WO2016035278A1 - バッテリーシステムおよび電動車両 - Google Patents

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WO2016035278A1
WO2016035278A1 PCT/JP2015/004249 JP2015004249W WO2016035278A1 WO 2016035278 A1 WO2016035278 A1 WO 2016035278A1 JP 2015004249 W JP2015004249 W JP 2015004249W WO 2016035278 A1 WO2016035278 A1 WO 2016035278A1
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battery
discharge
voltage
capacity
region
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PCT/JP2015/004249
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English (en)
French (fr)
Inventor
杉山　茂行
青木　護
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery system in which a first battery such as a lithium ion battery and a second battery such as a lead storage battery are combined, and an electric vehicle using the battery system.
  • a lead-acid battery that is relatively inexpensive and has a high record of use has been widely used.
  • lithium ion batteries that have a longer life than a lead-acid battery, a high voltage, and a high energy density have been used.
  • This lithium ion battery is provided with a protection circuit that cuts off the power supply when overcharge or overdischarge occurs to ensure safety.
  • lithium ion battery When such a lithium ion battery is used as a power source for an electric vehicle, when the lithium ion battery reaches an overdischarged state, the protection circuit operates and the power supply is cut off.
  • the protection circuit should operate and the power supply should be cut off.
  • the power supply is continued despite the overdischarge state, and the lithium ion battery deteriorates.
  • the voltage may suddenly decrease at the end of discharge, and it is not possible to disconnect the lithium ion battery even though it is necessary to immediately disconnect the lithium ion battery from the energized state. In this case, the problem that the lithium ion battery deteriorates due to overdischarge becomes significant.
  • Embodiments of the present invention have been made in view of the above-described problems, and provide a battery system that can suppress a decrease in performance and ensure safety, and an electric vehicle using the battery system. Objective.
  • the battery system according to the embodiment of the present invention has an unstable region in which the rate of change of the voltage with respect to the discharge capacity is steep at the end of the discharge, and the rate of change of the voltage with respect to the discharge capacity is between the initial stage and the end of the discharge.
  • the first battery In the overdischarged state, the first battery reaches the unstable region, and the second battery is almost in the stable region. Therefore, most of the discharge current is supplied from the second battery. Therefore, since the current flowing through the relay for cutting off the energization of the first battery is also small, the internal deterioration of the relay at the time of disconnection is small.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram which shows the state in which the 1st battery (lithium ion battery) and the 2nd battery (lead storage battery) were connected in parallel. It is a graph which shows the discharge characteristic at the time of use of the 1st battery and the 2nd battery. It is a graph which shows the discharge characteristic at the time of use in the case of connecting the 1st battery and the 2nd battery in parallel. It is a graph which shows the discharge characteristic of the battery system. It is the block block diagram. It is explanatory drawing which shows the same Example 1. FIG. It is explanatory drawing which shows the same Example 2. FIG. It is a graph which shows the discharge characteristic at the time of use in a general battery.
  • the battery system of the present embodiment is used by being mounted on an electric vehicle such as an electric vehicle, for example.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a battery system. As shown in FIG. 1, the battery system 1 is configured by combining a first battery 10 and a second battery 20. The first battery 10 and the second battery 20 are electrically connected in parallel.
  • a lithium ion battery is used as the first battery 10, and a lead storage battery is used as the second battery 20. These are connected in parallel via respective positive and negative terminals.
  • a protective circuit 11 is connected in series to the first battery 10.
  • the protection circuit 11 includes a switching element connected to be able to cut off the energization of the first battery 10, and when a large current discharge such as overcharge, overdischarge, or external short circuit occurs in the first battery 10.
  • the first battery 10 is protected by cutting off the current through the switching element.
  • a mechanical relay, a semiconductor switch such as a MOSFET, an IGBT, or the like can be used as the switching element used for the protection circuit 11.
  • the lithium ion battery is a type of non-aqueous liquid secondary battery, and is a secondary battery in which lithium ions in the electrolyte are responsible for electrical conduction.
  • a lithium-containing metal oxide such as lithium cobaltate, lithium nickelate, or lithium iron phosphate is used for the positive electrode
  • a carbon material is used for the negative electrode
  • an organic electrolyte is used for the electrolytic solution. It has a wound electrode body wound through a separator. The electrode body is soaked in a non-aqueous electrolyte and accommodated in a cylindrical battery can.
  • Such a lithium ion battery has a high voltage, high energy density, high charge / discharge energy efficiency, and rapid charge / discharge. On the other hand, it has a characteristic that is weak against overcharge and overdischarge. Further, when the battery is stored in a fully charged state, the deterioration rapidly progresses, and it has a characteristic that the capacity recoverability is better in the discharge storage than in the charge storage.
  • the capacity recoverability is a property of recovering to a level compared to the initial capacity when charge / discharge is performed after storage.
  • the lead acid battery is an aqueous solution type secondary battery using lead dioxide for the positive electrode, spongy lead for the negative electrode, and dilute sulfuric acid as the electrolyte.
  • Each cell chamber accommodates an electrode group in which a plurality of positive electrode plates and negative electrode plates are laminated via a glass fiber separator.
  • Lead-acid batteries are relatively inexpensive and have a long history of use. On the other hand, it is desirable to maintain a fully charged state because it deteriorates quickly if it is insufficiently charged, stored in a discharged state, or overdischarged. It has the characteristic of excellent capacity recovery.
  • the nominal voltage of the first battery 10 and the second battery 20 is higher in the first battery 10 than in the second battery 20. In other words, the nominal voltage of the second battery 20 is lower than the nominal voltage of the first battery 10.
  • FIG. 8 shows a discharge curve in use in relation to the state of charge (SOC: State Of Charge) and voltage.
  • SOC State Of Charge
  • the horizontal axis shows the state of charge (%) in the range of 100% to 0%, and the vertical axis shows the voltage (V).
  • the unstable regions A and A ′ are regions with a large rate of change in which the voltage changes greatly with a slight change in the state of charge. In other words, this is a region where the discharge curve changes sharply and the voltage changes greatly with a slight change in discharge capacity.
  • the unstable region A is a region in which the voltage is greatly decreased due to a slight decrease in the state of charge from the full charge to the initial stage of discharge.
  • the unstable region A ′ is a region where the voltage is greatly reduced due to a slight decrease in the state of charge at the end of discharge to complete discharge.
  • the stable region B is a region with a small change rate with little change in voltage even when the state of charge changes, and the discharge curve changes slowly, and the change in voltage hardly changes even when the discharge capacity changes. It is an area.
  • the discharge curve is drawn as a curve that shifts from the unstable region A to the start portion of the stable region B and then shifts from the end portion of the stable region B to the unstable region A ′.
  • the voltage range that the battery can actually generate is wider than the recommended use voltage range of the battery. In actual use, there may occur an overcharge in which charging is performed to a voltage higher than the recommended use voltage range or an overdischarge in which discharge is performed to a voltage lower than the recommended use voltage range.
  • the unstable regions A and A ′ are described as regions having a large rate of change in which the voltage changes greatly with a slight change in the state of charge.
  • the self-discharge of the battery and the polarization during charging are eliminated.
  • the voltage drops instantaneously immediately after charging.
  • some batteries seem to start from the state of the stable region B immediately after the start of discharge.
  • the open-circuit battery voltage immediately after charging stops sharply decreases, and it is interpreted that a kind of unstable region appears before discharging. it can.
  • the battery in the unstable region changes due to a slight charge transfer, that is, the voltage of the battery changes by passing a small current.
  • the unstable region A and the unstable region A ′ are regions having a large rate of change in which the voltage changes greatly due to a change in the state of charge. Therefore, in the case of a secondary battery, the initial stage of discharge is the end of charge and the end of discharge is the initial stage of charge. , May be replaced.
  • FIG. 2A shows the discharge characteristics of the first battery 10
  • FIG. 2B shows the discharge characteristics of the second battery 20
  • FIG. 2 shows the discharge characteristics corresponding to FIG. 8 above.
  • the horizontal axis shows the state of charge (%) in the range of 100% to 0%
  • the vertical axis shows the voltage (V). ing.
  • the first battery 10 and the second battery 20 have unstable regions A and A ′ in the initial discharge portion and the final discharge portion in the same manner as in FIG. A stable region B exists in the portion.
  • the first battery 10 and the second battery 20 have unstable regions A and A ′ in which the rate of change of the voltage with respect to the discharge capacity is steep at the beginning and end of discharge.
  • a and A ′ In the middle part between A and the unstable region A ′ at the end of discharge, there is a stable region B in which the rate of change of the voltage with respect to the discharge capacity is relatively smaller than the unstable regions A and A ′.
  • the unstable region A occurs when the state of charge is approximately 100% to 80%, and the unstable region A ′ occurs when the state of charge is approximately 20% to 0%. Therefore, the stable region B occurs when the state of charge is approximately 80% to 20%. More specifically, the ratio of change (%) in voltage (V) to change in discharge capacity (%) in stable region B is 0.5 or less, which is a substantially flat curve. That is, for example, when the state of charge changes by -10%, the battery voltage is changed from 3.7V to 3.6V, and the change rate of the voltage at that time is -2.7% with respect to 3.7V. Therefore, the rate of change is 0.27 [ ⁇ ]. That is, the rate of change is 0.5 or less. The unit at this time is [-] dimensionless.
  • the voltage change in the unstable region A ′ changes by 0.3 V from 3.3 to 3.0 V when the state of charge changes from 10% to 0%, for example.
  • This rate of change is 9%. Therefore, since the voltage changes by 9% when the state of charge changes by 10%, the rate of change at this time is 0.9 [-], which is larger than 0.5.
  • This value of 0.5 is one example, and the ratio of the change in voltage (V) (%) to the actual change in discharge capacity (%) varies depending on the type of battery, but is generally 0.1-0. It is divided by the value of .9.
  • the discharge characteristics of the first battery 10 and the second battery 20 are mainly different in the following points.
  • the voltage in the stable region B of the first battery 10 is higher than the voltage in the stable region B of the second battery 20. Conversely, the voltage in the stable region B of the second battery 20 is lower than the voltage in the stable region B of the first battery 10. Thus, there is a voltage difference in the stable region B.
  • the voltage height in the unstable region A of the first battery 10 is narrow, whereas the voltage height in the unstable region A of the second battery 20 is wide. That is, in the unstable region A of the second battery 20, the voltage is greatly reduced by a slight change in the state of charge.
  • the final voltage Vt in the stable region B of the first battery 10 and the stable region B of the second battery 20 is configured to substantially match.
  • the coincidence between the voltage Vt at the end portion and the voltage Vc at the start portion can be realized, for example, by adjusting the number of cells connected in series in the first battery 10 and the second battery 20.
  • the first battery 10 is mainly preferentially discharged from the start of discharge until the voltage Vt at the end of the stable region B of the first battery 10 (shown voltages Vh to Vm).
  • the second battery 20 is hardly discharged, and only the voltage changes following the voltage of the first battery 10.
  • the voltage Vt at the end of the stable region B of the first battery 10 shifts to the stable region B and the unstable region A ′ of the second battery 20, and discharges to near 0 V (shown voltages Vm to Vl). In this case, discharge is mainly performed by the second battery 20.
  • This discharge is based on the fact that the voltage Vt at the end portion of the stable region B of the first battery 10 and the voltage Vc at the start portion of the stable region B of the second battery 20 are substantially matched. Yes.
  • discharge is performed mainly in the stable region B of the first battery 10 during the voltage Vh to Vm, and discharge is performed mainly in the stable region B of the second battery 20 during the voltage Vm to Vl.
  • the discharge is transferred from the stable region B of the first battery 10 to the stable region B of the second battery 20.
  • FIG. 4 shows a state in which the discharge characteristics of the first battery 10 and the second battery 20 connected in parallel shown in FIG. 3 are synthesized.
  • the stable region B of the first battery 10 and the stable region B of the second battery 20 are connected so as to be continuous, and the individual batteries of the first battery 10 and the second battery 20 are connected.
  • the stable region B is expanded.
  • the first battery 10 is mainly discharged
  • the second battery 20 is mainly discharged.
  • the first battery 10 when the user actually uses the electric vehicle, the first battery 10 is preferentially discharged, so that the first battery 10 is charged and discharged with high frequency. become. That is, the frequency with which the second battery 20 is charged and discharged is lower than the frequency with which the first battery 10 is charged and discharged.
  • the second battery 20 can be used for discharging storage.
  • the performance of the entire battery can be improved.
  • the first battery 10 is not connected in parallel with the second battery 20 and the first battery 10 is discharged alone, the first battery 10 further discharges after reaching Vt. If it continues, since the first battery 10 moves to the unstable region A ′, the voltage fluctuates due to a slight change in the state of charge, so that the voltage may reach the overdischarge region instantaneously and the battery may deteriorate.
  • the first battery 10 is connected in parallel with the second battery 20, the stable region of the second battery 20 even if the first battery 10 reaches Vt and continues to discharge. Since the voltage reaches B, the voltage of the first battery 10 does not have to be reduced instantaneously. Therefore, there is no possibility that the characteristics of the first battery 10 deteriorate due to overdischarge.
  • the portion A is too short, so immediately after charging, self-discharge or charging As described above, it may appear as if it started from the region B because it instantaneously drops to near Vc due to polarization or the like, and it may appear to be only the unstable region A ′. is there.
  • the battery system 1 includes a battery unit 30 and a control device 6.
  • the battery unit 30 is provided with a first battery 10 and a second battery 20.
  • the first battery 10 and the second battery 20 are connected in parallel.
  • a series circuit to which the first battery 10, the protection circuit 11 and the current sensor 2a are connected and a series circuit to which the second battery 20 and the current sensor 2b are connected are connected in parallel.
  • a load 3 that is, a motor of an electric vehicle is connected to both ends of these series circuits.
  • the current sensors 2a and 2b are constituted by shunt resistors. Hall elements or magnetoresistive elements may be used for the current sensors 2a and 2b.
  • the first battery 10 and the second battery 20 are connected to the commercial power source 5 via the charger 4 and charged as necessary. Further, the battery unit 30 is connected to the control device 6, and the protection circuit 11 and the current sensors 2 a and 2 b are controlled by the control device 6. At this time, the protection circuit 11 and the current sensor 2a may be located on the negative side of the first battery 10. Further, the current sensor 2b may be positioned on the negative side of the second battery 20.
  • the control device 6 controls the entire system and has a function of controlling the charge / discharge state, voltage, current, and the like of the first battery 10 and the second battery 20.
  • the protection circuit 11 includes a plurality of switching elements, and specifically includes a relay 12 and two MOSFETs 13 and 14 connected in parallel to the relay 12.
  • the MOSFET 13 is for charging that is conductive (ON) during charging
  • the MOSFET 14 is for discharging that is conductive (ON) during discharging.
  • These MOSFETs 13 and 14 have parasitic diodes 13a and 14a connected in parallel, respectively.
  • the parasitic diodes 13a and 14a are connected in opposite directions.
  • a current limiting resistor 15 and a latch relay 16 are connected to the MOSFETs 13 and 14 in series.
  • the current limiting resistor 15 has a function of preventing an inrush current or the like from flowing through the MOSFETs 13 and 14 to destroy the MOSFETs 13 and 14.
  • the latch relay 16 has a function of ensuring safety by controlling energization to the first battery 10 even when a failure such as welding of the contact of the relay 12 occurs.
  • the first battery 10 and the second battery 20 are charged by a charging current flowing from the charger 4 during charging.
  • a discharge current flowing from the first battery 10 and the second battery 20 is supplied to the load 3.
  • the relay 12 and the MOSFETs 13 and 14 of the protection circuit 11 are in the ON state.
  • the protection circuit 11 operates to cut off the energization of the first battery 10 to ensure safety.
  • the charging current and the discharging current are monitored by the current sensor 2a, and based on this, a control signal is output from the control device 6 to the relay 12, and the relay 12 is controlled to be turned on and off.
  • the relay 12 When overcharge occurs, the relay 12 is turned off by a control signal output from the control device 6. At this time, the charging MOSFET 13 is turned off, and the discharging MOSFET 14 is turned on. Accordingly, the first battery 10 is disconnected from the connection through which the charging current flows, while the connection through which the discharge current flows is formed. For this reason, no charging current flows through the first battery 10, but the discharging current can flow from the discharging MOSFET 14 through the parasitic diode 13a.
  • the protection circuit 11 cuts off the connection of the first battery 10 by the relay 12, but operates to allow the discharge current to flow under the control of the MOSFETs 13 and 14 and the parasitic diodes 13a and 14a. Also, when overdischarge occurs, the relay 12 is turned off by the control device 6. At this time, the charging MOSFET 13 is turned on, and the discharging MOSFET 14 is turned off. Accordingly, the first battery 10 is disconnected from the connection through which the discharge current flows, while the connection through which the charge current flows is formed. For this reason, no discharge current flows from the first battery 10, but the charging current can flow from the charging MOSFET 13 through the parasitic diode 14a.
  • the protection circuit 11 cuts off the connection of the first battery 10 by the relay 12, but operates to allow a charging current to flow under the control of the MOSFETs 13 and 14 and the parasitic diodes 13a and 14a.
  • the protection circuit 11 exemplifies a configuration including a MOSFET as a switching element connected in parallel to the relay 12.
  • the present invention is not limited to the MOSFET, and an IGBT or the like may be used.
  • the second battery 20 is connected to the first battery 10 in parallel, even if the connection of the first battery 10 is cut off, the remaining capacity of the second battery 20 It becomes possible to supply power to the load 3 continuously.
  • the protection circuit 11 operates to disconnect the connection of the first battery 10, and the power supply from the first battery 10 to the load 3 is interrupted.
  • the load 3 is supplied to the load 3 by the remaining capacity of the second battery 20 at the time of OFF1 or OFF2.
  • the second battery 20 is connected to the first battery 10 in parallel.
  • the first battery 10 reaches a low voltage Vt and is disconnected due to overdischarge, most of the discharge current is lost. Is flowing toward the second battery 20, so that even if the connection is cut off, the influence on the relay is small. Nevertheless, when the relay is disconnected, if a large current is flowing, the relay may gradually deteriorate and eventually weld. At that time, there is a possibility that the overdischarge further proceeds. Therefore, it is desirable to install a plurality of relays in series.
  • one of the relays is preferably a latch type relay. In the case of a latch-type relay, power is not consumed even when the relay is always connected, so that battery energy is not wasted.
  • the nominal capacities of the first battery 10 and the second battery 20 are set as follows. First, the current values distributed between the first battery 10 and the second battery 20 are different depending on whether each region is the stable region B or the unstable regions A, A ′. Therefore, since the maximum charging currents of the first battery 10 and the second battery 20 need to be set on the minimum side of each value, efficient charging is possible when the values are close to each other.
  • the ratio of the nominal capacities of the first battery 10 and the second battery 20 is desirably about 1: 3.
  • the capacity of the second battery 20 is 98 Ah
  • the capacity of the second battery 20 is 280 Ah.
  • the nominal capacity of the first battery 10 is set to 20% to 50% of the total capacity (the total nominal capacity of the first battery 10 and the second battery 20). Is deemed appropriate. *
  • the protection circuit 11 when the first battery 10 is charged and discharged at a high frequency and the protection circuit 11 operates to disconnect the first battery 10, the second battery 20 Electric power can be supplied to the load 3 by the remaining capacity. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the performance of the battery system 1, and it is possible to ensure safety when the battery system 1 is used in an electric vehicle.
  • the first battery 10 is a LiFePO 4 type lithium ion battery, and the battery has a nominal voltage of 3.2 V, and 18 cells are connected in series. Therefore, the nominal voltage as a lithium ion battery is 57.6V. Moreover, the protection circuit 11 (refer FIG. 5) which monitors charging / discharging is provided.
  • the second battery 20 is an open-type lead storage battery, the nominal voltage of the cell is 2V, and 24 cells are connected in series. Therefore, the nominal voltage as a lead storage battery is 48V.
  • the first battery 10 is a 18650 type lithium ion battery, and the battery has a nominal voltage of 3.6 V, and 16 cells are connected in series. Therefore, the nominal voltage as a lithium ion battery is 57.6V. Moreover, the protection circuit 11 (refer FIG. 5) which monitors charging / discharging is provided.
  • the second battery 20 is an open-type lead storage battery, and is the same as that of the first embodiment. Note that the first battery 10 does not necessarily need to be formed of a 18650 type lithium ion battery, and may be formed of a 3.6 V lithium ion battery such as a lithium polymer battery.
  • the battery system 1 that can realize the above-described effects can be obtained.
  • the battery system of the present invention can be suitably used for electric vehicles such as electric vehicles, electric scooters, and forklifts. Moreover, it is not limited to a special electric vehicle, and can be applied to other devices and apparatuses.

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Abstract

　性能の低下を抑制できるとともに安全性を確保し得るバッテリーシステム及びこのバッテリーシステムが用いられた電動車両を提供するために、バッテリーシステム（１）は、放電末期において放電容量に対する電圧の変化率が急峻な不安定領域を有し、放電初期と放電末期との間に、放電容量に対する電圧の変化率が不安定領域より相対的に小さい安定領域を有する放電特性を備える第１のバッテリー（１０）と、第１のバッテリー（１０）の安定領域より低い電圧の安定領域を有する放電特性を備える第２のバッテリー（２０）と、第１のバッテリー（１０）に少なくとも過放電の状態が生じた場合、第１のバッテリー（１０）の接続を遮断する保護回路（１１）とを具備し、保護回路（１１）により第１のバッテリー（１０）の接続が遮断されたとき、第２のバッテリー（２０）の残存容量によって負荷へ電力が供給される。

Description

バッテリーシステムおよび電動車両
　本発明は、リチウムイオン電池等の第１のバッテリーと鉛蓄電池等の第２のバッテリーとを組合わせたバッテリーシステム及びこのバッテリーシステムが用いられた電動車両に関する。
　従来、例えば、電気自動車用の電源として、比較的安価で使用実績が高い鉛蓄電池が広く用いられている。また、近年、鉛蓄電池と比較して長寿命であり、高い電圧が得られ、高エネルギー密度を有するリチウムイオン電池が用いられている。このリチウムイオン電池には、安全性確保のために過充電や過放電が生じた場合、通電を遮断する保護回路が設けられている。
　このようなリチウムイオン電池を電気自動車用の電源として用いた場合、リチウムイオン電池が過放電の状態に至ると、保護回路が動作して電力の供給が遮断される。
特開２００１－１１２１８２号公報 特開２００３－１７４７３４号公報 特開２００４－２５９７９号公報 特開２０１１－２３０６１８号公報
　しかしながら、電気自動車の走行中に突然電力の供給が遮断され、例えば、電気自動車が交差点で停止してしまうような事態に陥ることが発生すると、著しく交通上の安全性を欠くこととなる。したがって、一般的には、リチウムイオン電池からの電力の供給を遮断する場合には、交通上の安全性を確保するため、電気自動車の全体の制御を司るＥＣＵ（electronic control unit）等の制御装置の判断に基づいて、制御装置から送信される信号によって電力の供給の遮断が実行されるようになっている。
　このため、リチウムイオン電池にとっては、本来、保護回路が動作して電力の供給を遮断すべきところ、過放電の状態にもかかわらず、電力の供給を継続する場合が生じ、リチウムイオン電池の劣化を早めてしまうという問題が発生していた。特に寿命末期のリチウムイオン電池の場合には、放電末期で急激に電圧が減少することもあり、本来ならばすぐにリチウムイオン電池を通電状態から切り離す必要があるにもかかわらず、切り離すことができない場合、リチウムイオン電池が過放電により劣化してしまう問題は顕著になる。
　本発明の実施形態は、上記のような課題に鑑みてなされたもので、性能の低下を抑制できるとともに安全性を確保し得るバッテリーシステム及びこのバッテリーシステムが用いられた電動車両を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態に係るバッテリーシステムは、放電末期において放電容量に対する電圧の変化率が急峻な不安定領域を有し、放電初期と放電末期との間に、放電容量に対する電圧の変化率が前記不安定領域より相対的に小さい安定領域を有する放電特性を備える第１のバッテリーと、この第１のバッテリーと並列に接続され、放電末期において放電容量に対する電圧の変化率が急峻な不安定領域を有し、放電初期と放電末期との間に、放電容量に対する電圧の変化率が前記不安定領域より相対的に小さく、かつ前記第１のバッテリーの安定領域より低い電圧の安定領域を有する放電特性を備える第２のバッテリーと、前記第１のバッテリーに少なくとも過放電の状態が生じた場合、第１のバッテリーの接続を遮断する保護回路とを具備し、前記保護回路により第１のバッテリーの接続が遮断されたとき、前記第２のバッテリーの残存容量によって負荷へ電力が供給される。
　また、過放電状態のときには、第１のバッテリーは不安定領域に達しており、第２バッテリーはおおむね安定領域にあるので、放電電流の大部分は第２バッテリーから供給される。そのため、第１バッテリーの通電を遮断するためのリレーに流れている電流も小さいため、切断時のリレーの内部劣化も少ない。
　本発明の実施形態によれば、性能の低下を抑制できるとともに安全性を確保し得るバッテリーシステム及び電動車両を提供することができる。
本発明の実施形態に係るバッテリーシステムにおいて、第１のバッテリー（リチウムイオン電池）と第２のバッテリー（鉛蓄電池）とが並列に接続された状態を示す概略の構成図である。 同第１のバッテリーと第２のバッテリーの使用時の放電特性を示すグラフである。 同第１のバッテリーと第２のバッテリーとを並列に接続した場合における使用時の放電特性を示すグラフである。 同バッテリーシステムの放電特性を示すグラフである。 同ブロック構成図である。 同実施例１を示す説明図である。 同実施例２を示す説明図である。 一般的なバッテリーにおける使用時の放電特性を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態に係るバッテリーシステムについて図１乃至図８を参照して説明する。本実施形態のバッテリーシステムは、例えば、電気自動車等の電動車両に搭載されて用いられる。
　図１は、バッテリーシステムの概略を示す構成図である。図１に示すように、バッテリーシステム１は、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とが組合わされて構成されている。この第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とは、電気的に並列に接続されている。
　具体的には、第１のバッテリー１０としてリチウムイオン電池が用いられ、第２のバッテリー２０として鉛蓄電池が用いられている。これらがそれぞれの正極端子及び負極端子を介して並列に接続されている。また、第１のバッテリー１０には直列に保護回路１１が接続されている。保護回路１１は、第１のバッテリー１０の通電を遮断可能に接続されるスイッチング素子を備えており、第１のバッテリー１０に過充電や過放電、外部短絡等の大電流放電が生じた場合に、スイッチング素子を介して通電を遮断して第１のバッテリー１０を保護する機能を有している。保護回路１１に用いられるスイッチング素子としては、機械式のリレーやＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ等が利用できる。
　リチウムイオン電池は、非水液係の二次電池の一種であり、電解質中のリチウムイオンが電気的伝導を担う二次電池である。代表的なセルの構成では、正極にコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リン酸鉄リチウム等のリチウム含有金属酸化物、負極に炭素材料、電解液に有機電解液が用いられ、この正極及び負極をセパレータを介して捲回した捲回式の電極体を有している。そして、この電極体が非水電解液に浸され円筒状の電池缶に収容されて構成されている。
　このようなリチウムイオン電池は、高い電圧が得られエネルギー密度が高く、充放電エネルギーの効率が高く、急速充放電が可能である。一方で過充電、過放電に弱い特性を有している。さらに、満充電状態で保存すると劣化が急激に進行するものであり、充電保存のときよりも放電保存のときの方が容量回復性に優れているという特性を有している。この容量回復性とは、保存した後に充放電を行ったときに初期容量に比較してどのレベルまで回復するかという性質である。
　鉛蓄電池は、水溶液系の二次電池であり、正極に二酸化鉛、負極に海綿状の鉛、電解液として希硫酸を用いたものである。各セル室には、複数の正極板と負極板とがガラス繊維のセパレータを介して積層された電極群が収容されている。
　鉛蓄電池は、比較的安価で使用実績が高い。一方、充電が不十分だったり、放電状態で保存したりあるいは過放電を行うと劣化が早いため、満充電の状態を維持することが望ましく、放電保存のときよりも充電保存のときの方が容量回復性に優れているという特性を有している。
　このような第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とは、公称電圧が第１のバッテリー１０の方が第２のバッテリー２０より高くなっている。換言すれば、第２のバッテリー２０の公称電圧は、第１のバッテリー１０の公称電圧より低くなっている。
　まず、この種のバッテリーの使用時における一般的な放電特性を図８を参照して説明する。図８は、充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）と電圧との関係において使用時における放電カーブを示している。横軸は、１００％～０％の範囲で充電状態（％）を示し、縦軸は、電圧（Ｖ）を示している。
　図８に示すように、放電カーブにおいて、放電が継続されると、充電状態が低下し、つまり、充電残存容量が低下し、これとともに電圧が低下していく。ここで、放電初期部分と放電末期部分には、不安定領域Ａ、Ａ´が存在し、この不安定領域ＡとＡ´との間の中間部分には、安定領域Ｂが存在する。
　不安定領域Ａ、Ａ´は、僅かな充電状態の変化で電圧が大きく変化する変化率の大きな領域である。換言すれば、放電カーブが急峻に変化し、僅かな放電容量の変化で電圧が大きく変化する領域である。
　具体的には、不安定領域Ａは、満充電から放電初期における僅かな充電状態の低下で大きく電圧が低下する領域である。不安定領域Ａ´は、完全放電への放電末期における僅かな充電状態の低下で大きく電圧が低下する領域である。
　また、安定領域Ｂは、充電状態が変化しても電圧の変化が少ない変化率の小さな領域であり、放電カーブが緩やかに変化し、放電容量が変化しても電圧の変化が少ない略平坦な領域である。
　このように放電カーブは、不安定領域Ａから安定領域Ｂの始期部分へ移行し、そして、安定領域Ｂの終期部分から不安定領域Ａ´へと移行するような曲線で描かれる。また、実際に電池が発生することのできる電圧範囲は、バッテリーの推奨使用電圧範囲よりも広い。実際の使用においては、推奨使用電圧範囲より高い電圧まで充電が行われる過充電や推奨使用電圧範囲より低い電圧まで放電が行われる過放電が生じる場合がある。
　なお不安定領域Ａ、Ａ´は、僅かな充電状態の変化で電圧が大きく変化する変化率の大きな領域であると記載したが、電池によっては、電池の自己放電や充電時の分極が解消されることによって充電直後に瞬時に電圧が低下するものもある。この場合には、見かけ上放電開始直後は安定領域Ｂの状態からスタートしているように見える電池もある。しかし、そのような場合には、実際は充電時の末期電圧に比べて、充電停止直後の開路電池電圧は急激に低下しており、放電する前から一種の不安定領域が表れているものと解釈できる。実際にそのような場合には、少しでも充電を行えばその不安定領域の電池は、わずかな電荷の移動により、つまり、わずかな電流を流すことで電池の電圧が変化するので、不安定領域に位置することが明らかにわかる。
　なお不安定領域Ａ、不安定領域Ａ´は充電状態の変化で電圧が大きく変化する変化率の大きな領域であるので、二次電池の場合には、放電初期を充電末期、放電末期を充電初期、と置き換えてもよい。
　次に、本実施形態における第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０の使用時における放電特性を図２を参照して説明する。図２（ａ）は第１のバッテリー１０の放電特性を示し、図２（ｂ）は第２のバッテリー２０の放電特性を示している。図２は、上記図８と対応する放電特性を示しており、同様に、横軸は、１００％～０％の範囲で充電状態（％）を示し、縦軸は、電圧（Ｖ）を示している。
　第１のバッテリー１０及び第２のバッテリー２０は、上記一般的な放電特性を示す図８と同様に、ともに放電初期部分と放電末期部分には、不安定領域Ａ、Ａ´が存在し、中間部分には、安定領域Ｂが存在する。
　詳しくは、第１のバッテリー１０及び第２のバッテリー２０は、放電初期及び放電末期において放電容量に対する電圧の変化率が急峻な不安定領域Ａ、Ａ´を有し、この放電初期の不安定領域Ａと放電末期の不安定領域Ａ´との間の中間部分に、放電容量に対する電圧の変化率が不安定領域Ａ、Ａ´より相対的に小さい安定領域Ｂを有している。
　不安定領域Ａは、充電状態が約１００％～８０％の範囲で生じ、不安定領域Ａ´は、充電状態が約２０％～０％の範囲で生じている。したがって、安定領域Ｂは、充電状態が約８０％～２０％の範囲で生じている。また、より具体的には、安定領域Ｂにおける放電容量（％）の変化に対する、電圧（Ｖ）の変化（％）の比率は、０．５以下となって略平坦なカーブとなっている。つまり、例えば、充電状態が－１０％変化したとき、電池の電圧は３．７Ｖから３．６Ｖになっており、そのときの電圧の変化率は３．７Ｖに対して－２．７％のため変化率としては０．２７［－］となる。つまり、変化率は０．５以下である。このときの単位は［－］無次元である。一方で不安定領域Ａ´の電圧の変化は、例えば、充電状態が１０％から０％になるときに３．３から３．０Ｖに０．３Ｖ変化する。この変化率は９％である。よって充電状態が１０％変化するときに電圧が９％変化するので、このときの変化率は０．９［－］となり０．５より大きい。この０．５という値は、一つの事例であり実際の放電容量（％）の変化に対する、電圧（Ｖ）の変化（％）の比率は電池の種類によりそれぞれ異なるが、概ね０．１～０．９の値で区分される。
　但し、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０との放電特性は、主として次の点で異なっている。
　（１）第１のバッテリー１０の安定領域Ｂにおける電圧は、第２のバッテリー２０の安定領域Ｂにおける電圧より高い。逆に言えば、第２のバッテリー２０の安定領域Ｂにおける電圧は、第１のバッテリー１０の安定領域Ｂにおける電圧より低い。このように、安定領域Ｂにおいて電圧の高低差がある。
　（２）第１のバッテリー１０の不安定領域Ａにおける電圧の高低幅が狭いのに対し、第２のバッテリー２０の不安定領域Ａにおける電圧の高低幅は広い。つまり、第２のバッテリー２０の不安定領域Ａにおいては、僅かな充電状態の変化で電圧が大きく低下する。
　（３）第１のバッテリー１０の不安定領域Ａ´における電圧の高低幅が広いのに対し、第２のバッテリー２０の不安定領域Ａ´における電圧の高低幅は狭い。つまり、第１のバッテリー１０の不安定領域Ａ´においては、僅かな充電状態の変化で電圧が急峻に大きく低下する。
　さらに、このような第１のバッテリー１０と第１のバッテリー１０との放電特性に加えて、第１のバッテリー１０の安定領域Ｂにおける終期部分の電圧Ｖｔと第２のバッテリー２０の安定領域Ｂの始期部分の電圧Ｖｃとが略一致するように構成されている。この終期部分の電圧Ｖｔと始期部分の電圧Ｖｃとの一致は、例えば、第１のバッテリー１０及び第２のバッテリー２０のセルの直列接続数を調整することによって実現可能となる。
　図３において、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とを電気的に並列に接続した場合の放電特性を説明する。放電開始から第１のバッテリー１０の安定領域Ｂの終期部分の電圧Ｖｔまで（図示電圧Ｖｈ～Ｖｍ）は、第１のバッテリー１０が優先的に主として放電される。この場合、第２のバッテリー２０は、ほとんど放電されず、電圧だけが第１のバッテリー１０の電圧に追随して変化するようになる。
　これは、第２のバッテリー２０の安定領域Ｂにおける電圧は、第１のバッテリー１０の安定領域Ｂにおける電圧より低いという第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０との放電特性に基づいている。また、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とが並列に接続されており、各バッテリーの電圧は等しくなることに起因している。
　次いで、第１のバッテリー１０の安定領域Ｂの終期部分の電圧Ｖｔから第２のバッテリー２０の安定領域Ｂ、不安定領域Ａ´へと移行し０Ｖ近く（図示電圧Ｖｍ～Ｖｌ）まで放電する。この場合は、主として第２のバッテリー２０によって放電が行われるようになる。
　この放電は、第１のバッテリー１０の安定領域Ｂの終期部分の電圧Ｖｔと第２のバッテリー２０の安定領域Ｂの始期部分の電圧Ｖｃとが略一致するように構成されていることに基づいている。
　したがって、電圧Ｖｈ～Ｖｍの間は、主として第１のバッテリー１０の安定領域Ｂで放電が行われ、電圧Ｖｍ～Ｖｌの間は、主として第２のバッテリー２０の安定領域Ｂで放電が行われる。その結果、放電は、第１のバッテリー１０の安定領域Ｂから第２のバッテリー２０の安定領域Ｂへ移行されるようになる。
　図４は、図３に示す並列に接続された第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０との放電特性を合成した状態を示している。図４に示すように、第１のバッテリー１０の安定領域Ｂと第２のバッテリー２０の安定領域Ｂとが連続するように繋がり、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０との個々のバッテリーに比し安定領域Ｂが広がる状態となる。そして、電圧Ｖｈ～Ｖｍの範囲では、第１のバッテリー１０が主として放電され、電圧Ｖｍ～Ｖｌの範囲では、第２のバッテリー２０が主として放電される。
　以上のようなバッテリーシステム１の構成において、ユーザが電動車両を実際に使用する場合、第１のバッテリー１０が優先的に放電されるため、第１のバッテリー１０が高い頻度で充放電されるようになる。すなわち、第２のバッテリー２０が充放電される頻度は、第１のバッテリー１０が充放電される頻度に比較し低くなる。
　よって、第１のバッテリー１０を充電保存のときの容量回復性よりも放電保存のときの容量回復性の方が優れたバッテリーとすることにより、また、第２のバッテリー２０を放電保存のときの容量回復性よりも充電保存のときの容量回復性の方が優れたバッテリーとすることにより、バッテリー全体の性能を高めることができる。また、第１のバッテリー１０が第２のバッテリー２０と並列に接続されておらず、第１のバッテリー１０が単体で放電されていれば、第１のバッテリー１０がＶｔに達した後にさらに放電を継続すると、第１のバッテリー１０は不安定領域Ａ´に移行するため、わずかな充電状態の変化により、電圧が変動するため、瞬間的に電圧が過放電領域に達し、電池が劣化する可能性があるが、第１のバッテリー１０が第２のバッテリー２０と並列に接続されていれば、第１のバッテリー１０がＶｔに達した後にさらに放電を継続しても第２のバッテリー２０の安定領域Ｂに達するため、第１のバッテリー１０も電圧が瞬時に低下する心配がない。よって、第１のバッテリー１０が過放電により特性が劣化する可能性ない。
　なお、不安定領域Ａ、Ａ´と記載したが、電池の種類によっては、例えば鉛バッテリーのような場合には、Ａの部分があまりにも短時間のため、充電直後は自己放電や充電時の分極などにより瞬時でＶｃ付近まで低下するために、あたかもＢの領域から始まったからのようにみえることもあり、不安定領域Ａ´しかないように見かけ上見受けられることがあるのは前述のとおりである。
　次に、図５のブロック図を参照してバッテリーシステムの構成を説明する。図５に示すように、バッテリーシステム１は、バッテリー部３０と制御装置６とを備えている。バッテリー部３０には、第１のバッテリー１０及び第２のバッテリー２０が設けられている。この第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とは並列に接続されている。具体的には、第１のバッテリー１０、保護回路１１及び電流センサ２ａが接続された直列回路と、第２のバッテリー２０及び電流センサ２ｂが接続された直列回路とが並列に接続されている。これら直列回路の両端には、負荷３、すなわち、電動車両のモータが接続されている。なお、電流センサ２ａ、２ｂはシャント抵抗から構成されている。この電流センサ２ａ、２ｂには、ホール素子や磁気抵抗素子を用いてもよい。
　また、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とは必要に応じて充電器４を介して商用電源５に接続されて充電されるようになっている。さらに、バッテリー部３０は、制御装置６に接続されており、保護回路１１及び電流センサ２ａ、２ｂは、制御装置６によって制御される。このとき、保護回路１１及び電流センサ２ａは、第１のバッテリー１０のマイナス側に位置してもかまわない。また、電流センサ２ｂは、第２のバッテリー２０のマイナス側に位置してもかまわない。
　制御装置６は、システム全体の制御を実行するものであり、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０の充放電状態や電圧、電流等を制御する機能を有している。
　保護回路１１は、複数のスイッチング素子を備えており、具体的には、リレー１２と、このリレー１２と並列に接続された２つのＭＯＳＦＥＴ１３、１４とを備えている。ＭＯＳＦＥＴ１３は充電時に導通（ＯＮ）する充電用であり、ＭＯＳＦＥＴ１４は放電時に導通（ＯＮ）する放電用である。これらＭＯＳＦＥＴ１３、１４は、それぞれ並列に接続された寄生ダイオード１３ａ、１４ａを有している。寄生ダイオード１３ａ、１４ａは、互いに反対の向きに接続されている。
　また、ＭＯＳＦＥＴ１３、１４には、電流制限用抵抗１５及びラッチリレー１６が直列に接続されている。電流制限用抵抗１５は、突入電流等がＭＯＳＦＥＴ１３、１４に流れてＭＯＳＦＥＴ１３、１４が破壊されるのを防止する機能を有している。ラッチリレー１６は、例えば、リレー１２の接点が溶着するなどの不具合が生じた場合であっても、第１のバッテリー１０への通電を制御して安全性を担保する機能を有している。
　このようなバッテリーシステム１の構成において、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とは、充電時には、充電器４から流れる充電電流によって充電される。また、放電時には、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とから流れる放電電流が負荷３に供給される。この場合、第１のバッテリー１０の通常の充放電時には、保護回路１１のリレー１２、ＭＯＳＦＥＴ１３、１４は、それぞれＯＮ状態となっている。
　ところで、第１のバッテリー１０に過充電や過放電が生じた場合、保護回路１１が動作して第１のバッテリー１０の通電を遮断して安全を確保するようになっている。
　具体的には、電流センサ２ａによって充電電流及び放電電流が監視され、これに基づいて制御装置６からリレー１２に制御信号が出力され、リレー１２はＯＮ、ＯＦＦ制御される。
　過充電が生じた場合には、制御装置６から出力される制御信号によってリレー１２はＯＦＦとなる。このとき、充電用のＭＯＳＦＥＴ１３はＯＦＦ状態となり、放電用のＭＯＳＦＥＴ１４はＯＮ状態となる。したがって、第１のバッテリー１０は充電電流が流れる接続が遮断される一方、放電電流が流れる接続は形成されている。このため、第１のバッテリー１０には充電電流は流れないが、放電電流は放電用のＭＯＳＦＥＴ１４から寄生ダイオード１３ａを通過して流れることが可能となっている。
　すなわち、保護回路１１は、第１のバッテリー１０の接続をリレー１２によって遮断するが、ＭＯＳＦＥＴ１３、１４及び寄生ダイオード１３ａ、１４ａの制御により、放電電電流が流れるのを許容するように動作する。　また、過放電が生じた場合には、制御装置６によってリレー１２はＯＦＦとなる。このとき、充電用のＭＯＳＦＥＴ１３はＯＮ状態となり、放電用のＭＯＳＦＥＴ１４はＯＦＦ状態となる。したがって、第１のバッテリー１０は放電電流が流れる接続が遮断される一方、充電電流が流れる接続は形成されている。このため、第１のバッテリー１０から放電電流は流れないが、充電電流は充電用のＭＯＳＦＥＴ１３から寄生ダイオード１４ａを通過して流れる状態が可能となっている。
　すなわち、保護回路１１は、第１のバッテリー１０の接続をリレー１２によって遮断するが、ＭＯＳＦＥＴ１３、１４及び寄生ダイオード１３ａ、１４ａの制御により、充電電流が流れるのを許容するように動作する。
　これらの動作は制御装置６から出力されれる制御信号によって実行され、過充電、過放電の状態が解消されれば、リレー１２はＯＮ状態に復帰し、第１のバッテリー１０は再接続されるようになる。なお、上述の実施形態では、保護回路１１は、リレー１２に並列接続されるスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを備える構成を例示しているが、ＭＯＳＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴ等を用いてもよい。
　バッテリーシステム１の充放電動作において、既述したように第１のバッテリー１０に過放電の状態が発生すると、保護回路１１が動作して第１のバッテリー１０の接続が遮断される。
　しかしながら、第１のバッテリー１０には、第２のバッテリー２０が並列に接続されているので、第１のバッテリー１０の接続が遮断された場合であっても、第２のバッテリー２０の残存容量によって継続して負荷３へ電力を供給することが可能となる。
　具体的には、例えば、図４におけるＯＦＦ１又はＯＦＦ２の時点で、保護回路１１が動作して第１のバッテリー１０の接続が遮断され、第１のバッテリー１０から負荷３への電力の供給が遮断されたとする。しかし、この場合には、ＯＦＦ１又はＯＦＦ２の時点での第２のバッテリー２０の残存容量によって負荷３へ電力が供給される。
　したがって、電動車両の走行中に保護回路１１が動作して第１のバッテリー１０の接続が遮断されたとしても、第２のバッテリー２０の残存容量によって負荷３へ電力を供給することができ、残存容量に応じて電動車両を走行することができる。よって、交通上の安全性を確保することが可能であるとともに第１のバッテリー１０の発熱による危険性や劣化を抑制することができる。
　また、第１のバッテリー１０には、第２のバッテリー２０が並列に接続されており、第１のバッテリー１０が低い電圧Ｖｔに達して、過放電のため接続を遮断するときには、放電電流のほとんどは第２のバッテリー２０の方に流れているため、接続を遮断してもリレーへの影響は小さい。それでもリレーを切断するときに、大きな電流が流れているとリレーが徐々に劣化してきて、最後には溶着するという事態も考えられる。そのときに、過放電がさらに進む可能性もある。そのためリレーは複数個直列に設置されることが望ましい。
　また、そのときに複数個直列に設置されたリレーがノーマルオープンタイプのリレーの場合には、リレーを接続するために常に電力が必要である。するとバッテリーの電力が無駄に消費されるため、そのうちのひとつのリレーはラッチタイプのリレーが望ましい。ラッチタイプのリレーの場合には、常に接続状態であっても電力を消費することはないためバッテリーのエネルギーを無駄に消費することもない。
　因みに、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０との公称容量は、以下のように設定されている。まず、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０はそれぞれの領域が安定領域Ｂなのか不安定領域Ａ，Ａ‘なのかによって分配される電流値は異なる。そのため第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０との最大充電電流はそれぞれの値の最小側で設定する必要があるため、それらの値が近い方が効率的な充電が可能となる。
　第１のバッテリー１０としてのリチウムイオン電池は、一般的には０．７Ｉｔの充電が標準であり、第２のバッテリー２０としての鉛蓄電池は、０．２５Ｉｔの充電が標準であることが多い。そのため、これらの充電電流を一致させるためには、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０との公称容量の比率は、１：３程度が望ましい。例えば、充電電流を７０Ａとすると、第２のバッテリー２０の容量は９８Ａｈとなり、第２のバッテリー２０の容量は２８０Ａｈとなる。
　また、第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０との公称容量の比率が１：１を超えると第１のバッテリー１０の比率が高すぎてコストが高くなる。一方で、第１のバッテリー１０の比率が低すぎると第１のバッテリー１０の性能が有効に発揮できない可能性がある。したがって、これらを勘案して検討すると、第１のバッテリー１０の公称容量は、全体の容量（第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０との合計公称容量）の２０％～５０％に設定するのが適切と判断される。　
　以上のように本実施形態によれば、第１のバッテリー１０が高い頻度で充放電され、保護回路１１が動作して第１のバッテリー１０の接続が遮断された場合、第２のバッテリー２０の残存容量によって負荷３へ電力を供給することができる。したがって、バッテリーシステム１の性能の低下を抑制することが可能であるとともに、バッテリーシステム１を電動車両に用いた場合、安全性を確保することが可能となる。
　次に、図６及び図７を参照して本実施形態による第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とを組合わせた具体例について説明する。
　（実施例１）
　図６に示すように、第１のバッテリー１０は、ＬｉＦｅＰＯ４形のリチウムイオン電池であり、この電池はセルの公称電圧が３．２Ｖであり、このセルを１８個直列に接続したものである。したがって、リチウムイオン電池としての公称電圧は、５７．６Ｖとなる。また、充放電を監視する保護回路１１（図５参照）が設けられている。
　一方、第２のバッテリー２０は、開放型の鉛蓄電池であり、セルの公称電圧が２Ｖであり、このセルを２４個直列に接続したものである。したがって、鉛蓄電池としての公称電圧は、４８Ｖとなる。
　このような第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とを並列に接続して構成することにより、上記のような作用効果の実現が可能となる。
　（実施例２）
　図７に示すように、第１のバッテリー１０は、１８６５０形のリチウムイオン電池であり、この電池はセルの公称電圧が３．６Ｖであり、このセルを１６個直列に接続したものである。したがって、リチウムイオン電池としての公称電圧は、５７．６Ｖとなる。また、充放電を監視する保護回路１１（図５参照）が設けられている。第２のバッテリー２０は、開放型の鉛蓄電池であり、実施例１と同様のものである。なお、第１のバッテリー１０は、必ずしも１８６５０形のリチウムイオン電池で構成される必要はなく、リチウムポリマー電池等の３．６Ｖ系のリチウムイオン電池で構成することもできる。
　このような第１のバッテリー１０と第２のバッテリー２０とを並列に接続して構成することにより、上記のような作用効果が実現できるバッテリーシステム１が得られる。
　なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
　例えば、本発明のバッテリーシステムは、電気自動車、電動スクータやフォークリフト等の電動車両に好適に用いることができる。また、格別電動車両に限定されるものではなく、他の機器、装置にも適用可能である。
　１・・・バッテリーシステム
　２ａ、２ｂ・・・電流センサ
　３・・・負荷
　４・・・充電器
　５・・・商用電源
　６・・・制御装置　１０・・・第１のバッテリー（リチウムイオン電池）
　１１・・・保護回路
　１２・・・リレー
　１３、１４・・・ＭＯＳＦＥＴ
　１３ａ、１４ａ・・・ダイオード
　２０・・・第２のバッテリー（鉛蓄電池）
　３０・・・バッテリー部
　Ａ、Ａ´・・・不安定領域
　Ｂ・・・安定領域

Claims (10)

  1. 　放電末期において放電容量に対する電圧の変化率が急峻な不安定領域を有し、放電初期と放電末期との間に、放電容量に対する電圧の変化率が前記不安定領域より相対的に小さい安定領域を有する放電特性を備える第１のバッテリーと、
    　この第１のバッテリーと並列に接続され、放電末期において放電容量に対する電圧の変化率が急峻な不安定領域を有し、放電初期と放電末期との間に、放電容量に対する電圧の変化率が前記不安定領域より相対的に小さく、かつ前記第１のバッテリーの安定領域より低い電圧の安定領域を有する放電特性を備える第２のバッテリーと、
    　前記第１のバッテリーに少なくとも過放電の状態が生じた場合、第１のバッテリーの接続を遮断する保護回路とを具備し、
    　前記保護回路により第１のバッテリーの接続が遮断されたとき、前記第２のバッテリーの残存容量によって負荷へ電力が供給されることを特徴とするバッテリーシステム。
  2. 　前記第１のバッテリーは、充電保存のときの容量回復性よりも放電保存のときの容量回復性に優れ、前記第２のバッテリーは、放電保存のときの容量回復性よりも充電保存のときの容量回復性に優れていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーシステム。
  3. 　前記第１のバッテリーは、リチウムイオン電池であり、前記第２のバッテリーは、鉛蓄電池であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバッテリーシステム。
  4. 　前記第２のバッテリーの鉛蓄電池は、開放型鉛蓄電池であることを特徴とする請求項３に記載のバッテリーシステム。
  5. 　前記保護回路は、過放電の状態が生じた場合、第１のバッテリーの接続を遮断するが、充電電流が流れるのを許容するように動作することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーシステム。
  6. 　前記保護回路は、第１のバッテリーの接続を遮断するリレーと、充電電流が流れるのを許容するスイッチング素子とを具備していることを特徴とする請求項５に記載のバッテリーシステム。
  7. 　前記保護回路は、第１のバッテリーの接続を遮断するリレーが複数個直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーシステム。
  8. 　前記保護回路は、第１のバッテリーの接続を遮断する複数個のリレーのうちの少なくとも一つがラッチ式のリレーであることを特徴とする請求項７に記載のバッテリーシステム。
  9. 　第１のバッテリーの公称容量は、第１のバッテリーと第２のバッテリーとの合計公称容量の２０％～５０％に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーシステム。
  10. 　前記請求項１乃至請求項９のいずれか一に記載のバッテリーシステムが用いられていることを特徴とする電動車両。
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