JP4847434B2 - 蓄電池寿命劣化判定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池寿命劣化判定装置及び方法に関し、より詳細には、単相電源における単相電力貯蔵交直変換装置において、２次電池などの蓄電池の寿命劣化を判定する蓄電池寿命劣化判定装置及び方法に関する。

蓄電池システムを運用する際、システムを正常に稼動させるために、充放電を繰り返して寿命劣化する蓄電池は定期的に取り替える必要がある。但し、その使用状況によって各蓄電池の寿命劣化度合いは異なるため、一定期間経過したものを一律に取り替えてしまうと、正常なものまで取り替えることになり非常に不経済である。そのため、蓄電池の寿命劣化度合いを判定する様々な方法が提案されている。

２次電池などの蓄電池が充放電を繰り返して寿命劣化すると内部抵抗が増加することから、蓄電池にリプル電流を流し蓄電池両端に生ずるリプル電圧から内部抵抗を求めて寿命劣化を判定する方法などが知られている（特許文献１参照）。また、一定周期毎に蓄電池の電圧、充放電電流、内部温度、内部インピーダンス、比重などの値を測定し、寿命劣化と相関関係があるものを見つけ出して蓄電池の残余寿命を判定する方法も提案されている（特許文献２）。

特開２００２−１０１５７１号公報 特表２００６−５２４３３２号公報

しかしながら、寿命劣化を判定するには、リプル電流、リプル電圧を測定した後、それらを用いて内部抵抗又は内部インピーダンスを算出する演算手段が必要で構成が複雑になるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単相電源における単相電力貯蔵交直変換装置(PCS: Power Conversion System)において、２次電池などの蓄電池を流れる電流の平均値（直流分）に対するリプル振幅の割合（以下「脈動率」という）を算出し、寿命劣化を運転中に連続してかつ簡易に判定する蓄電池の寿命劣化判定装置及び方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、単相電力貯蔵交直変換装置に接続された蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池寿命劣化判定装置であって、前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出された電流値をリプル分と直流分に分離し、リプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算手段と、前記脈動率演算手段によって算出された前記脈動率が、予め設定された閾値以下であるか否かによって前記蓄電池の寿命劣化を判定する寿命劣化判定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、単相電力貯蔵交直変換装置に接続された蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池寿命劣化判定装置であって、前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出された電流値に関してリプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算手段と、脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段と、前記記憶手段から読み込んだ前記脈動率−内部抵抗対応データと、前記脈動率演算手段によって算出された脈動率とを照合して前記蓄電池の内部抵抗を判定する寿命劣化判定手段とを備えたことを特徴とする蓄電池寿命劣化判定装置。

請求項３に記載の発明は、蓄電池寿命劣化判定システムであって、蓄電池及び直流側にリアクトルを含まない平滑化回路を有する単相電力貯蔵交直変換装置と、前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出された電流値に関してリプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算手段と、脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段と、前記記憶手段から読み込んだ前記脈動率−内部抵抗対応データと、前記脈動率演算手段によって算出された脈動率とを照合して前記蓄電池の内部抵抗を判定する寿命劣化判定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項４の発明は、蓄電池寿命劣化判定システムであって、複数の蓄電池及び複数の直流側にリアクトルを含まない平滑化回路を有する単相電力貯蔵変換装置を有し、前記複数の単相電力貯蔵変換装置が直列に接続された単相電力貯蔵交直変換装置と、前記各蓄電池に流入する電流を選択的に検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出された電流値に関してリプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算手段と、脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段と、前記記憶手段から読み込んだ前記脈動率−内部抵抗対応データと、前記脈動率演算手段によって算出された脈動率とを照合して前記蓄電池の内部抵抗を判定する寿命劣化判定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、単相電力貯蔵交直変換装置に接続された蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池寿命劣化判定方法であって、前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出ステップと、前記電流検出手段で検出された電流値をリプル分と直流分に分離し、リプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算ステップと、前記脈動率演算ステップにおいて算出された前記脈動率が、予め設定された閾値以下であるか否かによって前記蓄電池の寿命劣化を判定する寿命劣化判定ステップとを有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、単相電力貯蔵交直変換装置に接続された蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池寿命劣化判定方法であって、前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出ステップと、前記電流検出手段で検出された電流値をリプル分と直流分に分離し、リプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算ステップと、脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段から読み込んだ前記脈動率−内部抵抗対応データと、前記脈動率演算手段によって算出された脈動率とを照合して前記蓄電池の内部抵抗を判定する寿命劣化判定ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、単相電源における単相電力貯蔵ＰＣＳにおいて、２次電池などの蓄電池の寿命劣化を運転中に連続してかつ簡易に判定することが可能になる。

本発明では、単相電源における単相電力貯蔵ＰＣＳにおける蓄電池に流れる電流に着目する。電池の内部抵抗が寿命劣化により増加すると、直流側コンデンサに流れるリプル電流の割合が増加して蓄電池側へ流れるリプル電流が減少する。一方、直流電流分はコンデンサには流れないため、蓄電池側へ流れる直流電流分は内部抵抗の変化による影響は受けない。

このことから、蓄電池に流れる直流分に対するリプル電流の割合の変化にのみ着目することで、リプル電圧とリプル電流から内部抵抗を算出することなく簡易に電池の寿命劣化度合いを判定することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に、単相電力貯蔵ＰＣＳの主回路構成例を示す。ＰＣＳ１０２から流入する電流Ｉｄｃｏには単相全波整流による電源周波数の２倍の周波数のリプル分及びスイッチングによる高調波リプル分が含まれている。平滑用コンデンサＣの両端にはこの電流リプルによる主として電源周波数の２倍の周波数の電圧リプルが発生し、その結果、蓄電池１０３に流入する電流には電源周波数の２倍のリプル分が生ずることとなる。

図２に、単相電力貯蔵ＰＣＳ回路１００の構成にて内部抵抗ｒｉが変化した時の電流波形の変化を示す。内部抵抗ｒｉの増加と共にリプル電流の振幅が減少していることが分かる。この結果から、蓄電池１０３を流れる電流の平均値（直流分）に対するリプル振幅の割合、すなわち脈動率を算出し、図３に示すように内部抵抗との関係で整理することで、内部抵抗の増加、即ち電池の寿命劣化が進むと脈動率が低下することが分かる。

図４に、充電時及び放電時に各々電流の異なる状態での内部抵抗と脈動率との関係を示す。この関係から、充電時は充電電流によらず内部抵抗と脈動率の関係は一定しており、また放電時には内部抵抗が極端に大きくなった場合以外は略充電時の脈動率に一致している。

従って、蓄電池に流れる電流の脈動率を測定して上記の脈動率と内部抵抗変化との関係を用いることにより内部抵抗の変化即ち電池の寿命劣化度合いを判定することができる。本発明は、単相電源における単相電力貯蔵ＰＣＳの直流側の蓄電池に流れる電流の脈動率を測定、記録し、その変化を基に寿命劣化の程度を判定する方法を提供するものである。

（実施形態１）
図５（ａ）に、単相電力貯蔵ＰＣＳの主回路構成を示し、図５（ｂ）に、本発明の実施形態１に係る寿命劣化判定装置の構成を示す。この方法によれば、２次電池などの蓄電池の寿命劣化を運転中に連続して簡易に判定することができる。

単相交流電源１０１はリアクトルＬを介してＰＣＳ１０２に交流電力を供給し、ＰＣＳ１０２において単相全波整流を行うことによって交流電力から直流電力に変換する。ＰＣＳ１０２の直流側には、交直変換の際に生じたリプル電流を平滑用コンデンサＣ及びリアクトルＬｄｃを介して起電力Ｅｉ、内部抵抗ｒｉの蓄電池１０３が接続されている。

寿命劣化判定装置２００は、平滑用コンデンサＣとリアクトルＬｄｃとの間に電気的に接続し、充電電流検出手段２０１において電流の検出を行う。充電電流検出手段２０１で検出された電流検出値から、リプル分抽出手段２０２、平均値算出部２０３においてリプル分と直流分を取り出し、直流分に対するリプル分の割合、即ち脈動率を除算器２０４で算出し、記憶手段２０４に格納する。記憶手段２０５には、検出した電流から算出した脈動率の外に、予め測定された内部抵抗の変化に対する脈動率の変化を記録した脈動率−内部抵抗データベースが格納されており、寿命劣化判定手段２０６は、記憶手段２０５から脈動率データと脈動率−内部抵抗データベースとを照合して内部抵抗を判定することができる。寿命劣化判定手段２０６の判定結果は、判定結果表示手段２０７によって表示可能にされている。

尚、より簡易な蓄電池１０３の寿命劣化判定方法として、記憶手段２０５の脈動率−内部抵抗データベースを使用しない方法もある。この方法では、寿命劣化判定装置２０６は、脈動率が予め設定された閾値を下回ったか否かを判定することにより、脈動率のみから寿命劣化の判定を行うことができる。

（実施形態２）
蓄電池１０３の保護のためには、蓄電池１０３にかかるリプル電圧、リプル電流を小さくする必要がある。そのため、一般的にＰＣＳ１０２の直流側には、リプル除去のための平滑用コンデンサ及びリアクトルが設置されている。また、電源電圧が１００Ｖ以下のような低い場合には、大容量のコンデンサが比較的容易に使用できるため、図６に示すように平滑用コンデンサ単独で構成する場合もある。この場合、実施形態１の蓄電池寿命劣化判定装置２００は、コンデンサＣと蓄電池１０３との間に接続され、蓄電池１０３に流入するリプル電流を検出可能にされている。

図７に、リプル除去用の平滑化回路にリアクトルを設置した場合と設置しない場合とにおける内部抵抗の変化に対する脈動率の変化を示す。リアクトルなしの場合と比較してリアクトルありの場合は、内部抵抗の変化に対する脈動率の変化が小さくなっており、特に、内部抵抗の小さいとき、内部抵抗の変化に対する脈動率の変化は非常に小さい。このようにリアクトルを設けると、リアクトルによるリプル電流抑制効果が大きくなるため、リプル変化に対する内部抵抗の影響が相対的に小さくなるためである。従って、ＰＣＳ１０２の直流側にリアクトルを設置せずに実施形態１の蓄電池寿命劣化判定装置２００を用いると、蓄電池寿命劣化判定装置２００の脈動率による寿命劣化の判定精度を向上させることができる。

本実施形態は、ＰＣＳ１０２の直流側のリアクトル容量の低減もしくはリアクトルなしとした回路構成とすることにより、脈動率に基づく蓄電池の寿命劣化判定を行う蓄電池寿命劣化判定装置の精度を向上させる蓄電池寿命劣化判定システムを提供するものである。

（実施形態３）
系統交流電源が単相２００Ｖの場合は、直流側電圧が３２０Ｖ以上となるため、実用上は、平滑用コンデンサ容量の制限から大容量のコンデンサが使用できないため、コンデンサとリアクトルを組み合わせた平滑化回路を組むことが必要となる。そのため、上述した理由により、リアクトル設置による寿命劣化判定精度の低下を招くこととなる。

そこで図８（ａ）に、本発明の本実施形態３に係る低電圧電池多重化単相電力貯蔵ＰＣＳシステムを採用した蓄電池寿命劣化判定システムの構成を示す。図８（ｂ）に示す実施形態１に係る蓄電池寿命劣化判定システムの構成に対して、ＰＣＳ１０２−１〜１０２−ｎ、平滑用コンデンサＣ−１〜Ｃ−ｎ、蓄電池１０３−１〜１０３−ｎを直列に接続している（ｎ：２以上の自然数）。これにより、直流側コンデンサの印加電圧を汎用のコンデンサが使用できる電圧まで低減し、直流側のリアクトルを不要とする。

また、電池寿命判定装置２００は、スイッチ３０１を介して蓄電池１０３−１〜１０３−ｎとコンデンサＣ−１〜Ｃ−ｎとの間に接続され、蓄電池１０３−１〜１０３−ｎに流入するリプル電流を検出可能にされている。

このように本実施形態は、内部抵抗の変化に対する脈動率の変化の感度を高め、脈動率の変化による蓄電池の寿命劣化判定を行う蓄電池寿命劣化判定装置の精度を高めるための低電圧電池多重化単相電力貯蔵ＰＣＳ型蓄電池寿命劣化判定システムを提供するものである。

単相ＰＣＳの主回路構成例を示す図である。 単相ＰＣＳ回路１００の構成にて内部抵抗ｒｉが変化した時の電流波形の変化を示す図である。 脈動率と内部抵抗との関係を示す図である。 充電時及び放電時に各々電流の異なる状態での内部抵抗と脈動率との関係を示す図である。 （ａ）は、単相ＰＣＳの主回路構成を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態１に係る寿命劣化判定装置の構成を示す図である。 直流側にリアクトルを持たない単相ＰＣＳの主回路構成を示す図である。 リプル除去用の平滑化回路にリアクトルを設置した場合と設置しない場合とにおける内部抵抗の変化に対する脈動率の変化を示す図である。 （ａ）は、本発明の本実施形態３に係る低電圧電池多重化インバータシステムを採用した蓄電池寿命劣化判定システムを示す図であり、（ｂ）は、実施形態１に係る蓄電池寿命劣化判定システムの構成を示す図である。

符号の説明

１００ 単相ＰＣＳ回路
１０１ 交流単相電源
１０２ ＰＣＳ
１０３ 蓄電池
２００ 蓄電池寿命劣化判定装置
２０１ 充電電流検出手段
２０２ リプル分抽出手段
２０３ 平均値算出手段
２０４ 除算器
２０５ 記憶手段
２０６ 寿命劣化判定手段
２０７ 判定結果表示手段

Claims (6)

1. 単相電力貯蔵交直変換装置に接続された蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池寿命劣化判定装置であって、
   前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段で検出された電流値をリプル分と直流分に分離し、リプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算手段と、
   前記脈動率演算手段によって算出された前記脈動率が、予め設定された閾値以下であるか否かによって前記蓄電池の寿命劣化を判定する寿命劣化判定手段と
   を備えたことを特徴とする蓄電池寿命劣化判定装置。
2. 単相電力貯蔵交直変換装置に接続された蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池寿命劣化判定装置であって、
   前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段で検出された電流値に関してリプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算手段と、
   脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段と、
   前記記憶手段から読み込んだ前記脈動率−内部抵抗対応データと、前記脈動率演算手段によって算出された脈動率とを照合して前記蓄電池の内部抵抗を判定する寿命劣化判定手段と
   を備えたことを特徴とする蓄電池寿命劣化判定装置。
3. 蓄電池及び直流側にリアクトルを含まない平滑化回路を有する単相電力貯蔵交直変換装置と、
   前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段で検出された電流値に関してリプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算手段と、
   脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段と、
   前記記憶手段から読み込んだ前記脈動率−内部抵抗対応データと、前記脈動率演算手段によって算出された脈動率とを照合して前記蓄電池の内部抵抗を判定する寿命劣化判定手段と
   を備えたことを特徴とする蓄電池寿命劣化判定システム。
4. 蓄電池及び直流側にリアクトルを含まない平滑化回路を有する単相電力貯蔵変換装置を有し、前記複数の単相電力貯蔵変換装置が直列に接続された単相電力貯蔵交直変換装置と、
   前記各蓄電池に流入する電流を選択的に検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段で検出された電流値に関してリプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算手段と、
   脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段と、
   前記記憶手段から読み込んだ前記脈動率−内部抵抗対応データと、前記脈動率演算手段によって算出された脈動率とを照合して前記蓄電池の内部抵抗を判定する寿命劣化判定手段と
   を備えたことを特徴とする蓄電池寿命劣化判定システム。
5. 単相電力貯蔵交直変換装置に接続された蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池寿命劣化判定方法であって、
   前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出ステップと、
   前記電流検出手段で検出された電流値をリプル分と直流分に分離し、リプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算ステップと、
   前記脈動率演算ステップにおいて算出された前記脈動率が、予め設定された閾値以下であるか否かによって前記蓄電池の寿命劣化を判定する寿命劣化判定ステップと
   を有することを特徴とする蓄電池寿命劣化判定方法。
6. 単相電力貯蔵交直変換装置に接続された蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池寿命劣化判定方法であって、
   前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出ステップと、
   前記電流検出手段で検出された電流値をリプル分と直流分に分離し、リプル分の直流分に対する割合である脈動率を算出する脈動率演算ステップと、
   脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段から読み込んだ前記脈動率−内部抵抗対応データと、前記脈動率演算手段によって算出された脈動率とを照合して前記蓄電池の内部抵抗を判定する寿命劣化判定ステップと
   を有することを特徴とする蓄電池寿命劣化判定方法。

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