JP6690414B2 - トリクル充電電源システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池（二次電池とも呼ばれる）を利用する技術に関し、蓄電池のトリクル充電、及び電源システム等の技術に関する。

蓄電池として、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、等の各種の蓄電池が存在する。蓄電池は、満充電状態にされてから放置された場合、自己放電によって充電電力量が減少する。言い換えると、蓄電池の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）の値が、１００％よりも低い値の状態になる。

蓄電池を利用するシステムとして、例えば、停電時等の非常時に対策するために蓄電池を利用する電源システムがある。この電源システムは、非常用電源システムやバックアップ電源システム等と呼ばれる。この電源システムは、商用電力系統に接続されている充電用電源と負荷である機器との間に蓄電池が電気的に接続されている。この電源システムは、通常時には、商用電力系統からの交流電力に基づいて負荷である機器を稼動させる一方で、充電用電源から蓄電池に充電しておき、停電時には、蓄電池から負荷である機器へ放電により電力を供給する。

蓄電池を充電する方式として、フロート充電方式やトリクル充電方式が挙げられる。フロート充電方式は、充電用電源である充電器と負荷に対して蓄電池が並列に電気的に接続されたシステムにおいて、蓄電池に一定電圧で充電を行う方式である。この充電用電源は、負荷への電力供給と、蓄電池への充電との両方に使用される。この蓄電池には、満充電状態でも常に電圧がかかっており、蓄電池の自己放電による充電量の減少に応じて蓄電池に電流が流れて充電されるので、満充電状態が維持される。

トリクル充電方式は、充電用電源である充電器と負荷との間に蓄電池が電気的に接続されたシステムにおいて、蓄電池に微小電流で充電を行う方式である。このシステムでは、通常時には、充電用電源から、商用電力系統の交流電力に基づいて負荷である機器を稼動させる。その一方、蓄電池を負荷から電気的に切り離された状態として、充電用電源から蓄電池を微小電流で充電を行う。その際、トリクル充電方式では、蓄電池の自己放電分による満充電状態からの充電電力減少分を補うために、例えば０．００１Ｃ〜０．１Ｃ程度の微小電流で連続的に充電を行う。これにより、蓄電池の満充電状態が保持される。このシステムでは、停電時、即ち商用電力系統からの交流電力供給が途絶えた場合には、蓄電池を負荷に接続された状態として、蓄電池からの放電による電力を負荷へ供給する。これにより、停電時に負荷である機器の稼動を継続させ、システム運用継続を図る。なお、このようなトリクル充電方式、例えば鉛蓄電池に対するトリクル充電を行うトリクル充電システム等の構成については公知である。

蓄電池の充電に関する先行技術例として、特許第５５１４５９４号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１には、ニッケル水素電池のフロート充電システムとして、ニッケル水素電池に対するフロート充電を行う旨、特に、フロート充電電流値を蓄電池状態に応じて決める旨が記載されている。

特許第５５１４５９４号公報

上記蓄電池の自己放電による充電電力量の減少の結果、その蓄電池から必要な時に充分な放電電力を取り出すことができない場合がある。例えば、上記電源システムにおいて、停電時等の非常時に、蓄電池の充電電力量、ＳＯＣが低い状態である場合、蓄電池から、負荷が必要としている充分な電力を放電により供給することができない可能性がある。その可能性を低くするためには、その電源システム等において蓄電池を満充電状態に保持することが望ましい。そのためには、電源システム等において蓄電池を好適に充電して満充電状態を保持させる仕組みが必要である。その仕組みとして、電源システム等においてトリクル充電方式等を適用することが挙げられる。

従来、鉛蓄電池に対するトリクル充電を行うトリクル充電システムや、鉛蓄電池を用いた非常用電源システムは一般的である。しかしながら、そのトリクル充電システムを含んだ非常用電源システムでは、安価な鉛蓄電池を利用できるものの、鉛蓄電池の放電が低出力であり、大電流の放電は実現できない。そのため、そのシステムでは、停電時に負荷へ充分な電力を供給できない可能性がある。即ち、従来技術のトリクル充電システム及び電源システムは、蓄電池のトリクル充電及び放電出力に関して課題がある。

本発明の目的は、蓄電池を含むトリクル充電システム及び電源システム等に関して、停電時に蓄電池から従来よりも高出力及び大電流の放電が実現できる技術を提供することである。本発明の他の目的は、そのような放電機能を実現し、過充電等を防止しつつ、蓄電池の寿命をなるべく長くできること、即ち長期間、その放電機能を維持できる技術を提供することである。本発明の他の目的は、そのような放電機能を実現しつつ、従来よりも低コスト、省スペース、高い安全性で、環境にクリーンであることを実現できる技術を提供することである。

本発明のうち代表的な実施の形態は、トリクル充電システムを含んだ電源システムであるトリクル充電電源システムであって、以下に示す構成を有することを特徴とする。

一実施の形態のトリクル充電電源システムは、蓄電池としてニッケル亜鉛電池を含む蓄電池部と、商用電力系統、負荷、及び前記蓄電池部に接続される充電用電源と、を備え、通常時には、前記蓄電池部の前記蓄電池を前記負荷に接続されていない状態として、前記商用電力系統の交流電力に基づいて、前記充電用電源から直流電力によって前記蓄電池部の前記蓄電池に対するトリクル充電を行い、前記商用電力系統の交流電力が途絶えた停電時には、前記蓄電池部の前記蓄電池を前記負荷に接続された状態として、前記蓄電池部の前記蓄電池から放電による直流電力を前記負荷へ供給し、前記蓄電池は、満充電状態が１００％である場合に、９５％以上１００％以下のＳＯＣ範囲で運用され、前記トリクル充電のトリクル充電電圧は、１．８２Ｖ以上１．８６Ｖ以内の範囲内の一定電圧であり、トリクル充電電流の最大電流は１Ｃである。

本発明のうち代表的な実施の形態によれば、蓄電池を利用してトリクル充電を行う電源システム等に関して、停電時に蓄電池からなるべく高出力及び大電流の放電で負荷への電力供給が実現できる。また、本発明のうち代表的な実施の形態によれば、そのような放電機能を実現し、過充電等を防止しつつ、蓄電池の寿命をなるべく長くできること、即ち長期間、その放電機能を維持できる。また、本発明のうち代表的な実施の形態によれば、そのような放電機能を実現しつつ、なるべく低コスト、省スペース、高い安全性で、環境にクリーンであることを実現できる。

本発明の実施の形態のトリクル充電電源システムの構成を示す図である。 実施の形態のトリクル充電電源システムで、蓄電池部の構成例を示す図である。 実施の形態のトリクル充電電源システムで、試験例及び比較例における制御条件や結果をまとめた表を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

［課題等］
前述の課題等について補足説明する。トリクル充電電源システムに採用する候補となる蓄電池として、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、等の各種の蓄電池がある。各種の蓄電池には、それぞれの利点や不利点等を含む特性がある。

従来、トリクル充電やフロート充電に使用可能である蓄電池は、鉛蓄電池等にほぼ限られていた。その理由としては以下である。鉛蓄電池は、充電が進むと内部抵抗が増加する。このことから、鉛蓄電池は、満充電状態において一定電圧で充電され続けたとしても、その鉛蓄電池へ電流が殆ど流れない。トリクル充電方式の場合には前述のように微小電流しか流れない。よって、その鉛蓄電池は、過充電による電池寿命低下の影響が小さく、長期間で満充電状態を保持することができる。

鉛蓄電池は、他の蓄電池と比較して、安価、安定性に優れる、等の利点がある。鉛蓄電池は、その反面、充放電の電流が小さい、即ち低出力である、等の不利点がある。鉛蓄電池は、長時間運転の用途、例えば負荷変動量が小さい特定の負荷の非常用電源システム等には適している。鉛蓄電池は、放電電流が小さいため、大電流の放電が求められる用途には適していない。鉛蓄電池を用いて大電流の放電を実現するためには、必要容量が大きくなり、その結果、広大な設置スペースが必要になり、高コストとなる。

ニッケル水素電池は、鉛蓄電池よりも充放電の電流が大きい等の利点がある。しかし、ニッケル水素電池は、エネルギー密度が低く自己放電が大きい。また、ニッケル水素電池は、鉛電池と比べて単位容量（ｋｗｈ）当たりのコストが割高である。このため、大容量のニッケル水素電池の設置の場合、コストが多大となる。また、ニッケル水素電池は、過放電や過充電の防止も求められる。

一方、高出力の放電が可能である蓄電池として、ニッケル亜鉛電池が知られている。ニッケル亜鉛電池は、ニッケル水素電池の負極材料を亜鉛に変更したアルカリ二次電池である。ニッケル亜鉛電池は、鉛蓄電池よりも高い電流値での充放電が可能である。ニッケル亜鉛電池は、エネルギー密度が高く自己放電が小さい。ニッケル亜鉛電池は、ニッケル水素電池と比べて電池電圧が０．４Ｖ程度高いため、体積あたりのエネルギー密度が１．４倍大きい。ニッケル亜鉛電池は、ニッケル水素電池よりもコストの点で優位である。ニッケル亜鉛電池は、鉛蓄電池やニッケル水素電池と同様に、水系の電解液が用いられることから、安全性も高い。ニッケル亜鉛電池の負極の亜鉛は、環境適合性、材料コストの面も優れることから、小型、軽量、安価なシステムを構成可能である。また、ニッケル亜鉛電池は、ニッケル水素電池と同様に、過充電により正極から発生した酸素を負極で吸収できるので、密閉構造とすることにより、メンテナンスフリーにできる利点もある。

ニッケル亜鉛電池は、デンドライトによりサイクル寿命の点で遜色する等の理由から、蓄電池としての普及が遅れていた。近時では、デンドライトを抑えて高サイクル寿命のニッケル亜鉛電池の研究開発が進められている。

なお、特許文献１のようなフロート充電システムは、ニッケル水素電池を用いているので、鉛蓄電池と比べて、体積あたりのエネルギー密度が２倍も大きく、小型及び軽量なシステムを構成できる。しかし、ニッケル水素電池を用いてトリクル充電を行うシステムを構成する場合、前述のように高コストとなってしまう。

なお、ニッケル亜鉛電池等、ニッケル極を用いたアルカリ蓄電池は、トリクル充電を行う場合、充電反応と酸素発生反応とが競争して生じるため、充電効率の点で課題がある。その課題は、高温でのトリクル充電の場合には特に顕著である。ここでの高温とは、３０〜６０℃程度の常温よりも高い温度である。蓄電池は、過充電による酸素発生反応が多く生じると、電解液が減少し、内部抵抗が増加し、最終的に放電が不可能となる。

トリクル充電方式の採用については以下である。非常用電源システム等において、蓄電池が満充電状態で長期間保持される場合、蓄電池の自己放電により、蓄電池に蓄えられている電力量が減少し、ＳＯＣ値が低くなっている。そのため、長期間経過後、停電等の非常時に、その蓄電池の放電を利用する際には、定格の性能が発揮できず、利用できない場合がある。そこで、蓄電池の自己放電による電力減少分を補って蓄電池を満充電状態に保持するために、トリクル充電を行うことが好ましい。トリクル充電では、蓄電池のＳＯＣが満充電状態に近付くと、自然にトリクル充電電流が減少する。よって、トリクル充電方式では、蓄電池の過充電を防止できる効果がある。

上記課題等に基づいて、実施の形態のトリクル充電電源システムを構成している。実施の形態のトリクル充電電源システムでは、蓄電池として新たにニッケル亜鉛電池を適用し、その蓄電池に対するトリクル充電を行う。実施の形態のトリクル充電電源システムは、ニッケル亜鉛電池の好適なトリクル充電ができるように、好適なトリクル充電の制御及び制御条件等を設計した構成を有する。これにより、実施の形態のトリクル充電電源システムは、従来のシステムよりも高出力及び大電流の放電を実現し、ニッケル亜鉛電池の寿命を最大限に発揮させる。

［用語］
なお、用語として以下である。ＣＡは、蓄電池の充放電の特性を表す単位である。ＣＡにおけるＣは、蓄電池の放電率を表す単位であり、Ａは電流値を表すアンペア等の単位を示す。放電率は、電池容量に対する放電時の電流の相対的な比率である。電池容量は、放電させて放電終止までに取り出せる電気量を示し、単位はＡｈ（アンペアアワー）等である。１Ｃは、公称容量値の容量を持つ単電池を定電流放電して、１時間で放電終了となる電流値を指す。１ＣＡは、１Ｃの場合に実際に流れる電流値を示す。

［トリクル充電特性］
一般的なトリクル充電の充電特性について、より詳しくは以下である。トリクル充電の際、最初の短い期間（例えば１時間）では、定電流充電として、例えば０．２Ｃ等の一定電流値を維持するように、電圧値を例えば１Ｖ等の電圧値から徐々に上昇させるように制御される。そして、電圧値が、過充電防止のために１．８６Ｖ等の一定電圧値に達したら、その後の長い期間では、定電圧充電として、電圧値をその一定電圧値の付近の範囲内に維持するように制御される。その期間では、電流値が最初の一定電流値から減衰し、例えば０．００１Ｃ等の微小電流となり、その微小電流で充電が継続される。

トリクル充電方式では、長期間で充電が行われるので、充電電圧値による寿命への影響が大きいため、充電電圧値に注意する必要がある。また、温度による充電特性への影響があるので、蓄電池及び充電器部の温度に注意する必要がある。蓄電池の種類及び容量は、停電時、即ち放電時の時間及び負荷の消費電力等に応じて設計する必要がある。

（実施の形態１）
図１〜図３を用いて、本発明の実施の形態のトリクル充電電源システムについて説明する。

［トリクル充電電源システム］
図１は、実施の形態のトリクル充電電源システムの構成を示す。実施の形態のトリクル充電電源システムは、商用電力系統及び負荷２に接続されるシステムであり、トリクル充電システム１０、停電検出リレー部４、及びスイッチ５等を備えている。トリクル充電システム１０は、トリクル充電を行うシステムであり、充電用電源１と、蓄電池部３とを含む。負荷２は、電気的な負荷となる機器やシステム等である。

トリクル充電システム１０は、通常時にはスタンバイ状態であり、即ち停電等に準備するために充電用電源１から蓄電池３０にトリクル充電を行う状態である。

充電用電源１は、言い換えると充電器部であり、入力側が、商用電力系統の端子部６に交流電線７１を通じて接続されている。充電用電源１は、出力側が、直流電線７２を通じて負荷２と接続されている。また、充電用電源１は、直流電線７３を通じて、蓄電池部３と接続されている。

端子部６は、商用電力系統から交流電力を入力して充電用電源１へ出力している。交流電線７１には、電線７５を通じて、停電検出リレー部４が接続されている。停電検出リレー部４は、リレー回路を含み、商用電力系統の交流電力の供給状態として停電状態を検出する。停電検出リレー部４は、信号線を通じてスイッチ５と接続されており、出力する制御信号８１により、スイッチ５のオン状態とオフ状態とを切り替える。停電検出リレー部４は、通常状態、即ち非停電状態を検出している時間では、制御信号８１として、スイッチ５をオフ状態にするオフ信号を与える。停電検出リレー部４は、停電状態を検出している時間では、制御信号８１として、スイッチ５をオン状態にするオン信号を与える。

充電用電源１は、商用電力系統からの交流電力を直流電力へ変換する変換回路であるインバータ等を含んでいる。また、充電用電源１は、蓄電池部３の蓄電池３０に対するトリクル充電を行うための制御回路等を含んでいる。

充電用電源１と負荷２との間の直流電線７２には、蓄電池部３からの直流電線７４が接続されている。直流電線７２及び直流電線７３を通じて、負荷２には、充電用電源１及び蓄電池部３からの直流電力１０３が、負荷入力として入力される。

充電用電源１と蓄電池部３との間の直流電線７３では、通常時、充電用電源１から蓄電池部３の蓄電池３０へ直流電力が供給される。即ち、その直流電力の直流電流により、蓄電池部３の蓄電池３０に対する充電１０１が行われる。

直流電線７４では、停電時、蓄電池部３の蓄電池３０からの直流電力が出力される。即ち、その直流電力の直流電流により、蓄電池３０からの放電１０２が行われる。放電１０２の電力は、直流電線７４を通じて、負荷２へ直流電力１０３として供給される。

直流電線７４の途中にはスイッチ５が設けられている。スイッチ５は、制御端子に入力される制御信号８１に基づいて、オン状態とオフ状態とが切り替えられる。通常時、スイッチ５がオフ状態の時間では、直流電線７４が直流電線７２に接続されていない開状態となるので、蓄電池３０からの放電１０２が行われない。停電時、スイッチ５がオン状態の時間では、直流電線７４が直流電線７２に接続された閉状態となるので、蓄電池３０からの放電１０２が行われる。

蓄電池部３は、蓄電池３０を含む。蓄電池３０は、ニッケル亜鉛電池により構成される。蓄電池部３は、通常時には充電用電源１からのトリクル充電である充電１０１を受け、停電時には負荷２へ放電１０２を行う。

トリクル充電電源システムは、通常時には、蓄電池３０を負荷２である機器から切り離した状態、即ちスイッチ５をオフ状態とする。そして、充電用電源１から蓄電池部３の蓄電池３０を、トリクル充電電流として微小電流、例えば０．００１〜０．１Ｃで充電１０１を行う。このトリクル充電により、蓄電池３０を満充電状態に保持させる。トリクル充電電源システムは、商用電力系統からの電力供給が途絶えた停電時には、停電検出リレー部４により停電を検出してスイッチ５をオン状態として、蓄電池３０を負荷２に接続された状態とする。そして、蓄電池部３の蓄電池３０から放電１０２を行い、その電力を直流電力１０３として負荷２へ供給する。これにより、蓄電池３０から充分な放電電力量による直流電力１０３の供給を実現し、停電時に負荷２である機器の稼動を継続させる。

これにより、実施の形態のトリクル充電電源システムは、従来の鉛蓄電池を用いたトリクル充電電源システム等に比べて、高出力及び大電流の放電を実現する。また、実施の形態のトリクル充電電源システムは、トリクル充電方式により、蓄電池３０の過充電を防止し、蓄電池３０の寿命を最大限に発揮させる。また、実施の形態のトリクル充電電源システムは、従来のニッケル水素電池等を用いたシステムに比べて、安価なシステムを実現する。また、実施の形態のトリクル充電電源システムは、従来のニッケル水素電池等を用いたシステムに比べて、安全性が高く、環境にクリーンなシステムを実現する。

［蓄電池部］
図２は、実施の形態における蓄電池部３の構成を示す。蓄電池部３は、複数の蓄電池３０であるニッケル亜鉛電池の直列接続の構成を有する。蓄電池部３は、複数の単電池が直列に接続されており、これにより組電池が構成されている。蓄電池部３は、複数の蓄電池３０に対して、蓄電池制御部３１を通じて、直流電線７３及び直流電線７４が接続されている。蓄電池３０の組電池の最上位電位側には正極端子が設けられており、直流電線７３及び直流電線７４に対して電気的に接続されている。組電池の最下位電位側には負極端子が設けられており、グランドに接続されている。

蓄電池制御部３１は、複数の蓄電池３０の電流や電圧等の状態を調整、制御する。

また、複数の蓄電池３０に対して、蓄電池制御部３１を通じて、蓄電池状態検出部３２が接続されている。蓄電池状態検出部３２は、複数の蓄電池３０の電流、電圧、及び温度等の状態を計測、検出する。また、蓄電池状態検出部３２は、複数の蓄電池３０の電流、電圧、及び温度等の状態に基づいて、蓄電池部３の蓄電池３０のＳＯＣ値を計算により検出してもよい。トリクル充電システム１０は、蓄電池部３の蓄電池状態検出部３２の検出値を用いて、蓄電池３０の正常／異常等を判定してもよい。トリクル充電システム１０は、その検出値のＳＯＣ値を用いて、蓄電池３０の満充電状態等を判断して、その状態に応じた制御を実行してもよい。その制御の例は、ＳＯＣ値に応じて充電１０１や放電１０２を停止させる制御等が挙げられる。

［蓄電池部の変形例］
なお、変形例として、蓄電池部３は、複数の蓄電池３０の直列接続の構成に限らず、複数の蓄電池３０の並列接続の構成としてもよい。また、蓄電池部３は、直列接続及び並列接続の両方の構成、即ち、複数の組電池が並列に接続された構成としてもよい。いずれの形態も可能であり、必要な蓄電池容量等の設計に応じて選択すればよい。

［ニッケル亜鉛電池］
蓄電池３０として用いるニッケル亜鉛電池の詳細構成例については以下である。ニッケル亜鉛電池は、正極または負極の一方の極にニッケル（Ｎｉ）を有し、正極または負極の他方の極に亜鉛（Ｚｎ）を有し、アルカリ水溶液から成る電解液を有する。

ニッケル極は、構成要素及び製造方法としては、水酸化ニッケル粒子を主成分とする活物質に対して、添加剤、結着剤等を含む。水酸化ニッケル粒子は、コバルト、亜鉛、カドミウム等が固溶されていてもよく、あるいは、コバルト化合物で表面が被覆されていてもよい。添加剤は、酸化コバルトの他に、金属コバルト、水酸化コバルト等のコバルト化合物、金属亜鉛、酸化亜鉛、水酸化亜鉛等の亜鉛化合物等の希土類化合物、等を用いることができる。結着剤は、親水性または疎水性のポリマー等を用いることができる。より具体的には、結着剤は、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリアクリル酸ナトリウム（ＳＰＡ）から選択される１種以上を使用することができる。結着剤は、例えば正極活物質粒子１００質量部に対して、０．０１質量部以上０．５質量部以下となることが好ましい。

亜鉛極は、構成要素及び製造方法としては、少なくとも、酸化亜鉛、亜鉛、ポリテトラフロロエチレン、等を含む。アルカリ水溶液は、例えば水酸化カリウム水溶液が挙げられる。正極と負極とのセパレータとしては、親水性微多孔膜が用いられる。

ニッケル亜鉛電池は、単電池において、例えば公称電圧が１．６５Ｖ、満充電電圧が１．９Ｖである。

なお、ニッケル亜鉛電池の充放電のサイクル寿命を延ばすためには、例えば、負極の形態変化、凝集、デンドライトの抑制、負極の導電性の向上、等が必要である。そのための有効な対策手段としては、例えば以下が挙げられる。即ち、負極活物質として、カルシウム、水酸化物、フッ化物、リン酸を添加すること。電解液に、リン酸、フッ化物、炭酸塩を添加すること。セパレータに、ポリオレフィン微多孔膜を使用すること。負極活物質として、ビスマス、鉛、カーボン等を添加すること。

［トリクル充電電圧及びトリクル充電電流］
図２中には、蓄電池３０に対するトリクル充電の際のトリクル充電電圧Ｖ１、トリクル充電電流Ｉ１を示す。なお、実施の形態では、定義として、トリクル充電電圧とは、蓄電池３０であるニッケル亜鉛電池の１個あたり、即ち単電池あたりの電圧を指す。

トリクル充電電圧Ｖ１は、蓄電池３０の過充電を防止できるように適切な値に設定される。実施の形態では、トリクル充電の特性及び制御条件として、トリクル充電電圧Ｖ１について、１．８２Ｖ以上１．８６Ｖ以下の範囲内にある一定電圧値に設定される（後述の試験例１〜試験例５を参照）。このトリクル充電電圧Ｖ１は、電池寿命及び性能の観点から、より好ましい範囲としては、１．８４Ｖ〜１．８６Ｖの範囲内にある一定電圧値とする（後述の試験例３〜試験例５を参照）。このトリクル充電電圧Ｖ１は、更に、その範囲内から好ましい値としては、１．８５Ｖとする（後述の試験例４を参照）。

なお、変形例として、トリクル充電システム１０内に、電流制限回路等を設け、トリクル充電電流Ｉ１に関して、所定の上限値で制限するようにしてもよい。これにより、過大電流による蓄電池３０の寿命短縮を防止する。

実施の形態では、トリクル充電電流Ｉ１の電流値としては、好ましい条件として、１Ｃ以下とする。なお、ここでの１Ｃとは、公称容量値の容量を持つニッケル亜鉛電池の単電池を、定電流放電して１時間で放電終了となる電流値である。トリクル充電電流Ｉ１の電流値は、より好ましくは、０．５Ｃとし、更に好ましくは、０．２Ｃとする。

［ＳＯＣ管理］
ニッケル亜鉛電池のトリクル充電を行う際、電池寿命及び性能の観点からは、ＳＯＣの範囲として、満充電状態を１００％として、８０％以上１００％以下の範囲が好ましい。実施の形態のトリクル充電電源システムでは、蓄電池３０であるニッケル亜鉛電池のＳＯＣの管理としては、ＳＯＣの範囲として９５％以上１００％以下とする。即ち、そのＳＯＣの範囲は、上限を満充電状態である１００％とし、下限をそれに近い状態である９５％とする。トリクル充電システム１０は、通常時、蓄電池３０のＳＯＣ値がそのＳＯＣ範囲内に収まるように制御する。

なお、変形例としては、上記ＳＯＣ範囲以外の範囲（例えば８０％〜９５％の範囲）で管理するようにしてもよい。

［トリクル充電の制御及び制御条件−実施例］
トリクル充電システム１０における充電用電源１から蓄電池部３に対するトリクル充電の制御及びその制御条件については以下である。実施の形態のトリクル充電電源システムは、トリクル充電の制御に関する、以下に示すトリクル充電試験の実施例に基づいて、設計されている。

図３は、実施の形態のトリクル充電電源システムで、試験例及び比較例における制御条件や結果をまとめた表を示す。トリクル充電試験として、試験例１〜５を示す。また、試験例１〜５に対して、比較例１，２を示す。実施の形態では、試験例１〜５に基づいて実施例１〜５を構成した。

表では、列として、順に、試験例及び比較例の識別名称、試験温度［℃］、トリクル充電電圧［Ｖ］、初期容量［％］、３回目容量維持率［％］、６回目容量維持率［％］、結果を示す。「初期容量」等は蓄電池のＳＯＣ値で表される。「３回目容量維持率」は、例えば３回目のトリクル充電のサイクル後である約半年後に蓄電池の容量が初期容量から維持されている率を表す。「６回目容量維持率」は、例えば６回目のトリクル充電のサイクル後である約１年後における同様の率を表す。「結果」列の値は、各トリクル充電特性の試験例及び比較例の評価値であり、特に「６回目容量維持率」の値についての評価値である。この結果値は、二重丸（◎）は、その値として７０％以上であったことを示す。同様に、丸（○）は６０％以上で７０％未満を示し、三角（△）は５０％以上で６０％未満を示し、バツ（×）は５０％未満を示す。

試験例では、蓄電池として、８Ａｈ−１．６５Ｖ（公称電圧値）のニッケル亜鉛電池を用いた。そのニッケル亜鉛電池における正極は水酸化ニッケル、負極は酸化亜鉛を用いた。負極と正極の容量比（Ｎ／Ｐ）は２．５とした。正極と負極とのセパレータとしては、親水化処理ポリプロピレン不織布とＰＰ／ＰＥを用いた。電解液としては、ＫＯＨ（５Ｍ）を用いた。

試験例で構成した蓄電池は、室温２５℃において化成処理を行った。化成条件としては、充電電流として１Ｃで１．５時間ほど充電した後に、１Ｃ及びカットオフ電圧として１．９Ｖの条件で放電する操作を施した。この操作の後、ミリオームメータにおいて蓄電池の内部抵抗を測定した結果は０．００１６Ω（１．６ｍΩ）であった。次に、このようにして得たニッケル亜鉛電池を、充電電流として１Ｃ、充電電圧として１．９０Ｖ、カットオフ電流として０．０５Ｃとなるまで、定電圧充電を行った。これによって、ニッケル亜鉛電池を、満充電状態、即ちＳＯＣ値として１００％にした。

各試験例及び比較例では、初期容量として上記満充電状態としたニッケル亜鉛電池のそれぞれを、充放電試験装置を用いて、複数回のサイクルのトリクル充電を行う試験を行った。いずれも、試験温度は、４５℃とし高温とした。また、いずれも、６０日間を１サイクルとした定電圧充電、即ち設定されたトリクル充電電圧の付近の範囲内の一定電圧値に保持されるようにしてその期間でトリクル充電を行った。また、いずれも、定電流放電として、放電電流値を０．２５Ｃとし、カットオフ電圧を１．１Ｖとした条件で、６回のサイクル、即ち約１年間、実施した。

［実施例１（試験例１）］
試験例１である実施例１では、表に示すように、上記ニッケル亜鉛電池について、トリクル充電電圧を１．８２Ｖとし、トリクル充電電流の最大電流を０．２Ｃと設定した。トリクル充電電圧を１．８２Ｖとしたまま、１サイクルの定電圧充電を行った。上記条件で定電流放電のサイクルを６回実施した。

［実施例２（試験例２）］
試験例２である実施例２では、上記ニッケル亜鉛電池について、トリクル充電電圧を１．８３Ｖとし、トリクル充電電流の最大電流を０．２Ｃと設定した。トリクル充電電圧として１．８３Ｖのまま、１サイクルの定電圧充電を行った。上記条件で定電流放電のサイクルを６回実施した。

［実施例３（試験例３）］
試験例３である実施例３では、上記ニッケル亜鉛電池について、トリクル充電電圧を１．８４Ｖとし、トリクル充電電流の最大電流を０．２Ｃと設定した。トリクル充電電圧として１．８４Ｖのまま、１サイクルの定電圧充電を行った。上記条件で定電流放電のサイクルを６回実施した。

［実施例４（試験例４）］
試験例４である実施例４では、上記ニッケル亜鉛電池について、トリクル充電電圧を１．８５Ｖとし、トリクル充電電流の最大電流を０．２Ｃと設定した。トリクル充電電圧として１．８５Ｖのまま、１サイクルの定電圧充電を行った。上記条件で定電流放電のサイクルを６回実施した。

［実施例５（試験例５）］
試験例５である実施例５では、上記ニッケル亜鉛電池について、トリクル充電電圧を１．８６Ｖとし、トリクル充電電流の最大電流を０．２Ｃと設定した。トリクル充電電圧として１．８６Ｖのまま、１サイクルの定電圧充電を行った。上記条件で定電流放電のサイクルを６回実施した。

［比較例１］
比較例１は、上記ニッケル亜鉛電池について、トリクル充電電圧を１．８１Ｖとし、トリクル充電電流の最大電流を０．２Ｃと設定した。トリクル充電電圧として１．８１Ｖのまま、１サイクルの定電圧充電を行った。上記条件で定電流放電のサイクルを６回実施した。

［比較例２］
比較例２は、上記ニッケル亜鉛電池について、トリクル充電電圧を１．８７Ｖとし、トリクル充電電流の最大電流を０．２Ｃと設定した。トリクル充電電圧として１．８７Ｖのまま、１サイクルの定電圧充電を行った。

［結果（トリクル充電特性の評価）］
上記試験例及び比較例のトリクル充電特性の評価の結果は、図３の表の「結果」列に示す通りである。「６回目容量維持率」等の値は、各サイクルで定電圧充電後に上記条件（０．２５Ｃ）で定電流放電した後の蓄電池の容量である放電容量の値に相当する。特に、トリクル充電の試験を行う前の放電容量を初期容量として１００％とし、３回目、６回目の放電容量の値を示している。

試験例１では、４５℃で約１年間の定電圧充電を行ったが、放電容量は、５０％以上が維持された。６回目容量維持率は５１％であった。このニッケル亜鉛電池のトリクル充電の試験において、１．８２Ｖの充電電圧（＝トリクル充電電圧）に制御することで、電流値は小さい値である０．０１００Ｃ程度の電流で充電されていた。これによって、ニッケル亜鉛電池が過充電や充電不足になることなく、容量を維持できることが明らかとなった。

試験例２では、同様に約１年間の定電圧充電を行ったが、放電容量は、５０％以上が維持された。６回目容量維持率は５８％であった。１．８３Ｖの充電電圧に制御することで、電流値は小さい値である０．０１２５Ｃ程度の電流で充電されていた。これによって、同様に、ニッケル亜鉛電池の容量を維持できることが明らかとなった。

試験例３では、同様に約１年間の定電圧充電を行ったが、放電容量は、６０％以上が維持された。６回目容量維持率は６８％であった。１．８４Ｖの充電電圧に制御することで、電流値は小さい値である０．０１４０Ｃ程度の電流で充電されていた。これによって、同様に、ニッケル亜鉛電池の容量を維持できることが明らかとなった。

試験例４では、同様に約１年間の定電圧充電を行ったが、放電容量は、７０％以上が維持された。６回目容量維持率は７２％であった。この試験において、１．８５Ｖの充電電圧に制御することで、電流値は小さい値である０．０１６５Ｃ程度の電流で充電されていた。これによって、同様に、ニッケル亜鉛電池の容量を維持できることが明らかとなった。

試験例５では、同様に約１年間の定電圧充電を行ったが、放電容量は、６０％以上が維持された。６回目容量維持率は６５％であった。この試験において、１．８６Ｖの充電電圧に制御することで、電流値は小さい値である０．０１７８Ｃ程度の電流で充電されていた。これによって、同様に、ニッケル亜鉛電池の容量を維持できることが明らかとなった。

比較例１では、同様に約１年間の定電圧充電を行ったが、放電容量は、５０％以下となった。６回目容量維持率は３８％であった。この試験において、１．８１Ｖの充電電圧に制御することで、電流値は小さい値である０．００９０Ｃ程度の電流で充電されていた。しかし、充電不足により、ニッケル亜鉛電池の容量が維持できないことが明らかとなった。

比較例２では、同様に約１年間の定電圧充電を行ったが、約１年経過後の蓄電池の電圧が０．３Ｖ付近まで低下したことから、放電容量の測定ができなかった。１．８７Ｖの充電電圧に制御することで、電流値は大きな電流である０．０５１Ｃ程度の電流が流れ続けたため、過充電により蓄電池の容量が維持できないことが明らかとなった。

仮に公称容量の５０％を電池寿命と定義する。その場合、比較例１では、電池寿命が９ヶ月になる。比較例２では、電池寿命は、放電容量が測定可能であった８ヶ月になる。

試験例の電池寿命を単純計算によって見積もると以下である。即ち、試験例１では１年である。試験例２では、１年と２ヶ月である。試験例３では、１年と７ヶ月である。試験例４では、１年と１０ヶ月である。試験例５では、１年と６ヶ月である。試験例１〜５は、それぞれの電池寿命の期間でのトリクル充電が可能である。

また、今回の試験は、４５℃という高温でのトリクル寿命試験とした。仮に温度１０℃分による蓄電池劣化の速度が２倍となると定義する場合、室温２５℃での電池寿命は以下のように見積もることができる。即ち、試験例１では、４年である。試験例２では、４年と８ヶ月である。試験例３では、６年と４ヶ月である。試験例４では、７年と４ヶ月である。試験例５では、６年である。試験例１〜５は、それぞれの電池寿命の期間でのトリクル充電が可能である。

表に示すように、試験例４では、６回目、約１年での容量維持率が７０％以上である７２％となったので、結果の値を二重丸（◎）とし、最も好適であると評価した。試験例４は最も好適な実施の形態として採用される。試験例３及び試験例５では、６回目容量維持率が６０％以上７０％未満となったので、結果の値を丸（○）とし、好適であると評価した。試験例３及び試験例５は、好適な実施の形態として採用される。試験例１及び試験例２では、６回目容量維持率が５０％以上６０％未満となったので、結果の値を三角（△）とし、可能と評価した。試験例１及び試験例２は、試験例３，４，５に比べると効果が低いものの、充分な効果があるので、実施の形態として採用される。

比較例１及び比較例２では、６回目容量維持率が５０％未満（特に４０％未満）または測定不能となったので、結果の値をバツ（×）とし、不適と評価とした。比較例１及び比較例２は、効果が低いので、実施の形態として採用しない。

本発明者の検討により、上記試験の結果、試験例１〜５に対応する実施例１〜５から、実施の形態のトリクル充電電源システムにおけるトリクル充電電圧Ｖ１の範囲として、１．８２Ｖ〜１．８６Ｖを得た。比較例のように、このトリクル充電電圧Ｖ１の範囲外では、６回目容量維持率が特に４０％未満または測定不能となったが、この範囲内では、５０％以上、特に実施例４では７０％以上となった。即ち、このトリクル充電電圧Ｖ１の範囲内では、範囲外に比べて、顕著に優れた効果、及びより好ましい効果が得られた。即ち、この実施例１〜５の範囲内のトリクル充電電圧Ｖ１に設定した実施の形態のトリクル充電電源システムは、長期間のトリクル充電及び放電を行った後の蓄電池３０の容量維持率が充分に高く、電池寿命が長いという効果が得られる。

［効果等］
上記のように、実施の形態のトリクル充電電源システムによれば、従来の鉛蓄電池等を用いた電源システムよりも、停電時に蓄電池から高出力及び大電流の放電によって負荷への電力供給が可能である放電機能を実現できる。また、実施の形態によれば、そのような放電機能を実現し、蓄電池の過充電等を防止しつつ、蓄電池の寿命をなるべく長くでき、即ち長期間、その放電機能を維持できる。また、実施の形態によれば、そのような放電機能を実現しつつ、従来よりも低コスト、省スペース、高い安全性で、環境にクリーンであることを実現できる。

実施の形態のトリクル充電電源システムは、特に、非常用電源システムに、ニッケル亜鉛電池のトリクル充電システムを組み合わせて適用したシステムである。実施の形態によれば、停電時に蓄電池から負荷である機器への充分な放電電力供給を実現できる、好適な非常用電源システムを提供できる。なお、実施の形態のトリクル充電電源システムは、非常用電源システムに適用することが好ましいが、他の用途にも適用可能である。実施の形態のトリクル充電電源システムは、ハイブリッドシステムや無停電電源装置（ＵＰＳ）等の地上蓄電設備等に適用可能である。

以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１…充電用電源、２…負荷、３…蓄電池部、４…停電検出リレー部、５…スイッチ、６…端子部、３０…蓄電池、７１…交流電線、７２，７３，７４…直流電線、８１…制御信号。

Claims (1)

1. 蓄電池としてニッケル亜鉛電池を含む蓄電池部と、
   商用電力系統、負荷、及び前記蓄電池部に接続される充電用電源と、
   を備え、
   前記ニッケル亜鉛電池は、水酸化ニッケルを正極活物質とする正極と、酸化亜鉛を負極活物質とする負極と、水酸化カリウム水溶液から成る電解液と、を有し、
   通常時には、前記蓄電池部の前記蓄電池を前記負荷に接続されていない状態として、前記商用電力系統の交流電力に基づいて、前記充電用電源から直流電力によって前記蓄電池部の前記蓄電池に対するトリクル充電を行い、
   前記商用電力系統の交流電力が途絶えた停電時には、前記蓄電池部の前記蓄電池を前記負荷に接続された状態として、前記蓄電池部の前記蓄電池から放電による直流電力を前記負荷へ供給し、
   前記蓄電池は、満充電状態が１００％である場合に、９５％以上１００％以下のＳＯＣ範囲で運用され、
   前記トリクル充電のトリクル充電電圧は、１．８２Ｖ以上１．８６Ｖ以内の範囲内の一定電圧であり、トリクル充電電流は０．２Ｃである、
   トリクル充電電源システム。

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