JP5250928B2 - 電池システムの充電状態バランス回復方法 - Google Patents

Description

本発明は、瞬間的な高負荷の要求や持続的な負荷の供給の繰り返しに十分に対応することができ、しかも小型軽量化が可能な電池システムの充電状態バランス回復方法に関する。

従来、電気自動車やハイブリッド車などの車両に搭載する電池システムには、下記特許文献１に記載されているように、異なる開回路電圧を持つ高出力二次電池と高容量二次電池を並列に接続したものがある。このように、高出力二次電池と高容量二次電池の開回路電圧を異ならせることによって、一定以上の高出力密度を維持しつつ高エネルギー密度を得たいという要求や、一定以上の高エネルギー密度を維持しつつ高出力密度を得たいという要求に同時に応えることができるようにしている。
特開２００４−１１１２４２号公報

しかしながら、従来の電池システムは、瞬間的な高負荷や持続的な負荷の一時的な要求に対しては十分に対応することができるものの、瞬間的な高負荷や持続的な負荷の頻繁な繰り返し要求に対してはまだまだ十分に対応することができない。たとえば、電気自動車やハイブリッド車などの車両で登坂中に追い越しを繰り返すような場合には、瞬間的な高負荷を受け持つことになる高出力二次電池の回復が繰り返しの高負荷の要求に追いつかない場合がある。これは、高出力二次電池の放電特性は十分なものを持っているが、回生電力の充電特性がまだまだ不十分だからである。高出力密度二次電池の不十分な充電特性は電池システムとしての回復に遅れを生じ、運転者に動力性能不足の感じを与えてしまう。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、瞬間的な高負荷の要求や持続的な負荷の要求が頻繁に繰り返される場合でも、高出力二次電池と高容量二次電池が短時間で充電容量の均一化が図られるようにして電池システムの早期回復を促し、これによって車両の動力性能を向上させ、また、電池システムの性能に比較して小型軽量化することができる電池システムの充電状態バランス回復方法の提供を目的とする。

二次電池を車両に適用するためには、軽量・コンパクトである必要がある。高出力かつ高容量である電池を実現させる手段として、上記特許文献１に記載されている発明が成された。この発明は、充電状態ＳＯＣ(Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）と開回路電圧が異なる、高出力電池と高容量電池を並列接続し、軽量・コンパクト化するものである。特許文献１に記載の発明では、出力(放電)特性に優れるが、入力(充電)特性は劣る結果となる。この発明を考えた当時は、出力密度が高い電池を考えていたため、上記特許文献１に記載されている発明のような方法を考えたが、ハイブリット車や電気自動車に搭載する二次電池では、減速時のモータからの回生電力を受け入れ、エネルギー効率を上げる必要があるため、充電特性も要求されることになる。出力特性だけでなく、入力特性も考慮すると、この発明では電池の大きさが大きくなってしまう。そこで、充電状態ＳＯＣに対する開放電圧が同じである電池を並列接続した電池システムとすることを考えた。

また、高出力電池と高容量電池を並列接続した技術として、高出力電池に代えて電気二重層キャパシタを適用する技術も考えられる。ここで、電気二重層キャパシタとして、容量１３００Ｆ、比抵抗２．４Ω・Ｆの単セルを１６０個直列接続し８０％の充電量まで充電したものを想定する。一方、高容量電池として、容量４００ｍＡｈ、５ｍΩの単セルを９６個直列接続し５０％の充電量まで充電したものを想定する。このような電気二重層キャパシタと高容量電池を並列接続したもので放電を行うと、１０ｓｅｃ以下の放電においては、高出力電池よりも電気二重層キャパシタを高容量電池と並列接続した方がより大きな出力を取り出すことができると考えられる。しかし、この電気二重層キャパシタと高出力電池の単位体積当たりの出力密度を比較すると、電気二重層キャパシタよりも高出力電池の方が優れている。高出力電池と同じ条件の電気二重層キャパシタは現在の技術レベルでは、その必要体積が４４．８リットルとなってしまい車両に搭載させるのにはあまりにも大きくなりすぎてしまう。また、電極材料に新しい材料を使ったナノゲートキャパシタというものが存在するが、出力密度は最大に見積もっても電気二重層キャパシタの４倍と推測され、必要体積は１１．２リットルとなると推測される。一方、本発明でも使用している、我々の開発中の高出力電池は、５．３リットルで済むと試算されている。この試算から、現時点では、高出力電池に代えて電気二重層キャパシタを適用する技術より、高出力電池と高容量電池を並列化する技術の方が優れていると我々は考えている。

一方、充電状態ＳＯＣに対する開放電圧特性が同じである電池を並列化した電池システムにおいての問題点は、放電後の出力低下や充電後の入力低下であることが予想される。放電後には高出力電池から電力が多く出るため、高出力電池の充電状態ＳＯＣが高容量電池の充電状態ＳＯＣより低くなり、電池システムとしての出力特性が低下する。しかし、放電後各電池の充電状態ＳＯＣが均等になるため、時間が経つに連れて出力特性が回復する。充電後には高出力電池に電力が多く入るため、高出力電池の充電状態ＳＯＣが高容量電池の充電状態ＳＯＣより高くなり、電池システムとしての入力特性が低下する。しかし、充電後各電池の充電状態ＳＯＣが均等になるため、時間が経つに連れて入力特性も回復する。このように、出力特性の回復時間と入力特性の回復時間のどちらか一方でも長すぎると、その電池システムを車両へ適用した場合、電池システムはより多くの電池から構成しなければならず、車両への搭載に要求される小型軽量の点で問題となる。

そこで、本発明では、これらの回復時間を共に速くかつ最適化する方法を提案するものであり、その方法は次のように構成されている。

上記目的を達成するための本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法は、小さな内部抵抗を有しかつ容量の小さな高出力電池と、前記高出力電池よりも大きな内部抵抗を有しかつ前記高出力電池よりも容量の大きな高容量電池と、が並列接続されてなる電池システムの充電状態バランス回復方法であって、前記高出力電池と前記高容量電池との［充電状態(ＳＯＣ）−開回路電圧］特性において、前記高出力電池における充電状態(ＳＯＣ）の減少に対する開回路電圧の低下傾向は、前記高容量電池における充電状態(ＳＯＣ）の減少に対する開回路電圧の低下傾向よりも大きく、前記高出力電池の［充電状態(ＳＯＣ）−開回路電圧］特性においては、ＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が４００ｍＶ以上あり、前記高容量電池の［充電状態(ＳＯＣ）−開回路電圧］特性においては、ＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が３００ｍＶ以上あることを特徴とする。

さらに、上記目的を達成するための本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法は、小さな内部抵抗を有しかつ容量の小さな高出力電池と、前記高出力電池よりも大きな内部抵抗を有しかつ容量の大きな高容量電池と、が並列接続されてなる電池システムの充電状態バランス回復方法であって、前記電池システムから負荷に電流を供給する段階と、前記負荷に電流を供給した後、前記高出力電池と前記高容量電池との充電状態（ＳＯＣ）が近づいて電池システムの充電状態バランスを回復させる段階と、を含むことを特徴とする。

以上のような構成を有する本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法によれば、高出力電池によって瞬間的に大きな電力を供給したり、高容量電池によって持続的に大きな電力を供給したりした場合でも、電池システムを早期に回復させることができるようになり、車両に十分な動力性能を持たせることができる。また、電池システムの性能に比較して小型軽量化を図ることができる

次に、本発明にかかる電池システムの充電状態バランス回復方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１及び図２は、本発明にかかる電池システムの充電状態バランス回復方法をなぜ採用する必要があるのかを説明するための図である。図１に示すように、従来は車両から要求されるピーク電力がＰ１であったとすると、そのピーク電力が供給できるだけの容量の電池を搭載していた。ところが、車両の走行においてはピーク電力が要求されるのはほんの一瞬(たとえば、エンジン始動時または急加速時)であって、通常はＰ２の電力があれば十分である。したがって、一時的にピーク電力Ｐ１を供給することができて定常的には電力Ｐ２を供給することができる電池システム(高出力電池と高容量電池とを組み合わせた電池システム)を構成すれば、電池システムの大きさや重量を小さくすることができる。

このため、本発明では、図２に示すように、高出力電池１０と高容量電池２０とを並列に接続した電池システムを採用している。ここで、高出力電池１０とは、小さな内部抵抗Ｒ１を有しかつ小さな容量の電池であり、短時間に大電流の供給が可能（短時間に図１のＰ１の電力の供給は可能）な電池である。また、高容量電池２０とは、高出力電池１０の内部抵抗Ｒ１よりも大きな内部抵抗Ｒ２を有しかつ高出力電池１０の容量よりも大きな容量の電池であり、長時間要求される電流を流し続けることが可能（長時間にわたって図１のＰ２の電力の供給は可能）な電池である。

高出力電池１０の充電状態−開回路電圧特性は図３に示すとおりである。すなわち、充電状態(以降ＳＯＣと称する）が小さくなるにしたがって、開回路電圧の大きさが小さくなっていく特性を有している。本実施の形態の高出力電池１０はＳＯＣが７５％の時の開回路電圧とＳＯＣが２５％の時の開回路電圧との差が４００ｍｖとなっている。また、本実施の形態の高容量電池２０の開回路電圧−充電状態特性は図４に示すとおりであるが、ＳＯＣの低下に対する開回路電圧の低下傾向が高出力電池１０よりも穏やかになっている。すなわち、高容量電池２０はＳＯＣが７５％の時の開回路電圧とＳＯＣが２５％の時の開回路電圧との差が３００ｍｖとなっている。したがって、高出力電池１０におけるＳＯＣの減少に対する開回路電圧の低下傾向は、高容量電池２０におけるＳＯＣの減少に対する開回路電圧の低下傾向よりも大きくなっている。このように、高出力電池１０の充電状態−開回路電圧特性と高容量電池２０の開回路電圧−充電状態特性を異ならせることによって、電池システムとしての出力特性の回復時間と入力特性の回復時間の両方を共に最適な長さとすることが可能になり、高出力電池１０と高容量電池２０との充電バランスを早期に回復させることができる。

なお、図示してはいないが、高出力電池１０の開回路電圧−充電状態特性を、ＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が、高出力電池１０の平均開回路電圧の１２％以上あるようにし、高容量電池２０の開回路電圧−充電状態特性を、ＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が、高容量電池２０の平均開回路電圧の８％以上あるようにしても、上記と同様に、電池システムとしての出力特性の回復時間と入力特性の回復時間の両方を共に最適な長さとすることが可能になり、高出力電池１０と高容量電池２０との充電バランスを早期に回復させることができる。

ここで、ＳＯＣ(％）とは、電池の残容量（Ａｈ）を電池の満充電容量（Ａｈ）で割って１００を掛けて得られた値であり、電池が満充電時の容量に対して何パーセントの容量を持っているのかを表す指標である。

図５から図８は、本実施の形態における電池システムの放電特性を示した図である。図５は、初期状態として３０％のＯＳＣにある電池システムを約１０秒間放電させ、放電を開始してから一定時間経過するまでの、高出力電池ＳＯＣの変化過程、高容量電池ＳＯＣの変化過程、電池システムとしての放電可能電力比の変化過程を示している。図に示すように、放電が開始されると放電が終了するまで内部抵抗の低い高出力電池１０から多くの電力が供給されることになり、高出力電池１０のＳＯＣが急激に低下する。一方、内部抵抗が高出力電池１０よりも大きい高容量電池２０のＳＯＣは高出力電池１０のそれとは異なって徐々に低下する。放電が終了すると、高出力電池１０は高容量電池２０からの電力供給を受けて充電され、高出力電池１０と高容量電池２０とのＳＯＣは時間の経過と共に近づき、最終的には一致する。これを電池システムの放電可能電力比で見ると、放電前の電池システムの放電可能電力比(高出力電池１０と高容量電池２０との合計の電力を基準とする)を１．０とした場合、放電中は放電可能電力比が０．３まで低下するが、放電終了後は最終的に０．８程度まで回復する。

図６は、初期状態として、高出力電池１０と高容量電池２０のＳＯＣが共に５０％である場合の、高出力電池ＳＯＣの変化過程、高容量電池ＳＯＣの変化過程、電池システムとしての放電可能電力比の変化過程を示している。また、図７は、初期状態として、高出力電池１０と高容量電池２０のＳＯＣが共に７０％である場合の、高出力電池ＳＯＣの変化過程、高容量電池ＳＯＣの変化過程、電池システムとしての放電可能電力比の変化過程を示している。さらに、図８は、初期状態として、高出力電池１０と高容量電池２０のＳＯＣが共に９０％である場合の、高出力電池ＳＯＣの変化過程、高容量電池ＳＯＣの変化過程、電池システムとしての放電可能電力比の変化過程を示している。

これらの図を見比べれば明らかなように、放電が開始されてから放電が終了するまでは高出力電池１０のＳＯＣが急激に低下し、放電時に必要な電力の大部分を高出力電池１０が供給することになり、放電が終了した後は高容量電池２０が低下した高出力電池１０のＳＯＣを上昇させるように高出力電池１０に電力を供給しているのがわかる。また、最終的な高出力電池ＳＯＣ、高容量電池ＳＯＣ、放電可能電力比の減少状態や最終的な大きさは、初期の高出力電池ＳＯＣおよび高容量電池ＳＯＣの大きさに依存することがわかる。

図９は、本実施の形態における電池システムの一般的な放電特性を示した図であり、また、図１０は、本実施の形態における電池システムの一般的な充電特性を示した図である。図５から図８に示したと同様に、電池システムの放電可能電力比は、放電中は低下し続け、放電が終了すると徐々に回復いていく。これは高出力電池ＳＯＣも同様である。高容量電池ＳＯＣは、放電中も放電後も徐々にではあるが低下し続ける。この電池システムに対して電力回生による充電が行われると、内部抵抗の低い高出力電池１０の充電が急速に行われ、内部抵抗の高い高容量電池２０の充電は徐々に行われる。

本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法では、電池システムの放電特性と充電特性とのバランスを良くし、しかも電池システムの体積や重量を小さくできるようにしている。車両に用いられる電池システムは放電終了後にいかに早く回復できるか、また、放電終了後にいかに効率よく充電できるかといった、充放電の回復率が問題となる。充放電の回復率に影響を与えるパラメータとしては、ＳＯＣに対する開回路電圧特性、高出力電池１０の内部抵抗Ｒ１と高容量電池２０の内部抵抗Ｒ２との比(内部抵抗比)を挙げることができる。本実施の形態では、高出力電池１０と高容量電池２０とをリチウムイオン電池（バイポーラ型リチウムイオン二次電池またはラミネート型リチウムイオン二次電池）で構成しているが、リチウムイオン電池においてＳＯＣ−開回路電圧特性は、負極に使用される材料の種類に大きく影響される。本実施の形態では、ＳＯＣの検出が容易に行えるように、ＳＯＣの変化に対して開回路電圧変化が大きいハードカーボン系の材料を用いている。

ハードカーボン系の材料を用いたリチウムイオン電池において、高出力電池１０の内部抵抗Ｒ１と高容量電池２０の内部抵抗Ｒ２との比(内部抵抗比)が、充電(入力)または放電(出力)の回復にどのように影響しているのかを図で示すと、図１１及び図１２のようになる。この図において、各ＳＯＣ値の初期の入力比または出力比は、放電または充電が終了してから３０秒経過後の値である。３０秒に設定したのは、ハイブリッド車や電気自動車において、放電または充電が要求されるのは、市街地、郊外路、高速道路などでの走行条件の場合、３０秒から６０秒の間であることが多いからである。縦軸の出力比、入力比は、放電または充電をする直前のＳＯＣの値を１としている。

図１１に示すように、ＳＯＣ６０％からＳＯＣ４０％まで、内部抵抗比が大きくなるほど出力比が小さくなっている。つまり、出力比が大きくなると放電が終了してから回復するまでに時間がかかることを意味している。一方、図１２に示すように、ＳＯＣ６０％からＳＯＣ４０％まで、内部抵抗比が大きくなるほど入力比が小さくなっている。つまり入力比が大きくなると充電に時間がかかることを意味している。このことから、充電と放電の回復を早めるためには、内部抵抗比はある程度小さくしなければならないことがわかる。

内部抵抗比を小さくするためには、上記のように、高容量電池２０の内部抵抗Ｒ２を小さくしなければならないが、高容量電池２０の内部抵抗Ｒ２を小さくすると、電池システムの容量を同一とする場合、高容量電池２０の体積が増加するという問題が生じる。

図１３に内部抵抗比と電池体積との関係を示す。図に示すように、内部抵抗比を小さくしていくと、必要とする高容量電池の体積が増加する。必要とする体積が増加してしまうのは、抵抗を下げるのには電池の電極の厚さを薄くして内部抵抗を下げなければならないことから、厚さを変えることができない集電体やセパレータの占める体積が増えてしまうためである。この図を勘案すると、電池体積の小さくなる内部抵抗比３．０〜５．０が最も好ましい。

上記のように、充電と放電の回復を考慮した場合には、内部抵抗比が小さくなるほど良いが、電池体積の増加を考えると、好ましくは２．０〜１０．０程度、より好ましくは４．０〜８．０程度、最も好ましくは３．０〜５．０程度の内部抵抗比を選択するのがよい。

図１４に許容される回復時間を考慮した内部抵抗比と電池体積との関係を示す。図に示すように、回復時間を３０秒とした場合は、３．０から８．０程度の内部抵抗比とすることが求められるが、回復時間を６０秒とした場合には、２．５〜１０．０程度の内部抵抗比を選択することができる。

高出力電池１０と高容量電池２０を並列に接続した電池システムでは内部抵抗比の大きさにより放電後の出力低下が生じる。内部抵抗比の大きさに対する放電後の出力低下と電池体積比との関係を示したのが図１５である。放電後の出力低下が生じるのは、内部抵抗比が大きくなるほど、放電後に発生した高出力電池１０と高容量電池２０との充電量の差が均等化するのに時間がかかるからである。要求されるＳＯＣの回復(放電後１分で８０％まで回復)を考慮すると、内部抵抗比は８以下とすることが好ましい。一方、内部抵抗比が小さいほど出力は維持されることになるが、電池の体積が増えてしまうので、図からは２以上であることが望ましい。

以上のように、充放電の回復率と電池の体積を考慮して内部抵抗比を最適な値に設定すると、図１６および図１７に示すように、本発明の出力比は従来に比較して若干低下するものの、入力比は従来に比較してかなり上昇し、充放電特性に優れた小さく軽量な電池システムを構成することができる。

以上で説明したように、小さな内部抵抗を有しかつ容量の小さな高出力電池と前記高出力電池よりも大きな内部抵抗を有しかつ前記高出力電池よりも容量の大きな高容量電池とが並列接続されてなる電池システムにおいて、高出力電池と高容量電池との開回路電圧−充電状態特性を適切な組合せとすることによって、また、高出力電池と高容量電池との内部抵抗比を適切な値に設定することによって、高出力電池と高容量電池との充放電特性が向上され、高出力電池と高容量電池との充電状態バランスが早期に回復するようになる。具体的には、高出力電池にはＳＯＣが７５％の時の開回路電圧とＳＯＣが２５％の時の開回路電圧との差が４００ｍｖとなるものを用い、また、高容量電池２０にはＳＯＣが７５％の時の開回路電圧とＳＯＣが２５％の時の開回路電圧との差が３００ｍｖとなるものを用いる。または、高出力電池にはＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が高出力電池の平均開回路電圧の１２％以上あるものを用い、高容量電池にはＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が、高容量電池２０の平均開回路電圧の８％以上あるものを用いる。そして、高容量電池の内部抵抗値Ｒ２と高出力電池の内部抵抗値Ｒ１との比(内部抵抗比Ｒ２／Ｒ１)は、電池システムの電池体積が小さくなるように、２．０〜１０．０の間に設定し、好ましくは、内部抵抗比Ｒ２／Ｒ１は、充電状態バランスが早期に回復できるように、かつ電池システムの電池体積が小さくなるように、４．０〜８．０の間に設定する。

このような高出力電池と高容量電池とが組み合わされた電池システムにおいて本発明の方法を適用すれば、瞬間的な高負荷の要求や持続的な負荷の供給の繰り返しに十分に対応することができしかも小型軽量化が可能となる。
（実施の形態２）
次に、本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法を車両のエンジン始動に応用した場合の実施の形態を説明する。図１８は本発明の適用例を示すハイブリッド車両のシステムの概略構成図である。

図１８により、本発明をハイブリッド車両に適用した場合の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。
図１８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。

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３０により駆動される。

モータ１，４，３０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３０は油圧装置９のオイルポンプ駆動用である。なお、モータ１，４，３０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。

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。

モータ１，４，３０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１，４，３０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１，４，３０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電池システムであるメインバッテリ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。

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１，４，３０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。

上記のような構成のハイブリッド車両において、搭載されているエンジン２の排気量によって、モータ１がそのエンジン２の始動に要する電力は相違する。図１９は、エンジンの始動に必要な電力と排気量との関係を示す図である。図に示すように、排気量が２リットルのエンジンは１秒間で始動させる場合そのクランキング時間で７Ｋｗほどの電力が必要であり、３．５リットルでは１２Ｋｗほどの電力が、５．６リットルでは１７Ｋｗもの電力が必要になる。また、０．５秒程度の時間でエンジンを始動させようとすると、いずれの排気量のエンジンも２０Ｋｗ以上の電力が必要となる。

前述のように、本実施の形態のバッテリ１５として用いられている電池システムは、高出力電池１０と高容量電池２０が並列に接続されているのであるから、エンジン２の始動時には高出力電池１０からほとんどの電力が供給されることになり、大電力を供給した結果、エンジンの始動に失敗した場合には、高出力電池１０のＳＯＣが回復するまではエンジンの再始動ができなくなる恐れがある。図２０はバッテリ１５の放電特性を示しているが、バッテリ１５が供給できる最大電力は点線で示すように時間の経過と共に低下していく。最初にエンジンを始動するためにＡに示す電力をＴ１時間放電したとすると、次のエンジン始動に供給できる電力はＢに示す電力となってしまう。さらにＢに示す電力をＴ２時間放電したとすると、次のエンジン始動に供給できる電力はＣに示す電力となってしまう。

このように、エンジン始動時に電力を連続的に供給してしまうと、本実施の形態のバッテリ１５の場合には回復時間を多くとらなければならなくなってしまう。そこで、本発明に係る電池システムの充電状態バランス回復方法では、図２１のフローチャートに示すようにしてエンジンを始動させる。

次に、エンジンの始動手順を図２１のフローチャートに基づいて詳細に説明する。

まずコントローラ１６は、エンジンオイルの温度を検出し(Ｓ１)、エンジン２の必要始動電力を演算する（Ｓ２)。エンジンオイルの温度はエンジン２のオイルパン内に設けられている温度センサで検出する。また、必要始動電力はコントローラ１６が持っている、エンジンオイル温度と必要始動電力との関係を示すテーブルを参照して求める。次に、コントローラ１６は、バッテリ１６の電池電力を演算する(Ｓ３)。電池電力は、バッテリ１６の開回路電圧を検出することで演算できる。バッテリ１６の開回路電圧とＳＯＣの値との間には相関関係があるからである。具体的には、電池電力は、開回路電圧と電池電力との関係を示すテーブルを参照して求めることになる。

コントローラ１６は、演算した必要始動電力が電池電力よりも小さいか否かを判断する(Ｓ４)。必要始動電力が電池電力よりも大きければ（Ｓ４：ＮＯ）、エンジン２の始動は不可能であると判断して処理を終了する。一方、必要始動電力が電池電力よりも小さければ（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ１６は電力回復時間を演算する（Ｓ５)。電力回復時間は、エンジン２の始動に電力を供給した場合、万が一エンジン２が始動できなかったときに次にエンジン２の始動が可能になるまでの時間であり、バッテリ１６のＳＯＣが回復するまでの時間に相当する。図２１で示すと、クランキングの時間間隔Ｔ３に相当する時間である。

コンとロータ１６は、電力回復時間の演算後、モータ１を駆動してクランキングをし、エンジン２を始動させる(Ｓ６)。クランキングによってエンジン２が始動すれば（Ｓ７：ＹＥＳ）、処理を終了する。一方、クランキングによってエンジン２が始動できなければ(Ｓ７：ＮＯ）、演算された電力回復時間だけ待って、Ｓ２のステップの処理に戻る（Ｓ８）。

以上のようにしてエンジン２を始動させるようにすると、バッテリ１５の電力は、図２２に示すように、クランキング中はＤに示すように急激に減少するが、電力回復時間の間にＥに示すようにクランキングに必要な電力以上の電力まで回復し、再度のクランキング中にＦに示すように減少するということを繰り返す。したがって、図２０に示すように連続的にクランキングさせるのとは違って、エンジンの始動不能に陥ってしまうようなことがなくなり、エンジンの始動回数を増やすことができる。

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車の電池システムに利用することができる。

本発明の必要性を説明するための図である。 本発明の必要性を説明するための図である。 高出力電池の開回路電圧−充電状態特性を示す図である。 高容量電池の開回路電圧−充電状態特性を示す図である。 本実施の形態における電池システムの放電特性を示した図である。 本実施の形態における電池システムの放電特性を示した図である。 本実施の形態における電池システムの放電特性を示した図である。 本実施の形態における電池システムの放電特性を示した図である。 本実施の形態における電池システムの一般的な放電特性を示した図である。 本実施の形態における電池システムの一般的な充電特性を示した図である。 高出力電池の内部抵抗と高容量電池の内部抵抗との比が充電の回復に与える影響を示す図である。 高出力電池の内部抵抗と高容量電池の内部抵抗との比が放電の回復に与える影響を示す図である。 内部抵抗比と電池体積との関係を示す図である。 許容される回復時間を考慮した内部抵抗比と電池体積との関係を示す図である。 内部抵抗比の大きさに対する放電後の出力低下と電池体積比との関係を示す図である。 本発明と従来の電池システムとの出力特性の相違を示す図である。 本発明と従来の電池システムとの入力特性の相違を示す図である。 本発明の適用例を示すハイブリッド車両のシステムの概略構成図である。 エンジンの始動に必要な電力と排気量との関係を示す図である。 バッテリの放電特性を示す図である。 本実施の形態に係る充電状態バランス回復方法を考慮したエンジンの始動手順を示すフローチャートである。 図２１のフローチャートの動作説明に供する図である。

符号の説明

１ モータ、
２ エンジン、
１０ 高出力電池、
１５ バッテリ、
１６ コントローラ、
２０ 高容量電池。

Claims (6)

1. 小さな内部抵抗を有しかつ容量の小さな高出力電池と、前記高出力電池よりも大きな内部抵抗を有しかつ前記高出力電池よりも容量の大きな高容量電池と、が並列接続されてなる電池システムの充電状態バランス回復方法であって、
   前記高出力電池と前記高容量電池との［充電状態(ＳＯＣ）−開回路電圧］特性において、前記高出力電池における充電状態(ＳＯＣ）の減少に対する開回路電圧の低下傾向は、前記高容量電池における充電状態(ＳＯＣ）の減少に対する開回路電圧の低下傾向よりも大きく、
   前記高出力電池の［充電状態(ＳＯＣ）−開回路電圧］特性においては、ＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が４００ｍＶ以上あり、前記高容量電池の［充電状態(ＳＯＣ）−開回路電圧］特性においては、ＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が３００ｍＶ以上あることを特徴とする電池システムの充電状態バランス回復方法。
2. 小さな内部抵抗を有しかつ容量の小さな高出力電池と、前記高出力電池よりも大きな内部抵抗を有しかつ前記高出力電池よりも容量の大きな高容量電池と、が並列接続されてなる電池システムの充電状態バランス回復方法であって、
   前記高出力電池と前記高容量電池との［充電状態(ＳＯＣ）−開回路電圧］特性において、前記高出力電池における充電状態(ＳＯＣ）の減少に対する開回路電圧の低下傾向は、前記高容量電池における充電状態(ＳＯＣ）の減少に対する開回路電圧の低下傾向よりも大きく、
   前記高出力電池の［充電状態(ＳＯＣ）−開回路電圧］特性においては、ＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が、前記高出力電池の平均開回路電圧の１２％以上あり、前記高容量電池の［充電状態(ＳＯＣ）−開回路電圧］特性においては、ＳＯＣ２５％のときの開回路電圧とＳＯＣ７５パーセントのときの開回路電圧との差が、前記高容量電池の平均開回路電圧の８％以上あることを特徴とする電池システムの充電状態バランス回復方法。
3. 前記高容量電池の内部抵抗値Ｒ２と前記高出力電池の内部抵抗値Ｒ１との比(内部抵抗比Ｒ２／Ｒ１)は、前記電池システムの電池体積が小さくなるように、２．０〜１０．０の間に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池システムの充電状態バランス回復方法。
4. 前記高容量電池の内部抵抗値Ｒ２と前記高出力電池の内部抵抗値Ｒ１との比(内部抵抗比Ｒ２／Ｒ１)は、充電状態バランスが早期に回復できるように、かつ前記電池システムの電池体積が小さくなるように、４．０〜８．０の間に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池システムの充電状態バランス回復方法。
5. 前記高容量電池はリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電池システムの充電状態バランス回復方法。
6. 前記リチウムイオン二次電池は、バイポーラ型リチウムイオン二次電池またはラミネート型リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項５に記載の電池システムの充電状態バランス回復方法。

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