JP3221455U

JP3221455U - 二次電池の充電装置

Info

Publication number: JP3221455U
Application number: JP2019000846U
Authority: JP
Inventors: 稔夫鹿田
Original assignee: 小松計測株式会社
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2019-05-30
Anticipated expiration: 2029-03-08

Abstract

【課題】二次電池の再生処理又は充電処理を効率よく行うことができる二次電池の充電装置を提供する。【解決手段】本考案に係る二次電池の充電装置は、所定の充電電圧を印加するための電源部１０と、周波数が１ＭＨｚ〜２ＭＨｚのバウンス振動を発生させながら充電電流を印加する制御部２０を備えており、制御部２０は、発振回路３０からの出力信号の周波数に基づいて充電電流を変化させてバウンス振動を繰り返し発生させることで処理の効率化を図ることができる。【選択図】図１

Description

本考案は、充放電を繰り返すことにより充電容量が低下する二次電池を再生又は充電するための充電装置に関する。

充電及び放電を繰り返して行うことができる二次電池が多方面で用いられているが、鉛蓄電池等の二次電池は安定した出力が得られるとともに安価に製造できることから、車両用として広く使用されている。

二次電池では、充電及び放電を繰り返して使用していると、次第に充電容量が低下するようになり、充電容量が当初の半分以下に低下すると製品寿命が到来したとして新品に交換されるようになっている。

例えば、鉛蓄電池では、製品寿命を左右するといわれているのが、鉛蓄電池の内部で進行するサルフェーションという現象である。鉛蓄電池は、二酸化鉛を担持する正極体及び鉛を担持する負極体を希硫酸を含む電解液に浸漬しているが、充放電を繰り返すうちに負極体の表面に硫酸鉛の硬い結晶が生じるようになる。こうした負極体表面への硫酸鉛の蓄積現象がサルフェーションと一般に称されている。

サルフェーションが進行していくと、負極体の表面が硫酸鉛の蓄積により覆われるようになっていく。硫酸鉛はほとんど電気的に導通せず溶解度も低いため、サルフェーションが進行して負極体が硫酸鉛で覆われた鉛蓄電池は充放電が十分行うことができず、製品寿命が尽きたものとして取り扱われる。

こうして製品寿命が尽きた鉛蓄電池を再生処理して再使用することが提案されている。例えば、特許文献１では、二酸化鉛を担持する正極体及び鉛を担持する負極体を希硫酸を含む電解液内に浸漬させた鉛蓄電池の再生処理方法であって、電解液にカルボキシメチルセルロースナトリウム塩を含む水溶液を注入し、電圧値の異なるトリガ信号を組み合せた信号電圧により生成された周波数１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの再生電流を正極体から負極体に流して電解液を５０℃〜６０℃の温度状態に維持するように加熱し、再生電流を印加した状態で電解液が６０℃〜７０℃の温度状態に上昇した場合に再生電流の供給を停止する再生処理方法が記載されている。

また、特許文献２では、鉛蓄電池を再生又は充電処理するために、電圧値の異なるトリガ信号を組み合わせた信号電圧により生成された周波数２Ｈｚ〜１０ＫＨｚの充電電流を正極体から負極体に流して直流分及び周波数分の内部抵抗値が基準値以下となった場合には、再生充電が正常に完了したと判定し自動停止する再生充電装置が記載されている。

特許第４６０８５８１号公報特開２０１８−３８１８６号公報

上述した先行文献では、パルス電流を印加することで鉛蓄電池の再生処理を行う際に再生処理の進行状態を確認して正確に充電完了のタイミングを把握することができるようになっているが、再生処理を効率よく行うといった観点からは検討の余地がある。

そこで、本考案は、二次電池の再生処理又は充電処理を効率よく行うことができる二次電池の充電装置を提供することを目的とするものである。

本考案に係る二次電池の充電装置は、所定の充電電圧を印加するための電源部と、周波数が１ＭＨｚ〜２ＭＨｚのバウンス振動を発生させながら充電電流を印加する制御部を備えている。さらに、前記制御部は、直流分及び所定周波数の周波数分からなる充電電流を印加するとともに当該周波数よりも大きい周波数で充電電流を変化させて前記バウンス振動を発生させる。

本考案は、上記のような構成を有することで、二次電池の再生処理又は充電処理を効率よく行うことができる。

本考案に係る実施形態に関する概略構成図である。発生するトリガ信号の信号波形に関する模式図である。充電電流の信号波形に関する模式図である。バウンス振動を発生させた充電電流の信号波形に関する模式図である。

以下、本考案に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本考案を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本考案は、以下の説明において特に本考案を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本考案に係る実施形態に関する概略構成図である。充電処理を行う二次電池である鉛蓄電池１は、ケース内に複数のセルが隔壁により区画されて収容されており、公知の構成を備えている。各セルの内部には、電解液２が貯留されており、電解液２には正極体３及び負極体４が浸漬された状態で取り付けられている。

正極体３は、鉛製の板状電極体を多孔質に形成して表面積を増加させ、その表面全体に二酸化鉛の層を形成している。また、負極体４は、多孔質の鉛製板状電極体から構成される。電解液２としては、一般に希硫酸が用いられる。

鉛蓄電池１を充電する場合には、電極体が電解液中の水を取り込んで硫酸を放出するようになり、放電する場合には、電解液中の硫酸が電極体と反応して水が生成されるようになる。こうした充放電を繰り返していくと、電極体の表面に硫酸鉛が析出して蓄積されるようになり、電極体が硫酸鉛により電気的な導通が阻害されるようになる。そのため、電極体の放電面積が小さくなって放電容量が低下し、充電時には電極体の抵抗が増加して発熱するようになる。

本実施形態では、放電した鉛蓄電池１の充電処理や性能が劣化した鉛蓄電池１を再生処理するために、鉛蓄電池１の規格に対応した電圧を印加するための電源部１０及び整流回路１１を備えている。電源部１０は、商用電源から変圧器等を用いて所定の電圧に変圧し、整流回路１１により規格電圧に対応した直流電圧が出力される。

整流回路１１は、パワーデバイスからなるスイッチング素子１２、フィードバック抵抗器１３、充電電流測定回路１４を介して正極体３の端子３ａに接続されている。負極体４の端子は、接地されており、正極体３の端子３ａとの間に充電電圧測定回路１５が接続されている。充電電流測定回路１４及び充電電圧測定回路１５は、再生充電処理中の電流値及び電圧値を測定し、測定結果を制御部２０に送信するようになっている。

制御部２０は、電圧値の異なる２つのトリガ信号を組み合わせた充電信号を発生させる。図２は、発生するトリガ信号の信号波形に関する模式図である。この例では、電圧値Ｖ₁のトリガ信号を所定間隔で発生させた信号波形Ｔ₁及び電圧値Ｖ₂のトリガ信号を所定間隔で発生させた信号波形Ｔ₂を用いて交互にトリガ信号を組み合わせ信号波形Ｔ₃を合成して充電信号として出力する。Ｖ₁は、Ｖ₂よりも大きい値に設定されており、充電電流の実効値に合わせて設定することが好ましい。

こうした電圧値の異なるトリガ信号を組み合わせた充電信号を用いることで信号波形の周波数を簡単に変更することができるとともに高周波数に設定することも容易に行うことができる。この場合、充電信号の周波数は５Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲で設定することが好ましく、出力する信号波形の周波数を途中でランダムに変更することも簡単に行うことが可能で、再生充電処理する鉛蓄電池に対してテストを行う場合等に有用である。

また、トリガ信号の立ち上り及び立下りに発生するエッジ信号波形は、信号波形Ｔ₁の立ち上り及び立下りがそれぞれ信号波形Ｔ₂の立ち下り及び立上りに重なることで互いに相殺されるようになる。

トリガ信号を合成した充電信号はインバータ回路２１を介して可変抵抗器２２に入力されて電圧値が調整される。電圧値が調整された充電信号は増幅回路２３の一方の入力端子に入力される。増幅回路２３の他方の端子には制御回路２０からオン・オフ信号が入力され、オン信号が入力されている場合に増幅回路２３から充電信号が出力される。

増幅回路２３から出力された充電信号は、増幅回路２４に入力される。増幅回路２４から出力された充電信号はスイッチング素子１２に入力されて充電信号に対応した充電電流が負極体３に流れるようになる。その際にフィードバック抵抗器１３に流れた充電電流を増幅回路２４にフィードバックすることで充電電流を安定した状態で流すことができる。

制御部２０には、充電信号よりも高い周波数を出力することができる発振回路３０が接続されている。そして、制御部２０は、発振回路３０により設定された周波数に基づいて充電信号を変化させることで充電電流を設定された周波数で変化させるようになっている。発振回路３０により設定される周波数は、４ｋＨｚ〜５ｋＨｚに設定するようにすればよい。制御部２０では、発振回路３０で設定された周波数を分周して設定された高い周波数により必要な処理を行うようになっている。

図３は、充電電流の波形の一例を示すグラフである。図３では、直流分Ｉ₁及び周波数分Ｉ₂を有する波形となっている。例えば、１０Ａの充電電流を印加する場合には、直流分を５Ａに設定し、周波数分を実効値で５Ａとなるように設定すればよい。こうした設定は、トリガ信号の電圧値及び周波数の設定により簡単に行うことができる。周波数は、５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲に設定することが好ましい。この例では、発振回路により設定した周波数に基づいて周波数分の充電電流に対してそれよりも高い周波数で段階的に減少するように変化させ、充電電流が不連続に変化する際に周波数が１ＭＨｚ〜２ＭＨｚのバウンス振動を発生させるようにしている。

図４は、充電電流の１つの波形を拡大したグラフである。この例では、周波数分の充電電流は、５ｋＨｚの周波数で印加され、１００ｋＨｚの周波数で最大値２０Ａから３Ａずつ段階的に減少するように変化している。そして、段階的に変化するタイミングでバウンス振動が約１ＭＨｚの周波数で繰り返し発生するようになり、こうしたバウンス振動を繰り返し印加することで、印加しない場合に比べて再生処理による鉛蓄電池の内部抵抗値を効率よく低下することが可能となる。内部抵抗値の低下は、電極板に蓄積されたサルフェーションの分解が進んだことを示しており、再生処理が効率よく行われたことがわかる。

モードスイッチ２５は、鉛蓄電池の規格に応じて操作することでモードが選択される。そして、再生充電処理する鉛蓄電池に対応した選択信号を制御部２０に出力し、制御部２０では、入力された選択信号に基づいて充電信号を発生させる。

表示部２６は、制御部２０からのメッセージ等の表示データを受信して表示する。制御部２０は、充電電流測定回路１４及び充電電圧測定回路１５から送信された測定値に基づいて充電処理又は再生処理の進行状態を判定し、その判定結果に基づいて充電処理又は再生処理の完了又は停止処理を行い、それに合わせて完了メッセージ及びエラーメッセージを表示部２６に表示させるように制御する。

［実施例１］
使用済の鉛蓄電池（エナーシス社製；バッテリ容量４２Ａｈ）について、上述した充電装置を用いて再生処理を行った。充電前の鉛蓄電池のバッテリ電圧及び内部抵抗値を測定したところ、１２．０２Ｖ及び７．２６ｍΩであった。

充電処理では、充電電流を５Ａ（直流分２．５Ａ及び周波数分１２．５Ａ（４．５ｋＨｚ））で約８時間連続して印加した。充電処理中には、周波数分の充電電流について１００ｋＨｚで電流値を１Ａずつ段階的に減少させるように変化させることで約１ＭＨzのバウンス振動を繰り返し発生させた。

充電処理後の鉛蓄電池のバッテリ電圧及び内部抵抗値は、１２．８４Ｖ及び４．５７ｍΩであった。

比較のため、使用済みの同じタイプの鉛蓄電池（バッテリ電圧１２．０１Ｖ、内部抵抗値７．２１ｍΩ）を用いて充電処理を行った。充電処理では、充電電流を５Ａ（直流分２．２Ａ及び周波数分８．８Ａ（２ｋＨｚ））で約１０時間連続して印加し、充電処理中には、バウンス振動を発生させなかった。

充電処理後の鉛蓄電池のバッテリ電圧及び内部抵抗値は、１２．８４Ｖ及び４．６２ｍΩであった。

以上の結果をみると、バウンス振動を発生させながら充電電流を印加することで、内部抵抗値が同程度に低下するまでの充電時間が短縮され、充電処理について約２０％の効率アップが確認された。

［実施例２］
使用済の鉛蓄電池（エナーシス社製；バッテリ容量１６Ａｈ）について、上述した充電装置を用いて再生処理を行った。充電前の鉛蓄電池のバッテリ電圧及び内部抵抗値を測定したところ、１２．００Ｖ及び１１．８６ｍΩであった。

充電処理では、充電電流を１．８Ａ（直流分０．９Ａ及び周波数分４．５Ａ（４．５ｋＨｚ））で約８時間連続して印加した。充電処理中には、周波数分の充電電流について１００ｋＨｚで電流値を０．３６Ａずつ段階的に減少させるように変化させることで約１ＭＨzのバウンス振動を繰り返し発生させた。

充電処理後の鉛蓄電池のバッテリ電圧及び内部抵抗値は、１２．７８Ｖ及び６．７４ｍΩであった。

比較のため、使用済みの同じタイプの鉛蓄電池（バッテリ電圧１２．０１Ｖ、内部抵抗値１１．８３ｍΩ）を用いて充電処理を行った。充電処理では、充電電流を１．８Ａ（直流分０．８Ａ及び周波数分３．２Ａ（２ｋＨｚ））で約１０時間連続して印加し、充電処理中には、バウンス振動を発生させなかった。

充電処理後の鉛蓄電池のバッテリ電圧及び内部抵抗値は、１２．７９Ｖ及び６．７３ｍΩであった。

以上の結果をみると、実施例１と同様に、バウンス振動を発生させながら充電電流を印加することで、充電処理について約２０％の効率アップが確認された。

上述した通り、タイプの異なる鉛蓄電池でも同じように充電処理の効率性が格段に向上しており、本考案に係る充電装置を用いることで、二次電池の再生処理又は充電処理を効率よく行うことが可能となる。

１・・・鉛蓄電池、２・・・電解液、３・・・正極体、４・・・負極体、１０・・・電源部、１１・・・整流回路、１２・・・スイッチング素子、１３・・・フィードバック抵抗器、１４・・・充電電流測定部、１５・・・充電電圧測定部、２０・・・制御回路、２１・・・インバータ、２２・・・可変抵抗器、２３・・・増幅回路、２４・・・増幅回路、２５・・・モードスイッチ、２６・・・表示部、３０・・・発振回路

Claims

所定の充電電圧を印加するための電源部と、周波数が１ＭＨｚ〜２ＭＨｚのバウンス振動を発生させながら充電電流を印加する制御部を備えている二次電池の充電装置。
前記制御部は、直流分及び所定周波数の周波数分からなる充電電流を印加するとともに当該周波数よりも大きい周波数で充電電流を変化させて前記バウンス振動を発生させる請求項１に記載の二次電池の充電装置。