JP2008041620A - 組電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】大電流が要求されるときには、常に満充電された高出力型電池を高容量型電池へ並列接続させることができ、十分な電流供給能力を発揮する組電池システムを提供する。
【解決手段】高出力型電池２は、高容量型電池３より相対的に大きな電流で充放電可能であり、高容量型電池３は、高出力型電池２より相対的に大きな蓄電容量を有する。バッテリリレー４は、高出力型電池２を任意に高容量型電池３へ並列接続または切り離す接続手段である。リレー制御回路５は、イグニッションスイッチ１０のスタートポジション（ＳＴ）等、高容量型電池３が供給可能な電流以上の出力電流が要求されるときに、高出力型電池４を高容量型電池３へ並列接続させ、並列接続状態で高出力型電池２の充電が完了したときに、高出力型電池２を高容量型電池３から切り離すように、バッテリリレー４を制御する制御手段である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高出力型電池と高容量型電池とを備えた組電池システムに関する。

電池の電気的特性の設計方法として、充放電電流の大きさを重視して設計する方法と、充放電容量の大きさを重視する方法とがある。しかしながら同一重量、同一容積で電池を設計すると、充放電電流を大きくすれば、充放電容量（充放電可能な電力量）が低下し、逆に充放電容量を大きくすれば、充放電電流（充放電可能な最大電流値）が低下するというように、両者が相反する結果となることが多い。

特に、自動車用電池では、エンジン始動時にスタータモータに大電流を供給する能力が必要とされるとともに、ある程度の充放電容量が要求され、車両性能の点からは、電池重量及び電池容積は、軽く小さいほど好ましい。

このような特性を実現するシステムとして、出力特性の高い高出力型電池と、容量特性の高い高容量型電池とを並列接続して、限られた容積及び重量で、出力特性と容量特性とを両立させた組電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００６−７９９８７号公報（第３頁、図１）

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術のように、常に高出力型電池と高容量型電池とを常に並列接続していると、高出力型電池の蓄電容量（ＳＯＣ）が少なくなり、電池の放電可能電流が低下して、要求出力電流が取り出せなくなるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、高出力型電池と高容量型電池とを備えた組電池システムであって、前記高出力型電池は、前記高容量型電池より相対的に大きな電流で充放電可能であり、前記高容量型電池は、前記高出力型電池より相対的に大きな蓄電容量を有し、前記高出力型電池を任意に前記高容量型電池へ並列接続または切り離す接続手段と、前記高容量型電池が供給可能な電流以上の出力電流が要求されるときに、前記高出力型電池を前記高容量型電池へ並列接続させ、並列接続状態で前記高出力型電池の充電が完了したときに、前記高出力型電池を前記高容量型電池から切り離すように前記接続手段を制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、充電完了状態で高出力型電池を切り離し、高容量型電池が供給可能な電流以上の出力電流が要求されるときに、高出力型電池を高容量型電池へ並列接続させることができるので、大電流が要求されるときには、常に満充電された高出力型電池を高容量型電池へ並列接続させることができ、十分な電流供給能力を発揮する組電池システムを提供することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る組電池システムの構成を説明するシステム構成図であり、特に出力性能と容量性能とを両立させた高性能な自動車用電池に最適な例を示す。

図１において、組電池システム１は、高出力型電池２と、高容量型電池３と、高出力型電池２を任意に高容量型電池３へ並列接続または切り離す接続手段としてのバッテリリレー４と、高容量型電池３が供給可能な電流以上の出力電流が要求されるときに、高出力型電池２を高容量型電池３へ並列接続させ、並列接続状態で電池の充電が完了したときに、高出力型電池２を高容量型電池３から切り離すように、バッテリリレー４を制御する制御手段としてのリレー制御回路５と、を備えている。

高出力型電池２は、高容量型電池３より相対的に大きな電流で充放電可能であり、高容量型電池３は、高出力型電池２より相対的に大きな蓄電容量を有している。本実施例においては、高出力型電池２及び高容量型電池３は、例えば共にリチウムイオン蓄電池であり、それぞれ４セルを直列接続している。

リチウムイオン蓄電池の場合、高出力型電池２の負極活物質としては、ハードカーボン（難黒鉛化炭素材料）、高容量型電池３の負極活物質としては、グラファイト（黒鉛）を利用可能である。また、高出力型電池２の正極活物質としては、リチウム・マンガン系複合酸化物、高容量型電池３の正極活物質としては、リチウム・ニッケル系複合酸化物を利用可能である（詳細は、特許文献１を参照）。

そして、例えば、高出力型電池２の蓄電容量は、例えば４［Ａｈ］、高容量型電池３の蓄電容量は、例えば３２［Ａｈ］である。ここで、高出力型電池２及び高容量型電池３の各蓄電容量に対する残存容量の比（ＳＯＣ:State Of Charge）と、電池電圧とは、同じ特性となるのが望ましい。即ち、高出力型電池２及び高容量型電池３がそれぞれ等しい％のＳＯＣであれば、両者は等しい電池電圧となるのが望ましい。

また、図１において、本実施例の組電池システム１は、高容量型電池３の温度又は外気温度を検出する温度センサ６と、高容量型電池３の電圧を検出する電圧センサ７と、高出力型電池２の電流を検出する電流センサ８ａと、高容量型電池３の電流を検出する電流センサ８ｂと、図示しないエンジンで駆動されて発電するオルターネータ等を備えた発電装置９と、イグニッションスイッチ１０と、スタータリレー１１と、スタータモータ（エンジン始動用電動機）１２とを備えている。尚、イグニッションスイッチ１０は、オフ（ＯＦＦ）、アクセサリ（ＡＣＣ）、イグニッション（ＩＧＮ）、スタート（ＳＴ）からなる周知の４ポジションを備えたものとするが、本発明に関係するスタートポジション以外の接続は、省略してある。

リレー制御回路５には、温度センサ６，電圧センサ７，電流センサ８ａ，８ｂの各センサ、及びイグニッションスイッチ１０のスタート接点（ＳＴ）が接続されていて、高容量型電池３の温度又は外気温度、高容量型電池３の電圧、高出力型電池２の充放電電流、高容量型電池３の充放電電流及びイグニッションスイッチ１０のスタートポジションを検知可能となっている。

次に、リレー制御回路５の動作を説明する。リレー制御回路５は、電流センサ８ａ、８ｂにより、それぞれ高出力型電池２、高容量型電池３の充放電電流をモニタし、高出力型電池２及び高容量型電池３の残存容量を計算している。

尚、残存容量の算出方法は、例えば各電池の満充電状態からの充放電電流の積算値に基づいて検出する等、公知の算出方法を用いればよく、ここでは詳述しない。

リレー制御回路５は、イグニッションスイッチ１０がスタートポジションに操作されたことを検出したときに、高容量型電池３が供給可能な電流以上の出力電流が要求されたとして、バッテリリレー４のコイルに駆動電流を流して、バッテリリレー４をオンさせる。これにより、高出力型電池２が高容量型電池３に並列接続されて、大電流を供給可能となる。このバッテリリレー４のオンと前後して、イグニッションスイッチのスタートポジションからスタータリレー１１へ駆動電流が供給されて、スタータリレー１１がオンとなる。この結果、スタータモータ１２が内蔵するマグネットスイッチがオンとなり、スタータモータに電流が流れて、図示しないエンジンリングギヤを回転させて、図示しないエンジンを始動させる。

エンジン始動後、エンジンにより発電装置９が発電を開始し、発電装置９が発電した電力が高出力型電池２及び高容量型電池３へ充電される。このとき、リレー制御回路５は、バッテリリレー４のオン状態を維持する。高出力型電池２及び高容量型電池３の充電が進み、例えば、電圧センサ７が検出した電圧が高出力型電池２の充電完了電圧に達すると、リレー制御回路５が高出力型電池２の充電が完了したと判断して、バッテリリレー４をオフして高出力型電池２を高容量型電池３から切り離す。これにより、高出力型電池２は、満充電の状態で切り離され、次にエンジン始動により大電流が必要な場合、常に大電流を供給可能となっている。

尚、高出力型電池２を高容量型電池３へ並列接続する時に、高容量型電池３の残存容量（ＳＯＣ）が少ない場合、電池の特性によっては、高出力型電池２から高容量型電池３へ許容電流を上回る大電流が流れることがある。このような不都合を避けるためには、温度センサ６が検出した温度が所定温度より低温時となって高容量型電池３の内部抵抗が大きくなるときのみに、高出力型電池２を高容量型電池３へ接続手段であるバッテリリレー４を介して並列接続するように、リレー制御回路５が制御すればよい。

ここで、所定温度は、温度センサ６が検出した温度と高容量型電池３の残存容量との関数として、予めバッテリリレー制御回路５に記憶した温度であり、満充電の高出力型電池２をそれぞれの温度及び残存容量の高容量型電池３に並列接続しても許容電流を超えないことを実験的に確認した値を設定するものとする。

次に、図２を参照して、本発明の効果を説明する。図２は、各電池の温度が−３０［℃］における出力を示すグラフであり、（ａ）本実施例における高出力型電池（ＳＯＣ１００％）と高容量型電池（ＳＯＣ３０％）の並列接続による出力、（ｂ）比較例(1) 高出力型電池（ＳＯＣ５０％）と高容量型電池（ＳＯＣ５０％）の並列接続による出力、（ｃ）比較例(2) 高出力型電池（ＳＯＣ１００％）のみの出力、（ｄ）比較例(3) 高出力型電池（ＳＯＣ１００％）の出力と高容量型電池（ＳＯＣ３０％）の出力の和による仮想的な出力をそれぞれ示す。

図２（ａ）の本実施例と、図２（ｂ）の比較例(1) である従来例とを比較すると、図２（ｂ）の従来例は、高出力型電池と高容量型電池とを常に並列接続した状態で使用しているために、大電流が必要となったときに、高出力型電池のＳＯＣが５０％まで低下しているので、図２（ａ）の本実施例より供給できる電流が少なくなっている。

図２（ａ）の本実施例と、図２（ｃ）の比較例(2) の高出力型電池（ＳＯＣ１００％）単体の出力とを比較すれば、当然、高容量型電池（ＳＯＣ３０％）の出力も加わる本実施例の出力の方が大きい。

図２（ａ）の本実施例と、図２（ｄ）の比較例(3) の高出力型電池（ＳＯＣ１００％）の出力と高容量型電池（ＳＯＣ３０％）の出力の和による仮想的な出力とを比較すれば、本実施例は、高容量型電池に高出力型電池を並列接続した瞬間に、高出力型電池から高容量型電池へ電流が流れる。このため、高出力型電池のＳＯＣは低下するが、高出力型電池及び高容量型電池の温度が上昇して、両電池の化学的活性が増加し、出力電流及び出力電圧が大きくなり、結果として出力電力が増大する。

本発明に係る組電池システムの構成を説明するシステム構成図である。 本発明の効果を説明する図である。

符号の説明

１…組電池システム
２…高出力型電池
３…高容量型電池
４…バッテリリレー（接続手段）
５…リレー制御回路（制御手段）
６…温度センサ
７…電圧センサ
８ａ，８ｂ…電流センサ
９…発電装置
１０…イグニッションスイッチ
１１…スタータリレー
１２…スタータモータ

Claims (4)

1. 高出力型電池と高容量型電池とを備えた組電池システムであって、
   前記高出力型電池は、前記高容量型電池より相対的に大きな電流で充放電可能であり、前記高容量型電池は、前記高出力型電池より相対的に大きな蓄電容量を有し、
   前記高出力型電池を任意に前記高容量型電池へ並列接続または切り離す接続手段と、
   前記高容量型電池が供給可能な電流以上の出力電流が要求されるときに、前記高出力型電池を前記高容量型電池へ並列接続させ、並列接続状態で前記高出力型電池の充電が完了したときに、前記高出力型電池を前記高容量型電池から切り離すように前記接続手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする組電池システム。
2. 周囲温度または前記高容量型電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記温度検出手段が検出した温度が、前記高容量型電池の電流供給能力が予め定められた所定の下限電流値となる温度以下となったときに、前記高出力型電池を前記高容量型電池へ並列接続させるように前記接続手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の組電池システム。
3. 前記組電池システムは、自動車のエンジンを始動するエンジン始動用電動機へ電力を供給する電源であり、
   前記高容量型電池が供給可能な電流以上の出力電流が要求されるときは、エンジン始動時であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の組電池システム。
4. 前記高出力型電池と前記高容量型電池とは、共にリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の組電池システム。

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