JP4082147B2

JP4082147B2 - 組電池

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Publication number: JP4082147B2
Application number: JP2002272997A
Authority: JP
Inventors: 雄児丹上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-09-19
Also published as: JP2004111242A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電気自動車やハイブリッド車両に用いられる二次電池としての組電池に関し、特に、高出力密度型二次電池と高エネルギ密度型二次電池とを並列接続して組み合わせた組電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から電気自動車やハイブリッド車両に負荷との間で電力を充放電する二次電池として、高出力密度型二次電池と高エネルギ密度型二次電池とをセル数を同一にしたうえで、並列に接続した組電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これは、高出力密度型二次電池によって負荷との間で充放電を行ない、高出力密度型二次電池の充電状態ＳＯＣが５０％を超えている場合には、高出力密度型二次電池の電力によって高エネルギ密度型二次電池を充電すると共に、高出力密度型二次電池の充電状態ＳＯＣが５０％以下の場合には、高エネルギ密度型二次電池の電力によって高出力密度型二次電池を充電するようにしている。
【０００４】
この結果、一般に充電状態ＳＯＣが５０％を下回ると出力が急激に低下する高出力密度型二次電池の充電状態ＳＯＣを常に５０％以上に保つことができ、高出力で且つ高エネルギーな二次電池を提供することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３３２０２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、高出力密度型二次電池と高エネルギ密度型二次電池のそれぞれの端子電圧を同じにして、高出力且つ高エネルギーな電池を得るようにしているが、電池に要求される性能として、一定以上の高出力密度を維持しつつ高エネルギ密度を得たい場合や一定以上の高エネルギ密度を維持しつつ高出力密度を得たい場合があり、このような場合には従来の技術では対応することができない可能性があった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、様々な要求される特性に応じた組電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直列接続された複数のセルからなる高出力密度型二次電池と直列接続された複数のセルからなる高エネルギ密度型二次電池を並列に接続して構成した組電池であって、前記両二次電池の開回路電圧を両二次電池の放電深度ＤＯＤの値が同一の状態で比較した場合に、ほぼ全域の放電深度ＤＯＤで前記高エネルギ密度型二次電池の開回路電圧を前記高出力密度型二次電池の開回路電圧よりも高くした。
【０００９】
【発明の効果】
したがって、本発明では、開回路電圧が異なる高出力密度型二次電池と高エネルギ密度型二次電池を並列に接続して組電池を構成したため、開回路電圧が等しい電池の組み合わせに比較して、一定以上の高出力密度を維持しつつ高エネルギ密度を得たい場合や一定以上の高エネルギ密度を維持しつつ高出力密度を得たい場合等の様々な要求される特性に応じた入出力特性を改善する高性能な電池を実現できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の組電池を各実施形態に基づいて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１〜図５は、本発明を適用した組電池の第１実施形態を示し、図１は適用例を示すハイブリッド車両のシステム構成図、図２は組電池の構成を示す接続図、図３は並列接続する各電池のＤＯＤと開放電圧との関係および並列接続された組電池の放電深度ＤＯＤと開放電圧との関係を示すグラフ、図４は組電池における放電深度ＤＯＤと出力電力との関係を示すグラフ、図５は各電池および組電池の容量と開回路電圧との関係を示すグラフである。
【００１２】
図１により、本発明をハイブリッド車両に適用した実施の形態を説明する。なお、本発明はハイブリッド車両に限定されず、一般の電気自動車を始め、電気自動車以外の各種装置に適用することができる。
【００１３】
図１において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。この車両のパワートレインは、モータ１、エンジン２、クラッチ３、モータ４、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８から構成される。モータ１の出力軸、エンジン２の出力軸およびクラッチ３の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ３の出力軸、モータ４の出力軸および無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。
【００１４】
クラッチ３締結時はエンジン２とモータ４が車両の推進源となり、クラッチ３解放時はモータ４のみが車両の推進源となる。エンジン２および／またはモータ４の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。無段変速機５には油圧装置９から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。油圧装置９のオイルポンプ（不図示）はモータ１０により駆動される。
【００１５】
モータ１，４，１０は三相同期電動機または三相誘導電動機などの交流機であり、モータ１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モータ４は主として車両の推進と制動に用いられる。また、モータ１０は油圧装置９のオイルポンプ駆動用である。なお、モータ１，４，１０には交流機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、クラッチ３締結時に、モータ１を車両の推進と制動に用いることもでき、モータ４をエンジン始動や発電に用いることもできる。
【００１６】
クラッチ３はパウダークラッチであり、伝達トルクを調節することができる。なお、このクラッチ３に乾式単板クラッチや湿式多板クラッチを用いることもできる。無段変速機５はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。
【００１７】
モータ１，４，１０はそれぞれ、インバータ１１，１２，１３により駆動される。なお、モータ１，４，１０に直流電動機を用いる場合には、インバータの代わりにＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。インバータ１１〜１３は共通のＤＣリンク１４を介してメインバッテリ１５に接続されており、メインバッテリ１５の直流充電電力を交流電力に変換してモータ１，４，１０へ供給するとともに、モータ１，４の交流発電電力を直流電力に変換してメインバッテリ１５を充電する。インバータ１１〜１３は互いにＤＣリンク１４を介して接続されているので、回生運転中のモータにより発電された電力をメインバッテリ１５を介さずに直接、力行運転中のモータへ供給することができる。なお、この明細書では電池とバッテリとを同義として用いる。
【００１８】
コントローラ１６は、マイクロコンピュータとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、エンジン２の回転速度、出力およびトルク、クラッチ３の伝達トルク、モータ１，４，１０の回転速度およびトルク、無段変速機５の変速比、メインバッテリ１５の充放電などを制御する。
【００１９】
図２はメインバッテリ１５の詳細な構成を示す図である。メインバッテリ１５は、高エネルギ密度型二次電池１５Ａと、高出力密度型二次電池１５Ｂとを並列に接続した組電池に構成している。以下、組電池に符号１５を付して詳細に説明する。
【００２０】
図２において、組電池１５は、図中右側にあって１１２セルを直列接続した高エネルギ密度型二次電池１５Ａと、図中左側にあって９６セルを直列接続した高出力密度型二次電池１５Ｂと、を並列接続して構成している。
【００２１】
前記高エネルギ密度型二次電池１５Ａのセルは、リチウム金属リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ₄やＬｉＭｎＰＯ₄等）を正極材料として用いるもの、およびまたは、黒鉛系（グラファイト）炭素材料を負極材料として用いる。例えば、正極材料としてオリビン型リチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ₄）を、また、負極材料としてグラファイトを用いて、リチウムイオン二次電池セルとし、このセルを直列に１１２個接続して容量が１２Ａｈとなる高エネルギ密度型二次電池１５Ａとする。高エネルギ密度型二次電池１５Ａは、前記した正極材料もしくは負極材料を選択することにより、開回路電圧（開放電圧、無負荷電圧）が放電深度ＤＯＤの増加に対して一定となる特性を持つ電池とすることが出来る。
【００２２】
前記高出力密度型二次電池１５Ｂのセルは、リチウム金属酸化物（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＣｏＯ₂等）を正極材料として用いるもの、およびまたは、非晶質系炭素材料（ハードカーボン）を負極材料として用いる。例えば、正極材料としてスピネル型リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）を、また、負極材料としてハードカーボンを用いて、リチウムイオン二次電池セルとし、このセルを直列に９６個接続して容量が３Ａｈとなる高出力密度型二次電池１５Ｂとする。高出力密度型二次電池１５Ｂは、前記した正極材料もしくは負極材料を選択することにより、開回路電圧（開放電圧、無負荷電圧）を放電深度ＤＯＤの増加に対して徐々に低下する傾きを持つ特性の電池とすることが出来る。
【００２３】
図３は、上記高エネルギ密度型二次電池１５Ａ、高出力密度型二次電池１５Ｂ、および、両者を並列に接続した組電池１５の特性を示す図であり、各電池の放電深度ＤＯＤに対する開回路電圧（開放電圧）の関係を表している。ただし、高エネルギ密度型二次電池１５Ａは１１２セルを直列接続した状態の特性であり、高出力密度型二次電池１５Ｂは９６セルを直列接続した状態の特性である。
【００２４】
図３に示すように、高エネルギ密度型二次電池１５Ａは、特性Ａに示すように、放電深度ＤＯＤが９０％以上となるまで一定の開回路電圧特性を備える一方、高出力密度型二次電池１５Ｂは、特性Ｂに示すように、放電深度ＤＯＤが増加するに連れて徐々に低下する開回路電圧特性を備える。このため、両電池を並列接続した組電池１５は、特性Ｃに示すように、放電深度ＤＯＤが約８０％となるまでは、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの容量が使われ、残り２０％の放電深度ＤＯＤの増加時に高出力密度型二次電池１５Ｂの容量が使われる。
【００２５】
一般的に、電池１５から負荷に対して電力を供給している場合には、内部抵抗の小さい高出力密度型二次電池１５Ｂから電力が供給され、高出力密度型二次電池１５Ｂ単体で見ると高出力密度型二次電池１５Ｂの容量が低下する、すなわち高出力密度型二次電池１５Ｂ単体の電圧が低下することになる。そして、負荷への電力供給を停止すると、並列接続された電池１５Ａ、１５Ｂ間で電圧を合わそうとするために、高エネルギ密度型二次電池１５Ａから高出力密度型二次電池１５Ｂに対して充電が行なわれる。ここで、高エネルギ密度型二次電池１５Ａは、図３に示す特性のように放電深度ＤＯＤが７７％までは、開回路電圧が変化しないことになるので、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの放電深度ＤＯＤが０〜７７％の範囲では、両方の電池１５Ａ、１５Ｂ単体および組電池１５としての開回路電圧が所望の値（４００Ｖ）を維持できる。そして、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの放電深度ＤＯＤが７７％を超えると、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの電圧もドロップしてしまう、言い換えると、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの容量が空になってしまうので、その後は高出力密度型二次電池１５Ｂの持っている能力でしか電力を供給することができなくなる。従って、組電池１５としての開回路電圧が低下することになる。
【００２６】
図４は電池の使用可能容量（Ａｈ）を横軸とし開回路電圧Ｖを縦軸としたグラフであり、図４（Ａ）は高エネルギ密度型二次電池１５Ａの開回路電圧の変化を示し、図４（Ｂ）は高出力密度型二次電池１５Ｂの開回路電圧の変化を示し、図４（Ｃ）は組電池１５の開回路電圧の変化を示したものである。
【００２７】
そして、並列接続された組電池１５は、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの使用可能容量が１２Ａｈであり（図４（Ａ）参照）、高出力密度型二次電池１５Ｂの使用可能容量が３Ａｈであり（図４（Ｂ）参照）、組電池１５全体の使用可能容量としては、１５Ａｈ（＝１２Ａｈ＋３Ａｈ）の容量を持っている（図４（Ｃ）参照）。
【００２８】
そして、図４（Ａ）に示すように、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの使用可能容量は１２Ａｈであり、消費容量１１．５Ａｈまで（組電池のＤＯＤとしては７７％に相当）は、開回路電圧がある一定の値を維持でき、その後急速に開回路電圧が低下する。
【００２９】
一方、図４（Ｂ）に示すように、高出力密度型二次電池１５Ｂの使用可能容量は３Ａｈであり、消費容量（消費容量＝使用可能容量−残存容量）の増加に従って、開回路電圧も低下する特性を示す。
【００３０】
従って、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの残存容量があるうち（消費容量が１１．５Ａｈまでの領域Ｄの範囲）は、高出力密度型二次電池１５Ｂで消費した容量分を高エネルギ密度型二次電池１５Ａからの充電により補うことができ、消費容量が１１．５Ａｈを超えて使用すると、高エネルギ密度型二次電池１５Ａで高出力密度型二次電池１５Ｂの消費使用分を補えなくなり、開回路電圧が低下する（領域Ｅ参照）ことになる。
【００３１】
この結果、この組電池の放電深度ＤＯＤと出力の関係は、図５に示すように、放電深度ＤＯＤが約８０％（７７％）までは、高出力密度型二次電池１５Ｂの放電深度ＤＯＤが０％に維持されるため、高出力密度型二次電池１５Ｂの出力特性（４０ｋＷ）の高出力を組電池１５から出力でき、組電池１５の出力特性が向上するという効果が得られることになる。
【００３２】
図６、７は、比較例の特性を示すものである。この比較例においては、図示しないが、高エネルギ密度型二次電池を、正極にオリビン型リチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ₄）、負極にハードカーボンを用いた１２Ａｈの二次電池とし、高出力密度型二次電池を、正極にスピネル型リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、負極にグラファイトを用いた３Ａｈの二次電池としている。そして、上記実施形態と同様に、高エネルギ密度型二次電池を１１２セル、高出力密度型二次電池を９６セル直列に接続し、それぞれを並列に接続して組電池とした。負極の材料を交換して開放電圧を変化させた以外は、全て上記実施形態と同じ仕様としてある。
【００３３】
図６に高エネルギ密度型二次電池、高出力密度型二次電池の放電深度ＤＯＤと開放電圧Ｆ、Ｇの関係、および、組電池の放電深度ＤＯＤと開放電圧Ｈの関係を示す。図より明らかなように、この比較例では放電深度ＤＯＤの２０％までは高出力密度型二次電池が使われ、残り８０％で高エネルギ密度型二次電池の容量が使われることが分かる。
【００３４】
図７に比較例の放電深度ＤＯＤと出力の関係を示す。この比較例においては、放電深度ＤＯＤが２０％までは高出力密度型二次電池がもっぱら使用されるため高出力密度型二次電池の出力特性となる（図中特性Ｊ参照）。ＤＯＤ２０％以降は高出力密度型二次電池のＤＯＤが１００％近くになってしまうため出力特性が低下する（図中特性Ｋ参照）。
【００３５】
これらの結果より、本実施形態のように、高出力密度型二次電池１５Ｂの開回路電圧を高エネルギ密度型二次電池１５Ａの開回路電圧よりも低くすることにより、高出力密度型二次電池１５Ｂの放電深度ＤＯＤが高エネルギ密度型二次電池１５Ａの放電深度ＤＯＤより小さくなり、図５に示すように、出力特性が向上することが理解できる。
【００３６】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３７】
（ア）開回路電圧が異なる高出力密度型二次電池１５Ｂと高エネルギ密度型二次電池１５Ａを並列に接続して組電池１５を構成しているため、開回路電圧が等しい電池の組み合わせに比較して、様々な要求される特性に応じた組電池を実現可能である。
【００３８】
（イ）高エネルギ密度型二次電池１５Ａの開回路電圧を高出力密度型二次電池１５Ｂの開回路電圧より高くしたため、高出力密度型二次電池１５Ｂの放電深度ＤＯＤが高エネルギ密度型二次電池１５Ａの放電深度ＤＯＤより小さくでき、電池の出力特性が向上できる。
【００３９】
（ウ）高出力密度型二次電池１５Ｂの開回路電圧を放電深度ＤＯＤに対して徐々に低下する特性とし、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの開回路電圧が放電深度ＤＯＤに対して一定で変化しない特性としたため、高出力密度型二次電池１５Ｂの開回路電圧を高エネルギ密度型二次電池１５Ａの開回路電圧より低くすることができる。
【００４０】
（エ）高エネルギ密度型二次電池１５Ａの開回路電圧が高出力密度型二次電池１５Ｂの開回路電圧より高い開回路電圧で放電深度ＤＯＤに対して一定で変化しない特性としたため、高出力密度型二次電池１５Ｂの放電深度ＤＯＤを０％付近の一定に保つことができ、組電池１５の放電深度ＤＯＤによらず一定の出力特性を確保できる。
【００４１】
（オ）高出力密度型二次電池１５Ｂの開回路電圧を放電深度ＤＯＤに対して徐々に低下する特性とし、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの開回路電圧が放電深度ＤＯＤに対して一定で変化しない特性としたため、開回路電圧が放電深度ＤＯＤに対して一定の高エネルギ密度型二次電池１５Ａのみを用いた場合における残存容量の算出が電圧測定のみでは困難であったが、開回路電圧が放電深度ＤＯＤに対して傾きを持つ高出力密度型二次電池１５Ｂを並列に接続していることから、充放電末期時は高出力密度型二次電池１５Ｂの開回路電圧が変化し、電圧を測定するだけで組電池１５の充放電末期を正確に知ることが可能である。
【００４２】
（カ）高出力密度型二次電池１５Ｂは負極材料に非晶質系炭素材料（ハードカーボン）を用い、高エネルギ密度型二次電池１５Ａは負極に黒鉛系（グラファイト）炭素材料を用いるため、高出力密度型二次電池１５Ｂの開回路電圧を、高エネルギ密度型二次電池１５Ａの開回路電圧よりも低くすることができる。
【００４３】
（キ）また、高出力密度型二次電池１５Ｂは負極材料に非晶質系炭素材料（ハードカーボン）を用い、高エネルギ密度型二次電池１５Ａは負極に黒鉛系（グラファイト）炭素材料を用いるため、高出力密度型二次電池１５Ｂをその開回路電圧が放電深度ＤＯＤに対して傾きを持つ電池とでき、高エネルギ密度型二次電池１５Ａをその開回路電圧が放電深度ＤＯＤに対して一定の電池とできる。
【００４４】
（ク）高出力密度型二次電池１５Ｂは正極材料にリチウム金属酸化物（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＣｏＯ₂等）を用い、高エネルギ密度型二次電池１５Ａは正極材料にリチウム金属リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＭｎＯ₄等）を用いるため、高出力密度型二次電池１５Ｂをその開回路電圧が放電深度ＤＯＤに対して傾きを持つ電池とでき、高エネルギ密度型二次電池１５Ａをその開回路電圧が放電深度ＤＯＤに対して一定の電池とできる。
【００４５】
（ケ）また、高出力密度型二次電池１５Ｂは正極材料にリチウム金属酸化物（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＣｏＯ₂等）を用い、前記高エネルギ密度型二次電池１５Ａは正極材料にリチウム金属リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＭｎＯ₄等）を用いるため、出力が要求される用途にも、出力特性の劣るリチウム金属リン酸化合物を正極に用いた電池を使用することが可能となる。
【００４６】
（第２実施形態）
図８〜図１１は、本発明を適用した組電池の第２実施形態を示し、図８は組電池の構成を示す接続図、図９は高出力密度型二次電池と高エネルギ密度型二次電池の開回路電圧（開放電圧）特性を示すグラフ、図１０は組電池と組電池を構成する各電池との放電深度ＤＯＤの特性を示すグラフ、図１１は組電池の入出力特性を示すグラフである。本実施形態においては、前実施形態のように電池の出しうる最大出力の特性を得ることに代えて最低入力の範囲を広げるようにしたものである。なお、前実施形態と同一部品には同一符号を付して説明を簡略化若しくは省略する。
【００４７】
図８において、ハイブリッド車両のメインバッテリとしての組電池１６は、図中右側にあって１３０セルを直列接続した高エネルギ密度型二次電池１６Ａと、図中左側にあって９６セルを直列接続した高出力密度型二次電池１６Ｂと、を並列接続して構成する。なお、各電池のセル数は、放電深度ＤＯＤが０％のときの各単一のセルの開回路電圧が異なるため、９６セルが直列接続された高出力密度型二次電池全体（１６Ｂ）の放電深度０％時の開回路電圧と、１３０セルが直列接続された高エネルギ密度型二次電池全体（１６Ａ）の放電深度０％時の開回路電圧とが、同じＬ［Ｖ］という値を示すことを意味している。
【００４８】
前記高エネルギ密度型二次電池１６Ａのセルには、負極に金属リチウム、正極にバナジウム酸化物を用いるリチウムイオン電池とし、前記高出力密度型二次電池１６Ｂのセルは、例えば、負極に炭素材料、正極にリチウムマンガン酸化物を用いるリチウムイオン電池とする。高エネルギ密度型二次電池１６Ａと高出力密度型二次電池１６Ｂの電極材料は上記例に限られるものではない。要するに、開回路電圧（開放電圧）の高い方を高出力密度型二次電池１６Ｂとしている。従って、セルの直列接続数を調整することによっても高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧を高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧より高くすることができる。
【００４９】
電池の高出力化は、電極を薄くし、電極面積を大きくとることによっても可能である。また、開回路電圧の高い正極若しくは負極を用いることによっても電池の高出力化が可能である。また、高出力密度型二次電池１６Ｂに電解液を、高エネルギ密度型二次電池１６Ａに固体電解質を用いることによっても、高出力密度型二次電池１６Ｂと高エネルギ密度型二次電池１６Ａを作ることが可能であり、高出力密度型二次電池１６Ｂと高エネルギ密度型二次電池１６Ａとの差が明確となる。また、高エネルギ密度型二次電池１６Ａは正負電極の活物質を厚くした高容量仕様のリチウムイオン電池を用い、高出力密度型二次電池１６Ｂは正負電極の活物質を薄くして電池の内部抵抗を下げたリチウムイオン電池を用いることで、両者は比較的容易に製作できる。
【００５０】
図９は、上記組電池１６で使用する高出力密度型二次電池１６Ｂと高エネルギ密度型二次電池１６Ａの特性を示す図であり、各電池の放電深度ＤＯＤに対する開回路電圧（開放電圧）の関係を表している。ただし、高出力密度型二次電池１６Ｂは９６セルを直列接続した状態の特性であり、高エネルギ密度型二次電池１６Ａは１３０セルを直列接続した状態の特性である。
【００５１】
図９に示すように、並列接続される２つの電池は、放電深度ＤＯＤが０［％］のときの開回路電圧がともにＬ［Ｖ］であり、放電深度ＤＯＤが７０［％］のときの開回路電圧がともにＮ［Ｖ］であるが、それ以外の放電深度ＤＯＤのときには異なる開回路電圧となっている。即ち、放電深度ＤＯＤが０〜７０［％］の範囲では高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧が高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧より高くなっており、放電深度ＤＯＤが７０［％］より大きい範囲では高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧と高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧の大小関係が逆転する。
【００５２】
このような２つの電池を並列接続した組電池１６では、組電池１６全体としての放電深度ＤＯＤが０［％］のとき開回路電圧がＬ［Ｖ］となり、２つの電池の放電深度ＤＯＤも０［％］となる。同様にして、組電池１６全体としての放電深度ＤＯＤが７０［％］のとき開回路電圧がＮ［Ｖ］となり、２つの電池の放電深度ＤＯＤも７０［％］となる。しかしながら、組電池１６全体としての放電深度ＤＯＤが０あるいは７０［％］以外のときは組電池１６全体としての放電深度ＤＯＤと各電池１６Ａ、１６Ｂの放電深度ＤＯＤが等しくならない。例えば、組電池１６の開回路電圧（＝各電池の電圧）がＭ［Ｖ］であるときの高出力密度型二次電池１６Ｂの放電深度ＤＯＤは約４４［％］であり、高エネルギ密度型二次電池１６Ａの放電深度ＤＯＤは約１６［％］である。
【００５３】
図１０は、組電池１６全体としての放電深度ＤＯＤと各電池１６Ａ、１６Ｂの放電深度ＤＯＤとの関係を示したものである。図１０において、例えば、組電池１６の放電深度ＤＯＤが３０［％］であるときの高出力密度型二次電池１６Ｂの放電深度ＤＯＤは約４４［％］であり、高エネルギ密度型二次電池１６Ａの放電深度ＤＯＤは約１６［％］である。このように、高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧が高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧より高くなる放電深度ＤＯＤの範囲では、高出力密度型二次電池１６Ｂの放電深度ＤＯＤが組電池１６の放電深度ＤＯＤより高くなり、高エネルギ密度型二次電池１６Ａの放電深度ＤＯＤが組電池１６の放電深度ＤＯＤより低くなる。
【００５４】
なお、図中に一点鎖線で示したのは放電深度ＤＯＤに対する開回路電圧の特性が等しい２つの電池を並列接続した組電池（以下、比較例）の特性であり、この場合は組電池の放電深度ＤＯＤと各電池の放電深度ＤＯＤとが常に等しくなる。
【００５５】
図１１は、本実施形態の組電池１の放電深度ＤＯＤとその入出力電力との関係を示す図である。ただし、組電池１６の入出力電力は高出力密度型二次電池１６Ｂの入出力電力でほぼ決まるため、組電池１６の放電深度ＤＯＤと高出力密度型二次電池１６Ｂの入出力電力との関係を示す図であると見て差し支えない。図１１から明らかなように、高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧が高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧より高くなる放電深度ＤＯＤの範囲の入力電力（図中の実線）は、比較例の入力電力（図中の一点鎖線）より大きくなる。これは、入力電力即ち充電パワーは放電深度ＤＯＤの増加に対応して増加するものであり、この範囲における組電池１６の一方である高出力密度型二次電池１６Ｂの放電深度ＤＯＤが比較例の放電深度ＤＯＤより高いためである。
【００５６】
一般に、ハイブリッド車両の電源として二次電池を使用する場合、一定以上の出力電力と一定以上の入力電力とが常に確保できるよう電池の放電深度ＤＯＤを制御する必要がある。例えば、常に確保すべき最低出力電力ＰｏｍｉｎがＰ［ｋＷ］であり、常に確保すべき最低入力電力ＰｉｍｉｎがＲ［ｋＷ］である場合、鎖線図示の比較例の組電池では放電深度ＤＯＤを３５〜７０［％］の範囲に制御する必要がある。これに対し本実施形態の組電池１６では、同じ入出力電力を確保するための放電深度ＤＯＤの範囲を２５〜７０［％］に拡大することができる。これは、入出力制御（充放電制御）がより柔軟に行えることを意味しており、ハイブリッド車両の電源として非常に有利な特性である。
【００５７】
なお、上記の効果を確実に得るため、開回路電圧の大小関係が逆転する放電深度ＤＯＤ（この例では７０［％］）における組電池１６の出力（この例ではＰ［ｋＷ］）が最低出力Ｐｏｍｉｎ以上であり、かつ、開回路電圧の大小関係が逆転する放電深度ＤＯＤにおける組電池１６の入力（この例ではＱ［ｋＷ］）が最低入力Ｐｉｍｉｎ以上である組電池を使用する。
【００５８】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００５９】
（コ）開回路電圧が異なる高出力密度型二次電池１６Ｂと高エネルギ密度型二次電池１６Ａを並列に接続して組電池１６を構成しているため、開回路電圧が等しい電池の組み合わせに比較して、入出力特性を改善する高性能な電池を実現可能である。
【００６０】
（サ）組電池１６の高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧を高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧よりも高くしたため、高出力密度型二次電池１６Ｂの放電深度（ＤＯＤ）を組電池１６の放電深度ＤＯＤに比べ大きくでき、電池の入力特性を向上できる。
【００６１】
（シ）高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧と高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧が等しくなる組電池１６の放電深度（ＤＯＤ）が存在し、この放電深度の前後で夫々の電池１６Ａ、１６Ｂの放電深度と組電池１６の放電深度との大小関係が逆転するため、入出力特性等の特性が得られる組電池１６の放電深度（ＤＯＤ）範囲を設定することができる。
【００６２】
（ス）高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧と高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧が等しくなる組電池１６の放電深度（ＤＯＤ）の前後で夫々の電池の放電深度と組電池１６の放電深度との大小関係を逆転させる場合において、高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧を高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧よりも高くすると、充電時には高出力密度型二次電池１６Ｂの放電深度を組電池１６の放電深度より大きくなり組電池１６への入力特性を向上でき、放電状態では高出力密度型二次電池１６Ｂの放電深度を組電池１６の放電深度より小さくでき組電池１６からの出力特性を向上できる。
【００６３】
（セ）高出力密度型二次電池１６Ｂの正極または負極に高エネルギ密度型二次電池１６Ａより電池として開回路電圧の高いの正極または負極を用いるため、高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧を高エネルギ密度型二次電池１６Ａより大きくすることが可能となる。
【００６４】
（ソ）高出力密度型二次電池１６Ｂおよびまたは高エネルギ密度型二次電池１６Ａのセルの直列接続数を調整することでも、高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧を高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧より高くすることが可能となる。
【００６５】
（タ）組電池１６の使用する放電深度ＤＯＤ範囲を高出力密度型二次電池１６Ｂの開回路電圧が高エネルギ密度型二次電池１６Ａの開回路電圧より高くなる放電深度ＤＯＤ範囲とすることにより、高出力密度型二次電池１６Ｂの放電深度（ＤＯＤ）を組電池１６の放電深度ＤＯＤに比べ大きくでき、電池の入力特性を向上できる。
【００６６】
（チ）高出力密度型二次電池１６Ｂには電解液を用いた電池とし、高エネルギ密度型二次電池１６Ａには全固体電池とすることにより、高出力密度型二次電池１６Ｂと高エネルギ密度型二次電池１６Ａの特性差が明確となり、上記した効果を寄り発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の組電池の適用例を示すハイブリッド車両のシステム構成図。
【図２】本発明の第１実施形態の組電池の構成を示す接続図。
【図３】並列接続する各電池のＤＯＤと開放電圧との関係および並列接続された組電池の放電深度ＤＯＤと開放電圧との関係を示すグラフ。
【図４】組電池における放電深度ＤＯＤと出力電力との関係を示すグラフ。
【図５】各電池および組電池の容量と開回路電圧との関係を示すグラフ。
【図６】比較例の並列接続する各電池のＤＯＤと開放電圧との関係および並列接続された組電池の放電深度ＤＯＤと開放電圧との関係を示すグラフ。
【図７】比較例の各電池および組電池の容量と開回路電圧との関係を示すグラフ。
【図８】本発明の第２実施形態を示す組電池の概略構成図。
【図９】同じく高出力密度型二次電池と高エネルギ密度型二次電池の開回路電圧（開放電圧）特性を示すグラフ。
【図１０】同じく組電池と組電池を構成する各電池との放電深度ＤＯＤの特性を示すグラフ。
【図１１】組電池の入出力特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１、４、１０モータ
２エンジン
３クラッチ
５無段変速機
６減速装置
７差動装置
８駆動輪
９油圧装置
１１〜１３インバータ
１４ＤＣリンク
１５、１６メインバッテリ、組電池
１５Ａ、１６Ａ高エネルギ密度型二次電池
１５Ｂ、１６Ｂ高出力密度型二次電池

Claims

直列接続された複数のセルからなる高出力密度型二次電池と直列接続された複数のセルからなる高エネルギ密度型二次電池を並列に接続して構成した組電池であって、前記両二次電池の開回路電圧を両二次電池の放電深度ＤＯＤの値が同一の状態で比較した場合に、ほぼ全域の放電深度ＤＯＤで前記高エネルギ密度型二次電池の開回路電圧を前記高出力密度型二次電池の開回路電圧よりも高くしたことを特徴とする組電池。
前記高出力密度型二次電池は開回路電圧が前記放電深度ＤＯＤに対して徐々に低下する特性をもち、前記高エネルギ密度型二次電池は開回路電圧が前記放電深度ＤＯＤに対して一定で変化しない特性をもつことを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記高出力密度型二次電池は負極材料に非晶質系炭素材料（ハードカーボン）を用い、高エネルギ密度型二次電池は負極に黒鉛系（グラファイト）炭素材料を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の組電池。
前記高出力密度型二次電池は正極材料にリチウム金属酸化物（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＣｏＯ₂等）を用い、前記高エネルギ密度型二次電池は正極材料にリチウム金属リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＭｎＯ₄等）を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の組電池。
前記高出力密度型二次電池は電解液を用いた電池とし、前記高エネルギ密度型二次電池は全固体電池とすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の組電池。
直列接続された複数のセルからなる高出力密度型二次電池と直列接続された複数のセルからなる高エネルギ密度型二次電池を並列に接続して構成した組電池であって、電源として使用する際に常に確保すべき最低入力電力及び最低出力電力を確保できる組電池の放電深度ＤＯＤ範囲における前記高出力密度型二次電池の開回路電圧が前記高エネルギ密度型二次電池の開回路電圧よりも高くなるように前記両二次電池のセル数を設定したことを特徴とする組電池。
前記高出力密度型二次電池の正極は、高エネルギ密度型二次電池の正極より電池として開回路電圧の高い正極を用いることを特徴とする請求項６に記載の組電池。
前記高出力密度型二次電池の負極は、前記高エネルギ密度型二次電池の負極より電池として開回路電圧の高い負極を用いることを特徴とする請求項６に記載の組電池。
前記高出力密度型二次電池は電解液を用いた電池とし、前記高エネルギ密度型二次電池は全固体電池とすることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか一つに記載の組電池。