(57)【要約】【課題】微小な変化である内部抵抗成分を簡単に測定できる劣化度測定装置および同装置を使用する劣化度測定方法を提供する。【解決手段】蓄電池１の劣化度を測定する制御部６を備えた蓄電池劣化度測定装置であって、前記蓄電池の定格電圧以上の耐電圧を有するコンデンサ３と、蓄電池１とコンデンサ３とが直列に接続され閉ループを形成する第一の開閉部４ａと、第一の開閉部４ａの両端の電圧を測定する測定部５と、蓄電池１に電流を流す電流源２とを備え、制御部６は、第一の開閉部４ａの開閉動作を行い、電流源２から蓄電池１に電流を流し、測定部５が測定する電圧値を用いて蓄電池１の劣化度を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な蓄電池の内部抵抗成分を測定する蓄電池劣化度測定方法であって、
前記蓄電池の定格電圧以上の耐電圧を有するコンデンサと前記蓄電池と開閉部とを直列に接続して前記開閉部を閉じて閉ループを形成する第一のステップと、
前記蓄電池と前記コンデンサとの電位が等しくなったか否かを判断する第二のステップと、
前記蓄電池と前記コンデンサとの電位が等しくなった後に、前記開閉部を開いて前記閉ループを開成する第三のステップと、
前記閉ループの外部に備わる電流源から前記蓄電池へ内部抵抗成分測定用の電流を流す第四のステップと、
前記内部抵抗成分測定用の電流を流している間に、前記開閉部の両端の電圧値を測り、得られた電圧値から前記蓄電池の劣化によって生じる内部抵抗成分を算出し、前記内部抵抗成分を前記蓄電池の劣化度として推定する第五のステップと
を備えることを特徴とする、蓄電池劣化度測定方法。
【請求項２】
充放電可能な蓄電池の内部抵抗成分を測定する制御部を有する蓄電池劣化度測定装置であって、
前記蓄電池の定格電圧以上の耐電圧を有するコンデンサと、
前記蓄電池と前記コンデンサとが直列に接続され閉ループを開閉可能に形成する開閉部と、
前記開閉部の両端の電圧を測定する測定部と、
前記蓄電池に電流を流す電流源と
を備え、
前記制御部は、
前記開閉部を閉じてから、前記蓄電池と前記コンデンサとの電位が等しくなれば前記開閉部を開いて前記電流源から前記蓄電池に電流を流させ、
前記測定部が測定する電圧値から前記蓄電池の劣化によって生じる内部抵抗成分を算出し、前記内部抵抗成分をもとにして前記蓄電池の劣化度を推定する
ことを特徴とする蓄電池劣化度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池の劣化度を測定する方法およびその方法を用いて劣化度を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に示すように、蓄電池の直流電圧を除いた交流電圧のみを測定することによって、蓄電池の内部抵抗成分を測定する蓄電池の劣化判定装置が開示されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１１８８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蓄電池（二次電池）は長年使い続けると、内部で内部抵抗成分が増量し、劣化していく。この内部抵抗成分は、蓄電池の劣化度の度合いを量る指標として重視すべき変化量であるにも関わらず、蓄電池の出力電圧に比べて微小な変化を示すに過ぎないので、直流での測定によっても、交流での測定によっても、変化量を把握する測定が難しかった。
【０００５】
そこで、本発明は、直流電圧・交流電圧に関わらず、微小な変化を示す内部抵抗成分を簡易に測定でき、内部抵抗成分の大きさを劣化度として算出する劣化度測定方法および同方法を使用する劣化度測定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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の蓄電池劣化度測定方法は、充放電可能な蓄電池の内部抵抗成分を測定する蓄電池劣化度測定方法であって、前記蓄電池の定格電圧以上の耐電圧を有するコンデンサと前記蓄電池と開閉部とを直列に接続して前記開閉部を閉じて閉ループを形成する第一のステップと、前記蓄電池と前記コンデンサとの電位が等しくなったか否かを判断する第二のステップと、前記蓄電池と前記コンデンサとの電位が等しくなった後に、前記開閉部を開いて前記閉ループを開成する第三のステップと、前記閉ループの外部に備わる電流源から前記蓄電池へ内部抵抗成分測定用の電流を流す第四のステップと、前記内部抵抗成分測定用の電流を流している間に、前記開閉部の両端の電圧値を測り、得られた電圧値から前記蓄電池の劣化によって生じる内部抵抗成分を算出し、前記内部抵抗成分を前記蓄電池の劣化度として推定する第五のステップとを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、充放電可能な蓄電池の内部抵抗成分を測定する制御部を有する蓄電池劣化度測定装置は、前記蓄電池の定格電圧以上の耐電圧を有するコンデンサと、前記蓄電池と前記コンデンサとが直列に接続され閉ループを開閉可能に形成する開閉部と、前記開閉部の両端の電圧を測定する測定部と、前記蓄電池に電流を流す電流源とを備え、前記制御部は、前記開閉部を閉じてから、前記蓄電池と前記コンデンサとの電位が等しくなれば前記開閉部を開いて前記電流源から前記蓄電池に電流を流させ、前記測定部が測定する電圧値から前記蓄電池の劣化によって生じる内部抵抗成分を算出し、前記内部抵抗成分をもとにして前記蓄電池の劣化度を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成により、直流電圧・交流電圧に関わらず、簡素な回路を用いて蓄電池の劣化度
を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態を示す蓄電池劣化度測定装置の回路ブロック図
【図２】同上の蓄電池劣化度装置が有する制御部のフローチャート図
【図３】同上の蓄電池劣化度測定装置を用いたシステム例の回路ブロック図
【図４】同上の実施形態の（ａ）測定部（ｂ）コンデンサ（ｃ）蓄電池それぞれにおける電圧値を表すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。本発明は、蓄電池の劣化によって生じる内部抵抗成分を算出し、内部抵抗成分の大きさを劣化度として求めるものである。
【００１１】
図１は本実施形態に係る蓄電池劣化度測定装置の回路図である。
【００１２】
蓄電池劣化度測定装置は、蓄電池１と、電流源２と、コンデンサ３と、第一の開閉部４ａと、第二の開閉部４ｂと、測定部５と、制御部６とを備えて構成される。
【００１３】
充放電可能な蓄電池１は、放電可能な蓄電量を反映する理想電圧値を示す理想電源Ｖｉｄｅａｌと、蓄電池１の充電と放電とを繰り返すうちに劣化し、その劣化によって生じる内部抵抗成分Ｒとの直列接続による等価回路とみなせる。内部抵抗成分Ｒは、蓄電池１が充電と放電とを繰り返すうちに微小な値ながら徐々に増加していく。内部抵抗成分Ｒは、微小な値ながら、蓄電池１の劣化度を示しうる重要な指標であり、微小な値で変化する可変抵抗値とみなせる。
【００１４】
電流源２は、蓄電池１に充電電流（符号ｉ１）を印加するものであり、直流電源でも交流電源でもよく、本実施形態では、外部電源（図３の符号１５）から供給される直流電力を蓄電池１への印加にふさわしい直流電圧レベルに変換する蓄電動作と、蓄電池１から外部電源（図３の符号１５）へ直流電源の供給を行う放電動作とを有する、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路として例示される。
【００１５】
コンデンサ３は、蓄電池１の定格電圧値以上の電圧を耐電圧とする蓄電素子であり、内部抵抗成分Ｒがゼロのとき、言い換えると理想電圧値が最大値のときの理想電圧値が印加されても、破損せず蓄電を行える性能が要求される。コンデンサ３は、蓄電池１の任意の理想電圧値が印加されても破損を起こさなければよいので、極めて安価で扱いが簡単な汎用の電解コンデンサ素子を採用されればよい。蓄電池１は内部抵抗成分Ｒを含み、蓄電池１の定格電圧を、たとえば４５Ｖとした場合、コンデンサ３の定格電圧を６０Ｖとするが、コンデンサ３の定格電圧が蓄電池１の定格電圧よりも大きければ、蓄電池１とコンデンサ３と共に大きさはこれに限るものではない。
【００１６】
第一の開閉部４ａは、蓄電池１とコンデンサ３との直列回路を接続して閉ループを形成したり、または、同閉回路を開放するための、物理的または電気的な開閉接点を有するスイッチング素子やリレーなどである。
【００１７】
第二の開閉部４ｂは、蓄電池１と電流源２との直列回路を接続して閉ループを形成したり、または、同閉回路を開放するための、物理的または電気的な開閉接点を有するスイッチング素子やリレーなどであり、第一の開閉部４ａとは連携せずに開閉されてもよいが、後述する図２で説明する制御順序と矛盾しなければ、第一の開閉部４ａと連携して開閉されてもよい。
【００１８】
測定部５は、第一の開閉部４ａの開閉接点の両端の電位差を測定してデジタル出力するものであり、ＡＤ変換器を用いればよい。
【００１９】
制御部６は、第一の開閉部４ａの開閉接点を開閉する制御と、第二の開閉部４ｂの開閉接点を開閉する制御との結果として得られる測定部５から出力されるデジタル電圧値を読み取る電圧検出部（図３の符号７）と、電圧検出部（図３の符号７）で読み取ったデジタル電圧値をもとにして内部抵抗成分Ｒの大きさから蓄電池１の劣化度を推定する劣化判断部（図３の符号１０）とを少なくとも有している。
【００２０】
このように構成された蓄電池劣化度測定装置は、第一の開閉部４ａが閉じれば蓄電池１とコンデンサ３とを通る第一の閉ループを形成し、第二の開閉部４ｂが閉じれば蓄電池１と電流源２とを通る第二の閉ループを形成する。
【００２１】
また、図１の蓄電池１はひとつで表されているが、複数繋がれたものであってもよい。このときのコンデンサ３は、複数で繋がれた蓄電池１の全体の電圧よりも大きいものをひとつ接続してもよいし、蓄電池１ひとつあたりの定格電圧よりも大きいものを繋がれた蓄電池１と同じ数分繋げて接続されていてもよい。
【００２２】
以下、本実施形態の動作方法について説明する。図２は本実施形態の動作方法を示す制御部６のフローチャート図である。
【００２３】
まず、蓄電池１は、接続された周囲の電源設備の電源がオンになると（ステップＳ０−１）、電流源２からの充電を受けるか、電流源への放電を行うかの、どちらかの状態にあり、これを通常運用時と称し、劣化が始まっているとみなせる（ステップＳ０−２）。
【００２４】
次に、蓄電池１についての劣化度測定方法を使用する劣化度測定装置としての動作モードに移行する旨の外部入力指示が制御部６に与えられるまでは上記ステップＳ０−２での通常運用時を継続し（ステップＳ０−３  のＮｏ）、上記外部入力指示が制御部６に与えられれば（ステップＳ０−３  のＹｅｓ）、制御部６は、コンデンサ３側の第一の開閉部４ａを閉じる（ステップＳ１）。このとき、ステップＳ０−３における外部入力指示は、外部の観測回路等（不図示）から制御部６への制御信号を意味し、第二の閉ループに設けられた電流センサ（不図示）の計測によって、蓄電池１から放たれる放電電流の値が低下しているなどの疑わしい事象が観測された場合に、蓄電池１の劣化度を推定するよう命令する旨の外部入力指示が、外部の観測回路等から制御部６へ発せられるのである。
【００２５】
これにより、蓄電池１からの放電電流ｉ２がコンデンサ３に向かって流れ、コンデンサ３に蓄電が行われ、コンデンサ３に電圧が生じる。蓄電池１とコンデンサ３とが等電圧Ｖｏｐになったとき、すなわち、蓄電池１から電流ｉ２が流れなくなったとき（ステップＳ２）、第一の開閉部４ａを開く（ステップＳ３）。このとき、測定部５が感知する電圧値はゼロ（Ｖ）である。なお、制御部６は、電流源２から蓄電池１へ電力の転送が完了するまでの所定時間が経過したか、あるいは、蓄電池１とコンデンサ３との閉ループに流れていた電流ｉ２が不図示の電流センサに感知されなくなったら、ステップＳ２からステップＳ３への移行を制御部６自身に許可する。
【００２６】
続いて、制御部６は、電流源２側の第二の開閉部４ｂを閉じる。すると、電流源２から蓄電池１に向かって電流ｉ１が流れるので、電流ｉ１が流れている最中に、測定部５が、第一の開閉部４ａの開閉接点の両端の電圧値を測り、サンプリング化してデジタル信号として出力するので、このデジタル信号を、蓄電池１の内部抵抗成分Ｒによって生じる電圧値Ｖｂｉｔとして取り込む（ステップＳ４）。
【００２７】
そして、制御部６は、電圧値Ｖｂｉｔから劣化によって生じる内部抵抗成分Ｒを算出し、その大きさを劣化度とした、劣化度に関する閾値を有しており、設定された閾値と比較して、算出された閾値のほうが大きい値であれば（ステップＳ５）、蓄電池１の内部抵抗成分Ｒが大きくなってきたことを示すので、そろそろ蓄電池１のメンテナンスまたは新品との交換を促す旨の報知信号を、外部へ出力する（ステップＳ６）。なお、制御部６は、内部抵抗成分Ｒに関する閾値を有さずに、内部抵抗成分Ｒの値を外部へ出力して、内部抵抗成分Ｒの増加の推移を外部で判断してもらうようにしてもよく、この場合は、蓄電池１の劣化の経緯を時系列で知らせることができる。なお、上記では、ステップＳ５にて、劣化度に関する閾値を有することとしたが、これに代わって、予め制御部６に用意した所定の関数によって、内部抵抗成分Ｒの測定値を蓄電池１の劣化度に変換するようにしてもよい。
【００２８】
上記の一連の動作を行うことにより、制御部６は、測定部５に出力される電圧値Ｖｂｉｔと電流源２から流れる電流ｉ１とを用いて、蓄電池１の内部抵抗成分Ｒを算出し、算出された内部抵抗成分Ｒの大きさを劣化度として、蓄電池１の劣化度を測定することができる。
【００２９】
以下、本発明の装置もしくは方法を電力供給装置に用いた例を示す。
【００３０】
図３は、本発明の蓄電池劣化度を測定する制御部６を備えた住宅もしくは非住宅用の太陽電池１１による電力供給システムＡである。
【００３１】
電力供給システムＡは、コンバータ制御部１３と、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１６と、システム制御部１００とを備える。この電力供給システムＡは、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１６と、第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と接続する電流源２の一例である第一の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２との少なくともひとつがシステム制御部１００からの制御によって創出する電力を、系統電源である商用電源１２と接続するブレーカ１８を経由して、設備や家庭内の負荷機器へ、電力供給するものである。
【００３２】
なお、図３における制御部６は、図１と図２を用いて上述した内部抵抗成分Ｒの測定機能（電圧検出部７）と、蓄電池１の劣化度を推定する機能（劣化判断部１０）とを、システム制御部１００に集中させて委譲している。図３における制御部６の主たる役割は、システム制御部１００からの指令を受けて、第一の開閉部４ａと第二の開閉部４ｂとに対する開閉制御を行うことに、特化されている。
【００３３】
太陽電池１１から供給される電力は、コンバータ制御部１３によって、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力である中間電位を経て、第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を通じ、蓄電池１に蓄積される。このとき、第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は電流源２となる。また、系統連係を行えるよう、商用電源１２には双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１６が接続しており、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１６は、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４とは独立の給電路を経由して、第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５へ給電を行えるものである。これら単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４、第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１６は、いずれも、パワー半導体素子を有するフルブリッジ回路をベース回路とした公知のものでよく、コンバータ制御部１３によって動作制御を施されるものである。なお、電流源２の一例として挙げた、第一の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、本来は、制御部６によって制御されるべき回路であるが、制御部６とコンバータ制御部１３との双方の各制御タイミングの時間ズレが拡大していくのを
防ぐために、制御部６によって制御されなくとも、コンバータ制御部１３によって動作制御を施されてもよい。
【００３４】
ここで、制御部６は電圧検出部７と電流検出部８とを有する。第一の開閉部４ａを閉じると、蓄電池１からコンデンサ３に電流ｉ２が流れる。蓄電池１とコンデンサ３とが同電圧、すなわち電流ｉ２が流れないことが電圧検出部７または電流検出部８によって判断されたら、第一の開閉部４ａを開く。
【００３５】
続いて、第二の開閉部４ｂを閉じて、第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５から電流ｉ１を流す。このとき測定部５によって、測定される電圧値Ｖｂｉｔが内部抵抗成分Ｒによって生じる電圧である。測定された電圧値Ｖｂｉｔと第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５から流れる電流ｉ１とを用いて、蓄電池１の内部抵抗成分Ｒを算出し、算出された内部抵抗成分Ｒは、制御部６が有する劣化判断部１０によって、劣化度として算出される。
【００３６】
このとき、劣化度が、あらかじめ設定した閾値を超えた場合、蓄電池の交換を促す報知信号が発せられる。この報知信号は通信機器を通じて、住宅内の電子機器、たとえばインターホンやテレビなどに表示されるのが好ましい。例えば、制御部６は、住宅住戸のインターホンなどや同インターホンから転送可能なスマートフォンなどに代表されるユーザインタフェース１７を介して、蓄電池１の交換を促す報知信号を発する。
【００３７】
また、制御部６は、温度検出部９を有する。温度検出部９はサーミスタや熱電対などの蓄電池発熱測定素子９−１を使って、蓄電池１の表面温度を測定し、一定値以上の発熱が生じている場合は、蓄電池１が何らかの原因で異常発熱しているものとみなし、蓄電池１の電力供給を止めるために、第一の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを停止させる信号を、劣化判断部１０を介して発する。
【００３８】
また、商用電源１２による電力供給を電流源２として用いてもよい。このとき、商用電源１２からの供給電力は双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１６に供給され、商用電源１２から供給される電流成分は、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１６の出力である中間電位を経て、第二の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を通じて、蓄電池１に蓄積される。
【００３９】
図４は、上から（ａ）測定部５、（ｂ）コンデンサ３、（ｃ）蓄電池１のそれぞれにおける電流印加時の電圧値のグラフである。横軸は電流印加時の経過時間を示し、縦軸は各々で検出される電圧値を示している。
【００４０】
蓄電池１から電流ｉ２が流れている際（Ａ期間）、蓄電池１に充電されている電圧をＶｏｐとすると、測定部５における電圧値はゼロ、コンデンサ３における電圧値は徐々に上昇しＶｏｐに、蓄電池１における電圧値Ｖｏｐが検出される。コンデンサ３が蓄電池１の電圧値Ｖｏｐに達したとき、すなわち電流ｉ２が流れなくなったとき、電流源２から電流ｉ１が流れる（Ｂ期間）。このとき、測定部５には内部抵抗成分Ｒによって生じる電圧値Ｖｂｉｔが、コンデンサ３には電流が流れないので蓄積されたままである電圧値Ｖｏｐが、蓄電池１には充電されている電圧値と内部抵抗成分Ｒによって生じる電圧値Ｖｏｐ＋Ｖｂｉｔが検出される。
【００４１】
本蓄電池劣化度装置を用いた測定方法を用いることで、直流電圧・交流電圧に関わらず、容易な回路で蓄電池１の定格電圧を除き、劣化によって生じた電圧値のみ測定することができる。
【００４２】
図４のグラフにも示されるように、測定部５は内部抵抗成分Ｒによる電圧値Ｖｂｉｔの
みをＡＤ変換器にフルスケールで割り付けることができるので、簡易な回路かつビット数の小さなＡＤ変換器を用いても高精度な測定が可能であり、微小な変化も検出することが可能である。
【００４３】
コンデンサ３の電圧値は蓄電池１の定格電圧よりも大きなものを用いることにより、蓄電池１の充電量によらずに劣化度の測定を行うことができる。
【００４４】
また、第一の開閉部４ａは両端に増幅回路を介して、ＡＤ変換器を有する測定部５と接続されるのが好ましい。このとき、増幅回路の増幅率をＡＤ変換器の最大電圧に設定しておくことで、ＡＤ変換器の最大範囲で変化量を検出することができるので、測定の精度をより向上させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１    蓄電池
２    電流源
３    コンデンサ
４ａ  第一の開閉部
４ｂ  第二の開閉部
５    測定部
６    制御部
Ｒ    内部抵抗成分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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