JP2003346911A - 鉛蓄電池の充電方法 - Google Patents

鉛蓄電池の充電方法

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JP2003346911A
JP2003346911A JP2002150503A JP2002150503A JP2003346911A JP 2003346911 A JP2003346911 A JP 2003346911A JP 2002150503 A JP2002150503 A JP 2002150503A JP 2002150503 A JP2002150503 A JP 2002150503A JP 2003346911 A JP2003346911 A JP 2003346911A
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voltage
push
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Kimiki Hata
秦  公樹
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Japan Storage Battery Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明が解決しようとする課題は、部分充電
状態(PSOC、Partial State of
Charge)で鉛蓄電池を使用した場合に発生する正
・負極間およびセル間での充電状態のばらつきを解消
し、蓄電池のサイクル寿命でのPSOCの利点を生か
し、優れた寿命特性が得られる充電方法を提供すること
にある。 【解決手段】 鉛蓄電池をPSOCで使用する場合に、
積算放電量が所定の値に到達した時点でリフレッシュ充
電を行い、充電量を100%近い状態にすると共に、さ
らに押し込み充電を行うことによって正・負極板および
セル間の充電状態のばらつきをなくすることを特徴とす
るものである。

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
法に関する。
【0002】
【従来の技術】主にエンジンの始動に使用されている自
動車用鉛蓄電池は、走行時のエンジン回転中には、常に
定電圧充電方式で充電されており、蓄電池の充電状態
(SOC:State of Charge、以降、S
OCという)は、ほぼ100%に制御されている。
【0003】一方,近年、自動車の燃費向上を目的とし
て、減速時に車の運動エネルギーを電力として蓄電池を
回生充電するシステムが提案されている。このような回
生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(PSOC:Partial Stat
e of Charge、以降、PSOCという)に制
御しておく必要がある。
【0004】さらに、自動車の排気ガスを少なくする目
的でエンジン駆動に加えて加速時に電気モーターでアシ
ストするハイブリッド車が使用されるようになってきて
いる。このような使い方ではエンジン駆動のみに比べて
放電頻度が高く、この場合、絶えずSOCを100%に
維持するよりはPSOCで使用する方が寿命特性の優れ
ていることがわかってきた。
【0005】自動車用鉛蓄電池をPSOCで使用するた
めには、充・放電電気量等の状態検知データを基に制御
する必要があるが、この制御方法では充電効率までを検
知することは不可能で、このようなシステムにおいて正
・負極の充電効率の違いから徐々に正・負極のSOCに
差の生じることがわかってきた。そのため正・負極のい
ずれか一方の充電電圧が上昇した時点でセル全体の充電
受入が制限され、正・負極のいずれか片側が十分に充電
できない問題が生じる。
【0006】また複数の単蓄電池(セルという)をシリ
ーズに接続した多セル蓄電池では、セル毎の充電効率の
違いから、セル間のSOCにバラツキが生じることもわ
かってきた。このようなセル間のバラツキは、最もSO
Cの低いセルにより蓄電池全体の性能が制限されると共
に、充電時には最も高い電圧のセルで蓄電池全体の充電
受入が制限され、電圧の低いセルが十分に充電できず、
充電不足により短寿命の蓄電池が発生することがある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、PS
OCで鉛蓄電池を使用した場合に発生する正・負極間お
よびセル間のSOCのばらつきを解消し、サイクル用途
の蓄電池寿命に対するPSOCの利点を生かし優れた寿
命特性が得られる充電方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】課題を解決するための手
段は、請求項1によれば、充電状態(SOC)が100
%未満の部分充電状態(PSOC)に制御されている鉛
蓄電池の充電方法において、積算放電量が所定の値に到
達した時点でリフレッシュ充電を実施することを特徴と
するものである。
【0009】SOCを100%未満、例えば、90%で
充・放電を繰り返すPSOCで蓄電池を使用した場合、
上述したように、正・負極あるいはセル間でのSOCの
ばらつきが生じ、SOCの低い極板あるいはセルのSO
Cがさらに低下していく問題が発生する。本発明では、
積算放電量が所定の値に到達した時点で一定の充電を行
い、SOCを100%近い状態に戻し、正・負極あるい
はセル間のSOCのばらつきを低減しようとするもの
で、この充電をリフレッシュ充電と定義している。
【0010】なお、SOC100%とは、正・負極ある
いはセル間でのSOCのばらつきがない状態をいい、定
電圧充電を行った場合、充電電流が垂下し、一定の値を
維持するようになった状態と定義する。電流値が変化す
る状態では、正・負極あるいはセル間でのSOCがまだ
均一になっておらず部分的に不足状態が残っていること
を意味し、電流が一定値を維持した状態になれば正・負
極あるいはセル間でのSOCのばらつきが解消されたと
いえる。
【0011】また、PSOCは、各蓄電池の規定の時間
率で規定の終止電圧まで放電した状態をPSOC、0%
とし、それに対する比率でPSOCを表した。
【0012】請求項2によれば、前記リフレッシュ充電
は、充・放電における積算放電量が蓄電池の定格容量の
10〜100倍に到達する毎に実施することを特徴とす
るものである。
【0013】PSOCで充・放電を繰り返していくと正
・負極あるいはセル間のSOCのばらつきが大きくなっ
ていくので、本発明では、充・放電における積算放電量
が使用している蓄電池の定格容量の10〜100倍に達
した時点で、前記リフレッシュ充電を実施すれば、極板
あるいはセル間の充電状態のばらつきがそれ程大きくな
い範囲内におさまるので、ばらつきの解消が容易にでき
る。
【0014】ここでの定格容量とは、蓄電池に表示され
ているあるいはJIS等の規格による型式で規定されて
いる容量をいい、通常、Ahで表される。
【0015】請求項3によれば、前記リフレッシュ充電
を定電圧充電方式で行い、充電電流が所定値に低下した
時点で前記定電圧充電の電圧よりも高い電圧で充電す
る、いわゆる押し込み充電を実施することを特徴とする
ものである。
【0016】自動車用12Vの鉛蓄電池を定電圧方式で
充電する場合、通常、13.8〜14.7V(2.3〜
2.45V/セル)の電圧を適用する。充電が進行する
にしたがって鉛蓄電池の電圧が上昇していくので、充電
器側の電圧を上記電圧に規定していると蓄電池との電圧
差がなくなり、充電電流が低下していく。この電流の低
下は蓄電池が100%充電状態に近づいていることを示
しているが、正・負極あるいはセル間でのSOCのばら
つきは解消されていないので、低下した所定の電流、例
えば0.05CA(C;蓄電池の定格容量、A:電流の
単位)を検出して、充電電圧を上記の13.8〜14.
7V(2.3〜2.45V/セル)より高い電圧に設定
して充電を行う。この充電方法を押し込み充電と定義
し、その目的は、リフレッシュ充電では100%近くま
で充電できるが、正・負極あるいはセル間のSOCばら
つきを十分に解消できないので、充電電圧を高くして強
制的に充電を行うことによって正・負極あるいはセル間
のSOCのばらつきをなくすることにある。
【0017】請求項4によれば、前記押し込み充電は、
正・負極でガスが発生する充電電圧であることを特徴と
するものである。
【0018】鉛蓄電池の充電では、SOCが100%近
くになると副反応である水の電気分解(HO=1/2
+H)が並行して起こり、水素ガスと酸素ガスが
発生する。ガス発生により蓄電池内の電解液が撹拌さ
れ、蓄電池内での充電反応が均一になり、正・負極ある
いはセル間のSOCのばらつきを解消するのに有効であ
る。
【0019】請求項5によれば、前記押し込み充電の電
圧は、セルあたり2.5V以上であることを特徴とする
ものである。
【0020】上記、ガス発生電圧は、温度や電流密度に
よって多少変わってくるが、一般的に2.5V/セル以
上で充電すれば充電量が100%近くになればガスが発
生するので2.5V以上で押し込み充電を行えば、正・
負極あるいはセル間のばらつきをなくするのに有効であ
る。
【0021】請求項6によれば、前記押し込み充電は、
所定の充電電気量に到達した時点で終了することを特徴
とするものである。
【0022】充電時にガスを発生させることは電解液を
撹拌し、充電状態を均一にするメリットを有している
が、その反面、水が分解されて失われていくので、電解
液量の減少というディメリットがある。したがって、上
記ガスを発生させる充電を必要以上行うのは好ましくな
く、一定の充電量で止めるのが好ましい。
【0023】請求項7によれば、前記押し込み充電は、
蓄電池の定格容量の5〜10%に相当する充電電気量に
到達した時点で終了することを特徴とするものである。
【0024】前記所定の電気量として蓄電池の定格容量
の5〜10%程度であれば、電解液の撹拌による充電状
態の均一化が達成でき、電解液の減少による弊害を最小
限に留めることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】本発明を実施例に基づき詳細に説
明する。
【0026】
【実施例】図1は、PSOCで使用される12V自動車
用鉛蓄電池について、本発明の実施例の充・放電プロセ
スをフローチャートで示したものである。
【0027】本フローチャートのスタートにおいては、
走行時の回生充電が適用され、SOCが90%に維持さ
れるように常に充・放電量を計測している。前記計測に
おいて、積算放電量が定格容量の10倍に達した時点で
SOCが100%に近づくように充電電圧14Vでリフ
レッシュ充電を行う。充電電流が0.05CA(C:蓄
電池の定格容量、A:電流の単位)になった時点で、更
に高い充電電圧18Vで押し込み充電を行う。充電量が
定格容量の10%に到達した時点で押し込み充電を終了
すると共に、SOCを本来の制御目標の90%になるよ
うに充・放電量を制御する。さらには前記積算放電量を
リセットし、次のリフレッシュ充電に備える。
【0028】この高い充電電圧での押し込み充電により
正・負極あるいはセル間のSOCのばらつきを解消する
ことができ、蓄電池の性能が一部の電極により制限され
ることがなくなる。しかしながら、ガスが発生すると電
解液が減少し電極間の抵抗が高くなり蓄電池の性能低下
につながるので、押し込み充電は必要最低量、ここでは
定格容量の10%以下に抑えることが好ましい。
【0029】2セルを直列に接続した鉛蓄電池をSOC
90%に調整した後、上記フローチャートに従って進行
させた場合の各段階、すなわち、充・放電サイクル前
後、リフレッシュ充電後および押し込み充電後に蓄電池
を解体し、正・負極板の活物質中の残存硫酸鉛量の分析
結果から残存硫酸鉛量が1%以下になった状態をSOC
100%とし、それに対する比率で正・負極および各セ
ル間のSOCを求めた。その結果を図2に示す。
【0030】図示するように、スタート時点では、各セ
ルともSOCが90%であったが、正・負極あるいはセ
ルによって充電効率が若干異なるために充・放電後では
SOCが87〜90と差異が生じている。この状態でリ
フレッシュ充電を行うと、SOCは97〜100%と1
00%に近づいているが全てが到達していない。これに
押し込み充電を行うことによって各セルおよび正・負極
板共に100%に到達し、ばらつきが解消されている。
【0031】次に、本発明では、リフレッシュ充電およ
び押し込み充電を積算放電量が所定の値に到達した時点
で実施することを特徴としているが、リフレッシュ充電
を実施する際の積算放電量を変えた場合の蓄電池の寿命
性能に及ぼす影響について定格容量20Ah(5hR)
の12Vの自動車用制御弁式鉛蓄電池で試験を行った。
その結果を図3に示す。
【0032】試験条件は下記のとおりである。
【0033】 放電:20A×36sec 充電:14V定電圧充電(最大充電電流:40A)×720sec リフレッシュ充電:14V定電圧充電(最大充電電流40A) 充電電流が1Aに垂下した時点で、押し込み充電に移 行 押し込み充電:16V定電圧充電(最大充電電流:40A) 充電量が2Ahになった時点で充電を打ち切る。
【0034】図3のグラフから明らかなように、放電積
算量が少ない条件、すなわち、リフレッシュ充電および
押し込み充電を頻繁に行う程、鉛蓄電池は長寿命化する
傾向が見られ、本発明の効果が理解できる。
【0035】さらに、リフレッシュ充電および押し込み
充電を実施する時期を放電積算量が2000Ahに到達
した時点とし、押し込み充電量を変えた場合の寿命性能
および蓄電池の電解液の減少量に及ぼす影響について調
べた。その結果を図4および図5にそれぞれ示す。充・
放電条件およびリフレッシュ充電条件は図3に示した条
件と同じとした。
【0036】図4のグラフから明らかなように、押し込
み充電量が本発明の範囲の1Ah(定格容量の5%)お
よび2Ah(10%)では優れた寿命性能を示したが、
範囲外の4Ah(20%)は短寿命であった。これは、
図5に示すように4Ahでは電解液の減少量が多く、蓄
電池の電気抵抗が高くなったのが原因と考えられる。
【0037】なお、正・負極の充電効率は充電電流、温
度によって変化するため、実際の運用システムでは、使
用環境あるいは使用条件に適したリフレッシュ充電の実
施時期ならびに押し込み充電量を設定することが望まし
い。
【0038】
【発明の効果】鉛蓄電池をPSOCで使用する場合に、
正・負極あるいはセル間でSOCのばらつきが生じる
が、積算放電量が所定の値に到達した時点でリフレッシ
ュ充電を行い、充電状態を100%近づけると共に、さ
らに押し込み充電を行うことによって正・負極板および
セル間のSOCのばらつきをなくすることによって、従
来のような前記SOCのばらつきによる蓄電池の性能低
下さらには短寿命化が防止できその工業的効果が大であ
る。
【0039】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の充・放電プロセスを示すフロ
ーチャート。
【図2】本発明の実施例における、充・放電サイクル前
後およびリフレッシュ充電後および押し込み充電後の正
・負極板ならびにセル間のSOCを示す図。
【図3】リフレッシュ充電および押し込み充電の実施時
期と蓄電池の寿命性能との関係を示す図。
【図4】押し込み充電量と蓄電池の寿命性能との関係を
示す図。
【図5】押し込み充電量と蓄電池の電解液の減少量との
関係を示す図。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 充電状態が100%未満の部分充電状態
    に制御されている鉛蓄電池の充電方法において、積算放
    電量が所定の値に到達した時点でリフレッシュ充電を実
    施することを特徴とする鉛蓄電池の充電方法。
  2. 【請求項2】 前記リフレッシュ充電は、充・放電にお
    ける積算放電量が蓄電池の定格容量の10〜100倍に
    到達する毎に実施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。
  3. 【請求項3】 前記リフレッシュ充電を定電圧充電方式
    で行い、充電電流が所定値に低下した時点で、前記定電
    圧充電の電圧よりも高い電圧で充電する、いわゆる押し
    込み充電を実施することを特徴とする請求項1又は2に
    記載の鉛蓄電池の充電方法。
  4. 【請求項4】 前記押し込み充電は、正・負極でガスが
    発生する充電電圧であることを特徴とする請求項3に記
    載の鉛蓄電池の充電方法。
  5. 【請求項5】 前記押し込み充電電圧は、セルあたり
    2.5V以上であることを特徴とする請求項3又は4に
    記載の鉛蓄電池の充電方法。
  6. 【請求項6】 前記押し込み充電は、所定量の充電電気
    量に到達した時点で終了することを特徴とする請求項
    3、4又は5に記載の鉛蓄電池の充電方法。
  7. 【請求項7】 前記押し込み充電は、蓄電池の定格容量
    の5〜10%に相当する充電電気量に到達した時点で終
    了することを特徴とする請求項3、4、5又は6に記載
    の鉛蓄電池の充電方法。
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