JP4452146B2

JP4452146B2 - 蓄電池監視装置

Info

Publication number: JP4452146B2
Application number: JP2004265587A
Authority: JP
Inventors: 知伸辻川; 火峰藪田; 傑松下
Original assignee: NTT Facilities Inc
Current assignee: NTT Facilities Inc
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2024-09-13
Also published as: JP2006080032A

Description

この発明は、バックアップ用の蓄電池を監視する蓄電池監視装置に関する。

通信機器等のバックアップ用電源として、鉛蓄電池などの蓄電池が使用される。この蓄電池には、設計上、使用可能期間いわゆる寿命がある。ただし、寿命は、一定ではなく、使用環境温度の影響を受けて変化する。バックアップ時の放電電流や放電頻度によっても変化する。

蓄電池の取替時期の判断は、人為的な判断に委ねられている。たとえば、設置後の一定期間が経過した時点で、ユーザが自らの判断で取替えの必要性を判断するのが一般的である。このため、取替時期を逸してしまったり、まだ十分に使用し得る状況で取替えられてしまうこともある。

この発明は、上記の事情を考慮したもので、蓄電池の寿命および取替時期を適切かつ自動的に知ることが可能な蓄電池監視装置を提供することを目的としている。

請求項１に係る発明の蓄電池監視装置は、蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段と、上記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、上記内部抵抗測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、前記蓄電池が寿命切れであると判定する判定手段と、予め定められている蓄電池の寿命−温度特性に基づいて、上記温度検出手段の検出温度における蓄電池寿命の単位期間当たりの消耗度を求め、求めた消耗度と上記温度検出手段の検出タイミング間隔との乗算値を予め設定された基準温度での予測寿命期間から逐次に減算していくことにより、蓄電池の寿命の残存期間を求める算出手段と、を備えている。

請求項２に係る発明の蓄電池監視装置は、蓄電池の電圧を測定する電圧測定手段と、上記蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段と、上記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、上記電圧測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、前記蓄電池が異常であると判定する第１判定手段と、前記内部抵抗測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、前記蓄電池が寿命切れであると判定する第２判定手段と、予め定められている蓄電池の寿命−温度特性に基づいて、上記温度検出手段の検出温度における蓄電池寿命の単位期間当たりの消耗度を求め、求めた消耗度と上記温度検出手段の検出タイミング間隔との乗算値を予め設定された基準温度での予測寿命期間から逐次に減算していくことにより、蓄電池の寿命の残存期間を求める算出手段と、を備えている。

請求項３に係る発明の蓄電池監視装置は、蓄電池の電圧を測定する電圧測定手段と、上記蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段と、上記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、上記電圧測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、上記蓄電池が異常であると判定する第１判定手段と、上記内部抵抗測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、上記蓄電池が寿命切れであると判定する第２判定手段と、上記第１判定手段の判定結果が異常なしで、かつ上記第２判定手段の判定結果が寿命切れでないとき、予め定められている蓄電池の寿命−温度特性に基づいて、上記温度検出手段の検出温度における蓄電池寿命の単位期間当たりの消耗度を求め、求めた消耗度と上記温度検出手段の検出タイミング間隔との乗算値を予め設定された基準温度での予測寿命期間から逐次に減算していくことにより、蓄電池の寿命の残存期間を求める算出手段と、を備えている。

請求項４に係る発明の蓄電池監視装置は、複数の蓄電池を直列接続して構成された組電池を備えたものにおいて、上記各蓄電池の両端につながる通電路を順次に切替選定する切替手段と、上記切替手段で選定される通電路を通して、上記各蓄電池の電圧を順次に測定する電圧測定手段と、上記切替手段で選定される通電路を通して、上記各蓄電池の内部抵抗を順次に測定する内部抵抗測定手段と、上記各蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、上記電圧測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、測定対象の蓄電池が異常であると判定する第１判定手段と、上記内部抵抗測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、測定対象の蓄電池が寿命切れであると判定する第２判定手段と、上記第１判定手段の判定結果が異常なしで、かつ上記第２判定手段の判定結果が寿命切れでないとき、予め定められている蓄電池の寿命−温度特性に基づいて、上記温度検出手段の検出温度における蓄電池寿命の単位期間当たりの消耗度を求め、求めた消耗度と上記温度検出手段の検出タイミング間隔との乗算値を予め設定された基準温度での予測寿命期間から逐次に減算していくことにより、蓄電池の寿命の残存期間を求める算出手段と、を備えている。

請求項５に係る発明の蓄電池監視装置は、請求項１ないし請求項４に係る発明の内部抵抗測定手段について限定している。内部抵抗測定手段は、蓄電池を一定電流Ｉｓで一定時間Ｔｓだけ放電させ、その放電時の蓄電池の電圧降下分を検出し、その電圧降下分を上記一定電流Ｉｓで除算することにより、蓄電池の内部抵抗を測定する。

請求項６に係る発明の蓄電池監視装置は、請求項５に係る発明の一定電流Ｉｓおよび言って時間Ｔｓについて限定している。一定電流Ｉｓは、蓄電池の定格容量Ｃに基づく０．０１ＣＡ以上である。一定時間Ｔｓは、１msec以上である。

この発明の蓄電池監視装置によれば、蓄電池の寿命切れおよび寿命の残存期間を適切かつ自動的に判定することができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、電源１と負荷２との間の通電ラインに、組電池３が接続されている。組電池３は、複数の鉛蓄電池いわゆる単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの直列接続により構成されている。電源１が正常な場合は、電源１の出力（直流電力）により、負荷２が運転されるとともに、組電池３の単電池４ａ，４ｂ，…４ｎがフロート充電される。停電や機器の異常などによって電源１の出力が低下した場合は、組電池３が瞬時に放電し、その放電電力によって負荷２の運転が継続される。

このようなバックアップ電源システムにおいて、組電池３に、蓄電池監視装置１０が接続されている。蓄電池監視装置１０は、制御の中枢として制御部２０を備え、電源１の出力を手動式の運転スイッチ１１を介してＤＣ−ＤＣコンバータ１２に取込み、そのＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｄによって動作する。制御部２０には、切替部２１、電圧測定部（電圧測定手段）２２、内部抵抗測定部（内部抵抗測定手段）２３、温度検出部（温度検出手段）２４が接続されている。

切替部２１は、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎのそれぞれ両端に電気ケーブルを介して接続され、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎのそれぞれ両端につながる通電路を順次に切替選定する。切替のタイミングは、制御部２０から指示される。電圧測定部２２は、切替部２１で選定される通電路を通して、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの電圧Ｅをそれぞれ測定する。この測定結果が制御部２０に供給される。

内部抵抗測定部２３は、切替部２１で選定される通電路を通して、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎをそれぞれ一定電流Ｉｓで一定時間Ｔｓだけ放電させ、その放電時の蓄電池の電圧降下分を検出し、その電圧降下分を上記一定電流Ｉｓで除算することにより、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの内部抵抗Ｒをそれぞれ測定する。これら測定結果が制御部２０に供給される。温度検出部２４は、組電池３に設けられた温度センサ２５を備え、その温度センサ２５の出力により単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの温度ｔを所定時間Ｔｘごとに検出する。この検出温度ｔが制御部２０に供給される。

一方、保守員が待機する管理センタやユーザの建物などに遠隔監視装置３０が設置され、これら遠隔監視装置３０が通信線あるいは通信ネットワークを介して蓄電池監視装置１０の制御部２０に接続されている。また、蓄電池監視装置１０の制御部２０に対して、保守員等が携帯するパーソナルコンピュータ４０の接続が可能となっている。

蓄電池監視装置１０の制御部２０は、主要な機能として次の（１）〜（４）の手段を備えている。
（１）電圧測定部２２の測定結果に応じて、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの異常を個々に判定する第１判定手段。

（２）内部抵抗測定部２３の測定結果に応じて、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの寿命切れを個々に判定する第２判定手段。

（３）上記第１判定手段の判定結果が異常なしで、かつ上記第２判定手段の判定結果が寿命切れでないとき、温度検出部２４の検出温度に基づいて、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの寿命の残存期間を算出する算出手段。

（４）上記各判定手段の判定結果および上記算出手段の算出結果を遠隔監視装置３０およびパーソナルコンピュータ４０を通じて報知する報知手段。

つぎに、蓄電池監視装置１０の作用を図２のフローチャートを参照しながら説明する。定期的な監視タイミングにおいて（ステップ１０１のＹＥＳ）、あるいは遠隔監視装置３０やパーソナルコンピュータ４０から監視指示を受けたとき（ステップ１０２のＹＥＳ）、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎが順次に切替選定される（ステップ１０３）。この切替選定に伴い、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの電圧Ｅがそれぞれ測定されるとともに（ステップ１０４）、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの内部抵抗Ｒが短時間放電法によりそれぞれ測定される（ステップ１０５）。

短時間放電法による内部抵抗Ｒの測定は、次のように行われる。すなわち、単電池が一定電流Ｉｓで一定時間Ｔｓだけ放電され、その放電時の単電池の電圧降下分が検出され、その電圧降下分が上記一定電流Ｉｓで除算されることにより、単電池の内部抵抗Ｒが測定される。

図３に示すように、定格容量が１５０Ａｈの蓄電池の内部抵抗Ｒを“１”とした場合、定格容量が３００Ａｈの蓄電池の内部抵抗Ｒは“０．７”である。つまり、蓄電池の定格容量が大きくなるほど、蓄電池の内部抵抗Ｒが小さくなる傾向がある。定格容量が大きくて内部抵抗Ｒが小さい蓄電池に対しては、放電電流である一定電流Ｉｓをある程度大きく設定しなければ、正確な測定ができない。また、放電初期は過渡現象のために蓄電池の電圧が安定しないため、放電時間である一定時間Ｔｓをある程度大きく設定しなければ正確な測定ができないことが実験により確かめられている。この実験結果を示したのが図４である。

図４は、放電時間を０．２msecから１．０msecまで変えた場合に測定される内部抵抗Ｒを、複数の放電電流をパラメータとして、対比して示している。放電電流が０．０１ＣＡ（Ｃは蓄電池の定格容量）、放電時間が０．２msecの場合に測定される内部抵抗Ｒを“１”で表わすと、放電電流が０．０６ＣＡで、放電時間が０．２msecの場合に測定される内部抵抗Ｒは、“０．６”付近となる。放電電流が０．１ＣＡで、放電時間が０．２msecの場合に測定される内部抵抗Ｒは、約“０．５”付近となる。放電電流が０．１５ＣＡで、放電時間が０．２msecの場合に測定される内部抵抗Ｒは、約“０．４”付近となる。つまり、放電時間が０．２msecでは、放電電流の違いによって、測定値に差異が生じてしまう。これに対し、放電時間が０．９msec〜１．０msecにおいて測定される内部抵抗Ｒは、放電電流の違いにかかわらず、ほぼ一律に“０．４”付近となる。

なお、放電電流が０．０１ＣＡ未満では、測定そのものが不可能になるという実験結果が得られている。また、放電時間が１．０msecより長い場合は、放電時間が１．０msecの場合と同じ測定値が得られることが実験により確かめられている。

このような実験結果から、内部抵抗Ｒの測定に際しては、放電電流である一定電流Ｉｓとして、蓄電池の定格容量Ｃに基づく０．０１ＣＡ以上の値が選定されるとともに、放電時間である一定時間Ｔｓとして、０．９msec付近を含むほぼ１msec以上の値が選定される。ただ、放電時間があまり長くなると測定遅れにつながるので、一定時間Ｔｓとしての現実的な値はほぼ１msecが望ましい。

上記測定された電圧Ｅが、予め定められた設定値Ｅ１以上、設定値Ｅ２未満の範囲に入っていれば（ステップ１０６のＹＥＳ）、そのときの測定対象である単電池が異常なしと判定される（ステップ１０７）。測定された電圧Ｅが、設定値Ｅ１以上、設定値Ｅ２未満の範囲から外れていれば（ステップ１０６のＮＯ）、そのときの測定対象である単電池が異常であると判定される（ステップ１０８）。

上記測定された内部抵抗Ｒが、予め定められた設定値Ｒ１以上、設定値Ｒ２未満の範囲に入っていれば（ステップ１０９のＹＥＳ）、そのときの測定対象である単電池が寿命切れでないと判定される（ステップ１１０）。測定された内部抵抗Ｒが、設定値Ｒ１以上、設定値Ｒ２未満の範囲から外れていれば（ステップ１０９のＮＯ）、そのときの測定対象である単電池が寿命切れであると判定される（ステップ１１１）。

設定値Ｅ１，Ｅ２および設定値Ｒ１，Ｒ２は、制御部２０の内部メモリに記憶されており、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの定格や種類などに応じて、かつ遠隔監視部３０あるいはパーソナルコンピュータ４０からの入力により、適宜に変更することができる。

全ての単電池４ａ，４ｂ，…４ｎに対する切替選定が終了したとき（ステップ１１２のＹＥＳ）、いずれの単電池について異常ありという判定結果が得られ（ステップ１１３のＹＥＳ）、あるいはいずれの単電池について寿命切れという判定結果が得られていれば（ステップ１１４のＹＥＳ）、その判定結果が遠隔監視装置３０およびパーソナルコンピュータ４０の表示によって報知される（ステップ１１５）。保守員やユーザは、異常の発生あるいは寿命切れを察知し、対象の単電池を新品と交換することができる。

全ての単電池４ａ，４ｂ，…４ｎに対する切替選定が終了したとき（ステップ１１２のＹＥＳ）、いずれかの単電池についても異常なしの判定結果が得られていれば（ステップ１１３のＮＯ）、かついずれかの単電池についても寿命切れでないという判定結果が得られていれば（ステップ１１４のＮＯ）、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの温度ｔが温度検出部２４で検出される（ステップ１１６）。そして、検出された温度ｔに基づいて、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの寿命の残存期間が算出される（ステップ１１７）。

蓄電池には、図５に示すように、温度が１０℃高くなるごとに寿命が半減するという寿命−温度特性いわゆる１０℃半原則（アレニウス則ともいう）がある。この寿命−温度特性に基づいて、下式のように、温度検出部２４の検出温度ｔにおける蓄電池寿命の単位期間当たりの消耗度（加速係数ともいう）が求められ、求められた消耗度と温度検出部２４の検出タイミング間隔との乗算値が、予め設定された基準温度（例えば２５℃）での予測寿命期間から逐次に減算されていくことにより、蓄電池の寿命の残存期間が求められる（ステップ１１７）。
消耗度＝２^{（ｔ−２５℃）・／１０℃}
この数式において、“２”は、１０℃半原則の“半減”に相当する値。２５℃は、基準温度。１０℃は、１０℃半原則の“１０℃”である。

最初に求める残存期間＝予測寿命期間−（消耗度×検出タイミング期間）
その後に求める残存期間＝前回求めた残存期間−（消耗度×検出タイミング期間）
予測寿命期間は、遠隔監視部３０あるいはパーソナルコンピュータ４０から入力される。たとえば、入力された予測寿命期間が１０年で、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの温度ｔの検出タイミング間隔が１時間の場合、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎが設置された直後に求められる残存期間は、年単位で求めると、次のようになる。
残存期間＝１０年−｛消耗度×１時間／（２４時間×３６５日）｝
その後に求められる残存期間は、次のようになる。
残存期間＝前回求めた残存期間−｛消耗度×１時間／（２４時間×３６５日）｝
求められた残存期間は、遠隔監視装置３０およびパーソナルコンピュータ４０の表示によって報知される（ステップ１１５）。これにより、保守員やユーザは、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの交換時期を、離れた場所に居ながらにして、適切かつ容易に把握することができる。

以上のように、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの寿命切れおよび寿命の残存期間を自動的に判定することができる。これにより、単電池４ａ，４ｂ，…４ｎの寿命および取替時期を適切かつ自動的に知ることが可能となる。

なお、上記実施形態では、報知手段として外部の遠隔監視装置３０およびパーソナルコンピュータ４０を利用したが、装置本体に表示器を設け、その表示器を報知手段として使用してもよい。

その他、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

一実施形態の構成を示すブロック図。同実施形態の作用を説明するためのフローチャート。同実施形態に関わる蓄電池の定格容量と内部抵抗の関係を示す図。同実施形態に関わる蓄電池の放電時間と測定内部抵抗との関係を放電電流をパラメータとして示す図。同実施形態に関わる蓄電池の寿命−温度特性を示す図。

符号の説明

１…電源、２…負荷、３…組電池、４ａ，４ｂ，…４ｎ……単電池、１０…蓄電池監視装置、２０…制御部、２１…切替部、２２…電圧測定部、２３…内部抵抗測定部、２４…温度検出部、３０…遠隔監視装置、４０…パーソナルコンピュータ

Claims

蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段と、
前記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記内部抵抗測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、前記蓄電池が寿命切れであると判定する判定手段と、
予め定められている蓄電池の寿命−温度特性に基づいて、前記温度検出手段の検出温度における蓄電池寿命の単位期間当たりの消耗度を求め、求めた消耗度と前記温度検出手段の検出タイミング間隔との乗算値を予め設定された基準温度での予測寿命期間から逐次に減算していくことにより、蓄電池の寿命の残存期間を求める算出手段と、
を備えたことを特徴とする蓄電池監視装置。
蓄電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段と、
前記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記電圧測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、前記蓄電池が異常であると判定する第１判定手段と、
前記内部抵抗測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、前記蓄電池が寿命切れであると判定する第２判定手段と、
予め定められている蓄電池の寿命−温度特性に基づいて、前記温度検出手段の検出温度における蓄電池寿命の単位期間当たりの消耗度を求め、求めた消耗度と前記温度検出手段の検出タイミング間隔との乗算値を予め設定された基準温度での予測寿命期間から逐次に減算していくことにより、蓄電池の寿命の残存期間を求める算出手段と、
を備えたことを特徴とする蓄電池監視装置。
蓄電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段と、
前記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記電圧測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、前記蓄電池が異常であると判定する第１判定手段と、
前記内部抵抗測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、前記蓄電池が寿命切れであると判定する第２判定手段と、
前記第１判定手段の判定結果が異常なしで、かつ前記第２判定手段の判定結果が寿命切れでないとき、予め定められている蓄電池の寿命−温度特性に基づいて、前記温度検出手段の検出温度における蓄電池寿命の単位期間当たりの消耗度を求め、求めた消耗度と前記温度検出手段の検出タイミング間隔との乗算値を予め設定された基準温度での予測寿命期間から逐次に減算していくことにより、蓄電池の寿命の残存期間を求める算出手段と、
を備えたことを特徴とする蓄電池監視装置。
複数の蓄電池を直列接続して構成された組電池を備えたものにおいて、
前記各蓄電池の両端につながる通電路を順次に切替選定する切替手段と、
前記切替手段で選定される通電路を通して、前記各蓄電池の電圧を順次に測定する電圧測定手段と、
前記切替手段で選定される通電路を通して、前記各蓄電池の内部抵抗を順次に測定する内部抵抗測定手段と、
前記各蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記電圧測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、測定対象の蓄電池が異常であると判定する第１判定手段と、
前記内部抵抗測定手段の測定結果が予め定められた範囲から外れているとき、測定対象の蓄電池が寿命切れであると判定する第２判定手段と、
前記第１判定手段の判定結果が異常なしで、かつ前記第２判定手段の判定結果が寿命切れでないとき、予め定められている蓄電池の寿命−温度特性に基づいて、前記温度検出手段の検出温度における蓄電池寿命の単位期間当たりの消耗度を求め、求めた消耗度と前記温度検出手段の検出タイミング間隔との乗算値を予め設定された基準温度での予測寿命期間から逐次に減算していくことにより、蓄電池の寿命の残存期間を求める算出手段と、
を備えたことを特徴とする蓄電池監視装置。
前記内部抵抗測定手段は、蓄電池を一定電流Ｉｓで一定時間Ｔｓだけ放電させ、その放電時の蓄電池の電圧降下分を検出し、その電圧降下分を前記一定電流Ｉｓで除算することにより、蓄電池の内部抵抗を測定する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の蓄電池監視装置。
前記一定電流Ｉｓは、蓄電池の定格容量Ｃに基づく０．０１ＣＡ以上である、
前記一定時間Ｔｓは、１msec以上である、
ことを特徴とする請求項５に記載の蓄電池監視装置。