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KR20100020477A - 배터리팩 및 배터리 시스템 - Google Patents

배터리팩 및 배터리 시스템 Download PDF

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KR20100020477A
KR20100020477A KR1020097026292A KR20097026292A KR20100020477A KR 20100020477 A KR20100020477 A KR 20100020477A KR 1020097026292 A KR1020097026292 A KR 1020097026292A KR 20097026292 A KR20097026292 A KR 20097026292A KR 20100020477 A KR20100020477 A KR 20100020477A
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KR
South Korea
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voltage
secondary battery
battery
charging
aqueous
Prior art date
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Application number
KR1020097026292A
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English (en)
Inventor
다쿠야 나카시마
마모루 아오키
시게유키 스기야마
Original Assignee
파나소닉 주식회사
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Publication date
Application filed by 파나소닉 주식회사 filed Critical 파나소닉 주식회사
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Abstract

수용액계 2차 전지와, 상기 수용액계 2차 전지보다, 하나당 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지를 구비했다. 그리고, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지를 직렬 접속하여 배터리팩을 구성했다.

Description

배터리팩 및 배터리 시스템{BATTERY PACK AND BATTERY SYSTEM}
본 발명은, 복수의 2차 전지를 구비하는 배터리팩(battery pack), 및 이 배터리팩을 구비한 배터리 시스템에 관한 것이다.
종래, 이륜차나 삼륜차, 및 사륜 이상의 차량에는, 동력계의 시동용이나, 전기 회로, 전기 기기의 구동용으로서 납축전지가 탑재되어 있다. 납축전지는, 가격이 낮지만, 축전 에너지 밀도가 작으므로, 탑재 중량, 부피가 크다. 차량으로서의 연비, 동력 성능의 관점에서는, 이 중량, 부피의 경량, 컴팩트화가 요구되고 있다. 이 개선책으로서, 축전 에너지 밀도가 보다 큰 니켈-카드뮴 2차 전지, 니켈수소 2차 전지나, 리튬이온 2차 전지, 리튬폴리머 2차 전지를 채용하는 방법이 있다. 또한, 1종류의 전지로 배터리팩을 구성한 경우에 있어서의 다양한 과제 해결을 위해, 이종의 전지를 조합시킨 배터리팩도 제안되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
그런데, 납축전지의 충전에는, 정전류 충전 후에 정전압 충전을 행하는 정전류 정전압(CCCV) 충전 방식이 이용된다. 정전압 충전을 행하는 경우, 2차 전지에 일정한 전압을 인가하면서 2차 전지에 흐르는 충전 전류를 검출하여, 충전 전류가 미리 설정된 충전 종료 전류치 이하가 되면, 충전을 종료한다. 그러나, 니켈-카드뮴 2차 전지나 니켈수소 2차 전지 등의 수용액계 2차 전지는, 정전압으로 충전하면, 만충전 부근에서 부반응인 산소 발생에 따르는 온도 상승에 의해 셀의 기전압이 저하하여 충전 전류가 증대로 변하여, 충전 전류가 충전 종료 전류치 이하가 되지 않으므로 정전압 충전을 종료할 수 없어, 충전이 계속되어 과충전 상태가 되어버린다. 그 결과, 과충전에 의한 누액이 발생하여, 전지 기능이 열화되어버린다. 그 때문에, 납축전지용의 충전 회로를 구비한 차량에서는, 납축전지 대신에 수용액계 2차 전지를 탑재할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
또한, 리튬이온 2차 전지, 리튬폴리머 2차 전지 등의 비수계 2차 전지는, 납축전지와 마찬가지로 정전류 정전압(CCCV) 충전 방식으로 충전할 수 있다. 그러나, 납축전지용의 충전 회로를 구비한 차량에 납축전지 대신에 이러한 비수계 2차 전지를 탑재하면, 납축전지와 비수계 2차 전지는 충전 전압이 다르므로, 충분한 충전을 행할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
예컨대, DC 12V 출력의 납축전지는, 일반적으로 14.0V~14.5V로 정전압 충전이 행해진다. 특히, 레이스용 차량에서는, 납축전지의 충전 전압으로서 14.5V가 이용되는 경우가 많다.
그렇다면, 이러한 납축전지를 충전하기 위한 충전 회로를 이용하여 리튬이온 2차 전지가 복수개 직렬 접속된 배터리팩을 충전한 경우, 리튬이온 2차 전지 1개당 충전 전압은, 예컨대, 14.5V를 리튬이온 2차 전지의 개수로 나눈 전압이 된다. 예컨대, 리튬이온 2차 전지가 3개 직렬 접속된 배터리팩에서는, 리튬이온 2차 전지 1 개당 충전 전압은, 14.5V/3=4.83V가 된다.
한편, 리튬이온 2차 전지를 정전압 충전하는 경우의 충전 전압으로서는, 리튬이온 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 개방 전압인 4.2V가 이용된다. 그렇다면, 리튬이온 2차 전지가 3개 직렬 접속된 배터리팩을 납축전지용의 충전 회로에서 충전하면, 충전 전압이 너무 높아, 과충전에 의한 특성 열화나 고장, 혹은 안전상의 문제를 초래할 우려가 있다고 하는 문제가 있었다.
또한, 리튬이온 2차 전지가 4개 직렬 접속된 배터리팩에서는, 리튬이온 2차 전지 1개당 충전 전압은 14.5V/4=3.63V가 되어, 4.2V에 대하여 충전 전압이 지나치게 낮아 충전 심도(SOC; state of charge)가 50% 정도밖에 되지 않아, 2차 전지의 전지 용량을 유효하게 활용하는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다.
또한, 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 수용액계 2차 전지의 만충전 부근에서 발열이 증대되는 성질을 이용하여, 수용액계 2차 전지와 비수계 2차 전지를 혼재시킨 배터리팩에 있어서 온도에 의해, 만충전이 된 것을 판정하도록 하고 있다. 그러나, 납축전지용의 충전 회로와 같은 정전압 충전용의 충전 회로에서는, 충전 전류에 근거하여 만충전을 판정하여, 충전을 종료하므로, 특허 문헌 1에 기재된 배터리팩을 이와 같은 정전압 충전용의 충전 회로에서 충전하면, 충전을 종료할 수 없어, 과충전에 의한 특성 열화나 고장, 혹은 안전상의 문제를 초래할 우려가 있다고 하는 문제가 있었다. 또한, 수용액계 2차 전지가, 만충전 부근에서 발열하므로, 수용액계 2차 전지와 조합된 비수계 2차 전지가 가열됨으로써 열화되어버린다고 하는 문제도 있었다.
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 평 9-180768 호 공보
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 발명이며, 정전압 충전용의 충전 회로에 의해 충전한 경우라도, 과충전이 될 우려를 저감하면서 충전 종료시의 충전 심도를 증대하는 것이 용이한 배터리팩, 및 이러한 배터리팩을 이용한 배터리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일국면에 따르는 배터리팩은, 수용액계 2차 전지와, 상기 수용액계 2차 전지보다, 하나당 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지를 구비하고, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있다.
또한, 본 발명의 일국면에 따르는 배터리 시스템은, 상술한 배터리팩과, 상기 충전 회로를 구비한다.
이러한 구성의 배터리팩, 및 배터리 시스템은, 당해 배터리팩을 정전압 충전에 의해 충전하면, 수용액계 2차 전지를 흐르는 충전 전류와 비수계 2차 전지를 흐르는 충전 전류는 같으므로, 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지 쪽이, 먼저 만충전에 가까워져 충전 전류가 감소하고, 정전압 충전이 종료된다. 그렇다면, 충전 종료시에는, 비수계 2차 전지보다 전지 용량이 큰 수용액계 2차 전지는 아직 만충전에 도달하고 있지 않으므로, 과충전이 될 우려가 저감된다. 또한, 동일한 종류의 2차 전지를 복수 직렬 접속한 경우보다, 전지 특성이 다른 수용액계 2차 전지와 비수계 2차 전지를 조합한 쪽이, 조합에 의해 얻어지는 충전 특성의 선택의 폭이 넓어지므로, 배터리팩 전체의 충전 특성을 소정의 충전 전압에 적합하게 하여 충전 종료시의 충전 심도를 증대시키는 것이 용이해진다.
또한, 본 발명의 일국면에 따르는 배터리 시스템은, 상술한 배터리팩과, 상기 배터리팩의 상기 부하 장치로의 방전 경로를 개폐하는 스위칭 소자와, 상기 배터리팩의 양단 전압을 검출하는 전압 검출부와, 상기 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 상기 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 낮고, 상기 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 상기 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 상기 방전 종료 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 상기 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 높은 전압으로 미리 설정된 방전 종료 검지 전압을, 상기 전압 검출부에 의해 검출된 전압이 하회하는 경우, 상기 스위칭 소자를 열리게 하는 제어부를 구비한다.
이 구성에 의하면, 전압 검출부에 의해 검출된 배터리팩의 양단 전압이, 방전 종료 검지 전압을 하회하면, 제어부에 의해, 스위칭 소자가 열려, 배터리팩의 방전 전류가 차단된다.
그리고, 방전 종료 검지 전압은, 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압과 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 평균 방전 전압과 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 낮게 설정되어 있다. 그 때문에, 수용액계 2차 전지 및 비수계 2차 전지가 각각 평균 방전 전압을 출력하고 있고, 아직 방전 말기에 도달하고 있지 않은 경우에는, 배터리팩의 양단 전압이 방전 종료 검지 전압을 하회하지 않고, 따라서, 제어부에 의해 스위칭 소자가 열리지 않으므로, 방전이 계속된다.
또한, 방전 종료 검지 전압은, 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압과 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 방전 종료 전압과 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 높은 전압으로 설정되어 있다. 그 때문에, 수용액계 2차 전지보다 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지가 먼저 방전 말기에 도달하고 비수계 2차 전지의 단자 전압이 저하하면, 비수계 2차 전지의 단자 전압이 방전 종료 전압을 하회하기 전에, 배터리팩의 양단 전압이 방전 종료 검지 전압을 하회한다. 그러므로, 제어부에 의해, 스위칭 소자가 열려 배터리팩의 방전 전류가 차단되므로, 비수계 2차 전지 및 수용액계 2차 전지가 과방전 상태가 되는 것이 억제된다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 배터리팩의 외관의 일례를 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시 형태에 따른 배터리 시스템의 전기적 구성의 일례를 나타내는 모식도,
도 3은 도 2에 나타내는 충전 회로에 의해, 배터리팩을 정전류 정전압 충전한 경우의, 충전 시간과, 각 리튬이온 2차 전지, 및 각 니켈수소 2차 전지의 단자 전압과, 합계 전압의 일례를 나타낸 그래프,
도 4는 도 2에 나타내는 배터리팩을, 45℃의 온도 환경에서, 정전류 충전시의 충전 전류를 2.5A, 정전압 충전시의 충전 전압을 14.5V로 하여, 정전류 정전압(CCCV) 충전을 행했을 때의, 충전 전류 Ib, 충전 전압 Vb, 리튬이온 2차 전지의 각 단자 전압 V1, 및 니켈수소 2차 전지의 각 단자 전압 V2의 측정 결과를 나타내는 그래프,
도 5는 도 2에 나타내는 배터리팩을, 45℃의 온도 환경에서, 10A로 방전시켰을 때의, 배터리팩의 단자 전압 Vb, 리튬이온 2차 전지의 각 단자 전압 V1, 및 니켈수소 2차 전지의 각 단자 전압 V2의 측정 결과를 나타내는 그래프,
도 6은 도 2에 나타내는 배터리 시스템의 변형예를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 형태를 도면에 근거하여 설명한다. 또, 각 도면에 있어서 동일한 부호를 붙인 구성은, 동일한 구성인 것을 나타내고, 그 설명을 생략한다. 도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 배터리팩의 외관의 일례를 나타내는 사시도이다. 도 1에 나타내는 배터리팩(1)은, 예컨대, 이륜차나 사륜차, 기타 공사 차량 등의 차량 탑재용의 배터리로서 이용된다. 도 1에 나타내는 배터리팩(1)은, 예컨대, 대략 상자 형상의 하우징(6)에, 3개의 리튬이온 2차 전지(2)와 2개의 니켈수소 2차 전지(3)가 직렬 접속되어 수용되어 있다.
또한, 하우징(6)의 상면에, 접속 단자(4, 5)가 위쪽으로 돌출되어 있다. 도 1의 예에서는, 접속 단자(4, 5)는 볼트 형상을 이루고, 이것에 너트(41, 51)가 나사 결합 가능하게 되어 있다. 한편, 접속 단자(4)에 접속되어야할 전선(42)의 단말에는, 접속 단자(4)에 끼워질 수 있는 링 형상의 배선측 단자(43)가 리벳 등의 수단으로 고정되고, 마찬가지로, 접속 단자(5)에 접속되어야할 전선(52)의 단말에는, 접속 단자(5)에 끼워질 수 있는 링 형상의 배선측 단자(53)가 리벳 등의 수단으로 고정되어 있다. 그리고, 배선측 단자(43, 53)를 배터리팩(1)의 접속 단자(4) 및 접속 단자(5)에 각각 끼워, 접속 단자(4, 5)에 너트(41, 51)를 장착하여 조임으로써, 전선(42, 52)의 단말이 접속 단자(4, 5)에 전기적으로 접속되게 되어 있다.
전선(42, 52)은, 차량 내의 전기 회로나 배터리팩(1)을 충전하는 충전 회로 등에 접속되어 있고, 배터리팩(1)의 충방전에 이용된다.
또, 접속 단자(4, 5)는, 볼트 형상에 한정되지 않고, 예컨대, 원기둥 형상이더라도 좋다. 그리고, 배선측 단자(43, 53)로서, 예컨대, 도전성을 갖는 금속판이 그 중간 부분에서 대략 C자 형상으로 벤딩 가공된 것을 이용하여, 당해 중간 부분을 접속 단자(4, 5)의 외측으로 각각 체결한 후, 배선측 단자(43, 53)의 양단을 볼트 등으로 조임으로써, 접속 단자(4, 5)와 배선측 단자(43, 53)를 결합하는 구성이더라도 좋다. 이러한 하우징 구조, 및 단자 구조를 가짐으로써, 배터리팩(1)을, 차량 탑재용의 납축전지와 치환하여, 납축전지용의 충전 회로 등에 접속하기 위한 배선측 단자(43, 53)와 접속하는 것이 용이해진다.
또한, 배터리팩(1)은, 반드시 하우징(6)에 수용되어 있을 필요는 없고, 납전지용의 배선측 단자(43, 53)와 그대로 접속 가능한 접속 단자를 구비하는 것에 한 정되지 않는다. 접속 단자(4, 5)는, 예컨대, 단자대나 커넥터 외에, 예컨대, 셀의 전극 단자 그 자체이더라도 좋다.
도 2는 도 1에 나타내는 배터리팩(1)과, 배터리팩(1)을 충전하는 충전 회로(11)를 구비한 배터리 시스템(10)의 전기적 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 2에 나타내는 배터리팩(1)은, 3개의 리튬이온 2차 전지(2)와 2개의 니켈수소 2차 전지(3)가, 접속판(7)에 의해 직렬 접속되어 구성되어 있다. 3개의 리튬이온 2차 전지(2)와 2개의 니켈수소 2차 전지(3)의 직렬 회로의 양단이, 접속판(7)에 의해 접속 단자(4, 5)와 접속되어 있다. 도 1에서는, 동종의 전지를 근접하여 배치하고 있지만, 이종의 전지를 교대로 배치하더라도 상관없다.
또한, 리튬이온 2차 전지(2)는, 니켈수소 2차 전지(3)보다 전지 하나당 전지 용량이 작게 되어 있다. 리튬이온 2차 전지(2)는, 비수계 2차 전지의 일례에 상당하고, 리튬이온 2차 전지(2) 대신에 리튬폴리머 2차 전지 등의 다른 비수계 2차 전지를 이용하더라도 좋다.
또한, 니켈수소 2차 전지(3)는, 수용액계 2차 전지의 일례에 상당하고, 니켈수소 2차 전지(3) 대신에 니켈-카드뮴 2차 전지 등의 다른 수용액계 2차 전지를 이용하더라도 좋다. 그러나, 수용액계 2차 전지로서는 니켈수소 2차 전지가, 비수계 2차 전지로서는 리튬이온 2차 전지가, 각각, 에너지 밀도가 높고, 보다 경량 컴팩트화가 가능한 것에서 바람직하다.
또한, 리튬이온 2차 전지(2)의 표준적인 출력 전압인 평균 방전 전압(Mid-point discharge voltage)은 3.6V 정도, 니켈수소 2차 전지(3)의 평균 방전 전압은 1.1V~1.2V 정도이다. 즉, 도 2에 나타내는 배터리팩(1)은, 수용액계 2차 전지와, 당해 수용액계 2차 전지보다 평균 방전 전압이 높은 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 구성되어 있다.
이하에 소전지(素電池)의 평균 방전 전압을 구하는 방법의 일례를 나타낸다. 소전지로서 니켈수소 2차 전지 등의 수용액계 2차 전지를 이용하는 경우, 이 소전지를 1ItA(여기서 1ItA는 전지의 이론 용량을 1시간으로 나누어 얻어지는 전류치)의 전류치로 1.2시간의 정전류 충전을 행하고, 그 후에 1ItA로 1V에 도달하기까지 정전류 방전을 행하여 방전 용량을 구하고, 이 방전 용량이 50%인 시점에서의 방전 전압을 평균 방전 전압으로서 규정할 수 있다.
또한 소전지로서 리튬이온 2차 전지를 이용하는 경우, 이 소전지를 0.7ItA의 전류치로 4.2V에 도달하기까지 정전류 충전, 4.2V에 도달한 뒤는 전류치가 0.05ItA로 감쇠하기까지 정전압 충전을 행하고, 그 후에 1ItA로 2.5V에 도달하기까지 정전류 방전을 행하여 방전 용량을 구하고, 이 방전 용량이 50%인 시점에서의 방전 전압을 평균 방전 전압으로서 규정할 수 있다.
또, 전지 메이커가 공표하고 있는 각 전지의 공칭 전압은, 평균 방전 전압과 거의 같으므로, 공칭 전압을 평균 방전 전압으로서 이용하더라도 좋다.
충전 회로(11)는, 예컨대, 차량 탑재용의 납축전지를 정전류 정전압(CCCV)에 의해 충전하는 충전 회로이며, 예컨대, 차량 탑재용의 ECU(Electric Control Unit) 등에 의해 구성되어 있다. 충전 회로(11)는, 예컨대, 전압 센서(12)(전압 검출부), 전류 센서(13), 충전 전류 공급 회로(14), 및 제어부(15)를 구비하고 있다.
충전 전류 공급 회로(14)는, 예컨대, 차량에서 발전된 전력으로부터, 납축전지를 충전하기 위한 충전 전류, 충전 전압을 생성하는 정류 회로나 스위칭 전원 회로 등을 구비하여 구성되어 있다. 그리고, 충전 전류 공급 회로(14)는, 전류 센서(13) 및 전선(42)을 통해서 접속 단자(4)에 접속되고, 전선(52)을 통해서 접속 단자(5)에 접속되어 있다.
전압 센서(12)는, 예컨대, 분압 저항이나 A/D 컨버터 등을 이용하여 구성되어 있다. 그리고, 전압 센서(12)는, 전선(42, 52)을 통해서 접속 단자(4, 5) 사이의 전압, 즉, 배터리팩(1)의 충전 전압 Vb를 검출하여, 그 전압치를 제어부(15)에 출력한다. 전류 센서(13)는, 예컨대, 션트 저항이나 홀 소자, A/D 컨버터 등을 이용하여 구성되어 있다. 그리고, 전류 센서(13)는, 충전 전류 공급 회로(14)로부터 배터리팩(1)에 공급되는 충전 전류 Ib를 검출하여, 그 전류치를 제어부(15)에 출력한다.
제어부(15)는, 예컨대, 소정의 연산 처리를 실행하는 CPU(Central Processing Unit)와, 소정의 제어 프로그램이 기억된 ROM(Read Only Memory)과, 데이터를 일시적으로 기억하는 RAM(Random Access Memory)과, 이들의 주변 회로 등을 구비하여 구성되어 있다. 그리고, 제어부(15)는, ROM에 기억된 제어 프로그램을 실행함으로써, 전압 센서(12)로부터 얻어진 충전 전압 Vb, 및 전류 센서(13)로부터 얻어진 충전 전류 Ib에 근거하여, 충전 전류 공급 회로(14)의 출력 전류, 및 출력 전압을 제어함으로써, 정전류 정전압(CCCV) 충전을 실행하는 제어 회로이다.
납축전지를 정전압 충전에 의해 충전할 때의 충전 전압은, 일반적으로 14.5V~15.5V이다. 그 때문에, 제어부(15)는, 정전압 충전을 행할 때는, 전압 센서(12)의 검출 전압이 14.5V~15.5V가 되도록, 충전 전류 공급 회로(14)의 출력 전류, 전압을 제어한다,
그런데, 리튬이온 2차 전지는, 만충전 상태에 있어서의 개방 전압이, 약 4.2V이다. 리튬이온 2차 전지는, 충전에 따라 충전 심도가 증대함에 따라서, 양극 전위는 증대되고, 음극 전위는 감소한다. 리튬이온 2차 전지의 단자 전압은, 양극 전위와 음극 전위의 차로서 나타난다.
그리고, 충전 심도가 증대함에 따라 음극 전위가 저하하여, 음극 전위가 0V가 되었을 때의 양극 전위와 음극 전위의 차, 즉, 양극 전위는, 충전 전류치, 온도, 양극 및 음극의 활물질의 조성의 편차의 영향을 받지만, 양극 활물질로서 코발트산리튬을 이용한 경우에 약 4.2V, 양극 활물질로서 망간산리튬을 이용한 경우에 약 4.3V가 되는 것이 알려져 있다. 이와 같이, 음극 전위가 0V가 되었을 때에 만충전이 되고, 이때의 단자 전압, 예컨대, 4.2V를, 정전압 충전에 있어서의 충전 전압으로서 이용함으로써, 리튬이온 2차 전지를 만충전(충전 심도 100%)으로 할 수 있다.
한편, 수용액계 2차 전지는, 충전 심도의 변화에 대하여 대략 일정한 단자 전압을 나타내는 특성이 있고, 예컨대, 니켈수소 2차 전지에서는, 만충전 상태에 있어서의 개방 전압이 약 1.4V이다.
그렇다면, 배터리 시스템(10)에 있어서, 예컨대, 충전 전압 Vb를 14.5V로 하여 배터리팩(1)의 정전압 충전을 행한 경우, 리튬이온 2차 전지(2)의 하나당 충전 전압은, (14.5V-(1.4V×2))/3=3.9V가 되고, 상술한 바와 같이 리튬이온 2차 전지를 4개 직렬 접속한 경우에 있어서의 리튬이온 2차 전지 1개당 충전 전압 3.63V보다, 리튬이온 2차 전지(2)의 충전 전압을 상승시킬 수 있다.
즉, 리튬이온 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 개방 전압인 4.2V에, 4를 곱하여 얻어지는 전압 16.8V보다, 리튬이온 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 개방 전압인 4.2V에 3을 곱한 전압과 니켈수소 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 개방 전압 1.4V에 2를 곱한 전압의 합계 전압인 15.4V 쪽이, 납축전지용의 충전 전압 14.5V와의 차가 작아진다. 이 경우, 충전 종료시에 있어서의 리튬이온 2차 전지(2)의 충전 심도는 약 73%가 되어, 충전 종료시에 있어서의 리튬이온 2차 전지(2)의 충전 심도를 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 합계 전압은, 납축전지용의 충전 전압 14.5V 이상으로 되어 있으므로, 납축전지용의 충전 전압이 접속 단자(4, 5) 사이에 인가된 경우에, 리튬이온 2차 전지(2) 1개당 인가되는 충전 전압이 4.2V 이하가 되는 결과, 리튬이온 2차 전지(2)의 열화를 저감할 수 있고 또한, 안전성이 손상될 우려를 저감할 수 있다.
또, 납축전지의 출력 전압은, 12V, 24V, 42V와 같이, 12V의 배수인 것이 존재하고, 이러한 납축전지를 충전하는 충전 회로의 충전 전압도 또한, 14.5V~15.5V의 배수가 된다. 그래서, 니켈수소 2차 전지 2개와 니켈수소 2차 전지보다 전지 용량이 작은 리튬이온 2차 전지 3개를 직렬로 접속한 배터리팩을 1유닛(1단위)으로 하고, 충전 회로의 충전 전압에 따라 이 유닛수를 증감함으로써, 니켈수소 2차 전지의 개수와 리튬이온 2차 전지의 개수를 2:3의 비율로 하면, 납축전지의 출력 전 압이 12V인 경우와 마찬가지로, 배터리팩의 충전 전압을 충전 회로의 출력 전압에 적합하게 하여, 이러한 충전 회로에 의해 배터리팩(1)을 충전할 때의 충전 종료시의 충전 심도를 증대시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 유닛을 기본 단위로 하여, 기전력, 혹은 전지 용량 등의 요망에 맞춰, 여러 유닛을 직렬 및 병렬, 혹은, 직병렬로 접속하여, 배터리팩으로 하는 것도 가능하다.
또한, 충전 장치의 충전 전압은, 14.5V로 한정되지 않는다. 또한, 수용액계 2차 전지의 개수와 비수계 2차 전지의 개수의 비율도, 2:3으로 한정되지 않는다. 수용액계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압(예컨대, 약 1.4V)에, 당해 수용액계 2차 전지의 직렬수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압(예컨대, 약 4.2V)에, 당해 수용액계 2차 전지의 직렬수를 곱한 전압의 합계 전압이, 당해 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압(예컨대, 약 4.2V)을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 충전 장치의 충전 전압에 가장 가까운 전압보다, 충전 장치의 충전 전압과의 차가 작아지도록, 충전 전압과, 수용액계 2차 전지의 직렬수와, 비수계 2차 전지의 직렬수가 선택되어 있으면 좋다.
그러나, 납축전지의 충전 전압으로서 이용되는 14.5V의 충전 전압에 대해서는, 니켈수소 2차 전지가 2개, 리튬이온 2차 전지가 3개, 직렬로 접속된 배터리팩이 적합하다. 또, 「실질적으로 14.5V」란, 14.5V에 대하여, 충전 장치의 출력 정밀도 오차나 특성 편차 등에 따른 변동폭을 허용하는 의미이며, 예컨대, 14.5V±0.1V를 의미하고 있다.
다음으로, 상술한 바와 같이 구성된 배터리 시스템(10)의 동작에 대하여 설명한다. 도 3은 도 2에 나타내는 충전 회로(11)에 의해, 배터리팩(1)을 정전류 정전압(CCCV) 충전한 경우의, 충전 시간과, 각 리튬이온 2차 전지(2), 및 각 니켈수소 2차 전지(3)의 단자 전압과, 접속 단자(4, 5) 사이의 전압, 즉, 합계 전압 Vb의 일례를 나타낸 그래프이다. 가로축이 충전 시간, 우측 세로축이 리튬이온 2차 전지(2) 및 니켈수소 2차 전지(3)의 단일 셀의 단자 전압, 좌측 세로축이 합계 전압 Vb를 나타내고 있다.
우선, 제어부(15)로부터의 제어 신호에 따라, 충전 전류 공급 회로(14)로부터 2A의 충전 전류 Ib가, 전선(42)을 통해서 배터리팩(1)에 출력되어, 배터리팩(1)이 2A로 정전류 충전된다. 그렇다면, 각 리튬이온 2차 전지(2), 및 각 니켈수소 2차 전지(3)의 단자 전압이 충전에 따라 상승하고, 합계 전압 Vb도 또한 상승한다.
이때, 니켈수소 2차 전지(3)의 단자 전압은, 약간밖에 상승하지 않고, 거의 일정한 채로, 충전이 행해진다. 한편, 리튬이온 2차 전지의 단자 전압은, 충전에 따라 상승 커브를 그리며 증대된다. 그렇다면, 합계 전압 Vb는, 리튬이온 2차 전지의 단자 전압의 증대에 따라 증대된다.
그리고, 전압 센서(12)에 의해 검출된 합계 전압 Vb가 14.5V에 도달하면(타이밍 T1), 제어부(15)에 의해, 정전류 충전으로부터 정전압 충전으로 전환된다. 그리고, 제어부(15)로부터의 제어 신호에 따라, 충전 전류 공급 회로(14)에 의해, 접속 단자(4, 5) 사이에 14.5V의 일정한 전압이 인가되어 정전압 충전이 실행된다.
그렇다면, 정전압 충전에 의해, 리튬이온 2차 전지(2)의 충전 심도가 증대됨 에 따라, 충전 전류 Ib가 감소된다.
여기서, 니켈수소 2차 전지나 니켈카드뮴 2차 전지 등의 수용액계 2차 전지는, 충전 전류 Ib가 감소되더라도, 단자 전압이 약 1.4V인 채로 대략 일정한 전압치로 유지되는 성질이 있다. 그 때문에, 2개의 니켈수소 2차 전지(3)의 단자 전압의 합계는, 1.4V×2=2.8V가 된다. 그렇다면, 접속 단자(4, 5) 사이에 14.5V의 전압이 인가된 경우, 3개의 리튬이온 2차 전지(2)에 인가되는 전압의 합계는, 14.5V-2.8V=11.7V가 된다.
따라서, 14.5V의 정전압 충전에 있어서, 리튬이온 2차 전지(2)의 1셀당 인가되는 충전 전압은, 11.7V/3=3.9V가 되는 결과, 리튬이온 2차 전지(2)의 열화를 저감할 수 있고 또한, 안전성이 손상될 우려를 저감할 수 있다.
그리고, 전류 센서(13)에 의해 검출된 충전 전류 Ib가, 미리 정전압 충전의 종료 조건으로서 설정된 충전 종료 전류 이하가 되면, 제어부(15)에 의해, 14.5V의 정전압 충전에 있어서 충전 가능한 최대의 충전 심도에 가까운 충전 심도까지 리튬이온 2차 전지(2)가 충전되었다고 판단된다. 그리고, 제어부(15)로부터의 제어 신호에 따라, 충전 전류 공급 회로(14)의 출력 전류가 0이 되어 충전이 종료된다(타이밍 T2).
그런데, 3개의 리튬이온 2차 전지(2)와, 2개의 니켈수소 2차 전지(3)는, 직렬 접속되어 있으므로, 각 전지에 공급되는 충전 전류는 같다. 그렇다면, 전지 용량이 작은 리튬이온 2차 전지(2) 쪽이, 전지 용량이 큰 니켈수소 2차 전지(3)보다 먼저 만충전에 가까워지므로, 타이밍 T2에 있어서는, 니켈수소 2차 전지(3) 쪽이, 리튬이온 2차 전지(2)보다 충전 심도가 얕아진다.
예컨대, 리튬이온 2차 전지(2)의 전지 용량이, 니켈수소 2차 전지(3)의 80%인 경우에 있어서, 예컨대, 리튬이온 2차 전지(2)의 충전 심도가 100%가 되었을 때, 니켈수소 2차 전지(3)의 충전 심도는 80%가 된다. 그렇다면, 리튬이온 2차 전지(2)의 전지 용량을, 니켈수소 2차 전지의 전지 용량보다 작게 함으로써, 리튬이온 2차 전지(2)가 만충전(충전 심도 100%) 가까이까지 충전되어 정전압 충전이 종료된 타이밍 T2에 있어서, 니켈수소 2차 전지(3)가 만충전(충전 심도 100%)을 넘는 일이 없어지므로, 니켈수소 2차 전지(3)가 과충전이 될 우려를 저감하면서 충전 종료시의 리튬이온 2차 전지(2)의 충전 심도를 증대시킬 수 있다.
또한, 니켈수소 2차 전지(3)가 만충전 부근에서 발열하기 전에, 충전이 종료되므로, 니켈수소 2차 전지(3)의 만충전 부근에서의 발열로, 리튬이온 2차 전지(2)가 열화될 우려가 저감된다.
또한, 니켈수소 2차 전지는, 정전압 충전되면, 만충전 부근에서 충전 전류가 증대되는 특성이 있다. 그 때문에, 만약 니켈수소 2차 전지의 전지 용량 쪽이, 리튬이온 2차 전지(2)의 전지 용량보다 작은 경우에는, 리튬이온 2차 전지(2)가 만충전에 가까워져 충전 전류가 감소하여, 전류 센서(13)에 의해 검출되는 충전 전류 Ib가 충전 종료 전류 이하가 되기 전에, 니켈수소 2차 전지가 만충전에 가까워져 충전 전류가 증대되므로, 충전 전류 Ib가 충전 종료 전류 이하로 저하되지 않게 되어버리는 결과, 정전압 충전이 종료되지 않고 충전이 계속되어, 리튬이온 2차 전지(2)와 니켈수소 2차 전지(3)가 과충전이 되어, 전지 특성의 열화를 초래하거나, 안전성이 손상되거나 할 우려가 생긴다.
그러나, 배터리팩(1)은, 리튬이온 2차 전지(2) 쪽이, 니켈수소 2차 전지(3)보다 전지 용량이 작게 되어 있으므로, 니켈수소 2차 전지(3)가 만충전에 가까워져 충전 전류가 증대되기 전에 정전압 충전을 종료할 수 있는 결과, 전지의 열화나 안전성이 손상될 우려를 저감할 수 있다.
그런데, 니켈수소 2차 전지는, 자기 방전 전류가 리튬이온 2차 전지보다 큰 것이 알려져 있다. 그 때문에, 배터리팩(1)을 충전 후에 방치해 두면, 니켈수소 2차 전지(3)의 잔존 용량 쪽이, 리튬이온 2차 전지(2)의 잔존 용량보다 적어져버린다. 그리고, 니켈수소 2차 전지(3)의 잔존 용량 쪽이, 리튬이온 2차 전지(2)의 잔존 용량보다 적은 상태로부터 배터리팩(1)의 충전을 시작하면, 충전 종료시에 있어서의 니켈수소 2차 전지(3)의 충전 용량이, 충전 전에 자기 방전에 의해 감소되어 있었던 용량만큼 감소되어버리므로, 배터리팩(1) 전체의 충전 용량이 감소되어버린다.
여기서, 본 발명의 발명자들은, 니켈수소 2차 전지의 충전 심도가 낮은 상태로 충전을 종료하면, 니켈수소 2차 전지의 자기 방전이 감소하는 것을, 실험적으로 발견했다. 그렇다면, 배터리팩(1)을 정전압 충전한 경우에는, 니켈수소 2차 전지(3)의 충전 심도가 저위 상태에 있어서, 충전 전류가 증대되기 전에 리튬이온 2차 전지(2)가 만충전에 가까워짐으로써 충전 전류 Ib가 감소되어 충전 종료 전류 이하로 저하됨으로써 충전이 종료되므로, 자동적으로 니켈수소 2차 전지(3)의 충전 심도가 낮은 상태로 충전이 종료되는 결과, 니켈수소 2차 전지의 자기 방전을 감소 시킬 수 있다. 그리고, 니켈수소 2차 전지의 자기 방전이 감소되면, 니켈수소 2차 전지의 자기 방전에 기인하여, 배터리팩(1) 전체의 충전 용량이 감소되는 것이 저감된다.
또, 충전 회로(11)는, 납축전지용의 충전 회로에 한정되지 않는다. 배터리팩(1)은, 리튬이온 2차 전지(2)와 니켈수소 2차 전지(3)의 개수를 적절히 설정함으로써, 임의의 충전 전압으로 정전압 충전을 행하는 충전 회로에서 충전되는 배터리팩에 적용할 수 있다.
실시예
비수계 2차 전지로서 마츠시타 전지 공업(주) 제품 CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah), 수용액계 2차 전지로서 마츠시타 전지 공업(주) 제품 HHR260SCP(전지 용량 2.6Ah), 또는, 마츠시타 전지 공업(주) 제품 HHR200SCP(전지 용량 2.1Ah)를 이용하여, 이하에 나타내는 실시예 1~3, 및 비교예 2의 배터리팩을 작성했다. 또한, 비교예 1에는, 납축전지로서 마츠시타 전지 공업(주) 제품 LC-P122R2J(전지 용량 2.2Ah)를 이용했다.
(실시예 1)
CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)를 3셀, HHR260SCP(전지 용량 2.6Ah)를 2셀, 총 5셀을 직렬로 접속하여, 실시예 1의 배터리팩으로 했다.
(실시예 2)
CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)를 3셀, HHR260SCP(전지 용량 2.6Ah)를 3셀, 총 6셀을 직렬로 접속하여, 실시예 2의 배터리팩으로 했다.
(실시예 3)
CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)를 2셀, HHR260SCP(전지 용량 2.6Ah)를 5셀, 총 7셀을 직렬로 접속하여, 실시예 3의 배터리팩으로 했다.
(비교예 1)
LC-P122R2J(전지 용량 2.2Ah) 1셀을 비교예 1의 배터리팩으로 했다.
(비교예 2)
CGR18650DA(전지 용량 2.45Ah)를 3셀, HHR200SCP(전지 용량 2.1Ah)를 2셀, 총 5셀을 직렬로 접속하여, 비교예 2의 배터리팩으로 했다.
이들 실시예 1~3, 및 비교예 1, 2의 배터리팩에 대하여, 정전류 충전에 있어서의 충전 전류 1A, 정전압 충전에 있어서의 충전 전압 14.5V, 충전 종료 전류 0.1A의 조건으로 정전류 정전압 충전을 행한 후, 정전류 1A로 10V까지 방전한 경우의, 부피당 전지 에너지 밀도, 중량당 전지 에너지 밀도를 측정했다. 또한, 상기 충방전을 300회 반복한 후의 부피당 전지 에너지 밀도, 중량당 전지 에너지 밀도를 측정했다. 측정 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.
Figure 112009077916597-PCT00001
표 1에 나타내는 바와 같이, 수용액계 2차 전지와 수용액계 2차 전지의 전지 용량보다 용량이 작은 비수계 2차 전지를 조합한 본 발명의 실시예 1~3의 배터리팩은, 비교예 1의 납축전지에 대하여 부피당 전지 에너지 밀도, 중량당 전지 에너지 밀도가 충분히 커, 경량, 컴팩트화가 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예 1~3의 배터리팩은, 300사이클 후의 부피당 전지 에너지 밀도, 중량당 전지 에너지 밀도도, 비교예 1, 2와 비교하여 충분히 커, 반복 사용에 의한 열화를 저감 가능한 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1~3 중에서도, 비수계 2차 전지를 3개, 수용액계 2차 전지를 2개 직렬로 접속한 실시예 1의 배터리팩이 가장 에너지 밀도가 크고, 비수계 2차 전지의 개수와 수용액계 2차 전지의 개수를 3:2의 비율로 한 경우가 최적인 것을 알 수 있다. 수용액계 2차 전지와 수용액계 2차 전지의 전지 용량보다 용량이 큰 비수계 2차 전지를 조합시킨 비교예 2는, 본 발명에 따른 실시예 1~3에 대하여, 초기 에너지 밀도는 크지만, 300사이클 후의 에너지 밀도가 크게 저하되어 있어, 반복 사용에는 적합하지 않은 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 배터리팩에 의하면, 예컨대, 납축전지의 대체로서 충전 회로를 변경하지 않고 용이하게 차량에 탑재 가능한, 경량, 컴팩트하고 반복 사용에서의 열화가 적은 배터리팩을 제공할 수 있다.
(실시예 4)
리튬이온 2차 전지(2)로서 마츠시타 전지 공업(주) 제품 CGR26650(전지 용량 2.65Ah)을 3개, 니켈수소 2차 전지(3)로서 마츠시타 전지 공업(주) 제품 HHR300SCP(전지 용량 3.0Ah)를 2개, 직렬 접속하여 도 2에 나타내는 배터리팩(1)을 구성했다.
도 4는 이렇게 하여 구성된 배터리팩(1)을, 45℃의 온도 환경에서, 정전류 충전시의 충전 전류를 2.5A, 정전압 충전시의 충전 전압을 14.5V로 하여, 정전류 정전압(CCCV) 충전을 행했을 때의, 충전 전류 Ib, 충전 전압 Vb(배터리팩(1)의 단자 전압 Vb), 리튬이온 2차 전지(2)의 각 단자 전압 V1, 및 니켈수소 2차 전지(3)의 각 단자 전압 V2의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4에 있어서, 가로축은 경과 시간, 좌측 세로축은 단자 전압 V1, V2의 전압축, 우측 세로축은 충전 전압 Vb의 전압축을 나타내고 있다. 도 4에 있어서, 각 단자 전압 V1, 및 각 단자 전압 V2는, 각각 거의 겹쳐서 표시되어 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 상술한 바와 같이 구성된 배터리팩(1)을, 정전압 충전시의 충전 전압을 14.5V로 하여, 정전류 정전압(CCCV) 충전을 행한 경우, 정전류 충전으로부터 충전 전압 Vb를 14.5V로 하는 정전압 충전으로 전환된 타이밍(타이밍 T4) 이후, 리튬이온 2차 전지(2)의 충전이 진행됨에 따라 충전 전류 Ib가 감소되더라도, 니켈수소 2차 전지(3)의 단자 전압 V2는, 약 1.4V를 유지한 채로 거의 변화하지 않는다. 그 때문에, 리튬이온 2차 전지(2)에 인가되는 단자 전압 V1도 거의 3.9V에서 일정하게 되어 있다.
그리고, 충전 전류 Ib가 충전 종료 전류치 이하로 저하되어 정전류 정전압(CCCV) 충전이 종료된 타이밍 T4에 있어서도, 리튬이온 2차 전지(2)의 단자 전압 V1은, 3.9V로 유지되어 있다. 이에 따라, 배터리팩(1)을, 정전압 충전시의 충전 전압을 14.5V로 하여 정전류 정전압(CCCV) 충전을 행한 경우라도, 리튬이온 2차 전지(2)가 과충전되지 않고 충전이 종료되는 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 5)
다음으로, 실시예 4에 나타내는 배터리팩(1)을 방전시킨 경우에 대하여 설명한다. 도 5는 실시예 4에 나타내는 배터리팩(1)을, 45℃의 온도 환경에서, 10A로 방전시켰을 때의, 배터리팩(1)의 단자 전압 Vb, 리튬이온 2차 전지(2)의 각 단자 전압 V1, 및 니켈수소 2차 전지(3)의 각 단자 전압 V2의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5에 있어서, 가로축은 방전 용량, 좌측 세로축은 단자 전압 V1, V2의 전압축, 우측 세로축은 배터리팩(1)의 단자 전압 Vb의 전압축을 나타내고 있다. 도 4에 있어서, 각 단자 전압 V1, 및 각 단자 전압 V2는, 각각 거의 겹쳐서 표시되어 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 실시예 4에 나타내는 배터리팩(1)을 방전시키면, 방전 용량이 2Ah가 되는 부근에서, 각 단자 전압 V1이 급격히 저하되었다. 이때, 배터리팩(1)의 단자 전압 Vb도 급격히 저하되었다.
2차 전지는, 과방전시키면 특성이 열화된다. 그 때문에, 방전시에 있어서도, 2차 전지를 과방전에 의해 열화시키지 않도록 미리 정해진 방전 종료 전압을, 2차 전지의 단자 전압이 하회하지 않도록, 방전을 제어하는 것이 바람직하다. 리튬이온 2차 전지의 방전 종료 전압은, 일반적으로 2.5V 정도이다. 또한, 니켈수소 2차 전지의 방전 종료 전압은, 일반적으로 1.0V 정도이다.
그리고, 도 1에 나타내는 배터리팩(1)은, 리튬이온 2차 전지(2)의 전지 용량 쪽이, 니켈수소 2차 전지(3)의 전지 용량보다 작으므로, 배터리팩(1)을 방전시키면 리튬이온 2차 전지(2) 쪽이 먼저 방전 말기가 되는 결과, 도 5에 나타내는 바와 같이, 리튬이온 2차 전지(2)의 단자 전압 V1이, 니켈수소 2차 전지(3)의 각 단자 전압 V2보다 먼저 급격히 저하되게 된다. 이때, 전지 용량이 큰 니켈수소 2차 전지(3)는 아직 방전 말기에 도달하고 있지 않으므로, 단자 전압 V2의 저하는 완만하다.
그리고, 리튬이온 2차 전지(2)의 평균 방전 전압은, 니켈수소 2차 전지(3)의 평균 방전 전압보다 높으므로, 배터리팩(1)의 단자 전압 Vb에서의 리튬이온 2차 전지(2)의 단자 전압 V1의 비율은, 배터리팩(1)의 단자 전압 Vb에서의 니켈수소 2차 전지(3)의 단자 전압 V2의 비율보다 크다. 그 때문에, 도 5에 나타내는 측정 결과로부터도 분명하듯이, 단자 전압 V1이 급격히 저하되면, 배터리팩(1)의 단자 전압 Vb도 또한 급격히 저하되게 된다.
그런데, 배터리팩(1)으로부터 전력 공급을 받아 동작하는 부하가 단순한 저항 부하가 아니고, 예컨대, 퍼스널 컴퓨터, 통신 장치, 모니터, 펌프, 방전등(형광등) 등의 기기와 같이, 기기가 요구하는 일정한 동작 전원 전압 Vop 이상의 전압이 공급되지 않으면 동작하지 않는 부하 장치인 경우, 배터리팩(1)의 단자 전압 Vb가 동작 전원 전압 Vop를 하회하면, 기기가 동작을 정지하는 결과, 배터리팩(1)의 방전 전류가 감소되거나, 0이 되거나 한다.
예컨대, 배터리팩(1)을 자동차용의 배터리로서 사용한 경우, 배터리팩(1)으로부터 전력 공급을 받는 부하에는, 연료 탱크로부터 엔진에 연료를 공급하는 연료 펌프, 마이크로 컴퓨터 등을 이용하여 구성된 제어 회로, 각종 센서, 무선 장치 등의 부하 장치가 있다. 이들 부하 장치는, 동작 전원 전압 Vop가 10.0V~10.5V 정도이다.
그렇다면, 배터리팩(1)을 상술한 바와 같이 자동차용의 배터리로서 사용한 경우, 리튬이온 2차 전지(2)가 방전 말기에 가까워지면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 단자 전압 V1과 함께 단자 전압 Vb가 급격히 저하된다. 그리고, 단자 전압 Vb가, 예컨대, 10.5V를 하회하면, 당해 자동차에 탑재된 부하 장치의 동작 전원 전압 Vop를 하회하는 결과, 부하 장치가 정지하여 배터리팩(1)의 방전 전류가 감소되거나, 0이 되거나 한다.
이 경우, 니켈수소 2차 전지(3)는 아직 방전 말기에 도달하고 있지 않으므로, 니켈수소 2차 전지(3)의 과방전이 생길 우려를 저감할 수 있다. 또한, 이때 단자 전압 V2는, 약 1.1V이다. 그렇다면, 이때, 리튬이온 2차 전지(2)의 단일 셀당 단자 전압 V1은, {10.5V-(1.1V×2)}/3=2.77V가 된다. 동작 전원 전압 Vop가 10.0V인 경우라도, 단자 전압 Vb가 10.0V를 하회할 때의 단자 전압 V1은, {10.0V-(1.1V×2)}/3=2.6V가 된다.
즉, 배터리팩(1)을, 동작 전원 전압 Vop가 10.0V~10.5V인 부하로의 전력 공급에 이용한 경우, 과방전을 방지하기 위한 회로를 별도로 마련하지 않고, 자동적으로, 리튬이온 2차 전지의 방전 종료 전압인 2.5V보다 높은 전압으로, 배터리팩(1)의 방전을 제한할 수 있다.
또, 동작 전원 전압 Vop는, 10.0V~10.5V에 한정되지 않는다. 또한, 니켈수소 2차 전지(3)의 개수도 2개에 한정되지 않고, 리튬이온 2차 전지(2)의 개수도 3개에 한정되지 않는다. 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 방전 종료 전압에, 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압이, 동작 전원 전압 Vop보다 낮아지도록, 수용액계 2차 전지의 개수와, 비수계 2차 전지의 개수가 설정되어 있으면, 같은 효과를 얻을 수 있다.
그러나, 동작 전원 전압 Vop가 10.0V~10.5V인 부하 장치가, 배터리팩(1)의 부하로서 접속되는 경우에는, 니켈수소 2차 전지가 2개, 리튬이온 2차 전지가 3개, 직렬로 접속된 배터리팩이 적합하다. 또, 「실질적으로 10.0V 이상, 10.5V 이하의 범위의 전압」이란, 10.0V~10.5V에 대하여, 충전 장치의 출력 정밀도 오차나 특성 편차 등에 따른 변동폭을 허용하는 의미이며, 예컨대, 10.0-0.1V~14.5+0.1V를 의미하고 있다.
또한, 예컨대, 도 6에 나타내는 배터리 시스템(10a)과 같이, 배터리팩(1)으로부터 부하 장치로의 방전 경로를 개폐하는 스위칭 소자(16)를 구비하고, 제어부(15a)에 의해, 스위칭 소자(16)의 개폐를 제어하도록 하더라도 좋다. 스위칭 소자(16)로서는, 예컨대, FET(Field Effect Transistor)가 이용된다.
그리고, 제어부(15a)는, 니켈수소 2차 전지(3)의 평균 방전 전압(예컨대, 1.1V)에, 당해 니켈수소 2차 전지(3)의 개수(예컨대, 2개)를 곱한 전압과, 리튬이온 2차 전지(2)의 평균 방전 전압(예컨대, 3.6V)에, 당해 리튬이온 2차 전지(2)의 개수(예컨대, 3개)를 곱한 전압의 합계 전압(예컨대, 13V)보다 낮고, 니켈수소 2차 전지(3)의 평균 방전 전압(예컨대, 1.1V)에, 당해 니켈수소 2차 전지(3)의 개수(예컨대, 2개)를 곱한 전압과, 리튬이온 2차 전지(2)의 방전 종료 전압(예컨대, 2.5V)에, 당해 리튬이온 2차 전지(2)의 개수(예컨대, 3개)를 곱한 전압의 합계 전압(예컨대, 9.7V)보다 높은 전압(예컨대, 10.5V)으로 미리 설정된 방전 종료 검지 전압을, 전압 센서(12)에 의해 검출된 단자 전압 Vb가 하회하는 경우, 스위칭 소자(16)를 오프하여 배터리팩(1)의 방전을 금지한다.
이 경우라도, 도 1에 나타내는 배터리팩(1)은, 리튬이온 2차 전지(2)가 방전 말기에 가까워짐으로써 단자 전압 Vb가 급격히 저하되므로, 전압 센서(12) 및 제어부(15a)에 의해, 단자 전압 Vb가 방전 종료 전압을 하회한 것을 검출하여 배터리팩(1)의 방전을 차단하는 것이 용이하다.
본 발명의 일국면에 따르는 배터리팩은, 수용액계 2차 전지와, 상기 수용액계 2차 전지보다, 하나당 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지를 구비하고, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있다.
이 구성에 의하면, 당해 배터리팩을 정전압 충전에 의해 충전하면, 수용액계 2차 전지를 흐르는 충전 전류와 비수계 2차 전지를 흐르는 충전 전류는 같으므로, 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지 쪽이, 먼저 만충전에 가까워져 충전 전류가 감소되어, 정전압 충전이 종료된다. 그렇다면, 충전 종료시에는, 비수계 2차 전지보다 전지 용량이 큰 수용액계 2차 전지는 아직 만충전에 도달하고 있지 않으므로, 과충전이 될 우려가 저감된다. 또한, 동일한 종류의 2차 전지를 복수 직렬 접속한 경우보다, 전지 특성이 다른 수용액계 2차 전지와 비수계 2차 전지를 조합한 쪽이, 조합에 의해 얻어지는 충전 특성의 선택의 폭이 넓어지므로, 배터리팩 전체의 충전 특성을 소정의 충전 전압에 적합하게 하여 충전 종료시의 충전 심도를 증대시키는 것이 용이해진다.
또한, 상기 수용액계 2차 전지와, 상기 비수계 2차 전지는, 만충전 상태에 있어서의 단자 전압이 다른 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 만충전 상태에 있어서의 단자 전압이 다른 2종류의 전지가 조합되어, 배터리팩이 구성된다. 정전압 충전에서는, 만충전 상태에 있어서의 단자 전압이 셀당 충전 전압으로서 이용되므로, 만충전 상태에 있어서의 단자 전압이 다른 2종류의 전지가 조합된 배터리팩은, 배터리팩 전체의 충전 전압을 소정의 충전 전압에 적합하게 하여 충전 종료시의 충전 심도를 증대시키는 것이 용이해진다.
또한, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속된 직렬 회로의 양단에는, 미리 설정된 일정한 충전 전압을 출력하는 정전압 충전을 행하는 충전 회로로부터, 상기 충전 전압을 수전(受電)하기 위한 접속 단자가 마련되고, 상기 수용액계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압은, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다, 상기 충전 전압과의 차가 작아지도록, 상기 수용액계 2차 전지의 개수와, 상기 비수계 2차 전지의 개수가 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 수용액계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압에, 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압에, 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압, 즉, 본래 당해 배터리팩을 만충전으로 하기 위해 필요하게 되는 충전 전압과, 충전 회로로부터 공급되는 충전 전압의 차가, 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 충전 회로로부터 공급되는 충전 전압에 가장 가까운 전압보다 작다. 따라서, 당해 배터리팩을 상기 충전 회로에 의해 정전압 충전한 경우, 비수계 2차 전지만을 이용하여 구성된 배터리팩을 상기 충전 회로에 의해 정전압 충전한 경우보다, 만충전에 가까운 전압까지 배터리팩을 충전할 수 있다. 즉, 충전 종료시의 충전 심도를 증대시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 합계 전압은, 상기 충전 전압 이상으로 되어 있고, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압 이상이고 또한 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다, 상기 충전 전압과의 차가 작은 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 상기 합계 전압, 즉, 본래 당해 배터리팩을 만충전으로 하기 위해 필요하게 되는 충전 전압은, 충전 회로로부터 공급되는 충전 전압 이상이므로, 당해 배터리팩을 이 충전 회로에서 정전압 충전한 경우에, 배터리팩에 과전압이 인가될 우려가 저감된다.
또한, 상기 충전 회로는, 납축전지용의 충전 회로이며, 상기 직렬 회로에 포함되는, 상기 수용액계 2차 전지의 개수와 상기 비수계 2차 전지의 개수는, 2:3의 비율로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 납축전지용의 충전 회로로부터 공급되는 충전 전압과, 당해 배터리팩을 만충전으로 하기 위해 필요하게 되는 충전 전압의 차를 감소시켜, 충전 종료시의 충전 심도를 증대시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 충전 전압은, 실질적으로 14.5V이며, 상기 직렬 회로는, 2개의 수용액계 2차 전지와 3개의 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 배터리팩에 14.5V를 인가하여 정전압 충전을 행한 경우에, 비수계 2차 전지 하나당 충전 전압을, 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압보다 낮게 하여 과충전의 우려를 저감하면서, 당해 비수계 2차 전지 하나당 충전 전압을, 비수계 2차 전지만을 직렬 접속하여 배터리팩을 구성한 경우보다 높게 하여 충전 심도를 증대시키는 것이 용이해진다.
또한, 상기 비수계 2차 전지는, 상기 수용액계 2차 전지보다 평균 방전 전압이 높은 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 비수계 2차 전지의 평균 방전 전압이, 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압보다 높으므로, 배터리팩 전체의 단자 전압에서 차지하는 비수계 2차 전지의 단자 전압의 비율이 증대된다. 그렇다면, 수용액계 2차 전지보다 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지가, 수용액계 2차 전지보다 먼저 방전 말기가 되어, 비수계 2차 전지의 단자 전압의 저하가 급격해지면, 배터리팩의 단자 전압의 저하도 급격해진다. 따라서, 이와 같이 구성된 배터리팩은, 단자 전압의 변화로부터, 외부에서 비수계 2차 전지가 방전 말기가 된 것을 검지하는 것이 용이해진다. 따라서, 비수계 2차 전지가 방전 말기가 된 것을 검지하여, 배터리팩의 방전을 금지하여, 과방전하는 것을 억제하는 것도 또한 용이해진다. 또한, 이와 같이 구성된 배터리팩은, 비수계 2차 전지가 방전 말기가 되었을 때, 수용액계 2차 전지는 아직 방전 말기로는 되지 않으므로, 배터리팩의 단자 전압에 근거하여 배터리팩의 방전을 금지하면, 비수계 2차 전지 및 수용액계 2차 전지 모두에 대해서도 과방전을 억제하는 것이 용이해진다.
또한, 상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속된 직렬 회로의 양단에는, 미리 설정된 동작 전원 전압 이상의 전원 전압이 공급된 경우에 동작하는 부하 장치에, 당해 직렬 회로의 양단 전압을 상기 전원 전압으로서 공급하기 위한 접속 단자가 마련되고, 상기 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 과방전을 방지하기 위해 방전을 정지해야할 전압으로서 미리 설정된 방전 종료 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압이, 상기 동작 전원 전압보다 낮아지도록, 상기 수용액계 2차 전지의 개수와, 상기 비수계 2차 전지의 개수가 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 수용액계 2차 전지와 비수계 2차 전지의 직렬 회로의 양단 전압, 즉, 배터리팩의 단자 전압이, 부하 장치의 전원 전압으로서 공급된다. 그리고, 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 방전 종료 전압에, 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압이, 동작 전원 전압보다 낮아지도록, 수용액계 2차 전지의 개수와, 비수계 2차 전지의 개수가 설정되어 있다. 그 결과, 배터리팩이 방전하여 비수계 2차 전지의 단자 전압이 저하되면, 비수계 2차 전지의 단자 전압이 방전 종료 전압 이하가 되기 전에, 상기 합계 전압, 즉, 배터리팩의 단자 전압이, 동작 전원 전압을 하회한다. 그렇다면, 배터리팩이, 동작 전원 전압 이상의 전원 전압이 공급된 경우에 동작하는 부하 장치에 접속된 경우에는, 비수계 2차 전지의 단자 전압이 방전 종료 전압 이하가 되기 전에, 부하 장치가 동작하지 않게 되어 소비 전류가 감소되는 결과, 배터리팩의 방전 전류가 감소되므로, 배터리팩이 과방전 상태가 될 우려가 저감된다.
또한, 상기 동작 전원 전압은, 실질적으로 10.0V 이상, 10.5V 이하의 범위의 전압이며, 상기 직렬 회로는, 2개의 수용액계 2차 전지와 3개의 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 방전 종료 전압에, 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압을, 동작 전원 전압보다 낮게 하는 것이 용이하다.
또한, 상기 수용액계 2차 전지는, 니켈수소 2차 전지인 것이 바람직하다. 니켈수소 2차 전지는, 수용액계 2차 전지 중에서도 에너지 밀도가 높으므로, 배터리팩을 보다 경량 컴팩트화하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 비수계 2차 전지는, 리튬이온 2차 전지인 것이 바람직하다. 리튬이온 2차 전지는, 비수계 2차 전지 중에서도 에너지 밀도가 높으므로, 배터리팩을 보다 경량 컴팩트화하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 일국면에 따르는 배터리 시스템은, 상술한 배터리팩과, 상기 충전 회로를 구비한다. 이 구성에 의하면, 충전 회로에 의해, 상술한 배터리팩을 정전압 충전함으로써, 과충전이 될 우려를 저감하면서 충전 종료시의 충전 심도를 증대시키는 것이 용이해진다.
또한, 본 발명의 일국면에 따르는 배터리 시스템은, 상술한 배터리팩과, 상기 배터리팩의 상기 부하 장치로의 방전 경로를 개폐하는 스위칭 소자와, 상기 배터리팩의 양단 전압을 검출하는 전압 검출부와, 상기 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 낮고, 상기 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 상기 방전 종료 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 높은 전압으로 미리 설정된 방전 종료 검지 전압을, 상기 전압 검출부에 의해 검출된 전압이 하회하는 경우, 상기 스위칭 소자를 열리게 하는 제어부를 구비한다.
이 구성에 의하면, 전압 검출부에 의해 검출된 배터리팩의 양단 전압이, 방전 종료 검지 전압을 하회하면, 제어부에 의해, 스위칭 소자가 열려, 배터리팩의 방전 전류가 차단된다.
그리고, 방전 종료 검지 전압은, 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압과 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 평균 방전 전압과 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 낮게 설정되어 있다. 그 때문에, 수용액계 2차 전지 및 비수계 2차 전지가 각각 평균 방전 전압을 출력하고 있고, 아직 방전 말기에 도달하고 있지 않은 경우에는, 배터리팩의 양단 전압이 방전 종료 검지 전압을 하회하지 않고, 따라서, 제어부에 의해 스위칭 소자가 열리지 않으므로, 방전이 계속된다.
또한, 방전 종료 검지 전압은, 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압과 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 비수계 2차 전지의 방전 종료 전압과 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 높은 전압으로 설정되어 있다. 그 때문에, 수용액계 2차 전지보다 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지가 먼저 방전 말기에 도달하여 비수계 2차 전지의 단자 전압이 저하되면, 비수계 2차 전지의 단자 전압이 방전 종료 전압을 하회하기 전에, 배터리팩의 양단 전압이 방전 종료 검지 전압을 하회한다. 그렇다면, 제어부에 의해, 스위칭 소자가 열려 배터리팩의 방전 전류가 차단되므로, 비수계 2차 전지 및 수용액계 2차 전지가 과방전 상태가 되는 것이 억제된다.
본 발명에 따른 배터리팩은, 이륜차나 사륜차, 기타 공사 차량 등의 차량 탑 재용의 배터리로서 이용되는 배터리팩이나, 휴대형 퍼스널 컴퓨터나 디지털 카메라, 휴대 전화기 등의 전자 기기, 전기 자동차나 하이브리드카 등의 차량 등의 전원으로서 이용되는 배터리팩으로서 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 이러한 배터리팩을 이용한 배터리 시스템으로서 적합하다.

Claims (13)

  1. 수용액계 2차 전지와,
    상기 수용액계 2차 전지보다, 하나당 전지 용량이 작은 비수계 2차 전지
    를 구비하고,
    상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있는 것
    을 특징으로 하는 배터리팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수용액계 2차 전지와, 상기 비수계 2차 전지는, 만충전 상태에 있어서의 단자 전압이 다른 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속된 직렬 회로의 양단에는, 미리 설정된 일정한 충전 전압을 출력하는 정전압 충전을 행하는 충전 회로로부터, 상기 충전 전압을 수전(受電)하기 위한 접속 단자가 마련되고,
    상기 수용액계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압은, 상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다, 상기 충전 전압과의 차가 작아지도록, 상기 수용액계 2차 전지의 개수와, 상기 비수계 2차 전지의 개수가 설정되어 있는 것
    을 특징으로 하는 배터리팩.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 합계 전압은,
    상기 충전 전압 이상으로 되어 있고,
    상기 비수계 2차 전지의 만충전 상태에 있어서의 단자 전압을 정수배하여 얻어지는 전압 중, 상기 충전 전압 이상이고 또한 상기 충전 전압에 가장 가까운 전압보다, 상기 충전 전압과의 차가 작은 것
    을 특징으로 하는 배터리팩.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 충전 회로는, 납축전지용의 충전 회로이며,
    상기 직렬 회로에 포함되는, 상기 수용액계 2차 전지의 개수와 상기 비수계 2차 전지의 개수는, 2:3의 비율로 되어 있는 것
    을 특징으로 하는 배터리팩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 충전 전압은, 실질적으로 14.5V이며,
    상기 직렬 회로는, 2개의 수용액계 2차 전지와 3개의 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있는 것
    을 특징으로 하는 배터리팩.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비수계 2차 전지는, 상기 수용액계 2차 전지보다 평균 방전 전압이 높은 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용액계 2차 전지와 상기 비수계 2차 전지가 직렬 접속된 직렬 회로의 양단에는, 미리 설정된 동작 전원 전압 이상의 전원 전압이 공급된 경우에 동작하는 부하 장치에, 당해 직렬 회로의 양단 전압을 상기 전원 전압으로서 공급하기 위 한 접속 단자가 마련되고,
    상기 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 과방전을 방지하기 위해 방전을 정지해야할 전압으로서 미리 설정된 방전 종료 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압이, 상기 동작 전원 전압보다 낮아지도록, 상기 수용액계 2차 전지의 개수와, 상기 비수계 2차 전지의 개수가 설정되어 있는 것
    을 특징으로 하는 배터리팩.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 동작 전원 전압은, 실질적으로 10.0V 이상, 10.5V 이하의 범위의 전압이며,
    상기 직렬 회로는, 2개의 수용액계 2차 전지와 3개의 비수계 2차 전지가 직렬 접속되어 있는 것
    을 특징으로 하는 배터리팩.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용액계 2차 전지는, 니켈수소 2차 전지인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비수계 2차 전지는, 리튬이온 2차 전지인 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  12. 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 배터리팩과,
    상기 충전 회로
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  13. 청구항 8 또는 9에 기재된 배터리팩과,
    상기 배터리팩의 상기 부하 장치로의 방전 경로를 개폐하는 스위칭 소자와,
    상기 배터리팩의 양단 전압을 검출하는 전압 검출부와,
    상기 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 낮고, 상기 수용액계 2차 전지의 평균 방전 전압에, 상기 직렬 회로 에 포함되는 당해 수용액계 2차 전지의 개수를 곱한 전압과, 상기 비수계 2차 전지의 상기 방전 종료 전압에, 상기 직렬 회로에 포함되는 당해 비수계 2차 전지의 개수를 곱한 전압의 합계 전압보다 높은 전압으로 미리 설정된 방전 종료 검지 전압을, 상기 전압 검출부에 의해 검출된 전압이 하회하는 경우, 상기 스위칭 소자를 열리게 하는 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230078129A (ko) 2021-11-26 2023-06-02 (주)노고단 개인이동수단용 배터리팩

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8647765B2 (en) 2011-04-25 2014-02-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of manufacturing a battery pack to minimize circulating current
DE102012204962A1 (de) 2012-03-28 2013-10-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fahrzeug mit Lithium-Ionen-Batterie
JP5735115B2 (ja) * 2013-03-08 2015-06-17 株式会社東芝 電子機器およびシステム
EP2811548B1 (en) * 2013-06-07 2017-08-09 Autoliv Development AB Battery module disconnect arrangement
JP2015092444A (ja) * 2013-10-04 2015-05-14 Ｃｏｎｎｅｘｘ Ｓｙｓｔｅｍｓ株式会社 ハイブリッド蓄電池、ならびにそれを利用するハイブリッド蓄電装置、発蓄電ユニット、電力網システムおよび走行体
CA2927501C (en) * 2013-10-16 2017-06-20 Aleees Eco Ark Co. Ltd. Positive locking confirmation mechanism for battery contact of electric vehicle
CN106104903B (zh) 2014-07-11 2019-01-04 松下知识产权经营株式会社 蓄电池组和蓄电池组的工作方法
CN106605330B (zh) * 2014-08-29 2020-04-21 株式会社村田制作所 非水电解质二次电池的控制方法
JPWO2017042931A1 (ja) * 2015-09-10 2017-10-12 株式会社東芝 組電池及びそれを用いた電池パック
JP6606996B2 (ja) 2015-11-24 2019-11-20 株式会社Ｇｓユアサ 電池システム、二次電池の電池監視装置および二次電池の監視方法
JP6668944B2 (ja) * 2016-05-25 2020-03-18 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP6828296B2 (ja) * 2016-08-09 2021-02-10 株式会社Ｇｓユアサ 蓄電装置および蓄電装置の充電制御方法
US11189875B1 (en) * 2016-12-09 2021-11-30 Green Cubes Technology, Llc Battery systems containing recyclable battery portions
JP2019193324A (ja) * 2018-04-18 2019-10-31 オンキヨー株式会社 スイッチング電源
EP3827659B1 (en) * 2018-08-01 2022-06-22 Nanjing Chervon Industry Co., Ltd. Riding lawn mower
CN113594636B (zh) 2020-04-30 2024-10-18 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池、装置、及电池的制造方法和设备
US12042043B2 (en) 2020-06-11 2024-07-23 Kohler Co. Temperature tracking mirror
CN114342173B (zh) 2020-07-29 2023-12-22 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池模组、电池包、装置以及电池模组的制造方法和制造设备
WO2022067808A1 (zh) 2020-09-30 2022-04-07 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池、装置、电池的制备方法以及制备装置
JP7569481B2 (ja) 2020-09-30 2024-10-18 香港時代新能源科技有限公司 電池、装置、電池の製造方法及び製造装置
CN115699406B (zh) 2020-11-17 2024-10-01 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池、使用电池的装置、电池的制备方法和制备设备
CN114982011B (zh) 2020-12-24 2024-04-05 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池模组及其制造方法和设备、电池包及用电装置
CN113224815B (zh) * 2021-05-14 2024-06-14 湖北三宁化工股份有限公司 一种直流屏蓄电池放电装置及方法
CN116438697A (zh) 2021-07-30 2023-07-14 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种电池组、电池包和用电装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3349321B2 (ja) 1995-12-27 2002-11-25 三洋電機株式会社 組電池
US6150795A (en) * 1999-11-05 2000-11-21 Power Designers, Llc Modular battery charge equalizers and method of control
JP3546856B2 (ja) * 2001-04-25 2004-07-28 松下電器産業株式会社 電池パック及び電池パックの故障診断方法
JP2003102132A (ja) * 2001-09-25 2003-04-04 Nisshinbo Ind Inc 蓄電電源装置及びその充電制御方法
CN1791999A (zh) * 2001-09-26 2006-06-21 异能公司 可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池
JP3809549B2 (ja) * 2001-11-22 2006-08-16 株式会社日立製作所 電源装置と分散型電源システムおよびこれを搭載した電気自動車
JP4738730B2 (ja) * 2003-04-21 2011-08-03 株式会社マキタ 組電池及び電池パック
JP2005160233A (ja) * 2003-11-26 2005-06-16 Makita Corp 組電池及び電池パック
US7382110B2 (en) * 2004-04-23 2008-06-03 Sony Corporation Method of charging secondary battery, method of calculating remaining capacity rate of secondary battery, and battery pack
US20070029124A1 (en) * 2005-06-02 2007-02-08 Sankar Dasgupta Battery powered vehicle overvoltage protection circuitry
JP2007028746A (ja) * 2005-07-14 2007-02-01 Sanyo Electric Co Ltd パック電池
TW200810186A (en) * 2006-08-01 2008-02-16 Aeneas Energy Technology Co Ltd Method for charging batteries

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230078129A (ko) 2021-11-26 2023-06-02 (주)노고단 개인이동수단용 배터리팩

Also Published As

Publication number Publication date
EP2169760A4 (en) 2011-04-27
JP5312768B2 (ja) 2013-10-09
WO2008142811A1 (ja) 2008-11-27
JP2009004349A (ja) 2009-01-08
US20100304206A1 (en) 2010-12-02
CN101675555A (zh) 2010-03-17
CN101675555B (zh) 2012-09-12
EP2169760A1 (en) 2010-03-31

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