WO2025088459A1

WO2025088459A1 - 充電制御システム

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Publication number: WO2025088459A1
Application number: PCT/IB2024/060309
Authority: WO
Inventors: 長多剛; 塚本洋介; 山崎舜平
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2023-10-27
Filing date: 2024-10-21
Publication date: 2025-05-01
Anticipated expiration: 2026-04-27

Abstract

本発明の一態様は、回生電力を無駄にせずに有効利用することのできる充電制御システムを提供する。発生した回生電力を効率よく第２の二次電池に貯蔵し、その後、メインの第１の二次電池に貯蔵する。第２の二次電池から第１の二次電池への充電は、ＤＣＤＣコンバータを介して行われる。第１の二次電池の充電状態と第２の二次電池の充電状態を制御し、第１の二次電池が満充電に近く、劣化しそうな場合には、第１の二次電池から第２の二次電池に充電を行うことができる。

Description

充電制御システム

本発明の一態様は、物、方法、又は、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。本発明の一態様は、二次電池を含む蓄電装置、半導体装置、表示装置、発光装置、照明装置、電子機器またはそれらの製造方法に関する。

なお、本明細書中において電子機器とは、蓄電装置を有する装置全般を指し、蓄電装置を有する電気光学装置、蓄電装置を有する情報端末装置などは全て電子機器である。

また、本明細書中において、蓄電装置とは、蓄電機能を有する素子及び装置全般を指すものである。例えば、リチウムイオン二次電池の蓄電装置（二次電池ともいう）、リチウムイオンキャパシタ、及び電気二重層キャパシタを含む。

近年、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池、種々の蓄電装置の開発が盛んに行われている。特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池は、携帯電話、スマートフォン、もしくはノート型コンピュータで代表される携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ、医療機器、又は、ハイブリッド車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、もしくはプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）で代表される次世代クリーンエネルギー自動車、半導体産業の発展と併せて急速にその需要が拡大し、繰り返し充電可能なエネルギーの供給源として現代の情報化社会に不可欠なものとなっている。

また、ハイブリッド車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、もしくはプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）で代表される次世代クリーンエネルギー自動車は、駆動のためモータ（直流モータまたは交流モータ）を搭載しており、リチウムイオン二次電池からの電力供給を受けて駆動している。

電気自動車はアクセルペダルがオフ、またはアクセルペダルがオフでブレーキが作動した時、駆動用のモーターを発電機として利用し、発電した電力を二次電池に充電する、いわゆる回生充電を行う構成を有している場合がある。

また、リチウムイオン二次電池のうち、硫黄元素を含む材料を正極活物質として用いる二次電池が注目されている。硫黄は、理論容量が約１６７０ｍＡｈ／ｇと高く、またエネルギー密度の面においても正極活物質として有望であることが知られている。

さらに、硫黄元素を含む材料は、資源として豊富に存在するため、コバルトのようなレアメタルに比べて安価であるというメリットもある。

例えば、硫黄を用いた二次電池として、硫黄とグラフェンスポンジ（３ＤＧＳ）を用いた研究が行われている（非特許文献１）。

Ｃｈａｏ　Ｌｉｎ　ｅｔ　ａｌ．，"Ａ　ｆａｃｉｌｅ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｓｐｏｎｇｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｕｌｆｕｒ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｆｏｒ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｌｉ−Ｓ　ｃａｔｈｏｄｅｓ"，Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．，２０１６，１８，２２１４６−２２１５３

回生充電の利用方法は、電気自動車のメーカまたは車種によって様々なものが採用されている。回生充電はいつでもどこでも行われるわけではなく、充電制御回路によって制限されている。例えば、二次電池が満充電の時は、過充電を防止するために、回生充電を停止させるように充電制御がなされている場合が多い。

また、一定トルクでモーターを減速した場合の回生電力は、のこぎり波状になり、運転状況によって回生電力が急激に大きくなっても、回生量は一定に制限されるように充電制御がなされている場合が多い。

このように、充電制御がなされているため、エネルギーを有効することが十分なされていない。そこで、回生電力を無駄にせずに有効利用することのできる充電制御システムを提供することを課題の一とする。

本明細書で開示する二次電池としては、種類の異なる複数の二次電池を用いる。第１の二次電池は、メインに使用され、サブで使用される第２の二次電池よりも容量の大きいものを用いる。

本明細書で開示する二次電池の充電制御システムは、第１の二次電池と、第１の二次電池とは材料が異なる第２の二次電池と、第１の二次電池と第２の二次電池を制御する制御回路と、電気自動車の減速時における回生発電を行う発電装置と、発電装置と第２の二次電池の間にインバータ及び第１のＤＣＤＣコンバータと、第１の二次電池と第２の二次電池の間に第１のＤＣＤＣコンバータと、第２のＤＣＤＣコンバータとを有し、充電インレットと第１の二次電池の間、充電インレットと第２の二次電池の間に第３のＤＣＤＣコンバータと、を有し、制御回路は、第１の二次電池からの電力を第１及び第２のＤＣＤＣコンバータを介して第２の二次電池に充電する。

上記構成において、第１の二次電池は、硫黄を有するリチウムイオン二次電池であり、第２の二次電池は、コバルトを有する酸化物を正極活物質とするリチウムイオン二次電池である。また、第１の二次電池は、硫黄を有するリチウムイオン二次電池であり、第２の二次電池は、リチウムイオンキャパシタまたは電気二重層コンデンサとしてもよい。第２の二次電池は、急速充放電が可能であり大きな電力の変動の吸収に利用することができ、効率よく回生を行うことができる。

第１の二次電池が満充電状態の場合は、回生発電された電力は第２の二次電池に充電される。第１の二次電池の容量を減らすことで過充電を防止し、第１の二次電池の寿命を延ばすことができる。

上記構成において、電気自動車の減速時における回生発電を行う発電装置は、ジェネレータとも呼ばれる。電気自動車の減速時における回生発電を行う発電装置によって回生発電された電力は、駆動のためのモーターを利用して生じるモータージェネレータを用いることが好ましい。

上記構成において、第１のＤＣＤＣコンバータは、モータージェネレータから供給される高電圧の電力を所定の低電圧に変換して第２の二次電池に出力（供給）することができる。

上記構成において、第２のＤＣＤＣコンバータは、第１の二次電池から供給される電力を所定の電圧に変換してモータージェネレータに出力（供給）することができる。

上記構成において、第３のＤＣＤＣコンバータは、外部から充電ケーブルが充電インレットに接続され、外部から供給される高電圧の電力を所定の低電圧に変換して第１の二次電池に出力（供給）することができる。

上記構成において、制御回路は、第２の二次電池からの電力を第３のＤＣＤＣコンバータを介して第１の二次電池に充電することができる。発電装置で発電された電力（回生電力とも呼ぶ）を第１の二次電池に直接充電するのではなく、第２の二次電池に充電した後、第２の二次電池からの電力を第３のＤＣＤＣコンバータを介して第１の二次電池に充電することで回生電力を無駄にせずに有効利用することができる。

上記構成において、制御回路は、少なくとも充放電制御回路（バッテリーコントローラとも呼ぶ）を有する。制御回路は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）とも呼ばれる。

二次電池は、様々なパラメータがあり、例えば、用いる正極材料、または負極材料によって、充電できる電池容量（満充電状態での容量値、所謂、総容量ＦＣＣ（Ｆｕｌｌ　Ｃｈａｒｇｅ　Ｃａｐａｃｉｔｙ））が異なる。また、二次電池は、種類が異なれば、使用可能な温度範囲、出力電流値、出力電圧値、または内部抵抗が異なる。また、それぞれの種類によって、最適な充電条件（代表的には充電レート）、または放電条件（代表的には放電レート）も異なる。なお、ＦＣＣ（満充電容量、総容量とも呼ぶ）は、常温２５℃の定格容量である。

二次電池の劣化を抑えるためには、最適な充電レートで充電し、最適な放電レートで使用することが望ましい。放電レート及び充電レートは、充放電制御回路を用いて行う。

なお、放電レート及び充電レートについて説明する。放電レートとは、電池容量に対する放電時の電流の相対的な比率であり、単位Ｃで表される。定格容量Ｘ（Ａｈ）の電池において、１Ｃ相当の電流は、Ｘ（Ａ）である。２Ｘ（Ａ）の電流で放電させた場合は、２Ｃで放電させたといい、Ｘ／５（Ａ）の電流で放電させた場合は、０．２Ｃで放電させたという。また、充電レートも同様であり、２Ｘ（Ａ）の電流で充電させた場合は、２Ｃで充電させたといい、Ｘ／５（Ａ）の電流で充電させた場合は、０．２Ｃで充電させたという。

リチウムイオン二次電池は、設計容量（ＤＣ）のうち、電池の残容量（ＲＣ）を満充電容量（ＦＣＣ）のしめる割合、即ち充電率（ＳＯＣ）が０％から１００％まで全て使用する設定になっておらず、過放電を防ぐため０％からマージンが５％（または１０％）程度とられている。また、過充電を防ぐため１００％からもマージン５％（または１０％）程度がとられており、結果として、設計容量の５％から９５％の範囲内（または１０％から９０％の範囲内）で使用しているといわれている。実際には二次電池に接続されるＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ）を用いて上限電圧Ｖ_ｍａｘと下限電圧Ｖ_ｍｉｎの電圧範囲を設定することで設計容量の５％から９５％の範囲内（または１０％から９０％の範囲内）で使用する。

従って、本明細書において、二次電池の満充電とは、設計容量の９０％、または９５％を指すものとする。

充電制御システムにより、発生した回生電力を効率よく第２の二次電池に貯蔵し、その後、メインの第１の二次電池に貯蔵することができる。第２の二次電池から第１の二次電池への充電は、ＤＣＤＣコンバータを介して行われる。第１の二次電池の充電状態と第２の二次電池の充電状態を制御し、第１の二次電池が満充電に近く、劣化しそうな場合には、第１の二次電池から第２の二次電池に充電を行うことができる。第１の二次電池及び第２の二次電池を制御回路によりモニタリングして、貯蔵する電力量を調節することでメインの第１の二次電池の寿命を延ばすことができる。

図１は本発明の一態様を示すブロック図である。
図２は本発明の一態様を示すブロック図である。
図３は本発明の一態様を示すブロック図である。
図４は本発明の一態様を示すブロック図である。
図５Ａは本発明の一態様を示すブロック図であり、図５Ｂはモジュールの斜視図である。
図６Ａは二次電池の一例を示す斜視図であり、図６Ｂは図６Ａの構造を説明する図である。
図７Ａ及び図７Ｂは電気自動車の一例を示す斜視図である。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の充電制御システムについて図１、図２、図３、及び図４を用いて説明する。本実施の形態では、電気自動車に搭載する充電制御システムの一例について説明する。

電気自動車には、メインの駆動用の二次電池として第１の二次電池３０１を搭載し、サブの第２の二次電池３１１を有する。サブの第２の二次電池３１１は、主に回生電流を充電するための二次電池であり、大容量の第１の二次電池３０１よりも容量が小さい。

大容量の第１の二次電池３０１は、複数の二次電池を有する電池パックを構成することで、大きな電力を取り出すことができる。複数の二次電池は、並列接続されていてもよいし、直列接続されていてもよいし、並列に接続された後、さらに直列に接続されていてもよい。複数の二次電池を組電池とも呼ぶ。本実施の形態では、第１の二次電池３０１として硫黄を用いた正極を有する二次電池（リチウム−硫黄電池、Ｌｉ−Ｓ電池とも呼ぶ）を用いる。

硫黄元素を含む材料を正極活物質として用いる二次電池は、負極活物質の一例としてリチウム金属が用いられる。放電時に負極においてリチウム金属が電解液に溶解してイオンとなり、正極において硫黄と反応して酸化され、反応中間生成物である多硫化リチウム（Ｌｉ_２Ｓ_ｎ（２＜ｎ＜８））を経て、硫化リチウム（Ｌｉ_２Ｓ）になる。

硫黄元素を含む材料を正極活物質として用いる二次電池は、正極として、硫黄または硫黄化合物の被膜を設けた炭素材料を正極集電体に塗工したものを用いる。硫黄単体は絶縁体であるため、炭素材料に付着させる、または薄い被膜を部分的に設けることが好ましい。硫黄化合物（硫化物とも呼ぶ）としては、金属硫化物、または硫酸塩が挙げられ、金属硫化物の一例は、硫化リチウム、ポリ硫化物（多硫化物ともよぶ）である。

また、正極と負極の間には電解液または固体電解質を設ける。固体電解質を用いる場合には全固体電池とすることもできる。全固体電池は、有機電解液の不使用が実現できるため、液漏れ、または有機電解液が分解により気体となり電池が膨張するなどの問題が解決できる。また、電解液に代えてイオン液体を用いてもよい。電解液またはイオン液体を用いる場合は、短絡を防ぐために正極と負極の間にセパレータを設ける。

なお、硫黄元素を含む材料を正極活物質として用いる二次電池は、リチウム−硫黄電池とも呼ばれ、負極にリチウム金属を用いる二次電池に限定されず、負極にシリコン、または炭素材料を用いる二次電池も含むものとする。負極に用いる炭素材料として代表的なものに黒鉛、グラフェン、酸化グラフェン、還元処理を施した酸化グラフェン、カーボンナノチューブがある。

また、硫黄元素を含む材料を正極活物質として用いる二次電池は、リチウムイオンに限定されず、リチウムイオンに代えてナトリウムイオン、カリウムイオンを用いる二次電池も含むものとする。

正極に硫黄を用い、負極にリチウム金属を用いる二次電池は、軽量、且つ、高容量の二次電池を実現できる。

また、第２の二次電池３１１は、正極材料としてコバルト酸リチウム（ＬｉＭＯ_２）を有し、リチウムイオン二次電池を用いる。また、第２の二次電池３１１は、正極材料としてＬｉＮｉ_ｘＣｏ_ｙＭｎ_ｚＯ_２（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、０．８＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１．２）で表されるＮｉＣｏＭｎ系（ＮＣＭともいう）を用いることができる。また、第２の二次電池３１１は、正極材料としてリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）を用いることができる。本実施の形態では、遷移金属Ｍとしてコバルト（Ｃｏ）を用いる。

また、車載用の二次電池において、複数の二次電池からの電力を遮断するため、工具を使わずに高電圧を遮断できるサービスプラグまたはサーキットブレーカを有しており、第１の二次電池３０１に設けられる。安全のため、システムのオフ状態でメインの第１の二次電池３０１を電気的に切り離しておく。

また、図１には、第１の二次電池３０１または第２の二次電池３１１の充放電を制御するためのバッテリーコントローラ３０２と、外部の充電ケーブルを接続する充電インレット３３２と、駆動源となるモータージェネレータ３０４とが示されている。また、モータージェネレータ３０４は、モーターとしても発電機としても機能し、モーターコントローラ３０３によってモーター回転数が制御される。また、運転者がアクセル３３０を踏むことで、モーターコントローラでモーター回転数を制御する。モータージェネレータ３０４が回転することによってギア３０５に力が伝わり、タイヤ３１６が回転する。

また、走行中に運転者がブレーキ３３１を踏むことでモータージェネレータ３０４は回生電力を発生する。発生した回生電力は、インバータ３１２と、第１のＤＣＤＣコンバータ３１０ａを介して第２の二次電池３１１に充電される。なお、インバータ３１２は交流電力を直流電力とする回路である。

また、第１の二次電池３０１と第２の二次電池３１１の間には第１のＤＣＤＣコンバータ３１０ａと、第２のＤＣＤＣコンバータ３１０ｂとを有する。また、第１の二次電池３０１と充電インレット３３２との間には第３のＤＣＤＣコンバータ３１０ｃを有する。

バッテリーコントローラ３０２は、ＥＣＵと呼ばれることもある。ＥＣＵは、電動車両に設けられたＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）に接続される。ＣＡＮは、車内ＬＡＮとして用いられるシリアル通信規格の一つである。また、ＥＣＵは、マイクロコンピュータを含む。また、ＥＣＵは、ＣＰＵまたはＧＰＵを用いる。

また、走行中にブレーキをかけ、回生電力を発生させた場合の動作モードを図２に示す。図１と図２のブロック図はほぼ同じである。図１において、回生電力の流れを点線矢印で示している。また、第１の二次電池３０１の電力を用いてモータージェネレータ３０４を操作する流れを図１中の矢印で示している。図２は、回生モードでの回生電力の流れと、第１の二次電池３０１から第２の二次電池３１１への電力の流れを点線矢印で模式的に示している。また、図２では第２の二次電池３１１から第２の二次電池３１１への電力の流れも示しており、環状にエネルギーを供給していることを概念的に表している。

＜回生モード＞
回生モードに切り替わる場面としては、アクセル３３０を踏まずに坂道を下る場合、走行中にブレーキ３３１を踏む場合が想定される。

減速時にモータージェネレータ３０４とモーターコントローラ３０３が稼働し、回生電力が発生する。発生した回生電力はインバータ３１２及び第１のＤＣＤＣコンバータ３１０ａを介して第２の二次電池３１１に充電される。回生エネルギーを効率よく充電するためには、第２の二次電池３１１が急速充電可能であることが望ましい。

また、運転状況によって回生電力が急激に大きくなっても、バッテリーコントローラ３０２によって回生量が一定に制限されないように充電制御することが好ましい。こうすることで発生する回生電力を最大限利用することができる。

また、一旦、第２の二次電池３１１への充電が行われた後、バッテリーコントローラ３０２によって第３のＤＣＤＣコンバータ３１０ｃを介して第１の二次電池３０１に充電を行ってもよい。また、第１の二次電池３０１が満充電に近い状態となった場合には、第１の二次電池３０１の劣化を防ぐため、第２のＤＣＤＣコンバータ３１０ｂ及び第１のＤＣＤＣコンバータ３１０ａを介して第２の二次電池に電力を戻してもよい。

このように、バッテリーコントローラ３０２は、第２の二次電池３１１を始点として、第３の第３のＤＣＤＣコンバータ３１０ｃ、第１の二次電池３０１、第２のＤＣＤＣコンバータ３１０ｂ、第１のＤＣＤＣコンバータ３１０ａ、そして再び第２の二次電池３１１という順に、電力をリレーさせることができる。

第１の二次電池３０１の過充電を防止するため、抵抗を用い、電力を熱に変換するのではなく、３つのＤＣＤＣコンバータ及び第２の二次電池３１１を用いて過充電を防止し、発熱を分散させることができる。また、第２の二次電池３１１の過充電を防止するため、３つのＤＣＤＣコンバータ及び第１の二次電池３０１を用いて過充電を防止し、発熱を分散させることができる。

このように環状に充電経路を組むことで、第１の二次電池３０１と、第２の二次電池３１１とを最適な充電状態に維持することができる。また、３つのＤＣＤＣコンバータはスイッチとしても機能するため、自然に第１の二次電池３０１と、第２の二次電池３１１との電位差をなくすような均等化が生じることはない。

＜外部からの充電モード＞
図３は、停車中に外部からの充電を行う場合、外部からの電力供給の流れを点線矢印示している。充電スタンドからの充電ケーブルを充電インレット３３２に接続し、第３のＤＣＤＣコンバータ３１０ｃを介して第１の二次電池３０１または第２の二次電池３１１に充電が行われる。これらの充電は、充電スタンドまたはバッテリーコントローラ３０２が制御する。

充電スタンドは、第１の二次電池３０１が満充電になると、供給を停止する。一旦停止されると、第１の二次電池３０１の容量が減っても再度充電が開始することはない。本実施の形態においては、第１の二次電池３０１が満充電になると、第１の二次電池３０１の劣化を防ぐために、第１の二次電池３０１の電力を用いて第２の二次電池３１１を充電する。

＜通常走行モード＞
図４は、通常の走行時での電力（エネルギー）供給の流れを矢印で模式的に示している。運転手はアクセル３３０を操作することで、モーターコントローラを介してモータージェネレータ３０４を駆動させ、モータージェネレータ３０４で生じたトルクは、ギア３０５を介してタイヤ３１６に伝えられる。また、モータージェネレータ３０４を駆動させるための電力は、第１の二次電池３０１から供給する。第１の二次電池３０１から第２のＤＣＤＣコンバータ３１０ｂ及びインバータ３１２を介してモータージェネレータ３０４に電力が供給される。インバータ３１２は、第１の二次電池３０１からの直流出力を三相交流に変換する。第１の二次電池３０１の放電時には二次電池の電圧に応じた昇圧率で使用目的電圧に第２のＤＣＤＣコンバータ３１０ｂを用いて昇圧して使用する。

また、モータージェネレータ３０４に、さらに電力を追加したい場合には、第２の二次電池３１１からも供給を行うこともできる。第２の二次電池３１１から第１のＤＣＤＣコンバータ３１０ａ及びインバータ３１２を介してモータージェネレータ３０４に電力を供給する。第１の二次電池３０１及び第２の二次電池３１１の放電は、バッテリーコントローラ３０２が制御する。

また、何かの原因で第１の二次電池３０１が使用不可となっても、第２の二次電池３１１を用いることで車を移動させることができる。また、第１の二次電池３０１の異常をバッテリーコントローラ３０２が検知した場合には、第１の二次電池３０１への充電を停止し、第１の二次電池３０１の電力を第１の二次電池３０１へ移動させて危険を回避してもよい。常に安全性を確保する上では、大容量の第１の二次電池３０１に貯蔵されている容量を放電し、少なくすることがフェイルセーフ上、望ましい。

＜低温始動時モード＞
０℃以下と低温の場合、第１の二次電池３０１の本来の容量を発揮できない場合がある。その場合には、車の始動時に少ない電力を用いて、第２の二次電池３１１を始点として、第３の第３のＤＣＤＣコンバータ３１０ｃ、第１の二次電池３０１、第２のＤＣＤＣコンバータ３１０ｂ、第１のＤＣＤＣコンバータ３１０ａ、そして再び第２の二次電池３１１という順に、電力をリレーさせることで第１の二次電池３０１の温度を上昇させることができる。第１の二次電池３０１の温度を上昇させることで第１の二次電池３０１の本来の容量を発揮させることができるようになる。

本実施の形態では２種類の異なる二次電池を用いる例を示したが特に限定されず、３種類以上の異なる二次電池を用いてもよい。図１では、インバータ３１２を起動するための第３の二次電池は図示していないが、鉛蓄電池または全固体電池を用いることができる。この第３の二次電池もバッテリーコントローラ３０２が制御する。

（実施の形態２）
実施の形態１では、前輪駆動の電気自動車の例を示したが、本実施の形態では、後輪にジェネレータ３３３を設ける例を示す。

また、図５Ａは図１と、ジェネレータ３３３とインバータ３３２以外は、ほぼ同一であるため、図１と同じ箇所は同じ符号を用い、同じ箇所の詳細な説明は省略する。

走行することでジェネレータ３３３にて発電が行われ、生じた電力は、インバータ３２２及び第３のＤＣＤＣコンバータ３１０ｃを介して第２の二次電池３１１に充電される。図５Ａにおいて、回生電力の流れを点線矢印で示している。また、第１の二次電池３０１の電力を用いてモータージェネレータ３０４を操作する流れを図５Ａ中の矢印で示している。また、第２の二次電池３１１への充電制御は、バッテリーコントローラ３０２で行う。

また、部品構成を単純化するためにジェネレータ３３３は、インバータ３２２を設けず、インバータ３１２及び第１のＤＣＤＣコンバータ３１０ａと接続して共通化を図ってもよい。第２の二次電池３１１は、急速充放電が可能であり大きな電力の変動の吸収に利用することができ、効率よく回生を行うことができる。

第２の二次電池３１１は、複数の二次電池で構成される。例えば、円筒形の二次電池６００を用いる。図５Ｂに示すように、円筒形の二次電池６００を、導電板６１３および導電板６１４の間に挟んでモジュールを構成してもよい。図５Ｂには二次電池間にスイッチを図示していない。複数の二次電池６００は、並列接続されていてもよいし、直列接続されていてもよいし、並列に接続された後、さらに直列に接続されていてもよい。複数の二次電池６００を有するモジュールを構成することで、大きな電力を取り出すことができる。また、第２の二次電池３１１は、正極材料としてコバルト酸リチウムを用いるリチウムイオン二次電池に限定されず、リチウムイオンキャパシタまたは電気二重層コンデンサとしてもよい。

また、電気自動車においては、複数の二次電池を直列接続または並列接続して保護回路を設け、電池パック（組電池ともよぶ）として使用される。電池パックとは、二次電池の取り扱いを容易にするため、複数個の二次電池で構成される電池モジュールを、所定の回路と共に容器（金属缶、フィルム外装体）内部に収納したものを指す。電池パックは、動作状態を管理するために、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）を有する。電池パック（組電池）を構成する複数の二次電池はそれぞれ特性にバラツキがあると、アンバランスが生じてしまう。アンバランスが生じると充電時に過充電になる二次電池、または満充電まで充電されない二次電池が生じ、全体として、みかけの容量が減少する。複数の二次電池の特性のバラツキを防ぐためにセルバランス回路を設けてもよい。

本実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。

（実施の形態３）
円筒型の二次電池の例について図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。円筒型の二次電池６００は、図６Ａに示すように、上面に正極キャップ（電池蓋）６０１を有し、側面および底面に電池缶（外装缶）６０２を有している。これら正極キャップと電池缶（外装缶）６０２とは、ガスケット（絶縁パッキン）６１０によって絶縁されている。

図６Ｂは、円筒型の二次電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶６０２の内側には、帯状の正極６０４と負極６０６とがセパレータ６０５を間に挟んで捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲回されている。電池缶６０２は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶６０２には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル、アルミニウム、チタン等の金属、又はこれらの合金、またはこれらと他の金属との合金（例えば、ステンレス鋼等）を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルまたはアルミニウム等を被覆することが好ましい。電池缶６０２の内側において、正極、負極およびセパレータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板６０８、６０９により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶６０２の内部は、非水電解液（図示せず）が注入されている。二次電池は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）またはリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）などの活物質を含む正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な黒鉛等の炭素材料からなる負極と、エチレンカーボネートまたはジエチルカーボネートなどの有機溶媒に、ＬｉＢＦ_４またはＬｉＰＦ_６等のリチウム塩からなる電解質を溶解させた非水電解液などにより構成される。

円筒型の蓄電池に用いる正極および負極は捲回するため、集電体の両面に活物質を形成することが好ましい。正極６０４には正極端子（正極集電リード）６０３が接続され、負極６０６には負極端子（負極集電リード）６０７が接続される。正極端子６０３および負極端子６０７は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子６０３は安全弁機構６１２に、負極端子６０７は電池缶６０２の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構６１２は、ＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）６１１を介して正極キャップ６０１と電気的に接続されている。安全弁機構６１２は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ６０１と正極６０４との電気的な接続を切断するものである。また、ＰＴＣ素子６１１は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常発熱を防止するものである。ＰＴＣ素子には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）系半導体セラミックス等を用いることができる。

本実施の形態では、リチウムイオン二次電池の例を示すが、リチウムイオン二次電池に限定されず、二次電池の正極材料として例えば、元素Ａ、元素Ｘ、及び酸素を有する材料を用いることができる。元素Ａは第１族の元素および第２族の元素から選ばれる一以上であることが好ましい。第１族の元素として例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を用いることができる。また、第２族の元素として例えば、カルシウム、ベリリウム、マグネシウム等を用いることができる。元素Ｘとして例えば金属元素、シリコン及びリンから選ばれる一以上を用いることができる。また、元素Ｘはコバルト、ニッケル、マンガン、鉄、及びバナジウムから選ばれる一以上であることが好ましい。代表的には、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、またはリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）が挙げられる。

負極は、負極活物質層および負極集電体を有する。また、負極活物質層は、導電助剤およびバインダを有していてもよい。

負極活物質として、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な元素を用いることができる。例えば、シリコン、スズ、ガリウム、アルミニウム、ゲルマニウム、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、亜鉛、カドミウム、インジウム等のうち少なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような元素は炭素と比べて容量が大きく、特にシリコンは理論容量が４２００ｍＡｈ／ｇと高い。

また、二次電池は、セパレータを有することが好ましい。セパレータとしては、例えば、紙をはじめとするセルロースを有する繊維、不織布、ガラス繊維、セラミックス、或いはナイロン（ポリアミド）、ビニロン（ポリビニルアルコール系繊維）、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンを用いた合成繊維等で形成されたものを用いることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、車両に本発明の一態様の二次電池の充電システムを搭載する例を示す。

二次電池を車両に搭載すると、ハイブリッド車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、又はプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）等の次世代クリーンエネルギー自動車を実現できる。

図７Ａにおいて、本発明の一態様である二次電池を用いた車両を例示する。図７Ａに示す自動車８４００は、走行のための動力源として電気モーター８４０６を用いる電気自動車である。または、走行のための動力源として電気モーター８４０６とエンジンを適宜選択して用いることが可能なハイブリッド自動車である。本発明の一態様を用いることで、回生電流を第２の二次電池８４０３に充電し、効率よく回生充電を回収できる車両を実現することができる。また、自動車８４００は第１の二次電池８４０２、及び第２の二次電池８４０３を有する。第２の二次電池８４０３は、リチウムイオンキャパシタまたは電気二重層コンデンサを用いてもよい。第２の二次電池は、急速充放電が可能であり大きな電力の変動の吸収に利用することができ、効率よく回生を行うことができる。第１の二次電池８４０２は異なる種類の電池であり、第２の二次電池８４０３よりも容量が大きい。第１の二次電池８４０２は容量が大きいため車両内部の全体積の一部を占めることになるが、たとえば車内の床部分に第１の二次電池８４０２のモジュールを配置することができる。第１の二次電池８４０２は電気モーター８４０６を駆動するだけでなく、ヘッドライト８４０１およびルームライト（図示せず）などの発光装置に電力を供給することができる。なお、電気モーター８４０６を駆動するためのインバータに供給する電圧と、ヘッドライト８４０１およびルームライトなどの発光装置の電圧は異なるため、それぞれ異なるＤＣＤＣコンバータを用いる。

また、第１の二次電池８４０２は、自動車８４００が有するスピードメーター、タコメーターなどの表示装置に電力を供給することができる。また、第１の二次電池８４０２は、自動車８４００が有するナビゲーションシステムなどの半導体装置に電力を供給することができる。

図７Ｂに示す自動車８５００は、自動車８５００が有する第１の二次電池８０２４にプラグイン方式および／または非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図７Ｂに、地上設置型の充電装置８０２１から自動車８５００に搭載された第１の二次電池８０２４に、充電ケーブル８０２２を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法およびコネクタの規格等はＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）またはコンボ等の所定の方式で適宜行えばよい。充電装置８０２１は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭の電源であってもよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により自動車８５００に搭載された第１の二次電池８０２４を充電することができる。充電は、ＡＣＤＣコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。

また、自動車８５００は、回生充電を行うための第２の二次電池８０２５を有している。充電レートの高い急速充電を外部の充電設備で行う場合には安全のため第１の二次電池８０２４の満充電の８０％で停止させる規格となっている。また、充電レートの低い通常充電を行う場合には第１の二次電池８０２４を満充電とすることができるが、その後、走行して回生充電を得られても第１の二次電池８０２４に充電できないが、図７Ｂに示す自動車８５００は、第２の二次電池８０２５を有しているため充電することができる。第２の二次電池８０２５は補助バッテリとしても機能させることができる。

また、充電レートの低い通常充電を行う場合には第１の二次電池８０２４を満充電とすることができるが、満充電状態のまま長時間放置すると、第１の二次電池８０２４の劣化が進む恐れがある。従って、第１の二次電池８０２４を満充電とした後、走行しない場合は、第２の二次電池８０２５に電力を移動させることができ、第１の二次電池８０２４の寿命を延ばすことができる。

また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路および／または外壁に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、車両同士で電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時および／または走行時に二次電池の充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式および／または磁界共鳴方式を用いることができる。

本発明の一態様によれば、二次電池が軽量になり、且つ、二次電池の放電容量を大きくすることができる。よって、単位重量あたりの容量を大きくできるため、二次電池自体を小型軽量化することができる。二次電池自体を軽量化できれば、車両の軽量化に寄与するため、航続距離を向上させることができる。また、車両に搭載した二次電池を車両以外の電力供給源として用いることもできる。この場合、例えば電力需要のピーク時に商用電源を用いることを回避することができる。電力需要のピーク時に商用電源を用いることを回避できれば、省エネルギー、および二酸化炭素の排出の削減に寄与することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

３０１：第１の二次電池、３０２：バッテリーコントローラ、３０３：モーターコントローラ、３０４：モータージェネレータ、３０５：ギア、３１０ａ：第１のＤＣＤＣコンバータ、３１０ｂ：第２のＤＣＤＣコンバータ、３１０ｃ：第３のＤＣＤＣコンバータ、３１１：第２の二次電池、３１２：インバータ、３２２：インバータ、３１６：タイヤ、３３０：アクセル、３３１：ブレーキ、３３２：充電インレット、３３３：ジェネレータ、６００：二次電池、６０１：正極キャップ、６０２：電池缶、６０３：正極端子、６０４：正極、６０５：セパレータ、６０６：負極、６０７：負極端子、６０８：絶縁板、６０９：絶縁板、６１１：ＰＴＣ素子、６１２：安全弁機構、６１３：導電板、６１４：導電板、８０２１：充電装置、８０２２：充電ケーブル、８０２４：第１の二次電池、８０２５：第２の二次電池、８４００：自動車、８４０１：ヘッドライト、８４０２：第１の二次電池、８４０３：第２の二次電池、８４０６：電気モーター、８５００：自動車

Claims

　第１の二次電池と、
　前記第１の二次電池とは材料が異なる第２の二次電池と、
　前記第１の二次電池と前記第２の二次電池を制御する制御回路と、
　電気自動車の減速時における回生発電を行う発電装置と、
　前記発電装置と前記第２の二次電池の間にインバータ及び第１のＤＣＤＣコンバータと、
　前記第１の二次電池と前記第２の二次電池の間に前記第１のＤＣＤＣコンバータと、第２のＤＣＤＣコンバータとを有し、
　充電インレットと前記第１の二次電池の間、前記充電インレットと前記第２の二次電池の間に第３のＤＣＤＣコンバータと、を有し、
　前記制御回路は、前記第１の二次電池からの電力を前記第１及び前記第２のＤＣＤＣコンバータを介して前記第２の二次電池に充電する充電制御システム。
　請求項１において、前記第１の二次電池が満充電状態の場合は、前記回生発電された電力は前記第２の二次電池に充電される充電制御システム。
　請求項１において、前記制御回路は、前記第２の二次電池からの電力を前記第３のＤＣＤＣコンバータを介して前記第１の二次電池に充電する充電制御システム。
　請求項１において、前記第１の二次電池は、硫黄を有するリチウムイオン二次電池であり、前記第２の二次電池は、コバルトを有する酸化物を正極活物質とするリチウムイオン二次電池である充電制御システム。
　請求項１において、前記第１の二次電池は、硫黄を有するリチウムイオン二次電池であり、前記第２の二次電池は、リチウムイオンキャパシタである充電制御システム。
　請求項１において前記第１の二次電池は、前記第２の二次電池よりも容量が大きい充電制御システム。
　請求項１において、前記回生発電された電力は、モーターを利用して生じる充電制御システム。