JP6419992B2

JP6419992B2 - ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム

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Publication number: JP6419992B2
Application number: JP2017556504A
Authority: JP
Inventors: クンスウン
Original assignee: Jsyoungtech Co ltd
Current assignee: Jsyoungtech Co ltd
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: WO2016117925A1; JP2018506260A; US20170368958A1; CN106068203B; US10286805B2; EP3248827A4; KR101553063B1; CN106068203A; EP3248827A1; EP3248827B1

Description

本発明は、エネルギー貯蔵モジュールシステムに関するものであり、より詳細には、リチウム電池と鉛蓄電池を相互に補完して、負荷から要求される電力量の変化に応じて適宜選択的に使用するハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムに関するものである。

エネルギー貯蔵システムは、残りの電力を別々に貯蔵し、必要な時期に供給するシステムである。エネルギー貯蔵システムは貯蔵方法に応じて大きく分けると、物理的なエネルギー貯蔵システムと化学的エネルギー貯蔵システムに区分することができる。代表的な物理的エネルギー貯蔵システムでは、揚水発電システムと圧縮空気貯蔵システム、フライホイールなどを挙げることができ、化学的エネルギー貯蔵には、リチウム電池、鉛蓄電池、ＮａＳ電池(ナトリウム硫黄電池、以下ＮａＳ電池)などがある。

エネルギー貯蔵システムは、夜間に捨てられる電気などを貯蔵して、ピークの時間帯に使用すると、電力需給の問題を解決することができるという点において、エネルギー貯蔵システムの活発な研究が進められている。

小規模エネルギー貯蔵システムの一例として、電気自動車のバッテリーがある。電気自動車は、モータを利用して駆動される自動車として大容量のバッテリーが装着される。これらの電池として過去に鉛蓄電池が使用されたが、現在ではニッケル水素電池とリチウム電池などが主に使用されており、将来的にはリチウム電池が主に使用されることが予想される。

過去に使用されていた鉛蓄電池は、価格が比較的安く、高い信頼性を有するという利点があるが、単位重量当たりの出力が低く、体積が大きく、長時間使用すると出力電圧が低下し、放電レートが低く高出力が要求されている負荷によく使用される場合、過熱によって寿命が短くなる問題が発生し、電気自動車には優先的に選ばれず、その使用が避けられている。また、回生制動を介して回収された電気エネルギーの充電に適していない問題もあった。

リチウム電池は、他の電池に比べて高出力、高密度電池として脚光を浴びている。しかし、リチウム電池は価格が非常に高価で、温度に応じて性能が大きく左右され、特に高温では、電解質の分解が起こり、これにより、寿命が著しく低下する。また、発火や爆発の危険もある。これらの問題点を改善するために、韓国公開特許公報第２０１０−０００１８７７号、第２００３−０１００８９１号、第２００３−０１００８９３号などには、バッテリーを冷却するための方法が開示されている。

現在使用されている鉛蓄電池は、１０ｋｇ当たり１ｋＷｈ程度の電気エネルギーを貯蔵することができ、１ｋＷｈ程度の電気エネルギーで電気自動車は５から１０ｋｍを走行することができる。したがって、現在の自動車の走行距離である７００Ｋｍ程度を走行するためには、高密度の鉛蓄電池を使用しても１トン程度の鉛蓄電池が必要である。したがって、鉛蓄電池のような低密度の二次電池を電池として使用することができない。

しかし、一度の充電で１００ｋｍほどの走行が可能な電気自動車の場合には、走行距離が短いので、必ず高密度電池を使用する必要がない。むしろ低コストの鉛蓄電池を使用することができれば、コストを削減し、発火や爆発の危険がないため冷却のための複雑な構造が必要ないという利点がある。また、電池を配置するときに発火や爆発の危険性を考慮する必要がないので、より自由に電池を配置することができるという利点もある。

しかし、上述したように、鉛蓄電池は、長時間使用すると出力電圧が低くなり、走行が難しくリチウム電池に比べて出力が低く停止後出発したり、坂道を走行するように高出力が要求される場合に対応が難しく、高い放電レートが要求される負荷に頻繁にさらされている場合、寿命が短くなる問題がある。また、鉛蓄電池は、回生制動による電気エネルギーの充電に活用されにくいという問題がある。

また、お互い違う種類の電池を交互に使用している従来のハイブリッド電池システムの場合には、使用される電池の種類の変化に応じてエネルギー量が急激に変化して、搭乗者やユーザーがその変化に応じた衝撃を感じることがある問題点があった。
さらに、エネルギー効率も落ちるという問題があった。

また、プラグインハイブリッド車にハイブリッド電池システムを使用する場合にレンジエクステンダー（ｒａｎｇｅｅｘｔｅｎｄｅｒ）を駆動させ、走行と同時に充電を行う場合には、鉛蓄電池で駆動し、リチウム電池を充電しなければならない問題があった。

韓国公開特許公報第２０１０−０００１８７７号

韓国公開特許公報第２００３−０１００８９１号

韓国公開特許公報第２００３−０１００８９３号

韓国登録特許公報第１０−１２８１０６６号

日本公開特許公報第２０１０−０９３９９３号

本発明の目的は、高出力の要求に対応が可能でありながら、信頼性の高いハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムを提供するものである。たとえば、一回の充電で１００Ｋｍほどの走行が可能なエネルギー貯蔵モジュールシステムとしての信頼性が高く、非常に手頃な価格の電気自動車用ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムを提供するものである。

また、エネルギー消費効率が向上し、出力の急激な変化が緩和され、寿命が改善されたハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムを提供することを目的とする。

また、回生制動装置のエネルギー回収効率を高めることができるハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムを提供することを目的とする。

また、プラグインハイブリッド車のレンジエクステンダーの活用性を極大化することができるハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するための本発明に係るハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムは、負荷の駆動に必要な電力を供給するエネルギー貯蔵モジュールシステムであって、エネルギー貯蔵装置と第１検出ユニット及び第２検出ユニットと、制御器を含む。

エネルギー貯蔵装置は、少なくとも一つのリチウム電池モジュールと少なくとも一つの鉛蓄電池モジュールを含む。また、これらの異なる配列モードで接続するように構成されたスイッチングネットワークを含む。エネルギー貯蔵装置は、負荷の両端に接続されて電力を供給する。スイッチングネットワークは、リチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュールを相互に接続する経路と経路上に設置されている複数のスイッチを含むことがある。

第１検出ユニットは、リチウム電池モジュールの温度と電圧を測定するように構成され、第２検出ユニットは、鉛蓄電池モジュールの温度と電圧を測定するように構成される。

制御器は、エネルギー貯蔵装置のリチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュールとの配列モードを変更するために、スイッチングネットワークを制御する役割をする。制御器は受信部、測定部、比較部、信号生成部及び送信部とを含む。

受信部は、第１検出ユニット及び第２検出ユニットで測定された値と負荷の駆動に必要な電力値を受信する。測定部は受信部で受信した第１検出ユニット及び第２検出ユニットで測定された値を用いて、リチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュールの残存容量を測定する。比較部受信部で受信したリチウム電池モジュールの温度を基準温度と比較して、鉛蓄電池モジュールの電圧を基準電圧と比較する。信号生成部は受信部で受信した駆動に必要な電力値と測定部で測定された残存容量と比較部の比較結果を利用して、スイッチングネットワークを制御する制御信号を生成する。送信部は、制御信号をスイッチングネットワークに送信する。

本発明に係るハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムは、鉛蓄電池モジュールとリチウム電池モジュールを選択的に使用して、鉛蓄電池モジュールの出力電圧の低下とリチウム電池モジュールの温度上昇による劣化を防止することができる。また、価格が手頃な価格の鉛蓄電池モジュールを一緒に使用するので、製造コストが節減される。

また、出力電力量の急激な変化をモジュールシステムを介して段階別に緩和させ、エネルギー消費効率が向上し、電池の寿命も向上する。

また、リチウム電池の継続的な使用によってリチウム電池の温度が上昇することを防止するための別途の冷却システムの必要性が低いので、システムの構造が簡単である。また、鉛蓄電池はかなり安定しているので、リチウム電池だけ、搭乗員の安全性を考慮して安全な場所に設置すれば良いため、電気自動車に配置する際に容易である。

また、一部の実施例の場合には、回生制動時、瞬間的に過負荷がかかる場合にはリチウム電池モジュールが交互に充電されるので、エネルギー回収効率が向上する。

また、プラグインハイブリッド車に適用した場合、鉛蓄電池の一部のモジュールは、車両の運転に使用しつつ、レンジエクステンダーで成長するエネルギーを一次的にリチウム電池に充電し、二次的に鉛蓄電池モジュールに再充電する方法で活用性を極大化することもできる。

図１は、電気自動車システムの構成図である。図２は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムのブロック図である。図３は、図２に図示されたエネルギー貯蔵装置の配列モードを示す図である。図４は、図２に図示されたエネルギー貯蔵装置の配列モードを示す図である。図５は、図２に図示されたエネルギー貯蔵装置の配列モードを示す図である。図６は、図２に図示されたエネルギー貯蔵装置の配列モードを示す図である。図７は、図２に示された制御器のブロック図である。図８は、配列モードの切り替えに伴うエネルギー貯蔵装置の出力変化を示す図である。図９は、配列モードの切り替えに伴うエネルギー貯蔵装置の出力変化を示す図である。図１０は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムの作用を示すフローチャートである。

１：モータ
２：モータ制御器
３：減速ギア
１０：ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム
２０：エネルギー貯蔵装置
１１：リチウム電池モジュール
１２：鉛蓄電池モジュール
１３：スイッチングネットワーク
１５：スイッチ
２１：第１検出ユニット
２２：第２検出ユニット
３０：制御器
４０：充電回路

以下、添付された図面を参照して、本発明の一実施例について詳細に説明する。

次に紹介される実施例は、当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするために、例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下で説明される実施例に限定されず、他の形態で具体化されることもある。そして図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、便宜のために誇張されて表現されることがある。明細書全体にわたって同じ参照番号は同じ構成要素を示す。

本発明のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムは、様々な用途に使用されることがあるが、以下では電気自動車に使用される場合を例として説明する。電気自動車にはハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッドカー（ＰＨＥＶ）、純粋な電気自動車（ＥＶ）などが含まれる。そして、電気自動車には、乗用車、バン、バスだけでなく、スクーターやバイクのような二輪自動車、車椅子、電動フォークリフト、清掃車、電動自転車などもすべて含まれる。以下では、純粋な電気自動車を例に挙げて説明する。

図１は、電気自動車システムの構成図である。図１を参考すると、電気自動車はモータ（１）、モータ制御器（２）、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム（１０）は、減速ギア（３）及び回生制動時システム（７）を含む。

電気自動車のモータ（１）は、モータ・ジェネレータとも呼ばれる。運転中にブレーキを踏んだとき、モータ（１）を発電機としてハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム（１０）のリチウム電池モジュールや鉛蓄電池モジュールなどのエネルギー貯蔵装置を充電するからである。これを回生制動と呼ぶ。モータ（１）は、減速ギア（３）を介して車輪（４）と接続される。

モータ制御器（２）は、モータ制御器とモータ制御器のコマンドに応じて、モータ（１）を駆動するためにバッテリーの直流を三相交流に変換するインバータを含む。インバータのパワートランジスタをオン・オフすることで、直流を交流に変換する。

ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム（１０）のエネルギー貯蔵装置（２０）は、一般自動車用のガソリンスタンドと同様の急速充電ステーションで充電する際に使用される急速充電口（５）と、家庭で使用される一般的な電源を介して充電することができる一般充電器（６）を介して充電することができる。また、エネルギー貯蔵装置（２０）は、回生制動システム（７）によって充電されることもある。

図２は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムのブロック図である。図２を参照すると、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム（１０）は、エネルギー貯蔵装置（２０）と、第１検出ユニット（２１）及び第２検出ユニット（２２）と、制御器（３０）とを含む。

図３は、図２に図示されたエネルギー貯蔵装置のブロック図である。図３を参照すると、エネルギー貯蔵装置（２０）は、二つのリチウム電池モジュール（１１）、２つの鉛蓄電池モジュール（１２）及びスイッチングネットワーク（１５）とを含む。エネルギー貯蔵装置（２０）は、負荷の両端に接続され、負荷であるモータ（１）に必要な電力を供給する役割をする。スイッチングネットワーク（１５）は、二つのリチウム電池モジュール（１１）と二つの鉛蓄電池モジュール（１２）とを接続するリード線（１３）と導線（１３）に設けられた複数のスイッチ（１４−１〜１４−１２）を含む。図３は、２つのリチウム電池モジュール（１１）と二つの鉛蓄電池モジュール（１２）を使用するよう示されているが、それぞれのモジュールを１つ又は３つ以上使用することもできる。

リチウム電池モジュール（１１）は、直・並列に接続された多数のリチウム電池セル（未図示）を含む。電池の性能は、集めることができる電気エネルギー（単位はｋＷｈ）の大きさと１時間にバッテリー容量の何倍を放電することができるかを示す放電レート（Ｃ−ｒａｔｅ）などで表すことができる。リチウム電池は、鉛蓄電池に比べて単位重量あたり、多くの電気エネルギーを貯蔵することができ、充放電速度も速い。しかし、リチウム電池は、温度が上昇すると特性が劣化し、爆発の危険性があり、価格が非常に高いという問題がある。本発明において、リチウム電池は、負極に金属リチウムを使用している二次電池であって、リチウムポリマー電池、リチウムマンガン電池、リチウム鉄電池、リチウムイオン電池やリチウム空気電池などをすべて含む。また、現在開発されていたり、今後開発されるリチウム二次電池も使用することができる。

鉛蓄電池モジュール（１２）は、直・並列に接続され、多数の鉛蓄電池セル（未図示）を含む。鉛蓄電池は、蓄えられる電気エネルギーが小さく、単位時間当たりの放電することができる電力の大きさも小さいが、価格が安価であり、爆発の危険性などのない安全な電池という長所がある。鉛蓄電池は、長期間使用すると出力電圧が低下し、一定時間が経過した後再び出力電圧が回復する特性があり、放電速度も遅く、電気自動車用のバッテリーとして使用するのに制約がある。また、充電速度も遅く回生制動による電気エネルギーの充電に使用するのは難しいという問題がある。

上述したように、リチウム電池モジュール（１１）は、温度の上昇に伴う劣化の問題があって、冷却装置なしで長時間使用することができず、鉛蓄電池モジュール（１２）は、出力電圧の低下に長時間使用することができず、充放電速度が遅いという問題がある。本実施例では、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）をスイッチングネットワーク（１５）を利用して、様々な形で接続して使用することによりこれらの問題を解決した。

例えば、駆動電圧が７２Ｖであり、それぞれのリチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）の出力電圧が３６Ｖである場合、図３に示すように、スイッチ１４−１、１４−２、１４−４、１４−５、１４−７、１４−９、１４−１０、１４−１２をオンにして二つのリチウム電池モジュール（１１）を並列に接続して、二つの鉛蓄電池モジュールを並列（１２）に接続した後、これらを直列に接続する方法で７２Ｖを出力することができる。

また、図４に示すように、スイッチ１４−３、１４−５、１４−８をオンにして二つのリチウム電池モジュール（１１）を互いに直列に接続して、鉛蓄電池モジュール（１２）は、使用していない方法で７２Ｖを出力することもできる。

また、図５に示すように、スイッチ１４−６、１４−９、１４−１１をオンにして二つの鉛蓄電池モジュールを互い直列に接続し、リチウム電池モジュールは使用しない方法で７２Ｖを出力することもできる。

また、図６に示すように、スイッチ１４−４、１４−７、１４−９、１４−１０、１４−１２をオンにしてリチウム電池モジュール（１１）の中で図面上に配置されているリチウム電池モジュール（１１−１）を使用せずに、下のリチウム電池モジュール（１１−２）と並列に接続された鉛蓄電池モジュール（１２）を直列に接続して７２Ｖを出力することもできる。

どのような配列モードを使用するかどうかは、第１検出ユニット（２１）及び第２検出ユニット（２２）で測定された値とモータ（１）で要求される出力に応じて決定することができる。

第１検出ユニット（１３）は、リチウム電池モジュール（１１）のリチウム電池セルと接続されて、セルそれぞれの温度と電圧を測定する。第１検出ユニット（１３）は、一つの通信線を利用して直列に接続され、各セルの温度や電圧などの情報をシリアル通信方式を介して制御器（１５）に伝達することができる。

第２検出ユニット（１４）は、鉛蓄電池モジュール（１２）の鉛蓄電池セルと接続され、セルそれぞれの温度と電圧を測定した後、各セルの温度と電圧などの情報を制御器（１５）に伝達する。

制御器（３０）は、エネルギー貯蔵装置（２０）のリチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）の状態をモニタリングし、最適な条件で維持し、使用できるようにエネルギー貯蔵装置（２０）を管理する。

図７に示すように、制御器（３０）は受信部（３１）、測定部（３２）、比較部（３３）、信号生成部（３４）と送信部（３５）とを含む。制御器（３０）は、第１検出ユニット（２１）と第２検出ユニット（２２）から伝達された情報を介してリチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）のセルの温度、電圧などの状態をモニタリングする。また、セルの状態とモータ制御器（２）を介して入力された情報をもとに生成された制御信号をスイッチングネットワーク（１５）に送信して、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）の配列モードを変更させることでエネルギー貯蔵装置（２０）を総合的に管理する役割をする。

受信部（３１）は、第１検出ユニット（２１）と第２検出ユニット（２２）で測定された温度、電圧などのデータを受け渡される。また、モータ制御器（２）を介して、モータ（１）駆動のために必要な電力データを受け渡される。

測定部（３２）は、受信部（３１）から受信したデータを用いて、クーロンカウント方式(Ｃｏｕｌｏｍｂｃｏｕｎｔｉｎｇ)などでリチウム電池モジュール（１１）及び鉛蓄電池モジュール（１２）の充電レベル（ＳＯＣ、ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）を測定し、健全度を（ＳＯＨ、ＳｔａｔｅＯｆＨｅａｌｔｈ）を決定する。また、負荷に出力することができる電力を推定する。

比較部（３３）は、受信部（３１）から受信したデータを用いて、リチウム電池セルの温度を予め定められた基準温度と比較して、リチウム電池セルが安全な状態であるかを確認する。また、鉛蓄電池セルの電圧を予め定められた基準電圧と比較して鉛蓄電池セルが使用できる状態かどうかを検査する。

信号生成部（３４）は、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）の充電レベルとリチウム電池モジュール（１１）の温度及び鉛蓄電池モジュール（１２）の電圧、モータ制御器（２）を介して伝達された走行状態等を考慮して、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）の配列モードを決定する制御信号を発生させ、エネルギー貯蔵装置（２０）に伝達する。

例えば、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）が十分に充電されており、定速走行中と特に高出力が要求されない場合、図３に示すような配列モードでリチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）を使用することができる。

もし、鉛蓄電池モジュール（１２）の電圧が長時間の使用によって基準電圧を下回ると、制御器（１５）は図４に示すように、リチウム電池モジュール（１１）が直列に接続された配列モードに変更するための制御信号を発生させ、エネルギー貯蔵装置（２０）に伝達する。

一定時間が経過して鉛蓄電池モジュール（１２）の電圧が基準電圧以上になると、制御器（１５）は再び、図３に示すような配列モードに変更するための制御信号を発生させ、エネルギー貯蔵装置（２０）に伝達する。

もし、ずっとリチウム電池モジュール（１１）を使用して、リチウム電池モジュール（１１）の温度が基準温度以上に上昇すると、図５に示すように鉛蓄電池モジュール（１２）が直列に接続された配列モードに変更するための制御信号を発生させ、エネルギー貯蔵装置（２０）に伝達する。

また、リチウム電池モジュール（１１）のいずれかの温度が基準温度以上に上昇すると、図６に示すように一つのリチウム電池モジュール（１１）と並列に接続された鉛蓄電池モジュール（１２）が直列に接続された配列モードに変更するための制御信号を発生させ、エネルギー貯蔵装置（２０）に伝達することができる。

制御器（３０）は、モータ制御器（２）のモータ制御と接続されており、停止して再度出発する、坂道を走行するなど、走行状態を確認することができる。以下では、走行状態に応じた配列モードの変化について説明する。制御器は、走行状態による要求に応じて配列モードを切り替えるが、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）の状態を考慮すると、走行状態に対応して配列モードを切り替えるのが難しい場合には、走行状態による配列モード変換を優先して、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）を保護する方向に配列モードを切り替えることができる。

もし、走行状態に応じて大きな出力が必要な場合には、図４に示すようなリチウム電池モジュール（１１）が直列に接続された配列モードでリチウム電池モジュール（１１）を放電させるための制御信号を発生させ、エネルギー貯蔵装置（２０）に伝達する。鉛蓄電池モジュール（１２）は、十分に充電されている場合でも、取り出し使える電力が低いからである。

このとき、急激にモード切替をするとエネルギー貯蔵装置（２０）の出力が急激に変化し、衝撃が生じることがある。したがって、図４に示された配列モードに切り替える前に、図３や図６に示された配列モードを経ることが望ましい。もし、図５に示すように、鉛蓄電池モジュール（１２）が、互いに直列に接続された配列モードから図４に示された配列モードに直接切り替えると、図８に示すように、放電レートの急激な増加などによってエネルギー貯蔵装置（２０）の出力に急激な変化が起こることがある。しかし、図３や図６に示された配列モードを経れば、図９に示すように、出力が段階的に変化する。必要な場合には、図３や図６に示された配列モード全てを順番に経ることがある。逆に、大きな出力が必要なく、鉛蓄電池モジュール（１２）のみを使用する図５の配列モードに切り替える場合にも、図３や６に示すような配列モードを経ることがある。

つまり、鉛蓄電池モジュール（１２）のみを使用したり、リチウム電池モジュール（１１）のみを使用する配列モードに切り替える場合には、鉛蓄電池モジュール（１２）とリチウム電池モジュール（１１）を一緒に使用する配列モードを経た後、切り替えすることが望ましい。

図９は、本発明に係るハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムの利点をよく説明することができる。従来のハイブリッド電池システムの場合、高出力運転から低出力運転に切り替え時にリチウム電池モジュールの高出力と鉛蓄電池モジュールの低出力の２種類のモードのいずれかを選択せざるを得なかった。しかし、本発明に係るハイブリッドモジュールシステムの場合、高出力リチウム電池モジュールから低出力鉛蓄電池モジュールに直接変換する代わりに、リチウム電池モジュールの一部のモジュールと鉛蓄電池モジュールが直列に結合された中間出力状態に切り替えた後、低出力鉛蓄電池モジュールに切り替えることが可能である。その逆の急激な出力上昇の場合も同様である。場合によっては、多段階の出力低下や出力上昇も可能であり、運転者や搭乗者の乗り心地の向上はもちろん、使用エネルギーの節約と効率の向上を図れる。

回生制動による充電や一般の電源を利用した充電などが必要な場合には、図６に示すように、一つのリチウム電池モジュールを充電用に分離したり、図５に示すように、二つのリチウム電池モジュール両方を充電用に分離して、充電装置と接続することができる。鉛蓄電池モジュール（１２）は充電効率が低く、充電速度が遅いため、充電時にはリチウム電池モジュール（１１）を鉛蓄電池モジュール（１２）と分離して、充電装置と接続することが望ましいことがあるからである。

特に鉛蓄電池モジュール（１２）は、回生制動による充電がほとんど無いので、回生制動時には回生制動システム（７）を電圧が低かったり充電レベルが低くて使用されていない状態のリチウム電池モジュール（１１）と、優先的に接続してそのモジュールを先に充電することが望ましい。

また、リチウム電池モジュール（１１）が充電されると、充電されたリチウム電池モジュール（１１）の電気エネルギーを利用して鉛蓄電池モジュール（１２）を充電する方法で鉛蓄電池モジュール（１２）を充電することができる。この場合には、制御器（３０）が充電されたリチウム電池モジュール（１１）と、充電対象である鉛蓄電池モジュール（１２）が互いに接続されるようスイッチングネットワーク（１５）の配列モードを切り替えることができる制御信号をスイッチングネットワーク（１５）に送信する。

再度説明すると、回生制動システム（７）や他の充電装置は、リチウム電池モジュール（１１）を充電し、鉛蓄電池モジュール（１２）はリチウム電池モジュール（１１）に貯蔵された電気エネルギーを介して充電されることが望ましい。また、一部の鉛蓄電池モジュール（１２）は充電装置を介して充電され、残りの鉛蓄電池モジュール（１２）は、リチウム電池モジュール（１１）に貯蔵された電気エネルギーを通し充電されることもある。鉛蓄電池モジュール（１２）の充電は、リチウム電池モジュール（１１）の充電が完了した状態又は充電が行われている状態で成されることがある。

このように、本実施形態に係るハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムは、リチウム電池モジュール（１１）及び鉛蓄電池モジュール（１２）の状態と走行状態に応じてエネルギー貯蔵装置（２０）の配列モードを適切に変更することにより、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）のバランスを取ることができる。これにより、電池の寿命を向上させることができる。

以下、上述したハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステムの作用を図１０を参照して説明する。

車両の走行が開始されると、第１検出ユニット（２１）と第２検出ユニット（２２）はリチウム電池モジュール（１１）及び鉛蓄電池モジュール（１２）のセルの温度、電圧などを測定する（Ｓ１、Ｓ２）。

次に、制御器（３０）の測定部（３２）は第１検出ユニット（２１）と第２検出ユニット（２２）で測定されたデータを用いて、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）の充電レベル、健全度などを測定する（Ｓ３）。充電レベルの測定結果を介して、まず走行が可能な状態であるかを判断する（Ｓ４）。測定結果走行することができる状態であれば、測定された充電レベルは、電気自動車の運転席に設置されたディスプレイを介して運転者に伝達される。もし、リチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）の両方が充電レベルが低く、充電が必要な場合には、電気自動車の運転席に設置されたディスプレイを介して運転者に充電が必要であることを知らせる（Ｓ１２）。

次に、制御器（３０）の比較部（３３）は、第１検出ユニット（２１）で測定されたリチウム電池モジュール（１１）の各セルの温度値と基準温度を比較する（Ｓ５）。また、第２検出ユニット（２２）で測定された鉛蓄電池モジュール（１２）の各セルの電圧値と基準電圧を比較する（Ｓ６）。比較の結果、リチウム電池モジュール（１１）の各セルの温度値が基準温度以上であり、鉛蓄電池モジュール（１２）の各セルの電圧値が基準電圧以下で走行が困難な場合には、電気自動車の運転席に設置されたディスプレイを介して運転者に警告をして、運転者が対処できるようにする（Ｓ１３）。また、必要な場合には、制御器（３０）が、電気自動車の運転を停止させる。

次に、制御器（３０）はモータ制御器（２）のモータ制御を介して、車両の走行状態情報を受信する（Ｓ８）。車両が定速で走行しているか、停止した後再度出発しているのか、坂道を走行しているかどうかなどの車両の走行状態情報を受信する。

Ｓ４からＳ８ステップはすべて制御器（３０）で行われ、同時に進行したり上述した順序とは異なる順序で行われることがある。

次に、制御器（３０）の信号生成部（３４）はＳ４からＳ８ステップで得られた結果を介して配列モードを決定して制御信号を生成して、エネルギー貯蔵装置（２０）に送信する（Ｓ９）。

その後、エネルギー貯蔵装置（２０）は、制御信号に応じてリチウム電池モジュール（１１）と鉛蓄電池モジュール（１２）を配列した後、放電する（Ｓ１０）。

一定時間が経過（Ｓ１１）すると、Ｓ１からＳ１０ステップを繰り返す。

以上では、本発明の好ましい実施例について図示して説明したが、本発明は、上述した特定の実施例に限定されず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能なのはもちろんのこと、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならないだろう。

Claims

負荷の駆動に必要な電力を供給するエネルギー貯蔵モジュールシステムであって、
複数のリチウム電池モジュールと、複数の鉛蓄電池モジュールと、前記リチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュール全体又は一部を相互に接続して異なる配列モードをなすように構成されたスイッチングネットワークとを含み、前記負荷に接続されて電力を供給するように構成されたエネルギー貯蔵装置と、
前記スイッチングネットワークを制御する制御信号を生成する信号生成部及び前記制御信号を前記スイッチングネットワークに送信する送信部を備えた制御器とを含み、
前記エネルギー貯蔵装置の出力の急激な変化を防止するよう前記制御器は、前記複数のリチウム電池モジュール同士が直列に接続された第２配列モードから、前記複数の鉛蓄電池モジュール同士が直列に接続された第３配列モードに前記エネルギー貯蔵装置の配列モードが切り替わるとき、および、前記第３配列モードから第２配列モードに前記エネルギー貯蔵装置の配列モードが切り替わるとき、互いに並列に接続された複数のリチウム電池モジュールのブロック又は１つのリチウム電池モジュールと互いに並列に接続された複数の鉛蓄電池モジュールのブロック又は１つの鉛蓄電池モジュールが直列に接続された第１配列モードを経て切り替わるようにする制御信号を生成するハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム。
前記制御器は、回生制動によるエネルギー貯蔵装置の充電時に前記エネルギー貯蔵装置の１つ又はそれ以上のリチウム電池モジュールだけが充電されるよう前記エネルギー貯蔵装置の配列モードが切り替われるようにする制御信号を生成する請求項１に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム。
前記制御器は、前記エネルギー貯蔵装置の充電時に少なくとも一つの鉛蓄電池モジュールが先に充電されたリチウム電池モジュールの電気エネルギーを利用して充電されるよう、前記エネルギー貯蔵装置の配列モードが切り替われるようにする制御信号を生成する請求項１に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム。
前記リチウム電池モジュールの温度と電圧を測定するように構成された第１検出ユニットと、前記鉛蓄電池モジュールの温度と電圧を測定するように構成された第２検出ユニットをさらに含み、
前記制御器は、
前記第１検出ユニット及び第２検出ユニットで測定された値と前記負荷の駆動に必要な電力値を受信する受信部と、前記受信部で受信した前記第１検出ユニット及び第２検出ユニットで測定された値を用いて前記リチウム電池モジュール及び鉛蓄電池モジュールの残存容量を測定する測定部と、前記受信部で受信した前記リチウム電池モジュールの温度を基準温度と比較して、前記鉛蓄電池モジュールの電圧を基準電圧と比較する比較部とをさらに含み、
前記信号生成部は、前記受信部で受信した駆動に必要な電力の値と、前記測定部で測定された残存容量とを前記比較部の比較結果を用いて前記スイッチングネットワークを制御する制御信号を生成し、前記送信部は前記制御信号を前記スイッチングネットワークに送信する請求項１に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム。
前記制御器は、リチウム電池モジュールのうち、その温度が基準温度以上であるリチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュールのうち、その電圧が基準電圧以下の鉛蓄電池モジュールが負荷と接続されないよう、前記スイッチングネットワークを制御する制御信号を生成する請求項４に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム。
前記スイッチングネットワークは、前記リチウム電池モジュールと鉛蓄電池モジュールを接続するネットワークに設置された複数のスイッチを含む請求項１に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム。
前記リチウム電池モジュールに使用される電池は、リチウムポリマー電池、リチウムマンガン電池、リチウム鉄電池、リチウムイオン電池及びリチウム空気電池の中から選択される請求項１に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールシステム。