JPH0980130A - 蓄電池容量測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は、比較的短時間で測定でき、測
定中に停電が発生しても給電を継続でき、また特定の電
池セルを早めることもなく、さらに比較的誤差の小さい
放電時間推定値が得られる蓄電池容量測定方法を提供す
ることにある。 【解決手段】本発明は、蓄電池を短時間放電状態にした
時の端子電圧を測定し、蓄電池の放電初期における前記
端子電圧の落ち込みを除き、前記端子電圧が最大値をす
ぎ再び下がり始めてからの前記端子電圧のみを使用し、
所定電圧に至る降下時間により蓄電池の容量を推定する
方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流または直流を
入力とする電力変換装置とバックアップ用蓄電池で構成
される無停電給電システムにおいて、使用中の蓄電池容
量を測定するための蓄電池容量測定方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来の容量試験方法を図６に示す。図６
において、１は交流または直流電源、２は電力変換装
置、３は蓄電池、４は負荷装置、５は切替スイッチ、６
は放電用定電流負荷である。この方法では、通常電力変
換装置２の出力端子に並列に接続されている蓄電池３を
切り離し、放電用定電流負荷６に接続することにより所
定の電流で放電させ、蓄電池３の端子電圧が放電終止電
圧に達するまでの時間を測定し、放電電流値Ｉと放電時
間ｔの積Ｉｔ（Ａｈ）を求める。簡易的に行うには放電
用定電流負荷６は単なる抵抗を用いる場合もある。この
方法は蓄電池３の容量は正確に把握できるが、測定時間
が長くかかる上、測定中は蓄電池３が給電系から切り離
されるため、この時に停電が発生すると負荷装置４が接
続できず負荷装置４が動作しないという欠点がある。負
荷装置４が交換機や伝送装置等の通信装置である場合
は、この停電の影響は非常に大きくなる。

【０００３】測定中に蓄電池が給電系から切り離される
という欠点を解決するため、従来、図７のような方法も
行われていた。図７において１〜４は図６と同様であ
り、７は最低電圧の電池セル、８は切替スイッチ、９は
放電用定電流負荷、１０は放電した電池セルを再充電す
る充電器、１１は交流または直流電源である。図７の方
法では、蓄電池３の全てのセル電圧を予め測定してお
き、その中でも最も低い電圧のセルについて上記の様な
放電試験を行い、その放電電流値Ｉと放電時間ｔの積Ｉ
ｔ（Ａｈ）を求めていた。この方法によると、複数のセ
ルで構成される蓄電池３の１セルのみの放電であるた
め、例え試験中に停電が発生したとしても、蓄電池３の
電圧は最大でセル１個分の電圧が低下するだけであり、
負荷装置４への給電は継続できる。しかし、この方法は
測定時間の短縮が図れず、予め全てのセル電圧を測って
おかなければならないという不便さがある。さらに短期
間、例えば３ケ月ごとぐらいに繰り返し行うと、容量試
験を実施するセルが常に同じになる傾向があり、放電終
止電圧までの放電を数多くすることにより、容量が少な
く劣化し始めているセルの劣化をさらに早めるという欠
点がある。これらの欠点を解決するため、図８のような
方法が行われた。

【０００４】図８は構成説明図、図９は動作を説明する
特性図である。図８において、１は交流または直流電
源、２は電力変換装置、３は蓄電池、４は負荷装置であ
り、図９において、Ｖ_F は浮動充電電圧（電力変換装置
定常時設定電圧）、Ｖ_B は放電終止電圧（負荷装置許容
最低入力電圧）、ｔ₁ ，ｔ₂ は実放電時間、Ｖ₁ ，Ｖ₂
は実放電時間における蓄電池端子電圧、Ｖ_A は電力変換
装置出力低下時設定電圧である。

【０００５】この例における動作を説明する。まず定常
動作時は図８（ａ）に示すように、交流または直流電源
１を入力として電力変換装置２が出力電圧Ｖ_F （図９に
おける浮動充電電圧）を出力し、蓄電池３を浮動充電し
ながら、負荷装置４に電力を供給している。電力変換装
置２の出力電圧は、入力交流または直流電源１の電圧が
変動したり出力電流が変動した場合でも常に一定電圧Ｖ
_F を出力できるような安定化機能を有している。このよ
うな構成で交流または直流電源１からの給電が一定時間
以上（通常２４時間以上）継続している場合は、蓄電池
３の充電電流（浮動充電電流）は僅かであり、電力変換
装置２の出力する電流の大部分は負荷電流として負荷装
置４に供給される。

【０００６】次に、図８（ｂ）のように電力変換装置２
の出力設定電圧をＶ_A （図９における出力低下時設定電
圧）まで降圧する。ただしＶ_A は蓄電池３の放電終止電
圧すなわち負荷装置許容最低入力電圧Ｖ_B より高い値と
する。電力変換装置２は一定電圧Ｖ_A を出力するため、
蓄電池３の端子電圧の方が高くなり、負荷装置４へは蓄
電池３から電力を供給する。この状態で蓄電池３の端子
電圧を測定すると、電力変換装置２からは給電されない
ため、蓄電池３の放電特性（図９）がそのまま表れる。
したがって、放電時間ｔ_E は、ｔ₁ 〜ｔ₂ の放電電圧を
カーブフィッテングすることにより放電時間ｔ_E を推定
することができる。しかし、以下に示すようにｔ₁ 〜ｔ
₂ の選定方法に誤りがあると非常に大きな誤差を生じる
という問題があった。図１０にシール鉛蓄電池の放電特
性例を示し、従来の放電近似法を説明する。この特性
は、０．１Ｃ放電における２００Ａｈの組電池（２４個
組）の例である。ここで０．１Ｃ放電は、例えば公称２
００Ａｈ容量の電池を２０Ａで放電することを意味す
る。図９において、Ａ特性は実際の放電特性、Ｂ特性は
放電直後から放電終了までのデータをほぼ等間隔に使用
して２次式でカーブフィッテングした特性であり、Ｃ特
性は同様なデータにより一次式でカーブフィッテングし
た特性である。

【０００７】図１０において、 Ｂ特性：ｙ＝５Ｅ−０６ｘ² −０．００１５ｘ＋２．１３９４ Ｒ² ＝０．９６９２ Ｃ特性：ｙ＝−０．０００６ｘ＋２．１２０２ Ｒ² ＝０．８１１３ また、Ｖ_B はシステムが正常に動作する最低電圧であ
り、その電圧に到達する時間がｔ_E である。図に示すよ
うに実際の放電では、放電直後に一度電圧が落ち込む
が、放電時間が１０分程度経過すると電気化学反応が進
むことにより端子電圧が上昇に転じ、端子電圧は、放電
時間が３０分程度でほぼピークになる、なお、このピー
ク点は、放電率が０．１Ｃよりも低いと端子電圧Ｖを構
成する起電力Ｅと内部抵抗Ｒのうち内部抵抗Ｒによる電
圧降下が小さく、山の姿のように顕著に現れず、丘のよ
うな形になる。なお、端子電圧Ｖは以下に示される。

【０００８】 Ｖ＝Ｅ（ｔ）−ＲＩ （１） Ｅ（ｔ）＝起電力 Ｒ＝内部抵抗 Ｉ＝放電電流 一方放電率が０．１Ｃよりも大きくなると内部抵抗Ｒに
よる電圧降下が大きくなるためピークが生じにくくな
る。図１１に放電率を変えた時の放電特性を示す。図に
示すように放電電流が大きくなるほどピークは生じな
い。このようにピークが生じる放電特性において従来の
ように放電直後からのデータで近似していると実際の放
電カーブとは大きく異なり、図１０に示すように実際の
ｔ_E に比べて大きく異なったｔc1，ｔc2となり、実際の
放電時間ｔ_E と大きく異なるという問題があった。なお
図９において、２次式でカーブフィッテングしたＢ特性
は、電圧値がＶ_B 以下とならないので放電時間を特定で
きないため、ｔc1は浮動充電電圧（５２．８Ｖ）になっ
た時の値で示している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法によると放電直後は端子電圧が落ち込んで、再び電圧
が上昇するため、放電直後からのデータで放電終止まで
推定すると実際の放電カーブと大きな誤差が新たに生じ
る。そこで、これらの欠点を除くため、本発明では、放
電直後のデータを除いたデータで測定する新しい蓄電池
容量測定方法を提案している。

【００１０】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、比較的短時間で測定でき、測定中に停電が発生して
も給電を継続でき、また特定の電池セルを早めることも
ない、さらに放電最大電圧以降の電圧を用いてカーブフ
ィッテングしているので比較的誤差の小さい放電時間推
定値が得られる蓄電池容量測定方法を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の蓄電池容量測定
方法は、交流電源または直流電源を入力として負荷装置
に必要な直流電圧を出力する電力変換装置、及び電力変
換装置出力端子に並列に接続された電力変換装置動作時
は浮動充電され電力変換装置停止時は負荷に電力を供給
する蓄電池によって構成される無停電給電システムにお
いて、電力変換装置の出力設定電圧を負荷装置が正常動
作を維持できる電圧まで低下させ、蓄電池を放電状態に
してその端子電圧および放電時間を同時に測定し、その
端子電圧、放電時間、端子電圧の低下速度および所定の
放電特性式により、放電直後から端子電圧が上昇してい
る間のデータを除き、端子電圧が再び下がり始めてから
のデータで放電電圧の低下速度および放電特性式を作成
し放電終止電圧に至る時間を推定することを特徴とす
る。

【００１２】すなわち本発明は、無停電電源システムに
組み込まれた蓄電池を切り離すことなく、電力変換装置
の出力電圧を負荷装置が許容する範囲で低下させ、実際
の負荷装置を用いて蓄電池を短時間放電させ、その端子
電圧、放電時間、端子電圧の低下速度および所定の放電
特性式から放電直後の端子電圧の落ち込みを除いた方法
で蓄電池容量を求めることを主要な特徴とする。従来の
技術は、放電直後からのデータを使って蓄電池容量を求
めていた所が異なる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態例を詳細に説明する。 ［実施形態例１］図１に本発明の一実施形態例を示す。
ここでＤは実際の放電特性、Ｅは本発明の推定方式によ
る１次式でカーブフィッテングした特性、Ｆは本発明の
推定方式による２次式でカーブフィッテングした特性で
ある。

【００１４】図１において、 Ｆ特性：ｙ＝−３Ｅ−０７ｘ² −０．０００２ｘ＋２．０７ Ｒ² ＝１ Ｅ特性：ｙ＝−０．０００３ｘ＋２．０７１６ Ｒ² ＝０．９９９９ 以下、本発明の推定方式について述べる。本発明は、実
際の放電特性との誤差が生じる最大の原因である放電直
後から端子電圧が上昇している間のデータについて放電
特性を推定するカーブフィッテングの元データから除
き、端子電圧が再び下がり初めてからのデータのみをカ
ーブフィッテングのためのデータとして用いることに特
徴がある。実施形態例では、１〜３時間目のデータによ
るカーブフィッテング例を示し、０．１Ｃ放電において
放電容量が１０％（ｔ₁ ＝１ｈ）〜３０％（ｔ₂ ＝３
ｈ）であるが、ｔ₂ の時間を長くしても本発明が適用で
きることは言うまでもない。ｔ₂ を長くした場合は推定
する放電時間の推定誤差が小さくできる。本特徴を有し
ている図１と図１０を比較することからわかるように、
本発明は従来に比べ推定する放電時間の誤差が小さくで
きる。一次式でカーブフィッテングする時は、最低２点
のデータより放電時間ｔ_B は、以下の式で求められる。

【００１５】 ｔ_B ＝ｔ₁ ＋｛（Ｖ_B −Ｖ₁ ）／（Ｖ₂ −Ｖ₁ ）｝（ｔ₂ −ｔ₁ ） （２） ここで、Ｖ₁ はｔ₁ における端子電圧、Ｖ₂ はｔ₂ にお
ける端子電圧である。さらに一次式を３点以上でカーブ
フィッテングする場合には、一般的によく知られた最小
自乗法を用いて算出する。図１は最小自乗法で算出した
例である。

【００１６】２次式でカーブフィッテングする時は、最
低３点のデータより以下の式で求められる。２次式をＶ
＝Ａｔ₂ ＋Ｂｔ＋Ｃとおき、放電時間ｔ₁ における端子
電圧Ｖ₁ 、放電時間ｔ₂ における端子電圧Ｖ₂ 、放電時
間ｔ₃ における端子電圧Ｖ₃とすると２次式の係数Ａ，
Ｂ，Ｃは以下のように算出できる。

【００１７】

【数１】 さらに、放電時間ｔ_B は以下で算出できる。

【００１８】

【数２】

【００１９】ｔ_B は、正、負の２つの解がでてくるが、
ｔ_B ≧０の値を正しい解とする。さらに２次式を４点以
上でカーブフィッテングする場合には、一般的によく知
られた最小自乗法を用いて算出する。図１の例では最小
自乗法を用いた。また、３次式でカーブフィッテングす
る時は最低４点で求められる、算出方法は、例えば電子
通信ハンドブック数学編で示されている。また、５点以
上でカーブフィッテングする場合は、上記と同様に最小
自乗法を用いて算出する。以上のように比較的短時間の
放電にて放電初期の端子電圧がピークになるまでのデー
タを除いて、ピーク点以降のデータを用いて放電特性を
推定することにより従来に比べて比較的短時間の放電
で、比較的高精度の容量測定ができるという特徴があ
る。また従来に比べて短時間で容量測定ができるため、
試験に必要な稼働、費用が少なくなるとともに、測定中
に停電が発生したとしても蓄電池の放電量が従来に比べ
て少ないため、直ちに電力が負荷に供給できないという
状況がなくなり、給電系の高信頼度を維持しながら蓄電
池の容量測定ができるという特徴がある。さらに、放電
深度が小さいことから頻繁に容量試験を行っても蓄電池
を劣化させる可能性が小さくできることから、きめの細
かい蓄電池の容量管理ができる特徴がある。

【００２０】本発明では、ピーク電圧の所在すなわちカ
ーブフィッテングに用いるデータの開始点を決定してお
かねばならない。決定方法には２通りがある。一つは時
間で決める方法と他の一つはピーク電圧を探索する方法
である。なおここで電圧の絶対値のみで決める方法が考
えられるが、温度、電流率等で大きく変化するので適さ
ない。まず、ピーク電圧を時間で決める方法について説
明する。

【００２１】図２は、放電電流率と放電時におけるピー
ク電圧到達時間の関係を示した図である。図に示してい
るように放電電流率が大きくなる程ピーク電圧到達時間
が短くなっている。本例を用いて放電電流率によって放
電直後からピーク電圧到達時間を予め決めておき、元の
データからピーク電圧到達時間を除いたデータでカーブ
フィッテングする。

【００２２】図３に本発明の推定法の実施形態例を用い
た放電時間算出のための測定および算出手順を示す。な
お、本手順は２次式近似で行う手順を示しており、他の
次数の近似式においても放電時間の算出の手順が多少異
なるだけで同様な手順で算出でき、本発明の範囲に入っ
ていることはいうまでもない。手順について説明する。
まず手順１で蓄電池の放電を開始し、手順２で蓄電池の
端子電圧とその時の放電時間を測定する。手順３で測定
を終了する。手順４で図２に示したピーク電圧が発生す
る以前の端子電圧と放電時間のデータを除外する、手順
５で残った端子電圧、放電時間を用いて放電特性を推定
する。推定方法は、通常の最小自乗法を使用したカーブ
フィッテングでもよいし、他の方法でもよい。手順６で
放電特性推定式を明らかにし、手順７で放電特性推定式
を用いて所定の放電終止電圧Ｖ_Bにおける放電時間ｔ_B
を算出する。

【００２３】図４は、本発明の他の実施形態例である手
順を示す。本例は、他の一つのピーク電圧を探索してカ
ーブフィッテングに用いるデータ開始点を決める測定手
順である。手順１〜７のうち手順４以外は、図３の実施
形態例と同じである。手順４では、所定時間内の代わり
に放電開始以降の放電電圧を随時比較し、端子電圧が減
少から増加に転じた以降で端子電圧が最大となる端子電
圧を探索し、その放電時間以前のデータを除外する。図
５は、放電開始以降の放電電圧を随時比較した図であ
る。図に示すようにＰ_V1とＰ_V2とを比較し、端子電圧が
減少から増加に転じた以降の電圧をＰ_V3，Ｐ_V4，Ｐ_V5と
順次比較し、端子電圧が最大となる端子電圧を探索し、
その放電時間以前のデータを除外する。なお、ピーク値
が出にくい高放電率の場合は、端子電圧の低下速度が図
１１に示すように２４個組の場合概ね−０．５Ｖ／分以
下（単セルの場合は約２０ｍＶ／分・セル）になる以前
の端子電圧と放電時間は除去して放電特性推定式を算出
する。説明は、組電池の放電時間推定法について述べた
単セルの放電時間推定にも適用できることは言うまでも
ない。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、蓄電
池の容量を比較的短時間で推定することができると共
に、蓄電池は測定中も給電系から切り離されていないた
め、測定中に停電が発生したとしても負荷装置への給電
を接続できる特徴がある。また、万一蓄電池の容量が劣
化等によって著しく低下していた場合でも、停電状態で
ない限り電力変換装置が他の許容入力電圧以上の電圧を
出力し、負荷への給電を継続するので、給電を停止する
ことはない。さらに本発明は別の従来例で示したよう
な、個々の電池セルの電圧を予め予測しておく煩雑さ
や、特定の電池セルの劣化を早めることもない。さら
に、従来の推定法のように推定に用いるデータを不特定
データとせず、放電最大電圧以降の電圧を用いてカーブ
フィッテングしているので比較的誤差の小さい放電時間
推定値が得られる。従って本発明によると、高信頼な給
電システムを、メンテナンスに多くの稼働をかけること
なく、経済的に構成できるという特徴がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフィッテング方法の一例を説明する特
性図である。

【図２】蓄電池の放電率とピーク電圧到達時間の関係の
一例を示す特性図である。

【図３】本発明の実施形態例１の手順を説明する説明図
である。

【図４】本発明の実施形態例２の手順を説明する説明図
である。

【図５】本発明に係る経過時間と電圧との関係の一例を
示す特性図である。

【図６】従来の容量試験方法の一例を示す構成説明図で
ある。

【図７】従来の容量試験方法の他の例を示す構成説明図
である。

【図８】従来の容量試験方法の一例を示す構成説明図で
ある。

【図９】従来の容量試験方法の他の例を説明する特性図
である。

【図１０】従来のフィッテング方法を説明する特性図で
ある。

【図１１】放電率を変えた時の電池の放電特性図であ
る。

【符号の説明】

１…交流または直流電源、２…電力変換装置、３…蓄電
池、４…負荷装置、５…切替スイッチ、６…放電用定電
流負荷、７…最低電圧の電池セル、８…切替スイッチ、
９…放電用定電流負荷、１０…放電した電池セルを再充
電する充電器、１１…交流または直流電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 良 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄電池を短時間放電状態にした時の端子
   電圧を測定し、所定の電圧まで前記端子電圧が下がるま
   での降下時間あるいは、前記放電状態における放電電流
   と前記降下時間により蓄電池の容量を推定する蓄電池容
   量測定方法において、 蓄電池の放電初期における前記端子電圧の落ち込みを除
   き、前記端子電圧が最大値をすぎ再び下がり始めてから
   の前記端子電圧のみを使用し、前記所定電圧に至る前記
   降下時間を推定する蓄電池容量測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の蓄電池容量測定方法にお
   いて、 蓄電池の放電状態における端子電圧および放電時間を測
   定時の前記端子電圧がピークとなるピーク放電時間を予
   め決め、前記ピーク放電時間までの端子電圧および前記
   放電時間を除外し、前記除外した以降の前記端子電圧に
   より所定電圧に至る時間を推定する蓄電池容量測定方
   法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の蓄電池容量測定方法にお
   いて、 蓄電池の放電状態における端子電圧および放電時間を放
   電開始後、前記端子電圧が減少から増加に転じた以降で
   最大となる前記端子電圧を随時比較しながら探索し、探
   索された最大端子電圧以前の前記端子電圧および放電時
   間を除外し、前記最大端子電圧以後の前記端子電圧より
   所定電圧に至る時間を推定する蓄電池容量測定方法。