JP2003259501A - 電動車輌用鉛蓄電池の充・放電制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォークリフト等の電動車輌では、通常、鉛
蓄電池の単電池（セル）が多数接続されて使用されてい
るため、蓄電池性能のばらつきや蓄電池毎の温度分布の
ばらつきにより、特定のセルのみが過放電あるいは過充
電を受け、そのセルが早期に性能低下し、その結果、単
電池（セル）１個のために組電池全体の性能が早期に低
下する事がある。 【解決手段】 正極格子にＰｂ−Ｃａ系合金を用いた制
御弁式鉛蓄電池多セルを組み合わせた組電池を、いくつ
かのセルからなるブロック（ブロック蓄電池）毎の状態
検知データに基づいて充・放電を制御する制御弁式鉛蓄
電池群の充・放電制御方法において、蓄電池の残存容量
に応じて走行中に警報信号および／又は蓄電池の負荷を
軽減させるための出力低下の信号を車体に送り、過放電
を防止する、さらに、充電不足気味の充電を行い、蓄電
池の状態に応じて回復充電の指示を行うことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動車輌用鉛蓄電
池の充・放電制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】フォークリフト等の電動車輌では、通
常、鉛蓄電池の単電池（以降セルという）が多数接続さ
れて使用されているため、蓄電池性能のばらつきや蓄電
池毎の温度分布ばらつきにより、特定のセルが過放電あ
るいは過充電を受け、そのセルが早期に性能低下し、そ
の結果、1個のセルのために組電池全体の性能が低下す
る事がある。このような現象は、正極にＰｂ−Ｓｂ系の
鉛合金からなる正極格子を用いた開放型の液式鉛蓄電池
に比べて正極にＰｂ−Ｃａ系合金を用いた制御弁式鉛電
池で起こりやすい傾向にある。近年、正極にＰｂ−Ｃａ
系合金を用いた制御弁式鉛電池は、無漏液・無保守とい
った優れた特性を有していることから電動車輌への搭載
が増える傾向にある。我々が調査した結果でもセルの劣
化により組電池全体の性能が低下する現象が散見され
た。さらに深く原因を調査すると、劣化した蓄電池で
は、使用中に過放電あるいは過充電されて、活物質の劣
化や電解液の枯渇が起こっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、多数
のセルが接続された組電池において、充・放電制御方法
により特定のセルが過放電あるいは過充電を受けるのを
防止し、安定した寿命性能を有する電動車輌用制御弁式
鉛蓄電池を提供する事ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】発明者は、多数のセルが
接続された組電池において、特定のセルが過放電あるい
は過充電を受けるのを防止するために、所定のセルを単
位としたブロック蓄電池毎に充・放電を管理する方法に
ついて試験を行い、それによって得た知見に基づいて課
題を解決するもので、請求項１によれば、正極格子にＰ
ｂ−Ｃａ系合金を用いた制御弁式鉛蓄電池の単電池（セ
ル）を複数組み合わせた組電池を、いくつかのセルから
なるブロック（ブロック蓄電池）毎の状態検知データに
基づいて充・放電を制御する充・放電制御方法におい
て、蓄電池の残存容量に応じて走行中に警報信号および
／又は蓄電池の負荷を軽減するための出力低下の信号を
車体に送ることを特徴とするものである。

【０００５】本発明では、ブロック（ブロック蓄電池）
毎の状態検知データに基づいて残存容量を検知し、車体
にその信号を送ると共に、蓄電池の負担軽減のための出
力低下の信号をも送り蓄電池の過放電を防止するもので
ある。具体的には、いずれかのブロック蓄電池の残存容
量が２５〜３５％以下になった時点で、信号を車体に送
ると共に、電動車輌の負荷を４０〜５０％以下に下げる
信号を送るものである。

【０００６】請求項２によれば、前記電動車輌用制御弁
式鉛蓄電池の充・放電制御方法において、前記鉛蓄電池
の単電池（セル）の残存容量と放電時の電流・温度・電
圧との関係を求めたデータを保有し、実測したブロック
蓄電池の電圧値、電流値、電池温度と前記データとを照
合することにより、各ブロック蓄電池の残存容量を検知
することを特徴とするものである。

【０００７】本発明では、ブロック蓄電池の残存容量を
検知する方法を示すもので、残存容量と放電時の電流・
温度・電圧との関係をあらかじめ求め、そのデータをも
とに走行中のブロック蓄電池の残存容量を算出するもの
である。

【０００８】請求項３によれば、走行中、いずれかのブ
ロック蓄電池の電圧が、所定の残存容量にまで低下した
時点で、車体に信号を送り、蓄電池からの放電を軽減さ
せると共に、前記放電では、ブロック蓄電池の残存容量
が５％以下には至らないように管理することを特徴とす
るものである。

【０００９】本発明によれば、特定のブロック蓄電池の
残存容量が低下すれば、車体に信号を送ると共に負荷を
軽減し、さらに、特定のブロック蓄電池の残存容量が５
％になった時点で電動車輌の作動を停止させ、特定のセ
ルの過放電を防止するものである。

【００１０】請求項４によれば、走行後の充電において
放電量に対してＸ％（９５％≦Ｘ≦１１０％）の充電を
行うことを特徴とするものである。

【００１１】請求項１から３は蓄電池の過放電を防止す
るためのものであったが、請求項４は過充電の防止対策
として放電量の９５〜１１０％の充電を行うもので、若
干充電不足傾向にある。すなわち、Ｐｂ−Ｃａ合金格子
のようにアンチモンを含まない正極格子を用いた鉛蓄電
池では、過充電を行うと、正極格子の酸化が進みすぎる
ため、放電時にその部分が優先的に放電して、正極板の
格子と活物質との界面に硫酸鉛の絶縁層が形成され、容
量が低下するという問題が生じることがあるので過充電
は極力避けなければならない。組電池で使用する場合に
は、特定のセルが大きな過充電を受ける可能性があるの
で上記のような充電を行うことが好ましい。

【００１２】請求項５によれば、放電量に対してＸ％
（９５％≦Ｘ≦１１０％）の充電を行った後の放電にお
いて、各ブロック蓄電池あるいは組電池全体の放電電圧
から算出される残存容量と電動車輌走行時の放電量（Ａ
ｈ）から算出された蓄電池全体の残存容量との差が所定
の値以上に広がった場合に、Ｘ％より多い電気量の充電
（回復充電または均等充電）を行うことを特徴とするも
のである。

【００１３】本発明によれば、各ブロック蓄電池あるい
は組電池全体の放電電圧から算出される残存容量と電動
車輌走行時の放電量（Ａｈ）から算出される蓄電池全体
の残存容量との差が所定の値以上に広がったことは、そ
の低いブロック蓄電池あるいは組電池は充電不足状態で
あることを意味し、通常の放電量の９５〜１１０％より
多い電気量の充電（回復充電または均等充電）を行う必
要がある。電動車輌走行時の放電量（Ａｈ）から算出し
た残存容量と放電電圧から算出した残存容量との差が１
５〜２５％になった時点で回復充電または均等充電をす
るのが好ましい。

【００１４】請求項６によれば、放電量に対してＸ％
（９５％≦Ｘ≦１１０％）の充電を行った時に、各ブロ
ック蓄電池あるいは組電池全体の充電後の無負荷時の電
圧から算出される蓄電池容量が、完全充電状態の無負荷
電圧から算出される容量より低く、その差が所定の容量
以下に達した場合に、放電後の次の放電ではＸ％より多
い電気量の充電（回復充電または均等充電）を行うこと
を特徴とするものである。

【００１５】本発明によれば、完全充電状態であるとい
うことは、規定の電解液比重にまで回復していることで
あり、電解液比重と無負荷時の電圧には相関性があるの
で、前記電圧を測定することによって充電状態を知るこ
とができる。したがって、充電したにもかかわらず充電
後の無負荷電圧が完全充電状態の無負荷電圧より低いこ
とは電解液比重が完全に戻っておらず充電不足を意味し
ており、通常の放電量の９５〜１１０％より多い電気量
の充電（回復充電または均等充電）を行う必要がある。
完全充電状態での蓄電池容量に対してして各ブロックあ
るいは組電池全体の充電後の容量が８５％以下になった
時点で回復充電または均等充電を行うのが好ましい。

【００１６】請求項７によれば、放電量に対してＸ％
（９５％≦Ｘ≦１１０％）の充電を行った後の放電にお
いて、放電中のブロック電圧から算出される残存容量に
ついて各ブロック蓄電池間で所定量以上の差が発生した
場合に、Ｘ％より多い電気量の充電（回復充電または均
等充電）を行うことを特徴とするものである。

【００１７】本発明によれば、各ブロック蓄電池間にお
いて放電中のブロック電圧から算出される残存容量に所
定量以上の差が発生することは、いずれかのブロック蓄
電池が充電不足になっていることを示すもので、通常の
放電量の９５〜１１０％より多い電気量の充電（回復充
電または均等充電）をおこない、充電不足のブロック蓄
電池の容量を回復させる必要がある。各ブロック間の残
存容量の差が１５％〜２５％以上になった時点で回復充
電または均等充電を行うのが好ましい。

【００１８】請求項８によれば、放電量に対してＸ％
（９５％≦Ｘ≦１１０％）の充電を行った時に、充電後
の無負荷時のブロック電圧から算出される蓄電池容量に
ついて各ブロック蓄電池間で所定量以上の差が発生した
場合に、放電後の次の充電ではＸ％より多い電気量の充
電（回復充電または均等充電）を行うことを特徴とする
ものである。

【００１９】本発明によれば、充電を行ったにもかかわ
らず、充電後の無負荷時のブロック電圧から算出される
蓄電池容量においてブロック蓄電池間に差が発生した場
合、容量の低いブロック蓄電池が充電不足であることを
意味し、通常の放電量の９５〜１１０％より多い電気量
の充電（回復充電または均等充電）を行う必要がある。
ブロック間の充電後の算出した容量差が１５〜２５％以
上になった時点で回復充電または均等充電を行うのが好
ましい。

【００２０】請求項９によれば、前記の多い電気量の充
電（回復充電または均等充電）が連続あるいは不連続で
設定された回数に達した場合には、異常と判断して、回
復充電を実施しないことを特徴とするものである。

【００２１】本発明によれば、通常の放電量の９５〜１
１０％より多い電気量の充電（回復充電または均等充
電）を連続して行う必要が発生したことは、いずれかの
蓄電池に異常が発生していることを意味し、この場合は
蓄電池の調査が必要である。連続の場合は、３回以上回
復充電または均等充電の必要が発生した場合、異常と判
断する必要がある。また、不連続の場合では、２回に１
回の割合で回復充電または均等充電の必要が発生した場
合に異常と判断するのが適切である。

【００２２】以上のように、電動車輌用制御弁式鉛蓄電
池の残存容量（放電状態）を管理することにより、セル
の劣化を組電池全体の問題にしないようにするのが目的
で、所定の残存容量に達したら、電動車輌に信号を与え
て蓄電池の負荷を軽減するために出力を制限するもので
ある。そのためには、あらかじめ蓄電池の残存容量と放
電時の電流・温度・電圧との関係のデータ、あるいは無
負荷時の温度・電圧と蓄電池容量との関係のデータを管
理装置内に保有し、実測したブロック蓄電池電圧値、蓄
電池温度、電流値と前記データとを照合することにより
残存容量を求める。特に、過放電を防止すために、負荷
を軽減した放電においてもブロック蓄電池の残存容量が
５％を下回ることのないように管理する。以上の管理を
行うことによって特定のセルの過放電を抑制することが
でき、１セルの蓄電池が悪いため組電池全体が不具合に
なることを防止できる。

【００２３】また、制御弁式鉛蓄電池の安定したサイク
ル寿命を得るためには、過充電を極力避ける必要があ
り、充電量９５〜１１０％の範囲の充電を実施する。こ
の条件は、充電不足傾向にあるので、走行時のブロック
毎の蓄電池の残存容量や充電後の完全充電状態等の検知
データを監視し、ブロック間に所定の差が発生した場合
には、その後の充電では、通常の放電量の９５〜１１０
％より多い電気量の充電（回復充電または均等充電）を
行うことにより充電不足を避けることができ、安定した
寿命性能が得られる。

【００２４】

【発明の実施の形態】

【実施例】正極格子にＰｂ−Ｃａ系合金を使用した制御
弁式鉛蓄電池を多セル組み合わせた組電池をいくつかの
ブロック（ブロック蓄電池）毎の電圧、電流あるいは温
度等の状態検知データで監視し、蓄電池の状態に応じ
て、走行中に警報信号や蓄電池の負荷を軽減させる出力
低下の信号を車体に送る、一方、充電に関しては充電不
足気味の充電を行い、充電状態に応じて回復充電を行う
ことにより、高い信頼性の電動車輌用制御弁式鉛蓄電池
が得られることを実施例でもって具体的に示す。

【００２５】[実施例１]本発明の効果を明確にするため
の試験を行うにあたって、下記の試験用蓄電池を製作し
た。

【００２６】正・負極板にＰｂ−０．０７ｗｔ％Ｃａ−
１．３ｗｔ％Ｓｎ合金からなるエキスパンド格子をそれ
ぞれ用い、通常の活物質を塗布した正極板５枚、負極板
６枚を微細ガラス繊維セパレータを介して交互に積層
し、電槽に挿入する。該蓄電池に所定量の希硫酸を注液
して化成し、通常の安全弁を装着したいわゆるリテーナ
式制御弁式鉛蓄電池を製作した。定格容量は、２Ｖ、４
００Ａｈでこれらの蓄電池を２４セル直列に接続した組
電池をフォークリフトに搭載した。

【００２７】まずこのセルを種々の温度および電流で放
電し、放電時の電圧と残存容量との関係を示すデータを
作成した。次に、上記フォークリフトに搭載し２４セル
からなる組電池を６セル単位のブロック蓄電池に分け、
管理装置で電圧、電流、温度を監視した。

【００２８】上記組電池および管理装置システムの概要
を図１に示す。１は２４セルからなる組電池、２は管理
装置、３は電圧、電流、温度を測定するため、ブロック
蓄電池と管理装置２とを接続するケーブル、４はフォー
クリフト、５は充電器、６は蓄電池温度を測定するため
に組電池の中央に貼られた熱電対をそれぞれ示す。

【００２９】図に示すように、管理装置を蓄電池の傍に
設置し、蓄電池から得た情報を元に、この管理装置から
フォークリフトあるいは充電器に信号を送り出す。この
管理装置の管理プログラムの一例を以下に示す。

【００３０】（１）４つのブロック蓄電池のブロック電
圧のいずれかが、電流、温度データと併せて計算した所
定の残存容量データにおいて、残存容量が３０％の状態
に相当する電圧になった時点で、組電池全体の残存容量
にかかわらず、フォークリフトに対する出力を５０％に
低減し、同時に警報を出す。ブロック電圧が残存容量２
５％に相当する電圧まで低下した時点で、出力を２０％
まで低下させる。ブロック電圧が残存容量２０％相当ま
で低下した時点で、出力を１０％にまで低下させる。最
終的にいずれかのブロック蓄電池の残存容量が５％に至
った時点で蓄電池からの出力はほぼゼロになるようにす
る。

【００３１】（２）充電は放電量の９５〜１１０％の比
較的少ない充電量の充電を行う。本実施例では、管理装
置でフォークリフト走行中の電流を測定し、放電したＡ
ｈ量を計算し、放電量の100％の電気量を充電するよう
に充電器に対し指示を与える。

【００３２】（３）本管理装置には、充電器に対し所定
のタイミングで回復充電を行うよう指示をしている。

【００３３】回復充電を実施する条件を具体的に示す。

【００３４】（ａ）各ブロック蓄電池の放電中のブロッ
ク電圧から算出される残存容量がフォークリフト走行時
の放電量（Ａｈ）から算出された蓄電池の残存容量に比
べ２０％以下に低下した場合。

【００３５】（ｂ）各ブロック蓄電池あるいは組電池全
体の充電後の無負荷電圧から算出される容量が、完全充
電状態の無負荷電圧から算出される容量に対して８０％
以下にまで低下した場合。

【００３６】（ｃ）各ブロック蓄電池間の放電中のブロ
ック電圧から算出される残存容量の差が最大２０％以上
になった場合。

【００３７】（ｄ）各ブロック蓄電池間の充電後の無負
荷電圧から算出される残存容量の差が最大２０％以上に
なった場合。

【００３８】本試験の充電は、準定電圧方式の充電器を
用いておこなった。本充電器は３相交流電源を入力電源
にしているが、２．４Ｖ／セルの蓄電池電圧に至った時
点で２相交流に移行し、充電電流を大きく低減させ、制
御弁式鉛電池に適した充電器に改良したものである。

【００３９】なお、本実施例での回復充電は通常の準定
電圧充電時間をさらに４ｈ延長するもので、定格容量に
対しおよそ２０％の充電量にあたるように設定してい
る。

【００４０】試験では、同じ内容の組電池で管理装置を
搭載せず、充電量を約１１５％に設定したフォークリフ
トと、上記本発明の管理装置を搭載し、充電量を１００
％に設定したフォークリフトの２台を用いて走行試験を
おこなった。

【００４１】本実施例でのフォークリフト使用期間と共
に変化する各ブロック蓄電池の０．１ＣＡ（Ｃ：定格容
量、Ａ：電流単位）放電での放電終期時の放電電圧値の
推移を図２に示す。本発明の充・放電管理を行ったフォ
ークリフトではあるブロック蓄電池の容量が僅か低下し
ているが、決して過放電にはなっていないことがわか
る。一方、管理装置のないフォークリフトでは、早期に
過放電になっているブロック蓄電池が出てきている。

【００４２】組電池は、半年に１回、回復充電後に容量
の確認を行っている。放電容量の推移を図３に示す。組
電池全体の性能を見ても、やはり本発明のフォークリフ
トは３年経過後もほとんど容量低下がないが、管理装置
のないフォークリフトは容量が低下している。

【００４３】以上のように、本発明の正極格子にＰｂ−
Ｃａ系合金を使用した制御弁式鉛蓄電池を搭載し、それ
らの充・放電状態を管理する管理装置を設置したフォー
クリフトは、長期にわたり非常に高い信頼性を有するこ
とが明らかになった。

【００４４】

【発明の効果】正極格子にＰｂ−Ｃａ系合金を用いた制
御弁式鉛蓄電池多セルを組み合わせた組電池を、いくつ
かのセルからなるブロック（ブロック蓄電池）毎の状態
検知データに基づいて充・放電を制御する制御弁式鉛蓄
電池群の充・放電制御方法において、蓄電池の残存容量
に応じて走行中に警報信号および／又は蓄電池の負荷を
軽減させるための出力低下の信号を車体に送り、過放電
を防止し、さらに、通常は充電不足気味の充電を行い、
過充電を防止し、ブロック蓄電池の充電状態を管理し、
適時回復充電の指示を行うことにより、組電池の寿命性
能の向上・安定化に非常に有効であり、その工業的効果
は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 フォークリフトの組電池および管理装置シス
テムの概要を示す図。

【図２】 各ブロック蓄電池の０．１ＣＡ（Ｃ：定格容
量、Ａ：電流単位）放電での放電終期時の放電電圧値の
推移を示す図

【図３】 実走行試験経過での組電池全体の容量の推移
を示す図

【符号の説明】

１ 組電池 ２ 管理装置 ３ ケーブル ４ フォークリフト ５ 充電器 ６ 熱電対

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA03 DA02 DA04 DA13 EA05 FA06 GC05 5H030 AA03 AA04 AS05 AS08 BB01 BB21 FF22 FF41 FF42 FF44 5H115 PA08 PA15 PC06 PG05 PI16 PI29 PO01 PO07 TI02 TI05 TI06 TI10 TR19 TU17 TW10 TZ01 TZ09 UB01 UB05 UB07 UB11

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正極格子にＰｂ−Ｃａ系合金を用いた制
   御弁式鉛蓄電池の単電池（セル）を複数組み合わせた組
   電池を、いくつかのセルからなるブロック（ブロック蓄
   電池）毎の状態検知データに基づいて充・放電を制御す
   る充・放電制御方法において、蓄電池の残存容量に応じ
   て走行中に警報信号および/又は蓄電池の負荷を軽減す
   るための出力低下の信号を車体に送ることを特徴とする
   電動車輌用制御弁式鉛蓄電池の充・放電制御方法。
2. 【請求項２】 前記鉛蓄電池の単電池（セル）の残存容
   量と放電時の電流・温度・電圧との関係を求めたデータ
   を保有し、実測したブロック蓄電池の電圧値、電流値、
   電池温度と前記データと照合することにより、各ブロッ
   ク蓄電池の残存容量を検知することを特徴とする請求項
   １に記載の電動車輌用制御弁式鉛蓄電池の充・放電制御
   方法。
3. 【請求項３】 走行中、いずれかのブロック蓄電池の電
   圧が、所定の残存容量に相当するまで低下した時点で、
   車体に信号を送り、蓄電池からの放電を軽減させる共
   に、前記放電においてブロック蓄電池の残存容量が５％
   以下に至らないように管理することを特徴とする請求項
   １又は２に記載の電動車輌用制御弁式鉛蓄電池の充・放
   電制御方法。
4. 【請求項４】 走行後の充電において放電量に対してＸ
   ％（９５％≦Ｘ≦１１０％）の充電を行うことを特徴と
   する電動車輌用制御弁式鉛蓄電池の充・放電制御方法。
5. 【請求項５】 放電量に対してＸ％（９５％≦Ｘ≦１１
   ０％）の充電を行った後の放電において、各ブロック蓄
   電池あるいは組電池全体の放電電圧から算出される残存
   容量と電動車輌走行時の放電量（Ａｈ）から算出された
   蓄電池全体の残存容量との差が所定の値以上に広がった
   場合に、Ｘ％より多い電気量の充電（回復充電または均
   等充電）を行うことを特徴とする電動車輌用制御弁式鉛
   蓄電池の充・放電制御方法。
6. 【請求項６】 放電量に対してＸ％（９５％≦Ｘ≦１１
   ０％）の充電を行った時に、各ブロック蓄電池あるいは
   組電池全体の充電後の無負荷時の電圧から算出される蓄
   電池容量が、完全充電状態の無負荷電圧から算出される
   容量より低く、その差が所定の容量以下に達した場合
   に、放電後の次の充電では、Ｘ％より多い電気量の充電
   （回復充電または均等充電）を行うことを特徴とする電
   動車輌用制御弁式鉛蓄電池の充・放電制御方法。
7. 【請求項７】 放電量に対してＸ％（９５％≦Ｘ≦１１
   ０％）の充電を行った後の放電において、放電中のブロ
   ック電圧から算出される残存容量について各ブロック蓄
   電池間で所定量以上の差が発生した場合に、Ｘ％より多
   い電気量の充放電（回復充電または均等充電）を行うこ
   とを特徴とする電動車輌用制御弁式鉛蓄電池の充・放電
   制御方法。
8. 【請求項８】 放電量に対してＸ％（９５％≦Ｘ≦１１
   ０％）の充電を行った時に、充電後の無負荷時のブロッ
   ク電圧から算出される蓄電池容量について各ブロック蓄
   電池間で所定量以上の差が発生した場合に、放電後の次
   の充電ではＸ％より多い電気量の充電（回復充電または
   均等充電）を行うことを特徴とする電動車輌用制御弁式
   鉛蓄電池の充・放電制御方法。
9. 【請求項９】 多い電気量の充電（回復充電または均等
   充電）が連続あるいは不連続で設定された回数に達した
   場合には、異常と判断して、回復充電を実施しないこと
   を特徴とする請求項５，６、７又は８に記載の電動車輌
   用制御弁式鉛蓄電池の充・放電制御方法。