JP2006121874A - 電源装置およびこれを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、並列接続された高容量電池と高出力電池との間での充放電が迅速に進行する電源装置を提供する。
【解決手段】高容量電池１１０と、高容量電池１１０よりも内部抵抗および容量が小さい高出力電池１２０とが、高容量電池１１０の電圧を受けて昇圧した電圧を高出力電池１２０に加えるＤＣ−ＤＣコンバータ１３０を介して、並列に接続される。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０によって電圧を昇圧する昇圧状態と、昇圧を停止して高容量電池１１０および高出力電池１２０を並列接続する昇圧停止状態とを切り替えるコントローラ１４０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置およびこれを搭載した車両に関する。本発明は、特に、高容量電池および高出力電池が並列に接続された電源装置およびこれを搭載した車両に関する。

電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のモータ駆動用電源として、リチウムイオン電池およびニッケル水素電池などの二次電池の開発が盛んである。

モータ駆動用電源としては、高容量かつ高出力化の要求から、下記の特許文献１に示すようなハイブリッド電池が提案されている。特許文献１に開示されているハイブリッド電池は、高容量電池（高エネルギー密度型電池）と高出力電池（高出力密度型電池）とが、並列に接続されたものである。このような構成にすると、高容量電池と高出力電池との間の電位差を小さくする方向に電流が流れ、二つの電池間での充放電が進行する。
特開平１１−３３２０２３号公報

しかしながら、上記ハイブリッド電池では、二つの電池間での充放電は、モータ駆動にともなって発生する二つの電池間の電位差によって、ゆっくりと進行する。

したがって、モータへの放電により高出力電池の充電量（ＳＯＣ）が著しく低下した場合、高容量電池から高出力電池への電流の供給が追いつかず、高出力電池の出力が低下する。また、低温時に、高容量電池と高出力電池との間で電流を流すことにより電池を昇温させ、電池の出力低下を防止する際に、電池の昇温に時間がかかるなどの問題があった。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、並列接続された高容量電池と高出力電池との間に、強制的に電位差を発生させることにより、電池間での充放電が迅速に進行することが可能な電源装置を提供することである。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の電源装置は、第１の電池と、前記第１の電池よりも内部抵抗および容量が小さい第２の電池とが、前記第１の電池の電圧を受けて昇圧した電圧を前記第２の電池に加える昇圧手段を介して、並列に接続されることを特徴とする。

本発明の車両は、上記電源装置を搭載したことを特徴とする。

本発明の電源装置によれば、高容量電池と高出力電池とを並列接続した電池において、二つの電池の間に強制的に電位差が発生することにより、電池間での充放電が迅速に進行する。

また、本発明の電源装置を搭載した車両によれば、低温時での出力の低下が防止でき、さらに、加速と減速が頻繁に繰り返される場合にも出力の低下が軽減される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明をモータ駆動用の電源装置に適用した場合を例にとって説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態である電源装置の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態の電源装置１００は、低温時に、高容量電池１１０と高出力電池１２０との間に強制的に電位差を発生させることで、電池１１０，１２０間での充放電を迅速に進行させ、電池１１０，１２０を昇温するものである。

図１に示すとおり、電源装置１００は、モータ駆動用のインバータ２００を介して、モータ３００に接続される。インバータ２００は、電源装置１００とモータ３００との間の充放電を制御する。モータ駆動時は、インバータ２００により、電源装置１００とモータ３００とは電気的に接続され、電源装置１００とモータ３００との間で充放電される。一方、モータ停止時は、電源装置１００とモータ３００とは電気的に絶縁された状態となる。

電源装置１００は、高容量電池１１０、高出力電池１２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０、コントローラ１４０、温度検出装置１５０、および電流検出装置１６０を備える。

電源装置１００において、第１の電池である高容量電池１１０と、この第１の電池よりも内部抵抗および容量が小さい第２の電池である高出力電池１２０とが、昇圧手段のＤＣ−ＤＣコンバータ１３０を介して、並列に接続されている。具体的には、高容量電池１１０の正極および負極は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の入力端子１３１，１３２にそれぞれ接続される。高出力電池１２０の正極および負極は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の出力端子１３３，１３４にそれぞれ接続される。また、高容量電池１１０および高出力電池１２０の初期電圧は略同一であり、共にモータ（負荷）への放電に用いられる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０は、高容量電池１１０の電圧を受けて昇圧した電圧を高出力電池１２０に加える昇圧手段である。コントローラ１４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０によって電圧を昇圧する昇圧状態と、昇圧を停止して高容量電池１１０および高出力電池１２０を並列接続する昇圧停止状態とを切り替える制御手段である。なお、高容量電池１１０、高出力電池１２０、およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の詳細は後述する。

温度検出装置１５０は、高容量電池１１０および高出力電池１２０にそれぞれ独立に取り付けられた温度センサを含む温度検出手段である。前記温度センサからの信号はコントローラ１４０に送信される。なお、温度センサとして、たとえば、熱電対、サーミスタ、白色測温抵抗体、および水晶などの接触式センサ、あるいは放射温度計などの非接触式センサを採用することができる。

電流検出装置１６０は、高容量電池１１０および高出力電池１２０にそれぞれ独立に取り付けられた電流センサを含む電流検出手段である。前記電流センサからの信号はコントローラ１４０に送信される。なお、電流センサとして、たとえば、一般的な電流計のほか、クランプ式電流センサおよびホール素子型電流センサなどを採用することができる。

コントローラ１４０は、温度検出装置１５０および電流検出装置１６０からの各信号を受信し、これらの信号に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０を制御するものである。

次に、図２を参照して、本実施の形態における電池１１０，１２０の構造について説明する。高出力電池１２０は、バイポーラ電極を有することを特徴とするバイポーラ電池である。一方、高容量電池１１０は、バイポーラ型でない従来の二次電池（以下、一般電池と称する）である。なお、本実施の形態では、高容量電池１１０および高出力電池１２０は、リチウムイオン二次電池である。

図２（Ａ）は、一般電池の構造を説明するための断面図である。一般電池は、基本的な構成として、図２（Ａ）に示すとおり、金属板１１１上に正極活物質層１１２を形成した正極と、金属板１１５上に負極活物質層１１４を形成した負極とが、電解質層１１３を介して積層され、電池ケースに収納される構成を有している。

このような構成を有する一般電池を用いる場合には、通常、複数個を直列に接続して電池モジュールとし、さらに、前記電池モジュールを直列に接続して組電池を形成することにより、高容量電池１１０を実現している。しかし、このような組電池では、電池間の接続および電池モジュール間の接続による抵抗が加算され、充放電時の組電池全体の内部抵抗が高まるので、高出力を得ることが難しい。

一方、図２（Ｂ）は、バイポーラ電池の構造を説明するための断面図である。図２（Ｂ）に示すとおり、バイポーラ電池では、集電体１２１の一方の面に正極活物質層１２２を形成し、他方の面に負極活物質層１２４を形成したバイポーラ電極が、電解質層１２３を介して複数積層されている。バイポーラ電池は、一般電池と比べると内部抵抗の方が小さいため、一般電池よりも高い出力を得ることができる。しかしながら、このようなバイポーラ電池を用いて、電池容量を向上させようとする場合には、前記バイポーラ電池の面積を大きくする必要があり、これは、電池を搭載可能なスペースが制限される車両等に搭載する場合には不利である。

また、一般電池およびバイポーラ電池は、ともに化学反応を利用するものであるため、温度依存性を有する。具体的には、低温時には、電池の出力は低下する。なお、集電体、正極活物質層、負極活物質層、および電解質層に関する詳しい説明は省略する。

次に、図３を参照して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０を説明する。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０自体は、一般のＤＣ−ＤＣコンバータと同様であるので、以下、簡単に説明する。

図３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の構成の一例を示す回路図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０は、たとえば、図３に示すとおり、一対の入力端子１３１，１３２、一対の出力端子１３３，１３４、スイッチング素子１３５、第１のコンデンサ１３６、第２のコンデンサ１３７、チョークコイル１３８、および第１のダイオード１４１を備えるチョッパー方式のものである。

一対の入力端子１３１，１３２の間には、第１のコンデンサ１３６が接続され、一対の出力端子１３３，１３４の間には、第２のコンデンサ１３７が接続される。入力端子１３１と出力端子１３３の間には、スイッチング素子１３５およびチョークコイル１３８が、この順序で直列に接続される。スイッチング素子１３５とチョークコイル１３８との接続ノードには、第１のダイオード１４１の出力端子が接続され、第１のダイオード１４１の入力端子は、入力端子１３２および出力端子１３４と接続される。スイッチング素子１３５は、たとえば、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１３９と第２のダイオード１４２とが並列に接続されて構成される。ここで、第２のダイオード１４２は、入力端子が前記接続ノードに接続される向きに設けられる。スイッチング素子１３５は、ＦＥＴ１３９のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることによりチョークコイル１３８への電流を制御するものである。第１のコンデンサ１３６および第２のコンデンサ１３７は、チョークコイル１３８に流れる電流を平滑化する。

スイッチング素子１３５のＯＮ／ＯＦＦを交互に切り替えると、高容量電池１１０の電圧を受けて昇圧した電圧を高出力電池１２０に加える昇圧状態となる。一方、スイッチング素子１３５のＯＦＦ状態が維持されると、容量電池１１０と高出力電池１２０とが並列接続される昇圧停止状態となる。前記昇圧状態と前記昇圧停止状態の切り替えは、前記ＦＥＴ１３９のゲート端子に接続されるコントローラ１４０によって実行される。

コントローラ１４０は、高容量電池１１０、高出力電池１２０が低温であるときに、前記昇圧状態と前記昇圧停止状態とを切り替えることによって、高容量電池１１０と高出力電池１２０との間での充放電を迅速に進行させ、高容量電池１１０および高出力電池１２０を昇温する。

次に、図４を参照しつつ、本実施の形態における電池１１０，１２０の昇温処理を説明する。図４は、本実施の形態において、電池１１０，１２０の昇温処理を示すフローチャートである。

まず、温度検出装置１５０は、高容量電池１１０の温度を検出し、検出した温度データをコントローラ１４０へ送る（ステップＳ１０１）。同様に、温度検出装置１５０は、高出力電池１２０の温度を検出し、検出した温度データをコントローラ１４０へ送る（ステップＳ１０２）。

次に、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２で検出された各温度と所定温度ｔ１とが比較される（ステップＳ１０３）。ここで、所定温度ｔ１は、事前に設定されていてもよく、外気温あるいは電池１１０，１２０の温度に応じて適宜に設定されてもよい所定値である。たとえば、モータ始動時の外気温が−３０度である場合、ｔ１は−１０度程度に設定される。また、モータ始動時の外気温が−１０度である場合、ｔ１は＋１０度に設定される。

検出された各温度が共に所定温度ｔ１以上であれば（ステップＳ１０３：ＮＯ）、電池１１０，１２０の昇温処理が終了する。一方、検出された温度の少なくとも一方が所定温度ｔ１未満であれば（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、検出された温度が所定温度ｔ１以上になるまで、電池間での充放電処理（ステップＳ１０４）が繰り返される。

ここで、電池間での充放電処理（ステップＳ１０４）について説明する。図５は、図４のフローチャートにおける本発明の特徴点の一つである電池間での充放電処理（ステップＳ１０４）の詳細を示すフローチャートである。

まず、コントローラ１４０はスイッチング素子１３５のＯＮ／ＯＦＦを交互に切り替える。その結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０は、高容量電池１１０の電圧を受けて、昇圧した電圧を高出力電池１２０へ加える昇圧処理を開始する（ステップＳ２０１）。

図６は、高容量電池１１０および高出力電池１２０それぞれの電圧および電流の変化を示す図である。図中の横軸は時間であり、縦軸は電圧および電流値である。Ｅ１およびＥ２は、それぞれ高容量電池１１０および高出力電池１２０の電圧（内部電圧）である（図３を参照）。同様に、Ｉ１およびＩ２は、それぞれ高容量電池１１０および高出力電池１２０へ流れ込む電流であり、図３中の矢印の向きを正とする。なお、高容量電池１１０および高出力電池１２０の初期電圧は、電圧Ｅ０で等しい。

前記昇圧処理（ステップＳ２０１）が開始されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０は、高容量電池１１０の電圧を受けて昇圧する。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０によって昇圧された電圧と高出力電池１２０の電圧Ｅ２との間には差が生じる。その結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０から高出力電池１２０に迅速に電流が供給される。このとき、高容量電池１１０が高出力電池１２０へ放電するため、電圧Ｅ１は低下し、電流Ｉ１は負の向きに流れる。一方、高出力電池１２０が高容量電池１１０から充電されるため、電圧Ｅ２は上昇し、電流Ｉ２は正の向きに流れる。

次に、電流検出装置１６０は、電流Ｉ２を検出し、検出した電流データをコントローラ１４０へ送る（ステップＳ２０２）。そして、検出された電流Ｉ２の絶対値と、所定の電流値とが比較される（ステップＳ２０３）。検出された電流Ｉ２の絶対値が所定の電流値未満であれば（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、コントローラ１４０は、昇圧停止処理（ステップＳ２０４）へ移行する。一方、検出された電流Ｉ２の絶対値が所定の電流値以上であれば（ステップＳ２０３：ＮＯ）、電流Ｉ２の絶対値が所定の電流値未満になるまで、ステップＳ２０１以下の処理が繰り返し実行される。

図６に示されるとおり、前記昇圧処理（ステップＳ２０１）を開始して時間が経過すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０によって昇圧された電圧と、高出力電池１２０の電圧Ｅ２との電位差が小さくなり、電流Ｉ１およびＩ２の絶対値は小さくなる。したがって、これ以上、昇圧状態を維持していても、高出力電池１２０への充電効果が小さいので、検出された電流Ｉ２の絶対値が所定の電流値未満であれば、昇圧停止処理へ移行する。

次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０は、前述した昇圧処理を停止する昇圧停止処理を開始する（ステップＳ２０４）。具体的には、コントローラ１４０はスイッチング素子１３５をＯＦＦ状態に維持する。その結果、高容量電池１１０と高出力電池１２０とは、スイッチング素子１３５の第２のダイオード１４２を介して、並列接続された状態となる。ステップＳ２０２〜ステップＳ２０４の処理により、昇圧処理は中止される。

高容量電池１１０と高出力電池１２０とが並列に接続された状態では、高容量電池１１０と高出力電池１２０との間の電位差がなくなるように、高容量電池１１０と高出力電池１２０との間に電流が流れる。具体的には、前記昇圧処理（ステップＳ２０１）により高められた高出力電池１２０の電圧Ｅ２は、高容量電池１１０の電圧Ｅ１よりも十分に大きい。したがって、第２のダイオード１４２を通って、高出力電池１２０から高容量電池１１０へ迅速に電流が供給される。図６に示されるとおり、高出力電池１２０が高容量電池１１０へ放電するため、電圧Ｅ２は低下し、電流Ｉ２は負の向きに流れる。一方、高容量電池１１０が高出力電池１２０から充電されるため、電圧Ｅ１は上昇し、電流Ｉ１は正の向きに流れる。したがって、低温時に電流が流れにくい高容量電池１１０にも電流Ｉ１が流れ、高容量電池１１０の昇温が迅速に進行する。

次に、電流検出装置１６０は、電流Ｉ１を検出し、検出した電流データをコントローラ１４０へ送る（ステップＳ２０５）。そして、検出された電流Ｉ１の絶対値と、所定の電流値とが比較される（ステップＳ２０６）。検出された電流Ｉ１の絶対値が所定の電流値未満であれば（ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、コントローラ１４０は、昇圧停止処理（ステップＳ２０４）を終了し、図４のフローチャートのステップ１０１の処理に戻る。一方、検出された電流Ｉ１の絶対値が所定の電流値以上であれば（ステップＳ２０６：ＮＯ）、電流Ｉ１の絶対値が所定の電流値未満になるまで、ステップＳ２０４以下の処理が繰り返し実行される。

図６に示されるとおり、前記昇圧停止処理（ステップＳ２０４）を開始して時間が経過すると、高容量電池１１０の電圧Ｅ１と高出力電池１２０の電圧Ｅ２がほぼ等しい平衡状態に到達し、電流Ｉ１および電流Ｉ２の絶対値は小さくなる。したがって、これ以上、昇圧停止状態を維持していても、高容量電池１１０への昇温効果が得にくいので、昇圧停止状態を終了する。

以上のとおり、図４および図５に示すフローチャートでは、上述した昇圧状態と昇圧停止状態を繰り返し実行することにより、電池１１０，１２０間での充放電が迅速に進行し、電池１１０，１２０が昇温される。なお、本実施の形態では、昇圧状態および昇圧停止状態を切り替えるために、高容量電池１１０および高出力電池１２０に流れ込む電流Ｉ１および電流Ｉ２を検出した。しかしながら、検出する電流は、どちらか一方だけでもよい。

本実施の形態では、一定の電圧まで昇圧する場合が示された。しかしながら、外気温あるいは電池の温度に応じて、昇圧電圧を変化させてもよい。この場合、スイッチング素子１３５のＯＮ／ＯＦＦ切り替えのデューティー比を変えることにより、昇圧電圧を変化させることができる。

なお、本実施の形態においては、高容量電池１１０および高出力電池１２０両方の温度を検出している。しかしながら、必ずしも二つの電池１１０，１２０両方の温度を検出する必要はない。高容量電池１１０は、高出力電池１２０よりも内部抵抗は大きいため、電流が流れにくい。それゆえ、高容量電池１１０は、昇温されにくい。したがって、高容量電池１１０の温度のみを検出し、高容量電池１１０の温度が所定の温度未満の場合に、電池１１０，１２０間の充放電を進行させてもよい。

次に、本実施の形態の電源装置における作用効果を説明する。

図７は、本実施の形態の電源装置による低温時の電池昇温効果、および、昇温による電池出力の向上効果を説明するための図である。具体的には、図７は、低温時におけるモータ始動後の時間経過に応じた高容量電池１１０の温度および出力電圧の変化を模式的に示したものである。なお、図７では、参考のために図８に示されるような一般的なハイブリッド電池を用いた場合を比較例として示している。図７中の点線は、比較例における高容量電池１１０の温度および出力電圧の変化を表しており、実線は、本実施の形態における低温時の高容量電池１１０の温度および出力電圧の変化を表している。

比較例では、内部抵抗の高い高容量電池１１０には電流が流れにくいため、図７（Ａ）に示されるとおり、低温時、高容量電池１１０は昇温されにくい。したがって、図７（Ｂ）に示されるとおり、低温時、高容量電池１１０の出力電圧は低く、電源装置１００全体としても、出力電圧が向上するのに時間がかかる。

一方、本実施の形態では、モータ起動時であっても、昇圧手段により強制的に二つの電池１１０，１２０間に電位差を発生させることができるため、二つの電池１１０，１２０間での充放電が迅速に進行する。したがって、図７（Ａ）に示されるとおり、比較例よりも短時間で高容量電池１１０を昇温できる。その結果、高容量電池１１０の内部抵抗を低くすることができ、図７（Ｂ）に示されるとおり、高容量電池１１０の出力電圧を向上させることができる。その結果、電源装置１００全体としても、より短時間で出力電圧が向上する。また、モータの停止状態では、昇圧手段の作用によって、強制的に二つの電池１１０，１２０間で充放電することができ、電池１１０，１２０をあらかじめ暖めておくことができる。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。

（ａ）高容量電池と、前記高容量電池よりも内部抵抗および容量が小さい高出力電池とが、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して、並列に接続される。したがって、二つの電池の間に強制的に電位差を発生させて、二つの電池の間での充放電を迅速に進行させることができる。

（ｂ）また、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することにより、電圧を昇圧する昇圧状態と、昇圧を停止して高容量電池と高出力電池とを並列接続する昇圧停止状態を切り替えることができる。したがって、二つの電池の間での充放電を迅速に進行させることができる。特に、高容量電池から高出力電池へ電流が流れる充放電（昇圧状態時）と、高出力電池から高容量電池へ電流が流れる充放電（昇圧停止状態時）の両方を実施することができる。また、前記昇圧停止状態では、一般的なハイブリッド電池と同様に、高容量電池と高出力電池の両方をモータ（負荷）への放電に用いることができる。

（ｃ）昇圧手段として、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用する。したがって、容易に電池の電圧を受けて昇圧することができる。

（ｄ）一般電池およびバイポーラ電池それぞれの特性を有効に利用した電源装置を構成することができる。したがって、並列接続された電池間での迅速な充放電が可能な高容量かつ高出力の電源装置を実現できる。

（ｅ）高容量電池と高出力電池との間で充放電を迅速に進行させることができ、電池を昇温させることができる。さらには、電池を昇温させることにより、電池出力を向上させることができる。

（ｆ）本実施の形態では、温度センサを用いて高容量電池および高出力電池の少なくとも一方の温度を検出する。また、検出した温度に基づいて、昇圧状態と昇圧停止状態を切り替えることにより、電池間での充放電が進行する。したがって、電池の温度に応じて、電池を昇温することができる。

（ｇ）また、検出した温度が所定値よりも低い場合、昇圧状態と昇圧停止状態を切り替える。昇圧状態と昇圧停止状態を切り替えることにより、電池間での充放電が進行する。したがって、低温時に、電池を昇温することができる。さらには、低温時の電池出力を向上させることができる。

（ｈ）また、昇圧状態と昇圧停止状態を交互に切り替えることにより、電池間での充放電が繰り返し進行する。したがって、低温時に、比較的長時間に渡って電池を効果的に昇温することができる。さらには、低温時の電池出力を効果的に向上させることができる。

（ｉ）また、モータ起動時の外気温あるいは電池温度に応じて、電池温度の所定値を可変に設定することができ、無理なく電池を昇温させることができる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、低温時に電池を昇温する処理について述べた。本実施の形態では、高容量電池および高出力電池の充電量の差が大きい場合に電源装置の出力低下を防止する処理について述べる。ここで、充電量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）とは、電池の定格容量に対して充電容量を比率で示した値であり、たとえば、満充電状態を１００％、充電量ゼロの状態を０％で表示する。電源装置の出力の低下を防止する見地からは、高容量電池と高出力電池のＳＯＣの差が小さい方が望ましい。本実施の形態の電源装置は、前述したＳＯＣの差が大きい場合に、電池間に強制的に電位差を発生させることで、電池間での充放電を迅速に進行させて、ＳＯＣの均一化を図り、電源装置の出力低下を防止するものである。

図９は、本発明の第２の実施の形態である電源装置の概略構成を示すブロック図である。電源装置１００は、高容量電池１１０、高出力電池１２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０、コントローラ１４０、およびＳＯＣ検出装置１７０を備える。なお、図中、図１に示すブロック図と同様の部材には同じ符号を用いた。また、第１の実施の形態における温度検出装置１５０および電流検出装置１６０の代わりに、ＳＯＣ検出装置１７０が接続されている点、および、コントローラ１４０がＳＯＣ検出装置１７０からの信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ１３０を制御する点を除いては、本実施の形態における電源装置１００、インバータ２００、およびモータ３００の構成は第１の実施の形態の場合と同様であるため、詳しい説明は省略する。

ＳＯＣ検出装置１７０は、高容量電池１１０および高出力電池１２０にそれぞれ独立に取り付けられた電流センサを含むＳＯＣ検出手段であり、ＳＯＣは、電池１１０，１２０へ流れ込むあるいは電池１１０，１２０から流れ出る電流の積算により算出される。また、電流センサは、第１の実施の形態における電流検出装置１６０の電流センサと共通化できるため、本実施の形態においては、ＳＯＣ検出装置１７０が第１の実施の形態における電流検出装置１６０の機能も果たす。

次に、図１０を参照して、本実施の形態における電源装置の出力低下防止処理を説明する。図１０は、本実施の形態において、電源装置の出力低下防止処理を示すフローチャートである。

まず、ＳＯＣ検出装置１７０は、高容量電池１１０のＳＯＣを検出し、検出したＳＯＣデータをコントローラ１４０へ送る（ステップＳ３０１）。同様に、ＳＯＣ検出装置１７０は、高出力電池１２０のＳＯＣを検出し、検出したＳＯＣデータをコントローラ１４０へ送る（ステップＳ３０２）。そして、コントローラ１４０は、ステップＳ３０１およびステップＳ３０２で検出された高容量電池１１０および高出力電池１２０のＳＯＣの差（以下、ＳＯＣ差）を算出する（ステップＳ３０３）。

次に、ステップＳ３０３で算出されたＳＯＣ差と、所定のＳＯＣ差とが比較される（ステップＳ３０４）。ここで、所定のＳＯＣ差は、事前に設定される所定値である。算出されたＳＯＣ差が所定のＳＯＣ差未満であれば（ステップＳ３０４：ＮＯ）、処理は終了する。一方、算出されたＳＯＣ差が所定のＳＯＣ差以上であれば（ステップＳ３０４：ＹＥＳ）、算出されたＳＯＣ差が所定のＳＯＣ差未満になるまで、電池間での充放電処理（ステップＳ３０５）が繰り返される。すなわち、算出されたＳＯＣ差が所定のＳＯＣ差以上の間は、コントローラ１４０が昇圧状態と昇圧停止状態とを切り替えることによって、高容量電池１１０と高出力電池１２０との間での充放電を迅速に進行させる。より具体的には、図６に示されるとおり、昇圧状態と昇圧停止状態とが繰り返される。

ここで、ステップＳ３０５の電池間での充放電処理は、前述のステップＳ１０４の電池間での充放電処理と同様であるため、詳しい説明は省略する。

以上のとおり、図１０に示すフローチャートの処理が終了すると、高容量電池１１０および高出力電池１２０の充電量の差が大きい場合にも、高容量電池１１０と高出力電池１２０との間で充放電が迅速に進行し、電源装置１００の出力低下を防止することができる。

なお、本実施の形態では、昇圧処理と昇圧停止処理を繰り返し実行して、昇圧状態と昇圧停止状態を繰り返す場合が示された。しかしながら、昇圧処理と昇圧停止処理を１回のみ実行する場合でも、電源装置１００の出力低下を防止することができる。

さらに、本実施の形態では、高容量電池１１０および高出力電池１２０のＳＯＣをそれぞれ検出し、これらの差を算出した。しかしながら、高出力電池１２０のＳＯＣのみを検出し、前記ＳＯＣが所定のＳＯＣよりも小さい場合に、高容量電池１１０と高出力電池１２０との間での充放電を迅速に進行させてもよい。

次に、本実施の形態の電源装置における作用効果を説明する。

図１１は、モータ３００への放電により高出力電池１２０の電流が急激に低下した場合、電源装置１００の出力低下を防止する効果を説明するための図である。具体的には、図１１は、時間経過に応じた高出力電池１２０の出力電圧の変化を模式的に示したものである。図中の点線は、上記図８に示される比較例による高出力電池１２０の出力電圧の変化を表しており、実線は、本実施の形態による高出力電池１２０の出力電圧の変化を表している。また、図中の「放電」と記された期間は、高出力電池１２０からモータ３００への放電により、高出力電池１２０の出力が低下している状態である。

高出力電池１２０からモータ３００への放電が発生した後の状態では、高容量電池１１０と高出力電池１２０との間には電位差が発生する。したがって、比較例でも、高容量電池１１０から高出力電池１２０へ電流が供給されて、高出力電池１２０の出力電圧は自然に回復する。しかしながら、本実施の形態と比べると、比較例では、二つの電池１１０，１２０間で発生する電位差が小さいため、高出力電池１２０の出力電圧が回復するには時間がかかる。

本実施の形態では、昇圧手段により、比較例よりも大きな電位差を二つの電池１１０，１２０間に発生させることができので、図１１に示されるとおり、比較例の場合よりも短時間で高出力電池１２０の出力電圧が回復する。したがって、電源装置１００全体でみても、出力電圧の低下が防止される。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態における効果（ａ）〜（ｄ）に加えて、以下の効果を奏する。

（ｊ）本実施の形態では、ＳＯＣ検出手段を用いて高容量電池および高出力電池の少なくとも一方のＳＯＣを検出する。また、検出したＳＯＣに基づいて、昇圧状態と昇圧停止状態を切り替えることにより、電池間での充放電が進行する。したがって、電池のＳＯＣに応じて、電源装置の出力低下を防止することができる。

（ｋ）また、高容量電池と高出力電池のＳＯＣの差が所定値よりも大きい場合、昇圧状態と昇圧停止状態を切り替える。昇圧状態と昇圧停止状態を切り替えることにより、電池間での充放電が迅速に進行する。したがって、高容量電池と高出力電池のＳＯＣの差が所定値よりも大きい場合、電源装置の出力低下を防止することができる。

（ｌ）高出力電池からモータへの放電によって高出力電池の出力が低下した場合、高容量電池から高出力電池に迅速に電流を供給することができる。したがって、高出力電池の出力低下を防止することができる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態は、本電源装置の高容量電池および高出力電池に対して、燃料電池を並列に接続した実施の形態である。

図１２は、本発明の第３の実施の形態である電源装置の概略構成を示すブロック図である。図１２に示すとおり、電源装置１００の高容量電池１１０および高出力電池１２０に対して、燃料電池４００が並列に接続されている。また、通常、高容量電池１１０および高出力電池１２０から燃料電池４００には電流が流れ込まないように、ダイオード（不図示）などが取り付けられる。本実施の形態における電源装置１００の構成は、燃料電池４００が高容量電池１１０および高出力電池１２０に対して並列に接続されていることを除いては、第一の実施の形態の場合と同様であるため、詳しい説明は省略する。なお、図中、図１に示すブロック図と同様の部材には同じ符号を用いた。

本実施の形態では、燃料電池４００は、モータ３００へ電流を供給するとともに、電源装置１００へも電流を供給することができる。言い換えれば、高容量電池１１０および高出力電池１２０は、燃料電池４００から充電される。

また、燃料電池４００は、リチウムイオン二次電池と同様に、低温時に出力が低下しやすい。そこで、本実施の形態においては、燃料電池４００と高容量電池１１０および高出力電池１２０とを近接して配置することが望ましい。このようにすると、まず、モータ３００起動時は、高容量電池１１０および高出力電池１２０からの電流の供給によりモータ３００を駆動する。次に、高容量電池１１０および高出力電池１２０は、第１の実施の形態で説明したとおり、電池１１０，１２０間での充放電により昇温され、発熱する。したがって、昇温された高容量電池１１０および高出力電池１２０に近接配置される燃料電池４００は、高容量電池１１０および高出力電池１２０からの熱を受けて昇温される。また、燃料電池４００が十分に昇温されると、高容量電池１１０および高出力電池１２０から燃料電池４００に切り替わって、燃料電池４００からモータ３００へ電流が供給される。さらに、モータ３００が使用される状況に応じて、高容量電池１１０および高出力電池１２０と燃料電池４００とを切り替えることもできる。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態における効果（ａ）〜（ｄ）に加えて、以下の効果を奏する。

（ｍ）高容量電池および高出力電池に対して、燃料電池が並列に接続される。したがって、燃料電池が、高容量電池および高出力電池を充電することができる。

（ｎ）また、高容量電池および高出力電池が、燃料電池と近接して配置される場合、低温時に、高容量電池および高出力電池からの発熱により、燃料電池を昇温させることができる。

（ｏ）さらに、モータの使用状況に応じて、高容量電池１１０および高出力電池１２０と、燃料電池とを交互に切り替えて、モータへ電流を供給することができる。したがって、エネルギー効率を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
上述した第１〜第３の実施の形態では、高容量電池１１０として一般電池を使用し、高出力電池１２０としてバイポーラ電池を使用した。しかしながら、本発明は、これらに限られるものではない。本実施の形態は、図１３に示されるように、高容量電池１１０と高出力電池１２０の組み合わせを変更したものである。なお、電池の組み合わせを除いては、第１〜第３の実施の形態と同様であるため、ブロック図は省略する。

（電極活物質層の厚さが異なる場合）
第１の組み合わせは、高出力電池１２０の電極上の電極活物質層が、高容量電池１１０の電極上の電極活物質層よりも薄く形成される場合の一例である。

ここで、上述した図２（Ａ）を参照して、前記第１の組み合わせについて説明する。まず、上述したようにリチウムイオン二次電池の電極は、金属板１１１，１１５上に、それぞれ電極活物質層（正極活物質層１１２，負極活物質層１１４）が形成されてなる。前記電極活物質層には、リチウムイオンが蓄積されるため、電池の高容量化の見地からは、電極活物質層は厚い方が望ましい。一方、前記電極活物質層が厚くなると、電池の内部抵抗は大きくなるため、電池の高出力化の見地からは、電極活物質層は薄い方が望ましい。

したがって、第１の組み合わせでは、高出力電池１２０の電極活物質層は、高容量電池１１０の電極活物質層よりも薄く形成される。なお、高容量電池１１０および高出力電池１２０の電極材料は同一であってもよい。たとえば、図１３では、高容量電池１１０および高出電池１２０はともにリチウムイオン二次電池である。

（電極材料が異なる場合）
第２の組み合わせは、高容量電池１１０と高出力電池１２０の電極材料が異なる場合の一例である。図１３では、たとえば、高容量電池１１０がニッケル水素電池であり、高出出力電池１２０がリチウムイオン電池である。

ニッケル水素電池は、リチウムイオン電池と同程度の容積あたりのエネルギー密度、すなわち容量が得られ、かつ、リチウムイオン電池よりも安価である。しかしながら、ニッケル水素電池の出力電圧は、リチウムイオン電池の出力電圧よりも小さいため、高出力化は得られにくい。したがって、比較的安価に高容量化が可能なニッケル水素電池の特性と、出力電圧が高く高出力化が可能なリチウムイオン電池の特性とを有効に利用して、本発明を実施することができる。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態における効果（ａ）〜（ｄ）に加えて、以下の効果を奏する。

（ｐ）リチウムイオン電池を使用することにより、高出力な電源装置を提供することができる。

（ｑ）電極活物質層の厚さが異なる場合では、電極活物質層の厚さを異ならせることにより、高容量電池と高出力電池を共に製造できる。また、本実施の形態の電源装置では、一般電池およびバイポーラ電池の両方を製造する必要がない。したがって、電池および電源装置の製造工程が簡略化される。

（ｒ）電極材料が異なる場合では、電極の構成、あるいは電極活物質層の厚さが同一であったとしても、高容量電池および高出力電池を製造することができる。特に、高容量電池にニッケル水素電池、高出力電池にリチウムイオン電池を用いる場合では、本電源装置の製造コストを抑えることができる。

（第５の実施の形態）
本実施の形態は、上記第１〜第４の実施の形態の電源装置が搭載されている車両の実施の形態である。

図１４は、本実施の形態の車両を示す図である。本実施の形態では、車両５００は、上記第１〜第４の実施の形態で説明したとおり、電源装置１００、インバータ２００、およびモータ３００を備える。図１４では説明の簡便のため、インバータ２００およびモータ３００については表示を省略する。駆動輪に動力を与えるためのモータ３００に、電源装置１００から電流が供給される。その結果、駆動輪が回転し、車両５００が走行する。

低温環境に長時間停止していた車両５００は、始動の際に、高容量電池１１０と高出力電池１２０との間で迅速に充放電が繰り返されることにより、短時間で電池１１０，１２０が昇温されて、安定的に走行可能な状態となる。また、走行時に加速および減速を繰り替えした場合においても、高容量電池１１０から高出力電池１２０に迅速に電流が供給されるため、電源装置１００の出力は維持される。すなわち、加速状態が頻発し、高出力電池１２０のＳＯＣが低下した場合にも、迅速にＳＯＣの回復を図り、次の加速に備えることができる。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１〜第４の実施の形態における効果（ａ）〜（ｒ）に加えて、以下の効果を奏する。

（ｓ）本発明の電源装置を搭載した車両は、低温環境に長時間停車していた場合でも、始動の際に、短時間で電源装置が昇温される。したがって、短時間で安定的に走行可能な状態となる。

（ｔ）本発明の電源装置を搭載した車両は、加速および減速を繰り返して、高出力電池の出力が低下した場合においても、高容量電池から高出力電池に電流が迅速に供給される。したがって、加速状態が頻発する場合においても、加速性能が低下しない。

以上のとおり、第１〜第５の実施の形態において、本発明の電源装置を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、省略することができることはいうまでもない。

たとえば、本実施の形態では、昇圧手段として、非絶縁型のチョッパー式ＤＣ−ＤＣコンバータを使用した。しかしながら、昇圧手段としては、たとえば、絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータなどを使用してもよい。

また、本発明の第１の実施の形態と第２の実施の形態とを組み合わせて実行することもできる。図１５は、第１の実施の形態と第２の実施の形態とを組み合わせた処理の一例を示すフローチャートである。

図１５のステップＳ４０１〜ステップＳ４０３およびステップＳ４０６は、図１０のステップＳ３０１〜ステップＳ３０３およびステップＳ３０４にそれぞれ対応する。同様に、図１５のステップＳ４０４、ステップＳ４０５およびステップＳ４０７は、図４のステップＳ１０１、ステップＳ１０２およびステップＳ１０３にそれぞれ対応する。また、図１５のステップＳ４０８で示される電池間での充放電処理は、図５で示されるフローチャートの処理であるため、説明は省略する。図１５の処理では、温度データおよび電流（ＳＯＣ）データは並列に検出される。高容量電池１１０と高出力電池１２０のＳＯＣの差が大きい場合（ステップＳ４０６：ＹＥＳ）、あるいは、低温時（ステップＳ４０７：ＹＥＳ）に、電池１１０，１２０間での充放電処理が実行される。

また、第１の実施の形態と第２の実施の形態を組み合わせた処理の他の例として、第１の実施の形態と第２の実施の形態とを連続して実行することもできる。この場合、図４で示される第１の実施の形態のフローチャートの処理を実行後に、図１０で示される第２の実施の形態のフローチャートの処理を実行してもよく、図１０で示されるフローチャートの処理を実行後に、図４で示されるフローチャートの処理を実行してもよい。

本発明の第１の実施の形態である電源装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示される一般電池およびバイポーラ電池の構造を説明するための断面図である。 図１に示されるＤＣ−ＤＣコンバータの構成の一例を示す回路図である。 図１に示される電源装置における電池の昇温処理を示すフローチャートである。 図４のステップＳ１０４に示される電池間での充放電処理を示すフローチャートである。 図１に示される高容量電池および高出力電池の電圧および電流の変化を示す図である。 図１に示される電源装置による作用効果を説明するための図である。 図１に示される電源装置の比較例として、一般的なハイブリッド電池を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態である電源装置の概略構成を示すブロック図である。 図９に示される電源装置における電池の出力低下防止処理を示すフローチャートである。 図９に示される電源装置による作用効果を説明するための図である。 本発明の第３の実施の形態である電源装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態である電源装置における高容量電池および高出力電池の組み合わせの例を示す図である。 本発明の第５の実施の形態である車両を示す図である。 図４および図１０に示されるフローチャートの処理を組み合わせて、電池間での充放電を進行させる処理の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ 電源装置、
１１０ 高容量電池（第１の電池）、
１２０ 高出力電池（第２の電池）、
１３０ ＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧手段）、
１４０ コントローラ（制御手段）、
１５０ 温度検出装置（温度検出手段）、
１６０ 電流検出装置、
１７０ ＳＯＣ検出装置（充電量検出手段）、
２００ インバータ、
３００ モータ、
４００ 燃料電池、
５００ 車両。

Claims (14)

1. 第１の電池と、前記第１の電池よりも内部抵抗および容量が小さい第２の電池とが、前記第１の電池の電圧を受けて昇圧した電圧を前記第２の電池に加える昇圧手段を介して、並列に接続されることを特徴とする電源装置。
2. 前記昇圧手段によって電圧を昇圧する昇圧状態と、昇圧を停止して前記第１および第２の電池を並列接続する昇圧停止状態とを切り替える制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第１および第２の電池の少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段を有し、
   前記制御手段は、前記温度検出手段が検出する温度に基づいて、前記昇圧状態と前記昇圧停止状態とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. 前記制御手段は、前記温度検出手段が検出する前記第１または第２の電池の温度が所定値よりも低い場合、前記昇圧状態と前記昇圧停止状態とを切り替えることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記制御手段は、前記昇圧状態と前記昇圧停止状態とを交互に切り替えることを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 前記第１および第２電池の少なくとも一方の充電量を検出する充電量検出手段を有し、
   前記制御手段は、前記充電量検出手段が検出する充電量に基づいて、前記昇圧状態と前記昇圧停止状態とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
7. 前記制御手段は、前記充電量検出手段が検出する前記第１および第２の電池の充電量の差が所定値よりも大きい場合、前記昇圧状態と前記昇圧停止状態とを切り替えることを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
8. 前記第１の電池は、正極活物質層を形成した正極と、負極活物質層を形成した負極とを、電解質層を介して積層した一般電池であり、
   前記第２の電池は、一枚の集電体の一方の面に正極活物質層を形成し、他方の面に負極活物質層を形成したバイポーラ電極を、電解質層を介して複数積層したバイポーラ電池であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
9. 前記第２の電池は、前記第１の電池よりも、電極上の電極活物質層が薄く形成されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
10. 前記第１および第２の電池は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項８または請求項９のいずれか一つに記載の電源装置。
11. 前記第１の電池は、ニッケル水素電池であり、前記第２の電池は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
12. さらに、前記第１および第２の電池に対して、燃料電池を並列に接続したことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
13. 前記昇圧手段は、ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一つに記載の電源装置。
14. 請求項１〜請求項１３のいずれか一つに記載の電源装置を搭載した車両。

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