JP4715123B2 - 鉛蓄電池の状態検出装置およびこの状態検出装置を一体に備えた鉛蓄電池 - Google Patents

Description

本発明は、鉛蓄電池の状態を検出する、状態検出装置およびこの状態検出装置を一体に備えた鉛蓄電池に関するものである。

鉛蓄電池は、車両の始動用電源、無停電電源装置といった様々な用途に用いられている。その中でも車両用の鉛蓄電池は、車両の安全運行上、その状態を点検し、必要な保守作業を行う必要がある。また、近年、アイドルストップ車両やハイブリッド車両等の車両が実用化されつつあり、特に鉛蓄電池の劣化状態や、充電状態の判定といった、鉛蓄電池の状態検出技術の重要度が高まってきている。

特許文献１には、鉛蓄電池内手段の電解液比重や液面を検出するセンサーが示されている。このセンサーは、電解液比重の変化、すなわち、電解液中の硫酸濃度の変化に応じて浮沈する浮き子が組み込まれており、センサー窓を透して浮き子の浮沈状態を視認することにより、硫酸濃度を検出するものである。鉛蓄電池では、硫酸濃度と充電状態との間に相関関係があるため、硫酸濃度の検出により、鉛蓄電池の充電状態をある程度まで推定できる。

しかし、このような状態検出方法は、比較的簡便ではあるが、鉛蓄電池から得られる情報が電解液比重と液面に限定されるため、正確な状態検知を行うことができなかった。

特許文献１のような電解液比重による状態検出に替えて、特許文献２で示されたような、電池電圧や内手段抵抗といった電気的に計測して得られるパラメータから状態検出を行う方法が検討されている。このような電気的計測による状態検出は、電池電圧や内手段抵抗といった計測値を演算して状態を検出するのみならず、これらの値の履歴から寿命予測を行うといったことが可能となる。

このような電気的信号を受けて状態を検出する状態検出装置は、当然、検出装置を駆動するための電源が必要である。そして、この駆動電源を状態検出の対象である鉛蓄電池から供給する場合がある。特に特許文献３のように、状態検出装置を蓄電池本体に組み込んだ構造を有する場合、状態検出装置と蓄電池間が常に接続され、蓄電池から状態検出装置に常に電源が供給される。

したがって、鉛蓄電池が使用されない状態で長期間放置された場合、状態検出装置によって鉛蓄電池の放電が進行し、容量が低下する。特に在庫として倉庫中に保管される場合、その保管期間は数ヶ月にも及ぶ場合がある。また、在庫期間が夏期にかかる場合、保管温度が３０〜４０℃といった、比較的高い状態で保管されることも決してまれではない。このような高温で長期間保管された場合、鉛蓄電池が完全放電、もしくは過放電となる場合もあった。

このような状態検出装置による鉛蓄電池の放電を防止するために、鉛蓄電池−状態検出装置間に機械的スイッチを設けて在庫期間中における放電を遮断することが考えられる。また、状態検出装置の中でも、状態を表示する表示装置が特に消費電力の多いことに着目し、表示装置の駆動をＯＮ−ＯＦＦするスイッチを設けることも考えられる。

このようなスイッチを別途設ける方法は、その分、製造に要するコストが増大する欠点がある。また、鉛蓄電池を車両に装着する際、スイッチのＯＮ操作を忘れてしまうという問題もある。特に、電池電圧や内手段抵抗値の履歴により状態を検出したり、寿命予測を行うものについてはデータの欠損が生じるので、正確な状態検知ができなくなる恐れがある。

また、特に車両用の鉛蓄電池はエンジンルーム内に設置することが一般的であり、使用温度は６０〜８０℃、あるいはこれを超えるような高温環境に置かれることもめずらしくない。また、車両用の鉛蓄電池の天面には排気栓が装着されており、排気栓からの水蒸気や、一手段電解液が排気栓の周囲に滲出する場合がある。さらに、排気栓から電解液や水あるいはバッテリー強化液と称される薬剤を投入する際、排気栓からこれらの液体が漏れ、電池外装を濡らしてしまう場合もある。

特許文献２のように、状態検出装置を鉛蓄電池に組み込む構造では、状態検出装置に前記したような電解液（希硫酸）や水分、その他の薬剤が付着することによる回路の故障を防止するため、状態検出装置を構成する回路基板や表示素子を耐薬品性や耐熱性を有した封止剤で封止することが必要である。

ところが、前記したような機械的スイッチを設ける場合、このスイッチの操作手段を外手段に露出する必要がある。このような場合、スイッチの操作手段には電解液や水分といった液体が付着し、スイッチ内手段に侵入することにより、スイッチが故障したり、動作が不安定になるという問題もある。

また、スイッチとして押しボタンスイッチを用い、操作ボタンのみを柔軟性のある合成樹脂シートで覆い、合成樹脂シートの周囲と電池外装との間を封止することにより、スイッチ操作手段にこれらの液体が直接接触することを避けることができる。

しかしながら、このような構造は、スイッチ操作手段を覆う合成樹脂シートとこれを封止する構造が必要となる。その結果、さらに鉛蓄電池の価格を上昇させることとなり、コスト面で極めて不利であった。
特開平６−２４３９００号公報 特開２００３−１２９９２７号公報 特表２００３−５２３０４９号公報

本発明は、前記したような、鉛蓄電池の状態検出装置および状態検出装置を一体に設けた鉛蓄電池において、鉛蓄電池の長期間の保管中においても状態検出装置による放電による容量低下を抑制するとともに、機械的スイッチを使用しないことによって、信頼性の高い鉛蓄電池の状態検出装置およびこの装置を一体に設けた鉛蓄電池をより安価に提供するものである。

前記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、鉛蓄電池の端子間に接続され、鉛蓄電池の端子電圧、電池内手段抵抗、充放電電流等の電気的計測によって得たパラメータに基づいて鉛蓄電池の状態を検出する状態検出装置であって、この状態検出装置は前記鉛蓄電池からその駆動用電源を供給されるとともに、鉛蓄電池の端子電圧を検出し、この端子電圧に基づいて、鉛蓄電池の使用状態を検出し、この検出した使用状態に応じて通常動作モードもしくは通常動作モードよりも低い消費電力で動作する省電力動作モードのいずれか一方を選択して動作し、前記通常動作モードでの動作時において、前記端子電圧の変動が所定値以下の場合、動作モードを前記通常動作モードから前記省電力モードに遷移させることを特徴とする鉛蓄電池の状態検出装置を示すものである。

さらに、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１の鉛蓄電池の状態検出装置において、前記電気的計測を所定のサンプリング時間間隔で計測し、前記省電力動作モードにおけるこのサンプリング時間間隔を通常動作モードにおけるサンプリング時間間隔よりも長くすることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項１〜２の鉛蓄電池の状態検出装置において、 前記状態検出装置はＬＥＤ等の状態検出結果を表示する表示手段を備え、前記通常動作モードにおいて、前記表示手段を動作させ、前記省電力モードにおいて、前記表示手段の動作を停止させることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る発明は、請求項１〜３の鉛蓄電池の状態検出装置において、 前記省電力動作モード時において、前記端子電圧の変動が所定値以上の場合に、動作モードを前記通常動作モードに遷移することを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る発明は、請求項１〜４の鉛蓄電池の状態検出装置において、鉛蓄電池端子間に加えられた電圧波形を検知する手段を備え、予め設定された電圧波形を検知した場合、動作モードを通常動作モードから省電力動作モードに排他的に遷移することを特徴とする。

本発明の請求項６に係る発明は、請求項５の鉛蓄電池の状態検出装置において、前記所定の電圧波形は、前記鉛蓄電池の使用状態における最大充電電圧（Ｖｍａｘ）を含まず、かつ最大充電電圧（Ｖｍａｘ）を超える電圧（Ｖｓ）ステップを含むことを特徴とする。

そして、本発明の請求項７に係る発明は、請求項１〜６の鉛蓄電池の状態検出装置を一体に設けたことを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。

本発明の状態検出装置およびこの状態検出装置を一体に設けた鉛蓄電池によれば、鉛蓄電池の長期間の保管中においても状態検出装置による放電による容量低下を抑制するとともに、機械的スイッチを使用しないことによって、信頼性の高い鉛蓄電池の状態検出装置およびこの装置を一体に設けた鉛蓄電池をより安価に提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

１．第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施形態による鉛蓄電池の状態検出装置１０１の構成を示す図である。なお、第１の実施形態ではそのパラメータとして電池端子電圧の例、すなわち、電池端子電圧に基づいて鉛蓄電池１０９の状態検出する場合について述べる。

状態検出装置１０１は鉛蓄電池１０９の端子電圧（Ｖ）を計測するための電圧検出手段１０２を備えている。電圧検出手段１０２で得た端子電圧（Ｖ）のデータは状態判定手段１０３に入力される。状態判定手段１０３では端子電圧（Ｖ）のデータに基づいて鉛蓄電池１０９の残存容量、劣化状態、交換推奨の有無等、必要に応じて選択された項目について、その状態を検出する。検出結果は表示手段１０４に入力され、表示手段１０４に設けた発光ダイオード１０５等の表示素子を用いて、鉛蓄電池１０９の状態表示を行う。なお、表示手段１０４を別体として設ける場合や、状態検出結果を表示せず、その検出結果を車両等の使用機器側の制御にフィードバックするシステムでは、必ずしも、表示手段１０４を状態検出装置１０１に設ける必要はない。

鉛蓄電池１０９から電源制御手段１０６を介して、状態検出装置１０１を構成する電圧検出手段１０２、状態判定手段１０３および表示手段１０４の駆動電力が供給される。なお、鉛蓄電池１０９の出力電圧が電圧検出手段１０２、状態判定手段１０３および表示手段１０４を駆動するのに適切な範囲にある場合、電源制御手段１０６は必ずしも必要でない。電源制御手段１０６を設けない場合、鉛蓄電池１０９から、各手段に電源が供給される。

本発明の状態検出装置１０１は動作モードを制御する機能（図１に示した動作モード制御手段１０８）を備える。動作モード制御手段１０８では鉛蓄電池１０９の使用状態に応じて、動作モードを通常動作モード、省電力モードを選択する。また、本発明では、鉛蓄電池１０９の使用状態を端子電圧に基づいて検出する。ここで、省電力モードにおける状態検出装置１０１の消費電力は通常動作モードのそれよりも低く設定されている。本発明は、鉛蓄電池１０９が使用されない状態が連続する場合、鉛蓄電池１０９は放置状態にあるとして、省電力動作モードで動作させる。

この省電力動作モードでは消費電力を低減するために、鉛蓄電池１０９の電気的計測、すなわち、端子電圧のサンプリング時間間隔を通常動作モードにおけるサンプリング時間間隔よりも長く設定する。これにより、電圧検出手段１０２および状態判定手段１０３の消費電力を低減できる。例えば通常動作モードにおけるサンプリング時間間隔を２ｍｓｅｃ、省電力モードにおけるサンプリング時間間隔を３２ｍｓｅｃとした場合、状態検出装置１０１の消費電力を１２％程度低減することができる。

また、省電力動作モードにおいて、さらに好ましくは発光ダイオード１０５による表示動作を停止させる。この場合、表示手段１０４の電力消費が不要となるため、状態検出装置１０１本体の消費電力を低減することが可能となる。効果の一例として、発光ダイオード１０５の表示動作を行わないことにより、消費電力を８０％削減することができる。したがって、省電力動作モードにおいて、発光ダイオード１０５による表示動作を行わず、かつサンプリング時間間隔を長くすることを併用すれば、状態検出装置１０１の消費電力は９２％削減され、極めて顕著な効果を得ることができる。したがって、本発明は表示手段１０４を有した構成に適用することが、より好ましいといえる。

一例として１２Ｖ４８Ａｈの車両用の鉛蓄電池に状態検出装置を接続して放置する場合、通常動作モードにおける消費電流を１５ｍＡ、省電力動作モードにおける消費電流を１．２ｍＡとすると、自己放電を全く考慮しない場合、従来のように、通常動作モードのみで動作させた場合、約１３３日で車両用鉛蓄電池１０９の残存容量が０となる。一方、本発明のように省電力動作モードに遷移させることにより、残存容量が０となるまでの期間は１６００日を越え、鉛蓄電池の容量低下を大幅に抑制できる。

なお、鉛蓄電池１０９が放置状態である場合、急激な端子電圧の変化はないため、サンプリング間隔を長く設定しても状態検出の精度に悪影響を及ぼさない。また、放置状態にあることから、ユーザーが表示手段を確認する頻度は低いと想定される。したがって、省電力モードとして、サンプリング時間間隔をより長く設定したり、発光ダイオード１０５の表示動作を停止したとしても、実用上の問題はない。

そして、鉛蓄電池１０９が使用状態にある判定された場合、省電力動作モードから通常動作モードへ移行する。使用状態にある鉛蓄電池の端子電圧は急激に変化するため、状態検出精度を高めるためにサンプリング時間間隔がより短く設定される。また、ユーザーが使用状態を確認する頻度も高まるため、発光ダイオード１０５の表示動作を再開させればよい。

なお、本発明において鉛蓄電池の使用状態・放置状態の判定として、端子電圧の変化量の絶対値、もしくは、端子電圧の単位時間当たりの変化量の絶対値といった、端子電圧の変動量を示すパラメータがある所定値以内にある場合、鉛蓄電池１０９は放置状態にあるとして通常動作モードから省電力モードに遷移するよう、動作モード制御手段１０８により制御する。また、上記のような端子電圧の変動量を示すパラメータがある所定値を超える場合には鉛蓄電池１０９は使用状態にあるとして省電力モードから通常動作モードへの遷移を動作モード制御手段１０８により行う。

鉛蓄電池が使用された場合、例えば車両用の鉛蓄電池では、図２に示したように、エンジン始動による放電やその後に続く充電により、端子電圧自体が変化するとともに、単位時間内での変化量が増大する。本発明では、これらの端子電圧の変動量をパラメータとして、鉛蓄電池が使用状態であるのか、放置状態であるのかを判定し、これに基づき、通常動作モード−省電力動作モード間の遷移を行う。

なお、端子電圧の変動量のパラメータとして、端子電圧の単位時間当たりの変化量を用いる場合、その判別値の例として、１．５Ｖ／秒といった値を設定できる。なお、この値は、鉛蓄電池の特性に応じて適宜選択すればよい。

本発明のさらに好ましい構成として、鉛蓄電池端子間に加えられた電圧波形を検知する機能を状態検出装置１０１に設け、予め設定された電圧波形を検知した場合、動作モードを通常動作モードから省電力動作モードに排他的に遷移させる。鉛蓄電池１０９と状態検出装置１０１の製造者が両者を接続した状態で出荷する場合、製造者がこの特定の電圧波形を状態検出装置１０１に加えることにより、当初より省電力動作モードで動作させるので、鉛蓄電池１０９と状態検出装置１０１の在庫期間当初より状態検出装置１０１による鉛蓄電池１０９の容量低下を抑制することができる。

この電圧波形は通常の鉛蓄電池の使用状態では発生しないパターンとすることがより好ましい。例えば、車両用の鉛蓄電池では、車両搭載状態で鉛蓄電池がとりうる電圧範囲内で電圧波形を選択した場合、鉛蓄電池の使用中に端子電圧の波形がこの電圧パターンと偶然類似した場合、鉛蓄電池が使用中にもかかわらず、誤判定により排他的に省電力動作モードに遷移するためである。

そして、鉛蓄電池が車両に搭載された状態では発生しないような電圧パターンとして例えば図３に示したような電圧パルスとすることができる。ここでは電圧パルスの最大電圧を１５．７Ｖ程度としている。通常、車両用鉛蓄電池では前記したような１４．０〜１４．７Ｖ程度の電圧で充電され、これ以上電圧が上昇することはない。このような車両に搭載された状態での最大電圧をＶｍａｘとした場合、Ｖｍａｘ＜Ｖｓの関係にある電圧Ｖｓを電圧パルスに含むよう設定する。これにより、通常の使用状態において、偶然発生した電圧波形を省電力動作モード移行のための電圧パルスと誤判定することを防止できる。ここで、一例として１２Ｖ系鉛蓄電池を用いる車両では、鉛蓄電池の最大電圧Ｖｍａｘは１４．７Ｖ程度であるので、Ｖｓ＞１４．７の値に設定することができる。

なお、特に説明は加えなかったが、本発明の鉛蓄電池の状態検出装置１０１は実用上、マイクロプロセッサを用いて構成する。また、サンプリング時間間隔を制御することから、状態検出装置１０１はこれらのマイクロプロセッサの動作や時間的制御に必要なクロックジェネレータを含むタイマ１０７を用いることは言うまでもない。

本発明では、通常動作モード−省電力動作モード間の遷移を機械的スイッチを用いることなく行うため、より安価に状態検出装置を得ることができる。また、機械的スイッチを用いることによる従来の問題点、すなわち、高温雰囲気下での使用、あるいは水・希硫酸等の付着にともなう機械的スイッチの動作不安定といった問題を発生させることなく、信頼性の高い鉛蓄電池の状態検出装置を得ることができる。また、従来のような機械的スイッチでＯＮ−ＯＦＦする場合に発生する、スイッチの切り忘れや入れ忘れといった誤使用を未然に防ぐことができる。

２．第２の実施形態
図４に示したように、本発明の第２の実施形態による鉛蓄電池の状態検出装置４０１は第１の実施形態による鉛蓄電池の状態検出装置１０１において、電池端子電圧のみの状態検出に加えて、電池内部抵抗に基づき状態検出を行う構成を付加した例を示している。この場合、第１の実施形態における電圧検出手段１０２に替えて、電圧検出と内部抵抗検出を行う電圧・内部抵抗検出手段４０２を設け、状態判定手段１０３において、これら電圧と内部抵抗から鉛蓄電池１０９の状態判定を行う。

なお、状態判定のためのパラメータとして充放電電流、あるいはサーミスタによる鉛蓄電池温度等、各種電気的計測で得られるパラメータを適宜選択することも、もちろん可能であることは言うまでもない。このように、状態判別のパラメータが数多く設定される場合、サンプリング時間間隔をより長く設定する省電力動作モードにおける省電力量もより多くなることから、本発明の効果をより顕著に得ることができる。

３．第３の実施形態
本発明の第３の実施形態による鉛蓄電池５０１を図５に示す。

本発明の鉛蓄電池５０１は素電池５０２の上面に状態検出装置１０１あるいは状態検出装置４０１が装着され、状態検出装置１０１（４０１）が素電池の端子５０３に接続されることによって、素電池５０２と状態検出装置１０１（４０１）とが一体に設けられた構成を有している。本発明の鉛蓄電池５０１において、一体に設けられた状態検出装置１０１（４０１）は通常動作モード−省電力動作モード間の遷移動作を機械的スイッチを用いず実現できる。

素電池に状態検出装置を組み込んだ場合、素電池に付着した水、電解液等の液体が機械的スイッチに付着し、この機械的スイッチが故障するという不具合を発生させていた。本発明の構成によれば、機械的スイッチを用いることがないので、このような不具合を未然に防止でき、信頼性に優れ、省電力動作モードへの遷移によって、素電池の容量低下を抑制した状態検出装置付鉛蓄電池を安価に提供することができる。

本発明の鉛蓄電池の状態検出装置およびこの状態検出装置を一体に備えた鉛蓄電池は上記の構成を有し、安価かつ高い信頼性を有し、鉛蓄電池の容量低下を効果的に抑制できる。そして、特に状態検出装置の駆動電源を鉛蓄電池に頼らざるを得ない、車両用鉛蓄電池に好適である。

本発明の第１の実施形態による鉛蓄電池の状態検出装置を示す図 鉛蓄電池端子電圧の変化の一例を示す図 電圧波形の一例を示す図 本発明の第２の実施形態による鉛蓄電池の状態検出装置を示す図 本発明の第３の実施形態による鉛蓄電池を示す図

符号の説明

１０１ （第１の実施形態による鉛蓄電池の）状態検出装置
１０２ 電圧検出手段
１０３ 状態判定手段
１０４ 表示手段
１０５ 発光ダイオード
１０６ 電源制御手段
１０７ タイマ
１０８ 動作モード制御手段
１０９ 鉛蓄電池
４０１ （第２の実施形態による鉛蓄電池の）状態検出装置
４０２ 電圧・内部抵抗検出手段
５０１ （第３の実施形態による）鉛蓄電池
５０２ 素電池
５０３ 端子

Claims (7)

1. 鉛蓄電池の端子間に接続され、鉛蓄電池の端子電圧に基づいて鉛蓄電池の状態を検出する状態検出装置であって、前記状態検出装置は前記鉛蓄電池からその駆動用電源を供給されるとともに、鉛蓄電池の端子電圧を検出し、この端子電圧に基づいて鉛蓄電池の使用状態を検出し、この使用状態に応じて通常動作モードもしくは通常動作モードよりも低い消費電力で動作する省電力動作モードのいずれか一方を選択して動作し、前記通常動作モードでの動作時において、前記端子電圧の変動が所定値以下の場合、動作モードを前記通常動作モードから前記省電力モードに遷移させることを特徴とする鉛蓄電池の状態検出装置。
2. 前記電気的計測を所定のサンプリング時間間隔で行い、前記省電力動作モードにおける前記サンプリング時間間隔を前記通常動作モードにおける前記サンプリング時間間隔よりも長くすることを特徴とする請求項１に記載の鉛蓄電池の状態検出装置。
3. 前記状態検出装置はＬＥＤ等の状態検出結果を表示する表示手段を備え、前記通常動作モードにおいて、前記表示手段を動作させ、前記省電力モードにおいて、前記表示手段の動作を停止させることを特徴とする請求項１〜２に記載の鉛蓄電池の状態検出装置。
4. 前記省電力動作モード時において、前記端子電圧の変動が所定値以上の場合に、動作モードを前記通常動作モードに遷移することを特徴とする請求項１〜３に記載の鉛蓄電池の状態検出装置。
5. 鉛蓄電池端子間に加えられた電圧波形を検知する手段を備え、予め設定された電圧波形を検知した場合、動作モードを通常動作モードから省電力動作モードに排他的に遷移することを特徴とする請求項１〜４に記載の鉛蓄電池の状態検出装置。
6. 前記所定の電圧波形は、前記鉛蓄電池の使用状態における最大充電電圧（Ｖｍａｘ）を含まず、かつ最大充電電圧（Ｖｍａｘ）を超える電圧（Ｖｓ）ステップを含むことを特徴とする請求項５記載の鉛蓄電池の状態検出装置。
7. 請求項１〜６の鉛蓄電池の状態検出装置を一体に設けたことを特徴とする鉛蓄電池。

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