(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正負の定電流矩形パルスを発生するパワー部と、パワー部で発生させた正負の定電流矩形パルスを鉛電池に印加して鉛電池電圧波形の立ち上がりの傾き、立下りの傾きのアナログ値をデジタル値に変換する信号処理部と、デジタル変換されたデータに基づき、鉛電池の残存容量を推定する判断部と、前記パワー部から判断部までの全体システムを制御し、駆動信号を出力する制御部と、これらの判定結果を表示する表示部とを設けた鉛電池の状態判定装置において、
組鉛電池を充電又は放電しながら測定鉛電池の抜き取りを可能とする電池抜き取り回路と、測定後に戻された測定鉛電池を充電中又は放電中の前記他の鉛電池と同一充放電電圧とする充放電電圧均等化回路を設けたことを特徴とする鉛電池の状態判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極表面が溶解・析出し、かつ電極表面に不活性な絶縁物が生じるタイプの鉛電池等について、充放電状態、残存容量、充放電反応度合い、活性化度合い、あるいはハイレート度合いなどの鉛電池の状態を判断するための鉛電池の状態判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、運転中の鉛電池及び長期間放置された鉛電池の充放電状態を判定する手法及び残存容量を判定する方法として、運転中の鉛電池において一定の放電状態の中で連続的にＡｈをカウントして測定する手法はあったが、充放電の運転状態が、不規則に変わる鉛電池システムにおいて、あるいは長期間放置してある鉛電池システムなどで、鉛電池電極の状態を直接判定して測定する手法、及び鉛電池の活性化状態を判定する方法はなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
太陽光、風力、タービンなど分散電源と組み合わせた電力貯蔵装置において、多数の鉛電池で構成された鉛電池システムの充放電状態判定においては、充放電運転状態が、不規則に変わるため、正確な判定ができなかった。また、従来は容量Ａｈカウンタで間接的に積算して図っていたため、一度、カウンタが狂うと判定ができなくなるなどの課題があった。さらに、鉛電池の状態を直接測定する手法がないため、鉛電池の取り替えに的確さを欠いていた。
【０００４】
そこで、本発明は、鉛電池の充放電状態、残存容量、活性化度合い、あるいはハイレート度合いの状態の直接測定を可能とする鉛電池の状態判定装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の鉛電池の状態判定装置は、正負の定電流矩形パルスを発生するパワー部と、パワー部で発生させた正負の定電流矩形パルスを鉛電池に印加して鉛電池電圧波形の立ち上がりの傾き、立下りの傾きのアナログ値をデジタル値に変換する信号処理部と、デジタル変換されたデータに基づき、鉛電池の残存容量を推定する判断部と、前記パワー部から判断部までの全体システムを制御し、駆動信号を出力する制御部と、これらの判定結果を表示する表示部とを設けた鉛電池の状態判定装置において、組鉛電池を充電又は放電しながら測定鉛電池の抜き取りを可能とする電池抜き取り回路と、測定後に戻された測定鉛電池を充電中又は放電中の前記他の鉛電池と同一充放電電圧とする充放電電圧均等化回路を設けたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明においては、鉛電池の状態の判定に、図６及び図７に示すように充放電に伴ない電極表面に生成される活物質の挙動、それに伴なう電極界面の電気二重層容量の変化、副反応としての水素、酸素の生成反応などを鉛電池への電流矩形パルス印加により、電圧波形の傾きを測定して作成した充電状態判定グラフ及び放電状態判定グラフに利用する。
【０００９】
充電状態判定グラフは、後述のとおり、鉛電池を充電する際、各充電途中において、電流矩形パルスを印加し、その時生じる鉛電池電圧波形の立ち上がりの傾きｄＶａ及び立下りの傾きｄＶｂの比ｄＶａ／ｄＶｂの推移をグラフ化したものである。
【００１０】
また、放電状態判定グラフは、後述のとおり、鉛電池を放電する際に、各放電途中で一旦一定の戻し充電を実施後、上記電流矩形パルスを印加し、同様にｄＶａ／ｄＶｂの推移をグラフ化したものである。
【００１１】
１．充電状態判定グラフの作成
図１はバイポーラ電源を用いた矩形パルス波印加の回路図である。
【００１２】
図１において、２１は任意波形発生装置、２２は例えば−１００Ａから＋１００Ａの直流電流を出力するバイポーラ電源、２３はシャント、２４はスイッチ、２５は測定対象鉛電池、２６は記録計である。本例では、例えば、任意波形発生装置２１により、０．５秒の正（充電方向）、負（放電方向）の電流矩形パルスを作り、その後バイポーラ電源２２にて測定する電池定格の１．５Ｃの電流を作る。
【００１３】
この方法により作った電流矩形パルスを予め容量を測定した鉛電池に完全放電状態から、過充電状態まで０．１Ｃ程度で充電率を上げていき、任意の充電状態にて電流矩形パルスを印加し、そのとき生じる鉛電池電圧波形の立ち上がり、立ち下がり状況を測定する。
【００１４】
図２の定電流矩形パルス印加時の電池電圧波形図に示すように、供試鉛電池の各充電状態での充放電矩形電流パルス印加時の鉛電池電圧波形の立ち上がりの傾きｄＶ１／ｄｔ（以下「ｄＶａ」という。）、立ち下がりの傾きｄＶ２／ｄｔ（以下「ｄＶｂ」という。）を測定し、その比ｄＶａ／ｄＶｂの推移をグラフ化すると、図３に示すように、電流量Ａｈで充電するに従い、ｄＶａ／ｄＶｂは徐々に増加し、ある充電点を境に減少に転ずる。一旦ピーク点を確認した後、５分毎に２回パルス印加を行い、２パルス連続してｄＶａ／ｄＶｂ値がピーク点を更新しない場合に充電を終了し、このピーク点を満充電点とする。
【００１５】
また、前回のピーク点を登録しておき、この近傍において、計測中のｄＶａ／ｄＶｂ値が下降した場合、あるいは前回ピーク点に到達した場合、ピーク点を満充電点としてもよい。
【００１６】
２．放電状態判定グラフの直線性を確保する方法
図４に示すように、不規則な放電環境下にある密閉型および開放型の鉛電池に対して、上記電流矩形パルスを印加する前に、一定の戻し充電、ここでは放電時と同じ電流値で充電を０．１Ｃ（Ａ）×１０〜２０分程度、もしくは、０．０１Ｃ（Ａ）程度の微弱な充電を１時間程度実施する。この後、上記の電流矩形波を印加し、そのとき現れる鉛電池電圧波形の傾きを指標としたｄＶａ／ｄＶｂ値をとることで、上記鉛電池が不規則な充放電状態あるいは放置状態にあっても、この放電状態判定グラフは、図４の直線Ｌで示すようにほぼ直線性を有することを確認した。
【００１７】
３．副反応ガス生成が始まる充電点（Ａｈ）の判定
図５に示すように、充電状態判定グラフ上の満充電点近傍において、１時間程度、鉛電池を放置した後、上記電流矩形パルスを印加し、そのときのｄＶａ／ｄＶｂ値を読み取る。この値を示す充電曲線上の点が、副反応ガスによるＰｂＳＯ４生成が始まる充電点を示す。
【００１８】
即ち図５で示すように、満充電近傍で放置すると、副反応により負極表面にＰＢＳＯ４が析出してくる。このため上記電流矩形パルスを印加すると、このＰＢＳＯ４により、放置前に測定したｄＶａ／ｄＶｂ値より低下する。次に微弱充電（０．０１ＣＡ）を１時間程度実施すると、上記のＰｂＳＯ４が溶解し、その後、上記電流パルスを印加すると、ｄＶａ／ｄＶｂ値は上昇する。
【００１９】
この上昇の度合いは、図５に示すように、満充電点の近傍では大きくなるが、充電状態判定グラフに近づくほど小さくなり、充電状態判定グラフ上では、上記の値はほぼ同じ値となる。このことは、副反応により生成されたＰｂＳＯ４がないことを示しており、副反応ガスによるＰｂＳＯ４生成が始まる充電点を示すことになる。
【００２０】
４．放電状態判定グラフの設定
（１）放電状態判定グラフを作成するための放電末の仮想点の設定方法
図６に示すように、放電末状態から満充電点まで充電を行い、満充電点到達後、ＳＯ４イオンが均一に拡散して充電から落ち着く一定時間、約１時間の放置を経て、電流矩形パルスを印加し、 ｄＶａ／ｄＶｂ値を測定する。
【００２１】
その後、数Ａｈの放電を実施し、微弱電流（０．０１CＡ）にて、１時間程度又は、０．１Ｃ（Ａ）のレートで１０〜２０分程度戻し充電を行う。これを数回繰り返し行い、前記放電状態判定グラフの作成で説明した直線が放電末のＹ軸と交わる点を放電末の仮想点とする。この点は鉛電池により固定的に定まる点である。
【００２２】
（２）密閉型鉛電池において、満充電点に到達する前の充電Ａｈにて放電を開始する場合
満充電点に到達する前の充電状態判定グラフ上の充電点で充電を終了させ、１時間放置後のｄＶａ／ｄＶｂ値と（１）で述べた仮想点とを結んだ線を放電状態判定グラフとする。
【００２３】
（３）密閉型鉛電池において、満充電点を超えた充電Ａｈにて放電を開始する場合
満充電点を超えた点まで充電を実施後、１時間程度放置し、ｄＶａ／ｄＶｂ値を測定する。
【００２４】
図６に示すように、このｄＶａ／ｄＶｂ値を図の満充電点を示すＡｈライン上に再設定する。この再設定された１時間放置後のｄＶａ／ｄＶｂ値と上記仮想点を結んだ線を想定する放電状態判定グラフとする。
【００２５】
（４）開放型鉛電池におけるｄＶａ／ｄＶｂ値は、ガス吸収反応が少ないためガス及び気泡の発生の影響を受ける。このため放電状態判定グラフ設定にあたっては、図７に示すように、１時間放置後一旦放電させた後、戻し充電を実施し、上記電流矩形パルスを印加する。このときのｄＶａ／ｄＶｂ値と上記仮想点を結んだ線を放電状態判定グラフとする。
【００２６】
５．充放電状態（残存容量）判定
密閉型鉛電池又は開放型鉛電池によって、又は放電を開始する鉛電池の充電状態、即ち副反応物質であるＰＢＳＯ４の生成の状況により、放電状態判定グラフは変化する。このため図８のブロック図に示す以下の方法により、充放電状態判定を行う。
【００２７】
（１）予め鉛電池により決定される放電状態判定グラフ推定するための仮想点を設定し、開始点を設定しておく。
【００２８】
（２）密閉型鉛電池においては、充電後、１時間放置し、電流矩形パルスを印加し、放電状態判定グラフを設定する。
【００２９】
開放型鉛電池においては、一旦、放電及び戻し充電を実施後、上記電流矩形パルスを印加し、放電状態判定グラフを設定する。
【００３０】
一旦放電状態判定グラフが決まると、鉛電池が、不規則な充放電状態あるいは放置状態にあっても、一定の戻し充電を実施し、その後、電流矩形パルス波を印加してｄＶａ／ｄＶｂ値を測定すると、上記の放電状態判定グラフに沿ってくる。このため、放電状態判定グラフからＡｈ値を読むことで、この運転中の鉛電池の充放電状態または残存容量（１０時間率）を判定することができる。
【００３１】
６．電池の充放電反応度合判定
図９に示すように、鉛電池の副反応が発生しない領域での充電状態判定グラフの傾きの度合いにより鉛電池の充放電反応度合判定、即ち鉛電池の活性化度合い及びハイレート度合いを判定するもので、この傾きが小さいほど活性な鉛電池となり、逆に傾きが大きいと不活性な鉛電池となる。
【００３２】
図１０に示すように、鉛電池の満充電点をＡ１とし、前に述べた充電状態判定グラフの副反応開始点をＡ２とする。このときのＡ１とＡ２が表すＡｈ１およびＡｈ２とすると、Ａｈ２／Ａｈ１×１００％が鉛電池の活性化度合い及びハイレート度合いを示す。
【００３３】
今回指標のｄＶａ／ｄＶｂ値は、図９に示すように、鉛電池極板上に存在する充電に寄与する活物質ＰｂＳＯ４の残存量を示している。即ち傾きが小さいほど充電に寄与する残存活物質ＰｂＳＯ４の量が多く、比表面積が大きく、電解液濃度が適正であり、接触度が大きく、活性な鉛電池となる。逆に傾きが大きいと充電に寄与できるＰｂＳＯ４の量が少なく、不活性な鉛電池となる。
【００３４】
【実施例】
図１１は本発明による判定装置の一実施例を示すブロック図である。
【００３５】
１はＡＣ−ＤＣコンバータ、２は例えば−２００Ａ〜＋１２０Ａの直流電流を出力するバイポーラ電源（シリーズレギュレータ）、３は測定鉛電池の電圧波形を信号変換処理して立ち上がりの傾きと立下りの傾きの比ｄＶａ／ｄＶｂを測定する信号処理部、４は判定部、５は判定結果を表示する表示部である。
【００３６】
本実施例では、ＡＣ−ＤＣコンバータ１により、直流に変換した後、バイポーラ電源２により、０．５秒の正（充電方向）、負（放電方向）の電流矩形波で電流の大きさが、測定する鉛電池定格の１．５Ｃ（Ａ）の電流を作る。
【００３７】
この方法により作った矩形波を密閉型の鉛電池に完全放電状態から、０．１Ｃ（Ａ）で充電率を上げていき、充電途中の任意の充電状態にて電流矩形パルスを印加し、そのとき生じる電圧波形の立ち上がりの傾きｄＶａ、立下りの傾きｄＶｂを測定し、ｄＶａ／ｄＶｂの推移状況を記録しグラフ化する。このグラフがピーク点を迎えた時点で、充電を終了させる。このグラフがこの鉛電池の充電状態判定グラフとなる。
【００３８】
充電を終了させた後、１時間程度鉛電池を放置させ、その後、上記電流矩形パルスを印加し、この値Ｙを記録する。次に１時間程度、当該鉛電池に０．０１Ｃ（Ａ）の微弱充電を実施し後、同様に上記矩形パルスを印加し、値Ｚを記録する。
【００３９】
先に求めたこの鉛電池の充電状態判定グラフのピーク点（この鉛電池の満充電点）を示すＡｈの点に値Zを移動させる。これにより値Ｙも再配置される。
【００４０】
一方、放電状態判定グラフを推定する仮想点Xを想定し、この点と値Ｙとを結ぶ。この想定された線が放電状態判定グラフとなる。
【００４１】
即ち、図３に示すように、満充電状態から、任意のレートで放電を開始し、放電途中の任意の放電状態で、充電時と等しい０．１Ｃ(Ａ)のレートで１０〜２０分程度の戻し充電、又は０．０１Ｃ（Ａ）の微弱レートで１時間程度の戻し充電を実施後、上記矩形パルスを印加して、ｄＶａ／ｄＶｂ値を図ると、上記の放電状態判定グラフに沿って推移しているのが確認できた。
【００４２】
また、長く放置した鉛電池について上記戻し充電を実施し、矩形パルスを印可し、ｄＶａ／ｄＶｂを測定し、先に事前に登録しておいた放電状態判定グラフから読み取られた残存容量（図３の３８．０Ａｈの×印）と実際に０．１Ｃ（Ａ）で放電して得られた容量（Ａｈ）とが同じに成ることを確認した。
【００４３】
次に、同様に長く放置した鉛電池を、完全放電から満充電までの充放電を数回繰り返し、その時の充電状態判定グラフを記載した例を図１０に示す。これからわかるように、数回（▲３▼→▲２▼→▲１▼）の充電により、充電状態判定グラフの傾き（ただし副反応が生じない領域）は、鉛電池が徐々に活性化するに従い、小さくなってくるのがわかる。
【００４４】
図１２〜図１４は、組み鉛電池で使用された場合で運転しながら、測定のため鉛電池を抜き取る装置、並びに同様に運転しながら測定後もとの状態に戻す鉛電池均等化回路を示す。
【００４５】
主回路は、測定鉛電池の着脱に関与するスイッチＳ１、Ｓ２、およびダイオードＤ１、Ｄ２と取り出された鉛電池を完全に回路から切り離すためのスイッチＳ３で構成され、その他鉛電池電圧のモニター回路と均等化判定部とから構成される。
【００４６】
まず充電時は、ダイオードＤ２を介して、全ての鉛電池が直列に充電されている。このときＳ１、Ｓ２は開いている。ここで測定対象の鉛電池Ｂ１を測定のために抜き取るには、まずスイッチＳ１をＯＮさせる。するとダイオードＤ２は、逆バイアスがかかり、ＯＦＦとなる。これにより鉛電池Ｂ１を他の鉛電池が運転状態のまま抜き取ることが可能となる。測定のためにＳ３をＯＦＦにして、鉛電池の状態判定を行い、数度の測定で充電状態判定カーブを作成する。
【００４７】
戻す場合には、図１４の電圧の均等化の原理を示す図において、まず測定鉛電池Ｂ１の充電量をあげ、電圧を他の鉛電池より高めにしておく。この鉛電池電圧を登録しておき、他の鉛電池の平均電圧がこの電圧値になったとき、スイッチＳ１を開放すると、他の鉛電池の充電量とアンバランスにならず、運転しながら測定鉛電池を戻すことができる。
【００４８】
一方放電時は、全ての鉛電池が直列に充電されている。このときスイッチＳ１は開き、Ｓ２は閉じた状態となっている．ここで測定対象の鉛電池Ｂ１を測定するために、抜き取るためには、まずスイッチＳ２を開く。するとダイオードＤ２に逆バイアスがかかり、オープンとなる。このため放電回路は、ダイオードＤ１を介して、放電を続けさせるとともに、鉛電池Ｂ１を抜き取ることができる。測定のためにＳ３をＯＦＦにして、一定の戻し充電または、微弱充電実施後、予め作成した放電状態判定カーブより鉛電池の状態判定を行う。
【００４９】
戻す場合には、測定鉛電池Ｂ１の放電量は他の鉛電池より多めになっているため、そのままスイッチＳ３、Ｓ２をＯＮさせる。するとダイオードＤ１に逆バイアスがかかり、オープンとなり、測定鉛電池Ｂ１を取り込んだ放電回路が形成される。もし放電時に若干のアンバランスがあっても充電時の均等化回路により均等化される。
【００５０】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば下記の効果を奏する。
【００５１】
（１）太陽光、風力、タービンなど分散電源と組み合わせた不規則な運転を行う鉛電池の状態判定、即ち、充放電を繰り返す鉛電池、放電レートが頻繁に変わる鉛電池および起動停止が頻繁に起こる鉛電池に対して、一定の戻し充電実施後、電流矩形パルスを印加し、そのときの電圧の立ち上がり、立下りの傾きを測定するだけで、非常に短時間に、簡単に測定が可能となる。
【００５２】
(２) また長期間休止中の鉛電池の状態判定も上記戻し充電後のパルス印加だけで容易に測定可能となる。
【００５３】
(３) 更に鉛電池の状態判定のうち、容量判定のみならず、電池の状態並びに活性化状況（ハイレート性）が定量的に判別可能となる。
【００５４】
(４) 多数の鉛電池で構成された電力貯蔵装置及び電気自動車において、運転中の鉛電池の充放電状態判定が可能となり、システムの最適運用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイポーラ電源を用いた矩形パルス波印加の回路図
【図２】定電流矩形パルス印加時の電池電圧波形図
【図３】充電状態判定曲線及び放電状態判定グラフの実験データおよび説明図
【図４】放電状態判定グラフの直線性の実験データおよび説明図
【図５】充電状態判定グラフ上で副反応ガス生成が始まる充電点（Ａｈ）の説明図
【図６】密閉型鉛電池の放電状態判定グラフの設定方法の説明図
【図７】開放型鉛電池の放電状態判定グラフの設定方法の説明図
【図８】充放電量状態判定方法のブロック図
【図９】活性化度合い判定、及びハイレート度合い判定方法の説明図
【図１０】活性化度合い判定、及びハイレート度合い判定方法の実験データ
【図１１】本発明のシステムブロック図
【図１２】組み鉛電池の鉛電池を抜き取る装置の当初の状態を示す図
【図１３】組み鉛電池の鉛電池を抜き取る装置の抜き取り時の状態を示す図
【図１４】組み鉛電池の鉛電池を抜き取る装置の戻しの状態を示す図
【符号の説明】
１：ＡＣ−ｄＣコンバータ  ２：バイポーラ電源  ３：信号処理部  ４：判定部５：表示部  ２１：任意波形発生装置  ２２：バイポーラ電源  ２３：シャント  ２４：スイッチ  ２５：想定対象鉛電池  ２６：記録計
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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