JP2017103909A - 鉛蓄電池装置、無停電電源装置、電源システム、充放電制御装置および充放電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のパルス充電方式においては、パルス電圧の低電圧値は０（ゼロ）［Ｖ］としていた。このように充電時の低電圧値が低い場合、二次電池の負極が劣化するという問題がある。
【解決手段】二次電池と、二次電池の充放電を制御する充放電制御装置とを備え、充放電制御装置は、パルス状の高電圧を二次電池に印加する高電圧充電と、０Ｖよりも高く、且つ、高電圧よりも低い低電圧を二次電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返す二次電池装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池装置、電源システム、充放電制御装置および充放電制御方法に関する。

従来、パルス充電方式により二次電池を充電していた（例えば、特許文献１および実用新案登録文献１参照）。また、従来、電流制限部を設けて、キャパシタへ流れる電流を制限して、当該制御の間に優先的に鉛蓄電池を充電していた（例えば、特許文献２）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開平１０−３０４５８９号公報
［特許文献２］ 特開２０１０−２７９１７３号公報
［実用新案登録文献１］ 実用新案登録第３１８２２８４号公報

従来のパルス充電方式においては、パルス電圧の低電圧値は０（ゼロ）［Ｖ］としていた。このように充電時の低電圧値が低い場合、二次電池の負極が劣化するという問題がある。

二次電池装置は、二次電池と、充放電制御装置とを備えてよい。充放電制御装置は、二次電池の充放電を制御してよい。充放電制御装置は、高電圧充電と低電圧充電とを交互に繰り返してよい。高電圧充電では、パルス状の高電圧を二次電池に印加してよい。低電圧充電では、０Ｖよりも高く、且つ、高電圧よりも低い低電圧を二次電池に印加してよい。

低電圧充電の低電圧は、二次電池の完全放電時の起電力以上であってよい。

低電圧充電の低電圧は、二次電池の完全充電時の起電力以下であってよい。

低電圧充電の低電圧は、二次電池における理論起電力の７４％以上であってよい。

低電圧充電の低電圧は、二次電池における理論起電力の９３％以上であってよい。

低電圧充電の低電圧は、二次電池における理論起電力の電圧値の１２１％以下であってよい。

二次電池に低電圧を印加する低電圧充電時間Ｔ_Ｌは、二次電池に対して高電圧を印加する高電圧充電時間Ｔ_Ｈよりも長くてよい。

低電圧充電時間Ｔ_Ｌと高電圧充電時間Ｔ_Ｈとの比は、４≦Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈであってよい。

充放電制御装置は、二次電池へ供給される充電電流を検出してよい。充放電制御装置は、低電圧充電における充電電流がゼロ以上になるように低電圧の電圧値を制御してよい。

充放電制御装置は、二次電池の起電力を検出して、検出した起電力に基づいて低電圧の電圧値を制御してよい。

充放電制御装置は、二次電池の使用時間に基づいて、二次電池に対して高電圧を印加する高電圧充電時間Ｔ_Ｈを制御してよい。

充放電制御装置は、二次電池の内部抵抗に基づいて、二次電池に対して高電圧を印加する高電圧充電時間Ｔ_Ｈを制御してよい。

充放電制御装置は、二次電池の使用時間に基づいて、二次電池に低電圧を印加する低電圧充電時間Ｔ_Ｌを制御してよい。

充放電制御装置は、二次電池の内部抵抗に基づいて、二次電池に対して低電圧を印加する低電圧充電時間Ｔ_Ｌを制御してよい。

二次電池装置は、蓄電素子を更に備えてよい。蓄電素子は、二次電池に並列に接続されてよい。蓄電素子は、静電容量を有してよい。

充放電制御装置は、高電圧充電において、矩形における予め定められた高周波成分を除去したパルス状の高電圧を二次電池に印加してよい。

電源システムは、電源装置と、上記に記載されたいずれかの二次電池装置とを備えてよい。二次電池装置の充放電制御装置は、電源装置が生成した電力で二次電池を充電してよい。

二次電池の充放電を制御する充放電制御装置は、高電圧充電と低電圧充電とを交互に繰り返してよい。高電圧充電では、パルス状の高電圧を二次電池に印加してよい。低電圧充電では、０Ｖよりも高く、且つ、高電圧よりも低い低電圧を二次電池に印加してよい。

二次電池の充放電を制御する充放電制御方法では、高電圧充電と低電圧充電とを交互に繰り返してよい。高電圧充電では、パルス状の高電圧を二次電池に印加してよい。低電圧充電では、０Ｖよりも高く、且つ、高電圧よりも低い低電圧を二次電池に印加してよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

第１実施形態における電源システム２００を示す図である。 間欠充電における電圧値のタイミングチャートを示す図である。 二次電池４０の電圧の時間変化を示す図である。 二次電池４０の電圧および電流の時間変化を示す図である。 充放電試験における、（ａ）放電容量比および（ｂ）電池質量比を示す図である。 充放電制御方法を説明するフローチャートである。 第２実施形態における電源システム２００を示す図である。 試験日数に対する容量維持率を示す図である。 第３実施形態における電源システム２００を示す図である。 第４実施形態における電源システム２００を示す図である。 第５実施形態における電源システム２００を示す図である。 第６実施形態における電源システム２００を示す図である。 （ａ）高周波成分および低周波成分を含むパルス波形を示す図である。（ｂ）高周波成分を除去したパルス波形を示す図である。

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、第１実施形態における電源システム２００を示す図である。本例の電源システム２００は、電源装置１０と蓄電システム２０とを有する。本例の電源装置１０は、蓄電システム２０の入力端子１２に接続する。蓄電システム２０の出力端子１４には負荷５０が接続してよい。電源装置１０は交流電源であってよく、負荷５０は交流駆動され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）、または、太陽光発電装置および風力発電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、インバータ２４、二次電池装置１００およびキャパシタ４２を有する。二次電池装置１００は、充放電制御装置３０と二次電池４０とを有する。

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は、変換した直流電流を充放電制御装置３０に出力する。インバータ２４は、充放電制御装置３０から出力される直流電流を交流電流に変換する。インバータ２４は、変換した交流電流を負荷５０に出力する。なお、負荷５０が直流で動作する場合には、インバータ２４を省略してもよい。また、電源装置１０が、直流を供給する場合には、コンバータ２２を省略してもよい。

通常動作時において、電源システム２００は、コンバータ２２およびインバータ２４を介して電源装置１０の電力を負荷５０に供給してよい。また、通常動作時において、充放電制御装置３０は、電源装置１０が生成した電力で二次電池４０を充電してよい。非常動作時において、蓄電システム２０は、二次電池４０に蓄えた電力を負荷５０に供給してよい。

例えば、蓄電システム２０が無停電電源装置（ＵＰＳ）に用いられる場合、通常動作時には、電源装置１０からコンバータ２２およびインバータ２４を介して負荷５０に電力が供給される。これに対して、停電等の異常発生時には、二次電池４０から充放電制御装置３０およびインバータ２４を経て負荷５０に電力が供給される。

また例えば、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は発電機である。発電機が稼働している場合には、発電機からコンバータ２２およびインバータ２４を介して負荷５０に電力が供給される。これに対して、天候等の理由により発電電力が不安定となる場合には、二次電池４０から充放電制御装置３０およびインバータ２４を経て負荷５０に電力が供給される。

充放電制御装置３０の一端は、コンバータ２２とインバータ２４との間のノード３２に接続する。充放電制御装置３０の他端は、ノード３４を介して二次電池４０に電気的に接続する。充放電制御装置３０は、二次電池４０の充放電を制御する。本例の充放電制御装置３０は、二次電池４０に対して間欠充電を行う。間欠充電とは、高電圧充電と低電圧充電とを交互に繰り返す充電方法である。

二次電池４０は、水系電解液を用いた二次電池であってよい。水系電解液を用いた二次電池は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、または、ニッケル水素電池であってよい。本例の二次電池４０は鉛蓄電池である。本例の鉛蓄電池は、直列接続された６つのセルを有するユニットである。セルとは、一対の正極および陰極を有する鉛蓄電池の最小単位を指す。

充放電制御装置３０の他端は、ノード３４を介して、キャパシタ４２にも電気的に接続する。キャパシタ４２は、静電容量を有する蓄電素子である。本例のキャパシタ４２は、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）である。キャパシタ４２は、二次電池４０に並列に接続される。キャパシタ４２は、間欠充電の高電圧充電時において二次電池４０と共に充電される。また、キャパシタ４２は、間欠充電の蓄えた電力を低電圧充電時に二次電池４０に供給する機能を有してよい。

図２は、間欠充電における電圧値のタイミングチャートを示す図である。横軸は時間［ｓｅｃ］を示し、縦軸は電圧［Ｖ］を示す。図中、Ｔ_Ｈは二次電池４０に高電圧を印加する高電圧充電期間であり、Ｔ_Ｌは二次電池４０に低電圧を印加する低電圧充電期間である。本例の間欠充電では、高電圧を印加するＴ_Ｈと低電圧を印加するＴ_Ｌとを有する１周期を１回以上繰り返す。

高電圧充電において、充放電制御装置３０は、パルス状の高電圧を二次電池４０に印加する。本例において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する。パルス状の高電圧は、正弦波、矩形波、三角波または鋸波におけるピークを含む半周期の波形形状であってよい。本例のパルス状の高電圧は所定のピーク電圧値を有する矩形波形状を有する。

当該高電圧の値は、電池メーカーが指定する仕様値であってよい。本例において、当該仕様値は１３．６５［Ｖ］である。本例の二次電池４０は鉛蓄電池である。本例の当該鉛蓄電池は６つの直列接続されたセルを有する。それゆえ、Ｔ_Ｈでは１セル当たり２．２７５［Ｖ］（＝１３．６５［Ｖ］／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、高電圧の値を変更してもよい。

本例のＴ_Ｈは、６０［ｓｅｃ］である。本例では、高電圧をパルス状に印加するので、常に高電圧充電を行うトリクル充電に比べて、高電圧充電の期間を短くすることができる。Ｔ_Ｈが短いほど、電解液の溶媒である水が、水素と酸素とに電気分解されて二次電池から失われることを抑制することができる。それゆえ、Ｔ_Ｈが短い本例は、水系電解液を用いた全ての二次電池４０に対して有益である。

また、Ｔ_Ｈが短い本例は、二次電池４０の正極の腐食防止にも有効な場合がある。二次電池４０が鉛蓄電池である場合は、正極の腐食および正極の変形防止に対して特に有効である。つまり、正極における酸化鉛の形成およびこれに起因する体積膨張の防止に対して特に有効である。さらに、二次電池４０が鉛蓄電池である場合において、パルス状の高電圧により、負極に発生したサルフェーション（硫酸鉛）を定期的に分解することもできる。

なお、鉛蓄電池においては、充電時に下記の半反応が進む。充電時に問題となる酸化鉛は、正極反応におけるＰｂＯ_２である。
（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、充電時とは逆である下記の半反応が進む。放電時に問題となるサルフェーションは、負極反応におけるＰｂＳＯ_４である。
（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⁻

低電圧充電において、充放電制御装置３０は、二次電池４０の負極の劣化を抑制する低電圧を二次電池４０に印加してよい。当該低電圧は、０［Ｖ］よりも高く、且つ、高電圧よりも低くてよい。当該低電圧は、二次電池４０の完全放電時の起電力以上であってもよい。鉛蓄電池の例において、１セルの完全放電時の起電力が１．９５［Ｖ］である場合に、当該低電圧は１１．７［Ｖ］（＝１．９５［Ｖ］×６）以上であってよい。なお、完全放電時の起電力の値を、個別の電池性能に応じて変更してもよいのは勿論である。

ニッケルカドミウム電池およびニッケル水素電池の例において、放電時に負極と水との反応により負極が劣化し得る。鉛蓄電池の例において、充電電圧が極端に低い場合、自己放電が進み、負極ではサルフェーションが発生する。例えば、充電電圧が０［Ｖ］の場合、負極では結晶化したサルフェーションが硬質化する。硬質化したサルフェーションは、充電しても電解液に戻りにくくなる。これにより、負極が著しく劣化する。そこで本例では、低電圧を０［Ｖ］よりも高くする。または、低電圧を完全放電時の起電力以上とする。これにより、二次電池４０の負極の劣化を防止することができる。

また、低電圧は、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。鉛蓄電池の例において、１セルの理論起電力が２．０４［Ｖ］である場合に、当該低電圧は 約９．０６［Ｖ］（＝２．０４［Ｖ］×０．７４×６）以上であってよい。またさらに、当該低電圧は、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。鉛蓄電池の例において、１セルの理論起電力が２．０４［Ｖ］である場合に、当該低電圧は―約１１．４［Ｖ］（＝２．０４［Ｖ］×０．９３×６）以上であってもよい。

本例において、低電圧が理論起電力の７４％以上または９０％以上である場合とは、低電圧の瞬間最低値が理論起電力の７０％以上または９３％以上であることを意味してよい。それゆえ、鉛蓄電池の例において、低電圧が理論起電力の７４％以上または９３％以上の場合であっても、サルフェーションの抑制に一定の効果があるとしてよい。

また、当該低電圧は、二次電池４０の完全充電時の起電力以下であってよい。鉛蓄電池の例において、１セルの完全充電時の起電力が２．１［Ｖ］である場合に、当該低電圧は１２．６［Ｖ］（＝２．１［Ｖ］×６）以下であってよい。なお、完全充電時の起電力の値を、個別の電池性能に応じて変更してよいのは勿論である。

さらに、当該低電圧は、二次電池４０における理論起電力の電圧値の１２１％以下であってもよい。鉛蓄電池の例において、１セルの理論起電力が２．０４［Ｖ］である場合に、当該低電圧は約１４．８［Ｖ］（＝２．０４［Ｖ］×１．２１×６）以下であってもよい。

なお、本例において、低電圧は１２．６［Ｖ］である。つまり、本例のＴ_Ｌでは、１セル当たり２．１［Ｖ］（＝１２．６［Ｖ］／６）の電圧が印加される。

Ｔ_Ｌは、Ｔ_Ｈよりも長くてよい。本例のＴ_Ｌは３，６００［ｓｅｃ］（＝１時間）であり、Ｔ_Ｈは６０［ｓｅｃ］である。また、Ｔ_Ｈを６０［ｓｅｃ］として、Ｔ_Ｌを２４０［ｓｅｃ］以上、３０［ｍｉｎ］以上または１［ｈｏｕｒ］以上としてよい。つまり、Ｔ_ＬとＴ_Ｈとの比は、４≦Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ、３０≦Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈまたは６０≦Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈとしてもよい。

また、Ｔ_Ｈを６０［ｓｅｃ］として、Ｔ_Ｌを３［ｈｏｕｒ］以下または５［ｈｏｕｒ］以下としてよい。つまり、Ｔ_ＬとＴ_Ｈとの比は、Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ≦１８０または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、負極の劣化が急激に進むことが本願の発明者による実験において確認されている。それゆえ、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、鉛蓄電池の保護において特に有効である。

図３は、二次電池４０の電圧の時間変化を示す図である。横軸は時間［ｓｅｃ］を示し、縦軸は電圧［Ｖ］を示す。図３の例では、図２に示す電圧波形を、充放電制御装置３０から二次電池４０に入力した。本例において、二次電池４０は鉛蓄電池である。

二次電池４０にキャパシタ４２が並列接続されている場合の二次電池４０の端子電圧を実線で示す。これを、「キャパシタ４２あり」として図３に示す。これに対して、二次電池４０にキャパシタ４２が並列接続されていない場合の二次電池４０の端子電圧を二点鎖線で示す。これを、「キャパシタ４２なし」として図３に示す。「キャパシタ４２なし」の例においては、蓄電システム２０にキャパシタ４２が存在しない。

本例の二次電池４０は、６セルが直列接続された市販の鉛蓄電池である。低電圧充電期間Ｔ_Ｌは３，６００［ｓｅｃ］とし、高低電圧充電期間Ｔ_Ｈは６０［ｓｅｃ］とした。また、Ｔ_Ｌの低電圧は１２．６［Ｖ］とし、Ｔ_Ｈの高電圧は１３．３８［Ｖ］とした。

「キャパシタ４２なし」の場合、Ｔ_ＬからＴ_Ｈに移行した後、端子電圧はほぼ瞬間的に高電圧まで立ち上がった。そして、Ｔ_Ｈが終了すると、端子電圧は数十秒内に速やかに低電圧に落ち着いた。

これに対して、「キャパシタ４２あり」の場合、Ｔ_ＬからＴ_Ｈに移行した後、Ｔ_Ｈの開始時からＴ_Ｈの終了時までにかけて、低電圧から高電圧まで立ち上がった。つまり、「キャパシタ４２なし」の場合と比較して、端子電圧はなだらかに立ち上がった。そして、Ｔ_Ｈが終了すると、端子電圧は、Ｔ_Ｌの開始時から２４０［ｓｅｃ］かけて低電圧に落ち着いた。つまり、「キャパシタ４２なし」の場合と比較して、電圧値はなだらかに立ち下がった。

二次電池４０の充電は化学反応により進行する。それゆえ、短時間で急速に充電しても、化学反応が進行せずオーム熱損失となる場合がある。また、Ｔ_Ｈをあまり長くすると、過充電となり、電解液の分解ならびに正極の腐食および変形が進む。そこで、本例の様に、二次電池４０とキャパシタ４２とを並列に接続して、Ｔ_Ｈにおいて二次電池４０およびキャパシタ４２を充電し、かつ、Ｔ_Ｌにおいてキャパシタ４２に蓄えた電力で二次電池４０を充電してよい。これにより、化学反応時間の問題と過充電の問題とを同時に解決することができる。

図４は、二次電池４０の電圧および電流の時間変化を示す図である。図４は、図３に対して、充電電流［Ａ］の定性的な振る舞いを重ねて示した図である。横軸は時間［ｓｅｃ］を示し、左縦軸は電圧［Ｖ］を示し、右縦軸は電流［Ａ］を示す。

「キャパシタ４２なし」の場合、二次電池４０に流れる電流は、Ｔ_Ｈの開始時に０［Ａ］から所定の電流値まで急激に上昇する。そして、電流はＴ_Ｈ内において徐々に低下して、Ｔ_Ｈの終了時に急激に低下して０［Ａ］となる。Ｔ_Ｈ内において二次電池４０に蓄積された電荷量（＝電流×時間）を交差する斜線（網状）で示す。

これに対して「キャパシタ４２あり」の場合、二次電池４０に流れる電流は、Ｔ_Ｈの開始時に０［Ａ］から所定の電流値まで急激に上昇した後、Ｔ_Ｈ内において一定電流が流れる。そして、電流はＴ_Ｈの終了時に急激に低下して０［Ａ］となる。つまり、Ｔ_Ｈ内では、二次電池４０は定電流充電される。Ｔ_Ｈ内において二次電池４０に蓄積された電荷量（＝電流×時間）を斜線で示す。

二次電池４０およびキャパシタ４２を並列接続すると、二次電池４０の内部抵抗とキャパシタ４２の内部抵抗とが抵抗の並列回路となる。二次電池４０およびキャパシタ４２を並列接続する方が、二次電池４０単体の場合に比べて総内部抵抗値が小さい。それゆえ、二次電池４０とキャパシタ４２とを並列化する方が、二次電池４０単体の場合に比べて、充電時の電圧上昇速度が遅くなる。結果として、二次電池４０とキャパシタ４２とを並列化する方が、定電流充電時間が伸びるので、充電量が増える。それゆえ、「キャパシタ４２あり」の場合に二次電池４０に流れた電荷の総量は、「キャパシタ４２なし」の場合よりも多くなる。つまり、本例の間欠充電では、「キャパシタ４２あり」の場合の方が、「キャパシタ４２なし」の場合と比較してより効率的に二次電池４０を充電することができる。なお、Ｔ_Ｈ経過直後のＴ_Ｌにおいて、二次電池４０の電圧が下がるにつれて、キャパシタ４２は二次電池４０を充電することができる。ただし、二次電池４０の充電電流は、Ｔ_Ｈの間のみにおいて流れ、Ｔ_Ｈ経過直後のＴ_Ｌにおいては流れない。

図５は、充放電試験における、（ａ）放電容量比および（ｂ）電池質量比を示す図である。本例では、３０日を１周期として、１周期期間中は上述の間欠充電により二次電池４０を充電した。そして、１周期毎に充電を中断した。この中断後に、二次電池４０を一旦満充電にして、その後に放電させて、放電後に二次電池４０の性能評価を行った。この１周期充電、充電の中断、満充電、放電および性能評価のセットを複数回繰り返した。なお、放電時において、周囲温度２５℃とし、放電電流４Ｃとした。４Ｃとは、定格容量３６［Ａｈ］の二次電池４０において、１４４［Ａ］で０．２５［時間（ｈｏｕｒ）］放電させたことを意味する。また、性能評価においては、二次電池４０の端子電圧が９［Ｖ］に到達した時点における、放電容量および電池質量を測定した。

３セット目の性能評価時における放電容量を試験開始前の放電容量で除した値を放電容量比として図５（ａ）に示す。二次電池４０に並列接続されたキャパシタ４２がある場合（図５（ａ）左）、放電容量比は約０．５となった。これに対して、キャパシタ４２がない場合（図５（ａ）右）、放電容量比は約０．４３となった。このように、「キャパシタ４２あり」の方が、「キャパシタ４２なし」よりも放電容量を約１６％（＝０．５／０．４３）向上させることができた。

また、３セット目の性能評価における電池質量を試験開始前の電池質量で除した値を電池質量比として図５（ｂ）に示す。二次電池４０に並列接続されたキャパシタ４２がある場合（図５（ｂ）左）、電池質量比は約０．９９３となった。これに対して、キャパシタ４２がない場合（図５（ｂ）右）、放電容量比は約０．９８９となった。これにより、「キャパシタ４２あり」の方が、「キャパシタ４２なし」よりも電解液の分解が進行し難いことが実証された。

図６は、充放電制御方法を説明するフローチャートである。充放電制御装置３０は、本例のフローを制御する主体であってよい。これを実現するべく、充放電制御装置３０は、制御に必要なＣＰＵまたはＡＳＩＣおよびメモリ等を有してよい。二次電池４０の充電を行う場合、まず、充放電制御装置３０は、電源装置１０の電力を利用して、二次電池４０を所定充電率まで充電する（Ｓ３０）。所定充電率は、二次電池４０の種類に応じて変更してよい。二次電池４０が鉛蓄電池である場合、所定充電率は、完全充電状態の８０％以上１００％以下であってよい。

二次電池４０を所定充電率まで充電した後、上述の間欠充電により二次電池４０を充電する（Ｓ４０）。間欠充電においては、低電圧と高電圧とを交互に繰り返す。これにより、低電圧充電期間Ｔ_Ｌにおいて自己放電により失った電力を高電圧充電期間Ｔ_Ｈで補完することができる。二次電池４０における間欠充電の効果は上述の通りである。

充放電制御装置３０は、間欠充電（Ｓ４０）において、Ｔ_ＬおよびＴ_Ｈからなる１周期を複数回繰り返してよい。間欠充電は、電源装置１０からの給電が途切れる異常発生時まで継続してよい。電源装置１０に異常が発生しない場合（Ｓ５０でＮＯの場合）、充放電制御装置３０は、間欠充電（Ｓ４０）をさらに継続してよい。

これに対して、異常発生時には、電源装置１０からの電力供給が途切れる。この場合、負荷５０に対しては、電源装置１０ではなく二次電池４０から電力を供給する。これにより、二次電池４０の起電力は低下する。そこで、電源装置１０に異常が発生した場合（Ｓ５０でＹＥＳの場合）、Ｓ１０とＳ２０との間のフローに戻る。そして、さらなる充電を行わない場合（Ｓ２０でＹＥＳの場合）、充電を終了してよい（Ｓ６０）。これに対して、さらなる充電を行う場合（Ｓ２０でＮＯの場合）、Ｓ３０に進み、二次電池４０を再び所定充電率まで充電する。

本例は、充放電制御装置３０による充放電制御の一例に過ぎない。Ｓ３０からＳ４０へ続く順序を順守する限り、他のステップは適宜組み換えてよいし、省略してもよい。

図７は、第２実施形態における電源システム２００を示す図である。本例の二次電池装置１００は、キャパシタ４２を有さない。係る点において、第１実施形態と異なる。他の点は、第１実施形態と同じである。本例では、第１実施形態と同様に、二次電池４０を間欠充電する。

図８は、試験日数に対する容量維持率を示す図である。縦軸は容量維持率であり、横軸は試験日数［日］である。本例では、所定の試験日数経過後の容量を試験開始前の容量で除した値を、容量維持率とした。また、本例において容量の単位は［Ａｈ］とした。

（ａ）および（ｂ）は間欠充電方式を採用した場合の容量維持率である。なお、（ａ）はキャパシタ４２を設けた第１実施形態における容量維持率である。これに対して、（ｂ）はキャパシタ４２を設けない第２実施形態における容量維持率である。また、（ｃ）はメーカー公表の容量維持率であり、４５日経過時点で容量維持率は０．７である。

（ａ）および（ｂ）においては、満充電と、その後の所定期間の間欠充電と、間欠充電後の性能評価とのセットを複数回繰り返した。間欠充電を行う所定期間は約２８日とした。また、当該セットを３セット繰り返した。

３セット経過時点（約８３日経過時点）において、（ａ）の容量維持率は０．８８となり、（ｂ）の容量維持率は０．８３となった。このように、間欠充電方式が、二次電池４０の容量維持（すなわち電池寿命）にとって非常に効果的であることが実証された。加えて、キャパシタ４２が二次電池４０に並列接続されていない場合（すなわち、（ｂ）の場合）であっても、間欠充電方式は容量維持に有効であることが実証された。勿論、キャパシタ４２と二次電池４０とを並列接続して間欠充電する場合（すなわち、（ａ）の場合）方が、より効果的である。

図９は、第３実施形態における電源システム２００を示す図である。本例は、電流検出装置４４を利用する点において第２実施形態と異なる。本例の蓄電システム２０は、二次電池４０へ供給される充電電流を検出する電流検出装置４４を備える。電流検出装置４４は、直流電流センサであればいかなる電流センサであってもよい。例えば、直流電流センサは、コア、巻線およびホール素子を用いて配線に非接触で電流を測定する電流センサである。また、直流電流センサは、抵抗を利用した電流センサであってもよい。なお、電流検出装置４４は充放電制御装置３０と別体である必要はなく、充放電制御装置３０と一体的に設けられてもよい。

二次電池４０の劣化に起因して、二次電池４０の安定状態における起電力が低下する場合がある。安定状態における起電力が低下すると、当初の低電圧の電圧値が、低電圧としては比較的高い電圧値となる。この場合、上述の間欠充電においては、低下した起電力に合わせて低電圧の電圧値を下げる方が望ましい。

本例の電流検出装置４４は、二次電池４０に流入するおよび／または二次電池４０から流出する電流を検出する。本例の電流検出装置４４は、検出した電流値を充放電制御装置３０に通知する。そして、充放電制御装置３０は、低電圧充電における充電電流がゼロ［Ａ］以上になるように間欠充電における低電圧の電圧値を制御する。具体的には、充放電制御装置３０は、図３の例と同様にＴ_Ｌ開始後２４０［ｓｅｃ］で、充電電流がゼロ［Ａ］になるように低電圧の電圧値を制御してよい。充放電制御装置３０は、１２．６Ｖ（１セル当たり２．１Ｖ）以下９．３６Ｖ（１セル当たり１．９５Ｖ）以上の範囲において、低電圧の電圧値を定めてよい。

本例において、低電圧充電における充電電流とは、自己放電に起因する放電電流と、電源装置１０およびキャパシタ４２の少なくとも１以上とから供給される電流とを意味してよい。また、ゼロ［Ａ］とは、略ゼロ［Ａ］であってよい。略ゼロ［Ａ］とは、具体的には、０．０２［Ａ］以下、または、０．０００４Ｃ以下であってよい。なお、本例を第１実施形態と組み合わせてもよい。つまり、キャパシタ４２を二次電池４０に並列接続させた状態で、電流検出装置４４を用いてもよい。

図１０は、第４実施形態における電源システム２００を示す図である。本例は、電圧検出装置４６を利用する点において第２実施形態と異なる。本例の蓄電システム２０は、二次電池４０の起電力を検出する電圧検出装置４６を備える。なお、電圧検出装置４６は充放電制御装置３０と別体である必要はなく、充放電制御装置３０と一体的に設けられてもよい。

本例の電圧検出装置４６は、検出した二次電池４０の起電力を充放電制御装置３０に通知する。充放電制御装置３０は、電圧検出装置４６が検出した起電力に基づいて低電圧の電圧値を制御する。具体的には、二次電池４０の起電力が低下すると、充放電制御装置３０は、１２．６Ｖ（１セル当たり２．１Ｖ）以下９．３６Ｖ（１セル当たり１．９５Ｖ）以上の範囲において、低電圧の電圧値を定めてよい。これにより、低下した起電力に合わせて間欠充電における低電圧の電圧値を下げることができる。なお、本例を第１実施形態と組み合わせてもよい。つまり、キャパシタ４２を二次電池４０に並列接続させた状態で、電圧検出装置４６を用いてもよい。

図１１は、第５実施形態における電源システム２００を示す図である。本例は、内部抵抗検出装置４８を利用する点において第２実施形態と異なる。本例の蓄電システム２０は、二次電池４０の内部抵抗を測定する内部抵抗検出装置４８を備える。なお、内部抵抗検出装置４８は充放電制御装置３０と別体である必要はなく、充放電制御装置３０と一体的に設けられてもよい。

本例の内部抵抗検出装置４８は、二次電池４０の内部抵抗を検出して充放電制御装置３０に通知する。充放電制御装置３０は、二次電池４０の内部抵抗に基づいて、高電圧充電時間Ｔ_Ｈを制御する。使用時間と共に、内部抵抗は上昇することが知られている。内部抵抗の上昇は、硬質化した硫酸鉛（サルフェーション）の形成などが原因である。

そこで、二次電池４０の内部抵抗が上昇すると、充放電制御装置３０は、Ｔ_Ｈを充電サイクル初期のＴ_Ｈよりも長くして、サルフェーションを鉛または酸化鉛に戻すようにしてよい。具体的には、Ｔ_Ｈは１０［ｓｅｃ］以上１４４００［ｓｅｃ］以下としてよい。なお、本例を第１実施形態と組み合わせてもよい。つまり、キャパシタ４２を二次電池４０に並列接続させた状態で、内部抵抗検出装置４８を用いてもよい。

他の例において、充放電制御装置３０は、二次電池４０の使用時間に基づいて、Ｔ_Ｈを制御してよい。二次電池４０の使用時間が長くなるとサルフェーションが硬質化するので、充放電制御装置３０は、Ｔ_Ｈを充電サイクル初期のＴ_Ｈよりも長くしてよい。なお、本例を第１実施形態と組み合わせてもよい。

また、他の例において充放電制御装置３０は、二次電池４０の使用時間に基づいて、Ｔ_Ｌを制御してよい。二次電池４０の使用時間が長くなると、正極の劣化および電解液の消失が進む。それゆえ、これらのさらなる悪化を防ぐべく、Ｔ_Ｌを充電サイクル初期のＴ_Ｌよりも長くしてもよい。具体的には、Ｔ_Lは６０［ｓｅｃ］以上８６４００［ｓｅｃ］以下としてよい。また、Ｔ_Ｌを長くしたことに伴いＴ_Ｈを短くしてもよい。つまり、Ｔ_Ｌの増加分とＴ_Ｈの減少分とが等しくてよい。なお、本例を第１実施形態と組み合わせてもよい。また、充放電制御装置３０は、二次電池４０の内部抵抗に基づいて、低電圧充電時間Ｔ_Ｌを制御してよい。内部抵抗が上昇した場合に、さらなる悪化を防ぐべく、ＴＬを充電サイクル初期のＴ_Ｌよりも長くしてよい。具体的には、Ｔ_Ｌは６０［ｓｅｃ］以上８６４００［ｓｅｃ］以下としてよい。

図１２は、第６実施形態における電源システム２００を示す図である。本例の充放電制御装置３０は、キャパシタ４２がない場合であっても、キャパシタ４２がある場合と似た電圧波形を二次電池４０に出力する。これを実現するべく、充放電制御装置３０は、例えば当該電圧波形を予め記録したメモリを内蔵してよい。係る点において第２実施形態と異なる。

本例の充放電制御装置３０は、間欠充電における高電圧充電において、矩形における予め定められた高周波成分を除去したパルス状の高電圧を二次電池４０に印加する。矩形における予め定められた高周波成分を除去したパルス状とは、矩形波ではないことを意味する。一例であるが、第１実施形態の図３における「キャパシタ４２あり」と同じ波形であってよい。これにより、キャパシタ４２がない場合であっても、第１実施形態の「キャパシタ４２あり」の場合と同様に、定電流充電時間が延びる効果を得ることができる。

また、他の例において、矩形における予め定められた高周波成分を除去したパルス状とは、特定の周波数と当該特定の周波数の第ｎ高調波（ｎは自然数）との重ね合わせのうち、最も高い周波数成分を含む１以上の高調波を除去した波形であってよい。つまり、キャパシタ４２がない場合であっても、キャパシタ４２がある場合と同様に、電圧値がＴ_Ｈ内においてなだらかに立ち上がり、かつ、なだらかに立ち下がる波形であってよい。これにより、キャパシタ４２がない場合であっても、第１実施形態の「キャパシタ４２あり」の場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本例と第３実施形態から第５実施形態のいずれかと組み合わせてもよい。つまり、本例と低電圧値を制御する例とを組み合わせてもよい。

図１３は、（ａ）高周波成分および低周波成分を含むパルス波形を示す図である。（ｂ）高周波成分を除去したパルス波形を示す図である。通常、矩形波は、高周波成分および低周波成分の重ねあわせにより構成される。（ａ）の例における波形は、完全な矩形波ではないが矩形波と同視することができる。（ａ）に示すように、波形の立上りおよび立下りのエッジ近傍は、高周波成分により構成される。それゆえ、高周波成分を除去すると矩形波におけるエッジ部分が除去される。

（ｂ）の例では、エッジを構成する高周波成分を除去した。（ｂ）の例において、パルス期間は、Ｔ_Ｈの全期間とＴ_Ｈ直後に続くＴ_Ｌの一部期間とを含んでよい。パルス期間は、図３の例と同様に３００［ｓｅｃ］（６０［ｓｅｃ］＋２４０［ｓｅｃ］）であってよい。（ｂ）の例において、パルス期間における電圧波形の立上り期間は適宜調整してよい。本例において、電圧波形の立上り期間は、電圧値が低電圧より大きくなり始めたタイミングから電圧値が最大値になるまでのタイミングを意味する。また、電圧波形の立上り期間は、高電圧印加期間の半分以上であってよい。なお、本例において、高電圧印加期間は、電圧値が低電圧より大きくなり始めたタイミングから低電圧に降下し始めるまでのタイミングを意味する。

（ｂ）の例では、電圧値はなだらかなに立上り、かつ、なだらかに立ち下がる。それゆえ、（ｂ）の例では、図３における「キャパシタ４２あり」の例と同様の効果を得ることができる。

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、多様な変更又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。その様な変更又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、この順序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、２０・・蓄電システム、２２・・コンバータ、２４・・インバータ、３０・・充放電制御装置、３２・・ノード、３４・・ノード、４０・・二次電池、４２・・キャパシタ、４４・・電流検出装置、４６・・電圧検出装置、４８・・内部抵抗検出装置、５０・・負荷、１００・・二次電池装置、２００・・電源システム

本例において、低電圧が理論起電力の７４％以上または９３％以上である場合とは、低電圧の瞬間最低値が理論起電力の７４％以上または９３％以上であることを意味してよい。それゆえ、鉛蓄電池の例において、低電圧が理論起電力の７４％以上または９３％以上の場合であっても、サルフェーションの抑制に一定の効果があるとしてよい。

Claims (19)

1. 二次電池と、
   前記二次電池の充放電を制御する充放電制御装置と
   を備え、
   前記充放電制御装置は、
   パルス状の高電圧を前記二次電池に印加する高電圧充電と、０Ｖよりも高く、且つ、前記高電圧よりも低い低電圧を前記二次電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返す二次電池装置。
2. 前記低電圧充電の前記低電圧は、前記二次電池の完全放電時の起電力以上である
   請求項１に記載の二次電池装置。
3. 前記低電圧充電の前記低電圧は、前記二次電池の完全充電時の起電力以下である
   請求項２に記載の二次電池装置。
4. 前記低電圧充電の前記低電圧は、前記二次電池における理論起電力の７４％以上である
   請求項１に記載の二次電池装置。
5. 前記低電圧充電の前記低電圧は、前記二次電池における理論起電力の９３％以上である
   請求項４に記載の二次電池装置。
6. 前記低電圧充電の前記低電圧は、前記二次電池における理論起電力の電圧値の１２１％以下である
   請求項４または５に記載の二次電池装置。
7. 前記二次電池に前記低電圧を印加する低電圧充電時間Ｔ_Ｌは、前記二次電池に対して前記高電圧を印加する高電圧充電時間Ｔ_Ｈよりも長い
   請求項１から３のいずれか一項に記載の二次電池装置。
8. 前記低電圧充電時間Ｔ_Ｌと前記高電圧充電時間Ｔ_Ｈとの比は、４≦Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈである
   請求項７に記載の二次電池装置。
9. 前記充放電制御装置は、前記二次電池へ供給される充電電流を検出して、前記低電圧充電における前記充電電流がゼロ以上になるように前記低電圧の電圧値を制御する
   請求項１から８のいずれか一項に記載の二次電池装置。
   
10. 前記充放電制御装置は、前記二次電池の起電力を検出して、検出した前記起電力に基づいて前記低電圧の電圧値を制御する
    請求項１から８のいずれか一項に記載の二次電池装置。
11. 前記充放電制御装置は、前記二次電池の使用時間に基づいて、前記二次電池に対して前記高電圧を印加する高電圧充電時間Ｔ_Ｈを制御する
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の二次電池装置。
12. 前記充放電制御装置は、前記二次電池の内部抵抗に基づいて、前記二次電池に対して前記高電圧を印加する高電圧充電時間Ｔ_Ｈを制御する
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の二次電池装置。
13. 前記充放電制御装置は、前記二次電池の使用時間に基づいて、前記二次電池に前記低電圧を印加する低電圧充電時間Ｔ_Ｌを制御する
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の二次電池装置。
14. 前記充放電制御装置は、前記二次電池の内部抵抗に基づいて、前記二次電池に対して前記低電圧を印加する低電圧充電時間Ｔ_Ｌを制御する
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の二次電池装置。
15. 前記二次電池に並列に接続された、静電容量を有する蓄電素子を更に備える
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の二次電池装置。
16. 前記充放電制御装置は、前記高電圧充電において、矩形における予め定められた高周波成分を除去したパルス状の前記高電圧を前記二次電池に印加する
    請求項１から１５のいずれか一項に記載の二次電池装置。
17. 電源装置と、
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の二次電池装置と
    を備え、
    前記二次電池装置の前記充放電制御装置は、前記電源装置が生成した電力で前記二次電池を充電する電源システム。
18. 二次電池の充放電を制御する充放電制御装置であって、
    パルス状の高電圧を前記二次電池に印加する高電圧充電と、０Ｖよりも高く、且つ、前記高電圧よりも低い低電圧を前記二次電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返す充放電制御装置。
19. 二次電池の充放電を制御する充放電制御方法であって、
    パルス状の高電圧を前記二次電池に印加する高電圧充電と、０Ｖよりも高く、且つ、前記高電圧よりも低い低電圧を前記二次電池に印加する低電圧充電とを交互に繰り返す充放電制御方法。

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