JP2011146183A

JP2011146183A - 二次電池の昇温装置

Info

Publication number: JP2011146183A
Application number: JP2010004605A
Authority: JP
Inventors: Hichirosai Oyobe; 七郎斎及部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】簡便な方法でより効率的に二次電池の昇温を行う。
【解決手段】上アームトランジスタ２３と上アームトランジスタ２３と交互にオンオフされる下アームトランジスタ２５とを含む昇圧コンバータ２０と、二次電池１０に流れる電流を検出する電流センサ３３と、各トランジスタ２３，２５をオンオフさせる制御部５０と、を含む二次電池の昇温装置１００であって、制御部５０は、各トランジスタ２３，２５をオンオフさせるスイッチング周波数を変化させながら、電流センサ３３によって各トランジスタ２３，２５のオンオフ状態が切り替わる際のピーク電流を順次検出し、ピーク電流の電流差が最大となる周波数を選択するスイッチング周波数選択手段と、スイッチング周波数選択手段で選択したスイッチング周波数によって各トランジスタ２３，２５をオンオフし、二次電池１０の温度を昇温する昇温手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池をリップル電流で昇温する二次電池の昇温装置に関する。

ハイブリッド車両や電動車両の電源としてリチウムイオン電池やニッケル水素電池のような充放電可能な二次電池が多く用いられている。このような二次電池は、一般に、温度が低下すると充放電特性が低下してくるので、低温起動の際のように二次電池の温度が低い場合には、速やかに電池の温度を昇温することが必要となる。

そこで、低温時に二次電池の充電と放電とを交互にパルス状に繰返し、二次電池の内部発熱により二次電池を昇温する方法が提案されている（例えばと、特許文献1参照）。この方法は、バッテリ温度に応じて、充放電パターンの最大振幅を規制するリミッタ値を可変設定し、二次電池の温度が規定温度未満のときにリミッタ値の範囲内でパルス電流による充電と放電とを交互に繰り返して二次電池の昇温を行うものである。この方法によると、低温時にバッテリの状態に応じて充放電を制御して内部発熱による温度上昇を促進することができる。

また、二次電池の充電方法について、二次電池の内部共振周波数におけるパルスで充電を行い、充電電流による熱消散や二次電池の損傷を抑制して二次電池を充電する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−３３２７７７号公報特開２００４−５２７９９８号公報

ところで、二次電池の温度が低い場合に、電力用半導体をオンオフさせることによって所定周波数のリップル電流を二次電池に発生させ、このリップル電流によって二次電池を昇温させ、二次電池の内部抵抗による発熱を利用して温度を上昇させる方法がある。この方法の場合、リップル電流の周波数を二次電池の共振周波数にすると特許文献２に記載されているように多くの電流を流すことができることから、二次電池のインピーダンスの絶対値が低くなる共振周波数でリップル電流を発生させて二次電池を昇温することが用いられることがある。

しかし、二次電池の内部共振周波数は、温度や残存容量、劣化度等によって変化するため、低温起動の際の二次電池の内部共振周波数を求めようとする場合には、その都度二次電池の特性を調べることが必要となることから、常に効率的なリップル周波数で二次電池の昇温を行うことが困難であった。

本発明は、簡便な方法でより効率的に二次電池の昇温を行うことを目的とする。

本発明の二次電池の充電装置は、オンの場合に二次電池に接続されたリアクトルに電力を蓄えさせる下アームスイッチング素子と、下アームスイッチング素子と交互にオンオフされ、オンの場合にリアクトルに蓄積された電力を放出する上アームスイッチング素子とを含む昇圧コンバータと、二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、各スイッチング素子をオンオフさせる制御部と、を含む二次電池の昇温装置であって、制御部は、各スイッチング素子をオンオフさせるスイッチング周波数を変化させながら、電流検出手段によって各スイッチング素子のオンオフ状態が切り替わる際の二次電池に流れる電流を順次検出し、一の検出電流値とその前後の検出電流値との電流差が最大となる周波数を選択するスイッチング周波数選択手段と、スイッチング周波数選択手段で選択したスイッチング周波数によって各スイッチング素子をオンオフし、二次電池の温度を昇温する昇温手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の二次電池の充電装置において、電流検出手段はリアクトルに流れる電流を検出する電流センサであること、としても好適であるし、制御部は、二次電池の入出力電流の絶対値と二次電池の運転時間とを掛け合わせた値が所定の閾値に達した場合に、再度周波数検出手段を実行すること、としても好適である。

本発明は、簡便な方法でより効率的に二次電池の昇温を行うことができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における二次電池の昇温装置の構成を示す系統図である。本発明の実施形態における二次電池の昇温装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態における二次電池の昇温装置のリップル電流の変化を示すグラフである。スイッチング周波数に対する二次電池の内部インピーダンスＺ、リップル電流Ｉ_Lの変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の二次電池の昇温装置１００は、充放電可能な二次電池１０と、二次電池１０に直列に接続されたリアクトル２２と、オンの場合に二次電池１０に接続されたリアクトル２２に電力を蓄えさせる下アームスイッチング素子である下アームトランジスタ２５と、下アームトランジスタ２５と交互にオンオフされ、オンの場合にリアクトル２２に蓄積された電力を放出する上アームスイッチング素子である上アームトランジスタ２３と、制御部５０を含んでいる。制御部５０は内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムやデータを格納する記憶部を含むコンピュータであり、各トランジスタ２３，２５はそれぞれ制御部５０に接続され、制御部５０の指令によってオンオフするよう構成されている。各トランジスタ２３，２５には、それぞれ逆並列にダイオード２４，２６が接続されており、上アームトランジスタ２３，下アームトランジスタ２５、各ダイオード２４，２６、リアクトル２２は昇圧コンバータ２０を構成する。二次電池１０は、二次電池本体１１に直列に接続された内部にコンデンサ１２とリアクトル１４と抵抗１５と、コンデンサ１２には並列に接続された抵抗１３によって模式的に表される内部インピーダンスＺを含んでいる。

二次電池１０にはその温度を検出する温度センサ３１が取り付けられ、低圧コンデンサ２１にはその両端の電圧を検出する電圧センサ３２が取り付けられ、リアクトル２２と上アームトランジスタ２３或いは下アームトランジスタ２５との間にはリアクトル２２を流れる電流を検出する電流センサ３３が取り付けられている。各センサ３１，３２，３３はそれぞれ制御部５０に接続され、各センサ３１，３２，３３で検出された信号は制御部５０に入力されるよう構成されている。

昇圧コンバータ２０の出力電路である高圧電路２８と基準電路２９とはインバータ４１に接続され、インバータ４１には負荷である車両駆動用のモータジェネレータ４２が接続されている。また、二次電池１０とリアクトル２２との間には二次電池１０と並列に低圧コンデンサ２１が接続され、昇圧コンバータ２０とインバータ４１との間の高圧電路２８と基準電路２９との間には昇圧コンバータ２０と並列に高圧コンデンサ２７が接続されている。

図２を参照しながら以上のように構成された二次電池１０の昇温装置１００の動作について説明する。なお、以下の説明では、昇圧コンバータ２０からインバータ４１、モータジェネレータ４２に供給される電力がない状態について説明する。図２のステップＳ１０１に示すように、昇温装置１００は、内部に設定されている初期スイッチング周波数で上アームトランジスタ２３、下アームトランジスタ２５のオンオフ動作を開始する。初期スイッチング周波数は、例えば、始動の際の二次電池１０の温度における内部インピーダンスＺと共振すると予想される予想共振周波数としても良いし、その温度で予想される予想共振周波数の低いほうの下限周波数としても良いし高い方の上限周波数としてもよい。二次電池１０の内部インピーダンスＺと共振する予想共振周波数は、試験などによって求めたものでも良いし、設計的に求められる共振周波数であってもよい。二次電池１０の内部インピーダンスＺと共振する周波数は５００Ｈｚから２ｋＨｚの間にあることが多いことから、下限の５００Ｈｚを初期スイッチング周波数としても良いし、上限の２ｋＨｚを初期スイッチング周波数としてもよいし、その中間の１ｋＨｚを初期スイッチング周波数としても良い。

図３に示すように、下アームトランジスタ２５がオンとなっている場合には、上アームトランジスタ２３がオフとなっており、二次電池１０からの電流は、リアクトル２２から下アームトランジスタ２５を通って流れ、リアクトル２２に電力が蓄えられる。従って、二次電池１０からリアクトル２２に向かって流れるリップル電流Ｉ_Lは増加していき、上アームトランジスタ２３がオンになると同時に下アームトランジスタ２５がオフとなる図３に示す時間ｔ₁に、リップル電流Ｉ_Lはピーク電流Ｉ₁となる。

そして、図３に示す時間ｔ₁に、上アームトランジスタ２３がオンになると同時に下アームトランジスタ２５がオフと、リアクトル２２に蓄えられていた電力は上アームトランジスタ２３を通って高圧電路２８に放出されていく。高圧電路２８の電圧は二次電池１０の電圧よりも高いため、リアクトル２２に蓄積された電力が放出されるにつれてリアクトルから上アームトランジスタ２３に向かうリップル電流Ｉ_Lはピーク電流Ｉ₁から低下してくる。そして、リアクトル２２に蓄積された電力が全て放出されると、リアクトル２２から上アームトランジスタ２３に流れる電流はゼロとなる。その後、電圧の高い高圧電路２８から電圧の低い二次電池１０に向かって逆方向に電流が流れ出すのでリップル電流Ｉ_Lはマイナスとなる。その後、リップル電流Ｉ_Lはマイナス方向に増加し、上アームトランジスタ２３がオフになると同時に下アームトランジスタ２５がオンとなる図３に示す時間ｔ₂に、リップル電流Ｉ_Lはマイナス側のピーク電流Ｉ₂となる。

そして、上アームトランジスタ２３がオフとなり、下アームトランジスタ２５がオンとなるとリアクトル２２に蓄えられた電力は一度、二次電池１０に充電されるが、リアクトル２２に蓄えられた電力が無くなってくるにつれて二次電池１０に充電されるリップル電流にＩ_Lの絶対値が小さくなり、その後リップル電流Ｉ_Lは二次電池１０からリアクトル２２に向かうプラス方向に流れるようになり、再びリアクトル２２に電力が蓄積される。

このように、制御部５０は、所定のスイッチング周波数で上アームトランジスタ２３，下アームトランジスタ２５をオンオフさせて、二次電池１０を周期的に充放電するリップル電流Ｉ_Lを流す。

図２のステップＳ１０２に示すように、制御部５０は、上アームトランジスタ２３と下アームトランジスタ２５のオンオフの状態が変化する図３に示す時間ｔ₁からｔ₇の各タイミングで電流センサ３３によって各ピーク電流Ｉ₁，Ｉ₂を取得する。そして、図２のステップＳ１０３に示すように、制御部５０は、各ピーク電流Ｉ₁，Ｉ₂の差（Ｉ₁−Ｉ₂）を計算し、記憶部に電流差ΔＩ₁として格納する。

図２のステップＳ１０４に示すように、制御部５０は、スイッチング周波数を変更する。例えば、初期のスイッチング周波数を下限周波数の５００Ｈｚとした場合には、制御部５０は、スイッチング周波数を５００Ｈｚよりも少し高い周波数に変更する。また、初期スイッチング周波数が上限周波数の２ｋＨｚであった場合には、スイッチング周波数を２ｋＨｚよりも少し低い周波数に変更する。そして、図２のステップＳ１０５に示すように、先に説明したと同様の方法で各ピーク各ピーク電流Ｉ₁，Ｉ₂を取得し、図２のステップＳ１０６に示すように、制御部５０は、各ピーク電流Ｉ₁，Ｉ₂の差（Ｉ₁−Ｉ₂）を計算し、記憶部に電流差ΔＩ₂として格納する。

図４に示すように、スイッチング周波数が変化すると図４に実線ａで示す二次電池１０の内部インピーダンスＺと図４に一点鎖線ｂで示すリップル電流Ｉ_Lも変化する。図４に示すように、スイッチング周波数が二次電池１０の内部インピーダンスＺの共振周波数ｆ₀となる場合に線ａの二次電池の内部インピーダンスＺは最低となり、逆に一点鎖線ｂのリップル電流Ｉ_Lは最大となる。初期スイッチング周波数を上限周波数或いは下限周波数とした場合、初期スイッチング周波数からスイッチング周波数を増加、或いは減少させた際にはリップル電流Ｉ_Lが増加することとなる。このため、図２のステップＳ１０７に示すように、制御部５０は、記憶部に格納した最初の電流差ΔＩ₁とスイッチング周波数を変更した後の電流差ΔＩ₂とを比較し、スイッチング周波数を変更した後の電流差ΔＩ₂のほうが初期スイッチング周波数による電流差ΔＩ₁よりも大きい場合には、図２のステップＳ１０８に示すように、記憶部に格納した電流差ΔＩ₂を電流差ΔＩ₁に置き換える。そして、制御部５０は図２のステップＳ１０４に戻って更にスイッチング周波数を増減して、記憶部に格納した前回の電流差ΔＩ₁と次の電流差ΔＩ₂とを比較し、次の電流差ΔＩ₂のほうが前回の電流差ΔＩ₁よりも大きい場合には、記憶部に格納した電流差ΔＩ₂を電流差ΔＩ₁に置き換える動作を継続する。そして、制御部５０は、図２のステップＳ１０７に示すように、記憶部に格納した前回の電流差ΔＩ₁と次の電流差ΔＩ₂とを比較し、次の電流差ΔＩ₂のほうが前回の電流差ΔＩ₁よりも大きくない場合には、制御部５０はスイッチング周波数が二次電池１０の内部インピーダンスＺの共振周波数ｆ₀を超えたと判断し、図２のステップＳ１０９に示すように、前回、すなわち変更直前のスイッチング周波数を昇温用スイッチング周波数として選択する。

そして、図２のステップＳ１１０に示すように、制御部５０は、選択した昇温用スイッチング周波数で上アームトランジスタ２３、下アームトランジスタ２５をオンオフ動作させ、二次電池１０に流れるリップル電流Ｉ_Lによって二次電池１０の昇温を行う。この場合、スイッチング周波数は二次電池１０の内部インピーダンスＺの共振周波数ｆ₀となっていることから、最大のリップル電流Ｉ_Lを流すことができ、効率的に二次電池１０の昇温を行うことができる。そして、図２のステップＳ１１１に示すように、二次電池１０の温度が所定の温度まで上昇したら、昇温動作を停止する。

以上説明した実施形態では、最大のリップル電流Ｉ_Lを流すことができる二次電池１０の内部インピーダンスＺの共振周波数ｆ₀を既設の電流センサ３３を利用して簡便に特定することができるので、車両を停止して搭載している二次電池１０のインピーダンスを別途計測することなしに効率的に二次電池１０の昇温を行うことができる。また、以上の説明では昇圧コンバータ２０からインバータ４１、モータジェネレータ４２に供給される電力がない状態での動作について説明したが、昇圧コンバータ２０からインバータ４１、モータジェネレータ４２に供給される電力がある場合には、ピーク電流Ｉ₁，Ｉ₂はゼロを境に上下せず、供給電力に応じた電流Ｉ₀を境に上下することが異なるのみで、その他の動作は同様である。

二次電池１０の内部インピーダンスＺの共振周波数ｆ₀は５００Ｈｚから２ｋＨｚの間にあることが多いので、スイッチング周波数を変化させた場合、これによって発生する音が騒音として認識される場合がある。一方、二次電池１０の内部インピーダンスＺの共振周波数ｆ₀は二次電池１０の劣化によって変化し、二次電池１０の劣化度合いは二次電池１０に流れる電流の絶対値と時間を掛けあわせたクーロン量で評価できる。このため、例えば、二次電池１０がある温度の際に、一度昇温用スイッチング周波数の選択を行った場合には、二次電池１０の温度がその温度の場合には前回選択した昇圧用スイッチング周波数を使って昇温を行うこととし、電流センサ３３によって測定した電流値の絶対値に時間を掛けたクーロン量を積算して記憶部に格納し、積算したクーロン量が所定の閾値以上となった場合にのみ、昇温用スイッチング周波数に選択を行い、騒音の発生を抑制することとしてもよい。再度昇温用スイッチング周波数の選択を行った場合、記憶部に格納した電流値の絶対値に時間を掛けたクーロン量は一端ゼロにリセットし、再度電流値の絶対値に時間を掛けたクーロン量の積算を行う。また、二次電池１０に劣化センサなどを取り付け、そのセンサによって検出される二次電池１０の劣化が所定の値以上となった場合に、昇温用スイッチング周波数の選択を行うようにしてもよい。

以上説明した実施形態では、初期スイッチング周波数を上限周波数或いは下限周波数として周波数を増減させていくこととして説明したが、昇温用スイッチング周波数を選択する方法はこれに限らず、予想した共振周波数の近傍で周波数を変化させて電流差が最大となるような周波数を選択するようにしても良い。

１０二次電池、１１二次電池本体、１２コンデンサ、１３，１５抵抗、１４，２２リアクトル、２０昇圧コンバータ、２１低圧コンデンサ、２２リアクトル、２３上アームトランジスタ、２４，２６ダイオード、２５下アームトランジスタ、２７高圧コンデンサ、２８高圧電路、２９基準電路、３１温度センサ、３２電圧センサ、３３電流センサ、４１インバータ、４２モータジェネレータ、５０制御部、１００昇温装置。

Claims

オンの場合に二次電池に接続されたリアクトルに電力を蓄えさせる下アームスイッチング素子と、
下アームスイッチング素子と交互にオンオフされ、オンの場合にリアクトルに蓄積された電力を放出する上アームスイッチング素子とを含む昇圧コンバータと、
二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、
各スイッチング素子をオンオフさせる制御部と、を含む二次電池の昇温装置であって、
制御部は、各スイッチング素子をオンオフさせるスイッチング周波数を変化させながら、電流検出手段によって各スイッチング素子のオンオフ状態が切り替わる際の二次電池に流れる電流を順次検出し、一の検出電流値とその前後の検出電流値との電流差が最大となる周波数を選択するスイッチング周波数選択手段と、
スイッチング周波数選択手段で選択したスイッチング周波数によって各スイッチング素子をオンオフし、二次電池の温度を昇温する昇温手段と、
を備えることを特徴とする二次電池の昇温装置。
請求項１に記載の二次電池の昇温装置であって、
電流検出手段はリアクトルに流れる電流を検出する電流センサであること、
を特徴とする二次電池の昇温装置。
請求項１または２に記載の二次電池の昇温装置であって、
制御部は、
二次電池の入出力電流の絶対値と二次電池の運転時間とを掛け合わせた値が所定の閾値に達した場合に、再度周波数検出手段を実行すること、
を特徴とする二次電池の昇温装置。