JP6698169B2 - 蓄電池システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池システムに関する。

電気自動車では、単独種の電池を用いて、電気エネルギーを供給している。この電池としては、容量（Ａｈ）性能を重視した容量型電池が使われている。しかしながら、容量型電池単独では、電気自動車の加速時および減速時に大きな電流が流れ、電池に負荷が掛かるため電池寿命が短くなる傾向がある。

これに対し、特許文献１および特許文献２に記載の従来技術が知られている。特許文献１では、パワー性能を重視したパワー型電池を、ＤＣＤＣコンバータ（直流−直流変換器）を介して、容量型電池に並列接続する構成が開示されている。さらに、特許文献２では、容量型電池にパワー型電池を直接並列接続させる構成が開示されている。このように、容量型電池およびパワー型電池を併用する複合蓄電システムにより、パワー型電池が急峻な電流変化を分担し、容量型電池の負荷が低減されている。

特開２０１２−２３５６１０号公報 特開平１１−３３２０２３号公報

特許文献１においては、容量型電池が、直接、インバータに接続されている。この場合、容量型電池の動作電圧範囲内に、インバータおよびモータの電圧範囲が納められる必要がある。しかし、一般的に容量型電池の動作電圧範囲は狭いため、モータのトルク定数（トルクと電流の変換定数）を低くする必要があり、モータ特性が制限される。また、トルク定数を低くすると、回生電圧が低くなり、電気自動車の効率が低下する。また、パワー型電池がＤＣＤＣコンバータに接続されるので、ＤＣＤＣコンバータの電力容量を大きくする必要があり、ＤＣＤＣコンバータのコストが増える。

特許文献２においては、ＤＣＤＣコンバータが無いため、コスト増加は抑えられるがパワー型電池の容量が小さいと、大電流の充放電によりパワー型電池の電力量が減少する。そして、充放電を分担できない程度になると、容量型電池が充放電電流を負担せざるを得なくなる。従って特許文献２の方法では、必ずしも走行中のあらゆる状況で容量型電池の電流を低減できず、容量型電池への負担を低減できない場合がある。
そこで、本発明は、パワー型電池および容量型電池を併用するにあたり、充放電電流を適切に両電池に分担できる複合蓄電システムを提供する。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
容量型電池とパワー型電池とを並列に接続して構成された蓄電池システムにおいて、予め充電されている前記容量型電池及び前記パワー型電池の双方が負荷へ電流を出力し、容量型電池の使用電圧範囲とパワー型電池の使用電圧範囲は共通する部分を有し、容量型電池に流れる電流の応答時間およびパワー型電池に流れる電流の応答時間が所定時間よりも大きくなるように、容量型電池とパワー型電池とが組み合わされて構成されており、前記パワー型電池から出力される電流の値が、前記容量型電池から出力される電流の値より上回っている場合、前記パワー型電池が前記容量型電池から出力される電流を補完し、前記容量型電池から出力される電流の値が、前記パワー型電池から出力される電流の値より上回っている場合、前記容量型電池が前記パワー型電池から出力される電流を補完する蓄電池システムとして構成した。

また、容量型電池とパワー型電池とを並列に接続して構成された蓄電池システムにおいて、容量型電池の使用電圧範囲とパワー型電池の使用電圧範囲は共通する部分を有し、容量型電池の容量とパワー型電池の容量との比が所定値よりも大きくなるように、容量型電池とパワー型電池とが組み合わされて構成されている蓄電池システムとして構成した。

本発明によれば、パワー型電池および容量型電池を併用するにあたり、充放電電流を適切に両電池に分担できる複合蓄電システムを提供できる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１である複合蓄電システム並びにそれを搭載する電気自動車の構成を示す。 本発明の実施例１における複合蓄電システムの電気回路モデルを示す。 本発明の実施例１における複合蓄電システムの電気回路モデルにおける、充放電電流に対する各電池の電流特性の一例を示す。 本発明の実施例１における複合蓄電システムの構成条件の一例を示す。 本発明の実施例２における複合蓄電システムの電気回路モデルにおける、充放電電流に対する各電池の電流特性の一例を示す。 本発明の実施例２における複合蓄電システムの構成条件の１例を示す。 本発明の実施例３である複合蓄電システム並びにそれを搭載する電気自動車の構成を示す。 本発明の実施例３である複合蓄電システムの制御フローの一例を示す。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものである。従って、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本発明では、容量型電池に並列にパワー型電池が接続される。容量型電池とパワー型電池は使用電圧範囲に重なりを有し、電流変化に対する各電池の電流の応答時間が予め定める所定時間以上となるよう各電池の特性が定められる。これにより、最小限のパワー型電池の搭載にも拘わらず、容量型電池を単体で使用する場合と比較して、容量型電池の充放電電流を多様な走行条件においても低減させることができる。よって、容量型電池の寿命向上に繋げることができる。

図１は、本発明の実施例１である複合蓄電システム（蓄電池システム）並びにそれを搭載する電気自動車の構成を示す。
図１に示すように、電気自動車１０は、パワー型電池１３と、パワー型電池１３に並列接続される容量型電池１４とを含む複合蓄電システムを備える。複合蓄電システムは、インバータ１２を介して、モータジェネレータ１１と接続される。なお、インバータ１２、パワー型電池１３、容量型電池１４は、ＥＣＵ１５（“ＥＣＵ”は“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ”の略）によって制御される。つまり、複合蓄電システムは、インバータ１２、パワー型電池１３、容量型電池１４、ＥＣＵ１５を有する。

ここで、モータジェネレータ１１は交流機、例えば、誘導機や同期機である。パワー型電池１３および、容量型電池１４からインバータ１２へ直流電力が出力される。
インバータ１２は、パワー型電池１３および容量型電池１４から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ１２が出力する三相交流電力によって、モータジェネレータ１１が電動機として回転駆動される。これにより、電気自動車１０が走行する。
容量型電池１４だけではモータジェネレータ１１への供給電力が不足する場合、例えば電気自動車１０の加速時などにおいては、パワー型電池１３からも、インバータ１２を介してモータジェネレータ１１に電力が供給される。

電気自動車１０の減速時あるいは制動時などにおいて、すなわちモータジェネレータ１１の回生時において、モータジェネレータ１１で発電される交流電力は、インバータ１２を整流装置として動作させることにより直流電力に変換される。そして、変換された電力は、パワー型電池１３および、容量型電池１４に蓄電される。
電気自動車１０の駐車時には、容量型電池１４およびパワー型電池１３は、図示しない充電装置によって充電される。

なお、図１におけるモータジェネレータ１１は、それぞれ別体のモータおよびジェネレータによって構成されても良い。
パワー型電池１３は、容量型電池１４よりも、出力密度に優れるが容量（Ａｈ）は小さい。このようなパワー型電池１３としては、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などが適用される。また、パワー型電池１３に代えて、これと同様の高出力特性を有するリチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタなどの蓄電装置（言わば、パワー型蓄電装置）を用いても良い。なお、以下においては、これらの電池およびキャパシタを含めて、「パワー型電池」と総称する。

容量型電池１４は、パワー型電池１３よりも出力密度は劣るものの、エネルギー密度に優れ容量（Ａｈ）が大きい。このような容量型電池１４としては、リチウムイオン電池、リチウムイオン半固体電池、リチウム固体電池、鉛電池、ニッケル亜鉛電池などが適用される。なお、パワー型電池１３として用いるリチウムイオン電池と、容量型電池１４として用いるリチウムイオン電池は、電極材料などの構成が異なる。
上記のように、本実施例によれば、パワー型電池１３および容量型電池１４を併用して、使用する電池全体として、電池容量を確保しながらも電池出力を高めたり、電池出力を確保しながらも電池容量を高めたりすることができる。

しかし、パワー型電池１３と容量型電池１４はＤＣＤＣコンバータなどの電流制御素子を介さずに接続されている。そして、充放電時の電流はパワー型電池１３と容量型電池１４の特性によって一意に決まる。そのため、これらの特性の組み合わせは蓄電池システムが所望の特性を発揮するように最適に組み合わせる必要がある。その理由について図２を用いて説明する。

図２はパワー型電池１３と容量型電池１４が並列接続された状態をモデル化した図である。充放電による電池の電圧の変動をキャパシタ部で模擬し、電池の抵抗を電気抵抗にて模擬した。左側の電池はパワー型電池１３を示し、電気抵抗をＲ_１，キャパシタ容量をＣ_１とする。右側の電池は容量型電池１４を示しキャパシタ容量Ｃ_２＝ｍＣ_１、ＤＣＲ（直流抵抗成分）、Ｒ_２＝ｎＲ_１とする。初期の電池電圧即ち充電状態をＶ（０）とし、パワー型電池１３と容量型電池１４の合計電流Ｉとして、これが変化したときのパワー型電池１３および容量型電池１４それぞれの電圧は下記の（式１）および（式２）で表すことができる。

さらに、上記の式を変形すると、パワー型電池１３と容量型電池１４のそれぞれの電流は以下の式（式３）および（式４）で表すことができる。

（式３）および（式４）の式を基に、電流がステップ的に変化した場合のパワー型電池１３と容量型電池１４の応答を図３に示す。電流が変化した直後の時刻ｔ＝０では、パワー型電池１３（ｉ_１）と容量型電池１４（ｉ_２）の電流は抵抗の比に応じて配分される。そして、時間の経過につれて電流は変化し、十分時間が経過した状態では容量の比に応じて電流が配分される。初期から電流が収束するまでの時間の内、電流の収束値の６３．２％に到達する時間は応答時間と呼ばれ、（式３）および（式４）の式からその値は以下の（式５）となる。

図３から明らかなように、応答時間が短い場合は、初期はパワー型電池１３（ｉ_１）が多くの電流を負担するが、その効果は瞬間的または短時間のものとなり、大半は容量型電池１４（ｉ_２）が負担することとなる。従って、応答時間が短い複合蓄電システムを電気車両に搭載して走行した場合、加速や減速回生時の大電流の充放電が必要なる条件では、パワー型電池１３が瞬間的に電流を負担するものの、大部分の電流は容量型電池１４が負担することになってしまう。以上から、容量型電池１４の負担軽減のためには、大電流が要求される加速や減速時の回生を想定し、その間の電流をパワー型電池１３が負担できるように応答時間の長さを予め検討しておく必要がある。換言すれば、容量型電池１４に流れる電流の応答時間およびパワー型電池１３に流れる電流の応答時間が所定時間よりも大きくなるように、容量型電池１４とパワー型電池１３とが組み合わされて構成される。

本実施例では、応答時間の好適な値として（式５）の計算結果が６０秒よりも大きくなる条件としたが、この値に限定するものではない。また、応答時間の定義は、本発明に記載の６３．２％に限らず、一例として９０％としても良い。

図４は、複合電池システムを構築する際の、もう一つの条件となるパワー型電池および容量型電池の直列接続の電圧範囲を示す。図４の符号４１はパワー型電池１３（直列接続する場合は単位電池に直列数を掛けた値となる）の使用電圧範囲を示している（パワー型電池電圧範囲×パワー型電池直列数）。また、符号４２は容量型電池１４の使用電圧範囲を示している（容量型電池電圧範囲×容量型電池直列数）。図４に示すように、パワー型電池１３の直列接続の使用電圧範囲４１と容量型電池１４の直列接続の使用電圧範囲４２は、オーバーラップするように構成する。換言すれば、容量型電池１４の使用電圧範囲４２とパワー型電池１３の使用電圧範囲４１は共通する部分を有する。この理由は、オーバーラップが無い場合は、電圧の高い電池から低い電池に常に充電電流が流れるため、複合電池システムと機能することが難しいためである。オーバーラップ使用可能範囲（４３）の電圧幅を、「オーバーラップ使用可能範囲の上限値（４４）−オーバーラップ使用可能範囲の下限値（４５）」として、電力供給対象の電圧範囲や使用する電池の性能などを考慮しつつ、この電圧幅が大きくなるように、パワー型電池１３および容量型電池１４の直列数が決定される。

パワー型電池１３が負担する電流を増やすための方法（実施例２）を、図５を用いて説明する。複合蓄電システム並びにそれを搭載する電気自動車の構成や回路モデルは実施例１と同じである。
前述した通り、充放電時のパワー型電池１３と容量型電池１４の電流の収束値は容量比に応じて定まることから、実施例２では、容量比をパワー型電池：容量型電池＝１：２とした例を示している。つまり、図５に示すようにパワー型電池１３の収束電流値（ｉ_１）がＩ／３、容量型電池１４の収束電流値（ｉ_２）が２Ｉ／３となるように調整されている。換言すれば、容量型電池１４の容量とパワー型電池１３の容量との比が所定値よりも大きくなるように、容量型電池１４とパワー型電池１３とが組み合わされて構成されている。このような実施形態では、パワー型電池１３に大きな容量が求められるものの、複合蓄電システムの応答時間に関係なく、容量型電池１４の負担を軽減可能な複合電池システムを構成することができる。

図６は、実施例２における複合電池システムを構築する際の条件を示す。図４で説明したとおり、２つの電池を並列接続して使用するためには、それぞれの電池の使用可能電圧範囲にオーバーラップが必要である。さらに、実施例２では、パワー型電池１３と容量型電池１４の容量差が、それぞれの電池の充放電電流の収束値が、適切な値となるように、容量差を検討する必要がある。実施例２では、一例として図５で述べたようにパワー型電池１３と、容量型電池１４との容量比を１：２としたが、この値に限定するものではない。

図７に実施例３を示す。基本構成は実施例１の図１と同じであるが、容量型電池１４とパワー型電池１３とインバータ１２の間に、それぞれの電池に異常が発生した場合に複合蓄電システムから電池を解除する電流遮断機構１６が追加された構成である。これにより複合蓄電システムの稼働中にどちらかの電池に異常が発生した場合でも、システムは正常に稼動できる。電流遮断機構１６は、図７のように容量型電池１４およびパワー型電池１３の両方に接続されていても良いが、容量型電池１４およびパワー型電池１３のどちらか一方にのみ接続されていても良い。

図８は、図７のシステム構成を機能させるための制御フローである。システム起動後（ＳＴＡＲＴ；Ｓ８００）、Ｓ８０１でＥＣＵ１５は電池システムの電圧、電流、温度の情報を計測する。また、計測した情報から充電状態であるＳＯＣを推定する（データ計測、状態推定）。
Ｓ８０２では、パワー型電池１３および／または容量型電池１４の電圧、温度、ＳＯＣの少なくとも１つが予め定める所定値（所定値１）よりも大きくなっていないかを判断する。ＥＣＵ１５は、異常が無い場合（ＮＯ）、Ｓ８０３へ進み、異常がある場合（ＹＥＳ）、Ｓ８０４へ進む。
Ｓ８０３では、ＥＣＵ１５が、パワー型電池１３および／または容量型電池１４の電圧、ＳＯＣの少なくとも１つが予め定める所定値（所定値２）よりも小さくなっていないかを判断する。異常が無い場合（ＮＯ）、ＥＣＵ１５はＳ８０１からフローを繰り返す。異常がある場合（ＹＥＳ）、ＥＣＵ１５はＳ８０４に進む。

Ｓ８０４では、容量型電池１４に異常が発生しているか否かを判定する。Ｓ８０４がＮｏの場合はＳ８０５でＥＣＵ１５がパワー型電池１３の電流遮断機構１６を制御して複合蓄電システムから解除する。つまり、電流遮断機構１６により容量型電池１４とパワー型電池１３との並列接続が解除される（パワー型電池１３遮断）。Ｓ８０４がＹＥＳの場合、ＥＣＵ１５はＳ８０６で容量型電池１４の電流遮断機構１６を制御して複合蓄電システム中の並列接続から解除する（容量型電池１２遮断）。そして、以降、ＥＣＵ１５はＳ８０１からフローを繰り返す。

１０ 電気自動車
１１ モータジェネレータ
１２ インバータ、
１３ パワー型電池
１４ 容量型電池
１５ ＥＣＵ
１６ 電流遮断機構

Claims (8)

1. 容量型電池とパワー型電池とを並列に接続して構成された蓄電池システムにおいて、
   予め充電されている前記容量型電池及び前記パワー型電池の双方が負荷へ電流を出力し、
   前記容量型電池の使用電圧範囲と前記パワー型電池の使用電圧範囲は共通する部分を有し、
   前記容量型電池に流れる電流の応答時間および前記パワー型電池に流れる電流の応答時間が所定時間よりも大きくなるように、前記容量型電池と前記パワー型電池とが組み合わされて構成されており、
   前記パワー型電池から出力される電流の値が、前記容量型電池から出力される電流の値より上回っている場合、前記パワー型電池が前記容量型電池から出力される電流を補完し、
   前記容量型電池から出力される電流の値が、前記パワー型電池から出力される電流の値より上回っている場合、前記容量型電池が前記パワー型電池から出力される電流を補完する蓄電池システム。
2. 請求項１の蓄電池システムにおいて、
   前記容量型電池に流れる電流の応答時間および前記パワー型電池に流れる電流の応答時間が６０秒よりも大きくなるように、前記容量型電池と前記パワー型電池とが組み合わされて構成されている蓄電池システム。
3. 請求項２の蓄電池システムにおいて、
   前記容量型電池および前記パワー型電池は、以下の（式１）を満たす蓄電池システム。
   ｍ（ｎ＋１）Ｃ_１Ｒ_１／（ｍ＋１）≧６０・・・（式１）
   ｍ：容量型電池とパワー型電池の容量比（容量型電池／パワー型電池）
   ｎ：容量型電池とパワー型電池の抵抗比（容量型電池／パワー型電池）
   Ｃ_１：パワー型電池の容量
   Ｒ_１：パワー型電池の抵抗値
4. 請求項１の蓄電池システムにおいて、
   前記容量型電池の使用電圧範囲と前記パワー型電池の使用電圧範囲は共通する部分を有し、
   前記容量型電池の容量と前記パワー型電池の容量との比が所定値よりも大きくなるように、前記容量型電池と前記パワー型電池とが組み合わされて構成されている蓄電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかの蓄電池システムにおいて、
   前記蓄電池システムは、電力遮断機構を有し、
   前記容量型電池または前記パワー型電池に前記電力遮断機構が接続されている蓄電池システム。
6. 請求項５の蓄電池システムにおいて、
   前記容量型電池または前記パワー型電池に異常が発生した場合に、前記電力遮断機構により前記容量型電池と前記パワー型電池との並列接続が解除される蓄電池システム。
7. 請求項６の蓄電池システムにおいて、
   前記容量型電池または前記パワー型電池の電圧、温度、ＳＯＣの少なくとも１つが所定値よりも大きい場合に、前記電力遮断機構により前記容量型電池と前記パワー型電池との並列接続が解除される蓄電池システム。
8. 請求項６の蓄電池システムにおいて、
   前記容量型電池または前記パワー型電池の電圧、ＳＯＣの少なくとも１つが、所定値よりも小さい場合に、前記電力遮断機構により前記容量型電池と前記パワー型電池との並列接続が解除される蓄電池システム。

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