JP2012234696A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高出力型組電池および高容量型組電池が並列接続された構成において、高容量型組電池に過大な充電電流が流れるのを抑制する。
【解決手段】 電池システムは、充放電を行う第１組電池（１０）および第２組電池（２０）と、リアクトル（３２）とを有する。第１組電池は、第２組電池よりも大きな電流で充放電が可能であり、第２組電池は、第１組電池よりも蓄電容量が大きい。第１組電池および第２組電池は、並列接続されているとともに、負荷（４０）と接続されている。リアクトルは、第２組電池と直列接続されており、直列接続されたリアクトルおよび第２組電池は、第１組電池と並列接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、いわゆる高出力型組電池および高容量型組電池が電気的に並列に接続された電池システムに関する。

高出力型電池および高容量型電池を電気的に並列に接続した電池システムが提案されている。高出力型電池は、高容量型電池よりも大きな電流で充放電を行うことができ、高容量型電池は、高出力型電池よりも大きな蓄電容量を有している。

特開２００４−１１１２４２号公報 特開２００４−２１５４５６号公報 特開２００５−１９７０１５号公報 特開２００５−２１６６３１号公報 特開２００６−０７９９８７号公報

高容量型組電池では、高出力型組電池よりも小さい電流で充放電が行われることになるため、高容量型組電池に入出力される電流値によっては、高容量型組電池に不具合が発生するおそれがある。

例えば、高出力型組電池および高容量型組電池を並列接続したときに、高出力型組電池から高容量型組電池に循環電流が流れ、高容量型組電池に入力される電流値が、高容量型組電池の許容電流値に到達してしまうおそれがある。また、高出力型組電池および高容量型組電池に回生電力を入力するときに、高容量型組電池に入力される電流値が高容量型組電池の許容電流値に到達してしまうおそれがある。

本発明である電池システムは、充放電を行う第１組電池および第２組電池と、リアクトルとを有する。第１組電池は、第２組電池よりも大きな電流で充放電が可能であり、第２組電池は、第１組電池よりも蓄電容量が大きい。第１組電池および第２組電池は、並列接続されているとともに、負荷と接続されている。リアクトルは、第２組電池と直列接続されており、直列接続されたリアクトルおよび第２組電池は、第１組電池と並列接続されている。リアクトルおよび第２組電池を直列接続するとき、リアクトルは、第２組電池の正極端子および負極端子のうち、少なくとも一方に接続することができる。

本発明の電池システムには、第１リレーおよび第２リレーを設けることができる。第１リレーを用いることにより、第１組電池の充放電を許容状態および禁止状態の間で切り替えることができる。第２リレーを用いることにより、第２組電池の充放電を許容状態および禁止状態の間で切り替えることができる。

負荷としては、モータ・ジェネレータを用いることができる。モータ・ジェネレータは、第１組電池および第２組電池の少なくとも一方からの電力を受けて運動エネルギを生成するとともに、入力された運動エネルギから電気エネルギを生成することができる。具体的には、モータ・ジェネレータは、車両の走行に用いられる運動エネルギを生成するとともに、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換することができる。

第２組電池には、並列接続された複数の単電池を含めることができる。また、直列接続された複数の電池ブロックで第２組電池を構成し、各電池ブロックを、並列接続された複数の単電池で構成することができる。また、並列接続された複数の電池ブロックで第２組電池を構成し、各電池ブロックを、直列接続された複数の単電池で構成することができる。第１組電池は、直列接続された複数の単電池で構成することができる。

本発明によれば、リアクトルを用いることにより、第２組電池に過大な電流（充放電電流）が流れるのを抑制することができる。

実施例１である電池システムの構成を示す図である。 変形例である高容量型組電池の構成を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池システムについて説明する。図１は、本実施例の電池システムの構成を示す回路図である。本実施例の電池システムは、車両に搭載することができる。

本実施例の電池システムは、高出力型組電池（第１組電池に相当する）１０および高容量型組電池（第２組電池に相当する）２０を備えており、高出力型組電池１０および高容量型組電池２０は、電気的に並列に接続されている。高出力型組電池１０は、高容量型組電池２０よりも大きな電流で充放電を行うことができる電池である。高容量型組電池２０は、高出力型組電池１０よりも大きな蓄電容量を有する電池である。

高出力型組電池１０は、電気的に直列に接続された複数の単電池１１を有する。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、単電池１１としては、いわゆる円筒型の電池や、いわゆる角型の電池を用いることができる。円筒型の電池は、外形が円筒に沿った形状を有する電池である。角型の電池は、外形が直方体に沿った形状を有する電池である。

高容量型組電池２０は、電気的に直列に接続された複数の電池ブロック２１を有する。各電池ブロック２１は、電気的に並列に接続された複数の単電池２２を有する。単電池２２としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、単電池２２としては、円筒型や角型の電池を用いることができる。

図１に示す高容量型組電池２０では、複数の電池ブロック２１を電気的に直列に接続しているが、これに限るものではない。例えば、図２に示すように、高容量型組電池２０を構成することができる。図２に示す高容量型組電池２０では、複数の電池ブロック２１が電気的に並列に接続されており、各電池ブロック２１では、複数の単電池２２が電気的に直列に接続されている。図２に示す構成でも、電池ブロック２１や単電池２２の数は、適宜設定することができる。

高容量型組電池２０を構成する単電池２２の数は、高出力型組電池１０を構成する単電池１１の数よりも多い。また、電池ブロック２１を構成する単電池２２の数は、すべての電池ブロック２１において等しい。ここで、電池ブロック２１の数や、電池ブロック２１を構成する単電池２２の数は、高容量型組電池２０の特性（容量など）に基づいて、適宜設定することができる。本実施例では、高出力型組電池１０および高容量型組電池２０の総電圧を略等しくしているが、互いに異ならせることもできる。

単電池１１，２２として、リチウムイオン電池を用いるとき、例えば、単電池１１の負極活物質として、ハードカーボン（難黒鉛化炭素材料）を用い、単電池１１の正極活物質として、リチウム・マンガン系複合酸化物を用いることができる。また、単電池２２の負極活物質として、グラファイト（黒鉛）を用い、単電池２１の正極活物質として、リチウム・ニッケル系複合酸化物を用いることができる。

高出力型組電池１０の単電池１１および高容量型組電池２０の単電池２２は、互いに比較したときに、以下の表１に示す関係を有する。

表１において、単電池１１，２２の出力は、例えば、単電池の単位質量当たりの電力（単位［Ｗ／ｋｇ］）や、単電池の単位体積当たりの電力（単位［Ｗ／Ｌ］）として表すことができる。単電池の出力に関して、単電池１１（高出力型組電池１０）は、単電池２２（高容量型組電池２０）よりも高い。ここで、単電池１１，２２の質量又は体積を等しくしたとき、単電池１１の出力［Ｗ］は、単電池２２の出力［Ｗ］よりも高くなる。

単電池１１，２２の容量は、例えば、単電池の単位質量当たりの容量（単位［Ｗｈ／ｋｇ］）や、単電池の単位体積当たりの容量（単位［Ｗｈ／Ｌ］）として表すことができる。単電池の容量に関して、単電池２２は、単電池１１よりも大きい。ここで、単電池１１，２２の質量又は体積を等しくしたとき、単電池２２の容量［Ｗｈ］は、単電池１１の容量［Ｗｈ］よりも大きくなる。

表１において、単電池１１，２２の電極の出力は、例えば、電極の単位面積当たりの電流値（単位［ｍＡ／ｃｍ＾２］）として表すことができる。電極の出力に関して、単電池１１は、単電池２２よりも高い。ここで、電極の面積が等しいとき、単電池１１の電極に流れる電流値は、単電池２２の電極に流れる電流値よりも大きくなる。

単電池１１，２２の電極の容量は、例えば、電極の単位質量当たりの容量（単位［ｍＡｈ／ｇ］）や、電極の単位体積当たりの容量（単位［ｍＡｈ／ｃｃ］）として表すことができる。電極の容量に関して、単電池２２は、単電池１１よりも大きい。ここで、電極の質量又は体積が等しいとき、単電池２２の電極の容量は、単電池１１の電極の容量よりも大きくなる。

高出力型組電池１０の正極端子には、システムメインリレー（第１リレーに相当する）ＳＭＲ−Ｂ１が接続されており、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１のオン／オフは、コントローラ５０からの制御信号によって切り替えられる。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１がオン状態であるとき、高出力型組電池１０の充放電が許容される。また、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１がオフ状態であるとき、高出力型組電池１０の充放電が禁止される。

高容量型組電池２０の正極端子には、システムメインリレー（第２リレーに相当する）ＳＭＲ−Ｂ２が接続されており、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２のオン／オフは、コントローラ５０からの制御信号によって切り替えられる。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２がオン状態であるとき、高容量型組電池２０の充放電が許容される。また、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２がオフ状態であるとき、高容量型組電池２０の充放電が禁止される。高容量型組電池２０の正極端子およびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２には、リアクトル３２が接続されている。

高出力型組電池１０の負極端子および高容量型組電池２０の負極端子には、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐが接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐのオン／オフは、コントローラ５０からの制御信号によって切り替えられる。システムメインリレーＳＭＲ−Ｐには、プリチャージ抵抗３１が直列に接続されている。また、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐおよびプリチャージ抵抗３１は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇに対して並列に接続されている。

高出力型組電池１０および高容量型組電池２０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｂ２，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐを介して、負荷４０と接続されている。負荷４０としては、例えば、モータ・ジェネレータを用いることができる。

モータ・ジェネレータ４０は、高出力型組電池１０および高容量型組電池２０からの電力を受けることにより、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。また、車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ４０は、制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換する。モータ・ジェネレータ４０で生成された電気エネルギは、回生電力として、高出力型組電池１０や高容量型組電池２０に供給され、高出力型組電池１０および高容量型組電池２０は、回生電力を蓄えることができる。

高出力型組電池１０および高容量型組電池２０とモータ・ジェネレータ４０との間の電流経路には、昇圧回路やインバータを配置することができる。昇圧回路を用いれば、高出力型組電池１０や高容量型組電池２０の出力を昇圧処理した後に、モータ・ジェネレータ４０に供給したり、モータ・ジェネレータ４０の出力を降圧処理した後に、高出力型組電池１０や高容量型組電池２０に供給したりすることができる。一方、インバータを用いれば、モータ・ジェネレータ４０として、交流モータを用いることができる。

高出力型組電池１０および負荷４０を電気的に接続するとき、コントローラ５０は、まず、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｐをオフ状態からオン状態に切り替える。ここで、コントローラ５０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフ状態のままとしている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオン状態とすることにより、プリチャージ抵抗３１に電流が流れる。

所定時間が経過すると、コントローラ５０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフ状態からオン状態に切り替えるとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオン状態からオフ状態に切り替える。これにより、高出力型組電池１０および負荷４０の接続が完了する。ここで、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｇをオン状態からオフ状態に切り替えれば、高出力型組電池１０および負荷４０の電気的な接続を遮断することができる。

高容量型組電池２０および負荷４０を接続するとき、コントローラ５０は、まず、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２，ＳＭＲ−Ｐをオフ状態からオン状態に切り替える。ここで、コントローラ５０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフ状態のままとしている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオン状態とすることにより、プリチャージ抵抗３１に電流が流れる。

所定時間が経過すると、コントローラ５０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフ状態からオン状態に切り替えるとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオン状態からオフ状態に切り替える。これにより、高容量型組電池２０および負荷４０の接続が完了する。ここで、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２，ＳＭＲ−Ｇをオン状態からオフ状態に切り替えれば、高容量型組電池２０および負荷４０の電気的な接続を遮断することができる。

高容量型組電池２０は、例えば、ＥＶ走行モードで車両を走行させるときに用いることができる。ＥＶ走行モードは、高容量型組電池２０から出力された電気エネルギを用いて、車両を走行させるモードである。ＥＶ走行モードは、車両を走行させる動力源として、少なくとも高出力型組電池１０および高容量型組電池２０を備えた車両において、設定される。

ＥＶ走行モードでは、例えば、高容量型組電池２０の電力を積極的に用い、車両の要求出力によっては、高出力型組電池１０の電力を併用して車両を走行させることができる。ここで、高容量型組電池２０では、定電流放電に沿った放電を行うことができる。

ＥＶ走行モードでは、高容量型組電池２０のＳＯＣ（State Of Charge、充電状態）が、予め定めた下限値に到達するまで、高容量型組電池２０を放電することができる。高容量型組電池２０のＳＯＣが下限値に到達したときには、例えば、充電器を用いることにより、高容量型組電池２０のＳＯＣが、予め定めた上限値に到達するまで、高容量型組電池２０を充電することができる。

ここで、高容量型組電池２０の充放電制御におけるＳＯＣの上限値は、高出力型組電池１０の充放電制御におけるＳＯＣの上限値よりも高い値に設定することができる。また、高容量型組電池２０の充放電制御におけるＳＯＣの下限値は、高出力型組電池１０の充放電制御におけるＳＯＣの下限値よりも低い値に設定することができる。高容量型組電池２０に関して、ＳＯＣの上限値を１００％のＳＯＣ（満充電状態）に近づけたり、ＳＯＣの下限値を０％のＳＯＣに近づけたりすることにより、ＳＯＣの使用範囲を広げることができ、高容量型組電池２０に蓄えられたエネルギを効率良く利用することができる。

高容量型組電池２０のＳＯＣが下限値に到達したときには、高容量型組電池２０の充放電は行われないことになる。このとき、コントローラ５０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２をオン状態からオフ状態に切り替えることができる。

高出力型組電池１０は、例えば、ＨＶ走行モードで車両を走行させるときに用いることができる。ＨＶ走行モードは、車両を走行させる動力源として、高出力型組電池１０や高容量型組電池２０の他に、内燃機関を備えた車両において、設定される。

ＨＶ走行モードは、高出力型組電池１０から出力された電気エネルギと、内燃機関で生成された運動エネルギとを用いながら、車両を走行させるモードである。ＨＶ走行モードでは、高出力型組電池１０のＳＯＣが、予め定められた基準ＳＯＣに沿って変位するように、高出力型組電池１０の充放電を制御することができる。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｂ２がオン状態であるとき、高容量型組電池２０の総電圧が高出力型組電池１０の総電圧よりも低くなると、高出力型組電池１０から高容量型組電池２０に電流（循環電流）が流れることがある。このとき、高容量型組電池２０に入力される電流値が、高容量型組電池２０の許容電流値に到達するおそれがある。

また、回生電力を高容量型組電池２０に入力させようとすると、入力される電流値が高容量型組電池２０の許容電流値に到達してしまうおそれもある。ここで、高出力型組電池１０では、高容量型組電池２０よりも大きな電流値で充放電を行うことができるため、回生電力を、高出力型組電池１０に入力させることはできる。

本実施例では、リアクトル３２を設けることにより、過大な電流が高容量型組電池２０に流れるのを抑制することができる。ここで、回生動作を行うときには、高出力型組電池１０に対して回生電力を積極的に入力させることができる。また、リアクトル３２を設けることにより、高容量型組電池２０の放電よりも、高出力型組電池１０の放電を積極的に行わせることができる。例えば、要求出力に応じた大電流での放電を行うときには、高出力型組電池１０から出力されるエネルギを積極的に用いることができる。

本実施例では、高容量型組電池２０の正極端子およびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２に、リアクトル３２を接続しているが、これに限るものではない。具体的には、高容量型組電池２０の負極端子およびシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐに対して、リアクトル３２を接続することができる。

すなわち、高容量型組電池２０およびリアクトル３２を直列に接続しておき、直列に接続された高容量型組電池２０およびリアクトル３２を、高出力型組電池１０に対して並列に接続すればよい。ここで、リアクトル３２は、高容量型組電池２０の正極端子および負極端子のうち、少なくとも一方に接続されていればよい。このような構成であれば、上述した本実施例と同様の効果を得ることができる。

一方、高容量型組電池２０では、複数の単電池２２が電気的に並列に接続されているため、並列接続された複数の単電池２２において、温度のバラツキが発生していると、温度が高い側の単電池２２に対して電流が流れやすくなってしまう。ここで、高容量型組電池２０を構成する単電池２２の数は、高出力型組電池１０を構成する単電池１１の数よりも多いため、複数の単電池２２の配置状態などに基づいて、複数の単電池２２の温度にバラツキが発生しやすいことがある。

一般的には、単電池２２の温度が上昇すると、単電池２２の内部抵抗が低下するため、内部抵抗が低下した単電池２２には、電流が流れやすくなってしまう。そして、電流が流れやすくなると、発熱量は電流の二乗に比例するため、単電池２２の温度が更に上昇してしまう。特に、過大な電流が単電池２２に流れてしまうと、単電池２２の温度も過度に上昇してしまう。

このように、並列接続された複数の単電池２２において、温度のバラツキが発生しているときに、高容量型組電池２０に充放電電流が流れると、複数の単電池２２における温度のバラツキが広がりやすくなってしまう。特に、過大な充放電電流が高容量型組電池２０に流れると、温度のバラツキの広がりが増大してしまう。また、単電池２２の温度が上昇してしまうと、単電池２２が劣化しやすくなってしまう。

本実施例では、上述したように、リアクトル３２を設けて、高容量型組電池２０に過渡的な大電流が流れるのを抑制することにより、高容量型組電池２０の一部の単電池２２に電流が集中して流れてしまうのを抑制できる。したがって、高容量型組電池２０では、複数の単電池２２における温度のバラツキが広がるのを抑制することができる。また、温度上昇に伴う単電池２２の劣化も抑制することができる。

一方、各単電池２２の温度を監視し、各単電池２２の冷却を効率良く行うようにすれば、複数の単電池２２における温度のバラツキが発生するのを抑制することができる。しかし、この場合には、複数の単電池２２の温度調節を行うための構造や制御が複雑になってしまう。本実施例では、高容量型組電池２０への過渡的な大電流を制限して、複数の単電池２２における温度のバラツキを抑制しているため、単電池２２の温度調節を行うための構造や制御を簡素化することができる。

本実施例の電池システムでは、高出力型組電池１０および高容量型組電池２０の少なくとも一方に対して、充電器を接続することができる。これにより、充電器を用いて、高出力型組電池１０や高容量型組電池２０を充電することができる。充電器は、外部電源からの電力を、高出力型組電池１０や高容量型組電池２０に供給することができる。外部電源としては、例えば、家庭用電源を用いることができる。家庭用電源を用いたとき、充電器は、家庭用電源から供給された交流電力を直流電力に変換して、高出力型組電池１０や高容量型組電池２０に供給することができる。

１０：高出力型組電池（第１組電池）
１１：単電池
２０：高容量型組電池（第２組電池）
２１：電池ブロック
２２：単電池
３１：プリチャージ抵抗
３２：リアクトル
４０：負荷
５０：コントローラ

Claims (8)

1. 並列接続された状態で負荷と接続され、充放電を行う第１組電池および第２組電池と、
   前記第２組電池と直列接続されるとともに、前記第２組電池とともに前記第１組電池と並列接続されるリアクトルと、を有し、
   前記第１組電池は、前記第２組電池よりも大きな電流で充放電が可能であり、前記第２組電池は、前記第１組電池よりも蓄電容量が大きいことを特徴とする電池システム。
2. 前記第１組電池の充放電を許容状態および禁止状態の間で切り替える第１リレーと、
   前記第２組電池の充放電を許容状態および禁止状態の間で切り替える第２リレーと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
3. 前記負荷は、モータ・ジェネレータであり、
   前記モータ・ジェネレータは、前記第１組電池および前記第２組電池の少なくとも一方からの電力を受けて運動エネルギを生成するとともに、入力された運動エネルギから電気エネルギを生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池システム。
4. 前記モータ・ジェネレータは、車両の走行に用いられる運動エネルギを生成するとともに、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とする請求項３に記載の電池システム。
5. 前記第２組電池は、並列接続された複数の単電池を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の電池システム。
6. 前記第２組電池は、直列接続された複数の電池ブロックで構成されており、
   前記各電池ブロックは、並列接続された複数の単電池で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の電池システム。
7. 前記第２組電池は、並列接続された複数の電池ブロックで構成されており、
   前記各電池ブロックは、直列接続された複数の単電池で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の電池システム。
8. 前記第１組電池は、直列接続された複数の単電池で構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の電池システム。
   

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