JP7003471B2 - 蓄電池劣化診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池の劣化を診断する蓄電池診断方法に関する。

各種設備において、停電時などに備えて機器（例えば通信機器）に蓄電池を接続していた場合、停電時には商用電源に代えて、蓄電池から供給される電力によって機器を運用することになる。

しかし蓄電池は、充放電を繰り返すことにより、劣化して電池容量が徐々に減少してしまう。そこで、停電時であっても機器を運用するためには、蓄電池の劣化を診断し、劣化した蓄電池を取り替える必要がある。

特許文献１には、充電部、放電部、電圧測定部および判定部を備えた電池劣化判定装置が記載されている。充電部は、電池に供給する電流値が一定の値以下になるまで、定電流－定電圧方式で電池に電力を供給して充電する。放電部は、充電が終了した電池を一定電流で所定の時間放電させる。電圧測定部は、放電後の電池の電圧を測定する。判定部は、測定された電池の電圧が所定の値未満である場合に、電池が劣化したと判定する。

特許文献１の電池劣化判定装置では、電池を完全に充電してから放電試験を行うので、電池の充電残存容量に依存することなく、より高い精度で電池の劣化を判定できる、としている。

特開２００９－２１０４９４号公報

しかし特許文献１に記載の技術は、放電後の電池の電圧を所定の閾値と比べているが、電圧が低下するほどに放電させるためには長時間を要する。

また、若干の劣化が進行している蓄電池でも、現地の負荷電流が低ければ、蓄電池としての機能を満足している場合もある。それにもかかわらず、一律の劣化診断方法で劣化と判断した場合には取替を行っているため、無駄が生じているという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑み、蓄電池の放電開始時または充電開始時での電圧の変化に基づいて、短時間で無駄なく蓄電池の劣化を診断できる蓄電池診断方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる蓄電池劣化診断方法の代表的な構成は、蓄電池の劣化を診断する蓄電池劣化診断方法であって、蓄電池の電圧を計測しながら実際の負荷を接続して短時間放電した後に充電し、蓄電池の充電開始時の電圧変化量がピークを形成するように立ち上がっているとき、蓄電池は劣化していると診断することを特徴とする。

本発明者は、劣化した蓄電池は、充電を経た放電開始時または放電を経た充電開始時の電圧変化量が、正常な蓄電池に比べて大きいことを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、劣化した蓄電池は、充電開始時に電圧がピークを形成するように立ち上がる。このため、劣化した蓄電池の電圧の変動は、充電開始時において、正常な蓄電池のものとは明らかな差異がみられる。上記構成では、このような蓄電池の特性を用いることで、蓄電池の劣化を診断することができる。

上記構成では、電圧の放電開始時の立ち下がりと充電開始時の立ち上がりで判断している。したがって放電も充電も短時間でよく、診断全体が短時間で完了する。また、蓄電池が満充電である必要がなく、蓄電池の充電残存容量に依存せず、いつでも診断を開始することができる。したがって特許文献１のように、まず充電するという待ち時間が発生しない点においても、診断を迅速に開始および完了させることができる。

また、「実際の負荷で放電させた結果から蓄電池の寿命を予測する」ことによって、負荷と蓄電池の組合せにマッチした寿命予測が可能となり、真の寿命期まで運用できるという効果が得られる。

上記課題を解決するために、本発明にかかる蓄電池劣化診断方法の他の代表的な構成は、蓄電池の劣化を診断する蓄電池劣化診断方法であって、蓄電池の電圧を計測しながら実際の負荷を接続して短時間放電し、放電開始時の電圧変化量が所定値より大きく立ち下がっているとき、蓄電池は劣化していると診断することを特徴とする。

劣化した蓄電池は、放電開始時に電圧が立ち下がるときの電圧変化量が、正常な蓄電池の電圧変化量よりも大きくなる。上記構成によれば、この蓄電池の特性を用いることで、蓄電池の劣化を診断することができる。

上記課題を解決するために、本発明にかかる蓄電池劣化診断方法のさらに他の代表的な構成は、蓄電池の劣化を診断する蓄電池劣化診断方法であって、蓄電池の電圧を計測しながら実際の負荷を接続して短時間放電した後に充電し、蓄電池の電圧が放電によって立ち下がった下限値と充電によって立ち上がった上限値の差分である電圧変化量が所定値より大きいとき、蓄電池は劣化していると診断することを特徴とする。

劣化した蓄電池は、放電開始時に電圧が立ち下がるときの電圧変化量が正常な蓄電池の電圧変化量よりも大きく、また充電開始時に電圧がピークを形成するように立ち上がる。このため、劣化した蓄電池においては、放電開始時と充電開始時の電圧変化量に、正常な蓄電池のものとは明らかな差異がみられる。上記構成によれば、この蓄電池の特性を用いることで、蓄電池の劣化を診断することができる。

上記の蓄電池の充放電を所定回数繰り返した後の放電開始時または充電開始時に、蓄電池の電圧変化量を計測するとよい。このように蓄電池の充放電を所定回数（例えば３回）繰り返すことで、充放電時の蓄電池内の化学反応を安定させることができる。蓄電池内の化学反応を安定させた状態で、放電開始時または充電開始時の電圧変化量を計測するため、蓄電池の劣化の診断をより正確に行うことができる。

上記の蓄電池が劣化していると診断された後、蓄電池を長時間放電し、放電後の電圧が閾値より大きい場合には、蓄電池を継続運用可能と判定し、閾値以下である場合には蓄電池を劣化していると再度判定するとよい。このように、劣化していると診断された蓄電池であっても、長時間放電後の電圧が閾値より大きい場合は、継続運用可能と判定することで、継続運用可能な蓄電池までも取り替えられる事態を回避できる。一方、電圧が閾値以下である蓄電池を、劣化していると再度判定することで、取り替えるべき蓄電池を確実に特定できる。

上記の蓄電池の劣化の診断を通信網を介して遠隔制御し、劣化の診断結果を受信して自動的に通報するとよい。このように、通信網を介した遠隔制御によって蓄電池の劣化の診断を行うので、作業者（保守員）が現場へ出向して劣化診断を行う必要がない。また、劣化の診断結果が自動的に通報されるため、保守員は、劣化したとされる蓄電池を予め把握して現場へ出向し、蓄電池の取替作業を効率的に行うことができる。

本発明によれば、蓄電池の放電開始時または充電開始時での電圧の変化に基づいて、短時間で無駄なく蓄電池の劣化を診断できる蓄電池劣化診断方法を提供することができる。

本発明の実施形態における蓄電池劣化診断装置が適用される蓄電池を含む設備の概要を説明する図である。 図１の劣化診断装置および電力事業者の機能ブロック図である。 本発明の実施形態における蓄電池劣化診断方法の処理を示すフローチャートである。 図１の蓄電池の充放電を３回繰り返した場合での蓄電池の電圧および電流の変動を示す図である。 ニッケル水素電池の充放電に伴う電圧の変動を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本発明の実施形態における蓄電池劣化診断装置（以下、劣化診断装置１００）が適用される蓄電池１０２を含む設備１０４の概要を説明する図である。ここでは設備１０４として、基地局などの通信機器（以下、機器１０６）を保護対象とし、停電時などに備えて機器１０６に蓄電池１０２が接続されているものを例示している。なお蓄電池１０２は、鉛蓄電池であって、直列接続された２５個のセルで構成され、各セルの合計電圧が５０Ｖ（１セルあたり２Ｖ）となっている。

設備１０４において、各種発電所で発電された電力は、通常時には、電力事業者１０８から配電線１１０を通されて、商用電源として配電される。配電された電力は、機器１０６に接続された充電器（不図示）まで供給され、交流から直流に変換される。このようにして、機器１０６を運用するために必要な電力は、通常時には、商用電源として配電された後、充電器を介して得られる。

一方停電時には、商用電源に代えて、蓄電池１０２から供給される電力によって機器１０６が運用される。しかし蓄電池１０２は、充放電を繰り返すことにより、劣化して電池容量が徐々に減少してしまう。このため、停電時であっても機器１０６を運用するためには、蓄電池１０２の劣化を診断する必要がある。

そこで設備１０４では、劣化診断装置１００が、電力事業者１０８との間で通信網１１２を介して通信する機能を有し、電力事業者１０８の遠隔制御により蓄電池１０２の劣化の診断を実行したり、蓄電池１０２の劣化の診断結果を電力事業者１０８に送信したりすることを可能とする。なお通信網１１２は、無線通信であっても有線通信であってもよい。

設備１０４はさらに、開閉器１１４を備える。開閉器１１４は、劣化診断装置１００が蓄電池１０２の劣化の診断を実行する際に開閉制御される。蓄電池１０２は、開閉器１１４が開状態であれば、機器１０６を実負荷として放電し、閉状態であれば充電される。

図２は、図１の劣化診断装置１００および電力事業者１０８の機能ブロック図である。図３は、本発明の実施形態における蓄電池劣化診断方法の処理を示すフローチャートである。

まず、蓄電池劣化診断方法では、図２に示す電力事業者１０８の劣化診断起動部１１６が起動信号を送信する。この起動信号が通信網１１２を介して劣化診断装置１００の充放電制御部１１８に受信されることで、蓄電池１０２の劣化診断が開始される（ステップＳ１００）。

ステップＳ１００で劣化診断が開始された際、図１に示す開閉器１１４は閉じていて、蓄電池１０２は充電された状態にある。また劣化診断の開始とともに、電流計１２０により蓄電池１０２の充放電電流を計測し、さらに電圧計１２２により蓄電池１０２の各セルの電圧を計測する。

つぎに、充放電制御部１１８は、開閉器１１４を開いて蓄電池１０２を放電する（ステップＳ１０２）。蓄電池１０２が放電している間、図１に示すように蓄電池１０２には実際の負荷である機器１０６が接続されている。また放電時間は、短時間（例えば１０分程度）である。

充放電制御部１１８は、蓄電池１０２を短時間放電した後に、充電部１２４を制御して蓄電池１０２を充電する（ステップＳ１０４）。充電部１２４は、蓄電池１０２を充電するための電圧（例えば５６Ｖ）を生成する電源である。また充電時間も、放電時間と同様に、短時間（例えば１０分程度）である。

続いて電圧計１２２は、ステップＳ１０４での充電開始時の電圧変化量を計測する（ステップＳ１０６）。そして充放電制御部１１８は、蓄電池１０２の充放電を所定回数（例えば３回）繰り返したか否かを判定し（ステップＳ１０８）、所定回数に満たない場合には（Ｎｏ）、再びステップＳ１０２の処理を行う。

一方、ステップＳ１０８で蓄電池１０２の充放電を所定回数繰り返した場合には（Ｙｅｓ）、判定部１２６は、異常判定処理を行う（ステップＳ１１０）。なお異常判定とは、劣化の可能性がある蓄電池１０２を判定することであり、継続運用不可能であって取り替えるべき劣化した蓄電池を特定するものではない。

図４は、図１の蓄電池１０２の充放電を３回繰り返した場合での蓄電池１０２の電圧および電流の変動を示す図である。なお図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）は、１回目、２回目および３回目の充放電に伴う測定結果をそれぞれ示している。

図中、横軸は蓄電池１０２の電圧および電流を計測した時間（ｔ）であって、ｔａが放電を開始した時間、ｔｂが放電した後に充電を開始した時間である。ここでは放電開始時間ｔａ－充電開始時間ｔｂ間（放電時間）は９分間とし、充電開始時間ｔｂから８分間充電して計測を終了した。つまり、蓄電池１０２の電圧を計測しながら実際の負荷に接続して、短時間放電した後に短時間充電している。

図中、縦軸には、蓄電池１０２のセル電圧のスケールを示している。グラフＡは、各セルの電圧を示していて、放電開始時間ｔａから立ち下がって、充電開始時間ｔｂに立ち上がる変化が明らかに示されている。グラフＢは、蓄電池１０２の総電圧を示している。グラフＣは、蓄電池１０２の充放電電流を示している。

図４（ａ）に示すように、グラフＡに含まれる１つの波形Ｄが、他の波形に比べて明らかに異なっている。すなわち、波形Ｄでは、短時間放電した後の充電開始間ｔｂの電圧変化量Ｖａがピークを形成するように立ち上がっている。充電開始時間ｔｂの電圧変化量Ｖａは、図４（ａ）に示すように、電圧が放電によって立ち下がった下限値Ｅと、充電によって立ち上がった上限値Ｆとの差分である。なお充電開始時間ｔｂでピークを形成した電圧は、その後、グラフＣに示す充放電電流の低下に伴って下降する。

本発明者は、蓄電池１０２が劣化すると、放電を経た充電開始時（あるいは充電を経た放電開始時）の電圧変化量が、正常な蓄電池１０２に比べて大きくなるという特性を見出した。ただし、ここでは蓄電池１０２内の充放電に伴う化学反応を安定させた状態で、充電開始時の電圧変化量を計測するために、充放電を繰り返している。

すなわち、図４（ｂ）に示す充電開始時間ｔｂでの電圧変化量Ｖｂは、２回目の充放電後の電圧変化量であって、図４（ａ）の電圧変化量Ｖａよりも小さくなっている。さらに図４（ｃ）に示す充電開始時間ｔｂでの電圧変化量Ｖｃは、３回目の充放電後の電圧変化量であって、図４（ｂ）の電圧変化量Ｖｂよりも小さくなっている。

ステップＳ１１０において、判定部１２６は、蓄電池１０２内の充放電に伴う化学反応を安定させた状態で、図４（ｃ）に示した充電開始時間ｔｂでの電圧変化量Ｖｃに基づいて異常判定を行う。図４（ｃ）に示す充放電を３回繰り返して計測された波形Ｄは、他の波形とは異なり、充電開始時間ｔｂでの電圧変化量Ｖｃがピークを形成するように立ち上がっている。

このため判定部１２６は、蓄電池１０２の異常の有無を判定するとき（ステップＳ１１２）、波形Ｄを示すセルを異常と判定する（Ｙｅｓ）。一方、判定部１２６は、他のセルを異常なしと判定して（Ｎｏ）、他のセルを継続運用可と判定する（ステップＳ１１４）。

つぎに、充放電制御部１１８は、ステップＳ１１２で異常と判定されたセルに対して長時間放電（例えば３時間程度）を行う（ステップＳ１１６）。判定部１２６は、長時間放電後に、電圧が閾値（例えば１．８Ｖ）以下か否かを判定し（ステップＳ１１８）、閾値より大きい場合には（Ｎｏ）、セルを継続運用可と判定する（ステップＳ１１４）。

一方、ステップＳ１１８で電圧が閾値以下である場合には（Ｙｅｓ）、判定部１２６は、セルが劣化していると判定する（ステップＳ１２０）。このように判定部１２６は、ステップＳ１１０の異常判定によって劣化の可能性があるものを判定し、さらにステップＳ１２０の劣化判定によって継続運用不可能な劣化したものを特定している。

そして判定部１２６は、診断結果を生成する。診断結果には、継続運用可と判定されたセル、および、継続運用不可能であって取り替えるべきと判定されたセルが特定されている。つぎに、診断結果送信部１２８は、通信網１１２を介して診断結果を電力事業者１０８に送信する（ステップＳ１２２）。送信された診断結果は、診断結果受信部１３０によって受信され（ステップＳ１２４）、さらに通報部１３２によって保守員に自動的に通報される（ステップＳ１２６）。

このように、劣化の診断結果が自動的に通報されるため、保守員は、劣化したとされる蓄電池１０２を予め把握して現場へ出向でき、蓄電池１０２の取替作業を効率的に行うことができる。また、電力事業者１０８からの通信網１１２を介した遠隔制御によって、劣化診断装置１００による劣化診断を起動できるため、保守員が現場へ出向して劣化診断を行う必要がない。

本実施形態の蓄電池診断方法によれば、劣化した蓄電池１０２の電圧の変動が充電開始時において、正常な蓄電池１０２のものとは明らかな差異がみられるという蓄電池１０２の特性を用いることで、蓄電池１０２の劣化を診断できる。

また本実施形態では、短時間放電した後の電圧の充電開始時の立ち上がりで蓄電池１０２の劣化を判定しているため、放電も充電も短時間でよく、診断全体が短時間で完了する。さらに、蓄電池１０２が満充電である必要がないため、蓄電池１０２の充電残存容量に依存せず、いつでも診断を開始することができる。したがって、蓄電池１０２を完全に充電してから放電試験を行う必要がないため、まず充電するという待ち時間が発生しない点においても、診断を迅速に開始および完了させることができる。

また、実際の負荷すなわち機器１０６で放電させた結果から蓄電池１０２の寿命を予測している。このため、負荷と蓄電池１０２の組合せにマッチした寿命予測が可能となり、真の寿命期まで蓄電池１０２を運用できる。

また、蓄電池１０２の充放電を繰り返して蓄電池１０２内の化学反応を安定させた状態で、充電開始時の電圧変化量を計測するため、蓄電池１０２の劣化の診断をより正確に行うことができる。

また、一旦は異常と判定された蓄電池１０２であっても、長時間放電後の電圧が閾値より大きい場合は、継続運用可能と判定することで、継続運用可能な蓄電池１０２までも取り替えられる事態を回避できる。

上記実施形態では、診断対象となる蓄電池１０２として鉛蓄電池を例示して説明したが、これに限られず、ニッケル水素電池であってもよい。本発明者は、鉛蓄電池だけではなく、ニッケル水素電池の充放電に伴う電圧の変動を検証した（図５参照）。

図５は、ニッケル水素電池の充放電に伴う電圧の変動を示す図である。図中横軸を時間（ｔ）、縦軸を電圧（Ｖ）とした。ここでは、ニッケル水素電池（公称電圧：１．２Ｖ／個）を４個直列接続（約４．８Ｖ／組）して１組の蓄電池とした。この蓄電池に、疑似負荷として電球（１．４Ω）、充電器（出力電圧：約６Ｖ、出力電流：約２Ａ）を接続して模擬回路を構成した。模擬回路では、充電器に対して負荷と蓄電池とを並列に接続し、さらに蓄電池の充放電を可能とするために充電器と蓄電池との間および蓄電池と電流との間にスイッチをそれぞれ接続した。

この模擬回路において、まず浮動充電を行い、続いて３０分間放電した後、充電を再開し１０分間充電した。なお図５では、正常品のセルの電圧の変動を実線で示し、劣化品のセルの電圧の変動を点線で示している。

正常品のセルと劣化品のセルとを比較すると、劣化品のセルは、図示のように、放電開始時ｔｃに電圧が立ち下がるときの電圧変化量Ｖｄが、正常なセルの電圧変化量Ｖｅよりも大きい。さらに、劣化品のセルは、充電開始時ｔｄに電圧が立ち上がるときの電圧変化量Ｖｆが、正常なセルの電圧変化量Ｖｇよりも大きい。なお電圧変化量Ｖｆは、劣化品のセルの電圧が放電によって立ち下がった下限値と充電によって立ち上がった上限値の差分である。このように劣化品のセルの電圧の変動は、充電開始時に限らず、放電開始時においても、正常なセルとは明らかな差異がみられる。

なお劣化品のセルの電圧は、図中矢印Ｇに示すように、充電を再開して５分後、一旦上昇した後、さらに５分後充電を終了するまで下降した。一方、正常品のセルの電圧は、充電再開後は上昇し続けて、劣化品のセルのような充電再開後の電圧の変動とは明らかな差異がみられる。

このため、蓄電池としてニッケル水素電池を用いた場合には、ニッケル水素電池の上記特性を用いて、蓄電池の劣化を診断できる。具体的には、蓄電池診断方法では、蓄電池の電圧を計測しながら実際の負荷を接続して短時間放電し、放電開始時ｔｃの電圧変化量Ｖｄが所定値より大きく立ち下がっているとき、蓄電池は劣化していると診断できる。なお所定値とは、図５に示す正常なセルの放電開始時ｔｃの電圧変化量Ｖｅである。

また蓄電池劣化診断方法では、蓄電池の電圧を計測しながら実際の負荷を接続して短時間放電した後に充電し、充電開始時ｔｄの電圧変化量Ｖｆが所定値より大きいとき、蓄電池は劣化していると診断できる。なお所定値とは、図５に示す正常なセルの充電開始時ｔｄの電圧変化量Ｖｇである。

したがって本実施形態の蓄電池劣化方法では、劣化した蓄電池において放電開始時と充電開始時の電圧変化量に、正常な蓄電池のものとは明らかな差異がみられることから、この蓄電池の特性を用いることで、蓄電池の劣化を診断できる。劣化の診断については、上記したように、充電開始時のピークだけに基づいてもよいし、放電開始時の立ち下がりだけに基づいてもよい。さらに、放電開始時の下限値と充電開始時の上限値はさらに顕著な差異が生じるため、これに基づいて診断してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、蓄電池の劣化を診断する蓄電池診断方法として利用することができる。

１００…劣化診断装置、１０２…蓄電池、１０４…設備、１０６…機器（負荷）、１０８…電力事業者、１１０…配電線、１１２…通信網、１１４…開閉器、１１６…劣化診断起動部、１１８…充放電制御部、１２０…電流計、１２２…電圧計、１２４…充電部（電源）、１２６…判定部、１２８…診断結果送信部、１３０…診断結果受信部、１３２…通報部

Claims (1)

1. 蓄電池の劣化を診断する蓄電池劣化診断方法であって、
   蓄電池の電圧を計測しながら実際の負荷を接続して所定時間放電した後に充電し、
   前記蓄電池の充電開始時の電圧変化量がピークを形成するように立ち上がっているとき、該蓄電池は劣化していると診断し、
   前記蓄電池が劣化していると診断された後、該蓄電池を前記所定時間より長時間放電し、
   放電後の電圧が閾値より大きい場合には、前記蓄電池を継続運用可能と判定し、閾値以下である場合には前記蓄電池を劣化していると再度判定することを特徴とする蓄電池劣化診断方法。

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