JPWO2014076839A1 - 蓄電池電圧平準化装置および蓄電池状態監視システム - Google Patents

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Abstract

常に機器に接続された状態の複数の鉛蓄電池を有する電源システムにおいて、蓄電池間の電圧のバラツキを抑制する蓄電池電圧平準化装置である。本発明の代表的な実施の形態の蓄電池電圧平準化装置は、直列に接続された前記蓄電池の一部に対してそれぞれ並列に接続され、接続された前記蓄電池の温度を測定する温度測定部と、当該蓄電池の電圧を測定する電圧測定部と、当該蓄電池の内部抵抗を少なくとも２種類以上の周波数によって測定する内部抵抗測定部とを有し、当該蓄電池の内部抵抗を前記内部抵抗測定部により測定する際に、当該蓄電池に対して電流を流すことによって当該蓄電池の電圧を下げる。

Description

本発明は、蓄電池の状態を制御する技術に関し、特に、電源システムにおいて用いられる複数の蓄電池について電圧のバラツキを抑制する蓄電池電圧平準化装置および蓄電池状態監視システムに適用して有効な技術に関するものである。
常時稼働している必要がある重要な装置やシステムなどでは、例えば停電や瞬断など商用電源からの電力供給が途絶えた場合（もしくは商用電源からの電力を利用しない・できない場合。以下では総称して「非常時等」と記載する場合がある）でも負荷に電力の供給を継続するため、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply：無停電電源装置）が用いられる場合がある。ＵＰＳは、非常時等において負荷に供給するための電力を蓄積する蓄電池を有しており、１つのＵＰＳに複数の蓄電池を有するものもある。
また、近年、自立型電源として、もしくはその電力平準化の仕組みとして、例えば、太陽電池や風力発電等の自然エネルギーを用いた発電機、もしくは充電器と、蓄電池およびこれらに対する制御システムとを組み合わせて構成される電源システムが使用されている。これらの電源システムは、単独で独立した電源として使用される場合に加え、いわゆる系統連携のように、通常の商用電源と電気の出し入れをしながら運用される場合もある。特に近年は、いわゆるスマートグリッドのように、系統電力の使用状況を勘案し、発電した電気を系統へ逆潮流したり、系統の負荷が下がり、蓄電池の容量が下がっている場合は、系統の余剰電力を蓄電池に貯蔵したりして、全体としてのエネルギー供給の効率化を図るものが多い。
これらの仕組みにおいては、蓄電池を含む電源システムを効率的に稼働させるために、蓄電池の状態等を監視し、必要に応じて充放電の制御を行うことができる装置やシステム等を接続することによって、電源システムを監視・制御する仕組みが用いられる場合がある。
例えば、特開２０１２−３７４６４号公報（特許文献１）には、鉛蓄電池システムにおいて、電池状態測定部と、ＳＯＣ（State Of Charge：充電状態）モデルと、電池状態測定部によって測定した情報とＳＯＣモデル情報からＳＯＣを推定するＳＯＣ推定部と、鉛蓄電池のＳＯＣの推移状況を記録するＳＯＣ推移ＤＢと、推定されたＳＯＣの値をＳＯＣ推移ＤＢに記録しＳＯＣの推移状況を調べるＳＯＣ推移履歴管理部と、鉛蓄電池の劣化モデルと、ＳＯＣ推移履歴管理部からのＳＯＣ推移状況および劣化モデルの情報をもとに最適な鉛蓄電池の実施方式を計画する均等充電最適計画部と、ＳＯＣ推移情報・均等充電情報出力部と、均等充電最適計画部により決められた計画に従って鉛蓄電池の均等充電を実施する均等充電制御部を設けることで、鉛蓄電池の均等充電の実施間隔を、鉛蓄電池の使用状況（ＳＯＣの推移）に応じて変えることにより鉛蓄電池を長寿命化し、ＳＯＣの把握のためのみの均等充電を減らし、コスト的にも優位とする技術が記載されている。
特開２０１２−３７４６４号公報
上記のような電源システムに用いられる蓄電池は一般に鉛蓄電池であり、リチウムイオン電池と異なり、セルの電圧を制御するセルコントローラを用いない。従って、セル毎に容量差が生じたり、充電中の電圧に異常が生じたりした場合に、蓄電池全体に接続された監視装置や制御装置等では個別セルの電圧をバランスさせることができないため、当該電池の劣化を早めてしまうなど、システム全体に影響を与えてしまう場合がある。
例えば、通常時は稼働（放電）せず常時充電されている状態となるＵＰＳなどでは、部分的に電圧の高いセルがあると、当該セルは過充電状態となり劣化が早まってしまう。また、消防設備で定義される蓄電池設備のように、４８００ＶＡｈを超えるような大規模なシステムの場合は、蓄電池の直列数が多くなるため、蓄電池間の電圧のバラツキがシステムの運用を不安定にする場合がある。
これに対し、電源システムやその蓄電池に監視・制御装置等を接続して、部分的に蓄電池の電圧等の状態をバランシングすることが考えられる。例えば、特許文献１に記載されたような技術では、風力発電を含む大規模用途においても蓄電池のＳＯＣを把握して均等に充電されるように制御することが可能であるが、商用電源と系統連携する１００ｋＶＡを超えるような大型の電源システムでは、信頼性の観点より、従来ハーネス方式の監視装置が使用されてきた。しかしながら、この方式では、蓄電池のシャーシが接地されているため、別電源で動作する測定・記録装置の線が架台に触れると絶縁破壊により短絡・発煙・発火などのトラブルが生じ得るため、個別にヒューズを入れるなどの対応が必要となってしまう。
そこで本発明の目的は、常に機器に接続された状態の複数の鉛蓄電池を有する電源システムにおいて、蓄電池間の電圧のバラツキを抑制する蓄電池電圧平準化装置および蓄電池状態監視システムを提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
本発明の代表的な実施の形態による蓄電池電圧平準化装置は、常に機器に接続され、複数の蓄電池が直列に接続された組電池を備えた電源装置に対して、前記各蓄電池の電圧を平準化する蓄電池電圧平準化装置であって、直列に接続された前記蓄電池の一部に対してそれぞれ並列に接続され、接続された前記蓄電池の温度を測定する温度測定部と、当該蓄電池の電圧を測定する電圧測定部と、当該蓄電池の内部抵抗を少なくとも２種類以上の周波数によって測定する内部抵抗測定部とを有し、当該蓄電池の内部抵抗を前記内部抵抗測定部により測定する際に、当該蓄電池に対して電流を流すことによって当該蓄電池の電圧を下げることを特徴とするものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
本発明の代表的な実施の形態によれば、常に機器に接続された状態の複数の鉛蓄電池を有する電源システムにおいて、蓄電池間の電圧のバラツキを抑制する蓄電池電圧平準化装置および蓄電池状態監視システムを実現することが可能となる。
本発明の実施の形態１である蓄電池電圧平準化装置が接続された電源システムの構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態１における蓄電池電圧平準化装置の構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態１における部分放電部の構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態２である蓄電池電圧平準化装置が接続された電源システムの構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態２における蓄電池電圧平準化装置の構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態３である蓄電池状態監視システムの構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態３における上位監視装置の構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態３における状態測定装置（子機）の構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態３における状態測定装置（子機）の電圧および温度の測定タイミングの制御処理の例について概要を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態３における上位監視装置による蓄電池の充放電の制御処理の例について概要を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態３における状態測定装置（子機）の内部抵抗の測定タイミングの制御処理の例について概要を示したフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下においては、本発明の特徴を分かり易くするために、従来の技術と比較して説明する。
＜実施の形態１＞
上述したように、例えばＵＰＳや、自然エネルギーを利用した自立型電源などの電源システムに用いられる蓄電池は一般に鉛蓄電池であり、リチウムイオン電池と異なり、セルの電圧を制御するセルコントローラを用いない。従って、セル毎に容量差が生じたり、充電中の電圧に異常が生じたりした場合に、蓄電池全体に接続された監視装置や制御装置等では個別セルの電圧をバランスさせることができないため、当該電池の劣化を早めてしまうなど、システム全体に影響を与えてしまう場合がある。
これに対し、本発明の実施の形態１では、常に機器に接続された複数の直列の蓄電池の一部に対して蓄電池電圧平準化装置（以下では“バランサ”と記載する場合がある）を接続して独立して動作させることで、個別に蓄電池のエネルギーを吸収し、蓄電池間の電圧や電池の状態を平準化させる。
図１は、本発明の実施の形態１である蓄電池電圧平準化装置が接続された電源システムの構成例について概要を示した図である。電源システムは、例えば、直列に接続された複数の蓄電池４１（例えば、ＶＲＬＡ（Valve-Regulated Lead-Acid：制御弁式）バッテリーにより構成される）からなる組電池を備える電源装置４０を１つ以上有し、各電源装置４０には、電源装置４０の動作を制御する制御・電源装置５０が接続されている。
制御・電源装置５０は、例えば、電力制御装置（Power Conditioning System：ＰＣＳ）や、無停電電源装置（ＵＰＳ）もしくは直流電源装置などの電源装置などを含んで構成される制御装置であり、電源装置４０を利用する装置やシステム等の負荷への電力を蓄電池４１から供給するか、後述する発電設備７０や電力系統８０から供給するかを切り替える制御を行う。また、発電設備７０からの余剰電力を電源装置４０に供給して蓄電池４１を充電したり、商用の電力系統８０に逆潮流したりなどの制御を行う。
発電設備７０は、例えば、太陽光発電装置（太陽電池）や風力発電装置などの自然エネルギーを利用した発電装置からなり、人為的なエネルギーの供給なく自立的に発電することができる発電設備であり、電力系統８０は、商用の電力供給システムである。本実施の形態では、蓄電池４１への電力供給源として、発電設備７０と電力系統８０とを有し、制御・電源装置５０により切り替えて利用することが可能な構成となっているが、いずれか一方のみの構成であってもよい。
蓄電池４１には、蓄電池電圧平準化装置（バランサ）３０が並列に接続されている。なお、電源装置４０において直列に接続された全ての蓄電池４１にバランサ３０を接続した場合、これらが同時に動作すると全体での電圧降下が大きくなり電源装置４０と干渉してしまう場合がある。そこで本実施の形態では、図１に示すように、電源装置４０において直列に接続された全ての蓄電池４１にバランサ３０を接続するものとする。バランサ３０は、動作している短時間の間のみ電流を流す（機能する）が全数同時に動作すると電源と干渉することから、電源動作に影響を与えない範囲（例えば全電池個数の１／３以下）で同時に動作させる機能を付加し電源装置４０の動作に与える影響を少なくすることができる。また、電池1セルでは無く、複数セルを直列としたユニット単位で接続しても問題は無い。
図２は、蓄電池電圧平準化装置（バランサ）３０の構成例について概要を示した図である。バランサ３０は、上述したように、蓄電池４１に並列に接続されて独立して動作し、電圧が高い状態の蓄電池４１のエネルギーを吸収して他の蓄電池４１との間で電圧や電池の状態を平準化させる装置であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）により実行されるソフトウェアプログラムや回路等として実装される測定制御部３１、電圧測定部３３、部分放電部３８などの各部を有する。また、電圧測定部３３、および部分放電部３８から配線された端子が蓄電池４１の正負の端子にそれぞれ接続されている。なお、バランサ３０が動作するための電力は、蓄電池４１から取得するものとする（例えば、蓄電池４１とバランサ３０との間で正弦波発震させる等）。そのため、バランサ３０では、各部の動作が必要なタイミング以外ではスリープするなどして、不要な電力を消費しないようにする省電力モード等を設けるのが望ましい。
測定制御部３１は、バランサ３０における電圧等のパラメータの測定処理や、蓄電池４１のエネルギーの吸収処理など、バランサ３０における処理全体を制御する機能を有する。例えば、バランサ３０に設けられたボタン等を介したユーザからの指示に基づいてこれらの処理を行なってもよいし、一定間隔（例えば５分毎や１日１回などの間隔）でこれらの処理を継続的に行うようにしてもよい。後述する電圧測定部３３により測定された充電時の電圧が所定の値以上であった場合は、後述する部分放電部３８に対してエネルギーの吸収を指示して他の蓄電池４１との間で電圧を平準化させる。
電圧測定部３３は、測定制御部３１からの指示（例えばユーザから指示された任意のタイミングや５分毎の一定間隔）に従って、蓄電池４１の端子間の充電時の電圧もしくは放電容量を測定し、測定データを測定制御部３１に出力する。部分放電部３８は、測定制御部３１からの指示（例えば、蓄電池４１の端子間の電圧が所定の値以上であった場合）に従って、蓄電池４１のエネルギーを吸収する。すなわち、当該蓄電池４１を一定時間放電させて、蓄電池４１の電圧を下げる。
図３は、部分放電部３８の構成例について概要を示した図である。例えばこのような回路構成において、抵抗Ｒ１における電圧降下が一定になるように定電流制御する場合、蓄電池４１の電圧と消費電流値が線形（一次関数）の関係となるため、蓄電池４１の電圧が大きいほど消費電流が大きくなり、結果として他の蓄電池４１との間の電圧のバラツキを吸収することができる。
このように、本実施の形態では、常に機器に接続された複数の直列の蓄電池４１の一部に対して蓄電池電圧平準化装置（バランサ）３０を接続して独立して動作させることで、個別に蓄電池４１のエネルギーを吸収し（放電し）、蓄電池４１間の電圧や電池の状態を平準化させることができる。なお、このようなバランサ３０を電源装置４０の構築、導入時に蓄電池４１に設置することで容易に電圧平準化の仕組みを構築することができる。
＜実施の形態２＞
実施の形態１では、バランサ３０に対する動作内容の指示は、例えばユーザがバランサ３０に対して直接行うものとしているが、バランサ３０を無線通信により動作可能とすることで、個別のバランサ３０に対して逐一指示等を行わずに遠隔から集中的に蓄電池４１間の電圧の平準化を行うことができ、作業効率を大幅に削減することができる。
図４は、本発明の実施の形態２である蓄電池電圧平準化装置（バランサ）３０が接続された電源システムの構成例について概要を示した図である。実施の形態１の図１に示した構成例との相違点は、蓄電池電圧平準化装置（バランサ）３０が、無線通信機能を有し、これらのバランサ３０と無線通信が可能な集中動作指示装置９０を有することで、遠隔の集中動作指示装置９０から集中的に各蓄電池４１間の電圧の平準化を行うことを可能とする点である。
集中動作指示装置９０は、例えば、携帯型の情報処理端末や専用の端末等により構成され、無線通信により各バランサ３０と接続可能であり、ユーザからの指示により、もしくは一定期間毎に、各バランサに対して蓄電池４１の電圧の測定と放電による電圧の平準化の指示を行ったり、バランサ３０の測定制御部３１に対する各種設定値を変更する指示を行ったりする機能を有する。なお、無線通信の規格やプロトコル等は特に限定されず、公知の技術を適宜利用することができる。
図５は、本実施の形態の蓄電池電圧平準化装置（バランサ）３０の構成例について概要を示した図である。実施の形態１の図２に示した構成例との相違点は、集中動作指示装置９０との間で無線通信を行うための通信部３６を有する点である。
このように、本実施の形態では、各バランサ３０に対して集中動作指示装置９０により無線通信を介して遠隔から集中的に動作指示や制御を行うことができる構成とすることで、個別のバランサ３０に対して逐一手動で指示や設定を行うことなく、作業効率を大幅に削減することができる。また、無線通信の構成をとることにより、ハーネスによる漏れ電流や被覆の絶縁破壊による短絡、断線などの障害発生のリスクを軽減させることができる。
＜実施の形態３＞
実施の形態１、２では、複数の蓄電池４１を有する電源装置４０において、蓄電池４１の電圧が所定の値より高い場合に、バランサ３０によって部分的に（蓄電池４１毎の単位で）放電させて蓄電池４１間の電圧の平準化を行うことを可能とする。ここで、このような平準化の仕組みを、各蓄電池４１の状態や寿命を推定する監視機能と組み合わせて用いることで、蓄電池４１間の電圧の平準化を効率的に実施することができ、相乗効果を得ることができる。そこで、本発明の実施の形態３では、上記のようなバランサ３０を、蓄電池４１の状態を測定する監視機能を有する装置に融合させた形で構成し、電池システムの状態の監視や制御を行うための蓄電池状態監視システムに組み込んで利用する。
上述したように、自然エネルギーを利用した自立型電源や、電力平準化の仕組みとして、太陽電池や風力発電等の発電機と蓄電池を組み合わせて構成される電源システムが使用されている。このような電源システムでは、自然エネルギーにより発電された電力を負荷に供給するが、自然環境の変化により発電量が変化し、負荷への電力供給に過不足が生じ得る。そこで、蓄電池を利用して発電量や負荷の変動を吸収するとともに、商用の電力系統と相互に供給・逆潮流を行なって、電力供給の安定化と効率化を図る。
ここで、例えば、日照量が多いもしくは強風の場合に、蓄電池に余剰電力が供給され続けると、蓄電池は過充電状態となり、蓄電池の劣化が進行してしまう。逆に、日照量が少ないもしくは風が弱い場合は、蓄電池から負荷へと電力が供給され続けるため、蓄電池は過放電状態となり、同様に蓄電池の劣化が進行してしまう。このような状況を防止し、さらには電力系統の安定化を図るためにも、商用の電力系統と相互に供給・逆潮流を行なって、電力系統と蓄電池を含む電力システムが協調運転することが行われる。この協調運転を効果的に行うために、蓄電池の状態を適切に把握しておくことは重要である。
この蓄電池は、動作しない状態でも経年劣化し、また、一般的に周囲の温度が高いほど劣化が進むことが知られている。従って、例えば一般的に、ＵＰＳなどの蓄電池を搭載した機器では、通常、動作（放電）時に蓄電池が寿命や故障等で正常に動作しないということが生じるのを回避するため、蓄電池の状態を監視している。また、周囲の温度や使用年数といった劣化に伴う寿命の時期を予測して、蓄電池が現に異常な状態である場合はもちろん、正常な状態であっても予測した寿命の時期が到来する前に新品の蓄電池と交換する方法がとられてきた。
しかしながら、温度と劣化の程度との関係のみに基づく単純な寿命の予測では、予測された寿命の精度はあまり高くないため、安全を考慮した結果、蓄電池の交換時期が実際の寿命よりも相当早い時期になって最後まで有効に使い切れていない場合もあり、経済的にも有効利用の観点からも非効率な状態となっている。また、上述したように、太陽電池等と組み合わせた電源システムにおいて、所定のＰＳＯＣ（Partial State Of Charge：部分充電状態）の容量で使用するためにＳＯＣ（充電状態）の閾値を設ける場合にも、安全を多くとった状態で使用容量範囲を制限する必要が生じる。
蓄電池の状態や寿命を推定する際には、温度以外の各種パラメータを複数用いた方がより正確に推定することが可能である。ここで、例えば蓄電池の内部抵抗を測定する場合、簡易な手法としては、例えば市販されている携帯型の測定器を用いることが考えられる。しかしながら、携帯型の測定器では、電源システム等からのノイズの影響を受けるため測定精度に問題があったり、公園の電灯や時計などの屋外機器に用いられる場合には、現地で人手により個別に測定する必要があるため非効率であったりなど、実際の利用は困難である。
そこで、複数の電源システムに搭載された蓄電池について、温度以外の複数のパラメータを測定することによりその状態等を監視するとともに、結果を一元的に保持して集中的に監視するような装置やシステムが要望される。既存の装置やシステムでは、温度や電圧に加えて内部抵抗を測定しているが、より正確な寿命の推定を行うためには、例えば充放電時のデータなど、測定パラメータをより増やすことが求められる。
また、例えば、内部抵抗については、既存の装置やシステムにおけるような単一の周波数ではなく、複数の周波数で測定したほうが、蓄電池の様々な劣化モードに対応してより正確な寿命の推定が可能である。ここで、個々の蓄電池に対して測定周波数を可変として複数周波数で内部抵抗を測定する装置はあるものの、携帯型の測定器と同様、屋外機器の複数の蓄電池を対象とする測定は実際上困難である。多数の蓄電池の状態を並行的に監視するためには、少なくとも各パラメータの測定やデータの記録に係る処理はある程度自動化する必要がある。
そこで本実施の形態における蓄電池状態監視システムは、例えば、太陽電池など自然エネルギーを利用して発電された電力により充電され、常に機器に接続された複数の蓄電池について各種パラメータを自動で測定もしくは取得する。これにより、各蓄電池の状態や寿命を高い精度で効率的に推定し、蓄電池が所定の部分充電状態で適切に動作するよう制御することを可能とする。また、蓄電池間の電圧や状態の平準化も効率的に行うことを可能とする。
本実施の形態では、各蓄電池には、各種パラメータについて測定を行いデータを取得して保持する測定装置がそれぞれ設置され、当該測定装置で測定されたデータは、要求に応じて監視装置に無線通信により送信される。監視装置では、各測定装置から収集した測定データに基づいて蓄電池の状態や寿命を推定する処理を一元的に行い、例えば、交換が必要な蓄電池がある場合には関連する情報等とともにその旨をユーザに通知するなどのインタフェースを有する。
上述したように、一般的に、電源系統との系統連携を行うような電源システムは、１００ｋＶＡを超えるような大規模のシステムとなるため、従来は、信頼性の観点より、監視装置と測定装置との間の接続にはハーネス方式がとられていた。しかしながら、この方式では、蓄電池のシャーシが接地されているため、別電源で動作する測定装置の線が架台に触れると絶縁破壊により短絡・発煙・発火などのトラブルが生じ得るため、個別にヒューズを入れる必要があるなどの問題があった。また、無線方式をとるにしても、使用できる測定装置等の数に制限があり、大規模システムに適用することは困難であった。
そこで、本実施の形態では、監視装置が多数の測定装置と通信セッションを持つことによる通信負荷の低減や、無線通信の利用による測定装置の設置の容易性・柔軟性等を考慮して、監視装置と測定装置との間に、通信負荷分散および／または通信プロトコル変換を行うための中継装置を有する階層構成をとる。これにより、大規模システムにおいても監視装置と各測定装置との間の通信を無線方式とすることを可能とする。
本実施の形態の蓄電池状態監視システムでは、蓄電池の劣化の判定を行う際に、蓄電池の温度に基づく判定に加えて、電圧、内部抵抗（主に交流インピーダンスであり、電池のリアクタンスも測定時に含まれるが、以下では総称して「内部抵抗」と記載する）、放電・充電の際の直流抵抗という複数のパラメータに基づいて多面的に劣化を判定する。例えば、温度や電圧については、突発的な障害等によるものも含む異常値管理として、一定間隔（例えば５分）で取得した蓄電池の温度や電圧の値が、所定の閾値を超えた場合に異常な状態であると判定する。具体的には、例えば、蓄電池の温度が室温＋１０℃を超えた場合には軽度の異常と判定し、室温＋２０℃を超えた場合には直ちに交換が必要な状態であると判定する。また、温度と寿命との相関関係を示すテーブルや式から寿命の時期を判定するようにしてもよい。
また、内部抵抗については、通常時の傾向管理として、例えば、１日１回などの定期的なタイミングや、ユーザからの指示を受けたタイミングで測定し、内部抵抗値の初期値（例えば蓄電池の設置時に最初に測定した値）からの変化率により蓄電池の劣化を推定する。例えば、内部抵抗値が初期値から２０％以上増加した場合には軽度の劣化と判定し、初期値から５０％以上増加した場合には速やかに（例えば１年以内に）交換が必要と判定し、初期値から１００％以上増加した場合には直ちに交換が必要と判定する。蓄電池の種類等によって内部抵抗の絶対値が異なることから、このように相対値による判定を行う。
なお、本実施の形態では、蓄電池の様々な劣化モードに対応してより正確な寿命の推定が行えるよう、複数の周波数により内部抵抗を測定し、各周波数での内部抵抗毎に上記のような初期値との相対値による判定を行うものとする。従来の内部抵抗の測定機器では、一般的に１ｋＨｚ程度の周波数が用いられており、蓄電池が徐々に劣化する状況については当該周波数で測定した内部抵抗によりある程度判断可能であることが知られている。また、当該周波数については従来広く用いられてきた経緯からリファレンスとなるデータの蓄積も多いため、本実施の形態においても１種類は１ｋＨｚ程度（例えば３５０Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満）の周波数を用いるものとする。
一方で、１ｋＨｚ程度の周波数では、電極反応などの発電要素に係る情報を得るためには周波数が高く、蓄電池の寿命を判定することが可能な程度の情報しか得ることができない。従って、より詳細な情報を得るためには、さらに直流や直流に近い低周波での内部抵抗についても測定するのが望ましい。本実施の形態では、直流抵抗成分については、蓄電池が放電もしくは充電している際に各蓄電池に設置した測定装置からの逐次測定された電圧値と電流値（交流での内部抵抗測定時のものと比べて大きい）とから、放電中の電流値と電圧値についてのそれぞれの変化分（傾き）の比の計算により取得するものとする。これについて上記と同様に初期値と比較することにより、蓄電池の劣化をより正確に判定することができる。
しかしながら、例えば上記のような太陽電池と組み合わせた電源システムでは、日照量が多い昼間など蓄電池が放電・充電を行わない時間帯も多いことから、上記のように直流抵抗を測定できるタイミングは限られる。従って、待機時（蓄電池が放電・充電をしていない状態）は低周波での内部抵抗についても測定するものとする。例えば、実際上支障なく装置を構成することができ、かつ商用電源と干渉しない（５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの整数倍ではない）１００Ｈｚ未満程度の周波数を用いる。劣化判定の精度をより向上させるためには、さらに異なる複数の周波数により内部抵抗を測定するのが望ましい。
従って、本実施の形態では、後述するように、内部抵抗の測定周波数は、少なくとも１ｋＨｚ程度（例えば３５０Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満）の高周波と１００Ｈｚ未満（商用電源と干渉しない周波数）の低周波を含み、さらにこれらと異なる周波数として、中間（例えば１００Ｈｚ以上３５０Ｈｚ未満）の周波数を加えた３種類の周波数により内部抵抗を測定するものとする。
上記をより一般的に記載すると、例えば、２００Ｈｚ未満の低周波領域と、２００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満の高周波領域から少なくともそれぞれ１つ以上選択した複数の周波数によって内部抵抗を測定することで劣化判定の精度を向上させることが可能である。さらに上記の周波数領域内で異なる他の周波数を加えて測定することで精度をより向上させることも可能である、ということができる。
このように、温度、電圧、内部抵抗、放電・充電の際の直流抵抗などを含む複数のパラメータのうちの１つ以上に基づいて多面的に劣化を判定することで、蓄電池の状態や寿命を高い精度で推定することが可能となる。
［システム構成］
図６は、本発明の実施の形態３である蓄電池状態監視システムの構成例について概要を示した図である。蓄電池状態監視システム１は、例えば電源装置４０などの、直列に接続された複数の蓄電池４１からなる組電池を備える機器において、各蓄電池４１について各種パラメータを自動で測定もしくは取得することで、各蓄電池４１の状態や寿命を推定するシステムである。
この蓄電池状態監視システム１は、１つ以上の電源装置４０の各蓄電池４１に対して１つずつ固定して設置され、当該蓄電池４１についての各種パラメータを測定する状態測定装置３０’（実施の形態１、２におけるバランサ３０に対応）と、状態測定装置３０’で測定されたデータを収集して蓄電池４１の状態や寿命を推定する処理を一元的に行う上位監視装置１０とを有する。また、上位監視装置１０と各状態測定装置３０’との間に、各状態測定装置３０’から送信された測定データを中継して上位監視装置１０に送信するデータ中継装置２０を有する。
すなわち、本実施の形態では、１つの上位監視装置１０に対してＭ個のデータ中継装置２０（以下では「親機」と記載する場合がある）が通信可能に接続され、各データ中継装置２０にはＮ個の状態測定装置３０’（以下では「子機」と記載する場合がある）が通信可能に接続される３階層の階層構成を有する。なお、上位監視装置１０と親機２０との間はＬＡＮ（Local Area Network）等のネットワーク６０を介した有線通信により接続され、親機２０と子機３０’との間は無線通信により接続される。なお、有線／無線通信の規格やプロトコル等は特に限定されず、公知の技術を適宜利用することができる。
これにより、多数の蓄電池４１を有する電源装置４０等の機器において、外部への配線等を要さずに子機３０’を蓄電池４１に対して設置することができ、設置の際の容易性、柔軟性を向上させて設置の効率化を可能とするとともに、結線間違いや配線の経年劣化等に基づく不具合のリスクを低減させることを可能とする。
なお、本実施の形態では、親機２０は、少なくとも、子機３０’との間の無線通信と、上位監視装置１０との間の有線通信との間で通信プロトコルの変換を行う機能を有するが、その他の機能を有していなくてもよい。このとき、親機２０は、各子機３０’との無線通信を並行的に行ってもよいし、逐次的に行ってもよい。また、蓄電池状態監視システム１の規模等（例えば監視対象の蓄電池４１の数等）によっては、親機２０を有さず、子機３０’が直接上位監視装置１０と通信する２階層の構成であってもよいし、子機３０’と親機２０（もしくは上位監視装置１０）との間の通信も、無線通信に限らず有線通信であってもよい。
各電源装置４０には、実施の形態１、２と同様に、電源装置４０の動作を制御する制御・電源装置５０が接続されている。この制御・電源装置５０は、さらに、電源装置４０内で直列に設置された蓄電池４１を流れる電流値を検出することができる電流検出装置としての役割を有し、電源装置４０（蓄電池４１）の充放電の際に蓄電池４１に流れる電流値を測定することができる。制御・電源装置５０は、例えばネットワーク６０に接続されており、上位監視装置１０は、ネットワーク６０を介して、制御・電源装置５０から蓄電池４１の電流値や充放電の有無、発電設備７０の発電量に係る情報などを取得することができる。
なお、本実施の形態では、制御・電源装置５０が各蓄電池４１の電流値を検出し、上位監視装置１０が制御・電源装置５０から当該情報を取得可能な構成としているが、これに限らず、例えば、後述する子機３０’が、温度や電圧等の他のパラメータと同様に各蓄電池４１の電流値を測定して上位監視装置１０に送信する構成としてもよい。また、本実施の形態では、図６の例に示すように、複数の電源装置４０（子機３０’）を一元的に監視可能なようにネットワーク６０上に上位監視装置１０を有する構成としているが、上位監視装置１０の機能を各電源装置４０に対応する制御・電源装置５０に一体化させ、各制御・電源装置５０が個別に電源装置４０を監視する構成としてもよい。
図７は、上位監視装置１０の構成例について概要を示した図である。上位監視装置１０は、親機２０を介して、各子機３０’から各蓄電池４１について測定された各種パラメータの情報を収集し、収集したデータに基づいて各蓄電池４１の状態や寿命を推定して、異常な状態や寿命の到来の有無を監視する。
上位監視装置１０は、例えばＰＣ（Personal Computer）やサーバ機器等の情報処理装置によって構成され、図示しないＯＳ（Operating System）やＤＢＭＳ（DataBase Management System）などのミドルウェア上で動作するソフトウェアプログラムとして実装されるインタフェース部１１、監視制御部１２、および劣化判定部１３などの各部を有する。また、子機３０’から収集した測定データを蓄積するデータベースである測定履歴１４と、蓄電池状態監視システム１の動作に係る各種の設定を保持するファイルやレジストリ等からなる設定情報１５とを有する。
インタフェース部１１は、ユーザが各種指示を入力するための画面、および蓄電池４１の状態監視の結果を表示するための画面を、ユーザに対して提供するユーザインタフェースの機能を有する。図示しないＷｅｂサーバプログラムにより、ユーザのクライアント端末上のＷｅｂブラウザからアクセスして画面を表示する構成としてもよい。ユーザが入力する各種指示としては、例えば、設定情報１５に設定される、上位監視装置１０や子機３０’の動作条件の指定や、ユーザの要求に基づく子機３０’に対するデータの測定や収集の指示などがある。
監視制御部１２は、設定情報１５に登録された設定内容、もしくはインタフェース部１１を介したユーザからの指示に従って、（親機２０を介して）子機３０’に対して各種パラメータの測定に係る条件の指定や測定の実行を要求する。また、子機３０’に対して各種パラメータの測定データを送信するよう要求して測定データを収集し、測定履歴１４に蓄電池４１毎に記録して蓄積する機能を有する。
なお、ユーザからの指示による監視対象の蓄電池４１が多数となる場合は、例えば、子機３０’に対して一斉にデータの測定指示を行うと、多数の子機３０’が一斉に蓄電池４１に対して測定を行うことになる。子機３０’は、パラメータの測定の際に微小ながらも蓄電池４１に対して通電するため、電圧降下が生じることから、多数の子機３０’が一斉に測定を行うと電源装置４０に対して悪影響を及ぼすことも考えられる。また、子機３０’に対して一斉に測定データの送信要求を行うと、各子機３０’が一斉に測定データを親機２０を介して上位監視装置１０に送信する結果、これらの機器に大きな通信負荷がかかってしまうことも考えられる。
従って、本実施の形態では、ユーザが、子機３０’に対して各種パラメータの測定（特に内部抵抗の測定）や、測定データの送信などの指示を行う際に、子機３０’を適切な数（例えば全体の３０％程度毎）にグルーピングして、各グループ間で、属する子機３０’による処理のタイミングが重複しないよう、自動または手動によりグループ毎に十分な時間差を設けて指示を行うものとする。
また、監視制御部１２は、収集した測定データにおける電圧データに基づいて、蓄電池４１が所定の部分充電状態で動作するよう、蓄電池４１の放電と発電設備７０からの充電について制御するため、電源装置４０の制御・電源装置５０に対して、例えば後述するような手順に従って指示を行う。
劣化判定部１３は、設定情報１５に登録された設定内容、もしくはインタフェース部１１を介したユーザからの指示に従って、子機３０’から収集して測定履歴１４に記録された温度、電圧、内部抵抗などの各種パラメータの測定値、および制御・電源装置５０から取得した電源装置４０での放電・充電時の電流値等に基づいて、上述したような手法により蓄電池４１の劣化を多面的に判定することで状態や寿命を推定する。
本実施の形態では、後述するように、主に２つのタイミングで蓄電池４１の劣化を推定する。１つ目は、一定の時間間隔（本実施の形態では５分などの短い間隔もしくは１日などの長い間隔）のタイミングで継続して測定した温度および電圧の取得データに基づいて、蓄電池４１の突発的な障害等を含む異常や寿命を推定する。２つ目は、蓄電池４１の電圧が所定の過充電防止電圧を上回っており、かつ充電電流が所定値を下回っている状態、すなわち、蓄電池４１が劣化している可能性があると判断されるタイミングで、複数周波数にて測定した内部抵抗の測定値に基づいて、蓄電池４１の複数の劣化モードでの劣化傾向を推定する。
さらに、蓄電池４１が放電もしくは充電を行ったタイミングで、放電もしくは充電の際の電圧の測定データと、制御・電源装置５０から取得した放電時もしくは充電時の直流電流の値とから算出した直流抵抗に基づいて蓄電池４１の劣化傾向をより高い精度で推定するようにしてもよい。なお、内部抵抗や直流抵抗の初期値については、測定履歴１４における対象の蓄電池４１についての最初の測定データから得てもよいし、蓄電池４１毎に別途記録しておくようにしてもよい。
蓄電池４１の状態や劣化の推定の結果、寿命が到来している、もしくは寿命の到来が近いため、交換が必要であると判定された場合は、例えば、その旨をインタフェース部１１を介して測定データや推定結果などの情報とともにユーザに通知する。
設定情報１５には、蓄電池状態監視システム１の動作に係る設定内容として、例えば、子機３０’の温度や電圧の測定間隔（例えば５分毎や１日１回など）や、内部抵抗の測定間隔（例えば１日１回）などをユーザや管理者等により設定もしくは変更可能なようにしてもよい。また、子機３０’の動作モード（通常モードや省電力モード）の条件などを設定可能なようにしてもよい。
なお、子機３０’の動作に係る設定を上位監視装置１０の設定情報１５に保持し、監視制御部１２から子機３０’に対して指定できるようにすることで、多数の子機３０’に対する個別の作業を不要として、上位監視装置１０からの指令によって効率良く子機３０’の動作条件を指定・変更することが可能となる。
図８は、状態測定装置（子機）３０の構成例について概要を示した図である。子機３０’は、蓄電池４１の蓋部等に対して１つずつ固定して設置され、当該蓄電池４１についての各種パラメータを測定して記録するとともに、親機２０を介した上位監視装置１０からの指示に応じて、親機２０を介して測定データを上位監視装置１０に送信する。蓄電池４１に固定して設置することで、各種パラメータを測定するための端子やセンサ等との間の配線の接続を安定させ、測定データのバラツキを低減させることができる。
なお、通常は、１個の蓄電池４１に対して子機３０’が１個設置される対応であるが、コストや蓄電池４１の電圧などに応じて、直列に設置された複数個の蓄電池４１に対してまとめて１個の子機により監視するようにしてもよい（例えば、子機３０’を全直列数の２分の１以下の数とする）。例えば、本実施の形態のような大規模な電源システムでは、直列接続された３〜６個の蓄電池、もしくは６Ｖ／１２Ｖのモノブロック、もしくは１シリーズユニットなどに対して１個の子機を設置して監視するよう構成することができる。これにより、子機周辺におけるハーネスを極力短くすることができ、絶縁破壊等の問題を回避することができる。
子機３０’は、実施の形態１、２におけるバランサ３０と基本的には同様の機能を有する装置であり、さらに、温度測定部３２、および正弦波発生部３５の各部を有し、また、部分放電部３８の代わりに内部抵抗測定部３４を有する。また、不揮発性の半導体メモリ等からなる記憶装置である内部メモリ３７を有する。また、温度測定部３２から配線された温度センサ３９が蓄電池４１に配置されているとともに、電圧測定部３３、内部抵抗測定部３４、および正弦波発生部３５から配線された端子が蓄電池４１の正負の端子にそれぞれ接続されている。
測定制御部３１は、子機３０’における各種パラメータの測定処理や、測定データの記録、送信など、子機３０’における処理全体を制御する機能を有する。各測定部により、蓄電池４１を（例えば５分毎や１日１回などの間隔で）常時監視して、測定されたデータを内部メモリ３７の所定の領域に逐次記録する。このとき、古い測定データを上書きして領域をサイクリックに利用する。また、通信部３６による無線通信により親機２０と通信を行い、親機２０を介した上位監視装置１０からの指示に基づいて、親機２０経由で上位監視装置１０に対して測定データを送信する。なお、内部メモリ３７に記録された測定データは、子機３０’に装着した半導体メモリ等からなる図示しない外部メモリに複写・移動等して取り出すことができる。また、当該外部メモリを内部メモリ３７と同等の記憶領域として使用してもよい。
温度測定部３２は、測定制御部３１からの指示（例えば５分毎）に従って、温度センサ３９により蓄電池４１の温度を測定し、測定データを測定制御部３１に出力する。また、電圧測定部３３も同様に、測定制御部３１からの指示（例えば５分毎）に従って、蓄電池４１の端子間の電圧を測定し、測定データを測定制御部３１に出力する。
内部抵抗測定部３４は、測定制御部３１からの指示をトリガとして、蓄電池４１の端子間の内部抵抗を測定し、測定データを測定制御部３１に出力する。ここでは、正弦波発生部３５によって、上述したような複数の周波数の正弦波を発生させ、各周波数での電流（例えば３Ａ以下）を蓄電池４１に流す。このときの電流値と、端子間の電圧値との測定データに基づいて、各周波数での内部抵抗を算出する。
上述したように、例えば、２００Ｈｚ未満の低周波領域と、２００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満の高周波領域から少なくともそれぞれ１つ以上選択した複数の周波数によって内部抵抗を測定することで劣化判定の精度を向上させることができる。また、上記の周波数領域内でさらに異なる他の周波数を加えて測定することで精度をより向上させることができる。本実施の形態では、例えば、少なくとも１ｋＨｚ程度（例えば３５０Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満、好ましくは８００Ｈｚ以上１２００Ｈｚ未満）の高周波領域と１００Ｈｚ未満（商用電源と干渉しない周波数）の低周波領域を含み、さらにこれらと異なる周波数として、中周波領域（例えば１００Ｈｚ以上３５０Ｈｚ未満）の周波数を加えた３種類の周波数により内部抵抗を測定するものとする。
測定周波数による効果を確認するため、従来技術による内部抵抗の測定機器（単独の周波数により測定するもの）を用いた場合と、本実施の形態の状態測定装置３０’（内部抵抗測定部３４が複数の周波数により測定するもの）を用いた場合とで、それぞれ実際に蓄電池の内部抵抗を測定して、その寿命の評価（電池容量の推定）を試みた実験結果の例を以下の表に示す。
Figure 2014076839
表１では、内部抵抗の測定機器として従来品１〜３および開発品１、２を用いて、複数の異なる劣化状態の蓄電池についてそれぞれ内部抵抗を測定した上で電池容量の推定を行い、実際の容量との誤差と、測定に要した時間に基づいて測定精度を評価した結果を示している。
ここで、従来品１〜３は、従来技術による単独の周波数により内部抵抗を測定する測定機器であり、測定周波数がそれぞれ異なる領域（高周波領域（３５０Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満）、中周波領域（１００Ｈｚ以上３５０Ｈｚ未満）、低周波領域（１００Ｈｚ未満））に属するものである。一方、開発品１、２は、本実施の形態の状態測定装置３０’であって、複数の周波数領域（開発品１は高周波領域（２００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満）と低周波領域（２００Ｈｚ未満）、開発品２は高周波領域（３５０Ｈｚ以上２０００Ｈｚ未満）と中周波領域（１００Ｈｚ以上３５０Ｈｚ未満）と低周波領域（１００Ｈｚ未満））に属する測定周波数により内部抵抗を測定するものである。
当該実験では、使用する蓄電池として、
・電池Ａ 蓄電池規格ＵＰ３００−１２（１２Ｖ／１００Ａｈ／５ＨＲ）の新品
・電池Ｂ 電池Ａと同等の電池に対して電解液を１０％減じたもの
・電池Ｃ 電池Ａと同等の電池に対して２５℃トリクル寿命試験により５年相当経過させた状態のもの
・電池Ｄ 電池Ａと同等の電池に対して２５℃トリクル寿命試験により１５年相当経過させた状態のもの
・電池Ｅ 電池Ｃと同等の電池に対して電解液減少分を補液したもの
・電池Ｆ 電池Ｄと同等の電池に対して電解液減少分を補液したもの
の６種類の蓄電池（電池Ａ〜Ｆ）を作成した。
表では、上記各蓄電池について、５ＨＲ容量および１ＣＡ容量を元に、それぞれの状況として、実容量と、従来品１〜３および開発品１、２による内部抵抗の測定値に基づいて得られた容量の推定値について、それぞれ、満充電状態との相対比（％）により示している。
各電池の放電容量の実測値（実容量）については、ＪＩＳ８７０４−０２に基づいて満充電状態の蓄電池を準備し、これに基づくものとしている。ここで、蓄電池の満充電状態とは、１３．３８Ｖ／１０Ａの制限電流にて４８時間以上充電した状態のことを指す。５ＨＲ容量の実測値（実容量）については、充電終了後、開路状態にて２５±２℃の雰囲気中で２４時間放置し、その後、２５±２℃にて放電電流値２０Ａで放電し、終止電圧１０．５Ｖに到達するまでの放電持続時間から放電容量を求めた。また、１ＣＡ容量の実測値（実容量）については、上記の５ＨＲの場合と同様に、満充電後２５±２℃の雰囲気中で２４時間放置した電池について、放電電流値１００Ａで放電し、終止電圧９．６Ｖに到達するまでの放電持続時間から放電容量を求めた。得られた各蓄電池の放電容量の実測値について、それぞれ、新品状態の放電容量に対する相対比を算出している。
また、内部抵抗の測定値に基づく容量の推定に際しては、実験結果の蓄積に基づく知見として従来から得られている内部抵抗と放電容量（もしくは放電持続時間）との関係についての実験式を用いている。具体的には、内部抵抗の測定値と放電容量との関係は一次関数で表されるため、例えば、従来品１〜３（単独の周波数により測定するもの）については、放電容量は、内部抵抗の測定値と初期値とに基づいて、
放電容量＝放電容量の初期値×
（１−（内部抵抗の測定値−内部抵抗の初期値）／内部抵抗の初期値）
の式により表される。従って、新品状態の放電容量（放電容量の初期値）に対する相対比は、
相対比＝１−（内部抵抗の測定値−内部抵抗の初期値）／内部抵抗の初期値
の式により算出することができる。
なお、開発品１、２のように複数の測定周波数により内部抵抗を測定する場合は、例えば、測定された２種類もしくは３種類の内部抵抗の値に対して所定の重み付けをした加重平均値を用いて上記の式に適用するものとする。例えば、低率放電での測定の場合は、高周波領域の周波数で測定した内部抵抗値に対して、中周波領域の周波数で測定した内部抵抗に比して大きい重み付け値を設定する。また、高率放電での測定の場合は、中周波領域の周波数で測定した内部抵抗値に対して、高周波領域の周波数で測定した内部抵抗に比して大きい重み付け値を設定し、さらに、低周波領域の周波数で測定した内部抵抗値に対して、中周波領域の周波数で測定した内部抵抗値に対して大きい重み付け値を設定する。
表１では、従来品１〜３および開発品１、２のそれぞれについて、各蓄電池の５ＨＲ容量と１ＣＡ容量につき、内部抵抗の測定値に基づいて求めた容量の推定値（相対比）と実容量（相対比）との間の誤差を求めている。さらに、それぞれの誤差の合計、および内部抵抗の測定に要した時間に基づいて評価点を求めて評価した結果についても示している。
評価結果によれば、従来品１〜３（単独の周波数での内部抵抗の測定）に比べて総じて短時間に、かつ高い精度で電池容量を推定することができることが分かる。また、開発品２（３種類の周波数での内部抵抗の測定）によれば、開発品１（２種類の周波数での内部抵抗の測定）よりもさらに短時間かつ高い精度で電池容量を推定できることが分かる。
［蓄電池に対する測定処理の流れ］
図９は、状態測定装置（子機）３０の測定制御部３１における電圧および温度の測定タイミングの制御処理の例について概要を示したフローチャートである。子機３０’が起動して蓄電池４１の各種パラメータの測定処理を開始すると、まず、直近の処理から所定の時間が経過しているか否かを判定する（Ｓ０１）。この所定の時間とは、子機３０’が自ら定期的に蓄電池４１のパラメータを測定する間隔であり、子機３０’の状態が“スリープ状態”ではない“通常時”の場合は、例えば５分、“スリープ状態”の場合は、例えば１日などの時間間隔とする。ここで、本実施の形態における“スリープ状態”とは、上位監視装置１０からの指令により子機３０’における電圧や温度の測定頻度が下げられた状態を指すものとする（停止するわけではない）。
ステップＳ０１で、所定の時間が経過していない場合は、所定の時間が経過するまでステップＳ０１を繰り返す。所定の時間が経過した場合は、温度測定部３２により蓄電池４１の温度を測定するとともに、電圧測定部３３により蓄電池４１の端子間の電圧を測定する（Ｓ０２）。温度測定部３２および電圧測定部３３により温度および電圧の測定が行われ、測定制御部３１が測定データを取得すると、温度と電圧の測定データをタイムスタンプと合わせて内部メモリ３７に記録する（Ｓ０３）。
その後、測定データを親機に送信してから所定の時間が経過しているか否かを判定する（Ｓ０４）。この所定の時間は、例えば、ステップＳ０１での所定の時間と同じとすることができ、子機の状態が“通常時”の場合は、例えば５分、“スリープ状態”の場合は、例えば１日などの時間間隔とすることができる。この所定の時間が経過していない場合は、ステップＳ０１に戻り、上記の一連の処理を繰り返す。所定の時間が経過している場合は、ステップＳ０３で取得し、内部メモリ３７に記録・蓄積された測定データのうち未送信のものを、親機２０を介して上位監視装置１０に送信する（Ｓ０５）。送信後は、ステップＳ０１に戻り、上記の一連の処理を繰り返す。なお、上位監視装置１０では、送信された温度および電圧の測定データに基づいて、蓄電池４１の突発的な障害等を含む異常や寿命を推定する。
図１０は、上位監視装置１０による蓄電池４１の充放電の制御処理の例について概要を示したフローチャートである。上位監視装置１０が起動して制御処理を開始すると、まず、各親機２０からの子機３０’での測定データの送信を待ち受け、測定データを受信する（Ｓ１１）。次に、測定データに含まれる蓄電池４１の電圧データが、所定の過放電防止電圧を下回っているか否かを判定する（Ｓ１２）。このとき、上述したように、受信した測定データに基づいて、劣化判定部１３によって別途蓄電池４１の状態や寿命を推定する処理を行う。
ステップＳ１２で、過放電防止電圧を下回っていない場合は、対象の蓄電池４１は所定の部分充電状態で動作しているものと判断し、次に、所定の期間以上、対象の蓄電池４１を含む電源装置４０に対応する制御・電源装置５０に対して、内部抵抗の測定指令を出していないかを判定する（Ｓ１３）。所定の期間内に内部抵抗の測定指令を出して、親機２０を介して内部抵抗の測定データを取得している場合は、対象の蓄電池４１（電源装置４０）について放電回路を接続して蓄電池４１からの放電を行うよう、制御・電源装置５０に対して指令を出し（Ｓ１４）、ステップＳ１７へ進む。この場合は、時間的に近いタイミングにおいて上位監視装置１０で蓄電池４１の状態を推定することができており、その上で動作していることから、蓄電池４１の状態は問題がないと判断することができるためである。
ステップＳ１３で、所定の期間以上内部抵抗の測定指令を出していない場合は、そのままステップＳ１７へ進む。なお、ステップＳ１３での所定の期間については、例えば、１週間などとすることができる。また、ステップＳ１４での“接続”（図１０における後述する他の“接続”も同様）には、すでに放電回路に接続されている場合にはそのまま継続することも含む。また、対象の蓄電池４１に対応する子機３０’が上述した“スリープ状態”になっている場合は、その解除も含む。
ステップＳ１２で、過放電防止電圧を下回っている場合は、対象の蓄電池４１は過放電状態で動作しているものと判断し、対象の蓄電池４１（電源装置４０）について放電回路を開放して蓄電池４１からの放電を停止するよう、制御・電源装置５０に対して指令を出す（Ｓ１５）。さらに、対象の蓄電池４１に対する余計な測定処理を回避するため、対応する子機３０’に対して“スリープ状態”となるよう指令を出す（Ｓ１６）。その後、ステップＳ１１に戻って各親機２０からの子機３０’での測定データの送信を待ち受ける。
一方、ステップＳ１７では、測定データに含まれる蓄電池４１の電圧データが、所定の過充電防止電圧を上回っているか否かを判定する（Ｓ１７）。過充電防止電圧を上回っていない場合は、対象の蓄電池４１は所定の部分充電状態で動作しているものと判断し、対象の蓄電池４１（電源装置４０）について充電回路を接続して発電設備７０から蓄電池４１への充電を行うよう、制御・電源装置５０に対して指令を出す（Ｓ１８）。その後、ステップＳ１１に戻って各親機２０からの子機３０’での測定データの送信を待ち受ける。
ステップＳ１７で、過充電防止電圧を上回っている場合は、対象の蓄電池４１は過充電状態で動作しているものと判断し、次に、制御・電源装置５０の電流検出機能により得た蓄電池４１への充電電流が所定値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１９）。充電電流が所定値を下回っていない場合、すなわち内部抵抗の値が所定の程度より小さく、蓄電池４１がそれほど劣化していないと判断される場合は、上述のステップＳ１８に進んで、対象の蓄電池４１（電源装置４０）について充電回路を接続して発電設備７０から蓄電池４１への充電を行うよう、制御・電源装置５０に対して指令を出す。
ステップＳ１９で、充電電流が所定値を下回っている場合、すなわち内部抵抗の値が所定の程度より大きく、蓄電池４１が劣化している可能性があると判断される場合は、対応する子機３０’に対して内部抵抗値を測定するよう指令を出す（Ｓ２０）。さらに、対象の蓄電池４１（電源装置４０）について充電回路を開放して発電設備７０から蓄電池４１への充電を停止するよう、制御・電源装置５０に対して指令を出す（Ｓ２１）。その後、ステップＳ１１に戻って各親機２０からの子機３０’での測定データの送信を待ち受ける。
図１１は、状態測定装置（子機）３０の測定制御部３１における内部抵抗の測定タイミングの制御処理の例について概要を示したフローチャートである。子機３０’が起動して蓄電池４１の各種パラメータの測定処理を開始すると、まず、上位監視装置１０から図１０のステップＳ２０などによる内部抵抗値の測定指令が当該子機３０’に対して出されているか否かを判定する（Ｓ３１）。内部抵抗値の測定指令が出されていない場合は、所定の時間が経過するまでステップＳ０１を繰り返す。
上位監視装置１０から内部抵抗値の測定指令を受けた場合は、内部抵抗測定部３４により蓄電池４１の内部抵抗を測定する（Ｓ３２）。ここでは上述したように、正弦波発生部３５により複数の周波数の正弦波を発生させ、各周波数における電流（例えば３Ａ以下）を蓄電池４１に流し、このときの電流値と、端子間の電圧値との測定データに基づいて、各周波数での内部抵抗を算出する。本実施の形態では、複数の周波数は、上述したように、少なくとも１ｋＨｚ程度の高周波と１００Ｈｚ未満の低周波を含み、これにさらに異なる周波数を加えることが可能である。
なお、例えば、図１０のステップＳ２０により内部抵抗値の測定指令が出されている場合は、対象の蓄電池４１の電圧が過放電防止電圧を上回っている場合に該当するが、例えば、上述したように、消防設備で定義される蓄電池設備のように、４８００ＶＡｈを超えるようなシステムの場合は、蓄電池４１の直列数が多くなるため、蓄電池４１間の電圧のバラツキがシステムの運用を不安定にする場合が生じる。
そこで、本実施の形態では、図１０のステップＳ２０により内部抵抗の測定指令が出された場合も含めて、電圧が所定の閾値より高い場合に、親機２０からの指示等により、内部抵抗測定時に通常よりも若干長い時間（例えば、通常は１秒間のところを２〜３秒間など）、一定の電流を流して対象の蓄電池４１をより放電させることで電圧をより下げるようにする。これにより、蓄電池４１間の電圧のバラツキを抑えて均等化することを可能とする。すなわち、子機３０’は、実施の形態１、２におけるバランサ３０の役割・機能を有することになる。
なお、本実施の形態では、内部抵抗の測定時に流す電流が比較的大きいことから、これを用いて電圧を下げるようにしているが、例えば、子機３０’に実施の形態１、２における部分放電部３８と同等の構成を別途有し、これにより電圧を下げるようにしてもよい。
内部抵抗測定部３４により内部抵抗の測定が行われ、測定制御部３１が測定データを取得すると、内部抵抗の測定データをタイムスタンプと合わせて内部メモリ３７に記録する（Ｓ３３）。その後、測定データを親機に送信してから所定の時間が経過しているか否かを判定する（Ｓ３４）。この所定の時間は、例えば５分などの時間間隔とすることができる。この所定の時間が経過していない場合は、ステップＳ３１に戻り、上記の一連の処理を繰り返す。
所定の時間が経過している場合は、ステップＳ３３で取得し、内部メモリ３７に記録・蓄積された測定データのうち未送信のものを、親機２０を介して上位監視装置１０に送信する（Ｓ３５）。送信後は、ステップＳ０１に戻り、上記の一連の処理を繰り返す。このとき、上述したように、受信した複数周波数にて測定した内部抵抗の測定値に基づいて、劣化判定部１３によって別途蓄電池４１の複数の劣化モードでの劣化傾向を推定する。
以上に説明したように、本実施の形態の蓄電池状態監視システム１によれば、常に機器に接続された複数の蓄電池４１について、温度以外に電圧、内部抵抗などを含むパラメータを自動で測定もしくは取得するとともに、内部抵抗については複数周波数にて測定することで、各蓄電池４１の状態や寿命を高い精度で推定し、蓄電池４１が所定の部分充電状態で動作するよう制御することが可能となる。また、これにより、蓄電池間の電圧や状態の平準化も効率的に行うことが可能となる。また、上位監視装置１０と親機２０、子機３０’からなる階層構成をとり、親機２０と子機３０’との間は無線通信とすることで、多数の蓄電池４１についての各種パラメータの測定を効率的に行うことが可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明は、バックアップ用途・出力変動用途など、蓄電池が常に機器に接続され、蓄電池に通電して状態を監視・推定する蓄電池状態監視システムに利用可能である。
１…蓄電池状態監視システム、
１０…上位監視装置、１１…インタフェース部、１２…監視制御部、１３…劣化判定部、１４…測定履歴、１５…設定情報、
２０…データ中継装置（親機）、
３０…蓄電池電圧平準化装置（バランサ）、３０’…状態測定装置（子機）、３１…測定制御部、３２…温度測定部、３３…電圧測定部、３４…内部抵抗測定部、３５…正弦波発生部、３６…通信部、３７…内部メモリ、３８…部分放電部、３９…温度センサ、
４０…電源装置、４１…蓄電池、
５０…制御・電源装置、
６０…ネットワーク、
７０…発電設備、
８０…電力系統、
９０…集中動作指示装置。

Claims (8)

  1. 常に機器に接続され、複数の蓄電池が直列に接続された組電池を備えた電源装置に対して、前記各蓄電池の電圧を平準化する蓄電池電圧平準化装置であって、
    直列に接続された前記蓄電池の一部に対してそれぞれ並列に接続され、
    接続された前記蓄電池の温度を測定する温度測定部と、
    当該蓄電池の電圧を測定する電圧測定部と、
    当該蓄電池の内部抵抗を少なくとも２種類以上の周波数によって測定する内部抵抗測定部とを有し、
    当該蓄電池の内部抵抗を前記内部抵抗測定部により測定する際に、当該蓄電池に対して電流を流すことによって当該蓄電池の電圧を下げることを特徴とする蓄電池電圧平準化装置。
  2. 常に機器に接続され、複数の蓄電池が直列に接続された組電池を備えた電源装置に対して、前記各蓄電池の状態を監視する蓄電池状態監視システムであって、
    請求項１に記載の蓄電池電圧平準化装置と、
    前記蓄電池電圧平準化装置が測定した、前記蓄電池電圧平準化装置が接続された前記蓄電池の温度、電圧、内部抵抗のうち、少なくとも１つ以上の値に基づいて当該蓄電池の劣化を推定する上位監視装置とを有することを特徴とする蓄電池状態監視システム。
  3. 請求項２に記載の蓄電池状態監視システムにおいて、
    前記蓄電池電圧平準化装置は、さらに、前記上位監視装置との間で無線通信を行う通信部を有し、
    前記上位監視装置からの指示に基づいて、前記内部抵抗測定部により、接続された前記蓄電池の内部抵抗を測定することを特徴とする蓄電池状態監視システム。
  4. 請求項２または３に記載の蓄電池状態監視システムにおいて、
    前記蓄電池電圧平準化装置が接続される前記蓄電池の数は、前記電源装置における直列に接続された前記蓄電池の数の２分の１以下であることを特徴とする蓄電池状態監視システム。
  5. 常に機器に接続され、複数の蓄電池が直列に接続された組電池を備えた電源装置に対して、前記各蓄電池の電圧を平準化する蓄電池電圧平準化装置であって、
    直列に接続された前記蓄電池に対してそれぞれ並列に接続され、
    接続された前記蓄電池の電圧が高いほど消費電流が大きくなる回路により当該蓄電池の電圧を下げる部分放電部を有することを特徴とする蓄電池電圧平準化装置。
  6. 請求項５に記載の蓄電池電圧平準化装置において、
    さらに、接続された前記蓄電池の電圧を測定する電圧測定部を有し、
    前記電圧測定部により測定した電圧が所定の値以上である場合に、前記部分放電部により当該蓄電池の電圧を下げることを特徴とする蓄電池電圧平準化装置。
  7. 請求項５または６に記載の蓄電池電圧平準化装置において、
    さらに、前記電源装置の外部の集中動作指示装置との間で無線通信を行う通信部を有し、
    前記集中動作指示装置からの指示に基づいて、前記部分放電部により接続された前記蓄電池の電圧を下げることを特徴とする蓄電池電圧平準化装置。
  8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の蓄電池電圧平準化装置において、
    当該蓄電池電圧平準化装置が接続される前記蓄電池の数は、前記電源装置における直列に接続された前記蓄電池の数の２分の１以下であることを特徴とする蓄電池電圧平準化装置。
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