JP6073901B2 - 車両用のバッテリシステムとこれを搭載する車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉛バッテリと並列にサブバッテリを接続してなる車両用のバッテリシステムと、このバッテリシステムを搭載する車両に関する。

従来の車両は、電装用のバッテリとして、定格電圧を１２Ｖとする鉛バッテリを搭載し、さらに、大型車両にあっては１２Ｖの鉛バッテリを２組直列に接続して定格電圧を２４Ｖとするバッテリを搭載している。鉛バッテリは、車両のオルタネータで充電されて、車両の電装器機やスターターモータなどに電力を供給している。この鉛バッテリは、重くて大きく、しかも劣化を少なくして寿命を長くするために、常に満充電に近い電圧に保持する必要があって、定格容量に対して実質的に充放電できる容量が小さい欠点がある。

さらに、鉛バッテリは、アイドリングストップして回生制動する車両に搭載されると、寿命が半分以下と著しく短くなる欠点もある。それは、回生発電電力で充電される鉛バッテリは、エンジンで駆動されるオルタネータで常に一定の電圧には保持されず、回生制動するタイミングでは極めて大きな電流で急速充電され、放電される状態においては、常にオルタネータで一定の電圧に充電して保持されず、いわゆるフローティング充電状態とならないので、バッテリ電圧が大幅に変動して劣化するからである。この欠点を改善するバッテリシステムとして、鉛バッテリと並列にニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池などのサブバッテリを並列に接続している車両用のバッテリシステムは開発されている。
（特許文献１参照）

特開２００７−４６５０８号公報

以上の車両用のバッテリシステムは、鉛バッテリと並列にＤＣ／ＤＣコンバータを介してサブバッテリを接続している。このバッテリシステムは、サブバッテリをＤＣ／ＤＣコンバータを介して並列に接続するので、回路構成が複雑で部品コストと製造コストとが高くなる欠点がある。とくに、このバッテリシステムがアイドリングストップの車両に搭載されて、回生制動の発電エネルギーで鉛バッテリとサブバッテリの両方を充電するとき、ＤＣ／ＤＣコンバータの電流容量を極めて大きくする必要があって、ＤＣ／ＤＣコンバータの部品コストと製造コストとが著しく高価になる欠点がある。回生制動は、短時間ではあるが、１００Ａ以上と極めて大きな電流でバッテリシステムを充電するからである。また、サブバッテリがＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されるバッテリシステムは、回生制動の発電電力で効率よくサブバッテリを充電するのが難しい欠点もある。それは、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力損失がサブバッテリの充電電力を減少させるからである。

さらに、鉛バッテリとサブバッテリとを並列に接続している車両用のバッテリシステムは、アイドリングストップの車両に搭載されて、車両をブレーキで制動するときの回生制動での発電電力、すなわち回生発電電力で充電できる。ただ、このバッテリシステムも、鉛バッテリとサブバッテリとの適合性が充分でないために、回生制動の発電電力を効率よく充電して、回生制動による燃費効率の改善効果を充分には期待できない欠点もある。

本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、簡単な回路構成としながら、鉛バッテリの劣化を防止して寿命を長くできる車両用のバッテリシステムとこれを搭載する車両を提供することにある。
また、本発明の他の大切な目的は、車両の発電電力で効率よく充電して、充電された電力を車両側の負荷に供給して車両の燃費効率を改善できる車両用のバッテリシステムとこれを搭載する車両を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の車両用のバッテリシステムは、鉛バッテリ１にサブバッテリ２を並列に接続してなる車両用のバッテリシステムであって、サブバッテリ２の充電抵抗ｒ２を鉛バッテリ１の充電抵抗ｒ１よりも小さくしてなることを特徴とする。

以上のバッテリシステムは、鉛バッテリの劣化を防止して寿命を長くできる特徴がある。それは、鉛バッテリと並列に接続しているサブバッテリの充電抵抗を、鉛バッテリの充電抵抗よりも小さくしているからである。このバッテリシステムは、車両のオルタネータで充電される状態において、鉛バッテリの充電電流がサブバッテリの充電電流よりも小さくなって、鉛バッテリが大きな電流で充電されない。鉛バッテリよりも大電流で充電されたサブバッテリは、充電後に鉛バッテリを充電する。バッテリシステムは、回生制動の発電電力により大電流で充電されることがあり、また、オルタネータの出力電圧を高くして大電流で充電される。この充電状態において、サブバッテリは鉛バッテリよりも大電流で充電される。大電流で充電されたサブバッテリは、鉛バッテリよりも充電された容量（Ａｈ）が大きくなる。大きな充電容量（Ａｈ）で充電されたサブバッテリは、充電後に時間をかけて鉛バッテリをゆっくりと充電する。すなわち、サブバッテリは、大きな充電電力を一時的に蓄えて、その後ゆっくりと時間をかけて鉛バッテリを充電するバッファーの作用をして、鉛バッテリの過大電流による劣化を防止する。

さらに、以上の車両用のバッテリシステムは、オルタネータの発電電力で効率よく充電され、充電された電力を鉛バッテリとサブバッテリの両方から車両側の負荷に供給して、燃費効率を改善できる特徴も実現する。それは、サブバッテリの充電抵抗を鉛バッテリの充電抵抗よりも小さくして、オルタネータの発電電力でサブバッテリを効率よく充電するからである。オルタネータの発電電力で効率よく充電されたサブバッテリは、充電後に鉛バッテリをゆっくりと充電し、鉛バッテリとサブバッテリの両方から、車両側の負荷に電力を供給する。優れた充電効率のバッテリシステムは、発電のためにエンジンが消費する燃料が少なく、車両の燃費効率を向上できる。

さらに、以上の充電特性は、回生制動のエネルギーでバッテリシステムを充電するアイドリングストップの車両において極めて大切な特性である。それは、回生制動の発電電力によって、バッテリシステムが効率よく充電されるからである。回生制動は、車両を制動する数十秒以内の短時間に、極めて大電流でバッテリシステムを充電するが、鉛バッテリは大電流充電の効率が極めて低く、サブバッテリには効率よく充電される。とくに、本発明のバッテリシステムは、サブバッテリの充電抵抗を鉛バッテリよりも小さくするので、回生制動の大電流でサブバッテリを効率よく充電できる。

以上のバッテリシステムは、回生制動に限らず、エンジンで駆動されるオルタネータ（交流発電機）によっても効率よく発電して車両の燃費効率を改善できる効果を実現する。それは、エンジンの燃費効率を高く、かつオルタネータの発電効率をも高い状態としてバッテリシステムを充電できるからである。エンジンは、アイドリングに近い軽い負荷においては燃費効率が低下する特性がある。このことは、ハイブリッドカーが軽い負荷ではモータで走行させて燃費効率を改善することからも明らかである。エンジンは、負荷を大きくして、すなわちオルタネータの回転トルクを大きくして燃費効率を向上でき、オルタネータは出力を大きくして発電効率を高くできる。したがって、オルタネータの出力を大きくして、これを回転させるエンジンの負荷を大きくして、燃費効率は改善できる。ただ、鉛バッテリは、例えば出力電圧を１４Ｖとする状態では、充電電流が大きくならず、大電流で充電できない特性がある。ところが、以上のバッテリシステムは、オルタネータの出力電圧を１４Ｖと一定にしても、鉛バッテリの数倍もの電力をサブバッテリに充電できるので、オルタネータの出力を大きく、またエンジンの負荷を大きくして、短時間で効率よくバッテリシステムを充電できる。このため、回生制動しない車両においても、エンジンでオルタネータを駆動してバッテリシステムを充電する時間を短縮し、しかも、短時間の充電容量を大きくすることで車両の燃費効率を改善する効果を実現する。

本発明の車両用のバッテリシステムは、サブバッテリ２の充電抵抗ｒ２を鉛バッテリ１の充電抵抗ｒ１よりも小さくし、かつサブバッテリ２の放電抵抗Ｒ２を鉛バッテリ１の放電抵抗Ｒ１よりも大きくすることができる。
以上のバッテリシステムは、サブバッテリの放電抵抗Ｒ２を鉛バッテリの放電抵抗Ｒ１よりも大きくするので、放電状態においては、サブバッテリの放電電流を鉛バッテリの放電電流を小さくできる。このため、充電状態ではサブバッテリを効率よく充電し、放電状態ではサブバッテリの放電負荷を少なくして、サブバッテリの劣化を抑制できる。

本発明の車両用のバッテリシステムは、サブバッテリ２の充電抵抗ｒ２と鉛バッテリ１の充電抵抗ｒ１の充電抵抗比率ｒ２／ｒ１を０．４以下とし、サブバッテリ２の放電抵抗Ｒ２を、鉛バッテリ１の放電抵抗Ｒ１よりも大きくすることができる。
以上のバッテリシステムは、鉛バッテリとサブバッテリの寿命をさらに長くできる特徴がある。それは、サブバッテリの充電抵抗を鉛バッテリの充電抵抗の０．４倍以下とすることで、充電状態ではサブバッテリを鉛バッテリよりも大電流で充電して、放電状態では大電流で放電できる鉛バッテリの放電電流を大きくして、サブバッテリの放電電流を小さくできるからである。

本発明の車両用のバッテリシステムは、サブバッテリ２の放電抵抗Ｒ２と鉛バッテリ１の放電抵抗Ｒ１の放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１を２．４以下とすることができる。
以上のバッテリシステムは、鉛バッテリの寿命を理想的な状態で著しく長くできる特徴がある。

本発明の車両用のバッテリシステムは、サブバッテリ２の放電抵抗Ｒ２と鉛バッテリ１の放電抵抗Ｒ１の放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１を、１．２以上かつ２．４以下とすることができる。
以上のバッテリシステムは、鉛バッテリの寿命を理想的な状態で著しく長くできる特徴がある。

本発明の車両用のバッテリシステムは、鉛バッテリ１とサブバッテリ２とを電圧変換回路を介することなく並列に接続することができる。
以上のバッテリシステムは、電圧変換回路を使用することなく鉛バッテリとサブバッテリとを並列に接続するので、回路構成を簡単にして安価にできる特徴がある。

本発明の車両用のバッテリシステムは、鉛バッテリ１とサブバッテリ２とをリード線４で直接に接続することができる。
以上のバッテリシステムは、鉛バッテリとサブバッテリとをリード線で直接に接続して互いに並列に接続するので、回路構成を最も簡単にしながら、鉛バッテリとサブバッテリの両方を極めて効率良く充電でき、また放電できる特徴がある。

本発明の車両用のバッテリシステムは、サブバッテリ２をニッケル水素電池３とすることができる。

本発明の車両用のバッテリシステムは、サブバッテリ２が１０個のニッケル水素電池３を直列に接続することができる。
以上のバッテリシステムは、鉛バッテリとサブバッテリの定格電圧を１２Ｖにできるので、鉛バッテリとサブバッテリとをバランスよく充放電できる特徴がある。

本発明の車両用のバッテリシステムは、サブバッテリ２を非水系電解液二次電池とすることができる。
以上のバッテリシステムは、サブバッテリの容積と重量に対する電池容量（Ａｈ）を鉛バッテリに比較して相当に大きくできる特徴がある。また、サブバッテリを非水系電解液二次電池とするので、大電流の発電電力でサブバッテリを効率よく充電できる特徴も実現する。

本発明の車両用のバッテリシステムは、鉛バッテリ１とサブバッテリ２とを、アイドリングストップの車両に搭載されるバッテリとして、車両の回生発電の電力で鉛バッテリ１とサブバッテリ２の両方を充電することができる。
以上の車両用のバッテリシステムは、回生制動の発電電力で効率よく充電されて、これを搭載する車両の燃費を改善できる特徴がある。それは、バッテリシステムが効率よく充電される特徴によって、これを充電するためにエンジンが消費する燃料を少なくできるからである。とくに、以上のアイドリングストップの車両に搭載されるバッテリシステムは、サブバッテリの充電抵抗を鉛バッテリの充電抵抗よりも小さくすることで、オルタネータの発電駆動時にはサブバッテリに十分な充電容量を確保できるので、オルタネータの発電駆動時間を短縮して、車両燃費性能の改善が可能となる。

本発明の車両用のバッテリシステムは、サブバッテリ２の放電抵抗Ｒ２を鉛バッテリ１の放電抵抗Ｒ１よりも大きくし、かつ、サブバッテリ２の電池容量（Ａｈ）を鉛バッテリ１の電池容量（Ａｈ）よりも小さくすることができる。
以上のバッテリシステムは、サブバッテリを小容量として安価にしながら、鉛バッテリの寿命を長くできる特徴がある。

本発明の車両用のバッテリシステムは、サブバッテリ２の電池容量（Ａｈ）を鉛バッテリ１の電池容量（Ａｈ）の１／３０以上であって、１／２以下とすることができる。

本発明の車両は、車両を走行させるエンジン７と、このエンジン７で駆動されるオルタネータ６と、このオルタネータ６で充電されるバッテリシステムとを備えるアイドリングストップ機能の車両であって、バッテリシステムが、以上のいずれかに記載される構成を備えている。
以上の車両は、オルタネータによりバッテリシステムを大電流で充電できるので、車両の燃費効率を改善することに有効である。それは、オルタネータを高い発電効率の領域で運転し、かつエンジンも燃料消費率の小さい領域で運転できるからである。

本発明の車両は、車両を走行させるエンジン７と、このエンジン７で駆動され、かつ車両の回生制動で駆動されるオルタネータ６と、このオルタネータ６で充電されるバッテリシステムとを備えるアイドリングストップ機能の車両であって、バッテリシステムが、以上のいずれかに記載される構成を備えている。
以上の車両は、回生制動の発電電力でサブバッテリを効率よく充電することで、車両の燃費を相当に改善でき、しかも鉛バッテリを大電流充電から保護して、鉛バッテリの寿命を長くできる特徴がある。

本発明の一実施の形態にかかる車両用のバッテリシステムの充電状態を示す概略構成図である。 本発明の一実施の形態にかかる車両用のバッテリシステムの放電状態を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための車両用のバッテリシステムとこれを搭載する車両を例示するものであって、本発明は車両用のバッテリシステムとこれを搭載する車両を以下に特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。

図１に示す車両用のバッテリシステムは、鉛バッテリ１とサブバッテリ２とを並列に接続している。鉛バッテリ１とサブバッテリ２は、電流調整回路等を介することなく、リー
ド線４で直接に接続される。したがって、鉛バッテリ１とサブバッテリ２の電圧は常に同じ電圧となる。ただし、本発明のバッテリシステムは、鉛バッテリとサブバッテリとをリレーや半導体スイッチング素子などのスイッチング素子を介して並列に接続し、ダイオード等を介して並列に接続することもできる。

鉛バッテリ１は、６セルを直列に接続して定格電圧を１２Ｖとするバッテリである。ただ、本発明は鉛バッテリの定格電圧を１２Ｖには特定しない。２個の鉛バッテリを直列に接続して定格電圧を２４Ｖとし、また、３個の鉛バッテリを直列に接続して３６Ｖ、４個の鉛バッテリを直列に接続して４８Ｖとして使用することもできるからである。従来の電装器機は、１２Ｖの電源電圧で動作するように設計されているが、２４Ｖ〜４８Ｖの鉛バッテリを搭載する車両は、この電圧で動作する電装器機を搭載する。

サブバッテリ２は、ニッケル水素電池３である。電源電圧を１２Ｖとする鉛バッテリ１には、１０個のニッケル水素電池３を直列に接続してなるサブバッテリ２が並列に接続される。ニッケル水素電池３は電源電圧を１．２Ｖとするので、直列に接続する個数で鉛バッテリ１の電圧と同じ電圧とする。サブバッテリには、ニッケル水素電池に代わって、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池などの非水系電解液二次電池といった他の全ての二次電池も使用できる。

サブバッテリ２は、鉛バッテリ１の劣化を防止し、かつバッテリシステムの充放電の効率を改善するために、鉛バッテリ１と並列に接続される。サブバッテリ２は、鉛バッテリ１と並列に接続されて、同じ電圧となる。この状態において、サブバッテリ２と鉛バッテリ１との充放電の電流バランスが大切である。電流バランスが悪いと、鉛バッテリ１の寿命が短くなり、またバッテリシステムの充電効率が悪くなって車両の燃費効率が低下するからである。鉛バッテリ１は、アイドリングストップの車両に搭載され、あるいは、大電流で充電されて寿命が短くなる。鉛バッテリ１にサブバッテリ２を並列に接続して、鉛バッテリ１の劣化を防止できる。ただ、鉛バッテリとサブバッテリとの電流バランスが悪いと、サブバッテリを接続しても、鉛バッテリの劣化を有効に防止できない。鉛バッテリとサブバッテリは、各々が異なる充電抵抗と放電抵抗を有し、これらのパラメーターによって、充電電流と放電電流の電流バランスが変化する。

鉛バッテリ１とサブバッテリ２の電流バランスは、サブバッテリ２の充電抵抗と放電抵抗をコントロールして最適な状態に特定される。サブバッテリ２の充電抵抗と放電抵抗は、正極と負極の対向面積で調整される。サブバッテリ２は、電極の対向面積を大きくして、充電抵抗と放電抵抗を小さくでき、対向面積を小さくして充電抵抗と放電抵抗を大きくできる。バッテリシステムは、充電状態においては、サブバッテリ２の充電電流を大きくして充電効率を改善し、放電状態においては、鉛バッテリ１の放電抵抗をサブバッテリ２の放電抵抗よりも小さくして、鉛バッテリ１の放電電流を大きくする。

サブバッテリ２の充電抵抗ｒ２と、鉛バッテリ１の充電抵抗ｒ１の充電抵抗比率ｒ２／ｒ１は、好ましくは０．４以下とする。また、サブバッテリ２の放電抵抗Ｒ２は、鉛バッテリ１の放電抵抗Ｒ１よりも大きく、放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１を、好ましくは１．２以上であって、さらに好ましくは２．４以下としている。

また、放電抵抗の大きいサブバッテリ２は、鉛バッテリ１よりも電池容量（Ａｈ）を小さくできる。サブバッテリ２の電池容量（Ａｈ）は、たとえば鉛バッテリ１の電池容量（Ａｈ）の１／３０以上であって、１／２以下とする。サブバッテリ２は、ニッケル水素電池３やリチウムイオン二次電池などのように、鉛バッテリ１よりも、重量に対する電池容量（Ａｈ）の大きい高価な二次電池である。サブバッテリ２は、電池容量（Ａｈ）を小さくすることで安価にできる。小さい電池容量（Ａｈ）の小さいサブバッテリ２は、バッテリシステムの充電効率を改善しながら、それ自体の過充電や過放電は防止される。それは、鉛バッテリ１とサブバッテリ２とを並列に接続して、両方の電池の電圧が等しいことから、バッテリシステムの電圧を一定の範囲に制御することで、サブバッテリ２と鉛バッテリ１の過充電と過放電は防止されるからである。

バッテリシステムは、車両に搭載されるオルタネータ６で発電される。オルタネータ６は、励磁コイルの電流を調整して出力電圧をコントロールしている。オルタネータ６の出力電圧は、バッテリシステムの過充電と過放電を防止できる電圧、たとえば約１４Ｖに設定される。オルタネータ６は、出力電圧を高くしてバッテリシステムの充電電流を大きくできるので、アイドリングストップの車両は、オルタネータ６の出力電圧を高くして、回生制動のエネルギーを効率よくバッテリシステムに蓄えることができる。ただ、オルタネータ６の出力電圧を高くしてバッテリシステムの充電電流を大きくして、回生制動の発電電力を効率よくバッテリシステムに蓄えると、鉛バッテリ１が大電流で高電圧まで充電されて劣化しやすくなる。以上のバッテリシステムは、この弊害を防止するために、サブバッテリ２の充電抵抗を小さくすることで、回生制動で発生する短時間の大きな充電電流によるバッテリシステムの高効率な充電を実現し、さらに、鉛バッテリ１の大電流充電による劣化を防止する。回生制動の大電流で充電されたサブバッテリ２は、充電後には、鉛バッテリ１をゆっくりと時間をかけて充電してそれ自体は放電される。鉛バッテリ１を充電して放電されたサブバッテリ２は、次回の回生制動においては、再び大電流で充電されて、バッテリシステムの大電流充電時の充電効率を改善する。放電状態においては、電池容量（Ａｈ）の小さいサブバッテリ２は、放電抵抗を鉛バッテリ１の放電抵抗よりも大きくしているので、放電電流が鉛バッテリ１よりも小さく、放電負荷が低減される。

［実施例１〜３、及び比較例のバッテリシステム］
車両用のバッテリシステムは、以下の鉛バッテリ１とサブバッテリ２のニッケル水素電池３を並列に接続している。

（鉛バッテリ１）
鉛バッテリ１には、電池工業会規格（ＳＢＡ Ｓ ０１０１）で定める試験条件で、以下の性能を満たすバッテリを使用する。
５時間率容量 ：４８Ａｈ
定格コールドクランキング電流：３２０Ａ
充電受入性 ：６．０Ａ

（サブバッテリ２）
サブバッテリ２は、１０個のニッケル水素電池３を直列に接続している。ニッケル水素電池３は、水酸化ニッケルを主正極活物質とするニッケル正極と、水素吸蔵合金を負極活物質とする水素吸蔵合金負極とセパレータとからなる電極群を、アルカリ電解液と共に外装缶内に入れて、容量を６．０Ａｈとする電池を使用する。このニッケル水素電池３は、電極の対向面積をコントロールして、充電抵抗と放電抵抗を調整している。

鉛バッテリ１とニッケル水素電池３とは、以下の状態に調整した後、リード線４で並列に接続してバッテリシステムとする。

鉛バッテリ１は、電池工業会規格（ＳＢＡ Ｓ ０１０１）で定める充電条件、すなわち、０．２Ｉｔの充電電流で、１５分ごとに測定した充電中の端子電圧、または温度換算した電解液密度が３回連続して一定値を示すまで充電し、常温２４時間放置後の開回路電圧を測定する。

サブバッテリ２のニッケル水素電池３は、１Ｉｔの充電電流で電池容量の１１０％まで充電した後、１Ｉｔで所定容量を放電し、常温２４時間放置後の開回路電圧が、鉛バッテリ１の開回路電圧と０．１Ｖ以内であることを確認して鉛バッテリ１と並列に接続する。

充電抵抗と放電抵抗が異なる３種のニッケル水素電池を試作して、表１に示すように、充電抵抗比率ｒ２／ｒ１と放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１が異なる実施例１、２、３のバッテリシステムを試作する。

本明細書において、鉛バッテリ１とサブバッテリ２の放電抵抗は、以下の方法で算出する値とする。
鉛バッテリ１とサブバッテリ２のニッケル水素電池３とを並列接続したバッテリシステムを、２００Ａで１０秒間の放電を行い、放電を開始する前の開回路電圧と、１０秒目の電圧を測定する。このとき、電流ホールセンサを用いて、鉛バッテリ１とニッケル水素電池３の各電流を測定する。
鉛バッテリ１とニッケル水素電池３の放電抵抗（Ｒ）は、放電を開始する前の電流を流さない状態のバッテリ電圧、すなわちバッテリの開回路電圧（Ｅ０）と、２００Ａ１０秒目電圧（Ｅ１）の電圧変化（Ｅ０−Ｅ１）と、各バッテリの電流（Ｉ）の商［（Ｅ０−Ｅ１）／Ｉ］から以下の式で算出する。各バッテリの放電抵抗（Ｒ）は電流（Ｉ）に反比例するので、鉛バッテリ１とニッケル水素電池３は、放電電流が異なる値となって、放電抵抗が異なる抵抗値となる。放電抵抗は、放電電流に反比例するので、放電電流の小さいニッケル水素電池は、放電抵抗が鉛バッテリより大きくなる。
Ｒ＝（Ｅ０−Ｅ１）／Ｉ

本明細書において、鉛バッテリ１とサブバッテリ２の充電抵抗は、以下の方法で算出する値とする。
鉛バッテリ１とサブバッテリ２のニッケル水素電池３とを並列接続したバッテリシステムを、１００Ａで１０秒間の充電を行い、充電を開始する前の開回路電圧と、１０秒目の電圧を測定する。
鉛バッテリ１とニッケル水素電池３の充電抵抗（ｒ）は、充電を開始する前の電流を流さない状態のバッテリ電圧、すなわちバッテリの開回路電圧（Ｅ０）と、１００Ａ１０秒目電圧（Ｅ２）の電圧変化（Ｅ２−Ｅ０）と、各バッテリの電流（Ｉ）の商［（Ｅ２−Ｅ０）／Ｉ］から以下の式で算出する。各バッテリの充電抵抗（ｒ）は電流（Ｉ）に反比例するので、鉛バッテリ１とニッケル水素電池３は、充電電流が異なる値となって、充電抵抗が異なる抵抗値となる。充電抵抗は、充電電流に反比例するので、充電電流の大きいニッケル水素電池３は、充電抵抗が鉛バッテリ１より小さくなる。
ｒ＝（Ｅ２−Ｅ０）／Ｉ

実施例１のバッテリシステムは、サブバッテリに使用するニッケル水素電池の充電抵抗と放電抵抗を調整して、充電抵抗比率ｒ２／ｒ１を０．２、放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１を１．２としている。

実施例２のバッテリシステムは、サブバッテリに使用するニッケル水素電池の充電抵抗と放電抵抗を調整して、充電抵抗比率ｒ２／ｒ１を０．３、放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１を１．７としている。

実施例３のバッテリシステムは、サブバッテリに使用するニッケル水素電池の充電抵抗と放電抵抗を調整して、充電抵抗比率ｒ２／ｒ１を０．４、放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１を２．４としている。

比較のために、充電抵抗と放電抵抗とが異なるニッケル水素電池を試作して、比較例１、２のバッテリシステムを試作する。

比較例１のバッテリシステムは、サブバッテリに使用するニッケル水素電池の充電抵抗と放電抵抗を調整して、充電抵抗比率ｒ２／ｒ１を０．４、放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１を２．６としている。

比較例２のバッテリシステムは、サブバッテリに使用するニッケル水素電池の充電抵抗と放電抵抗を調整して、充電抵抗比率ｒ２／ｒ１を０．５、放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１を２．７としている。

以上の実施例１〜３、及び比較例１、２のバッテリシステムを以下の条件で、充電と放電を繰り返し、バッテリシステムの寿命を測定すると表１に示すようになる。バッテリシ
ステムは、鉛バッテリが劣化して寿命に到達する。

電池工業会規格（ＳＢＡ Ｓ ０１０１）で定める試験条件のうち、以下のアイドリングストップ寿命試験で充放電サイクルを行う。気温２５℃±２℃（風速２．０ｍ／ｓ以下）において、放電電流４５Ａ±１Ａで５９．０秒±０．２秒の第１の放電をした後、放電電流３００Ａ±１Ａで１．０秒±０．２秒で第２の放電をし、さらに、その後充電電圧１４．００Ｖ±０．０３Ｖ（制限電流１００．０Ａ±０．５Ａ）で６０．０秒±０．３秒充電する工程を繰り返して充放電する。以上の充放電を３６００回繰り返す毎に、４０〜４８時間放置した後、再び充放電サイクルを開始する。
バッテリシステムの寿命は、バッテリシステムの電圧が第２の放電において、最終電圧の７．２Ｖ未満を確認した時のサイクル数を寿命特性とする。表１において、参考例として、サブバッテリを接続しない鉛バッテリ単体の寿命特性を計測し、この鉛バッテリ単体の寿命特性に対する相対値を各バッテリの寿命特性として記載している。

表１の結果から、鉛バッテリの放電抵抗Ｒ１よりもニッケル水素電池の放電抵抗Ｒ２を大きくし、かつ鉛バッテリの充電抵抗ｒ１とニッケル水素電池の充電抵抗ｒ２の比率（ｒ２／ｒ１）を０．４以下とした実施例１、２、３のバッテリシステムは、鉛バッテリ単体に対して約３倍と、寿命特性が大幅に向上した。なお、各バッテリシステムは、鉛バッテリが劣化して寿命に到達した。

さらに、比較例１に示すとおり、鉛バッテリの放電抵抗Ｒ１と、ニッケル水素電池の放電抵抗Ｒ２の比率Ｒ２／Ｒ１が２．４より大きく、２．６とするバッテリシステムは、サブバッテリとしてニッケル水素電池を並列に接続するにもかかわらず、寿命特性は１３０％と３０％しか改善できない。これは、ニッケル水素電池の放電抵抗が大き過ぎるために、鉛バッテリの放電負荷がサブバッテリによって十分に低減されないからである。

また、比較例２に示すとおり、鉛バッテリの充電抵抗ｒ１と、ニッケル水素電池の充電抵抗ｒ２の充電抵抗比率（ｒ２／ｒ１）が、０．４より大きいバッテリシステムにおいても、サブバッテリとしてニッケル水素電池を並列に接続するにもかかわらず、寿命特性は１０５％とほとんど改善されない。このバッテリシステムは、サブバッテリによって十分な回生充電が実現されず、充放電の繰り返しによる鉛バッテリの劣化を十分に抑制できないからである。

表１の測定結果は、鉛バッテリにサブバッテリを並列接続したバッテリシステムにあっては、サブバッテリの放電抵抗Ｒ２を鉛バッテリの放電抵抗Ｒ１よりも大きくし、かつ鉛バッテリの充電抵抗ｒ１と、サブバッテリの充電抵抗ｒ２の比率（ｒ２／ｒ１）を０．４以下とすることで、寿命特性を飛躍的に向上して、従来より大幅に長寿命化が可能となる
ことを明らかとする。

とくに、以上のバッテリシステムは、１００Ａもの大電流での充電を繰り返しながら、寿命特性を３倍と飛躍的に改善できるので、鉛バッテリ１が極めて劣化しやすいアイドリングストップの車両に搭載してバッテリシステムの寿命を相当に長くできる特徴がある。
また、サブバッテリ２の充電抵抗を小さくして、車両の回生制動における回生発電電力で極めて効率よく充電できるので、以上のバッテリシステムは、回生制動で発生するエネルギーを効率よく蓄え、また蓄えた電力を効率よく車両側の電装器機５に供給できる。このため、以上のバッテリシステムを搭載する車両は、エンジン７でオルタネータ６を駆動して充電するエネルギーを相当に少なくして、燃費効率を相当に改善できる特徴を実現する。

以上のバッテリシステムは、アイドリングストップ車両の回生制動に限らず、エンジン７でオルタネータ６を駆動して大電流で充電する車両においても、寿命特性を相当に改善しながら、燃費効率も向上できる特徴がある。車両のオルタネータ６は、鉛バッテリ１を一定の電圧で充電して劣化を防止し、かつ電装器機５の供給電圧を一定とするために、出力電圧を常に一定の電圧である約１４Ｖに安定化している。したがって、オルタネータ６が鉛バッテリ１を充電する電流は小さく、大電流では充電されない。車両には出力電流を１００Ａとする大電流のオルタネータ６が搭載されても、このオルタネータ６が１００Ａで鉛バッテリ１を充電することはなく、オルタネータ６は電装器機５に電力を供給するために出力電流を大きくしている。このオルタネータ６がバッテリシステムの大電流で充電できることは、車両の燃費効率を改善することに有効である。それは、オルタネータ６を高い発電効率の領域で運転し、かつエンジン７も燃料消費率の小さい領域で運転できるからである。オルタネータ６は軽負荷での発電効率が低く、エンジン７は軽負荷での燃料消費率が大きくなるからである。

以上の実施例は、サブバッテリ２をニッケル水素電池３とするが、リチウムイオン二次電池やリチウムポリマー電池も、電極の対向面積をコントロールすることで、ニッケル水素電池と同様に、充電抵抗と放電抵抗を最適値に調整して、鉛バッテリの寿命特性を改善し、かつ回生制動やオルタネータの充電効率と放電効率を改善できる。

本発明の車両用のバッテリシステムは、発電電力で効率よく充電して車両の燃費を改善しながら、バッテリシステムの寿命特性を改善するので、回生制動でバッテリシステムを充電するアイドリングストップの車両に最適である。

１…鉛バッテリ
２…サブバッテリ
３…ニッケル水素電池
４…リード線
５…電装器機
６…オルタネータ
７…エンジン

Claims (13)

1. 電圧変換回路を介することなく、鉛バッテリにサブバッテリを並列に接続されてなる車両用のバッテリシステムであって、
   満充電に相当する状態の前記鉛バッテリの開回路電圧に対して前記サブバッテリの開回路電圧が０．１Ｖ以内となる状態で、前記鉛バッテリと前記サブバッテリを並列接続した本バッテリシステムを１００Ａで１０秒間の充電を行い、充電を開始する前の開回路電圧と、１０秒目の電圧と、前記鉛バッテリの電流と、前記サブバッテリの電流とに基づいて充電抵抗を算出した場合に、前記サブバッテリの充電抵抗ｒ２が鉛バッテリの充電抵抗ｒ１よりも小さくなり、かつ、
   満充電に相当する状態の前記鉛バッテリの開回路電圧に対して前記サブバッテリの開回路電圧が０．１Ｖ以内となる状態で、前記鉛バッテリと前記サブバッテリを並列接続した本バッテリシステムを２００Ａで１０秒間放電を行い、放電を開始する前の開回路電圧と、１０秒目の電圧と、前記鉛バッテリの電流と、前記サブバッテリの電流とに基づいて放電抵抗を算出した場合に、前記サブバッテリの放電抵抗Ｒ２が前記鉛バッテリの放電抵抗Ｒ１よりも大きくなることを特徴とする車両用のバッテリシステム。
2. 請求項１で特定される条件において、前記サブバッテリの充電抵抗ｒ２と、前記鉛バッテリの充電抵抗ｒ１の充電抵抗比率ｒ２／ｒ１が０．４以下である請求項１に記載される車両用のバッテリシステム。
3. 請求項１で特定される条件において、前記サブバッテリの放電抵抗Ｒ２と、前記鉛バッテリの放電抵抗Ｒ１の放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１が２．４以下である請求項１又は２に記載される車両用のバッテリシステム。
4. 請求項１で特定される条件において、前記サブバッテリの放電抵抗Ｒ２と、前記鉛バッテリの放電抵抗Ｒ１の放電抵抗比率Ｒ２／Ｒ１が１．２以上かつ２．４以下である請求項１又は２に記載される車両用のバッテリシステム。
5. 前記鉛バッテリと前記サブバッテリとがリード線で直接に接続されてなる請求項１から４のいずれかに記載される車両用のバッテリシステム。
6. 前記サブバッテリがニッケル水素電池である請求項１から５のいずれかに記載される車両用のバッテリシステム。
7. 前記サブバッテリが１０個のニッケル水素電池を直列に接続してなる請求項６に記載される車両用のバッテリシステム。
8. 前記サブバッテリが非水系電解液二次電池である請求項１から５のいずれかに記載される車両用のバッテリシステム。
9. 前記鉛バッテリと前記サブバッテリとが、アイドリングストップの車両に搭載されるバッテリであって、車両の回生発電の電力で前記鉛バッテリと前記サブバッテリの両方が充電されるようにしてなる請求項１から８のいずれかに記載される車両用のバッテリシステム。
10. 前記サブバッテリの放電抵抗Ｒ２が、前記鉛バッテリの放電抵抗Ｒ１よりも大きく、かつ、前記サブバッテリの電池容量（Ａｈ）が前記鉛バッテリの電池容量（Ａｈ）よりも小さい請求項１から９のいずれかに記載される車両用のバッテリシステム。
11. 前記サブバッテリの電池容量（Ａｈ）が前記鉛バッテリの電池容量（Ａｈ）の１／３０以上であって、１／２以下である請求項１から１０のいずれかに記載される車両用のバッテリシステム。
12. 車両を走行させるエンジンと、このエンジンで駆動されるオルタネータと、このオルタネータで充電されるバッテリシステムとを備えるアイドリングストップ機能の車両であって、
    前記バッテリシステムが、請求項１から１１のいずれかに記載される構成を備えることを特徴とする車両。
13. 車両を走行させるエンジンと、このエンジンで駆動され、かつ車両の回生制動で駆動されるオルタネータと、このオルタネータで充電されるバッテリシステムとを備えるアイドリングストップ機能の車両であって、
    前記バッテリシステムが、請求項１から１１のいずれかに記載される構成を備えることを特徴とする車両。

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