JP4987504B2 - 蓄電池状態測定装置、蓄電池劣化判定方法、蓄電池劣化判定プログラム - Google Patents

Description

本発明は蓄電池状態測定装置、蓄電池劣化判定方法、蓄電池劣化判定プログラムに関し、特に、非常用電源設備として用いられる蓄電池の劣化判定方法に適用して好適なものである。

鉛蓄電池は単位電池（セル）当たりの起電力が電気化学反応にて規定されることから、所定の電圧が得られるように、例えば、２４セルや４８セル分の単位電池を組電池として構成して運用することが一般的に行われている。また、必要な容量が得られるようにするために、単位電池を並列に接続して用いられることもある。すなわち、組電池は、用途に応じた容量および電圧を確保するために、複数の単位電池を直並列に接続して構成される。

その際、鉛蓄電池には寿命があることから組電池にも寿命があり、組電池の経済性および信頼性の面から組電池の寿命を正確に判定し、組電池の交換時期を的確に把握できるようにする方法が望まれている。
ここで、組電池を構成する単位電池全体に均一な劣化が進行する場合、組電池を１つの単位として管理し、組電池の劣化を判定することができる。

しかし、組電池を構成する単位電池間には、製造ばらつきに起因する固有の特性差や運用中の温度環境（設置場所）などの条件によって、劣化の進行に差異が発生する。特に、組電池の運用中の温度については、標準的な温度環境（２５℃）よりも高温におかれると、アレニウス則に従って１０℃当たり２倍の割合で劣化が加速され、３５℃では単位電池の寿命が半減することが知られている。

このような温度差は同じ電池収納箱の中であっても、単位電池が配置された高さの違い（上下関係）などによって発生する。このため、同じ組電池であっても、個々の単位電池の寿命は異なる。さらに、組電池の運用時間の延長とともにこの影響は増幅および加速される。このため、組電池として運用される際には、これらの個々の単位電池の特性低下が組電池としての特性低下の要因となる。

劣化が進行した単位電池があると、組電池としては同一条件で放電されているにもかかわらず、劣化が進行した単位電池の容量不足による電圧低下が顕著となる。このため、組電池としての総電圧低下が加速され、組電池として要求される機能を果たせなくなり、極端な場合には、逆セルとなり、負の電圧を示すことも起こる。
このような現象は、要求された機能に対する組電池としての放電時間の短縮に繋がる。これは、組電池が非常用電源設備として要求された機能を満足できないことを意味し、放電終止電圧までの持続時間を維持することができなくなることから、重大事故を引き起こす原因となる。

このような事故を防止するため、組電池を構成する個々の単位電池の劣化を検出することが有用である。ここで、組電池の電圧を監視する方法では、組電池が非常用電源として用いられた場合には、組電池が外部から充電されているため充電電圧がほぼ安定した状態にあることから、単位電池の劣化を検出するのは困難である。
一方、メンテナンス工数を削減するために、制御弁式鉛蓄電池が非常用電源として用いられた場合には、単位電池の劣化に伴って内部抵抗が顕著に増加する現象が確認されていることから、単位電池の内部抵抗の変化を監視することで、単位電池の劣化を検出することができる。

このため、鉛蓄電池の内部抵抗を測定し、その内部抵抗の増加の度合いによって鉛蓄電池の残寿命期間を予測する方法が実用化されている。この内部抵抗を測定する方法では、内部抵抗が初期値の１５０％または２００％などの所定の値に達した時に、その鉛蓄電池の容量が公称容量の８０％以下あるいは７０％以下になることを利用することで、鉛蓄電池の劣化を検出することができる。

また、この内部抵抗を測定する方法では、取得済みの内部抵抗データから二次近似などの方法にて内部抵抗が初期値の１５０％または２００％などの所定の値に達するまでの時間を推定することで、鉛蓄電池の残寿命期間を予測することができる。
また、例えば、特許文献１には、バッテリー駆動回路の動作開始時および動作停止時におけるバッテリーの端子電圧を測定し、そのバッテリーの測定端子電圧から内部抵抗の変化量を求め、その内部抵抗の変化量に基づいてバッテリーの消耗度を検知する方法が開示されている。
特開昭６１−１０７８３号公報

しかしながら、内部抵抗の変化を利用して鉛蓄電池の劣化状態を判定する方法では、鉛蓄電池の定常状態（浮遊充電状態）での内部抵抗の測定値が用いられ、内部抵抗の変化幅が小さいことから、長期間に渡って内部抵抗のデータを蓄積する必要があり、鉛蓄電池の劣化状態を短期間で判定することができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、蓄電池の劣化の判定精度を確保しつつ、蓄電池の劣化の判定にかかる期間を短くすることが可能な蓄電池状態測定装置、蓄電池劣化判定方法、蓄電池劣化判定プログラムを提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の蓄電池状態測定装置によれば、蓄電池の放電前後における内部抵抗をそれぞれ計測する内部抵抗計測手段と、前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の度合いを算出する変化度算出手段と、前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の低下度合いに基づいて前記蓄電池の劣化状態を判定する蓄電池状態判定手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載の蓄電池状態測定装置によれば、前記内部抵抗の変化の低下度合いは、浮遊充電時の内部抵抗をＲ１、放電後の回復充電時または放電直後の内部抵抗をＲ２とすると、（Ｒ１−Ｒ２）／Ｒ１であることを特徴とする。
また、請求項３記載の蓄電池劣化判定方法によれば、蓄電池の放電後に前記蓄電池の内部抵抗が一時的に低下する現象に基づいて、前記蓄電池の放電前後における内部抵抗をそれぞれ計測し、前記蓄電池の劣化状態を判定することを特徴とする。

また、請求項４記載の蓄電池劣化判定方法によれば、蓄電池の放電前後における内部抵抗をそれぞれ計測するステップと、前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の度合いを算出するステップと、前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の低下度合いに基づいて前記蓄電池の劣化状態を判定するステップとを備えることを特徴とする。
また、請求項５記載の蓄電池劣化測定プログラムによれば、蓄電池の放電前後における内部抵抗をそれぞれ計測させるステップと、前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の度合いを算出するステップと、前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の低下度合いに基づいて前記蓄電池の劣化状態を判定するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、放電前後における蓄電池の内部抵抗を比較することにより、浮遊充電状態における蓄電池の内部抵抗を比較する方法に比べて、短期間における内部抵抗の変化幅を大きくすることができる。このため、長期間に渡って内部抵抗のデータを蓄積することなく、蓄電池の劣化状態を判定することが可能となり、蓄電池の劣化の判定精度を確保しつつ、蓄電池の劣化を短期間で判定することが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る蓄電池状態測定装置および蓄電池劣化判定方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電池状態測定装置が用いられる蓄電池のシステムの概略構成を示すブロック図である。
図１において、電力系統１は、１００Ｖまたは２００Ｖの交流電圧を供給することができる。また、充電器２は、蓄電池３の充電時に蓄電池３に接続され、電力系統１から供給される交流電圧を直流電圧に変換してから蓄電池３に出力することができる。また、蓄電池３は、インバータ４を介して交流負荷５に接続されるとともに、直流負荷６に直接接続される。なお、蓄電池３は、鉄道用非常用電源などのように計画的に停電が頻繁に繰り返されるような非常用電源設備として用いることができる。

ここで、蓄電池３は、蓄電池３の劣化状態を判定する蓄電池状態測定装置７に常時接続されている。そして、蓄電池状態測定装置７は、蓄電池３の放電後に蓄電池３の内部抵抗が一時的に低下する現象に基づいて、蓄電池３の劣化状態を判定することができる。
すなわち、蓄電池状態測定装置７には、蓄電池３の放電を検出する放電検出手段１１、放電前後における蓄電池３の内部抵抗を計測する内部抵抗計測手段１２、内部抵抗計測手段１２にて計測された蓄電池３の内部抵抗データを記憶する内部抵抗記憶手段１３、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下度を算出する内部抵抗低下度算出手段１４および内部抵抗低下度算出手段１４にて算出された蓄電池３の内部抵抗の低下率に基づいて蓄電池３の劣化状態を判定する劣化状態判定手段１５が設けられている。

なお、蓄電池３の放電の検出方法としては、例えば、蓄電池３の電圧が設定値になったかどうかを検出する方法、あるいは放電電流を検出する方法などを用いることできる。また、蓄電池３の内部抵抗を計測する方法としては、例えば、交流４端子法を用いることができる。この交流４端子法では、蓄電池３の両端に交流電源および電圧計を接続し、蓄電池３に交流電流を流しながら蓄電池３の起電力を計測し、蓄電池３の起電力を交流電流の計測値で除することにより、蓄電池３の内部抵抗を算出することができる。

そして、電力系統１が正常に稼動している場合には、交流負荷５または直流負荷６には電力系統１から電力が供給され、交流負荷５または直流負荷６の作動が行われる。そして、電力系統１が停電状態になると、蓄電池３と充電器２とが電気的に遮断されるとともに、交流負荷５または直流負荷６には蓄電池３から電力が供給されながら、交流負荷５または直流負荷６の作動が行われる。

そして、蓄電池３の放電が実施される場合、内部抵抗計測手段１２はその放電前に蓄電池３の内部抵抗を計測し、その内部抵抗データを内部抵抗記憶手段１３に記憶する。なお、蓄電池３の放電は、例えば、非常用電源設備の運転確認試験を行うための計画的な停電時などに実施することができる。
そして、放電検出手段１１にて蓄電池３の放電が検出されると、内部抵抗計測手段１２はその放電後に蓄電池３の内部抵抗を計測し、その内部抵抗データを内部抵抗記憶手段１３に記憶する。

そして、内部抵抗計測手段１２にて放電前後における蓄電池３の内部抵抗が計測されると、内部抵抗低下度算出手段１４は、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率を算出する。そして、劣化状態判定手段１５は、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率が内部抵抗低下度算出手段１４にて算出されると、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率がしきい値以上であるかどうかを判定し、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率がしきい値以上の場合、蓄電池３が劣化していると判定することができる。

なお、蓄電池３の放電前とは、蓄電池３が浮遊充電状態にある場合、蓄電池３の放電後とは、蓄電池３の放電時から内部抵抗が元のレベルに復帰するまでの数日間であることが好ましい。
これにより、放電前後における蓄電池３の内部抵抗を比較しながら蓄電池３の劣化状態を判定することができ、浮遊充電状態における蓄電池３の内部抵抗を比較する方法に比べて、短期間における内部抵抗の変化幅を大きくすることができる。このため、長期間に渡って内部抵抗のデータを蓄積することなく、蓄電池３の劣化状態を判定することが可能となり、蓄電池３の劣化の判定精度を確保しつつ、蓄電池３の劣化を短期間で判定することが可能となる。

例えば、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率ΔＲは、浮遊充電時の内部抵抗をＲ１、放電後の回復充電時または放電直後の内部抵抗をＲ２とすると、以下の式で表すことができる。
ΔＲ＝（Ｒ１−Ｒ２）／Ｒ１
そして、劣化判定のしきい値をＴＨとすると、
・ΔＲ≧ＴＨの場合 ：蓄電池３は劣化
・０≦ΔＲ＜ＴＨの場合：蓄電池３は正常
・ΔＲ＜０の場合 ：蓄電池３は異常
と判定することができる。
なお、浮遊充電は通常状態の蓄電池３の電圧を維持するための充電であるため、浮遊充電時の充電電流は０．０１Ｃ以下程度に抑制される。一方、回復充電は放電した蓄電池３の容量を早期に回復させるための充電であるため、充電電流は０．１Ｃ程度に設定される。

図２は、図１の蓄電池状態測定装置の蓄電池劣化判定方法を示す図である。
図２において、蓄電池３では放電後に内部抵抗が一時的に低下する傾向が認められる。そして、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率ΔＲと蓄電池３の劣化状態とは相関が認められ、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率ΔＲが大きくなるほど、蓄電池３の劣化が進行していることが判る。
すなわち、蓄電池３の放電後は、蓄電池３の充電により電池容量を回復させるため、通常の浮遊充電状態よりも充電電流が大幅に増加し、電極表面の活性化が図られることから内部抵抗が一時的に低下する。

そして、蓄電池３の劣化が進行し、固有容量が低下している場合には、同じ充電電流であっても固有容量に対する比率が相対的に大きくなることから、放電前後における内部抵抗の低下率ΔＲが大きくなる。
このため、浮遊充電状態における蓄電池３の内部抵抗の変化幅に比べて、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の変化幅を大きくすることができ、蓄電池３の劣化状態を精度よく判定することが可能となる。

ここで、蓄電池３の放電後に内部抵抗が一時的に低下してから、蓄電池３の内部抵抗が元のレベルに復帰するまでに５日以上を要することがわかる。従って、蓄電池３の放電後に内部抵抗を測定する場合、蓄電池３の放電後に内部抵抗が元のレベルに復帰するまでに行う必要があり、例えば、蓄電池３の放電後に回復充電を実施して２日目に測定というように規定することができる。

なお、蓄電池３の劣化状態の判定精度を高めるために、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率とともに、蓄電池３の内部抵抗の絶対値を併用しながら、蓄電池３の劣化状態を判定するようにしてもよい。
ここで、蓄電池３の内部抵抗の絶対値が同程度の値であっても、劣化が進行している蓄電池３の方が放電前後における内部抵抗の低下率が大きくなる。このため、蓄電池３の内部抵抗の絶対値を監視しただけでは、蓄電池３の劣化を判断できない場合においても、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率を用いることで、蓄電池３の劣化状態を特定することが可能となる。

また、内部抵抗低下度算出手段１４および劣化状態判定手段１５は、これらのブロックで行われる処理を遂行させる命令が記述されたプログラムをコンピュータに実行させることにより実現することができる。
そして、このプログラムをＣＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体に記憶しておけば、コンピュータに記憶媒体を装着し、そのプログラムをコンピュータにインストールすることにより、内部抵抗低下度算出手段１４および劣化状態判定手段１５で行われる処理を実現することができる。また、このプログラムをインターネットやＬＡＮなどの通信網を介してダウンロードすることにより、このプログラムを容易に普及させることができる。

また、内部抵抗低下度算出手段１４および劣化状態判定手段１５で行われる処理を遂行させる命令が記述されたプログラムをコンピュータに実行させる場合、スタンドアロン型コンピュータで実行させるようにしてもよく、ネットワークに接続された複数のコンピュータに分散処理させるようにしてもよい。
また、内部抵抗計測手段１２は、計画停電などによって蓄電池３の放電日時が予め判っている場合には、蓄電池３の放電日時に合わせて蓄電池３の放電前後における内部抵抗を計測することができる。そして、内部抵抗低下度算出手段１４は、内部抵抗計測手段１２にて計測された放電前後における蓄電池３の内部抵抗に基づいて、内部抵抗の低下率を算出することができる。

一方、蓄電池３の放電日時が予め判らない場合には、内部抵抗計測手段１２は、蓄電池３の放電が検出された後に元のレベルに復帰するまでの数日間に内部抵抗を計測することができる。そして、内部抵抗低下度算出手段１４は、蓄電池３の放電前の内部抵抗として、例えば、半年ごとに定期的に測定される浮遊充電状態における値、蓄電池３の放電後の内部抵抗として、蓄電池３の放電が検出された後に元のレベルに復帰するまでの数日間に計測された値を用いることで、内部抵抗の低下率を算出することができる。

あるいは、内部抵抗計測手段１２は、蓄電池３の内部抵抗を所定の間隔で定期的に測定し、その内部抵抗データをその測定日時とともに内部抵抗記憶手段１３に記憶させることができる。そして、内部抵抗低下度算出手段１４は、蓄電池３の放電が検出されると、その放電日時の前後の内部抵抗データを内部抵抗記憶手段１３から読み出し、その内部抵抗データを用いることで、内部抵抗の低下率を算出するようにしてもよい。

容量２００Ａｈ、期待寿命７年の制御弁式鉛蓄電池５２個を直列に接続し、総電圧１０４Ｖの直流電源装置を非常用電源として構成した。この直流電源装置は、インバータを介して交流１００Ｖを負荷に供給し、停電時の負荷の運転確保を担保することができる。
この直流電源装置について、工場の計画停電時にその機能の確認試験を実施した。そして、計画停電の１日前に蓄電池の内部抵抗を測定するとともに、計画停電の１日後に蓄電池の内部抵抗を測定した。また、蓄電池の放電時の容量（計画停電による放電に伴って、各単位電池が終止電圧である１．８Ｖに達するまでの放電持続時間）も測定した。

図３は、本発明の一実施形態に係る蓄電池の放電前後の内部抵抗の低下率を示す図、図４は、本発明の一実施形態に係る蓄電池の放電持続時間を示す図である。
図３、４において、放電前後における内部抵抗の低下率ΔＲが大きいセルは放電持続時間が短く、放電前後における内部抵抗の低下率ΔＲはセルの劣化の検出に有効であることが判る。例えば、Ｎｏ．１からＮｏ．４までのセルのうち、放電前後における内部抵抗の低下率ΔＲが相対的に大きなＮｏ．１およびＮｏ．４のセルは放電持続時間が相対的に短く、放電前後における内部抵抗の低下率ΔＲが相対的に大きなＮｏ．２およびＮｏ．３のセルは放電持続時間が相対的に長いことから、放電前後における内部抵抗の低下率ΔＲを用いることで、Ｎｏ．１およびＮｏ．４のセルはＮｏ．２およびＮｏ．３のセルに比べて劣化が進行していると判断することができる。

また、内部抵抗の絶対値が同等であるセル間においても、放電前後における内部抵抗の低下率ΔＲが大きなセルの方が放電持続時間が相対的に短く、内部抵抗の絶対値のみを用いてセルの劣化を判定する方法に比べて、劣化の判定精度を向上させることができる。例えば、Ｎｏ．２とＮｏ．４のセルは内部抵抗の絶対値が０．３８ｍΩで同等であるにもかかわらず、放電前後における内部抵抗の低下率ΔＲはＮｏ．４のセルの方がＮｏ．２のセルに比べて大きく、放電持続時間はＮｏ．４のセルの方がＮｏ．２のセルに比べて短いことが判る。
また、放電前後における蓄電池３の内部抵抗の低下率ΔＲとともに、浮遊充電状態における蓄電池３の内部抵抗の絶対値を併用することで、蓄電池３の劣化の判定精度を向上させることができる。

実施例１では、蓄電池３の内部抵抗を手動で計測する方法を示したが、自動連続計測の手法にて内部抵抗を計測するようにしてもよい。
すなわち、内部抵抗計測手段１２は、組電池を構成する各単位電池の内部抵抗を交流四端子法にて定期的に測定し、その内部抵抗データをその測定日時とともに内部抵抗記憶手段１３に記憶させることができる。そして、放電検出手段１１は、単位電池の端子電圧を監視し、端子電圧が所定値以下に低下したならば、単位電池の放電が発生したと判断し、内部抵抗低下度算出手段１４は、その放電日時の前後の内部抵抗データを内部抵抗記憶手段１３から読み出し、その内部抵抗データを用いることで、内部抵抗の低下率ΔＲを算出することができる。

そして、内部抵抗の低下率ΔＲがしきい値ＴＨ以下の単位電池がある場合、その単位電池は劣化していると判断して、警報を発信させることで、その単位電池の交換時期を周囲に周知させることができる。
また、放電前後における単位電池の内部抵抗の低下率ΔＲとともに、浮遊充電状態における単位電池の内部抵抗の絶対値を併用することで、単位電池の劣化の判定精度を向上させることができる。例えば、浮遊充電状態における内部抵抗は初期値の１５０％未満であっても、内部抵抗の低下率ΔＲが０．１以上の場合には、その単位電池は劣化していると判断して、警報を発信させるようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る蓄電池状態測定装置が用いられる蓄電池のシステムの概略構成を示すブロック図である。 図１の蓄電池状態測定装置の蓄電池劣化判定方法を示す図である。 本発明の一実施形態に係る蓄電池の放電前後の内部抵抗の低下率を示す図である。 本発明の一実施形態に係る蓄電池の放電持続時間を示す図である。

符号の説明

１ 電力系統
２ 充電器
３ 蓄電池
４ インバータ
５ 交流負荷
６ 直流負荷
７ 蓄電池状態測定装置
１１ 放電検出手段
１２ 内部抵抗計測手段
１３ 内部抵抗記憶手段
１４ 内部抵抗低下度算出手段
１５ 劣化状態判定手段

Claims (5)

1. 蓄電池の放電前後における内部抵抗をそれぞれ計測する内部抵抗計測手段と、
   前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の度合いを算出する変化度算出手段と、
   前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の低下度合いに基づいて前記蓄電池の劣化状態を判定する蓄電池状態判定手段とを備えることを特徴とする蓄電池状態測定装置。
2. 前記内部抵抗の変化の低下度合いは、浮遊充電時の内部抵抗をＲ１、放電後の回復充電時または放電直後の内部抵抗をＲ２とすると、
   （Ｒ１−Ｒ２）／Ｒ１
   であることを特徴とする請求項１記載の蓄電池状態測定装置。
3. 蓄電池の放電後に前記蓄電池の内部抵抗が一時的に低下する現象に基づいて、前記蓄電池の放電前後における内部抵抗をそれぞれ計測し、前記蓄電池の劣化状態を判定することを特徴とする蓄電池劣化判定方法。
4. 蓄電池の放電前後における内部抵抗をそれぞれ計測するステップと、
   前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の度合いを算出するステップと、
   前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の低下度合いに基づいて前記蓄電池の劣化状態を判定するステップとを備えることを特徴とする蓄電池劣化判定方法。
5. 蓄電池の放電前後における内部抵抗をそれぞれ計測させるステップと、
   前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の度合いを算出するステップと、
   前記放電前後においてそれぞれ計測された内部抵抗の変化の低下度合いに基づいて前記蓄電池の劣化状態を判定するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする蓄電池劣化判定プログラム。

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