JP6660051B2 - 二次電池ユニット及びそれを備える二次電池システム - Google Patents

Description

本発明は、二次電池ユニット及びそれを備える二次電池システム、さらに詳述すれば、電気エネルギーにより移動する移動体に用いる二次電池システムに関する。

近年の地球温暖化防止及びクリーンで安全なエネルギーへの要求に応えるために、省資源、エネルギー消費低減及び自然エネルギーの有効利用が求められている。この観点より、石油や天然ガスなどの化石燃料を原料として精製されるガソリンなどの液体燃料の代わりに、電力をエネルギー源として用いることが有効である。電力をエネルギー源として、非軌道を走行する自動車等の移動体（以降、「電気自動車」と総称する）では、必要な設備の規模及び整備と安全上の理由により、電力供給は有線や無線などの手段で電気エネルギーを直接供給するより、放電装置としての電池の形で電気エネルギーを供給することが実際的である。電池はその容量分を放電すると、一次電池では新しい電池に交換しなければならず、二次電池では充電しなければならず、燃料電池では燃料を補充する必要がある。

一次電池は、電気容量、省資源、及び自然エネルギーの有効利用の要求を満たせない。燃料電池は、電気容量の観点からは好ましく思えるが、安全性及びコスト等の観点より実用段階に至っていない。現状では、燃料製造に消費されるエネルギーは、二次電池の充電
に消費されるエネルギーの３倍程度であり、且つ電気への変換時の損失のために、発電（エネルギー変換）効率、省資源及び省エネの観点より、燃料電池は二次電池に及ばない。つまり、燃料電池は自然エネルギーの有効利用の要求を満たせない。一方、二次電池は、自然エネルギーを利用して発電した電気で充電できるので、自然エネルギーの有効利用の要求を満たす。また、電気容量及び安全の観点から電動機の性能向上と急速充電による充電時間の短縮化と相まって、電気自動車のエネルギー源として二次電池（以降、「車両用電池」）が用いられている。

電気自動車の普及には、電池や電動機の性能向上や車体の軽量化等の本質的な要求と共に、電気エネルギーの補充時間短縮という利便性に対する要求を満たす必要がある。二次電池に蓄積できる電気エネルギーの量（以降、「蓄電容量」）は限られており、一回の充電で電気自動車が走行できる距離（以降、「１充電走行距離」）も限られている。そのために、二次電池が完全放電する前に、いわゆる充電スタンドや自宅などで充電する必要がある。

例えば、一日の走行距離が１充電走行距離より短い場合には、自宅で一般用のＡＣ２００ＶまたはＡＣ１００Ｖの電源を利用して時間をかけて充電できる。しかしながら、１充電走行距離より長距離を走行する場合には、走行を一旦中断して、急速に充電をする必要がある。現時点では、急速充電といえども数十分の時間と高電圧高電流とを要し、現状のガソリンの給油体制（５、６分で給油終了）に比べて利便性が劣ると共に作業の安全性及び設備や管理体制の確保に対する要求が大である。電気自動車では複数の二次電池が直列に接続されて用いられる。これらの状況を考慮すると、少なくとも急速充電に対するニーズに対しては、自宅や充電スタンドで、放電した二次電池をその場で充電するのではなく、予め所定量だけ充電された二次電池と交換する方が、時間的及び安全性の観点より望ましい。

急速充電に限らず、二次電池の充電は、蓄電残量に基づいて行われる。電池の残容量は電池の電圧下降量に基づいて経験的に判断されている。つまり、電池の電圧下降量を検出し、検出値を所定の経験式に照らして、電池の残容量が判断されている。

しかしながら、電池の残容量に対する電池端子電圧の変化量（電圧下降量或いは電圧上昇量）は、使用環境や使用履歴（過去の使用状況）に応じて大きく異なる。特に長期間に渡り使用され、劣化した電池においては、電池端子電圧の変化量は残量が少なくなると急激に減少し、従来の経験式に基づく判断値と実際の電池の残容量とが大きく乖離してしまう。この場合、電池の残容量は、実際よりも大きく判断される。

また、長時間の使用により端子電圧が低下した二次電池でもしばらく使用を止めると端子電圧が上昇する。そのために、充電されていないにも関わらず、上昇した端子電圧に基づいて、二次電池の残容量は実際より大きく判断される。ユーザには、あたかも新しい電池のごとく見えてしまう。特に、古い二次電池を搭載した電気自動車では、前日に電気自動車を使用したまま充電を行わなくても、二次電池の端子電圧の上昇により十分な電力が残っていると表示されてしまうおそれがある。

ユーザがこの表示を信じて電気自動車で移動すると、急激な電池の電力残量不足が生じて、交差点や高速道路上でユーザの意に反して電気自動車が停止してしまう事態が起こり得る。また、急速充電を行うと二次電池の内部温度が上昇するため、二次電池の早期の劣化や寿命の短縮を招くが、そのような事態は二次電池の外観や端子電圧の測定値から正確に判断することは非常に困難である。

以上より、二次電池を高品位に充電するためには、二次電池の使用環境や使用履歴（過去の使用状況）等の履歴情報を知る必要がある。従来、そのような履歴情報を知る種々の手段が提案されている。例えば、特許文献１ではバッテリーの充放電の稼働実績に基づく実測データを数値情報として表示及び記憶してバッテリーの使用者及び管理者にこれらの情報を提供するバッテリー測定装置が開示されている。

図５に示すように、バッテリー測定装置１１０は、電動車両などの装置に搭載されるバッテリー１１２と、バッテリー１１２に取り付けられ、バッテリー１１２の放電方向と充電方向の双方向電流値を測定する電流測定装置１１４と、電流測定装置１１４により測定されたバッテリーの双方向電流値を各々所定間隔で積算する積算演算装置１１６と、積算演算装置１１６によりバッテリー１１２の放電方向の電流値が積算された放電容量と、バッテリー１１２の充電方向の電流値が積算された充電容量の数値情報を表示する数値情報表示装置１２０と、積算演算装置１１６により積算された前記放電容量と前記充電容量とを記憶する記憶装置１１８とを備えている。

特許文献２では、電気自動車用のバッテリに対する不正品の出回りの阻止に資するデータ処理システム、電気自動車及びメンテナンスサービスシステムを提案している。図６に示すように、同システムにおいて、複数個のバッテリセル２１００が実装された電気自動車用のバッテリモジュール２１０にマイクロコンピュータ２１３を用いて個々のバッテリセル２１００とバッテリモジュール２１０それ自体の認証を階層的に行うデータ処理システムが採用されている。マイクロコンピュータ２１３にはバッテリの電圧履歴や充電履歴を不揮発性記憶回路（不図示）に蓄積させ、この履歴情報を自動車のＩＤと一緒に電子制御ユニットを介してメンテナンス装置やデータサーバで吸い上げ可能にする自動車を構成し、更にはメンテナンスサービスシステムを構築している。

特許文献３では、蓄電池における非常用電源としての機能を保証しつつ蓄電池の劣化判別を容易に行うことができる蓄電池の劣化判別方法及び劣化判別装置、ならびに非常用電源として必要十分な電気量を充電できる蓄電池の充電方法及び充電装置を提案している。同装置においては、図７に示すように構成されたコントロールユニット３０７の記憶部３５６に記憶されているプログラムによって、蓄電池ユニット３１６内の蓄電池における充放電履歴の実績値が積算され、積算結果と蓄電池の初期容量とに基づき蓄電池の理論残存容量が算出され、算出した理論残存容量に対応した理論電圧値が求められる。蓄電池の実電圧が計測され、実電圧値と理論電圧値とを比較することにより蓄電池の劣化度合が判別される。そして、蓄電池に対して必要充電量の充電をするときには、判別した劣化度合に基づき蓄電池に対する必要充電量が調整される。

特許文献４では、ユーザに対して充電の進行状態を知らせることができる給電システムが提案されている。図８に示すように、同システムにおいては、電動車両の車載電池に給電するための給電スタンド（不図示）と、ユーザが利用する端末機（不図示）と、給電スタンド及び端末機の各々と通信するサーバ４３０とを備える。給電スタンドは、端末機からのサーバ４３０を介した要求に応じて、車載電池への給電を行い、その電力量を計測する。

サーバ４３０は、ユーザとその登録電動車両とを特定するためのユーザマスタ情報と、登録電動車両とその車載電池の充電特性データとを関連付けるテーブルとを有し、充電進行状態演算手段４３４を備える。充電進行状態演算手段４３４は、登録電動車両に対応する充電特性データをテーブルから抽出し、電力量の計測結果と抽出された充電特性データとを参照して車載電池の充電進行状態（例えば、充電が終了するまでの所要時間）を演算することができる。演算結果はサーバ４３０から端末機に送信される。なお、記憶手段４３２には、ユーザと登録電動車両とを特定するためのユーザマスタ情報と登録電動車両と、その車載電池の充電特性データであるテーブルとが記憶されている。

特開２００７−００３２３０号公報 特開２０１１−０６５７５２号公報 特開２０１１−０８０８１１号公報 特開２０１１−１６６９７１号公報

上述の特許文献１においては、履歴情報はバッテリー１１２の放電方向と充電方向の双方向電流値の測定値と、バッテリー１１２の双方向電流値の測定値の各々所定間隔での積算値と、バッテリー１１２の放電方向の電流値が積算された放電容量と、バッテリー１１２の充電方向の電流値が積算された充電容量の数値情報から成る。つまり、記憶装置１１８に記憶されるデータは、充放電時の測定電力値そのものではなく、演算結果を履歴情報としている。そのために、バッテリー測定装置１１０は、電流測定装置１１４と、積算演算装置１１６と、数値情報表示装置１２０と、積算演算装置により積算された前記放電容量と前記充電容量とを記憶する記憶装置１１８とを備えている。

よって、二次電池の使用環境や使用履歴（過去の使用状況）等の履歴情報を知るために、バッテリー１１２にバッテリー測定装置１１０を装着する必要がある。そうすると、ユニットとしての二次電池（含むバッテリー測定装置１１０）は、構造が複雑になる。構造の複雑化は二次電池ユニットとしての品質安定化の障害となり得ると共に、コスト及びサイズの増大をまねく。また、サイズが増大すると、収納スペースに限りのある電気自動車に搭載できる二次電池のサイズ（電気容量）或いは数量が限定されるおそれがある。

特許文献２においては、履歴情報はバッテリモジュール２１０の内部に収容された複数のバッテリセル２１００の電圧履歴や充電履歴からなる。同履歴情報は、バッテリモジュール２１０の内部のマイクロコンピュータ２１３の内部の不揮発性記憶回路（不図示）に蓄積される。このように、特許文献２においても、交換される二次電池は構造が複雑で且つ複数の二次電池が一体化されているために、個々の二次電池単位毎の交換が困難である。また、記憶されている履歴情報は収容されている複数のバッテリセル２１００との相関関係が非常に強いので、複数のバッテリセル２１００を個別に交換した場合には、履歴情報の信頼性は著しく低下する。

特許文献３においては、二次電池に接続されるコントロールユニット３０７の記憶部３５６には、二次電池の履歴情報ではなくプログラムが記憶されている。よって、交換する二次電池の履歴情報を知ることはできない。

特許文献４においては、ユーザマスタ情報と登録電動車両と、その車載電池の充電特性データであるテーブルとを記憶する記憶手段４３２は、二次電池が搭載される電動車両から遠く離れたサーバ４３０の内部に位置している。つまり、記憶手段４３２は交換する二次電池の個々に装着することは不可能である。

上述のように、特許文献１〜４に提案されている装置或いは方法では、交換最小単位での二次電池（以降、「二次電池ユニット」と称す）の履歴情報を二次電池に付与することができなかったり、可能である場合には交換する二次電池ユニットのサイズを増大させたり、構造を複雑にしたり、コストアップを招いたりし、さらに安定性を損なってしまう事態を招く。よって、上記の問題に鑑みて、本発明は、簡単且つコンパクトな構造で履歴情報が付与された二次電池ユニット及びそれを備える二次電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する為に、本発明は、
二次電池と電力センサとメモリが組み込まれたニ次電池ユニットであって、
前記電力センサは、
前記二次電池の充放電の電力に対応する電圧を充放電信号として生成し、
前記メモリは、
前記充放電信号に基づき生成される前記二次電池の電力使用量を表す電力量データと充放電の実績を表す履歴データと、当該二次電池の識別情報とを保存し、
前記充放電信号と前記識別情報とを外部に渡し、前記電力量データと前記履歴データとを前記ニ次電池ユニット外部から受け取る第１のコネクタとを備える。

本発明は、コンパクトな構造で交換最小単位で履歴情報が付与された二次電池ユニット及びそれを備える二次電池システムを提供できる。

本発明の二次電池システムの電気自動車への適用例の説明図である。 本発明の実施の形態に係る二次電池ユニットの構成を示すブロック図である。 図２に示す二次電池ユニットを備える二次電池システムの構成を示すブロック図である。 図２の二次電池ユニットの変形例の構成を示すブロック図である。 特許文献１に開示のバッテリー測定装置の構成を示すブロック図である。 特許文献２に開示のバッテリモジュールの構成を示すブロック図である。 特許文献３に開示のコントロールユニットの構成を示すブロック図である。 特許文献４に開示のサーバの構成を示すブロック図である。

本発明の実施の形態について詳細に述べる前に、図１を参照して、本発明に係る二次電池ユニット及びそれを備えた二次電池システムの電気自動車Ｅｖへの適用例について簡単に説明する。本発明に係る二次電池システムＳＢは、二次電池ユニットモジュールＭＢと履歴情報生成ユニットＵｈｃとを含む。二次電池ユニットモジュールＭＢは複数の二次電池ユニットＵＢ１〜ＵＢｎ（ｎは自然数）を含む。必要に応じて、二次電池ユニットＵＢ１〜ＵＢｎの個々を二次電池ユニットＵＢと呼び、全体を二次電池ユニットグループＵＢＧと呼んで識別する。履歴情報生成ユニットＵｈｃは、個々の二次電池ユニットＵＢの充放電実績を含む履歴情報の作成及び蓄積を制御する。なお、作成された履歴情報は、対応する二次電池ユニットＵＢに蓄積される。

放電した二次電池ユニットＵＢに対する急速充電の要求に対しては、上述のように、二次電池ユニットＵＢに充電することによるのではなく、電池ステーションＳＴ等の施設において充電済みの二次電池ユニットＵＢと交換することによって対応される。具体的には、図１において、矢印Ｄｍｕに示すように、二次電池システムＳＢ（電気自動車Ｅｖ）から放電した二次電池ユニットＵＢが取り出される。そして、矢印Ｄｍに示すように、電池ステーションＳＴに用意されている充電済みの二次電池ユニットＵＢが電気自動車Ｅｖに搭載される。

なお、二次電池ユニットＵＢの交換は、二次電池ユニットグループＵＢＧの単位で行う必要はなく、所定数の二次電池ユニットＵＢの単位で行われる。つまり、１つの二次電池ユニットＵＢが交換最小単位であり、それぞれが交換実績を含む履歴情報を蓄積可能に構成されている。

以下に図２、図３、及び図４を参照して、本発明の実施の形態に係る二次電池ユニット及び二次電池システムについて説明する。まず図２を参照して本実施の形態に係る二次電池ユニットの構成について説明し、次に図３を参照して本実施の形態に係る二次電池システムの構成について説明する。その後図４を参照して、本実施の形態に係る二次電池ユニットの変形例の構成について説明する。

図２に示すように、二次電池ユニットＵＢは、二次電池Ｂと、電力センサＳと、抵抗Ｒと、メモリＭと、コネクタＣとを含む。二次電池ユニットＵＢは、起電圧が比較的低い値、例えば１００Ｖ以下のものが用いられる。電力センサＳとメモリＭとは、コネクタＣを介して、履歴情報生成ユニットＵｈｃ（図３）に着脱自在に接続される。

二次電池Ｂは、端子Ｔａ及びＴｂを含む。二次電池Ｂはそれぞれ端子Ｔａ及びＴｂに接続されるラインＬｍｃ及びＬｍｄによって、インバータＩｖ（図３）に接続されて、直流電力（電力エネルギー）を供給する。電力センサＳの一端はラインＬａによって端子Ｔａに接続され、他端はラインＬｂによって抵抗Ｒの一端に接続され、抵抗Ｒの他端はラインＬｃによってラインＬｍｄに接続されている。なお、電力センサＳは、好ましくは、全長でラインＬｍｃに近接するように設置されて、二次電池Ｂの充放電時の電力に対応する電圧Ｓｐ（以降、「充放電信号Ｓｐ」と称す）を、コネクタＣを介して履歴情報生成ユニットＵｈｃに出力する。履歴情報生成ユニットＵｈｃはコネクタＣを介して受領した充放電信号Ｓｐに基づいて、二次電池Ｂの電力使用量（電力量データ）Ｓｐｃと充放電の履歴データＳｈｃとを作成し、作成された電力使用量Ｓｐｃ及び履歴データＳｈｃをコネクタＣを介してメモリＭに出力する。電力使用量Ｓｐｃ及び充放電の履歴データＳｈｃについては後ほど詳述する。

メモリＭは、個々の二次電池Ｂを識別する情報ＩＤｂ（以降、「識別情報ＩＤｂ」）を予め保有すると共に、コネクタＣを介して入力される電力使用量Ｓｐｃ及び履歴データＳｈｃを保存する。そして、メモリＭは、コネクタＣを介して履歴情報生成ユニットＵｈｃから入力される要求（要求信号Ｓｒ）に応答して、保存している識別情報ＩＤｂ、電力使用量Ｓｐｃ、及び履歴データＳｈｃの何れかまたは全てをコネクタＣの入出力ラインＬｉｏに出力する。なお、入出力ラインＬｉｏはコネクタＣの内部の信号線であるが、説明及び視認の便宜上コネクタＣより突出して表示している。

履歴データＳｈｃには、具体的には、二次電池Ｂの使用実績情報、充放電実績情報、及び交換実績情報等の二次電池Ｂの品質評価及び管理に有効な情報が含まれる。一例として、使用実績情報は二次電池Ｂの使用時間及び使用時刻を含む。充放電実績情報は、二次電池Ｂの使用ごとの平均放電電流及び平均充電電流を含む。交換実績情報には、使用者、使用した車の種類、交換日時、及び交換場所を含む。

使用実績情報は、二次電池Ｂの寿命の推定に利用することができる。なお、二次電池Ｂの寿命は、充放電実績情報に含まれる平均放電電流及び平均充電電流の大小により大きく左右される。交換実績情報は、二次電池Ｂの管理に用いることができる。これらの情報を総合し、二次電池Ｂの寿命を予測することにより、突然の電池切れによるトラブル発生を未然に回避できる。

電力センサＳは、二次電池ユニットＵＢが電気自動車Ｅｖに電力エネルギーを供給することに鑑みて、二次電池Ｂの充放電の電力を高い精度で計測できることが要求される。さらに電力センサＳは、二次電池ユニットＵＢが収納スペースに限りのある電気自動車Ｅｖに搭載されることに鑑みて、二次電池ユニットＵＢのサイズ及び重量の増大を招かないものであることが要求される。精度、サイズ、及び重量に対する要求を同時に満たす電力センサＳとして、磁気薄膜電力センサが採用されている。

磁気薄膜電力センサはシール状の形状を有し、磁性膜を含む。磁気薄膜電力センサは、磁性膜からの出力電圧が計測対象（二次電池ユニットＵＢ）の充放電力に比例する現象を利用して、磁性膜からの出力電圧を測定することによって電力の計測を行う。磁気薄膜電力センサを用いた電力の計測は精度が高い上に、リアルタイムで行うことができる。さらに、磁気薄膜電力センサは小型（５ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍ程度のサイズを有する）かつ軽量である上に、消費電力も小さい（１ｍＷから１０ｍＷ程度である）。このように、磁気薄膜電力センサは、二次電池ユニットＵＢの体積当たりの電気容量の確保に重要な、二次電池ユニットＵＢの小型軽量化及び低消費電力化、ひいては電気自動車Ｅｖのエネルギー効率向上に寄与する。

次に、電力使用量Ｓｐｃ及び充放電の履歴データＳｈｃの作成における、二次電池ユニットＵＢの動作について説明する。図２において、二次電池ユニットＵＢの下部に、二点鎖線で上から下に向かって時間の進行を表すタイムラインｔを示す。電力使用量Ｓｐｃ及び充放電の履歴データＳｈｃの作成に要する時間を、履歴情報作成サイクルｃ（以降、「サイクルｃ」）と呼ぶ。

任意の時刻Ｔｃにおいて、入出力ラインＬｉｏ（コネクタＣ）を介して、履歴情報演算ユニットＵＣ（図３）から要求信号Ｓｒｃが二次電池ユニットＵＢに入力される。要求信号Ｓｒｃの入力より時間△Ｔ１の経過後の時刻Ｔ＋△Ｔ１に、電力センサＳから充放電信号Ｓｐ（ｃ）が読み出される。そして、メモリＭからは識別情報ＩＤｂと共に１サイクル前（ｃ−１）に作成保存された電力使用量Ｓｐｃ（ｃ−１）と履歴データＳｈｃ（ｃ−１）が読み出されて、充放電信号Ｓｐ（ｃ）と共にコネクタＣを介して入出力ラインＬｉｏに出力する。なお、上述の充放電信号Ｓｐ、電力使用量Ｓｐｃ、及び履歴データＳｈｃにおける接尾辞である（ｃ）及び（ｃ−１）はそれぞれ、現在のサイクルｃ及び１サイクル前（ｃ−１）を表している。後ほど参照する図３においては、紙面の都合上、電力使用量Ｓｐｃ（ｃ−１）及び充放電の履歴データＳｈｃ（ｃ−１）をそれぞれ、電力使用量Ｓｐｃ’及び充放電の履歴データＳｈｃ’と略称する。

履歴情報演算ユニットＵＣは、入力された電力使用量Ｓｐｃ（ｃ−１）、履歴データＳｈｃ（ｃ−１）、及び充放電信号Ｓｐ（ｃ）に基づいて、時刻Ｔｃにおける電力使用量Ｓｐｃ（ｃ）、履歴データＳｈｃ（ｃ）を作成し、時刻Ｔｃより時間△Ｔ１及び△Ｔ２の経過後に、算出された電力使用量Ｓｐｃ（ｃ）及び充放電の履歴データＳｈｃ（ｃ）をコネクタＣを介してメモリＭに入力する。電力使用量Ｓｐｃ（ｃ）及び充放電の履歴データＳｈｃ（ｃ）は、メモリＭに保存される。つまり、１回のサイクル時間は△Ｔ１＋△Ｔ２であり、この値は任意に設定することができる。つまり、電力使用量Ｓｐｃ（ｃ）は、Ｓｐ（ｃ）×（△Ｔ１＋△Ｔ２）＋Ｓｐｃ（ｃ−１）の式に従って算出される。

上述のように構成された二次電池ユニットＵＢは、二次電池Ｂの電力使用量Ｓｐｃ及び充放電の履歴データＳｈｃを、サイズ及び重量の増大を招くことなく保有することができる。つまり、二次電池ユニットＵＢに占める二次電池Ｂの割合、つまり二次電池ユニットＵＢの体積当たりの電気容量を十分に確保できる。

さらに、電力センサＳが検出する電圧（充放電信号）Ｓｐは、従来の電力測定器で測定されている二次電池の端子間電圧に比べて著しく低く、且つ二次電池の充放電値の検出精度が高い。また、従来の電力測定では、二次電池の端子間電圧値と端子間電流値に基づいて充放電が求められていたのに対して、本発明では電圧による充放電信号Ｓｐに基づくので二次電池自身の充放電を簡単に検出できる。また、履歴データＳｈｃに含まれる使用実績、充放電実績、或いは交換実績に基づいて、二次電池Ｂの品質状態（ｎ個の二次電池Ｂの個々の残容量や劣化程度等）を把握できる。

次に、図３を参照して、二次電池システムＳＢについて説明する。二次電池システムＳＢは、二次電池ユニットモジュールＭＢ、及び履歴情報生成ユニットＵｈｃを含む。同図に示す例において、二次電池ユニットモジュールＭＢは、図２を参照して説明した二次電池ユニットＵＢがｎ個、それぞれラインＬｍｃ及びラインＬｍｄによって並列に接続されて構成されている。具体的には、ｎ個の二次電池Ｂ１〜Ｂｎはそれぞれ端子Ｔａ１〜Ｔａｎ及びＴｂ１〜Ｔｂｎを有しており、それぞれラインＬｍｃ１〜Ｌｍｃｎ（ラインＬｍｃ）及びラインＬｍｄ１〜Ｌｍｄｎ（ラインＬｍｄ）によって、切替スイッチＳＷを介してインバータＩｖ及び整流器Ｒｆに並列に接続されている。

切替スイッチＳＷは、二次電池Ｂの充放電状態に基づいて、インバータＩｖ及び整流器Ｒｆの何れかを選択して、ラインＬｍｃ及びＬｍｄに接続するように構成されている。なお、二次電池Ｂの充放電状態は、本実施の形態においては、電気自動車Ｅｖの走行状態に基づいて判断される。つまり、電気自動車Ｅｖが走行の為に電力供給を必要とする通常走行あるいは加速走行時には、二次電池Ｂは放電状態にあると判断される。一方、電気自動車Ｅｖが走行の為に電力供給を必要としない減速走行あるいは惰性走行時には、二次電池Ｂは電気自動車Ｅｖに発生する回生電力による充電状態にあると判断される。この走行状態の判断は、電気自動車Ｅｖのアクセルペダルの操作に基づいたり、電気自動車Ｅｖに搭載されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）の制御に基いて行われる。なお、図３には、切替スイッチＳＷが二次電池Ｂが放電状態においてインバータＩｖを選択している状態が例示されている。

履歴情報生成ユニットＵｈｃは、履歴情報演算ユニットＵＣと制御器Ｃｏｎを含む。履歴情報演算ユニットＵＣは、二次電池ユニットモジュールＭＢから入力される情報に基づいて、電力使用量Ｓｐｃ及び履歴データＳｈｃを生成する。制御器Ｃｏｎは、履歴情報演算ユニットＵＣの動作を制御する。履歴情報生成ユニットＵｈｃには、ｎ個の二次電池ユニットＵＢ１〜ＵＢｎのコネクタＣ１〜Ｃｎのそれぞれに対応するｎ個のコネクタＣＣ１〜ＣＣｎが設けられている。コネクタＣ１〜Ｃｎがそれぞれ対応するコネクタＣＣ１〜ＣＣｎに接続されて、二次電池ユニットＵＢ１〜ＵＢｎは履歴情報生成ユニットＵｈｃに接続される。さらに、履歴情報演算ユニットＵＣには、履歴情報演算ユニットＵＣの動作を制御する制御器Ｃｏｎが接続されている。制御器Ｃｏｎは、履歴情報演算ユニットＵＣの動作を制御する制御信号Ｓｃを履歴情報演算ユニットＵＣに出力し、履歴情報演算ユニットＵＣは自身の動作状態を表す動作信号Ｓｏを制御器Ｃｏｎに返す。なお、コネクタＣＣ１〜ＣＣｎをコネクタＣＣと総称する。

履歴情報演算ユニットＵＣは、入出力部ＩＯと演算部Ｏｐと表示部Ｄとを含む。入出力部ＩＯには、二次電池ユニットＵＢがそれぞれ対応するコネクタＣ及びコネクタＣＣを介して接続されて、上述の要求信号Ｓｒ、電力使用量Ｓｐｃ、履歴データＳｈｃ、識別情報ＩＤｂ、電力使用量Ｓｐｃ’、履歴データＳｈｃ’が、二次電池ユニットＵＢとの間で交換される。演算部Ｏｐは、入出力部ＩＯを介して二次電池ユニットＵＢから入力される識別情報ＩＤｂ、電力使用量Ｓｐｃ’、履歴データＳｈｃ’、及び充放電信号Ｓｐに基づいて、電力使用量Ｓｐｃ及び履歴データＳｈｃを作成して、入出力部ＩＯに出力すると共に映像信号Ｓｖとして表示部Ｄに出力して、画像表示させる。

二次電池ユニットモジュールＭＢを構成する二次電池ユニットＵＢ１〜ＵＢｎのそれぞれは、図２を参照して説明した二次電池ユニットＵＢと同じ構成を有する。つまり、二次電池ユニットＵＢｍ（１≦ｍ≦ｎ）は、二次電池Ｂｍ、電力センサＳｍ、メモリＭｍ、及びコネクタＣｍを含んでいる。電気自動車Ｅｖのエネルギー源として必要な電力を得るために、二次電池ユニットＵＢ１〜ＵＢｎは、電気的に並列に接続されている。つまり、二次電池ユニットＵＢ１〜ＵＢｎそれぞれが備える二次電池Ｂ１〜Ｂｎの個々の起電圧は１００Ｖ以下と低いが、並列に接続されることによって、電気自動車Ｅｖの駆動に必要な大電力を得ている。

二次電池ユニットＵＢ１〜ＵＢｎ（二次電池ユニットＵＢ）は、それぞれラインＬｍｃ１〜Ｌｍｃｎ（ラインＬｍｃ）及びラインＬｍｄ１〜Ｌｍｄｎ（ラインＬｍｄ）により、インバータＩｖに接続されている。インバータＩｖは、二次電池ユニットＵＢ（二次電池ユニットモジュールＭＢ）から供給される直流電力Ｐｄｃを交流電力Ｐａｃに変換して、モータＭｏに出力する。これにより、モータＭｏには二次電池ユニットモジュールＭＢから駆動電力が供給される。つまり、低電圧及び大電流でモータＭｏを駆動させることにより、電気自動車ＥｖにおけるモータＭｏの巻線抵抗や配線抵抗によるジュール損を出来る限り小さくすることにより、放電時の電力消費を少なくして、より高いエネルギー利用効率を得ることが出来る。

なお、モータＭｏは整流器Ｒｆに接続されて、電気自動車Ｅｖの減速時に発生する回生電力ＰｒｃがモータＭｏから供給される。整流器Ｒｆは交流である回生電力Ｐｒｃを整流して直流電力Ｐｄｃ’を生成する。整流器Ｒｆの出力は切替スイッチＳＷを介してラインＬｍｃ及びＬｍｄに接続されている。但し、直流電力Ｐｄｃ’がラインＬｍｃ及びＬｍｄを流れる向きは、直流電力Ｐｄｃの向きとは反対になるように、ラインＬｍｃ及びＬｍｄに接続されている。切替スイッチＳＷはラインＬｓｗを介して外部（例えば、電気自動車Ｅｖに搭載されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ））から供給される切替信号Ｓｓｗによって制御される。切替スイッチＳＷは、電気自動車Ｅｖが通常走行あるいは加速走行時には、二次電池Ｂ（二次電池ユニットモジュールＭＢ）とインバータＩｖとを接続する回路を閉じると共に、整流器ＲｆとラインＬｍｃ及びＬｍｄとを接続する回路を開く。また切替スイッチＳＷは、電気自動車Ｅｖが減速走行或いは惰性走行時には、二次電池Ｂ（二次電池ユニットモジュールＭＢ）とインバータＩｖとを接続する回路を開くと共に、整流器ＲｆとラインＬｍｃ及びＬｍｄとを接続する回路を閉じる。

これにより、二次電池Ｂ（二次電池ユニットモジュールＭＢ）は、電気自動車Ｅｖの通常走行或いは加速走行時には直流電力ＰｄｃがモータＭｏ（インバータＩｖ）に対して放電され、減速時或いは惰性走行時にはモータＭｏから直流電力Ｐｄｃ’が充電される。つまり、電気自動車Ｅｖの走行状態に応じて、二次電池Ｂは充放電される。なお、切替信号Ｓｓｗは電気自動車Ｅｖのアクセルペダルやブレーキペダルの動作に基づいて生成することも可能である。

上述のように、ｎ個の二次電池ユニットＵＢのそれぞれは実質的に同一であるので、二次電池ユニットＵＢ１（ｍ＝１）に関して、二次電池システムＳＢの履歴情報生成動作について説明する。なお、二次電池ユニットＵＢにおける動作は、既に図２を参照して説明済みであるので、履歴情報生成ユニットＵｈｃ、特に履歴情報演算ユニットＵＣの動作について重点的に説明する。

図２を参照して述べたように、時刻Ｔｃにおいて、制御器Ｃｏｎからの制御信号Ｓｃに基づいて要求信号Ｓｒ１が生成されて、コネクタＣＣ１及びコネクタＣ１を介して、二次電池ユニットＵＢ１に出力される。そして、時刻Ｔｃ＋△Ｔ１に、二次電池ユニットＵＢ１から充放電信号Ｓｐ１と、識別情報ＩＤｂ１、電力使用量Ｓｐｃ１’及び履歴データＳｈｃ１’とがコネクタＣ１、コネクタＣＣ１、及び入出力部ＩＯを介して、演算部Ｏｐに入力される。演算部Ｏｐは、充放電信号Ｓｐ１、識別情報ＩＤｂ１、電力使用量Ｓｐｃ１’及び履歴データＳｈｃ１’に基づいて、電力使用量Ｓｐｃ１と履歴データＳｈｃ１を作成して、入出力部ＩＯ、コネクタＣＣ１及びコネクタＣ１を介して二次電池ユニットＵＢ１に入力する。二次電池ユニットＵＢ１では、入力された電力使用量Ｓｐｃと履歴データＳｈｃとがメモリＭ１に保存される。演算部Ｏｐは、同時に映像信号Ｓｖを出力して、表示部Ｄに電力使用量（Ｓｐｃ）と充放電履歴（Ｓｈｃ）とを画像表示させる。

上述のように、電気自動車Ｅｖの走行状態に応じて、二次電池Ｂは放電するか充電される。上述のように、直流電力Ｐｄｃ（放電力）と直流電力Ｐｄｃ’（充電力）とはラインＬｍｃ及びＬｍｄに流れる向きが逆であるので、充放電信号Ｓｐ１が放電時（直流電力Ｐｄｃ）と充電時（直流電力Ｐｄｃ’）とでは符号がプラスとマイナスと異なる。よって、二次電池Ｂが放電したり、回生電力で充電されたりしても、電力使用量Ｓｐｃ１’は充放電信号Ｓｐ１の積算値として検出できる。つまり、電力使用量Ｓｐｃ１は放電力（直流電力Ｐｄｃ）と充電力（直流電力Ｐｄｃ’）との差分である。この意味において、電力使用量Ｓｐｃ１に基づいて、使用前に所定電力だけ充電された二次電池Ｂに、その時点で実際に残っている電力量を知ることができる。

上述のように構成された二次電池システムＳＢにおいては、ｎ個の二次電池ユニットＵＢそれぞれが、当該二次電池ユニットＵＢの電力使用量Ｓｐｃ及び充放電の履歴データＳｈｃを保有している。つまり二次電池システムＳＢは、ｎ個の二次電池ユニットＵＢそれぞれの電力使用量Ｓｐｃ及び充放電の履歴データＳｈｃを、サイズ及び重量の増大を招くことなしに二次電池ユニットＵＢ単位で保有している。従って二次電池システムＳＢは、電気自動車Ｅｖに搭載される電源装置に要求される、電力使用量及び充放電の履歴データの信頼性と、簡単且つコンパクトな構造とを共に実現することができる。

各二次電池ユニットＵＢの電力使用量Ｓｐｃ及び充放電の履歴データＳｈｃは、表示部Ｄに表示される。表示部Ｄに表示された情報から、電力使用量Ｓｐｃが所定値を上回る二次電池ユニットＵＢの有無及び当該二次電池ユニットＵＢを特定する情報を知ることができる。表示部Ｄに表示された情報に基づいて二次電池システムＳＢに対する電力供給の要否を判断できる。

先に図１を参照して述べたように、二次電池システムＳＢに対する電力の供給は、電力使用量Ｓｐｃが所定値を上回ると判定された二次電池ユニットＵＢを、充電済みの二次電池ユニットＵＢと交換することによって行われる。二次電池ユニットＵＢはコネクタＣにより、履歴情報生成ユニットＵｈｃのコネクタＣＣを介して履歴情報演算ユニットＵＣに着脱自在に接続できるように構成されているので、二次電池ユニットＵＢ単位で交換の要否の判定ができると共に、要と判断された二次電池ユニットＵＢのみを選択的に、電気自動車Ｅｖ（二次電池システムＳＢ）から取り外して、電池ステーションＳＴの充電済みの二次電池ユニットＵＢと交換できる。

また、交換が必要な二次電池ユニットＵＢの特定は、二次電池システムＳＢが二次電池ユニットＵＢ単位で保有する電力使用量Ｓｐｃ及び充放電の履歴データＳｈｃに基づいて行うことができるので信頼性が高い。交換が必要であると判定された二次電池ユニットＵＢは、履歴情報演算ユニットＵＣから取り外された後で充電され、再度利用に供すことができる。

充電は二次電池ユニットＵＢ単位で行われ、二次電池ユニットＵＢの電圧は上述したように比較的低い値、例えば１００Ｖ以下に設定されている。これにより、二次電池ユニットＵＢの充電に用いられる充電器には高電圧出力が不要となる。二次電池ユニットＵＢの電圧が１００Ｖ以下である場合は、低圧（例えば、１００Ｖ）な電源を用いることができるので、高圧電源を用いる場合に比べて、火災や事故の危険率の低下、つまり安全性が高い。また、１００Ｖ電源が広く普及している国では、現有の電気設備を用いることができる。

また二次電池ユニットＵＢ単位で充電できるので、複数の二次電池ユニットＵＢを同時に充電する場合に、１つの二次電池ユニットＵＢに発生した不具合が他の二次電池ユニットＵＢに影響を及ぼすような事態を避けることができる。二次電池ユニットモジュールＭＢを健全な二次電池ユニットＵＢのみで構成することができるので、充電に起因する二次電池ユニットモジュールＭＢ（ｎ個の二次電池ユニットＵＢの組合せ）での故障の発生率が低下する。さらに、複数個の二次電池ユニットＵＢを並列充電することによって、同数の二次電池ユニットＵＢの直列充電時に比べて充電時間の短縮が可能である。

なお、上述の制御器Ｃｏｎの機能は、電気自動車Ｅｖに搭載されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）により実現するように構成してもよい。また、コネクタＣＣは入出力部ＩＯと一体的に構成してもよい。

次に図４を参照して、二次電池ユニットＵＢの変形例について説明する。二次電池ユニットＵＢａは、図２を参照して説明した二次電池ユニットＵＢにおいて、メモリＭがメモリＭａに置き換えられると共に、データ転送部ＴＤが追加されている。メモリＭａは、メモリＭと同様にコネクタＣに双方向に接続されているのに加えて、データ転送部ＴＤに対して一方向（出力）に接続されている。

二次電池ユニットＵＢａにおいては、履歴情報演算ユニットＵＣからの要求信号Ｓｒｃに応答して、メモリＭａから１サイクル前の電力使用量Ｓｐｃ（ｃ−１）及び履歴データＳｈｃ（ｃ−１）が読み出されて、コネクタＣを介して履歴情報演算ユニットＵＣに出力される。そして、要求信号Ｓｒｃ受信より時間△Ｔ１＋△Ｔ２後に、履歴情報演算ユニットＵＣから電力使用量Ｓｐｃ（ｃ）及び履歴データＳｈｃ（ｃ）がメモリＭａに返される。そして、要求信号Ｓｒｃ受信より時間△Ｔ１＋△Ｔ２＋△Ｔ３が経過した時刻（Ｔｃ＋△Ｔ１＋△Ｔ２＋△Ｔ３）において、データ転送部ＴＤは、メモリＭａから読み出した電力使用量Ｓｐｃ（ｃ）及び充放電の履歴データＳｈｃ（ｃ）を、出力ラインＬｏを介して二次電池ユニットＵＢａの外部に転送する。上述のように構成された二次電池ユニットＵＢａは、電力使用量及び充放電の履歴データの最新値である、電力使用量Ｓｐｃ（ｃ）及び充放電の履歴データＳｈｃ（ｃ）を二次電池ユニットＵＢａの外部に有線または無線で転送することができる。

本発明は、電気自動車のエネルギー源として用いられる二次電池システムに利用することができる。

Ｅｖ 電気自動車
ＳＢ 二次電池システム
Ｕｈｃ 履歴情報生成ユニット
ＵＣ 履歴情報演算ユニット
ＭＢ 二次電池ユニットモジュール
ＵＢ１〜ＵＢｎ、ＵＢ、ＵＢａ 二次電池ユニット
ＵＢＧ 二次電池ユニットグループ
Ｂ１〜Ｂｎ、Ｂ 二次電池
Ｔａ１〜Ｔａｎ、Ｔａ 端子
Ｔｂ１〜Ｔｂｎ、Ｔｂ 端子
Ｓ１〜Ｓｎ、Ｓ 電力センサ
Ｒ１〜Ｒｎ、Ｒ 抵抗
Ｍ１〜Ｍｎ、Ｍ、Ｍａ メモリ
Ｃ１〜Ｃｎ、Ｃ コネクタ
ＣＣ１〜ＣＣｎ、ＣＣ コネクタ
ＩＯ 入出力部
Ｏｐ 演算部
Ｄ 表示部
Ｃｏｎ 制御器
ＴＤ データ転送部
Ｍｏ モータ
Ｉｖ インバータ
Ｒｆ 整流器
ＳＷ 切替スイッチ
ＳＴ 電池ステーション
Ｌｍｃ、Ｌｍｃ１〜Ｌｍｃｎ、Ｌｍｄ、Ｌｍｄ１〜Ｌｍｄｎ、Ｌａ、Ｌａ１〜Ｌａｎ
、Ｌｂ、Ｌｂ１〜Ｌｂｎ、Ｌｃ、Ｌｃ１〜Ｌｃｎ、Ｌｓｗ ライン
Ｌｉｏ 入出力ライン
Ｌｏ 出力ライン
Ｐｄｃ、Ｐｄｃ’ 直流電力
Ｐａｃ 交流電力
Ｐｒｃ 回生電力
Ｄｍ、Ｄｍｕ 矢印
Ｓｐ、Ｓｐ（ｃ） 充放電信号
Ｓｐｃ、Ｓｐｃ’ 電力使用量
Ｓｈｃ、Ｓｈｃ’ 履歴データ
ＩＤｂ 識別情報
Ｓｒ、Ｓｒｃ 要求信号
Ｓｃ 制御信号
Ｓｏ 動作信号
Ｓｖ 映像信号
Ｓｓｗ 切替信号
ｔ タイムライン
ｃ サイクル
Ｔｃ 任意の時刻

Claims (5)

1. 二次電池と電力センサとメモリが組み込まれたニ次電池ユニットであって、
   前記電力センサは、
   前記二次電池の充放電の電力に対応する電圧を充放電信号として生成し、
   前記メモリは、
   前記充放電信号に基づき生成される前記二次電池の電力使用量を表す電力量データと充放電の実績を表す履歴データと、当該二次電池の識別情報とを保存し、
   前記充放電信号と前記識別情報とを外部に渡し、前記電力量データと前記履歴データとを前記ニ次電池ユニット外部から受け取る第１のコネクタとを備える、二次電池ユニット。
2. 並列に接続された２つ以上の、請求項１に記載の二次電池ユニットと、
   前記第１のコネクタに着脱自在に接続されて、当該第１のコネクタより前記充放電信号と前記識別情報とを受け取り、当該第１のコネクタに前記電力量データと前記履歴データを渡す第２のコネクタと、
   前記第２のコネクタを介して前記第１のコネクタに接続される履歴情報生成ユニットを有し、
   前記履歴情報生成ユニットは、履歴情報演算ユニットと制御器を有し、
   前記履歴情報演算ユニットは、
   前記充放電信号と前記識別情報とを受け取り、前記電力量データと前記履歴データを渡す入出力部と、
   前記入出力部に接続されて、前記充放電信号と前記識別情報とに基づいて、前記電力量データと前記履歴データを作成して当該入出力部に出力する演算部を有し、
   前記制御器は、
   前記電力量データと前記履歴データの作成動作を制御し、
   前記履歴情報演算ユニットは、前記第２のコネクタを介して要求信号を前記二次電池ユニットに送信し、
   前記要求信号に対応して前記二次電池ユニットから受け取った前記充放電信号と前記識別情報に基づき生成した前記電力量データと前記履歴データを前記要求信号の送信の度に、前記要求信号を送信した前記二次電池ユニットに渡すことを特徴とする二次電池システム。
3. 映像信号に基づいて画像表示する表示部をさらに備え、
   前記演算部は更に、前記電力量データと前記履歴データに基づいて前記映像信号を作成することを特徴とする、請求項２に記載の二次電池システム。
4. 前記電力センサは、磁性薄膜より構成されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池ユニット。
5. 前記二次電池はインバータを介して、電気自動車を駆動するモータに接続されて、第１の直流電力を当該モータに供給し、
   前記モータは、整流器を介して、切替スイッチに第２の直流電力を供給し、
   前記切替スイッチは、前記電気自動車が減速走行及び惰性走行の何れかの状態の時に、前記第２の直流電力を前記第１の直流電力とは反対の向きで前記二次電池に供給することを特徴とする、請求項２に記載の二次電池システム。