JP2017212803A

JP2017212803A - 電源システム

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Publication number: JP2017212803A
Application number: JP2016103899A
Authority: JP
Inventors: 広規田代; Hiroki Tashiro; 勇二西; Yuji Nishi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2036-05-25
Also published as: JP6668944B2

Abstract

【課題】電源システムにおいて、ニッケル水素電池のみの搭載やリチウムイオン電池のみの搭載に比べて充放電制限を少なくすることである。【解決手段】電源システム１０は、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂとが交互に熱伝導部材２５を挟みながら１列に配置された二次電池ブロック１２と、各リチウムイオン電池セル２０ａと各ニッケル水素電池セル２０ｂのそれぞれの両端子に個別に接続された電力変換器３２の複数が電気的に直列接続される電力変換器ブロック１４と、電池温度が低温時にはリチウムイオン電池セル２０ａに対する充放電電力よりもニッケル水素電池セル２０ｂに対する充放電電力を大きくし、電池温度が高温時にはリチウムイオン電池セル２０ａに対する充放電電力の方がニッケル水素電池セル２０ｂに対する充放電電力よりも大きくする制御装置６０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルを含む電源システムに関する。

ハイブリッド車両には、ニッケル水素電池を搭載するものの他に、リチウムイオン電池を搭載するものがある。ニッケル水素電池は電池温度が低温時の充放電性能に比べると高温時での充放電性能が低くなりやすく、リチウムイオン電池は電池温度が高温時の充放電性能に比べると低温時の充放電性能が低いことが知られている。また、リチウムイオン電池は充電時においてリチウム析出が生じるために充電電力の制限等が行われる。

特許文献１では、ニッケル水素電池とリチウムイオン電池とについてそれぞれの許容入力値（Ｗｉｎ）を比較し、特に低温において、リチウム析出抑制のためにリチウムイオン電池のＷｉｎをニッケル水素電池のＷｉｎよりも小さく設定することを述べている。

特開２０１１−１２５２１０号公報

ハイブリッド車両に用いられる二次電池は、二次電池の種類によって定まる電池温度特性によって許容入力値、許容出力値（Ｗｏｕｔ）等が異なる。従来技術では、ニッケル水素電池を搭載するか、リチウムイオン電池を搭載するかであったため、前者では高温時の充放電制限が行われ、後者では低温時の充放電制限が行われる。そこで、ニッケル水素電池のみの搭載やリチウムイオン電池のみの搭載に比べて充放電制限の少ない電源システムが要望される。

本発明の１つの形態に係る電源システムは、リチウムイオン電池セルとニッケル水素電池セルとが交互にあるいは複数個おきに熱伝導部材を挟みながら１列に整列して配置された二次電池ブロックと、二次電池ブロックを構成するリチウムイオン電池セルの両端子、及びニッケル水素電池セルの両端子にそれぞれ個別に接続された電力変換器の複数が互いに電気的に直列接続され、複数の電力変換器が直列接続された両端部に、外部の充放電装置が接続される端子を有する電力変換器ブロックと、二次電池ブロックの電池温度が低温時には、リチウムイオン電池セルに対する充放電電力よりもニッケル水素電池セルに対する充放電電力を大きくし、一方、電池温度が高温時には、リチウムイオン電池セルに対する充放電電力の方がニッケル水素電池セルに対する充放電電力よりも大きくする制御を電力変換器ブロックに対して行う制御装置と、を備える。

本発明に係る電源システムによれば、二次電池ブロックの温度に応じて、低温時の充放電制限の少ないニッケル水素電池セルに対する充放電電力と、高温時の充放電制限の少ないリチウムイオン電池セルに対する充放電電力の大小関係を変更する。これによって、ニッケル水素電池のみの搭載やリチウムイオン電池のみの搭載に比べて充放電制限の少ない電源システムとなる。

本発明に係る実施の形態の電源システムの構成図である。本発明に係る実施の形態の電源システムにおいて用いられるリチウムイオン電池セルとニッケル水素電池セルのそれぞれについてのＷｉｎ／Ｗｏｕｔ特性図である。本発明に係る実施の形態の電源システムに用いられる電力変換器の内部構成図である。本発明に係る実施の形態の電源システムにおいて、リチウムイオン電池セルとニッケル水素電池セルのそれぞれについての電池温度に関する使用比率を示すマップデータの一例である。本発明に係る実施の形態の電源システムにおいて、充放電制限を少なくする制御手順を示すフローチャートである。図４の変形例で、充電時と放電時に分けて、リチウムイオン電池セルとニッケル水素電池セルのそれぞれについての電池温度に関する使用比率を示すマップデータの一例である。図４の変形例で、リチウムイオン電池セルの配列数とニッケル水素電池セルの配置数の比が異なる場合において、リチウムイオン電池セルとニッケル水素電池セルのそれぞれについての電池温度に関する使用比率を示すマップデータの一例である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される電源システムを述べるが、これは説明のための例示である。複数の電池セルを有する二次電池ブロックを含む電源システムであれば、車両に搭載される以外の用途であってもよい。例えば、据置型の電源システムでもよい。

以下で述べる形状、寸法、配置数、配置関係、温度等は、説明のための例示であって、電源システムの仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される電源システム１０の構成図である。電源システム１０は、二次電池ブロック１２と、電力変換器ブロック１４と、制御装置６０と、記憶部７０とを含む。図１には、電源システム１０の構成要素ではないが、電力変換器ブロック１４に接続される充放電装置１６を示す。

二次電池ブロック１２は、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂとが交互にあるいは複数個おきに熱伝導部材２５を挟みながら１列に整列して配置され、電力変換器ブロック１４を介して電気的に直列接続された組電池である。図１で整列方向を矢印で示す。二次電池ブロック１２は、複数のリチウムイオン電池セル２０ａと複数のニッケル水素電池セル２０ｂを直列接続することで、車両に搭載される電気機器に必要な高電圧、大電流を出力可能とした高圧電池である。

図１は、整列配置の両端側の部分として、４個のリチウムイオン電池セル２０ａ、４個のニッケル水素電池セル２０ｂ、６個の熱伝導部材２５のみを示す。リチウムイオン電池セル２０ａの配置数とニッケル水素電池セル２０ｂの配置数は、電源システム１０の仕様によって定められる。以下では、二次電池ブロック１２は、３０個のリチウムイオン電池セル２０ａ、３０個のニッケル水素電池セル２０ｂ、５９個の熱伝導部材２５を有するものとするが、これは説明のための例示である。

図１では、整列方向の一方端にリチウムイオン電池セル２０ａを配置し、他方端にニッケル水素電池セル２０ｂを配置しているので、リチウムイオン電池セル２０ａの配置数とニッケル水素電池セル２０ｂの配置数とが同数である。場合によっては、他方端にさらにもう１個のリチウムイオン電池セル２０ａを配置し、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）＝３１、（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）＝３０としてもよい。あるいは、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）＝３０のままで、他方端の１個のニッケル水素電池セル２０ｂを省略し、（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）＝２９としてもよい。これらと逆に、一方端にさらにもう１個のニッケル水素電池セル２０ｂを配置し、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）＝３０、（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）＝３１としてもよい。あるいは、（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）＝３０のままで、一方端の１個のリチウムイオン電池セル２０ａを省略し、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）＝２９としてもよい。

電源システム１０の仕様によっては、リチウムイオン電池セル２０ａの配置数と（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数の比を、１以外の予め定めた値としてもよい。例えば、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）：（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）＝２：１としてもよい。２：１は例示であって、これ以外の比でも構わない。例えば、３：１や１：２等でもよく、配置数が整数であれば、比は整数比でなくてもよい。例えば、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数＝４３）：（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数＝１７）等であってもよい。これらの場合には、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂとが複数個おきに配置されることがあるが、その場合でも、個別の電池セルの間にはそれぞれ熱伝導部材２５を挟む。例えば、（リチウムイオン電池セル２０ａ）−（熱伝導部材２５）−（リチウムイオン電池セル２０ａ）−（熱伝導部材２５）−（ニッケル水素電池セル２０ｂ）−（熱伝導部材２５）のように、１列に整列して配置する。以下では、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）＝（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）＝３０とする。リチウムイオン電池セル２０ａの配置数とニッケル水素電池セル２０ｂの配置数の比が１以外の場合については、変形例として後述する（図７参照）。

リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂは、いずれも略矩形の側壁を有する薄板状の電池である。図１では、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂは、それぞれの薄板状の厚さ方向を揃えて、１列に整列される。つまり、厚さ方向が整列方向である。

リチウムイオン電池セル２０ａは、内部に電解液を含む缶体の外形を備え、正極端子２２ａと負極端子２４ａとを有する。電解液にはリチウム塩が含まれ、充電条件によっては、負極側にリチウム析出が生じることがあるので、充電電力に制限が加えられる。

ニッケル水素電池セル２０ｂは、内部に電解液を含む缶体の外形を備え、正極端子２２ｂと負極端子２４ｂとを有する。電解液には水酸化カリウム水溶液が含まれ、充電が続くと正極で酸素が発生して負極で水と反応する副反応が生じ、缶体の内部圧が上昇し、発熱する。これを考慮して、高温側では充電電力に制限が加えられる。

リチウムイオン電池の単位セルの正極端子２２ａと負極端子２４ａとの間の端子間電圧は、約３Ｖ〜４Ｖ程度で、ニッケル水素電池の単位セルの正極端子２２ｂと負極端子２４ｂとの間の端子間電圧は、約１Ｖ〜１．５Ｖ程度である。これらをそのままリチウムイオン電池セル２０ａ、ニッケル水素電池セル２０ｂとして用いるが、場合によっては、複数個の単位セルを組み合わせる等によって、端子間電圧を揃えたリチウムイオン電池セル２０ａ、ニッケル水素電池セル２０ｂとしてもよい。

図２は、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂのそれぞれについてのＷｉｎ／Ｗｏｕｔ特性図である。横軸は電池温度で、紙面上で左方向が低温側、右方向が高温側である。縦軸は、充放電電力の制限における許容値を示す許容入出力値である。許容入出力値は、充電電力の許容値を許容入力値Ｗｉｎで示し、放電電力の許容値を許容出力値Ｗｏｕｔで示す。ここでは、出力（放電）値を正の値で示し、入力（充電）値を負の値で示す。

図２において、実線は、リチウムイオン電池セル２０ａの電池温度に関するＷｉｎ／Ｗｏｕｔ特性図であり、破線は、ニッケル水素電池セル２０ｂの電池温度に関するＷｉｎ／Ｗｏｕｔ特性図である。図２に示されるように、リチウムイオン電池セル２０ａもニッケル水素電池セル２０ｂも、電池温度が温和な環境下ではＷｉｎもＷｏｕｔもほぼ一定値であるが、電池温度が低温及び高温の環境下では、ＷｉｎもＷｏｕｔも制限される。リチウムイオン電池セル２０ａにおいて特に低温の環境下でＷｉｎが制限されるのは、リチウム析出を抑制するためである。また、ニッケル水素電池セル２０ｂにおいて特に高温の環境下でＷｉｎが制限されるのは、副反応による発熱を抑制するためである。このように、リチウムイオン電池セル２０ａもニッケル水素電池セル２０ｂも、それぞれ充放電に制限が加えられる。

図１に戻り、熱伝導部材２５は、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂの間に密着して配置され、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂとの間の温度差を小さくするように熱を伝導する部材である。図１では、リチウムイオン電池セル２０ａ、ニッケル水素電池セル２０ｂ、熱伝導部材２５のいずれも、整列方向に垂直な方向の形状を矩形とし、矩形形状の大きさも同じである。これらは、熱伝導の効率化を図る例示であり、二次電池ブロック１２の仕様に応じて適宜変更が可能である。かかる熱伝導部材２５には、熱伝導性の良好なプラスチック板を用いる。これに代えて、絶縁コーティングを施した金属板を用いてもよい。

拘束板２６，２７は、二次電池ブロック１２の整列方向の両端部にそれぞれ配置される平板である。拘束バンド２８，２９は、二次電池ブロック１２の端子側において、拘束板２６，２７の間を結合する細長い部材である。同様に、拘束バンド３０，３１は、二次電池ブロック１２の端子側とは反対側の底面側において、拘束板２６，２７の間を結合する細長い部材である。これらの結合によって、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂとにおいて充放電による厚さの変化が生じても、二次電池ブロック１２の整列方向の両端部の間隔は、ほぼ所定値に維持される。

電池温度情報１８は、二次電池ブロック１２の温度を電池温度として、電池温度に関する情報である。電池温度は、二次電池ブロック１２の代表温度を検出できる部位に設置された温度検出手段の検出データをそのまま用いることができる。これに代えて、二次電池ブロック１２の複数部位にそれぞれ温度検出手段を設け、これらの検出データに基づき予め定めた推定方法に従って算出された値を、電池温度としてもよい。電池温度情報１８は、適当な信号線を介し、電池温度データとして制御装置６０に伝送される。

電力変換器ブロック１４は、二次電池ブロック１２を構成するリチウムイオン電池セル２０ａの両端子、及びニッケル水素電池セル２０ｂの両端子にそれぞれ個別に接続された複数の電力変換器３２を含む。複数の電力変換器３２の総数は、｛（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）＋（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）｝である。図１では、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数＝３０）で、（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数＝３０）であるので、電力変換器ブロック１４は、６０個の電力変換器３２を含む。

６０個の電力変換器３２はすべて同じ構成であり、リチウムイオン電池セル２０ａの両端子またはニッケル水素電池セル２０ｂの両端子に接続される端子３４，３６と、端子３４，３６の反対側に設けられる端子３８，４０とを有する。６０個の電力変換器３２のうち、リチウムイオン電池セル２０ａの両端子に接続されるものと、ニッケル水素電池セル２０ｂの両端子に接続されるものとでは動作が異なる。この２種類の動作を区別するため、リチウムイオン電池セル２０ａの両端子に接続されるものを電力変換器３２ａとし、ニッケル水素電池セル２０ｂの両端子に接続されるものを電力変換器３２ｂと呼ぶ。

電力変換器ブロック１４では、１つの電力変換器３２の端子４０が隣りの電力変換器３２の端子３８に接続され、これが繰り返されて、複数の電力変換器３２が互いに電気的に直列接続される。図１では、二次電池ブロック１２において、整列方向の一方端から他方端に向かって、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂとが互いに交互に配置される。これに対応し、電力変換器ブロック１４において、整列方向の一方端から他方端に向かって、電力変換器３２ａと電力変換器３２ｂとが互いに交互に配置され、端子３８，４０を用いて互いに電気的に直列接続される。

複数の電力変換器３２が直列接続された両端部には、外部の充放電装置１６が接続される一方側端子５０と他方側端子５２とが設けられる。図１では、整列方向の一方端の電力変換器３２ａの端子３８が引き出されて一方側端子５０となり、整列方向の他方端の電力変換器３２ｂの端子４０が引き出されて他方側端子５２となる。

電力変換器３２ａ，３２ｂの内部構成は同じであるので、整列方向のほぼ中央位置に配置される１つの電力変換器３２ａに代表させてその内部構成を図３に示す。電力変換器３２ａは、小型のＤＣＤＣコンバータである。電力変換器３２ａは４つの端子３４，３６，３８，４０を有する。１つの電力変換器３２ａは、１つのリチウムイオン電池セル２０ａに対応して配置され、電力変換器３２ａの端子３４は、リチウムイオン電池セル２０ａの正極端子２２ａに接続され、端子３６は、リチウムイオン電池セル２０ａの負極端子２４ａに接続される。

電力変換器３２ａは、内部にコイル４２、２つのスイッチング素子４４，４６、コンデンサ４８を含む。コイル４２とスイッチング素子４４は互いに直列接続されて、端子３６と端子３８との間に配置される。スイッチング素子４６は、コイル４２とスイッチング素子４４の接続点と、端子３６との間に配置される。コンデンサ４８は、端子３８と端子４０との間に設けられる。

スイッチング素子４４，４６は、それぞれ制御装置６０の制御の下で動作する半導体トランジスタと、半導体トランジスタに逆接続されたダイオードとを含む。半導体トランジスタに逆接続されたダイオードとは、半導体トランジスタがオンのときに流れる電流の方向の逆方向に電流が流れるように接続されたダイオードである。図３では、半導体トランジスタにＮチャネル型のＭＯＳトランジスタを用いるので、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタのドレインにダイオードのカソードが接続され、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタのソースにダイオードのアノードが接続される。

電力変換器ブロック１４における電力変換器３２ａの動作を以下に述べる。図３に示すように、コンデンサ４８の両端電圧をＶ_OUT、コンデンサ４８の充放電電流をＩ_OUTとし、リチウムイオン電池セル２０ａの両端電圧をＶ_B、リチウムイオン電池セル２０ａの充放電電流をＩ_Bとする。電力変換器３２ａの両側に配置されるのは電力変換器３２ｂであるが、電力変換器３２ａの左隣に配置される電力変換器３２ｂの端子４０と電力変換器３２ａの端子３８とが互いに電気的に接続される。また、電力変換器３２ａの端子４０と電力変換器３２ａの右隣に配置される電力変換器３２ｂの端子３８とが互いに電気的に接続される。これが繰り返されるので、電力変換器ブロック１４においては、６０個のコンデンサ４８が直列接続される。これによって、６０個の電力変換器３２は、交流的に直列接続される。６０個のコンデンサ４８において、Ｉ_OUTは同じ値であり、この例では二次電池ブロック１２の充放電電力は充放電装置１６とのみやり取りされるため、充放電装置１６からの充電電流または充放電装置１６への放電電流と同じ値である。

電力変換器３２ａにおいて内部損失がないとして、（Ｖ_OUT×Ｉ_OUT）＝（Ｖ_B×Ｉ_B）である。これを書き直すと、Ｉ_B＝｛（Ｖ_OUT×Ｉ_OUT）／Ｖ_B｝となるので、Ｖ_OUTを制御することで、リチウムイオン電池セル２０ａの充放電電流Ｉ_Bを制御できる。これは、ニッケル水素電池セル２０ｂ用の電力変換器３２ｂについても同じである。したがって、６０個の電力変換器３２について、それぞれのコンデンサ４８の両端電圧Ｖ_OUTを個別に制御することで、３０個のリチウムイオン電池セル２０ａの充放電電流Ｉ_Bと、３０個のニッケル水素電池セル２０ｂの充放電電流Ｉ_Bとを個別に制御できる。電力変換器３２の充放電動作は、コイル４２と２つのスイッチング素子４４，４６を有する一般的な昇圧コンバータと同じ制御方法で制御できる。なお、電力変換器３２ａの出力は、Ｗｏｕｔ（またはＷｉｎ）＝Ｖ_OUT×Ｉ_OUTであり、リチウムイオン電池セル２０ａの充放電電流はＶ_OUTに比例して変化する。

すなわち、スイッチング素子４４がオンする時間である充電時間Ｔ_Cに応じてリチウムイオン電池セル２０ａを充電することができ、スイッチング素子４６がオンする時間である放電時間Ｔ_Dに応じてリチウムイオン電池セル２０ａを放電させることができる。なお、スイッチング素子４６がオンすることでコイル４２に電流が流れてここにエネルギが蓄えられ、スイッチング素子４６がオフすることでコイル４２からの電流がスイッチング素子の逆接続されたダイオードを介し、コンデンサ４８に向けて流れる。１つのリチウムイオン電池セル２０ａについて充電と放電とは同時に生じないので、スイッチング素子４４がオンするときはスイッチング素子４６がオフされ、スイッチング素子４６がオンするときはスイッチング素子４４がオフされる。なお、スイッチング素子４４，４６が同時にオンする時間があると、端子３８，４０の間が短絡して過大な貫通電流が流れるので、スイッチング素子４４，４６のオンオフの切替において、スイッチング素子４４，４６が共にオフするデッドタイム時間ｔ_dを設ける。

ここで、充放電制御のサイクル時間Ｔとすると、サイクル時間Ｔのうちで（Ｔ_C／Ｔ）の時間で充電が行われ（Ｔ_D／Ｔ）の時間で放電が行われる。（Ｔ_C＋Ｔ_D＋ｔ_d）＝Ｔの関係を用いると、Ｔ_D＝｛Ｔ−（Ｔ_C＋ｔ_d）｝である。そこで、充電時間比率である（Ｔ_C／Ｔ）を電力変換器３２ａの充電動作におけるデューティ比Ｄａと呼ぶと、サイクル時間Ｔのうちでデューティ比Ｄａに相当する時間にスイッチング素子４４がオンする。スイッチング素子４６がオンする時間はＴ_D＝（Ｔ−Ｔ_C−ｔ_d）であるので、サイクル時間Ｔのうちで｛（Ｔ−Ｔ_C−ｔ_d）／Ｔ｝＝｛１−Ｄａ−（ｔ_d／Ｔ）｝に相当する時間にスイッチング素子４６がオンする。

したがって、デューティ比Ｄａが大きくなるほど、リチウムイオン電池セル２０ａへの充電電力が大きくなり、デューティ比Ｄａが小さくなるほど、リチウムイオン電池セル２０ａからの放電電力が大きくなる。リチウムイオン電池セル２０ａについて、充電電力及び放電電力と、デューティ比Ｄａとの関係を予め求めておけば、デューティ比Ｄａを制御することで、リチウムイオン電池セル２０ａにおける充電電力と放電電力とを制御できる。

ニッケル水素電池セル２０ｂについても同様である。すなわち、電力変換器３２ｂにおける充電時間比率である（Ｔ_C／Ｔ）を電力変換器３２ｂの充電動作におけるデューティ比Ｄｂと呼ぶと、デューティ比Ｄｂを制御することで、ニッケル水素電池セル２０ｂにおける充電電力と放電電力とを制御できる。

リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂとは電池特性が互いに相違する。例えば、同じ充電電力を充電するときのデューティ比Ｄａとデューティ比Ｄｂとは異なることがあり、同じ放電電力を放電するときのデューティ比Ｄａとデューティ比Ｄｂも異なることがある。また、リチウムイオン電池セル２０ａのＷｉｎ／Ｗｏｕｔ特性とニッケル水素電池セル２０ｂのＷｉｎ／Ｗｏｕｔ特性とが異なることに応じて、電力変換器３２ａのデューティ比Ｄａ及び電力変換器３２ｂのデューティ比Ｄｂの設定が異なる。その詳細については後述する。

図１に戻り、充放電装置１６は、電力変換器ブロック１４の一方側端子５０と他方側端子５２との間に並列に接続される。充放電装置１６は、電力変換器ブロック１４を介して二次電池ブロック１２に充電電力を供給する充電電源と、電力変換器ブロック１４を介して二次電池ブロック１２から放電電力の供給を受け取る放電負荷とを含む装置である。充放電装置１６は、回転電機５４とインバータ５６とを含む。回転電機５４は、車両の駆動源となるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）である。モータ・ジェネレータは、二次電池ブロック１２から電力が供給されるときはモータとして機能し、車両の制動時には発電機として機能する三相同期型の回転電機である。インバータ５６は、二次電池ブロック１２の直流電力と回転電機５４の三相交流電力との間で交直変換を行う回路である。交直変換は、二次電池ブロック１２の直流電力から回転電機５４の三相交流電力への変換、及び、回転電機５４の三相交流電力から二次電池ブロック１２の直流電力への変換を含む。インバータ５６は、複数のスイッチング素子と複数のダイオードとを含む。

充放電装置１６として、回転電機５４とインバータ５６の組合せに代えて、あるいはこれに加えて、蓄電装置等の直流電源、商用電源等の交流電源、電気機器等の負荷装置等を用いることができる。例えば、車両が、充電ステーション等から電力供給を受けるプラグイン型のハイブリッド車両の場合は、充放電装置１６として、充電ステーション等における電源装置が用いられる。また、車両とは別の外部負荷に電力を供給することができる電力出力ポートを有する車両では、車両とは別の外部負荷が充放電装置１６における放電負荷となる。

車両状態情報５８は、車両のユーザ操作子であるアクセル、ブレーキ等の操作状態や、図示しない車両制御装置によって制御された車両の走行状態等に関する情報である。車両状態情報５８は、適当な信号線を介して制御装置６０に伝送され、要求電池電力の算出に用いられる。

制御装置６０に接続される記憶部７０は、制御装置６０が実行するプログラムを格納し、演算の途中データを一時的に記憶する装置である。さらに、制御装置６０において、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂのそれぞれの使用比率の決定に用いられる使用比率マップデータ７３を含む使用比率関係ファイル７２を記憶する。

二次電池ブロック１２は、電池セルとして、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂの２種類を含むので、これらの間での要求電池電力の負担割合を使用比率Ｒと呼ぶ。使用比率マップデータとは、電池温度が温和な環境下における使用比率を基準として、低温の環境下、及び高温の環境下のそれぞれにおける使用比率を基準の使用比率からどのように増減させるかを示すデータである。使用比率マップデータは、電池温度に関する使用比率をマップ化したデータである。

マップ化に代えて、電池セルの種類ごとの使用比率を、電池温度及び要求電池電力の関数形に数式化して記憶してもよく、電池セルの種類、電池温度、及び要求電池電力を入力して使用比率が出力されるＲＯＭ化によって記憶してもよい。

図４は、使用比率マップデータ７３の一例を示す図である。使用比率マップデータ７３は、（ａ）のリチウムイオン電池セル２０ａの使用比率マップデータと、（ｂ）のニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率マップデータとを含む。（ａ），（ｂ）のいずれにおいても、横軸は電池温度、縦軸は使用比率、パラメータは要求電池電力である。

（ａ）のマップデータによれば、リチウムイオン電池セル２０ａの電池温度が中間温度範囲では使用比率が一定のＲ₁でこれが基準となる。低温時では、使用比率を電池温度が低温になるに連れてＲ₁より次第に低減させ、電池要求電力が大になるに連れてＲ₁からの使用比率の低減程度を拡大させる。これに対し、高温時では、使用比率を電池温度が高温になるに連れてＲ₁より次第に増加させ、電池要求電力が大になるに連れてＲ₁からの使用比率の増加程度を拡大させる。

（ｂ）のマップデータによれば、ニッケル水素電池セル２０ｂの電池温度が中間温度範囲では、使用比率が一定のＲ₂でこれが基準となる。低温時では、使用比率を電池温度が低温になるに連れてＲ₂より次第に増加させ、電池要求電力が大になるに連れてＲ₂からの使用比率の増加程度を拡大させる。これに対し、高温時では、使用比率を電池温度が高温になるに連れてＲ₂より次第に低減させ、電池要求電力が大になるに連れてＲ₂からの使用比率の低減程度を拡大させる。

リチウムイオン電池セル２０ａにおいて基準となる使用比率Ｒ₁と、ニッケル水素電池セル２０ｂにおいて基準となる使用比率Ｒ₂は、要求電池電力について、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂの間での負担割合を示す。例えば、要求電池電力の全てを３０個のリチウムイオン電池セル２０ａのみで賄うときは、Ｒ₁＝１．０で、Ｒ₂＝０であり、要求電池電力の全てを３０個のニッケル水素電池セル２０ｂのみで賄うときは、Ｒ₁＝０で、Ｒ₂＝１．０である。要求電池電力の７０％を３０個のリチウムイオン電池セル２０ａで負担し、３０％を３０個のニッケル水素電池セル２０ｂで負担するときは、Ｒ₁＝０．７で、Ｒ₂＝０．３である。このように、（Ｒ₁＋Ｒ₂）は、車両における要求電池電力と同じとする。これによって、電池温度が低温時及び高温時において過渡的に使用比率の変更が行われた後の中間温度範囲では、電源システム１０の全体として、車両における要求電池電力を確保できる。実際のＲ₁、Ｒ₂の比率は、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂの電池容量と発熱特性によって定められる。必ずしもＲ₁＝Ｒ₂となるとは限らないが、Ｒ₁＝Ｒ₂とすることもできる。以下では、Ｒ₁＝Ｒ₂＝０．５とする。

（ａ），（ｂ）の内容を換言すれば、低温時においては、充放電制限が行われるリチウムイオン電池セル２０ａの使用比率をＲ₁から低減させ、充放電制限が少ないニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率をＲ₂から増加させる。高温時においては、充放電制限が行われるニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率をＲ₂から低減させ、充放電制限が少ないリチウムイオン電池セル２０ａの使用比率をＲ₁から増加させる。これにより、低温時及び高温時において、充放電制限が少ない電源システム１０とできる。

これらのマップデータの横軸の電池温度について、中間温度範囲、低温時、高温時の区別は、図２で述べたＷｉｎ／Ｗｏｕｔ特性図の温度依存性における温和な温度の環境下、低温の環境下、高温の環境下にそれぞれ対応する。一例を挙げると、「中間温度範囲」の温度は＋３０℃、「低温時」の温度範囲の温度は、−１０℃、「高温時」の温度範囲の温度は、＋５０℃である。これらの温度は例示であって、リチウムイオン電池セル２０ａ、ニッケル水素電池セル２０ｂの仕様等によって適宜変更される。

図４において、低温時及び高温時において使用比率を低減または増加させる特性は、電池温度に対し直線的に変化するものとしたが、これは例示であって、図２のＷｉｎ／Ｗｏｕｔ特性の非線形性に対応して、非線形性としてよい。

図１に戻り、制御装置６０は、電力変換器ブロック１４における複数の電力変換器３２ａ，３２ｂの動作を個別に制御し、二次電池ブロック１２の電池温度に関わらず、二次電池ブロック１２の充放電制限を少なくする。かかる制御装置６０は、車両の搭載に適したコンピュータが用いられる。

制御装置６０は、車両状態情報５８から伝送されるデータを用いる要求電池電力算出部６２と、電池温度情報１８から伝送されるデータと記憶部７０の使用比率関係ファイル７２を用いる使用比率決定部６４を含む。さらに、使用比率に基づいて、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂに対する要求電力を算出し、これに基づいて、電力変換器３２ａ，３２ｂについてのデューティ比を算出するデューティ比算出部６６を含む。また、算出されたデューティ比で電力変換器ブロック１４の動作を制御する電力変換器動作制御部６８を含む。これらの機能は、コンピュータである制御装置６０に、ソフトウェアを実行させることで実現される。具体的には、電源システム制御プログラムを制御装置６０に実行させることで実現される。

上記構成の作用効果、特に制御装置６０の各機能の内容と、記憶部７０に記憶される使用比率関係ファイル７２とについて、図５を用い詳細に説明する。図５は、電池温度に対して充放電制限を少なくする制御手順を示すフローチャートである。各手順は、電源システム制御プログラムの各処理手順に対応する。図５に示す一連の処理手順は、制御装置６０において所定の演算周期毎に呼出され、実行される。

車両の動作システムが立ち上がると、電源システム制御プログラムも立ち上がり、初期化が行われる。次いで、車両状態情報５８を取得し、現在の車両状態における要求動力から電源システム１０に対して要求される電力である要求電池電力の算出が行われる（Ｓ１０）。この処理手順は、制御装置６０の要求電池電力算出部６２の機能によって実行される。要求電池電力の単位はｋＷである。次に、伝送されてくる電池温度情報１８に基づいて二次電池ブロック１２の代表温度である電池温度を取得する（Ｓ１２）。Ｓ１０とＳ１２の処理順序は逆でもよい。

次に、Ｓ１０で算出された要求電力と、Ｓ１２で取得した電池温度を検索キーとして、記憶部７０の使用比率関係ファイル７２における使用比率マップデータ７３を検索する。これにより、リチウムイオン電池セル２０ａの使用比率と、ニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率を求める（Ｓ１４）。この処理手順は、制御装置６０の使用比率決定部６４の機能によって実行される。

一例として、電池温度が「低温時」の−１０℃とし、車両のアクセル操作が加速要求の状態等で、通常安定走行時よりも要求電力がやや大きめの場合の使用比率を、図４（ａ），（ｂ）に黒丸マークで示す。この例では、電池温度が「中間温度範囲」にある＋３０℃のときにＲ₁＝Ｒ₂＝０．５として、リチウムイオン電池セル２０ａの使用比率は、Ｒ₁＝０．５より小さめとされ、ニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率は、Ｒ₂＝０．５より大きめとされる。

なお、比較のため、電池温度が「高温時」の＋５０℃とし、要求電力が黒丸マークの例と同じとしたときの使用比率を、図４に白丸マークで示す。この例では、Ｒ₁＝Ｒ₂＝０．５として、リチウムイオン電池セル２０ａの使用比率は、Ｒ₁＝０．５より大きめとされ、ニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率は、Ｒ₂＝０．５より小さめとされる。また、電池温度が「中間温度範囲」にある＋３０℃のときは、通常安定走行時から要求電力が変化しても使用比率はＲ₁＝Ｒ₂＝０．５から変化しない。そのことをＸ印マークで示す。

図５に戻り、Ｓ１４でリチウムイオン電池セル２０ａの使用比率と、ニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率とが定まると、これらにＳ１０で算出された要求電池電力を乗じる。これによって、リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂとに対する要求電力がそれぞれ算出される（Ｓ１６）。

使用比率は電池温度によって変化するが、「中間温度範囲」では（リチウムイオン電池セル２０ａの使用比率）＋（ニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率）｝＝１．０であるので、要求電池電力を満たしている。「低温時」においてはリチウムイオン電池セル２０ａの使用比率よりもニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率が大きいので、リチウムイオン電池セル２０ａに対する要求電力よりもニッケル水素電池セル２０ｂに対する要求電力の方が大きい。一方で、高温時においてはリチウムイオン電池セル２０ａの使用比率よりもニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率が小さいので、リチウムイオン電池セル２０ａに対する要求電力の方がニッケル水素電池セル２０ｂに対する要求電力よりも大きい。

リチウムイオン電池セル２０ａとニッケル水素電池セル２０ｂとに対する要求電力が算出されると、これらに対応する電力変換器３２ａのデューティ比Ｄａと、電力変換器３２ｂのデューティ比Ｄｂが算出される（Ｓ１８）。具体的には、充電電力及び放電電力と、デューティ比Ｄａ，Ｄｂとの関係を用いて、「中間温度範囲」、「低温時」、「高温時」のそれぞれの要求電力に相当する充電電力または放電電力に対応するデューティ比Ｄａ，Ｄｂを求める。この処理手順は、制御装置６０のデューティ比算出部６６の機能によって実行される。

デューティ比Ｄａ，Ｄｂが求められると、３０個の電力変換器３２ａのそれぞれにデューティ比Ｄａを適用し、３０個の電力変換器３２ｂのそれぞれにデューティ比Ｄｂを適用して、電力変換器ブロック１４の動作を制御する（Ｓ２０）。具体的には、各電力変換器３２ａにおいて、充放電制御のサイクル時間Ｔのうちでデューティ比Ｄａに相当する時間にスイッチング素子４４をオンさせ、｛１−Ｄａ−（ｔ_d／Ｔ）｝に相当する時間にスイッチング素子４６をオンさせる。同様に、各電力変換器３２ｂにおいて、充放電制御のサイクル時間Ｔのうちでデューティ比Ｄｂに相当する時間にスイッチング素子４４をオンさせ、｛１−Ｄｂ−（ｔ_d／Ｔ）｝に相当する時間にスイッチング素子４６をオンさせる。この処理手順は、制御装置６０の電力変換器動作制御部６８の機能によって実行される。

Ｓ１６の算出によれば、電源システム１０に対する要求電池電力を満たす条件の下で、低温時においてはリチウムイオン電池セル２０ａに対する要求電力よりもニッケル水素電池セル２０ｂに対する要求電力が大きい。これを満たすデューティ比Ｄａ，Ｄｂで電力変換器３２ａ，３２ｂが動作する。したがって、低温時においては、充放電制限の少ないニッケル水素電池セル２０ｂに対する充放電電力が大きくなり、これによって発熱を促し、その発熱を熱伝導部材２５を介してリチウムイオン電池セル２０ａに伝達して、電池温度を昇温できる。

一方、高温時においてはリチウムイオン電池セル２０ａに対する要求電力の方がニッケル水素電池セル２０ｂに対する要求電力よりも大きく、これを満たすデューティ比Ｄａ，Ｄｂで電力変換器３２ａ，３２ｂが動作する。したがって、高温時においては、充放電制限の少ないリチウムイオン電池セル２０ａに対する充放電電力が大きくなり、ニッケル水素電池セル２０ｂに対する充放電電力が抑えられる。これによって発熱量を抑制できる。また、発生した熱を熱伝導部材２５を介してリチウムイオン電池セル２０ａに伝達して電池温度上昇を抑制できる。

Ｓ２０の処理が済むと、次の制御周期でＳ１０に戻る。例えば、次の制御周期におけるＳ１０の要求電池電力算出が前回の制御周期のときと同じ値のときは、次の制御周期のＳ１２において取得される電池温度は、前回のＳ１４からＳ２０の処理の効果として、前回よりも中間温度範囲の側に移行している。

上記において、Ｓ１４で用いた使用比率マップデータ７３は、充放電電力についての使用比率を示すものである。したがって、電池要求電力が充電電力であっても放電電力であっても、同じ使用比率マップデータ７３を用いることができる。

ここで図２のＷｉｎ／Ｗｏｕｔ特性図によれば、Ｗｉｎ特性の方がＷｏｕｔ特性よりも低温時及び高温時の制限が大きい。これを考慮して、図６は、電池要求電力が充電電力か放電電力であるかに応じて、使用比率を変更できる使用比率マップデータ７４である。使用比率マップデータ７４は、記憶部７０の使用比率関係ファイル７２に含まれ、Ｓ１６の実行の際に、使用比率関係ファイル７２の一覧を表示させて選択を行う等の方法で、読み出すことができる。

使用比率マップデータ７４は、マップデータを４つ有する。（ａ），（ｂ）は充電用で、（ｃ），（ｄ）は放電用であり、（ａ），（ｃ）がリチウムイオン電池セル２０ａに対するマップデータであり、（ｂ），（ｄ）がニッケル水素電池セル２０ｂに対するマップデータである。各マップデータにおける横軸、縦軸、パラメータ、Ｒ₁，Ｒ₂、黒丸マーク、白丸マーク、Ｘ印マークの内容は、図４と同じである。

図６において、充電用の（ａ），（ｂ）のマップデータは、図４（ａ），（ｂ）と同じであるが、放電用の（ｃ），（ｄ）のマップデータは、図４（ａ），（ｂ）と異なる。放電用の（ｃ）においては、「低温時」の部分が充電用の（ａ）と異なるが、その他の部分は（ａ）と同じである。放電用の（ｄ）においては、「高温時」の部分が充電用の（ｂ）と相違するが、その他の部分は（ｂ）と同じである。

すなわち、図６の（ｃ）に示すように、リチウムイオン電池セル２０ａの「低温時」においては、電池要求電力が大になるにつれ、Ｒ₁からの使用比率の低減程度が拡大されるが、その拡大の程度が図４（ａ）よりも大きい。換言すれば、要求電池電力の増加程度が充電時と放電時で同じ大きさであっても、Ｒ₁からの使用比率の低減程度は、充電時の方が大きい。一方、（ｄ）に示すように、ニッケル水素電池セル２０ｂにおける「低温時」の部分は、（ｂ）の「低温時」の部分と同じままである。

また、図６の（ｄ）に示すように、ニッケル水素電池セル２０ｂの「高温時」においては、電池要求電力が大になるにつれ、Ｒ₂からの使用比率の低減程度が拡大されるが、その拡大の程度が図４（ｂ）よりも大きい。換言すれば、要求電池電力の増加程度が充電時と放電時で同じ大きさであっても、Ｒ₂からの使用比率の低減程度は、充電時の方が大きい。一方、（ｃ）に示すように、リチウムイオン電池セル２０ａにおける「高温時」の部分は、（ｂ）の「高温時」の部分と同じままである。

図５のＳ１６において、要求電池電力が充電用か放電用かを区別し、図６の使用比率マップデータ７４を用いることで、「低温時」及び「高温時」における充放電制限をより少なくすることができる。

上記では、リチウムイオン電池セル２０ａの配置数とニッケル水素電池セル２０ｂの配置数を同じとしたが、車両の仕様によっては、この配置数の比を１以外とすることができる。例えば、スポーツカーや酷暑地域向け仕様車等では、「高温時」の充放電制限をより少なくするために、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）＞（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）とすることが好ましい。一方、寒冷地域向け仕様車等では、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）＜（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）とすることが好ましい。これらの場合には、リチウムイオン電池セル２０ａの配置数とニッケル水素電池セル２０ｂの配置数の比に応じて、「中間温度範囲」における使用比率であるＲ₁，Ｒ₂を変更する。

図７は、「高温時」の充放電制限をより少なくするために、リチウムイオン電池セル２０ａの配置数を３０個から４０個に増やし、ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数を３０個から２０個に減らした場合の使用比率マップデータ７５を示す図である。ここでは、比較のために、（リチウムイオン電池セル２０ａの配置数）＝（ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数）＝３０個に対応する図４の使用比率マップデータ７３を並べて示す。使用比率マップデータ７５は、記憶部７０の使用比率関係ファイル７２に含まれ、Ｓ１６の実行の際に、使用比率関係ファイル７２の一覧を表示させて選択を行う等の方法で、読み出すことができる。

この場合、リチウムイオン電池セル２０ａの配置数を３０個から４０個に増やすので、使用比率マップデータ７５の（ｅ）に示すように、「中間温度範囲」の使用比率を図４（ａ）のＲ₁より大きいＲ₃に変更する。これに応じて、全体のマップデータも図４（ａ）のマップデータを使用比率の大の方向にシフトさせる。一方、ニッケル水素電池セル２０ｂは、配置数を３０個から２０個に減らすので、使用比率マップデータ７５の（ｆ）に示すように、「中間温度範囲」の使用比率を図４（ｂ）のＲ₂より小さいＲ₄に変更する。これに応じて、マップデータの全体も、図４（ｂ）のマップデータを使用比率の小の方向にシフトさせる。これによって、「高温時」のニッケル水素電池セル２０ｂの充放電の制限をより少なくでき、酷暑地域向け仕様に適したものとできる。なお、Ｒ₃＝２Ｒ₁とし、Ｒ₄＝（Ｒ₂／２）＝（Ｒ₁／２）とすれば、使用比率マップデータ７５の「中間温度範囲」における充放電電力は、図４の使用比率マップデータ７３の「中間温度範囲」における充放電電力と同じになる。

「低温時」の充放電制限をより少なくする例としては、リチウムイオン電池セル２０ａの配置数を３０個から２０個に減らし、ニッケル水素電池セル２０ｂの配置数を３０個から４０個に増やす。この場合には、リチウムイオン電池セル２０ａの使用比率マップとして、「中間温度範囲」の使用比率を図４（ａ）のＲ₁より小さい値に変更する。これに応じて、全体のマップデータも図４（ａ）のマップデータを使用比率の小の方向にシフトさせる。一方でニッケル水素電池セル２０ｂの使用比率マップとして、「中間温度範囲」の使用比率を図４（ｂ）のＲ₂より大きい値に変更する。これに応じて、マップデータの全体も、図４（ｂ）のマップデータを使用比率の大の方向にシフトさせる。これによって、「低温時」のリチウムイオン電池セル２０ａの充放電制限をより少なくでき、寒冷地域向け仕様に適したものとできる。なお、変更後のそれぞれの「中間温度範囲」の使用比率の和を１．０とすれば、「中間温度範囲」における充放電電力は、図４の使用比率マップデータ７３の「中間温度範囲」における充放電電力と同じになる。なお、図７に関連する配置数は、例示であって、車両の仕様に応じ、適宜変更が可能である。

１０電源システム、１２二次電池ブロック、１４電力変換器ブロック、１６充放電装置、１８電池温度情報、２０ａリチウムイオン電池セル、２０ｂニッケル水素電池セル、２２ａ，２２ｂ正極端子、２４ａ，２４ｂ負極端子、２５熱伝導部材、２６，２７拘束板、２８，２９，３０，３１拘束バンド、３２，３２ａ，３２ｂ電力変換器、３４，３６，３８，４０端子、４２コイル、４４，４６スイッチング素子、４８コンデンサ、５０一方側端子、５２他方側端子、５４回転電機、５６インバータ、５８車両状態情報、６０制御装置、６２要求電池電力算出部、６４使用比率決定部、６６デューティ比算出部、６８電力変換器動作制御部、７０記憶部、７２使用比率関係ファイル、７３，７４，７５使用比率マップデータ。

Claims

リチウムイオン電池セルとニッケル水素電池セルとが交互にあるいは複数個おきに熱伝導部材を挟みながら１列に整列して配置された二次電池ブロックと、
前記二次電池ブロックを構成する前記リチウムイオン電池セルの両端子、及び前記ニッケル水素電池セルの両端子にそれぞれ個別に接続された電力変換器の複数が互いに電気的に直列接続され、前記複数の電力変換器が直列接続された両端部に、外部の充放電装置が接続される端子を有する電力変換器ブロックと、
前記二次電池ブロックの電池温度が低温時には、前記リチウムイオン電池セルに対する充放電電力よりも前記ニッケル水素電池セルに対する充放電電力を大きくし、一方、前記電池温度が高温時には、前記リチウムイオン電池セルに対する充放電電力の方が前記ニッケル水素電池セルに対する充放電電力よりも大きくする制御を前記電力変換器ブロックに対して行う制御装置と、
を備える、電源システム。