JP2007122882A - Charge state balance recovery method of battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、瞬間的な高負荷の要求や持続的な負荷の供給の繰り返しに十分に対応することができ、しかも小型軽量化が可能な電池システムの充電状態バランス回復方法に関する。 The present invention relates to a method for recovering the state of charge of a battery system that can sufficiently meet the demand for instantaneous high loads and the repeated supply of continuous loads, and that can be reduced in size and weight.
従来、電気自動車やハイブリッド車などの車両に搭載する電池システムには、下記特許文献1に記載されているように、異なる開回路電圧を持つ高出力二次電池と高容量二次電池を並列に接続したものがある。このように、高出力二次電池と高容量二次電池の開回路電圧を異ならせることによって、一定以上の高出力密度を維持しつつ高エネルギー密度を得たいという要求や、一定以上の高エネルギー密度を維持しつつ高出力密度を得たいという要求に同時に応えることができるようにしている。
しかしながら、従来の電池システムは、瞬間的な高負荷や持続的な負荷の一時的な要求に対しては十分に対応することができるものの、瞬間的な高負荷や持続的な負荷の頻繁な繰り返し要求に対してはまだまだ十分に対応することができない。たとえば、電気自動車やハイブリッド車などの車両で登坂中に追い越しを繰り返すような場合には、瞬間的な高負荷を受け持つことになる高出力二次電池の回復が繰り返しの高負荷の要求に追いつかない場合がある。これは、高出力二次電池の放電特性は十分なものを持っているが、回生電力の充電特性がまだまだ不十分だからである。高出力密度二次電池の不十分な充電特性は電池システムとしての回復に遅れを生じ、運転者に動力性能不足の感じを与えてしまう。 However, the conventional battery system can sufficiently cope with temporary demands of momentary high load and continuous load, but frequent repetition of momentary high load and sustained load. There is still not enough to respond to requests. For example, when a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle repeats overtaking while climbing up, recovery of a high-power secondary battery that is responsible for instantaneous high load cannot keep up with repeated high load demands. There is a case. This is because the high-power secondary battery has sufficient discharge characteristics, but the regenerative power charging characteristics are still insufficient. Insufficient charging characteristics of the high power density secondary battery cause a delay in the recovery of the battery system, giving the driver a feeling of insufficient power performance.
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、瞬間的な高負荷の要求や持続的な負荷の要求が頻繁に繰り返される場合でも、高出力二次電池と高容量二次電池が短時間で充電容量の均一化が図られるようにして電池システムの早期回復を促し、これによって車両の動力性能を向上させ、また、電池システムの性能に比較して小型軽量化することができる電池システムの充電状態バランス回復方法の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of such a conventional problem, and even when a request for an instantaneous high load or a request for a continuous load is frequently repeated, a high output secondary battery and a high capacity are provided. Rechargeable batteries can be made uniform in a short time in order to facilitate the quick recovery of the battery system, thereby improving the power performance of the vehicle and reducing the size and weight of the battery system compared to the performance of the battery system. An object of the present invention is to provide a method for recovering the state of charge balance of a battery system.
二次電池を車両に適用するためには、軽量・コンパクトである必要がある。高出力かつ高容量である電池を実現させる手段として、上記特許文献1に記載されている発明が成された。この発明は、充電状態SOC(State of charge)と開回路電圧が異なる、高出力電池と高容量電池を並列接続し、軽量・コンパクト化するものである。特許文献1に記載の発明では、出力(放電)特性に優れるが、入力(充電)特性は劣る結果となる。この発明を考えた当時は、出力密度が高い電池を考えていたため、上記特許文献1に記載されている発明のような方法を考えたが、ハイブリット車や電気自動車に搭載する二次電池では、減速時のモータからの回生電力を受け入れ、エネルギー効率を上げる必要があるため、充電特性も要求されることになる。出力特性だけでなく、入力特性も考慮すると、この発明では電池の大きさが大きくなってしまう。そこで、充電状態SOCに対する開放電圧が同じである電池を並列接続した電池システムとすることを考えた。
In order to apply a secondary battery to a vehicle, it is necessary to be lightweight and compact. As a means for realizing a battery having a high output and a high capacity, the invention described in
また、高出力電池と高容量電池を並列接続した技術として、高出力電池に代えて電気二重層キャパシタを適用する技術も考えられる。ここで、電気二重層キャパシタとして、容量1300F、比抵抗2.4Ω・Fの単セルを160個直列接続し80%の充電量まで充電したものを想定する。一方、高容量電池として、容量400mAh、5mΩの単セルを96個直列接続し50%の充電量まで充電したものを想定する。このような電気二重層キャパシタと高容量電池を並列接続したもので放電を行うと、10sec以下の放電においては、高出力電池よりも電気二重層キャパシタを高容量電池と並列接続した方がより大きな出力を取り出すことができると考えられる。しかし、この電気二重層キャパシタと高出力電池の単位体積当たりの出力密度を比較すると、電気二重層キャパシタよりも高出力電池の方が優れている。高出力電池と同じ条件の電気二重層キャパシタは現在の技術レベルでは、その必要体積が44.8リットルとなってしまい車両に搭載させるのにはあまりにも大きくなりすぎてしまう。また、電極材料に新しい材料を使ったナノゲートキャパシタというものが存在するが、出力密度は最大に見積もっても電気二重層キャパシタの4倍と推測され、必要体積は11.2リットルとなると推測される。一方、本発明でも使用している、我々の開発中の高出力電池は、5.3リットルで済むと試算されている。この試算から、現時点では、高出力電池に代えて電気二重層キャパシタを適用する技術より、高出力電池と高容量電池を並列化する技術の方が優れていると我々は考えている。 In addition, as a technique for connecting a high-power battery and a high-capacity battery in parallel, a technique in which an electric double layer capacitor is applied instead of the high-power battery can be considered. Here, an electric double layer capacitor is assumed that 160 single cells having a capacity of 1300F and a specific resistance of 2.4Ω · F are connected in series and charged to a charge amount of 80%. On the other hand, a high-capacity battery is assumed that 96 single cells with a capacity of 400 mAh and 5 mΩ are connected in series and charged to a charge amount of 50%. When discharging is performed with such an electric double layer capacitor and a high capacity battery connected in parallel, in the case of a discharge of 10 sec or less, it is larger that the electric double layer capacitor is connected in parallel with the high capacity battery than the high output battery. The output can be taken out. However, when comparing the output density per unit volume of the electric double layer capacitor and the high output battery, the high output battery is superior to the electric double layer capacitor. An electric double layer capacitor having the same conditions as a high-power battery has a required volume of 44.8 liters at the current technical level, and is too large to be mounted on a vehicle. In addition, there is a nano-gate capacitor that uses a new material for the electrode material, but the power density is estimated to be four times that of the electric double layer capacitor even if the maximum is estimated, and the required volume is estimated to be 11.2 liters. The On the other hand, the high-power battery under development that is also used in the present invention is estimated to be 5.3 liters. From this estimation, we believe that at present, the technology of paralleling the high-power battery and the high-capacity battery is superior to the technology of applying the electric double layer capacitor instead of the high-power battery.
一方、充電状態SOCに対する開放電圧特性が同じである電池を並列化した電池システムにおいての問題点は、放電後の出力低下や充電後の入力低下であることが予想される。放電後には高出力電池から電力が多く出るため、高出力電池の充電状態SOCが高容量電池の充電状態SOCより低くなり、電池システムとしての出力特性が低下する。しかし、放電後各電池の充電状態SOCが均等になるため、時間が経つに連れて出力特性が回復する。充電後には高出力電池に電力が多く入るため、高出力電池の充電状態SOCが高容量電池の充電状態SOCより高くなり、電池システムとしての入力特性が低下する。しかし、充電後各電池の充電状態SOCが均等になるため、時間が経つに連れて入力特性も回復する。このように、出力特性の回復時間と入力特性の回復時間のどちらか一方でも長すぎると、その電池システムを車両へ適用した場合、電池システムはより多くの電池から構成しなければならず、車両への搭載に要求される小型軽量の点で問題となる。 On the other hand, a problem in a battery system in which batteries having the same open-circuit voltage characteristics with respect to the state of charge SOC are arranged in parallel is expected to be a decrease in output after discharge and a decrease in input after charge. Since a large amount of electric power comes out from the high-power battery after discharging, the state of charge SOC of the high-power battery becomes lower than the state of charge SOC of the high-capacity battery, and the output characteristics of the battery system deteriorate. However, since the state of charge SOC of each battery becomes equal after discharging, the output characteristics recover over time. Since a large amount of electric power enters the high-power battery after charging, the charge state SOC of the high-power battery becomes higher than the charge state SOC of the high-capacity battery, and the input characteristics of the battery system deteriorate. However, since the state of charge SOC of each battery becomes equal after charging, the input characteristics also recover over time. Thus, if either the output characteristic recovery time or the input characteristic recovery time is too long, when the battery system is applied to a vehicle, the battery system must be composed of more batteries. This is a problem in terms of the small size and light weight required for mounting on.
そこで、本発明では、これらの回復時間を共に速くかつ最適化する方法を提案するものであり、その方法は次のように構成されている。 Therefore, the present invention proposes a method for optimizing and optimizing both of these recovery times, and the method is configured as follows.
上記目的を達成するための本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法は、小さな内部抵抗を有しかつ容量の小さな高出力電池と、前記高出力電池よりも大きな内部抵抗を有しかつ前記高出力電池よりも容量の大きな高容量電池と、が並列接続されてなる電池システムの充電状態バランス回復方法であって、前記高出力電池と前記高容量電池との[充電状態(SOC)−開回路電圧]特性の適切な組み合わせによって、前記高出力電池と前記高容量電池との充電状態バランスを早期に回復させるようにしたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for recovering the state of charge of a battery system according to the present invention includes a high output battery having a small internal resistance and a small capacity, an internal resistance larger than that of the high output battery, and the A charge state balance recovery method for a battery system in which a high-capacity battery having a capacity larger than that of a high-power battery is connected in parallel, wherein the state of charge (SOC) -open between the high-power battery and the high-capacity battery is The state of charge of the high-power battery and the high-capacity battery is quickly recovered by an appropriate combination of circuit voltage] characteristics.
さらに、上記目的を達成するための本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法は、小さな内部抵抗を有しかつ容量の小さな高出力電池と、前記高出力電池よりも大きな内部抵抗を有しかつ容量の大きな高容量電池と、が並列接続されてなる電池システムの充電状態バランス回復方法であって、前記電池システムから負荷に電流を供給する段階と、前記負荷に電流を供給した後、前記高出力電池と前記高容量電池との充電状態(SOC)が近づいて電池システムの充電状態バランスを回復させる段階と、を含むことを特徴とする。 Furthermore, the method for recovering the state of charge of the battery system according to the present invention for achieving the above object includes a high-power battery having a small internal resistance and a small capacity, and a larger internal resistance than the high-power battery. And a high-capacity battery having a large capacity and a battery system charge state balance recovery method connected in parallel, the step of supplying current from the battery system to the load, and after supplying current to the load, The state of charge (SOC) of the high-power battery and the high-capacity battery approaching each other to restore the charge state balance of the battery system.
以上のような構成を有する本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法によれば、高出力電池によって瞬間的に大きな電力を供給したり、高容量電池によって持続的に大きな電力を供給したりした場合でも、電池システムを早期に回復させることができるようになり、車両に十分な動力性能を持たせることができる。また、電池システムの性能に比較して小型軽量化を図ることができる According to the method for recovering the state of charge of the battery system according to the present invention having the above-described configuration, a large power is instantaneously supplied by a high-power battery, or a large power is continuously supplied by a high-capacity battery. Even in this case, the battery system can be recovered early, and the vehicle can have sufficient power performance. In addition, the size and weight can be reduced compared to the performance of the battery system.
次に、本発明にかかる電池システムの充電状態バランス回復方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1及び図2は、本発明にかかる電池システムの充電状態バランス回復方法をなぜ採用する必要があるのかを説明するための図である。図1に示すように、従来は車両から要求されるピーク電力がP1であったとすると、そのピーク電力が供給できるだけの容量の電池を搭載していた。ところが、車両の走行においてはピーク電力が要求されるのはほんの一瞬(たとえば、エンジン始動時または急加速時)であって、通常はP2の電力があれば十分である。したがって、一時的にピーク電力P1を供給することができて定常的には電力P2を供給することができる電池システム(高出力電池と高容量電池とを組み合わせた電池システム)を構成すれば、電池システムの大きさや重量を小さくすることができる。
Next, an embodiment of a method for recovering the state of charge of a battery system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams for explaining why it is necessary to employ the charge state balance recovery method for a battery system according to the present invention. As shown in FIG. 1, assuming that the peak power required from the vehicle is P1, conventionally, a battery having a capacity sufficient to supply the peak power has been mounted. However, when the vehicle is running, the peak power is required for only a moment (for example, when the engine is started or suddenly accelerated). Usually, the power of P2 is sufficient. Therefore, if a battery system (a battery system that combines a high-power battery and a high-capacity battery) that can supply peak power P1 temporarily and can supply power P2 steadily, The size and weight of the system can be reduced.
このため、本発明では、図2に示すように、高出力電池10と高容量電池20とを並列に接続した電池システムを採用している。ここで、高出力電池10とは、小さな内部抵抗R1を有しかつ小さな容量の電池であり、短時間に大電流の供給が可能(短時間に図1のP1の電力の供給は可能)な電池である。また、高容量電池20とは、高出力電池10の内部抵抗R1よりも大きな内部抵抗R2を有しかつ高出力電池10の容量よりも大きな容量の電池であり、長時間要求される電流を流し続けることが可能(長時間にわたって図1のP2の電力の供給は可能)な電池である。
For this reason, the present invention employs a battery system in which a high-
高出力電池10の充電状態−開回路電圧特性は図3に示すとおりである。すなわち、充電状態(以降SOCと称する)が小さくなるにしたがって、開回路電圧の大きさが小さくなっていく特性を有している。本実施の形態の高出力電池10はSOCが75%の時の開回路電圧とSOCが25%の時の開回路電圧との差が400mvとなっている。また、本実施の形態の高容量電池20の開回路電圧−充電状態特性は図4に示すとおりであるが、SOCの低下に対する開回路電圧の低下傾向が高出力電池10よりも穏やかになっている。すなわち、高容量電池20はSOCが75%の時の開回路電圧とSOCが25%の時の開回路電圧との差が300mvとなっている。したがって、高出力電池10におけるSOCの減少に対する開回路電圧の低下傾向は、高容量電池20におけるSOCの減少に対する開回路電圧の低下傾向よりも大きくなっている。このように、高出力電池10の充電状態−開回路電圧特性と高容量電池20の開回路電圧−充電状態特性を異ならせることによって、電池システムとしての出力特性の回復時間と入力特性の回復時間の両方を共に最適な長さとすることが可能になり、高出力電池10と高容量電池20との充電バランスを早期に回復させることができる。
The charge state-open circuit voltage characteristics of the high-
なお、図示してはいないが、高出力電池10の開回路電圧−充電状態特性を、SOC25%のときの開回路電圧とSOC75パーセントのときの開回路電圧との差が、高出力電池10の平均開回路電圧の12%以上あるようにし、高容量電池20の開回路電圧−充電状態特性を、SOC25%のときの開回路電圧とSOC75パーセントのときの開回路電圧との差が、高容量電池20の平均開回路電圧の8%以上あるようにしても、上記と同様に、電池システムとしての出力特性の回復時間と入力特性の回復時間の両方を共に最適な長さとすることが可能になり、高出力電池10と高容量電池20との充電バランスを早期に回復させることができる。
Although not shown in the figure, the difference between the open circuit voltage when the SOC is 25% and the open circuit voltage when the SOC is 75% is the open circuit voltage-charge state characteristic of the
ここで、SOC(%)とは、電池の残容量(Ah)を電池の満充電容量(Ah)で割って100を掛けて得られた値であり、電池が満充電時の容量に対して何パーセントの容量を持っているのかを表す指標である。 Here, SOC (%) is a value obtained by dividing the remaining capacity (Ah) of the battery by the full charge capacity (Ah) of the battery and multiplying by 100. It is an index that expresses what percentage of capacity it has.
図5から図8は、本実施の形態における電池システムの放電特性を示した図である。図5は、初期状態として30%のOSCにある電池システムを約10秒間放電させ、放電を開始してから一定時間経過するまでの、高出力電池SOCの変化過程、高容量電池SOCの変化過程、電池システムとしての放電可能電力比の変化過程を示している。図に示すように、放電が開始されると放電が終了するまで内部抵抗の低い高出力電池10から多くの電力が供給されることになり、高出力電池10のSOCが急激に低下する。一方、内部抵抗が高出力電池10よりも大きい高容量電池20のSOCは高出力電池10のそれとは異なって徐々に低下する。放電が終了すると、高出力電池10は高容量電池20からの電力供給を受けて充電され、高出力電池10と高容量電池20とのSOCは時間の経過と共に近づき、最終的には一致する。これを電池システムの放電可能電力比で見ると、放電前の電池システムの放電可能電力比(高出力電池10と高容量電池20との合計の電力を基準とする)を1.0とした場合、放電中は放電可能電力比が0.3まで低下するが、放電終了後は最終的に0.8程度まで回復する。
5 to 8 are diagrams showing discharge characteristics of the battery system in the present embodiment. FIG. 5 shows the process of changing the high-power battery SOC and the process of changing the high-capacity battery SOC until the battery system in the initial state of 30% OSC is discharged for about 10 seconds and starts discharging for a fixed time. The change process of the dischargeable power ratio as a battery system is shown. As shown in the figure, when the discharge is started, a large amount of electric power is supplied from the high-
図6は、初期状態として、高出力電池10と高容量電池20のSOCが共に50%である場合の、高出力電池SOCの変化過程、高容量電池SOCの変化過程、電池システムとしての放電可能電力比の変化過程を示している。また、図7は、初期状態として、高出力電池10と高容量電池20のSOCが共に70%である場合の、高出力電池SOCの変化過程、高容量電池SOCの変化過程、電池システムとしての放電可能電力比の変化過程を示している。さらに、図8は、初期状態として、高出力電池10と高容量電池20のSOCが共に90%である場合の、高出力電池SOCの変化過程、高容量電池SOCの変化過程、電池システムとしての放電可能電力比の変化過程を示している。
FIG. 6 shows, as an initial state, when the SOCs of the high-
これらの図を見比べれば明らかなように、放電が開始されてから放電が終了するまでは高出力電池10のSOCが急激に低下し、放電時に必要な電力の大部分を高出力電池10が供給することになり、放電が終了した後は高容量電池20が低下した高出力電池10のSOCを上昇させるように高出力電池10に電力を供給しているのがわかる。また、最終的な高出力電池SOC、高容量電池SOC、放電可能電力比の減少状態や最終的な大きさは、初期の高出力電池SOCおよび高容量電池SOCの大きさに依存することがわかる。
As is clear from comparison of these figures, the SOC of the high-
図9は、本実施の形態における電池システムの一般的な放電特性を示した図であり、また、図10は、本実施の形態における電池システムの一般的な充電特性を示した図である。図5から図8に示したと同様に、電池システムの放電可能電力比は、放電中は低下し続け、放電が終了すると徐々に回復いていく。これは高出力電池SOCも同様である。高容量電池SOCは、放電中も放電後も徐々にではあるが低下し続ける。この電池システムに対して電力回生による充電が行われると、内部抵抗の低い高出力電池10の充電が急速に行われ、内部抵抗の高い高容量電池20の充電は徐々に行われる。
FIG. 9 is a diagram showing a general discharge characteristic of the battery system in the present embodiment, and FIG. 10 is a diagram showing a general charge characteristic of the battery system in the present embodiment. As shown in FIGS. 5 to 8, the dischargeable power ratio of the battery system continues to decrease during the discharge, and gradually recovers when the discharge ends. The same applies to the high-power battery SOC. The high-capacity battery SOC continues to decrease gradually during and after the discharge. When the battery system is charged by power regeneration, the high-
本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法では、電池システムの放電特性と充電特性とのバランスを良くし、しかも電池システムの体積や重量を小さくできるようにしている。車両に用いられる電池システムは放電終了後にいかに早く回復できるか、また、放電終了後にいかに効率よく充電できるかといった、充放電の回復率が問題となる。充放電の回復率に影響を与えるパラメータとしては、SOCに対する開回路電圧特性、高出力電池10の内部抵抗R1と高容量電池20の内部抵抗R2との比(内部抵抗比)を挙げることができる。本実施の形態では、高出力電池10と高容量電池20とをリチウムイオン電池(バイポーラ型リチウムイオン二次電池またはラミネート型リチウムイオン二次電池)で構成しているが、リチウムイオン電池においてSOC−開回路電圧特性は、負極に使用される材料の種類に大きく影響される。本実施の形態では、SOCの検出が容易に行えるように、SOCの変化に対して開回路電圧変化が大きいハードカーボン系の材料を用いている。
In the method for recovering the state of charge of the battery system according to the present invention, the balance between the discharge characteristics and the charge characteristics of the battery system is improved, and the volume and weight of the battery system can be reduced. The battery system used in the vehicle has a problem with the recovery rate of charge / discharge, such as how quickly it can be recovered after the end of discharge and how efficiently it can be charged after the end of discharge. Examples of parameters that affect the charge / discharge recovery rate include open circuit voltage characteristics with respect to the SOC and the ratio (internal resistance ratio) between the internal resistance R1 of the high-
ハードカーボン系の材料を用いたリチウムイオン電池において、高出力電池10の内部抵抗R1と高容量電池20の内部抵抗R2との比(内部抵抗比)が、充電(入力)または放電(出力)の回復にどのように影響しているのかを図で示すと、図11及び図12のようになる。この図において、各SOC値の初期の入力比または出力比は、放電または充電が終了してから30秒経過後の値である。30秒に設定したのは、ハイブリッド車や電気自動車において、放電または充電が要求されるのは、市街地、郊外路、高速道路などでの走行条件の場合、30秒から60秒の間であることが多いからである。縦軸の出力比、入力比は、放電または充電をする直前のSOCの値を1としている。
In a lithium ion battery using a hard carbon material, the ratio (internal resistance ratio) between the internal resistance R1 of the high-
図11に示すように、SOC60%からSOC40%まで、内部抵抗比が大きくなるほど出力比が小さくなっている。つまり、出力比が大きくなると放電が終了してから回復するまでに時間がかかることを意味している。一方、図12に示すように、SOC60%からSOC40%まで、内部抵抗比が大きくなるほど入力比が小さくなっている。つまり入力比が大きくなると充電に時間がかかることを意味している。このことから、充電と放電の回復を早めるためには、内部抵抗比はある程度小さくしなければならないことがわかる。
As shown in FIG. 11, the output ratio decreases as the internal resistance ratio increases from
内部抵抗比を小さくするためには、上記のように、高容量電池20の内部抵抗R2を小さくしなければならないが、高容量電池20の内部抵抗R2を小さくすると、電池システムの容量を同一とする場合、高容量電池20の体積が増加するという問題が生じる。
In order to reduce the internal resistance ratio, as described above, the internal resistance R2 of the
図13に内部抵抗比と電池体積との関係を示す。図に示すように、内部抵抗比を小さくしていくと、必要とする高容量電池の体積が増加する。必要とする体積が増加してしまうのは、抵抗を下げるのには電池の電極の厚さを薄くして内部抵抗を下げなければならないことから、厚さを変えることができない集電体やセパレータの占める体積が増えてしまうためである。この図を勘案すると、電池体積の小さくなる内部抵抗比3.0〜5.0が最も好ましい。 FIG. 13 shows the relationship between the internal resistance ratio and the battery volume. As shown in the figure, as the internal resistance ratio is reduced, the volume of the required high capacity battery increases. The required volume increases because the thickness of the battery electrode must be reduced to lower the internal resistance in order to reduce the resistance, so the current collector and separator that cannot change the thickness This is because the volume occupied by increases. Taking this figure into consideration, an internal resistance ratio of 3.0 to 5.0 that reduces the battery volume is most preferable.
上記のように、充電と放電の回復を考慮した場合には、内部抵抗比が小さくなるほど良いが、電池体積の増加を考えると、好ましくは2.0〜10.0程度、より好ましくは4.0〜8.0程度、最も好ましくは3.0〜5.0程度の内部抵抗比を選択するのがよい。 As described above, when the recovery of charging and discharging is taken into consideration, the smaller the internal resistance ratio, the better. However, considering the increase in the battery volume, it is preferably about 2.0 to 10.0, more preferably 4. An internal resistance ratio of about 0 to 8.0, most preferably about 3.0 to 5.0, should be selected.
図14に許容される回復時間を考慮した内部抵抗比と電池体積との関係を示す。図に示すように、回復時間を30秒とした場合は、3.0から8.0程度の内部抵抗比とすることが求められるが、回復時間を60秒とした場合には、2.5〜10.0程度の内部抵抗比を選択することができる。 FIG. 14 shows the relationship between the internal resistance ratio and the battery volume in consideration of the allowable recovery time. As shown in the figure, when the recovery time is 30 seconds, an internal resistance ratio of about 3.0 to 8.0 is required, but when the recovery time is 60 seconds, 2.5% An internal resistance ratio of about 10.0 can be selected.
高出力電池10と高容量電池20を並列に接続した電池システムでは内部抵抗比の大きさにより放電後の出力低下が生じる。内部抵抗比の大きさに対する放電後の出力低下と電池体積比との関係を示したのが図15である。放電後の出力低下が生じるのは、内部抵抗比が大きくなるほど、放電後に発生した高出力電池10と高容量電池20との充電量の差が均等化するのに時間がかかるからである。要求されるSOCの回復(放電後1分で80%まで回復)を考慮すると、内部抵抗比は8以下とすることが好ましい。一方、内部抵抗比が小さいほど出力は維持されることになるが、電池の体積が増えてしまうので、図からは2以上であることが望ましい。
In a battery system in which the high-
以上のように、充放電の回復率と電池の体積を考慮して内部抵抗比を最適な値に設定すると、図16および図17に示すように、本発明の出力比は従来に比較して若干低下するものの、入力比は従来に比較してかなり上昇し、充放電特性に優れた小さく軽量な電池システムを構成することができる。 As described above, when the internal resistance ratio is set to an optimum value in consideration of the charge / discharge recovery rate and the volume of the battery, as shown in FIGS. Although the input ratio is slightly decreased, the input ratio is considerably increased as compared with the conventional one, and a small and lightweight battery system having excellent charge / discharge characteristics can be configured.
以上で説明したように、小さな内部抵抗を有しかつ容量の小さな高出力電池と前記高出力電池よりも大きな内部抵抗を有しかつ前記高出力電池よりも容量の大きな高容量電池とが並列接続されてなる電池システムにおいて、高出力電池と高容量電池との開回路電圧−充電状態特性を適切な組合せとすることによって、また、高出力電池と高容量電池との内部抵抗比を適切な値に設定することによって、高出力電池と高容量電池との充放電特性が向上され、高出力電池と高容量電池との充電状態バランスが早期に回復するようになる。具体的には、高出力電池にはSOCが75%の時の開回路電圧とSOCが25%の時の開回路電圧との差が400mvとなるものを用い、また、高容量電池20にはSOCが75%の時の開回路電圧とSOCが25%の時の開回路電圧との差が300mvとなるものを用いる。または、高出力電池にはSOC25%のときの開回路電圧とSOC75パーセントのときの開回路電圧との差が高出力電池の平均開回路電圧の12%以上あるものを用い、高容量電池にはSOC25%のときの開回路電圧とSOC75パーセントのときの開回路電圧との差が、高容量電池20の平均開回路電圧の8%以上あるものを用いる。そして、高容量電池の内部抵抗値R2と高出力電池の内部抵抗値R1との比(内部抵抗比R2/R1)は、電池システムの電池体積が小さくなるように、2.0〜10.0の間に設定し、好ましくは、内部抵抗比R2/R1は、充電状態バランスが早期に回復できるように、かつ電池システムの電池体積が小さくなるように、4.0〜8.0の間に設定する。
As described above, a high-power battery having a small internal resistance and a small capacity and a high-capacity battery having a larger internal resistance than the high-power battery and a capacity larger than the high-power battery are connected in parallel. In the battery system, the open circuit voltage-charge state characteristics of the high-power battery and the high-capacity battery are appropriately combined, and the internal resistance ratio between the high-power battery and the high-capacity battery is set to an appropriate value. By setting to, the charge / discharge characteristics between the high-power battery and the high-capacity battery are improved, and the state of charge balance between the high-power battery and the high-capacity battery can be recovered early. Specifically, a high-power battery is used in which the difference between the open circuit voltage when the SOC is 75% and the open circuit voltage when the SOC is 25% is 400 mV. The difference between the open circuit voltage when the SOC is 75% and the open circuit voltage when the SOC is 25% is 300 mv. Alternatively, a high output battery having a difference between the open circuit voltage when the SOC is 25% and the open circuit voltage when the SOC is 75% is 12% or more of the average open circuit voltage of the high output battery is used. The difference between the open circuit voltage when the SOC is 25% and the open circuit voltage when the SOC is 75% is 8% or more of the average open circuit voltage of the
このような高出力電池と高容量電池とが組み合わされた電池システムにおいて本発明の方法を適用すれば、瞬間的な高負荷の要求や持続的な負荷の供給の繰り返しに十分に対応することができしかも小型軽量化が可能となる。
(実施の形態2)
次に、本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法を車両のエンジン始動に応用した場合の実施の形態を説明する。図18は本発明の適用例を示すハイブリッド車両のシステムの概略構成図である。
If the method of the present invention is applied to a battery system in which such a high-power battery and a high-capacity battery are combined, it can sufficiently cope with the instantaneous high load requirement and the repeated supply of a continuous load. In addition, the size and weight can be reduced.
(Embodiment 2)
Next, an embodiment in the case where the method for recovering the state of charge of a battery system according to the present invention is applied to engine start of a vehicle will be described. FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a hybrid vehicle system showing an application example of the present invention.
図18により、本発明をハイブリッド車両に適用した場合の実施の形態を説明する。なお、本発明はハイブリッド車両に限定されず、一般の電気自動車を始め、電気自動車以外の各種装置に適用することができる。
図18において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。この車両のパワートレインは、モータ1、エンジン2、クラッチ3、モータ4、無段変速機5、減速装置6、差動装置7および駆動輪8から構成される。モータ1の出力軸、エンジン2の出力軸およびクラッチ3の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ3の出力軸、モータ4の出力軸および無段変速機5の入力軸は互いに連結されている。
An embodiment in the case where the present invention is applied to a hybrid vehicle will be described with reference to FIG. In addition, this invention is not limited to a hybrid vehicle, It can apply to various apparatuses other than an electric vehicle including a general electric vehicle.
In FIG. 18, a thick solid line indicates a transmission path of mechanical force, and a thick broken line indicates a power line. A thin solid line indicates a control line, and a double line indicates a hydraulic system. The power train of the vehicle includes a
クラッチ3締結時はエンジン2とモータ4が車両の推進源となり、クラッチ3解放時はモータ4のみが車両の推進源となる。エンジン2および/またはモータ4の駆動力は、無段変速機5、減速装置6および差動装置7を介して駆動輪8へ伝達される。無段変速機5には油圧装置9から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。油圧装置9のオイルポンプ(不図示)はモータ30により駆動される。
When the clutch 3 is engaged, the
モータ1,4,30は三相同期電動機または三相誘導電動機などの交流機であり、モータ1は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モータ4は主として車両の推進と制動に用いられる。また、モータ30は油圧装置9のオイルポンプ駆動用である。なお、モータ1,4,30には交流機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、クラッチ3締結時に、モータ1を車両の推進と制動に用いることもでき、モータ4をエンジン始動や発電に用いることもできる。
The
クラッチ3はパウダークラッチであり、伝達トルクを調節することができる。なお、このクラッチ3に乾式単板クラッチや湿式多板クラッチを用いることもできる。無段変速機5はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。
The
モータ1,4,30はそれぞれ、インバータ11,12,13により駆動される。なお、モータ1,4,30に直流電動機を用いる場合には、インバータの代わりにDC/DCコンバータを用いる。インバータ11〜13は共通のDCリンク14を介してメインバッテリ15に接続されており、メインバッテリ15の直流充電電力を交流電力に変換してモータ1,4,30へ供給するとともに、モータ1,4の交流発電電力を直流電力に変換して電池システムであるメインバッテリ15を充電する。インバータ11〜13は互いにDCリンク14を介して接続されているので、回生運転中のモータにより発電された電力を、メインバッテリ15を介さずに直接、力行運転中のモータへ供給することができる。なお、この明細書では電池とバッテリとを同義として用いる。
The
コントローラ16は、マイクロコンピュータとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、エンジン2の回転速度、出力およびトルク、クラッチ3の伝達トルク、モータ1,4,30の回転速度およびトルク、無段変速機5の変速比、メインバッテリ15の充放電などを制御する。
The
上記のような構成のハイブリッド車両において、搭載されているエンジン2の排気量によって、モータ1がそのエンジン2の始動に要する電力は相違する。図19は、エンジンの始動に必要な電力と排気量との関係を示す図である。図に示すように、排気量が2リットルのエンジンは1秒間で始動させる場合そのクランキング時間で7Kwほどの電力が必要であり、3.5リットルでは12Kwほどの電力が、5.6リットルでは17Kwもの電力が必要になる。また、0.5秒程度の時間でエンジンを始動させようとすると、いずれの排気量のエンジンも20Kw以上の電力が必要となる。
In the hybrid vehicle configured as described above, the electric power required for the
前述のように、本実施の形態のバッテリ15として用いられている電池システムは、高出力電池10と高容量電池20が並列に接続されているのであるから、エンジン2の始動時には高出力電池10からほとんどの電力が供給されることになり、大電力を供給した結果、エンジンの始動に失敗した場合には、高出力電池10のSOCが回復するまではエンジンの再始動ができなくなる恐れがある。図20はバッテリ15の放電特性を示しているが、バッテリ15が供給できる最大電力は点線で示すように時間の経過と共に低下していく。最初にエンジンを始動するためにAに示す電力をT1時間放電したとすると、次のエンジン始動に供給できる電力はBに示す電力となってしまう。さらにBに示す電力をT2時間放電したとすると、次のエンジン始動に供給できる電力はCに示す電力となってしまう。
As described above, in the battery system used as the
このように、エンジン始動時に電力を連続的に供給してしまうと、本実施の形態のバッテリ15の場合には回復時間を多くとらなければならなくなってしまう。そこで、本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法では、図21のフローチャートに示すようにしてエンジンを始動させる。
Thus, if electric power is continuously supplied when the engine is started, in the case of the
次に、エンジンの始動手順を図21のフローチャートに基づいて詳細に説明する。 Next, the engine starting procedure will be described in detail based on the flowchart of FIG.
まずコントローラ16は、エンジンオイルの温度を検出し(S1)、エンジン2の必要始動電力を演算する(S2)。エンジンオイルの温度はエンジン2のオイルパン内に設けられている温度センサで検出する。また、必要始動電力はコントローラ16が持っている、エンジンオイル温度と必要始動電力との関係を示すテーブルを参照して求める。次に、コントローラ16は、バッテリ16の電池電力を演算する(S3)。電池電力は、バッテリ16の開回路電圧を検出することで演算できる。バッテリ16の開回路電圧とSOCの値との間には相関関係があるからである。具体的には、電池電力は、開回路電圧と電池電力との関係を示すテーブルを参照して求めることになる。
First, the
コントローラ16は、演算した必要始動電力が電池電力よりも小さいか否かを判断する(S4)。必要始動電力が電池電力よりも大きければ(S4:NO)、エンジン2の始動は不可能であると判断して処理を終了する。一方、必要始動電力が電池電力よりも小さければ(S4:YES)、コントローラ16は電力回復時間を演算する(S5)。電力回復時間は、エンジン2の始動に電力を供給した場合、万が一エンジン2が始動できなかったときに次にエンジン2の始動が可能になるまでの時間であり、バッテリ16のSOCが回復するまでの時間に相当する。図21で示すと、クランキングの時間間隔T3に相当する時間である。
The
コンとロータ16は、電力回復時間の演算後、モータ1を駆動してクランキングをし、エンジン2を始動させる(S6)。クランキングによってエンジン2が始動すれば(S7:YES)、処理を終了する。一方、クランキングによってエンジン2が始動できなければ(S7:NO)、演算された電力回復時間だけ待って、S2のステップの処理に戻る(S8)。
After calculating the power recovery time, the controller and the
以上のようにしてエンジン2を始動させるようにすると、バッテリ15の電力は、図22に示すように、クランキング中はDに示すように急激に減少するが、電力回復時間の間にEに示すようにクランキングに必要な電力以上の電力まで回復し、再度のクランキング中にFに示すように減少するということを繰り返す。したがって、図20に示すように連続的にクランキングさせるのとは違って、エンジンの始動不能に陥ってしまうようなことがなくなり、エンジンの始動回数を増やすことができる。
When the
本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車の電池システムに利用することができる。 The present invention can be used in battery systems for hybrid vehicles and electric vehicles.
1 モータ、
2 エンジン、
10 高出力電池、
15 バッテリ、
16 コントローラ、
20 高容量電池。
1 motor,
2 engine,
10 High power battery,
15 battery,
16 controller,
20 High capacity battery.
Claims (13)
前記高出力電池と前記高容量電池との[充電状態(SOC)−開回路電圧]特性の適切な組み合わせによって、前記高出力電池と前記高容量電池との充電状態バランスを早期に回復させるようにしたことを特徴とする電池システムの充電状態バランス回復方法。 A battery system in which a high-power battery having a small internal resistance and a small capacity and a high-capacity battery having an internal resistance larger than that of the high-power battery and having a capacity larger than that of the high-power battery are connected in parallel. The state of charge balance recovery method of
The charge state balance between the high-power battery and the high-capacity battery is restored early by an appropriate combination of the [charge state (SOC) -open circuit voltage] characteristics of the high-power battery and the high-capacity battery. A method for recovering the state of charge balance of a battery system.
前記電池システムから負荷に電流を供給する段階と、
前記負荷に電流を供給した後、前記高出力電池と前記高容量電池との充電状態(SOC)が近づいて電池システムの充電状態バランスを回復させる段階と、
を含むことを特徴とする電池システムの充電状態バランス回復方法。 Charge state balance recovery method for a battery system in which a high-power battery having a small internal resistance and a small capacity and a high-capacity battery having a larger internal resistance and a larger capacity than the high-power battery are connected in parallel Because
Supplying current from the battery system to a load;
After supplying current to the load, the state of charge (SOC) of the high-power battery and the high-capacity battery approaches to restore the charge state balance of the battery system;
A method for recovering the state of charge balance of a battery system, comprising:
負荷の起動に必要な電力を演算する段階と、
前記電池システムの充電状態(SOC)から残存容量を演算する段階と、
演算された残存容量が負荷の起動に必要な電力よりも多ければ、前記負荷に電流を供給する段階と、
を含むことを特徴とする請求項9に記載の電池システムの充電状態バランス回復方法。 Supplying a current from the battery system to the load comprises:
Calculating the power required to start the load;
Calculating a remaining capacity from a state of charge (SOC) of the battery system;
Supplying the current to the load if the calculated remaining capacity is greater than the power required to start the load;
The method for recovering the state of charge of a battery system according to claim 9, comprising:
前記負荷に電流を供給した後、前記演算された前記電池システムの充電状態バランスを回復させるための時間だけ前記負荷への電流の供給を停止させる段階を含むことを特徴とする請求項11に記載の電池システムの充電状態バランス回復方法。 Restoring the state of charge of the battery system comprises:
The method of claim 11, further comprising the step of stopping the supply of current to the load for a time required to restore the calculated state of charge balance of the battery system after supplying current to the load. Method for recovering the state of charge of the battery system in the future.
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