CN113228456A - 蓄电池装置 - Google Patents

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山崎英生
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Abstract

实施方式的蓄电池装置为，搭载于车辆而向车载用设备供给电力，具备：第1电池单元，在一对第1输入输出电压充放电端子之间具有多个串联连接的单电池，经由一对第1输入输出电压充放电端子供给低电压系统电力；第2电池单元，与第1电池单元的高电位侧串联连接，在第1电池单元与第2输入输出电压充放电端子之间具有多个串联连接的单电池，与第1电池单元协作而经由低电位侧的第1输入输出电压充放电端子以及第2输入输出电压充放电端子供给高电压系统电力；以及直流电压转换器，进行第2电池单元的供给电力的直流电压转换，能够经由一对第1输入输出电压充放电端子进行电力供给，因此能够维持可靠性且同时供给低电压系统电力与高电压系统电力。

Description

蓄电池装置
技术领域
本发明的实施方式涉及一种蓄电池装置。
背景技术
近年来，在汽车中，由于电气安装部件的消耗电力增加、再生能量的应用，正在研究使向至今为止一般为12V的车载用设备(辅机)、电气安装部件等供给的车内的电源电压高电压化(36～48V)。例如，当将额定电压设为48V时，与现有的12V系统相比，能够提高输出，且能够降低所使用的电流，因此在一部分系统中能够提高效率。
另一方面，为了应用再生能量，作为小型大容量且能够耐受反复充放电的蓄电元件，锂离子电池的利用变得广泛。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-277647号公报
专利文献2：日本特开2001-136735号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，为了使车载用设备以及电气安装部件全部对应高电压需要时间，因此可以考虑供给低电压系统电力(12V系统电力)和高电压系统电力的双方。另一方面，低电压系统电力(12V系统电力)还被期待作为用于维持作为车辆而被要求的最低限度的安全功能的电力。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够在维持可靠性的同时供给低电压系统电力和高电压系统电力的蓄电池装置。
用于解决课题的手段
实施方式的蓄电池装置为，搭载于车辆而向车载用设备供给电力，其具备：第1电池单元，在一对第1输入输出电压充放电端子之间具有多个串联连接的单电池，经由一对第1输入输出电压充放电端子供给低电压系统电力；第2电池单元，与第1电池单元的高电位侧串联连接，在第1电池单元与第2输入输出电压充放电端子之间具有多个串联连接的单电池，与第1电池单元协作而经由低电位侧的第1输入输出电压充放电端子以及第2输入输出电压充放电端子供给高电压系统电力；以及直流电压转换器，进行第2电池单元的供给电力的直流电压转换，能够经由一对第1输入输出电压充放电端子进行电力供给。
附图说明
图1是实施方式的车辆用蓄电池系统的概要构成框图。
图2是蓄电池装置的概要构成框图。
图3是DC-DC转换器的概要构成图。
图4是实施方式的处理流程图。
具体实施方式
接着，参照附图对实施方式进行详细说明。
图1是实施方式的车辆用蓄电池系统的概要构成框图。
车辆用蓄电池系统10具备：电力设备12，作为被发动机11驱动而能够发电的发电机(generator)12G发挥功能，或者作为被供给电力而对发动机11的驱动进行辅助(assist)的电动机(马达)12M发挥功能；蓄电池装置13，向车载用设备供给电力；控制器14，测定蓄电池装置13的充电状态(电压、充电电流以及温度)，进行蓄电池装置13的控制；第1负载组15，从蓄电池装置13供给低电压系统电力(例如，12V系统电力)；以及第2负载组16，从蓄电池装置13供给高电压系统电力(例如，48V系统电力)。
在上述构成中，电力设备12在作为电动机12M发挥功能的情况下，包含于第2负载组16。
此处，对蓄电池装置13的构成进行说明。
图2是蓄电池装置的概要构成框图。
蓄电池装置13具备：控制电路21，对蓄电池装置13整体进行控制；第1电池单元22，主要供给低电压系统电力；第1监视电路23，监视第1电池单元22的状态(SOC、电压、充电电流以及温度)，并将监视结果通知给控制电路21；第2电池单元24，与第1电池单元22协作而供给高电压系统电力；第2监视电路25，监视第2电池单元24的状态(SOC、电压、充电电流以及温度)，并将监视结果通知给控制电路21；DC/DC转换器26，具有与第1电池单元22连接的第1输入输出端子T11、T12、以及与第2电池单元24连接的第2输入输出端子T21、T22，进行DC/DC(直流/直流)转换；第1断路器27，在控制电路21的控制下进行低电压系统电力的供给切断；第2断路器28，在控制电路21的控制下进行高电压系统电力的供给切断；电流传感器29，检测经由第1断路器27流动的电流；接地端子TG，与第1电池单元22的低电位侧电极以及第1输入输出端子T11连接；低电压系统电力供给端子TL，与第1断路器27的一端以及第1输入输出端子T12连接；高电压系统电力供给端子TH，与第2断路器28的一端连接；启动信号端子TW，从控制器14向控制电路21输入启动信号WU；以及通信端子TC，用于控制电路21与控制器14之间进行通信。
在上述构成中，在第1电池单元22中串联连接有多个单电池30。
同样，在第2电池单元24中串联连接有多个单电池30。
在该情况下，当第1电池单元22的额定输出电压为12V、第2电池单元24的额定输出电压为36V时，在第2电池单元24中串联连接有第1电池单元22的大致3倍的个数的单电池30。
在该构成的情况下，向低电压系统电力供给端子TL与接地端子TG之间供给12V的电力(低电压系统电力)，向高电压系统电力供给端子TH与接地端子TG之间供给48V的电力(高电压系统电力)。
在上述构成中，作为单电池30，由于输出特性优异而优选是锂离子二次电池、镍氢二次电池。此外，从重量能量密度的高度的观点出发，更优选为锂离子二次电池。
并且，作为单电池30，即使在锂离子二次电池中，也更优选如下的锂离子二次电池：与单电池的最大电压相比运转电压范围的比例较大，正极为磷酸铁系、负极为碳系的锂离子二次电池，或者正极为3d过渡金属锂氧化物(例如，锰酸锂氧化物、镍酸锂氧化物、钴酸锂氧化物等)、负极为钛酸锂氧化物的锂离子二次电池。
并且，当在充放电中负极电位的平滑性较高时，单电池间电位之差变小，横流、单电池平衡的控制性优异，因此更优选上述正极为3d过渡金属锂氧化物(例如，锰酸锂氧化物、镍酸锂氧化物、钴酸锂氧化物、将钴酸锂的一部分用镍和锰进行了置换的三元系(例如，Li(Ni-Mn-Co)O2)的锂离子二次电池，且负极为钛酸锂氧化物(例如，Li4Ti5O12)的锂离子二次电池。
此处，对单电池30的构成进行更详细的说明。
在该情况下，对作为单电池30而使用锂离子单电池的情况为例进行说明。
作为单电池30的第1方式，构成为如下的非水电解质二次电池，其具备：正极，具备包含锂金属化合物的正极活性物质含有层，该锂金属化合物含有从由钴、镍以及锰形成的组中选出的至少一种金属元素，该锂金属化合物由LiaNibCocMndO2(其中，摩尔比a、b、c以及d为0≤a≤1.1，b+c+d＝1)表示；包含含钛金属复合氧化物的负极；以及包含非水溶剂的非水电解质。
此外，作为单电池30的第2方式，构成为如下的非水电解质二次电池，其具备：正极，具备包含锂金属化合物的正极活性物质含有层，该锂金属化合物含有从由钴、镍以及锰形成的组中选出的至少一种金属元素，该锂金属化合物由LiaNibCocMndO4(其中，摩尔比a、b、c以及d为0≤a≤1.1，b+c+d＝2)表示；包含含钛金属复合氧化物的负极；以及包含非水溶剂的非水电解质。
此外，在构成上述第1方式以及第2方式的单电池30的情况下，优选锂钛氧化物的一次粒子的平均粒径为1μm以下，负极层的基于BET法的比表面积为3～50m2/g的范围。
并且，锂钛氧化物优选由Li4+xTi5O12(x为-1≤x≤3)或者Li2+xTi3O7(x为-1≤x≤3)表示。
并且，含钛金属复合氧化物优选是含有从由P、V、Sn、Cu、Ni以及Fe形成的组中选出的至少一种元素和Ti的金属复合氧化物。
图3是DC-DC转换器的概要构成图。
DC/DC转换器26是推挽方式的绝缘型DC-DC转换器，具备绝缘变压器31。
在绝缘变压器31的一次绕组侧的中间抽头即第1中间抽头31T1连接有与第1电池单元22连接的第1输入输出端子T12，在一次绕组的一端连接有第1开关32的一端，在一次绕组的另一端连接有第2开关33的一端。
第1开关32的另一端以及第2开关33的另一端与第1输入输出端子T11分别连接。
并且，在第1输入输出端子T11与第1输入输出端子T12之间连接有电流稳定化用的电容器34。
此外，在绝缘变压器31的二次绕组侧的中间抽头即第2中间抽头31T2连接有与第2电池单元24连接的第2输入输出端子T22，在二次绕组的一端连接有第3开关35的一端，在二次次绕组的另一端连接有第4开关36的一端。
第3开关35的另一端以及第4开关36的另一端与第2输入输出端子T21分别连接。
还连接有线圈37，该线圈37的一端与第2中间抽头31T2连接，另一端与第2输入输出端子T22连接。
并且，在线圈37和第2输入输出端子T21的连接点以及第2输入输出端子T22之间，连接有与线圈37协作而作为低通滤波器发挥功能的电容器38。
此外，DC/DC转换器26具备：电流传感器39，检测向第2电池单元24的输出电流；以及转换运算电路40，基于来自控制电路21的控制信号、检测到的第1电池单元22的电压、检测到的第2电池单元24的电压以及由电流传感器39检测到的向第2电池单元24的输出电流，对第1开关32～第4开关36进行控制而进行DC/DC转换。
图4是实施方式的处理流程图。
控制电路21判别是否从第1监视电路23接收到通知第1电池单元22处于故障状态的故障通知(步骤S11)。
在步骤S11的判别中，在从第1监视电路23接收到通知第1电池单元22处于故障状态的故障通知的情况下(步骤S11；是)，首先，控制电路21判别是否从车辆主体的未图示的ECU接收到启动信号WU(步骤S12)。
在步骤S12的判别中，在未从车辆主体的未图示的ECU接收到启动信号WU的情况下(步骤S12；否)，控制电路21使DC/DC转换器26停止(步骤S20)，并结束处理。
在步骤S12的判别中，在从车辆主体的未图示的ECU接收到启动信号WU的情况下(步骤S12；是)，控制电路21基于来自电流传感器的电流值对DC/DC转换器26进行控制，以使第1电池单元22的充放电电流成为零(步骤S13)。
接着，控制电路21为了切断来自第1电池单元22以及第2电池单元24的电力供给，而对控制器14进行第1断路器27以及第2断路器28的开放允许请求(步骤S14)。在单电池电压、单电池温度处于发生危险现象紧前的状态的情况下，不进行该第1断路器27以及第2断路器28的开放允许请求，而直接进行第1断路器27以及第2断路器28的开放。
然后，控制电路21判别是否从控制器14进行了断路器开放允许(步骤S15)。
在步骤S15的判别中，在未从控制器14进行断路器开放允许的情况下(步骤S15；否)，控制电路21再次将处理转移到步骤S14并成为待机状态。
在步骤S15的判别中，在从控制器14进行了断路器开放允许的情况下(步骤S15；是)，控制电路21使第1断路器27以及第2断路器28开放(步骤S16)。
接着，控制电路21对DC/DC转换器26进行控制，以使低电压系统电力供给端子TL-高电压系统电力供给端子TH间的电压成为规定电压(在本实施方式中为12V)(步骤S17)。
接着，控制电路21判别是否从车辆主体的未图示的ECU接收到启动信号WU(步骤S18)。
在步骤S18的判别中，在未从车辆主体的未图示的ECU接收到启动信号WU的情况下(步骤S12；否)，控制电路21使DC/DC转换器26停止(步骤S20)，并结束处理。
在步骤S18的判别中，在从车辆主体的未图示的ECU接收到启动信号WU的情况下(步骤S18；是)，控制电路21判别是否从第2监视电路25接收到故障通知(步骤S19)。
在步骤S19的判别中，在未从第2监视电路25接收到故障通知的情况下(步骤S19；否)，控制电路21再次将处理转移到步骤S18，并继续进行低电压系统电力的供给。
在步骤S19的判别中，在从第2监视电路25接收到故障通知的情况下(步骤S19；是)，控制电路21使DC/DC转换器26停止(步骤S20)，并结束处理。
另一方面，在步骤S11的判别中，在未从第1监视电路23接收到通知第1电池单元22处于故障状态的故障通知的情况下(步骤S11；否)，控制电路21使第1断路器27接通(步骤S21)。
接着，控制电路21判定是否从车辆主体的未图示的ECU接收到启动信号WU(步骤S22)。
在步骤S22的判别中，在从车辆主体的未图示的ECU接收到启动信号WU的情况下(步骤S22；是)，控制电路21判别是否从第2监视电路25接收到通知第2电池单元24处于故障状态的故障通知(步骤S23)。
在步骤S23的判别中，在未从第2监视电路25接收到通知第2电池单元24处于故障状态的故障通知的情况下(步骤S23；否)，控制电路21使第2断路器28接通(步骤S24)。
接着，控制电路21将经由第1监视电路23取得的构成第1电池单元22的单电池的单电池电压与经由第2监视电路25取得的构成第2电池单元24的单电池的单电池电压进行比较，判别构成第1电池单元22的单电池的单电池电压是否高于构成第2电池单元24的单电池的单电池电压(步骤S25)。
在步骤S25的判别中，在构成第1电池单元22的单电池的电压高于构成第2电池单元24的单电池的电压的情况下(步骤S25；是)，控制电路21经由第1输入输出端子T11以及第1输入输出端子T12使蓄积于第1电池单元22的电力放电，对于所放电的电力通过电流传感器来监视电流量，并且对DC/DC转换器26进行控制而进行DC/DC转换，经由第2输入输出端子T21以及第2输入输出端子T22对第2电池单元24进行充电(步骤S26)，将处理再次转移到步骤S11。
其结果，第1电池单元22的电力被DC/DC转换后朝第2电池单元24供给，最终，构成第1电池单元22的单电池的单电池电压与构成第2电池单元24的单电池的单电池电压变得相等，成为取得了单电池平衡的状态。
在步骤S25的判别中，在构成第1电池单元22的单电池的单电池电压为构成第2电池单元24的单电池的单电池电压以下的情况下(步骤S25；否)，控制电路21经由第2输入输出端子T21以及第2输入输出端子T22使蓄积于第2电池单元24的电力放电。然后，对于所放电的电力通过电流传感器来监视电流量，并且对DC/DC转换器26进行控制而进行DC/DC转换，经由第1输入输出端子T11以及第1输入输出端子T12对第1电池单元22进行充电(步骤S27)，将处理再次转移到步骤S11。
其结果，第2电池单元24的电力被DC/DC转换后朝第1电池单元22供给而成为第1电池单元22的电力，最终，构成第1电池单元22的单电池的单电池电压与构成第2电池单元24的单电池的单电池电压变得相等，成为取得了单电池平衡的状态(各个单电池的充电率之差为规定的基准差以下的状态)。
另一方面，在步骤S23的判别中，在从第2监视电路25接收到通知第2电池单元24处于故障状态的故障通知的情况下(步骤S23；是)，控制电路21使DC/DC转换器26停止(步骤S30)。
接着，控制电路21切断来自第2电池单元24的电力供给，因此对控制器14进行第2断路器28的开放允许请求(步骤S31)。另外，在单电池电压、单电池温度处于发生危险现象紧前的情况下，不进行第2断路器28的开放允许请求，而直接进行第2断路器28的开放。
然后，控制电路21判别是否从控制器14进行了第2断路器28的断路器开放允许(步骤S32)。
在步骤S32的判别中，在未从控制器14进行断路器开放允许的情况下(步骤S32；否)，控制电路21再次将处理转移到步骤S31并成为待机状态。
在步骤S32的判别中，在从控制器14进行了断路器开放允许的情况下(步骤S32；是)，控制电路21进行第2断路器28的开放(步骤S33)，并将处理再次转移到步骤S11。另外，即使在第2断路器28被开放的状态下，也成为能够供给低电压系统电力的状态。
另一方面，在步骤S22的判别中，在未从车辆主体的未图示的ECU接收到启动信号的情况下(步骤S22；否)，控制电路21使DC/DC转换器26停止(步骤S28)，使第2断路器28开放(或者维持开放状态)(步骤S29)，将处理再次转移到步骤S11。
因而，从蓄电池装置13向第1负载组15供给低电压系统电力(例如，12V系统电力)，虽然成为能够进行驱动的状态，但是从蓄电池装置13不向第2负载组16供给高电压系统电力(例如，48V系统电力)，而经由第1断路器27、低电压系统电力供给端子TL以及接地端子TG放电，并向作为低电压系统负载的第1负载组供给电力。
接着，对通常时的动作进行说明。
作为通常动作，可举出以下三种动作。
(1)第1电池单元22的放电动作
(2)第1电池单元22以及第2电池单元24的同时放电动作
(3)第1电池单元22以及第2电池单元24的同时充电动作
在以下的说明中，为了容易理解，在初始状态下，第1断路器27以及第2断路器28处于打开状态(断开状态)。
首先，对第1电池单元22的放电动作进行说明。
控制电路21为，在进行第1电池单元22的放电动作的情况下，通过控制信号将第1断路器27设为关闭状态(接通状态)。
其结果，蓄积于第1电池单元22的电力经由第1断路器27、低电压系统电力供给端子TL以及接地端子TG放电，并向低电压系统负载供给。
接着，对第1电池单元22以及第2电池单元24的同时放电动作进行说明。
控制电路21为，在进行第1电池单元22以及第2电池单元24的同时放电动作的情况下，通过控制信号将第2断路器28设为关闭状态(接通状态)。
其结果，蓄积于第1电池单元22以及第2电池单元24的电力经由第2断路器28、高电压系统电力供给端子TH以及接地端子TG放电，并向高电压系统负载供给。
接着，对第1电池单元22以及第2电池单元24的同时充电动作进行说明。
在该情况下，处于取得构成第1电池单元22以及第2电池单元24的全部单电池间的单电池平衡(各个单电池的充电率之差为规定基准差以下)的状态。
控制电路21为，在进行第1电池单元22以及第2电池单元24的同时充电动作的情况下，通过控制信号将第2断路器28设为关闭状态(接通状态)。
由此，通过驱动发动机而在发电机中生成的电力，经由高电压系统电力供给端子TH、第2断路器28以及接地端子TG而对第1电池单元22以及第2电池单元24同时进行充电。
如以上说明的那样，根据本实施方式，能够同时供给低电压系统电力以及高电压系统电力，并且在供给低电压系统电力的第1电池单元22成为无法供给的状态的情况下，能够经由直流电压转换器从第2电池单元24侧供给低电压系统电力，能够提高低电压系统电力供给的可靠性。
并且，能够取得由于第1电池单元22以及第2电池单元24的使用频率之差而引起的分别构成第1电池单元22以及第2电池单元24的单电池的单电池平衡，能够长期确保蓄电池装置的充放电能力。
此外，当考虑在汽车的停车中(不使用时)仅从第1电池单元22供给电力的情况时，在实用上较优选将第1电池单元22的可充放电的电池容量设定得大于第2电池单元24的可充放电的电池容量。
由本实施方式的蓄电池装置执行的程序，以能够安装的形式或者能够执行的形式的文件存储于CD-ROM、DVD(Digital Versatile Disk)、USB存储器等半导体存储装置等、计算机能够读取的存储介质而提供。
此外，也可以构成为，将由本实施方式的蓄电池装置执行的程序保存在与因特网等网络连接的计算机上，通过经由网络下载来提供。此外，也可以构成为，将由本实施方式的蓄电池装置执行的程序经由因特网等网络来提供或者分发。
此外，也可以构成为，将由本实施方式的蓄电池装置执行的程序预先组入ROM等而提供。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨中，并且包含于专利请求范围所记载的发明和与其等同的范围中。

Claims (4)

1.一种蓄电池装置，搭载于车辆而向车载用设备供给电力，具备：
第1电池单元，在一对第1输入输出电压充放电端子之间具有多个串联连接的单电池，经由上述一对第1输入输出电压充放电端子供给低电压系统电力；
第2电池单元，与上述第1电池单元的高电位侧串联连接，在上述第1电池单元与第2输入输出电压充放电端子之间具有多个串联连接的单电池，与上述第1电池单元协作而经由低电位侧的上述第1输入输出电压充放电端子以及上述第2输入输出电压充放电端子供给高电压系统电力；以及
直流电压转换器，进行上述第2电池单元的供给电力的直流电压转换，能够经由上述一对第1输入输出电压充放电端子进行电力供给。
2.根据权利要求1所述的蓄电池装置，其中，
具备控制装置，该控制装置在从上述车辆输入了指示电力供给的启动信号的情况下，将上述直流电压转换器设为驱动状态，在未输入上述启动信号的情况下，将上述直流电压转换器设为停止状态。
3.根据权利要求2所述的蓄电池装置，其中，
上述控制装置为，在检测到上述第1电池单元的无法输出状态的情况下，进行上述第2电池单元的供给电力的直流电压转换，代替上述第1电池单元而经由上述一对第1输入输出电压充放电端子供给上述低电压系统电力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的蓄电池装置，其中，
上述第1电池单元的可充放电的电池容量被设定得大于上述第2电池单元的可充放电的电池容量。
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