(57)【要約】【課題】製造コストを低減可能な蓄電池システムを提供することにある。【解決手段】蓄電池システム１０は、鉛蓄電池１５と、鉛蓄電池１５の出力電圧と略等しい出力電圧を有し鉛蓄電池１５と並列に接続された二次電池アセンブリ１３と、を備える。二次電池アセンブリ１３は、第１種類のリチウムイオン電池２１と、第１種類のリチウムイオン電池２１と直列に接続され開放電圧ＯＣＶの変化に対する充電率ＳＯＣの変化が第１種類のリチウムイオン電池２１よりも小さい第２種類のリチウムイオン電池２２と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛蓄電池と、
前記鉛蓄電池の出力電圧と略等しい出力電圧を有し前記鉛蓄電池と並列に接続された二次電池アセンブリと、を備え、
前記二次電池アセンブリは、第１種類のリチウムイオン電池と、該第１種類のリチウムイオン電池と直列に接続され開放電圧ＯＣＶの変化に対する充電率ＳＯＣの変化が該第１種類のリチウムイオン電池よりも小さい第２種類のリチウムイオン電池と、を含む、蓄電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の蓄電池システムであって、
前記第１種類のリチウムイオン電池は、正極にリン酸鉄リチウムが用いられ、
前記第２種類のリチウムイオン電池は、負極にチタン酸リチウムが用いられ、
前記二次電池アセンブリは、直列に接続される３つの前記第１種類のリチウムイオン電池及び１つの前記第２種類のリチウムイオン電池を含む、蓄電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の蓄電池システムであって、
前記第１種類のリチウムイオン電池の容量と、前記第２種類のリチウムイオン電池の容量と、が略等しい、蓄電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の蓄電池システムであって、
前記二次電池アセンブリの開放電圧ＯＣＶと充電率ＳＯＣとの関係に基づき前記二次電池アセンブリの充電率ＳＯＣを推定する充電率推定装置を更に備える、蓄電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばハイブリッド車等の車両に備えられる蓄電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ハイブリッド車等の車両において、回生制動によって発電した電力を用いて二次電池を充電する蓄電池システムが知られている。例えば特許文献１には、鉛蓄電池とリチウムイオン電池とが並列に接続される蓄電池システムにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いてリチウムイオン電池の出力電圧を調整する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２３１３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、例えば製造コストの低減の観点からは、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく蓄電池システムを構成することが望ましい。
【０００５】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、製造コストを低減可能な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】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の第１の観点に係る蓄電池システムは、
鉛蓄電池と、
前記鉛蓄電池の出力電圧と略等しい出力電圧を有し前記鉛蓄電池と並列に接続された二次電池アセンブリと、を備え、
前記二次電池アセンブリは、第１種類のリチウムイオン電池と、該第１種類のリチウムイオン電池と直列に接続され開放電圧ＯＣＶの変化に対する充電率ＳＯＣの変化が該第１種類のリチウムイオン電池よりも小さい第２種類のリチウムイオン電池と、を含む
ことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の第２の観点に係る蓄電池システムにおいて、
前記第１種類のリチウムイオン電池は、正極にリン酸鉄リチウムが用いられ、
前記第２種類のリチウムイオン電池は、負極にチタン酸リチウムが用いられ、
前記二次電池アセンブリは、直列に接続される３つの前記第１種類のリチウムイオン電池及び１つの前記第２種類のリチウムイオン電池を含む
ことが好ましい。
【０００８】
また、本発明の第３の観点に係る蓄電池システムにおいて、
前記第１種類のリチウムイオン電池の容量と、前記第２種類のリチウムイオン電池の容量と、が略等しい
ことが好ましい。
【０００９】
また、本発明の第４の観点に係る蓄電池システムは、
前記二次電池アセンブリの開放電圧ＯＣＶと充電率ＳＯＣとの関係に基づき前記二次電池アセンブリの充電率ＳＯＣを推定する充電率推定装置を更に備える
ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の第１の観点に係る蓄電池システムによれば、鉛蓄電池の出力電圧と略等しい出力電圧を有する二次電池アセンブリが、鉛蓄電池に並列に接続される。このため、二次電池アセンブリの出力電圧を調整するためのＤＣ／ＤＣコンバータを用いる必要がなく、蓄電池システムの製造コストが低減される。
【００１１】
本発明の第２の観点に係る蓄電池システムによれば、二次電池アセンブリは、直列に接続される３つの第１種類のリチウムイオン電池及び１つの第２種類のリチウムイオン電池を含む。このように構成することによって、二次電池アセンブリの出力電圧が鉛蓄電池の出力電圧と略等しくなる。
【００１２】
本発明の第３の観点に係る蓄電池システムによれば、第１種類のリチウムイオン電池の容量と、第２種類のリチウムイオン電池の容量と、が略等しい。このため、例えば容量が異なる複数種類のリチウムイオン電池を直列に接続する構成と比較して、二次電池アセンブリ全体として充電率ＳＯＣが１００％となった場合に、各リチウムイオン電池が高い充電率ＳＯＣまで充電され、容量の無駄が低減される。
【００１３】
本発明の第４の観点に係る蓄電池システムによれば、二次電池アセンブリの開放電圧ＯＣＶと充電率ＳＯＣとの関係に基づき二次電池アセンブリの充電率ＳＯＣを推定する充電率推定装置を備えるため、精度良く推定された充電率ＳＯＣを出力可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る蓄電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の二次電池アセンブリの概略構成を示す図である。
【図３】図１の充電率推定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】図１の二次電池アセンブリの開放電圧ＯＣＶ−充電率ＳＯＣ特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
はじめに図１を参照して、本発明の実施の形態に係る蓄電池システム１０の概略構成について説明する。蓄電池システム１０は、例えばハイブリッド車（ＨＥＶ車）等の車両に搭載される。
【００１７】
蓄電池システム１０は、オルタネータ１１と、スタータ１２と、二次電池アセンブリ１３と、充電率推定装置１４と、鉛蓄電池１５と、負荷１６と、第１のスイッチ１７と、第２のスイッチ１８と、第３のスイッチ１９と、制御部２０と、を備える。オルタネータ１１、スタータ１２、二次電池アセンブリ１３、鉛蓄電池１５、及び負荷１６は、並列に接続される。
【００１８】
オルタネータ１１は、発電機であって、車両のエンジンに機械的に接続される。オルタネータ１１は、エンジンの駆動によって発電可能である。オルタネータ１１がエンジンの駆動によって発電した電力は、レギュレータで出力電圧を調整されて、二次電池アセンブリ１３、鉛蓄電池１５、負荷１６、及び車両の補機に供給され得る。またオルタネータ１１は、車両の減速時等に回生によって発電可能である。オルタネータ１１が回生発電した電力は、二次電池アセンブリ１３及び鉛蓄電池１５の充電に使用され得る。
【００１９】
スタータ１２は、例えばセルモータを含んで構成され、二次電池アセンブリ１３及び鉛蓄電池１５の少なくとも一方からの電力供給を受けて、車両のエンジンを始動させる。
【００２０】
二次電池アセンブリ１３は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等、鉛蓄電池以外の複数の二次電池（セル）が直列に接続されて構成される。本実施形態において、二次電池アセンブリ１３は、出力電圧が鉛蓄電池１５の出力電圧（公称電圧１２Ｖ）と略同一となるように、２種類以上のリチウムイオン電池が直列に接続されて構成される。出力電圧が略同一であるとは、鉛蓄電池１５と二次電池アセンブリ１３との間にＤＣ／ＤＣコンバータを介装しなくても実使用上問題が無い程度に両者の出力電圧の差が小さいことをいう。二次電池アセンブリ１３の具体的な構成については後述する。
【００２１】
また二次電池アセンブリ１３は、エンジン駆動の停止中（アイドリングの停止中）に、スタータ１２を含む補機、負荷１６、およびＥＣＵ等に対して電力を供給可能である。
【００２２】
充電率推定装置１４は、二次電池アセンブリ１３の充電率ＳＯＣを算出する。充電率推定装置１４の詳細については後述する。
【００２３】
鉛蓄電池１５は、例えば公称電圧１２Ｖの出力電圧を有する鉛蓄電池であって、負荷１６に対して電力を供給可能である。
【００２４】
負荷１６は、例えば車両に備えられたオーディオ、エアコン、及びナビゲーションシステム等を含む負荷であって、供給された電力を消費して動作する。負荷１６は、エンジン駆動の停止中に鉛蓄電池１５、及び二次電池アセンブリ１３からの電力供給を受けて動作し、エンジン駆動中にオルタネータ１１、鉛蓄電池１５、及び二次電池アセンブリ１３からの電力供給を受けて動作する。
【００２５】
第１のスイッチ１７は、スタータ１２と直列に接続されるスイッチである。第１のスイッチ１７は、スタータ１２を他の構成要素と並列に接続し又は切り離す。
【００２６】
第２のスイッチ１８は、二次電池アセンブリ１３と直列に接続されるスイッチである。第２のスイッチ１８は、二次電池アセンブリ１３を他の構成要素と並列に接続し又は切り離す。
【００２７】
第３のスイッチ１９は、鉛蓄電池１５及び負荷１６と直列に接続されるスイッチである。第３のスイッチ１９は、鉛蓄電池１５及び負荷１６を他の構成要素と並列に接続し又は切り離す。
【００２８】
制御部２０は、例えば車両に備えられたＥＣＵを含んで構成され、蓄電池システム１０の動作全体を制御する。例えば制御部２０は、第１のスイッチ１７、第２のスイッチ１８、及び第３のスイッチ１９の動作をそれぞれ制御して、オルタネータ１１、二次電池アセンブリ１３、及び鉛蓄電池１５による電力供給、並びに二次電池アセンブリ１３及び鉛蓄電池１５の充電を行なう。
【００２９】
次に図２を参照して、二次電池アセンブリ１３の構成について具体的に説明する。二次電池アセンブリ１３は、第１種類のリチウムイオン電池２１と、第２種類のリチウムイオン電池２２と、を含む。
【００３０】
第１種類のリチウムイオン電池２１は、正極にリン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）が用いられ、負極に炭素系材料が用いられる。また、第１種類のリチウムイオン電池２１の１セルあたりの公称電圧は３．３Ｖである。
【００３１】
第２種類のリチウムイオン電池２２は、正極に３元系材料が用いられ、負極にチタン酸リチウム（ＬＴＯ）が用いられる。また、第２種類のリチウムイオン電池２２の１セルあたりの公称電圧は２．４Ｖである。また、第２種類のリチウムイオン電池２２の開放電圧ＯＣＶ−充電率ＳＯＣ特性は、第１種類のリチウムイオン電池２１と比較して、開放電圧ＯＣＶの変化に対して充電率の変化が小さい。したがって第２種類のリチウムイオン電池２２は、開放電圧法による充電率推定において、充電率推定精度に対する開放電圧ＯＣＶの誤差の影響が比較的小さい。
【００３２】
また二次電池アセンブリ１３は、上述したように出力電圧が鉛蓄電池１５の出力電圧（公称電圧１２Ｖ）と略同一となるように、２種類以上のリチウムイオン電池が直列に接続されて構成される。本実施形態において、二次電池アセンブリ１３は、直列に接続される３つの第１種類のリチウムイオン電池２１及び１つの第２種類のリチウムイオン電池２２を含む。したがって、二次電池アセンブリ１３の出力電圧は、（３．３Ｖ×３）＋２．４Ｖ＝１２．３Ｖであり、鉛蓄電池の公称電圧１２Ｖと略同一である。したがって、二次電池アセンブリ１３と鉛蓄電池とを並列に接続する際、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いる必要がない。ここで二次電池アセンブリ１３に含まれる３つの第１種類のリチウムイオン電池２１及び１つの第２種類のリチウムイオン電池２２の接続順序は、任意に定めてもよい。
【００３３】
ここで、例えば容量が異なる複数種類のリチウムイオン電池を直列に接続した場合、容量が最も小さいリチウムイオン電池の充電率ＳＯＣが１００％となると、他のリチウムイオン電池がそれ以上充電されない。したがって好適には、二次電池アセンブリ１３は、容量が略等しい第１種類のリチウムイオン電池２１及び第２種類のリチウムイオン電池２２を用いて構成される。
【００３４】
次に図３を参照して、充電率推定装置１４の詳細について説明する。充電率推定装置１４は、充放電電流検出部２３と、端子電圧検出部２４と、開放電圧法推定部２５と、を備える。
【００３５】
充放電電流検出部２３は、例えばシャント抵抗等を含んで構成され、二次電池アセンブリ１３の充放電電流値ｉ（ｋ）を検出する。ここでｋは、離散時間における時刻を示す。また充放電電流値ｉ（ｋ）は、充放電電流の絶対値とする。検出された充放電電流値ｉ（ｋ）は、入力信号として、開放電圧法推定部２５に入力される。充放電電流検出部２３は、上記構成に限られず種々の構造・形式を有するものを適宜採用できる。
【００３６】
端子電圧検出部２４は、二次電池アセンブリ１３の端子電圧値ｖ（ｋ）を検出する。検出された端子電圧値ｖ（ｋ）は、入力信号として、開放電圧法推定部２５に入力される。端子電圧検出部２４は、種々の構造・形式を有するものを適宜採用できる。
【００３７】
開放電圧法推定部２５は、開放電圧法によって充電率ＳＯＣ（ｋ）を推定する。具体的には、はじめに開放電圧法推定部２５は、充放電電流検出部２３及び端子電圧検出部２４からそれぞれ入力される充放電電流値ｉ（ｋ）及び端子電圧値ｖ（ｋ）に基づいて、例えばフォスタ型ＲＣ梯子回路やカウエル型ＲＣ梯子回路等、二次電池アセンブリ１３の等価回路モデルにおける各パラメータを推定する。例えば、開放電圧法推定部２５は、カルマンフィルタ等の適応フィルタ又は最小二乗法等を用いてコンデンサの静電容量値Ｃ（ｋ）、内部抵抗値Ｒ（ｋ）、及び開放電圧値ＯＣＶ（ｋ）を推定する。ここで開放電圧値ＯＣＶ（ｋ）は、例えばＯＣＶ（ｋ）＝ｖ（ｋ）＋（ｉ（ｋ）×Ｒ（ｋ））で算出される。そして開放電圧法推定部２５は、予め実験又はシミュレーションで求められた、二次電池アセンブリ１３の開放電圧ＯＣＶ−充電率ＳＯＣ特性を示す開放電圧ＯＣＶ−充電率ＳＯＣルックアップテーブルを用いて、開放電圧値ＯＣＶ（ｋ）の値に対応する充電率ＳＯＣ（ｋ）を推定する。
【００３８】
ここで図４を参照して、二次電池アセンブリ１３の開放電圧ＯＣＶ−充電率ＳＯＣ特性について説明する。図４は、縦軸を開放電圧ＯＣＶ、横軸を充電率ＳＯＣとしたグラフである。図４に示す構成Ａは、本実施形態に係る二次電池アセンブリ１３の構成である。また構成Ｂは、５つの第２種類のリチウムイオン電池２２（公称電圧２．４Ｖ）を直列に接続し、出力電圧を１２Ｖとした比較用の構成である。構成Ａおよび構成Ｂのいずれも、出力電圧は鉛蓄電池の公称電圧１２Ｖと略同一であって、鉛蓄電池とを並列に接続する際、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いる必要がない。
【００３９】
二次電池アセンブリ１３は、電圧の低下によるＥＣＵリセットの発生を防止するために、被保護負荷電圧（例えば、１２Ｖ）を保証することが望ましい。ここで構成Ａは、充電率ＳＯＣが１０％において開放電圧ＯＣＶが１２Ｖである。一方構成Ｂは、充電率ＳＯＣが３０％において開放電圧ＯＣＶが１２Ｖである。すなわち、被保護負荷電圧１２Ｖを保証するために、構成Ｂでは充電率ＳＯＣが３０％以上必要であるのに対し、構成Ａでは充電率ＳＯＣが１０％以上あればよい。したがって、本実施形態に係る二次電池アセンブリ１３である構成Ａは、構成Ｂと比較して広い範囲の充電率ＳＯＣにおいて被保護負荷電圧を保証可能である。
【００４０】
このように、本発明の実施形態に係る蓄電池システム１０によれば、鉛蓄電池の出力電圧と略等しい出力電圧を有する二次電池アセンブリ１３が、鉛蓄電池に並列に接続される。このため、二次電池アセンブリ１３の出力電圧を調整するためのＤＣ／ＤＣコンバータを用いる必要がなく、蓄電池システム１０の製造コストが低減される。また二次電池アセンブリ１３は、開放電圧ＯＣＶの変化に対する充電率ＳＯＣの変化が第１種類のリチウムイオン電池２１よりも小さい第２種類のリチウムイオン電池２２を含む。このため、例えば第１種類のリチウムイオン電池２１のみを用いて二次電池アセンブリ１３を構成する場合と比較して、二次電池アセンブリ１３全体として開放電圧ＯＣＶの変化に対する充電率ＳＯＣの変化が小さくなり、開放電圧法による充電率ＳＯＣの推定精度が向上する。また、例えば第２種類のリチウム電池のみを用いて二次電池アセンブリ１３を構成する場合と比較して、二次電池アセンブリ１３が広い範囲の充電率ＳＯＣにおいて被保護負荷電圧を保証可能である。
【００４１】
具体的には、二次電池アセンブリ１３は、直列に接続される３つの第１種類のリチウムイオン電池２１及び１つの第２種類のリチウムイオン電池２２を含む。このように構成することによって、二次電池アセンブリ１３の出力電圧が１２．３Ｖとなり、鉛蓄電池の出力電圧と略等しくなる。
【００４２】
また、第１種類のリチウムイオン電池２１の容量と、第２種類のリチウムイオン電池２２の容量と、が略等しい。このため、例えば容量が異なる複数種類のリチウムイオン電池を直列に接続する構成と比較して、二次電池アセンブリ１３全体として充電率ＳＯＣが１００％となった場合に、各リチウムイオン電池が高い充電率ＳＯＣまで充電され、容量の無駄が低減される。
【００４３】
また蓄電池システム１０は、二次電池アセンブリ１３の開放電圧ＯＣＶと充電率ＳＯＣとの関係に基づき二次電池アセンブリ１３の充電率ＳＯＣを推定する充電率推定装置を備えるため、上述したように精度良く推定された充電率ＳＯＣを出力可能である。
【００４４】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【００４５】
また、上述した実施形態において、ハイブリッド車に搭載される蓄電池システム１０について説明したが、これに限られない。例えば、蓄電池システム１０は電気自動車（ＥＶ車）に搭載されてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０    蓄電池システム
１１    オルタネータ
１２    スタータ
１３    二次電池アセンブリ
１４    充電率推定装置
１５    鉛蓄電池
１６    負荷
１７    第１のスイッチ
１８    第２のスイッチ
１９    第３のスイッチ
２０    制御部
２１    第１種類のリチウムイオン電池
２２    第２種類のリチウムイオン電池
２３    充放電電流検出部
２４    端子電圧検出部
２５    開放電圧法推定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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