JP5884677B2 - 充電方法、及び、充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、定電流方式によって鉛蓄電池を充電するための充電方法、及び充電装置に関する。

特許文献１には、二次電池を充電するための充電方法が記載されている。特許文献１に記載の充電方法においては、二次電池の充電開始前の段階において、以下の工程が実施される。すなわち、まず、ユーザからの入力によって、二次電池を充電するための時間を設定する。続いて、二次電池の残容量を検出し、その検出した残容量に基づいて設定時間内に二次電池を満充電可能な満充電電流を算出する。続いて、二次電池の温度上昇と充電電流とが対応付けられたテーブルを参照することにより、満充電電流で二次電池を充電した場合における二次電池の予測温度を取得する。そして、その予測温度が、上限温度を超えている場合には、二次電池の充電電流値を満充電電流よりも小さく設定する。

特開２００６−３０４５７２号公報

特許文献１に記載の充電方法では、上述したように、二次電池の充電開始前の段階において、予測温度を取得し、取得した予測温度に応じて充電電流値を変更することによって、適切な温度範囲での二次電池の充電を図っている。しかしながら、一般に、二次電池の電池状態は、通電により出現する充電分極や濃度分極、或いは自己発熱による内部抵抗の低下等によって、充電開始前の段階と、充電中の段階とにおいて相違する。このため、特許文献１に記載の充電方法にあっては、変更後の充電電流値が充電中の電池状態に適応したものとならず、二次電池の温度が充電満了前に上限温度に達してしまうおそれがある。

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、上限温度を超えることなく充電可能な充電方法、及び充電装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る充電方法は、定電流方式によって鉛蓄電池を充電するための充電方法であって、充電電流値を第１の電流値として鉛蓄電池を充電しているときに、鉛蓄電池の充電電圧の推移に基づいて、鉛蓄電池の充電電圧が規定電圧に到達する到達時間を推定する到達時間推定ステップと、第１の電流値及び到達時間に基づいて、到達時間での鉛蓄電池の到達温度を推定する到達温度推定ステップと、到達温度が鉛蓄電池の使用上限温度を超過しているか否かを判定する超過判定ステップと、到達温度が使用上限温度を超過している場合に、鉛蓄電池の充電電流値を第１の電流値から第１の電流値よりも小さな第２の電流値に変更する電流値変更ステップと、を備えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る充電装置は、定電流方式によって鉛蓄電池を充電するための充電装置であって、充電電流値を第１の電流値として鉛蓄電池を充電しているときに、鉛蓄電池の充電電圧の推移に基づいて、鉛蓄電池の充電電圧が規定電圧に到達する到達時間を推定する到達時間推定手段と、第１の電流値及び到達時間に基づいて、到達時間での鉛蓄電池の到達温度を推定する到達温度推定手段と、到達温度が鉛蓄電池の使用上限温度を超過しているか否かを判定する超過判定手段と、到達温度が使用上限温度を超過している場合に、鉛蓄電池の充電電流値を第１の電流値から第１の電流値よりも小さな第２の電流値に変更する電流値変更手段と、を備えることを特徴とする。

この充電方法及び充電装置においては、第１の電流値での鉛蓄電池の充電中に、鉛蓄電池の充電電圧の推移に基づいて、鉛蓄電池の充電電圧が規定電圧に到達する到達時間を推定する。そして、その到達時間等に基づいて、到達時間における鉛蓄電池の到達温度を推定すると共に、推定された到達温度が使用上限温度を超過している場合には、充電電流値を第２の電流値に減少させる。このように、この充電方法及び充電装置においては、充電中における鉛蓄電池の電池状態（充電電圧の推移等）に基づいて充電電流値を変更するので、充電満了前に鉛蓄電池の温度が使用上限温度を超えることを確実に避けつつ鉛蓄電池の充電を行うことが可能となる。

本発明に係る充電方法においては、到達時間推定ステップにおいて、所定の時間間隔における鉛蓄電池の充電電圧の推移に基づいて充電電圧回帰線を生成し、充電電圧回帰線が規定電圧に到達する時点として到達時間を推定することができる。このように、定電流方式の場合には、充電電圧の回帰線を生成すれば、その回帰線に基づいて容易且つ確実に到達時間を推定することができる。

本発明に係る充電方法においては、電流値変更ステップにおいて、到達温度が使用上限温度を超過している場合に、使用上限温度及び到達時間に基づいて、到達温度が到達時間に使用上限温度となるような第２の電流値を算出し、算出した第２の電流値に変更することができる。この場合、第２の電流値が、鉛蓄電池の温度が到達時間に使用上限温度に達するような最大の電流値となるので、充電時間を短縮することができる。

本発明によれば、上限温度を超えることなく充電可能な充電方法、及び充電装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る充電装置の構成を示す図である。 図１に示された充電装置が実施する鉛蓄電池の充電方法の電流変更処理を示すフローチャートである。 電流変更処理を実施する際の鉛蓄電池の電池状態を示すグラフである。 電流変更処理を実施した後の鉛蓄電池の電池状態を示すグラフである。 電流変更処理を実施した後の鉛蓄電池の電池状態を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る充電装置、及び充電方法について、図面を参照して詳細に説明する。各図において、同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る充電装置の構成を示す図である。特に、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）に示された充電制御部の機能的な構成を示すブロック図である。図１に示される充電装置１は、密閉型鉛蓄電池等の鉛蓄電池５を定電流方式で充電するためのものである。充電装置１は、鉛蓄電池５の充電を制御する充電制御部１０を備えている。充電制御部１０は、充電電流値を変更するための電流変更処理を実行しながら鉛蓄電池５を充電するように、鉛蓄電池５の充電を制御する。

そのために、充電制御部１０は、到達時間推定部（到達時間推定手段）１１、到達温度推定部（到達温度推定手段）１２、超過判定部（超過判定手段）１３、及び、充電電流値変更部（電流値変更手段）１４を有している。到達時間推定部１１は、充電電流を第１の充電電流値として鉛蓄電池５を充電しているときに、鉛蓄電池５の充電電圧の推移（履歴）に基づいて、鉛蓄電池５の充電電圧が規定電圧に到達する到達時間を推定する。

すなわち、到達時間推定部１１は、充電中における鉛蓄電池５の電池状態に基づいて、鉛蓄電池５の充電電圧が規定電圧に到達する到達時間を推定する。なお、規定電圧は、鉛蓄電池５において水素ガスが発生する電圧値（すなわち、鉛蓄電池５の負極の電位を水素発生電位とするような電圧値）であり、鉛蓄電池に特有の値である。

到達温度推定部１２は、到達時間推定部１１によって得られた（推定された）到達時間、鉛蓄電池５の温度、鉛蓄電池５の周囲の雰囲気温度（例えば外気温等）、第１の電流値等に基づいて、到達時間での鉛蓄電池５の到達温度を推定する。特に、到達温度推定部１２は、上記の各値等を含む温度推定式を用いて、到達温度を算出する（後に詳述する）。

超過判定部１３は、到達温度推定部１２が推定した鉛蓄電池５の到達温度が、鉛蓄電池５の使用上限温度を超過しているか否かを判定する。充電電流値変更部１４は、超過判定部１３によって鉛蓄電池５の到達温度が使用上限温度を超過していると判定された場合に、鉛蓄電池５の充電電流値を第１の電流値から第１の電流値よりも小さい第２の電流値に変更する。このように、充電装置１は、充電制御部１０の各部によって電流変更処理を実行しながら鉛蓄電池５を充電する。

なお、充電制御部１０は、コンピュータを主体として構成されるものであり、充電制御部１０の各部の機能は、そのコンピュータ上において実現される。

引き続いて、充電装置１による鉛蓄電池５の充電方法について説明する。図２は、図１に示された充電装置が実施する鉛蓄電池の充電方法の電流変更処理を示すフローチャートである。図３は、電流変更処理を実施する際の鉛蓄電池の電池状態を示すグラフである。充電装置１は、まず、充電電流値を第１の電流値Ｉａとして鉛蓄電池５の充電を開始する。その後、充電装置１は、電流変更処理を実行する。この電流変更処理においては、まず、充電装置１が、第１の電流値Ｉａでの充電を開始してから所定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。

ステップＳ１０１の判定の結果、第１の電流値Ｉａでの鉛蓄電池５の充電を開始してから所定時間Ｔ１が経過している場合、到達時間推定部１１が、鉛蓄電池５の充電電圧の推移に基づいて、鉛蓄電池５の充電電圧が規定電圧Ｖａに到達する到達時間Ｔｅ１を推定する（ステップＳ１０２：到達時間推定ステップ）。

より具体的には、例えば充電を開始してから所定時間Ｔ１に至るまでの時間間隔（例えば１０分程度）における鉛蓄電池５の充電電圧の推移（履歴）に基づいて、鉛蓄電池５の充電電圧の回帰線（充電電圧回帰線）Ｌを生成する。そして、生成した回帰線Ｌに基づいて（すなわち、回帰線Ｌ１が規定電圧Ｖａに至る時点として）、到達時間Ｔｅ１を推定する。なお、ステップＳ１０１の判定の結果、第１の電流値Ｉａでの充電を開始してから所定時間Ｔ１が経過していない場合には、一定時間後に再度ステップＳ１０１の判定を行う。

続いて、到達温度推定部１２が、ステップＳ１０２で得られた（推定された）到達時間Ｔｅ１、鉛蓄電池５の温度、鉛蓄電池５の周囲の雰囲気温度、第１の電流値Ｉａ等に基づいて、到達時間Ｔｅ１での鉛蓄電池５の到達温度Ｔａを推定する（ステップＳ１０３：到達温度推定ステップ）。ここでは、下記式（１）を所定の時間間隔（例えば５分程度）で到達時間Ｔｅ１に至るまで繰り返し用いる（再帰呼び出しする）ことにより、到達時間Ｔｅ１での到達温度Ｔａを推定する。
Ｔ_（ｎ）＝（１−α）×ｔ_（ｎ）＋α×Ｔ_{（ｎ−１）}＋［（１−α）／β］×Ｑ_（ｎ）…（１）

ここで、ｎは再帰呼び出しの回数、Ｔ_（ｎ）はｎ回目（今回）の再帰呼び出し時の鉛蓄電池５の温度、ｔ_（ｎ）はｎ回目の再帰呼び出し時の鉛蓄電池５の周囲の雰囲気温度、Ｔ_{（ｎ−１）}はｎ−１回目（前回）の再帰呼び出し時の鉛蓄電池５の温度、Ｑ_（ｎ）はｎ回目の再帰呼び出し時の鉛蓄電池５の発熱量である。なお、１回目（最初）の再帰呼び出し時の鉛蓄電池５の雰囲気温度ｔ_（１）や、鉛蓄電池５の温度Ｔ_（０）等は、例えば図示しない温度センサ等の検出値を用いることができる。

ここで、係数α及び係数βのそれぞれは、鉛蓄電池５のセルの配置に依存する熱放散（熱伝達）を表現した係数であり、上記式（１）の発熱量Ｑ_（ｎ）に依存しない係数である。より具体的には、係数α及びβは、熱放散係数（熱伝達係数）と鉛蓄電池５の表面積、温度推定周期、及び、電池熱容量を用いて、下記式（２），（３）により求められる。
α＝ｅｘｐ（−１×熱放散係数×電池表面積×温度推定周期÷電池熱容量）…（２）
β＝熱放散係数×電池表面積…（３）

すなわち、係数α及びβのそれぞれは、熱放散係数や電池表面積、電池の熱容量等から求められるものであり、鉛蓄電池５のセルの配置によって変化する鉛蓄電池５の熱放散の程度を表現した係数である。この係数α及びβを用いることにより、鉛蓄電池５の充電時の温度をより精度よく推定することができる。この係数α及びβのそれぞれは、温度を推定する鉛蓄電池５のセルの配置（例えば６×４）に応じて実験により予め求められ、保持されている。

さらに、発熱量Ｑ_（ｎ）は、充電によって鉛蓄電池５内部で発生する熱量であり、充電電流値Ｉ（ここでは第１の電流値Ｉａ）［Ａ］と鉛蓄電池５の内部抵抗値Ｒ_（ｎ）［Ω］とを用いて下記式（４）により表される。
Ｑ_（ｎ）＝Ｉ^２×Ｒ_（ｎ）…（４）

内部抵抗値Ｒ_（ｎ）としては、第１の内部抵抗値Ｒ１と第２の内部抵抗値Ｒ２とを用いることができる。第１の内部抵抗値Ｒ１は、充電開始から充電末期前まで適用される内部抵抗値であり、第２の内部抵抗値Ｒ２は、充電末期に適用される内部抵抗値である。鉛蓄電池５の内部抵抗値は、鉛蓄電池５の充電における充電状態の変化（反応変化、電気分解）によって変化するものである。したがって、充電装置１においては、例えば、充電中における鉛蓄電池５の充電電圧の変化量が一定以上になるまでは第１の内部抵抗値Ｒ１を用い、一定以上になった以降には第１の内部抵抗値Ｒ１よりも大きい第２の内部抵抗値Ｒ２を用いることができる。特に、第２の内部抵抗値Ｒ２は、鉛蓄電池５の充電末期に生じる充電電圧の急上昇に応じた値とすることができる。これらの第１の内部抵抗値Ｒ１及び第２の内部抵抗値Ｒ２は、実験により予め求められて保持されている。

続いて、超過判定部１３が、ステップＳ１０２で推定された到達温度Ｔａが、鉛蓄電池５の使用上限温度を超過しているか否かを判定する（ステップＳ１０４：超過判定ステップ）。このステップＳ１０３の判定の結果、到達温度Ｔａが鉛蓄電池５の使用上限温度を超過していない場合には、電流変更処理を終了する。

一方、ステップＳ１０３の判定の結果、到達温度Ｔａが鉛蓄電池５の使用上限温度を超過している場合、充電電流値変更部１４が、鉛蓄電池５の充電電流値を第１の電流値Ｉａから第１の電流値Ｉａよりも小さい第２の電流値Ｉｂに変更する（電流値変更ステップ）。より具体的には、まず、上記式（１）を用いて（逆算して）、到達時間Ｔｅ１において使用上限温度を超えない到達温度Ｔａを与えるような第２の電流値Ｉｂを算出する（ステップＳ１０５）。

ここでは、到達温度Ｔａが到達時間Ｔｅ１において使用上限温度に達するように第２の電流値Ｉｂを算出する。したがって、第２の電流値Ｉｂは、到達温度Ｔａが到達時間Ｔｅ１において使用上限温度を超えないような最大の電流値となる。このように、このステップＳ１０４においては、鉛蓄電池５の温度、鉛蓄電池５の雰囲気温度、使用上限温度、及び到達時間Ｔｅ１等に基づいて、到達温度Ｔａが到達時間Ｔｅ１に使用上限温度となるような第２の電流値Ｉｂを算出する。

そして、鉛蓄電池５の充電電流値を、第１の電流値ＩｂからステップＳ１０４で算出された第２の電流値Ｉｂ（最大電流値）に変更して（減少させて）、鉛蓄電池５の充電を続ける（ステップＳ１０６）。その結果、図４に示されるように、鉛蓄電池５の到達温度Ｔａが到達時間Ｔｅ１において使用上限温度を超過しなくなる。

その一方で、充電電流値を第２の電流値Ｉｂに変更して鉛蓄電池５の充電を続けることから、図５に示されるように、鉛蓄電池５の充電電圧の回帰線Ｌが変更されると共に、到達時間Ｔｅ１が、第２の電流値Ｉｂでの規定電圧Ｖｂへの到達時間Ｔｅ２に僅かながら延長される。この到達時間の延長により到達時間Ｔｅ２における鉛蓄電池５の到達温度Ｔｂが使用上限温度を超えることが推定される。このため、その到達時間Ｔｅ２における鉛蓄電池５の到達温度Ｔｂが使用上限温度を超過しないように、改めて所定時間Ｔ１が経過したとき（図５におけるＴ２に達したとき）に上述した電流変更処理を繰り返し実行する。なお、ここでは、電流変更処理の時間間隔が所定時間Ｔ１であることから、改めて電流変更処理を実行する時間Ｔ２は、所定時間Ｔ１×２となる。同様の電流変更処理は、例えば鉛蓄電池５の充電が満了するまで繰り返し行われる。

以上説明したように、本実施形態に係る充電装置１及びその充電方法においては、第１の電流値Ｉａでの鉛蓄電池５の充電中に、鉛蓄電池５の充電電圧の推移に基づいて、鉛蓄電池５の充電電圧が規定電圧Ｖａに到達する到達時間Ｔａを推定する。そして、その到達時間Ｔｅ１等に基づいて、到達時間Ｔｅ１における鉛蓄電池５の到達温度Ｔａを推定すると共に、その到達温度Ｔａが使用上限温度を超過している場合には、充電電流値を第２の電流値Ｉｂに減少させる。

このように、本実施形態に係る充電装置１及びその充電方法においては、充電中における鉛蓄電池５の電池状態に基づいた正確な温度推定によって充電電流値を変更するので、充電満了前に鉛蓄電池５の温度が使用上限温度を超えることを確実に避けつつ鉛蓄電池５の充電を行うことが可能となる。

特に、第２の電流値Ｉｂが、到達温度Ｔａが到達時間Ｔｅ１において使用上限温度を超えないような最大の電流値として算出されるので、予め想定された充電時間を大きく逸脱しないように、鉛蓄電池５を充電することができる。

以上の実施形態は、本発明に係る充電方法及び充電装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係る充電方法及び充電装置は、上述したものに限定されない。本発明に係る充電方法及び充電装置は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、任意に上述したものを変更し、或いは適用することができる。例えば、上記実施形態に係る充電装置１及びその充電方法は、多段定電流方式により鉛蓄電池を充電する際の各段の充電に適用することもできる。

１…充電装置、１１…到達時間推定部（到達時間推定手段）、１２…到達温度推定部（到達温度推定手段）、１３…超過判定部（超過判定手段）、１４…充電電流値変更部（電流値変更手段）、Ｉａ…第１の電流値、Ｉｂ…第２の電流値、Ｌ…回帰線（充電電圧回帰線）Ｔｅ１，Ｔｅ２…到達時間、Ｔａ，Ｔｂ…到達温度、Ｖａ，Ｖｂ…規定電圧。

Claims (4)

1. 定電流方式によって鉛蓄電池を充電するための充電方法であって、
   充電電流値を第１の電流値として前記鉛蓄電池を充電しているときに、前記鉛蓄電池の充電電圧の推移に基づいて、前記鉛蓄電池の充電電圧が規定電圧に到達する到達時間を推定する到達時間推定ステップと、
   前記第１の電流値及び前記到達時間に基づいて、前記到達時間での前記鉛蓄電池の到達温度を推定する到達温度推定ステップと、
   前記到達温度が前記鉛蓄電池の使用上限温度を超過しているか否かを判定する超過判定ステップと、
   前記到達温度が前記使用上限温度を超過している場合に、前記鉛蓄電池の充電電流値を前記第１の電流値から前記第１の電流値よりも小さな第２の電流値に変更する電流値変更ステップと、
   を備えることを特徴とする充電方法。
2. 前記到達時間推定ステップにおいては、所定の時間間隔における前記鉛蓄電池の充電電圧の推移に基づいて充電電圧回帰線を生成し、前記充電電圧回帰線が前記規定電圧に到達する時点として前記到達時間を推定する、ことを特徴とする請求項１に記載の充電方法。
3. 前記電流値変更ステップにおいては、前記到達温度が前記使用上限温度を超過している場合に、前記使用上限温度及び前記到達時間に基づいて、前記到達温度が前記到達時間に前記使用上限温度となるような前記第２の電流値を算出し、算出した前記第２の電流値に変更する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の充電方法。
4. 定電流方式によって鉛蓄電池を充電するための充電装置であって、
   充電電流値を第１の電流値として前記鉛蓄電池を充電しているときに、前記鉛蓄電池の充電電圧の推移に基づいて、前記鉛蓄電池の充電電圧が規定電圧に到達する到達時間を推定する到達時間推定手段と、
   前記第１の電流値及び前記到達時間に基づいて、前記到達時間での前記鉛蓄電池の到達温度を推定する到達温度推定手段と、
   前記到達温度が前記鉛蓄電池の使用上限温度を超過しているか否かを判定する超過判定手段と、
   前記到達温度が前記使用上限温度を超過している場合に、前記鉛蓄電池の充電電流値を前記第１の電流値から前記第１の電流値よりも小さな第２の電流値に変更する電流値変更手段と、
   を備えることを特徴とする充電装置。

Images