JP2011040237A - 鉛蓄電池用充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な装置構成で寒冷時の鉛蓄電池の充電受入性を向上させ、鉛蓄電池を効率的に暖機できるようにする。
【解決手段】鉛蓄電池４に印加する電圧を出力する電圧出力部ＶＯが備えられた鉛蓄電池用充電装置において、前記電圧出力部ＶＯは、０Ｖを含む略一定直流電圧に交流電圧成分を重畳した電圧が前記鉛蓄電池４に印加されるように構成され、前記交流電圧成分による前記鉛蓄電池への供給電力が、前記鉛蓄電池のセル数と前記鉛蓄電池の５時間率公称容量とで除した値で０．５Ｗ以上となるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛蓄電池に印加する電圧を出力する電圧出力部が備えられた鉛蓄電池用充電装置に関する。

鉛蓄電池は一般的に低温状態ではその諸性能を十分には発揮できない。
特に充電性能（充電受入性）は、鉛蓄電池の安定した出力を維持し、寿命を劣化させないために極めて重要であるが、温度に著しく影響され、低温時には大幅に能力が低下する。
又、近年、搭載される鉛蓄電池の過充電を防ぎその寿命延長を図る充電制御型の充電システムを搭載する自動車が普及しているが、このような充電システムでは、走行終了時に鉛蓄電池が完全充電ではない状態におかれることが増えている。鉛蓄電池の負極板では放電によって生成した硫酸鉛が長時間放置されると充電しても鉛に戻りにくくなるので、完全充電ではない状態で鉛蓄電池が放置されると充電性能が低下してしまう。
従って、次の走行時に充電状態（ＳＯＣ）が１００％に到達するまでの時間が長くかかって、不完全な充電状態での走行を余儀なくされる。
更に、ＳＯＣが１００％に達しないまま走行を終了することも有り、このようなことが繰り返されると、鉛に戻らない硫酸鉛が増大して鉛蓄電池の寿命を著しく低下させてしまうことになる。

このような事情から、寒冷地においては鉛蓄電池が満充電ではない状態から自動車の走行を開始することが鉛蓄電池にとって厳しい条件下での使用となり、充電時の鉛蓄電池の温度を上昇させ充電受入性を向上させることが要請されており、下記特許文献１や下記特許文献２に記載ような技術が提案されている。

下記特許文献１では、ハイブリッド車両において蓄電池のＳＯＣを検知しながら振幅と周期とを設定した充放電電流で蓄電池を暖機して、低温時に低下したバッテリ容量を早期に回復させる技術が記載されている。
下記特許文献２では、蓄電池の温度に基づいて決定される充電量及び放電量となるように設定した電流値で充電と放電とを交互にパルス的に切換えて、蓄電池の暖機を行う技術が記載されている。

ちなみに、単に鉛蓄電池にパルス電流を流して充電する技術としては、下記特許文献３，下記特許文献４及び下記特許文献５がある。
これら下記特許文献３〜下記特許文献５に記載の技術は、何れも、鉛蓄電池の劣化原因の１つである負極に蓄積した硫酸鉛を分解除去することを目的とするものであり、各特許文献の記載内容から推定した鉛蓄電池への供給電力は小さく、蓄電池の暖機となり得るほどの電力ではない。仮に下記特許文献３に例示された、周波数２ｋＨｚ（パルス電流通電は１周期のうち２５％）、電流値２５Ａで３４Ｂ１９形電池をパルス充電するとセル当たりの分極が２５ｍＶ程度で、発生電力は０.００６Ｗ／（Ａｈ・セル）（電力を５時間率公称容量とセル数で除した値。以下において同様）となり、下記特許文献４に例示された、周波数２ｋＨｚと電流値３０Ａで３４Ｂ１９形電池をパルス充電するとセル当たりの分極が３０ｍＶ程度で、発生電力は０.００８Ｗ／（Ａｈ・セル）となり、同様に下記特許文献５の場合は０.００１Ｗ／（Ａｈ・セル）以下となる。これらの発生電力は鉛蓄電池の暖機を行えるほどの電力ではない。

特開２００５−３３２７７７号公報 特開２００２−１２５３２６号公報 特開２００３−２３５１７４号公報 特開２００４−７９３７４号公報 特開２００６−３３９０３０号公報

上記の特許文献１では、精度良くＳＯＣ等を算出すると共にそのＳＯＣ等に応じて蓄電池に印加するパルス電圧やパルス幅を制御する構成としており、又、特許文献２でも蓄電池に流すパルス電流（充放電電流）の電流値やパルス幅を検出温度等に応じて制御する構成としており、何れも蓄電池の暖機運転のための装置構成が複雑化し装置コストの増大を招いてしまうものとなっている。
更に、上記の特許文献２等のように蓄電池に印加する電流を制御する方式では、蓄電池の劣化に伴って内部抵抗が増大すると、蓄電池に発生する電圧やジュール熱が増大し、蓄電池の劣化を加速させてしまうことになる。このような劣化の加速は、蓄電池の劣化の程度を判断する装置を搭載することで回避可能であるが、それだけ装置コストの増大を招くことになる。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡素な装置構成で寒冷時の鉛蓄電池の充電受入性を向上させ、鉛蓄電池を効率的に暖機できるようにする点にある。

本出願の第１の発明は、鉛蓄電池に印加する電圧を出力する電圧出力部が備えられた鉛蓄電池用充電装置において、前記電圧出力部は、０Ｖを含む略一定直流電圧に交流電圧成分を重畳した電圧が前記鉛蓄電池に印加されるように構成され、前記交流電圧成分による前記鉛蓄電池への供給電力が、前記鉛蓄電池のセル数と前記鉛蓄電池の５時間率公称容量とで除した値で０．５Ｗ以上となるように設定されている。
すなわち、０．５Ｗ以上の供給電力となる交流電圧成分（印加電圧波形から直流電圧成分（電圧の平均値）を差し引いた電圧成分）を含む電圧を鉛蓄電池に印加することで、鉛蓄電池が効率良く温度上昇するのである。

以下において、具体的な複数の実験例によって説明する。
実験は、何れも、図２に示す実験装置にて行った。図２に示す実験装置は、実験対象の鉛蓄電池１０１に電圧を印加する電源装置１０２を備える他、鉛蓄電池１０１と並列に電圧計１０３が備えられ、鉛蓄電池１０１と直列に電流計１０４と開閉器１０５とが備えられている。尚、この電圧計１０３及び電流計１０４は、実際の測定では、適宜のプローブを使用したオシロスコープを使用している。
電源装置１０２は、１００Ｖの商用電源で動作し、一定直流電圧に所定の交流電圧成分を重畳した電圧を鉛蓄電池１０１へ印加する。より具体的には、１４．４Ｖの定電圧に図３に電圧波形を示す交流電圧成分を重畳する。図３では、その交流電圧成分を１セル当たりに換算して表示しており、又、その交流電圧成分の印加によって流れる交流電流も１点鎖線で併せて示している。
図３に示す交流電圧成分は、矩形パルス電圧として見るとデューティが５０％の矩形パルス電圧で、山の部分が充電期間に相当し、谷の部分が放電期間に相当して、充電期間の長さと放電期間の長さとが等しくなるように、又、充電時の電圧（振幅）と放電時の電圧（振幅）とが等しくなるように交流電圧成分の電圧波形を設定している。
電源装置１０２は、図３に示すような交流電圧成分の周波数及び電圧振幅を任意に設定可能であり、図３に示す矩形交流電流を６００Ａ程度の振幅まで流せる電流供給能力を有している。

先ず、第１の実験グループは、鉛蓄電池に印加する電圧の交流電圧成分の電力と、鉛蓄電池の温度が１０℃に到達するまでの時間との関係を調べる実験グループである。ここで１０℃に到達するまでの時間に着目しているのは、１０℃にまで到達すると鉛蓄電池が本来の性能を発揮し得るからである。
この第１の実験グループでは、実験対象の鉛蓄電池として５時間率公称容量が２７Ａｈである３４Ｂ１９形鉛蓄電池（１２Ｖ，６セル）を使用し、その鉛蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）を５時間率公称容量に関して８０％の状態として空冷０℃の環境下に２４時間置いた後、図２の実験装置で充電した。

この充電は上記の交流電圧成分による鉛蓄電池への供給電力を複数段階に設定して、夫々の段階の供給電力毎に行い、各供給電力夫々での充電過程において、鉛蓄電池の第１セル（最も正極側を第１セルとする）と第３セルとの電解液温度が１０℃に到達する時間（分）を測定した。第１セルの温度で端部のセルの温度を代表させ、第３セルの温度で中央よりのセルの温度を代表させている。
供給電力を複数段階に設定するについては、上記交流電圧成分の振幅を７２０ｍＶ（すなわち鉛蓄電池１セル当たりでは、振幅が１２０ｍＶ）に固定し、周波数を２５Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲で１２水準に設定した。周波数が高いほど応答して流れる電流値が大きくなるので、周波数を異ならせることで鉛蓄電池に供給される電力が変化する。
この実験の結果を、上記１２水準の電力供給条件を「Ａ１２０」〜「Ｍ１２０」の条件記号を付して表１にまとめている。更に、表１の最下段では、条件記号「Ｎ」として、交流電圧成分を印加しない状態での上記と同様の実験結果を併せて示している。尚、表１中の各データは、同一の供給電力で３個の鉛蓄電池の充電を行ってその平均をとったものである。

表１中で、「電流振幅」は、オシロスコープで観察する交流電流成分の波形において充電期間内（交流波形の山の部分）あるいは放電期間内（交流波形の谷の部分）での平均電流値（絶対値）をとったもので、交流電流成分の平均的な振幅に相当する。又、表１中の「電力」（すなわち、鉛蓄電池への供給電力）の値は、上記の「電流振幅」の値と交流電圧成分の振幅の値との積（すなわち交流電圧成分に起因して発生する電力）を、５時間率公称容量及びセル数で除して規格化したものである。
尚、以下において、鉛蓄電池に印加する交流電圧成分に起因して発生する電力を、その鉛蓄電池のセル数とその鉛蓄電池の５時間率公称容量とで除した値を、説明の便宜上、「規格化電力」と称する。又、表中あるいは図中では単に「電力」と表記すると共に、単位として「Ｗ／（Ａｈ・セル）」を付する。

表１から、周波数が高いほど１０℃到達時間が短く、又、周波数が高いほど、矩形波交流電圧成分に対応する電流の振幅が大きく、鉛蓄電池に供給される電力が大きくなっていることがわかる。
表１の「１０℃到達時間」の項目で「−」と記載しているデータは、いつまでたっても１０℃に到達しないことを示しており、条件記号「Ｎ」で示す直流電圧成分のみで充電して交流電圧成分を印加しない条件の場合の他、条件記号「Ａ１２０」及び「Ｂ１２０」の場合も、第１セルの温度について、十分に時間をおいても１０℃に到達しなかった。

表１の結果について、「１０℃到達時間」と「電力」（すなわち、鉛蓄電池への供給電力）との関係をグラフ化したものを図４に示す。
図４から、上記規格化電力が０．５Ｗ／（Ａｈ・セル）より小さいと、第１セル及び第３セルの何れにおいても１０℃到達時間が急激に長くなることがわかる。又、表１から、交流電圧成分の振幅が１２０ｍＶでは矩形波交流の周波数を１５００Ｈｚ以上とすれば、鉛蓄電池に供給される電力（上記規格化電力）が０．５Ｗ／（Ａｈ・セル）を超えることがわかる。

次ぎに、第２の実験グループは、上記の第１の実験グループで基本的な傾向を把握した上で、鉛蓄電池に印加する交流電圧成分（及びそれに伴う交流電流成分）による電力を更に多様な形で変化させて、鉛蓄電池に印加する電圧の交流電圧成分の電力と、鉛蓄電池の温度が１０℃に到達するまでの時間との関係を調べる実験グループであり、更に、鉛蓄電池に印加する電圧の交流電圧成分の電力と、ＳＯＣが所定値に到達するまでの時間との関係をも調べている。

具体的には、図３に示す矩形交流波形の交流電圧成分等において、交流電圧成分の周波数は上記第１の実験グループと同様に１２水準に設定すると共に、更に、交流電圧成分の振幅について、１セル当たりで、４０ｍＶ，９０ｍＶ，１２０ｍＶ，１５０ｍＶ，２００ｍＶ，３００ｍＶ及び４００ｍＶに変化させる。
他の条件は、上記の第１の実験グループと同様であり、実験対象の鉛蓄電池として５時間率公称容量が２７Ａｈである３４Ｂ１９型鉛蓄電池（１２Ｖ，６セル）を使用し、その鉛蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）を５時間率公称容量に関して８０％の状態として空冷０℃の環境下に２４時間置いた後、電解液の温度及びＳＯＣを測定しつつ図２の実験装置で充電した。

先ず、上記第１の実験グループの場合と同様にして求めた鉛蓄電池への供給電力と鉛蓄電池に印加する交流電圧成分の周波数との関係を、交流電圧成分の振幅をパラメータとして求めたものを図５に示す。図５の横軸は周波数を対数スケールで表示している。
図５からは、鉛蓄電池に印加する交流電圧成分によって発生する電力は周波数の対数に概ね比例し、その勾配は矩形波の振幅の増大に従い大となっている。この図５のように取得したデータを利用して、上記規格化電力を０．５Ｗ以上とするための交流電圧成分の振幅及び周波数を決定できる。

図５に示すように交流電圧成分の振幅及び周波数を種々に異ならせて変化させた電力と、鉛蓄電池の温度が１０℃に到達するまでの時間との関係の測定結果を図６に示す。鉛蓄電池の温度は第３セルで測定したものであり、又、交流電圧成分の振幅が１２０ｍＶのデータは、上記第１の実験グループでのデータを使用している。

図６では、交流電圧成分によって発生する電力を鉛蓄電池のセル数と鉛蓄電池の５時間率公称容量で除した値（上記規格化電力）が０．５Ｗ（すなわち、０．５Ｗ／（Ａｈ・セル））を下回ると急激に１０℃到達時間が増加する傾向が顕著になっている。
逆に、０．５Ｗ／（Ａｈ・セル）以上の場合には、１０℃到達時間が２２分以内という良好な特性を達成しており、鉛蓄電池の有効な暖機を行えることを示している。

更に、このような鉛蓄電池の暖機が鉛蓄電池の充電受入性の向上に有効であることを確認するために、交流電圧成分の振幅及び周波数を種々に異ならせて変化させた電力と、鉛蓄電池のＳＯＣが９５％に到達するまでの時間との関係の測定結果を図７に示す。
この図７においても、上記規格化電力が０．５Ｗを下回ると急激にＳＯＣ９５％到達時間が増加する傾向が顕著になっており、鉛蓄電池に供給される電力を０．５Ｗ／（Ａｈ・セル）以上に設定することで、充電受入性を向上できることを確認できた。

次ぎに、第３の実験グループは、上記第１の実験グループに対して、実験対象とする鉛蓄電池の種類を変えて同様の実験を行ったものである。
すなわち、実験対象の鉛蓄電池として５時間率公称容量が４０Ａｈである５０Ｂ２０型鉛蓄電池（１２Ｖ，６セル）を使用し、第１の実験グループと同様に、鉛蓄電池に印加する電圧の交流電圧成分の電力と、鉛蓄電池の温度が１０℃に到達するまでの時間との関係を調べる。鉛蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）を５時間率公称容量に関して８０％の状態として空冷０℃の環境下に２４時間置いた後、上記第１の実験グループと同様の交流電圧成分の波形，振幅及び周波数の設定で、図２の実験装置で充電した。但し、明らかに鉛蓄電池への供給電力が不足する２５Ｈｚと６０Ｈｚとについては省略している。

この実験の結果を、１０水準の電力供給条件を「ｃ１２０」〜「ｍ１２０」の条件記号を付して表２にまとめている。更に、表１の最下段では、条件記号「ｎ」として、交流電圧成分を印加しない状態での上記と同様の実験結果を併せて示している。
表２の「電流振幅」等の各項目は、表１と全く同じ定義である。

表２の結果について、「１０℃到達時間」と「電力」（すなわち、鉛蓄電池への供給電力）との関係をグラフ化したものを図８に示す。
図８から、鉛蓄電池の種類を変えた第３の実験グループでも、上記規格化電力が０．５Ｗ／（Ａｈ・セル）より小さいと、第１セル及び第３セルの何れにおいても１０℃到達時間が急激に長くなることがわかる。

次ぎに、第４の実験グループは上記の第３の実験グループに対して、上記の第１の実験グループに対する第２の実験グループの関係に相当する関係を有しており、５０Ｂ２０形鉛蓄電池を充電対象として、鉛蓄電池に印加する交流電圧成分（及びそれに伴う交流電流成分）による電力を更に多様な形で変化させて、鉛蓄電池に印加する電圧の交流電圧成分の電力と、鉛蓄電池の温度が１０℃に到達するまでの時間やＳＯＣが所定値に到達するまでの時間との関係を調べる実験グループである。
具体的には、図３に示す矩形交流波形の交流電圧成分等において、交流電圧成分の周波数は上記第３の実験グループと同様に設定すると共に、更に、交流電圧成分の振幅について、１セル当たりで、１２０ｍＶ，１５０ｍＶ，２００ｍＶ及び３００ｍＶに変化させる。
他の条件は、上記の第３の実験グループと同様である。又、上記の第２の実験グループと同様に、電解液の温度及びＳＯＣを測定しつつ図２の実験装置で充電した。

先ず、交流電圧成分の振幅及び周波数を種々に異ならせた状態として変化させた電力と、鉛蓄電池の温度が１０℃に到達するまでの時間との関係の測定結果を図９に示す。鉛蓄電池の温度は第３セルで測定したものであり、又、交流電圧成分の振幅が１２０ｍＶのデータは、上記第３の実験グループでのデータを使用している。
図９においても、上記規格化電力が０．５Ｗ（すなわち、０．５Ｗ／（Ａｈ・セル））を下回ると急激に１０℃到達時間が増加する傾向が顕著になっている。

次ぎに、交流電圧成分の振幅及び周波数を種々に異ならせた状態として変化させた電力と、鉛蓄電池のＳＯＣが９５％に到達するまでの時間との関係の測定結果を図１０に示す。
この図１０においても、上記規格化電力が０．５Ｗを下回ると急激にＳＯＣ９５％到達時間が増加する傾向が顕著になっており、鉛蓄電池に供給される電力を０．５Ｗ／（Ａｈ・セル）以上に設定することで、充電受入性を向上できることを確認できた。

以上のように、鉛蓄電池への電力の供給態様を種々に変化させても、又、鉛蓄電池の種類（機種）を変えても、鉛蓄電池の温度上昇と供給される電力との関係が全く同じ特徴を示していが、この理由は以下のように考えられる。
鉛蓄電池の熱容量は、機種に依らずその９０〜９３％が電解液に由来する。一方、電解液の重量と５時間率公称容量とはほぼ比例する。従って、鉛蓄電池１セル当たりの熱容量は機種によらず５時間率公称容量にほぼ比例する。
他方、交流電圧成分がセルに与える電力は、交流の周波数が大きい場合には、そのほぼ全てがセルの電気抵抗に起因するジュール熱に変換される。
従って、鉛蓄電池に印加する交流電圧成分に起因して発生する電力を鉛蓄電池のセル数と５時間率公称容量とで除した値（上記規格化電力）は、鉛蓄電池の機種等に拘わらずに電解液の温度上昇を評価する変数となり得る。
本第１の発明では、上述の実験例で示すように、上記規格化電力が０．５Ｗ（すなわち、０．５Ｗ／（Ａｈ・セル））以上とすることで、効果的に鉛蓄電池を昇温させることができる。

尚、上述の実験例では、鉛蓄電池に印加する交流電圧成分として、山の部分と谷の部分とが同じ時間幅の矩形波交流波形としているが、山の部分と谷の部分とが異なる時間幅の矩形波や、更には、正弦波、三角波、鋸歯状波、これらの波形の組合わせたものであっても良い。このような波形の場合でも、例えば、１周期の間の電圧の平均値、電流の平均値に対する電圧の瞬時値、電流の瞬時値の差分を交流電圧成分、交流電流成分とし、この交流電圧成分と交流電流成分との積の１周期での積分から求まる交流電力をセル数と５時間率公称容量とで除した値が、０．５Ｗ以上であれば良い。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記交流電圧成分は、同一波形の繰り返し周波数が１００Ｈｚ以上となるように設定されている。
すなわち、前記交流電圧成分における同一波形の繰り返し周波数を１００Ｈｚ以上に設定することで、鉛蓄電池に交流電圧成分を印加して昇温させる場合において電池寿命の劣化を防止できることを発見したのである。

以下、具体的な実験例によって説明する。
実験は、３４Ｂ１９形鉛蓄電池を使用し、その鉛蓄電池に供給される上記規格化電力を略一定（ほぼ０．５Ｗ／（Ａｈ・セル））としながら、交流電圧成分（図３に示す矩形波交流電圧）の振幅と周波数とを変化させて、交流電圧成分の印加時間と５時間率容量の実測値との関係を求めた。

より具体的な実験条件としては、鉛蓄電池を５時間率公称容量の２０％放電し、０℃にて定電圧１４．４Ｖに上記交流電圧成分を重畳した電圧を１２０時間印加した後、その鉛蓄電池を２５℃に戻して１４．４Ｖで５時間充電する。この状態で５時間率容量（５時間率放電容量）を測定する。これを１サイクルとし、このサイクルの繰り返し回数によって上記交流電圧成分を重畳した電圧を印加する時間を変化させて、５時間率放電容量を測定する。
上記交流電圧成分の振幅と周波数との組合わせは、２５Ｈｚ−１６０ｍＶ，６０Ｈｚ−１５０ｍＶ，１００Ｈｚ−１４０ｍＶ，１５００Ｈｚ−１２０ｍＶ，１００ｋＨｚ−９０ｍＶの５種類の組合わせであり、これらの交流電圧成分による上記規格化電力は正確には０．４９〜０．５１Ｗ／（Ａｈ・セル）となっている。

この測定結果を図１１に示す。又、図１１では、上記交流電圧成分を重畳しないで同条件の実験を行った結果を「交流成分なし」として併せて記載している。
図１１では、横軸に上記サイクルの繰り返し回数に対応する値である「サイクル比」ととり、縦軸に５時間率容量の測定値をとっている。この「サイクル比」は、交流電圧成分を重畳せずに上記と同条件の実験を行った結果（図１１の「交流成分なし」に相当）において、鉛蓄電池の５時間率容量が２０Ａｈ以下となった時点での上記サイクルの繰り返し回数を基準のサイクル数とし、各条件での上記サイクルの繰り返し回数をその基準のサイクル数で除した比率で表したものである。
図１１から、交流電圧成分の矩形波の周波数を２５Ｈｚ及び６０Ｈｚとした場合では、交流電圧成分の周波数が１００Ｈｚ以上の場合と較べて、交流電圧成分の印加時間に対する５時間率容量の低下度合いが大きくなっており、鉛蓄電池の寿命の劣化度合いが大きいことを示している。これに対して、交流電圧成分の周波数が１００Ｈｚ以上の場合の５時間率容量の低下度合いは、交流電圧成分を重畳しないものの実験結果とほとんど同じ程度に収まっている。
従って、鉛蓄電池を昇温させるために重畳する交流電圧成分の周波数が１００Ｈｚ以上であれば、交流電圧成分を重畳して大きな電力を鉛蓄電池に投入しても鉛蓄電池の寿命を悪化させてしまう事態を回避できる。

これは、交流電圧成分の周波数を大きくすると、流れる交流電流のうち鉛蓄電池の両極の活物質の充電反応に関与しないｎｏｎ−Ｆａｒａｄａｉｃな電流部分が増加し、活物質の充放電反応の観点からは交流電圧成分を重畳しない状態とそれほど変らなくなることによるものと考えられる。
鉛蓄電池の寿命に影響する活物質の充放電反応が、交流電圧成分を重畳しない状態と変らなければ、寿命に関する特性も交流電圧成分を重畳しない状態と変らないということである。

又、本出願の第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加えて、前記鉛蓄電池への前記交流電圧成分の印加を、前記鉛蓄電池の温度が設定温度に到達するまでの間のみ許容する充電制御部が備えられている。
すなわち、寒冷地等において鉛蓄電池を昇温させることは、鉛蓄電池本来の性能を発揮させるために有用であるが、鉛蓄電池を過剰に温度上昇させると鉛蓄電池の寿命に悪影響を及ぼす場合もある。
そこで、前記交流電圧成分を重畳する期間を制限して、鉛蓄電池の過剰な温度上昇を防止する。
尚、前記交流電圧成分を重畳する期間を限定するための具体的な手法としては、鉛蓄電池の温度を検出する温度センサを備えて、その温度センサの検出温度が設定温度を超えると前記交流電圧成分の印加を停止するように構成しても良いし、前記交流電圧成分の印加を開始して鉛蓄電池の暖機を開始する時点の温度と、鉛蓄電池の温度が設定温度に上昇するまでの所要時間との関係を予め求めておき、鉛蓄電池の周囲温度に応じて前記交流電圧成分を重畳する時間の長さを設定するように制御しても良い。

上記第１の発明によれば、鉛蓄電池に印加する交流電圧成分に起因する電力が、鉛蓄電池のセル数と鉛蓄電池の５時間率公称容量とで除した値で０．５Ｗ以上となるように、前記交流電圧成分の最大振幅や同一波形の繰り返し周波数を一定の値に設定するだけで良く、以降の交流電圧成分の最大振幅や同一波形の繰り返し周波数の変更調整を不要としながら、効率良く鉛蓄電池の暖機を行うことができる。
もって、簡素な装置構成で寒冷時の鉛蓄電池の充電受入性を向上させ、鉛蓄電池を効率的に暖機できるものとなった。

又、上記第２の発明によれば、鉛蓄電池に印加する前記交流電圧成分の繰り返し周波数を適切に設定することで、鉛蓄電池の寿命劣化を可及的に抑制できる。
又、上記第３の発明によれば、鉛蓄電池の過度の温度上昇を抑制して、鉛蓄電池の寿命劣化等を防止できる。

本発明の実施の形態にかかる鉛蓄電池用充電装置の概略構成図 本発明を説明するための実験装置の概略構成図 本発明を説明するための実験に使用する交流電圧成分等の波形を示す図 本発明を説明するための鉛蓄電池の昇温特性を示す図 本発明を説明するための交流電圧成分の周波数と電力との関係を示す図 本発明を説明するための鉛蓄電池の昇温特性を示す図 本発明を説明するための充電受入性を示す図 本発明を説明するための鉛蓄電池の昇温特性を示す図 本発明を説明するための鉛蓄電池の昇温特性を示す図 本発明を説明するための充電受入性を示す図 本発明を説明するための鉛蓄電池の容量変化を示す図 本発明の別実施形態にかかる鉛蓄電池用充電装置の概略構成図

以下、本発明の鉛蓄電池用充電装置を自動車に搭載する場合の実施の形態を図面に基づいて説明する。
鉛電池用充電装置ＣＨ（以下、単に「充電装置ＣＨ」と称する）は、図１に示すように、自動車に搭載されているオルタネータ１から変圧器２を介して動作電力の供給を受ける電源装置３と、自動車に搭載されている充電対象の鉛蓄電池４の筐体壁面に取り付けられた温度センサ５とから構成されている。

電圧出力部ＶＯとして機能する電源装置３は、図２の電源装置１０２と同等の機能を有し、一定直流電圧（例えば、１４．４Ｖ）に、最大振幅と同一波形の繰り返し周波数とが一定の交流電圧成分を重畳して、その電圧を鉛蓄電池４へ印加する。
本実施の形態では、この交流電圧成分は図３に例示する山の部分の時間幅と谷の部分の時間幅が等しい矩形波交流電圧成分である。
この交流電圧成分の周波数（山の部分と谷の部分との一対で構成される波形の繰り返し周波数）は、上述のように寿命劣化防止の観点から、電圧振幅に拘わらず１００Ｈｚ以上に設定されている。
更に、効率良く鉛蓄電池４の暖機を行うために、交流電圧成分に起因して鉛蓄電池４へ供給される電力（交流電力）が、鉛蓄電池４のセル数と鉛蓄電池４の５時間率公称容量とで除した値（すなわち上記規格化電力）で０．５Ｗ以上となるように、前記交流電圧成分の繰り返し周波数及び振幅が設定されている。
具体的な数値例として示すと、周波数が１００Ｈｚ以上の場合には振幅が１セル当たりで１４０ｍＶ以上、周波数が１５００Ｈｚ以上の場合には振幅が１セル当たりで１２０ｍＶ以上、周波数が１００ｋＨｚ以上の場合には振幅が１セル当たりで９０ｍＶ以上に設定すれば、上記の規格化電力で０．５Ｗ以上となる。

電源装置３には、更に、温度センサ５の検出温度に基づいて、電源装置３から鉛蓄電池４へ印加する電圧に、上記交流電圧成分を重畳するか否かを切換える充電制御部ＣＣが備えられている。
この充電制御部ＣＣの動作について概略的に説明する。
充電制御部ＣＣは、オルタネータ１が始動して電源装置３への電力供給が開始すると、温度センサ５の検出信号に基づいて、鉛蓄電池４の温度が１０℃より低いか否か判別し、１０℃より低いときは、上記直流定電圧に上記交流電圧成分を重畳した電圧を鉛蓄電池４へ印加させる。その後、温度センサ５の検出信号の監視を継続して、鉛蓄電池４の温度が１０℃に到達すると、上記交流電圧成分の重畳を停止し、直流定電圧のみを鉛蓄電池４へ印加する状態に切換える。

このように、鉛蓄電池４の温度が設定温度（ここでは、１０℃）に到達するまでの間のみ鉛蓄電池４への上記交流電圧成分の印加を許容することで、鉛蓄電池４の不必要な温度上昇を防いでいる。
尚、上記の設定温度として１０℃を例示しているが、これより高い温度に設定しても良い。但し、寒冷地で通常の使用状態では２０℃、特別な目的で暖機する場合でも４０℃を超えない範囲に設定することが望ましい。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、鉛蓄電池４に図３に示すような交流電圧成分を印加できる電源装置３を備える場合を例示したが、自動車に本来的に備えられている構成を極力利用して、充電装置ＣＨを図１２に示すように構成しても良い。
図１２に示す充電装置ＣＨは、鉛蓄電池４に電圧を印加する電圧出力部ＶＯとして、変圧器１１を介して自動車に搭載のオルタネータ１から供給される電力を直流定電圧に変換するレギュレータ１２と、交流電流をバイパスするバイパスコンデンサ１３と、鉛蓄電池４に印加する電圧に交流電圧成分を重畳するか否かを切換えるスイッチ１４と、２次側が鉛蓄電池４と直列に接続されて、直流定電圧に交流電圧成分を重畳するための変圧器１６と、変圧器１１の２次側からの電力で上記交流電圧成分を生成する交流発生器１７とが備えられ、更に、鉛蓄電池４の筐体壁面に取り付けられた温度センサ５の検出信号に基づいてスイッチ１４の接続状態を切換え操作する昇温制御回路１５が充電制御部ＣＣとして備えられている。

この充電装置ＣＨは、上記交流電圧成分を矩形波交流電圧ではなく、正弦波交流電圧とする場合に特に好適であり、交流発生器１７は正弦波電圧を生成する。
この正弦波の交流電圧成分を重畳して鉛蓄電池４に印加する場合も、寿命劣化防止の観点から、電圧振幅に拘わらず周波数を１００Ｈｚ以上に設定する。
更に、この交流電圧成分によって鉛蓄電池４に供給される電力（交流電力）を、鉛蓄電池４のセル数と鉛蓄電池４の５時間率公称容量とで除した値（すなわち上記規格化電力）で０．５Ｗ以上となるように、前記交流電圧成分の繰り返し周波数及び振幅（何れも一定値）を設定しているのも上記実施の形態と同様である。

この交流電圧成分の周波数及び振幅は、上述の図５に示すような周波数と電力との関係を正弦波交流電圧を重畳する場合について求めても良いが、矩形波交流電圧を重畳する場合のデータから類推して求めることもできる。
すなわち、交流電圧成分とそれに起因する交流電流成分との位相差は十分に小さく無視できるので正弦波による実効電力は矩形波交流電圧の場合の１／２であり、正弦波交流電圧の振幅を矩形波交流電圧の振幅の１．４１倍にすれば、同じ電力が得られることになる。
従って、交流電圧成分を正弦波交流電圧とする場合は、周波数が１００Ｈｚ以上の場合には振幅が１セル当たりで２００ｍＶ以上、周波数が１５００Ｈｚ以上の場合には振幅が１セル当たりで１７０ｍＶ以上、周波数が１００ｋＨｚ以上の場合には振幅が１セル当たりで１２５ｍＶ以上に設定すれば、上記の規格化電力で０．５Ｗ以上となる。

コンパレータとして働く昇温制御回路１５は、上記実施の形態の充電制御部ＣＣと同様の動作をする。
昇温制御回路１５は、スイッチ１４の接続状態を、温度センサ５の検出信号が１０℃より低いときには変圧器１６の２次側に通電される接続状態（図１２において下側の接点間を接続する状態）とし、温度センサ５の検出信号が１０℃以上のときには変圧器１６の２次側に通電されない接続状態（図１２において上側の接点間を接続する状態）とする。
従って、オルタネータ１が始動して電力が供給されると、温度センサ５の検出信号に基づいて、鉛蓄電池４の温度が１０℃より低いときは、上記直流定電圧に変圧器１６によって上記交流電圧成分を重畳した電圧が鉛蓄電池４へ印加される。鉛蓄電池４の温度が１０℃に到達すると、変圧器１６の２次側が充電回路から切り離されて上記交流電圧成分の重畳が停止され、直流定電圧のみが鉛蓄電池４へ印加される状態となる。
尚、図１２に示す回路構成では、交流電圧成分として正弦波を用いることが最も好適であるが、変圧器１６に広帯域のものを使用すれば、波形は崩れるものの矩形波交流に近いものを上記交流電圧成分として用いることも可能である。

（２）上記実施の形態では、交流電圧成分を重畳する一定直流電圧として１４．４Ｖを例示しているが、この一定直流電圧を０Ｖとして、交流電圧成分のみを鉛蓄電池に印加するように構成しても良い。

３ａ 充電制御部
４ 鉛蓄電池
ＶＯ 電圧出力部

Claims (3)

1. 鉛蓄電池に印加する電圧を出力する電圧出力部が備えられた鉛蓄電池用充電装置であって、
   前記電圧出力部は、０Ｖを含む略一定直流電圧に交流電圧成分を重畳した電圧が前記鉛蓄電池に印加されるように構成され、
   前記交流電圧成分による前記鉛蓄電池への供給電力が、前記鉛蓄電池のセル数と前記鉛蓄電池の５時間率公称容量とで除した値で０．５Ｗ以上となるように設定されている鉛蓄電池用充電装置。
2. 前記交流電圧成分は、同一波形の繰り返し周波数が１００Ｈｚ以上となるように設定されている請求項１記載の鉛蓄電池用充電装置。
3. 前記鉛蓄電池への前記交流電圧成分の印加を、前記鉛蓄電池の温度が設定温度に到達するまでの間のみ許容する充電制御部が備えられている請求項１又は２記載の鉛蓄電池用充電装置。

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