(57)【要約】  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可能な複合電池を提供する。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。鉛蓄電池１２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、リチウムイオン二次電池１４は、温度変化に伴って変化する内部抵抗値を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、第２内部抵抗比は、基準温度よりも高い温度範囲では第１内部抵抗比よりも大きくなるように設定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種電池が並列接続された複合電池、それを備えた自動車及び鉄道回生電力貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的大きな電流の入出力が求められる場合、従来から用いられてきた鉛蓄電池は、頻繁に放電されることによって早期劣化する懸念があった。一方、リチウムイオン二次電池は、長寿命であり、材料選定や電極設計などを適切に行うことによって大電流の入出力に対応することができるが、高コストであり、かつ安全性に懸念があった。【０００３】
これらの懸念を解消するために、性質の異なる２種類の二次電池を組み合わせた複合電池が開示されている。例えば、特許文献１には、２種類の二次電池の電圧範囲を適切に選んで互いに並列接続し、単一の電池として動作させる複合電池の技術が開示されている。また、特許文献２には、頻繁な充放電に対する耐久性が高い、リチウムイオン二次電池などの二次電池と安価な鉛蓄電池とを並列接続して搭載することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３７３９９９号
【特許文献２】特許第５４７１０８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の複合電池には、特にハイレートで充放電を繰り返すと、鉛蓄電池とリチウムイオン二次電池との電流バランスが崩れ、いずれか一方の二次電池、特にリチウムイオン二次電池に過大な入出力負荷が掛かるようになるという問題があった。この問題が発生するメカニズムについて説明する。【０００６】
まず、鉛蓄電池とリチウムイオン二次電池とから成る複合電池に、例えば、１Ｃ以上の比較的ハイレートの入出力負荷が繰り返し掛かると、各二次電池の反応熱及びジュール熱によって各二次電池の温度が上昇する。この時、リチウムイオン二次電池は、鉛蓄電池よりもエネルギ密度が高く、また、鉛蓄電池よりも金属材料の割合が多いために比熱が小さいので、電池温度が鉛蓄電池よりも先に早く上昇する。一方、一般的に、電池温度が上昇すると電池の反応速度が上昇するために内部抵抗が低下するので、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が鉛蓄電池よりも早く低下する。その結果、複合電池内の電流バランスが変化し、比熱が小さいために温度が上昇しやすいリチウムイオン二次電池の入出力電流の増加によってリチウムイオン二次電池の発熱量が増加するのに対して、比熱が大きいために温度が上昇しにくい鉛蓄電池の入出力電流の減少によって鉛蓄電池の発熱量が減少して、両者の温度差がさらに大きくなる。以上のような動作が繰り返されると、リチウムイオン二次電池に過大な入出力負荷が掛かるようになり、リチウムイオン二次電池の劣化が促進され、最悪の場合には熱暴走が引き起こされる可能性がある。なお、この問題は、電流負荷に対する発熱量が大きくなるハイレートでの充放電時に特異的に発生する。【０００７】
また、特許文献２の構成では、鉛蓄電池とリチウムイオン二次電池との間にスイッチが設けられ、各二次電池が独立に制御されるので、制御が複雑になるという問題があった。【０００８】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、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可能な複合電池を提供することにある。
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記目的を達成するために、鋭意研究を重ねた結果、まず、温度変化に伴って変化する鉛蓄電池の内部抵抗値を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て算出した鉛蓄電池の内部抵抗比と、温度変化に伴って変化するリチウムイオン二次電池の内部抵抗値を同一の基準温度の時の内部抵抗値で除して算出したリチウムイオン二次電池の内部抵抗比と、を比較した時に、その基準温度よりも高い温度範囲では鉛蓄電池の内部抵抗比よりも大きくなるように、リチウムイオン二次電池の内部抵抗比を設定することによって、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ことを見出した。【００１０】
また、本発明者は、リチウムイオン二次電池を覆わずにその温度を保ち、鉛蓄電池の少なくとも一部を覆うように断熱材を設けてその温度を上昇させ、リチウムイオン二次電池の内部抵抗を変化させずに鉛蓄電池の内部抵抗を低下させることによって、入出力負荷がより一層鉛蓄電池に掛かりやすく、即ち、リチウムイオン二次電池に掛かりにくくすることができることを見出し、本発明に至ったものである。【００１１】
即ち、本発明の第１の実施形態は、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、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、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、第２内部抵抗比は、基準温度よりも高い温度範囲では第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を提供するものである。【００１２】
ここで、上記第１の実施形態においては、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のが好ましい。
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。【００１３】
また、本発明の第２の実施形態は、制動時に回生電力を発生させる発電機と、回生電力によって充電された後に放電する本発明の第１の実施形態の複合電池と、複合電池から放電された電力及び回生電力が供給される負荷と、を備えた自動車を提供するものである。【００１４】
また、本発明の第３の実施形態は、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電気式鉄道車両と、回生電力によって充電された後に放電する本発明の第１の実施形態の複合電池と、変電所からの電力を電気式鉄道車両に伝送すると共に、回生電力を複合電池に伝送する電力伝送部と、電力伝送部と複合電池との間に接続され、回生電力を電力変換して複合電池に出力すると共に、複合電池から放電された電力を電力変換して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を提供するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、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。
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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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る。
【図２】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る。
【図３】図３は、図１の複合電池の一実施例の斜視図である。
【図４】図４は、図１の複合電池を構成するリチウムイオン二次電池の変形例の放熱板の一部を破断し、その破断部の単電池要素を取り外した状態を示す斜視図である。
【図５】図５は、図４のリチウムイオン二次電池の単電池要素の積層状態を模式的に示す側面図である。
【図６】図６は、図４のリチウムイオン二次電池から放熱板を取り外した状態を示す平面図である。
【図７】図７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充電率と電池電圧の関係を示すグラフである。
【図８】図８は、図１の複合電池に備えられる電池状態監視装置を示すブロック図である。
【図９】図９は、図８の電池状態監視装置の計算方法を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、図８の複合電池の放電容量―電圧特性を模式的に示すグラフである。
【図１１】図１１は、図８の電池状態監視装置の第１変形例を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、図８の電池状態監視装置の第２変形例を示すブロック図である。
【図１３】図１３は、図８の電池状態監視装置の第３変形例を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、図１の複合電池の第１変形例の斜視図である。
【図１５】図１５は、図１の複合電池の第２変形例の側面図である。
【図１６】図１６は、図１の複合電池で構成された複合電池群を示すブロック図である。
【図１７】図１７は、本発明の第２の実施形態の自動車を示すブロック図である。
【図１８】図１８は、本発明の第３の実施形態の鉄道回生電力貯蔵装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の複合電池を添付の図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
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。
【００１８】
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。即ち、複合電池１０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１２にリチウムイオン二次電池１４が並列接続される。鉛蓄電池１２の出力端子面１２ａに設けられた出力端子１２ｔ、及びリチウムイオン二次電池１４の出力端子面１４ａに設けられた出力端子１４ｔは、ケーブル状の接続部材１６によって電気的に接続される。リチウムイオン二次電池１４は、鉛蓄電池１２から分離され、出力端子面１２ａが水平になり出力端子面１４ａが垂直になる設置姿勢で互いに離れた場所に設置される。接続部材１６は、バスバー又は他の導電性のある材料を用いた板状の接続部材でも良い。
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。
【００１９】
鉛蓄電池１２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、リチウムイオン二次電池１４は、温度変化に伴って変化する内部抵抗値を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、第２内部抵抗比は、基準温度よりも高い温度範囲では第１内部抵抗比よりも大きくなるように設定される。即ち、０〜４０℃の温度範囲内で基準温度を任意に設定し、その温度よりも高い場合には、リチウムイオン二次電池１４の内部抵抗の低下割合よりも鉛蓄電池１２の内部抵抗の低下割合の方が大きいので、入出力負荷が鉛蓄電池１２に掛かりやすくなると共に、リチウムイオン二次電池１４に掛かりにくくなる。ここで、基準温度は、複合電池１０がハイレートで充放電動作する前の温度であり、０〜４０℃の温度範囲内であるのが好ましく、内部抵抗が急上昇する０〜１０℃を除く１０〜４０℃であるのがより好ましく、２０〜３０℃の温度範囲内であるのがより一層好ましい。
【００２０】
また、上記構成を以下のように換言することができる。即ち、上記第１内部抵抗比は、温度上昇に伴って第１勾配で曲線的に単調に低下し、上記第２内部抵抗比は、温度上昇に伴って第２勾配で曲線的に単調に低下し、第２勾配は、各温度において第１勾配よりも絶対値が小さい。
【００２１】
リチウムイオン二次電池の内部抵抗の設定に影響する主要なパラメータを例示すると、第１のパラメータは、活物質の材料成分及び粒径であり、導電性は材料成分によって様々であるが、粒径が小さい程内部抵抗が小さくなり、粒径が大きい程内部抵抗が大きくなるのが一般的である。第２のパラメータは、活物質と導電助剤とバインダとの混合材料である電極合剤の組成であり、導電助剤比率が高い程内部抵抗が小さくなり、バインダ比率が高い程内部抵抗が大きくなるのが一般的である。第３のパラメータは、電極面積に対するタブ面積の比率であり、タブ面積比率が大きい程内部抵抗が小さくなり、タブ面積比率が小さい程内部抵抗が大きくなるのが一般的である。第４のパラメータは、電解液のイオン伝導度であり、イオン伝導度が低い程内部抵抗が小さくなり、イオン伝導度が高い程内部抵抗が大きくなるのが一般的である。
【００２２】
鉛蓄電池１２及びリチウムイオン二次電池１４の内部抵抗の測定方法は、交流インピーダンスを測定する方法、充放電開始前後の電圧変化から直流抵抗を測定する方法などがある。後者は、具体的には、複合電池１０の充放電開始前の各二次電池の電圧と充放電開始から一定時間経過後、例えば５秒後の各二次電池の電圧との差を各二次電池の充放電電流で除して算出する方法である。
【００２３】
鉛蓄電池１２は、複数の単セルを直並列接続して構成されるものであっても良く、また、例えば、自動車用１２Ｖバッテリのように、直列接続された複数の単セルを１つの筐体に格納したユニットであっても良く、さらに、複数のユニットを直並列接続して構成されるものであっても良い。リチウムイオン二次電池１４は、複数の単セルを直並列接続して１つの筐体に格納したものであっても良く、また、それぞれが複数の単セルと１つの筐体とから成る複数のサブモジュールを直並列接続して構成されるものであっても良い。リチウムイオン二次電池１４又はリチウムイオン二次電池１４の各サブモジュールは、安全性を確保するために保護回路を備えていても良い。また、筐体の内部に、リチウムイオン二次電池１４の状態監視及び保護を行う保護回路基板を有しても良い。
【００２４】
鉛蓄電池１２が１２Ｖの鉛蓄電池の場合には、リチウムイオン二次電池１４は、リチウムイオン二次電池の単セルを４〜５個直列接続したものが好ましい。例えば、負極に黒鉛又はハードカーボン又はソフトカーボンを使用し、正極にリン酸鉄系リチウム酸化物（ＬＦＰ）を使用した平均電圧３．２Ｖ程度の単セルの場合、あるいは負極に黒鉛又はハードカーボン又はソフトカーボンを使用し、正極にＬＣＯ、ＮＭＣ、ＮＣＡなどのリチウム酸化物を使用した平均電圧３．６Ｖ程度の単セルの場合には、単セルを４個直列接続するのが好ましい。また、負極にチタン系リチウム酸化物（ＬＴＯ）を使用した平均電圧２．４Ｖ程度の単セルの場合には、単セルを５個直列接続するのが好ましい。
【００２５】
また、鉛蓄電池１２が２４Ｖの鉛蓄電池又は１２Ｖの鉛蓄電池を２つ直列接続したものの場合には、リチウムイオン二次電池１４は、上記平均電圧３．６Ｖ程度の単セルを７個直列接続して構成するのが好ましい。さらに、鉛蓄電池１２が３６Ｖの鉛蓄電池又は１２Ｖの鉛蓄電池を３つ直列接続したものの場合には、リチウムイオン二次電池１４は、上記平均電圧３．６Ｖ程度の単セルを１１個直列接続して構成するのが好ましい。これらに限らず、鉛蓄電池１２とリチウムイオン二次電池１４の動作電圧範囲がほぼ等しい構成であれば、本発明の効果を奏することができる。
【００２６】
リチウムイオン二次電池の単セルは、円筒型形状であっても良い。円筒型形状の例としては、直径１８ｍｍ、長さ６５ｍｍの１８６５０型、直径２１ｍｍ、長さ７０ｍｍの２１７００型、直径２６ｍｍ、長さ６５ｍｍの２６６５０型などがある。また、リチウムイオン二次電池の単セルは、樹脂製の表基材とアルミニウム又はステンレスなどの金属製の中間基材と樹脂製のシーラント材とを重ね合わせたラミネートフィルムを外装材料の少なくとも一部に用いたラミネート型形状であっても良い。さらに、リチウムイオン二次電池の単セルは、アルミニウム又はステンレスなどを深絞り加工などで加工した板材を外装材料の少なくとも一部に用いた角型形状であっても良い。
【００２７】
これらの円筒型、ラミネート型、角形のリチウムイオン二次電池の単セルに用いられる正極活物質は、特に限定されないが、例えば、三元系材料、ＮＣＡ系材料、リン酸鉄リチウム、リチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物等が挙げられる。また、円筒型、ラミネート型、角形のリチウムイオン二次電池の単セルに用いられる負極活物質は、特に限定されないが、例えば、ソフトカーボン又はハードカーボンなどの低結晶性カーボン、グラファイト、チタン酸リチウムなどが挙げられる。
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。
【００２８】
次に、本発明の複合電池を構成するリチウムイオン二次電池の内部構成について説明する。図４は、図１の複合電池を構成するリチウムイオン二次電池の変形例の放熱板の一部を破断し、その破断部の単電池要素を取り外した状態を示す斜視図であり、図５は、図４のリチウムイオン二次電池の単電池要素の積層状態を模式的に示す側面図であり、図６は、図４のリチウムイオン二次電池から放熱板を取り外した状態を示す平面図であり、図７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充電率と電池電圧の関係を示すグラフである。
【００２９】
リチウムイオン二次電池３０は、本発明の複合電池を構成するリチウムイオン二次電池の変形例であり、単電池要素２０とケース３２と放熱板３４とを備える。単電池要素２０は、負極要素２２と正極要素２４と負極要素２２及び正極要素２４を電気的に絶縁するセパレータ２６とを備えたものである。ケース３２は、単電池要素２０を収納するための収納部を有するものである。収納部は、ケース３２の取付面３２ａに形成された凹部３２ｂに対応する。放熱板３４は、電解液が注入されたケース３２の収納部を気密に封止するものである。
【００３０】
即ち、ケース３２の取付面３２ａには、四角形状の４つの凹部３２ｂが形成され、それぞれの凹部３２ｂに４つの単電池要素２０のそれぞれが配置される。４つの凹部３２ｂのそれぞれに配置されたそれぞれの単電池要素２０は、負極バスバー３６及び正極バスバー３８で直列接続されるので、リチウムイオン二次電池３０の平均放電電圧は、リチウムイオン二次電池の平均放電電圧３．０〜３．６Ｖの４倍の１２．０〜１４．４Ｖになり、鉛蓄電池の平均放電電圧とほぼ同一になる。負極バスバー３６及び正極バスバー３８の代わりに、負極要素２２及び正極要素２４のそれぞれに接続された配線を用いて直列接続されても良い。ケース３２と放熱板３４は、ねじ、ボルト、接着剤、超音波溶着などで固定される。凹部３２ｂからの電解液流出及び電池外部からの水分流入を防ぐために、４つの凹部３２ｂのそれぞれの周囲にＯリングやガスケットが配置されていても良い。
【００３１】
なお、本好適実施形態では、ケース３２の収納部及び単電池要素２０の個数を４つとして説明するが、本発明はこれに限定されず、少なくとも１つであれば良い。ケース３２の収納部は、凹部３２ｂに限定されず、貫通した収納部、即ち、凹部３２ｂの底面を取り除いた収納部であっても良い。その場合、リチウムイオン二次電池は、ケースの上下に２つの放熱板を備える。
【００３２】
ケース３２の材料は、薬品耐性と機械強度が高い、アルミニウム、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂などが好ましい。ＰＰＳ樹脂は、バスバーとケース３２とを一体成型できるので、より好ましい。放熱板３４の材料は、アルミニウム、ステンレス、銅、プラスチックなどが好ましい。負極バスバー３６及び正極バスバー３８の材料は、電気抵抗率が小さく、かつリチウムイオン二次電池の動作範囲において電気化学的に安定な金属、例えば、ニッケル、ステンレス、銅、アルミニウムなどが好ましい。特に、正極に接続される部分がアルミニウム、負極に接続される部分が銅のクラッド構造は、低電気抵抗率と電気化学的安定性の観点で好ましい。
【００３３】
次に、図５を参照して、単電池要素の構成について説明する。
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。
【００３４】
負極要素２２及び正極要素２４は、セパレータ２６を介して交互に積層され、積層方向の両端には、負極箔２２ａの片側又は両側に負極活物質２２ｂが形成された負極要素２２が配置される。積層方向の一方の端には、正極箔２４ａの片側又は両側に正極活物質２４ｂが形成された正極要素２４が配置されても良い。単電池要素２０は、アスペクト比の大きな負極要素２２、セパレータ２６、正極要素２４をこの順に重ね、ロール状に捲回した構造でも良い。また、セパレータ２６は、材料によっては、例えば、負極活物質２２ｂ又は正極活物質２４ｂの内の一方に塗工することによって、負極要素２２又は正極要素２４の内の一方に一体化することができる。
【００３５】
単電池要素２０の少なくとも一部は、収納部の中に露出した状態である。即ち、４つの単電池要素２０のそれぞれは、個別の容器に収納されていないので、負極箔２２ａ、負極活物質２２ｂ、負極集電部２２ｔ、正極箔２４ａ、正極活物質２４ｂ、正極集電部２４ｔ、セパレータ２６の例えば側面は、それぞれの凹部３２ｂの中に露出した状態である。
【００３６】
次に、図６を参照して、単電池要素と負極バスバーとの電気的な接続方法及び単電池要素と正極バスバーとの電気的な接続方法について説明する。
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。
【００３７】
次に、図７を参照して、本発明の複合電池を構成するリチウムイオン二次電池の負極活物質について説明する。
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。
【００３８】
また、鉛蓄電池の中には、満充電電圧が１４．４Ｖではなく、１５Ｖ又は１６Ｖのものも存在するが、その場合でも、負極活物質２２ｂにグラファイトを用いるよりも低結晶性カーボンを用いた方が、リチウムイオン二次電池３０の充電率の範囲が必ず大きくなるので、より好ましい。なお、上述のように、リチウムイオン二次電池が複数の円筒型、ラミネート型、角形のリチウムイオン二次電池の単セルで構成される場合も同様に、各単セルは、低結晶性カーボンを用いた負極活物質を有するのが好ましい。
【００３９】
ここで、複合電池１０の満充電電圧とは、システム設計者が複合電池１０の充電を止めるために安全上の上限電圧と下限電圧との間に予め設定した電圧であり、長時間にわたる放電の間に徐々に低下していく複合電池１０の正負極端子間の放電開始時の電圧である。複合電池１０の放電終止電圧とは、システム設計者が複合電池１０の放電を止めるために安全上の上限電圧と下限電圧との間に予め設定した電圧であり、複合電池１０が放電される場合に到達する正負極端子間の最小の電圧である。
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。
【００４０】
次に、本発明の複合電池を構成するリチウムイオン二次電池の動作電圧範囲について説明する。
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。
【００４１】
従って、上述のように、鉛蓄電池の満充電電圧が１５Ｖ又は１６Ｖの場合でも、リチウムイオン二次電池３０の満充電電圧約１６．８Ｖの方が必ず高くなる。なお、上述のように、リチウムイオン二次電池が複数の円筒型、ラミネート型、角形のリチウムイオン二次電池の単セルで構成される場合も同様に、リチウムイオン二次電池は、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。
【００４２】
鉛蓄電池１２とこのリチウムイオン二次電池３０とを並列接続して構成された複合電池１０を充電し続けた場合、鉛蓄電池１２の水溶液の電気分解が主となり、ガスが発生して充電エネルギが消費され、複合電池１０の充電電圧の上昇が抑制される。また、複合電池１０を放電し続けた場合、リチウムイオン二次電池３０よりも先に鉛蓄電池１２が過放電になる。なお、リチウムイオン二次電池の動作電圧範囲の設定に影響するパラメータは、正極活物質と負極活物質の組み合わせである。
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。
【００４３】
次に、本発明の複合電池に備えられる電池状態監視装置について説明する。図８は、図１の複合電池に備えられる電池状態監視装置を示すブロック図である。
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。
【００４４】
即ち、電圧検出部４２は、例えば電圧センサとＡ／Ｄ変換器で構成され、電圧センサによって検出された複合電池１０の電圧値をＡ／Ｄ変換して得られたデジタル値の電圧を特性計算部４８に出力する。電流検出部４４は、例えば電流センサとＡ／Ｄ変換器で構成され、電流センサによって検出された複合電池１０の電流値をＡ／Ｄ変換して得られたデジタル値の電流を特性計算部４８に出力する。電流センサは、例えば、変流器（ＣＴ）やホール効果型電流センサに代表されるクランプ電流計であり、シャント抵抗器と電圧計から構成されたものでも良い。
【００４５】
充電率検出部４６は、例えばクーロンカウンタ４６ａと充電率計算部とＡ／Ｄ変換器で構成され、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リチウムイオン二次電池１４の充電率を計算し、その値をＡ／Ｄ変換して得られたデジタル値の充電率を特性計算部４８に出力する。充電率計算部は、プロセッサ及びプロセッサに各種の処理を実行させるための動作プログラム、又は、回路で構成される。なお、充電率検出部４６は、クーロンカウンタ４６ａの代わりに、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の充電率を計算し、その値を特性計算部４８に出力しても良い。この場合には、複合電池１０の電圧とリチウムイオン二次電池１４の充電率の関係式を予め測定して定め、その関係式に基づいてリチウムイオン二次電池１４の充電率を計算する。また、本発明では、鉛蓄電池１２の充電率を計算する必要がないので、充電率検出部４６は、鉛蓄電池１２の充電率を計算しない。
【００４６】
特性計算部４８は、プロセッサ及びプロセッサに各種の処理を実行させるための動作プログラム、又は、回路で構成され、電圧検出部４２によって検出された複合電池１０の電圧値と、電流検出部４４によって検出された複合電池１０に流れる電流値と、充電率検出部４６によって計算されたリチウムイオン二次電池１４の充電率と、を用いて複合電池の放電特性を計算するものである。特性計算部４８によって計算された複合電池の放電特性は、所定の目的を達成するために稼働する外部機器５２に出力される。
【００４７】
リチウムイオン二次電池１４の充電率は、充電率検出部４６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に基づく電流積分方式、及び充電率検出部４６によって検出されたリチウムイオン二次電池１４の電圧値に基づく電圧参照方式の少なくとも一方によって計算されても良い。さらに、リチウムイオン二次電池１４の充電率は、リチウムイオン二次電池１４の放電特性や温度特性を予め測定して記憶しておき、これらを用いて計算しても良く、また、稼働中の電圧、電流、温度をモニタすることによって得られたリチウムイオン二次電池１４のインピーダンスの値を用いて計算しても良い。
【００４８】
特性計算部４８は、通信部４８ａを備えても良い。通信部４８ａは、特性計算部４８が計算した放電特性を外部機器５２に対して送信するものである。即ち、通信部４８ａは、有線又は無線によってデジタル情報を送信するものであれば、特に限定されない。また、特性計算部４８は、記憶部４８ｂを備えても良い。記憶部４８ｂは、特性計算部４８が計算した放電特性を時系列で記憶するものである。即ち、記憶部４８ｂは、デジタル情報を一定期間、一定容量保持するものであれば、特に限定されない。通信部４８ａは、記憶部４８ｂが記憶している過去の放電特性を外部機器５２に対して送信しても良い。外部機器５２は、負荷５０と有線又は無線で接続され、かつ通信部４８ａが送信した放電特性に基づいて負荷５０の動作を制御するものである。
【００４９】
次に、電池状態監視装置の計算方法について、計算例を参照しながら説明する。図９は、図８の電池状態監視装置の計算方法を示すブロック図であり、図１０は、図８の複合電池の放電容量―電圧特性を模式的に示すグラフである。
【００５０】
複合電池１０は、リチウムイオン二次電池１４と鉛蓄電池１２とが並列接続されたものであるが、鉛蓄電池１２の充電率の測定精度は、リチウムイオン二次電池１４と比較して低い。これは、鉛蓄電池１２の充放電中に常に副反応である水分解反応が起こることによって鉛蓄電池１２に流れる電流値を積分してその充電率を算出することが困難であるため、及び、鉛蓄電池１２の充放電反応が不均一反応であるために、本質的に充放電電圧が平坦であり、鉛蓄電池１２の電圧からその充電率を算出することが困難であるためである。従って、複合電池の放電容量Ｑ１は、複合電池１０の電圧値や複合電池１０に流れる電流値を検出するのみでは、高精度に計算することができない。
【００５１】
本発明の複合電池１０は、ステップＳ１０において、複合電池１０を構成するリチウムイオン二次電池１４の充電率と複合電池の放電容量の関係を示す第１関数を予め測定して特性計算部４８が記憶しておく。また、この前又は後に、ステップＳ１２において、複合電池１０のゼロから最大放電容量Ｑ０までの放電容量と満充電電圧Ｖｍａｘから放電終止電圧Ｖｍｉｎまでの開放電圧との関係を示す第２関数（曲線Ａ）を予め測定して特性計算部４８が記憶しておく。なお、ステップＳ１０とステップＳ１２の順序は、逆でも良い。
【００５２】
次に、ステップＳ２０において、充電率検出部４６がリチウムイオン二次電池１４の充電率を計算する。次に、ステップＳ２２において、特性計算部４８がリチウムイオン二次電池１４の充電率を第１関数に当てはめて、複合電池の放電容量Ｑ１を計算する。次に、ステップＳ２４において、特性計算部４８が複合電池の放電容量Ｑ１を第２関数に当てはめて、複合電池の放電容量Ｑ１における複合電池の開放電圧Ｖ１Ａの値を求める。
【００５３】
次に、ステップＳ２６において、電圧検出部４２が複合電池１０の電圧値Ｖ０を検出し、電流検出部４４が複合電池１０に流れる電流値Ｉ０を検出し、特性計算部４８が複合電池の開放電圧Ｖ１Ａの値から内部抵抗による電圧降下分の値、即ちＩ１・Ｖ０／Ｉ０の値をマイナスして、複合電池１０を放電容量Ｑ１の状態から電流値Ｉ１で放電した場合の複合電池１０の電圧Ｖ１Ｂの値を求める。次に、ステップＳ２８において、特性計算部４８が第２関数からＩ１・Ｖ０／Ｉ０の値をマイナスして、複合電池１０を放電容量Ｑ１の状態から電流値Ｉ１で放電した場合の放電容量―電圧特性の関数（曲線Ｂ）を計算する。
【００５４】
次に、ステップＳ３０において、電流値Ｉ１で継続的に放電した場合に、複合電池１０の電圧が放電終止電圧Ｖｍｉｎに到達する放電容量Ｑ２を計算する。次に、ステップＳ３２において、電流値Ｉ１で継続的に放電した場合の複合電池１０の放電残容量Ｑ２−Ｑ１を計算する。特性計算部４８は、さらに、この放電残容量Ｑ２−Ｑ１、及び電流値Ｉ１で放電を開始した直後の複合電池１０の電圧Ｖ１Ｂに基づいて、複合電池１０の劣化を判定するものであっても良い。
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。
【００５５】
本発明の第１の実施形態の複合電池は、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、また、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。
【００５６】
次に、本発明の複合電池を構成する電池状態監視装置の第１変形例について説明する。図１１は、図８の電池状態監視装置の第１変形例を示すブロック図である。
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。
【００５７】
電池状態監視装置６０は、電池状態監視装置４０に対して、検出判定部６４を有する点、検出判定部６４の判定結果を含めて計算する特性計算部６２を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素の説明を省略する。また、特性計算部６２が備える通信部及び記憶部は、特性計算部４８の通信部４８ａ及び記憶部４８ｂと同一であるので、説明を省略する。
【００５８】
検出判定部６４は、リチウムイオン二次電池１４又は鉛蓄電池１２に流れる電流値を検出し、その検出値と電流検出部４４によって検出された複合電池１０に流れる電流値の両方が、予め定められた各閾値以下であるか否かを判定するものである。閾値以下である場合に、特性計算部６２は、閾値以下であると判定された後に電圧検出部４２、電流検出部４４及び充電率検出部４６が検出した値を用いて複合電池の放電特性を計算する。
【００５９】
検出判定部６４は、リチウムイオン二次電池１４又は鉛蓄電池１２に流れる電流値を検出し、その検出値と電流検出部４４によって検出された複合電池１０に流れる電流値の両方が、予め定められた各閾値以下であるか否かを判定するものである。閾値以下である場合に、特性計算部６２は、閾値以下であると判定された後に電圧検出部４２、電流検出部４４及び充電率検出部４６が検出した値を用いて複合電池の放電特性を計算する。
【００６０】
次に、電池状態監視装置の第１変形例の計算方法について説明する。
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。
【００６１】
検出判定部６４は、例えば電流センサ６４ａと判定計算部で構成され、ステップＳ１２の次に、電流センサ６４ａによって検出されたリチウムイオン二次電池１４に流れる電流値をＡ／Ｄ変換して得られたデジタル値の電流と、電流検出部４４によって検出された複合電池１０に流れるデジタル値の電流と、を予め定められた各閾値と比較し、両方共に各閾値以下である場合に、電池状態がほとんど変化していないと判定する。次に、ステップＳ２０〜Ｓ３２において、この状態で電圧検出部４２、電流検出部４４及び充電率検出部４６が検出した値を用いて特性計算部６２が複合電池の放電特性を計算する。電流センサ６４ａは、例えば、変流器（ＣＴ）やホール効果型電流センサに代表されるクランプ電流計であり、シャント抵抗器と電圧計から構成されたものでも良い。
【００６２】
電池状態監視装置の第１変形例及びその計算方法は、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、本発明の複合電池の電池状態監視装置は、複合電池全体の放電特性をより高精度かつ確実に計算することができる。
【００６３】
次に、本発明の複合電池を構成する電池状態監視装置の第２変形例について説明する。図１２は、図８の電池状態監視装置の第２変形例を示すブロック図である。
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。
【００６４】
電池状態監視装置７０は、電池状態監視装置４０に対して、検出判定部７４を有する点、検出判定部７４の判定結果を含めて計算する特性計算部７２を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素の説明を省略する。また、特性計算部７２が備える通信部及び記憶部は、特性計算部４８の通信部４８ａ及び記憶部４８ｂと同一であるので、説明を省略する。
【００６５】
検出判定部７４は、複合電池１０が最後に充放電を行ってからの経過時間を検出し、その検出値が予め定められた閾値以上であるか否かを判定するものである。閾値以上である場合に、特性計算部７２は、閾値以上であると判定された後に電圧検出部４２、電流検出部４４及び充電率検出部４６が検出した値を用いて複合電池の放電特性を計算する。
【００６６】
次に、電池状態監視装置の第２変形例の計算方法について説明する。
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。
【００６７】
検出判定部７４は、例えば複合電池１０が最後に充放電を行ってからの経過時間を検出するための稼働率計７４ａと判定計算部で構成され、ステップＳ１２の次に、稼働率計７４ａによって検出された経過時間をＡ／Ｄ変換して得られたデジタル値の経過時間を予め定められた閾値と比較し、閾値以上である場合に、電池状態がほとんど変化していないと判定する。次に、ステップＳ２０〜Ｓ３２において、この状態で電圧検出部４２、電流検出部４４及び充電率検出部４６が検出した値を用いて特性計算部７２が複合電池の放電特性を計算する。なお、電池状態監視装置の第２変形例は、第１変形例の代替手段として効果的である。
【００６８】
電池状態監視装置の第２変形例及びその計算方法は、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、本発明の複合電池の電池状態監視装置は、複合電池全体の放電特性をより高精度かつノイズの影響を受けずにシンプルに計算することができる。
【００６９】
次に、本発明の複合電池を構成する電池状態監視装置の第３変形例について説明する。図１３は、図８の電池状態監視装置の第３変形例を示すブロック図である。
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。
【００７０】
電池状態監視装置８０は、電池状態監視装置４０に対して、検出判定部８４を有する点、検出判定部８４の判定結果を含めて計算する特性計算部８２を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素の説明を省略する。また、特性計算部８２が備える通信部及び記憶部は、特性計算部４８の通信部４８ａ及び記憶部４８ｂと同一であるので、説明を省略する。
【００７１】
検出判定部８４は、リチウムイオン二次電池１４に備わる保護スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態を検出するものである。特性計算部８２は、保護スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態に基づいて複合電池の放電特性を計算する。リチウムイオン二次電池１４に備わる保護スイッチは、例えばＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯなどの半導体スイッチング素子の他、リレー、電磁開閉器、ブレーカなどであっても良く、また、例えば電流ヒューズ、温度ヒューズ、サーミスタ、セルフコントロールプロテクタ（ＳＣＰ）のように、一旦作動すると交換しない限り電気的な接続が自動的に回復しないものであっても良い。
【００７２】
次に、電池状態監視装置の第３変形例の計算方法について説明する。
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。
【００７３】
検出判定部８４は、例えばリチウムイオン二次電池１４のＦＥＴスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態を検出するための導通センサ８４ａと判定計算部で構成され、ステップＳ１２の次に、導通センサ８４ａによって検出されたＯＮ／ＯＦＦ状態を、例えばＦＥＴスイッチがＯＮであれば１、ＯＦＦであれば０に二値化する。次に、検出判定部８４は、検出値が１、即ちＦＥＴスイッチがＯＮであり、リチウムイオン二次電池１４が鉛蓄電池１２及び負荷５０に電気的に接続されている場合には、その状態を踏まえて複合電池全体の放電特性を計算するように、特性計算部８２に指示する。又は、検出判定部８４は、検出値が０、即ちＦＥＴスイッチがＯＦＦであり、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ている場合には、その状態を踏まえて複合電池全体の放電特性を計算するように、特性計算部８２に指示しても良い。なお、電池状態監視装置の第３変形例は、第１変形例の代替手段として第２変形例と併用するとより効果的である。
【００７４】
電池状態監視装置の第３変形例及びその計算方法は、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、本発明の複合電池の電池状態監視装置は、複合電池全体の放電特性をより高精度かつノイズの影響を受けずにシンプルに計算することができる。
【００７５】
次に、本発明の複合電池の第１変形例について説明する。図１４は、図１の複合電池の第１変形例の斜視図である。
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。
【００７６】
複合電池９０は、複合電池１０に対して、リチウムイオン二次電池１４と設置姿勢が異なるリチウムイオン二次電池９４を有する点、接続部材１６と形状が異なる接続部材９６を有する点以外は同一の構成を有するものであり、鉛蓄電池９２は、鉛蓄電池１２と同一の基本的機能を有し、リチウムイオン二次電池９４は、リチウムイオン二次電池１４と同一の基本的機能を有するので、説明を省略する。
【００７７】
リチウムイオン二次電池９４は、出力端子面９２ａに隣接する面と出力端子面９４ａに隣接する面とを重ね合わせることによって鉛蓄電池９２と一体化され、出力端子面９２ａ及び出力端子面９４ａが共に水平になる設置姿勢で１つの場所に設置される。また、複合電池９０は、電池状態監視装置４０、６０、７０、８０を備えても良い。
【００７８】
本発明の複合電池の第１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、配線抵抗を低減し、複合電池の体積を縮小することができる。また、自動車のアイドルストップ用二次電池として使用する場合には、例えば、Ｎ５５規格の鉛蓄電池に薄型のリチウムイオン二次電池を隣接させることによって、Ｑ８５規格の鉛蓄電池と同一サイズに複合電池９０を構成することができるので、本発明の一体化された複合電池９０をエンジンルーム内の既存のスペースに設置することができる。
【００７９】
次に、本発明の複合電池の第２変形例について説明する。図１５は、図１の複合電池の第２変形例の側面図である。
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。
【００８０】
複合電池１００は、複合電池１０に対して、リチウムイオン二次電池１４と設置姿勢が異なるリチウムイオン二次電池１０４を有する点、接続部材１６と形状が異なる接続部材１０６を有する点、断熱材１０８を有する点以外は同一の構成を有するものであり、鉛蓄電池１０２は、鉛蓄電池１２と同一の基本的機能を有し、リチウムイオン二次電池１０４は、リチウムイオン二次電池１４と同一の基本的機能を有するので、説明を省略する。
【００８１】
複合電池１００は、さらに、リチウムイオン二次電池１０４を覆わずに鉛蓄電池１０２の少なくとも一部を覆う断熱材１０８を有するのが好ましい。即ち、リチウムイオン二次電池１０４は、断熱材１０８で覆われないので、充放電時の発熱を放熱しやすく、そのために温度が保たれやすい傾向にあるのに対して、鉛蓄電池１０２は、少なくとも一部を覆うように断熱材１０８が設けられるので、充放電時の発熱を放熱しにくく、そのために温度が上昇しやすい傾向になる。その結果、リチウムイオン二次電池１０４の内部抵抗が変化せずに鉛蓄電池１０２の内部抵抗が低下するので、入出力負荷が鉛蓄電池１０２に掛かりやすくなると共に、リチウムイオン二次電池１０４に掛かりにくくなる。
【００８２】
リチウムイオン二次電池１０４は、鉛蓄電池１０２から分離され、出力端子面１０２ａが水平になり出力端子面１０４ａが垂直になる設置姿勢で互いに離れた場所に設置され、ケーブル状の接続部材１６によって互いに電気的に接続されても良い。また、リチウムイオン二次電池１０４は、鉛蓄電池１０２と一体化され、出力端子面１０２ａ及び出力端子面１０４ａが共に水平になる設置姿勢で１つの場所に設置され、板状の接続部材９６によって互いに電気的に接続されても良いが、その場合には、出力端子面１０２ａに隣接する面と出力端子面１０４ａに隣接する面とを重ね合わせる時に両者の間に断熱材１０８を備えるのが好ましい。さらに、複合電池１００は、電池状態監視装置４０、６０、７０、８０を備えても良い。
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。
【００８３】
次に、本発明の複合電池で構成された複合電池群について説明する。図１６は、図１の複合電池で構成された複合電池群を示すブロック図である。
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。
【００８４】
次に、本発明の第２の実施形態の自動車について説明する。図１７は、本発明の第２の実施形態の自動車を示すブロック図である。
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。
【００８５】
複合電池１０は、一般負荷１２４、走行必要負荷及び被保護負荷１２６の両方の負荷に常時接続され、複合電池１０の電力が両方の負荷に常時供給される。発電機１２２は、加速時及び等速走行時には停止するが、減速（制動）時には動作し、発電機１２２が発電した電力によって複合電池１０が充電される。発電機１２２は、ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）などのモータ機能付き発電機であっても良く、その場合には、再始動後の加速時に発電機１２２をエンジンのアシスト用モータとして使用するために、複合電池１０の電力が発電機１２２に供給される。
【００８６】
本発明の第２の実施形態の自動車は、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、本発明の自動車は、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、また、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。
【００８７】
次に、本発明の第３の実施形態の鉄道回生電力貯蔵装置について説明する。図１８は、本発明の第３の実施形態の鉄道回生電力貯蔵装置を示すブロック図である。
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。
【００８８】
電気式鉄道車両１３２が減速（制動）時にモータを用いて発生させた回生電力は、電力伝送部１３４を通って双方向コンバータ部１３６に伝送され、双方向コンバータ部１３６で電力変換された電力によって複合電池１０が充電される。これによって、架線電圧の上昇を抑制することができる。また、複合電池１０に充電された電力は、例えば、同一の電気式鉄道車両１３２が次に加速又は等速走行する時、又は遠くを走行中の別の電気式鉄道車両１３２が加速又は等速走行する時に放電され、双方向コンバータ部１３６で電力変換された後、電力伝送部１３４を通って加速中の電気式鉄道車両１３２に伝送されて使用される。これによって、架線電圧の低下を抑制することができる。特に、その車両が変電所から離れた場所を走行している場合、及び朝夕のラッシュ時に多数の車両が走行している場合に効果的である。
【００８９】
本発明の第３の実施形態の鉄道回生電力貯蔵装置は、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、本発明の鉄道回生電力貯蔵装置は、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、また、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。
【実施例】
【００９０】
次に、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明についてより詳細に説明する。
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。【００９１】
次に、この複合電池を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、複合電池電圧を１２．７Ｖ（＝Ｖｏｒｇ）に調整し、複合電池に１６０Ａの放電負荷をかけ、放電開始から５秒後の複合電池電圧Ｖｓｅｔ、放電開始から５秒後のリチウムイオン二次電池からの放電電流Ｉｌｉｂ、及び放電開始から５秒後の鉛蓄電池からの放電電流Ｉｐｂｂを測定し、以下の式に基づいて２５℃におけるリチウムイオン二次電池の内部抵抗（直流抵抗）Ｒｌｉｂ、及び鉛蓄電池の内部抵抗（直流抵抗）Ｒｐｂｂを算出した。
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。【００９２】
次に、比較例として、実施例と異なる、容量２Ａｈ、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４並列に接続したリチウムイオン二次電池と、実施例と同一の、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。実施例の複合電池と同一の方法で、２５℃及び４８℃における各二次電池の内部抵抗Ｒｌｉｂ、Ｒｐｂｂを算出した。実施例の算出結果を表１の実施例の欄に、比較例の算出結果を表１の比較例の欄に、それぞれ示す。また、表１の内部抵抗比は、各温度での内部抵抗値を基準温度２５℃の時の内部抵抗値で除したものである。【００９３】
【表１】
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【００９４】
実施例の複合電池では、４８℃でのリチウムイオン二次電池の内部抵抗比０．８４が４８℃での鉛蓄電池の内部抵抗比０．４８よりも大きいので、実施例の複合電池は、本発明の条件を満たすものである。これに対して、比較例の複合電池では、４８℃でのリチウムイオン二次電池の内部抵抗比０．７６が４８℃での鉛蓄電池の内部抵抗比０．８２よりも小さいので、比較例の複合電池は、本発明の条件を満たさないものである。【００９５】
＜充放電サイクル試験＞
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。【００９６】
１００回目における放電開始から５秒後のリチウムイオン二次電池からの放電電流Ｉｌｉｂ、及び放電開始から５秒後の鉛蓄電池からの放電電流Ｉｐｂｂを測定した。実施例の測定結果を表２の実施例の欄に、比較例の測定結果を表２の比較例の欄に、それぞれ示す。また、表２の合計は、放電電流Ｉｌｉｂと放電電流Ｉｐｂｂとを合計したものである。【００９７】
【表２】
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【００９８】
実施例の複合電池では、リチウムイオン二次電池の放電電流が２４０Ａ、鉛蓄電池の放電電流が８０Ａであるのに対して、比較例の複合電池では、リチウムイオン二次電池の放電電流が３１０Ａ、鉛蓄電池の放電電流が１０Ａである。これを放電電流の合計に対する比率で見ると、実施例の複合電池では、リチウムイオン二次電池の放電電流が７５％、鉛蓄電池の放電電流が２５％であるのに対して、比較例の複合電池では、リチウムイオン二次電池の放電電流が実施例よりも高い９７％、鉛蓄電池の放電電流が実施例よりも低い３％である。この結果から、実施例の複合電池の構成によって、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るのは明らかである。【００９９】
以上、本発明の複合電池、それを備えた自動車及び鉄道回生電力貯蔵装置について、実施形態及び実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしても良いのはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明の複合電池、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という効果に加え、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という効果もあるので、産業上有用である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０、９０、１００  複合電池
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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