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JP6483924B2 - リチウムイオン電池パック - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、エンジン始動用のリチウムイオン電池パックに関する。
車両が廃棄された時の廃棄物の量を減らすこと及び有害物質の使用を制限するため、２０００年９月制定の２０００／５３／ＥＣ（ＥＬＶ指令）が発行された。その中に、鉛は使用禁止材料に指定されていたが、同時に、鉛電池は例外製品に指定された。鉛電池の機能を完全に置き換えることができるものがないため、鉛電池は未だに車両に一般的に使用されている。その一方で、最近、リチウムイオン電池（以下、ＬｉＢという）に切り替える動きが少しずつ見えている。
鉛電池をＬｉＢに代替するメリットは、有害金属の廃止だけではなく、それ以外のメリットも挙げられる。現在、欧州、米国等で車両の許容ＣＯ２の排出量が制限されているため、様々な電動化及び車両の燃費改善が行われている。一例として、従来の燃焼エンジンを使用しているマイクロハイブリッドである。マイクロハイブリッドでは、頻繁にエンジンを再始動するため、深い放電に強い電池が求められている。また、車両減速時のブレーキエネルギーを電池に貯める時、高い充電受入性能の電池が必要になってくる。深い放電への耐性と充電受入性能の観点で、鉛電池よりＬｉＢの方が優れている。更に、常温ではＬｉＢの方が鉛電池よりも出力が高いため、鉛電池をＬｉＢに切り替えることによって、車両システムの軽量化と小型化も可能になる。
特開２００４−０６３３９７号公報 特開２００８−０２１５６９号公報 特開２００３−２２３９３８号公報
ＬｉＢの課題は、ＬｉＢ全体の性質として、電解液に有機溶媒を使っていることにより、低温では電解液の粘度が増加し、内部抵抗が大きく上昇することである。その結果、ＬｉＢは、鉛電池に比べて低温での出力が低下し、エンジンのコールドクランク性能が弱くなる。これを防ぐためにＬｉＢの容量を増大すると、ＬｉＢは小型軽量のメリットがなくなり、これがＬｉＢの普及への課題になっている。
このように、今後、車両内で鉛電池を完全に無くす場合、ＬｉＢのみのシステムで低温出力性能を改善することが技術的な課題になっている。解決する手段として、電池を自らのエネルギーを使って加熱し、温度を上げることで出力を上げる方法は考案されている。しかしながら、その場合、ＬｉＢのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が低下し、ＬｉＢの出力が下がる課題がある。
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、低温出力性能を向上させるエンジン始動用のリチウムイオン電池パックを提供することにある。
本実施形態に係るリチウムイオン電池パックは車両（自動車）に搭載されるものである。リチウムイオン電池パックは、第１の電池モジュールと、第２の電池モジュールと、ヒータと、第１のスイッチと、第２のスイッチと、第３のスイッチとを備える。前記第１の電池モジュールは、１以上のリチウムイオン電池で構成されている。前記第２の電池モジュールは、前記第１の電池モジュールと並列接続され、１以上のリチウムイオン電池で構成されている。前記ヒータは、前記第２の電池モジュールと電気的に接続され、前記第１の電池モジュールに近接して配置され、前記第１の電池モジュールを加熱する。前記第１のスイッチは、前記第１の電池モジュールによる外部への電力供給をオンまたはオフに切り替え、エンジン始動のために前記第１の電池モジュールによる外部への電力供給をオンにする。前記第２のスイッチは、前記第２の電池モジュールによる外部への電力供給をオンまたはオフに切り替える。前記第３のスイッチは、前記第２の電池モジュールによる前記ヒータへの電力供給をオンまたはオフにし、エンジン始動前に前記ヒータへの電力供給をオンにする。
図１は、実施形態に係るリチウムイオン電池パックの一例を示す概略図。 図２は、実施形態に係るリチウムイオン電池パックの一例となる動作を示す表。 図３は、実施形態に係るリチウムイオン電池パックの別の例となる動作を示す表。 図４は、実施形態に係るリチウムイオン電池パックのさらに別の例となる動作を示す表。
実施形態
以下、実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態に係るリチウムイオン電池パック１の一例を示す概略図である。
リチウムイオン電池パック１は、主として、エンジン始動及び車載補機類への電力供給を目的として車両に搭載される。
リチウムイオン電池パック１の正極端子１０は、車両に搭載されている各要素を電気的に接続するネットワークに接続されている。これにより、リチウムイオン電池パック１は、オルタネータ２、スタータ３及び一般負荷４に電気的に接続されている。オルタネータ２は、発電機である。スタータ３は、エンジン始動時に用いられるモータである。一般負荷４は、例えば、電気によって動作する車両に備え付けの設備及び外付けのアクセサリーのうちの少なくとも何れか一方を含む車載補機である。
リチウムイオン電池パック１は、第１の電池モジュール１１、第２の電池モジュール１２、ヒータ１３、第１のスイッチ１４、第２のスイッチ１５、第３のスイッチ１６、温度センサ１７及び制御部１８を有する。これらの要素は、電気的に接続されている。リチウムイオン電池パック１は、これらの要素をケース内に収容する。
第１の電池モジュール１１は、１以上のリチウムイオン電池（セル）で構成されている。第１の電池モジュールは例えば１２Ｖである。第１の電池モジュール１１の正極は、後述する第１のスイッチ１４を介して正極端子１０と電気的に接続されている。他方、第１の電池モジュール１１の負極は、接地されている。
第２の電池モジュール１２は、１以上のリチウムイオン電池で構成されている。第２の電池モジュール１２の出力密度またはエネルギー密度は、第１の電池モジュール１１の出力密度またはエネルギー密度と同じであっても異なっていてもよく特に限定されない。第２の電池モジュール１２は、例えば１２Ｖである。第２の電池モジュール１２は、第１の電池モジュール１１と並列接続されている。第２の電池モジュール１２の正極は、後述する第２のスイッチ１５を介して正極端子１０と電気的に接続されている。他方、第２の電池モジュール１２の負極は、接地されている。
ヒータ１３は、第２の電池モジュール１２と電気的に接続されている。例えば、ヒータ１３の一端は、後述する第３のスイッチ１６を介して第２の電池モジュール１２の正極と電気的に接続されている。ヒータ１３の他端は、接地されている。ヒータ１３は、第１の電池モジュール１１に近接して配置されている。これにより、ヒータ１３は、第１の電池モジュール１１を加熱する。なお、第１の電池モジュール１１に対するヒータ１３の位置関係は、ヒータ１３が第１の電池モジュール１１を加熱できる範囲に適宜調整することができる。
第１のスイッチ（リレー）１４は、第１の電池モジュール１１の正極と正極端子１０との間に配置されている。第１のスイッチ１４は、第１の電池モジュール１１の正極と正極端子１０との間の電気的な接続状態をオン（有効）またはオフ（無効）に切り替える。これにより、第１のスイッチ１４は、第１の電池モジュール１１による外部への電力供給をオンまたはオフに切り替える。第１のスイッチ１４のオンまたはオフの切り替えについては後述するが、一例として、第１のスイッチ１４は、エンジン始動のために第１の電池モジュール１１による外部への電力供給をオンにする。
第２のスイッチ（リレー）１５は、第２の電池モジュール１２の正極と正極端子１０との間に配置されている。第２のスイッチ１５は、第２の電池モジュール１２の正極と正極端子１０との間の電気的な接続状態をオンまたはオフに切り替える。これにより、第２のスイッチ１５は、第２の電池モジュール１２による外部への電力供給をオンまたはオフに切り替える。第２のスイッチ１５のオンまたはオフの切り替えについては後述する。
第３のスイッチ（リレー）１６は、ヒータ１３の一端と第２の電池モジュール１２の正極との間に配置されている。第３のスイッチ１６は、ヒータ１３の一端と第２の電池モジュール１２の正極との間の電気的な接続状態をオンまたはオフに切り替える。これにより、第３のスイッチ１６は、第２の電池モジュール１２によるヒータ１３への電力供給をオンまたはオフにする。第３のスイッチ１６のオンまたはオフの切り替えについては後述するが、一例として、第３のスイッチ１６は、エンジン始動前にヒータ１３への電力供給をオンにする。
温度センサ１７は、第１の電池モジュール１１の近傍に配置されている。温度センサ１７は、第１の電池モジュール１１に接触していても、接触していなくてもよい。温度センサ１７は、第１の電池モジュール１１の温度を計測する。
制御部１８は、リチウムイオン電池パック１を構成する各要素を制御する。例えば、制御部１８は、第１のスイッチ１４をオンまたはオフに切り替える。制御部１８は、第２のスイッチ１５をオンまたはオフに切り替える。制御部１８は、第３のスイッチ１６をオンまたはオフに切り替える。制御部１８は、温度センサ１７が計測した温度の情報（以下、温度情報という）を受信する。制御部１８は、温度情報に基づいて各スイッチの状態を切り替える。制御部１８による温度情報に基づいた制御については後述する。
次に、第１のスイッチ１４、第２のスイッチ１５及び第３のスイッチ１６それぞれのオンまたはオフの切り替えについて説明する。
図２は、リチウムイオン電池パック１の一例となる動作を示す表である。図２は、車両の各モードにおける各スイッチの状態を示している。
車両が駐車状態から走行状態まで遷移する際、車両のモードは、図２に示す駐車モード、加熱モード、始動モード、通常運転モードの順で遷移する。
駐車モードは、エンジンが停止しているモードである。
加熱モードは、エンジン始動前にヒータ１３を加熱するモードである。加熱モードは、例えばエンジン始動のトリガーが入力された後のモードである。
始動モードは、エンジン始動時のモードである。
通常運転モードは、エンジン始動後の車両が走行しているモードである。
駐車モードにおける各スイッチの状態について説明する。
駐車モードでは、第１のスイッチ１４はオフであり、第２のスイッチ１５はオンであり、第３のスイッチ１６はオフである。これにより、第１の電池モジュール１１は、一般負荷４へ電力を供給することはないが、第２の電池モジュール１２は、一般負荷４へ電力を供給することができる。そのため、エンジンが停止していても、一般負荷４は利用可能である。
加熱モードにおける各スイッチの状態について説明する。
駐車モードから加熱モードへ遷移する際に、各スイッチの状態は、制御部１８の制御に基づいて以下のように切り替わる。
第１のスイッチ１４は、制御部１８の制御に基づいて、オフからオンへ切り替わる。これにより、第１の電池モジュール１１は、外部へ電力を供給することができる。第２のスイッチ１５は、制御部１８の制御に基づいて、オンからオフへ切り替える。第３のスイッチ１６は、制御部１８の制御に基づいて、オフからオンへ切り替える。これにより、第２の電池モジュール１２は、外部へ電力を供給することなく、ヒータ１３へ電力を供給することができる。そのため、第１の電池モジュール１１は、ヒータ１３によって加熱される。
始動モードにおける各スイッチの状態について説明する。
加熱モードから始動モードへ遷移する際に、各スイッチの状態は、制御部１８の制御に基づいて以下のように切り替わる。
制御部１８は、温度情報を参照して、第１の電池モジュール１１の温度が閾値以上か否かを判断する。閾値は、第１の電池モジュール１１がスタータ３を起動可能な電力を供給できる出力特性を得られる温度である。これは、第１の電池モジュール１１の出力特性が温度上昇に応じて上昇するからである。閾値は、適宜変更可能である。
第１の電池モジュール１１の温度が閾値未満である場合、制御部１８は加熱モードを維持する。つまり、第３のスイッチ１６はオンの状態を維持する。第１の電池モジュール１１の温度が閾値以上である場合、第３のスイッチ１６は、制御部１８の制御に基づいて、オンからオフへ切り替わる。これにより、第２の電池モジュール１２は、ヒータ１３へ電力を供給することはない。第３のスイッチ１６をオンからオフへ切り替えるのは、第１の電池モジュール１１の出力特性がスタータ３を起動するのに十分であれば第１の電池モジュール１１をこれ以上加熱する必要がないからである。なお、第１のスイッチ１４はオンの状態を維持し、第２のスイッチ１５はオフの状態を維持する。これにより、始動モードにおいて、第１の電池モジュール１１は、スタータ３へ電力を供給する。これにより、スタータ３が起動し、スタータ３の動作に従ってエンジンが始動する。なお、第１の電池モジュール１１は、一般負荷４へ電力を供給することもできる。
通常運転モードにおける各スイッチの状態について説明する。
始動モードから通常運転モードへ遷移する際に、各スイッチの状態は、制御部１８の制御に基づいて以下のように切り替わる。
第２のスイッチ１５は、制御部１８の制御に基づいて、オフからオンへ切り替わる。なお、第１のスイッチ１４はオンの状態を維持し、第３のスイッチ１６はオフの状態を維持する。これにより、第１の電池モジュール１１及び第２の電池モジュール１２は、一般負荷４へ電力を供給する。そのため、通常運転モード中に一般負荷４は利用可能である。
次に、リチウムイオン電池パック１の別の例となる動作について説明する。
図３は、リチウムイオン電池パック１の別の例となる動作を示す表である。ここでは、図２に示す例と異なる点について説明する。
駐車モードにおいて、図２に示す例では第１のスイッチ１４はオフであったが、図３に示す例では第１のスイッチ１４はオンである。これにより、駐車モードにおいて、第２の電池モジュール１２が一般負荷４へ電力を供給することができるだけでなく、第１の電池モジュール１１も一般負荷４へ電力を供給することができる。そのため、図３に示す例のリチウムイオン電池パック１は、図２に示す例のリチウムイオン電池パック１よりも一般負荷４へ長時間電力を供給することができる。
始動モードにおいて、図２に示す例では第２のスイッチ１５はオフであったが、図３に示す例では第２のスイッチ１５はオンである。これにより、始動モードにおいて、第２の電池モジュール１２は一般負荷４へ電力を供給することができる。そのため、一般負荷４は、リチウムイオン電池パック１から安定して電力が供給される。
図４は、リチウムイオン電池パック１のさらに別の例となる動作を示す表である。ここでは、図２に示す例と異なる点について説明する。
始動モードにおいて、図２に示す例では第２のスイッチ１５はオフであったが、図４に示す例では図３に示す例と同様に第２のスイッチ１５はオンである。
本実施形態によれば、リチウムイオン電池パック１は、低温下であっても出力性能が低下することはない。そのため、リチウムイオン電池パック１は、エンジンのコールドクランク性能の低下を防ぐことができる。このように、本実施形態によれば、低温出力性能を向上させるエンジン始動用のリチウムイオン電池パック１を提供することができる。
なお、第２の電池モジュール１２の容量は、ヒータ１３が第１の電池モジュール１１の温度を閾値（所定温度）まで上昇させるために予め定められた時間期間、ヒータ１３へ電力を供給するのに十分な容量である。これにより、ヒータ１３は、第１の電池モジュール１１を加熱するための電力を第２の電池モジュール１２から安定して供給される。
次に、本実施形態のいくつかの変形例について説明する。
第１の変形例について説明する。
第１の電池モジュール１１及び第２の電池モジュール１２は同じ電圧特性の電池モジュールで構成されている。また、第１の電池モジュール１１の出力密度は、第２の電池モジュール１２の出力密度と異なる。具体的には、第１の電池モジュール１１は、第２の電池モジュール１２よりも高出力密度である。高出力密度とは、エネルギーの瞬間的な出力能力が高いことを意味している。この例では、第１の電池モジュール１１の抵抗値は、第２の電池モジュール１２の抵抗値よりも低い。
エンジン始動時にスタータ３へ電力を供給する電池モジュールは、例えば１秒以下の短時間に瞬間的な出力が要求されている。上述のように構成されている第１の電池モジュール１１は、第２の電池モジュール１２よりも短時間に瞬間的な出力を供給することができる。
第１の変形例によれば、リチウムイオン電池パック１は、低温下であっても効率的にエンジンを始動することができる。
第２の変形例について説明する。
第１の電池モジュール１１及び第２の電池モジュール１２は同じ電圧特性の電池モジュールで構成されている。また、第１の電池モジュール１１のエネルギー密度は、第２の電池モジュール１２のエネルギー密度と異なる。具体的には、第２の電池モジュール１２は、第１の電池モジュール１１よりも高エネルギー密度である。高エネルギー密度とは、エネルギーの連続的な出力能力が高いことを意味している。
ヒータ１３へ電力を供給する電池モジュールは、第１の電池モジュール１１が所定の温度になるまでの間、連続的な出力が要求されている。上述のように構成されている第２の電池モジュール１２は、高エネルギー密度でヒータ１３へ電力を供給することができる。これにより、ヒータ１３は、安定して第１の電池モジュール１１を加熱することができる。
第２の変形例によれば、リチウムイオン電池パック１は、低温下であっても効率的にエンジンを始動することができる。
なお、第２の変形例は、第１の変形例と組み合わせてもよい。つまり、第１の電池モジュール１１は第２の電池モジュール１２よりも高出力密度となるように構成され、かつ、第２の電池モジュール１２は第１の電池モジュール１１よりも高エネルギー密度となるように構成されてもよい。この場合、リチウムイオン電池パック１は、第１の変形例で説明した効果と第２の変形例で説明した作用及び効果の両方を得ることができる。
第３の変形例について説明する。
第１のスイッチ１４、第２のスイッチ１５及び第３のスイッチ１６は、リチウムイオン電池パック１に含まれる制御部１８とは異なる制御部によって制御されてもよい。例えば、第１のスイッチ１４、第２のスイッチ１５及び第３のスイッチ１６は、車両に搭載されている要素を制御する別の制御部（図示せず）によって制御されてもよい。例えば、第１のスイッチ１４、第２のスイッチ１５及び第３のスイッチ１６のうちの１つまたは２つのスイッチは制御部１８によって制御されてもよい。他方、第１のスイッチ１４、第２のスイッチ１５及び第３のスイッチ１６のうち制御部１８によって制御されない１つまたは２つのスイッチは別の制御部によって制御されてもよい。
（実施例）
次に、本実施形態で説明したリチウム電池モジュール（電池）１の実施例について説明する。
高出力タイプのセルａ（１０Ａｈ、２．４Ｖ）と高容量タイプのセルｂ（４０Ａｈ、２．４Ｖ）を使い、セルａを５個直列接続した第１の電池モジュール１１（１０Ａｈ）と、セルｂを５個直列に接続した第２の電池モジュール１１（４０Ａｈ）を用意した。
第１の電池モジュール１１には第１のスイッチ（リレー）１４を接続し、第２の電池モジュール１２には第２のスイッチ（リレー）１５を接続し、第１の電池モジュール１１と第２の電池モジュール１２を並列接続した。
１０００Ｗの平板のヒータ１３の表面で第１の電池モジュール１１のセル表面を覆うようにヒータ１３を配置した。さらに、ヒータ１３は、電源を第２の電池モジュール１２からとれるように第３のスイッチ（リレー）１６を介して第２の電池モジュール１２と接続した。上述のように構成したリチウムイオン電池パック１を検討した。
リチウムイオン電池パック１は、オルタネータ２、スタータ３及び一般負荷４に繋がるネットワークに接続し、エンジン始動を行う。
比較例として、総容量の等しい５０Ａｈ、２．４Ｖの高容量タイプのセルｃを５個直列に接続した電池Ｃを検討した。
両電池が満充電、−３０℃の状態から、エンジン始動のための放電する場合を考える。
初期状態（上述の駐車モード）において、第１のスイッチ１４はオフであり、第２のスイッチ１５はオンであり、第３のスイッチ１６はオフである。まず、加熱のために、第１のスイッチ１４をオンにし、一般負荷４に電力を供給できるようにし、第２のスイッチ１５をオフ、第３のスイッチ１６をオンして、第１の電池モジュール１１を６０秒間加熱する。加熱により、第１の電池モジュール１１の温度は−３０℃から−１０℃となると計算できた。そこで、第３のスイッチ１６をオフして、第１のスイッチ１４をオンし、エンジンのスタータ３を起動させると、第１の電池モジュール１１から５００Ａで約５秒間の放電が可能となり、エンジンが始動する。
一方、比較例の電池Ｃは、−３０℃の状態から放電できる電流は、２００−３００Ａ程度であり、エンジン始動には不足の状態である。
このように、同様のエネルギー量（５０Ａｈ、１２Ｖ）を持つ電池であっても、上記説明のとおり、高エネルギー密度の第２の電池モジュール１２が高出力密度の第１の電池モジュール１１を温めることが可能な構成とすることで、コールドクランキングが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (5)

  1. 自動車に搭載されるリチウムイオン電池パックにおいて、
    １以上のリチウムイオン電池で構成されている第１の電池モジュールと、
    前記第１の電池モジュールと並列接続され、１以上のリチウムイオン電池で構成されている第２の電池モジュールと、
    前記第２の電池モジュールと電気的に接続され、前記第１の電池モジュールに近接して配置され、前記第１の電池モジュールを加熱するヒータと、
    前記第１の電池モジュールによる外部への電力供給をオンまたはオフに切り替え、エンジン始動のために前記第１の電池モジュールによる外部への電力供給をオンにする第１のスイッチと、
    前記第２の電池モジュールによる外部への電力供給をオンまたはオフに切り替える第２のスイッチと、
    前記第２の電池モジュールによる前記ヒータへの電力供給をオンまたはオフにし、エンジン始動前に前記ヒータへの電力供給をオンにする第３のスイッチと、
    を備えるリチウムイオン電池パック。
  2. 前記第１の電池モジュール及び前記第２の電池モジュールは同じ電圧特性の電池モジュールで構成され、
    前記第１の電池モジュールは、前記第２の電池モジュールよりも高出力密度である、
    請求項１に記載のリチウムイオン電池パック。
  3. 前記第１の電池モジュール及び前記第２の電池モジュールは同じ電圧特性の電池モジュールで構成され、
    前記第２の電池モジュールは、前記第１の電池モジュールよりも高エネルギー密度である、
    請求項１に記載のリチウムイオン電池パック。
  4. 駐車モードにおいて、前記第１のスイッチはオンまたはオフであり、前記第２のスイッチはオンであり、前記第３のスイッチはオフであり、
    加熱モードにおいて、前記第１のスイッチはオンであり、前記第２のスイッチはオフであり、前記第３のスイッチはオンであり、
    始動モードにおいて、前記第１のスイッチはオンであり、前記第２のスイッチはオンまたはオフであり、前記第３のスイッチはオフであり、
    通常運転モードにおいて、前記第１のスイッチはオンであり、前記第２のスイッチはオンであり、前記第３のスイッチはオフである、
    請求項１に記載のリチウムイオン電池パック。
  5. 前記第２の電池モジュールの容量は、前記ヒータが前記第１の電池モジュールの温度を所定の温度まで上昇させるために予め定められた時間期間、前記ヒータへ電力を供給するのに十分な容量である、
    請求項１に記載のリチウムイオン電池パック。
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