(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、鉛蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）を検知して得た情報をもとに随時充電条件を調整することによって、蓄電池のばらつきや使用環境・条件に影響されず、絶えず一定量の充電を行い、過充電を抑制し、サイクル使用において長寿命の鉛蓄電池が得られる充電制御方法を提供するものである。【解決手段】鉛蓄電池の過充電を極力抑制するために、従来の充電量、１１０〜１１５％に対して９９〜１０２％と充電量を少なくし、そのことによるＳＯＣの低下を検知し、一定量低下した時点で均等充電を挿入するに際し、一定のサイクル範囲内に所定のＳＯＣまで低下するよう蓄電池の充電条件を調整することを特徴とするものである。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電時の蓄電池温度、放電電流、放電電圧とＳＯＣとの関係、もしくは放電時の蓄電池温度と放電量とＳＯＣとの関係を示す基準データを得る第１ステップと、
蓄電池を放電する第２ステップと、
前記第２ステップでの放電時の蓄電池温度と放電電流と放電電圧とサイクル数、もしくは放電時の蓄電池温度と放電量とサイクル数とを測定する第３ステップと、
第３ステップでの測定データと第１ステップで得た基準データとの比較からＳＯＣを検知する第４ステップとを備え、
前記ＳＯＣの低下量があらかじめ定められたａ％未満で、かつ、サイクル数があらかじめ定められた値ｄ未満である時は、普通充電を行い、第２ステップに戻り、
前記ＳＯＣの低下量があらかじめ定められたａ％未満で、かつ、サイクル数があらかじめ定められた値ｄであるときは、充電条件変更、サイクル数のリセット、普通充電を行った後、第２ステップへ戻り、
前記ＳＯＣの低下量があらかじめ定められたａ％以上で、かつ、サイクル数があらかじめ定められた値ｃ未満である時は、均等充電を行い、次いで放電、充電条件の変更、サイクル数のリセット、普通充電を行った後、第２ステップへ戻り、
前記ＳＯＣの低下量があらかじめ定められたａ％以上で、かつ、サイクル数があらかじめ定められたｃ以上かつｄ未満の時は、均等充電、サイクル数のリセットを行い、第２ステップに戻ることを特徴とする、
鉛蓄電池の充電制御方法。
【請求項２】
均等充電を行った際に取得した放電データをもとに基準データを修正することを特徴とする請求項１に記載の鉛蓄電池の充電制御方法。
【請求項３】
均等充電したにもかかわらず、第４ステップで検知したＳＯＣの低下量があらかじめ定められた値ａ％以上であって、かつ、サイクル数があらかじめ定められた値ｃ未満であることが連続して３回発生した時は、均等充電条件および基準データを変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の鉛蓄電池の充電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛蓄電池の充電制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉛蓄電池は自動車、据置、電動車輌、太陽光発電等の多方面に使用されている。近年、このような蓄電池は高信頼性、長寿命化の要求が強くなってきている。
【０００３】
鉛蓄電池の劣化の主要因は正極格子の腐食である。すなわち、正極格子は、開回路の状態でも電位の高い正極活物質と常時接しているため、常に腐食される環境にある。充電時には充電過電圧が加わるため、腐食はさらに加速される。格子は、集電体としての機能と活物質を保持する機能を持っているが、腐食が進めばこれらの機能が低下して蓄電池の容量を低下させることになる。
【０００４】
また、特に、正極格子に実質上Ｓｂを含まない鉛合金を用いた蓄電池では、放電量が少なく、過充電される使用状態では上記の腐食の問題以外に、正極格子の酸化が進みすぎるため、放電時にその部分が優先的に放電し、正極格子と活物質との界面に硫酸鉛の絶縁層が形成され容量が低下するといった問題が生じることがある。特に、太陽光発電のように外部の負荷を平準化するために蓄電池の放電頻度が高い場合にはその影響が大きい。
【０００５】
上記問題の対策としては、過充電を抑えることが重要であるが、放電量に対して充電量が１００％に近づくにつれて副反応である水の電気分解（Ｈ２Ｏ＝１／２Ｏ２＋Ｈ２）反応が並行しておこり、充電時の電気エネルギーがこの反応に使用されるために放電量に対して１００％の充電では充電不足の状態が発生する。したがって通常、放電量に対して１１０％〜１１５％程度の過充電を実施せざるを得ず、この過充電が鉛蓄電池の劣化の要因になっていることは明らかで、この過充電を抑制する充電方法がいくつか提案されている。例えば、二段定電圧充電を実施し、一段目の充電電圧に対して、充電量が１００％に近づいた時点で二段目の充電電圧を低くし、充電電流をできるだけ小さくして過充電を避ける方式がある。この方式でもそれなりの効果はあるが、鉛蓄電池を多数個接続して使用する場合、二段目の充電電圧を低くしても、充電電圧は蓄電池全個数に対してかけるために、蓄電池間でのばらつきがあるとトータルの充電電圧が低くても、個々の蓄電池にとっては高い電圧がかかっているケースも発生し、二段目の電圧を低くして過充電を抑制する効果が十分とは言えない場合がある。また、使用環境温度によっては充電電圧を低くしても、過充電状態が避けられない場合も発生する。
【０００６】
発明者はこのような問題に対して、充電において充電電圧のみを制御するのでなく、蓄電池の充電状態（Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ　以降、ＳＯＣという）を検知し、その情報により蓄電池の充電条件を随時変更すれば、上記のような問題が回避され、過充電を極力抑えることができ、鉛蓄電池の寿命改善に大きく寄与することを見出した。本発明はそれによって得た知見に基づくものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、鉛蓄電池のＳＯＣを検知して得た情報をもとに随時充電条件を調整することによって、蓄電池のばらつきや使用環境温度・条件に影響されず、絶えず一定量の充電を行い、過充電を抑制し、サイクル使用における長寿命の鉛蓄電池が得られる充電制御方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するための手段は、鉛蓄電池の過充電を極力抑制するために、従来の充電量、１１０〜１１５％に対して９９〜１０２％と充電量を少なくし、そのことによるＳＯＣの低下を検知し、一定量低下した時点で均等充電を挿入するに際し、一定のサイクル範囲内に所定のＳＯＣまで低下するよう蓄電池の充電条件を調整する方式を骨子とするもので、請求項１によれば、放電時の蓄電池温度、放電電流、放電電圧とＳＯＣとの関係、もしくは放電時の蓄電池温度と放電量とＳＯＣとの関係を示す基準データを得る第１ステップと、
蓄電池を放電する第２ステップと、
前記第２ステップでの放電時の蓄電池温度と放電電流と放電電圧とサイクル数、もしくは放電時の蓄電池温度と放電量とサイクル数とを測定する第３ステップと、
第３ステップでの測定データと第１ステップで得た基準データとの比較からＳＯＣを検知する第４ステップとを備え、
前記ＳＯＣの低下量があらかじめ定められたａ％未満で、かつ、サイクル数があらかじめ定められた値ｄ未満である時は、普通充電を行い、第２ステップに戻り、
前記ＳＯＣの低下量があらかじめ定められたａ％未満で、かつ、サイクル数があらかじめ定められた値ｄであるときは、充電条件変更、サイクル数のリセット、普通充電を行った後、第２ステップへ戻り、
前記ＳＯＣの低下量があらかじめ定められたａ％以上で、かつ、サイクル数があらかじめ定められた値ｃ未満である時は、均等充電を行い、次いで放電、充電条件の変更、サイクル数のリセット、普通充電を行った後、第２ステップへ戻り、
前記ＳＯＣの低下量があらかじめ定められたａ％以上で、かつ、サイクル数があらかじめ定められたｃ以上かつｄ未満の時は、均等充電、サイクル数のリセットを行い、第２ステップに戻ることを特徴とするものである。
【０００９】
上述したように、鉛蓄電池を長寿命化するためには、いかに過充電を抑えるかが重要な要素であり、従来のように充電電圧を制御するだけではその効果が十分に得られない。そこで発明者は、放電時の蓄電池温度、電流および電圧（組電池の電圧、単電池（セル）の電圧、組電池での一定単位個数の蓄電池（ブロック）の電圧）とＳＯＣとの関係もしくは、蓄電池温度と放電電気量（Ａｈ）とＳＯＣとの関係を求め、基準データとしてあらかじめ制御システムに導入し、そのデータと蓄電池を放電した際のデータと比較することによりサイクル毎の蓄電池のＳＯＣを検知すると共に、あらかじめ設定したＳＯＣ、１００％以下の充電不足状態から所定値ａ％までの低下量、例えば設定値から１０％低下した時点で均等充電を挿入するのであるが、本発明では、ＳＯＣが低下する時期を、使用期間あるいはサイクル数であらかじめ設定し、ＳＯＣが所定量に低下するのに要する期間あるいはサイクル数がその範囲を超えた場合、異常と判断し、上記所定の使用期間あるいはサイクル数内でＳＯＣが低下するよう充電条件を調整する。すなわち、ＳＯＣが１０％低下する期間を例えば５〜２０サイクルと設定し、これより早期にＳＯＣが１０％以下に低下することは、充電不足が予想以上に進んでいることを意味し、設定されている充電Ａｈ量をふやす等の措置が行う。また、２０サイクル経過した時点でＳＯＣが１０％以下に低下しないことは、過充電状態で使用されていることが予想されるため、設定されている充電Ａｈ量を少なくする等の措置を行う。このような方式であれば、例え、機器や蓄電池にばらつきや固有の誤差を含んでいても、使用中の履歴を学習して、上記のように相対的なデータから充電条件の適正化をはかることができ、蓄電池の長寿命化に非常に有効に作用する。
【００１０】
上述したように、ＳＯＣ１００％以下の低い状態で蓄電池を使用し、このＳＯＣが例えば１０％低下した時点で、もとのＳＯＣに定期的に戻すための充電を均等充電（リフレッシュ充電あるいは回復充電等とも呼ぶ）と定義している。
【００１１】
請求項２によれば、均等充電を行った際に取得した放電データをもとに基準データを修正することを特徴とするものである。
【００１２】
蓄電池は使用経過と共に経時変化するのでいつも最初に設定した基準データと比較してＳＯＣを算出し、充電条件を調整しておれば、正しい判断ができないことがあるので均等充電毎に放電データを取り、その電圧から算出されるＳＯＣと最初の基準データから算出されるＳＯＣとに違いが生じた場合には、均等充電から得たデータをもとに基準データを変更すると共に、均等充電毎に基準データを更新していくのが好ましい。
【００１３】
請求項３によれば、均等充電したにもかかわらず、第４ステップで検知したＳＯＣの低下量があらかじめ定められた値ａ％以上であって、かつ、サイクル数があらかじめ定められた値ｃ未満であることが連続して３回発生した時は、均等充電条件および基準データを変更することを特徴とするものである。
【００１４】
均等充電したにもかかわらず、あらかじめ設定したＳＯＣの低下量、例えば１０％以上に、あらかじめ設定したサイクル数、例えば５サイクル未満で到達し、均等充電条件を変更しても、このような状態が連続して３回発生した場合には、蓄電池の性能劣化が進んでしまったことを意味するので、あらかじめ入力している基準データを修正し、例えば、残存容量は新品の時よりも１０％低下しているが、充電状態は１００％であるという情報を入力してＳＯＣの調整を行う。このような劣化状態に合せた充電を行うことにより、必要以上の過充電を防止するだけでなく、上記情報からは残存容量や劣化の程度に関するデータも得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、鉛蓄電池を電動車輌や機器に組み込んで使用した場合、該蓄電池の劣化の主要因である正極格子の腐食を抑制し、寿命性能を改善しようとするもので、その実施の形態は、鉛蓄電池の過充電を極力抑制するために、従来の充電量、１１０〜１１５％に対して９９〜１０２％と充電量を少なくし、そのことによるＳＯＣの低下を検知し、一定量低下した時点で均等充電を挿入するに際し、一定のサイクル範囲内にあらかじめ定めたＳＯＣまで低下するよう、蓄電池の充電条件を調整する方式を骨子とするもので本発明が実際に運用される場合のブロック図を図１に示す。
【００１６】
図１によれば、放電時の蓄電池温度、放電電流、放電電圧とＳＯＣとの関係、もしくは放電時の蓄電池温度と放電量とＳＯＣとの関係を示す基準データを得る第１ステップと蓄電池を放電する第２ステップ、前記第２ステップでの放電時の蓄電池温度と放電電流と放電電圧とサイクル数、もしくは放電時の蓄電池温度と放電量とサイクル数とを測定する第３ステップと、第３ステップでの測定データと第１ステップで得た基準データとの比較によりＳＯＣを検知する第４ステップとからなり、ここでは、５〜２０サイクルの間にＳＯＣの低下量が１０％以下になれば均等充電を実施する例について説明する。
【００１７】
まず、２０サイクル未満で、ＳＯＣが１０％低下しない場合には、普通充電を行い、第２ステップへ戻る。２０サイクル経過した時点でＳＯＣが１０％以下に低下しない場合は、過充電傾向にあることが予想されるので、充電条件を変更し、サイクル数のリセット、普通充電を行った後、第２ステップへ戻る。次に、５サイクル未満でＳＯＣが１０％以下に低下した場合、充電不足が予想されるので、均等充電を行い、放電を行った後、充電条件を変更し、サイクル数のリセット、普通充電を行い、第２ステップへ戻る。第４番目のケースは、５サイクル以上かつ２０サイクル未満でＳＯＣが１０％低下した場合で、これは充電条件が適切であることを意味し、均等充電を行った後、充電条件は変更せず、サイクル数のリセットを行い第２ステップへ戻る。
【００１８】
以上の措置をとることによって、蓄電池にばらつきがあったり、使用環境温度・条件が異なったりしても、いつも蓄電池に適した充電がされるので過充電が抑制され寿命改善に非常に有効である。
【００１９】
【実施例】
本発明の効果を明らかにするために実施例にもとづく試験により詳細に説明する。
［試験内容および結果］
本発明の効果を明確にするための試験を行うにあたって、下記の試験用蓄電池を製作した。
【００２０】
正・負極板にＰｂ−０．０７質量％Ｃａ−１．３質量％Ｓｎ合金からなるエキスパンド格子をそれぞれ用い、通常の活物質を塗布した正極板５枚、負極板６枚を微細ガラス繊維セパレータを介して交互に積層し、電槽に挿入する。該蓄電池に所定量の希硫酸を注液して化成し、通常の安全弁を装着したいわゆるリテーナ式制御弁式鉛蓄電池を製作した。公称電圧および定格容量は、２Ｖ−２００Ａｈでこれらの蓄電池を２４セル直列に接続した。
【００２１】
まずこの組電池を種々の温度および電流で放電し、放電時の電圧とＳＯＣとの関係を示すデータテーブルを作成した。
【００２２】
この組電池を４０Ａで１．７Ｖまで放電した後、４０Ａ／５８．８Ｖの定電流・定電圧充電を行い、寿命性能を評価した。均等充電は、普通充電の時間をさらに６ｈ延長して行った。従来の蓄電池の場合はこの均等充電を１０サイクル毎に行い、本発明品は、従来品のように無理やり１０サイクル毎に行う、あるいは充電量が少ないのに１０サイクル経過するまで均等充電を待つというやり方ではなく、ＳＯＣの低下量１０％を一定のサイクル範囲内に到達するよう充電条件を随時変更する方式を実施した。
【００２３】
また、均等充電を３回連続したにもかかわらずＳＯＣが回復しない場合には、既に回復し得ない劣化が発生していると考えられるので、現時点の容量が１００％の容量であるとし、あらかじめ入力しているＳＯＣデータを修正した。修正によって、無理やり均等充電による過充電が頻繁に入ることを抑制した。
【００２４】
試験内容を表１に示す。また、蓄電池のＳＯＣは、本試験では、毎回の放電開始初期の放電電圧をあらかじめ測定しているＳＯＣ基準（ＳＯＣと放電電圧との関係データ）と比較することにより算出した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
上記蓄電池において、Ｂ−１〜Ｄまでは、所定のサイクル数でＳＯＣが１０％以上低下しなかった場合は、充電時間を低減し、所定のサイクル数よりも早期に１０％以上もＳＯＣが低下した場合には充電時間を延長した。
【００２７】
図２は従来品、図４は本発明品の試験初期のＳＯＣ推移をそれぞれ示し、図３は従来品、図５は本発明品の充電量（放電電気量比）をそれぞれ示す。また、図６は従来品、図７は本発明品の寿命末期までの１００サイクル毎（均等充電後）の放電持続時間の推移をそれぞれ示す。
【００２８】
図２、図３および図６に示すように、単純に当初から設定したとおりの充電時間・均等充電を行っただけの従来蓄電池では、環境温度によって充電時間の変更を行ったが、その効果はあまりなく、５０℃では過充電傾向にあり、０℃では充電不足の傾向を示した。したがって、５０℃で試験した蓄電池（Ａ−３）は、減液量が多くなり、ドライアウトで寿命になったものと思われる。０℃の蓄電池（Ａ−２）は、毎回の充電量が不足し、活物質中に充電できない硫酸鉛が蓄積するいわゆるサルフェーションによる劣化が発生したものと予想でされる。３０℃で試験した蓄電池（Ａ−１）でも、サイクルと共にやや過充電量が多くなり、ドライアウトの傾向があった。これが寿命原因と思われる。均等充電を全くしない蓄電池（Ａ−１−１）では、やや充電量が不足している傾向が見られ、おそらく、サルフェーションが発生していると予想される。
【００２９】
一方、図４、図５および図７に示すように本発明の蓄電池（Ｂ−１〜Ｄ）ではＳＯＣが１０％低下した時点で均等充電を行うにあたって、所定のサイクル数範囲内で均等充電が行われるように随時充電時間を変更した。３０℃で試験した（Ｂ−１）の場合は、２１サイクル目から充電時間を２時間減らして調整を行った。また、０℃の（Ｂ−２）は当初から予定している充電時間で行えば、おおよそ２０サイクル以内に均等充電が入った。また、５０℃の（Ｂ−３）は、２０サイクル経過後も全くＳＯＣが低下しないため、充電時間を３時間減らした。その結果、上記の固定充電時間・固定均等充電を行った蓄電池（Ａ−１〜Ａ−３）に比べて、環境温度の影響が少なく蓄電池の状況に応じた制御がなされていることが理解できる。寿命性能も過充電が抑制された結果、大幅に改善されその効果が明らかになった。特に、環境温度５０℃の蓄電池は最初の２０サイクルでＳＯＣが１０％まで低下しなかったので、充電条件を変更し、２０サイクル以内にＳＯＣが１０％以下に低下するよう充電条件を変更することにより、５０℃にもかかわらず従来品に比べて大幅に寿命性能が改善された。
【００３０】
また、本試験では、５サイクルでＳＯＣが１０％以下になるもの（Ｃ）および２０サイクルまでＳＯＣが１０％以下にならないもの（Ｄ）も試験した。（Ｃ）は５サイクルで１％程度しかＳＯＣが低下しなかったので、６サイクル目からは充電時間を３時間少なくした。また、（Ｄ）は４０サイクル後もＳＯＣが４％しか低下しなかったので、さらに充電時間を３時間減らして調整した。
【００３１】
これら（Ｃ）および（Ｄ）の蓄電池は従来品に比べると寿命は良かったが、改善効果はそれほ大きくなく、５〜２０サイクルの範囲内でＳＯＣが１０％まで低下し、均等充電が入るように調整した蓄電池が最も長寿命であることがわかった。
【００３２】
鉛蓄電池の特性はサイクルと共に変化するので、固定された条件で充電を長期間行うと適切な充電が行えなくなり、過充電あるいは過放電をすることになり鉛蓄電池の劣化を早めることになる。本発明の充電制御方法のように、各蓄電池の特性を把握して（学習して）それを毎回の充電条件にフィードバックさせることにより過充電や過放電を避けて長寿命を達成できることが本試験で明らかになった。
【００３３】
なお、本実施例では、蓄電池のＳＯＣは、放電時の電圧データをあらかじめ制御システムに記録している基準データと比較して算出したが、電動車輌のように負荷が変動する用途では、種々の電流で放電した際の電圧値から、電流がゼロでの電圧、つまり開放電圧（無負荷電圧）を求め、蓄電池のＳＯＣを算出する方法も可能である。この場合は、機器あるいはシステム側にＳＯＣと開放電圧（無負荷電圧）との相関を示す基準データテーブルを準備しておく必要がある。また、放電時のＡｈ量あるいは走行距離（電動車輌の場合）と放電電圧や無負荷電圧とを比較し、両者の差や比率を均等充電直後を基準として、サイクルと共に発生する変化を追跡してＳＯＣの変化を測定することも可能である。
【００３４】
さらに、本発明ではあらかじめ基準データを入力し、基準データとの比較によりＳＯＣを判定したが、実際には、機器に搭載された状態で基準データを作成する方が精度が高い。よって、蓄電池が搭載された初期の一定期間に入力された放電データを用いてＳＯＣと放電電圧あるいは無負荷電圧との相関データテーブルを作成することがより実態に相応しており好ましい。
【００３５】
また均等充電直後のデータを常に基準データにし、均等充電毎にそれを更新していけば、蓄電池の経時変化をより正確に把握でき好ましい。
【００３６】
本実施例では、所定の温度の気相中で試験をおこなったが、実際には、組電池の所定場所のセルに温度センサーを装着する等して蓄電池の温度を測定しながらＳＯＣ判定を行うのが好ましい。
【００３７】
また、本発明では組電池全体の電圧・電流・温度の測定を行ってＳＯＣ判定をしたが、単セル、全セル、組電池での一定単位個数の蓄電池（ブロック）の電圧のデータを用いてＳＯＣを判定したり、それらのデータを組み合わせたり比較することによってより精度を高めることができる。
【００３８】
なお、本実施例では放電初期の電圧を用いてＳＯＣ判定を行ったが、ＳＯＣ判定はこの方法だけに限定されるものではなく、放電途中あるいは終期の電圧を用いてもよいし、放電電圧と電流との関係から算定した開放電圧（無負荷電圧）あるいは実測した開放電圧を用いてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、鉛蓄電池の寿命性能を改善するために、劣化の主要因である正極格子の腐食を抑制するにあたり、充電量を従来より少な目（９９〜１０２％目標）に設定し充電不足状態で使用し、それによるＳＯＣの低下量が１０％に到達した時点で均等充電を挿入するにあたって、例えば５〜２０サイクルの範囲内でＳＯＣが１０％低下するように充電条件を随時調整する方式を採用すると共に、上記ＳＯＣは放電時のデータとあらかじめ設定した基準データとの比較により求め、さらに前記均等充電後の放電データと基準データとを比較し、基準データを更新していくことによって蓄電池の履歴を学習しながら蓄電池の状態が制御できるので過充電が極力抑制でき、鉛蓄電池の寿命性能の向上・安定化に非常に有効でありその工業的効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の充電制御方法の実施例を示すブロック図
【図２】従来品の試験中のＳＯＣの推移を示す特性図
【図３】従来品の試験中の充電量の推移を示す特性図
【図４】本発明品の実施例の試験中のＳＯＣの推移を示す特性図
【図５】本発明品の実施例の試験中の充電量の推移を示す特性図
【図６】従来品の寿命特性（放電容量推移）を示す図
【図７】本発品の実施例の寿命特性（放電容量推移）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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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