(57)【要約】【課題】鉛蓄電池の充電前の状態にかかわらず、また鉛蓄電池を繰り返して充放電することによって、その内部抵抗や充電効率が変化した場合においても、過不足のない適正な充電を行う。【解決手段】Ｎ（Ｎ≧３以上の自然数）段の充電ステップを有し、各充電ステップで充電電流を低下させ、１段目の充電ステップにおける充電電気量Ｃ1と電池温度Ｔを計測に応じてＮ段目の充電時間ｔNを決定する鉛蓄電池の充電方法であり、充電時間ｔNが所定値ｔc未満である充電が所定回数（ｒ）連続して行われた場合、前記にかかわらず、次回の充電におけるＮ段目の充電ステップの充電時間ｔNを少なくとも前記所定値ｔc以上に設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（Ｎ≧３以上の自然数）段の充電ステップを有し、
１段からＮ−１段の充電ステップにおいて、ｋを２≦ｋ≦Ｎ−１である自然数としたときに、ｋ−１段目の充電ステップで鉛蓄電池を充電電流Ｉk-1で電池電圧ＶがＶｒに到達するまで充電して、ｋ段目の充電ステップに移行し、
ｋ段目の充電ステップにおいて、前記鉛蓄電池をＩk-1＞Ｉkである充電電流Ｉkで電池電圧ＶがＶｒになるまで充電し、
１段目の充電ステップにおける充電電気量Ｃ1と電池温度Ｔを計測し、
充電電気量Ｃ1と電池温度Ｔに応じてＮ段目の充電時間ｔNを決定し、
Ｎ−１段目の充電ステップにおける充電電流をＩN-1としたときに、ＩN-1≧ＩNである充電電流ＩNで前記鉛蓄電池を前記充電時間ｔN間充電する鉛蓄電池の充電方法であって、
充電回数を計測するステップを有し、
前記充電時間ｔNが所定値ｔc未満である充電が所定回数（ｒ）連続して行われた場合、前記にかかわらず、次回の充電におけるＮ段目の充電ステップの充電時間ｔNを少なくとも前記所定値ｔc以上に設定することを特徴とする鉛蓄電池の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛蓄電池の充電方法、特に電動車用といったサイクル用途に用いられる鉛蓄電池の充電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉛蓄電池の充電方法として、充電中、一定の電流で充電する定電流充電の一種である定電流多段充電が用いられている。これは、充電電流を充電の進行に伴い段階的に減少させる方式である。この方式は最終の電流が小さいので水の分解が少なく、また電池温度の上昇が少ないという利点がある。
【０００３】
近年では、鉛蓄電池の充電方法は鉛蓄電池の能力を十分に発揮させる上で、過不足のない適正な充電が求められている。そこで、上記のような定電流多段充電において、過不足のない適正な充電を行うために、様々な充電方法が提案されてきた。
【０００４】
例えば、特許文献１では、１段目において、鉛蓄電池を所定の充電電流で充電し、電池電圧が所定値に達した時点で２段目に移行し、２段目では１段目の充電電流よりも段階的に低い充電電流で定電流充電を行う２段定電流充電において、２段目の充電時間ｔ2を１段目の充電時間ｔ1を基準として設定制御し、放電電気量に一定の定数を乗じることにより設定した必要電気量を充電する。ここでは、鉛蓄電池の放電時にその放電電流、放電時間を測定し、放電電気量を積算し、放電電気量に一定の係数を乗じることにより設定した必要電気量を充電する。
【０００５】
さらに、特許文献２では、上述の２段定電流充電において、１段目の充電時間ｔ1と電池温度Ｔに基づいて２段目の充電時間ｔ2を決定することにより、鉛蓄電池に過不足のない適正な充電を行うことが示されている。
【特許文献１】特開平７−７８６３７号公報
【特許文献２】特開平１１−８９１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記したような従来の充電方法では、以下のような課題を有していた。すなわち、電池温度が一定しない使用条件では１段目から２段目への切替え電圧を温度補正することにより１０〜４０℃の範囲では鉛蓄電池への充電電気量を適正な範囲とすることが可能である。ところが、切替え電圧の温度補正のみでは、１０℃を下回るような低温領域では充電不足、４０℃を上回るような高温領域では過充電となり、適正な電気量を充電することが困難であった。
【０００７】
さらに、鉛蓄電池を製造した直後と、その後充放電サイクルを繰り返した後では、鉛蓄電池の内部抵抗が上昇したり、充電効率が低下しているため、同じ１段目充電時間と電池温度であっても、２段目の適正な充電量も変化している。したがって、製造直後の鉛蓄電池において、適正な充電電気量が確保できる設定とした場合、充放電サイクルを繰り返すうちに充電不足が生じて容量低下を起こしてしまう。
【０００８】
そのため、充放電サイクルを繰り返した後でも充電不足を起こさないように初期の過充電量を多めに設定した場合、過充電によって急激にサイクル寿命が低下するという課題があり、適正な充電量の設定は極めて困難であった。
【０００９】
本発明は、鉛蓄電池の充電前の状態にかかわらず、また、鉛蓄電池を繰り返して充放電することによって、その内部抵抗や充電効率が変化した場合においても、過不足のない適正な充電を行う鉛蓄電池の充電方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る発明は、Ｎ（Ｎ≧３以上の自然数）段の充電ステップを有し、１段からＮ−１段の充電ステップにおいて、ｋを２≦ｋ≦Ｎ−１である自然数としたときに、ｋ−１段目の充電ステップで鉛蓄電池を充電電流Ｉk-1で電池電圧ＶがＶｒに到達するまで充電し、ｋ段目の充電ステップに移行し、ｋ段目の充電ステップにおいて、前記鉛蓄電池をＩk-1＞Ｉkである充電電流Ｉkで電池電圧ＶがＶｒになるまで充電し、１段目の充電ステップにおける充電電気量Ｃ1と電池温度Ｔを計測し、充電電気量Ｃ1と電池温度Ｔに応じてＮ段目の充電時間ｔNを決定し、Ｎ−１段目の充電ステップにおける充電電流をＩN-1としたときに、ＩN-1≧ＩNである充電電流ＩNで前記鉛蓄電池を前記充電時間ｔN間充電する鉛蓄電池の充電方法であって、充電回数を計測するステップを有し、前記充電時間ｔNが所定値ｔc未満である充電が所定回数（ｒ）連続して行われた場合、前記にかかわらず、次回の充電におけるＮ段目の充電ステップの充電時間ｔNを少なくとも前記所定値ｔc以上に設定することを特徴とする鉛蓄電池の充電方法を示すものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の鉛蓄電池の充電方法は、上記の構成を有し、定電流多段充電の最終段の充電時間を適切に制御することにより、過充電量を低減し、かつ充電不足を抑制する。これにより、広範な温度範囲や使用条件においても、サイクル使用における充電電気量を適切に制御でき、鉛蓄電池のサイクル寿命特性を顕著に改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は本発明の鉛蓄電池の第１の実施形態による充電方法における充電パターンを示す図である。
【００１４】
本発明の鉛蓄電池の充電パターンは図１に示したような、Ｎ段（Ｎは３以上の自然数）の充電ステップから構成される。１段目からＮ−１段目間は、電池電圧が検知電圧Ｖｒに到達したことを検知し、次段の充電ステップに以降する。すなわち、ｋを２≦ｋ≦Ｎ−１である自然数としたときに、ｋ−１段目の充電ステップで鉛蓄電池を充電電流Ｉk-1で電池電圧ＶがＶｒに到達するまで充電し、次段であるｋ段目の充電ステップに移行し、ｋ段目の充電ステップにおいて、鉛蓄電池をＩk-1＞Ｉkである充電電流Ｉkで電池電圧ＶがＶｒになるまで充電を行う。Ｎ−１段目の充電ステップにおいて、電池電圧ＶがＶｒに到達した時点でＮ段目の充電ステップに以降する。このように、充電電流を段階的に減少させることにより、各充電ステップでの電池からのガス発生と、これによる電解液中の水分減少と電池内部抵抗の増大を抑制する。
【００１５】
充電ステップ数Ｎを増加させることにより、充電電流をより徐々に低下させることができるので、同一電気量を充電する時間はより短くできる。しかしながら、充電ステップ数Ｎを増加させると充電制御が複雑となる。実用上、充電ステップ数は３段、最大でも７〜８段でよい。
【００１６】
Ｎ段目の充電ステップでは、前段の充電電流ＩN-1としたときに、この充電電流ＩN-1以下の充電電流値ＩNで充電を行う。すなわち、ＩN-1≧ＩNとする。ここで、Ｎ段目の充電ステップにおける充電時間は、１段目の充電ステップにおける充電電気量Ｃ1と電池温度Ｔを計測し、この充電電気量Ｃ1と電池温度Ｔに応じてＮ段目の充電時間ｔNを決定する。なお、充電電流が一定である場合には、充電電気量の計測に換えて、一段目の充電時間ｔ1を計測し、Ｉ1×ｔ1として充電電気量Ｃ1を求めてもよい。
【００１７】
１段目の充電電気量Ｃ1を計測することにより、充電前の電池の放電深度が推測できる。すなわち、放電深度が深い場合、１段目の充電電気量Ｃ1が増加する。深い放電深度の電池に適切な充電電気量を供給するため、Ｎ段目での充電電気量を増大させるよう、Ｎ段目の充電時間ｔNをより長く制御する。また、１段目の充電電気量Ｃ1が減少した場合には、電池の放電深度が浅いと推測できるため、Ｎ段目での充電電気量を減少させるよう、Ｎ段目の充電時間ｔNをより短く制御する。このようにｔNを制御することにより、電池の放電深度に応じた適切な充電電気量を電池に供給し、電池の過充電や充電不足を抑制する。
【００１８】
また、本発明では、Ｎ段目の充電時間を前記した１段目の充電電気量Ｃ1に加えて、１段目の充電ステップにおける電池温度Ｔによっても制御する。電池温度Ｔが上昇した場合、充電効率が増大し、電池に充電すべき充電電気量は減少する。反対に、電池温度Ｔが下降した場合、充電効率は低下し、電池に充電すべき充電電気量は増加する。本発明では、電池温度Ｔによる充電効率の変化を補正するため、同一の充電電気量Ｃ1において、電池温度Ｔの上昇とともに、Ｎ段目の充電時間ｔNを減少させ、電池温度Ｔの下降とともに充電時間ｔNを増加させる。これにより、電池温度Ｔが変化しても、電池の充電不足や過充電を抑制することができる。
【００１９】
本発明では、Ｃ1と電池温度Ｔから充電時間ｔNを決定するために、予め図２に示したようなＣ1，Ｔ−ｔNマップを設定しておき、Ｃ1値と電池温度Ｔから充電時間ｔNを決定することができる。なお、充電時間ｔNの設定は、初期状態の電池において、放電電気量に対して適切な充電電気量が確保できる時間とする。なお、放電電気量に対して適切な充電電気量は１０５〜１２５％であるが、この比率は電池品種毎に変わるため、電池毎に都度設定すべきである。
【００２０】
なお、図２に示したような、充電時間ｔNを段階的に変更するマップにかえて、マップ内の一部もしくはすべての領域において、充電電気量Ｃ1および電池温度Ｔに対してｔNを連続して変化するマップとすることもできる。
【００２１】
本発明においては、充電回数を計測するステップを有し、１充電毎に充電時間ｔNが所定値ｔc未満であったかどうかの判定を行い、ｔNがｔc未満であった充電が所定回数（ｒ）連続した場合、次回の充電におけるｔN値を強制的にｔc以上の値に設定する。
【００２２】
一般に電池の使用時間が長くなると、その内部抵抗が増加し、充電効率が低下する。内部抵抗の増加により、充電電圧が上昇するため、１段目の充電ステップの充電時間が短く、充電電気量Ｃ1が減少する。その結果、電池の放電深度は実際よりも浅いと判定され、ｔNをより短く設定され、充電効率の低下と相まって電池が充電不足に陥る危険性がある。
【００２３】
本発明では、充電回数を計測するステップを有し、この計測ステップにより、ｔNが所定値ｔc未満であった充電が所定回数（ｒ）連続した場合、次回の充電におけるＮ段目の充電時間ｔNを所定値ｔc以上とする。これにより、電池内部抵抗が増加した場合にも、適切な頻度で充電時間ｔNを強制的に増加させることにより、電池の充電不足を抑制することができる。
【００２４】
所定回数（ｒ）は大きいほど、全体の過充電量が少なくなるため、過充電量による電池の劣化は少なくなるが、前記したように、電池の内部抵抗の増大や、放電状態で放置された場合は、充電不足が進行しやすくなる。一方、所定回数（ｒ）が小さいほど、過充電量が増加しやすくなる。したがって、所定回数（ｒ）は電池が搭載された機器が実際に使われる頻度と、次回の使用までの放置期間と電池の自己放電量を勘案して、適切な回数を決めることが好ましく、例えば３〜６回程度に設定することができる。
【実施例】
【００２５】
本発明例および比較例による鉛蓄電池の充電方法により、１２Ｖ６０Ａｈの制御弁式鉛蓄電池を６個直列にした組電池のサイクル寿命試験をおこなった。試験条件は以下の２パターンとした。
【００２６】
（試験パターン１）
パターン１のサイクル寿命試験は、２０Ａ×１時間放電＋１８０Ａ×３分２０秒間放電と、以下に示す本発明例１、比較例２もしくは比較例３による充電で構成される充放電サイクルを行う。この充放電サイクルの５０サイクル毎に２５℃で２０Ａ定電流放電（放電終止電圧９．９Ｖ）を行い、容量推移を確認した。なお、試験温度は５０サイクル毎に変え、２５℃で５０サイクル→４５℃で５０サイクル→２５℃で５０回→０℃で５０サイクルという温度サイクルを行った。
【００２７】
（試験パターン２）
パターン２のサイクル寿命試験は、２０Ａ×１時間放電＋１８０Ａ×３分２０秒間放電と、以下に示す本発明例１、比較例２もしくは比較例３による充電で構成される充放電サイクルを行う。この充放電サイクルの５０サイクル毎に２５℃で２０Ａ定電流放電（放電終止電圧９．９Ｖ）を行い、容量推移を確認した。なお、試験温度は５０サイクル毎に変え、２５℃で５０サイクル→４５℃で５０サイクル→２５℃で５０サイクル→０℃で５０サイクルという温度サイクルを行った。そして、パターン２ではこの５０サイクル毎に行われる２０Ａ放電による容量確認の後に、試験電池を４０℃において２週間放電状態で放置した後、再び充電を行うサイクルとした。これは実使用時において、電池が使用され、充電されない状態で放置された場合を想定した。
【００２８】
（本発明例）
前記した本発明の第１の実施形態によるものであり、図１に示した充電パターンにおいて、段数Ｎを５とした。１段目の充電ステップの充電電流Ｉ1値を１２Ａ、２段目の充電ステップの充電電流Ｉ2値を６Ａ、以下、３段目はＩ3＝３Ａ、４段目はＩ4＝１．５Ａ、５段目はＩ5＝１．２Ａとした。また各充電ステップで次のステップに切替える検知電圧Ｖｒは、電池温度Ｔ（℃）により制御を行い、Ｖｒ＝[２．４＋（２５−Ｔ）×０．００５]Ｖ／セルとした。ｔ5の所定時間ｔc＝２．５時間、所定回数ｒ＝４とした。
【００２９】
図２に示した１段目の充電ステップにおける充電電気量Ｃ1および電池温度ＴとＮ段目の充電時間ｔNとの関係を示すマップに基づき、充電電気量Ｃ1と電池温度Ｔに応じて５段目の充電時間ｔ5を決定して充電した。そして、ｔ5が所定時間２．５時間未満の場合、すなわち、１．５時間もしくは０．５時間の場合が連続して４回続いた場合、次回の充電における充電時間ｔ5を所定時間ｔcである２．５時間とする制御を行った。
【００３０】
（比較例１）
比較例１の構成は、本発明例と同様の図１に示した充電パターンにおいて、５段目の充電時間ｔ5を図２に示したマップのみによって決定した。すなわち、本発明例では充電時間ｔ5が２．５時間未満、すなわち１．５時間もしくは０．５時間になった充電が４回連続した場合に、次回の充電を２．５時間としたが、比較例１では、そのような回数の計測は行わず、充電時間Ｃ1および電池温度Ｔと図２のマップのみにしたがって充電時間ｔ5を決定した。
【００３１】
なお、１段目の充電ステップの充電電流Ｉ1値を１２Ａ、２段目の充電ステップの充電電流Ｉ2値を６Ａ、以下、３段目はＩ3＝３Ａ、４段目はＩ4＝１．５Ａ、５段目はＩ5＝１．２Ａとした。また各充電ステップで次のステップに切替える検知電圧Ｖｒは、電池温度Ｔ（℃）により制御を行い、Ｖｒ＝[２．４＋（２５−Ｔ）×０．００５]Ｖ／セルとした。
【００３２】
（比較例２）
比較例２の構成は、比較例１の構成において、５段目の充電時間ｔ5を図３に示したマップによって決定するものとした。この図３に示したマップは図２のマップに比較して充電時間を長く設定することによって、電池内部抵抗の増大によっても、充電電気量が確保される設定とした。
【００３３】
なお、比較例２も、本発明例１および比較例１と同様、１段目の充電ステップの充電電流Ｉ1値を１２Ａ、２段目の充電ステップの充電電流Ｉ2値を６Ａ、以下、３段目はＩ3＝３Ａ、４段目はＩ4＝１．５Ａ、５段目はＩ5＝１．２Ａとした。また各充電ステップで次のステップに切替える検知電圧Ｖｒは、電池温度Ｔ（℃）により制御を行い、Ｖｒ＝[２．４＋（２５−Ｔ）×０．００５]Ｖ／セルとした。
【００３４】
本発明例、比較例１および比較例２についてそれぞれ試験パターン１および試験パターン２によるサイクル寿命試験の結果を図４に示す。図４より明らかなように、本発明例によるものは、いずれの試験パターンにおいても９５０〜１０００サイクルと比較例と対して極めて良好な寿命特性を有していることがわかる。
【００３５】
一方、比較例１のものは、充放電サイクルが連続する試験パターン１では、６６０サイクル程度の寿命特性が得られたものの、充放電サイクル中に放電状態での放置が入る試験パターン２においては、充電不足により、急激に容量低下し、４５０サイクルで寿命となった。これは、充放電サイクル中の放電状態の放置により、電池の内部抵抗が増加し、その結果、１段目の充電電気量Ｃ1が低下し、それに伴い、５段目での充電時間ｔ5が短い設定が連続するため、さらに充電不足が進行したものである。
【００３６】
また、比較例２のものは、充放電サイクル中に放電状態での放置が入る試験パターン２においては、７００サイクルの寿命特性が得られたものの、充放電サイクルが連続する試験パターン１では、過充電により、早期に容量低下し、３００サイクルで寿命となった。試験パターン２では、内部抵抗の増加によっても、５段目充電時間ｔ5が比較例１のものと比較して長いため、充電不足を抑制できる。ところが、放電状態の放置がない、試験パターン１では過充電となり、１００サイクルまでは電池の容量は増加するものの、その後急激に容量低下した。
【００３７】
以上から、本発明による鉛蓄電池の充電方法によれば、機器の実際の使用を想定した、充放電サイクル中に放電状態の放置が入る試験パターン２においても、最終のＮ段目の充電時間ｔNを適切に制御することにより、充電不足を抑制し、優れた寿命特性を得られることがわかる。また、連続して充放電が行われる使用形態においても優れた寿命特性が得られることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上、説明してきたように、本発明の鉛蓄電池の充電方法は、電動車用鉛蓄電池等の、サイクル用途で用いられる鉛蓄電池の充電方法として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態における充電パターンを示す図
【図２】充電電気量Ｃ1および電池温度ＴからＮ段目の充電時間ｔNを求めるマップを示す図
【図３】比較例２における充電電気量Ｃ1および電池温度ＴからＮ段目の充電時間ｔNを求めるマップを示す図
【図４】本発明例および比較例の充電方法による寿命試験結果を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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