JP2009176705A

JP2009176705A - 鉛蓄電池を再生させるための装置及び方法

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Publication number: JP2009176705A
Application number: JP2008140316A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Munakata; 重雄宗像; Akira Nishimura; 彰西村; Kenji Suzuki; 賢次鈴木; Kazuhiro Nagahara; 和宏長原
Original assignee: ELECTRON SPRING KK
Current assignee: ELECTRON SPRING KK
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: JP5248201B2

Abstract

【課題】鉛蓄電池の容量を回復させるとともに、回復させた鉛蓄電池の容量低下を防止するための装置及びそのための方法を提供する。
【解決手段】本発明の装置は、共振用コイルと共振用コンデンサとを含み、鉛蓄電池に並列に接続される、直列共振回路を備える。本装置は、共振用コイルのインダクタンスと共振用コンデンサのキャパシタンスとが、鉛蓄電池を充電するための充電用電源から発生する減衰波の周波数と概ね同調する周波数の電流が直列共振回路と鉛蓄電池とによって構成される回路の内部に流れるように調整されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛蓄電池の容量を回復させるとともに、回復させた鉛蓄電池の容量低下を防止するための装置及び方法に関する。特に、本発明は、鉛蓄電池の電極上に生成したサルフェーションを除去するとともに、電極にサルフェーションが再生成するのを防止するための装置及び方法に関する。

二次電池の一種である鉛蓄電池は、他の二次電池と比較して安価で、比較的高い電圧を取り出すことができることから、自動車及び二輪車のバッテリ、商用電源のバックアップ電源、バッテリ駆動のフォークリフトなどの電動自動車用電源、小型飛行機のバッテリ、無停電電源装置の電源などとして広く用いられている。鉛蓄電池は、充電及び放電が繰り返されたり、使用されないまま放置されたりすると、電気容量が大幅に低下する場合がある。その主な要因は、サルフェーションである。

通常、鉛蓄電池は、負電極の活物質として鉛（Ｐｂ）を、正電極の活物質として二酸化鉛（ＰｂＯ_２）を用い、電解液として希硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）を用いている。放電時には正電極及び負電極に硫酸鉛（ＰｂＳＯ_４）が生成するが、生成された硫酸鉛は、充電時に鉛、二酸化鉛、及び硫酸としてそれぞれ負電極、正電極、及び電解液に戻る。したがって、理想的な化学反応が進行すれば、鉛蓄電池は永久に使用することができる。しかしながら、実際には理想的な化学反応が進行するような方法及び環境で鉛蓄電池が使用されることは希であるため、多くの場合、使用に伴って電極板上に生成された硫酸鉛が次第に成長し、硬い結晶被膜が生成されることになる。これが、サルフェーションといわれる現象である。

一般に鉛蓄電池の電極板は、その表面積を大きくして鉛蓄電池の電気容量を高めるために、表面に多数の細孔を有する海綿状電極として形成される。この細孔がサルフェーションによって電極反応に寄与しない不活性な硫酸鉛で塞がれ電極板の表面積が小さくなるとともに、絶縁物質である硫酸鉛の存在によって鉛蓄電池の内部抵抗が高くなるため、鉛蓄電池の容量が大幅に低下することになる。

サルフェーションによって堆積した硫酸鉛の被膜を除去するための従来技術として以下のものが提案されている。例えば特許文献１〜特許文献３においては、高周波パルス電流を鉛蓄電池に流し、その物理的な衝撃によって、電極板に堆積した硫酸鉛の被膜を除去する技術が開示されている。このようなパルス電流をベースとする技術は、特許文献１〜３以外の特許文献にも多数存在する。また、特許文献４においては、レール電圧（電源からの交流電圧を全波整流器によって変換した後の直流電圧）をバッテリの自然共振周波数に一致する周波数の変調信号で変調し、変調後のレール電圧によってバッテリを充電する技術が開示されている。本技術によってバッテリが回復する具体的な作用は明細書中に明記されていないが、バッテリの自然共振周波数に一致する周波数の変調信号によってバッテリ全体が共振し、その物理的な衝撃によってサルフェーションを解消するものと思われる。さらに、特許文献５においては、鉛蓄電池の放置期間中に、その固有周波数未満の周波数の音波を電池に加えることによって、電解液の成層化現象が防止され、電極板への硫酸鉛の生成及び蓄積を抑制する保守方法が開示されている。

特許第３９０２２１２号明細書特許第３５６４４５８号明細書特許第３５１０７９５号明細書特表２００１−５１７４１９号明細書特開２００２−５６８９７号明細書

上述の先行技術には、以下のような課題がある。まず、パルス電流（パルス電圧）をベースとする技術の場合には、鉛蓄電池にパルス電流が流れる時間（又は、パルス電圧が印加される時間）が短時間であるため、電極のサルフェーションが十分に除去できない可能性がある。また、従来技術の多くは、鉛蓄電池を車両から取り外して再生させるものである。したがって、このような技術によって鉛蓄電池を再生させることができたとしても、再生させた鉛蓄電池を再び車両に搭載して使用を続ける間にサルフェーションが電極に発生することになるため、鉛蓄電池を長期間にわたって良好な状態に維持するのが困難である。さらに、いずれの技術も、鉛蓄電池の再生装置の作動には別途電源が必要である。鉛蓄電池を車載のまま再生させる技術の場合は再生対象の鉛蓄電池を電源とするため、エンジンが作動していない状態のときにも暗電流が発生することになる。さらに、パルスをベースとする技術の場合、短いパルス幅のパルス電流を出力する必要があるため、装置の回路構成が複雑になり、装置が高価なものとなる。

本発明の１つの態様によれば、本発明は、鉛蓄電池の容量を回復させるとともに、回復させた鉛蓄電池の容量低下を防止するための鉛蓄電池再生維持装置であって、少なくとも１つの共振用コイルと少なくとも１つの共振用コンデンサとを含み、鉛蓄電池に並列に接続される、直列共振回路を備え、少なくとも１つの共振用コイルのインダクタンスと少なくとも１つの共振用コンデンサのキャパシタンスとが、鉛蓄電池を充電するための充電用電源から発生する減衰波の周波数と概ね同調する周波数の電流が直列共振回路と鉛蓄電池とによって構成される回路の内部に流れるように調整された、ことを特徴とする鉛蓄電池再生維持装置を提供する。

本発明の別の態様によれば、本発明は、鉛蓄電池の容量を回復させるとともに、回復させた鉛蓄電池の容量低下を防止するための鉛蓄電池再生維持方法であって、鉛蓄電池を充電するための充電用電源から発生する減衰波の周波数を測定し、鉛蓄電池に並列に接続される直列共振回路と鉛蓄電池とによって構成される回路の内部に減衰波の周波数と概ね同調する周波数の電流が流れるように、直列共振回路に含まれる少なくとも１つの共振用コイルのインダクタンスと少なくとも１つの共振用コンデンサのキャパシタンスとを調整し、直列共振回路を鉛蓄電池に並列に接続し、充電用電源の交流電圧を直流電圧に変換して鉛蓄電池に印加する、ことを特徴とする方法を提供する。

本発明によれば、コイルとコンデンサとを有する直列共振回路を含む鉛蓄電池再生維持装置を、充電用電源（オルタネータ）から発生する減衰波の周波数と概ね同調するように共振周波数を調整した直列共振回路と鉛蓄電池とが並列接続となるように鉛蓄電池に接続することによって、減衰波の振幅が増幅された大きな振幅の共振電流が、直列共振回路と鉛蓄電池とによって構成される回路（この回路は、直列共振回路と鉛蓄電池のインダクタンス成分とを考慮すると、並列共振回路と考えることができる）に流れる。本発明においては、鉛蓄電池再生維持装置に使用する部品、特にコイル及びコンデンサを適切に選択することによって、すなわち、コイルの巻線抵抗とコンデンサのＥＳＲ（等価直列抵抗）とを適切に選択した部品を使用することによって、所定の範囲のＱ値を有する直列共振回路を構成するようにする。所定の範囲のＱ値を有する直列共振回路を鉛蓄電池と並列接続すると、直列共振回路と鉛蓄電池のインダクタンス成分とで構成される並列共振回路の並列共振点と、直列共振回路の直列共振点との差を小さくすることができる（すなわち、共振点において幅の狭いピークが得られるため、直列共振回路の共振周波数と並列共振回路の共振周波数とが近接する）。したがって、直列共振回路の共振周波数を減衰波の周波数に近づけるように調整する（すなわち、概ね同調させる）ことによって、減衰波の周波数と並列共振回路の共振周波数とが概ね同調することになる。その結果、直列共振回路によって生成された共振電流が並列共振回路内部に流れ、この共振電流によって鉛蓄電池の電極が振動し、サルフェーションが除去される。さらに、並列共振回路内部において共振電流が持続し、この持続する共振電流により、鉛蓄電池の電極板が常時振動してサルフェーションの発生を防止することができる。

本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置及び方法は、作動している充電用電源から発生する減衰波と共振して共振電流を発生させるものであるため、本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置及び方法を作動させる当たっては電源が不要であり、したがって、充電用電源が作動していない時には電力が消費されない（すなわち、暗電流が発生しない）。本発明に係る装置及び方法によれば、鉛蓄電池を使用しながら再生するとともに、鉛蓄電池の状態を極めて良好に維持することが可能である。本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置は、コイルとコンデンサとを有する直列共振回路を含む簡単な構成であるため、安価である。

以下、本発明の最良の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置３の斜視図である。図１（ａ）は、装置３の蓋を開けて内部の樹脂又は断熱材を露出させた状態を表しており、図１（ｂ）は、さらに樹脂又は断熱材を除去して装置内部の部品が見えるようにした状態を表している。図２及び図３は、本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置３を、自動車等の車両に搭載されている鉛蓄電池（バッテリとも言う）４に接続した状態を表すブロック図である。図１に示されるように、鉛蓄電池再生維持装置３は、少なくとも１つの共振用コイル３１と少なくとも１つの共振用コンデンサ３２とを直列に接続した直列共振回路３５を備える。鉛蓄電池再生維持装置３は、さらに、直列共振回路を収容するケース（筐体）３３と、直列共振回路３５を鉛蓄電池４に接続するための配線３４と、直列共振回路３５をケース３３内部で保持するとともに、直列共振回路３５をエンジンルーム内部の熱から保護するための樹脂又は断熱材３６と、を含む。ケース３３の材質は、金属又はプラスチックとすることができるが、これらに限定されるものではなく、直列共振回路３５を保護することができ、かつ、エンジンルーム内の熱に耐えうる材質であればよい。配線３４の長さは、鉛蓄電池再生維持装置３の抵抗を小さくしてＱ値（後述される）を高くするようになるべく短いことが好ましく、約１ｍ以内であることがより好ましい。樹脂又は断熱材３６の材質は特に限定されず、直列共振回路３５をエンジンルーム内部の熱から保護することができるものであればよい。なお、鉛蓄電池再生維持装置３を構成するこれらの部品は、耐熱性が高いこと、直流抵抗が低くＱ値が大きいことといった品質を満たすものであることが好ましい。共振用コイル３１及び共振用コンデンサ３２の詳細については、後述する。

図２及び図３に示されるように、鉛蓄電池再生維持装置３は、直列共振回路３５と鉛蓄電池４とが並列接続となるように、鉛蓄電池４に接続される。鉛蓄電池再生維持装置３と鉛蓄電池４との接続は、当業者に周知の方法で行うことができるが、鉛蓄電池再生維持装置３の配線の両端を鉛蓄電池４の端子に直接接続することが好ましい。本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置によって再生可能な鉛蓄電池は、ベント形鉛蓄電池、制御弁式鉛蓄電池など、あらゆる種類の鉛蓄電池である。なお、本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置及び方法によっても、劣化が著しい鉛蓄電池、例えば、（１）電極が破損変形したもの、（２）電極の正極と負極との間の内部短絡が生じているもの、など、物理的な損傷が著しいものは再生できない場合があることに留意されたい。電極が破損変形した鉛蓄電池とは、充電時に負極における鉛の析出がサルフェーションにより阻害され、電極の均一な成長を阻むことによって変形を生じたものである。電極の内部短絡は、内部の部品上に堆積した硫酸鉛の堆積物によって正負極間に短絡が生じたものである。また、本発明に係る装置及び方法によれば、電解液の比重が大きく低下した鉛蓄電池であっても回復可能であるが、上記のような電極の破損変形や内部短絡が要因となって比重が低下したものについては回復できない場合がある。

直列共振回路３５の共振用コイル３１のインダクタンスＬと共振用コンデンサ３２のキャパシタンスＣは、直列共振回路３５の共振周波数が、充電用電源（「オルタネータ」とも言う）１によって生成される減衰波（多くの場合、減衰正弦波である）の周波数と概ね同調するように調整される。充電用電源１は、エンジンの回転に伴って伝達される機械エネルギーを電気エネルギー（交流電力）に変換するための装置であり、充電用電源１によって発生した交流電力は、整流器２によって直流電力に変換された後、鉛蓄電池４に蓄えられる。充電用電源１と整流器２をまとめて、充電用電源ということもあり、この場合は、用いられる減衰波は厳密には整流器２によって生成されるものである。減衰波の詳細については、後述する。

本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置によって鉛蓄電池が再生され、再生された状態が維持される作用機序は、現時点では詳細には明らかとなっていないが、本発明の発明者らは概ね以下のとおりと推定している。図４は、エンジンが作動している自動車において、鉛蓄電池４の正極と負極との間の電圧をオシロスコープによって測定したときに検出される波形の模式図である。鉛蓄電池４の電極間においては、主に、（１）充電用電源１の作動に伴って発生する波（図４のＡ）、（２）プラグ点火に伴う電圧降下の波（図４のＢ）、（３）充電用電源１のベルトの回転に伴って発生する波長の大きな波（図４のＣ）、の３種類の波が検出される。このうち、（１）の波（図４のＡ）は、プラグ点火に伴う電圧降下（図４のＢ）の直後に検出される波であり、点火コイルの逆起電力をトリガとして発生する。減衰波が発生する前兆として、鉛蓄電池の電極間電圧が低下するが、これは、点火コイルの充電に大きな電流が消費されるためであり、上述の減衰波を特定する１つの指標となる。（１）の波は、図４の横軸（時間）スケール（単位時間２０ｍｓ）ではパルス状に見えるが、スケールを拡大すると、例えば単位時間を２０μｓとした図５の下段に示されるような高周波減衰波であることが分かる。充電用電源１によって生成されるこの高周波が、本発明において利用される減衰波である。図４に示されるように、充電用電源１からは、充電用電源１の作動すなわち発電に伴ってこのような減衰波が周期的に発生する。

図６は、本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置３における直列共振回路３５の回路図（ａ）及び当該回路のインピーダンス周波数特性（ｂ）を示す。図６の例によれば、２５０ｋＨｚ付近に直列共振点ｆ_ｓを示す｜Ｚ｜の低い部分が現れていることが分かる。直列共振点ｆ_ｓは、共振用コイル３１のインダクタンスをＬとし、共振用コンデンサ３２のキャパシタンスをＣとすると、以下の式（１）によって与えられる。

図６に示される回路構成の直列共振回路３５を含む鉛蓄電池再生維持装置３を、図２及び図３に示されるように自動車の鉛蓄電池４に接続してエンジンを作動させる（すなわち、充電用電源１を作動させる）と、充電用電源１から発生する減衰波（図４の（１）の波）と概ね同調する周波数の電流が流れるようにインダクタンスＬとキャパシタンスＣとが設定された直列共振回路３５内部に電流が発生する。この電流を、「共振電流」という。図５の上段の波形は、充電用電源１から発生する減衰波（図５の下段の波）と共振して直列共振回路３５の内部に流れる共振電流の波形である。

一方、図７は、充電用電源１側からみた鉛蓄電池４の等価回路図（ａ）及び当該回路のインピーダンス周波数特性（ｂ）を示す。図７（ｂ）に示されるように、鉛蓄電池４のインピーダンスは、低周波領域では一定の低い値を示すが、高周波領域では周波数の上昇とともに増大する。したがって、鉛蓄電池４の等価回路は、図７（ａ）に示されるように、抵抗成分ｒ_ｂとインダクタンス成分Ｌ_ｂを有する回路として形成される。ここで、鉛蓄電池４のインダクタンス成分と直列共振回路３５とによって形成される回路は、充電用電源１側からみると並列共振回路を形成していると考えられる。図８は、本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置３と鉛蓄電池４とを並列接続した場合の、充電用電源１側からみた等価並列共振回路図（ａ）及びインピーダンス周波数特性（ｂ）である。図８（ａ）に示される並列共振回路は、直列共振回路３５のＣ及びＬと鉛蓄電池４のＬ_ｂとによって形成される並列共振回路３６である。並列共振回路３６の共振周波数ｆ_ｂは、ｒ_ｂ≪ωＬ_ｂと考えてｒ_ｂを省略すると、

となる。

ここで、直列共振回路３５の共振周波数ｆ_ｓと、直列共振回路３５及び鉛蓄電池４のインダクタンス成分によって構成される並列共振回路３６の共振周波数ｆ_ｂとの関係をみると、ｆ_ｂとｆ_ｓは近接しており（これは、Ｑ値を後述するような範囲に設定することによって達成される）、直列共振点を示す｜Ｚ｜の低い部分が２５０ｋＨｚ付近に現れているとともに、並列共振点を示す｜Ｚ｜の高い部分が２００ｋＨｚ付近に現れている。直列共振回路３５のインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣを、減衰波の周波数と概ね同調する周波数の電流が直列共振回路３５内部に流れるように調整すると、直列共振回路３５の共振周波数ｆ_ｓと近い共振周波数ｆ_ｂをもつ並列共振回路３６内に大きな共振電流が流れる。

このようにして、充電用電源１から減衰波が発生する度に、鉛蓄電池再生維持装置３の直列共振回路３５内部に発生した共振電流が鉛蓄電池４に流れることになる。共振電流の振幅は、充電用電源１から発生する減衰波の振幅より大きく、約１．５倍〜約２０倍程度となる。さらに、充電用電源１からは減衰波が周期的に発生するため、発生した共振電流が減衰して完全に消滅する前に次の共振電流が発生する。すなわち、共振電流は、常に鉛蓄電池４に流れていることになる。したがって、鉛蓄電池４の電極板が共振電流によって振動することにより物理的衝撃が電極板に与えられ、その結果、電極板に生成された硫酸鉛の被膜が分解されることによって鉛蓄電池のサルフェーションが分解される。それとともに、共振電流による高周波振動が電極板に常時与え続けられるため、一旦サルフェーションが分解した鉛蓄電池４の電極板には硫酸鉛の被膜が再度生成されることがなく、再生した鉛蓄電池４の電気容量が維持される。

充電用電源１から発生する減衰波は、充電用電源１の種類（充電用電源１のメーカーによって異なる）、温度環境、回転数によって異なるが、その周波数は約５０ｋＨｚ〜約３５０ｋＨｚ、振幅は約３０ｍＶ〜約４５０ｍＶである。減衰波は、充電用電源１の作動に伴って、エンジンのプラグが点火した直後に発生し、その周期は（エンジンの回転数×エンジンの気筒数÷６０）回／秒である。充電用電源１から発生する減衰波は、例えば、上述した図４のＡ及び図５下段に示すような波形の波である。減衰波の周波数は、同一の充電用電源では、エンジンの回転数に応じて若干変化するものの、実施例において示されるようにほぼ一定であると考えてよい。

本発明の一実施形態に係る直列共振回路３５に用いられる共振用コイル３１及び共振用コンデンサ３２は、共振周波数においてより大きな共振電流を直列共振回路３５内部に発生させるために、共振周波数ｆ_ｓにおける直列共振回路３５のインピーダンス｜Ｚ｜ができるだけ低くなるように選択されることが好ましく、具体的にはインピーダンス｜Ｚ｜が約０．１Ω以下となるように選択されることが好ましい。そのために、コイル３１は巻線抵抗が小さいものを用い、コンデンサ３２はＥＳＲが小さいものを用いることが好ましい。巻線抵抗の小さいコイル３１とＥＳＲの小さいコンデンサ３２とを選択することによって、Ｑ値の高い直列共振回路３５、すなわち共振のピーク（例えば図６（ｂ）に示されるインピーダンス周波数特性図においてみられるピーク）の鋭い直列共振回路３５を構成することできる。Ｑ値は、共振回路の共振のピークの鋭さを表す無次元数であり、共振回路の抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、共振周波数をｆ_ｓとすると、以下の（３）式によって表される。

本発明に係る直列共振回路３５のＱ値は、約１０より大きいことが好ましく、約４５０より小さいことが好ましい。直列共振回路３５のＱ値が約１０より大きくなるように鉛蓄電池再生維持装置３の部品を選択することによって、共振点において鋭いピークを得ることができるとともに、直列共振点ｆ_ａと並列共振点ｆ_ｂとをより近接させることが可能となる。したがって、コイル３１及びコンデンサ３２を減衰波の周波数と概ね同調する周波数の電流が流れるように選択すれば、並列共振回路内部において安定的に大きな共振電流が流れるようになる。しかしながら、Ｑ値を約４５０以上にすると、ｆ_ａとｆ_ｂとが近接し過ぎて使用できる周波数帯域が狭くなるため、減衰波の周波数の変動に伴って機能しなくなる（すなわち、減衰波の周波数が共振周波数ｆ_ａ又はｆ_ｂの範囲から外れるため、共振電流が流れなくなる）おそれがある。なお、本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置３の直列共振回路は、複数の直列共振回路３５を並列に接続することによって形成してもよい。こうすると、鉛蓄電池再生維持装置３の共振周波数におけるインピーダンスをより低減させることができるため、さらに効果的である。

本発明の実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置３の直列共振回路３５に用いられる共振用コイル３１は、充電用電源１の種類、すなわち発生する減衰波の周波数に応じて、インダクタンスが約３μＨ〜約２０μＨ、巻線の巻数が約５〜約１０ターンのものが用いられる。コイル３１の巻線抵抗は、直列共振回路３５のＱ値が大きくなるように、約１０ｍΩより小さいことが好ましく、約５ｍΩより小さいことがより好ましい。共振用コイル３１は、再生維持装置が車載されることによって被る熱の影響が小さくなるように、熱による透磁率の変化が少ないものであることが好ましい。また、直列共振回路３５と鉛蓄電池４とで構成される回路の内部に流れる電流は時間によって大きく変化するため、共振用コイル３１は、電流によるインダクタンスの大きさが変わらないように、電流による透磁率の変化が少ないものであることが好ましい。共振用コイル３１は、温度による物性値の変化が少ないアモルファスチョークコイルを用いることが好ましい。また、コイルの抵抗成分を小さくするために、巻線の径は約１ｍｍより大きいことが好ましい。

本発明の実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置３の直列共振回路３５に用いられる共振用コンデンサ３２は、上述のようにＥＳＲを小さくするという観点から、フィルムコンデンサが好ましく、メタライズドフィルムコンデンサがより好ましい。共振用コンデンサ３２は、充電用電源１の種類、すなわち発生する減衰波の周波数に応じて、キャパシタンスが０．０１μＦ〜１０μＦのものが用いられる。コンデンサ３２のＥＳＲは、直列共振回路３５のＱ値が大きくなるように、約５０ｍΩより小さいことが好ましく、約１５ｍΩより小さいことがより好ましい。また、回路には大きな共振電流が流れるため、コンデンサ３２はリップル電流が約１Ａより大きいものを用いることが好ましい。

本発明の一実施形態においては、性能が劣化した鉛蓄電池４の再生及び維持は、以下のように行われる。まず、エンジンが作動している車両の鉛蓄電池４の電極に、例えばオシロスコープを当業者に周知の方法で接続することなどによって、観測される波形のうちの減衰波の周波数を測定する。上述のように、この減衰波は、充電用電源１によって生成される波であり、充電用電源１の種類によって異なる。次いで、測定した減衰波の周波数と概ね近い周波数ｆ_ｓで直列共振回路３５が共振するように、直列共振回路３５の共振用コイル３１のインダクタンスＬと共振用コンデンサ３２のキャパシタンスＣとを設定する。設定に当たっては、まず、既に述べたような特性を有する共振用コイル３１を選択する。ここで、インダクタンスＬの大きな共振用コイル３１を選択すれば、（３）式から分かるようにＱ値を大きくすることができるが、インダクタンスＬを大きくするためには巻線の巻数を多くする必要がある。しかしながら、巻数の多いコイルは抵抗Ｒが大きくなるため、結果として必要なＱ値が得られなくなる可能性がある。したがって、インダクタンスＬの範囲は上述のように、約３μＨ〜約２０μＨであることが好ましい。次いで、選択された共振用コイル３１のインダクタンスＬと適正な（すなわち、発生する減衰波によって直列共振回路が共振するような）共振周波数ｆ_ｓとから、（１）式によってキャパシタンスＣを決定し、そのようなＣを有する共振用コンデンサ３２を選択する。

なお、共振用コイル３１と共振用コンデンサ３２とを選択する順序は逆でもよい。すなわち、既に述べたような特性を有する共振用コンデンサ３２を選択し、次いで、共振用コンデンサ３２のキャパシタンスＣと共振周波数ｆ_ｓとからインダクタンスＬを決定し、そのようなＬを有する共振用コイル３１を選択するようにしてもよい。

このようにして選択した共振用コイル３１及び共振用コンデンサ３２を直列接続することにより、インダクタンスＬとキャパシタンスＣとが適切に調整された直列共振回路３５を形成することができる。この直列共振回路３５をケース３３に収容して樹脂又は断熱材３６で固める。こうして作成された鉛蓄電池再生維持装置３（すなわち、直列共振回路３５）を鉛蓄電池４と並列接続する。次に、車両のエンジンを始動させて充電用電源１を作動させることによって、充電用電源１から発生する減衰波により直列共振回路３５及び鉛蓄電池４の内部に共振電流が流れ、概ね上述したような作用機序によって、鉛蓄電池４の再生及び維持が可能となる。

以上のような共振用コイル３１と共振用コンデンサ３２とによって構成される直列共振回路内３５内部で発生し、直列共振回路と鉛蓄電池とによって構成される並列共振回路内部に流れる共振電流は、周波数が減衰波と概ね同じ約５０ｋＨｚ〜約３５０ｋＨｚ、振幅が減衰波の約１．５〜約２０倍である。例えば、上述の図５の下段に示されるような減衰波によって発生する共振電流は、図５の上段に示されるような波である。

（実施例１）
１つのアモルファスチョークコイル（日本ケミコン株式会社製、品番：ＬＢＢＭ０４０３Ｒ４Ｘ７−ＶｏＥ）と、１つのメタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサ（日本ケミコン株式会社製、品番：ＦＴＡＣＤ１０２Ｖ４７４ＥＬＨＺ０）とを直列に接続し、直列共振回路を形成した。この直列共振回路をケースに入れて樹脂で封入した鉛蓄電池再生維持装置を、乗用車（トヨタファンカーゴ、平成１２年式、型式ＮＣＰ−２０）に搭載されている性能が劣化した鉛蓄電池（Ｇ＆Ｙｕ製、７５Ｄ２３Ｌ）に並列接続した。次いで、乗用車のエンジンを始動させた。

エンジン作動時に乗用車の鉛蓄電池の電極間において検出された波形を、図９（アイドリング時の波形）及び図１０（エンジン回転数３，０００回転時の波形）に示す。本発明において利用される減衰波は、アイドリング時には約４０ｍｓに１回の周期で発生し、エンジン回転数３，０００回転時には約１０ｍｓに１回の周期で発生した。図９及び図１０の減衰波の１つ（Ａの波）を拡大した波を、それぞれ図１１及び図１２の下段に示す。乗用車に搭載されている充電用電源（オルタネータ、品番；２７０６０−２１０３０）からアイドリング時に発生する減衰波（図１１の下段）は、周波数が約８３ｋＨ、最大振幅が約４００ｍＶであった。なお、３，０００回転時に発生する減衰波（図１２の下段）も、周波数が約８３ｋＨ、最大振幅が約４００ｍＶであった。これらの減衰波と共振して本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置及び鉛蓄電池に流れる共振電流は、アイドリング時及びエンジン回転数３，０００回転時のいずれも、図１１及び図１２の上段に示されるように、周波数が約８３ｋＨ、最大振幅が約８００ｍＡであった。なお、図９及び図１０においては、減衰波が図面の上部（例えば、図９の（Ａ）の減衰波の場合）又は下部（例えば図９の右から２つめの減衰波の場合）のみに現れ、例えば図９及び図１０のＡの波のピークの大きさは、それぞれ対応する図１１及び図１２の下段の減衰波の振幅より小さくなっているように見える。これは、図９及び図１０においては、ゆっくりとした全体の鉛蓄電池端子間電圧を測定するために時間軸を広くした結果、オシロスコープのサンプリング周波数が低くなり、画面上で減衰波を完全には再現できないためであると考えられる。実際には、減衰波は図４の模式図に示されるように上下に振動しており、このことは、図９及び図１０に対応する図１１及び図１２の下段の波形をみれば明らかである。

図１３は、上述のように構成された鉛蓄電池再生維持装置を劣化した鉛蓄電池に接続して乗用車を走行させることによって、鉛蓄電池が回復したことを示す結果である。図中の実走行距離は、鉛蓄電池再生維持装置を鉛蓄電池に接続した時点を０ｋｍとし、その時点から実際に走行した距離（単位ｋｍ）を表す。電圧は、鉛蓄電池の端子間電圧（単位Ｖ）であり、比重は、鉛蓄電池の６つのセルの各々の電解液の比重である。実走行距離０ｋｍの時点、すなわち再生前の鉛蓄電池の比重は、最も高いセルでも１．２であり、最も低いセルでは１．１２まで低下していた。鉛蓄電池再生維持装置の搭載後は、すべてのセルで比重が上昇し、約９００ｋｍ走行時の鉛蓄電池の比重は、最も高いセルで１．２６となり、再生前には１．１２であったセルでも１．１７となった。また、電圧についても、１２．０１Ｖであったものが、約９００ｋｍ走行時には１２．５０Ｖまで上昇した。

（実施例２）
乗用車（トヨタファンカーゴ、平成１２年式、型式ＮＣＰ−２０）に新品の鉛蓄電池（古河電池製、４６B２４R、ＳＵＰＥＲＮＯＶＡ）を搭載し、１，９３２ｋｍ走行した。走行後、バッテリーテスター（ＭＩＤＴＲＯＮＩＣＳ製、ＭＤＸ−Ｐ３００）を用いて鉛蓄電池の電圧を測定すると同時に、電解液の比重及び内部インピーダンスを測定した。次いで、実施例１に記載のとおり形成した本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置を、乗用車に搭載した鉛蓄電池に並列接続して走行し、１，２００ｋｍ、２６５２．７ｋｍ、及び３，２２０ｋｍの各時点で、鉛蓄電池の電圧、比重、及び内部インピーダンスを測定した。測定は、乗用車から鉛蓄電池を取り外し、室温２０〜２５℃の室内で８〜２４時間安静状態に保った後に行った。

図１４〜図１６は、走行距離による鉛蓄電池の電圧、比重、及び内部インピーダンスの変化を示す図である。これらの図においては、走行距離０ｋｍの時点が本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置を鉛蓄電池に接続した時点を示し、接続前の走行距離は負の距離で示され、接続後の走行距離は正の距離で示されている。鉛蓄電池が車両に搭載されて使用される前、すなわち鉛蓄電池が新品の状態における電圧、比重、及び内部インピーダンスの値は、走行距離が−１，９３２ｋｍの点で示される。

図１４は、走行距離による鉛蓄電池の電圧の変化を示す図である。横軸は走行距離を示し、縦軸は電圧を示す。鉛蓄電池が車両に搭載され使用される前においては、鉛蓄電池の電圧は１２．８４Ｖであった。本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置を鉛蓄電池に接続した状態で３，２２０ｋｍ走行した後においても、鉛蓄電池の電圧は、当初の電圧を維持していることが分かる。

図１５は、走行距離による鉛蓄電池の電解液の比重の変化を示す図である。横軸は走行距離を示し、縦軸は比重を示す。セル番号は、正極側のセルから負極側のセルに向かって、セル１〜セル６とした。鉛蓄電池が車両に搭載され使用される前においては、いずれのセルの比重も１．２７〜１．２８の値を示しており、セルによる比重のばらつきは小さかった。鉛蓄電池を車両に搭載し、本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置を鉛蓄電池に接続しない状態で走行すると、いずれのセルにおいても比重が低下し、セルによる比重のばらつきが大きくなった。その後、鉛蓄電池再生維持装置を鉛蓄電池に接続した状態で走行すると、走行距離が長くなるにつれて、各セルの比重が再び上昇し、セルによる比重のばらつきが小さくなった。

図１６は、走行距離による鉛蓄電池の内部インピーダンス周波数特性の変化を示す図である。横軸は周波数を示し、縦軸は内部インピーダンスを示す。鉛蓄電池の内部インピーダンスは、鉛蓄電池が車両に搭載され使用される前においては小さい値を示していたが、本発明に係る鉛蓄電池再生維持装置を鉛蓄電池に接続しない状態で１，９３２ｋｍ走行した時点（図１６において□で示されるデータ）では、全周波数帯域において大幅に上昇していた。その後、鉛蓄電池再生維持装置を鉛蓄電池に接続した状態で２６５２．７ｋｍ走行すると、内部インピーダンスは、使用前の値と同程度にまで低下し、３，２２０ｋｍ走行した時点においても小さい値がほぼ維持されていることが分かる。

以上の結果から、本発明に係る装置及び方法を用いることによって、劣化した鉛蓄電池を車両に搭載したまま再生させることができるとともに、良好な状態を維持できることが分かる。

本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置を示す図であり、（ａ）装置の蓋を開けて内部の樹脂又は断熱材を露出させた状態、（ｂ）さらに樹脂又は断熱材を除去して装置内部の部品が見えるようにした状態、を表す。本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置を、自動車等に搭載されている鉛蓄電池に接続した状態を表すブロック図である。本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置を、自動車等に搭載されている鉛蓄電池に接続した状態を表すブロック図である。エンジンが作動している自動車において、鉛蓄電池の正極と負極との間の電圧をオシロスコープによって測定したときに検出される波形の模式図である。本発明において利用される減衰波（下段）及び共振電流（上段）の模式図である。本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置における直列共振回路の回路図（ａ）及び当該回路のインピーダンス周波数特性図（ｂ）である。充電用電源側からみた鉛蓄電池の等価回路図（ａ）及び当該回路のインピーダンス周波数特性図（ｂ）である。本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池再生維持装置と鉛蓄電池とを並列接続した場合の、充電用電源側からみた等価並列共振回路図（ａ）及びインピーダンス周波数特性図（ｂ）である。エンジン作動時（アイドリング時）に乗用車の鉛蓄電池の電極間において検出された波形を示す。エンジン作動時（３，０００回転時）に乗用車の鉛蓄電池の電極間において検出された波形を示す。エンジン作動時（アイドリング時）に充電用電源から発生した減衰波（下段）と、鉛蓄電池再生維持装置及び鉛蓄電池に流れた共振電流（上段）とを示す。エンジン作動時（３，０００回転時）に充電用電源から発生した減衰波（下段）と、鉛蓄電池再生維持装置及び鉛蓄電池に流れた共振電流（上段）とを示す。鉛蓄電池再生維持装置を鉛蓄電池に接続した状態で乗用車を走行させたときの鉛蓄電池の電圧及び比重の変化を示す図である。走行距離による鉛蓄電池の電圧の変化を示す図である。走行距離による鉛蓄電池の電解液の比重の変化を示す図である。走行距離による鉛蓄電池の内部インピーダンスの変化を示す図である。

符号の説明

１充電用電源
２整流器
３鉛蓄電池再生維持装置
３１共振用コイル
３２共振用コンデンサ
３３ケース
３４配線
３５直列共振回路
３６樹脂又は断熱材
４鉛蓄電池

Claims

鉛蓄電池の容量を回復させるとともに、回復させた鉛蓄電池の容量低下を防止するための装置であって、
少なくとも１つの共振用コイルと少なくとも１つの共振用コンデンサとを含み、鉛蓄電池に並列に接続される、直列共振回路を備え、
前記少なくとも１つの共振用コイルのインダクタンスと前記少なくとも１つの共振用コンデンサのキャパシタンスとが、前記鉛蓄電池を充電するための充電用電源から発生する減衰波の周波数と概ね同調する周波数の電流が前記直列共振回路と前記鉛蓄電池とによって構成される回路の内部に流れるように調整された、
ことを特徴とする装置。
前記共振用コンデンサは、フィルムコンデンサ又はメタライズドフィルムコンデンサであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記直列共振回路のＱ値が１０〜４５０であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記減衰波の前記周波数は５０ｋＨ〜３５０ｋＨであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
鉛蓄電池の容量を回復させるとともに、回復させた鉛蓄電池の容量低下を防止するための方法であって、
鉛蓄電池を充電するための充電用電源から発生する減衰波の周波数を測定し、
前記鉛蓄電池に並列に接続される直列共振回路と前記鉛蓄電池とによって構成される回路の内部に前記減衰波の前記周波数と概ね同調する周波数の電流が流れるように、前記直列共振回路に含まれる少なくとも１つの共振用コイルのインダクタンスと少なくとも１つの共振用コンデンサのキャパシタンスとを調整し、
前記直列共振回路を前記鉛蓄電池に並列に接続し、
前記充電用電源を作動させる、
ことを特徴とする方法。
前記共振用コンデンサは、フィルムコンデンサ又はメタライズドフィルムコンデンサであることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記直列共振回路のＱ値が１０〜４５０であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記減衰波の前記周波数は５０ｋＨ〜３５０ｋＨであることを特徴とする、請求項６に記載の方法。