JP3927751B2 - Storage battery deterioration judgment method - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電池の劣化判定に係り、例えば、プラント用、オフサイト用、あるいは装置用の各種無停電電源装置（ＣＶＣＦ）や、変電所等の制御電源装置のバックアップ電源（非常用電源）として使用される蓄電池の劣化を判定する方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
蓄電池は、停電時のバックアップ電源として広範囲に使用されている。このような蓄電池に要求される機能は、停電が発生した際、負荷に対して必要な時間だけ電力を確実に供給することであり、この電力供給能力を一般的に容量といっている。
【０００３】
この容量は、蓄電池の使用年数が長くなるにつれて次第に低下していくが、設置環境や使用状況により大きな差が生じる。そして、設置されている蓄電池の容量が低下している場合には、緊急時に役立たないことになるため、蓄電池の容量の管理は、非常に重要な事項とされている。
【０００４】
そこで、従来では、蓄電池に定格負荷相当の模擬負荷を接続して蓄電池を放電させ、放電終止電圧に至るまでの放電時間を測定することで容量の推定を行い（放電試験）、よって蓄電池の劣化状態を判定していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、放電試験により劣化状態を確認すると、放電後に蓄電池を再充電させる必要があるため、充電している間は蓄電池を使用できず、非常用電源として機能しないという問題がある。
【０００６】
また、特開平２−３０４８７６号公報には、蓄電池の内部抵抗を測定することを要件とする劣化判定方法が記載されている。
しかしながら、この方法によれば、蓄電池全体としての内部抵抗を測定するため、蓄電池が複数の単電池（セル）から構成されている場合には、全体の内部抵抗を増大させているセルを特定することができない。このため、蓄電池が劣化していると判定されると、蓄電池を一式丸ごと交換しなければならず、不経済であるという問題がある。
そして、この問題は、前述の放電試験のみによって劣化を判定する方法にも生じる。
【０００７】
本発明の目的は、放電試験を不要にして蓄電池を使用可能な状態に維持しながらその劣化状態を判定でき、かつ保全コストを削減できる蓄電池の劣化判定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、蓄電池を構成する複数の単電池の内部抵抗を測定し、この測定した内部抵抗から前記蓄電池の容量を推定し、この推定結果に基づいて前記蓄電池の劣化状態を判定する蓄電池の劣化判定方法において、前記蓄電池の容量を推定するにあたっては、前記測定した単電池の内部抵抗を予め設定した判定基準値により分類し、この判定基準値を基に分類された特定の単電池の個数と、単電池全体の個数との比率により推定する蓄電池の劣化判定方法である。
このような方法では、蓄電池の設置現場においては、各セルの内部抵抗を測定するだけでよいから、従来のような放電試験を行う必要がない。従って、蓄電池の劣化の判定が蓄電池を非常用電源として使用可能な状態に維持しながら行えるようになる。
また、蓄電池を構成する全てのセルの内部抵抗を測定するため、容量不足で劣化が進んでいると判定された蓄電池においては、内部抵抗の大きいセルのみを交換すればよく、保全コストの削減が図れる。それに加え、比率と蓄電池の容量との相関関係を予め求めておけばよく、この相関関係に照らして容量が容易且つ簡単に推定可能である。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の蓄電池の劣化判定方法において、前記内部抵抗を四端子法で測定する劣化判定方法であり、四端子法で測定することにより、測定機器（特にプローブ）および単電池間の接触抵抗の影響を少なくしてより正確な抵抗値が測定されるようになる。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の蓄電池の劣化判定方法において、前記蓄電池を陰極吸収式シール型鉛蓄電池に適用するものである。
【００１４】
請求項４の発明は、蓄電池を構成する複数の単電池を一定電流で放電させ、所定時間放電後の各単電池の電圧から当該単電池毎の容量を推定し、これらの単電池の推定容量から前記蓄電池の容量を推定し、この推定結果に基づいて前記蓄電池の劣化状態を判定する蓄電池の劣化判定方法において、前記蓄電池の容量を推定するにあたっては、前記推定した単電池の推定容量を予め設定した判定基準値により分類し、この判定基準値を基に分類された特定の単電池の個数と、単電池全体の個数との比率により推定する蓄電池の劣化判定方法である。
ここで、「所定時間」とは、例えば、数秒から数分程度の時間であり、放電終止電圧に至る時間に比して遥かに短い時間をいう。
このような方法においては、例えば、直列に接続された複数の単電池を一セットとし、これに放電用の負荷を接続して所定時間放電させ、この放電中の各単電池の電圧をリアルタイムで測定記録すればよく、やはり、従来とは異なって終止電圧に至るまで放電させる必要がないうえ、電圧が小さく劣化が著しい単電池のみを交換することで、前記目的が達成される。また、比率と蓄電池の容量との相関関係を予め求めておけばよく、この相関関係に照らして容量が容易且つ簡単に推定可能である。
なお、放電した分についての充電時間は、放電時間が短いことでさほど問題にはならない。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４に記載の蓄電池の劣化判定方法において、前記蓄電池を鉛蓄電池、アルカリ電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池のいずれかに適用するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る蓄電池の劣化判定方法は、先ず、図１に示すように、劣化を判定しようとする鉛蓄電池（本実施形態では陰極吸収式シール型鉛バッテリー（ＭＳＥ３００））について、この蓄電池を構成する例えば１９２個の単電池（以下、セルという）の内部抵抗を四端子法等により測定する。
【００２０】
次いで、図２の棒グラフに示すように、0.1mΩ幅の内部抵抗で各セルを層別し、各抵抗幅毎のセルの個数を求める。そして、内部抵抗が小さい程、セルの劣化が少ないことから、内部抵抗が0.79mΩ 以下のセルを「良好」なセルとして分類し、0.80〜0.99mΩ のセルを「劣化小」のセルとして分類し、1.00mΩ 以上のセルを「劣化大」のセルとして分類する。良好として分類されたセルの内部抵抗値である0.79mΩ 以下が本発明の判定基準（抵抗）値である。
なお、本実施形態では、判定基準抵抗値外のセルを劣化小と劣化大とに分類したが、これらの分類は必要に応じて行えばよく、省略可能である。
【００２１】
さらに、セル全体の個数（１９２個）に対する判定基準抵抗値内にある良好なセルの個数（１６３個）の割合を良好なセルの比率として求める。本実施形態では、良好なセルの比率は、（１６３÷１９２）×１００＝８５％となる。
【００２２】
この後、図４に示す換算グラフを使用し、蓄電池の容量を推定する。本実施形態では、推定しようとする蓄電池の良好なセルの比率が８５％であるから、換算グラフによれば、この８５％に対応する６３％が蓄電池の推定容量となる。
以上により、蓄電池の容量の推定が完了する。
【００２３】
ここで、図４の換算グラフは、図３に示すように、２種類の型式（MSE300、MSE400:JISに準拠）からなる計６セットの蓄電池（推定しようとする蓄電池とは別の蓄電池）の良好なセルの比率と放電試験による実際の容量とをデータベースとして作成されたものである。この際、その比率や容量は、換算グラフを作成するために予めデータ収集を行うことによって求められたものであり、特に比率に関しては、前述した手順と同じ手順をふむことで得ることができる。
なお、換算グラフを作成するための蓄電池は、６セットに限定されるものではなく、より多いほど好ましい。
【００２４】
最後に、蓄電池の劣化状態を判定するために、前述した蓄電池の推定容量を劣化状態を判定するための下限値と比較する。ここで、下限値は蓄電池の使用目的や規模等によって所定の値に予め設定されているものである。ここで、例えば、下限値が７０％に設定されているとすると、本実施形態での蓄電池の推定容量が６３％であるから、蓄電池の容量は不十分であって劣化した状態にあると判定される。
以上により、蓄電池の劣化状態の判定が完了する。
【００２５】
そして、蓄電池が劣化した状態にあり、セルの交換が必要であると判断された場合には、劣化大のセルから交換し、次いで小劣化というように、劣化の度合い（内部抵抗）の大きいセルから順に交換する。この際、劣化したセルを交換することで良好なセルの比率が大きくなるので、この交換作業は推定容量が下限値である７０％以上（良好なセルの比率で約９０％以上）になるまで行えばよく、全てのセルを交換する必要はない。
【００２６】
このような本実施の形態によれば、以下のような効果がある。
（１）蓄電池の容量を推定するにあたり、蓄電池の設置現場においては、その蓄電池を構成する各セルの内部抵抗を測定するだけでよく、再充電を伴う放電試験を行う必要がない。従って、蓄電池の劣化の判定を、蓄電池を非常用電源として使用可能な状態に維持しながら行うことができ、非常用電源としての信頼性を向上させることができる。
【００２７】
（２）放電試験が不要なことにより、放電および再充電を不要にできるうえ、模擬負荷を接続する等の煩雑な作業を省けるため、蓄電池の保全に必要な時間を大幅に削減できる。
【００２８】
（３）セルの内部抵抗値である0.79mΩ 以下（0.80mΩ 未満）が判定基準抵抗値になっているので、良好として分類されるセルの個数が多くなりすぎる心配がない。このため、良好なセルの比率が大きくなるおそれがないから、蓄電池の容量が実際よりも過分に大きく推定されるのを防止でき、容量推定結果の信憑性を向上させることができる。
【００２９】
（４）本実施形態によれば、蓄電池を構成する全てのセルの内部抵抗を測定するため、容量不足の蓄電池においては、内部抵抗が大きく劣化の著しいセルのみを交換すればよく、蓄電池を丸ごと交換しなければならなかった従来に比して保全コストを大幅に削減できる。
【００３０】
（５）この際、判定基準抵抗外のセルを劣化小および劣化大に分類しているため、セルを交換する際には、劣化大に該当するセルから順に交換すればよく、セルの交換作業を容易かつ正確に行うことができる。
また、劣化小のセルを記録等しておけば、次回の保全時に交換が必要になるなどの見当を予め付けておくことができるから、新しいセルがいくつ必要になるかといった見積もり等をより正確に行える。
【００３１】
（６）蓄電池の推定容量が７０％（良好なセルの比率が約９０％）よりも小さいときにセルを交換するように下限値を設定したため、劣化の大きいセルを早い段階で交換することができ、蓄電池を容量が十分な状態により確実に維持することができる。
【００３２】
（７）全てのセルの内部抵抗を測定することにより、複数のセルの中からサンプルを抜き出して行う破壊検査も不要であるから、各セルひいては蓄電池全体の劣化状態をより正確に把握することができる。
【００３３】
（８）各セルの内部抵抗の測定にあたっては四端子法を採用しているため、測定機器のプローブおよびセル間の接触抵抗の影響を少なくでき、より正確な抵抗値を測定できる。
【００３４】
（９）良好なセルの比率から蓄電池の容量を求める際には、予めデータ取りして作成した換算グラフを用いるため、容量の推定を迅速かつ容易に行える。
【００３５】
（10）従来では、蓄電池の使用年数等を基準に蓄電池の保全を行っていたが、蓄電池毎に使用年数が異なるため、保全を効率よく行うことができなかった。
しかし、本実施形態によれば、蓄電池の推定を全蓄電池について集中して行い、その結果、内部抵抗の大きい劣化したセルのみを交換すればよいから、保全業務を定期的に効率よく行うことができる。
【００３６】
〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係る蓄電池の劣化判定方法では、蓄電池の容量を推定するにあたって、前記第１実施形態と同様に、蓄電池を構成する全てのセルの内部抵抗を測定し、各セルの内部抵抗値に応じて「良好」、「劣化少」、「劣化大」に分類する。さらに、本実施形態では、各セルの平均内部抵抗を求め、この後、図５に示す換算グラフを使用し、蓄電池の容量を推定する。
ただし、各セルの分類は、交換が必要なセルをその内部抵抗から特定できれば省略可能であり、必ずしも劣化状態に応じて分類する必要はない。後述する第３、第４実施形態でも同じである。
【００３７】
ここで、図５の換算グラフは、第１実施形態と同様に２種類の型式（MSE300、MSE400:JISに準拠）からなる計９セット（Ｎ＝９）の蓄電池（推定しようとする蓄電池とは別の蓄電池）において、それぞれの蓄電池を構成する全セルの平均内部抵抗と放電試験による実際の容量とをデータベースとして作成されたものであり、その内部抵抗値や容量は、換算グラフを作成するために予めデータ収集を行うことによって求められたものである。
【００３８】
この換算グラフによれば、平均内部抵抗（ｘ）と容量（ｙ）との間には、相関関数としてｙ＝−１１８．８４ｘ＋１５５．２５なる関係があり、相関係数を０．７３とした相関関係が成立している。従って、推定しようとする蓄電池の全セルによる平均内部抵抗を換算グラフに対応させれば、その容量を容易に推定することができる。そして、推定の結果、所定の下限値よりも容量が小さい場合には、蓄電池が劣化した状態にあると判定し、内部抵抗の大きい方のセルから順に必要なだけ交換すればよい。
【００３９】
本実施形態でも、蓄電池の設置現場では内部抵抗を測定するだけでよく、再充電を伴う放電試験を行う必要がないうえ、放電試験が不要であるから、前述した（１）、（４）の効果を同様に得ることができ、本発明の目的を達成できる。また、第１実施形態と同様な構成により、前述した（２）、（５）、（７）〜（10）の効果も同様に得ることができる。
【００４０】
〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態に係る蓄電池の劣化判定方法では、蓄電池の容量を推定するにあたって、蓄電池を構成する全てのセルの内部抵抗を測定し、さらに、各セルの内部抵抗と平均内部抵抗とに基づいて標準偏差を求め、この後、図６に示す換算グラフを使用し、蓄電池の容量を推定する。標準偏差は次の下式で与えられる。
【００４１】
【数１】
ここで、図６の換算グラフは、第２実施形態と同様、計９セット（Ｎ＝９）の蓄電池（推定しようとする蓄電池とは別の蓄電池）において、それぞれの蓄電池を構成する全セルによる内部抵抗の標準偏差と放電試験による実際の容量とをデータベースとして作成されたものであり、その標準偏差や容量も、換算グラフを作成するために予めデータ収集を行うことによって求められたものである。
【００４３】
この換算グラフによれば、標準偏差（ｘ）と容量（ｙ）との間には、ｙ＝−３９３．９ｘ＋１１４．７９なる関係があり、相関係数を０．７７とした相関関係が成立している。従って、推定しようとする蓄電池の全セルの内部抵抗の標準偏差を換算グラフに対応させれば、その容量を容易に推定することが可能である。そして、推定の結果、容量が下限値より少なく、劣化した状態にあるとと判定し場合には、内部抵抗の大きい方のセルから順に必要なだけ交換すればよい。
【００４４】
本実施形態でも、第２実施形態と同様に効果を得ることができるうえ、相関係数が第２実施形態よりも１に近いので、平均内部抵抗に基づいて容量を推定する場合よりも、より確実な推定を行えるという効果がある。
【００４５】
〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態に係る蓄電池の劣化判定方法では、蓄電池の容量を推定するにあたって、蓄電池を構成する全てのセルの内部抵抗を測定し、さらに、各セルの内部抵抗と平均内部抵抗とに基づいて平均偏差を求め、この後、図７に示す換算手段である換算グラフを使用し、蓄電池の容量を推定する。平均偏差は下式で与えられる。
【００４６】
【数２】
ここで、図７の換算グラフも、第２、第３実施形態と同様、計９セット（Ｎ＝９）の蓄電池（推定しようとする蓄電池とは別の蓄電池）において、予めデータ収集を行うことによって求められたものであって、平均偏差（ｘ）と容量（ｙ）との間には、ｙ＝−５６９．１８ｘ＋１１８．７３なる関係があり、相関係数を０．７９とした相関関係が成立している。従って、この換算グラフから容量を容易に推定し、劣化状態を判定することが可能であるとともに、容量を回復させるには、内部抵抗の大きい方のセルから順に交換すればよい。
【００４８】
本実施形態でも、第２、第３実施形態と同様に効果を得ることができるうえ、相関係数が第３実施形態よりもさらに「１」に近いので、平均内部抵抗に基づいて容量を推定する場合よりも、一層正確な容量の推定を行え、劣化状態の確実な判定を行えるという効果がある。
【００４９】
〔第５実施形態〕
本発明の第５実施形態に係る蓄電池の劣化判定方法では、蓄電池の容量推定が第４実施形態と同様に平均偏差と容量との相関に基づいて行われるが、図８に示す換算グラフを用いる点で第４実施形態とは異なる。
すなわち、本実施形態での換算グラフは、形式別の相関を示すものになっており、一方の形式(MSE300)および他方の形式(MSE400)でのそれぞれ相関係数は、共に０．９以上と格段に高くなることが認められる（データ数および相関関数を示す式はグラフ内を参照）。
従って、本実施形態では、推定しようとする蓄電池の形式に応じて換算グラフを使い分けることにより、推定精度を大幅に向上させることができるという効果がある。
【００５０】
〔第６実施形態〕
本発明の第６実施形態に係る蓄電池の劣化判定方法は、以下の通りである。
図９に示すように、既設設備に蓄電池を接続している通常の状態において、蓄電池を構成する複数のセルのうち、直列接続された任意の数のセルを一セットとし、このセット内の両端セルに放電用の負荷としての放電抵抗を接続する。
また、各セル毎に電圧測定用の配線を施し、各配線を測定機に接続し、測定機からのデータをパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で処理できるようにしておく。
【００５１】
次いで、放電回路中のスイッチをオンにして一定の電流でセット内のセルの放電を行い、放電中の各セルの電圧をリアルタイムで例えば１分間測定し、この間の電圧をＰＣに記憶させる。
なお、蓄電池としては、第１〜第５実施形態のような鉛蓄電池の他、アルカリ電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池のいずれでもよく、本実施形態ではアルカリ電池を用いている。
【００５２】
ここで、図１０のグラフには、劣化がないかもしくは劣化の少ないセルの放電試験時の電圧変化、および劣化していると認められるセルの放電試験時の電圧変化が示されている。このグラフからも明らかなように、放電とともに電圧が著しく低下するセルが存在する。そして、このようなセルが劣化したセルであることがわかっている。
図１１は、各セルの１分間放電した時点での電圧、および実際の放電試験により確認された容量を示すものである。また、図１２のグラフは、当該電圧とセルの容量との相関関係を示している。
そして、この図１１のセルの容量とセルの電圧とから求められる相関関数はＰＣ内に記憶されている。
【００５３】
従って、図９に示す測定機からの各セルの電圧データはＰＣ内で処理され、前記相関関数に基づいて各セルの容量が推定される。これらの推定容量はさらにＰＣ内に記憶される。この後にＰＣは、蓄電池を構成する全セルの推定容量の平均、あるいは標準偏差、あるいは平均偏差を算出し、これを記憶しておく。
【００５４】
そして、前記第２〜第５実施形態と同様に、蓄電池全体の容量と、全セルの推定容量の平均、あるいは標準偏差、あるいは平均偏差との相関関係（関数）を予め求めてＰＣに記憶させておき、この相関関係から、実際に算出した推定容量の平均、あるいは標準偏差、あるいは平均偏差に基づいて蓄電池の容量をＰＣで自動的に推定し、推定の結果、容量が所定の下限値より小さいか大きいかをやはりＰＣで自動判断させ、その結果をディスプレイ等に表示させる。この際、劣化した状態にあると判定した場合には、蓄電池の容量が下限値を上回るように、電圧の低い（推定容量が小さい）方のセルを順に交換すればよいが、いずれのセルを交換すればよいか等をＰＣのディスプレイ上にセルＮｏ．で表示させてもよい。このような処理は、比較演算プログラム等のソフトウェアをＰＣ内に組み込んでおくことで容易に実施できる。
【００５５】
このような本実施形態においても、蓄電池を非常用電源として使用可能な状態に維持しながら行うことができるうえ、セルの交換には放電後の電圧の低いセルのみを交換すればよいから、保全作業に手間やコストがからない。また、セルを放電させた分の充電を行う必要があるが、放電時間が１分と短いため、セルの均等充電を行うことでさほど時間をかけずに充電を完了させることができ、蓄電池として機能しない時間を短縮させて非常用電源としての信頼性を向上させることができる。よって本発明の前述した目的を達成できる。
【００５６】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記第１〜第４実施形態での換算グラフは、２種類の型式からなる蓄電池のデータを基に作成されていたが、各型式毎の換算グラフを作成しておいてもよい。
こうすることで、第５実施形態と同様に推定しようとする蓄電池の型式に応じた換算グラフを用いることができ、推定した容量の信頼性がさらに向上する。
【００５７】
また、例えば、前記第１実施形態での換算グラフは、図３に示すデータをプロットすることで得られたものであるが、換算グラフを作成するにあたっては、周囲の温度等といった蓄電池の設置環境等を勘案した補正係数を設定しておき、この補正係数を加味して作成してもよい。他の実施形態での換算グラフにおいても同様である。
【００５８】
そして、前記第１〜第５実施形態では、換算グラフを用いていたが、これに限定されず、比較演算プログラム等のソフトウェアによって構成してもよい。
すなわち、第６実施形態のように、比較演算プログラム等の各種ソフトウェアが組み込まれたＰＣ等を用いることで、セルの良好、劣化小、劣化大等の分類から、良好セルの比率の計算や、平均内部抵抗の計算、標準偏差の計算、平均偏差の計算、さらには、容量の推定までを、各セルの内部抵抗をインプットするだけで自動的に行えるようにしてもよいし、内部抵抗を測定する機器からＰＣにデータを吸い上げるように構成しておき、内部抵抗の測定後直ちに各種の処理を自動的に行えるようにしても勿論よい。
【００５９】
さらに、第６実施形態のように各セルの容量を推定した場合、この推定容量を予め設定した判定基準値により分類し、この判定基準値を基に分類された特定の単電池の個数と、単電池全体の個数との比率により蓄電池全体の容量を推定してもよく、このような場合でも請求項１、および請求項７の発明に含まれる。
【００６０】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、従来のような放電試験を行う必要がなく、蓄電池を使用可能な状態に維持しながらその容量を推定できるうえ、劣化の著しいセルのみを交換することで保全コストを削減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る劣化判定方法で行われるセルの内部抵抗の測定結果を示す図である。
【図２】前記セルの分類を説明するための棒グラフを示す図である。
【図３】前記実施形態の換算手段を得るためのデータを示す図でる。
【図４】前記換算手段である換算グラフを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る劣化判定方法で用いられる換算グラフを示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る劣化判定方法で用いられる換算グラフを示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る劣化判定方法で用いられる換算グラフを示す図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る劣化判定方法で用いられる換算グラフを示す図である。
【図９】本発明の第６実施形態に係る劣化判定方法で行われる電圧の測定を説明する図である。
【図１０】前記第６実施形態での単電池の放電時間と電圧との関係を示すグラフである。
【図１１】図１０のグラフに基づく単電池の電圧と容量とを記載した図である。
【図１２】前記第６実施形態での単電池の容量推定の基となるグラフを示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to storage battery deterioration determination, for example, as a backup power supply (emergency power supply) for various uninterruptible power supplies (CVCFs) for plants, off-sites or devices, and control power supply devices such as substations. The present invention relates to a method for determining deterioration of a storage battery used.
[0002]
[Background]
Storage batteries are widely used as a backup power source during power outages. A function required for such a storage battery is to reliably supply power to a load for a necessary time when a power failure occurs, and this power supply capability is generally referred to as capacity.
[0003]
Although this capacity | capacitance falls gradually as the years of use of a storage battery become long, a big difference arises with an installation environment or a use condition. And when the capacity | capacitance of the installed storage battery is falling, since it will not be useful in an emergency, management of the capacity | capacitance of a storage battery is made into the very important matter.
[0004]
Therefore, in the past, a simulated load equivalent to the rated load was connected to the storage battery, the storage battery was discharged, and the capacity was estimated by measuring the discharge time until the discharge end voltage was reached (discharge test). The condition was being judged.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the deterioration state is confirmed by a discharge test, it is necessary to recharge the storage battery after discharging, so that there is a problem that the storage battery cannot be used during charging and does not function as an emergency power source.
[0006]
Japanese Patent Laid-Open No. 2-304876 describes a degradation determination method that requires measuring the internal resistance of a storage battery.
However, according to this method, in order to measure the internal resistance of the entire storage battery, when the storage battery is composed of a plurality of single cells (cells), the cell that increases the overall internal resistance is specified. I can't. For this reason, when it is determined that the storage battery is deteriorated, the entire storage battery must be replaced, which is uneconomical.
This problem also arises in the method of determining deterioration only by the above-described discharge test.
[0007]
An object of the present invention is to provide a storage battery deterioration determination method capable of determining a deterioration state while maintaining a storage battery in a usable state without requiring a discharge test and reducing maintenance costs.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention of
In such a method, since it is only necessary to measure the internal resistance of each cell at the installation site of the storage battery, it is not necessary to perform a conventional discharge test. Therefore, the determination of the deterioration of the storage battery can be performed while maintaining the storage battery in a usable state as an emergency power source.
In addition, in order to measure the internal resistance of all the cells that make up the storage battery, it is only necessary to replace cells with a large internal resistance in storage batteries that have been judged to have deteriorated due to insufficient capacity, which reduces maintenance costs. I can plan. In addition, a correlation between the ratio and the capacity of the storage battery may be obtained in advance, and the capacity can be easily and easily estimated in light of this correlation.
[0013]
According to a second aspect of the invention, the deterioration determination method of a storage battery according to
A third aspect of the present invention is the storage battery deterioration determination method according to the first or second aspect , wherein the storage battery is applied to a cathode absorption type sealed lead-acid battery.
[0014]
The invention of
Here, the “predetermined time” is, for example, a time of several seconds to several minutes, and is a time that is much shorter than the time to reach the discharge end voltage.
In such a method, for example, a plurality of unit cells connected in series are set as one set, and a discharge load is connected to the unit cells and discharged for a predetermined time, and the voltage of each unit cell during the discharge is determined in real time. What is necessary is just to record the measurement. Unlike the conventional case, it is not necessary to discharge until reaching the end voltage, and the object is achieved by exchanging only the single battery whose voltage is low and the deterioration is remarkable. Moreover, what is necessary is just to obtain | require the correlation of a ratio and the capacity | capacitance of a storage battery beforehand, and a capacity | capacitance can be estimated easily and simply in light of this correlation.
The charging time for the discharged portion is not a problem because the discharging time is short.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, in the storage battery deterioration determination method according to the fourth aspect , the storage battery is applied to any one of a lead storage battery, an alkaline battery, a nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery, and a lithium ion battery.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
[First Embodiment]
First, as shown in FIG. 1, a storage battery deterioration determination method according to the first embodiment is described for a lead storage battery (cathode absorption type sealed lead battery (MSE300) in this embodiment) whose deterioration is to be determined. For example, the internal resistance of 192 single cells (hereinafter referred to as cells) constituting the battery is measured by a four-terminal method or the like.
[0020]
Next, as shown in the bar graph of FIG. 2, each cell is stratified with an internal resistance of 0.1 mΩ width, and the number of cells for each resistance width is obtained. And the smaller the internal resistance, the less the deterioration of the cell, so cells with an internal resistance of 0.79 mΩ or less are classified as “good” cells, and cells with 0.80 to 0.99 mΩ are classified as “small deterioration” cells. , Cells with 1.00mΩ or higher are classified as “degraded” cells. An internal resistance value of 0.79 mΩ or less of a cell classified as good is a criterion (resistance) value of the present invention.
In the present embodiment, cells outside the criterion resistance value are classified into small degradation and large degradation, but these classifications may be performed as necessary and can be omitted.
[0021]
Further, the ratio of the number of good cells (163) within the criterion resistance value to the total number of cells (192) is obtained as the ratio of good cells. In the present embodiment, the good cell ratio is (163 ÷ 192) × 100 = 85%.
[0022]
Then, the capacity | capacitance of a storage battery is estimated using the conversion graph shown in FIG. In this embodiment, since the ratio of the favorable cell of the storage battery to be estimated is 85%, according to the conversion graph, 63% corresponding to this 85% is the estimated capacity of the storage battery.
Thus, the estimation of the capacity of the storage battery is completed.
[0023]
Here, as shown in FIG. 3, the conversion graph of FIG. 4 is a total of 6 sets of storage batteries (according to MSE300, MSE400: JIS), which are different from the storage battery to be estimated. The database is prepared using a good cell ratio and an actual capacity obtained by a discharge test as a database. At this time, the ratio and capacity are obtained by collecting data in advance in order to create a conversion graph. In particular, the ratio can be obtained by including the same procedure as described above.
In addition, the storage battery for producing a conversion graph is not limited to 6 sets, and it is so preferable that there are many.
[0024]
Finally, in order to determine the deterioration state of the storage battery, the estimated capacity of the storage battery described above is compared with a lower limit value for determining the deterioration state. Here, the lower limit value is set in advance to a predetermined value depending on the purpose and scale of use of the storage battery. Here, for example, if the lower limit value is set to 70%, the estimated capacity of the storage battery in this embodiment is 63%, so it is determined that the capacity of the storage battery is insufficient and in a deteriorated state. Is done.
Thus, the determination of the deterioration state of the storage battery is completed.
[0025]
If the storage battery is in a deteriorated state and it is determined that the cell needs to be replaced, replace the cell with a large deterioration cell and then a cell with a large degree of deterioration (internal resistance) such as a small deterioration. Replace in order. At this time, since the ratio of good cells is increased by replacing the deteriorated cells, this replacement work is performed until the estimated capacity reaches 70% or more (approximately 90% or more with the ratio of good cells) which is the lower limit value. You do not have to replace all the cells.
[0026]
According to this embodiment, there are the following effects.
(1) In estimating the capacity of the storage battery, at the installation site of the storage battery, it is only necessary to measure the internal resistance of each cell constituting the storage battery, and it is not necessary to perform a discharge test with recharging. Accordingly, the deterioration of the storage battery can be determined while maintaining the storage battery in a usable state as an emergency power source, and the reliability as the emergency power source can be improved.
[0027]
(2) Since the discharge test is unnecessary, discharge and recharge can be made unnecessary, and complicated work such as connecting a simulated load can be omitted, so that the time required for storage battery maintenance can be greatly reduced.
[0028]
(3) Since the internal resistance value of the cell is 0.79 mΩ or less (less than 0.80 mΩ) is the judgment reference resistance value, there is no concern that the number of cells classified as good will be excessive. For this reason, since there is no possibility that the ratio of a favorable cell will become large, it can prevent that the capacity | capacitance of a storage battery is estimated too large rather than actual, and can improve the reliability of a capacity | capacitance estimation result.
[0029]
(4) According to the present embodiment, in order to measure the internal resistance of all the cells constituting the storage battery, in a storage battery with insufficient capacity, it is only necessary to replace cells that have a large internal resistance and are significantly deteriorated. The maintenance cost can be greatly reduced as compared with the conventional case that had to be replaced.
[0030]
(5) At this time, since the cells outside the criterion resistance are classified into small deterioration and large deterioration, when replacing the cells, the cells corresponding to the large deterioration may be replaced in order. Can be performed easily and accurately.
In addition, if you record cells with small deterioration, you can pre-register such as the need for replacement at the next maintenance, so it is more accurate to estimate how many new cells are needed. Can be done.
[0031]
(6) Since the lower limit value is set so that the cells are replaced when the estimated capacity of the storage battery is smaller than 70% (the ratio of good cells is approximately 90%), it is possible to replace cells with large deterioration at an early stage. The storage battery can be reliably maintained in a state where the capacity is sufficient.
[0032]
(7) By measuring the internal resistance of all cells, it is not necessary to perform a destructive inspection by extracting samples from a plurality of cells, so that the deterioration state of each cell and thus the entire storage battery can be grasped more accurately. it can.
[0033]
(8) Since it uses four terminal method when the measurement of the internal resistance of each cell, can reduce the influence of the contact resistance between the probe and the cell of the measuring instrument can measure more accurate resistance value.
[0034]
(9) When obtaining the capacity of the storage battery from the good cell ratio, the conversion graph created by taking data in advance is used, so that the capacity can be estimated quickly and easily.
[0035]
(10) In the past, storage batteries were maintained based on the years of use of the storage battery, but since the years of use differed for each storage battery, maintenance could not be performed efficiently.
However, according to the present embodiment, the estimation of the storage battery is concentrated on all the storage batteries, and as a result, it is only necessary to replace the deteriorated cell having a large internal resistance, so that the maintenance work can be efficiently performed periodically. it can.
[0036]
[Second Embodiment]
In the storage battery deterioration determination method according to the second embodiment of the present invention, when estimating the capacity of the storage battery, as in the first embodiment, the internal resistances of all the cells constituting the storage battery are measured, It is classified into “good”, “low deterioration”, and “high deterioration” according to the internal resistance. Furthermore, in this embodiment, the average internal resistance of each cell is obtained, and thereafter, the conversion graph shown in FIG. 5 is used to estimate the capacity of the storage battery.
However, the classification of each cell can be omitted if the cell that needs to be replaced can be identified from its internal resistance, and it is not always necessary to classify according to the deterioration state. The same applies to third and fourth embodiments described later.
[0037]
Here, the conversion graph of FIG. 5 is a total of 9 sets (N = 9) of storage batteries (N = 9) consisting of two types of models (MSE300, MSE400: compliant with JIS) as in the first embodiment. In another storage battery), the average internal resistance of all cells constituting each storage battery and the actual capacity obtained by the discharge test are created as a database, and the internal resistance value and capacity are used to create a conversion graph. Is obtained by collecting data in advance.
[0038]
According to this conversion graph, there is a relationship y = −118.84x + 155.25 as a correlation function between the average internal resistance (x) and the capacitance (y), and a correlation with a correlation coefficient of 0.73. The relationship is established. Therefore, if the average internal resistance of all the cells of the storage battery to be estimated is made to correspond to the conversion graph, the capacity can be easily estimated. Then, as a result of estimation, when the capacity is smaller than the predetermined lower limit value, it is determined that the storage battery is in a deteriorated state, and it is sufficient to replace as many as necessary in order from the cell with the larger internal resistance.
[0039]
Even in this embodiment, it is only necessary to measure the internal resistance at the installation site of the storage battery, and it is not necessary to perform a discharge test with recharging, and a discharge test is unnecessary. Therefore, the above-described (1) and (4) The effect can be obtained similarly, and the object of the present invention can be achieved. Further, with the same configuration as that of the first embodiment, the effects (2), (5), and (7) to (10) described above can be obtained in the same manner.
[0040]
[Third Embodiment]
In the storage battery degradation determination method according to the third embodiment of the present invention, when estimating the capacity of the storage battery, the internal resistance of all the cells constituting the storage battery is measured, and the internal resistance and average internal resistance of each cell are measured. The standard deviation is obtained based on the above, and then the capacity of the storage battery is estimated using the conversion graph shown in FIG. The standard deviation is given by
[0041]
[Expression 1]
Here, as in the second embodiment, the conversion graph of FIG. 6 is based on all cells constituting each storage battery in a total of 9 sets (N = 9) of storage batteries (a storage battery different from the storage battery to be estimated). The standard deviation of the internal resistance and the actual capacity from the discharge test were created as a database, and the standard deviation and capacity were also obtained by collecting data in advance to create a conversion graph. .
[0043]
According to this conversion graph, there is a relationship y = −393.9x + 114.79 between the standard deviation (x) and the capacity (y), and a correlation with a correlation coefficient of 0.77 is established. ing. Therefore, if the standard deviation of the internal resistance of all the cells of the storage battery to be estimated is associated with the conversion graph, the capacity can be easily estimated. Then, as a result of estimation, if it is determined that the capacity is lower than the lower limit value and the battery is in a deteriorated state, the cells may be replaced in order from the cell having the larger internal resistance.
[0044]
In the present embodiment, the same effect as in the second embodiment can be obtained, and the correlation coefficient is closer to 1 than in the second embodiment, so that it is more than the case of estimating the capacity based on the average internal resistance. There is an effect that a reliable estimation can be performed.
[0045]
[Fourth Embodiment]
In the storage battery deterioration determination method according to the fourth embodiment of the present invention, when estimating the capacity of the storage battery, the internal resistances of all the cells constituting the storage battery are measured, and the internal resistance and average internal resistance of each cell are measured. Then, the average deviation is obtained, and then the capacity of the storage battery is estimated using the conversion graph which is the conversion means shown in FIG. The average deviation is given by
[0046]
[Expression 2]
Here, as in the second and third embodiments, the conversion graph of FIG. 7 also collects data in advance in a total of 9 sets (N = 9) of storage batteries (a storage battery different from the storage battery to be estimated). The average deviation (x) and the capacity (y) have a relationship of y = −569.18x + 118.73, and a correlation with a correlation coefficient of 0.79 is obtained. It is established. Therefore, it is possible to easily estimate the capacity from this conversion graph and determine the deterioration state, and to restore the capacity, the cells having the larger internal resistance may be replaced in order.
[0048]
In this embodiment, the same effect as in the second and third embodiments can be obtained, and the correlation coefficient is closer to “1” than in the third embodiment, so the capacity is estimated based on the average internal resistance. In this case, the capacity can be estimated more accurately than in the case where the deterioration state is determined.
[0049]
[Fifth Embodiment]
In the storage battery degradation determination method according to the fifth embodiment of the present invention, the capacity estimation of the storage battery is performed based on the correlation between the average deviation and the capacity as in the fourth embodiment, but the conversion graph shown in FIG. 8 is used. This is different from the fourth embodiment.
That is, the conversion graph in the present embodiment shows the correlation by format, and the correlation coefficients in one format (MSE300) and the other format (MSE400) are both 0.9 or more. It is recognized that the rate is significantly higher (see the graph for the formulas indicating the number of data and the correlation function).
Therefore, in this embodiment, there exists an effect that estimation accuracy can be improved significantly by using a conversion graph properly according to the form of the storage battery to be estimated.
[0050]
[Sixth Embodiment]
The storage battery deterioration determination method according to the sixth embodiment of the present invention is as follows.
As shown in FIG. 9, in a normal state in which a storage battery is connected to existing equipment, among a plurality of cells constituting the storage battery, an arbitrary number of cells connected in series is set as one set, and both ends in this set A discharge resistor as a discharge load is connected to the cell.
Moreover, wiring for voltage measurement is provided for each cell, and each wiring is connected to a measuring machine so that data from the measuring machine can be processed by a personal computer (PC).
[0051]
Next, the switch in the discharge circuit is turned on to discharge the cells in the set with a constant current, the voltage of each cell being discharged is measured in real time, for example, for 1 minute, and the voltage during this time is stored in the PC.
In addition to the lead storage battery as in the first to fifth embodiments, the storage battery may be any of an alkaline battery, a nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery, and a lithium ion battery. In this embodiment, an alkaline battery is used.
[0052]
Here, the graph of FIG. 10 shows a voltage change at the time of a discharge test of a cell having no or little deterioration, and a voltage change at the time of a discharge test of a cell that is recognized to be deteriorated. As is apparent from this graph, there is a cell in which the voltage drops significantly with discharge. And it is known that such a cell is a deteriorated cell.
FIG. 11 shows the voltage when each cell is discharged for 1 minute and the capacity confirmed by an actual discharge test. The graph of FIG. 12 shows the correlation between the voltage and the capacity of the cell.
Then, the correlation function obtained from the voltage of the capacitor and the cells of the cell of FIG. 11 is memorize in PC.
[0053]
Therefore, the voltage data of each cell from the measuring machine shown in FIG. 9 is processed in the PC, and the capacity of each cell is estimated based on the correlation function. These estimated capacities are further stored in the PC. Thereafter, the PC calculates the average, standard deviation, or average deviation of the estimated capacity of all the cells constituting the storage battery, and stores this.
[0054]
As in the second to fifth embodiments, the correlation (function) between the capacity of the entire storage battery and the average or standard deviation of the estimated capacity of all cells or the average deviation is obtained in advance and stored in the PC. Based on this correlation, the capacity of the storage battery is automatically estimated by the PC based on the average, standard deviation, or average deviation of the estimated capacity actually calculated. As a result of the estimation, the capacity is less than the predetermined lower limit value. Whether it is small or large is also automatically judged by the PC, and the result is displayed on a display or the like. In this case, the decision was if to be in a degraded state, as the capacity of the battery is above the lower limit value, but may be replaced with low (estimated capacity is small) towards the cell having a voltage in the order, any cell Cell No. on the PC display. May be displayed. Such processing can be easily performed by incorporating software such as a comparison operation program in the PC.
[0055]
In this embodiment, the storage battery can be maintained while being usable as an emergency power source, and only the low voltage cell after discharge needs to be replaced for cell replacement. There is no effort and cost for the work. In addition, it is necessary to charge as much as the cell is discharged, but since the discharge time is as short as 1 minute, charging can be completed without much time by charging the cells evenly. It is possible to improve the reliability as an emergency power supply by shortening the time during which it does not function. Therefore, the aforementioned object of the present invention can be achieved.
[0056]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Other structures etc. which can achieve the objective of this invention are included, The deformation | transformation etc. which are shown below are also contained in this invention.
For example, although the conversion graph in the said 1st-4th embodiment was created based on the data of the storage battery which consists of two types of types, you may create the conversion graph for every model.
By carrying out like this, the conversion graph according to the model of the storage battery which it is going to estimate similarly to 5th Embodiment can be used, and the reliability of the estimated capacity | capacitance improves further.
[0057]
In addition, for example, the conversion graph in the first embodiment is obtained by plotting the data shown in FIG. 3, but in creating the conversion graph, the storage battery installation environment such as the ambient temperature, etc. It is also possible to set a correction coefficient in consideration of the above, and to create the correction coefficient in consideration. The same applies to conversion graphs in other embodiments.
[0058]
And although the conversion graph was used in the said 1st-5th embodiment, it is not limited to this, You may comprise by software, such as a comparison calculation program.
That is, as in the sixth embodiment, by using a PC or the like in which various software such as a comparison operation program is incorporated, the ratio of good cells can be calculated from the classification of good cells, small deterioration, large deterioration, calculation of the mean internal resistance, the standard deviation calculation, calculation of the mean deviation, further, up to estimation of the capacity may be the internal resistance allow the automatic simply by input of each cell, the internal resistance Of course, it may be configured so that data is sucked from the measuring device to the PC so that various processes can be automatically performed immediately after the measurement of the internal resistance.
[0059]
Furthermore, when the capacity of each cell is estimated as in the sixth embodiment, the estimated capacity is classified according to a preset criterion value, and the number of specific cells classified based on the criterion value, The capacity of the entire storage battery may be estimated based on the ratio to the total number of single cells. Such a case is also included in the inventions of
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is not necessary to perform a conventional discharge test, the capacity can be estimated while maintaining the storage battery in a usable state, and only the cells with significant deterioration are replaced. This has the effect of reducing maintenance costs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a measurement result of internal resistance of a cell performed by a deterioration determination method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a bar graph for explaining the cell classification;
FIG. 3 is a diagram showing data for obtaining the conversion means of the embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a conversion graph as the conversion means.
FIG. 5 is a diagram showing a conversion graph used in a deterioration determination method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a conversion graph used in the deterioration determination method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a conversion graph used in a deterioration determination method according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a conversion graph used in a deterioration determination method according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating voltage measurement performed by a deterioration determination method according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the discharge time and voltage of the unit cell in the sixth embodiment.
11 is a diagram describing the voltage and capacity of a single cell based on the graph of FIG.
FIG. 12 is a diagram showing a graph serving as a basis for capacity estimation of a single cell in the sixth embodiment.
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