JP5031231B2

JP5031231B2 - 放電時間算出装置及び放電時間算出方法

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Publication number: JP5031231B2
Application number: JP2005355763A
Authority: JP
Inventors: 敏雄松島
Original assignee: NTT Facilities Inc
Current assignee: NTT Facilities Inc
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP2007163145A

Description

本発明は、放電時間算出装置及び放電時間算出方法、特にリチウムイオン二次電池等の放電時間を算出するための放電時間算出装置及び放電時間算出方法に関する。

従来より、浮動充電方式で蓄電池が維持される直流電力供給システムが知られている。該直流電力供給システムでは、整流器の出力側に負荷設備と蓄電池とが並列に接続されており、常時、整流器が負荷に直流電力を供給すると共に、蓄電池の充電状態に合わせて電池が完全充電となるように必要な充電電流が供給されている。
上記直流電力供給システムで、停電や、整流器の故障が起きると、その瞬間に蓄電池からの放電に切り替わり、この蓄電池放電は直流電力供給システムが必要とする時間の間行われ、一瞬でも負荷設備への電力供給が途絶えることは無い。これは、直流電力供給システムが必要とする時間における蓄電池放電が可能なような蓄電池容量が選定されていることによる。

このような組電池を構成する個々の蓄電池の容量算出は、負荷によって消費されると予測される最大電流を基準として、蓄電池からの負荷に供給する時間に応じて電池容量を計算する。例えば、鉛蓄電池で、図２３に示すような負荷の場合（例えば、非特許文献１参照）、以下のようになる。
Ｃ＝（１／Ｌ）・Ｋ・Ｉ
ここで、使用蓄電池はＣＳ形鉛蓄電池であり、保守率Ｌ＝０．８、最低蓄電池温度：５℃、許容最低電圧：１．８Ｖ／セルという条件が与えられるものとすると、Ｌ＝０．８、Ｉ＝５０、Ｋ＝５．６となる。従って、上記Ｃ＝（１／Ｌ）・Ｋ・Ｉ＝（１／０．８）×５．６×５０＝３５０Ａｈ／１０ＨＲとなる。
なお、容量換算時間Ｋは、図２４に示す、保持時間−容量換算時間特性からここの条件（終止電圧と保持時間）に応じて求める。また、容量換算時間Ｋは、鉛蓄電池の放電特性（例：図２５）に基づいて定められたものである。

Ｃ＝ＫＩ/θ
Ｃ：電池容量
Ｋ：容量換算時間
Ｉ：電流
Ｌ：保守率

一方、負荷変動を考慮した蓄電池容量の算出法は、図２６から図３０に示す通りである。図２６に示す例は、放電電流が時間の経過とともに増加する場合における蓄電池容量の算出法である。この場合、保守率Ｌ＝０．８、最低蓄電池温度：５℃、許容最低電圧：１．０６Ｖ／セルという条件が与えられると、ゆえに、Ｌ＝０．８、Ｉ_１＝１０、Ｉ_２＝２０、Ｉ_３＝１２０となる。また、Ｔ_１＝６０、Ｔ_２＝２０、Ｔ_３＝０．１６７（１０秒）、Ｋ_１＝１．４０、Ｋ_２＝０．７０、Ｋ_３＝０．２５５である。ここでは、Ｃ＝（１／Ｌ）・（Ｋ_１・Ｉ_１＋（Ｋ_２（Ｉ_２−Ｉ１）＋Ｋ_３（Ｉ_３−Ｉ_２）＝（１／０．８）×（１．４０×１０＋０．７０（２０−１０）＋０．２５５（１２０−２０））＝５９Ａｈ／５ＨＲとなる。従って、５９Ａｈ／５ＨＲ以上の蓄電池が適当である。

また、図２７から図３０は、放電電流が時間の経過とともに減少する場合における蓄電池容量の算出法を説明するための図である。この場合、保守率Ｌ＝０．８、最低蓄電池温度：５℃、許容最低電圧：１．７Ｖ／セルという条件が与えられる。この場合、次の３種類の負荷特性について容量を求める必要がある。

まず、図２８に示すブロックにおいて、Ｌ＝０．８、Ｉ＝１５００、Ｔ＝２０、Ｋ＝２．００とし、Ｃｈ＝（１／Ｌ）・Ｋ・Ｉ＝（１／０．８）×２．００×１５００＝３７５０Ａｈ／１０ＨＲとなる。次いで、図２９に示すブロックにおいて、Ｌ＝０．８、Ｉ_１＝１５００、Ｉ_２＝２００、Ｔ_１＝１８０、Ｔ_２＝１１０、Ｋ_１＝４．３８、Ｋ_２＝３．８０とし、Ｃｎ＝（１／Ｌ）・（Ｋ_１・Ｉ_１＋Ｋ_２（Ｉ_２−Ｉ_１））＝（１／０．８）×（４．３０×１５００＋３．８０（２００−１５００））＝１８８８Ａｈ／１０ＨＲとなる。

そして最終的に図３０に示すように、Ｌ＝０．８、Ｉ_１＝１５００、Ｉ_２＝２００、Ｉ_３＝１００、Ｔ_１＝１９０、Ｔ_２＝１７０、Ｔ_３＝６０、Ｋ_１＝５．５、Ｋ_２＝５．１、Ｋ_３＝２．７５とし、Ｃｃ＝（１／Ｌ）・（Ｋ_１・Ｉ_１＋Ｋ_２（Ｉ_２−Ｉ_１）＋Ｋ_３（Ｉ_３−Ｉ_２））＝（１／０．８）（５．５×１５００＋５．１（２００−１５００）＋２．７５（１００−２００））＝１６８１Ａｈ／１０ＨＲとなる。
従って、Ｃｈ、Ｃｎ、Ｃｃのうち、最大値３７５０Ａｈ／１０ＨＲ以上の鉛蓄電池、すなわち４０００Ａｈ／１０ＨＲが適当である。

このように、負荷電流の変化に応じて各ブロックの電気量を計算し、これらの値を積算することで求められる。但し、図２７から図３０に示すように、負荷電流に減少がある負荷パターンの場合、計算が複雑となり、電流が減少する各時刻で区切って計算を行い、これらの値の最も大きな容量が電池容量として選定されている。このような電池を使用した場合、停電発生時の電池からの放電持続時間の計算も行われている。

一方、二次電池として鉛蓄電池を使用した場合、停電発生時からの放電持続時間の計算も試みられている。例えば、所定時間で区切った単位における電気量を求めて積算する。そして、放電持続時間は、積算した電気量が放電終止電圧に至るまでの間に蓄電池から放電できる容量と一致するまでの時刻として算出される。この時、鉛蓄電池では放電電流が異なると電池から取り出せる電気量が変わるため、負荷の電流が経時的に変わる場合、各々の一定電流条件下において放電された電気量を１０時間率放電電流における電気量に換算して累積する方法が取られる（非特許文献２、特許文献１）。
特許第３００１１６０号明細書電池工業会，"据置蓄電池の容量算出法"，ＳＢＡＳ０６０１：２００１，（２００１，１１，２７）松島敏雄、石塚慎二，"通信用電源システムに用いる蓄電池放電残時間の推定法"，電学論Ｂ，１１４，２号，平成６年

一方、保守を行う場合、蓄電池からの放電が開始された際、蓄電池の放電残時間のみならず、蓄電池の放電特性の推移を知ることが望ましい。しかし、従来の方法では、時間数のみの計算であり、放電の進行に伴う電圧の変動を把握することはできなかった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、負荷に対する放電電流が変化しても二次電池の正確な放電時間を算出することができる放電時間算出装置及び放電時間算出方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、請求項１に記載の発明は、蓄積された電力を負荷に供給する二次電池と、該負荷と該二次電池に電力を供給する電源装置を含んで構成される電源システムにおける放電時間算出装置であって、前記二次電池と前記電源装置から前記負荷に供給される負荷電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出結果を繰り返し得る測定手段と、予め前記二次電池の種々の放電電流における放電時間と放電電圧との関係を示す放電電圧特性カーブを記憶する記憶手段と、予め決まった期間内における負荷電流の変化を示す負荷電流パターンに基づいて、所定の時刻から経過した時点の電流値を当該負荷電流パターンから前記放電電流の値として得て、この放電電流に対する放電電圧特性カーブを前記記憶手段から読み出すことにより放電持続時間を推定する推定手段と、を有することを特徴とする放電時間算出装置である。

また、請求項２に記載の発明は、前記推定手段は、前記放電電流に等しい電流の放電電圧特性カーブが前記記憶手段に記憶されていない場合、補完法によって前記放電電流における放電電圧特性カーブを求めることを特徴とする請求項１に記載の放電時間算出装置である。

また、請求項３に記載の発明は、前記二次電池の放電によるバックアップ時間を入力する入力手段と、前記推定手段が推定した放電持続時間が前記入力手段に入力されたバックアップ時間よりも短い場合に警報を発する警報手段と、を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の放電時間算出装置である。

また、請求項４に記載の発明は、前記推定手段は、前記二次電池の電池容量に対して、検出された該二次電池の電池容量の経年変化に基づいた外挿補間、或いは、該二次電池の使用年数の平方根を用いた比例演算により導かれた経年変化による容量低下推定値に基づいて補正を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の放電時間算出装置である。
また、請求項５に記載の発明は、蓄積された電力を負荷に供給する二次電池と、該負荷と該二次電池とに接続されており該負荷と該二次電池とに電力を供給する電源装置を含んで構成される電源システムにおいて、前記電源装置から該負荷と該二次電池とに電力を供給するように前記電源装置が接続されており、前記電源装置によって充電される二次電池の放電時間を算出する放電時間算出方法であって、前記二次電池と前記電源装置から前記負荷に供給される負荷電流を検出するステップと、前記電流検出手段の検出結果を繰り返し得るステップと、予め前記二次電池の種々の放電電流における放電時間と放電電圧との関係を示す放電電圧特性カーブを記憶するステップと、前記測定手段によって得られた前記負荷電流に基づいて作成され、予め決まった期間内における負荷電流の変化を示す負荷電流パターンに基づいて、前記負荷電流パターンによって示される期間内の所定の時刻から経過した時点の電流値を当該負荷電流パターンから前記放電電流の値として得て、この放電電流に対する放電電圧特性カーブを前記記憶手段から読み出し、前記得られた放電電流の値に基づいて第１の放電電流の電流値に対応した第１の放電電圧特性カーブを作成し、前記得られた放電電流の値が前記第１の放電電流の電流値から第２の放電電流の電流値に変化した場合には、前記第２の放電電流の電流値に対応した第２の放電電圧特性カーブを作成し、前記第２の放電電圧特性カーブの作成にあたり、前記第１の放電電流の期間においては、前記第１の放電電流の値が変化するまでに前記二次電池から放電された電気量を前記第１の放電電流の電流値と放電時間の値の積によって求め、前記第２の放電電流の期間においては、該第２の放電電圧特性カーブにおいて前記第１の放電電流の電流値で前記放電された電気量に至る時点を開始点として作成し、前記放電電流を得る処理から前記第２の放電電圧特性カーブを作成するまでの処理を順次、放電終止電圧に達するまで繰り返し行うことにより放電持続時間を推定するステップと、を含むことを特徴とする放電時間算出方法である。

本発明によれば、予め二次電池の種々の放電電流における放電時間と放電電圧との関係を示す放電電圧特性カーブを記憶手段により記憶し、放電電流に対応する放電電圧特性カーブを読み出すことにより放電持続時間を推定手段により推定し、また、二次電池の放電途中において放電電流に変化が生じた場合、変化が生じた後の新たな放電電流における放電電圧特性カーブを読み出して放電持続時間を推定手段により推定し直すようにした。
これにより、定期的に負荷電流の計測を行い放電持続時間を算出し、必要とされるバックアップ時間が確保されているか否かのチェックを行うことができる。その際、放電による蓄電池の電圧低下の推移まで推定することができる。また、放電持続時間に不足が生じる場合には警報を発することができるので、設置された電池容量と負荷電流との関係を常に適正に管理することができ、信頼性の高い電源システムを構築することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態による放電時間算出装置を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態による放電時間算出装置の基本構成を示すブロック図である。図１において、放電時間算出装置１は、演算部２、電流測定部３、測定処理部４、データ記憶部５、表示部６、入力部７、電流センサ部８、および電源部９からなる。データ記憶部５は、電池データとしての各種情報、例えば、製造メーカ、製造年、機種、ロット毎の電池データ、容量経年低下データ、容量の温度変化データなどを記憶する。また、データ記憶部５（記憶手段）は、予め二次電池の種々の放電電流における放電時間とい放電電圧との関係を示す放電電圧特性カーブ（後述する図３）を記憶する。

電流センサ部８は、負荷電流を検出する。電流測定部３は、所定の計測期間中、電流センサ部８によって検出された負荷電流を計測する。このとき、電流測定部３は、計測期間（時間）も計時する。該計測期間は、任意に設定される。これによって、所定の計測期間中、例えば、一日、または一週間の負荷電流パターンが作成される。
演算部２は、データが収集されると、指定された計算開始時刻から放電開始を想定し、蓄電池の放電持続時間Ｔを計算する。具体的には、演算部２（推定手段）は、放電電流に対応する放電電圧特性カーブをデータ記憶部５から読み出すことにより放電持続時間を推定する。また、演算部２は、二次電池の放電途中において電流測定部３が計測した負荷電流（放電電流）に変化が生じた場合、変化が生じた後の新たな放電電流における放電電圧特性カーブをデータ記憶部５から読み出して放電持続時間を推定し直す。
表示部６は、データ記憶部５に記憶されている各種データや計算された放電持続時間Ｔ等を表示する。また、表示部６（警報手段）は、上記放電持続時間Ｔが十分でないと判断された場合、つまり、演算部２が推定した放電持続時間Ｔが入力部７に入力されるバックアップ時間よりも短い場合に、その旨を通知（警報）する。入力部７は、電池データの入力や、負荷パターン上の計算開始時刻等を指示する。また、入力部７（入力手段）には、蓄電池（二次電池）の放電によるバックアップ時間が入力される。ここで、バックアップ時間とは、蓄電池の使用者が所望する蓄電池による放電持続時間をいう。電源部９は、商用電源１０から所定の直流電圧を生成して各部に供給する。

図２、図３は、リチウムイオン二次電池の放電特性を示すグラフである。図２に示すように、電流の小さな範囲（０．１ＣＡ）から大きな範囲（３ＣＡ）まで取り出せる電気量にほとんど変化は無い。また、リチウムイオン二次電池では、鉛蓄電池のように、これらのいずれの電流においても放電終止電圧が放電電流によって制限されることも無い（図３）。すなわち、いずれの放電電流においても完全放電（１００％）で取り出せる電気量にほぼ差が無い。ある電流で完全放電とならない状態まで放電させた場合（例えば、３０％の電気量まで放電させる）、引き続いて他の電流で放電させると、引き続き放電された電流で３０％まで放電させた電圧から放電が継続される。放電途中で放電電流が変化した場合であっても、この関係は成立する。すなわち、放電電圧特性カーブは、直列した連続性を有している。

図４〜図６は、放電電圧特性カーブの連続性について説明するための図である。
図４は、０．１ＣＡで５時間放電させた後、０．５ＣＡの電流で放電させた場合を示している。この場合、まず、０．１ＣＡで５時間放電させているので、５０％の電気量の放電が点Ｐ１まで行なわれる。次の０．５ＣＡの放電では、この０．５ＣＡの電流での５０％放電させた点Ｐ２から放電が継続する。

図５、図６は、放電電圧特性の実験結果を示すグラフである。図５は、０．１ＣＡで３時間放電（３０％）した後、引き続き、０．５ＣＡで放電した場合を示している。前半で、３０％放電しているので、０．５ＣＡにおける放電に移行した時点で、電気量も３０％放電していることと等価になる。このため、０．５ＣＡにおける放電においては、７０％の電気量の放電が行なわれることになる。すなわち、０．５ＣＡの電流における２時間の放電時間の７０％、つまり、１．４時間の放電が行われる。実験結果も極めて良好に一致している。

図６は、前半の放電を１ＣＡで０．２５時間行い、後半の放電を０．５ＣＡとした場合を示している。この場合、前半の放電電気量が２５％であるので、０．５ＣＡの放電においては、残りの７５％が放電される。すなわち、０．５ＣＡの放電における連続放電時間は２時間であるので、容量７５％の電池の場合、放電時間は、２時間×０．７５＝１．５時間である。先の例のように実験結果も極めて良好に一致した。
このことから、電圧特性カーブの推定法は妥当であることが分かる。
図４〜図６で説明した処理は、放電時間算出装置１の演算部２（推定手段）において、電流測定部３が測定する負荷電流（放電電流）が変化する前の電流値において、負荷電流が変化するまでに蓄電池（二次電池）から放電された電気量を積算し、変化後の放電電流においてはその放電電流における放電電圧特性カーブにおいて変化前の電流値で放電された電気量に至る時点を開始点とすることにより放電持続時間を推定することによって実現される。

このような特性を利用して、経時的に電流が変化するような任意の負荷電流パターンでも、各電流における放電電圧特性カーブを求め、電流変化に応じて各放電電圧特性カーブを接続していくことで放電が進行中の電圧変化を求めることができる。そして、システムが要求する、蓄電池の放電終止電圧に至るまでの時間を読み取ることで、放電持続時間の推定を行うことができる。この放電持続時間から、放電が経過した時間を差し引けば、放電残時間を求めることができる。

なお、ここでは、図中に示された電流における放電電圧特性カーブによって説明したが、各種の放電電流における放電電圧特性カーブを予め求めておくことで、種々の放電電流に対応可能となる。また、予め求めておいた放電電圧特性カーブの電流値と異なる電流で放電される場合、直近の上下の電流値における放電電圧特性カーブの補完によって放電電圧特性カーブを求めることができる。

本実施形態では、経時的に電流が変化するような任意の負荷電流パターンであっても、以下の数式（１）で示されるように、電流と時間の単純な積から求まる電気量を順次加算することで、二次電池に必要とされる電池容量を求めている。

なお、数式（１）において、Ｃ：蓄電池容量（または、放電可能容量）、Ｉｉ：負荷電流、Ｔｉ：Ｉｉに対応して分割された時間である。
従って、鉛蓄電池と異なり、リチウムイオン二次電池では、電流が経時的に変化する負荷であっても、時間で区切った電気量の積算が可能である（例えば図７参照）。本実施形態では、この原理に従って電池容量の算出を行う。また、負荷電流から、放電持続時間の算出を行う場合には、この逆の計算で行う。

図８、図９は、本実施形態で用いる電池容量の算出方法の妥当性を説明するための図である。これらの図は、負荷電流が変動する種々のパターンについての実験結果を示している。図８（ａ）、図９（ａ）は、横軸に時間、縦軸に放電電流を取った負荷電流パターンを示している。また、図８（ｂ）、図９（ｂ）は、横軸に時間、縦軸に電圧を取った放電電圧特性カーブを示している。
実験は、選定した負荷パターンに沿って実際に電池の放電を行わせて求めた放電電圧特性カーブを求め、この放電電圧特性カーブと、負荷パターンに沿った放電を仮定して、上述した方法で求めた放電途中の放電電圧特性カーブとを比較している。更に、これらのカーブから放電持続時間の推定値と実測値とを比較している。
なお、上述した実験では、東洋システム製の充放電試験装置（ＴＯＳＣＡＴ３０００Ｕ）を使用して行った。また、二次電池として、４０ＡｈＬｉイオン電池を用いた。このＬｉイオン電池は、実験前に４．１Ｖ／セルに充電したものを使用した。実験時の温度は２５度であった。
この結果、両者は１％程度の誤差で一致した。同様の実験を複数のパターンについて行い、誤差を求めたが、誤差は図１０に示すように１％程度であった。
このように本実施形態では、放電電流に対応した放電電圧特性カーブを求め、放電持続時間の算出を行う。

次に、電池設置後の放電持続時間について説明する。上述したプロセスによって設置する電池の容量が選定される。しかし、容量選定はあくまで、電池設置前の設計電流値に基づくものであり、実際の負荷の消費する電流は、設計値と異なることは十分にあり得る。
負荷電流が設計値よりも減少する場合には、電池からの放電によるバックアップ可能な時間は延長させる方向となり、過大な容量の電池が設置されていると点を除けば、安全サイドであり問題は無い。問題は、実際の負荷電流が設計値よりも大きくなった場合であり、通信等の例で言えば、通信の需要が増した場合、または、電源設備に接続される通信設備数が増加した場合、等が挙げられる。このような場合、実際の負荷の消費電流は、電池設置当初の値から増加しており、蓄電池からの放電によるバックアップが行われた場合、当初のバックアップ時間の確保が困難となり、サービス障害となる恐れがある。

図１１〜図１３は、負荷電流の増加と、これによる保持時間の変化（一日の負荷電流パターン）を示すグラフである。図１１に示すように、例えば、１９：３０から停電が発生した場合において、図１２に示すように、設計時の放電持続時間は１４時間と推定されている。一方、実使用時に負荷電流が増加すると、同時刻からの停電が発生した場合、図１３に示すように、放電持続時間は短縮され、１１時間に低下している。これは、２１％の時間短縮であり、電池容量の低下による電池交換に当てはめれば、電池交換が必要な状況である。
このような場合、当初の放電持続時間が確保できなくなっているので、保守上付随的な問題が生じる可能性がある。そこで、定期的に負荷電流の計測を行い、設置蓄電池の容量が、必要とされるバックアップ時間に適したものであるか否かのチェックが必要となる。本実施形態では、このような電池容量の確認を行い、時間が不足する場合には、例えば、監視装置に対して通知（警報）を行うようにしている。

次に、本実施形態による放電時間算出装置１の動作について説明する。ここで、図１４は、本実施形態による放電時間算出装置１の動作を説明するためのフローチャートである。まず、入力部７から蓄電池のデータを入力する（Ｓ１）。データは、メーカ、製造年、製造ロット、設置年数などである。表示部６には、図１５に示すような画像が表示される。
次に、入力部７から放電持続時間の計算開始時刻を設定し（Ｓ２）、警報の発報レベル（例えば、７０％、８０％など）を入力する（Ｓ３）。次に、入力部７から所望する放電持続時間（必要とされる放電時間）を入力する（Ｓ４）。
各種データの入力が終了すると、電流センサ部８により、負荷電流を検出し、電流測定部３により、所定の計測期間中、上記負荷電流を計測する（Ｓ５）。次に、計測期間中における、計測した負荷電流のパターン（例えば、図８（ａ））を演算部２により作成する（Ｓ６）。また、第１の負荷電流ステップにおける放電電圧特性カーブ（例えば、図８（ｂ））を演算部２により作成する（Ｓ７）。

次に、蓄電池の電圧が放電終止電圧まで低下したか否かについて演算部２により判定する（Ｓ８）。放電終止電圧は、ステップＳ３で入力された警報の発報レベルに基づいて決定される。放電終止電圧まで低下していない場合であって、放電電流が変化した場合には、次ステップの負荷電流における放電電圧特性カーブを演算部２により作成する（Ｓ９）。一方、放電終止電圧まで低下している場合には、放電持続時間を演算部２により計算する（Ｓ１０）。
次に、放電持続時間の計算値を表示部６に表示する（Ｓ１１）。表示部６には、図１６に示すような画像が表示される。
上記放電持続時間（必要される放電時間）に対して、放電持続時間が不足する場合には、表示部６等により警報を発出する（Ｓ１２）。

警報発出の基準としては、当初設定した時間の７０％もしくは８０％が妥当である。これは、電池が劣化して容量が低下した場合の更改基準がこれらの値になっていることによる。すなわち、電池容量が７０％もしくは８０％まで低下した場合、負荷が当初の値から変化しなくとも、保持時間は、当初の設計値の７０％もしくは８０％まで低下していることになる。但し、任意の値に設定することも可能である。

電池容量は、図１７に示すように、設置後経年的に低下する。従って、本実施形態では、計算時に、経年変化を考慮して電池の残容量を求める。容量低下は、使用年数の平方根に比例する関係から図１８に示すように推定式から計算しても良いし、先に示した図１７の外挿によって求めることもできる。さらに、電池容量は、温度で影響されるので、上記方法で求めた容量の温度補正を行う。これには、図１９に示す温度依存性の関係を使用する。そして、このようにして求めた容量を基準として、負荷電流パターンによる放電持続時間を求める。
なお、監視センタに、本実施形態による放電時間算出装置１（またはその機能）が設けられる場合には、予め、電流計測と放電可能時間算出のインターバルを設定しておくことが可能である。

図２０は、本実施形態による放電時間算出装置１を通信用電源に取り付けた状態を示すブロック図である。この場合、商用電源３０、整流器３１および負荷装置３２の回路において、本実施形態による放電時間算出装置１によって負荷装置３２への放電電流を計測し、バックアップ用の電池２０の放電持続時間の計算を行う。
また、図２１は、本実施形態による放電時間算出装置１を監視センタに設けた際のブロック図である。この場合、各通信ビルの蓄電池設備４０〜４３からの負荷電流データを監視センタ４５に収集し、本実施形態による放電時間算出装置１によって放電持続時間を一括して計算する。

また、図２２は、本実施形態による放電時間算出装置１を交流電力の供給電源に適用した例を示すブロック図である。この場合、商用電源３０からＡＣ／ＤＣ変換部５１で直流に変換され、ＤＣ／ＡＣ変換部５２で再度交流に変換されて、負荷装置３２へ供給される回路において、本実施形態による放電時間算出装置１によって負荷装置３２へ直流の放電電流を計測し、バックアップ用の電池２０の放電持続時間を算出する。このとき、必要により、ＤＣ／ＡＣ変換部５２の効率を加味して、交流電流を直流電流に置き換えて計算する。

従来は、電池を設置してから、負荷電流に状況変化があると当初の保持時間が確保できなくなり、保守上の問題を生じる可能性があったが、上述した実施形態によれば、定期的に負荷電流の計測を行い、放電持続時間を算出し、必要とされるバックアップ時間が確保されているか否かのチェックを行うことができる。また、その際に放電による蓄電池の電圧低下の推移まで推定することができる。
そして、このような放電持続時間の確認の結果を監視装置等に対して通知し、放電持続時間に不足が生じる場合、警報を発することができる。よって、常に設置された電池容量と負荷電流との関係を適正に管理することができ、信頼性の高い電源システムを構築することができる。

本実施形態によれば、データ記憶部５により予め二次電池の各放電電流における放電時間と放電電流との関係を示す放電電圧特性カーブを記憶し、演算部２により放電電流に対応する放電電圧特性カーブをデータ記憶部５から読み出すことにより放電持続時間を推定するようにした。これにより、二次電池の利用者が、二次電池に充電された電力を使用可能な時間である放電持続時間を正確に把握することができる。

上述した実施形態においては、上述した演算部２、測定処理部４などによる一連の処理の過程を、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されているプログラムによって実現するようにしてもよい。この場合、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。すなわち、演算部２、測定処理部４などは、ＣＰＵ等の中央演算処理装置がＲＯＭやＲＡＭ等の主記憶装置に上記プログラムを読み出し、演算処理を実行することにより、実現されてもよい。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

本発明の実施形態による放電時間算出装置の基本構成を示すブロック図である。リチウムイオン二次電池の放電特性を示すグラフである。リチウムイオン二次電池の放電特性を示すグラフである。放電電圧特性カーブの連続性について説明するための図である。放電電圧特性の実験結果を示すグラフである。放電電圧特性の実験結果を示すグラフである。リチウムイオン二次電池での電池容量の算出方法を説明するための概念図である。本実施形態で用いる電池容量の算出方法の妥当性を説明するための図である。本実施形態で用いる電池容量の算出方法の妥当性を説明するための図である。実際の放電時間と推定放電時間との差を示すグラフである負荷電流の増加と、これによる保持時間の変化（一日の負荷電流パターン）を示すグラフである。負荷電流の増加と、これによる保持時間の変化（一日の負荷電流パターン）を示すグラフである。負荷電流の増加と、これによる保持時間の変化（一日の負荷電流パターン）を示すグラフである。本実施形態による放電時間算出装置１の動作を説明するためのフローチャートである。本実施形態による表示部６に表示される画像の一例を示す図である。本実施形態による表示部６に表示される画像の一例を示す図である。リチウム二次電池の容量低下特性から容量推定値を得るためのグラフである。推定式から容量を推定するためのグラフである。リチウム二次電池の電池容量の温度依存性を示すグラフである。本実施形態による放電時間算出装置１を通信用電源に取り付けた状態を示すブロック図である。本実施形態による放電時間算出装置１を監視センタに設けた際のブロック図である。本実施形態による放電時間算出装置１を交流電力の供給電源に適用した例を示すブロック図である。従来技術による、組電池を構成する個々の蓄電池の容量算出方法を説明するための概念図である。鉛蓄電池の保持時間−容量換算時間特性を示す概念図である。鉛蓄電池の放電特性を示す概念図である。従来技術による、放電電流が時間の経過とともに増加する場合における蓄電池容量の算出法を説明するための概念図である。従来技術による、放電電流が時間の経過とともに減少する場合における蓄電池容量の算出法を説明するための概念図である。従来技術による、放電電流が時間の経過とともに減少する場合における蓄電池容量の算出法を説明するための概念図である。従来技術による、放電電流が時間の経過とともに減少する場合における蓄電池容量の算出法を説明するための概念図である。従来技術による、放電電流が時間の経過とともに減少する場合における蓄電池容量の算出法を説明するための概念図である。

符号の説明

１放電時間算出装置２演算部（推定手段）３電流測定部４測定処理部５データ記憶部（記憶手段）６表示部（警報手段）７入力部（入力手段）８電流センサ部９電源部１０商用電源２０電池３０商用電源３１整流器３２負荷装置４０〜４３蓄電池設備４５監視センタ５１ＡＣ／ＤＣ変換部５２ＤＣ／ＡＣ変換部

Claims

蓄積された電力を負荷に供給する二次電池と、該負荷と該二次電池とに接続されており該負荷と該二次電池とに電力を供給する電源装置を含んで構成される電源システムにおいて、前記電源装置から該負荷と該二次電池とに電力を供給するように前記電源装置が接続されており、前記電源装置によって充電される二次電池の放電時間を算出する放電時間算出装置であって、
前記二次電池と前記電源装置から前記負荷に供給される負荷電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段の検出結果を繰り返し得る測定手段と、
予め前記二次電池の種々の放電電流における放電時間と放電電圧との関係を示す放電電圧特性カーブを記憶する記憶手段と、
前記測定手段によって得られた前記負荷電流に基づいて作成され、予め決まった期間内における負荷電流の変化を示す負荷電流パターンに基づいて、前記負荷電流パターンによって示される期間内の所定の時刻から経過した時点の電流値を当該負荷電流パターンから前記放電電流の値として得て、この放電電流に対する放電電圧特性カーブを前記記憶手段から読み出し、前記得られた放電電流の値に基づいて第１の放電電流の電流値に対応した第１の放電電圧特性カーブを作成し、前記得られた放電電流の値が前記第１の放電電流の電流値から第２の放電電流の電流値に変化した場合には、前記第２の放電電流の電流値に対応した第２の放電電圧特性カーブを作成し、前記第２の放電電圧特性カーブの作成にあたり、前記第１の放電電流の期間においては、前記第１の放電電流の値が変化するまでに前記二次電池から放電された電気量を前記第１の放電電流の電流値と放電時間の値の積によって求め、前記第２の放電電流の期間においては、該第２の放電電圧特性カーブにおいて前記第１の放電電流の電流値で前記放電された電気量に至る時点を開始点として作成し、前記放電電流を得る処理から前記第２の放電電圧特性カーブを作成するまでの処理を順次、放電終止電圧に達するまで繰り返し行うことにより放電持続時間を推定する推定手段と、
を有することを特徴とする放電時間算出装置。
前記推定手段は、前記放電電流に等しい電流の放電電圧特性カーブが前記記憶手段に記憶されていない場合、補完法によって前記放電電流における放電電圧特性カーブを求めることを特徴とする請求項１に記載の放電時間算出装置。
前記二次電池の放電によるバックアップ時間を入力する入力手段と、
前記推定手段が推定した放電持続時間が前記入力手段に入力されたバックアップ時間よりも短い場合に警報を発する警報手段と、
を更に有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放電時間算出装置。
前記推定手段は、
前記二次電池の電池容量に対して、検出された該二次電池の電池容量の経年変化に基づいた外挿補間、或いは、該二次電池の使用年数の平方根を用いた比例演算により導かれた経年変化による容量低下推定値に基づいて補正を行う
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の放電時間算出装置。
蓄積された電力を負荷に供給する二次電池と、該負荷と該二次電池とに接続されており該負荷と該二次電池とに電力を供給する電源装置を含んで構成される電源システムにおいて、前記電源装置から該負荷と該二次電池とに電力を供給するように前記電源装置が接続されており、前記電源装置によって充電される二次電池の放電時間を算出する放電時間算出方法であって、
前記二次電池と前記電源装置から前記負荷に供給される負荷電流を検出するステップと、
前記電流検出手段の検出結果を繰り返し得るステップと、
予め前記二次電池の種々の放電電流における放電時間と放電電圧との関係を示す放電電圧特性カーブを記憶するステップと、
前記測定手段によって得られた前記負荷電流に基づいて作成され、予め決まった期間内における負荷電流の変化を示す負荷電流パターンに基づいて、前記負荷電流パターンによって示される期間内の所定の時刻から経過した時点の電流値を当該負荷電流パターンから前記放電電流の値として得て、この放電電流に対する放電電圧特性カーブを前記記憶手段から読み出し、前記得られた放電電流の値に基づいて第１の放電電流の電流値に対応した第１の放電電圧特性カーブを作成し、前記得られた放電電流の値が前記第１の放電電流の電流値から第２の放電電流の電流値に変化した場合には、前記第２の放電電流の電流値に対応した第２の放電電圧特性カーブを作成し、前記第２の放電電圧特性カーブの作成にあたり、前記第１の放電電流の期間においては、前記第１の放電電流の値が変化するまでに前記二次電池から放電された電気量を前記第１の放電電流の電流値と放電時間の値の積によって求め、前記第２の放電電流の期間においては、該第２の放電電圧特性カーブにおいて前記第１の放電電流の電流値で前記放電された電気量に至る時点を開始点として作成し、前記放電電流を得る処理から前記第２の放電電圧特性カーブを作成するまでの処理を順次、放電終止電圧に達するまで繰り返し行うことにより放電持続時間を推定するステップと、
を含むことを特徴とする放電時間算出方法。