WO2017086400A1

WO2017086400A1 - 蓄電池システム、蓄電池装置及び方法

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Publication number: WO2017086400A1
Application number: PCT/JP2016/084162
Authority: WO
Inventors: 幸一郎三浦; 英生山崎
Original assignee: 株式会社東芝
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2017-05-26
Also published as: JP2019017124A

Abstract

実施形態の蓄電池システムは、発電装置を備えた車両に搭載された鉛蓄電池と並列に接続されるとともに発電装置からの電力を蓄電可能な蓄電装置と、蓄電池装置において通常使用時に管理される制御ＳＯＣ範囲の下限値に相当する電圧値が鉛蓄電池の放電終止時の開路電圧値となるように制御ＳＯＣ範囲を設定するとともに、鉛蓄電池及び当該蓄電池装置について算出あるいは推定された内部抵抗値に基づいて制御ＳＯＣ範囲を変更可能に設定する制御部と、を備えるので、アイドリングストップシステムを搭載した車両において、鉛蓄電池の特性を生かすとともに、鉛蓄電池の寿命を延ばし、回生電力を有効利用することができる。

Description

蓄電池システム、蓄電池装置及び方法

　本発明の実施形態は、蓄電池システム、蓄電池装置及び方法に関する。

　従来、自動車等の車両に搭載される駆動用以外の二次電池としては、鉛蓄電池が一般に普及している。
　これは、鉛蓄電池が他の二次電池と比較して容量当たりの価格が安く、コストパフォーマンスに優れている点、電池容量の低下の要因となるメモリ効果が無い点、微小電流から大電流まで広い電圧範囲で放電が安定している点などの理由が挙げられる。

国際公開第２０１４／０３８０９９号国際公開第２０１４／０３８１００号特開２０１４－２００１２３号公報

　しかしながら、鉛蓄電池は、過放電に弱く、過放電状態（低ＳＯＣ［Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ］）となると、内部短絡やサルフェーションが発生し、電池としての性能が大きく低下し、回復しないという不具合があった。

　上記特性に関連して、鉛蓄電池は、停車時にエンジンの駆動を停止する、いわゆるアイドリングストップシステムを搭載した車両においては、大きな充放電電流が流れるため電池電圧の変動も大きく、劣化が促進されてしまう虞があった。
　これを解決するため、鉛蓄電池に並列に蓄電池を接続し、この並列接続した蓄電池で鉛蓄電池の電圧変動を抑制する蓄電池システムが提案されている。

　しかしながら、鉛蓄電池に並列接続される蓄電池の特性が必ずしもアイドリングストップシステムにおいて適しているとは限らないという問題点があった。
　具体的には、質量、体積が大きくなり、車両の燃費が低下したり、並列接続する蓄電池の容量を十分に生かし切れなかったり、回生電力を有効に利用することができなかったりする虞があった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アイドリングストップシステムを搭載した車両においては、並列接続する蓄電池の特性を生かすとともに、鉛蓄電池の寿命を延ばし、回生電力を有効利用することが可能な蓄電池システム、蓄電池装置及び方法を提供することにある。

　実施形態の蓄電池システムは、発電装置を備えた車両に搭載された鉛蓄電池と並列に接続されるとともに発電装置からの電力を蓄電可能な蓄電装置と、蓄電池装置において通常使用時に管理される制御ＳＯＣ範囲の下限値に相当する電圧値が鉛蓄電池の放電終止時の開路電圧値となるように制御ＳＯＣ範囲を設定するとともに、鉛蓄電池及び当該蓄電池装置について算出あるいは推定された内部抵抗値に基づいて制御ＳＯＣ範囲を変更可能に設定する制御部と、を備える。

図１は、実施形態の車両用蓄電池システムの概要構成ブロック図である。図２は、リチウムイオンバッテリの制御ＳＯＣ範囲の説明図である。図３は、エンジン始動時の動作説明図（その１）である。図４は、エンジン始動時の動作説明図（その２）である。図５は、エンジン始動後の動作説明図（その１）である。図６は、エンジン始動後の動作説明図（その２）である。図７は、アイドリングストップ時の動作説明図である。図８は、実施形態の変形例の説明図である。図９は、第２実施形態の車両用蓄電池システムの概要構成ブロック図である。図１０は、蓄電池のＳＯＣと蓄電池の閉回路電圧（ＣＣＶ）との関係を説明する図である。図１１は、内部抵抗を検出して制御を行う場合の制御処理フローチャートである。図１２は、鉛バッテリ及びリチウムイオンバッテリの放電時内部抵抗値の算出例の説明図である。図１３は、鉛バッテリ及びリチウムイオンバッテリの充電時内部抵抗値の算出例の説明図である。図１４は、具体的動作の説明図である。図１５は、蓄電池のＳＯＣ、蓄電池の閉回路電圧（ＣＣＶ）及び温度の関係を説明する図である。図１６は、温度を検出して制御を行う場合のＥＣＵの制御処理フローチャートである。図１７は、内部抵抗値と温度との関係を表すデータテーブルを可視化した図である。

　次に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
［１］第１実施形態
　図１は、第１実施形態の車両用蓄電池システムの概要構成ブロック図である。
　車両用蓄電池システム１０は、エンジン１１に駆動されて発電可能なオルタネータ１２と、始動時にエンジン１１を駆動するスタータ１３と、メインバッテリとしての鉛バッテリ（鉛蓄電池）１４と、鉛バッテリ１４に並列接続されたサブバッテリとしてのリチウムイオンバッテリ（リチウムイオン蓄電池：蓄電池装置）１５と、車載電装品１６と、鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５の充電状態（電圧、充電電流及び温度）を測定し、オルタネータ１２の発電の設定を行う車両搭載のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）とは別個に設けられたＥＣＵ１７と、を備えている。
　図１において車載電装品１６に印加される電圧を、車両用蓄電池システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍと呼ぶものとする。

　ここで、リチウムイオンバッテリ１５の構成について説明する。
　リチウムイオンバッテリ１５の第１の態様としては、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物はＬｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＯ_２（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質とを備えた非水電解質二次電池として構成される。

　また、リチウムイオンバッテリ１５の第２の態様としては、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物はＬｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＯ_４（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝２）で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質と、を備えた非水電解質二次電池として構成される。

　またリチウムイオンバッテリ１５の第３の態様としては、マンガン酸リチウム（ＬＭＯ：Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｍａｎｇａｎｅｓｅ　Ｏｘｉｄｅ）、すなわち、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質とを備えた非水電解質二次電池として構成される。

　また、上記第１の態様及び第２の態様のリチウムイオンバッテリ１５を構成する場合にリチウムチタン酸化物の一次粒子の平均粒径が１μｍ以下で、負極層のＢＥＴ法による比表面積が３～５０ｍ^２／ｇの範囲であるようにすることが望ましい。

　さらに、リチウムチタン酸化物は、Ｌｉ_４＋ｘＴｉ_５Ｏ_１２（ｘは－１≦ｘ≦３）もしくはＬｉ_２＋ｘＴｉ_３Ｏ_７（ｘは－１≦ｘ≦３）で表されるようにするのが望ましい。
　さらにまた、チタン含有金属複合酸化物はＰ、Ｖ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素とＴｉとを含有する金属複合酸化物であるようにするのが望ましい。

　ここで、リチウムイオンバッテリ１５は、複数（例えば、５個）の直列接続された単電池セルを備えており、単電池セルを直列接続をしたときに以下の条件を満たすように各単電池セルのＳＯＣ－ＯＣＶ特性が調整されている。

　図２は、リチウムイオンバッテリの制御ＳＯＣ範囲の説明図である。
　ここで、条件としては、リチウムイオンバッテリ１５の通常使用時（過放電状態及び過充電状態とならないように制御するばかりでなく、想定した所定の電池寿命を確保するとともに、当該電池寿命期間中に想定した所定の電池特性［充放電特性、充放電容量等］を維持するために想定した使用を行っている時）におけるＳＯＣの変動許容範囲（充放電制御範囲）を制御ＳＯＣ範囲とした場合にメインバッテリである鉛バッテリ１４の満充電時の開路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ）の値（例えば、車両用蓄電池システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍ＝１２．８Ｖ）が、サブバッテリであるリチウムイオンバッテリ１５の制御ＳＯＣ範囲のＳＯＣ中心値を含む所定のＳＯＣ中心範囲内（例えば、ＳＯＣ＝６０～７０％）に相当する電圧値範囲内に含まれるようにされている。

　また、サブバッテリであるリチウムイオンバッテリ１５の制御ＳＯＣ範囲の下限値、すなわち、放電時の制御下限ＳＯＣを（例えば、ＳＯＣ＝３０～４０％）に相当する電圧値は、メインバッテリである鉛バッテリ１４の放電終止時の開路電圧値（例えば、車両用蓄電池システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍ＝１２．４Ｖ）に設定される。これは、リチウムイオンバッテリ１５の下限電圧を制御することによりメインバッテリである鉛バッテリ１４の劣化が促進しないようにするためである。すなわち、リチウムイオンバッテリ１５の電圧が通常使用時であれば常に鉛バッテリ１４の放電終止時の開路電圧値以上となるようにするためである。

　さらに、リチウムイオンバッテリ１５を構成している単電池セル間を電気的に接続する導電体の合計抵抗値は、単電池の内部抵抗値よりも小さくなるように設計されている。ここで、リチウムイオンバッテリ１５としての内部抵抗値はメインバッテリである鉛バッテリ１４の内部抵抗値の１／１．５以下とするのが好ましい。

　以上のようなＳＯＣ関係及び構成とすることで、通常動作時には鉛バッテリ１４の電圧が鉛バッテリ１４の劣化の原因となるサルフェーションが発生する１２Ｖ以下とならないようにされている。

　またサブバッテリとしてのリチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣ変動範囲もＳＯＣ中心値を、例えばＳＯＣ＝６０％とした場合に±３０％として、制御ＳＯＣ範囲を３０～９０％程度（リチウムイオンバッテリ１５の開路電圧値範囲は、例えば、車両用蓄電池システム電圧Ｖｓｙｓｔｅｍ＝１２．４Ｖ～１３．３Ｖに相当）とできるのでリチウムイオンバッテリ１５の充放電容量及び特性（急速充放電能力等）を有効に利用でき、車両の減速に伴う回生電力の受け入れ性能等を向上することができる。

　さらにリチウムイオンバッテリ１５については、急速充放電能力等を利用し、駐車時でも車載電装品に供給しなければならない暗電流や冷間始動（コールドクランク）時にエンジンを始動させる電力は大容量の鉛バッテリ１４を利用する構成となっているので、リチウムイオンバッテリ１５の単電池の数を少なくでき質量及び体積を小さくできるので、コスト低減に効果的である。

　具体的には、リチウムイオンバッテリ１５を構成する単電池の起電圧が２．４Ｖのものを用いることにより、リチウムイオンバッテリ１５は５個の単電池を直列接続した構成にでき、質量及び体積を小さくできコストを低減することができる。

　また、リチウムイオンバッテリ１５の容量は、車両用蓄電池システム１０が搭載されている車両において予め設計したアイドリングストップ中の平均電流値と、車両の平均アイドリングストップ時間の積（＝アイドリングストップ中の平均電流値×平均アイドリングストップ時間）と同じ容量又はそれ以上の容量とされている。このときのリチウムイオンバッテリ１５の容量は、鉛バッテリ１４の容量の１／２以下とするのが好ましい。

　これは、平均的な走行状態を想定した場合に、信号待ち等の停車中に確実にオルタネータ１２を非動作状態（非発電状態）にすることができ、燃料消費を抑制しつつ、リチウムイオンバッテリ１５の質量及び体積を抑制して、走行時の燃料消費低減に貢献するためである。

　次に実施形態の動作を説明する。
　まず、エンジン１１の始動時の動作を説明する。
　図３は、エンジン始動時の動作説明図（その１）である。
　図４は、エンジン始動時の動作説明図（その２）である。

　時刻ｔ０においてドライバにより図示しないイグニションスイッチが操作されると、時刻ｔ１においてスタータ１３に鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５が電気的に接続状態（導通状態）とされる。

　そして、時刻ｔ２において鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５の放電電流が、スタータ１３に供給され、スタータ１３が駆動される。
　これらの結果、時刻ｔ３においてエンジン１１が始動され、駆動状態に移行する。

　次にエンジン１１の始動後の動作を説明する。
　図５は、エンジン始動後の動作説明図（その１）である。
　図６は、エンジン始動後の動作説明図（その２）である。
　図６において時間軸は、図４と共通であるものとする。

　初期状態においてＥＣＵ１７のオルタネータ（ＡＬＴ）発電要求信号Ｓ_ＡＬＴは、発電側になっているものとする。
　時刻ｔ４においてエンジン１１が駆動状態に移行すると、時刻ｔ５においてオルタネータ（ＡＬＴ）１２は、無発電状態から発電状態に移行する。

　これにより鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５の充電電流が増加し、リチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣも徐々に増加する。この場合において上述したようにリチウムイオンバッテリ１５の内部抵抗値は鉛バッテリ１４の内部抵抗値よりも小さく設定されているので、リチウムイオンバッテリ１５の充電電流が大きくなり優先的にリチウムイオンバッテリ１５が充電されることとなる。

　一方、時刻ｔ６において車両が発進し、車速が徐々に増加し始める。
　そして、充電によりリチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣが増加し、時刻ｔ７に至ると、今度は充電電流が徐々に減少する。

　そして、時刻ｔ８においてリチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣが上限ＳＯＣ（＝９０～１００％）に至ると、ＥＣＵ１７のオルタネータ（ＡＬＴ）発電要求信号Ｓ_ＡＬＴは、発電停止側に移行する。この結果、オルタネータ１２は無発電状態となりリチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣは上限ＳＯＣに保持される。

　その後、車載電装品１６により電力が消費されることにより、時刻ｔ９において鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５は放電状態に移行し放電電流が増加し始める。

　そして、時刻ｔ１０において車両の速度が減少する減速状態が検知されると、ＥＣＵ１７のオルタネータ（ＡＬＴ）発電要求信号Ｓ_ＡＬＴは、発電停止側であるにもかかわらず、オルタネータ１２は発電状態へと移行するので、充電電流が徐々に増加し、これに伴いリチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣも徐々に増加する。

　図７は、アイドリングストップ時の動作説明図である。
　時刻ｔ１１において車両の速度が０となる停止状態となり、さらに所定のアイドリングストップ時間が経過した時刻ｔ１２に至ると、車載ＥＣＵによりエンジン１１が停止状態とされオルタネータ１２は再び無発電状態へと移行する。

　しかしながら、未だ車載電装品１６への電力供給は継続しているので、鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５は、再び放電状態に移行する。

　この場合においてリチウムイオンバッテリ１５が十分に充電状態（高ＳＯＣ状態）にあれば、図７に示すように、リチウムイオンバッテリ１５から優先的に鉛バッテリ１４及び車載電装品１６への電力供給（駆動電流供給及び充電電流供給）がなされる。この結果、満充電状態ではない鉛バッテリ１４は充電状態となり可能な限り鉛バッテリ１４は高ＳＯＣ状態を維持する。

　そして、時刻ｔ１３においてリチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣが制御ＳＯＣ範囲の下限値、すなわち、放電時の最低ＳＯＣに至るとメインバッテリである鉛バッテリ１４の放電終止時の開路電圧値に至っていることとなるので、再びＥＣＵ１７はオルタネータ発電要求信号Ｓ_ＡＬＴを発電側としてエンジン１１を始動する。

　これにより鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５の充電電流が増加して充電状態となり、リチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣも徐々に増加してふたたび制御ＳＯＣ範囲内で増加することとなる。

　以上の説明のように、本実施形態によれば、入力性能に優れたサブ電池としてのリチウムイオンバッテリ１５がメインバッテリである鉛バッテリ１４よりも優先的に充電されるとともに充電量も増加されるので、オルタネータ１２からの回生エネルギーを効率よく電気エネルギーとして蓄えることができる。

　また、本実施形態によれば、オルタネータ１２の非動作中であっても充電抵抗が相対的に高い鉛バッテリ１４へリチウムイオンバッテリ１５から充電が行え、鉛バッテリ１４を寿命的に望ましい高ＳＯＣに維持することができる。

　また、本実施形態によれば、車載電装品１６への電力供給は主として、リチウムイオンバッテリ１５からなされるので、これによっても鉛バッテリ１４を寿命的に望ましい高ＳＯＣに維持することができる。

　図８は、実施形態の変形例の説明図である。
　図８において図１の実施形態と異なる点は、鉛バッテリ１４と、リチウムイオンバッテリ１５と、を電気的に接続しあるいは遮断するスイッチ１８を設けた点と、車載電装品１６を、エンジン始動時においても電源電圧変動が許容される第１車載電装品１６Ａと、エンジン始動時でも電源電圧変動が許容されない第２車載電装品１６Ｂと、に分け、スイッチ１８の開状態（オフ状態）時に第１車載電装品１６Ａにリチウムイオンバッテリ１５から電力を供給するようにした点である。

　このような構成とすることにより、エンジン１１の始動時には、スイッチ１８を開状態（オフ状態）とし、リチウムイオンバッテリ１５からのみスタータ１３に電力を供給することができるので、エンジン１１始動時の１２ボルト電源系統（鉛バッテリ系統）の電圧低下を抑制することが可能となる。

［２］第２実施形態
　図９は、第２実施形態の車両用蓄電池システムの概要構成ブロック図である。
　図９において、図１と同様の部分には、同様の符号を付し、その詳細な説明を援用するものとする。

　第２実施形態の車両用蓄電池システムが第１実施形態の車両用蓄電池システムと異なる点は、鉛バッテリ１４の電圧を測定し電圧測定信号ＳｖＰをＥＣＵ１７に出力する電圧測定センサ２１と、鉛バッテリ１４の充電電流あるいは放電電流を測定して電流測定信号ＳｃＰをＥＣＵ１７に出力する電流測定センサ２２と、鉛バッテリ１４の温度（鉛バッテリ１４の筐体の温度、端子温度あるいは周囲温度）を測定し温度測定信号ＳｔＰをＥＣＵ１７に出力する温度測定センサ２３と、リチウムイオンバッテリ１５の電圧を測定し電圧測定信号ＳｖＬをＥＣＵ１７に出力する電圧測定センサ２４と、リチウムイオンバッテリ１５の充電電流あるいは放電電流を測定して電流測定信号ＳｃＬをＥＣＵ１７に出力する電流測定センサ２５と、リチウムイオンバッテリ１５の温度（リチウムイオンバッテリ１５の筐体の温度、端子温度あるいは周囲温度）を測定し温度測定信号ＳｔＬをＥＣＵ１７に出力する温度測定センサ２６と、を備えている点である。

　まず、第２実施形態の原理について説明する。
　鉛バッテリ１４を含む鉛蓄電池は、一般的に環境温度(電解液温度)により開放電圧（ＯＣＶ）値が変化し、内部抵抗値も変化することが知られている。
　同様に、経年劣化によっても鉛蓄電池の内部抵抗値は変化する。

　換言すれば、鉛蓄電池の状態、特に内部抵抗に起因する電圧降下分を考慮すると、鉛蓄電池をほぼ満充電状態に維持するための充電電圧値は異なることとなる。
　より詳細には、温度が低くなるあるいは経年劣化が進むほど、満充電に維持するための電圧は適正電圧範囲内で高めに設定する必要がある。一方、温度が高くなるあるいは新品の鉛蓄電池に近いほど満充電に維持するための充電電圧は、適正電圧範囲内で低めの設定で良いということである。

　したがって、鉛バッテリ１４の充電に際しては、当該鉛バッテリ１４の状態を正確に把握して適正な充電電圧とするように、制御する必要がある。

　以下、鉛バッテリ１４の充電制御について、鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５の内部抵抗値に基づいて制御を行う場合及び鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５の温度に基づいて制御を行う場合のそれぞれについて説明する。

［２．１］内部抵抗値を算出して制御を行う場合
　図１０は、蓄電池のＳＯＣと蓄電池の閉回路電圧（ＣＣＶ）との関係を説明する図である。
　例えば、現在の鉛バッテリ１４の内部抵抗値において、鉛バッテリ１４を満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）とするために必要とされる鉛バッテリ１４の端子(閉回路)電圧（最低電圧）が１３．６Ｖであるとすると、その電圧と等電位となる(リチウムイオンバッテリ１５の端子(閉回路)電圧が１３．６Ｖになる)リチウムイオンバッテリ１５の最低ＳＯＣ値はＳＯＣｘとなる。したがって、ＥＣＵ１７はリチウムイオンバッテリの制御ＳＯＣの上限をＳＯＣｘとして制御を行うこととなる。

　次に鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５の内部抵抗を算出して制御を行う場合のＥＣＵ１７の制御手順について説明する。
　図１１は、内部抵抗を検出して制御を行う場合の制御処理フローチャートである。
　図１２は、鉛バッテリ及びリチウムイオンバッテリの放電時内部抵抗値の算出例の説明図である。

　まずＥＣＵ１７は、図１２に示すような、エンジン始動前の鉛バッテリ１４の閉回路電圧値（端子電圧値）Ｖ１（Ｐ）及びエンジン始動時（最大負荷時）に電圧降下した鉛バッテリ１４の閉回路電圧値（端子電圧値）Ｖ２（Ｐ）と鉛バッテリ１４におけるエンジン始動時の放電電流値Ｉｄ（Ｐ）を検出し、Ｖ１（Ｐ）とＶ２（Ｐ）から鉛バッテリ１４の放電時の変化電圧値ΔＶｄ（Ｐ）を算出する。（ステップＳ１１）。

　続いて、ＥＣＵ１７は、得られた鉛バッテリ１４の放電時の変化電圧値ΔＶｄ（Ｐ）及び最大負荷電流値Ｉｄ（Ｐ）から、（１）式により鉛バッテリ１４の放電時内部抵抗値Ｒ_{ｄｉｓｃｈａｒｇｅ}（Ｐ）を算出する（ステップＳ１２）。
　　　　Ｒ_{ｄｉｓｃｈａｒｇｅ}（Ｐ）＝ΔＶｄ（Ｐ）／Ｉｄ（Ｐ）　　　　　…（１）

　図１３は、鉛バッテリ及びリチウムイオンバッテリの充電時内部抵抗値の算出例の説明図である。
　ＥＣＵ１７は、オルタネータ（発電機）１２が作動した直後に鉛バッテリ１４の閉回路電圧値（端子電圧）Ｖ３（Ｐ）と充電時の負荷電流値Ｉｃ（Ｐ）を検出し、先に検出したエンジン始動時（最大負荷時）に電圧降下した鉛蓄電池の閉回路電圧値（端子電圧値）Ｖ２（Ｐ）から鉛バッテリ１４の充電時の変化電圧値ΔＶｃ（Ｐ）を算出する（ステップＳ１３）。

　続いて、ＥＣＵ１７は、得られた鉛バッテリ１４の充電時の変化電圧値ΔＶｃ（Ｐ）及び負荷電流値Ｉｃ（Ｐ）から、（２）式により鉛バッテリ１４の充電時内部抵抗値Ｒ_{ｃｈａｒｇｅ}（Ｐ）を算出する（ステップＳ１４）。
　　　　Ｒ_{ｃｈａｒｇｅ}（Ｐ）＝ΔＶｃ（Ｐ）／Ｉｃ（Ｐ）　　　　　…（２）

　ステップＳ１１～ステップＳ１４の処理と並行して、ＥＣＵ１７は、図１２に示したようなエンジン始動前のリチウムイオンバッテリ１５の閉回路電圧値（端子電圧値）Ｖ１（Ｌ）及びエンジン始動時（最大負荷時）に電圧降下したリチウムイオンバッテリ１５の閉回路電圧値（端子電圧値）Ｖ２（Ｌ）とリチウムイオンバッテリ１５におけるエンジン始動時の放電電流値Ｉｄ（Ｌ）を検出し、Ｖ１（Ｌ）とＶ２（Ｌ）からリチウムイオンバッテリ１５の放電時の変化電圧値ΔＶｄ（Ｌ）を算出する。（ステップＳ１５）。

　続いて、ＥＣＵ１７は、得られたリチウムイオンバッテリ１５の放電時の変化電圧値ΔＶｄ（Ｌ）及び最大負荷電流値Ｉｄ（Ｌ）から、（３）式によりリチウムイオンバッテリ１５の放電時内部抵抗値Ｒ_{ｄｉｓｃｈａｒｇｅ}（Ｌ）を算出する（ステップＳ１６）。
　　　　Ｒ_{ｄｉｓｃｈａｒｇｅ}（Ｌ）＝ΔＶｄ（Ｌ）／Ｉｄ（Ｌ）　　　　　…（３）

　その後、ＥＣＵ１７は、図１３に示したようなオルタネータ（発電機）１２が作動した直後にリチウムイオンバッテリ１５の閉回路電圧値（端子電圧）Ｖ３（Ｌ）と充電時の負荷電流値Ｉｃ（Ｌ）を検出し、先に検出したエンジン始動時（最大負荷時）に電圧降下したリチウムイオンバッテリ１５の閉回路電圧値（端子電圧値）Ｖ２（Ｌ）からリチウムイオンバッテリ１５の充電時の変化電圧値ΔＶｃ（Ｌ）を算出する（ステップＳ１７）。

　続いて、ＥＣＵ１７は、得られたリチウムイオンバッテリ１５の充電時の変化電圧値ΔＶｃ（Ｌ）及び負荷電流値Ｉｃ（Ｌ）から、（４）式によりリチウムイオンバッテリ１５の充電時内部抵抗値Ｒ_{ｃｈａｒｇｅ}（Ｌ）を算出する（ステップＳ１８）。
　　　　Ｒ_{ｃｈａｒｇｅ}（Ｌ）＝ΔＶｃ（Ｌ）／Ｉｃ（Ｌ）　　　　　…（４）

　続いて、ＥＣＵ１７は、得られた鉛バッテリ１４の放電時内部抵抗値Ｒ_{ｄｉｓｃｈａｒｇｅ}（Ｐ）及び充電時内部抵抗値Ｒ_{ｃｈａｒｇｅ}（Ｐ）並びにリチウムイオンバッテリ１５の放電時内部抵抗値Ｒ_{ｄｉｓｃｈａｒｇｅ}（Ｌ）及び充電時内部抵抗値Ｒ_{ｃｈａｒｇｅ}（Ｌ）に基づいて、オルタネータ１２からの充電電流分担比率を予測し，その充電電流分担比率から鉛バッテリ１４の満充電状態の時の閉回路電圧値（端子電圧）を算出する（ステップＳ１９）。

　そして、ＥＣＵ１７は、得られた鉛バッテリ１４の満充電状態の時の閉回路電圧値（端子電圧）と、リチウムイオンバッテリ１５の閉回路電圧値（端子電圧）が等しくなるリチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣを制御上限のＳＯＣに調整、設定し、オルタネータ１２の制御をオルタネータ制御信号ＡＬＴにより行うこととなる。これと並行してＥＣＵ１７は、鉛バッテリ１４の閉回路電圧値（端子電圧）及び電流積算値から鉛バッテリ１４のＳＯＣを推定して、鉛バッテリ１４が満充電状態となるまでオルタネータ１２が動作を継続するようにオルタネータ制御信号ＡＬＴを出力することとなる（ステップＳ２０）。

　図１４は、具体的動作の説明図である。
　例えば、図１４に示すように、ＥＣＵ１７は、鉛バッテリ１４の端子電圧測定値及び電流センサの測定値積算から鉛バッテリ１４のＳＯＣを推定して、鉛バッテリ１４が満充電状態になるまでオルタネート制御信号ＡＬＴを「発電」状態としている。

　そして、時刻ｔ１において、オルタネータ１２が発電状態に移行すると、鉛バッテリ１４には、充電電流が流れ、鉛バッテリ１４のＳＯＣは、時刻ｔ２において、ＳＯＣがほぼ１００％と見做せる状態となる。
　この結果、ＥＣＵ１７は、オルタネータ制御信号ＡＬＴを「停止」状態に遷移させる。
　したがって、オルタネータ１２は、無発電状態に移行し、鉛バッテリ１４の充電電流も零となる。

　以上の説明のように、鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５が経年劣化などにより、鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５内部抵抗値が変化している場合でも、内部抵抗値の変化に追従して確実に鉛バッテリ１４を満充電状態に維持することが可能となる。

［２．２］温度に基づいて内部抵抗を推定して制御を行う場合
　図１５は、蓄電池のＳＯＣ、蓄電池の閉回路電圧（ＣＣＶ）及び温度の関係を説明する図である。
　図１５においては、２５℃（常温）においてリチウムイオンバッテリ１５が鉛バッテリ１４を満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）とするために必要とされる電圧（最低電圧）を得るためのリチウムイオンバッテリ１５の最低ＳＯＣ値＝ＳＯＣ_Ｎである。

　同様に０℃（低温）における鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５が鉛バッテリ１４を満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）とするために必要とされる電圧（最低電圧）を得るためのリチウムイオンバッテリ１５の最低ＳＯＣ値＝ＳＯＣ_Ｌである。
　このように、低温の場合に最低充電電圧を高くする必要があるのは、低温になると鉛蓄電池の内部抵抗値が大きくなるためである。

　従って、常温における最低ＳＯＣ値を維持した状態では、低温においては、リチウムイオンバッテリ１５が鉛バッテリ１４を満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）とすることができない。
　このため、リチウムイオンバッテリ１５のリチウムイオンバッテリ１５を充電するオルタネータの供給電圧も高くする必要がある。

　次に鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５の温度を検出して内部抵抗を推定して制御を行う場合のＥＣＵ１７の制御手順について説明する。
　図１６は、温度を検出して制御を行う場合のＥＣＵの制御処理フローチャートである。

　まずＥＣＵ１７は、エンジン始動前の鉛バッテリ１４の閉回路電圧値（端子電圧値）Ｖ（Ｐ）及び鉛バッテリ１４の温度Ｔ（Ｐ）を測定する（ステップＳ２１）。
　次にＥＣＵ１７は、鉛バッテリ１４の温度Ｔ（Ｐ）に基づいて鉛バッテリ１４の内部抵抗値Ｒ（Ｐ）を推定する（ステップＳ２２）。

　この内部抵抗値Ｒ（Ｐ）の推定値には、予め記憶した鉛バッテリ１４に対応する内部抵抗値と温度との関係を表すデータベース、データテーブルあるいは関数を用いる。

　図１７は、内部抵抗値と温度との関係を表すデータテーブルを可視化した図である。
　図１７の例の場合、温度＝－１０℃の場合の内部抵抗値（≒７８ｍΩ）、温度＝０℃の場合の内部抵抗値（≒５８ｍΩ）及び温度＝２５℃の場合の内部抵抗値（≒２３ｍΩ）が格納されており、その間の温度については、直線で近似した値を用いる。

　ステップＳ２１～ステップＳ２２の処理と並行して、ＥＣＵ１７は、エンジン始動前のリチウムイオンバッテリ１５の閉回路電圧値（端子電圧値）Ｖ（Ｌ）及びリチウムイオンバッテリ１５の温度Ｔ（Ｌ）を測定する（ステップＳ２３）。

　次にＥＣＵ１７は、リチウムイオンバッテリ１５の温度Ｔ（Ｌ）に基づいてリチウムイオンバッテリ１５の内部抵抗値Ｒ（Ｌ）を推定する（ステップＳ２４）。
　この内部抵抗値Ｒ（Ｌ）の推定値には、鉛バッテリ１４と同様に、予め記憶したリチウムイオンバッテリ１５に対応する内部抵抗値と温度との関係を表すデータベース、データテーブルあるいは関数を用いる。

　続いて、ＥＣＵ１７は、得られた鉛バッテリ１４の内部抵抗値Ｒ（Ｐ）及びリチウムイオンバッテリ１５の内部抵抗値Ｒ（Ｌ）に基づいて、オルタネータ１２からの充電電流分担比率を予測し，その充電電流分担比率から鉛バッテリ１４の満充電状態の時の閉回路電圧値（端子電圧）を算出する（ステップＳ２５）。

　そして、ＥＣＵ１７は、得られた鉛バッテリ１４の満充電状態の時の閉回路電圧値（端子電圧）と、リチウムイオンバッテリ１５の閉回路電圧値（端子電圧）が等しくなるリチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣを制御上限のＳＯＣに調整、設定し、オルタネータ１２の制御をオルタネータ制御信号ＡＬＴにより行う。これと並行してＥＣＵ１７は、鉛バッテリ１４の閉回路電圧値（端子電圧）及び電流積算値から鉛バッテリ１４のＳＯＣを推定して、鉛バッテリ１４が満充電状態となるまでオルタネータ１２が動作を継続するようにオルタネータ制御信号ＡＬＴを出力することとなる（ステップＳ２６）。

　具体的動作については、内部抵抗値に基づいて制御を行う場合と同様となる。

　以上の説明のように、鉛バッテリ１４及びリチウムイオンバッテリ１５が温度変化により、内部抵抗値が変化している場合であっても、確実に鉛バッテリ１４を満充電状態に維持することが可能となる。

［２．３］第２実施形態の変形例
　以上の説明は、経年劣化や環境温度等の変化に対応する鉛バッテリ１４及びリチウム委イオンバッテリ１５の内部抵抗値の変化にその都度追従する場合のものであったが、通常において内部抵抗値の変化は、徐々にしかおこらない。

　したがって、測定した内部抵抗値と予め設定した内部抵抗しきい値（一または複数）とを比較し、測定した内部抵抗値が内部抵抗しきい値を超えた時点でリチウムイオンバッテリ１５のＳＯＣを制御上限のＳＯＣに調整、設定するように構成することも可能である。　　　

　この構成によれば、周囲温度の多少の内部抵抗値の変化や、経年劣化による多少の内部抵抗値の変化では、制御状態が変更されることはないので、安定して蓄電池システムの運用が行える。

　本実施形態の蓄電池システム（蓄電池装置）のＥＣＵは、ＣＰＵなどの制御装置と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭなどの記憶装置と、ＨＤＤ、ＣＤドライブ装置などの外部記憶装置と、ディスプレイ装置などの表示装置と、キーボードやマウスなどの入力装置を備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。

　本実施形態の蓄電池システム（蓄電池装置）のＥＣＵで実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

　また、本実施形態の蓄電池システム（蓄電池装置）のＥＣＵで実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の蓄電池システム（蓄電池装置）のＥＣＵで実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。
　また、本実施形態の蓄電池システム（蓄電池装置）のＥＣＵのプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims

　発電装置を備えた車両に搭載された鉛蓄電池と並列に接続されるとともに前記発電装置からの電力を蓄電可能な蓄電装置と、
　前記蓄電装置において通常使用時に管理される制御ＳＯＣ範囲の下限値に相当する電圧値が前記鉛蓄電池の放電終止時の開路電圧値となるように前記制御ＳＯＣ範囲を設定するとともに、前記鉛蓄電池及び当該蓄電装置について算出あるいは推定された内部抵抗値に基づいて前記制御ＳＯＣ範囲を変更可能に設定する制御部と、
　を備えた蓄電池システム。
　前記制御部は、前記鉛蓄電池及び前記蓄電装置の放電時及び充電時の双方における、前記鉛蓄電池の電圧、前記鉛蓄電池の電流、前記蓄電装置の電圧及び前記蓄電装置の電流に基づいて、前記放電時の前記鉛蓄電池の内部抵抗値、前記放電時の前記蓄電装置の内部抵抗値、前記充電時の前記鉛蓄電池の内部抵抗値及び前記充電時の前記蓄電装置の内部抵抗値を算出して前記制御ＳＯＣ範囲を設定する、
　請求項１記載の蓄電池システム。
　前記制御部は、前記鉛蓄電池及び前記蓄電装置の温度に基づいて、予め記憶した温度と内部抵抗の関係を表すデータベース、データテーブルあるいは関数に基づいて、前記鉛蓄電池の内部抵抗値及び前記蓄電装置の内部抵抗値を推定し、推定した前記内部抵抗値に基づいて前記制御ＳＯＣ範囲を設定する、
　請求項１記載の蓄電池システム。
　前記制御部は、前記発電装置に電気的に接続されて、前記鉛蓄電池の電圧および電流積算値に基づいて、前記鉛蓄電池のＳＯＣを推定して、前記鉛蓄電池が満充電状態となるように前記発電装置を制御する、
　請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の蓄電池システム。
　前記蓄電池装置は、複数の直列接続された単電池セルを備え、
　前記直列接続をしたときに、前記制御ＳＯＣ範囲の下限値に相当する電圧値を満たすように、前記単電池セルのＳＯＣ－開路電圧特性が調整されている、
　請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の蓄電池システム。
　前記単電池セル間を接続する導電体の合計抵抗値が前記単電池セルの内部抵抗値よりも低く設定されている、
　請求項５記載の蓄電池システム。
　前記蓄電池装置の内部抵抗値は、前記鉛蓄電池の内部抵抗値よりも低く設定されている、
　請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載の蓄電池システム。
　前記蓄電池の内部抵抗値は、前記鉛蓄電池の内部抵抗値の１／１．５以下に設定されている、
　請求項７記載の蓄電池システム。
　前記蓄電池装置の容量は、予め測定した前記車両のアイドリングストップ中の平均電流値×前記車両の平均アイドリングストップ時間で示されるのと同じ容量又はそれ以上の容量とされている、
　請求項１乃至請求項８のいずれか一項記載の蓄電池システム。
　前記蓄電池装置の容量は、前記鉛蓄電池の容量の１／２以下に設定されている、
　請求項９記載の蓄電池システム。
　前記単電池セルは、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物は、
　　Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＯ_２
　　　　（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）
で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質とを備えた非水電解質二次電池として構成されている、
　請求項５記載の蓄電池システム。
　前記単電池セルは、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物は、
　　Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＯ_４
　　　　（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝２）
で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質と、を備えた非水電解質二次電池として構成される、
　請求項５記載の蓄電池システム。
　前記単電池セルは、
　　ＬｉＭｎ_２Ｏ_４
で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質とを備えた非水電解質二次電池として構成される、
　請求項５記載の蓄電池システム。
　車両に搭載される鉛蓄電池と並列に接続可能な蓄電池装置であって、
　前記蓄電池装置の内部抵抗値は、前記鉛蓄電池の内部抵抗値よりも低く設定され、
　前記蓄電池装置において通常使用時に管理される制御ＳＯＣ範囲に相当する電圧値範囲内に前記通常使用時における前記鉛蓄電池の満充電時の開路電圧値が含まれるように設定されており、
　前記制御ＳＯＣ範囲の下限値に相当する電圧値が前記鉛蓄電池の放電終止時の開路電圧値となるように設定され、
　前記制御ＳＯＣ範囲は、前記鉛蓄電池及び当該蓄電池装置について算出あるいは推定された内部抵抗値に基づいて変更可能に設定される、
　蓄電池装置。
　発電装置を備えた車両に搭載された鉛蓄電池と並列に接続されるとともに前記発電装置からの電力を蓄電可能な蓄電装置とを備えた蓄電池システムで実行される方法であって、
　前記蓄電装置において通常使用時に管理される制御ＳＯＣ範囲の下限値に相当する電圧値が前記鉛蓄電池の放電終止時の開路電圧値となるように前記制御ＳＯＣ範囲を設定する過程と、
　前記鉛蓄電池及び当該蓄電池装置について算出あるいは推定された内部抵抗値に基づいて前記制御ＳＯＣ範囲を変更可能に設定する過程と、
　を備えた方法。
　前記制御ＳＯＣ範囲を変更可能に設定する過程は、前記鉛蓄電池及び前記蓄電装置の放電時及び充電時の双方における、前記鉛蓄電池の電圧、前記鉛蓄電池の電流、前記蓄電装置の電圧及び前記蓄電装置の電流を検出する過程と、
　前記検出された前記鉛蓄電池の電圧、前記鉛蓄電池の電流、前記蓄電装置の電圧及び前記蓄電装置の電流に基づいて、前記放電時の前記鉛蓄電池の内部抵抗値、前記放電時の前記蓄電装置の内部抵抗値、前記充電時の前記鉛蓄電池の内部抵抗値及び前記充電時の前記蓄電装置の内部抵抗値を算出して前記制御ＳＯＣ範囲を設定する過程と、
　を備えた請求項１５記載の方法。
　前記制御ＳＯＣ範囲を変更可能に設定する過程は、前記鉛蓄電池及び前記蓄電装置の温度を検出する過程と、
　前記検出された温度に基づいて、予め記憶した温度と内部抵抗の関係を表すデータベース、データテーブルあるいは関数に基づいて、前記鉛蓄電池の内部抵抗値及び前記蓄電装置の内部抵抗値を推定し、推定した前記内部抵抗値に基づいて前記制御ＳＯＣ範囲を設定する過程と、
　を備えた請求項１５記載の方法。