(57)【要約】【課題】  複数のセルを使用した組電池により非常用電源を構成したとき、その組電池は、運用開始後の時間経過と共に内部抵抗の変化などにより劣化が始まるが、その変化程度が少ないときは、交換時期の正確な判定が困難である。運用開始後の組電池交換時期を正確に判定できる劣化判定装置を備えた電源装置を提供する。【解決手段】  系統電源1から交直変換器3を介して充電される組電池6と、系統電源1の停電時に組電池6から直交変換器7を介して給電される負荷9とで構成し、停電復旧後は該交直変換器3を介して充電される電源装置において、再度の充電を定電流で実施しその後に定電圧充電に切換えを行った時から、充電電流の垂下特性を示す組電池6の劣化を判定する装置を備え、且つ、該装置は該垂下特性を示す充電電流を測定する電流計5と、垂下特性を示す時間を計測するタイマー11を有し、該電流計の出力と該タイマー11の出力により電流垂下開始から所定時間経過後の電流値が所定値を超えた時に、組電池の劣化を判定する装置15である。【選択図】      図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電源から交直変換器を介して充電される組電池と、系統電源の停電時に組電池から直交変換器を介して給電される負荷とで構成し、停電復旧後は該交直変換器を介して充電される電源装置において、再度の充電を定電流で実施しその後に定電圧充電に切換えを行った時から、充電電流の垂下特性を示す組電池の劣化を判定する装置を備え、且つ、該装置は該垂下特性を示す充電電流を測定する電流計と、該垂下特性を示す時間を計測するタイマーを有し、該電流計の出力と該タイマーの出力により電流垂下開始から所定時間経過後の電流値が所定値を超えた時に、組電池の劣化を判定する装置であることを特徴とする組電池の電源装置。
【請求項２】
劣化状態発生を判定された組電池に対して、組電池を構成するセルの内部抵抗を測定する装置と、該装置により測定した内部抵抗値と初期内部抵抗値とを比較する装置とにより二次判定として劣化したセルを判定することを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非常用電源設備に使用される鉛蓄電池のような蓄電池を複数個接続した組電池の使用開始後長時間経過したときの劣化を判定する装置、更には、劣化状態を判定された組電池の各セルに対し、二次判定として劣化したセルを判定する装置を備えた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常は系統電源から電力を供給されている負荷について、系統電源に発生した停電時も電力供給を続けることができるように、非常用電源設備として組電池を使用し構成している。組電池は通常、制御弁式鉛蓄電池から成るセルを複数個直並列に接続している。そのため設備の運用開始後、長時間経過すると特性の劣化したセルが生じてくる。この種電源設備は通常時に、系統電源から充電し続けて電圧を維持しているため、充電電流が少量で、また組電池の総電圧も変化しないため、劣化を生じたセルを容易に見出して、また不良セルを交換することが困難であった。
このような欠点を改善する技術の1例が特許文献1として引用する特開2003-59544号公報に開示されている。特許文献1には単一の二次電池の充放電時の電流対時間の関係を図2の曲線で示している。また、正常な電池に対し一定電流で充電を開始し、電池電圧が所定の電圧に達したときの時間をt0で示している。その後定電圧充電に移行するため、充電電流は急に低下する。そして時間経過と共に変化する充電電流は「正常」と示す曲線で変化している。尚、Q0の符号は定電圧充電移行時の蓄電量を示している。使用期間が長期になった蓄電池は内部抵抗が増加する。そのため図2に示すように、t0’/Dの時間において定電流充電に移行すると、この場合の電流変化し正常電池の場合より緩やかで、図2のIMと表示した点において、上記正常電池の場合の電流変化曲線と交差する。その後も時間経過と共に緩やかに電流が減少して行くようにした二次電池の内部情報検知手段について記載されている。
また、前記従来技術の欠点を改善するため、他の技術が特許文献2として引用する特開2002-343444号公報に記載されている。特許文献2には、図2に示すように組電池に接続した鉛蓄電池4が満充電されているとき、1日1回20Hzの交流電流を印加し、演算装置7において内部抵抗値を演算すること、その内部抵抗値は組電池4の側面に固定されているサーミスタを使用し測定された温度により温度補正し、且つ過去半年分のデータについて平均値を求めて、記憶装置のRAM8に時系列的に記憶すること、次に直前半年分の内部抵抗平均値と比較して変化率を求めること、変化率が110%を超えたとき表示装置10に寿命と表示する鉛蓄電池の状態監視システムについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2003-59544号公報
【特許文献２】特開2002-343444号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献1に開示された上記の発明は、二次電池の内部情報検知に関するものである。セルを組電池に形成した場合、各セルの劣化度合には差異が発生していて、組電池としての劣化度合は薄められる傾向がある。そのため組電池に構成した場合の劣化判定は困難になる。
また特許文献2に記載された事項は、組電池の内部抵抗値を長期に亘り、同一方法で測定し処理したデータについて平均値を求め、それを過去において同様に求めておいた平均値データと継続的に比較して判断するという面倒なデータ処理が必要となる。
本発明は組電池の劣化判定を容易に行うことができる装置を備えた電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、請求項1に記載の通り、系統電源から交直変換器を介して充電される組電池と、系統電源の停電時に組電池から直交変換器を介して給電される負荷とで構成し、停電復旧後は該交直変換器を介して充電される電源装置において、再度の充電を定電流で実施しその後に定電圧充電に切換えを行った時から、充電電流の垂下特性を示す組電池の劣化を判定する装置を備え、且つ、該装置は該垂下特性を示す充電電流を測定する電流計と、該垂下特性を示す時間を計測するタイマーを有し、該電流計の出力と該タイマーの出力により電流垂下開始から所定時間経過後の電流値が所定値を超えた時に、組電池の劣化を判定する装置であることを特徴とする組電池の電源装置に存する。
また、本発明は、請求項2に記載のように、劣化状態発生を判定された組電池に対して、組電池を構成するセルの内部抵抗を測定する装置と、該装置により測定した内部抵抗値と初期内部抵抗値とを比較する装置とにより二次判定として劣化したセルを判定することを特徴とする請求項1に記載の電源装置に存する。
【発明の効果】
【０００６】
請求項1に係る発明によれば、組電池の充電を定電圧充電に切り換えたときの垂下特性を利用し、垂下中の充電電流の大小により劣化発生を判定できる。そのときタイマー、電流計、判定装置のように簡易な装置を使用するのみで良い。
請求項2に係る発明によれば、劣化していると判定された組電池を構成するセルに対し、内部抵抗測定装置で測定し、初期の内部抵抗値と比較することにより容易且つ迅速に劣化セルを判定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態例である電池の劣化判定装置を備えた電源装置の構成を示す図。
【図２】組電池の充電電流の垂下特性を示す説明図。
【図３】図1に示す電源装置の組電池における垂下後の電流とセルにおける内部抵抗値のばらつきの変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態例を添付図面に基づいて説明する。
図1は系統電源1と負荷との間に介在した組電池6について充放電をしながら、劣化判定する電源装置を示している。2はスイッチを示し、通常は閉じていて、系統電源1からの電力を、組電池6と負荷9の方へ供給している。系統電源1は停電のとき或いは組電池6への充電停止を意図して行うときに、スイッチ2を開く。3は交直変換器を示し、系統電源1からの交流出力を直流に変換する。4は切換スイッチを示し、組電池6を充電するときは交直変換器3側へ閉じる。組電池6を放電するときは図示と反対側へ切り換える。5は電流計、7は直交変換器を示す。8は切換スイッチを示す。系統電源1から負荷9へ電力を供給するときは、図示の方向へスイッチ8を閉じ、組電池6からの放電電力を負荷9へ供給するときは図示の方向と逆の方向へ閉じる。10は電圧計、11はタイマー、12はメモリ、13は組電池の劣化判定装置を示す。
尚、14はセルの内部抵抗測定装置、15はセルの劣化判定装置を示す。
【０００９】
図1に示す劣化判定装置の動作について説明する。
当初において、組電池6は充電した後の、また、通常運用時は自己放電により電圧降下を起こすことを防ぐため、フロート電流(0.001CA以下)(ここで、Cは電池容量、Aはアンペアを示す)で充電されている。そして停電などのため、組電池6が放電をした後、再充電をする時から本発明の動作が開始される。再充電は所定の定電流値で充電を始める。所定の時間後に組電池6の両端の電圧が所定値に達したことを電圧計10により検出した時、電圧計10はタイマー11を起動する。そのとき、組電池6の充電は定電流充電から定格電圧充電に変更される。この後、タイマー11の起動の時まで略一定値であった組電池6に対する充電電流は急激に低下する。これを以下「垂下特性」という。
【００１０】
図2はこのときの充電電流の垂下特性を示す図である。図2において、縦軸は充電電流I、横軸は充電経過時間Tを示す。実線は使用開始直後の新品の組電池の場合の充電電流Iの変化を、一点差線は使用開始後長時間を経過した組電池の場合の変化を示している。
定電流充電から定電圧充電に切り替わる所定電圧に到達した時のタイマー起動の時間を、新品の組電池の場合はN1、使用開始後の組電池の場合はN2と示している。タイマー起動N1、N2の後、タイマー11により時間を計測し、比較的短時間毎に充電電流Iを測定すると、使用開始後の新品の組電池では、N1以降は垂下特性が当初は極めて急であることが判る。相当時間経過し、所謂二次曲線の曲がり方が変化し、勾配が略直線状に切り替わる地点の電流をI1とし、この充電電流をI1とする。一方、使用開始後長時間を経過した組電池では、N2以降は垂下特性が当初は比較的緩やかである。今、N1から電流I1を測定した時までの時間をT1として、N2より時間T1と等しい時間T2を経過した充電電流をI2としてメモリ12に入力する。その時の充電電流I2はI1より大きい。組電池6において、内部抵抗の増大したセルが多くなると、垂下特性発生後の充電電流の減少度合いが小さくなるからである。このとき、電流垂下開始から所定時間経過後の充電電流I2の値を一定期間毎に計測し、この値を判定装置13において予め寿命判定値として設定した所定値と比較してより大きな値となっていると、その組電池6は劣化していると判定する。
また、電流値の変化量が小さいときはより判定し易いように、初期値からの変化率(増加率)を判断指標として用いることも可能である。
【００１１】
次に請求項2に係る発明においては、前記劣化していると判定された組電池6について、どのセルが劣化しているかについて判定する。そのため、劣化していると判定された組電池6について、個々のセルの内部抵抗を内部抵抗測定装置14で計測する。その結果を劣化判定装置15において、当初の内部抵抗データと比較して、劣化しているか否か判断する。この判定により劣化したものについて、交換などの処理を行う。当初の劣化判定により直ちに組電池を全体的に交換した場合と比較して、損失が小さくなる。
【００１２】
実施例1
停電となった時、負荷に蓄電池より電力を供給する電源設備において、蓄電池部を2V-200Ahの制御弁式鉛蓄電池54セル(期待寿命7年)を直列接続した組電池として構成した。この設備の蓄電池部は常時セル当たり2.23Vとなるように120.4Vで定電圧充電を行っている。系統側の停電などで蓄電池が放電された場合、組電池電圧は低下し、停電復旧後に所定の120.4Vに達するまで、充電装置における交直変換器の定格電流値(20A)で充電を行う。所定電圧に達した後は定電圧制御となるため、その後は電流が徐々に低下する。略72時間の経過後に、安定化する。
このような電源設備において、充電電流計側装置とタイマーとにより上記放電後の充電時の電流変化を測定した。年に1回計画停電を実施し、その停電後の蓄電池充電電流の変化と、各セルの内部抵抗を測定し、初期値との比較を実施した。
これらの測定結果を下記表1に示す。尚、充電電流の測定時期は垂下特性を示す時間として、電流垂下開始から10時間目及び20時間目とした。
【００１３】
【表１】
2010175496.tif 000003
【００１４】
表1に示すように、設置後の運用年数が長くなるほど、セル間の内部抵抗のバラツキが拡大していることが確認できる。特に、期待寿命の7年を過ぎた頃より、このセルの内部抵抗の要交換レベルである1.5倍を超えるものが認められる。これはセルの劣化が進行し、劣化度合いの違いも拡大したことであり、組電池全体として性能低下となっていることを示している。
【００１５】
図3は、運用開始後の年数の経過に伴う所定時間経過後の電流値・内部抵抗値の変化を示すもので、表1の数値をグラフ化したものである。
同図から明らかな通り、組電池の充電電流の垂下開始後10時間目と、20時間目の値に増加傾向が認められ、セルの内部抵抗値のばらつきと相関関係が生じていることが判る。特に垂下特性を示す10時間目の電流は変化が大きいため、この時間を目標として一定期間毎に電流値変化を調べることが劣化の判定に対して好適である。
尚更に、本発明の電源装置の運用の1例を総括的に詳述すれば、組電池を放電させて負荷へ電力を供給後、系統電源を復活させて負荷へ電力を供給すると共に、交直変換機により組電池を充電する。この充電に当たっては、最初に定格電流である20Aの定電流で充電し、電圧が120.4Vになった時に、この電圧で定電圧充電に切り換えると共に、電圧計がこの値を測定して信号をタイマーへ送信し、タイマーが起動する。タイマーによる計測が10時間に達すると電流計の測定値を組電池の劣化判定装置に送り、その値が3.6A又はこれを超える値の場合は組電池の劣化判定装置が警報を発し、組電池が劣化状態にあることを知らしめる。または、組電池の劣化判定装置が信号を発し、内部抵抗測定装置を起動させ、組電池を構成する各セルの内部抵抗を測定し、その値をセルの劣化判定装置へ送信する。セルの劣化判定装置内では、送られてきた内部抵抗の値が予め測定している新品状態のセルの内部抵抗と比較し、1.5倍を超えているものがある場合は、警報を発すると共に、そのセルを表示するようにした。
尚、図示では、セルを直列接続した1群の組電池の場合を示したが、この1群の組電池を複数並列接続して組電池を構成する場合もある。この場合において、直並列接続された組電池全体の劣化を判定するようにしても良いが、直列接続された1群毎の組電池に夫々劣化を判定する装置を設けて、夫々の組電池の劣化を判定し、劣化と判断された1群の組電池に対してのみセルの劣化判定をするようにすれば、工数を削減できる効果がある。
【符号の説明】
【００１６】
1  系統電源
2  スイッチ
3  交直変換器
4  切換スイッチ
5  電流計
6  組電池
7  直交変換器
8  切換スイッチ
9  負荷
10  電圧計
11  タイマー
12  メモリ
13  組電池の劣化判定装置
14  内部抵抗測定装置
15  セルの劣化判定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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