JP4372624B2 - 蓄電池劣化診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、非常用電源、無停電電源、操作用電源などに使用される蓄電池の診断を行う際に、電圧端子、電流端子それぞれの正負の極性に無関係に測定することができる蓄電池劣化診断装置に関する。

蓄電池の能力を判断するためには、実際に放電してみる方法が最も有効であるとされ、実負荷、もしくはそれに該当する模擬負荷を準備して長時間の放電を行うため、結果の精度は高いが、長時間かかることがあるとか、実際の負荷運用中にはそのような試験が行えないなどの問題があることから、短時間、電流を放電させ、その時の蓄電池の端子電圧の変化から診断する方法が用いられている。

その蓄電池の短時間放電による診断では、蓄電池は直流であり、従来往々にして測定時に誤って逆接続することにより異常な電流が流れることがあるため、極性に留意して測定しなければならない。つまり、短時間、放電させることによる蓄電池診断装置では、蓄電池が電気的に正と負の極性を有しているため、接続する電圧および電流の端子は極性を誤りなく接続することが必要である。ところで、蓄電池設備は複数個の蓄電池（例えばＤＣ１００Ｖ電源の場合、鉛蓄電池では５２〜５４セル、アルカリ蓄電池では８０〜８６セル）の蓄電池が直列に接続されている。ＵＰＳ（無停電電源装置）の場合は２００セル前後とさらに数の多いものがある。

上記蓄電池は、近年スペースを節約するため狭い場所または盤などに収納されることが増えているとともに、盤のサイズも小さくコンパクトさを要求されるためバッテリ収納スペースも一段と小さくなり、測定するための手が入りにくくなっている。端子に極性を間違えず正確に診断器の電極を当てるのが前項理由により極めて困難になってきている。また、蓄電池の端子の正と負は、図８に示すように、交互に配置され、さらに何列かが前後に並べられ何段かが上下に並べられる例が多く、測定時に確実に正負の極性（具体的には、正極端子５ａ、負極端子５ｂ）を間違えてやり直す回数が増加している現状であり、測定時間が２倍乃至３倍程度かかる場合もある。

また、従来の短時間放電を利用した診断装置の特許文献１では、測定する際の逆接続により制御されない電流が流れることを防止するため、回路中に接点を有する電磁接触器（断路器）等を使用していたが、装置は複雑化及び大型化していた。具体的には、正負を間違える誤接続の場合に電流制御部に使用される半導体の持つダイオードを通して制御されない電流が流れることを防ぐため、機械的な接点を持つ電磁接触器が用いられているが、装置の大型化、接点の信頼性低下、また駆動用電力をまかなうための診断装置の電源容量増大などの間題がある。
特開平１１−６４４７２号公報

以上のように、数多くの蓄電池が接続されて設置されている状態では極性を確認するのに気をつけなければならず、勿論、間違った場合の保護は行うとしても再度測定が必要など必要以上の仕事を行わなければならない。このため、電圧端子、電流端子それぞれの正負の極性に無関係に測定できるようにすることが要望されている。このため、本発明が解決しようとする課題（技術的課題又は目的等）は、非常用電源、無停電電源、操作用電源などに使用される蓄電池の診断を行う際に、電圧端子、電流端子それぞれの正負の極性に無関係に測定することができるようにすることである。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、被診断蓄電池から短時間、診断に必要な電流を放電させ、該放電時及び放電終了後の設定された時間、前記被診断蓄電池の放電電流、放電時及び放電終了後の回復時のそれぞれの端子電圧を時間の経過とともに複数回測定する蓄電池劣化診断装置において被診断蓄電池の放電電流を検出・測定する電流検出部と、前記被診断蓄電池の端子電圧を検出・測定する電圧検出部と、電流制御信号部，ダイオード制御信号部及び極性判定部を備えた制御部とを有し、前記蓄電池診断装置の閉回路に、第１電流制御部兼逆流防止ダイオード，第２電流制御部兼逆流防止ダイオードが順方向及び逆方向に対をなして直列に設けられ、前記被診断蓄電池の極端子の正負の極性を前記制御部の極性判定部の判定に応じて、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオードと前記第２電流制御部兼逆流防止ダイオードはそれぞれがダイオード制御信号部の信号にて逆流防止ダイオードと、前記電流制御信号部の信号にて電流制御される構成に変換されてなることを特徴とする蓄電池劣化診断装置としたことにより、前記課題を解決した。さらに、請求項２の発明においては、請求項１において、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード，第２電流制御部兼逆流防止ダイオードをＭＯＳＦＥＴとしてなることを特徴とする蓄電池劣化診断装置としたことにより、前記課題を解決したものである。

従来往々にして測定時に誤って逆接続することにより異常な電流が流れることがあるため、これを防止するようにした構成もあったが、請求項１の発明では、逆接続でも診断できるという最大の効果がある。また、請求項２の発明では、特に、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード，第２電流制御部兼逆流防止ダイオードをＭＯＳＦＥＴとしたことにより、逆流防止ダイオードの役割をなす場合に、ＭＯＳＦＥＴによる電圧降下を僅か（約０．２Ｖ内外）にできるため、より正確な測定ができるものである。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。同図において、１は閉回路ａに直列に設けられた放電電流を検出・測定する電流検出部、１ａは整流部である。２は前記閉回路ａに並列に設けられた端子電圧を検出・測定する電圧検出部、２ａは整流部である。３は制御部であって、電流制御信号部３ａと、ダイオード制御信号部３ｂと、信号切替部３ｃと、極性判定部３ｄとからなり、中央処理装置（ＣＰＵ）にて制御されるように構成されている。

４は前記閉回路ａに直列に設けられた電流制御部であって、第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ，第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂが順方向及び逆方向に対をなして直列に設けられている。つまり、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａと第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂとは同一構造をなしている。前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ又は前記第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂは、前記電流制御信号部３ａからの制御信号を受け、その電流制御部兼逆流防止ダイオード自体に順方向に放電電流が流れる場合には、電流制御としての役割をなすものである。

また、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ又は第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂは、前記ダイオード制御信号部３ｂからの信号を受けていない場合は逆流防止ダイオードとしての役割をなす。前記第１または第２のいずれかの一方の電流制御部兼逆流防止ダイオードが電流制御信号部３ａからの制御信号を受け、電流制御としての役割をなしている場合には、対になっている他方の電流制御部兼逆流防止ダイオードはダイオード制御信号部３ｂからの信号がゲートに与えられ、その他方の電流制御部兼逆流防止ダイオード自体に逆方向に放電電流が流れる。前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ及び第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂは、具体的には、ＭＯＳＦＥＴが使用されている。５は被診断蓄電池であって、前記閉回路ａの端部に設けた電流検出端子６，６及び電圧検出端子７，７に適宜接続されて診断される。図８の５ｃは接続導体である。

作用について説明する。まず、図１及び図２に示すように、被診断蓄電池５の放電電流が流れが閉回路ａにおいて右廻りの場合には、極性判定部３ｄの動作にて、前記被診断蓄電池５の放電電流の流れが閉回路ａにおいて右廻りを検出し、該検出信号に対応して前記信号切替部３ｃを端子（イ）側（図１及び図２において上側）に切り換える。すなわち、前記ダイオード制御信号部３ｂの信号（電圧）が前記第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂ（ＭＯＳＦＥＴ）のゲートにドレインーソース間が十分飽和するようなバイアス電圧を印加し、且つ前記電流制御信号部３ａの信号（定電流制御を行うための）を前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ（ＭＯＳＦＥＴ）のゲートに印加するように前記信号切替部３ｃを切り換える。

そして、閉回路ａにおいて右廻りのため、図１及び図２に示すように、前記第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂ（ＭＯＳＦＥＴ）にはソースからドレインに逆方向に放電電流が流れることになるが電流は制御せず、且つ、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ（ＭＯＳＦＥＴ）は前記電流制御信号部３ａにて制御され、ドレインからソースに順方向に放電電流が流れることになり、電流制御ができる。

また、図３及び図４に示すように、被診断蓄電池５の放電電流の流れが閉回路ａにおいて左廻りの場合には、極性判定部３ｄの動作にて、前記被診断蓄電池５の放電電流の流れが閉回路ａにおいて左廻りを検出し、該検出信号に対応して前記信号切替部３ｃを端子（ロ）側（図３及び図４において下側）に切り換える。すなわち、前記ダイオード制御信号部３ｂの信号（電圧）が前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ（ＭＯＳＦＥＴ）のゲートにドレインーソース間が十分飽和するようなバイアス電圧を印加し、且つ前記電流制御信号部３ａの信号（定電流制御を行うための）が前記第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂ（ＭＯＳＦＥＴ）のゲートに印加するように前記信号切替部３ｃを切り換える。

そして、閉回路ａにおいて左廻りのため、図３及び図４に示すように、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ（ＭＯＳＦＥＴ）にはソースからドレインに逆方向に放電電流が流れることになるが電流は制御せず、且つ、前記第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂ（ＭＯＳＦＥＴ）は前記電流制御信号部３ａにて制御され、ドレインからソースに順方向に放電電流が流れることになり、電流制御ができる。

以上のように同一の構成部材なる第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ，第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂを順方向及び逆方向に対をなして直列に設けることで、被診断蓄電池５の放電電流の流れが閉回路ａにおいて右廻り又は左廻りに対応して、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａが逆流防止ダイオードをなしたときには前記第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂは電流制御ができるようになり、また、該第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂが逆流防止ダイオードをなしたときには前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａは電流制御ができるようにでき、被診断蓄電池５の放電電流の流れが閉回路ａにおいて右廻り又は左廻りであっても、方向に無関係に前記被診断蓄電池５の診断ができる。

特に、従来往々にして測定時に誤って逆接続することにより異常な電流が流れることがあるため、これを防止するようにした構成もあったが、本発明では、逆接続でも診断できるという最大の効果がある。さらに、第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ，第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂをそれぞれＭＯＳＦＥＴとして構成することにより、ゲートに信号（ドレインーソース間が十分飽和するようなバイアス電圧）を入れた状態でソースからドレインに電流を流すとＭＯＳＦＥＴでの電圧降下が一般のダイオードより低くなる特性があり、これを本実施形態の逆流防止ダイオードとして使用することで、本実施形態内での電圧降下を僅かに（具体的には、約０．２Ｖ内外）させることができ、測定範囲を拡げ得る利点がある。

次に、蓄電池診断装置にて良好に測定できる具体的内容について、図５に基づいて詳述する。特に、第２制御部８が設けられている。該第２制御部８には、前記電流検出部１にて計測された電流に関する信号と、前記電圧検出部２にて測定された電圧に関する信号とが入力されるように構成されている。前記オン・オフ制御部８ａにて放電時間に対してのオン・オフの制御時間が制御され、且つ放電終了後から回復するまでの所望時間が制御されるように構成されている。また、電流設定部８ｂにより放電電流値の設定を行うように入力可能に構成されている。さらに、電流演算制御部８ｃにて電流検出部１からのフィードバック値と演算して所定電流値となるように制御され、該制御された信号にて、前記電流制御部４において電流制御できる第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ又は第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂを駆動させて放電電流を閉回路ａに出力するものである。その放電開始後の電圧、放電停止後の所定期間の電圧は電圧検出部２で測定され、その値は電圧電流値記憶部８ｄに記憶されるように構成されている。

以上のように、第２制御部８は内部のオン・オフ制御部８ａから放電時間及び放電終了後の所定時間が設定され、電流設定部８ｂにより放電電流の設定を行い、電流演算制御部８ｃで電流検出部１からのフィードバック値と演算しながら電流制御部４において電流制御できる第１電流制御部兼逆流防止ダイオード４ａ又は第２電流制御部兼逆流防止ダイオード４ｂに指令を与えることで、被診断蓄電池５は定められた時間、放電をするとともに放電開始後の電圧および放電停止後の所定期間の電圧は電圧検出部２で測定され、その値は電圧電流値記憶部８ｄに記憶されるものである。電流値の設定は前記第２制御部８に接続された入力手段８ｅとしての、例えば、テンキーパッドにて行う。

第７図は本発明の蓄電池診断装置で測定された被診断蓄電池５の端子電圧の時間的推移をグラフにしたものである。ｔ₁ からｔ₂ の時間は被診断蓄電池５が放電している期間で、ｔ₂ からｔ₃ は放電を終了した後の期間である。放電終了直前の電圧をＶａ、直後の電圧をＶｂで表している。

被診断蓄電池５の放電能力低下としては起電力そのものが低下することと内部抵抗の増大がある。両方とも放電時に端子電圧の低下をもたらすので、蓄電池からの短時間の放電でこれらを確認できる。しかし、本発明ではさらに放電終了後の電圧の測定をも行うものである。特に、第７図に示したグラフは、被診断蓄電池５から放電および放電終了後の端子電圧の推移を示す。ｔ₁ は放電開始の時刻、ｔ₂ は放電終了の時刻を示す。放電を終了させると端子電圧は急激にある値まで上昇し、その後なだらかな曲線で端子電圧が変化する。急激な電圧上昇分をそれまで放電させていた電流値で除すれば近似的に内部抵抗の値が得られる。
Ｒｉ＝（Ｖｂ−Ｖａ）／Ｉ
ここでＲｉ：内部抵抗、Ｉ：放電電流、Ｖａ：放電終了直前に測定した蓄電池端子電圧
Ｖｂ：放電終了直後に測定した蓄電池端子電圧である。

また、瞬時に復帰したある値がその時点での被診断蓄電池５の起電力にほぼ等しい。従来の短時間放電による蓄電池診断装置は放電時の端子電圧を測定しているが、放電を停止したあとも引き続き端子電圧を測定することで、起電力の状況と内部抵抗による影響を分離して把握することが可能になり、従来行われている短時間放電による端子電圧測定と内部抵抗測定を同時に行うことができる。さらに放電終了後の電圧の上昇の状況が確認でき、これが被診断蓄電池５の診断に役立つ。これらにより蓄電池の劣化診断の精度を従来の方法より格段に高めることが可能である。

次に、本発明の診断開始からデータ登録までの操作手順について、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。図において細枠は操作者が行うもので、太枠は診断装置が自動的に行う動作である。診断装置の電源を投入する（Ｓ１参照）。蓄電池から放電させる電流値をテンキーパッドなどから入力、設定する（Ｓ２参照）。そして電流検出端子６，６及び電圧検出端子７，７を被診断蓄電池５に接続し（Ｓ３参照）、準備完了確認用押ボタンを押す（Ｓ４参照）。電流検出端子６，６及び電圧検出端子７，７が正常に接続されていることを確認する（Ｓ５参照）。正常でない場合（ＮＯ）には、アラームが鳴り（Ｓ６参照）、測定を阻止して（Ｓ７参照）、Ｓ３の手前に戻る。また、Ｓ４において、正常の場合（ＹＥＳ）には、準備完了を表示し（Ｓ８参照）、診断の測定を開始する（Ｓ９参照）。

すると、電流制御部４の半導体導通が開始し、被診断蓄電池５から設定された電流を放電させる（Ｓ１０参照）。前記被診断蓄電池５からの放電電流及び電圧は測定され、診断装置のメモリに記憶される（Ｓ１１参照）。電流制御部４の導通が終了し、被診断蓄電池５の放電は終了する（Ｓ１２参照）が、電圧の測定は継続し、データはメモリに記憶される（Ｓ１３参照）。一定時間後、測定は終了し（Ｓ１４参照）、放電時・放電終了後の電圧・電流測定データから内部抵抗を演算し、メモリに記憶する（Ｓ１５参照）。このとき、測定された電圧、電流及び演算された内部抵抗の値をパネルに表示する（Ｓ１６参照）。確認して（Ｓ１７参照）、次の蓄電池の測定への移行を指示することで測定が完了する（Ｓ１８参照）。

本発明の装置に記憶されたデータはデータ伝送回路を通してＰＣ（Personal Computer)、メモリーカードなどに取り込むことができる。さらにＰＤＡ（Personal Digital Assistant) に取り込むことも可能である。さらに、データ伝送の方式としてＲＳ２３２Ｃ、赤外線によるものを使用することで容易に確実にデータの取り込みが可能となる。さらに、本発明の装置において、浮動充電電圧を測定・記録する機能を有するように構成することもある。以上のような構成にて、被診断蓄電池５の容量低下の原因につき、内部抵抗の増加、起電力の低下に分離して理解することができ、被診断蓄電池５の診断に大きく役立つものにできる。また、端子電圧測定と同時に内部抵抗測定ができるし、駆動電力の削減、装置の小型化が実現し、信頼度が向上させることができる。

本発明の実施形態において電流が右廻りの回路図である。 図１の要部の拡大作用状態図である。 本発明の実施形態において電流が左廻りの回路図である。 図３の要部の拡大作用状態図である。 蓄電池診断装置の回路図である。 蓄電池診断装置のフローチャートである。 放電時及び放電終了後の回復時の端子電圧の測定グラフである。 （Ａ）は被診断蓄電池群の一部平面図、（Ｂ）は（Ａ）の正面図である。

符号の説明

ａ…閉回路、３…制御部、３ｄ…極性判定部、４ａ…第１電流制御部兼逆流防止ダイオード、４ｂ…第２電流制御部兼逆流防止ダイオード、５…被診断蓄電池。

Claims (2)

1. 被診断蓄電池から短時間、診断に必要な電流を放電させ、該放電時及び放電終了後の設定された時間、前記被診断蓄電池の放電電流、放電時及び放電終了後の回復時のそれぞれの端子電圧を時間の経過とともに複数回測定する蓄電池劣化診断装置において被診断蓄電池の放電電流を検出・測定する電流検出部と、前記被診断蓄電池の端子電圧を検出・測定する電圧検出部と、電流制御信号部，ダイオード制御信号部及び極性判定部を備えた制御部とを有し、前記蓄電池診断装置の閉回路に、第１電流制御部兼逆流防止ダイオード，第２電流制御部兼逆流防止ダイオードが順方向及び逆方向に対をなして直列に設けられ、前記被診断蓄電池の極端子の正負の極性を前記制御部の極性判定部の判定に応じて、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオードと前記第２電流制御部兼逆流防止ダイオードはそれぞれがダイオード制御信号部の信号にて逆流防止ダイオードと、前記電流制御信号部の信号にて電流制御される構成に変換されてなることを特徴とする蓄電池劣化診断装置。
2. 請求項１において、前記第１電流制御部兼逆流防止ダイオード，第２電流制御部兼逆流防止ダイオードをＭＯＳＦＥＴとしてなることを特徴とする蓄電池劣化診断装置。

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