JP2010256210A - 制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法および制御弁式鉛蓄電池の短絡検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極微小の短絡であっても確実に検出する。
【解決手段】直列接続された複数の制御弁式鉛蓄電池の短絡検査を行う制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法において、満充電状態にある制御弁式鉛蓄電池に対し、所定の微少電流で定電流充電を行い、鉛蓄電池毎の端子間電圧を測定し、測定した複数の鉛蓄電池の端子間電圧に基づいて鉛蓄電池の極微小短絡の有無を判別する。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法および短絡検査装置に係り、特に化成工程直後に微小短絡を検出する技術に関する。

制御弁式鉛蓄電池は、正極板と負極板とにガラスマットなどのセパレーターを挟んだ構造となっているが、極板変形、極板表面の活物質の微小突起部によるセパレーター貫通、活物質の脱落、セパレーターの破損などにより、内部短絡を引き起こす場合がある。
従来の内部短絡の検査方法としては、放電末期の端子電圧や回復充電末期の端子電圧を測定し、一定期間、開路状態で保管して端子電圧を測定する方法などが知られている。特に初充電後または電槽内での極板化成終了後に電解液が２０℃で比重１．０２〜１．２０の範囲にある放電状態で制御弁式鉛蓄電池を放置した後、開路電圧の検査を行い、その開路電圧分布より異常品を検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０５−１４４４７８号公報

しかし、デンドライトの生成による短絡のように、極微小の短絡の場合には、放電末期の端子電圧や回復充電末期の端子電圧が判定基準を満足することもあり、このような場合には、不良品を良品と判定してしまうおそれがあった。また、特許文献１に記載の方法では、放電状態にするためのＳＯＣ調整が煩わしい上に、比重１．０２〜１．２０の放電状態で放置後の回復充電でデンドライトが生成するおそれがあった。
そこで、本発明の目的は、極微小の短絡であっても確実に検出することが可能な御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法および制御弁式鉛蓄電池の短絡検査装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１態様は、直列接続された複数の制御弁式鉛蓄電池の短絡検査を行う制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法において、満充電状態にある制御弁式鉛蓄電池に対し、所定の微少電流で定電流充電を行い、前記鉛蓄電池毎の端子間電圧を測定する測定過程と、前記複数の鉛蓄電池の端子間電圧に基づいて前記鉛蓄電池の極微小短絡の有無を判別する短絡判別過程と、を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、測定過程において、満充電状態にある制御弁式鉛蓄電池に対し、所定の微少電流で定電流充電を行い、鉛蓄電池毎の端子間電圧を測定する。
これにより、短絡判別過程は、複数の鉛蓄電池の端子間電圧に基づいて鉛蓄電池の極微小短絡の有無を判別する。
したがって、複数の鉛蓄電池の端子間電圧は、極微小の短絡の影響を確実に反映したものとなり、極微小の短絡を確実に検出することができる。

本発明の第２態様は、第１態様において、微少電流の電流値を、１／１００００ＣＡ以上、１／１０００ＣＡ以下とすることを特徴とする。
上記電流値範囲であれば、極微小の短絡の有無で、端子電圧に変化が現れ、極微小の短絡をより確実に検出することができる。

本発明の第３態様は、第１態様または第２態様において、前記測定過程は、前記微少電流による充電を開始してから、充電電圧が安定した後に鉛蓄電池毎の端子間電圧を測定することを特徴とする。
したがって、複数の鉛蓄電池の端子間電圧には、極微小の短絡の影響が確実に現れ、極微小の短絡をより確実に検出することができる。

本発明の第４態様は、第１態様ないし第３態様のいずれかにおいて、前記短絡判別過程は、測定した前記複数の鉛蓄電池の端子間電圧における最大電圧と、最小電圧との差が所定の基準判定電圧以上である場合に前記極微小短絡があると判別することを特徴とする。
上記構成によれば、検査対象の制御弁式鉛蓄電池の製造ばらつきの影響を相殺して、極微小の短絡を確実に検出することができる。

本発明の第５態様は、直列接続された複数の鉛蓄電池を有する制御弁式鉛蓄電池の短絡検査を行う制御弁式鉛蓄電池の短絡検査装置において、満充電状態にある制御弁式鉛蓄電池に対し、所定の微少電流で定電流充電を行う充電部と、前記鉛蓄電池毎の端子間電圧を測定する測定部と、前記複数の鉛蓄電池の端子間電圧に基づいて前記鉛蓄電池の極微小短絡の有無を判別する短絡判別部と、を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、充電部は、満充電状態にある制御弁式鉛蓄電池に対し、所定の微少電流で定電流充電を行う。
一方、測定部は、鉛蓄電池毎の端子間電圧を測定し、短絡判別部は、複数の鉛蓄電池の端子間電圧に基づいて鉛蓄電池の極微小短絡の有無を判別する。
したがって、複数の鉛蓄電池の端子間電圧には、極微小の短絡の影響を確実に反映したものとなり、極微小の短絡を確実に検出することができる。

本発明によれば、極微小の短絡であっても確実に検出することができる。

実施形態の短絡検査装置の概要構成ブロック図である。 容量試験結果の説明図である。 制御弁式鉛蓄電池毎の最大電圧値Ｖｍａｘと最小電圧値Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶの算出結果の説明図である。

図１は、実施形態の短絡検査装置の概要構成ブロック図である。
短絡検査装置１０は、複数の鉛蓄電池を有する制御弁式鉛蓄電池１１に後述する所定の検査電流値の電流で充電を行う充電装置１２と、充電電流を測定する電流測定装置１３と、測定タイミング信号を出力するタイマー１４と、測定タイミング信号に対応する測定タイミングで制御弁式鉛蓄電池１１の鉛蓄電池毎の電圧を測定し、電圧測定データを出力する電圧測定装置１５と、制御弁式鉛蓄電池１１が置かれている測定環境の温度を測定する温度測定装置１６と、電圧測定データに基づいて、短絡判定を行うコントロール部１７と、を備えている。
コントロール部１７は、電圧測定データを記億する電圧記憶部２１と、電圧記憶部に記憶した電圧測定データに基づいて短絡判定用演算処理を行う演算部２２と、短絡判定用演算処理の結果に基づいて短絡判定を行う短絡判定部２３と、を備えている。

ここで、制御弁式鉛蓄電池１１について説明する。
まず、制御弁式鉛蓄電池１１の用途について説明する。
制御弁式鉛蓄電池１１は、主に産業用途に用いられる据置型のものであり、例えば、無停電電源システムなど商用電源が停電した際の非常用として用いられたり、電力貯蔵システムなど商用電源から割安な深夜電力を利用して電池に蓄電し、需要が多い昼間に電力を供給して、負荷の平準化を行うように用いられたりするものである。

次に制御弁式鉛蓄電池１１の製造工程について説明する。
制御弁式鉛蓄電池１１は、鉛を主成分とする正極基板および負極基板にそれぞれ正極活物質および負極活物質を充填してなる正極板と負極板とを微細ガラス繊維を主体としたマット状セパレーターを介して交互に積層し極板群とした後、同極性同士の極板の耳部を溶接によって接続することにより極板群とする。そして、極板群を電槽に収納し、この電槽に注液用及び排気用の開口部を有する蓋を溶着あるいは接着剤で接着し、この開口部から電解液を電解液量が極板群に含浸する程度注液し、注液や排気用の開口部にゴム弁（制御弁）を施すことにより製造される（組立工程）。

通常、組立工程では、数百Ｖの高電圧を印加し、基板のバリ（突起）等がセパレーターを貫通して生じる短絡検査を行っている。
しかしながら、短絡の他の主要因であるデンドライト（樹枝状結晶）は、組立工程後の化成工程で生じるため、デンドライト生成による短絡については、当然ながら組立工程の短絡検査では検出できない。なお、化成工程は、充填板を用いて組み立てた電池を電槽化成する場合と、化成済みの即用板を用いて組み立てた電池を初充電する場合の２通りがある。

ここで、デンドライトの生成について説明する。
鉛蓄電池では、極板群が収納された電槽内に電解液を注液した直後や、鉛蓄電池の使用後に放電状態で長期間放置した後は、電解液（硫酸）濃度が低いため電解液が鉛と反応する。この結果、電解液濃度はさらに低くなり、遂には正負両極から鉛が電解液中へＰｂ^２＋イオンとして溶出し、溶出したＰｂ^２＋イオンは、充電時に負極に樹枝状に析出してデンドライト（樹枝状晶）として成長する。このデンドライトは負極から突出して成長するため正極と負極の間隔が局部的に狭まることで自己放電が増大し、最悪の場合はデンドライトが正極に接触して短絡が生じ、電池として機能しなくなる。

このデンドライトの生成現象は、電解液量が少なく電解液濃度の変化が激しい制御弁式鉛蓄電池において顕著に表れることとなる。
そこで、本実施形態においては、化成工程において電槽化成または初充電を終了して容量確認を行った直後に短絡検査を行うことで、デンドライトの生成に起因する短絡を検出している。

次に短絡検査装置１０の動作について説明する。
まず、短絡検査装置１０の充電装置１２は、検査対象の制御弁式鉛蓄電池１１を通常の充電手順で満充電状態となるまで充電する。この満充電状態は、電槽化成または初充電後でもよく、通常その後に行う容量確認を行った後の回復充電後でもよい。
次に充電装置１２は、電流測定装置１３で電流を測定することにより、制御弁式鉛蓄電池１１に所定の検査電流値を有する定電流充電を行う。
ここで、所定の検査電流値としては、１／１００００ＣＡ（Ｃａｐａｃｉｔｙ Ａｍｐｅｒｅ）以上、１／１０００ＣＡ以下とすることが好ましい。ここで、Ｃは所定の時間率での電池の定格容量を示し、電池の種類によって規定される時間率が異なる。一般的にはＣ_１０（１０時間率容量）で示されることが多く、その他Ｃ_５（５時間率容量）やＣ_２０（２０時間率容量）がある。本実施形態の電池は、Ｃ_１０＝１０００Ａｈであるため、１ＣＡは、１０００Ａの電流値となり、１／１００００ＣＡは、０．１Ａ、１／１０００ＣＡは、１Ａとなる。

上述の電流値範囲が好ましいとした理由は、上述した範囲の充電電流値で満充電された電池を充電した場合に、微小な充電電流による充電量に対し、極微小短絡がない場合の放電量と、極微小短絡がある場合の放電量と、が有意に差を生じるような充電量とするためである。本実施形態において、極微小短絡とは、１ｍｍ以下０．３ｍｍ程度の短絡を言うものとする（以下、同様）。なお、微小短絡とは、２ｍｍ以下程度の短絡を言うものとする（以下、同様）。
より詳細には、検査電流値が１／１００００ＣＡ以上であると、短絡以外の自己放電によっても電圧が下がることがなく、短絡に起因する放電と、自己放電との識別ができ、より確実に極微小短絡の検出が行えるからである。一方、検査電流値が１／１０００ＣＡ以下であると、極微小短絡による放電があっても、それを補って電圧が上昇することがなく、より確実に極微小短絡の検出が行えるからである。
これにより、コントロール部１７は、充電電圧が安定するまで（＝電圧変動量が所定閾値範囲に収まるまで）待機する。安定化のための待機に要する時間としては、例えば、所定の検査電流値を有する定電流充電を行う前の制御弁式鉛蓄電池１１が満充電状態の場合、少なくとも約１日（約２４時間）となっている。この場合において、所定の検査電流値として、１／１００００ＣＡ以上、１／１０００ＣＡ以下であれば、安定化のための待機に要する時間は、検査電流値にかかわらず同様である。

充電電圧が安定すると、タイマーは、測定タイミング信号を電圧測定装置に出力する。
この結果、電圧測定装置１５は、温度測定装置１６の測定した温度に基づいて温度補正を行いつつ、測定タイミング信号に対応する測定タイミングで所定の測定期間、制御弁式鉛蓄電池１１の鉛蓄電池毎の電圧を測定し、電圧測定データを電圧記憶部２１に出力する。
この場合において、基本的には温度補正を行う構成を採っているが、温度の高低により電圧が変動しても、鉛蓄電池毎の相対的な電圧差はあまり変わらないため、温度補正を行わなくても測定にはあまり影響はない。電槽化成室の温度範囲は最大でも±２℃程度であるので、特に問題は生じない。
電圧記憶部２１は、入力された電圧測定データを記億する。

測定タイミング及び測定期間としては、例えば、１０分毎、トータル２時間（サンプリング数１２点）とする。データの測定タイミングの間隔は短いほど精度が高くはなるが、データ量も多くなるため、実用的には、最も短い場合でも、１分程度とするのが好ましい。
また、測定期間は、ある程度の数（例えば、サンプリング数１０点）の電圧測定データが得られれば、例えば、１時間のように短くてもかまわない。
電圧測定が完了すると、コントロール部１７の演算部２２は、電圧記憶部２１に記憶した電圧測定データに基づいて短絡判定用演算処理を行う。
短絡判定用演算処理としては、例えば、同一の制御弁式鉛蓄電池１１における電圧測定データの最大値と、最小値との差を求める。

この短絡判定用演算処理の結果、コントロール部１７の短絡判定部２３は、短絡判定を行い、極微小短絡（あるいは微小短絡）があると判定された制御弁式鉛蓄電池１１を不良品として判別することとなる。
短絡判定としては、例えば、上述の例の場合、同一の制御弁式鉛蓄電池１１における電圧測定データの最大値と、最小値との差が鉛蓄電池の定格電圧の１％程度の電圧を超えていれば、極微小短絡（あるいは微小短絡）と判別することとなる。
以上の説明のように、本実施形態によれば、デンドライトの生成の初期において、デンドライトの生成に起因する微小短絡を確実に判別することができ、信頼性の高い制御弁式鉛蓄電池を得ることが可能となる。

次に本発明の実施例について説明する。
まず、未化成正極板と未化成負極板をセパレーターを介して積層した極板群を作製し、作製した極板群を電槽に収納し、蓋を溶着した。その後、所定の比重の硫酸を一定量注液し、所定の電流と時間で化成を施し、２Ｖ−１０００Ａｈの制御弁式鉛蓄電池を１６個作製した（第１実施例〜第１６実施例：電池番号＝１〜１６）。
また、未化成正極板と未化成負極板をセパレーターを介して積層するとともに、直径約１ｍｍ程度の金属鉛をセパレーターに１ヶ所貫通させた状態（極微小短絡状態）で極板群を作製し、作製した極板群を電槽に収納し、蓋を溶着した。その後、所定の比重の硫酸を一定量注液し、所定の電流と時間で化成を施し、２Ｖ−１０００Ａｈの制御弁式鉛蓄電池を２個作製した（第１比較例：電池番号＝１７、第２比較例：電池番号＝１８）。

また、未化成正極板と未化成負極板をセパレーターを介して積層するとともに、直径２ｍｍ程度の金属鉛をセパレーターに１ヶ所貫通させた状態(微小短絡状態)で極板群を作製し、作製した極板群を電槽に収納し、蓋を溶着した。その後、所定の比重の硫酸を一定量注液し、所定の電流と時間で化成を施し、２Ｖ−１０００Ａｈの制御弁式鉛蓄電池を２個作製した（第３比較例：電池番号＝１９、第４比較例：電池番号＝２０）。
次に上記各実施例及び各比較例について容量試験を行った。
容量試験の方法は、１００Ａの電流で９時間３０分放電し、放電末期の端子電圧を測定し、その後、放電量の１２０％を充電し、充電（充電電流５０Ａ）末期の端子間電圧を測定した。

図２は、容量試験結果の説明図である。
１００Ａの電流で９時間３０分放電した後の放電末期電圧は、第３比較例（電池番号＝１９）、第４比較例（電池番号＝２０）の制御弁式鉛蓄電池は、他の制御弁式鉛蓄電池に比べ低い値を示すが、極微小短絡状態にある第１比較例（電池番号＝１７）、第２比較例（電池番号＝１８）については、第１実施例〜第１６実施例（電池番号＝１〜１６）ほぼ同等な値を示した。
放電量の１２０％を充電し、充電（充電電流５０Ａ）末期の電圧である充電末期電圧についても、第３比較例（電池番号＝１９）、第４比較例（電池番号＝２０）の制御弁式鉛蓄電池は、他の制御弁式鉛蓄電池に比べ低い値を示したが、極微小短絡状態にある第１比較例（電池番号＝１７）、第２比較例（電池番号＝１８）については、第１実施例〜第１６実施例（電池番号＝１〜１６）ほぼ同等な値を示した。

これらの結果より、極微小の短絡の場合、放電末期電圧あるいは充電末期電圧の値による検査では、すべての不良品を見つけるのは困難であることがわかった。
次に、満充電状態にある上述した電池番号＝１〜２０の２０個の制御弁式鉛蓄電池を直列に接続して、１／１００００ＣＡ〜１／１００ＣＡの範囲内で図３に示す各短絡測定用電流で定電流充電を行い、充電電流が十分に安定した後、２時間にわたって、１０分ごとに１２回、制御弁式鉛蓄電池を構成する鉛蓄電池毎に端子間電圧を測定し、複数の鉛蓄電池の端子間電圧のうち、最大電圧値Ｖｍａｘと最小電圧値Ｖｍｉｎを２０個の制御弁式鉛蓄電池のそれぞれについて記録した。
そして、最大電圧値Ｖｍａｘと、最小電圧値Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶを次式により算出した。
ΔＶ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ

図３は、制御弁式鉛蓄電池毎の最大電圧値Ｖｍａｘと最小電圧値Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶの算出結果の説明図である。
図３に示すように、１／１００００Ｃ〜１／１０００ＣＡの充電電流で定電流充電を行った場合の第１実施例〜第１６実施例（電池番号＝１〜１６）の制御弁式鉛蓄電池毎の最大電圧値Ｖｍａｘと最小電圧値Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶは、鉛蓄電池の定格電圧（本例の場合、２Ｖ）の１％に相当する電圧である０．０２０Ｖ未満の値を示した。
これに対し、第１比較例〜第４比較例（電池番号＝１７〜２０）の制御弁式鉛蓄電池は、Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎの値は０．０２０Ｖ以上となった。
一方、１／１００ＣＡの充電電流では正常品においても０．０２０Ｖ以上の電池があり、この電圧差ΔＶでは、短絡の判定は難しい。ここで、電圧差ΔＶ＝０．０２４Ｖとすることにより短絡の判定が可能である。しかしながら、正常品と短絡品（不良品）との電圧差ΔＶの差が０．００４Ｖしかないため、充電電流値を１／１００００Ｃ〜１／１０００ＣＡとすることにより、より確実に極微小短絡を検出することが可能となる。

以上の結果より、１／１００００ＣＡ以上、１／１０００ＣＡ以下の充電電流で充電を行い、充電電圧が安定した状態における各鉛蓄電池の端子電圧のうち、最大電圧値Ｖｍａｘと、最小電圧値Ｖｍｉｎに基づいて、次式で表される電圧差ΔＶの値が各鉛蓄電池の定格電圧２Ｖの１％に相当する電圧０．０２０Ｖ以上の電池を不良品と判定することで、極微小の短絡を検出することが可能となり、信頼性の高い制御弁式鉛蓄電池を得ることができる。

１０ 短絡検査装置
１１ 制御弁式鉛蓄電池
１２ 充電装置（充電部）
１３ 電流測定装置
１４ タイマー
１５ 電圧測定装置（測定部）
１６ 温度測定装置
１７ コントロール部（短絡判別部）
２１ 電圧記憶部
２２ 演算部
２３ 短絡判定部

Claims (5)

1. 直列接続された複数の制御弁式鉛蓄電池の短絡検査を行う制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法において、
   満充電状態にある制御弁式鉛蓄電池に対し、所定の微少電流で定電流充電を行い、前記鉛蓄電池毎の端子間電圧を測定する測定過程と、
   前記複数の鉛蓄電池の端子間電圧に基づいて前記鉛蓄電池の極微小短絡の有無を判別する短絡判別過程と、
   を備えたことを特徴とする制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法。
2. 請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法において、
   前記微少電流の電流値を、１／１００００ＣＡ以上、１／１０００ＣＡ以下とすることを特徴とする制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法。
3. 請求項１または請求項２記載の制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法において、
   前記測定過程は、前記微少電流による充電を開始してから、充電電圧が安定した後に前記鉛蓄電池毎の端子間電圧を測定することを特徴とする制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法において、
   前記短絡判別過程は、測定した前記複数の鉛蓄電池の端子間電圧における最大電圧と、最小電圧との差が所定の基準判定電圧以上である場合に前記極微小短絡があると判別することを特徴とする制御弁式鉛蓄電池の短絡検査方法。
5. 直列接続された複数の制御弁式鉛蓄電池の短絡検査を行う制御弁式鉛蓄電池の短絡検査装置において、
   満充電状態にある制御弁式鉛蓄電池に対し、所定の微少電流で定電流充電を行う充電部と、
   前記鉛蓄電池毎の端子間電圧を測定する測定部と、
   前記複数の鉛蓄電池の端子間電圧に基づいて前記鉛蓄電池の極微小短絡の有無を判別する短絡判別部と、
   を備えたことを特徴とする制御弁式鉛蓄電池の短絡検査装置。

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