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CN105874681A - 电源系统 - Google Patents

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Abstract

在将二次电池并联连接的系统中，对一方的二次电池的放电倍率变得高于既定的放电倍率的情况进行抑制。第一蓄电部(10)与第二蓄电部(20)并联连接。第一蓄电部(10)包括第一非水电解质二次电池。第二蓄电部(20)包括进行并联连接的第二非水电解质二次电池。第二非水电解质二次电池的能量密度比第一非水电解质二次电池的能量密度高。以如下方式设定第二非水电解质二次电池的并联数量：即使在以与第一非水电解质二次电池的设想最大放电电流值相当的电流值从第二蓄电部(20)进行放电的情况下，第二非水电解质二次电池的放电倍率也为基准放电倍率以下。

Description

电源系统
技术领域
本发明涉及一种搭载于车辆的电源系统。
背景技术
近年来，混合动力汽车、电动汽车正在逐渐普及。这些车辆上搭载有行驶用电动机，并且搭载有二次电池，该二次电池向行驶用电动机供给电力，蓄积从行驶用电动机再生的电力。作为车载用二次电池，一般使用锂离子电池、镍氢电池。作为车载用电源系统，提出了将不同形状的电池并联连接的电源系统。例如，提出了将方形电池与圆筒形电池并联连接的电源系统(例如，参照专利文献1)。若将方形电池与圆筒形电池进行比较，则前者为高输出，后者的能量密度高。因而，通过将两者并联连接，能够构成高输出且高容量的电池组。
另外，二次电池具有当以高倍率放电时会使劣化加速的性质。另外，当以高倍率放电时，电压变化的行为容易变得不规则。能够通过调整电池的组成等来提高对高倍率放电的耐受性，但是会招致成本上升、电池特性的降低等。
在设计将形状不同的二次电池并联连接而成的并联系统的情况下，一般来说，基于形状不同的二次电池之间的内部电阻比，以使各二次电池的放电倍率为4C～8C以下的方式，设定各个形状的二次电池的容量、并联数量。此外，放电倍率的实际的极限值根据电池的组成而不同，但是在消费者用电池中一般为4C以下。
专利文献1：国际公开第2013/157049号
发明内容
发明要解决的问题
然而，进行并联连接的形状不同的两个二次电池并不是同时以相同方式进行放电的。即，电流未必会基于在同一条件下进行比较时的内部电阻比进行流动。通过本发明的发明人们进行的实验，确认了以下情况：即使在基于内部电阻比而设计成不超过既定的放电倍率的情况下，由于长时间的连续放电，而一方的二次电池的放电倍率有时也会超过既定的放电倍率。
本发明是鉴于这种状况而完成的，其目的在于提供如下一种技术：在将二次电池并联连接而成的系统中，对一方的二次电池的放电倍率变得高于既定的放电倍率的情况进行抑制。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明的某个方式的电源系统具备：第一蓄电部，其包括第一非水电解质二次电池；以及第二蓄电部，其与所述第一蓄电部并联连接，包括进行并联连接的多个第二非水电解质二次电池。所述第二非水电解质二次电池是能量密度比所述第一非水电解质二次电池的能量密度高的二次电池，所述第二非水电解质二次电池相对于所述第一非水电解质二次电池的内部电阻比被设定为10～35的范围，基于根据并联连接的所述第一蓄电部和所述第二蓄电部的系统设想最大放电电流值以及所述内部电阻比而计算出的所述第一非水电解质二次电池的第一设想最大放电电流值，以使所述第一非水电解质二次电池的放电倍率为规定的基准放电倍率以下的方式，设定所述第一蓄电部的容量值，基于根据所述系统设想最大放电电流值、所述内部电阻比以及所述第二非水电解质二次电池的并联数量而计算出的所述第二非水电解质二次电池的第二设想最大放电电流值，以使所述第二非水电解质二次电池的放电倍率为所述基准放电倍率以下的方式，设定所述第二蓄电部的容量值，以如下方式设定所述第二非水电解质二次电池的并联数量：即使在以与所述第一设想最大放电电流值相当的电流值从所述第二蓄电部进行放电的情况下，所述第二非水电解质二次电池的放电倍率也为所述基准放电倍率以下。
发明的效果
根据本发明，能够在将二次电池并联连接而成的系统中对一方的二次电池的放电倍率变得高于既定的放电倍率的情况进行抑制。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的电源系统的结构的图。
图2是表示方形锂离子电池A与圆筒形锂离子电池B或圆筒形锂离子电池BB的内部电阻比的测定结果的图。
图3是表示从由方形锂离子电池A和圆筒形锂离子电池B构成的并联系统以50A的电流连续放电的情况下的系统电压、方形锂离子电池A的放电电流以及圆筒形锂离子电池B的放电电流的变化的图。
图4是对圆筒形锂离子电池B的并联数量、每组并联的分担电流、放电倍率的关系进行总结的图。
具体实施方式
图1是表示本发明的实施方式所涉及的电源系统100的结构的图。电源系统100搭载于混合动力汽车或电动汽车，向车辆内的负载200供给电力。在本实施方式中，作为车辆内的负载200，设想行驶用电动机。电源系统100和行驶用电动机经由未图示的逆变器进行连接。逆变器将从电源系统100供给的直流电压变换为交流电压后供给到行驶用电动机，将从行驶用电动机供给的交流电压变换为直流电压后供给到电源系统100。
行驶用电动机由三相交流同步电动机构成。在本实施方式中，设想能够仅利用行驶用电动机的转矩来行驶的大型电动机。行驶用电动机在动力运行时基于从电源系统100供给的电力进行旋转来使车辆行驶，在再生时通过基于车辆的减速能量的旋转来发电，将发出的电力供给到电源系统100。
电源系统100具备第一蓄电部10、第二蓄电部20、第一开关SW1、第二开关SW2、第一电流检测元件R1、第二电流检测元件R2以及控制装置40。第一蓄电部10与第二蓄电部20并联连接，成为一体地向负载200供给电力。下面，在本实施方式中，设想200V的电源系统100。
第一蓄电部10包括串联连接的多个锂离子电池单元S11～S156。锂离子电池的代表电压是3.6～3.7V，在本实施方式中，设想了200V系统，因此将56个锂离子电池单元S11～S156串联连接。
第二蓄电部20包括多个串联电池单元电路，各串联电池单元电路是将多个锂离子电池单元串联连接而成的。多个串联电池单元电路进行并联连接。在图1中，将56个锂离子电池单元S21～256串联连接而成的第一串联电池单元电路、将56个锂离子电池单元S31～S356串联连接而成的第二串联电池单元电路、…、将56个锂离子电池单元Sn1～Sn56串联连接而成的第n串联电池单元电路进行并联连接。
此外，在第一蓄电部10和第二蓄电部20中，使用了锂离子电池，但是只要是非水电解质二次电池即可，也可以使用锂离子电池以外的电池。
第一蓄电部10中使用的锂离子电池与第二蓄电部20中使用的锂离子电池使用电池结构不同的锂离子电池。使用低阻抗的集电构件(例如，金属板)的电池能够提高输出特性，但是与使用高阻抗的集电构件(例如，箔材)的电池相比体积容易变大。即，与使用高阻抗的集电构件的电池相比，使用低阻抗的集电构件的电池示出能量密度相对变小的趋势。关于这一点，即使是相同组成的电池，也示出相同的趋势。随着电池的发电要素以外的部件变大，每单位体积的容量降低，能量密度变小。
在将使用低阻抗的集电构件的电池与使用高阻抗的集电构件的电池并联连接而成的系统中，能够从前者供给高输出的电力，并能够通过后者来增大系统整体的容量、每单位体积的容量。另一方面，高阻抗的集电构件当流通大电流时发热，会使电池的劣化加速。
在本实施方式中，在第一蓄电部10中使用方形的锂离子电池，在第二蓄电部20中使用圆筒形的锂离子电池。圆筒形的锂离子电池作为消费者用的锂离子电池而广泛普及。方形的锂离子电池主要作为车载用锂离子电池而普及。
方形的锂离子电池使用低阻抗的集电构件，为高输出的电池。另一方面，圆筒形的锂离子电池使用高阻抗的集电构件，能够构成能量密度高且高容量的电池。方形电池和圆筒形电池的基本发电要素(电极体、电解液)均相同，因此电池特性也大致相同。但是，在将外装罐等机构构件、电极体的极板面积等纳入考虑的情况下，输出、循环特性会产生差异。如上所述，集电构件由箔材等构成的圆筒形电池的能量密度高，生产率也高。但是，集电构件的阻抗变高，因此当取出高输出的电流时劣化加速。另一方面，在能量密度的观点上来看，集电构件由金属板等构成的方形电池的能量密度不及圆筒形电池的能量密度，但是即使取出高输出的电流也能够将劣化抑制得小。
因而，在构成将方形的锂离子电池与圆筒形的锂离子电池并联连接而成的系统的情况下，需要设计成避免大电流流过圆筒形的锂离子电池。设计方法的详情在后面叙述。
第一开关SW1被插入到第一蓄电部10的正极端子与高压侧电流总线之间。第二开关SW2被插入到第二蓄电部20的正极端子与高压侧电流总线之间。作为第一开关SW1和第二开关SW2，能够使用继电器、IGBT、MOSFET等。
第一电流检测元件R1连接于第一蓄电部10的负极端子与低压侧电流总线之间。第二电流检测元件R2连接于第二蓄电部20的负极端子与低压侧电流总线之间。作为第一电流检测元件R1和第二电流检测元件R2，使用分流电阻或霍尔元件。
控制装置40是用于对第一蓄电部10和第二蓄电部20进行管理控制的装置，具备第一电压电流检测电路41、第二电压电流检测电路42、处理部43、驱动电路44。
第一电压电流检测电路41检测第一蓄电部10所包括的多个锂离子电池单元S11～S156中的各单元的电压。第一电压电流检测电路41将检测出的各单元的电压值输出到处理部43。另外，第一电压电流检测电路41检测第一电流检测元件R1的两端电压，将与检测出的两端电压对应的电流值输出到处理部43。
第二电压电流检测电路42检测第二蓄电部20所包括的多个锂离子电池单元S21～Sn56中的各单元的电压。第二电压电流检测电路42将检测出的各单元的电压值输出到处理部43。另外，第一电压电流检测电路41检测第二电流检测元件R2的两端电压，将与检测出的两端电压对应的电流值输出到处理部43。第一电压电流检测电路41和第二电压电流检测电路42能够由作为专用的定制IC的ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)构成。既可以由一个芯片构成，也可以由两个芯片构成。
处理部43能够由CPU、ROM、RAM构成，能够经由未图示的CAN(Controller Area Network：控制器局域网)而与未图示的车辆侧的ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)通信。处理部43基于由第一电压电流检测电路41检测出的电压值和/或电流值来估计第一蓄电部10的SOC(State Of Charge：荷电状态)。SOC例如能够通过OCV(Open CircuitVoltage：开路电压)法或电流累计法估计出来。这些估计方法是一般的技术，因此省略其详细说明。同样地，处理部43基于由第二电压电流检测电路42检测出的电压值和/或电流值来估计第二蓄电部20的SOC。
处理部43基于估计出的第一蓄电部10的SOC和/或来自ECU的指示信号，生成用于控制第一开关SW1的接通/断开的控制信号。例如，在第一蓄电部10过放电的情况下、或者过电流流过第一蓄电部10的情况下，生成用于将第一开关SW1控制为断开的控制信号。同样地，处理部43基于估计出的第二蓄电部20的SOC和/或来自ECU的指示信号，生成用于控制第二开关SW2的接通/断开的控制信号。这些控制信号被输出到驱动电路44。驱动电路44基于来自处理部43的控制信号，生成用于接通/断开第一开关SW1的驱动信号以及用于接通/断开第二开关SW2的驱动信号。
下面，说明分别在第一蓄电部10和第二蓄电部20中使用的锂离子电池的容量、并联数量的设定方法。此外，在本实施方式中，设想将第一蓄电部10的并联数量固定为1的例子。即，不使方形锂离子电池并联，而仅使圆筒形锂离子电池并联。通过调整圆筒形锂离子电池的并联数量来调整第二蓄电部20的容量，进而调整由第一蓄电部10和第二蓄电部20构成的并联系统整体的容量。
作为第一蓄电部10中使用的方形锂离子电池，使用标称电压为3.6V、容量为25.0Ah的锂离子电池A。作为第二蓄电部20中使用的圆筒形锂离子电池，使用标称电压为3.6V、容量为3.0Ah的锂离子电池B或者标称电压为3.6V、容量为2.0Ah的锂离子电池BB。锂离子电池B和锂离子电池BB均属于18650型锂离子电池。
图2是表示方形锂离子电池A与圆筒形锂离子电池B或圆筒形锂离子电池BB的内部电阻比的测定结果的图。图2的(a)表示方形锂离子电池A与圆筒形锂离子电池B的内部电阻比的测定结果，图2的(b)表示方形锂离子电池A与圆筒形锂离子电池BB的内部电阻比的测定结果。
对从方形锂离子电池A、圆筒形锂离子电池B以及圆筒形锂离子电池BB以相同电流值进行放电的情况下的各个电阻值进行测定。另外，各内部电阻比是对在同一条件的环境下测定出的各个电阻值之比进行计算而得到的。例如，在25℃的环境下方形锂离子电池A和圆筒形锂离子电池B的SOC均为20％时，两者的内部电阻比为29.2。另外，在-10℃的环境下方形锂离子电池A和圆筒形锂离子电池B的SOC均为20％时，两者的内部电阻比为21.4。
在下面的说明中，设想将方形锂离子电池A用作第一蓄电部10所包括的锂离子电池单元、将圆筒形锂离子电池B用作第二蓄电部20所包括的锂离子电池单元的例子。在该情况下，如图2的(a)所示，第一蓄电部10所包括的锂离子电池单元与第二蓄电部20所包括的锂离子电池单元的内部电阻比收敛于10～35的范围。更严密地说，收敛于20～30的范围。
第一蓄电部10所包括的方形锂离子电池A的设想最大放电电流值是根据并联系统的设想最大放电电流值以及上述的内部电阻比而计算出的。第二蓄电部20所包括的圆筒形锂离子电池B的设想最大放电电流值是根据并联系统的设想最大放电电流值、上述的内部电阻比以及圆筒形锂离子电池B的并联数量而计算出的。并联系统的设想最大放电电流值是从并联系统流向负载200的放电电流的设想最大值。在下面的例子中，设想是50A。
基于方形锂离子电池A的设想最大放电电流值，以使方形锂离子电池A的放电倍率为规定的基准放电倍率以下的方式，设定第一蓄电部10的容量值。基于圆筒形锂离子电池B的设想最大放电电流值，以使圆筒形锂离子电池B的放电倍率为该基准放电倍率以下的方式，设定第二蓄电部20的容量值。在下面的例子中，将基准放电倍率设定为5.0C。该基准放电倍率是电池设计者从保护电池的观点出发而既定的值，是根据实验、模拟、经验法则等推导出的值。
假设在将圆筒形锂离子电池B的并联数量设为1、将上述的内部电阻比设为24的情况下，圆筒形锂离子电池B的设想最大放电电流值为2.4A。圆筒形锂离子电池B的容量值为3.0Ah，因此其放电倍率为0.8C，满足了基准放电倍率以下这一条件。
然而，根据本发明的发明人们的实验，已知即使在按照上述的方法来设定圆筒形锂离子电池B的容量值和并联数量的情况下，也存在圆筒形锂离子电池B的放电倍率超过基准放电倍率的情况。
图3是表示从由方形锂离子电池A和圆筒形锂离子电池B构成的并联系统以50A的电流连续放电的情况下的系统电压、方形锂离子电池A的放电电流以及圆筒形锂离子电池B的放电电流的变化的图。关于圆筒形锂离子电池B，以使方形锂离子电池A与圆筒形锂离子电池B的电阻比为1：4的方式并联连接有规定数的圆筒形锂离子电池B。作为并联系统的整体的容量为40Ah，从并联系统的SOC为50％的状态起开始放电。并联系统的放电开始时的电压为3.7V，放电终止电压为2.5V。
在放电初始，按照在同一条件下测定出的内部电阻的比率来决定方形锂离子电池A和圆筒形锂离子电池B的电流分担。然而，随着时间经过，圆筒形锂离子电池B的电流分担急剧增加。推测这是由于：随着放电的进行，方形锂离子电池A与圆筒形锂离子电池B的SOC发生偏离，而内部电阻比不像所设想的那样发生变化。方形锂离子电池A的SOC以更快的速度逐渐降低，因此方形锂离子电池A的内部电阻以更快的速度逐渐上升(参照图2)，内部电阻比逐渐变小。
如图3所示，随着放电的进行，圆筒形锂离子电池B与方形锂离子电池A这两者的内部电阻反转，圆筒形锂离子电池B的放电电流与方形锂离子电池A的放电电流反转。在系统电压达到放电终止电压的2.5V时，圆筒形锂离子电池B的放电电流为40.0A，方形锂离子电池A的放电电流为10.0A。这与放电初始的两者的关系相反。
基于以上认识，将第二蓄电部20所包括的圆筒形锂离子电池B的并联数量设定成：即使在以与方形锂离子电池A的设想最大放电电流值相当的电流值从第二蓄电部20放电的情况下，圆筒形锂离子电池B的放电倍率也为基准放电倍率以下。在图3的例子中，方形锂离子电池A的设想最大放电电流值为40A。不以10.0A为基准而以40.0A为基准来设定圆筒形锂离子电池B的并联数量。
并联系统的放电终止电压时的圆筒形锂离子电池B的放电电流值通常不会超过方形锂离子电池A的设想最大放电电流值，如果以方形锂离子电池A的设想最大电流值为基准来设定并联数量，则圆筒形锂离子电池B的放电倍率不会超过基准放电倍率。
图4是对圆筒形锂离子电池B的并联数量、平均每组并联的分担电流、放电倍率的关系进行总结的图。设想最大放电电流为40.0A，因此并联数量为1的情况下的平均每组并联的分担电流为40.0A。圆筒形锂离子电池B的容量为3.0Ah，因此该情况下的放电倍率为13.3C。基准放电倍率被设定为5.0C，因此并联数量为1的结构不满足放电倍率的条件。并联数量为2的情况下的平均每组并联的分担电流为20.0A。该情况下的放电倍率为6.7C，并联数量为2的结构也不满足放电倍率的条件。并联数量为3的情况下的平均每组并联的分担电流为13.3A。该情况下的放电倍率为4.4C，并联数量为3的结构满足放电倍率的条件。当然并联数量超过3的结构也满足放电倍率的条件。
因而，第二蓄电部20所包括的圆筒形锂离子电池B的并联数量被设定为3以上。此外，当超过9组并联时，第二蓄电部20的容量变为27.0Ah以上，因此超过第一蓄电部10的容量。在该情况下，当考虑将形状不同的电池并联连接的各种成本时，能够判断为将两个25.0Ah的方形锂离子电池A并联时的总成本更低。因而，第二蓄电部20所包括的圆筒形锂离子电池B的并联数量被设定为3～8的范围是最合适的。
如以上所说明的那样，根据本实施方式，在将方形锂离子电池与圆筒形锂离子电池并联连接而成的系统中，能够对圆筒形锂离子电池的放电倍率变得高于既定的放电倍率的情况进行抑制。因而，在享有能够构成高输出且高容量的电池组这样的并联系统的优点的同时，能够万全地保护圆筒形锂离子电池。
圆筒形锂离子电池的耐久性比方形锂离子电池的耐久性低，但是通过抑制圆筒形锂离子电池的劣化，能够抑制两者的寿命产生偏差的情况。另外，如果能够抑制圆筒形锂离子电池的放电倍率，则无需对圆筒形锂离子电池追加保护用的特殊结构。因而，设计成将圆筒形锂离子电池的放电倍率抑制为既定的放电倍率以下在技术上有很大意义。
以往，在由方形锂离子电池和圆筒形锂离子电池构成的并联系统中，根据在同一条件下测定出的内部电阻的比率来决定各个容量值和并联数量。原本，当从两者的内部电阻比出发来进行考虑时，应该几乎没有电流流过圆筒形锂离子电池。然而，通过实验明确了实际上存在从圆筒形锂离子电池流出大电流的可能性。即，已知两者的电流分担并不是仅根据在同一条件下测定出的内部电阻的比率而决定的。根据本实施方式，即使成为从第二蓄电部20放出大电流的状态，也能够避免第二蓄电部20所包括的圆筒形锂离子电池的放电倍率超过5.0C，从而能够保护圆筒形锂离子电池。
在电动汽车中，方形锂离子电池被使用到SOC为10％左右为止，放电电压有时会降低到2.5V附近。因而，从圆筒形锂离子电池放出大电流的可能性并不低，无法忽视。
以上，基于实施方式说明了本发明。本领域技术人员应该理解，这些实施方式是例示，这些各结构要素、各处理过程的组合能够存在各种变形例，而这种变形例也包括在本发明的范围内。
例如，在将标称电压为3.6V、容量为2.0Ah的锂离子电池BB用作第二蓄电部20所包括的锂离子电池单元的情况下，也能够应用上述的设计方法。另外，在具有上述以外的容量值的由方形锂离子电池和圆筒形锂离子构成的并联系统中也能够应用上述的设计方法。
附图标记说明
100：电源系统；10：第一蓄电部；S11、S12、S13、S156：方形电池单元；R1：第一电流检测元件；SW1：第一开关；20：第二蓄电部；S21、S22、S23、S256、S31、S32、S33、S356、S31、S32、S33、S356、Sn1、Sn2、Sn3、Sn56：圆筒形电池单元；R2：第二电流检测元件；SW2：第二开关；40：控制装置；41：第一电压电流检测电路；42：第二电压电流检测电路；43：处理部；44：驱动电路；200：负载。

Claims (4)

1.一种电源系统，其特征在于，具备：
第一蓄电部，其包括第一非水电解质二次电池；以及
第二蓄电部，其与所述第一蓄电部并联连接，包括进行并联连接的多个第二非水电解质二次电池，
其中，所述第二非水电解质二次电池是能量密度比所述第一非水电解质二次电池的能量密度高的二次电池，
所述第二非水电解质二次电池相对于所述第一非水电解质二次电池的内部电阻比被设定为10～35的范围，
基于根据并联连接的所述第一蓄电部和所述第二蓄电部的系统设想最大放电电流值以及所述内部电阻比而计算出的所述第一非水电解质二次电池的第一设想最大放电电流值，以使所述第一非水电解质二次电池的放电倍率为规定的基准放电倍率以下的方式，设定所述第一蓄电部的容量值，
基于根据所述系统设想最大放电电流值、所述内部电阻比以及所述第二非水电解质二次电池的并联数量而计算出的所述第二非水电解质二次电池的第二设想最大放电电流值，以使所述第二非水电解质二次电池的放电倍率为所述基准放电倍率以下的方式，设定所述第二蓄电部的容量值，
以如下方式设定所述第二非水电解质二次电池的并联数量：即使在以与所述第一设想最大放电电流值相当的电流值从所述第二蓄电部进行放电的情况下，所述第二非水电解质二次电池的放电倍率也为所述基准放电倍率以下。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，
以如下方式设定所述第二非水电解质二次电池的并联数量：所述第二蓄电部的容量值小于所述第一蓄电部的容量值。
3.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，
所述基准放电倍率被设定为5.0C。
4.根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于，
所述第一非水电解质二次电池是容量值为25.0Ah的方形电池，
所述第二非水电解质二次电池是容量值为3.0Ah的圆筒形电池，
所述第二非水电解质二次电池的并联数量被设定为3～8的范围。
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