JP6112255B1 - 鉛蓄電池装置、無停電電源装置、電源システム、鉛蓄電池の制御装置、鉛蓄電池の充電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】充電電圧を単に高めるだけでは、一部の電池セルの過充電劣化を大きく促進してしまう場合があること。【解決手段】鉛蓄電池装置は、鉛蓄電池を備えてよい。鉛蓄電池装置は、パルス状の高電圧を鉛蓄電池に印加する高電圧充電と、高電圧より低い低電圧を鉛蓄電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返すことによって鉛蓄電池を充電する充電制御部を備えてよい。鉛蓄電池装置は、鉛蓄電池が有する複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、高電圧充電において鉛蓄電池に印加する高電圧を高める高電圧設定部を備えてよい。【選択図】図３
Description
本発明は、鉛蓄電池装置、無停電電源装置、電源システム、鉛蓄電池の制御装置、鉛蓄電池の充電方法に関する。
複数のセルを有する組電池全体のセル当り電圧に対するある群のセル当たり電圧が２０ｍＶ以上低下したときに充電電圧を高くする技術（例えば、特許文献１参照）、単電池の電池電圧と基準電圧との比較結果により充電電流又は充電電圧を変更する技術（例えば、特許文献２参照）がある。
特許文献１ 特開平８−１７４７３号公報
特許文献２ 特開昭５１−８５４３７号公報
特許文献１ 特開平８−１７４７３号公報
特許文献２ 特開昭５１−８５４３７号公報
充電電圧を単に高めるだけでは、一部の電池セルの過充電劣化を大きく促進してしまう場合がある。
本発明の第１の態様においては、鉛蓄電池装置は、鉛蓄電池を備えてよい。鉛蓄電池装置は、パルス状の高電圧を鉛蓄電池に印加する高電圧充電と、高電圧より低い低電圧を鉛蓄電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返すことによって鉛蓄電池を充電する充電制御部を備えてよい。鉛蓄電池装置は、鉛蓄電池が有する複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、高電圧充電において鉛蓄電池に印加する高電圧を高める高電圧設定部を備えてよい。
高電圧設定部は、高電圧を高める際に、高電圧充電を行う時間を長くしてよい。
高電圧設定部は、高電圧を高める際に、低電圧充電を行う時間間隔を短くしてよい。
高電圧設定部は、高電圧設定部が高めた高電圧で高電圧充電が行われた後の複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、高電圧充電において鉛蓄電池に印加する高電圧を更に高めてよい。
高電圧設定部は、複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値以下である場合に、高電圧を予め定められた電圧まで低下させてよい。
高電圧設定部は、複数の電池セルのセル電圧のばらつきが、高電圧設定部が高電圧を高める前の複数の電池セルのセル電圧のばらつきより大きくなった場合に、高電圧を予め定められた電圧まで低下させてよい。
高電圧設定部は、複数の電池セルのセル電圧の平均値と複数の電池セルのセル電圧との差を算出し、差の大きさが予め定められた値より大きい電池セルが存在する場合に、高電圧を高めてよい。
高電圧設定部は、複数の電池セルのセル電圧の平均値と複数の電池セルのセル電圧との差を算出し、差の大きさが予め定められた値より大きく、かつ、平均値より低いセル電圧の電池セルが存在する場合に、高電圧を高めてよい。
本発明の第２の態様においては、無停電電源装置は、鉛蓄電池装置を備えてよい。
本発明の第３の態様においては、電源システムは、鉛蓄電池装置を備えてよい。
本発明の第４の態様においては、鉛蓄電池の制御装置は、パルス状の高電圧を鉛蓄電池に印加する高電圧充電と、高電圧より低い低電圧を鉛蓄電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返すことによって鉛蓄電池を充電する充電制御部を備えてよい。制御装置は、鉛蓄電池が有する複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、高電圧充電において鉛蓄電池に印加する高電圧を高める高電圧設定部を備えてよい。
本発明の第５の態様においては、鉛蓄電池の充電方法は、パルス状の高電圧を鉛蓄電池に印加する高電圧充電と、高電圧より低い低電圧を鉛蓄電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返してよい。充電方法は、鉛蓄電池が有する複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、高電圧充電において鉛蓄電池に印加する高電圧を前回印加した電圧より高めてよい。
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、一実施形態における電源システム１２０の機能ブロック及び負荷９０を概略的に示す。電源システム１２０は、電源装置１０と蓄電システム２０とを備える。電源装置１０は、蓄電システム２０の入力端子１２に接続される。蓄電システム２０の出力端子１４には負荷９０が接続される。電源装置１０は交流電源であってよい。負荷９０は交流で動作する負荷であってよい。蓄電システム２０は、無停電電源装置（ＵＰＳ）において用いられてよい。また、蓄電システム２０は、太陽光発電装置、風力発電装置、燃料電池装置などの発電装置において用いられてよい。
蓄電システム２０は、コンバータ２２と、インバータ２４と、二次電池装置１００とを有する。二次電池装置１００は、制御装置３０と、二次電池４０と、充放電装置５０と、セル電圧計測装置６０とを有する。制御装置３０は、充放電制御部３１と、設定部３３とを有する。図１において、電源装置１０、コンバータ２２、インバータ２４、二次電池４０、充放電装置５０及び負荷９０の電気的接続は、単線図で示される。
充放電装置５０の一端は、コンバータ２２とインバータ２４との間のノード１６に電気的に接続される。充放電装置５０の他端は二次電池４０に電気的に接続される。
コンバータ２２は、電源装置１０から出力される交流電流を直流電流に変換する。コンバータ２２により変換された直流電流は、インバータ２４及び充放電装置５０の少なくとも一方に出力され得る。充放電装置５０は、二次電池４０の充放電を行う。具体的には、充放電装置５０は、コンバータ２２からの直流電流を、二次電池４０の充電用の直流電流に変換して、二次電池４０側に出力する充電回路を有する。二次電池４０は、充放電装置５０から出力される充電用の直流電流により充電される。また、充放電装置５０は、二次電池４０から出力される直流電流を、給電用の直流電流に変換して、ノード１６側に出力する放電回路を有する。給電用の直流電流は、インバータ２４に供給される。制御装置３０は、充放電装置５０を制御することにより、二次電池４０の充放電を制御する。制御装置３０は、二次電池４０の充電制御装置として機能する。また、制御装置３０は、二次電池４０の放電制御装置として機能する。
インバータ２４は、コンバータ２２から出力される直流電流及び充放電装置５０から出力される直流電流の少なくとも一方を、交流電流に変換して出力する。インバータ２４から出力された交流電流は、負荷９０に供給される。なお、負荷９０が直流で動作する場合は、インバータ２４を省略してよい。また、電源装置１０が直流を供給する場合は、コンバータ２２を省略してよい。
通常動作時において、電源システム１２０は、コンバータ２２及びインバータ２４を介して電源装置１０の電力を負荷９０に供給してよい。また、通常動作時において、制御装置３０は、電源装置１０の電力で二次電池４０を充電してよい。非通常動作時において、蓄電システム２０は、二次電池４０に蓄えられている電力を負荷９０に供給してよい。
なお、蓄電システム２０がＵＰＳに用いられる場合、入力電源正常時には、電源装置１０からコンバータ２２及びインバータ２４を介して負荷９０に電力が供給される。これに対し、停電などの入力電源異常時には、二次電池４０から充放電装置５０及びインバータ２４を経て負荷９０に電力が供給される。入力電源異常時とは、例えば、電源装置１０からの電力について、電圧及び周波数の少なくとも一方が定常状態及び過渡変動範囲を外れた場合、又は、ひずみ若しくは電力瞬断時間が予め定められた限界値を超えたときであってよい。なお、蓄電システム２０がＵＰＳに用いられる場合、電源装置１０は商用交流電源であってよい。電源装置１０は、商用交流電源以外の電源であってよい。なお、電源システム１２０は、蓄電システム２０をバイパスして、入力端子１２及び出力端子１４を介さずに電源装置１０の電力を負荷９０に供給する直送回路を有してよい。
また、蓄電システム２０が発電装置に用いられる場合、電源装置１０は発電機であってよい。例えば、電源装置１０は、太陽電池、風力発電機、燃料電池、内燃力発電機などの発電機であってよい。この場合、蓄電システム２０は電源装置１０の補助電源として機能してよい。電源装置１０の出力が規定値の場合には、電源装置１０からコンバータ２２及びインバータ２４を介して負荷９０に電力が供給される。この場合、二次電池４０は、電源装置１０からの電力のうち負荷９０によって消費されない余剰電力により充電されてよい。これに対し、電源装置１０に異常が生じた場合などには、二次電池４０から充放電装置５０及びインバータ２４を介して、負荷９０に電力が供給される。また、電源装置１０から負荷９０に供給される電力が、負荷９０が必要とする電力より小さい場合に、二次電池４０から充放電装置５０及びインバータ２４を介して、負荷９０に不足分の電力が供給されてよい。
二次電池４０は鉛蓄電池である。二次電池４０は、電極としての少なくとも１つの正極及び少なくとも１つの負極と、正極と負極との間に設けられたセパレータと、正極、負極及びセパレータが設けられた空間を満たす電解液を有する１以上の電池セルを有する。二次電池４０は、例えば直列接続された６つの電池セルを有するユニットであってよい。二次電池４０において、電池セルとは、直列に接続された一対の正極及び負極を有する鉛蓄電池の最小単位を指す。本実施形態において、電池セルの数について特に記載がない場合を除いて、二次電池４０は直列接続された６つの電池セルを有する。
セル電圧計測装置６０は、二次電池４０の電池セルの端子電圧を計測する。セル電圧計測装置６０によるセル電圧の計測値は、制御装置３０に供給される。
制御装置３０は、充放電装置５０を制御することにより、二次電池４０を間欠充電する。制御装置３０において、充放電制御部３１は、パルス状の高電圧を二次電池４０に印加する高電圧充電と、高電圧より低い低電圧を二次電池４０に印加する低電圧充電とを交互に繰り返すことによって二次電池４０を充電する。間欠とは、高電圧が印加されない期間が繰り返し存在することを意味する。
ここで、鉛蓄蓄電池の負極及び正極の劣化について説明する。鉛蓄電池においては、充電時に下記の半反応が進む。
（正極反応）ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ → ＰｂＯ２＋４Ｈ＋＋ＳＯ４ ２−＋２ｅ−
（負極反応）ＰｂＳＯ４＋２ｅ− → Ｐｂ＋ＳＯ４ ２−
また、放電時には、充電時とは逆の下記の半反応が進む。
（正極反応）ＰｂＯ２＋４Ｈ＋＋ＳＯ４ ２−＋２ｅ− → ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ
（負極反応）Ｐｂ＋ＳＯ４ ２− → ＰｂＳＯ４＋２ｅ−
鉛蓄電池においては放電により負極に形成された硫酸鉛により、サルフェーションが促進される場合がある。
（正極反応）ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ → ＰｂＯ２＋４Ｈ＋＋ＳＯ４ ２−＋２ｅ−
（負極反応）ＰｂＳＯ４＋２ｅ− → Ｐｂ＋ＳＯ４ ２−
また、放電時には、充電時とは逆の下記の半反応が進む。
（正極反応）ＰｂＯ２＋４Ｈ＋＋ＳＯ４ ２−＋２ｅ− → ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ
（負極反応）Ｐｂ＋ＳＯ４ ２− → ＰｂＳＯ４＋２ｅ−
鉛蓄電池においては放電により負極に形成された硫酸鉛により、サルフェーションが促進される場合がある。
電極に形成された硫酸鉛は、速やかに十分な充電を行えば分解されて電解液に戻り得る。しかし、硫酸鉛が付着した状態が継続すると、電極に形成された硫酸鉛が結晶化して硬質化する。硫酸鉛が硬質化すると、充電によっても上記の反応は実質的に起こらない。したがって、結晶化した硫酸鉛が電極を被うことで、電極の有効面積が減少する。これにより、各電極における反応が進みにくくなり、放電性能が低下し得る。また、結晶化した硫酸鉛の量が多くなるほど、電気エネルギーの蓄積を担う電解液中の鉛イオン及び硫酸イオンが減少する。そのため、結晶化した硫酸鉛が増えるほど、蓄電性能が低下し得る。場合によっては、鉛蓄電池の充電が困難になってしまう場合がある。このようにして、負極は、主として硫酸鉛により劣化し得る。
また、鉛蓄電池が過充電されると、電解液中の水が電気分解されて鉛蓄電池の外部に失われる。また、電解液は、蒸発及び透湿などによっても鉛蓄電池の外部に失われる。これにより、電解液濃度が経時的に上昇し得る。例えば、電解液中の水分が失われることで、鉛蓄電池の充電率が規定値である場合における硫酸濃度が、経時的に上昇し得る。これにより、正極の電極格子の腐食が進む。このようにして、正極の劣化が進む。
電源システム１２０においては、充放電制御部３１の制御により高電圧充電と低電圧充電とを交互に繰り返して二次電池４０を充電する。低電圧充電期間が存在することで、電解液中の水が電気分解により二次電池から失われることを抑制できる。また、低電圧と高電圧とを切り替えて印加することで、負極に形成された硫酸鉛の分解を促進し得る。これにより、二次電池４０の電極の劣化を抑制することができる。間欠充電の具体例及び電極の劣化抑制については、後述する。
また、鉛蓄電池においては、所望の電圧や所望の容量を確保するために、複数の電池セルを用いて製造される。複数の電池セルは、それぞれ個体差等により、充電特性や自己放電特性等の電池特性が異なる。鉛蓄電池の充電は、通常、鉛蓄電池の全体に充電電圧を一括して印加することで行われる。そのため、各電池セルの電池特性の違いにより、セル電圧にばらつきが生じる。電池セルの電池特性の違いが僅かであっても、鉛蓄電池の運転期間が長くなるほど、セル電圧のばらつきが大きくなる。これにより、１つの鉛蓄電池内に充電不足が生じた電池セルと充電不足が生じていない電池セルとが共存した状態が続くと、充電不足が生じている特定の電池セルにおいて硫酸塩が負極に付着した状態が継続し、硫酸鉛が硬質化してしまう。特定の電池セルの硫酸鉛を分解するために高い充電電圧を継続的に印加すると、充電不足が生じていない電池セルを過充電することになるため、充電不足が生じていない電池セルの正極の劣化が大きく進んでしまう場合がある。したがって、トリクル充電やフロート充電の充電電圧を高めると、二次電池４０の劣化をかえって促進してしまう場合がある。
制御装置３０において、充放電制御部３１は、正極の過充電劣化を抑制しつつ、二次電池４０が有する複数の電池セルのセル電圧を均一化するように、二次電池４０に印加する電圧を制御する。具体的には、設定部３３は、二次電池４０が有する複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、パルス状の高電圧充電において二次電池４０に印加する高電圧を高める。これにより、低電圧充電を挟んで行われる高電圧充電の高電圧を高めることができる。高電圧充電は低電圧充電を挟んで行われるため、高い電圧を継続的に印加する場合に比べて、平均的な充電電圧を下げつつ、電池セルのセル電圧を均一化するために必要な比較的に高い電圧を印加する期間を設けることができる。そのため、充電不足が生じていない電池セルの過充電を抑制することができる。また、後述するように、低電圧充電から高電圧充電に切り替えることで、劣化が生じている電池セルの充電量を高めることができるので、充電不足が生じていない電池セルの過充電を抑制しつつ、電池セルのセル電圧を均一化することができる。
設定部３３は、高電圧を高める際に、高電圧充電を行う時間を長くしてよい。これにより、充電不足が生じている電池セルの充電を促進することができる。設定部３３は、高電圧を高める際に、低電圧充電を行う時間間隔を短くしてよい。これにより、充電不足が生じている電池セルの充電を促進しつつ、充電不足が生じていない電池セルの過充電を抑制することができる。また、硫酸鉛の硬質化を抑制するとともに、セル電圧の均一化を促進することができる。
設定部３３は、設定部３３が高めた高電圧で高電圧充電が行われた後の複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、高電圧充電において二次電池４０に印加する高電圧を更に高めてよい。これにより、高電圧充電における高電圧を段階的に高めることができる。そのため、セル電圧の均一化を促進することができる。
設定部３３は、複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値以下である場合に、高電圧を予め定められた値の電圧まで低下させてよい。これにより、充電不足が生じていない電池セルの過充電を抑制することができる。
設定部３３は、複数の電池セルのセル電圧のばらつきが、設定部３３が高電圧を高める前の複数の電池セルのセル電圧のばらつきより大きくなった場合に、高電圧を予め定められた値の電圧まで低下させてよい。これにより、充電不足が生じていない電池セルの過充電を抑制することができる。
なお、設定部３３は、複数の電池セルのセル電圧の平均値と複数の電池セルのセル電圧との差を算出し、差の大きさが予め定められた値より大きい電池セルが存在する場合に、高電圧を高めてよい。より具体的には、設定部３３は、複数の電池セルのセル電圧の平均値と複数の電池セルのセル電圧との差を算出し、差の大きさが予め定められた値より大きく、かつ、平均値より低いセル電圧の電池セルが存在する場合に、高電圧を高めてよい。
なお、設定部３３は、複数の電池セルのセル電圧の平均値と、複数の電池セルのセル電圧の最小値との差を、セル電圧のばらつきとして算出してよい。設定部３３は、複数の電池セルのセル電圧の最大値と、複数の電池セルのセル電圧の平均値との差を、セル電圧のばらつきとして算出してよい。設定部３３は、複数の電池セルのセル電圧の最大値と、複数の電池セルのセル電圧の最小値との差を、セル電圧のばらつきとして算出してよい。設定部３３は、他の任意の算出方法でセル電圧のばらつきを算出してよい。
設定部３３は、複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、高電圧充電において二次電池４０に印加する低電圧を高めることなく、高電圧を高めてよい。これにより、充電不足が生じていない電池セルの過充電を抑制することができる。
なお、設定部３３は、複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、高電圧充電において印加する高電圧だけでなく、低電圧充電において二次電池４０に印加する低電圧も高めてよい。この場合、低電圧の上昇量より、高電圧の上昇量を大きくしてよい。低電圧の値は、一定のままでも、変更してもよい。
以上に説明したように、制御装置３０によれば、充電不足が生じていない電池セルの過充電を抑制しつつ、電池セルのセル電圧を均一化することができる。
図２は、二次電池４０の充電電圧のタイミングチャートを模式的に示す。図２のタイミングチャートの横軸は時刻を示す。図２のタイミングチャートの縦軸は電圧を示す。図２のタイミングチャートに示されるように、充放電制御部３１は、間欠充電によって二次電池４０を充電する。
ＴＨは、二次電池４０の端子間に高電圧を印加する高電圧充電期間の時間長さを示す。横軸において、ｔｓは、低電圧を印加している状態から高電圧の印加を開始する時刻の１つを示し、ｔｅは低電圧の印加を開始する時刻の１つを示す。よって、ＴＨ＝ｔｅ−ｔｓである。充放電制御部３１は、ｔｓにおいて、二次電池４０に印加する電圧を低電圧から高電圧に切り替え、ｔｅにおいて、二次電池４０に印加する電圧を高電圧から低電圧に切り替える。
充放電制御部３１は、充放電装置５０を制御して、二次電池４０に高電圧を印加するＴＨと二次電池４０に低電圧を印加するＴＬとを有する１周期を１回以上繰り返すことにより、二次電池４０を間欠充電する。ＶＨ、ＶＬ、ＴＨ及びＴＬは、間欠充電において設定部３３が設定する充電パラメータの一例である。
高電圧充電において、充放電制御部３１は、充放電装置５０を制御することにより、パルス状の高電圧を二次電池４０に印加する。図２に示すパルス状の高電圧は、予め定められたピーク電圧値ＶＨを有する矩形波形状を有する。なお、パルス状の高電圧とは、短時間で急峻に電圧値が上昇する電圧波形を意味してよい。パルス状の高電圧は、矩形波以外に、例えば、正弦波、三角波又は鋸波におけるピークを含む部分期間の波形形状を有してよい。
ここで、ＶＨ、ＶＬ、ＴＨ及びＴＬがどの程度の値であるかを例示するとともに、間欠充電により得られる効果を説明することを目的として、ＶＨ、ＶＬ、ＴＨ及びＴＬの具体的な数値等を例示する。
ＴＨは、例えば６０秒である。ＴＬは例えば３６００秒である。間欠充電では、高電圧をパルス状に印加するので、ＴＨを短くすることができる。ＴＨが短いほど、電解液中の水が電気分解により二次電池から失われることを抑制できる。また、パルス状の高電圧を印加することで、負極に発生した硫酸鉛が分解され易くなる場合がある。また、ＴＨを短くすることで、二次電池４０の正極の劣化を抑制し得る。例えば、正極に形成される酸化鉛に起因する体積膨張を抑制し得る。
ＶＨは、電池メーカーが指定する仕様値であってよい。当該仕様値は１３．６５Ｖであってよい。したがって、ＶＨは１つの電池セル当たり２．２７５Ｖ（＝１３．６５Ｖ／６）の電圧が印加されてよい。なお、二次電池４０の仕様に応じて、ＶＨの値を変更してもよい。
ＶＬは、例えば１２．６Ｖである。この場合、ＴＬの期間内に、１つの電池セルあたり２．１Ｖの電圧が印加される。なお、ＶＬは、０Ｖよりも高くてよい。ＶＬは、二次電池４０の完全放電時の起電力以上であってもよい。例えば、１つの電池セルの完全放電時の起電力が１．９５Ｖである場合、ＶＬは１１．７Ｖ以上であってよい。
鉛蓄電池への印加電圧が極端に低いと、自己放電が進んで、負極で硫酸鉛の形成及び結晶化が進む。例えば、充電電圧が０Ｖの場合、負極で硫酸鉛の結晶化が進み易くなる。これに対し、蓄電システム２０においては、ＶＬを０Ｖよりも高くすることで、硫酸鉛の結晶化の進行を抑制し得る。また、ＶＬを完全放電時の起電力以上とすることによっても、硫酸鉛の結晶化の進行を抑制し得る。このように、充放電制御部３１は、低電圧充電期間において、二次電池４０の負極の劣化を抑制し得る電圧値を、二次電池４０に印加する。
なお、ＶＬは、二次電池４０における理論起電力の７４％以上であってもよい。例えば、１つの電池セルの理論起電力が２．０４Ｖである場合に、ＶＬは９．０６Ｖ以上であってよい。ＶＬは、二次電池４０における理論起電力の９３％以上であってもよい。例えば、１つの電池セルの理論起電力が２．０４Ｖである場合に、ＶＬは１１．４Ｖ以上であってよい。ＶＬが理論起電力の７４％以上又は９３％以上である場合とは、低電圧充電期間における瞬間最低値が理論起電力の７４％以上又は９３％以上であることを意味してよい。ＶＬが理論起電力の７４％以上又は９３％以上である場合、サルフェーションの抑制に一定の効果があり得る。
また、ＶＬは、二次電池４０の完全充電時の起電力以下であってよい。１つの電池セルの完全充電時の起電力が２．１Ｖである場合に、ＶＬは１２．６Ｖ以下であってよい。
また、ＶＬは、二次電池４０における理論起電力の電圧値の１２１％以下であってよい。１つの電池セルの理論起電力が２．０４Ｖである場合に、ＶＬは１４．８Ｖ以下であってもよい。
なお、ＴＬは、ＴＨよりも長くてよい。また、ＴＨが６０秒であり、ＴＬが２４０秒以上であってよい。また、ＴＨが６０秒であり、ＴＬが３０分以上であってよい。ＴＨが６０秒であり、ＴＬが１時間以上であってよい。ＴＨが６０秒であり、ＴＬが２時間以上であってよい。このように、ＴＬとＴＨとの比は、４≦ＴＬ／ＴＨ、３０≦ＴＬ／ＴＨ、６０≦ＴＬ／ＴＨ、又は１２０≦ＴＬ／ＴＨであってよい。
また、ＴＨが６０秒であり、ＴＬが５時間以下であってよい。ＴＨが６０秒であり、ＴＬが３時間以下であってよい。このように、ＴＬとＴＨとの比は、ＴＬ／ＴＨ≦１８０又はＴＬ／ＴＨ≦３００としてよい。特に、鉛蓄電池において、ＴＬが３時間以上５時間以下の間において、負極の劣化の進行が早まる場合があることが、本願の発明者らによる実験において確認されている。したがって、ＴＬを５時間以下、より好ましくは３時間以下とすることは、鉛蓄電池の劣化抑制に有効といえる。
図３は、設定部３３によりＶＨが高められた場合の充電電圧のタイミングチャートを模式的に示す。図３の波形において、横軸は時刻を示し、縦軸は電圧を示す。ｔｓ及びｔｅは、それぞれ図２におけるｔｓ及びｔｅに対応する。波形３００は、ＶＨが規定値の場合の充電電圧波形を示す。波形３１０は、設定部３３がＶＨを高めた場合の充電電圧波形を示す。
本図の例において、ＶＬの規定値は１２．６Ｖである。この場合、１つの電池セルに印加される電圧は平均２．１Ｖである。ＶＨの規定値は１３．３８Ｖである。この場合、１つの電池セルに印加される電圧は平均２．２３Ｖである。
セル電圧にばらつきが生じたと判断した場合、設定部３３は、１つの電池セル当たり６０ｍＶだけＶＨを高める。すなわち、設定部３３は、高電圧充電において二次電池４０に印加される電圧を１３．７４Ｖに高める。これにより、高電圧充電において１つの電池セルに印加される電圧の平均値は２．２９Ｖに高まる。なお、設定部３３は、セル電圧にばらつきが生じたと判断した場合であっても、ＶＬを１２．６Ｖに維持する。
なお、セル電圧のばらつきが解消されたと判断した場合、設定部３３は、ＶＨを規定値まで低下させる。設定部３３は、セル電圧にばらつきが解消した場合であっても、ＶＬを１２．６Ｖに維持する。
図４は、間欠充電において高電圧を印加した場合の電池セルの電極間電圧の波形の一例を模式的に示す。図４の波形において、横軸は時刻を示し、縦軸は電圧を示す。ｔｓ及びｔｅは、それぞれ図２及び図３におけるｔｓ及びｔｅに対応する。
波形４００は、充電不足が生じている電池セルの電圧波形を示す。すなわち、波形４００は、電極に形成されている硫酸鉛が多い電池セルの電圧波形を示す。波形４１０は、充電不足が生じていない電池セルの電圧波形を示す。すなわち、波形４１０は、電極に形成されている硫酸鉛が少ない電池セルの電圧波形を示す。
一般的に、充電不足が生じている電池セルは、充電不足が生じていない電池セルに比べて、より多くの硫酸鉛が電極に形成されているため、充電不足が生じている電池セルの電解液濃度は低い。そのため、充電不足が生じている電池セルの起電力は、充電不足が生じていない電池セルの起電力に比べて低い。そのため、高電圧を印加した場合、充電不足が生じている電池セルのセル電圧は、比較的に速やかに上昇する。これに対し、充電不足が生じていない電池セルの起電力は、充電不足が生じている電池セルの起電力に比べて高いため、同じ高電圧を印加した場合、充電不足が生じていない電池セルのセル電圧は、充電不足が生じている電池セルのセル電圧に比べて、ゆっくりとしか上昇しない。つまり、高電圧充電期間中において、充電不足が生じている電池セルの充電量は、充電不足が生じていない電池セルの充電量より大きくなる。したがって、高電圧を高めることにより、二次電池４０におけるセル電圧のばらつきを効果的に小さくすることができる。
なお、充電不足が生じていない電池セルにおいては、高電圧充電期間中において電解液中の水の電気分解が生じる可能性がある。しかし、電気分解が生じる場合においては、電気分解反応過電圧により、セル電圧の上昇が抑えられる。したがって、充電不足が生じていない電池セルの過充電が抑制されるので、二次電池４０におけるセル電圧のばらつきは小さくなる。
またパルス状に高電圧を印加することにより、充電不足でない電池セルについては電圧の立ち上がりが遅いため、時間平均の電圧値を低く抑えることができる一方で、充電不足で硫酸鉛が多く発生している電池セルについては電気導電率の悪い硫酸鉛により、電池抵抗が高くなり、電圧の立ち上がりが早いため、時間平均の電圧値は充電不足電池よりも高く保たれ、電圧バラつきの低減効果が得られる。
以上の通り、パルス状に高電圧を印加することにより、充電不足の電池セルの充電不足を解消すると同時に、充電不足が生じていない電池セルへの影響を最小限にとどめることが可能となる。
図５は、制御装置３０による二次電池４０の制御方法を示すフローチャートである。制御装置３０は、この制御方法における各段階の動作を制御する主体であってよい。これを実現するべく、制御装置３０は、ＣＰＵ又はＡＳＩＣ等の処理装置及びメモリ等を有してよい。なお、図５のフローチャートは、蓄電システム２０における制御方法の一例を示すに過ぎない。図５のフローチャートの各段階を適宜組み換えてよく、図５のフローチャートの一部の段階を省略してもよく、図５のフローチャートに他の段階を追加してもよい。
本フローチャートのＳ５０２において、充放電制御部３１は、電源装置１０の電力を利用して、二次電池４０の充電率が規定の充電率に達するまで二次電池４０を充電する（Ｓ５０２）。規定の充電率は、二次電池４０毎に定められてよい。例えば、規定の充電率は、完全充電状態の８０％以上１００％以下の範囲内の値であってよい。完全充電状態とは、二次電池４０が満充電状態と判断される状態であってよい。完全充電状態とは、所定の充電条件で二次電池４０の定格容量に達するまで二次電池４０を充電した状態であってよい。
Ｓ５０４において、設定部３３は、間欠充電における高電圧ＶＨの値を既定値に設定する。例えば、設定部３３は、ＶＨの値を１３．３８Ｖに設定する。また、設定部３３は、間欠充電における低電圧ＶＬの値を既定値に設定する。例えば、設定部３３は、ＶＬの値を１２．６Ｖに設定する。
Ｓ５０６において、充放電制御部３１は、設定部３３が設定した高電圧及び低電圧による間欠充電を開始する。これにより、例えば自己放電等により失った電荷の少なくとも一部を、高電圧充電期間ＴＨにおいて少なくとも補充することができる。
Ｓ５１０において、充放電制御部３１は、充電を継続するか否かを判断する。例えば、充放電制御部３１は、電源装置１０の異常発生が生じた場合に、充電を停止する旨を判断する。この場合、本フローチャートの制御を終了し、充放電制御部３１は、充放電装置５０を制御して二次電池４０を放電させて、二次電池４０から負荷９０に電力を供給する。その他、充放電制御部３１は、二次電池４０の運用停止信号や間欠充電の停止信号を受信した場合に、充電を継続しないと判断し、二次電池４０の運用停止信号や間欠充電の停止信号を受信していない場合に、充電を継続すると判断してよい。Ｓ５１０において充電を継続すると判断した場合、Ｓ５１２に進む。
Ｓ５１２において、設定部３３は、二次電池４０の各電池セルのセル電圧を取得する。具体的には、設定部３３は、セル電圧計測装置６０が計測したセル電圧を取得する。セル電圧計測装置６０は、低電圧充電期間中に二次電池４０の各電池セルのセル電圧を計測してよい。セル電圧計測装置６０は、低電圧充電期間から高電圧充電期間に切り替わる直前に、セル電圧を計測してよい。セル電圧計測装置６０がセル電圧を計測するタイミングは、低電圧充電期間中の他のタイミングであってよい。
Ｓ５１４において、設定部３３はセル電圧のばらつきが所定値以下であるか否かを判断する。例えば、設定部３３は、二次電池４０のセル電圧の平均値を算出する。設定部３３は、セル電圧の平均値とセル電圧の最小値との差を、セル電圧のばらつきとして適用してよい。設定部３３は、２０ｍＶを所定値として適用してよい。セル電圧のばらつきが所定値以下である場合、Ｓ５１０を戻る。セル電圧のばらつきが所定値より大きい場合、Ｓ５１６に進む。
Ｓ５１６において、設定部３３は、高電圧ＶＨを１つの電池セル当たり６０ｍＶ高める。すなわち、設定部３３は、二次電池４０の全体のＶＨを、３６０ｍＶ高める。Ｓ５１６の直前におけるＶＨが１３．３８Ｖである場合、ＶＨは１３．７４Ｖに高まる。
続いて、Ｓ５２０において、充放電制御部３１は、充電を継続するか否かを判断する。Ｓ５２０の判断は、Ｓ５１０の判断と同様であるので、説明を省略する。充電を継続しない場合は、本フローチャートの制御を終了する。充電を継続する場合は、Ｓ５２２に進む。
Ｓ５２２において、設定部３３は、二次電池４０の各電池セルのセル電圧を取得する。Ｓ５２２の処理は、Ｓ５１２の処理と同様である。
Ｓ５２４において、設定部３３はセル電圧のばらつきを判断する。具体的には、設定部３３は、セル電圧のばらつきが所定値以下であるか否か、セル電圧のばらつきが所定値より大きいか否か、及び、セル電圧のばらつきが増加したか否かを判断する。セル電圧のばらつきが所定値以下である場合、又は、セル電圧のばらつきがＳ５１４で算出したばらつきより増加した場合、Ｓ５３０に進む。セル電圧のばらつきが増加しておらず、かつ、セル電圧のばらつきが所定値より大きい場合、Ｓ５３２に進む。
Ｓ５３０において、設定部３３は、ＶＨの値を既定値に設定する。例えば、設定部３３は、ＶＨの値を１３．３８Ｖに設定する。Ｓ５３０の後、Ｓ５１０に進む。
Ｓ５３２において、設定部３３は、ＶＨの値を１つの電池セル当たり４０ｍＶ高める。すなわち、設定部３３は、二次電池４０の全体のＶＨを、２４０ｍＶだけ高める。Ｓ５３２の直前におけるＶＨが１３．７４Ｖである場合、ＶＨは１３．９８Ｖに高まる。Ｓ５３２の後、Ｓ５２０に戻る。
本フローチャートの制御によれば、セル電圧のばらつきが所定値より大きくなった場合、セル電圧のばらつきが解消されるまで、ＶＨを段階的に上昇させる。これにより、充電不足が生じていない電池セルの過充電劣化を抑制しつつ、各セルの充電率及びセル電圧を均一化することができる。これにより、特定の電池セルにおいて充電不足が生じている状況を抑制することができ、ひいては、特定の電池セルにおいて硫酸鉛の硬質化が進むことを抑制できる。
なお、ＶＨを高める電圧には上限値が定められてよい。当該上限値は、１つの電池セル当たり３００ｍＶであってよい。すなわち、ＶＨを高める電圧の上限値は、二次電池４０全体で３．６Ｖであってよい。このように、設定部３３は、ＶＨの上限値を１６．９８Ｖとしてよい。設定部３３は、ＶＨを上限値に設定した状態で間欠充電を行う時間が予め定められた時間を超えた場合には、ＶＨを既定値に戻してよい。
以上の説明において、特に図２から図５に関連して、ＶＨを高める制御例を主として説明した。他の制御例として、設定部３３は、電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、ＴＨを長くしてよい。例えば、図５のＳ５１６において、ＶＨを高めることに加えて、及び、ＶＨを高めることに代えて、ＴＨを予め定められた値だけ長くしてよい。また、図５のＳ５３２において、ＶＨを高めることに加えて、及び、ＶＨを高めることに代えて、ＴＨを予め定められた値だけ長くしてよい。これにより、ＴＨを段階的に長くすることで、セル電圧のばらつきの解消を促進することができる。
また、設定部３３は、電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、ＴＬを短くしてよい。例えば、図５のＳ５１６において、ＶＨを高めることに加えて、及び、ＶＨを高めることに代えて、ＴＬを予め定められた値だけ短くしてよい。また、図５のＳ５３２において、ＶＨを高めることに加えて、及び、ＶＨを高めることに代えて、ＴＬを予め定められた値だけ短くしてよい。これにより、ＴＬを段階的に短くすることで、充電不足が生じていない電池セルの過充電を抑制しつつ、セル電圧のばらつきの解消を促進することができる。また、硫酸鉛の硬質化を抑制することができる。
なお、上述したＶＨを高める制御、ＴＨを長くする制御、及び、ＴＬを短くする制御は、任意の組み合わせで行うことができる。
制御装置３０は、コンピュータにより実現されてよい。コンピュータがプログラムを実行することにより、プログラムは、コンピュータが有するプロセッサおよびメモリ等の各部を制御して、制御装置３０として機能させてよい。当該プログラムは、コンピュータを、充放電制御部３１と設定部３３として機能させてよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０ 電源装置
１２ 入力端子
１４ 出力端子
１６ ノード
２０ 蓄電システム
２２ コンバータ
２４ インバータ
３０ 制御装置
３１ 充放電制御部
３３ 設定部
４０ 二次電池
５０ 充放電装置
６０ セル電圧計測装置
９０ 負荷
１００ 二次電池装置
１２０ 電源システム
３００ 波形
３１０ 波形
４００ 波形
４１０ 波形
１２ 入力端子
１４ 出力端子
１６ ノード
２０ 蓄電システム
２２ コンバータ
２４ インバータ
３０ 制御装置
３１ 充放電制御部
３３ 設定部
４０ 二次電池
５０ 充放電装置
６０ セル電圧計測装置
９０ 負荷
１００ 二次電池装置
１２０ 電源システム
３００ 波形
３１０ 波形
４００ 波形
４１０ 波形
Claims (12)
- 鉛蓄電池と、
パルス状の高電圧を前記鉛蓄電池に印加する高電圧充電と、前記高電圧より低い低電圧を前記鉛蓄電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返すことによって前記鉛蓄電池を充電する充電制御部と、
前記鉛蓄電池が有する複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、前記高電圧充電において前記鉛蓄電池に印加する前記高電圧を高める高電圧設定部と
を備える鉛蓄電池装置。 - 前記高電圧設定部は、前記高電圧を高める際に、前記高電圧充電を行う時間を長くする請求項１に記載の鉛蓄電池装置。
- 前記高電圧設定部は、前記高電圧を高める際に、前記低電圧充電を行う時間間隔を短くする請求項１又は２に記載の鉛蓄電池装置。
- 前記高電圧設定部は、前記高電圧設定部が高めた前記高電圧で前記高電圧充電が行われた後の前記複数の電池セルのセル電圧のばらつきが前記予め定められた値より大きい場合に、前記高電圧充電において前記鉛蓄電池に印加する前記高電圧を更に高める
請求項１から３のいずれか一項に記載の鉛蓄電池装置。 - 前記高電圧設定部は、前記複数の電池セルのセル電圧のばらつきが前記予め定められた値以下である場合に、前記高電圧を予め定められた電圧まで低下させる
請求項１から４のいずれか一項に記載の鉛蓄電池装置。 - 前記高電圧設定部は、前記複数の電池セルのセル電圧のばらつきが、前記高電圧設定部が前記高電圧を高める前の前記複数の電池セルのセル電圧のばらつきより大きくなった場合に、前記高電圧を予め定められた電圧まで低下させる
請求項１から４のいずれか一項に記載の鉛蓄電池装置。 - 前記高電圧設定部は、前記複数の電池セルのセル電圧の平均値と前記複数の電池セルのセル電圧との差を算出し、前記差の大きさが予め定められた値より大きい電池セルが存在する場合に、前記高電圧を高める
請求項１から６のいずれか一項に記載の鉛蓄電池装置。 - 前記高電圧設定部は、前記複数の電池セルのセル電圧の平均値と前記複数の電池セルのセル電圧との差を算出し、前記差の大きさが予め定められた値より大きく、かつ、前記平均値より低いセル電圧の電池セルが存在する場合に、前記高電圧を高める
請求項１から６のいずれか一項に記載の鉛蓄電池装置。 - 請求項１から８のいずれか一項に記載の鉛蓄電池装置を備える、無停電電源装置。
- 請求項１から８のいずれか一項に記載の鉛蓄電池装置を備える、電源システム。
- パルス状の高電圧を鉛蓄電池に印加する高電圧充電と、前記高電圧より低い低電圧を前記鉛蓄電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返すことによって前記鉛蓄電池を充電する充電制御部と、
前記鉛蓄電池が有する複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、前記高電圧充電において前記鉛蓄電池に印加する前記高電圧を高める高電圧設定部と
を備える鉛蓄電池の制御装置。 - パルス状の高電圧を鉛蓄電池に印加する高電圧充電と、前記高電圧より低い低電圧を前記鉛蓄電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返す鉛蓄電池の充電方法であって、 前記鉛蓄電池が有する複数の電池セルのセル電圧のばらつきが予め定められた値より大きい場合に、前記高電圧充電において前記鉛蓄電池に印加する電圧を前回印加した電圧よりも高める鉛蓄電池の充電方法。
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