JP4749095B2 - 蓄電池の再生処理方法 - Google Patents

Description

この発明は、浮動充電方式によって稼働中の蓄電池を電気的に活性化して再生処理する蓄電池の再生処理方法に関する。

発電プラントや、変電所、通信設備などの重要設備において、停電時の非常用電源として使用される蓄電池は、浮動充電方式により常時満充電状態にして待機させるのが普通である（たとえば特許文献１、２）。

一方、蓄電池は、一般に、時日の経過とともに劣化し、内部抵抗が高くなるとともに放電容量が小さくなって行くことが知られている。たとえば鉛蓄電池では、電極表面にＰb ＳＯ₄ の大結晶が析出して成長し、電極の電気化学的な活性が失われる現象があり、いわゆるサルフェーションとして知られている。また、ニッケルカドミウム電池に代表されるアルカリ蓄電池では、陽極表面のＮi ＯＯＨの結晶構造が崩れて脆弱化し、アモルファス化して活性が失われる。

そこで、蓄電池が劣化した場合は、仮設電池を用意して劣化した蓄電池と一時的に交換し、劣化した蓄電池を充電器、負荷から切り離してオフライン状態にした上、適切に保守する必要がある。蓄電池の保守作業は、少なくとも数時間以上の作業時間を要するから、発電プラントなどの安全性、信頼性に不測の影響を来たさないように、仮設電池を用意して作業中の停電に備える必要があるからである。
特開２００１−２３８３６８号公報 特開２００５−１０８５４３号公報

かかる従来技術によるときは、劣化した蓄電池の保守作業は、仮設電池を用意し、劣化した蓄電池との交換作業、復旧作業を伴うから、一連の作業が煩雑であり、所要作業工数も過大になりがちであるという問題があった。

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、浮動充電方式によって稼働中の蓄電池をオンライン状態のまま電気的に再生処理することによって、作業内容の単純化、所要作業工数の低減化を図ることができる蓄電池の再生処理方法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、充電器からの浮動充電電流と再生装置からの直流のベース電流、方形波のパルス電流とを重畳する充電電流を浮動充電方式によって稼働中の蓄電池に供給し、時系列的に採取する蓄電池の各セルの電圧データに基づいて蓄電池の再生処理の進行を監視することをその要旨とする。

なお、蓄電池の定格電流Ｉo として、浮動充電電流（１／１０〜１／８）Ｉo 、ベース電流（１／４〜３／４）Ｉo 、パルス電流（１〜２）Ｉo に設定することができ、パルス電流のパルス周波数２〜１０kHz 、デューティ比２０〜３５％に設定することができ、ベース電流、パルス電流を供給する５〜１０分の充電期間ごとに、ベース電流、パルス電流を休止させる休止期間を設けることができる。ただし、蓄電池の定格容量Ｃ（Ａｈ）、時間率Ｈ（ｈ）として、定格電流Ｉo ＝Ｃ／Ｈ（Ａ）である。

かかる発明の構成によるときは、蓄電池は、浮動充電方式によって稼働中のオンライン状態のまま、すなわち充電器や負荷に接続したまま、充電器からの浮動充電電流と再生装置からのベース電流、パルス電流とを重畳する充電電流を供給することにより、電気的に速やかに再生処理することが可能である。充電器からの浮動充電電流と直流のベース電流とによって蓄電池が充電される一方、大電流のパルス電流により、電極表面を有効に活性化することができるからである。そこで、仮設電池を用意したり、それを蓄電池と交換したり復旧したりする必要がないから、作業内容を大幅に簡略化し、所要作業工数を削減することができる。また、この発明は、鉛蓄電池の他、ニッケルカドミウム電池などのアルカリ蓄電池にもそのまま適用することができる。

なお、再生装置は、蓄電池に並列接続すればよく、蓄電池の各セルの電圧データを採取するための計測制御装置は、蓄電池の正または負の一極を基準とする各セルの端子電圧を周期的にスキャンして各セルの電圧を算出した上、各セルの電圧の時間変化に着目して再生処理の進行を監視することができる。すなわち、各セルの電圧は、一般に、劣化が進行して放電容量が小さくなっているセル程速やかに回復して満充電相当の一定値に飽和する傾向があるから、計測制御装置は、すべてのセルの電圧が一定値に飽和した後、たとえば１〜２時間程度の余裕期間が経過したことを検出して再生処理の完了とみなし、再生装置を自動停止させればよい。

充電器からの浮動充電電流、再生装置からのベース電流、パルス電流は、蓄電池の定格電流Ｉo を基準にして、それぞれ適切に設定する。すなわち、浮動充電電流（１／１０〜１／８）Ｉo 、ベース電流（１／４〜３／４）Ｉo 、パルス電流（１〜２）Ｉo に設定することにより、良好な再生処理を実現することができる。なお、浮動充電電流は、蓄電池の自己放電を補うように設定する。一方、ベース電流、パルス電流は、大き過ぎると、再生処理中の蓄電池の発熱が過大になったり、極板に損傷を生じたりするおそれがあり、小さ過ぎると、所要再生処理時間が過大になるおそれがある。また、パルス電流は、パルス周波数２〜１０kHz 、デューティ比２０〜３５％に設定するのがよい。ただし、これらの一連の再生処理用のパラメータは、蓄電池の種類、容量、時間率などにより、実験的に最適値を定めるものとする。

５〜１０分の充電期間ごとに休止期間を設けるのは、充電期間中に蓄電池が発熱するので、休止期間中に熱を放散させ、蓄電池の過大な温度上昇を回避するためである。そこで、充電期間、休止期間の各時間も、蓄電池の種類、容量などにより適宜設定してよいものとする。なお、休止期間は、再生装置からのベース電流、パルス電流を休止させるだけであり、充電器からの浮動充電電流は、充電期間、休止期間を問わず、蓄電池に対して一定電流を連続的に供給しつづけるものとする。休止期間は、０．５〜２分程度に設定するのがよい。

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

蓄電池の再生処理方法は、浮動充電方式により稼働中の蓄電池Ｂに対し、蓄電池Ｂをオンライン状態にしたまま、再生装置１０、計測制御装置２０を組み合わせて実施する（図１）。

蓄電池Ｂは、充電器３０を介して浮動充電されている。充電器３０は、ブレーカＢＲ1 を介して交流電源ＡＣに接続する変圧器ＴＲと、変圧器ＴＲの二次側に接続する位相制御方式の整流回路３１と、平滑回路３２とを備えている。充電器３０の出力側は、ブレーカＢＲ2 を介して蓄電池Ｂに接続されており、さらに、電圧補償装置４０、ブレーカＢＲ3 を介して負荷Ｌに接続されている。そこで、充電器３０は、蓄電池Ｂに対して常時浮動充電電流Ｉf を供給するとともに、負荷Ｌに対して負荷電流Ｉl を供給することができる。なお、電圧補償装置４０は、負荷Ｌに供給する直流電圧の過大な変動を補償するものであり、必要に応じて設備すればよい。すなわち、図１において、充電器３０、蓄電池Ｂ、電圧補償装置４０を含む一連の回路は、交流電源ＡＣの喪失時においても、蓄電池Ｂにより負荷Ｌを継続して動作させるための非常用電源設備を構成している。

蓄電池Ｂの劣化が生じ、またはそれが懸念されるとき、再生装置１０、計測制御装置２０を使用して、蓄電池Ｂを浮動充電中のまま電気的に再生処理する。再生装置１０は、ブレーカＢＲa を介して交流電源ＡＣに接続し、ブレーカＢＲb を介して蓄電池Ｂに並列接続される。また、計測制御装置２０は、蓄電池Ｂの各セルの端子電圧Ｖi を検出し、計測制御装置２０の出力は、制御信号Ｓc として再生装置１０に入力される。なお、再生装置１０、計測制御装置２０は、図１に拘らず、ハードウェア的に一体の装置として構成してもよい。

再生装置１０は、マイクロコンピュータ１１、直流電源回路１２、スイッチング素子ＳＷ1 を主要部材として構成されている（図２）。

直流電源回路１２は、ブレーカＢＲa を介して交流電源ＡＣに接続される。また、直流電源回路１２の出力側は、逆流防止用のダイオードＤ、スイッチング素子ＳＷ1 、電流検出器１３の他、外部のブレーカＢＲb を介して蓄電池Ｂに接続される。マイクロコンピュータ１１からのゲート信号Ｓ1 は、スイッチング素子ＳＷ1 のゲートに入力されており、スイッチング素子ＳＷ1 は、ゲート信号Ｓ1 に従って直流電源回路１２からの直流電流を通電制御することができる。ただし、スイッチング素子ＳＷ1 は、図示のトランジスタの他、ＦＥＴ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、双方向サイリスタなどの任意の半導体スイッチング素子が使用可能である。電流検出器１３は、直流変流器（ＤＣＣＴ）の他、電流検出用の低抵抗であってもよく、その出力は、電流信号Ｓ2 としてマイクロコンピュータ１１にフィードバックされている。マイクロコンピュータ１１には、計測制御装置２０からの制御信号Ｓc が導入されている。

マイクロコンピュータ１１は、ゲート信号Ｓ1 をスイッチング素子ＳＷ1 に送出し、スイッチング素子ＳＷ1 を適切に通電制御することにより、休止期間Ｔ2 を挟む各充電期間Ｔ1 ごとに、蓄電池Ｂに対して直流のベース電流Ｉb と、方形波のパルス電流Ｉp とを重畳して供給することができる（図３）。ただし、図３には、充電器３０からの浮動充電電流Ｉf が併せて図示されており、したがって、蓄電池Ｂには、充電期間Ｔ1 において、充電電流Ｉc ＝Ｉf ＋Ｉb ＋Ｉp が供給され、休止期間Ｔ2 において、充電電流Ｉc ＝Ｉf が供給される。なお、ベース電流Ｉb の大きさ、パルス電流Ｉp の大きさ、パルス周波数、デューティ比は、充電期間Ｔ1 、休止期間Ｔ2 とともに、図示しない設定器を介してあらかじめマイクロコンピュータ１１に設定されている。また、マイクロコンピュータ１１は、電流信号Ｓ2 を入力することにより、スイッチング素子ＳＷ1 を介して供給されるベース電流Ｉb 、パルス電流Ｉp を適切にフィードバック制御することができる。

計測制御装置２０は、制御ユニット２１、表示器２２と、スキャナ回路２３とを備えている（図４）。制御ユニット２１は、マイクロコンピュータであり、ソフトウェアによって構成するデータ採取手段２１ａ、判定手段２１ｂを含んでいる。また、制御ユニット２１に接続する表示器２２には、蓄電池Ｂの各セルＢi （ｉ＝１、２…ｎ）に対応するランプＰi （ｉ＝１、２…ｎ）が含まれており、スキャナ回路２３には、ＡＤコンバータ２３ａが含まれている。ただし、ｎは、蓄電池Ｂに含まれるセルＢi の数である。制御ユニット２１からは、再生装置１０に対し、制御信号Ｓc が出力されている。

蓄電池Ｂの正負の端子は、各セルＢi の正極側の端子とともに、スキャナ回路２３に個別に接続される。スキャナ回路２３は、制御ユニット２１と双方向に接続されている。そこで、スキャナ回路２３は、制御ユニット２１の始動とともに、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）を繰り返して周期的にスキャンし、ＡＤコンバータ２３ａを介してディジタルデータに変換した上、制御ユニット２１に送出することができる（図５）。ただし、図５の横軸は、各セルＢi のセル番号ｉである。

制御ユニット２１は、スキャナ回路２３からの各セルＢi の端子電圧Ｖi に基づき、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）を計算して記憶することにより、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２３は、複数のＡＤコンバータ２３ａ、２３ａ…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２３は、各スキャン動作ごとに端子電圧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２１に送出するようにしてもよい。さらに、スキャナ回路２３は、図４のように蓄電池Ｂの負極を基準にして各セルＢi の端子電圧Ｖi を計測するに代えて、蓄電池Ｂの正極を基準にして各セルＢi の端子電圧Ｖi を計測してもよい。

図示しない始動スイッチを介して計測制御装置２０を始動させると、計測制御装置２０の制御ユニット２１は、制御信号Ｓc を介して再生装置１０に開始指令を送出する。そこで、再生装置１０は、図６のプログラムフローチャートに従って動作するとともに、計測制御装置２０も、図７のプログラムフローチャートに従って動作を開始することができる。

図６において、プログラムは、まず、直流のベース電流Ｉb 、方形波のパルス電流Ｉp を蓄電池Ｂに供給し、蓄電池Ｂの充電動作を開始する（図６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、所定の充電期間Ｔ1 が経過するまで充電動作を継続した上（２）、ベース電流Ｉb 、パルス電流Ｉp を停止して充電動作を休止させ（３）、所定の休止期間Ｔ2 の経過を待って待機する（４）。その後、プログラムは、計測制御装置２０からの停止指令がない限り（５）、同様の動作を繰り返し続行する（（５）、（１）、（２）…（５））。また、計測制御装置２０からの停止指令が発生すると（５）、その動作を終了する。そこで、再生装置１０は、充電器３０からの浮動充電電流Ｉf と併せて、充電期間Ｔ1 における充電電流Ｉc ＝Ｉf ＋Ｉb ＋Ｉp 、休止期間Ｔ2 における充電電流Ｉc ＝Ｉf を蓄電池Ｂに供給して（図３）、蓄電池Ｂを電気的に再生処理することができる。

計測制御装置２０は、スキャナ回路２３を介して取得する蓄電池Ｂの各セルＢi の端子電圧Ｖiに基づき、各充電期間Ｔ1 における各セルＢi の電圧Ｖbiに着目して蓄電池Ｂの再生処理の進行を監視する（図７）。

図７において、プログラムは、充電期間Ｔ1 における各セルＢi の電圧Ｖbiを取得すると（図７のプログラムステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）、電圧Ｖbiが満充電相当の一定値に飽和したセルＢi の有無をチェックし（２）、電圧Ｖbiが飽和したセルＢi に対応するランプＰi を表示器２２上に点灯させる（３）。つづいて、プログラムは、すべてのセルＢi について電圧Ｖbiが一定値に飽和しているか否かをチェックし（４）、未達成の場合は、あらかじめ設定する再生処理の最大時間が経過していないこと（５）、図示しない停止スイッチによる手動停止指令が発生していないことを確認して（６）、以下同様の動作を繰り返す（（６）、（１）、（２）…（６））。

一方、プログラムは、ずべてのセルＢi について電圧Ｖbiが一定値に飽和していることを検出すると（４）、さらに所定の余裕期間Ｔ3 相当だけ同様の動作を繰り返し（（８）、（１）、（２）…（４）、（８））、余裕期間Ｔ3 の経過により（８）、制御信号Ｓc を介して再生装置１０に停止指令を送出して（９）、終了する。また、プログラムは、すべてのセルＢi について電圧Ｖbiが一定値に飽和していなくても（４）、再生処理の最大時間が経過し（５）、または手動停止指令が発生した場合は（６）、再生装置１０に停止指令を送出して（９）、終了する。なお、再生装置１０は、計測制御装置２０からの停止指令によって作動を停止し、蓄電池Ｂの再生処理を完了させる（図６のプログラムステップ（５））。

以上のようにして、浮動充電方式によって稼働中の蓄電池Ｂを再生装置１０により電気的に再生処理するとき、蓄電池Ｂの充電期間Ｔ1 における任意のセルＢi の電圧Ｖbiの時間変化の一例を図８に示す。ただし、図８の横軸は、再生処理時間Ｔであり、曲線（１）、（２）は、それぞれセルＢi の劣化が進行している場合、進行していない場合に対応している。図８において、セルＢi の電圧Ｖbiは、Ａ点において実質的に一定値に飽和している。そこで、すべてのセルＢi について電圧Ｖbiが飽和したことが検出されたら（図７のプログラムステップ（４））、その後、さらに１〜２時間程度の余裕期間Ｔ3 相当だけ再生処理を続行し、再生処理を完了させればよい（図７のプログラムステップ（８）、（９）、図８のＢ点）。

なお、図７のプログラムステップ（１）において、各セルＢi の電圧Ｖbiは、各充電期間Ｔ1 内の任意の時点における瞬時値を使用してもよく、各充電期間Ｔ1 における電圧Ｖbiの平均値を使用してもよい。また、一般に、各セルＢi の電圧Ｖbiは、充電期間Ｔ1 中の値に比して休止期間Ｔ2 中の値が大きく低下するから、図７のプログラムは、電圧Ｖbiの変動を観察するだけで充電期間Ｔ1 、休止期間Ｔ2 を正確に判別することができ、したがって、計測制御装置２０は、再生装置１０の動作から独立して作動させればよく、再生装置１０の動作に格別同期させる必要はない。

ちなみに、各セルＢi の電圧Ｖbiは、セルＢi の劣化が進行している程一定値に速やかに飽和する傾向がある（図８の曲線（１）、（２））。そこで、余裕期間Ｔ3 を設けると、高劣化のセルＢi が過充電になる傾向があるが、これは、当該セルＢi に必要な再生処理時間を確保するための工程である。ただし、このとき、電解液が電気分解されて減少することがあるから、その補充に留意することが好ましい。

また、図４、図７を対比すると、前者のデータ採取手段２１ａは、後者のプログラムステップ（１）に対応し、前者の判定手段２１ｂは、後者のプログラムステップ（２）〜（９）に対応している。

以上の説明において、図７のプログラムステップ（５）、（６）と直列に、蓄電池Ｂの温度チェックのステップを追加挿入してもよい。蓄電池Ｂに温度センサを付設し、温度センサの出力を計測制御装置２０に入力して監視することにより、蓄電池Ｂの温度過大の際に再生処理を自動的に中断させることができる。

また、図６において、プログラムステップ（２）〜（４）を削除してもよい。このとき、再生装置１０は、休止期間Ｔ2 を設けることなく、計測制御装置２０からの停止指令がない限り、充電電流Ｉc ＝Ｉf ＋Ｉb ＋Ｉp を蓄電池Ｂに連続的に供給して蓄電池Ｂを再生処理することができる。

全体ブロック系統図 要部ブロック系統図（１） 動作線図（１） 要部ブロック系統図（２） 動作線図（２） 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） 動作線図（３）

符号の説明

Ｂ…蓄電池
Ｂi （ｉ＝１、２…ｎ）…セル
Ｖbi（ｉ＝１、２…ｎ）…電圧
Ｉf …浮動充電電流
Ｉb …ベース電流
Ｉp …パルス電流
Ｉc …充電電流
Ｔ1 …充電期間
Ｔ2 …休止期間
１０…再生装置
２０…計測制御装置
３０…充電器

特許出願人 西 田 武 次
代理人 弁理士 松 田 忠 秋

Claims (4)

1. 充電器からの浮動充電電流と再生装置からの直流のベース電流、方形波のパルス電流とを重畳する充電電流を浮動充電方式によって稼働中の蓄電池に供給し、時系列的に採取する蓄電池の各セルの電圧データに基づいて蓄電池の再生処理の進行を監視することを特徴とする蓄電池の再生処理方法。
2. 蓄電池の定格電流Ｉo として、浮動充電電流（１／１０〜１／８）Ｉo 、ベース電流（１／４〜３／４）Ｉo 、パルス電流（１〜２）Ｉo に設定することを特徴とする請求項１記載の蓄電池の再生処理方法。
3. パルス電流のパルス周波数２〜１０kHz 、デューティ比２０〜３５％に設定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の蓄電池の再生処理方法。
4. ベース電流、パルス電流を供給する５〜１０分の充電期間ごとに、ベース電流、パルス電流を休止させる休止期間を設けることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の蓄電池の再生処理方法。
   

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