JP2015035299A - 鉛蓄電池の状態検知方法とその装置及び車両 - Google Patents

Abstract

【構成】 鉛蓄電池の温度を、高さ方向の位置、極板の幅方向の位置、あるいは極板の積層方向の位置が異なる複数個所で測定し、複数個所での温度差により、鉛蓄電池の状態の良否を判別する。
【効果】 鉛蓄電池の状態を検知し、回復させることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は鉛蓄電池の状態検知に関する。

鉛蓄電池の温度を測定することにより、状態を検知することが提案されている。例えば特許文献１（特許3614890）は、組電池の電池間での温度差が増加すると、充電を停止することを提案している。また特許文献２（WO2010/79563）は、電槽の表面温度等から、電池内部の温度を推定する方法を提案している。これらの先行技術では、鉛蓄電池での温度分布を検討していないし、鉛蓄電池の局所的な劣化を検知することも検討していない。

特許3614890 WO2010/79563

この発明の課題は、鉛蓄電池の局所的な状態を判別できるようにすること、及びこれによって車両等での鉛蓄電池の寿命性能を向上させることにある。

この発明の鉛蓄電池の状態検知方法は、鉛蓄電池の温度を、高さ方向の位置、極板の幅方向の位置、及び極板の積層方向の位置のうち１つ以上が異なる複数個所で測定するステップと、
前記複数個所での温度差により、鉛蓄電池の状態の良否を判別するステップ、とを行うことを特徴とする。

またこの発明の鉛蓄電池の状態検知装置は、鉛蓄電池の温度を、高さ方向の位置、極板の幅方向の位置、及び極板の積層方向の位置のうち１つ以上が異なる複数個所で測定する温度測定部と、
前記複数個所での温度差により、鉛蓄電池の状態の良否を判別する判別部、とを備えていることを特徴とする。なおこの明細書において、鉛蓄電池の状態検知方法に関する記載は、鉛蓄電池の状態検知装置にもそのまま当てはまり、逆に鉛蓄電池の状態検知装置に関する記載は、鉛蓄電池の状態検知方法にもそのまま当てはまる。

この発明では、高さ方向の位置、極板の幅方向の位置、あるいは極板の積層方向の位置が異なる複数個所で、鉛蓄電池の温度を測定し、複数個所での温度差に基づいて、鉛蓄電池の状態を判別する。すると、電解液の成層化による極板下部への硫酸鉛の蓄積、局所的な短絡、局所的な充放電容量の低下、等の局所的な不良を的確に検知できる。特に、極板の上部1/3の範囲と下部1/3の範囲とで温度を測定し、それらの温度差を用いると、電解液の成層化による状態の悪化を的確に検知できる。また極板の積層方向に沿った位置を変えて電池の温度を測定すると、短絡が生じた極板、充放電容量が低下した極板等を、的確に検知できる。複数個所での温度差を、温度差の初期値により補正すると、正常な電池でも生じる温度差の影響を補正し、より的確に状態を検知できる。

好ましくは、判別部での判別結果に基づき、鉛蓄電池の状態を回復させる回復処理を要求する回復処理要求部を設ける。局所的に状態が悪化したことを検知した際に、回復充電等の処理を施すと、電池の状態を回復させることができる。そして必要な時に的確に回復充電を行うので、液式の電池で電解液からの水の蒸発量を少なくできる。

また好ましくは、判別部は、鉛蓄電池の充放電状況が所定の条件を満たす際に、鉛蓄電池の状態の良否を判別するように構成されている。所定の判別タイミングに達した際に状態を判別すると、電池が同じ条件に置かれた際に判別を行うことができる。

なお、周囲温度により状態を判別するための閾値を変更すると、より的確な判別ができる。

またこの発明は、鉛蓄電池と、上記の鉛蓄電池の状態検知装置とを備えている車両にある。例えば車両は、エンジンを備え、鉛蓄電池をエンジンの起動、点火及び電装品の駆動に用いるアイドリングストップ車で、アイドリングストップ車では、鉛蓄電池を充電が不完全なPSOC状態で使用するので、電解液の成層化が生じやすく、この発明を適用することにより、成層化を検出して解消することができる。他にゴルフカート等の車両に対し、搭載する鉛蓄電池の状態を検出するために、この発明を適用することもできる。

この発明の鉛蓄電池は、バックアップ用電源あるいはUPS電源にも用いることができる。これらの用途には制御弁式鉛蓄電池が適し、放電しない際に充電状態を維持するため、過充電している。過充電は電解液の減液をもたらし、ガラスマット等のセパレータに硫酸濃度の分布を生じる。ここで硫酸濃度が高い領域では、粗大な硫酸鉛が生じやすいため、短絡が生じやすくなる。この発明では、短絡に伴う温度上昇を容易に検出でき、しかも、必要であれば、電槽内のどの領域で短絡が生じているかも検出できる。いずれにしても、この発明では、電解液での濃淡の発生を検出できる。

実施例の鉛蓄電池の状態検知装置と、その周囲のブロック図 実施例での鉛蓄電池の状態検知アルゴリズムを示すフローチャート 鉛蓄電池での温度測定個所を模式的に示す図 実施例での判別閾値を模式的に示す図 実施例での判別閾値の周囲温度依存性を模式的に示す図 鉛蓄電池の局所的な劣化のモデルと検知機構とを示す図

以下に、本願発明の最適実施例を示す。本願発明の実施に際しては、当業者の常識及び先行技術の開示に従い、実施例を適宜に変更できる。

図１〜図５に、実施例の鉛蓄電池の状態検知装置１２（以下「状態検知装置」）と状態検知方法とを示す。図１は検知装置１２とその周囲の構成を示し、２は鉛蓄電池（以下「電池」）で、液式でも制御弁式でも良いが、ここでは液式とする。４は正負の端子、６は極板で、８は電解液の液面を模式的に示している。電池２はポリプロピレン等の電槽を容器とし、電槽の表面温度を温度センサS1,S2等により測定するが、電解液の温度あるいは極板６の温度を測定しても良い。検知装置１２は電池２の一部としても、駆動回路１０の一部としても、あるいはこれらから独立したものとしても良い。

温度センサS1,S2は例えばサーミスタ、熱電対、赤外線センサ等で、これらのセンサは電槽の表面温度を所定の位置で局所的に測定する。なおこれ以外に、赤外線カメラ等により、電槽表面の温度分布を測定しても良く、電槽の内部に、Ptコイル等の耐腐食性の有る測温抵抗体を設置しても良い。同じ条件で充放電しても、電槽の温度は周囲温度により変化する。そこで好ましくはサーミスタ等の温度センサS4により、電池２の周囲の温度、例えば自動車のエンジンルームの気温、あるいは電池２を設置したパネル等の温度を測定する。温度センサS1,S2等で測定した温度をTa,Tb，…等のように示し、a,b等は測定個所を示し、測定個所aと測定個所bとでの温度差をTabのように示す。n個所で電池温度を測定すると、最大でn(n-1)/2個の温度差が得られ、これらの温度差から電池２の状態を判別する。また周囲温度をTsで示す。

温度測定部１４は、温度センサS1,S2等からの信号を、温度Ta,Tb等に変換し、判別部１８へ出力する。制御部１６は、電池２の充電電流及び放電電流を積算し、判別タイミングに達しているか否かを評価する。例えば充電開始以来の充電電流の積算値が第１の所定値に達する、放電開始以来の放電電流の積算値が第２の所定値に達する、もしくは充放電電流の積算値が第３の所定値に達すると、判別タイミングに達しているものとする。第１の所定値と第２の所定値は同じでも異なっていても良い。

判別部１８は、温度差Tabとその初期値T₀abとの差 dTab（Tab−T₀ab）を、周囲温度により補正し、閾値と比較することにより、電池２の状態を検知する。電池２では、正常な状態でも温度差が生じることがある。例えば充放電電流が集中しやすい極板６の上部と、充放電電流が小さくなりやすい極板６の下部とでは、正常時でも温度差が生じる。そこで電池２の初期の温度差T₀abを記憶し、dTab＝Tab−T₀abとする。温度差Tabは、周囲温度が標準温度（例えば25℃）より高くても低くても小さくなる傾向がある。そこで好ましくは、温度差の初期値T₀abと共に、周囲温度の初期値T₀sを記憶するか、温度差の初期値T₀abを周囲温度の初期値T₀sで補正した値を記憶する。なお複数個所での電池２の温度の平均値を、周囲温度Tsとしても良い。

初期の温度差T₀abは、電池２と駆動回路１０と検知装置１２とを組み付けた際に、例えば判別タイミングに達するように充電等を行い、その時に測定する。あるいは組み付け完了時には判別タイミングに達するまでの充電等を行わず、判別タイミングに達する条件で使用されるのを待って、測定しても良い。さらに組み付け完了時に、温度差の初期値T₀abを測定するのではなく、例えば電池２の製造時に測定しても良く、また同じロットの他の電池、あるいは型式等が同じで同等な他の電池で測定した温度差の初期値T₀ab等を用いても良い。初期に電池２は正常であったと仮定できるので、dTab＝Tab−T₀abを用いることにより、正常な電池での温度差が電池の状態の検知に影響しないようにできる。

判別では、例えばdTabの絶対値が閾値以上のものを不良、閾値未満のものを良好とする。dTabが正で有れば、位置aで局所的な発熱が生じているか、位置bで充放電が起こりにくくなっていることが分かる。従って、電池の局所的な劣化を検知できる。なお正のdTabに対する閾値と、負のdTabに対する閾値とを異ならせても良い。また延べ充放電電流等の適宜のパラメータにより閾値を変えても良い。さらにdTabの値により、電池２の状態を複数段階に評価しても良い。なお温度センサを例えば３個電池２に取り付けると、温度差を３組測定でき、３組の温度差への閾値は同じでも異なっても良い。

メモリ２０は、T₀a,T₀b等の温度の初期値、Ta,Tb等のその後の温度、測定時間（例えば年月日時等）、及び電池２の状態の判別結果、等を記憶する。T₀a,T₀b，Ta,Tb等に代えて、T₀ab,Tab，dTab等を記憶しても良く、電池２の状態に関するデータの初期値とその後の経過とを、時間と共に記憶すればよい。

電池２の劣化の状態が同じでも、周囲温度により温度差dTabは変化する。そこで周囲温度補正部２２は、センサS4により周囲温度を測定し、周囲温度Tsに基づく補正値を出力し、判別部１８は周囲温度によりdTabへの閾値を補正する。

回復処理要求部２４は、電池２の状態を不良と判別した際に、回復充電等の回復処理を駆動回路１０へ要求する。回復充電は、例えば過充電により、極板から気体を発生させて電解液を撹拌することである。過充電により、電解液の上部と下部とで組成を均一にし、電解液の成層化を解消する。また極板表面に生じた硫酸鉛等の析出物、及び極板から脱落した活物質等を、電解液の撹拌により除去する。さらに過充電により、蓄積した硫酸鉛を分解すると共に、極板を充分に充電する。電池２に振動を加える、あるいは空気、酸素、窒素等の気体を吹き込んでも、電解液が撹拌されて成層化が解消し、また振動あるいは撹拌により、浸透短絡等による析出物、及び極板から脱落した活物質等を除去できる。

これ以外に電池２を加温もしくは冷却（減温）しても、電池２の回復が出来る。加温あるいは冷却により、電池２の内部に温度勾配が生じ、これによる対流で電解液の成層化等を解消できる。また電池２の内部に温度勾配を設けると、電解液の電気伝導度を場所によって変えることができ、相対的に温度が高い領域で集中的に充放電できる。

図２に、電池２の状態検知アルゴリズムを示す。鉛蓄電池２を設置した際に、例えば電池２を判別タイミングに達するまで充電し（ステップ１）、次いで複数個所で電池２の温度（電槽の表面温度等）を測定し、温度T₀a,T₀b等を記憶し、これ以外に周囲温度の初期値T₀sも記憶する（ステップ２）。

実使用では、電池２が判別タイミングに達すると（ステップ３）、複数個所で電池２の温度を測定し（ステップ４）、温度差Tabと温度差の初期値T₀abとの差dTabを、さらに周囲温度Tsで補正し、電池２の状態を判別する（ステップ５）。なおステップ１，３での判別タイミングは、充電電流の積算値、放電電流の積算値、あるいは充電電流と放電電流双方の積算値等により定める。局所的な不良を検知すると、回復充電等の処理を要求し（ステップ６）、いずれの場合も、測定温度Ta,Tb…等と、日時等の時間、及び検知結果を記憶する（ステップ７）。

温度を測定する個所の例を図３に示し、極板を上端から上部1/3までの上部領域と、下端から下部1/3までの下部領域、及びそれらの間の中間領域に３等分する。そして上部領域と下部領域とで、各々温度を測定すると、電解液の成層化等を検出できる。また極板の積層方向の中央部の一方と他方とで温度を測定すると、極板間の差異を検出できる。図３には示さないが、極板の幅方向（図３の紙面に直角な方向）に沿った位置を変えて温度を測定すると、微小短絡による温度上昇等を検出できる。好ましい温度センサの配置は、上部領域と下部領域とに少なくとも各１個、極板の積層方向の中央部の両側に少なくとも各１個、極板の幅方向の左右に各１個で、少なくとも高さ、極板の幅方向の位置、極板の積層方向の位置のいずれかを変えて、複数個の温度センサS1〜S3等を配置する。

図４に不良判別の閾値d1,d2を示し、図４では閾値d1の絶対値を閾値d2の絶対値よりも大きくしているが、等しくしても良い。例えば図４では、 dTab≧T₀ab+d1 となった時間t3に回復充電が行われ、 dTab≦T₀ab−d2 となった時間t5にも回復充電が行われる。

図５に、閾値d1,d2の周囲温度依存性を示す。電池２の状態が同じでも、低温では電解液の電気伝導度が低下し、充放電電流が減少するため、温度差も大きくなりやすい。そのため閾値d1,d2を、周囲温度が高いほど低くする。

図６に、局所的な劣化と検知のメカニズムを示す。電解液が成層化し、下部の比重が増すと、極板下部で硫酸鉛が蓄積し易くなり、局所的に充放電容量が低下する。局所的な充電不足、正極活物質の脱落でも、同様に局所的な充放電容量の低下が生じる。活物質の脱落、浸透短絡、正極板の伸び等により短絡が生じると、局所的な発熱が生じる。これらはいずれも｜dTab｜の増加をもたらすので検知できる。回復充電を行うと、発生した気体により電解液を撹拌することにより、成層化を解消し、極板間の堆積物を除去して短絡を解消できることがある。また回復充電により、極板の充放電容量を回復できる。正極板の伸び等は回復充電では解消しないが、局所的な劣化が生じていることを早期に検知できる。

試験例
液式で公称電圧2V、５時間率容量が30Ahの鉛蓄電池に対し、JIS軽負荷寿命試験に回復充電を追加した寿命試験を行った。水槽内ではなく、気温が40℃の室内で、25A×４分間の放電と、2.466V×１０分間の充電から成るサイクルを行い、480サイクル毎に300Aで30秒間の大電流放電を行い、大電流放電時の端子電圧が1.2V以下となるまでの、繰り返し回数（480サイクル単位）を測定し、その繰り返し回数と1.2V以下となる前の繰り返し回数から1.2Vとなるサイクル数を算出した。繰り返し回数（480サイクル毎）のサイクル中に短絡等が生じた時に、その時をサイクル数とした。従来例では、図３の温度センサS3の位置で温度を測定し、0.3Aで充電し、端子電圧が2.5Vに達してから2時間充電を継続することから成る回復充電を、大電流放電後に実行した。温度の測定個所を変えた３種類の実施例をテストした。実施例１では温度センサを図３のS1,S3の位置に、実施例２では温度センサをS3,S2の位置に、実施例３では温度センサをS1,S2の位置に配置し、いずれもdTabが3℃以上になると、従来例と同じ回復充電を行った。寿命までの繰り返し回数を表１に示す。実施例では寿命までの繰り返し回数が増加し、特に極板上部と極板下部との温度差を用いると、繰り返し回数をさらに増加させることができた。

表１ 寿命性能
温度の測定個所 サイクル数（相対値）
従来例（温度差による制御無し） 100
実施例１ センサS1,S3 110
実施例２ センサS3,S2 112
実施例３ センサS1,S2 120

実施例では以下の効果が得られる。
1) 高さ方向の位置、幅方向の位置、あるいは極板の積層方向の位置を変えて複数個所で電池の温度を測定するので、成層化、局所的な短絡等の不良を的確に検知できる。
2) 極板の積層方向に沿った位置も変えて電池の温度を測定すると、異常な極板の検知が容易になる。
3) 特に極板の上部1/3の範囲と下部1/3の範囲で温度を測定すると、さらに的確に状態を検知できる。
4) 状態が悪化したことを検知した際に、回復充電、加振、ガスの吹き込み、冷却あるいは加温等の処理を施すと、電池の状態を回復させることができる。
5) 温度差自体ではなく、温度差の初期値からの変化を用いると、正常な電池でも生じる温度差の影響を受けずに、状態を検知できる。
6) 周囲温度により状態を判別するための閾値を変更すると、より的確な判別ができる。
7) 必要な時に的確に回復充電、冷却等の処理を行うので、電解液からの水の蒸発量や水の電気分解による減少量を少なくできる。
8) 所定の判別タイミングに達した際に状態を判別すると、電池が同じ条件に置かれた際に判別を行うことができる。

２ 鉛蓄電池
４ 端子
６ 極板
８ 液面
１０ 駆動回路
１２ 鉛蓄電池の状態検知装置
１４ 温度測定部
１６ 制御部
１８ 判別部
２０ メモリ
２２ 周囲温度補正部
S1〜S4 温度センサ
Ta，Tb 電池温度
Ts 周囲温度
ｉcharge 充電電流
ｉdischarge 放電電流
d1,d2 閾値
T₀a，T₀b 電池温度の初期値
dTab 電池温度差の初期値からの差分
T₀ab 電池温度差の初期値

Claims (5)

1. 鉛蓄電池の温度を、高さ方向の位置、極板の幅方向の位置、及び極板の積層方向の位置のうち１つ以上が異なる複数個所で測定するステップと、
   前記複数個所での温度差により、鉛蓄電池の状態の良否を判別するステップ、とを行うことを特徴とする、鉛蓄電池の状態検知方法。
2. 鉛蓄電池の温度を、高さ方向の位置、極板の幅方向の位置、及び極板の積層方向の位置のうち１つ以上が異なる複数個所で測定する温度測定部と、
   前記複数個所での温度差により、鉛蓄電池の状態の良否を判別する判別部、とを備えていることを特徴とする、鉛蓄電池の状態検知装置。
3. 前記判別部での判別結果に基づき、鉛蓄電池の状態を回復させる回復処理を要求する回復処理要求部をさらに備えていることを特徴とする、請求項２の鉛蓄電池の状態検知装置。
4. 鉛蓄電池の充放電状況が所定の条件を充たす際に、鉛蓄電池の状態の良否を判別するように、前記判別部が構成されていることを特徴とする、請求項２または３の鉛蓄電池の状態検知装置。
5. 鉛蓄電池と、請求項２〜４のいずれかの鉛蓄電池の状態検知装置とを備えている車両。

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