CN101809804A - 电源系统以及电池集合体的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源系统，包括：将串联连接有多个第1单位电池的第1组电池和串联连接有多个第2单位电池的第2组电池并联连接而构成的电池集合体；发电机；可让第1组电池强制放电的强制放电部；测量第1组电池的电压，并且当该电压达到强制放电开始电压Va时，利用强制放电部让第1组电池强制放电，直至达到强制放电结束电压Vb为止的控制部，其中，第1组电池的平均充电电压V1小于第2组电池的平均充电电压V2。

Description

电源系统以及电池集合体的控制方法
技术领域
本发明涉及由组合了多个电池的电池集合体构成的电源系统以及该电池集合体的控制方法，更详细而言，涉及在不让作为二次电池的电池过充电的情况下，使电池集合体作为电源发挥功能的技术。
背景技术
镍氢蓄电池(nickel-hydrogen battery)或镍镉蓄电池(nickel-cadmium battery)等碱性蓄电池以及锂离子二次电池(lithium ion secondary battery)或锂聚合物二次电池(lithium-polymer secondary battery)等非水电解质二次电池的单位重量的能量密度高于铅蓄电池，所以作为车辆或便携式设备等移动体中配备的电源而备受瞩目。尤其，如果将多个采用非水电解质二次电池的单位电池串联连接，构成单位重量的能量密度较高的电池集合体，来取代铅蓄电池作为电池启动(cell starter)电源(所谓的不是车辆驱动源的电源)搭载于车辆中，可认为在竞赛用途等方面将有所作为。
车辆用电源在启动时作为电池启动器(cell starter)以大电流放电，另一方面，在车辆行使时接收从发电机(恒压充电器)发送的电流而被充电。铅蓄电池具有适合于以比较大的电流进行充放电的反应机构，而上述的二次电池由于反应机构的关系，难说适合大电流的充放电。具体而言，这些二次电池在充电末期分别存在如下的弱点。
首先，在镍氢蓄电池或镍镉蓄电池等碱性蓄电池的情况下，在充电末期会从正极产生氧气，若环境温度升高，则伴随使氧气从正极产生的电压即氧过电压(oxygen overvoltage)的下降，电池的充电电压也随之下降。假设当用恒压充电器(额定充电电压V2)对电池的充电电压下降至V1的n个碱性蓄电池进行充电时，如果满足V2＞nV1的关系，则充电不会结束且持续产生氧气，存在构成组电池的各个二次电池(单位电池)因电池内压上升而变形的可能性。
另外，在锂离子二次电池或锂聚合物二次电池等非水电解质二次电池的情况下，在充电末期包含非水电解质的电解液容易分解，且环境温度越高该倾向越显著，存在构成组电池的单位电池因电池内压上升而变形的可能性。
为解决这样的问题，如日本专利公开公报特开平07-059266号(以下称作“专利文献1”)所示，一般认为在作为电源而使用的组电池完成充电的时刻，使多余的电流从其他电路(旁流电路(lateral flow circuit))通过的方法较为有效。
将专利文献1转用于车载技术时，旁流电路可以具体化为以下两种方式。第一方式是以向车载的其他电动设备(灯、车载收音机、车载空调等)提供电流的方式构成旁流电路。第二方式是以向单纯消耗电流的电阻(resistor)提供电流的方式构成旁流电路。
但是，若采用第一方式，则存在恒压充电器向上述的电动设备提供过度的电流，使这些电动设备发生故障的可能性。另外，若采用第二方式，则由于电阻消耗电流时产生的热量会提高上述的二次电池的环境温度，因此无法消除单位电池变形的可能性。即使使用这样的单位重量的能量密度高的二次电池任意地构成电池集合体，也难以与恒压充电器组合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在使用单位重量的能量密度较高的二次电池的情况下，即使将来自发电机的电流全部作为充电电流而接收，也能够抑制该二次电池的变形的、安全性较高的电源系统。
为实现上述目的，本发明所涉及的电源系统包括：将串联连接有多个第1单位电池的第1组电池和串联连接有多个第2单位电池的第1(应为“第2”)组电池并联连接的电池集合体；对电池集合体进行充电的发电机；用于强制放电所述第1组电池的强制放电部；测量所述第1组电池的电压的电压测量部；基于所述电压测量部的测量结果，通过控制所述强制放电部，控制所述电池集合体的电压的控制部，其中，所述电池集合体被设定成，使所述第1组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V1小于所述第2组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V2，所述控制部控制所述强制放电部，以使当所述电压测量部测量的第1组电池的测量电压达到强制放电开始电压Va时开始第1组电池的强制放电，当达到强制放电结束电压Vb时结束该强制放电。
本发明所提供电池集合体的控制方法，其中，所述电池集合体为将串联连接有多个第1单位电池的第1组电池和串联连接有多个第2单位电池的第1(应为“第2”)组电池并联连接而构成，且所述第1组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V1被设定为小于所述第2组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V2，所述电池集合体的控制方法包括测量所述第1组电池的电压的工序a；当在所述工序a测量的所述第1组电池的电压达到强制放电开始电压Va时，强制放电所述第1组电池直至达到强制放电结束电压Vb为止的工序b。
根据上述结构，并联地电连接两种组电池即第1组电池和第2组电池(均为串联连接单位电池而构成)来构成电池集合体。另外，所述电池集合体被设定为：所述第1组电池的平均充电电压V1小于所述第2组电池的平均充电电压V2的电压。据此，通常时(达到被设定为比满充电电压稍低的强制放电开始电压为止)，主要由第1组电池接收来自发电机的充电电流，当第1组电池接近满充电后，主要由作为旁流电路的第2组电池接收来自发电机的充电电流。
并且，控制所述电池集合体的电压的控制部控制所述强制放电部，使得当由所述电压测量部测量的第1组电池的测量电压达到强制放电开始电压Va时，开始第1组电池的强制放电，当达到强制放电结束电压Vb时，终止该强制放电。因此，第1组电池被充电至强制放电开始电压Va(被充电至接近满充电)后，使第1组电池逐渐强制放电至第1组电池可接收充电的充电深度(SOC)。
据此，不会像使用伴随过度的发热的电阻作为旁流电路那样，发生使电池集合体(尤其是作为主电源的第1组电池2a)的环境温度升高的问题。因此，能够回避因热引起的单位电池变形的问题。
因此，即使在使用镍氢蓄电池、镍镉蓄电池等碱性蓄电池或锂离子二次电池、锂聚合物二次电池等非水电解质二次电池之类的单位重量的能量密度较高的二次电池时，也不会招致二次电池的变形等问题，能够实现可将来自发电机的电流全部作为充电电流接收的、安全性高的电源系统。
本发明例如在使用需要不间断地接收来自发电机的充电电流的电池启动电源时尤其有效。
本发明的目的、特征及优点可通过以下的详细说明和附图而进一步明确。
附图说明
图1是用于说明本发明的一实施方式所涉及的电源系统的结构的方框图。
图2是表示作为单位电池的一例的锂离子二次电池在常温下的初期的充放电动作(charge/discharge behavior)的图。
图3是表示本发明的一实施方式所涉及的电源系统的功能方框图。
图4是用于说明本发明的另一实施方式所涉及的电源系统的结构的方框图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施方式。
图1是表示本实施方式所涉及的电源系统的结构的方框图。
如图1所示，电源系统70包括发电机1、电池集合体20、强制放电部30及控制部60。发电机1是用于对电池集合体20进行充电的装置，例如是搭载在车辆上，通过发动机的转动运动进行发电的恒压规格的发电机。电池集合体20包含串联连接有多个(图1的结构中为4个)单位电池α(第1单位电池)的第1组电池2a和串联连接有多个(图1的结构中为12个)单位电池β(第2单位电池)的第2组电池2b，第1组电池2a与第2组电池2b并联连接。而且，从发电机1向第1组电池2a和第2组电池2b不定期地供给充电电流。强制放电部30用于让第1组电池2a强制放电，包括电阻4和二极管5的强制放电电路以及基于来自控制部60的指令，接通/断开第1组电池2a与所述强制放电电路的连接的开关3。在电源系统70连接有作为负载的一例的车载设备8。车载设备8例如是用于使车辆的发动机启动的电池启动器、车灯或汽车导航装置等负载装置。并且，第1组电池2a的正极连接于车载设备8，第1组电池2a的放电电流被供给至车载设备8。
而且，发电机1的电压输出端子连接于第2组电池2b的正极及车载设备8。此时，从发电机1看来，电池集合体20与车载设备8并联连接。并且，由发电机1发出的电压被并列地供给至电池集合体20及车载设备8。
以下，详细叙述使用恒压规格的发电机1，且使用作为非水电解质二次电池的一例的锂离子二次电池来作为第1组电池2a的情况。
图2是表示由恒压规格的发电机对使用钴酸锂(lithium cobalt oxide)作为正极活性物质、使用石墨(graphite)作为负极活性物质的锂离子二次电池进行充电时的充电动作的图。图中，将发电机1的额定电压分配给每个锂离子电池(单位电池)的电压Ve(各单位电池的端子电压)为3.8V时的曲线标注用符号A表示，电压Ve为3.9V时的曲线标注用符号B表示，电压Ve为4.0V时的曲线标注用符号C表示，电压Ve为4.1V时的曲线标注用符号D表示，电压Ve为4.2V时的曲线标注用符号E表示。
如图2所示，电压Ve为3.8V时(图2中符号A所示情况)，充电开始后约33分钟内电流为一定，之后电压为一定。电压Ve为3.9V时(图2中符号B所示情况)，充电开始后约41分钟内电流为一定，之后电压为一定。电压Ve为4.0V时(图2中符号C所示情况)，充电开始后约47分钟内电流为一定，之后电压为一定。电压Ve为4.1V时(图2中符号D所示情况)，充电开始后约53分钟内电流为一定，之后电压为一定。电压ve为4.2V时(图2中符号E所示情况)，充电开始后约57分钟内电流为一定，之后电压为一定。
发电机1以一定的电流将单位电池α(锂离子二次电池)充电至达到电压Ve为止，然后逐渐降低电流，对锂离子二次电池进行恒压充电。例如电压Ve为每个锂离子二次电池3.9V时(图2中符号B所示情况)，充电深度(SOC：State of Charge)(在此为电压Ve为3.9V时的充电容量除以电压Ve为4.2V时的充电容量所得的值)为73％。另一方面，电压Ve为每个锂离子二次电池4.1V时(图2中符号IV(应为D)所示情况)，SOC为91％。表1示意了基于图2的电压Ve与SOC之间的关系。
[表1]
  每个单位电池的额定电压(V) 4.2 4.15 4.1 4.05 4.0 3.95 3.9 3.85 3.8
  SOC(％)   100   95.5   91   86.5   82   77.5   73   68.5   64
锂离子二次电池具有如下特性，即如充电后的SOC接近100％，则包含非水电解质的电解液成分(主要为碳酸盐(carbonate))容易分解。因此，为了避免从发电机1进一步向SOC接近100％的状态下的锂离子二次电池供给充电电流，将强制放电开始电压Va设定在比表示充电后的SOC为100％左右的电压略低的区域。
在此，参照图3的功能方框图，对电池系统70的具体动作进行说明。
如图3的功能方框图所示，控制部60包括被依次输入由电压检测电路(电压测量部)7测量的第1组电池2a的电压的输入部9；存储第1组电池2a的强制放电开始电压Va及强制放电结束电压Vb的存储部(存储器)11；基于被输入至输入部9的测量电压和从存储部11读取的强制放电开始电压Va及强制放电结束电压Vb，让第1组电池2a强制放电的强制放电判断部10；向开关3输出来自强制放电判断部10的控制信号的控制信号输出部12。电压检测电路7例如采用检测第1组电池2a的端子电压的AD(模拟数字)转换器或比较器(comparator)等构成。
强制放电判断部10包括强制放电开始判断部10a及强制放电结束判断部10b。强制放电开始判断部10a当判断为由电压检测电路7测量的第1组电池2a的电压达到从存储部11读取的强制放电开始电压Va时，经由控制信号输出部12向开关3输出接通与第1组电池2a的连接的控制信号。据此，仅第1组电池2a与电阻4和二极管5的强制放电电路连接，第1组电池2a的强制放电开始。
另一方面，第1组电池2a的强制放电开始后，强制放电结束判断部10b当判断为经由输入部9被输入的、由电压检测电路7测量的第1组电池2a的电压达到从存储部11读取的强制放电结束电压Vb(强制放电结束)时，经由控制信号输出部12向开关3输出断开与第1组电池2a的连接的控制信号。据此，第1组电池2a处于可接收来自发电机1的充电的状态。
如上所述，当第1组电池2a达到强制放电开始电压Va时，基于来自控制部60的指令，开关3接通，仅第1组电池2a通过电阻4和二极管5的强制放电电路被强制放电至达到强制放电结束电压Vb为止。并且，强制放电结束后，基于控制部60的指令，开关3断开，第1组电池2a处于可接收来自发电机1的充电的状态。作为开关3，可采用场效应晶体管(FET)、半导体开关等普通的开关。
另外，即使在第1组电池2a被强制放电的期间，第2组电池2b处于可接收来自发电机1的充电的状态，因此充电电流不会被过量地供给至车载设备8。
电池集合体20被设定成，第1组电池2a的平均充电电压V1比第2组电池2b的平均充电电压V2小。据此，作为来自发电机1的充电电流的主要接收对象的第1组电池2a优先于第2组电池2b被进行充电。
如上所述，通过将第1组电池2a的平均充电电压V1设定成比第2组电池2b的平均充电电压V2小，从而通常时(达到被设定成比满充电电压稍低的强制放电开始电压为止)，主要由第1组电池2a接收来自发电机1的充电电流，当第1组电池2a接近满充电后，主要由作为旁流电路的第2组电池2b接收来自发电机1的充电电流。
并且，控制电池集合体20的电压的控制部60控制强制放电判断部10，使得当由电压检测电路7测量的第1组电池2a的测量电压达到强制放电开始电压Va时，开始第1组电池2a的强制放电，当达到强制放电结束电压Vb时，终止该强制放电。因此，第1组电池2a被充电至强制放电开始电压Va(被充电至接近满充电)后，让第1组电池2a逐渐强制放电至第1组电池2a可接收充电的充电深度(SOC)为止。
另外，即使在第1组电池2a被强制放电的期间，第2组电池2b处于可接收来自发电机1的充电的状态，因此充电电流不会被过量地供给至车载设备8。
例如，在图1的结构中，使用碱性蓄电池(具体而言为镍氢蓄电池，每个单位电池的平均充电电压为1.4V)作为第2组电池2b的单位电池β时，包括12个单位电池β的第2组电池2b的平均充电电压V2为16.8V。另一方面，包括4个锂离子二次电池(每个单位电池的平均充电电压为3.8V)的第1组电池2a的平均充电电压V1为15.2V。因此，第1组电池2a的平均充电电压V1和第2组电池2b的平均充电电压V2的比V2/V1为1.11。通常，发电机1为恒压规格，因此通过采用如上的使第1组电池2a的平均充电电压V1小于第2组电池2b的平均充电电压V2的结构，无需使用改变某一组电池的电压等复杂的结构(例如使用DC/DC转换器改变某一组电池的电压以使V2/V1为1.1左右的结构)，也能构成即使将来自发电机1的电流全部作为充电电流接收也可抑制该二次电池的变形的、安全性高的电源系统70。
另外较为理想的是，如上述例所示，使用碱性蓄电池(具体而言为镍氢蓄电池，每个单位电池的平均充电电压为1.4V)作为构成第2组电池2b的单位电池β。
碱性蓄电池由于作为正极活性物质即氢氧化镍的特性，在完成完全充电的同时伴随温度上升，因此氧过电压下降而充电电压下降，但在替代发热显著的电阻而将第2组电池2b作为旁流电路的本实施方式的结构下，可减少发热量，减轻氧过电压的下降。其结果是，产生氧气的危险降低，可回避电池集合体20(尤其是作为主电源的第1组电池2a)的环境温度的上升引起的单位电池的变形问题的发生。因此，可放心地使用能量密度高的碱性蓄电池，来作为构成旁流电路即第2组电池2b的单位电池β。
另外，较为理想的是，将第1组电池2a的平均充电电压V1和第2组电池2b的平均充电电压V2的比V2/V1设定在1.01以上且1.18以下的范围。这是因为，当比V2/V1低于1.01时，来自发电机1的充电电流容易流入第2组电池2b，因此第1组电池2a无法有效率地被充电。相反，当比V2/V1超过1.18时，第1组电池2a容易被过充电。
在此，对所述平均充电电压的算出方法进行说明。
当单位电池为锂离子二次电池等非水电解质二次电池时，充电终止电压根据正极或负极所采用的活性物质的特质而人为地加以设定，通常为4.2V。如图2所示，在将充电终止电压设为4.2V的图2中E的情况下，满充电容量为2550mAh。此时，充电容量为1275mAh(充电至4.2V时的充电容量的一半)时的电压(3.8V)成为每个非水电解质二次电池的平均充电电压。另一方面，当单位电池为镍氢蓄电池等碱性蓄电池时，作为正极活性物质即氢氧化镍的特质，在完成完全充电的同时因温度上升而充电电压下降，处于满充电状态。达到该满充电容量的一半的时刻的电压成为碱性蓄电池的平均充电电压。
作为构成第1组电池2a的单位电池α较为理想的是，如本实施方式所示，使用锂离子二次电池等非水电解质二次电池。这是因为，非水电解质二次电池的能量密度高于碱性蓄电池等，因此适于作为电源系统70中的充电电流的主要接收对象。另外，非水电解质二次电池也存在高温环境下电解液成分分解等问题，但在替代发热显著的电阻而将第2组电池2b作为旁流电路的本实施方式的结构下，可回避电池集合体20(尤其是作为主电源的第1组电池2a)的环境温度的上升引起的单位电池的变形问题的发生。因此，作为构成第1组电池2a的单位电池α，可放心地使用能量密度高的非水电解质二次电池。
此外，较为理想的是，使用非水电解质二次电池作为单位电池α时，使用含钴的锂复合氧化物作为该非水电解质二次电池的正极活性物质。
这是因为，通过使用钴酸锂等含钴的锂复合氧化物作为正极活性物质，非水电解质二次电池的放电电压变高，容易提高能量密度。
另外，设第1组电池2a中的单位电池α的个数为nA，较为理想的是，将第1组电池2a的强制放电开始电压Va设定在4.05nAV以上且4.15nAV以下的范围。由表示单位电池α的图2及表1也可以明确，这是因为，当将强制放电开始电压Va设定为不足4.05nAV时，第1组电池2a的可接收充电的量将变得过少。相反，当将强制放电开始电压Va设定为超过4.15nAV时，直至接近单位电池α的过充电区域，第1组电池2a的强制放电也不会开始。
另外，设第1组电池2a中的单位电池α的个数为nA，较为理想的是，将强制放电结束电压Vb设定在3.85nAV以上且3.95nAV以下的范围。由表示单位电池α的图2及表1也可以明确，这是因为，当将强制放电结束电压Vb设定为不足3.85nAV时，第1组电池2a的强制放电电量将变得过多(每次的强制放电时间变长)，来自发电机1的充电电流流入作为主要接收对象的第1组电池2a的时间减少。相反，当将强制放电结束电压Vb设定为超过3.95nAV时，在强制放电后将很快又一次达到强制放电开始电压Va，从而第1组电池2a的可接收充电的量将变得过少。
图4表示本实施方式所涉及的电池集合体的其他结构例。如图4所示，电池集合体20’采用第1组电池2a’与第2组电池2b’并联连接的结构。第1组电池2a’采用在从图1所示的电池集合体20结构的第1组电池2a中减去一个单位电池α后，再串联连接两个作为单位电池γ(第3单位电池)的平均充电电压为1.4V的碱性蓄电池的结构。第2组电池2b’采用从图1所示的电池集合体20结构的第2组电池2b中减去一个单位电池β，即串联连接11个单位电池β的结构。
根据上述结构，第1组电池2a’的平均充电电压V1为14.2V，第2组电池2b’的平均充电电压V2为15.4V。据此，可将第1组电池2a’的平均充电电压V1和第2组电池2b’的平均充电电压V2的比V2/V1设定在1.01以上且1.18以下的范围。
如前所述，本实施方式所涉及的电源系统70当使用非水电解质二次电池作为单位电池α时，较为理想的是，将强制放电开始电压Va设定成每个单位电池α为4.0V左右(即强制放电开始电压Va为4.0V的整数倍)。
当使用通用的铅蓄电池规格的发电机1时，额定电压为14.5V，存在其不是4.0V的整数倍而产生余数(2.5V)的问题。对此，除了串联连接的多个单位电池α(第1组电池2a)之外，通过还与单位电池α适宜地串联连接单位电池γ(平均充电电压为1.4V左右的碱性蓄电池)，从而可应对上述余数。
具体而言，如上所述，当采用将平均充电电压为3.8V的锂离子二次电池作为单位电池α而串联连接三个后，再将平均充电电压为1.4V的镍氢蓄电池作为第3单位电池γ而串联连接两个的第1组电池2a’时，第1组电池2a’的平均充电电压V1为14.2V。在此作为单位电池γ的镍氢蓄电池的充电电压的平坦性高(相对于SOC的变化，端子电压的变化小)。即，在镍氢蓄电池的情况下，即使由于充电而SOC上升，充电电压也保持平坦而几乎不变化，与之相对，在锂离子蓄电池的情况下，由于充电而SOC上升，则充电电压也随之上升，因此单位电池α(锂离子二次电池)被充电至指定的电压(3.9V)。
因此，如将单位电池γ的容量设定成大于单位电池α的容量，则可利用镍氢蓄电池的上述平坦性(充电途中不受SOC影响，充电电压保持平坦而几乎不变化)，将剩余的0.3V(从发电机1的额定电压即14.5V减去第1组电池2a(应为2a’)的平均充电电压V1即14.2V所得的值)分配至3个单位电池α的充电中。其结果，每个单位电池α(锂离子二次电池)可充电至3.9V(SOC换算为73％)。
作为电池集合体20’，在具备上述单位电池γ的结构中，设第1组电池2a’中的单位电池α的个数为nA、单位电池γ的个数为nC，较为理想的是，将强制放电开始电压Va设定在4.05nAV+1.4nCV以上且4.15nAV+1.4nCV以下的范围。
如上所述，通过以适合于发电机1的额定电压地适当组合第1组电池2a’，可避免过分不足而进行充电。因此，当将强制放电开始电压Va的范围设定在上述范围时，该范围理想的理由在于：虽然与不具备单位电池γ的结构同样，但通过将强制放电开始电压Va的范围设定在上述范围，还可回避构成第1组电池2a’的单位电池α或单位电池γ的充电电压变得异常大时的危险。
较为理想的是，本实施方式所涉及的电源系统70从强制放电开始电压Va和强制放电结束电压Vb算出强制放电所需的电量，并以一定的电流值进行一定时间的强制放电。
针对上述结构，以作为构成第1组电池2a的单位电池α，使用作为非水电解质二次电池的一例的锂离子二次电池的本实施方式的结构为前提，基于图2及表1，设想将强制放电开始电压Va设定为16.4V(每个非水电解质二次电池为4.1V)，将强制放电结束电压Vb设定为15.6V(每个非水电解质二次电池为3.9V)的情况，进行如下的详细说明。
作为上述结构的具体例，例如可采用如下结构：在图3所示的存储部11中预先存储表1所示的关系，基于充电深度(SOC)的差，设定让第1组电池2a强制放电的电量(此时为18％)。据此，控制部60可与来自发电机1的充电或向车载设备8的放电无关地进行计时控制，例如以5时间率强制放电54分钟。
根据上述结构，与当第1组电池2a的电压达到强制放电开始电压Va(16.4V)时，一边逐次测量电压，一边强制放电至第1组电池2a的电压达到强制放电结束电压Vb(15.6V)为止的结构相比，可方便且正确地让第1组电池2a强制放电。
上述结构适合用于在以大电流对车载设备8放电而闭路电压极度下降(与第1组电池2a的电阻相对应，呈现出比与实际的SOC相对应的开路电压更极度低的电压)等情况。
另外，以上示出了使用锂离子二次电池作为单位电池α的例子，但即使使用非水电解质二次电池中的电解液为凝胶状的锂聚合物二次电池等，也能得到同样的结果。另外，以上示出了使用镍氢蓄电池作为单位电池α例子，但即使使用镍镉蓄电池等，也能得到同样的结果。
如上所述，本发明所涉及的电源系统包括：将串联连接有多个第1单位电池的第1组电池和串联连接有多个第2单位电池的第1组电池并联连接的电池集合体；对电池集合体进行充电的发电机；用于强制放电所述第1组电池的强制放电部；测量所述第1组电池的电压的电压测量部；基于所述电压测量部的测量结果，通过控制所述强制放电部，控制所述电池集合体的电压的控制部，其中，所述电池集合体被设定成，使所述第1组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V1小于所述第2组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V2，所述控制部控制所述强制放电部，以使当所述电压测量部测量的第1组电池的测量电压达到强制放电开始电压Va时开始第1组电池的强制放电，当达到强制放电结束电压Vb时结束该强制放电。
根据上述结构，并联地电连接两种组电池即第1组电池2a和第2组电池2b(均为串联连接电池而构成)来构成电池集合体。另外，所述电池集合体被设定为所述第1组电池的平均充电电压V1小于所述第2组电池的平均充电电压V2的电压。据此，通常时(达到被设定为比满充电电压稍低的强制放电开始电压为止)，主要由第1组电池接收来自发电机的充电电流，当第1组电池接近满充电后，主要由作为旁流电路的第2组电池接收来自发电机的充电电流。
并且，控制所述电池集合体的电压的控制部控制所述强制放电部，以使当所述电压测量部测量的第1组电池的测量电压达到强制放电开始电压Va时开始第1组电池的强制放电，当达到强制放电结束电压Vb时终止该强制放电。因此，第1组电池被充电至强制放电开始电压Va(被充电至接近满充电)后，使第1组电池逐渐强制放电至第1组电池可接收充电的充电深度(SOC)。
据此，不会像使用伴随过度的发热的电阻作为旁流电路那样，发生使电池集合体(尤其是作为主电源的第1组电池2a)的环境温度升高的问题。因此，能够回避因热引起的单位电池变形的问题。
因此，即使在使用镍氢蓄电池、镍镉蓄电池等碱性蓄电池或锂离子二次电池、锂聚合物二次电池等非水电解质二次电池之类的单位重量的能量密度较高的二次电池时，也不会招致二次电池的变形等问题，能够实现可将来自发电机的电流全部作为充电电流接收的、安全性高的电源系统。
本发明例如在用于需要不间断地接收来自发电机的充电电流的电池启动电源时尤其有效。
在上述结构中也可以是，所述强制放电部包括具备电阻和二极管的强制放电电路，以及切换该强制放电电路与所述第1组电池的连接的接通/断开的开关，所述控制部当由所述电压测量部测量的第1组电池的测量电压达到强制放电开始电压Va时，控制所述开关以接通所述连接。
上述结构中较为理想的是，所述第1组电池2a的平均充电电压V1和所述第2组电池2b的平均充电电压V2的比V2/V1被设定在1.01以上且1.18以下的范围。
这是因为，如果比V2/V1低于1.01，来自发电机1的充电电流容易流入第2组电池2b，因此第1组电池2a无法有效率地被充电。相反，如果比V2/V1超过1.18，第1组电池2a容易被过充电。
另外，作为构成第1组电池的第1单位电池较为理想的是，采用非水电解质二次电池。
这是由于，非水电解质二次电池的能量密度比碱性蓄电池等高，因此适合用作本发明的电源系统中的充电电流的主要接收对象。
另外，非水电解质二次电池也存在在高温环境下电解液成分分解等问题，但在替代发热显著的电阻而将第2组电池作为旁流电路的本实施方式的结构下，可适宜地使用非水电解质二次电池。
另外，较为理想的是，所述非水电解质二次电池的正极活性物质采用含钴的锂复合氧化物。
根据上述结构，通过将钴酸锂等含钴的锂复合氧化物用于正极的活性物质，非水电解质二次电池的放电电压变高，容易提高能量密度。
在上述结构中较为理想的是，设构成所述第1组电池2a的所述第1单位电池的个数为nA，所述强制放电开始电压Va被设定在4.05nAV以上且4.15nAV以下的范围。
这是因为，由表示第1单位电池的图2及表1也可以明确，当将强制放电开始电压Va设定为不足4.05nAV时，第1组电池2a的可接收充电的量会变得过少。相反，当将强制放电开始电压Va设定为超过4.15nAV时，直至接近单位电池α的过充电区域第1组电池2a的强制放电也不会开始。
在上述结构中较为理想的是，设构成所述第1组电池的单位电池的个数为nA，所述强制放电结束电压Vb被设定在3.85nAV以上且3.95nAV以下的范围。
这是因为，当将强制放电结束电压Vb设定为不足3.85nAV时，第1组电池的强制放电电量会变得过多(每次的强制放电时间变长)，来自发电机的充电电流流入作为主要接收对象的第1组电池的时间减少。相反，当将强制放电结束电压Vb设定为超过3.95nAV时，在强制放电后将很快又一次达到强制放电开始电压Va，从而第1组电池的可接收充电的量会变得过少。
在上述结构中较为理想的是，在所述第1组电池还串联连接有采用碱性蓄电池的第3单位电池。
在上述结构中较为理想的是，第3单位电池的容量比第1单位电池的容量大。
本发明所涉及的电源系统，当使用非水电解质二次电池作为第1单位电池时，较为理想的是，将强制放电开始电压Va设定为使每个该第1单位电池为4.0V左右(即强制放电开始电压Va为4.0V的整数倍)。
在此，使用通用的铅蓄电池规格的发电机时，额定电压为14.5V，则存在如下问题，即其不是4.0V的整数倍，而产生余数(2.5V)。对此，在串联连接的多个第1单位电池外，还与第1单位电池适宜地串联连接第3单位电池(平均充电电压为1.4V左右的碱性蓄电池)，从而可应对上述余数。
例如，当采用将平均充电电压为3.8V的锂离子二次电池作为第1单位电池α而串联连接三个后，再将平均充电电压为1.4V的镍氢蓄电池作为第3单位电池而串联连接两个的第1组电池时，第1组电池的平均充电电压V1为14.2V。此处作为第3单位电池的镍氢蓄电池的充电电压的平坦性高(相对于SOC的变化，端子电压的变化小)。即，在镍氢蓄电池的情况下，即使由于充电而SOC上升，充电电压也保持平坦而几乎不变化，与之相对，在锂离子蓄电池的情况下，由于充电而SOC上升后，充电电压也随之上升，因此第1单位电池(锂离子二次电池)被充电至指定的电压(3.9V)。
因此，如果将第3单位电池的容量设定得大于第1单位电池的容量，则可利用镍氢蓄电池的上述平坦性(充电途中不受SOC影响，充电电压保持平坦而几乎不变化)，将剩余的0.3V(从发电机1的额定电压即14.5V减去第1组电池2a的平均充电电压V1即14.2V所得的值)分配至3个第1单位电池的充电。由此，结果可充电至每个第1单位电池(锂离子二次电池)为3.9V(SOC换算为73％)。
在上述结构中，设第1组电池中的第1单位电池的个数为nA、第3单位电池的个数为nC，较为理想的是，所述强制放电开始电压Va被设定在4.05nAV+1.4nCV以上且4.15nAV+1.4nCV以下的范围。
根据上述结构，通过根据发电机的额定电压适宜地组合第1组电池，可避免过分不足而进行充电。因此，将强制放电开始电压Va的范围设定为上述范围时，该范围理想的理由在于：虽然与不具备第3单位电池的结构相同，但通过将强制放电开始电压Va的范围设定为上述范围，还可回避构成第1组电池的第1单位电池或第3单位电池的充电电压变得异常大时的危险。
在上述结构中较为理想的是，从所述强制放电开始电压Va和所述强制放电结束电压Vb算出强制放电所需的电量，并以一定的电流值进行一定时间的强制放电。
另外，较为理想的是，作为构成第2组电池的第2单位电池采用碱性蓄电池。
碱性蓄电池由于作为正极活性物质的氢氧化镍的特性，在完成完全充电的同时伴随温度上升，因此氧过电压下降而充电电压下降，但在替代发热显著的电阻而将第2组电池作为旁流电路的本实施方式的结构下，可回避电池集合体(尤其是作为主电源的第1组电池)的环境温度的上升引起的单位电池的变形问题的发生。因此，可放心地使用能量密度高的非水电解质二次电池，来作为构成旁流电路即第2组电池的第2单位电池。
本发明提供电池集合体的控制方法，其中，所述电池集合体为将串联连接有多个第1单位电池的第1组电池和串联连接有多个第2单位电池的第2组电池并联连接而构成，且所述第1组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V1被设定为小于所述第2组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V2，所述电池集合体的控制方法包括：测量所述第1组电池的电压的工序a；当在所述工序a测量的第1组电池的电压达到强制放电开始电压Va时，强制放电所述第1组电池直至达到强制放电结束电压Vb为止的工序b。
在上述方法中较为理想的是，所述工序b利用具备强制放电电路和切换所述强制放电电路与所述第1组电池的连接的接通/断开的开关的强制放电部，当在所述工序a测量的第1组电池的电压达到强制放电开始电压Va时，控制所述开关以接通所述连接，当达到强制放电结束电压Vb时，控制所述开关以断开所述连接的工序，其中，所述强制放电电路包括电阻和二极管。
在上述方法中较为理想的是，所述平均充电电压V1和所述平均充电电压V2的比V2/V1被设定在1.01以上且1.18以下的范围。
在上述方法中较为理想的是，作为构成第1组电池的第1单位电池采用非水电解质二次电池。
在上述方法中较为理想的是，所述非水电解质二次电池的正极活性物质采用含钴的锂复合氧化物。
在上述方法中较为理想的是，设构成所述第1组电池的第1单位电池的个数为nA，强制放电开始电压Va被设定在4.05nAV以上且4.15nAV以下的范围。
在上述方法中较为理想的是，设所述第1组电池中的第1单位电池的个数为nA，强制放电结束电压Vb被设定在3.85nAV以上且3.95nAV以下的范围。
在上述方法中较为理想的是，所述第1组电池采用在所述串联连接的多个第1单位电池上还串联连接碱性蓄电池的第3单位电池的结构。
在上述方法中较为理想的是，第3单位电池的容量大于第1单位电池的容量。
在上述方法中，设构成第1组电池的第1单位电池的个数为nA、第3单位电池的个数为nC，较为理想的是，所述强制放电开始电压Va被设定在4.05nAV+1.4nCV以上且4.15nAV+1.4nCV以下的范围。
在上述方法中较为理想的是，还包括从强制放电开始电压Va和强制放电结束电压Vb算出强制放电所需的电量的工序，以及以一定的电流值进行一定时间的强制放电的工序。
在上述方法中较为理想的是，作为构成所述第2组电池的第2单位电池采用碱性蓄电池。
根据本发明的上述各方法，可实现与所述的本发明的各电池系统的结构相同的效果。
产业上的可利用性
本发明的电源系统使用由单位重量的能量密度比铅蓄电池高的非水电解质二次电池构成的组电池，因此作为竞赛用车辆的电池启动电源的可利用性高、效果显著。

Claims (24)

1.一种电源系统，其特征在于包括：
电池集合体，将串联连接有多个第1单位电池的第1组电池和串联连接有多个第2单位电池的第2组电池并联连接；
发电机，对所述电池集合体进行充电；
强制放电部，用于强制放电所述第1组电池；
电压测量部，测量所述第1组电池的电压；
控制部，基于所述电压测量部的测量结果，通过控制所述强制放电部，控制所述电池集合体的电压，其中，
所述电池集合体被设定成，使所述第1组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V1小于所述第2组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V2，
所述控制部控制所述强制放电部，以使当所述电压测量部测量的第1组电池的测量电压达到强制放电开始电压Va时开始第1组电池的强制放电，当达到强制放电结束电压Vb时结束该强制放电。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述强制放电部包括：
强制放电电路，具备电阻和二极管；和
开关，用于切换该强制放电电路与所述第1组电池的连接的接通/断开，其中，
所述控制部当由所述电压测量部测量的第1组电池的测量电压达到强制放电开始电压Va时，控制所述开关以接通所述连接。
3.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于：
所述第1组电池的平均充电电压V1和所述第2组电池的平均充电电压V2的比V2/V1被设定在1.01以上且1.18以下的范围。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述第1单位电池为非水电解质二次电池。
5.根据权利要求4所述的电源系统，其特征在于：所述非水电解质二次电池的正极活性物质采用含钴的锂复合氧化物。
6.根据权利要求4或5所述的电源系统，其特征在于：设所述第1组电池中的所述第1单位电池的个数为nA，所述强制放电开始电压Va被设定在4.05nAV以上且4.15nAV以下的范围。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的电源系统，其特征在于：设所述第1组电池中的所述第1单位电池的个数为nA，所述强制放电结束电压Vb被设定在3.85nAV以上且3.95nAV以下的范围。
8.根据权利要求4至6中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述第1组电池还串联连接有采用碱性蓄电池的第3单位电池。
9.根据权利要求8所述的电源系统，其特征在于：所述第3单位电池的容量比所述第1单位电池的容量大。
10.根据权利要求8或9所述的电源系统，其特征在于：设所述第1组电池中的所述第1单位电池的个数为nA、所述第3单位电池的个数为nC，所述强制放电开始电压Va被设定在4.05nAV+1.4nCV以上且4.15nAV+1.4nCV以下的范围。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电源系统，其特征在于：从所述强制放电开始电压Va和所述强制放电结束电压Vb算出强制放电所需的电量，并以一定的电流值进行一定时间的强制放电。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述第2单位电池采用碱性蓄电池。
13.一种电池集合体的控制方法，其中，所述电池集合体为将串联连接有多个第1单位电池的第1组电池和串联连接有多个第2单位电池的第2组电池并联连接而构成，且所述第1组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V1被设定为小于所述第2组电池达到满充电容量的一半的充电容量时的端子电压的平均充电电压V2，其特征在于包括以下工序：
测量所述第1组电池的电压的工序a；
当在所述工序a测量的第1组电池的电压达到强制放电开始电压Va时，强制放电所述第1组电池直至达到强制放电结束电压Vb为止的工序b。
14.根据权利要求13所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：
所述工序b利用具备强制放电电路和切换所述强制放电电路与所述第1组电池的连接的接通/断开的开关的强制放电部，当在所述工序a测量的第1组电池的电压达到强制放电开始电压Va时，控制所述开关以接通所述连接，当达到强制放电结束电压Vb时，控制所述开关以断开所述连接的工序，其中，
所述强制放电电路包括电阻和二极管。
15.根据权利要求13或14所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：所述平均充电电压V1和所述平均充电电压V2的比V2/V1被设定在1.01以上且1.18以下的范围。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：所述第1单位电池采用非水电解质二次电池。
17.根据权利要求16所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：所述非水电解质二次电池的正极活性物质采用含钴的锂复合氧化物。
18.根据权利要求16或17所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：设构成所述第1组电池的所述第1单位电池的个数为nA，所述强制放电开始电压Va被设定在4.05nAV以上且4.15nAV以下的范围。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：设所述第1组电池中的所述第1单位电池的个数为nA，所述强制放电结束电压Vb被设定在3.85nAV以上且3.95nAV以下的范围。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：所述第1组电池采用在所述串联连接的多个第1单位电池上还串联连接碱性蓄电池的第3单位电池的结构。
21.根据权利要求20所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：所述第3单位电池的容量大于所述第1单位电池的容量。
22.根据权利要求20或21所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：设构成所述第1组电池的所述第1单位电池的个数为nA、所述第3单位电池的个数为nC，所述强制放电开始电压Va被设定在4.05nAV+1.4nCV以上且4.15nAV+1.4nCV以下的范围。
23.根据权利要求13至22中任一项所述的电池集合体的控制方法，其特征在于还包括：
从所述强制放电开始电压Va和所述强制放电结束电压Vb算出强制放电所需的电量的工序，以及
以一定的电流值进行一定时间的强制放电的工序。
24.根据权利要求13至23中任一项所述的电池集合体的控制方法，其特征在于：作为所述第2电池采用碱性蓄电池。
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