JP6965770B2 - 鉛蓄電池の制御装置、鉛蓄電池装置、無停電電源装置、電源システム、及び充電制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉛蓄電池の制御装置、鉛蓄電池装置、無停電電源装置、電源システム、及び充電制御方法に関する。

開回路電圧より高い電圧で鉛蓄電池の均等充電を行う技術（例えば、特許文献１を参照）が知られている。また、鉛蓄電池に対して定電流充電や多段充電制御を行うことが知られている（例えば、特許文献２、３を参照）。
特許文献１ 特開平８−１７４７３号公報
特許文献２ 特開２００２−１３４１７５号公報
特許文献３ 特開２００３−２２９１８０号公報

鉛蓄電池の電池セル間の充電状態のばらつきを解消するために鉛蓄電池を高い充電電圧で充電すると、十分に充電されている電池セルが過充電となり、過充電劣化を引き起こす場合がある。

本発明の第１の態様においては、制御装置が提供される。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。充電制御部は、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、鉛蓄電池の充電電圧が高電圧より高い切換電圧に達するまでの間、第１の充電電流で鉛蓄電池を充電してよい。充放電制御部は、充電電圧が切換電圧に達した場合に、鉛蓄電池の充電電流を第１の充電電流より小さい第２の充電電流に切り換えて、鉛蓄電池の充電電圧が高電圧より高い切換電圧に達するまで鉛蓄電池を充電してよい。

第１の充電電流及び第２の充電電流は定電流であってよい。

充電制御部は、充電電圧が切換電圧に到達する毎に、鉛蓄電池の充電電流が順次小さくなるように、鉛蓄電池の充電電流を２回以上切り換えてよい。

充電制御部は、第１の切換電圧に達するまでの間、第１の充電電流で鉛蓄電池を充電し、第１の充電電流より小さい充電電流で鉛蓄電池を充電する場合に、切換電圧を第１の切換電圧より低く設定してよい。

充電制御部は、低電圧充電を行う期間に検出された複数の電池セルのセル電圧に基づいて、セル電圧のばらつきが予め定められた値より大きいと判断した場合に、高電圧充電を行う期間において、第１の充電電流による充電と第２の充電電流による充電とを行ってよい。

充電制御部は、第１の充電電流による充電及び第２の充電電流による充電を行った後、低電圧充電と高電圧充電とを繰り返すことによって鉛蓄電池を充電してよい。

充電制御部は、第１の充電電流による充電及び第２の充電電流による充電が行われた後、充電電圧を高電圧に設定して鉛蓄電池を予め定められた時間充電してよい。制御装置は、充電電圧を高電圧に設定して予め定められた時間が経過した場合に測定された鉛蓄電池の内部抵抗に基づいて鉛蓄電池の劣化を判定する判定部をさらに備えてよい。

第２の態様においては、鉛蓄電池装置が提供される。鉛蓄電池装置は、上記の制御装置を備える。鉛蓄電池装置は、上記の鉛蓄電池を備えてよい。

第３の態様においては、無停電電源装置が提供される。無停電電源装置は、上記の鉛蓄電池装置を備える。

第４の態様においては、電源システムが提供される。電源システムは、上記の鉛蓄電池装置を備える。

第５の態様においては、鉛蓄電池の充電制御方法が提供される。充電制御方法は、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すことによって鉛蓄電池を充電する段階を備えてよい。充電制御方法は、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、鉛蓄電池の充電電圧が高電圧より高い切換電圧に達するまでの間、第１の充電電流で鉛蓄電池を充電する段階を備えてよい。充電制御方法は、鉛蓄電池の端子電圧が切換電圧に達した場合に、鉛蓄電池の充電電圧が高電圧より高い切換電圧に達するまでの間、第１の充電電流より小さい第２の充電電流で鉛蓄電池を充電する段階を備えてよい。

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。

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。 鉛蓄電池４０に印加する充電電圧のタイミングチャートを模式的に示す。 均等化充電を行う場合の充電電圧及び充電電流の波形を模式的に示す。 均等化充電を行った後に鉛蓄電池４０の内部抵抗を測定する場合の電圧波形を模式的に示す。 制御装置３０による鉛蓄電池４０による充電に関する制御方法を示すフローチャートである。

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、燃料電池装置等の発電装置において用いられてよい。実施形態において、二次電池は鉛蓄電池を用いてよい。

蓄電システム２０は、コンバータ２２と、インバータ２４と、鉛蓄電池装置１００とを有する。鉛蓄電池装置１００は、制御装置３０と、鉛蓄電池４０と、充放電装置５０と有する。制御装置３０は、充放電制御部３２と、検出部３４と、取得部３６と、判定部３８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、鉛蓄電池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の他端は鉛蓄電池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、鉛蓄電池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、鉛蓄電池４０の充電用の直流電流に変換して、鉛蓄電池４０側に出力する充電回路を有する。鉛蓄電池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、鉛蓄電池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、鉛蓄電池４０の充放電を制御する。制御装置３０は、鉛蓄電池４０の充電制御装置として機能する。また、制御装置３０は、鉛蓄電池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からの電力で鉛蓄電池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、鉛蓄電池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、停電等の入力電源異常時には、鉛蓄電池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、内燃力発電機等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、鉛蓄電池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等には、鉛蓄電池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、鉛蓄電池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。

鉛蓄電池４０は、直列接続された電池セル４２Ａ、電池セル４２Ｂ、電池セル４２Ｃ、電池セル４２Ｄ、電池セル４２Ｅ、及び電池セル４２Ｆを含む、複数の電池セルを有する。鉛蓄電池４０が有する複数の電池セルを電池セル４２と総称する場合がある。

電池セル４２はそれぞれ、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とを有する。鉛蓄電池４０は、直列接続された６つの電池セル４２を有するユニットである。鉛蓄電池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。なお、鉛蓄電池装置１００は、複数の鉛蓄電池４０を有してよい。鉛蓄電池装置１００は、直列接続された２つ以上の鉛蓄電池４０を有してよい。鉛蓄電池装置１００は、並列接続された２つ以上の鉛蓄電池４０を有してよい。

制御装置３０は、充放電装置５０を制御することにより、鉛蓄電池４０を間欠充電する。制御装置３０において、充放電制御部３２は、鉛蓄電池４０の充放電を制御する主体となる。充放電制御部３２は、鉛蓄電池４０の充電制御部として機能する。充放電制御部３２は、鉛蓄電池４０の放電制御部として機能する。具体的には、充放電制御部３２は、パルス状の高電圧を鉛蓄電池４０に印加する高電圧充電と、高電圧より低い低電圧を鉛蓄電池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鉛蓄電池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）ＰｂＳＯ_４＋２Ｈ_２Ｏ → ＰｂＯ_２＋４Ｈ^＋＋ＳＯ_４ ^２−＋２ｅ⁻
（負極反応）ＰｂＳＯ_４＋２ｅ⁻ → Ｐｂ＋ＳＯ_４ ^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）ＰｂＯ_２＋４Ｈ^＋＋ＳＯ_４ ^２−＋２ｅ⁻ → ＰｂＳＯ_４＋２Ｈ_２Ｏ
（負極反応）Ｐｂ＋ＳＯ_４ ^２− → ＰｂＳＯ_４＋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。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。

電解液は、蒸発及び透湿等によって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。また、鉛蓄電池の過充電等による水の電解反応によっても、電解液中の水が失われる場合がある。電解液中の水が失われることで、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３２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鉛蓄電池４０を充電する。低電圧充電期間が存在することで、電解液中の水が電解反応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、鉛蓄電池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。

鉛蓄電池４０が有する電池セル４２には、個体差等により、充電特性や自己放電特性に違いがある。電池セル４２は直列接続されているため、鉛蓄電池４０の充電時には、直列接続された電池セル４２の全体に電圧が印加される。そのため、鉛蓄電池４０の一部の電池セル４２が充電不足となる場合がある。したがって、鉛蓄電池４０の運転期間が長くなると、鉛蓄電池４０の一部の電池セル４２が充電不足の状態にある期間が長くなる場合がある。一部の電池セル４２が充電不足の状態が続くと、当該電池セル電池セル４２のサルフェーション劣化が進行する。そのため、一部の電池セル４２のサルフェーション劣化が進行する前に、電池セル４２の充電状態を均等化することが望まれる。電池セル４２のセル電圧は、電池セル４２の充電状態や劣化状態等、電池セル４２の内部状態を表す指標の一つである。したがって、電池セル４２のセル電圧にばらつきがある場合、電池セル４２の内部状態にばらつきがあると判断することができる。

電池セル４２のセル電圧にばらつきに関する制御について説明する。取得部３６は、電池セル４２のそれぞれのセル電圧を検出する。セル電圧とは、電池セル４２がそれぞれ有する一対の正極−負極間の電圧である。取得部３６は、低電圧充電中の電池セル４２のそれぞれのセル電圧を取得する。

検出部３４は、取得部３６により取得されたセル電圧に基づいて、電池セル４２のばらつきを検出する。例えば、検出部３４は、電池セル４２のうちのいずれかの電池セル４２のセル電圧と複数の電池セル４２のセル電圧の平均値との差の絶対値が予め定められた閾値を超える場合に、セル電圧にばらつきがあると判断してよい。例えば、予め定められた閾値は、１つの電池セルあたり２０ｍＶであってよい。また、検出部３４は、電池セル４２のそれぞれのセル電圧の最大値と最小値との差が予め定められた値を超える場合に、セル電圧にばらつきがあると判断してよい。

上述したように、充放電制御部３２は、パルス状の高電圧を鉛蓄電池４０に印加する高電圧充電と、高電圧より低い低電圧を鉛蓄電池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鉛蓄電池４０を充電する。ここで、充放電制御部３２は、鉛蓄電池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、鉛蓄電池４０の充電電圧が高電圧より高い切換電圧に達するまでの間、第１の充電電流で鉛蓄電池４０を充電し、充電電圧が切換電圧に達した場合に、鉛蓄電池４０の充電電流を第１の充電電流より小さい第２の充電電流に切り換えて、鉛蓄電池４０の充電電圧が高電圧より高い切換電圧に達するまで鉛蓄電池４０を充電する。

なお、本実施形態の説明において、第１の充電電流及び第２の充電電流を含む複数の充電電流で鉛蓄電池４０を段階的に充電する方式のことを、多段電流充電と呼ぶ場合がある。充放電制御部３２の制御によれば、高電圧より高い電圧を切換電圧に設定した多段電流充電を行うことで、充電不足の電池セルを十分に充電しつつ、多段電流充電を行う期間の平均充電電圧を下げることができる。そのため、十分充電されている電池セルが過充電となることを抑制することができる。

第１の充電電流及び第２の充電電流は定電流であってよい。

充放電制御部３２は、充電電圧が切換電圧に到達する毎に、鉛蓄電池４０の充電電流が順次小さくなるように、鉛蓄電池４０の充電電流を２回以上切り換えてよい。このように、３段階以上の電流値による多段電流充電を行ってよい。

充放電制御部３２は、第１の切換電圧に達するまでの間、第１の充電電流で鉛蓄電池４０を充電し、第１の充電電流より小さい充電電流で鉛蓄電池４０を充電する場合に、切換電圧を第１の切換電圧より低く設定する。例えば、第１の充電電流の充電を終了した後に行われる少なくともいずれかの定電流充電の充電電流を、第１の充電電流より小さい値に設定してよい。

充放電制御部３２は、低電圧充電を行う期間に検出された複数の電池セルのセル電圧に基づいて、セル電圧のばらつきが予め定められた値より大きいと判断した場合に、高電圧充電を行う期間において、第１の充電電流による充電と第２の充電電流による充電とを行ってよい。充放電制御部３２は、第１の充電電流による充電及び第２の充電電流による充電を行った後、低電圧充電と高電圧充電とを繰り返すことによって鉛蓄電池４０を充電してよい。このように、充放電制御部３２は、間欠充電を行っている場合に、セル電圧のばらつきが検出されると、高電圧充電を行うタイミングにおいて、高電圧充電に代えて多段電流充電を行った後、低電圧充電に移行してよい。

充放電制御部３２は、第１の充電電流による充電及び第２の充電電流による充電が行われた後、充電電圧を高電圧に設定して鉛蓄電池４０を予め定められた時間充電する。判定部３８は、充電電圧を高電圧に設定して予め定められた時間が経過した場合に測定された鉛蓄電池４０の内部抵抗に基づいて、鉛蓄電池４０の劣化を判定する。多段電流充電によって電池セル４２のセル電圧を均等化した後に鉛蓄電池４０の内部抵抗を測定するので、より高い精度で鉛蓄電池４０の劣化を判定することができる。

図２は、鉛蓄電池４０に印加する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鉛蓄電池４０の端子間に印加する電圧を示す。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３２は、間欠充電によって鉛蓄電池４０を充電する。

Ｔ_Ｈは、鉛蓄電池４０の端子間に高電圧Ｖ_Ｈを印加する高電圧充電期間の時間長さを示す。Ｔ_Ｌは、鉛蓄電池４０の端子間に低電圧Ｖ_Ｌを印加する高電圧充電期間の時間長さを示す。Ｖ_Ｈは、高電圧の電圧値の規定値を示す。Ｖ_Ｈは、高電圧充電を行う期間における最大電圧値を示してよい。Ｖ_Ｌは、低電圧の電圧値の規定値を示す。Ｖ_Ｌは、低電圧充電を行う期間における最小電圧値を示してよい。

横軸において、ｔｓ１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つを示す。ｔｅ１は、ｔｓ１から始まる高電圧の印加を終了して、低電圧の印加を開始する時刻を示す。よって、Ｔ_Ｈ＝ｔｅ１−ｔｓ１である。充放電制御部３２は、ｔｓ１において、鉛蓄電池４０に印加する電圧を低電圧から高電圧に切り替え、ｔｅ１において、鉛蓄電池４０に印加する電圧を高電圧から低電圧に切り替える。ｔｓ２は、低電圧の印加を終了して、高電圧の印加を開始する時刻を示す。充放電制御部３２は、ｔｓ２において、鉛蓄電池４０に印加する電圧を低電圧から高電圧に切り替え、ｔｅ２において、鉛蓄電池４０に印加する電圧を高電圧から低電圧に切り替える。同様に、充放電制御部３２は、ｔｓ３において、鉛蓄電池４０に印加する電圧を低電圧から高電圧に切り替え、ｔｅ３において、鉛蓄電池４０に印加する電圧を高電圧から低電圧に切り替える。また、充放電制御部３２は、ｔｓ４において、鉛蓄電池４０に印加する電圧を低電圧から高電圧に切り替え、ｔｅ４において、鉛蓄電池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３２は、充放電装置５０を制御して、鉛蓄電池４０に高電圧を印加するＴ_Ｈと鉛蓄電池４０に低電圧を印加するＴ_Ｌとを有する１周期Ｔを１回以上繰り返すことにより、鉛蓄電池４０を間欠充電する。なお、Ｖ_Ｈ、Ｖ_Ｌ、Ｔ_Ｈ及びＴ_Ｌは、鉛蓄電池４０の充電条件の一例である。

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Ｖ_Ｈ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、Ｖ_Ｈ、Ｖ_Ｌ、Ｔ_Ｈ及びＴ_Ｌ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、Ｖ_Ｈ、Ｖ_Ｌ、Ｔ_Ｈ及びＴ_Ｌの具体的な数値等を例示する。

Ｔ_Ｈは、例えば６０秒である。Ｔ_Ｌは例えば３６００秒である。間欠充電によれば、高電圧をパルス状に印加するので、Ｔ_Ｈを短くすることができる。Ｔ_Ｈが短いほど、電解液中の水が電解反応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、Ｔ_Ｈを短くすることで、鉛蓄電池４０の正極の劣化を抑制し得る。例えば、正極の電極格子上に形成される酸化鉛に起因する体積膨張や抵抗増加を抑制し得る。

Ｖ_Ｈは、電池メーカーが指定する仕様値であってよい。Ｖ_Ｈは１３．３８Ｖであってよい。この場合、Ｔ_Ｈの期間内に、１つの電池セル当たり２．２３Ｖ（＝１３．３８Ｖ／６）の高電圧が印加され得る。Ｖ_Ｈは１３．６５Ｖであってよい。この場合、Ｔ_Ｈの期間内に、１つの電池セル当たり２．２７５Ｖ（＝１３．６５Ｖ／６）の高電圧が印加され得る。なお、鉛蓄電池４０の仕様に応じて、Ｖ_Ｈの値を変更してもよい。

Ｖ_Ｌは、例えば１２．６Ｖである。この場合、Ｔ_Ｌ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、Ｖ_Ｌは、０Ｖよりも高くてよい。Ｖ_Ｌは、鉛蓄電池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、Ｖ_Ｌ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み易い。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、Ｖ_Ｌ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、Ｖ_Ｌ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３２は、低電圧充電期間において、鉛蓄電池４０の負極の劣化を抑制し得る電圧値を、鉛蓄電池４０に印加する。

なお、Ｖ_Ｌは、鉛蓄電池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、Ｖ_Ｌは９．０６Ｖ以上であってよい。Ｖ_Ｌは、鉛蓄電池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、Ｖ_Ｌは１１．４Ｖ以上であってよい。Ｖ_Ｌ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。Ｖ_Ｌ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、Ｖ_Ｌは、鉛蓄電池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、Ｖ_Ｌは１２．６Ｖ以下であってよい。

また、Ｖ_Ｌは、鉛蓄電池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、Ｖ_Ｌは１４．８Ｖ以下であってもよい。

なお、Ｔ_Ｌは、Ｔ_Ｈよりも長くてよい。また、Ｔ_Ｈが６０秒であり、Ｔ_Ｌが２４０秒以上であってよい。また、Ｔ_Ｈが６０秒であり、Ｔ_Ｌが３０分以上であってよい。Ｔ_Ｈが６０秒であり、Ｔ_Ｌが１時間以上であってよい。Ｔ_Ｈが６０秒であり、Ｔ_Ｌが２時間以上であってよい。このように、Ｔ_ＬとＴ_Ｈとの比は、４≦Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ、３０≦Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ、６０≦Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ、又は１２０≦Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈであってよい。

また、Ｔ_Ｈが６０秒であり、Ｔ_Ｌが５時間以下であってよい。Ｔ_Ｈが６０秒であり、Ｔ_Ｌが３時間以下であってよい。このように、Ｔ_ＬとＴ_Ｈとの比は、Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ≦１８０又はＴ_Ｌ／Ｔ_Ｈ≦３００としてよい。特に、鉛蓄電池において、Ｔ_Ｌ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、Ｔ_Ｌ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、均等化充電を行う場合の充電電圧と充電電流の波形を模式的に示す。図４において、横軸は時刻を示し、縦軸は鉛蓄電池４０に印加する充電電圧又は充電電流を示す。

取得部３６は、低電圧充電期間が終了する前に電池セル４２のセル電圧を取得する。例えば、取得部３６は、低電圧充電期間が終了する時刻ｔ１の前より予め定められた時間だけ前の時刻ｔ０において、電池セル４２のセル電圧を取得する。充放電制御部３２は、検出部３４によってセル電圧のばらつきが検出されると、時刻ｔ１から通常の高電圧充電に代えて、多段電流充電を開始する。

本図において、Ｖ_Ｈは１３．３８Ｖであり、Ｖ_Ｌは１２．６Ｖである。また、多段電流充電の切換電圧Ｖｓは、１５．７２Ｖ（１つの電池セル当たり２．６２Ｖ）である。なお、鉛蓄電池４０の定格充電電圧は１３．３８Ｖであるとする。切換電圧は、鉛蓄電池４０の定格充電電圧に対して約１５％だけ高い値に設定されてよい。

多段電流充電における充電電流として、第１の充電電流Ｉ１、第２の充電電流Ｉ２、第３の充電電流Ｉ３、及び第４の充電電流Ｉ４が設定されている。Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３＞Ｉ４である。一例として、Ｉ１は１Ｃレートの充電電流であり、Ｉ２は０．５Ｃレートの充電電流であり、Ｉ３は０．２Ｃレートの充電電流であり、Ｉ４は０．０５Ｃレートの充電電流である。

充放電制御部３２は、時刻ｔ１から、充電電流がＩ１に一致するように、鉛蓄電池４０の充電電圧を制御する。時刻ｔ２において、鉛蓄電池４０の充電電圧が切換電圧Ｖｓに達すると、充放電制御部３２は、充電電流をＩ２に切り換えて、充電電流がＩ２に一致するように、鉛蓄電池４０の充電電圧を制御する。時刻ｔ３において、鉛蓄電池４０の充電電圧が切換電圧Ｖｓに達すると、充放電制御部３２は、充電電流をＩ３に切り換える。時刻ｔ４において、鉛蓄電池４０の充電電圧が切換電圧Ｖｓに達すると、充放電制御部３２は、充電電流をＩ４に切り換える。そして、時刻ｔ５において、鉛蓄電池４０の充電電圧が切換電圧Ｖｓに達すると、充放電制御部３２は、低電圧充電に切り換える。

このように、充放電制御部３２によれば、低電圧充電が終了する場合に電池セル４２のセル電圧を測定して、セル電圧のばらつきが検出された場合に、高電圧充電を行うタイミングから多段電流充電を行い、多段電流充電が終了すると、低電圧充電に移行する。なお、多段電流充電の次の低電圧充電の終了時に、電池セル４２のセル電圧のばらつきを再び測定し、セル電圧のばらつきが解消されていないと判断した場合は、再び多段電流電圧を行ってよい。このように、セル電圧のばらつきが完了するまで、多段電流電圧を繰り返し行ってよい。また、セル電圧のばらつきが解消されていないと判断した場合、充放電制御部３２は、多段電流電圧の電流値条件として、図４に示す４個より多い数の電流値条件を設定して、再び多段電流電圧を行ってよい。

多段電流充電の切換電圧には、間欠充電のＶ_Ｈより高い電圧を適用する。Ｖ_Ｈより高い切換電圧を適用することで、充電不足の電池セル４２を十分に充電することが可能になる。一方、充電不足でない電池セル４２においては、水の電解反応が発生し、電解反応過電圧によりセル電圧の上昇が抑えられる。このため、充電不足でない電池セル４２の過充電劣化を抑制しつつ、鉛蓄電池４０内の電池セル４２の充電不足を解消することができる。

ここで、電池セル４２のセル電圧を均等化するために、高い充電電圧を単に適用するのではなく、Ｖ_Ｈより高い切換電圧に到達する毎に充電電流を減少させていく。これにより、図３の充電電圧波形から分かるように、セル電圧の均等化に必要な高電圧が印加されている期間を短くしつつ、比較的に低い電圧で充電される期間を挟むことができる。これにより、均等化のための充電期間中の平均電圧を下げることができる。したがって、例えばトリクル充電の設定電圧を高めることで均等化充電を行う場合に比べて、充電不足でない電池セル４２の過充電劣化を抑制しつつ、一部の電池セル４２の充電不足を解消することができる。

なお、図３に示す多段電流充電では、切換電圧Ｖｓを一定の電圧とした。切換電圧Ｖｓは一定でなくてよい。例えば、ｉを１から３の整数として、第ｉの充電電流から第（ｉ＋１）の充電電流に切り換えるための切換電圧ＶｓをＶｓｉとすると、Ｖｓ４は、Ｖｓ１より小さくてよい。Ｖｓ２はＶｓ１より小さい又は同じであり、Ｖｓ３はＶｓ２より小さい又は同じであり、Ｖｓ４はＶｓ３より小さい又は同じであってよい。切換電圧Ｖｓは、定格充電電圧より高く、定格充電電圧より２０％だけ高い電圧以下であってよい。

また、図３に示す多段電流充電では、充電電流Ｉ１〜Ｉ４は実質的に固定値である。すなわち、図３に示す多段電流充電は、多段定電流充電である。しかし、充電電流は時間的に一定でなくてよく、実質的な時間的変化を有してよい。充電電流が実質的な時間的変化を有する場合、Ｉ２の最大値はＩ１の最小値より小さく、Ｉ３の最大値はＩ２の最小値より小さく、Ｉ４の最大値はＩ３の最小値より小さくてよい。

多段電流充電における充電電流値は、１Ｃ〜０．０１Ｃの範囲内であってよい。また、図３に示す多段電流充電では、充電電流として４個の電流値条件が設定されている。しかし、２個以上の任意の個数の電流値条件を設定してよい。例えば、多段電流充電において、２〜１０個の電流値条件を設定してよい。

図４は、均等化充電を行った後に鉛蓄電池４０の内部抵抗を測定する場合の電圧波形を模式的に示す。図４において、横軸は時刻を示し、縦軸は鉛蓄電池４０に印加する充電電圧を示す。図４の時刻ｔ５までの電圧波形は、図３と同一であるので、説明を省略する。

時刻ｔ５において鉛蓄電池４０の充電電圧が切換電圧Ｖｓに達すると、充放電制御部３２は、充電電圧を定格充電電圧である１３．３８Ｖにし、予め定められた時間だけ充電電圧を定格充電電圧に維持し、時刻ｔ６において鉛蓄電池４０の内部抵抗を測定する。

例えば、充電電圧を１２時間だけ定格充電電圧に維持した後、直流電圧印加方式にて鉛蓄電池４０の内部抵抗を測定する。例えば、制御装置３０において、充放電制御部３２は、時刻ｔ６から時刻ｔ７まで、０．２Ｃレート放電を５０秒行う。取得部３６は、２Ｃレート放電の放電電流ΔＩと、２Ｃレート放電を５０秒行った場合の電圧低下量ΔＶとを取得する。判定部３８は、ΔＶ／ΔＩにより、鉛蓄電池４０の内部抵抗を算出する。そして、充放電制御部３２は、時刻ｔ７において充電電圧をＶ_Ｌに設定して、低電圧充電を開始する。

判定部３８は、算出した鉛蓄電池４０の内部抵抗が予め定められた基準値未満の場合に、鉛蓄電池４０が劣化していないと判定する。判定部３８は、鉛蓄電池４０の内部抵抗が予め定められた基準値以上の場合に、鉛蓄電池４０が劣化していると判定してよい。これにより、多段電流充電によって電池セル４２のセル電圧が均等化された状態で鉛蓄電池４０の内部抵抗を測定することができるので、内部抵抗が上昇している電池セル４２又は劣化が進行している電池セル４２の存在を検出することができる。したがって、内部抵抗により劣化診断をより高い精度で実施することができる。

図５は、制御装置３０による鉛蓄電池４０による充電に関する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３２は、電源装置１０の電力を利用して、鉛蓄電池４０の充電率が規定の充電率に達するまで鉛蓄電池４０を充電する。充放電制御部３２は、定電流充電によって、鉛蓄電池４０の充電率が規定の充電率に達するまで充電してよい。規定の充電率は、鉛蓄電池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、鉛蓄電池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、所定の充電条件で鉛蓄電池４０の定格容量に達するまで鉛蓄電池４０を充電した状態であってよい。

Ｓ５０４において、充放電制御部３２は、充電電圧をＶ_Ｈに設定して、高電圧充電を開始する。高電圧充電を開始してから予め定められた時間が経過すると、Ｓ５０６において、充放電制御部３２は、充電電圧をＶ_Ｌに設定して、低電圧充電を開始する。Ｓ５０８において、取得部３６は、各電池セル４２のセル電圧の測定値を取得する。

Ｓ５１０において、検出部３４は、Ｓ５１０で取得したセル電圧にばらつきがあるか否かを判断する。例えば、検出部３４は、各セル電圧の平均値との差分が１つの電池セルあたり２０ｍＶを超える電池セルが存在する場合に、セル電圧にばらつきがあると判断する。セル電圧にばらつきがない場合、Ｓ５０４に処理を移行する。

セル電圧にばらつきがある場合、Ｓ５２０において、充放電制御部３２は、電流値条件を第１の充電電流に設定して、定電流充電を開始する。Ｓ５２２において、充放電制御部３２は、充電電圧が切換電圧Ｖｓに達したか否かを判断する。充電電圧が切換電圧Ｖｓに達していない場合は、充電電圧が切換電圧Ｖｓに達するまで、設定された電流値条件の定電流充電を維持する。充電電圧が切換電圧Ｖｓに達した場合、Ｓ５２４において、充放電制御部３２は、充電条件の切り替えを規定回数行ったか否かを判断する。充電条件の切り替えを規定回数行っていない場合、充放電制御部３２は、Ｓ５２６において、定電流充電の電流値条件を１段階小さい電流値に切り換えて定電流充電を開始し、Ｓ５２２に処理を移行する。

Ｓ５２４において、充電条件の切り替えを規定回数行った場合、Ｓ５３０において、鉛蓄電池４０の内部抵抗を測定する。具体的には、充放電制御部３２が充電電圧を定格充電電圧に設定し、予め定められた時間が経過したタイミングで取得部３６が鉛蓄電池４０の内部抵抗を取得する。Ｓ５３２において、判定部３８は、取得部３６が取得した内部抵抗に基づいて、鉛蓄電池４０の劣化が大きいか否かを判定する。例えば、判定部３８は、内部抵抗が予め定められた基準値を超える場合に、鉛蓄電池４０の劣化が大きいと判定する。鉛蓄電池４０の劣化が小さいと判定した場合、Ｓ５０６に処理を移行する。劣化が大きいと判定した場合、Ｓ５３４において、制御装置３０は鉛蓄電池４０が劣化した旨を外部に通知して、本フローチャートの処理を終了する。

以上に説明したように、制御装置３０によれば、高電圧Ｖ_Ｈより高い電圧を切換電圧に設定した多段電流充電を行うことで、セル電圧を均等化するための充電期間における平均充電電圧を下げることができる。そのため、十分充電されている電池セルが過充電となることを抑制しつつ、充電不足の電池セルを十分に充電することができる。

なお、本実施形態では、主として、６個の電池セルが直列接続された鉛蓄電池４０を取り上げて説明した。しかし、直列接続される電池セルは６個に限られない。直列接続される電池セルは１２個や３０個等であってよい。直列接続された電池セルの数は、１つの鉛蓄電池に要求される電圧を確保するべく、任意に設計されてよい。

本実施形態で説明した鉛蓄電池４０は、二次電池の一例である。電源システム１２０において、鉛蓄電池に代えて、鉛蓄電池以外の二次電池を適用してもよい。

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３２、検出部３４、取得部３６、及び判定部３８として機能させ、図５等に関連して説明した制御方法を実現してよい。

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
３２ 充放電制御部
３４ 検出部
３６ 取得部
３８ 判定部
４０ 鉛蓄電池
４２ 電池セル
５０ 充放電装置
９０ 負荷
１００ 鉛蓄電池装置
１２０ 電源システム

Claims (11)

1. 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
   を備え、
   前記充電制御部は、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、前記鉛蓄電池の充電電圧が前記高電圧より高い切換電圧に達するまでの間、第１の充電電流で前記鉛蓄電池を充電し、前記充電電圧が前記切換電圧に達した場合に、前記鉛蓄電池の充電電流を前記第１の充電電流より小さい第２の充電電流に切り換えて、前記鉛蓄電池の充電電圧が前記高電圧より高い切換電圧に達するまで前記鉛蓄電池を充電する
   制御装置。
2. 前記第１の充電電流及び前記第２の充電電流は定電流である
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記充電制御部は、前記充電電圧が前記切換電圧に到達する毎に、前記鉛蓄電池の充電電流が順次小さくなるように、前記鉛蓄電池の充電電流を２回以上切り換える
   請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記充電制御部は、第１の切換電圧に達するまでの間、前記第１の充電電流で前記鉛蓄電池を充電し、前記第１の充電電流より小さい充電電流で前記鉛蓄電池を充電する場合に、前記切換電圧を前記第１の切換電圧より低く設定する
   請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。
5. 前記充電制御部は、前記低電圧充電を行う期間に検出された前記複数の電池セルのセル電圧に基づいて、前記セル電圧のばらつきが予め定められた値より大きいと判断した場合に、前記高電圧充電を行う期間において、前記第１の充電電流による充電と前記第２の充電電流による充電とを行う
   請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 前記充電制御部は、前記第１の充電電流による充電及び前記第２の充電電流による充電を行った後、前記低電圧充電と前記高電圧充電とを繰り返すことによって前記鉛蓄電池を充電する
   請求項５に記載の制御装置。
7. 前記充電制御部は、前記第１の充電電流による充電及び前記第２の充電電流による充電が行われた後、前記充電電圧を前記高電圧に設定して前記鉛蓄電池を予め定められた時間充電し、
   前記制御装置は、
   前記充電電圧を前記高電圧に設定して前記予め定められた時間が経過した場合に測定された前記鉛蓄電池の内部抵抗に基づいて前記鉛蓄電池の劣化を判定する判定部
   をさらに備える請求項１から６のいずれか一項に記載の制御装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置と、
   前記鉛蓄電池と
   を備える鉛蓄電池装置。
9. 請求項８に記載の鉛蓄電池装置を備える、無停電電源装置。
10. 請求項８に記載の鉛蓄電池装置を備える、電源システム。
11. 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段階と、
    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、前記鉛蓄電池の充電電圧が前記高電圧より高い切換電圧に達するまでの間、第１の充電電流で前記鉛蓄電池を充電し、前記鉛蓄電池の端子電圧が前記切換電圧に達した場合に、前記鉛蓄電池の充電電圧が前記高電圧より高い切換電圧に達するまでの間、前記第１の充電電流より小さい第２の充電電流で前記鉛蓄電池を充電する段階と
    を備える鉛蓄電池の充電制御方法。

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