CN109874357A

CN109874357A - 蓄电池系统

Info

Publication number: CN109874357A
Application number: CN201780062628.6A
Authority: CN
Inventors: 山内晋; 井上健士; 小松大辉; 牧野茂树; 坪内繁贵
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-06-11
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: CN109874357B; JPWO2018074363A1; JP6698169B2; WO2018074363A1

Abstract

本发明为了提供一种能够在并用功率型电池(13)及容量型电池(13)时，将充放电电流适当地分担给两电池的复合蓄电系统，提供一种并联连接容量型电池(14)与功率型电池(13)而构成的蓄电池系统，在该蓄电池系统中，容量型电池(14)的使用电压范围和功率型电池(13)的使用电压范围具有共同的部分，以使在容量型电池(14)中流动的电流的响应时间以及在功率型电池(13)中流动的电流的响应时间变得比规定时间大的方式，容量型电池(14)与功率型电池(13)被组合起来而构成。

Description

蓄电池系统

技术领域

本发明涉及蓄电池系统。

背景技术

在电动汽车中，使用单独一种电池来供给电能。使用重视容量(Ah)性能的容量型电池来作为该电池。然而，仅使用容量型电池，在电动汽车加速时以及减速时会流过大电流，并且负载会被施加至电池，因此存在电池寿命变短的倾向。

对此，已知专利文献1以及专利文献2所述的现有技术。在专利文献1中，公开了如下构成：将重视功率性能的功率型电池经由DCDC转换器(直流－直流转换器)并联连接至容量型电池。进一步地，在专利文献2中，公开了使功率型电池直接并联连接至容量型电池的构成。像这样，通过并用容量型电池以及功率型电池的复合蓄电系统，功率型电池分担急剧的电流变化，容量型电池的负载得到降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2012－235610号公报

专利文献2：日本专利特开平11－332023号公报

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1中，容量型电池被直接连接至逆变器。在该情况下，需要将逆变器以及电动机的电压范围限于容量型电池的动作电压范围内。然而，一般来说容量型电池的动作电压范围较窄，因此需要降低电动机的转矩常数(转矩和电流的转换常数)，从而电动机特性会受到制限。另外，当降低转矩常数时，再生电压会变低，并且电动汽车的效率会变低。另外，由于功率型电池被连接至DCDC转换器，因此需要增大DCDC转换器的电力容量，从而DCDC转换器的成本增加。

在专利文献2中，没有DCDC转换器，因此虽然成本增加得到抑制，但当功率型电池的容量小时，功率型电池的电量由于大电流的充放电而减少。然后，当达到无法分担充放电的程度时，容量型电池就不得不负担充放电电流。因此在专利文献2的方法中，有时未必能在行驶中的所有状况下降低容量型电池的电流，并降低对容量型电池的负担。

因此，本发明提供一种复合蓄电系统，能够在并用功率型电池及容量型电池时，将充放电电流适当地分担给两电池。

用于解决问题的技术手段

用于解决上述问题的本发明的特征例如如下文所述。

并联连接容量型电池与功率型电池而构成的蓄电池系统作为如下的蓄电池系统而构成：容量型电池的使用电压范围和功率型电池的使用电压范围具有共同的部分，以使在容量型电池中流动的电流的响应时间以及在功率型电池中流动的电流的响应时间变得比规定时间大的方式，容量型电池与功率型电池被组合起来而构成。

另外，并联连接容量型电池与功率型电池而构成的蓄电池系统作为如下的蓄电池系统而构成：容量型电池的使用电压范围和功率型电池的使用电压范围具有共同的部分,以使容量型电池的容量与功率型电池的容量的比变得比规定值大的方式，容量型电池与功率型电池被组合起来而构成。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种复合蓄电系统，能够在并用功率型电池及容量型电池时，将充放电电流适当地分担给两电池。根据以下实施方式的说明，上述以外的问题、构成以及效果变得清楚。

附图说明

图1示出作为本发明的实施例1的复合蓄电系统以及搭载该系统的电动汽车的构成。

图2示出本发明的实施例1中的复合蓄电系统的电路模型。

图3示出本发明的实施例1中的复合蓄电系统的电路模型中的、相对于充放电电流的各电池的电流特性的一例。

图4示出本发明的实施例1中的复合蓄电系统的构成条件的一例。

图5示出本发明的实施例2中的复合蓄电系统的电路模型中的、相对于充放电电流的各电池的电流特性的一例。

图6示出本发明的实施例2中的复合蓄电系统的构成条件的1例。

图7示出作为本发明的实施例3的复合蓄电系统以及搭载该系统的电动汽车的构成。

图8示出作为本发明的实施例3的复合蓄电系统的控制流程的一例。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。以下的说明示出本发明的内容的具体例。因此，本发明不限定于这些说明，本领域技术人员能够在本说明书所公开的技术构思的范围内进行各种变更以及修正。另外，在用于对本发明进行说明的全部附图中，具有同一功能的构件附上同一符号，并且有时省略其重复的说明。

实施例1

在本发明中，功率型电池与容量型电池并联地连接。容量型电池与功率型电池在使用电压范围内有重叠，并且各电池的特性被确定，以使相对于电流变化的各电池的电流的响应时间变为预先确定的规定时间以上。由此，尽管搭载最小限的功率型电池，但与单独使用容量型电池的情况相比，即使在多种多样的行驶条件下也能使容量型电池的充放电电流降低。因此，能够关系到容量型电池的寿命提高。

图1是示出作为本发明的实施例1的复合蓄电系统(蓄电池系统)以及搭载该系统的电动汽车的构成。

如图1所示，电动汽车10具备包含功率型电池13和容量型电池14的复合蓄电系统，该容量型电池14被并联连接至功率型电池13。复合蓄电系统经由逆变器12与电动发电机11相连。此外，逆变器12、功率型电池13、容量型电池14由ECU15(“ECU”是“ElectronicControl Unit”的缩写)控制。也就是说，复合蓄电系统具有逆变器12、功率型电池13、容量型电池14以及ECU15。

这里，电动发电机11是交流发电机，例如是感应电动机、同步电动机。从功率型电池13以及容量型电池14向逆变器12输出直流电。

逆变器12将供给自功率型电池13及容量型电池14的直流电转换为三相交流电。通过逆变器12输出的三相交流电，电动发电机11作为电动机被旋转驱动。由此，电动汽车10行驶。

例如在电动汽车10加速时等、仅靠容量型电池14对电动发电机11的供给电力不足的情况下，也从功率型电池13经由逆变器12向电动发电机11供给电力。

在电动汽车10减速时或制动时等、即电动发电机11再生时，通过使逆变器12作为整流装置运作，由电动发电机11发出的交流电被转换为直流电。然后，转换后的电力被存储在功率型电池13以及容量型电池14中。

在电动汽车10停车时，容量型电池14以及功率型电池13由未图示的充电装置进行充电。

此外，图1中的电动发电机11也可以由分别不同的电动机以及发电机构成。

功率型电池13在输出密度上优于容量型电池14，但容量(Ah)小。作为像这样的功率型电池13，例如可以适用锂离子电池、镍氢电池等。另外，也可以使用与此具有同样的高输出特性的锂离子电容器、双电层电容器等蓄电装置(可以说是功率型蓄电装置)来代替功率型电池13。此外，以下，将这些电池以及电容器统称为“功率型电池”。

虽然容量型电池14的输出密度劣于功率型电池13，但能量密度优于功率型电池13并且容量(Ah)大。作为像这样的容量型电池14，可以适用锂离子电池、半固态锂离子电池、固态锂电池、铅电池、镍锌电池等。此外，作为功率型电池13而使用的锂离子电池、与作为容量型电池14而使用的锂离子电池的电极材料等构成不同。

如上所述，根据本实施例，能够并用功率型电池13及容量型电池14来作为使用的整个电池，并在确保电池容量的同时提高电池输出，或者在确保电池输出的同时提高电池容量。

然而，功率型电池13与容量型电池14相连接而不经由DCDC转换器等电流控制元件。于是，充放电时的电流根据功率型电池13和容量型电池14的特性而唯一地确定。因此，需要最佳地组合这些特性的组合，以使蓄电池系统发挥所期望的特性。使用图2对其理由进行说明。

图2是对功率型电池13与容量型电池14并联连接后的状态进行了模型化的图。在电容器部模拟由充放电引起的电池的电压的变动，并用电阻模拟电池的电阻。左侧的电池表示功率型电池13，将电阻设为R₁，将电容器容量设为C₁。右侧的电池表示容量型电池14，设定电容器容量C₂＝mC₁、DCR(直流电阻成分)、R₂＝nR₁。将初期的电池电压即充电状态设为V(0)，并将功率型电池13和容量型电池14的合计电流设为I，从而能够用下述的(式1)以及(式2)来表示V(0)和I变化时的功率型电池13及容量型电池14各自的电压。

[数1]

[数2]

进一步地，当对上述式子进行变形时，能够用以下的(式3)以及(式4)来表示功率型电池13和容量型电池14各自的电流。

[数3]

[数4]

以(式3)以及(式4)为基础，在图3中示出电流逐步变化的情况下的功率型电池13和容量型电池14的响应。在电流刚开始变化后的时刻t＝0，功率型电池13(i₁)和容量型电池14(i₂)的电流根据电阻的比来分配。然后，电流随着时间的经过而发生变化，在经过了充足的时间后的状态下，电流根据容量的比来进行分配。在从初期到电流收敛为止的时间内，达到电流的收敛值的63.2％的时间被称为响应时间，根据(式3)以及(式4)，该值为以下的(式5)。

[数5]

从图3可以明显看出，在响应时间短的情况下，初期功率型电池13(i₁)负担较多电流，但其效果是瞬间的或短时间的，大部分时间由容量型电池14(i₂)来负担。因此，在将响应时间短的复合蓄电系统搭载于电动车辆并行驶的情况下，在加速、减速再生时需要大电流的充放电的条件下，功率型电池13瞬间地负担电流，大部分的电流由容量型电池14来负担。根据以上内容，为了减轻容量型电池14的负担，需要对需要大电流的加速、减速时的再生进行设想，并预先讨论响应时间的长度以使功率型电池13能够负担期间的电流。换言之，以使在容量型电池14中流动的电流的响应时间以及在功率型电池13中流动的电流的响应时间变得比规定时间大的方式，容量型电池14与功率型电池13被组合起来而构成，。

在本实施例中，虽然设定了作为响应时间的适宜的值(式5)的计算结果变得大于60秒条件，但不限定于该值。另外，响应时间的定义也不限定于本发明所述的63.2％，可以以90％为一例。

图4示出构建复合电池系统时的、成为另一条件的功率型电池及容量型电池的串联连接的电压范围。图4的符号41表示功率型电池13(在串联连接的情况下为单位电池乘上串联数所得的值)的使用电压范围(功率型电池电压范围×功率型电池串联数)。另外，符号42表示容量型电池14的使用电压范围(容量型电池电压范围×容量型电池串联数)。如图4所示，功率型电池13的串联连接的使用电压范围41和容量型电池14的串联连接的使用电压范围42以重叠的方式构成。换言之，容量型电池14的使用电压范围42和功率型电池13的使用电压范围41具有共同的部分。其理由是，在没有重叠的情况下，充电电流会经常从电压高的电池流向电压低的电池，难以作为复合电池系统发挥功能。可用重叠范围(43)的电压宽度为“可用重叠范围的上限值(44)－可用重叠范围的下限值(45)”、考虑电力供给对象的电压范围、使用的电池的性能等，来确定功率型电池13及容量型电池14的串联数，以使该电压宽度变大。

实施例2

使用图5对增加功率型电池13所负担的电流的方法(实施例2)进行说明。复合蓄电系统以及搭载该系统的电动汽车的构成、电路模型与实施例1相同。

如前文所述，充放电时的功率型电池13和容量型电池14的电流的收敛值根据容量比来确定，因此在实施例2中，示出了将容量比设为功率型电池：容量型电池＝1：2的例子。也就是说，如图5所示，调整为功率型电池13的收敛电流值(i1)为I/3，容量型电池14的收敛电流值(i2)为2I/3。换言之，以使容量型电池14的容量与功率型电池13的容量的比变得比规定值大的方式，容量型电池14与功率型电池13被组合起来而构成。在像这样的实施方式中，对功率型电池13寻求较大的容量,并且能够构成能减轻容量型电池14的负担的复合电池系统，而无关复合蓄电系统的响应时间。

图6示出构建实施例2中的复合电池系统时的条件。如在图4中所说明的那样，为了并联连接2个电池来使用，每个电池的可用电压范围需要重叠。进一步地，在实施例2中，需要对功率型电池13和容量型电池14的容量差进行讨论，以使每个电池的充放电电流的收敛值变为合适的值。在实施例2中，作为一例，虽然如在图5中所述那样将功率型电池13与容量型电池14的容量比设为了1：2，但不限定于该值。

实施例3

在图7中示出实施例3。基本构成与实施例1的图1相同，是在容量型电池14、功率型电池13与逆变器12之间添加了电流切断机构16的构成，该电流切断机构16在每个电池发生异常的情况下从复合蓄电系统解除电池。由此在复合蓄电系统的运转中无论哪个电池发生异常的情况下，系统都能正常地运转。如图7所示，电流切断机构16可以连接至容量型电池14以及功率型电池13两者，也可以仅连接至容量型电池14以及功率型电池13的任一方。

图8是用于使图7的系统构成工作的控制流程。系统启动后(START；S800)，在S801中，ECU15对电池系统的电压、电流、温度的信息进行计量。另外，根据所计量的信息对作为充电状态的SOC进行推定(数据计量、状态推定)。

在S802中，对功率型电池13以及/或者容量型电池14的电压、温度、SOC的至少1个是否变得比预先确定的规定值(规定值1)大进行判断。ECU15在没有异常的情况下(否)前进至S803，在存在异常的情况下(是)前进至S804。

在S803中，ECU15对功率型电池13以及/或者容量型电池14的电压、SOC的至少1个是否变得比预先确定的规定值(规定值2)小进行判断。在没有异常的情况下(否)，ECU15从S801开始重复流程。在存在异常的情况下(是)，ECU15前进至S804。

在S804中，对在容量型电池14中是否发生异常进行判定。在S804为否的情况下，在S805中，ECU15对功率型电池13的电流切断机构16进行控制来从复合蓄电系统解除。也就是说，容量型电池14和功率型电池13的并联连接被电流切断机构16解除(切断功率型电池13)。在S804为是的情况下，ECU15在S806中对容量型电池14的电流切断机构16进行控制来解除复合蓄电系统中的并联连接(切断容量型电池12)。然后，之后ECU15从S801开始重复流程。

符号说明

10 电动汽车

11 电动发电机

12 逆变器

13 功率型电池

14 容量型电池

15 ECU

16 电流切断机构。

Claims

1.一种蓄电池系统，其并联连接容量型电池与功率型电池而构成，所述蓄电池系统的特征在于，

所述容量型电池的使用电压范围和所述功率型电池的使用电压范围具有共同的部分，

以使在所述容量型电池中流动的电流的响应时间以及在所述功率型电池中流动的电流的响应时间变得比规定时间大的方式，所述容量型电池与所述功率型电池被组合起来而构成。

2.根据权利要求1所述的蓄电池系统，其特征在于，

以使在所述容量型电池中流动的电流的响应时间以及在所述功率型电池中流动的电流的响应时间变得大于60秒的方式，所述容量型电池与所述功率型电池被组合起来而构成。

3.根据权利要求2所述的蓄电池系统，其特征在于，

所述容量型电池以及所述功率型电池满足以下的式1

m(n+1)C₁R₁/(m+1)≧60···式1

m：容量型电池与功率型电池的容量比，即、容量型电池/输出型电池

n：容量型电池与功率型电池的电阻比，即、容量型电池/输出型电池

C₁：功率型电池的容量

R₁：功率型电池的电阻值。

4.一种蓄电池系统，其并联连接容量型电池与功率型电池而构成，所述蓄电池系统的特征在于，

以使所述容量型电池的容量与所述功率型电池的容量的比变得比规定值大的方式，所述容量型电池与所述功率型电池被组合起来而构成。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的蓄电池系统，其特征在于，

所述蓄电池系统具有电力切断机构，

在所述容量型电池或所述功率型电池上连接有所述电力切断机构。

6.根据权利要求5所述的蓄电池系统，其特征在于，

在所述容量型电池或所述功率型电池中发生了异常的情况下，所述容量型电池与所述功率型电池的并联连接被所述电力切断机构解除。

7.根据权利要求6所述的蓄电池系统，其特征在于，

在所述容量型电池或所述功率型电池的电压、温度、SOC的至少1个比规定值大的情况下，所述容量型电池与所述功率型电池的并联连接被所述电力切断机构解除。

8.根据权利要求6所述的蓄电池系统，其特征在于，

在所述容量型电池或所述功率型电池的电压、SOC的至少1个比规定值小的情况下，所述容量型电池与所述功率型电池的并联连接被所述电力切断机构解除。