JP6632918B2 - 二次電池の劣化判定装置 - Google Patents
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Description
特許文献1,2の技術は、いずれも、バッテリからなる電源の全体を計測するものであり、個々のバッテリ、つまり個々のセルの計測を行うものではない。そのため、劣化判定の精度が低く、また劣化した個々のバッテリを特定することができない。
しかし、リップル電流の発生手段につき、構造が簡単で安価に製作できるものが提案されるに至っていない。
前記各バッテリ2に個別に接続された複数の電圧センサ7と、
前記バッテリ群3と並列に接続された電流制限用抵抗26とスイッチング素子27の直列回路からなる放電回路9と、
前記放電回路9を流れる電流がパルス状ないし正弦波状の電流となるように前記スイッチング素子27を開閉駆動する放電制御手段11eと、
前記各電圧センサ7の計測値を用いて前記電圧センサ7が設けられた前記バッテリ2の内部抵抗を算出する内部抵抗演算部13aと、
この内部抵抗演算部13aで算出した内部抵抗を用いて前記バッテリ2の劣化を判定する判定部13bとを備える。電源1は、例えばデータセンタまたは携帯電話基地局に装備される非常用の電源である。
バッテリ2に交流成分を生じさせる手段が必要であるが、放電によって計測用の電流を生成する。すなわち、スイッチング素子27を放電制御手段11eによって、放電回路9を流れる電流がパルス状ないし正弦波状の電流となるように開閉駆動する。そのため、商用電源やこの商用電源から計測用電流を作る電源装置が不要であり、計測用電流を生成する手段が、電流制限抵抗26とスイッチング素子27とで構成された放電回路9による簡易でコンパクトな構成ですむ。
このように、各バッテリ2の劣化を精度良く判定することができ、電圧等の検出から判定までを行う手段、および計測用電流を生成する手段のいずれもが簡素であり、全体として簡素で安価に製造可能な二次電池の劣化判定装置となる。
電圧の計測だけであっても、電流を一定値に仮定することなどで、内部抵抗の算出が可能ではあるが、バッテリ2に実際に流れる電流を計測し、電圧と電流との両方を求めることで、内部抵抗をより一層精度良く算出することができる。直列に並んだ各バッテリに流れる電流は同じであるため、電流センサ8はバッテリ群3毎に1つ設けられていれば足りる。
なお、電流センサ8は1つとし、例えばバッテリ郡3の並列回路と充電回路6との間に介在させても良い。
このように、各電圧センサ7の計測した前記計測値を、実効値または平均値に変換し、送信するため、電圧波形の信号を送る場合に比べて飛躍的に送信データ量が少なくて済む。バッテリ2の内部抵抗の算出は実効値または平均値で精度良く行える。
無線通信によりデータの受け取り受け渡しをする構成であると、数十から数百個のバッテリ2を備える非常用の電源1であっても、各バッテリ2につき、電気的に基準電位(グランドレベル)を気にする必要がない。そのため、差動演算や絶縁トランスの必要がない。また、複数ある個々の電圧センサ7の計測値を無線で送信するため、複雑な配線の必要がない。これらにより、簡単で安価な構成とできる。
前記各バッテリに個別に接続されこのバッテリに印加された電圧の交流成分の電圧を計測する複数の電圧センサと、前記バッテリ群と並列に接続された電流制限用抵抗とスイッチング素子の直列回路からなる放電回路と、前記放電回路を流れる電流がパルス状ないし正弦波状の電流となるように前記スイッチング素子を開閉駆動する放電制御手段と、前記各電圧センサの計測値を用いて前記電圧センサが設けられた前記バッテリの内部抵抗を算出する内部抵抗演算部と、この内部抵抗演算部で算出した内部抵抗を用いて前記バッテリの劣化を判定する判定部とを備えるため、判定対象の電源における前記各バッテリの劣化を精度良く判定することができ、かつ構成が簡素で安価に製造することができ、特に交流成分を含む計測用電流の生成手段が簡素でコンパクトな構成で済む。
非常用の電源1の正電位は、主電源5の正電位よりも低く、通常は負荷4には流れないが、主電源5が停止または機能低下すると、主電源5側の電位が低下することから、非常用の電源1に蓄電した電荷により、ダイオード15を介して負荷4に給電される。なお、上記のように充電回路6を接続した充電形式は、トリクル充電形式と呼ばれる。
また、この実施形態では、バッテリ2の周囲の温度やバッテリの温度を計測する温度センサ18が設けられ、電圧センサ7と、温度センサ18とでセンサユニット17を構成している。温度センサ18の検出温度は、電圧センサ7の前記実効値または平均値による電圧計測値と共に、センサ毎無線通信手段10でコントローラ9へ送信される。
データサーバ13は、前記通信網12や他の通信網により、遠隔地のパーソナルコンピュータ(図示せず)等と通信可能であり、どこからでもデータ監視できる。
図1に示すように、各電流センサ8は、主コントローラ11Aに配線で接続され、その電流の計測値は図2の前記転送部11dから電圧計測値と共に転送される。
前記主コントローラ11Aの前記コマンド送信部11cは、自己でコマンドを生成しても良いが、この実施形態では、データサーバ13から送信された計測開始コマンドに応答して各電圧センサ7のセンサ毎無線通信手段10へ前記計測開始コマンドを転送する。
なお、主コントローラ11Aまたは電流センサ8に、この電流センサ8の計測値を実効値または平均値に換算する換算部(図示せず)が設けられている。
判定部13bは、閾値が設定され、算出された内部抵抗が閾値以上であると劣化と判定する。前記閾値は、複数、例えば2〜3段階に設けられ、複数段階の劣化判定を行う。
判定部13bは、判定結果を、前記通信網12を介して、または専用の配線を介してモニタ14に表示させる機能を有する。
データサーバ13は、この他に、主コントローラ11Aへ計測開始コマンドを送信するコマンド送信部13cと、主コントローラ11Aから送信された電圧計測値などのデータを格納するデータ格納部13dとを有している。
また、この実施形態ではバッテリ郡3毎に電流センサ8を設けているが、電流センサ8はこの劣化判定装置の全体で1つとし、例えばバッテリ郡3の並列回路と充電回路6との間に介在させても良い。以下の各実施形態においても電流センサ8を一つとしても良い。
バッテリ2に交流成分を生じさせる手段が必要であるが、放電によって計測用の電流を生成する。すなわち、スイッチング素子27を放電制御手段11eによって、パルス状ないし正弦波状の電流となるように開閉駆動する。そのため、商用電源から計測用電流を作る電源装置が不要であり、計測用電流を印加する手段が、電流制限抵抗26とスイッチング素子27とで構成された放電回路9による簡易でコンパクトな構成ですむ。
このように、各バッテリ2の劣化を精度良く判定することができ、電圧等の検出から判定までを行う手段、および計測用電流を印加する手段のいずれもが簡素であり、全体として簡素で安価に製造可能な二次電池の劣化判定装置となる。
この送信以降の処理と並行して、待機部11dにより待機時間の終了判定(ステップS20)および待機時間のカウント(ステップS22)を行う。設定された待機時間が終了すると、放電回路9を動作させる(ステップS21)。
バッテリ2の内部抵抗の算出については、電圧の計測だけであっても、電流を一定値に仮定することなどで可能ではあるが、バッテリ2に実際に流れる電流を計測し、電圧と電流との両方を求めることで、内部抵抗をより一層精度良く算出することができる。直列に並んだ各バッテリ2に流れ電流は同じであるため、電流センサ8はバッテリ群3毎に1つ設ければ足りる。
この場合に、前記コントローラ11は、前記各電圧センサ7に計測開始コマンドを同時にシリアル伝送またはパラレル伝送で送信し、各電圧センサ7は、計測開始遅延時間経過後に同時に計測を行う。計測終了後、前記コントローラ11は、順に前記各電圧センサ7にデータ送信の要求コマンドを送信し、コマンドを受けた電圧センサ7がデータを送信し、以上を繰り返すことで、データ通信を行ってもよい。この発明において、前記コントローラ11は、データ送信要求コマンドの送信から一定時間後に、データ受信できなかった前記電圧センサ7に対し再送信要求を行うようにして良い。
別の例として、各電圧センサ7毎に定められた計測開始遅延時間だけ経過後に計測を行うようにする場合、各センサ毎無線通信手段10へ同時に計測開始コマンドを送信しても、多数ある各電圧センサ7の計測を、無線送受に支障がないように順に行い、送信することかできる。例えば、送信開始コマンドはグローバルコマンドであり、電圧センサ7は同時に取得する。
前記コントローラ11は、算出した前記内部抵抗の大きさに応じて複数段階の警報を出力するため、バッテリ交換の必要性の緊急度がわかり、無駄なバッテリ交換を行うことなく、保守の計画や準備が円滑かつ迅速に行える。
この構成の場合も、上記実施形態と同様に、判定対象の電源1における前記各バッテリ2の劣化を精度良く判定することができ、かつ構成が簡素で安価に製造することができ、特に交流成分を含む計測用電流の生成手段が簡素でコンパクトな構成で済むと言う利点が得られる。その他の構成、効果は、図1〜3と共に前述した第1の実施形態と同様である。
図5において、電源1は、バッテリ群3が直列に接続され、このバッテリ群3の直列接続体3Aが複数並列に接続されている。各バッテリ群3の直列接続体3Aの間で、互いに対応する個々の前記バッテリ群3の間の部位aは相互に接続されていて、前記バッテリ群3の直列接続体3Aにおける一つのバッテリ群3毎にバッテリ群3の並列接続体3Bを成す。この一つのバッテリ群3の並列接続体3B毎に前記放電回路9が設けられている。
しかし、この実施形態のようにバッテリ2の直列接続体を直列方向に二つに分割された構成とすることで、前記放電回路26における測定電流印加用のパワー素子である前記スイッチング素子27に、耐圧の低いものが使用できる。
2…バッテリ
3…バッテリ群
3A…直列接続体
3B…並列接続体
4…負荷
5…主電源
5A,5B…端子
6…充電回路
7a…センサ機能部
7b…演算処理部
7ba…制御部
7bb…遅延部
7bc…変換部
7c…直流検出部
8…電流センサ
9…放電回路
10…センサ毎無線通信手段
11…コントローラ
11A…主コントローラ
11a…受信部
11b…転送部
11c…コマンド送信部
11d…待機部
11e…放電制御手段
12…通信網
13…データサーバ
13a…内部抵抗計算部
13b…判定部
14…モニタ
15…ダイトオード
17…センサユニット
18…温度センサ
19…アンテナ
25…開閉スイッチ
26…電流制限用抵抗
27…スイッチング素子
Claims (5)
- それぞれ二次電池である複数のバッテリが直列接続されたバッテリ群が複数並列に接続されまたは単独で設けられて負荷に接続される電源における前記各バッテリの劣化を判定する二次電池の劣化判定装置であって、
前記各バッテリに個別に接続されこのバッテリに印加された電圧の交流成分の電圧を計測する複数の電圧センサと、
前記バッテリ群と並列に接続された電流制限用抵抗とスイッチング素子の直列回路からなる放電回路と、
前記放電回路を流れる電流がパルス状ないし正弦波状の電流となるように前記スイッチング素子を開閉駆動する放電制御手段と、
前記各電圧センサの計測値を用いて前記電圧センサが設けられた前記バッテリの内部抵抗を算出する内部抵抗演算部と、
この内部抵抗演算部で算出した内部抵抗を用いて前記バッテリの劣化を判定する判定部とを備える、
二次電池の劣化判定装置。 - 請求項1に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記各バッテリ群毎に電流センサが接続され、前記内部抵抗演算部は、前記電圧センサの計測値共に前記電流センサの計測値を用いて前記内部抵抗を演算する二次電池の劣化判定装置。
- 請求項1または請求項2に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記各電圧センサは、計測した電圧値を実効値または平均値に換算する変換手段を有し、劣化判定手段は前記各電圧センサの出力する前記実効値または平均値を用いて前記内部抵抗の算出を行う二次電池の劣化判定装置。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記各電圧センサの計測した前記電圧の計測値を無線で送信するセンサ毎無線通信手段を備える二次電池の劣化判定装置。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記電源は、前記バッテリ群が複数直列に接続され、このバッテリ群の直列接続体が複数並列に接続され、これら各バッテリ群の直列接続体が複数並列に接続され、かつ各バッテリ群の直列接続体の間で、互いに対応する個々の前記バッテリ群の間の部位が相互に接続されていて、前記バッテリ群の直列接続体における一つのバッテリ群毎にバッテリ群の並列接続体を成し、この一つのバッテリ群毎の並列接続体毎に前記放電回路が設けられた二次電池の劣化判定装置。
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