JP2009044902A - 蓄電池の特性測定装置、直流電力供給システム及び蓄電池の特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、蓄電池を直流電力供給システムから切り離さずに行われる蓄電池の劣化判定試験において、負荷電流の変動に関わらず安定して劣化判断ができる信頼性の高い蓄電池の特性測定装置、直流電力供給システム及び蓄電池の特性測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】蓄電池を切り離さない状態で、蓄電池の放電電流を一定値に維持し又は任意に制御することで蓄電池の特性、特に蓄電池電圧の情報を劣化判定の資料とすることができる。そこで、上記目的を達成するため、本発明は、蓄電池の放電電流を一定又は任意に制御して蓄電池の劣化判断を行うこととした。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源と負荷との間に並列接続された蓄電池の特性を測定する特性測定装置、これを含む直流電力供給システム及びその蓄電池の特性を測定する特性測定方法に関する。

図１２に、通信設備などに直流電力を供給する直流電力供給システム８０１の構成例を示す。直流電力供給システム８０１は、直流電源２として商用交流電源２ａからの商用交流を受電して直流電流を供給する整流器２ｂを備える。通信用では、電圧は定格４８Ｖ(実運転電圧５３Ｖ)、電流は様々であるが、最大数千Ａ程度まである。直流電力供給システム８０１は、負荷３に直流電力を供給する。負荷３は、例えば、電話交換機、またはインターネット・サーバー、無線機などの通信設備である。整流器２ｂと負荷３の間には、商用交流電源２ａの停電時に直流供給をバックアップする蓄電池４が並列接続されている。

直流電力供給システム８０１は、蓄電池の出力端子における電圧である蓄電池電圧Ｖｂを測定する蓄電池電圧検出手段９を備える。直流電力供給システム８０１は、蓄電池温度ｔ_ｂを測定する温度センサ７を備える。さらに、直流電力供給システム８０１は、整流器２ｂの出力電流Ｉｒを検出する電流検出器(シャント)
５ａ、負荷電流Ｉｏを検出する電流検出器(シャント) ５ｂ、整流器２ｂの出力電流Ｉｒ、負荷電流Ｉｏ、蓄電池電圧Ｖｂ及び蓄電池温度ｔ_ｂを監視して運転状況や停電時の蓄電池残容量などの情報を図示しない総合監視局と通信する監視器１を備える。

整流器２ｂは、実用上は冗長運転による供給信頼性を確保するため、図示しないが複数台の整流ユニットをいわゆる逆流防止回路８Ａ〜８Ｃで並列接続している。逆流防止回路８Ａ〜８Ｃは、例えば、整流ユニットの１個の逆流防止回路８Ａより内側の出力回路が短絡故障したときに、他の逆流防止回路８Ｂ、８Ｃに接続される正常なユニットから電流が流れ込み、全出力電圧が低下することを防止するものである。逆流防止回路は、例えば、ＯＲダイオードである。

ここで、蓄電池４は、温度、充放電などの使用条件により徐々に劣化し、また使用しなくても自然に経年劣化する性質を持つ。直流電力供給システム８０１のシステム管理者が、蓄電池の特性劣化、すなわち容量減少をそのままにしておくと、停電時に蓄電池が放電する際、必要なバックアップ時間がとれず、その結果、通信設備が機能停止し、重大な通信事故を起こす。

これを防止するため、このような直流電力供給システム８０１においては、定期的に蓄電池４の特性を測定して劣化を判定しなければならない。蓄電池の劣化判定方法には各種あるが、基本は、蓄電池電圧情報であり、放電電流、蓄電池温度など同一使用条件であれば、劣化した蓄電池の内部抵抗は増加し、結果として電圧または電圧降下率は、製造直後の新品よりも低下するので、この蓄電池電圧情報が重要な判別データである。

この劣化判定試験を、直流電力供給システムから蓄電池を切り離して行える場合には、例えば、所定の電流を放電して、蓄電池電圧が放電終止電圧に至る時間と放電電流の積から蓄電池容量を算出し、それを所定の温度時の容量に換算したものを定格の蓄電池容量と比較して劣化判定することができるが、通信用直流電力供給システムから蓄電池を切り離すことは、試験中に万が一の停電が起きた場合、バックアップできなくなるため、危険である。このため、蓄電池を切り離さないで劣化判定する方法が考案されてきた（例えば、特許文献１〜３を参照。）。

図１３を用いて従来の方法の一例を説明する。図１３（ａ）は整流器出力電圧、図１３（ｂ）は蓄電池電流波形を示す。蓄電池電流の負の部分は充電電流Ｉｃ、正の部分は放電電流Ｉｂである。

時刻ｔ０以前の正常（停電でない）運転の状態を考える。蓄電池は浮動充電電流Ｉｃ１で充電され、その電圧は浮動充電電圧値ｖ_１、例えば５３Ｖに維持されている。試験開始前には、蓄電池が満充電されていることが望ましい。ｔ０で、整流器２ｂの出力電圧を負荷３に支障をきたさず、かつ蓄電池の内部電圧の電圧値ｖ_２より低いレベルｖ_３まで所定時間低下させる。例えば、通常運転では、整流器出力電圧を５３Ｖに設定するが、試験時には、蓄電池の内部電圧より低い電圧値ｖ_３、例えば４８Ｖに整流器電圧を低下させる。その結果、各整流ユニットの逆流防止回路が蓄電池電圧で逆バイアスされ、蓄電池４から電流が逆流することはなく、負荷電流Ｉｏは蓄電池４から供給される。このときの蓄電池の出力端子における蓄電池４の電圧Ｖｂの情報、例えば、浮動充電電圧値ｖ_１からの落ち込み電圧値ｖ_４、または時刻ｔ０を起点とする時間的変化量ΔＶを計測して劣化判定資料とする。時刻ｔ１で試験終了すると、整流器出力電圧を上昇して復帰する。電圧上昇により、負荷電流Ｉｏは整流器２ｂに切り替わり、同時に蓄電池４には充電電流Ｉｃ２が流れ始める。整流器出力電圧上昇直後は充電電流が増加するが、時間が経過すると充電電流は減少し、試験前の浮動充電状態に復帰する。
特開平０９−８０１３１号公報 特開平０８−１２６２１４号公報 特開２０００−５０５２５号公報

しかし、従来の方法では、試験時に変動する負荷電流Ｉｏは全て蓄電池から供給されており、重要な試験条件パラメータである蓄電池放電電流Ｉｂとその試験を行う負荷電流Ｉｏとが図１３（ｂ）のように等しく変動する。試験時刻の負荷電流Ｉｏで蓄電池の内部電圧は大きく変化するため、劣化判定には試験時刻の負荷電流で補正した蓄電池の内部電圧の情報を使用する必要がある。その補正には、得られた内部電圧の情報の複雑な分析が必要であり、劣化判定の信頼性に課題があった。

そこで、本発明では、蓄電池を直流電力供給システムから切り離さずに行われる蓄電池の劣化判定試験において、負荷電流の変動に関わらず安定して劣化判断ができる信頼性の高い蓄電池の特性測定装置、直流電力供給システム及び蓄電池の特性測定方法を提供することを目的とする。

蓄電池を切り離さない状態で、蓄電池の放電電流を一定値に維持し又は任意に制御することで蓄電池の特性、特に蓄電池電圧の情報を劣化判定の資料とすることができる。そこで、上記目的を達成するため、本発明は、蓄電池の放電電流を一定又は任意に制御して蓄電池の劣化判断を行うこととした。

具体的に、本発明に係る蓄電池の特性測定装置は、負荷に対して、電圧制御端子に入力された電圧制御信号により出力電圧を制御できる直流電源と並列接続される蓄電池の特性を測定する蓄電池の特性測定装置であって、前記蓄電池からの放電電流を検出する蓄電池電流検出手段と、前記蓄電池の蓄電池電圧を検出する蓄電池電圧検出手段と、前記直流電源の出力電圧を一時的に低下させて前記直流電源及び前記蓄電池で負荷に並列給電させるとともに前記蓄電池からの放電電流が設定値になるように前記直流電源の出力電圧を制御する出力電圧制御回路と、前記蓄電池が設定された放電電流で放電するときの前記蓄電池の蓄電池電圧もしくはその変化または設定された放電電流で放電するときの前記蓄電池の蓄電池電圧が規定電圧に達する時間から前記蓄電池の特性を判定する劣化判定回路と、を備えることを特徴とする。

蓄電池の特性測定装置は、蓄電池電流検出手段が蓄電池から負荷へ流れる放電電流を検出し、検出した放電電流が設定値になるように出力電圧制御回路が直流電源に対して出力電圧を制御している。そのため、蓄電池の劣化判定試験中に負荷が変動しても蓄電池からの放電電流を一定に保つことができる。

従って、本発明は、蓄電池を直流電力供給システムから切り離さずに行われる蓄電池の劣化判定試験において、負荷電流の変動に関わらず安定して劣化判断ができる信頼性の高い蓄電池の特性測定装置を提供することができる。

本発明に係る蓄電池の特性測定装置の前記蓄電池電流検出手段は、前記直流電源の出力電流を検出する第一電流検出器、前記負荷への負荷電流を検出する第二電流検出器及び前記第一電流検出器の検出する出力電流と前記第二電流検出器の検出する負荷電流との差分を前記蓄電池からの放電電流として算出する蓄電池電流演算回路を有してもよい。

本発明に係る蓄電池の特性測定装置は、前記出力電圧制御回路の動作タイミングを制御し、前記蓄電池の蓄電池電圧が所定値にまで低下するまでの前記蓄電池の放電可能時間を測定するタイミング制御回路をさらに備えており、前記劣化判定回路は、前記タイミング制御回路が測定する前記蓄電池の放電可能時間が予め決められた値より短いときに、前記蓄電池が劣化したと判定することができる。

また、本発明に係る蓄電池の特性測定方法は、直流電源と並列接続される蓄電池の特性測定方法であって、前記直流電源の出力電圧を一時的に低下させて前記直流電源及び前記蓄電池で負荷に並列給電させるとともに前記蓄電池からの放電電流が設定値になるように前記直流電源の出力電圧を制御し、設定された放電電流における前記蓄電池の蓄電池電圧の蓄電池情報から蓄電池の特性を測定することを特徴とする。放電電流が一定のため、蓄電池の放電可能時間で蓄電池の劣化を判断できる。

本発明に係る蓄電池の特性測定装置の前記劣化判定回路は、前記蓄電池の所定時間の放電で、前記蓄電池の蓄電池電圧が予め決められた値より小さいときに、前記蓄電池が劣化したと判定することができる。

また、本発明に係る蓄電池の特性測定方法は、直流電源と並列接続される蓄電池の特性測定方法であって、前記直流電源の出力電圧を一時的に低下させて前記直流電源及び前記蓄電池で負荷に並列給電させるとともに前記蓄電池からの放電電流が設定値になるように前記直流電源の出力電圧を制御し、設定された放電電流で所定時間放電した後の前記蓄電池の蓄電池電圧の蓄電池情報から蓄電池の特性を測定することを特徴とする。

放電電流が一定のため、所定時間経過後の蓄電池の蓄電池電圧が低下した量で蓄電池の劣化を判断できる。蓄電池の容量の一部を放電するだけで判断できるので、蓄電池劣化試験直後でも直流電源設備のバックアップが可能である。

本発明に係る蓄電池の特性測定装置の前記出力電圧制御回路は、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ１及び電流値ｉ_ｂ２となるように前記直流電源の出力電圧を２段階に制御し、前記蓄電池電圧検出手段は、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ１のときの蓄電池電圧を電圧値ｖ_ｂ１として測定し、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ２のときの蓄電池電圧を電圧値ｖ_ｂ２として測定し、前記劣化判定回路は、（ｖ_ｂ１−ｖ_ｂ２）／（ｉ_ｂ２−ｉ_ｂ１）の値が予め決められた値より大きいときに、前記蓄電池が劣化したと判定することができる。

また、本発明に係る蓄電池の特性測定方法は、直流電源と並列接続される蓄電池の特性測定方法であって、前記直流電源の出力電圧を一時的に低下させて前記直流電源及び前記蓄電池で負荷に並列給電させるとともに前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ１及び電流値ｉ_ｂ２となるように前記直流電源の出力電圧を２段階に制御し、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ１のときの蓄電池電圧を電圧値ｖ_ｂ１として測定し、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ２のときの蓄電池電圧を電圧値ｖ_ｂ２として測定し、（ｖ_ｂ１−ｖ_ｂ２）／（ｉ_ｂ２−ｉ_ｂ１）の値の蓄電池情報から蓄電池の特性を測定することを特徴とする。

２段階の放電電流により過渡インピーダンスを測定できる。過渡インピーダンスの変化で蓄電池の劣化を判断できる。蓄電池の容量の一部を放電するだけで判断できるので、蓄電池劣化試験直後でも直流電源設備のバックアップが可能である。

本発明に係る蓄電池の特性測定装置の前記劣化判定回路は、劣化判定する蓄電池の過去のデータを前記予め決められた値として前記蓄電池の劣化を判定することができる。また、本発明に係る蓄電池の特性測定方法は、過去に測定した前記蓄電池情報と比較することで前記蓄電池の劣化を判定することを特徴とする。

本発明に係る直流電力供給システムは、負荷に対して、電圧制御端子に入力された電圧制御信号により出力電圧を制御できる直流電源と、前記直流電源と並列接続される蓄電池と、前記直流電源の出力電圧を制御し、前記蓄電池の特性を測定する請求項１から６のいずれかに記載の蓄電池の特性測定装置と、を含む。

直流電源の出力電圧を制御することで、蓄電池の特性測定装置は、蓄電池の放電電流を一定に保つことができる。

従って、本発明は、蓄電池を直流電力供給システムから切り離さず、また、負荷電流の変動に関わらず安定して蓄電池の劣化判定試験を行うことができ、信頼性の高い直流電力供給システムを提供することができる。

本発明では、蓄電池を直流電力供給システムから切り離さずに行われる蓄電池の劣化判定試験において、負荷電流の変動に関わらず安定して劣化判断ができる信頼性の高い蓄電池の特性測定装置、直流電力供給システム及び蓄電池の特性測定方法を提供することができる。

本発明に係る蓄電池の特性測定装置、直流電力供給システム及び蓄電池の特性測定方法は、蓄電池を直流電源設備から切り離さずに、蓄電池の放電電流一定での蓄電池電圧情報から蓄電池の特性を測定できる。特に蓄電池の劣化判定に有用である。蓄電池電圧に大きく影響するパラメータ、蓄電池の放電電流を固定化できるため、劣化判定が容易になり、またその信頼性も向上する。また、定電流動作や電圧情報計測を短時間に行い劣化判定ができるので、蓄電池充電容量を無駄に放電せず、小容量の蓄電池を使用する直流電力供給システムのように、バックアップ時間が短く、長時間の放電による容量減少を望まない場合にも適用できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１に、本実施形態の直流電力供給システムの概略構成図を示す。この直流電力供給システムには、本発明に係る蓄電池の特性測定装置が含まれる。

本実施形態の直流電力供給システムは、負荷３に対して、電圧制御端子２５に入力された電圧制御信号Ｓｃにより出力電圧Ｖｒを制御できる直流電源２と、直流電源２と並列接続される蓄電池４と、電圧制御信号Ｓｃを直流電源２に出力し、蓄電池４の特性を測定する蓄電池の特性測定装置１１と、を含む。本実施例の直流電源２は、商用交流電源２ａからの交流を整流器２ｂで直流に変換している。

蓄電池の特性測定装置１１は、蓄電池４からの放電電流を検出する蓄電池電流検出手段５と、電圧制御信号Ｓｃにより電圧制御端子２５を通して蓄電池４からの放電電流が設定値、好ましくは一定となるように直流電源２の出力電圧Ｖｒを制御する出力電圧制御回路１５と、蓄電池４の蓄電池電圧Ｖｂを検出する蓄電池電圧検出手段９と、出力電圧制御回路１５が直流電源２の出力電圧Ｖｒの制御を開始するタイミングを制御し、蓄電池４が放電を開始してからの放電時間を決定するタイミング制御回路１８と、蓄電池４が設定された放電電流で放電するときの蓄電池４の蓄電池電圧Ｖｂもしくはその変化または設定された放電電流で放電するときの蓄電池４の蓄電池電圧Ｖｂが規定電圧に達する時間から蓄電池４の特性を判定する劣化判定回路１２と、を備える。

本実施例の蓄電池電流検出手段５は、直流電源２の出力電流を検出する第一電流検出器５ａ、負荷３への負荷電流を検出する第二電流検出器５ｂ及び第一電流検出器５ａの検出する出力電流と第二電流検出器５ｂの検出する負荷電流との差分を蓄電池４からの放電電流として算出する蓄電池電流演算回路１３を有する。例えば、第一電流検出器５ａ及び第二電流検出器５ｂはシャントである。

蓄電池の特性測定装置１１は、第一電流検出器５ａで出力電流Ｉｒを検出し（検出値ｉ_ｒ）、第二電流検出器５ｂで負荷電流Ｉｏを検出し（検出値ｉ_ｏ）、蓄電池電流演算回路１３でｉ_ｏ−ｉ_ｒ＝ｉ_ｂとして蓄電池放電電流Ｉｂを算出（算出値ｉ_ｂ）する。図１中の出力電流Ｉｒ、負荷電流Ｉｏ、蓄電池放電電流Ｉｂの矢印は電流の方向を示している。蓄電池放電電流Ｉｂの矢印は放電電流の方向であり、充電電流の場合は逆向きである。なお、図１の蓄電池電流検出手段５は第一電流検出器５ａ及び第二電流検出器５ｂを有するが、蓄電池電流検出手段は蓄電池４の出力端子に直接接続した電流検出器であって、蓄電池４からの蓄電池放電電流Ｉｂを直接測定してもよい。

比較演算器１４は、蓄電池放電電流Ｉｂと放電電流基準器１９からの放電電流基準値ｉ_Ｓとを比較し、電圧制御信号Ｓｃを発生させる。自動、手動または通信で端子３１に入力される試験信号Ｓｇ１がタイミング制御回路１８を通して出力電圧制御回路１５をオンさせるときに、電圧制御信号Ｓｃは直流電源２に送信され、出力電圧Ｖｒを低下させる。蓄電池電圧検出手段９は蓄電池電圧Ｖｂを検出し（検出値ｖ_ｂ）、検出結果を劣化判定回路１２に入力する。劣化判定回路１２には、蓄電池放電電流Ｉｂの情報も入力することができる。劣化判定回路１２は、試験信号Ｓｇ１によりタイミング制御回路１８を通して劣化判定プログラムを動作させ、蓄電池電圧Ｖｂの低下レベル、蓄電池電圧Ｖｂの低下速度又は蓄電池電圧Ｖｂの変化が新品の蓄電池のそれと比較し、所定の差があれば劣化と判定して表示操作パネル１６に劣化表示を出す。なお、タイミング制御回路１８は、出力電圧制御回路１５の動作タイミングを制御し、蓄電池４の蓄電池電圧が所定値にまで低下するまでの蓄電池４の放電可能時間を測定することもできる。タイミング制御回路１８は、蓄電池４の劣化判定を行う時間を定める機能を有し、試験信号Ｓｇ１により出力電圧制御回路１５及び劣化判定回路１２に対して試験開始と終了の指示を行うこともできる。

満充電判別器１７は、蓄電池４が満充電状態であるときに満充電信号Ｓｇ２を出力することができる。例えば、蓄電池が浮動充電状態であり、かつ蓄電池の充電電流Ｉｃが所定値以下又は略ゼロとなる条件で数時間経過した場合に、満充電判別器１７は蓄電池４が満充電であると判定する。

記憶手段２０は、不揮発性のメモリ（例えばフラッシュメモリ）で構成され、劣化判定試験の結果の履歴を記憶することができ、また蓄電池の仕様書記載の放電特性を記憶させておくこともできる。

つぎに、蓄電池の特性測定装置１１の動作を図１、図２及び図３を使用して説明する。図２は蓄電池の特性測定装置１１が測定した蓄電池４の特性結果である。図２（ａ）に蓄電池電圧Ｖｂ及び蓄電池の内部電圧Ｖｂｏ、図２（ｂ）に蓄電池電流の波形を示す。蓄電池電流の負の部分は充電電流Ｉｃ、正の部分は蓄電池放電電流Ｉｂである。図３は、蓄電池の特性測定装置１１が行う蓄電池の特性測定方法のフローチャートである。

時刻ｔ０以前の通常運転の状態を考える。直流電源２の出力電圧は、蓄電池電圧Ｖｂの浮動充電電圧値ｖ_１、例えば５３Ｖに維持されている。試験開始前には、蓄電池が満充電されていることが試験条件の同一性から望ましい。すなわち、試験条件を満充電とする。満充電前には満充電判別器１７は満充電信号Ｓｇ２を出力しないため、満充電前に試験信号Ｓｇ１が入力されても、出力電圧制御回路１５は電圧制御信号Ｓｃを出力せず、試験を行わない。この出力電圧制御回路１５には、他の条件、例えば、通信繁忙時、緊急時など、少しでも試験により通信事故が発生する可能性のある場合には試験を行わないようすることもできる。

満充電が確認された（Ｓｇ２が発生している）状態（時刻ｔ０）で、試験信号Ｓｇ１を入力する。タイミング制御回路１８を通して出力電圧制御回路１５がオンして比較演算器１４の比較信号を基として、電圧制御信号Ｓｃとして送信される。出力電圧Ｖｒを徐々に低下させるように電圧制御信号Ｓｃを変動させてもよい。例えば、出力電圧Ｖｒを１秒あたり１Ｖ低下させてもよい。ここで満充電状態であるときの蓄電池４の内部電圧Ｖｂｏの電圧値ｖ_２とする。電圧制御信号Ｓｃに対応して出力電圧Ｖｒが徐々に低下し、蓄電池電圧Ｖｂが電圧値ｖ_２近辺になる（時刻ｔ１）と、蓄電池４から蓄電池放電電流Ｉｂが供給され始め、負荷電流Ｉｏの一部となる。比較演算器１４は、この放電電流Ｉｂと放電電流基準値ｉ_Ｓを比較し、蓄電池４の容量で定まる所定電流値ｉ_２になるように電圧制御信号Ｓｃを制御する。言い換えれば、蓄電池放電電流Ｉｂを定電流制御することになる。

劣化判定回路１２は、蓄電池電圧Ｖｂの電圧値又はその変動から、蓄電池４の特性を測定し、劣化の有無を判定する。例えば、放電電流Ｉｂが所定電流値ｉ_２に制御されたときの時刻ｔ１、時刻ｔ１から所定時間経過後の時刻ｔ２及び時刻ｔ３におけるそれぞれの蓄電池電圧Ｖｂを電圧値ｖ_２、電圧値ｖ_３及び電圧値ｖ_４としたとき、蓄電池４の劣化は、電圧値ｖ_２又は電圧値ｖ_２と電圧値ｖ_３との関係から判断することができる。なお、放電開始後の蓄電池電圧Ｖｂの変動が大きい場合には、定電流放電に達してから１分または数分後から蓄電池４の特性を測定し始めてもよい。例えば、蓄電池電圧Ｖｂの過渡変動が安定した電圧値ｖ_３と電圧値ｖ_４との関係から判断することができる。

なお、出力電圧制御回路１５の制御遅れで、直流電源２の出力電圧Ｖｒが蓄電池電圧Ｖｂの電圧値以下に低下しても、整流器２ｂの出力には逆流防止回路８Ａ〜８Ｃが接続されているので、蓄電池４から整流器２ｂに電流が逆流することはない。

蓄電池４の容量で定まる所定電流値ｉ_２については、例えば０．１Ｃ放電とする。１Ｃ放電とは、蓄電池容量、例えば２００Ａｈの蓄電池の場合、定格容量値と同値の２００Ａを示し、０．１Ｃの放電電流は２０Ａである。この試験は、試験開始から所定時間のみ電流を放電させるだけであるが、試験に使用する放電容量は少ないほうが、試験直後に停電が発生した場合を考えると安全であり、０．１Ｃ程度の放電が望ましい。

時刻ｔ３で試験終了すると、直流電源２の出力電圧設定はＶ１であるが、蓄電池電圧Ｖｂはすぐには復帰しない。直流電源２は最大出力電流で制限され、蓄電池電圧Ｖｂを徐々に上昇させる。直流電源２は垂下動作をしながら負荷３に給電しつつ蓄電池４の充電を行い、蓄電池電圧Ｖｂを浮動充電電圧値ｖ_１まで復帰させる。図２（ｂ）のＩｃ２部分が充電電流を示す。この充電電流により蓄電池４が充電される。蓄電池４の充電が完了すると充電電流が減少し、浮動充電となる。満充電となる時刻は図示していない。

図４は、本実施形態の直流電力供給システムの等価回路である。電圧源Ｂ１、内部抵抗ｒ１及び逆流阻止ダイオードＤ１が、直流電力供給システムの直流電源２に相当する。直流電源２の出力電圧を出力電圧Ｖｒで示している。内部電圧Ｖｂｏの電圧源Ｂ２が、内部抵抗ｒ２とともに直流電力供給システムの蓄電池４に相当する。電圧源Ｂ２は接続点Ａで直流電源２と並列接続されている。接続点Ａの電圧が図２で説明した蓄電池電圧Ｖｂに相当する。ｒ３は負荷抵抗であり、直流電力供給システムの負荷３に相当する。負荷抵抗ｒ３には蓄電池電圧Ｖｂと等しい負荷電圧Ｖｏが加わり、負荷電流Ｉｏが流れ込む。

図５は、図４に示した等価回路の接続点Ａにおける負荷電流Ｉｏに対する直流電源２の負荷電圧Ｖｏ１、負荷電圧Ｖｏ２の関係である。横軸は電流、縦軸は電圧である。直流電源２の出力電圧Ｖｒを調整することで、矢印５５のように電圧降下率曲線５１から電圧降下率曲線５２に連続的にスライドさせることができる。

図６に、試験開始前（定常時）の直流電源２からの電圧降下率曲線５１と、蓄電池４からの電圧降下率曲線５４の関係を示す。縦軸は電圧を示し、横軸長さは負荷電流を示す。直流電源２の電圧降下率曲線５１が電流Ｉｏの全範囲において蓄電池電圧の電圧降下曲線５４より高いので、負荷電流は全て直流電源から供給される。直流電源２からの出力電流Ｉｒは左を０Ａとし右方向に行くに従い大きくなる。一方、蓄電池４からの放電電流Ｉｂは、負荷電流Ｉｏから直流電源の出力電流Ｉｒを引いたものであり、図６ではＩｏ−Ｉｒの長さで示され、右端を０Ａとして、左方向に行くに従い大きくなる。

図７に試験時の動作を示す。蓄電池４の劣化試験前は、直流電源２の無負荷（横軸左端）から最大電流Ｉｍａｘ（横軸右端）までの範囲で、直流電源２の電圧降下率曲線５１が満充電時の蓄電池４の内部電圧Ｖｂｏより高いので、電圧降下率曲線５１と電圧降下率曲線５４とは交差しない。この状態では、蓄電池４の内部電圧Ｖｂｏより直流電源２の出力電圧Ｖｒが高いので、浮動充電の状態にある。

直流電源２からの出力電圧Ｖｒを下げ、電圧降下率曲線５１から電圧降下曲線５２に低下させる。この時点で、蓄電池４の電圧降下曲線５４と電圧降下曲線５２とは負荷電流Ｉｏの点で交差する。これは、図４のＡ点において直流電源２の出力電圧Ｖｒが、蓄電池４の内部電圧Ｖｂｏと等しくなったことを意味し、この点で蓄電池電流は０となり、充電電流も放電電流も発生しない状態である。

さらに直流電源２の出力電圧Ｖｒを下げると、直流電源２の電圧降下曲線５２は電圧降下曲線５３まで下がる。この時点で、蓄電池４の電圧降下曲線５４と電圧降下曲線５３とは交点Ｂで交差する。この交点Ｂを境に、左側では直流電源２の出力電圧Ｖｒが高く、右側では蓄電池４の蓄電池電圧Ｖｂが高い。つまり交点Ｂを境に、左側の負荷電流Ｉｏを直流電源２が分担し、右側の負荷電流Ｉｏを蓄電池４が分担することを意味する。

このように、直流電源２の出力電圧Ｖｒを変えることで、電圧降下曲線５３と電圧降下曲線５４との交点を移動して直流電源２と蓄電池４の電流分担率を変えることができ、蓄電池４の蓄電池放電電流Ｉｂを任意に制御することが可能となる。直流電源２の内部抵抗ｒ１及び蓄電池４の内部抵抗ｒ２が共に０の場合は制御できないが、いずれか一方に内部抵抗があれば制御可能である。通常、直流電源２と蓄電池４には内部抵抗ｒ１、内部抵抗ｒ２があるため、蓄電池放電電流Ｉｂを制御できる。

この発明を用いた蓄電池の容量測定方法の例を説明する。なお、劣化判定基準は、蓄電池の仕様書記載の放電特性曲線を、あらかじめ図１で説明した記憶手段２０に記憶保存しておき、これと比較することもできる。または、この整流装置の新設時、または工場出荷時に同様の試験を行い、そのときの蓄電池電圧等の蓄電池情報を記憶手段２０に記憶保存しておく。実際の現場での試験は、試験時の蓄電池情報と保存された蓄電池情報を比較して、その変化から判別することもできる。

（特性測定方法１）
図８（ａ）はこの試験方法による蓄電池電圧Ｖｂの変化、図８（ｂ）は蓄電池放電電流Ｉｂを示す。試験開始時刻ｔ０から、定電流、例えば０．１Ｃで放電させ、試験開始直後から規定時間ｔ１後の蓄電池の蓄電池電圧を測定し、浮動充電電圧値ｖ_１からの落ち込み電圧値ｖ_４とする。特性測定方法１では、落ち込み電圧値ｖ_４を蓄電池情報とする。落ち込み電圧ｖ_４が、予め決められた値より大きい場合は、劣化と判定する。過去に測定した落ち込み電圧値ｖ_４を予め決められた値としてもよい。また、落ち込み電圧値ｖ_４ではなく蓄電池電圧Ｖｂの値を管理してもよい。

（特性測定方法２）
図８において、時刻ｔ０を起点とする時間的変化量ΔＶを計測して、変化量が大きい場合に劣化と判定する。特性測定方法２では、時間的変化量ΔＶを蓄電池情報とする。

（特性測定方法３）
図９（ａ）はこの試験方法による蓄電池電圧Ｖｂの変化、図９（ｂ）は蓄電池放電電流Ｉｂを示す。定格容量ＱＡｈの蓄電池の実際容量を測定する。蓄電池の定格容量は、例えば１０時間率容量で定義され、所定温度２５℃で０．１Ｃ放電した場合、１０時間で放電終止電圧に至る。試験開始時刻ｔ０から、定電流、例えば０．１Ｃで放電させ、試験開始直後から蓄電池電圧Ｖｂを継続して計測する。この電圧は、しだいに低下していき、ある時刻ｔ１で放電終止電圧ｖ_ｅに達する。放電終止電圧ｖ_ｅを超えて放電させてしまうと、蓄電池が劣化してしまう為、試験終了し、再充電を行う。

試験開始から放電終止時刻までの時間Ｔを、試験時の温度が規定温度（例えば２５℃）であった場合の判定時間Ｔ’に換算する。判定時間Ｔ’が予め決められた値より短いとき蓄電池は劣化していると判定できる。例えば、予め決められた値が１０時間であれば、判定時間Ｔ’が１０時間未満の場合、蓄電池は劣化していると判定でき、判定時間Ｔ’が極端に短く（例えば、７時間）なっている場合、蓄電池を交換する時期であると判定できる。特性測定方法３では、時間Ｔ又は判定時間Ｔ’を蓄電池情報とする。

（特性測定方法４）
図１０（ａ）はこの試験方法による蓄電池電圧Ｖｂの変化、図１０（ｂ）は蓄電池放電電流Ｉｂを示す。蓄電池容量を所定時間放電させて、そのときの蓄電池電圧降下率から、放電終止電圧に至る時間を予測して、蓄電池容量を測定することができる。例えば、試験開始時刻ｔ０から、定電流、例えば０．１Ｃで放電させ、試験開始直後から１時間後の時刻ｔ１まで電圧を継続して計測する。この低下する蓄電池電圧Ｖｂの傾向から放電終止電圧ｖ_ｅに至る時間を予測する。特性測定方法４では、この予測される時間を蓄電池情報とする。例えば、予測方法として直線近似する。実際にはこの電圧降下特性は直線的でなく、放電終止電圧ｖ_ｅに至る電圧特性を直線的に延長することはできないが、新品時の蓄電池情報と相対比較すれば、十分に予測精度をあげることができる。直流電力供給システムの蓄電池を全容量放電する必要がないため、試験直後に停電があっても、蓄電池でバックアップできる利点がある。

例えば、新品蓄電池の初期状態において、その電圧降下を測定しておき、それを直線近似延長して放電終止電圧になる時間を求めて、図１で説明した記憶手段２０に記憶しておく。試験時には、同様に直線延長して放電終止電圧になる時間を求め、記憶された初期状態の値として比較し、著しく、例えば、３０％減少した場合に蓄電池を交換する目安としてもよい。

（特性測定方法５）
放電電流が一定でなく、複数段階、例えば２段階に変化させて、そのときの複数の電圧情報を分析して使うこともできる。図１１（ａ）はこの試験方法による蓄電池電圧Ｖｂの変化、図１１（ｂ）は蓄電池放電電流Ｉｂを示す。図１１（ａ）のように蓄電池放電電流Ｉｂを２段階に変化させた。１ステップ目の蓄電池放電電流の電流値をｉ_ｂ１、
そのときの蓄電池電圧の電圧値をｖ_ｂ１、２ステップ目の蓄電池放電電流の電流値をｉ_ｂ２、そのときの蓄電池電圧の電圧値をｖ_ｂ２とするとき、（ｖ_ｂ１−ｖ_ｂ２）／（ｉ_ｂ１−ｉ_ｂ２）は蓄電池の動的インピーダンスを表わす。特性測定方法５では、この動的インピーダンスを蓄電池情報とする。このインピーダンス値を新設時で測定し、予め決められた値として記憶する。運転稼動後定期的に再度測定し、インピーダンス値の変化から蓄電池の劣化を判定することもできる。なお、図１１では、説明のため、放電電流Ｉｂの電流値ｉ_ｂ１及び電流値ｉ_ｂ２における蓄電池電圧Ｖｂが一定（電圧値ｖ_ｂ１及び電圧値ｖ_ｂ２）であるように示しているが、実際には右肩下がりに低下するので、電圧測定タイミングを放電電流Ｉｂの流れ始めから一定時間にすることが望ましい。

このように、本発明によれば、直流電力供給システムに接続された状態で、蓄電池情報を実測して、蓄電池の劣化を判断できる。

本発明の蓄電池の特性測定装置は、通信設備などのバックアップ蓄電池を備える直流電源供給システムの蓄電池管理に適用することができる。

本発明に係る直流電力供給システムの概略構成図である。 本発明に係る直流電力供給システムの蓄電池の特性測定装置が測定した蓄電池の特性結果を示した図である。（ａ）は蓄電池電圧及び蓄電池の内部電圧を示し、（ｂ）は蓄電池に出入りする電流を示した図である。 本発明に係る直流電力供給システムの蓄電池の特性測定装置が行う蓄電池の特性測定方法のフローチャートである。 本発明に係る直流電力供給システムの等価回路である。 図４に示した等価回路の接続点Ａにおける負荷電流Ｉｏに対する直流電源２の電圧降下曲線を示した図である。 図４に示した等価回路の接続点Ａにおける負荷電流Ｉｏに対する直流電源２の電圧降下曲線及び蓄電池４の電圧降下曲線を示した図である。 図４に示した等価回路の接続点Ａにおける、試験中の負荷電流Ｉｏに対する直流電源２の電圧降下曲線及び蓄電池４の電圧降下曲線を示した図である。 本発明に係る直流電力供給システムの蓄電池の特性測定方法を説明する図である。 本発明に係る直流電力供給システムの蓄電池の特性測定方法を説明する図である。 本発明に係る直流電力供給システムの蓄電池の特性測定方法を説明する図である。 本発明に係る直流電力供給システムの蓄電池の特性測定方法を説明する図である。 従来の直流電力供給システムの概略構成図である。 従来の直流電力供給システムの蓄電池の特性測定装置が測定した蓄電池の特性結果を示した図である。（ａ）は蓄電池電圧及び蓄電池の内部電圧を示し、（ｂ）は蓄電池に出入りする電流を示した図である。

符号の説明

１：監視器
２：直流電源
２ａ：商用交流電源
２ｂ：整流器
３：負荷
４：蓄電池
５：電流検出器
５ａ：第一電流検出器
５ｂ：第二電流検出器
７：温度センサ
８Ａ、８Ｂ、８Ｃ：逆流防止回路
９：蓄電池電圧検出手段
１１：蓄電池の特性測定装置
１２：劣化判定回路
１３：蓄電池電流演算回路
１４：比較演算器
１５：出力電圧制御回路
１６：表示操作パネル
１７：満充電判別器
１８：タイミング制御回路
１９：放電電流基準器
２０：記憶手段
２５：電圧制御端子
３１：端子
５１、５２、５３、５４：電圧降下曲線
５５：矢印
Ｂ１、Ｂ２：電圧源
Ｓｇ１：試験信号
Ｓｇ２：満充電信号
Ｓｃ：電圧制御信号
Ｔ：試験開始から放電終止電圧に至るまでの時間
Ｔ’：判定時間
ｔ_ｂ：蓄電池温度
Ｉｒ：出力電流
ｉ_ｒ：出力電流Ｉｒの検出値
Ｉｏ：負荷電流
ｉ_ｏ：負荷電流Ｉｏの検出値
Ｉｂ：蓄電池放電電流
ｉ_ｂ：蓄電池放電電流Ｉｂの計算値
Ｉｃ１、Ｉｃ２：充電電流
ｉ_Ｓ：放電電流基準値
ｉ_２：所定電流値
ｉ_ｂ１、ｉ_ｂ２：電流値
Ｖｒ：出力電圧
Ｖｂ：蓄電池電圧（蓄電池の出力端子における電圧）
ｖ_ｂ、ｖ_ｂ１、ｖ_ｂ２：蓄電池電圧の電圧値
Ｖｂｏ：蓄電池の内部電圧
Ｖｏ、Ｖｏ１、Ｖｏ２：負荷電圧
ｖ_ｅ：放電終止電圧値
ｖ_１：浮動充電電圧値
ｖ_２〜ｖ_４、ｖ_１１、ｖ_１２：電圧値

Claims (11)

1. 負荷に対して、電圧制御端子に入力された電圧制御信号により出力電圧を制御できる直流電源と並列接続される蓄電池の特性を測定する蓄電池の特性測定装置であって、
   前記蓄電池からの放電電流を検出する蓄電池電流検出手段と、
   前記蓄電池の蓄電池電圧を検出する蓄電池電圧検出手段と、
   前記直流電源の出力電圧を一時的に低下させて前記直流電源及び前記蓄電池で負荷に並列給電させるとともに前記蓄電池からの放電電流が設定値になるように前記直流電源の出力電圧を制御する出力電圧制御回路と、
   前記蓄電池が設定された放電電流で放電するときの前記蓄電池の蓄電池電圧もしくはその変化または設定された放電電流で放電するときの前記蓄電池の蓄電池電圧が規定電圧に達する時間から前記蓄電池の特性を判定する劣化判定回路と、
   を備えることを特徴とする蓄電池の特性測定装置。
2. 前記蓄電池電流検出手段は、前記直流電源の出力電流を検出する第一電流検出器、前記負荷への負荷電流を検出する第二電流検出器及び前記第一電流検出器の検出する出力電流と前記第二電流検出器の検出する負荷電流との差分を前記蓄電池からの放電電流として算出する蓄電池電流演算回路を有することを特徴とする請求項１に記載の蓄電池の特性測定装置。
3. 前記出力電圧制御回路の動作タイミングを制御し、前記蓄電池の蓄電池電圧が所定値にまで低下するまでの前記蓄電池の放電可能時間を測定するタイミング制御回路をさらに備えており、
   前記劣化判定回路は、前記タイミング制御回路が測定する前記蓄電池の放電可能時間が予め決められた値より短いときに、前記蓄電池が劣化したと判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電池の特性測定装置。
4. 前記劣化判定回路は、前記蓄電池の所定時間の放電で、前記蓄電池の蓄電池電圧が予め決められた値より小さいときに、前記蓄電池が劣化したと判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電池の特性測定装置。
5. 前記出力電圧制御回路は、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ１及び電流値ｉ_ｂ２となるように前記直流電源の出力電圧を２段階に制御し、
   前記蓄電池電圧検出手段は、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ１のときの蓄電池電圧を電圧値ｖ_ｂ１として測定し、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ２のときの蓄電池電圧を電圧値ｖ_ｂ２として測定し、
   前記劣化判定回路は、（ｖ_ｂ１−ｖ_ｂ２）／（ｉ_ｂ２−ｉ_ｂ１）の値が予め決められた値より大きいときに、前記蓄電池が劣化したと判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電池の特性測定装置。
6. 前記劣化判定回路は、劣化判定する蓄電池の過去のデータを前記予め決められた値として前記蓄電池の劣化を判定することを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の蓄電池の特性測定装置。
7. 負荷に対して、電圧制御端子に入力された電圧制御信号により出力電圧を制御できる直流電源と、
   前記直流電源と並列接続される蓄電池と、
   前記直流電源の出力電圧を制御し、前記蓄電池の特性を測定する請求項１から６のいずれかに記載の蓄電池の特性測定装置と、
   を含む直流電力供給システム。
8. 直流電源と並列接続される蓄電池の特性測定方法であって、
   前記直流電源の出力電圧を一時的に低下させて前記直流電源及び前記蓄電池で負荷に並列給電させるとともに前記蓄電池からの放電電流が設定値になるように前記直流電源の出力電圧を制御し、設定された放電電流における前記蓄電池の蓄電池電圧の蓄電池情報から蓄電池の特性を測定することを特徴とする蓄電池の特性測定方法。
9. 直流電源と並列接続される蓄電池の特性測定方法であって、
   前記直流電源の出力電圧を一時的に低下させて前記直流電源及び前記蓄電池で負荷に並列給電させるとともに前記蓄電池からの放電電流が設定値になるように前記直流電源の出力電圧を制御し、設定された放電電流で所定時間放電した後の前記蓄電池の蓄電池電圧の蓄電池情報から蓄電池の特性を測定することを特徴とする蓄電池の特性測定方法。
10. 直流電源と並列接続される蓄電池の特性測定方法であって、
    前記直流電源の出力電圧を一時的に低下させて前記直流電源及び前記蓄電池で負荷に並列給電させるとともに前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ１及び電流値ｉ_ｂ２となるように前記直流電源の出力電圧を２段階に制御し、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ１のときの蓄電池電圧を電圧値ｖ_ｂ１として測定し、前記蓄電池の放電電流が電流値ｉ_ｂ２のときの蓄電池電圧を電圧値ｖ_ｂ２として測定し、（ｖ_ｂ１−ｖ_ｂ２）／（ｉ_ｂ２−ｉ_ｂ１）の値の蓄電池情報から蓄電池の特性を測定することを特徴とする蓄電池の特性測定方法。
11. 過去に測定した前記蓄電池情報と比較することで前記蓄電池の劣化を判定することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の蓄電池の特性測定方法。

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