JP2018182856A - 複合蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電池の劣化を抑制することを目的とする。【解決手段】パワー型電池と容量型電池とを有し、パワー型電池と容量型電池とが互いに直に並列接続され、パワー型電池と容量型電池とが電力変換器を介してモータに接続され、パワー型電池から電力変換器までの配線の抵抗値は、容量型電池から変換器までの配線の抵抗値よりも小さく、例えば、パワー型電池から前記電力変換器までの配線の長さは、前記容量型電池から前記変換器までの配線の長さよりも短い複合蓄電システム。【選択図】図１

Description

本発明は、複合蓄電システムに関する。

ハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両には、充放電可能な二次電池が搭載されており、車両の仕様に応じて搭載される二次電池の容量や出力特性などの性能が決定される。近年、電動車両の性能をより向上、例えば、航続距離の増加や、出力トルクの増加等を可能にするために、一つの電動車両に二種類以上の電池を搭載する複合蓄電システムが提案されている。例えば、特許文献１には、出力特性に優れた高出力型組電池（以後、パワー型電池）と、高容量型組電池（以後、容量型電池）とを配置した車両が開示されている。さらに、このような電動車両で主として高容量型電池を用いる場合、特許文献２のように、容量型電池とインバータ等の電力変換器との間の送電線の長さを、パワー型電池と電力変換器の送電線の長さよりも短くし、送電損失を低減させて、より効率的な電力の授受が可能な電動車両、および、複合蓄電システムが開示されている。

国際公開第２０１３／１５７０４９号 特開２０１６−２２０４７５号公報

特許文献１および２に記載の複合蓄電システムは、主として容量型電池を使用し、ドライバーからの出力要求や減速時の回生電力に対して容量型電池のみでは応えられない場合に、パワー型電池を使用することを想定している。このため、充放電による負荷が容量型電池に蓄積し、容量型電池の劣化が進む場合がある。

本発明は、電池の劣化を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するための特徴は例えば以下のとおりである。

パワー型電池と容量型電池とを有し、パワー型電池と容量型電池とが互いに直に並列接続され、パワー型電池と容量型電池とが電力変換器を介してモータに接続され、パワー型電池から電力変換器までの配線の抵抗値は、容量型電池から変換器までの配線の抵抗値よりも小さい複合蓄電システム。

本発明によれば、電気自動車の走行時に発生する放電および充電電流はパワー型電池に配分されるため、容量型電池の劣化が抑制される。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態における複合蓄電システム並びにそれを搭載する電気自動車の構成を示す。 本発明の一実施形態における複合蓄電システムのパワー型電池と容量型電池の電圧範囲を示す。 本発明の一実施形態における複合蓄電システムの電気回路モデルを示す。 本発明における複合蓄電システムの電気回路モデルにおける、充放電電流に対する各電池の電流特性の一例を示す。 本発明における複合蓄電システムの電池容量と電池抵抗の関係図の一例を示す。 本発明における複合蓄電システムの構成の一例を示す。 本発明における複合蓄電システムの構成の一例を示す。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は、本実施例である複合蓄電システム１００並びにそれを搭載する電気自動車１０の構成を示す。

図１に示すように、電気自動車１０は、パワー型電池１３と、パワー型電池１３に並列接続される容量型電池１４とを含む複合蓄電システム１００を備える。以下では、パワー型電池１３または容量型電池１４を電池と称する場合がある、電気自動車１０では、パワー型電池１３および容量型電池１４が併用されている。パワー型電池１３と容量型電池１４が直に並列接続されているため、電気自動車１０の走行時の放電電流や回生時の充電電流は、両電池の抵抗の比により配分される。このため、主として容量型電池１４を使用する場合に比べて負荷が低減し、電池の劣化の抑制に繋がる。さらに、パワー型電池１３と容量型電池１４とが直に並列接続されていることから、従来のような接続と断線を任意に制御するためのジャンクションボックスが不要となり、構造が簡素化できるため、複合蓄電システム１００の低コスト化にも繋がる。

電池の充放電に伴い、電池の電圧は変化するため、電気自動車１０の稼働中に容量型電池１４とパワー型電池１３の電圧が大きく異なる場合が発生し得る。このような状態で容量型電池１４とパワー型電池１３を直に繋ぐことは困難である。従来技術の方法では、インバータ１２の入力側には容量型電池１４用とパワー型電池１３用にそれぞれの入力端子を設ける必要がある。このため、従来技術ではシステム構成が複雑になり、システムが高コスト化する懸念がある。本発明の一実施形態は、上記の課題を解決するものである。

複合蓄電システム１００は、電力変換装置であるインバータ１２（電力変換器）を介して、モータジェネレータ１１と接続される。本発明の実施形態では、パワー型電池１３からインバータ１２までの配線の抵抗値が、容量型電池１４とインバータ１２までの配線の抵抗値よりも小さくなるように配線する。具体的には、パワー型電池１３からインバータ１２までの配線の長さが、容量型電池１４とインバータ１２までの配線よりも短くなるように配線する。或いは、パワー型電池１３からインバータ１２までの配線の断面積が、容量型電池１４とインバータ１２までの配線よりも大きくなるように配線しても良い。なお、インバータ１２、パワー型電池１３、容量型電池１４は、ＥＣＵ１５（“ＥＣＵ”は“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ”の略）によって制御される。

ここで、モータジェネレータ１１は交流機、例えば、誘導機や同期機である。パワー型電池１３および、容量型電池１４からインバータ１２へ直流電力が出力される。
インバータ１２は、パワー型電池１３および容量型電池１４から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ１２が出力する三相交流電力によって、モータジェネレータ１１が電動機として回転駆動される。これにより、電気自動車１０が走行する。

容量型電池１４だけではモータジェネレータ１１への供給電力が不足する場合、例えば電気自動車１０の加速時などにおいては、パワー型電池１３からも、インバータ１２を介してモータジェネレータ１１に電力が供給される。

電気自動車１０の減速時あるいは制動時などにおいて、すなわちモータジェネレータ１１の回生時において、モータジェネレータ１１で発電される交流電力は、インバータ１２を整流装置として動作させることにより直流電力に変換され、パワー型電池１３および、容量型電池１４に蓄電される。電気自動車１０の駐車時には、容量型電池１４およびパワー型電池１３は、図示しない充電装置によって充電される。なお、図１におけるモータジェネレータ１１は、それぞれ別体のモータおよびジェネレータによって構成されても良い。

パワー型電池１３は、容量型電池１４よりも、出力密度に優れるが容量（Ａｈ）は小さい。このようなパワー型電池１３としては、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などが適用される。また、パワー型電池１３に代えて、これと同様の高出力特性を有するリチウムイオンキャパシタや電気二十層キャパシタなどの蓄電装置（言わば、パワー型蓄電装置）を用いても良い。なお、以下においては、これらの電池およびキャパシタを含めて、「パワー型電池」と総称する。

容量型電池１４は、パワー型電池１３よりも出力密度は劣るものの、エネルギー密度に優れ容量（Ａｈ）が大きい。このような容量型電池１４としては、リチウムイオン電池、リチウムイオン半固体電池、リチウム固体電池、鉛電池、ニッケル亜鉛電池などが適用される。なお、パワー型電池１３として用いるリチウムイオン電池と、容量型電池１４として用いるリチウムイオン電池は、電極材料などの構成が異なる。

上記のように、本実施例によれば、パワー型電池１３および容量型電池１４を併用して、使用する電池全体として、電池容量を確保しながらも電池出力を高めたり、電池出力を確保しながらも電池容量を高めたりすることができる。
図２は、本実施形態に関する複合蓄電システム１００を構築する際に考慮すべきパワー型電池１３および容量型電池１４の電圧範囲、を示す。図２に示すように、パワー型電池１３の直列接続の電圧範囲と容量型電池１４の直列接続の電圧範囲は、オーバーラップするように構成する。この理由は、オーバーラップが無い場合は、電圧の高い電池から低い電池に常に充電電流が流れるため、複合蓄電システム１００と機能することが難しいためである。使用可能範囲（２３）の電圧幅を、「上限値（２４）−下限値（２５）」として、電力供給対象の電圧範囲や使用する電池の性能などを考慮しつつ、この電圧幅が大きくなるように、パワー型電池１３および容量型電池１４の直列数を決定する。

加えて、パワー型電池１３と容量型電池１４はＤＣＤＣコンバータなどの電流制御素子を介さずに接続されており、充放電時の電流はパワー型電池１３と容量型電池１４の特性によって一意に決まるため、これらの電池は複合蓄電システム１００が所望の特性を発揮するように最適に組み合わせる必要がある。その理由について図３を用いて説明する。

図３は、パワー型電池１３と容量型電池１４が並列接続された状態をモデル化した図、本発明の一実施形態における複合蓄電システム１００の電気回路モデルである。充放電による電池の電圧の変動をキャパシタ部で模擬し、電池の内部抵抗および電池からインバータ１２まで配線抵抗を電気抵抗にて模擬した。パワー型電池１３を基準として電気抵抗をＲ_１，キャパシタ容量をＣ_１とする。一方、容量型電池１４はキャパシタ容量Ｃ_２＝ｍＣ_１、Ｒ_２＝ｎＲ_１とする。初期の電池電圧即ち充電状態をＶ（０）とし、パワー型電池１３と容量型電池１４の合計の電流をＩとする。この時、電流Ｉが変化したときの電池の電圧は下記の式（１）および式（２）で表すことができる。

さらに、上記の式を変形すると、パワー型電池１３と容量型電池１４のそれぞれの電流は以下の式式（３）および式（４）で表すことができる。

式（３）および式（４）を元に、電流がステップ的に変化した場合のパワー型電池１３と容量型電池１４の応答、本発明における複合蓄電システム１００の電気回路モデルにおける、充放電電流に対する各電池の電流特性の一例を図４に示す。電流が変化した直後の時刻ｔ＝０では、パワー型電池１３と容量型電池１４の電流は抵抗の比に応じて配分され、時間の経過につれて、パワー型電池１３からの電流が低下し、容量型電池１４の電流が大きくなる。図４から明らかなように、パワー型電池１３が加速時や減速時における短時間の大きな電流変化を供給、吸収するためには、パワー型電池１３と容量型電池１４の抵抗比は出来るだけ大きくするのが良い。一般的に、パワー型電池１３は出力特性を向上させる観点から、電池の抵抗値が小さくなるように作成されている。このため、同じ容量であれば、パワー型電池１３は容量型電池１４よりも抵抗が小さくなる。しかし、本実施例に関わる複合蓄電システム１００は、短時間の大きな電流の変動をパワー型電池１３で供給、吸収する観点から、パワー型電池１３の容量は容量型電池１４に比べて小さくなる。

図５に、本発明における複合蓄電システムの電池容量と電池抵抗の関係図の一例を示す。図５に容量が異なる場合のパワー型電池１３と容量型電池１４の抵抗値の違いの一例を示す。横軸は電池の容量、縦軸は抵抗の大きさを示す。図に示すように、パワー型電池１３と容量型電池１４は、一般的に容量が大きくなるほど抵抗が小さくなる傾向がある。さらに、パワー型電池１３の抵抗は同じ容量であれば、容量型電池１４の抵抗よりも小さい。しかし、図５の白丸の容量のパワー型電池１３と、黒丸の容量の容量型電池１４を用いて複合蓄電システムを構築した場合は、容量の違いにより容量型電池１４とパワー型電池１３の抵抗差は小さくなる。このような場合は、パワー型電池１３を搭載しても、加速時や減速時の大きな電流変動をパワー型電池１３で供給、吸収できない。以上から、複合蓄電システム１００を構築する場合は、各電池の抵抗値だけでなく、配線も含めた抵抗値の低減が望ましい。

図６に、本実施例における複合蓄電システムの構成の一例を示す。上述のように、パワー型電池１３と容量型電池１４を互いに直に並列接続するシステムでは、パワー型電池１３が短時間に大電流を充放電できるよう、パワー型電池１３とインバータ１２間の配線を容量型電池１４とインバータ１２間の配線よりも短くすることで、配線の抵抗を小さく出来る。

同じく、図７に、本実施例における複合蓄電システムの構成の別の一例を示す。この場合も、パワー型電池１３とインバータ１２間の配線を容量型電池１４とインバータ１２間の配線よりも断面積を大きくすることで、配線の抵抗を小さく出来、パワー型電池１３が短時間に大電流を充放電することが可能となる。

なお、本実施形態の図６および図７では、パワー型電池１３とインバータ１２および容量型電池１４とインバータ１２間は既に回路が接続されていることを想定し、各電池とインバータ１２間の接続、切断を切り替えられるスイッチまたはジャンクションボックスを記載していないが、各電池とインバータ１２間にスイッチやジャンクションボックスがあっても良い。図６および図７を組み合わせた構成としてもよい。

１０ 電気自動車
１１ モータジェネレータ
１２ インバータ、
１３ パワー型電池
１４ 容量型電池
１５ ＥＣＵ
１００ 複合蓄電システム

Claims (4)

1. パワー型電池と容量型電池とを有し、
   前記パワー型電池と前記容量型電池とが互いに直に並列接続され、
   前記パワー型電池と前記容量型電池とが電力変換器を介してモータに接続され、
   前記パワー型電池から前記電力変換器までの配線の抵抗値は、前記容量型電池から前記変換器までの配線の抵抗値よりも小さい複合蓄電システム。
2. 請求項１において、
   前記パワー型電池から前記電力変換器までの配線の長さは、前記容量型電池から前記変換器までの配線の長さよりも短い複合蓄電システム。
3. 請求項１において、
   前記パワー型電池から前記電力変換器までの配線の断面積は、前記容量型電池から前記変換器までの配線の断面積よりも大きい複合蓄電システム。
4. 前記パワー型電池の電圧範囲と前記容量型電池の電圧範囲は、オーバーラップしている複合蓄電システム。

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