JP5149132B2

JP5149132B2 - 組電池における単電池の交換時期判定装置

Info

Publication number: JP5149132B2
Application number: JP2008305973A
Authority: JP
Inventors: 俊昭藪本
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-12-01
Also published as: JP2010127880A

Description

本発明は、非常用電源等の電源設備に適用される多数の制御弁式鉛蓄電池などの単電池から成る組電池の運用開始後の使用中における各単電池の交換時期判定装置に関する。

上記のような目的で使用される組電池は通常は、系統充電装置から充電されている状態に有り、停電時等には組電池から放電し、負荷に電力を供給する役割を果たしている。このように、組電池は、通常時は系統充電装置より充電されているため、その電圧は維持されており、組電池を構成する単電池の電圧の測定からその劣化の有無を判断することは難しい。このため、適切な交換時期を決めにくいという課題がある。
簡便な方法としては、単電池の期待寿命を判断基準とし、その年数が過ぎれば自動的に新しい蓄電池と交換する場合もあるが、通常は、期待寿命より余裕を持った設計となっているため、期待寿命で単電池を交換することは、更に長く使用できる蓄電池を廃棄するという無駄を生じ好ましくない。
また、単電池の交換時期の判定方法として、定期的に夫々の蓄電池の内部抵抗を測定し、運用開始前の初期の内部抵抗値と比較し、その上昇度合から判定する方法がある。
内部抵抗の測定は、市販の携帯型の4端子式内部抵抗測定器や固定配線式の内部抵抗測定装置などを用いて行うことができる。
また、特開2000-67933号公報には、鉛蓄電池の劣化寿命判定方法及び装置に係る発明が開示されている。その判定方法及び装置は、図1に示す回路図において、先ず、充電回路9を切り離す。次に、高周波電源回路を用いて蓄電池3の内部インピーダンスを劣化判定回路11により求める。次いで、その値が当該蓄電池3を使用開始した時点の内部インピーダンスに対し、該内部インピーダンス検出値の増加が予め定めた値に達すると、当該電池は劣化寿命に達したと判断する発明である

しかし乍ら、上記の組電池における各単電池の内部抵抗の上昇度合から判定する方法や特許文献1のように、内部インピーダンス検出値の増加が予め定めた値に達したことから判定する方法は、組電池が殆ど放電されないような運用法の場合にはその各単電池の精度は高いが、組電池の運用法によっては、例えば、頻繁に小容量の充放電を繰り返すような運用法は、各単電池の内部抵抗が変化しにくく、従って劣化が検出しにくく、交換時期の適切な判定が難しいという課題がある。
本発明は、上記の従来技術の課題を解消し、上記した単電池の内部抵抗の変化しにくい組電池の運用法において各単電池の交換時期を適切に判断できるようにすることに在る。

本発明は、請求項1に記載の通り、組電池に対する系統充電装置と、負荷に放電する組電池とを具備した電源設備において、
該組電池を構成する各単電池の期待寿命時間経過後に内部抵抗値を測定し、該単電池の運用開始前の初期の内部抵抗値からの内部抵抗上昇率値を求める第1演算手段と、
該単電池の期待寿命時間経過後の経過年数から算出する劣化加速係数値を算出する第2演算手段と、
該第1演算手段により得られた内部抵抗上昇率値と、該第2演算手段により得られた劣化加速係数値との積を演算し、該単電池の劣化係数値を求める第3演算手段と、
該単電池の要交換と判定する内部抵抗値の入力されたテーブルを参照して、単電池の得られた劣化係数値と交換すべき規定値とを比較し、得られた劣化係数値が交換すべき規定値以上か未満かを判断する比較判断手段とで構成することを特徴とする組電池における単電池の交換時期判定装置に存する。
更に本発明は、上記の装置において、該第2演算手段は、期待寿命時間経過後の経過時間に対応して増大する値として、等差級数的に増大する値、或いは等比級数的に増大する値を使用して計算することを特徴とする。

請求項1に係る発明によれば、上記の第1、第2、第3演算手段及び比較判断手段を順次行うことにより、期待寿命を過ぎた各単電池の内部抵抗測定値に期待寿命経過後の年数に応じた劣化加速係数値を乗じて期待寿命経過後の内部抵抗値を補正し、演算により得られた単電池の劣化係数値を該比較判断手段により、要交換と判定する抵抗値と比較することにより、内部抵抗の変化しにくい運用法の場合でも、単電池の交換時期を適切に判断でき、従来の単電池の期待寿命で新しい単電池と交換する場合のような無駄をなくすことができる。
更に、請求項2に係る発明によれば、各単電池の交換時期の判定を早められる。

本発明の実施形態例を、添付図面に基づいて説明する。
図1は、系統充電装置から所望数の単電池を直接接続して成る組電池に充電し、停電時に組電池から負荷へ充電するように運用される電源設備に、本発明の組電池における各単電池の期待寿命時間経過後の交換時期を判定する装置を具備せしめた実施形態の1例を示し、この本発明の判定の装置と判定法につき、以下詳述する。
図面において、1は組電池Aに載置する系統充電装置を示す。2は電源判断回路であって、系統充電装置1の交流電源が停電のとき、その旨をスイッチ3に伝送する。スイッチ3は、通常は閉じた状態に在り、系統充電装置1の出力を該組電池Aに供給しているが、停電時に電源判断回路2の指令に基づいて開かれ、その供給を断つ。4は交直変換器を示し、系統充電装置1からの交流を直流に変換する。組電池Aは、蓄電池を所望個数、例えば、24個直列に接続して成る。その各単電池aは、例えば期待寿命が7年、容量2V-200Ahの制御弁式鉛蓄電池を使用する。5は直交変換器で、組電池Aの直流出力を交流に変換する。

6は給電線を示し、系統充電装置1を通常状態で負荷8に接続する。7は切換スイッチで、給電線6の交流と、直交変換器5の出力交流のいずれか片方を負荷8に接続する。電源判断回路2が系統充電装置1への交流入力について、停電したと判断したとき、スイッチ7はスイッチ13と同時に他方に切り換えられる。切り換えられたとき組電池Aの出力は直交変換器5を介し負荷8に放電供給する。

上記の電源装置において、本発明によれば、9は第1演算手段を示し、その入力側には組電池Aの各単電池a, a,…と接続されている。
第1演算手段9の内部には、組電池Aの各単電池aは、所定の期待寿命時間、例えば、上記の7年を有するが、その運用開始前の初期の内部抵抗値とその期待寿命が経過した時点(以下、「期待寿命時間」という)を経過後の各単電池aの内部抵抗値、即ち、期待寿命時間経過後の内部抵抗値を測定し、この期待寿命時間経過後の内部抵抗値を、運用開始前の初期の内部抵抗値で割って、内部抵抗上昇率値を求める固定配線式の装置が組み込まれている。
この値は、期待寿命を経過した時点での内部抵抗値が、運用開始前の初期の内部抵抗値の何倍になっているかを示すものである。
この値により、従来は電池の交換時期を判定していた。
電源装置にはまた、期待寿命時間を経過した後の経過時間に対応して増大する補正係数(後述の劣化加速係数)を、該第1演算手段9により得られた内部抵抗上昇率値の積を演算し、各単電池の劣化係数値を求める装置が組み込まれている。
更に、第1演算手段9の出力側は後述する第3演算手段11の入力側に各単電池a, a,…に対応して接続されている。

10は、第2演算手段を示し、該第2演算手段10の内部には、該第1演算手段9により求められた各単電池aの内部抵抗上昇率値に乗算するための劣化加速係数値を求める装置が組み込まれている。
該第2演算手段10により求められる劣化加速係数値は、各単電池aの期待寿命時間後の経過時間に対応して増大する値となるように設定される。その数値の一例を示すと、期待寿命が7年の単電池では、
経過時間1年までは1.15
経過時間1年乃至2年までは1.3
経過時間2年乃至3年までは1.45
経過時間3年乃至4年までは1.6のように設定し、その結果をテーブルに記載しておき、これを該第3演算手段11に通知する。
劣化加速係数値は、フィールド試験の結果、以下のようにして算出した。当初の電池交換を予定する内部抵抗値を初期の内部抵抗値の1.6倍(このときの容量は定格容量の80%)としたとき、期待寿命を3年経過した時点で組電池の運用ができなくなった。このときの組電池の内部抵抗の平均値は初期値から1.25倍であり、最大で1.32倍、最小で1.1倍と拡大していた。これら内部抵抗値が最大と最小の電池につき容量試験を実施したところ、最大のものでは定格容量の60%、最小のものでは定格容量の79%で、いずれも容量の寿命判定基準である80%以下であった。ここで、内部抵抗が1.1倍のものでも判定値である1.6倍とほぼ同じ定格容量の80%であったことから、内部抵抗実測値と定格容量実測値の間にはずれがあることが判った。期待寿命経過後3年間で1.6/1.1=1.45、即ち、3年間で0.45倍のずれがあったことから、劣化加速係数値を、1年当たり0.15と設定した。

第3演算手段11は、その第1入力側には第1演算手段9からの各単電池aの出力が入力され、その第2入力側には該第2演算手段10からの出力が入力されるようにし、該第1演算手段9及び該第3演算手段11からの夫々の出力同士の積を演算することにより得られた値を各単電池aの劣化係数値とする装置が組み込まれている。この値は、期待寿命を経過した時点での内部抵抗値を劣化度に応じて補正した値が運用開始前の初期の内部抵抗値の何倍になっているかを示すものであり、この値により、電池の劣化度を判断することができる。

12は比較判断手段を示し、該比較判断手段12の第1入力側には第3演算手段11の出力側が、各単電池a,a,…に対応して接続されている。而して、該第3演算手段11は、その内部には各単電池aの期待寿命を経過した経過時間に対応した各単電池の初期の内部抵抗値に対し増大した予定の交換すべき劣化断定基準値が入力されたテーブルを有しており、即ち、劣化係数値が規定値以上の場合にはこれを要交換時期となったと判断する。

13は切換スイッチを示し、交直変換器4が組電池Aに対し系統充電装置1からの通常の充電を行うときは開いている。系統充電装置1が停電になったとき、電源判断回路2の指令により切換スイッチ13は閉じる。その結果、組電池Aに充電されていた直流が前述のように直交変換器5により交流に変換されて負荷8に給電される。そして停電が復旧したとき、スイッチ7,13は逆に切り換わる。
14は信号伝送線を示し、上記のように電源判断回路2の判断結果をスイッチ13及び切換スイッチ7に伝送する。

実施例1
上記の電源設備において、組電池として各単電池の期待寿命が7年、2V-200Ahの制御弁式鉛蓄電池を24個直列に接続して成る組電池Aを用い、通常は、系統充電装置1からの受電により2.23V/セルの電圧で充電状態にあるが、ほぼ1ヶ月に一度の頻度で計画停電させ、停電時に組電池から負荷に各単電池aの容量の約10%を放電する運用法を行い、組電池Aの各単電池aにつき毎年1回定期点検を実施した。即ち、期待寿命7年目の内部抵抗値、期待寿命から1〜3年を経過した8年目からの10年目の内部抵抗の実測値を測定した各単電池aの要交換基準内部抵抗値、即ち、規定値を各種フィールド試験の結果、運用開始前の初期の内部抵抗値の1.6倍と定めた。上記段落0010に記載の内部抵抗上昇値に上記段落0011に記載の劣化加速係数値を乗算した値、即ち、劣化係数値を考慮し、本発明の第1〜第3演算手段及び比較判断手段による結果を下記表1に示す。

第8年目及び第9年目における劣化係数値は、表1に示す通り、初期抵抗値の1.21倍、1.46倍であり、停電事故後の負荷に対する要求を満足したが、第10年目における劣化係数値が1.81倍と規定値の1.6倍を超え、負荷に対する要求を満足しなかった。因みに、第10年目の単電池の容量は、約120Ahであり、定格容量の約60%に低下していた。

実施例2
単電池として期待寿命12年、2V-200Ahの単電池を24個直列に接続して成る組電池を使用し、上記と同様に運用した。各単電池の規定値を、各種フィールド試験から運用開始前の初期の内部抵抗値の2倍と定めた。上記と同様に期待寿命12年目及び13年目〜16年目までの内部抵抗上昇率値、劣化加速係数値及び劣化係数値を各年毎に算出した。その結果を下記表2に示す。
尚、表2の劣化加速係数値については、期待寿命が12年の電池を用いているためフィールド試験の結果違った挙動を示したことから、1年毎に0.15ずつ増加する値を設定した実施例1に対し、期待寿命経過年数が大きくなるほど係数が大きくなるように設定した。具体的には、組電池で運用している電池を、期待寿命を迎えた12年目以降16年目までの各年で内部抵抗測定及び容量試験を実施し、平均の内部抵抗と平均の容量との相関関係を見たところ、期待寿命経過年数が大きい程、容量の劣化が大きいことが分かった。この対応関係を元に、劣化加速係数を夫々期待寿命経過1年までは1.1、1年乃至2年までは1.2、2年乃至3年までは1.4、3年乃至4年までは1.8と設定した。

表2に示すように、第15年目までの単電池の劣化係数値が2倍を超えないものは、負荷に対する充分な給電を与えることができたが、第16年目では、その値が2.7と2倍を超えると、負荷に対する要求を満足できなかった。この単電池の容量は約116Ahであり、定格容量の58％しかなかったことが判明した。

また、上記表1及び表2が示すように、表1の10年目の単電池の内部抵抗上昇率値である実測値/初期値の値は1.25で要交換基準値である規定値1.6倍以下、表2の16年目のそれは1.5で、基準値2倍以下であるから、交換を要しないと認められるおそれがあるが、本発明は、これに夫々経過年数に応じた係数で補正、即ち、劣化加速係数値を乗算することにより、劣化係数値である補正後の値/初期値の値により単電池の要交換時期を適正に判断することができる。

尚、上記本発明の寿命判定装置の第2演算手段10は、劣化加速係数値を得るとき、期待寿命時間後の経過時間に対応して増大する値を求めるものであるが、段落0010に例示するように、等差級数的に、或いは等比級数的に増大する値を求めることにより、劣化寿命の判定時期を促進することもできる。

図2に示すフローチャートは、第1演算手段9、第2演算手段10、第3演算手段11、比較判断手段12を用いた単電池の交換時期判断手段を示している。
図面で、(1)は第1演算手段9における実測値を計測することを示している。(2)は(1)の計測者が期待寿命値との年数比較をして、期待寿命値を超えていないとき、(3)において実測値と規定値との大小判断を行うことを示しており、小のときは、次回の内部抵抗の測定を待つため(1)に戻り、大のときは、その単電池を交換する必要があるため、(9)の交換処理を行う。
(4)は(2)の判断が経過年数を超えているときに行う処理を示す。即ち、第2演算手段10において測定した内部抵抗値に対し、所定の係数との積を求める演算を第3演算手段11で行う。所定の規定値、例えば、2.0を超えているときは(9)の交換処理を行い、超えていないときは、次回の内部抵抗を待つため(1)に戻る。
(5)は期待寿命後の経過年数を求める処理を内部抵抗測定者が行うことを示している。
(6)は第2演算手段10に(5)の経過年数を入力して、「係数」を求めることを示す。得られた係数値は(4)において上述の演算を行うものである。

以上から明らかなように、上記の種々の期待寿命をもつ単電池の係数の設定や予定の交換時期の設定などは、上記の実施例の設定に限ることなく、個々の電池種類に応じてこれらの値を設定できる。
この判定法は、定期点検での測定値にも適用できる。半年毎の測定を実施する場合、期待寿命期間内では、その測定値をそのまま使用し、期待寿命経過後は所定の係数を掛けた値を判定に用いればよい。
また、自動的に連続的に内部抵抗を計測するような機器にも、経過年数経過後係数を掛けたものを判定値とする簡便なソフト改造で適用可能である。
また、連続的に蓄電池の内部抵抗、電圧、温度等を計測し、その内部抵抗の変化から劣化を判定する公知の装置を用い、この装置に、期待寿命経過後に上述の補正整数を乗ずる機能を付加させることにより、従来の単純な判定と比較して更新遅れを防止するという機能が付加できる。この機能を備えることにより、特別な知識を持たない人にも判断可能な簡便な判定装置を構成できる。更には、多数の電源設備からの内部抵抗情報を集め、これらの情報を集中監視する公知のシステムを用いても、集中監視をする個々人の判定によるのではなく、経過年数を加味したより安全な更新時期の指示が可能となり、特に多数の設備を管理する人の判定作業性が向上する。
尚、経過年数の算出に環境温度の影響を配慮する判定は複数回規定値を超えた場合とする等の従来からの判定に関する知識を応用することもできる。

本発明の実施形態の1例の組電池における交換時期判定装置の構成を示す図。図1に示す装置の動作フローチャートを示す図。

符号の説明

1 系統充電装置
2 電源判断回路
3 スイッチ
4 交直変換器
5 直交変換器
6 給電線
7 切換スイッチ
8 負荷
9 第1演算手段
10 第2演算手段
11 第3演算手段
12 比較判断回路
13 スイッチ
A 組電池
a 単電池

Claims

組電池に対する系統充電装置と、負荷に放電する組電池とを具備した電源設備において、
該組電池を構成する各単電池の期待寿命時間経過後に内部抵抗値を測定し、該単電池の運用開始前の初期の内部抵抗値からの内部抵抗上昇率値を求める第1演算手段と、
該単電池の期待寿命時間経過後の経過年数から算出する劣化加速係数値を求める第2演算手段と、
該第1演算手段により得られた内部抵抗上昇率値と、該第2演算手段により得られた劣化加速係数値との積を演算し、該単電池の劣化係数値を求める第3演算手段と、
該単電池の要交換と判定する内部抵抗値の入力されたテーブルを参照して、単電池の得られた劣化係数値と交換すべき規定値とを比較し、得られた劣化係数値が交換すべき規定値以上か未満かを判断する比較判断手段とで構成することを特徴とする組電池における単電池の交換時期判定装置。
該第2演算手段は、期待寿命時間経過後の経過時間に対応して増大する値として、等差級数的に増大する値、或いは等比級数的に増大する値を使用して計算することを特徴とする請求項1に記載の組電池における単電池の交換時期判定装置。