JP6186845B2 - 補助電池システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気自動車等の移動体に搭載されて用いられる補助電池システムに関する。

この種の補助電池システムの関連技術として、特許文献１に「電気走行車のバッテリー管理システム」とした名称において開示されたものがある。
特許文献１に開示された電気走行車のバッテリー管理システムは、バッテリー残電気量表示装置と、ナビゲーション装置と、バッテリー残電気量警告装置と、送受信装置とを有する車載端末と、メインバッテリーと、取付型バッテリーとを選択的に使用可能な電源ユニットとを具備する電気走行車と、この電気走行車の車載端末からの情報を受信し、給電スタンドや取付型バッテリーのショップに関する情報を送信し、バッテリーの充電を案内する電気走行車バッテリー管理センターとを具備したものである。

特開２０００−１０２１０３号公報

しかしながら、上記従来の電気走行車のバッテリー管理システムにおいては、電気走行車の航続距離が短いという問題がある。
一方、航続距離を長くするためにメインバッテリーを増設すると、高いコストとともに重量の大幅な増加を回避できない。

そこで本発明は、移動体の航続距離を増加させるとともに、重量の大幅な増加を回避できる移動体用補助電池システムの提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る移動体用補助電池システムは、主電池、この主電池を充電するための副電池、主電池又は副電池を充電するための補助電池、及び補助電池から主電池への充電経路と補助電池から副電池への充電経路の切り替えを行う経路切り替え部を有し、かつ、移動体に搭載されて用いられるものである。
本発明においては、上記の充電経路を切り替えるための充電経路切り替え情報に基づいて、上記補助電池から主電池への充電から副電池への充電に切り替えるか否かを判定するための切り替え判定手段と、上記補助電池から主電池への充電から補助電池から副電池への充電に切り替えると判定したときには、経路切り替え部を介して、補助電池から主電池への充電経路から補助電池から副電池への充電経路に切り替える充電経路切り替え手段とを有している。
また、本発明においては、補助電池を複数有している。
さらに、本発明においては、それぞれの補助電池が放電を開始しているかを判定する放電開始判定手段を有している。
また、本発明においては、放電を開始していると判定された補助電池を副電池に接続させる。
さらに、本発明においては、補助電池が、金属空気電池、固体高分子形燃料電池、メタノール直接型燃料電池、又はそれらの組み合わせである。

本発明によれば、補助電池によって主電池の充電を行うとともに、その補助電池の余剰電力を副電池に充電させているので、移動体の航続距離を増加させるとともに、重量の大幅な増加を回避することができる。

本発明の第一の実施形態に係る移動体用補助電池システムの構成を示すブロック図である。 同上の移動体用補助電池システムの充電動作を示すフローチャートである。 （Ａ）は、補助電池の出力電力とその補助電池の放電時間との関係及び閾値を示すグラフ、（Ｂ）は、主電池の充電量、補助電池の出力電力、その補助電池の放電時間との関係及び閾値を示すグラフである。 主電池の充電量、補助電池の放電時間及び補助電池出力の関係及び閾値を示すグラフである。 本発明の第二の実施形態に係る移動体用補助電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第三の実施形態に係る移動体用補助電池システムの構成を示すブロック図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る移動体用補助電池システムの構成を示すブロック図、図２は、その移動体用補助電池システムの充電動作を示すフローチャートである。また、図３（Ａ）は、補助電池の出力電力とその補助電池の放電時間との関係及び閾値を示すグラフ、（Ｂ）は、主電池の充電量、補助電池の出力電力、及びその補助電池の放電時間との関係及び閾値を示すグラフである。

本発明の第一の実施形態に係る移動体用補助電池システムＡ１は、主電池（メインバッテリ）１０、副電池１５、補助電池２０、電圧変換・経路切り替え部３０及びコントローラＣを主要の構成としたものである。
「移動体」は例えば電気自動車であり、主電池１０によって走行用モータ（図示しない）を駆動するようになっている。

本実施形態において示す主電池１０は、例えば出力電圧４００ボルトのリチウムイオンバッテリである。
補助電池２０は、例えば出力電圧５０ボルトの金属空気電池であり、図示しない移動体に対して着脱自在に装着できるようになっている。
なお、補助電池としては、上記した金属空気電池の他、固体高分子形燃料電池やメタノール直接型燃料電池若しくはそれらの組み合わせとしてもよい。

副電池（以下、「蓄電池」という。）１５は、例えば出力電圧１２ボルトの鉛蓄電池（二次電池）である。すなわち、この副電池１５と主電池１０の起電力の関係は、蓄電池１５の起電力よりも主電池１０の起電力が大きいものを採用している。

上記した主電池１０、補助電池２０及び副電池１５は、電圧変換・経路切り替え部３０を介して導通接続されている。
電圧変換・経路切り替え部３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１と、経路切り替え部３２とを有するものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、上記した主電池１０、補助電池２０、及び副電池１５の電圧の相違を調整する変換機能を有するものであり、詳細を後述するコントローラＣの出力側に接続されている。
経路切り替え部３２は、補助電池２０から主電池１０への充電経路ａと、補助電池２０から蓄電池１５への充電経路ｂの切り替えを行うものである。

上記した主電池１０、補助電池２０及び蓄電池１５には、これらの各出力電圧を計測するための電圧計４０，４１，４２が配設されているとともに、それら電圧計４０，４１，４２は、コントローラＣの入力側に接続されている。

コントローラＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路及びメモリ（いずれも図示しない）等からなるものであり、そのメモリに記憶されている所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。

（１）充電経路ａ，ｂを切り替えるための充電経路切り替え情報に基づいて、補助電池２０から主電池１０への充電から補助電池２０から蓄電池１５への充電に切り替えるか否かを判定する機能。この機能を「切り替え判定手段Ｃ１」という。
「充電経路切り替え情報」は、主電池１０の充電量（充電率）の閾値、蓄電池１５及び補助電池２０の各充電量，出力電力や出力電圧の各閾値等である。

補助電池２０から主電池１０への充電から蓄電池１５への充電に切り替えるか否かの判定基準は、次のとおりである。
・図３（Ａ）に示すように、補助電池２０の出力電力（出力電圧）が予め設定した閾値よりも小さいとき。
・図３（Ｂ）に示すように、主電池１０の充電量（充電率）が予め設定した閾値よりも大きいとき。図中、主電池１０の充電量を（イ）で示す。なお、（ウ）は、補助電池２０の出力電力を示している。

（２）補助電池２０から主電池１０への充電から補助電池２０から蓄電池１５への充電に切り替えると判定したときには、経路切り替え部３０を介して、充電経路ａから充電経路ｂに切り替える機能。この機能を「充電経路切り替え手段Ｃ２」という。
補助電池２０から主電池１０への充電から補助電池２０から蓄電池１５への充電に切り替えるか否かの判定基準は、主電池１０の充電率Ｘ１が閾値Ｘ２（図２参照）よりも小さいときである。

（３）補助電池２０から蓄電池１５への充電を行っているとき、主電池１０の充電量が低下したか否かを判定する機能。この機能を「主電池充電量低下判定手段Ｃ３」という。
主電池１０の充電量が低下したと判定したとき、充電経路切り替え手段Ｃ２は、補助電池２０から蓄電池１５への充電経路ｂから補助電池２０から主電池１０への充電経路ａに切り替える。

（４）蓄電池１５が所定の充電量になったか否かを判定する機能。この機能を「蓄電池充電量判定手段Ｃ４」という。
「所定の充電量」は、満充電のことである。
（５）蓄電池１５が所定の充電量になったと判定されたときに、その蓄電池１５への充電を停止する機能。この機能を「蓄電池充電停止手段Ｃ５」という。

次に、図２を参照して、充電経路の切り替え動作について説明する。図２は、第一の実施形態に係る移動体用補助電池システムＡ１における充電経路の切り替え動作を示すフローチャートである。また、図４は、主電池の充電量、補助電池の放電時間及び補助電池出力の関係及び閾値を示すグラフである。

当初は、補助電池２０によって主電池１０を充電している。
ステップ１（図２においては「Ｓ１」と略記する。以下同様。）：補助電池２０の出力電力をＷ、その閾値をＷ１としたとき、補助電池２０の出力電力Ｗが、閾値Ｗ１よりも大きいか否かを判定し、その補助電池２０の出力電力Ｗが閾値Ｗ１よりも大きいと判定されればステップ４に進み、そうでなければステップ２に進む。

ステップ２：補助電池２０の出力電力が不足しているので、電圧変換・経路切り替え部３０を介して、補助電池２０から主電池１０への充電経路ａから、その補助電池２０から蓄電池１５への充電経路ｂに切り替える。すなわち、補助電池２０による蓄電池１５への充電を開始してステップ３に進む。

ステップ３：蓄電池１５の充電率（ＳＯＣ（State Of Charge））をＷ２、その閾値をＷ３としたときに、閾値Ｗ３よりも充電率Ｗ２が小さいか否かを判定し、閾値Ｗ３よりも充電率Ｗ２が小さいと判定したときには、ステップ３を繰り返し、そうでなければ処理（充電動作）を終了する。これにより、蓄電池１５への過充電を防止できる。

ステップ４：主電池１０の充電率をＸ１、その充電率の閾値をＸ２としたときに、充電率Ｘ１が閾値Ｘ２よりも小さいか否かを判定し、充電率Ｘ１が閾値Ｘ２よりも小さいと判定されればステップ１に戻り、そうでなければステップ５に進む。これにより、主電池１０への過充電を防止できる。

ステップ５：電圧変換・経路切り替え部３０を介して、補助電池２０から主電池１０への充電経路ａから、その補助電池２０から蓄電池１５への充電経路ｂに切り替えて、ステップ６に進む。

ステップ６：蓄電池１５の充電率をＷ２、その閾値をＷ３としたときに、充電率Ｗ２が閾値Ｗ３よりも小さいか否かを判定し、充電率Ｗ２が閾値Ｗ３よりも小さければステップ７に進み、そうでなければ処理を終了する。これにより、蓄電池１５への過充電を防止できる。

ステップ７：主電池１０の上記充電率Ｘ１が閾値Ｘ２よりも小さいか否かを判定し、充電率Ｘ１が閾値Ｘ２よりも小さいと判定されればステップ６に戻り、そうでなければステップ１に進む。これにより、主電池１０への補充電（再充電）を行う。

上記の構成からなる移動体用補助電池システムによれば、次の効果を得ることができる。
・補助電池によって主電池の充電を行うとともに、その補助電池の余剰電力を補助電池に充電させられるので、移動体の航続距離を増加させるとともに、その重量の大幅な増加を回避できる。
・補助電池の利用率を向上させることができる。

図５は、第二の実施形態に係る移動体用補助電池システムの構成を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

第二の実施形態に係る移動体用補助電池システムＡ２は、主電池１０、蓄電池１５、二つの補助電池２０Ａ，２０Ｂ、電圧変換・経路切り替え部３０及び電池接続切り替え器５０を有して構成されている。

電池接続切り替え器３０は、補助電池２０Ａ，２０Ｂどうしを直列又は並列接続する機能を有するものであり、コントローラＣの出力側に接続されている。
本実施形態においては、上記した機能の他、次の機能を有している。
（６）蓄電池１５に充電を行うとき、複数の補助電池２０Ａ，２０Ｂの接続を切り替えるための電池接続切り替え情報に基づいて、それら補助電池２０Ａ，２０Ｂを接続する機能。この機能を「補助電池接続手段Ｃ６」という。

本実施形態においては、二つの補助電池２０Ａ，２０Ｂを例として示しているが、三つ以上としてもよい。また、補助電池２０Ａ又は補助電池２０Ｂを単独で接続する態様の他、それら補助電池２０Ａ，２０Ｂ双方を同時に並列又は直列にして接続してもよい。
「電池接続切り替え情報」は、各補助電池２０Ａ，２０Ｂの出力電圧、蓄電池１５の充電量等を含むものである。

（７）補助電池２０Ａ，２０Ｂのいずれかが放電を開始しているか否かを判定する機能。この機能を「放電開始判定手段Ｃ７」という。
放電を開始しているか否かの判定は、当該補助電池２０Ａ，２０Ｂに配設した電圧計４１，４３によって検出した出力電圧によって判定する。
このとき、補助電池接続手段Ｃ６は、各補助電池２０Ａ，２０Ｂのうち、放電を開始していると判定された補助電池２０Ａ，２０Ｂを蓄電池１５に優先的に接続させるようにしている。

図６は、第三の実施形態に係る移動体用補助電池システムの構成を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

第三の実施形態に係る移動体用補助電池システムＡ３は、主電池１０、蓄電池１５、二つの補助電池２０Ｃ，２０Ｄ、電圧変換・経路切り替え部３０及び電池接続切り替え器５０を有して構成されている。
本実施形態においては、補助電池２０Ｃ，２０Ｄが、気体又は温調媒体が送給される構成の電池である。

具体的には、金属空気電池、固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cel）、メタノール直接型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell, ＤＭＦＣ）を用いることができる。
メタノール直接型燃料電池を補助電池として採用する場合、水素の発生及び二酸化炭素の発生による電池発電性能の維持、また、水素の場合は爆発限界以下を保持するための流量を下限として供給する。具体的には、次の手段を有している。

上記補助電池２０Ｃ，２０Ｄから蓄電池への充電が行なわれるとき、上記気体又は温調媒体若しくはそれら双方の供給をするか否かの判定を行う気体・温調媒体供給判定手段Ｃ８、気体又は温調媒体若しくはそれら双方の供給をすると判定したときには、気体又は温調媒体若しくはそれら双方の供給をする気体・温調媒体供給手段Ｃ９を有している。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
以上詳細に説明したが、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。

１０ 主電池
１５ 副電池（蓄電池）
２０ 補助電池
２０Ａ，２０Ｂ 補助電池
２０Ｃ，２０Ｄ 補助電池
３０ 経路切り替え部
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 移動体用補助電池システム
Ｃ１ 切り替え判定手段
Ｃ２ 充電経路切り替え手段
Ｃ３ 主電池充電量低下判定手段
Ｃ４ 充電量判定手段
Ｃ５ 蓄電池充電停止手段
Ｃ６ 補助電池接続手段
Ｃ７ 放電開始判定手段
Ｃ８ 気体・温調媒体供給判定手段
Ｃ９ 気体・温調媒体供給手段
ａ，ｂ 充電経路

Claims (8)

1. 主電池、この主電池を充電するための副電池、主電池又は副電池を充電するための補助電池、及び補助電池から主電池への充電経路と補助電池から副電池への充電経路の切り替えを行う経路切り替え部を有し、かつ、移動体に搭載されて用いられる移動体用補助電池システムであって、
   上記の充電経路を切り替えるための充電経路切り替え情報に基づいて、上記補助電池から主電池への充電から補助電池から副電池への充電に切り替えるか否かを判定するための切り替え判定手段と、
   補助電池から主電池への充電から補助電池から副電池への充電に切り替えると判定したときには、経路切り替え部を介して、補助電池から主電池への充電経路から補助電池から副電池への充電経路に切り替える充電経路切り替え手段とを有し、
   補助電池を複数有し、
   それぞれの補助電池が放電を開始しているかを判定する放電開始判定手段を有し、
   放電を開始していると判定された補助電池を副電池に接続させ、
   補助電池が、金属空気電池、固体高分子形燃料電池、メタノール直接型燃料電池、又はそれらの組み合わせである
   ことを特徴とする移動体用補助電池システム。
2. 充電経路切り替え情報は、閾値として設定された主電池の充電量であることを特徴とする請求項１に記載の移動体用補助電池システム。
3. 充電経路切り替え情報は、閾値として設定された補助電池の出力電圧であることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動体用補助電池システム。
4. それら複数の補助電池の接続を切り替えるための電池接続切り替え情報に基づいて、補助電池を接続する補助電池接続手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の移動体用補助電池システム。
5. 補助電池から副電池への充電を行っているとき、主電池の充電量が低下したか否かを判定する主電池充電量低下判定手段を有し、
   主電池充電量低下判定手段が、主電池の充電量が低下したと判定したとき、
   充電経路切り替え手段は、補助電池から副電池への充電経路から補助電池から主電池への充電経路に切り替える
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の移動体用補助電池システム。
6. 副電池が所定の充電量になったか否かを判定する副電池充電量判定手段と、
   副電池が所定の充電量になったと判定されたときに、その副電池への充電を停止する副電池充電停止手段とを有する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の移動体用補助電池システム。
7. 補助電池は、気体又は温調媒体若しくはそれら双方が供給されるものであり、
   上記補助電池から副電池への充電が行なわれるとき、上記気体又は温調媒体若しくはそれら双方の供給をするか否かの判定を行う気体・温調媒体供給判定手段と、気体又は温調媒体若しくはそれら双方の供給をすると判定したときには、気体又は温調媒体若しくはそれら双方の供給をする気体・温調媒体供給手段を有する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の移動体用補助電池システム。
8. 補助電池が、金属空気電池又はメタノール直接型燃料電池であり、
   気体・温調媒体供給手段は、水素ガスの発生及び二酸化炭素ガスの発生による発電性能を維持させるための流量又は水素ガスの爆発限界以下を保持するための流量を下限として供給する
   ことを特徴とする請求項７に記載の移動体用補助電池システム。

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