WO2017159758A1 - 二次電池の劣化判定装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a deterioration determination device for determining deterioration of a secondary battery used for an emergency power source or the like in a data center, a mobile phone base station, or other various power supply devices that require stable power supply.
  • the charging method for the emergency power supply includes trickle charging, which uses a charging circuit to charge with a small amount of current in a steady state, and a load and a secondary battery connected in parallel to the rectifier, applying a constant current to the load.
  • trickle charging uses a charging circuit to charge with a small amount of current in a steady state, and a load and a secondary battery connected in parallel to the rectifier, applying a constant current to the load.
  • many types of trickle charging are employed for emergency power supplies.
  • the emergency power supply requires a voltage and current that can drive a load driven by a commercial power supply.
  • the voltage of one secondary battery (battery) is low and the capacity is small, so multiple batteries are connected in series.
  • a plurality of battery groups are connected in parallel.
  • Each battery is a lead acid battery or a lithium ion battery.
  • Patent Document 1 a proposal for measuring the whole battery collectively (for example, Patent Document 1), applying a pulsed voltage to the battery, and determining the battery from the input voltage and the response voltage Proposals for calculating the overall internal impedance (for example, Patent Document 2), methods for determining deterioration by measuring the internal resistance of individual cells connected in series in the battery (for example, Patent Document 3), and the like have been proposed.
  • the AC four-terminal method is used to measure the internal resistance of each cell.
  • an AC four-terminal battery tester has been commercialized as a handy checker that measures a very small resistance value such as the internal resistance of the battery (for example, Non-Patent Document 1).
  • Patent Documents 1 and 2 wireless data transmission is also proposed, cable management and manual work reduction, and computer data management are also proposed.
  • JP-A-10-170615 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-1000096 JP 2010-164441 A
  • Non-Patent Document 1 The conventional handy checker (Non-Patent Document 1) is not feasible with an emergency power source connected with dozens or hundreds of batteries because there are too many measurement points.
  • the techniques of Patent Literatures 1 and 2 both measure the entire power source including a battery, and do not measure individual batteries, that is, individual cells. For this reason, the accuracy of deterioration determination is low, and individual batteries that have deteriorated cannot be specified.
  • Patent Document 3 leads to a technique of improving the accuracy of deterioration determination and identifying each deteriorated battery by measuring the internal resistance of each cell connected in series.
  • the AC four-terminal method is used for measuring the internal resistance of each cell, the configuration is complicated and it is difficult to put it to practical use in a large-scale emergency power supply having tens to hundreds of cells.
  • a relatively simple device that can accurately determine battery deterioration is to apply an alternating current component such as ripple current or pulse current to the battery, and measure the internal resistance of the battery from the alternating current component of the battery terminal voltage.
  • an alternating current component such as ripple current or pulse current
  • ripple current or pulse current there is a method for judging deterioration.
  • no ripple current generating means has been proposed which has a simple structure and can be manufactured at low cost.
  • An object of the present invention is to accurately determine the deterioration of each battery in a power source in which a plurality of batteries each of which is a secondary battery are connected in series, and is simple and inexpensive. It is an object of the present invention to provide a secondary battery deterioration determination device that can be manufactured and that requires a simple and compact structure for generating a measurement current including an AC component.
  • the secondary battery deterioration determining apparatus is a power source 1 in which a plurality of batteries 2 each of which is a secondary battery are connected in series, or a plurality of battery groups 3 are connected in parallel or independently.
  • a secondary battery deterioration determination device for determining deterioration of each battery 2
  • a plurality of voltage sensors 7 that are individually connected to each of the batteries 2 and measure the voltage of the AC component of the voltage applied to the batteries;
  • a discharge circuit 9 composed of a series circuit of a current limiting resistor 26 and a switching element 27 connected in parallel with the battery group 3; Discharge control means 11e for opening and closing the switching element 27 so that the current flowing through the discharge circuit 9 becomes a pulsed or sinusoidal current;
  • An internal resistance calculator 13a that calculates the internal resistance of the battery 2 provided with the voltage sensor 7 using the measured values of the voltage sensors 7;
  • a determination unit 13b that determines deterioration of the battery 2 using the internal resistance calculated by the internal resistance calculation unit 13a.
  • the power source 1
  • the AC component referred to in this specification is a component in which the magnitude of the voltage repeatedly changes, and the direction of the voltage may be always constant, for example, a ripple current or a pulse current.
  • the “battery” may be a plurality of cells connected in series or a single cell.
  • an AC component is applied to the battery 2 and the voltage of the AC component is measured by the voltage sensor 7.
  • the internal resistance of each battery 2 is calculated using this measured value, and the deterioration of the battery 2 is determined from the internal resistance. For this reason, it is possible to accurately determine deterioration.
  • the internal resistance of the battery 2 is closely related to the capacity of the battery 2, that is, the degree of deterioration. If the internal resistance is known, the deterioration of the battery 2 can be accurately determined.
  • the deterioration of each battery 2 is determined instead of the entire power source 1 to be subjected to deterioration determination, but a measurement current including an AC component is generated, and the internal resistance of the battery 2 is measured to determine deterioration. Therefore, it is possible to measure with a relatively simple configuration.
  • a means for generating an AC component in the battery 2 is necessary, but a current for measurement is generated by discharging. That is, the switching element 27 is driven to open and close by the discharge control means 11e so that the current flowing through the discharge circuit 9 becomes a pulsed or sinusoidal current. Therefore, there is no need for a commercial power supply or a power supply device for generating a measurement current from this commercial power supply, and the means for generating the measurement current is simple and compact by the discharge circuit 9 composed of the current limiting resistor 26 and the switching element 27.
  • the configuration is sufficient. In this way, the deterioration of each battery 2 can be accurately determined, and both the means for performing detection and determination of voltage etc. and the means for generating the measurement current are simple, and are simple and inexpensive as a whole. It becomes the deterioration determination apparatus of the secondary battery which can be manufactured easily.
  • a current sensor 8 is connected to each of the battery groups 3, and the controller 11 includes the measured values of the voltage sensors 7 and the current sensors of the battery groups 3 provided with the voltage sensors 7.
  • the internal resistance calculation unit 13a that calculates the internal resistance of each battery 2 from the measured value of 8, and the determination unit 13b that determines the deterioration of each battery 2 from the calculation result of the internal resistance calculation unit 13a May be.
  • it is possible to calculate the internal resistance by assuming the current to be constant even if only measuring the voltage, the current that actually flows through the battery 2 is measured to obtain both the voltage and the current. Thus, the internal resistance can be calculated with higher accuracy. Since the currents flowing through the batteries arranged in series are the same, it is sufficient that one current sensor 8 is provided for each battery group 3. Note that the number of current sensors 8 is one, and may be interposed between the parallel circuit of the battery group 3 and the charging circuit 6, for example.
  • each voltage sensor 7 includes a conversion unit 7bc that converts a measured voltage value into an effective value or an average value, and the internal resistance calculation unit 13a calculates the value of the battery 2 from the effective value or the average value.
  • the structure which measures internal resistance may be sufficient.
  • the measured value measured by each voltage sensor 7 is converted into an effective value or an average value and transmitted, the amount of transmission data can be drastically reduced as compared with the case of transmitting a voltage waveform signal.
  • Calculation of the internal resistance of the battery 2 can be performed with an effective value or an average value with high accuracy.
  • each voltage sensor 7 may include a sensor-by-sensor wireless communication means 10 that wirelessly transmits a measurement value of the voltage sensor.
  • a reference potential ground level
  • the measurement values of a plurality of individual voltage sensors 7 are transmitted wirelessly, there is no need for complicated wiring. By these, it can be set as a simple and cheap structure.
  • a plurality of the battery groups 3 are connected in series to form a series connection body 3A, the series connection bodies 3A are connected in parallel, and a plurality of the series connection bodies 3A are connected.
  • the parts a between the individual battery groups 3 corresponding to each other are connected to each other, and the battery groups 3 connected in parallel to each other between the plurality of series connection bodies 3A are connected in parallel to each other.
  • the discharge circuit 9 may be provided for each parallel connection 3B.
  • the series connection body 3A in the power supply 1 is one battery group 3
  • the one battery group 3 is divided into a plurality of battery group division bodies 3a arranged in series
  • this battery group division body 3a is connected in parallel with the battery group division body 3a of another battery group, and the discharge circuit 9 is provided in parallel for each parallel connection body 3B of the battery group division body 3a.
  • a plurality of the batteries 2 are connected in series.
  • the voltage of each serially connected battery in the entire power source 1 is a high voltage exceeding, for example, 300V.
  • the switching element 27, which is a power element for applying a measurement current needs to have a high withstand voltage.
  • the switching element 27 that is a power element for applying a measurement current in the discharge circuit 26 has a low withstand voltage. Things can be used.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a secondary battery deterioration determination device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. It is a block diagram which shows the conceptual structure of the voltage sensor and controller in the degradation determination apparatus of the same secondary battery. It is a flowchart which shows the operation example of the deterioration determination apparatus of the secondary battery. It is a circuit diagram of the deterioration determination apparatus of the secondary battery which concerns on other embodiment of this invention. It is a circuit diagram of the deterioration determination apparatus of the secondary battery which concerns on further another embodiment of this invention. It is a circuit diagram of the deterioration determination apparatus of the secondary battery which concerns on further another embodiment of this invention. It is a circuit diagram of the deterioration determination apparatus of the secondary battery which concerns on further another embodiment of this invention. It is a circuit diagram of the deterioration determination apparatus of the secondary battery which concerns on further another embodiment of this invention. It is a circuit diagram of the deterioration determination apparatus of the secondary battery which concerns on further another embodiment of this invention.
  • a power source 1 subject to deterioration determination is an emergency power source in a data center, a mobile phone base station, or other various power sources that require stable power supply.
  • the power source 1 has a plurality of battery groups 3 in which a plurality of batteries 2 as secondary batteries are connected in series, and these battery groups 3 are connected in parallel and connected to a load 4.
  • Each battery 2 may be a single cell or a battery in which a plurality of cells are connected in series.
  • the emergency power source 1 is connected to the positive terminal 5A through the charging circuit 6 and the diode 15 among the positive and negative terminals 5A and 5B of the main power source 5 connected to the positive and negative terminals of the load 4.
  • the negative terminal 5B is directly connected.
  • the diode 15 is connected in parallel with the charging circuit 6 in such a direction that current flows from the emergency power source 1 to the load 4.
  • the main power source 5 is composed of, for example, a DC power source that is connected to an AC commercial power source via a rectifier circuit and a smoothing circuit (both not shown) and converts to DC power.
  • the positive potential of the emergency power source 1 is lower than the positive potential of the main power source 5 and normally does not flow to the load 4. However, when the main power source 5 stops or the function is lowered, the potential on the main power source 5 side decreases. Then, the electric charge stored in the emergency power supply 1 is fed to the load 4 via the diode 15. In addition, the charge form which connected the charging circuit 6 as mentioned above is called a trickle charge form.
  • This deterioration determination device for a secondary battery is a device for determining the deterioration of each battery 2 in such a power source 1.
  • the secondary battery deterioration determination device includes a plurality of voltage sensors 7 individually connected to each battery 2, a plurality of current sensors 8 connected to each battery group 3, and a measurement current including an AC component.
  • a controller 11 that receives the measurement value transmitted by 10, calculates the internal resistance of each battery 2 using the received measurement value, and determines the deterioration of the battery 2 from the internal resistance.
  • the discharge circuit 9 comprises a series circuit of a current limiting resistor 26 and a switching element 27 and is connected in parallel with the battery group 3.
  • the switching element 27 is a semiconductor element such as a thyristor or a transistor.
  • a bypass diode 28 is connected to the switching element 27 in parallel.
  • the switching element 27 is driven to open and close by a discharge control means 11e in a main controller 11A of the controller 11 to be described later so that the current flowing through the discharge circuit 9 becomes a pulse or sine wave current.
  • the discharge control means 11e may be constituted only by hardware, or may be constituted by a CPU or a microcomputer constituting the main controller 11A.
  • the voltage sensor 7 is a sensor that detects an AC component and a DC component of the voltage, and includes a sensor function unit 7a and an arithmetic processing unit 7b as shown in FIG.
  • the sensor function unit 7a includes a voltage detection element and the like.
  • the arithmetic processing unit 7b includes a control unit 7ba that executes a given command, a delay unit 7bb that delays the start of measurement by the sensor function unit 7a with respect to the command by a predetermined time, and the sensor function unit 7a.
  • a conversion unit 7bc for converting the detected analog value of the detected AC voltage into an effective value or an average value by a digital signal is provided.
  • the voltage sensor 7 has a DC detection unit 7c for detecting a DC voltage, and the detected value of the DC component detected by the DC detection unit 7c is also transmitted from the sensor-by-sensor wireless communication means 10.
  • the DC detection unit 7c may also serve as the sensor function unit 7a.
  • each voltage sensor 7 has a transmission order set in advance as a transmission delay time by the delay unit 7bb or by other means, and the measurement value is transmitted from each voltage sensor 7 in a time multiplexed manner. The transmission is sequentially performed after the transmission delay time in the set order.
  • a temperature sensor 18 for measuring the ambient temperature of the battery 2 and the temperature of the battery is provided, and at least the voltage sensor 7 and the temperature sensor 18 constitute a sensor unit 17.
  • the temperature detected by the temperature sensor 18 is transmitted to the controller 11 by the sensor-based wireless communication means 10 together with the voltage measurement value based on the effective value or the average value of the voltage sensor 7.
  • the controller 11 is formed by connecting a data server 13 and a monitor 14 to the main controller 11A via the communication network 12.
  • the communication network 12 is composed of a LAN and has a hub 12a.
  • the communication network 12 may be a wide area communication network.
  • the data server 13 can communicate with a remote personal computer (not shown) or the like via the communication network 12 or another communication network, and can monitor data from anywhere.
  • the main controller 11A includes a receiving unit 11a that receives the detection value of the voltage sensor 7 transmitted from each sensor wireless communication unit 10, and a transfer unit 11b that transfers the measurement value received by the receiving unit 11a to the communication network 12.
  • Each voltage sensor 7 includes a command transmission unit 11c that wirelessly transmits a command such as a transmission start to the sensor-by-sensor wireless communication unit 10, a standby unit 11d described later, and a discharge control unit 11e.
  • the discharge control means 11e controls opening and closing of the switching element 27 so that a pulse current or a pseudo sinusoidal discharge current is generated in the discharge circuit 9 (FIG. 1). For example, it is turned on and off at regular intervals.
  • wireless transmission / reception of the command transmission unit 11 c and the reception unit 11 a is performed via the antenna 19.
  • each current sensor 8 is connected to the main controller 11A by wiring, and the measured value of the current is transferred together with the measured voltage value from the transfer unit 11b of FIG.
  • the command transmission unit 11c of the main controller 11A may generate a command by itself, but in this embodiment, in response to a measurement start command transmitted from the data server 13, each sensor of each voltage sensor 7 is wireless.
  • the measurement start command is transferred to the communication means 10.
  • the main controller 11A or the current sensor 8 is provided with a conversion unit (not shown) that converts the measured value of the current sensor 8 into an effective value or an average value.
  • the controller 11 has a function of transmitting the command to the wireless communication unit 10 for each sensor.
  • the wireless communication unit 10 for each sensor receives the command, the calculation provided in the voltage sensor 7 is performed. It has a function of giving a command corresponding to this command to the processing unit 7b.
  • the data server 13 includes an internal resistance calculation unit 13a and a determination unit 13b.
  • the internal resistance calculation unit 13a receives the AC voltage value (execution value or average value), DC voltage value (cell voltage), detected temperature, and current value (execution value or average value) transmitted from the main controller 11A. And the internal resistance of the battery 2 is calculated according to a predetermined calculation formula. The detected temperature is used for temperature correction.
  • the determination unit 13b determines that the threshold is set and the calculated internal resistance is greater than or equal to the threshold.
  • the threshold value is provided in a plurality of, for example, two to three stages, performs deterioration determination in a plurality of stages, and outputs an alarm corresponding to the plurality of stages as will be described later.
  • the determination unit 13b has a function of displaying the determination result on the monitor 14 via the communication network 12 or via a dedicated wiring.
  • the data server 13 includes a command transmission unit 13c that transmits a measurement start command to the main controller 11A, and a data storage unit 13d that stores data such as a voltage measurement value transmitted from the main controller 11A. Yes.
  • the main controller 11A and the discharge circuit 9 may be configured as an integrated controller in the same case.
  • the controller 11 is configured by the main controller 11A and the data server 13 in this embodiment, but the main controller 11A and the data server 13 may be configured as one controller 11 in the same case.
  • one information processing apparatus configured by one substrate or the like may be configured without distinction between the main controller 11A and the data server 13.
  • the current sensor 8 is provided for each battery group 3, but the current sensor 8 is one in the entire degradation determination device, for example, between the parallel circuit of the battery group 3 and the charging circuit 6. It may be interposed. In each of the following embodiments, one current sensor 8 may be provided.
  • the deterioration determination device having the above configuration.
  • an alternating current component is applied to the battery 2 and the voltage of the alternating current component is measured by the voltage sensor 7.
  • the internal resistance of each battery 2 is calculated using this measured value, and the deterioration of the battery 2 is determined from the internal resistance. For this reason, it is possible to accurately determine deterioration.
  • the internal resistance of the battery 2 is closely related to the capacity of the battery 2, that is, the degree of deterioration. If the internal resistance is known, the deterioration of the battery 2 can be accurately determined.
  • each battery 2 is determined instead of the entire power source 1 to be subjected to deterioration determination, but a measurement current including an AC component is generated, and the internal resistance of the battery 2 is measured to determine deterioration. Therefore, it is possible to measure with a relatively simple configuration.
  • a measurement current is generated by discharging the battery. That is, the switching element 27 is driven to open and close by the discharge control means 11e so as to obtain a pulsed or sinusoidal current. Therefore, there is no need for a power supply device that generates a measurement current from a commercial power supply, and the means for applying the measurement current can be a simple and compact configuration with the discharge circuit 9 including the current limiting resistor 26 and the switching element 27. .
  • the deterioration of each battery 2 can be accurately determined, and both the means for performing detection from voltage detection to the determination and the means for applying the measurement current are simple, and are simple and inexpensive as a whole. It becomes the deterioration determination apparatus of the secondary battery which can be manufactured easily.
  • FIG. 3 is a flowchart of an example of a specific operation of the deterioration determination device.
  • the data server 13 transmits a measurement start command from the command transmitter 13c (step S1).
  • the main controller 11A receives a measurement start command from the data server 13 (step S2), and transmits a measurement start command to each sensor wireless communication means 10 of each voltage sensor 7 and each current sensor 8 (step S3).
  • the standby unit 11d determines the end of the standby time (step S20) and counts the standby time (step S22). When the set standby time ends, the discharge circuit 9 is operated (step S21).
  • the measurement start command transmitted in step S3 is received by all the voltage sensors 7 (step S4).
  • Each voltage sensor 7 waits for the end of its own measurement delay time (step S5), and then the DC voltage of the battery 2 is received. (Inter-terminal voltage) is measured (step S6). Thereafter, the voltage sensor 7 waits for the end of the standby time (step S7), and measures the AC voltage of the battery 2 (step S8).
  • the direct measurement value is converted into an effective voltage or an average voltage, and the converted value is output as a measurement value.
  • the measured DC voltage and AC voltage wait for their own transmission delay time and are transmitted wirelessly by the wireless communication means 10 for each sensor (step S9), and the main controller 11A of the controller 11 receives wirelessly (step S10).
  • the main controller 11A transmits the received DC voltage and AC voltage together with the detection values of the current sensor 8 and the temperature sensor 18 (FIG. 2) to the data server 13 via the communication network 12 such as a LAN (step S11).
  • the data server 13 receives the data of the sensors such as the voltage sensors 7 transmitted in order and stores them in the data storage unit 13d (step S12). From the wireless transmission step S9 to the data storage by the data server 13 is performed until the reception and storage of the data of all the voltage sensors 7 is completed (NO in step S12).
  • the discharge circuit 9 is stopped by transmitting the end signal from the data server 13 to the main controller 11A and outputting the current application control signal of the main controller 11A.
  • the data server 13 calculates the internal resistance of each battery 2 by the internal resistance calculator 13a (Step S13).
  • the determination unit 13b of the data server 13 compares the calculated internal resistance with an appropriately determined first threshold value (step S14), and the battery 2 is normal if it is smaller than the first threshold value. Is determined (step S15). If it is not smaller than the first threshold value, it is further compared with the second threshold value (step S17), and if it is smaller than the second threshold value, an alarm warning for alerting is output (step S18). If it is not smaller than the second threshold value, an alarm that is stronger than the warning is output (step S19). The alarm and warning are displayed on the monitor 14 (FIG. 1). If the above is normal, the monitor 14 may indicate that it is normal, or may not be displayed in particular.
  • the alarm and warning display by the monitor 14 may be performed by, for example, a mark such as a predetermined icon or by lighting a predetermined part. In this way, the deterioration determination of all the batteries 2 of the emergency power source 1 is performed.
  • FIG. 3 is an example of two-stage deterioration determination (and display of an alarm or the like).
  • each voltage sensor 7 is provided for each battery 2 and receives and transfers data with a digital signal by wireless communication. Even in the case of the emergency power source 1 provided with the batteries 2, it is not necessary to worry about the reference potential (ground level) electrically for each battery 2. Therefore, there is no need for differential operation or an isolation transformer. Further, since the measurement values of the plurality of individual voltage sensors 7 are transmitted wirelessly, there is no need for complicated wiring. By these, it can be set as a simple and cheap structure.
  • the amount of transmission data is drastically larger than when a voltage waveform signal is transmitted. Less is enough.
  • Calculation of the internal resistance of the battery 2 can be performed with an effective value or an average value with high accuracy.
  • the calculation of the internal resistance of the battery 2 is possible only by measuring the voltage, it is possible to assume that the current is a constant value. However, the current actually flowing through the battery 2 is measured and the voltage and current are calculated. By obtaining both, the internal resistance can be calculated with higher accuracy. Since the currents flowing through the batteries 2 arranged in series are the same, it is sufficient to provide one current sensor 8 for each battery group 3.
  • the controller 11 transmits a measurement start command to each sensor wireless communication means 10 of each voltage sensor 7 and starts measurement of the voltage sensor 2 by this command. Can be arranged. In this case, the controller 11 simultaneously transmits a measurement start command to each voltage sensor 7 by serial transmission or parallel transmission, and each voltage sensor 7 performs measurement simultaneously after the measurement start delay time elapses. After the measurement is completed, the controller 11 sequentially transmits a data transmission request command to each of the voltage sensors 7, and the voltage sensor 7 that has received the command transmits data, and repeats the above to perform data communication. Good. In the present invention, the controller 11 may make a re-transmission request to the voltage sensor 7 that has not been able to receive data after a predetermined time from the transmission of the data transmission request command.
  • the measurement of the voltage sensor 7 can be performed in order so as not to hinder wireless transmission and reception, and can be transmitted.
  • the transmission start command is a global command, and the voltage sensor 7 acquires it simultaneously.
  • the controller 11 makes a re-transmission request to the voltage sensor 7 that has not received data after a predetermined time from the transmission of the measurement start command.
  • the measurement start command cannot be received by the sensor-by-sensor wireless communication means 10 of some voltage sensors 7 due to some temporary transmission failure or the like. Even in such a case, by performing the re-transmission request, the voltage can be measured and transmitted, and the voltage measurement values of all the batteries 2 of the power source can be obtained. Whether or not the measurement start command has been received may be determined by determining whether or not the voltage measurement value has been received on the controller 11 side.
  • the controller 11 may individually transmit a data request command to the wireless communication means 10 for each sensor of each voltage sensor 7 and sequentially receive the data.
  • the delay unit 7bb is not required on the voltage sensor 7 side, and the configuration on the voltage sensor 7 side is simplified. Since the controller 11 outputs a multi-stage alarm according to the calculated magnitude of the internal resistance, the urgency of the need for battery replacement can be known, and maintenance planning and preparation can be performed without performing unnecessary battery replacement. Can be done smoothly and quickly.
  • the controller 11 or its internal components include a predetermined conversion function stored in a LUT (Look Up Table) implemented by software or hardware, or a software library (Library), or an equivalent thereof.
  • a hardware circuit or processor (not shown) that can perform computations and output the results using the library comparison functions, four arithmetic operations functions, or equivalent hardware, etc. It consists of software functions.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the present invention.
  • the emergency power source 1 is composed of one battery group 3 and is a power source that can be used for various purposes without being limited to emergency use, and is not connected to a charging circuit.
  • the controller 11 is composed of a single computer or the like, and includes a command transmission unit 11c, a data storage unit 13d, an internal resistance calculation unit 13a, and a determination unit 13b in FIG. Also in this configuration, as in the above embodiment, the deterioration of each battery 2 in the power source 1 to be determined can be accurately determined, and the configuration is simple and can be manufactured at low cost. There is an advantage that the measurement current generation means including a simple and compact configuration is sufficient. Other configurations and effects are the same as those of the first embodiment described above with reference to FIGS.
  • FIG. 5 to FIG. 8 show still other embodiments.
  • other configurations that are particularly described are the same as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3, and the effects described in the first embodiment can be obtained.
  • a plurality of series connection bodies 3 ⁇ / b> A in which a plurality of battery groups 3 (two in FIG. 5) are connected in series are connected in parallel.
  • the connected battery group 3 forms a parallel connection body 3B.
  • the discharge circuit 9 is provided for each parallel connection body 3B, and there are two discharge circuits 9 in total.
  • the series connection body 3A in the power source 1 is one battery group 3
  • the one battery group 3 is divided into a plurality (two) of battery group division bodies 3a arranged in series.
  • the battery group divided body 3a is divided and connected in parallel with the battery group divided bodies 3a of other battery groups.
  • the discharge circuit 9 is provided in parallel for each parallel connection body 3B of the battery group division body 3a.
  • each battery group divided body 3a includes a plurality of the batteries 2 connected in series.
  • the voltage of the battery 2 connected in series in the entire power source 1 is a high voltage exceeding 300V, for example.
  • the switching element 27 which is a power element for applying a measurement current, needs to have a high withstand voltage.
  • the switching element 27 that is a power element for applying a measurement current in the discharge circuit 26 is Those with a low pressure resistance can be used.
  • the power source 1 includes a series connection body 3 ⁇ / b> A of two battery groups 3, and is a power source that can be used not only for emergency use but also for various purposes, and is not connected to a charging circuit.
  • the controller 11 is composed of a single computer or the like, and although not shown in the figure, the discharge control means 11e in FIG. 1, the command transmission unit 11c, the data storage unit 13d, the internal resistance calculation unit 13a, and the determination unit 13b in FIG. Is provided.
  • the series connection body 3 ⁇ / b> A is composed of three or more battery groups 3 connected in series.
  • the one battery group 3 is composed of three or more battery group division bodies 3a.
  • the discharge circuit 9 is provided in parallel for each parallel connection body 3B, and a total of three or more discharge circuits 9 are included.
  • an element having a low withstand voltage can be used as the switching element 27 that is a power element for applying a measurement current.
  • the embodiment of FIG. 8 is an example in which the series connection body 3A is configured by three or more battery groups 3 connected in series in the embodiment shown in FIG.
  • the series connection body 3A of the batteries 2 of the power source 1 is regarded as one battery group 3
  • the one battery group 3 is composed of three or more battery group division bodies 3a.
  • the discharge circuit 9 is provided in parallel for each parallel connection body 3B, and three or more discharge circuits 9 are included in total.
  • an element having a low withstand voltage can be used as the switching element 27 that is a power element for applying a measurement current.

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Abstract

バッテリの複数が直列接続されたバッテリ群が複数並列に接続された非常用電源における各バッテリの劣化を精度良く判定することができ、かつ簡素で安価に製造可能であり、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二次電池の劣化判定装置を提供する。各バッテリ(2)に接続された複数の電圧センサ(7)と、バッテリ群(3)と並列に接続された放電回路(9)と、放電制御手段(11e)とを備える。放電制御手段(11e)は、放電回路(9)を流れる電流がパルス状等となるようにスイッチング素子(27)を開閉駆動する。電圧センサ(7)は交流成分の電圧値を計測する。この計測値から内部抵抗演算部が内部抵抗を演算し、内部抵抗から判定部がバッテリ(2)の劣化を判定する。

Description

二次電池の劣化判定装置 関連出願
　本出願は、２０１６年３月１８日出願の特願２０１６－０５４７７４の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、データセンタ、携帯電話基地局、またはその他各種の電力安定供給が求められる電源装置における非常用電源等に用いられる二次電池の劣化を判定する劣化判定装置に関する。
　データセンタおよび携帯電話基地局等では、電力の安定供給が重要であり、定常時には交流商用電源が用いられるが、交流商用電源が停止した場合の無停電電源装置として、二次電池を用いた非常用電源が装備される。非常用電源の充電方式としては、充電回路を用いて定常時に微小電流で充電するトリクル充電の形式と、整流器に対して負荷と二次電池を並列に接続し、一定電流を印加して負荷を運転させつつ充電するフロート充電の形式とがある。一般的に非常用電源にはトリクル充電の形式が多く採用されている。
　前記非常用電源は、商用電源で駆動される負荷の駆動が可能な電圧と電流が要求され、一つの二次電池（バッテリ）の電圧は低く、また容量も小さいため、複数のバッテリが直列接続されたバッテリ群を複数並列に接続した構成とされる。個々のバッテリは、鉛蓄電池やリチウムイオン電池である。
　このような非常用電源において、バッテリは劣化によって電圧が低下するため、信頼性確保のために、バッテリの劣化判定を行い、劣化したバッテリを交換しておくことが望まれる。しかし、データセンタ、携帯電話基地局等の大規模な非常用電源における多数のバッテリを精度良く劣化判定できる装置は、提案されるに至っていない。
　従来のバッテリの劣化判定の提案例としては、車載バッテリチェッカーとして、バッテリ全体を纏めて計測する提案（例えば、特許文献１）、バッテリにパルス状電圧を印加し、入力電圧と応答電圧とからバッテリ全体の内部インピーダンスを算出する提案（例えば、特許文献２）、バッテリにおける直列接続された個々のセルの内部抵抗を計測し、劣化判定する方法（例えば、特許文献３）等が提案されている。個々のセルの内部抵抗を計測には交流４端子法が用いられている。また、バッテリの内部抵抗等の非常に小さな抵抗値を計測するハンディチェッカーとして、交流４端子法バッテリテスタが商品化されている（例えば、非特許文献１）。
　前記特許文献１，２では、無線によるデータ送信も提案され、ケーブルの取り回しや手作業の削減、コンピュータによるデータ管理も提案されている。
特開平１０－１７０６１５号公報 特開２００５－１００９６９号公報 特開２０１０－１６４４４１号公報
交流4端子法 バッテリーテスタ 内部抵抗計測器 IW7807-BP（Rev.1.7.1、2015年2月16日、東京デバイセズ）（https://tokyodevices.jp/system/attachments/files/000/000/298/original/IW7807-BP-F_MANUAL.pdf）
　従来の前記ハンディチェッカー（非特許文献１）は、バッテリが何十、何百と接続された非常用電源では、計測箇所が多くなり過ぎ、実現性がない。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。
　特許文献３の技術は、直列接続された個々のセルの内部抵抗を計測することでは、劣化判定の精度向上、および劣化した個々のバッテリを特定する技術に繋がる。しかし、個々のセルの内部抵抗の計測に交流４端子法が用いられているため、構成が複雑であって、数十ないし数百のセルを持つ大規模な非常用電源では実用化が難しい。
　バッテリの劣化を精度良く判定できる比較的に簡易な装置としては、バッテリにリップル電流またはパルス電流などの交流成分を有する電流を印加し、バッテリの端子間電圧の交流成分からバッテリの内部抵抗を計測し、劣化を判定する方法がある。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。
　この発明の目的は、それぞれ二次電池であるバッテリの複数が直列接続されたバッテリ群が複数並列に接続された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、かつ簡素で安価に製造可能であり、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二次電池の劣化判定装置を提供することである。
　以下、この発明について、理解を容易にするために、便宜上実施形態の符号を参照して説明する。
　この発明の二次電池の劣化判定装置は、それぞれ二次電池であるバッテリ２の複数が直列接続されたバッテリ群３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１における前記各バッテリ２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２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。
　なお、この明細書で言う交流成分は、電圧の大きさが繰り返し変化する成分であり、電圧の向きが常に一定であっても良く、例えばリップル電流やパルス電流であっても良い。前記「バッテリ」は、複数のセルが直列接続されたものであっても、セル単独であっても良い。
　この構成によると、バッテリ２に交流成分を与えてその交流成分の電圧を電圧センサ７で計測する。この計測値を用いて各バッテリ２の内部抵抗を算出し、内部抵抗から前記バッテリ２の劣化を判定する。このため、精度良く劣化を判定することができる。バッテリ２の内部抵抗は、バッテリ２の容量、つまり劣化の程度と密接な関係があり、内部抵抗が分かれば、バッテリ２の劣化を精度良く判定できる。また、劣化判定対象の電源１の全体ではなく、個々のバッテリ２の劣化を判定するが、交流成分を含む計測用電流を生じさせ、バッテリ２の内部抵抗を計測して劣化判定する構成であるため、比較的に簡易な構成で計測できる。
　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。
　この発明において、前記各バッテリ群３毎に電流センサ８が接続され、前記コントローラ１１は、前記各電圧センサ７の前記計測値とこの電圧センサ７が設けられた前記バッテリ群３毎の前記電流センサ８の計測値とから前記各バッテリ２の内部抵抗を算出する前記内部抵抗演算部１３ａ、およびこの内部抵抗演算部１３ａの演算結果から前記各バッテリ２の劣化を判定する判定部１３ｂを有するようにしても良い。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、例えばバッテリ群３の並列回路と充電回路６との間に介在させても良い。
　この発明において、前記各電圧センサ７は、計測した電圧値を実効値または平均値に変換する変換部７ｂｃを有し、前記内部抵抗演算部１３ａは、前記実効値または平均値から前記バッテリ２の内部抵抗を計測する構成であっても良い。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。
　この発明において、前記各電圧センサ７毎に、この電圧センサの計測値を無線で送信するセンサ毎無線通信手段１０を備えるようにしても良い。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。
　この発明の二次電池の劣化判定装置において、前記バッテリ群３が複数直列に接続されて直列接続体３Ａをなし、この直列接続体３Ａが複数並列に接続され、複数の前記直列接続体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が相互に接続されており、複数の前記直列接続体３Ａ間で、互いに並列接続されているバッテリ群３どうしで並列接続体３Ｂを成し、この一つの並列接続体毎３Ｂに前記放電回路９が設けられていても良い。
　換言すれば、前記電源１における前記直列接続体３Ａが一つのバッテリ群３であると見做すと、この一つのバッテリ群３が、直列方向に並ぶ複数のバッテリ群分割体３ａに分割され、このバッテリ群分割体３ａが他のバッテリ群のバッテリ群分割体３ａと並列に接続され、このバッテリ群分割体３ａの並列接続体３Ｂ毎に並列に前記放電回路９が設けられた構成と言える。ただし、前記バッテリ群分割体３ａは、前記バッテリ２が複数直列に接続されている。
　前記電源１がデータセンタの非常用電源等である場合、電源１の全体におけるバッテリの各直列接続体の電圧は、例えば３００Ｖを超える高い電圧となる。このため、前記電源１の全体に対して放電回路２６を設けると、測定電流を印加するためのパワー素子である前記スイッチング素子２７に耐圧が高いものが必要である。しかし、上記のようにバッテリ２の直列接続体を直列方向に複数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。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、この発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、この発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第１の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。 同二次電池の劣化判定装置における電圧センサとコントローラの概念構成を示すブロック図である。 同二次電池の劣化判定装置の動作例を示す流れ図である。 この発明の他の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る二次電池の劣化判定装置の回路図である。
　この発明の二次電池の劣化判定装置の第１の実施形態を、図１ないし図３と共に説明する。図１において、劣化判定対象の電源１は、データセンタ、携帯電話基地局、またはその他各種の電力安定供給が求められる電源装置における非常用電源である。この電源１は、それぞれ二次電池であるバッテリ２の複数が直列接続されたバッテリ群３を複数有し、これらバッテリ群３が並列に接続され負荷４に接続される。各バッテリ２は、一つのセルであっても、また複数のセルが直列接続されたバッテリであっても良い。
　この非常用の電源１は、負荷４の正負の端子に接続された主電源５の正負の端子５Ａ，５Ｂのうち、正の端子５Ａには充電回路６とダイオード１５とを介して接続され、負の端子５Ｂには直接に接続されている。ダイオード１５は非常用の電源１から負荷４に電流を流す向きで、充電回路６と並列に接続されている。主電源５は、例えば交流商用電源に整流回路および平滑回路（いずれも図示せず）介して接続されて直流電力に変換する直流電源等からなる。
　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。
　この二次電池の劣化判定装置は、このような電源１における各バッテリ２の劣化を判定する装置である。この二次電池の劣化判定装置は、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、各バッテリ群３に接続された複数の電流センサ８と、交流成分を含む計測用電流を前記バッテリ群３に印加する放電回路９と、各電圧センサ７に設けられ計測された交流成分の電圧の計測値を無線で送信するセンサ毎無線通信手段１０と、前記各電圧センサ毎無線通信手段１０の送信した前記計測値を受信し、この受信した計測値を用いて各バッテリ２の内部抵抗を算出し、内部抵抗から前記バッテリ２の劣化を判定するコントローラ１１とを備える。
　前記放電回路９は、電流制限用抵抗２６とスイッチング素子２７の直列回路からなり、前記バッテリ群３と並列に接続されている。スイッチング素子２７は、サイリスタやトランジスタ等の半導体素子である。スイッチング素子２７にはバイパス用のダイオード２８が並列に接続されている。スイッチング素子２７は、後述のコントローラ１１の主コントローラ１１Ａにおける放電制御手段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される。放電制御手段１１ｅは、ハードウェアのみで構成されていても、主コントローラ１１Ａを構成するＣＰＵやマイクロコンピュータで構成されていても良い。
　電圧センサ７は、電圧の交流成分と直流成分の検出を行うセンサであり、図２に示すように、センサ機能部７ａと演算処理部７ｂとを有する。センサ機能部７ａは、電圧検出素子等からなる。演算処理部７ｂは、与えられたコマンドを実行する制御部７ｂａと、コマンドに対してセンサ機能部７ａの計測の開始を、定められた時間だけ遅延させる遅延部７ｂｂと、前記センサ機能部７ａで検出した交流電圧のアナログの検出値を、ディジタル信号による実効値または平均値に変換する変換部７ｂｃとが設けられている。電圧センサ７は、この他に直流電圧を検出する直流検出部７ｃを有し、直流検出部７ｃで検出した直流成分の検出値も、前記センサ毎無線通信手段１０から送信される。なお、直流検出部７ｃはセンサ機能部７ａが兼ねるようにしても良い。また、各電圧センサ７は、前記遅延部７ｂｂにより、または他の手段により、予め送信順が送信遅延時間で設定されており、計測値を、各電圧センサ７から時間多重で送信されるように、設定された順に送信遅延時間後に順次送信する。
　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、少なくとも電圧センサ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１１へ送信される。
　前記コントローラ１１は、この実施形態では主コントローラ１１Ａに、通信網１２を介してデータサーバ１３およびモニタ１４を接続してなる。通信網１２は、この実施形態ではＬＡＮからなり、ハブ１２ａを有している。通信網１２は広域通信網であっても良い。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。
　主コントローラ１１Ａは、各センサ毎無線通信手段１０から送信された電圧センサ７の検出値を受信する受信部１１ａと、受信部１１ａで受信した計測値を通信網１２へ転送する転送部１１ｂと、各電圧センサ７のセンサ毎無線通信手段１０に無線で送信開始等のコマンドを送信するコマンド送信部１１ｃと、後述の待機部１１ｄと、放電制御手段１１ｅとを有している。放電制御手段１１ｅは、放電回路９（図１）にパルス電流ないし擬似的な正弦波状の放電電流を生じさせるように、スイッチング素子２７を開閉制御する。たとえば、一定周期でオンオフさせる。図２において、コマンド送信部１１ｃおよび受信部１１ａの無線送受は、アンテナ１９を介して行われる。
　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１１ｂ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。
　上記のように、コントローラ１１は、各センサ毎無線通信手段１０に前記コマンドを送信する機能を有し、各センサ毎無線通信手段１０は、当該コマンドを受信すると、電圧センサ７に備えられた演算処理部７ｂにこのコマンドに対応する指令を与える機能を有している。
　データサーバ１３は、内部抵抗演算部１３ａと判定部１３ｂとを有する。内部抵抗演算部１３ａは、主コントローラ１１Ａから送信されて受信した交流電圧値（実行値または平均値）と、直流電圧値（セル電圧）と、検出温度と、電流値（実行値または平均値）とを用い、定められた計算式に従ってバッテリ２の内部抵抗を算出する。検出温度は、温度補正に用いられる。
　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い、後述のようにこの複数段階に対応した警報を出力する。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。
　なお、上記構成において、主コントローラ１１Ａと放電回路９とは、同一ケースに入れた一体のコントローラとして構成されても良い。また、コントローラ１１は、この実施形態では主コントローラ１１Ａとデータサーバ１３とで構成したが、これら主コントローラ１１Ａとデータサーバ１３とは、同一ケースに入った一つのコントローラ１１として構成しても良く、また一つの基板等で構成される一つの情報処理装置に、主コントローラ１１Ａとデータサーバ１３との区別なく構成されていても良い。また、この実施形態ではバッテリ群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、例えばバッテリ群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。
　上記構成の劣化判定装置の動作を説明する。この構成によると、バッテリ２に交流成分を与えてその交流成分の電圧を電圧センサ７で計測する。この計測値を用いて各バッテリ２の内部抵抗を算出し、内部抵抗から前記バッテリ２の劣化を判定する。このため、精度良く劣化を判定することができる。バッテリ２の内部抵抗は、バッテリ２の容量、つまり劣化の程度と密接な関係があり、内部抵抗が分かれば、バッテリ２の劣化を精度良く判定できる。また、劣化判定対象の電源１の全体ではなく、個々のバッテリ２の劣化を判定するが、交流成分を含む計測用電流を生じさせ、バッテリ２の内部抵抗を計測して劣化判定する構成であるため、比較的に簡易な構成で計測できる。
　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、バッテリの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。
　図３は、この劣化判定装置の具体的な動作の一例の流れ図である。データサーバ１３は、コマンド送信部１３ｃから計測開始コマンドを送信する（ステップＳ１）。主コントローラ１１Ａは、データサーバ１３から計測開始コマンド受信し（ステップＳ２）、各電圧センサ７のセンサ毎無線通信手段１０、および各電流センサ８へ計測開始コマンドを送信する（ステップＳ３）。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）。
　ステップＳ３で送信された計測開始コマンドは、全数の電圧センサ７が受信し（ステップＳ４）、各電圧センサ７は、自己の計測遅延時間の終了を待って（ステップＳ５）、バッテリ２のＤＣ電圧（端子間電圧）を計測する（ステップＳ６）。この後、電圧センサ７は、待機時間の終了を待って（ステップＳ７）、バッテリ２のＡＣ電圧を計測する（ステップＳ８）。ＡＣ電圧の計測については、直接の計測値を実効電圧または平均電圧に換算し、その換算値を計測値として出力する。
　計測したＤＣ電圧およびＡＣ電圧は、自己の送信遅延時間だけ待って、センサ毎無線通信手段１０により無線で送信し（ステップＳ９）、コントローラ１１の主コントローラ１１Ａが無線で受信する（ステップＳ１０）。主コントローラ１１Ａは、受信したＤＣ電圧およびＡＣ電圧を、電流センサ８および温度センサ１８（図２）の検出値と共に、データサーバ１３へＬＡＮ等の通信網１２で送信する（ステップＳ１１）。データサーバ１３は、順に送信される各電圧センサ７等のセンサのデータを受信してデータ格納部１３ｄに格納する（ステップＳ１２）。前記無線送信のステップＳ９からデータサーバ１３によるデータ格納までは、全電圧センサ７のデータの受信および格納が終了するまで行う（ステップＳ１２でＮＯ）。
　この受信および格納の終了（ステップＳ１２でＹＥＳ）の後、その終了信号のデータサーバ１３から主コントローラ１１Ａへの送信、および主コントローラ１１Ａの電流印加制御信号の出力によって、前記放電回路９を停止させ（ステップＳ１６）、データサーバ１３では内部抵抗演算部１３ａで各バッテリ２の内部抵抗を演算する（ステップＳ１３）。
　データサーバ１３の判定部１３ｂは、演算された内部抵抗を、適宜定められた第１しきい値と比較し（ステップＳ１４）、第１しきい値よりも小さい場合は、バッテリ２が正常であると判定する（ステップＳ１５）。第１しきい値よりも小さくない場合は、さらに第２しきい値と比較し（ステップＳ１７）、第２しきい値より小さい場合、注意を喚起する警報の警告を出力する（ステップＳ１８）。第２しきい値よりも小さくない場合は、警告よりも強い知らせの警報を出力する（ステップＳ１９）。前記警報および警告は、モニタ１４（図１）で表示する。上記の正常な場合は、モニタ１４に正常である旨を表示しても良く、また特に表示しなくても良い。前記モニタ１４による警報および警告の表示は、例えば定められたアイコン等のマークにより行っても、所定部位の点灯等で行っても良い。このようにして、非常用の電源１の全てのバッテリ２の劣化判定を行う。なお、図３は、２段階の劣化判定（および警報等の表示）の例である。
　この二次電池の劣化判定装置によると、このように、各電圧センサ７は、バッテリ２毎に設けられ、無線通信によりディジタル信号でデータの受け取り、受け渡しをするため、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、こうし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。
　また、各電圧センサ７の計測した前記計測値を、ディジタル信号で表される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。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。
　前記コントローラ１１は、前記各電圧センサ７の各センサ毎無線通信手段１０に計測開始コマンドを送信し、このコマンドによって電圧センサ２の計測を開始させるため、多数存在する各電圧センサ２の計測開始タイミングを整えることができる。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、前記計測開始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。何らかの一時的な送信の障害等により、一部の電圧センサ７のセンサ毎無線通信手段１０で計測開始コマンドを受信できない場合がある。そのような場合でも、前記再送信要求を行うことで、電圧を計測して送信でき、電源の全てのバッテリ２の電圧計測値を得ることができる。計測開始コマンドを受信できたか否かは、コントローラ１１側で、電圧の計測値が受信されたか否かを判断することで行えば良い。
　コントローラ１１は、前記のように計測開始コマンドを同時に送信するのではなく前記各電圧センサ７のセンサ毎無線通信手段１０に個別にデータ要求コマンドを送信し、順にデータを受信するようにしても良い。この構成の場合、電圧センサ７側に遅延部７ｂｂが不要となり、電圧センサ７側の構成が簡素化される。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。
　コントローラ１１またはその内部の構成要素は、具体的には、ソフトウエアやハードウエアで実現されたＬＵＴ（Look Up Table）、またはソフトウエアのライブラリ（Library）に収められた所定の変換関数やそれに等価のハードウエア等、また必要に応じて、ライブラリの比較関数や四則演算関数やそれらに等価のハードウエア等を用いて、演算を行って結果を出力しうるハードウエア回路またはプロセッサ（不図示）上のソフトウエア関数で構成されている。
　図４は、この発明の他の実施形態を示す。この例では、非常用の電源１は、一つのバッテリ群３からなり、非常用に限らず種々の用途に使用可能な電源であり、充電回路とは接続されていない。コントローラ１１は単独のコンピュータ等からなり、放電制御手段１１ｅの他に、図示は省略するが、図２のコマンド送信部１１ｃ、データ格納部１３ｄ、内部抵抗演算部１３ａ、判定部１３ｂを備える。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～図８は、それぞれさらに他の実施形態を示す。これらの実施形態において、特に説明した事項の他の構成は、図１～図３に示した第１の実施形態と同様であり、また第１の実施形態につき説明した各効果が得られる。
　図５において、電源１では、バッテリ群３が複数（図５では２つ）直列に接続された直列接続体３Ａが複数並列に接続されている。複数の直列接続体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（接続線は1本）、複数の直列接続体３Ａ間で、互いに並列接続されているバッテリ群３どうしで並列接続体３Ｂを成す。この一つの並列接続体３Ｂ毎に前記放電回路９が設けられ、全部で放電回路９は２つ存在している。
　換言すれば、前記電源１における直列接続体３Ａが一つのバッテリ群３であると見做すと、この一つのバッテリ群３が、直列方向に並ぶ複数（２つ）のバッテリ群分割体３ａに分割され、このバッテリ群分割体３ａが他のバッテリ群のバッテリ群分割体３ａと並列に接続されている。このバッテリ群分割体３ａの並列接続体３Ｂ毎に並列に前記放電回路９が設けられた構成である。分割数は問わないが、個々のバッテリ群分割体３ａは、前記バッテリ２が複数直列に接続されている。
　前記電源１がデータセンタの非常用電源等である場合、電源１の全体におけるバッテリ２の直列接続体の電圧は、例えば３００Ｖを超える高い電圧となる。このため、前記電源１の全体に対して放電回路２６を設けると、測定電流を印加するためのパワー素子である前記スイッチング素子２７に耐圧が高いものが必要である。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。
　図６の実施形態では、電源１は、二つのバッテリ群３の直列接続体３Ａからなり、非常用に限らず種々の用途に使用可能な電源であり、充電回路とは接続されていない。コントローラ１１は単独のコンピュータ等からなり、同図における図示は省略するが、図１の放電制御手段１１ｅおよび、図２のコマンド送信部１１ｃ、データ格納部１３ｄ、内部抵抗演算部１３ａ、判定部１３ｂを備える。
　図７の実施形態は、図５に示す実施形態において、直列接続体３Ａを、直列接続させた３つ以上のバッテリ群３で構成した例である。換言すれば、電源１のバッテリ２の直列接続体３Ａを一つのバッテリ群３と見做した場合に、この一つのバッテリ群３が３つ以上のバッテリ群分割体３ａで構成されている。複数の直列接続体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（直列接続体３Ａ中に複数存在）は相互に接続されていて（接続線は２本以上となる）、並列接続体３Ｂ毎に並列に前記放電回路９が設けられ、全部で放電回路９が３つ以上含まれる構成である。この実施形態においても、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。
　図８の実施形態は、図６に示す実施形態において、直列接続体３Ａを、直列接続させた３つ以上のバッテリ群３で構成した例である。換言すれば、電源１のバッテリ２の直列接続体３Ａを一つのバッテリ群３と見做した場合に、この一つのバッテリ群３が３つ以上のバッテリ群分割体３ａで構成されている。並列接続体３Ｂ毎に並列に前記放電回路９が設けられ、全部で放電回路９が３つ以上含まれる。この実施形態においても、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。
　以上、図面を参照しながら実施形態に基づいて本発明を実施するための好適な形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示される。当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内またはこれと均等の範囲内のものと解釈される。
１…電源
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…内部抵抗演算部
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
ａ…部位

Claims (5)

  1. 　それぞれ二次電池であるバッテリの複数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。
  2. 　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と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。
  3. 　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部を有し、前記内部抵抗演算部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。
  4. 　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。
  5. 　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、前記バッテリ群が複数直列に接続されて直列接続体を成し、
    　この直列接続体が複数並列に接続され、複数の前記直列接続体の間で、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おり、
    　複数の前記直列接続体間で、互いに並列接続されているバッテリ群どうしで並列接続体を成し、この一つ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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