JP6904005B2

JP6904005B2 - 組電池の制御方法、組電池システムおよび無停電電源装置

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Publication number: JP6904005B2
Application number: JP2017068141A
Authority: JP
Inventors: 弘光池羽
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP2018170911A

Description

本発明は、複数の二次電池が直列接続された構成の組電池の制御方法、組電池を含む組電池システム、および無停電電源装置に関する。

複数の二次電池（蓄電池）が直列接続された構成の組電池を使用した無停電電源装置が使用されている。

一般に、組電池において、初期故障、またはその後の偶発故障が生じた場合には、組電池全体が良品に交換される。また、期待寿命が１０年程度であったとしても、経時劣化に起因して、１０年経過前に組電池の更新が行われることもある。

組電池において生じた故障等の原因が、複数の蓄電池からなる蓄電池群における１つまたは少数の蓄電池であったときには、他の蓄電池は正常である。しかし、そのような場合でも、一般に、組電池全体が交換される。また、組電池の更新の際には、組電池全体が交換される。

特開２００９−２１３２４８号公報国際公開第２０１１／１３２３１１号

稼働する蓄電池群の他に、予備の蓄電池が備えられている組電池がある（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１，２に記載されている組電池において、蓄電池群におけるある蓄電池の異常が検知されると、その蓄電池が蓄電池群から切り離され、予備の蓄電池が蓄電池群に加えられる。

しかし、特許文献１，２に記載されている組電池に対して、予備の蓄電池の劣化は考慮されていない。特許文献１に記載されている発明では、予備の蓄電池の劣化が検出されると、予備の蓄電池を蓄電池群に加えない制御がなされる。しかし、予備の蓄電池の劣化に対する対策は考慮されていない。

本発明は、予備の蓄電池を備える組電池の全体的な寿命を延ばすことを目的とする。

本発明による組電池の制御方法は、所望の電圧を出力するための数よりも多い数の蓄電池が直列配置された組電池の制御方法であって、所望の電圧を出力するために稼働している蓄電池とそれ以外の蓄電池とを交代させることによって、全ての蓄電池に、予備としての蓄電池になる機会を与え、蓄電池が劣化しているか否か判定し、劣化していると判定された蓄電池の予備としての蓄電池になっている期間を、劣化していないと判定された蓄電池の期間よりも長くすることを特徴とする。

本発明による組電池システムは、所望の電圧を出力するための数よりも多い数の蓄電池が直列配置された組電池と、組電池の監視および制御を行う監視制御部とを含む組電池システムであって、監視制御部は、所望の電圧を出力するために稼働している蓄電池とそれ以外の蓄電池とを交代させることによって、全ての蓄電池に、予備としての蓄電池になる機会を与え、監視制御部は、蓄電池が劣化しているか否か判定する手段を含み、劣化していると判定された蓄電池の予備としての蓄電池になっている期間を、劣化していないと判定された蓄電池の期間よりも長くすることを特徴とする。

本発明による無停電電源装置は、上記の組電池システムを含むことを特徴とする。

本発明によれば、予備の蓄電池を備える組電池の全体的な寿命を延ばすことができる。

組電池システムの一例を示すブロック図である。第１の実施形態における監視制御部の動作を示すフローチャートである。蓄電池の正常／異常、および、バイパス部の状態を示す説明図である。蓄電池のローテーションを説明するための説明図である。第２の実施形態における監視制御部の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

実施形態１．
図１は、組電池システムの一例を示すブロック図である。組電池システムは、組電池１２と、組電池１２の監視および制御を行う監視制御部１１とを含む。

組電池１２は、蓄電池１２１，１２２，１２３で構成される蓄電池群と、予備の蓄電池１２４とを含む。

また、図１には、蓄電池１２１，１２２，１２３および予備の蓄電池１２４を充電したり放電させたりする充放電装置１３が示されている。充放電装置１３は、例えば商用交流電源に接続される。また、充放電装置１３は、リレー１４を介して蓄電池１２１，１２２，１２３および予備の蓄電池１２４を充放電する。リレー１４は、監視制御部１１によって制御される。なお、本実施形態では、蓄電池１２１，１２２，１２３および予備の蓄電池１２４を別個に充電可能である。

なお、図１には、３つの蓄電池１２１，１２２，１２３が例示されているが、蓄電池の個数は３つに限定されず、２つ以上あればよい。また、図１には、１つの予備の蓄電池１２４が例示されているが、複数の予備の蓄電池があってもよい。換言すれば、組電池１２において、所望の電圧を出力するための数よりも多い数の蓄電池が直列配置されていれば、数はいくつであってもよい。

蓄電池１２１と蓄電池１２２とは、スイッチ１４１を介して直列接続される。蓄電池１２２と蓄電池１２３とは、スイッチ１４２を介して直列接続される。蓄電池１２３と予備の蓄電池１２４とは、スイッチ１４３を介して直列接続される。さらに、予備の蓄電池１２４は、スイッチ１４４によって切り離される。

スイッチ１４１，１４２，１４３，１４４の共通端子がオフ（OFF ）端子側に接続されると、蓄電池１２１，１２２，１２３または予備の蓄電池１２４が稼働する蓄電池群に加わり、共通端子がオン（ON）端子側に接続されると、蓄電池１２１，１２２，１２３または予備の蓄電池１２４が稼働する蓄電池群から切り離される。以下、予備の蓄電池１２４も稼働する蓄電池になりうるので、予備の蓄電池１２４を、単に、蓄電池と表現することがある。

稼働する蓄電池群が蓄電池１２１，１２２，１２３で構成されているときには、スイッチ１４１，１４２，１４３の共通端子は、オフ端子側に接続されている。また、スイッチ１４４の共通端子は、オン端子側に接続されている。

なお、蓄電池１２１の正極側とスイッチ１４１のオン端子との間の電流路をバイパス部１３１とする。スイッチ１４１の共通端子とスイッチ１４２のオン端子との間の電流路をバイパス部１３２とする。スイッチ１４２の共通端子とスイッチ１４３のオン端子との間の電流路をバイパス部１３３とする。スイッチ１４３の共通端子とスイッチ１４４のオン端子との間の電流路をバイパス部１３４とする。

以下、バイパス部１３１，１３２，１３３，１３４のそれぞれにおいて、電流が流れる状態（対応する蓄電池が切り離されている状態）を「オン状態」、電流が流れない状態（対応する蓄電池が切り離されていない状態）を「オフ状態」という。

図１において、スイッチ１４１，１４２，１４４，１４４への破線矢印は、スイッチ１４１，１４２，１４４，１４４が監視制御部１１によって制御されることを示す。矢印がない破線は、蓄電池１２１，１２２，１２３，１２４と監視制御部１１との間で、監視のための信号が入出力されることを示す。

なお、監視制御部１１は、ハードウェア回路で構成されていてもよいが、プログラムに従って動作するマイクロプロセッサと、蓄電池１２１，１２２，１２３，１２４の監視および制御のための信号を入出力するインタフェース部とで実現されてもよい。

次に、図２のフローチャートを参照して、監視制御部１１の動作を説明する。

監視制御部１１は、まず、組電池１２に対する初期設定を行う（ステップＳ２０１）。図３は、蓄電池１２１，１２２，１２３，１２４の正常／異常（劣化）（○：正常、×：異常（劣化））、および、バイパス部１３１，１３２，１３３，１３４の状態を示す説明図である。

監視制御部１１は、初期設定において、バイパス部１３１，１３２，１３３，１３４の状態を、図３における「通常」の欄に示される状態に設定する。すなわち、スイッチ１４４においてのみ、共通端子とオン端子とが接続される（バイパス部１３４のみがオン状態になる。）ように制御する。その結果、稼働する蓄電池群が蓄電池１２１，１２２，１２３で構成され、蓄電池１２４が予備の蓄電池に位置づけられる。

監視制御部１１は、蓄電池１２１，１２２，１２３の監視（状態確認）を行う（ステップＳ２０２）。

なお、ステップＳ２０２の監視処理は、蓄電池１２１，１２２，１２３が劣化しているか否か監視する処理である。劣化しているか否かの判定方法として、知られているいずれの方法を用いてもよい。例えば、監視制御部１１は、単体の出力電圧があらかじめ決められているしきい値未満になっている場合に、劣化していると判定する。また、監視制御部１１は、蓄電池の温度が規定値以上になったら劣化していると判定したり、蓄電池の内部抵抗値が規定値以上になったら劣化している（鉛蓄電池の場合）と判定したりしてもよい。

ステップＳ２０２の監視処理の結果、劣化した蓄電池が検出された場合には（ステップＳ２０３）、監視制御部１１は、その蓄電池と予備の蓄電池１２４とを交代させる（ステップＳ２０４）

例えば、蓄電池１２１の劣化が検出されたときには、監視制御部１１は、図３における「蓄電池１２１劣化」の行に示すように、「通常」の場合の状態から、スイッチ１４４の共通端子とオフ端子とが接続されるように変更する（バイパス部１３４を「オフ状態」にする。）とともに、スイッチ１４１の共通端子とオン端子とが接続されるように変更する（バイパス部１３１を「オン状態」にする。）。

また、監視制御部１１は、稼働する蓄電池群を構成する蓄電池のローテーションを行う。

すなわち、監視制御部１１は、ローテーション条件（交代条件）が成立したら、稼働する蓄電池群を構成する蓄電池のうちの１つの蓄電池を蓄電池群から切り離し、そのときに予備とされている蓄電池を、蓄電池群に追加する。蓄電池の交代（切り離しと追加）は、バイパス部が「オン状態」から「オフ状態」に変化したり「オフ状態」から「オン状態」に変化したりするように、スイッチ１４１，１４２，１４４，１４４が監視制御部１１によって制御されることによって実現される。

図４は、蓄電池のローテーション（交代）を説明するための説明図である。図４において、「○」は稼働する蓄電池群を構成することを示し、「×」は蓄電池群から切り離されることを示す。図４には、対応するバイパス部１３１，１３２，１３３，１３４の状態も示されている。本実施形態では、例えば、図４における第１行に示す状態から第４行に示す状態に順に遷移する。よって、蓄電池１２１，１２２，１２３，１２４は、順に、予備の蓄電池とされる。

なお、ローテーション条件は、例えば、２４時間経過、１週間経過、１か月経過などであるが、他の条件を用いてもよい。また、組電池１２が新規に稼働してからの経過時間に応じて、ローテーション条件を変更してもよい（例えば、経過時間が長くなると、１か月から１週間に変更するなど）。

また、監視制御部１１は、予備とされている蓄電池の充電率を制御する（ステップＳ２０７）。例えば、監視制御部１１は、リレー１４を駆動して充放電装置１３を蓄電池に接続し、充電率が所定値（例えば、１００％）になるように蓄電池をトリクル充電させる。また、監視制御部１１は、充足率の上限しきい値および下限しきい値をあらかじめ決めておき、蓄電池の充電率がしきい値の範囲を越えたら、監視制御部１１は、リレー１４を駆動するとともに充放電装置１３を制御して、しきい値の範囲に収まるように蓄電池を充放電するようにしてもよい。その場合、しきい値の範囲は、一例として、８０〜１００％であるが、蓄電池のタイプに応じて蓄電池が劣化しにくい範囲が選定されることが好ましい。

以上に説明したように、本実施形態では、ローテーションによって稼働する蓄電池と予備の蓄電池とを、例えば定期的に入れ替えるので、組電池を構成する全ての蓄電池の使用状況が均等になる。その結果、組電池全体としての寿命が延長される。すなわち、組電池の交換の頻度を下げることができ、組電池を用いた無停電電源装置などの保守費用等が低減する。

実施形態２．
第１の実施形態では、組電池を構成する蓄電池１２１，１２２，１２３，１２４が、均等に扱われてローテーションがなされる。しかし、各々の特電池の劣化を考慮して蓄電池１２１，１２２，１２３，１２４をローテーションさせるようにしてもよい。

図５は、そのような制御を行う第２の実施形態における監視制御部１１の動作を示すフローチャートである。

第２の実施形態では、監視制御部１１は、ローテーション条件が成立したときに（ステップＳ２０５）、各蓄電池１２１，１２２，１２３，１２４の劣化を考慮して、蓄電池の交代（稼働する蓄電池群からの切り離しと蓄電池群への追加）を決定する（ステップＳ２１６）。

監視制御部１１は、ステップＳ２０２の処理で、劣化している蓄電池を特定できる。そこで、そのような蓄電池が次々回の蓄電池群からの切り離し対象になっている場合には、次回の交代時にその蓄電池を蓄電池群から切り離す。すなわち、早めに、予備の蓄電池としての地位に移行させる。

なお、監視制御部１１は、次に蓄電池群からの切り離し対象になっている蓄電池が劣化しているものである場合に、通常より早めに蓄電池の交代を行うようにしてもよい（ローテーション条件が期間である場合）。

なお、上記のような制御が実行されることによって、劣化していると判定された蓄電池が予備の蓄電池になっている期間は、劣化していないと判定された蓄電池が予備の蓄電池になっている期間よりも長くなる。

また、監視制御部１１は、劣化の度合いにランクを付け、ランクに応じて蓄電池の交代を決定するようにしてもよい。例えば、各蓄電池１２１，１２２，１２３，１２４の劣化の度合いを知るために、監視制御部１１は、ステップＳ２０２の処理で、劣化のランク付けも行う。一例として、劣化の判定の具体的対象である観測対象（出力電圧や、温度または内部抵抗値など）について、複数の異なる基準値（出力電圧の低下、温度または内部抵抗値の上昇に対する複数の異なる値）を設け、監視制御部１１は、実際に検知された値と基準値とを比較することによって劣化のランク付けを行う。

そして、例えばローテーション条件が期間である場合、次に蓄電池群からの切り離し対象になっている蓄電池が、劣化の度合いが高い蓄電池であったときには、早めに蓄電池の交代を行う。

以上のような制御が行われることによって、劣化している蓄電池が実際に稼働する蓄電池（予備ではない蓄電池）になる機会が減り、組電池全体としてのさらなる寿命延長を期待できる。

なお、上記の各実施形態では、組電池と監視制御部１１とが別個に設けられているが、図１に示された組電池と監視制御部１１とを含むものを、１つの組電池と定義してもよい。

また、上記の各実施形態の組電池は、無停電電源装置に好適に組み込まれる。しかし、上記の各実施形態の組電池を無停電電源装置以外に組み込むこともできる。

１組電池システム
１１監視制御部
１２組電池
１３充放電装置
１４リレー
１２１，１２２，１２３，１２４蓄電池
１３１，１３２，１３３，１３４バイパス部
１４１，１４２，１４３，１４４スイッチ

Claims

所望の電圧を出力するための数よりも多い数の蓄電池が直列配置された組電池の制御方法であって、
所望の電圧を出力するために稼働している蓄電池とそれ以外の蓄電池とを交代させることによって、全ての蓄電池に、予備としての蓄電池になる機会を与え、
蓄電池が劣化しているか否か判定し、
劣化していると判定された蓄電池の予備としての蓄電池になっている期間を、劣化していないと判定された蓄電池の当該期間よりも長くする
ことを特徴とする組電池の制御方法。
定期的に、所望の電圧を出力するために稼働している蓄電池とそれ以外の蓄電池とを交代させる
請求項１記載の組電池の制御方法。
所定の周期で前記交代を実行し、組電池の稼働期間に応じて、前記周期を変更する
請求項２記載の組電池の制御方法。
予備としての蓄電池の充電率が所定値になるようにトリクル充電する
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の組電池の制御方法。
所望の電圧を出力するための数よりも多い数の蓄電池が直列配置された組電池と、該組電池の監視および制御を行う監視制御部とを含む組電池システムであって、
前記監視制御部は、所望の電圧を出力するために稼働している蓄電池とそれ以外の蓄電池とを交代させることによって、全ての蓄電池に、予備としての蓄電池になる機会を与え、
前記監視制御部は、蓄電池が劣化しているか否か判定する手段を含み、劣化していると判定された蓄電池の予備としての蓄電池になっている期間を、劣化していないと判定された蓄電池の当該期間よりも長くする
ことを特徴とする組電池システム。
監視制御部は、定期的に、所望の電圧を出力するために稼働している蓄電池とそれ以外の蓄電池とを交代させる制御を行う
請求項５記載の組電池システム。
監視制御部は、所定の周期で前記交代を実行し、組電池の稼働期間に応じて、前記周期を変更する
請求項６記載の組電池システム。
監視制御部は、予備としての蓄電池の充電率が所定値になるようにトリクル充電する制御を行う
請求項５から請求項７のうちのいずれか１項に記載の組電池システム。
請求項５から請求項８のうちのいずれか１項に記載の組電池システムを含む無停電電源装置。