電源装置
【課題】メイン蓄電体とサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットの電力容量利用効率を向上させる。
【解決手段】蓄電ユニット(出力電圧Ｖｕ)には、メイン蓄電体(電圧Ｖｍ)とサブ蓄電体(電圧Ｖｓ)とが設けられるとともに、これら蓄電体の接続状態を切り換えるリレースイッチＳ１，Ｓ２が設けられる。リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態とすると、メイン蓄電体からサブ蓄電体が切り離され、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態とすると、メイン蓄電体にサブ蓄電体が直列接続される。メイン蓄電体は電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによって構成され、サブ蓄電体は出力電圧の低い電気二重層キャパシタによって構成される。これにより、許容電圧幅が狭くてもサブ蓄電体を直列接続することでき、電力容量利用効率を向上させることが可能となる。
【解決手段】蓄電ユニット(出力電圧Ｖｕ)には、メイン蓄電体(電圧Ｖｍ)とサブ蓄電体(電圧Ｖｓ)とが設けられるとともに、これら蓄電体の接続状態を切り換えるリレースイッチＳ１，Ｓ２が設けられる。リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態とすると、メイン蓄電体からサブ蓄電体が切り離され、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態とすると、メイン蓄電体にサブ蓄電体が直列接続される。メイン蓄電体は電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによって構成され、サブ蓄電体は出力電圧の低い電気二重層キャパシタによって構成される。これにより、許容電圧幅が狭くてもサブ蓄電体を直列接続することでき、電力容量利用効率を向上させることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メイン蓄電体とサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットが設けられる電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、出力密度の良好なリチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスが開発されている。これらの蓄電デバイスは、放電に伴って出力電圧が下がり易いことから、蓄電デバイスの電力容量利用効率(エネルギー利用効率)を向上させることが困難となっていた。すなわち、蓄電デバイスを電源として利用するシステムには、そのシステムが許容する出力電圧の範囲が設定されている。このため、蓄電デバイスの放電に伴って出力電圧がシステムの下限電圧まで低下した後には、蓄電デバイスに残存するエネルギーを利用することが不可能となっていた。
【０００３】
このような問題を解消するため、蓄電デバイスをメイン蓄電体とサブ蓄電体とによって構成し、メイン蓄電体に対してサブ蓄電体を直列接続自在に設けるようにした電源装置が開発されている(たとえば、特許文献１参照)。この電源装置によれば、メイン蓄電体だけを用いてシステムの下限電圧まで放電させた後に、メイン蓄電体にサブ蓄電体を直列に接続することにより、出力電圧を回復させることが可能となる。これにより、再びメイン蓄電体を放電させることができるため、メイン蓄電体に残存するエネルギーを有効に利用することができ、蓄電デバイスの電力容量利用効率を向上させることが可能となる。
【特許文献１】特開平１１−３４６４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載される電源装置のように、同種のキャパシタやバッテリによってメイン蓄電体およびサブ蓄電体を構成することは、蓄電デバイスの電力容量利用効率の低下を招いたり、蓄電デバイスの電力容量低下を招いたりする要因となっていた。例えば、リチウムイオンキャパシタやリチウムイオンバッテリは、正極と負極とに異なる材料を用いた蓄電体であるため、０Ｖまで放電させることが実質不可能であった。このように、０Ｖまで放電不可能なリチウムイオンキャパシタ(終止電圧、約２Ｖ)等を用いて、メイン蓄電体およびサブ蓄電体を構成した場合には、サブ蓄電体の直列接続によって蓄電デバイスの出力電圧が２Ｖ以上引き上げられることになる。このため、システム側の許容電圧幅によってはサブ蓄電体を接続することが困難となることから、蓄電デバイスの電力容量利用効率が低下することになっていた。また、特許文献１に記載される電源装置のように、電力容量の低い電気二重層キャパシタを用いてメイン蓄電体およびサブ蓄電体を構成した場合には、メイン蓄電体の電力容量を確保することが困難となることから、蓄電デバイスの電力容量が低下することになっていた。
【０００５】
本発明の目的は、メイン蓄電体およびサブ蓄電体の特性を適切に設定することにより、電力容量利用効率および電力容量を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電源装置は、メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、前記蓄電ユニットの充放電状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、前記メイン蓄電体は、０Ｖまで放電が不可能な蓄電体であり、前記サブ蓄電体は、０Ｖまでの放電が可能な蓄電体であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の電源装置は、前記メイン蓄電体は、リチウムイオンキャパシタまたはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電源装置は、前記サブ蓄電体は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする。
【０００９】
本発明の電源装置は、前記サブ蓄電体の電流容量は、前記メイン蓄電体の電流容量以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の電源装置は、メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、前記蓄電ユニットの充放電状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、前記メイン蓄電体は、０Ｖまで放電が不可能な蓄電体であり、前記サブ蓄電体は、電解液として水系電解液を備え、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の電源装置は、前記メイン蓄電体は、リチウムイオンキャパシタまたはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする。
【００１２】
本発明の電源装置は、前記サブ蓄電体は、ニッケル水素バッテリ、ニッケルカドミウムバッテリ、または鉛バッテリであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の電源装置は、前記サブ蓄電体の電流容量は、前記メイン蓄電体の電流容量以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、メイン蓄電体を０Ｖまで放電不可能な蓄電体によって構成したので、蓄電ユニットの電力容量を大きく確保することが可能となる。また、スイッチ手段を用いてメイン蓄電体に直列接続されるサブ蓄電体を０Ｖまで放電可能な蓄電体によって構成したので、蓄電ユニットの許容電圧幅が狭い場合であっても、メイン蓄電体にサブ蓄電体を直列接続することができ、蓄電ユニットの電力容量利用効率を向上させることが可能となる。
【００１５】
本発明によれば、メイン蓄電体を０Ｖまで放電不可能な蓄電体によって構成したので、蓄電ユニットの電力容量を大きく確保することが可能となる。また、スイッチ手段を用いてメイン蓄電体に直列接続されるサブ蓄電体を、水系電解液を備えるとともに酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体によって構成したので、蓄電ユニットの許容電圧幅が狭い場合であっても、メイン蓄電体にサブ蓄電体を直列接続することができ、蓄電ユニットの電力容量利用効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である電源装置１０が搭載された車両１１の一部を示す概略図である。図１に示すように、車両１１にはパワーユニット１２が搭載されており、このパワーユニット１２はエンジン１３とこれに連結される変速機１４とによって構成されている。また、変速機１４の出力軸１５にはプロペラシャフト１６が接続されており、プロペラシャフト１６と駆動輪１７との間にはデファレンシャル機構１８が設けられている。そして、エンジン１３から出力される動力は、変速機１４、プロペラシャフト１６、デファレンシャル機構１８を介して左右の駆動輪１７に伝達されることになる。
【００１７】
また、エンジン１３にはスタータモータ２０が組み付けられており、このスタータモータ２０を駆動することでエンジン１３を始動回転させることが可能となっている。さらに、エンジン１３には駆動ベルト２１を介してオルタネータ２２が連結されており、エンジン動力によってオルタネータ２２を発電駆動することが可能となっている。また、車両１１には、ドアロックシステムやセキュリティシステム等の作動システムを構成する各種電気機器２３が搭載されている。さらに、スタータモータ２０や各種電気機器２３等に対して電力を供給するとともに、オルタネータ２２によって発電された電力を蓄えるため、車両１１には蓄電ユニット２４が搭載されている。
【００１８】
なお、オルタネータ２２の発電電圧は、ローレベル(例えば１３Ｖ)とハイレベル(例えば１５Ｖ)とに切り換えることが可能となっている。車両制動時にはオルタネータ２２の発電電圧をハイレベルに切り換えることにより、車両１１の運動エネルギーを積極的に電気エネルギーに変換して蓄電ユニット２４に回収することが可能となっている。このハイレベルの発電電圧は、各種電気機器２３の耐電圧を超えないレベルに設定されている。一方、車両制動時以外にはオルタネータ２２の発電電圧をローレベルに切り換えることにより、各種電気機器２３を正常に作動させるために必要な電圧レベルを確保しつつ、オルタネータ２２を駆動するエンジン１３の負荷を軽減することが可能となっている。
【００１９】
また、スタータモータ２０、オルタネータ２２、各種電気機器２３、蓄電ユニット２４等を制御するため、電源装置１０には制御ユニット２５が設けられている。この制御ユニット２５は、図示しない各種センサからの入力信号に基づいて制御信号を演算し、スタータモータ２０、オルタネータ２２、各種電気機器２３、蓄電ユニット２４等に対して制御信号を出力することになる。なお、制御ユニット２５は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、データ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。
【００２０】
図２は電源装置１０の構成を示す概略図である。なお、図２において図１に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図２に示すように、蓄電ユニット２４は、４つのキャパシタセル３０からなるメイン蓄電体３１を有しており、このキャパシタセル３０はリチウムイオンキャパシタとして構成されている。また、蓄電ユニット２４は、１つのキャパシタセル３２からなるサブ蓄電体３３を有しており、このキャパシタセル３２は電気二重層キャパシタとして構成されている。
【００２１】
ここで、メイン蓄電体３１を構成するリチウムイオンキャパシタとは、リチウムイオンバッテリと電気二重層キャパシタとの蓄電原理を組み合わせた蓄電デバイスである。このリチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタに用いられる活性炭等を正極活物質として採用することにより、正極側では電気二重層を利用して電荷を蓄積する一方、リチウムイオンバッテリに用いられるポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)等の炭素系材料を負極活物質として採用することにより、負極側では炭素系材料にリチウムイオンを担持(ドーピング)させて電荷を蓄積している。また、リチウムイオンキャパシタには非水系有機電解液が採用されている。この非水系有機電解液としては、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒(エチレンカーボネート等)を用いることが好ましい。また、負極の炭素系材料にはリチウムイオンが予めドーピングされており、負極電位を低下させてエネルギー密度が引き上げられている。そのため、このリチウムイオンキャパシタにあっては、正極容量に対し負極容量が大きくなるため、過放電になると正極電位が下限電位を下回り、電解液の還元分解等の不具合が生じる場合があり、端子電圧が０Ｖに達するまで放電不可能な蓄電体となっている。
【００２２】
また、サブ蓄電体３３を構成する電気二重層キャパシタとは、分極性電極と電解液との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積するようにした蓄電デバイスである。この電気二重層キャパシタの分極性電極を構成する材料としては、炭素系材料を用いることが可能であるが、中でも活性炭を用いて分極性電極を構成することが好ましい。また、活性炭としては、やしがら等の天然物を原料に生成される活性炭、コークス等の石炭石油を原料に生成される活性炭、フェノール樹脂等の合成樹脂を原料に生成される活性炭等が挙げられる。また、電気二重層キャパシタには水系電解液あるいは非水系有機電解液が用いられている。水系電解液としては硫酸水溶液等が挙げられ、非水系有機電解液としては種々の電解質(例えば四級アンモニウム塩)を含むプロピレンカーボネート等が挙げられる。この電気二重層キャパシタにあっては、一般的に正極、負極ともに同じ活性炭を同量用いており、同じ反応で電荷を蓄えてエネルギーを貯蔵しているため、正極容量と負極容量とがほぼ等しく、端子電圧が０Ｖに達するまで放電可能な蓄電体となっている。
【００２３】
図２に示すように、メイン蓄電体３１の正極端子３１ａとサブ蓄電体３３の負極端子３３ｂとは接続されている。また、蓄電ユニット２４の正極端子２４ａとメイン蓄電体３１の正極端子３１ａとの間にはリレースイッチ(スイッチ手段)Ｓ１が設けられており、蓄電ユニット２４の正極端子２４ａとサブ蓄電体３３の正極端子３３ａとの間にはリレースイッチＳ２(スイッチ手段)が設けられている。リレースイッチＳ１を閉じてリレースイッチＳ２を開くことにより、リレースイッチＳ１，Ｓ２は直列解除状態となり、メイン蓄電体３１からサブ蓄電体３３が切り離される。これにより、蓄電ユニット２４の出力電圧Ｖｕは、メイン蓄電体３１のメイン電圧Ｖｍと等しい電圧値に設定されることになる。一方、リレースイッチＳ１を開いてリレースイッチＳ２を閉じることにより、リレースイッチＳ１，Ｓ２は直列接続状態となり、メイン蓄電体３１に対してサブ蓄電体３３が直列に接続される。これにより、蓄電ユニット２４の出力電圧Ｖｕは、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍとサブ蓄電体３３のサブ電圧Ｖｓとを合算した電圧値に設定されることになる。また、蓄電ユニット２４には出力電圧Ｖｕを検出する電圧センサ３４が設けられており、電圧センサ３４から制御ユニット２５に向けて出力電圧Ｖｕの値が出力されている。そして、スイッチ制御手段として機能する制御ユニット２５は、蓄電ユニット２４の出力電圧Ｖｕに基づいてリレースイッチＳ１，Ｓ２を開閉制御することになる。なお、蓄電ユニット２４の充放電状態を示す情報として出力電圧Ｖｕを用いているが、これに限られることはなく、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍを充放電状態として利用することにより、電圧Ｖｍに基づいてリレースイッチＳ１，Ｓ２を開閉制御しても良い。
【００２４】
また、メイン蓄電体３１を構成するキャパシタセル３０は、使用可能電圧幅が３．６Ｖ〜２．０Ｖ、電流容量が１Ａｈ、電力容量が２．８Ｗｈに設計されており、サブ蓄電体３３を構成するキャパシタセル３２は、使用可能電圧幅が２．５Ｖ〜０．０Ｖ、電流容量が１Ａｈ、電力容量が１．２５Ｗｈに設計されている。また、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅は１３Ｖ以上、１５Ｖ以下に設計されている。この許容電圧幅の範囲内に出力電圧Ｖｕを制御することにより、スタータモータ２０や各種電気機器２３を正常に作動させることが可能となっている。また、許容電圧幅に出力電圧Ｖｕを収めるため、メイン蓄電体３１の実際の電圧利用範囲は１４．４Ｖ〜１１．６Ｖに設計されており、サブ蓄電体３３の実際の電圧利用範囲は２．０Ｖ〜１．４Ｖに設計されている。このように、サブ蓄電体３３はメイン蓄電体３１よりも低電圧となるように構成されている。なお、前述した使用可能電圧幅や電圧利用範囲等の諸条件は、車両側から要求される条件に応じて適宜設定されるものであり、他の使用可能電圧幅や電圧利用範囲等を採用しても良いことはいうまでもない。
【００２５】
続いて、制御ユニット２５によるリレースイッチＳ１，Ｓ２の開閉制御について説明する。図３は蓄電ユニット２４を放電させる際の電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。なお、図３には、蓄電ユニット２４が満充電状態(Ｖｍ＝１４．４Ｖ，Ｖｓ＝２．０Ｖ)まで充電された後に、蓄電ユニット２４から各種電気機器２３に対して放電が行われる状況が示されている。なお、蓄電ユニット２４からの放電電流は１０Ａである。
【００２６】
図３に示すように、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが下限電圧Ａ１である１３Ｖを上回る場合には、制御ユニット２５によってリレースイッチＳ１，Ｓ２が直列解除状態に切り換えられ、蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１から各種電気機器２３に対して電力が供給される。続いて、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ)が下限電圧Ａ１まで低下すると(符号ａ)、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換え、蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１およびサブ蓄電体３３から各種電気機器２３に対して電力が供給されることになる。すなわち、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換えることにより、出力電圧Ｖｕがサブ蓄電体３３の電圧Ｖｓ分だけ引き上げられるため、蓄電ユニット２４の放電を継続させることが可能となる。このような放電状態は、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体３３とを直列接続した状態のもとで、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が下限電圧Ａ１に達するまで継続させることが可能となる(符号ｂ)。このように蓄電ユニット２４を放電させることにより、メイン蓄電体３１の実際の電圧利用範囲は１４．４Ｖ〜１１．６Ｖとなり、サブ蓄電体３３の実際の電圧利用範囲は２．０Ｖ〜１．４Ｖとなる。
【００２７】
なお、放電された蓄電ユニット２４を充電する際には、出力電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２に達するまでは、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に保持され、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体３３との双方に充電が施される。そして、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が上限電圧Ａ２まで上昇すると、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換え、メイン蓄電体３１に対して充電が施されることになる。
【００２８】
続いて、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率について説明する。前述したように、使用可能電圧幅(１４．４Ｖ〜８．０Ｖ)のメイン蓄電体３１を１４．４Ｖから１１．６Ｖまで放電させることから、以下の式(１)に基づいて、メイン蓄電体３１からの放電電流容量は０．４４Ａｈと算出される。また、１４．４Ｖから１１．６Ｖまで放電したメイン蓄電体３１の平均電圧は１３Ｖである。これらの放電電流容量と平均電圧とを乗算することにより、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は５．７Ｗｈと算出される。
放電電流容量＝｛(１４．４Ｖ−１１．６Ｖ)／(１４．４Ｖ−８．０Ｖ)｝×１Ａｈ…(１)
【００２９】
また、使用可能電圧幅(２．５Ｖ〜０．０Ｖ)のサブ蓄電体３３を２．０Ｖから０．０Ｖまで放電させることから、以下の式(２)に基づいて、サブ蓄電体３３からの放電電流容量は０．２４Ａｈと算出される。また、２．０Ｖから１．４Ｖまで放電したサブ蓄電体３３の平均電圧は１．７Ｖである。これらの放電電流容量と平均電圧とを乗算することにより、サブ蓄電体３３から放出された電力容量は０．４１Ｗｈと算出される。すなわち、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は５．７Ｗｈであり、サブ蓄電体３３から放出された電力容量は０．４１Ｗｈであるため、蓄電ユニット２４から放出された電力容量は６．１１Ｗｈとなる。
放電電流容量＝｛(２．０Ｖ−１．４Ｖ)／(２．５Ｖ−０．０Ｖ)｝×１Ａｈ…(２)
【００３０】
一方、キャパシタセル３０の電力容量が２．８Ｗｈであるため、満充電状態におけるメイン蓄電体３１の電力容量は１１．２Ｗｈとなる。また、キャパシタセル３２の電力容量が１．２５Ｗｈであるため、満充電状態におけるサブ蓄電体３３の電力容量は１．２５Ｗｈとなる。それぞれの電力容量を加算することにより、満充電状態における蓄電ユニット２４の電力容量は１２．４５Ｗｈとなる。このように、放電前に蓄えられていた蓄電ユニット２４の電力容量が１２．４５Ｗｈであり、蓄電ユニット２４から放電された電力容量が６．１１Ｗｈであるため、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率は４９％となる。
【００３１】
ここで、サブ蓄電体３３がリチウムイオンキャパシタやリチウムイオンバッテリによって構成されたとすると、リチウムイオンキャパシタ等の終止電圧は約２〜３Ｖであるため、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が２Ｖに設計される場合には、メイン蓄電体３１にサブ蓄電体３３を直列接続することが不可能となる。すなわち、サブ蓄電体３３をリチウムイオンキャパシタ等によって構成した場合には、メイン蓄電体３１が１４．４Ｖから１３Ｖまで放電した時点で、蓄電ユニット２４の放電が終了することになる。
【００３２】
以下、メイン蓄電体３１を１４．４Ｖから１３Ｖまで放電させたときの電力容量利用効率について説明する。使用可能電圧幅が１４．４Ｖ〜８．０Ｖであるメイン蓄電体３１を、１４．４Ｖから１３．０Ｖまで放電させることから、以下の式(３)に基づいて、メイン蓄電体３１からの放電電流容量は０．２２Ａｈと算出される。また、１４．４Ｖから１３．０Ｖまで放電したメイン蓄電体３１の平均電圧は１３．７Ｖである。そして、放電電流容量と平均電圧とを乗算することにより、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は３．０Ｗｈと算出される。一方、満充電状態におけるメイン蓄電体３１の電力容量は、前述したように１１．２Ｗｈとなる。すなわち、放電前に蓄えられていたメイン蓄電体３１の電力容量が１１．２Ｗｈであり、蓄電ユニット２４から放電された電力容量が３．０Ｗｈであるため、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率は２７％となる。このように、サブ蓄電体３３をリチウムイオンキャパシタ等で構成した場合には、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタで構成した場合に比べて、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率が大幅に低下することになる。
放電電流容量＝｛(１４．４Ｖ−１３．０Ｖ)／(１４．４Ｖ−８．０Ｖ)｝×１Ａｈ…(３)
【００３３】
このように、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタによって構成するようにしたので、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であっても、サブ蓄電体３３の出力電圧を低く抑えることができ、メイン蓄電体３１に対してサブ蓄電体３３を直列に接続することが可能となる。これにより、メイン蓄電体３１の放電深度を深めることができ、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率を向上させることが可能となる。また、電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによってメイン蓄電体３１を構成することにより、蓄電ユニット２４の電力容量を大きく確保することが可能となる。さらに、電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによってメイン蓄電体３１を構成することにより、メイン蓄電体３１に組み込むキャパシタセルの個数を減らすことができ、蓄電ユニット２４の内部抵抗を引き下げたり、蓄電ユニット２４の組立コストを引き下げたりすることが可能となる。さらに、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタによって構成することにより、自己放電等による過放電によってサブ蓄電体３３の劣化を招くこともない。さらに、前述の説明では、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタの最大定格電圧(例えば２．５Ｖ)よりも低い電圧で使用しているため、サブ蓄電体３３の劣化を抑制することが可能となっている。
【００３４】
これまで説明したように、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタによって構成することにより、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であってもサブ蓄電体３３を直列接続することが可能である。これにより、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率を向上させることが可能となるが、サブ蓄電体３３の電流容量を適切に設定することにより、電力容量利用効率の更なる向上を図ることが可能となる。以下、電力容量利用効率を向上させるために設定される電流容量の条件について説明する。
【００３５】
ここで、図４はサブ蓄電体３３の電流容量と蓄電ユニット２４の電力容量利用効率との関係を示す線図である。また、図５はサブ蓄電体３３の電流容量を変化させたときの出力電圧Ｖｕの変化を示す説明図である。図４に示すように、メイン蓄電体３１の電流容量に対するサブ蓄電体３３の電流容量を１００％以上に設定することにより、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率を改善することが可能となっている。このため、本発明の電源装置１０においては、電力容量利用効率の更なる改善を達成するため、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以上に設定している。ここで、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以上に設定した例として、メイン蓄電体３１の電流容量に対するサブ蓄電体３３の電流容量を１２０％に設定した場合(符号α)の放電状態について説明する。併せて、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量未満に設定した例として、メイン蓄電体３１の電流容量に対するサブ蓄電体３３の電流容量を５０％に設定した場合(符号β)の放電状態について説明する。
【００３６】
図５に符号αで示すように、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以上に設定した場合には、サブ蓄電体３３の電流容量当たりの電圧変化率が小さくなるため、出力電圧Ｖｕが緩やかに変化することになる。このように、出力電圧Ｖｕの電圧変化が緩やかになることから、メイン蓄電体３１の放電深度を深くすることができ(符号ａ)、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率を向上させることが可能となる。これに対し、図５に符号βで示すように、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量未満に設定した場合には、サブ蓄電体３３の電流容量当たりの電圧変化率が大きくなるため、出力電圧Ｖｕが急激に変化することになる。このように、出力電圧Ｖｕが急激に変化することから、メイン蓄電体３１の放電深度を深くすることができず(符号ｂ)、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率が低下してしまうことになるのである。なお、図４に示すように、メイン蓄電体３１の電流容量に対してサブ蓄電体３３の電流容量を増加させ過ぎると、電力容量利用効率が低下することになる。この理由としては、サブ蓄電体３３の電流容量が大幅に増加することにより、メイン蓄電体３１の改善分を超えてサブ蓄電体３３の電力容量利用効率が低下するためである。
【００３７】
続いて、本発明の他の実施の形態である電源装置４０について説明する。ここで、図６は本発明の他の実施の形態である電源装置４０の構成を示す概略図である。なお、図６において図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図６に示すように、蓄電ユニット４１は、４つのキャパシタセル３０からなるメイン蓄電体３１を有しており、このキャパシタセル３０はリチウムイオンキャパシタとして構成されている。また、蓄電ユニット４１は、１つのバッテリセル４２からなるサブ蓄電体４３を有しており、このバッテリセル４２はニッケル水素バッテリとして構成されている。このニッケル水素バッテリとは、例えば、正極活物質としてニッケル酸化物を用い、負極活物質として水素吸蔵合金を用い、水系電解液として水酸化カリウムを主体とした水溶液を用いた蓄電デバイスである。このニッケル水素バッテリは、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であり、その出力電圧は水系電解液を用いることから約１．２Ｖとなっている。また、ニッケル水素バッテリによって構成されるバッテリセル４２は、使用可能電圧幅が１．４Ｖ〜０．９Ｖ、電流容量が１Ａｈ、電力容量が１．２Ｗｈに設計されている。
【００３８】
ここで、図７はニッケル水素バッテリの放電特性を示す線図である。なお、図７においては、ニッケル水素バッテリからの放電電流が１０Ａである場合の放電特性が示されている。ニッケル水素バッテリは酸化還元反応によって充放電を行うことから、図７に一点鎖線で示すように、出力電圧が緩やかに変動するようになっている。すなわち、通常の使用条件においては、出力電圧がほぼ１．２Ｖを保持することから、以下の説明においては、図７に実線で示した簡略特性を有するものとして説明する。
【００３９】
次いで、制御ユニット２５によるリレースイッチＳ１，Ｓ２の開閉制御について説明する。図８は蓄電ユニット４１を放電させる際の電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。なお、図８には、蓄電ユニット４１が満充電状態(Ｖｍ＝１４．４Ｖ，Ｖｓ＝１．２Ｖ)まで充電された後に、蓄電ユニット４１から各種電気機器２３に対して放電が行われる状況が示されている。なお、蓄電ユニット４１からの放電電流は１０Ａである。
【００４０】
図８に示すように、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが下限電圧Ａ１である１３Ｖを上回る場合には、制御ユニット２５によってリレースイッチＳ１，Ｓ２が直列解除状態に切り換えられ、蓄電ユニット４１内のメイン蓄電体３１から各種電気機器２３に対して電力が供給される。続いて、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ)が下限電圧Ａ１まで低下すると(符号ａ)、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換え、蓄電ユニット４１内のメイン蓄電体３１およびサブ蓄電体４３から各種電気機器２３に対して電力が供給されることになる。すなわち、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換えることにより、出力電圧Ｖｕがサブ蓄電体４３の電圧Ｖｓ分だけ引き上げられるため、蓄電ユニット４１の放電を継続させることが可能となる。このような放電状態は、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体４３とを直列接続した状態のもとで、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が下限電圧Ａ１に達するまで継続させることが可能となる(符号ｂ)。このように蓄電ユニット４１を放電させることにより、メイン蓄電体３１の実際の電圧利用範囲は１４．４Ｖ〜１１．７５Ｖとなる。また、サブ蓄電体４３の実際の出力電圧については１．２Ｖを保持するものとする。
【００４１】
なお、放電された蓄電ユニット４１を充電する際には、出力電圧Ｖｕが所定の直列充電電圧Ａ３に達するまでは、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に保持され、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体４３との双方に充電が施される。そして、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が直列充電電圧Ａ３まで上昇すると、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換え、メイン蓄電体３１に対して充電が施されることになる。ここで、直列充電電圧Ａ３とはサブ蓄電体４３の許容上限電圧に基づき設定される電圧であり、サブ蓄電体４３の過充電を回避する値に設定されている。
【００４２】
続いて、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率について説明する。前述したように、使用可能電圧幅(１４．４Ｖ〜８．０Ｖ)のメイン蓄電体３１を１４．４Ｖから１１．７５Ｖまで放電させることから、以下の式(４)に基づいて、メイン蓄電体３１からの放電電流容量は０．４１Ａｈと算出される。また、１４．４Ｖから１１．７５Ｖまで放電したメイン蓄電体３１の平均電圧は１３．１Ｖとなる。これらの放電電流容量と平均電圧とを乗算することにより、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は５．４Ｗｈと算出される。
放電電流容量＝｛(１４．４Ｖ−１１．７５Ｖ)／(１４．４Ｖ−８．０Ｖ)｝×１Ａｈ…(４)
【００４３】
また、サブ蓄電体４３を、放電時間６８秒、放電電流１０Ａで放電させたため、以下の式(５)に基づいて、サブ蓄電体４３からの放電電流容量は０．１９Ａｈと算出される。そして、この放電電流容量にサブ蓄電体４３の平均電圧１．２Ｖを乗算することにより、サブ蓄電体４３から放出された電力容量は０．２３Ｗｈと算出される。すなわち、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は５．４Ｗｈであり、サブ蓄電体４３から放出された電力容量は０．２３Ｗｈであるため、蓄電ユニット４１から放出された電力容量は５．６３Ｗｈとなる。
放電電流容量＝(６８／３６００)×１０Ａ…(５)
【００４４】
一方、サブ蓄電体４３を構成するバッテリセル４２の電力容量は１．２Ｗｈであるため、満充電状態におけるサブ蓄電体４３の電力容量は１．２Ｗｈとなる。また、前述したように、満充電状態におけるメイン蓄電体３１の電力容量は１１．２Ｗｈとなる。そして、それぞれの電力容量を加算することにより、満充電状態における蓄電ユニット４１の電力容量は１２．４Ｗｈとなる。このように、放電前に蓄えられていた蓄電ユニット４１の電力容量が１２．４Ｗｈであり、蓄電ユニット４１から放電された電力容量が５．６３Ｗｈであるため、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率は４５％となる。
【００４５】
ここで、前述した電源装置１０と同様に、サブ蓄電体４３がリチウムイオンキャパシタ等によって構成されたとすると、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が２Ｖに設計される場合には、メイン蓄電体３１にサブ蓄電体４３を直列接続することが不可能となる。すなわち、サブ蓄電体４３をリチウムイオンキャパシタ等によって構成した場合には、メイン蓄電体３１が１４．４Ｖから１３Ｖまで放電した時点で、蓄電ユニット４１の放電が終了することになる。このように、メイン蓄電体３１を１４．４Ｖから１３Ｖまで放電させたときの電力容量利用効率は、前述したように２７％であるため、サブ蓄電体４３をニッケル水素バッテリで構成した場合に比べて、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率が大幅に低下することになる。
【００４６】
このように、サブ蓄電体４３をニッケル水素バッテリによって構成するようにしたので、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であっても、サブ蓄電体４３の出力電圧を低く抑えることができ、メイン蓄電体３１に対してサブ蓄電体４３を直列に接続することが可能となる。これにより、メイン蓄電体３１の放電深度を深めることができ、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を向上させることが可能となる。また、電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによってメイン蓄電体３１を構成することにより、蓄電ユニット４１の電力容量を大きく確保することが可能となる。さらに、電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによってメイン蓄電体３１を構成することにより、メイン蓄電体３１に組み込むキャパシタセルの個数を減らすことができ、蓄電ユニット４１の内部抵抗を引き下げたり、蓄電ユニット４１の組立コストを引き下げたりすることが可能となる。
【００４７】
これまで説明したように、サブ蓄電体４３をニッケル水素バッテリによって構成することにより、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であってもサブ蓄電体４３を直列接続することが可能である。これにより、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を向上させることが可能となるが、サブ蓄電体４３の電流容量を適切に設定することにより、電力容量利用効率の更なる向上を図ることが可能となる。以下、電力容量利用効率を向上させるために設定される電流容量の条件について説明する。
【００４８】
ここで、図９はサブ蓄電体４３の電流容量と蓄電ユニット４１の電力容量利用効率との関係を示す線図である。図９に示すように、メイン蓄電体３１の電流容量に対するサブ蓄電体４３の電流容量を１００％以下に設定することにより、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を改善することが可能となっている。このため、本発明の電源装置４０においては、サブ蓄電体４３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以下に設定することにより、電力容量利用効率の更なる改善を達成するようにしている。このように、電力容量利用効率の改善が図られる理由としては、サブ蓄電体４３に用いられるニッケル水素バッテリが、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であるため、サブ蓄電体４３の出力電圧は電流容量に関わらずほぼ一定となる。したがって、直列接続したときにサブ蓄電体４３に要求される電流容量を確保しつつ、この要求される電流容量の範囲内でサブ蓄電体４３の電流容量を少なく設定することにより、蓄電ユニット４１全体としての電力容量利用効率を向上させることが可能となるのである。
【００４９】
本発明は前記実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、前述の説明では、メイン蓄電体３１をリチウムイオンキャパシタによって構成しているが、これに限られることはなく、メイン蓄電体３１をリチウムイオンバッテリによって構成しても良い。ここで、リチウムイオンバッテリとは、例えば、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用い、負極活物質として炭素系材料を用い、非水系有機電解液としてリチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒を用いるようにした蓄電体である。このリチウムイオンバッテリは、大きな電力容量を確保することができるため、メイン蓄電体３１にリチウムイオンキャパシタを採用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。
【００５０】
また、前述の説明では、電源装置４０のサブ蓄電体４３をニッケル水素バッテリによって構成しているが、これに限られることはなく、サブ蓄電体４３をニッケルカドミウムバッテリや鉛バッテリによって構成しても良い。ここで、ニッケルカドミウムバッテリとは、例えば、正極活物質としてニッケル酸化物を用い、負極活物質としてカドミウムを用い、水系電解液として水酸化カリウム水溶液を用いるようにした蓄電体である。また、鉛バッテリとは、例えば、正極活物質として二酸化鉛を用い、負極活物質として鉛を用い、水系電解液として硫酸水溶液を用いるようにした蓄電体である。これらニッケルカドミウムバッテリや鉛バッテリは、水系電解液を用いる蓄電体であることから出力電圧を低く抑えることができ、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であってもサブ蓄電体４３を直列接続することが可能となる。これにより、ニッケル水素バッテリをサブ蓄電体４３に用いた場合と同様に、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を向上させることが可能となるのである。また、ニッケルカドミウムバッテリや鉛バッテリは、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であり、充放電に伴う電圧変化量が少ないことから、サブ蓄電体４３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以下に設定することにより、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を改善することも可能である。このように、サブ蓄電体４３にニッケルカドミウムバッテリや鉛バッテリを採用した場合であっても、サブ蓄電体４３にニッケル水素バッテリを採用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。
【００５１】
また、前述の説明では、スイッチ手段を２つのリレースイッチＳ１，Ｓ２によって構成しているが、スイッチ手段を１つのリレースイッチによって構成しても良い。また、スイッチ手段としてはリレースイッチに限られることはなく、トランジスタ等のスイッチング素子によってスイッチ手段を構成しても良い。さらに、図示する場合には、メイン蓄電体３１が４つのセルによって構成され、サブ蓄電体３３，４３が１つのセルによって構成されているが、メイン蓄電体３１やサブ蓄電体３３，４３を構成するセル３０，３２，４２の個数を変更しても良い。さらに、蓄電ユニット２４，４１には１つのサブ蓄電体３３，４３が設けられているが、蓄電ユニット２４，４１に２つ以上のサブ蓄電体３３，４３を設けるようにしても良い。また、２つ以上のサブ蓄電体３３，４３を設ける場合には、サブ蓄電体３３，４３の数に対応した数のスイッチ手段が設けられることはいうまでもない。
【００５２】
なお、図示する車両１１はエンジン１３を備える車両であるが、エンジン１３を持たない電気自動車に対して、本発明の電源装置１０，４０を適用することも可能である。また、前述の説明では、本発明の電源装置１０，４０を車両１１に適用した形で説明したが、適用対象としては車両１１に限られることはなく、他の用途に本発明の電源装置１０，４０を適用しても良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施の形態である電源装置が搭載された車両の一部を示す概略図である。
【図２】電源装置の構成を示す概略図である。
【図３】蓄電ユニットを放電させる際の電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。
【図４】サブ蓄電体の電流容量と蓄電ユニットの電力容量利用効率との関係を示す線図である。
【図５】サブ蓄電体の電流容量を変化させたときの出力電圧の変化を示す説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態である電源装置の構成を示す概略図である。
【図７】ニッケル水素バッテリの放電特性を示す線図である。
【図８】蓄電ユニットを放電させる際の電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。
【図９】サブ蓄電体の電流容量と蓄電ユニットの電力容量利用効率との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 電源装置
２４ 蓄電ユニット
２５ 制御ユニット(スイッチ制御手段)
３１ メイン蓄電体
３３ サブ蓄電体
Ｓ１ リレースイッチ(スイッチ手段)
Ｓ２ リレースイッチ(スイッチ手段)
４０ 電源装置
４１ 蓄電ユニット
４３ サブ蓄電体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メイン蓄電体とサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットが設けられる電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、出力密度の良好なリチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスが開発されている。これらの蓄電デバイスは、放電に伴って出力電圧が下がり易いことから、蓄電デバイスの電力容量利用効率(エネルギー利用効率)を向上させることが困難となっていた。すなわち、蓄電デバイスを電源として利用するシステムには、そのシステムが許容する出力電圧の範囲が設定されている。このため、蓄電デバイスの放電に伴って出力電圧がシステムの下限電圧まで低下した後には、蓄電デバイスに残存するエネルギーを利用することが不可能となっていた。
【０００３】
このような問題を解消するため、蓄電デバイスをメイン蓄電体とサブ蓄電体とによって構成し、メイン蓄電体に対してサブ蓄電体を直列接続自在に設けるようにした電源装置が開発されている(たとえば、特許文献１参照)。この電源装置によれば、メイン蓄電体だけを用いてシステムの下限電圧まで放電させた後に、メイン蓄電体にサブ蓄電体を直列に接続することにより、出力電圧を回復させることが可能となる。これにより、再びメイン蓄電体を放電させることができるため、メイン蓄電体に残存するエネルギーを有効に利用することができ、蓄電デバイスの電力容量利用効率を向上させることが可能となる。
【特許文献１】特開平１１−３４６４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載される電源装置のように、同種のキャパシタやバッテリによってメイン蓄電体およびサブ蓄電体を構成することは、蓄電デバイスの電力容量利用効率の低下を招いたり、蓄電デバイスの電力容量低下を招いたりする要因となっていた。例えば、リチウムイオンキャパシタやリチウムイオンバッテリは、正極と負極とに異なる材料を用いた蓄電体であるため、０Ｖまで放電させることが実質不可能であった。このように、０Ｖまで放電不可能なリチウムイオンキャパシタ(終止電圧、約２Ｖ)等を用いて、メイン蓄電体およびサブ蓄電体を構成した場合には、サブ蓄電体の直列接続によって蓄電デバイスの出力電圧が２Ｖ以上引き上げられることになる。このため、システム側の許容電圧幅によってはサブ蓄電体を接続することが困難となることから、蓄電デバイスの電力容量利用効率が低下することになっていた。また、特許文献１に記載される電源装置のように、電力容量の低い電気二重層キャパシタを用いてメイン蓄電体およびサブ蓄電体を構成した場合には、メイン蓄電体の電力容量を確保することが困難となることから、蓄電デバイスの電力容量が低下することになっていた。
【０００５】
本発明の目的は、メイン蓄電体およびサブ蓄電体の特性を適切に設定することにより、電力容量利用効率および電力容量を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電源装置は、メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、前記蓄電ユニットの充放電状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、前記メイン蓄電体は、０Ｖまで放電が不可能な蓄電体であり、前記サブ蓄電体は、０Ｖまでの放電が可能な蓄電体であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の電源装置は、前記メイン蓄電体は、リチウムイオンキャパシタまたはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電源装置は、前記サブ蓄電体は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする。
【０００９】
本発明の電源装置は、前記サブ蓄電体の電流容量は、前記メイン蓄電体の電流容量以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の電源装置は、メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、前記蓄電ユニットの充放電状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、前記メイン蓄電体は、０Ｖまで放電が不可能な蓄電体であり、前記サブ蓄電体は、電解液として水系電解液を備え、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の電源装置は、前記メイン蓄電体は、リチウムイオンキャパシタまたはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする。
【００１２】
本発明の電源装置は、前記サブ蓄電体は、ニッケル水素バッテリ、ニッケルカドミウムバッテリ、または鉛バッテリであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の電源装置は、前記サブ蓄電体の電流容量は、前記メイン蓄電体の電流容量以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、メイン蓄電体を０Ｖまで放電不可能な蓄電体によって構成したので、蓄電ユニットの電力容量を大きく確保することが可能となる。また、スイッチ手段を用いてメイン蓄電体に直列接続されるサブ蓄電体を０Ｖまで放電可能な蓄電体によって構成したので、蓄電ユニットの許容電圧幅が狭い場合であっても、メイン蓄電体にサブ蓄電体を直列接続することができ、蓄電ユニットの電力容量利用効率を向上させることが可能となる。
【００１５】
本発明によれば、メイン蓄電体を０Ｖまで放電不可能な蓄電体によって構成したので、蓄電ユニットの電力容量を大きく確保することが可能となる。また、スイッチ手段を用いてメイン蓄電体に直列接続されるサブ蓄電体を、水系電解液を備えるとともに酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体によって構成したので、蓄電ユニットの許容電圧幅が狭い場合であっても、メイン蓄電体にサブ蓄電体を直列接続することができ、蓄電ユニットの電力容量利用効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である電源装置１０が搭載された車両１１の一部を示す概略図である。図１に示すように、車両１１にはパワーユニット１２が搭載されており、このパワーユニット１２はエンジン１３とこれに連結される変速機１４とによって構成されている。また、変速機１４の出力軸１５にはプロペラシャフト１６が接続されており、プロペラシャフト１６と駆動輪１７との間にはデファレンシャル機構１８が設けられている。そして、エンジン１３から出力される動力は、変速機１４、プロペラシャフト１６、デファレンシャル機構１８を介して左右の駆動輪１７に伝達されることになる。
【００１７】
また、エンジン１３にはスタータモータ２０が組み付けられており、このスタータモータ２０を駆動することでエンジン１３を始動回転させることが可能となっている。さらに、エンジン１３には駆動ベルト２１を介してオルタネータ２２が連結されており、エンジン動力によってオルタネータ２２を発電駆動することが可能となっている。また、車両１１には、ドアロックシステムやセキュリティシステム等の作動システムを構成する各種電気機器２３が搭載されている。さらに、スタータモータ２０や各種電気機器２３等に対して電力を供給するとともに、オルタネータ２２によって発電された電力を蓄えるため、車両１１には蓄電ユニット２４が搭載されている。
【００１８】
なお、オルタネータ２２の発電電圧は、ローレベル(例えば１３Ｖ)とハイレベル(例えば１５Ｖ)とに切り換えることが可能となっている。車両制動時にはオルタネータ２２の発電電圧をハイレベルに切り換えることにより、車両１１の運動エネルギーを積極的に電気エネルギーに変換して蓄電ユニット２４に回収することが可能となっている。このハイレベルの発電電圧は、各種電気機器２３の耐電圧を超えないレベルに設定されている。一方、車両制動時以外にはオルタネータ２２の発電電圧をローレベルに切り換えることにより、各種電気機器２３を正常に作動させるために必要な電圧レベルを確保しつつ、オルタネータ２２を駆動するエンジン１３の負荷を軽減することが可能となっている。
【００１９】
また、スタータモータ２０、オルタネータ２２、各種電気機器２３、蓄電ユニット２４等を制御するため、電源装置１０には制御ユニット２５が設けられている。この制御ユニット２５は、図示しない各種センサからの入力信号に基づいて制御信号を演算し、スタータモータ２０、オルタネータ２２、各種電気機器２３、蓄電ユニット２４等に対して制御信号を出力することになる。なお、制御ユニット２５は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、データ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。
【００２０】
図２は電源装置１０の構成を示す概略図である。なお、図２において図１に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図２に示すように、蓄電ユニット２４は、４つのキャパシタセル３０からなるメイン蓄電体３１を有しており、このキャパシタセル３０はリチウムイオンキャパシタとして構成されている。また、蓄電ユニット２４は、１つのキャパシタセル３２からなるサブ蓄電体３３を有しており、このキャパシタセル３２は電気二重層キャパシタとして構成されている。
【００２１】
ここで、メイン蓄電体３１を構成するリチウムイオンキャパシタとは、リチウムイオンバッテリと電気二重層キャパシタとの蓄電原理を組み合わせた蓄電デバイスである。このリチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタに用いられる活性炭等を正極活物質として採用することにより、正極側では電気二重層を利用して電荷を蓄積する一方、リチウムイオンバッテリに用いられるポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)等の炭素系材料を負極活物質として採用することにより、負極側では炭素系材料にリチウムイオンを担持(ドーピング)させて電荷を蓄積している。また、リチウムイオンキャパシタには非水系有機電解液が採用されている。この非水系有機電解液としては、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒(エチレンカーボネート等)を用いることが好ましい。また、負極の炭素系材料にはリチウムイオンが予めドーピングされており、負極電位を低下させてエネルギー密度が引き上げられている。そのため、このリチウムイオンキャパシタにあっては、正極容量に対し負極容量が大きくなるため、過放電になると正極電位が下限電位を下回り、電解液の還元分解等の不具合が生じる場合があり、端子電圧が０Ｖに達するまで放電不可能な蓄電体となっている。
【００２２】
また、サブ蓄電体３３を構成する電気二重層キャパシタとは、分極性電極と電解液との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積するようにした蓄電デバイスである。この電気二重層キャパシタの分極性電極を構成する材料としては、炭素系材料を用いることが可能であるが、中でも活性炭を用いて分極性電極を構成することが好ましい。また、活性炭としては、やしがら等の天然物を原料に生成される活性炭、コークス等の石炭石油を原料に生成される活性炭、フェノール樹脂等の合成樹脂を原料に生成される活性炭等が挙げられる。また、電気二重層キャパシタには水系電解液あるいは非水系有機電解液が用いられている。水系電解液としては硫酸水溶液等が挙げられ、非水系有機電解液としては種々の電解質(例えば四級アンモニウム塩)を含むプロピレンカーボネート等が挙げられる。この電気二重層キャパシタにあっては、一般的に正極、負極ともに同じ活性炭を同量用いており、同じ反応で電荷を蓄えてエネルギーを貯蔵しているため、正極容量と負極容量とがほぼ等しく、端子電圧が０Ｖに達するまで放電可能な蓄電体となっている。
【００２３】
図２に示すように、メイン蓄電体３１の正極端子３１ａとサブ蓄電体３３の負極端子３３ｂとは接続されている。また、蓄電ユニット２４の正極端子２４ａとメイン蓄電体３１の正極端子３１ａとの間にはリレースイッチ(スイッチ手段)Ｓ１が設けられており、蓄電ユニット２４の正極端子２４ａとサブ蓄電体３３の正極端子３３ａとの間にはリレースイッチＳ２(スイッチ手段)が設けられている。リレースイッチＳ１を閉じてリレースイッチＳ２を開くことにより、リレースイッチＳ１，Ｓ２は直列解除状態となり、メイン蓄電体３１からサブ蓄電体３３が切り離される。これにより、蓄電ユニット２４の出力電圧Ｖｕは、メイン蓄電体３１のメイン電圧Ｖｍと等しい電圧値に設定されることになる。一方、リレースイッチＳ１を開いてリレースイッチＳ２を閉じることにより、リレースイッチＳ１，Ｓ２は直列接続状態となり、メイン蓄電体３１に対してサブ蓄電体３３が直列に接続される。これにより、蓄電ユニット２４の出力電圧Ｖｕは、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍとサブ蓄電体３３のサブ電圧Ｖｓとを合算した電圧値に設定されることになる。また、蓄電ユニット２４には出力電圧Ｖｕを検出する電圧センサ３４が設けられており、電圧センサ３４から制御ユニット２５に向けて出力電圧Ｖｕの値が出力されている。そして、スイッチ制御手段として機能する制御ユニット２５は、蓄電ユニット２４の出力電圧Ｖｕに基づいてリレースイッチＳ１，Ｓ２を開閉制御することになる。なお、蓄電ユニット２４の充放電状態を示す情報として出力電圧Ｖｕを用いているが、これに限られることはなく、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍを充放電状態として利用することにより、電圧Ｖｍに基づいてリレースイッチＳ１，Ｓ２を開閉制御しても良い。
【００２４】
また、メイン蓄電体３１を構成するキャパシタセル３０は、使用可能電圧幅が３．６Ｖ〜２．０Ｖ、電流容量が１Ａｈ、電力容量が２．８Ｗｈに設計されており、サブ蓄電体３３を構成するキャパシタセル３２は、使用可能電圧幅が２．５Ｖ〜０．０Ｖ、電流容量が１Ａｈ、電力容量が１．２５Ｗｈに設計されている。また、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅は１３Ｖ以上、１５Ｖ以下に設計されている。この許容電圧幅の範囲内に出力電圧Ｖｕを制御することにより、スタータモータ２０や各種電気機器２３を正常に作動させることが可能となっている。また、許容電圧幅に出力電圧Ｖｕを収めるため、メイン蓄電体３１の実際の電圧利用範囲は１４．４Ｖ〜１１．６Ｖに設計されており、サブ蓄電体３３の実際の電圧利用範囲は２．０Ｖ〜１．４Ｖに設計されている。このように、サブ蓄電体３３はメイン蓄電体３１よりも低電圧となるように構成されている。なお、前述した使用可能電圧幅や電圧利用範囲等の諸条件は、車両側から要求される条件に応じて適宜設定されるものであり、他の使用可能電圧幅や電圧利用範囲等を採用しても良いことはいうまでもない。
【００２５】
続いて、制御ユニット２５によるリレースイッチＳ１，Ｓ２の開閉制御について説明する。図３は蓄電ユニット２４を放電させる際の電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。なお、図３には、蓄電ユニット２４が満充電状態(Ｖｍ＝１４．４Ｖ，Ｖｓ＝２．０Ｖ)まで充電された後に、蓄電ユニット２４から各種電気機器２３に対して放電が行われる状況が示されている。なお、蓄電ユニット２４からの放電電流は１０Ａである。
【００２６】
図３に示すように、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが下限電圧Ａ１である１３Ｖを上回る場合には、制御ユニット２５によってリレースイッチＳ１，Ｓ２が直列解除状態に切り換えられ、蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１から各種電気機器２３に対して電力が供給される。続いて、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ)が下限電圧Ａ１まで低下すると(符号ａ)、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換え、蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１およびサブ蓄電体３３から各種電気機器２３に対して電力が供給されることになる。すなわち、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換えることにより、出力電圧Ｖｕがサブ蓄電体３３の電圧Ｖｓ分だけ引き上げられるため、蓄電ユニット２４の放電を継続させることが可能となる。このような放電状態は、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体３３とを直列接続した状態のもとで、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が下限電圧Ａ１に達するまで継続させることが可能となる(符号ｂ)。このように蓄電ユニット２４を放電させることにより、メイン蓄電体３１の実際の電圧利用範囲は１４．４Ｖ〜１１．６Ｖとなり、サブ蓄電体３３の実際の電圧利用範囲は２．０Ｖ〜１．４Ｖとなる。
【００２７】
なお、放電された蓄電ユニット２４を充電する際には、出力電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２に達するまでは、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に保持され、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体３３との双方に充電が施される。そして、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が上限電圧Ａ２まで上昇すると、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換え、メイン蓄電体３１に対して充電が施されることになる。
【００２８】
続いて、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率について説明する。前述したように、使用可能電圧幅(１４．４Ｖ〜８．０Ｖ)のメイン蓄電体３１を１４．４Ｖから１１．６Ｖまで放電させることから、以下の式(１)に基づいて、メイン蓄電体３１からの放電電流容量は０．４４Ａｈと算出される。また、１４．４Ｖから１１．６Ｖまで放電したメイン蓄電体３１の平均電圧は１３Ｖである。これらの放電電流容量と平均電圧とを乗算することにより、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は５．７Ｗｈと算出される。
放電電流容量＝｛(１４．４Ｖ−１１．６Ｖ)／(１４．４Ｖ−８．０Ｖ)｝×１Ａｈ…(１)
【００２９】
また、使用可能電圧幅(２．５Ｖ〜０．０Ｖ)のサブ蓄電体３３を２．０Ｖから０．０Ｖまで放電させることから、以下の式(２)に基づいて、サブ蓄電体３３からの放電電流容量は０．２４Ａｈと算出される。また、２．０Ｖから１．４Ｖまで放電したサブ蓄電体３３の平均電圧は１．７Ｖである。これらの放電電流容量と平均電圧とを乗算することにより、サブ蓄電体３３から放出された電力容量は０．４１Ｗｈと算出される。すなわち、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は５．７Ｗｈであり、サブ蓄電体３３から放出された電力容量は０．４１Ｗｈであるため、蓄電ユニット２４から放出された電力容量は６．１１Ｗｈとなる。
放電電流容量＝｛(２．０Ｖ−１．４Ｖ)／(２．５Ｖ−０．０Ｖ)｝×１Ａｈ…(２)
【００３０】
一方、キャパシタセル３０の電力容量が２．８Ｗｈであるため、満充電状態におけるメイン蓄電体３１の電力容量は１１．２Ｗｈとなる。また、キャパシタセル３２の電力容量が１．２５Ｗｈであるため、満充電状態におけるサブ蓄電体３３の電力容量は１．２５Ｗｈとなる。それぞれの電力容量を加算することにより、満充電状態における蓄電ユニット２４の電力容量は１２．４５Ｗｈとなる。このように、放電前に蓄えられていた蓄電ユニット２４の電力容量が１２．４５Ｗｈであり、蓄電ユニット２４から放電された電力容量が６．１１Ｗｈであるため、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率は４９％となる。
【００３１】
ここで、サブ蓄電体３３がリチウムイオンキャパシタやリチウムイオンバッテリによって構成されたとすると、リチウムイオンキャパシタ等の終止電圧は約２〜３Ｖであるため、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が２Ｖに設計される場合には、メイン蓄電体３１にサブ蓄電体３３を直列接続することが不可能となる。すなわち、サブ蓄電体３３をリチウムイオンキャパシタ等によって構成した場合には、メイン蓄電体３１が１４．４Ｖから１３Ｖまで放電した時点で、蓄電ユニット２４の放電が終了することになる。
【００３２】
以下、メイン蓄電体３１を１４．４Ｖから１３Ｖまで放電させたときの電力容量利用効率について説明する。使用可能電圧幅が１４．４Ｖ〜８．０Ｖであるメイン蓄電体３１を、１４．４Ｖから１３．０Ｖまで放電させることから、以下の式(３)に基づいて、メイン蓄電体３１からの放電電流容量は０．２２Ａｈと算出される。また、１４．４Ｖから１３．０Ｖまで放電したメイン蓄電体３１の平均電圧は１３．７Ｖである。そして、放電電流容量と平均電圧とを乗算することにより、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は３．０Ｗｈと算出される。一方、満充電状態におけるメイン蓄電体３１の電力容量は、前述したように１１．２Ｗｈとなる。すなわち、放電前に蓄えられていたメイン蓄電体３１の電力容量が１１．２Ｗｈであり、蓄電ユニット２４から放電された電力容量が３．０Ｗｈであるため、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率は２７％となる。このように、サブ蓄電体３３をリチウムイオンキャパシタ等で構成した場合には、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタで構成した場合に比べて、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率が大幅に低下することになる。
放電電流容量＝｛(１４．４Ｖ−１３．０Ｖ)／(１４．４Ｖ−８．０Ｖ)｝×１Ａｈ…(３)
【００３３】
このように、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタによって構成するようにしたので、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であっても、サブ蓄電体３３の出力電圧を低く抑えることができ、メイン蓄電体３１に対してサブ蓄電体３３を直列に接続することが可能となる。これにより、メイン蓄電体３１の放電深度を深めることができ、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率を向上させることが可能となる。また、電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによってメイン蓄電体３１を構成することにより、蓄電ユニット２４の電力容量を大きく確保することが可能となる。さらに、電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによってメイン蓄電体３１を構成することにより、メイン蓄電体３１に組み込むキャパシタセルの個数を減らすことができ、蓄電ユニット２４の内部抵抗を引き下げたり、蓄電ユニット２４の組立コストを引き下げたりすることが可能となる。さらに、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタによって構成することにより、自己放電等による過放電によってサブ蓄電体３３の劣化を招くこともない。さらに、前述の説明では、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタの最大定格電圧(例えば２．５Ｖ)よりも低い電圧で使用しているため、サブ蓄電体３３の劣化を抑制することが可能となっている。
【００３４】
これまで説明したように、サブ蓄電体３３を電気二重層キャパシタによって構成することにより、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であってもサブ蓄電体３３を直列接続することが可能である。これにより、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率を向上させることが可能となるが、サブ蓄電体３３の電流容量を適切に設定することにより、電力容量利用効率の更なる向上を図ることが可能となる。以下、電力容量利用効率を向上させるために設定される電流容量の条件について説明する。
【００３５】
ここで、図４はサブ蓄電体３３の電流容量と蓄電ユニット２４の電力容量利用効率との関係を示す線図である。また、図５はサブ蓄電体３３の電流容量を変化させたときの出力電圧Ｖｕの変化を示す説明図である。図４に示すように、メイン蓄電体３１の電流容量に対するサブ蓄電体３３の電流容量を１００％以上に設定することにより、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率を改善することが可能となっている。このため、本発明の電源装置１０においては、電力容量利用効率の更なる改善を達成するため、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以上に設定している。ここで、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以上に設定した例として、メイン蓄電体３１の電流容量に対するサブ蓄電体３３の電流容量を１２０％に設定した場合(符号α)の放電状態について説明する。併せて、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量未満に設定した例として、メイン蓄電体３１の電流容量に対するサブ蓄電体３３の電流容量を５０％に設定した場合(符号β)の放電状態について説明する。
【００３６】
図５に符号αで示すように、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以上に設定した場合には、サブ蓄電体３３の電流容量当たりの電圧変化率が小さくなるため、出力電圧Ｖｕが緩やかに変化することになる。このように、出力電圧Ｖｕの電圧変化が緩やかになることから、メイン蓄電体３１の放電深度を深くすることができ(符号ａ)、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率を向上させることが可能となる。これに対し、図５に符号βで示すように、サブ蓄電体３３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量未満に設定した場合には、サブ蓄電体３３の電流容量当たりの電圧変化率が大きくなるため、出力電圧Ｖｕが急激に変化することになる。このように、出力電圧Ｖｕが急激に変化することから、メイン蓄電体３１の放電深度を深くすることができず(符号ｂ)、蓄電ユニット２４の電力容量利用効率が低下してしまうことになるのである。なお、図４に示すように、メイン蓄電体３１の電流容量に対してサブ蓄電体３３の電流容量を増加させ過ぎると、電力容量利用効率が低下することになる。この理由としては、サブ蓄電体３３の電流容量が大幅に増加することにより、メイン蓄電体３１の改善分を超えてサブ蓄電体３３の電力容量利用効率が低下するためである。
【００３７】
続いて、本発明の他の実施の形態である電源装置４０について説明する。ここで、図６は本発明の他の実施の形態である電源装置４０の構成を示す概略図である。なお、図６において図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図６に示すように、蓄電ユニット４１は、４つのキャパシタセル３０からなるメイン蓄電体３１を有しており、このキャパシタセル３０はリチウムイオンキャパシタとして構成されている。また、蓄電ユニット４１は、１つのバッテリセル４２からなるサブ蓄電体４３を有しており、このバッテリセル４２はニッケル水素バッテリとして構成されている。このニッケル水素バッテリとは、例えば、正極活物質としてニッケル酸化物を用い、負極活物質として水素吸蔵合金を用い、水系電解液として水酸化カリウムを主体とした水溶液を用いた蓄電デバイスである。このニッケル水素バッテリは、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であり、その出力電圧は水系電解液を用いることから約１．２Ｖとなっている。また、ニッケル水素バッテリによって構成されるバッテリセル４２は、使用可能電圧幅が１．４Ｖ〜０．９Ｖ、電流容量が１Ａｈ、電力容量が１．２Ｗｈに設計されている。
【００３８】
ここで、図７はニッケル水素バッテリの放電特性を示す線図である。なお、図７においては、ニッケル水素バッテリからの放電電流が１０Ａである場合の放電特性が示されている。ニッケル水素バッテリは酸化還元反応によって充放電を行うことから、図７に一点鎖線で示すように、出力電圧が緩やかに変動するようになっている。すなわち、通常の使用条件においては、出力電圧がほぼ１．２Ｖを保持することから、以下の説明においては、図７に実線で示した簡略特性を有するものとして説明する。
【００３９】
次いで、制御ユニット２５によるリレースイッチＳ１，Ｓ２の開閉制御について説明する。図８は蓄電ユニット４１を放電させる際の電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。なお、図８には、蓄電ユニット４１が満充電状態(Ｖｍ＝１４．４Ｖ，Ｖｓ＝１．２Ｖ)まで充電された後に、蓄電ユニット４１から各種電気機器２３に対して放電が行われる状況が示されている。なお、蓄電ユニット４１からの放電電流は１０Ａである。
【００４０】
図８に示すように、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが下限電圧Ａ１である１３Ｖを上回る場合には、制御ユニット２５によってリレースイッチＳ１，Ｓ２が直列解除状態に切り換えられ、蓄電ユニット４１内のメイン蓄電体３１から各種電気機器２３に対して電力が供給される。続いて、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ)が下限電圧Ａ１まで低下すると(符号ａ)、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換え、蓄電ユニット４１内のメイン蓄電体３１およびサブ蓄電体４３から各種電気機器２３に対して電力が供給されることになる。すなわち、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換えることにより、出力電圧Ｖｕがサブ蓄電体４３の電圧Ｖｓ分だけ引き上げられるため、蓄電ユニット４１の放電を継続させることが可能となる。このような放電状態は、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体４３とを直列接続した状態のもとで、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が下限電圧Ａ１に達するまで継続させることが可能となる(符号ｂ)。このように蓄電ユニット４１を放電させることにより、メイン蓄電体３１の実際の電圧利用範囲は１４．４Ｖ〜１１．７５Ｖとなる。また、サブ蓄電体４３の実際の出力電圧については１．２Ｖを保持するものとする。
【００４１】
なお、放電された蓄電ユニット４１を充電する際には、出力電圧Ｖｕが所定の直列充電電圧Ａ３に達するまでは、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に保持され、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体４３との双方に充電が施される。そして、出力電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が直列充電電圧Ａ３まで上昇すると、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換え、メイン蓄電体３１に対して充電が施されることになる。ここで、直列充電電圧Ａ３とはサブ蓄電体４３の許容上限電圧に基づき設定される電圧であり、サブ蓄電体４３の過充電を回避する値に設定されている。
【００４２】
続いて、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率について説明する。前述したように、使用可能電圧幅(１４．４Ｖ〜８．０Ｖ)のメイン蓄電体３１を１４．４Ｖから１１．７５Ｖまで放電させることから、以下の式(４)に基づいて、メイン蓄電体３１からの放電電流容量は０．４１Ａｈと算出される。また、１４．４Ｖから１１．７５Ｖまで放電したメイン蓄電体３１の平均電圧は１３．１Ｖとなる。これらの放電電流容量と平均電圧とを乗算することにより、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は５．４Ｗｈと算出される。
放電電流容量＝｛(１４．４Ｖ−１１．７５Ｖ)／(１４．４Ｖ−８．０Ｖ)｝×１Ａｈ…(４)
【００４３】
また、サブ蓄電体４３を、放電時間６８秒、放電電流１０Ａで放電させたため、以下の式(５)に基づいて、サブ蓄電体４３からの放電電流容量は０．１９Ａｈと算出される。そして、この放電電流容量にサブ蓄電体４３の平均電圧１．２Ｖを乗算することにより、サブ蓄電体４３から放出された電力容量は０．２３Ｗｈと算出される。すなわち、メイン蓄電体３１から放出された電力容量は５．４Ｗｈであり、サブ蓄電体４３から放出された電力容量は０．２３Ｗｈであるため、蓄電ユニット４１から放出された電力容量は５．６３Ｗｈとなる。
放電電流容量＝(６８／３６００)×１０Ａ…(５)
【００４４】
一方、サブ蓄電体４３を構成するバッテリセル４２の電力容量は１．２Ｗｈであるため、満充電状態におけるサブ蓄電体４３の電力容量は１．２Ｗｈとなる。また、前述したように、満充電状態におけるメイン蓄電体３１の電力容量は１１．２Ｗｈとなる。そして、それぞれの電力容量を加算することにより、満充電状態における蓄電ユニット４１の電力容量は１２．４Ｗｈとなる。このように、放電前に蓄えられていた蓄電ユニット４１の電力容量が１２．４Ｗｈであり、蓄電ユニット４１から放電された電力容量が５．６３Ｗｈであるため、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率は４５％となる。
【００４５】
ここで、前述した電源装置１０と同様に、サブ蓄電体４３がリチウムイオンキャパシタ等によって構成されたとすると、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が２Ｖに設計される場合には、メイン蓄電体３１にサブ蓄電体４３を直列接続することが不可能となる。すなわち、サブ蓄電体４３をリチウムイオンキャパシタ等によって構成した場合には、メイン蓄電体３１が１４．４Ｖから１３Ｖまで放電した時点で、蓄電ユニット４１の放電が終了することになる。このように、メイン蓄電体３１を１４．４Ｖから１３Ｖまで放電させたときの電力容量利用効率は、前述したように２７％であるため、サブ蓄電体４３をニッケル水素バッテリで構成した場合に比べて、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率が大幅に低下することになる。
【００４６】
このように、サブ蓄電体４３をニッケル水素バッテリによって構成するようにしたので、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であっても、サブ蓄電体４３の出力電圧を低く抑えることができ、メイン蓄電体３１に対してサブ蓄電体４３を直列に接続することが可能となる。これにより、メイン蓄電体３１の放電深度を深めることができ、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を向上させることが可能となる。また、電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによってメイン蓄電体３１を構成することにより、蓄電ユニット４１の電力容量を大きく確保することが可能となる。さらに、電力容量の大きなリチウムイオンキャパシタによってメイン蓄電体３１を構成することにより、メイン蓄電体３１に組み込むキャパシタセルの個数を減らすことができ、蓄電ユニット４１の内部抵抗を引き下げたり、蓄電ユニット４１の組立コストを引き下げたりすることが可能となる。
【００４７】
これまで説明したように、サブ蓄電体４３をニッケル水素バッテリによって構成することにより、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であってもサブ蓄電体４３を直列接続することが可能である。これにより、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を向上させることが可能となるが、サブ蓄電体４３の電流容量を適切に設定することにより、電力容量利用効率の更なる向上を図ることが可能となる。以下、電力容量利用効率を向上させるために設定される電流容量の条件について説明する。
【００４８】
ここで、図９はサブ蓄電体４３の電流容量と蓄電ユニット４１の電力容量利用効率との関係を示す線図である。図９に示すように、メイン蓄電体３１の電流容量に対するサブ蓄電体４３の電流容量を１００％以下に設定することにより、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を改善することが可能となっている。このため、本発明の電源装置４０においては、サブ蓄電体４３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以下に設定することにより、電力容量利用効率の更なる改善を達成するようにしている。このように、電力容量利用効率の改善が図られる理由としては、サブ蓄電体４３に用いられるニッケル水素バッテリが、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であるため、サブ蓄電体４３の出力電圧は電流容量に関わらずほぼ一定となる。したがって、直列接続したときにサブ蓄電体４３に要求される電流容量を確保しつつ、この要求される電流容量の範囲内でサブ蓄電体４３の電流容量を少なく設定することにより、蓄電ユニット４１全体としての電力容量利用効率を向上させることが可能となるのである。
【００４９】
本発明は前記実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、前述の説明では、メイン蓄電体３１をリチウムイオンキャパシタによって構成しているが、これに限られることはなく、メイン蓄電体３１をリチウムイオンバッテリによって構成しても良い。ここで、リチウムイオンバッテリとは、例えば、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用い、負極活物質として炭素系材料を用い、非水系有機電解液としてリチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒を用いるようにした蓄電体である。このリチウムイオンバッテリは、大きな電力容量を確保することができるため、メイン蓄電体３１にリチウムイオンキャパシタを採用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。
【００５０】
また、前述の説明では、電源装置４０のサブ蓄電体４３をニッケル水素バッテリによって構成しているが、これに限られることはなく、サブ蓄電体４３をニッケルカドミウムバッテリや鉛バッテリによって構成しても良い。ここで、ニッケルカドミウムバッテリとは、例えば、正極活物質としてニッケル酸化物を用い、負極活物質としてカドミウムを用い、水系電解液として水酸化カリウム水溶液を用いるようにした蓄電体である。また、鉛バッテリとは、例えば、正極活物質として二酸化鉛を用い、負極活物質として鉛を用い、水系電解液として硫酸水溶液を用いるようにした蓄電体である。これらニッケルカドミウムバッテリや鉛バッテリは、水系電解液を用いる蓄電体であることから出力電圧を低く抑えることができ、出力電圧Ｖｕの許容電圧幅が狭い場合であってもサブ蓄電体４３を直列接続することが可能となる。これにより、ニッケル水素バッテリをサブ蓄電体４３に用いた場合と同様に、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を向上させることが可能となるのである。また、ニッケルカドミウムバッテリや鉛バッテリは、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であり、充放電に伴う電圧変化量が少ないことから、サブ蓄電体４３の電流容量をメイン蓄電体３１の電流容量以下に設定することにより、蓄電ユニット４１の電力容量利用効率を改善することも可能である。このように、サブ蓄電体４３にニッケルカドミウムバッテリや鉛バッテリを採用した場合であっても、サブ蓄電体４３にニッケル水素バッテリを採用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。
【００５１】
また、前述の説明では、スイッチ手段を２つのリレースイッチＳ１，Ｓ２によって構成しているが、スイッチ手段を１つのリレースイッチによって構成しても良い。また、スイッチ手段としてはリレースイッチに限られることはなく、トランジスタ等のスイッチング素子によってスイッチ手段を構成しても良い。さらに、図示する場合には、メイン蓄電体３１が４つのセルによって構成され、サブ蓄電体３３，４３が１つのセルによって構成されているが、メイン蓄電体３１やサブ蓄電体３３，４３を構成するセル３０，３２，４２の個数を変更しても良い。さらに、蓄電ユニット２４，４１には１つのサブ蓄電体３３，４３が設けられているが、蓄電ユニット２４，４１に２つ以上のサブ蓄電体３３，４３を設けるようにしても良い。また、２つ以上のサブ蓄電体３３，４３を設ける場合には、サブ蓄電体３３，４３の数に対応した数のスイッチ手段が設けられることはいうまでもない。
【００５２】
なお、図示する車両１１はエンジン１３を備える車両であるが、エンジン１３を持たない電気自動車に対して、本発明の電源装置１０，４０を適用することも可能である。また、前述の説明では、本発明の電源装置１０，４０を車両１１に適用した形で説明したが、適用対象としては車両１１に限られることはなく、他の用途に本発明の電源装置１０，４０を適用しても良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施の形態である電源装置が搭載された車両の一部を示す概略図である。
【図２】電源装置の構成を示す概略図である。
【図３】蓄電ユニットを放電させる際の電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。
【図４】サブ蓄電体の電流容量と蓄電ユニットの電力容量利用効率との関係を示す線図である。
【図５】サブ蓄電体の電流容量を変化させたときの出力電圧の変化を示す説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態である電源装置の構成を示す概略図である。
【図７】ニッケル水素バッテリの放電特性を示す線図である。
【図８】蓄電ユニットを放電させる際の電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。
【図９】サブ蓄電体の電流容量と蓄電ユニットの電力容量利用効率との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 電源装置
２４ 蓄電ユニット
２５ 制御ユニット(スイッチ制御手段)
３１ メイン蓄電体
３３ サブ蓄電体
Ｓ１ リレースイッチ(スイッチ手段)
Ｓ２ リレースイッチ(スイッチ手段)
４０ 電源装置
４１ 蓄電ユニット
４３ サブ蓄電体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、
前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、
前記蓄電ユニットの充放電状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、
前記メイン蓄電体は、０Ｖまで放電が不可能な蓄電体であり、
前記サブ蓄電体は、０Ｖまでの放電が可能な蓄電体であることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の電源装置において、
前記メイン蓄電体は、リチウムイオンキャパシタまたはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の電源装置において、
前記サブ蓄電体は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置において、
前記サブ蓄電体の電流容量は、前記メイン蓄電体の電流容量以上であることを特徴とする電源装置。
【請求項５】
メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、
前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、
前記蓄電ユニットの充放電状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、
前記メイン蓄電体は、０Ｖまで放電が不可能な蓄電体であり、
前記サブ蓄電体は、電解液として水系電解液を備え、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であることを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項５記載の電源装置において、
前記メイン蓄電体は、リチウムイオンキャパシタまたはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする電源装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の電源装置において、
前記サブ蓄電体は、ニッケル水素バッテリ、ニッケルカドミウムバッテリ、または鉛バッテリであることを特徴とする電源装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の電源装置において、
前記サブ蓄電体の電流容量は、前記メイン蓄電体の電流容量以下であることを特徴とする電源装置。
【請求項１】
メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、
前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、
前記蓄電ユニットの充放電状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、
前記メイン蓄電体は、０Ｖまで放電が不可能な蓄電体であり、
前記サブ蓄電体は、０Ｖまでの放電が可能な蓄電体であることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の電源装置において、
前記メイン蓄電体は、リチウムイオンキャパシタまたはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の電源装置において、
前記サブ蓄電体は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置において、
前記サブ蓄電体の電流容量は、前記メイン蓄電体の電流容量以上であることを特徴とする電源装置。
【請求項５】
メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、
前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、
前記蓄電ユニットの充放電状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、
前記メイン蓄電体は、０Ｖまで放電が不可能な蓄電体であり、
前記サブ蓄電体は、電解液として水系電解液を備え、酸化還元反応によって充放電を行う蓄電体であることを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項５記載の電源装置において、
前記メイン蓄電体は、リチウムイオンキャパシタまたはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする電源装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の電源装置において、
前記サブ蓄電体は、ニッケル水素バッテリ、ニッケルカドミウムバッテリ、または鉛バッテリであることを特徴とする電源装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の電源装置において、
前記サブ蓄電体の電流容量は、前記メイン蓄電体の電流容量以下であることを特徴とする電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２２１０８（Ｐ２０１０−２２１０８Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７９０８５（Ｐ２００８−１７９０８５）
【出願日】平成２０年７月９日（２００８．７．９）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月９日（２００８．７．９）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
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