JP6298895B2 - 鉛蓄電池再生装置 - Google Patents

Description

この発明は、鉛蓄電池再生装置に関し、詳しくは、鉛蓄電池の電極板表面に生じる結晶化硫酸鉛(以後サルフェーションという)を除去し、鉛蓄電池を充電可能な状態に再生して、充電する鉛蓄電池の鉛蓄電池再生装置に関する。

鉛蓄電池といえば、多くは自動車用であり、常時人が乗るため、使用不能状態のまま放置されることはまれであり、定期交換された鉛蓄電池は容易に再生でき、まだまだ使用可能である。しかし、最近、太陽光発電用パワーコンディショナーなどの用途に鉛蓄電池が多量に使用されるようになっている。そのような用途では、車載用と異なり、鉛蓄電池の機能低下が人身事故につながる危険が殆どないことや、電力系統の停電が少ないことなどから内蔵の鉛蓄電池が極度に劣化し使用不能の状態になっていても長期間そのまま放置された後に交換される場合が多い。

鉛蓄電池は放電したままの状態で長時間放置されると、電極板の表面に不導体の硫酸鉛が付着して結晶化する(サルフェーション現象と言われる)ことによって、充電機能を失ってゆく。サルフェーション(硫酸鉛)は、放電直後ではまだ柔らかい状態であるが、放置すると結晶化して固くなり、充電しても充電電流が流れ難くなる。そのような充電電流が流れ難くなった状態をサルフェーションにより劣化した状態という。また、鉛蓄電池は、放置される時間が長い程サルフェーションの厚さも増し、その除去には時間が掛かるようになる。

このようなサルフェーションを除去する方法として、パルス電圧を印加する方法、パルス電圧印加と充電を交互に行う方法、充電電圧にパルス電圧を重畳させる方法、電解液にカーボン系の薬剤を添加しサルフェーションの隙間にカーボンの粒子を存在させることで導電性を維持しつつ、導通不能による硫酸鉛の還元不能の状態を避ける方法などがある。

この硫酸鉛は、放電時に必ず生成されるもので、これを鉛や酸化鉛に戻すには放電電力以上の電力を必要とするので、例えば定格容量が１００Ａｈの鉛蓄電池の場合、劣化していなくても１０時間充電率の電流１０Ａでは充電に１０時間以上掛かる。

鉛蓄電池がサルフェーションにより劣化している場合は、程度にもよるが内部抵抗が１０Ω以上になると定格の倍近い２０Ｖの電圧を掛けても１Ａも流せなくなる。このような場合は、電極板の表面のほとんどがサルフェーションで覆われた状態である。こうなると、単に電流が流せないだけではなく、数Ａｈの充電だけで極板間電圧が鉛蓄電池の定格電圧を超えてしまい、それ以上充電できなくなる。

今後増えてくると思われる劣化した鉛蓄電池は、据え置き型の装置内に取り付けられたもので、自動車に搭載されたものより劣化度は高いと予想されるので、それに対応した再生方法が必要である。

従来の方法は、以下の特許文献１〜１０に詳細に記載されている。

特許文献１(特許第３９７４６４４号)には、蓄電池充電に対してネガティブなパルス状の第一の電気エネルギー(８ｋＨｚ〜１６ｋＨｚ)と、蓄電池充電に対して(１／４周期遅れで)ポジティブなパルス状の第二の電気エネルギーとを繰り返し与える硫酸鉛皮膜の除去方法が記載されている。

また、特許文献２(特許第３５１０７９５号)には、電流が１Ａ〜８Ａ、周波数が２ｋＨｚ〜１２ｋＨｚの電流パルスを印加してサルフェーションを除去し、同時に炭素コロイド粒子を電解液に混入させて反応を促進する方法が記載されている。

また、特許文献３(特許第４２９３５８７号)には、パルス電流と有機活性剤によるサルフェーション除去と充放電を二回繰り返して(特に充電には１回５時間以上掛ける)電極を傷めずにサルフェーションを除去する方法が記載されている。

また、特許文献４(特許第４４２７０８９号)には、蓄電池にパルス電流を通電して蓄電池を再生する蓄電池再生方法において、蓄電池の温度や電圧が一定になるようパルス数を制御しながら印加する方法が記載されている。

また、特許文献５(特許第４５６５３６２号)には、硫酸鉛絶縁体結晶皮膜の除去を硫酸鉛誘電緩和損失ピーク周波数１０ＭＨｚ(１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ)で硫酸鉛を選択的に誘電緩和損加熱し、不良導体化した結晶を微細分解し、充電電流により正極を酸化鉛に、負極を鉛に酸化還元する装置が記載されている。

また、特許文献６(特許第４６０８５８１号)には、濃度が０.５重量％〜１.０重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩を含む水溶液を注入し、電圧の異なるトリガ信号を組み合せた信号電圧により生成された周波数５ｋＨｚ〜１２ｋＨｚの再生電流を正極体から負極体に流して、電解液を５０℃〜６０℃の温度状態に維持するように加熱する方法が記載されている。

また、特許文献７(特許第４７４９０９５号)には、充電器にサルフェーション除去パルス発生機能を搭載し充電しつつサルフェーション除去を行うことで、バッテリーを取り外したり取り付けたりする手間を省く方法が記載されており、さらに、パルス電流は２ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ、定格電流の１〜２倍、パルス幅デューティ２０％〜３５％充電電流定格の１／４〜３／４、変動１／１０〜１／８、５〜１０分間毎に休止期間を設けることが記載されている。

また、特許文献８(特許第５２４８２０１号)には、鉛蓄電池にコイルとコンデンサーの直列共振回路を並列接続するだけで、自動車の発電機が出す電源ノイズを振幅増幅して鉛蓄電池にパルスとして印加してサルフェーションを除去する方法が記載されている。

特許文献９(特許第５２９７５３５号)には、サイリスタの位相制御を行って容易かつ安価に１μｓｅｃ相当のパルスを得る方法とそれを用いた蓄電池再生装置が記載されている。

特許文献１０(特許第５３２７６５０号)には、充電電流にサルフェーション除去電流パルスを重畳させる方式において、電極の劣化をさけるため充電が進むにつれてパルス数を低減させる方式が記載されている。

しかしながら、上記特許文献１〜４は、数十Ｖから高々１００Ｖ程度の電圧パルスを電極間に印加してサルフェーション除去を行うものであるが、比較的劣化度の高い鉛蓄電池の場合は、この程度の電圧ではサルフェーション部分が厚いためにパルス電流が十分流れず、サルフェーション除去には数週間掛かってしまう場合が有った。そのため、劣化の進んだ鉛蓄電池の再生には適切ではなく、したがって劣化の進んだ鉛蓄電池は廃棄処分となっていた。

上記特許文献５は、高周波の表皮効果でサルフェーションを表面から加熱溶解するものであが、サルフェーションの表層部の溶解ができても深層部が固く結晶化したままでは直流の充電電流が流せず、硫酸鉛から鉛や酸化鉛への還元ができないので、溶解したサルフェーションが再度硬化して結晶化する。したがって、固く硬化した深層部のサルフェーション層に充電電流を通電する工夫が必要である。

上記特許文献６は、増粘材として食品添加物にも使用されているカルボキシメチルセルロースを用いて硫酸鉛の硬化を防ぐ方法が記載されているが、これはサルフェーションが形成される前に添加しておくことが必要であり、サルフェーションが形成されてしまった劣化した鉛蓄電池には適用できない方法である。

また、上記特許文献６において、「充放電を繰り返していくと、電極体の表面に硫酸鉛が析出して蓄積されるようになり、電極体が硫酸鉛により電気的な導通が阻害されるようになる。」との表現が有るがこれは誤りである。そもそも電極体は粉末の鉛や酸化鉛を硫酸で練ったものであり、放電すればその電気量に応じて電極体が電解液中の硫酸を取り込んで、そのままの形状で硫酸鉛に変化してゆき、充電すれば硫酸を放出してそのままの形状で鉛や酸化鉛に戻る。充放電を繰り返していくことで電極体に硫酸鉛が析出するのではなく、放電すれば電極体そのものが放電した電気量に応じて硫酸鉛に変化していくのである。基本的に、硫酸鉛は電解液中には僅かしか溶けず、また、溶けた硫酸鉛は元の電極に戻ってその形を復元できるものではない。硫酸鉛そのものは不導体であるが、微粒子の形状で周囲に硫酸が存在すれば充放電の反応は可能である。経時変化によって硫酸鉛の粒子同士が硫酸イオンを排除して結合し結晶化するため、充放電の反応ができなくなるのである。

また、上記特許文献７および特許文献８は、サルフェーション除去方法を主題としたものではなく、充電器にサルフェーション除去機能を設けるといった応用形態における発明である。

また、上記特許文献９は、パルスの発生方法の発明であり、サルフェーション除去方法の補足的な発明である。

また、上記特許文献１０は、サルフェーション除去パルスの印加方法における工夫を示したものである。

しかし、これらの方法は、長時間使用され劣化度のより高くなったサルフェーションの除去に数日の時間を要し、業として鉛蓄電池の再生を行うには非効率であり不適切であった。

特許第３９７４６４４号 特許第３５１０７９５号 特許第４２９３５８７号 特許第４４２７０８９号 特許第４５６５３６２号 特許第４６０８５８１号 特許第４７４９０９５号 特許第５２４８２０１号 特許第５２９７５３５号 特許第５３２７６５０号

劣化の進んだ鉛蓄電池においては、電極板が厚いサルフェーション層に覆われており、充電しようとしても充電電流が流れず、また低電圧パルスを印加しても定格の充電電流が流せるまでには何日も掛かってしまう場合がある。

このような状態になるのを避けるため、電解液にカーボン系の薬剤を添加し、サルフェーションの隙間にカーボンの粒子を存在させることで導電性を維持し、以て導通不能による硫酸鉛から鉛や酸化鉛への還元不能の状態を避ける方法があるが、これは事前に薬剤を添加しておくことが必要であり、劣化してしまった鉛蓄電池には適用できない。

そこで、本発明の課題は、サルフェーションによる劣化が進んだ鉛蓄電池でも短時間で再生が可能な鉛蓄電池再生装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の鉛蓄電池再生装置は、
劣化した鉛蓄電池の電極間に印加する充電電圧を発生する充電電圧発生部と、
上記充電電圧発生部の上記充電電圧に重畳して上記鉛蓄電池の電極間に印加する高周波電圧または低電圧パルスを発生する誘導加熱電圧発生部と、
上記鉛蓄電池の電極間に印加する高電圧インパルスを発生する高電圧インパルス発生部と、
上記充電電圧発生部と上記誘導加熱電圧発生部と上記高電圧インパルス発生部を制御する制御装置と
を備え、
上記制御装置は、
上記誘導加熱電圧発生部からの上記高周波電圧または上記低電圧パルスが重畳された上記充電電圧発生部からの上記充電電圧を上記鉛蓄電池の電極間に印加することにより、上記鉛蓄電池の電極板上に生じたサルフェーションの表面を誘導加熱により溶解する第１動作モードと、上記高電圧インパルス発生部からの上記高電圧インパルスを上記鉛蓄電池の電極間に印加することにより、上記サルフェーションの深部を部分的に絶縁破壊して充電電流を導通可能にする第２動作モードとを、上記鉛蓄電池の内部抵抗に基づいて切り換える動作モード制御部を有することを特徴とする。

本発明者は、サルフェーションによって劣化した鉛蓄電池の再生には、サルフェーション層の溶解と充電による電極板の再生のプロセスが重要であるとの認識に加え、それらを同時に進行させることが必要条件であると考えた。

すなわち、高周波電圧(または低電圧パルス)の印加時のサルフェーション層の溶解は、電解液に接した表面から徐々に進んでゆくが、電極板はまだ溶解していない深部の硫酸鉛の結晶で覆われていて直流の充電電流が流せない状態である。そのため、表層のサルフェーション層の溶解が進んでも、それらは鉛や酸化鉛に還元されず、放置すれば再び硬化・結晶化して元のサルフェーション層に戻ってしまう。

そこで、本発明者は、高電圧インパルスを印加することにより、サルフェーション層を部分的に深部から絶縁破壊させて充電電流の導通路を確保した後、高周波電圧(または低電圧パルス)を印加してサルフェーション層を表層から誘導加熱により溶解し、同時に充電して硫酸鉛を鉛に還元して行く方法がより短時間で鉛蓄電池を再生させる方法であることに気付いた。

一般に高電圧インパルスを印加すると、電極板を傷めたり硫酸鉛層が剥落し、蓄電池ケースの下部に積層したりして電極板そのものの劣化が進むといわれているが、充電電流の導通を確保するための必要最低限度の高電圧インパルスは電極板ではなく非導通状態となっているサルフェーション層に印加されるので、電極板そのものの劣化を招くことは少ない。

前述の引用文献５には、「電気機械的衝撃波による硫酸鉛微結晶の破壊除去法は電極表面が硫酸鉛でまだらに絶縁されている状況下において、絶縁面である硫酸鉛結晶面に電界は集中せず、硫酸鉛絶縁体で覆われていない流れやすい伝導電極面に電流が集中するので、電気機械的衝撃波の破壊は起き難いと考えられる」と記載されている。しかしながら、電解液中で電気を運ぶのは主にイオンである。金属中の自由電子のようなものは透明な液体中には少なく、またイオン流は高周波や急激に変化するインパルス電流に追随できないので結局高電圧電界は発生したまま短時間では中和されることなく酸化物の絶縁破壊を起こし得る。これは、真空アークによる金属表面の酸化物の除去方法などのように、アーク放電が酸化物の残っている部分に集中して酸化物を除去してしまうプロセスと同じである。

この発明の主眼点は、高周波電圧(または低電圧パルス)の印加によって軟化させたサルフェーションを直流の充電電流で鉛や酸化鉛に還元する過程において、直流電流が流れる道を作るために結晶化したままの深層部のサルフェーションに対して高電圧インパルスを印加して部分的に絶縁破壊を生じさせ、サルフェーションを破砕して電解液を浸透させて、直流の電気伝導路を確保したところにある。

この高電圧インパルス印加の過程は、サルフェーション層の表面を高周波などで誘導加熱により溶解させる前に実施しても構わない。

なお、サルフェーション層の溶解そのものは、既存の方法でも十分に可能であり、高周波電圧に代えて数十Ｖ程度の低電圧パルスを印加する方法を用いても良い。

従来の方法ではサルフェーション層の深部に至るまで溶解しなければ直流の充電電流は流せず、再生に時間が掛かっていたが、この発明の鉛蓄電池再生装置によって、溶解した表層から順次鉛や酸化鉛への還元反応を起こせるので再生にかかる時間が節約できる。

これによって、従来再生を諦めていた高度に劣化した鉛蓄電池でも短時間で再生することが可能となる。

また、一実施形態の鉛蓄電池再生装置では、
上記誘導加熱電圧発生部は、ピーク瞬時電圧値が数十Ｖでかつ周波数が数ＭＨｚの上記高周波電圧を発生するか、または、ピーク瞬時電圧値が数十Ｖでかつパルス幅が数百ｎｓｅｃ〜数百μｓｅｃであって繰り返し周波数が数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度である上記低電圧パルスを発生し、
上記高電圧インパルス発生部のインパルス波形は、波頭長が数μｓｅｃ以下でかつ波尾長が０.１ｍｓｅｃ〜１.０ｍｓｅｃでかつピーク瞬時電圧値が１ｋＶ以上のインパルス波形である。

上記実施形態によれば、誘導加熱電圧発生部からピーク瞬時電圧値を数十Ｖとしかつ周波数を数ＭＨｚの高周波電圧を発生することにより、鉛蓄電池の電極板上のサルフェーションの表層部の溶解を効率よく行うことができる。あるいは、誘導加熱電圧発生部からピーク瞬時電圧値が数十Ｖでかつパルス幅が数百ｎｓｅｃ〜数百μｓｅｃであって繰り返し周波数が数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度の低電圧パルスを発生することにより、鉛蓄電池の電極板上のサルフェーションの表層部の溶解を効率よく行うことができる。また、高電圧インパルス発生部のインパルス波形のピーク瞬時電圧値が１ｋＶ以上としかつ波頭長を数μｓｅｃ以下かつ波尾長を０.１ｍｓｅｃ〜１.０ｍｓｅｃとすることにより、サルフェーションの深層部に対して効果的に絶縁破壊を生じさせることができる。

また、一実施形態の鉛蓄電池再生装置では、
上記鉛蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部を備え、
上記制御装置は、
上記内部抵抗測定部により測定された上記鉛蓄電池の内部抵抗が予め設定された内部抵抗良否判定閾値以上か否かを判定する内部抵抗判定部を有し、
上記内部抵抗判定部が上記内部抵抗測定部により測定された上記鉛蓄電池の内部抵抗を上記内部抵抗良否判定閾値以上であると判定したとき、上記動作モード制御部により上記第２動作モードに切り換えて、上記高電圧インパルス発生部からの上記高電圧インパルスを上記鉛蓄電池の電極間に印加する一方、
上記内部抵抗判定部が上記内部抵抗測定部により測定された上記鉛蓄電池の内部抵抗を上記内部抵抗良否判定閾値未満であると判定したとき、上記動作モード制御部により上記第１動作モードに切り換えて、上記誘導加熱電圧発生部からの上記高周波電圧または上記低電圧パルスが重畳された上記充電電圧発生部からの上記充電電圧を上記鉛蓄電池の電極間に印加する。

上記実施形態によれば、高電圧インパルスの印加を必要最低限度にするために、鉛蓄電池の内部抵抗判定部によって鉛蓄電池の内部抵抗を測定し、内部抵抗が別途設定する内部抵抗良否判定閾値(概ね数十ｍΩ)未満の場合は、高電圧インパルスの印加は不要と判断し、高周波電圧(または低電圧パルス)のみによるサルフェーション除去を行っている。なお、高電圧インパルスの電圧を鉛蓄電池の内部抵抗に応じた電圧に設定してもよい。

また、一実施形態の鉛蓄電池再生装置では、
上記鉛蓄電池の端子間電圧を測定する端子間電圧測定部と、
上記充電電圧発生部の上記充電電圧が印加された上記鉛蓄電池の電極間に流れる充電電流を測定する充電電流測定部と
を備え、
上記制御装置は、
上記充電電流測定部により測定された上記充電電流を積算する充電電流積算部と、
上記鉛蓄電池の電極間に上記充電電圧発生部の上記充電電圧が印加される上記第１動作モード時において、予め決められた休止期間で上記充電電圧の印加を止めて、上記鉛蓄電池の電極間に軽負荷を接続した状態で上記端子間電圧測定部により上記端子間電圧を測定し、上記休止期間における上記端子間電圧の低下曲線に基づいて、上記鉛蓄電池の出力安定時の直流電圧を推定する出力安定時電圧推定部と、
上記出力安定時電圧推定部により推定された上記鉛蓄電池の出力安定時の直流電圧に基づいて、第１充電率Ｑａを推定する第１充電率推定部と、
上記充電電流積算部により積算された充電電流積算値に基づいて、第２充電率Ｑｂを推定する第２充電率推定部と、
上記第１充電率推定部で推定された上記第１充電率Ｑａに対する上記第２充電率推定部で推定された上記第２充電率Ｑｂの比ｋ(＝Ｑｂ／Ｑａ)が予め設定された充電率比判定値(≦１)以下であるか否かを判定する充電率比判定部と、
上記第１動作モードにおいて、上記誘導加熱電圧発生部からの上記高周波電圧または上記低電圧パルスが重畳された上記充電電圧発生部からの上記充電電圧を上記鉛蓄電池の電極間に一定時間印加した後、上記充電率比判定部が上記第１充電率に対する上記第２充電率の比が上記充電率比判定値以下であると判定すると、再び上記第１動作モードで上記誘導加熱電圧発生部からの上記高周波電圧または上記低電圧パルスが重畳された上記充電電圧発生部からの上記充電電圧を上記鉛蓄電池の電極間に印加する。

鉛蓄電池再生装置には、再生した鉛蓄電池が十分その機能を果たし得るかチェックする機能が必要となる。

上記実施形態によれば、充電休止期間中に測定した電圧から推定した第１充電率Ｑａと、充電時に入力した充電電流を積算し、その充電電流積算値から推定される第２充電率Ｑｂとを比較し、ｋ＝Ｑｂ／Ｑａと置いた場合に、ｋ＜充電率比判定値(例えば０.８)ならば十分充電できていない(充電率８割以下)にも拘らず端子間電圧が上がってしまっていると判断し、サルフェーション除去が不十分と判断してそのプロセスを再度繰り返すものとしている。

この発明の鉛蓄電池再生装置によれば、サルフェーションによる劣化が進みこれまでは廃棄処分となっていた鉛蓄電池でも短時間で再生することが可能になる。そのため、パワーコンディショナー等に内蔵され、劣化していてもそのまま放置される可能性の高い鉛蓄電池でも、廃棄処分せずに再生して
使用可能状態に復旧させることができる。

従来の低電圧パルス印加のみによってサルフェーションを除去する方法も全く使用不可能ではないが、高度に劣化した鉛蓄電池では低電圧パルスによってサルフェーションが溶解できても直流の充電電流が定格充電電流の１／１０や１／１００しか流せなくなっていると、通常の充電時間の１０倍から１００倍の時間経過しても硫酸鉛から鉛や酸化鉛への還元ができず充電が完了しないので、従来は再生不可能として廃棄されていた。

廃棄された鉛蓄電池は、通常捨てられずにリサイクルされる。ここでいう廃棄とは材料ベースでリサイクルされるという意味であり、鉛蓄電池を分解し材料別に仕分けて溶解し、元の材料にリサイクルするにはかなりの人件費やエネルギーを要する。この発明の鉛蓄電池再生装置では、そのような鉛蓄電池でも分解せずに再生させて再利用できるので、多大な人件費やエネルギーの節約が可能となる。

図１Ａはこの発明の鉛蓄電池再生装置の構成を示すシステムブロック図である。 図１Ｂは上記鉛蓄電池再生装置の制御装置のブロック図である。 図２は上記鉛蓄電池再生装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図３は図２に続くフローチャートである。 図４は使用不能となった鉛蓄電池において、高電圧インパルスを印加する前後の電圧と内部抵抗の測定値を示す表である。 図５は未だ使用可能な鉛蓄電池も含めた高電圧インパルス処理前後および満充電後の電圧と内部抵抗およびＣＣＡ値の測定値を示す表である。 図６は上記鉛蓄電池再生装置で鉛蓄電池を再生している状態を示す図である。 図７は他の例の鉛蓄電池再生装置の外観図である。

以下、この発明の鉛蓄電池再生装置１を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１Ａはこの発明の鉛蓄電池再生装置１の構成を示すシステムブロック図である。この鉛蓄電池再生装置１は、高電圧インパルス発生部１１と、誘導加熱電圧発生部の一例としての高周波電圧発生部１２と、充電電圧発生部の一例としての充電部１３と、充電電流測定部１４と、端子間電圧測定部の一例としての鉛蓄電池電圧測定部１５と、内部抵抗測定部の一例としての内部インピーダンス測定部１６と、直流成分カットフィルタ部１７と、放電試験回路部１８と、放電電流測定部１９と、制御装置２０と、インターフェース部２１と、表示部２２と、操作部２３と、切換部２４とを備えている。

上記直流成分カットフィルタ部１７は、内部インピーダンス測定部１６と鉛蓄電池ＢＴとの間にあって、内部インピーダンス測定部１６に入力される鉛蓄電池ＢＴの端子間電圧である直流成分をカットする。

また、切換部２４は、６つのスイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ６(２回路２接点)を有している。スイッチ部ＳＷ１は、高電圧インパルス発生部１１の出力端子と鉛蓄電池ＢＴの端子(正極端子,負極端子)とを接続する。また、スイッチ部ＳＷ２は、高周波電圧発生部１２の出力端子と鉛蓄電池ＢＴの端子とを接続する。また、スイッチ部ＳＷ３は、充電部１３の出力端子と鉛蓄電池ＢＴの端子とを接続する。また、スイッチ部ＳＷ４は、鉛蓄電池電圧測定部１５の測定端子と鉛蓄電池ＢＴの端子とを接続する。また、スイッチ部ＳＷ５は、内部インピーダンス測定部１６の測定端子と鉛蓄電池ＢＴの端子とを直流成分カットフィルタ部１７を介して接続する。さらに、スイッチ部ＳＷ６は、放電試験回路部１８の端子と鉛蓄電池ＢＴの端子とを接続する。

また、制御装置２０は、マイクロコンピュータおよび入出力回路などからなり、インターフェース部２１を介して、鉛蓄電池電圧測定部１５と内部インピーダンス測定部１６および放電電流測定部１９からの各信号が入力されると共に、操作部２３からの操作信号が入力される。また、制御装置２０は、高電圧インパルス発生部１１と高周波電圧発生部１２と充電部１３と表示部２２および切換部２４を制御する。

図１Ｂは上記鉛蓄電池再生装置１の制御装置２０のブロック図を示しており、制御装置２０は、動作モード制御部２０ａと、内部抵抗判定部２０ｂと、充電電流積算部２０ｃと、出力安定時電圧推定部２０ｄと、第１充電率推定部２０ｅと、第２充電率推定部２０ｆと、充電率比判定部２０ｇを有する。

次に、図２,図３に示すフローチャートに従って鉛蓄電池再生装置１の動作を説明する。

この鉛蓄電池再生装置１によって鉛蓄電池ＢＴを再生する場合は、まず鉛蓄電池ＢＴを稼働状態のシステムから取り外し、各セルのシール、もしくはキャップを外して内部のガスを排出し、また電解液の量をチェックして液面が適正範囲に入るように電解液を補充することが必要である。

次に、鉛蓄電池再生装置１の電源を投入してスタンバイさせ、切換部２４のスイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ６全てをオフ状態にしてから鉛蓄電池ＢＴを接続する。次に、操作部２３から再生開始指令を制御装置２０に送り、図２,図３に示す再生プロセスを開始する。この操作部２３はタッチパネル方式にして表示部２２と一緒にしても良い。

まず、図２に示すステップＳ１で、内部インピーダンス測定部１６により鉛蓄電池ＢＴの内部抵抗Ｒの測定を行う。

次に、ステップＳ２に進み、内部抵抗判定部２０ｂにより内部抵抗ＲがＸ１(概ね数十ｍΩ)以上であると判定すると、ステップＳ３に進む一方、内部抵抗判定部２０ｂにより内部抵抗ＲがＸ１(概ね数十ｍΩ)未満であると判定すると、ステップＳ８に進む。

そして、ステップＳ３では、内部抵抗判定部２０ｂにより内部抵抗ＲがＸ２(概ね数Ω)以上であると判定すると、ステップＳ４に進む一方、内部抵抗判定部２０ｂにより内部抵抗ＲがＸ２(概ね数Ω)未満であると判定すると、図３に示すステップＳ１１に進む。ここで、Ｘ２は、予め設定された内部抵抗良否判定閾値の一例である。

次に、ステップＳ４では、内部抵抗判定部２０ｂにより内部抵抗ＲがＸ３(概ね数十Ω)以上であると判定すると、ステップＳ７に進む一方、内部抵抗判定部２０ｂにより内部抵抗ＲがＸ３(概ね数十Ω)未満であると判定すると、ステップＳ５に進む。

次に、ステップＳ５でインパルス印加回数が制限回数以上であると判定すると、ステップＳ７に進み、再生不能と判断して、この処理を終了する。

一方、ステップＳ５でインパルス印加回数が制限回数未満であると判定すると、ステップＳ６に進む。ここで、インパルス印加回数は、この処理のスタート時にゼロとし、ステップＳ６を行う毎にインクリメントされる。

そして、ステップＳ６では、高電圧インパルスを印加して、ステップＳ１に戻る。この高電圧インパルスを印加時に、制御装置２０の動作モード制御部２０ａは、切換部２４を制御して第２動作モードに切り換える。

また、図３に示すステップＳ１１では、高周波電圧によるサルフェーション除去と通常充電を一定時間並行して行う。ここで、制御装置２０の動作モード制御部２０ａは、切換部２４を制御して第１動作モードに切り換える。

次に、ステップＳ１２でタイムオーバーであると判定すると、ステップＳ１５に進み、再生不能と判断して、この処理を終了する。ここで、タイムオーバーであるか否かは、ステップＳ１の開始から所定時間経過したか否かによって判定する。

一方、ステップＳ１２でタイムオーバーでないと判定すると、ステップＳ１３に進み、充電可能容量の推定を行う。

次に、ステップＳ１４に進み、充電継続可能と判定すると、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１〜Ｓ１４を繰り返す。一方、ステップＳ１４で充電継続可能でないと判定すると、図２に示すステップＳ５に戻る

また、ステップＳ８では、満充電であるか否かを判定し、満充電であるときはこの処理を終了する一方、満充電でないときはステップＳ９に進む。ここで、鉛蓄電池ＢＴの端子間電圧が満充電に相当する電圧以上になったときに満充電であると判定する。

そして、ステップＳ９で、切換部２４のスイッチ部ＳＷ３,ＳＷ４のみをオン状態にして、通常の充電を行って、ステップＳ１０に進み、充電が完了したか否かを判定する。ここで、鉛蓄電池ＢＴの端子間電圧が満充電に相当する電圧以上になったときに充電が完了したと判定する。

ステップＳ１０で充電が完了したと判定すると、この処理を終了する一方、充電が完了していないと判定すると、ステップＳ９に戻り、充電が完了するまでステップＳ９,Ｓ１０を繰り返す。

さらに、図２,図３に示すフローチャートの各ステップにおける詳細について以下に説明する。

操作部２３を操作して鉛蓄電池ＢＴの再生プロセスが開始されると、まず図２に示すステップＳ１において、鉛蓄電池ＢＴの内部抵抗Ｒの測定を行う。詳しくは、制御装置２０によって、切換部２４のスイッチ部ＳＷ５をオン状態にして、内部インピーダンス測定部１６の測定端子と鉛蓄電池ＢＴの端子とを直流成分カットフィルタ部１７を介して接続し、内部インピーダンス測定部１６が鉛蓄電池ＢＴの内部抵抗Ｒを測定する。この鉛蓄電池ＢＴの内部抵抗Ｒの測定後、制御装置２０は、切換部２４のスイッチ部ＳＷ５をオフ状態にする。

この鉛蓄電池ＢＴの内部抵抗Ｒは、次の(1)〜(3)の三段階の閾値によって判定されて、その後の処理が分けられる。
(1) ステップＳ２において、制御装置２０の内部抵抗判定部２０ｂにより内部抵抗ＲがＸ１(概ね数十ｍΩ)未満であると判定すると、制御装置２０は、鉛蓄電池ＢＴが劣化していないものと判断し、制御装置２０は、切換部２４のスイッチ部ＳＷ３をオン状態にすることにより、充電部１３の出力端子と鉛蓄電池ＢＴの端子とが接続されて、通常の充電が行われる(ステップＳ８,Ｓ９,Ｓ１０)。
(2) ステップＳ２,Ｓ３において、制御装置２０の内部抵抗判定部２０ｂにより内部抵抗ＲがＸ１(概ね数十ｍΩ)以上でかつＸ２(概ね数Ω)未満であると判定すると、高周波電圧発生部１２からの高周波電圧の印加のみで再生可能と判断し、制御装置２０の動作モード制御部２０ａは、切換部２４のスイッチ部ＳＷ２,ＳＷ３をオン状態にして第１動作モードに切り換え、高周波電圧発生部１２,充電部１３と鉛蓄電池ＢＴの端子を接続する。そうして、高周波電圧発生部１２からの高周波電圧によるサルフェーション除去(溶解)と充電部１３からの充電電圧による充電が行われる(ステップＳ１１)。
(3) ステップＳ３において、制御装置２０の内部抵抗判定部２０ｂにより内部抵抗ＲがＸ２(概ね数Ω)以上でかつＸ３(概ね数十Ω)未満であると判定すると、高電圧インパルスの印加が必要と判断され、制御装置２０の動作モード制御部２０ａは、切換部２４のスイッチ部ＳＷ１のみをオン状態にして第２動作モードに切り換え、高電圧インパルス発生部１１の出力端子と鉛蓄電池ＢＴの端子(正極端子,負極端子)を接続する。そうして、高電圧インパルス発生部１１からの高電圧インパルスによる深部サルフェーションの破砕による充電経路の確保が行われる(ステップＳ６)。そして、再度、鉛蓄電池ＢＴの内部抵抗Ｒの測定を行う(ステップＳ１)。

特に、上記(2)では、サルフェーションの除去がどの程度進んだかを判断するために、図３に示すステップＳ１３で鉛蓄電池ＢＴの充電可能容量の推定を行う。

詳しくは、充電の合間に数分間の休止期間(ステップＳ１３)を設けて、切換部２４のスイッチ部ＳＷ２,ＳＷ３をオフ状態にし、スイッチ部ＳＷ４,ＳＷ６をオン状態にすることにより放電試験回路部１８の軽負荷を接続し、その休止期間において鉛蓄電池電圧測定部１５により鉛蓄電池ＢＴの端子間電圧を測定する。そして、ステップＳ１３で、休止期間に測定された鉛蓄電池ＢＴの端子間電圧の低下曲線から出力安定時電圧推定部２０ｄにより出力安定時の直流電圧を推定し、その推定された出力安定時の直流電圧に基づいて、第１充電率推定部２０ｅにより第１充電率Ｑａを推測する。

また、ステップＳ１１において高周波電圧によるサルフェーション除去(溶解)と充電部１３からの充電電圧による充電が同時に行われているときに、制御装置２０は、充電電流測定部１４により測定された充電電流を充電電流積算部２０ｃにより積算して、充電電流積算値を算出する。この充電電流積算値に基づいて、第２充電率推定部２０ｆにより第２充電率Ｑｂを推定する。

また、第１充電率推定部２０ｅにより推定された第１充電率Ｑａと第２充電率推定部２０ｆにより推定された第２充電率Ｑｂとを充電率比判定部２０ｇにより比較する。

また、上記(2)のサルフェーション除去過程においては、高周波電圧の代わりに、ピーク瞬時電圧値が数十Ｖでかつパルス幅が数百ｎｓｅｃ〜数百μｓｅｃであって繰り返し周波数が数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度の低電圧パルスを用いても良い。

鉛蓄電池ＢＴが正常な場合、充電率と端子間電圧の関係式は公知の事実であって周囲温度ｔの関数として次の(式１)のような形で表現される。
充電率＝(１セル当たりの電圧−１.９４＋０.０００７×(ｔ−２０))×５.５５×１００[％] ……… (式１)

一方、鉛蓄電池ＢＴの充電効率は約９０％未満であるので、例えば容量１００Ａｈの鉛蓄電池ＢＴの場合１１０Ａｈ程度以上充電しなければ満充電にならない。しかるに、鉛蓄電池ＢＴがサルフェーションによって劣化している場合、電極板の有効面積が減るので充電可能容量が低下して、これよりも少ない充電量で極板間電圧が上昇して満充電状態となり、それ以上は充電できなくなる。したがって、出力安定時の直流電圧から求めた第１充電率Ｑａと、充電電流積算値に充電効率を掛けて得られる第２充電率Ｑｂとを比較することによって、鉛蓄電池ＢＴの容量が復活したか否かを知ることができるのである。

ここで、第１充電率Ｑａに対する第２充電率Ｑｂの比ｋ(＝Ｑｂ／Ｑａ)が１であるのが理想的であるが、この比ｋ(＝Ｑｂ／Ｑａ)が１以上であるときは、相当充電しているにも関わらず端子間電圧が上がらないことを示している。

一方、第１充電率Ｑａに対する第２充電率Ｑｂの比をｋ(＝Ｑｂ／Ｑａ)とおいて、例えばｋ＜０.８の場合は、このまま充電を続けても定格容量の８０％以下で満充電時の電圧に到達してしまい、十分充電できないものと判断できる(図３のステップＳ１４の“NO”)。これは、例えばサルフェーションが電極の一部を覆っていて、鉛蓄電池としての機能が部分的にしか生きていないことを示している。ここで、「０.８」は、充電率比判定値(≦１)の一例である。

そのような場合は、高周波電圧の印加機能によるサルフェーション除去を再度実施する。

ところで、ここでいう「出力安定時の直流電圧」とは、鉛蓄電池ＢＴの放電状態における電圧安定領域での電圧値のことであり、鉛蓄電池ＢＴの充電直後の出力電圧ではない。充電時は充電電圧近くまで電圧が上昇しており、充電後一時間程度放置するかまたは軽い負荷を接続して一定時間放置した後に鉛蓄電池ＢＴの電極間の電圧を測定する必要がある。

再生処理をより短時間で済ませるためには、電圧測定のために１時間も放置することはできない。そこで、この実施の形態では、充電の合間に数分間の休止期間を設け、軽負荷を接続してその間の電圧の低下曲線から出力安定時電圧推定部２０ｄにより出力安定時の直流電圧を推定し、その出力安定時の直流電圧をその時点での鉛蓄電池ＢＴの電圧として、上記(式１)から第１充電率Ｑａを算出し、充電電流積算値から求めた第２充電率Ｑｂと比較することによって、鉛蓄電池ＢＴのその時点での容量を推定する。

これらのプロセスによって充電可能容量の回復が判明し、内部抵抗ＲもX１(概ね数十ｍΩ)未満となればサルフェーション除去は完了したものと判断して、最終の充電処理を行った後、再生処理を終了する。

図４は使用不能となった鉛蓄電池の試料Ｎo.１〜Ｎo.２０において、高電圧インパルスを印加する前後の電圧[Ｖ]と内部抵抗[ｍΩ]の測定値を記録したものである。このデータは、内部抵抗の高低に関わらず高電圧インパルスを印加して内部抵抗Ｒの変化を観測したものである。

図４において、試料Ｎo.１,２,９,１２,１３,１４の鉛蓄電池は、高電圧パルス印加によって内部抵抗が低下している。一方、１１.５Ｖ程度以下のものは充電率０％とみなせるものである。高電圧インパルスを印加しただけでは電圧は回復しないが内部抵抗は下がったものが多く、それらは充電可能となっており、満充電すれば半数は電圧も回復する。しかしながら、電極間に鉛の針状結晶が析出するなどして内部短絡状態になったものは、回復の見込みがなく使用不可能であることが解る。

また、図５は未だ使用可能な鉛蓄電池も含めた高電圧インパルス処理前後(図５の「事前計測」と「試験充電後の計測」)および満充電後(図５の「試験満充電後の計測」)の電圧[Ｖ]と内部抵抗[ｍΩ]およびＣＣＡ値の測定値である。このデータにおいても、内部抵抗の高低に関わらず高電圧インパルスを印加して内部抵抗の変化を観測しているが、高電圧インパルス印加後の内部抵抗は下がり、ＣＣＡ値は上がっている。判定結果欄の右横の数値は復活した充電可能容量を示している。図５の試料Ｎo.１〜Ｎo.６のデータ中、試料Ｎo.１,４,５の３件において、充電容量が９０％復活していることが解る。

ここで、ＣＣＡ値とは、１２Ｖ鉛蓄電池のエンジン始動性能を表す尺度で、１２Ｖ鉛蓄電池を−１８℃±１℃の温度において定電流放電し、３０秒後の電圧が７.２Ｖ以上を保持できる最大の放電電流値である。

また、図６は鉛蓄電池再生装置１で鉛蓄電池ＢＴを再生している状態を示す図である。この図６の鉛蓄電池再生装置１は試作段階のものであるが、同一機能のものであれば装置の外観および大きさは任意に変更しても良い。

図６において、鉛蓄電池再生装置１の上部に表示部２２と操作部２３を備えている。鉛蓄電池再生装置１の背面側から引き出された接続ケーブルＬ１,Ｌ２を鉛蓄電池ＢＴの正極端子と負極端子に夫々接続する。なお、ＣＲ１,ＣＲ２は接続ケーブルＬ１,Ｌ２の先端部に設けられたクリップである。

また、図７は他の例の鉛蓄電池再生装置１０１の外観図を示している。
図７において、鉛蓄電池再生装置１０１の前面パネルの上側に表示部２２と操作部２３を備えている。鉛蓄電池再生装置１０１の前面パネルの下側に設けられた接続端子Ｔ１,Ｔ２に、接続ケーブルＬ１,Ｌ２の一端を夫々接続している。なお、Ｌ３は電源ケーブルである。

この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

１,１０１…鉛蓄電池再生装置
１１…高電圧インパルス発生部
１２…高周波電圧発生部
１３…充電部
１４…充電電流測定部
１５…鉛蓄電池電圧測定部
１６…内部インピーダンス測定部
１７…直流成分カットフィルタ部
１８…放電試験回路部
１９…放電電流測定部
２０…制御装置
２０ａ…動作モード制御部
２０ｂ…内部抵抗判定部
２０ｃ…充電電流積算部
２０ｄ…出力安定時電圧推定部
２０ｅ…第１充電率推定部
２０ｆ…第２充電率推定部
２０ｇ…充電率比判定部
２１…インターフェース部
２２…表示部
２３…操作部
２４…切換部
ＢＴ…鉛蓄電池
Ｌ１,Ｌ２…接続ケーブル
ＳＷ１〜ＳＷ６…スイッチ部
Ｔ１,Ｔ２…接続端子

Claims (4)

1. 劣化した鉛蓄電池の電極間に印加する充電電圧を発生する充電電圧発生部と、
   上記充電電圧発生部の上記充電電圧に重畳して上記鉛蓄電池の電極間に印加する高周波電圧または低電圧パルスを発生する誘導加熱電圧発生部と、
   上記鉛蓄電池の電極間に印加する高電圧インパルスを発生する高電圧インパルス発生部と、
   上記充電電圧発生部と上記誘導加熱電圧発生部と上記高電圧インパルス発生部を制御する制御装置と
   を備え、
   上記制御装置は、
   上記誘導加熱電圧発生部からの上記高周波電圧または上記低電圧パルスが重畳された上記充電電圧発生部からの上記充電電圧を上記鉛蓄電池の電極間に印加することにより、上記鉛蓄電池の電極板上に生じたサルフェーションの表面を誘導加熱により溶解する第１動作モードと、上記高電圧インパルス発生部からの上記高電圧インパルスを上記鉛蓄電池の電極間に印加することにより、上記サルフェーションの深部を部分的に絶縁破壊して充電電流を導通可能にする第２動作モードとを、上記鉛蓄電池の内部抵抗に基づいて切り換える動作モード制御部を有することを特徴とする鉛蓄電池再生装置。
2. 請求項１に記載の鉛蓄電池再生装置において、
   上記誘導加熱電圧発生部は、ピーク瞬時電圧値が数十Ｖでかつ周波数が数ＭＨｚの上記高周波電圧を発生するか、または、ピーク瞬時電圧値が数十Ｖでかつパルス幅が数百ｎｓｅｃ〜数百μｓｅｃであって繰り返し周波数が数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度である上記低電圧パルスを発生し、
   上記高電圧インパルス発生部のインパルス波形は、波頭長が数μｓｅｃ以下でかつ波尾長が０.１ｍｓｅｃ〜１.０ｍｓｅｃでかつピーク瞬時電圧値が１ｋＶ以上のインパルス波形であることを特徴とする鉛蓄電池再生装置。
3. 請求項１または２に記載の鉛蓄電池再生装置において、
   上記鉛蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部を備え、
   上記制御装置は、
   上記内部抵抗測定部により測定された上記鉛蓄電池の内部抵抗が予め設定された内部抵抗良否判定閾値以上か否かを判定する内部抵抗判定部を有し、
   上記内部抵抗判定部が上記内部抵抗測定部により測定された上記鉛蓄電池の内部抵抗を上記内部抵抗良否判定閾値以上であると判定したとき、上記動作モード制御部により上記第２動作モードに切り換えて、上記高電圧インパルス発生部からの上記高電圧インパルスを上記鉛蓄電池の電極間に印加する一方、
   上記内部抵抗判定部が上記内部抵抗測定部により測定された上記鉛蓄電池の内部抵抗を上記内部抵抗良否判定閾値未満であると判定したとき、上記動作モード制御部により上記第１動作モードに切り換えて、上記誘導加熱電圧発生部からの上記高周波電圧または上記低電圧パルスが重畳された上記充電電圧発生部からの上記充電電圧を上記鉛蓄電池の電極間に印加することを特徴とする鉛蓄電池再生装置。
4. 請求項１から３までのいずれか１つに記載の鉛蓄電池再生装置において、
   上記鉛蓄電池の端子間電圧を測定する端子間電圧測定部と、
   上記充電電圧発生部の上記充電電圧が印加された上記鉛蓄電池の電極間に流れる充電電流を測定する充電電流測定部と
   を備え、
   上記制御装置は、
   上記充電電流測定部により測定された上記充電電流を積算する充電電流積算部と、
   上記鉛蓄電池の電極間に上記充電電圧発生部の上記充電電圧が印加される上記第１動作モード時において、予め決められた休止期間で上記充電電圧の印加を止めて、上記鉛蓄電池の電極間に軽負荷を接続した状態で上記端子間電圧測定部により上記端子間電圧を測定し、上記休止期間における上記端子間電圧の低下曲線に基づいて、上記鉛蓄電池の出力安定時の直流電圧を推定する出力安定時電圧推定部と、
   上記出力安定時電圧推定部により推定された上記鉛蓄電池の出力安定時の直流電圧に基づいて、第１充電率Ｑａを推定する第１充電率推定部と、
   上記充電電流積算部により積算された充電電流積算値に基づいて、第２充電率Ｑｂを推定する第２充電率推定部と、
   上記第１充電率推定部で推定された上記第１充電率Ｑａに対する上記第２充電率推定部で推定された上記第２充電率Ｑｂの比ｋ(＝Ｑｂ／Ｑａ)が予め設定された充電率比判定値(≦１)以下であるか否かを判定する充電率比判定部と、
   上記第１動作モードにおいて、上記誘導加熱電圧発生部からの上記高周波電圧または上記低電圧パルスが重畳された上記充電電圧発生部からの上記充電電圧を上記鉛蓄電池の電極間に一定時間印加した後、上記充電率比判定部が上記第１充電率に対する上記第２充電率の比が上記充電率比判定値以下であると判定すると、再び上記第１動作モードで上記誘導加熱電圧発生部からの上記高周波電圧または上記低電圧パルスが重畳された上記充電電圧発生部からの上記充電電圧を上記鉛蓄電池の電極間に印加することを特徴とする鉛蓄電池再生装置。

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