JP2004179097A

JP2004179097A - 鉛蓄電池の均等充電方式

Info

Publication number: JP2004179097A
Application number: JP2002346710A
Authority: JP
Inventors: Kanichi Denma; 寛一傳馬; Masayuki Terada; 正幸寺田
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】アイドル・ストップ・アンド・スタート方式の自動車に搭載される鉛蓄電池を長寿命化するための均等充電方式を提供する。
【解決手段】エンジン始動前に鉛蓄電池の基準電圧（Ｖ_０）を測定して記憶し、エンジン始動後の充電時に複数の充電電圧（Ｖｊ）と充電電流（Ｉｊ）を測定する。次に、それぞれの充電電圧から基準電圧を減算した電圧値（Ｖｊ−Ｖ_０）を、対応する充電電流（Ｉｊ）で除算して複数の抵抗値（Ｒｊ）を算出し、該複数の抵抗値から平均抵抗値（Ｒｘ）を算出する。そして、平均抵抗値（Ｒｘ）が規定値を超えた場合に、定電圧で充電電流が一定値以下になるまで均等充電をする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アイドル・ストップ・アンド・スタート方式の自動車に搭載される鉛蓄電池を長寿命化するための均等充電方式に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の地球環境の保護や温暖化を抑制するために、二酸化炭素の排出量を削減する試みが各種産業界において重要視されており、自動車産業界においても省燃費化が強く求められている。
【０００３】
そこで、自動車産業界では、交通信号や鉄道踏切りなどで、車両が停止している場合には、エンジンを一旦ストップさせ、アクセルを踏み込んで発進させようとした場合にエンジンを再スタートをする方式、いわゆるアイドル・ストップ・アンド・スタート方式（以下、ＩＳＳ方式と呼ぶことにする。）が検討されている。
【０００４】
なお、一般的にＩＳＳ方式では、図３に示されるようなシステムとなっている。すなわち、エンジンの回転を発電機に伝えて発電し、該発電機は充電器１として作動して鉛蓄電池５を充電する。充電器１や鉛蓄電池５からの電力は、エアコンなどの負荷装置３ｂに供給される。
【０００５】
また、エンジンを再スタートさせる場合には、鉛蓄電池５からの電力によってセル・モータである負荷装置３ａが作動する。なお、製造コストの面から発電機である充電器１と、セル・モータである負荷装置３ａとして共通の部品（直流モータ）を用いることも可能である。
【０００６】
なお、鉛蓄電池５がほぼ満充電状態にある場合には、充電電流を供給してもそのエネルギーは主に電解液中の水の分解に使用されるために、電気エネルギーとして鉛蓄電池５に蓄えることができない。このような場合には、発電したエネルギーは、無駄なエネルギーとして消費されることになる。
【０００７】
そこで、ＩＳＳ方式では、鉛蓄電池５の充電状態（一般的には、ＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）と略されており、以下、ＳＯＣと呼ぶことにする。）として、通常は満充電状態よりも少ない状態（ＳＯＣが５０〜９０％）で使用する必要がある。しかしながら、鉛蓄電池のＳＯＣが６０％以下の状態で長期間にわたり使用を続けると、充電されにくい硫酸鉛が負極活物質に蓄積して劣化し、その結果、鉛蓄電池の寿命が短くなるという問題点がある。
【０００８】
この問題点を解消するために、いわゆる均等充電をして、充電されにくい硫酸鉛を除去して鉛蓄電池の寿命低下を抑制する方式が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。ここで、均等充電方式としては、一定の期間や充放電サイクル毎に、鉛蓄電池の充電電圧を通常よりも上昇させた状態で一定期間保持して満充電状態とする手法が一般的に用いられている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３５３５５０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した一定の期間や充放電サイクル毎に均等充電をする方式には、使用によって鉛蓄電池の特性が劣化した場合の影響が考慮されていないという欠点を有していた。
【００１１】
そして、均等充電をするまでの期間が短かすぎると、均等充電の回数が多くなりすぎるために、正極活物質の泥状化によって鉛蓄電池が早期に寿命となる傾向がある。一方、均等充電をするまでの期間が長すぎると、上記したような負極活物質の劣化によって鉛蓄電池が早期に寿命となる傾向が認められていた。加えて、均等充電をする際において、鉛蓄電池が満充電状態まで充電されているか否かの判断も困難性であった。
【００１２】
本発明の目的は、ＩＳＳ方式の自動車に搭載される鉛蓄電池を長寿命化するための均等充電方式を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本発明に係わる均等充電方式ではエンジン始動前の基準電圧と、エンジン始動後の充電電圧及び充電電流を測定して鉛蓄電池の抵抗値を算出し、該抵抗値が規定値を超えている場合に均等充電をするようにした。また、均等充電の終了時期として、定電圧充電時における充電電流が、一定値以下になった時点を鉛蓄電池が満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）にあると判断するようにした。
【００１４】
すなわち、請求項１の発明は、アイドル・ストップ・アンド・スタート方式で使用され、且つ、通常は満充電状態よりも少ない充電状態で使用される鉛蓄電池の均等充電方式において、エンジン始動前に基準電圧を測定し、エンジン始動後の充電時の充電電圧と充電電流を測定し、前記充電電圧から前記基準電圧を減算した電圧値を前記充電電流で除算して抵抗値を算出し、該抵抗値が規定値を超えた場合に均等充電をすることを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明は、アイドル・ストップ・アンド・スタート方式で使用され、且つ、通常は満充電状態よりも少ない充電状態で使用される鉛蓄電池の均等充電方式において、エンジン始動前に基準電圧を測定し、エンジン始動後に充電時の複数の充電電圧と充電電流を測定し、それぞれの前記充電電圧から前記基準電圧を減算した電圧値を、それぞれの前記充電電圧に対応する前記充電電流で除算して複数の抵抗値を算出し、該複数の抵抗値から平均抵抗値を算出し、該平均抵抗値が規定値を超えた場合に均等充電をすることを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記均等充電は、定電圧で充電し、充電時の充電電流が一定値以下になった状態を満充電状態と判断することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係わる均等充電方式の実施の形態について、図１〜３を用いて詳細に説明する。ここで、一般的にＩＳＳ方式では、図３に示されるようなシステムとなっている。すなわち、エンジンの回転を発電機に伝えて発電し、該発電機は充電器１として作動して鉛蓄電池５を充電する。充電器１や鉛蓄電池５からの電力は、エアコンなどの負荷装置３ｂに供給される。
【００１８】
また、エンジンを再スタートさせる場合には、鉛蓄電池５からの電力によってセル・モータである負荷装置３ａが作動する。なお、製造コストの面から発電機である充電器１と、セル・モータである負荷装置３ａとして共通の部品（直流モータ）を用いることも可能である。
【００１９】
上述したようにＩＳＳ方式では、鉛蓄電池５は満充電状態よりも少ない状態（ＳＯＣが５０〜９０％）で使用する必要がある。しかしながら、鉛蓄電池のＳＯＣが６０％以下の状態で長期間にわたり使用を続けると、充電されにくい硫酸鉛が負極活物質に蓄積し、その結果、鉛蓄電池の寿命が短くなるという問題点がある。そこで、本発明に係わる鉛蓄電池の均等充電方式について、図１のフローチャート及び図３のブロック図を用いて詳細に説明する。
【００２０】
図１のフローチャートで、自動車のキー・スイッチがオンにされてスタートすると、ステップ１０で図３の電圧計４によって鉛蓄電池５の電圧を測定し、基準電圧（Ｖ_０）として記憶する。
【００２１】
ステップ２０で、エンジンが始動しているか否かが判断される。キー・スイッチがオンにされスタートしていても、エンジンが始動していない場合にはステップ１０にもどることをくり返す。一方、エンジンが始動している場合には、ステップ３０へ進む。
【００２２】
ステップ３０で、充電器１によって充電が実際に開始されるまで待ち、さらにステップ４０で最初の充電開始から電圧が安定するまで一定期間の時間待ち、例えば３秒間待つようにした。
【００２３】
ステップ５０で、図３の電圧計４と電流計７を用いて、０．１秒ごとに充電電圧（Ｖ_１〜Ｖ_１０）と充電電流（Ｉ_１〜Ｉ_１０）をくり返して測定して記憶する。すなわち、それぞれ１０個の電圧値（Ｖｊ）と電流値（Ｉｊ）とを測定するようにして、できるだけ測定誤差が小さくなるようにした。
【００２４】
ステップ６０では、ステップ１０で測定された基準電圧（Ｖ_０）と、ステップ５０で測定された１０個の電圧値と電流値とから（１）式によって鉛蓄電池の抵抗値（Ｒｊ）を求める。ただしｊ＝１，２，３、…１０のいずれかの値である。
【００２５】
Ｒｊ＝（Ｖｊ−Ｖ_０）／Ｉｊ（１）式
そして、その抵抗値（Ｒｊ）から（２）式によって鉛蓄電池の平均抵抗値（Ｒｘ）を算出するようにした。
【００２６】
Ｒｘ＝（Ｒ_１＋Ｒ_２＋・・・＋Ｒ_１０）／１０（２）式
ここで、本発明に係わる制御方式として、（１）式のみでも均等充電が必要か否かの判断をすることができる。しかしながら、複数の充電電圧（Ｖ_１〜Ｖ_１０）、充電電流（Ｉ_１〜Ｉ_１０）からＲｊを算出した後に平均抵抗値（Ｒｘ）を算出することによって、測定時のバラツキを低減し、より信頼性の高い制御が可能となる。
【００２７】
ステップ７０では、平均抵抗値（Ｒｘ）が後述する実施例１、２で示す規定値よりも小さい場合には、均等充電は不要と判断してステップ１０に戻るようにした。一方、平均抵抗値（Ｒｘ）が規定値よりも大きい場合には、鉛蓄電池を均等充電してからステップ１０に戻るようにした。
【００２８】
ここで、ステップ７０では一例として、定電圧（２．４Ｖ）で充電し、充電電流が１００ｍＡ以下になった状態を、均等充電が完了し、鉛蓄電池は満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）にあると判断してステップ１０に戻ることにした。均等充電が完了したか否かの判断条件として定電圧で充電する方式を用い、充電電流が規定値以下まで減少したか否かを判断することによって、満充電状態かどうかを判断している。したがって、本発明を用いると比較的簡単な制御回路で、均等充電が完了したか否かの判断をすることができる。
【００２９】
【実施例】
本発明の実施例について、以下において詳細に説明する。自動車を用いた実際の使用では、道路状況などの運転環境、走行速度、運転時間帯（昼間、夜間）、エアコンなどの使用する機器によっても鉛蓄電池に流れる電流が異なってくる。したがって、これらの自動車に使用する鉛蓄電池について、実際の走行状態を正確にシミュレートして充放電寿命試験をすることは実際上極めて困難である。
【００３０】
そこで、公称容量が２０Ａｈ−２Ｖの制御弁式鉛蓄電池を用い、２５℃で、ＳＯＣが７０％、図２に示す充放電試験パターンで寿命試験をし、後述するそれぞれの方式で均等充電をして寿命比較をすることにした。なお、今回使用した充放電試験パターンは、実際の走行状態を近似しているものである。
【００３１】
図２に示すように、充電を８０Ａで５秒間、放電は４０Ａで１０秒間行い、休止を５秒間とし、これを１サイクルとし、１０，０００サイクル毎に１００Ａ放電を５秒間行い、鉛蓄電池の電圧が１．２Ｖ以下となったときを寿命とした。
【００３２】
なお、図２に示す充放電試験パターンのみでは、ＳＯＣを７０％に保持することは難しい。そこで、定期的に鉛蓄電池の放電状態を検知してＳＯＣを７０％に調整した。ここで、鉛蓄電池の放電状態を検知する手法は各種報告されており、例えば、特願２００２−２９６８５２号などが報告されている。
【００３３】
ここで、本発明では、（２）式の平均抵抗値（Ｒｘ）が所定値以上になった時に均等充電を入れることとした。均等充電条件として、一例として定電圧（２．４Ｖ）で充電をし、充電電流が１００ｍＡ以下になった状態を、鉛蓄電池の満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）と判断することにした。
【００３４】
（実施例１）
実施例１として、上記した図１に示されるフローチャートで鉛蓄電池を均等充電する方式を用いた。なお、上記した図１のステップ７０で、（２）式のＲｘが規定値として２．３５ｍΩよりも大きくなった場合に均等充電をする方式を用いた。その他の充放電試験パターン等は図２に示したものである。
【００３５】
（実施例２）
実施例２として、上記した図１に示されるフローチャートで鉛蓄電池を均等充電する方式を用いた。なお、上記した図１のステップ７０で、（２）式のＲｘが規定値として２．４０ｍΩよりも大きくなった場合に均等充電をする方式を用いた。その他の充放電試験パターン等は図２に示したものである。
【００３６】
（比較例１）
比較例１として、１０，０００サイクルごとに定期的に均等充電をする方式を用いた。その他の充放電試験パターン等は上記したものである。
【００３７】
（比較例２）
比較例２として、１，０００サイクルごとに定期的に均等充電をする方式を用いた。その他の充放電試験パターン等は上記したものである。
【００３８】
上記した実施例１、２及び比較例１、２の寿命試験結果を表１に示す。本発明に係わる充電制御方式を用いると鉛蓄電池の寿命を長くすることができる。すなわち、一般的な傾向として本発明に係わる充電方式を用いると、鉛蓄電池５の使用直後には均等充電がかかるまでのサイクルを大きくし、鉛蓄電池５の劣化が進むと均等充電がかかるまでのサイクルを小さくすることができる。
【００３９】
一方、比較例１、２のように定期的に均等充電をする方式を用いると、鉛蓄電池５が過充電される場合や充電不足となる場合があるために寿命が短いと考えられる。すなわち、本発明に係わる充電方式を用いると、鉛蓄電池の劣化状況に応じて、適正な均等充電が可能となっているためと考えられる。
【００４０】
なお、本実施例１、２では、公称容量が２０Ａｈの鉛蓄電池を用い、平均抵抗値（Ｒｘ）がそれぞれ、２．３５ｍΩ、２．４０ｍΩを超えると均等充電をしている。ここで、平均抵抗値（Ｒｘ）の値として、使用する鉛蓄電池の公称容量や充電器１からの充電電流等に応じて適宜選択できることは言うまでもない。
【００４１】
また、平均抵抗値（Ｒｘ）の計算方法として、測定された電圧値（Ｖｊ）、電流値（Ｉｊ）（ただしｊ＝１，２，３、…１０）のうちで、最大値と最小値を除いて平均抵抗値（Ｒｘ）を計算することもできる。このような手法を用いると、平均抵抗値（Ｒｘ）の信頼性をさらに向上させることができる。
【００４２】
【表１】

【００４３】
【発明の効果】
上述したように、本発明に係わる均等充電方式を用いると、ＩＳＳ方式に使用される鉛蓄電池を長寿命化することができるために、工業的価値は非常に大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる均等充電方式を示すフローチャートである。
【図２】充放電試験パターンである。
【図３】本発明に係わる回路のブロック図である。
【符号の説明】
１：充電器、３ａ，ｂ：負荷装置、４：電圧計、５：鉛蓄電池、７：電流計

Claims

アイドル・ストップ・アンド・スタート方式で使用され、且つ、通常は満充電状態よりも少ない充電状態で使用される鉛蓄電池の均等充電方式において、エンジン始動前に基準電圧を測定し、エンジン始動後の充電時の充電電圧と充電電流を測定し、前記充電電圧から前記基準電圧を減算した電圧値を前記充電電流で除算して抵抗値を算出し、該抵抗値が規定値を超えた場合に均等充電をすることを特徴とする鉛蓄電池の均等充電方式。
アイドル・ストップ・アンド・スタート方式で使用され、且つ、通常は満充電状態よりも少ない充電状態で使用される鉛蓄電池の均等充電方式において、エンジン始動前に基準電圧を測定し、エンジン始動後に充電時の複数の充電電圧と充電電流を測定し、それぞれの前記充電電圧から前記基準電圧を減算した電圧値を、それぞれの前記充電電圧に対応する前記充電電流で除算して複数の抵抗値を算出し、該複数の抵抗値から平均抵抗値を算出し、該平均抵抗値が規定値を超えた場合に均等充電をすることを特徴とする鉛蓄電池の均等充電方式。
前記均等充電は、定電圧で充電し、充電時の充電電流が一定値以下になった状態を満充電状態と判断することを特徴とする請求項１又は２記載の鉛蓄電池の均等充電方式。