JP2015106983A

JP2015106983A - 電池システム

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Publication number: JP2015106983A
Application number: JP2013247955A
Authority: JP
Inventors: 佳子塚田; Yoshiko Tsukada; 宮澤　篤史; Atsushi Miyazawa; 篤史宮澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-08
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: JP6274504B2

Abstract

【課題】主電池と補助電池を備えた電池システムにおいて、補助電池を効率的に使用することが要望されていた。【解決手段】充放電可能な主電池ＭＢと、複数の電池カートリッジＣから成り且つ主電池ＭＢに充電可能に接続した補助電池ＳＢと、車両の運転情報として少なくとも目的地までの距離を算出する運転情報取得手段１と、主電池ＭＢの残容量及び運転情報取得手段１からの運転情報に基づいて補助電池ＳＢを起動させるシステム制御手段２を備え、補助電池ＳＢが、出力の大きさを変更する出力変更機能を有し、システム制御手段２が、主電池ＭＢの残容量及び運転情報取得手段１からの運転情報に基づいて、補助電池ＳＢの出力の大きさを選択して起動させる機能を有する電池システムとしたことで、車両の走行状況などに応じて補助電池ＳＢを効率的に使用できるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車等の車両に搭載する電池システムであって、充放電可能な主電池と補助電池とを備えた電池システムの改良に関するものである。

従来の電池システムとしては、電気自動車用電源の名称で特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の電源は、空気−亜鉛電池と、鉛蓄電池と、負荷に応じて電源の切り替えを行う制御回路を備えている。この電源は、駆動モータにかかる負荷を検出し、低負荷時には空気−亜鉛電池、高負荷時には鉛蓄電池、若しくは電池及び蓄電池の両方に電源を切り替えるものとしている。

特開平７−１４３６０７号公報

ところで、近年では、充放電可能な主電池と補助電池を備え、通常では主電池のみを使用し、主電池の残容量が所定値以下になった場合に補助電池を起動させて、補助電池により主電池を充電する電池システムが考えられている。しかし、このような電池システムでは、補助電池を単に起動させるだけでは、エネルギーの無駄になる虞もあることから、補助電池を効率的に使用することが要望されていた。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、充放電可能な主電池と、主電池に充電可能に接続した補助電池とを備えた電池システムにおいて、車両の走行状況などに応じて補助電池を効率的に使用することができる電池システムを提供することを目的としている。

本発明に係わる電池システムは、電気自動車等の車両に搭載する電池システムであって、充放電可能な主電池と、複数の電池カートリッジから成り且つ主電池に充電可能に接続した補助電池と、車両の運転情報として少なくとも目的地までの距離を算出する運転情報取得手段と、主電池の残容量及び運転情報取得手段からの運転情報に基づいて補助電池を起動させるシステム制御手段を備えている。

そして、電池システムは、補助電池が、出力の大きさを変更する出力変更機能を有し、システム制御手段が、主電池の残容量及び運転情報取得手段からの運転情報に基づいて、補助電池の出力の大きさを選択して起動させる機能を有することを特徴としている。

本発明に係わる電池システムは、充放電可能な主電池と、主電池に充電可能に接続した補助電池とを備えた電池システムにおいて、車両の走行状況などに応じて補助電池を効率的に使用することができる。

本発明の電池システムの第１実施形態を説明するブロック図である。第１実施形態におけるシステム制御手段の制御工程を説明するフローチャートである。第２実施形態におけるシステム制御手段の制御工程を説明するフローチャートである。第３実施形態におけるシステム制御手段の制御工程を説明するフローチャートである。第４実施形態におけるシステム制御手段の制御工程を説明するフローチャートである。

〈第１実施形態〉
図１（Ａ）に示す電池システムは、電気自動車等の車両の電源として用いられるものであって、充放電可能な主電池ＭＢと、複数の電池カートリッジＣから成り且つ主電池ＭＢに充電可能に接続した補助電池ＳＢとを備えている。また、電池システムは、車両の運転情報として少なくとも目的地までの距離を算出する運転情報取得手段１と、主電池ＭＢの残容量及び運転情報取得手段１からの運転情報に基づいて補助電池ＳＢを起動させるシステム制御手段２を備えている。

主電池ＭＢは、例えばリチウムイオン電池であって、インバータ３介して駆動モータ４に電力を供給する。この主電池ＭＢは、外部電源に接続して充電することができる。

補助電池ＳＢは、複数（図示例では３個）の電池カートリッジＣと、各電池カートリッジＣを着脱可能に保持するとともに電池カートリッジＣの電力を出力するカートリッジホルダ５を備えている。電池カートリッジＣは、複数の空気電池Ａを備えたものであって、この実施形態では注液式の空気電池Ａを採用している。この電池カートリッジＣは、ケース内に、板状の空気電池Ａを竪にして配列すると共に、隣接する空気電池Ａ同士の間に空気流路を形成した構造である。また、空気電池Ａは、正極と負極との間に電解液の収容部を有する周知のものである。

電池システムは、補助電池ＳＢにおいて、上記の注液式の空気電池Ａを備えた電池カートリッジＣを採用しているので、電池カートリッジＣ毎に電解液を供給する電解液供給手段６と、カートリッジホルダ５内の電池カートリッジＣに空気を供給する空気供給手段７と、カートリッジホルダ５から流出した空気を排出する空気排出手段８を備えている。

電解液供給手段６は、出口流路６Ａ，６ＢにバルブＶ１，Ｖ２を介装した２つのタンクＴ１，Ｔ２と、各タンクＴ１，Ｔ２の出口流路６Ａ，６Ｂに接続されて電池カートリッジＣに至る供給管６Ｃと、供給管６Ｃの途中に介装した調整バルブＶ３を備えている。各タンクＴ１，Ｔ２には、種類の異なる電解液Ｅ１，Ｅ２が夫々貯えてある。電解液は、例えば、中性電解液Ｅ１とアルカリ性電解液Ｅ２である。なお、図１（Ａ）には一本の供給管６Ｃを示したが、実際には各電池カートリッジＣに対して供給管６Ｃ及び調整バルブＶ３が個別に配置される。

空気供給手段７は、ブロワやコンプレッサー、フィルタ、温度計、圧力計及びバルブ類などから選択した機器で構成されている。空気排出手段８は、吸気用ファン、温度計、圧力計、酸素センサ、バルブ類及びマフラーなどから選択した機器で構成されている。

ここで、補助電池ＳＢは、出力の大きさを変更する出力変更機能を有している。この出力変更機能は、起動する電池カートリッジＣの数、起動する電池カートリッジＣ同士の接続方式、及び電池カートリッジＣに供給する電解液の種類のうちの少なくとも一つを選択することにより出力の大きさを変更する機能である。

電池カートリッジＣの数による出力変更機能は、カートリッジホルダ５などに付設した回路装置により実行することができる。数の場合は、起動する電池カートリッジＣの数を１〜３から選択するようにし、数が多くなるほど出力も大きくなる。

また、電池カートリッジＣの接続方式による出力変更機能は、同じく回路装置により実行することができる。接続方式の場合には、電池カートリッジＣ同士の接続を並列及び直列から選択するようにし、並列に対して直列の方が出力が大きくなる。なお、接続方式を選択する場合、選択される電池カートリッジＣの数は複数である。

さらに、電解液の種類による出力変更機能は、先述した電解液供給手段６により実行することができる。電解液供給手段６は、中性電解液Ｅ１とアルカリ性電解液Ｅ２を備えているので、中性電解液Ｅ１に対してアルカリ性電解液Ｅ２の方が出力が大きくなる。

運転情報取得手段１は、コンピュータや各種回路類からなるものであって、具体的にはカーナビゲーション装置などを利用することもできる。車両の運転情報としては、目的地までの距離のほか、走行予定経路の勾配や渋滞状況、空調機等の電装品の使用状況などのように消費電力の予想や算出が可能な各種情報が含まれる。

システム制御手段２は、コンピュータや各種回路類からなるものであって、主電池ＭＢの残容量及び運転情報取得手段１からの運転情報に基づいて、補助電池ＳＢの出力の大きさを選択して起動させる機能を有している。また、システム制御手段２は、主電池ＭＢ及び補助電池ＳＢを制御するほかに、電解液供給手段６、空気供給手段７及び空気排出手段８を直接的に制御することが可能であり、蓄電池９の制御も行う。蓄電池９は、ガソリン車に搭載されているバッテリと同様に、主電池ＭＢの停止時において電装品に電力供給を行うものである。

次に、図２のフローチャートに基づいて、上記の構成を備えた電池システムの動作を説明する。なお、この第１実施形態では、システム制御手段２により選択する補助電池ＳＢの出力の大きさは、低出力仕様Ｓ９Ａ、中出力仕様Ｓ９Ｂ、中−高出力仕様Ｓ９Ｃ、及び高出力仕様Ｓ９Ｄの四段階である。これらの仕様は、具体的には、電池カートリッジＣの接続方式や電解液の種類の選択によるものであるが、この実施形態では概略的に示している。

システム制御手段２は、ステップＳ１において補助電池ＳＢの放電開始要求が入力されると、ステップＳ２において主電池ＭＢの残容量が規定値Ａ以上であるか否かを判定する。主電池ＭＢの残容量が規定値Ａ以上である場合（Ｙｅｓ）には、残容量が充分であるとして、ステップＳ１１に移行して放電不要とし、また、前記残容量が規定値Ａ未満である場合（Ｎｏ）は、ステップＳ３に移行する。

なお、最初の放電開始要求（Ｓ１）は、システム制御手段２において自動的に入力したり、スイッチ操作により人為的に入力したりすることができる。したがって、ステップＳ１１で放電不要になっても、必要に応じて、別の制御系で補助電池ＳＢを起動させる構成にすることも可能である。

ステップＳ３においては、運転情報取得手段２から運転情報としての目的地までの距離を入力し、その距離が規定値Ｂ以上であるか否かを判定する。そして、目的地までの距離が規定値未満である場合（Ｎｏ）には、主電池ＭＢだけで目的地までの走行が可能であるとして、ステップＳ１１に移行して放電不要とする。また、目的地までの距離が規定値Ｂ以上である場合（Ｙｅｓ）には、主電池ＭＢの残容量が不充分であるとして、ステップＳ４に移行して、補助電池ＳＢにおいて起動する電池カートリッジＣの数を決定する。この電池カートリッジＣの数は、目的地までの距離の長短に応じて選択される。

次に、ステップＳ５においては、主電池ＭＢ及び運転情報取得手段１からのデータに基づいて出発地からの主電池ＭＢの平均出力を算出し、その平均出力が規定値Ｃ以上であるか否かを判定する。そして、主電池ＭＢの平均出力が規定値Ｃ以上である場合（Ｙｅｓ）には、電力消費が多い運転状況であり、その状況が継続されるものとして、高出力仕様Ｓ９Ｄを選択し、ステップＳ１０に移行して補助電池ＳＢの放電を開始する。これにより、補助電池ＳＢから主電池ＭＢへの充電が開始される。

ステップＳ５において平均出力が規定値Ｃ未満である場合（Ｎｏ）には、ステップＳ６において、運転情報取得手段１からのデータに基づいて目的地までの見込み最大出力を算出（予想）し、その最大出力が規定値Ｄ以上であるか否かを判定する。このステップＳ６の規定値Ｄは、見込み最大出力の上限値である。そして、最大出力が規定値Ｄ以上である場合（Ｙｅｓ）には、主電池ＭＢだけでは電力不足になるとして、高出力仕様Ｓ９Ｄを選択し、ステップＳ１０に移行して補助電池ＳＢの放電を開始する。

ステップＳ６において見込み最大出力が規定値Ｄ未満である場合（Ｎｏ）には、ステップＳ７に移行して、見込み最大出力が規定値Ｅ以上であるか否かを判定する。このステップＳ７の規定値Ｅは、見込み最大出力の中間値である。そして、最大出力が規定値Ｅ以上である場合（Ｙｅｓ）には、比較的主電池ＭＢの残量に余裕があるとして、中−高出力仕様Ｓ９Ｃを選択し、ステップＳ１０に移行して補助電池ＳＢの放電を開始する。

ステップＳ７において見込み最大出力が規定値Ｅ未満である場合（Ｎｏ）には、ステップＳ８に移行して、見込み最大出力が規定値Ｆ以上であるか否かを判定する。このステップＳ８の規定値Ｆは、見込み最大出力の下限値である。そして、最大出力が規定値Ｆ以上である場合（Ｙｅｓ）には、中出力仕様Ｓ９Ｂを選択し、ステップＳ１０に移行して補助電池ＳＢの放電を開始する。

また、ステップＳ７において見込み最大出力が規定値Ｆ未満である場合（Ｎｏ）には、主電池ＭＢの残量に余裕があるとして、低出力仕様Ｓ９Ａを選択し、ステップＳ１０に移行して補助電池ＳＢの放電を開始する。

このように、上記の電池システムは、主電池ＭＢの残容量及び運転情報である目的地までの距離に基づいて補助電池ＳＢの出力の大きさを選択して起動させることから、充放電可能な主電池ＭＢと、主電池ＭＢに充電可能に接続した補助電池ＳＢとを備えたシステムにおいて、車両の走行状況に応じて補助電池ＳＢを効率的に使用することができる。

また、上記の電池システムは、補助電池ＳＢの電池カートリッジＣが、複数の空気電池Ａを備えたものとしたので、とくに低出力時の高容量化を実現することができ、しかも、電池カートリッジＣを交換可能とすることで、緊急時の補助電源として非常に低コストで且つ利便性の高いものとなる。

さらに、上記の電池システムは、補助電池ＳＢの出力変更機能として、起動する電池カートリッジＣの数、及び起動する電池カートリッジＣ同士の接続方式の少なくとも一方を選択するものとしたので、一つの補助電池ＳＢにおいて出力（仕様）を多段階に設定することができ、車両の様々な運転状況に対応することが可能になる。

また、上記実施形態のように、注液式の空気電池Ａを採用し、出力変更機能として、電池カートリッジＣに供給する電解液の種類の選択を加えることで、補助電池ＳＢの出力（仕様）がさらに多段階になり、車両の運転状況への対応機能がより向上する。

さらに、上記実施形態では、異なる種類の電解液Ｅ１，Ｅ２を貯えた電解液供給手段６を例示したが、図１（Ｂ）に示すように、電解質用液体Ｅ３と、異なる種類の電解質Ｅ１１，Ｅ１２を備えた電解液供給手段１６を採用することができる。

電解液供給手段１６は、出口流路１６ＡにバルブＶ１１を介装したタンクＴ３と、２つのカートリッジＣ１１，Ｃ１２と、各タンクＴ３の出口流路１６Ａ及び両カートリッジＣ１１，Ｃ１２に接続されて電池カートリッジＣに至る供給管１６Ｃと、供給管１６Ｃの途中に介装した調整バルブＶ１３を備えている。そして、タンクＴ３には、電解質用液体（例えば水）Ｅ３が貯えてあり、カートリッジＣ１１，Ｃ１２には中性電解質Ｅ１１及びアルカリ性電解質Ｅ１２が夫々収容されている。これらの電解質Ｅ１１，Ｅ１２は、例えば粉末状である。

この電解液供給手段１６は、運転状況に応じて、両電解質Ｅ１１，Ｅ１２のいずれか一方を供給管１６Ｃに投入すると共に、電解質用液体Ｅ３を供給し、電解質Ｅ１１，Ｅ１２を電解質用液体Ｅ３で溶解して電池カートリッジＣに供給するものとなっている。

〈第２実施形態〉
この実施形態の電池システムは、図１（Ａ）に示すものと同様の基本構成であり、図３に示すフローチャートの制御工程を経る。図３は、図２に示すフローチャートの仕様Ｓ９Ａ〜Ｓ９Ｄの内容をより具体化したものであり、それ以外のステップＳ１〜Ｓ８、Ｓ１０及びＳ１１は同じである。

すなわち、この実施形態では、起動する電池カートリッジＣの数は複数であり、低出力仕様Ｓ９Ａでは、電池カートリッジＣ同士を並列に接続すると共に、図１の電解液供給手段６において中性電解液Ｅ１を選択する。また、中出力仕様Ｓ９Ｂでは、電池カートリッジＣ同士を並列に接続すると共に、図１の電解液供給手段６においてアルカリ性電解液Ｅ２を選択する。さらに、中−高出力仕様Ｓ９Ｃでは、電池カートリッジＣ同士を直列に接続すると共に、中性電解液Ｅ１を選択し、高出力仕様Ｓ９Ｄでは、電池カートリッジＣ同士を直列に接続すると共に、アルカリ性電解液Ｅ２を選択する。

上記実施形態の電池システムにおいても、第１実施形態と同様に、充放電可能な主電池ＭＢと、主電池ＭＢに充電可能に接続した補助電池ＳＢとを備えたシステムにおいて、車両の走行状況に応じて補助電池ＳＢを効率的に使用することができ、一つの補助電池ＳＢにおいて出力（仕様）を多段階に設定することができる。

〈第３実施形態〉
この実施形態の電池システムは、図１（Ａ）に示すものと同様の基本構成であるが、同図中に仮想線で示すように、複数（図示例では３個）の補助電池ＳＢを備えている。そして、システム制御手段２が、各補助電池ＳＢを順次起動若しくは同時起動させる手段になっており、図４に示すフローチャートの制御工程を経る。図３は、図２に示す仕様Ｓ９Ａ〜Ｓ９Ｄを三段階Ｓ１９Ａ〜Ｓ１９Ｃに変えたものであり、それ以外のステップＳ１〜Ｓ８、Ｓ１０及びＳ１１は同じである。

すなわち、この実施形態では、低出力仕様として単一の補助電池ＳＢを順次起動させる仕様Ｓ１９Ａを有し、中出力仕様として複数の補助電池ＳＢを並列接続する仕様Ｓ１９Ｂを有し、高出力仕様として複数の補助電池ＳＢを直列接続する仕様Ｓ１９Ｃを有している。

上記実施形態の電池システムにおいても、第１実施形態と同様に、充放電可能な主電池ＭＢと、主電池ＭＢに充電可能に接続した補助電池ＳＢとを備えたシステムにおいて、車両の走行状況に応じて補助電池ＳＢを効率的に使用することができる。

〈第４実施形態〉
この実施形態の電池システムは、図１（Ａ）に示すものと同様の基本構成であって、蓄電池９を備えている。また、システム制御手段２は、補助電池ＳＢを起動させる機能に加えて、主電池ＭＢの残容量、運転情報取得手段２からの運転情報、及び選択した補助電池ＳＢの出力の大きさから、目的地まで移動するのに必要な主電池ＭＢの出力を算出し、回生エネルギーが主電池ＭＢの消費量を超える場合には、蓄電池９への充電を行う機能を有している。

すなわち、図５に示すように、ステップＳ２１において制御を開始すると、ステップＳ２２において回生エネルギーが主電池ＭＢの消費量を超えるか否かを判定する。そして、ステップＳ２１で、回生エネルギーが主電池ＭＢの消費量を超える場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ２３に移行して蓄電池９への充電を開始し、超えない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ２４に移行して、主電池ＭＢへの充電を開始する。

このように、電池システムは、システム制御手段２において、目的地まで移動するのに必要な主電池ＭＢの出力を算出し、回生エネルギーと主電池ＭＢの消費量とを比較することで、余分なエネルギーが生じる場合にはそれを蓄電池９に充電することで、補助電池ＳＢの放電ロスを大幅に軽減することができる。

本発明に係わる電池システムは、その構成が上記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能であり、上記各実施形態の構成を組み合わせたり、各構成部位の形態、材料及び数などを変更したりすることができる。補助電池を構成する空気電池としては、例えば、予め電解質を収容したものや、予め電解液が注入されたものを用いることも可能であり、これらの場合には、電解質用液体を注入することで起動させる構成にしたり、密閉状態を開放して空気を導入することで起動させる構成にしたりすることができる。

また、本発明に係わる電池システムは、電気自動車用の電源だけでなく、その他の車両、鉄道、船舶及び各種電動輸送機器などの電源や、設置型の電源にも使用することができるが、その利便性から移動体用の電源として一層好適である。

Ａ空気電池
Ｃ電池カートリッジ
Ｅ１，Ｅ２電解液
ＭＢ主電池
ＳＢ補助電池
１運転情報取得手段
２システム制御手段
９蓄電池

Claims

電気自動車等の車両に搭載する電池システムであって、
充放電可能な主電池と、複数の電池カートリッジから成り且つ主電池に充電可能に接続した補助電池と、車両の運転情報として少なくとも目的地までの距離を算出する運転情報取得手段と、主電池の残容量及び運転情報取得手段からの運転情報に基づいて補助電池を起動させるシステム制御手段を備え、
補助電池が、出力の大きさを変更する出力変更機能を有し、
システム制御手段が、主電池の残容量及び運転情報取得手段からの運転情報に基づいて、補助電池の出力の大きさを選択して起動させる機能を有することを特徴とする電池システム。
補助電池の出力変更機能が、起動する電池カートリッジの数、及び起動する電池カートリッジ同士の接続方式の少なくとも一方を選択することにより出力の大きさを変更する機能であることを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
補助電池の電池カートリッジが、複数の空気電池を備えてい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。
電池カートリッジの空気電池が、注液式の空気電池であって、
補助電池の出力変更機能が、起動する電池カートリッジの数、起動する電池カートリッジ同士の接続方式、及び電池カートリッジに供給する電解液の種類のうちの少なくとも一つを選択することにより出力の大きさを変更する機能であることを特徴とする請求項３に記載の電池システム。
複数の補助電池を備え、
システム制御手段が、各補助電池を順次起動若しくは同時起動させる手段であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池システム。
蓄電池を備え、
システム制御手段が、補助電池を起動させる機能に加えて、主電池の残容量、運転情報取得手段からの運転情報、及び選択した補助電池の出力の大きさから、目的地まで移動するのに必要な主電池の出力を算出し、回生エネルギーが主電池の消費量を超える場合には、蓄電池への充電を行う機能を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池システム。