JP5818048B2 - 電気自動車用ハイブリッドバッテリシステム - Google Patents

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Description

本発明は、電気自動車用バッテリシステムに関するものであり、より具体的には、リチウム電池と鉛蓄電池を相互補完して、車両に要求される電力量に応じて選択的に使用する電気自動車用バッテリシステムに関するものである。
電気自動車には、モーターを利用して駆動される自動車として、大容量のバッテリが装着される。これらのバッテリとして、過去には鉛蓄電池が使用されたが、現在はニッケル水素電池やリチウム電池などが主に使用されており、将来的にはリチウム電池が主に使用されると予想される。
過去に使用された鉛蓄電池は、価格が比較的非常に安く、高い信頼性を有するという利点があるが、単位重量あたりの出力が低く、体積が大きく、長時間使用すると、出力電圧が低下する問題があって、電気自動車には、優先的に選択されず、使用が忌避されている。
リチウム電池は、他の電池に比べて高出力、高密度電池として脚光を浴びている。しかし、リチウム電池は、価格が非常に高価で、温度によって性能が大きく左右され、特に高温では、電解質の分解が起こり、これにより寿命が著しく低下する。また、発火や爆発の危険もある。これらの問題点を改善するために、韓国公開特許公報第２０１０-０００１８７７号、第２００３-０１００８９１号、第２００３-０１００８９３号などには、バッテリを冷却するための方法が開示されている。
現在使用されている鉛蓄電池は、１０ｋｇ当たり１ｋＷｈ程度の電気エネルギーを保存することができ、１ｋＷｈ程度の電気エネルギーで、電気自動車は５乃至１０ｋｍを走行することができる。したがって、現在の自動車の走行距離である７００ｋｍ程度を走行するためには、高密度の鉛蓄電池をバッテリとして使用したとしても１トン程度のバッテリが必要である。したがって、鉛蓄電池のような低密度の二次電池をバッテリとして使用できない。
しかし、一度の充電で１００ｋｍ程度の走行が可能な電気自動車の場合には、走行距離が短いので、必ずしも高密度電池を使用する必要がない。むしろ、低価の鉛蓄電池を使用することができれば、コストが削減され、発火や爆発の危険がなく、冷却のための複雑な構造が要らないという利点がある。また、バッテリを配置する際に、発火や爆発の危険を考慮する必要がないので、もっと自由に電池を配置できるという利点もある。しかし、上述したように、鉛蓄電池は、長時間使用すると、出力電圧が低下し、走行が難しく、リチウム電池に比べて出力が低いので、停止した後、出発したり、坂道を走行する場合のように高出力が要求される場合には対応するのが難しいという問題がある。
本発明の目的は、一度の充電で１００ｋｍ程度の走行が可能な電気自動車用バッテリであり、信頼性が高く、価格が非常に安い電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムを提供することである。
本発明によれば、上述した目的を達成するための手段として、複数のリチウム電池セルを含むリチウム電池モジュールおよび複数の鉛蓄電池セルを含む鉛蓄電池モジュールと、前記リチウム電池モジュールの温度や電圧などを測定するためのセンサーを有する第１検知ユニットと、前記鉛蓄電池モジュールの温度や電圧などを測定するためのセンサーを有する第２検知ユニットと、前記第１検知ユニットおよび第２検知ユニットと接続され、前記第１検知ユニットおよび第２検知ユニットにおいて測定された値を用いて前記リチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュールの残存容量を測定し、前記リチウム電池モジュールの温度を基準温度と比較して、前記鉛蓄電池モジュールの電圧を基準電圧と比較して、制御信号を送信する制御回路と、前記リチウム電池モジュールおよび鉛蓄電池モジュールに接続され、前記制御信号に応じて前記リチウム電池モジュールまたは鉛蓄電池モジュールを選択的に放電するスイッチを含む充放電回路とを備える電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムが提供される。このような電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムは、鉛蓄電池モジュールとリチウム電池モジュールを選択的に使用して、鉛蓄電池モジュールの出力電圧の低下とリチウム電池モジュールの温度上昇による劣化を防止することができる。また、価格が安い鉛蓄電池モジュールを一緒に使用するため、製造コストが低減する。
また、前記制御回路は、前記リチウム電池モジュールの温度が基準温度以上であり、前記鉛蓄電池モジュールの電圧が基準電圧以上であれば、前記鉛蓄電池モジュールを放電させる制御信号を送信し、前記リチウム電池モジュールの温度が基準温度以下であり、前記鉛蓄電池モジュールの電圧が基準電圧以下であれば、前記リチウム電池モジュールを放電させる制御信号を送信する電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムが提供される。
また、前記制御回路は、電気自動車のモーターを制御するモーター制御回路と接続され、前記モーター制御回路が高出力を必要とすれば、 前記リチウム電池モジュールを放電させる制御信号を送信する電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムが提供される。
また、前記制御回路は、前記リチウム電池モジュールの温度が基準温度以上であり、前記鉛蓄電池モジュールの電圧が基準電圧以下であれば、警報を鳴らしたり、電気自動車の運行を停止させる電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムが提供される。
また、前記充放電回路は、リチウム電池セルまたは鉛蓄電池セルの充電および放電時にそれぞれのセルの電圧と充電率を測定し、電圧または充電率の高いセルを放電させることにより、それぞれのセルが同様に充電および放電されるように制御する均等充電回路と均等放電回路をさらに備える電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムが提供される。
本発明による電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムによれば、鉛蓄電池モジュールとリチウム電池モジュールを選択的に使用して、鉛蓄電池モジュールの出力電圧の低下とリチウム電池モジュールの温度上昇による劣化を防止することができる。また、安い価額の鉛蓄電池モジュールを一緒に使用するので、製造コストが低減される。
また、リチウム電池の継続的な使用によって、リチウム電池の温度が上昇することを防止するための別途の冷却システムの必要性が低いので、システムの構造は簡単である。また、鉛蓄電池は、非常に安定しているので、リチウム電池だけを搭乗者の安全を考慮して、安全な場所に設置すればよいので、電気自動車に配置することが容易である。
電気自動車システムの構成図 本発明の一実施例における電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムのブロック図 本発明の一実施例における電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムの作用を示すフローチャート
以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について詳細に説明する。
後述する実施例は、当業者に本発明の思想が十分に伝わるように、例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下に説明する実施例に限定されず、別の形態で具体化することもできる。また、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、便宜のために誇張して表現されたこともある。明細書全体にわたって、同じ参照番号は同じ構成要素を示す。
本発明のハイブリッドバッテリシステムは、純粋な電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）だけでなく、プラグインハイブリッド自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）にも使用することができる。以下、電気自動車に使用される場合を例として説明する。
図１は、電気自動車システムの構成図である。図１を参照すれば、電気自動車は、モーター１、モーターコントローラ２、ハイブリッドバッテリシステム１０、減速ギア３とを備える。
電気自動車のモーター１は、モータージェネレータとも呼ばれる。運行中にブレーキを踏んだとき、モーター１を発電機としてバッテリを充電するからである。これを犠牲ブレーキと呼ぶ。モーター１は、減速ギア３を介して車輪４と接続される。
モーターコントローラ２は、モーター制御回路と、モーター制御回路の命令に応じてモーター１を駆動するためにバッテリの直流を３相交流に変換するインバータを備える。インバータは、パワートランジスタをＯｎ−Ｏｆｆする方法で、直流を交流に変換する。
ハイブリッドバッテリシステム１０のバッテリは、一般の自動車用のガソリンスタンドと類似する急速充電ステーションで充電する際に使用される急速充電口５と、家庭で使用される一般的な電源を介して充電することができる一般充電器６を介して充電することができる。
図２は、本発明の一実施例における電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムのブロック図である。図２を参照すれば、ハイブリッドバッテリシステム１０は、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２を含むバッテリ１７と、バッテリの状態を監視して、最適な条件で維持および使用できるようにバッテリを管理するバッテリ管理システム１８（ＢＭＳ、ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）を備える。バッテリ管理システム１８は、第１検知ユニット１３と、第２検知ユニット１４と、制御回路１５と、充放電回路１６とを備える。
リチウム電池モジュール１１は、直・並列に接続された多数のリチウム電池セルを含む。電池の性能は、集められる電気エネルギー（単位はｋＷｈ）の大きさと取り出せる電力の大きさ（単位はｋＷ）で表すことができ、リチウム電池は、両方とも鉛蓄電池に比べて優れている。しかし、リチウム電池は、温度が増加すると特性が劣化して、爆発の危険性があり、価格が非常に高いという問題がある。
鉛蓄電池モジュール１２は、直・並列に接続された多数の鉛蓄電池セルを含む。鉛蓄電池は、集められる電気エネルギーの大きさが小さく、取り出せる電力の大きさも小さいが、価格が安く、爆発の危険性がない安全なバッテリという利点がある。鉛蓄電池は長期間使用すると、出力電圧が低下し、一定時間が経過してからまた出力電圧が回復する特性があり、取り出せる電力の大きさが小さいことから、電気自動車用バッテリとして使用するのには制約がある。
上述したように、リチウム電池モジュール１１は、温度上昇に伴う劣化の問題があり、冷却装置なしでは長時間使用できず、鉛蓄電池モジュール１２は、出力電圧の低下のため長時間使用できないという問題がある。本発明は、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２を選択的に使用することによって、これらの問題を解決した。
リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２の電圧に差がある場合には、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２にそれぞれＤＣ / ＤＣコンバータ（図示せず）を設置して、モーター１で必要な電圧に昇圧することができる。
以下では、バッテリ管理システム１８について説明する。バッテリ管理システム１８は、第１検知ユニット１３と、第２検知ユニット１４と、制御回路１５と、充放電回路１６とを備える。
第１検知ユニット１３は、リチウム電池モジュール１１のリチウム電池セルと接続され、セルそれぞれの温度と電圧を測定する。第１検知ユニット１３は、一つの通信回線を利用して直列に接続され、各セルの温度や電圧などの情報をシリアル通信方式を介して制御回路１５に伝達する。
第２検知ユニット１４は、鉛蓄電池モジュール１２の鉛蓄電池セルと接続され、セルのそれぞれの温度と電圧を測定した後、各セルの温度や電圧等の情報を制御回路１５に伝達する。
制御回路１５は、第１検知ユニット１３と第２検知ユニット１４から伝達された情報を介してリチウム電池セルと鉛蓄電池セルの温度や電圧などの状態を監視し、総合的に管理する役割を果たす。制御回路１５は、クーロンカウント方式などでの充電率（ＳＯＣ、Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を測定し、健全度（ＳＯＨ、Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｈｅａｌｔｈ）を決定する。また、外部回路に出力可能な電力を推定する。制御回路１５は、リチウム電池セルの温度を予め定められた基準温度と比較して、リチウム電池セルが安全な状態であるか否かを検査する。制御回路１５は、鉛蓄電池セルの電圧を予め定められた基準電圧と比較して、鉛蓄電池セルが使用できる状態であるか否かを検査する。制御回路１５は、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２の充電率と、リチウム電池モジュール１１の温度と鉛蓄電池モジュール１２の電圧を考慮して、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２のいずれかを選択的に放電させるための制御信号を発生させ、充放電回路１６に伝達する。
例えば、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２が十分に充電されており、定速走行中のため、鉛蓄電池モジュール１２が使われ続けている状態であれば、鉛蓄電池モジュール１２の電圧は、長時間使用によって徐々に低くなる。鉛蓄電池モジュール１２の電圧が基準電圧以下に低下すると、制御回路１５は、リチウム電池モジュール１１を放電させるための制御信号を発生させ、充放電回路１６に伝達する。一定の時間が経過して鉛蓄電池モジュール１２の電圧が基準電圧以上になると、制御回路１５は、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２の充電率を考慮して、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２のいずれかを選択して放電させるための制御信号を発生させる。もしリチウム電池モジュール１１を使用し続けて、リチウム電池モジュール１１の温度が基準温度以上に上昇すると、鉛蓄電池モジュール１２を放電させるための制御信号を発生させる。
制御回路１５は、モーターコントローラ２のモーター制御回路と接続されており、停止からの再出発や坂道の走行など、走行時の負荷状態を確認することができる。もし、走行状態に応じて大きな出力が必要な場合には、リチウム電池モジュール１１を放電させるための制御信号を発生させ、充放電回路１６に伝達する。鉛蓄電池モジュール１２は、十分に充電されている場合でも取り出して使用できる電力が低いからである。
充放電回路１６は、制御回路１５の制御信号に応じて、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２を選択的に放電させるスイッチと、放電時にモジュール１１、１２のそれぞれのセルが均一に放電されるように制御する均等放電回路と、充電時にモジュール１１、１２のそれぞれのセルが均一に充填されるように制御する均等充電回路とを備える。均等放電回路は、放電時にモジュール１１、１２のそれぞれのセルの電圧と充電率を考慮して、電圧と充電率が比較的高いセルを個別に放電することにより、均一に放電されるようにする。均等充電回路は、充電時のモジュール１１、１２のそれぞれのセルの電圧と充電率を考慮して、電圧と充電率が比較的高いセルを個別に放電することにより、均一に充電されるようにする。または、電圧と充電率が比較的低いセルを個別に充電することにより、均一に充電されるようにすることもできる。
以下、上述した電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムの作用を図３を参照して説明する。
（ステップＳ１、Ｓ２）車両の走行が開始されると、第１検知ユニット１３と第２検知ユニット１４は、リチウム電池セルと鉛蓄電池セルの温度や電圧などを測定する。
（ステップＳ３）次に、制御回路１５は、第１検知ユニット１３と第２検知ユニット１４で測定されたデータを利用して、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２の充電率、健全度などを測定する。（ステップＳ４）充電率の測定結果によって、一旦走行が可能な状態であるかを判断する。測定の結果、走行できる状態であれば、測定された充電率は、電気自動車の運転席に設置されたディスプレイを介して運転者に伝達される。（ステップＳ１２）次に、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２の両方の充電率が低く、充電が必要な場合には、電気自動車の運転席に設置されたディスプレイを介して運転者に充電が必要であることを知らせる。
（ステップＳ５）次に、制御回路１５は、第１検知ユニット１３で測定されたリチウム電池モジュール１１の各セルの温度値と基準温度を比較する。（ステップＳ６）また、第２検知ユニット１４で測定された鉛蓄電池モジュール１２の各セルの電圧値と基準電圧を比較する。（ステップＳ１３）比較の結果、リチウム電池モジュール１１の各セルの温度値が基準温度以上であり、鉛蓄電池モジュール１２の各セルの電圧値が基準電圧以下であって、走行が困難な場合には、電気自動車の運転席に設置されたディスプレイを介して運転者に警告をして、運転者が対処できるようにする。また、必要な場合には、制御回路１５が、電気自動車の運行を停止させる。
（ステップＳ８）次に、制御回路１５は、モーターコントローラ２のモーター制御回路を介して車両の走行状態情報を受信する。車両が定速で走行しているか、停止してから再出発するか、坂道を走行しているか否かなどのような車両の走行状態情報を受信する。
Ｓ４乃至Ｓ８のステップは、すべて制御回路１５で行われ、同時に進行したり、上述した順序とは異なる順序で行うことができる。
（ステップＳ９）次に、制御回路１５は、Ｓ４乃至Ｓ８のステップで得られた結果によって、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２の中でどのモジュールを使用するかを決定して、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２のいずれかの選択的な放電のための制御信号を発生した後、充放電回路１６に送信する。
（ステップＳ１０）次に、充放電回路１６は、制御信号に応じて、リチウム電池モジュール１１と鉛蓄電池モジュール１２のいずれかを放電する。この際、均等に放電回路は放電されているモジュール１１、１２のそれぞれのセルの電圧と充電率を考慮して、電圧と充電率が比較的高いセルを優先的に多く放電させることにより、均一に放電されるようにする。
（ステップＳ１１）一定時間が経過すると、Ｓ１乃至Ｓ１０のステップを繰り返す。
以上では、本発明の好適な実施例について図示して説明したが、本発明は上述した特定の実施例に限定されず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって種々の変形実施が可能であることはいうまでもなく、これらの変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
１ モーター
２ モーターコントローラ
３ 減速ギア
１０ ハイブリッドバッテリシステム
１１ リチウム電池モジュール
１２ 鉛蓄電池モジュール
１３ 第１検知ユニット
１４ 第２検知ユニット
１５ 制御回路
１６ 充放電回路

Claims (4)

  1. 複数のリチウム電池セルを含むリチウム電池モジュールと複数の鉛蓄電池セルを含む鉛蓄電池モジュールと、
    前記リチウム電池モジュールの温度と電圧を測定するためのセンサーを有する第１検知ユニットと、
    前記鉛蓄電池モジュールの温度と電圧を測定するためのセンサーを有する第２検知ユニットと、
    前記第１検知ユニットおよび第２検知ユニットと接続され、前記第１検知ユニットおよび第２検知ユニットで測定された値を用いて、前記リチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュールの残存容量を測定し、前記リチウム電池モジュールの温度を基準温度と比較して、前記鉛蓄電池モジュールの電圧を基準電圧と比較して、制御信号を送信する制御回路と、
    前記リチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュールと接続され、前記制御信号に応じて前記リチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュールを選択的に放電させるスイッチを含む充放電回路とを備える電気自動車用ハイブリッドバッテリシステムであって、
    前記制御回路は、前記リチウム電池モジュールの温度が基準温度以上であり、前記鉛蓄電池モジュールの電圧が基準電圧以上であれば、前記鉛蓄電池モジュールを放電させる制御信号を送信し、
    前記リチウム電池モジュールの温度が基準温度以下であり、前記鉛蓄電池モジュールの電圧が基準電圧以下であれば、前記リチウム電池モジュールを放電させる制御信号を送信する電気自動車用ハイブリッドバッテリシステム。
  2. 前記制御回路は、電気自動車のモーターを制御するモーター制御回路と接続され、前記モーター制御回路が高出力を要求する場合、前記リチウム電池モジュールを放電させる制御信号を送信する請求項１記載の電気自動車用ハイブリッドバッテリシステム。
  3. 前記制御回路は、前記リチウム電池モジュールの温度が基準温度以上であり、前記鉛蓄電池モジュールの電圧が基準電圧以下であれば、警報を鳴らしたり、電気自動車の運行を停止させる請求項１記載の電気自動車用ハイブリッドバッテリシステム。
  4. 前記充放電回路は、リチウム電池セルまたは鉛蓄電池セルの充電および放電時に、それぞれのセルの電圧と充電率を測定し、電圧または充電率の高いセルを放電することにより、それぞれのセルが同様に充電および放電されるように制御する均等充電回路と均等放電回路をさらに備える請求項１記載の電気自動車用ハイブリッドバッテリシステム。
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