JPH06337283A

JPH06337283A - バッテリーの寿命判定方法及び装置

Info

Publication number: JPH06337283A
Application number: JP5148394A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Minamino; 郁夫南野
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1994-12-06

Abstract

(57)【要約】【目的】たとえ寿命判定中，或いは判定後に停電が発
生しても実負荷に対して充分なバックアップを行うこと
ができる寿命判定装置を提供すること【構成】第１〜第３のバッテリー１１ａ〜１１ｃを直
列接続することによりバッテリー群１１が構成され、負
荷１２へ電力供給可能とする。第１のバッテリー１１ａ
で１のグループを、第２，第３のバッテリー１１ｂ，１
１ｃで別のグループを構成し、両グループ間に配置され
たＤＣ−ＤＣコンバータ１４により（昇圧比Ｋを調整し
て）、両者間での充電／放電が行われる。そして第１の
バッテリーを放電した時の放電電流，端子電圧を寿命判
定部１７に送り、劣化したか否かを判断する。また、こ
の時放電された電荷は、コンバータを介して第２，第３
のバッテリーに蓄積され、判定終了後に第１のバッテリ
ーに戻す。よって、バッテリー群には常に所定の電荷が
蓄積され、急な停電にも対処できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バッテリーの寿命判定
方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】充電が行えるバッテリー（蓄電池）は、
無停電電源システム（ＵＰＳ）や、車載並びに太陽光発
電システム等様々な分野に利用されている。そして、そ
のバッテリーは、容器本体内に電解液を充填するととも
にその電解液内に電極を挿入配置した構成となってい
る。

【０００３】ところで上記バックアップ用のバッテリー
は、使用条件にもよるがその寿命は３〜５年である。そ
して、寿命がきたなら十分なバックアップを行うことが
できない（容量不足，短時間に放電される）ため、適当
なタイミングで新品のバッテリーに交換しなければなら
ない。一方、未だ使用に耐え得るバッテリーを交換して
しまうことは、不経済である。そこで、バッテリーの寿
命判定を行う必要が生じる。

【０００４】係る寿命判定装置として従来例えば特開平
２−５５５３６号公報に開示されるように、まず平常時
（商用電源から負荷に対して電力供給している時）にバ
ッテリーに対しても浮動充電等の方法で充電し、満充電
状態（残存容量１００％）にする。そして、疑似停電を
発生させてバッテリーからＵＰＳの負荷としてつながっ
ているパソコンやＣＲＴを放電負荷として電力を供給す
る。この放電中のバッテリーの端子電圧を測定し、その
電圧が所定の電圧（しきい値）に降下した時までの放電
電流の積分量を求め、その積分量が所定量に達していた
か否かにより寿命か否かの判定をするようにしている。

【０００５】そして、上記の寿命判定は、例えば１月に
１回等適当なタイミングで行い、寿命判定の結果劣化し
て寿命と認められた場合には新しいバッテリーと交換
し、一方、劣化していない場合には、疑似停電を解除し
て商用電源から負荷へ電力供給をすると同時にバッテリ
ーに対して充電し、バックアップに供えるようになる。

【０００６】なお、上記のバッテリーは、セルと称され
る単位で形成されその１個あたりの起電力は、種類によ
っても異なるが１．２〜２．０［Ｖ］程度である。従っ
て、通常は必要な起電力を得るために係るバッテリーを
複数直列に接続して使用する。なお、１つのバッテリー
内には単セルと称し１つのセルが内蔵されるものもあれ
ば、車載用バッテリー等のように、１つのバッテリー内
に複数のセルが直列接続された状態で内蔵され所定の起
電力を発揮するものもある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の寿命判定装置では、判定時にバッテリーから実
負荷に対して電力供給を行うため、バッテリーの残存容
量は減少する。従って、寿命判定を行っているとき（放
電中）に停電が起こった場合には、バッテリー内に十分
な電荷が蓄えられておらず、所定時間バックアップを行
うことができなくなる。

【０００８】特に、常時稼働しているコンピュータその
他の電気機器のバックアップ用や電力発電システム等に
使用するバッテリーの場合には上記問題が顕著となる。
また、パソコン等のＵＰＳの場合には、パソコンを使用
しない時を選んで上記寿命判定を行えば、バッテリーの
残存容量不足によるバックアップ不能になるおそれはな
いが、寿命判定のための処理を作業者が行わなければな
らず煩雑で判定をし忘れて寿命がきたのにも拘らずその
まま使用し続ける事態を生じるおそれもある。

【０００９】さらに、実負荷に対して電力供給している
が、係る実負荷の変動（必要な消費電力の変動）にとも
ない放電電流も変動してしまい、それにともないバッテ
リーの端子電圧も変動する。すると、所定量放電したの
ではなく、負荷変動により瞬間的に電圧が上記しきい値
以下になった場合には、その時までの電流の積算量に基
づいて判定がなされることになり、正確な判定をするこ
とができない。

【００１０】また、電力（発電）用等の容量が大きいも
のの場合には、例えば判定対象のバッテリを、バッテリ
ー群から取り外し（その間は予備のバッテリーを接続し
ておく）、取り外したバッテリーを放電負荷抵抗に接続
することにより一定電流で放電を行うことにより、寿命
の判定を行う方法もあるが、係る場合には上記した問題
の多くは解決できるものの、取り外し作業が煩雑である
ばかりでなく、非常に大きな発熱を生じることになり、
しかも放電負荷抵抗に電流を流すことより、蓄積したエ
ネルギーを無駄に消費するという問題は依然として残
る。

【００１１】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、たとえ寿命判定中
（処理対象のバッテリー放電中）或いは判定後に停電が
発生しても実負荷に対して充分な電力供給（バックアッ
プ）を行うことができ、しかも、正確な寿命判定を行う
ことのできるバッテリーの寿命判定方法及び装置を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る寿命判定方法では、複数のバッテ
リーを直列接続して構成されるバックアップ用電源たる
バッテリー群に対する寿命判定方法において、前記バッ
テリー群を複数のグループに分け、一のグループを構成
するバッテリーから他のグループを構成するバッテリー
に対して充電／放電可能にし、放電中のグループを構成
するバッテリーの電圧，放電電流等の所定のデータに基
づいて寿命判定を行うようにした。

【００１３】また、本発明に係る寿命判定装置では、複
数のバッテリーを直列接続して構成されるバックアップ
用電源であるバッテリー群と、前記バッテリー群を複数
のグループに分割するとともに、所定のグループを構成
するバッテリーから放電された電荷を他方のグループを
構成するバッテリーに充電する充電手段と、前記所定の
グループを構成するバッテリーの放電時の放電電流，電
圧等の所定のデータを検出する検出手段と、その検出手
段により検出されたデータに基づいて前記バッテリーの
寿命を判定する手段とから構成した。

【００１４】

【作用】１つのグループを構成するバッテリーを放電さ
せ、この放電時に得られる放電電流や端子電圧等の情報
に基づいて寿命判定を行う。ところで、この時放電され
た電荷は、他のグループを構成するバッテリーに充電さ
れる。すなわち、バッテリー群内で電荷のやり取りをし
ているだけであるため、バッテリー群全体での電荷の蓄
積量は、ほとんど変化しない。したがって、判定中或い
は直後に停電が生じても確実にバックアップを行うこと
ができる。そして、寿命判定を終了したなら、判定時に
充電されたバッテリー余剰電荷が放電され、判定時に放
電したバッテリー１１ａが充電される。これにより、判
定開始前の状態に、すなわち各バッテリーの残存容量は
１００％に戻る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係るバッテリーの寿命判定方
法及び装置の好適な実施例を添付図面を参照にして詳述
する。図１は、本発明に係る寿命判定装置の一実施例を
示している。同図に示すように、整流器１０を介してバ
ックアップ用のバッテリー群１１並びに負荷１２に電力
供給がされ、バッテリー群１１は満充電（端子電圧が整
流器出力（負荷に係る電圧）と等しい）になるまで充電
される。そして停電時にはバッテリー群１１に蓄えられ
た電荷が放出され、このバッテリー群１１から負荷１２
へ電力供給をするようになっている。そして、図示省略
するが、整流器１０は商用電源や太陽電池などの所定の
電源に接続されている。さらに本例では、バッテリー群
１１が、３個の第１〜第３のバッテリー１１ａ〜１１ｃ
を直列接続することにより構成され、バッテリー群１１
全体として所望の電圧を得られるようになっている。

【００１６】ここで本発明では、上記バッテリー群１１
を２つのグループに分割し、グループ間で互いに充電／
放電を行うとともに、バッテリー群１１全体で負荷１２
への電力供給を可能とした。具体的には、第１のバッテ
リー１１ａで一つのグループを構成し、第２，第３のバ
ッテリー１１ｂ，１１ｃで別のグループを構成した。そ
して、両グループ間での充電／放電は、両者間に配置さ
れたＤＣ−ＤＣコンバータ１４により行われる。

【００１７】すなわち、第１のバッテリー１１ａの正極
／負極端子をＤＣ／ＤＣコンバータ１４の一次側の端子
に接続する。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の二次側
では、そのグランド端子ＧＮＤ２に第２のバッテリー１
１ｂの負極端子と接続し、他方の端子に第３のバッテリ
ー１１ｃの正極端子と接続する。

【００１８】そして、使用するＤＣ／ＤＣコンバータ１
４としては、絶縁型の双方向昇降圧コンバータを用い
る。このコンバータは、電圧の昇降にトランスを用いる
ことにより入力側と出力側のアースＧＮＤ１，ＧＮＤ２
が絶縁されており、また任意の昇圧比Ｋを設定すること
により、入出力を逆転することができるもので、例えば
平成５年電気学会全国大会論文番号５８３に開示された
ものを用いることができる。

【００１９】これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の
一次側では、そのコンバータ内の一次側回路と第１のバ
ッテリー１１ａとの間で閉回路が構成され、ＤＣ／ＤＣ
コンバータ１４の二次側では、同様にそのコンバータ内
の二次側回路，第２，第３のバッテリー１１ｂ，１１ｃ
との間で閉回路が構成され、各閉回路で所定方向の電流
（各バッテリーに対する充電／放電電流）が流れる。

【００２０】また、一次側と二次側が絶縁されているた
め、第１のバッテリー１１ａの正極端子と第２のバッテ
リ１１ｂの負極端子を直列接続した状態のままでも第１
のバッテリー１１ａの正極，負極端子が短絡することが
なく、係る直列接続した状態のままＤＣ／ＤＣコンバー
タ１４を介して行うバッテリー間での充放電（上記各閉
回路内で電流を流すこと）を行うことが可能となる。な
お、スイッチＳ１を設け、バッテリー間での充放電を行
っている時には、係るスイッチＳ１を開き、物理的に回
線を切るようにしてもよい。

【００２１】なお、図２（Ａ）に示すように、ＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ１４は、トランスＴを内蔵し、スイッチン
グ用のトランジスタＴｒをオン／オフすることにより入
出力端子電圧を制御するようになっており、トランジス
タＴｒのオン／オフを制御するパルス信号のデューティ
ー比を変えることによりを所望の昇圧比Ｋを得るように
なっている。従って、トランジスタＴｒのスイッチング
動作を停止すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４も停止す
るため、一次側，二次側の各閉回路はオープン状態とな
る。すなわち、第１〜第３のバッテリー１１ａ〜１１ｃ
までが直列接続のみされ（バッテリー間での充放電がな
い）てバッテリー群１１を構成し、必要に応じて整流器
１０側からの充電電流を受けて満充電状態を維持し、停
電時には負荷１２へ電力の供給を行うようになる。

【００２２】一方、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の昇
圧比Ｋを適宜設定することにより、入力側の端子間電圧
を第１のバッテリー１１ａの開放電圧よりも低くするこ
とにより、第１のバッテリー１１ａの電荷を放電させ、
一方それを昇圧してコンバータの出力側の端子間電圧
を、バッテリーの開放電圧よりも高くすることにより、
各バッテリーに対して電流を流し込む（電荷を貯留す
る）ことができるようになる。係る現象を模式的に表す
と、図２に示すようになる。

【００２３】次に、上記昇圧比Ｋを変化させることで第
１のバッテリー１１ａの放電電流ｉ１を制御できること
を示す。図２（Ａ）に示すように、一次側の電流（第１
のバッテリー１１ａの放電電流）をｉ１、二次側の電流
（第２，第３のバッテリー１１ｂ，１１ｃへの放電電
流）をｉ２、各バッテリーの端子間電圧並びに内部抵抗
をそれぞれＥ１，Ｅ２，Ｅ３、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、ＤＣ
／ＤＣコンバータ１４の一次側の電圧をＥｉ，二次側の
電圧をＥｏとすると、下記式が成り立つ。

【００２４】ｉ１＝（Ｅ１−Ｅｉ）／Ｒ１ｉ２＝（Ｅｏ−（Ｅ２＋Ｅ３））／Ｒ２＋Ｒ３そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の効率を１００％と
すると、Ｅｏ・ｉ２＝Ｅｉ・ｉ１Ｅｏ＝ＫＥｉが成り立つため、これを上記ｉ１，ｉ２に代入すると、
下記式が得られる。

【００２５】

【数１】さらに、各バッテリーの特性が等しいとすると、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３Ｅ１＝Ｅ２＝Ｅ３であるため、それぞれＲ，Ｅとおいて上記式に代入する
と、下記式が得られる。そして、式から明らかなように
分母は常に正であるため、Ｋ≧２であればｉ１も正、す
なわち、放電電流が流れる。一方、Ｋ＜２であればｉ１
は負となり、逆向きに流れ、充電電流となる。そしてＫ
（２以上）が大きくなるほど、電流は増加する（但し、
一定の値（Ｅ／Ｒ）に収束する）。同様に、Ｋ（２以
下）が小さくなるほど、逆向きに流れる電流が増大す
る。これにより、Ｋの値によりｉ１の電流の多きさ並び
にその向きが制御できることがわかる。

【００２６】

【数２】そしてこの制御を昇圧比制御部１５で行う。すなわち、
この昇圧比制御部１５は、第１のバッテリー１１ａを放
電する場合には昇圧比Ｋを２以上の所定値にセットし、
第１のバッテリー１１ａを充電する場合には、昇圧比Ｋ
を２以下の所定値（本例では制御を簡単にするため２に
固定する）にセットするようになっている。そして、放
電時の昇圧比Ｋの具体的な制御は、放電電流ｉ１を電流
検出器１６で検出し、その電流値が所定の一定値になる
ように制御する。すなわち、寿命判定は放電電流一定の
もとで行うのが、簡単かつ正確に行えるからである。

【００２７】また、上記検出した放電電流は、寿命判定
部１７にも送られ、劣化状況を判断する。さらに、この
寿命判定部１７は、第１のバッテリー１１ａの端子電圧
も与えられ、それら両情報に基づいて寿命か否かが判断
される。そして、具体的な判定としては、例えば従来例
として示した特開平２−５５５３６号に示された手法を
用いることができる。なお、図示省略するが、この寿命
判定部１７内にはタイマが内蔵されており、所定の電圧
に降下するまでの時間が計測され、その時間も寿命か否
かの判定に用いられる。また、電流の積算量を用いるの
ではなく、単に所定の電圧に到達するまでに要する時間
を計測し、寿命がきたか否かの判定を行うようにしても
良い。すなわち、バッテリーから放電電流を流して電荷
を放電した場合の時間経過に伴う端子電圧の低下の程度
（放電特性）は、バッテリーの劣化が進むほど早く低下
する。従って、放電させた時の端子電圧の低下の状態を
計測し、例えば電圧があるしきい値に達するまでに要す
る時間が一定時間以下の時には寿命がきていると判断で
きる。

【００２８】また、たとえ同じ性能（劣化状態）のバッ
テリーであっても上記所定の電圧になるまでに要する時
間は、例えば温度やその時の負荷等により変わる。従っ
て、図１に示すように温度センサ１８を設け、その温度
を検出するとともに寿命判定部に送り、寿命判定部１７
では、与えられた温度や電流，電圧などに基づいてファ
ジィ推論を行い、寿命がきたか否かの判断を行うための
基準値（時間，電圧並びに積算量等）を求め、その求め
た規準に従って、上記各種の判定を行うようにしても良
く、種々のものを用いることができる。

【００２９】次に、上記した実施例を用いて本発明に係
るバッテリーの寿命判定方法の一実施例について説明す
る。まず、寿命判定を行う場合、従来のように疑似停電
を行わせ、バッテリー群１１から負荷１２に電力供給を
行うのではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を昇圧比Ｋ
が２以上で動作させる。すると、図３（Ａ）に示すよう
に、第１のバッテリー１１ａの電荷は放電し、その放電
された電荷が第２，第３のバッテリー１１ｂ，１１ｃに
充電される。

【００３０】この時、各バッテリーの特性が等しいとと
もに、各部でのロスがないとすると、第１のバッテリー
１１ａから放電された容量を均等に割った分だけ第２，
第３のでバッテリー１１ｂ，１ｃの容量が増加する。そ
して、バッテリーは、満充電状態（１００％）の１２０
％の容量までは過充電することができるため、本例では
第１のバッテリー１１ａは、６０％まで放電することが
可能となる。

【００３１】そして、この第１のバッテリー１１ａを放
電している時に得られる放電電流ｉ１や端子電圧Ｅ１さ
らには必要に応じて温度などの情報に基づいて寿命判定
部１７にて第１のバッテリー１１ａが寿命か否かの判定
を行う。また、係る寿命判定を行う時に、商用電源側か
らバッテリー群１１に電流が流れ込むと、上記判定に影
響を与えるおそれがあるため、たとえばスイッチＳ２を
設け、寿命判定時には係るスイッチＳ２を開くようにし
ても良い。

【００３２】一方、上記のようにして寿命判定が行わ
れ、寿命に達していないと判断された場合には、昇圧比
制御部１５を差動させてＤＣ／ＤＣコンバータ１４の昇
圧比Ｋをセットする。すると、第１のバッテリー１１ａ
と、第２，第３のバッテリー１１ｂ，１１ｃとは、残存
容量の相違に伴う電圧差を有するため、電位差がなくな
るまで第２，第３のバッテリー１１ｂ，１１ｃに貯留さ
れた余剰電荷が放電され、第１のバッテリー１１ａが充
電される。これにより、同図３に示すように元の状態に
戻り、各バッテリーの残存容量は１００％に戻る。な
お、上記充電／放電時の負荷１２への電力供給は、整流
器１０を介して送られる通常の商用電源等から与えられ
る。

【００３３】そして、上記充電／放電時の各バッテリー
１１ａ〜１１ｃの端子電圧Ｅ１〜Ｅ３の変化は、図４
（Ａ），（Ｂ）に示すようになる。なお、第１のバッテ
リー１１ａの放電開始時刻ｔ１並びに再充電開始時刻ｔ
２に各電圧が急に変動（ΔＥ）するのは、内部抵抗に伴
う電圧降下を生じるためである。そして、バッテリー群
１１全体の端子電圧Ｅｏは、上記各電圧Ｅ１〜Ｅ３の加
算した値であるため、同図（Ｃ）に示すように、ほとん
ど変化がない。すなわち、電荷をバッテリー間で移動さ
せたに過ぎず、負荷に供給などして消費していない。

【００３４】従って、仮に上記寿命判定を行っている最
中、或いは判定直後に停電が生じた場合であっても、バ
ッテリー群１１全体では所定の容量を有しているため、
十分なバックアップを行うことができる。なお、このバ
ックアップ中であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を
差動させて第１のバッテリー１１ａへの再充電も平行し
て行う。これにより、第１のバッテリー１１ａだけが過
放電状態になるのを抑制する。

【００３５】なお、上記した実施例では、バッテリー群
を３つのバッテリーで構成したものについて説明した
が、本発明はその個数は任意であり、２個または４個以
上でももちろん良く、また、２つのグループに分けた時
に各グループを構成するバッテリーの数は、等しくする
必要はなく、任意の個数でグループ分けをすることがで
きる。但し、過充電による劣化を抑制しつつ、放電する
側のバッテリーはできるだけ多く放電するために、寿命
判定を行う側のグループの構成数を少なくするのが好ま
しい。上記した実施例では、２つのグループに分けた
が、本発明は３つ以上のグループに分け、所定のグルー
プ間で電荷の受け渡しを行うようにしても良い。なおま
た、上記した実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータとして
絶縁型のものを用いたが、本発明は必ずしも係る構成に
する必要はない。但し、絶縁型でない場合には、上記し
たスイッチＳ１は必須となる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るバッテリー
の寿命判定方法及び装置では、バッテリー群を構成する
複数のバッテリーを複数のグループに分けるとともに、
それらグループを構成するバッテリー間で充電／放電を
行うことができるようにしたため、寿命判定を行う際
に、所定のバッテリーから放電された電荷は、他のバッ
テリーに蓄積される。従って、バッテリー群全体に蓄積
された電荷の総量は、寿命判定時にほぼ減少することが
なく、判定中或いは直後に停電が生じても確実にバック
アップを行うことができる。また、放熱用負荷抵抗など
に放電電流を流すのではないため、発熱量が少なくな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る寿命判定装置の好適な一実施例を
示す図である。

【図２】ＤＣ／ＤＣコンバータについて説明する図であ
る。

【図３】作用を説明する図である。

【図４】作用を説明する図である。

【符号の説明】

１０整流器１１バッテリー群１１ａ〜１１ｃ第１〜第３のバッテリー１２負荷１４ＤＣ／ＤＣコンバータ１５昇圧比制御部１６電流検出器１７寿命判定部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のバッテリーを直列接続して構成さ
れるバックアップ用電源たるバッテリー群に対する寿命
判定方法において、前記バッテリー群を複数のグループに分け、一のグルー
プを構成するバッテリーから他のグループを構成するバ
ッテリーに対して充電／放電可能にし、放電中のグループを構成するバッテリーの電圧，放電電
流等の所定のデータに基づいて寿命判定を行うようにし
たバッテリーの寿命判定方法。
【請求項２】前記寿命判定終了後、係る判定処理のた
めに放電したグループを構成するバッテリーに、その放
電した電荷を受けとったグループを構成するバッテリー
から前記電荷を戻すようにした請求項１に記載のバッテ
リーの寿命判定方法。
【請求項３】前記寿命判定中または判定後に停電が生
じた際に、前記バッテリー群からバックアップ対象の負
荷へ電力供給をしつつ、請求項２の処理を行うようにし
たバッテリーの寿命判定方法。
【請求項４】寿命判定を行うために放電するグループ
を構成するバッテリーの数を、他のグループに比べ少な
くした請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリー
の寿命判定方法。
【請求項５】複数のバッテリーを直列接続して構成さ
れるバックアップ用電源であるバッテリー群と、前記バッテリー群を複数のグループに分割するととも
に、所定のグループを構成するバッテリーから放電され
た電荷を他方のグループを構成するバッテリーに充電す
る充電手段と、前記所定のグループを構成するバッテリーの放電時の放
電電流，電圧等の所定のデータを検出する検出手段と、その検出手段により検出されたデータに基づいて前記バ
ッテリーの寿命を判定する手段とを備えたバッテリーの
寿命判定装置。