JP4215556B2 - 鉛電池の容量規制極の判定方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極表面が溶解・析出し、かつ電極表面に不活性な絶縁物が生じるタイプの鉛電池について、劣化した鉛電池の放電容量を規制している電極が正極か負極かを判定するための鉛電池の容量規制極の判定方法及び判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、運転中の鉛電池の満充電状態を判定する手法はなく、又、鉛電池の容量を規制する電極を測定する手法はなかった。
【０００３】
そこで、本出願人は、特許文献１に示すように、鉛電池の充放電状態、残存容量等を直接測定を可能とする鉛電池の状態判定方法及びその装置を提案した。
【０００４】
この鉛電池の状態判定方法は、鉛電池を充電する際、充電途中において電流矩形パルスを印加し、その時生じる電池電圧波形の立ち上がりの傾き及び立下りの傾きの比が充電が進むに従い徐々に増加し、ピーク点を迎えた後、充電を終了させて放電末からの前記比の推移を、前記比を縦軸にし電気量を横軸にしてグラフ化して充電状態判定グラフを作成し、この充電状態判定グラフから電池の状態を判定するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−４４８８０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの電池の劣化極の判定は、運転中の鉛電池ではできず、電池を分解しないとわからなかった。また、一般に鉛電池では、過充電状態におかれると、正極が劣化する傾向にあり、また不足充電状態におかれると負極が劣化する傾向にあるため、劣化極を判定することで充電方法を変えて電池の長寿命化を図ることができる。
【０００７】
そこで、本発明は、鉛電池を分解することなく鉛電池の容量を規制する電極が正極か負極かを判定することができる鉛電池の容量規制電極の判定方法及び判定装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の鉛電池の容量規制極の判定方法は、鉛電池を充電する際、充電量を増加させていく途中において電流矩形パルスを印加し、その時生じる電池電圧波形の立ち上がりの傾きの変化及び立下りの傾きの変化の推移を、前記傾きを縦軸にし電気量を横軸にしてグラフ化して立ち上がりの傾きのピーク点と立下りの傾きのボトム点を求め、さらにグラフの横軸での前記ピーク点と前記ボトム点が生じる位置を求め、前記位置から前記ピーク点が前記ボトム点より遅れて生じているときは負極が劣化し、前記ピーク点が前記ボトム点より先に生じているときは正極が劣化していると判定することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の鉛電池の容量規制極の判定装置は、正負の定電流矩形パルスを発生するパワー部と、鉛電池電圧波形の立ち上がり、立下りの状況のアナログ値をデジタル値に変換する信号処理部と、デジタル変換されたデータに基づき立ち上がりの傾きの変化及び立下りの傾きの変化の推移を、傾きを縦軸にし電気量を横軸にしてグラフ化して立ち上がりの傾きピーク点と立下りの傾きのボトム点を求め、さらにグラフの横軸での前記ピーク点と前記ボトム点が生じる位置を求め、前記位置から前記ピーク点が前記ボトム点より遅れて生じているときは負極が劣化し、前記ピーク点が前記ボトム点より先に生じているときは正極が劣化していると判定する容量規制極を判定する判定部と、前記パワー部から判断部までの全体システムを制御し、駆動信号を出力する制御部と、これらの判定結果を表示する表示部とを設けたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
鉛電池が劣化してくると正極または負極の劣化のどちらかで放電容量が規制される場合が多い。満充電近傍の立ち上がりの傾き（ｄＶａ／ｄｔ）の値は、正極で発生した酸素ガスの影響を受け、またたち下がりの傾き（ｄＶｂ／ｄｔ）の値は、負極の電気二重層容量の影響を支配的に受けることから、正負極の劣化状況を判定する目安とすることができる新しい知見を得た。
【００１１】
規制極の判定グラフは、鉛電池を充電する際、各充電途中において、電流矩形パルスを印加し、その時生じる鉛電池電圧波形の立ち上がりの傾き（ｄＶａ／ｄｔ）及び立下りの傾き（ｄＶｂ／ｄｔ）の推移をグラフ化することにより得られる。
【００１２】
規制極を判定するのに使用する判定グラフの作成について説明する。
【００１３】
図１はバイポーラ電源を用いた矩形パルス波印加の回路図である。図１において、２１は任意波形発生装置、２２は例えば−１００Ａから＋１００Ａの直流電流を出力するバイポーラ電源、２３はシャント、２４はスイッチ、２５は測定対象鉛電池、２６は記録計である。本例では、例えば、任意波形発生装置２１により、０．５秒の正（充電方向）、負（放電方向）の電流矩形パルスを作り、その後バイポーラ電源２２にて測定する電池定格の１．５Ｃの電流を作る。
【００１４】
この方法により作った電流矩形パルスを予め容量を測定した鉛電池に完全放電状態から、過充電状態まで０．１Ｃ程度で充電率を上げていき、任意の充電状態にて電流矩形パルスを印加し、そのとき生じる鉛電池電圧波形の立ち上がり及び立ち下がり状況を測定する。
【００１５】
図２は定電流矩形パルス印加時の電池電圧波形図である。図２に示すように、供試鉛電池の各充電状態での充放電矩形電流パルス印加時の鉛電池電圧波形の立ち上がりの傾き（ｄＶａ／ｄｔ）、立ち下がりの傾き（ｄＶｂ／ｄｔ）を測定し、その推移を傾きを縦軸、電流量（Ａｈ）を横軸にしてグラフ化すると、図３に示すように、電流量（Ａｈ）で充電するに従い、グラフにピーク点及びボトム点が表れる。
【００１６】
図３（ａ）に示すように、負極が劣化した場合、すなわち負極に電極反応に寄与できない不活性なＰｂＳＯ４が蓄積する、いわゆるサルフェーション等により負極が劣化した場合は、満充電近傍の充電パルス印加により負極においてＨ２ガス発生量が増え、負極と電解液の接触面積が減少する。これにより放電時の電気二重層容量が減少し、ｄＶｂ／ｄｔは上昇に転じ、早い段階でのようにボトム点が生じやすくなる。一方、ｄＶａ／ｄｔは正極で発生する穏やかなＯ２ガスを負極で吸収し、生成されるＰｂＳＯ４への再充電反応により減少に転じ、ピーク点を生じることから、ｄＶｂ／ｄｔのボトム点より遅れてピーク点が生じるものと考えられる。
【００１７】
これとは逆に、図３（ｂ）に示すように、正極側の劣化の場合、すなわち活物質の脱落や集電体の腐食等で実質の活物質（ＰｂＯ２）量が減少する正極側の劣化の場合には、パルス印加時の充電電流密度が相対的に上昇するために、早い段階で急激にＯ２ガスが発生してくる。この状況は負極でのガス吸収反応、即ちｄＶａ／ｄｔカーブのピーク点としてで捉えることができるため、結果としてｄＶａ／ｄｔのカーブのピーク点がｄＶｂ／ｄｔのボトム点より先に生じる。
【００１８】
以上のとおり、ｄＶａ／ｄｔのピーク点とｄＶｂ／ｄｔのボトム点の横軸の位置の前後関係により、劣化時の容量規制極を判定することができる。
【００１９】
【実施例】
図４は本発明による判定装置の一実施例を示すブロック図である。パワー部の１はＡＣ−ＤＣコンバータ、２は例えば−１００Ａ〜＋１００Ａの直流電流を出力するバイポーラ電源（シリーズレギュレータ）、３は測定鉛電池の電圧波形を信号変換処理して立ち上がりの傾きと立下りの傾きを測定する信号処理部、４は規制極の判定部、５は判定結果を表示する表示部である。判定装置全体は制御部６により制御される。
【００２０】
本実施例では、ＡＣ−ＤＣコンバータ１により、直流に変換した後、バイポーラ電源２により、０．５秒の正（充電方向）、負（放電方向）の電流矩形波で電流の大きさが、測定する鉛電池定格の１．５Ｃ（Ａ）の電流を作る。
【００２１】
この装置により作った矩形波を密閉型の鉛電池に完全放電状態から、０．１Ｃ（Ａ）で充電率を上げていき、充電途中の任意の充電状態にて電流矩形パルスを印加し、そのとき生じる電圧波形の立ち上がりの傾きｄＶａ／ｄｔ、立下りの傾きｄＶｂ／ｄｔを測定し、推移状況を記録しグラフ化する。このグラフがこの鉛電池の規制電極の判定グラフとなる。
【００２２】
実際に電気バスに（５６個）搭載した鉛電池（５６個、電池機種：１３５Ａｈ／３ＨＲ）を、約１年間過酷な使用環境下（走行距離：５７３９．６ｋｍ）で使用し、劣化させた電池を本装置で試験した結果、図３で示したように、ｄＶａ／ｄｔ、ｄＶｂ／ｄｔは、それぞれ満充電近傍において再充電反応及びガス発生によるピーク点、ボトム点が生じる。劣化するほどｄＶａ／ｄｔのピークが先鋭化してくるのは、負極でのガス吸収反応により生じたＰｂＳＯ４が多く析出してくるためである。
【００２３】
この電池の放電時の容量制限極は、ピーク点がボトム点より先に生じているので、正極であると診断され実際に、この電池を解体し測定した結果、容量制限極は正極であり、診断結果と一致した。
【００２４】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、電極が劣化した鉛電池に対して、電圧の立ち上がり、立下りの傾きを測定し、ピーク点、ボトム点の位置を求めるだけで、劣化した電極の判定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイポーラ電源を用いた矩形パルス波印加の回路図である。
【図２】定電流矩形パルス印加時の電池電圧波形図である。
【図３】ｄＶａ／ｄｔのピーク点、ｄＶｂ／ｄｔのボトム点の説明図である。
【図４】本発明の判定装置のブロック図である。
【符号の説明】
１：ＡＣ−ｄＣコンバータ ２：バイポーラ電源 ３：信号処理部 ４：判定部５：表示部 ２１：任意波形発生装置 ２２：バイポーラ電源 ２３：シャント ２４：スイッチ ２５：想定対象鉛電池 ２６：記録計
Claims (2)
- 鉛電池を充電する際、充電量を増加させていく途中において電流矩形パルスを印加し、その時生じる電池電圧波形の立ち上がりの傾きの変化及び立下りの傾きの変化の推移を、前記傾きを縦軸にし電気量を横軸にしてグラフ化して立ち上がりの傾きのピーク点と立下りの傾きのボトム点を求め、さらにグラフの横軸での前記ピーク点と前記ボトム点が生じる位置を求め、前記位置から前記ピーク点が前記ボトム点より遅れて生じているときは負極が劣化し、前記ピーク点が前記ボトム点より先に生じているときは正極が劣化していると判定することを特徴とする鉛電池の容量規制極の判定方法。
- 正負の定電流矩形パルスを発生するパワー部と、鉛電池電圧波形の立ち上がり、立下りの状況のアナログ値をデジタル値に変換する信号処理部と、デジタル変換されたデータに基づき立ち上がりの傾きの変化及び立下りの傾きの変化の推移を、傾きを縦軸にし電気量を横軸にしてグラフ化して立ち上がりの傾きピーク点と立下りの傾きのボトム点を求め、さらにグラフの横軸での前記ピーク点と前記ボトム点が生じる位置を求め、前記位置から前記ピーク点が前記ボトム点より遅れて生じているときは負極が劣化し、前記ピーク点が前記ボトム点より先に生じているときは正極が劣化していると判定する容量規制極を判定する判定部と、前記パワー部から判断部までの全体システムを制御し、駆動信号を出力する制御部と、これらの判定結果を表示する表示部とを設けたことを特徴とする鉛電池の容量規制極の判定装置。
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