(57)【要約】【課題】蓄電池の寿命改善を目的として多段定電圧充電を適用し、２段目の以降の電圧を低くし微小電流を得ようとした場合、充電電圧制御の精度が低い、あるいは組蓄電池の電圧ばらつきが大きいため等により充電電流が小さくなり過ぎ、場合によっては放電側に電流が流れたりして充電不足になるといった問題が発生していたが、そのような問題がなく微小電流が安定して供給可能で、寿命性能改善に寄与する充電方法および充電装置を提供することにある。【解決手段】定電圧で充電を行う充電方法および充電装置において、充電開始後、所定の条件に到達した時点で充電回路内に抵抗を挿入することを特徴とするものである。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池を定電圧で充電を行う充電方法において、充電開始後、所定の条件に到達した時点で充電回路内に抵抗を挿入することを特徴とする蓄電池の充電方法。
【請求項２】
定電圧充電回路を備えるとともに、充電開始後、所定の条件に到達した時点で充電回路に抵抗が挿入でできるよう構成されたことを特徴とする充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電池の充電方法および充電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非常用予備電源あるいは電力貯蔵システムに使用される蓄電池、例えば、鉛蓄電池の充電は、負荷と蓄電池とを並列に接続させた状態で、常時負荷へ電力を供給しながら、同時に蓄電池へも自己放電を補うに必要な電流が流れるようにした常時インバータ給電方式（フロート方式）と、常時は蓄電池を負荷から切り離し、独立して自己放電を補うのに必要な電流で充電を行い、非常時にインバータを介して蓄電池から負荷を供給する常時商用給電方式（トリクル方式）および整流機能とインバータ機能を１つの回路で実現した双方向電力変換器を使用して蓄電池を充電する場合は整流回路として、蓄電池から負荷に電気エネルギーを供給する際にはインバータ回路として作動させる双方向方式がある。その際に、定電圧充電方式が適用された場合、その電圧は通常、蓄電池の平衡電圧よりも１セル当り約１００ｍＶ以上高い値に設定されている。
【０００３】
このような使用条件での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】
したがって、蓄電池を常時充電することは、蓄電池の自己放電を絶えず補い、非常時に所要電力を供給できるというメリットと同時に、格子腐食を加速して、蓄電池寿命を短くするというデメリットを生じるので、これら両者をうまくバランスさせて、蓄電池機能を最大限に発揮させるようにすることが蓄電池の長寿命化に対して重要である。
【０００５】
また、特に、鉛蓄電池の正極格子に実質上Ｓｂを含まない鉛合金を用いた蓄電池では、非常用予備電源あるいは電力貯蔵システム用途のように絶えず充電電位におかれるような使用条件では、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、蓄電池の放電頻度が高い場合にはその影響が大きい。
【０００６】
上記劣化要因を抑制する方法として充電時の充電電圧を充電状態によって変化させる多段充電制御方式が提案されている。すなわち、平衡電位＋８０ｍＶを超える高い電位を正極板に印加する時間を短くする程、正極格子の腐食および早期容量低下を抑制できることが明らかになり、第一段目の充電電圧は蓄電池の平衡電圧＋８０ｍＶ以上として速やかに満充電状態に至らしめ、ほぼ満充電に達した時点で、第二段目以降の充電電圧を平衡電位＋７０ｍＶ以下とする方式が提案されている。この方式は、蓄電池の寿命改善に効果はあるものの、第二段目以降の充電電圧を従来よりも低く抑えているため、電圧制御の精度が十分でない場合や、組蓄電池の電圧ばらつきが大きい場合には、充電電流が小さくなりすぎたり、場合によっては放電側に電流が流れたりしてしまうことがあり、充電不足を生じる問題を抱えている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決しようとする課題は、「従来の技術」の欄で説明したような問題が発生せず、微小電流で充電することによる正極格子の腐食抑制効果が確実に得られ、充電不足状態が発生せず、蓄電池の寿命性能改善に寄与する充電方法および充電装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題を解決するための手段として、請求項１によれば、蓄電池を定電圧で充電を行う充電方法において、充電開始後、所定の条件に到達した時点で充電回路内に抵抗を挿入することを特徴とするものである。
【０００９】
充電において、充電反応が進行している間は、充電電流は、ほぼ１００％その反応に消費されるので、比較的大きな電流で充電しても、正極格子の腐食の心配はない。したがって、その期間は、充電時間を短縮する意味でも比較的大きな電流が流れるように充電器が設定されている。そのような期間に微小電流を得るための抵抗を挿入しても意味がない。本発明の目的は、充電時にその電流が正極格子の腐食に使われるのを抑制するところにあり、充電量が所定値に到達し、充電電流が正極格子の腐食に使用され始めた時点で抵抗を挿入する必要があり、充電状態と共に変動する、充電時間、充電電流あるいは蓄電池電圧を看視し、これらの単独あるいは組み合わせで所定の値に到達した時点で抵抗を挿入するのが好ましい。また、充電量をアンペア・アワー計等で直接もとめ、所定の値になれば抵抗を挿入する方法もある。
【００１０】
まず、充電開始から所定の時間を経過した後に抵抗を挿入する方法が上げられる。電源システムの放電条件および充電特性を把握すれば、放電後、充電を開始して一定の時間経過した場合に蓄電池がどのような充電状態にあるか知ることが可能で、あらかじめ時間を設定し、その時間に到達した時点で抵抗を挿入すればよい。
【００１１】
次に、充電時の蓄電池の電圧が設定電圧に達した後に抵抗を挿入する方法が上げられる。
【００１２】
放電後の充電初期においては、蓄電池電圧は低いが、充電が進行するにしたがって上昇していき、充電器の設定電圧（定電圧）に到達した時点では、設定電圧条件および周囲温度によって、おおよその充電量を知ることが可能で、該蓄電池電圧を検出し抵抗を挿入すればよい。
【００１３】
さらに、充電時の蓄電池の電圧が設定電圧に達した後、所定の時間経過した時点で抵抗を挿入する方法があげられる。
【００１４】
蓄電池電圧が設定電圧に到達した時点で、蓄電池と充電器側の電圧とに差がなくなり、それ以降は充電電流が垂下し安定方向に向かうので、ある程度時間が経過した時点で抵抗を挿入すれば、より安定した微小電流が確保できる。
【００１５】
さらに、充電時の蓄電池の電圧が定電圧に達した後、充電電流が所定の電流値まで垂下した時点で抵抗の挿入する方法があげられる。
【００１６】
これも、前記と基本的に同じ考え方に基づいたものであるが、抵抗を挿入する時期を、蓄電池電圧が定電圧に到達した時点から充電電流が一定の値まで垂下した時点で抵抗の挿入を行うもので、充電条件および充電器の特性からその電流値をあらかじめ決めておき、その電流に到達した時点で抵抗を挿入すれば、その効果がより確実なものになる。
【００１７】
さらに、充電量が放電量の１００％以上になった時点で抵抗を挿入する方法があげられる。
【００１８】
充電が完了しない時点では、充電器側の電圧と蓄電池の電圧との間に差があり、電流変化も大きいが、充電量が１００％になると、蓄電池電圧は設定電圧に到達し、充電電流も垂下している。そのような時点で、抵抗を挿入すれば、安定した微小電流が得られる。充電量１００％は、蓄電池の放電量および充電量をアンペア・アワー計等で管理し、充電量と放電量との比率から求めることができる。
【００１９】
このように充電開始後、所定の条件下に到達した時点で、充電回路内に抵抗を挿入することにより、抵抗間に電位差が発生し、その分蓄電池に印加される充電電圧は充電装置の出力電圧よりも低く、充電装置の出力電圧が一定のままで蓄電池に印加される電圧を低くでき、微小の充電電流が安定して得られ、正極格子の腐食を抑制することができる。しかも、充電環境、例えば、温度変化に対する電流の変化も多段定電圧充電方式に比べるとその影響度が大幅に小さく、高温下でも安定した寿命性能が得られる。さらに、本方法では、蓄電池に印加される電圧が低くなっても、多段定電圧充電方式のように出力電圧が低くなり過ぎたときに電流が充電器側に流れてしまうという問題も生じない。
【００２０】
次に、挿入する抵抗は、蓄電池に印加される充電電圧が１セル当たり蓄電池の平衡電圧＋７０ｍＶ以下になるように抵抗値を選択する、もしくは変化させることが好ましい。
【００２１】
二段定電圧充電においても、二段目の充電電圧を平衡電圧＋７０ｍＶ以下にすることによって、充電電流が小さくなり、正極格子の腐食が抑制され、寿命性能の改善に寄与することを確認しているが、本発明では、請求項１に示したように、所定の条件下に到達したした時点で、抵抗を挿入する際に、該蓄電池に印加される充電電圧が、平衡電圧＋７０ｍＶ以下になるような抵抗値を有する抵抗を挿入するあるいは抵抗値を変えることによって微小充電電流が得られ寿命性能が大幅に改善される。
【００２２】
請求項２によれば、定電圧充電回路を備えると共に、充電開始後、所定の条件に到達した時点で充電回路に抵抗が挿入できるよう構成されたことを特徴とする充電装置であり、請求項１の発明が好適に実施できる。
【００２３】
なお、平衡電圧とは、厳密には満充電状態における起電力のことで、電解液の濃度や蓄電池温度に依存するが、例えば、鉛蓄電池においては、簡易的には蓄電池の電解液比重＋０．８４（Ｖ）から平衡電圧を求めることが可能で、実施例における鉛蓄電池において、その方法を適用している。
【００２４】
ここでの満充電状態とは、例えば、実施例の制御弁式鉛蓄電池では、ＪＩＳ規格Ｃ８７０２−１の６．１に記載の条件で充電された状態をいう。
【００２５】
また、ここでの正極格子に実質上Ｓｂを含まないとは、ＪＩＳ  Ｈ２１０５で規定される鉛地金の不純物として含有されるＳｂの基準量以下のことを言う。
【００２６】
【実施の形態】
本発明の実施の形態は、充電初期は従来と同様の定電圧充電器と蓄電池とを直接接続した状態で充電を行い、所定の条件に到達した時点で充電器と蓄電池との間に抵抗が挿入された回路に切り替えて充電を行うものである。
【００２７】
図１は、従来の蓄電池の充電回路の概略図、図２および図３は、本発明の実施例１ならびに２の充電回路の概略図で、１は蓄電池、２は充電器、３は抵抗、４１および４２はリレーをそれぞれ示す。
【００２８】
従来の方式を示す図１では、充電器の端子と蓄電池の端子が直接接続さているが、本発明の方式を示す図２では、充電初期は充電器の端子ａと蓄電池とが接続されており、所定の条件に到達した時点で、端子ｂに切り替え、抵抗が挿入された状態で充電される方式である。また、図３は、リレ−４１を介して充電器と蓄電池が接続されている充電初期の状態を示す。所定の条件に到達した時点で、リレー４１が開放になり、リレー４２が作動し、該リレーを介して抵抗が挿入された状態で充電される方式である。
【００２９】
【実施例】
本発明の効果を具体的に示すために実施例に基づいて以下に説明する。
【００３０】
Ｐｂ−０．０６質量％Ｃａ−１．５質量％Ｓｎ合金格子に鉛酸化物を主体とする正・負極用原料と希硫酸とを練膏して作製したペーストを充填した後、熟成・乾燥を行い、未化成正・負極板を作製した。該正・負極板を、微細ガラス繊維からなるセパレータを介して交互に積層して極板群を形成し、モノブロック電槽に挿入後、蓋を溶着して１２Ｖ−５Ａｈ（２０ｈＲ）の制御弁式（シール式）鉛蓄電池を１６個作製した。該蓄電池に所定の比重の希硫酸を注入して、電槽内で化成を行い、制御弁を装着して蓄電池を完成させた。これらの蓄電池を４個ずつＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４組に分け、Ａ、Ｂの２組は２５℃、Ｃ、Ｄの２組は５０℃の温度条件でトリクル寿命試験を行った。Ａ、Ｃは、セル当たり２．２７５Ｖの充電電圧（最大電流：１Ａ）で充電するのみの従来の充電方法および充電装置を適用し、Ｂ、Ｄは、本発明の充電方法および充電装置を適用したもので、充電電圧はＡ、Ｃと同じで、充電後、２４時間経過した時点で回路内に可変抵抗を挿入し、抵抗の両端において１．５６Ｖの電位差が発生するように、すなわち蓄電池に印加される電圧がセル当たり２．２１Ｖになるように抵抗値を調整した。この場合、蓄電池電圧の平衡電圧からの分極値はセル当たり約５０ｍＶとなる。また、抵抗の挿入は、図２に示すような２つの出力端子ａおよびｂを設けた充電器を用い、充電開始から２４時間目までは端子ａと蓄電池が接続され、２４時間目以降は端子ｂと蓄電池とが接続されるようにした。
【００３１】
１カ月毎に２５℃の環境下で放電電流１Ａ、終止電圧１．７Ｖ／セルの放電を行い、蓄電池の性能評価を行った。容量が初期の８０％以下になった時点を寿命とした。各組蓄電池での寿命試験結果を表１に示す。なお、寿命は、従来の蓄電池の容量が初期の８０％以上を維持した月数を２５℃の場合、５０℃の場合、それぞれ１００とした時の比率で表した。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
試験温度２５℃、５０℃、いずれの場合でも、本発明による充電方法および充電装置を用いた場合には、蓄電池に印加される電圧が下がり、充電電流が減少（表１には充電開始後２日目の値を示す）して寿命性能が向上した。特に５０℃で試験した場合、従来の方法では充電電流が大きく短寿命であったのに対し、本発明による方法では充電電流が従来品の約１／２に減少し、寿命性能が約８２％向上した。
【００３４】
以上説明したように、本充電方法および充電装置を適用することにより、蓄電池の寿命性能、特に高温における寿命性能が大幅に向上することがわかった。
【００３５】
なお、本実施例では回路内に抵抗を挿入する時期を充電開始から２４時間としたが、この挿入時期は、充電量が一定量確保され、蓄電池電圧あるいは充電電流が安定し始めた時点であればいつでもよく、充電電圧が定電圧に達した後、所定の時間経過した時点あるいは充電電流が所定の電流値まで垂下した時点、もしくは、充電量が１００％以上になった時点で回路内に抵抗を挿入すれば同様の効果が得られる。また、本実施例では回路内に抵抗を挿入する方法として、充電器に２つの出力端子を設け、回路の切り替えを充電器内で行った例を示したが、従来の充電器を用い、リレー等によって回路の切り替えを行っても良い。
【００３６】
実施例では、Ｐｂ−０．０６質量％Ｃａ−１．５質量％Ｓｎ合金格子を用いた鉛蓄電池について説明したが、該合金に限定されるものでなく、Ｐｂ−Ｃａ系合金、Ｐｂ−Ｓｎ系合金あるいはＰｂ−Ｓｂ系合金格子でも同様の効果が得られることを本願発明者は他の試験により確認している。
【００３７】
なお、本実施例では、制御弁式鉛蓄電池について説明したが、電解液が十分に存在する開放型液式鉛蓄電池についても同様の効果が得られるのはいうまでもない。
【００３８】
本願においては、鉛蓄電池を中心に説明したが、本発明は、絶えず定電圧方式で充電される条件で使用される蓄電池であれば、鉛蓄電池に限らず適用可能であることはいうまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
絶えず定電圧で充電される使用条件での、鉛蓄電池の劣化の主要因は正極格子の腐食である。それを抑制するために、多段定電圧充電方式を適用し、２段目以降の電圧を低くする方法が蓄電池の寿命性能改善に有効であるが、電圧制御の精度が十分でない場合や、組蓄電池の電圧ばらつきが大きい場合には、充電電流が小さくなりすぎたり、場合によっては放電側に電流が流れたりしてしまうことがあり、充電不足を生じることがあった。これに対して、本発明によれば、定電圧充電において、充電開始後、所定の条件に到達した時点で充電回路内に抵抗を挿入することによって、充電電流が微小の状態で安定して流れ、充電不足といった問題が発生せず、寿命性能の改善に寄与し、その工業的効果が大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の充電方法および充電装置を示す概略図。
【図２】本発明の実施例１の充電方法および充電装置を示す概略図。
【図３】本発明の実施例２の充電方法および充電装置を示す概略図。
【符号の説明】
１  蓄電池
２  充電器
３  抵抗
４１  リレー
４２  リレー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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