(57)【要約】      （修正有）【課題】電気車両等に使用し、大きな特定エネルギとエネルギ密度を有し、かつ熱的に管理可能な方法で大バースト電力の提供が可能な効率的なエネルギ貯蔵装置を提供する。【解決手段】電気エネルギを貯蔵し、この電気エネルギを異なる電力定格で駆動モータへ供給する電気貯蔵装置は、パワー電池に接続したエネルギ電池を有し、パワー電池はエネルギ電池により再充電することができる。パワー電池はエネルギ電池から受け取った電気エネルギを一時的に蓄え、両電池はモータが必要とする異なる電力定格でもって電気エネルギを供給することができる。エネルギ貯蔵装置は両電池を再充電すべく外部電源に切り離し可能に接続することができる。両電池は個別に再充電して電池の再充電及び寿命特性を最適化することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる定格電力を駆動モータに供給可能な電源であって、
電気エネルギを蓄え、第１の電力範囲の定格電力でもって前記駆動モータへ電力を供給する第１の総括インピーダンスを有する再充電可能なエネルギ電池と、
電気エネルギを蓄え、第２の電力範囲の定格電力でもって前記駆動モータへ電力を供給する前記第１の総括インピーダンス未満の第２の総括インピーダンスを有する再充電可能なパワー電池とを備え、
前記エネルギ電池に蓄えた電気エネルギを前記パワー電池に蓄えた電気エネルギと併せ前記駆動モータへ供給し、
前記エネルギ電池が、前記駆動モータが必要としない電気エネルギで前記パワー電池を連続して再充電し、
前記パワー電池及び前記エネルギ電池は、重複する公称電圧範囲を有し、
当該電源は、前記パワー電池、前記エネルギ電池及び前記駆動モータのそれぞれを並列に接続する電池コントローラをさらに備え、
前記パワー電池の前記第２の総括インピーダンスが前記エネルギ電池の前記第１の総括インピーダンスよりも低いため、前記パワー電池が負荷に対してより容易に電力を供給することを特徴とする電源。
【請求項２】
前記電池コントローラは、前記エネルギ電池から前記パワー電池へ第１の結線を介して流れる電気エネルギを制御することにより、前記パワー電池の連続した再充電を制御する、請求項１記載の電源。
【請求項３】
前記電池コントローラは、前記パワー電池及び前記エネルギ電池の公称電圧といった固有特性、並びに、前記エネルギ電池及び前記パワー電池の総括インピーダンスを用いて、前記パワー電池及び前記エネルギ電池の固有制御を行う、請求項１記載の電源。
【請求項４】
前記パワー電池は８個の直列鉛蓄電池からなる少なくとも一つのバンクで構成してあり、各鉛蓄電池が、８４ボルト〜１０４ボルトの前記パワー電池に公称電圧を供給する１０．５ボルト〜１３ボルトの公称電圧を有しており、前記エネルギ電池は２７個の直列リチウムイオン電池からなる少なくとも一つのバンクで構成してあり、各リチウムイオン電池が、８１ボルト〜１１３．４ボルトの前記エネルギ電池に公称電圧を供給する３ボルト〜４．２ボルトの公称電圧を有する、請求項１記載の電源。
【請求項５】
前記第２の総括インピーダンスは前記第１の総括インピーダンスの１０％〜６０％の間にある、請求項１記載の電源。
【請求項６】
前記第２の総括インピーダンスは前記第１の総括インピーダンスの３５％〜５０％の間にある、請求項５記載の電源。
【請求項７】
前記エネルギ電池と前記パワー電池の間のスイッチをさらに備え、
前記コントローラが前記第１の結線を介して前記スイッチを制御することで当初は前記パワー電池を前記エネルギ電池へ並列接続する、請求項１記載の電源。
【請求項８】
前記エネルギ電池は非水性リチウムイオン電池とリチウム空気電池と高分子リチウムイオン電池からなる群から選択したリチウム母体電池であり、前記パワー電池は鉛蓄電池である、請求項１記載の電源。
【請求項９】
前記エネルギ電池は非水性高分子リチウム電池パックである、請求項１記載の電源。
【請求項１０】
前記駆動モータは前記パワー電池と前記エネルギ電池を収容した車両を駆動し、前記コントローラは前記車両に収容させるか或いは該車両から取り外すことができる、請求項１記載の電源。
【請求項１１】
電気的負荷へ給送する電気エネルギを蓄えるエネルギ貯蔵装置であって、
第１の総括インピーダンスを有し、外部電源へ電気的に接続可能な再充電可能なエネルギ電池と、
前記第１の総括インピーダンス未満の第２の総括インピーダンスを有する再充電可能なパワー電池であって、前記エネルギ電池へ電気的に接続可能でありかつ前記負荷へ電気的に接続可能な前記パワー電池とを備え、
動作期間中、前記再充電可能なパワー電池は前記負荷と前記エネルギ電池のそれぞれに対し並列接続し、前記エネルギ電池が前記再充電可能なパワー電池を連続して再充電して前記負荷へ電気エネルギを供給している間、前記再充電可能なパワー電池が前記負荷へ電気エネルギを供給し、
前記エネルギ電池は必要に応じて前記外部電源に周期的に接続して再充電し、
前記再充電可能なエネルギ電池及び前記再充電可能なパワー電池は、重複する公称電圧範囲を有し、前記再充電可能なエネルギ電池及び前記再充電可能なパワー電池を前記負荷に対して並列に接続する前記電池コントローラを容易にし、
当該エネルギ貯蔵装置は、前記負荷が必要としない前記再充電可能な電池からの電気エネルギを用いた前記電気装置の連続した再充電を制御する電池コントローラをさらに備え、
前記電池コントローラは、前記パワー電池の前記第２の総括インピーダンスが前記エネルギ電池の前記第１の総括インピーダンスよりも低いため、前記パワー電池が前記負荷に対してより容易に電力を供給するよう、前記エネルギ電池及び前記負荷と並列に前記パワー電池を接続し、その結果、前記パワー電池及び前記エネルギ電池の固有特性を利用して、前記パワー電池及び前記エネルギ電池の固有制御を行うことを特徴とするエネルギ貯蔵装置。
【請求項１２】
前記エネルギ電池は非水性リチウムイオン電池と高分子リチウムイオン電池とナトリウム−硫黄電池からなる群から選択した、請求項１１記載のエネルギ貯蔵装置。
【請求項１３】
前記パワー電池は、大定格リチウム電池とリチウムイオン電池と大定格ニッケル水素電池と鉛蓄電池とニッケル合金混成電池とニッケル金属電池とニッカド電池からなる群から選択した、請求項１１記載のエネルギ貯蔵装置。
【請求項１４】
前記第２の総括インピーダンスは前記第１の総括インピーダンスの１０％〜６０％の間にある、請求項１１記載のエネルギ貯蔵装置。
【請求項１５】
前記エネルギ電池はリチウム母体電池であり、前記パワー電池は鉛蓄電池である、請求項１１記載のエネルギ貯蔵装置。
【請求項１６】
前記エネルギ電池が蓄える前記電気エネルギは第１の電力範囲の定格電力にて前記電気負荷へ供給し、前記パワー電池が蓄える前記電気エネルギは第２の電力範囲の定格電力にて前記電気負荷へ供給し、前記第２の電力範囲の定格電力は前記第１の電力範囲の定格電力よりも大である、請求項１１記載のエネルギ貯蔵装置。
【請求項１７】
前記エネルギ電池と前記パワー電池からの前記電気エネルギを合成し、第１の電力範囲の定格電力と第２の電力範囲の定格電力の総和を含む一定範囲の定格電力でもって供給する、請求項１６記載の電気エネルギ貯蔵装置。
【請求項１８】
前記パワー電池は再充電用に外部電源へ電気的に接続可能であり、
前記パワー電池は前記エネルギ電池が再充電を必要とするときの再充電用に前記外部電源へ電気的に接続可能とした、請求項１１記載の電気エネルギ貯蔵装置。
【請求項１９】
前記電気負荷は前記エネルギ電池と前記パワー電池をその中に収容した車両内の駆動モータであり、
前記パワー電池は前記エネルギ電池よりも前記電気負荷の近くに配置した、請求項１１記載の電気エネルギ貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気エネルギを蓄え、異なる電力定格にて電気的負荷に電気エネルギを提供する装置とデバイス及び方法に関する。より詳しくは、本発明は車両の駆動に用いる電動モータやエンジン等の電気的負荷に対し可変電力定格を提供する混成電池を利用する装置とデバイス及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、電気駆動モータ等の電気的負荷を駆動する電気エネルギを蓄え供給する様々な方法が提案されてきた。例えば、電気車両を駆動するのに鉛蓄電池やニッカド（Ｎｉ−Ｃｄ）やニッケル金属混成（Ｎｉ−ＭＨ）を含む異種電池がこれまで用いられてきた。しかしながら、各種電池は特有の長所と欠点を有する。
【０００３】
例えば、鉛蓄電池は必要時に大バースト電力を供給できる利点を有する。さらに、鉛蓄電池は電動モータや車載エンジン等の電気負荷を加速し駆動するのに十分な大電流を供給することができる。しかしながら、鉛蓄電池は時として単位体積当り供給エネルギが低いことを意味するリットル当りワット時（Ｗ−ｈ／ｌ）として表わされ或いは計測される低エネルギ密度を有する欠点を蒙る。同様に、鉛蓄電池は相当量のエネルギの貯蔵に比較的大質量が必要であることを意味するキログラム当りワット時（Ｗｈ／ｋｇ）で表わされる比較的低い比エネルギを有する。
【０００４】
対照的に、例えばダス・グプタ（Ｄａｓ  Ｇｕｐｔａ）等へ発行された米国特許第６，１５９，６３５号に開示される如く、リチウム金属や合金からなる陽極や陰極を有するリチウム電池や非水性再充電可能なリチウムイオン電池のようなリチウム母体電池は、鉛或いはニッケル母体電気化学電池よりも高いエネルギ密度と比エネルギ特性を有する。ある種の非水性再充電可能リチウムイオン電池が、高分子層内に詰め込まれて密封されリチウムイオン導電高分子電解質を有することで高分子リチウム電池と呼ばれることに留意されたい。他方、リチウム母体電池は、この種リチウム母体電池の固有高インピーダンスが故に大バースト電力、特に大電流密度の供給は不可能である。さらにまた、劣化防止のため、リチウム母体電池は電池を−２０℃〜最大７０℃の受容可能な温度に維持する熱管理技法を必要とする。リチウムイオン電池内の電力バーストは通常、適切に管理しない場合には電池を劣化させ得ることのある大量の熱エネルギを発生する。
【０００５】
電気車両にあっては、高比エネルギを持たせて最小重量を車両と共に移送できるようにするだけでなく、高エネルギ密度を持たせて最小容積をエネルギ貯蔵装置により占めるようにすることもまた望ましい。しかしながら、大バースト電力を供給することのできるエネルギ貯蔵装置を有することもまた望ましい。特に、バースト電力は通常、加速だけでなく静止的に電気駆動される車両の静止摩擦や慣性を克服するのにも必要とされる。再充電可能リチウム電池がより大電流を供給できるよう再設計する試みがなされてきたが、このことがこの種の電池装置のより低い比エネルギとより低いエネルギ密度に通ずることに留意されたい。
【０００６】
これまで、大きなバースト電力を供給する高エネルギ貯蔵装置を提供する取り組みの中で幾つかの異種エネルギ貯蔵装置が提案されてきた。例えば、共にナイトウ（Ｎａｉｔｏ）による米国特許第５，７８０，９８０号や米国特許第５，８０８，４４８号には、鉛蓄電池に接続した燃料電池から成る直流電源装置を有する電気車両駆動システムが開示されている。燃料電池は作動中に一定の電力を生成し、電気的負荷に関する電力定格が低いときに車に対し電力を供給する。電気的負荷に関する電力定格が増加すると、燃料電池だけでなく鉛蓄電池によっても電力が供給される。ナイトウは、鉛蓄電池に対する充電が特定値未満であるときに燃料電池が鉛蓄電池を再充電することもまた開示している。しかしながら、ナイトウは燃料電池を動作させる流体反応を車載コンテナ内で実行しなければならないという不利を蒙っている。これは、装置の比エネルギ能力を大幅に低減する。また、ナイトウは燃料電池と鉛蓄電池からのエネルギ供給を可能にする精巧な電気回路を開示している。
【０００７】
オカムラ（Ｏｋａｍｕｒａ）による欧州特許出願公開第０５６４１４９号には、直列及び並列に接続したコンデンサの使用が開示されているが、電池の使用は開示されていない。さらにまた、オカムラは過充電を防止するためコンデンサが満充電レベルにあるかどうかを検出する具体的回路を開示している。同様に、シラタ（Ｓｈｉｒａｔａ）による欧州特許出願公開第０４１０５５９号にはコンデンサの使用が開示されているが、シラタは片やガソリンエンジンを始動するスタータモータに通電するコンデンサの使用にも関連付けている。同様に、ヤマダ（Ｙａｍａｄａ）による米国特許第５，９９８，９６０号には、回生制動を支援すべくガソリンエンジンと組み合わせた電池付きコンデンサと、ガソリンエンジンの使用を制限してそれによって燃料消費を制限しかつ排気ガスを低減する他の手段の使用とが開示されている。こうして、ヤマダとシラタは共に大量の電力の貯蔵には直接関与しておらず、何故なら両者はガソリン或いは他の化石燃料エンジンと組み合わせる電力貯蔵システムの使用を開示するものだからである。さらにまた、ヤマダとシラタは共にそれらの特定目的に焦点を当てた回路に関与するものである。すなわち、シラタにとってはこれはエンジンを始動するスタータエンジンの支援に関するものであり、ヤマダにとってはこれは特定レベルでの回生制動期間中の如く電圧を維持するチョッパの使用に関するものである。
【０００８】
着用通電変色眼鏡に使用する微細電子分野等におけるずっと小さな負荷では、リチウム／塩化チオニル・鉛酸混成蓄電池が提案されてきた。例えば、カルマン（Ｋａｌｌｍａｎ）による米国特許第５，９００，７２０号及び第５，４５５，６３７号には、非再充電可能リチウム／塩化チオニル電池セルである一次電池と微細電子回路に給電する二次密封型鉛蓄電池から成る混成電池の使用が開示されている。一次電池と二次電池は、カルマンの場合は着用通電変色眼鏡のための低電力微細電子回路である負荷に給電する。一次電池はコントローラにも給電し、このコントローラが片や二次電池を周期的に充電することができる。しかしながら、カルマンは一次リチウム／塩化チオニル電池を再充電することを開示していない。また、カルマンの装置は比較的低い全エネルギ出力をもって小型に設計してあり、それ故により大きな負荷には用いることができなかった。
【０００９】
また、例えば日本電子株式会社（Ｊｅｏｌ  Ｌｔｄ．）社による欧州特許出願公開第０５６４１４９号に開示される如く、これまでコンデンサが用いられてきた。しかしながら、この出願に開示されているように、コンデンサは印加電圧に対しよりずっと敏感であり、コンデンサに印加される電圧が定格電圧を上回ると、そのときはコンデンサの容量は直ちに減り、漏れ電流が増える。これが故に、欧州特許出願公開第０５６４１４９号はコンデンサの充電を制限する長さ制御回路を開示しているが、電池の使用或いは電池を如何に制御するかに関する開示は一切有していないものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、当分野では可変電力要求を有する大負荷に使用する比較的高いエネルギ密度と比較的高い比エネルギを有する効率的なエネルギ貯蔵装置に対する必要性が存在する。さらに、エネルギ密度は重要な考察対象であるが、電池を如何に車両内に収容することにするかを考察することも必要である。換言すれば、個別セルの容積ではなく電池を収容するのに必要な全容積を意味する電池を含む装置の有効容積を考察しなければならない。さらに別の考察は、電力が所定レベル未満に降下した後のシステムの充電の筈である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従って、本発明の一つの目的は先行技術の欠点を少なくとも一部克服することにある。加えて、本発明の一つの目的は、電気車両等の比較的大負荷状況にて使用し、好ましくは大きな特定エネルギとエネルギ密度を有し、その一方で依然として熱的に管理可能な仕方で大バースト電力の提供が可能な効率的なエネルギ貯蔵装置を提供することにある。
【００１２】
従って、一つの態様では本発明は駆動モータへ電力を供給する電源で、該駆動モータが異なる定格で電力を受給する電源を提供するものであり、この電源は、電気エネルギを蓄える第１のエネルギ密度を有する第１の再充電可能なエネルギ電池と、第１のエネルギ密度未満の第２のエネルギ密度を有し、電気エネルギを蓄えて異なる定格でもって電動モータへ電力を供給する第２の再充電可能パワー電池と、エネルギ電池からの電気エネルギでもってパワー電池の連続的再充電を制御する電池コントローラとを備え、エネルギ電池が蓄える電気エネルギをパワー電池を介して異なる定格で電動モータへ供給する。
【００１３】
別の態様では、本発明は電気的負荷へ給送する電気エネルギを蓄えるエネルギ貯蔵装置を提供するものであり、このエネルギ貯蔵装置は、第１のエネルギ密度を有し、外部電源に電気的に接続可能な第１の再充電可能な電池と、第１のエネルギ密度未満の第２のエネルギ密度を有する第２の再充電可能な第２の再充電可能な電池で、第１の電池に電気的に接続するとともに負荷に電気的に接続可能な第２の電池とを備え、動作期間中、第２の電池を負荷に接続してこの負荷に電気エネルギを供給し、その一方で第１の電池が第２の電池を連続的に再充電し、第１の電池は必要に応じて外部電源に周期的に接続して再充電する。
【００１４】
またさらなる態様では、本発明は電気的負荷へ給送する電気エネルギを蓄えるエネルギ貯蔵装置を提供するものであり、このエネルギ貯蔵装置は、第１のエネルギ密度を有し、外部電源に電気的に接続可能な再充電可能な電池と、第１のエネルギ密度未満の第２のエネルギ密度を有する再充電可能な電気装置で、第１の電池に電気的に接続可能であるとともに負荷に電気的に接続可能な第２の電池とを備え、動作期間中、再充電可能な電気装置を負荷に接続してこの負荷に電気エネルギを供給し、その一方でこの電池が再充電可能な電気装置をほぼ連続的に再充電し、電池は必要に応じて外部電源へ周期的に接続して再充電する。
【００１５】
さらなる態様にて、本発明は異なる定格で電力を受給する電気的負荷に対し電気エネルギを蓄える方法を提供するものであり、その方法は、第１のエネルギ密度を有する第１の再充電可能エネルギ電池を充電するステップと、第１のエネルギ密度未満の第２のエネルギ密度を有する第２の再充電可能パワー電池を充電するステップと、第２のパワー電池から異なる定格でもって電気的負荷へ電気エネルギを供給するステップと、第２のパワー電池を第１のエネルギ電池から再充電するステップとを含む。
【００１６】
さらなる態様にて、本発明は駆動モータへ電力を供給する電源で、該駆動モータが異なる定格でもって電力を受給する電源を提供するものであり、この電源が、第１の総括インピーダンスを有して電気エネルギを蓄えるとともに第１の範囲の電力定格で電動モータへ電力を供給する第１の再充電可能エネルギ電池と、第１の総括インピーダンス未満の第２の総括インピーダンスを有して電気エネルギを蓄えるとともに第２の範囲の電力定格で電動モータへ電力を供給する第２の再充電可能パワー電池とを備え、エネルギ電池に蓄えた電気エネルギをパワー電池に蓄えた電気エネルギと組み合わせ第１の範囲の電力定格で駆動モータへ供給し、エネルギ電池が過剰電力を一切伴うことなくパワー電池をほぼ連続的に再充電する。
【００１７】
本発明の一つの利点は、エネルギ電池を車両内で一般に使用される従来の鉛蓄電池とすることができる点にある。こうして、鉛蓄電池は十分なバースト電力と十分な電流を供給し、車両内の電動モータ等の可変電力要求を有する電気負荷を駆動することができる。しかしながら、エネルギ電池は好ましくはリチウム母体セル、すなわち高エネルギ密度と高比エネルギを有することになる電池である。従って、パワー電池をしてエネルギ電池をほぼ連続的に充電させることで、パワー電池は最適充電レベル近くに維持され、そのことがパワー電池の寿命期間を改善することになる筈である。さらにまた、パワー電池をしてその最適充電レベルに近づけておくことで、パワー電池のエネルギ生成能力を維持でき、エネルギを可変定格にて負荷に供給でき、それによって負荷の電力要求をより簡単に満たすことができる。しかしながら、本発明のエネルギ供給システムの主要なエネルギ貯蔵部分は高いエネルギ密度と比エネルギを有するエネルギ電池に在るため、車両には余分な容積と重量は殆ど加わらない。
【００１８】
さらなる実施形態の一つでは、リチウム電池は固体ポリマと有機液体リチウムイオン導電電解質とを有し、プラスチックカバー内に収容或いは包み込んで密封した非水性再充電可能リチウムイオン電池を備える高分子リチウム電池である。この種の高分子リチウムイオン電池は特定形状或いは形態にて生成し、車両内に或いは空きのまま残される空間を占めることのできる適当な形状に成形することができる。こうして、エネルギ電池周りで空間を殆ど無駄にしないよう保証することで、エネルギ貯蔵装置の有効容積を低減することができる。
【００１９】
本発明のさらなる利点は、エネルギ貯蔵装置内の両電池を再充電できる点にある。上記した如く、エネルギ電池はパワー電池をほぼ連続的に再充電している。しかしながら、必要時には、エネルギ電池は外部電源に接続することで再充電することもできる。こうして、エネルギ貯蔵装置は連続使用に向けて簡単に再生させることができ、流体反応物の追加や電池の交換を必要としない。さらにまた、好適な実施形態にあっては、エネルギ電池の再充電時にパワー電池を外部電源から再充電して再充電効率を改善することができる。
【００２０】
本発明のさらなる利点は、鉛蓄電池を使用するが故に、既存のエネルギ回収技術を用いることができる点にある。特に、車両を停止させたときに、制動期間中に生成されたエネルギを利用して鉛蓄電池のエネルギレベルを補充することができる。この手順は、しばしば回生制動と呼ばれる。
【００２１】
幾つかの負荷が時折或いは周期的なエネルギのバーストを必要とする矢先に、一部の充電源はエネルギバーストを時々利用することができる。車両の回生制動は、この種「バースト型」の充電源の一例である。エネルギ貯蔵装置が大定格でもって電荷を受容可能である場合、これらのバーストエネルギは効率的に受け入れることができる。本発明の利点は、時折或いは定期的なバースト電力を用いてエネルギ電池によっては効率的に受容できないか或いはエネルギ電池を損傷し得る定格でもってパワー電池を急速に再充電できる点にある。後続の重負荷は、パワー電池から直接にこの「バースト型」充電源からのエネルギを使用し得る。さもなくば、パワー電池はより長期の時間期間に亙りより低い定格でもってエネルギ電池を再充電するのに用い得る。いずれかの特定用途にてエネルギのどの振り分けが最も効果的であるかは、無論、電気的負荷の時間依存エネルギ要求とエネルギ貯蔵装置の特定用途とともに変化する。
【００２２】
さらなる好適な実施形態では、固有制御を用いてエネルギ電池とパワー電池から負荷への電力の流れを制御することができる。例えばパワー電池とエネルギ電池を当初同一電圧に制御し、エネルギ電池とパワー電池と負荷を並列接続することで固有制御が得られる。負荷への電流の流れはそこで、以下により詳しく説明する如く、パワー電池とエネルギ電池と負荷の固有特性により制御されることになる。
【００２３】
さらなる好適な実施形態では、エネルギはエネルギ電池とパワー電池の両方から負荷へ供給することができる。こうして、エネルギ電池とパワー電池の電力定格範囲を組み合わせ、より大きな範囲の電力定格にて電気エネルギを供給することができる。負荷をオフしたときの如く電気的負荷の時間依存エネルギ要求が低下すると、エネルギ電池からの電気エネルギをパワー電池の充電に用いることもできる。このことは、例えばパワー電池とエネルギ電池と負荷とを並列接続する等により固有制御を用いた場合に起き得る。
【００２４】
本発明のさらなる態様は、本発明及び本発明の好適な実施形態を例示する以下の詳細な説明と図面を読むことで明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態になる電気貯蔵装置を備える電気システムを示す図である。
【図２Ａ】時間に対する鉛蓄電池の放電をプロットしたグラフを示す図である。
【図２Ｂ】時間に対する非水性再充電可能リチウムエネルギ電池パックの放電をプロットしたグラフを示す図である。
【図３】本発明のさらなる実施形態になる電気貯蔵装置を備える電気システムを示す図である。
【図４】本発明のさらなる実施形態になる図３に示した電気システムの電気系統接続線図である。
【図５】リチウムイオン電池と鉛蓄電池の固有制御を用いる好適な実施形態にて負荷を起動し停止した際の時間に対するリチウムイオン電池と鉛蓄電池から負荷への合成電流だけでなくリチウムイオンエネルギ電池と鉛パワー電池の電圧もまたプロットしたグラフを示す図である。
【図６】電池の固有制御を用いる好適な実施形態おいて満充電リチウムイオン電池を名目放電鉛蓄電池へ当初接続したときの時間に対するリチウムイオンエネルギ電池から鉛パワー電池への電流だけでなくリチウムイオンエネルギ電池と鉛パワー電池の電圧もまたプロットしたグラフを示す図である。
【図７】電池の固有制御を用いる好適な実施形態において満充電リチウムイオン電池を満充電鉛蓄電池へ当初接続したときの時間に対するリチウムイオン電池から鉛パワー電池への電流だけでなくリチウムイオンエネルギ電池と鉛パワー電池の電圧もまたプロットしたグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図面は、本発明の実施形態を示す。
【００２７】
本願明細書に上記した如く、本発明の一つの好適な実施形態においてパワー電池に接続したエネルギ電池を備えるエネルギ貯蔵装置を提供する。エネルギ電池は、それが大量のエネルギを簡単かつ効率的に蓄えられるよう高エネルギ密度と高比エネルギを有する。エネルギ電池は、外部線源から再充電可能でもある。エネルギ電池は、比較的安定なエネルギ電力を供給できるが、比較的低電流レベルを有することになろう。換言すれば、エネルギ電池は多大な質量を有したり多大な空間を占めることなく、大量のエネルギを効率的に蓄える主要機能を遂行するが、高電流レベル又は可変電流レベル或いは可変電力出力を供給することは出来ない。
【００２８】
対照的に、パワー電池は可変電力出力を有し、短い大電流パルスを供給することができるよう設計してある。例えば、パワー電池はトラックや自動車やオートバイや単車或いは電動自転車で時として原付き自転車と呼ばれるより小型の二輪自転車を含む車両の駆動に用いる電動モータやエンジンの電力要件等の電気負荷が必要とする短い大電流パルスにて大バースト電力を供給することができる。従って、パワー電池はエネルギ電池が電力を供給できる電力定格範囲よりも大きな一定範囲の電力定格でモータへ電力を供給できることになる。しかしながら、パワー電池は高エネルギ密度或いは高比エネルギを有することは出来ない。特に、パワー電池は再充電可能であり、エネルギ電池によりまた随意選択的には外部電源により再充電することができる。
【００２９】
動作時、パワー電池は電気的負荷の可変電流と電力要求に応え、エネルギ電池により再充電することができる。こうして、電気貯蔵装置はエネルギ電池が故に高エネルギ密度と高比エネルギを有する混成電池を提供し、その一方でパワー電池が故に電気的負荷が要求する大バースト電流だけでなく依然として可変電力定格を提供する。
【００３０】
電気貯蔵装置はまた、パワー電池だけでなくエネルギ電池の充電と動作を調整するコントローラを備える。コントローラはまた、パワー電池の過充電やエネルギ電池の過熱を防止する等することで、エネルギ電池とパワー電池の充電と動作を調整して両者の寿命を維持する。コントローラにはまた、随意選択的にパワー電池から電気的負荷へだけでなくエネルギ電池からパワー電池への電圧及び電流の流れを示す計器パネルが組み込んである。コントローラはまた警告装置或いは警報装置等を介してエネルギ電池の最低許容電位レベルの接近を随意選択的に指示し、エネルギ電池の再充電を生起できるようにする。エネルギ電池と随意選択的にはパワー電池は、外部線源から再充電することができる。コントローラはまた、外部電源からのエネルギ電池及び同様にまたパワー電池の再充電を調整することができる。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態になるエネルギ貯蔵装置１５を用いる概ね参照符号１０で示す電気システムを示すものである。図１に示す如く、システム１０は図１のモータ１００に示したように負荷に接続したエネルギ貯蔵装置１５を備える。
【００３２】
図１にも示した如く、エネルギ貯蔵装置１５は２個の再充電可能な電池２０，３０を備える。第１の電池はエネルギ電池２０であり、第２の電池はパワー電池３０である。
【００３３】
図１にも示した如く、エネルギ電池２０は第１の結線２１を介してパワー電池３０に接続してある。パワー電池３０は片や第２の結線２２を介して電気的負荷に接続してあり、この負荷は本実施形態では電気モータ１００である。動作期間中、パワー電池３０は第２の結線２２を介して電気エネルギを供給してモータ１００を駆動し、エネルギ電池２０は第１の結線２１を介して電気エネルギを供給してパワー電池３０をほぼ連続的に再充電する。
【００３４】
パワー電池３０は、第２の結線２２を介して第２の電圧Ｖ−２と第２の電流Ｉ−２でもってモータ１００に給電する。パワー電池３０がモータ１００の要件に応じてバースト電流及び電力を異なる定格で供給できるよう第２の電圧Ｖ−２と第２の電流Ｉ−２が変化するであろうことは、理解されたい。従って、パワー電池３０は電気的負荷の電流Ｉ−２及び電圧Ｖ−２要件だけでなく電力定格もまた満たすよう選択し設計してある。
【００３５】
電気的負荷がモータ１００である実施形態では、モータ１００は例えば７５〜５００アンペアで動作する９６ボルトモータとすることができる。この場合、パワー電池３０が少なくとも５キロワット時以上の容量を有することが好都合であり好ましい。短い大電流パルスの大バースト電力をモータ１００へ供給できるよう、鉛蓄電池３０が好ましい。しかしながら、ニッケル金属やニッケル合金混成担持電池やニッカド電池等の他の高出力電池を鉛蓄電池に代えて使用することもできる。
【００３６】
一部実施形態では、装置１５は電池に加え再充電可能に電気貯蔵装置を備えることができる。
【００３７】
対照的に、エネルギ電池２０は大量の電気エネルギを蓄える設計としてある。従って、エネルギ電池２０は好ましくは比較的高い、すなわち好ましくはパワー電池３０のエネルギ密度を上回る比較的高いエネルギ密度を有する。こうして、エネルギ電池２０は大量の電気エネルギを効率的に蓄えることができる。さらにまた、パワー電池３０はモータ１００の各種電力要件を満たすよう選択してあるため、エネルギ電池２０はモータ１００の電力要件に関心を払うことなく選択することができる。むしろ、エネルギ電池２０の主要な関心は、エネルギ電池２０が所望レベルでかつ適切な電圧及び電流で電気エネルギを効率的に蓄え供給してパワー電池３０をほぼ連続的に再充電し、パワー電池３０の電力生成能力を維持できるようにする点にある。図３に例示し以下にさらに詳しく説明するさらなる実施形態では、エネルギ電池２０はまた負荷へ電力を供給し、負荷に供給されない電気エネルギの一部でもってパワー電池を再充電する。
【００３８】
好適な実施形態では、エネルギ電池２０はリチウム電池であるが、この機能が可能な他の任意の電池を用いることができる。さらに好ましくは、非水性再充電可能リチウムイオン電池をエネルギ電池２０として用いる。
【００３９】
別の好適な実施形態では、非水性再充電可能リチウムイオン電池は様々な形状に成形可能な高分子リチウムイオン電池とすることができる。こうして、高分子リチウム電池を成形して任意の割り当て空間を占有させることでエネルギ貯蔵装置１５の実効体積は減る。さらにまた、高分子リチウムイオン電池を成形し、車両内の他の構成要素や本体部の間の空間等の或いは非使用のままの空間を占めるようにできる。さらに別の好適な実施形態では、高分子リチウムイオン電池は全体として装置１５のケーシング或いはハウジングとして機能するよう成形し、それによってエネルギ貯蔵装置１５の実効体積をさらに低減することができる。
【００４０】
第１の結線２１の第１の電流Ｉ−１と第１の電圧Ｖ−１は、エネルギ電池２０とパワー電池３０に対し最適の寿命を提供するよう選択してある。例えば、電流Ｉ−１は好ましくはエネルギ電池２０が生成する熱等のエネルギ電池２０に対する有害な影響を最小化するよう選択する。電流Ｉ−１はまた、好ましくは所望レベルに維持された高エネルギを供給してパワー電池３０を連続的に再充電し、それによってエネルギ電池２０とパワー電池３０の長期要求を満たすのみならずパワー電池３０の電力生成能力を維持するようにも選択してある。従って、寿命に関しては、第１の電圧Ｖ−１と第１の電流Ｉ−１はエネルギ電池２０からパワー電池３０へ転送される電力がモータ１００がパワー電池３０に課すエネルギ要求を満たすに十分であり、しかも比較的低くしてエネルギ電池２０の温度の影響が低下するようにも選択することが好ましい。
【００４１】
さらにまた、パワー電池３０が鉛蓄電池３０である場合には、鉛蓄電池３０をその最高充電レベル近くに保つことでに寿命を得ることができる。このことは、好適な実施形態にあってはパワー電池３０へ第１の電流Ｉ−１のほぼ連続的に流し、エネルギ電池２０がパワー電池３０をほぼ連続的に再充電するようにすることで達成される。第１の電流Ｉ−１を比較的低くすることでエネルギ転送率は相応してより低くなるが、このことはパワー電池３０がエネルギ電池２０からの電気エネルギでもってほぼ連続的に再充電されることで説明できる。
【００４２】
電池２０，３０間での電流及び電気エネルギの流れを制御すべく、電気エネルギ貯蔵装置１５はコントローラ６０もまた備える。コントローラ６０は第１の結線２１と同じく電池２０，３０へも接続してあって、エネルギ電池２０からパワー電池３０への電力の流れを調節する。
【００４３】
図１にも示したように、回生制動システム９０が第５の結線２５を介してパワー電池３０へ接続してある。車両の制動中は、回生制動システム９０は当分野で周知の如く、走行車両からの動力学エネルギを電気エネルギへ変換する。回生制動システム９０は、この再捕捉電気エネルギを第５の電流Ｉ−５と第５の電圧Ｖ−５でもって第５の結線２５を介して好ましくはパワー電池３０へ給送する。
【００４４】
一実施形態では、コントローラ６０はスイッチ２６を介する等で第１の電流Ｉ−１と第１の電圧Ｖ−１を制御することにより第１の結線２１上のエネルギ流を制御する。例えば、スイッチ２６を開閉するコントローラにより、コントローラ２０は一方の電池から他方へのエネルギ流を制御することができる。この種スイッチ２６が素早く動作できかつ電流の流れ制御が比較的高効率で達成できるよう、コンデンサやコイルや他の構成要素を含めることができることは当分野では周知である。例えば、電気エネルギがより高圧電源からより低圧受容体へ流れるとき、スイッチ２６は「バック」モードで動作すると言われる。電源電圧が受容体の電圧よりも低い場合、スイッチ２６は「ブーストモード」で動作すると言われる。これらのモードの一方或いは他方（又はいずれも）で動作するスイッチ設計は当分野では周知であり、従ってここでは長々と説明はしない。
【００４５】
この好適な実施形態では、エネルギ電池２０はエネルギ電池２０がその有効容量の末期にあるときでさえパワー電池３０の電圧よりも概ね若干高くなるよう構成してある。こうして、スイッチ２６はコストならびに効率の理由から好適であるバックモードで常に動作するよう設計できるが、エネルギの流れをエネルギ電池２０からパワー電池３０へ一方向へ制限する。この制限があることで、回生制動サージ電力のパワー電池３０への給送が予想される時はいつも、パワー電池３０は好ましくは過充電となることなくこのエネルギを受け入れるに十分なほど低容量状態にあり、負荷特性は好ましくはこの状況がパワー電池３０によるエネルギ電池２０の再充電を必要とすることなく維持できるようにする。エネルギ貯蔵装置１５を電気車両内に使用すると、回生制動システム９０により戻されるエネルギは加速用に先に供給されたエネルギよりもほぼ常に低いものとなる。それ故、パワー電池３０内の充電容量の状態を維持して回生制動システムからの大半のバースト電力に対応することが概ね可能である。
【００４６】
別の実施形態では、例えばパワー電池３０が回生制動システム９０による等で過充電された場合に、スイッチ２６はバックモードとブーストモードで動作してパワー電池３０がエネルギ電池２０を再充電できるようにする。
【００４７】
図１はまた、外部電源８から貯蔵装置１５を再充電するのに用いる再充電器５０を示している。再充電器５０は、コネクタ１６，１７，１８を介してエネルギ貯蔵装置１５へ接続可能である。
【００４８】
好適な実施形態では、エネルギ貯蔵装置１５を用いて車両（図示せず）内の電動モータ１００に給電する。この装置１５は、車両内に収容されよう。エネルギ電池２０は、車両走行時でもほぼ連続的にパワー電池３０を再充電することとなろう。
【００４９】
これらの外部電源８は概ね固定されているため、装置１５の回生は車両の静止時に概ね生ずることになる。この場合、再充電器５０は固定場所に配置することもでき、水力発電源等の外部電源８からエネルギ貯蔵装置１５の回生用に電力を供給することになる。
【００５０】
コネクタ１６，１８は、再充電器５０からエネルギ電池２０とパワー電池３０へ個別にエネルギを供給する。図１に示す如く、再充電器５０は本実施形態では非水性リチウムイオン電池２０であるエネルギ電池２０へコネクタ１６が形成する第３の結線２３を介して電力を供給する。第３の結線２３が、エネルギ電池２０の再充電特性を満たすよう選択された第３の電圧Ｖ−３と第３の電流Ｉ−３にて電力を供給することになる。同様に、再充電器５０はコネクタ１８が形成する第４の結線２４を介してパワー電池へ電力を給送することになる。第４の結線２４はパワー電池３０の再充電特性を満たすよう選択された第４の電圧Ｖ−４と第４の電流Ｉ−４にて電力を供給することになる。こうして、再充電器５０はエネルギ電池２０とパワー電池３０を両方同時に再充電することができる。
【００５１】
コントローラ６０を結線１７を介して再充電器５０に接続し、コントローラ６０に電圧Ｖ−３，Ｖ−４と電流Ｉ−３，Ｉ−４を制御させるようにできる。コントローラ６０は電圧Ｖ−３，Ｖ−４と電流Ｉ−３，Ｉ−４を制御し、電池２０，３０を効率的に再充電して障害のないよう保証する。
【００５２】
エネルギ電池２０は再充電により多くの時間を必要とするようであるが、それはより大きなエネルギ貯蔵及び動作容量を有し、コントローラ６０が概ね先ずパワー電池３０の再充電を停止する結果をもたらすからである。少なくともパワー電池３０がエネルギ電池２０により再充電できるが故に、再充電器５０がパワー電池３０を再充電しなければならない必要のないこともまた理解されたい。換言すれば、一実施形態ではエネルギ電池２０だけが再充電器５０を介して外部電源８により再充電され、続いてエネルギ電池２０がパワー電池３０を再充電する。本実施形態では、第４の結線２４の電圧Ｖ−４と電流Ｉ−４に関する関連制御回路網だけでなくコネクタ１８と第４の結線２４もまた不要であり、それによってコスト全体が低減される。しかしながら、コネクタ１８と第４の結線２４を再充電器５０からパワー電池３０へ直結させることは概ね好ましく、何故ならそのことで両電池２０，３０を同時に再充電させ、かくして装置１５の全体的な充電時間を減らすからである。
【００５３】
図２Ａは、パワー電池３０の時間に対する放電をプロットしたグラフを示す。図２に示す如く、本実施形態では好ましくは鉛蓄電池３０であるパワー電池３０の容量は、モータ１００が必要とする急激な電力バースト２１０に対応する刻みでもって減少する。急激な電力バースト２１０は、例えば慣性を克服して車両が静止状態から動いてまた加速するときの静止摩擦を克服するのに必要とされよう。しかしながら、これらの初期バースト２１０が一旦発生すると、たとえパワー電池３０がモータ１００へ電力を供給していようとも容量は増大し始め、何故ならリチウム電池２０が鉛蓄電池３０を連続的に再充電するからである。換言すれば、初期バースト２１０が発生した後にモータ１００が定常状態で動作して車両をほぼ一定の速度で動かすと、非水性リチウム電池２０はパワー電池３０がモータ１００へエネルギを供給するのを上回るレベルでパワー電池３０を再充電しなければならない。こうして、パワー電池３０の容量はそれが安定状態のモータ１００へエネルギを供給する際でさえ増加することがある。
【００５４】
図２Ａに文字「Ｒ」を付した時点で、鉛蓄電池３０を含む装置１５は再充電器５０により固定外部電源８から再充電されることになる。再充電期間中、図２Ａに参照符号２５０で示す如く、鉛蓄電池３０は再充電器５０により固定外部電源８から再充電され、かくしてその容量は増大することになる。
【００５５】
固定外部電源８から再充電する間、パワー電池３０は非水性リチウムイオンエネルギ電池２０によりほぼ連続的に再充電することができる。このほぼ連続的な再充電が、鉛蓄電池３０の容量を図２Ａに参照符号２２０で示した一時的水準へ増大させる。これらの水準２２０は、リチウムイオン電池２０を連続的に再充電しつつ鉛蓄電池３０が低電力レベルでモータ１００を給電していることを表わす。換言すれば、これらの水準２２０はエネルギがほぼパワー電池３０を介してエネルギ電池２０からモータ１００へ流れ込む安定状態レベルを表わす。図示はしていないが、これらの水準２２０は鉛蓄電池３０の満充電すなわち１００％容量レベルへ向け上方へ傾斜させることもできる。これは、エネルギ電池２０が必要レベルを上回る電流を供給してモータ１００に給電し、時間軸上の特定の瞬間にモータ１００の電力定格を上回る定格でパワー電池３０を再充電もすることを示すものとなろう。
【００５６】
図２Ｂは、時間に対するリチウムイオンエネルギ電池２０の容量を示す。図２Ｂに示す如く、エネルギ電池２０の容量は時間と共にかなり安定的に減少する。エネルギ電池２０の容量はパワー電池３０の急激な電力バースト２１０に対応するディップ２１２を有することがあるが、これらはパワー電池３０の容量ディップほど厳しいものではなく、それは少なくともエネルギ電池２０が大定格でエネルギを転送するよう設計されてはいないからである。同様に、図２Ｂに示した如く、エネルギ電池２０はパワー電池３０内の水準２２０に対応して電力の急峻さのより少ない減退を有することになる。これは、パワー電池３０がモータ１００に対しより低い電力レベルにて電気エネルギを供給していることを表わすものである。
【００５７】
時間とともに、鉛蓄電池３０の容量は図２Ａに示す如く減少することは明らかである。図２Ａの文字「Ｒ」を付した時点において、エネルギ電池２０を含む装置１５を再充電することになる。エネルギ電池２０の再充電は、図２Ｂ内に参照符号２５１により示してある。図２Ａに示す如く、再充電期間中はエネルギ電池２０の容量は満充電容量又はその近くまで徐々に増大する。
【００５８】
装置１５は通常、エネルギ電池２０の容量が文字「Ｌ」を付した図２Ｂ内の下側破線により概ね示される閾値未満に降下したときに再充電される。パワー電池３０の容量は計器パネルに示されかつ／又は警報をトリガするが、エネルギ電池２０の容量は装置１５を再充電しなければならない時点を割り出す主要な要素となろう。装置１５は、エネルギ電池２０の容量がその閾値に接近或いは達する時点を示す警報及び／又は計器パネル（厨子せず）で構成することができる。これは、例えば図２Ｂに文字「Ｒ」を付した時点で示してある。図２Ａと図２Ｂは、パワー電池３０とエネルギ電池２０の容量がほぼ同時により低い閾値に達することを示している。このことは必ずしも事実とは限らないが、むしろエネルギ電池の容量が装置１５を再充電しなければならない時点を割り出す主要な要素となろうことは理解されたい。両電池２０，３０に関する下側の閾値をエネルギ電池３０及び／又はパワー電池３０に対する障害或いは劣化を防止するよう選択することもまた、理解されたい。
【００５９】
従って、前記したエネルギ貯蔵装置１５を用いることで、高エネルギ密度エネルギ電池２０から低エネルギ密度パワー電池３０へ、続いてモータ１００である電気負荷へエネルギを供給することができる。こうして、低エネルギ密度パワー電池３０は実質一時的にエネルギ電池２０からのエネルギを蓄え、負荷１００が必要とする定格でエネルギを供給する。高エネルギ電池３０は、車両用の電気エネルギを効率的に蓄えることができる。
【００６０】
従来の鉛酸エネルギ貯蔵装置を有する車両と本発明のエネルギ貯蔵装置１５を有する車両の比較例をここで提供し、本発明をさらに説明し図示することにする。
【００６１】
先ず、９６ボルトＤＣモータ付きの従来の被変換電気車両（スズキモータ／ＲＥＶコンサルティング）に総重量５２３ｋｇで２２５リットルの体積を占め、２３．４キロワット時で２０時間定格の公称容量を有する１６個の高品質６ボルト鉛電池（商標名Ｔｒｏｊａｎ）の単一の直列接続バンクを装備させた。重量と容積は電池自体のものであり、電池を装着収容して冷却するのに用いる支持体構造及びハウジングの重量と容積は含まない。性能は受け入れることができるであるが、車両航続距離は充電ごとに約７０キロメートルに制限された。６０Ｋｍ／ｈ定速での車両に伴う平均モータ電流は、約４０アンペアであった。かくして、この電池の公称容量の下半分を十分利用することもできる。ピークモータ電流は、加速期間中は４４０アンペアであった。
【００６２】
車両の動力系はそこで、図１に概ね示した本発明の一実施形態に従ってエネルギ電池２０とエネルギ電池３０でもって再構成した。エネルギ電池２０は、直列接続した公称電圧９６ボルトの８個の１２ボルト自動車用鉛電池（商標名Ｉｎｔｅｒｓｔａｔｅ）で構成してある。これらの電池は容量については定格をもたないが、５２５アンペアのクランキング電流定格と４２０アンペアの低温クランキング電流定格を有する。この電池の最大電圧は、満充電で約１１０ボルトであった。エネルギ電池は、それぞれ１１．４アンペア時容量で、最大定格電流能力が４アンペアで、公称電圧が３．６５ボルト（カナダ国トロント市エレクトロバヤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｖａｙａ）社が製造）の４８０個のリチウムイオン高分子セルの直列／並列配置で構成してある。グループ内の１２個の並列セルと４０個のグループを直列にすることで、電池は約１６０ボルトの最大満充電電圧と約１２０ボルトの放電時最小電圧を有した。
【００６３】
鉛パワー電池３０とリチウムエネルギ電池２０には、１１５ｋＨｚで動作し約９０％の効率をもたらすバックモードスイッチが接続してあった。スイッチコントローラ６０は、エネルギ電池２０が７５％容量に降下したときにエネルギ電池２０（パワー電池３０を充電）から４０Ａの電流を流すよう設定され、パワー電池３０が８０％充電容量に達したときに電流の流れを停止する。エネルギ電池３０は最大定格電流２０アンペアの２２０ボルト単相６０Ｈｚ電源を用いて外部電源８から充電することもでき、当分野で周知の自動トランスや整流器やフィルタを用いて制御した。エネルギ電池２０の充電期間中、充電電流が１８アンペア未満に止まるよう電圧を制御し、セル群電圧を充電末期近くで注意深く監視してセル群電圧が決して４．２０ボルトを上回らないようにした。
【００６４】
動作時に、モータへの電流は急速な加速期間中に最大で３８５アンペアに達した。回生制動期間中、パワー電池に戻される電流は最大１１２アンペアに達したが、急停止期間中の数秒に過ぎなかった。通常の駆動期間中の平均モータ電流は、４０アンペアに若干満たないものであった。パワー電池は大電流パルスを簡単に供給し、ごく僅かな過電圧でもって回生制動パルスを受け入れた。満充電時、車両は約１８０ｋｍ駆動することができ、その後にエネルギ電池は再充電を必要とした。車両の性能は、反復再充電及び使用後でさえ劣化するようには見えなかった。
【００６５】
エネルギ電池２０の重量は１０３ｋｇあり、一方でパワー電池は１０５ｋｇあり、全体で約２１０ｋｇであった。エネルギ電池が占める体積は５０リットルであり、パワー電池は６０リットルであり、全体では１１０リットルであった。これらの重量と体積はここでも、改善されたシステムにあってはより軽量かつ小型の電池システムが故にそれ自体を軽量かつ小型にし得る装着・収容・冷却系を含んでいない。
【００６６】
かくして、本発明の複合或いは混成電池貯蔵装置１５はそれが置換した従来の単一バンク電池よりもずっと軽量でかつずっと小型でずっと効果的であった。本例のエネルギ電池２０は４８アンペア（それぞれ４アンペアで１グループ１２個の並列セル）の定格電流を有し、パワー電池３０が給送しモータ１００が要求する３８５アンペア加速パルスを恐らくは給送し得ない。しかしながら、従来の単一バンク電池により図示したパワー電池３０はずっと重量がありより大きいものであった。かくして、本発明の貯蔵装置１５は従来の単一バンク電池を上回る幾つかの便宜をもたらした。
【００６７】
さらなる実施形態では、コントローラ６０は「固有制御」を用い、電池２０，３０とモータ１００等の負荷との間で電気エネルギの流れを制御する。本実施形態では、コントローラ６０は先ずパワー電池をエネルギ電池と並列に配置するよう動作することができる。さらにまた、本実施形態では、コントローラ６０は両電池２０，３０をモータ１００に並列に配置することができる。これは、例えば図３と、図４の電気系統線図に示してある。
【００６８】
好適な実施形態では、パワー電池３０とエネルギ電池２０は並列であり、これが故にモータ１００は所定環境下で両方から電流Ｉ−１，Ｉ−２を当時に受給することが可能である。さらにまた、二つの電池２０，３０の電圧はそれらが並列接続してある時点で同一となる筈である。従って、電圧Ｖ−１，Ｖ−２は名目上互いにほぼ等しく、モータ１００に供給される電流はＩ−２にＩ−１を加えたものとなろう。
【００６９】
パワー電池３０が、パワー電池３０内のセル数やパワー電池３０の各セルの概括インピーダンスやパワー電池３０の総括インピーダンスやパワー電池３０の充電レベルやパワー電池３０の温度や経年数等の幾つかの条件によって変化する第１の範囲の電力定格で電気エネルギを供給し得ることもまた理解されたい。同様に、エネルギ電池２０はエネルギ電池２０内のセル数やエネルギ電池２０の各セルの概括インピーダンスやエネルギ電池の総括インピーダンスやエネルギ電池２０の温度や充電レベルや経年数等の幾つかの条件によって同様に変化する第２の範囲の電力定格で電気エネルギを供給することもできる。
【００７０】
現在の文脈では、用語「概括インピーダンス」は各電池のセル内の化学反応から生ずるインピーダンスを指す。鉛セル等の水性電池の概括インピーダンスは、リチウムイオンセル等の非水性電池の概括インピーダンスの概ね１０％であろう。現在の文脈で使用する用語「総括インピーダンス」は、単一のセルの概括インピーダンスではなく、全てのセルを含む電池全体のインピーダンスを指す。かくして、リチウムイオン電池に比較してより小型の鉛蓄電池を用いた場合、そのときはより小型のパワー電池３０の総括インピーダンスは上昇し、より大型のリチウムイオンエネルギ電池３０の総括インピーダンスは減少することになる。極端な場合、エネルギ電池２０が多数のリチウムセルを有し、リチウムセルの概括インピーダンスに依存する場合、リチウムイオンエネルギ電池の総括インピーダンスはより少数のセルを有してより高い定格で駆動するずっと小型の鉛蓄電池の総括インピーダンスよりもずっと大きいものとはならないであろう。
【００７１】
従って、二つの電池２０，３０を並列接続したときに、それらが第１の範囲の電力定格と第２の範囲の電力定格の組み合わせでモータに対し電気エネルギを供給するのに使用できることは理解されたい。パワー電池３０は通常はより低い総括インピーダンスを有するため、パワー電池３０はエネルギ電池２０よりも素早くモータ１００へ電力を供給することになる。これが故に、パワー電池３０は概ねより素早く放電されることになる。このことで、エネルギ電池２０はパワー電池３０のほぼ連続的な再充電を招くことになる。
【００７２】
この構成を容易にすべく、電池２０，３０は全てのセルにかかる電圧総体が名目上ほぼ等しくなるよう構成することが好ましい。こうして、電池が臨界電圧未満に行かないことを条件に、二つの電池にかかる電圧が等しくなり、Ｖ−１は名目上ほぼＶ−２に等しくなるようになる。本実施形態では、電池２０，３０が互いに並列のままであることを条件に、電力流と電流Ｉ−１，Ｉ−２及び電圧Ｖ−１，Ｖ−２は以下により詳細に説明する如く固有制御を受ける。
【００７３】
好適な実施形態では、固有制御を容易にするため、パワー電池３０の総括インピーダンスはエネルギ電池２０の総括インピーダンスの１０％〜６０％としてある。より好ましくは、パワー電池３０の総括インピーダンスは３５％〜５０％の範囲にあり、さらにもっと好ましくは約４０％である。電池２０，３０に関するこの総括インピーダンス比はエネルギ電池２０とパワー電池３０、特にリチウムイオンエネルギ電池２０と鉛パワー電池３０の最良の固有制御をもたらすことが判っている。
【００７４】
パワー電池３０がより低いエネルギ密度を有するであろうが故に、それはまた概ねより低い総括インピーダンスを有し、かくしてパワー電池３０は通常特にモータ１００により電池２０，３０に対し大きな要求が課せられたときにより大きな電流Ｉ−２を供給することになる。さらにまた、大きな要求が発生すると、エネルギ電池２０からの追加の電力ならびに電流Ｉ−２がモータ１００の要件を満たす方向へ行く。セルの固有の概括インピーダンスと電池２０，３０の電圧及び電流供給能力の関数でもある電池２０，３０の総括インピーダンスと同様、それらが電力を供給することのできる電流及び電圧等の電池２０，３０の固有特性が故に、これは固有に生起する。
【００７５】
図３は、エネルギ電池２０とパワー電池３０の間の並列結線を示す。スイッチ２６は、スイッチ２６の存否を表わす破線で示してある。スイッチ２６は必ずしも必要とはされないが、装置効率を改善しかつ／又はエネルギ電池２０やパワー電池３０に対する障害を防止すべく、スイッチ２６を用い得ることも可能である。電池を並列構成に配置すると、コントローラ６０は図３に示すように負荷１００と並列に電池２０，３０を接続するようスイッチ２６を制御するのに用いることができる。さらにまたスイッチ２６は、製造時及び／又は電池２０，３０を並列配置すべく電圧Ｖ−１又はＶ−２が臨界電圧未満へ行く場合に使用し得る。スイッチ２６に加え或いはこれに置き換え、ダイオードやヒューズや他の電気要素を用い、電池２０，３０と負荷１００を保護及び／又は制御することもできる。加えて、図６に示し以下にさらに詳しく説明する如く、満充電リチウムイオンエネルギ電池２０の名目放電鉛パワー電池３０への直接接続でさえ電池２０，３０の固有特性に応じて可能となろう。
【００７６】
リチウムイオン電池エネルギ電池２０と鉛パワー電池３０を用いる固有制御の一例を、ここに提供する。上記の如く、４．２ボルトの公称電圧を有する幾つかのリチウムイオン電池は、電圧Ｖ１を有するエネルギ電池２０を提供するよう直列配置することができる。同様に、幾つかの鉛蓄電池を直列に配置し、電圧Ｖ２を有するパワー電池３０を提供することができる。
【００７７】
固有制御を用いるこの好適な実施形態では、エネルギ電池２０とパワー電池３０にかかる電圧は名目上はほぼ等しい。一例になるこの好適な実施形態では、それぞれが１０．５Ｖ〜１３Ｖの公称電圧を有する８個の直列鉛蓄電池を使用している。こうして、パワー電池の公称電圧Ｖ２は８４Ｖと１０４Ｖの間となろう。同様に、それぞれ公称電圧が３Ｖ〜４．２Ｖの２７個の直列リチウム電池を用い、約８１Ｖ〜１１３．４Ｖのエネルギ電池２０用に公称電圧Ｖ−１を供給することができる。こうして、満充電時の二つの電池２０，３０の公称電圧範囲を８４Ｖ〜１０４Ｖの範囲等で好ましくはほぼ重複させ、それによって二つの電池２０，３０の並列接続を容易にする。さらにまた、本実施形態では、パワー電池３０は０乃至４０ｋＷ〜６０ｋＷ等の第１の範囲の電力定格で電気エネルギを供給することもでき、その範囲は上記に概説した条件の数に従って変化しよう。同様に、エネルギ電池２０は０乃至８ｋＷ〜１６ｋＷの第２の範囲の電力定格で電気エネルギを供給することもできるが、この範囲もまた前記した如く変化することになる。それ故、モータ１００等の負荷が大量の電力を必要とする状況にあっては、電池は共に０乃至８ｋＷ〜１６ｋＷ、０乃至４０ｋＷ〜６０ｋＷ、全体で０乃至４８ｋＷ〜７６ｋＷの範囲でエネルギを供給する。しかしながら、一般にパワー電池３０がそのより低い総括インピーダンスが故に負荷に対しより容易に電力を供給するようになることは理解されたい。
【００７８】
固有制御を用いるさらなる例では、公称電圧１０．５Ｖ〜１３Ｖ用に１０個のセルを有する単一鉛パワー電池３０は公称電圧９Ｖ〜１２．６Ｖ用に直列接続された３個のリチウムセルに並列接続してある。これは、例えば自動車よりも低い可変電力要求を有し、パワー電池３０にて使用し得る鉛蓄電池やニッカド等の他種の電池以外のより小型のエネルギ電池２０及びパワー電池３０により駆動し得る電動自転車や障害者用スクータ等のより小型の車両に用いることもできる。
【００７９】
図４は、固有制御を用いるさらなる好適な実施形態になる図３に示した電気システムの電気系統の接続線図を示す。図４に示す如く、鉛パワー電池３０は負荷１００に対しリチウムイオンエネルギ電池２０と並列に接続してある。図４はまた、スイッチＳ１，Ｓ２を介してエネルギ電池２０とエネルギ電池３０に接続した外部電力結線８を示している。スイッチＳ１，Ｓ２は、再充電器５０を装置１５へ接続するよう図３に示した結線１６，２４に対応する。加えて、再充電器回路６００も配設できるが、それは明瞭さに配慮し図４には図示していない。
【００８０】
動作時、固有制御を利用する図４に示した好適な実施形態はエネルギ電池２０の電圧Ｖ１を当初パワー電池３０の電圧Ｖ２に名目上ほぼ等しくすることで動作する。こうして、Ｖ１はＶ２に名目上ほぼ等しくなり、エネルギ電池２０はパワー電池３０に並列接続され、負荷１００にも接続される。さらにまた、好適な実施形態では、エネルギ電池３０の総括インピーダンスは１０％〜６０％の間にあり、好ましくはエネルギ電池２０の総括インピーダンスの３５％〜５０％となろう。動作期間中、スイッチＳ１，Ｓ２が開成し、再充電器５０が装置に接続されなくなることを表わすことが想定される。
【００８１】
エネルギ電池２０とパワー電池３０は共に、それらの電圧を等しく保つたべく謹んで電流Ｉ１，Ｉ２を供給する。さらにまた、エネルギ電池３０がより低い総括インピーダンスを有するが故に、それが鉛蓄電池である一実施形態の如きエネルギ電池３０はより大きな電流Ｉ２を供給し、この電流Ｉ２は負荷１００の異なる電流要件に応えるべくもっと変動することがある。しかしながら、負荷１００の電力要件は負荷１００が大電力要件にて動作しているときのエネルギ電池２０とパワー電池３０の両方により供給できることは理解されたい。換言すれば、本実施形態では電流Ｉ１，Ｉ２とかくして電力をエネルギ電池２０とパワー電池３０から受給するが、異なる比率でもってである。さらにまた、エネルギ電池３０からの電流Ｉ２、かくして電力はより変動し、それによって負荷１００に対する異なる電流及び電力要件に応えることを理解されたい。
【００８２】
エネルギは、少なくとも上記した理由から、エネルギ電池２０からよりもパワー電池３０からの方がより速く受給できることは、理解されたい。従って、パワー電池３０が蓄えるエネルギが低下し、パワー電池３０の電圧Ｖ２の対応低下を招くことがある。これが発生すると、エネルギ電池２０からの電流Ｉ１はエネルギ電池３０に受給され、パワー電池３０の充電を支援する。このことは、例えば負荷１００が動作していないときでさえ起き得る。
【００８３】
図５は、時間に対するリチウムイオンエネルギ電池２０と鉛パワー電池３０の電圧を示すグラフのプロットを示す図である。図５はまた、水平軸上の時間に対する負荷、本例ではモータ１００に向けて印加するアンペア単位の合成電流を示している。特に、モータは時刻Ｔ０でオンし、時刻Ｔ１でオフすることに留意されたい。さらにまた、モータは時刻Ｔ２においてオンされ、続いて時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３の間でオンとオフを繰り返す。
【００８４】
図５に示す如く、負荷に印加される電流は、負荷がＴ０でオンし続いて４０アンペア未満の値で一様レベルになったときに先ず急変する。同様に、リチウムイオン電池２０とパワー電池３０の電圧は当初はそれぞれ１１ボルトと９ボルトを超えるに過ぎないが、負荷１００がオンして電池２０，３０により高い要求が課されたことが示されると増大する。特に、リチウムイオン電池の電圧は百分比で約１０％増大し、その一方でパワー電池３０の電圧はそれよりもずっと少量増大し、リチウムイオン電池２０の総括インピーダンスがパワー電池３０のそれをずっと上回ることを示す。リチウムイオン電池２０がパワー電池３０よりも一貫して約２ボルトだけ高い電圧を有するが故に、リチウムイオン電池がたとえ負荷１００が動作していないときでも鉛蓄電池をほぼ連続的に再充電することになることもまた、明白である。
【００８５】
図６は鉛蓄電池３０に対するリチウムイオンエネルギ電池２０の初期接続を示すものである。図６中、リチウムイオン電池が公称範囲内でほぼ満充電されているときは、鉛蓄電池は公称範囲内でほぼ満充電される。図６に示す如く、初期接続時には、リチウムイオン電池から鉛パワー電池３０へ３５アンペアまでの増大した電流が存在する。リチウムイオン電池の電圧の初期低下と鉛蓄電池の短期の初期増加もまた存在する。しかしながら、時間の経過とともに、追加の電流はリチウムイオン電池から鉛蓄電池へ流れ、リチウムイオン電池が鉛蓄電池をほぼ連続時に充電していることを示す。
【００８６】
図７は、図７の鉛蓄電池が接続時に名目上は放電していない点を除き、図６と同様である。図７に示す如く、リチウムイオン電池から鉛蓄電池への電流はリチウムイオン電池が鉛蓄電池をほぼ連続的に再充電する際に約２０アンペアからほぼ０アンペアへ向け減衰する。リチウムイオン電池の電圧は鉛蓄電池を概ね常に上回っており、リチウムイオン電池から鉛蓄電池への正の電流が存在し、リチウムイオン電池が鉛蓄電池３０がほぼ連続的に再充電していることを示していることに留意されたい。
【００８７】
本発明の電池貯蔵装置１５のさらなる利点は、二つの電池２０，３０の配置の柔軟性により提示される。大電流パルスを供給するパワー電池３０は、好ましくはモータ近くに配置して高価でかつ重量のある抵抗結線の長さを最小化する。元来の従来車両では、その大きさと重量が故に電池全体をモータ近くに配置することは出来ず、それ故に別のコストと総重量にて追加のケーブルが必要であった。再構成された車両では、パワー電池３０をモータ１００の近くに配置し、第２の結線２２に沿う重量のある高価なケーブルに関連するコストと重量を低減する。しかしながら、その比較的低電流を伴うエネルギ電池２０はパワー電池３０への第１の結線２１に関しより軽量でかつ安価なケーブルを用いることができ、かくして重量のある高価なケーブルを必要とすることなくモータ１００とパワー電池３０から遠くに配置することができる。
【００８８】
本発明はエネルギ電池２０が非水性リチウムイオン電池である好適な実施形態として説明してきたが、エネルギ電池２０はこの種電池に拘束されないことは理解されたい。むしろ、例えばナトリウム−硫黄電池やリチウム空気電池や化学的等価物等のパワー電池のエネルギ密度を上回るエネルギ密度を有する任意種の電池を用いることもできる。好適な実施形態のうちの一つにあっては、エネルギ電池２０を各種形状に成形し、かくしてエネルギ貯蔵装置１５の有効体積を低減できる高分子リチウムイオン電池で構成する。
【００８９】
同様に、本発明は鉛蓄電池３０を備えるパワー電池３０として説明してきたが、本発明はこれに限定はされない。むしろ、リチウム電池等のエネルギ電池２０により再充電することができ、負荷１００が要求する異なる定格で電気エネルギを供給することのできる任意種のパワー電池３０を例えば大定格リチウム或いはリチウムイオン電池や大定格ニッケル水素電池等に用いることができる。
【００９０】
電池が一般に１以上のセルを有するとしても、本願明細書では用語「セル」と「電池」を相互交換可能に用いてきたことは理解されたい。これは、エネルギ電池２０とパワー電池３０が共に電池又はセルであることを反映するものである。さらにまた、上記に与えた例を含む本出願において引用する「セル」は並列セルバンクを含むことを意図するものである。例えば、２７個のリチウム電池を直列接続するとの引用箇所は、互いに並列接続したバンク内の２以上のセルと併せ２７個のリチウム電池バンクの直列接続もまた含む。
【００９１】
本発明が図１に示す如く、装置１５を駆動する上で当分野では周知であるが明瞭さに配慮して省略したフィルタやコンデンサやコイルやセンサを含む他の装置や構成要素を含ませることができることもまた、理解されたい。また、たとえ好適な実施形態が負荷について電気車両内のモータであると説明してきても、負荷１００は異なる定格で電力を受給する任意種の電気負荷にできることもまた理解されたい。この点に関し、電気自動車が自動車やトラックやオートバイや電動自転車を含む任意種の車両とすることができることは理解されたい。
【００９２】
本発明の様々な特徴を本発明の一又は別の実施形態について説明してきたが、本発明の様々な特徴と実施形態は本願明細書に説明し図示した本発明の他の特徴や実施形態と併せ組み合わせたり使用したりできる。
【００９３】
本開示は特定の好適な実施形態を説明し図示してきたが、本発明はこれらの特定の実施形態に拘束されるものでないことは理解されたい。むしろ、本発明は本願明細書に説明し例示した具体的実施形態ならびに特徴の機能的又は電気的或いは機械的等価物である全ての実施形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００９４】
８  外部電源
１５  エネルギ貯蔵装置
１６，１７，１８  コネクタ
２０  リチウムイオン電池（エネルギ電池）
２１  第１の結線
２２  第２の結線
２３  第３の結線
２４  第４の結線
２５  第５の結線
２６  スイッチ
３０  鉛蓄電池（パワー電池）
５０  再充電器
６０  コントローラ
９０  回生制動システム
１００  モータ（負荷）
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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