JP2016220299A

JP2016220299A - 電源装置の制御システム

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Publication number: JP2016220299A
Application number: JP2015099609A
Authority: JP
Inventors: 幸義上野; Yukiyoshi Ueno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2035-05-15
Also published as: JP6323719B2

Abstract

【課題】車両としての動力が著しく低下した際に、車両を安全に移動させる電源装置の制御システムを提供する。【解決手段】本発明によると、電源装置の制御システム１０が提供される。制御システム１０は、電源装置２０としてのリチウムイオン二次電池電源部（ＬＩＢ部）２２およびリチウムイオンキャパシタ電源部（ＬＩＣ部）２４と、上記２つの電源部の電圧をそれぞれ測定する電圧測定部３０ａ，３０ｂと、上記２つの電源部の使用を制御する制御部４０と、を備える。制御部４０は、上記２つの電源部で測定された電圧値と予め設定された常用下限電圧とを比較して、上記測定された電圧値がいずれも上記常用下限電圧以下の場合に、リチウムイオン二次電池電源部２２の使用を停止し、上記常用下限電圧以下の電圧範囲でリチウムイオンキャパシタ電源部２４を単独使用する非常用制御モードを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池電源部およびリチウムイオンキャパシタ電源部を備える電源装置の制御システムに関する。

動力源に電気エネルギーを使用している車両（例えば自動車）では、様々なエネルギー要求への適応性を高めるために、特性の異なる複数の電力源を組み合わせた電源装置を用いることがある。この種の技術に関する技術文献として特許文献１，２が挙げられる。例えば特許文献１には、低出力高密度型のエネルギー電源（例えばリチウムイオン二次電池）と、高出力低密度型のパワー電源（例えばリチウムイオンキャパシタ）と、を備えたハイブリッド電源式電動車両が開示されている。特許文献１には、上記構成によって、例えば車両の加速が一定時間以上続くような場合にも電動機の出力低下を起こすことがなく、運転者の要求に応じた出力を所定時間維持できる旨が記載されている。

特開２０１３−０５９２２３号公報特開２０１５−０１２６４８号公報

ところで、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタ等の電源装置は、通常、電圧が所定の範囲（常用電圧範囲）に収まるように制御された状態で使用される。そのため、例えば使用者が電源装置の充電を忘れて当該電源装置の電圧が常用電圧範囲以下となり、さらには他の動力源（例えばガソリンエンジンでは燃料となるガソリン）も枯渇した場合、車両としての動力が急激に減少することが予想される。
本発明は上記の事情に鑑みて創出されたものであり、その目的は、車両としての動力が著しく低下した際（特には、車両が動かなくなった際）に、車両を安全に移動させる電源装置の制御システムを提供することにある。

本発明によると、電源装置の制御システムが提供される。上記制御システムは、電源装置としてのリチウムイオン二次電池電源部（ＬＩＢ部）およびリチウムイオンキャパシタ電源部（ＬＩＣ部）と、上記２つの電源部の電圧をそれぞれ測定する電圧測定部と、上記２つの電源部の使用を制御する制御部と、を備える。
ここで、上記制御部は、上記２つの電源部で測定された電圧値と予め設定された常用下限電圧とを比較して、上記測定された電圧値がいずれも上記常用下限電圧以下の場合に、上記リチウムイオン二次電池電源部の使用を停止し、上記常用下限電圧以下の電圧範囲で上記リチウムイオンキャパシタ電源部を単独使用する非常用制御モードを備える。

ＬＩＣは、常用電圧以下（ＳＯＣ０%以下）の電圧領域に大きな静電容量を有する。このため、ＬＩＣは、通常使用する動力源が尽きた状況において非常用電源として機能し得、電動機（モータ）に電気エネルギーを供給することができる。また、ＬＩＣは本質的にキャパシタの特性を有する。このため、常用電圧範囲以下の電圧まで放電させても、発熱等の問題を生じ難い。したがって、かかる構成の制御システムによると、いざという時にも車両の動力を適切に確保することができ、安全に車両を移動させることができる。

本発明の一実施形態に係る制御システムを模式的に示す説明図である。リチウムイオンキャパシタの直流抵抗と電圧との関係を示すグラフである。リチウムイオンキャパシタの電圧とＳＯＣとの関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る制御方法を示すフローチャートである。

以下、適宜図面を参照しながら、好適な一実施形態に基づき説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴づけないＬＩＢやＬＩＣの構造等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

≪制御システム≫
制御システム１０は、電源装置２０と、電圧測定部３０と、制御部４０とを備えている。ここでは、制御システム１０が自動車（例えば、ハイブリッド自動車）に組み込まれる場合の例を挙げて具体的に説明する。
図１は、制御システム１０の概略構成を示す説明図である。

電源装置２０は、電動機（ここでは、モータージェネレーター（ＭＧ１，２））に電気エネルギーを供給する装置である。この実施形態では、リチウムイオン二次電池電源部（ＬＩＢ部）２２とリチウムイオンキャパシタ電源部（ＬＩＣ部）２４とが並列に配置され、２電源系の電源装置２０を構成している。ＬＩＢ部２２は、正負極に電荷担体としてのリチウムイオンを吸蔵・放出可能な材料を備える二次電池（化学電池）からなる。ここでは、複数個の（４つの）単電池が直列に接続され、ＬＩＢ部２２を構成している。また、ＬＩＣ部２４は、リチウムイオン二次電池の負極と電気二重層キャパシタの正極とを組み合わせた構成のハイブリッドキャパシタ（物理電池）からなる。ここでは、複数個の（４つの）単セルが直列に接続され、ＬＩＣ部２４を構成している。

ＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２４には、それぞれサービスプラグ（Ｓ／Ｐ）が接続されている。外部電源からの電源装置２０の充電は、このＳ／Ｐを介して行われる。なお、ＬＩＣ部２４は一般にＬＩＢ部２２に比べて容量が低い。このため、ＬＩＣ部２４はＳ／Ｐを備えていてもよいし、備えていなくてもよい。ＬＩＣ部２４がＳ／Ｐを備えていない態様では、ＬＩＣ部２４は主にブレーキ等の回生エネルギーの蓄電用として使用され得る。

電圧測定部（電圧センサ）３０は、電圧を測定する装置である。この実施形態では、２つの電圧センサ３０ａ，ｂが、ＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２４にそれぞれ備えられている。具体的には、ＬＩＢ部２２の側方のジャンクションブロック（Ｊ／Ｂ）に電圧センサ３０ａが配置され、ＬＩＣ部２４の側方のジャンクションブロック（Ｊ／Ｂ）に電圧センサ３０ｂが配置されている。電圧センサ３０ａは、ＬＩＢ部２２全体の電圧を測定するものである。また、電圧センサ３０ｂは、ＬＩＣ部２４全体の電圧を測定するものである。なお、電圧センサは、例えばＬＩＢ部２２および／またはＬＩＣ部２４を構成する単電池（単セル）毎の電圧を測定するものであってもよい。
電圧センサ３０ａ，ｂは、制御部４０に電気的に接続されている。電圧センサ３０ａ，ｂによって測定された電圧値の情報は、制御部４０に入力される。

制御部（コントローラ）４０は、上記測定された電圧値の情報を基に、電源装置２０の使用を制御する装置である。この実施形態では、制御部４０は、モータージェネレーター（ＭＧ）につながるシステムメインリレー（ＳＭＲ−Ｅ，Ｆ）で電源装置２０（ＬＩＢ部２２および／またはＬＩＣ部２４）との接続（ＯＮ／ＯＦＦ）を任意に切り替え可能なように構成されている。
制御部４０は、典型的には、入力部と、出力部と、演算部（ＣＰＵ）と、記憶媒体（メモリ）と、を備えている。入力部には、上記電圧センサ３０ａ，ｂから電圧値の情報が入力される。なお、制御部４０の演算部では、入力された電圧値に対して補正処理を行ってもよい。

制御部４０の記憶媒体には、ＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２４の常用電圧範囲が予め記憶されている。換言すれば、ここに開示される制御部４０の記憶媒体には、ＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２４の常用電圧の下限値（常用下限電圧）が記憶されている。一例では、ＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２４それぞれの単電池（単セル）毎の常用下限電圧が記憶されている。

常用電圧範囲や常用下限電圧は、例えば、電源装置２０の構成部材の性状や耐久性試験の結果等に基づいて任意に決定され、予め定められる値である。
一例を挙げると、例えば負極集電体の材質が銅である場合には、リチウムイオン二次電池の常用下限電圧を単電池あたり２．５Ｖに設定するとよい。これにより、銅の溶出に起因する微短絡を防止することができ、安定的に使用することができる。
また、図２は、リチウムイオンキャパシタの単セルを構築して、７０００時間の高温フロート試験を行った際の直流抵抗（ＤＣ−ＩＲ）と電圧との関係を示すグラフである。７０℃の高温環境下におけるフロート試験の結果からは、リチウムイオンキャパシタの電圧が２．２Ｖ未満になると抵抗が顕著に上昇して耐久性が悪化することがわかる。この理由としては、例えば不可逆的な電解液等の分解やガス発生等が考えられる。したがって、かかる場合には、リチウムイオンキャパシタの常用下限電圧を単セルあたり２．２Ｖに設定するとよい。

ここに開示される制御部４０の演算部は、上記ＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２４で測定された電圧値と、上記記憶媒体に記憶された常用電圧範囲（特には常用下限電圧）とをそれぞれ比較し、両者の大小関係を判定する。そして、この判定結果に基づいて、制御部４０の出力部から電源装置２０の使用に係る指令を出力する。例えば、上記測定した２つの電圧値がいずれも常用下限電圧より高い場合には、通常の使用態様（通常制御モード）として、ＬＩＢ部２２および／またはＬＩＣ部２４を常用電圧範囲内で使用する。これによって、様々なエネルギー要求に対する適応性を高めることができ、例えば高出力密度（例えば加速性能）が要求される場合にも適切に対処することができる。また、ここに開示される技術では、ＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２４で測定された電圧値がいずれも常用下限電圧以下の場合に、非常用制御モードに切り替えることが可能である。すなわち、ＬＩＢ部２２の使用を停止して、常用下限電圧以下の電圧範囲においてＬＩＣ部２４を単独で使用することができる。これにより、車両としての動力が著しく低下した際にも、車両の動力を適切に確保することができる。
なお、制御部４０は、車両に装備されるメイン制御装置（電子制御ユニット；ＥＣＵ）と独立して存在しても良く、あるいは制御部４０がＥＣＵの一部を構成していてもよい。

以下、ＬＩＣ部２４を構成するリチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）について簡単に説明する。ＬＩＣ（単セル）は、典型的には、正極と負極と非水電解質とこれらの構成要素を収容するケースを備える。

ＬＩＣの正極は、一般的な電気二重層キャパシタの正極と同様でよい。典型的な一態様では、正極集電体と、該正極集電体上に固着された正極活物質層とを備える。正極集電体としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材（例えばアルミニウムエッチング箔）が好適である。正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含み、さらに他の任意成分（例えば導電材やバインダ等）を含み得る。正極活物質としては、比表面積が比較的大きな炭素材料（例えば活性炭）が好適である。比表面積が比較的大きな材料を用いることで、電荷担体の吸脱着能が高まり、キャパシタとしての静電容量が向上する。導電材としては、例えば、カーボンブラック（典型的には、アセチレンブラックやケッチェンブラック）が好適である。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）等が好適である。

ＬＩＣの負極は、一般的なリチウムイオン二次電池の負極と同様でよい。典型的な一態様では、負極集電体と、該負極集電体上に固着された負極活物質層とを備える。負極集電体としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材（例えば銅パンチングメタル）を好適に採用し得る。パンチング加工（孔あけ）された導電性部材を用いることで、リチウムイオンのプレドープ作業を好適に行うことができ、容量を増加させることができる。負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含み、さらに他の任意成分（例えばバインダや増粘剤等）を含み得る。負極活物質としては、例えば、黒鉛（グラファイト）、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）等の炭素材料が好適である。バインダとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）等が好適である。また、増粘剤としては、高分子化合物、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）やメチルセルロース（ＭＣ）等のセルロース類が好適である。

ＬＩＣの非水電解質は、典型的な一態様では、非水溶媒と支持塩とを含む。非水溶媒としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒が好適である。なかでも、カーボネート類、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等が好適である。支持塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４等が好適である。

ＬＩＣの代表的な構成では、正極と負極との間にセパレータが介在する。セパレータとしては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂からなる多孔質シートが好適である。
ＬＩＣのケースとしては、アルミニウム等の軽量な金属製のものが好適である。

ＬＩＣの重量は、例えば、１００〜２００ｇ（典型的には、１３０〜１６０ｇ）であり得る。ＬＩＣのサイズは、例えば、縦６０〜１５０ｍｍ×横８〜１５ｍｍ×高さ４０〜９０ｍｍ（典型的には、縦８０〜１３０ｍｍ×横１０〜１３ｍｍ×高さ５０〜８０ｍｍ）であり得る。
また、ＬＩＣの常用上限電圧は、例えば、２．８〜４．５Ｖ（典型的には、３．６〜４．２Ｖ）であり得る。ＬＩＣの常用下限電圧は、例えば、１．３〜３．０Ｖ（典型的には、１．８〜２．４Ｖ）であり得る。ＬＩＣの常用電圧範囲における静電容量は、例えば、５００〜２０００Ｆ（典型的には、８００〜１３００Ｆ）程度であり得る。

図３は、ＬＩＣの電圧とＳＯＣとの関係を示すグラフである。この例では、電源としての機能を保証する常用電圧範囲を、２．２〜３．８Ｖとしている。なお、ＳＯＣ（State of Charge）とは、充電状態を表すものであり、常用上限電圧（ここでは３．８Ｖ）のときがＳＯＣ１００％、常用下限電圧（ここでは２．２Ｖ）のときがＳＯＣ０％である。図３からわかるように、ＬＩＣは、常用下限電圧以下（ここでは０〜２．２Ｖ）の電圧領域に常用使用域の凡そ３倍と大きな静電容量を有する。ここに開示される技術は、この静電容量を非常用電源として活用するものである。

なお、上述の通り、ＬＩＣは常用電圧範囲を超えてなおも放電を続けると、ガス発生による著しい劣化が発生し、耐久性が悪化する。換言すれば、初期と同等の静電容量を可逆的に発揮することが困難となる。このため、例えば特許文献１に記載されるような「パワー電源」の用途としてのリチウムイオンキャパシタの使用では常用電圧範囲内での充放電にとどまり、常用下限電圧以下（ＳＯＣ０％以下）の電圧まで放電することは想定されていない。

≪制御方法≫
次に、図４のフローチャートを参照しつつ、電源装置２０の制御方法について説明する。本実施形態の制御方法では、電源装置２０を使用する際に、電圧測定部３０によって電源装置２０の電圧を測定する（Ｓ１０）。具体的には、電源装置２０を構成するＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２４の電圧をそれぞれ測定する。測定された電圧値は、電圧測定部３０から出力されて、制御部４０の入力部に入力される。制御部４０の演算部では、上記測定された電圧値を補正することができる。例えば組電池としての電圧が測定される場合には、単電池（単セル）の接続方法（直列か並列か）や個数等を考慮して、各単電池（単セル）の測定電圧値を算出するようにプログラムしてもよい。

次に、制御部４０の演算部では、上記測定電圧値と予め設定された常用電圧範囲（特には常用電圧範囲の下限値（常用下限電圧））とを比較する。そして、ＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２４のそれぞれについて、測定電圧値と常用下限電圧との大小関係を判断する（Ｓ１２）。常用下限電圧は、例えば電源装置２０の構成要素や、制御システムの使用条件等に応じて、任意に設定することができる。常用下限電圧はＬＩＢ部２２とＬＩＣ部２４で同じであってもよく、異なっていてもよい。一例では、ＬＩＢ部２２の常用下限電圧を２．５Ｖ／セルに設定する。他の一例では、ＬＩＣ部２４の常用下限電圧を２．２Ｖ／セルに設定する。

上記判定で、測定電圧値が常用下限電圧を上回れば（Ｓ１２：Ｎｏ）、通常の電源装置２０の使用（通常制御モード）とし、再び電源装置２０の電圧測定（Ｓ１０）のステップに戻る。一方、測定電圧値が常用下限電圧以下であれば（Ｓ１２：Ｙｅｓ）、通常制御モードを停止するか否かの判断を行う（Ｓ１４）。例えば、動力源が電気とエンジン（例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン）のハイブリッドである場合は、エンジン側の燃料に残量があるか否かの確認作業を行うことができる。また、例えば、車両の表示部（メーターパネル等）に、通常制御モードを停止するか否かを表示し、運転者に選択させてもよい。

その結果、例えばエンジン側の燃料を使用可能である等の理由で、通常制御モードを停止する必要がないと判断されれば（Ｓ１４：Ｎｏ）、通常の電源装置２０の使用（通常制御モード）とし、再び電源装置２０の電圧測定（Ｓ１０）のステップに戻る。
一方、通常制御モードを停止する必要があると判断されれば（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、非常用制御モードを始動する（Ｓ１６）。具体的には、ＬＩＢ部２２と電動機との接続をＯＦＦにして、ＬＩＢ部２２の使用を停止する。そして、ＬＩＣ部２４と電動機との接続をＯＮにして、常用下限電圧以下の電圧範囲においてＬＩＣ部２４を単独で使用する。ＬＩＣは常用下限電圧以下の領域に大きな容量を保有しているため、上記非常用制御モードを選択することでいざというときの車両の動力を確保し、車両を安全に移動させることができる。

非常用制御モードを使用する場合には、次に、車両の速度を測定する（Ｓ１８）。車両速度＝０であれば、車両の移動が完了したと判断して非常用制御モードを終了する。そして、ＬＩＣ部２４と電動機との接続をＯＦＦにして、ＬＩＣ部２４の使用を停止する（Ｓ２０：Ｙｅｓ）。一方、車両速度＞０であれば、車両の移動が完了していないと判断して、非常用制御モードを継続する（Ｓ２０：Ｎｏ）。
非常用制御モードを継続する場合には、次に、ＬＩＣ部２４の電圧を測定する（Ｓ２２）。ＬＩＣ部２４の電圧が０であれば、それ以上の放電は困難であるため、非常用制御モードを終了する。そして、ＬＩＣ部２４と電動機との接続をＯＦＦにして、ＬＩＣ部２４の使用を停止する（Ｓ２４：Ｙｅｓ）。一方、電圧＞０であれば、ＬＩＣ部２４にはまだ容量が残っていると判断して、非常用制御モードを継続し、再び車両速度測定（Ｓ１８）のステップに戻る（Ｓ２４：Ｎｏ）。

以上のような制御方法によれば、いざという時（例えば通常の動力供給が止まった時）にも車両の動力を適切に確保することができ、安全に車両を移動させることができる。

さらに好ましい一態様では、上記非常用制御モードの使用後は、通常制御モードであっても、ＬＩＢ部２２およびＬＩＣ部２２の電圧によって使用する電源部を選択し、切り替える。例えば、ＬＩＣ部２４の測定電圧値が所定の電圧（例えば３．０Ｖ）以上の場合は、ＬＩＣ部２４と電動機との接続をＯＦＦにする。一方、ＬＩＣ部２４の測定電圧値が所定の電圧（例えば３．０Ｖ）未満の場合は、ＬＩＣ部２４と電動機との接続をＯＮにする。このように、非常用制御モードの使用後は、ＬＩＣ部２４の電圧が所定の電圧未満の場合に限ってＬＩＣを使用可能とすることで、安全な走行を継続することができる。

ここに開示される電源装置の制御システムは、動力源の全部あるいは一部に電気エネルギーを使用している車両に好適である。かかる車両としては、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動スクータ等が挙げられる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。本出願の請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０制御システム
２０電源装置
２２リチウムイオン二次電池電源部（ＬＩＢ部）
２４リチウムイオンキャパシタ電源部（ＬＩＣ部）
３０ａ，３０ｂ電圧測定部（電圧センサ）
４０制御部

Claims

電源装置としてのリチウムイオン二次電池電源部およびリチウムイオンキャパシタ電源部と、
前記２つの電源部の電圧をそれぞれ測定する電圧測定部と、
前記２つの電源部の使用を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記２つの電源部で測定された電圧値と予め設定された常用下限電圧とを比較して、
前記測定された電圧値がいずれも前記常用下限電圧以下の場合に、前記リチウムイオン二次電池電源部の使用を停止し、前記常用下限電圧以下の電圧範囲で前記リチウムイオンキャパシタ電源部を単独使用する非常用制御モードを備える、電源装置の制御システム。