CN102473976A - 二次电池的升温装置以及包含该升温装置的车辆 - Google Patents

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Abstract

二次电池(10)的升温装置，包含纹波生成装置(20)和控制装置(30)。纹波生成装置(20)，连接到二次电池(10)，构成为：积极的使二次电池(10)产生预定频率的纹波电流(I)。控制装置(30)，控制纹波生成装置(20)，使得通过使二次电池(10)产生纹波电流(I)将二次电池升温。此处，预定频率基于二次电池(10)的阻抗的频率特性，设定为阻抗的绝对值相对降低的频率区域的频率。

Description

二次电池的升温装置以及包含该升温装置的车辆
技术领域
本发明关于二次电池的升温装置以及包含该升温装置的车辆，特别关于利用二次电池的内部电阻的发热升温二次电池的技术。
背景技术
一般的，以锂离子电池为代表的二次电池，在温度降低的时候充放电特性降低。例如，在锂离子电池中，低温时充电的时候，在负极会产生锂(Li)的析出，此结果是，引起了电池容量降低等的性能劣化。此处，在电池的温度低的情况下，存在快速升温电池的必要。
特开平11-329516号公报(特许文献1)，公开了电池的升温装置。此升温装置中，在电池的两端连接包含电感器、电容、交流电源的串联电路，构成共振电路。然后，通过从交流电源产生共振电路的共振频率的交流电压，升温电池。
此升温装置中，在共振时，几乎完全由电池的内部电阻消耗电力，通过自己发热升温电池。如此，根据此升温装置，能够以最小限度的电力消耗有效的升温电池(参照特许文献1)。
现有技术文献
特许文献
特许文献1：特开平11-329516号公报
特许文献2：特开2007-12568号公报
发明内容
发明解决的问题
二次电池中，一般的，从安全性和耐久性的观点来看，要求保持电池的上下限电压，但在低温下，因为和常温时相比，电池的阻抗变大，特别是在极低温下，由于电池阻抗变大，就会产生不能在保持电池的上下限电压的同时在电池内部流动足够发热的电流的事态。
并且，在所述的特开平11-329516号公报公开的升温装置中，因为存在新设置包含电感器、电容以及交流电源的共振电路的必要，所以妨碍了装置的小型化以及低成本化。
因此，本发明是为了解决所述的问题，其目的在于，提供能够通过使二次电池从内部进行有效的发热，对二次电池有效的升温的二次电池的升温装置以及包含该升温装置的车辆。
并且，本发明的另外的目的是，提供能够通过将二次电池从内部进行有效的发热，对二次电池有效的升温，并且，不妨碍装置的小型化以及低成本化的二次电池的升温装置以及包含该升温装置的车辆。用于解决问题的技术方案
根据本发明，二次电池的升温装置，包含：纹波生成装置、控制装置。纹波生成装置，连接到二次电池，构成为使所述二次电池积极地产生预定频率的纹波电流。控制装置，控制纹波生成装置使得通过使二次电池产生纹波电流来对二次电池升温。此处，预定频率，基于二次电池的阻抗的频率特性，设定为阻抗的绝对值相对降低的频率区域的频率。
优选的，纹波生成装置是构成为能够将输出电压升压为二次电池的电压以上的斩波型的升压装置。
进一步优选的，控制装置，在要求二次电池的升温时，将升压装置的开关频率设定为预定频率。
并且，进一步优选的，控制装置，在要求二次电池的升温时，将升压装置的开关频率设定为比二次电池的非升温时低的值。
并且，进一步优选的，升压装置，包含：第一开关元件以及第二开关元件、和电抗器。第一开关元件以及第二开关元件在电压输出线对的各自之间串联连接。电抗器，具有预定的电感，连接到第一开关元件以及第二开关元件的连接节点与二次电池的正极之间。然后，控制装置，在要求二次电池的升温时，设定第一开关元件以及第二开关元件的开关频率，使得在不超过根据二次电池的阻抗的频率特性和二次电池的电压限制按纹波电流的各频率确定的二次电池的最大通电量的范围，纹波电流成为最大。
并且，优选的，升压装置，包含：第一开关元件以及第二开关元件、和电抗器。第一开关元件以及第二开关元件，在电压输出线对的各自之间串联连接。电抗器，具有预定的电感，连接到第一开关元件以及第二开关元件的连接节点与二次电池的正极之间。然后，电抗器的电感被设定为，使得根据二次电池的阻抗的频率特性和二次电池的电压限制按纹波电流的各频率确定的二次电池的发热量成为最大。
优选的，预定频率，基于二次电池的阻抗的频率特性，设定为大致1kHz。
优选的，二次电池是锂离子电池。然后，预定频率，设定为比与根据在锂离子电池流过充电电流时的负极的析出电阻和负极的电双层电容确定的时间常数对应的频率高。
并且，优选的，二次电池是锂离子电池。然后，控制装置，控制纹波生成装置，使二次电池产生纹波电流的平均值向锂离子电池的放电侧偏移了的纹波电流。
并且，根据本发明，二次电池的升温装置，包含：纹波生成装置、和控制装置。纹波生成装置，连接到二次电池，构成为使二次电池积极地产生预定频率的纹波电流。控制装置，控制纹波生成装置使得通过使二次电池产生纹波电流来对二次电池升温。纹波生成装置是，构成为能够将输出电压升压为二次电池的电压以上的斩波型的升压装置。升压装置，包含：第一开关元件以及第二开关元件，第一电抗器以及第二电抗器，和连接装置。第一开关元件以及第二开关元件，在电压输出线对的各自之间串联连接。第一电抗器，在第一开关元件以及第二开关元件的连接节点与二次电池的正极之间设置。第二电抗器，与第一电抗器并联设置，电感比第一电抗器小。连接装置，在要求二次电池的升温时，代替第一电抗器或者与第一电抗器一起，在连接节点和二次电池的正极之间连接第二电抗器。
并且，根据本发明，车辆，包含：储蓄车辆行驶用的电力的二次电池；和在要求二次电池的升温时对二次电池升温的、所述的任一项记载的二次电池的升温装置。
发明的效果
在本发明中，通过由纹波生成装置使二次电池积极的产生预定频率的纹波电流，从内部升温二次电池。此处，特别是极低温下，由于电池阻抗变大，就会产生不能保持电池的上下限电压，并且在电池内部流动足够的用于发热的电流的事态。但是，因为，在本发明中，纹波电流的频率，基于二次电池的阻抗的频率特性，设定为阻抗的绝对值相对降低的频率区域的频率，所以，即使是极低温下，也能够保持电池的上下限电压、并且在电池内部流过用于发热的充分的电流。如此，根据本发明，能够通过将二次电池从内部进行有效的发热，对二次电池有效的升温。
附图说明
图1是本发明的实施方式一的二次电池的升温装置的全体结构图。
图2是表示二次电池的电压的详细内容的图。
图3是表示二次电池的阻抗特性的奈奎斯特曲线图。
图4是表示二次电池的阻抗特性(绝对值)的波特图。
图5是表示二次电池的阻抗特性(相位)的波特图。
图6是表示将内部电阻产生的电压作为约束条件，在极低温时能够流过二次电池的纹波电流的峰值的图。
图7是表示将内部电阻产生的电压作为约束条件，在极低温时能够在二次电池产生的平均发热量的图。
图8是表示将内部电阻产生的电压作为约束条件，在极低温时I0cosθ的大小的图。
图9是表示图1所示的纹波生成装置的电路结构的一个例子的图。
图10是控制装置的功能框图。
图11是表示纹波电流的变动的图。
图12是关于二次电池的电极/电解液界面的等价电路图。
图13是用于说明负极的阻抗的测定方法的图。
图14是适用了本发明实施方式四中二次电池的升温装置的电动车辆的全体框图。
图15是图14所示的ECU的关于升压转换器的控制部分的功能框图。
图16是用于说明由ECU执行的纹波升温的处理顺序的流程图。
图17是二次电池的纹波升温时的电流的波形图。
图18是表示纹波电流的其它的产生方法的图。
图19表示与发热量成比例的电流IOcosθ的图8中，叠加了纹波电流的峰值的图。
图20是用于说明为了使得二次电池中产生的纹波电流最大的电抗器的阻抗的设计方法的图。
图21是实施方式七中升压转换器的电路图。
图22是实施方式七的变形例中升压转换器的电路图。
图23是表示二次电池的阻抗特性(绝对值)的波特图。
图24是表示二次电池的阻抗特性(相位)的波特图。
图25是表示二次电池的阻抗特性的奈奎斯特曲线图的原点附近的扩大图。
图26是用于说明实施方式八中二次电池的电极结构的特征部分的图。用于实施发明的方式
以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行详细的说明。并且，图中同一或者相当部分给予同一符号，不再反复进行此说明。
【实施方式一】
图1是本发明的实施方式一的二次电池的升温装置的全体结构图。参照图1，升温装置包含：纹波生成装置20、控制装置30。纹波生成装置20，连接到二次电池10。
二次电池10是以锂离子电池或者镍氢电池等为代表的能够再充电的电池。二次电池10，包含内部电阻12。如后所述，此内部电阻12，具有温度依赖性，同时，根据流过电池的电流的频率也变化很大。
纹波生成装置20，由控制装置30控制，使二次电池10积极的产生预定频率的纹波电流I。例如，能够使构成纹波生成装置20的功率用半导体开关元件进行导通/断开，使二次电池10产生纹波电流I。关于纹波生成装置20的电路结构，在后续中列举一个例子进行说明。
控制装置30，控制纹波生成装置20，使得通过使二次电池10产生纹波电流I来从内部对二次电池10升温。此处，控制装置30，基于二次电池10的阻抗的频率特性，控制纹波生成装置20，使得二次电池10产生二次电池10的阻抗的绝对值相对降低的频率区域的频率的纹波电流I。
以下，关于通过使二次电池10积极的产生纹波电流I，对二次电池10有效的升温的技术(以下，也将此升温称为“纹波升温”)的概念详细的进行说明。
图2是表示二次电池10的电压的详细内容的图。并且，此图2中，为了简单，内部电阻仅仅是实部，没有L，C等的虚部。参照图2，二次电池10的端子间产生的电压V，是对开路电压OCV，考虑了通电时内部电阻12产生的电压ΔV的电压。具体的，在充电电流流过的时候，成为V＝OCV+ΔV，在放电电流流过的时候，成为V＝OCV-ΔV(ΔV＞0)。
现在，在二次电池10流过电流I时候的发热量Q，在内部电阻12的电阻值设为R的时候，能够由下式表示。
Q＝I2×R    ...(1)
＝I×ΔV    ...(2)
＝ΔV2/R    ...(2)
此(1)～(3)式等价。根据(1)式的时候，如果增大使用纹波产生装置20产生的纹波电流I的话，可以看到能够对二次电池10有效的升温。但是，实际上，如上所述，关于二次电池的电压V，从安全性和耐久性的观点来看，要求保持电池的上下限电压。然后，特别是在极低温下，由于内部电阻12的电阻值R变大，电压ΔV变大，就会产生不能在将二次电池10的电压V抑制在上下限内的同时，流动用于发热的足够的电流I的事态。
也就是说，内部电阻12的电阻值R变大的低温下(特别是极低温下)时，电压ΔV成为制约，二次电池10不能流过纹波电流I，产生了不能有效升温二次电池10的事态。因此，本发明中，着眼于(3)式以及电池10的阻抗的频率特性，由纹波生成装置20产生二次电池10的阻抗(内部电阻12的电阻值R)的绝对值相比于其他的频率区域相对小的频率区域的纹波电流。如此，能够增大二次电池10的发热量，有效的升温二次电池10。
图3是表示二次电池10的阻抗特性的奈奎斯特曲线图。并且，作为解析二次电池的电气特性的方法，公知的是电化学阻抗谱“也称为EIS(Electrochemical Impendance Spectroscopy)。”，此奈奎斯特曲线图，是使用EIS在复平面上表示电池10的阻抗特性的图。
参照图3，二次电池10的阻抗Z，能够使用下式表示。
Z＝R1+iR2…(4)
＝|Z|eiθ…(5)
图3中，横轴，表示实数成分(R1)，纵轴，表示虚数成分(R2)。并且，关于纵轴的虚数成分(R2)，在图3中，将上方向作为负，下方向作为正。然后，距离原点的距离，表示表示阻抗Z的大小的绝对值|Z|，和横轴(实数轴)的夹角，表示阻抗Z的相位θ。
并且，图4、图5是表示二次电池10的阻抗特性的波特图。此波特图，也是使用EIS表示电池10的阻抗特性的图。图4表示阻抗Z的绝对值|Z|的频率特性，图5表示表示阻抗Z的相位θ的频率特性。
图4、图5中，横轴以对数表示来表示使二次电池10产生的交流电流(纹波电流)的频率。纵轴，在图4中是以对数表示来表示阻抗Z的绝对值|Z|，在图5中是以对数表示来表示阻抗Z的相位θ。
如图3，图4所示，在要求二次电池10的升温的低温下，阻抗Z的绝对值|Z|与非低温时相比增大，此增大为显著的情况，是在纹波电流的频率为低频率的情况。特别是，频率在1kHz附近时，阻抗Z的绝对值|Z|，与其他的频率区域相比小，并且，即使在极低温下也仅仅最多是非低温时(常温时)的3倍程度(图4的A部)。进一步的，如图5所示，此频率区域中，因为阻抗Z的相位θ也在零附近，功率因数为1，效率也很好。
因此，在此实施方式一中，基于此二次电池10的阻抗的频率特性，通过纹波生成装置20产生二次电池10的阻抗Z的绝对值|Z|相对降低的频率区域(此实施方式一中大约为1kHz)的纹波电流。如此，能够保持二次电池10的内部电阻12产生的电压ΔV的制约，并且，有效的在二次电池10流过纹波电流，此结果是，能够对二次电池10有效的升温。
图6是表示将内部电阻12产生的电压ΔV作为约束条件，在极低温时能够流过二次电池10的纹波电流I的峰值I0的图。参照图6，横轴表示纹波电流的频率，纵轴表示电压ΔV的约束条件下流过二次电池10的电流(假设为正弦波)的峰值I0。并且，此处，作为一个例子，表示电压ΔV＝0.5V，二次电池10的温度T＝-30℃(极低温)的情况。
如图6所示，在二次电池10的阻抗的绝对值相对小的频率区域(1kHz附近)，流过二次电池10的电流增大。低频率时或者直流时，给予作为电压ΔV＝0.5V的约束条件的时候，在二次电池10几乎完全不能流过电流，不能对二次电池升温。
并且，图7是表示将内部电阻12产生的电压ΔV作为约束条件，在极低温时能够在二次电池10产生的平均发热量的图。参照图7，横轴表示纹波电流的频率，纵轴表示纹波1周期中二次电池10的平均发热量。并且，此处也是作为一个例子，表示电压ΔV＝0.5V，二次电池10的温度T＝-30℃(极低温)的情况。
如图7所示，在二次电池10的阻抗的绝对值相对小的频率区域(1kHz附近)，二次电池10的发热量增大。低频率时或者直流时，给予作为电压ΔV＝0.5V的约束条件的时候，在二次电池10几乎完全不能流过电流，不能对二次电池升温。
并且，图8是表示将二次电池10的内部电阻12产生的电压ΔV作为约束条件，在极低温时I0cosθ的大小的图。此处，因为发热量Q，与I0×|ΔV|×cosθ成比例，在使电压ΔV一定的时候，I0cosθ是与发热量Q成比例的值。并且，此处，也是作为一个例子，表示电压ΔV＝0.5V，二次电池10的温度T＝-30℃(极低温)的情况。
参照图8，在二次电池10的阻抗的绝对值相对小的频率区域(1kHz附近)，I0cosθ增大。因此，使二次电池10产生使得I0cosθ最大的频率的纹波电流的时候，能够使二次电池10的发热量Q最大。
本发明中，基于二次电池10的阻抗的频率特性，由纹波生成装置20，产生二次电池10的阻抗的绝对值相对降低的频率区域(此实施方式一中，例如1kHz附近)的纹波电流。如此，能够增大二次电池10的发热量Q，有效的升温二次电池10。
接着，关于图1所示的纹波生成装置20以及控制装置30的具体的结构的一个例子进行说明。
图9是表示图1所示的纹波生成装置20的电路结构的一个例子的图。参照图9，纹波生成装置20，包含功率用半导体开关元件(以下，也简单的称为“开关元件”)Q1、Q2，二极管D1、D2，电抗器L1，电容CH。
开关元件Q1、Q2，在正极线PL2和连接到二次电池10的负极的负极线NL之间串联连接。然后，开关元件Q1的集电极连接到正极线PL2，开关元件Q2的发射极连接到负极线NL。二极管D1，D2，分别与开关元件Q1，Q2逆并联。电抗器L1的一端连接到与二次电池10的正极连接的正极线PL1，另一端连接到开关元件Q1，Q2的连接节点ND，电容CH，连接到正极线PL2和负极线NL之间。
并且，作为所述开关元件Q1，Q2，能够使用例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)(Insulated Gate Bipolar Transistor)或者，功率MOS(金属氧化物半导体)(Metal Oxide Semiconductor)晶体管等。
此纹波生成装置20，通过对应于来自控制装置30的控制信号PWMC相互辅助的导通/断开开关元件Q1，Q2，使二次电池10产生对应于开关元件Q1，Q2的开关频率的纹波电流IB。具体的是，将对二次电池10充电的纹波电流IB作为正的时候，开关元件Q1，Q2分别为断开、导通状态的时候，纹波电流IB在负方向上增加。纹波电流IB成为负，之后，开关元件Q1，Q2分别切换到导通、断开状态的时候，纹波电流IB开始在正方向上增加。然后，纹波电流IB为正，之后，再次将开关元件Q1，Q2分别切换到断开、导通状态的时候，纹波电流IB开始在负方向上增加。能够如此的使二次电池10产生对应于开关元件Q1，Q2的开关频率的纹波电流IB。
图10是控制装置30的功能框图。参照图10，控制装置30，包含：纹波频率设定部32，载波生成部34，PWM(Pulse Width Moduation：脉冲宽度调制)信号生成部36。纹波频率生成部32，设定纹波生成装置20的开关元件Q1，Q2的开关频率，也就是使二次电池产生的纹波电流的频率(以下，也称为“纹波频率”)f。具体的，纹波频率设定部32，基于如图3～图5所示的二次电池10的阻抗的频率特性，设定二次电池10的阻抗的绝对值相对小的频率(例如1kHz附近)作为纹波频率f，向载波生成部34输出此设定的纹波频率f。
载波生成部34，生成具有从纹波频率设定部32接受的纹波频率f的载波信号CR(三角波)，向PWM信号生成部36输出此生成的载波信号CR。
PWM信号生成部36，将预定的占空比指令值d(为0.5。)与从载波生成部34接受的载波信号CR比较大小，对应于此比较结果，生成逻辑状态变化的PWM信号。然后，PWM信号生成部36，将此生成的PWM信号作为控制信号PWMC向纹波生成装置20的开关元件Q1，Q2输出。
图11是表示纹波电流IB的变动的图。参照图11，例如在时刻t1中，载波信号CR比占空比指令值d(＝0.5)大的时候，断开上臂的开关元件Q1，导通下臂的开关元件Q2。如此，纹波电流IB(图9)，转为向负方向的增加，在电抗器L1(图9)中储存的能量放出了的定时，电流IB的符号从正切换到负。
在时刻t2中，载波信号CR比占空比指令值d小的时候，导通上臂的开关元件Q1，断开下臂的开关元件Q2。如此，纹波电流IB，转为向正方向的增加，在电抗器L1中储存的能量放出了的定时，电流IB的符号从负切换到正。
然后，在时刻t3中，再次载波信号CR比占空比指令值d大的时候，分别将开关元件Q1，Q2断开，导通，纹波电流IB再次转为向负方向的增加。
如此，能够使二次电池10产生具有载波信号CR的频率也就是纹波频率f的纹波电流IB。
如上所述，在此实施方式一，通过由纹波生成装置20使二次电池10积极的产生纹波电流，从内部升温二次电池10。此处，因为纹波频率，基于二次电池10的阻抗的频率特性，被设定为阻抗的绝对值相对降低的频率区域的频率(例如，1kHz附近)，即使是极低温，也能够保持电池的上下限电压并且在电池内部流过用于发热的充分的电流。如此，根据此实施方式一，能够通过从内部有效的使电池10发热，对二次电池10进行有效的升温。
并且，根据本实施方式一，在通过图9所示的电路实现纹波生成装置20的情况下，因为用于升温二次电池10的能量源仅仅是二次电池10(不需要另外的电源)，能够有效的升温二次电池10。
进一步的，根据此实施方式一，因为使用二次电池10的内部电阻的发热从二次电池10的内部发热，不会产生使用加热器等从外部加热的情况下可能产生的加热不均。并且，因为电池的内部电阻越是低温越大，在串联的电池单元中越是低温的电池单元发热量越大，所以能够均一的升温电池。
【实施方式二】
此实施方式二中，二次电池10为锂离子电池，在由于充电方向的纹波电流负极中锂(Li)的析出成为问题的情况下，设定避免Li析出的产生的纹波频率。以下，关于此实施方式二中纹波频率的考虑方式进行说明。
图12是关于二次电池10的电极/电解液界面的等价电路图。参照图12，二次电池10的内部电阻，主要包含：负极析出电阻R1-、负极反应电阻R2-、负极电双层电容C-、正极反应电阻R+、正极电双层电容C+、和电解液电阻Rsol。
负极析出电阻R1-是充电时负极44的电荷移动电阻。负极反应电阻R2-是放电时负极44的电荷移动电阻。负极电双层电容C-，是在负极44和电解液的界面形成的电双层的电容。正极反应电阻R+是正极42侧的电荷移动电阻。正极电双层电容C+是在正极42和电解液的界面形成的电双层的电容。电解液电阻Rsol是电解液的电阻和集电箔等的金属电阻等。并且，负极44中使用例如碳系或者锡合金系的材料。
充电时，由于在负极析出电阻R1-电流流过，产生Li的析出。另一方面，如果使二次电池10产生的纹波电流为高频，电流在负极电双层电容C-流过，几乎完全不流过负极析出电阻R1-。因此，通过设定纹波频率，使得比对应于包含负极析出电阻R1-和负极电双层电容C-的RC电路的时间常数的频率更高，避免负极44中Li析出的产生。
并且，关于负极析出电阻R1-和负极电双层电容C-，能够以例如以下方式进行测定。也就是说，如图13所示，在正极42和负极44之间设置参照极46，测定在正极42以及负极44之间流过电流时的负极44以及参照极46之间的阻抗。然后，在由图3所示的奈奎斯特曲线图表示此测定结果的时候，半圆部的直径为负极析出电阻R1-，能够利用在半圆部的顶点中成立(负极析出电阻R1-)×(负极电双层电容C-)＝1/2πf(f为频率)的关系，如此求得负极电双层电容C-。并且，因为负极44在使用锂金属时仅仅在负极44产生析出反应，能够在负极44中使用锂金属测定负极析出电阻R1-。
或者，分解二次电池10，取代正极42，设置负极44，在集电端子间测定阻抗也可以。此情况下也是，如上所述，可以通过在两集电端子使用锂金属，计算负极析出电阻R1-。
如上所述，此实施方式二中，设定纹波频率，使得比对应于包含负极析出电阻R1-和负极电双层电容C-的RC电路的时间常数的频率更高。如此，根据本实施方式二，能够避免负极中Li析出的产生。
【实施方式三】
本实施方式三中，二次电池10为锂离子电池，在由于充电方向的纹波电流负极中锂(Li)的析出成为问题的情况下，产生纹波电流，使得纹波电流的平均值向放电侧偏置。
作为具体的方法，再次参照图9～图11，例如，通过图9所示的电路实现纹波生成装置20的情况下，也可以是设定纹波升温时的占空比指令值d为比0.5更小的值。或者，通过图9所示的电路实现纹波生成装置20的情况下，纹波升温的必要的能量源仅仅是二次电池10。此处，因为即使是设定纹波升温时的占空比指令值d为0.5，因为纹波电流向放电侧偏置纹波生成装置20中的损失部分，所以也可利用此。
如此，根据本实施方式三，也能够避免负极中Li析出的产生。
【实施方式四】
本实施方式四中，本发明的二次电池的升温装置适用于电动车辆。
图14是适用了本发明实施方式四中二次电池的升温装置的电动车辆的全体框图。参照图14，电动车辆100，包含：二次电池10、升压转换器22、电容CH、变换器50、电动发电机60、驱动轮65。并且，电动车辆100，进一步包含：ECU(电子控制单元)(Electronic Control Unit)70、温度传感器82、电流传感器84、电压传感器86、88。
升压转换器22，基于来自ECU70的控制信号PWMC，将正极线PL2以及负极线NL之间的电压(以下，也称为“系统电压”。)升压到二次电池10的输出电压以上。并且，在系统电压低于目标电压的情况下，能够通过增大开关元件Q2的导通占空比，使电流从正极线PL1向正极线PL2流动，能够使系统电压上升。另一方面，系统电压大于目标电压的情况下，能够通过增大开关元件Q1的导通占空比，使电流从正极线PL2向正极线PL1流动，能够使系统电压降低。
并且，升压转换器22，与电容CH一起，形成图9所示的纹波产生装置20。然后，在预定的纹波升温开始条件成立的时候，升压转换器22，通过基于来自ECU70的控制信号PWMC导通/断开开关元件Q1，Q2，使二次电池10产生纹波电流。
电容CH平滑化正极线PL2以及负极线NL间的电压。并且，电容CH，在二次电池10的纹波升温的执行的时候，作为临时储存来自二次电池10放电的电力的电力缓存使用。
变换器50，基于来自ECU70的控制信号PWMI将来自正极线PL2以及负极线NL供给的直流电力变换为三相交流，向电动发电机60输出，驱动电动发电机60。并且，变换器50，在车辆制动时，基于控制信号PWMI将由电动发电机60发电的三相交流电力变换为直流，向正极线PL2以及负极线NL输出。
电动发电机60是交流电动机，例如，是包含埋设有永磁体的转子的三相交流电动机。电动发电机60，机械的连结到驱动轮65，产生用于驱动车辆的转矩。并且，电动发电机60，在车辆的制动时，从驱动轮65接受车辆的运动能来发电。
温度传感器82，检测二次电池10的温度TB，向ECU70输出此检测值。电流传感器84，检测二次电池10输入输出的电流IB，向ECU70输出此检测值。电压传感器86，检测相当于二次电池10的输出电压的、正极线PL1以及负极线NL之间的电压VB，向ECU70输出此检测值。电压传感器88，检测正极线PL2以及负极线NL之间的电压VH，向ECU70输出此检测值。
ECU70，基于来自电压传感器86，88的电压VB，VH的各个检测值，生成用于驱动升压转换器22的控制信号PWMC，向升压传感器22输出此生成的控制信号PWMC。
并且，ECU70，基于来自温度传感器82的温度TB、二次电池10的剩余容量(以下，也称为“SOC(充电状态)(State Of Charge)”)、表示车辆的速度的车速信号VS、表示未图示的换挡杆的档位的档位信号SP等，判定二次电池10的纹波升温的执行条件是否成立。在纹波升温的执行条件成立的时候，ECU70，生成用于使得二次电池10产生二次电池10的阻抗的绝对值相对小的频率区域(例如1kHz附近)的纹波电流的控制信号PWMC，向升压转换器22输出此生成的控制信号PWMC。
并且，ECU70，生成用于驱动电动发电机60的控制信号PWMI，向变换器50输出此生成的控制信号PWMI。
图15是图14所示的ECU70的关于升压转换器22的控制部分的功能框图。参照图15，ECU70包含：电压指令生成部110、电压控制部112、占空比指令生成部114、PWM信号生成部116、纹波升温条件判定部118、纹波频率设定部120、载波生成部122。
电压指令生成部110，生成表示通过升压转换器22调整的电压VH的目标值的电压指令值VR。例如，电压指令生成部110，基于根据电动发电机60的转矩指令值以及马达转速计算的电动发电机60的功率，生成电压指令值VR。
电压控制部112，从电压指令部110接受电压指令值VR，分别从电压传感器88，86接受电压VH，VB。然后，电压控制部112，执行用于使电压VH和电压指令值VR一致的控制运算(例如比例积分控制)。
占空比指令生成部114，基于来自电压控制部112的控制输出，生成表示升压转换器22的开关元件Q1，Q2的开关占空比的占空比指令值d。此处，占空比指令生成部114，从纹波升温条件判定部118接受意为执行二次电池10的纹波升温的通知的时候，不考虑来自电压控制部112的控制输出，使占空比指令值d成为纹波升温用的预定值(例如0.5(升压比2))。
PWM信号生成部116，比较从占空比指令生成部114接受的占空比指令值d和从载波生成部122接受的载波信号CR的大小，根据此比较结果，生成逻辑状态变化的控制信号PWMC。然后，PWM信号生成部116，向升压转换器22的开关元件Q1，Q2输出此生成的控制信号PWMC。
纹波升温条件判定部118，接受由温度传感器82检测的温度TB，二次电池10的SOC，车速信号VS以及档位信号SP。并且，二次电池10的SOC，使用各种的公知的方法，基于电流IB以及电压VB的各个检测值等计算得到。然后，纹波升温条件判定部118，基于这些各信号，判定二次电池10的纹波升温的执行条件，更详细的是，开始条件、继续条件以及完成条件，基于这些判定结果，向占空比指令生成部114以及纹波频率设定部120通知是否执行纹波升温。
纹波频率设定部120，从纹波升温条件判定部118接受意在执行二次电池10的纹波升温的通知的时候，向载波生成部122输出纹波频率f(实施方式一、二中说明的频率)。
载波生成部122，生成用于在PWM信号生成部116中生成PWM信号的载波信号CR(三角波)，向PWM信号生成部116输出此生成的载波信号CR。此处，载波生成部122，从纹波频率设定部120接受纹波频率f的时候，生成具有此接受的纹波频率f的载波信号CR向PWM信号生成部116输出。
图16是用于说明由ECU70执行的纹波升温的处理顺序的流程图。并且，此流程图表示的处理，是每隔一定时间或者每次预定条件成立从主例程调用执行。
参照图16，ECU70，基于二次电池的温度TB、SOC、车速信号VS、档位信号SP等，判定纹波升温的开始条件是否成立(步骤S10)。作为一个例子，在温度TB表示极低温、SOC比预定值高、车速信号VS表示车辆的停止，并且，档位信号SP表示驻车档的时候，判定为纹波升温的开始条件成立。
步骤S10中判定为开始条件成立的时候(步骤S10中是)，ECU70，通过所述方法执行升温(步骤S20)。接着，ECU70，基于纹波升温开始后的时间、二次电池10的温度TB、SOC、车速信号VS、档位SP等，判定纹波升温的继续条件是否成立(步骤S30)。作为一个例子，温度TB比预定升温完成温度低、SOC比预定值高、车速信号VS表示车辆的停止，档位信号SP表示驻车档，并且，纹波升温开始后的时间没有经过预定时间的话，判定为纹波升温的继续条件成立。然后，判定为继续条件成立的时候(步骤S30中是)，移动处理到步骤S20，继续纹波升温。
在步骤S30中判定为继续条件不成立的时候(步骤S30中否)，ECU70，完成纹波升温(步骤S40)。然后，ECU70，基于二次电池10的温度TB、SOC等，判定纹波升温的完成条件(步骤S50)。作为一个例子，如果温度TB超过预定的升温完成温度，SOC低于下限值，判定为完成条件成立。
在步骤S50中判定为完成条件成立的时候(步骤S50中是)，完成一系列的处理。另一方面，步骤S50中判定为完成条件不成立的时候(步骤S50中否)，输出警报，并且执行预定的异常判定处理(步骤S60)。
图17是二次电池10的纹波升温时的电流IB的波形图。并且，向二次电池10流过充电电流的时候，电流IB为正。参照图17，因为纹波升温时，升压转换器22的载波频率fCR设定为纹波频率f(为1kHz)，电流IB以纹波频率f变动。
并且，因为用于生成纹波电流的能量源仅仅是二次电池10，所以，由于升压转换器22的损失等电流IB向负方向(放电方向)偏置。如此，在二次电池10为锂离子电池的情况下，能够避免随着纹波升温在负极的Li析出的产生。
并且，相对于升压转换器22的通常的升压动作时(非纹波升温时)的开关频率为数kHz～10kHz程度，纹波升温时的纹波频率f为1kHz的程度，比所述的通常动作时的开关频率低。也就是说，ECU70，在纹波升温时，比通常动作时(非纹波升温时)更低的设定升压转换器22的开关频率(或者载波频率)。
并且，如上所述，虽然是通过将升压转换器22的载波频率fCR变更为纹波频率f产生纹波电流，但是不变更载波频率fCR(例如10kHz)，通过给予以纹波频率f进行交流变化的电流指令，产生如图18所示的纹波电流也可以。
如上所述，此实施方式四中，利用升压转换器22执行二次电池10的纹波升温。如此，根据此实施方式四，通过从内部有效的使二次电池10发热，可以有效的升温二次电池10，并且，能够实现不妨碍车辆驱动装置以及车辆自身的小型化以及低成本化的二次电池10的升温装置。
【实施方式五】
再次参照图14，在使用升温转换器22进行二次电池10的纹波升温的情况，开关元件Q1，Q2的占空比成为0.5(升压比为2)的时候，产生的纹波电流(三角波)的峰值Ip，由下式表示。
Ip＝VB/L×1/(4×f)...(6)
此处，L表示电抗器L1的电感，f表示升压转换器22的开关频率(＝纹波频率、载波频率)。
图19表示与发热量成比例的电流I0cosθ的图8中，叠加了纹波电流的峰值Ip的图。参照图19，曲线k1表示与发热量成比例的电流I0cosθ，曲线k2表示由(6)式表示的峰值Ip。也就是说，曲线k1，表示从二次电池10的观点来看的最大电流，曲线k2，表示从电抗器L1的观点来看的最大电流。电流的大小超过曲线k1的时候，因为产生了超过上下限电压的电压，不能流过超过曲线k1的电流。另一方面，能够流过电抗器L1的电流，由曲线k2表示。此处，通过选定相当于曲线k1，k2的交点P1的纹波频率，能够在保持二次电池10的上下限电压的同时使二次电池10的发热量最大。
如上所述，根据本实施方式五，在使用现有的升压转换器22的情况，能够使纹波升温的二次电池10的发热量最大。
【实施方式六】
再次参照图19，因为交点P1，不是曲线k1的最大点，实施方式五中，从最合适实施二次电池10的纹波升温的观点来看，不能说升压转换器22的电抗器L1的阻抗L是最合适的。因为能够流过升压转换器22的电抗器L1的最大电流，由所述(6)式表示，如果合适的设计升压转换器22的电抗器L1的阻抗L，能够使二次电池10产生的纹波电流最大。
图20是用于说明为了使得二次电池10中产生的纹波电流最大的电抗器L1的阻抗L的设计方法的图。参照图20，曲线k3，表示(6)式表示的纹波电流的峰值Ip。此实施方式六中，设计电抗器L1的阻抗L，使得在表示与发热量成比例的电流I0cosθ的曲线k1的最大点P2，曲线k3与曲线k1相交。并且，如果与实施方式五相比较，本实施方式六中，设计升压转换器22使得相对于实施方式五电抗器L1的阻抗L变小。
如上所述，根据本实施方式六，通过合适的设计升压转换器22的电抗器L1的阻抗L，能够使二次电池10产生的纹波电流最大。
【实施方式七】
如上所述，使用升压转换器22实施二次电池10的纹波升温的情况，比通常的升压动作时更低的设定升压转换器22的载波频率(开关元件Q1，Q2的开关频率)(例如设定为1kHz)的时候，电流的噪声增大，并且，由于产生的噪声进入可听区域，噪音成为问题。并且，在效率方面也是，纹波升温时的电抗器L1的损失成为问题。
此处，本实施方式七中，在升压转换器中另外设置纹波升温用的电抗器。然后，在此纹波升温用的电抗器中，设计阻抗使得，即使是维持升压转换器22的载波频率为与通常动作时相同的高频率，也能够得到充分的纹波电流。
图21是实施方式七中升压转换器的电路图。并且，在升压转换器以外的结构，是与图14所示的结构相同。参照图21，升压转换器22A，在图14所示的升压转换器22的结构中，进一步包含电抗器L2、和开关SW1。
电抗器L2，与电抗器L1并列的设置。此电抗器L2，是纹波升温用的电抗器，设计为比通常的升压动作用的电抗器L1阻抗更小。例如，希望在纹波升温时产生为使用电抗器L1的通常动作时产生的电流纹波的10倍的纹波电流的情况下，设计纹波升温用的电抗器L2的阻抗为电抗器L1的阻抗的1/10即可。
并且，考虑到低阻抗以及提高效率的时候，优选的，使用空芯型的线圈作为电抗器L2。通过使用空芯型的线圈，能够降低电抗器的损失(铁损)，可以提高效率。
开关SW1，设置在电抗器L1，L2和正极线PL1之间。然后，开关SW1，对应于未图示的来自ECU70的切换信号CTL，电连接正极线PL1到电抗器L1，L2的任一方。升压转换器22A的其它的结构，与图14所示的升压转换器22相同。
此升压转换器22A中，在通常的升压动作时(非纹波升温时)，对应于来自ECU70的切换信号CTL，通过开关SW1连接电抗器L1到正极线PL1，将电抗器L2从正极线PL1切断。另一方面，在纹波升温时，对应于切换信号CTL，通过开关SW1连接电抗器L2到正极线PL1，将电抗器L1从正极线PL1切断。并且，开关元件Q1，Q2的开关频率(升压转换器22A的载波频率)，在纹波升温时也和通常的升压动作时相同(例如，数kHz～10kHz程度)。
如上所述，本实施方式七中，因为，设置纹波升温用的电抗器L2，在纹波升温时，从通常动作用的电抗器L1切换到电抗器L2，没有必要在纹波升温时更低的设定升压转换器22的开关频率(升压转换器22A的载波频率)。如此，根据本实施方式七，能够避免随着纹波升温的噪音增大的问题。
并且，如果使用空芯型的线圈作为纹波升温用的电抗器L2，在纹波升温时，能够降低电抗器的损失(铁损)，提高纹波升温的效率。
【变形例】
如上所述，因为纹波升温用的电抗器L2的阻抗，比已设的电抗器L1的阻抗小，所以也可以是，一直将电抗器L1连接到正极线PL1，在纹波升温时，将电抗器L2并列的电连接到电抗器L1。
图22是实施方式七的变形例中升压转换器的电路图。参照图22，升压转换器22B，在如图21所示的升压转换器22A的结构中，取代开关SW1包含开关SW2。
开关SW2，在电抗器L2和正极线PL1之间设置。开关SW2，对应于未图示的来自ECU70的切换信号CTL导通/断开。并且，电抗器L1直接连接到正极线PL1。升压转换器22B的其他的结构，与图21所示的升压转换器22A相同。
此升压转换器22B中，通常的升压动作时(非纹波升温时)，对应于来自ECU70的切换信号CTL断开开关SW2，将电抗器L2从正极线PL1切断。另一方面，在纹波升温时，对应于切换信号CTL导通开关SW2，将电抗器L2连接到正极线PL1。因为电抗器L2的阻抗，比电抗器L1的阻抗小，所以通过如此的结构也能够在纹波升温时得到与实施方式七同样的特性。
【实施方式八】
图23，24是表示二次电池10的阻抗特性的波特图。参照图23，24，在实施方式七以及其变形例中，纹波升温时使二次电池10产生的纹波电流的频率(纹波频率)，与通常的升压动作时相同，例如数kHz～10kHz，如图23，24中箭头表示的，在超过数kHz的高频区域中，二次电池10的阻抗Z的绝对值|Z|变大，相位θ变大。然后，阻抗的增大，如上所述，存在在二次电池10的电压上下限的制约下不能充分的流过纹波电流的可能性。
图25是表示二次电池10的阻抗特性的奈奎斯特曲线图的原点附近的扩大图。参照图25，从图25可以看出，频率超过1kHz的时候，二次电池10的阻抗的绝对值|Z|增加，相位θ也增加。然后，从此图25可以看出，因为阻抗的增加是，由于L成分的增加，相位θ也是接近90°，所以阻抗的实数成分变化小。
此处，因为二次电池10的发热量，与I0×|ΔV|cosθ＝I02×|Z|cosθ成比例，即使是由于L成分的增加阻抗增加，但是二次电池10的发热量，在相位θ约为0的时候，也就是1kHz附近的时候，几乎没有变化。也就是说，L成分的增加引起的阻抗的增加，对二次电池10的发热量的增加几乎没有影响，同时，如直到现在所述的，在二次电池10的电压上下限的制约下，存在不能充分的流过纹波电流的可能性。
另一方面，在此高频区域，L成分的增加引起的阻抗的增加，不是以二次电池10的电化学的特性为起因，而是以二次电池10的结构为起因。此处，本实施方式8中，表示了二次电池10中可以抑制高频区域的L成分的增加的电极结构。
图26是用于说明实施方式八中二次电池的电极结构的特征部分的图。参照图26，二次电池10的电极体132包含：本体部134、正极集电箔部136、负极集电箔部138、正极集电端子140、负极集电端子142、焊接部144。
此二次电池10的结构上的特征，是连接正极集电端子140和正极集电箔部136的焊接部144、以及连接负极集电端子142和负极集电箔部138的焊接部144的各自的面积充分大。通过增大焊接部144的面积，能够抑制L成分的增加。并且，增大焊接部144的面积，可以是如图26所示的以线或者面形成焊接部144，也可以是增加焊接点的数量。
并且，作为电极的结构，也可以不是在正极以及负极之间隔着间隔体卷成的卷绕结构，而是采用平板型结构。
如上所述，根据此实施方式八，因为能够抑制高频区域中阻抗的增大，在采用了实施方式七以及其变形例的结构的情况下，能够避免在二次电池10的电压上下限的制约下不能充分的流过纹波电流的可能性。
并且，上述中，电动车辆100，可以是将电动发电机60作为唯一的行驶用动力源的电动汽车，也可以是进一步搭载发动机作为行驶用动力源的混合动力车辆，进一步的，也可以是在二次电池10的基础上进一步搭载燃料电池作为直流电源的燃料电池车辆。
并且，上述中，控制装置30以及ECU70，对应于本发明中“控制装置”，升压转换器22，22A，22B，对应于本发明中“升压装置”。并且，开关元件Q1，Q2，对应于本发明的“第一以及第二开关元件”，电抗器L1，L2分别对应于本发明的“第一电抗器”以及“第二电抗器”。
此处展示的实施例，所有的点均为示例，绝对不能认为是对本发明的限制。本发明的范围，不是由上述的实施例中的说明表示，而是由权利要求的范围展示，与权利要求的范围均等的意义以及范围内的所有变更均包含其中。
符号的说明
10二次电池，12内部电阻，20纹波生成装置，22，22A，22B升压转换器，30控制装置，32，120纹波频率设定部，34，122载波生成部，36，116PWM信号生成部，42正极，44负极，46参照极，50变换器，60电动发电机，65驱动轮，70ECU，82温度传感器，84电流传感器，86，88电压传感器，110电压指令生成部，112电压控制部，114占空比指令生成部，118纹波升温条件判定部，132电极体，134电极部，136正极集电箔部，138负极集电箔部，140正极集电端子，142负极集电端子，144焊接部，PL1，PL2正极线，NL负极线，L1，L2电抗器，Q1，Q2开关元件，D1，D2二极管，CH电容，ND连接节点，R1-负极析出电阻，R2-负极反应电阻，C-负极电双层电容，R+正极反应电阻，C+正极电双层电容，Rsol电解液电阻，SW1，SW2开关。

Claims (11)

1.一种二次电池的升温装置，包含：
连接到二次电池(10)，构成为使所述二次电池积极地产生预定频率的纹波电流的纹波生成装置(20；22)；和
用于控制所述纹波生成装置使得通过使所述二次电池产生所述纹波电流来对所述二次电池升温的控制装置(30；70)，
所述预定频率，基于所述二次电池的阻抗的频率特性，设定为所述阻抗的绝对值相对降低的频率区域的频率。
2.如权利要求1所述的二次电池的升温装置，其中，
所述纹波生成装置是构成为能够将输出电压升压为所述二次电池的电压以上的斩波型的升压装置。
3.如权利要求2所述的二次电池的升温装置，其中，
所述控制装置，在要求所述二次电池的升温时，将所述升压装置的开关频率设定为所述预定频率。
4.如权利要求2所述的二次电池的升温装置，其中，
所述控制装置，在要求所述二次电池的升温时，将所述升压装置的开关频率设定为比所述二次电池的非升温时低的值。
5.如权利要求2所述的二次电池的升温装置，其中，
所述升压装置，包含：
在电压输出线对的各自之间串联连接的第一开关元件以及第二开关元件(Q1，Q2)；和
连接到所述第一开关元件以及所述第二开关元件的连接节点与所述二次电池的正极之间，具有预定的电感的电抗器(L1)，
所述控制装置，在要求所述二次电池的升温时，设定所述第一开关元件以及所述第二开关元件的开关频率，使得在不超过根据所述二次电池的阻抗的频率特性和所述二次电池的电压限制按所述纹波电流的各频率确定的所述二次电池的最大通电量的范围，所述纹波电流成为最大。
6.如权利要求2所述的二次电池的升温装置，其中，
所述升压装置，包含：
在电压输出线对的各自之间串联连接的第一开关元件以及第二开关元件(Q1，Q2)；和
连接到所述第一开关元件以及所述第二开关元件的连接节点与所述二次电池的正极之间的电抗器(L1)，
所述电抗器的电感被设定为，使得根据所述二次电池的阻抗的频率特性和所述二次电池的电压限制按所述纹波电流的各频率确定的所述二次电池的发热量成为最大。
7.如权利要求1所述的二次电池的升温装置，其中，
所述预定频率，基于所述二次电池的阻抗的频率特性，设定为大致1kHz。
8.如权利要求1所述的二次电池的升温装置，其中，
所述二次电池是锂离子电池，
所述预定频率，设定为比与根据在所述锂离子电池流过充电电流时的负极的析出电阻(R1-)和所述负极的电双层电容(C-)确定的时间常数对应的频率高。
9.如权利要求1所述的二次电池的升温装置，其中，
所述二次电池是锂离子电池，
所述控制装置，控制所述纹波生成装置，使所述二次电池产生所述纹波电流的平均值向所述锂离子电池的放电侧偏移了的纹波电流。
10.一种二次电池的升温装置，包含：
连接到二次电池(10)，构成为使所述二次电池积极地产生预定频率的纹波电流的纹波生成装置(22A；22B)；和
用于控制所述纹波生成装置使得通过使所述二次电池产生所述纹波电流来对所述二次电池升温的控制装置(70)，
所述纹波生成装置是，构成为能够将输出电压升压为所述二次电池的电压以上的斩波型的升压装置，
所述升压装置，包含：
在电压输出线对的各自之间串联连接的第一开关元件以及第二开关元件(Q1，Q2)；
在所述第一开关元件以及所述第二开关元件的连接节点与所述二次电池的正极之间设置的第一电抗器(L1)；
与所述第一电抗器并联设置，电感比所述第一电抗器小的第二电抗器(L2)；和
在要求所述二次电池的升温时，代替所述第一电抗器或者与所述第一电抗器一起，在所述连接节点和所述二次电池的正极之间连接所述第二电抗器的连接装置(SW1，SW2)。
11.一种车辆，包含：
储蓄车辆行驶用的电力的二次电池(10)；和
在要求所述二次电池的升温时对所述二次电池升温的、如权利要求1至10中任一项记载的二次电池的升温装置。
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