JP5862815B1

JP5862815B1 - バッテリ寿命検出装置、蓄電装置、バッテリ寿命検出方法及びプログラム

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Publication number: JP5862815B1
Application number: JP2015044782A
Authority: JP
Inventors: 陽一水子
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2035-03-06
Also published as: JP2016164512A

Abstract

【課題】放電回数の増加を抑えつつ放電時間を検出することで精度良くバッテリ寿命を検出する。【解決手段】バッテリ寿命検出装置は、バッテリの所定の充電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいてバッテリの寿命が第１の段階に到達したことを検出する第１寿命検出部を備える。バッテリ寿命検出装置は、さらに、バッテリの寿命が第１の段階に到達したことが検出された場合に、バッテリの所定の放電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいてバッテリの寿命が第２の段階に到達したことを検出する第２寿命検出部を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ寿命検出装置、蓄電装置、バッテリ寿命検出方法及びプログラムに関する。

バッテリの寿命検出に係る技術が特許文献１〜３に記載されている。特許文献１に記載されている技術では、バッテリが寿命に近づくと容量が低下するという特性を利用し、定電流充電において充電時間が短くなった場合にバッテリが寿命に到達したと検出する。また、特許文献２に記載されている技術では、バッテリが劣化した場合に内部抵抗が増加する特性があることを利用し、定電圧充電において充電時間が長くなった場合にバッテリが寿命に到達したと検出する。また、特許文献３に記載されている技術では、バッテリが寿命に近づくと容量が低下するという特性を利用し、放電時間が短くなった場合にバッテリが寿命に到達したと検出する。

特開平５−１６８１６２号公報特開２０１４−５３１７３号公報特開平５−２６９８８号公報

特許文献１及び２に記載されているように充電時間に基づいてバッテリの寿命を検出する場合、寿命検出の精度が低くなりやすいという課題がある。充電時間は、例えば、ある一定の充電状態から、満充電等の他の一定の充電状態に達するまでの時間として計測される。ここで、バッテリの満充電状態は比較的精度良く検出することができる。しかし、計測を開始する際の充電状態は、自然放電等の影響があるため、精度良く認識することは難しい。このため、充電時間に基づくバッテリの寿命の検出は精度が低くなりやすい。これに対し、特許文献３に記載されている強制放電時の放電時間は比較的精度良く計測することができる。

しかしながら、特許文献３に記載されている強制放電時の放電時間に基づく寿命検出には次のような課題がある。すなわち、バッテリの寿命は充放電回数に依存する。したがって、強制放電を行うと、その分寿命が短くなるという課題がある。

本発明の目的は、上述した課題を解決するバッテリ寿命検出装置、蓄電装置、バッテリ寿命検出方法及びプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るバッテリ寿命検出装置は、バッテリの所定の充電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第１の段階に到達したことを検出する第１寿命検出部と、前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことが検出された場合に、前記バッテリの所定の放電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第２の段階に到達したことを検出する第２寿命検出部と、を備える。

また、本発明の一態様に係る蓄電装置は、上記のバッテリ寿命検出装置と、バッテリとを備える。

また、本発明の一態様に係るバッテリ寿命検出方法は、第１寿命検出部によって、バッテリの所定の充電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第１の段階に到達したことを検出し、第２寿命検出部によって、前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことが検出された場合に、前記バッテリの所定の放電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第２の段階に到達したことを検出する。

また、本発明の一態様に係るプログラムは、バッテリの所定の充電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第１の段階に到達したことを検出し、前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことが検出された場合に、前記バッテリの所定の放電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第２の段階に到達したことを検出する処理をコンピュータに実行させる。

上述した少なくとも１つの態様によれば、放電回数の増加を抑えつつ放電時間を検出することで精度良くバッテリ寿命を検出することができる。

本発明の実施形態の基本構成を示すブロック図である。本発明の実施形態を説明するためのブロック図である。図２に示した実施形態の動作例を説明するための説明図である。図２に示した実施形態の動作例を説明するためのフローチャートである。図２に示した実施形態の動作例を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態の基本構成を示すブロック図である。図１に示したバッテリ寿命検出装置１は、第１寿命検出部１１と、第２寿命検出部１２とを備える。第１寿命検出部１１は、バッテリの所定の充電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいてバッテリの寿命が第１の段階に到達したことを検出する。第２寿命検出部１２は、バッテリの寿命が第１の段階に到達したことが検出された場合に、バッテリの所定の放電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいてバッテリの寿命が第２の段階に到達したことを検出する。ここで、バッテリの寿命における第１の段階とは、バッテリの寿命が近いことが予測される段階である。また、バッテリの寿命における第２の段階とは、バッテリの寿命が完全に尽きた（必ず交換すべき）段階である。図１に示したバッテリ寿命検出装置１によれば、放電時間を検出することで精度良くバッテリ寿命を検出することができる。その際、第１の段階と第２の段階との２段階の寿命検出を行っているので、放電回数を容易に減らすことができる。

次に、図２〜図５を参照して、本発明のさらに具体的な実施形態について説明する。図２は、本実施形態をサーバ１０として構成した場合の実施形態を示すブロック図である。図２に示したサーバ１０は、ＰＳＵ（Power Supply Unit；電源ユニット）１１と、バッテリバックアップユニット１２と、ＢＭＣ（Baseboard Management Controller）１３と、マザーボード１４とを備える。

ＰＳＵ１１は、商用電源をＡＣ入力から入力し、所定の電圧の直流電源を生成し、マザーボード１４等の各部に対して供給する。

バッテリバックアップモジュール１２は、バッテリ１２１と、充電部１２２と、強制放電部１２３とを備える。バッテリバックアップモジュール１２は、ＰＳＵ１１と互いのＤＣ出力を接続し、障害時にＰＳＵ１１に代わり直流電源を給電をする。バッテリ１２１は２次電池である。充電部１２２は、例えばＢＭＣ１３の指示に応じてＰＳＵ１１のＤＣ出力を電源としてバッテリ１２１を充電する。強制放電部１２３は、例えばＢＭＣ１３の指示に応じて所定の負荷を用いてバッテリ１２１を放電する。

ＢＭＣ１３は、サーバ管理チップであり、プロセッサ、主記憶装置、補助記憶装置、入出力装置、通信装置等を備えている。ＢＭＣ１３は、補助記憶装置に記憶されている所定のプログラムを実行することで、サーバ１０の電源制御や環境監視を行う。本実施形態において、ＰＳＵ１１、バッテリバックアップモジュール１２及びＢＭＣ１３は、ＩＰＭＩ（IntelligentPlatformManagementInterface）に準拠した入出力インタフェースを備える。ＢＭＣ１３は、ＩＰＭＩ経由で、ＰＳＵ１１の動作及びバッテリバックアップモジュール１２の動作を監視したり制御したりする。

ＢＭＣ１３は、図１を参照して説明したバッテリ寿命検出装置１としての機能を備えている。この場合、ＢＭＣ１３内にソフトウェア的に構成されたバッテリ寿命検出装置１は、第１寿命検出部１１及び第２寿命検出部１２に加え、充電制御部１３と、強制放電制御部１５とを備える。

図２に示した構成において、第１寿命検出部１１及び第２寿命検出部１２は図１に示した構成に対応する。図２に示した第１寿命検出部１１は、充電制御部１３を介して充電部１２２を制御してバッテリ１２１の所定の充電に要する時間を計測する。この場合、第１寿命検出部１１は、充電が開始されてから満充電となるまでに要する充電時間を所定の充電に要する時間として計測する。そして、第１寿命検出部１１は、その充電時間に基づいてバッテリ１２１の寿命が第１の段階に到達したことを検出する。

また、第２寿命検出部１２は、バッテリ１２１の寿命が第１の段階に到達したことが検出された場合に、強制放電制御部１５を介して強制放電部１２３を制御してバッテリ１２１の所定の放電に要する時間を計測する。この場合、第２寿命検出部１２は、強制放電が開始されてからバッテリ１２１の残量が予め規定された判定閾値以下となるまでに要する放電時間を所定の放電に要する時間として計測する。そして、第２寿命検出部１２は、その放電時間に基づいてバッテリの寿命が第２の段階に到達したことを検出する。

また、充電制御部１３は、バッテリ１２１の残量が予め規定された判定閾値以下となった場合に充電部１２２を制御してバッテリ１２１の充電を行う。

また、強制放電制御部１５は、バッテリの寿命が第１の段階に到達したことが検出された場合に、第１寿命検出部１１及び第２寿命検出部１２の指示に従い、充電部１２２によってバッテリ１２１を満充電とした後に強制放電部１２３によって強制放電する。

また、第２寿命検出部１２及び強制放電制御部１５は、バッテリ１２１の寿命が第１の段階に到達したことが検出された場合に、強制放電及び放電時間の計測を定期的に実施する。

また、第１寿命検出部１１は、充電時間が、バッテリ１２１の最初の充電時に計測した充電時間に基づいて規定された充電時間判定閾値以下であった場合に、バッテリの寿命が第１の段階に到達したことを検出する。

また、第２寿命検出部１２は、放電時間が、バッテリ１２１の最初の放電時に計測した放電時間に基づいて規定された放電時間判定閾値以下であった場合に、バッテリ１２１の寿命が第２の段階に到達したことを検出する。

また、マザーボード１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央処理装置）等のプロセッサと、主記憶装置、通信装置等を備え、所定の補助記憶装置に記憶されているＯＳ（オペレーティングシステム）、アプリケーションソフトウェア等のプログラムを実行する。

本実施形態において、バッテリバックアップモジュール１２は、その入出力端子をＰＳＵ１１の出力側に接続しており、バッテリ１２１の残量が足らない時は、ＰＳＵ１１の出力側から給電してバッテリ１２１の充電を行う。本サーバ１０の導入直後ではバッテリバックアップモジュール１２は充電されていない状態であり、満充電となるまで充電が行われる。そして、充電が完了するとバッテリバックアップモジュール１２はＰＳＵ１１の瞬時電圧低下時のバックアップ電源として機能する。このバッテリバックアップモジュール１２は、ＰＳＵ１１の瞬時電圧低下が発生して放電したり、自然放電などで充電容量が低下したりし、ある残量まで下がるとＢＭＣ１３の監視において自動で充電動作を行う。

本実施形態では、バッテリバックアップモジュール１２が充電動作を開始する閾値は残量７０％としている。通常、電池は経年劣化をすると充電時間が短くなる。本実施形態では、この特性を用いて、バッテリ１２１を充電するときに、図３に示したように、残量７０％から満充電になるまでの時間ｄｔをＢＭＣ１３によって毎回監視する。そして、ＢＭＣ１３によってその時間が短くなったことを検出することで、バッテリ１２１の寿命到達を予測する（第１の段階の検出）。なお、図３は、バッテリ１２１の容量の時間変化を模式的に示した図である。

ＢＭＣ１３は、充電時間が短くなったことを検出したら、バッテリ１２１が寿命に到達しつつあると判断し、それ以降は、ＢＭＣ１３は定期的にヘルスチェックを行う。ヘルスチェックでは、ＢＭＣ１３からＩＰＭＩを通じた指示により、バッテリ１２１の強制チャージ（充電）と強制ディスチャージ（放電）を行い、満充電から残量７０％までの放電時間を計測する。ＢＭＣ１３はこのヘルスチェックで毎回放電時間の計測を行い、その短さが閾値を超えた場合にＢＭＣ１３はバッテリ１２１が寿命に到達したと判断し（第２の段階の検出）、所定の出力先に対してアラームを出力する。

次に、図２に示したバッテリ寿命検出装置１の動作について、図４及び図５のフローチャートを使い説明する。図４は、第１寿命検出部１１の動作を示し、図５は、第２寿命検出部１２の動作を示す。図４に示した処理は、サーバ１０の初回起動時に実行されるとともに、それ以降所定の時間間隔（例えば数時間毎）で繰り返し実行される。また、図５に示した処理は、所定の時間間隔（例えば数日毎）で繰り返し実行される。

図４に示した処理が開始されると、第１寿命検出部１１は、残量が７０％まで下がったことを検出すると（ステップＳ１０１で「Ｙ」）、時刻を記録するとともに充電開始を指示をする（ステップＳ１０２及びＳ１０３）。第１寿命検出部１１は、満充電に達すると（ステップＳ１０４）、その時刻を記録する（ステップＳ１０５）。次に、第１寿命検出部１１は、ステップＳ１０５で記録した充電終了時刻からステップＳ１０３で記録した開始時刻を引いて充電にかかった時間を算出する（ステップＳ１０６）。なお、ステップＳ１０６では、第１寿命検出部１１は、充電時間を初めて算出した際すなわち最初にサーバ１０を起動した際に、その算出結果を所定の補助記憶装置に記録する。

第１寿命検出部１１は、一番初めにサーバ１０を起動したときに記録した充電時間に対しそれ以降の充電にかかった時間が１／３で終わったときは、電池の寿命に到達した可能性があると判断する（ステップＳ１０７で「Ｙ」）。そして、第１寿命検出部１１は、ヘルスチェックモードフラグを１として、ヘルスチェックモードへ移行する（ステップＳ１０８）。ここで、ヘルスチェックモードとは、強制放電を伴う第２寿命検出部１２による寿命検出処理を定期的に実行するモードである。

一方、残量が７０％まで下がっていない場合（ステップＳ１０１で「Ｎ」）又は充電時間が初回に計測された時間の３分の１未満でない場合（ステップＳ１０７で「Ｎ」）は、第１寿命検出部１１は、ヘルスチェックモードへ移行せず、処理を終了する。

次に、図５に示したフローチャートにおいて、第２寿命検出部１２は、ヘルスチェックモードの場合（ステップＳ２０１で「Ｙ」）は、ディスチャージ時間を計測するために強制チャージ指示（充電指示）を行う（Ｓ２０２）。次に第２寿命検出部１２は、繰り返し残量を確認し（ステップＳ２０３及びＳ２０４で「Ｎ」の繰り返し）、フル充電になると時刻を記録する（ステップＳ２０４で「Ｙ」からステップＳ２０５）。

次に第２寿命検出部１２は、強制ディスチャージ指示（放電指示）を行う（ステップＳ２０６）。次に第２寿命検出部１２は、繰り返し残量を確認し（ステップＳ２０７及びＳ２０８で「Ｎ」の繰り返し）、残量７０％になると時刻を記録する（ステップＳ２０８で「Ｙ」からステップＳ２０９）。次に第２寿命検出部１２は、ステップＳ２０９で記録した放電終了時刻からステップＳ１０５で記録した開始時刻を引いて放電時間を算出し、記録する（ステップＳ２１０）。

次に第２寿命検出部１２は、ステップＳ２１０で算出した放電時間が新品時の１／２まで短くなっていた場合、バッテリが寿命に達したものと判断し（ステップＳ２１１で「Ｙ」）、アラームを上げて処理を終了する（ステップＳ２１２）。

一方、ヘルスチェックモードでない場合（ステップＳ２０１で「Ｎ」）又は放電時間が新品時の２分の１未満でない場合（ステップＳ２１１で「Ｎ」）は、第２寿命検出部１２は、アラーム信号を出力せず、処理を終了する。

なお、ステップＳ２１１で判断の基準とした新品時の放電時間は、バッテリ１２１の仕様上の値としたり、最初にステップＳ２１０で算出した放電時間としたりすることができる。

図２に示したバッテリ寿命検出装置１によれば、放電時間を検出することで精度良くバッテリ寿命を検出することができる。その際、第１の段階（ヘルスチェックモードへの移行判定）と第２の段階（放電時間による定期的な判定）との２段階の寿命検出を行っているので、放電回数を容易に減らすことができる。

本実施形態によれば次の効果を得ることはできる。本実施形態の１つ目の効果は、実際の使用環境下で電池の容量の変化を監視することで、より正確に電池の寿命到達を知ることができることである。

２つ目の効果は、通常の充電時にそれにかかる時間から寿命を予測することで、当初から定期的にヘルスチェック（放電を伴うチェック）を行うよりも充放電回数を削減できることである。これにより、ヘルスチェックのために不必要に充放電を行う必要がなくなり、より永く電池を使い続けることが可能になる。

３つ目の効果は、残量・寿命を測定する際に、電圧を監視しなくても良い点である。電圧を監視する場合は出力に監視用の抵抗を入れる必要があり、これが電圧をドロップさせたり、余分なエネルギー消費をさせたりしていたが、本実施形態によってこれらの影響を排除することができる。

なお、本発明の適用分野は上記のものに限定されない。すなわち、図２に示した実施形態は、商用電源に繋がれたサーバ１０が瞬時電圧低下でダウンすることを防ぐために設けられたバッテリバックアップモジュール１２の寿命監視が目的であった。しかし、本発明は、電源を補助するためにバッテリを有する装置には応用が可能である。例えば、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply；無停電電源）装置に対して本発明を適用することができる。すなわち、ＵＰＳの電池の寿命監視に本発明を適用することができる。この場合、ＵＰＳのコントローラが充電時に充電時間を計測するようにする。そして、ＵＰＳのコントローラが、ある閾値を超えて充電時間が短くなった場合にヘルスチェックモードに移行して放電時間を定期的に計測する。この構成によって寿命を監視することで不要な充放電なく寿命監視が可能になる。

また、サーバ関連以外でも、電力会社の蓄電設備や家庭用蓄電設備等の蓄電装置のヘルスチェックに本方式を用いることも可能である。

なお、本実施形態によれば次のような課題を解決することができる。すなわち、通常、バッテリの寿命はメーカの仕様である程度規定されているが、それはある決められた条件下でのスペック値であり、実際の寿命は使われ方によって変化する。また、一般的に充放電を繰り返してゆき、バッテリの性能が半分位になる目安は５００回位と言われているが、これも条件により変化する。このため、実運用下ではいつ寿命に達するかを正確に予想することは困難である。例として、あるバッテリメーカが規定しているバッテリ製品の寿命は３年と謳われているが、これは１日１回の充放電を繰り返した条件下での値である。しかし、実際の使われ方は３６５日連続稼働であるため、実運用下での充放電はそれよりも少なく、３年以上の稼働は可能なはずである。しかしながら実際の運用状態を反映して寿命を判断する場合には電池の寿命到達をいち早く検出し、早めの予防交換を促す必要がある。本実施形態によれば、実際に使用する環境下で、バッテリの寿命を正確に予測し、精度良く寿命到達のアラームを挙げることが可能となる。

なお、本発明の実施形態は上記のものに限定されない。例えば、図１又は図２に示した各ブロックは、適宜統合したり、分割あるいは分散したりすることができる。また、図２において、バッテリ寿命検出装置１の構成要素の全部又は一部をバッテリバックアップモジュール１２内あるいはマザーボード１４上の半導体装置に備えさせてもよい。また、本実施形態が有するプロセッサが実行するプログラムの一部または全部はコンピュータ読取可能な記録媒体あるいは通信回線を介して頒布することができる。

１バッテリ寿命検出装置
１１第１寿命検出部
１２第２寿命検出部
１３充電制御部
１５強制放電制御部
１２１バッテリ

Claims

バッテリの所定の充電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第１の段階に到達したことを検出する第１寿命検出部と、
前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことが検出された場合に、前記バッテリの所定の放電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第２の段階に到達したことを検出する第２寿命検出部と、
を備えるバッテリ寿命検出装置。
前記バッテリの残量が予め規定された判定閾値以下となった場合に充電を行う充電制御部と、
前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことが検出された場合に、前記バッテリを満充電とした後に強制放電を行う強制放電制御部と、
をさらに備え、
前記第１寿命検出部が、前記充電が開始されてから満充電となるまでに要する充電時間を前記バッテリの所定の充電に要する時間として計測し、当該充電時間に基づいて前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことを検出し、
前記第２寿命検出部が、前記強制放電が開始されてから前記バッテリの残量が予め規定された判定閾値以下となるまでに要する放電時間を前記前記バッテリの所定の放電に要する時間として計測し、当該放電時間に基づいて前記バッテリの寿命が前記第２の段階に到達したことを検出する
請求項１に記載のバッテリ寿命検出装置。
前記強制放電制御部及び第２寿命検出部は、
前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことが検出された場合に、前記強制放電及び前記放電時間の計測を定期的に実施する
請求項２に記載のバッテリ寿命検出装置。
前記第１寿命検出部は、
前記充電時間が、前記バッテリの最初の充電時に計測した前記充電時間に基づいて規定された充電時間判定閾値以下であった場合に、前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことを検出する
請求項２又は３に記載のバッテリ寿命検出装置。
前記第２寿命検出部は、
前記放電時間が、前記バッテリの最初の放電時に計測した前記放電時間に基づいて規定された放電時間判定閾値以下であった場合に、前記バッテリの寿命が前記第２の段階に到達したことを検出する
請求項２〜４のいずれか１項に記載のバッテリ寿命検出装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリ寿命検出装置と、
バッテリと
を備える蓄電装置。
第１寿命検出部によって、バッテリの所定の充電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第１の段階に到達したことを検出し、
第２寿命検出部によって、前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことが検出された場合に、前記バッテリの所定の放電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第２の段階に到達したことを検出する
バッテリ寿命検出方法。
バッテリの所定の充電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第１の段階に到達したことを検出し、
前記バッテリの寿命が前記第１の段階に到達したことが検出された場合に、前記バッテリの所定の放電に要する時間を計測し、その計測時間に基づいて前記バッテリの寿命が第２の段階に到達したことを検出する
処理をコンピュータに実行させるプログラム。