JP3182284U

JP3182284U - キャパシタ鉛組み電池とその結合装置

Info

Publication number: JP3182284U
Application number: JP2012006856U
Authority: JP
Inventors: 俊雄阿部
Original assignee: SPACELINK CO., LTD.
Current assignee: SPACELINK CO., LTD.
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2022-11-12

Abstract

【課題】鉛蓄電池とキャパシタと組み合わせたキャパシタ鉛組み電池において、パルス回路とキャパシタを同時に利用できるようにし、鉛蓄電池の劣化を防止したキャパシタ鉛組み電波を提供する。
【解決手段】鉛蓄電池１０１上に結合装置２００を取り付ける。この結合装置２００に、キャパシタとパルス回路およびフィルタを設けて、パルス波形に影響が出ないようにした。このことにより、サルフェーション防止と放電電流の急激な変化を平滑化できるので、鉛蓄電池の劣化が大きく改善される。
【選択図】図１

Description

本考案は、電解液中の電極にサルフェーション現象で形成される非伝導性の硫酸鉛（ＰｂＳＯ4）皮膜を分解し除去するエネルギーを付与するパルス状の電圧を印加する手段およびキャパシタを搭載した組み電池とその結合装置に関する。

従来から、自動車等の車両やサーバなどの蓄電装置では鉛二次蓄電池等の二次蓄電池（以下二次蓄電池と称する）を蓄電装置として備える構成が一般的である。二次蓄電池はエネルギ密度が大きいため比較的長時間の使用に耐え得る一方で、一旦過放電となると再充電に時間を要するため、電気二重層キャパシタを補助的な蓄電装置として利用するシステムが提案されている。たとえば、動作時に大電流を消費する電子機器負荷（エンジン始動装置）の駆動用に、二次蓄電池とは別に電気二重層キャパシタを接続する構成が提案されている（たとえば特許文献１および２）。

また、最近では、燃費の向上を目的として、エンジンをアイドリングストップする、いわゆるエコドライブシステムを搭載した車両が利用され始めた。そこでは、車両が一時的に停止した場合に、所定のエンジン条件でエンジンのアイドリングを強制的に止め、また再始動する。これにより、排気ガスの排出量が削減され、かつ燃費が向上する。この種のエコドライブ車においては、エンジンの再始動を迅速に行なう必要があるので、エンジンを電子機器負荷の起動するための電子機器負荷の電源として、従来の二次蓄電池に代えて、瞬時に大きい電力を放電できる電気二重層キャパシタを採用することが行われている。

しかし、二次電池には鉛蓄電池が良く用いられるが、電極に形成されるサルフェーションが電池寿命を短縮させる問題がある。鉛蓄電池の放電によって生成する硫酸鉛（ＰｂＳＯ4）が、放電条件等によって電解液中の電極板上に析出し、次第に成長して不導体皮膜を形成する現象である。これによって内部抵抗が増大し、出力電圧が低下して短期間に使用不能になることが問題となっている。
硫酸鉛皮膜の成長阻止の為には、放電条件、温度、振動等を細心の注意を持って管理する必要がある。しかしながら、実際に使用者が絶えずこのような注意をはかることは極めて困難である。よって、パルス状の電圧を外部電極から常時印加するようにし、パルス状電気エネルギーにて硫酸鉛（ＰｂＳＯ4）皮膜を常に分解除去して大きく成長させないことで問題解決する技術が開発されている。

たとえば、WO 2004/030138、WO 2004/030137に記載された鉛電池に生ずる硫酸鉛皮膜の方法と装置が、こういった公知技術である。かかる電気エネルギー源は鉛蓄電池自体から得られるので、鉛蓄電池の外部電極にパルス状電気エネルギー発生器を接続すればよい。こうすれば、パルス状の電圧が外部電極から常時印加される。

このような、電気二重層キャパシタおよび二次蓄電池の両方を備えた蓄電装置において、電気二重層キャパシタの耐圧が１９V以上必要なため、現在使用されている活性炭電気二重層キャパシタでは大型になりエンジンルームに取り付けできないという問題があった。
硫酸鉛皮膜の成長を防止するためには、パルス状の電圧を外部電極から常時印加するようにし、硫酸鉛（ＰｂＳＯ4）皮膜を常に分解して成長させない技術がある。

たとえば、特許文献のWO 2004/030138、WO 2004/030137に記載された鉛電池に生ずる硫酸鉛皮膜の方法と装置が公知技術である。かかる電気エネルギー源は鉛蓄電池自体から得られるので、鉛蓄電池の外部電極にパルス状電気エネルギー発生器を接続すればよい。こうすれば、パルス状の電圧が外部電極から常時印加される。

また、鉛蓄電池の劣化原因として放電電流の急激な変化がある。この負荷変動を平準化することで鉛蓄電池の寿命が３倍以上に延びることが知られている。特許文献に記載されている。

特開平９−２４７８５６号特開平１０−１９１５７６号公報 WO 2004/030138 WO 2004/030137

自動車用鉛蓄電池の技術動向Technical Prospects of Lead-Acid Batteries for Automotive Applications古河電池中野憲二他古河電工時報第 120 号（平成 19 年 9 月）

パルス状電気エネルギー発生器を鉛蓄電池に接続する技術には以下の問題がある。この技術では酸化鉛の結晶化を防止することはできるが、放電電流が急激に変化することによる電極材の劣化を防止することはできない。鉛蓄電池の劣化要因には、酸化鉛の結晶化と負荷電流の急変に起因する電極の劣化があるため、片方の劣化を防止しても十分な寿命延長効果が得られない。

このため、キャパシタを接続することと、電気パルス回路を接続することを同時に行う必要がある。ところが、電気パルス回路とキャパシタを接続するとパルスがキャパシタに吸収され、効果がなくなる。この考案はこの課題を解決するものである。

上記目的達成のため、本考案に係るキャパシタと鉛蓄電池組み電池の結合装置を用いた電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池は、キャパシタから電子機器負荷への電流供給を行いながら電気パルスを鉛蓄電池に印加することができる。すなわち、大きな電流が流れる電子機器負荷には専らパワー密度の高いキャパシタから給電を行い、変化が少ない電子機器負荷に対しては二次蓄電池から給電を行う。このため、鉛蓄電池にはストレスがかからず、劣化が低減される。特許文献５に説明がある。

一方鉛蓄電池の酸化鉛の結晶化防止（サルフェーション防止）のためパルス発生回路を用いる。パルスの周波数分布は１MHｚ程度の周波数帯にエネルギーが集中している。ところが、キャパシタに入出力する電流の周波数範囲は数KHｚ以内である。この周波数差を利用して、両者の影響を分離することができる。
つまり、低周波を阻止するフィルタ２０４を用いて、パルスが消滅しないようにする。
この回路は図３と図４に示すようにインダクタ２０７と抵抗２０６とで構成される。そのカットオフ周波数を約１MHzに設定する。こうすると、パルス回路２０３側から見たキャパシタ２０５のインピーダンスがきわめて大きくなり、キャパシタ２０５側へパルスが流れ込むことは無い。このことは実験的にも確認している。
ここでは、応用の一例として自動車を説明しているが、特にこれに限らず蓄電装置と負荷の関係は同じである。

（パルス発生回路とフィルタおよびキャパシタによる結合装置）
上記のように、パルス回路２０３とフィルタ２０４およびキャパシタ２０５を組み合わせプリント基板２０８に取り付け、筐体２０１に収納しワイヤ２０２で上記のパルス回路２０３とキャパシタ２０５の端子を外部へ引き出す構造である。

キャパシタ２０５の容量は、２１V（３．５Vのキャパシタを６個直列接続する）で１F程度でよい。この程度のエネルギーで３０００Wの負荷に０．１秒程度はエネルギーを供給できるからである。

パルス回路２０３の構造は図３と図４に示されている。パルス幅１マイクロ秒、２５V程度の急峻なパルスを１KHｚ程度の頻度で発生する。この条件は実験的に効果を確認している。

キャパシタ２０５については高耐圧電気二重層キャパシタを市販品から入手すると容積が大きくなり、実装に問題があるので、カーボンナノチューブキャパシタを用いるっことができる。この場合、キャパシタの体積を半分以下にできる。このことは、製品を製作して市販品と比較して確認した。

（フィルタ）
次に、本考案に係るフィルタ２０４について、図３と図４を参照しながら説明する。フィルタ２０４はキャパシタ２０５の端子とパルス回路２０３の端子との間に設けられている。本考案に係るフィルタはいわゆるハイパスフィルタであって、図５のような周波数特性を持つ。この特性から明らかなように、１MHｚより低い周波数帯の信号は通過することができない。つまり、パルスはキャパシタ側へ流れることができない。このため、パルスはキャパシタの影響を受けずに、鉛電池の端子に印加される。

本考案に係る結合装置は小型が可能であり、鉛電池の外側、端子間に取り付けることができる。
本考案に係る結合装置を用いれば、キャパシタとパルス回路を同時に鉛畜電池に接続することが可能となり、鉛蓄電池の劣化を強力防止することができる。

また、ここではキャパシタ２０５とフィルタ２０４およびパルス回路２０３を基板上に設置したが、キャパシタ２０５を外部に設置することもできる。
この場合は、大容量のキャパシタを用いることができる利点がある。

次に、本考案に係るキャパシタは、ボタン型やアルミラミネートパック形、円筒形など種々あり得る。いずれの方法でも同様に用いることができる。

以下、図面に基づいて本考案の実施の形態について詳細に説明する。まず、図１には、本考案の実施の形態に係るキャパシタ鉛組み電池の正面から見た構成が示されている。図２には、側面から見た構成が示されている。

鉛畜電池１０１には陰極端子１０２と陽極端子１０３が取り付けられている。この端子の間に結合装置２００を取り付ける。取り付けは接着材や接着テープなどの手段による。結合装置はワイヤ２０２により、陰極端子１０２と陽極端子１０３へ接続する。接続はラグ端子とネジ止めなどの手段による。

図３に結合装置２００の構成を示し、図４に回路図を示す。パルス回路２０３は回路図に示されているような構造であり、タイマICを発信源とした通常のパルス回路となっている。この部分の構成については通常のもので良い。
パルス回路の出力信号は端子１０２と１０３に接続される。一方、キャパシタ２０５も同様に端子へ接続されるが、フィルタ２０４を経由して接続される。このフィルタは抵抗２０６とインダクタ２０７とで構成されるもので、図５のような特性を持つ。１KHｚ以上の信号は通過することができない。したがって、パルスの波形に影響が生じない。このことが、この考案の重要な点である。この結合装置２００を用いないと、十分な劣化防止対策がとれないこととなるので、非常に重要なものである。

なお、本考案は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、本考案の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、結合装置２００にキャパシタ２０５が内蔵されているが、これを外づけにしても同様の効果がある。
また、キャパシタ２０５をカーボンナノチューブキャパシタにすると、小型にできるので、鉛畜電池上の狭い空間に結合装置を設置しやすくなる。

以上説明したように、鉛蓄電池と結合装置とキャパシタとの組み合わせにより、キャパシタ鉛組み電池の高寿命化が達成でき、従来３年から５年程度しか持たないものが、１０年から１５年の寿命を得ることが可能となる。
このことは、風力や太陽発電における蓄電装置において、また自動車用鉛畜電池においても、きわめて大きな利益をもたらすものである。
鉛畜電池とキャパシタは現在考えられている蓄電素子の中で最も安全性の高いものである。大規模な蓄電システムが必要となる状況の中で、安全な蓄電装置が必ず求められることとなる。
なお、リチウムイオン電池の蓄電装置と本提案のキャパシタ鉛組み電池と比較すると、キャパシタ鉛組み電池のほうが体積が５０％から３０％程度小さくできる。このことは、リチウムイオン電池の優位性を覆すもので、サイクル劣化を本装置により解決するので、もはやリチウムイオン電池に勝るとも劣らない蓄電装置が実現する。

本考案の実施の形態に係るキャパシタ鉛組み電池の正面構成図である。本考案の実施の形態に係るキャパシタ鉛組み電池の側面構成図である。結合装置の構成を示す図である。結合装置の回路を示す図である。結合装置においてフィルタの周波数特性を示す図。

１００キャパシタ鉛組み電池
１０１鉛畜電池
１０２陰極端子
１０３陽極端子

２００結合装置
２０１筐体
２０２ワイヤ
２０３パルス回路
２０４フィルタ
２０５キャパシタ
２０６抵抗
２０７インダクタ
２０８プリント基板

Claims

陰極端子と陽極端子を有する鉛蓄電池において、キャパシタとフィルタとパルス回路を内蔵した結合装置を鉛畜電池に取り付け、キャパシタとパルス回路とこれらの間にフィルタを設け、キャパシタとパルス回路とフィルタを結合装置に内蔵し、上記陰極端子と陽極端子にキャパシタとパルス回路を接続したことを特徴とするキャパシタ鉛組み電池。
請求項１のキャパシタ鉛組み電池において、キャパシタを分離して外部に設置することを特徴とするキャパシタ鉛組み電池。
請求項１の結合装置において、パルス回路とフィルタとキャパシタをプリント基板上に取り付け、筐体に収納し、パルス回路とキャパシタの端子をワイヤに接続し、このワイヤを筐体から外部に引き出したことを特徴とする、結合装置。
請求項１の結合装置において、パルス回路とフィルタとをプリント基板上に取り付け、筐体に収納し、パルス回路とキャパシタの端子をワイヤに接続し、このワイヤを筐体から外部に引き出し、キャパシタは外部設置することを特徴とする、結合装置。