JP6483915B2

JP6483915B2 - ハイブリッド型電気自動車

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Publication number: JP6483915B2
Application number: JP2018505253A
Authority: JP
Inventors: 健児小原; 伸田中; 文洋川村; 成則青柳; 淳子西山
Original assignee: Automotive Energy Supply Corp
Current assignee: Automotive Energy Supply Corp
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: JPWO2017158959A1; WO2017158959A1

Description

本発明は、モータとエンジンとを併用して自車両を駆動するハイブリッド型電気自動車に関する。

リチウムイオン二次電池は、リチウムを吸蔵・放出する活物質を含む正極と負極とがセパレータを介して積層されてなる発電要素を有し、この発電要素が、電解液とともに絶縁性の外装体に収容されてなる積層電池である（例えば特許文献１参照）。
近年、リチウムイオン二次電池は、ニッケル水素電池や鉛蓄電池に比べて電池電圧が高く高出力特性を有することから、モータとエンジンとを併用して自車両を駆動するハイブリッド型電気自動車の高出力用電源として用いられている。
リチウムイオン二次電池を高出力用途に用いる上では、大電流で良好な出力特性を得ることが要求される。これに対し、特許文献１記載の技術では、合剤層等の膜厚を所定にすることにより、大電流での出力特性に優れ、高出力用途に適用し得るリチウムイオン電池を提供し得るとしている。

特開２０１１−１７５９３３号公報

しかし、ハイブリッド型電気自動車にあっては、リチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」ともいう）に対して、システム側の入出力要求に応じて、限られた容積内で可及的に最大効率を得ることができるものが求められる。
つまり、単に大電流での出力特性に優れた電池を搭載したとしても、実際の車両側のシステムと電池との間には、いわば「相性」がある。そのため、搭載された電池が、車両側のシステムの入出力要求に対して、必ずしも最大効率を得るとは限らないのである。
具体的には、ハイブリッド型電気自動車は、一般的には、燃費を重視（無駄なエンジンの働きを抑制）する。そのため、車両のシステム側は、電池への最大出力要求と最大入力要求とが比較的近い値に設定される（以下、「燃費重視型システム」ともいう）。

一方、例えばスポーツカーのような車両では、スポーツ走行を快適なものとするために、燃費重視型システムに比べて、電池への最大出力要求が最大入力要求よりも大きい値に設定される（以下、「出力重視型システム」ともいう）。
特に、近年では、ハイブリッド型電気自動車においても、燃費を重視しつつも、快適なスポーツ走行をし得る出力重視型システムが採用される。そのため、車両のシステム側が高出力を電池側に要求した時に、電池のＳＯＣに対する使用範囲が狭い場合、電池側が要求出力に十分に応答できなければ、快適な走行性をユーザーに提供できないという問題がある。

そこで、本発明は、出力重視型システムを有する車両に対応し、限られた容積内で、リチウムイオン二次電池のＳＯＣに対する使用範囲を広く用い得るハイブリッド型電気自動車を提供することを課題とする。

本発明の一態様に係るハイブリッド型電気自動車においては、車両のシステム側は、リチウムイオン二次電池への最大入力要求Ｗ_ｉｎに対する最大出力要求Ｗ_ｏｕｔの比の値（Ｗ_ｏｕｔ／Ｗ_ｉｎ）が、１．５以上に設定されている。よって、この車両のシステムは、出力重視型システムということができる。
これに対し、搭載されるリチウムイオン二次電池は、その最大入力値Ｐ_ｉｎ、最大出力値Ｐ_ｏｕｔ、最大入力要求Ｗ_ｉｎ、及び最大出力要求Ｗ_ｏｕｔが、次の（式１）を満たす。
（Ｐｉｎ＋Ｐｏｕｔ）／３＜（Ｗｉｎ＋Ｗｏｕｔ）（式１）
さらに、このリチウムイオン二次電池は、正極の活物質層が、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）を８０質量％以上含むとともに、負極の活物質層が、黒鉛を８０質量％以上含むものである。

本発明によれば、出力重視型のシステムの最大要求入出力比に応じて、（式１）に規定される範囲を満たしつつ、両極の活物質層の構成が所定に設定されたリチウムイオン二次電池を備えるので、システム側の高出力要求に応じて電池のＳＯＣに対する使用範囲を広く用いることができる。
特に、本発明によれば、リチウムイオン二次電池の両極の活物質層は、システム側からの最大要求入出力比が１．５以上に対応する所定の構成なので、最大要求入出力比が１．５以上のような高出力制御において、電池のＳＯＣに対する使用範囲を最も広く用いる上で優れている。よって、例えばスポーツ走行を重視するような出力重視型システムに対して、快適な走行性をユーザーに提供できる。

本発明に係るハイブリッド型電気自動車の一実施形態の概要構成図である。本発明に係るハイブリッドシステムの構成例を示す図である。図２のシステムに用いるリチウムイオン二次電池を説明する斜視図である。図３のリチウムイオン二次電池のＺ−Ｚ断面図である。本発明に係る適正電池選定方法の説明図である。本発明に係る適正電池選定方法の説明図である。本発明に係る適正電池選定方法の説明図である。本発明に係る適正電池選定方法の説明図である。本発明に係る適正電池選定方法の説明図である。

以下、本発明に係るハイブリッド型電気自動車の実施形態、並びに、このハイブリッド型電気自動車用として搭載されるバッテリ用のリチウムイオン二次電池の実施例および比較例について、図面を適宜参照しつつ説明する。ここで、本実施形態のハイブリッド型電気自動車は、車両側システムのバッテリに対する入出力要求が、最大入力要求よりも最大出力要求が大きい出力重視型システムを備える例である。
なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態および比較例は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

＜ハイブリッド型電気自動車の構成について＞
［駆動系の構成］
まず、ハイブリッド型電気自動車の駆動系（パワートレーン）の構成について説明する。
本実施形態の駆動系は、図１に示すように、内燃機関であるエンジン１と、エンジン１に第１クラッチ４を介して接続されたジェネレータ２と、自動変速機（オートマチックトランスミッション（ＡＴ））３とを備える。第１クラッチ４は、例えば油圧式単板クラッチである。エンジン１には、回転数検出センサとして、エンジン回転センサ１０が設けられる。また、ジェネレータ２には、回転数検出センサとして、ＭＧ回転センサ１１が設けられる。エンジン１は、図２に示すエンジンコントローラ２２からの制御指令に基づき、スロットルバルブのバルブ開度等が制御される。

自動変速機３は第２クラッチ５を備え、第２クラッチ５の前後には、入出力軸それぞれの回転数検出センサとして、ＡＴ入力回転センサ１２およびＡＴ出力回転センサ１３が設けられている。第２クラッチ５は、例えば油圧式多板クラッチである。自動変速機３は、図２に示す統合コントローラ２１からの制御指令に基づき変速比を自動的に切り換える。
ジェネレータ２は、例えばロータに永久磁石を埋設しステータにステータコイルを巻き付けた同期型モータである。このジェネレータ２が、第２クラッチ５およびディファレンシャルギア６を介して左右の駆動輪７Ｌ、７Ｒに連結されトルク伝達経路が構成されている。駆動輪となる各車輪７Ｌ，７Ｒは、ブレーキユニット（不図示）をそれぞれ有し、図２に示すブレーキコントローラ２５からの指令に応じて、対応する車輪に制動力が付与される。

ジェネレータ２は、図２に示すモータコントローラ２３からの制御指令に基づき、後述のインバータ８で作り出した三相交流を印加することで制御される。ジェネレータ２は、図２に示すバッテリ９からの電力の供給を受けて回転駆動する電動機として動作する（この状態を「力行」と呼ぶ）。
また、ジェネレータ２は、ロータが外力により回転している場合には、ステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機として機能してバッテリ９を充電する（この動作状態を「回生」と呼ぶ）。ジェネレータ２のロータは、ダンパー（不図示）を介して自動変速機３の入力軸に連結される。

第１クラッチ４は、統合コントローラ２１からの制御指令に基づき、第１油圧ユニット１４から供給される制御油圧により、入力された目標クラッチ伝達トルクとなるように締結状態若しくは開放状態となる。第１油圧ユニット１４は、図２に示すＡＴコントローラ２４からの指令信号（制御電流）に応じて、第１クラッチ４に供給する油圧を制御する。なお、各油圧ユニット１４、１５の油路には、各クラッチ４、５に供給される油圧を検出する油圧センサ（不図示）が付設されている。油圧センサが検出した油圧情報は、ＡＴコントローラ２４に出力される。
自動変速機３の第２クラッチ５は、統合コントローラ２１からの制御指令に基づき、第２油圧ユニット１５から供給される制御油圧により、目標クラッチ伝達トルクとなるように締結状態若しくは開放状態となる。第２油圧ユニット１５は、ＡＴコントローラ２４からの指令信号（制御電流）に応じて、第２クラッチ５に供給する油圧を制御する。

［制御系の構成］
次に、上記ハイブリッド型電気自動車の制御系の構成について説明する。
制御系は、図２に示すように、インバータ８、バッテリ９および統合コントローラ２１を備える。統合コントローラ２１には、相互に情報交換が可能なＣＡＮ通信線を介して、エンジンコントローラ２２、モータコントローラ２３、ＡＴコントローラ２４、ブレーキコントローラ２５、およびバッテリコントローラ２６がそれぞれ接続されている。
また、統合コントローラ２１には、上述した駆動系の各センサ１０、１１、１２、１３が接続されるとともに、アクセルセンサ（ＡＰＯセンサ）２０、およびブレーキペダル（不図示）の操作を検出するブレーキスイッチ２９、並びに、運転者に走行状態等の必要な情報を表示するメータ３５が信号線を介して接続されている。

アクセルセンサ２０は、アクセルペダル３３のアクセル開度を検出するセンサであり、検出したアクセル開度情報を統合コントローラ２１に出力する。ブレーキコントローラ２５には、車輪速センサ２７Ｌ，２７Ｒが接続されている。車輪速センサ２７Ｌ，２７Ｒは、図１に示すように、左右の駆動輪７Ｌ，７Ｒそれぞれの車輪速（例えば、車輪の回転速度に応じた周波数あるいは回転周期を示すパルス信号）を検出可能に設けられている。車輪速センサ２７Ｌ，２７Ｒは、検出した車輪速情報をブレーキコントローラ２５に出力する。また、車輪速情報から求まる車速情報は、ブレーキコントローラ２５から統合コントローラ２１に出力される。

バッテリコントローラ２６には、電圧センサ１８および電流センサ１９が付設されている。電圧センサ１８は、バッテリ９の電圧を検出するセンサであり、検出した電圧情報をバッテリコントローラ２６に出力する。また、電流センサ１９は、バッテリ９の電流を検出するセンサであり、検出した電流情報をバッテリコントローラ２６に出力する。
インバータ８は、バッテリ９からの直流電流を交流電流に変換し、ジェネレータ２の駆動電流を生成するとともに、ジェネレータ２からの交流電流を直流電流に変換してバッテリ９の充電電流を生成する。バッテリ９は、ジェネレータ２にインバータ８を介して電力を供給するとともに、ジェネレータ２からの回生エネルギーを、インバータ８を介して蓄電する。

統合コントローラ２１には、上述した駆動系の各センサ１０、１１、１２、１３からの情報が入力されるとともに、アクセルセンサ２０からアクセル開度情報、および、バッテリコントローラ２６からのバッテリ９の蓄電状態情報が入力される。また、統合コントローラ２１は、ＣＡＮ通信線を介して取得した情報を出力する。
また、統合コントローラ２１は、エンジンコントローラ２２への制御指令により、エンジン１の動作制御を実行するとともに、モータコントローラ２３への制御指令により、ジェネレータ２の動作制御を実行する。さらに、統合コントローラ２１は、ＡＴコントローラ２４への制御指令により、第１クラッチ４の締結・開放制御、および、第２クラッチ５の締結・開放制御を実行する。

エンジンコントローラ２２は、統合コントローラ２１を介してエンジン回転センサ１０からのエンジン回転数情報を取得するとともに、統合コントローラ２１からの目標エンジントルク等に応じて、エンジン動作点を制御する指令を、例えばスロットルバルブアクチュエータ（不図示）に出力する。
モータコントローラ２３は、統合コントローラ２１を介して、ＭＧ回転センサ１１からの、ジェネレータ２のロータ回転位置の検出情報を取得するとともに、統合コントローラ２１からの目標モータトルクや回転数指令等に応じて、ジェネレータ２のモータ動作点を制御する指令をインバータ８に出力する。

ＡＴコントローラ２４は、統合コントローラ２１を介して、第１クラッチ４及び第２クラッチ５に供給される油圧を検出する各油圧センサからのセンサ情報を取得する。そして、ＡＴコントローラ２４は、統合コントローラ２１からのアクセル開度情報、車速情報、第１及び第２クラッチ制御指令（目標第１クラッチトルク、目標第２クラッチトルク）に応じて、第２クラッチ５の締結・開放を制御する制御指令を第２油圧ユニット１５に出力するとともに、第１クラッチ４の締結・開放を制御する制御指令を第１油圧ユニット１４に出力する。

ブレーキコントローラ２５は、車輪の各車輪速を検出する車輪速センサ２７Ｌ，２７Ｒ等からのセンサ情報を取得し、予め設定した制御サイクルで、ブレーキペダルのストローク量などからの制動要求量や車速に基づき目標減速度を演算する。そして、ブレーキコントローラ２５は、制動要求量に対し、統合コントローラ２１からの回生協調制御指令に基づいて回生協調ブレーキ制御を実行し、回生ブレーキ要求トルク、及び、機械制動力（油圧制動力）としての目標油圧制動力に制動力配分を行う。
バッテリコントローラ２６は、バッテリ９の充電状態をあらわすバッテリＳＯＣを監視し、バッテリＳＯＣ情報を、ジェネレータ２の制御情報等として、ＣＡＮ通信線を介して統合コントローラ２１に出力する。ここで、バッテリ９は、複数のバッテリモジュールを複数段重ねたスタックを有し、パックケース内に収容されている。スタックは、図３に示すリチウムイオン二次電池９Ａを複数備えて構成される。

このハイブリッド型電気自動車において、車両停止中にバッテリＳＯＣが低下したときは、統合コントローラ２１は、エンジン１を始動して発電を行い、バッテリ９を充電する。バッテリＳＯＣが通常範囲になれば、統合コントローラ２１は、第１クラッチ４を締結状態で第２クラッチ５を開放状態でエンジン１を停止する。また、統合コントローラ２１は、エンジン１による発進時には、アクセル開度とバッテリＳＯＣ状態とに応じて、ジェネレータ２を連れ回し力行／発電に切り替える。
モータ走行（ＥＶモード）時は、統合コントローラ２１は、エンジン始動に必要なモータトルクとバッテリ出力を確保し、不足する場合にはエンジン走行に移行する。また、例えば、予め設定したマップ等に基づき設定した所定車速以上になると、モータ走行からエンジン走行（ＨＥＶモード）に移行する。

また、エンジン走行時において、統合コントローラ２１は、アクセル踏み込み時のレスポンス向上のために、エンジントルク遅れ分をジェネレータ２によりアシストする。すなわち、エンジン走行中は、エンジン１の動力だけ、若しくは、エンジン１及びジェネレータ２の動力の両方で走行する。
ブレーキＯＮによる減速時には、統合コントローラ２１は、運転者のブレーキ操作に応じた減速力を回生協調ブレーキ制御にて得る。エンジン走行やモータ走行中における変速時には、統合コントローラ２１は、加減速中の変速に伴う回転数を合わせるために、ジェネレータ２を回生／力行させ、トルクコンバータ無しでのスムーズな変速を行う。

このようにして、統合コントローラ２１は、上述した各種センサ、各コントローラからデータを受信し、各指令値の算出処理を実行して、車両全体の消費エネルギーを管理するとともに、最高効率を目標値として車両を走行させる制御を統合的に実行する。
ここで、本実施形態の統合コントローラ２１は、車両側システムのバッテリ９に対する入出力要求値として、最大入力要求よりも最大出力要求が大きい出力重視型システムを備える。
具体的には、統合コントローラ２１は、バッテリ９への最大入力要求Ｗ_ｉｎに対する最大出力要求Ｗ_ｏｕｔの比の値（Ｗ_ｏｕｔ／Ｗ_ｉｎ）が、１．５以上に設定されている制御プログラムを備え、この制御プログラムに基づき、バッテリ９のリチウムイオン二次電池を、ＳＯＣ５０％がＳＯＣ変動の中心となるように充放電制御を行って、車両全体の消費エネルギーを管理する。

一方、このハイブリッド型電気自動車に搭載されるバッテリ９は、車両側の出力重視型システムとの「相性」を検討した上で、出力重視型システムに好適なリチウムイオン二次電池が選定され、これを搭載している。
具体的には、本実施形態のバッテリ９を構成するリチウムイオン二次電池は、その最大入力値Ｐ_ｉｎ、最大出力値Ｐ_ｏｕｔ、最大入力要求Ｗ_ｉｎ、及び最大出力要求Ｗ_ｏｕｔが下記（式１）を満たす。さらに、本実施形態のバッテリ９を構成するリチウムイオン二次電池は、正極の活物質層が、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）を８０質量％以上含むとともに、負極の活物質層が、黒鉛を８０質量％以上含むものである。
（Ｐ_ｉｎ＋Ｐ_ｏｕｔ）／３＜（Ｗ_ｉｎ＋Ｗ_ｏｕｔ）（式１）

＜リチウムイオン二次電池の構成について＞
次に、上記バッテリ９に用いる出力重視型システム対応用のリチウムイオン二次電池の構成について詳しく説明する。なお、バッテリ９の各スタックは、複数のリチウムイオン二次電池を備えているが、以下の説明では、一のリチウムイオン二次電池９Ａについて説明する。
図３に示すように、このリチウムイオン二次電池９Ａ（以下、単に「電池」ともいう）は、略矩形のシート状の外観形状を有する積層型電池である。電池９Ａは、ラミネートフィルムによって形成された外装体４０を備える。外装体４０の周縁部には、負極端子５１及び正極端子５２が設けられている。本実施形態の電池９Ａでは、略矩形の外装体４０の周縁部の一辺に、負極端子５１及び正極端子５２が隣り合って設けられる。また、負極端子５１及び正極端子５２は、それぞれ外装体４０の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。

電池９Ａは、図４に示すように、負極６１及び正極６２がセパレータ６３を介して積層された発電要素６０と、発電要素６０に浸潤された電解液７０とを外装体４０内に備える。負極６１、正極６２及びセパレータ６３は、いずれも膜状であり、発電要素６０は平板状をなす。負極６１、正極６２及びセパレータ６３は空孔を有し、電解液７０と接触すると電解液７０が浸潤する。
発電要素６０は、同図に示すように、負極６１と正極６２とがセパレータ６３を介して交互に複数積層された構造を有する。負極６１は、負極集電体６１Ａの両主面上に負極活物質層６１Ｂ、６１Ｂを有する。負極活物質層６１Ｂは、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る負極活物質を含有している。本実施形態では、負極活物質層６１Ｂは、黒鉛を８０質量％以上含有している。

また、正極６２は、正極集電体６２Ａの両主面上に正極活物質層６２Ｂ、６２Ｂを有する。正極活物質層６２Ｂは、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る正極活物質を含有している。本実施形態では、正極活物質層６２Ｂは、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）を８０質量％以上含有している。なお、正極活物質層６２Ｂとして、コバルト酸リチウムのコバルトの一部をニッケルとマンガンで置換した三元系材料〔Ｌｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ_２〕を含むものを用いることは好ましい。
発電要素６０は、隣接する負極活物質層６１Ｂ、セパレータ６３及び正極活物質層６２Ｂが１つの単電池層６４を構成する。負極端子５１及び正極端子５２の端部のうち、外装体４０内に配される端子端部は、外装体４０内に封入された発電要素６０の負極集電体６１Ａ及び正極集電体６２Ａそれぞれのタブ部分に、例えば溶接によって電気的に接続される。

これにより、本実施形態のリチウムイオン二次電池９Ａは、単電池層６４が複数積層されて、電気的に並列接続される。なお、同図に示す例では、図示を単純化して構成の理解を容易にするために、３枚の負極６１と２枚の正極６２とが４枚のセパレータ６３を介して交互に複数積層された電極積層体を示しているが、負極６１、正極６２及びセパレータ６３の数は、これに限定されない。また、後述する比較例および実施例において説明するように、上記バッテリ９用のリチウムイオン二次電池９Ａとしては、１０層重ねて電極積層体とした発電要素６０を用いており、特に、容量（Ｗｈ）に対する出力（Ｗ）の比の値（Ｗ／Ｗｈ）が、２５以上に設定される。

＜リチウムイオン二次電池９Ａの実施例および比較例並びにその製造方法について＞
次に、上述したリチウムイオン二次電池９Ａの実施例および比較例並びにその製造方法について説明する。
負極６１の製造に際しては、負極活物質としての黒鉛またはハードカーボンと導電助剤としてのカーボンブラックと結着剤としてのフッ素樹脂とを、所定の配合量でＮ−メチル−２−ピロリドン等の溶剤中に分散させてスラリーを得た。そして、このスラリーを銅箔（８μｍ）の負極集電体６１Ａに塗布し、乾燥させ、負極活物質層６１Ｂを形成して負極６１を作製した。なお、得られた負極６１は、ロールプレス等の方法により圧縮して適当な密度に調整してもよい。

本実施形態では、負極６１用の負極板として、表１に示すように、黒鉛（図表中にて「Ｇｒ」と略記する）およびハードカーボン（図表中にて「ＡＣ」と略記する）の含有量を異なる割合にした４種類（負極−１から負極−４）を用意し、容量が１．１５［ｍＡｈ／ｃｍ^２］、空孔率が３５（％）になるように膜厚を調整した。調整後の膜厚を併せて示す。なお、同表に記載の無い単位は［重量％］である。

また、正極６２の製造に際しては、正極活物質としてのリチウムマンガン複合酸化物と導電助剤と結着剤とを、所定の配合量でＮ−メチル−２−ピロリドン等の溶剤中に分散させてスラリーを得た。そして、このスラリーをホットプレート上にてドクターブレード等を用いてアルミニウム箔（１５μｍ）の正極集電体６２Ａに塗布し、乾燥させ、正極活物質層６２Ｂを形成して正極６２を作製した。なお、得られた正極６２は、ロールプレス等の方法により圧縮して適当な密度に調整してもよい。
本実施形態では、正極６２用の正極板として、表２に示すように、コバルト酸リチウムのコバルトの一部をニッケルとマンガンで置換した三元系材料〔Ｌｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ_２〕（以下、「ＮＭＣ」とも略記する。なお、本実施形態では、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏの割合は、１：１：１（モル比）とした。）およびマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）（以下、単に「ＬＭＯ」とも略記する）の含有量を異なる割合にした６種類（正極−１から正極−６）を用意し、容量が１．００［ｍＡｈ／ｃｍ^２］、空孔率が３０（％）になるように膜厚を調整した。調整後の膜厚を併せて示す。なお、同表に記載の無い単位は［重量％］である。

セパレータ６３は、ポリプロピレン多孔膜からなる帯状セパレータ材を用意し、その帯状セパレータ材を所望の寸法にて矩形状に切断して作製した。ハイブリッド型電気車に搭載する場合には、セパレータ６３の面積が７５ｃｍ^２以上の平板状のものを用いることが好ましい。
そして、表３に示すように、上記４種類の負極６１、セパレータ６３、及び上記６種類の正極６２を組み合わせて計２４種類（セル１からセル２４）の発電要素６０を構成した。
各発電要素６０は、正極６２をサイズ１００ｍｍ×１００ｍｍの矩形に切り出し、対向する負極６１をサイズ１０２ｍｍ×１０２ｍｍの矩形に切り出した。なお、それらの周縁部のうち一辺の端部は、上記の端子５１、５２を接続するために活物質未塗布のタブ部分（箔部分）としている。

本実施形態では、セパレータ６３の両面に負極６１と正極６２とを両活物質層がセパレータ６３を隔てて重なるように配置したものを１０層重ねた電極積層体として各発電要素６０を得た。そして、この発電要素６０の正極６２のタブ部分にアルミニウム製の正極端子５２を超音波溶接した。同様に、負極６１のタブ部分にニッケル製の負極端子５１を超音波溶接した。
セル１からセル２４の発電要素６０を、外装体４０となる２枚のアルミニウム製のラミネートフィルムで包み、負極端子５１及び正極端子５２の先端が、それぞれラミネートフィルムの外部に突出するように位置させつつ、長辺の一方を除いて三辺の周縁部同士を熱融着により接着して袋状の外装体４０とした。

次いで、六フッ化リン酸リチウム等のリチウム塩とエチレンカーボネート等の有機溶媒とを含有する電解液７０を、外装体４０の開口から内部に所期の量だけ注液して真空含浸させた。電解液７０の所期の量は、各発電要素６０とセパレータの空孔に対して１４５％の液量とした。電解液７０を所期の量だけ注液後に、外装体４０の開口を減圧下にて熱融着し外装体４０を密閉した。
これにより、図３および図４に示した、ラミネート型のリチウムイオン二次電池９Ａをセル１からセル２４の２４種類作成した。各リチウムイオン二次電池９Ａの初充電を行った後、４５℃でエージングを数日間行い、表３および表４に表す、各実施例および各比較例の電池を得た。

ここで、表３および表４には、セル１からセル２４それぞれについて、各セルを構成する正極および負極の組み合わせを示すとともに、表３には、その組み合わせによる各セルのセル情報（厚み［ｍｍ］、容積［Ｌ］、平均電圧［Ｖ］、容量［ｍＡｈ／ｃｍ^２］、Ｗｈ／Ｌ、Ｗ／Ｌ）、並びに、所定の充電量（ＳＯＣ）における最大出力［Ｗ］、同じく最大入力［Ｗ］、ＳＯＣ５０％時の最大出入力比、および出力容量比（Ｗ／Ｗｈ）を示している。
また、表４には、システム側からの入出力要求（最大出入力比）を基準としたときに、セル１からセル２４それぞれについて、各セルの組み合わせにおいて対応可能な、ＳＯＣの範囲（Ｕｓａｂｌｅ−ｒａｎｇｅ［％］）並びに、ＳＯＣの出力端でシステム側要求に応答可能なＳＯＣの値［ＳＯＣ％］、およびＳＯＣの入力端でシステム側要求に応答可能なＳＯＣの値［ＳＯＣ％］をそれぞれ示している。

なお、各セルの性能評価要領は以下のとおりである。
＜初回充放電効率＞
セル１からセル２４の各電池９Ａに対し（以下同様）、初回充放電は、雰囲気温度２５℃で、０．１Ｃ電流、上限電圧４．２Ｖでの定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）充電を行った。その後、４５℃で数日間エージングを行った。その後、３．０Ｖまで０．２Ｃ電流での定電流放電を行った。初回充放電効率は、再度電池電圧４．２ＶまでＣＣ−ＣＶ充電を行い、電池電圧３．０Ｖまで０．２Ｃで放電したときの放電電気量と上記の初回充電容量との比（０．２Ｃ放電容量／初回充電容量）から求めた。

＜残容量（ＳＯＣ）＞
残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ）とは、各電池９Ａの使用電圧範囲における電池の容量に対する充電量を百分率で表した値である。本実施例では、各電池９Ａの使用電圧範囲を３．０Ｖ（ＳＯＣ０％）から４．２Ｖ（ＳＯＣ１００％）をＳＯＣの範囲とした。
＜ＳＯＣの調整＞
上記で求めた各電池９Ａの容量に対し、所望の充電量（ＳＯＣ）となるように、電池電圧３Ｖの状態から０．２Ｃ電流でＣＣ充電した。この状態で１時間放置した後の電池電圧を所望のＳＯＣにおける電圧値とした。

＜ＳＯＣ−ＯＣＶ（残容量−開放電圧）の測定＞
電池電圧３Ｖの状態からＳＯＣがＸ％となるまで０．２ＣＣ電流でＣＣ充電した。
（Ｘ＝１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００）
この状態で１時間放置した後の電池電圧を、Ｘ％ＳＯＣ−ＯＣＶ（単位：Ｖ）、すなわち残容量Ｘ％の電池の開放電圧の値とした。
＜電池容量＞
上記の５０％ＳＯＣ−ＯＣＶの値（単位：Ｖ）と、０．２Ｃ電流での充電による電池容量（４．２Ｖから３．０Ｖまで０．２Ｃ放電したときの放電電流値と時間の積）の値（単位：Ａｈ）との積を、電池容量（単位：Ｗｈ）とした。

＜出力の測定＞
上記のＸ％ＳＯＣ−ＯＣＶの状態から２５℃で、１０秒間で下限電圧（３Ｖ）に達するための最大電流値を測定した。このとき、Ｘ％ＳＯＣ−ＯＣＶの値と、最大電流値（単位：Ａ）との積を、電池出力（単位：Ｗ）とした。なお、Ｘ＝５０のときの電池出力を電池の最大出力とする。
＜出力容量比（Ｗ／Ｗｈ）＞
出力容量比は、上記で測定した最大出力と容量との比（最大出力／容量）で算出した。

ここで、上述したように、実際の車両側のシステムと電池との間には、いわば「相性」がある。そこで、本実施形態では、出力重視型システムを備えるハイブリッド型電気自動車用として、電池のＳＯＣに対する使用範囲が目標値よりも広くなるように、システム側との相性が良い電池を選定する。以下、上記用意したセル１からセル２４の各電池９Ａを比較参照しつつ、出力重視型システム用として好適な電池を選定する方法について説明する。
本実施形態の適正電池選定方法は、図５に模式的なグラフ（ａ）、（ｂ）を対比して示すように、選定対象とする電池のＳＯＣ％と当該電池に入出力し得る電力値との関係から、車両システム側で予め設定された電池への最大要求出力と最大要求入力とに基づき、電池のＳＯＣに対する使用範囲を判定する。

つまり、同図において、同図（ａ）は、正極の活物質層が、コバルト酸リチウムのコバルトの一部をニッケルとマンガンで置換した三元系材料〔Ｌｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ_２〕（以下、「ＮＭＣ系」ともよぶ）を主体とし、負極の活物質層が黒鉛を主体としている電池の傾向を示すグラフである。また、同図（ｂ）は、正極の活物質層が、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）（以下、「ＬＭＯ系」ともよぶ）を主体とし、負極の活物質層が黒鉛を主体としている電池の傾向を示すグラフである。
ＮＭＣ系の電池の場合は、同図（ａ）に示すように、ＳＯＣ５０％を中心として見たとき、入力側（同図右側のＳＯＣ％の高い側）と出力側（同図左側のＳＯＣ％の低い側）とは、左右のカーブが略対称な山形傾向を示す。これに対し、ＬＭＯ系の電池の場合は、同図（ｂ）に示すように、入力側と出力側とは、入力側が下がる一方、出力側が上がるように、左右のカーブが上下に乖離する非対称な山形傾向を示す。

いま、このような異なる傾向を示すＮＭＣ系、およびＬＭＯ系の電池に対し、車両側のシステムが、電池への最大要求出力が６５０Ｗ、また、最大要求入力が３００Ｗである場合を想定する。この場合において、同図（ａ）に示すＮＭＣ系の電池であると、最大要求出力が６５０Ｗのとき、電池の出力側カーブはＳＯＣ５０％以上でなければ出力要求に応答できないことがわかる。一方、このＮＭＣ系の電池において、最大要求入力が３００Ｗのときは、ＳＯＣ９０％まで入力要求に応答できることがわかる。
これに対し、同図（ｂ）に示すＬＭＯ系の電池であると、最大要求出力が６５０Ｗのとき、電池の出力側カーブはＳＯＣ３０％まで出力要求に応答できる。一方、このＬＭＯ系の電池においては、最大要求入力が３００Ｗのときであっても、ＳＯＣ８５％までしか入力要求に応答できない。

よって、同図（ａ）、（ｂ）の電池を相互に比較すると、高い出力要求に対しては、（ｂ）に示すＬＭＯ系の電池の方が、（ａ）に示すＮＭＣ系の電池よりもＳＯＣに対する使用範囲を広く用い得る。したがって、ＬＭＯ系の電池の方が、電池への最大出力要求が最大入力要求よりも大きい出力重視型システムとの相性が良いことが理解される。
これに対し、要求入力に対しては、（ａ）に示すＮＭＣ系の電池の方が、（ｂ）に示すＬＭＯ系の電池よりもＳＯＣに対する使用範囲を広く用い得る。よって、ＮＭＣ系の電池の方が、電池への最大出力要求と最大入力要求とが比較的近い値に設定される燃費重視型システムとの相性が良いことが理解される。

そこで、上記考察した「相性」に基づいて、セル１からセル２４それぞれについて、表４に示した結果を整理した内容を表５〜表８、および図６〜図９に示す。

なお、表５〜表８は、上記４種類の負極６１と６種類の正極６２とを組み合わせた２４種類（セル１からセル２４）の発電要素６０それぞれのＳＯＣに対する使用範囲（ＳＯＣ％）を示し、表５は、車両側システムの最大出入力比が１：１（＝１）の場合、表６は、車両側システムの最大出入力比が５：４（＝１．２５）の場合、表７は、車両側システムの最大出入力比が３：２（＝１．５）の場合、表８は、車両側システムの最大出入力比が２：１（＝２）の場合をそれぞれ示している。

また、図６〜図９は、ＳＯＣ（横軸）と入出力可能な電力との関係を示しており、各図の凡例において、「ＬＭＯ系」とは、セル１からセル２４のうち、正極の活物質層が、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）を８０質量％以上含む例をいう。また、「ＮＭＣ系」とは、セル１からセル２４のうち、正極の活物質層が、コバルト酸リチウムのコバルトの一部をニッケルとマンガンで置換した三元系材料〔Ｌｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ_２〕を８０質量％以上含む例をいう。また、「ＬＭＯ＋ＮＭＣ」とは、セル１からセル２４のうち、上記ＬＭＯ系およびＮＭＣ系を除く他の例をいう。そして、図６〜図９の各図は、上記４種類の負極−１から負極−４を基準に区分して各セルの結果を整理している。

次に、図６並びに表５および表８に示すＬＭＯ系のセル５、セル６を参照して、出力重視型システムに対する適正電池選定方法について説明する。なお、他のセルに対するシステム側との適正判定についても判定の手順自体は同様のステップを経る。そのため、他のセルに対する個別の判定については結果のみを表に示す。
図６において、凡例で○印（白抜きと斜線の二つ）で示すグラフがＬＭＯ系のセル５、セル６に対応する。ここで、本実施形態では、システム側の最大出入力比の設定に際し、最大出力要求値＋最大入力要求値＝３００Ｗとなる場合を、各セル１〜２４に対するシステム側の基準値として設定した。

この場合において、表５に示す最大出入力比が１：１（＝１）とは、本実施形態の例では、最大出力要求値および最大入力要求値が１５０Ｗとなる意味である。同様に、表８に示す最大出入力比が２：１（＝２）とは、最大出力要求値が２００Ｗおよび最大入力要求値が１００Ｗとなる意味である。また、他のセルに対する適正判定について同様である。
この設定条件において、図６を参照すると、ＬＭＯ系のセル５、セル６に対し、最大出入力比が１：１（＝１）のときは、１５０Ｗの線とグラフが交差する位置を見ると、出力側がＳＯＣ約２０％前後であり、入力側がＳＯＣ約６０％前後である。よって、この電池のＳＯＣ全体に対する使用範囲は、４０％前後（表５において、４１％、３５％）という狭い範囲となることがわかる。

これに対し、図６において、ＬＭＯ系のセル５、セル６に対し、最大出入力比が２：１（＝１）のとき、最大出力要求値に対応する２００Ｗの線とグラフが交差する位置を見ると、出力側では約ＳＯＣ３０％程度であるのに対し、最大入力要求値に対応する１００Ｗの線とグラフが交差する位置を見ると、入力側で約ＳＯＣ８０％程度まで使用可能である。よって、この電池のＳＯＣ全体に対する使用範囲は、５０％前後（表８において、４９％、５０％）という広い範囲が得られる。
いま、電池への最大出力要求と最大入力要求とが比較的近い値に設定される燃費重視型システムと、電池への最大出力要求が最大入力要求よりも大きい値に設定される出力重視型システムとのいずれかに搭載する場合を考える。

上記のように、ＬＭＯ系のセル５、セル６は、最大出入力比が２：１（＝２）のときには、５０％前後の広い範囲が得られる上、最大出力要求値に対してもＳＯＣ３０％程度まで応答可能である。他方、最大出入力比が１：１（＝１）のときには、最大出力要求値に対しては問題が無いものの、使用可能なＳＯＣの範囲が、４０％前後の狭い範囲となる。よって、ＬＭＯ系のセル５、セル６は、比較的に、燃費重視型システムには不向きであり、出力重視型システムとの相性が良いといえる。

本願発明者らは、以上の検討結果を踏まえたときに、本実施形態の出力重視型システムにおいて、快適な走行性をユーザーに提供する上で、電池のＳＯＣに対する使用範囲は、多くの実験の結果から、４８％以上が適当であると判断した。また、電池の入出力値を大きくするために容積を大きくすれば、システムの入出力に対して電池の入出力に余裕が生まれる。よって、電池入出力とシステムの入出力要求がこのようなバランスの場合は、本実施形態のように電池を選定することで電池の使用可能なSOC範囲は変わらず、電池を選択する効果はない。従って、ハイブリッド型電気自動車のような限定された搭載条件下においては、リチウムイオン二次電池は、その最大入力値Ｐ_ｉｎ、最大出力値Ｐ_ｏｕｔ、最大入力要求Ｗ_ｉｎ、及び最大出力要求Ｗ_ｏｕｔが下記（式１）を満たすことが望ましいと判断した。つまり、（Ｐ_ｉｎ＋Ｐ_ｏｕｔ）／３≧（Ｗ_ｉｎ＋Ｗ_ｏｕｔ）だと、セルの入出力に対する要求が小さい為、材料系によらず電池の使用可能なＳＯＣ範囲は変わらないからである。
（Ｐ_ｉｎ＋Ｐ_ｏｕｔ）／３＜（Ｗ_ｉｎ＋Ｗ_ｏｕｔ）（式１）

また、本実施形態の仕様の電池は、出力重視型システムに搭載する場合は、リチウムイオン二次電池への最大入力要求に対する最大出力要求の比の値（Ｗ_ｏｕｔ／Ｗ_ｉｎ）が、１．５以上とすることが望ましいと判断した。
以上の検討に基づき、用意した他のセルについても同様の判定を行ったところ、最大入力要求の比の値が１．５以上である出力重視型のシステム側要求に対応して、ＳＯＣ使用範囲が４８％以上得られるセルは、表７および表８に太線で枠囲みする６種類のセル（セル５、６、１１、１２、１７、１８（表３、４の実施例１〜６））であり、これら実施例１〜６のセルは、上記設定条件下にて、ＳＯＣ使用範囲が４８％以上得られるため、出力重視型システムを有する車両搭載用として好適であると判定された。

上述したように、本実施形態のハイブリッド型電気自動車は、車両電源に対する最大出入力要求の比の値が１．５以上となる出力重視型システムを有するところ、搭載されるバッテリ９のリチウムイオン二次電池９Ａは、システム側での最大要求出入力比に応じて、（式１）に規定される限られた容積内で、両極の活物質層の構成が実施例１〜６のように、所定に設定される。よって、車両のシステム側に対応して電池のＳＯＣに対する使用範囲を広く（４８％以上）用いることができる。したがって、本実施形態のハイブリッド型電気自動車によれば、例えばスポーツ走行を重視するような出力重視型システムに対して、快適な走行性をユーザーに提供できる。

１エンジン
２ジェネレータ
３自動変速機
４第１クラッチ
５第２クラッチ
７Ｌ左駆動輪
７Ｒ右駆動輪
８インバータ
９バッテリ
９Ａリチウムイオン二次電池
２０アクセルセンサ
２１統合コントローラ
２２エンジンコントローラ
２３モータコントローラ
２４ＡＴコントローラ
２５ブレーキコントローラ
２６バッテリコントローラ
３３アクセルペダル
４０外装体
５１負極端子
５２正極端子
６０発電要素
６１負極
６２正極
６３セパレータ
６４単電池層
７０電解液

Claims

モータとエンジンとを併用して自車両を駆動するシステムと、前記システム側からの入出力要求に応じて、前記モータに電力を供給して自車両を駆動させ且つ回生発電による電力の供給を受けて充電をするリチウムイオン二次電池と、を備えるハイブリッド型電気自動車であって、
前記システムは、前記リチウムイオン二次電池への最大入力要求Ｗ_ｉｎに対する最大出力要求Ｗ_ｏｕｔの比の値（Ｗ_ｏｕｔ／Ｗ_ｉｎ）が、１．５以上に設定されており、
前記リチウムイオン二次電池の最大入力値Ｐ_ｉｎ、最大出力値Ｐ_ｏｕｔ、前記最大入力要求Ｗ_ｉｎ、及び前記最大出力要求Ｗ_ｏｕｔが下記（式１）を満たし、
前記リチウムイオン二次電池は、正極の活物質層が、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）を８０質量％以上含むとともに、負極の活物質層が、黒鉛を８０質量％以上含むものであることを特徴とするハイブリッド型電気自動車。
（Ｐ_ｉｎ＋Ｐ_ｏｕｔ）／３＜（Ｗ_ｉｎ＋Ｗ_ｏｕｔ）（式１）
前記リチウムイオン二次電池は、容量（Ｗｈ）に対する出力（Ｗ）の比の値（Ｗ／Ｗｈ）が、２５以上である請求項１に記載のハイブリッド型電気自動車。
前記システムは、前記リチウムイオン二次電池を、ＳＯＣ５０％がＳＯＣ変動の中心となるように充放電制御する請求項１または２に記載のハイブリッド型電気自動車。
前記リチウムイオン二次電池は、前記正極の活物質層に、コバルト酸リチウムのコバルトの一部をニッケルとマンガンで置換した三元系材料〔Ｌｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ_２〕を含むものである請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッド型電気自動車。