JP6459277B2 - 直並列電池パックおよび直並列電池パックの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の二次電池を備える直並列電池パックおよび直並列電池パックの制御方法に関する。

近年、地球温暖化の防止や化石燃料の枯渇への懸念から、さらには、電力事情への懸念等から、風力や太陽光等の自然エネルギを利用して発電した電力を電池に蓄えたり、系統からの電力を電池に蓄えたりする技術が家庭用にも産業用にも注目されている。さらには、ＩＴ（Information Technology）技術を利用したスマートグリッド（次世代送電網）においても、電池を利用した技術が注目されている。また、電池に蓄えられた電力を用いる電気自動車等やハイブリッド鉄道車両等の移動体における電池を利用した技術も大いに注目されている。

エネルギマネージメントシステムの一例として、近年の自動車は、アイドリングストップ機能に加えて、減速時の回生エネルギを発電機によって電気エネルギに変換して二次電池に充電し、この二次電池を用いて電気負荷であるヘッドライト、ヒータ等の補機の電源とするマイクロハイブリッド自動車（以下、マイクロＨＥＶという）が開発されている。また、電圧を４２Ｖに上げ、モータアシスト機能を持つマイルドＨＥＶや、さらに電圧を上げたＨＥＶ（ストロングＨＥＶ）も開発されている。

ＨＥＶの二次電池として、特許文献１（特開２０１３−８１３１６号公報）には、２つの電池の接続をスイッチで並列と直列に切り替えて使用する直並列電池システムが開示されている。

これは、リチウムイオン電池に電流を多く流す場合、リチウムイオン電池が劣化するためである。例として、容量１Ａｈのリチウムイオン電池は、概ね１０Ａまでの電流までしか流せない。そのため、回生時に２００Ａもの電流を充電する場合、リチウムイオン電池単独では容量２０Ａｈもの電池を搭載する必要があり、電池体積が大きくなる。一方で、例えばマイクロＨＥＶで充電される電荷は１Ａｈ程度と小さい。これは、回生時において、２００Ａもの充電電流が流れるのは数秒であり、その後、少ない充電電流が１０秒程度続くため、容量２０Ａｈものリチウムイオン電池はオーバースペックである。ここで、二種類の電池（例えば、リチウムイオン電池とキャパシタ）を並列に組み合わせた場合、電流の殆どはキャパシタに流れるため、リチウムイオン電池を保護することができる。これは、リチウムイオン電池の量を減らし、電池パックの体積が大きくなることを防ぐための一つの措置でもある。

更には、家庭、ビル、工場等のエネルギマネージメントシステム（以下、ｘＥＭＳという）では、屋内配線に直流４８Ｖから４００Ｖまでの電圧を用いることが有り、外部からの電源（外部送電線からの交流電力を直流電力に変換したものや、太陽電池等がある）によって二次電池を充電し、ビルや工場内の電力需要が増えた場合にこの二次電池に蓄えられた電力を用いてピークカットを行う。更に、雷による瞬時停電が起きた場合に、二次電池に蓄えられた電力を利用することも考慮されている。

そして、ピークカット量を大きくして電気契約料金を安くする（即ち、契約アンペア数を減らす）には、前述したマイクロＨＥＶ、マイルドＨＥＶと同様に蓄電システムの高出力化が必要となる。また、瞬時停電時の電力を賄うにも蓄電システムの高出力化が必要となる。瞬間的なピークカットや瞬時停電自体には小容量のキャパシタで十分である。しかしながら、長時間におよぶ停電では、容量（Ａｈ）が必要となり、出力型電池は容量（Ａｈ）に対するコストが高い傾向にある。このため、大きな容量が必要になるｘＥＭＳにおいては、低コストの容量型電池も使用せざるを得ないのが実情である。したがって、産業向けでも二種類の電池（例えば、リチウムイオン電池とキャパシタ）を組み合わせた蓄電システムが提案されている。これは、大電流が必要な時間は短く、殆どは小電流長時間充放電が続くための措置でもある。

ここで、容量型電池（鉛電池やリチウムイオン電池）と出力型電池（キャパシタ）のような特性の異なった二次電池を併用する蓄電システムでは、出力型電池は容量型電池よりも大きな電流で充放電が行われるものである。また、容量型電池は出力型電池よりも大きな蓄電容量を有しているものである。なお、キャパシタは電池とはいえないが、ここでは便宜上、電池として説明する。

特開２０１３−８１３１６号公報

特許文献１において、容量型電池（リチウムイオン電池）と出力型電池（キャパシタ）を組合せ、２つの電池をＳＷで、並列と直列に切り替えて使用している。通常は並列繋ぎであるが、電池温度が高くかつ、リチウムイオン電池の充電率が低い時には、直列繋ぎにする。このようにすることで、電池の保護が可能になる。

しかし、２つの電池を直列に接続する場合、トータルの電池電圧が高くなり、負荷の電圧仕様を超えるおそれがある。また、負荷の電圧仕様を超えないようにするには、電池の電圧範囲の制約が厳しくなる。

そこで、本発明は、電池パックの体積を小さくし、電池の電圧範囲の要求を満たす直並列電池パックおよび直並列電池パックの制御方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明に係る直並列電池パックは、複数の出力型蓄電体を有する出力型蓄電体群と、複数の容量型蓄電体を有する容量型蓄電体群と、前記出力型蓄電体群における出力型蓄電体の直列数を切り替える第１切替手段と、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直並列数を切り替える第２切替手段と、を備え、前記出力型蓄電体群と、前記容量型蓄電体群とは、直列に接続される直並列電池パックであって、該直並列電池パックの電流を検出する電流検出手段と、前記出力型蓄電体および前記容量型蓄電体の各蓄電体の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電流検出手段および前記電圧検出手段からの情報により、前記第１切替手段および前記第２切替手段を制御する制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明は、複数の出力型蓄電体を有する出力型蓄電体群と、複数の容量型蓄電体を有し、前記出力型蓄電体群と直列に接続される容量型蓄電体群と、前記出力型蓄電体群における出力型蓄電体の直列数を切り替える第１切替手段と、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直並列数を切り替える第２切替手段と、を備える直並列電池パックの制御方法であって、前記直並列電池パックは、該直並列電池パックの電流を検出する電流検出手段と、前記出力型蓄電体および前記容量型蓄電体の各蓄電体の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電流検出手段および前記電圧検出手段からの情報により、前記第１切替手段および前記第２切替手段を制御する制御手段と、をさらに備え、前記制御手段は、前記出力型蓄電体群及び前記容量型蓄電体群に流入する電流が減少した場合、前記第１切替手段により、前記出力型蓄電体群における出力型蓄電体の直列数を下げ、前記第２切替手段により、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直列数を上げ、かつ、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の並列数を下げることを特徴とする。

本発明によれば、電池パックの体積を小さくし、電池の電圧範囲の要求を満たす直並列電池パックおよび直並列電池パックの制御方法を提供することができる。

直並列電池パックを備えるマイクロＨＥＶの概略構成図である。 直並列電池パックを備えるマイルドＨＥＶの概略構成図である。 直並列電池パックを備えるＸＥＭＳの概略構成図である。 第１実施形態に係る直並列電池パックの構成図である。 第１実施形態に係る直並列電池パックのコントローラの機能を説明するための構成図である。 充電時のスイッチ切替制御のフローチャートである。 大電流時ＳＷ設定におけるスイッチ切替を示す回路図である。 中電流時ＳＷ設定におけるスイッチ切替を示す回路図である。 小電流時ＳＷ設定におけるスイッチ切替を示す回路図である。 充電時の他のスイッチ切替制御のフローチャートである。 放電時のスイッチ切替制御のフローチャートである。 電池の充電率と開回路電圧の関係を示すテーブル例である。 電池の充電率と分極抵抗の関係を示すテーブル例である。 電池の充電率と分極時定数の関係を示すテーブル例である。 電池の温度、充電率と電池の内部抵抗の関係を示すテーブル例である。 第１変形例に係る直並列電池パックの構成図である。 第２変形例に係る直並列電池パックの構成図である。 第３変形例に係る直並列電池パックの構成図である。 第４変形例に係る直並列電池パックの構成図である。 第２実施形態に係る直並列電池パックの構成図である。 第２実施形態に係る直並列電池パックの小電流時におけるスイッチ切替を示す回路図である。 第２実施形態に係る直並列電池パックのアイドリングストップ中の放電時におけるスイッチ切替を示す回路図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

≪マイクロＨＥＶ、マイルドＨＥＶ、ＨＥＶ、ｘＥＭＳ≫
本実施形態に係る直並列電池パックを説明する前に、直並列電池パックを備えるマイクロＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）、マイルドＨＥＶ、ＨＥＶ（ストロングＨＥＶ）、ｘＥＭＳ（x Energy Management System）の構成について、図１から図３を用いて簡単に説明する。

まず、マイクロＨＥＶについて図１を用いて説明する。図１は、直並列電池パック１１８を備えるマイクロＨＥＶ１１０の概略構成図であり、（ａ）は複合蓄電パック１１３を備えるマイクロＨＥＶ１１０の概略構成図であり、（ｂ）は直並列電池パック１１８を備える複合蓄電パック１１３の概略構成図である。

図１（ａ）に示すように、マイクロＨＥＶ１１０は、エンジン１１１と、エンジン１１１に機械的に接続された発電機１１２（例えば、オルタネータ）と、複合蓄電パック１１３と、電気負荷１１４（例えば、ライト、エアコンファン、スタータ等）と、上位コントローラ１１５と、上位コントローラ１１５と複合蓄電パック１１３を通信可能に接続する通信線１１６と、から構成されている。また、図１（ｂ）に示すように、複合蓄電パック１１３は、鉛電池１１７と、直並列電池パック１１８と、分流器１１９と、から構成されている。

マイクロＨＥＶ１１０のアイドリングストップ時において、複合蓄電パック１１３から電気負荷１１４に電力供給するように構成されている。そして、マイクロＨＥＶ１１０の減速時には、マイクロＨＥＶ１１０の惰行によって生じるタイヤからの回転力（減速エネルギ）で発電機１１２を回転、動作させ、この発電機１１２によって発生した電気エネルギを電気負荷１１４に電力供給するとともに、複合蓄電パック１１３に設けられている二次電池（鉛電池１１７と、直並列電池パック１１８）に充電するように構成されている。なお、発電機１１２の電圧は、電気負荷１１４の定格電圧（例えば１４Ｖ）としている。また、上位コントローラ１１５は、回生時の発電機１１２のＯｎ／Ｏｆｆ、機械式ブレーキ（図示せず）のコントロールを行う。

複合蓄電パック１１３は、二次電池として、鉛電池１１７と、直並列電池パック１１８と、を備えている。なお、鉛電池１１７は、マイクロＨＥＶ１１０の駐車中の保安装置等の電力を確保するために設けられている。分流器１１９は、鉛電池１１７および直並列電池パック１１８から一方を選択して切り替える、または、鉛電池１１７と直並列電池パック１１８を並列に接続するように切り替えることができるようになっている。なお、分流器１１９の切り替え方法としては、例えば、特開２００３−１３４６８９号公報の方法を用いてもよい。

ここで、マイクロＨＥＶ１１０の直並列電池パック１１８の充電時の電流量変化について簡単に説明する。マイクロＨＥＶ１１０の減速開始時（直並列電池パック１１８の充電開始時）において、マイクロＨＥＶ１１０は速度が高い状態であり、発電機１１２の回生発電による電流量も大きくなるため、大きな充電電流（例えば、２００Ａ）が直並列電池パック１１８に流れる。そして、マイクロＨＥＶ１１０が減速するにしたがって直並列電池パック１１８に流れる充電電流小さくなり、充電末期には、充電電流がさらに小さくなる。

次に、マイクロＨＥＶ１１０の直並列電池パック１１８の放電時の電流量変化について簡単に説明する。マイクロＨＥＶ１１０のエンジン１１１を始動する際（クランキング時）には、大電流（例えば、２００Ａ）が必要となる。一方、エンジン１１１が始動後は、大電流は要求されない。

このように、マイクロＨＥＶ１１０の直並列電池パック１１８は、一時的に大電流を流すことが要求されるものの、容量はそれほど大きくする必要はない。

次に、マイルドＨＥＶについて図２を用いて説明する。図２は、直並列電池パック１２３を備えるマイルドＨＥＶ１２０の概略構成図である。

図２に示すように、マイルドＨＥＶ１２０は、エンジン１２１と、エンジン１２１から車輪へ動力を伝達するトランスミッション１２７と、トランスミッション１２７と機械的に接続されたモータ１２２と、直並列電池パック１２３と、電気負荷１２４（例えば、ライト、エアコンファン、スタータ等）と、上位コントローラ１２５と、上位コントローラ１２５と直並列電池パック１２３を通信可能に接続する通信線１２６と、から構成されている。

マイルドＨＥＶ１２０のアイドリングストップ時において、直並列電池パック１２３から電気負荷１２４に電力供給するように構成されている。そして、マイルドＨＥＶ１２０の減速時には、マイルドＨＥＶ１２０の惰行によって生じるタイヤからの回転力（減速エネルギ）でモータ１２２を回転、動作させ、このモータ１２２によって発生した電気エネルギを電気負荷１２４に電力供給するとともに、直並列電池パック１２３に充電するように構成されている。なお、モータ１２２の電圧は、電気負荷１２４の定格電圧（例えば４２Ｖ）としている。そして、マイルドＨＥＶ１２０の発進時には、直並列電池パック１２３からモータ１２２に電力供給して、モータ１２２を駆動させ、動力アシストに使う。また、上位コントローラ１２５は、回生時のモータ１２２のＯｎ／Ｏｆｆ、機械式ブレーキ（図示せず）のコントロール、動力アシスト時のコントロールを行う。

ここで、マイルドＨＥＶ１２０の直並列電池パック１２３の充電時の電流量変化について簡単に説明する。マイルドＨＥＶ１２０の減速開始時（直並列電池パック１２３の充電開始時）において、マイルドＨＥＶ１２０は速度が高い状態であり、モータ１２２の回生発電による電流量も大きくなるため、大きな充電電流が直並列電池パック１２３に流れる。そして、マイルドＨＥＶ１２０が減速するにしたがって直並列電池パック１２３に流れる充電電流小さくなり、充電末期には、充電電流がさらに小さくなる。

次に、マイルドＨＥＶ１２０の直並列電池パック１２３の放電時の電流量変化について簡単に説明する。モータ１２２による動力アシストを行う前の状態は、アイドリングストップの状態であり、直並列電池パック１２３の放電電流は小さい。マイルドＨＥＶ１２０の発進時には、動力アシストを発生させるため、直並列電池パック１２３からモータ１２２に大きな放電電流が流れる。そして、マイルドＨＥＶ１２０が発進すると、動力アシストは小さくなるため直並列電池パック１２３の放電電流も小さくなる。

このように、マイルドＨＥＶ１２０の直並列電池パック１２３は、一時的に大電流を流すことが要求されるものの、容量はそれほど大きくする必要はない。

次に、ＨＥＶ（ストロングＨＥＶ）について説明する。マイルドＨＥＶとＨＥＶ（ストロングＨＥＶ）との違いは、マイルドＨＥＶのモータの定格電圧が４２Ｖに対して、ＨＥＶのモータの定格電圧は一般的に３００Ｖの高電圧となる。このため、直並列電池パックの定格電圧も高電圧となっている。ＨＥＶの基本構成は、マイルドＨＥＶ１２０（図２参照）と同様であり、詳細な説明を省略する。

次に、ｘＥＭＳついて図３を用いて説明する。図３は、直並列電池パック１３９を備えるｘＥＭＳ１３０の概略構成図である。

図３に示すように、ｘＥＭＳ１３０は、外部からの配電線１３１と、配電線１３１が接続される配電設備１３２と、配電設備１３２からの交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換器１３３と、発電機１３４（例えば、燃料電池等）と、発電機１３４からの電力を変換（または変圧）する変換器１３５と、太陽電池１３６と、太陽電池１３６からの電力を変換（変圧）する太陽電池用直流／直流変換器１３７と、ｘＥＭＳ１３０内の直流配電線１３８と、直並列電池パック１３９と、家庭、ビル等の電気負荷１４０（例えば、ライト、空気調和機の圧縮機用電動機、等）と、上位コントローラ１４１と、上位コントローラ１４１と直並列電池パック１３９を通信可能に接続する通信線１４２と、から構成されている。

ここで、ｘＥＭＳ１３０内の直流配電線１３８は、定格電圧が４８Ｖ〜４００Ｖで、かつ、規定内の電圧に維持されるようになっている。また、発電機１３４は、メンテナンスのため定期的に停止される構成となっている。また、太陽電池１３６は、夜間は発電せず、曇りの日は電力出力が一定でない。また、配電線１３１も停電の場合には、電力供給が停止する。このように、配電線１３１からｘＥＭＳ１３０に供給される電力は一定でなく、かつ、発電機１３４および太陽電池１３６の発電電力も一定でない。また、電気負荷１４０も、室内ライトのＯｎ／Ｏｆｆや、空気調和機のエアコンのＯｎ／Ｏｆｆなど、負荷により一定でない。

このため、ｘＥＭＳ１３０は、直並列電池パック１３９によって、ｘＥＭＳ１３０内の直流配電線１３８の電圧をある範囲内に保つように電力供給する。また、上位コントローラ１４１は、ｘＥＭＳ１３０内の電気負荷１４０の電力調整を行う。ここで、ｘＥＭＳ１３０の瞬間的なピーク、瞬時停電は長時間持続しないため、直並列電池パック１３９の電力を必要とする時間は一般的に長くないものである。つまり、直並列電池パック１３９からｘＥＭＳ１３０（直流配電線１３８）への電力供給時間は短いものである。

≪直並列電池パック≫
前述のように、直並列電池パックは、マイクロＨＥＶ、マイルドＨＥＶ、ＨＥＶ（ストロングＨＥＶ）、ｘＥＭＳ等に用いられている。次に、本実施形態に係る直並列電池パックについて説明する。なお、以下に説明する直並列電池パックは、要求される電圧範囲を満たすように電池の直並列数を変えることにより、マイクロＨＥＶ、マイルドＨＥＶ、ＨＥＶ（ストロングＨＥＶ）、ｘＥＭＳの直並列電池パックに適用することができる。また、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）や鉄道に搭載される蓄電システムにも適用することができる。

≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る直並列電池パックについて図４等を用いて説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態に係る直並列電池パックは、図１に示すマイクロＨＥＶ１１０に搭載される直並列電池パック１１８であるものとして説明する。

図４は、第１実施形態に係る直並列電池パック１１８の構成図である。

図４に示すように、直並列電池パック１１８は、出力型電池群（出力型蓄電体群）１０と、容量型電池群（容量型蓄電体群）２０と、セレクタ（第１切替手段）３０と、直並列切替ＳＷ群（第２切替手段）４０と、コントローラ５０と、電力入出力端子７０と、から構成されている。なお、図４に示すように、直並列電池パック１１８の一方の入出力端子は電力入出力端子７０であり、直並列電池パック１１８の一方の入出力端子は接地されている。また、出力型電池群１０と容量型電池群２０とは、直列に接続されている。

出力型電池群１０は、３つの出力型電池１１〜１３が直列に接続されて構成されている。ここで、出力型電池（出力型蓄電体）とは、後述する容量型電池と比較して、耐電流性が高い（充放電電流が高い）蓄電体である。なお、出力型電池は、二次電池（化学反応により電力を蓄えるもの）に限られるものではなく、キャパシタなどの蓄電体であってもよい。一般的に、出力型電池は、容量型電池と比較して、容量（Ａｈ）当りのコストが高くなっている。本実施形態の出力型電池として、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタを使用することができる。

容量型電池群２０は、４つの容量型電池２１〜２４が直並列切替ＳＷ群４０により直列または並列に接続されて構成されている。ここで、容量型電池（容量型蓄電体）とは、出力型電池と比較して、容量（Ａｈ）の大きな蓄電体である。なお、容量型電池は、二次電池（化学反応により電力を蓄えるもの）に限られるものではなく、キャパシタなどの蓄電体であってもよい。本実施形態の容量型電池として、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムイオン電池を使用する。

セレクタ３０は、出力型電池１１〜１３に接続され、いずれかの電池端子を切替スイッチ３１で選択し、電力入出力端子７０と接続する。切替スイッチ３１が端子３２を選択すると、電力入出力端子７０と出力型電池１１の正極が接続される。これにより、電力入出力端子７０からみて出力型電池群１０は、３つの出力型電池１１〜１３が直列に接続された状態となる（後述する図７参照）。切替スイッチ３１が端子３３を選択すると、電力入出力端子７０と出力型電池１２の正極が接続される。これにより、電力入出力端子７０からみて出力型電池群１０は、２つの出力型電池１２〜１３が直列に接続された状態となる（後述する図８参照）。切替スイッチ３１が端子３４を選択すると、電力入出力端子７０と出力型電池１３の負極が接続される。これにより、電力入出力端子７０からみて出力型電池群１０は、出力型電池が接続されていない状態となる（後述する図９参照）。即ち、セレクタ３０は、出力型電池群１０における出力型電池の直列数を切り替えることができるようになっている。なお、セレクタ３０は、パワーＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、機械式スイッチのいずれかを用いてもよい。

直並列切替ＳＷ群４０は、容量型電池２１と容量型電池２２の間に配置された直並列切替ＳＷ４１と、容量型電池２２と容量型電池２３の間に配置された直並列切替ＳＷ４２と、容量型電池２３と容量型電池２４の間に配置された直並列切替ＳＷ４３と、から構成されている。

直並列切替ＳＷ４１は、４つの外部端子ａ，ｂ，ｄ，ｅおよび２つの内部端子ｃ，ｆを備え、外部端子ａは容量型電池２２の正極と接続され、外部端子ｂは容量型電池２１の正極と接続され、外部端子ｄは容量型電池２１の負極と接続され、外部端子ｅは容量型電池２２の負極と接続され、内部端子ｃと内部端子ｆが接続されている。また、直並列切替ＳＷ４１は、切替スイッチＳ１，Ｓ２を備えている。切替スイッチＳ１は、外部端子ａを共通端子とし、外部端子ｂと内部端子ｃの接続を切り替えることができるようになっている。切替スイッチＳ２は、外部端子ｄを共通端子とし、外部端子ｅと内部端子ｆの接続を切り替えることができるようになっている。なお、直並列切替ＳＷ４１の切替スイッチＳ１，Ｓ２は、パワーＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、機械式スイッチのいずれかを用いてもよい。

このような構成により、直並列切替ＳＷ４１は、切替スイッチＳ１で外部端子ｂを選択する（端子ａ，ｂを接続する）とともに、切替スイッチＳ２で外部端子ｅを選択する（端子ｄ，ｅを接続する）ことにより、容量型電池２１と容量型電池２２を並列に接続する（以下「並列モード」と称する。）。また、直並列切替ＳＷ４１は、切替スイッチＳ１で内部端子ｃを選択する（端子ａ，ｃを接続する）とともに、切替スイッチＳ２で内部端子ｆを選択する（端子ｄ，ｆを接続する）ことにより、容量型電池２１と容量型電池２２を直列に接続する（端子ａ，ｄを接続する）（以下「直列モード」と称する。）。即ち、直並列切替ＳＷ４１は、容量型電池２１と容量型電池２２の接続を直列／並列で切り替えることができるようになっている。

直並列切替ＳＷ４２〜４３も、直並列切替ＳＷ４１と同様の構成である。即ち、直並列切替ＳＷ４２は、容量型電池２２と容量型電池２３の接続を直列／並列で切り替えることができるようになっている。また、直並列切替ＳＷ４３は、容量型電池２３と容量型電池２４の接続を直列／並列で切り替えることができるようになっている。

以上のように、直並列切替ＳＷ群４０は、容量型電池群２０における容量型電池の直列数・並列数を切り替えることができるようになっている。即ち、直並列切替ＳＷ４１〜４３を並列モードとすることにより、容量型電池群２０は容量型電池を４並列に接続した状態となる（後述する図７参照）。直並列切替ＳＷ４１，４３を並列モードとし、直並列切替ＳＷ４２を直列モードとすることにより、容量型電池群２０は容量型電池を２並列２直列に接続した状態となる（後述する図８参照）。直並列切替ＳＷ４１〜４３を直列モードとすることにより、容量型電池群２０は容量型電池を４並列に接続した状態となる（後述する図９参照）。

ここで、容量型電池のみでマイクロＨＥＶ１１０の電池パックを作成する場合、従来のように、リチウムイオン電池（容量型電池）のみで構成した場合、４直列４並列の計１６本必要となる。一方、第１実施形態に係る直並列電池パック１１８では、リチウムイオン電池（容量型電池）４本、リチウムイオンキャパシタ（出力型電池）３本の計７本の電池で足りるため、電池数を大幅に削減することができ、体積を大幅に減らすことができる。

図５は、第１実施形態に係る直並列電池パック１１８のコントローラ５０の機能を説明するための構成図である。

図５に示すように、コントローラ５０には、電流検出手段５１からの電流センシング線５２と、電圧センシング線５３〜５８と、セレクタ制御線６１と、直並列切替ＳＷ制御線６２〜６４と、が接続されている。また、コントローラ５０には、上位コントローラ１１５（図１参照）から通信線１１６（図１参照）を介して制御信号が入力される。

電流検出手段５１は、直並列電池パック１１８の電流を計測し、電流センシング線５２を介してコントローラ５０に送られる。なお、電流検出手段５１は、シャント抵抗やホール素子を用いる電流計を用いることができる。

電圧センシング線５３は、出力型電池１１の正極側と接続されている。電圧センシング線５４は、出力型電池１２の正極側（出力型電池１１の負極側）と接続されている。電圧センシング線５５は、容量型電池２１の正極側（出力型電池１３の負極側）と接続されている。電圧センシング線５６は、容量型電池２２の正極側と接続されている。電圧センシング線５７は、容量型電池２３の正極側と接続されている。電圧センシング線５８は、容量型電池２４の正極側と接続されている。

セレクタ制御線６１は、コントローラ５０からセレクタ３０に接続されている。セレクタ制御線６２は、コントローラ５０から直並列切替ＳＷ４１に接続されている。セレクタ制御線６３は、コントローラ５０から直並列切替ＳＷ４２に接続されている。セレクタ制御線６４は、コントローラ５０から直並列切替ＳＷ４３に接続されている。

このように構成されていることにより、コントローラ５０は、直並列電池パック１１８の各状態が入力され、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３の切り替えを制御することができるようになっている。

＜充電時のスイッチ切替制御＞
次に、充電時におけるセレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチ切替制御について、図６から図９を用いて説明する。図６は、充電時のスイッチ切替制御のフローチャートである。図７は、大電流時ＳＷ設定におけるスイッチ切替を示す回路図である。図８は、中電流時ＳＷ設定におけるスイッチ切替を示す回路図である。図９は、小電流時ＳＷ設定におけるスイッチ切替を示す回路図である。

なお、図６（および、後述する図１０の図１１）のフローは、コントローラ５０内にあるＣＰＵにてプログラム処理として実現する。このステップＳは、例えば、１０ｍｓ毎に処理をしてもよい。

また、以下の説明において、容量型電池２１〜２４は、容量５Ａｈで、一本５０Ａまでの電流が流せ、電圧範囲は３Ｖから４．２Ｖまで使用可能なリチウムイオン電池であるものとし、出力型電池１１〜１３は、容量０．５Ａｈで、一本３００Ａまで流せ、電圧範囲は２Ｖから４Ｖまで使用可能なリチウムイオンキャパシタであるものとして説明する。また、充電前の容量型電池２１〜２４（リチウムイオン電池）の開回路電圧は３Ｖであるものとし充電前の出力型電池１１〜１３（リチウムイオンキャパシタ）の開回路電圧は３．１Ｖであるものとして説明する。

ステップＳ１において、コントローラ５０は、上位コントローラ１１５（図１参照）から通信線１１６（図１参照）を介して当該コントロータ５０に入力された充電要求電流が２００Ａより大きいか否かを判定する。なお、２００Ａとは、容量型電池２１〜２４を４並列に接続した場合の容量型電池群２０に流すことができる電流の最大値である。充電要求電流が２００Ａより大きい場合（Ｓ１・Ｙｅｓ）、コントローラ５０の処理は、その他の処理に移行する。その他の処理とは、例えば、発電機１１２（図１参照）がＣＣ（Constant Current）充電で、かつ、充電要求電流が２００Ａより大きい場合、直並列電池パック１１８を回路から切り離して直並列電池パック１１８の安全性を保ってもよい。充電要求電流が２００Ａより大きくない場合（Ｓ１・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、コントローラ５０は、充電要求電流が１００Ａより大きい（かつ２００Ａ以下）であるか否かを判定する。なお、１００Ａとは、容量型電池２１〜２４を２並列２直列に接続した場合の容量型電池群２０に流すことができる電流の最大値である。充電要求電流が１００Ａより大きい（かつ２００Ａ以下）場合（Ｓ２・Ｙｅｓ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ３に進む。充電要求電流が１００Ａより大きくない場合（Ｓ２・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ３において、コントローラ５０は、図７に示す「大電流時ＳＷ設定」となるように、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。即ち、図７に示すように、出力型電池を３直列、容量型電池を４並列となるようにセレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。なお、大電流時ＳＷ設定において、充電前の直並列電池パック１１８の開回路電圧は１２．３Ｖであり、直並列電池パック１１８の電圧仕様（電力入出力端子７０の電圧が１２〜１４Ｖ）を満たしている。そして、コントローラ５０の処理は、ステップＳ７に進む。

ステップＳ４において、コントローラ５０は、充電要求電流が５０Ａより大きい（かつ１００Ａ以下）であるか否かを判定する。なお、５０Ａとは、容量型電池２１〜２４を４直列に接続した場合の容量型電池群２０に流すことができる電流の最大値である。充電要求電流が５０Ａより大きい（かつ１００Ａ以下）場合（Ｓ４・Ｙｅｓ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ５に進む。充電要求電流が５０Ａより大きくない場合（Ｓ４・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ６に進む。

ステップＳ５において、コントローラ５０は、図８に示す「中電流時ＳＷ設定」となるように、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。即ち、図８に示すように、出力型電池を２直列、容量型電池を２並列２直列となるようにセレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。なお、中電流時ＳＷ設定において、充電前の直並列電池パック１１８の開回路電圧は１２．２Ｖであり、直並列電池パック１１８の電圧仕様（電力入出力端子７０の電圧が１２〜１４Ｖ）を満たしている。そして、コントローラ５０の処理は、ステップＳ７に進む。

ステップＳ６において、コントローラ５０は、図９に示す「小電流時ＳＷ設定」となるように、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。即ち、図９に示すように、出力型電池を０直列、容量型電池を４直列となるようにセレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。なお、小電流時ＳＷ設定において、充電前の直並列電池パック１１８の開回路電圧は１２．０Ｖであり、直並列電池パック１１８の電圧仕様（電力入出力端子７０の電圧が１２〜１４Ｖ）を満たしている。そして、コントローラ５０の処理は、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７において、コントローラ５０は、充電が完了したか否かを判定する。充電が完了していない場合（Ｓ７・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ１に戻る。充電が完了した場合（Ｓ７・Ｙｅｓ）、コントローラ５０は、充電処理を終了する。

なお、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４において、閾値を２００Ａ，１００Ａ，５０Ａとしたがこれに限られるものではない。例えば、容量Ｘ［Ａｈ］の容量型電池で、１つの容量型電池に流せる電流の最大値がその１０倍である場合、充電要求電流が２０Ｘ［Ａｈ］より大きく４０Ｘ［Ａｈ］以下の範囲の場合に図７の「大電流時ＳＷ設定」を選択し、充電要求電流が１０Ｘ［Ａｈ］より大きく２０Ｘ［Ａｈ］以下の範囲の場合に図８の「中電流時ＳＷ設定」を選択し、充電要求電流が１０Ｘ［Ａｈ］以下の範囲の場合に図９の「小電流時ＳＷ設定」を選択するようにしてもよい。

また、ステップＳ２において、充電要求電流の大きさで判定したが、これに限られるものではなく、「出力型電池１１の電圧＜容量型電池（２１〜２４）の電圧」を満たすか否かで判定してもよい。これは、出力型電池は、容量型電池と比較して容量が小さいため、充電により容量型電池と比較して電圧が上がりやすい。仮に、「出力型電池１１の電圧＞容量型電池（２１〜２４）の電圧」となった場合、充電できる電流が減るためである。このため、出力型電池１１の電圧が容量型電池（２１〜２４）の電圧よりも高い場合には、出力型電池１１を回路から切り離す（「大電流時ＳＷ設定」以外を選択する）ようにしてもよい。また、前述の条件である「充電要求電流が１００Ａより大きい（かつ２００Ａ以下）」と、「出力型電池１１の電圧＜容量型電池（２１〜２４）の電圧」との、ａｎｄ条件としてもよく、ｏｒ条件としてもよい。

また、ステップＳ４において、充電要求電流の大きさで判定したが、これに限られるものではなく、「（出力型電池１２の電圧＋出力型電池１３の電圧）／２＜容量型電池（２１〜２４）の電圧」を満たすか否かで判定してもよい。これは、出力型電池は、容量型電池と比較して容量が小さいため、充電により容量型電池と比較して電圧が上がりやすい。仮に、「（出力型電池１２の電圧＋出力型電池１３の電圧）／２＞容量型電池（２１〜２４）の電圧」となった場合、充電できる電流が減るためである。このため、出力型電池１２，１３の電圧が容量型電池（２１〜２４）の電圧よりも高い場合には、出力型電池１２，１３を回路から切り離す（「小電流時ＳＷ設定」を選択する）ようにしてもよい。また、前述の条件である「充電要求電流が５０Ａより大きい（かつ１００Ａ以下）」と、「（出力型電池１２の電圧＋出力型電池１３の電圧）／２＜容量型電池（２１〜２４）の電圧」との、ａｎｄ条件としてもよく、ｏｒ条件としてもよい。

＜充電時の他のスイッチ切替制御＞
次に、充電時におけるセレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３の他のスイッチ切替制御について、図１０を用いて説明する。図１０は、充電時の他のスイッチ切替制御のフローチャートである。

ここでは、発電機１１２（図１参照）がＣＣＣＶ（Constant Current Constant Voltage）充電で、かつ、充電要求電流が２００Ａより以下であるとして、電池（出力型電池、容量型電池）が４直列となり（図７、図８、図９の３通り）、かつ、電池耐電圧が１４Ｖ以上、容量型電池の充電電流が仕様範囲（一本５０Ａまで）となるＳＷ設定とする。

ステップＳ１１において、コントローラ５０は、図７に示す「大電流時ＳＷ設定」を選択したと仮定して、ＣＶ充電で直並列電池パック１１８を充電した場合の各電池（出力型電池１１〜１３、容量型電池２１〜２４）の電流、電圧を計算する。なお、ＣＶ充電を仮定した理由は、発電機１１２（図１参照）は一般的にＣＣＣＶ充電機であり、最大電流を流せるのはＣＶ充電モードであるためである。

ここで、大電流時ＳＷ設定における各電池（出力型電池１１〜１３、容量型電池２１〜２４）の電流、電圧について説明する。ＣＶ充電時の電圧をVccとすると、各電池に流れる充電電流Ip，Icは、式（１），式（２）で表され、各電池にかかる電圧Vp，Vcは、式（３），式（４）で表される。なお、Rp，Rc，rは、固有値であり、予めコントローラ５０に値を保持しておく。また、OCVp，OCVcの計算方法については、後述する。

Ip＝(Vcc−3×OCVp−OCVc)/(r+3Rp+Rc/4) ……（１）
Ic＝Ip/4 ……（２）
Vp＝OCVp+Rp×Ip ……（３）
Vc＝OCVc+Rc×Ic ……（４）
Ip ：出力型電池に流れる充電電流［Ａ］
Ic ：容量型電池に流れる充電電流［Ａ］
Vp ：出力型電池にかかる電圧［Ｖ］
Vc ：容量型電池にかかる電圧［Ｖ］
OCVp ：出力型電池の開回路電圧［Ｖ］
OCVc ：容量型電池の開回路電圧［Ｖ］
Rp ：出力型電池の内部抵抗［Ω］
Rc ：容量型電池の内部抵抗［Ω］
r ：ＳＷの抵抗［Ω］

ステップＳ１２において、コントローラ５０は、ステップＳ１１で計算した各電池の電流・電圧が、所定の電流・電圧範囲を満たすかどうか判定する。ここで、各電池の電流・電圧範囲の判定は、式（５）を満たしているか否かで判定する。ステップＳ１１で計算した各電池の電流・電圧が、所定の電流・電圧範囲を満たす場合（Ｓ１２・Ｙｅｓ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１１で計算した各電池の電流・電圧が、所定の電流・電圧範囲を満たさない場合（Ｓ１２・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ１４に進む。

Vp≦Vpm and Ip≦Ipm and Vc≦Vcm and Ic≦Icm ……（５）
Vpm ：出力型電池の上限電圧［Ｖ］
Vcm ：容量型電池の上限電圧［Ｖ］
Ipm ：出力型電池の上限電流［Ａ］
Icm ：容量型電池の上限電流［Ａ］

ちなみに、リチウムイオン電池（容量型電池２１〜２４）の耐電圧は一般的に４．２Ｖであり、上限電流は一般的に容量［Ａｈ］の１０倍（例えば、容量５Ａｈで５０Ａ）である。リチウムイオンキャパシタ（出力型電池１１〜１３）の耐電圧は一般的に４．２Ｖであり、上限電流は一般的に４００Ａである。なお、他の電池を使用した場合については後述する。

ステップＳ１３において、コントローラ５０は、図７に示す「大電流時ＳＷ設定」となるように、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。そして、コントローラ５０の処理は、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１４において、コントローラ５０は、図８に示す「中電流時ＳＷ設定」を選択したと仮定して、ＣＶ充電で直並列電池パック１１８を充電した場合の各電池（出力型電池１１〜１３、容量型電池２１〜２４）の電流、電圧を計算する。

ここで、中電流時ＳＷ設定における各電池（出力型電池１１〜１３、容量型電池２１〜２４）の電流、電圧について説明する。ＣＶ充電時の電圧をVccとすると、各電池に流れる充電電流Ip，Icは、式（６），式（７）で表され、各電池にかかる電圧Vp，Vcは、式（８），式（９）で表される。なお、前述のように、Rp，Rc，rは、直並列電池パック１１８に固有の値であり、コントローラ５０にあらかじめ設定されている。また、OCVp，OCVcの計算方法については、後述する。

Ip＝(Vcc−2×OCVp−2×OCVc)/(r+2Rp+Rc/2) ……（６）
Ic＝Ip/2 ……（７）
Vp＝OCVp+Rp×Ip ……（８）
Vc＝OCVc+Rc×Ic ……（９）
Ip ：出力型電池に流れる充電電流［Ａ］
Ic ：容量型電池に流れる充電電流［Ａ］
Vp ：出力型電池にかかる電圧［Ｖ］
Vc ：容量型電池にかかる電圧［Ｖ］
OCVp ：出力型電池の開回路電圧［Ｖ］
OCVc ：容量型電池の開回路電圧［Ｖ］
Rp ：出力型電池の内部抵抗［Ω］
Rc ：容量型電池の内部抵抗［Ω］
r ：ＳＷの抵抗［Ω］

ステップＳ１５において、コントローラ５０は、ステップＳ１４で計算した各電池の電流・電圧が、所定の電流・電圧範囲を満たすかどうか判定する。ここで、各電池の電流・電圧範囲の判定は、前述の式（５）を満たしているか否かで判定する。ステップＳ１４で計算した各電池の電流・電圧が、所定の電流・電圧範囲を満たす場合（Ｓ１５・Ｙｅｓ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１４で計算した各電池の電流・電圧が、所定の電流・電圧範囲を満たさない場合（Ｓ１５・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１６において、コントローラ５０は、図８に示す「中電流時ＳＷ設定」となるように、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。そして、コントローラ５０の処理は、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１７において、コントローラ５０は、図９に示す「小電流時ＳＷ設定」となるように、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。そして、コントローラ５０の処理は、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８において、コントローラ５０は、充電が完了したか否かを判定する。充電が完了していない場合（Ｓ１８・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ１１に戻る。充電が完了した場合（Ｓ１８・Ｙｅｓ）、コントローラ５０は、充電処理を終了する。

なお、ステップＳ１１の式（１）、式（２）およびステップＳ１４の式（６）、式（７）の電流計算は、ＣＣ充電時であり、かつ、図１の上位コントローラ１１５（図１参照）から充電要求電流Idを受け取ることができるならば、式（１）の代わりに式（１Ａ）、式（２）の代わりに式（２Ａ）、式（６）の代わりに式（６Ａ）、式（７）の代わりに式（７Ａ）としてもよい。

Ip＝Id ……（１Ａ）
Ic＝Id/4 ……（２Ａ）
Ip＝Id ……（６Ａ）
Ic＝Id/2 ……（７Ａ）

以上、図６および図１０を用いて充電時のスイッチ切替制御について説明したが、充電時の処理はこれに限られるものではない。例えば、以下のように処理してもよい。即ち、コントローラ５０は、直並列電池パック１１８の充電時において、充電要求電流を満たすように、容量型電池群２０の容量型電池の並列数を決定して、直並列切替ＳＷ群４０を切り替える。また、容量型電池群２０の容量型電池の並列数を決定すると、容量型電池群２０の容量型電池の直列数も決定される。そして、直並列電池パック１１８の電圧仕様（電力入出力端子７０の電圧が１２〜１４Ｖ）を満たすように、容量型電池群２０と直列に接続される出力型電池群１０の出力型電池の直列数を決定して、セレクタ３０を切り替えるようにしてもよい。

＜放電時のスイッチ切替制御＞
次に、放電時におけるセレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチ切替制御について、図１１を用いて説明する。図１１は、放電時のスイッチ切替制御のフローチャートである。

ステップＳ２１において、コントローラ５０は、充電要求電流が５０Ａより大きいか否かを判定する。なお、５０Ａとは、容量型電池２１〜２４を４並列に接続した場合の容量型電池群２０に流すことができる電流の最大値である。充電要求電流が５０Ａより大きい場合（Ｓ２１・Ｙｅｓ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ２２に進む。充電要求電流が５０Ａより大きくない場合（Ｓ２１・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ２３に進む。

ステップＳ２２において、コントローラ５０は、図７に示す「大電流時ＳＷ設定」となるように、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。そして、コントローラ５０の処理は、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２３において、コントローラ５０は、出力型電池１１の電圧Ｖ₁₁が出力型電池１２の電圧Ｖ₁₂（但し、Ｖ₁₂は、「（出力型電池１２の電圧＋出力型電池１３の電圧）／２」として求める。）より小さいか否かを判定する。電圧Ｖ₁₁が出力型電池１２の電圧Ｖ₁₂より小さい場合（Ｓ２３・Ｙｅｓ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ２４に進む。電圧Ｖ₁₁が出力型電池１２の電圧Ｖ₁₂より小さくない場合（Ｓ２３・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２４において、コントローラ５０は、図８に示す「中電流時ＳＷ設定」となるように、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。そして、コントローラ５０の処理は、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２５において、コントローラ５０は、図９に示す「小電流時ＳＷ設定」となるように、セレクタ３０および直並列切替ＳＷ４１〜４３のスイッチを切り替える。そして、コントローラ５０の処理は、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６において、コントローラ５０は、放電が完了したか否かを判定する。放電が完了していない場合（Ｓ２６・Ｎｏ）、コントローラ５０の処理は、ステップＳ２１に戻る。放電が完了した場合（Ｓ２６・Ｙｅｓ）、コントローラ５０は、放電処理を終了する。

ここで、ステップＳ２３において、出力型電池１１の電圧Ｖ₁₁と出力型電池１２の電圧Ｖ₁₂の電圧を比較して、ＳＷ設定を変える目的について説明する。充電時において、図７に示す「大電流時ＳＷ設定」の場合、出力型電池１１および出力型電池１２，１３は充電され、図９に示す「小電流時ＳＷ設定」の場合、出力型電池１１および出力型電池１２，１３は充電されない。一方、図８に示す「中電流時ＳＷ設定」の場合、出力型電池１１は充電されず、出力型電池１２，１３は充電される。このため、充電後において、出力型電池１１の電圧Ｖ₁₁は、出力型電池１２の電圧Ｖ₁₂よりも低くなる。このため、放電時には、出力型電池１２の電圧Ｖ₁₂が出力型電池１１の電圧Ｖ₁₁よりも高い間は、図８に示す「中電流時ＳＷ設定」として、出力型電池１１は放電させず、出力型電池１２，１３は放電させることにより、出力型電池１１〜１３の電圧をそろえるための処理である。

また、電池電圧が予め規定された電圧以下（例えば、リチウムイオン電池は３Ｖ、リチウムイオンキャパシタは２Ｖ）になったときには、特別な処理を図１１に追加してもよい。具体的には、全電池が規定電圧以下の場合、セレクタ３０にＯｐｅｎモードを設け、直並列電池パック１１８の放電を禁止する。また、出力型電池１１が規定電圧以下の場合、図７に示すＳＷ設定を禁止する。また、出力型電池１２，１３が規定電圧以下の場合、図８に示すＳＷ設定を禁止する。

＜ＯＣＶの推定＞
次に、開回路電圧（ＯＣＶ）の推定方法について説明する。ＯＣＶの推定方法には、各電池の充電率（ＳＯＣ）を計算し、そのＳＯＣからＯＣＶを推定する第１の方法と、計測した電池電圧から電流×抵抗を引きＯＣＶを推定する第２の方法との、２通りがある。

ＳＯＣからＯＣＶを推定する第１の方法は、式（１０）で計算する。

OCV＝f(SOC(t)) ……（１０）
SOC(t)=SOC(t-Δt)＋100×I(t)×Δt/Qmax
Δｔ ：時間刻み幅（例えば0.1秒）
I(t) ：計測電流［Ａ］
SOC(t) ：充電率［％］
Qmax ：満充電容量［Ｃ］

ここで、ｆは電池特有の関数であり、例えば、図１２のテーブルとしてコントローラ５０に保持し、線形補間またはスプライン補間で関数ｆを求める。また、直並列電池パック１１８の電源を投入した際に計測した電池電圧を開回路電圧（ＯＣＶ）として、図１２のテーブルによって、ｆの逆関数で充電率ＳＯＣの初期値を求める。

計測電流I(t)は、充電側を＋として、図５の電流検出手段５１で計測した値を使用してもよい。なお、図７に示すＳＷ設定において、出力型電池１１〜１３のI(t)は電流検出手段５１で計測した値とし、容量型電池２１〜２４のI(t)は電流検出手段５１で計測した値の１／４とする。また、図８に示すＳＷ設定において、出力型電池１１のI(t)は０とし、出力型電池１２〜１３のI(t)は電流検出手段５１で計測した値とし、容量型電池２１〜２４のI(t)は電流検出手段５１で計測した値の１／２とする。また、図９に示すＳＷ設定において、出力型電池１１〜１３のI(t)は０とし、容量型電池２１〜２４のI(t)は電流検出手段５１で計測した値とする。

満充電容量Qmaxおよび時間刻み幅Δｔは固定値であり、予めコントローラ５０に値を保持しておく。

また、電池には分極と呼ばれる理論電圧より電圧がずれる現象が起こりうる。この場合、式（１０）の代わりに式（１０Ａ）を用いてもよい。

OCV＝f(SOC(t))＋vp(t) ……（１０Ａ）
vp(t)＝w1×vp(t-Δt)+w2×i(t)×r(SOC(t))
w1＝τ(SOC(t))/｛Δt＋τ(SOC(t))｝
w2＝1-w1
r(SOC(t)) ：分極抵抗
τ(SOC(t)) ：分極時定数

ここで、分極抵抗ｒは、図１３のテーブルとして、ＳＯＣの関数としコントローラ５０に値を保持する。分極時定数τは、図１４のテーブルとして、ＳＯＣの関数としコントローラ５０に値を保持する。なお、分極vpの初期値は、直並列電池パック１１８の電源を投入した際、値を０とする。

次に、計測した電池電圧から電流×抵抗を引きＯＣＶを推定する第２の方法について説明する。電流は前述の図５の電流検出手段５１で計測した計測電流I(t)を用いることができるため、抵抗を知りえることができれば、ＯＣＶを求めることができる。この方法の一つとして、図１５の抵抗テーブルをコントローラ５０に保持して、ＳＯＣと温度の関数として求めることができる。なお、この方法では、図５に加え、各電池に温度検出手段を設ける。また、この方法以外に、前回ＳＷを切り替えした前後の電圧差と電流差により求めた抵抗の値を用いてもよい。

＜変形例＞
図１６は、第１変形例に係る直並列電池パックの構成図である。図７から図９に示すＳＷ設定を切り替える際、セレクタ３０や直並列切替ＳＷ４１〜４３の切替スイッチが端子のいずれにも接続されていない状態が発生し、瞬間的に電流を出し入れできなくなる状態が発生する。このため、図１６に示すように、キャパシタ８０を電力入出力端子７０に入れて、瞬電対策をしてもよい。

図１７は、第２変形例に係る直並列電池パックの構成図である。図１７に示すように、出力型電池１２，１３の間に、同じ抵抗値（数ＫΩ）を持つ抵抗８１，８２を入れてもよい。この並列抵抗８１，８２により、直並列電池パック１１８を使用するにつれ、出力型電池１２，１３の電圧のずれを補正して、そろえることができる。また、図示は省略するが、抵抗８１，８２の隣にスイッチを設け、出力型電池１２，１３の電圧がそろった状態でスイッチをＯｆｆにして、抵抗８１，８２を回路から切り離してもよい。また、このスイッチのＯｎ／Ｏｆｆ制御はコントローラ５０で制御するようにしてもよい。この場合、出力型電池１３の正極電位からコントローラ５０への電圧センシング線を追加して、コントローラ５０で出力型電池１２，１３の電圧を独立して計測できるようにする。また、このスイッチは、マイクロＨＥＶ１１０が駐車中にはスイッチをＯｆｆにして、抵抗８１，８２を回路から切り離して放電をふせいでもよい。なお、このスイッチは、パワーＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、機械式スイッチのいずれかを用いてもよい。

図４に示す、第１実施形態に係る直並列電池パック１１８では、出力型電池１１〜１３はリチウムイオンキャパシタであり、容量型電池２１〜２４はリチウムイオン電池であるものとして説明したが、容量型電池および出力型電池はこれに限られるものではない。

図１８は、第３変形例に係る直並列電池パックの構成図である。第３変形例に係る直並列電池パックは、出力型電池群１０Ａの出力型電池に電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）を用い、容量型電池群２０の容量型電池２１〜２４にリチウムイオン電池（ＬｉＢ）を用いた例である。この場合、容量型電池群２０のリチウムイオン電池（容量型電池）の数は、第１実施形態と同様に４個である。一方、電気二重層キャパシタは電圧範囲が０Ｖ〜２Ｖであり、リチウムイオンキャパシタと比較して上限が小さいため、出力型電池群１０Ａの電気二重層キャパシタ（出力型電池）の数は、１０直列となっている。なお、図１８では、電気二重層キャパシタの初期電圧を１Ｖとした例である。

図１９は、第４変形例に係る直並列電池パックの構成図である。第４変形例に係る直並列電池パックは、出力型電池群１０の出力型電池１１〜１３にリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）を用い、容量型電池群２０Ｂの容量型電池２１Ｂ〜２８Ｂにニッケル亜鉛電池（ＮｉＺｎ）を用いた例である。この場合、出力型電池群１０のリチウムイオンキャパシタ（出力型電池）の数は、第１実施形態と同様に３個である。一方、ニッケル亜鉛電池は電圧範囲が１．６Ｖ〜１．９Ｖであり、直並列電池パックの上限電圧１４Ｖを守るには８直列必要となる。このため、容量型電池群２０Ｂは８個の容量型電池２１Ｂ〜２８Ｂを備えている。また、７つの直並列切替ＳＷ４１Ｂ〜４７Ｂからなる直並列切替ＳＷ群４０Ｂを備えている。

また、図示は省略するが、出力型電池に電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）、容量型電池にニッケル亜鉛電池（ＮｉＺｎ）を使用した場合の構成では、出力型電池群１０は１０個の電気二重層キャパシタを備え、容量型電池群２０Ｂは８個のニッケル亜鉛電池を備えればよい。

また、図示は省略するが、出力型電池にリチウムイオン電池（ＬｉＢ）、容量型電池にリチウムイオン電池（但し、出力型電池のリチウムイオン電池と特性の違うＬｉＢ）を使用した場合の構成は、図５と同じにすればよい。

また、直並列電池パックが稼働していない場合には、セレクタ３０、直並列切替ＳＷ４１〜４３（４１Ｂ〜４７Ｂ）のスイッチをＯｐｅｎにして電力消費を抑制することが望ましい。

なお、図６のコントローラ５０の電源および、セレクタ３０、直並列切替ＳＷ群４０の電源は、容量型電池２１の正極端子から得てもよいし、図１（ｂ）の鉛電池１１７から得てもよい。

また、前述の説明では、出力型電池にある初期値の電圧が残っているものとして説明したが、例えば、マイクロＨＥＶ１１０が数か月に及んで駐車していた場合、出力型電池の電圧が前述の仮定した電圧より下がっていることが考えられる。この場合、コントローラ５０は、セレクタ３０を一番上の出力型電池に切り替え、容量型電池を全て直列となるように直並列切替ＳＷ群４０を切り替える。そして、コントローラ５０は、上位コントローラ１１５（図１参照）に充電要求を出力し、直並列電池パック１１８を充電する。この充電動作により、出力型電池の電圧が、前述した仮定の電圧まで上げることができる。

≪第２実施形態≫
第２実施形態に係る直並列電池パックについて図２０から図２２を用いて説明する。なお、以下の説明において、第２実施形態に係る直並列電池パックは、図２に示すマイルドＨＥＶ１２０に搭載される直並列電池パック１２３（例えば、電圧範囲が３６Ｖ〜４２Ｖ、充電電流は１００Ａ以下）であるものとして説明する。

図２０は、第２実施形態に係る直並列電池パックの構成図である。

図２０に示すように、第２実施形態に係る直並列電池パックは、出力型電池群（出力型蓄電体群）１０Ｃと、容量型電池群（容量型蓄電体群）２０Ｃと、セレクタ（第１切替手段）３０Ｃと、直並列切替ＳＷ（第２切替手段）４０Ｃと、コントローラ（図示省略）と、電力入出力端子７０と、から構成されている。なお、図２０に示すように、直並列電池パックの一方の入出力端子は電力入出力端子７０であり、直並列電池パックの一方の入出力端子は接地されている。また、出力型電池群１０Ｃと容量型電池群２０Ｃとは、直列に接続されている。

出力型電池群１０Ｃは、４つのリチウムイオンキャパシタ（以下、「ＬｉＣ」と略す。）１１Ｃ〜１４Ｃが直列に接続されて構成されている。容量型電池群２０Ｃは、７直列のリチウムイオン電池（以下「ＬｉＢ」と略す。容量は５Ａｈであるものとして説明する。）からなるＬｉＢパック２１Ｃ，２２Ｃが直並列切替ＳＷ４０Ｃにより直列または並列に接続されて構成されている。

セレクタ３０Ｃは、ＬｉＣ１１Ｃ〜１４ＣおよびＬｉＢパック２１Ｃの上から５つのＬｉＢの正極に接続され、いずれかの正極を選択し、電力入出力端子７０と接続することができるようになっている。

直並列切替ＳＷ４０Ｃは、ＬｉＢパック２１ＣとＬｉＢパック２２Ｃの間に配置され、ＬｉＢパック２１ＣとＬｉＢパック２２Ｃの接続を直列／並列で切り替えることができるようになっている。

ここで、ＬｉＢのみでマイルドＨＥＶの電池パックを作成する場合、容量５ＡｈのＬｉＢが１０直列２並列の計２０本必要となる。一方、第２実施形態に係る直並列電池パック
では、電池は１８本であり、電池数を削減することができる。

＜充電時のスイッチ切替制御＞
次に、第２実施形態に係る直並列電池パックの充電時におけるスイッチ切替制御について説明する。

充電時に１００Ａの電流が流れる際のＳＷ動作について図２０を用いて説明する。なお、ここでは、ＬｉＣの初期電圧は３．１５Ｖであるものとする。ＬｉＢパック２１Ｃ，２２Ｃは、２並列に接続され、１つのＬｉＢの容量５Ａｈであり、流せる電流の最大値はその１０倍であることから、１００Ａの充電電流に耐えることができる。また、ＬｉＢパック２１Ｃ，２２Ｃにかかる電圧は、２９．４Ｖ（＝４２Ｖ−３．１５Ｖ×４）となり、ＬｉＢ１本当たり４．２Ｖ（＝２９．４Ｖ／７）となり、ＬｉＢの安全電圧を守ることができる。

充電開始時において、図２０に示すように、電力入出力端子７０は、セレクタ３０Ｃにより、ＬｉＣ１１Ｃの正極と接続されている。しかし、ＬｉＣに充電されるにつれて、ＬｉＣの電圧が高くなる。このため、セレクタ３０Ｃは、直並列電池パック１２３の電圧範囲（例えば、３６Ｖ〜４２Ｖ）に収まるように、電力入出力端子７０と接続するＬｉＣ（１１Ｃ〜１４Ｃ）の正極を順次切り替える。

図２１は、第２実施形態に係る直並列電池パックの小電流時におけるスイッチ切替を示す回路図である。そして、充電電流が５０Ａ以下の状態においては、図２１に示すように、直並列切替ＳＷ４０Ｃを直列モードに切り替え、セレクタ３０Ｃは電力入出力端子７０とＬｉＣ１４Ｃの負極とを接続する。

＜放電時のスイッチ切替制御＞
次に、第２実施形態に係る直並列電池パックの放電時におけるスイッチ切替制御について説明する。図２２は、第２実施形態に係る直並列電池パックのアイドリングストップ中の放電時におけるスイッチ切替を示す回路図である。

マイルドＨＥＶ１２０の放電時において、最初はアイドリングストップの小電流の放電の後、モータアシストの大電流が数秒継続する。

このため、放電開始時において、図２２に示すように、セレクタ３０Ｃは電力入出力端子７０とＬｉＢパック２１Ｃの下から３段目のＬｉＣの正極とを接続する。即ち、ＬｉＣが１０直列となるように接続する。これは、放電開始時において、ＬｉＢが満充電（４．２Ｖ）で充電されていると仮定して、直並列電池パック１２３の電圧範囲（例えば、３６Ｖ〜４２Ｖ）に収まるように、ＬｉＢの直列数を選択したものである。そして、ＬｉＢに放電されるにつれて、ＬｉＢの電圧が低くなるため、セレクタ３０Ｃは、直並列電池パック１２３の電圧範囲（例えば、３６Ｖ〜４２Ｖ）に収まるように、電力入出力端子７０と接続するＬｉＢの正極を切り替える。

次に、モータアシストの大電流時には、直並列切替ＳＷ４０Ｃを図２０のように並列モードとして、ＬｉＢパック２１Ｃ，２２Ｃを並列に切り替える。これは、ＬｉＢが大電流放電に耐えられるようにするためである。そして、セレクタ３０Ｃは、直並列電池パック１２３の電圧範囲（例えば、３６Ｖ〜４２Ｖ）に収まるように、電力入出力端子７０と接続するＬｉＣの正極を切り替える。

＜変形例＞
図２０から図２２に示す、第２実施形態に係る直並列電池パックでは、出力型電池はＬｉＣであり、容量型電池はＬｉＢであるものとして説明したが、容量型電池および出力型電池はこれに限られるものではない。

容量型電池として、ＬｉＢの代わりにＮｉＺｎ電池を用いてもよい。この場合、７直列のＬｉＢパック（２１Ｃまたは２２Ｃ）に代えて、１２直列２並列のＮｉＺｎパックを接続すればよい。

また、出力型電池としてＬｉＣの代わりにＥＤＬＣを用いてもよい。この場合、４直列のＬｉＣパックに代えて、１１直列のＥＤＬＣパックを接続すればよい。

以上、第２実施形態では、電池直列数を増やし、電圧を３６Ｖ〜４２Ｖとしたことにより、マイルドＨＥＶ１２０に搭載する直並列電池パック１２３に対応することが可能となる。さらに、電池の直列数、並列数を増やしていくことにより、ＨＥＶ（ストロングＨＥＶ）の直並列電池パックや、ｘＥＭＳ１３０の直並列電池パック１３９にも対応することが可能となる。

１０、１０Ａ、１０Ｃ 出力型電池群（出力型蓄電体群）
１１〜１３ 出力型電池（出力型蓄電体）
１１Ｃ〜１４Ｃ ＬｉＣ（出力型蓄電体）
２０、２０Ｂ、２０Ｃ 容量型電池群（容量型蓄電体群）
２１〜２４、２１Ｂ〜２８Ｂ 容量型電池（容量型蓄電体）
２１Ｃ，２２Ｃ ＬｉＢパック（容量型蓄電体）
３０、３０Ａ、３０Ｃ セレクタ（第１切替手段）
４０、４０Ｂ 直並列切替ＳＷ群（第２切替手段）
４１〜４３、４１Ｂ〜４７Ｂ 直並列切替ＳＷ
４０Ｃ 直並列切替ＳＷ（第２切替手段）
５０ コントローラ（制御手段）
５１ 電流検出手段
５２ 電流センシング線
５３〜５８ 電圧センシング線（電圧検出手段）
６１ セレクタ制御線
６２〜６４ 直並列切替ＳＷ制御線
７０ 電力入出力端子
８０ キャパシタ
８１，８２ 抵抗
１１８、１２３、１３９ 直並列電池パック
１１５、１２５、１４１ 上位コントローラ（上位制御手段）

Claims (14)

1. 複数の出力型蓄電体を有する出力型蓄電体群と、
   複数の容量型蓄電体を有する容量型蓄電体群と、
   前記出力型蓄電体群における出力型蓄電体の直列数を切り替える第１切替手段と、
   前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直並列数を切り替える第２切替手段と、を備え、
   前記出力型蓄電体群と、前記容量型蓄電体群とは、直列に接続される直並列電池パックであって、
   該直並列電池パックの電流を検出する電流検出手段と、
   前記出力型蓄電体および前記容量型蓄電体の各蓄電体の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電流検出手段および前記電圧検出手段からの情報により、前記第１切替手段および前記第２切替手段を制御する制御手段と、をさらに備える
   ことを特徴とする直並列電池パック。
2. 充電中において、前記出力型蓄電体群及び前記容量型蓄電体群に流入する電流が予め設定された下限電流未満に減少した場合、
   前記第１切替手段は、
   前記出力型蓄電体群における出力型蓄電体の直列数を下げ、
   前記第２切替手段は、
   前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直列数を上げ、かつ、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の並列数を下げる
   ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
3. 前記出力型蓄電体群は、出力型蓄電体が直列に接続されて構成され、
   前記第１切替手段は、
   前記直列に接続された出力型蓄電体のうちのいずれかの出力型蓄電体の端子を選択して、該直並列電池パックの電力入出力端子と接続する
   ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
4. 前記第２切替手段は、
   一方の容量型蓄電体と他方の容量型蓄電体との接続を並列接続と直列接続に切り替え可能なスィッチを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
5. 前記出力型蓄電体は、前記容量型蓄電体よりも、流すことができる電流が多い蓄電体であり、
   前記容量型蓄電体は、前記出力型蓄電体よりも、容量が大きい蓄電体である
   ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
6. 前記制御手段は、充電開始時において、
   該制御手段よりも上位の上位制御手段から充電電流要求を受信し、
   該充電電流要求に示す充電電流量が予め設定された上限電流より小さい場合、
   前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直列数を上げ、かつ、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の並列数を下げるように前記第２切替手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
7. 前記制御手段は、充電開始時において、 前記出力型蓄電体および前記容量型蓄電体の開回路電圧と内部抵抗に基づいて、前記出力型蓄電体の充電電流、前記容量型蓄電体の充電電流、前記出力型蓄電体にかかる電圧、および、前記容量型蓄電体にかかる電圧を計算し、
   前記出力型蓄電体の充電電流が、予め設定された前記出力型蓄電体の上限充電電流以下になり、前記出力型蓄電体にかかる電圧が、予め設定された前記出力型蓄電体の上限電圧以下になるように、
   前記第１切替手段を制御して、前記出力型蓄電体群における出力型蓄電体の直列数を上げる
   ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
8. 前記制御手段は、充電開始時において、
   前記出力型蓄電体および前記容量型蓄電体の開回路電圧と内部抵抗に基づいて、前記出力型蓄電体の充電電流、前記容量型蓄電体の充電電流、前記出力型蓄電体にかかる電圧、および、前記容量型蓄電体にかかる電圧を計算し、
   前記容量型蓄電体の充電電流が、予め設定された前記容量型蓄電体の上限充電電流以下になり、前記容量型蓄電体にかかる電圧が、予め設定された前記容量型蓄電体の上限電圧以下になるように、
   前記第２切替手段を制御して、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直列数を下げ、かつ、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の並列数を上げる
   ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
9. 前記制御手段は、放電開始時において、
   該制御手段よりも上位の上位制御手段から放電電流要求を受信し、
   前記出力型蓄電体および前記容量型蓄電体の開回路電圧と内部抵抗に基づいて、前記出力型蓄電体の放電電流、前記容量型蓄電体の放電電流、前記出力型蓄電体にかかる電圧、および、前記容量型蓄電体にかかる電圧を計算し、
   直並列に前記容量型蓄電体が接続された前記容量型蓄電体群の放電電流が放電電流要求以上であり、かつ、前記容量型蓄電体にかかる電圧が、予め設定された前記容量型蓄電体の上限電圧以下になるように、
   前記第２切替手段を制御して、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直列数を下げ、かつ、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の並列数を上げる
   ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
10. 前記制御手段は、放電中において、
    あらかじめ設定された該直並列電池パックの最低電圧以上となるように、
    前記第１切替手段を制御して、前記出力型蓄電体群における出力型蓄電体の直列数を上げる
    ことを特徴とする請求項９に記載の直並列電池パック。
11. 前記制御手段は、放電開始時において、
    前記第１切替手段を制御して、前記出力型蓄電体群をバイパスするように接続を切り替える
    ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の直並列電池パック。
12. 前記出力型蓄電体群は、前記複数の出力型蓄電体として、リチウムイオンキャパシタを３個有し、
    前記容量型蓄電体群は、前記複数の容量型蓄電体として、リチウムイオン電池を４個有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
13. 前記出力型蓄電体群は、前記複数の出力型蓄電体として、リチウムイオンキャパシタを４個有し、
    前記容量型蓄電体群は、前記複数の容量型蓄電体として、７直列したリチウムイオン電池パックを２個有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の直並列電池パック。
14. 複数の出力型蓄電体を有する出力型蓄電体群と、
    複数の容量型蓄電体を有し、前記出力型蓄電体群と直列に接続される容量型蓄電体群と、
    前記出力型蓄電体群における出力型蓄電体の直列数を切り替える第１切替手段と、
    前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直並列数を切り替える第２切替手段と、を備える直並列電池パックの制御方法であって、
    前記直並列電池パックは、
    該直並列電池パックの電流を検出する電流検出手段と、
    前記出力型蓄電体および前記容量型蓄電体の各蓄電体の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記電流検出手段および前記電圧検出手段からの情報により、前記第１切替手段および前記第２切替手段を制御する制御手段と、をさらに備え、
    前記制御手段は、
    前記出力型蓄電体群及び前記容量型蓄電体群に流入する電流が減少した場合、
    前記第１切替手段により、前記出力型蓄電体群における出力型蓄電体の直列数を下げ、
    前記第２切替手段により、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の直列数を上げ、かつ、前記容量型蓄電体群における容量型蓄電体の並列数を下げる
    ことを特徴とする直並列電池パックの制御方法。

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