(57)【要約】【課題】  充電率が低下してもできるだけ高い開放電圧による出力を維持しながら、充電率をできるだけ精度よく推定することができるバッテリを提供する。【解決手段】  バッテリ３は、開放電圧と充電率との特性が互いに異なる第１セル３Ａと第２セル３Ｂとを組み合わせてなり、第１セル３Ａは少なくとも１個で、かつ第２セル３Ｂより少ない数とし、第１セル３Ａおよび第２セル３Ｂの高開放電圧領域Ｈにおける、第１セル３Ａでの開放電圧の変化に対する充電率の変化を、第２セル３Ｂでの開放電圧の変化に対する充電率の変化より小さくなるように設定した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを組み合わせてなるバッテリにおいて、
前記セルを、開放電圧と充電率との特性が互いに異なる第１セルと第２セルとから構成し、
前記第１セルは少なくとも１個で、かつ前記第２セルより少ない数とし、
前記第１セルおよび第２セルの高開放電圧領域における、前記第１セルでの開放電圧の変化に対する充電率の変化を、前記第２セルでの開放電圧の変化に対する充電率の変化より小さくなるように設定した、
ことを特徴とするバッテリ。
【請求項２】
請求項１に記載のバッテリにおいて、
前記第１セルは、１個である、
ことを特徴とするバッテリ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のバッテリにおいて、
前記第１セルは、この開放電圧が推定されて、該開放電圧に基づく前記バッテリの充電率の推定に用いる、
ことを特徴とするバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車の電源等として用いられ、複数のセルを組み合わせたバッテリに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、電気自動車やハイブリッド電気自動車などでは、これらの車両を駆動するのに用いられる電気モータへ電力を供給（放電）したり、制動時のエネルギを発電機として機能させる電気モータから、あるいは地上に設置した電源から充電して電気エネルギを蓄積したりするため、リチャージャブル・バッテリ（二次電池）が用いられる。
【０００３】
この場合、長期にわたってバッテリを最適な状態に保つためには、バッテリの状態、とりわけ充電率（SOC:  State of Charge）を常にモニタしてバッテリ・マネージメントを行う必要がある。ところが、バッテリを用いる場合、その充放電・蓄電が化学的作用によるので、間接的にバッテリの状態を推定せざるを得ない。この推定方法としては、推定したバッテリの開放電圧と充電率との関係から充電率を推定するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。開放電圧と充電率との関係は、温度や電池の劣化に影響されにくいことからよく利用されており、これら間のデータがあらかじめ実験によって求められている。ここで、開放電圧を推定するには、ある一定時間経過したとき検出したバッテリの端子電圧を開放電圧として求める方法や、バッテリ回路モデルを用いてモデルのパラメータ（状態量としての開放電圧等）を逐次更新・推定することで開放電圧を推定する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のバッテリには以下に説明するような問題がある。
電気自動車の電気モータを駆動するには、それなりの大きな電力（電気エネルギ）をバッテリから供給することが必要である。この電気モータのように大きい電気エネルギを必要とするデバイスに用いるバッテリは、エネルギ密度の大きいバッテリが望ましい。
ここで、電力は電流と電圧の積に等しいことから電圧は高い方が望ましく、電気自動車を駆動する交流モータに必要な電圧は、一般的に数百ボルト（たとえば、普通乗用車用では２８８Ｖ、大型車用では３００〜４００Ｖ程度）に設定されている。
【０００６】
一方、このような高エネルギ密度のバッテリ(組電池)を得るにあたっては、セル（素電池）では１個当たり数ボルトの出力しかない（出力は電極材料や電解質の選択と構造で自動的に決まってしまう）ことから、セルをたとえば１００個程度、直列につないでユニット化して用いることになる。
また、このような高エネルギ密度のバッテリ、したがってセルとしては、使用によって充電率が低下して行っても、できるだけ高い電圧値を確保し続けることができる方が望ましい。
言いかえると、このようなセルの開放電圧−充電率特性は、高い開放電圧値を保つ高開放電圧側領域にあって、開放電圧に対する充電率の変化が大きくなるものの方が、出力可能な電圧値を一定に保てるという意味で望ましいこととなる。なお、ある程度時間が経過すると端子電圧値は、開放電圧値とほぼ等しくなる。
【０００７】
このような開放電圧−充電率特性を有するセルにおける開放電圧と充電率との関係の例を、図３に示す。この図にあっては、横軸に開放電圧値OCV[単位はＶ]を、また縦軸に充電率SOC［単には％］を示す。また同図中、Ｈは通常使用する高開放電圧側領域を、Ｌは開放電圧が低下気味の低開放電圧側領域を表わす。
【０００８】
同図において、上記高エネルギ密度のセルの開放電圧−充電率の関係を表わす特性曲線をＣＢで示す。
この特性曲線ＣＢは、高開放電圧側領域Ｈでは傾きが急になるように設定してあり、したがって低開放電圧側領域Ｌではその傾きが緩やかになる。
すなわち、通常使用する高開放電圧側領域Ｈでは、セルの使用により充電率SOCが低下しても開放電圧値OCVの低下幅は小さい。したがって、長期間にわたって電気モータ等へ高い電圧を供給しつづけることができることとなる。
【０００９】
ここで、バッテリのセルをできるだけ最適な状態に保つとともに電気モータ等を最適に制御するには、バッテリの充電率SOCを把握しておく必要があり、そのためには、開放電圧値SOCをバッテリへの充放電電流値、端子電圧値などから推定し、この推定開放電圧値を用いてあらかじめ計測して得た開放電圧−充電率の関係から充電率を求めることになる。
しかしながら、開放電圧値OCVは推定値に過ぎないため、推定誤差が入り込むのを避けることができず、図３から分かるように、高開放電圧側領域Ｈにおける特性曲線ＣＢの傾きが急なため、開放電圧値OCVの変化分ΔＶ１に対する充電率SOCの変化分ΔＳ１が大きくなる。これは開放電圧値OCVにわずかな推定誤差があっても充電率SOCが大きく変わることを意味し、したがって充電率SOCの推定精度が悪化してしまう。
【００１０】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、充電率が低下してもできるだけ高い開放電圧による出力を維持しながら、その場合にあってもバッテリの充電率をできるだけ精度よく推定することができるバッテリを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的のため、本発明によるバッテリは、
複数のセルを組み合わせてなり、
セルを、開放電圧と充電率との特性が互いに異なる第１セルと第２セルとから構成し、
第１セルは少なくとも１個で、かつ第２セルより少ない数とし、
第１セルおよび第２セルの高開放電圧領域における、第１セルでの開放電圧の変化に対する充電率の変化が、第２セルでの開放電圧の変化に対する充電率の変化より小さくなるように設定した、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のバッテリにあっては、開放電圧と充電率との特性が互いに異なる第１セルと第２セルを用い、数が少なく高開放電圧領域における開放電圧の変化に対する充電率の変化が小さい第１セルをバッテリの充電率を得るための開放電圧を推定するために用いるとともに、数が多く高開放電圧領域における開放電圧の変化に対する充電率の変化が大きい第２セルを負荷への主なる電力供給用として用いるようにしたので、バッテリの使用により充電率が低下しても、できるだけ高い開放電圧による出力を維持しながら、その場合にあってもバッテリの充電率をできるだけ精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１のバッテリおよびその周辺機器を示す機能ブロック図である。
【図２】実施例１のバッテリを用いた場合に得られる開放電圧−充電率との関係と、従来のバッテリを用いた場合に得られる開放電圧−充電率との関係との比較を示す図である。
【図３】従来のバッテリを用いた場合の問題点を説明するための開放電圧−充電率との関係との比較を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
まず、実施例１のバッテリの全体構成を説明する。
図１は、実施例１のバッテリ３の構成と、バッテリ３が接続されている周辺機器との関係を示す機能ブロック図である。
バッテリ３は、電気自動車やハイブリッド電気自動車などの車両に用いられる。このような車両には、電気モータ１、インバータ２、バッテリ３、コントローラ４が搭載され、車両駆動時にはバッテリ３から電気モータ１へ電力を供給（放電）したり、制動時には電気モータ１を発電機として機能させそのとき得た制動エネルギを電気エネルギとしてバッテリ３へ回収（充電）したり、あるいは地上に設置した電源からバッテリ３に充電したりする。
【００１６】
電気モータ１は、車両を駆動するものであって、たとえば三相交流モータが用いられ、インバータ２により駆動される。車体側に１個、あるいは各車輪に内蔵させるなど、いずれでもよい。
インバータ２は、たとえば、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（IGBT）などを用いた電力変換器であり、バッテリ３から供給される直流電流をパルス幅変調(PWM)制御により三相交流電流に変換して電気モータ１へ供給する。充電時には逆に、電気モータ１で発電した三相交流電流を直流電流に変換してバッテリ３に充電する。
【００１７】
バッテリ３は、１個当たりのセルの出力が小さいため、負荷が必要とする電力を得るため、複数のセルを直列に組み合わせて構成されている。本実施例では、バッテリ３は、たとえばリチウム・イオン・バッテリで構成されている。もちろん、複数のセルを用いるものであれば、他の種類のバッテリを用いても良いことは言うまでもない。なお、図１ではバッテリ３は電気モータ１のみ接続されているように描かれているものの、バッテリ３の負荷はこれに限られず、実際には図示を省略している他の車載機器にも接続されてこれらに電力を供給可能とされている。
【００１８】
本実施例にあっては、バッテリ３のセルは、開放電圧−充電率特性が互いに異なる２種類のセル、すなわち第１セル３Ａと第２セル３Ｂを有し、これらが直列に接続されて構成される、そして、第１セル３Ａは１個、第２セル３Ｂは９９個に設定されている。したがって、バッテリ３は、合計１００個のセルを有することとなり、これらは一つのパッケジに収められる。
【００１９】
これらの第１セル３Ａと第２セル３Ｂとは、たとえば図２に示すように、互いに異なる開放電圧−充電率特性を有するように設定されている。なお、同図中、第１セル３Ａの開放電圧−充電率特性を第１特性線ＣＡで、また第２セル３Ｂの開放電圧−充電率特性を第２特性線ＣＢで示す。
【００２０】
これらの特性にあって、第１セル３Ａと第２セル３Ｂでは、最大開放電圧値が実質同一となるように設定し、かつ最大開放電圧値における最大充電率、および最小開放電圧値での充電率はほぼ同じになるものの、とりわけ高開放電圧側領域Ｈにおける開放電圧−充電率特性を以下のように異ならせたセルを用いる。このような特性の違いは、電極材料や電解質の選択と構造を変えることで得られる。なお、高開放電圧側領域Ｈは、通常負荷可動時に用いる必要要求電圧（たとえば４ボルト前後）を含む領域である。
【００２１】
すなわち、第１セル３Ａの第１特性線ＣＡは、開放電圧値OCVが３Ｖ強から４Ｖ強までの全領域にわたって、その傾きがほぼ直線状で緩やか（小さく）であり、開放電圧値OCVが低下するにしたがって充電率SOC少しずつほぼ一定で小さくなっていくように設定されている。
【００２２】
これに対し、第２セル３Ｂの第２特性線ＣＢは、高開放電圧側領域Ｈと低開放電圧側領域Ｌとで傾きが急変し、高開放電圧側領域Ｈではその傾きが急（大きく）であり、開放電圧値OCVが低下するにしたがって充電率SOCが急激に小さくなっていくように設定されているものの、低開放電圧側領域Ｌになるとその傾きは大きく変化して非常に緩やかとなり開放電圧値OCVが３．５Ｖ付近から３Ｖ強までの区間では、逆に第１セル３Ａの第１特性線ＣＡの傾きより小さくなる。
【００２３】
第１セル３Ａおよび第２セル３Ｂの特性を上記のように設定するのは、以下の理由による。
電気モータ１等の駆動によりバッテリ３の充電率SOCは次第に低下していく。しかしながら、図２の第２特性曲線ＣＢを有する第２セル３Ｂにあっては、通常使用する高開放電圧領域Ｈでは充電率SOCの低下幅に対し、開放電圧値OCVの低下幅は小さい。したがって、バッテリ３からの放電が続き充電率が減っても高い開放電圧値をわずかの電圧低下だけで確保でき、電気モータ１などの負荷への電力供給に好ましい。したがって、このような特性を有する第２セル３Ｂはできるだけ多い方が望ましく、バッテリ３の全セル数から１個引いた数、本実施例では９９個を第２セル３Ｂで構成する。
【００２４】
一方、バッテリ３の充電率SOCを算出する場合、開放電圧値OCVを推定して開放電圧−充電率の関係データから充電率SOCを決める。この場合、図２の第２特性曲線ＣＢを有する第２セル３Ｂを用いて充電率SOCを決めようとすると、まず第２セルの３Ｂの開放電圧値OCVを推定しなければならないが、この開放電圧値OCVは、第２セル３Ｂの端子電圧値、充放電電流値などを計測して、電池回路モデルを用いた逐次パラメータ推定法（逐次最小二乗法やカルマン・フィルタなど）や一定時間経過したときの端子電圧値を開放電圧値OCVとする方法を用いて推定するため、推定誤差が生じるのは避けられない。そして、この推定誤差を有する開放電圧値OCVを用いて開放電圧−充電率の関係データから充電率SOCを求めようとしても、高開放電圧領域Ｈで傾きが急な第２特性曲線ＣＢの特性ではわずかな開放電圧値OCVの違いが充電率SOCのずれとなって現れ、充電率SOCの推定精度を大きく悪化させてしまう虞がある。
【００２５】
そこで、より推定精度の高い充電率SOCを得るため、この推定用に第１セル３Ａを１個だけ用い、その特性を図２の第１特性曲線ＣＡとなるように設定している。
この場合、第１セル３Ａでは、高開放電圧領域Ｈにおいて第１特性曲線ＣＡの傾きが小さいことから、第１セル３Ａの放電により充電率が低下していくと、開放電圧値OCVは第２セル３Ｂに比べて急激に低下していくが、第１セル３Ａは全セル１００個中１個に過ぎないから、バッテリ３の電圧低下への影響は非常に小さい。したがて、バッテリ３から負荷への電力供給は問題なく行われる。
【００２６】
一方、第１セル３Ａの充放電電流値、電圧値などを計測して、上記方法にて開放電圧値OCVを推定した場合、第２特性曲線ＣＡの傾きが小さいので推定開放電圧値OCVの推定ずれがあっても、それから求めた充電率SOCのずれ幅は小さくなるので、第２セル３Ｂを用いた場合に比べ、より精度高く充電率SOCを推定できることになる。
【００２７】
なお、同じ開放電圧値OCVに対して充電率SOCは全範囲で第１セル３Ａの方が第２セル３Ｂより高めになるが、これは第１セル３Ａと第２セル３Ｂでは、最大充電率における最大開放電圧値、および最小充電率における最小開放電圧値がほぼ同じになるように設定しており、また高開放電圧領域Ｈで第１特性曲線ＣＡの傾きを第２特性曲線ＣＢよりも緩やかに設定したことによる。
【００２８】
バッテリ３は以上のように構成するが、車載のマイクロ・コンピュータで構成したコントローラ４に接続されて、バッテリ３の全セルをセルごと、あるいは複数数のセル（最低でも第１セル３Ａと第２セル３Ｂ用の２つ）につき、それらの温度、電圧、電流を、図１では図示を省略した電流センサ、電圧センサなどでモニタし）、コントローラ４にて、上記充電率の推定、授受可能なパワーの推定、充放電最適制御、バッテリ３の診断、各セル間のバランス制御、故障判定とその対応（フェールセーフなど）を行う。また、コントローラ４は、図示しないアクセル・ペダル・センサやブレーキ・ペダル・センサ、およびインバータ２などが接続されて、インバータ２を制御する。
【００２９】
以上、説明したように、本実施例のバッテリ３にあっては、以下の効果を得ることができる。
（１）実施例１のバッテリ３は、開放電圧と充電率との特性が互いに異なる第１セル３Ａと第２セル３Ｂを用い、数が少なく高開放電圧領域Ｈにおける開放電圧値OCVの変化に対する充電率SOCの変化が小さい第１セル３Ａをバッテリ３の充電率SOCを得るための開放電圧を推定するために用いるとともに、数が多く高開放電圧領域Ｈにおける開放電圧値OCVの変化に対する充電率SOCの変化が大きい第２セル３Ｂを負荷（電気モータ１など）への主なる電力供給用として用いるようにしたので、バッテリ３の使用により充電率SOCが低下しても、できるだけ高い開放電圧値OCVによる出力を維持しながら、その場合にあってもバッテリ３の充電率SOCをできるだけ精度よく推定することができる。
【００３０】
（２）また、第１セル３Ａを１個、第２セル３Ｂを９９個としたので、高い開放電圧値OCVによる出力を最大限に維持できる。
【００３１】
以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。
【００３２】
高い出力維持を確保する上からは、上記実施例のように第１セル３Ａは最小である１個とすることが最も望ましいが、これにかぎられず複数とすることも可能である。この場合、第１セル３Ａの数は、第２セル３Ｂの数より多くすることで高い出力の維持を行う。なお、第１セル３Ａを複数、たとえば２、３個とした場合、これらから推定した複数の開放電圧を用いて充電率を求め、比較・選択することで充電率の推定精度を向上させることができる。
【００３３】
なお、本実施例では、インバータ２とバッテリ３の両方を１個のコントローラ４にて制御するようにしたが、別々のコントローラを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明のバッテリは、も電気自動車やハイブリッド電気自動車などの車両のみならず、地上や構造物に使用するバッテリにも適用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１      電気モータ
２      インバータ
３      バッテリ
３Ａ    第１セル
３Ｂ    第２セル
４      コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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