JP4445709B2 - 電源供給システムの二次電池の寿命診断方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電源供給システムの二次電池の寿命診断方法に係り、特にニッケル水素電池の残寿命を予め診断することができる電源供給システムの二次電池の寿命診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のコンピュータシテムは、システム及びデータの大規模化に伴い、停電等が発生した際に所定時間電力供給を行い、この電力供給時間内にデータの退避を確保するための無停電電源装置が採用されている。この無停電電源装置は、商用電源をコンピュータシステムに供給する際に充電を行うニッケル水素電池等の電池部と、商用電源の停電や瞬電を検出する停電検出回路とを備え、前記停電検出回路が商用電源の停電／落雷による過電圧／他の機器による過電力によるブレーカダウン／他の機器からのノイズ／人為的なミスによる停電等を検出した際に、前記電池部からコンピュータシステムに所定時間電力を供給する様に構成されている。
【０００３】
尚、前述の無停電装置に関する技術が記載された文献としては、例えば特開２００１−１６６０１６号公報が挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この無停電装置に使用されるニッケル水素電池は、一般に充放電を繰り返すことによって充電を行っても出力電力が低下し、予め設定した容量以下、又はバックアップ時間が規定時間以下の状態になった場合に寿命と判断され、蓄電池の交換を行う必要がある。
【０００５】
しかしながら前記電池の寿命診断は、保守員が無停電電源装置の容量又はバックアップ時間等を人手によって測定し、寿命が近いか否かを判断する必要があり、寿命診断が煩雑であると言う不具合があった。
【０００６】
このニッケル水素電池の寿命の診断方法としては、例えば図４に示す如く、電池内部のインピーダンスが電池の劣化と共に上昇する特性があることを利用し、前記インピーダンスが所定値になったときを寿命と判断することが知られ、インピーダンスＲ（Ω）は次式で求められる。尚、図４に破線で示す範囲が使用限界であり、例えばインピーダンスが９Ωに達したときに寿命限界と診断される。
【０００７】
【数１】
インピーダンスＲ（Ω）=電圧変化量ΔＶ／電流Ｉ
【０００８】
このインピーダンス測定による寿命診断は、電池に電流を流した直後に電圧が急激に変化し、更に継続して電流を流すことによって分極と呼ばれる電池の化学的変化の影響によって時間的経過と共に電池電圧が上昇し、電流の供給を停止すると電池電圧が低下する特性をもっている。尚、分極とは、電流が原理上は単位時間あたりの物質の移動量を意味し、この電流を取り出すと一般的に電圧が▲１▼電極の電気抵抗によるオーミック成分、▲２▼反応物質が電極表面で電子の移動等するときに発生する抵抗（電荷移動抵抗）による損失、▲３▼電解液中の反応物質が電極へ補給され電子をやりとりした後再び電極表面から拡散移動するときの抵抗（物質移動抵抗）による損失の３種類の抵抗が生じることによって起こる現象である。
【０００９】
この電池特性を図を用いて説明すると、図５に示す如く、所定の出力電圧値をもち、電流値が零の状態の診断前の状態において、電池の内部インピーダンスを測定するために電流Ｉを印可すると、診断中のエリアに示す如く、電流値Ｉは矩形状に変化する特性があるのに対し、上昇する電圧値は電流印加直後の電圧値ΔＶ１の上昇値から徐々に上昇して電圧値ΔＶに達し、前記電流印加を停止することによって、診断後の如く、徐々に低下する様に変化する特性である。尚、前記立ち上がり時の電圧値変化量ΔＶ１は、新品に近い電池電池ほど低く、劣化が進行した電池ほど高くなる傾向にあることが知られている。
【００１０】
インピーダンス測定による電池寿命の測定は、図５に示す如く、電流Ｉの印加直後から電池電圧が徐々に上昇するため、その測定時点によって電池電圧が変化し、計算によって求められるインピーダンスも変化し、正確な電池寿命の測定が困難であると言う不具合があった。
【００１１】
本発明の目的は、前述の従来技術による不具合を除去することであり、電池寿命を高精度に診断することができる電池寿命診断方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、商用交流電源からの交流電力を変換してラインに供給し、コンピュータシステムに供給するスイッチング電源装置と、二次電池と、該二次電池と前記ラインとの間で電力の充放電を行う充放電回路と、該充放電回路を制御する制御回路を備え、前記商用電源の停電時に、前記コンピュータシステムに前記二次電池からの電力を供給する電源供給システムの二次電池の寿命診断方法において、前記制御回路が、前記コンピュータシステムに接続した状態を維持しながら、前記二次電池に対して所定の充電電流を印加することによって電力を充電する工程と、電流値をｙ［Ａ］、電池定格容量をｘ［Ａ・ｈｏｕｒ］、充電時間をｔ［ｈｏｕｒ］とし、ｙ＝（ｘ／ｔ）［Ａ］で表す単位Ｃで表すとき、前記寿命診断電流を０．１Ｃ〜２Ｃの電流値に設定し、該寿命診断電流の電池印加時間を１ミリ秒乃至１秒に設定し、前記寿命診断電流を電池に印加したときの電圧値変化量を基に電池インピーダンスを測定する工程と、を行うことを第１の特徴とする
尚、本明細書で述べる寿命診断電流は、単位「Ｃ」で表すものとする。この単位「Ｃ」は、電流値をｙ［Ａ］、電池定格容量をｘ ［Ａ・ｈｏｕｒ］、充電時間をｔ ［ｈｏｕｒ］ としたとき、ｙ＝（ ｘ ／ ｔ ）［ Ａ］で表す単位であり、例えば、１時間で満充電可能な充電電流を「１Ｃ」とし、これを基準として、３０分で満充電可能な充電電流を「２Ｃ」、２時間で満充電可能な充電電流を「０．５Ｃ」の如く表記する。
【００１３】
また本発明は、商用交流電源からの交流電力を変換してラインに供給し、コンピュータシステムに供給するスイッチング電源装置と、二次電池と、該二次電池と前記ラインとの間で電力の充放電を行う充放電回路と、該充放電回路を制御する制御回路を備え、前記商用電源の停電時に、前記コンピュータシステムに前記二次電池からの電力を供給する電源供給システムの二次電池の寿命診断方法において、前記制御回路が、前記コンピュータシステムに接続した状態を維持しながら、電流値をｙ［Ａ］、電池定格容量をｘ［Ａ・ｈｏｕｒ］、充電時間をｔ［ｈｏｕｒ］とし、ｙ＝（ｘ／ｔ）［Ａ］で表す単位Ｃで表すとき、前記充電電流を電池に印加して充電を行う第１工程と、該充電電流の電池印加を停止し、電池の電圧値が電池の定格電圧値になるまで休止する第２工程と、前記寿命診断電流を０．１Ｃ〜２Ｃの電流値に設定し、該寿命診断電流の電池印加時間を１ミリ秒乃至１秒に設定し、前記寿命診断電流を電池に印加したときの電圧値変化量を基に電池インピーダンスを測定する第３工程と、を行うことを第２の特徴とする。
【００１４】
更に本発明は、前記何れかの特徴の二次電池の寿命診断方法において、前記寿命診断電流を電池に印加する前に、電圧検出回路に高精度基準電圧を印加し、また電流検出回路にも同様に基準電圧を印加することにより、各検出回路の検出ばらつきを低減する工程を含むことを第３の特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による電源供給システムの二次電池の寿命診断方法を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明による二次電池の寿命診断方法を適用した無停電電源装置の一実施形態を示す図、図２は、本発明による二次電池の寿命診断方法の第１の実施形態を説明するための図、図３は、本発明による二次電池の寿命診断方法の第２の実施形態を説明するための図である。
【００１６】
図１は、本実施形態による二次電池の寿命診断方法を適用した無停電電源装置２０を含む電源供給システムの一例を示す図であり、本システムは、所定出力電源を供給するスイッチング電源装置１０と、該スイッチング電源装置１０からの電源を正常時においてはコンピュータシステム３０に供給すると共に内部のニッケル水素電池２３（二次電池）に充電を行い、停電時等においては前記電池２３からの電源をコンピュータシステム３０に所定時間供給する無停電電源装置２０とから構成される。
【００１７】
前記無停電電源装置２０は、スイッチング電源装置１０からの電源をライン１を介して入力し、制御回路２７からの指示によってライン４を介して電池２３に対して充電を行うと共に、ライン２及び３を介してコンピュータシステム３０に電源を供給する充放電回路２２と、前記ライン１に供給される電圧を検出する電圧検出回路２１と、前記ライン４の電流値を検出する電流検出回路２４と、前記電池２３の電圧を検出する電圧検出回路２６と、同様に電池の温度を検出する温度検出回路２５と、スイッチング電源装置１０からの装置負荷レベル信号／ＡＣ／ＤＣ動作状態信号／ＤＣ／ＤＣ状態動作信号並びに前記電池２３の電圧及び温度を入力とし、電池２３への充電／コンピュータシステム（負荷）への電源の供給を制御する制御回路２７と、該制御回路２７からの指示によってコンピュータシステムに対してライン８及び９を介する電源の供給／バックアップ電源異常信号３１／給電停止信号３２／電池交換指示信号３３他の制御信号を供給するインタフェース回路２８とを備える。また本実施形態によるニッケル水素電池２３は、定格値が例えば、電圧３３．６Ｖ、電流５．８Ａ／ｈとし、充電時の電流値は０．６Ａであるものとする。
【００１８】
本実施形態による電池寿命診断方法は、前記制御回路２７が予め設定されたプログラムによって診断するものであり、次に本診断方法を図２を参照して説明する。まず、本実施形態に寿命診断方法を実施する制御回路２７は、診断前の状態においては、電池２３の電圧が定格値が３３．６Ｖ、且つ電流値が０Ａの状態（電流を流していない状態）から、電流値６Ａの電流Ｉを短時間印可し、このときの電圧値を電圧検出回路２６を用いて検出する。
【００１９】
この電流印加による電池２３の電圧値は、図２に示す如く、開放電圧３３．６Ｖから垂直に立ち上がり、ある電圧値から徐々に立ち上がり、電流遮断の時点から減衰する特性として測定され、例えば立ち上がりピークの電圧値が４０Ｖの場合、開放電圧との差がΔＶ１＝４０Ｖ−３３．６Ｖ＝６．４Ｖとして算出される。
【００２０】
前記電流を印可する短時間とは、例えば５ミリ秒程度であり、電圧および電流変化を検出する回路の最小限界値、例えば１ミリ秒乃至許容できる誤差の最大値限界として１秒の範囲が好ましく、短時間なほど好ましい。
【００２１】
本実施形態による寿命診断方法は、制御回路２７が充放電回路２２を用いて例えば６Ａの電流を５ミリ秒印可し、このときの電圧変化量（電圧上昇値）ΔＶ１を検出し、この電圧上昇値ΔＶ１から電池２３のインピーダンスを前述の式、インピーダンスＲ（Ω）=電圧変化ΔＶ／電流Ｉを用いて算出することによって、電池の寿命を判断することができる。即ち、本実施形態による寿命診断方法は、通常の充電電流値（０．６Ａ）に比して１０倍の寿命診断電流を、５ミリ秒程度の短時間印可することによって、電流印加による分極が時間経過と共に増大する影響が小さい時点で電圧値変化量を測定し、電池寿命を適正に診断することができる。尚、前記寿命診断電流は、充電電流に比して５〜１５倍の電流値に設定することもでき、更に前記寿命診断電流の電池印加時間は１ミリ秒乃至１秒に設定することもできる。前記寿命診断電流を、充電電流に比して５〜１５倍の電流値に設定する理由は、一般に充電電流は、コンピュータシステム等への本来の負荷に対する電力供給中の余剰電力を用いて充電を行うために低電流値に設定され、この充電電流の短時間の印加では前記電池の電圧値変化量が微小で検出困難なため大きく設定するものの、回路構成の負荷容量の限界の範囲を考慮し、設定した値である。
【００２２】
また本実施形態による寿命診断方法は、前述の充放電回路２２による短時間の電流印可に先だって電圧検出回路２６および電流検出回路に高精度の基準電圧を印可し、検出及び周辺回路の温度特性等による特性のバラツキを除去するオフセット・キャンセラー機能を制御回路２７に付加し、該制御回路２７が前記オフセット・キャンセラー機能を実行した後に前述の電圧および電流検出を実行することにより、より正確な電池の電圧値および電流値、即ちインピーダンスを測定して電池寿命を診断することができる。
【００２３】
また本実施形態による寿命診断方法は、電池２３へ充電を行った後に前述の寿命診断を行うことができ、この場合に制御回路２７は、図３に示す如く、電池２３に電流０．６Åを印可して充電を行い（図２の充電中の期間）、この充電を停止してから所定時間だけ休止期間（電池電圧が充電中の時点Ｐａから所定降下点Ｐｂに達するまでの期間）を設け、この後に前述の短時間（５ミリ秒）だけ寿命診断用に高電流（６Å）を印可し、このときの電圧値変化量ΔＶ１を測定することによって、電池の寿命を診断することもできる。前記休止期間は、電池から検出した電圧値が電池の充電による分極の影響がなくなるまでの期間であり、予め設定した休止時間後に前記電池の寿命を診断すると言うこともできる。
【００２４】
更に本実施形態による無停電電源装置２０は、電池２３の温度を検出する温度検出回路２６を備え、制御回路２７が前記温度検出回路２５によって検出した電池温度をファクターとして前記検出した電圧値ΔＶ１から計算したインピーダンス値を補正し、この補正したインピーダンス値を基に電池寿命を診断することもできる。このンピーダンス値の補正とは、例えば検出したインピーダンス値が８Ωであっても駆動時の温度既定値が０°Ｃ〜４０°Ｃに対して検出温度が４５°Ｃと高温である場合は劣化が速く進むものと補正するものである。
【００２５】
以上述べた如く本実施形態による電池寿命診断方法は、無停電電源装置２０の制御回路２７が、充電電流に比して高電流を短時間だけ電池２３に印可し、このとき測定した電池２３の開放電圧値から上昇した電圧値変化量ΔＶ１を測定することにより、電池の分極による影響を受けることなく、電池の寿命を正確に診断することができる。
【００２６】
前記制御回路２７は、診断の結果、電池２３が寿命に達していると判断した場合、インタフェース回路２８を介して電池交換信号３３をコンピュータシステム３０に発し、管理者に電池の交換を促すことができる。また制御回路２７が、前記測定した電池のインピーダンス値を図示しないメモリに格納しておき、そのインピーダンス値をプロットし、その推移からインピーダンス変化グラフを作成し、将来にわたるグラフの予測値を算出することによって、電池寿命に達する時期を予想し、早い時点で管理者に警告する様にすることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
この様に本発明による二次電池の寿命診断方法は、前記寿命診断電流を０．１Ｃ〜２Ｃの電流値に設定し、該寿命診断電流の電池印加時間を１ミリ秒乃至１秒に設定し、前記寿命診断電流を電池に印加したときの電圧値変化量を基に電池インピーダンスを測定する工程を含むことによって、電池の分極による影響を受けることなく、電池の寿命を正確に診断することができる。
【００２８】
また本発明による電池の寿命診断方法は、充電電流を電池に印可して充電を行う第１工程と、該充電電流の電池印可を停止し、電池の電圧値が電池の充電による分極の影響がなくなるまで休止する第２工程と、前記寿命診断電流を０．１Ｃ〜２Ｃの電流値に設定し、該寿命診断電流の電池印加時間を１ミリ秒乃至１秒に設定し、前記寿命診断電流を電池に印可したときの電圧値変化量を基に電池インピーダンスを測定する第３工程とを含むことにより、充電後に電池の寿命を分極による影響を受けることなく、正確に診断することができる。
【００２９】
更に本発明は、前記寿命診断電流を電池に印可する前に、電圧検出回路に高精度基準電圧を印加し、また電流検出回路にも同様に基準電圧を印加することにより、各検出回路の検出ばらつきを低減することにより正確な寿命診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二次電池の寿命診断方法を適用した無停電電源装置の一実施形態を示す図。
【図２】本発明による二次電池の寿命診断方法の第１の実施形態を説明するための図。
【図３】本発明による二次電池の寿命診断方法の第２の実施形態を説明するための図。
【図４】従来技術による電池寿命診断方法の原理を説明するための図。
【図５】従来技術による電池寿命診断方法による電圧変化を説明するための図。
【符号の説明】
１〜５：電源ライン、１０：スイッチング電源装置、２０：無停電電源装置、３０：コンピュータシステム、２１：電圧検出回路、２２：充放電回路、２３：ニッケル水素電池（二次電池）、２４：電流検出回路、２５：温度検出回路、２７：制御回路、２８：インタフェース回路。

Claims (3)

1. 商用交流電源からの交流電力を変換してラインに供給し、コンピュータシステムに供給するスイッチング電源装置と、二次電池と、該二次電池と前記ラインとの間で電力の充放電を行う充放電回路と、該充放電回路を制御する制御回路を備え、前記商用電源の停電時に、前記コンピュータシステムに前記二次電池からの電力を供給する電源供給システムの二次電池の寿命診断方法において、
   前記制御回路が、前記コンピュータシステムに接続した状態を維持しながら、
   前記二次電池に対して所定の充電電流を印加することによって電力を充電する工程と、
   電流値をｙ［Ａ］、電池定格容量をｘ［Ａ・ｈｏｕｒ］、充電時間をｔ［ｈｏｕｒ］とし、ｙ＝（ｘ／ｔ）［Ａ］で表す単位Ｃで表すとき、前記寿命診断電流を０．１Ｃ〜２Ｃの電流値に設定し、該寿命診断電流の電池印加時間を１ミリ秒乃至１秒に設定し、前記寿命診断電流を電池に印加したときの電圧値変化量を基に電池インピーダンスを測定する工程と、を行うことを特徴とする電池の寿命診断方法。
2. 商用交流電源からの交流電力を変換してラインに供給し、コンピュータシステムに供給するスイッチング電源装置と、二次電池と、該二次電池と前記ラインとの間で電力の充放電を行う充放電回路と、該充放電回路を制御する制御回路を備え、前記商用電源の停電時に、前記コンピュータシステムに前記二次電池からの電力を供給する電源供給システムの二次電池の寿命診断方法において、
   前記制御回路が、前記コンピュータシステムに接続した状態を維持しながら、
   電流値をｙ［Ａ］、電池定格容量をｘ［Ａ・ｈｏｕｒ］、充電時間をｔ［ｈｏｕｒ］とし、ｙ＝（ｘ／ｔ）［Ａ］で表す単位Ｃで表すとき、前記充電電流を電池に印加して充電を行う第１工程と、
   該充電電流の電池印加を停止し、電池の電圧値が電池の定格電圧値になるまで休止する第２工程と、
   前記寿命診断電流を０．１Ｃ〜２Ｃの電流値に設定し、該寿命診断電流の電池印加時間を１ミリ秒乃至１秒に設定し、前記寿命診断電流を電池に印加したときの電圧値変化量を基に電池インピーダンスを測定する第３工程と、を行うことを特徴とする電池の寿命診断方法。
3. 前記寿命診断電流を電池に印加する前に、電圧検出回路に高精度基準電圧を印加し、また電流検出回路にも同様に基準電圧を印加することにより、各検出回路の検出ばらつきを低減することを特徴とする請求項１又は２記載の電池の寿命診断方法。

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