JP2012120403A

JP2012120403A - 二次電池システム及び電動車両

Info

Publication number: JP2012120403A
Application number: JP2010270515A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fujinaga; 隆藤永; Koji Mitsuyama; 康志光山; Hideki Hashimoto; 英樹橋本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-06-21
Also published as: WO2012074094A1

Abstract

【課題】並列接続した複数の電池の寿命を均一化すること可能にする二次電子システム及びこれを備えた電動車両を提供する。
【解決手段】互いに並列に接続された複数の充電用電池２〜４と、充電用電池２〜４から入力された電圧を調整して出力するコンバータ５と、コンバータ５の出力によって充電され、負荷６に電力を供給する作動用電池７とを備えて二次電池システムＡを構成する。また、コンバータ５と充電用電池２〜４との間に、いずれかの充電用電池２〜４を選択的にコンバータ５に接続する切り替え手段８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池システム及びこれを備えた電動車両に関する。

電気自動車などの電動車両では、一般に、搭載される電池が大容量化された場合、図７に示すように電池１を並列接続して対応するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３３２０２３号公報

しかしながら、複数の電池を並列接続してなる電池システムにおいては、単純に並列接続したとしても、個々の電池の電力が均一に減少せず、各電池の寿命が不均一になってしまう。このため、電池交換式等、異なる履歴を有し、劣化度も異なる電池を並列接続して組み合わせた場合であっても、各電池の寿命を均一化することを可能にする手法が強く望まれていた。

本発明の二次電池システムは、互いに並列に接続された複数の充電用電池と、前記充電用電池から入力された電圧を調整して出力するコンバータと、前記コンバータの出力によって充電され、負荷に電力を供給する作動用電池とを備えることを特徴とする。

この発明においては、電池を充電用電池と作動用電池とに分け、並列接続した複数の充電用電池からコンバータで電圧を調整して作動用電池に出力し、この作動用電池の充電を行い、作動用電池からモータ等の負荷に電力を供給するように構成することで、並列接続した複数の電池（充電用電池）の寿命を均一化することが可能になる。

また、本発明の二次電池システムにおいては、前記コンバータと前記充電用電池との間に、いずれかの前記充電用電池を選択的に前記コンバータに接続する切り替え手段を備えることが望ましい。

この発明においては、例えば各充電用電池の蓄電量に応じ、複数の充電用電池から選択的にいずれかの充電用電池を切り替え手段でコンバータに接続することができる。これにより、異なる履歴を有し、劣化度も異なる電池を充電用電池として並列接続して組み合わせた場合であっても、確実に複数の電池（充電用電池）の寿命を均一化することが可能になる。

さらに、本発明の二次電池システムにおいて、前記コンバータは、前記作動用電池の残量が所定以下になるとともに前記作動用電池に所定量ずつの充電と停止を繰り返すように構成されていることがより望ましい。

この発明においては、作動用電池が予め規定した所定の残量以下になり、コンバータによって充電用電池から作動用電池に充電する際に、満充電するのではなく、作動用電池に所定量ずつ充電するようにして、細やかな充電を繰り返し行うようにする。これにより、放電から満充電を繰り返す場合と比較し、作動用電池の寿命を延ばすことが可能になる。

また、本発明の二次電池システムにおいて、前記切り替え手段は、前記充電用電池の電圧及び／又は前記作動用電池の充電電流の検出値に基づいて切り替えを行うように構成されていることがさらに望ましい。

この発明においては、充電用電池の電圧や作動用電池の充電電流を検出し、これに基づいて切り替え手段の切り替えを行うようにすることで、確実に複数の充電用電池の寿命を均一化することが可能になる。

本発明の電動車両は、上記のいずれかの二次電池システムを備えることを特徴とする。

この発明においては、上記のいずれかの二次電池システムの作用効果を電動車両に付与することができる。

また、本発明の電動車両においては、前記作動用電池が設けられた駆動車両と、前記充電用電池が設けられ、前記駆動車両にけん引されるけん引車両とを備えて構成されていることが望ましい。

この発明においては、駆動車両に作動用電池のみが搭載され、充電用電池を設けたけん引車両を駆動車両でけん引するように構成されているため、車両開発のコストを抑えることが可能になる。また、けん引車両ごと交換することで、容易に且つ短時間で効率的に充電用電池の交換を行うことが可能になる。さらに、充電用電池を搭載したけん引車両は、単体で災害時、イベント会場、工事などの電源として活用することも可能になる。

本発明の二次電池システム及びこれを備えた電動車両においては、電池を充電用電池と作動用電池とに分け、並列接続した複数の充電用電池からコンバータで電圧を調整して作動用電池に出力して充電を行い、この作動用電池からモータ等の負荷に電力を供給するように二次電池システムを構成することで、並列接続した複数の電池（充電用電池）の寿命を均一化することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る二次電池システムを示す図である。本発明の一実施形態に係る二次電池システムにおける作動用電池の充電方法を示す図である。本発明の一実施形態に係る電動車両を示す図である。従来の小容量タイプの電動車両を示す図である。従来の大容量タイプの電動車両を示す図である。本発明の一実施形態に係る二次電池システムの変形例を示す図である。従来の二次電池システムを示す図である。

以下、図１から図６を参照し、本発明の一実施形態に係る二次電池システム及びこれを備えた電動車両について説明する。

本実施形態の二次電池システムＡは、図１に示すように、互いに並列に接続された複数の充電用電池２、３、４と、充電用電池２〜４から入力された電圧を調整して出力するコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）５と、コンバータ５の出力によって充電され、モータ等の負荷６に電力を供給する作動用電池７とを備えて構成されている。また、本実施形態では、複数の充電用電池２〜４と作動用電池７の各電池２、３、４、７の電力量が例えば１５ｋＷｈとされている。

さらに、本実施形態の二次電池システムＡにおいては、コンバータ５と充電用電池２〜４との間に、いずれかの充電用電池２〜４を選択的にコンバータ５に接続する切り替え手段（電池切替部）８を備えている。

また、この二次電池システムＡは、充電用電池２〜４の電圧を検出する第１電圧検出手段９と、作動用電池７の電圧を検出する第２電圧検出手段１０と、作動用電池７の充電電流を検出する電流検出手段１１とを備えている。そして、コンバータ５と第１電圧検出手段９と第２電圧検出手段１０と電流検出手段１１とによって充電器機能部１２が構成されている。

また、この二次電池システムＡは、第１電圧検出手段９と第２電圧検出手段１０と電流検出手段１１による検出値が制御手段１３に送られ、制御手段１３が充電用電池２〜４の電圧及び／又は作動用電池７の充電電流の検出値に基づいて切り替え手段８とコンバータ５を制御するように構成されている。

上記構成からなる本実施形態の二次電池システムＡにおいては、電池１を充電用電池２〜４と作動用電池７とに分け、並列接続した複数の充電用電池２〜４からコンバータ５で電圧を調整して作動用電池７に出力し、この作動用電池７の充電を行う。そして、従来のように並列接続した複数の電池１からモータ等の負荷６に電力を供給するのではなく、作動用電池７から負荷６に電力を供給する。

また、このとき、各充電用電池２〜４の蓄電量に応じ、複数の充電用電池２〜４から選択的にいずれかの充電用電池２〜４を切り替え手段８でコンバータ５に接続する。また、例えば３つの充電用電池２〜４を並列接続して設けた場合、これらの充電用電池２〜４は、全ての充電用電池２〜４を規定下限の蓄電量まで使った後に充電するわけではなく、切り替え手段８によって各充電用電池２〜４の蓄電量に応じて順次充電用電池２〜４をコンバータ５に接続し、早ければ２つ目の充電用電池３を使用している途中、遅くとも３つ目の充電用電池４を使用している途中で充電を行う。そして、電池２〜４の繰り返し使用寿命は、消費電力量が大きいほどに短くなるため、このように切り替え手段８で充電用電池２〜４を選択的に使用することで、各充電用電池２〜４の余寿命の均一化が図れることになる。

さらに、各充電用電池２〜４の残蓄電量（残量）を合わせた全蓄電量を一定として、履歴の異なる充電用電池２〜４を組み合わせる場合には、余寿命の長い充電用電池２の切替残量を小さくとる。すなわち、例えば、３つの充電用電池２〜４があり、充電用電池２、充電用電池３、充電用電池４の順に余寿命が長いとする。３つの充電用電池２〜４の平均切替残量を満充電の２０％に設定すると、余寿命が最も長い充電用電池２は残量１５％まで、２番目に余寿命が長い充電用電池３は残量２０％まで、余寿命が最も短い充電用電池４は残量２５％まで使うように、切り替え手段８によって切り替えを行う。これにより、より確実に各充電用電池２〜４の余寿命の均一化が図れることになる。

次に、切り替え手段８で選択した充電用電池２〜４の出力電圧が第１電圧検出手段９によって検出され、作動用電池７の電圧が第２電圧検出手段１０によって検出されている。そして、これら第１及び第２電圧検出手段９、１０の検出結果が制御手段１３に送られ、この制御手段１３からの動作指令によって、コンバータ５が、作動用電池７を充電するために適した電圧に変換して作動用電池７に出力する。例えば充電用電池２〜４よりも作動用電池７の電圧が高くなっている場合に、コンバータ５が充電用電池２〜４からの入力電圧を昇圧して作動用電池７に出力し、作動用電池７に充電できるようにする。

また、このとき、コンバータ５は、図２（ａ）に示すように、作動用電池７の残量が所定以下になるとともに作動用電池７に所定量ずつの充電と停止を繰り返すように制御される。そして、このように細やかな充電を繰り返し行うようにすると、図２（ｂ）に示すように放電から満充電を繰り返す場合と比較し、作動用電池７の寿命が延びる。

一方、本実施形態において、上記の二次電池システムＡは、図３に示すように、電動バスなどの電気自動車（電動車両）Ｂに具備されている。また、本実施形態では、電動自動車Ｂがベース車両（駆動車両）Ｂ１と電池車両（けん引車両）Ｂ２とを備えて構成されている。さらに、ベース車両Ｂ１に作動用電池７が搭載され、電池車両Ｂ２に複数の充電用電池２〜４が搭載されている。

ここで、従来、電池交換式の電気自動車においては、図４に示す小容量電池車両タイプと、図５に示す大容量電池車両タイプの２種類がある。そして、大容量電池車両においては、補充用電池を自動倉庫に確保しておき、電池交換装置によって大容量電池車両の電池と適宜交換しながら運用することが必要で、多大なインフラ設備が必要になる。

これに対し、本実施形態の電気自動車Ｂにおいては、図３に示すように、ベース車両Ｂ１に作動用電池７のみが搭載され、充電用電池２〜４を設けた電池車両Ｂ２をベース車両Ｂ１でけん引するように構成されている。このため、ベース車両Ｂ１に小容量電池車両を用いることができる。また、充電用電池２〜４を電池車両Ｂ２に搭載して保管すればよく、自動倉庫などが不要になる。さらに、ベース車両Ｂ１に電池車両Ｂ２をトレーラと同様に脱着することで、電池２〜４の交換が容易に行える。

したがって、本実施形態の二次電池システムＡにおいては、電池を充電用電池２〜４と作動用電池７とに分け、並列接続した複数の充電用電池２〜４からコンバータ５で電圧を調整して作動用電池７に出力し、この作動用電池７の充電を行い、作動用電池７からモータ等の負荷６に電力を供給するように構成することで、並列接続した複数の電池（充電用電池）２〜４の寿命を均一化することが可能になる。

また、例えば各充電用電池２〜４の蓄電量に応じ、複数の充電用電池２〜４から選択的にいずれかの充電用電池２〜４を切り替え手段８でコンバータ５に接続することができる。これにより、異なる履歴を有し、劣化度も異なる電池を充電用電池２〜４として並列接続して組み合わせた場合であっても、確実に複数の電池（充電用電池）２〜４の寿命を均一化することが可能になる。

さらに、作動用電池７が予め規定した所定の残量以下になり、コンバータ５によって充電用電池２〜４から作動用電池７に充電する際に、満充電するのではなく、作動用電池７に所定量ずつ充電するようにして、細やかな充電を繰り返し行うようにする。これにより、放電から満充電を繰り返す場合と比較し、作動用電池７の寿命を延ばすことが可能になる。

また、充電用電池２〜４の電圧や作動用電池７の充電電流を検出し、これに基づいて切り替え手段８の切り替えを行うようにすることで、確実に複数の充電用電池２〜４の寿命を均一化することが可能になる。

さらに、本実施形態の電動車両Ｂにおいては、ベース車両（駆動車両）Ｂ１に作動用電池７のみが搭載され、充電用電池２〜４を設けた電池車両（けん引車両）Ｂ２をベース車両Ｂ１でけん引するように構成されているため、車両開発のコストを抑えることが可能になる。また、電池車両Ｂ２ごと交換することで、容易に且つ短時間で効率的に充電用電池２〜４の交換を行うことが可能になる。さらに、充電用電池２〜４を搭載した電池車両Ｂ２は、単体で災害時、イベント会場、工事などの電源として活用することも可能になる。

以上、本発明に係る二次電池システム及びこれを備えた電動車両の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、履歴が同じ複数の充電用電池２〜４を使用する場合には、図６に示すように切り替え手段８を備えずに二次電池システムＡを構成してもよい。そして、この場合においても、本実施形態と同様に複数の充電用電池２〜４の寿命を均一化することが可能である。

１電池
２充電用電池
３充電用電池
４充電用電池
５コンバータ
６負荷
７作動用電池
８切り替え手段（電池切替部）
９第１電圧検出手段
１０第２電圧検出手段
１１電流検出手段
１２充電器機能部
１３制御手段
Ａ二次電池システム
Ｂ電気自動車（電動車両）
Ｂ１ベース車両（駆動車両）
Ｂ２電池車両（けん引車両）

Claims

互いに並列に接続された複数の充電用電池と、
前記充電用電池から入力された電圧を調整して出力するコンバータと、
前記コンバータの出力によって充電され、負荷に電力を供給する作動用電池とを備えることを特徴とする二次電池システム。
請求項１記載の二次電池システムにおいて、
前記コンバータと前記充電用電池との間に、いずれかの前記充電用電池を選択的に前記コンバータに接続する切り替え手段を備えることを特徴とする二次電池システム。
請求項１または請求項２に記載の二次電池システムにおいて、
前記コンバータは、前記作動用電池の残量が所定以下になるとともに前記作動用電池に所定量ずつの充電と停止を繰り返すように構成されていることを特徴とする二次電池システム。
請求項２または請求項３に記載の二次電池システムにおいて、
前記切り替え手段は、前記充電用電池の電圧及び／又は前記作動用電池の充電電流の検出値に基づいて切り替えを行うように構成されていることを特徴とする二次電池システム。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の二次電池システムを備えることを特徴とする電動車両。
請求項５記載の電動車両において、
前記作動用電池が設けられた駆動車両と、前記充電用電池が設けられ、前記駆動車両にけん引されるけん引車両とを備えて構成されていることを特徴とする電動車両。