CN101944756B - 用于车辆的电源装置 - Google Patents

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Abstract

用于车辆的电源装置。一种安装到车辆的电源装置配备有铅酸电池和锂电池。如此确定每个电池的开路电压和内阻以满足下列条件(a1)，(a2)和(a3)：(a1)在铅酸电池的SOC的使用范围以及锂电池的SOC的使用范围内有等压点Vds，在该等压点处，铅酸电池的开路电压V0(Pb)变得与锂电池的开路电压V0(Li)相等；(a2)在电池的SOC的使用范围内的上限侧满足关系V0(Li)＞V0(Pb)；以及(a3)当最大电流流入锂电池时，锂电池的端电压Vc(Li)不大于调节器的设定电压Vreg。

Description

用于车辆的电源装置
技术领域
本发明涉及一种将被应用于车辆的电源装置。
背景技术
带有内燃机的车辆通常具有铅酸电池以向各种类型的电力负载如安装在车辆上的起动电动机提供电力。铅酸电池与高能量密度电池(高性能电池)如镍电池和锂电池相比，成本便宜，但是它对频繁的充放电具有较低的耐久性。例如，因为安装在带有怠速降低功能(这是一种自动停止怠速以节约和降低燃油消耗的功能)的车辆上的铅酸电池频繁地放电，所以这就会引起铅酸电池的快速退化。特别是，在带有能在车辆减速时再生电力的交流发电机的车辆上安装的铅酸电池频繁地用这些再生电力进行充电，这种频繁的充电会引起快速退化。采用高性能电池来避免铅酸电池的上述缺陷将带来高制造成本。
下面的技术文件D1-D5所公开的传统技术提出了一种改进结构，其中具有高价位的高性能电池(作为二次电池)和具有低价位的铅酸电池被并联安装在车辆上。
D1：日本专利特许公开号JP2007-46508；
D2：日本专利特许公开号JP2007-131134；
D3：日本专利特许公开号JP2008-29058；
D4：日本专利特许公开号JP2008-155814；以及
D5：日本专利特许公开号JP2009-126395。
就是说，在怠速降低模式(该模式在怠速期间能够停止发动机以降低燃油消耗)期间，诸如再生电力的电力被优先提供给高性能电池，并且高性能电池的电力被优先提供给电力负载。另一方面，从上述降低电力消耗的观点来看，当车辆在停车场长时间停车时，如此控制使得铅酸电池向电力负载提供电力。如上所述，两种类型电池的结合能够减小高性能电池的尺寸，并且能够抑制制造成本的增加。
顺便提一句，电池的过度充电或过度放电会引起快速退化。因为电池的开路电压对应于SOC，因此优选使用位于没有过度充电或放电的最佳SOC(荷电状态，下文将称其为“SOC的使用范围”)范围内的电池，其中SOC指的是电池的荷电状态。换句话说，电池SOC的改变具有不同的电池开路电压。通常，在SOC的使用范围内，铅酸电池的开路电压(例如，12.7V到12.8V)并不等于高性能电池的开路电压。
因为铅酸电池和高性能电池在电源装置中并联连接，因此放电时，电流从具有高的端电压Vd的电池流向具有低的端电压的电池，这会引起电池处于SOC的使用范围之外的过度放电的情况。通常，电池的端电压Vd可以用下列公式(1)表示：
Vd＝V0-Id×R...........(1)
其中Id是电池的放电电流，R是电池的内阻，且V0是电池的开路电压。
由前面所描述的技术文件D1-D5所公开的传统技术提出了一种采用DC/DC转换器的结构，该DC/DC转换器位于诸如高性能电池的这些电池和铅酸电池之间。通过DC/DC转换器，这种结构能够调节比铅酸电池的端电压高的高性能电池的端电压，并且能够阻止电流从具有高的端电压的高性能电池流向低的端电压的铅酸电池，从而防止铅酸电池过度充电。
然而，由于这种DC/DC转换器是高价位装置，因此这就很难降低用于需要DC/DC转换器来防止铅酸电池过度充电的车辆的电源装置的整体制造成本。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种安装到配备有高性能电池(或者用作二次电池的高能量密度电池)和铅酸电池的车辆的电源装置，其能抑制铅酸电池的退化，并且能在不结合任何DC/DC转换器的情况下降低其制造成本。
根据本发明第一方面，提供一种应用到带有交流发电机和恒压控制装置的各种类型的车辆的电源装置。该恒压控制装置能将交流发电机提供的电力电压调节为设定电压。电源装置由铅酸电池和二次电池组成。铅酸电池电连接到交流发电机上。二次电池并联电连接到铅酸电池。二次电池在输出功率密度和能量密度方面要高于铅酸电池。
在根据本发明第一方面的电源装置中，如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，以满足下列条件(a)，(b)和(c)：
(a)在铅酸电池的荷电状态(SOC)的使用范围以及二次电池的SOC的使用范围内存在等压点，在该等压点处，铅酸电池的开路电压变得与二次电池的开路电压相等；
(b)在从二次电池的SOC的使用范围内的等压点的上限侧，二次电池的开路电压比铅酸电池的开路电压要高；以及
(c)当最大充电电流流入二次电池时，二次电池的端电压低于由恒压控制装置设定的设定电压。
在根据本发明的电源装置中，如此确定铅酸电池和二次电池(例如锂电池)的开路电压和内阻，以便满足上述条件(a)。这允许位于铅酸电池的SOC的使用范围内的端电压Vd(Pb)近似等于位于锂电池的SOC的使用范围内的端电压Vd(Li)，这使得在铅酸电池和二次电池之间具有小的差值或者具有相同的电压电势。因此，允许二次电池向铅酸电池流入非常小的电流而不在电源装置中使用任何DC/DC转换器，并且因此可以防止铅酸电池过度充电。由于不使用任何DC/DC转换器，所以就能生产低制造成本的电源装置。
在根据本发明的电源装置中，如此确定铅酸电池和二次电池的开路电压和内阻，以便满足上述条件(b)。由于当用比位于二次电池的SOC的使用范围内的等压点处的电容量高的电容量对二次电池进行充电时，二次电池的开路电压高于铅酸电池的开路电压，因此这允许铅酸电池放电。这允许优选二次电池而不是铅酸电池放电。由于铅酸电池对频繁放电操作具有低耐久性，且铅酸电池放电频率被减小，所以根据本发明的电源装置的结构能够阻止铅酸电池在充电容量和性能方面的退化。
在根据本发明的第一方面的电源装置中，如此确定铅酸电池和二次电池的开路电压和内阻，以便满足上述条件(c)。通过下列原因，这可以增加优选对二次电池而不是铅酸电池充电的频率。
也就是说，由于当最大充电电流流动时，可用铅酸电池的端电压Vc(Pb)(由下列公式(F2)表示)变得比由恒压控制装置设定的设定电压大，所以当最大充电电流流动时，对铅酸电池进行充电变得很困难。
即使当铅酸电池具有较低的剩余容量，且铅酸电池的端电压Vc(Pb)低于设定电压时，因为当铅酸电池被充电时，铅酸电池具有大的内阻值R(Pb)，因此铅酸电池的端电压Vc(Pb)被快速增加。这将很难对铅酸电池进行充电。充电期间电池的端电压Vc由公式F2表示：Vc＝V0+Ic×R......(F2)，其中Ic是充电电流，R是电池的内阻，V0是电池的开路电压。
另一方面，在根据本发明第一方面的电源装置中，当最大充电电流在二次电池中流动时，二次电池的端电压Vc(Li)设为比设定电压低的电压。换句话说，由于即使当端电压Vc(Li)具有如二次电池的SOC的使用范围内的上限的最大电压时，二次电池的端电压也总是低于设定电压，所以可以总是对二次电池进行充电。因此，这就能增加了优选对二次电池而不是对铅酸电池进行充电的频率。由于从铅酸电池放电的频率可被减少，且铅酸电池对频繁放电操作具有低耐久性，因此能抑制铅酸电池的退化。
在根据本发明第二方面中，提供一种应用到带有交流发电机和恒压控制装置的各种类型车辆的电源装置。该恒压控制装置能将交流发电机产生的电力电压调节为设定电压。电源装置具有铅酸电池和二次电池，以及整流装置。铅酸电池电连接到交流发电机上。二次电池并联地电连接到铅酸电池。二次电池在输出密度和能量密度方面要高于铅酸电池。整流装置位于铅酸电池和二次电池之间以使得整流装置的正向电流方向具有从铅酸电池到二次电池的方向。整流装置在其中对沿正向方向经过整流装置流动的电流具有阻挡层电压。在电源装置中，如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，以满足下列条件(a’)，(b’)和(c’)：
(a’)在铅酸电池的荷电状态(SOC)的使用范围以及二次电池的SOC的使用范围内存在等压点，在该等压点处，二次电池的开路电压变得等于从铅酸电池的开路电压中减去整流装置的阻挡层电压而得到的扣除电压；
(b’)在从二次电池的SOC的使用范围内的等压点的上限侧，二次电池的开路电压比铅酸电池的扣除电压要高；以及
(c’)当最大充电电流流入二次电池时，二次电池的端电压不大于设定电压，所述设定电压由恒压控制装置设定。
接下来将给出上述效果(a’)，(b’)和(c’)以及根据本发明第二方面的配备有整流装置的电源装置的技术特征的描述。
在根据本发明第二方面的电源装置中，如此确定铅酸电池和二次电池的开路电压和内阻，以便满足上述条件(a’)。
这允许位于铅酸电池的SOC的使用范围内的端电压Vd(Pb)(更具体地说，当向位于从整流装置处观察的二次电池侧的电力负载放电时，通过从端电压Vd(Pb)中减去阻挡层电压而得到扣除电压)变成近似等于位于锂电池的SOC的使用范围内的端电压Vd(Li)。即，这使得在铅酸电池和二次电池之间具有小的电压差或者铅酸电池和二次电池之间具有相同的电压电势。因此，这允许具有高电压的电池向具有低电压的另一电池流入非常小的电流而不在电源装置中使用使用任何DC/DC转换器，从而能阻止这些电池的每个过度充电和过度放电。由于不使用任何DC/DC转换器，所以就能降低电源装置的制造成本。
在根据本发明第二方面的电源装置中，如此确定铅酸电池和二次电池的开路电压和内阻，以便满足上述条件(b’)。当二次电池被比位于二次电池的SOC的使用范围内的等压点处的充电容量更多地充电时，由于二次电池的开路电压V0(Li)比从铅酸电池的开路电压V0(Pb)中减去阻挡层电压而得到的扣除电压要高，所以这就允许具有高开路电压的二次电池放电。这能增加优选从二次电池而不是铅酸电池放电的频率。由于从铅酸电池放电的频率被减小，且铅酸电池对频繁放电操作具有低耐久性，所以本发明的特征能阻止铅酸电池退化。
在根据本发明的第二方面的电源装置中，如此确定铅酸电池和二次电池的开路电压和内阻，以便满足上述条件(c’)。通过下列原因，这可以增加优选对二次电池而不是铅酸电池进行充电的频率。
也就是说，由于当最大充电电流流动时，可用铅酸电池的端电压Vc(Pb)(由下列公式(F2)表示)比由恒压控制装置设定的设定电压高，所以当最大充电电流流动时，不可能对铅酸电池进行充电。
即使当铅酸电池具有较少的剩余容量，且铅酸电池的端电压Vc(Pb)低于设定电压时，因为当铅酸电池被充电时，铅酸电池具有大的内阻值R(Pb)，因此铅酸电池的端电压Vc(Pb)被快速增加到大于设定电压。这将很难对铅酸电池进行充电。
充电期间电池的端电压Vc由下列公式F2表示：Vc＝V0+Ic×R......(F2)，其中Ic是充电电流，R是电池的内阻，V0是电池的开路电压。
另一方面，在根据本发明第二方面的电源装置中，同前述的本发明第一方面类似，当最大充电电流在二次电池中流动时，二次电池的端电压Vc(Li)设为比设定电压低的电压。换句话说，由于即使当端电压Vc(Li)具有在二次电池的SOC的使用范围内的最大电压时，二次电池的端电压也总是低于设定电压，所以可以总是对二次电池进行充电。因此，这就能增加了优选对二次电池而不是对铅酸电池进行充电的频率。由于从铅酸电池放电的频率被减少，且铅酸电池对频繁放电操作具有低耐久性，因此本发明能防止铅酸电池的退化。
图12B中的水平线表示锂电池30(二次电池)的SOC，图12B中的实线A2表示电压特性线，其示出了锂电池30的SOC和开路电压V0(Li)之间的关系。图12B中的实线A1表示电压特性线，其示出了铅酸电池20的SOC和开路电压V0(Pb)之间的关系。在图13B中，表示锂电池SOC的水平线上0％的位置对应着铅酸电池的SOC的88％处的点。
图12B中所示的参考符号Vds表示等压点，在该等压点处，当电源装置不带任何整流装置时，锂电池(二次电池)和铅酸电池的开路电压相等，这点与带有整流装置的本发明的电源装置的结构有所不同。由于在从锂电池(二次电池)的SOC的使用范围W2(Li)中的等压点的下限侧，铅酸电池的端电压Vd(Pb)比二次电池的开路电压Vd(Li)高，所以铅酸电池释放其电力，而二次电池不放电。因此，将等压点朝着锂电池(二次电池)的SOC的使用范围W2(Li)内的下限侧转变以便增加优选从二次电池而不是铅酸电池放电的频率就足够了。
在上述观点中，根据本发明第二方面的电源装置装备有整流装置(例如，由二极管构成)，以便通过阻挡层电压Vbar将等压点朝着下限侧转变(Vds---＞Vds’)，其中在等压点处，二次电池的开路电压变得等于铅酸电池的开路电压。
换句话说，铅酸电池的电压特性线A1明显地被朝着如图12B中点划线所示的下限侧转变。这可以通过区域W2d’将上部区域朝着从锂电池(二次电池)的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds的上限侧扩大。这能增加优选从锂电池而不是铅酸电池放电的机会。
当起动电动机开始运行时，起动电动机需要比安装在车辆上的其它电力负载要大的电力。从二次电池向起动电动机提供如此大的电力会阻碍二次电池缩减尺寸，因为总的来说二次电池是比铅酸电池价高的装置。因此，优选由铅酸电池来代替锂电池(二次电池)向大功率消耗的起动电动机提供如此大的电力。
在上述观点中，根据本发明第二方面的电源装置具有整流装置(例如，诸如二极管)，如此放置该整流装置使得整流装置中的正向电流方向变成从铅酸电池到二次电池的方向。因此，当电源装置具有电力负载(如起动电动机)与铅酸电池侧的节点电连接的结构时，整流装置能阻止电流从二次电池供应给诸如如需要大电力的起动电动机的电力负载，其中铅酸电池侧与从整流装置处观察的二次电池侧相反。
附图说明
下面将参考附图以举例的方式对本发明的优选的、非限制性的实施例进行描述，其中：
图1A和图1B是表示根据本发明第一实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图2A表示根据本发明第一实施例的安装在带有电源装置的车辆上的铅酸电池的SOC的使用范围；
图2B表示根据本发明第一实施例的安装在带有电源装置的车辆上的锂电池(二次电池)的SOC的使用范围；
图3表示根据本发明第一实施例的电源装置中的铅酸电池和锂电池之间的I-V特性的差异；
图4A表示铅酸电池和锂电池随时间流逝的电流变化；
图4B表示铅酸电池和锂电池随时间流逝的端电压变化；
图5是表示根据本发明第二实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图6是表示根据本发明第三实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图7是表示根据本发明第四实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图8是表示根据本发明第五实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图9是主要表示根据本发明第六实施例的电源装置中的电池状态检测装置的详细结构的方框图；
图10是主要表示根据本发明第七实施例的电源装置中的电池状态检测装置的详细结构的方框图；
图11A，图11B和图11C是表示根据本发明第八实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图12A表示根据本发明第八实施例的安装在带有电源装置的车辆上的铅酸电池的SOC的使用范围；
图12B表示根据本发明第八实施例的安装在带有电源装置的车辆上的锂电池的SOC的使用范围；
图13表示根据本发明第八实施例的电源装置中的铅酸电池和锂电池之间的I-V特性的差异；
图14A和图14B表示铅酸电池和锂电池的电流和端电压的变化；
图15是表示根据本发明第九实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图16是表示根据本发明第十实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图17是表示根据本发明第十一实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图18是表示根据本发明第十二实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图19是表示根据本发明第十三实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图20是表示根据本发明第十四实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图；
图21是表示根据本发明第十五实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图。
具体实施方式
在下文将参考附图对本发明的各种实施例进行描述。在下面对各种实施例的描述中，在一些图中相似的参考符号或数字表示相似或者相同的部件部分。
第一实施例
下面将参考图1A，图1B，图2A，图2B，图3，图4A和图4B给出对根据本发明第一实施例的用于车辆的电源装置的描述。
根据第一实施例的电源装置可应用于带有内燃机的车辆中。例如，根据第一实施例的电源装置可应用于配备有怠速降低装置的各种类型的车辆中。所述怠速降低装置在满足预定的发动机停止条件时自动停止内燃机的运行，并且随后当满足预定的发动机重新启动条件时自动重新启动内燃机。通过接下来解释，所述怠速降低装置将被称为“怠速停止装置或者怠速停止功能”。
配备有根据第一实施例的电源装置的车辆具有起动电动机，以在内燃机开始运行时旋转内燃机的曲轴(crant shaft)。然而，第一实施例中的车辆并没有安装任何能够辅助车辆驱动的驱动电动机。
图1A和图1B是表示根据第一实施例的电源装置的示意性电路原理的方框图。如图1A和1B所示，交流发电机10(发电机)，调节器11(恒压控制装置)，铅酸电池20，锂电池30(二次电池)，以及诸如起动电动机的电力负载40。铅酸电池20，锂电池30以及电力负载40并联地电连接到交流发电机10上。
当接收经过内燃机曲轴传递的旋转能量时，交流发电机10产生电力。具体地，交流发电机10的转子与曲轴接合。当接收曲轴的旋转能量时，交流发电机10的转子的旋转在交流发电机10的转子线圈10a中产生励磁电流。然后所述励磁电流在转子线圈10a中流动。根据励磁电流的幅度，在交流发电机10的定子线圈中感应出交流电。整流器(未示出)将感应的交流电整流为直流电。调节器11对流经转子线圈10a的整流电流的幅度进行调节，以便将通过感应电流产生的交流发电机10的电压控制为常数(恒压Vreg)。这就可以抑制交流发电机10的输出电压的波动。在第一实施例中，所述恒压Vreg是14.5V。
在交流发电机10中产生的电力被供给到电力负载40，而且还被供给到铅酸电池20和锂电池30。在交流发电机10不产生任何电力的运行期间，当内燃机停止时，铅酸电池20和锂电池30向电力负载40提供电力。根据第一实施例的电源装置配备了保护控制装置(未示出)。这个保护控制装置对放电容量和充电容量进行控制，以保持电池的电能位于各电池如铅酸电池20和锂电池30的SOC(荷电状态)的使用范围内。所述SOC是电池内的剩余容量或能量。顺便提一句，SOC是电池已充能量与满充能量的比例，上述的放电容量是由铅酸电池20和锂电池30向电力负载40提供的电能，而上述的充电容量是由交流发电机10向铅酸电池20和锂电池30提供的电能。
在第一实施例中，交流发电机10通过车速被降低时产生的车辆的再生能量发电。再生电力被充到铅酸电池20和锂电池30(主要是充到锂电池30)。这种再生电力只有当车速被增加时才能获得，例如当车辆下坡时，并且停止对内燃机的燃油喷射。
铅酸电池20是公知的常用电池。具体地，铅酸电池20由多个串联连接的单元(cell)和电解溶液组成。铅酸电池20中的每个单元都具有正极和负极。二氧化铅(PbO2)被用作正极活性材料，铅(Pb)被用作负极活性材料，而且硫酸(H2SO4)被用作电解溶液。通常，铅酸电池20在充电容量方面比锂电池30大。
另一方面，锂电池30采用包含锂的氧化物(例如，锂金属复合氧化物)作为正极活性材料和/或吸附剂材料(例如，活性碳)作为正极。具体地，LiCoO2，LiMn2O4，LiNiO2，LiFePO4等被用作正极活性材料。另外，锂电池30采用碳，石墨，掺杂锂的碳或石墨，锂钛氧化物(Li2TiO2)或者包含Si或Sn的合金作为负极活性材料。锂电池30包含有机电解质作为电解溶液。与铅酸电池20的结构相似，锂电池30也由具有上述串联连接的电极的多个单元组成。
在图1A和图1B中，附图标记21和31分别表示铅酸电池20的电池单元组件(battery cell assembly)和锂电池30的电池单元组件，并且附图标记22和32分别表示铅酸电池20和锂电池30的内阻。
在下面的说明中，电池的开路电压V0是由电池单元组件21和31产生的电压。电池的端电压Vd和Vc是通过下列公式表示的电压：
Vd＝V0-Id×R...............   (F1)；以及
Vc＝V0+Ic×R...............   (F2)，
其中Id是放电电流，Ic是充电电流，R是电池的内阻，以及V0是电池的开路电压。
当铅酸电池20和锂电池30每个都由交流发电机10产生的电流进行充电时，因为铅酸电池20和锂电池30并联连接，因此交流发电机10的励磁电流流向具有低的端电压Vc的电池。另一方面，当向电力负载40提供电力时，具有高的端电压Vd的电池向电力负载40充电。
在车辆的再生模式期间，将锂电池30的端电压Vd(Li)控制为变得比铅酸电池20的端电压Vd(Pb)低许多倍，以便优选对锂电池30而不是铅酸电池20进行充电。另外，在放电模式期间，还将锂电池30的端电压Vd(Li)控制为变得比铅酸电池20的端电压Vd(Pb)高许多倍，以便优选从锂电池30而不是铅酸电池20中释放电能。
上述控制可以通过调节铅酸电池20和锂电池30的每个的开路电压V0和内阻R来实现。也就是说，电池的开路电压V0可以通过选择锂电池30的最佳正极活性材料，最佳负极活性材料以及最佳电解溶液进行来调节。
将参考图2A，图2B和图3给出在根据第一实施例的电源装置中设定条件以在再生发电期间满足Vc(Li：锂电池)＜Vc(Pb：铅酸电池)的关系，并设定条件以在放电期间满足Vd(Li)＞Vd(Pb)的关系的方法的描述。
图2A是表示根据第一实施例的安装在带有电源装置的车辆上的铅酸电池20的SOC的使用范围的视图。图2B是表示根据第一实施例的电源装置中锂电池30的SOC的使用范围的视图。
在图2A中，水平线表示铅酸电池20的SOC，实线A1表示电压特性线，其示出了铅酸电池20的SOC和开路电压V0(Pb)之间的关系。如图2A所示，SOC通过增加充电能量增加的越多，开路电压V0(Pb)增加的也越多。
在图2B中，水平线表示锂电池30的SOC，实线A2表示电压特性线，其示出了锂电池30的SOC和开路电压V0(Li)之间的关系。SOC通过增加充电能量增加的越多，开路电压V0(Li)增加的也越多。特别是，尽管SOC根据充电能量的增加而增加，但是表示铅酸电池20的电压特性线的斜率在图2A所示的拐点P1和P2之间的范围内变低。
铅酸电池20和锂电池30的每个的过度充电状态以及过度放电状态都会引起快速退化。因此，对于前面所述的保护控制装置需要控制到锂电池30和铅酸电池20的充电容量以及从铅酸电池20和锂电池30的放电容量。也就是说，需要在SOC的使用范围内使用铅酸电池20和锂电池30的每个。
铅酸电池20的SOC的使用范围W1(Pb)处于SOC的88％到100％范围内。另一方面，锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)处于SOC的10％到90％范围内。锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的上限小于100％，锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的下限大于0％。
因此，铅酸电池20的SOC的0％到88％的范围会引起快速退化。图2B还示出由图2A中虚线所指区域的展开，该区域表示铅酸电池20的SOC的使用范围W1(Pb)。由图2B中水平线表示的锂电池30的SOC的0％的位置对应着铅酸电池20的SOC的使用范围W1(Pb)的88％的位置。
对锂电池30进行设置以获得满足下列条件(a)，(b)，(c)，(d)和(e)的锂电池30电压特性A2。具体地，可以通过选择锂电池30的正极活性材料，负极活性材料和固体电解质的最佳组合来获得满足条件(a)，(b)，(c)，(d)和(e)的电压特性A2。
<条件(a)>
在铅酸电池20的SOC的使用范围W1(Pb)和锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内存在一个等压点Vds，在该等压点Vds处，铅酸电池20的开路电压V0(Pb)等于锂电池30的开路电压V0(Li)。这个等压点Vds存在于拐点P1和P2的范围内，其中在这个范围内的锂电池30的电压特性线A2的斜率是小的。
<条件(b)>
在锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds的上限侧，锂电池30的开路电压V0(Li)高于铅酸电池20的开路电压V0(Pb)。更具体地，等压点Vds存在于锂电池30的SOC的使用范围的W2(Li)的下限侧而不是上限侧(90％)，以便在P1和P2的范围内设定该等压点Vds。在锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds的上限侧，锂电池30的电压特性线A2的斜率大于铅酸电池20的电压特性线A1的斜率。
<条件(c)>
当最大充电电流在锂电池30内流动时，锂电池30的端电压Vc(Li)小于由调节器11控制的恒压Vreg。换句话说，锂电池30的端电压Vc(Li)比恒压Vreg小，该恒压是当锂电池30以锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的上限值(90％)充电时的端电压Vc(Li)(参见图2B的实线A3)。
图2B所示的参考符号ΔV表示在上限值(90％)处由内阻32引起的电压降部分，其对应着前面所述公式(F2)中的项(Ic×R)。
<条件(d)>
在从锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内等压点Vds的下限侧，锂电池30的开路电压V0(Li)比铅酸电池20的开路电压V0(Pb)低。更具体地，等压点Vds被设定为一值，该值位于从锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的下限侧(10％)的上限侧，以便在P1和P2的范围内设定该等压点Vds。
在从位于锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds处观察的下限侧的范围内，锂电池30的电压特性线A2的斜率大于铅酸电池20的电压特性线A1的斜率。
<条件(e)>
从等压点Vds处观察的上限侧的范围比从锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds处观察的下限侧的范围要宽。更具体地，等压点Vds被设定为从位于P1到P2的范围之间的中间点观察的下限侧中的一值，以便将等压点Vds设在P1到P2的范围之内。这在锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的大部分内都能满足Vd(Li)＞Vd(Pb)的关系。
图3是表示根据第一实施例的电源装置中的铅酸电池20和锂电池30之间的I-V特性的差异的视图。在图3中，实线B1表示铅酸电池20的I-V特性，实线B2表示锂电池30的I-V特性，实线B3表示恒压Vreg，水平线表示电流值Ic和电流值Id，垂直线表示端电压Vc和端电压Vd。在图3中，充电期间的电流Ic用正值来表示，而放电期间的电流Id用负值来表示。
在I-V特性B1和I-V特性B2中，充电电流Ic增加的越多，端电压Vc(Ic×R被增加)增加的也越多。充电电流Ic下降的越多，端电压Vc(Ic×R被降低)下降的也越多。也就是说，充电电流Ic的改变与充电电流Ic的改变成比例。I-V特性B1和I-V特性B2的每个的斜率表示内阻R。尤其是，锂电池30在充电期间和放电期间具有相同的内阻值R(Pb)。另一方面，铅酸电池20在充电时的内阻值R(Pb)大于铅酸电池20在放电时的内阻值。
在第一实施例中，设定在充电时满足关系R(Li)＜R(Pb)，而在放电时满足关系R(Li)≤R(Pb)。还设定在放电时满足关系Vd(Li)＞Vd(Pb)，在在接近Ic＝0的范围内满足关系Vc(Li)≥Vc(Pb)，并且在其它部分满足关系Vc(Li)＜Vc(Pb)。上述设定控制可通过下列条件实现，其中在充电时锂电池30的内阻值R(Li)小于铅酸电池20的内阻值R(Pb)。
根据本发明第一实施例的具有上述结构的电源装置具有下列特征(A1)到(A6)。
(A1)使电压特性曲线A2满足条件(a)(等压点Vds存在于拐点P1和P2之间的范围内)就会产生在锂电池30和铅酸电池20之间没有任何大电压差的状态，因为如图2A所示，在放电期间在锂电池30的SOC的使用范围内的端电压Vd(Li)近似等于在铅酸电池20的SOC的使用范围W1内的端电压Vd(Pb)。
因此即使不使用任何DC/DC转换器(其在传统电源装置中被使用)，也有可能防止从锂电池30流向铅酸电池20的电流，换句话说，有可能有一个非常小量的电流从锂电池30流向铅酸电池20。因此，根据第一实施例的电源装置的结构在没有任何DC/DC转换器的情况下也能抑制铅酸电池20处于过度充电状态。因为不使用任何DC/DC转换器，所以可以充分地地降低电源装置的制造成本。
(A2)使电压特性曲线A2满足条件(b)(从等压点Vds处观察的上限侧处的关系Vd(Li)＞Vd(Pb))到电压特性曲线A1允许锂电池30向例如需要恒压的电力负载43放电，因为在其中锂电池30在被充电地高于锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds的状态中，锂电池30的开路电压高于铅酸电池20的开路电压。
因为与从铅酸电池20放电相比这种条件增加了从锂电池30放电的频率，并且降低了从对频繁放电具有低耐久性的铅酸电池20放电的频率，因此这就能抑制铅酸电池20的退化。
(A3)使电压特性A2满足条件(c)(当最大充电电流流动时，Vc(Li)＜Vreg)到电压特性A1能够通过下列原因增加对锂电池30充电的频率而不是增加对铅酸电池20充电的频率。
在不使用锂电池30而用再生能量对铅酸电池20充电的情况下，因为铅酸电池20的内阻22比锂电池30的内阻要大，如图3所示，当充电电流达到电流值Ia时，铅酸电池20的端电压Vc(Pb)达到恒压Vreg。另一方面，即使在充电电流具有最大值时，配备有锂电池30的电源装置的结构也能满足关系Vc(Li)＜Vreg，因此就可能对锂电池30进一步充电。
在图3所示的例子中，当充电电流达到比最大充电电流Imax要大的电流值Ib时，锂电池30的端电压Vc(Li)达到恒压Vreg。
参照图4A和图4B对此进行详细解释。图4A表示铅酸电池20和锂电池30随时间流逝的电流变化。图4B表示铅酸电池20和锂电池30随时间流逝的端电压变化。在图4A和图4B中，实线C1和D1表示在不使用锂电池30的情况下当用再生电力以最大充电电流Imax对铅酸电池20进行充电时充电电流和端电压Vc(Pb)的变化。图4A和图4B中的实线C2和D2分别表示在根据第一实施例的电源装置中，当用再生电力以最大充电电流Imax对锂电池30进行充电时充电电流的变化和端电压Vc(Li)的变化。
如前面参考图3所解释的，因为当用再生电力对铅酸电池20进行充电时满足关系Imax＞Ia，所以如图4A所示，充电电流在时刻(timimg)t1处快速下降并朝着零会聚。这种状态将很难对铅酸电池20进行充电。在这种情况下，图4A中用斜线表示的区域对应着铅酸电池20的充电容量。
另一方面，由于当用再生电力对锂电池30进行充电时满足关系Imax≤Ib，所以充电电流直到锂电池30的SOC达到上限值(90％)的时刻t2为止，都一直保持为值Imax。这就允许锂电池30可以通常被充电而且能增加它的可变容量。
如上面所述，根据本发明第一实施例，可以增加对锂电池30充电的频率而不是增加对铅酸电池20充电的频率。这可以降低具有低耐久性的铅酸电池20的累积充电容量，并抑制铅酸电池20的退化。
(A4)使电压特性A2满足条件(d)(在从等压点Vds处观察的下限侧Vd(Li)＜Vd(Pb))到电压特性A1允许当优先由锂电池30对电力负载40释放电力且锂电池30的SOC低于等压点Vds时，铅酸电池20代替锂电池30向电力负载40释放电力。
此外，电流从铅酸电池20流向锂电池30，这会朝着等压点Vds增加锂电池30的SOC。因此，就可以抑制锂电池30被过度放电。
(A5)使电压特性A2满足条件(e)到电压特性A1允许该范围满足根据条件(b)的关系Vd(Li)＞Vd(Pb)，其中条件(e)满足在从等压点Vds处观察的上限侧的范围在面积上比在从等压点Vds处观察的下限侧的范围要宽。这就可以增加优先从锂电池30而不是从铅酸电池20放电的频率。这就可以提高铅酸电池20的抗退化力。
(A6)在由交流发电机10、调节器11和铅酸电池20构成的电源装置中增加满足条件(a)到(e)的锂电池30使得可以在不使用任何DC/DC转换器的情况下就能获得上面所述的本发明的特征。可以在传统电源装置中以更少的硬件设计上的改变来实现根据本发明第一实施例的电源装置。
第二实施例
接下来将参考图5给出对根据本发明第二实施例的电源装置的描述。图5是表示根据第二实施例的电源装置的示意性电路的方框图。
在根据图5所示的第二实施例的电源装置的结构中，锂电池30向电力负载43提供电力，该电力负载43需要近似恒定的电压或者至少在预定电压范围内变化的电压。例如，导航系统和音频系统作为电力负载43安装于车辆上。当电源装置提供电力时，其电压是波动的而不是恒定的，或者改变离开预定允许范围，并且当电力电压暂时降到低于最小运行电压时，作为电力负载43的导航系统和/或音频系统在运行中被重新设定。这会引起各种问题。为了避免这点，电源装置有必要提供比最小运行电压大的近似为恒定电压的电力电压。
另一方面，铅酸电池20向起动电动机41和常用电力负载42诸如用于后窗的除霜加热器和用于空调系统的通风扇来提供电力。与电力负载42和43相比，起动电动机41需要大的电力。当铅酸电池20向起动电动机41提供此大的电力时，铅酸电池20的端电压Vd(Pb)快速降低。
然而，为了避免锂电池30的端电压Vd(Li)快速降低，根据第二实施例的电源装置的结构具有电磁继电器50来断开和闭合锂电池30和起动电动机41之间的电力连接。具体地，当铅酸电池20向起动电动机41提供电力时，为了避免锂电池30的电压降，电磁继电器50被断开。这使得锂电池30能够向电力负载43提供稳定的电力，其电压在预定的电压范围内被略微改变。
当铅酸电池20并没有储存足够的容量来起动起动电动机41时，就可以接通电磁继电器50来向起动电动机41提供电力。也就是说，当铅酸电池20具有低SOC时，如此控制使得优选锂电池30而不是铅酸电池20来向起动电动机41提供电力。
如上所述，根据本发明第二实施例的电源装置具有除了先前在第一实施例中描述的效果(1)到(6)外的下列效果(7)。
(7)锂电池30向需要近似恒压或者在预定电压范围内变化的稳定电压的电力负载43提供电力，并且铅酸电池20向起动电动机41提供电力。当铅酸电池20向起动电动机41提供电力时，电磁继电器50操作为断开。这使得可以向电力负载43提供电力，该电力的电压具有小的电压波动。
第三实施例
接下来将参考图6给出对根据本发明第三实施例的电源装置的描述。图6是表示根据本发明第三实施例的电源装置的示意性电路的方框图。
根据第三实施例的电源装置具有保护控制装置60，其控制到锂电池30的充电容量和从锂电池30的放电容量，以避免向锂电池30过度充电以及从锂电池30过度放电。
保护控制装置60总是接收关于锂电池30的端电压Vc和Vd或者开路电压V0(Li)的检测信号，以及从检测在锂电池30中流动的电流的电流检测装置61传送来的检测信号。
当锂电池30的端电压Vd在放电期间变得比下限电压低时，保护控制装置60命令电磁继电器50断开(电压下降抑制操作)。这种控制阻止锂电池30过度放电。可根据与图2B所示下限SOC值(10％)对应的电压来设定该下限电压。
当锂电池30的端电压Vc在充电期间超过上限电压时，保护控制装置60命令电磁继电器50断开(电压升高抑制操作)。这种控制阻止锂电池30过度充电。可根据与图2B所示上限SOC值(90％)对应的电压来设定该上限电压。
保护控制装置60还向调节器11输出指令信号以根据锂电池30的电压来改变调节器11的恒压Vreg。这可以防止或阻止锂电池30过度充电和过度放电。
也就是说，当锂电池30的电压变得比下限值低时，保护控制装置60命令调节器11增加恒压Vreg。这增加了到锂电池30的充电容量，并且阻止锂电池30过度放电。
另一方面，当锂电池30的电压超过上限值时，保护控制装置60命令调节器11减小恒压Vreg。这抑制了到锂电池30的充电容量，并且阻止锂电池30过度充电。
如上所述，由于除了在向起动电动机41提供电力期间，当锂电池30的端电压变得比锂电池30的使用范围W2(Li)低时，保护控制装置60就命令电磁继电器50断开，因此根据本发明第三实施例的电源装置能可靠地避免锂电池30过度放电。
此外，由于保护控制装置60命令电磁继电器50断开，因此根据本发明第三实施例的电源装置还能可靠地避免锂电池30过度充电。
由于根据本发明第三实施例的电源装置通过由保护控制装置60通过改变恒压Vreg来执行过度放电和过度充电保护操作。因此这能精确地控制锂电池30的电压，因此就能以高精确度对锂电池30进行过度放电保护和过度充电保护。
第四实施例
接下来将参考图7给出对根据本发明第四实施例的电源装置的描述。图7是表示根据第四实施例的电源装置的示意性电路的方框图。
在前面所描述的第三实施例中，电源装置具有保护控制装置60来阻止锂电池30过度充电和过度放电。
另一方面，第四实施例的电源装置中的保护控制装置60除了第三实施例中的功能外，还能对铅酸电池20执行过度放电操作和过度充电操作。
也就是说，当铅酸电池20的电压变得低于下限电压时，保护控制装置60命令调节器11增加恒压Vreg。这执行铅酸电池20的过度放电操作。另一方面，当铅酸电池20的电压超出上限电压时，保护控制装置60命令调节器11减小恒压Vreg。这执行铅酸电池20的过度充电操作。
如上所述，根据本发明第四实施例的电源装置除了根据锂电池30的电压来改变恒压Vreg外，还根据铅酸电池20的电压来恰当地改变恒压Vreg。这就能除了对锂电池30的电压之外还对铅酸电池20的电压进行精确地控制，从而同锂电池30一样，也能以高精确度对铅酸电池20进行过度放电保护和过度充电保护。
第五实施例
接下来将参考图8给出对根据本发明第五实施例的电源装置的描述。图8是表示根据第五实施例的电源装置的示意性电路的方框图。
根据第五实施例的电源装置具有多个锂电池30。在根据第五实施例的电源装置的结构中，电力从不同的锂电池30供应给各种类型的电力负载43，44和45，其中电力负载43需要近似恒压或者在预定电压范围内变化的稳定电压，电力负载44需要大电力，并且电力负载45需要一电压以便发生紧急情况时能可靠地运行。
具体地，有安装到动力转向装置上的电动机作为需要大电力的电力负载44的一个例子。电力负载44可以靠某波动电压运行，这不同于前面所述的需要近似恒压的电力负载43。
有通信装置作为发生紧急情况时需要确定运行的电力负载45的一个例子。这个通信装置能向汽车代理商处的修复操作员发送异常信息，从而对车辆进行诊断和修复，例如，当安装在车辆上的内燃机发生故障并且无法启动时。因此对于这种类型的电力负载44来说，并不需要使用大的电力和恒压。
与图6所示的电源装置类似，根据图8所示的第五实施例的电源装置也具有多个电磁继电器50，电池状态检测装置70以及电流检测装置61。也就是说，电磁继电器50，电池状态检测装置70以及电流检测装置61位于每个锂电池30中。
电池状态检测装置70总是检测锂电池30的端电压Vc，Vd或者开路电压V0(Li)，以及流经锂电池30的电流。然后电池状态检测装置70将检测信号传送给保护控制装置60。保护控制装置60接收从电池状态检测装置70传送来的检测信号，并且通过使用电磁继电器50来执行过度充电控制和过度放电控制，并且还通过调整恒压Vreg来进行过度充电和过度放电保护控制，如图6所示的保护控制装置60一样。
如上所述，根据本发明第五实施例的电源装置具有多个锂电池30。锂电池30分别对应着电力负载。这种结构能抑制每个锂电池30的退化。特别是，由于用于紧急情况的电力负载45具有专门的锂电池30，因此就可以抑制锂电池30的退化，并且避免了不能向电力负载45提供电力的风险。
第六实施例
接下来将参考图9给出对根据本发明第六实施例的电源装置的描述。图9是主要表示图8所示电源装置中的电池状态检测装置70的具体结构的方框图。
该电池状态检测装置70由单元(cell)电压转换装置71，电池状态检测控制装置72，温度检测装置73和单元均衡(cell equalizing)装置74组成。单元电压转换装置71，电池状态检测控制装置72，温度检测装置73和单元均衡装置74作为均衡装置。
单元电压转换装置71检测构成锂电池30的多个电池单元33中每个的电压。单元电压转换装置71具有选择电池单元33之一来检测其电压的功能。单元电压转换装置71检测所选电池单元的电压，然后将检测到的电压值传送给电池状态检测控制装置72。电池状态检测控制装置72还接收检测到的在锂电池30中流动的电流的电流值。电池状态检测控制装置72进一步接收由温度检测装置73检测到的锂电池30的温度值。
电池状态检测控制装置72基于电池单元33的每个的电压来计算锂电池30的端电压Vc，Vd或者开路电压V0(Li)。电池状态检测控制装置72通过通信接口75将计算的电压，锂电池30的电流值以及锂电池30的温度值传送给保护控制装置60。保护控制装置60接收从电池状态检测控制装置72传送的信息诸如上述电压值，电流值以及温度值，并基于接收到的信息来进行保护控制。
电池状态检测控制装置72基于接收到的电池单元33的电压值来计算从具有高SOC的电池单元33的放电容量以及到具有低SOC的电池单元33的充电容量。电池状态检测控制装置72向单元均衡装置74输出与计算结果相对应的均衡指令信号。当接收到均衡指令信号时，单元均衡装置74基于接收到的均衡指令信号来命令电池单元33的每个放电或充电，以便均衡电池单元33的每个中的SOC(作为剩余容量的荷电状态)。
如上所述，根据本发明第六实施例的电源装置能够均衡电池单元33的每个中的SOC。这就能避免在充电期间出现过度充电的电池单元33和具有足够的SOC的电池单元。同样，还能避免在放电期间出现过度放电的电池单元33和具有足够的SOC的电池单元。根据第六实施例的电源装置可以抑制锂电池30的提前退化。
第七实施例
接下来将参考图10给出对根据本发明第七实施例的电源装置的描述。
在前述图9所示根据第六实施例的电源装置中，单元电压转换装置71和电池状态检测控制装置72由不同的电路部件形成。根据第七实施例的电源装置具有由单元电压转换装置71和单元均衡装置74构成的单个IC710(作为单元均衡异常检测装置的集成电路)。
图10是主要表示在根据第七实施例的电源装置中由单个IC芯片710构成的电池状态检测装置70的具体结构的方框图。
单元均衡异常检测装置710检测电池单元33中的每个的电压，并基于检测到的电压计算到电池单元33的每个的充电容量或从电池单元33的每个的放电容量。单元均衡异常检测装置710基于所述计算结果通过对电池单元33的每个进行充电和放电，来均衡电池单元33中的每个的剩余容量。
单元均衡异常检测装置710还检测电池单元33的每个的检测到的电压是否处于预定的正常范围内，以便检测电池单元33的每个的异常。当接收到从电池状态检测控制装置72传送来的异常诊断指令信号时，单元均衡异常检测装置710开始执行前面所述的异常检测操作，并将检测结果传送到给电池状态检测控制装置72。
电压降低装置76将锂电池30的电压减小到不超过5V的电压，微处理器可使用该电压运行。通过电压降低装置76减小的这种电压信号被传送给电池状态检测控制装置72，然后进一步通过通信接口75传送给保护控制装置60。
如上所述，根据本发明第七实施例的电源装置除了具有除了根据第六实施例的电源装置的相同效果外，还具有为电池单元33中的每个执行异常检测操作的效果。
(其它修改)
本发明并不局限于前面所描述的第一到第七实施例。它还可以具有下列结构或者有选择地结合第一到第七实施例的结构。
例如，可以使用诸如MOSFET和IGBT的半导体开关或者手动开关来代替电磁继电器50。与电磁继电器50相比，这种半导体开关具有出众的响应功能和出众的耐久性，但是通常价格较高。
还可以使用二极管和电阻的组合来代替使用电磁继电器50，该电磁继电器50具有开关机构来连接锂电池30和起动电动机41，以及断开锂电池30和起动电动机41之间的电连接。二极管和电阻的组合能抑制从锂电池30流向起动电动机41的电流，以便抑制锂电池30的电压降。
尽管第一到第七实施例的每个都使用了具有电压特性A2，由非水电解质构成的锂电池30，但是除非其至少满足前面所述的条件(a)到(c)，可以使用由镍化合物构成的镍电池来代替使用锂电池30。
在第一到第七实施例的每个实施例中，等压点Vds处于从锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)中的下限值(10％)处观察的上限侧。然而，本发明的想法并不局限于此。例如，还可以将等压点Vds设到下限值。
在第一到第七实施例的每个实施例中，带有电源装置的车辆都具有再生功能。然而，本发明的想法并不局限于此。例如，还可以将电源装置应用到不带有再生功能的车辆中。顺便提一句，因为具有再生功能的车辆具有将再生能量充到电池中的高频率，所以可示出本发明的通过降低具有低耐久性的铅酸电池20的累积充电容量来抑制铅酸电池20退化的特征。
第八实施例
接下来将参考图11A，图11B，图11C，图12A，图12B，图13以及图14A和图14B给出对根据本发明第八实施例的电源装置的描述。
根据第八实施例的电源装置可被应用于带有内燃机的各种类型的车辆上。例如，根据第八实施例的电源装置可被应用于配备有怠速降低装置的车辆上。如前面所述的，当满足预定的发动机停止条件时，怠速降低装置自动停止内燃机的运行，并且当满足预定的发动机重新启动条件时，它还自动重新启动内燃机。通过下面的说明，怠速降低装置将被称为“怠速停止装置或者怠速停止功能”。
在第八实施例中，配备有电源装置的车辆具有起动电动机，以在内燃机开始运行时旋转内燃机的曲轴。然而，该车辆并没有安装任何能够辅助车辆驱动的驱动电动机。
图11A，图11B和图11C是表示根据第八实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图。如图11A，图11B和图11C所示，交流发电机10(发电机)，调节器11(恒压控制装置)，铅酸电池20，锂电池30(二次电池)，和各种类型的电力负载41，42和43，以及MOS FET50’(开闭装置，整流装置)。铅酸电池20，锂电池30以及电力负载41，42和43并联地电连接到交流发电机10上。
所述MOS FET50’位于锂电池30和将交流发电机10与铅酸电池20连接的连接节点之间。MOS FET50’用作闭合(ON)和断开(OFF)锂电池30和连接节点之间的电连接的开闭装置，该连接节点将交流发电机10与铅酸电池20连接起来。
鉴于其结构，MOS FET50’还可用作整流装置。也就是说，MOS FET50’的内部电路等同于其中半导体开关部件52(开闭控制装置)和寄生二极管51并联连接的电路。开闭控制装置601产生并向半导体开关部件52的栅极传送控制信号。也就是说，开闭控制装置601控制以切换MOS FET50’的ON运行(闭合)和OFF运行(断开)。
电力负载41到43中的电力负载43需要恒压或者在预定电压范围内变化的稳定电压。电力负载43连接到从MOS FET50’观察的锂电池30侧。这种结构允许锂电池30向电力负载43提供电力(参见图11B和图11C中右侧的实线箭头标记)。
例如，有导航系统和音频系统作为例如安装到车辆上的电力负载43。当电源装置提供电力时，其电压是波动的，非恒定的，或者改变离开预定的电压范围，并且当电力电压暂时降到低于最小运行电压时，作为电力负载43的导航系统和/或音频系统在运行中被重新设定。这会引起各种问题。为了避免这些问题，电源装置有必要提供电力，该电力的电压必须是比最小运行电压大的近似恒压。
另一方面，电力负载41是启动内燃机运行的起动电动机。电力负载42是常用电力负载，诸如用于后窗的除霜加热器和用于空调系统的通风扇。起动电动机41和电力负载42连接到从MOS FET50’观察的铅酸电池20侧。也就是说，铅酸电池20向起动电动机41和常用电力负载42提供电力(参见在图11B中左侧的实线箭头线和在图11C左侧的轮廓箭头标记)。
当与其它电力负载42和43相比时，起动电动机41需要大的电力。当铅酸电池20向起动电动机41提供如此大的电力时，铅酸电池20的端电压Vd(Pb)快速降低。
然而，为了避免锂电池30的端电压Vd(Li)快速降低，根据第八实施例的电源装置的结构具有MOS FET50’来断开和闭合锂电池30和起动电动机41之间的电连接。具体地，当铅酸电池20向起动电动机41提供电力时，切换MOS FET50’以便阻止锂电池30的电压降。这使得锂电池30能够向电力负载43提供其电压在预定电压范围内略微改变的电力。
当铅酸电池20并没有储存足够的容量来起动起动电动机41时，就可以接通MOS FET50’来向起动电动机41提供电力。也就是说，当铅酸电池20具有低SOC时，如此控制使得优选锂电池30而不是铅酸电池20来向起动电动机41提供电力。在图11A，图11B和图11C所示的例子中，常用电力负载42电连接到在从MOS FET50’的位置观察的铅酸电池20侧。然而，还可以将常用电力负载42电连接到锂电池30上，以使锂电池30提供电力负载42所需电力的一部分。
开闭控制装置601在普通模式期间命令MOS FET50’断开(被断开)，但是命令它闭合(被接通)，以便用大电流对锂电池30充电，并向铅酸电池20释放锂电池30的电容量(参见图11A)。例如，开闭控制装置601命令接通MOS FET50’，以便用车速降低时产生的再生电力的大电流对锂电池30进行有效充电，或者以便在铅酸电池20处于过度充电状态时，基于信息诸如铅酸电池20的SOC和车速，从锂电池30对铅酸电池20进行充电。
在MOS FET50’的断开状态期间，寄生二极管51对流向锂电池30的充电电流或从锂电池30流出的放电电流进行整流。也就是说，在MOS FET50’的断开状态期间，电流能从交流发电机10或者铅酸电池20流向锂电池30，但是不能从锂电池30流向交流发电机10或者铅酸电池20(参见图11C)。
因为寄生二极管51具有阻挡层电压Vbar(阻挡层电压是需要在两种不同材料之间的连接部例如p-n结处引起电传导的电压)，所以由于阻挡层电压Vbar，在流过寄生二极管51的电力中会产生电压降。因此，电流通过寄生二极管51流向锂电池30。因此当锂电池30的端电压Vd(Li)不大于通过从交流发电机10产生的电力电压中或从MOS FET50’被断开时铅酸电池20的端电压Vd(Pb)中减去阻挡层电压Vbar而得到的差压时，对锂电池30进行充电。
在MOS FET50’的被断开状态下，当用车辆减速期间由交流发电机再生的再生电力对锂电池30进行充电时，大电流通过寄生二极管51流向锂电池30(二次电池)。当产生的电流流过寄生二极管51时，这会引起大的能量损失。
为了避免寄生二极管51中如此大的能量损失，当用车速降低时由交流发电机产生的再生能量对锂电池30进行充电时，根据第八实施例的电源装置命令接通MOS FET50’(参见图11C)。电源装置的这种控制操作允许通过将再生电力的电流绕过(bypassing it through)寄生二极管51而使再生电力的电流流到锂电池30中。这能消除寄生二极管51中产生的能量损失。也就是说，可以避免由交流发电机10产生的能量损失。
根据第八实施例的电源装置命令接通MOS FET50’，以便用来自锂电池30的电力(电容量)对铅酸电池20进行充电，例如，当铅酸电池20没有足够的容量向常用电力负载42和起动电动机41提供电力时(参见图11B所示的虚线箭头)。
当铅酸电池20的端电压Vd(Pb)比锂电池30的端电压Vd(Li)低时接通MOSFET50’的控制，使得能从锂电池30向铅酸电池20以及向常用负载42和起动电动机41提供电力。
当接收通过内燃机的曲轴传送的旋转能量时，交流发电机10产生电力。具体地，交流发电机10的转子与曲轴接合。当接收曲轴的旋转能量时，交流发电机10的转子的旋转在交流发电机10的转子线圈10a中产生励磁电流。然后励磁电流在转子线圈10a中流动。根据励磁电流的幅度，从而在交流发电机10的定子线圈中感应出交流电。整流器(未示出)将感应的交流电整流为直流电。调节器11对流经转子线圈10a的整流电流的幅度进行调节，以便将通过感应电流产生的交流发电机10的电压控制为恒定的(恒压Vreg)。这就可以抑制交流发电机10的输出电压的波动。在第八实施例中，恒压Vreg是14.5V。
在交流发电机10中产生的电力被提供给到电力负载41，42和43，还被提供给铅酸电池20和锂电池30。当内燃机停止时不在交流发电机10中产生任何电力的运行期间，铅酸电池20和锂电池30向电力负载41，42和43提供电力。根据第八实施例的电源装置配备了保护控制装置(未示出)。这个保护控制装置对放电容量和充电容量进行控制，以保持电池电能位于电池诸如铅酸电池20和锂电池30的SOC(荷电状态)的使用范围内，其中SOC是电池已充能量与满充能量的比例，上述的放电容量是由铅酸电池20和锂电池30向电力负载41，42和43提供的电容量，而上述的充电容量是由交流发电机10向铅酸电池20和锂电池30提供的电能。
在第八实施例中，交流发电机10通过在车速被降低时产生的车辆再生能量产生电力。再生电力被充到铅酸电池20和锂电池30(主要是到锂电池30)。这种再生电力只有当减速状态下降低车速以及停止对内燃机的燃油喷射时才能获得。
铅酸电池20是公知的常用电池。具体地，铅酸电池20由多个串联连接的单元和电解溶液组成。铅酸电池20中的电池单元都具有正极和负极。二氧化铅(PbO2)被用作正极活性材料，铅(Pb)被用作负极活性材料，硫酸(H2SO4)被用作电解溶液。通常，铅酸电池20在充电容量方面比锂电池30要大。
另一方面，锂电池30采用包含锂的氧化物(例如，锂金属复合氧化物)作为正极活性材料和/或吸附剂材料(例如，活性碳)作为正极。具体地，LiCoO2，LiMn2O4，LiNiO2，LiFePO4等被用作正极活性材料。另外，锂电池30采用碳，石墨，掺杂锂的碳或石墨，锂钛氧化物(例如，Li2TiO2)或者包含Si或Sn的合金作为负极活性材料。锂电池30包含有机电解质作为电解溶液。与铅酸电池20的结构相似，锂电池30也由具有上述串联连接的电极的多个单元组成。特别是，第八实施例采用锂钛氧化物(lithium titanium oxide)作为锂电池30中的负极活性材料。
在图11A，图11B和图11C中，附图标记21和31分别表示铅酸电池20的电池单元组件和锂电池30的电池单元组件，并且附图标记22和32分别表示铅酸电池20和锂电池30的内阻。
在下面的说明中，电池的开路电压V0是由电池单元组件21和31产生的电压。电池的端电压Vd和Vc是通过下列公式表示的电压：
Vd＝V0-Id×R................   (F1)；以及
Vc＝V0+Ic×R...............   (F2)，
其中Id是放电电流，Ic是充电电流，R是电池的内阻，且V0是电池的开路电压。
如公式(F1)和(F2)中所示，当电池释放其容量时，内阻R增加得越多，电池的端电压Vd降低得越多。此外，当对电池充电时，内阻R增加得越多，电池的端电压Vc增加得越多。
因为如图11A所示，铅酸电池20和锂电池30并联连接，所以在充电期间，在交流发电机10中产生的感应电流流入具有低端电压的电池。另一方面，在放电期间，具有高端电压的电池的电能被供应给电力负载40。
在车辆再生模式期间，将锂电池30的端电压Vd(Li)控制为比铅酸电池20的端电压Vd(Pb)低许多倍，以便优选对锂电池30而不是对铅酸电池20进行充电。另外，在放电模式期间，将锂电池30的端电压Vd(Li)控制为比铅酸电池20的端电压Vd(Pb)高许多倍，以便优选从锂电池30而不是铅酸电池20中释放电能，其中铅酸电池20的端电压Vd(Pb)是通过从端电压Vd(Pb)中减去寄生二极管的阻挡层电压Vbar而获得的电压。
上述控制可以通过调节铅酸电池20和锂电池30的每个的开路电压V0和内阻R来实现。也就是说，电池的开路电压V0可以通过选择锂电池30的最佳正极活性材料，最佳负极活性材料以及最佳电解溶液进行调节。
将参考图12A，图12B和图13给出在根据第八实施例的电源装置中设定条件以在再生能量充电期间满足Vc(Li：锂电池)＜Vc(Pb：铅酸电池)的关系，并设定条件以在放电期间满足Vd(Li)＞Vd(Pb)的关系。
图12A是表示根据第八实施例的电源装置中的铅酸电池20的SOC的使用范围的视图。图12B是表示根据第八实施例的电源装置中锂电池30的SOC的使用范围的视图。
在图12A中，水平线表示铅酸电池20的SOC，实线A1表示电压特性线，其示出了铅酸电池20的SOC和开路电压V0(Pb)之间的关系。如图12A所示，SOC通过增加充电能量增加的越多，开路电压V0(Pb)增加的也越多。
在图12B中，水平线表示锂电池30的SOC，实线A2表示电压特性线，其示出了锂电池30的SOC和开路电压V0(Li)之间的关系。SOC通过增加充电能量增加的越多，开路电压V0(Li)增加的也越多。特别是，尽管SOC根据充电能量的增加而增加，但是表示铅酸电池20的电压特性线的斜率在图12A中示出的拐点P1和P2之间的范围内变低。
铅酸电池20和锂电池30的每个的过度充电状态以及过度放电状态都会引起其快速退化。因此，对于前面所述的保护控制装置需要控制到锂电池30和铅酸电池20的充电容量以及从铅酸电池20和锂电池30的放电容量，也就是说，需要在SOC的使用范围内使用铅酸电池20和锂电池30的每个。
铅酸电池20的SOC的使用范围W1(Pb)处于88％到100％的范围内。另一方面，锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)处于10％到90％的范围内。锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的上限小于100％，锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的下限大于0％。
因此，铅酸电池20的SOC的0％到88％的范围会引起快速退化。图12B还示出由图12A中虚线所指区域的展开，该区域表示铅酸电池20的SOC的使用范围W1(Pb)。由图2B中水平线表示的锂电池30的SOC的0％的位置对应着铅酸电池20的SOC的使用范围W1(Pb)的88％位置。
对锂电池30进行设置以获得满足下列条件(a’)，(b’)，(c’)，(d’)和(e’)的锂电池30的电压特性A2。具体地，通过选择锂电池30的正极活性材料，负极活性材料和固体电解质的最佳组合来获得满足条件(a’)，(b’)，(c’)，(d’)和(e’)的电压特性A2。
<条件(a’)>
在铅酸电池20的SOC的使用范围W1(Pb)和锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内有一个等压点Vds，在该等压点Vds处，铅酸电池20的开路电压V0(Pb)等于锂电池30的开路电压V0(Li)。该等压点Vds存在于拐点P1和P2之间的范围内，其中在这个范围内的锂电池30的电压特性线A2的斜率是小的。特别是，通过阻挡层电压Vbar，等压点被朝着锂电池30的SOC的下限侧转变，在该等压点处锂电池30的开路电压等于铅酸电池20的开路电压(参见图12B所示的Vds’)。换句话说，铅酸电池20的电压特性线A1被朝着由图12B中点划线所指示的低压侧转变。
<条件(b’)>
在锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds’的上限侧，锂电池30的开路电压V0(Li)比通过从开路电压V0(Pb)中减去寄生二极管51的阻挡层电压Vbar而获得的电压高。更具体地，等压点Vds’存在于锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的下限侧而不是上限侧(90％)，以便在P1和P2的范围内设定该等压点Vds’。在锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds’的上限侧，锂电池30的电压特性线A2的斜率比铅酸电池20的电压特性线A1的斜率大。
<条件(c’)>
当最大充电电流在锂电池30内流动时，锂电池30的端电压Vc(Li)小于由调节器11控制的恒压Vreg。换句话说，锂电池30的端电压Vc(Li)，如当锂电池30被充电时，在锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的上限值(90％)处的端电压Vc(Li)(参见图12B的实线A3)，比恒压Vreg小。图12B所示的参考符号ΔV表示在上限值(90％)处由内阻32引起的电压降部分，其对应着前面所述公式(F2)中的项(Ic×R)。
<条件(d’)>
在从锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内等压点Vds’处的下限侧，锂电池30的开路电压V0(Li)比铅酸电池20的开路电压V0(Pb)低。更具体地，等压点Vds’被设定为一值，该值位于从锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的下限侧(10％)的上限侧，以便在P1和P2的范围内设定该等压点Vds’。
在从位于锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds’处观察的下限侧的范围内，锂电池30的电压特性线A2的斜率大于铅酸电池20的电压特性线A1的斜率。
<条件(e’)>
从等压点Vds’处观察的上限侧的范围比从锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds’处观察的下限侧的范围宽。更具体地，等压点Vds’被设定为从位于P1到P2的范围之间的中间点的下限侧中的一值，以便将等压点Vds’设在P1到P2的范围之内。这在锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)的大部分内都能满足Vd(Li)＞Vd(Pb)-Vbar的关系。
图13是表示根据第八实施例的电源装置中的铅酸电池20和锂电池30之间的I-V特性曲线的差异的视图。在图13中，实线B1表示铅酸电池20的I-V特性，实线B2表示锂电池30的I-V特性，实线B3表示恒压Vreg，水平线表示电流值Ic和电流值Id，垂直线表示端电压Vc和端电压Vd。在图13中，充电期间的电流Ic用正值来表示，放电期间的电流Id用负值来表示。
在I-V特性B1和B2中，充电电流Ic增加的越多，端电压Vc(Ic×R被增加)增加的也越多。充电电流Id下降的越多，端电压Vc(Ic×R被降低)下降的也越多。也就是说，充电电流Ic的改变与充电电流Ic的改变成比例。I-V特性B1和B2的每个的斜率表示内阻R。尤其是，锂电池30在充电期间和放电期间都具有相同的内阻值R(Pb)。另一方面，铅酸电池20在充电时的内阻值R(Pb)大于铅酸电池20在放电时的内阻值。
在第八实施例中，设定在充电时满足关系R(Li)＜R(Pb)，而在放电时满足关系R(Li)≤R(Pb)。还设定当断开MOS FET50’时，在放电时满足关系Vd(Li)＞Vd(Pb)-Vbar(另一方面，当接通MOS FET50’时，满足关系Vd(Li)＞Vd(Pb))，另外当接通MOS FET50’时，在充电期间，在接近Ic＝0的范围内满足关系Vc(Li)≥Vc(Pb)，以及当断开MOS FET50’时，在其它部分(Vc(Li)+Vbar＜Vc(Pb))满足关系Vc(Li)＜Vc(Pb)。上述设定控制可通过下列条件实现，其中在充电时锂电池30的内阻值R(Li)小于铅酸电池20的内阻值R(Pb)。
根据本发明第八实施例的具有上述结构的电源装置具有下列特征(B1)到(B12)。
(B1)使电压特性A2满足条件(a’)(等压点Vds位于拐点P1和P2之间的范围内，且当接通MOS FET50’时存在等压点Vds’)就会产生在锂电池30和铅酸电池20之间没有任何大电压差的状态，因为如图12A所示，在放电期间锂电池30的SOC的使用范围内的端电压Vd(Li)近似等于铅酸电池20的SOC的使用范围W1内的端电压Vd(Pb)。
因此即使不使用任何DC/DC转换器(其在传统电源装置中被使用)且接通MOS FET50’，也可以抑制从锂电池30到铅酸电池20的电流，换句话说，有可能有一个与非常小的容量相对应的电流从锂电池30和铅酸电池20中具有高电压的电池流向具有低电压的电池。因此，根据第八实施例的电源装置的结构在没有使用任何DC/DC转换器的情况下也能抑制锂电池30和铅酸电池20被过度充电和过度放电。因为不使用任何DC/DC转换器，所以就能充分地降低电源装置的制造成本。
(B2)使电压特性A2满足条件(b’)(从等压点Vds’的在上限侧处的关系Vd(Li)＞Vd(Pb)-Vbar)到电压特性A1允许锂电池30向需要恒压的电力负载43放电，因为在其中锂电池30在被充电地高于锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds’处的容量的状态中，锂电池30的开路电压高于铅酸电池20的开路电压。
因为与从铅酸电池20放电相比这种条件增加了从锂电池30放电的频率，并且降低了从对频繁放电具有低耐久性的铅酸电池20放电的频率，这就能抑制铅酸电池20的退化。
在电力负载42被置于从MOS FET50’处观察的锂电池30侧的位置，并且锂电池30向电力负载42提供电能(容量)的结构中，当使电压特性A2以便满足上述条件(b’)时，可以优选从锂电池30而不是铅酸电池20中释放电能。
(B3)使电压特性曲线A2满足条件(c’)(当最大充电电流流动时，Vc(Li)＜Vreg)到电压特性曲线A1能够通过下列原因增加对锂电池30而不是对铅酸电池20充电的频率。
在不使用锂电池30而用再生能量对铅酸电池20充电的情况下，因为铅酸电池20的内阻22比锂电池30的内阻要大，如图13所示，当充电电流达到电流值Ia时，铅酸电池20的端电压Vc(Pb)达到恒压Vreg。
另一方面，即使在充电电流b变为最大值时，配备有锂电池30的电源装置的结构也能满足关系Vc(Li)＜Vreg，因此就可能对锂电池30进一步充电。
在图13所示的例子中，当充电电流达到比最大充电电流Imax要大的电流值Ib时，锂电池30的端电压Vc(Li)达到恒压Vreg。
参照图14A和图14B对此进行详细解释。图14A表示铅酸电池20和锂电池30随时间流逝的电流变化。图14B表示铅酸电池20和锂电池30随时间流逝的端电压变化。在图14A和图14B中，实线C1和D1表示在不使用锂电池30的情况下用再生电力以最大充电电流Imax对铅酸电池20进行充电时充电电流和端电压Vc(Pb)的变化。图14A和图14B中的实线C2和D2分别表示在根据第八实施例的电源装置中，当用再生电力以最大充电电流Imax对锂电池30进行充电时的充电电流的变化和端电压Vc(Li)的变化。
如前面参考图13所解释的，因为当用再生电力对铅酸电池20进行充电时满足关系Imax＞Ia，所以如图14A所示，充电电流在时刻t1处快速下降并会聚到零。这种状态将很难对铅酸电池20进行充电。在这种情况下，图14A中用斜线表示的区域对应着铅酸电池20的充电容量。
另一方面，由于当用再生电力对锂电池30进行充电时满足关系Imax≤Ib，所以充电电流直到锂电池30的SOC达到上限值(90％)时的时刻t2为止，都一直保持为值Imax。这就允许锂电池30可以总是被充电，且能增加可充电容量的量。
如上面所述，根据本发明第八实施例，可以增加对锂电池30充电的频率而不是对铅酸电池20充电的频率。这会降低具有低耐久性的铅酸电池20的累积充电容量，并抑制铅酸电池20的退化。
(B4)使电压特性A2满足条件(d’)(在从等压点Vds’的下限侧Vd(Li)＜Vd(Pb))到电压特性A1允许当优先由锂电池30对电力负载40释放电力(容量)，且锂电池30的SOC低于等压点Vds’时，铅酸电池20代替锂电池30向电力负载40释放电力。
此外，电流从铅酸电池20流向锂电池30，这会朝着等压点Vds’增加锂电池30的SOC。因此，就可以抑制锂电池30被过度放电。
(B5)使电压特性A2满足条件(e’)到电压特性A1允许该范围满足根据条件(b’)的关系Vd(Li)＞Vd(Pb)-Vbar，其中条件(e’)满足在从等压点Vds’的上限侧的范围在面积上比在从等压点Vds’的下限侧的范围要宽。这就可以增加优先从锂电池30而不是从铅酸电池20放电的频率。这就可以提高铅酸电池20的抗退化效果。
(B6)如前所解释的，根据第八实施例的电源装置具有MOS FET50’。MOSFET50’的存在能通过寄生二极管51的阻挡层电压Vbar将等压点朝着下限侧转变(Vds---＞Vds’)，其中在等压点处，锂电池30的开路电压等于铅酸电池20的开路电压。换句话说，铅酸电池20的电压特性线A1明显地被朝着图12B中点划线表示的下限电压转变。这使得由W2d’表示的区域(放电区域W2d)在从锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)内的等压点Vds’处观察的上限侧中扩大，并且还增加从锂电池30而不是铅酸电池20向需要恒压的电力负载43释放能量的频率。
(B7)通常，当与其它电力负载42和43相比时，当起动电动机41开始运行时，起动电动机其需要大的电力。从锂电池30向电力负载诸如起动电动机41提供大的电力会阻碍锂电池30的尺寸减小，锂电池比铅酸电池20的价格要高。
在第八实施例中，铅酸电池20向开始运行时消耗大能量的起动电动机41提供大的电力，从而减小锂电池30的尺寸和容量。仍进一步地，由于MOS FET50’中的寄生二极管51的正向方向设为从铅酸电池20向锂电池30的电流方向，因此这种结构能阻止电流从锂电池30流向起动电动机41。此外，由于起动电动机41运行期间，MOS FET50’被断开，因此能可靠地防止电流从锂电池30流向起动电动机41。
(B8)当用由交流发电机10产生的电力对锂电池30进行充电时，有必要接通MOS FET50’。充电电流，即交流发电机10中产生的电流通过绕过寄生二极管51流进锂电池30。绕过寄生二极管51能够避免由寄生二极管的寄生电压Vbar引起的能量损失，这可以减少由交流发电机10产生的能量损失。特别是，由于当用交流发电机10中产生的再生能量对锂电池30进行充电时MOS FET50’被接通，因此就可以减少当大的再生电流流经寄生二极管51时引起的能量损失。这是本发明的出众的特征之一。
(B9)在使用磷酸锂(其作为正极材料)和石墨(其作为负极材料)作为锂电池30的正极材料和负极材料的组合的情况下，前述条件(a’)，(b’)和(c’)得到满足时，由于磷酸锂具有比其它材料大的内阻，所以有必要增加锂电池30的电极面积。
为了避免这种缺陷，根据本发明的电源装置采用锂钴氧化物，锂锰氧化物或者镍酸锂复合物作为正极材料，而锂钛氧化物作为负极材料。这在满足条件(a’)，(b’)和(c’)的同时，还能降低锂电池30的尺寸和成本。
与采用石墨相比，采用锂钛氧化物作为负极材料会导致等压点Vds朝着上限侧转变的缺陷，其中在等压Vds处锂电池30的开路电压等于铅酸电池20的开路电压。然而，根据第八实施例的电源装置的结构能够解决它，因为其具有能将等压点Vds朝着下限侧(转变Vds---＞Vds’)的MOS FET50’。因此，根据本发明的电源装置能解决上述缺陷，并且还能减少锂电池30的电极面积。
(B10)锂电池30向需要近似恒压或者在预定电压范围内变化的稳定电压的电力负载43提供电容量(能量)，并且铅酸电池20向起动电动机41提供电力。在铅酸电池20向起动电动机41提供电力的同时，MOS FET50’被断开。这就能向电力负载43提供其电压具有小电压波动的电力。
(B11)在由交流发电机10、调节器11和铅酸电池20构成的电源装置中增加满足条件(a’)到(e’)的锂电池30使得可以在不使用任何DC/DC转换器的情况下就能获得本发明的特征。可以通过使用在硬件设计方面具有小的变化的传统电源装置来实现根据本发明第八实施例的电源装置。
(B12)根据第八实施例的电源装置采用MOS FET50’，其用作开闭装置以及整流装置。由于寄生二极管51(其总是形成在MOS FET50’中)用作整流装置，因此不需要增加任何额外的二极管来作为专用整流装置。
第九实施例
接下来将参考图15给出对根据本发明第九实施例的电源装置的描述。图15是表示根据第九实施例的电源装置的示意性电路的方框图。
根据第九实施例的电源装置具有保护控制装置600，其控制到锂电池30的充电容量和从锂电池30的放电容量，以避免对锂电池30的过度充电以从锂电池30中过度放电。
保护控制装置600控制传送到半导体开关部件52的栅极的输入信号，以便转换MOS FET50’的接通状态和断开状态，类似于在前述第八实施例中公开的开闭控制装置601。
保护控制装置600总是接收关于锂电池30的端电压Vc和Vd或者开路电压V0(Li)的检测信号，以及关于电流检测装置61传送的电流的检测信号，该电流检测装置61检测锂电池30中流动的电流。
当在放电期间锂电池30的端电压Vd变得比下限电压低时，保护控制装置600命令MOS FET50’断开。这种控制阻止锂电池30过度放电。可根据与图12B所示下限SOC值(10％)对应的电压来设定该下限电压。
当在充电期间锂电池30的端电压Vc超过上限电压时，保护控制装置600命令MOS FET50’断开(电压升高抑制操作)。这种控制阻止锂电池30过度充电。可根据与图12B所示上限SOC值(90％)对应的电压来设定该上限电压。
保护控制装置600还向调节器11输出指令信号，以根据锂电池30的电压来改变调节器11的恒压Vreg。这可以阻止锂电池30过度充电和过度放电。
也就是说，当锂电池30的电压变得比下限值低时，保护控制装置600命令调节器11增加恒压Vreg。这增加了到锂电池30的充电容量并且阻止锂电池30过度放电。
另一方面，当锂电池30的电压超过上限值时，保护控制装置600命令调节器11减小恒压Vreg。这抑制了到锂电池30的充电容量并且阻止锂电池30过度充电。
如上所述，由于除了在向起动电动机41提供电力期间，当锂电池30的端电压变得比锂电池30的使用范围W2(Li)低时，保护控制装置600就命令MOSFET50’接通，因此根据本发明第九实施例的电源装置可靠地阻止锂电池30过度放电。
此外，由于保护控制装置600命令MOS FET50’断开，因此根据本发明第九实施例的电源装置还能可靠地避免锂电池30过度充电。
因为根据本发明第九实施例的电源装置由保护控制装置600通过改变恒压Vreg来执行过度放电和过度充电保护操作。因此这能精确地控制锂电池30的电压，因此就能以高的精度对锂电池30进行过度放电保护和过度充电保护。
第十实施例
接下来将参考图16给出对根据本发明第十实施例的电源装置的描述。图16是表示根据第十实施例的电源装置的示意性电路的方框图。
在前述第九实施例中，电源装置具有保护控制装置600来阻止锂电池30过度充电和过度放电。在第十实施例中，保护控制装置600除了具有第九实施例中的功能外，还对铅酸电池20执行过度充电操作和过度放电操作。
也就是说，当铅酸电池20的电压变得低于下限电压时，保护控制装置600命令调节器11增加恒压Vreg。这执行铅酸电池20的过度放电操作。另一方面，当铅酸电池20的电压超出上限电压时，保护控制装置600命令调节器11减小恒压Vreg。这执行铅酸电池20的过度充电操作。
如上所述，根据本发明第十实施例的电源装置除了根据锂电池30的电压来改变恒压Vreg外，还根据铅酸电池20的电压来恰当地改变恒压Vreg。这就能除了对锂电池30的电压还对铅酸电池20的电压进行精确地控制，从而同锂电池30一样，也能以高精度对铅酸电池20进行过度放电保护和过度充电保护。
第十一实施例
接下来将参考图17给出对根据本发明第十一实施例的电源装置的描述。图17是表示根据第十一实施例的电源装置的示意性电路的方框图。
根据第十一实施例的电源装置具有多个锂电池30。在根据第十一实施例的电源装置的结构中，电力从不同的锂电池30供应给各种类型的电力负载43，44和45，其中电力负载43需要近似恒压或者在预定电压范围内变化的稳定电压，电力负载44需要大电力，电力负载45需要一电压以便发生紧急情况时能可靠地运行。
具体地，有安装到动力转向装置上的电动机作为需要大量电力的电力负载44的一个例子。电力负载44可以靠某波动电压运行，这不同于前面所述的需要近似恒压的电力负载43。
有通信装置作为发生紧急情况时需要确定运行的电力负载45的一个例子。这个通信装置能向汽车代理商处的修复操作员传送异常信息，从而对车辆进行修复，例如，当安装在车辆上的内燃机发生故障并且无法启动运行时。因此对于这种类型的电力负载44来说，并不需要使用大的电力和恒压。
与图15所示的电源装置类似，根据图17所示的第十一实施例的电源装置具有多个MOS FETs50’，电池状态检测装置70以及电流检测装置61。也就是说，MOS FETs50’，电池状态检测装置70以及电流检测装置61位于每个锂电池30中。
电池状态检测装置70总是检测锂电池30的每个的端电压Vc，Vd或者开路电压V0(Li)，以及流经锂电池30的每个的电流。然后电池状态检测装置70将检测信号传送给保护控制装置600。保护控制装置600接收从电池状态检测装置70传送来的检测信号，并且通过使用MOS FETs50’来执行过度充电控制和过度放电控制，并且还通过调整恒压Vreg来进行过度充电和过度放电保护控制，如图15所示的保护控制装置600一样。
从MOS FETs50’侧观察，电力负载43，电力负载44，和电力负载45电连接到锂电池30侧而不是铅酸电池20侧的MOS FETs50’上。这种结构能从锂电池30分别向相应的电力负载43，44和45提供必要的电力。
如上所述，根据本发明第十一实施例的电源装置具有多个锂电池30。锂电池30分别对应着电力负载。这种结构能抑制每个锂电池30的退化。特别是，由于用于紧急情况的电力负载45具有专门的锂电池30，因此就可以抑制锂电池30的退化，并且避免了不能向电力负载45提供电力的风险。
第十二实施例
接下来将参考图18给出对根据本发明第十二实施例的电源装置的描述。
图18是主要表示图17所示电源装置中的电池状态检测装置70的具体结构的方框图。
该电池状态检测装置70由单元电压转换装置71，电池状态检测控制装置72，温度检测装置73和单元均衡装置74组成。单元电压转换装置71，电池状态检测控制装置72，温度检测装置73和单元均衡装置74作为均衡装置。
单元电压转换装置71检测构成锂电池30的多个电池单元33(第十二实施例示出了五个电池单元33)中每个的电压。单元电压转换装置71具有选择电池单元33之一来检测其电压的功能。单元电压转换装置71检测所选电池单元的电压，然后将检测到的电压值传送给电池状态检测控制装置72。电池状态检测控制装置72还接收检测到的锂电池30中流动的电流的电流值。电池状态检测控制装置72还接收由温度检测装置73检测的锂电池30的温度值。
电池状态检测控制装置72基于电池单元33的每个的电压来计算锂电池30的端电压Vc，Vd或者开路电压V0(Li)。电池状态检测控制装置72通过通信接口75将计算的电压，锂电池30的电流值以及锂电池30的温度值传送给保护控制装置600。保护控制装置600接收从电池状态检测控制装置72传送的信息诸如上述电压值，电流值以及温度值，并基于接收到的信息来进行保护控制。
电池状态检测控制装置72基于接收到的电池单元33的电压值来计算从具有高SOC的电池单元33的放电容量以及具有低SOC的电池单元33的充电容量。电池状态检测控制装置72向单元均衡装置74输出与计算结果相对应的均衡指令信号。当接收到均衡指令信号时，单元均衡装置74基于接收到的均衡指令信号来命令电池单元33的每个放电或充电，以便调整电池单元33的每个中的SOC(作为剩余电能的荷电状态)。
如上所述，根据本发明第十二实施例的电源装置能够均衡电池单元33的每个中的SOC。这就能避免在充电期间出现过度充电的电池单元33和具有足够的SOC的电池单元。同样，还能避免在放电期间出现过度放电的电池单元33和具有足够的SOC的电池单元。根据第十一实施例的电源装置可抑制锂电池30的提前退化。
第十三实施例
接下来将参考图19给出对根据本发明第十三实施例的电源装置的描述。
在图18所示根据第十二实施例的电源装置中，单元电压转换装置71和电池状态检测控制装置72由不同的电路部件形成。根据第十三实施例的电源装置具有由单元电压转换装置71和单元均衡装置74构成的单个IC710(作为单元均衡异常检测装置的集成电路)。
图19是主要表示根据第十三实施例的电源装置中由单个IC芯片710构成的电池状态检测装置70的具体结构的方框图。
单元均衡异常检测装置710检测电池单元33中的每个的电压，并基于检测到的电压计算到电池单元33的每个的充电容量或从电池单元33的每个的放电容量。单元均衡异常检测装置710基于计算结果通过对电池单元33的每个进行充电和放电，来均衡电池单元33中的每个的剩余能量(或剩余容量)。
单元均衡异常检测装置710还检测电池单元33的每个的检测到的电压是否处于预定的正常范围内，以便检测电池单元33的每个的异常。当接收到从电池状态检测控制装置72传送来的异常诊断指令信号时，单元均衡异常检测装置710开始执行前面所述的异常检测操作，并将检测结果传送给电池状态检测控制装置72。
电压降低装置76将锂电池30的电压减小到不超过5V的电压，微处理器可由该电压运行。通过电压降低装置76减小的这种电压信号被传送给电池状态检测控制装置72，然后进一步通过通信接口75传送给保护控制装置600。
如上所述，根据本发明第十三实施例的电源装置除了具有与根据第十二实施例的电源装置的相同效果外，还具有为电池单元33的每个执行异常检测操作的效果。
第十四实施例
接下来将参考图20给出对根据本发明第十四实施例的电源装置的描述。
图20是表示根据第十四实施例的电源装置的示意性电路的方框图。
如图20所示，根据第十四实施例的电源装置采用并联连接的电磁继电器52R和二极管51a来代替MOS FET50’。在这个结构中，电磁继电器52R用作开闭装置，二极管51a用作整流装置。如同寄生二极管51具有阻挡层电压Vbar一样，二极管51a也具有阻挡层电压Vbar。
开闭控制装置601允许电流在电磁线圈52b中流动和阻止电流在电磁继电器52R的电磁线圈52b中流动，从而来控制电磁继电器52R的开关部件52a的运行。
在第十四实施例中，当开闭控制装置601允许电流在电磁线圈52b中流动时，电磁继电器52R的开关部件52a被接通。这就允许锂电池30向交流发电机10和铅酸电池20提供电能。
另一方面，当开闭控制装置601阻止电流在电磁线圈52b中流动时，电磁继电器52R的开关部件52a被断开。这就阻止电能从锂电池30供应到交流发电机10和铅酸电池20。
如上所述，根据第十四实施例的电源装置的机构具有与第八实施例的相同的效果。
在使用MOS FET50’的第八实施例和使用电磁继电器52R和二极管51a的第十四实施例之间，具有下列不同：
即，由于MOS FET50’具有开闭装置的功能以及整流装置的功能，因此当与使用电磁继电器52R和二极管51a来代替MOS FET50’的电源装置的部件的总数相比时，当电源装置使用MOS FET50’时，可以减小构成电源装置的部件的尺寸和总数。
此外，当与使用电磁继电器52R和二极管51a的电源装置中的响应相比，半导体开关52对来自开闭控制装置601的运行指令(关于栅极电路电压和励磁电流)具有出众的响应。
此外，由于当电源装置使用MOS FET50’时，MOS FET50’的控制端(栅极端)与MOS FET50’的其它控制端(源极端和漏极端)完全地电绝缘，因此必须具有高运行电压被供给到控制端(栅极端)，该运行电压可通过将其它端(源极端和漏极端)的电压和控制电压相加而获得。这就需要产生这种高运行电压的电路。
另一方面，因为当电源装置使用电磁继电器52R来代替MOS FET50’时，电磁继电器52R中的开关部件52a与电磁线圈52b完全地电绝缘，因此这就不需要任何能产生高运行电压的电路。因为使用电磁继电器52R并不需要高运行电压，所以就可避免任何产生高运行电压的高电压产生电路，并且开闭控制装置601能执行简单的开关控制。
第十五实施例
接下来将参考图21给出对根据本发明第十五实施例的电源装置的描述。
图21是表示根据第十五实施例的用于车辆的电源装置的示意性电路的方框图。
根据第十五实施例的电源装置具有二极管51a(其用作整流装置)，但并不具有电磁继电器52R(其用作开闭装置)。二极管51a和电磁继电器52R用于根据第十四实施例的电源装置。
根据第十五实施例的电源装置具有通过二极管51a的阻挡层电压Vbar朝着下限侧转变等压点(Vds---＞Vds’)的特征，其中在一致点处锂电池30的开路电压等于铅酸电池20的开路电压。
此外，由于二极管51a的方向设为正向方向，电流通过其从铅酸电池20流向锂电池30，这种结构能防止电流从锂电池30流向起动电动机41。
因为当用再生能量对锂电池30进行充电时，再生能量的电流通过二极管51a流入锂电池30，所以根据第十五实施例的电源装置的这种结构在某种程度上会引起能量损失。
(其它修改)
本发明并不局限于前面所描述的第八到第十五实施例。它还可以具有下列结构或者有选择地结合第八到第十五实施例的结构。
尽管第八到第十三实施例使用作为开闭装置的MOS FET50’来断开和闭合从锂电池30到起动电动机41的电连接，但是例如，还可以使用诸如IGBT的半导体开关(场效应晶体管)来代替MOS FET50’。当与MOS FET50’相比时，这种半导体开关具有出众的响应功能和出众的耐久性。特别是，由于IGBT中的电流在与寄生二极管的正向方向相反的方向流动，所以这就需要一个附加的旁路装置，以便减少由寄生二极管的阻挡层电压引起的能量损失。从另一方面来说，使用MOS FET50’具有不需任何附加旁路装置的特征。
尽管第八到第十五实施例的每个都采用具有电压特性A2，由非水电解质构成的锂电池30，但是除非其至少满足前面所述的条件(a’)到(c’)，可以使用由镍化合物构成的镍电池来代替锂电池30。
在第八到第十五实施例的每个实施例中，等压点Vds’处于从锂电池30的SOC的使用范围W2(Li)中的下限值(10％)的上限侧。然而，本发明的想法并不局限于此。例如，还可以将等压点Vds’设到下限值。
在第八到第十五实施例的每个实施例中，带有电源装置的车辆都具有再生功能。然而，本发明的想法并不局限于此。例如，还可以将电源装置应用到不带有再生功能的车辆中。顺便提一句，因为具有再生功能的车辆具有将再生能量充到电池中的高频率，所以可示出本发明的通过降低具有低耐久性的铅酸电池20的累积充电容量来抑制铅酸电池20退化的特征。
(本发明的其它特征)
在如本发明另一方面的电源装置中，如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，使得在从二次电池的SOC的使用范围内的等压点的下限侧，二次电池的开路电压比铅酸电池的开路电压低。
在二次电池被充电得不是比二次电池的SOC的使用范围内的等压点处的容量大的充电容量的状态，优选对二次电池而不是铅酸电池进行充电。当二次电池的剩余容量在连续放电后下降时，可能会引起二次电池的过度充电。为了避免二次电池的过度放电，由于在从等压点处观察的下限侧，二次电池的开路电压低于铅酸电池的开路电压，因此当二次电池的剩余容量变得低于由等压点指示的容量时，铅酸电池开始释放电容量，电流从铅酸电池流向二次电池，以对二次电池充电。这将二次电池的剩余容量增加到由等压点指定的容量，从而能阻止二次电池过度充电。
在如本发明另一方面的电源装置中，如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，使得从等压点处观察的上限侧比从二次电池的SOC的使用范围内的等压点处观察的下限侧宽。
从等压点的上部范围是其中二次电池的开路电压变得高于铅酸电池的开路电压(条件(b’))的范围。位于上限侧的该范围越宽，优选从二次电池释放放电容量的频率而不是从铅酸电池释放电容量的频率就增加得越多。这能更好地抑制铅酸电池的退化。
如本发明另一方面的电源装置还具有能抑制从二次电池到安装在车辆上的起动电动机放电从而抑制二次电池的电压降的电压降抑制装置。
总的来说，当内燃机开始运行时，起动电动机需要大的电力。当电池向起动电动机提供电力时，其电压快速地降低。当电池的电压变得低于诸如导航装置和音频立体声系统的电力负载(其需要稳定的恒压)的最小运行电压时，这会引起诸如导航系统和音频立体声装置的电力负载重新设定其运行。
为了避免这点，根据本发明的电源装置具有电压降抑制装置，该电压降抑制装置抑制二次电池向起动电动机放电，并且抑制二次电池的电压降。这可以避免供应到起动电动机的电力的电压变得低于需要稳定恒压的电力负载的最小运行电压。
如本发明另一方面的电源装置还具有保护控制装置，该保护控制装置能够通过限制到二次电池的充电容量来阻止二次电池过度充电。保护控制装置还通过限制从二次电池的放电容量来阻止二次电池过度放电，以便二次电池的剩余容量位于二次电池的使用范围内。在根据本发明的电源装置中，保护控制装置通过使用电压降抑制装置来限制到二次电池的充电容量或者从二次电池的放电容量。
这使得可以通过能抑制从二次电池向起动电动机放电的电压降抑制装置在除了驱动起动电动机的时间外的时间段期间阻止到二次电池的过度充电和从二次电池的过度放电。例如，当二次电池的开路电压超出阈值时，电压降抑制装置可阻止到二次电池的充电容量，并且避免二次电池的过度充电。
此外，当二次电池的开路电压变得低于该阈值时，电压降抑制装置还能减少从二次电池的放电容量。
根据本发明另一方面的电源装置还具有保护控制装置，该保护控制装置能通过控制到二次电池的充电容量来阻止二次电池过度充电，以便二次电池的剩余容量位于二次电池的使用范围内。在电源装置中，保护控制装置输出命令恒压控制装置减小设定电压的指令信号，以便控制到二次电池的充电容量。
这使得恒压控制装置能阻止二次电池过度充电和过度放电。例如，能通过向恒压控制装置提供指令信号来减小到二次电池的充电容量，以便当二次电池的开路电压超出阈值时，减小设定电压。
另外，可以通过向恒压控制装置提供指令信号来减小从二次电池的放电容量，以便当二次电池的开路电压变得低于阈值时，增大设定电压。
在如本发明另一方面的电源装置中，电压降抑制装置是断开和闭合二次电池和起动电动机之间的电连接的开关装置，且当铅酸电池向起动电动机提供电容量时，该开关装置断开二次电池和起动电动机之间的电连接。
因为这能完全阻止二次电池向起动电动机过度放电，因此当起动电动机开始运行时，就能避免二次电池的电压降。
在如本发明另一方面的电源装置中，开关装置是手动开关，电磁继电器，和半导体开关之一。
在如本发明另一方面的电源装置中，二次电池是非水电解质型的电池。当与使用镍电池的情况相比时，就可以非常容易地设定具有高能量密度的二次电池的开路电压和内阻，从而满足前述条件(a)，(b)，(c)。
在如本发明另一方面的电源装置中，二次电池由正极活性材料制成的正极，负极活性材料制成的负极以及电解质组成，且负极活性材料由碳，石墨，掺杂锂的碳或石墨，锂钛氧化物，包含硅的合金，和包含锡的合金之一制成，而正极活性材料是由锂金属复合氧化物和/或吸附剂材料(例如，活性碳)作为正极。
因此，为了满足前述条件(a)，(b)和(c)，就可以通过最优地选择能够吸附和释放锂离子的正极活性材料和负极活性材料，非常容易地设定具有高能量密度的二次电池的开路电压和内阻。
在如本发明另一方面的电源装置中，正极活性材料由磷酸铁锂制成。因此，为了满足前述条件(a)，(b)和(c)，就可以通过选择和使用磷酸铁锂作为二次电池的正极活性材料，非常容易地设定具有高能量密度的二次电池的开路电压和内阻。
在如本发明另一方面的电源装置中，二次电池由多个串联电连接的电池单元组成，还包含单元均衡装置，该单元均衡装置能够检测电池单元的每个的电压，并且基于检测到的电池单元的每个的电压来均衡电池单元的每个的剩余容量。
当对二次电池进行充电且电池单元的每个具有不同的剩余容量时，会引起二次电池的端电压快速地达到设定电压。当达到设定电压时，具有高剩余容量的电池单元超出使用范围的上限，并且另一方面，具有较少剩余容量的电池单元没有达到使用范围的上限。这种状态能加速二次电池的退化。
与充电操作类似，当二次电池放电且电池单元的每个具有不同的剩余容量时，具有较少剩余容量的电池单元变得过度放电，而具有高剩余容量的电池单元降到没有达到使用范围下限的状态。因此，这种状态也会加速二次电池的退化。
在根据本发明的电源装置中，单元均衡装置对电池单元的每个的电压进行监控，并且对电池单元的每个的剩余容量进行均衡。因此，这能避免对二次电池进行充电时，其中过度充电的电池单元和具有多余能力来补充容量的电池单元同时存在的状态。类似地，这能避免对二次电池进行放电时，其中过度放电的电池单元和具有多余能力来补充容量的电池单元同时存在的状态。这能更好地抑制二次电池的退化。
如本发明另一方面的电源装置还具有开闭装置和开闭控制装置。开闭控制装置并联连接到整流装置，并且能将交流发电机与二次电池电连接以及将交流发电机从二次电池断开。当用交流发电机产生的电力对二次电池进行充电时，开闭控制装置命令开闭装置闭合交流发电机和二次电池之间的电连接。另外，当整流装置执行整流操作时，开闭控制装置命令开闭装置断开交流发电机和二次电池之间的电连接。
当电源装置不具有开闭装置时，在交流发电机中产生的电力流入二次电池以对二次电池进行充电时产生的电力的电流流经整流装置时，就会出现能量损失的热能(其对应于“阻挡层电压×产生的电力的电流”的能量)。特别是，当交流发电机通过再生能量产生电力时，有大的电流流入二次电池，因此能量损失被大大增加。
为了解决上述问题，由于当交流发电机向二次电池提供电能以对二次电池进行充电时，开闭装置开始运行，所产生的电力的电流通过绕开整流装置而流入二次电池。这可以消除由整流装置中的阻挡层电压引起的能量损失，且能减少由交流发电机产生的电力的能量损失。
在除了对二次电池进行充电的情况之外的情况中，由于开闭装置被断开，因此根据本发明的电源装置具有下列效果(x1)和(x2)：(x1)通过将等压点Vds’朝着由整流装置实现的下限侧转变来扩大放电面积W2d’的效果；(x2)阻止从二次电池流向需要大电力如起动电动机的电力负载的电流的效果。
在如本发明另一方面的电源装置中，开闭装置由半导体开关构成，整流装置由半导体开关的寄生二极管构成(参见图11A，图11B，和图11C)。
此外，在如本发明另一方面的电源装置中，开闭装置由与整流装置并联连接的电磁继电器构成(参见图20)。
也就是说，由于可以通过使用单个半导体电部件(参见图11A，图11B，和图11C所示的半导体开关)来实现开闭装置和整流装置，因此当与开闭装置和整流装置由不同的部件形成的情况相比时，这可以降低部件的总数并且减小电源装置的整体尺寸。
另外，当与开闭装置由电磁继电器构成的情况相比时，还能增加对传送到开闭装置的指令的响应特性。
然而，当开闭装置由这样的半导体开关构成时，由于半导体开关的控制端(例如，MOS FET的栅极端)与半导体开关的其它控制端(MOS FET的源极端和漏极端)完全地电绝缘，因此必须有高运行电压被供给到控制端(栅极端)，该运行电压可通过将其它端(源极端和漏极端)的电压和控制电压相加而获得。这就需要能产生这种高运行电压的电路。
另一方面，由于当电源装置使用电磁继电器来代替半导体开关(如MOSFET)时，电磁继电器的开关部件与电磁线圈完全地电绝缘，因此这就不需要任何产生高运行电压的电路。因为使用电磁继电器并不需要高运行电压，所以就可避免任何产生高运行电压的高电压产生电路，并且开闭控制装置能执行简单的开关控制。
基于下列原因优选使用MOS FET作为半导体。即，MOS FET实质上在其中具有寄生二极管。这个寄生二极管用作整流装置(例如，参见图11A，图11B，和图11C所示的寄生二极管51)。换句话说，MOS FET的内电路等同于由并联连接的开闭装置(半导体开关部件52)和整流装置构成的电路。因此，将MOSFET与电源装置结合使得总是在MOS FET中形成的寄生二极管用作整流装置，而不需要任何附加的二极管(作为整流装置)。
在如本发明另一方面的电源装置中，如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，使得二次电池的开路电压比位于从二次电池的SOC的使用范围中的等压点的下限侧处的铅酸电池的扣除电压低，其中铅酸电池的扣除电压是通过从铅酸电池的开路电压中减去整流装置的阻挡层电压而获得的。
如前所述，当二次电池被充电至比二次电池的SOC的使用范围内的等压点处的充电容量多时，二次电池而不是从铅酸电池更多地释放电力。当继续这种放电时，二次电池会进入过度放电状态。
根据本发明，由于二次电池的开路电压变得低于从等压点的下限侧中的扣除电压，所以铅酸电池开始放电，且当二次电池的SOC变得低于由等压点指示的电压时，电流从铅酸电池流向二次电池，其中扣除电压通过从铅酸电池的开路电压V0(Pb)中减去阻挡层电压而获得。这能防止二次电池过度放电。
在如本发明另一方面的电源装置中，如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，使得在从二次电池的SOC的使用范围中的等压点的上限侧中的范围比在从二次电池的SOC的使用范围中的等压点处的下限侧的下部部分宽。
从等压点的上部范围是其中二次电池的开路电压高于通过从铅酸电池的开路电压V0(Pb)中减去阻挡层电压后得到的扣除电压(其满足前述条件(b))的范围。因此，从等压点的上部范围扩大的越多，优选从二次电池中放电的频率增加的越多。这能提高抑制铅酸电池退化的效果。
如本发明另一方面的电源装置还具有保护控制装置，该保护控制装置能通过限制到二次电池的充电容量来阻止二次电池过度充电，以及通过限制从二次电池的放电容量来阻止二次电池过度放电，以便二次电池的剩余容量位于二次电池的使用范围内。在电源装置中，保护控制装置通过使用电压降抑制装置来限制到二次电池的充电容量和从二次电池的放电容量。
例如，当在用再生能量进行充电期间二次电池的端电压变得大于阈值时，断开开闭装置能减小到二次电池的充电容量。这能阻止二次电池过度充电。此外，当充电完成时二次电池的开路电压由于过度充电而变得大于该阈值时，由于铅酸电池的开路电压低于二次电池的开路电压，因此接通开闭装置能从二次电池放电。因此，能减小到处于过度充电状态的二次电池的充电容量，这能阻止二次电池过度充电。
当二次电池的开路电压变得低于该阈值时，开路电压总是低于通过从铅酸电池的开路电压中减去阻挡层电压后得到的扣除电压。除了经过整流装置从铅酸电池对二次电池进行充电外，执行开闭装置也能提高从铅酸电池到二次电池的充电容量，从而阻止二次电池过度放电。
如本发明另一方面的电源装置还具有保护控制装置，该保护控制装置能通过控制到二次电池的充电容量来阻止二次电池过度充电，以及通过控制从二次电池的放电容量来阻止二次电池过度放电，从而使得二次电池的剩余容量位于二次电池的使用范围内。在电源装置中，保护控制装置输出命令恒压控制装置减小设定电压的指令信号，以便对到二次电池的充电容量进行控制。
通过使用恒压控制装置可阻止二次电池过度充电和过度放电。例如，当二次电池的开路电压变得大于该阈值时，向恒压控制装置输出指令信号来减小设定电压能降低阈值，并进一步抑制二次电池被过度充电。
此外，当二次电池的开路电压变得低于该阈值时，向恒压控制装置输出指令信号来增大设定电压能提高阈值，并进一步抑制二次电池被过度放电。
在如本发明另一方面的电源装置中，二次电池是非水电解质型的电池。当与使用镍电池作为二次电池的情况相比时，二次电池具有高输出功率密度和高能量密度，可以非常容易地设定二次电池的开路电压和内阻，从而满足条件(a’)，(b’)和(c’)。
在如本发明另一方面的电源装置中，二次电池由正极活性材料制成的正极，负极活性材料制成的负极以及电解质组成，负极活性材料是碳，石墨，掺杂锂的碳或石墨，锂钛氧化物，包含硅的合金和包含锡的合金之一，而正极活性材料是锂金属复合氧化物或活性碳。因此，通过选择最优正极活性材料和最优负极活性材料来在二次电池中吸附和释放锂离子，就能非常容易地设定二次电池的开路电压和内阻，从而满足前述条件(a’)，(b’)和(c’)。
在如本发明另一方面的电源装置中，负极活性材料由锂钛氧化物制成。选择锂钛氧化物作为二次电池中的负极活性材料能非常容易地设定开路电压和内阻，从而满足前述条件(a’)，(b’)和(c’)。
因为下列组合的正极活性材料的内阻大于其它活性材料的内阻，因此就需要在某种程度上增大正极的电极面积，以便满足前述条件(a’)，(b’)和(c’)，其中该组合由作为正极活性材料的磷酸铁锂(LiFePO4)和作为负极活性材料的石墨组成。
我们提供一种改进的组合，其由作为负极活性材料的锂钛氧化物和诸如锂，锂锰氧化物，以及镍酸锂复合物的常用正极活性材料组成。这种组合，即，使用锂钛氧化物作为负极活性材料，能在满足前述条件(a’)，(b’)和(c’)的同时，减少电极面积，二次电池的尺寸，以及制造成本。
在上述观点中，根据本发明的电源装置中的二次电池使用锂钛氧化物作为负极活性材料。如上所述，因为二次电池的电极面积被减小，因此能缩小二次电池的尺寸并且降低电源装置的制造成本。
尽管与使用石墨相比，使用锂钛氧化物作为二次电池(锂电池)中的负极材料会造成等压点Vds朝着上限侧转变的缺陷，其中在等压点Vds处，二次电池的开路电压等于铅酸电池的开路电压。然而，根据本发明第二方面的电源装置的结构能消除这种缺陷，因为它具有能够将等压点Vds朝着下限侧转变(Vds---＞Vds’)的MOS FET50。因此，根据本发明第二方面的电源装置能够解决上述缺陷，且能减小二次电池(锂电池)的电极面积。
在如本发明另一方面的电源装置中，二次电池由多个电池单元组成。这些电池单元串联地电连接。如本发明另一方面的电源装置还具有单元均衡装置，该单元均衡装置能够检测电池单元的每个的电压，并且基于检测到的电池单元的每个的电压来均衡电池单元的每个的剩余容量。
当电池单元的每个具有不同的充电容量时，二次电池的端电压快速达到充电步骤中的设定电压。当二次电池的端电压达到设定电压时，在充电步骤之前就具有高充电容量的电池单元超过二次电池的SOC的使用范围的上限处的容量；并且另一方面，当二次电池的端电压到达设定电压时，在充电步骤之前具有低充电容量的电池单元没有达到(变得低于)上限。这会加快二次电池的退化。
从上述观点来看，根据本发明第二方面的电源装置具有单元均衡装置，该单元均衡装置能够检测电池单元的每个的电压，并且基于检测到的电池单元的每个的电压来均衡电池单元的每个的剩余容量。因此当二次电池被充电时，就能抑制避免不同充电容量的、过度充电的和较少充电的电池单元的混合状态。相似的，当二次电池被放电时，还能抑制不同充电容量的电池单元的混合状态。
在根据本发明的电源装置的结构中，二次电池向需要稳定恒压或者在预定电压范围内波动的稳定电压的电力负载提供电力。当需要大电力的起动电动机开始运行时，整流装置或开闭装置能阻止二次电池和需要大电力的起动电动机之间的电连接，以避免二次电池中的快速电压降。
总的来说，起动电动机比安装在车辆上的其它电力负载需要更大的电力。当起动电动机开始运行，电池向起动电动机提供这样的大电力时，电池的端电压快速降低。当向起动电动机提供大电力之后，电池再向常用电力负载诸如用于后窗的除霜加热器，提供电力电压的减少电压时，其将重新设定常用电力负载诸如导航系统和/或音频系统的运行。这会引起运行中的各种问题。为了避免这点，根据本发明的电源装置能避免二次电池向起动电动机放电，以避免二次电池中任何快速的电压降，并且能向常用电力负载诸如导航系统和音频系统提供稳定的电压。
尽管详细描述了本发明的具体实施例，但是对于本领域技术人员来说应该意识到能够根据本公开的全部教导开发出针对这些细节的各种修改和替换。因此，所公开的特定布置只是示意性的，而并非对本发明的范围进行限制，本发明的范围将由所附权利要求书和其等价物的全部范围给出。

Claims (25)

1.一种安装到带有交流发电机和恒压控制装置的车辆的电源装置，该恒压控制装置能够将由交流发电机产生的电力电压保持为设定电压，所述电源装置包括：
电连接到交流发电机上的铅酸电池；以及
与铅酸电池并联电连接的二次电池，其具有比铅酸电池的输出功率密度和能量密度高的输出功率密度和能量密度，
其中如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，以满足下列条件(a)，(b)和(c)：
(a)在铅酸电池的荷电状态(SOC)的使用范围以及二次电池的SOC的使用范围内存在等压点，在该等压点处，铅酸电池的开路电压变得与二次电池的开路电压相等；
(b)在从二次电池的SOC的使用范围内的等压点的上限侧，二次电池的开路电压比铅酸电池的开路电压高；以及
(c)当最大充电电流流入二次电池时，二次电池的端电压不大于由恒压控制装置设定的设定电压，
其中二次电池向第一负载提供电力，第一负载需要具有恒定电压或在预定电压范围内的稳定电力，以及
铅酸电池向起动电动机和不同于第一负载的第二负载提供电力，并且该电源装置还包括电压降抑制装置，该电压降抑制装置被配置为抑制从二次电池向安装到车辆的起动电动机放电，以便抑制二次电池的电压降。
2.如权利要求1所述的电源装置，其中如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，使得在从二次电池的SOC的使用范围内的等压点的下限侧，二次电池的开路电压低于铅酸电池的开路电压。
3.如权利要求2所述的电源装置，其中如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，使得在二次电池的SOC的使用范围内大于等压点的上电压范围变得比小于等压点的下电压范围宽。
4.如权利要求1所述的电源装置，还包括保护控制装置，该保护控制装置能通过限制到二次电池的充电容量来阻止二次电池过度充电，以及通过限制从二次电池的放电容量来阻止二次电池过度放电，从而使得二次电池的剩余容量位于二次电池的使用范围内，
其中保护控制装置通过使用电压降抑制装置来限制到二次电池的充电容量或者从二次电池的放电容量。
5.如权利要求1所述的电源装置，还包括保护控制装置，该保护控制装置能通过控制到二次电池的充电容量来阻止二次电池过度充电，以及通过控制到二次电池的放电容量来阻止二次电池过度放电，从而使得二次电池的剩余容量位于二次电池的使用范围内，
其中保护控制装置输出命令恒压控制装置减小设定电压的指令信号，以便控制到二次电池的充电容量。
6.如权利要求1所述的电源装置，其中电压降抑制装置是断开和闭合二次电池和起动电动机之间的电连接的开关装置，且当铅酸电池向起动电动机提供电容量时，该开关装置断开二次电池和起动电动机之间的电连接。
7.如权利要求6所述的电源装置，其中开关装置是手动开关，电磁继电器，和半导体开关之一。
8.如权利要求1所述的电源装置，其中二次电池是非水电解质型的电池。
9.如权利要求8所述的电源装置，其中二次电池由正极活性材料制成的正极，负极活性材料制成的负极以及电解质组成，负极活性材料是碳，石墨，掺杂锂的碳或石墨，锂钛氧化物，包含硅的合金，以及包含锡的合金之一，并且正极活性材料是锂金属复合氧化物或活性碳。
10.如权利要求9所述的电源装置，其中正极活性材料由磷酸铁锂制成。
11.如权利要求1所述的电源装置，其中
二次电池由多个串联电连接的电池单元组成，还包括单元均衡装置，该单元均衡装置能够检测电池单元的每个的电压，并且基于检测到的电池单元的每个的电压来均衡电池单元的每个的剩余容量。
12.如权利要求1所述的电源装置，其中电源装置安装到带有怠速停止功能的车辆，该怠速停止功能能自动停止和重新开始内燃机的运行。
13.一种安装到带有交流发电机和恒压控制装置的车辆的电源装置，该恒压控制装置能够将由交流发电机产生的电力电压保持为设定电压，电源装置包括：
电连接到交流发电机的铅酸电池；
与铅酸电池并联电连接的二次电池，其在输出密度或能量密度方面比铅酸电池要高；以及
位于铅酸电池和二次电池之间的整流装置，使得整流装置的正向电流方向变为从铅酸电池到二次电池的方向，并且整流装置对经过整流装置的沿正向方向流动的电流具有阻挡层电压，
其中如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，以满足下列条件(a’)，(b’)和(c’)：
(a’)在铅酸电池的荷电状态(SOC)的使用范围以及二次电池的SOC的使用范围内存在等压点，在该等压点处，二次电池的开路电压等于从铅酸电池的开路电压中减去整流装置的阻挡层电压而得到的扣除电压；
(b’)在从二次电池的SOC的使用范围内的等压点的上限侧，二次电池的开路电压比铅酸电池的扣除电压高；以及
(c’)当最大充电电流流入二次电池时，二次电池的端电压不大于由恒压控制装置设定的设定电压，
其中二次电池向第一负载提供电力，第一负载需要具有恒定电压或在预定电压范围内的稳定电力，并且铅酸电池向起动电动机和不同于第一负载的第二负载提供电力。
14.如权利要求13所述的电源装置，还包括：
并联连接到整流装置的开闭装置，其能将交流发电机与二次电池电连接及将交流发电机从二次电池断开；以及
开闭控制装置，当用交流发电机产生的电力对二次电池充电时，其命令开闭装置闭合交流发电机和二次电池之间的电连接，并且当整流装置执行整流操作时，其命令开闭装置断开交流发电机和二次电池之间的电连接。
15.如权利要求14所述的电源装置，其中开闭装置由半导体开关构成，且整流装置由半导体开关的寄生二极管构成。
16.如权利要求14所述的电源装置，其中开闭装置由并联连接到整流装置的电磁继电器构成。
17.如权利要求13所述的电源装置，其中如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，使得在从二次电池的SOC的使用范围内的等压点的下限侧，二次电池的开路电压比铅酸电池的扣除电压低，其中铅酸电池的扣除电压通过从铅酸电池的开路电压中减去整流装置的阻挡层电压而得到。
18.如权利要求17所述的电源装置，其中如此确定铅酸电池的开路电压和内阻以及二次电池的开路电压和内阻，使得在二次电池的SOC的使用范围内大于等压点的上电压范围变得比小于等压点的下电压范围宽。
19.如权利要求14所述的电源装置，还包括保护控制装置，该保护控制装置能通过限制到二次电池的充电容量来阻止二次电池过度充电，以及通过限制从二次电池的放电容量来阻止二次电池过度放电，从而使得二次电池的剩余容量位于二次电池的使用范围内，
其中保护控制装置通过使用电压降抑制装置来限制到二次电池的充电容量或者从二次电池的放电容量。
20.如权利要求14所述的电源装置，还包括保护控制装置，该保护控制装置能通过控制到二次电池的充电容量来阻止二次电池过度充电，以及通过控制从二次电池的放电容量来阻止二次电池过度放电，从而使得二次电池的剩余容量位于二次电池的使用范围内，
其中保护控制装置输出命令恒压控制装置减小设定电压的指令信号，以便控制到二次电池的充电容量。
21.如权利要求13所述的电源装置，其中二次电池是非水电解质型的电池。
22.如权利要求21所述的电源装置，其中二次电池由正极活性材料制成的正极，负极活性材料制成的负极以及电解质组成，负极活性材料是碳，石墨，掺杂锂的碳或石墨，锂钛氧化物，包含硅的合金，以及包含锡的合金之一，并且正极活性材料是锂金属复合氧化物或活性碳。
23.如权利要求22所述的电源装置，其中负极活性材料由锂钛氧化物制成。
24.如权利要求13所述的电源装置，其中二次电池由多个串联电连接的电池单元组成，还包括单元均衡装置，该单元均衡装置能够检测电池单元的每个的电压，并且基于检测到的电池单元的每个的电压来均衡电池单元的每个的剩余容量。
25.如权利要求13所述的电源装置，其中电源装置安装到带有怠速停止功能的车辆，该怠速停止功能能自动停止和重新开始内燃机的运行。
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