JP2009089569A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】単位重量当りのエネルギー密度が高い二次電池を用いつつ、発電機からの電流を全て充電電流として受け止めてもこの二次電池の変形を抑制できる、安全性の高い電源システムを構築する。
【解決手段】本発明の電源システムは、複数個の素電池Ａを直列してなる第１の組電池および複数個の素電池Ｂを直列してなる第２の組電池とを並列に電気接続して構成される電池集合体と、発電機とを含み、第１の組電池の平均充電電圧Ｖ１を第２の組電池の平均充電電圧Ｖ２より小さくし、第１の組電池を抵抗と直列させたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は素電池を複数個組み合わせた電池集合体からなる電源システムに関し、より詳しくは二次電池である素電池を過充電させずに、電池集合体を電源として機能させる技術に関する。

ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池、ならびにリチウムイオン二次電池やリチウムポリマー二次電池などの非水電解質二次電池は、鉛蓄電池より単位重量当りのエネルギー密度が高いので、車両や携帯機器などの移動体に具備する電源として注目されている。特に複数の非水電解質二次電池からなる素電池を直列に接続して、単位重量当りのエネルギー密度が高い電池集合体を構成し、鉛蓄電池に代えてセルスタータ電源（いわゆる、車両の駆動源ではない電源）として車両に搭載すれば、レース用途などにおいて有望と考えられる。

車両用の電源は、始動時にセルスタータとして大電流で放電される一方で、車両の運転時に発電機（定電圧充電器）から送られる電流を受け入れて充電される。鉛蓄電池は比較的大電流での充放電に適した反応機構を有しているが、上述した二次電池は反応機構の関係上、大電流での充放電に適しているとは言い難い。具体的にはこれらの二次電池は、充電末期において各々以下のような弱点を有する。

まずニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池の場合、充電末期に正極から酸素ガスが発生するのだが、雰囲気温度が高くなると正極から酸素ガスが発生する電圧（酸素過電圧）が低下する。仮に酸素過電圧がＶ₁まで低下したｎ個のアルカリ蓄電池を定電圧充電器（定格充電電圧Ｖ₂）が充電する際に、Ｖ₂＞ｎＶ₁の関係を満たしてしまうと、充電が終了せずに酸素ガスが発生し続け、組電池を構成する個々の二次電池（素電池）が電池内圧上昇により変形する虞がある。

次にリチウムイオン二次電池やリチウムポリマー二次電池などの非水電解質二次電池の場合、充電末期に非水電解質を含む電解液が分解しやすくなるのだが、雰囲気温度が高くなるとこの傾向が顕著化し、組電池を構成する素電池が電池内圧上昇により変形する虞がある。

このような課題を解決するためには、特許文献１に示すように、電源として用いる組電池の充電が完了した時点で、さらなる電流を別の回路（側流回路）から通過させるのが有効と考えられる。
特開平０７−０５９２６６号公報

車載技術として特許文献１を転用する場合、側流回路は以下の２つの態様として具現化できる。第１の態様は、車載された他の電動機器（ランプやカーステレオ、カークーラーなど）へ電流を供与する形で側流回路を構成する態様である。第２の態様は、単に電流を消費する抵抗体へ電流を供与する形で側流回路を構成する態様である。

しかし第１の態様を採ると、定電圧充電器が上述した電動機器に過度の電流を供給してこれらの電動機器を故障させる虞がある。また第２の態様を採ると、抵抗体が電流を消費する際に発生する熱が上述した二次電池の雰囲気温度を高めることになるので、素電池が
変形する虞を解消できない。このように単位重量当りのエネルギー密度が高い二次電池を用いて無作為に電池集合体を構成しても、定電圧充電器と組み合わせるのは困難であった。

本発明は上述した課題を解決するためのものであり、単位重量当りのエネルギー密度が高い二次電池を用いつつ、発電機からの電流を全て充電電流として受け止めてもこの二次電池の変形を抑制できる、安全性の高い電源システムを構築することを目的とする。

上述した課題に基づき、本発明の電源システムは、複数個の素電池Ａを直列してなる第１の組電池および複数個の素電池Ｂを直列してなる第２の組電池とを並列に電気接続して構成される電池集合体と、この電池集合体を充電させることができる発電機とを含み、第１の組電池の平均充電電圧Ｖ１を第２の組電池の平均充電電圧Ｖ２より小さくし、第１の組電池を抵抗と直列させたことを特徴とする。

セルスタータ電源のように、絶え間なく発電機からの充電電流を受け入れる必要がある場合、本発明の電源システムを採用すれば、発電機からの電流を全て充電電流として受け止めてもこの二次電池の変形を抑制できる。具体的には、２種の組電池（いずれも素電池を直列して構成される）を並列に電気接続して電池集合体を構成し、第１の組電池の平均充電電圧Ｖ１を第２の組電池の平均充電電圧Ｖ２より小さくし、第１の組電池を抵抗と直列させることで、平素は発電機からの充電電流を第１の組電池が主となって受け入れることができるようになる。なお、発電機から第１の組電池あるいは第２の組電池へは、常に充電電流が流れるわけではなく、例えばブレーキングなどの時には逆に第１の組電池および第２の組電池は車載機器に向けて放電し、再び発電機からの充電電流を受け入れられる状態となる。この形態であれば、過度な発熱を伴う抵抗体を用いないので、電池集合体（特に主電源である第１の組電池）の雰囲気温度を高めることはなく、したがって素電池が変形する虞もない。

本発明によれば、鉛蓄電池より単位重量当りのエネルギー密度が高い二次電池からなる電池集合体からなる電源システムを、安定して提供できるようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図を用いて説明する。

第１の発明は、複数個の素電池Ａを直列してなる第１の組電池および複数個の素電池Ｂを直列してなる第２の組電池とを並列に電気接続して構成される電池集合体と、この電池集合体を充電させることができる発電機とを含む電源システムであって、第１の組電池の平均充電電圧Ｖ１を第２の組電池の平均充電電圧Ｖ２より小さくし、第１の組電池を抵抗と直列させたことを特徴とする。

図１は第１および第２の発明の電源システムを実用化した一例を示すブロック図である。電源システム５は、発電機１と、複数個の素電池Ａを直列してなる第１の組電池２ａおよび複数個の素電池Ｂを直列してなる第２の組電池２ｂとを並列に電気接続して構成される電池集合体と、第１の組電池２ａと直列に接続した抵抗３とからなる。以降、発電機１として定電圧仕様のものを用い、かつ第１の組電池２ａを構成する素電池Ａとして非水電解質二次電池（具体的にはリチウムイオン二次電池）を用い、さらに第２の組電池２ｂを構成する素電池Ｂとしてアルカリ蓄電池（具体的にはニッケル水素蓄電池）を用いた場合について詳述する。

図２は正極活物質としてコバルト酸リチウムを用い、負極活物質として黒鉛を用いたリチウムイオン二次電池を、定電圧仕様の発電機で充電した場合の充電挙動を示す図である。図中、素電池１つ当りの定格電圧が３．８Ｖの場合をＡ、３．９Ｖの場合をＢ、４．０Ｖの場合をＣ、４．１Ｖの場合をＤ、４．２Ｖの場合をＥと記した。

発電機は、一定の電流で定格電圧に達するまでリチウムイオン二次電池を充電し、電流を減衰させながらリチウムイオン二次電池を定電圧充電する。例えば図２のように発電機の定格電圧がリチウムイオン二次電池１個当り３．９Ｖの場合、ＳＯＣ（ここでは素電池１つ当りの定格電圧が３．９Ｖの充電容量を素電池１つ当りの定格電圧が４．２Ｖの充電容量で除した値）は７３％となるが、発電機の定格電圧がリチウムイオン二次電池１個当り４．１Ｖの場合、ＳＯＣは９１％となる。（表１）は図２を基にして、リチウムイオン二次電池１個当りの発電機の定格電圧とＳＯＣとの関係を示したものである。

リチウムイオン二次電池は、充電後のＳＯＣが１００％近傍になると、非水電解質を含む電解液の成分（主にカーボネート）が分解しやすくなる。このような状態のリチウムイオン二次電池に対し、発電機１からさらに充電電流が供給されることを避けるため、充電後のＳＯＣが１００％近傍を示す電圧よりも低い領域において、抵抗３の働きで大きな充電電流が第１の組電池２ａに流れず、第２の組電池２ｂに優先的に流れるようにしたものである。

本発明の電源システムの具体的な動作について、さらに説明する。

ＳＯＣが低い領域では、第１の組電池２ａの平均充電電圧Ｖ１は第２の組電池２ｂの平均充電電圧Ｖ２より小さいので、発電機１からの充電電流は優先的に第１の組電池２ａに供給される。

ここで素電池Ｂであるニッケル水素蓄電池は充電電圧の平坦性が高いので、ＳＯＣが１００％に近づいても第２の組電池２ｂの充電電圧が急激に増加することはない。一方、素電池Ａであるリチウムイオン二次電池は充電電圧の平坦性が低いので、満充電（ＳＯＣ１００％）が近づくとＳＯＣの上昇に伴って第１の組電池２ａの充電電圧は急激に増加する。すなわち第１の組電池の平均充電電圧Ｖ１を第２の組電池の平均充電電圧Ｖ２より小さくしても、ＳＯＣが１００％に近づくと、第１の組電池２ａの充電電圧は、第２の組電池２ｂの充電電圧より大きくなる。

素電池Ａであるリチウムイオン二次電池を大きな電流で充電すると充電電圧が上昇して過充電になり、性能が著しく劣化するだけでなく、信頼性を損なう可能性がある。それを防止するため、適正な抵抗値を有する抵抗３を第１の組電池２ａと直列に接続することにより、第１の組電池２ａの充電電圧が見かけ上大きくなる。具体的には、第１の組電池２ａの真の電圧に、充電電流に応じた充電電圧の差分（抵抗３の抵抗値と電流との積で求められる電圧の変化）が加算され、充電電圧の関係が見かけ上逆転する（第１の組電池２ａ＞第２の組電池２ｂとなる）。充電電圧の関係が逆転した後は、逆に発電機１からの充電電流は優先的に第２の組電池２ｂに供給される。第１の発明を活用すれば、大きな充電電流が発生したときには上述した逆転現象が生じるＳＯＣがより低い方にシフトするため、第１の組電池２ａを構成するリチウムイオン二次電池が過充電される虞がなくなる。

なお、発電機１から第１の組電池２ａあるいは第２の組電池２ｂへは、常に充電電流が流れるわけではなく、例えばブレーキングなどの時には逆に第１の組電池２ａおよび第２の組電池２ｂは車載機器６に向けて放電し、再び発電機１からの充電電流を受け入れられる状態となる。

第１の組電池２ａの平均充電電圧Ｖ１と第２の組電池２ｂの平均充電電圧Ｖ２との関係を上述のようにすることで、電源システムの構成を簡素化できる。例えば図１において、素電池Ｂをアルカリ蓄電池（具体的にはニッケル水素蓄電池、平均充電電圧は１セル当たり１．４Ｖ）とした場合、１２個の素電池Ｂからなる第２の組電池２ｂの平均充電電圧Ｖ２は１６．８Ｖとなり、４個のリチウムイオン二次電池（平均充電電圧は１セル当たり３．８Ｖ）からなる第１の組電池２ａの平均充電電圧Ｖ１の値（１５．２Ｖ）との比Ｖ２／Ｖ１は１．１１となる。通常、発電機１は定電圧仕様なので、上述の態様のように第１の組電池２ａの平均充電電圧Ｖ１を第２の組電池２ｂの平均充電電圧Ｖ２より小さくなるように構成することにより、一方の組電池を変圧するなどの煩雑な手段を用いることなく、簡便に本発明の電源システム７が構成できる。

第２の発明は、第１の発明において、抵抗３の抵抗値を素電池Ａ１つ当たり３０ｍΩ以上１１８ｍΩ以下としたことを特徴とする。抵抗３の抵抗値が３０ｍΩ未満だと第１の組電池２ａのＳＯＣが過剰になるまで充電されるので好ましくなく、１１８ｍΩを超えると第１の組電池２ａの充電電気量が不十分な段階で充電電流が遮断されるので好ましくない。

第３の発明は、第１の発明において、抵抗３にスイッチを並列させ、第１の組電池２ａの電圧を逐次測定しつつこの電圧が経時的に減少したときにスイッチをオンにする制御部を設けたことを特徴とする。第４の発明は、第３の発明において、第１の組電池２ａの電圧が放電終止電圧Ｖｓに達した時に、制御部がスイッチをオフにするようにしたことを特徴とする。第５の発明は、第１の発明において、抵抗３にダイオードを並列させたことを特徴とする。

図３は第３〜５の発明の電源システムを実用化した一例を示すブロック図である。抵抗３に並列してスイッチ６を設けるとともに制御部７を設け、この制御部７が第１の組電池２ａの電圧を逐次測定しつつ第１の組電池２ａの電圧が経時的に減少したときにスイッチ６をオンにすることで、第１の組電池２ａを短時間で所定の状態（放電終止電圧Ｖｓ）まで放電させることができるようになる。なお第１の組電池２ａの電圧が放電終止電圧Ｖｓに達したときに制御部７がスイッチ６をオフにすることで、第１の組電池２ａが必要以上に放電されるのを防ぐことができる。またダイオード８は、抵抗３を補助する形で第１の組電池２ａを放電させる働きを有する。

第６の発明は、第１の発明において、平均充電電圧Ｖ１と平均充電電圧Ｖ２との比Ｖ２／Ｖ１が１．０１以上１．１８以下を満たすことを特徴とする。具体的には、比Ｖ２／Ｖ１が１．０１未満の場合は、発電機１からの充電電流が第２の組電池２ｂに流れやすくなって第１の組電池２ａが効率的に充電されなくなり、１．１８を超える場合は第１の組電池２ａが過充電になりやすいので、ともに好ましくない。

平均充電電圧の求め方について記す。素電池がリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池の場合、充電終止電圧は正極や負極に用いる活物質の特質に応じて人為的に設定されるが、通常は４．２Ｖである。図２を参照すると、充電終止電圧を４．２ＶとしたＥの充電容量は２５５０ｍＡｈである。この場合、充電容量が１２７５ｍＡｈ（４．２Ｖ充電した場合の充電容量の半分）の時点の電圧（３．８Ｖ）が、非水電解質二次電池１セル当たりの平均充電電圧である。一方、素電池がニッケル水素蓄電池などのアルカリ蓄電
池の場合、正極活物質である水酸化ニッケルの特質として、完全充電完了と同時に酸素過電圧によって充電電圧が低下する。この完全充電容量の半分の時点の電圧が、アルカリ蓄電池の平均充電電圧である。

第７の発明は、第１の発明において、素電池Ａとして非水電解質二次電池を用いたことを特徴とする。リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池は、アルカリ蓄電池などに比べてエネルギー密度が高いので、本発明の電源システムにおける充電電流の主たる受け入れ先として好ましい。一方で非水電解質二次電池は、高温環境下で電解液成分が分解するなどの課題をも有するので、発熱が著しい抵抗体に代えて第２の組電池を用いた本発明の主旨にも良く合致する。

第８の発明は、第７の発明において、非水電解質二次電池の正極の活物質にコバルトを含むリチウム複合酸化物を用いたことを特徴とする。コバルト酸リチウムなどのコバルトを含むリチウム複合酸化物を正極の活物質に用いることで非水電解質二次電池の放電電圧が高くなり、エネルギー密度を高めやすくなる。

第９の発明は、第７の発明において、放電終止電圧Ｖｓを、素電池Ａ１つ当り２．２Ｖ以上３．７Ｖ以下としたことを特徴とする。第３の発明に基づきスイッチ３を用いて第１の組電池２ａを放電したときに、放電終了電圧Ｖｓを２．２Ｖ未満に設定すると素電池Ａが過放電されるので好ましくなく、３．７Ｖを超えて設定すると第１の組電池２ａの１回当りの放電電気量が過小なため頻繁に放電を繰り返すようになるので好ましくない。

第１０の発明は、第７の発明において、第１の組電池２ａに、素電池Ｃとしてアルカリ蓄電池をさらに直列したことを特徴とする。第１１の発明は、第１０の発明において、素電池Ｃの容量を素電池Ａの容量よりも大きくしたことを特徴とする。

本発明の電源システム４において素電池Ａとして非水電解質二次電池を用いた場合、図２に示す充電挙動から、素電池Ａが１セル当たり４．０Ｖ近傍で充電を完了させると、満充電（ＳＯＣ＝１００％、充電終止電圧４．２Ｖ）に対してマージンを設定できる。しかし一方で、発電機１として汎用の鉛蓄電池仕様のものを用いる場合、定格電圧は１４．５Ｖであり、４．０Ｖの整数倍とはならず端数（２．５Ｖ）が生じる。そこで平均充電電圧が１．４Ｖ近傍であるアルカリ蓄電池（素電池Ｃ）を適宜、素電池Ａと直列することにより、上述した端数に対応することが可能となる。具体的には、平均充電電圧が３．８Ｖであるリチウムイオン二次電池を素電池Ａとして３個直列し、さらに平均充電電圧が１．４Ｖであるニッケル水素蓄電池を素電池Ａとして２個直列した場合、第１の組電池２ａの平均充電電圧Ｖ１は１４．２Ｖとなる。ここで素電池Ｃであるニッケル水素蓄電池は充電電圧の平坦性が高いので、素電池Ｃの容量を素電池Ａの容量よりも大きくすれば、ニッケル水素蓄電池の平坦な充電電圧を活用して、残る０．３Ｖ（発電機１の定格電圧である１４．５Ｖから、第１の組電池２ａの平均充電電圧Ｖ１である１４．２Ｖを減じた値）を３個の素電池Ａの充電に振り分けられるので、結果的に素電池Ａ（リチウムイオン二次電池）は１セル当たり３．９Ｖ（ＳＯＣ換算で７３％）まで充電できるようになる。

第１２の発明は、第１の発明において、素電池Ｂとしてアルカリ蓄電池を用いたことを特徴とする。上述したように、アルカリ蓄電池は、正極活物質である水酸化ニッケルの特質として、完全充電完了と同時に温度上昇を伴うことで、酸素過電圧が低下して充電電圧が低下するので、自らを破壊するような高電圧に晒されることがない。さらには上述したように、アルカリ蓄電池は充電電圧の平坦性が高いので、これを第２の組電池２ｂに適用することで、任意のＳＯＣにおいて充電電圧の関係を明確に逆転させる（明確に第１の組電池２ａ＞第２の組電池２ｂとさせる）ことができ、第２の組電池２ｂを構成するのに適している。

なお素電池Ａとしてリチウムイオン二次電池を用いた例を示したが、非水電解質二次電池の中でも電解液をゲル状にしたリチウムポリマー二次電池などを用いても、同様の結果が得られる。また素電池Ａとしてニッケル水素蓄電池を用いた例を示したが、ニッケルカドミウム蓄電池などを用いても、同様の結果が得られる。

本発明の電源システムは、鉛蓄電池より単位重量当りのエネルギー密度が高い非水電解質二次電池からなる組電池を用いるので、レース用車両のセルスタータ電源として利用可能性が高く、その効果は大きい。

本発明の電源システムを実用化した一例を示すブロック図 素電池の一例であるリチウムイオン二次電池の、常温における初期の充放電挙動を示す図 本発明の電源システムを実用化した他の例を示すブロック図

符号の説明

１ 発電機
２ａ 第１の組電池
２ｂ 第２の組電池
３ 抵抗
４ 電源システム
５ 車載機器
６ スイッチ
７ 制御部
８ ダイオード

Claims (12)

1. 複数個の素電池Ａを直列してなる第１の組電池と、複数個の素電池Ｂを直列してなる第２の組電池とを並列に電気接続して構成される電池集合体と、
   この電池集合体を充電させることができる発電機とを含む電源システムであって、
   前記第１の組電池の平均充電電圧Ｖ１を前記第２の組電池の平均充電電圧Ｖ２より小さくし、
   前記第１の組電池を抵抗と直列させたことを特徴とする電源システム。
2. 前記抵抗の抵抗値を、前記素電池Ａ１つ当たり３０ｍΩ以上１１８ｍΩ以下としたことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
3. 前記抵抗にスイッチを並列させ、かつ前記第１の組電池の電圧を逐次測定しつつこの電圧が経時的に減少したときに前記スイッチをオンにする制御部を設けたことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
4. 前記第１の組電池の電圧が放電終止電圧Ｖｓに達した時に、前記制御部が前記スイッチをオフにするようにしたことを特徴とする、請求項３記載の電源システム。
5. 前記抵抗にダイオードを並列させたことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
6. 前記第１の組電池の平均充電電圧Ｖ１と前記第２の組電池の平均充電電圧Ｖ２との比Ｖ２／Ｖ１が１．０１以上１．１８以下を満たすことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
7. 前記素電池Ａとして非水電解質二次電池を用いたことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
8. 前記非水電解質二次電池の正極の活物質にコバルトを含むリチウム複合酸化物を用いたことを特徴とする、請求項７記載の電源システム。
9. 前記放電終止電圧Ｖｓを、前記素電池Ａ１つ当り３．８５Ｖ以上３．９５Ｖ以下としたことを特徴とする、請求項７記載の電源システム。
10. 前記第１の組電池に、素電池Ｃとしてアルカリ蓄電池をさらに直列したことを特徴とする、請求項７記載の電源システム。
11. 前記素電池Ｃの容量を、前記素電池Ａの容量よりも大きくしたことを特徴とする、請求項１０記載の電源システム。
12. 前記素電池Ｂとしてアルカリ蓄電池を用いたことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。

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