JP3732465B2 - 鉄道車両用蓄電池状態監視装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鉄道車両用蓄電池の状態を監視する鉄道車両用蓄電池状態監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両用蓄電池は架空電車線（以下、架線）電源から補助電源装置と補助整流装置を介してＤＣ電源を供給し、非常灯・無線機器・各種制御機器・集電装置（パンタグラフ）などのＤＣ負荷と並列に接続されている。前記蓄電池は運行時に於いては補助整流装置により蓄電池への充電とＤＣ負荷への給電が行われ、集電装置が架線に接続されていない休車状態から起動時に於いては前記蓄電池からの給電により各種制御装置などの起動並びに架線に接続する集電装置の起動が行われ、運行時に架線電源又はＡＣ負荷、ＤＣ負荷の変動により前記補助電源装置からの給電が不足した場合は、前記補助整流装置の給電と前記蓄電池からの付加的給電により前記ＤＣ負荷の動作が行われ、停電時には前記蓄電池からの給電によりＤＣ負荷の動作が行われる。この中で起動時と停電時における動作が前記蓄電池の最も重要な役割である。
【０００３】
しかるに、従来の鉄道車両には前記蓄電池の状態を監視する手段として電圧を測定し表示する手段程度しかなかった。このため、停電時において前記蓄電池を過放電してしまい、停電復旧後に前記各種制御装置や前記集電装置を起動することができず、輸送障害の発生を招いてしまうことがあった。
【０００４】
このような輸送障害の発生を未然に防ぐため、前記蓄電池の残存容量などを監視する蓄電池状態監視装置が求められていた。
【０００５】
一般に、蓄電池の容量状態を判定するため、充電電流／放電電流の積算により充電容量／放電容量を計算し蓄電池の残存容量を演算する方法が知られている。
【０００６】
しかし、この充放電容量の演算のみでは、電池温度や充放電電流、及び容量状態などに基づく充放電効率による補正を行ったとしても、長時間使用する間に微小な誤差が蓄積することを避けえない。また、放置中の蓄電池の自己放電も残存容量の判定精度に大きく影響する。
【０００７】
かかる問題を解決するために例えば、特開２０００−１１５９０２では蓄電池の充放電電流に基づく電流量別残存容量算出手段と蓄電池の電圧と電流により予め定められた放電特性に基づく電流値別残存容量算出手段を併せ持ち、これらを比較する方法が提案されている。
【０００８】
この方法によると充放電容量の演算により生じた誤差を電圧特性により補正することが可能であり、鉛電池や一部のリチウムイオン電池のように放電電圧が残存容量に対して比較的相関して変化する電池の場合は有効である。
【０００９】
また、例えば特開２０００−３２４７０２では、定電圧充電において充電電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）が所定値以下となったこと検出して残存容量を判定する方法が提案されている。
【００１０】
また、特開２００２−５８１７１では定電圧充電において満充電で充電を停止する方法として温度別に検出電流を選択する方法が提案されている。
【００１１】
これらの方法は定電圧充電において充放電容量の演算により生じた誤差を補正する方法として有効である。
【００１２】
また自己放電量の演算方法として例えば特開平２−１９３５３３では周囲温度に応じて自己放電電流を選択し自己放電量を演算する方法を提案し、特開平５−３４１０２３では自己放電量と残存容量及び電池温度との特性を作成しておき、計算により求めた残存容量と計測により求めた電池温度から自己放電量を推測計算する方法を提案している。
【００１３】
しかるにこれらの提案はいずれも放置中でも機器が動作しており、電池温度を常時監視することが可能であるが、鉄道車両用の蓄電池システムにおいては停電時を除き、休車時に架線電源をオフするときには、蓄電池と車両ＤＣ負荷とは切り離されるため、全ての機器の電源がオフとなり、蓄電池状態監視装置が放置中の電池温度を計測することができない。
【００１４】
このような場合に対して、例えば特開平４−３６８４０１では蓄電池監視回路の電源が切れたとき、その直前の日付と時刻、温度及び残存容量を記憶し、次に電源が入った直後の時刻と比較し、その間の経過時間と平均温度と温度−自己放電電流特性から放置中の自己放電量を推算し、放置前の残存容量から減算する方法を提案されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鉄道車両用蓄電池システムにおいては次のような問題点がある。
【００１６】
１．鉄道車両用蓄電池システムに多く用いられているニッケルカドミウム電池の場合は、放電電圧と残存容量の相関性が低く、特開２０００−１１５９０２で提案されているような端子電圧により残存容量を補正する方法は好適であるとは言えない。
【００１７】
２．鉄道車両用蓄電池は、ＤＣ電源を供給する補助整流装置に蓄電池とＤＣ負荷とが並列に接続され、停車中及び運行中に浮動充電が行われる。この浮動充電電圧は、特に運行中に、ＤＣ負荷の変動やＡＣ負荷の変動及び架線電源の変動により常に変化し、これに連動して充電電流も変化するので、特開２０００−３２４７０２で提案されている電流変化率による残存容量の検出は好適であるとは言えない。また、同様の理由から鉄道車両用蓄電池システムでは、満充電に至る際の微小電流を精度よく検出し得ないため、特開２００２−５８１７１で提案されているように満充電の検出電流を温度によって選択する方法も好適であるとは言えない。
【００１８】
３．鉄道車両は集電装置が架線に接続されていない休車状態で長期間放置されることもあるため、特開平４−３６８４０１号で提案されている放置前後の温度の平均値により自己放電量の演算では正確な自己放電量が演算されない。
【００１９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、蓄電池の残存容量を正確に補正することができ、さらに本監視装置への電源供給がオフされている放置期間中に自己放電量を算出することができる鉄道車両用蓄電池状態監視装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、蓄電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出結果から充電か放電かを判断する状態判定手段と、前記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、前記蓄電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電流検出手段及び状態判定手段の検出結果に基づいて、前記蓄電池の残存容量を計算する残存容量演算手段と、
この残存容量演算手段で演算された残存容量を記憶する残存容量記憶手段と、少なくとも前記蓄電池の電圧と前記蓄電池の温度により関連付けられた残存容量補正係数を記憶する残存容量補正係数記憶手段と、前記状態判定手段により充電であると検出され、前記電流検出手段により検出された充電電流が所定のしきい値以下であることを判定する充電電流判定手段と、この充電電流判定手段により前記充電電流が所定のしきい値以下であることを判定された場合に前記蓄電池の基準容量と前記残存容量補正係数記憶手段に記憶された残存容量補正係数を用いて新たな残存容量を算出し前記残存容量記憶手段に記憶されている残存容量を書き換えることにより残存容量を補正する残存容量補正手段と、本蓄電池状態監視装置への電源供給がオフされている間の前記蓄電池の自己放電量を計算する自己放電量演算手段を備え、この自己放電量演算手段は、少なくとも蓄電池状態監視装置への電源供給がオフされる直前の放置前時間データと、前記電源供給がオフされる直前の残存容量データと、電源供給がオンされた直後の放置後時間データと、予め記憶された年間気温データと、前記年間気温データと残存容量のレベルに関連付けられた自己放電率データテーブルによって自己放電量を演算することを特徴とする。
【００２１】
この請求項1記載の発明によれば、充電電流が所定のしきい値以下であると判定された時、蓄電池の基準容量と、判定された時の蓄電池の温度と蓄電池の電圧に基づいた残存容量補正係数を用いて蓄電池の残存容量を算出し残存容量を書き換えている。つまり、残存容量演算手段で演算された残算容量とは無関係に残存容量が算出される。
【００２２】
従って、残存容量演算手段は長時間使用される間に微小な誤差が蓄積されることを避け得ないが、請求項１の発明は、蓄電池の浮動充電特性（電圧−電流−温度−充電レベル）に基づいた残存容量補正係数を用いて蓄電池の残存容量を算出しているので長期間にわたり蓄積した演算の微小な誤差による影響は受けない。また、残存容量補正手段はＤＣ負荷や架線電源の変動があっても、蓄電池の基準容量と、判定された時の蓄電池の温度と蓄電池の充電電圧に基づいた残存容量補正係数を用いて蓄電池の残存容量を算出しているので、車両ＤＣ負荷や架線電源の変動による電流と電圧の変化の影響が考慮されており、なお且つ温度の変化による影響も考慮されることから、正確な残存容量を得ることができる。さらに、蓄電池状態監視装置への電源供給がオフされている間、つまり放置中においても蓄電池の電圧、温度のデータを得ることができなくとも蓄電池の自己放電量の算出することができる。
【００２３】
請求項２記載の発明は、請求項1記載の前記充電電流判定手段で判定する所定のしきい値は１つ以上あり、前記残存容量補正係数記憶手段に記憶される残存容量補正係数はそのしきい値毎に前記蓄電池の電圧と前記蓄電池の温度とに関連付けられて構成され、前記残存容量補正手段は各充電電流判定手段により所定のしきい値以下であることが判定された場合に、前記蓄電池の基準容量と前記残存容量補正係数記憶手段に記憶された該当するしきい値に対応する残存容量補正係数を用いて新たな残存容量を算出し前記残存容量記憶手段に記憶されている残存容量を書き換えることにより残存容量を補正することを特徴とする。
【００２４】
請求項２記載の発明によれば、残存容量補正手段に用いられるしきい値は１つ（例えば、満充電状態）に限られるものでは無い。しきい値を複数設けた場合には、各充電電流判定手段により所定のしきい値以下であることが判定された場合に、しきい値毎に別個に残存容量の補正を行うことができる。従って、きめ細かい残存容量補正をすることができる。
【００２５】
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の発明に対してさらに、前記残存容量補正手段を動作させて前記残存容量を補正する容量補正モードをセットする残存容量補正モードセット手段とを具備し、前記残存容量補正手段はこの残存容量補正モードセット手段により容量補正モードがセットされた場合に実行されることを特徴とする。
【００２６】
請求項３記載の発明によれば、容量補正手段は、容量補正モードがセットされた時に実行される。
【００２７】
請求項４記載の発明は請求項３記載の前記残存容量補正モードセット手段は、前記状態判定手段により放電が検出され、この放電により連続して所定値以上の容量の放電が行われるか、あるいは連続して所定値以上の電流でなおかつ所定値以上の時間の放電が行われた場合に容量補正モードがセットされることを特徴とする。
【００２８】
請求項４記載の発明によれば、短時間の放電の場合は残存容量補正モードセット手段により容量補正モードはセットされない。従って、短時間の放電の直後にしきい値を超える充電電流が流れ垂下した充電電流がしきい値以下となるような充電が行われて充電電流判定手段の判定が成立しても残存容量補正手段により残存容量の補正は行われない。
【００２９】
例えば、しきい値として比較的大きな値を採用した場合には、満充電状態に至らない部分充電状態において残存容量補正手段により残存容量の補正を行うことになる。
【００３０】
鉄道車両用蓄電池は補助整流装置とＤＣ負荷と並列に接続されたいわゆる浮動充電システムを構成しているため、補助整流装置の出力に影響を与える架線電源やＡＣ負荷が急変したり、ＤＣ負荷が急変した場合に補助整流装置からの給電に不足が生じると蓄電池から放電が行われる場合がある。このような場合の放電量は少ないが、放電直後の瞬時の間は比較的大きな充電電流が流れ、垂下した充電電流がしきい値以下となって充電電流判定手段の判定が成立してしまうことがあり得る。この結果、満充電状態にもかかわらず、部分充電状態に残存容量を補正してしまうことが発生し得る。
【００３１】
しかし請求項４の発明では、このような短時間の放電の場合は残存容量補正モードセット手段により容量補正モードはセットされない。従って、満充電状態であるにもかかわらず部分充電状態に残存容量を補正することを未然に防ぐことができる。
【００３２】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の前記残存容量補正モードセット手段によりセットされた容量補正モードは前記残存容量補正手段により残存容量の補正が行なわれた時にリセットされることを特徴とする。
【００３３】
請求項５記載の発明によれば、充電電流は補助電源装置の出力やＤＣ負荷の変動によって上下するが、一度容量補正が行われると、容量補正モードがリセットされるので、例えば前述のしきい値の補正が行われた後で、充電電流が変動してしきい値を上回る値に増加した後、この値を下回った場合でも、誤って部分充電状態に補正されることは無い。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態の一実施の形態について説明する。
【００３７】
まず、図１を参照して架線電源及び蓄電池を電源とする鉄道車両用補助電源回路について説明する。図において、１は直流電源（例えば、ＤＣ１５００Ｖ）が送電される架線（架空電車線）である。以下、この架線１を介して供給される電源を架線電源と呼称する。この架線電源は集電装置（パンタグラフ）２、架線電源スイッチ３を介して主回路１６と補助回路１７に供給される。主回路１６では主制御装置１５で架線電源を交流に変換して鉄道車両の走行用駆動源である主電動機へ電源を供給する。
【００３８】
補助電源回路１７では補助電源装置４で架線電源を交流に変換して主電動機以外の車両のＡＣ負荷（例えば、エアコン、コンプレッサなどのＡＣ４４０Ｖ系負荷）へ電源を供給する。また、補助電源装置４から出力される低圧（例えば、ＡＣ１００Ｖ）交流電源は補助整流装置５で直流（例えば、ＤＣ１００Ｖ）に変換し、ライン５ａに接続されたDC負荷６に供給される。
【００３９】
補助整流装置５とＤＣ負荷６との中間点から取り出されているライン５ｂは、バッテリスイッチ７を介して少なくとも２つ以上の直列接続されたブロック電池から構成された鉄道車両用蓄電池８の正極端子に接続される。各ブロック電池は例えば、ニッケルカドニウム電池で構成され、この実施の形態では１２個のブロック電池が用いられている。
【００４０】
バッテリスイッチ７と鉄道車両用蓄電池８の正極端子との間には、蓄電池８に充電あるいは放電される電流を検出する電流検出手段としての電流センサ１０が設けられている。この電流センサ１０で検出された電流は本発明に係る蓄電池状態監視装置１１に出力される。なお、蓄電池状態監視装置１１には、ライン５ｂの一部が接続されている。ここで、９は鉄道車両用蓄電池８が収納される蓄電池箱である。
【００４１】
また、蓄電池８の両端の電圧、つまり電圧Ｖsetは電圧検出手段としての電圧センサ１２で検出されて蓄電池状態監視装置１１に出力される。
【００４２】
さらに、蓄電池８の温度Ｔｂを検出する温度検出手段としての温度センサ１３から出力される温度信号は蓄電池状態監視装置１１に出力される。なお、図示しないが蓄電池８の周囲温度Ｔａを検出する温度センサも蓄電池箱９内に設けられている。
【００４３】
蓄電池状態監視装置１１から蓄電池８の残量などの情報が車両情報装置１８に出力され、運転台モニタ１４に表示される。
【００４４】
図１において、実線矢印は鉄道車両が運行しているときの電流の流れを示し、破線矢印は鉄道車両が架線電源が供給されていない休車状態から各種制御機器や集電装置などのＤＣ負荷を起動するときや、運行途中で架線電源の停電により停車しているときの電流の流れを示している。
【００４５】
次に、図２を参照して蓄電池状態監視装置１１について説明する。蓄電池状態監視装置１１は電源ユニット２１と、アナログ基板２２、第１のデジタル基板２３、第２のデジタル基板２４とから構成される。
【００４６】
電源ユニット２１はライン５ｂを介して入力される１００Ｖの直流電圧を５Ｖの直流電圧5Vdc及び１５Ｖの直流電圧15Vdcに変換している。
【００４７】
電源ユニット２１から出力される直流電圧15Vdcはアナログ基板２２に入力される。このアナログ基板２２上には、電流モニタ入力部３１、図１の電圧センサ１２に相当するバッテリ電圧モニタ入力部３２、温度モニタ入力部３３、モノブロック電圧モニタ入力部３４が設けられている。電流モニタ入力部３１は電流センサ１０で検出された電流を入力し、切替部３５に出力し、バッテリ電圧モニタ入力部３２は蓄電池８の充電電圧Ｖsetを検出し切替部３５に出力し、温度モニタ入力部３３は温度センサ１３で検出された蓄電池８の温度Ｔｂを切替部３５に出力し、モノブロック電圧モニタ入力部３４は、図では１つしか図示していないが、各ブロック電池の両端の電圧Ｖ1〜Ｖ12を検出し、切替部３５に出力する。
【００４８】
切替部３５は入力される信号を切り替えてＡ／Ｄ変換部３６に出力する。このＡ／Ｄ変換部３６は入力される信号をアナログ・デジタル変換して第１のデジタル基板２３に出力する。つまり、電流センサ１０で検出された電流は電流データＩ（ｎ）として、温度センサ１３で検出された蓄電池８の温度Ｔｂは温度データＴ（ｎ）として第１のデジタル基板２３に出力される。
【００４９】
第１のデジタル基板２３には、電源監視部４１、ＣＰＵ（中央処理装置）４２、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）４３、カレンダ・タイマ４４、バックアップ・メモリ４５から構成されている。さらに、図示しないカウンタも備えている。
【００５０】
ＲＯＭ４３には、図４〜図９で示したフローチャートの他、充電係数α、放電係数Ｋb、図３に示す残存容量補正係数、図７のステップS４６で参照する補正計数Ｋｓのテーブル、図８のステップS５８で参照する補正計数Ｋｓのテーブル、図８のステップS６５で参照する補正計数Ｋｓのテーブル、図９のステップS７４で参照する自己放電率Ｋｒなどのテーブルや各しきい値データ（Ｉ１，Ｉ２）が記憶されている。
【００５１】
カレンダ・タイマ４４は時分秒及び年月日（カレンダデータ）を計時するカレンダ機能と時間データｔ（ｎ）を出力するタイマ機能とを備えている。
【００５２】
バックアップ・メモリ４５は残存容量記憶手段として蓄電池８の残存容量を記憶する。また、最新の時間データを記憶する。
【００５３】
第２のデジタル基板２４には、メモリ５１、通信制御部５２、送受信部５３で構成されている。送受信部５３は図１の車両情報装置１８との間で各種データを送受する。この各種データの一つとして、蓄電池８の残存容量がある。
【００５４】
次に、上記のように構成された本発明の第１の実施の形態の動作について説明する。
【００５５】
まず、バッテリスイッチ７がオンされると、ＤＣ負荷６及び蓄電池状態監視装置１１に蓄電池８の電源が供給される。これにより、ＤＣ負荷６及び蓄電池状態監視装置１１が起動される。これにより、蓄電池８は放電する。次に、架線電源スイッチ３がオンされ、集電装置（パンタグラフ）２が図示の如く上げられる。これにより、架線電源が供給される。これにより、蓄電池８は充電される。
【００５６】
このように、蓄電池状態監視装置１１が起動されると、図４のフローチャートの処理がＣＰＵ４２で実行される。まず、カレンダ・タイマ４４で計時されたカレンダデータを受信し（ステップS１）、このカレンダデータに基づいて図９のフローチャートを参照して詳細を後述する自己放電補正処理が行なわれ（ステップS２）、寿命劣化補正処理（ステップS３）が行なわれる。この寿命劣化補正処理は、カレンダ・タイマ４４で計時された時間データにより、蓄電池８が使用開始された時間データと現在の時間データを比較することで、所定の経年劣化係数によって寿命劣化を演算している。
【００５７】
次に、各電池ブロック間の電圧Ｖ1〜Ｖ12及び蓄電池８を流れる電流データＩ（ｎ）、蓄電池８の温度Ｔｂ及び周囲温度Ｔａが測定され（ステップS４）、蓄電池８の温度Ｔｂ及び周囲温度Ｔａが異常であるかが判定する処理がなされる（ステップS５）。
【００５８】
次に、図５のフローチャートを参照して詳細な説明を後述するように、蓄電池８の残存容量Ｓc(n)がＳＯＣ（State Of Charge）判定処理（残存容量演算手段）（ステップS７）で算出される。なお、このステップS７の処理で、残存容量Ｓc(n)から放電可能容量Ｓdも算出されている。ここで、ＳＯＣは蓄電池８の残存容量Ｓc(n)と基準容量Ｃとの比を百分率で示す。例えば、Ｓc(n)＝Ｃのとき、ＳＯＣ＝１００％となる。
【００５９】
そして、容量警報出力処理（ステップS８）において、図６のステップS３１に示すように、放電可能容量Ｓdが下限値ＳLより小さくなった場合に警報を出力する処理がなされる。
【００６０】
次に、本発明の特徴である残存容量Ｓc(n)を補正する容量補正処理が行なわれる（ステップS９）。この容量補正処理は２つの実施の形態があり、一つは図７のフローチャートを参照して他の一つは図８のフローチャートを参照して後述する。
【００６１】
次に、ステップS４で測定された蓄電池８を流れる電流データＩ（ｎ）が異常であるかを判定する処理がなされる（ステップS１０）。このステップS１０で電流データＩ（ｎ）が異常に大きい場合には、警報を出力する処理がなされる。
【００６２】
そして、データの送信がなされる（ステップS１１）。このデータの送信は、ステップS10までに生成された放電可能容量Ｓd、電圧データＶ1〜Ｖ12等の各種データである。これらデータは送受信部５３を介して車両情報装置１８に送信される。
【００６３】
次に、図５を参照してＳＯＣ判定処理について説明する。このＳＯＣ判定処理において、蓄電池８の残存容量Sc(n)と放電可能容量Ｓdの演算が行なわれる。つまり、ＣＰＵ５は、図５に示すフローチャートに従い残存容量の演算を行なう。
【００６４】
まず、ステップS２１において、電流データＩ（ｎ）の極性により充電か放電か待機の状態判定が行われれる（状態判定手段）。ここでは、電流の極性が正の場合を充電、負の場合を放電とした。このステップS２１の判定で、充電であると判定された場合には、ステップS２２において温度データＴ（ｎ）と直前の残存容量Ｓｃ（ｎ−１）に基づいて、ＲＯＭ１１に記憶されている温度と残存容量とに関連づけられた充電係数データテーブルから、対応する充電係数αが選択される。一方、ステップS２１の判定で、放電及び待機と判定された場合は、α＝１とされる（ステップS２３）。つまり、放電及び待機と判定された場合は、電流データＩ（ｎ）に対する補正は行なわれない。
【００６５】
次に、ステップS２４において、カレンダ・タイマ４４から出力された時間データｔ（ｎ）と直前の時間データｔ（ｎ−１）、及び電流データＩ（ｎ）とｔ（ｎ−１）に対応する電流データＩ（ｎ−１）から、経過した時間区間［ｔ（ｎ）−ｔ（ｎ−１）］における区間積算容量を求め、これを直前の残存容量Ｓｃ（ｎ−１）に加えて現在の残存容量Ｓｃ（ｎ）を求める演算が行なわれる。ここで、ステップS２４のボックス内に記載した数式に示すように充電の場合にのみ充電係数αが掛けられている。
【００６６】
ここで、放電の場合は電流の極性は負となるため、残存容量Ｓｃ（ｎ）は減算され、充電の場合は電流の極性は正となるため残存容量Ｓｃ（ｎ）は加算される。
【００６７】
減算の結果、残存容量Ｓｃ（ｎ）がゼロ以下となった場合、残存容量Ｓｃ（ｎ）はＯ［Ａｈ］に留められる。一方、加算の結果、残存容量Ｓｃ（ｎ）が基準容量Ｃを超えた場合は残存容量Ｓｃ（ｎ）はＣに留められる。この実施の形態では、基準容量Ｃは蓄電池８の定格容量である80［Ah］に設定してある。なお、基準容量は特に蓄電池８の定格容量と等しくする必要はない。
【００６８】
電流が充電である場合は、放電可能容量Ｓｄ＝残存容量Ｓｃ（ｎ）とされる（ステップS２５）。さらに、充電時に於いては放電可能時間ｔｄは、放電可能容量Ｓｄを停電時の代表的な負荷電流の下限値、例えばこの例では４０Ａで割り算することにより求めている（ステップS２６）。
【００６９】
ところで、蓄電池8が実際に放電できる放電可能容量Ｓｄは、必ずしも演算により求めた残存容量Ｓｃ（ｎ）に一致しない。これは蓄電池８の放電反応が負荷電流や温度の影響を受けるためである。例えば、鉄道車両用に多く用いられているニッケルカドミウム電池を含め一般的な電池は、負荷電流の増大と共に放電可能容量Ｓｄは減少し、また最適温度から低温側又は高温側にシフトすると放電可能容量Ｓｄは減少する。
【００７０】
そこで、電流が放電（Ｉ＜０）である場合は、電池温度Ｔｂと電流データＩ（ｎ）に基づいて、ＲＯＭ１１に記憶されている温度と電流に関連づけられた放電係数データテーブルから放電係数Ｋｄが選択される（ステップS２７）。そして、下式によって放電可能容量Ｓｄが求められる（ステップS２８）。
【００７１】
Sd = Sc(n)− (C − C×Kd)
Ｋｄは基準となる最適の電池温度と電流条件においてＫｄ＝１であり、基準容量はこの基準となる条件において満充電状態から得られる放電容量と設定したものである。従って、この実施の形態では基準容量が最大の放電容量であるので、Ｋｄは１以下の数値となる。
【００７２】
電池温度と電流条件から、例えば電池温度が低温側あるいは電流が大電流側にシフトすると、放電反応抵抗の増大が起こり、反応すべき活物質の一部が所定の最低電圧以上では反応できなくなる。ここで、一般的に活物質には反応しやすい部分と反応しにくい部分が存在し、反応しやすい部分から順次反応すると考えられる。そして、放電時の電池温度が低いかあるいは放電電流が大きい場合、放電反応抵抗が増大し、この反応しにくい部分がより反応しにくくなり所定の最低電圧以上で放電できなくなると考えられる。同一種類で同一形式の電池の場合、放電条件の違いによって反応しにくくなる活物質の量は基準容量に対する割合から求められるべきである。つまり例えば基準容量８０Ａｈの電池の場合、０℃において８０Ａｈで放電した時にＫｄ＝０．８とすると、Ｃ−Ｃ×Ｋｄ＝１６Ａｈが利用できない活物質の容量に相当する。従って、放電可能容量Ｓｄは演算で求めた残存容量Sc(n)から放電条件によって利用できなくなった容量 (C − C×Kd)を減算することで求められる。
【００７３】
そして、ステップS２９で、この放電可能容量Ｓｄと電流Ｉ（ｎ）とから放電可能時間ｔｄを求めている。
【００７４】
ただし、放電可能時間ｔｄは、主に停電時における蓄電池によるＤＣ負荷６のバックアップ時間を報知するために用いられるので、停電時における代表的な負荷電流の下限値４０（Ａ）よりも低い電流で演算してもあまり意味を持たない。そこで、電流Ｉ（ｎ）が停電時における代表的な負荷電流の下限値４０（Ａ）よりも小さいときは、放電可能容量Ｓｄをこの電流下限値４０で除した値を放電可能時間ｔｄとする。電流が停電時における代表的な負荷電流の下限値４０（Ａ）よりも小さいときは、ステップS２９の上側の式で放電可能時間ｔｄが算出される。
【００７５】
一方、電流Ｉ（ｎ）が停電時における代表的な負荷電流の下限値４０（Ａ）よりも大きいときは、放電可能容量Ｓｄを電流Ｉ（ｎ）の絶対値で除した値を放電可能時間ｔｄとしている。つまり、ステップS２９の下側の式で放電可能時間ｔｄが算出される。
【００７６】
ところで、電流Ｉ（ｎ）＝０では、補正係数Ｋｄは１にセットされる（ステップS３０）。その後、ステップS２８の処理に進むが、補正係数Ｋｄは１であるので、放電可能容量Ｓｄは残存容量Ｓｃ（ｎ）に等しい。つまり、電流Ｉ（ｎ）＝０のときは、充電時と同じように、放電可能時間ｔｄが算出される。
【００７７】
次に、本発明の特徴となる容量補正処理（ステップS９）について詳細に説明する。なお、図７のフローチャートはこの容量補正処理（ステップS９）の第１の実施の形態を示し、図８のフローチャートはこの容量補正処理（ステップS９）の第２の実施の形態を示している。
【００７８】
図７において、電流データＩ（ｎ）が放電電流のしきい値（例えば−１０Ａ）を所定時間ｔ１（例えば３０分間）を経過したかが判定される（ステップS４１）。このステップS４１で「ＹＥＳ」と判定された場合に容量補正チェックコードＲ（容量補正モード）が「１」にセットされる（ステップS４２）。容量補正チェックコードＲはバックアップ・メモリ４４に記憶される。ここで、ステップS４１及びＳ４２により残存容量補正モードセット手段が構成されている。
【００７９】
これは、例えば蓄電池８は、その特性から満充電状態において短時間の放電があった場合でも、放電直後に瞬時に複電（充電）する際、しきい値を超える大きな充電電流が流れ、直ちに垂下し充電電流がしきい値以下となることがある。このような場合、誤った容量補正を行う可能性があるため、所定時間ｔ１より短い時間の放電に対しては容量補正チェックコードＲをセットしないようにして、誤って容量補正を行わないようにしている。
【００８０】
次いで、容量補正チェックコードＲが「１」であるかが判定される（ステップS４３）。このステップS４３の判定で「ＹＥＳ」と判定されても、直ぐには、ステップS４６及びＳ４７の容量補正は実行されない。ステップS４４及びＳ４５の判定条件が成立すると、容量補正が行なわれる。これは、ある程度の量の放電が行われた後なので、その後の複電時に大きな充電電流が流れ、やがて電流が垂下し、ステップS４４で電流データが容量補正のしきい値Ｉ１（例えば＋４Ａ）を下回ったかどうかを判定する（充電電流判定手段）。この時、充電電流は架線電源などの変動に伴って変動しているので、しきい値Ｉ１（＋４Ａ）を連続して数回（例えば、５回）以上下回った時点を検出している（ステップS４５）。
【００８１】
ステップS４５の判定で「ＹＥＳ」と判定されると、その時の蓄電池８の温度Ｔｂと電圧Ｖsetに基づいて、ＲＯＭ１１に記憶されている温度Ｔｂと電圧Ｖsetとに関連づけられた残存容量補正係数のデータテーブル（図３）から対応する残存容量補正係数Ｋｓが選択され（ステップS４６）、基準容量Ｃに残存容量補正係数Ｋｓが乗ぜられた値が残存容量Ｓｃ（ｎ）とされる。この残存容量Ｓｃ（ｎ）はバックアップ・メモリ４５にすでに記憶されている残存容量に上書きされる。つまり、バックアップ・メモリ４５には図５のフローチャートのステップS２４により蓄電池８への充放電時に残存容量Ｓｃ（ｎ）が更新されている。ステップS４６の処理はバックアップ・メモリ４５には記憶されている残存容量Ｓｃ（ｎ）に関係なく、基準容量Ｃに残存容量補正係数Ｋｓを乗じた値を残存容量Ｓｃ（ｎ）とし、バックアップ・メモリ４５に記憶されていた残存容量Ｓｃ（ｎ）を書き換えるようにして補正している。
【００８２】
このように、充電電流が所定のしきい値以下であると判定された時、蓄電池８の基準容量Ｃに判定された時の蓄電池８の温度Ｔｂと蓄電池の電圧Ｖsetに基づいた残存容量補正係数Ksを乗じることにより蓄電池８の残存容量が新たに演算され、すでに記憶されている残存容量がこの新たに演算された値に書き換えられる。従って、ＤＣ負荷6や架線電源の変動による電流と電圧の変化の影響が考慮され、なお且つ温度の変化による影響も考慮されることから、蓄電池８の残存容量Ｓｃ（ｎ）を正確に得ることができる。
【００８３】
例えば、検出前の残存容量を７０Ａｈ、電池温度が１２℃、電池電圧が１０３Ｖである時、図３の残存容量補正係数Ksのデータテーブルから次のように求められる。まず、手順１として電圧データから、電圧範囲１０２Ｖ〜１０４ＶのＢ列が選択される。そして、手順２として電池温度データから、予め定めた１０℃と１５℃における残存容量補正係数Ｋｓ２．４（例えば０．８８）とＫｓ２．３（例えば０．９０）が選択される。さらに、手順３として補間法により電池温度データ（１２℃）における残存容量補正係数（０．８９）が求められる。さらに、手順４として定格容量（８０Ａｈ）に残存容量補正係数（０．８９）が乗ぜられた値（７１．２Ａｈ）が、検出前の残存容量７０［Ａｈ］に代わり、新しい残存容量として書き換えられる。
【００８４】
尚、残存容量が補正された場合、容量補正チェックコードＲはリセットされる（ステップS４８）。そして、ステップS４５の回数を計数するカウンタがリセットされる（ステップS４９）。
【００８５】
つまり、ステップS４６及び４７の容量補正処理は、容量補正チェックコードＲがセットされているときに１回だけ行われる。
【００８６】
充電電流は架線電源と車両ＤＣ負荷の変動によって上下するが、一度容量補正が行われると、容量補正モードがリセットされるので、例えば前述のしきい値の補正が行われた後で、充電電流が変動してしきい値を上回る値に増加した後、この値を下回った場合でも、誤って部分充電状態に補正されることは無い。
【００８７】
次に、図８のフローチャートを参照して図４の容量補正処理（ステップS９）の第２例について説明する。図８は、容量補正処理を２段階の残存容量レベルに分けて行っている。これは部分充電状態（たとえばＳＯＣ８０％）と満充電状態（ＳＯＣ１００％）の２段階で容量補正を行うものである。
【００８８】
図７のフローチャートを参照して説明した第１例ではしきい値はＩ1だけであったが、この図８のフローチャートに示した第２例では、しきい値が部分充電状態に対応するしきい値Ｉ１と、満充電状態かそれに近い状態に対応するしきい値Ｉ２とに複数設けている。
【００８９】
また、この第２例では、電流データＩ（ｎ）が放電電流のしきい値（例えば−１０Ａ）を比較的長時間である所定時間ｔ１（＞ｔ２）（例えば３０分間）を経過したかが判定される（ステップS５１）。このステップS５１で「ＹＥＳ」と判定された場合に容量補正チェックコードＲ１が「１」にセットされる（ステップS５２）。また、電流データＩ（ｎ）が放電電流のしきい値（例えば−１０Ａ）を比較的短時間である所定時間ｔ２（例えば３分間）を経過したかが判定される（ステップS５３）。このステップS５３で「ＹＥＳ」と判定された場合に容量補正チェックコードＲ２が「１」にセットされる（ステップS５４）。つまり、蓄電池８からの放電電流がしきい値を超えた時間に応じて２段階に容量補正チェックコードＲ１，Ｒ２を切り分けてセットするようにしている。ステップS５１〜５４により残存容量補正モードセット手段が構成される。
【００９０】
ｔ１＞ｔ２となるように設定されているので、容量補正チェックコードＲ２が先にセットされ、その後容量補正チェックコードＲ１がセットされる。
【００９１】
そして、容量補正チェックコードＲ１がセットされたときは、ステップS５６〜Ｓ６１の処理が行なわれ、容量補正チェックコードＲ２がセットされたときは、ステップS６３〜Ｓ６８の処理が行なわれる。
【００９２】
そして、ステップS５６で電流データが容量補正のしきい値Ｉ１（例えば＋４Ａ）を下回ったかどうかを判定する。この時、充電電流は架線電源などの変動に伴って変動しているので、しきい値Ｉ１（＋４Ａ）を連続して数回（例えば、５回）以上下回った時点を検出している（ステップS５７）。このステップS５７で「ＹＥＳ」と判定された場合には、図７のステップS４６〜４９で説明した処理と同様な容量補正処理が行なわれる。ただし、図７のフローチャートで示した第１の実施の形態ではしきい値はＩ１の一つだけであったが、図８のフローチャート４６で示した第２の実施の形態ではしきい値はＩ１とＩ２の２つである。従って、ステップS５８で参照される補正係数Ｋｓは蓄電池８の温度Ｔｂと充電電圧Ｖsetとしきい値Ｉ１に関連付けられており、ステップS６５で参照される補正係数Ｋｓは蓄電池８の温度Ｔｂと電圧Ｖsetとしきい値Ｉ２に関連付けられている。
【００９３】
また、ステップS６３で電流データが容量補正のしきい値Ｉ２（＜Ｉ１）（例えば＋１Ａ）を下回ったかどうかを判定する。しきい値Ｉ２（＋１Ａ）を連続して数回（例えば、５回）以上下回った時点を検出している（ステップS６３）。このステップS６３で「ＹＥＳ」と判定された場合には、図７のステップS４６〜４９で説明した処理と同様な容量補正処理が行なわれる。
【００９４】
このように、しきい値が部分充電状態に対応するしきい値Ｉ１と、満充電状態かそれに近い状態に対応するしきい値Ｉ２とに複数設けられ、比較的長時間（ｔ１：ｔ１＞ｔ２）の放電に対してはしきい値Ｉ１としきい値Ｉ２の両方の容量補正を選択し、比較的短時間（ｔ２）の放電に対してはしきい値Ｉ１の容量補正は行わず、しきい値Ｉ２（満充電状態）の容量補正のみを選択するようにしたので、部分充電状態に補正されるのは相当な量の放電が行われた時に限定され、既に満充電状態かそれに近い状態にある時に、浅い放電をした場合、部分充電状態に容量補正され誤った表示をすることを防ぐことができる。
【００９５】
なお、図７及び図８において、容量補正モードをセットする放電の基準は時間の他、放電電気量であってもよい。また、２つ以上の複数の段階で容量補正する時に、放電容量の大きさで各段階の補正の可否を選別する場合は、容量補正モードをセットする放電の基準は補正する容量レベルに対して適正な放電量（電流、時間）を選択するようにしても良い。
【００９６】
次に、図９のフローチャートを参照して図４の自己放電補正処理について説明する。鉄道車両に搭載されている機器は、実施例による蓄電池状態監視装置１１も含め、蓄電池８が架線電源から遮断され放置されたとき、バッテリスイッチ７がオフとなることが一般的である。この放置中には蓄電池状態監視装置１１は蓄電池８の電圧を受けることはできない。
【００９７】
仮に、蓄電池状態監視装置１１が常に蓄電池８に接続されると、常識的な一般の構成部品で蓄電池状態監視装置が構成され、これも常識的な容量の蓄電池が用いられたとすると、架線電源から遮断されて放置した時、２〜３週間から１ケ月で蓄電池の容量はなくなる。放置中にもし、蓄電池の容量が無くなると車両が起動できなくなるため、このような構成とすることは鉄道車両においては好ましく無い。従って、放置中には蓄電池状態監視装置１１は連続して又は定期的に蓄電池８の電圧データや温度データを検出して自己放電量を演算することができない。
【００９８】
そこで、図９のフローチャートに示す処理により、バッテリスイッチ７がオフされる放置期間中の自己放電量を推算する。
【００９９】
まず蓄電池状態監視装置１１は、蓄電池８が架線電源スイッチ３がオフされると、バッテリスイッチ７もオフされる。バッテリスイッチ７がオフされたときの、日付と時刻、残存容量Ｓｃ（１）としてバックアップ・メモリ４５に記憶している。
【０１００】
次に、起動により、蓄電池状態監視装置１１に電源が供給されると、起動時であることが判定され、図４のフローチャートのステップS２の自己放電補正処理に進む。
【０１０１】
まず、カレンダ・タイマ４４からＣＰＵ４２に現在の日付ＤＴ２を取り込む（ステップS７１）。そして、バックアップ・メモリ４５に記憶されている前回記憶した日付ＤＴ１と残存容量Ｓｃ（１）を取り込む（ステップS７２）。
【０１０２】
そして、「ＤＴ１＜ＤＴ２」であるかを判定する（ステップS７３）。もし、ＤＴ１とＤＴ２が同じ日付であれば、「ＮＯ」と判定されメインルーチンに戻る。つまり、この場合には自己放電量を演算する必要がないためである。
【０１０３】
ステップS７３で「ＹＥＳ」と判定された場合には、蓄電池状態監視装置１１が放置されていたと判定され、ステップS７４以降の自己放電量を演算する処理がなされる。まず、放置前の残存容量Ｓｃ（１）と日付ＤＴ１に基づいて、年間気温変動データと残存容量と自己放電率とが関連付けられたデータテーブルから放電開始日の１日当たりの自己放電率Ｋｒを選択する（ステップS７４）。そして、放置前の残存容量Ｓｃ（１）から１日当たりの自己放電量を減算する（ステップS７５）。つまり、Ｓｃ（１）＝Ｓｃ（１）−（Ｃ×Ｋｒ）とされる。
【０１０４】
そして、日付を１日進める。つまり、ＤＴ１＝ＤＴ１＋１とする（ステップS７６）。
【０１０５】
そして、ＤＴ１＝ＤＴ２（現在の日付）となったか判定される（ステップS７７）。このステップS７７において「ＮＯ」と判定されている間はステップS７４〜７６の処理が繰り返し行なわれる。
【０１０６】
そして、ステップS７７で「ＹＥＳ」と判定されると、放置されている間の自己放電量がすべて考慮されて残存容量が決定される。
【０１０７】
このように、蓄電池状態監視装置１１が計測した電池温度データが無くとも自己放電量の演算が可能となる。
【０１０８】
なお、自己放電率の計算にＲＯＭ４３に記憶された年間気温変動データと残存容量と自己放電率とが関連付けられたデータテーブルを用いているが、蓄電池状態監視装置１１のバッテリスイッチ７のオンされた後、外部入力手段によって別途計測した放置期間中の温度データを入力し、温度と残存容量及び自己放電量の特性データによって、放置中の自己放電量を演算しても良い。
【０１０９】
なお、図８のフローチャートではしきい値を２つ（Ｉ1，Ｉ2）設けたが、３つ以上設けても良い。
【０１１０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、充電電流が所定のしきい値以下であると、蓄電池の温度Ｔｂと電圧Ｖsetにより残存容量補正係数Ksを選択し、蓄電池の基準容量と残存容量補正係数Ksから残存容量を算出し、蓄電池の残存容量を書き換えるように補正したので、正確な残存容量を把握することができる。
【０１１１】
さらに、放置期間中の気温変動データ等によって自己放電が計算されるようにしたので、蓄電池状態監視装置が作動していない間の自己放電量を推測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る架線電源及び蓄電池を電源とする鉄道車両用補助電源システムの概略構成図。
【図２】同実施の形態に係る蓄電池状態監視装置を詳細なブロック図。
【図３】所定の電流しきい値において温度と電圧に関連付けられた残存容量のデータテーブルの一例。
【図４】同実施の形態に係るメインフローチャート。
【図５】残存容量演算のフローチャートの一例。
【図６】容量警報のフローチャートの一例。
【図７】容量補正のフローチャートの一例。
【図８】容量補正のフローチャートの一例。
【図９】自己放電量補正処理を示すフローチャートの一例。
【符号の説明】
８…蓄電池、
１０…電流センサ、
１１…蓄電池状態監視装置、
１３…温度センサ、
４２…ＣＰＵ、
４３…ＲＯＭ、
４５…バックアップ・メモリ。
【発明の属する技術分野】
本発明は鉄道車両用蓄電池の状態を監視する鉄道車両用蓄電池状態監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両用蓄電池は架空電車線（以下、架線）電源から補助電源装置と補助整流装置を介してＤＣ電源を供給し、非常灯・無線機器・各種制御機器・集電装置（パンタグラフ）などのＤＣ負荷と並列に接続されている。前記蓄電池は運行時に於いては補助整流装置により蓄電池への充電とＤＣ負荷への給電が行われ、集電装置が架線に接続されていない休車状態から起動時に於いては前記蓄電池からの給電により各種制御装置などの起動並びに架線に接続する集電装置の起動が行われ、運行時に架線電源又はＡＣ負荷、ＤＣ負荷の変動により前記補助電源装置からの給電が不足した場合は、前記補助整流装置の給電と前記蓄電池からの付加的給電により前記ＤＣ負荷の動作が行われ、停電時には前記蓄電池からの給電によりＤＣ負荷の動作が行われる。この中で起動時と停電時における動作が前記蓄電池の最も重要な役割である。
【０００３】
しかるに、従来の鉄道車両には前記蓄電池の状態を監視する手段として電圧を測定し表示する手段程度しかなかった。このため、停電時において前記蓄電池を過放電してしまい、停電復旧後に前記各種制御装置や前記集電装置を起動することができず、輸送障害の発生を招いてしまうことがあった。
【０００４】
このような輸送障害の発生を未然に防ぐため、前記蓄電池の残存容量などを監視する蓄電池状態監視装置が求められていた。
【０００５】
一般に、蓄電池の容量状態を判定するため、充電電流／放電電流の積算により充電容量／放電容量を計算し蓄電池の残存容量を演算する方法が知られている。
【０００６】
しかし、この充放電容量の演算のみでは、電池温度や充放電電流、及び容量状態などに基づく充放電効率による補正を行ったとしても、長時間使用する間に微小な誤差が蓄積することを避けえない。また、放置中の蓄電池の自己放電も残存容量の判定精度に大きく影響する。
【０００７】
かかる問題を解決するために例えば、特開２０００−１１５９０２では蓄電池の充放電電流に基づく電流量別残存容量算出手段と蓄電池の電圧と電流により予め定められた放電特性に基づく電流値別残存容量算出手段を併せ持ち、これらを比較する方法が提案されている。
【０００８】
この方法によると充放電容量の演算により生じた誤差を電圧特性により補正することが可能であり、鉛電池や一部のリチウムイオン電池のように放電電圧が残存容量に対して比較的相関して変化する電池の場合は有効である。
【０００９】
また、例えば特開２０００−３２４７０２では、定電圧充電において充電電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）が所定値以下となったこと検出して残存容量を判定する方法が提案されている。
【００１０】
また、特開２００２−５８１７１では定電圧充電において満充電で充電を停止する方法として温度別に検出電流を選択する方法が提案されている。
【００１１】
これらの方法は定電圧充電において充放電容量の演算により生じた誤差を補正する方法として有効である。
【００１２】
また自己放電量の演算方法として例えば特開平２−１９３５３３では周囲温度に応じて自己放電電流を選択し自己放電量を演算する方法を提案し、特開平５−３４１０２３では自己放電量と残存容量及び電池温度との特性を作成しておき、計算により求めた残存容量と計測により求めた電池温度から自己放電量を推測計算する方法を提案している。
【００１３】
しかるにこれらの提案はいずれも放置中でも機器が動作しており、電池温度を常時監視することが可能であるが、鉄道車両用の蓄電池システムにおいては停電時を除き、休車時に架線電源をオフするときには、蓄電池と車両ＤＣ負荷とは切り離されるため、全ての機器の電源がオフとなり、蓄電池状態監視装置が放置中の電池温度を計測することができない。
【００１４】
このような場合に対して、例えば特開平４−３６８４０１では蓄電池監視回路の電源が切れたとき、その直前の日付と時刻、温度及び残存容量を記憶し、次に電源が入った直後の時刻と比較し、その間の経過時間と平均温度と温度−自己放電電流特性から放置中の自己放電量を推算し、放置前の残存容量から減算する方法を提案されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鉄道車両用蓄電池システムにおいては次のような問題点がある。
【００１６】
１．鉄道車両用蓄電池システムに多く用いられているニッケルカドミウム電池の場合は、放電電圧と残存容量の相関性が低く、特開２０００−１１５９０２で提案されているような端子電圧により残存容量を補正する方法は好適であるとは言えない。
【００１７】
２．鉄道車両用蓄電池は、ＤＣ電源を供給する補助整流装置に蓄電池とＤＣ負荷とが並列に接続され、停車中及び運行中に浮動充電が行われる。この浮動充電電圧は、特に運行中に、ＤＣ負荷の変動やＡＣ負荷の変動及び架線電源の変動により常に変化し、これに連動して充電電流も変化するので、特開２０００−３２４７０２で提案されている電流変化率による残存容量の検出は好適であるとは言えない。また、同様の理由から鉄道車両用蓄電池システムでは、満充電に至る際の微小電流を精度よく検出し得ないため、特開２００２−５８１７１で提案されているように満充電の検出電流を温度によって選択する方法も好適であるとは言えない。
【００１８】
３．鉄道車両は集電装置が架線に接続されていない休車状態で長期間放置されることもあるため、特開平４−３６８４０１号で提案されている放置前後の温度の平均値により自己放電量の演算では正確な自己放電量が演算されない。
【００１９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、蓄電池の残存容量を正確に補正することができ、さらに本監視装置への電源供給がオフされている放置期間中に自己放電量を算出することができる鉄道車両用蓄電池状態監視装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、蓄電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出結果から充電か放電かを判断する状態判定手段と、前記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、前記蓄電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電流検出手段及び状態判定手段の検出結果に基づいて、前記蓄電池の残存容量を計算する残存容量演算手段と、
この残存容量演算手段で演算された残存容量を記憶する残存容量記憶手段と、少なくとも前記蓄電池の電圧と前記蓄電池の温度により関連付けられた残存容量補正係数を記憶する残存容量補正係数記憶手段と、前記状態判定手段により充電であると検出され、前記電流検出手段により検出された充電電流が所定のしきい値以下であることを判定する充電電流判定手段と、この充電電流判定手段により前記充電電流が所定のしきい値以下であることを判定された場合に前記蓄電池の基準容量と前記残存容量補正係数記憶手段に記憶された残存容量補正係数を用いて新たな残存容量を算出し前記残存容量記憶手段に記憶されている残存容量を書き換えることにより残存容量を補正する残存容量補正手段と、本蓄電池状態監視装置への電源供給がオフされている間の前記蓄電池の自己放電量を計算する自己放電量演算手段を備え、この自己放電量演算手段は、少なくとも蓄電池状態監視装置への電源供給がオフされる直前の放置前時間データと、前記電源供給がオフされる直前の残存容量データと、電源供給がオンされた直後の放置後時間データと、予め記憶された年間気温データと、前記年間気温データと残存容量のレベルに関連付けられた自己放電率データテーブルによって自己放電量を演算することを特徴とする。
【００２１】
この請求項1記載の発明によれば、充電電流が所定のしきい値以下であると判定された時、蓄電池の基準容量と、判定された時の蓄電池の温度と蓄電池の電圧に基づいた残存容量補正係数を用いて蓄電池の残存容量を算出し残存容量を書き換えている。つまり、残存容量演算手段で演算された残算容量とは無関係に残存容量が算出される。
【００２２】
従って、残存容量演算手段は長時間使用される間に微小な誤差が蓄積されることを避け得ないが、請求項１の発明は、蓄電池の浮動充電特性（電圧−電流−温度−充電レベル）に基づいた残存容量補正係数を用いて蓄電池の残存容量を算出しているので長期間にわたり蓄積した演算の微小な誤差による影響は受けない。また、残存容量補正手段はＤＣ負荷や架線電源の変動があっても、蓄電池の基準容量と、判定された時の蓄電池の温度と蓄電池の充電電圧に基づいた残存容量補正係数を用いて蓄電池の残存容量を算出しているので、車両ＤＣ負荷や架線電源の変動による電流と電圧の変化の影響が考慮されており、なお且つ温度の変化による影響も考慮されることから、正確な残存容量を得ることができる。さらに、蓄電池状態監視装置への電源供給がオフされている間、つまり放置中においても蓄電池の電圧、温度のデータを得ることができなくとも蓄電池の自己放電量の算出することができる。
【００２３】
請求項２記載の発明は、請求項1記載の前記充電電流判定手段で判定する所定のしきい値は１つ以上あり、前記残存容量補正係数記憶手段に記憶される残存容量補正係数はそのしきい値毎に前記蓄電池の電圧と前記蓄電池の温度とに関連付けられて構成され、前記残存容量補正手段は各充電電流判定手段により所定のしきい値以下であることが判定された場合に、前記蓄電池の基準容量と前記残存容量補正係数記憶手段に記憶された該当するしきい値に対応する残存容量補正係数を用いて新たな残存容量を算出し前記残存容量記憶手段に記憶されている残存容量を書き換えることにより残存容量を補正することを特徴とする。
【００２４】
請求項２記載の発明によれば、残存容量補正手段に用いられるしきい値は１つ（例えば、満充電状態）に限られるものでは無い。しきい値を複数設けた場合には、各充電電流判定手段により所定のしきい値以下であることが判定された場合に、しきい値毎に別個に残存容量の補正を行うことができる。従って、きめ細かい残存容量補正をすることができる。
【００２５】
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の発明に対してさらに、前記残存容量補正手段を動作させて前記残存容量を補正する容量補正モードをセットする残存容量補正モードセット手段とを具備し、前記残存容量補正手段はこの残存容量補正モードセット手段により容量補正モードがセットされた場合に実行されることを特徴とする。
【００２６】
請求項３記載の発明によれば、容量補正手段は、容量補正モードがセットされた時に実行される。
【００２７】
請求項４記載の発明は請求項３記載の前記残存容量補正モードセット手段は、前記状態判定手段により放電が検出され、この放電により連続して所定値以上の容量の放電が行われるか、あるいは連続して所定値以上の電流でなおかつ所定値以上の時間の放電が行われた場合に容量補正モードがセットされることを特徴とする。
【００２８】
請求項４記載の発明によれば、短時間の放電の場合は残存容量補正モードセット手段により容量補正モードはセットされない。従って、短時間の放電の直後にしきい値を超える充電電流が流れ垂下した充電電流がしきい値以下となるような充電が行われて充電電流判定手段の判定が成立しても残存容量補正手段により残存容量の補正は行われない。
【００２９】
例えば、しきい値として比較的大きな値を採用した場合には、満充電状態に至らない部分充電状態において残存容量補正手段により残存容量の補正を行うことになる。
【００３０】
鉄道車両用蓄電池は補助整流装置とＤＣ負荷と並列に接続されたいわゆる浮動充電システムを構成しているため、補助整流装置の出力に影響を与える架線電源やＡＣ負荷が急変したり、ＤＣ負荷が急変した場合に補助整流装置からの給電に不足が生じると蓄電池から放電が行われる場合がある。このような場合の放電量は少ないが、放電直後の瞬時の間は比較的大きな充電電流が流れ、垂下した充電電流がしきい値以下となって充電電流判定手段の判定が成立してしまうことがあり得る。この結果、満充電状態にもかかわらず、部分充電状態に残存容量を補正してしまうことが発生し得る。
【００３１】
しかし請求項４の発明では、このような短時間の放電の場合は残存容量補正モードセット手段により容量補正モードはセットされない。従って、満充電状態であるにもかかわらず部分充電状態に残存容量を補正することを未然に防ぐことができる。
【００３２】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の前記残存容量補正モードセット手段によりセットされた容量補正モードは前記残存容量補正手段により残存容量の補正が行なわれた時にリセットされることを特徴とする。
【００３３】
請求項５記載の発明によれば、充電電流は補助電源装置の出力やＤＣ負荷の変動によって上下するが、一度容量補正が行われると、容量補正モードがリセットされるので、例えば前述のしきい値の補正が行われた後で、充電電流が変動してしきい値を上回る値に増加した後、この値を下回った場合でも、誤って部分充電状態に補正されることは無い。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態の一実施の形態について説明する。
【００３７】
まず、図１を参照して架線電源及び蓄電池を電源とする鉄道車両用補助電源回路について説明する。図において、１は直流電源（例えば、ＤＣ１５００Ｖ）が送電される架線（架空電車線）である。以下、この架線１を介して供給される電源を架線電源と呼称する。この架線電源は集電装置（パンタグラフ）２、架線電源スイッチ３を介して主回路１６と補助回路１７に供給される。主回路１６では主制御装置１５で架線電源を交流に変換して鉄道車両の走行用駆動源である主電動機へ電源を供給する。
【００３８】
補助電源回路１７では補助電源装置４で架線電源を交流に変換して主電動機以外の車両のＡＣ負荷（例えば、エアコン、コンプレッサなどのＡＣ４４０Ｖ系負荷）へ電源を供給する。また、補助電源装置４から出力される低圧（例えば、ＡＣ１００Ｖ）交流電源は補助整流装置５で直流（例えば、ＤＣ１００Ｖ）に変換し、ライン５ａに接続されたDC負荷６に供給される。
【００３９】
補助整流装置５とＤＣ負荷６との中間点から取り出されているライン５ｂは、バッテリスイッチ７を介して少なくとも２つ以上の直列接続されたブロック電池から構成された鉄道車両用蓄電池８の正極端子に接続される。各ブロック電池は例えば、ニッケルカドニウム電池で構成され、この実施の形態では１２個のブロック電池が用いられている。
【００４０】
バッテリスイッチ７と鉄道車両用蓄電池８の正極端子との間には、蓄電池８に充電あるいは放電される電流を検出する電流検出手段としての電流センサ１０が設けられている。この電流センサ１０で検出された電流は本発明に係る蓄電池状態監視装置１１に出力される。なお、蓄電池状態監視装置１１には、ライン５ｂの一部が接続されている。ここで、９は鉄道車両用蓄電池８が収納される蓄電池箱である。
【００４１】
また、蓄電池８の両端の電圧、つまり電圧Ｖsetは電圧検出手段としての電圧センサ１２で検出されて蓄電池状態監視装置１１に出力される。
【００４２】
さらに、蓄電池８の温度Ｔｂを検出する温度検出手段としての温度センサ１３から出力される温度信号は蓄電池状態監視装置１１に出力される。なお、図示しないが蓄電池８の周囲温度Ｔａを検出する温度センサも蓄電池箱９内に設けられている。
【００４３】
蓄電池状態監視装置１１から蓄電池８の残量などの情報が車両情報装置１８に出力され、運転台モニタ１４に表示される。
【００４４】
図１において、実線矢印は鉄道車両が運行しているときの電流の流れを示し、破線矢印は鉄道車両が架線電源が供給されていない休車状態から各種制御機器や集電装置などのＤＣ負荷を起動するときや、運行途中で架線電源の停電により停車しているときの電流の流れを示している。
【００４５】
次に、図２を参照して蓄電池状態監視装置１１について説明する。蓄電池状態監視装置１１は電源ユニット２１と、アナログ基板２２、第１のデジタル基板２３、第２のデジタル基板２４とから構成される。
【００４６】
電源ユニット２１はライン５ｂを介して入力される１００Ｖの直流電圧を５Ｖの直流電圧5Vdc及び１５Ｖの直流電圧15Vdcに変換している。
【００４７】
電源ユニット２１から出力される直流電圧15Vdcはアナログ基板２２に入力される。このアナログ基板２２上には、電流モニタ入力部３１、図１の電圧センサ１２に相当するバッテリ電圧モニタ入力部３２、温度モニタ入力部３３、モノブロック電圧モニタ入力部３４が設けられている。電流モニタ入力部３１は電流センサ１０で検出された電流を入力し、切替部３５に出力し、バッテリ電圧モニタ入力部３２は蓄電池８の充電電圧Ｖsetを検出し切替部３５に出力し、温度モニタ入力部３３は温度センサ１３で検出された蓄電池８の温度Ｔｂを切替部３５に出力し、モノブロック電圧モニタ入力部３４は、図では１つしか図示していないが、各ブロック電池の両端の電圧Ｖ1〜Ｖ12を検出し、切替部３５に出力する。
【００４８】
切替部３５は入力される信号を切り替えてＡ／Ｄ変換部３６に出力する。このＡ／Ｄ変換部３６は入力される信号をアナログ・デジタル変換して第１のデジタル基板２３に出力する。つまり、電流センサ１０で検出された電流は電流データＩ（ｎ）として、温度センサ１３で検出された蓄電池８の温度Ｔｂは温度データＴ（ｎ）として第１のデジタル基板２３に出力される。
【００４９】
第１のデジタル基板２３には、電源監視部４１、ＣＰＵ（中央処理装置）４２、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）４３、カレンダ・タイマ４４、バックアップ・メモリ４５から構成されている。さらに、図示しないカウンタも備えている。
【００５０】
ＲＯＭ４３には、図４〜図９で示したフローチャートの他、充電係数α、放電係数Ｋb、図３に示す残存容量補正係数、図７のステップS４６で参照する補正計数Ｋｓのテーブル、図８のステップS５８で参照する補正計数Ｋｓのテーブル、図８のステップS６５で参照する補正計数Ｋｓのテーブル、図９のステップS７４で参照する自己放電率Ｋｒなどのテーブルや各しきい値データ（Ｉ１，Ｉ２）が記憶されている。
【００５１】
カレンダ・タイマ４４は時分秒及び年月日（カレンダデータ）を計時するカレンダ機能と時間データｔ（ｎ）を出力するタイマ機能とを備えている。
【００５２】
バックアップ・メモリ４５は残存容量記憶手段として蓄電池８の残存容量を記憶する。また、最新の時間データを記憶する。
【００５３】
第２のデジタル基板２４には、メモリ５１、通信制御部５２、送受信部５３で構成されている。送受信部５３は図１の車両情報装置１８との間で各種データを送受する。この各種データの一つとして、蓄電池８の残存容量がある。
【００５４】
次に、上記のように構成された本発明の第１の実施の形態の動作について説明する。
【００５５】
まず、バッテリスイッチ７がオンされると、ＤＣ負荷６及び蓄電池状態監視装置１１に蓄電池８の電源が供給される。これにより、ＤＣ負荷６及び蓄電池状態監視装置１１が起動される。これにより、蓄電池８は放電する。次に、架線電源スイッチ３がオンされ、集電装置（パンタグラフ）２が図示の如く上げられる。これにより、架線電源が供給される。これにより、蓄電池８は充電される。
【００５６】
このように、蓄電池状態監視装置１１が起動されると、図４のフローチャートの処理がＣＰＵ４２で実行される。まず、カレンダ・タイマ４４で計時されたカレンダデータを受信し（ステップS１）、このカレンダデータに基づいて図９のフローチャートを参照して詳細を後述する自己放電補正処理が行なわれ（ステップS２）、寿命劣化補正処理（ステップS３）が行なわれる。この寿命劣化補正処理は、カレンダ・タイマ４４で計時された時間データにより、蓄電池８が使用開始された時間データと現在の時間データを比較することで、所定の経年劣化係数によって寿命劣化を演算している。
【００５７】
次に、各電池ブロック間の電圧Ｖ1〜Ｖ12及び蓄電池８を流れる電流データＩ（ｎ）、蓄電池８の温度Ｔｂ及び周囲温度Ｔａが測定され（ステップS４）、蓄電池８の温度Ｔｂ及び周囲温度Ｔａが異常であるかが判定する処理がなされる（ステップS５）。
【００５８】
次に、図５のフローチャートを参照して詳細な説明を後述するように、蓄電池８の残存容量Ｓc(n)がＳＯＣ（State Of Charge）判定処理（残存容量演算手段）（ステップS７）で算出される。なお、このステップS７の処理で、残存容量Ｓc(n)から放電可能容量Ｓdも算出されている。ここで、ＳＯＣは蓄電池８の残存容量Ｓc(n)と基準容量Ｃとの比を百分率で示す。例えば、Ｓc(n)＝Ｃのとき、ＳＯＣ＝１００％となる。
【００５９】
そして、容量警報出力処理（ステップS８）において、図６のステップS３１に示すように、放電可能容量Ｓdが下限値ＳLより小さくなった場合に警報を出力する処理がなされる。
【００６０】
次に、本発明の特徴である残存容量Ｓc(n)を補正する容量補正処理が行なわれる（ステップS９）。この容量補正処理は２つの実施の形態があり、一つは図７のフローチャートを参照して他の一つは図８のフローチャートを参照して後述する。
【００６１】
次に、ステップS４で測定された蓄電池８を流れる電流データＩ（ｎ）が異常であるかを判定する処理がなされる（ステップS１０）。このステップS１０で電流データＩ（ｎ）が異常に大きい場合には、警報を出力する処理がなされる。
【００６２】
そして、データの送信がなされる（ステップS１１）。このデータの送信は、ステップS10までに生成された放電可能容量Ｓd、電圧データＶ1〜Ｖ12等の各種データである。これらデータは送受信部５３を介して車両情報装置１８に送信される。
【００６３】
次に、図５を参照してＳＯＣ判定処理について説明する。このＳＯＣ判定処理において、蓄電池８の残存容量Sc(n)と放電可能容量Ｓdの演算が行なわれる。つまり、ＣＰＵ５は、図５に示すフローチャートに従い残存容量の演算を行なう。
【００６４】
まず、ステップS２１において、電流データＩ（ｎ）の極性により充電か放電か待機の状態判定が行われれる（状態判定手段）。ここでは、電流の極性が正の場合を充電、負の場合を放電とした。このステップS２１の判定で、充電であると判定された場合には、ステップS２２において温度データＴ（ｎ）と直前の残存容量Ｓｃ（ｎ−１）に基づいて、ＲＯＭ１１に記憶されている温度と残存容量とに関連づけられた充電係数データテーブルから、対応する充電係数αが選択される。一方、ステップS２１の判定で、放電及び待機と判定された場合は、α＝１とされる（ステップS２３）。つまり、放電及び待機と判定された場合は、電流データＩ（ｎ）に対する補正は行なわれない。
【００６５】
次に、ステップS２４において、カレンダ・タイマ４４から出力された時間データｔ（ｎ）と直前の時間データｔ（ｎ−１）、及び電流データＩ（ｎ）とｔ（ｎ−１）に対応する電流データＩ（ｎ−１）から、経過した時間区間［ｔ（ｎ）−ｔ（ｎ−１）］における区間積算容量を求め、これを直前の残存容量Ｓｃ（ｎ−１）に加えて現在の残存容量Ｓｃ（ｎ）を求める演算が行なわれる。ここで、ステップS２４のボックス内に記載した数式に示すように充電の場合にのみ充電係数αが掛けられている。
【００６６】
ここで、放電の場合は電流の極性は負となるため、残存容量Ｓｃ（ｎ）は減算され、充電の場合は電流の極性は正となるため残存容量Ｓｃ（ｎ）は加算される。
【００６７】
減算の結果、残存容量Ｓｃ（ｎ）がゼロ以下となった場合、残存容量Ｓｃ（ｎ）はＯ［Ａｈ］に留められる。一方、加算の結果、残存容量Ｓｃ（ｎ）が基準容量Ｃを超えた場合は残存容量Ｓｃ（ｎ）はＣに留められる。この実施の形態では、基準容量Ｃは蓄電池８の定格容量である80［Ah］に設定してある。なお、基準容量は特に蓄電池８の定格容量と等しくする必要はない。
【００６８】
電流が充電である場合は、放電可能容量Ｓｄ＝残存容量Ｓｃ（ｎ）とされる（ステップS２５）。さらに、充電時に於いては放電可能時間ｔｄは、放電可能容量Ｓｄを停電時の代表的な負荷電流の下限値、例えばこの例では４０Ａで割り算することにより求めている（ステップS２６）。
【００６９】
ところで、蓄電池8が実際に放電できる放電可能容量Ｓｄは、必ずしも演算により求めた残存容量Ｓｃ（ｎ）に一致しない。これは蓄電池８の放電反応が負荷電流や温度の影響を受けるためである。例えば、鉄道車両用に多く用いられているニッケルカドミウム電池を含め一般的な電池は、負荷電流の増大と共に放電可能容量Ｓｄは減少し、また最適温度から低温側又は高温側にシフトすると放電可能容量Ｓｄは減少する。
【００７０】
そこで、電流が放電（Ｉ＜０）である場合は、電池温度Ｔｂと電流データＩ（ｎ）に基づいて、ＲＯＭ１１に記憶されている温度と電流に関連づけられた放電係数データテーブルから放電係数Ｋｄが選択される（ステップS２７）。そして、下式によって放電可能容量Ｓｄが求められる（ステップS２８）。
【００７１】
Sd = Sc(n)− (C − C×Kd)
Ｋｄは基準となる最適の電池温度と電流条件においてＫｄ＝１であり、基準容量はこの基準となる条件において満充電状態から得られる放電容量と設定したものである。従って、この実施の形態では基準容量が最大の放電容量であるので、Ｋｄは１以下の数値となる。
【００７２】
電池温度と電流条件から、例えば電池温度が低温側あるいは電流が大電流側にシフトすると、放電反応抵抗の増大が起こり、反応すべき活物質の一部が所定の最低電圧以上では反応できなくなる。ここで、一般的に活物質には反応しやすい部分と反応しにくい部分が存在し、反応しやすい部分から順次反応すると考えられる。そして、放電時の電池温度が低いかあるいは放電電流が大きい場合、放電反応抵抗が増大し、この反応しにくい部分がより反応しにくくなり所定の最低電圧以上で放電できなくなると考えられる。同一種類で同一形式の電池の場合、放電条件の違いによって反応しにくくなる活物質の量は基準容量に対する割合から求められるべきである。つまり例えば基準容量８０Ａｈの電池の場合、０℃において８０Ａｈで放電した時にＫｄ＝０．８とすると、Ｃ−Ｃ×Ｋｄ＝１６Ａｈが利用できない活物質の容量に相当する。従って、放電可能容量Ｓｄは演算で求めた残存容量Sc(n)から放電条件によって利用できなくなった容量 (C − C×Kd)を減算することで求められる。
【００７３】
そして、ステップS２９で、この放電可能容量Ｓｄと電流Ｉ（ｎ）とから放電可能時間ｔｄを求めている。
【００７４】
ただし、放電可能時間ｔｄは、主に停電時における蓄電池によるＤＣ負荷６のバックアップ時間を報知するために用いられるので、停電時における代表的な負荷電流の下限値４０（Ａ）よりも低い電流で演算してもあまり意味を持たない。そこで、電流Ｉ（ｎ）が停電時における代表的な負荷電流の下限値４０（Ａ）よりも小さいときは、放電可能容量Ｓｄをこの電流下限値４０で除した値を放電可能時間ｔｄとする。電流が停電時における代表的な負荷電流の下限値４０（Ａ）よりも小さいときは、ステップS２９の上側の式で放電可能時間ｔｄが算出される。
【００７５】
一方、電流Ｉ（ｎ）が停電時における代表的な負荷電流の下限値４０（Ａ）よりも大きいときは、放電可能容量Ｓｄを電流Ｉ（ｎ）の絶対値で除した値を放電可能時間ｔｄとしている。つまり、ステップS２９の下側の式で放電可能時間ｔｄが算出される。
【００７６】
ところで、電流Ｉ（ｎ）＝０では、補正係数Ｋｄは１にセットされる（ステップS３０）。その後、ステップS２８の処理に進むが、補正係数Ｋｄは１であるので、放電可能容量Ｓｄは残存容量Ｓｃ（ｎ）に等しい。つまり、電流Ｉ（ｎ）＝０のときは、充電時と同じように、放電可能時間ｔｄが算出される。
【００７７】
次に、本発明の特徴となる容量補正処理（ステップS９）について詳細に説明する。なお、図７のフローチャートはこの容量補正処理（ステップS９）の第１の実施の形態を示し、図８のフローチャートはこの容量補正処理（ステップS９）の第２の実施の形態を示している。
【００７８】
図７において、電流データＩ（ｎ）が放電電流のしきい値（例えば−１０Ａ）を所定時間ｔ１（例えば３０分間）を経過したかが判定される（ステップS４１）。このステップS４１で「ＹＥＳ」と判定された場合に容量補正チェックコードＲ（容量補正モード）が「１」にセットされる（ステップS４２）。容量補正チェックコードＲはバックアップ・メモリ４４に記憶される。ここで、ステップS４１及びＳ４２により残存容量補正モードセット手段が構成されている。
【００７９】
これは、例えば蓄電池８は、その特性から満充電状態において短時間の放電があった場合でも、放電直後に瞬時に複電（充電）する際、しきい値を超える大きな充電電流が流れ、直ちに垂下し充電電流がしきい値以下となることがある。このような場合、誤った容量補正を行う可能性があるため、所定時間ｔ１より短い時間の放電に対しては容量補正チェックコードＲをセットしないようにして、誤って容量補正を行わないようにしている。
【００８０】
次いで、容量補正チェックコードＲが「１」であるかが判定される（ステップS４３）。このステップS４３の判定で「ＹＥＳ」と判定されても、直ぐには、ステップS４６及びＳ４７の容量補正は実行されない。ステップS４４及びＳ４５の判定条件が成立すると、容量補正が行なわれる。これは、ある程度の量の放電が行われた後なので、その後の複電時に大きな充電電流が流れ、やがて電流が垂下し、ステップS４４で電流データが容量補正のしきい値Ｉ１（例えば＋４Ａ）を下回ったかどうかを判定する（充電電流判定手段）。この時、充電電流は架線電源などの変動に伴って変動しているので、しきい値Ｉ１（＋４Ａ）を連続して数回（例えば、５回）以上下回った時点を検出している（ステップS４５）。
【００８１】
ステップS４５の判定で「ＹＥＳ」と判定されると、その時の蓄電池８の温度Ｔｂと電圧Ｖsetに基づいて、ＲＯＭ１１に記憶されている温度Ｔｂと電圧Ｖsetとに関連づけられた残存容量補正係数のデータテーブル（図３）から対応する残存容量補正係数Ｋｓが選択され（ステップS４６）、基準容量Ｃに残存容量補正係数Ｋｓが乗ぜられた値が残存容量Ｓｃ（ｎ）とされる。この残存容量Ｓｃ（ｎ）はバックアップ・メモリ４５にすでに記憶されている残存容量に上書きされる。つまり、バックアップ・メモリ４５には図５のフローチャートのステップS２４により蓄電池８への充放電時に残存容量Ｓｃ（ｎ）が更新されている。ステップS４６の処理はバックアップ・メモリ４５には記憶されている残存容量Ｓｃ（ｎ）に関係なく、基準容量Ｃに残存容量補正係数Ｋｓを乗じた値を残存容量Ｓｃ（ｎ）とし、バックアップ・メモリ４５に記憶されていた残存容量Ｓｃ（ｎ）を書き換えるようにして補正している。
【００８２】
このように、充電電流が所定のしきい値以下であると判定された時、蓄電池８の基準容量Ｃに判定された時の蓄電池８の温度Ｔｂと蓄電池の電圧Ｖsetに基づいた残存容量補正係数Ksを乗じることにより蓄電池８の残存容量が新たに演算され、すでに記憶されている残存容量がこの新たに演算された値に書き換えられる。従って、ＤＣ負荷6や架線電源の変動による電流と電圧の変化の影響が考慮され、なお且つ温度の変化による影響も考慮されることから、蓄電池８の残存容量Ｓｃ（ｎ）を正確に得ることができる。
【００８３】
例えば、検出前の残存容量を７０Ａｈ、電池温度が１２℃、電池電圧が１０３Ｖである時、図３の残存容量補正係数Ksのデータテーブルから次のように求められる。まず、手順１として電圧データから、電圧範囲１０２Ｖ〜１０４ＶのＢ列が選択される。そして、手順２として電池温度データから、予め定めた１０℃と１５℃における残存容量補正係数Ｋｓ２．４（例えば０．８８）とＫｓ２．３（例えば０．９０）が選択される。さらに、手順３として補間法により電池温度データ（１２℃）における残存容量補正係数（０．８９）が求められる。さらに、手順４として定格容量（８０Ａｈ）に残存容量補正係数（０．８９）が乗ぜられた値（７１．２Ａｈ）が、検出前の残存容量７０［Ａｈ］に代わり、新しい残存容量として書き換えられる。
【００８４】
尚、残存容量が補正された場合、容量補正チェックコードＲはリセットされる（ステップS４８）。そして、ステップS４５の回数を計数するカウンタがリセットされる（ステップS４９）。
【００８５】
つまり、ステップS４６及び４７の容量補正処理は、容量補正チェックコードＲがセットされているときに１回だけ行われる。
【００８６】
充電電流は架線電源と車両ＤＣ負荷の変動によって上下するが、一度容量補正が行われると、容量補正モードがリセットされるので、例えば前述のしきい値の補正が行われた後で、充電電流が変動してしきい値を上回る値に増加した後、この値を下回った場合でも、誤って部分充電状態に補正されることは無い。
【００８７】
次に、図８のフローチャートを参照して図４の容量補正処理（ステップS９）の第２例について説明する。図８は、容量補正処理を２段階の残存容量レベルに分けて行っている。これは部分充電状態（たとえばＳＯＣ８０％）と満充電状態（ＳＯＣ１００％）の２段階で容量補正を行うものである。
【００８８】
図７のフローチャートを参照して説明した第１例ではしきい値はＩ1だけであったが、この図８のフローチャートに示した第２例では、しきい値が部分充電状態に対応するしきい値Ｉ１と、満充電状態かそれに近い状態に対応するしきい値Ｉ２とに複数設けている。
【００８９】
また、この第２例では、電流データＩ（ｎ）が放電電流のしきい値（例えば−１０Ａ）を比較的長時間である所定時間ｔ１（＞ｔ２）（例えば３０分間）を経過したかが判定される（ステップS５１）。このステップS５１で「ＹＥＳ」と判定された場合に容量補正チェックコードＲ１が「１」にセットされる（ステップS５２）。また、電流データＩ（ｎ）が放電電流のしきい値（例えば−１０Ａ）を比較的短時間である所定時間ｔ２（例えば３分間）を経過したかが判定される（ステップS５３）。このステップS５３で「ＹＥＳ」と判定された場合に容量補正チェックコードＲ２が「１」にセットされる（ステップS５４）。つまり、蓄電池８からの放電電流がしきい値を超えた時間に応じて２段階に容量補正チェックコードＲ１，Ｒ２を切り分けてセットするようにしている。ステップS５１〜５４により残存容量補正モードセット手段が構成される。
【００９０】
ｔ１＞ｔ２となるように設定されているので、容量補正チェックコードＲ２が先にセットされ、その後容量補正チェックコードＲ１がセットされる。
【００９１】
そして、容量補正チェックコードＲ１がセットされたときは、ステップS５６〜Ｓ６１の処理が行なわれ、容量補正チェックコードＲ２がセットされたときは、ステップS６３〜Ｓ６８の処理が行なわれる。
【００９２】
そして、ステップS５６で電流データが容量補正のしきい値Ｉ１（例えば＋４Ａ）を下回ったかどうかを判定する。この時、充電電流は架線電源などの変動に伴って変動しているので、しきい値Ｉ１（＋４Ａ）を連続して数回（例えば、５回）以上下回った時点を検出している（ステップS５７）。このステップS５７で「ＹＥＳ」と判定された場合には、図７のステップS４６〜４９で説明した処理と同様な容量補正処理が行なわれる。ただし、図７のフローチャートで示した第１の実施の形態ではしきい値はＩ１の一つだけであったが、図８のフローチャート４６で示した第２の実施の形態ではしきい値はＩ１とＩ２の２つである。従って、ステップS５８で参照される補正係数Ｋｓは蓄電池８の温度Ｔｂと充電電圧Ｖsetとしきい値Ｉ１に関連付けられており、ステップS６５で参照される補正係数Ｋｓは蓄電池８の温度Ｔｂと電圧Ｖsetとしきい値Ｉ２に関連付けられている。
【００９３】
また、ステップS６３で電流データが容量補正のしきい値Ｉ２（＜Ｉ１）（例えば＋１Ａ）を下回ったかどうかを判定する。しきい値Ｉ２（＋１Ａ）を連続して数回（例えば、５回）以上下回った時点を検出している（ステップS６３）。このステップS６３で「ＹＥＳ」と判定された場合には、図７のステップS４６〜４９で説明した処理と同様な容量補正処理が行なわれる。
【００９４】
このように、しきい値が部分充電状態に対応するしきい値Ｉ１と、満充電状態かそれに近い状態に対応するしきい値Ｉ２とに複数設けられ、比較的長時間（ｔ１：ｔ１＞ｔ２）の放電に対してはしきい値Ｉ１としきい値Ｉ２の両方の容量補正を選択し、比較的短時間（ｔ２）の放電に対してはしきい値Ｉ１の容量補正は行わず、しきい値Ｉ２（満充電状態）の容量補正のみを選択するようにしたので、部分充電状態に補正されるのは相当な量の放電が行われた時に限定され、既に満充電状態かそれに近い状態にある時に、浅い放電をした場合、部分充電状態に容量補正され誤った表示をすることを防ぐことができる。
【００９５】
なお、図７及び図８において、容量補正モードをセットする放電の基準は時間の他、放電電気量であってもよい。また、２つ以上の複数の段階で容量補正する時に、放電容量の大きさで各段階の補正の可否を選別する場合は、容量補正モードをセットする放電の基準は補正する容量レベルに対して適正な放電量（電流、時間）を選択するようにしても良い。
【００９６】
次に、図９のフローチャートを参照して図４の自己放電補正処理について説明する。鉄道車両に搭載されている機器は、実施例による蓄電池状態監視装置１１も含め、蓄電池８が架線電源から遮断され放置されたとき、バッテリスイッチ７がオフとなることが一般的である。この放置中には蓄電池状態監視装置１１は蓄電池８の電圧を受けることはできない。
【００９７】
仮に、蓄電池状態監視装置１１が常に蓄電池８に接続されると、常識的な一般の構成部品で蓄電池状態監視装置が構成され、これも常識的な容量の蓄電池が用いられたとすると、架線電源から遮断されて放置した時、２〜３週間から１ケ月で蓄電池の容量はなくなる。放置中にもし、蓄電池の容量が無くなると車両が起動できなくなるため、このような構成とすることは鉄道車両においては好ましく無い。従って、放置中には蓄電池状態監視装置１１は連続して又は定期的に蓄電池８の電圧データや温度データを検出して自己放電量を演算することができない。
【００９８】
そこで、図９のフローチャートに示す処理により、バッテリスイッチ７がオフされる放置期間中の自己放電量を推算する。
【００９９】
まず蓄電池状態監視装置１１は、蓄電池８が架線電源スイッチ３がオフされると、バッテリスイッチ７もオフされる。バッテリスイッチ７がオフされたときの、日付と時刻、残存容量Ｓｃ（１）としてバックアップ・メモリ４５に記憶している。
【０１００】
次に、起動により、蓄電池状態監視装置１１に電源が供給されると、起動時であることが判定され、図４のフローチャートのステップS２の自己放電補正処理に進む。
【０１０１】
まず、カレンダ・タイマ４４からＣＰＵ４２に現在の日付ＤＴ２を取り込む（ステップS７１）。そして、バックアップ・メモリ４５に記憶されている前回記憶した日付ＤＴ１と残存容量Ｓｃ（１）を取り込む（ステップS７２）。
【０１０２】
そして、「ＤＴ１＜ＤＴ２」であるかを判定する（ステップS７３）。もし、ＤＴ１とＤＴ２が同じ日付であれば、「ＮＯ」と判定されメインルーチンに戻る。つまり、この場合には自己放電量を演算する必要がないためである。
【０１０３】
ステップS７３で「ＹＥＳ」と判定された場合には、蓄電池状態監視装置１１が放置されていたと判定され、ステップS７４以降の自己放電量を演算する処理がなされる。まず、放置前の残存容量Ｓｃ（１）と日付ＤＴ１に基づいて、年間気温変動データと残存容量と自己放電率とが関連付けられたデータテーブルから放電開始日の１日当たりの自己放電率Ｋｒを選択する（ステップS７４）。そして、放置前の残存容量Ｓｃ（１）から１日当たりの自己放電量を減算する（ステップS７５）。つまり、Ｓｃ（１）＝Ｓｃ（１）−（Ｃ×Ｋｒ）とされる。
【０１０４】
そして、日付を１日進める。つまり、ＤＴ１＝ＤＴ１＋１とする（ステップS７６）。
【０１０５】
そして、ＤＴ１＝ＤＴ２（現在の日付）となったか判定される（ステップS７７）。このステップS７７において「ＮＯ」と判定されている間はステップS７４〜７６の処理が繰り返し行なわれる。
【０１０６】
そして、ステップS７７で「ＹＥＳ」と判定されると、放置されている間の自己放電量がすべて考慮されて残存容量が決定される。
【０１０７】
このように、蓄電池状態監視装置１１が計測した電池温度データが無くとも自己放電量の演算が可能となる。
【０１０８】
なお、自己放電率の計算にＲＯＭ４３に記憶された年間気温変動データと残存容量と自己放電率とが関連付けられたデータテーブルを用いているが、蓄電池状態監視装置１１のバッテリスイッチ７のオンされた後、外部入力手段によって別途計測した放置期間中の温度データを入力し、温度と残存容量及び自己放電量の特性データによって、放置中の自己放電量を演算しても良い。
【０１０９】
なお、図８のフローチャートではしきい値を２つ（Ｉ1，Ｉ2）設けたが、３つ以上設けても良い。
【０１１０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、充電電流が所定のしきい値以下であると、蓄電池の温度Ｔｂと電圧Ｖsetにより残存容量補正係数Ksを選択し、蓄電池の基準容量と残存容量補正係数Ksから残存容量を算出し、蓄電池の残存容量を書き換えるように補正したので、正確な残存容量を把握することができる。
【０１１１】
さらに、放置期間中の気温変動データ等によって自己放電が計算されるようにしたので、蓄電池状態監視装置が作動していない間の自己放電量を推測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る架線電源及び蓄電池を電源とする鉄道車両用補助電源システムの概略構成図。
【図２】同実施の形態に係る蓄電池状態監視装置を詳細なブロック図。
【図３】所定の電流しきい値において温度と電圧に関連付けられた残存容量のデータテーブルの一例。
【図４】同実施の形態に係るメインフローチャート。
【図５】残存容量演算のフローチャートの一例。
【図６】容量警報のフローチャートの一例。
【図７】容量補正のフローチャートの一例。
【図８】容量補正のフローチャートの一例。
【図９】自己放電量補正処理を示すフローチャートの一例。
【符号の説明】
８…蓄電池、
１０…電流センサ、
１１…蓄電池状態監視装置、
１３…温度センサ、
４２…ＣＰＵ、
４３…ＲＯＭ、
４５…バックアップ・メモリ。
Claims (5)
- 蓄電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出結果から充電か放電かを判断する状態判定手段と、
前記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記蓄電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段及び状態判定手段の検出結果に基づいて、前記蓄電池の残存容量を計算する残存容量演算手段と、
この残存容量演算手段で演算された残存容量を記憶する残存容量記憶手段と、
少なくとも前記蓄電池の電圧と前記蓄電池の温度により関連付けられた残存容量補正係数を記憶する残存容量補正係数記憶手段と、
前記状態判定手段により充電であると検出され、前記電流検出手段により検出された充電電流が所定のしきい値以下であることを判定する充電電流判定手段と、
この充電電流判定手段により前記充電電流が所定のしきい値以下であることを判定された場合に前記蓄電池の基準容量と前記残存容量補正係数記憶手段に記憶された残存容量補正係数を用いて新たな残存容量を算出し前記残存容量記憶手段に記憶されている残存容量を書き換えることにより残存容量を補正する残存容量補正手段と、
本蓄電池状態監視装置への電源供給がオフされている間の前記蓄電池の自己放電量を計算する自己放電量演算手段を備え、
この自己放電量演算手段は、少なくとも蓄電池状態監視装置への電源供給がオフされる直前の放置前時間データと、前記電源供給がオフされる直前の残存容量データと、電源供給がオンされた直後の放置後時間データと、予め記憶された年間気温データと、前記年間気温データと残存容量のレベルに関連付けられた自己放電率データテーブルによって自己放電量を演算することを特徴とする鉄道車両用蓄電池状態監視装置。 - 前記充電電流判定手段で判定する所定のしきい値は１つ以上あり、前記残存容量補正係数記憶手段に記憶される残存容量補正係数はそのしきい値毎に前記蓄電池の電圧と前記蓄電池の温度とに関連付けられて構成され、
前記残存容量補正手段は各充電電流判定手段により所定のしきい値以下であることが判定された場合に、前記蓄電池の基準容量と前記残存容量補正係数記憶手段に記憶された該当するしきい値に対応する残存容量補正係数を用いて新たな残存容量を算出し前記残存容量記憶手段に記憶されている残存容量を書き換えることにより残存容量を補正することを特徴とする請求項1記載の鉄道車両用蓄電池状態監視装置。 - さらに、前記残存容量補正手段を動作させて前記残存容量を補正する容量補正モードをセットする残存容量補正モードセット手段とを具備し、
前記残存容量補正手段はこの残存容量補正モードセット手段により容量補正モードがセットされた場合に実行されることを特徴とする請求項1記載の鉄道車両用蓄電池状態監視装置。 - 前記残存容量補正モードセット手段は、前記状態判定手段により放電が検出され、この放電により連続して所定値以上の容量の放電が行われるか、あるいは連続して所定値以上の電流でなおかつ所定値以上の時間の放電が行われた場合に容量補正モードをセットすることを特徴とする請求項３記載の鉄道車両用蓄電池状態監視装置。
- 前記残存容量補正モードセット手段によりセットされた容量補正モードは前記残存容量補正手段により残存容量の補正が行なわれた時にリセットされることを特徴とする請求項４記載の鉄道車両用蓄電池状態監視装置。
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