JP4331473B2

JP4331473B2 - 鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法

Info

Publication number: JP4331473B2
Application number: JP2002370806A
Authority: JP
Inventors: 章二堀江; 喜一小池; 浩一米村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: JP2004200129A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題への関心の高まりから、燃料電池や太陽電池、あるいはガスタービン発電機といった独立型の発電源を用いた電力供給用の電源システムの開発が進んでいる。これらのシステムでは発電源から負荷に電力供給するとともに、併設する蓄電池に余剰電力を充電する。負荷が急激に増加した場合にはこの蓄電池から負荷へ不足電力を供給する。
このような電源システムでは蓄電池を常に満充電でない状態に維持し、発生した余剰電力を蓄電池に充電できるようにしている。
【０００３】
特許第３１２３８１２号公報に、従来例１のバッテリ充電量の管理装置が開示されている。従来例１のバッテリ充電量の管理装置は、バッテリの最大充電定格の５０ないし８０％の範囲でバッテリの充電量を管理する。
【０００４】
特開平８−３３１７７０号公報に、従来例２の二次電池の充放電制御方法及び装置が開示されている。従来例２の二次電池の充放電制御装置は、複数の素電池からなる二次電池を放電下限電気量よりも大きい放電許容電気量の範囲内で充放電制御する。これにより、二次電池の過充電及び過放電を防止できるとしている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３１２３８１２号公報
【特許文献２】
特開平８−３３１７７０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
フリー液を有する鉛蓄電池の電解液（硫酸）比重は、放電時には硫酸イオンが活物質に消費されるため低下し、充電時には硫酸イオンが放出されるため上昇する。例えば連続した１回の放電量が大きく、その後の充電が不完全だった場合、充電で生成した硫酸が重力により下方に移動するため、電解液の上部と下部で電解液濃度に勾配が生じる。このような電解液の成層化によって鉛蓄電池の充電効率が悪くなり、寿命が短くなることが知られている。成層化が生じている状態で鉛蓄電池を充放電し続けると、鉛蓄電池の寿命が短くなる。
【０００７】
フリー液を有する鉛蓄電池を満充電をしない状態で充放電を繰り返す用途に使用する場合、例えば連続した１回の過大な放電により成層化が進行し、これを繰り返すと蓄電池の寿命が急速に低下するという問題があった。蓄電池の寿命に悪影響を与えるような連続した１回の放電量（例えば４％（実施例参照））は、従来例１及び従来例２の蓄電池の放電制御装置における充電を開始するための蓄電池の残容量の下限値（例えば５０％）と全くかけ離れた数値である。従来例１及び従来例２の蓄電池の放電制御装置及び放電制御方法によっては、蓄電池（特に鉛蓄電池等の成層化現象が発生し得る蓄電池）の寿命劣化（寿命が短くなること）を防止できなかった。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、鉛蓄電池の成層化の進行を防止し、鉛蓄電池（特に、成層化現象が発生し得る鉛蓄電池）の寿命劣化を防止しながら、鉛蓄電池の充放電を制御する充放電制御装置及び充放電制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、鉛蓄電池の寿命劣化を防止しながら、鉛蓄電池の放電と発電機の発電とにより負荷に電力を供給し、且つ発電機により鉛蓄電池を充電する充放電制御装置及び充放電制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。請求項１に記載の発明は、鉛蓄電池の連続する１回の放電時間の放電量において、前記鉛蓄電池の蓄電池容量の０％を超え３％以下の値である第１の閾値を設定し、且つ１時間当たりの総放電量において、前記蓄電池容量の０％を超え３０％以下の値である第２の閾値を設定し、発電機を更に有し、前記鉛蓄電池の連続する１回の放電期間における放電量が前記第１の閾値を超えた場合及び前記鉛蓄電池の１時間当たりの総放電量が前記第２の閾値を超えた場合の少なくともいずれか一方の場合、前記発電機が前記鉛蓄電池を充電することを特徴とする鉛蓄電池の充放電制御装置である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記鉛蓄電池が電解液に浸漬された極板群を有する液式鉛蓄電池、又は少なくとも一部が電解液に浸漬され且つ他の一部が露出した極板を有する制御弁式鉛蓄電池であることを特徴とする請求項１に記載の鉛蓄電池の充放電制御装置である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、鉛蓄電池の連続する１回の放電期間の放電量と、前記鉛蓄電池の蓄電池容量の０％を超え３％以下の値である第１の閾値とを比較判定するステップと、１時間当たりの総放電量と、前記蓄電池容量の０％を超え３０％以下の値である第２の閾値とを比較判定するステップ、とを有し、前記鉛蓄電池の連続する１回の放電期間における放電量が前記第１の閾値を超えた場合及び前記鉛蓄電池の１時間当たりの総放電量が前記第２の閾値を超えた場合の少なくともいずれか一方の場合、前記鉛蓄電池を充電するステップを更に有することを特徴とする鉛蓄電池の充放電制御方法である。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、前記鉛蓄電池が電解液に浸漬された極板群を有する液式鉛蓄電池、又は少なくとも一部が電解液に浸漬され且つ他の一部が露出した極板を有する制御弁式鉛蓄電池であることを特徴とする請求項３に記載の鉛蓄電池の充放電制御方法である。
【００１５】
本発明は、鉛蓄電池の成層化の進行を防止し、鉛蓄電池（特に、成層化現象が発生し得る鉛蓄電池）の寿命劣化を防止しながら、鉛蓄電池の充放電を制御する充放電制御装置及び充放電制御方法を実現できるという作用を有する。
本発明は、鉛蓄電池の寿命劣化を防止しながら、鉛蓄電池の放電と発電機の発電とにより負荷に電力を供給し、且つ発電機により鉛蓄電池を充電する充放電制御装置及び充放電制御方法を提供することを実現できるという作用を有する。
特に、安価なフリー液を有する液式鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法に本発明を適用した場合に優れた効果が得られる。フリー液を有する制御弁式鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法に本発明を適用した場合にも、液式鉛蓄電池に準じた効果が得られる。
本発明の鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法は、例えばガスタービン発電機等の発電機に鉛蓄電池を併設した電源システムにおいて有用である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施例について、図面とともに記載する。
【００１７】
《実施例１》
図１〜図４を用いて、本発明の実施例１の鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法を説明する。実施例１の鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法は、ガスタービン発電機に鉛蓄電池を併設した電源システムに含まれる液式鉛蓄電池の充放電制御装置である。
【００１８】
最初に、本発明の根拠となる実験データを説明する。公称電圧が１２Ｖ、公称容量が６０Ａｈ（２０時間率容量）の、極板群が電解液に浸漬された液式鉛蓄電池を用い、周辺温度が４０℃の雰囲気で以下の寿命試験を行った。図１は、本発明の実施例１の寿命試験の方法を示すフローチャートである。
【００１９】
ステップ１０１で、寿命試験の総サイクル数Ｎに初期値０を設定する。液式鉛蓄電池を満充電（ステップ１０２）した後、６０Ａで放電終止電圧７．５Ｖまで放電し、初期の放電容量を測定する（ステップ１０３）。ステップ１０４で液式鉛蓄電池を満充電した後、蓄電池容量の所定量、例えば１０％を放電し、蓄電池を満充電でない、所定の充電状態とする（ステップ１０５）。ここでは蓄電池の充電状態を所定の状態とすることが目的であるので、ステップ１０４とステップ１０５に替え、所定の充電状態に対応した充電電圧で蓄電池を充電するステップとしてもよい。ステップ１０６でＭに初期値０を設定する。ステップ１０７でＮとＭとに１を加算する。その後、６０Ａで所定時間放電する（ステップ１０８）。次に、４０Ａで所定時間充電する（ステップ１０９）。次に、所定時間休止する（ステップ１１０）。ステップ１０７〜ステップ１１０のサイクルを所定回数（Ｍが所定値になるまで）実施する。Ｍの所定値は、ステップ１０７〜ステップ１１０の繰り返しの時間が１４０時間になるように設定した。Ｍが所定値になった場合（ステップ１１１）、６０Ａで放電終止電圧７．５Ｖまで放電し、放電容量を測定する（ステップ１１２）。放電容量が初期の放電容量の５０％以下か否か判断し（ステップ１１３）、５０％より大きい場合はステップ１０４に戻り、再び液式鉛蓄電池を満充電し試験を繰り返す。放電容量が初期の放電容量の５０％以下になった場合、液式鉛蓄電池が寿命に達したと判定し、ステップ１１４に進み、液式鉛蓄電池の寿命試験結果（Ｎの値）を出力する。ステップ１１５で、寿命試験の総サイクル数Ｎに基づいて寿命比を計算する。寿命比の計算方法は、後で述べる。寿命試験を終了する。
【００２０】
表１に、寿命試験のサイクル条件及び結果の一部を示す。連続した１回当たりの放電量が蓄電池容量の２％、２．５％、３％、３．５％、４％になるように、ステップ１０８での放電時間を設定した。充電が不十分な状態を作り出すために、１回当たりの放電量と同じ電気量で充電するように、ステップ１０９での充電時間を設定した。一般に鉛蓄電池の充電効率は１００％ではないため、放電量と同じ充電量で充電すると、若干充電不足になる。更に、１時間当たりの総放電量が蓄電池容量の１０％、２０％、３０％、４０％、５０％になるように、ステップ１１０での休止時間を設定し、合計２５通りの寿命試験を行った。ステップ１１４で得られた寿命試験の総サイクル数Ｎを、１回の放電量を３％、１時間当たりの総放電量を３０％に設定して行った液式鉛蓄電池の寿命試験でのＮ_０で、正規化した値（（Ｎ／Ｎ_０）×１００％）を寿命比と定義する。
【００２１】
【表１】

【００２２】
図２（ａ）は、１時間当たりの総放電量が蓄電池容量の３０％の寿命試験での、連続した１回の放電量と蓄電池の寿命比との関係を示すグラフである。図２（ｂ）は、連続した１回の放電量が蓄電池容量の３％の寿命試験での、１時間当たりの総放電量と蓄電池の寿命比との関係を示すグラフである。曲線２０１ａ及び曲線２０１ｂは液式鉛蓄電池の寿命試験の結果である。表１、図２（ａ）及び図２（ｂ）から、連続した１回の放電量を蓄電池容量の３％以下に、且つ１時間当たりの総放電量を蓄電池容量（満充電時容量）の３０％以下に設定し、前記鉛蓄電池の連続する１回の放電期間における放電量が３％を超えた場合及び前記鉛蓄電池の１時間当たりの総放電量が３０％を超えた場合の少なくともいずれか一方の場合、前記発電機が前記鉛蓄電池を充電する充放電制御により、電解液の成層化を抑制し、液式鉛蓄電池を長寿命化できることがわかる。連続した１回の放電量が蓄電池容量の３％より大きいか、１時間当たりの総放電量が蓄電池容量の３０％より大きい場合には、電解液の成層化が発生し、液式鉛蓄電池の寿命比が低下した。
【００２３】
図３は、本発明の実施例１の鉛蓄電池の充放電制御装置を含む電源システムの構成を示すブロック図である。本発明の鉛蓄電池の充放電制御装置は、上記の実験データに基づく鉛蓄電池の充電及び放電の制御を行う。図３において、３０１は発電機、３０２は負荷、３０３は液式鉛蓄電池、３０４は電流センサ、３０５は電流計測部、３０６は電圧計測部、３０７は充放電制御装置である。
【００２４】
発電機３０１はガスタービン機関（図示しない）によって駆動されて発電する。発電された電力は負荷３０２及び液式鉛蓄電池３０３に供給される。液式鉛蓄電池３０３は、殆ど常に発電機３０１によって定電圧充電されている。負荷３０２が急激に増加した場合、ガスタービン発電や燃料電池等の発電機では急激な負荷上昇に追随できない。この間、負荷３０２の消費電力に対して発電量が不足するため、液式鉛蓄電池３０３から負荷３０２に不足分の電力が供給される。また、負荷３０２が急激に減少することによって発電機３０１の発電量に余剰が生じた場合には、発電機３０１から液式鉛蓄電池３０３に余剰電力が充電される。液式鉛蓄電池３０３の公称電圧は１２ボルトであり、６つのセルから構成されている。
【００２５】
電流センサ３０４は液式鉛蓄電池３０３に流れる充放電電流を検出する。電流センサ３０４の出力は電流計測部３０５に入力され、更に充放電制御装置３０７に電流値として入力される。電圧計測部３０６は液式鉛蓄電池３０３の充放電電圧を測定し、電圧値として充放電制御装置部３０７に入力する。
【００２６】
図４は、本発明の実施例１の電源システムの鉛蓄電池の充放電制御方法を示すフローチャートである。実施例１の充放電制御装置３０７はマイクロコンピュータを有し、マイクロコンピュータが図４の主たる制御を行う。電流計測部３０５はステップ４０１で、液式鉛蓄電池３０３の充放電電流を計測し、充放電制御装置３０７に出力する。ステップ４０１は、一定時間おきに実行される。充放電電流を計測する（ステップ４０１）時間間隔は任意である。充放電制御装置３０７は、液式鉛蓄電池３０３の満充電時容量、現在の残容量、及び少なくとも過去１時間分の充放電量の履歴（連続する放電期間の１回毎の放電量の情報を含む。）を記憶している。充放電制御装置３０７は、現在液式鉛蓄電池３０３が充電状態か放電状態かを判断する（ステップ４０２）。放電状態であればステップ４０３に進み、液式鉛蓄電池３０３の連続する１回の放電電気量を積算する。
【００２７】
充放電制御装置３０７は、連続する１回の放電電気量が満充電時容量の３％以上か否か判断する（ステップ４０４）。３％以上の場合、ステップ４１１に進む。３％未満の場合、ステップ４０５に進む。充放電制御装置３０７は、１時間当たりの総放電電気量を算出し（ステップ４０５）、総放電電気量が満充電時容量の３０％以上か否か判断する（ステップ４０６）。３０％以上の場合、ステップ４１１に進む。３０％未満の場合、ステップ４０７に進む。充放電制御装置３０７は、充放電電流の積算値に基づいて液式鉛蓄電池３０３のＳＯＣ（充電状態）を算出し（ステップ４０７）、現在のＳＯＣが満充電時容量の７０％未満か否か判断する（ステップ４０８）。７０％以上の場合はステップ４１１に進む。７０％未満の場合、放電を継続し、ステップ４０１に戻る。
【００２８】
ステップ４０４、４０６又は４０８での判断の少なくとも一つに該当し、ステップ４１１に進んだ場合、充放電制御装置３０７は、発電機３０１の出力電圧を増大させて（実施例においては鉛蓄電池の単位セル当たり２．４Ｖ、すなわち１４．４Ｖにする。）液式鉛蓄電池３０３を充電し、ステップ４０１に戻る。
ステップ４０２で充電状態であればステップ４０９に進む。ステップ４０９で充放電制御装置３０７は、ＳＯＣが満充電時容量の９５％以上か否か判断する。９５％以上の場合、ステップ４１０に進み、発電機３０１の出力を低下させて（実施例においては鉛蓄電池の単位セル当たり２．１Ｖ、すなわち１２．６Ｖにする。）液式鉛蓄電池３０３の充電を終了し、ステップ４０１に戻る。９５％未満の場合、充電を継続し、ステップ４０１に戻る。充放電制御装置３０７は発電機からの鉛蓄電池への充電電圧もしくは電流を増減する。
【００２９】
実施例１は、安価な液式鉛蓄電池を使用し、液式鉛蓄電池の寿命を実質的に従来より長くできる充放電制御装置及び充放電制御方法を実現した。特に燃料電池、ガスタービン発電機などの発電手段に鉛蓄電池を併設した、電力供給用の電源システムに適した充放電制御装置及び充放電制御方法を実現した。本発明は発電効率に優れた低コストな電源システムを実現できるという効果を有する。
【００３０】
《実施例２》
図１〜図４を用いて、本発明の実施例２の鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法を説明する。実施例２の鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法は、ガスタービン発電機に鉛蓄電池を併設した電源システムに含まれる鉛蓄電池の充放電制御装置である。実施例２の鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法は、液式鉛蓄電池３０３に代えて、僅かなフリー液を有する制御弁式鉛蓄電池を有する。それ以外の点において、実施例２は実施例１と同一である。図３は、本発明の実施例２の鉛蓄電池の充放電制御装置を含む電源システムの構成を示すブロック図である。図４は、本発明の実施例２の電源システムの鉛蓄電池の充放電制御方法を示すフローチャートである。図３及び４は既に説明した。
【００３１】
制御弁式鉛蓄電池は、一般に、フェルト状のセパレータを用いることで活物質の脱落などを抑制できるため、液式鉛蓄電池に比べて寿命が長い。従って、コストよりも蓄電池の寿命を優先させる電源システムにおいて、制御弁式鉛蓄電池を有する実施例２の充放電制御装置及び充放電制御方法が有用である。実施例２においても、連続した１回の放電量を蓄電池容量の３％以下に、且つ１時間当たりの総放電量を蓄電池容量の３０％以下に制限する充放電制御を行う。これにより、従来の充放電制御装置及び充放電制御方法と比べて、蓄電池を実質的に長寿命化することができる。
【００３２】
本発明の根拠となる実験データを説明する。公称電圧が１２Ｖ、公称容量が６０Ａｈ（２０時間率容量）の、僅かなフリー液を有する制御弁式鉛蓄電池及びフリー液のない制御弁式鉛蓄電池を用い、周辺温度が４０℃の雰囲気で以下の寿命試験を行った。図１は、本発明の実施例１の寿命試験の方法を示すフローチャートである。寿命試験の方法及び条件（図１及び図２）は実施例１と同じであるので説明を省略する。
【００３３】
図２（ａ）は、１時間当たりの総放電量が蓄電池容量の３０％の寿命試験での、連続した１回の放電量と蓄電池の寿命比との関係を示すグラフである。図２（ｂ）は、連続した１回の放電量が蓄電池容量の３％の寿命試験での、１時間当たりの総放電量と蓄電池の寿命比との関係を示すグラフである。曲線２０２ａ及び曲線２０２ｂは僅かなフリー液を有する制御弁式鉛蓄電池の寿命試験の結果である。曲線２０３ａ及び曲線２０３ｂはフリー液のない制御弁式鉛蓄電池の寿命試験の結果である。
【００３４】
僅かなフリー液を有する制御弁式鉛蓄電池は、極板群の一部が電解液に浸漬され、一部が電解液から露出している。図２に示すように、液式鉛蓄電池に比べて程度は低いものの電解液の成層化が起きる。図２（ａ）及び図２（ｂ）から、フリー液を有する制御弁式鉛蓄電池でも液式鉛蓄電池と同様に、連続した１回の放電量を蓄電池容量の３％以下に、且つ１時間当たりの総放電量が蓄電池容量の３０％以下に設定し、前記制御弁式鉛蓄電池の連続する１回の放電期間における放電量が３％を超えた場合及び前記鉛蓄電池の１時間当たりの総放電量が３０％を超えた場合の少なくともいずれか一方の場合、前記発電機が前記制御弁式鉛蓄電池を充電する充放電制御により、電解液の成層化を抑制し、長寿命化できることがわかる。
【００３５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）から、フリー液のない制御弁式鉛蓄電池の寿命比は、連続した１回の放電量及び１時間当たりの総放電量に依存しないことがわかる。フリー液のない制御弁式鉛蓄電池は成層化が起きないためだと考えられる。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、フリー液が多い鉛蓄電池ほど成層化しやすく、成層化による寿命劣化が顕著に発生する。本発明により、特にフリー液が多い鉛蓄電池を使用する電源システムにおいて、その鉛蓄電池の寿命を従来より相対的に実質的に長くする顕著な効果が得られるが、僅かなフリー液を制御弁式鉛蓄電池を使用する電源システムにおいても、同様の効果が得られる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、鉛蓄電池の成層化の進行を防止し、鉛蓄電池（特に、成層化現象が発生し得る鉛蓄電池）の寿命劣化を防止しながら、鉛蓄電池の充放電を制御する充放電制御装置及び充放電制御方法を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、鉛蓄電池の寿命劣化を防止しながら、鉛蓄電池の放電と発電機の発電とにより負荷に電力を供給し、且つ発電機により鉛蓄電池を充電する充放電制御装置及び充放電制御方法を提供することを実現できるという有利な効果が得られる。
特に、安価なフリー液を有する液式鉛蓄電池又はフリー液を有する制御弁式鉛蓄電池の充放電制御装置及び充放電制御方法に本発明を適用した場合に顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１及び実施例２の寿命試験の方法を示すフローチャート
【図２】図２（ａ）は、連続した１回の放電量と蓄電池の寿命比との関係を示すグラフ、図２（ｂ）は、１時間当たりの総放電量と蓄電池の寿命比との関係を示すグラフ
【図３】本発明の実施例１及び実施例２の鉛蓄電池の充放電制御装置を含む電源システムの構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施例１及び実施例２の電源システムにおける鉛蓄電池の充放電制御方法を示すフローチャート
【符号の説明】
３０１発電機
３０２負荷
３０３液式鉛蓄電池
３０４電流センサ
３０５電流計測部
３０６電圧計測部
３０７充放電制御装置

Claims

鉛蓄電池の連続する１回の放電期間の放電量において、前記鉛蓄電池の蓄電池容量の０％を超え３％以下の値である第１の閾値を設定し、且つ１時間当たりの総放電量において前記蓄電池容量の０％を超え３０％以下の値である第２の閾値を設定し、発電機を更に有し、前記鉛蓄電池の連続する１回の放電期間における放電量が前記第１の閾値を超えた場合及び前記鉛蓄電池の１時間当たりの総放電量が前記第２の閾値を超えた場合の少なくともいずれか一方の場合、前記発電機が前記鉛蓄電池を充電することを特徴とする鉛蓄電池の充放電制御装置。
前記鉛蓄電池が電解液に浸漬された極板群を有する液式鉛蓄電池、又は少なくとも一部が電解液に浸漬され且つ他の一部が露出した極板を有する制御弁式鉛蓄電池であることを特徴とする請求項１に記載の鉛蓄電池の充放電制御装置。
鉛蓄電池の連続する１回の放電期間における放電量と、前記鉛蓄電池の蓄電池容量の０％を超え３％以下の値である第１の閾値とを比較判断するステップと、１時間当たりの総放電量と、前記蓄電池容量の０％を超え３０％以下の値である第２の閾値とを比較判断するステップ、とを有し、前記鉛蓄電池の連続する１回の放電期間における放電量が前記第１の閾値を超えた場合及び前記鉛蓄電池の１時間当たりの総放電量が前記第２の閾値を超えた場合の少なくともいずれか一方の場合、前記鉛蓄電池を充電するステップを更に有することを特徴とする鉛蓄電池の充放電制御方法。
前記鉛蓄電池が電解液に浸漬された極板群を有する液式鉛蓄電池、又は少なくとも一部が電解液に浸漬され且つ他の一部が露出した極板を有する制御弁式鉛蓄電池であることを特徴とする請求項３に記載の鉛蓄電池の充放電制御方法。