JP2001338696A

JP2001338696A - 鉛蓄電池の充電方法

Info

Publication number: JP2001338696A
Application number: JP2000159248A
Authority: JP
Inventors: Kiichi Koike; 喜一小池; Nobuyuki Takami; 宣行高見; Yasuyuki Yoshihara; 靖之吉原; Hiroyuki Jinbo; 裕行神保
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】鉛蓄電池を長寿命化する。【解決手段】ＳＯＣが１００％程度になるように回生充
電される鉛蓄電池が所定時間にわたって充放電されてい
ない場合、ＳＯＣが予め設定された所定値よりも低下し
た場合、鉛蓄電池の温度が所定値以下になっている場合
に、ＳＯＣが少なくとも９０％程度以上になるようにリ
フレッシュ充電する。また、所定時間毎にも、リフレッ
シュ充電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉛蓄電池の充電方
法に関し、特に、自動車に搭載されて、エンジンの始
動、ランプ点灯、エアコンの駆動等に使用される鉛蓄電
池において好適に実施される充電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車に搭載される鉛蓄電池は、エンジ
ンの始動、ランプの点灯等に使用されており、走行時に
は、充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）が１００％
程度になるように、規定の電圧で定電圧充電される。

【０００３】近年、自動車の燃費向上を目的として、減
速時の回生電力を蓄電池に充電するシステム、あるい
は、この回生充電システムに加えて、従来エンジンの駆
動力から入力を得ていたエアコン等を鉛蓄電池で駆動す
るシステムが提案されている。

【０００４】このような回線充電を行うためには、蓄電
池のＳＯＣを、１００％未満の部分充電状態に保つ必要
がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような自動車用の
鉛蓄電池では、ＳＯＣを低く設定して、大きな電流密度
によって回生充電および放電を繰り返すと、鉛蓄電池が
劣化することがわかってきた。このような性能劣化は、
ニッケル−水素蓄電池等のアルカリ蓄電池をはじめ、リ
チウムイオン二次電池等の電池系には認められず、鉛蓄
電池に特有な現象である。このような性能劣化現象によ
り、長期にわたって安定的に使用することができなくな
るおそれがある。

【０００６】また、０℃以下の低温になると、電解液の
粘度が急速に増加して、電池反応速度が低下し、放電容
量および出力電圧が急激に低下するという問題もある。

【０００７】さらに、ＳＯＣが５０％程度いかになる
と、電解液中における硫酸濃度が低くなり、鉛合金によ
って構成された正極格子の腐食速度が急激に上昇し、鉛
蓄電池の寿命が低下するという問題もある。

【０００８】本発明は、このような問題を解決するもの
であり、その目的は、鉛蓄電池の性能が低下することを
抑制して長期にわたって安定的に使用することができる
鉛蓄電池の充電方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の鉛蓄電池の充電
方法は、ＳＯＣが１００％未満に制御される鉛蓄電池の
充電方法であって、鉛蓄電池が所定時間にわたって充放
電されていない場合に、ＳＯＣが少なくとも９０％以上
になるようにリフレッシュ充電することを特徴とするま
た、本発明の鉛蓄電池の充電方法は、ＳＯＣが１００％
未満に制御される鉛蓄電池の充電方法であって、鉛蓄電
池が充放電された所定時間毎に、ＳＯＣが少なくとも９
０％以上になるようにリフレッシュ充電することを特徴
とする。

【００１０】さらに、本発明の鉛蓄電池の充電方法は、
ＳＯＣが１００％未満に制御される鉛蓄電池の充電方法
であって、ＳＯＣが予め設定された所定値よりも低下し
た場合に、ＳＯＣが少なくとも９０％以上になるように
リフレッシュ充電することを特徴とするさらにまた、本
発明の鉛蓄電池の充電方法は、ＳＯＣが１００％未満に
制御される鉛蓄電池の充電方法であって、鉛蓄電池の温
度が所定値以下になっている場合に、ＳＯＣが少なくと
も９０％以上になるようにリフレッシュ充電することを
特徴とする。

【００１１】前記リフレッシュ充電は、所定の制御電圧
による定電圧充電によって、充電電流が所定値に低下し
た後に、定電流充電または前記制御電圧よりも高圧の制
御電圧による定電圧充電を実施する。

【００１２】前記リフレッシュ充電が実施される周期が
長くなるに応じて、リフレッシュ充電後のＳＯＣを高く
設定したリフレッシュ充電が実施される。

【００１３】前記ＳＯＣが、鉛蓄電池の充放電が開始さ
れる直前の鉛蓄電池のＯＣＶに基づいて求められる。

【００１４】前記ＳＯＣが、鉛蓄電池の充放電休止中の
ＯＣＶもしくは放電電流および放電電圧に基づいて求め
られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１６】図１および図２は、それぞれ、本発明の鉛
蓄電池の充電方法の一例を示すフローチャートであり、
このフローチャートは、例えば、走行時の回生充電によ
ってＳＯＣ（充電状態：State Of Charge）が１００％
程度とされる自動車用の鉛蓄電池の充電方法を示してい
る。

【００１７】本発明の鉛蓄電池の充電方法は、例えば、
自動車のイグニッションスイッチがオンすることにより
開始され、まず、鉛蓄電池の充放電の経過として、鉛電
池が充放電されることなく放置された期間をチェックす
る（図１のステップＳ１参照、以下同様）。具体的に
は、自動車のエンジンが停止されてからイグニッション
スイッチがオンするまでのタイマーによって計測された
時間をチェックする。次いで、電池温度を測定するとと
もに（ステップＳ２）、鉛電池の電圧ＯＣＶ（開路電
圧：Open Circuit Voltage）を測定する（ステップＳ
３）。

【００１８】その後、自動車のエンジンが起動されると
（ステップＳ４）、ステップＳ２において測定された鉛
蓄電池の温度が０℃以上になっていることを確認する
（ステップＳ５）。鉛蓄電池の温度が０℃未満の場合に
は、充電制御電圧を１４〜１６Ｖ程度の高電圧として、
ＳＯＣ（充電状態：State Of Charge）が１００％（満
充電）程度になるように、リフレッシュ充電する（ステ
ップＳ７）。

【００１９】鉛蓄電池の温度が０℃以上になっている場
合には、ステップＳ１における電池の充放電の経過チェ
ックによって得られた放置期間を調べる（ステップＳ
６）。そして、鉛蓄電池の放置期間が２週間以上になっ
ている場合には、鉛蓄電池のＳＯＣ（充電率）が低下し
ているものとして、充電制御電圧を１４〜１６Ｖ程度の
高電圧として、ＳＯＣが１００％（満充電）程度になる
ように、リフレッシュ充電する（ステップＳ７）。

【００２０】なお、リフレッシュ充電としては、ＳＯＣ
が１００％の満充電に限らず、ＳＯＣが９０％程度以上
になればよい。

【００２１】鉛蓄電池の温度が０℃未満の場合には、図
３のグラフに示すように、溶解液である硫酸の粘度が急
激に増加するために、電池反応速度が低下し、図４に示
すように、放電容量が急激に低下するとともに、出力電
圧も急激に低下する。従って、このような状態では、必
要とする出力を得るために、ＳＯＣを高くする必要があ
る。また、鉛蓄電池の温度が０℃未満の低温領域では、
回生充電を行っても、充電電圧が上昇して電解液中の水
が電気分解されて、酸素ガスおよび水素ガスが発生する
ので、鉛蓄電池の充放電効率は低下し、回生充電の効果
は期待できない。このために、リフレッシュ充電を実施
して、ＳＯＣが１００％程度になるように充電すること
により、これらの問題が解消される。

【００２２】また、２週間以上にわたって充放電されて
いない場合に、リフレッシュ充電するのは、以下の理由
による。

【００２３】鉛蓄電池では、正極および負極において
は、放電によって、それぞれ、次の反応が発生する。な
お、充電によっては、それぞれ逆方向の反応となる。

【００２４】正極：ＰｂＯ₂＋Ｈ₂ＳＯ₄→ＰｂＳＯ₄＋Ｈ
₂Ｏ＋１／２Ｏ₂ 負極：Ｐｂ＋Ｈ₂ＳＯ4＋１／２Ｏ₂→ＰｂＳＯ₄＋Ｈ₂Ｏこのように、放電によって、正極および負極には、Ｐｂ
ＳＯ₄（硫酸鉛）がそれぞれ発生し、充電によって、Ｐ
ｂＳＯ₄が正極活性物質のＰｂＯ₂および負極活性物質の
Ｐｂに戻る。しかしながら、ＳＯＣを低く設定して、大
きな電流密度による回生充電あるいは充放電を繰り返す
と、充放電反応が、正極板および負極板の各格子の周
囲、正極板および負極板の各表面にそれぞれ集中するた
めに、充電によっては、活物質に戻ることなく、それら
の各極板の表面等にＰｂＳＯ₄が残存して蓄積すること
になる。そして、部分的に偏在するＰｂＳＯ₄は、長期
にわたって放置すると、大きな結晶構造を有するＰｂＳ
Ｏ₄に変化して、充電によっては、活物質であるＰｂＯ₂
およびＰｂに戻らなくなるおそれがある。

【００２５】しかしながら、本実施の形態のように、例
えば、２週間以上にわたって充放電されていない場合に
は、ほぼ満充電になるように、リフレッシュ充電するこ
とにより、ＰｂＳＯ₄が大きな結晶構造になる前に、部
分的に偏在するＰｂＳＯ₄を活物質であるＰｂＯ₂および
Ｐｂに戻すことができる。従って、ＰｂＳＯ₄が大きな
結晶構造に蓄積されることが防止され、鉛蓄電池を長寿
命化することができる。

【００２６】なお、ＳＯＣが９０％程度以上になるよう
にするリフレッシュ充電を頻繁に繰り返すと、回生充電
できる時間が減少し、しかも、鉛蓄電池も深い放電およ
び充電の回数が増加するために、正極および負極におけ
る活物質が劣化するおそれがある。このために、リフレ
ッシュ充電は、１週間〜１月に１回程度、特に、短い周
期で実施することが好ましい。

【００２７】図５は、リフレッシュ充電の周期を変化さ
せた場合に、実験によって得られた鉛蓄電池の容量と充
放電回数との関係を示すグラフである。なお、鉛蓄電池
としては、電圧が１２Ｖ、容量が３０Ａｈ／５ＨＲのシ
ール形を使用し、試験条件として、５０℃の温度におい
て、充電を６０Ａ×１５秒、放電を３０Ａｈ×２５秒の
条件とした。リフレッシュ充電は、１５Ｖ（最大電流６
０Ａ）の定電圧充電により、１時間にわたって実施し
た。

【００２８】図５のグラフから明らかなように、リフレ
ッシュ充電の周期が短くなるほど、鉛蓄電池は長寿命化
している。

【００２９】また、リフレッシュ充電の周期が短い場合
には、例えば、ＳＯＣが９０％程度を上限としてリフレ
ッシュ充電を行い、リフレッシュ充電の周期が長い場合
には、例えば、ＳＯＣが９０％程度以上になるようにリ
フレッシュ充電を行うようにしてもよい。リフレッシュ
充電の周期が短い場合には、頻繁にリフレッシュ充電が
繰り返されることによって、ＳＯＣが９０％以上になる
まで充電しなくても、活物質の劣化を抑制することがで
きる。

【００３０】リフレッシュ充電としては、充電開始当初
は、定電圧充電とし、鉛蓄電池の電圧が上昇して所定値
に達することにより充電電流が所定値以下に低下する
と、定電流充電を、所定の時間にわたって実施するよう
にしてもよい。あるいは、電圧が所定値に達した後に、
定電圧充電における電圧よりも高い一定の制御電圧によ
る定電圧充電を実施するようにしてもよい。このように
することによって、短時間でリフレッシュ充電を終了さ
せることができる。

【００３１】表１は、電圧が１２Ｖ、容量が３０Ａｈ／
５ＨＲのシール形鉛蓄電池を、４０℃の温度にて、充電
電圧を１５Ｖ（最大電流５０Ａ）として定電圧充電を実
施した後に、６Ａの定電流充電を実施してリフレッシュ
充電した場合に、ＳＯＣが９０％以上になるまでに要す
る時間を示している。なお、充電前の鉛蓄電池のＳＯＣ
は、６０％である。比較のために、充電電圧を１５Ｖと
した定電圧充電（最大電流５０Ａ）のみによってＳＯＣ
が９０％以上になるまでのリフレッシュ充電に要した時
間を併記する。表１から明らかなように、定電圧充電と
定電流充電とを組合せることにより、ＳＯＣが１００％
になるまでのリフレッシュ充電に要する時間は、著しく
短縮される。

【００３２】

【表１】エンジンスタート前における鉛蓄電池の放置期間が、２
週間未満であって、５分以上になっている場合（ステッ
プＳ８）には、ステップＳ３によって測定されたＯＣＶ
に基づいて、ＳＯＣを演算する（ステップＳ９）。

【００３３】図６は、電圧が１２Ｖ、容量が３０Ａｈ／
５ＨＲのシール形鉛蓄電池のＳＯＣ−ＯＣＶ特性を示す
グラフである。このグラフから明らかなように、ＳＯＣ
とＯＣＶとは、ほぼ比例関係になっている。従って、こ
のような関係に基づいて、測定されたＯＣＶによって、
鉛蓄電池のＳＯＣを演算することができる。

【００３４】なお、エンジンスタート前における鉛蓄電
池が充放電されることなく放置された期間が、５分未満
の場合には、ＯＣＶが安定していないものとして、エン
ジンが始動される前のＳＯＣを設定する（ステップＳ１
０）。すなわち、ＯＣＶは、鉛蓄電池の電解液中の硫酸
濃度によって決定されるが、充放電を行うことによっ
て、正負の各極板の内部と各極板表面および各極板表面
に隣接するセパレータとの間において、硫酸の濃度勾配
が発生し、硫酸の拡散によって、濃度勾配が解消される
まではＯＣＶが安定しない。このように、ＯＣＶの安定
は、電解液の拡散速度によって決定される。

【００３５】図７は、電圧が１２Ｖ、容量が３０Ａｈ／
５ＨＲのシール形鉛蓄電池が、５０Ａの電流を３０秒に
わたって充電および放電した後にＯＣＶが安定するまで
に必要とする時間を示すグラフである。ＯＣＶは、２０
０秒程度にわたって放置することによりほぼ安定状態に
なるが、０℃以下の低温領域においては、電解液の粘度
が急激に上昇するために、ＯＣＶが安定するまでに、５
分以上が必要になる。このために、エンジン始動前にお
いて、鉛蓄電池が充放電されることなく放置される時間
が５分未満の場合には、不安定なＯＣＶに基づいてＳＯ
Ｃを演算することなく、エンジンが始動される前のＳＯ
Ｃが採用される。

【００３６】鉛蓄電池のＳＯＣが演算されると、ＳＯＣ
が５０％以上になっているかを確認する（ステップＳ１
１）。そして、ＳＯＣが５０％未満の場合には、ステッ
プＳ７のフレッシュ充電が実施される。

【００３７】ＳＯＣが５０％よりも低くなると、電解液
中の硫酸濃度が低下し、このような低濃度領域では、鉛
合金によって構成された正極格子の腐食速度が急激に上
昇する。図８は、ＳＯＣと鉛合金によって構成された正
極格子の腐食速度との関係を示すグラフである。ＳＯＣ
が５０％よりも低下すると、硫酸濃度が１５％程度以下
になり、このような状態における充放電によって、鉛合
金の正極格子の腐食速度が急激に上昇する。そして、正
極格子の腐食速度が速くなることによって、鉛蓄電池の
寿命が低下することになる。

【００３８】このために、ＳＯＣが５０％未満の場合に
は、ＳＯＣが１００％程度になるようにリフレッシュ充
電し、電解液中の硫酸濃度が低下した状態において充放
電が実施されないようにして、鉛蓄電池の長寿命化を図
っている。

【００３９】これに対して、ＳＯＣが５０％以上になっ
ている場合には、図２に示すように、１２〜１３．５Ｖ
程度の制御電圧によって、ＳＯＣが６０％程度になるよ
うに、通常の充放電が実施される（ステップＳ１２）。

【００４０】その後、リフレッシュ充電が実施された後
に２週間以上の期間が経過しているかを確認し（ステッ
プＳ１３）、リフレッシュ充電が実施されてから２週間
以上経過している場合には、リフレッシュ充電を実施す
る（ステップＳ７）。このように、２週間程度の期間毎
に、リフレッシュ充電を周期的に実施することにより、
前述したように、鉛蓄電池は、長寿命化が図れる。

【００４１】さらに、自動車の走行によって回生電流が
発生すると（ステップＳ１４）、１４〜１６Ｖ程度の充
電制御電圧によって、ＳＯＣが１００％程度になるよう
に回生充電が実施される（ステップＳ１５およびＳ１
６）。

【００４２】また、自動車が信号待ち等によって、電気
系統が停止されることなくエンジンが停止したアイドル
ストップ状態になると（ステップＳ１７）、鉛蓄電池に
おける放電電流、この放電時における電池電圧（放電電
圧）、温度がチェックされる。アイドルストップ時に放
電が行われない場合には、鉛蓄電池におけるＯＣＶおよ
び温度がそれぞれチェックされる（ステップＳ１８）。
そして、電池温度が０℃未満の場合には、リフレッシュ
充電を実施し（ステップＳ７）、電池温度が０℃以上に
なっている場合には（ステップＳ１９）、放電電流およ
び電池電池、またはＯＣＶに基づいてＳＯＣを演算する
（ステップＳ２０）。なお、ＯＣＶに基づいてＳＯＣを
演算する場合には充放電後、所定時間以上放電された時
点での安定したＯＣＶ値を用いる必要がある。

【００４３】図９は、放電電流および電池電池、または
ＯＣＶと、ＳＯＣとの関係の一例を示すグラフである。
ＳＯＣは、放電電流および放電電圧に対してほぼ一定の
関係を有しており、また、ＯＣＶに対しても、ほぼ一定
の関係を有している。従って、放電電流および放電電
池、または、ＯＣＶに基づいて、ＳＯＣを求めることが
できる。

【００４４】このように、エンジンが停止されたアイド
ルストップ状態になると、ＳＯＣが求められ、前述した
ように、ＳＯＣが５０％未満になっている場合に、リフ
レッシュ充電が実施される（ステップＳ２０）。

【００４５】本実施の形態の鉛蓄電池の充電方法では、
鉛蓄電池が使用される前のＯＣＶに基づいて、ＳＯＣを
求めて、そのＳＯＣに基づいて、鉛蓄電池を長寿命化さ
せるリフレッシュ充電が実施されるために、高精度で鉛
蓄電池のＳＯＣを求めることができる。そして、ＳＯＣ
が所定値よりも低下した場合に、リフレッシュ充電が実
施されるために、極板表面において、硫酸鉛が蓄積する
ことが防止され、鉛蓄電池を長期にわたって安定的に使
用することができる。また、鉛蓄電池が所定の時間にわ
たって充放電されていない場合、および、所定温度より
も低下した場合にも、同様に、リフレッシュ充電が実施
されるために、鉛蓄電池を長寿命化することができる。

【００４６】さらに、このようなリフレッシュ充電を周
期的に実施することにより、極板表面における硫酸鉛の
体積が定期的に除去されることになり、この場合にも、
鉛蓄電池の長寿命化が図れる。

【００４７】さらに、エンジン停止状態であるアイドル
ストップにおいて、ＳＯＣを正確に求めることができ、
従って、そのＳＯＣによって、リフレッシュ充電が必要
であるかを、確実に判定することができる。

【００４８】

【発明の効果】本発明の鉛蓄電池の充電方法は、鉛蓄電
池の劣化が予測される際に、ＳＯＣが９０％程度以上の
リフレッシュ充電が実施されるために、鉛蓄電池の劣化
が抑制され、鉛蓄電池を長期にわたって安定的に使用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鉛蓄電池の充電方法の一例を示すフロ
ーチャートである。

【図２】本発明の鉛蓄電池の充電方法の一例を示すフロ
ーチャートである。

【図３】鉛蓄電池の温度と、電解液である硫酸の粘度と
の関係を示すグラフである。

【図４】鉛蓄電池の温度と放電容量との関係を示すグラ
フである。

【図５】リフレッシュ充電の周期を変化させた場合にお
ける鉛蓄電池の容量が低下するまでの充放電回数を実験
した結果を示すグラフである。

【図６】鉛蓄電池のＳＯＣ−ＯＣＶ特性を示すグラフで
ある。

【図７】鉛蓄電池が、５０Ａの電流を３０秒にわたって
充電および放電した後にＯＣＶが安定するまでに必要と
する時間を示すグラフである。

【図８】ＳＯＣと鉛合金によって構成された正極格子の
腐食速度との関係を示すグラフである。

【図９】放電電流および電池電池、またはＯＣＶと、Ｓ
ＯＣとの関係の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

Ｓ１〜Ｓ２０ステップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉原靖之大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者神保裕行大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5G003 AA07 BA01 CB08 DA07 DA12 EA05 FA06 GC05 5H030 AA01 AS08 BB01 BB04 FF42 FF43 FF44 FF52

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳＯＣが１００％未満に制御される鉛蓄
電池の充電方法であって、鉛蓄電池が所定時間にわたって充放電されていない場合
に、ＳＯＣが少なくとも９０％以上になるようにリフレ
ッシュ充電することを特徴とする鉛蓄電池の充電方法。
【請求項２】ＳＯＣが１００％未満に制御される鉛蓄
電池の充電方法であって、鉛蓄電池が充放電された所定時間毎に、ＳＯＣが少なく
とも９０％以上になるようにリフレッシュ充電すること
を特徴とする鉛蓄電池の充電方法。
【請求項３】ＳＯＣが１００％未満に制御される鉛蓄
電池の充電方法であって、ＳＯＣが予め設定された所定値よりも低下した場合に、
ＳＯＣが少なくとも９０％以上になるようにリフレッシ
ュ充電することを特徴とする鉛蓄電池の充電方法。
【請求項４】ＳＯＣが１００％未満に制御される鉛蓄
電池の充電方法であって、鉛蓄電池の温度が所定値以下になっている場合に、ＳＯ
Ｃが少なくとも９０％以上になるようにリフレッシュ充
電することを特徴とする鉛蓄電池の充電方法。
【請求項５】前記リフレッシュ充電は、所定の制御電
圧による定電圧充電によって、充電電流が所定値に低下
した後に、定電流充電または前記制御電圧よりも高圧の
制御電圧による定電圧充電を実施する請求項１〜４のい
ずれかに記載の鉛蓄電池の充電方法。
【請求項６】前記リフレッシュ充電が実施される周期
が長くなるに応じて、リフレッシュ充電後のＳＯＣを高
く設定したリフレッシュ充電が実施される請求項２に記
載の鉛蓄電池の充電方法。
【請求項７】前記ＳＯＣが、鉛蓄電池の充放電が開始
される直前の鉛蓄電池のＯＣＶに基づいて求められる請
求項１〜４のいずれかに記載の鉛蓄電池の充電方法。
【請求項８】前記ＳＯＣが、鉛蓄電池の充放電休止中
のＯＣＶもしくは放電電流および放電電圧に基づいて求
められる請求項１〜４のいずれかに記載の鉛蓄電池の充
電方法。