(57)【要約】【課題】本発明は、二次電池の再生又は充電処理中にその進行状態を確認して確実に処理を行うことができる二次電池の再生充電装置及び方法を提供することを目的とするものである。【解決手段】鉛蓄電池１を再生又は充電処理するために、電圧値の異なるトリガ信号を組み合わせた信号電圧により生成された周波数２Ｈｚ〜１０ＫＨｚの充電電流を正極体３から負極体４に流して直流分及び周波数分の内部抵抗値が基準値以下となった場合には、再生充電が正常に完了したと判定し自動停止する。【選択図】図１
2018038186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池に対して直流分及び所定周波数の周波数分からなる充電電流を印加する制御回路と、前記二次電池に印加される充電電流を測定する充電電流測定部と、前記二次電池に印加される充電電圧を測定する充電電圧測定部と、前記充電電流測定部及び前記充電電圧測定部からの測定データに基づいて直流分の充電電流に対応する内部抵抗値及び周波数分の充電電流に対応する内部抵抗値を算出して当該内部抵抗値に基づいて充電状態を判定する判定回路とを備えている二次電池の再生充電装置。
【請求項２】
前記判定回路は、直流分の充電電流に対応する測定区間における充電電圧の最大値に基づいて直流分の充電電流に対応する前記内部抵抗値を算出するとともに周波数分の充電電流に対応する測定区間における充電電圧の最小値に基づいて周波数分の充電電流に対応する前記内部抵抗値を算出する請求項１に記載の二次電池の再生充電装置。
【請求項３】
二次電池に対して直流分及び所定周波数の周波数分からなる充電電流を印加する二次電池の再生充電方法において、前記二次電池に印加される充電電流及び充電電圧を測定し、測定された充電電流データ及び充電電圧データに基づいて直流分の充電電流に対応する内部抵抗値及び周波数分の充電電流に対応する内部抵抗値を算出し、前記内部抵抗値に基づいて充電状態を判定する二次電池の再生充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充放電を繰り返すことにより充電容量が低下する二次電池を再生又は充電処理するための再生充電装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
充電及び放電を繰り返して行うことができる二次電池が多方面で用いられているが、鉛蓄電池等の二次電池は安定した出力が得られるとともに安価に製造できることから、車両用として広く使用されている。
【０００３】
二次電池では、充電及び放電を繰り返して使用していると、次第に充電容量が低下するようになり、充電容量が当初の半分以下に低下すると製品寿命が到来したとして新品に交換されるようになっている。
【０００４】
例えば、鉛蓄電池では、製品寿命を左右するといわれているのが、鉛蓄電池の内部で進行するサルフェーションという現象である。鉛蓄電池は、二酸化鉛を担持する正極体及び鉛を担持する負極体を希硫酸を含む電解液に浸漬しているが、充放電を繰り返すうちに負極体の表面に硫酸鉛の硬い結晶が生じるようになる。こうした負極体表面への硫酸鉛の蓄積現象がサルフェーションと一般に称されている。
【０００５】
サルフェーションが進行していくと、負極体の表面が硫酸鉛の蓄積により覆われるようになっていく。硫酸鉛はほとんど電気的に導通せず溶解度も低いため、サルフェーションが進行して負極体が硫酸鉛で覆われた鉛蓄電池は充放電が十分行うことができず、製品寿命が尽きたものとして取り扱われる。
【０００６】
こうして製品寿命が尽きた鉛蓄電池を再生処理して再使用することが提案されている。例えば、特許文献１では、二酸化鉛を担持する正極体及び鉛を担持する負極体を希硫酸を含む電解液内に浸漬させた鉛蓄電池の再生処理方法であって、電解液にカルボキシメチルセルロースナトリウム塩を含む水溶液を注入し、電圧値の異なるトリガ信号を組み合せた信号電圧により生成された周波数５ｋＨｚ〜１２ｋＨｚの再生電流を正極体から負極体に流して電解液を５０℃〜６０℃の温度状態に維持するように加熱し、再生電流を印加した状態で電解液が６０℃〜７０℃の温度状態に上昇した場合に再生電流の供給を停止する再生処理方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４６０８５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した先行文献では、パルス電流を印加することで鉛蓄電池の再生処理を行っているが、所定の再生処理を行った後に処理した鉛蓄電池の再生状態を確認しているため、再生処理中に再生状態を正確に把握することができないといった課題がある。また、鉛蓄電池の通常の充電処理においても、所要時間の充電処理を行った場合に充電が完了しているのかは放電してみないと判断できない、といった課題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、二次電池の再生又は充電処理中にその進行状態を確認して確実に処理を行うことができる二次電池の再生充電装置及び方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る二次電池の再生充電装置は、二次電池に対して直流分及び所定周波数の周波数分からなる充電電流を印加する制御回路と、前記二次電池に印加される充電電流を測定する充電電流測定部と、前記二次電池に印加される充電電圧を測定する充電電圧測定部と、前記充電電流測定部及び前記充電電圧測定部からの測定データに基づいて直流分の充電電流に対応する内部抵抗値及び周波数分の充電電流に対応する内部抵抗値を算出して当該内部抵抗値に基づいて充電状態を判定する判定回路とを備えている。さらに、前記判定回路は、直流分の充電電流に対応する測定区間における充電電圧の最大値に基づいて直流分の充電電流に対応する前記内部抵抗値を算出するとともに周波数分の充電電流に対応する測定区間における充電電圧の最小値に基づいて周波数分の充電電流に対応する前記内部抵抗値を算出する。
【００１１】
本発明に係る二次電池の再生充電方法は、二次電池に対して直流分及び所定周波数の周波数分からなる充電電流を印加する二次電池の充電方法において、前記二次電池に印加される充電電流及び充電電圧を測定し、測定された充電電流データ及び充電電圧データに基づいて直流分の充電電流に対応する内部抵抗値及び周波数分の充電電流に対応する内部抵抗値を算出し、前記内部抵抗値に基づいて充電状態を判定する。
【発明の効果】
【００１２】
上記のような構成を有することで、二次電池の再生又は充電処理中にその進行状態を確認することができ、処理を簡便かつ確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。
【図２】発生するトリガ信号の信号波形に関する模式図である。
【図３】充電電流の信号波形に関する模式図である。
【図４】鉛蓄電池を再生又は充電処理するためのフローである。
【図５】実際の測定結果に基づいて生成された１サイクル分の波形の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
【００１５】
図１は、本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。再生又は充電処理を行う二次電池である鉛蓄電池１は、ケース内に複数のセルが隔壁により区画されて収容されており、公知の構成を備えている。各セルの内部には、電解液２が貯留されており、電解液２には正極体３及び負極体４が浸漬された状態で取り付けられている。
【００１６】
正極体３は、鉛製の板状電極体を多孔質に形成して表面積を増加させ、その表面全体に二酸化鉛の層を形成している。また、負極体４は、多孔質の鉛製板状電極体から構成される。電解液２としては、一般に希硫酸が用いられる。
【００１７】
鉛蓄電池１を充電する場合には、電極体が電解液中の水を取り込んで硫酸を放出するようになり、放電する場合には、電解液中の硫酸が電極体と反応して水が生成されるようになる。こうした充放電を繰り返していくと、電極体の表面に硫酸鉛が析出して蓄積されるようになり、電極体が硫酸鉛により電気的な導通が阻害されるようになる。そのため、電極体の放電面積が小さくなって放電容量が低下し、充電時には電極体の抵抗が増加して発熱するようになる。
【００１８】
本実施形態では、放電した鉛蓄電池１の充電処理や性能が劣化した鉛蓄電池１を再生処理するために、鉛蓄電池１の規格に対応した電圧を印加するための電源部１０及び整流回路１１を備えている。電源部１０は、商用電源から変圧器等を用いて所定の電圧に変圧し、整流回路１１により規格電圧に対応した直流電圧が出力される。
【００１９】
整流回路１１は、パワーデバイスからなるスイッチング素子１２、フィードバック抵抗器１３、充電電流測定回路１４を介して正極体３の端子３ａに接続されている。負極体４の端子４ａは、グランド（ＧＮＤ）接続されており、正極体３の端子３ａとの間に充電電圧測定回路１５が接続されている。充電電流測定回路１４及び充電電圧測定回路１５は、再生又は充電処理中の電流値及び電圧値を測定し、測定結果を判定回路３０に送信するようになっている。
【００２０】
制御回路２０は、電圧値の異なる２つのトリガ信号を組み合わせた充電信号を発生させる。図２は、発生するトリガ信号の信号波形に関する模式図である。この例では、電圧値Ｖ1のトリガ信号を所定間隔で発生させた信号波形Ｔ1及び電圧値Ｖ2のトリガ信号を所定間隔で発生させた信号波形Ｔ2を用いて交互にトリガ信号を組み合わせ信号波形Ｔ3を合成して充電信号として出力する。Ｖ2は、Ｖ1よりも大きい値に設定されており、充電電流の実効値に合わせて設定することが好ましい。
【００２１】
こうした電圧値の異なるトリガ信号を組み合わせた充電信号を用いることで信号波形の周波数を簡単に変更することができるとともに高周波数に設定することも容易に行うことができる。この場合、充電信号の周波数は２Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲で設定することが好ましく、出力する信号波形の周波数を途中でランダムに変更することも簡単に行うことが可能で、再生又は充電処理する鉛蓄電池に対してテストを行う場合等に有用である。
【００２２】
また、トリガ信号の立ち上り及び立下りに発生するエッジ信号波形は、信号波形Ｔ1の立ち上り及び立下りがそれぞれ信号波形Ｔ2の立ち下り及び立上りに重なることで互いに相殺されるようになる。
【００２３】
トリガ信号を合成した充電信号はインバータ回路２１を介して可変抵抗器２２に入力されて電圧値が調整される。電圧値が調整された充電信号は増幅回路２３の一方の入力端子に入力される。増幅回路２３の他方の端子には制御回路２０からオン・オフ信号が入力され、オン信号が入力されている場合に増幅回路２３から充電信号が出力される。
【００２４】
増幅回路２３から出力された充電信号は、増幅回路２４に入力される。増幅回路２４から出力された充電信号はスイッチング素子１２に入力されて充電信号に対応した充電電流が負極体３に流れるようになる。その際にフィードバック抵抗器１３に流れた充電電流を増幅回路２４にフィードバックすることで充電電流を安定した状態で流すことができる。その際に、充電回路の等価回路におけるＬＣＲ分で高周波領域がカットされてエッジ部分が丸みを帯びた正弦波に近い波形に整形される。
【００２５】
充電電流は、図３に示すように、直流分Ｉ1及び周波数分Ｉ2を有する波形となる。例えば、デューティ比５０％で、１０Ａの電流を印加する場合には、直流分を５Ａに設定し、周波数分を実効値で１５Ａとなるように設定すればよい。こうした設定は、トリガ信号の電圧値及び周波数の設定により簡単に行うことができる。周波数は、２Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲に設定することが好ましい。
【００２６】
モードスイッチ２５は、鉛蓄電池の規格に応じて操作することでモードが選択される。そして、再生充電処理する鉛蓄電池に対応した選択信号を制御回路２０に出力し、制御回路２０では、入力された選択信号に基づいて充電信号を発生させる。
【００２７】
表示部２６は、制御回路２０からのメッセージ等の表示データを受信して表示する。制御回路２０は、判定回路３０から送信された判定結果に基づいて、充電処理又は再生処理を完了又は停止し、それに合わせて完了メッセージ及びエラーメッセージを表示部２６に表示させるように制御する。
【００２８】
判定回路３０は、充電電流測定回路１４及び充電電圧測定回路１５から送信された測定値を所定のタイミングでサンプリングして充電電流データ及び充電電圧データを取得する。判定回路３０としては、ＡＤコンバータ及びコンパレータを内蔵するマイコン等の公知の電子部品を用いて構成することができる。サンプリング間隔は、設定された周波数に関係なく５μ秒とする。
【００２９】
そして、図３に示す充電電流の直流分及び周波数分からなる１サイクル分の波形に対応する充電電圧波形を生成して充電状態を判定する。具体的には、直流分及び周波数分の充電電流波形に対応する充電電圧波形に基づいて充電電圧値を求め、求められた充電電圧値及び充電電流値から直流分及び周波数分での内部抵抗値をそれぞれ算出する。そして、予め設定された基準値と算出された内部抵抗値を比較することで、充電状態を判定する。選択されたモードに対応して設定された処理時間内に直流分及び周波数分の内部抵抗値が基準値以下となった場合には、充電が正常に完了したと判定し、基準値以下とならなかった場合には、充電が正常に完了しなかったと判定する。
【００３０】
また、算出した内部抵抗値と基準値との間の比率又は差分に基づいて充電処理の進行度を判定することも可能で、こうした充電状態の割合を示すデータを算出して表示部２６に充電の進行度を％で表示することもできる。
【００３１】
このように、内部抵抗値に基づいて再生又は充電処理中に処理が正常に完了したか否か判定することができるため、再生又は充電処理を簡便かつ確実に行うことが可能となる。そして、再生又は充電処理が正常に完了していないと判定された場合には、放電容量低下等の性能低下があると判定される。
【００３２】
判定回路３０は、充電が正常に完了したか否かを示す判定結果を制御回路２０に送信する。直流分及び周波数分における内部抵抗値に関する基準値については、基準の性能を有する鉛蓄電池に対する実際の充電処理により得られた内部抵抗値に基づいて設定すればよい。
【００３３】
図４は、鉛蓄電池を再生又は充電処理するためのフローである。以下のフローでは、充電処理を例示して説明しているが、再生処理についても同様のフローで処理される。
【００３４】
まず、回収された使用済の鉛蓄電池は、事前に受入検査を行って、再生充電ができないものは除外される。具体的には、規格及び製造日等を確認し、容器本体や各セル等の外観検査を行い、検査結果によりショートしているもの等の充電不能と判断されたものは除外される。
【００３５】
そして、検査結果により問題のないものは洗浄されて充電処理が行われる。まず、モード選択処理が行われ（Ｓ１００）、鉛蓄電池の規格に合わせて充電処理のモードがモードスイッチ２５を操作して選択される。次に、選択されたモードに対応する基準値が設定され（Ｓ１０１）、印加される充電電流の直流分及び周波数分のそれぞれの内部抵抗の基準値ＲS及びＲT並びに処理時間の基準値ｔMがセットされる。
【００３６】
図３に示す波形の充電電流を鉛蓄電池に印加する充電処理を開始し（Ｓ１０２）、充電時間ｔのカウントを開始する。鉛蓄電池に印加される充電電流及び充電電圧は、それぞれ充電電流測定回路１４及び充電電圧測定回路１５で測定し、判定回路３０に送信する。判定回路３０では、送信された測定値に基づいて充電電流及び充電電圧をサンプリングして充電電流の周波数分及び直流分からなる１サイクル分の波形を生成し、周波数分及び直流分における充電電流データ及び充電電圧データを取得する（Ｓ１０３）。
【００３７】
図５は、実際の測定結果に基づいて生成された１サイクル分の波形の一例を示すグラフである。この例では、測定区間ＴPが充電電流の周波数分の区間で、測定区間ＴBが充電電流の直流分の区間となっており、それぞれの区間における充電電流データはＩP及びＩBとなっている。一方、同じ区間における充電電圧データはＶP及びＶBとなっている。周波数分の充電電圧データについては、対応する測定区間における最大値をＶPとしており、直流分の充電電圧データについては、充電電流の周波数分の波形の立下りに対応して充電電圧が変動する波形となっているが、変動収束後の最小値をＶBとしている。
【００３８】
次に、取得した充電電流データ及び充電電圧データに基づいて直流分及び周波数分における内部抵抗値を算出する（Ｓ１０４）。直流分の内部抵抗値ＲB及び周波数分の内部抵抗値ＲPは、以下の計算式で算出される。
ＲB＝ＶB／ＩB
ＲP＝ＶP／ＩP
そして、算出された直流分の内部抵抗値ＲBが直流分の基準値ＲS以下であるか否かチェックする（Ｓ１０５）。内部抵抗値ＲBが基準値ＲS以下である場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）には、算出された周波数分の内部抵抗値ＲPが周波数分の基準値ＲT以下であるか否かチェックする（Ｓ１０６）。内部抵抗値ＲPが基準値ＲT以下である場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）には、判定回路３０は充電が完了したと判定して充電完了信号を制御回路２０に送信する（Ｓ１０７）。制御回路２０は、充電完了信号を受信すると、充電電流の供給を停止し、表示部２６に完了メッセージを表示するように制御する（Ｓ１０８）。
【００３９】
ステップＳ１０５において内部抵抗値ＲBが基準値ＲS以下でなかった場合（Ｓ１０５：ＮＯ）には、充電時間ｔが基準値ｔMより短いかチェックする（Ｓ１０９）。充電時間ｔが基準値ｔMより短い場合（Ｓ１０９：ＹＥＳ）には、ステップＳ１０３に戻り、充電処理を継続して行いながら１サイクル分の波形を生成して、周波数分及び直流分における充電電流データ及び充電電圧データを取得する処理を繰り返し行う。また、充電時間ｔが基準値ｔMより短くない場合（Ｓ１０９：ＮＯ）には、判定回路３０は充電が正常に完了していないと判定して充電停止信号を制御回路２０に送信する（Ｓ１１０）。制御回路２０は、充電停止信号を受信すると、充電電流の供給を停止し、表示部２６にエラーメッセージを表示するように制御する（Ｓ１１１）。ステップＳ１０６において内部抵抗値ＲPが基準値ＲT以下でなかった場合（Ｓ１０６：ＮＯ）には、ステップＳ１０９に進み、充電時間ｔのチェックが行われ、以後上述した処理と同様の処理が行われる。
【００４０】
以上のように充電処理を行うことで、処理中の直流分及び周波数分における内部抵抗値に基づいて処理が正常に完了したか否か判定されるので、充電処理を簡便かつ確実に行うことができる。なお、再生又は充電処理が行われた鉛蓄電池に対しては、処理後の放電試験を行い、各セルの電圧、比重、電解液の温度を測定し、測定値が基本設定値を満たしているか性能検査を行うことが好ましい。
【００４１】
本発明に基づいて再生又は充電処理された鉛蓄電池について、放電試験を行ったところ、基準性能を満たしていることが確認された。そのため、処理中の直流分及び周波数分における内部抵抗値に基づいて処理が正常に完了したか否か判定することで、再生又は充電処理の完了を正確に判定できることが確認できた。したがって、鉛蓄電池の再生又は充電処理について、処理中の直流分及び周波数分における内部抵抗値に基づいて処理が正常に完了したか否か判定することで、再生又は充電処理の完了を正確に判定できることが確認できた。
【００４２】
以上説明した本発明にかかる再生充電装置は、鉛蓄電池以外の二次電池の再生又は充電処理にも用いることができ、例えば、リチウムイオン電池といった二次電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・鉛蓄電池、２・・・電解液、３・・・正極体、４・・・負極体、１０・・・電源部、１１・・・整流回路、１２・・・スイッチング素子、１３・・・フィードバック抵抗器、１４・・・充電電流測定部、１５・・・充電電圧測定部、２０・・・制御回路、２１・・・インバータ、２２・・・可変抵抗器、２３・・・増幅回路、２４・・・増幅回路、２５・・・モードスイッチ、２６・・・表示部、３０・・・判定回路
【図１】
2018038186.tif 000003
【図２】
2018038186.tif 000004
【図３】
2018038186.tif 000005
【図４】
2018038186.tif 000006
【図５】
2018038186.tif 000007