JP4673658B2 - 劣化蓄電池の評価試験装置 - Google Patents

Description

この発明は、劣化した蓄電池を電気的に再生して再使用するとき、資源を一層有効活用することができる劣化蓄電池の評価試験装置に関する。

鉛蓄電池に代表される蓄電池は、長期間の使用または放置により、性能が劣化して再充電が不能となり、使用不能となってしまう。

そこで、出願人は、劣化した蓄電池を電気的に再生する技術を開発し、先きに提案した（特許文献１）。このものは、ベース電流とパルス電流とを重量した充電電流により劣化蓄電池を繰返し充電することによって、蓄電池の電極表面に析出するＰ_bＳＯ₄の大結晶を効果的に微細化し、劣化蓄電池を短時間のうちに再生することができる。なお、蓄電池は、事前に劣化の程度を判定し、再生の可否や、充電期間の繰返し回数などを判断するものとする。
特願２００２−２９５３７２号

かかる従来技術によるときは、劣化蓄電池は、それに含まれる複数のセルの劣化状態が必ずしも均一であるとは限らないのに、蓄電池の全体性能にだけ着目して劣化の程度を判定し、再生の可否を判断していたので、再生可能なセルを含む蓄電池でも再生不能として全体を廃棄することがあり、資源の有効活用の点で必ずしも十分ではないという問題があった。

そこで、この発明の目的は、劣化蓄電池の各セルを個別に良否判定することによって、資源を一層有効に活用することができる劣化蓄電池の評価試験装置を提供することにある。

かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、蓄電池から一定の放電電流を放電させる放電回路と、放電中の蓄電池に含まれる複数の直列接続の各セルの端子電圧を繰り返しスキャンするスキャナ回路と、スキャナ回路からの各セルの端子電圧に基づいて放電中の各セルの電圧のデータを時系列的に採取する制御ユニットとを備えてなり、放電回路は、制御ユニットからの電流指令信号に従って放電電流を設定し、制御ユニットは、放電終止電圧にまで電圧が低下したセルの検出を含む終了条件により放電を終了させ、放電中に採取された各セルの電圧の時系列的な変化のデータに基づき、放電開始から放電終了までの放電時間に応じて設定する判定基準に従って各セルが再生可能な良品、再生不能な不良品のいずれであるかを個別に良否判定することをその要旨とする。

なお、放電回路は、複数の抵抗とトランジスタ素子とを直列接続するとともに各抵抗にリレー接点を並列接続する複数の分枝を並列接続し、制御ユニットからの電流指令信号を各トランジスタ素子のゲートに入力することができ、リレー接点は、放電中の蓄電池の端子電圧に従って各分枝の一部または全部を投入することができる。

かかる発明の構成によるときは、放電回路、スキャナ回路、制御ユニットを組み合わせることによって、放電中の蓄電池の各セルの電圧は、各セルの劣化程度に応じて個別のカーブを描いて低下して行くので、各セルの電圧の変化を見ることにより、各セルの劣化の程度、すなわち各セルの良否を判定することができる。すなわち、劣化蓄電池に含まれる各セルを再生可能な良品、再生不能な不良品に分別し、再生不能のセルを再生可能なセルに組み換えることにより、資源の有効活用を図ることができる。

なお、放電電流Ｉは、蓄電池の定格容量ａＡＨと、時間率ｂＨとにより、Ｉ＝（ａ／ｂ）Ａの一定電流とするのがよく、放電時間ｈは、ｈ＝（０．７ｂ）Ｈに定めることができる。一般に、再生不能に劣化したセルの電圧は、放電電流Ｉ＝（ａ／ｂ）Ａとした場合、放電時間ｈ内に放電終止電圧にまで低下してしまうことが確かめられているからである。そこで、放電時間ｈ内に電圧が放電終止電圧にまで低下したセルが見出されたときは、その時点で放電を停止させることにより、試験時間を短縮することができる。ただし、このとき、放電終止電圧に到達しない他のセルについては、実験によって確立された適切な良否判定のプラクティスを適用して良否を判定するものとする。

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

劣化蓄電池の評価試験装置は、制御ユニット１１、放電回路１２、スキャナ回路１３を備えてなる（図１）。なお、制御ユニット１１には、ソフトウェアによって構成するデータ採取手段１１ａ、判定手段１１ｂが含まれており、スキャナ回路１３には、ＡＤコンバータ１３ａが含まれている。

供試の劣化した蓄電池Ｂの正負の端子は、各セルＢi （ｉ＝１、２…ｎ）の正極側の端子とともに、スキャナ回路１３に個別に接続されている。ただし、ｎは、蓄電池Ｂに含まれるセルＢi の数である。スキャナ回路１３は、制御ユニット１１と双方向に接続されている。そこで、スキャナ回路１３は、制御ユニット１１からの指令によって、蓄電池Ｂの負極側に対する各セルＢi の端子電圧Ｖi （ｉ＝１、２…ｎ）をスキャンし、ＡＤコンバータ１３ａを介してディジタルデータに変換した上、制御ユニット１１に送出することができる。

蓄電池Ｂの正負の端子は、放電回路１２、電圧検出回路１４に並列接続されている。電圧検出回路１４は、蓄電池Ｂの端子電圧Ｖ＝Ｖn を検出し、電圧検出回路１４の出力は、リレー回路１４ａを介して放電回路１２に接続されている。なお、蓄電池Ｂの負極側の端子には、放電回路１２との間に電流検出器ＣＴが介装され、電流検出器ＣＴの出力は、制御ユニット１１に接続されている。また、制御ユニット１１からの電流指令信号Ｓ1 は、放電回路１２に導かれている。

放電回路１２は、直並列接続する抵抗Ｒj （ｊ＝１、２…ｍ）、リレー接点Ｙj （ｊ＝１、２…ｍ）に対し、たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｅｒｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなるトランジスタ素子Ｆを直列接続して構成する複数の分枝を並列接続して構成されている（図２）。ただし、ｍは、抵抗Ｒj 、リレー接点Ｙj の直列個数であり、各トランジスタ素子Ｆは、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯなどの他の任意のトランジスタ素子であってもよい。制御ユニット１１からの電流指令信号Ｓ1 は、放電回路１２において、電流増幅器１２ａを介してトランジスタ素子Ｆ、Ｆ…の各ゲートに並列に入力されている。なお、リレー接点Ｙj のコイルは、リレー回路１４ａに収納されているものとする。

放電回路１２は、制御ユニット１１からの電流指令信号Ｓ1 に従って各分枝のトランジスタ素子Ｆ、Ｆ…を一斉に導通させ、蓄電池Ｂの放電電流Ｉを任意に設定することができる。また、このとき、電圧検出回路１４は、蓄電池Ｂの端子電圧Ｖを検出し、リレー回路１４ａ内のリレーを駆動することにより、放電回路１２の各分枝のリレー接点Ｙj の一部または全部を投入することができる。すなわち、各分枝のリレー接点Ｙj は、蓄電池Ｂの端子電圧Ｖが高い程投入する数を少なくし、端子電圧Ｖが低い程投入する数を多くすることにより、トランジスタ素子Ｆに発生する電力ロスを必要最少に抑えることができる。なお、リレー接点Ｙj は、各分枝ごとに同数を順に投入し、開放させるものとし、抵抗Ｒj は、各分枝ごとに同抵抗値を同順序に接続するものとする。ただし、一分枝内の抵抗Ｒj は、必ずしも全部を同抵抗値に揃える必要はない。

スキャナ回路１３は、制御ユニット１１からの指令に応じて、蓄電池Ｂの各セルＢi の端子電圧Ｖi をスキャンして制御ユニット１１に送出する（図１、図３）。ただし、図３の横軸は、各セルＢi のセル番号ｉである。そこで、制御ユニット１１は、各セルＢi の電圧Ｖbi（ｉ＝１、２…ｎ）として、Ｖb1＝Ｖ1 、Ｖbi＝Ｖi −Ｖi-1 （ｉ＝２、３…ｎ）を計算して記憶し、スキャナ回路１３を介して同様の動作を繰り返すことにより、各セルＢi の電圧Ｖbiのデータを時系列的に採取することができる。なお、スキャナ回路１３は、複数のＡＤコンバータ１３ａ、１３ａ…を内蔵し、それらを並列動作させることにより、全体の動作速度を向上させることができる。また、スキャナ回路１３は、制御ユニット１１からの指令ごとに端子電圧Ｖi を複数回連続的にスキャンし、その平均値を制御ユニット１１に送出するようにしてもよい。

なお、制御ユニット１１には、起動・停止スイッチの他、蓄電池Ｂの定格容量ａ、時間率ｂを設定入力する設定器、各セルＢi の電圧Ｖbiを切換表示する表示器、放電電流Ｉ、放電時間ｈ、放電電力ｃ＝Ｉ・ｈを表示する表示器、放電中に放電終止電圧に到達したセルＢi のセル番号ｉを表示する表示器などが付設されているものとする。

制御ユニット１１は、電源が投入されると待機モードとなり、たとえば図４のプログラムフローチャートに従って作動する。

待機モードにおいて、プログラムは、スキャナ回路１３を介して蓄電池Ｂの各セルＢi の端子電圧Ｖi を取得し、端子電圧Ｖi に基づいて各セルＢi の電圧Ｖbiを計算して記憶する（図４のプログラムステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）。その後、プログラムは、制御ユニット１１の起動スイッチが投入されない限り（４）、プログラムステップ（２）の時間遅れ要素Ｔ／Ｄに基づき、たとえば数秒ごとに同様の動作を繰り返し（（１）、（２）…（４）、（１））、各セルＢi の電圧Ｖbiのデータを時系列的に採取することができる。ただし、この間において、プログラムは、現時点からたとえば１０分程度の規定時間以前のデータを消去してしまうものとする（３）。なお、プログラムは、起動スイッチが投入されると（４）、直ちに放電モードに移行する（５）。

放電モードになると、制御ユニット１１は、図５のプログラムフローチャートに従って作動する。

プログラムは、まず、制御ユニット１１から放電回路１２に対して電流指令信号Ｓ1 を送出させることにより、蓄電池Ｂの放電を開始させる（図５のプログラムステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）。なお、このときの放電電流Ｉは、設定器を介して設定される蓄電池Ｂの定格容量ａ、時間率ｂに基づき、たとえばＩ＝（ａ／ｂ）Ａの一定電流とする。

つづいて、プログラムは、プログラムステップ（３）の時間遅れ要素Ｔ／Ｄに基づき、放電中の蓄電池Ｂの各セルＢi の電圧Ｖbiのデータをたとえば数秒ごとに時系列的に採取しながら（（２）、（３）…（６）、（２））、放電時間ｈの経過（４）、放電終止電圧にまで電圧Ｖbiが低下したセルＢi の検出（５）、停止スイッチの投入（６）のいずれかを待つ。ただし、放電時間ｈは、たとえばｈ＝（０．７〜１）ｂに定めるものとする。

放電時間ｈの経過（４）、放電終止電圧に到達したセルＢi の検出（５）、停止スイッチの投入（６）のいずれかにより、プログラムは、電流指令信号Ｓ1 をリセットして放電電流Ｉ＝０とし、蓄電池Ｂの放電を終了させるとともに（７）、採取された各セルＢi の電圧Ｖbiのデータに基づいて各セルＢi の良否を判定する（８）。

各セルＢi の良否判定のプラクティスは、大むね次のとおりである。
ａ）放電時間ｈ≧０．７ｂで放電終了となった場合、すべてのセルＢi を良とする。
ｂ）放電時間ｈ＜０．７ｂで放電終了となった場合、図６の判定基準（１）〜（６）に従う。

ただし、図６の判定基準（１）〜（６）は、定格容量３００ＡＨ、５時間率、各セルＢi の放電終止電圧１．７５Ｖの鉛蓄電池Ｂに対し、放電電流Ｉ＝３００／５＝６０Ａ、放電時間ｈ＝５Ｈを設定するときの例である。たとえば、放電時間ｈ＝２．５〜３．０Ｈで放電終了となった蓄電池Ｂでは、放電時間２．５Ｈ時の電圧Ｖbi＞１．８５ＶのセルＢi を再生可能な良品と判定し、電圧Ｖbi≦１．８５ＶのセルＢi を再生不能な不良品と判定する（図６の判定基準（２））。なお、蓄電池Ｂは、放電開始前において、すべてのセルＢi の電圧Ｖbi＞２．１０Ｖであることが評価試験を実施する前提条件である。

蓄電池Ｂの各セルＢi の電圧Ｖbiについて、評価試験中の時系列的な変化の実例を図７、図８に示す。ただし、図７は、低劣化の蓄電池Ｂの例であり、図８は、高劣化の蓄電池Ｂの例である。また、図７、図８の各一点鎖線、二点鎖線、実線は、劣化の程度がそれぞれ小、中、大の各セルＢi の電圧Ｖbiに対応している。

そこで、このようにして各セルＢi の良否を判定すると、再生不能な不良のセルＢi のみを再生可能な良品のセルＢi に組み換え、蓄電池Ｂを再生処理すればよい。なお、図４のプログラムステップ（１）、図５のプログラムステップ（２）は、図１のデータ採取手段１１ａに対応しており、図５のプログラムステップ（８）は、図１の判定手段１１ｂに対応している。

全体構成ブロック系統図 要部詳細ブロック系統図 動作説明線図 プログラムフローチャート（１） プログラムフローチャート（２） 判定基準を示す図表 試験結果を示す線図（１） 試験結果を示す線図（２）

符号の説明

Ｂ…蓄電池
Ｖ…端子電圧
Ｂi …セル
Ｖi …端子電圧
Ｖbi…電圧
Ｉ…放電電流
Ｆ…トランジスタ素子
Ｒj …抵抗
Ｙj …リレー接点
Ｓ1 …電流指令信号
１１…制御ユニット
１２…放電回路
１３…スキャナ回路

特許出願人 西 田 武 次
代理人 弁理士 松 田 忠 秋

Claims (3)

1. 蓄電池から一定の放電電流を放電させる放電回路と、放電中の蓄電池に含まれる複数の直列接続の各セルの端子電圧を繰り返しスキャンするスキャナ回路と、該スキャナ回路からの各セルの端子電圧に基づいて放電中の各セルの電圧のデータを時系列的に採取する制御ユニットとを備えてなり、前記放電回路は、前記制御ユニットからの電流指令信号に従って放電電流を設定し、前記制御ユニットは、放電終止電圧にまで電圧が低下したセルの検出を含む終了条件により放電を終了させ、放電中に採取された各セルの電圧の時系列的な変化のデータに基づき、放電開始から放電終了までの放電時間に応じて設定する判定基準に従って各セルが再生可能な良品、再生不能な不良品のいずれであるかを個別に良否判定することを特徴とする劣化蓄電池の評価試験装置。
2. 前記放電回路は、複数の抵抗とトランジスタ素子とを直列接続するとともに前記各抵抗にリレー接点を並列接続する複数の分枝を並列接続し、前記制御ユニットからの電流指令信号を前記各トランジスタ素子のゲートに入力することを特徴とする請求項１記載の劣化蓄電池の評価試験装置。
3. 前記リレー接点は、放電中の蓄電池の端子電圧に従って前記各分枝の一部または全部を投入することを特徴とする請求項２記載の劣化蓄電池の評価試験装置。

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