(57)【要約】【課題】多段定電流充電方式による鉛蓄電池の充電方法において、第１段目の充電電気量から類推した放電電気量を電池温度に応じて非直線的に補正した値によって最終段充電時間ｔｎを定めることにより、充電の過不足が生じない充電方法を提供する。【解決手段】多段定電流充電方式による鉛蓄電池の充電方法において、最終段の充電時間を、ｔｎ＝Ｋ×ｔ１＋ｔＴの式により求めた最終段充電時間ｔｎに設定する構成とする。ただし、Ｋは当該多段定電流充電方式に応じて定数となる放電量補正係数、ｔ１は第１段目の充電時間、ｔＴは鉛蓄電池の電池温度Ｔに対して折れ線的又は曲線的に対応する温度補正時間とする。【選択図】図２
2007214052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段定電流充電方式による鉛蓄電池の充電方法において、
多段定電流充電方式の最終段の充電時間を、次式により求めた最終段充電時間ｔｎに設定することを特徴とする鉛蓄電池の充電方法。
ｔｎ＝Ｋ×ｔ１＋ｔＴ
ただし、Ｋは当該多段定電流充電方式に応じて定数となる放電量補正係数、ｔ１は第１段目の充電時間、ｔＴは鉛蓄電池の電池温度Ｔに対して折れ線的又は曲線的に対応する温度補正時間とする。
【請求項２】
前記多段定電流充電方式の各段を切り換えるための切替電圧ＶＣを、鉛蓄電池の電池温度Ｔに対して折れ線的又は曲線的に対応する電圧に設定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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多段定電流充電方式による鉛蓄電池の充電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の多段定電流充電方式による鉛蓄電池の充電方法について説明する。多段定電流充電方式とは、２段以上の各段ごとに順次小さい充電電流に切り替えて定電流充電を繰り返すものであり、当初の大きな充電電流により迅速な充電を図り、段を切り換えるたびに徐々に充電電流を小さくすることにより確実に満充電に近づけるようにしたものである。なお、ここでは、説明を簡単にするために、多段定電流充電方式の段数ｎを３段とした場合を示す。
【０００３】
この多段定電流充電方式では、各段の充電電流を第１段充電電流Ｉ１、第２段充電電流Ｉ２及び最終段充電電流Ｉｎとして予め設定している。この際、これらの充電電流Ｉ１〜Ｉｎは、Ｉ１＞Ｉ２＞…＞Ｉｎの関係となるように定められる。
【０００４】
第１段目の定電流充電では、図１の工程Ｐ１に示すように、鉛蓄電池の端子電圧Ｖが切替電圧ＶＣに達するまで、一定の第１段充電電流Ｉ１を供給し続ける。鉛蓄電池の端子電圧Ｖは、第１段の充電が終了間近になると、上昇の傾度が大きくなって切替電圧ＶＣに達する。そして、このときまでの第１段充電時間ｔ１の経過時に第１段目の定電流充電を終了する。
【０００５】
上記第１段目の定電流充電では、大きな第１段充電電流Ｉ１を供給することにより迅速な充電を行うことができるが、この第１段目の充電が終了しただけでは、鉛蓄電池が十分な満充電にはならないので、第１段目が終了すると、引き続いて第２段目の定電流充電が行われる。
【０００６】
第２段目の定電流充電では、工程Ｐ２に示すように、鉛蓄電池のセルの端子電圧Ｖが切替電圧ＶＣに達するまで、第１段充電電流Ｉ１よりも小さい一定の第２段充電電流Ｉ２を供給し続ける。鉛蓄電池の端子電圧Ｖは、工程Ｐ２の初期には一旦少し低下するが、充電の進行に伴って上昇に転じ、端子電圧Ｖが切替電圧ＶＣに達した第２段充電時間ｔ２の経過時に第２段目の定電流充電を終了する。
【０００７】
上記第２段目の定電流充電は、ある程度満充電に近付いた鉛蓄電池に第１段充電電流Ｉ１よりも小さい第２段充電電流Ｉ２を供給することにより、この鉛蓄電池をさらに満充電に近づけるものである。従って、４段以上の多段定電流充電方式では、最終段の前段まで、充電電流を順に小さくしながら、この第２段目と同様の定電流充電を繰り返す。
【０００８】
最終段（第３段目）の定電流充電では、工程Ｐｎに示すように、鉛蓄電池に第２段充電電流Ｉ２よりも小さい一定の最終段充電電流Ｉｎを最終段充電時間ｔｎだけ供給する。従って、この最終段では、鉛蓄電池の端子電圧Ｖにはかかわりなく、事前に設定された最終段充電時間ｔｎを計時して充電を完了する。この最終段充電時間ｔｎは、従来は、予め定めた一定時間を設定したり（例えば、特許文献１参照。）、鉛蓄電池の充電前の放電電気量を計測しておき、この放電電気量と最終段の前段までの充電電気量との差から最終段充電電流Ｉｎを除算した時間を設定していた。
【０００９】
また、上記各段を切り換える際の切替電圧ＶＣは、鉛蓄電池の電池温度Ｔを測定して、この電池温度Ｔに対して直線的に対応する電圧、即ち電池温度Ｔをパラメータとした一次式によって算出した電圧に設定していた。
【００１０】
ところが、多段定電流充電方式の最終段充電時間ｔｎを、予め定めた一定時間とした場合には、この多段定電流充電を開始する前の放電の深さに応じて、充電不足が生じたり過充電が発生するという問題があった。
【００１１】
また、鉛蓄電池の放電電気量は、放電だけが行われる場合には、放電電流を時間積分するだけでほぼ正確に計測できるが、この間に回生充電が行われると、回生電流が比較的大きく変動も激しいために、回生充電効率が大きく変化して、正確な放電電気量の計測を行うことができないようになる。このため、電気自動車等のように回生充電が行われる用途で用いられる鉛蓄電池では、放電電気量の計測に基づいて多段定電流充電方式の最終段充電時間ｔｎを設定すると、この放電電気量の計測誤差が大きいために、充電不足が生じたり過充電が発生することが多くなるという問題があった。
【００１２】
さらに、鉛蓄電池の充電受け入れ性は、電池温度が低くなるほど急激に低下するので、各段の切替電圧ＶＣを電池温度に対して直線的に対応する電圧に設定したのでは、鉛蓄電池の充電に必要以上の時間を要したり、充電が最終段に達する前に過充電になる場合があるという問題も発生していた。
【特許文献１】特開２０００−２４３４５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、多段定電流充電方式による鉛蓄電池の充電方法において、第１段目の充電電気量から類推した放電電気量に応じた値と、電池温度に応じて非直線的に補正した値とによって最終段充電時間ｔｎを定めることにより、充電の過不足が生じない充電方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の発明は、多段定電流充電方式による鉛蓄電池の充電方法において、多段定電流充電方式の最終段の充電時間を、次式により求めた最終段充電時間ｔｎに設定することを特徴とする。
ｔｎ＝Ｋ×ｔ１＋ｔＴ
ただし、Ｋは当該多段定電流充電方式に応じて定数となる放電量補正係数、ｔ１は第１段目の充電時間、ｔＴは鉛蓄電池の電池温度Ｔに対して折れ線的又は曲線的に対応する温度補正時間とする。
【００１５】
請求項２の発明は、前記多段定電流充電方式の各段を切り換えるための切替電圧ＶＣを、鉛蓄電池の電池温度Ｔに対して折れ線的又は曲線的に対応する電圧に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、第１段目の充電電気量（第１段充電電流Ｉ１×第１段充電時間ｔ１）に応じた充電時間を、電池温度Ｔに対して折れ線的又は曲線的に対応する温度補正時間ｔＴで加減して最終段充電時間ｔｎを定めるので、充電開始前の鉛蓄電池の放電深さに応じ、かつ、鉛蓄電池の非直線的な温度特性に正確に対応することができ、充電の過不足を確実になくすことができるようになる。
【００１７】
なお、請求項１の式では、第１段充電時間ｔ１を用いたが、これに第１段充電電流Ｉ１を乗じれば第１段目の充電電気量となり、第１段充電電流Ｉ１や最終段充電電流Ｉｎは予め定められた一定値である。従って、この第１段目の充電電気量から最終段の充電電気量を求めて、これを最終段充電電流Ｉｎで除して最終段充電時間ｔｎを算出する式も、請求項１の式と等価である。
【００１８】
請求項２の発明によれば、多段定電流充電方式の各段の切替電圧ＶＣを電池温度Ｔに対して折れ線的又は曲線的に対応する電圧値に定めるので、鉛蓄電池の非直線的な温度特性に正確に対応することができ、より最適な多段定電流充電方式による充電を行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の最良の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
【００２０】
本実施形態も、従来例と同様に、多段定電流充電方式の段数ｎを３段とした場合を示すが、第２段目を複数段に分割することにより、４段以上の多段定電流充電方式にも同様に実施可能である。
【００２１】
本実施形態の多段定電流充電方式においても、第１段充電電流Ｉ１と第２段充電電流Ｉ２と最終段充電電流Ｉｎを、Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉｎの関係となるようにして予め定めている。ここで、第１段充電電流Ｉ１は、０．１５〜０．３ＣＡであることが好ましい。また、各段の充電電流Ｉ１〜Ｉｎは、前段の３／５以下となることが好ましい。さらに、最終段充電電流Ｉｎは、０．０２５〜０．０５ＣＡであることが好ましい。
【００２２】
この多段定電流充電方式の第１段目と第２段目は、従来例と同様に行われる。従って、第１段目では、図１の工程Ｐ１に示すように、一定の第１段充電電流Ｉ１により、鉛蓄電池の端子電圧Ｖが切替電圧ＶＣに達するまで定電流充電が行われ、このときの充電時間が第１段充電時間ｔ１となる。また、第２段目では、工程Ｐ２に示すように、第１段充電電流Ｉ１よりも小さい一定の第２段充電電流Ｉ２により、鉛蓄電池の端子電圧Ｖが切替電圧ＶＣに達するまで定電流充電が行われ、このときの充電時間が第２段充電時間ｔ２となる。
【００２３】
最終段（第３段目）の定電流充電では、工程Ｐｎに示すように、鉛蓄電池に第２段充電電流Ｉ２よりも小さい一定の最終段充電電流Ｉｎを最終段充電時間ｔｎだけ供給する。従って、この最終段では、鉛蓄電池の端子電圧Ｖにはかかわりなく、事前に設定された最終段充電時間ｔｎを計時して充電を完了する。
【００２４】
本実施形態の多段定電流充電方式では、上記最終段充電時間ｔｎを次の式１により求める。
【００２５】
ｔｎ＝Ｋ×ｔ１＋ｔＴ…（式１）
Ｋ：放電量補正係数
ｔＴ：温度補正時間
【００２６】
式１における第１段充電時間ｔ１に第１段充電電流Ｉ１を乗じると第１段目の充電電気量となり、この第１段目の充電電気量は、充電前の放電電気量にほぼ比例した値となることが知られている。また、最終段の充電電気量も、充電前の放電電気量、即ち放電深さに比例した値とすることで、常温付近においては、鉛蓄電池を確実に満充電にできることが知られている。従って、最終段の充電電気量を最終段充電電流Ｉｎで除した最終段充電時間ｔｎは、第１段充電時間ｔ１に定数である放電量補正係数Ｋを乗じることにより算出することができる。
【００２７】
上記放電量補正係数Ｋは、ｎ−１段目の第ｎ−１段充電電流Ｉｎ−１に依存する定数である。なぜなら、第ｎ−１段充電電流Ｉｎ−１が小さい方が、最終段の直前に、より満充電近くまで充電されるからであり、この第ｎ−１段充電電流Ｉｎ−１が小さいほど放電量補正係数Ｋが小さくなる。このため、まず第ｎ−１段充電電流Ｉｎ−１に依存する補正係数Ｋｎを次の式２によって求める。
【００２８】
Ｋｎ＝０．０１×Ｉｎ−１＋０．１５…（式２）
【００２９】
式２における「０．０１」や「０．１５」の定数係数は、鉛蓄電池のタイプ、第１段充電電流Ｉ１や最終段充電電流Ｉｎの大きさ、及び、各段の充電電流Ｉ１〜Ｉｎの低減率等に応じて、実験等で求めた値の例であり、Ｋｎが第ｎ−１段充電電流Ｉｎ−１の大小に対して直線的に対応するものとしている。ただし、これらの定数係数は、実際の鉛蓄電池や充電機器に応じて適宜最適な値に設定することができ、第ｎ−１段充電電流Ｉｎ−１とＫｎとの関係も、必ずしも直線的に対応させる必要はない。
【００３０】
また、第１段充電時間ｔ１は、第１段目の充電電気量を第１段充電電流Ｉ１で除した時間であり、最終段充電時間ｔｎは、最終段の充電電気量を最終段充電電流Ｉｎで除した時間であるため、これら第１段充電時間ｔ１と最終段充電時間ｔｎとの比例定数となる放電量補正係数Ｋは、第１段充電電流Ｉ１と最終段充電電流Ｉｎの比の項を有する必要がある。従って、放電量補正係数Ｋは、上記補正係数Ｋｎを用いて次の式３によって求めることができる。
【００３１】
Ｋ＝Ｋｎ×（Ｉ１÷Ｉｎ）…（式３）
【００３２】
ただし、鉛蓄電池の充電受け入れ性は、電池温度Ｔの高低によって大きく異なるので、上記放電量補正係数Ｋを第１段充電時間ｔ１に乗じただけでは、鉛蓄電池を常に一定の電池温度Ｔに保った状態で充電しない限り、最適な最終段充電時間ｔｎを算出することはできない。そこで、式１に示したように、最終段充電時間ｔｎは、放電量補正係数Ｋを第１段充電時間ｔ１に乗じた時間に温度補正時間ｔＴを加算して算出する。
【００３３】
放電量補正係数Ｋを第１段充電時間ｔ１に乗じただけで算出した最終段の充電時間は、鉛蓄電池の電池温度Ｔが或る基準温度である場合の最終段充電時間ｔｎと考えることができる。そして、鉛蓄電池は、電池温度Ｔが低いほど充電受け入れ性が低下するので、実際の電池温度Ｔが基準温度より低い場合には、温度補正時間ｔＴを正の値として最終段の充電時間に加算し、この電池温度Ｔが基準温度より高い場合には、温度補正時間ｔＴを負の値として最終段の充電時間から減算する必要がある。また、鉛蓄電池は、電池温度Ｔが低くなるほど充電受け入れ性が急激に低下する非直線的な温度特性を有するので、温度補正時間ｔＴを、電池温度Ｔに対して直線的に対応する時間としたのでは、即ち、次の式４のような一次式で近似したのでは、正確な温度補正を行うことができない。
【００３４】
ｔＴ＝ａ×Ｔ＋ｂ…（式４）
ａ，ｂ：定数係数
【００３５】
そこで、本実施形態では、表１に示すようなマップを用いて温度補正時間ｔＴを求める。
【００３６】
【表１】
2007214052.tif 000003
【００３７】
表１では、例えば最終段充電電流Ｉｎを３Ａとすると、電池温度Ｔが０℃の場合には温度補正時間ｔＴが２時間（＝６／３）となり、２５℃の場合には０．５時間（＝１．５／３）となり、４５℃以上の場合には０時間となる。そして、測定した電池温度Ｔが０℃≦Ｔ＜２５℃である場合には、次の式５によってマップ間を一次式で近似して温度補正時間ｔＴを算出し、２５℃≦Ｔ＜４５℃である場合には、次の式６によってマップ間を一次式で近似して温度補正時間ｔＴを算出し、４５℃≦Ｔである場合には、温度補正時間ｔＴを０とする。
【００３８】
ｔＴ＝−０．０６Ｔ＋２…（式５）
ｔＴ＝−０．０２５Ｔ＋１．１２５…（式６）
【００３９】
また、本実施形態では、電池温度Ｔが０℃未満である場合には充電受け入れ性が著しく低下し、５０℃を超えた場合には鉛蓄電池の劣化が激しくなるので、充電を中止するように制御している。なお、本実施形態では、この温度条件において最も充電受け入れ性が高い４５以上、５０℃以下の温度を上記基準温度として考え、電池温度Ｔがこの温度範囲内である場合の温度補正時間ｔＴを０としているので、この温度補正時間ｔＴが負の値になることはなく、最終段充電時間ｔｎが減算される場合はない。
【００４０】
上記のようなマップを用いる方法は、図２の太実線に示すように、温度補正時間ｔＴを鉛蓄電池の電池温度Ｔに対して折れ線的に対応させたものである。実際の鉛蓄電池の温度特性を考慮すると、この図２の破線に示すように、温度が低くなるほど急激に温度補正時間ｔＴが長くなるような曲線とすることが望ましいので、これらの電池温度Ｔと温度補正時間ｔＴとを、単一の一次式で近似して直線的に対応させたのでは、誤差が大きくなりすぎて十分な温度補正ができない。このため、本実施形態では、本来の温度特性の曲線を折れ線で近似することにより、誤差を少なくして正確な温度補正を行うようにしている。
【００４１】
本実施形態では、各段を切り換えるための切替電圧ＶＣも、上記と同様のマップを用いて、鉛蓄電池の電池温度Ｔに対して折れ線的に対応させた電圧に設定している。そして、この切替電圧ＶＣも、鉛蓄電池の電池温度Ｔに対して直線的に対応する温度に設定したのでは、実際の特性との誤差が大きくなりすぎる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態の鉛蓄電池の充電方法では、充電前の放電電気量にほぼ比例する第１段目の充電電気量（第１段充電電流Ｉ１×第１段充電時間ｔ１）に基づいて最終段充電時間ｔｎを算出するので、充電前の放電深さに応じた充電が行えるだけでなく、回生充電が行われている場合にも、充電の過不足が生じるようなことがなくなる。また、この最終段充電時間ｔｎは、電池温度Ｔに対して折れ線的に対応する温度補正時間ｔＴで加減して温度補正を行うので、鉛蓄電池の非直線的な温度特性に正確に対応した充電を行うことができるようになる。さらに、切替電圧ＶＣも、電池温度Ｔに対して折れ線的に対応する電圧に設定するので、鉛蓄電池の非直線的な温度特性に対応した最適な充電を行うことができるようになる。
【００４３】
なお、上記実施形態では、０℃と２５℃と４５℃の３点の電池温度Ｔに対応する温度補正時間ｔＴを定めたマップを用いる例を示したが、４点以上の電池温度Ｔに対応する温度補正時間ｔＴを定めることもでき、これによりさらに実際の特性に則した温度補正を行うことができる。また、上記実施形態では、電池温度Ｔが０℃未満と５０℃を超えた場合に、充電を中止することとしたが、これらの場合にも式５や式６とは別の一次式を用いて温度補正時間ｔＴを定めるようにすることができる。さらに、マップでは電池温度Ｔが２５℃である場合の温度補正時間ｔＴのみを定め、測定した電池温度Ｔの高低により式５と式６を使い分けるようにすることもできる。即ち、折れ線的に対応するとは、電池温度Ｔと温度補正時間ｔＴとの関係を示すグラフが、少なくとも隣接するもの同士で傾度の異なる２本以上の直線を繋げた折れ線グラフになる場合をいう。
【００４４】
また、上記実施形態では、電池温度Ｔがマップに定めた温度以外であった場合に、このマップ間を一次式である式５や式６で直線的に近似する場合を示したが、マップに定める温度を十分に多くして、マップ間の電池温度Ｔは四捨五入や切り捨て等の丸め処理により、予め定められたいずれかの温度で代表させるようにすることもできる。この場合も、電池温度Ｔと温度補正時間ｔＴとの関係を示すグラフは、水平線と垂直線のみが交互に繋がった折れ線グラフとなり、折れ線的に対応することになる。
【００４５】
例えば、本実施形態の充電方法をマイクロコンピュータのプログラムによって実行する場合、上記マップは、配列等としてメモリ上に格納することができるが、マップに定める温度が少ない場合には、これらの温度と測定した電池温度Ｔとの比較による分岐処理のルーチンを並べることにより実装することもできる。本実施形態の場合であれば、電池温度Ｔが０℃以上で５０℃以下であると判断した後に、２５℃と比較して、２５℃未満であった場合には式５を実行し、２５℃以上であった場合には、さらに４５℃と比較し、４５℃未満であった場合には式６を実行し、４５℃以上であった場合には温度補正時間ｔＴに０を代入するようにしたルーチンを用いて温度補正時間ｔＴを設定する処理を行えばよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、電池温度Ｔがマップに定めた温度以外であった場合に、このマップ間を一次式で直線的に近似する場合を示したが、このマップ間は二次以上の式で曲線的に近似して、より実際の特性に近づけることもできる。さらに、マップは利用せずに、電池温度Ｔと温度補正時間ｔＴとの関係を直接二次以上の式で曲線的に対応させるようにすることもできる。例えばマップに何点かの温度を定める代わりに、これらの点をなめらかに繋ぐスプライン曲線を示す式を生成して、この式を用いて電池温度Ｔに対し曲線的に対応する温度補正時間ｔＴを算出するようにしてもよい。即ち、これは、マップ間をそれぞれ独立した二次以上の式で曲線的に近似する代わりに、スプライン曲線やベジェ曲線等の二次以上の式を用いて、１本の曲線により実際の特性曲線に近似させるものである。
【００４７】
また、上記で示した電池温度Ｔと温度補正時間ｔＴの折れ線的又は曲線的な対応関係は、電池温度Ｔと切替電圧ＶＣとの対応関係についても同様に実施可能である。
【００４８】
また、上記実施形態では、放電量補正係数Ｋが第１段充電電流Ｉ１と第ｎ−１段充電電流Ｉｎ−１と最終段充電電流Ｉｎとに応じて定まる場合を示したが、より適切な補正が行われるように、例えば多段定電流充電方式の段数に応じた要素を加味することもでき、実際に実施する多段定電流充電方式に応じて定まる定数であれば、算出方法は任意である。
【実施例１】
【００４９】
６０Ａｈ／３ＨＲの制御弁式鉛蓄電池について、２５℃の温度環境で、上記実施形態に示した３段定電流充電方式による充電方法を用い、放電深さが初期容量の８０％となる実車シミュレートパターン寿命試験を行った。この３段定電流充電方式は、第１段充電電流Ｉ１を９Ａ、第２段充電電流Ｉ２を５Ａ、最終段充電電流Ｉｎを３Ａとした。従って、段数ｎは３となり、第ｎ−１段充電電流Ｉｎ−１は５Ａとなるため、式２により、補正係数Ｋｎは０．２となり、式３により、放電量補正係数Ｋは０．６となる。また、切替電圧ＶＣは、１４．１Ｖとした。
【００５０】
上記鉛蓄電池は、従来の充電方法を用いた寿命試験では約６００サイクルであったが、本実施形態の充電方法を用いた寿命試験では１１５０サイクルまで達し、寿命性能が２倍近くまで向上することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】多段定電流充電方式における各段の工程を示すタイムチャートである。
【図２】電池温度と温度補正時間との関係を示す折れ線グラフである。
【符号の説明】
【００５２】
ｔ１  第１段充電時間
ｔｎ  最終段充電時間
Ｉ１  第１段充電電流
Ｉｎ  最終段充電電流
ｔＴ  温度補正時間
ＶＣ  切替電圧
【図１】
2007214052.tif 000004
【図２】
2007214052.tif 000005