JP2014207806A - 制御弁式鉛蓄電池の充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズの大きな電池をＰＳＯＣ制御下で使用する場合でも、充分なリフレッシュ効果を奏し、寿命性能を向上することができる制御弁式鉛蓄電池の充電方法を提供する。
【解決手段】極板集電部の下端中央の点と当該点から最も離れた極板本体周縁上の点との間の距離が２０ｃｍ以上である正極板を備えた制御弁式鉛蓄電池を充電対象とし、前回の均等充電からの累積放電電気量に関連する値である累積放電電気量関連値が予め設定した上限値を超えた場合には、次回の均等充電では、定電圧充電を行った後に、更に定電流充電を行う均等充電工程を有するようにする。
【選択図】なし

Description

この発明は、部分充電状態に制御して使用される制御弁式鉛蓄電池の充電方法に関するものである。

鉛蓄電池を部分充電状態（ＰＳＯＣ（Partial State of Charge））に制御して使用すると、硫酸鉛の蓄積による寿命低下（サルフェーション）が起こりやすいことが知られている。従前は負極において硫酸鉛の蓄積が顕著であったが、活物質へのカーボン添加等の改善策が講じられることにより負極の寿命性能は向上した。このため、夜間電力を使って充電し、これを昼間のピークカット等に使うような用途であれば、鉛蓄電池の寿命性能はあまり低下しない。しかし、ＰＳＯＣ制御でほぼ一日中充放電を行う風力発電等と系統連係して負荷平準化するために用いると、鉛蓄電池が早期にサルフェーションを起こして短寿命になることがある。なお、このように風力発電等と系統連係して負荷平準化する用途には一般的に制御弁式鉛蓄電池が用いられる。

このため、ＰＳＯＣに制御して使用される鉛蓄電池に対しては、定期的に均等充電を行い電池の状態をリフレッシュする対策がとられている（特許文献１）。当該均等充電の方法としては種々の方法が知られており、定電圧で行われることが多いが、定電流で行われる場合もある。

定電圧充電による均等充電のメリットは、過充電量を抑えつつ、充電中の電圧を低く保ちながら充電するため、正極格子の腐食や電解液の電気分解を抑制することで寿命性能を延伸することができることである。しかし、成層化やサルフェーションといった劣化因子に関しては、充分な効果を発揮できないことがある。

一方、定電流充電による均等充電は、定電圧充電よりは効率は低いが、充電電流が流れにくい部位にも電流を流すことができるため、成層化やサルフェーションといった劣化因子の解消には効果を発揮する。しかし、過剰に行うと正極格子腐食や電解液の分解量が定電圧充電よりも多くなるため、寿命性能が短くなることがある。

また、いずれの充電方法を用いて均等充電を行っても、電池のサイズが大きくなると、極板内での充電状態にばらつきが生じやすくなり、均等充電によるリフレッシュ効果が充分に得られにくくなる。

特開２００３−１６３０３４号公報

そこで本発明は、上記現状に鑑み、サイズの大きな電池をＰＳＯＣ制御下で使用する場合でも、充分なリフレッシュ効果を奏し、寿命性能を向上させることができる制御弁式鉛蓄電池の充電方法を提供すべく図ったものである。

すなわち本発明に係る制御弁式鉛蓄電池の充電方法は、極板集電部の下端中央の点と当該点から最も離れた極板本体周縁上の点との間の距離が２０ｃｍ以上である正極板を備えた制御弁式鉛蓄電池を充電対象とし、前回の均等充電からの累積放電電気量に関連する値である累積放電電気量関連値が予め設定した上限値を超えた場合には、次回の均等充電では、定電圧充電を行った後に、更に定電流充電を行う均等充電工程を有することを特徴とする。ここで、「累積放電電気量関連値」とは、前記累積放電電気量に関係する値であれば特に限定されず、例えば、累積放電電気量に加えて、前回の均等充電からの累積充電電気量や、前回の均等充電からの累積放電電気量及び累積充電電気量の絶対値の和等が挙げられる。

なお、「定電圧充電」とは、一般的には予め定めた電圧を上回らないように電流を制御しながら行う充電方法をいう。通常、充電状態が低いと充電中の電圧は低く、充電が進むにつれ電圧が上昇する。ある電圧まで達すると、活物質の充電反応以外の反応（例えば水の電気分解等）が発生するため、予め定めた電圧に達しないようにするために行われる充電方法である。

また、どんな充電装置にも最大出力が定まっており、電流値で制限される場合もあれば電力値で制限されるときもある。従って、予め定めた電圧に達しないくらいに充電状態が低いと、その電圧に達するまでは最大出力の電流なり電力で充電され続ける。

本発明においては、予め定めた電圧に達するまでの詳細な充電方法までは規定しないが、例えば電池容量に対して、あまりに最大電流が小さいと実用的でなく、また、最大電流が大きくともすぐに充電中の電圧が上昇してしまうため、電池と充電装置とのスペックが釣り合わない状態となることがある。

電池容量に対して充電装置の最大電流は、電流値で制限されるものでも電力値で制限されるものでも０．１ＣＡ〜３ＣＡの電流値となる範囲に収まっていることが、鉛蓄電池には好ましい。

本発明において、前記累積放電電気量関連値が累積放電電気量値である場合、前記予め設定した上限値は５ＣＡｈである。

また、前記定電流充電による充電電気量は、例えば、前記累積放電電気量関連値に基づいて決定すればよい。

更に、前記定電流充電時の充電電流は、０．０５ＣＡ以下であることが好ましい。

このような構成を有する本発明によれば、サイズの大きな電池をＰＳＯＣ制御下で使用する場合でも、充分なリフレッシュ効果を得ることができ、延いては寿命性能を向上することができる。

正極板を示す模式図である。 電池の種類による寿命サイクル数及び正極板のサイズ（最長距離）の相違を表すグラフである。 正極板のサイズ（最長距離）と寿命サイクル数との関係を表すグラフである。 累積放電電気量と寿命サイクル数との関係を表すグラフである。 累積放電電気量ごとの、定電流での充電電気量と寿命サイクル数との関係を表すグラフである。 累積放電電気量と定電流での充電電気量との関係を表すグラフである。 定電流充電時の充電電流と端子電圧及び密閉反応効率との関係を表すグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。

本発明に係る充電方法は、極板集電部（耳部）の下端中央の点と当該点から最も離れた極板本体周縁上の点との間の距離が２０ｃｍ以上である正極板を備えた制御弁式鉛蓄電池を対象とするものである。制御弁式鉛蓄電池では、電解液が微細ガラス等からなるセパレータに保持されたりゲル化されたりして非流動化されているので、成層化が起こりにくい。このため、制御弁式鉛蓄電池は風力発電等と系統連係して負荷平準化する用途に好適に用いられる。

本発明における「極板集電部の下端中央の点と当該点から最も離れた極板本体周縁上の点との間の距離が２０ｃｍ以上である」とは、例えば、図１に示す態様の正極板１では、平面視において、集電部２と本体３との境界線Ｌと集電部２の縦中心線Ｃ１との交点Ｐと、本体３の縦中心線Ｃ２を挟んで交点Ｐとは反対側に位置する本体３の下方頂点Ｑとの間の距離が２０ｃｍ以上であることをいう。極板集電部の下端中央の点と当該点から最も離れた極板本体周縁上の点との間の距離が２０ｃｍ以上であるような大型の極板では、極板内での充電状態にばらつきが生じやすくなるので、定電圧充電のみによる均等充電ではリフレッシュ効果が得られにくくなる。

本発明では、均等充電時に、定電圧充電を行った後に、更に定電流充電を行うかどうかを決定するために、前回の均等充電からの累積放電電気量に関連する値である累積放電電気量関連値について、予め設定した上限値を設定しておく。

前記予め設定した上限値は、例えば、前記累積放電電気量関連値が累積放電電気量値である場合は５ＣＡｈである。累積放電電気量が５ＣＡｈを超えると、定電圧充電のみにより均等充電を行っても、電池の寿命性能が著しく低下する。なお、５ＣＡｈの累積放電電気量には調整放電での放電電気量は含まれない。

本発明では、前記累積放電電気量関連値が予め設定した上限値を超えた場合には、次回の均等充電では、定電圧充電を行った後に、更に押込み充電として定電流充電を行う。例えば、自動車用１２Ｖの電池を定電圧で充電する場合、通常、１３．８〜１４．７Ｖ（２．３〜２．４５Ｖ／セル）の電圧を適用するが、充電が進行するにつれて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設定していると充電対象である鉛蓄電池との電圧差がなくなり、充電電流が低下していく。このような電流の低下は鉛蓄電池の充電状態が１００％に近づいていることを示す。

しかし、累積放電電気量が５ＣＡｈを超えるＰＳＯＣでの使用後に、定電圧充電のみによる均等充電を行っても鉛蓄電池が短寿命であるのは、正極活物質と負極活物質との充電効率に差があるためと考えられる。特に、活物質にカーボンが添加してある場合は、負極活物質の充電効率より正極活物質の充電効率のほうが低い。また、定電圧充電においては、負極の分極のほうが充電時の受入れ電気量への影響が大きいため、正極のリフレッシュが不充分なまま、負極の分極によって充電電気量が制限されてしまっていると考えられる。これに対して、定電圧充電の後に定電流充電を追加して行うことにより、正極もリフレッシュすることができると推測される。

前記定電流充電による充電電気量は、前記累積放電電気量関連値に基づいて決定すればよい。ここで、前記定電流充電による充電電気量を「前記累積放電電気量関連値に基づいて決定」するとは、予め作成しておいた前記累積放電電気量関連値と前記定電流充電による充電電気量との対応関係を表す、関数、マップ、テーブル等から、前記累積放電電気量関連値に応じて前記定電流充電による充電電気量を決定することをいう。なお、前記定電流充電による充電電気量を調整するためには、例えば、充電時間を変えればよい。

前記定電流充電は、０．０５ＣＡ以下の電流で行うことが好ましい。定電流充電時の充電電流が大きすぎると、電解液中の水の電気分解速度が大きくなり、負極での酸素吸収が追いつかなかったり、充電時の電池温度が上昇したりするので、早期に液枯れする原因となりやすい。このため、密閉反応効率が５０％以上となる大きさの電流を選択するのが適当であり、０．０５ＣＡは大きすぎない適当な電流である。一方、定電流充電時の充電電流が小さすぎると、活物質を充分にリフレッシュすることが困難になるので好ましくない。このため、例えば、端子電圧が２．５Ｖを超えるような大きさの電流を選択するのが適当であり、定電流充電時の充電電流の下限としては、０．０３ＣＡ程度であるのが好ましい。

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。

＜供試電池の作製＞
下記表１に示す仕様の制御弁式鉛蓄電池を作製し、試験に供した。なお、下記表１において、「最長距離」とは、正極板の集電部の下端中央の点と当該点から最も離れた本体周縁上の点との間の距離を意味し、本試験においては、図１に示すように、平面視において、集電部２と本体３との境界線Ｌと集電部２の縦中心線Ｃ１との交点Ｐと、本体３の縦中心線Ｃ２を挟んで交点Ｐとは反対側に位置する本体３の下方頂点Ｑとの間の距離を意味する。

＜サイクル寿命試験（１）＞
作製した供試電池に対し、下記表２に示す条件に従いサイクル寿命試験（１）を行った。具体的には、まず、調整放電を行い、次いで、放電及び充電を繰り返し、１０サイクル毎（累積放電電気量２ＣＡｈ毎）に定電圧で均等充電を行った。

そして、５００サイクル毎に、以下の条件に従い容量試験を行い、終止電圧に達するまでの時間が７時間（定格容量の７０％に相当）を下回った場合に、その際のサイクル数を寿命サイクル数とした。結果は図２及び３に示す。
（１）放電；０．１ＣＡ、終止電圧１．８Ｖ
（２）充電；均等充電に準拠

＜サイクル寿命試験（２）＞
Ｄタイプの供試電池を用い、均等充電の条件を変えてサイクル寿命試験（２）を行った。当該サイクル寿命試験（２）では、調整放電、放電及び充電は上記サイクル寿命試験（１）と同様に行い、一方、均等充電は、下記表３に示す条件に従い行った。そして、５００サイクル毎にサイクル寿命試験（１）と同様に容量試験を行い、電池寿命を判定した。結果は表３及び図４〜６に示す。このうち、図４は、電池Ｎｏ．１〜３を比較対象とする定電圧充電のみにより均等充電を行った場合の累積放電電気量と寿命サイクル数との関係を表すグラフであり、図５は、電池Ｎｏ．３〜２０を比較対象とする累積放電電気量（１０、２０、３０ＣＡｈ）ごとの定電流での充電電気量と寿命サイクル数との関係を表すグラフであり、図６は、累積放電電気量と、各累積放電電気量において長寿命となった場合の定電流での充電電気量との関係を表すグラフである。

なお、図６において、長寿命となった場合とは、各累積放電電気量で寿命サイクル数が最高となった場合を意味し、累積放電電気量が１０ＣＡｈのときは寿命サイクル数が１１０００となった場合（電池Ｎｏ．５及び６）で、累積放電電気量が２０ＣＡｈのときは寿命サイクル数が１００００となった場合（電池Ｎｏ．１１〜１３）で、累積放電電気量が３０ＣＡｈのときは寿命サイクル数が９５００となった場合（電池Ｎｏ．１８及び１９）である。

＜定電流充電時の充電電流の評価＞
完全充電状態の電池に対し、下記表４に示す条件で、電流の小さい方から定電流充電を行い、通電終了直前の端子電圧と密閉反応効率を測定した。

なお、密閉反応効率の測定は、表４に示す通電電流、通電時間及びガス採取時間を除きＪＩＳ Ｃ ８９７２の方法に準拠して行ったが、密閉反応効率の算出式としては下記のとおり若干修正を施した式を使用した。
密閉反応効率η＝（１−ν／６８４）×ガス採取持続時間（分）／６０
端子電圧と密閉反応効率の測定結果は下記表５及び図７に示す。

＜結果＞
図２及び３のグラフに示すように、上記最長距離が長いほど寿命サイクル数が小さくなった。また、図２のグラフから分かるように、この傾向は極板の枚数に影響されなかった。

また、図４のグラフに示すように、累積放電電気量が５ＣＡｈを超えると、均等充電時に定電圧充電だけを行うとサイクル寿命性能が低下することが判明した。更に、図５及び６のグラフから分かるように、定電流での充電電気量の好適な範囲は累積放電電気量により異なっていた。図６の実線で表されたグラフは、累積放電電気量ごとの長寿命となった充電電気量の範囲の中心を結んだグラフであるが、累積放電電気量に基づいて定電流充電時の充電電気量を決定するときは、例えば、図６の実線で表されたグラフに従って充電電気量を決定すればよい。

また、図７のグラフに示すように、定電流充電時の充電電流が０．０５ＣＡであると、端子電圧が活物質を充分にリフレッシュすることが可能となる２．５Ｖを上回るとともに、高い密閉反応効率が示された。これに対して、定電流充電時の充電電流が小さすぎると、端子電圧が２．４Ｖを下回る場合がある一方、充電電流が大きすぎると、密閉反応効率が急激に低下し、早期の液枯れにつながりやすいので、０．０５ＣＡ程度が好適である。

１・・・正極板
２・・・集電部
３・・・本体

Claims (4)

1. 極板集電部の下端中央の点と当該点から最も離れた極板本体周縁上の点との間の距離が２０ｃｍ以上である正極板を備えた制御弁式鉛蓄電池を充電対象とし、
   前回の均等充電からの累積放電電気量に関連する値である累積放電電気量関連値が予め設定した上限値を超えた場合には、次回の均等充電では、定電圧充電を行った後に、更に定電流充電を行う均等充電工程を有することを特徴とする制御弁式鉛蓄電池の充電方法。
2. 前記累積放電電気量関連値は、累積放電電気量値であり、
   前記予め設定した上限値は、５ＣＡｈである請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池の充電方法。
3. 前記定電流充電による充電電気量は、前記累積放電電気量関連値に基づいて決定される請求項１又は２記載の制御弁式鉛蓄電池の充電方法。
4. 前記定電流充電時の充電電流は、０．０５ＣＡ以下である請求項１、２又は３記載の制御弁式鉛蓄電池の充電方法。