JP6352399B2 - 電源システム - Google Patents
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Description
本発明は、車両に搭載される電源システムに関する。
近年、ハイブリットカー、電気自動車が普及してきている。それらの車両には走行用モータが搭載されるとともに、走行用モータに電力を供給し、走行用モータから回生される電力を蓄える二次電池が搭載される。車載用二次電池にはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池が用いられることが一般的である。車載用電源システムとして、異なる形状の電池を並列に接続する電源システムが提案されている。例えば、角形電池と円筒形電池を並列に接続する電源システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。角形電池と円筒形電池を比較すると前者は高出力であり、後者はエネルギー密度が高い。従って両者を並列接続することにより、高出力で高容量の組電池を構成できる。
ところで二次電池は、ハイレートで放電すると劣化を加速させる性質がある。またハイレートで放電すると電圧変化の挙動が不規則になりやすい。電池の組成等のチューニングで、ハイレート放電に対する耐性を向上させることが可能であるが、コスト上昇、電池特性の低下などを招く。
形状が異なる二次電池を並列接続した並列システムを設計する場合、各二次電池の放電レートが4〜8C以下になるように、形状が異なる二次電池間の内部抵抗比に基づいて、各形状の二次電池の容量、並列数を設定するのが一般的である。なお放電レートの実際の限界値は電池の組成により異なるが、民生用電池では4C以下が一般的である。
しかしながら、並列接続された形状が異なる二つの二次電池が同時に、同じように放電されるわけではない。即ち必ずしも、同一条件で比較した際の内部抵抗比に基づいて電流が流れるわけではない。本発明者らの実験により、内部抵抗比に基づき規定の放電レートを超えないように設計した場合であっても、長時間の連続放電で、一方の二次電池の放電レートが規定の放電レートを超える場合があることが確認された。
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、二次電池が並列接続されたシステムにて、一方の二次電池の放電レートが、規定の放電レートより高くなることを抑制する技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源システムは、第1の非水電解質二次電池を含む第1の蓄電部と、前記第1の蓄電部と並列接続される第2の蓄電部であり、並列接続される複数の第2の非水電解質二次電池を含む第2の蓄電部と、を備える。前記第2の非水電解質二次電池は、前記第1の非水電解質二次電池よりエネルギー密度が高い二次電池であり、前記第1の非水電解質二次電池に対する前記第2の非水電解質二次電池の内部抵抗比が、10〜35の範囲に設定され、並列接続された前記第1の蓄電部および前記第2の蓄電部のシステム想定最大放電電流値、並びに前記内部抵抗比から算出される前記第1の非水電解質二次電池の第1の想定最大放電電流値に基づき、前記第1の非水電解質二次電池の放電レートが所定の基準放電レート以下になるように、前記第1の蓄電部の容量値が設定され、前記システム想定最大放電電流値、前記内部抵抗比、及び前記第2の非水電解質二次電池の並列数から算出される前記第2の非水電解質二次電池の第2の想定最大放電電流値に基づき、前記第2の非水電解質二次電池の放電レートが前記基準放電レート以下になるように、前記第2の蓄電部の容量値が設定され、前記第1の想定最大放電電流値に相当する電流値で前記第2の蓄電部から放電される場合であっても、前記第2の非水電解質二次電池の放電レートが前記基準放電レート以下になるように、前記第2の非水電解質二次電池の並列数が設定される。
本発明によれば、二次電池が並列接続されたシステムにて、一方の二次電池の放電レートが、規定の放電レートより高くなることを抑制できる。
図1は、本発明の実施の形態に係る電源システム100の構成を示す図である。電源システム100はハイブリッドカー、又は電気自動車に搭載され、車両内の負荷200に電力を供給する。本実施の形態では車両内の負荷200として走行用モータを想定する。電源システム100と走行用モータは、図示しないインバータを介して接続される。インバータは、電源システム100から供給される直流電圧を交流電圧に変換して走行用モータに供給し、走行用モータから供給される交流電圧を直流電圧に変換して電源システム100に供給する。
走行用モータは三相交流同期モータで構成される。本実施の形態では走行用モータのトルクのみで走行できる大型モータを想定する。走行用モータは力行時、電源システム100から供給される電力に基づき回転し車両を走行させ、回生時、車両の減速エネルギーに基づく回転により発電し、発電した電力を電源システム100に供給する。
電源システム100は、第1蓄電部10、第2蓄電部20、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2、第1電流検出素子R1、第2電流検出素子R2、及び制御装置40を備える。第1蓄電部10と第2蓄電部20は並列接続され、一体となって負荷200に電力を供給する。以下、本実施の形態では200Vの電源システム100を想定する。
第1蓄電部10は、直列接続された複数のリチウムイオン電池セルS11〜S156を含む。リチウムイオン電池の代表電圧は3.6〜3.7Vであり、本実施の形態では200Vシステムを想定しているため、56個のリチウムイオン電池セルS11〜S156が直列接続される。
第2蓄電部20は、複数のリチウムイオン電池セルが直列接続された直列電池セル回路を複数含む。複数の直列電池セル回路は並列接続される。図1では、56個のリチウムイオン電池セルS21〜256が直列接続された第1直列電池セル回路と、56個のリチウムイオン電池セルS31〜S356が直列接続された第2直列電池セル回路と、・・・、56個のリチウムイオン電池セルSn1〜Sn56が直列接続された第n直列電池セル回路とが並列接続されている。
なお第1蓄電部10及び第2蓄電部20では、リチウムイオン電池を用いているが非水電解質二次電池であれば、リチウムイオン電池以外の電池を用いてもよい。
第1蓄電部10に使用するリチウムイオン電池と、第2蓄電部20に使用するリチウムイオン電池には、異なる電池構成のリチウムイオン電池を使用する。低インピーダンスの集電部材(例えば、金属板)を用いた電池は出力特性を向上させることができるが、高インピーダンスの集電部材(例えば、箔材)を用いた電池と比べて体積が大きくなりやすい。即ち低インピーダンスの集電部材を用いた電池は、高インピーダンスの集電部材を用いた電池と比べて、相対的にエネルギー密度が小さくなる傾向がある。これは、たとえ同じ組成の電池であっても同じ傾向を示す。電池の発電要素以外の部品が大きくなるにつれて体積あたりの容量が低下してエネルギー密度が小さくなる。
低インピーダンスの集電部材を用いた電池と、高インピーダンスの集電部材を用いた電池を並列接続したシステムでは、前者から高出力の電力を供給でき、後者によってシステム全体の容量や、体積あたりの容量を増大させることができる。一方で、高インピーダンスの集電部材は大電流が流れると発熱し、電池の劣化を加速させる。
本実施の形態では第1蓄電部10に角形のリチウムイオン電池を使用し、第2蓄電部20に円筒形のリチウムイオン電池を使用する。円筒形のリチウムイオン電池は、民生用のリチウムイオン電池として広く普及している。角形のリチウムイオン電池は、主に車載用リチウムイオン電池として普及している。
角形のリチウムイオン電池は、低インピーダンスの集電部材を用いており高出力である。一方、円筒形のリチウムイオン電池は高インピーダンスの集電部材を用いており、エネルギー密度が高く高容量の電池を構成できる。角形電池も円筒形電池も、基本となる発電要素(電極体、電解液)が同じであるため電池特性もほぼ同じになる。ただし、外装缶等の機構部材や、電極体の極板面積等を含めて考えた場合、出力やサイクル特性に違いが生じる。上述のように、集電部材が箔材などで構成される円筒形電池は、エネルギー密度が高く生産性も高い。ただし、集電部材のインピーダンスが高くなるため、高出力の電流を取り出すと劣化が加速する。一方、集電部材が金属板などで構成される角形電池は、エネルギー密度の観点では円筒形電池に及ばないが、高出力の電流を取り出しても劣化を小さく抑えることができる。
従って角形のリチウムイオン電池と円筒形のリチウムイオン電池を並列接続したシステムを構成する場合、円筒形のリチウムイオン電池に大電流が流れないように設計する必要がある。設計方法の詳細は後述する。
第1スイッチSW1は、第1蓄電部10の正極端子と高圧側電流バスとの間に挿入される。第2スイッチSW2は、第2蓄電部20の正極端子と高圧側電流バスとの間に挿入される。第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2にはリレー、IGBT、MOSFET等を用いることができる。
第1電流検出素子R1は、第1蓄電部10の負極端子と低圧側電流バスとの間に接続される。第2電流検出素子R2は、第2蓄電部20の負極端子と低圧側電流バスとの間に接続される。第1電流検出素子R1及び第2電流検出素子R2には、シャント抵抗またはホール素子が用いられる。
制御装置40は第1蓄電部10及び第2蓄電部20を管理制御するための装置であり、第1電圧電流検出回路41、第2電圧電流検出回路42、処理部43、駆動回路44を備える。
第1電圧電流検出回路41は、第1蓄電部10に含まれる複数のリチウムイオン電池セルS11〜S156の各電圧を検出する。第1電圧電流検出回路41は、検出した各セルの電圧値を処理部43に出力する。また第1電圧電流検出回路41は、第1電流検出素子R1の両端電圧を検出して、検出した両端電圧に対応する電流値を処理部43に出力する。
第2電圧電流検出回路42は、第2蓄電部20に含まれる複数のリチウムイオン電池セルS21〜Sn56の各電圧を検出する。第2電圧電流検出回路42は、検出した各セルの電圧値を処理部43に出力する。また第1電圧電流検出回路41は、第2電流検出素子R2の両端電圧を検出して、検出した両端電圧に対応する電流値を処理部43に出力する。第1電圧電流検出回路41及び第2電圧電流検出回路42は、専用のカスタムICであるASIC(Application Specific Integrated Circuit)で構成できる。一つのチップで構成してもよいし、二つのチップで構成してもよい。
処理部43はCPU、ROM、RAMで構成でき、図示しないCAN(Controller Area Network)を介して、図示しない車両側のECU(Electronic Control Unit)と通信可能である。処理部43は、第1電圧電流検出回路41により検出された電圧値および/または電流値をもとに、第1蓄電部10のSOC(State Of Charge)を推定する。SOCは例えば、OCV(Open Circuit Voltage)法または電流積算法により推定できる。これらの推定方法は一般的な技術であるため、その詳細な説明は省略する。同様に処理部43は、第2電圧電流検出回路42により検出された電圧値および/または電流値をもとに、第2蓄電部20のSOCを推定する。
処理部43は、推定した第1蓄電部10のSOCおよび/またはECUからの指示信号に基づき、第1スイッチSW1のオン/オフを制御するための制御信号を生成する。例えば、第1蓄電部10が過放電の場合、または第1蓄電部10に過電流が流れている場合、第1スイッチSW1をオフに制御するための制御信号を生成する。同様に処理部43は、推定した第2蓄電部20のSOCおよび/またはECUからの指示信号に基づき、第2スイッチSW2のオン/オフを制御するための制御信号を生成する。それらの制御信号は駆動回路44に出力される。駆動回路44は処理部43からの制御信号をもとに、第1スイッチSW1をオン/オフするための駆動信号、及び第2スイッチSW2をオン/オフするための駆動信号を生成する。
以下、第1蓄電部10及び第2蓄電部20にそれぞれ使用されるリチウムイオン電池の容量、並列数の設定方法について説明する。なお本実施の形態では第1蓄電部10の並列数が1に固定される例を想定する。即ち角形リチウムイオン電池は並列させず、円筒形リチウムイオン電池のみを並列させる。円筒形リチウムイオン電池の並列数を調整することにより、第2蓄電部20の容量を調整し、ひいては第1蓄電部10と第2蓄電部20により構成される並列システム全体の容量を調整する。
第1蓄電部10に使用する角形リチウムイオン電池として公称電圧が3.6V、容量が25.0Ahのリチウムイオン電池Aを使用する。第2蓄電部20に使用する円筒形リチウムイオン電池として公称電圧が3.6V、容量が3.0Ahのリチウムイオン電池B、又は公称電圧が3.6V、容量が2.0Ahのリチウムイオン電池BBを使用する。リチウムイオン電池B及びリチウムイオン電池BBは、いずれも18650型リチウムイオン電池に属する。
図2は、角形リチウムイオン電池Aと、円筒形リチウムイオン電池Bまたは円筒形リチウムイオン電池BBとの内部抵抗比の測定結果を示す図である。図2(a)は角形リチウムイオン電池Aと円筒形リチウムイオン電池Bとの内部抵抗比の測定結果を示し、図2(b)は角形リチウムイオン電池Aと円筒形リチウムイオン電池BBとの内部抵抗比の測定結果を示している。
角形リチウムイオン電池A、円筒形リチウムイオン電池B、及び円筒形リチウムイオン電池BBから同じ電流値で放電した場合の、それぞれの抵抗値を測定した。また各内部抵抗比は、同一条件の環境で測定したそれぞれの抵抗値の比を算出したものである。例えば、25℃の環境下で角形リチウムイオン電池A及び円筒形リチウムイオン電池BのSOCが共に20%のとき、両者の内部抵抗比は29.2である。また−10℃の環境下で角形リチウムイオン電池A及び円筒形リチウムイオン電池BのSOCが共に20%のとき、両者の内部抵抗比は21.4である。
以下の説明では、第1蓄電部10に含まれるリチウムイオン電池セルに角形リチウムイオン電池Aを、第2蓄電部20に含まれるリチウムイオン電池セルに円筒形リチウムイオン電池Bを使用する例を想定する。この場合、図2(a)に示すように第1蓄電部10に含まれるリチウムイオン電池セルと、第2蓄電部20に含まれるリチウムイオン電池セルの内部抵抗比は10〜35の範囲に収まる。より厳密には20〜30の範囲に収まる。
第1蓄電部10に含まれる角形リチウムイオン電池Aの想定最大放電電流値は、並列システムの想定最大放電電流値、及び上記の内部抵抗比から算出される。第2蓄電部20に含まれる円筒形リチウムイオン電池Bの想定最大放電電流値は、並列システムの想定最大放電電流値、上記の内部抵抗比、及び円筒形リチウムイオン電池Bの並列数から算出される。並列システムの想定最大放電電流値は、並列システムから負荷200に流れる放電電流の想定最大値である。以下の例では50Aを想定する。
第1蓄電部10の容量値は、角形リチウムイオン電池Aの想定最大放電電流値に基づき、角形リチウムイオン電池Aの放電レートが、所定の基準放電レート以下になるように設定される。第2蓄電部20の容量値は、円筒形リチウムイオン電池Bの想定最大放電電流値に基づき、円筒形リチウムイオン電池Bの放電レートが、当該基準放電レート以下になるように設定される。以下の例では基準放電レートを5.0Cに設定する。この基準放電レートは電池保護の観点から、電池設計者により規定される値であり、実験、シミュレーション、経験則などから導かれた値である。
仮に円筒形リチウムイオン電池Bの並列数を1、上記の内部抵抗比を24とした場合、円筒形リチウムイオン電池Bの想定最大放電電流値は2.4Aとなる。円筒形リチウムイオン電池Bの容量値は3.0Ahであるため、その放電レートは0.8Cとなり、基準放電レート以下という条件を満たしている。
しかしながら本発明者らの実験により上記の方法に従い、円筒形リチウムイオン電池Bの容量値および並列数を設定した場合でも、円筒形リチウムイオン電池Bの放電レートが基準放電レートを超える場合があることが分かった。
図3は、角形リチウムイオン電池Aと円筒形リチウムイオン電池Bで構成される並列システムから、50Aの電流で連続放電した場合の、システム電圧、角形リチウムイオン電池Aの放電電流および円筒形リチウムイオン電池Bの放電電流の推移を示す図である。円筒形リチウムイオン電池Bは、角形リチウムイオン電池Aと円筒形リチウムイオン電池Bの抵抗比が1:4になるように所定数、並列接続している。並列システムとしての全体の容量は40Ahであり、並列システムのSOCが50%の状態から放電を開始している。並列システムの放電開始時の電圧は3.7Vであり、放電終止電圧は2.5Vである。
放電初期は、同一条件で測定した内部抵抗の比率に従い角形リチウムイオン電池Aと円筒形リチウムイオン電池Bの電流分担が決まる。しかしながら時間経過によって、急激に円筒形リチウムイオン電池Bの電流分担が増える。これは放電が進むにつれて、角形リチウムイオン電池Aと円筒形リチウムイオン電池BのSOCが乖離して、内部抵抗比が想定どおり変化しないためと推測される。角形リチウムイオン電池AのSOCの方が早いペースで低下していくため、角形リチウムイオン電池Aの内部抵抗のほうが早いペースで上昇していき(図2参照)、内部抵抗比が小さくなっていく。
図3に示すように放電が進むにつれて両者の内部抵抗が逆転し、円筒形リチウムイオン電池Bの放電電流と角形リチウムイオン電池Aの放電電流が逆転する。システム電圧が放電終止電圧の2.5Vに到達するとき、円筒形リチウムイオン電池Bの放電電流が40.0A、角形リチウムイオン電池Aの放電電流が10.0Aとなる。これは放電初期と逆の関係になる。
以上の知見を踏まえ、第2蓄電部20に含まれる円筒形リチウムイオン電池Bの並列数は、角形リチウムイオン電池Aの想定最大放電電流値に相当する電流値で第2蓄電部20から放電される場合であっても、円筒形リチウムイオン電池Bの放電レートが、基準放電レート以下となるように設定される。図3の例では角形リチウムイオン電池Aの想定最大放電電流値は40Aである。円筒形リチウムイオン電池Bの並列数は、10.0Aではなく40.0Aを基準に設定される。
並列システムの放電終止電圧時の円筒形リチウムイオン電池Bの放電電流値は通常、角形リチウムイオン電池Aの想定最大放電電流値を超えることはなく、角形リチウムイオン電池Aの想定最大電流値を基準に並列数を設定すれば、円筒形リチウムイオン電池Bの放電レートが、基準放電レートを超えることはない。
図4は、円筒形リチウムイオン電池Bの並列数、1並列あたりの分担電流、放電レートの関係をまとめた図である。想定最大放電電流が40.0Aであるため、並列数が1の場合の1並列あたりの分担電流は40.0Aとなる。円筒形リチウムイオン電池Bの容量は3.0Ahであるため、この場合の放電レートは13.3Cとなる。基準放電レートは5.0Cに設定されているため、並列数が1の構成では放電レートの条件を満たさない。並列数が2の場合の1並列あたりの分担電流は20.0Aとなる。この場合の放電レートは6.7Cとなり、並列数が2の構成でも放電レートの条件を満たさない。並列数が3の場合の1並列あたりの分担電流は13.3Aとなる。この場合の放電レートは4.4Cとなり、並列数が3の構成では放電レートの条件を満たす。当然のことながら並列数が3を超える構成でも放電レートの条件を満たす。
従って第2蓄電部20に含まれる円筒形リチウムイオン電池Bの並列数は、3以上に設定される。なお9並列を超えると第2蓄電部20の容量が27.0Ah以上になるため、第1蓄電部10の容量を超える。この場合、形状が異なる電池を並列接続する様々なコストを考えると、25.0Ahの角形リチウムイオン電池Aを2並列にしたほうがトータルのコストは低いと判断できる。従って第2蓄電部20に含まれる円筒形リチウムイオン電池Bの並列数は、3〜8の範囲に設定されるのが最適である。
以上説明したように本実施の形態によれば、角形リチウムイオン電池と円筒形リチウムイオン電池が並列接続されるシステムにて、円筒形リチウムイオン電池の放電レートが、規定の放電レートより高くなることを抑制できる。従って高出力で高容量の組電池を構成できるという並列システムのメリットを享受しつつ、円筒形リチウムイオン電池の保護を万全にできる。
円筒形リチウムイオン電池は角形リチウムイオン電池に比べて、耐久性が低くなるが、円筒形リチウムイオン電池の劣化を抑制することにより、両者の寿命が乖離することを抑制できる。また円筒形リチウムイオン電池の放電レートを抑制できれば、保護のための特殊な構成を円筒形リチウムイオン電池に追加する必要がない。従って円筒形リチウムイオン電池の放電レートを、規定の放電レート以下に抑えるように設計することは技術的に大きな意義がある。
従来、角形リチウムイオン電池と円筒形リチウムイオン電池で構成された並列システムでは、同一条件で測定した内部抵抗の比率に応じて、それぞれの容量値と並列数が決定されていた。本来、両者の内部抵抗比から考えると円筒形リチウムイオン電池には、ほとんど電流が流れないはずである。しかしながら実際には円筒形リチウムイオン電池から大電流が流れる可能性があることが実験により明らかになった。即ち両者の電流分担は、同一条件で測定した内部抵抗の比率だけで決定されるものではないことが分かった。本実施の形態によれば、第2蓄電部20から大電流が放電される状態となっても、第2蓄電部20に含まれる円筒形リチウムイオン電池の放電レートが5.0Cを超えないようにすることができ、円筒形リチウムイオン電池を保護できる。
電気自動車では角形リチウムイオン電池がSOC10%くらいまで使用されており、放電電圧が2.5V近傍まで低下することがある。従って、円筒形リチウムイオン電池から大電流が放電される可能性は低くなく、無視できないものである。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。こられ実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
例えば、第2蓄電部20に含まれるリチウムイオン電池セルに、公称電圧が3.6V、容量が2.0Ahのリチウムイオン電池BBを使用する場合も、上記の設計方法を適用できる。また、上記以外の容量値を持つ、角形リチウムイオン電池と円筒形リチウムイオンで構成される並列システムにも、上記の設計方法を適用できる。
100 電源システム、 10 第1蓄電部、 S11,S12,S13,S156 角形電池セル、 R1 第1電流検出素子、 SW1 第1スイッチ、 20 第2蓄電部、 S21,S22,S23,S256,S31,S32,S33,S356,S31,S32,S33,S356,Sn1,Sn2,Sn3,Sn56 円筒形電池セル、 R2 第2電流検出素子、 SW2 第2スイッチ、 40 制御装置、 41 第1電圧電流検出回路、 42 第2電圧電流検出回路、 43 処理部、 44 駆動回路、 200 負荷。
Claims (4)
- 第1の非水電解質二次電池を含む第1の蓄電部と、
前記第1の蓄電部と並列接続される第2の蓄電部であり、並列接続される複数の第2の非水電解質二次電池を含む第2の蓄電部と、を備え、
前記第2の非水電解質二次電池は、前記第1の非水電解質二次電池よりエネルギー密度が高い二次電池であり、
前記第1の非水電解質二次電池に対する前記第2の非水電解質二次電池の内部抵抗比が、10〜35の範囲に設定され、
並列接続された前記第1の蓄電部および前記第2の蓄電部のシステム想定最大放電電流値、並びに前記内部抵抗比から算出される前記第1の非水電解質二次電池の第1の想定最大放電電流値に基づき、前記第1の非水電解質二次電池の放電レートが所定の基準放電レート以下になるように、前記第1の蓄電部の容量値が設定され、
前記システム想定最大放電電流値、前記内部抵抗比、及び前記第2の非水電解質二次電池の並列数から算出される前記第2の非水電解質二次電池の第2の想定最大放電電流値に基づき、前記第2の非水電解質二次電池の放電レートが前記基準放電レート以下になるように、前記第2の蓄電部の容量値が設定され、
前記第1の想定最大放電電流値に相当する電流値で前記第2の蓄電部から放電される場合であっても、前記第2の非水電解質二次電池の放電レートが前記基準放電レート以下になるように、前記第2の非水電解質二次電池の並列数が設定されることを特徴とする電源システム。 - 前記第2の非水電解質二次電池の並列数は、前記第2の蓄電部の容量値が前記第1の蓄電部の容量値未満になるように設定されることを特徴とする請求項1に記載の電源システム。
- 前記基準放電レートは、5.0Cに設定されることを特徴とする請求項1または2に記載の電源システム。
- 前記第1の非水電解質二次電池は、容量値が25.0Ahの角形電池であり、
前記第2の非水電解質二次電池は、容量値が3.0Ahの円筒形電池であり、
前記第2の非水電解質二次電池の並列数は、3〜8の範囲に設定されることを特徴とする請求項3に記載の電源システム。
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