(57)【要約】【課題】充電不足や長期放置での鉛蓄電池のサルフェ−ションとこれによる容量劣化を抑制すること。【解決手段】鉛蓄電池を放電する放電手段と、放電における電荷を蓄積する蓄電デバイスと、蓄電デバイスに蓄積された電荷を用いて鉛蓄電池を充電する充電手段と、放電と充電とを繰り返して行うよう制御する制御手段とを備えた鉛蓄電池の劣化抑制装置を示す。充放電を繰り返し行うことにより、充電を単独、あるいは放電を単独に行った場合に比較して、顕著に鉛蓄電池活物質のサルフェーションとこれによる容量劣化を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛蓄電池を放電してその放電電荷を蓄電デバイスに蓄電し、前記蓄電デバイスに蓄電した電荷で前記鉛蓄電池を充電することにより、前記鉛蓄電池に放電と充電とを繰り返して行う鉛蓄電池の劣化抑制方法。
【請求項２】
鉛蓄電池を放電する放電手段と、前記放電における電荷を蓄積する蓄電デバイスと、前記蓄電デバイスに蓄積された電荷を用いて前記鉛蓄電池を充電する充電手段と、前記放電と充電とを繰り返して行うよう制御する制御手段とを備えた鉛蓄電池の劣化抑制装置。
【請求項３】
請求項２の鉛蓄電池の劣化抑制装置を備えた鉛蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両のエンジン始動用やバッテリフォークリフト等に用いられる鉛蓄電池の劣化抑制方法と劣化抑制装置およびこの劣化抑制装置を備えた鉛蓄電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用蓄電池をはじめとするエンジン始動用蓄電池あるいはバッテリフォークリフトの電源として、主に鉛蓄電池が使用されている。鉛蓄電池は長期間放置すると、負極の活物質中に粗大な粗大な硫酸鉛の結晶が蓄積する、いわゆるサルフェ−ションが進行する。
【０００３】
サルフェ−ションによって生じた粗大な硫酸鉛結晶は、通常の放電によって生じる硫酸鉛よりも溶解性が大幅に低下する。その結果、鉛蓄電池の充電受入性が低下し、容量が回復しにくくなり早期に寿命となることがある。このようなサルフェ−ションを抑制あるいはサルフェーションから回復させる方法として、パルス放電を行い粗大な硫酸鉛結晶を溶解させ易くすることが示されている。
【０００４】
特許文献１で示された非伝導性結晶皮膜除去装置においては、その明細書および図面の記載から、鉛蓄電池が車両に接続され、車両の充電系統から鉛蓄電池が充電されている間に鉛蓄電池をパルス放電することが示されていると考えられる。
【０００５】
したがって、車両の充電系統が動作している間、すなわち車両が運行されている間のみにパルス放電が行われる。したがって、車両が運行されずに長期間放置される場合、あるいは鉛蓄電池が車両に搭載されない状態で長期間放置される場合については、パルス放電が行われないため、その効果は限定的である。
【０００６】
また、パルス放電で消費される電力は再利用されないため、車両の充電系統から見れば充電効率を低下させるという要因になっていた。
【特許文献１】特開２００３−１６３００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、鉛蓄電池を長期間放置した場合においても、サルフェーションとこれによる電池の性能低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、鉛蓄電池を放電してその放電電荷を蓄電デバイスに蓄電し、前記蓄電デバイスに蓄電した電荷で前記鉛蓄電池を充電することにより、前記鉛蓄電池に放電と充電とを繰り返して行う鉛蓄電池の劣化抑制方法を示すものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る発明は、鉛蓄電池を放電する放電手段と、放電における電荷を蓄積する蓄電デバイスと、前記蓄電デバイスに蓄積された電荷を用いて前記鉛蓄電池を充電する充電手段と、前記放電と充電とを繰り返して行うよう制御する制御手段とを備えた鉛蓄電池の劣化抑制装置を示すものである。
【００１０】
さらに、本発明の請求項３に係る発明は、請求項２の鉛蓄電池の劣化抑制装置を備えた鉛蓄電池を示すものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、上記の構成を有することにより、鉛蓄電池を放電した際の放電電荷を蓄電デバイスに蓄電し、この蓄電された電荷で鉛蓄電池を充電することが可能となる。したがって、鉛蓄電池が充電されずに長期間放置された場合においても、鉛蓄電池を放電と充電とを加えることが可能となる。また、放電単独ではなく、放電と充電とをパルス状に繰り返して行うことにより、長期放置中での鉛蓄電池のサルフェーションの進行を顕著に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の鉛蓄電池の劣化抑制装置では、鉛蓄電池を放電してその放電電荷を蓄電デバイスに蓄電し、この前記蓄電デバイスに蓄電した電荷で鉛蓄電池を充電することにより、鉛蓄電池に放電と充電とを繰り返して行う。
【００１３】
本発明の鉛蓄電池の劣化抑制装置１の構成例を図１に示す。劣化抑制装置１に設けた放電スイッチを制御手段９によりＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦ動作させ、鉛蓄電池２を放電する。その際、鉛蓄電池２はキャパシタやコンデンサ等の蓄電デバイス６を充電することにより、自身は放電させる。なお、放電スイッチ３とこの開閉制御を行う制御手段９および蓄電デバイス６は請求項２における放電手段に対応する。
【００１４】
鉛蓄電池２を放電した際の電荷はキャパシタやコンデンサ等の蓄電デバイス６に蓄電されるが、放電スイッチ３がＯＦＦ状態である間、鉛蓄電池２から蓄電デバイス６へ流れる電流が過大とならないよう、鉛蓄電池２と蓄電デバイス６間に電流制限抵抗５等の電流を制御する手段を設ける。
【００１５】
鉛蓄電池２の放電が終了した後、充電スイッチ４を制御手段９によりＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦ動作させ、蓄電デバイス６に蓄電された電荷により、鉛蓄電池２を充電する。なお、充電スイッチ４とこの開閉制御を行う制御手段および蓄電デバイス６は請求項２における充電手段に対応する。
【００１６】
図１に示した例では、充電スイッチ４がＯＦＦ−ＯＮ−ＯＦＦ動作することにより、蓄電デバイス６から電流制限抵抗５を介して、昇圧トランス７の一次側巻線にパルス状に電流が供給され、その結果、昇圧トランス７の２次側巻線に昇圧された電圧パルスが発生する。この電圧パルスが逆流防止ダイオード８を通り、鉛蓄電池２が充電されることとなる。
【００１７】
本発明では、放電スイッチ３および充電スイッチ４のＯＦＦ−ＯＮ−ＯＦＦの一連の動作を交互に繰り返して行うことにより、鉛蓄電池を図２に示したようなパルス状の放電と充電を行う。
【００１８】
パルス状の放電を行うことによって、鉛蓄電池２の活物質内に比較的微細な硫酸鉛結晶を生成させ、さらにパルス状の充電を行うことによって、正極活物質においては微細な２酸化鉛結晶、負極活物質においては微細な鉛結晶を生成する。その結果、粗大な硫酸鉛結晶が極板表面を覆う、サルフェーションを抑制する。
【００１９】
なお、放電において微細な硫酸鉛結晶を生成するよう、放電率は例えば０．１ＣＡ程度以上とすることが好ましい。例えば、０．００１ＣＡ等の極めて低率の放電では、体積あたりに生成する結晶核数も少ない。結晶核数が少ない場合、この結晶核から成長する硫酸鉛結晶はより大きく成長し、粗大化するため好ましくない。
【００２０】
一方、ある程度以上の放電率で放電することにより、放電時での活物質近傍での硫酸鉛の過飽和度がより高くなり、体積あたりに生成する結晶核数はより多くなる。その結果、硫酸鉛結晶成長の過程において、隣接する硫酸鉛結晶と比較的早期に衝突し、結晶成長が阻害されるため、硫酸鉛結晶の粗大化が抑制されると考えられる。
【００２１】
一方、充電においても、例えば０．１ＣＡ程度以上の充電率で充電することにより、活物質（正極においては２酸化鉛、負極においては鉛）の結晶核数がより多く生成される。そして、この充電と放電とを繰り返して行うことにより、粗大な硫酸鉛結晶の形成が抑制され、また活物質の結晶核も多数確保されるため、放置期間中の鉛蓄電池の充電受け入れ性低下を抑制できると推測される。
【００２２】
さらに、放電時の放電電流（放電率）および充電時の充電電流（充電率）の下限値は、鉛蓄電池設計によって異なる場合がある。例えば、高率放電に対応するために薄型極板を採用した電池と、低率放電における寿命を考慮し、極板厚みをより厚く設定した電池では、その下限値は異なる。
【００２３】
例えば、同じ放電率で放電した場合、薄型極板を採用した電池では、より厚い極板を採用した電池に比較して、極板周囲の硫酸鉛の過飽和度はより低くなる傾向にある。これにより、硫酸鉛の結晶核数がより少なくなる。したがって、放電時および充電時の電流については、予め電池別に評価を行い、本発明の効果が得られる範囲に設定すべきである。
【００２４】
放電スイッチ３および充電スイッチ４として、ＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子を用いることができる。制御手段９は放電スイッチ３および充電スイッチ４のＯＮ時間およびＯＦＦ時間を制御することにより、放電時間、充電時間および放電−充電の周期を制御する。放電時間（Ｔｄ）および充電時間（Ｔｃ）に関しては、蓄電デバイス６の容量にもよるが、１００μｓ〜１０ｍｓ程度に設定することができる。
【００２５】
放電−充電動作は、鉛蓄電池２を放置している間に連続して行うことができる。この場合、制御手段９により鉛蓄電池２の電池電圧計測により、鉛蓄電池２が外部機器により充電されていないことを検知後に放電−充電を行えばよい。また、放置期間中に常時放電−充電を行う場合、放電電気量＞充電電気量であるため鉛蓄電池２の残存容量低下が進行する。
【００２６】
したがって、放置初期の鉛蓄電池のＳＯＣ（充電状態）が高く、自己放電が殆ど進行せず、劣化が進行していない状況では劣化抑制装置１での放電−充電操作を停止することができる。例えば、鉛蓄電池２の開路電圧を計測し、ある程度まで自己放電が進行することによって、サルフェーションが進行し、開路電圧が所定の電圧まで低下した時点で放電−充電操作を行うよう制御手段９により制御してもよい。また、鉛蓄電池が過放電されないよう、電池電圧がさらに低下した場合には、制御手段９により放電−充電操作を停止してもよい。また、放電−充電の周期を長くして、劣化抑制装置１による放電電気量を減少させてもよい。
【００２７】
なお、本発明の劣化抑制装置１は鉛蓄電池２と別体としてもよいが、鉛蓄電池の外装の一部に装着して鉛蓄電池と劣化抑制装置とを一体とすることもできる。
【実施例】
【００２８】
（本発明例）
本発明による劣化抑制装置１を５５Ｄ２３形の始動用鉛蓄電池（公称電圧１２Ｖ、５時間率定格容量４８Ａｈ）に接続した状態で４０℃雰囲気下で１ヶ月間放置後、補充電（１４．０Ｖ定電圧、最大充電電流２５Ａ、充電時間２４時間）を行った。なお、電池は、５時間率放電によりＳＯＣを５０％の状態に調整した上で劣化抑制装置１に接続した。
【００２９】
実施例中、劣化抑制装置１の放電および充電の仕様は以下の通りとした。
【００３０】
すなわち、図２における放電−充電パターンにおいて、放電電流Ｉｄ＝１０Ａ、放電時間Ｔｄ＝１００μｓ、放電終了から充電開始までの時間Ｔｌ＝６０μｓ、充電電流Ｉｃ＝８Ａ、充電時間Ｔｃ＝１００μｓ、周期Ｔｆ＝１００ｍｓとした。
【００３１】
なお、放電スイッチ３と充電スイッチ４には、高速で動作しＯＮ−ＯＦＦ動作時の損失が少ないＭＯＳ−ＦＥＴを、電流制限抵抗５には１．２Ω、蓄電デバイス６には１６Ｖ５００μＦの電解コンデンサを使用した。また、昇圧トランス７の昇圧比は１．５のものを用いた。
【００３２】
なお、劣化抑制装置１によって電池が過放電にならないよう電池電圧が１２Ｖ以下では劣化抑制装置１が動作しないように設定した。また、本実施例において、劣化抑制装置１による電池の平均放電電流は４ｍＡであった。
【００３３】
（比較例１）
本発明例で用いたものと同仕様の始動用鉛蓄電池を開路状態を保持したまま、４０℃雰囲気下で１ヶ月間放置後、補充電（１４．０Ｖ定電圧、最大充電電流２５Ａ、充電時間２４時間）を行った。なお、本発明例と同様、放置に先立って鉛蓄電池を５時間率放電により、ＳＯＣを５０％に調整した。
【００３４】
（比較例２）
比較例２は本発明例において、劣化抑制装置１の動作を放電のみとし、充電の部分を充電も放電も行わない、単なる放置に置換したものである。この場合、蓄電デバイス６の電荷は蓄電デバイス６は別途並列接続した放電用抵抗（図示せず）によって放電される。なお、用いた電池は、本発明例および比較例１と同仕様であり、放置前に５時間率放電により、ＳＯＣを５０％に調整後、上記の通り動作変更した劣化抑制装置１を接続した。この状態で鉛蓄電池を４０℃雰囲気下で１ヶ月間放置後、補充電（１４．０Ｖ定電圧、最大充電電流２５Ａ、充電時間２４時間）を行った。
【００３５】
（比較例３）
比較例３は、本発明例の劣化抑制装置１における放電−充電パターンから放電を除いたパターンとしたものである。比較例３では、本発明例１、比較例２とは異なり、別途設けた外部電源を用いて電池を充電する。なお、用いた電池は、本発明例、比較例１および比較例２のものと同仕様であり、放置前に５時間率放電により、ＳＯＣを５０％に調整後、外部電源を用いて、前記した充電を行う。この状態で鉛蓄電池を４０℃雰囲気下で１ヶ月間放置後、補充電（１４．０Ｖ定電圧、最大充電電流２５Ａ、充電時間２４時間）を行った。
【００３６】
上記した本発明例、比較例１、比較例２および比較例３についてはそれぞれｎ＝２で行い、補充電終了後、それぞれに使用した電池の２個中の１個は、５時間率容量を計測した。また、残りの１個の電池は解体し、負極活物質中の硫酸鉛量を定量した。
【００３７】
上記した本発明例、比較例１、比較例２および比較例３に使用した電池の放置後の５時間率放電容量は、本発明例（本発明例の劣化抑制装置を接続した）では４７Ａｈ（定格容量の９７．９％）であった。一方、比較例１（本発明例の劣化抑制装置を接続せず、開路状態で放置した）では３６．５Ａｈ（定格容量の７６％）であった。また、比較例２の場合では３９．４Ａｈ（定格容量の８２％）であった。さらに比較例３の場合では３９．８Ａｈ（定格容量の８３％）であった。
【００３８】
また、負極活物質中の硫酸鉛量は、本発明例に用いた電池で負極活物質総体（純然とした金属鉛と添加物および硫酸鉛を含む）中に７．２質量％含有していた。比較例１では２６．５質量％、比較例２では１８．５質量％であった。また、比較例３では１８．０質量％であった。
【００３９】
上記のことから、本発明によれば、鉛蓄電池の放置中に進行するサルフェーションによる容量低下を顕著に抑制できることがわかる。放電のみを行う比較例２および充電のみを行う比較例３では、放置中に放電も充電も行わない比較例１よりもサルフェーションと容量劣化は抑制されている。
【００４０】
本発明例では、放電もしくは充電をそれぞれ単独に行った場合（比較例２および比較例３）に比較して顕著にサルフェーションと容量劣化が抑制されている。また、本発明では、比較例３のような外部電源を必要としない。また、比較例２のように放電電荷を無駄に消費することなく、充電に利用することによって、サルフェーションとこれによる容量劣化を顕著に抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、放置や充電不足でサルフェ−ションになり易く容量劣化が進行し易い車両用やフォークリフト用鉛蓄電池をはじめとした、様々な鉛蓄電池に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明による劣化抑制装置を示す図
【図２】鉛蓄電池の放電−充電パターンを示す図
【符号の説明】
【００４３】
１  劣化抑制装置
２  鉛蓄電池
３  放電スイッチ
４  充電スイッチ
５  電流制限抵抗
６  蓄電デバイス
７  昇圧トランス
８  逆流防止ダイオード
９  制御手段
【図１】
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【図２】
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