KR20100067664A - 전원 시스템 - Google Patents

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forced discharge
battery
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시게유키 스기야마
마모루 아오키
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파나소닉 주식회사
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Abstract

전원 시스템은, 적어도 하나의 수용액계 2차 전지와, 상기 수용액계 2차 전지보다 하나당의 전지 용량이 작은 적어도 하나의 비수계 2차 전지를 구비하며, 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시킬 수 있는 적어도 하나의 강제 방전부와, 상기 비수계 2차 전지의 전압을 개별적으로 측정하여, 상기 비수계 2차 전지의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 상기 강제 방전부를 이용해서 강제 방전 종료 전압에 도달할 때까지 상기 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시키는 제어부를 구비하고 있다.

Description

전원 시스템{POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 복수의 2차 전지를 구비하는 전지 시스템에 관한 것이다.
종래, 2륜차나 3륜차, 및 4륜 이상의 차량에는, 동력계의 시동용이나, 전기 회로, 전기 기기의 구동용으로서 납 축전지가 탑재되어 있다. 납 축전지는 저(低)가격이지만, 축전 에너지 밀도가 작기 때문에, 탑재 중량, 부피가 크다. 차량으로서의 연비, 동력 성능의 관점에서는, 이 중량, 부피의 경량, 컴팩트화가 요구되고 있다. 이 개선책으로서, 보다 축전 에너지 밀도가 큰 니켈-카드뮴 2차 전지, 니켈 수소 2차 전지나, 리튬 이온 2차 전지, 리튬 폴리머 2차 전지를 채용하는 방법이 있다. 또한, 한 종류의 전지로 전지 팩(assembled battery)을 구성한 경우에 있어서의 다양한 과제 해결을 위해, 이종(異種)의 전지를 조합시킨 전지 팩도 제안되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
그런데, 납 축전지의 충전에는, 예컨대, 정전압으로 충전하는 정전압 충전 방식이나, 정전류 충전 후에 정전압 충전을 행하는 정전류 정전압(CCCV: Constant Current Constant Voltage) 충전 방식 등의 충전 방식이 사용된다. 정전압 충전을 행하는 경우, 2차 전지에 일정한 전압을 인가하면서 2차 전지에 흐르는 충전 전류를 검출하여, 충전 전류가 미리 설정된 충전 종지(終止) 전류값 이하로 되면, 충전을 종료한다.
그러나, 니켈-카드뮴 2차 전지나 니켈 수소 2차 전지 등의 수용액계 2차 전지는, 정전압으로 충전하면, 만충전(滿充電) 부근에서 부반응인 산소 발생에 따른 온도 상승에 의해서 셀의 기전압이 저하되어 충전 전류가 증대로 바뀌어, 충전 전류가 충전 종지 전류값 이하로 되지 않기 때문에 정전압 충전을 종료할 수 없어, 충전이 계속되어 과충전 상태로 되어 버린다. 그 결과, 과충전에 의한 누액(漏液)이 발생하여, 전지 기능이 열화되어 버린다. 그 때문에, 납 축전지용의 충전 회로를 구비한 차량에서는, 납 축전지 대신에 수용액계 2차 전지를 탑재할 수 없다고 하는 단점이 있었다.
또한, 리튬 이온 2차 전지, 리튬 폴리머 2차 전지 등의 비수계(非水系) 2차 전지는 납 축전지와 동일한 정전류 정전압(CCCV) 충전 방식으로 충전될 수 있다. 그러나, 납 축전지용의 충전 회로를 구비한 차량에 납 축전지 대신에 이러한 비수계 2차 전지를 탑재하면, 납 축전지와 비수계 2차 전지에서는 충전 전압이 다르기 때문에, 충분한 충전이 행해지지 않는다는 단점이 있었다.
예컨대, DC 12V 출력의 납 축전지는 14.5V에서 정전압 충전이 행하여진다. 그러면, 이러한 납 축전지를 충전하기 위한 충전 회로를 이용하여 리튬 이온 2차 전지가 복수개 직렬 접속된 전지 팩을 충전한 경우, 리튬 이온 2차 전지 1개당의 충전 전압은 14.5V를 리튬 이온 2차 전지의 개수로 나눈 전압으로 된다. 예컨대, 리튬 이온 2차 전지가 3개 직렬 접속된 전지 팩에서는, 리튬 이온 2차 전지 1개당의 충전 전압은 14.5V/3=4.83V로 된다.
한편, 리튬 이온 2차 전지를 정전압 충전하는 경우의 충전 전압으로서는, 리튬 이온 2차 전지의 만충전 상태에서의 개방 전압인 4.2V가 이용된다. 그러면, 리튬 이온 2차 전지가 3개 직렬 접속된 전지 팩을 납 축전지용의 충전 회로로 충전하는 경우, 충전 전압이 지나치게 높아, 과충전에 의한 특성 열화나 고장, 또는 안전상의 문제를 초래할 우려가 있다고 하는 단점이 있었다.
또한, 리튬 이온 2차 전지가 4개 직렬 접속된 전지 팩에서는, 리튬 이온 2차 전지 1개당의 충전 전압은 14.5V/4=3.63V로 되어, 4.2V에 대해 충전 전압이 지나치게 낮고 충전 심도(SOC: State of Charge)가 50% 정도 또는 그 이하로밖에 되지 않아, 2차 전지의 전지 용량을 유효하게 활용하기 어렵다고 하는 단점이 있었다.
또한, 특허 문헌 1에 기재된 기술(技術)에서는, 수용액계 2차 전지의 만충전 부근에서 발열이 증대하는 성질을 이용하여, 수용액계 2차 전지와 비수계 2차 전지를 혼재시킨 전지 팩에서 온도에 따라, 만충전이 된 것을 판정하도록 하고 있다. 그러나, 납 축전지용의 충전 회로와 같은 정전압 충전용의 충전 회로에서는, 충전 전류에 근거하여 만충전을 판정해서, 충전을 종료한다. 이 때문에, 특허 문헌 1에 기재된 전지 팩을 이러한 정전압 충전용의 충전 회로로 충전하면, 충전을 종료할 수 없어, 과충전에 의한 특성 열화나 고장, 또는 안전상의 문제를 초래할 우려가 있다고 하는 단점이 있었다. 또한, 수용액계 2차 전지가 만충전 부근에서 발열하기 때문에, 수용액계 2차 전지와 조합된 비수계 2차 전지가 가열되는 것에 의해 열화되어 버린다고 하는 단점도 있었다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 평9-180768호 공보
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 발명으로서, 정전압 충전용의 충전 회로에 의해서 충전한 경우이더라도, 과충전이 될 우려를 저감하면서 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 용이한 전지 팩, 및 이러한 전지 팩을 이용한 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 국면에 따른 전원 시스템은, 적어도 하나의 수용액계 2차 전지와, 상기 수용액계 2차 전지보다 하나당의 전지 용량이 작은 적어도 하나의 비수계 2차 전지를 구비하며, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있고, 상기 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시킬 수 있는 적어도 하나의 강제 방전부와, 상기 비수계 2차 전지 및 상기 수용액계 2차 전지의 전압을 개별적으로 측정하여, 상기 비수계 2차 전지의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 상기 강제 방전부를 이용하여 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 상기 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시키는 제어부를 구비하고 있다.
이 구성에 따르면, 수용액계 2차 전지와 비수계 2차 전지로 이루어지는 당해 전지 팩을 정전압 충전에 의해서 충전하면, 수용액계 2차 전지를 흐르는 충전 전류와 비수계 2차 전지를 흐르는 충전 전류가 동일하므로, 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지쪽이 먼저 만충전에 근접하여 충전 전류가 감소하고, 정전압 충전이 종료된다. 그러면, 충전 종료시에는, 비수계 2차 전지보다 전지 용량이 큰 수용액계 2차 전지는 아직 만충전에 도달하고 있지 않으므로, 과충전으로 될 우려가 저감된다. 또한, 동일 종류의 2차 전지를 복수 직렬 접속한 경우보다, 전지 특성이 다른 수용액계 2차 전지와 비수계 2차 전지를 조합한 쪽이, 전지 팩 전체의 충전 특성을 소정의 충전 전압에 맞추어 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 용이해진다.
또한, 본 발명의 전원 시스템은, 제어부가 비수계 2차 전지 및 수용액계 2차 전지의 전압을 개별적으로 측정하여, 비수계 2차 전지의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 강제 방전부를 이용하여 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시킨다. 또한, 전지 팩을 구성하는 수용액계 2차 전지가 단락 등에 의해 전압 저하된 경우, 전지 팩으로의 정전압 충전을 계속하면, 전지 팩을 구성하는 비수계 2차 전지가 과충전될 우려가 있다. 본 발명의 전원 시스템에 따르면, 이러한 불량이 발생하더라도, 비수계 2차 전지가 강제 방전 개시 전압 Va를 초과하지 않도록 제어할 수 있기 때문에, 보다 높은 안전성을 보증할 수 있다.
본 발명의 목적, 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 의해 보다 명백해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전원 시스템을 실용화한 일례를 나타내는 블록도,
도 2는 전지 팩을 정전류 정전압 충전한 경우의, 충전 시간과, 각 리튬 이온 2차 전지, 및 각 니켈 수소 2차 전지의 단자 전압과, 합계 전압 Vc의 일례를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 형태를 도면에 근거하여 설명한다.
본 발명에 따른 전원 시스템은, 수용액계 2차 전지와, 상기 수용액계 2차 전지보다 하나당의 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지를 구비하며, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있고, 상기 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시킬 수 있는 복수의 강제 방전부와, 상기 비수계 2차 전지 및 상기 수용액계 2차 전지의 전압을 개별적으로 측정하여, 상기 비수계 2차 전지의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 상기 강제 방전부를 이용해서 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 상기 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시키는 제어부를 구비하고 있다.
도 1은, 본 발명의 전원 시스템을 실용화한 일례로서, 3개의 비수계 2차 전지와 2개의 수용액계 2차 전지로 구성된 차량 탑재용의 셀 스타터 전원의 구성을 나타내는 블록도이다. 전원 시스템(7)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 발전기(1)와, 리튬 이온 2차 전지(비수계 2차 전지)(2a, 2b 및 2c)와 니켈 수소 2차 전지(수용액계 2차 전지)(2d 및 2e)로 이루어지는 전지 팩과, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)를 개별적으로 강제 방전시킬 수 있는 복수의 강제 방전부와, 개별적으로 측정한 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 전압을 측정하면서 이들 리튬 이온 2차 전지의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에 강제 방전부를 이용하여 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 리튬 이온 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시키는 제어부(6)를 구비하고 있다. 여기서 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)는 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)보다 하나당의 전지 용량이 작게 되어 있다. 또한, 강제 방전부는, 강제 방전 회로와, 제어부(6)로부터의 지령에 근거하여 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 또는 2c)를 강제 방전 회로와 연결하는 스위치(3a, 3b 또는 3c)로 이루어진다. 또한, 강제 방전 회로는 저항(4a, 4b 또는 4c)과 다이오드(5a, 5b 또는 5c)로 이루어진다. 이하, 발전기(1)로서 정전압 사양의 것을 이용한 경우에 대해 상술한다.
발전기(1)는, 예컨대 차량 탑재용의 납 축전지를 정전류 정전압(CCCV)에 의해서 충전하는 발전기이며, 예컨대 차량 탑재용의 ECU(Electric Control Unit) 등에 의해서 구성되어 있다. 발전기(1)는, 예컨대, 전압 센서, 전류 센서, 충전 전류 공급 회로, 및 발전기용 제어부(도시하지 않음)를 구비하고 있다.
충전 전류 공급 회로는, 예컨대 차량에서 발전된 전력으로부터 납 축전지를 충전하기 위한 충전 전류, 충전 전압을 생성하는 정류 회로나 스위칭 전원 회로 등을 구비하여 구성되어 있다. 그리고, 충전 전류 공급 회로는 전류 센서 및 전선을 통해 접속 단자에 접속되어 있다.
상기 전압 센서는, 예컨대, 분압 저항이나 A/D 컨버터 등을 이용하여 구성되어 있다. 그리고, 전압 센서는, 전선을 통해 접속 단자간의 전압, 즉 전지 팩의 충전 전압을 검출하고, 그 전압값을 발전기용 제어부로 출력한다. 전류 센서는, 예컨대 션트(shunt) 저항이나 홀 소자(hall element), A/D 컨버터 등을 이용하여 구성되어 있다. 그리고, 전류 센서는 충전 전류 공급 회로로부터 전지 팩으로 공급되는 충전 전류를 검출하여, 그 전류값을 발전기용 제어부에 출력한다.
발전기용 제어부는, 예컨대 소정의 연산 처리를 실행하는 CPU(Central Processing Unit)와, 소정의 제어 프로그램이 기억된 ROM(Read Only Memory)과, 데이터를 일시적으로 기억하는 RAM(Random Access Memory)과, 이들의 주변 회로 등을 구비하여 구성되고, ROM에 기억된 제어 프로그램을 실행하는 것에 의해, 전압 센서로부터 얻어진 충전 전압, 및 전류 센서로부터 얻어진 충전 전류에 근거하여 충전 전류 공급 회로의 출력 전류, 및 출력 전압을 제어함으로써, 정전류 정전압(CCCV) 충전을 실행하는 제어 회로이다.
납 축전지를 정전압 충전에 의해서 충전할 때의 충전 전압은 일반적으로 14.5V~15.5V이다. 그 때문에, 발전기용 제어부는, 정전압 충전을 행할 때에는, 전압 센서의 검출 전압이 14.5V~15.5V로 되도록 충전 전류 공급 회로의 출력 전류, 전압을 제어한다.
그런데, 리튬 이온 2차 전지는 만충전 상태에서의 개방 전압이 약 4.2V이다. 리튬 이온 2차 전지 등의 비수계 2차 전지는 충전에 의해 충전 심도가 증대함에 따라, 양극 전위는 증대하고, 음극 전위는 감소한다. 리튬 이온 2차 전지의 단자 전압은 양극 전위와 음극 전위의 차(差)로서 나타난다. 그리고, 충전 심도가 증대함에 따라 음극 전위가 저하되고, 음극 전위가 0V로 되었을 때의 양극 전위와 음극 전위의 차, 즉 양극 전위는 충전 전류값, 온도, 양극 및 음극의 활물질(活物質)의 조성 편차의 영향을 받지만, 양극 활물질로서 코발트산 리튬을 이용한 경우에 약 4.2V, 양극 활물질로서 망간산 리튬을 이용한 경우에 약 4.3V로 되는 것이 알려져 있다. 이와 같이, 음극 전위가 0V로 되었을 때에 만충전으로 되고, 이 때의 단자 전압, 예컨대 4.2V를 정전압 충전에서의 충전 전압으로서 이용함으로써, 리튬 이온 2차 전지를 만충전(충전 심도 100%)으로 할 수 있다.
한편, 니켈 수소 2차 전지 등의 수용액계 2차 전지는, 충전 심도의 변화에 대해 대략 일정한 단자 전압을 나타내는 특성이 있으며, 예컨대 니켈 수소 2차 전지에서는, 만충전 상태에서의 개방 전압이 약 1.4V이다.
그러면, 전원 시스템(7)에 있어서, 예컨대 충전 전압을 14.5V로 하여 전지 팩의 정전압 충전을 행한 경우, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 하나당의 충전 전압은 (14.5V-(1.4V×2))/3=3.9V로 된다. 이 때문에, 상술(上述)한 바와 같이 리튬 이온 2차 전지를 4개 직렬 접속한 경우에 있어서의 리튬 이온 2차 전지 1개당의 충전 전압 3.63V보다, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 충전 전압을 상승시킬 수 있다.
즉, 리튬 이온 2차 전지의 만충전 상태에서의 개방 전압인 4.2V에 4를 곱해서 얻어지는 전압 16.8V보다, 리튬 이온 2차 전지의 만충전 상태에서의 개방 전압인 4.2V에 3을 곱한 전압과 니켈 수소 2차 전지의 만충전 상태에서의 개방 전압 1.4V에 2를 곱한 전압의 합계 전압인 15.4V쪽이, 납 축전지용의 충전 전압 14.5V와의 차가 작게 된다. 이 경우, 충전 종료시에서의 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 충전 심도는 약 73%로 되어, 충전 종료시에서의 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 충전 심도를 증대할 수 있다.
또한, 상기 합계 전압은, 납 축전지용의 충전 전압 14.5V 이상으로 되어 있기 때문에, 납 축전지용의 충전 전압이 접속 단자 사이에 인가된 경우에, 리튬 이온 2차 전지 하나당에 인가되는 충전 전압이 4.2V 이하로 된다. 이 결과, 리튬 이온 2차 전지의 열화를 저감할 수 있음과 아울러, 안전성이 손상될 우려를 저감할 수 있다.
또, 납 축전지의 출력 전압은, 12V, 24V, 42V 등과 같이, 12V의 배수인 것이 존재하고, 이러한 납 축전지를 충전하는 충전 회로의 충전 전압도 또한 14.5V~15.5V의 배수로 된다. 그래서, 니켈 수소 전지 2개와 니켈 수소 전지보다 전지 용량이 작은 리튬 이온 2차 전지 3개를 직렬로 접속한 전지 팩을 1유닛(1단위)로 하고, 충전 회로의 충전 전압에 따라 이 유닛수를 증감함으로써, 니켈 수소 2차 전지의 개수와 리튬 이온 2차 전지의 개수를 2:3의 비율로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 납 축전지의 출력 전압이 12V의 경우와 마찬가지로, 전지 팩의 충전 전압을 충전 회로의 출력 전압과 맞추고, 이러한 충전 회로에 의해서 전지 팩을 충전할 때의 충전 종료시의 충전 심도를 증대할 수 있다.
이와 같이 구성된 유닛을 기본 단위로 하여, 기전력 또는 전지 용량 등의 요망에 맞추어, 수(數) 유닛을 직렬 접속, 병렬 접속, 또는 직렬과 병렬을 혼재시켜 접속하여 전지 팩으로 하는 것도 가능하다.
다음으로, 상술한 바와 같이 구성된 전원 시스템(7)의 동작에 대해 설명한다. 도 2는 도 1에 나타내는 발전기(1)에 의해서, 전지 팩을 정전류 정전압(CCCV) 충전한 경우의, 충전 시간과, 각 리튬 이온 2차 전지 및 각 니켈 수소 2차 전지의 단자 전압과, 접속 단자간의 전압, 즉 합계 전압(Vc)의 일례를 나타낸 그래프이다. 가로축이 충전 시간, 우측 세로축이 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c) 및 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 단일 셀의 단자 전압, 좌측 세로축이 합계 전압 Vc를 나타내고 있다.
우선, 발전기용 제어부로부터의 제어 신호에 따라, 충전 전류 공급 회로로부터 2A의 충전 전류가 전선을 통해 전지 팩으로 출력되고, 전지 팩이 2A로 정전류 충전된다. 그러면, 각 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c) 및 각 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 단자 전압이 충전에 따라 상승하여, 합계 전압 Vc도 또한 상승한다.
이 때, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 단자 전압은 조금밖에 상승하지 않고, 거의 일정한 채로, 충전이 행하여진다. 한편, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 단자 전압은 충전에 따라 상승 곡선을 그리면서 증대한다. 그러면, 합계 전압 Vc는 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 단자 전압의 증대에 따라 증대한다.
그리고, 전압 센서에 의해서 검출된 합계 전압 Vc이 14.5V에 도달하면(타이밍 T1), 발전기용 제어부에 의해서, 정전류 충전으로부터 정전압 충전으로 전환된다. 그리고, 발전기용 제어부로부터의 제어 신호에 따라, 충전 전류 공급 회로에 의해서, 접속 단자 사이에 14.5V의 일정한 전압이 인가되어 정전압 충전이 실행된다.
그러면, 정전압 충전에 의해서, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 충전 심도가 증대함에 따라 충전 전류가 감소한다. 그리고, 전류 센서에 의해서 검출된 충전 전류가, 미리 정전압 충전의 종료 조건으로서 설정된 충전 종지 전류 이하로 되면, 발전기용 제어부에 의해서, 14.5V의 정전압 충전에서 충전 가능한 최대의 충전 심도에 가까운 충전 심도까지 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)가 충전되었다고 판단된다. 그리고, 발전기용 제어부로부터의 제어 신호에 따라, 충전 전류 공급 회로의 출력 전류가 영으로 되어 충전이 종료된다(타이밍 T2).
그런데, 3개의 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)와 2개의 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)는 직렬 접속되어 있으므로, 각 전지에 공급되는 충전 전류는 같다. 그러면, 전지 용량이 작은 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)쪽이, 전지 용량이 큰 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)보다 먼저 만충전에 가까이 가기 때문에, 타이밍 T2에서는, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)쪽이 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)보다 충전 심도가 얕게 된다.
예컨대, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 전지 용량이 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 80%인 경우에, 예컨대 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 충전 심도가 100%로 되었을 때, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 충전 심도는 80%로 된다. 그러면, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 전지 용량을 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 전지 용량보다 작게 함으로써, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)가 만충전(충전 심도 100%) 가까이까지 충전되어 정전압 충전이 종료된 타이밍 T2에서, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)가 만충전(충전 심도 100%)을 넘는 일이 없어지기 때문에, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)가 과충전으로 될 우려를 저감하면서 충전 종료시의 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 충전 심도를 증대할 수 있다.
또한, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)가 만충전 부근에서 발열하기 전에, 충전이 종료되기 때문에, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 만충전 부근에서의 발열로 인해, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)가 열화될 우려가 저감된다.
또한, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)는, 정전압 충전되면, 만충전 부근에서 충전 전류가 증대하는 특성이 있다. 그 때문에, 혹시 만약에 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 전지 용량쪽이 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 전지 용량보다 작은 경우에는, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)가 만충전 가까이로 되어 충전 전류가 감소해서, 전류 센서에 의해서 검출되는 충전 전류가 충전 종지 전류 이하로 되기 전에, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)가 만충전에 근접하여 충전 전류가 증대한다. 이 때문에, 충전 전류가 충전 종지 전류 이하로 저하하지 않게 된다. 이 결과, 정전압 충전이 종료되는 일없이 충전이 계속되어, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)와 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)가 과충전으로 되어, 전지 특성의 열화를 초래하거나, 안전성이 손상되거나 할 우려가 생긴다.
그러나, 본 실시 형태에 따른 전지 팩은, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)쪽이 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)보다 전지 용량이 작게 되어 있기 때문에, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)가 만충전에 근접하여 충전 전류가 증대되기 전에 정전압 충전을 종료할 수 있다. 이 결과, 전지의 열화나 안전성이 손상될 우려를 저감할 수 있다.
그런데, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)는 자기 방전 전류가 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)보다 크다는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 전지 팩을 충전 후에 방치해 두면, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 잔존 용량쪽이 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 잔존 용량보다 적어지게 된다. 그리고, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 잔존 용량쪽이 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 잔존 용량보다 적은 상태로부터 전지 팩의 충전을 개시하면, 충전 종료시에서의 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 충전 용량이, 충전 전에 자기 방전에 의해서 감소하고 있던 용량분 감소하게 되기 때문에, 전지 팩 전체의 충전 용량이 감소하게 된다.
여기서 본 발명의 발명자들은, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 충전 심도가 낮은 상태에서 충전을 종료하면, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 자기 방전이 감소하는 것을 실험적으로 발견하였다. 그러면, 전지 팩을 정전압 충전한 경우에는, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 충전 심도가 저위(低位) 상태에서, 충전 전류가 증대하기 전에 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)가 만충전에 근접하게 된다. 이것에 의해, 충전 전류가 감소하여 충전 종지 전류 이하로 저하됨으로써 충전이 종료되기 때문에, 자동적으로 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 충전 심도가 낮은 상태에서 충전이 종료한다. 이 결과, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 자기 방전을 감소시킬 수 있다. 그리고, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 자기 방전이 감소하면, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 자기 방전에 기인하여, 전지 팩 전체의 충전 용량이 감소하는 것이 저감된다.
리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)와 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)를 상술한 바와 같이 조합하는 것에 부가하여, 본 실시 형태에 따른 전원 시스템(7)은 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)를 개별적으로 강제 방전시킬 수 있는 복수의 강제 방전부(스위치(3a, 3b 또는 3c)와, 저항(4a, 4b 또는 4c)과, 다이오드(5a, 5b 또는 5c)로 이루어짐)와, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 전압을 개별적으로 측정하여, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 강제 방전부를 이용해서 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)를 개별적으로 강제 방전시키는 제어부(6)를 구비하고 있다.
발전기(1)의 정격 전압에 의해서, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 충전 심도(SOC)는 변화된다. [표 1]은 도 2를 기초로 하여, 소전지(素電池)인 리튬 이온 2차 전지 1개당의 발전기(1)의 정격 전압과 SOC의 관계를 나타낸 것이다.
Figure pct00001
예컨대, 발전기(1)의 정격 전압이 리튬 이온 2차 전지 1개당 3.9V인 경우, SOC(소전지 하나당의 정격 전압이 3.9V인 충전 용량을 소전지 하나당의 정격 전압이 4.2V인 충전 용량으로 나누어 구해짐)는 73%로 되지만, 발전기(1)의 정격 전압이 리튬 이온 2차 전지 1개당 4.1V인 경우, SOC는 91%로 된다. 리튬 이온 2차 전지는, 충전 후의 SOC가 100% 근방으로 되면, 비수(非水) 전해질을 포함하는 전해액의 성분(주로 카보네이트)이 분해되기 쉬워진다. 이러한 상태의 리튬 이온 2차 전지에 대해, 발전기(1)로부터 충전 전류가 더 공급되는 것을 회피하기 위해서, 충전 후의 SOC가 100% 근방을 나타내는 전압보다 약간 낮은 영역에 강제 방전 개시 전압 Va를 설정하면서, 제어부(6)가 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 전압을 개별적으로 점차 측정하여, 발전기(1)로부터의 충전에 의해서 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 어느 하나의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 제어부(6)의 지령에 근거하여 해당하는 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 또는 2c)의 전압이 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지, 강제 방전부를 이용하여 강제 방전하도록 한 것이다.
계속해서, 리튬 이온 2차 전지(2a)가 최초에 강제 방전 개시 전압 Va에 도달한 경우를 예로 들어, 본 발명의 전원 시스템(7)의 동작을 설명한다.
제어부(6)는 전지 팩을 구성하는 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 전압을 점차 개별적으로 측정하고 있다. 발전기(1)로부터 전지 팩으로는 부정기적으로 충전 전류가 공급된다. 여기서 어떠한 요인(예컨대 전지에 포함되는 활물질(活物質)의 중량차 등)으로 리튬 이온 2차 전지(2a)가 리튬 이온 2차 전지(2b 및 2c)보다 SOC가 높아져 일찍 강제 방전 개시 전압 Va에 도달하면, 제어부(6)로부터의 지령에 근거하여 스위치(3b 및 3c)는 오프(off)인 채로 스위치(3a)가 온(on)으로 되어, 전지 팩 자체에는 충전 전류가 공급되는 중에, 소전지(2a)만이 저항(4a)과 다이오드(5a)로 이루어지는 강제 방전 회로를 통해, 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 강제 방전된다. 강제 방전이 종료되면, 제어부(6)의 지령에 근거하여 스위치(3a)가 오프로 되고, 리튬 이온 2차 전지(2a)는 발전기(1)로부터 충전을 받아들이기 가능한 상태로 된다.
또, 리튬 이온 2차 전지(2a)가 강제 방전되고 있는 동안도, 리튬 이온 2차 전지(2b 및 2c)와 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)로 이루어지는 전지 팩은 발전기(1)로부터의 충전을 받아들이고 있기 때문에, 충전 전류가 차량 탑재 기기(8)에 과도하게 공급되는 일은 없다. 또 리튬 이온 2차 전지(2a)의 강제 방전이 종료한 후, 리튬 이온 2차 전지(2b 또는 2c)가 강제 방전 개시 전압 Va에 도달하여 강제 방전을 개시하더라도, 적어도 리튬 이온 2차 전지(2a)는 발전기(1)로부터의 충전을 받아들이기 가능한 상태이기 때문에, 충전 전류가 차량 탑재 기기(8)에 과도하게 공급되는 일은 없다.
즉, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c) 및 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)는 각각 직렬 접속되어 있다. 또한, 상기 강제 방전부는, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 각각에 마련되어 있고, 각 리튬 이온 2차 전지의 양극 단자와 음극 단자 사이를 접속하는 회로이다. 그리고, 제어부(6)는, 상기 전지 팩의 충전 중, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c) 중 어느 하나가 강제 방전 개시 전압 Va에 도달할 때까지 스위치(3a, 3b 및 3c)를 모두 절단 상태로 하도록 각 스위치의 동작 제어를 행한다. 또한, 제어부(6)는, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c) 중 어느 하나가 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때는, 강제 방전 개시 전압 Va에 도달한 리튬 이온 2차 전지에 대응하는 상기 스위치만을 연결하여 강제 방전을 개시시키는 한편, 그 외의 상기 스위치의 절단 상태를 유지시킨다. 즉, 제어부(6)는, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c) 중 어느 하나에 대해 강제 방전이 행해지고 있는 동안도, 강제 방전이 행해지고 있지 않은 리튬 이온 2차 전지 및 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 충전이 계속되도록 각 스위치의 동작 제어를 행한다.
이와 같이, 본 전원 시스템(7)은, 발전기(1)로부터의 충전을 전지 팩이 상시 받아들일 수 있기 때문에, 차량 탑재 기기(8) 등의 본 전원 시스템(7)에 접속된 부하에 과전류가 흐르는 것을 회피할 수 있어, 당해 부하의 고장을 방지할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)와 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)는 만충전 상태에서의 단자 전압이 상이한 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 만충전 상태에서의 단자 전압이 상이한 2종류의 전지가 조합되어, 전지 팩이 구성된다. 정전압 충전에서는, 만충전 상태에서의 단자 전압이 셀당의 충전 전압으로서 사용되기 때문에, 만충전 상태에서의 단자 전압이 상이한 2종류의 전지가 조합된 전지 팩은 전지 팩 전체의 충전 전압을 소정의 충전 전압에 맞추어 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 용이해진다.
또한, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)와 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)가 직렬 접속된 직렬 회로의 양단에는, 미리 설정된 일정한 충전 전압을 출력하는 정전압 충전을 행하는 발전기(1)로부터, 충전 전압을 수전(受電)하기 위한 접속 단자가 마련되어 있고, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 만충전 상태에서의 단자 전압에, 직렬 회로에 포함되는 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 개수를 곱한 전압과, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 만충전 상태에서의 단자 전압에, 직렬 회로에 포함되는 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 개수를 곱한 전압의 합계 전압은, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 만충전 상태에서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다 상기 충전 전압과의 차가 작은 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 만충전 상태에서의 단자 전압에, 직렬 회로에 포함되는 니켈 수소 2차 전지(2d 및 2e)의 개수를 곱한 전압과, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 만충전 상태에서의 단자 전압에, 직렬 회로에 포함되는 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 개수를 곱한 전압의 합계 전압, 즉, 본래 당해 상기 전지 팩을 만충전으로 하기 위해 필요하게 되는 충전 전압과 발전기(1)로부터 공급되는 충전 전압의 차가, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)의 만충전 상태에서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 발전기(1)로부터 공급되는 충전 전압에 가장 가까운 전압보다 작다. 따라서, 당해 전지 팩을 발전기(1)에 의해서 정전압 충전한 경우, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)만을 이용하여 구성된 전지 팩을 발전기(1)에 의해서 정전압 충전한 경우보다, 만충전에 가까운 전압까지 전지 팩을 충전할 수 있어, 즉 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 합계 전압은, 상기 충전 전압 이상으로 되어 있고, 리튬 이온 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압 이상이고, 또한 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다 상기 충전 전압과의 차가 작은 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 상기 합계 전압, 즉 본래 당해 전지 팩을 만충전으로 하기 위해 필요하게 되는 충전 전압은, 발전기(1)로부터 공급되는 충전 전압 이상이므로, 당해 전지 팩을 이 발전기(1)로 정전압 충전한 경우에, 전지 팩에 과전압이 인가될 우려가 저감된다.
또한, 발전기(1)는, 납 축전지용의 발전기이고, 상기 직렬 회로에 포함되는, 니켈 수소 2차 전지의 개수와 리튬 이온 2차 전지의 개수는 2:3의 비율로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 납 축전지용의 발전기로부터 공급되는 충전 전압과, 당해 전지 팩을 만충전으로 하기 위해 필요하게 되는 충전 전압과의 차를 감소시켜, 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 수용액계 2차 전지 2개와 상기 비수계 2차 전지 3개로 이루어지는 상기 구성의 유닛을 기본 단위로 하여, 복수의 당해 유닛을 직렬 접속, 병렬 접속, 또는 직렬과 병렬을 혼재시켜 접속하여도 좋다.
또한, 리튬 이온 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용하면, 리튬 이온 2차 전지의 충전 전압의 경사가 커져 전압에 의한 제어가 용이해지기 때문에 바람직하다.
또한, 강제 방전부를, 저항(4a, 4b 및 4c)과 다이오드(5a, 5b 및 5c)로 이루어지는 강제 방전 회로와, 제어부(6)로부터의 지령에 근거하여 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 및 2c)를 이 강제 방전 회로와 연결하는 스위치(3a, 3b 및 3c)로 구성하면, 방전 전류를 제한하여 안전하게 방전할 수 있게 된다.
또한, 강제 방전 개시 전압 Va를 리튬 이온 2차 전지 하나당 4.05V 이상 4.15V 이하로 하는 것이 바람직하다. 강제 방전 개시 전압 Va를 4.05V 미만으로 설정하면, 리튬 이온 2차 전지의 충전 받아들임량이 과소(過少)로 되기 때문에 바람직하지 않고, 4.15V를 초과하여 설정하면, 과충전 영역에 가까이 갈 때까지 리튬 이온 2차 전지의 강제 방전이 개시되지 않기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 강제 방전 종료 전압 Vb를, 리튬 이온 2차 전지 하나당 3.85V 이상 3.95V 이하로 하는 것이 바람직하다. 강제 방전 종료 전압 Vb를 3.85V 미만으로 설정하면, 강제 방전하는 전기량이 과도하게 되어(1회당의 강제 방전 시간이 길어져) 발전기(1)로부터의 충전 전류를 항상 개수가 적은 리튬 이온 2차 전지로 받아들이게 되기 때문에 바람직하지 않고, 3.95V를 초과하여 설정하면, 리튬 이온 2차 전지의 충전 받아들임량이 과소로 되기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 강제 방전 개시 전압 Va와 강제 방전 종료 전압 Vb로부터 산출되는 강제 방전에 요하는 전기량으로 되도록, 일정한 전류값으로 일정 시간의 강제 방전을 행하도록 하는 것이 바람직하다. 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 또는 2c)가 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때, 이 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 또는 2c)가 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 점차적으로 전압을 측정하면서 강제 방전하는 것보다, 강제 방전 개시 전압 Va와 강제 방전 종료 전압 Vb의 차로부터 충전 심도의 차분을 산출하는 것에 의해 얻어진, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 또는 2c)를 강제 방전시키기 위해 필요한 전기량으로 되도록, 일정한 전류값으로 일정 시간의 강제 방전을 행하는 쪽이 간편하고 또한 정확하게 리튬 이온 2차 전지를 강제 방전시킬 수 있다.
구체적으로는, 강제 방전 개시 전압 Va와 강제 방전 종료 전압 Vb를 환산하여 얻어진 충전 심도가 Sa, Sb이고, 리튬 이온 2차 전지(2a, 2b 또는 2c) 1개당의 만충전 용량이 Fcc이고, 발열량이 안전성을 고려하여 미리 설정된 방전 전류가 Id이면, 방전 시간 Td(초)는 다음 식(1)으로 주어진다.
Figure pct00002
또, 발전기(1)는 납 축전지용의 발전기에 한정되지 않는다. 전지 팩은, 리튬 이온 2차 전지와 니켈 수소 2차 전지의 개수를 적절히 설정하는 것에 의해, 임의의 충전 전압으로 정전압 충전을 행하는 발전기로 충전되는 전지 팩에 적용할 수 있다.
(실시예)
리튬 이온 2차 전지로서 마츠시타 전지 공업(주)제 CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah), 니켈 수소 2차 전지로서 마츠시타 전지 공업(주)제 HHR260SCP(전지 용량 2.6Ah), 또는, 마츠시타 전지 공업(주)제 HHR200SPC(전지 용량 2.1Ah)를 이용하여, 이하에 나타내는 실시예 1~3, 참고예 1, 및 비교예 2의 전지 팩을 제작하였다. 또한, 비교예 1에는, 납 축전지로서 마츠시타 전지 공업(주)제 LC-P122R2J(전지 용량 2.2Ah)을 이용하였다.
(실시예 1)
CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)를 3셀과 HHR260SCP(전지 용량 2.6Ah)를 2셀의 총 5셀을 직렬로 접속한 전지 팩을 이용하여, 도 1과 마찬가지로 강제 방전부 및 제어부를 포함하는 전원 시스템을 구성하여, 실시예 1로 하였다. 여기서 CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah) 중 임의의 1셀만 1Ah의 충전 용량을 남기고 다른 4셀은 완전 방전 상태로 전지 팩을 구성하고, 강제 방전 개시 전압 Va는 4.1V, 강제 방전 종료 전압 Vb는 3.9V로 설정하였다.
(실시예 2)
CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)을 3셀과 HHR260SCP(전지 용량 2.6Ah)을 3셀의 총 6셀을 직렬로 접속한 전지 팩을 이용하여, 실시예 1과 동일한 전원 시스템을 구성하여, 실시예 2로 하였다. 여기서 CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah) 중 임의의 1셀만 1Ah의 충전 용량을 남기고 다른 5셀은 완전 방전 상태로 전지 팩을 구성하고, 강제 방전 개시 전압 Va는 4.1V, 강제 방전 종료 전압 Vb는 3.9V로 설정하였다.
(실시예 3)
CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)을 2셀과 HHR260SCP(전지 용량 2.6Ah)을 5셀의 총 7셀을 직렬로 접속한 전지 팩을 이용하여, 실시예 1과 동일한 전원 시스템을 구성하여, 실시예 3으로 하였다. 여기서 CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah) 중 임의의 1셀만 1Ah의 충전 용량을 남기고 다른 6셀은 완전 방전 상태로 전지 팩을 구성하고, 강제 방전 개시 전압 Va는 4.1V, 강제 방전 종료 전압 Vb는 3.9V로 설정하였다.
(참고예 1)
실시예 1의 전원 시스템으로부터, 도 1과 동일한 강제 방전부 및 제어부를 배제하여 전원 시스템을 구성해서, 참고예 1로 하였다.
(비교예 1)
LC-P122R2J(전지 용량 2.2Ah) 1셀을 비교예 1의 전지 팩으로 하였다.
(비교예 2)
CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)을 3셀과 HHR200SPC(전지 용량 2.1Ah)을 2셀의 총 5셀을 직렬로 접속하여, 비교예 2의 전지 팩으로 하였다.
이들 실시예 1~3, 참고예 1, 및 비교예 1, 2에 대해, 정전류 충전에서의 충전 전류 1A, 정전압 충전에서의 충전 전압 5V, 충전 종지 전류 0.1A의 조건에서 정전류 정전압 충전을 행한 후, 정전류 1A에서 10V까지 방전한 경우의, 전지 팩의 부피당 전지 에너지 밀도, 중량당 전지 에너지 밀도를 측정하였다. 또한, 상기 충방전을 300회 반복한 후의 전지 팩의 부피당 전지 에너지 밀도, 중량당 전지 에너지 밀도를 측정하였다. 또 실시예 1~3 및 참고예 1에 관해서는, 상기 충방전을 300회 반복한 후의, 여분으로 충전한 CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)의 외관을 관찰하였다. 결과를 [표 2]에 나타낸다.
Figure pct00003
표 2에 나타낸 바와 같이, 니켈 수소 2차 전지와 니켈 수소 2차 전지의 전지 용량보다 용량이 작은 리튬 이온 2차 전지를 조합한 본 발명의 실시예 1~3 및 참고예 1는, 비교예 1의 납 축전지에 대해 전지 팩의 부피당 전지 에너지 밀도, 중량당 전지 에너지 밀도가 충분히 크고, 경량, 컴팩트화가 가능하다. 또한, 참고예 1에서는, 300 사이클 후에 여분으로 충전한 CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)로부터 전해액이 누액(漏液)되어 있는 것이 관찰되었지만, 본 발명의 실시예 1~3에서는 외관상의 이상은 관찰되지 않았다. 본 발명의 실시예 1~3에서는, 제어부가 리튬 이온 2차 전지의 전압을 개별적으로 측정하여, 어느 하나의 리튬 이온 2차 전지의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 강제 방전부를 이용하여 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 해당하는 리튬 이온 2차 전지를 강제 방전시킬 수 있었기 때문에, 특정한 리튬 이온 2차 전지를 여분으로 충전하여 고의로 SOC를 흩어지게 하더라도, 참고예 1과 같은 불량이 생기지 않았다고 생각된다. 이러한 효과도 있어서, 본 발명의 실시예 1~3은, 300 사이클 후의 전지 팩의 부피당 전지 에너지 밀도, 중량당 전지 에너지 밀도도, 참고예 1뿐만 아니라 비교예 1, 2와 비교하더라도 충분히 크고, 반복 사용에 의한 열화를 저감 가능한 것을 알 수 있다.
또, 상술한 구체적 실시 형태에는 이하의 구성을 갖는 발명이 주로 포함되어 있다.
본 발명의 일 국면에 따른 전원 시스템은, 적어도 하나의 수용액계 2차 전지와, 상기 수용액계 2차 전지보다 하나당의 전지 용량이 작은 적어도 하나의 비수계 2차 전지를 구비하며, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있고, 상기 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시킬 수 있는 적어도 하나의 강제 방전부와, 상기 비수계 2차 전지 및 상기 수용액계 2차 전지의 전압을 개별적으로 측정하여, 상기 비수계 2차 전지의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 상기 강제 방전부를 이용해서 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 상기 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시키는 제어부를 구비하고 있다.
이 구성에 의하면, 수용액계 2차 전지와 비수계 2차 전지로 이루어지는 당해 전지 팩을 정전압 충전에 의해서 충전하면, 수용액계 2차 전지를 흐르는 충전 전류와 비수계 2차 전지를 흐르는 충전 전류는 동일하므로, 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지쪽이 먼저 만충전에 근접하여 충전 전류가 감소하고, 정전압 충전이 종료된다. 그러면, 충전 종료시에는, 비수계 2차 전지보다 전지 용량이 큰 수용액계 2차 전지는 아직 만충전에 도달하고 있지 않으므로, 과충전으로 될 우려가 저감된다. 또한, 동일 종류의 2차 전지를 복수 직렬 접속한 경우보다, 전지 특성이 다른 수용액계 2차 전지와 비수계 2차 전지를 조합한 쪽이, 전지 팩 전체의 충전 특성을 소정의 충전 전압에 맞추어 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 용이해진다.
또, 본 발명의 전원 시스템은, 제어부가 비수계 2차 전지 및 수용액계 2차 전지의 전압을 개별적으로 측정하여, 비수계 2차 전지의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 강제 방전부를 이용해서 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시킨다. 또한, 전지 팩을 구성하는 수용액계 2차 전지가 단락 등에 의해 전압 저하된 경우, 전지 팩으로의 정전압 충전을 계속하면, 전지 팩을 구성하는 비수계 2차 전지가 과충전될 우려가 있다. 본 발명의 전원 시스템은 이러한 불량이 일어나더라도, 비수계 2차 전지가 강제 방전 개시 전압 Va를 초과하지 않도록 제어할 수 있기 때문에, 보다 높은 안전성을 보증할 수 있다.
상기의 구성에 있어서, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지는 만충전 상태에서의 단자 전압이 상이한 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 만충전 상태에서의 단자 전압이 상이한 2종류의 전지가 조합되어, 전지 팩이 구성된다. 정전압 충전에서는, 만충전 상태에서의 단자 전압이 셀당의 충전 전압으로서 이용되기 때문에, 만충전 상태에서의 단자 전압이 상이한 2종류의 전지가 조합된 전지 팩은 전지 팩 전체의 충전 전압을 소정의 충전 전압에 맞추어 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 용이해진다.
상기의 구성에 있어서, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속된 직렬 회로의 양단에는, 미리 설정된 일정한 충전 전압을 출력하는 정전압 충전을 행하는 발전기로부터, 상기 충전 전압을 수전하기 위한 접속 단자가 마련되고, 상기 수용액계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압은, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다 상기 충전 전압과의 차가 작은 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 수용액계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압에, 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압에, 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압, 즉, 본래 당해 전지 팩을 만충전으로 하기 위해서 필요하게 되는 충전 전압과 발전기로부터 공급되는 충전 전압의 차가, 비수계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 충전 회로로부터 공급되는 충전 전압에 가장 가까운 전압보다 작다. 따라서, 당해 전지 팩을 발전기에 의해서 정전압 충전한 경우, 비수계 2차 전지만을 이용하여 구성된 전지 팩을 발전기에 의해서 정전압 충전한 경우보다, 만충전에 가까운 전압까지 전지 팩을 충전할 수 있어, 즉 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 가능해진다.
상기의 구성에 있어서, 상기 합계 전압은, 상기 충전 전압 이상으로 되어 있고, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압 이상이고, 또한 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다 상기 충전 전압의 차가 작은 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 상기 합계 전압, 즉 본래 당해 전지 팩을 만충전으로 하기 위해 필요하게 되는 충전 전압은, 발전기로부터 공급되는 충전 전압 이상이므로, 당해 전지 팩을 이 발전기로 정전압 충전한 경우에, 전지 팩에 과전압이 인가될 우려가 저감된다.
상기의 구성에 있어서, 상기 발전기는, 납 축전지용의 발전기이며, 상기 직렬 회로에 포함되는, 상기 수용액계 2차 전지의 개수와 상기 비수계 2차 전지의 개수는 2:3의 비율로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 납 축전지용의 발전기로부터 공급되는 충전 전압과, 당해 전지 팩을 만충전으로 하기 위해서 필요하게 되는 충전 전압의 차를 감소시켜, 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 수용액계 2차 전지는 니켈 수소 2차 전지인 것이 바람직하다. 니켈 수소 2차 전지는, 수용액계 2차 전지 중에서도 고에너지 밀도이기 때문에, 전지 팩을 보다 경량 컴팩트화하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 비수계 2차 전지는 리튬 이온 2차 전지인 것이 바람직하다. 리튬 이온 2차 전지는, 비수계 2차 전지 중에서도 고에너지 밀도이기 때문에, 전지 팩을 보다 경량 컴팩트화하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 비수계 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용하면, 비수계 2차 전지의 충전 전압의 경사가 커져 전압에 의한 제어가 용이해지기 때문에 바람직하다.
상기의 구성에 있어서, 상기 강제 방전부를, 저항과 다이오드로 이루어지는 강제 방전 회로와, 상기 제어부로부터의 지령에 근거하여 상기 비수계 2차 전지를 이 강제 방전 회로와 연결하는 스위치로 구성하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 방전 전류를 제한하여, 안전하게 방전할 수 있다.
상기의 구성에 있어서, 상기 비수계 2차 전지 및 상기 수용액계 2차 전지는 각각 직렬 접속되어 있고, 상기 강제 방전부는, 상기 비수계 2차 전지의 각각에 마련되고, 각 비수계 2차 전지의 양극 단자와 음극 단자 사이를 접속하는 회로이며, 상기 제어부는, 충전 중, 상기 비수계 2차 전지 중 어느 하나가 강제 방전 개시 전압 Va에 도달할 때까지 상기 스위치를 모두 절단 상태로 함과 아울러, 상기 비수계 2차 전지 중 어느 하나가 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때는, 강제 방전 개시 전압 Va에 도달한 비수계 2차 전지에 대응하는 상기 스위치만을 연결하여 강제 방전을 개시시키는 한편, 그 외의 상기 스위치의 절단 상태를 유지시켜, 당해 강제 방전이 행해지고 있는 동안도, 강제 방전이 행해지고 있지 않은 상기 비수계 2차 전지 및 상기 수용액계 2차 전지의 충전이 계속되도록 각 스위치의 동작 제어를 행하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
상기의 구성에 의하면, 상기 제어부는, 상기 비수계 2차 전지 중 어느 하나에 대해 강제 방전이 행해지고 있는 동안도, 강제 방전이 행해지고 있지 않은 비수계 2차 전지 및 상기 수용액계 2차 전지의 충전이 계속되도록 각 스위치의 동작 제어를 행한다. 이것에 의해, 전원 시스템은, 발전기로부터의 충전을 전지 팩이 상시 받아들일 수 있기 때문에, 전원 시스템에 접속된 부하에 과전류가 흐르는 것을 회피할 수 있어, 당해 부하의 고장을 방지할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
상기의 구성에 있어서, 상기 강제 방전 개시 전압 Va를 상기 비수계 2차 전지 하나당 4.05V 이상 4.15V 이하로 하는 것이 바람직하다. 강제 방전 개시 전압 Va를 4.05V 미만으로 설정하면, 비수계 2차 전지의 충전 받아들임량이 과소로 되기 때문에 바람직하지 않고, 4.15V를 초과하여 설정하면, 과충전 영역에 가까이 갈 때까지 비수계 2차 전지의 강제 방전이 개시되지 않기 때문에 바람직하지 않다.
상기의 구성에 있어서, 상기 강제 방전 종료 전압 Vb를, 상기 비수계 2차 전지 하나당 3.85V 이상 3.95V 이하로 하는 것이 바람직하다. 강제 방전 종료 전압 Vb를 3.85V 미만으로 설정하면, 강제 방전하는 전기량이 과도하게 되어(1회당의 강제 방전 시간이 길어지게 되어) 충전기로부터의 충전 전류를 항상 개수가 적은 비수계 2차 전지로 받아들이게 되기 때문에 바람직하지 않고, 3.95V를 초과하여 설정하면, 비수계 2차 전지의 충전 받아들임량이 과소로 되기 때문에 바람직하지 않다.
상기의 구성에 있어서, 강제 방전 개시 전압 Va로부터 환산하여 얻어지는 충전 심도를 Sa, 강제 방전 종료 전압 Vb로부터 환산하여 얻어지는 충전 심도를 Sb, 상기 비수계 2차 전지 1개당의 만충전 용량을 Fcc, 상기 비수계 2차 전지의 강제 방전 중에 흐르는 일정한 방전 전류를 Id, 방전 시간을 Td로 했을 때, 다음 식(1)을 만족시키도록, 일정한 방전 전류 Id에서, 일정한 방전 시간 Td(초)만큼 강제 방전을 행하는 것이 바람직하다.
Figure pct00004
상기의 구성에 의하면, 비수계 2차 전지가 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때, 이 비수계 2차 전지가 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 점차적으로 전압을 측정하면서 강제 방전하는 것보다, 강제 방전 개시 전압 Va와 강제 방전 종료 전압 Vb의 차로부터 충전 심도의 차분을 산출하여 비수계 2차 전지를 강제 방전시키는 전기량을 파악해서, 일정한 전류값으로 일정 시간의 강제 방전을 행하는 쪽이 간편하고 또한 정확하게 비수계 2차 전지를 강제 방전시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 예컨대 납 축전지의 대체로서 발전기를 변경하는 일없이 용이하게 차량에 탑재 가능한, 경량, 컴팩트하고 반복 사용에서의 열화가 적은 전원 시스템을 제공할 수 있다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명은 2륜차나 4륜차 외 공사 차량 등의 차량 탑재용의 배터리로서 사용되는 전지 팩이나, 휴대형 퍼스널 컴퓨터나 디지털 카메라, 휴대 전화기 등의 전자 기기, 전기 자동차나 하이브리드 자동차 등의 차량 등의 전원으로서 이용되는 전지 팩으로서 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 이러한 전지 팩을 이용한 전지 시스템으로서 적합하다.

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 수용액계 2차 전지와, 상기 수용액계 2차 전지보다 하나당의 전지 용량이 작은 적어도 하나의 비수계(非水系) 2차 전지를 구비하며,
    상기 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시킬 수 있는 적어도 하나의 강제 방전부와,
    상기 비수계 2차 전지의 전압을 개별적으로 측정하여, 상기 비수계 2차 전지의 전압이 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때에, 상기 강제 방전부를 이용해서 강제 방전 종료 전압 Vb에 도달할 때까지 상기 비수계 2차 전지를 개별적으로 강제 방전시키는 제어부
    를 구비한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지는 만충전(滿充電) 상태에서의 단자 전압이 상이한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속된 직렬 회로의 양단에는, 미리 설정된 일정한 충전 전압을 출력하는 정전압 충전을 행하는 발전기로부터 상기 충전 전압을 수전(受電)하기 위한 접속 단자가 마련되어 있고,
    상기 수용액계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 상기 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 상기 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압은, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다, 상기 충전 전압과의 차가 작은 것
    을 특징으로 하는 전원 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 합계 전압은,
    상기 충전 전압 이상으로 되어 있고,
    상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압 이상이고, 또한 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다 상기 충전 전압과의 차가 작은 것
    을 특징으로 하는 전원 시스템.

  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 발전기는 납 축전지용의 발전기이고,
    상기 직렬 회로에 포함되는, 상기 수용액계 2차 전지의 개수와 상기 비수계 2차 전지의 개수는 2:3의 비율로 되어 있는 것
    을 특징으로 하는 전원 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 수용액계 2차 전지 2개와 상기 비수계 2차 전지 3개로 이루어지는 유닛을 기본 단위로 하여, 복수의 상기 유닛을 직렬 접속, 병렬 접속, 또는 직렬과 병렬을 혼재시켜 접속하여 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 전원 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용액계 2차 전지는 니켈 수소 2차 전지인 것을 특징으로 하는 전원 시스템.

  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비수계 2차 전지는 리튬 이온 2차 전지인 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 비수계 2차 전지의 양극의 활물질(活物質)로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강제 방전부를, 저항과 다이오드로 이루어지는 강제 방전 회로와, 상기 제어부로부터의 지령에 근거하여 상기 비수계 2차 전지를 상기 강제 방전 회로와 연결하는 스위치로 구성한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 비수계 2차 전지 및 상기 수용액계 2차 전지는 각각 직렬 접속되어 있고,
    상기 강제 방전부는, 상기 비수계 2차 전지의 각각에 마련되고, 각 비수계 2차 전지의 양극 단자와 음극 단자 사이를 접속하는 회로이며,
    상기 제어부는,
    충전 중, 상기 비수계 2차 전지 중 어느 하나가 강제 방전 개시 전압 Va에 도달할 때까지 상기 스위치를 모두 절단 상태로 함과 아울러,
    상기 비수계 2차 전지 중 어느 하나가 강제 방전 개시 전압 Va에 도달했을 때는, 강제 방전 개시 전압 Va에 도달한 비수계 2차 전지에 대응하는 상기 스위치만을 연결하여 강제 방전을 시작시키는 한편, 그 외의 상기 스위치의 절단 상태를 유지시켜, 상기 강제 방전이 행해지고 있는 동안도, 강제 방전이 행해지고 있지 않은 상기 비수계 2차 전지 및 상기 수용액계 2차 전지의 충전이 계속되도록 각 스위치의 동작 제어를 행하는 것
    을 특징으로 하는 전원 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강제 방전 개시 전압 Va를 상기 비수계 2차 전지 하나당 4.05V 이상 4.15V 이하로 한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강제 방전 종료 전압 Vb를, 상기 비수계 2차 전지 하나당 3.85V 이상 3.95V 이하로 한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    강제 방전 개시 전압 Va로부터 환산하여 얻어지는 충전 심도를 Sa, 강제 방전 종료 전압 Vb로부터 환산하여 얻어지는 충전 심도를 Sb, 상기 비수계 2차 전지 1개당의 만충전 용량을 Fcc, 상기 비수계 2차 전지의 강제 방전 중에 흐르는 일정한 방전 전류를 Id, 방전 시간을 Td로 했을 때,
    다음 식(1)을 만족시키도록,
    Figure pct00005

    일정한 방전 전류 Id에서, 일정한 방전 시간 Td(초)만큼 강제 방전을 행하도록 한 것
    을 특징으로 하는 전원 시스템.
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