JP5376045B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、複数の組電池が電気的に並列に接続された電池パックに関する。

複数の組電池を電気的に並列に接続した電池パックがある。例えば、特許文献１には、特性が互いに異なる２種類の組電池を電気的に並列に接続した電池パックが開示されている。ここで、組電池の特性としては、ＳＯＣ（State Of Charge）の減少に対する開回路電圧の低下傾向を示す特性がある。

特開２００８−２６０３４６号公報 特開２００４−３２８９０２号公報 特開２００４−１１１２４２号公報 特開平０５−２４０８９０号公報 特開２００１−２９７８０１号公報 特開２００９−００４３４９号公報

複数の組電池を電気的に並列に接続するときには、組電池に循環電流が流れることがある。ここで、電池パックの構成によっては、組電池の許容電流値を超える循環電流が組電池に流れてしまうおそれがある。

本願第１の発明は、並列接続された複数の組電池を有する電池パックであって、各組電池は、電気的に接続された複数の単電池を有している。各組電池において、並列接続される単電池の数は、各組電池のＳＯＣの挙動が、予め設定された上限値および下限値の範囲内に収まる条件の下で決定された数である。各組電池において、直列接続される単電池の数は、各組電池の循環電流が、各組電池の許容電流値を超えない条件の下で決定された数である。ＳＯＣの挙動は、並列接続される各単電池の満充電容量と、並列接続される単電池の数と、各組電池の電流値とから算出される。循環電流は、各組電池の電流値を用いて、電池パックの総電流をゼロとした条件の下で算出される。各組電池の電流値は、電池パックの出力電力が予め定められた要求電力よりも高い条件の下で、直列接続される単電池の数に依存する各組電池の起電圧と、想定される各組電池の内部抵抗とから算出される。

電池パックの出力を用いて電子機器を動作させるシステムにおいて、要求電力は、電子機器に所望の動作を行わせるために必要とされる電池パックの電力である。

電子機器としては、例えば、モータ・ジェネレータを用いることができる。ここで、モータ・ジェネレータは、電池パックから出力され電気エネルギを、車両を走行させるための運動エネルギに変換することができる。また、要求電力としては、予め設定された車両の走行パターンに対応する電力とすることができる。

ＳＯＣ（State Of Charge）［％］は、満充電容量（Ａｈ）に対する残存容量（Ａｈ）の割合である。

本願第２の発明は、複数の単電池をそれぞれ備え、並列接続された複数の組電池を有する電池パックの製造方法であり、第１ステップから第３ステップを含んでいる。第１ステップでは、各組電池のＳＯＣの挙動が、予め設定された上限値および下限値の範囲内に収まる条件の下で、各組電池において、並列接続される単電池の数を決定する。第２ステップでは、各組電池の循環電流が、各組電池の許容電流値を超えない条件の下で、各組電池において、直列接続される単電池の数を決定する。第３ステップでは、第１ステップおよび第２ステップで決定された数の単電池を用いて、各組電池を組み立てる。ここで、ＳＯＣの挙動と、循環電流と、各組電池の電流値とは、本願第１の発明と同様の方法によって算出される。

本願第１および第２の発明によれば、複数の組電池を並列接続しても、許容電流値を超える循環電流が組電池に流れるのを抑制することができる。

電池システムの構成を示す図である。 電池パックの構成を示す図である。 組電池の構成を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池システムについて、図１を用いて説明する。本実施例の電池システムは、車両に搭載することができる。

電池パック１００は、リレー２１，２２を介して、インバータ３０と接続されている。リレー２１，２２は、コントローラ（図示せず）からの制御信号を受けて、オン状態およびオフ状態の間で切り替わる。リレー２１，２２がオン状態であるとき、電池パック１００から出力された電力がインバータ３０に供給されたり、インバータ３０から出力された電力が電池パック１００に供給されたりする。

本実施例では、電池パック１００の電力をインバータ３０に供給しているが、これに限るものではない。例えば、電池パック１００およびインバータ３０の間に、昇圧回路を配置することができる。昇圧回路は、電池パック１００の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ３０に供給することができる。また、昇圧回路は、インバータ３０の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を電池パック１００に供給することができる。

インバータ３０は、電池パック１００から出力された直流電力を交流電力に変換して、モータ・ジェネレータ４０に出力する。モータ・ジェネレータ４０としては、三相交流モータを用いることができる。モータ・ジェネレータ４０は、インバータ３０からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータ４０によって生成された運動エネルギは、車輪に伝達される。

車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ４０は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換する。モータ・ジェネレータ４０によって生成された交流電力は、インバータ３０に供給され、インバータ３０は、交流電力を直流電力に変換する。電池パック１００は、インバータ３０からの直流電力を受けて、回生エネルギを蓄えることができる。

図２は、電池パック１００の構成を示す図である。電池パック１００は、Ｘ個の組電池１０−１〜１０−Ｘを有しており、これらの組電池１０−１〜１０−Ｘは、電気的に並列に接続されている。組電池の数Ｘは、２以上の整数である。図３は、組電池の構成を示す図である。

第１組電池１０−１は、電気的に直列に接続された単電池１１と、電気的に並列に接続された単電池１１とで構成することができる。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。単電池１１の形態は、適宜設定することができる。

いわゆる円筒型の単電池１１では、円筒状に形成された電池ケースの内部に発電要素が収容されている。いわゆる角型の単電池１１では、直方体に沿って形成された電池ケースの内部に発電要素が収容されている。発電要素は、充放電を行う要素である。発電要素は、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に配置されるセパレータ（電解液を含む）とで構成することができる。正極板は、集電板と、集電板の表面に形成された正極活物質層とを有する。負極板は、集電板と、集電板の表面に形成された負極活物質層とを有する。

第１組電池１０−１では、並列接続される単電池１１の数をＭ１とし、直列接続される単電池１１の数をＮ１としている。Ｍ１，Ｎ１は、１以上の整数である。Ｍ１が１であれば、第１組電池１０−１は、直列接続された単電池１１だけで構成される。また、Ｎ１が１であれば、第１組電池１０−１は、並列接続された単電池１１だけで構成される。Ｍ１およびＮ１が１であれば、第１組電池１０−１は、１つの単電池１１で構成される。

第１組電池１０−１と同様に、第２組電池１０−２は、電気的に直列に接続された単電池１１と、電気的に並列に接続された単電池１１とで構成することができる。第２組電池１０−２では、並列接続される単電池１１の数をＭ２とし、直列接続される単電池１１の数をＮ２としている。Ｍ２およびＮ２は、１以上の整数である。

第１組電池１０−１と同様に、第Ｘ組電池１０−Ｘは、電気的に直列に接続された単電池１１と、電気的に並列に接続された単電池１１とで構成することができる。第Ｘ組電池１０−Ｘでは、並列接続される単電池１１の数をＭｘとし、直列接続される単電池１１の数をＮｘとしている。ＭｘおよびＮｘは、１以上の整数である。

各組電池１０−１〜１０−Ｘにおける単電池１１の数Ｍ１〜Ｍｘ，Ｎ１〜Ｎｘは、後述する方法によって決定することができる。

図２に示す構成において、電池パック１００の電力Ｗ［ｋＷ］は、下記式（１）で表される。ここで、電池パック１００の放電（出力）を正の値とし、電池パック１００の充電（入力）を負の値としている。

式（１）において、Ｗ（ｔ）は、時刻ｔにおける電池パック１００の電力である。Ｖ（ｔ）は、時刻ｔにおける電池パック１００の端子間電圧であり、Ｉ（ｔ）は、時刻ｔにおいて電池パック１００に流れる電流値である。Ｉ１（ｔ）〜Ｉｘ（ｔ）は、時刻ｔにおいて、各組電池１０−１〜１０−Ｘに流れる電流値をそれぞれ示している。

電池パック１００の電圧Ｖ（ｔ）は、下記式（２）で表される。

式（２）において、Ｖｏ１（ｔ）〜Ｖｏｘ（ｔ）は、時刻ｔにおける組電池１０−１〜１０−Ｘの起電圧（開回路電圧）をそれぞれ示す。組電池１０−１〜１０−Ｘの起電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｘは、直列接続された単電池１１の数Ｎ１〜Ｎｘと、直列接続された各単電池１１の起電圧（開回路電圧）との積から求められる。

Ｒ１〜Ｒｘは、時刻ｔにおける組電池１０−１〜１０−Ｘの内部抵抗をそれぞれ示す。内部抵抗Ｒ１〜Ｒｘは、時刻ｔおよび温度ＴＢ１（ｔ）〜ＴＢｘ（ｔ）の関数として表される。温度ＴＢ１（ｔ）〜ＴＢｘ（ｔ）は、時刻ｔにおける組電池１０−１〜１０−Ｘの温度をそれぞれ示す。時刻ｔおよび温度ＴＢ１（ｔ）〜ＴＢｘ（ｔ）を特定することによって、内部抵抗Ｒ１〜Ｒｘを特定することができる。内部抵抗Ｒ１〜Ｒｘおよび温度ＴＢ１〜ＴＢｘの関係は、予め定めておくことができる。

式（２）を変形して、式（１）に代入すると、下記式（３）が得られる。

式（３）において、時刻ｔの変数は省略している。以下に説明する式においても、時刻ｔの変数を省略している。

式（３）は、下記式（４）で表すことができる。

式（４）において、添字ｉは、１〜ｘの値であり、組電池１０−１〜１０−Ｘに対応している。式（４）を、Ｉ１の関数として表すと、下記式（５）が得られる。

ここで、下記式（６）に示すように、α、βおよびγを設定する。

式（６）を式（５）に代入すると、下記式（７）が得られる。

式（７）から、Ｉ１の解を求めると、式（８）が得られる。

式（２）に示す関係式を、式（８）に代入すると、下記式（９）が得られる。

式（９）を用いれば、各組電池１０−１〜１０−Ｘの電流値を特定することができる。式（９）において、Ｘが１であるときには、式（８）が得られる。

各組電池１０−１〜１０−Ｘの内部抵抗Ｒ１〜Ｒｘは、電池パック１００の温度を特定することによって、特定することができる。式（２）で説明したように、内部抵抗Ｒ１〜Ｒｘは、温度ＴＢ１〜ＴＢｘの関数として表されるため、温度ＴＢ１〜ＴＢｘを特定しておくことにより、内部抵抗Ｒ１〜Ｒｘを特定することができる。組電池１０−１〜１０−Ｘの温度ＴＢ１〜ＴＢｘは、電池パック１００の使用環境を考慮して、適宜特定することができる。内部抵抗Ｒ１〜Ｒｘを特定できれば、式（６）に基づいて、αを算出することができる。

また、各組電池１０−１〜１０−ＸのＳＯＣ（State Of Charge）を特定することにより、各組電池１０−１〜１０−Ｘの起電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｘを特定することができる。ＳＯＣおよび起電圧は、対応関係にあるため、ＳＯＣおよび起電圧の対応関係を示すデータを予め求めておけば、ＳＯＣから起電圧を特定することができる。各組電池１０−１〜１０−ＸにおけるＳＯＣおよび起電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｘを特定できれば、式（６）に基づいて、βを算出することができる。

また、各組電池１０−１〜１０−ＸのＳＯＣ１（ｔ）〜ＳＯＣｘ（ｔ）は、下記式（１０）に基づいて算出することができる。

式（１０）において、添字ｉは、１〜ｘの値であり、組電池１０−１〜１０−Ｘに対応している。ＳＯＣｉ（ｔ）は、時刻ｔにおける組電池のＳＯＣであり、ＳＯＣｉ（ｔ＋Δｔ）は、時間Δｔが経過した後の組電池のＳＯＣである。ＣＡＰｉは、単電池１１の満充電容量を示し、Ｍｉは、各組電池１０−１〜１０−Ｘにおいて、並列接続された単電池１１の数である。μは、各組電池１０−１〜１０−Ｘにおける劣化状態（具体的には、容量劣化）を決定する劣化係数である。劣化係数μは、例えば、０〜１の間の値であり、実験等に基づいて、予め決めておくことができる。

式（１０）において、初期状態（時刻ｔが０）における各組電池１０−１〜１０−ＸのＳＯＣ１（０）〜ＳＯＣｘ（０）を決めておけば、任意の時間Δｔが経過したときの各組電池１０−１〜１０−ＸのＳＯＣ１（ｔ）〜ＳＯＣｘ（ｔ）を算出することができる。式（１０）では、変数Ｍｉが含まれており、式（１０）に基づいて算出されるＳＯＣは、並列接続される単電池１１の数Ｍｉに応じて変化する。

組電池１０−１〜１０−Ｘの充放電制御では、予め定めた上限値および下限値の範囲内において、組電池１０−１〜１０−ＸのＳＯＣが変化するように、組電池１０−１〜１０−Ｘの充放電が制御される。したがって、組電池１０−１〜１０−ＸのＳＯＣを設定するときには、上限値および下限値の範囲内でＳＯＣを設定する必要がある。

一方、式（６）において、電池パック１００の電力Ｗを設定すれば、γの値を特定することができる。電池パック１００の電力Ｗは、組電池１０−１〜１０−Ｘの電力Ｗ１〜Ｗｘの総和となる。

電池パック１００の電力（具体的には、出力）Ｗは、予め定められた要求電力（要求出力）よりも高い必要がある。要求出力は、予め定められた車両の走行パターン（目標走行パターンという）に基づいて決定される。目標走行パターンは、時間軸に対する車速の変化を表す。目標走行パターンを予め決定しておけば、目標走行パターンに対応する電池パック１００の電力（要求出力）を特定することができる。目標走行パターンでの走行を達成するためには、電池パック１００の電力（出力）Ｗが、電池パック１００の要求出力よりも高い必要がある。

また、要求出力を満たす電池パック１００の電力（出力）Ｗは、出力制限値よりも低い必要がある。電池パック１００の出力制限値は、各組電池１０−１〜１０−Ｘにおける出力制限値の総和となる。各組電池１０−１〜１０−Ｘの出力制限値ＷＯＵＴ１〜ＷＯＵＴｘは、下記式（１１）で表されるように、予め決定されたマップＷＯＵＴ＿ＭＡＰを用いて特定することができる。マップは、各組電池１０−１〜１０−Ｘに対して設けられている。

式（１１）において、添字ｉは、１〜ｘの値であり、組電池１０−１〜１０−Ｘに対応している。組電池１０−１〜１０−Ｘの出力制限値ＷＯＵＴ１〜ＷＯＵＴｘは、組電池１０−１〜１０−Ｘにおける温度ＴＢ１〜ＴＢｘおよびＳＯＣ１〜ＳＯＣｘに依存している。したがって、温度ＴＢ１〜ＴＢｘおよびＳＯＣ１〜ＳＯＣｘを特定すれば、マップＷＯＵＴ＿ＭＡＰを用いて、各組電池１０−１〜１０−Ｘにおける出力制限値ＷＯＵＴ１〜〜ＷＯＵＴｘを特定することができる。

α、βおよびγの値と、各組電池１０−１〜１０−Ｘにおける内部抵抗Ｒ１〜Ｒｘおよび起電圧Ｖｏ１〜ＶｏＸとを、式（９）に代入すると、各単電池１０−１〜１０−Ｘの電流値Ｉ１〜Ｉｘを算出することができる。

電池パック１００に流れる循環電流は、電池パック１００の総電流がゼロであるときに、組電池１０−１〜１０−Ｘに流れる電流である。循環電流は、下記式（１２）の関係を有する。

式（１２）において、Ｉｋは、特定の組電池に流れる電流値を示す。式（１２）の右辺は、特定の組電池を除く、他のすべての組電池に流れる電流値の総和を示している。

式（１２）に基づいて、式（１２）の条件を満たす電流値Ｉ１〜Ｉｘを具体的に特定することができる。具体的に特定された電流値Ｉ１〜Ｉｘについては、複数の組み合わせが存在するため、複数の組み合わせの中から、各電流値Ｉ１〜Ｉｘの最大値および最小値を特定する。例えば、電流値Ｉｘについては、複数の数値を取り得るため、これらの数値の中から、最大値および最小値を特定することができる。

各電流値Ｉ１〜Ｉｘの最大値は、下記式（１３）に示す関係を有する。

式（１３）において、添字ｉは、１〜Ｘの値であり、組電池１０−１〜１０−Ｘに対応している。Ｉi_maxは、電流値Ｉiが複数の値を取り得るとき、これらの値の中の最大値である。Ｉdi_limは、各組電池１０−１〜１０−Ｘにおける連続許容放電電流である。連続許容放電電流は、組電池１０−１〜１０−Ｘの構成（特に、並列接続される単電池１１の数）に応じて異なる。

また、各電流値Ｉ１〜Ｉｘの最小値は、下記式（１４）に示す関係を有する。

式（１４）において、添字ｉは、１〜Ｘの値であり、組電池１０−１〜１０−Ｘに対応している。Ｉi_minは、電流値Ｉiが複数の値を取り得るとき、これらの値の中の最小値である。Ｉci_limは、各組電池１０−１〜１０−Ｘにおける連続許容充電電流である。連続許容充電電流は、組電池１０−１〜１０−Ｘの構成（特に、並列接続される単電池１１の数）に応じて異なる。

式（１４）において、最小値Ｉi_minおよび連続許容充電電流Ｉci_limが負の値であるとき、式（１４）は、下記式（１５）で表すことができる。

最大値Ｉi_maxが、連続許容放電電流Ｉdi_limよりも小さいとともに、最小値Ｉi_minが、連続許容充電電流Ｉci_limよりも大きくなるように、組電池の電流値Ｉｉを決定することができる。言い換えれば、各組電池の放電電流が、各組電池の連続許容放電電流を超えないとともに、各組電池の充電電流が、各組電池の連続許容充電電流を超えないように、電流値Ｉiの取り得る値を設定することができる。最大値Ｉi_maxを連続許容放電電流Ｉdi_limよりも小さくし、最小値Ｉi_minを連続許容充電電流Ｉci_limよりも大きくすることにより、各組電池１０−１〜１０−Ｘにおいて、許容値を超える電流が流れるのを抑制することができる。

式（１３）および式（１４）を満たすように、各組電池１０−１〜１０−Ｘの電流値Ｉ１〜Ｉｘを特定すれば、式（１０）に基づいて、電気的に並列に接続される単電池１１の数Ｍ１〜Ｍｘを特定することができる。ここで、Ｍ１〜Ｍｘとしては、複数の値を取り得ることがある。

また、各組電池１０−１〜１０−Ｘの起電圧Ｖo1〜Ｖoxを特定しておけば、各組電池１０−１〜１０−Ｘにおいて、電気的に直列に接続される単電池１１の数Ｎ１〜Ｎｘを特定することができる。すなわち、単電池１１の起電圧は、予め測定しておくことができるため、各組電池１０−１〜１０−Ｘの起電圧Ｖo1〜Ｖoxを、単電池１１の起電圧で割れば、電気的に直列に接続される単電池１１の数Ｎ１〜Ｎｘを算出することができる。

電気的に並列に接続される単電池１１の数Ｍ１〜Ｍｘと、電気的に直列に接続される単電池１１の数Ｎ１〜Ｎｘとについて、複数の組み合わせがあるときには、電池パック１００の構成を考慮して、単電池１１の数Ｍ１〜Ｍｘ，Ｎ１〜Ｎｘを決定することができる。ここで、単電池１１の数Ｍ１〜Ｍｘ，Ｎ１〜Ｎｘにおいて、最も少ない値を選択すれば、電池パック１００のコストを低減することができる。

Ｍ１〜ＭｘおよびＮ１〜Ｎｘを決定できれば、Ｍ１〜ＭｘおよびＮ１〜Ｎｘに基づいて、各組電池１０−１〜１０−Ｘの構成を特定することができる。例えば、組電池１０−１を組み立てるときには、Ｍ１個の単電池１１を並列接続するとともに、Ｎ１個の単電池１１を直列接続することになる。複数の単電池１１を電気的に接続するためには、バスバーや電気ケーブルを用いることができる。

Ｍ１〜ＭｘおよびＮ１〜Ｎｘを算出する処理は、コンピュータによって実行させることができる。すなわち、Ｍ１〜ＭｘおよびＮ１〜Ｎｘを算出するために必要なパラメータを、コンピュータに入力することにより、Ｍ１〜ＭｘおよびＮ１〜Ｎｘを得ることができる。

本実施例では、単電池１１の種類に応じて、組電池１０−１〜１０−Ｘや電池パック１００の特性が変化することになる。このため、単電池１１の種類に応じて、Ｍ１〜ＭｘおよびＮ１〜Ｎｘの値を予め求めておくことができる。そして、単電池１１の種類と、Ｍ１〜Ｍｘ，Ｎ１〜Ｎｘの値とを対応付けた状態で、メモリに記憶しておくことができる。これにより、単電池１１の種類を特定すれば、メモリに記憶された情報を参照することにより、Ｍ１〜Ｍｘ，Ｎ１〜Ｎｘの値を容易に特定することができる。

Claims (6)

1. 並列接続された複数の組電池を有する電池パックであって、
   前記各組電池は、電気的に接続された複数の単電池を有しており、
   前記各組電池において、並列接続される前記単電池の数は、前記各組電池のＳＯＣの挙動が、予め設定された上限値および下限値の範囲内に収まる条件の下で決定された数であり、
   前記各組電池において、直列接続される前記単電池の数は、前記各組電池の循環電流が、前記各組電池の許容電流値を超えない条件の下で決定された数であり、
   前記ＳＯＣの挙動は、並列接続される前記各単電池の満充電容量と、並列接続される前記単電池の数と、前記各組電池の電流値とから算出され、
   前記循環電流は、前記各組電池の電流値を用いて、前記電池パックの総電流をゼロとした条件の下で算出され、
   前記各組電池の電流値は、前記電池パックの出力電力が予め定められた要求電力よりも高い条件の下で、直列接続される前記単電池の数に依存する前記各組電池の起電圧と、想定される前記各組電池の内部抵抗とから算出される、
   ことを特徴とする電池パック。
2. 前記各組電池の電流値は、前記電池パックの出力電力が前記要求電力よりも高く、前記電池パックの出力を制限する制限値よりも低い条件の下で、直列接続される前記単電池の数に依存する前記各組電池の起電圧と、想定される前記各組電池の内部抵抗とから算出されることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記各組電池は、車両の走行に用いられるエネルギを出力し、
   前記要求電力は、予め設定された前記車両の走行パターンに対応する電力であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池パック。
4. 複数の単電池をそれぞれ備え、並列接続された複数の組電池を有する電池パックの製造方法であって、
   前記各組電池のＳＯＣの挙動が、予め設定された上限値および下限値の範囲内に収まる条件の下で、前記各組電池において、並列接続される前記単電池の数を決定する第１ステップと、
   前記各組電池の循環電流が、前記各組電池の許容電流値を超えない条件の下で、前記各組電池において、直列接続される前記単電池の数を決定する第２ステップと、
   前記第１ステップおよび前記第２ステップで決定された数の前記単電池を用いて、前記各組電池を組み立てる第３ステップと、を有し、
   前記ＳＯＣの挙動は、並列接続される前記各単電池の満充電容量と、並列接続される前記単電池の数と、前記各組電池の電流値とから算出され、
   前記循環電流は、前記各組電池の電流値を用いて、前記電池パックの総電流をゼロとした条件の下で算出され、
   前記各組電池の電流値は、前記電池パックの出力電力が予め定められた要求電力よりも高い条件の下で、直列接続される前記単電池の数に依存する前記各組電池の起電圧と、想定される前記各組電池の内部抵抗とから算出される、
   ことを特徴とする電池パックの製造方法。
5. 前記各組電池の電流値は、前記電池パックの出力電力が前記要求電力よりも高く、前記電池パックの出力を制限する制限値よりも低い条件の下で、直列接続される前記単電池の数に依存する前記各組電池の起電圧と、想定される前記各組電池の内部抵抗とから算出されることを特徴とする請求項４に記載の電池パックの製造方法。
6. 前記各組電池は、車両の走行に用いられるエネルギを出力し、
   前記要求電力は、予め設定された前記車両の走行パターンに対応する電力であることを特徴とする請求項４又は５に記載の電池パックの製造方法。