cで終止電圧1.86Vまで放電し、放電特性を測定した。その後、該電池を満充電し、次に放電電流率0.23Cで、同様に1.86Vまで放電し放電特性を測定した。さらに満充電した後今度は放電電流率を0.6Cにして同様の条件にて放電特性を測定した。
【0056】
これらの放電特性から、0.6C放電の場合は1分ごと、その他の電流率の場合には5分ごとの各電池の端子電圧を平均し、各放電電流率での平均放電曲線を作成した。この平均放電曲線、定格容量(200Ah)の、それぞれ10,20,30%となる時間における端子電圧を使用して、本発明になる蓄電池容量推定法に用いる基準式作成を行った。
【0057】
その結果、起電力E、内部抵抗Rはそれぞれ、
E=−0.239 ×10−4T+2.078 (9)
R=1.72×10−10 T3.682 +7.176 ×10−1 (10)
となり、基準式は
となった。
【0058】
別に、別途装置にてバックアップ用電源として使用中の定格容量200Ahのシール鉛電池を24個用意し、試験電池とした。該試験電池についても、上記の基準式作成に用いた電池と同様な条件で放電特性を測定した。定格容量(200Ah)のそれぞれ10,20,30%となる時間における各試験電池を端子電圧から上記に示した基準式を適用して放電時間を算定し、実際の放電時間と比較して誤差率を求めた。基準式の放電データへの合わせ込みは本文中に一例として記述した通りに行った。
【0059】
結果を表1に示す。表1は0.1C,0.23C,0.6Cの各電流率における部分放電データから本発明になる容量推定法に従って推定した放電時間と、実際の放電時間との誤差率と、従来法の容量推定を行った場合の誤差率とを示したものである。
【0060】
【表1】
【0061】
表1によると、本発明になる容量推定法から推定した放電時間の実際の放電時間との誤差は0.1C,0.23Cで最大10%程度に留まっており、放電時間自体が30分未満と短く、少しの数値の違いも大きな誤差となって反映しやすい0.6C放電率の場合でも誤差率が20%程度に留まるという高い推定精度を示すことが判った。
【0062】
[実施例2]
実施例1において作成した容量推定のための基準式と、容量判定の手順とを記憶させ、放電電流率とデータサンプリングの時間とを自由に設定できるようにして放電試験できるようにプログラムを内蔵してなる図10に示した構造の蓄電池容量推定装置を作製し、上記実施例1と同種類の定格容量200Ah蓄電池5個について、0.1Cの定電流で放電終止電圧1.86Vまで放電試験を行い、一定時間ごとに電圧のデータと、電流値とを測定した。
【0063】
得られた試験データは、後述する表2に示す各放電時間帯における時間等間隔で選定した、放電時間(定格容量比で示す)とその時間における電圧とから、該装置に内蔵した容量推定プログラムに従って容量を推定した。この推定容量と実際の容量とを比較して誤差率を求めた。
【0064】
試験結果を表2に示す。
表2は、上述した手順に従って、それぞれの放電時間帯において時間等間隔に取得した3点のデータから推定した容量の、実際の容量に対する誤差率を示したものである。
【0065】
【表2】
【0066】
表2によると、蓄電池の容量推定を行うために取得する放電データは、定格容量10%以下で取得すると深刻な誤差率を生じ、このうち5%未満のデータを使用した場合には、電圧の急激な変動が起こり容量推定が不可能であった。
【0067】
また、表2によると、本実施例において用いた、本発明になる蓄電池容量推定装置によって、サンプリングデータを定格容量の10%以上で取得した場合には良好な精度で容量推定が可能であった。
【0068】
しかしながら、100%を上限(すなわち完全放電)の場合を除いて、その誤差率はそれほど変化せず、データサンプリングの放電時間は定格容量の10%を下限として、定格容量の30%を上限とすればよく、さらに好ましくは上限を定格容量の50%とすれば極めて良好な精度で容量推定を行うことができた。
【0069】
ちなみに、表2によると、上限を定格容量の50%を越えて80%を上限としてデータサンプリングを行っても誤差率には変化無く、試験の時間稼働のみが大きくなって効果が見られなかった。
【0070】
[実施例3]
既存の無停電給電システムを改良して、これに定電圧制御回路とコンピュータとで構成される本発明の図11に示した概念構成の蓄電池容量機能を導入した容量推定機能付の無停電給電システムを作製した。
【0071】
作製した該無停電給電システムに、既に搭載され使用中の定格容量200Ahのシール鉛電池72個について放電率0.1Cで1.86Vの終止電圧まで放電し、放電特性を求めた。
【0072】
次に、上記に記載した容量推定機能に、実施例1と同様にして求めた基準式と、実施例1と同様の手続きによって容量推定を自動で行う機能を付与して、定格容量の10,20,30%時点の端子電圧を選定し、放電時間推定を行った。推定した放電時間の実放電時間に対する誤差を算定した。
【0073】
結果を図13に示す。図13において縦軸は推定放電時間(分)、横軸は実放電時間(分)を示しており、個々の電池のデータがプロットされている。誤差率は±10%に収まり、良好な判定精度であることが明らかとなった。
【0074】
[実施例4]
実施例3と同様の、本発明になる蓄電池容量推定機能搭載の無停電給電システムを用いて、実施例3と同様の、既に搭載され使用中の定格容量200Ahのシール鉛電池72個について放電率0.23C、および0.6Cで1.86Vの終止電圧まで放電し、放電特性を求めた。
【0075】
次に、実施例3と同様に、定格容量の10,20,30%時点の端子電圧を選定し、放電時間推定を行った。推定した放電時間の実放電時間に対する誤差を算定した。
【0076】
比較のために、実施例3で求めた0.1Cでの放電曲線と、本実施例で求めた0.23C、および0.6Cでの放電曲線から、特願平7−238363号に示した従来法による、定格容量の10%から30%までの放電曲線部分に2次式の基準式を適用して係数補正を行い容量推定を行った場合の実際の容量に対する誤差率を求めた。
【0077】
結果を表3に示す。表3は0.1C,0.23C,0.6Cの各電流率における部分放電データから本発明になる容量推定法に従って推定した放電時間と、実際の放電時間との誤差率と、従来法の容量推定を行った場合の誤差率とを比較して示したものである。
【0078】
いずれの放電率での放電の場合にも、本実施例に従って求めた推定容量の実際容量に対する誤差率は、従来法に従って求めた容量の実際容量に対する誤差率に比べて小さく、本実施例の容量推定法で行うと優れた精度で容量推定が可能であることがわかった。
【0079】
【表3】
【0080】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明になる蓄電池容量推定法によれば、比較的短時間の放電で容量、あるいは放電時間が比較的高精度で推定でき、無停電給電システムの高信頼化とメンテナンス稼働削減が期待できることになり構成要素の簡素化、経済化において大きな貢献を果たすことになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明になる蓄電池容量推定法における基準式作成手順の一例を示すフローチャートである。
【図2】本発明になる蓄電池容量推定法における基準式作成手順の一段階として各放電率での放電曲線から一定容量における端子電圧を採取する操作の一例を示す特性図である。
【図3】本発明になる蓄電池容量推定法における基準式作成手順の一段階として図2において採取した端子電圧から切片と傾きを求め、それぞれ起電力、内部抵抗とする操作の一例を示す特性図である。
【図4】本発明になる蓄電池容量推定法における基準式作成手順の一段階として図3において求めた起電力と規格化時間との関係の一例を示す特性図である。
【図5】本発明になる蓄電池容量推定法における基準式作成手順の一段階として図3において求めた内部抵抗と規格化時間との関係の一例を示す特性図である。
【図6】本発明の蓄電池容量推定法における基準式をデータに適用して容量を推定する手順の一例を示すフローチャートである。
【図7】本発明になる蓄電池容量推定法における基準式から容量、あるいは放電時間を推定する手順の一段階として、起電力を測定対象電池の特性に合わせ込み、定数を補正する操作の一例を示す特性図である。
【図8】本発明になる蓄電池容量推定法における基準式から容量、あるいは放電時間を推定する手順の一段階として、内部抵抗を測定対象電池の特性に合わせ込み、定数を補正する操作の一例を示す特性図である。
【図9】本発明になる蓄電池容量推定法における基準式から容量、あるいは放電時間を推定する手順の一段階として、図8に続く操作として、内部抵抗を測定対象電池の特性に合わせ込み、規格化時間を補正する操作の一例を示す特性図である。
【図10】本発明になる蓄電池容量推定装置の構成概念の一例を示す構成説明図である。
【図11】本発明になる蓄電池容量推定装置の構成概念の一例を示す構成説明図である。
【図12】本発明になる蓄電池容量推定装置の構成概念の他の例を示す構成説明図である。
【図13】本発明の実施例3の結果として、試験蓄電池の推定放電時間と実放電時間との関係の一例を示す特性図である。
【図14】従来の蓄電池容量試験方法の一例を示す構成説明図である。
【図15】従来の蓄電池容量試験方法の他の例を示す構成説明図である。
【符号の説明】
1…交流、または直流電源、2…電力変換装置、3…蓄電池、4…負荷装置、5…切替スイッチ、6…放電用定電流負荷装置、7…最低電圧を示す蓄電池単体、8…放電した試験蓄電池を再充電するための充電器、9…充放電器、10…コンピュータ、10′…電力変換装置内に設置されるコンピュータ部、11…定電流定電圧電源、12…CPU、13…ROM、14…RAM、15…プリンタ、16…キーボード、17…表示器、18…主変換回路、19…定電圧制御回路。
Claims (4)
- 蓄電池、もしくは直列に複数個接続された蓄電池群を短時間放電して該蓄電池、もしくは蓄電池群の端子電圧を測定し、測定電圧の変化から規定放電終止電圧に到達するまでの電池容量、あるいは放電時間を推定する方法において、
該測定対象蓄電池、もしくは蓄電池群と同種類の蓄電池の放電特性から予め作成した放電基準式を該測定電圧の時間変化に一致させるよう基準式の時間軸と基準式の係数を補正して適用し、電池容量、もしくは放電時間を推定する方法における該基準式が、
電池電圧を電池起電力と電池内部抵抗とで示し、起電力は放電時間の一次式であり、内部抵抗は放電時間の指数式であることを特徴とする蓄電池容量推定法。 - 蓄電池の試験条件をコントロールする充放電器と、請求項1に記載する蓄電池容量推定法における適用基準式を演算する回路もしくは機能を内蔵して上記請求項1に記載する手順に従って蓄電池、もしくは蓄電池群の容量推定を行うデータを管理するコンピュータとから構成されることを特徴とする蓄電池容量推定装置。
- 試験データを収集管理し、かつ、請求項1に記載する蓄電池容量推定法に従って容量推定値を求めるために演算を行うコンピュータと、蓄電池の試験放電条件を制御する放電電流制御器、もしくは充放電制御器とから構成されることを特徴とする蓄電池容量推定装置。
- 請求項1に記載した蓄電池容量推定法の手順を行う演算回路、もしくは機能とを増設し搭載してなるコンピュータと、蓄電池の試験放電条件を制御する放電電流制御器、もしくは充放電制御器とから構成されることを特徴とする蓄電池容量推定装置。
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