JP2013037829A - 鉛蓄電池の内部短絡検出方法および電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】内部短絡を起こした鉛蓄電池を簡便かつ精確に検出する方法と、この検出方法を内蔵した品質の高い電源システムを提供する。
【解決手段】正極板、負極板およびセパレータからなる極板群を、電解液とともに複数のセル室からなる電槽に収納してなる鉛蓄電池の内部短絡検出方法であって、対象となる鉛蓄電池の定電圧充電における平衡電流の実測値を、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流を基にした閾値と照合し、実測値が閾値より大きい場合に、対象となる鉛蓄電池が内部短絡を起こしていると判定するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は鉛蓄電池の検査方法に関し、特に不良品を排出する工程に関する。

近年、地球温暖化問題が注目されるようになり、車両の駆動においても、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関から、有害な排気ガス成分を排出しない電気へのシフトが要求されている。このような傾向の中、車やフォークリフトの電動化が急速に進んでいる。これらの電動車や電動フォークリフト用の主電源には、ニッケル水素蓄電池やリチウム二次電池よりも安価で取り扱い易い鉛蓄電池が広く採用されている。

鉛蓄電池は、その製造過程において、正極板と負極板が内部短絡する不良品が発生することがある。この不良品の排出方法として、無負荷状態で所定期間放置しつつ開回路電圧の変化量を測定し、同一ロット内で変化量が大きかった鉛蓄電池を不良品と判定する方法が採られる。中でも特許文献１の方法は、放電状態において所定条件下で放置した後に測定した鉛蓄電池の開回路電圧の分布から不良品を検出する方法であり、微細な内部短絡をも検出できると記されている。また特許文献２の方法は、鉛蓄電池を構成する複数のセル間の電圧差から不良品を検出する方法であり、１セルだけ短絡している（他のセルは良品である）場合に、鉛蓄電池の開回路電圧がこれらセルの電圧の合計値であるために検出されにくいところ、セル単位で微細な内部短絡をも精確に検出できると記されている。

特開平０５−１４４４７８号公報 特開２００７−１０３１１２号公報

しかしながら特許文献１および２を含めた従来の方法では、内部短絡を起こした不良品を判定するために長期間の放置期間を要することになる。特に特許文献２の方法は鉛蓄電池の各セルの電圧を測定することになるので、煩雑である。

また内部短絡とは無縁の自己放電によっても鉛蓄電池の開回路電圧は低下する。鉛蓄電池の自己放電量は充電状態の影響を受けることから、定量化するには全ての充電状態を同じにする必要がある。加えて、充放電直後では電解液の拡散分極が残るため開回路電圧の挙動が不安定であり、自己放電による電圧低下と、短絡放電による電圧低下を正確に分離できないなど、従来の方法には種々の困難が存在する。

本発明は上述した課題を解決するためのものであって、内部短絡を起こした鉛蓄電池を簡便かつ精確に検出する方法と、この検出方法を内蔵した品質の高い電源システムを提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、正極板、負極板およびセパレータからなる極板群を、電解液とともに複数のセル室からなる電槽に収納してなる鉛蓄電池の内部短絡検出方法であって、対象となる鉛蓄電池の定電圧充電における平衡電流の実測値を、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流を基にした閾値と照合し、実測値が閾値より大きい場合に、対象となる鉛蓄電池が内部短絡を起こしていると判定するようにしたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、定電圧充電における充電電圧を、鉛蓄電池１セル当たり２．２２〜２．３７Ｖに設定することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、１つ以上の鉛蓄電池からなる直列回路を少なくとも１つ有する蓄電部と、蓄電部を定電圧充電するための電源部と、各々の直列回路に個別に接続された電流測定部と、電流測定部が測定した定電圧充電における平衡電流の実測値を、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流を基にした閾値と照合し、実測値が閾値より大きい直列回路があった場合に、この直列回路に内部短絡を起こしている鉛蓄電池があると判定する判定部と、内部短絡を起こしている鉛蓄電池を有する直列回路があった場合に、判定部の指示に従ってこの直列回路を特定し通知する通知部と、を備えたことを特徴とする電源システムに関する。

請求項４に係る発明は、請求項３において、定電圧充電における充電電圧を、直列回路１つにおける鉛蓄電池１セル当たり２．２２〜２．３７Ｖに設定することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項３において、内部短絡を起こしている鉛蓄電池を有する直列回路があった場合、この直列回路を開放するとともに、開放した直列回路の数に相応して充電電流を減衰するように電源部に指令する機能を判定部に持たせたことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項５において、内部短絡を起こしている鉛蓄電池を有する直列回路を開放していることを、通知部に通知させる機能を判定部に持たせたことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項３において、内部短絡を起こしている鉛蓄電池を有する直列回路があった場合、この直列回路を開放するとともに、開放した直列回路を構成する個々の鉛蓄電池の開回路電圧を測定することで内部短絡を起こしている鉛蓄電池を特定し、通知部に通知させる機能を判定部に持たせたことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、１つ以上の鉛蓄電池からなる直列回路を少なくとも１つ有する蓄電部と、蓄電部を定電圧充電するための電源部と、各々の直列回路に個別に接続された電流測定部と、電流測定部が測定した定電圧充電における平衡電流の実測値を、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流を基にした閾値と照合し、実測値が閾値より大きい直列回路があった場合に、この直列回路に内部短絡を起こしている鉛蓄電池があると判定し、この直列回路を開放するとともに、開放した直列回路の数に相応して充電電流を減衰するように電源部に指令する判定部と、を備えたことを特徴とする電源システムに関する。

請求項９に係る発明は、請求項８において、定電圧充電における充電電圧を、直列回路１つにおける鉛蓄電池１セル当たり２．２２〜２．３７Ｖに設定することを特徴とする。

鉛蓄電池は、設定上限電圧にもよるが他の電池系と比べて充電末期に生じる副反応が少ない。このことに着目した発明者は、内部短絡を起こした鉛蓄電池は、定電圧充電の末期における平衡電流が、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流よりも小さいことを予見し、これを実証することができた。本発明はこの実証結果に基づいてなされたものであって、対象となる鉛蓄電池の定電圧充電における平衡電流を実測し、この実測値を、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流を基にした閾値と照合して、実測値が閾値より大きい場合に、対象となる鉛蓄電池が内部短絡を起こしていると判定するようにしたものである。

この短絡検出方法を活用することで、後ほど詳述するように、充電中に自らを構成する鉛蓄電池の内部短絡の有無を判定し、内部短絡があった場合には、該当する鉛蓄電池があることを通知したり、この鉛蓄電池を排除したりできる電源システムを構成することが可能になる。

本発明によれば、内部短絡を起こした鉛蓄電池を簡便かつ精確に検出する方法や、この検出方法を内蔵した品質の高い電源システムを提供することができるようになる。

本発明に用いる鉛蓄電池の部分透視図 （ａ）鉛蓄電池の定電流充電における平衡電流を示す図、（ｂ）その要部を示す図 本発明の電源システムの一例を示すブロック図 本発明の電源システムの動作の一例を示すフローチャート

以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いて説明する。

図１は、本発明に用いる鉛蓄電池の部分透視図である。正極板１ａおよび負極板１ｂを、セパレータ１ｃを介して対峙させて極板群１を作製し、中仕切板２ａによって複数（主に６つ）のセル室２ｂに区切られた電槽２の各々のセル室２ｂに極板群１を収納する。同一のセル室２ｂ内部において、正極板１ａの耳部をまとめて一方のストラップ３と接続し、負極板１ｂの耳部をまとめて他方のストラップ３と接続する。そして正極性のストラップ３と負極性のストラップ３とを接続部品４を用いて直列に接続し、他極性のストラップ３と接続されない両端のストラップ３は極柱と接続する。さらに液口を有する蓋５によって電槽２の開口部を封口するとともに、両端の極板群１に接続された極柱をブッシングに嵌め込み一体化して端子６とする。最後に液口から電解液（希硫酸）を注入した後で液口を液口栓５ａで閉じることで、鉛蓄電池が構成される。

図２（ａ）は、図１の鉛蓄電池（６セル直列タイプ）を１３．７Ｖで定電流充電したときの平衡電流を示す図であり、（ｂ）はその要部（図中Ａで表記）を示す図である。通常、鉛蓄電池をオルタネータなどの充電器で充電する場合、設定上限電圧まで定電流充電を行った後、設定上限電圧を充電電圧として定電圧充電を行う。定電圧充電を継続すると、電流が減衰して一定になる領域（Ａ）がある。この領域における電流は平衡電流と呼ばれる。

鉛蓄電池は、設定上限電圧にもよるが他の電池系と比べて充電末期に生じる副反応が少ないことに、発明者は着目した。そして内部短絡を起こした鉛蓄電池は、定電圧充電の末期における平衡電流が、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流よりも小さいことを予見した。その上で内部短絡を故意に起こさせた鉛蓄電池Ａと、内部短絡が起こっていないことを予め確認した鉛蓄電池２〜４とを用意し、図２（ａ）に示すパターンの定電流−定電圧充電を行った。その結果、図２（ｂ）に示すように、内部短絡が起こっていない鉛蓄電池２〜４が自己放電分の消費を補う電流だけである（１０〜２０ｍＡ）のに対して、内部短絡が起こっている鉛蓄電池Ａはさらに内部短絡回路での消費を補う電流も加わる（４０〜４５ｍＡ）ため、有意差をもって平衡電流が大きいことを実証することができた。

本発明はこの実証結果に基づいてなされたものである。具体的な一例として、内部短絡が起こっていない鉛蓄電池２〜４の平衡電流の実測値を基に、内部短絡がない場合の平衡電流の閾値（例えば鉛蓄電池２〜４の平衡電流の平均値の１．２〜１．６倍）を設定し、その後で対象となる鉛蓄電池の定電圧充電における平衡電流を実測し、この実測値を閾値と照合して、実測値が閾値より大きい場合に、対象となる鉛蓄電池が内部短絡を起こしていると判定するようにしたものである。

この鉛蓄電池の内部短絡検出方法を活用すれば、製造工程において内部短絡を起こした鉛蓄電池を排出することのほかに、以下に示すような構成によって、充電中に自らを構成する鉛蓄電池の内部短絡の有無を判定し、内部短絡があった場合には、該当する鉛蓄電池があることを通知したり、この鉛蓄電池を排除したりできる電源システムを構成することが可能になる。

図３は本発明の電源システムの一例を示すブロック図であり、仮に電動車両のように充電時と専ら放電のみを行う作動時とが明確に区分できる形態を示している。そして図４は、図３の電源システムの動作の一例を示すフローチャートである。

電源システム１１は、１つ以上の鉛蓄電池からなる直列回路１２ａ、１２ｂおよび１２ｃからなる蓄電部と、蓄電部を定電圧充電するための電源部１３とを含む。作動時はスイッチ１７が負荷１９（電動車両のモータなど）と蓄電部とを接続し、蓄電部を構成する鉛蓄電池を放電している。そして充電時はスイッチ１７が電源部１３と蓄電部とを接続して鉛蓄電池を充電するのだが、この時に本発明の電源システムは次のような動作を行う。

蓄電部を構成する鉛蓄電池を電源部１３の設定上限電圧まで定電流充電を行った後、ステップＳ０１において電源部１３が定電圧充電を開始すると、ステップＳ０２において各々の直列回路１２ａ、１２ｂおよび１２ｃに個別に接続された電流測定部１４ａ、１４ｂおよび１４ｃ（図３ではシャント抵抗として表記）が充電電流値の測定を開始する。続いてステップＳ０３において、充電電流の経時変化から各々の直列回路１２ａ、１２ｂおよび１２ｃが平衡電流に達したか否かを判定する。ここで「平衡電流に達した」とは、一例として充電電流の振れ幅（上限ピーク値と下限ピーク値との差）が３６０分間５ｍＡを超えて変化しなかったことをもって判定する。そしてステップＳ０４において、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流を基にした閾値を記憶する判定部１５は電流測定部１４ａ、１４ｂおよび１４ｃが測定した平衡電流のデータを得てこの閾値と照合し、各々の平衡電流が閾値より大きいか否かを判定する。ここで判定部１５に記憶させる閾値は、例えば図２（ｂ）の鉛蓄電池２〜４のように内部短絡していないことが明確なものの平衡電流を基にすることができる。

ステップＳ０４における判定で直列回路１２ａ、１２ｂおよび１２ｃのうち平衡電流の実測値が閾値より大きいものがなければ、ステップＳ０８において蓄電部の全て（直列回路１２ａ、１２ｂおよび１２ｃ）は正常品であると判定して、引続き充電を継続する。

ステップＳ０４における判定で直列回路１２ａ、１２ｂおよび１２ｃのうち平衡電流の実測値が閾値より大きいものがあった場合（ここでは仮に、直列回路１２ａが該当しているものとする）、ステップＳ０５において、判定部１５は直列回路１２ａに内部短絡を起こしている鉛蓄電池があると判定する。そしてステップＳ０６において、判定部１５は直列回路１２ａに内部短絡を起こしている鉛蓄電池があることを通知するように通知部１６に指示し、通知部１６はこの指示に従ってその旨を通知する。ここで通知部１６は様々な形態を採ることができる。一例として、ランプを通知部１６としてこれを点灯させたり点滅させたりすることができる。他の例として、ブザーや人口音声装置を通知部１６として警告音や「直列回路１２ａが異常です」などの音声を出させることができる。さらに他の例として、液晶などの画面を通知部１６として「直列回路１２ａが異常です」などのメッセージ等により直列回路１２ａが異常である旨の通知を視覚で訴えて残すこともできる。

さらに図３および４の形態では、ステップＳ０７において、判定部１５の指示に従ってスイッチ１８ａをＯＦＦにすることで、直列回路１２ａを開放する。なお直列回路１２ａが開放されている旨を、「直列回路１２ａが異常のため、直列数が１つ減っています」などのメッセージ等により通知部１６に通知させる機能を判定部１５に持たせれば、使用者が放電容量の低下が直列回路１２ａの異常によることを迅速に知って修理等のメンテナンスを行うことができるので、より好ましい。

ここで内部短絡を起こしている鉛蓄電池がある直列回路１２ａを開放するとともに、直列回路１２ａを構成する個々の鉛蓄電池の開回路電圧を電圧測定部（図示せず）で測定することで内部短絡を起こしている鉛蓄電池を特定して判定部１５に連絡し、判定部１５の指示に従って通知部１６が「直列回路１２ａの右から２つめの鉛蓄電池が異常です」等のメッセージを通知するようにすれば、交換すべき鉛蓄電池を使用者が認知できるので、より好ましい。

なお図３および４は本発明の請求項５〜７を示したものであるが、直列回路１２ａが内部短絡を起こしていることを通知部１６が通知するだけの形態（請求項３）や、内部短絡を起こしている直列回路１２ａを開放するだけの形態（請求項８）であっても、従来技術と比べて十分に優れていることは、言うまでもない。

ここで定電圧充電における充電電圧は、直列回路１つにおける鉛蓄電池１セル当たり２．２２〜２．３７Ｖ（例えば図３の場合、鉛蓄電池が図１の形態であるとして、直列回路１つ当たり５３．２８〜５６．８８Ｖ）に設定するのが好ましい。この理由であるが、鉛蓄電池を満充電させるのに比較的近い領域でありながら、電解液（希硫酸）の水分が電気分解する領域には達していない（水の電気分解に要する電流が平衡電流に加算されない）からである。

本発明によれば、短時間で精確に、鉛蓄電池の短絡を検出することができるようになる。したがって高品質な鉛蓄電池を製造し提供したり、この方法を組み込んだ安全な電源システムを提供したりできるようになる。よって産業上の利用可能性が高い上に極めて有用といえる。

１ 極板群
１ａ 正極板
１ｂ 負極板
１ｃ セパレータ
２ 電槽
２ａ 中仕切板
３ ストラップ
４ 接続部品
５ 蓋
５ａ 液口栓
６ 端子
１１ 電源システム
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 直列回路
１３ 電源部
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 電流測定部
１５ 判定部
１６ 通知部
１７ スイッチ
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ スイッチ
１９ 負荷

Claims (9)

1. 正極板、負極板およびセパレータからなる極板群を、電解液とともに複数のセル室からなる電槽に収納してなる鉛蓄電池の内部短絡検出方法であって、
   対象となる鉛蓄電池の定電圧充電における平衡電流の実測値を、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流を基にした閾値と照合し、実測値が閾値より大きい場合に、対象となる鉛蓄電池が内部短絡を起こしていると判定するようにしたことを特徴とする、鉛蓄電池の内部短絡検出方法。
2. 定電圧充電における充電電圧を、鉛蓄電池１セル当たり２．２２〜２．３７Ｖに設定することを特徴とする、請求項１に記載の鉛蓄電池の内部短絡検出方法。
3. １つ以上の鉛蓄電池からなる直列回路を少なくとも１つ有する蓄電部と、
   蓄電部を定電圧充電するための電源部と、
   各々の直列回路に個別に接続された電流測定部と、
   電流測定部が測定した定電圧充電における平衡電流の実測値を、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流を基にした閾値と照合し、実測値が閾値より大きい直列回路があった場合に、この直列回路に内部短絡を起こしている鉛蓄電池があると判定する判定部と、
   内部短絡を起こしている鉛蓄電池を有する直列回路があった場合に、判定部の指示に従ってこの直列回路を特定し通知する通知部と、
   を備えたことを特徴とする電源システム。
4. 定電圧充電における充電電圧を、直列回路１つにおける鉛蓄電池１セル当たり２．２２〜２．３７Ｖに設定することを特徴とする、請求項３に記載の電源システム。
5. 内部短絡を起こしている鉛蓄電池を有する直列回路があった場合、この直列回路を開放するように電源部に指令する機能を判定部に持たせたことを特徴とする、請求項３に記載の電源システム。
6. 内部短絡を起こしている鉛蓄電池を有する直列回路を開放していることを、通知部に通知させる機能を判定部に持たせたことを特徴とする、請求項５に記載の電源システム。
7. 内部短絡を起こしている鉛蓄電池を有する直列回路があった場合、この直列回路を開放するとともに、開放した直列回路を構成する個々の鉛蓄電池の開回路電圧を測定することで内部短絡を起こしている鉛蓄電池を特定し、通知部に通知させる機能を判定部に持たせたことを特徴とする、請求項３に記載の電源システム。
8. １つ以上の鉛蓄電池からなる直列回路を少なくとも１つ有する蓄電部と、
   蓄電部を定電圧充電するための電源部と、
   各々の直列回路に個別に接続された電流測定部と、
   電流測定部が測定した定電圧充電における平衡電流の実測値を、内部短絡を起こしていない鉛蓄電池の平衡電流を基にした閾値と照合し、実測値が閾値より大きい直列回路があった場合に、この直列回路に内部短絡を起こしている鉛蓄電池があると判定し、この直列回路を開放するように電源部に指令する判定部と、
   を備えたことを特徴とする電源システム。
9. 定電圧充電における充電電圧を、直列回路１つにおける鉛蓄電池１セル当たり２．２２〜２．３７Ｖに設定することを特徴とする、請求項８に記載の電源システム。

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