(57)【要約】【課題】鉛蓄電池の劣化抑制可能な運転制御方法。【解決手段】充放電を行う鉛蓄電池において、放電後10分以内に容量の10%以下の微小な電気量の充電を行うことを特徴とする鉛蓄電池の運転制御方法。また、前記微小な電気量の充電を、初期の電流が1Cアンペア以上の電流で、かつ10Cアンペア以下の電流により充電されることを特徴とする鉛蓄電池の運転制御方法。またさらに前記微小な電気量の充電を複数の鉛蓄電池からなる電池群の充放電に適用するにおいて、これら複数の鉛蓄電池を分割した一部ずつに対して前記微小な充電を行う鉛蓄電池の運転制御方法。さらに前記微小な電気量を充電する運転制御を行うための小容量蓄電デバイスとその制御部を備えた微小容量充電装置。さらに電池状態を判定し、その結果に基づき前記微小な電気量を充電する鉛蓄電池の運転制御方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電を伴う鉛蓄電池の運転において、放電後3時間以内に前記鉛蓄電池の公称容量の10%以下の微小な電気量を充電することを特徴とする鉛蓄電池の運転制御方法。
【請求項２】
充放電を伴う鉛蓄電池の運転において、放電後の放置時間が10分以内に前記鉛蓄電池の公称容量の5%以下の微小な電気量を充電することを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池の運転制御方法。
【請求項３】
微小な電気量を充電する際の充電電流が0.25Cアンペア（１Cは当該蓄電池の公称容量）以上10Cアンペア以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の鉛蓄電池の運転制御方法。
【請求項４】
複数の単電池からなる組電池を用いた充放電を伴う鉛蓄電池の運転において、前記組電池を１以上の単電池からなる電池群に分割して各電池群に微小な電気量を充電することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の鉛蓄電池の運転制御方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の鉛蓄電池の運転制御方法における微小な電気量の充電を行うために、前記運転制御を行う鉛蓄電池の公称容量に対し１／５以下の容量を有する蓄電デバイスとその制御部を備えたことを特徴とする微小容量充電装置。
【請求項６】
前記蓄電デバイスの容量が、前記鉛蓄電池の公称容量の10%以下であることを特徴とする請求項５記載の微小容量充電装置。
【請求項７】
１以上の単電池を用いた充放電を伴う鉛蓄電池の運転において、端子電圧、充放電電流、電池温度、内部抵抗および使用中の時間経過のうち一つまたは複数の情報を用いて算出した前記運転中の鉛蓄電池の状態判定結果を用いて制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の鉛蓄電池の運転制御方法、または請求項５から請求項６のいずれか一項に記載の微小容量充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉛蓄電池を利用する際の運転制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池を利用する際には、負荷を含むシステム全体や使用する蓄電池の安全性を損ねないようにする目的で運転制御が行われる。最も多く見られる運転制御は、蓄電池の下限電圧を設定して過放電を防止したり、短絡を検知して電流を遮断したりするものである。また、蓄電池の過充電を防止するため上限電圧管理なども行われている。特にリチウムイオン電池は他の電池系に比べて不安全事象が発生した際の危険レベルが高いので、このような安全配慮の運転制御が重要となる。
【０００３】
一方で、これらの運転制御は蓄電池の劣化や損傷を防ぐ目的もある。他の電池系に比べ安全性が高いとされる鉛蓄電池では運転制御の目的は安全対策よりも劣化抑制である。過放電や過充電を起こすと鉛蓄電池の寿命は大幅に低下することが知られており、例えばスタンバイユースにおけるフロート電圧は、劣化を確実に抑制するためにセル当たり数mV単位で制御を行うことが電池メーカーにより推奨されている。
【０００４】
しかし、他方この鉛蓄電池については実用電池の中で最も古い電池系になるためその制御方法はすでに確立済みとされ、近年は特段の改善は行われておらず、前記過放電防止や過充電防止が漫然と推奨されている側面がある。このため、近年注目されている再生可能エネルギーや系統電力との組み合わせによるエネルギーマネジメントなどの新規用途では蓄電池メーカーの推奨制御方法では劣化抑制が不十分となる事象がしばしば見受けられるようになっている。
【０００５】
これは、前記推奨制御条件が旧来の利用を想定したものであり、近年の特殊な使用条件下では最適化が必要であることを示すもので、実際、蓄電池メーカーが構築した大規模エネルギーマネージメントシステムでは充電方法を従来の定電流−定電圧方式から多段定電流方式に変更するなどして劣化抑制が図られている（非特許文献１および２）。このような制御方式の改良を行うには詳細な電池知識が必要になるが、新規に電池の利用を検討する場合これらの知識を獲得することは容易ではなく、また、蓄電池メーカーも前記改良された制御方式については、あくまで特殊な使用環境に適合させたものとして一般には推奨していないのが現状である。
【０００６】
このように最適な制御方式を適用できない状態で設計された鉛蓄電池を用いた蓄電システムの多くは十分な性能を発揮することが出来ず、結果として鉛蓄電池は短寿命である、との認識が生じる例が散見される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】野口他、FBテクニカルニュースNo.57、p.13（2001.12）
【非特許文献２】池谷他、電力中央研究所研究報告T97011（平成10年4月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このように鉛蓄電池の寿命が十分に発揮できない蓄電システムが構築されている現状を鑑みてなされたものであり、鉛蓄電池の劣化抑制を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、鉛蓄電池の充放電において、3時間以内に前記鉛蓄電池の公称容量の10%以下の微小な電気量を充電することを特徴とする鉛蓄電池の運転制御方法である。ここで前記微小な電気量の充電の実施は、放電後に次の充電が開始されるまでの待機時間として一般的に想定される時間、詳しくは4〜48時間程度よりも十分に短い時間内に行われることが要件であり、具体的には３時間以内、さらに好ましくは10分以内に行われることが望ましい。また、前記微小な電気量とは、前記鉛蓄電池の公称容量（Ah）の数％以下、詳しくは10%以下であるが、5%以下でも十分に本発明の効果が得られる。なお、その電気量は過充電に至らない限り多くても問題はないが、本発明の効果は前記電気量の範囲で十分に発揮されるものである。
【００１０】
また本発明は、前記微小な電気量の充電は、初期の電流が0.25Cアンペア（１Cは前記鉛蓄電池の公称容量の値）以上の電流、好ましくは１Cアンペア以上の電流で、かつ10Cアンペア以下の電流により充電されることを特徴とする鉛蓄電池の運転制御方法である。
【００１１】
またさらに本発明は、前記本発明による微小な電気量の充電を複数の鉛蓄電池からなる組電池の運転に適用するにおいて、これら複数の鉛蓄電池を分割した一部ずつに対して前記微小な充電を行う鉛蓄電池の運転制御方法である。
【００１２】
さらに本発明は、前記微小な電気量を充電する運転制御を行うための小容量蓄電デバイスとその制御部を備えた微小容量充電装置である。ここで、小容量蓄電デバイスは当該鉛蓄電池よりも小容量であり、かつ前記微小な電気量を充電するに足りる容量である。具体的には当該鉛蓄電池の公称容量の１／５以下、さらに好ましくは10%以下の容量を有する。小容量蓄電デバイスの容量が大きい場合も同様に本発明の効果は得られるが、高コストとなってしまう。また微小容量充電装置として小型ユニットにすることで既存の蓄電システムへの後付けによる追加設置が可能となるため前記制限値に示す容量が望ましい。また、用いる小容量蓄電デバイスはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、鉛蓄電池およびコンデンサから１種類またはは2種類以上を選択することができる。
【００１３】
さらに本発明は充放電を行う鉛蓄電池の、端子電圧、充放電電流、電池温度、および蓄電池を使用している時間経過の情報の一つまたは複数を用いて電池状態を判定し、その結果に基づき前記微小な電気量を充電する鉛蓄電池の運転制御方法である。これにより本発明により改善することが出来ない蓄電池の劣化に応じた最適な条件により本発明による運転制御を行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による鉛蓄電池の運転制御方法によれば、電池寿命が設計値（期待値）よりも短くなることが抑制される。なお、本発明の効果は頻繁に充放電を行うサイクルユースにおいて顕著である。これは、本発明がサルフェーションと呼ばれる放電生成物が負極に蓄積する劣化に対して有効であり、フロートユースにおける主要な劣化要因である正極格子体の腐食に対しては直接的な改善効果が小さいためである。但し、一般的にはフロートユースであってもフロート充電条件が十分に管理されていなかったりフロート充電の精度が低かったりするとサルフェーションが生じることも知られており、このような条件では本発明が有効に作用し、劣化抑制効果が得られる。
【００１５】
鉛蓄電池負極の放電生成物である硫酸鉛は再充電されるまでの間結晶成長を続けるため負極格子体（集電体）との電気的接続が切断されてしまう。その結果硫酸鉛結晶が蓄積しサルフェーションによる劣化が進行する。本発明では蓄電池から負荷への放電終了時から短時間内に充電電流を流すことを特徴としており、前記硫酸鉛の結晶成長が進行する前に部分的に還元が行われる。微小な電気量の充電であるためこの還元量は物質量としては小さいものの、還元された部位は周囲の硫酸鉛粒子が還元される新たな反応起点になるため、その後の再充電の反応効率が非常に高くなる。この結果放電で生成した硫酸鉛は効率よく還元されサルフェーション劣化が抑制される。なお前記微小な電気量の充電電流はパルスや半波整流などの脈流であっても、また電流値が漸減するような特性でも同様の効果が得られる。
【００１６】
また前記微小な電気量の充電は、その開始時に一定の電流値以上である方が効果は顕著である。しかし充電電流が大きくなるとそれに従い充電器のコストも増大する。本発明では小容量の蓄電デバイスとその制御装置からなる微小充電装置を構成し、前記小容量の蓄電デバイスから直接充電を行うことで、低コストに本発明における微小な電気量の充電を行うことが可能となる。また前記微小充電装置を後付けで付加することで、既存の蓄電システムに対しても本発明の効果をもたらすことが可能となる。
【００１７】
本発明における微小な電気量の充電を行う運転制御方法は、サルフェーション抑制効果は顕著であるが、電池の劣化状態によっては正極格子体の腐食を促進する可能性が否定できない。そこで電池の状態に応じて前記微小な電気量の充電条件を微調整することで本発明の運転制御方法の有する悪影響を減少させることが出来る。このために、端子電圧、充放電電流、電池温度、内部抵抗および使用中の時間経過のうち一つまたは複数の情報を用いて算出した劣化状態判定結果を反映して制御することで、本発明による悪影響を最小限に抑え、より有効に本発明の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】微小充電装置の構成を示す図である。
【図２】表1の試験条件により実施する試験内容である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明により運転制御を行う鉛蓄電池は一般に利用され、あるいは市販されているいずれの鉛蓄電池にも適用される。また、鉛蓄電池の電池形式は液式、あるいは制御弁式いずれの形式でも適用される。さらにまた、鉛蓄電池の極板形態は、ペースト式、あるいはチューブ式いずれの形態であっても適用される。
【００２０】
以下、本発明による鉛蓄電池の運転制御方法を詳細に説明する。
充放電を伴う蓄電池の運転はサイクルユースと呼ばれ、蓄電池の代表的な使われ方の一つである。一般的には蓄電池の保有するエネルギーを最大限に使い切ってから再充電されることが多い。例えば電動フォークリフトなどがこれに相当する。その後十分な時間を用いて満充電状態になるまで再充電が行われる。
【００２１】
近年、エネルギーの有効利用や再生可能エネルギーの大量導入などにより蓄電池を活用して電力などのエネルギーを制御する、エネルギーマネジメントシステム（ＥＭＳ）が盛んに検討されており、この用途では蓄電池の利用が必須となる。この際、蓄電池は制御装置や電力変換装置、さらにセンサーや制御信号のインターフェースなどから構成される、蓄電システムとして利用される。この用途における蓄電池の運転方法は、EMS全体のエネルギー状態を考慮して決定されるため、従来のような蓄電池の保有エネルギーすべてを使い切ってから再充電するのではなく、蓄電池容量の一部だけで充放電を行う、部分充放電と呼ばれる運転方法を適用することが多い。
【００２２】
鉛蓄電池は部分充放電運転すると満充電になる機会が少ないため電池寿命が縮小することが従来から知られており、不活性な硫酸鉛が負極板に蓄積するサルフェーションと呼ばれるモードが劣化の主要因である。蓄電池メーカーはサルフェーション対策として負極や電解液への添加剤の改良を行う一方、充放電の制御を行うことによっても劣化抑制を図ろうとしてきた。例えば、最も一般的な充電方法とされる「定電流−定電圧充電」に対して、前段の定電流の値を段階的に引き下げる「多段定電流充電」と呼ばれる方法を採用するなどしている（非特許文献１および非特許文献２参照）。さらには、一定の運転期間経過後、例えば１週間毎に満充電や過充電状態にまで電池の充電状態を引き上げることで蓄積した硫酸鉛を強制的に還元する方法がとられており、これらは均等充電やブースト充電などと称され充電器の一つのモードとして付加されていることがある。
【００２３】
しかしながら、これらの方法は制御が複雑であり、かつ、多段定電流における電流値の設定や、満充電操作を行う間隔の決定など、利用する蓄電池に対して十分な知識と理解がない限り制御方法を適切に設定することが難しい。また、その設定値が不適切であるとむしろ電池寿命を短縮する可能性もある。従ってこれら複雑な制御を蓄電池メーカー以外の蓄電池利用者が最適に行うことは実質的に不可能であった。
【００２４】
本発明者は本技術課題に鋭意取り組んだ結果、部分充放電を行った鉛蓄電池について放電直後に微小な電気量を充電することで前記サルフェーション劣化が抑制されることを見い出し本発明に至った。また、本発明の効果は部分充放電サイクルのみならず、通常のサイクルユースにおいても短寿命化を抑制する効果が得られる。なぜなら鉛蓄電池は、活物質と呼ばれる充放電反応を担う材料の理論容量に対して３ないし４割程度しか利用されていない。つまり蓄電池容量を使い切った状態であっても部分的な充放電状態となっている。また、容量を使い切るサイクルユースの場合、一般的な充電方法では満充電に至るまで８〜24時間程度必要であり、この間は部分充電状態に置かれていることになる。つまり、部分充放電による運転状態と、サイクルユースにおいて満充電に至るまでの状態は実質的に同じである。なお従来、サイクルユースにおける劣化要因は充放電の繰り返しに伴い正極活物質の粒子間結合が弱まることで電荷移動が阻害されたり、粒子が脱落したりするためとされていた。しかし近年は、前記サルフェーションが負極の一部に発生することで極板の不均一化が生じ、これに伴い負極板の利用状態が部分的に集中し、結果としてこれに対向する部分の正極活物質が前記従来説による粒子間結合の脆弱化に至る、ということが明らかになってきた。従って、本発明によりサルフェーションが抑制された結果負極板の利用が均一化することで、正極活物質の劣化も抑制され、満充電を繰り返すサイクルユースであっても短寿命化を抑制する効果が得られる。
【００２５】
本発明における微小な電気量の充電は、負極活物質の不活性化が進行していない放電直後が好ましく、望ましくは放電後3時間以内、さらに望ましくは10分以内に前記微小な電気量の充電を行うのが良い。また本発明では、前記微小な電気量が、主電池となる鉛蓄電池の公称容量（Ah）の１／５以下、さらには10%以下の電気量でも十分に効果が得られることを特徴としている。前記本発明による微小な電気量の充電は放電直後に行うため充電効率が非常に高い。しかしながら、充電効率は完全に100%とはならないため、わずかながら電池劣化を促進する作用も有している。従って微小な電気量の充電条件である電流及び電気量にはある最適値の存在が予測される。ところが実際には比較的広い充電条件で本発明の効果が得られることが本発明者の研究で明らかになっており、前記微小充電な電気量は過充電にならない範囲であれば多くても問題ないものの、運転条件の制限値は、装置が過大かつ高価にならず、長時間を要しない、などの実用的な観点から前記電気量の範囲が得られる。
【００２６】
また、本発明による前記微小な電気量の充電は一般的に適用される充電電流よりも大きな電流が好ましい。本発明による前記微小な電気量の充電電流は0.25Cアンペア（１Cは当該蓄電池の公称容量）以上10Cアンペア以下であることを特徴とする。従来、大電流による充電は正極格子腐食が増大するため電池の寿命に悪影響を及ぼすとされてきた。しかし、本発明による充電量は微小であり、負極においては大電流にすることで還元量の絶対値は増大するため、この微小な電気量の充電により生成した金属鉛が新たな反応起点となりその後の充電効率が向上する。また本発明は放電後短時間内に充電するため主反応である還元反応が進みやすく副反応が占める割合は非常に小さい。大電流で充電行う際はパルス電流や半波整流などの脈流が適しているとする考えもあるが、本発明によれば脈流でも通常の直流でも大差なく効果が得られる。また、前記本発明による微小な電気量の充電は必ずしも定電流充電で行う必要はなく、漸次低減するような電流であっても本発明の効果は同等に得られる。
【００２７】
一方、本発明を適用した場合でも長期間の使用により本発明の効果が及ばない劣化が蓄積されることがあるため、より好ましくはその時点の蓄電池の劣化状態を反映して前記微小な電気量の充電の条件を決定することが望ましい。そのため、本発明ではまた、蓄電池の運転中の電流、電圧、内部抵抗および運転時間の情報から蓄電池の状態を把握し、その情報をもとに前記微小充電の設定値となる電気量や充電電流を算出することを特徴としている。
【００２８】
本発明による微小な電気量の充電は、充電器からではなく別の小容量な蓄電デバイスから行うことが可能である。前記小容量な蓄電デバイスの容量（Ah）は前記微小な電気量相当、すなわち主電池である鉛蓄電池の１／５以下、さらには10%以下の容量で良い。この小容量の蓄電デバイスとその制御部からなる微小な電気量の充電装置を構築すると、鉛蓄電池を用いた既設の蓄電システムに後付けで付加することが出来るため、本発明の効果を多くの既存蓄電システムにおいても得ることが可能となる。図１に本発明による微小な電気量の充電装置を蓄電システムに付加した例をブロック図で示す。なお、本発明では前述のように比較的大きな電流で前記微小な電気量の充電を行うことが好ましい。通常、充電電流が大きくなると充電器や電力変換装置は大型になり部品や製造コストが増大する。しかし、蓄電デバイスから直接充電を行えば大きな電流による充電を低コストで実現することが出来る。なお、前記蓄電デバイスは一般に市販されている蓄電可能な素子であれば種類を問わないため、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタまた鉛蓄電池でもよく、これらを単独または複数組み合わせて使用しても良い。また、前記微小な電気量の充電装置には、前記蓄電デバイスと主電池の電圧を適合させたり微小充電電流の制御などを行う電力変換装置を含む微小充電制御部を配しても良く、またさらに、前記微小な電気量を決定したり前記蓄電デバイスの充電を制御する機能および前述した主電池である鉛蓄電池の状態把握情報を算出するなどの機能を有する演算部を含めても良い。
【００２９】
本発明による鉛蓄電池の運転制御方法は、鉛蓄電池単独セルに対しのみ有効ではなく、複数の蓄電池を組み合わせた組電池やモジュールに対しても有効である。この際、本発明の要件となるのは放電後速やかに微小な電気量の充電を行うことであり、これを低コストで実施するためには前記組電池やモジュールのまま充電するよりも、構成する蓄電池を単セルまたは複数のセルに分割して実施する方が効率的な場合がある。特に前述の主電池となる鉛蓄電池とは別の小容量蓄電デバイスにより構築した微小電気量充電装置を利用する場合は、前記小容量蓄電デバイスの充電時間が短いため、鉛蓄電池を単セルまたは複数のセルに分割し、本発明が要求する微小な電気量の充電を繰り返し順次実施していくことで、蓄電システム全体に占める本発明を実施するための構成部品が小型、低コストで構築可能となる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例を示して説明する。
市販の制御弁式鉛蓄電池としてEnerSys社製genesis NP7-12（12V7Ah）を必要数用意し、メーカー推奨である定電流―定電圧方式による充電と10時間率による放電を3サイクル行い、電池の活性化及び容量確認を行い試験電池とした。続いてすべての試験電池を40℃の恒温槽に設置し、3.5A（0.5CA）で10.2Vまでの放電と1.75A（0.25CA）にて14.4Vに達するまでの定電流充電を4回繰り返し、5回目の充電の後に13.38Vで4時間定電圧充電を付加した後再び3.5Aで10.2Vまで放電を行う、というサイクルを繰り返した（図２）。前記4回繰り返す定電流充電の終了時点では概ね70%程度の充電量に達すると予想され、本サイクル試験では満充電されずに充放電を繰り返す試験を40℃の昇温加速により実施したものと想定した。
【００３１】
（実施例１〜４）前記サイクル試験において、3.5Aで10.2Vまで放電した後、1分間の休止後、表１に示す条件により微小充電を行った。これらを実施例１〜４とする。
【００３２】
（比較例１〜４）前記サイクル試験において、3.5Aで10.2Vまで放電した後、表１に示す条件により微小充電を行った。これらを比較例１〜４とする。
【表１】
2020080603.tif 000003
【００３３】
実施例１〜４および比較例１〜4の電池容量が初期容量の70%を下回ったサイクル数を表２に示した。
【表２】
2020080603.tif 000004
【００３４】
実施例１〜４の電池は微小電気量の充電を行わない比較例４に比べ約3倍のサイクル数を示し、本発明による劣化抑制の効果が確認された。また、比較例１では放電後の放置時間が200分と長いため、比較例２では微小電気量の充電電流が小さいため、比較例３では微小電気量の充電電流が大きすぎたため、それぞれ電池の劣化を抑制することが出来なかったものである。
【００３５】
次に実施例５として、実施例３と同じ条件で１００サイクルまで試験し、その後実施例１の条件で引き続きサイクル試験を継続したところ、２５８サイクルで初期容量の70%を下回った。１００サイクルにおける内部抵抗は初期値よりも約２０％増大していた。本発明による効果では抑制しきれない劣化により内部抵抗が増大していたものと考えられ、実施例１の条件に変更したことで本発明による微小充電電流が小さくなり、大電流充電による劣化促進因子が軽減されたため、実施例３よりも長寿命が得られたと考えられ、本実施例のように電池状態に対応して適切な微小な電気量の充電条件を選択することで本発明の効果がさらに有効に得られることが確認できた。
【００３６】
実施例５では電池の状態判定として内部抵抗を用いたが、これに限らず、充放電中の電圧変化、温度変化、一定条件下での充放電電流など様々な情報を用いて電池の状態判定は可能である。これらの判定結果を用いて、その時の電池状態に最適化させて本発明を適用すればさらに有効に本発明の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明により安価、簡便な制御方法で鉛蓄電池を用いた蓄電システムの長寿命化を図ることが可能になる。
【符号の説明】
【００３８】
１  微小電気量充電装置
２  鉛蓄電池を用いた蓄電システム
３  微小電気量充電装置用蓄電デバイス
４  主蓄電池状態判定用演算部
５  主蓄電池部温度センサー
６  主蓄電池部電圧センサー
７  主蓄電池部電流センサー
８  微小電気量充電装置出力制御部
９  主蓄電池（鉛蓄電池）
１０  蓄電システム充電器
１１  蓄電システム出力変換部
【図１】
2020080603.tif 000005
【図２】
2020080603.tif 000006