(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開回路の状態での放置を挟んで複数回の短時間の放電をおこなった後、充電する密閉型鉛蓄電池の充電方法において、複数回の短時間の放電における電池電圧をもとに、予め設定された電池電圧と放電電気量との関係より放電量を算出し、その放電量に一定の係数を乗じた充電量の充電を行うことを特徴とする密閉型鉛蓄電池の充電方法。
【請求項２】
短時間の放電を、０．５ＣＡ〜２ＣＡの電流で０．５秒〜１０秒間おこなうことを特徴とする、請求項１記載の密閉型鉛蓄電池の充電方法。
【請求項３】
開回路状態での放置が１０秒〜５分であることを特徴とする、請求項１、又は２記載の密閉型鉛蓄電池の充電方法。
【請求項４】
短時間の放電電気量の総量が公称容量の１％以下であることを特徴とする、請求項１、２、又は３記載の密閉型鉛蓄電池の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、密閉形鉛蓄電池、特に電気自動車やハイブリッドカーに用いる密閉形鉛蓄電池の充電方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電池の充電中に発生する酸素ガスを負極で吸収する、いわゆる酸素サイクルを利用した密閉形鉛蓄電池には、ゲル式とリテ−ナ式との二種類がある。
【０００３】
ゲル式は、硫酸電解液をコロイド状シリカや水ガラスによってゲル化した密閉形鉛蓄電池であるが、硫酸が離しょうして漏液したり、ゲル中での硫酸イオンの移動度が悪かったりするため、電池性能が劣る。さらに、ゲル状電解液には、正極で発生した酸素ガスが負極に到達するためのガス通路がないため、蓄電池の充放電を繰り返して水分解を起こさせてゲルに亀裂が入るまでは負極における酸素吸収反応が起こらない、などの欠点がある。そのために、現在はリテーナ式が一般に用いられている。
【０００４】
このリテ−ナ式密閉形鉛蓄電池は、正極板と負極板との間に挿入した微細なガラス繊維を素材とするマット状セパレ−タ（ガラスセパレ−タ）で電池の充放電に必要な硫酸電解液の保持と両極の隔離とを行っており、無保守、無漏液、ポジションフリ−などの特徴を生かして、ポ−タブル機器、コ−ドレス機器、コンピュ−タ−のバックアップ電源をはじめ、大型の据置用電池や自動車のエンジン始動用にも使用されるようになってきている。
【０００５】
近年、大気汚染や酸性雨、地球の温暖化など自然環境の保護が叫ばれるようになり、電気自動車などの無公害車やハイブリッドカーなどの低公害車が注目を浴びている。米国カリフォルニア州で、自動車メーカーに対し新車販売する自動車の一定比率を無公害車とするように義務づける法律が成立したことを契機に、電気自動車の開発競争が激化している。国内においては、大都市内におけるディーゼルエンジン車の排ガス規制が強化され始めており、電気自動車のような無公害車はもちろん、ディーゼルエンジンとそれをアシストする動力源とを併用したハイブリッド車の開発が進められている。
【０００６】
電気自動車には、無漏液で漏電がなく、メンテナンスの必要のない密閉形鉛蓄電池が多数個直列に接続されて使用されることが多い。ハイブリッド車の場合でも、ハイブリッドインバーター＆リーターダーモーターシステム（いわゆるＨＩＭＲシステム）のように、回生エネルギーを蓄電池に蓄えて発進、加速時にモーターを回してエンジントルクをアシストするシステムにおいても、多数直列に接続した密閉形鉛蓄電池が用いられている。
【０００７】
このように、密閉形鉛蓄電池は広範な用途に使用され始めているが、密閉形鉛蓄電池にも種々の解決しなければならない問題点がある。密閉形鉛蓄電池は、上述したように、充放電に必要な電解液を正・負極板とその間に挿入したマット状セパレータに保持させて、流動液がほとんどない構造になっているために、従来の流動液が存在する開放形の鉛蓄電池に比べると、電解液量が少ない。そのために、電解液量の減少は電解液比重の上昇を招き、活物質の早期の劣化をもたらす。さらに、極間の電気抵抗が増加して、充放電中の電圧損失を引き起こす。この電圧損失によって熱が発生し、電池温度が上昇して、蒸発による電解液量の減少を助長し、さらに活物質の劣化を促進する。
【０００８】
電解液量の減少は、おもに充電中、特に過充電中に起こる。上述したように、密閉形鉛蓄電池は、充電中に正極から発生する酸素ガスを負極で吸収する、いわゆる酸素サイクルを利用した構造になっているが、負極が酸素ガスを吸収できる以上の速度で酸素ガスが発生するような場合、過剰の酸素ガスは、負極から発生する水素ガスとともに、排気弁を介して電池外に放出されることになり、電解液量が減少する。そのために、正極から酸素ガスが多量に発生するような状態、すなわち正極がほとんど充電された時点で、正極から発生する酸素ガスの発生量が負極で吸収できる速度以下になるように、充電電流を小さくする必要がある。一般に、この時には、負極板は正極よりも充電が進んだ状態になっていて、電池電圧が上昇して水素ガスが発生する。電池電圧が一定値を越えないようにすることで、過充電中の電解液量の減少を抑えることができる。
【０００９】
一方、鉛蓄電池は、不完全な充電状態で長期間放置したり、あるいは不完全な充電状態で（完全に充電せずに）充放電を繰り返したりすると、極板、特に負極板に充電されにくい硫酸鉛が蓄積して、早期に電池性能が低下する。
【００１０】
このように、鉛蓄電池、特に密閉形鉛蓄電池は、過不足なく充電する必要がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
鉛蓄電池の充電には、フロート充電や準定電圧充電、定電流定電圧充電などの方法が採用されている。
【００１２】
フロート充電は、一般に非常用の据置電池などに採用されているもので、自己放電に相当する電気量を補うために、極めて小さい電流しか流れないような電圧を印加して、長期間充電し続ける方法である。この方法は、滅多に放電することがなく、放電しても放電が浅い用途には適しているが、繰り返し充放電する電気自動車のような用途には、完全に充電することができないので、適していない。
【００１３】
準定電圧充電は、電気自動車や電動フォークリフトなどに用いる開放形の鉛電池に適用されてきた方法である。この方法の場合、電池電圧が低い充電初期には大きな電流で充電されるが、充電の進行とともに電池電圧が上昇すると、充電電流は徐々に低下する。この方法を密閉形鉛蓄電池に適用すると、充電終期に電池電圧が水の電気分解が起こる電圧以上になって、電解液が減少して早期に寿命になる。
【００１４】
電解液の減少を抑えるために、充電器の特性を、充電電圧が水の電気分解が起こる電圧以下に、あるいは水の電気分解が起こる電圧以上になると充電電流が極めて小さくなるように調整すると、十分な電気量を充電できなくなり、上述したように、充電不足によって極板に充電されにくい硫酸鉛が多量に蓄積し、早期に性能低下してしまう。
【００１５】
充電中の電解液の減少を抑える充電方法として、定電流・定電圧充電がある。この充電方法は、電池電圧が一定値に達するまでは定電流で充電し、電池電圧が所定の電圧に達したのちは、充電電圧が一定になり、充電電流が徐々に低下する。この充電電圧の設定値を水の電気分解が起こる電圧よりも低く設定することにより、電解液の減少を抑えることができるが、充電電圧が一定値に到達すると、充電電流が大幅に低下してしまうので、十分な電気量を充電することが難しい。
【００１６】
このほかに、充電電流を段階的に変化させる多段定電流充電が提案されているが、この方法においても、上述した充電方法同様に電池の状態に見合った電気量を過不足なく充電することが難しい。
【００１７】
このように、準定電圧充電や定電流・定電圧充電、多段定電流充電などの充電方法には、充電電気量が電池に過不足なく充電するのが難しいという欠点があり、電池の放電状態を検知して、その状態に適した電気量を充電することが密閉形鉛蓄電池の充電には必要である。
【００１８】
電池の放電状態を知る方法としては、充電前の電池の電圧を測定する方法や、前回充電した後の充放電電気量を測定する方法などがある。
【００１９】
放電によって電解液中の硫酸を消費すると、電解液の濃度は低下する。電池電圧は電解液の濃度に依存するので、電池電圧を測定することで電池の放電状態を知ることができる。しかし、電池電圧は温度によってかわるのはもちろん、電池内に電解液の濃度の不均一が生じたり、電池電圧を測定する前に充放電、特に充電されたりしたような場合、電解液の濃度を正確に知ることは難しい。
【００２０】
一方、前回充電した後の充放電電気量を積算しておいて、充電するときにその値を充電器に入力して、その電気量に見合った量だけ充電するという方法は、電池が放電されるだけであるような用途には適しているが、自動車が減速、停止する際に回生充電されるような電気自動車やハイブリッド車のような用途には適していない。すなわち、回生充電で充電される電気量は充電電流の大きさによって充電効率が異なるために、実際に電池に充電された量を正確に把握することができない。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した問題点を解決し、電池の放電状態に見合った電気量を過不足なく充電する方法を提案するもので、その要旨とするところは、開回路の状態での放置をはさんで複数回の短時間の放電をおこなった後、複数回の短時間の放電における電池電圧をもとに、予め設定された電池電圧と放電電気量との関係より放電量を算出し、その放電量に一定の係数を乗じた充電量の充電を行うことを特徴とする密閉型鉛蓄電池の充電方法にある。
【００２２】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳述する。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明による充電方法を３時間率容量が公称６０Ａｈで公称電圧１２Ｖの密閉形鉛蓄電池に適用した場合の、電池電圧および電流の変化を示す概略図で、破線は電池電圧の変化を、実線は電流の変化を示す。
【００２４】
温度センサーを電池の所定の位置の取り付け、充電器のコネクターを電池に接続する。充電器のスイッチを入れると、６０Ａの放電電流が１秒間流れて開回路の状態に戻る。放電電流が流れると同時に電池電圧は大きく低下し、１秒間の放電中にゆっくりと低下する。１秒間の放電が終了して開回路の状態に戻ると、電池電圧は上昇し、開回路の状態で放置すると放電前の電池電圧までゆっくりと上昇する。
【００２５】
充電器に接続する前に充電されていても放電されていても、この放電によって活物質界面の硫酸がほとんど消費された状態になり、開回路での放置中にバルクの電解液から活物質界面へ硫酸が拡散してくる。
【００２６】
このように、バルクの電解液の濃度に依存した拡散層が形成されるために、充電器の接続する前の電池の状態に無関係な状態を作り出すことができる。このような効果を生み出すためには、この短時間の放電の電流と時間とを適正に選択する必要がある。
【００２７】
放電電流が小さすぎると、活物質界面の電解液中の硫酸を消費するのに時間がかかりすぎてしまい、放電電流が大きすぎると、電池が深く放電した状態の場合に電池電圧が低下しすぎて転極し、逆充電になってしまう。ここでは、１ＣＡの電流で１秒放電したが、０．５ＣＡ〜２ＣＡの電流で０．５秒〜１０秒程度が望ましい。短時間の放電後は、バルクの電解液からの硫酸の拡散がほぼ安定するまで開回路で放置するのが望ましく、１０秒〜５分放置すればよい。また、開回路での放置をはさんでこの放電を数回繰り返しても差し支えないが、放電する電気量の総量があまり多くならないように設定すべきで、公称容量の１％以下が望ましい。
【００２８】
開回路での放置後、再び６０Ａの電流で６秒間放電し、５秒目の電池電圧を測定する。図２に、放電電気量の異なる電池を６０Ａで放電したときの放電電気量と５秒目電圧との関係を示す。
【００２９】
なお、図２は、電池の所定の位置の取り付けたセンサーの温度が３０℃の場合の放電電気量と５秒目電圧との関係であり、温度をかえてこの関係を求めておく必要がある。この放電電気量と５秒目電圧との関係を用いて測定した放電５秒目の電池電圧から、放電電気量を求める。
【００３０】
ここで、電池の放電状態を求めるのに１ＣＡの電流で放電した場合の５秒目電圧を用いたが、放電状態による５秒目電圧の違いが明確であるような電流であればよく、放電中安定な電池電圧を示す時間内に電池電圧を測定すればよい。ただし、放電状態と放電電圧との関係は、充電器での放電と同じ条件での関係を求めておかなければならない。
【００３１】
このようにして求めた放電電気量に所定の充電率を乗じて充電電気量を決め、充電器で充電をおこなう。ここでは、充電率として１．１を乗じた。すなわち、放電量の１０％だけ過充電するようにした。
【００３２】
６秒間の１ＣＡでの放電の後、５秒間開回路で放置し、引き続いて充電をおこなった。なお、この放電と充電との間に５秒間の開回路での放置を設けたが、この放置はなくてもよい。充電は１段目が１５Ａ、２段目が３Ａの２段定電流充電をおこなった。１段目を０．２５ＣＡに相当する大きな電流を選んだのは、充電時間を短くするためで、０．５ＣＡ程度以下の電流であればよい。ただし、電流が大きくなると電池電圧が高くなるので、注意しなければならない。１段目の充電で電池電圧が１４．５Ｖになった時点で２段目に切り替わる。この電圧であれば、水の電気分解はほとんど起こらない。２段目の０．０５ＣＡに相当する電流で、１段目および２段目の充電電気量の総量が所定の電気量に達するまで充電する。この２段目の電流は、ほぼ１００％の効率で密閉反応が起こりうる電流であり、水の電気分解はほとんど起こらない。
【００３３】
ここでは２段定電流充電により所定量の充電をおこなったが、上述した定電流・定電圧充電や準定電圧充電などの充電方法を用いてもよい。ただし、本発明による充電の場合、必ず放電電気量の１０％だけ過充電になるので、電池電圧が水の電気分解が起こる電圧以下になるように設定していかなければならない。
【００３４】
次に、この充電方法を実際の電気自動車用密閉形鉛蓄電池に適用して、その効果を調べた。社内の業務用に用いている電気自動車に、３時間率容量が公称６０Ａｈで公称電圧１２Ｖの密閉形鉛蓄電池を１０個搭載し、５個の電池については、従来の定電流・定電圧充電を、残りの５個の電池については、本発明である上述した条件の充電方法を適用して、実車試験をおこなった。従来の定電流・定電圧充電の条件は最大電流１５Ａ、最大電圧１４．５Ｖ（電池１個あたり）で、充電時間は８時間とした。実車試験を開始して約２年後に電気自動車の走行距離が初期の７０％になったので、電池を引き取り、電池重量の測定して減液量を調べるとともに容量試験をおこなった。さらに、電池を解体して状態を調べた。
【００３５】
実車試験中の容量試験の結果を以下に記す。試験前の３時間率容量は６０．９〜６１．８Ａｈで、よく揃っており、充電方法によって差がないように振り分けた。試験後の３時間率容量は、従来の充電方法を適用した電池６〜１０は３８．９〜４１．１Ａｈで、初期の６５％程度の容量まで低下していた。さらに個々の電池の容量バラツキも大きくなっていた。減液量をみると５．８〜７．３％と大きかった。充電電圧を電池１個あたり１４．５Ｖに設定したが、５個の電池を直列に接続して充電したために充電電圧のバラツキを生じ、減液量が多くなったものと思われる。
【００３６】
電池を解体してみると、活物質、特に負極活物質に多量の硫酸鉛が蓄積しており、充電不足で容量が低下したものと思われた。充電電圧が電池１個あたり１４．５Ｖでは充電終期の電流が極端に小さくなって充電不足になり、充電電圧のばらつきで個々の電池で水の電気分解が起こって容量低下をさらに促進したものと思われる。
【００３７】
一方、本発明による充電方法で充電した電池１〜５は、試験後においても３時間率容量は５６Ａｈ以上を有しており、初期の９１％以上の容量残存率を示し、減液量も３％以下と少なかった。さらに個々の電池の容量および減液量のバラツキは非常に小さく、従来の充電方法でみられた欠点が解消された。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、開回路の状態での放置をはさんで複数回の短時間の放電をおこなって電池の放電状態を検知した後にその放電量に一定の係数を乗じた電気量を充電することで密閉型鉛蓄電池の寿命性能を大幅に改善することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による充電方法を密閉形鉛蓄電池に適用した場合の、電池電圧および電流の変化を示す概略図。
【図２】放電電気量と放電５秒目電圧との関係を示す図。
【図１】
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【図２】
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