(57)【要約】【課題】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、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。【解決手段】実施形態の蓄電池装置は、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、当該蓄電池装置において通常使用時に管理される制御ＳＯＣ範囲のうちＳＯＣ中心値を含む所定のＳＯＣ中心範囲内に相当する電圧値範囲内に通常使用時における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、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設定されている。【選択図】図１
2019017124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
当該蓄電池装置において通常使用時に管理される制御ＳＯＣ範囲のうちＳＯＣ中心値を含む所定のＳＯＣ中心範囲内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ている、
蓄電池装置。
【請求項２】
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、前記電圧値範囲及び前記制御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記載の蓄電池装置。
【請求項３】
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２記載の蓄電池装置。
【請求項４】
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３のいずれか一項記載の蓄電池装置。
【請求項５】
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４記載の蓄電池装置。
【請求項６】
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５のいずれか一項記載の蓄電池装置。
【請求項７】
前記蓄電池装置の容量は、前記鉛蓄電池装置の容量の１／２以下に設定されている、
請求項６記載の蓄電池装置。
【請求項８】
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、
ＬｉａＮｉｂＣｏｃＭｎｄＯ２
（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２記載の蓄電池装置。
【請求項９】
発電装置を備えた車両に搭載された鉛蓄電池と、前記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あって、
前記蓄電装置は、想定される通常使用時のＳＯＣ範囲に相当する電圧範囲が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及び前記通常使用時における前記鉛蓄電池の放電終止時の開路電圧で規定される電圧範囲となるように設定されている、
蓄電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蓄電池装置及び蓄電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０３８０９９号
【特許文献２】国際公開第２０１４／０３８１００号
【特許文献３】特開２０１４−２００１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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装置及び蓄電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の蓄電池装置は、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、当該蓄電池装置において通常使用時に管理される制御ＳＯＣ範囲のうちＳＯＣ中心値を含む所定のＳＯＣ中心範囲内に相当する電圧値範囲内に通常使用時における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、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設定されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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】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】図３は、エンジン始動時の動作説明図（その１）である。
【図４】図４は、エンジン始動時の動作説明図（その２）である。
【図５】図５は、エンジン始動後の動作説明図（その１）である。
【図６】図６は、エンジン始動後の動作説明図（その２）である。
【図７】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】図８は、実施形態の変形例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
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。
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。
【００１１】
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ＬｉａＮｉｂＣｏｃＭｎｄＯ２（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。
【００１２】
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ＬｉａＮｉｂＣｏｃＭｎｄＯ４（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。
【００１３】
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３〜５０ｍ２／ｇの範囲であるようにすることが望ましい。
【００１４】
さらに、リチウムチタン酸化物は、Ｌｉ４＋ｘＴｉ５Ｏ１２（ｘは−１≦ｘ≦３）もしくはＬｉ２＋ｘＴｉ３Ｏ７（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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
初期状態においてＥＣＵ１７のオルタネータ（ＡＬＴ）発電要求信号ＳＡＬＴ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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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ＳＡＬＴ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。
【００３２】
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。
【００３３】
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ＳＡＬＴ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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ＳＡＬＴを発電側としてエンジン１１を始動する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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、特許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。
【符号の説明】
【００４６】
１０    車両用蓄電池システム
１１    エンジン
１２    オルタネータ
１３    スタータ
１４    鉛バッテリ
１５    リチウムイオンバッテリ
１６    車載電装品
１６Ａ  第１車載電装品
１６Ｂ  第２車載電装品
１７    ＥＣＵ
１８    スイッチ
ＳＡＬＴ  オルタネータ発電要求信号
【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】
2019017124.tif 000007
【図６】
2019017124.tif 000008
【図７】
2019017124.tif 000009
【図８】
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