台湾专利TW201319602A 蓄電池狀態監視系統

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专利摘要:
本發明提供一種蓄電池狀態監視系統，對於始終連接於機器之複數個蓄電池，自動測定或獲取各種參數，藉此可精確且有效地推斷各蓄電池之狀態或壽命。蓄電池狀態監視系統1對於具備以直列型式連接複數個蓄電池41而成的電池組之機器監視各蓄電池41之狀態，其包括：控制/電源裝置50，檢測各蓄電池41中之電流；以及子機30，測定各蓄電池41中之溫度、電壓及至少2種以上之頻率下的內部電阻，基於子機30所測定之溫度、電壓、內部電阻及由各蓄電池41放電時之控制/電源裝置50所檢測之電流值之變化量與子機30所測定之電壓值之變化量之比所獲得的各蓄電池41之直流電阻中的至少1個以上之值，推斷各蓄電池41之劣化。
公开号:TW201319602A
申请号:TW101140642
申请日:2012-11-02
公开日:2013-05-16
发明作者:Ichiro Mukaitani；Takashi Kofuse；Mitsuyoshi Kanoh；Shinya Mizusugi；Yasuhiro Shibata
申请人:Shin Kobe Electric Machinery；
IPC主号:G01R31-00

专利说明:
蓄電池狀態監視系統
本發明係有關於一種監視蓄電池狀態之技術，尤其關於一種適用於後備(backup)用途/輸出變動用途等的蓄電池狀態監視系統的有效技術，該蓄電池狀態監視系統將蓄電池始終連接於機器，對蓄電池進行通電以監視/推斷狀態。
於必須不間斷運轉之重要裝置或系統等中，例如為了即使在停電或瞬斷等來自商用電源之電力供給中斷之情形時(或者不利用/無法利用來自商用電源之電力之情形時，以下有時通稱為「非常時等」)仍繼續對負載供給電力，有時使用不斷電電源裝置(Uninterruptible Power Supply，UPS)。UPS具有積累用於在非常時等供給至負載之電力之蓄電池，亦有於1個UPS中具有複數個蓄電池者。
被用於UPS之蓄電池在平常時以充電之狀態不進行動作(放電)，而於非常時等進行動作以對負載供給電力。已知的是，蓄電池即使在不動作之狀態下亦會發生逐年劣化，又，一般而言，周圍溫度越高，則劣化越嚴重。因而，於搭載有UPS等蓄電池之機器中，為避免於動作時產生蓄電池因壽命或故障等不正常動作之問題，採用有如下方法：監視蓄電池之狀態，並且預測伴隨周圍溫度或使用年限等劣化之壽命時期，於蓄電池已為異常狀態之情形時自不必言，即使為正常狀態但在預測之壽命時期到來之前，亦更換為新的蓄電池。
然而，於僅基於溫度及劣化程度之關係之簡單的壽命預測中，預測的壽命精確度並不太高，因此考慮安全的結果導致亦有時蓄電池之更換時期成為頗早於實際壽命之時期而無法有效使用至最後，在經濟效益上，就有效利用之觀點而言，亦非有效率之狀態。
作為用於解決此種問題之技術，例如於專利文獻1(日本專利特開2005-26153號公報)中，揭示有一種蓄電池監視系統，其檢測包含複數個蓄電池之電池組之溫度T，測定各蓄電池之電壓E，並測定各蓄電池之內部電阻R，根據該等檢測結果及測定結果判定各蓄電池之壽命，藉此，在溫度與壽命之關係上進一步追加考慮其他要素，從而可切實地以精確地判定蓄電池之最終壽命。
又，於非專利文獻1(高橋清、長嶋茂，「雜訊因應型蓄電池診斷裝置(BCW)之開發」，FB技術新聞No.63號(2007.11)，古河電池股份有限公司，2007年11月，p.32-37)中，為監視被用於UPS之鉛蓄電池之狀態，連續測定電池單元電壓、內部電阻與溫度，於測定內部電阻時，藉由以與自UPS產生之漣波電流之頻率成分不同之頻率進行測定，從而抑制自UPS產生之正常模式雜訊(normally mode noise)之影響，以穩定地獲得內部電阻之測定值。
於推斷蓄電池之狀態或壽命時，使用多個溫度以外之各種參數之做法可更準確地進行推斷。此處，如上述先前技術般，例如於測定蓄電池之內部電阻之情形時，作為簡便之方法，可考慮使用便攜式測定器。然而，由於便攜式測定器會有因受到自UPS產生之雜訊之影響而有測定精確度之問題，或者於如UPS般具有多數個蓄電池之系統中需以人工手動進行測定而無效率之問題，因此實際之利用較為困難。
因而，如專利文獻1或非專利文獻1等，使用監視蓄電池狀態等之裝置或系統。於專利文獻1或非專利文獻1之裝置或系統中，除了溫度或電壓以外還測定內部電阻，但為更準確地推斷壽命，例如要求進一步增加測定參數，例如非常時等之充放電資料等。
例如對於內部電阻，並非如上述先前技術般採用單一頻率而是利用複數個頻率進行測定之做法，可對應於蓄電池之各種劣化模式而更準確地推斷壽命。此處，雖有針對各蓄電池使測定頻率可變而以多個頻率測定內部電阻之裝置，但與便攜式測定器同樣地，如UPS般將多數個蓄電池作為對象之測定實際上較為困難。為能同時監視多數個蓄電池之狀態，至少各參數之測定或資料記錄相關之處理必須實現自動化。
因此，本發明之目的在於提供一種蓄電池狀態監視系統，對於始終連接於機器之複數個蓄電池，自動測定或獲取蓄電池之各種參數，藉此精確且有效地推斷各蓄電池之狀態或壽命。本發明之上述及其他目的與新穎之特徵可根據本說明書之技術及附圖而明確。
對本案所揭示之發明中的代表性概要作簡單說明如下。
本發明之代表性實施形態之蓄電池狀態監視系統對具備以直列型式連接複數個蓄電池而成的電池組之機器監視上述各蓄電池之狀態，其特徵在於包括：電流檢測機構，檢測上述各蓄電池中之電流；以及狀態測定機構，測定上述各蓄電池中之溫度、電壓及至少2種以上之頻率下的內部電阻，基於上述狀態測定機構所測定之溫度、電壓、內部電阻及由上述各蓄電池放電時之上述電流檢測機構所檢測之電流值之變化量與上述狀態測定機構所測定之電壓值之變化量之比所獲得的上述各蓄電池之直流電阻中的至少1個以上之值，推斷上述各蓄電池之劣化。
對藉由本案所揭示之發明中的代表性發明獲得之效果作簡單說明如下。
根據本發明之代表性實施形態，對於始終連接於機器之複數個蓄電池，自動測定或獲取蓄電池之各種參數，藉此，可精確地推斷各蓄電池之狀態或壽命。又，可有效地進行針對多數個蓄電池之狀態或壽命之推斷。
以下，基於附圖說明本發明之實施形態。再者，於用於說明實施形態之所有圖中，對於同一部分，原則上標註相同之符號，並省略其重複說明。 <概要>
本發明之一實施形態之蓄電池狀態監視系統是對於例如UPS等機器所具備的、包含始終連接於機器之複數個蓄電池之電池組，對蓄電池進行通電以自動測定或獲取各種參數，藉此推斷各蓄電池之狀態或壽命之系統。
於各蓄電池中，分別設置有對各種參數進行測定並獲取保持資料之測定裝置，由該測定裝置所測定之資料根據要求被發送至監視裝置。於監視裝置中，統一進行基於自各測定裝置收集之測定資料推斷蓄電池之狀態或壽命之處理，且具有介面，該介面係例如於存在需要更換之蓄電池之情形時，將其意旨與相關之資訊等一同通知給用戶等。
再者，本實施形態中，考慮到降低因監視裝置與多數個測定裝置具備通訊對話造成之通訊負載、或利用無線通訊帶來的測定裝置之設置之容易性/靈活性等，採用於監視裝置與測定裝置之間具有用於進行通訊負載分散及/或通訊協定轉換之中繼裝置的階層構成。
於本實施形態之蓄電池狀態監視系統中，於進行蓄電池之劣化判定時，除了基於蓄電池溫度之判定以外，還基於電壓、內部電阻(主要為交流電阻，於測定時亦包括電池之電抗，但以下總稱為「內部電阻」)、放電/充電時之直流電阻該複數個參數，多方面地判定劣化。例如，對於溫度或電壓，作為亦包括因突發性之故障等引起者之異常值管理，於以固定間隔(例如5分鐘)獲取之蓄電池之溫度或電壓值超過所定臨限值之情形時，判定為異常狀態。具體而言，例如於蓄電池之溫度超過室溫+10℃之情形時判定為輕度異常，於超過室溫+20℃之情形時判定為必須立即更換之狀態。又，亦可根據表示溫度與壽命之相關關係的表或式來判定壽命時期。
又，對於內部電阻，作為平常時之傾向管理，例如以1天1次等之定期時點或收到來自用戶之指示之時點進行測定，根據內部電阻值自初始值(例如於蓄電池之設置時最初測定之值)發生之變化率，推斷蓄電池之劣化。例如，於內部電阻值自初始值增加20%以上之情形時判定為輕度劣化，於自初始值增加50%以上之情形時判定為必須儘快(例如1年以內)更換，於自初始值增加100%以上之情形時判定為必須立即更換。內部電阻之絕對值視蓄電池之種類等而不同，因此如此般進行借助相對值之判定。
再者，本實施形態中，係藉由複數個頻率測定內部電阻，對於各頻率下的每個內部電阻，進行基於如上所述之初始值與相對值之判定，以對應於蓄電池之各種劣化模式來進行更準確的壽命推斷。於先前之內部電阻之測定機器中，已知的是，一般使用1 kHz左右之頻率，對於蓄電池逐漸劣化之狀況，可根據以該頻率測定之內部電阻而在一定程度上進行判斷。又，就該頻率而言，由於先前得以廣泛使用之原委，成為參考之資料之積累亦較多，因此，於本實施形態中，亦使用1 kHz左右(例如350 Hz以上且小於2000 Hz)之頻率作為一種。
另一方面，於1 kHz左右之頻率下，為獲得電極反應等與發電要素相關之資訊而頻率較高，僅能獲得可判定蓄電池生死之資訊。因而，為獲得更詳細之資訊，更理想的是，對於直流或接近直流之低頻下的內部電阻亦進行測定。本實施形態中，對於直流電阻成分，係自動偵測UPS進行動作而蓄電池開始放電或充電之時點，並根據在蓄電池進行放電或者充電時由設置於各蓄電池中之測定裝置逐次測定之電壓值與電流值(大於交流下的內部電阻測定時之值)，藉由對於放電中之電流值與電壓值之各自變化量(梯度)之比之計算，從而獲取直流電阻成分。對此，藉由與上述同樣地與初始值進行比較，可更準確地判定蓄電池之劣化。
然而，對於UPS等機器而言，平常時係為待機而非運轉，因此如上所述般可測定直流電阻之時點受到限制。因而，平常時(蓄電池不進行放電/充電之狀態)，亦對低頻下之內部電阻進行測定。例如使用可實際上無障礙地構成裝置且不與商用電源發生干擾之(並非50 Hz或者60 Hz之整數倍)小於100 Hz左右之頻率。為進一步提高劣化判定之精度，較為理想的是進而藉由不同之複數個頻率測定內部電阻。
因而，本實施形態中，如後所述，內部電阻之測定頻率至少包括1 kHz左右(例如350 Hz以上且小於2000 Hz)之高頻與小於100 Hz(不與商用電源發生干擾之頻率)之低頻，進而，作為與該等不同之頻率，加上中間(例如100 Hz以上且小於350 Hz)頻率，藉由該3種頻率測定內部電阻。
若更通俗地說明上述內容，則例如可解釋為：藉由自小於200 Hz之低頻區域、與200 Hz以上且小於2000 Hz之高頻區域中至少各選擇1個以上之複數個頻率來測定內部電阻，藉此可提高劣化判定之精確度，進而，在上述頻率區域內加上不同的其他頻率來進行測定，藉此亦可進一步提高精確度。
如此，基於包括溫度、電壓、內部電阻、放電/充電時之直流電阻等之複數個參數中的1個以上來多方面地判定劣化，藉此可精確地判定蓄電池之狀態或壽命。 <系統構成>
圖1係對本發明之一實施形態之蓄電池狀態監視系統之構成例表示概要之圖。蓄電池狀態監視系統1係於例如電源裝置40等具備以直列型式連接之複數個蓄電池41而成的電池組之機器中，對於各蓄電池41自動測定或獲取各種參數，藉此推斷各蓄電池41之狀態或壽命之系統。該蓄電池狀態監視系統1具有：狀態測定裝置30，針對1個以上之電源裝置40之各蓄電池41逐個地固定設置，測定關於該蓄電池41之各種參數；以及上位監視裝置10，統一進行收集由狀態測定裝置30測定之資料以推斷蓄電池41之狀態或壽命之處理。又，於上位監視裝置10與各狀態測定裝置30之間具有資料中繼裝置20，該資料中繼裝置20對自各狀態測定裝置30發送之測定資料進行中繼以發送至上位監視裝置10。
即，本實施形態中，具有3階層之階層構成，即：相對於1個上位監視裝置10，以可通訊的狀態連接有M個資料中繼裝置20(以下有時稱作「母機」)，且於各資料中繼裝置20上，以可通訊的狀態連接有N個狀態測定裝置30(以下有時稱作「子機」)。再者，上位監視裝置10與母機20之間係藉由經由區域網路(Local Area Network，LAN)等之網路60之有線通訊而連接，母機20與子機30之間係藉由無線通訊而連接。再者，有線/無線通訊之規格或協定等並無特別限定，可適當利用公知之技術。
藉此，於具有多數個蓄電池41之電源裝置40等機器中，可對蓄電池41設置子機30而無需通往外部之配線，可提高設置時之容易性、靈活性以實現設置之效率化，並且可降低基於接線錯誤或配線之經年劣化等之問題之風險。
再者，本實施形態中，母機20至少具有在與子機30之間之無線通訊、與上位監視裝置10之間之有線通訊之間進行通訊協定轉換之功能，但亦可具有其他功能。此時，母機20既可平行地進行與各子機30之無線通訊，亦可逐次地進行。又，根據蓄電池狀態監視系統1之規模等(例如作為監視對象之蓄電池41之數量等)，亦可採用不具有母機20而子機30直接與上位監視裝置10進行通訊之2階層之構成，子機30與母機20(或者上位監視裝置10)之間之通訊亦不限於無線通訊而可為有線通訊。
於各電源裝置40上，連接有利用電源裝置40之裝置或控制對系統等負載之電力供給之控制/電源裝置(電力控制裝置(Power Conditioning System，PCS)、不斷電電源裝置(UPS)或者直流電源裝置)50。控制/電源裝置50控制電源裝置40對負載之電力供給，並且具有作為電流檢測裝置之作用，可獲取與電源裝置40(蓄電池41)之充放電之有無相關之資訊，上述電流檢測裝置對流經電源裝置40內串聯設置之蓄電池41之電流值進行檢測。控制/電源裝置50例如連接於網路60，上位監視裝置10可經由網路60而自控制/電源裝置50獲取電源裝置40之蓄電池41之電流值或與充放電之有無相關之資訊等。
再者，本實施形態中，採用了控制/電源裝置50檢測各蓄電池41之電流值且上位監視裝置10可自控制/電源裝置50獲取該資訊之構成，但並不限於此，例如亦可採用下述構成：後述之子機30與溫度或電壓等其他參數同樣地測定各蓄電池41之電流值並發送至上位監視裝置10。
圖2係對上位監視裝置10之構成例表示概要之圖。上位監視裝置10經由母機20而自各子機30收集對各蓄電池41測定之各種參數之資訊，並基於收集之資料推斷各蓄電池41之狀態或壽命，以監視異常狀態或壽命有無到來。
上位監視裝置10例如包含個人電腦(Personal Computer，PC)或伺服器機器等資訊處理裝置，且具有介面部11、監視控制部12及劣化判定部13等各部，上述各部係作為在未圖示之作業系統(Operating System，OS)或資料庫管理系統(DataBase Managment System，DBMS)等中間軟體上動作之軟體程式而安裝。又，上述上位監視裝置10具有：測定歷史14，係為積累自子機30收集之測定資料之資料庫；以及設定資訊15，包含保持與蓄電池狀態監視系統1之動作相關的各種設定之檔案或記錄等。
介面部11具有用戶介面之功能，該用戶介面係對用戶提供用於供用戶輸入各種指示之畫面、及用於顯示蓄電池41之狀態監視結果之畫面。亦可採用下述結構：藉由未圖示之Web伺服器程式，自用戶之用戶端上的Web瀏覽器進行存取並顯示畫面。作為用戶所輸入之各種指示，例如有於設定資訊15中設定之上位監視裝置10或子機30之動作條件之指定、或基於用戶請求之對子機30之資料測定或收集之指示等。
監視控制部12根據於設定資訊15中登記之設定內容、或者經由介面部11而來自用戶之指示，(經由母機20)請求子機30指定與各種參數之測定相關之條件或執行測定。又，監視控制部12具有下述功能：請求子機30發送各種參數之測定資料以收集測定資料，並對應每個蓄電池41而記錄並積累於測定歷史14中。
再者，當作為監視對象之蓄電池41為多數個之情形時，例如若指示子機30一齊進行資料測定，則多數個子機30將一齊對蓄電池41進行測定。子機30於參數測定時會對蓄電池41進行微弱的通電，因此會產生電壓降，因而若多數個子機30一齊進行測定，則亦被認為會對電源裝置40造成不良影響。又，若請求子機30一齊進行測定資料之發送，則各子機30將一齊將測定資料經由母機20發送至上位監視裝置10，結果亦被認為會對該等機器造成較大的通訊負載。
因而，本實施形態中，於指示子機30進行各種參數之測定(尤其是內部電阻之測定)或測定資料之發送等時，將子機30群組化為適當的數量(例如每整體之30%左右)，藉由自動或手動對每個群組設置充分的時間差來進行指示，以免在各群組間所屬之子機30之處理時點重複。
劣化判定部13根據於設定資訊15中登記之設定內容或者經由介面部11而來自用戶之指示，基於自子機30收集並記錄於測定歷史14中之溫度、電壓、內部電阻等各種參數之測定值及自控制/電源裝置50獲取之電源裝置40中之放電/充電時之電流值等，藉由如上所述的方法，多方面地判定蓄電池41之劣化，藉此推斷狀態或壽命。
本實施形態中，如上所述，主要以3個時點推斷蓄電池41之劣化。第一，基於以固定之時間間隔(本實施形態中為5分鐘)之時點持續測定的溫度及電壓之獲取資料，推斷包括蓄電池41之突發故障等之異常或壽命。第二，基於定期(本實施形態中為1天1次)地或者以來自用戶之指示之任意時點，並利用複數個頻率測定之內部電阻之測定值，推斷蓄電池41之複數個劣化模式下之劣化傾向。第三，以蓄電池41進行放電或者充電之時點，基於由放電或者充電時之電壓之測定資料與自控制/電源裝置50獲取之放電時或者充電時之直流電流之值算出的直流電阻，更精確地推斷蓄電池41之劣化傾向。
再者，對於內部電阻或直流電阻之初始值，既可由測定歷史14中的針對對象蓄電池41之最初測定資料獲得，亦可對每個蓄電池41另行記錄。
當因蓄電池41之狀態或劣化之推斷結果為壽命已到或者壽命接近到來而判定為必須更換之情形時，例如將該意旨經由介面部11而與測定資料或推斷結果等資訊一同通知給用戶。
於設定資訊15中，作為與蓄電池狀態監視系統1之動作相關之設定內容，例如亦可由用戶或管理者等設定或者變更子機30之溫度或電壓之測定間隔(例如每10~200 msec，本實施形態中設為每100 msec)、上位監視裝置10對溫度或電壓之測定資料之收集間隔(例如每5分鐘)、或內部電阻之測定間隔(例如1天1次)等。又，如後所述，亦可設定用於在子機30中偵測電源裝置40(蓄電池41)正放電之電壓降之臨限值或持續循環數、於偵測放電時鎖定電壓測定資料之時間範圍之資訊、子機30之動作模式(通常模式或節能模式)等。
再者，將與子機30之動作相關的設定保持於上位監視裝置10之設定資訊15中，以可自監視控制部12對子機30進行指定，藉此，不需要針對多數個子機30之個別之作業，可藉由來自上位監視裝置10之指令而效率良好地指定/變更子機30之動作條件。
圖3係對狀態測定裝置(子機)30之構成例表示概要之圖。子機30係對蓄電池41之蓋部等而逐個地固定設置，以測定並記錄針對該蓄電池41之各種參數，並且根據經由母機20而來自上位監視裝置10之指示，經由母機20將測定資料發送至上位監視裝置10。藉由固定設置於蓄電池41，可使用於測定各種參數之端子或感測器等之間的配線連接穩定，可降低測定資料之偏差。再者，通常，係對1個蓄電池41對應地設置1個子機30，但亦可視成本或蓄電池41之電壓等，對於串聯設置之複數個蓄電池41，統一藉由1個子機來進行監視。
子機30具有測定控制部31、溫度測定部32、電壓測定部33、內部電阻測定部34及正弦波產生部35之各部，該各部係作為由中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)執行之軟體程式或電路等而安裝。又，子機30具有：通訊部36，在與母機20之間進行無線通訊；以及內部記憶體37，係為包含非揮發性半導體記憶體等之記憶裝置。又，自溫度測定部32配線之溫度感測器39配置於蓄電池41中，並且自電壓測定部33、內部電阻測定部34及正弦波產生部35配線之端子分別連接於蓄電池41之正負端子。再者，用於供子機30動作之電力係自蓄電池41獲取。因此，較為理想的是，於子機30中設置節能模式等，該節能模式係在需要各部動作之時點以外進行休眠等，以免消耗不必要的電力。
測定控制部31具有對子機30中之各種參數之測定處理、測定資料之記錄或發送等子機30中的處理整體進行控制之功能。藉由各測定部，始終監視(例如每100 msec或以1天1次等之間隔)蓄電池41，並將測定之資料逐次記錄至內部記憶體37之特定區域。此時，對舊的測定資料進行重寫以循環利用區域。又，藉由通訊部36之無線通訊而與母機20進行通訊，基於經由母機20而來自上位監視裝置10之指示，經由母機20對上位監視裝置10發送測定資料。再者，記錄至內部記憶體37中之測定資料可複製/移動至安裝於子機30中的包含半導體記憶體等之外部記憶體38而導出。又，亦可使用外部記憶體38作為與內部記憶體37同等之記憶區域。
溫度測定部32根據來自測定控制部31之指示(例如每100 msec)，藉由溫度感測器39測定蓄電池41之溫度，並將測定資料輸出至測定控制部31。又，電壓測定部33亦同樣地，根據來自測定控制部31之指示(例如每100 msec)，測定蓄電池41之端子間之電壓，並將測定資料輸出至測定控制部31。此時，於測定控制部31中，如後所述，於電壓值之下降(或者上升)已持續固定期間以上之情形時，判斷為蓄電池41正進行放電(或者充電)，對放電(或者充電)開始前後之固定期間之電壓測定資料進行鎖定(保護)，以免其在內部記憶體37上被其他資料重寫而消失。
內部電阻測定部34將來自測定控制部31之指示(例如1天1次)作為觸發器，測定蓄電池41之端子間之內部電阻，並將測定資料輸出至測定控制部31。此處，藉由正弦波產生部35產生如上所述之複數個頻率之正弦波，使各頻率下之電流(例如3 A以下)流經蓄電池41。基於此時之電流值與端子間之電壓值之測定資料，算出各頻率下之內部電阻。
如上所述，例如藉由自小於200 Hz之低頻區域、與200 Hz以上且小於2000 Hz之高頻區域中至少各選擇1個以上之複數個頻率來測定內部電阻，藉此可提高劣化判定之精確度。又，於上述頻率區域內進一步加上不同之其他頻率來進行測定，藉此可進一步提高精確度。本實施形態中，例如至少包括1 kHz左右(例如350 Hz以上且小於2000 Hz，較佳為800 Hz以上且小於1200 Hz)之高頻區域與小於100 Hz(不與商用電源發生干擾之頻率)之低頻區域，進而，作為與該等不同之頻率，加上中頻區域(例如100 Hz以上且小於350 Hz)之頻率，藉由該3種頻率測定內部電阻。
為確認測定頻率帶來的效果，於使用基於先前技術之內部電阻測定機器(藉由單個頻率進行測定者)之情形時、與使用本實施形態之狀態測定裝置30(內部電阻測定部34藉由複數個頻率進行測定者)之情形時，分別實際測定蓄電池之內部電阻，並嘗試其壽命之評價(電池容量之推斷)，將該實驗結果例示於以下的表中。 [表1]
於表1中，表示如下結果，即：作為內部電阻之測定機器，使用先前品1~3及開發品1、2，對複數個不同劣化狀態之蓄電池分別測定內部電阻，進行電池容量之推斷，並基於與實際容量之誤差及測定所需之時間評價測定精確度。
此處，先前品1~3係基於先前技術之藉由單個頻率測定內部電阻之測定機器，測定頻率分別屬於不同之區域(高頻區域(350 Hz以上且小於2000 Hz)、中頻區域(100 Hz以上且小於350 Hz)、低頻區域(小於100 Hz))。另一方面，開發品1、2係本實施形態之狀態測定裝置30，係藉由屬於複數個頻率區域(開發品1為高頻區域(200 Hz以上且小於2000 Hz)及低頻區域(小於200 Hz)，開發品2為高頻區域(350 Hz以上且小於2000 Hz)、中頻區域(100 Hz以上且小於350 Hz)及低頻區域(小於100 Hz))之測定頻率來測定內部電阻者。
於該實驗中，作為所使用之蓄電池，製作
˙電池A 蓄電池規格UP300-12(12 V/100 Ah/5 HR)之新品
˙電池B 對於與電池A同等之電池，減少10%之電解液者
˙電池C 對於與電池A同等之電池，藉由25℃涓流壽命測試經過相當於5年之狀態者
˙電池D 對於與電池A同等之電池，藉由25℃涓流壽命測試經過相當於15年之狀態者
˙電池E 對於與電池C同等之電池，補充了電解液減少量者
˙電池F 對於與電池D同等之電池，補充了電解液減少量者
該6種蓄電池(電池A~F)。
於表中，對於上述各蓄電池，以5 HR容量及1CA容量為基礎，作為各自之狀況，對於實際容量與基於先前品1~3及開發品1、2的內部電阻之測定值獲得之容量之推斷值，分別藉由與滿充電狀態之相對比(%)予以示出。
對於各電池之放電容量之實測值(實際容量)，係指依照JIS8704-02準備滿充電狀態之蓄電池而基於此者。此處，蓄電池之滿充電狀態是指以13.38 V/10 A之限制電流充電48小時以上之狀態。對於5 HR容量之實測值(實際容量)，充電結束後以開路狀態於25±2℃之環境中放置24小時，隨後，於25±2℃下以20 A之放電電流值進行放電，根據直至到達終止電壓10.5 V為止之放電持續時間求出放電容量。又，對於1 CA容量之實測值(實際容量)，係與上述5 HR之情形同樣地，對於滿充電後於25±2℃之環境中放置24小時之電池，以100 A之放電電流值進行放電，根據直至到達終止電壓9.6 V為止之放電持續時間求出放電容量。對於所得之各蓄電池之放電容量之實測值，分別算出相對於新品狀態之放電容量的相對比。
又，於基於內部電阻測定值之容量推斷時，係使用關於內部電阻與放電容量(或者放電持續時間)之關係之實驗式，該內部電阻係自先前作為基於實驗結果之積累之見解而獲得。具體而言，內部電阻之測定值與放電容量之關係係以一次函數表示，因此，例如對於先前品1~3(藉由單個頻率進行測定者)，放電容量係基於內部電阻之測定值與初始值，藉由放電容量=放電容量之初始值×(1-(內部電阻之測定值-內部電阻之初始值)/內部電阻之初始值)
之式表示。因而，相對於新品狀態之放電容量(放電容量之初始值)之相對比可藉由相對比=1-(內部電阻之測定值-內部電阻之初始值)/內部電阻之初始值
之式而算出。
再者，於如開發品1、2般藉由複數個測定頻率測定內部電阻之情形時，例如，使用對所測定之2種或者3種內部電阻之值進行所定加權所得之加權平均值來適用於上述式。例如，於低率放電下之測定之情形時，相對於以高頻區域之頻率測定之內部電阻值，設定比以中頻區域之頻率測定之內部電阻大的加權值。又，於高率放電下之測定之情形時，相對於以中頻區域之頻率測定之內部電阻值，設定比以高頻區域之頻率測定之內部電阻大的加權值，進而，相對於以低頻區域之頻率測定之內部電阻值，設定比以中頻區域之頻率測定之內部電阻值大之加權值。
於表1中，對於先前品1~3及開發品1、2，對於各蓄電池之5 HR容量與1 CA容量，分別求出基於內部電阻之測定值而求出的容量之推斷值(相對比)與實際容量(相對比)之間之誤差。進而，基於各誤差之合計及內部電阻之測定所需的時間求出評價點，且亦示出評價結果。
根據評價結果可知的是，與先前品1~3(單個頻率下之內部電阻之測定)相比，總地來說，可短時間且精確地推斷電池容量。又，可知的是，根據開發品2(3種頻率下之內部電阻之測定)，可比開發品1(2種頻率下之內部電阻之測定)更短時間且更精確地推斷電池容量。 <狀態測定裝置(子機)中之處理流程>
圖4係對狀態測定裝置(子機)30之測定控制部31中之處理流程例表示概要之流程圖。當子機30啟動而開始蓄電池41之各種參數之測定處理時，首先，判定是否經由母機20而自上位監視裝置10收到指示(S01)。於收到指示之情形時，執行自上位監視裝置10指示之處理(S02)。步驟S02之指示執行處理後述。
於步驟S01中未收到來自上位監視裝置10之指示之情形時，繼而判定是否自前次之測定循環經過了所定間隔之時間(S03)。此處之所定間隔係子機30自行定期地測定蓄電池41之參數之間隔，本實施形態中例如為100 msec之間隔。再者，該間隔之值例如亦可將自上位監視裝置10經由母機20而指示之值或者作為預設值而對子機30預先設定之值保持於內部記憶體37等中，於啟動時或其他所定時點參照該值。
於步驟S03中尚未經過100 msec之情形時，返回步驟S01重複處理。亦可返回步驟S03而非步驟S01而等待經過100 msec。於步驟S03中經過100 msec之情形時，藉由溫度測定部32測定蓄電池41之溫度(S04)，又，藉由電壓測定部33測定蓄電池41之端子間之電壓(S05)。此時，若有來自上位監視裝置10之電阻測定指令，則使由正弦波產生部35產生之所定頻率下的電流(例如3 A以下)流經蓄電池41而測定電壓。
藉由溫度測定部32及電壓測定部33進行溫度及電壓之測定，當測定控制部31獲取測定資料時，判定當前狀態是否為在鎖定為不重寫測定資料之狀態下進行記錄之資料鎖定模式(S06)。於並非資料鎖定模式之通常模式之情形時，將溫度及電壓之測定資料與時戳一併記錄至內部記憶體37中(S07)。此時，於內部記憶體37上存在被鎖定之資料之情形時，以不對其重寫擦除之方式進行記錄。
進而，以下進行如下處理：對所測定之電壓資料進行分析，以判定蓄電池41是否已開始放電或者充電。被用於電源裝置40之蓄電池41於平常時以維持固定電壓之方式受到控制。另一方面，當電源裝置40運轉而對負載開始電力之供給，即，當蓄電池41開始放電時，蓄電池41之電壓急遽下降，並且，隨後，隨著放電，電壓逐漸下降(再者，與電源裝置40停止對負載之電力供給而對蓄電池41開始充電之情形時相反)。
圖5係對蓄電池41之放電及充電時之電壓變化例表示概要之圖。此處，係以對於蓄電池41之單位電池單元之放電/充電之情形為例而示出，其呈現出如下狀態：平常時之每單位電池單元之電壓(例如2.23 V)於放電開始時急遽下降至約2.1 V以下，隨後以大致固定之梯度逐漸下降。因而，本實施形態中，例如當於每1電池單元中，電壓由平常時下降100 mV以上之狀態持續測定之3循環(300 msec)時，判定為放電已開始。
如上所述，於放電過程中，有大的直流電流流經蓄電池41，因此可基於此時之參數之測定資料，對於蓄電池41之狀態獲得更詳細之資訊。因而，作為放電中之資料，如圖所示，以鎖定之狀態對偵測放電之時點前後之固定時間範圍(僅可計算電壓逐漸下降時之變化量(梯度)之時間範圍)之電壓(亦可包括溫度資料)之測定資料進行記錄，以免其在內部記憶體37上被其他測定資料重寫或者擦除而消失(對於充電時，亦可同樣地進行鎖定)。
本實施形態中，例如對自偵測到放電之時點之1秒前至10分鐘後之資料進行鎖定。再者，該時間範圍可根據內部記憶體37之容量、用於發送資料之通訊負載或電源裝置40之利用條件等而適當決定，但較為理想的是，至少對自放電或者充電之偵測計起之1分鐘以上的資料進行鎖定並保持。
為進行上述處理，於圖4中，首先對於電壓資料判定測定值是否自平常時下降(或者上升)了所定之臨限值(本實施形態中，例如是每1電池單元為100 mV)以上(S08)。再者，為偵測急遽之電壓降，亦可配合是否自前次之測定值下降上述臨限值以上來進行判定。
於步驟S08中電壓未下降所定臨限值以上之情形時，返回步驟S01而繼續重複測定處理。於步驟S08中電壓下降了所定臨限值以上之情形時，繼而判定電壓之下降是否持續了所定時間(S09)。本實施形態中，判定是否持續了3個循環(300 msec)之測定。於未持續3循環之情形時，返回步驟S01而繼續重複測定處理。另一方面，於持續了3循環之情形時，移行至鎖定測定資料之資料鎖定模式(S10)。此時，例如對於在過去1秒以內記錄於內部記憶體37中之電壓資料(亦可包括溫度資料)，藉由設定旨在禁止重寫或擦除之旗標等來進行鎖定。隨後，返回步驟S01而繼續重複測定處理。
另一方面，於步驟S06中當前狀態為資料鎖定模式之情形時，對於溫度與電壓之測定資料，設定旨在鎖定之旗標，並與時間戳記一併記錄於內部記憶體37中(S11)。再者，較為理想的是，內部記憶體37具有可保持被鎖定資料(本實施形態中，為10分鐘左右之測定資料)之足夠容量，但例如於不具有足夠容量之情形時，被鎖定之資料飽和而不存在可新記錄之區域之情形時，亦可經由母機20對上位監視裝置10通知錯誤或警告。
隨後，判定是否自於步驟S09中持續3循環偵測電壓之下降(偵測蓄電池41之放電)之時點經過了所定之時間(本實施形態中為10分鐘)(S12)。於未經過10分鐘之情形時，返回步驟S01繼續重複測定處理。另一方面，於已經過10分鐘之情形時，自資料鎖定模式移行至通常模式(S13)，返回步驟S01而繼續重複測定處理。即，對於此後之循環中之測定資料，藉由步驟S07以後之處理，作為未被鎖定之資料而記錄於內部記憶體37中。再者，即使自資料鎖定模式移行至通常模式，過去在被鎖定之狀態下記錄之測定資料如後所述，仍保持在被鎖定之狀態下，直至經由母機20發送至上位監視裝置10為止。
如圖4所示，本實施形態中，針對作為鎖定對象之測定資料，藉由設定旗標來進行鎖定，但鎖定方法並不限於此。例如，於步驟S09中持續3循環偵測到電壓下降(偵測到蓄電池41之放電)之情形時，亦可計算自該時刻計起1秒前及10分鐘後之時間戳記，並分別保持為鎖定之開始時刻與結束時刻之資訊，根據測定資料是否包含於該時段中，來判斷是否為鎖定對象。又，亦可將被鎖定之資料與未被鎖定之資料於內部記憶體37上的記憶區域予以分離(此時，對於過去1秒以內記錄之未被鎖定之資料，進行使其移動至被鎖定資料之記憶區域等之處理)。
又，於圖4所示之處理流程中，為便於說明，將步驟S01~S02中之基於來自上位監視裝置10之指示的處理與步驟S03以後之子機30對參數之測定處理記載為有序的處理，但處理順序並不限於此。又，亦可將來自上位監視裝置10之指示之接收、或測定循環即100 msec之經過等作為事件發生之觸發器，作為事件驅動之處理而實現。
圖6係對圖4所示之子機30中的測定處理中之步驟S02之指示執行處理流程例表示概要之流程圖。當收到來自上位監視裝置10之指示時，測定控制部31首先判定指示之內容(S31)，執行與內容相應之處理。
於步驟S31中之指示內容為電壓及溫度之測定資料之獲取請求之情形時，將前次發送至上位監視裝置10而隨後記錄/積累於內部記憶體37中的電壓及溫度之測定資料(於圖4之步驟S04以後之處理中，每100 msec測定之最新資料)經由母機20發送至上位監視裝置10(S32)，結束處理。再者，本實施形態中，上位監視裝置10藉由監視控制部12，以於設定資訊15等中設定之所定間隔(例如每5分鐘等)，定期地自動發送該資料之獲取請求。已發送之測定資料亦可自內部記憶體37擦除。於未擦除而保留之情形時，例如保持已發送之測定資料中的最新者之時間戳記，以便可辨識已發送之測定資料與未發送之測定資料。
於步驟S31中之指示內容為蓄電池41之內部電阻之測定資料之獲取請求之情形時，判定是否自前次之內部電阻之測定時刻經過了所定時間(本實施形態中，例如為1小時)(S33)。再者，本實施形態中，上位監視裝置10藉由監視控制部12，以於設定資訊15等中設定之所定間隔(例如1天1次等)，定期地自動發送該資料之獲取要求。又，除此以外，亦可基於用戶的手動指示來發送獲取請求。
於步驟S33中自前次之測定時刻未經過1小時以上之情形時，為避免因短時間且連續地進行內部電阻之測定處理(例如，於上位監視裝置10中，用戶短時間地連續重複指示)導致對蓄電池41施加多餘的負載，而不進行內部電阻之測定。此時，本實施形態中，自內部記憶體37讀出前次測定時之內部電阻之測定資料以作為測定資料(S34)，並發送該測定資料(S36)。
另一方面，於步驟S33中自前次之測定時刻經過了1小時以上之情形時，藉由內部電阻測定部34測定蓄電池41之內部電阻(S35)，前進至步驟S36。此處，如上所述，藉由正弦波產生部35產生複數個頻率之正弦波，使各頻率下的電流(例如3 A以下)流經蓄電池41，基於此時之電流值與端子間電壓值之測定資料，算出各頻率下之內部電阻。本實施形態中，如上所述，複數個頻率至少包括1 kHz左右之高頻與小於100 Hz之低頻，可於其中進而追加不同之頻率。所得之內部電阻之資料記錄至內部記憶體37中。
隨後，將內部電阻之測定資料經由母機20發送至上位監視裝置10(S36)，結束處理。再者，視步驟S35中之內部電阻之測定所需之時間，例如亦可針對1天1次的內部電阻之測定指示，而執行步驟S35中之內部電阻之測定處理，並且與其非同步地，於步驟S36中，將記錄於內部記憶體37中之前次之測定結果之資料(遲1天)發送至上位監視裝置10。
於步驟S31中之指示內容係於蓄電池41放電/充電時測定的、被鎖定之電壓資料(亦可包含溫度資料)之獲取請求之情形時，則自內部記憶體37獲取被鎖定之電壓(及溫度)之測定資料，並經由母機20發送至上位監視裝置10(S37)。
再者，本實施形態中，上位監視裝置10基於用戶的手動指示發送被鎖定之電壓資料之獲取請求。用戶例如可於上位監視裝置10上，基於自控制/電源裝置50獲得之資訊掌握電源裝置40已運轉(蓄電池41放電)，隨後，例如待故障修復等後，指示被鎖定之電壓資料之獲取。對於蓄電池41放電時之直流電流值，上位監視裝置10亦可自控制/電源裝置50獲得，因此劣化判定部13可基於該等資料而算出直流電阻值。
隨後，解除對已發送資料之鎖定狀態(S38)，結束處理。解除了鎖定狀態之資料成為可作為通常之資料而被重寫之狀態。亦可取代鎖定狀態之解除，而自內部記憶體37擦除該資料。
再者，於來自上位監視裝置10之指示內容中，除了如上所述之參數之測定或測定資料之獲取請求以外，亦包括各種設定資訊(例如，以固定間隔測定之溫度及電壓之測定間隔、或藉由電壓降偵測蓄電池41之放電時鎖定電壓測定資料之時間範圍相關之資訊等)之設定指示等。所指定之設定內容例如被記錄於內部記憶體37中，由測定控制部31進行參照。
又，亦可包括節能模式等動作模式之指示或子機30之停止指示，該節能模式係除必要時點以外，各部之電路等進行休眠之模式。例如，於收到停止指示之情形時，結束測定處理而停止機器。亦可不停止而移行至休眠狀態或待機狀態等。此時，亦可將來自上位監視裝置10之恢復指示作為觸發器而自休眠狀態或待機狀態恢復。
如以上所說明的，根據本發明之一實施形態之蓄電池狀態監視系統1，對於始終連接於機器之複數個蓄電池41，除了溫度以外，自動測定或獲取包括電壓、內部電阻、放電/充電時之直流電阻之參數，並且利用複數個頻率測定內部電阻，藉此，可精確地推斷各蓄電池41之狀態或壽命。
又，藉由採用包含上位監視裝置10與母機20、子機30之階層構成，且母機20與子機30之間採用無線通訊，從而可有效地進行針對多數個蓄電池41之各種參數之測定。
此時，子機30根據來自上位監視裝置10之設定內容等測定各種參數，並經由母機20而發送至上位監視裝置10，並且自動偵測蓄電池41之放電/充電，並對放電/充電時之電壓測定資料進行鎖定保持，以免其因重寫等而消失，藉此，可監視子機30單位中之直流電流引起的電壓變化，從而可更確實且精確地推斷各蓄電池41之狀態或壽命。
以上，基於實施形態具體說明了由本發明者完成之發明，但本發明並不限定於上述實施形態，於不脫離其主旨之範圍內可進行各種變更。 [產業上的可利用性]
本發明可用於後備用途/輸出變動用途等的蓄電池狀態監視系統，該蓄電池狀態監視系統將蓄電池始終連接於機器，對蓄電池進行通電以監視/推斷狀態。
1‧‧‧蓄電池狀態監視系統
10‧‧‧上位監視裝置
11‧‧‧介面部
12‧‧‧監視控制部
13‧‧‧劣化判定部
14‧‧‧測定歷史
15‧‧‧設定資訊
20‧‧‧資料中繼裝置(母機)
30‧‧‧狀態測定裝置(子機)
31‧‧‧測定控制部
32‧‧‧溫度測定部
33‧‧‧電壓測定部
34‧‧‧內部電阻測定部
35‧‧‧正弦波產生部
36‧‧‧通訊部
37‧‧‧內部記憶體
38‧‧‧外部記憶體
39‧‧‧溫度感測器
40‧‧‧電源裝置
41‧‧‧蓄電池
50‧‧‧控制/電源裝置
60‧‧‧網路
圖1係對本發明之一實施形態之蓄電池狀態監視系統之構成例表示概要之圖。
圖2係對本發明之一實施形態中之上位監視裝置之構成例表示概要之圖。
圖3係對本發明之一實施形態中之狀態測定裝置(子機)之構成例表示概要之圖。
圖4係對本發明之一實施形態中之狀態測定裝置(子機)之測定控制部之處理流程例表示概要之流程圖。
圖5係對本發明之一實施形態中之蓄電池之放電及充電時之電壓變化例表示概要之圖。
圖6係對本發明之一實施形態中之指示執行處理流程例表示概要之流程圖。
1‧‧‧蓄電池狀態監視系統
10‧‧‧上位監視裝置
20‧‧‧資料中繼裝置(母機)
30‧‧‧狀態測定裝置(子機)
40‧‧‧電源裝置
41‧‧‧蓄電池
50‧‧‧控制/電源裝置
60‧‧‧網路

权利要求:
Claims (12)
[1] 一種蓄電池狀態監視系統，對具備以直列型式連接複數個蓄電池而成的電池組之機器監視上述各蓄電池之狀態，其特徵在於包括：電流檢測機構，檢測上述各蓄電池中之電流；以及狀態測定機構，分別包含上述各蓄電池中之溫度、電壓及至少小於200 Hz之第1頻率與200 Hz以上且小於2000 Hz之第2頻率，藉由2種以上之頻率測定內部電阻，且藉由上述狀態測定機構所測定之溫度、電壓、內部電阻及由上述各蓄電池放電時之上述電流檢測機構所檢測之電流值之變化量與上述狀態測定機構所測定之電壓值之變化量之比所獲得的上述各蓄電池之直流電阻中的至少1個以上之值，推斷上述各蓄電池之劣化。
[2] 如請求項1之蓄電池狀態監視系統，其特徵為上述狀態測定機構藉由包含設為小於100 Hz之上述第1頻率、設為350 Hz以上且小於2000 Hz之上述第2頻率、進而100 Hz以上且小於350 Hz之第3頻率的3種頻率，測定上述蓄電池之內部電阻。
[3] 如請求項1之蓄電池狀態監視系統，其特徵為上述狀態監視機構以所定之時間間隔定期測定並記錄溫度與電壓，於偵測到電壓自平常時之值下降超過所定臨限值以上之狀態已持續所定時間之情形時，保護偵測時刻前後之所定時間範圍之電壓測定資料以免其消失。
[4] 如請求項1之蓄電池狀態監視系統，其特徵為於上述狀態測定機構所測定之上述蓄電池之溫度及/或電壓之值超過所定值或者比低於所定值之情形時，判定為上述蓄電池存在異常，又，藉由上述狀態測定機構所測定之上述蓄電池之內部電阻及/或上述蓄電池放電時之直流電阻之值與初始值相較之變化率，推斷上述蓄電池之劣化。
[5] 如請求項1之蓄電池狀態監視系統，其包括：子機，包含上述狀態監視機構；以及上位監視裝置，獲取由上述電流檢測機構及/或上述狀態測定機構檢測或者測定之資料，並藉由獲取之資料推斷上述各蓄電池之劣化，上述蓄電池狀態監視系統更包括對上述上位監視裝置與上述子機之間的通訊進行中繼之母機，且具有如下構成，即，1個以上之上述母機以可通訊的狀態連接於上述上位監視裝置，且1個以上之上述子機以可通訊的狀態連接於上述各母機。
[6] 如請求項5之蓄電池狀態監視系統，其特徵為上述母機與上述子機之間之通訊係無線通訊。
[7] 如請求項5之蓄電池狀態監視系統，其特徵為上述子機基於經由上述母機而來之上述上位監視裝置的指示，測定上述蓄電池之內部電阻。
[8] 如請求項7之蓄電池狀態監視系統，其特徵為上述子機於來自上述上位監視裝置之測定上述蓄電池之內部電阻之指示自前次之測定尚未超過所定時間以上之情形時，不進行內部電阻之測定。
[9] 如請求項5之蓄電池狀態監視系統，其特徵為上述子機基於經由上述母機而來之上述上位監視裝置之指示，將藉由測定獲得之資料經由上述母機而發送至上述上位監視裝置。
[10] 如請求項5之蓄電池狀態監視系統，其特徵為上述上位監視裝置將上述子機分為複數個群組，以屬於各群組之上述各子機對各蓄電池之內部電阻之測定時點不與屬於其他群組之上述各子機重複之方式而對每個群組設置時間差，以指示屬於群組之各子機測定內部電阻。
[11] 如請求項5之蓄電池狀態監視系統，其特徵為上述子機以固定於上述蓄電池之方式而設置。
[12] 如請求項5之蓄電池狀態監視系統，其特徵為上述子機除進行處理作業所需之電路以外，其它可為休眠狀態。

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法律状态:

优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

JP2011244569||2011-11-08||

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