JP6222581B2 - バッテリーシステム - Google Patents

Description

本発明は、電動車両等に適用されるバッテリーシステムに関する。

従来、例えば電気自動車用の電源として、比較的安価で使用実績が高い、鉛蓄電池が広く用いられている。また、近年、かかる電源として、高い電圧が得られエネルギー密度が高い、リチウムイオン電池も用いられるようになってきている。

ところが、鉛蓄電池は、充電受入性能が低いため、電気自動車等の車両（以下、単に「車両」という）の制動時に得られる回生エネルギーを効率良く蓄電することが難しい。また、また、リチウムイオン電池は、製造コストが高く、容量を大きくすることが難しいため、車両のエンジン始動時に必要な電力を十分に確保することが難しい。

そこで、内部抵抗が小さいリチウムイオン電池と容量が大きい鉛蓄電池とを並列に接続する技術が、例えば特許文献１および特許文献２に記載されている。かかる技術によれば、充電受入性能が高く、かつ、容量の大きいバッテリーシステムを、安価に実現することができる。

特開２００３−１７４７３４号公報 特開２００４−２５９７９号公報

しかしながら、このような従来技術は、複数の二次電池から成るバッテリー全体の、充電受入性能および容量を含めた二次電池としての性能（以下、単に「性能」という）を、維持することは難しい。なぜなら、鉛蓄電池およびリチウムイオン電池等の二次電池は、通常、過充電および過放電等により劣化が生じたり、保存状態によって容量回復性が異なる等、使用状態に応じて性能が低下し得るからである。そして、個々の二次電池の性能が低下すると、バッテリー全体の性能も低下するからである。

本発明の目的は、安価に高容量化することができ、充電受入性能が高く、かつ、性能が低下し難いバッテリーシステムを提供することである。

本開示のバッテリーシステムは、第１のバッテリーと第２のバッテリーとを組み合わせたバッテリーシステムであって、前記第１、第２のバッテリーの放電特性は、放電容量に対する電圧の変化率で規定される安定領域と不安定領域とを有し、前記安定領域は前記不安定領域に対して放電容量に対する電圧の変化率が小さく、前記第１のバッテリーの放電特性は、前記第２のバッテリーの安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電末期側の前記不安定領域を有し、前記第２のバッテリーの放電特性は、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧よりも低い電圧の範囲において、安定領域を有し、かつ、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電初期側の前記不安定領域を有し、前記第１のバッテリーおよび前記第２のバッテリーから成るバッテリー全体の放電状態が、当該バッテリー全体の放電過程において、前記第１のバッテリーの安定領域から前記第２のバッテリーの安定領域へと移行するように、前記第１のバッテリーと前記第２のバッテリーとを並列に接続し、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧の最小値と、前記第２のバッテリーの前記安定領域の電圧の最大値とは、略一致している。
本開示のバッテリーシステムは、第１のバッテリーと第２のバッテリーとを組み合わせたバッテリーシステムであって、前記第１、第２のバッテリーの放電特性は、放電容量に対する電圧の変化率で規定される安定領域と不安定領域とを有し、前記安定領域は前記不安定領域に対して放電容量に対する電圧の変化率が小さく、前記第１のバッテリーの放電特性は、前記第２のバッテリーの安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電末期側の前記不安定領域を有し、前記第２のバッテリーの放電特性は、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧よりも低い電圧の範囲において、安定領域を有し、かつ、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電初期側の前記不安定領域を有し、前記第１のバッテリーおよび前記第２のバッテリーから成るバッテリー全体の放電状態が、当該バッテリー全体の放電過程において、前記第１のバッテリーの安定領域から前記第２のバッテリーの安定領域へと移行するように、前記第１のバッテリーと前記第２のバッテリーとを並列に接続する。

本開示によれば、安価に高容量化することができ、充電受入性能が高く、かつ、性能が低下し難いバッテリーシステムを得ることができる。

一般的なバッテリーの放電特性の一例を示す図 本発明に係るバッテリーシステムの概略構成の一例を示す図 本発明における第１のバッテリーの放電特性と第２のバッテリーの放電特性との関係の一例を示す図 本発明に係るバッテリーシステムにおける電圧と各バッテリーの放電状態との関係の一例を示す図 本発明に係るバッテリーシステムの放電特性と充放電パターンとの関係の一例を示す図 本発明に係るバッテリーシステムにおける第１のバッテリーと第２のバッテリーの組み合わせの条件の一例を示す図 本発明の一実施の形態に係るバッテリーシステムの構成を示すブロック図 本実施の形態における第１のバッテリーおよび第２のバッテリーの第１の具体例を示す図 本実施の形態における第１のバッテリーおよび第２のバッテリーの第２の具体例を示す図 本実施の形態における第１のバッテリーおよび第２のバッテリーの第３の具体例を示す図 本実施の形態における開閉器の制御の一例を説明するための図 本実施の形態における開閉器の制御の他の例を説明するための図

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

まず、本発明の概要について説明する。

図１は、一般的な二次電池（以下「バッテリー」という）の放電特性の一例を示す図である。図１において、横軸は、１００％〜０％の範囲で充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）［％］を示し、縦軸は、電圧［Ｖ］を示す。また、以下の説明において、放電が進む方向を基準として、「初期」、「末期」、「始期」および「終期」の用語を用いるものとする。

図１に示すように、一般的なバッテリーの放電カーブ３０１では、放電が継続されると、充電状態が低下（つまり、充電残容量が低下）し、これとともに電圧が低下していく。そして、放電カーブ３０１の放電初期部分と放電末期部分には、不安定領域（それぞれ、記号「Ａ」および記号「Ａ’」を用いる）が存在する。そして、放電カーブ３０１の中間部分には、安定領域（記号「Ｂ」を用いる）が存在する。

不安定領域Ａ、Ａ’は、僅かな充電状態の変化で電圧が大きく変化する領域、つまり、放電容量に対する電圧の変化率が大きい領域である。換言すれば、放電カーブ３０１が急峻に変化する領域である。

具体的には、不安定領域Ａは、満充電からの放電の初期における、僅かな充電状態の低下で大きく電圧が低下する領域である。また、不安定領域Ａ’は、完全放電への放電の末期における、僅かな充電状態の低下で大きく電圧が低下する領域である。

また、安定領域Ｂは、充電状態が変化しても電圧の変化が少ない変化率の小さな領域、つまり、放電容量に対する電圧の変化率が小さい領域である。換言すれば、放電カーブ３０１が緩やかに変化する領域である。

このように、バッテリーの放電カーブ３０１は、不安定領域Ａから安定領域Ｂの始期部分へ移行し、次いで、安定領域Ｂの終期部分から不安定領域Ａ’へと移行するような、曲線を描く。

実際の機器などで使用される電圧範囲は、バッテリーの公称電圧範囲３０２よりも広い場合がある。したがって、実際の使用においては、公称電圧範囲３０２よりも高い電圧に至るまで充電が行われる過充電や、公称電圧範囲３０２よりも低い電圧に至るまで放電が行われる過放電が、発生し得る。

不安定領域Ａでは、過充電が発生し易く、不安定領域Ａ’では、過放電が発生し易い。また、過充電および過放電は、バッテリーの劣化を早める。したがって、バッテリーは、不安定領域Ａ、Ａ’が存在する場合、できるだけ不安定領域Ａ、Ａ’を避けるような放電状態で、使用されることが望ましい。

そこで、本発明に係るバッテリーシステムは、例えば、第１のバッテリーと、第１のバッテリーの安定領域Ｂの電圧よりも低い電圧の範囲において安定領域Ｂを有し、かつ、第１のバッテリーの安定領域Ｂの電圧と重複する電圧の範囲において不安定領域Ａを有する第２のバッテリーとを組み合わせる。

そして、本発明に係るバッテリーシステムは、例えば、第１のバッテリーおよび第２のバッテリーから成るバッテリー全体の放電状態が、当該バッテリー全体の放電過程において、第１のバッテリーの安定領域から第２のバッテリーの安定領域へと移行するように、これらのバッテリーを並列に接続する。

このようなバッテリーシステムは、第２のバッテリーの放電初期側の不安定領域Ａの少なくとも一部を、第１のバッテリーの安定領域Ｂでカバーすることができる。これにより、第２のバッテリーの過充電に起因する劣化を防止することが可能となる。

また、本発明に係るバッテリーシステムは、例えば、更に、第１のバッテリーが、第２のバッテリーの安定領域Ｂの電圧と重複する電圧の範囲において、不安定領域Ａ’を有するようにする。

このようなバッテリーシステムは、第１のバッテリーの末期側の不安定領域Ａ’の少なくとも一部を、第２のバッテリーの安定領域Ｂでカバーすることが可能となる。これにより、第１のバッテリーの過放電に起因する劣化を防止することが可能となる。

すなわち、本発明に係るバッテリーシステムは、バッテリー全体の性能が低下し難くなるように、個々のバッテリーの使用状態を最適化することができる。

ここで、本発明に係るバッテリーシステムにおいて個々のバッテリーの使用状態が最適化される理由について、より詳細に説明する。

図２は、本発明に係るバッテリーシステムの概略構成の一例を示す図である。

図２において、バッテリーシステム１０は、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００とが組み合わされて構成されている。この第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００とは、電気的に並列に接続されている。より具体的には、第１のバッテリー１００の正極端子と第２のバッテリー２００の正極端子とが接続され、第１のバッテリー１００の負極端子と第２のバッテリー２００の負極端子とが接続されている。

なお、以下の説明において、第１のバッテリー１００は、リチウムイオン電池であり、第２のバッテリー２００は、鉛蓄電池であるものとする。

リチウムイオン電池は、非水系の二次電池の一種であり、電解質中のリチウムイオンが電気的伝導を担う二次電池である。代表的なセルの構成においては、正極にコバルト酸リチウム等のリチウム含有金属酸化物、負極に炭素材料、電解液に有機電解液が用いられる。また、これらの正極および負極をセパレータを介して捲回した捲回式の電極体が、非水電解液に浸された状態で、円筒状の電池缶に収容されている。

リチウムイオン電池は、高い電圧が得られ、エネルギー密度が高く、充放電エネルギーの効率が高く、急速充放電が可能であるという特性を有する。一方で、リチウムイオン電池は、過充電および過放電に弱いという特性、および、満充電状態で保存すると劣化が急激に進行するという特性を有する。更に、リチウムイオン電池は、充電保存よりも放電保存の方が容量回復性に優れるという特性を有する。ここで、容量回復性とは、保存した後に充放電を行ったときに初期容量に比較してどのレベルまで回復するかという性質である。

鉛蓄電池は、水溶液系の二次電池であり、正極に二酸化鉛、負極に海綿状の鉛、電解液として希硫酸が用いられる。各セル室には、複数の正極板と負極板とがガラス繊維のセパレータを介して積層された電極群が収容されている。

鉛蓄電池は、比較的安価であるため、大容量バッテリーとしての使用実績が高い。一方、鉛蓄電池は、過放電を行うと劣化が早まるという特性を有する。更に、鉛蓄電池は、放電保存よりも充電保存が容量回復性に優れるという特性を有する。

図３は、第１のバッテリー１００の放電特性と第２のバッテリー２００の放電特性との関係の一例を示す図である。図３Ａは、第１のバッテリー１００の放電特性を示し、図３Ｂは、第２のバッテリー２００の放電特性を示す。図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、図１に対応している。また、図３Ａおよび図３Ｂは、縦軸が対応するように配置されている。

第１のバッテリー１００の放電カーブ３１１は、図１に示す一般的なバッテリーの放電カーブ３０１と同様に、放電始期部分の不安定領域および放電末期部分の不安定領域（それぞれ、記号「Ａ１」および記号「Ａ１’」を用いる）を有する。そして、第１のバッテリー１００の放電カーブ３１１は、図１に示す一般的なバッテリーの放電カーブ３０１と同様に、中間部分（つまり不安定領域Ａ１と不安定領域Ａ１’との間）に、安定領域（記号「Ｂ１」を用いる）を有する。

また、第２のバッテリー２００の放電カーブ３２１も、同様に、放電始期部分の不安定領域および放電末期部分の不安定領域（それぞれ、記号「Ａ２」および記号「Ａ２’」を用いる）と、安定領域（記号「Ｂ２」を用いる）を有する。

但し、第１のバッテリー１００の放電カーブ３１１と、第２のバッテリー２００の放電カーブ３２１とは、異なっている。

具体的には、以下の通りである。
（１）第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１における電圧は、第２のバッテリー２００の安定領域Ｂ２における電圧より高い。言い換えると、第２のバッテリー２００の安定領域Ｂ２における電圧は、第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１における電圧より低い。このように、安定領域Ｂ１、Ｂ２において電圧の高低差がある。
（２）第１のバッテリー１００の不安定領域Ａ１における電圧の高低幅が狭いのに対し、第２のバッテリー２００の不安定領域Ａ２における電圧の高低幅は広い。つまり、第２のバッテリー２００の不安定領域Ａ２においては、僅かな充電状態の変化で電圧が大きく低下する。
（３）第１のバッテリー１００の不安定領域Ａ１’における電圧の高低幅が広いのに対し、第２のバッテリー２００の不安定領域Ａ２’における電圧の高低幅は狭い。つまり、第１のバッテリー１の不安定領域Ａ１’においては、僅かな充電状態の変化で電圧が急峻に大きく低下する。

更に、第１および第２のバッテリー１００、２００の放電特性は、第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１の終期部分の電圧Ｖｔと、第２のバッテリー２００の安定領域の始期部分の電圧Ｖｃとが、略一致するように構成されている。すなわち、第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１の電圧の最小値と、第２のバッテリー２００の安定領域Ｂ２の電圧の最大値とは、略一致している。

このような電圧Ｖｔ、Ｖｃの略一致は、例えば、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００のセルの直列接続数を調整することによって、実現可能である。すなわち、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００の少なくとも１つは、直列に接続された複数のバッテリーセルから成る。

以下、説明の便宜のため、第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１の終期部分の電圧Ｖｔと、第２のバッテリー２００の安定領域の始期部分の電圧Ｖｃとは、電圧値Ｖｍとして一致しているものとする。

また、第１のバッテリー１００の公称電圧範囲３１２および第２のバッテリー２００の公称電圧範囲３２２は、略一致しているものとする。すなわち、第１のバッテリー１００の上限電圧Ｖｈ１および下限電圧Ｖｌ１は、それぞれ、第２のバッテリー２００の上限電圧Ｖｈ２および下限電圧Ｖｌ２と略一致している。

以下、説明の便宜のため、第１のバッテリー１００の上限電圧Ｖｈ１および第２のバッテリー２００の上限電圧Ｖｈ２は、バッテリーシステム１０の上限電圧Ｖｈとして一致しているものとする。また、第１のバッテリー１００の下限電圧Ｖｌ１および第２のバッテリー２００の下限電圧Ｖｌ２は、バッテリーシステム１０の上限電圧Ｖｌとして一致しているものとする。

図４は、バッテリーシステム１０において放電を行ったときの、電圧と各バッテリーの放電状態との関係の一例を示す図である。ここでは、満充電状態から放電が継続するときの時間経過に沿って、説明を行う。

図４に示すように、まず、放電開始から第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１の終期部分の電圧Ｖｔまでの領域（電圧Ｖｈ〜Ｖｍ）３３１において、放電は、主に第１のバッテリー１００で行われる。すなわち、この領域３３１において、第２のバッテリー２００は、ほとんど放電しない。これは、第２のバッテリー２００の安定領域Ｂ２における電圧が、第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１における電圧より低いという、第１のバッテリー１００の放電特性と第２のバッテリー２００の放電特性との関係に基づいている。

一方、電圧Ｖｈ〜Ｖｍの領域３３１において、第２のバッテリー２００の電圧は、第１のバッテリー１００の電圧の変化に追随して変化する。これは、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００とが並列に接続されており、各バッテリーの電圧が等しくなることに基づいている。

次いで、バッテリーシステム１０の電圧が第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１の終期の電圧Ｖｍに到達した後放電終了となるまでの領域（電圧Ｖｍ〜Ｖｌ）３３２において、放電は、主に第２のバッテリー２００で行われる。すなわち、バッテリーシステム１０の放電状態は、第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１から第２のバッテリー２００の安定領域Ｂ２へと移行し、最終的に第２のバッテリー２００の不安定領域Ａ２’へ移行する。これは、上述の通り、安定領域Ｂ１の終期部分の電圧Ｖｔと安定領域Ｂ２の始期部分の電圧Ｖｃとが略一致していることに基づいている。

第２のバッテリー２００の不安定領域Ａ２の電圧範囲の少なくとも一部は、第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１の電圧範囲の少なくとも一部と重複している。したがって、急速な充電をしたとしても、第２のバッテリー２００の放電状態は、第１のバッテリーの安定領域Ｂ１の電圧の変化に応じて変化する。このため、不安定領域Ａ２において緩やかに変化することになり、第２のバッテリー２００の過充電が発生する機会は抑制される。

また、第１のバッテリー１００の不安定領域Ａ１’の電圧範囲の少なくとも一部は、第２のバッテリー２００の安定領域Ｂ２の電圧範囲の少なくとも一部と重複している。したがって、放電をしたとしても、第１のバッテリー１００の放電状態は、第２のバッテリーの安定領域Ｂ２の電圧の変化に応じて変化する。このため、不安定領域Ａ１’において緩やかに変化することになり、過放電を避けることが容易であり、第１のバッテリー１００の過放電が発生する機会は抑制される。

なお、バッテリーは、完全放電となる前に、充電が行われることが多い。したがって、第１のバッテリー１００の容量回復性は、放電保存時に高く、第２のバッテリー２００の容量回復性は、充電保存時に高いことが望ましい。

この点について、充放電パターンの具体例を挙げて説明する。

図５は、バッテリーシステム１０の放電特性と充放電パターンとの関係の一例を示す図である。図５Ａは、バッテリーシステム１０（第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００とを並列接続した系）の放電特性を示す。すなわち、図５Ａは、図３に示す第１のバッテリー１００の放電特性と第２のバッテリー２００の放電特性とを合成した放電特性を示す。図５Ｂは、充電状態における、第１のバッテリー１００が主に放電する領域と、第２のバッテリー２００が主に放電する領域とを示す。図５Ｃ〜図５Ｆは、バッテリーシステム１０が電気自動車の駆動用電源として利用される場合の、１日の充放電パターンの一例を示す。なお、ここでは、説明の便宜のため、電気自動車のモータからの回生エネルギーによる充電を無視するが、突然の大きな電流でも第１バッテリーの安定領域により第２バッテリーの過充電が抑制されることは、上述の内容と同様である。

なお、図５Ａは、図２〜図４に対応している。また、図５Ａ〜図５Ｆは、横軸が対応するように配置されている。また、図５Ｃ〜図５Ｆにおいて、右向きの矢印は放電を示し、左向きの矢印は充電を示し、更に、各矢印の長さは充放電の容量の大きさに対応している。

図５Ａに示すように、バッテリーシステム１０の放電カーブ３４１は、図３に示す第１のバッテリー１００の放電カーブ３１１と第２のバッテリー２００の放電カーブ３２１とを合成した形状を有する。すなわち、バッテリーシステム１０の放電カーブ３４１では、第１のバッテリー１００の安定領域Ｂ１と第２のバッテリー２００の安定領域Ｂ２とが連続するような状態で繋がり、個々のバッテリーに比べて安定領域Ｂが広がった状態となっている。

そして、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、電圧Ｖｈ〜Ｖｍの領域３３１では、第１のバッテリー１００が主に充放電し、電圧Ｖｍ〜Ｖｌの領域３３２では、第２のバッテリー２００が主に充放電する。ここでは、領域３３１と領域３３２との境界が、充電状態５０％にほぼ略一致するものとする。

例えば、電気自動車のユーザは、満充電された電気自動車を、午前中に使用したとする。この場合、図５Ｃに示すように、バッテリーシステム１０の放電が行われ、充電状態（充電残容量）は、例えば約５０％まで低下する。ここでは、主として、第１のバッテリー１００の放電が行われる。

そして、ユーザは、昼休み中に、電気自動車を使用せずに、バッテリーシステム１０を外部電源に接続したとする。この場合、図５Ｄに示すように、バッテリーシステム１０の充電が行われ、充電状態（充電残容量）は、例えば約１００％まで回復する。ここでは、第２のバッテリー２００はほとんど放電されていないため、主として第１のバッテリー１００の充電が行われる。

そして、ユーザは、再び満充電された電気自動車を、午後中に長時間使用したとする。この場合、図５Ｅに示すように、バッテリーシステム１０の放電が長時間行われ、充電状態（充電残容量）は、例えば約２５％まで低下する。ここでは、放電初期には第１のバッテリー１００の放電が行われ、充電状態５０％となった後、第２のバッテリー２００の放電が行われるようになる。

そして、ユーザは、夜間に、電気自動車を使用せずに、バッテリーシステム１０を外部電源に接続したとする。この場合、図５Ｆに示すように、バッテリーシステム１０の充電が行われ、充電状態（充電残容量）は、例えば約１００％まで回復する。ここでは、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００の双方の充電が行われる。

このように、実際の充放電パターンでは、第１のバッテリー１００が高い頻度で充放電される。すなわち、第２のバッテリー２００が充放電される頻度は、第１のバッテリー１００に比べて低い。言い換えると、使用される実際の環境から鑑みると、第１のバッテリー１００は、放電保存される機会が多く、第２のバッテリー２００は、充電保存される機会が多い。

したがって、第１のバッテリー１００を、充電保存時の容量回復性よりも放電保存時の容量回復性の方が優れたバッテリーとすることにより、バッテリー全体の性能を向上させることができる。また、第２のバッテリー２００を、放電保存時の容量回復性よりも充電保存時の容量回復性の方が優れたバッテリーとすることにより、バッテリー全体の性能を向上させることができる。

言い換えると、バッテリーシステム１０は、このような容量回復性を有する第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００を用いる場合において、これらの特性を、効果的に活用することができる。

また、バッテリーシステム１０は、過放電が劣化を早める特性を有する第２のバッテリー２００を用いる場合において、当該過放電による第２のバッテリー２００の劣化を防止することができる。

このような、バッテリーシステム１０において、バッテリー全体の性能の低下を防止しつつ、個々のバッテリーの特性を活かすことが可能な、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００の組み合わせの条件を、例示する。

図６は、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００の組み合わせの条件の一例を示す図である。

図６に示すように、電圧安定部Ｂより高い電圧の電圧不安定部Ａの高低幅３５１は、第２のバッテリー２００の方が広く、電圧安定部Ｂより低い電圧の電圧不安定部Ａ’の高低幅３５３は、第１のバッテリー１００の方が広い。また、電圧安定部Ｂの電圧３５２は、上述の通り、第１のバッテリー１００のほうが高い。そして、公称電圧範囲内において、充電状態保持特性３５４は、第２のバッテリー２００の方が良く、放電状態保持特性３５５は、第１のバッテリー１００の方が良い。

そして、このような各項目の組み合わせを実現する具体的な電池の種類３５６は、第１のバッテリー１００としてのリチウムイオン電池と、第２のバッテリー２００としての鉛蓄電池である。なお、リチウムイオン電池としては、三元系、Ｎｉ系、Ｆｅ系、あるいはＴｉ系のリチウムイオン電池が好適であり、鉛蓄電池としては、開放型の鉛蓄電池が好適である。開放型の鉛蓄電池が好適であるのは、密閉型の鉛蓄電池よりも充電電圧が高くまで充電可能なため、および、補水が可能であることから過充電にも比較的強いためである。

以上のように、本発明に係るバッテリーシステムは、個々のバッテリーの使用状態を最適化することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図７は、本発明の実施の形態に係るバッテリーシステムの構成を示すブロック図である。図８〜図１０は、第１のバッテリーおよび第２のバッテリーの具体例を示す図である。

図７に示すように、バッテリーシステム１０ａにおいて、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００は、並列に接続されている。そして、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００のそれぞれの両端は、制御回路４００を介して負荷５００に接続されている。また、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００のそれぞれの両端は、必要に応じて、電源６００に接続されて充電されるようになっている。また、前記第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００との間には、開閉器７００が配置されている。

第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００は、例えば、図８に示すバッテリーである。

図８に示すように、第１のバッテリー１００は、例えば、公称電圧５７.６ＶのＬｉＦｅＰＯ４形のリチウムイオン電池であり、公称電圧３.２Ｖのバッテリーセルを１８個直列に接続した構成を有する。また、この場合、第１のバッテリー１００には、安全確保のため、充放電を監視する保護回路８００（図７参照）が設けられることが望ましい。

一方、第２のバッテリー２００は、例えば、公称電圧４８Ｖの開放型の鉛蓄電池であり、公称電圧２Ｖのバッテリーセルを２４個直列に接続した構成を有する。

または、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００は、例えば、図９に示すバッテリーである。

また、図９に示すように、第１のバッテリー１００は、例えば、公称電圧５７.６ＶのＮＣＲ１８６５０Ａ（ＬｉＮｉＯ２）形のリチウムイオン電池であり、公称電圧３.６Ｖのバッテリーセルを１６個直列に接続した構成を有する。また、この場合も、第１のバッテリー１００には、保護回路８００（図７参照）が設けられることが望ましい。一方、第２のバッテリー２００は、図８に示す例と同様のものである。

また、図１０に示すように、第１のバッテリー１００は、例えば、公称電圧５７.６Ｖのチタン酸リチウムイオン電池であり、公称電圧２.４Ｖのバッテリーセルを２４個直列に接続した構成を有する。また、この場合も、第１のバッテリー１００には、保護回路８００（図７参照）が設けられることが望ましい。一方、第２のバッテリー２００は、図８および図９に示す例と同様のものである。

図７の制御回路４００は、システム全体の制御を実行するものであり、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００の充放電状態や電圧、電流等を制御する機能を有する。負荷５００は、例えば、電気自動車のモータである。電源６００は、例えば、商用電源であり、コンセント（図示せず）等を介して第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００に接続される。なお、電源６００は、電気自動車のモータを含んでもよく、この場合、回生エネルギーが第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００に供給されることになる。

開閉器７００は、所定時間、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００へと電流が流れ続けた場合等、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００への電流の流入状態、および、第２のバッテリー２００の電圧の変化状態のうち少なくとも１つに応じて、当該電流を遮断する機能を有する。より具体的には、開閉器７００は、例えば、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００へと、所定値以上の電流が所定時間以上継続して流入したときや、上記電流が所定値以下になったとき、あるいは第２バッテリー２００の電圧がある所定値以下になったとき等に、上記電流を遮断する。開閉器７００を設ける理由は、以下の通りである。

例えば、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００とを同じ電圧まで充電し、その後、充電を停止して、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００とを接続した状態で放置したとする。この場合、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００へと電流が流れることになる。

第１のバッテリー１００は、上述の通り、充電保存よりも放電保存の方が容量回復性に優れている。したがって、充電後、第１のバッテリー１００が第２のバッテリー２００へ放電することは、第１のバッテリー１００の長寿命化の面で好ましい。また、第２のバッテリー２００は、上述の通り、放電保存よりも充電保存の方が容量回復性に優れている。したがって、充電後も第２のバッテリー２００の電圧を高く維持することは、第２のバッテリー２００の長寿命化の面で好ましい。

したがって、バッテリーシステム１０ａは、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００の双方について、良好な特性の維持が可能となる。

また、例えば、充電を行った直後に放電を行う場合、第１のバッテリー１００の電圧が放電により低下する。このため、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００への電流の流れ込みは少ない。

一方、充電後に充電を停止して放置した場合、第１のバッテリーの電圧は高いまま維持され、第２のバッテリーの電圧も不安定領域Ａ２の状態に維持される。このため、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００への電流の流れ込みが継続する。したがって、充電が行われたにもかかわらず、充電された電力が、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００との間で消費されてしまうことになる。

したがって、充電後の放置期間が長くなる状況が発生し得る場合には、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００へ流れる電流を遮断することが望ましい。開閉器７００を設けるのは、このような理由からである。なお、この開閉器７００は、第１のバッテリー１００側ではなく、第２のバッテリー２００側に配置してもよい。

また、バッテリーシステム１０ａにおいて、第１のバッテリー１００の電圧は、上述の通り、第２のバッテリー２００の安定領域Ｂ２における緩やかな電圧変化に追随するため、不安定領域Ａ１’で急激に下限電圧Ｖｌまで低下することがない。このため、制御回路４００は、バッテリー全体の電圧の監視を精度良く行うことがき、第１のバッテリー１００の過放電の危険性をより確実に抑制することができる。

以上のように、本実施の形態に係るバッテリーシステム１０ａは、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００とを組み合わせることにより、安価に高容量化することができ、また、長寿命化が可能で使用状態の最適化を図ることができる。すなわち、本実施の形態に係るバッテリーシステム１０ａは、安価に高容量化することができ、充電受入性能が高く、かつ、性能が低下し難いという特徴を有する。また、本発明は、上述の通り、セル電圧が異なる様々な種類のリチウムイオン電池に適用可能である。

なお、第２のバッテリー２００が鉛蓄電池の場合、上述の通り、低い充電状態まで放電（過放電）すると、劣化が進み、サイクル寿命が低下する特性がある。

そこで、上記バッテリーシステム１０ａにおいて、第１のバッテリー１００を、第２バッテリー２００に比べて、より高出力かつ高容量としてもよい。これにより、第１のバッテリー１００が放電してから、第２のバッテリー２００が放電するようにすることができ、第２のバッテリー２００ができるだけ高い充電状態を保つようにすることができる。

このような第１のバッテリー１００としては、鉛蓄電池に対して出力および容量の両方で違いを出し易いリチウムイオン電池を採用することが特に望ましいが、ニッケル水素電池を採用してもよい。

ここで、高出力とは、１Ｉｔで放電したときの定格容量比率が、比較対象のバッテリーよりも高いことをいう。鉛蓄電池のかかる定格容量比率は、約５０％である。一方、リチウムイオン電池やニッケル水素電池のかかる定格容量比率は、約９０％である。したがって、第１のバッテリー１００をリチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池とし、第２のバッテリー２００を鉛蓄電池とすることで、第１のバッテリー１００を第２バッテリー２００よりも高出力とすることができる。

また、高容量とは、体積エネルギー密度または重量エネルギー密度が、比較対象のバッテリーよりも高いことをいう。

例えば、開放型鉛蓄電池には、公称電圧４８Ｖおよび容量７２５Ａｈの性能、つまり、エネルギー３４８００Ｗｈにおいて、総重量約１１７５ｋｇおよび体積約１３.２Ｌのものがある。かかる開放型鉛蓄電池は、重量エネルギー密度約３０Ｗｈ／ｋｇ（体積エネルギー密度１０９Ｗｈ／Ｌ）であり、鉛蓄電池の中でも最大級の容量のものである。すなわち、他の鉛蓄電池のエネルギー密度は、かかる開放型鉛蓄電池のエネルギー密度程度を超えないと想定される。

一方、リチウムイオン電池は、例えば、公称電圧３.６Ｖおよび容量２Ａｈの性能、つまり、エネルギー７.２Ｗｈにおいて、総重量約０.０４５ｋｇおよび体積約０.０１６５Ｌである。かかるリチウムイオン電池は、重量エネルギー密度約１６０Ｗｈ／ｋｇ（体積エネルギー密度４３５Ｗｈ／Ｌ）である。

また、ニッケル水素電池は、例えば、公称電圧１.２Ｖおよび容量５Ａｈの性能、つまり、エネルギー６Ｗｈにおいて、総重量約０.１５ｋｇおよび体積約０.０４２４Ｌである。かかるニッケル水素電池は、重量エネルギー密度４０Ｗｈ／ｋｇ（体積エネルギー密度１４１Ｗｈ／Ｌ）程度である。

すなわち、高容量の閾値が、例えば、重量エネルギー密度３５Ｗｈ／ｋｇ（体積エネルギー密度１２０Ｗｈ／Ｌ）程度に設定されれば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池が鉛蓄電池に対して高容量になる。したがって、第１のバッテリー１００を重量エネルギー密度３５Ｗｈ／ｋｇ以上のリチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池とし、第２のバッテリー２００を鉛蓄電池とすることで、第１のバッテリー１００を第２バッテリー２００よりも高容量とすることができる。

また、図７におけるバッテリーシステムの説明では、開閉器７００による第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００との間の遮断について説明したが、遮断を行う条件は、上述の例に限定されない。

一般的に、リチウムイオン電池のサイクル寿命特性は、充電と放電との間の休止時間（保管）が長くなるほど悪化する。これは、充電状態で放置されると、電圧が高い状態が維持されることから、電池セル内部の電解液が電池自身の高電圧の影響を受けて劣化し、電池セルの特性に悪影響を及ぼすためである。

そのため、例えば小型の電池パックのように、長期の充電保管時の劣化を避けるために、バッテリーに抵抗を設け、この抵抗に放電させて電圧を低下させるといった対策が考えられる。しかしながら、ＥＶ（Electric Vehicle）用途などの大容量バッテリーにおいては、必要な抵抗が大きくなり、その設置が困難であるとともにエネルギーロスが大きくなる。

そこで、制御回路４００（図７参照）は、第１のバッテリー１００としてリチウムイオン電池が用いられる場合、上記休止時間ができるだけ短くなるように、開閉器７００の動作を制御することが望ましい。

図１１は、かかる開閉器７００の制御の一例を説明するための図である。図１１において、縦軸は電池電圧を示し、横軸は時間を示す。

ここでは、図５Ｄで説明した昼休みのような、１時間程度の比較的短い時間に連続して充電が行われる状況、つまり、満充電となる前の途中で、充電が終了する状況を想定している。

充電時において、制御回路４００は、開閉器７００を接続し、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００との間を導通させている。この場合、図１１の線９１０に示すように、まず、第１のバッテリー１００（リチウムイオン電池）と第２のバッテリー２００（鉛蓄電池）の両方の充電が行われる（区間９１１）。そして、充電が継続され、時間ｓ_１に第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００が所定の電圧Ｖａ_１まで充電された段階で、充電器が停止、あるいは、ユーザにより充電が停止される。

制御回路４００は、時間ｓ_１以降も開閉器７００の接続を維持させ、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００に電流が流れるようにする（区間９１２）。そして、制御回路４００は、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００の電圧が、長期保存してもサイクル寿命特性への影響が十分に少ない所定の閾値Ｖｔｈ_１まで低下すると、開閉器７００を遮断する。すなわち、制御回路４００は、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００へと電流が流れ込まないようにする。

なお、充電後に、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００の電圧が、長期保存してもサイクル寿命特性への影響が十分に少ない所定の閾値Ｖｔｈ_１まで一気に低下すると、次の使用時に電池の全体的な容量が減少し過ぎる場合がある。このため、制御回路４００は、閾値Ｖｔｈ_１に至るまで、開閉器７００の遮断と再接続とを断続的に繰り返してもよい。

このように、第１のバッテリー１００の休止時間を短くすることにより、リチウムイオン電池としての第１のバッテリー１００をより長く安定的に使用することが可能となる。

あるいは、制御回路４００は、第１のバッテリー１００の充電終了時の電圧が低く抑えられるように、開閉器７００の動作を制御してもよい。

図１２は、開閉器７００の制御の他の例を説明するための図であり、図１１に対応するものである。

ここでは、図５Ｆで説明した夜間のような、比較的長い時間に連続して充電が行われる状況、つまり、満充電が完了する状況を想定している。

充電時において、制御回路４００は、開閉器７００を接続し、第１のバッテリー１００と第２のバッテリー２００との間を導通させている。この場合、図１２の線９２０に示すように、まず、第１のバッテリー１００（リチウムイオン電池）と第２のバッテリー２００（鉛蓄電池）の両方の充電が行われる（区間９２１）。

そして、制御回路４００は、充電が継続され、第１のバッテリー１００および第２のバッテリー２００が所定の電圧Ｖｂまで充電されると、開閉器７００を遮断して、第１のバッテリー１００への充電を停止する。この電圧Ｖｂは、第１のバッテリー１００の予め設定された満充電電圧である。

そして、制御回路４００は、充電が継続されて第２のバッテリー２００が所定の電圧Ｖａｂ（Ｖｂ＜Ｖａｂ＜Ｖａ）まで充電されると、一定電流による充電制御に切り替え、第２のバッテリー２００のみに対して、所定の電圧Ｖａまで充電を行う（区間９２２）。電圧Ｖａは、第２のバッテリー２００の予め設定された満充電電圧である。

なお、この間、第１のバッテリー１００は、満充電電圧Ｖｂのまま維持されており、図１１に示す場合に比べると、相対的に高い電圧で継続的に維持される。このため、劣化の度合いは、図１１に示す場合に比べて、相対的に高くなる可能性がある。

その後、一定時間が経過して、時間ｓにて充電が停止されると、不安定領域にある第２バッテリーの電圧は、急速に低下する。ここで、図１２に示すように、第２バッテリー２００の電圧は、時間ｔにおいて、第１バッテリー１００の電圧Ｖｂよりも更に低下して、閾値Ｖｔｈ_２に至ったとする。このとき、制御回路４００は、開閉器７００を再接続して、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００へと電流が流れるようにする（区間９２３）。

このように、開閉器７００を適切に制御することにより、第２のバッテリー２００を、第１のバッテリー１００の放電用の抵抗として利用することができる。すなわち、第１のバッテリー１００に新たに放電用の抵抗を設けることなく、第１のバッテリー１００の休止時間における電圧を低く抑えることが可能となる。更に、第２のバッテリー２００の自己放電を補うことで、第１のバッテリー１００が放電したエネルギーを第２のバッテリー２００に吸収させることができ、全体としてのエネルギーロスを抑えることができる。

そして、制御回路４００は、第１のバッテリー１００の電圧が、長期保存してもサイクル寿命特性への影響が十分に少ない所定の閾値Ｖｔｈ_３まで低下すると、開閉器７００を再び遮断する。すなわち、制御回路４００は、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００に電流が流れ込まないようにする。これにより、第１のバッテリー１００から第２のバッテリー２００への電流の流れ込みが長時間継続し、第１のバッテリー１００の容量が減少してしまうのを、防止することができる。

なお、本発明は、上述の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一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。

例えば、本発明にかかるバッテリーシステムは、電気自動車に限らず、電動スクータやフォークリフト等の電動車両にも適用することができる。また、本発明の適用は、電動車両に限定されるものではなく、本発明は、他の各種機器および各種装置にも適用可能である。

本開示のバッテリーシステムは、第１のバッテリーと第２のバッテリーとを組み合わせたバッテリーシステムであって、前記第１のバッテリーの放電特性は、放電容量に対する電圧の変化率が小さい安定領域を有し、前記第２のバッテリーの放電特性は、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧よりも低い電圧の範囲において、放電容量に対する電圧の変化率が小さい安定領域を有し、かつ、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電容量に対する電圧の変化率が大きい不安定領域を有し、前記第１のバッテリーおよび前記第２のバッテリーから成るバッテリー全体の放電状態が、当該バッテリー全体の放電過程において、前記第１のバッテリーの安定領域から前記第２のバッテリーの安定領域へと移行するように、前記第１のバッテリーと前記第２のバッテリーとを並列に接続する。

なお、上記バッテリーシステムにおいて、前記第１のバッテリーの放電特性は、前記第２のバッテリーの前記安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電容量に対する電圧の変化率が大きい不安定領域を有してもよい。

また、上記バッテリーシステムにおいて、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧の最小値と、前記第２のバッテリーの前記安定領域の電圧の最大値とは、略一致していてもよい。

また、上記バッテリーシステムにおいて、前記第１のバッテリーおよび前記第２のバッテリーの少なくとも１つは、直列に接続された複数のバッテリーセルから成っていてもよい。

また、上記バッテリーシステムにおいて、前記第１のバッテリーは、充電保存時の容量回復性よりも放電保存時の容量回復性の方が優れたバッテリーであり、前記第２のバッテリーは、放電保存時の容量回復性よりも充電保存時の容量回復性の方が優れたバッテリーであってもよい。

また、上記バッテリーシステムにおいて、前記第１のバッテリーは、リチウムイオン電池であり、前記第２のバッテリーは、鉛蓄電池であってもよい。

また、上記バッテリーシステムにおいて、前記第２のバッテリーは、開放型鉛蓄電池であってもよい。

また、上記バッテリーシステムにおいて、前記第２のバッテリーは、鉛蓄電池であり、前記第１のバッテリーは、前記第２のバッテリーよりも高出力かつ高容量であってもよい。

また、上記バッテリーシステムにおいて、前記第１のバッテリーは、リチウムイオン電池であってもよい。

また、上記バッテリーシステムは、前記第１のバッテリーと前記第２のバッテリーとの間に配置され、前記第１のバッテリーから前記第２のバッテリーへの電流の流入状態、および、電圧の変化状態のうち少なくとも１つに応じて、当該電流を遮断する開閉器、を更に有してもよい。

また、上記バッテリーシステムにおいて、前記開閉器は、前記第２のバッテリーの電圧が前記第１のバッテリーの電圧より低くなった場合に、再接続してもよい。

また、上記バッテリーシステムにおいて、前記開閉器は、前記第１のバッテリーの電圧が所定の閾値よりも低くなった場合に、前記第１のバッテリーから前記第２のバッテリーへの電流を遮断してもよい。

２０１３年４月３日出願の特願２０１３−０７７８８８の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

本発明は、安価に高容量化することができ、充電受入性能が高く、かつ、性能が低下し難いバッテリーシステムとして有用である。

１０、１０ａ バッテリーシステム
１００ 第１のバッテリー（リチウムイオン電池）
２００ 第２のバッテリー（鉛蓄電池）
４００ 制御回路
５００ 負荷
６００ 電源
７００ 開閉器
８００ 保護回路

Claims (11)

1. 第１のバッテリーと第２のバッテリーとを組み合わせたバッテリーシステムであって、
   前記第１、第２のバッテリーの放電特性は、放電容量に対する電圧の変化率で規定される安定領域と不安定領域とを有し、前記安定領域は前記不安定領域に対して放電容量に対する電圧の変化率が小さく、
   前記第１のバッテリーの放電特性は、前記第２のバッテリーの安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電末期側の前記不安定領域を有し、
   前記第２のバッテリーの放電特性は、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧よりも低い電圧の範囲において、安定領域を有し、かつ、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電初期側の前記不安定領域を有し、
   前記第１のバッテリーおよび前記第２のバッテリーから成るバッテリー全体の放電状態が、当該バッテリー全体の放電過程において、前記第１のバッテリーの安定領域から前記第２のバッテリーの安定領域へと移行するように、前記第１のバッテリーと前記第２のバッテリーとを並列に接続し、
   前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧の最小値と、前記第２のバッテリーの前記安定領域の電圧の最大値とは、略一致している、
   バッテリーシステム。
2. 第１のバッテリーと第２のバッテリーとを組み合わせたバッテリーシステムであって、
   前記第１、第２のバッテリーの放電特性は、放電容量に対する電圧の変化率で規定される安定領域と不安定領域とを有し、前記安定領域は前記不安定領域に対して放電容量に対する電圧の変化率が小さく、
   前記第１のバッテリーの放電特性は、前記第２のバッテリーの安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電末期側の前記不安定領域を有し、
   前記第２のバッテリーの放電特性は、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧よりも低い電圧の範囲において、安定領域を有し、かつ、前記第１のバッテリーの前記安定領域の電圧と重複する電圧の範囲において、放電初期側の前記不安定領域を有し、
   前記第１のバッテリーおよび前記第２のバッテリーから成るバッテリー全体の放電状態が、当該バッテリー全体の放電過程において、前記第１のバッテリーの安定領域から前記第２のバッテリーの安定領域へと移行するように、前記第１のバッテリーと前記第２のバッテリーとを並列に接続する、
   バッテリーシステム。
3. 前記第１のバッテリーおよび前記第２のバッテリーの少なくとも１つは、直列に接続された複数のバッテリーセルから成る、
   請求項２に記載のバッテリーシステム。
4. 前記第１のバッテリーは、充電保存時の容量回復性よりも放電保存時の容量回復性の方が優れたバッテリーであり、
   前記第２のバッテリーは、放電保存時の容量回復性よりも充電保存時の容量回復性の方が優れたバッテリーである、
   請求項２に記載のバッテリーシステム。
5. 前記第１のバッテリーは、リチウムイオン電池であり、
   前記第２のバッテリーは、鉛蓄電池である、
   請求項４に記載のバッテリーシステム。
6. 前記第２のバッテリーは、開放型鉛蓄電池である、
   請求項５に記載のバッテリーシステム。
7. 前記第２のバッテリーは、鉛蓄電池であり、
   前記第１のバッテリーは、前記第２のバッテリーよりも高出力かつ高容量である、
   請求項２に記載のバッテリーシステム。
8. 前記第１のバッテリーは、リチウムイオン電池である、
   請求項７に記載のバッテリーシステム。
9. 前記第１のバッテリーと前記第２のバッテリーとの間に配置され、前記第１のバッテリーから前記第２のバッテリーへの電流の流入状態、および、電圧の変化状態のうち少なくとも１つに応じて、当該電流を遮断する開閉器、を更に有する、
   請求項２に記載のバッテリーシステム。
10. 前記開閉器は、
    前記第２のバッテリーの電圧が前記第１のバッテリーの電圧より低くなった場合に、再接続する、
    請求項９に記載のバッテリーシステム。
11. 前記開閉器は、
    前記第１のバッテリーの電圧が所定の閾値よりも低くなった場合に、前記第１のバッテリーから前記第２のバッテリーへの電流を遮断する、
    請求項１０に記載のバッテリーシステム。

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