JP6823885B2 - 複合電池、それを備えた自動車及び鉄道回生電力貯蔵装置 - Google Patents
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Description
また、本発明の他の目的は、上記目的に加え、複合電池全体の放電特性を簡便かつ高精度に計算することができ、従来と同等以上に大容量化すること、安全性を向上すること、及び故障時のリスクを分散することが可能な複合電池を提供することにある。
さらに、複合電池の状態を監視する電池状態監視装置を有し、電池状態監視装置は、複合電池の電圧値を検出する電圧検出部と、複合電池に流れる電流値を検出する電流検出部と、リチウムイオン二次電池に出入りする電気量、及びリチウムイオン二次電池の電圧値の少なくとも一方を検出し、リチウムイオン二次電池の充電率を計算する充電率検出部と、電圧検出部、電流検出部及び充電率検出部が検出又は計算した値を用いて複合電池の放電特性を計算する特性計算部と、を有するのが好ましい。
リチウムイオン二次電池は、鉛蓄電池の動作電圧範囲よりも大きい動作電圧範囲を有するのが好ましい。
さらに、リチウムイオン二次電池を覆わずに鉛蓄電池の少なくとも一部を覆う断熱材を有するのが好ましい。
また、本発明によれば、上記効果に加え、複合電池全体の放電特性を簡便かつ高精度に計算することができ、従来と同等以上に大容量化すること、安全性を向上すること、及び故障時のリスクを分散することができる。
まず、本発明の第1の実施形態の複合電池について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態の複合電池を示すブロック図であり、図2は、図1の複合電池を構成する鉛蓄電池とリチウムイオン二次電池の温度と内部抵抗の関係を模式的に示すグラフであり、図3は、図1の複合電池の一実施例の斜視図である。
このような構成とすることで、本発明の複合電池の内の、例えば、鉛蓄電池12をエンジンルーム内に、リチウムイオン二次電池14を客室内のシート下部に、別々に設置することができる。
このような構成とすることで、本発明の複合電池は、ハイレートで充放電を繰り返しても、リチウムイオン二次電池に過大な入出力負荷が極力掛からないようにすることができ、各二次電池の入出力をシンプルに制御することができる。
負極要素22は、負極活物質22bと負極集電部22tとを有し、正極要素24は、正極活物質24bと正極集電部24tとを有するものである。即ち、負極要素22は、負極箔22aの一部である負極集電部22tと、負極箔22aの負極集電部22t以外の部分の両側に形成された負極活物質22bと、を有し、正極要素24は、正極箔24aの一部である正極集電部24tと、正極箔24aの正極集電部24t以外の部分の両側に形成された正極活物質24bと、を有する。
単電池要素20は、4つの単電池要素から成り、負極バスバー36は、3つの負極バスバーから成り、正極バスバー38は、3つの正極バスバーから成り、各負極バスバーの一方の端部と各正極バスバーの一方の端部とは、それぞれ互いに電気的に接続される。ケース32は、さらに、リチウムイオン二次電池30から電力を取り出すための負極端子板36t及び正極端子板38tを備える。
リチウムイオン二次電池30は、低結晶性カーボンを用いた負極活物質22bを有するのが好ましい。即ち、図7に示すように、負極活物質22bにグラファイトを用いた場合には、リチウムイオン二次電池30の充電率の範囲は、鉛蓄電池12の充電率が100%の時の電圧14.4V(満充電電圧)と等しくなる10%弱までの範囲C1しかないのに対して、負極活物質22bに低結晶性カーボンを用いた場合には、リチウムイオン二次電池30の充電率の範囲は、鉛蓄電池12の充電率が100%の時の電圧14.4V(満充電電圧)と等しくなる50%強までの範囲C2になる。
このような構成とすることで、10%以上の範囲の充電率に対する電池電圧の勾配が大きくなった結果、鉛蓄電池の電池電圧範囲に適合するリチウムイオン二次電池の充電率範囲が大きくなるので、本発明の複合電池は、大容量化することができる。
リチウムイオン二次電池30は、鉛蓄電池12の動作電圧範囲よりも大きい動作電圧範囲を有するのが好ましい。即ち、一般に、鉛蓄電池12の満充電電圧が約14.0〜16.4Vであり、放電終止電圧が約10.5〜12.0Vであるのに対して、負極活物質22bに低結晶性カーボンを用いた場合には、リチウムイオン二次電池30の満充電電圧が約16.8Vであり、放電終止電圧が約10.0Vになる。
このような構成とすることで、複合電池を使用した場合に、リチウムイオン二次電池が過充電又は過放電になるリスクが低減されるので、本発明の複合電池は、安全性を向上することができる。
複合電池10は、さらに、複合電池10の状態を監視する電池状態監視装置40を有するのが好ましく、その場合には、電池状態監視装置40は、電圧検出部42と電流検出部44と充電率検出部46と特性計算部48とを有する。電圧検出部42は、複合電池10の電圧値を検出し、電流検出部44は、複合電池10に流れる電流値を検出する。充電率検出部46は、リチウムイオン二次電池14に出入りする電気量、及びリチウムイオン二次電池14の電圧値の少なくとも一方を検出し、リチウムイオン二次電池14の充電率を計算する。特性計算部48は、電圧検出部42、電流検出部44及び充電率検出部46が検出又は計算した値を用いて複合電池の放電特性を計算する。
このような構成とすることで、本発明の複合電池は、複合電池全体の放電特性を簡便かつ高精度に計算することができる。
電池状態監視装置60は、電圧検出部42と電流検出部44と充電率検出部46と特性計算部62とを有し、さらに、検出判定部64を備えても良い。充電率検出部46は、クーロンカウンタ46aによって検出されたリチウムイオン二次電池14に出入りする電気量から、又は矢印46bのように電圧検出部42から出力された複合電池10の電圧値から、リチウムイオン二次電池14の充電率を計算する。特性計算部62は、通信部48a及び記憶部48bを備えても良い。
複合電池10では、負荷50に対する充放電を行っていない場合であっても、複合電池10を構成するリチウムイオン二次電池14と鉛蓄電池12との間で電流のやり取りが発生し、電池状態がわずかに変化する。従って、電池状態が変化している間に上記ステップS20の計算を行っても、リチウムイオン二次電池14の充電率の計算精度は悪くなる。これに対して、このやり取りされる電流が小さくて、電池状態がほとんど変化していない時に上記ステップS20の計算を行えば、リチウムイオン二次電池14の充電率をより高精度に計算することができる。
電池状態監視装置70は、電圧検出部42と電流検出部44と充電率検出部46と特性計算部72とを有し、さらに、検出判定部74を備えても良い。充電率検出部46は、クーロンカウンタ46aによって検出されたリチウムイオン二次電池14に出入りする電気量から、又は矢印46bのように電圧検出部42から出力された複合電池10の電圧値から、リチウムイオン二次電池14の充電率を計算する。特性計算部72は、通信部48a及び記憶部48bを備えても良い。
複合電池10では、上述のように、負荷50に対する充放電を行っていない場合であっても、電池状態がわずかに変化するので、電池状態が変化している間に上記ステップS20の計算を行っても、リチウムイオン二次電池14の充電率の計算精度は悪くなる。これに対して、複合電池10の休止時間が長ければ電池状態がほとんど変化しなくなるので、その時に上記ステップS20の計算を行えば、リチウムイオン二次電池14の充電率をより高精度に計算することができる。
電池状態監視装置80は、電圧検出部42と電流検出部44と充電率検出部46と特性計算部82とを有し、さらに、検出判定部84を備えても良い。充電率検出部46は、クーロンカウンタ46aによって検出されたリチウムイオン二次電池14に出入りする電気量から、又は矢印46bのように電圧検出部42から出力された複合電池10の電圧値から、リチウムイオン二次電池14の充電率を計算する。特性計算部82は、通信部48a及び記憶部48bを備えても良い。
複合電池10では、リチウムイオン二次電池14の保護機能が作動することによって、リチウムイオン二次電池14が鉛蓄電池12及び負荷50から電気的に切り離された状態になると、電池状態が大きく変化する。従って、リチウムイオン二次電池14の保護機能の作動状態を考慮すれば、複合電池全体の放電特性をより高精度に計算することができる。
複合電池90は、鉛蓄電池92とリチウムイオン二次電池94とを並列接続して構成される。即ち、複合電池90は、12V系の複合電池であり、車載バッテリなどで使用される12V鉛蓄電池92にリチウムイオン二次電池94が並列接続される。鉛蓄電池92の出力端子面92aに設けられた出力端子92t、及びリチウムイオン二次電池94の出力端子面94aに設けられた出力端子94tは、板状の接続部材96によって電気的に接続される。
複合電池100は、鉛蓄電池102とリチウムイオン二次電池104とを並列接続して構成される。即ち、鉛蓄電池102の出力端子面102aに設けられた出力端子102t、及びリチウムイオン二次電池104の出力端子面104aに設けられた出力端子104tは、接続部材106によって電気的に接続される。
本発明の複合電池の第2変形例は、基本的に以上のように構成される。このような構成とすることで、本発明の複合電池は、ハイレートで充放電を繰り返しても、リチウムイオン二次電池に過大な入出力負荷が極力掛からないようにすることができ、各二次電池の入出力をシンプルに制御することができる。
複合電池群110は、互いに直並列接続された複数の複合電池10で構成され、各複合電池10は、鉛蓄電池12とリチウムイオン二次電池14とを並列接続して構成される。また、複合電池群110は、複合電池10の代わりに、複合電池90又は100で構成されても良い。
本発明の複合電池で構成された複合電池群は、基本的に以上のように構成される。このような構成とすることで、複合電池群は、故障時のリスクを分散することができる。
自動車120は、発電機122と複合電池10と負荷とを備える。発電機122は、制動時に回生電力を発生させる。複合電池10は、回生電力によって充電された後に放電する。負荷は、一般負荷124、走行必要負荷及び被保護負荷126で構成され、複合電池10から放電された電力及び回生電力が供給される。一般負荷124は、ヘッドライト、フォグランプ、ウィンカ、ワイパ、ラジエータファン、スタータモータ、エアコンなどを含み、走行必要負荷及び被保護負荷126は、ナビ/オーディオ、メータ、ストップランプ、コントローラ類、点火コイル、インジェクタ、燃料ポンプ、CVT電動ポンプなどを含む。また、自動車120は、複合電池10の代わりに、複合電池90、100、又は複合電池群110で構成されても良い。
鉄道回生電力貯蔵装置130は、電気式鉄道車両132と複合電池10と電力伝送部134と双方向コンバータ部136とを備える。電気式鉄道車両132は、変電所から伝送された電力でモータを回して走行すると共に、制動時にモータを用いて回生電力を発生させる。複合電池10は、回生電力によって充電された後に放電する。電力伝送部134は、変電所からの電力を電気式鉄道車両132に伝送すると共に、回生電力を複合電池10に伝送する。双方向コンバータ部136は、電力伝送部134と複合電池10との間に接続され、回生電力を電力変換して複合電池10に出力すると共に、複合電池10から放電された電力を電力変換して電力伝送部134に出力する。電力伝送部134は、正極の架線及び負極のレールで構成され、双方向コンバータ部136は、昇降圧チョッパ、ノイズ除去用のフィルタ、及び断路器などで構成される。昇降圧チョッパは、電流のオンオフを繰り返すことによって、実効値として任意の電圧や電流を擬似的に作り出す装置である。また、鉄道回生電力貯蔵装置130は、複合電池10の代わりに、複合電池90、100、又は複合電池群110で構成されても良い。
まず、実施例として、容量7Ah、公称電圧3.6Vの円筒型リチウムイオン二次電池の単セルを4直列1並列に接続したリチウムイオン二次電池と、容量36Ah、公称電圧12Vの鉛蓄電池と、を並列接続して複合電池を構成した。リチウムイオン二次電池及び鉛蓄電池には、それぞれシャント抵抗を設置し、各二次電池に流れる電流を測定した。なお、シャント抵抗の抵抗値は、各二次電池の抵抗に対して十分小さいので、充放電挙動には影響しない。
Rlib=(Vorg−Vset)/Ilib
Rpbb=(Vorg−Vset)/Ipbb
次に、恒温槽の温度を48℃に設定し、24時間放置して複合電池温度を48℃にした。その後、同一の方法で48℃における各二次電池の内部抵抗Rlib、Rpbbを算出した。
次に、本発明の効果を確認するために、実施例の複合電池及び比較例の複合電池を25℃に温度設定された恒温槽内に設置し、24時間放置して複合電池温度を25℃にした。その後、再び複合電池電圧を12.7V(=Vorg)に調整し、以下の条件の充放電サイクル試験を行った。
1)充電1:電流320A、時間5秒
2)充電2:電圧160A、時間10秒
3)休止:30秒
4)放電:電流160A、時間20秒
5)休止:30秒
6)1〜5を合計100回繰り返す。
12、92、102 鉛蓄電池
12a、14a、92a、94a、102a、104a 出力端子面
12t、14t、92t、94t、102t、104t 出力端子
14、30、94、104 リチウムイオン二次電池
16、96、106 接続部材
20 単電池要素
22 負極要素
22a 負極箔
22b 負極活物質
22t 負極集電部
24 正極要素
24a 正極箔
24b 正極活物質
24t 正極集電部
26 セパレータ
32 ケース
32a 取付面
32b 凹部
34 放熱板
36 負極バスバー
36t 負極端子板
38 正極バスバー
38t 正極端子板
40、60、70、80 電池状態監視装置
42 電圧検出部
44 電流検出部
46 充電率検出部
46a クーロンカウンタ
46b 矢印
48、62、72、82 特性計算部
48a 通信部
48b 記憶部
50 負荷
52 外部機器
64、74、84 検出判定部
64a 電流センサ
74a 稼働率計
84a 導通センサ
108 断熱材
110 複合電池群
120 自動車
122 発電機
124 一般負荷
126 走行必要負荷及び被保護負荷
130 鉄道回生電力貯蔵装置
132 電気式鉄道車両
134 電力伝送部
136 双方向コンバータ部
Claims (7)
- 鉛蓄電池とリチウムイオン二次電池とを並列接続して構成され、
前記鉛蓄電池は、温度変化に伴って変化する内部抵抗値を0〜40℃の温度範囲内で任意に設定された基準温度の時の内部抵抗値で除した第1内部抵抗比を有し、
前記リチウムイオン二次電池は、温度変化に伴って変化する内部抵抗値を前記基準温度の時の内部抵抗値で除した第2内部抵抗比を有し、
前記第2内部抵抗比は、前記基準温度よりも高い温度範囲では前記第1内部抵抗比よりも大きくなるように設定されることを特徴とする複合電池。 - 前記リチウムイオン二次電池は、低結晶性カーボンを用いた負極活物質を有する請求項1に記載の複合電池。
- さらに、前記複合電池の状態を監視する電池状態監視装置を有し、
前記電池状態監視装置は、
前記複合電池の電圧値を検出する電圧検出部と、
前記複合電池に流れる電流値を検出する電流検出部と、
前記リチウムイオン二次電池に出入りする電気量、及び前記リチウムイオン二次電池の電圧値の少なくとも一方を検出し、前記リチウムイオン二次電池の充電率を計算する充電率検出部と、
前記電圧検出部、前記電流検出部及び前記充電率検出部が検出又は計算した値を用いて前記複合電池の放電特性を計算する特性計算部と、を有する請求項1又は2に記載の複合電池。 - 前記リチウムイオン二次電池は、前記鉛蓄電池の動作電圧範囲よりも大きい動作電圧範囲を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合電池。
- さらに、前記リチウムイオン二次電池を覆わずに前記鉛蓄電池の少なくとも一部を覆う断熱材を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合電池。
- 制動時に回生電力を発生させる発電機と、
前記回生電力によって充電された後に放電する請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合電池と、
前記複合電池から放電された電力及び前記回生電力が供給される負荷と、を備えた自動車。 - 変電所から伝送された電力でモータを回して走行すると共に、制動時に前記モータを用いて回生電力を発生させる電気式鉄道車両と、
前記回生電力によって充電された後に放電する請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合電池と、
前記変電所からの電力を前記電気式鉄道車両に伝送すると共に、前記回生電力を前記複合電池に伝送する電力伝送部と、
前記電力伝送部と前記複合電池との間に接続され、前記回生電力を電力変換して前記複合電池に出力すると共に、前記複合電池から放電された電力を電力変換して前記電力伝送部に出力する双方向コンバータ部と、を備えた鉄道回生電力貯蔵装置。
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