JP2011238428A - 二次電池の充電システム及び充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の充電設備を利用して、寒冷環境下においても、二次電池を定格容量まで充電できるようにする。
【解決手段】電池ユニット２は、二次電池ボックス２１、二次電池ボックス２１を外部から加熱するシートヒータ２２、電池温度を測定する温度センサ２３、充電装置２４、シートヒータ２２のＯＮ−ＯＦＦを切り換える開閉器２５及び制御部２７を含む。制御部２７は、温度センサ２３が計測した電池温度が所定の設定温度以下である場合に、予め定められた許容充電時間内において、充電装置２４を非動作状態とする一方で、開閉器２５を閉じてシートヒータ２２を動作状態とする加熱制御を行う。これにより、二次電池ボックス２１はシートヒータ２２で加熱され、定格容量まで充電を行わせることができる。しかも、シートヒータ２２が動作する際には充電装置２４が非動作状態とされるので、既存の充電設備の電気容量の範囲で対応できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば電気自動車やプラグイン・ハイブリッド自動車等の電動車両に搭載される二次電池の充電システムおよび充電方法に関する。

電気自動車やプラグインハイブリッド自動車など電動車両が、様々な事業所や家庭に普及しつつある。このような電動車両のバッテリとしては、リチウムイオン電池や鉛電池等の二次電池が利用されるのが通常である。とりわけリチウムイオン電池は、軽量で高容量、高出力であるため、電動車両用バッテリとして今後汎用される可能性が高い。

しかしながら、リチウムイオン電池や鉛電池等の二次電池は、環境温度が低温であると本来の定格容量まで充電できなくなる現象が生じる。すなわち、寒冷環境では、充電動作中に充電電流が一定値まで低下しているにも拘わらず、二次電池のフル容量まで充電が行われない。従って、例えば寒冷期の夜間に当該二次電池の充電が行われた場合、一回の充電によって電動車両が走行できる距離が短くなる不具合が生じる。そこで、特許文献１〜３には、充電時に二次電池を加温することによって充電可能な容量を増加させる方策が開示されている。

特開平５−１２４４４３号公報 特開平１１−３４１６９８号公報 特開２００３−３２９０１号公報

ところで、上記のような電動車両の充電は、事業所や家庭、或いは道路沿いや駐車場に設置される充電ステーションに具備されている給電コンセントに、ユーザが電動車両の充電プラグ付きの充電ケーブルを接続することによって実行される。急速充電の場合はさておき、普通充電の場合は、充電時間を可及的に短くするために、給電コンセントの配電線路や充電ケーブルの許容電流に近い電流値にて充電動作が行われる。

このため、１つの充電ステーションにおいて二次電池を電気的に加熱しつつ、当該二次電池の充電を行えるようにすることは、充電ステーションの電気設備容量的に困難である場合が多い。本発明は、このような不具合を解消することが可能な二次電池の充電システムおよび充電方法を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る二次電池の充電システムは、二次電池と、前記二次電池を充電する充電手段と、前記二次電池の温度を計測する温度計測手段と、前記二次電池を外部から加熱する加熱手段と、前記充電手段及び前記加熱手段の動作を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記温度計測手段が計測した電池温度が所定の設定温度以下である場合に、予め定められた許容充電時間内において、前記充電手段を非動作状態とする一方で前記加熱手段を動作状態とする加熱制御を行うことを特徴とする（請求項１）。

この構成によれば、二次電池の電池温度が設定温度以下である場合に、許容充電時間内において当該二次電池を加熱手段により加熱する前記加熱制御が実行される。この許容充電時間とは、例えば電力料金が安価となる夜間電力時間帯に相当する時間である。二次電池が加熱されることによって、充電可能な容量を増加させることができる。また、加熱手段が動作する際には充電手段が非動作状態とされるので、既存の充電設備の電気容量の範囲で対応することが可能である。

上記構成において、前記二次電池の充電可能容量が最大となる電池温度を加熱設定温度とするとき、前記制御手段は、前記二次電池の充電時における温度上昇特性と、前記加熱手段による前記二次電池の加熱特性とを参照して、前記二次電池の充電完了時において該二次電池の電池温度が前記加熱設定温度と同一乃至は近接するよう、前記加熱手段の動作時間を設定することが望ましい（請求項２）。

この構成によれば、二次電池の充電完了時において、該二次電池の電池温度が前記加熱設定温度と同一乃至は近接するまで二次電池が加熱されるので、寒冷環境で充電が行われた場合であっても、当該二次電池の定格容量若しくはその近傍まで充電を行わせることが可能となる。

この場合、前記制御手段が、前記許容充電時間の当初に前記充電手段を非動作状態とする一方で前記加熱手段を動作状態とし、所定の第１時間が経過した後、前記充電手段を動作状態とする一方で前記加熱手段を非動作状態とする制御を行うことは、好ましい態様の一つである（請求項３）。

この構成によれば、二次電池に対する充電が開始される前に当該二次電池が加熱され、充電可能な容量を増加させる処置が施される。

或いは、前記制御手段が、前記許容充電時間の当初に前記充電手段を動作状態とする一方で前記加熱手段を非動作状態とし、所定の第２時間が経過した後、前記充電手段を非動作状態とする一方で前記加熱手段を動作状態とし、所定の第３時間が経過した後、前記充電手段を動作状態とする一方で前記加熱手段を非動作状態とする制御を行うようにしても良い（請求項４）。

この構成によれば、二次電池に対する充電を行い、その環境温度における充電動作が完了した後（第２時間の経過後）に、当該二次電池が加熱される。これにより、二次電池の充電可能な容量が増加する。しかる後、改めて二次電池に対する充電が行われ、当該二次電池の本来の定格容量まで充電が行われる。

上記構成において、前記二次電池が、複数の二次電池セルが接続された電池モジュールと、この電池モジュールを収容するケーシングとを含む二次電池ユニットであり、前記加熱手段が、前記ケーシングの外表面に接して配置されるシートヒータであることが望ましい（請求項５）。

この構成によれば、二次電池の加熱を効率的に、しかもスペースを要することなく行うことができる。

また、前記二次電池は、電気自動車に搭載される車載電池であり、前記充電手段及び加熱手段は、前記電気自動車用の充電ステーションに備えられた給電設備から１の給電配線により電力が供給されることが望ましい（請求項６）。

この構成によれば、電気自動車用の充電ステーションに過度の負荷を与えたり、電気設備容量の大型化を求めたりすることなく、寒冷環境であっても、電気自動車の二次電池が定格容量まで充電されるようにすることができる。従って、一回の充電によって電気自動車用が走行できる距離をマックスに維持することができる。

本発明の他の局面に係る二次電池の充電方法は、充電を行うことが可能な許容充電時間を定めるステップと、充電対象とする二次電池の温度を計測するステップと、前記二次電池の温度が所定の設定温度以下である場合に、前記許容充電時間の一部の時間内において、前記二次電池に対して充電を行うことなく当該二次電池を外部から加熱するステップと、前記許容充電時間の他の時間内において、前記二次電池を外部から加熱することなく当該二次電池に対して充電を行うステップと、を含むことを特徴とする（請求項７）。

この方法によれば、二次電池の電池温度が設定温度以下である場合に、許容充電時間の一部の時間内において当該二次電池が加熱され、許容充電時間の他の時間内において当該二次電池に対して充電が行われる。従って、二次電池が加熱されることによって、充電可能な容量を増加させることができる。また、二次電池の加熱が行われる際には充電動作が行われないので、既存の充電設備の電気容量の範囲で対応することが可能である。

この場合、前記許容充電時間の当初に前記二次電池の外部からの加熱が行われ、所定の第１時間が経過した後、前記外部からの加熱が停止される一方で前記二次電池に対する充電が開始される方法を採用することができる（請求項８）。

或いは、前記許容充電時間の当初に前記二次電池に対する充電が行われ、所定の第２時間が経過した後、前記充電が停止される一方で前記外部からの加熱が開始され、所定の第３時間が経過した後、前記外部からの加熱が停止される一方で前記二次電池に対する充電が開始される方法を採用しても良い（請求項９）。

本発明によれば、充電ステーションの電気設備容量に影響を与えることなく、二次電池を電気的に加熱すると共に、当該二次電池の充電を行なわせることができる。従って、寒冷環境下においても、二次電池を定格容量まで充電できるようになる。

本発明の実施形態に係る電気自動車の充電システムの概要を示す模式図である。 電池ユニットの構成を示すブロック図である。 二次電池の充電温度特性の一例を示すグラフである。 二次電池の普通充電特性を示すグラフである。 充電可能容量と温度との関係を示すグラフである。 制御部の機能ブロック図である。 充電前加熱を行う場合の、二次電池の普通充電特性を示すグラフである。 充電後加熱を行う場合の、二次電池の普通充電特性を示すグラフである。 充電前加熱を行う場合の、二次電池に対する充電動作を示すフローチャートである。 充電後加熱を行う場合の、二次電池に対する充電動作を示すフローチャートである。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る二次電池の充電システムの概要を示す模式図である。本実施形態では、充電対象となる二次電池が、電気自動車１に搭載されている車載の二次電池であり、この二次電池に対し、電気自動車１用の充電ステーションＳに備えられた給電設備によって充電が行われる充電システムを例示する。なお、本実施形態では、１００Ｖ又は２００Ｖの電源を用いて充電が行われる所謂「普通充電」を対象としており、数十ＫＷ級の電力供給容量を備える電源供給設備を用いる所謂「急速充電」は対象としていない。

電気自動車１は、電力をエネルギー源として駆動される電動車両であって、ボディ１０内に、電動モータ、駆動制御系、操舵系、電装系等の、電気自動車が通常備える各種構成部品の他、二次電池ボックス２１及びシートヒータ２２を含む電池ユニット２を備えている。ボディ１０の表面には車両側コンセント１１が具備され、この車両側コンセント１１を介して電池ユニット２に電力が供給される。なお、電気自動車１は、プラグイン・ハイブリッド自動車であっても良い。

充電ステーションＳは、商用電力系統から２００Ｖ又は１００Ｖの電力が供給されている充電コンセント１２を含む。充電コンセント１２には、商用配電系統から商用電力を受電する図略の受電設備から、配電線１２１を介して電力が供給されている。該充電コンセント１２は、例えば夜間の電力料金が割安となる時間帯別電灯料金（夜間電力料金）制度等の料金メニューが採用されている一般家庭内に存在するコンセントである。当該充電ステーションＳは、２４時間いつでも利用可能な充電設備ではあるが、本実施形態では、夜間電力料金の時間帯（２３：００〜翌７：００）を、「予め定めた許容充電時間」と扱い、当該夜間電力料金の時間帯内に二次電池ボックス２１の充電を行うものとする。

充電時において、充電コンセント１２と車両側コンセント１１とは、充電ケーブル１３によって電気的に接続される。充電ケーブル１３の両端にはそれぞれ車両側プラグ１３１及び給電側プラグ１３２が取り付けられている。ユーザは、電気自動車１の充電を行うに際して、車両側プラグ１３１を車両側コンセント１１に、給電側プラグ１３２を充電コンセント１２に接続する。

図２は、電池ユニット２の構成を示すブロック図である。電池ユニット２は、二次電池ボックス２１、シートヒータ２２（加熱手段）、温度センサ２３（温度計測手段）、充電装置２４（充電手段）、開閉器２５、メモリ２６及び制御部２７（制御手段）を備えている。

二次電池ボックス２１は、並列接続された４つの電池モジュール２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄを含む。各電池モジュール２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄは、直列接続された複数個の二次電池セル２１１（二次電池）と、これらを収容するケーシング２１２とからなる。二次電池セル２１１は、充電及び放電のサイクルを繰り返し行うことができる電池であって、例えばリチウムイオン電池、又は鉛蓄電池等からなる単位セルである。二次電池ボックス２１には、充電時においては充電電力が供給される充電端子２１３が備えられている。この充電端子２１３と車両側コンセント１１とは第１配電線２０１で接続されている。

シートヒータ２２は、ケーシング２１２の外表面に接するよう二次電池ボックス２１の底面に敷設され、二次電池ボックス２１（二次電池セル２１１）を外部から加熱する熱を発生する。シートヒータ２２は、例えば、蛇行配線された発熱電線、若しくは導電性ゴムシート等からなる面発熱体を、シート状の絶縁基材で被覆してなる電気発熱体である。このシートヒータ２２には、給電端子２２１を介して電力が供給される。給電端子２２１には、第１配電線２０１から分岐された第２配電線２０２が接続されている。

温度センサ２３は、例えば白金測温抵抗体、サーミスタ、熱電対等の直接接触型の温度センサであり、二次電池ボックス２１（二次電池セル２１１）の温度を計測する。温度センサ２３の装着態様は任意であり、ケーシング２１２の内部に配置しても良いし、ケーシング２１２の外表面にプローブ部を添設する態様としても良い。

充電装置２４は、第１配電線２０１に介在され、充電ステーションＳから商用電力の供給を受けて、自立的に二次電池ボックス２１に対する充電動作を制御するコントローラである。充電装置２４は、例えば、定電流定電圧方式により二次電池ボックス２１の二次電池セル２１１を充電する。この定電流定電圧方式は、充電初期から一定の電流値で充電を行い、充電の進行に伴って蓄電池の電圧が所定の値に達すると、その電圧を維持しながら連続的に充電電流値を減少させてゆく充電方式である。

開閉器２５は、シートヒータ２２への通電のＯＮ−ＯＦＦを切り換えるために、第２配電線２０２に組み入れられている。なお、第１配電線２０１を介して二次電池ボックス２１に充電のための電力が供給される際は、制御部２７によって開閉器２５は必ず「開」とされる。一方、シートヒータ２２を動作させて加熱を行う場合、当然開閉器２５は「閉」とされるが、この場合、第１配電線２０１を介した充電電力の供給は行われない。

これは、二次電池ボックス２１及びシートヒータ２２の双方への電力供給が同時に行われた場合、充電ケーブル１３及び充電コンセント１２の配電線１２１（１の給電配線）の通電許容容量を超過することを考慮したものである。一般に、充電ケーブル１３及び配電線１２１としては、二次電池ボックス２１の充電電流に対応した導体断面積の電線が採用される。つまり、充電電流に他の負荷電流が重畳されることは予定されていないのが一般的である。本実施形態では、シートヒータ２２のための負荷電流が必要となるが、該負荷電流が充電電流に重畳されないようにするために、開閉器２５が備えられている。

メモリ２６は、各種の設定データや、演算処理又は制御処理などのデータを一時的に格納するＲＡＭ（Random Access Memory）等からなる。本実施形態において、メモリ２６には、例えば上述の許容充電時間、後述する電池充電率の現在値、二次電池の充電率−充電時間のテーブル、加熱設定温度（図５）、及び、充電時の電池温度上昇特性などが記憶される。

制御部２７は、電池ユニット２の動作を制御するコントローラであって、二次電池ボックス２１の出力制御、充電制御などを制御する。本実施形態においては、電気自動車用における通常の制御に加えて、制御部２７は、二次電池ボックス２１の充電が寒冷環境下でも定格容量まで十分に行われるよう、充電前、若しくは充電後に、シートヒータ２２を動作させて二次電池ボックス２１を加熱させる加熱制御を行う。このような加熱制御を行う理由につき、図３〜図５に基づいて説明する。

図３は、二次電池の充電温度特性の一例を示すグラフである。ここでは、電池温度が２５℃及び０℃に場合における二次電池の端子電圧と充電電流とを各々示している。このグラフから明らかな通り、電池温度が０℃の場合は、２５℃の場合に比べて充電電流が早く低下し始める。このことは、電池温度が低い程、充電できる電力量が少なくなることを示している。すなわち、二次電池が本来有する定格容量までの充電を行うことが出来ないことを意味する。

図４は、定電流定電圧方式における二次電池の普通充電特性の一例を示すグラフである。ここでは、充電電流Ａ_０と電池温度Ｂ_０とに加え、充電コンセントの許容電流Ｉ_ｔｈが示されている。当然、充電電流Ａ_０は許容電流Ｉ_ｔｈよりも低い値に設定される。なお、図４では、説明の便宜上、充電電流Ａ_０が一定である区間が比較的短く表示されているが、実際は一定区間の方が相当長い。

充電時間の進行に伴って二次電池の電圧が所定の値に達する時刻Ｔ_ｍになると、その電圧を維持しながら充電電流Ａ_０が徐々に低下してゆく。そして、充電電流Ａ_０が下限値Ａ_ｂに達する時刻Ｔ_ｅに至ったとき、当該二次電池の充電は完了する。このような充電期間中、電池温度Ｂ_０は、充電に伴う自己発熱により、徐々に昇温する。しかしながら、環境温度が低い場合、時刻Ｔ_ｅの時点において電池温度Ｂ_０が、定格容量までの充電を行うことが出来る適正温度Ｂ_ｉに達しないことがある。図４では、時刻Ｔ_ｅの時点における電池温度Ｂ_０が、適正温度Ｂ_ｉよりもΔＢだけ低い温度Ｂ_ｎであるケースを例示している。この場合、二次電池は、ΔＢの分だけ充電可能な容量が低下することとなり、時刻Ｔ_ｅの時点における充電電力量が定格値よりも少なくなる不具合が生じる。

図５は、二次電池の充電可能容量と温度との関係を示すグラフである。ここでは、電池温度が例えば０℃の場合は、定格容量の９０％弱までしか充電できないのに対し、電池温度が２０℃であると、定格容量のほぼ１００％を充電することができることを例示している。このことから、図５の特性を有する電池であれば、その電池温度を充電完了時点において強制的に２０℃に到達させれば、寒冷環境であっても当該二次電池を定格容量まで充電させることできることになる。本実施形態ではこの点に着目し、シートヒータ２２によって二次電池ボックス２１を加熱させる加熱制御を行うものである。

続いて、制御部２７の詳細について説明する。図６は、制御部２７の機能構成を示すブロック図である。制御部２７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、所定のプログラムが実行されることで、状態検知部２７１、温度検出部２７２、判定部２７３、データ取得部２７４、演算処理部２７５、加熱パターン設定部２７６、充電制御部２７７及びヒータ制御部２７８を含む。

状態検知部２７１は、二次電池ボックス２１の動作状態に関連する各種情報を取得して、状態判定及び演算を行う。例えば状態検知部２７１は、車両側コンセント１１に付設されている接点センサ（図略）からの出力信号に基づいて、車両側コンセント１１に充電ケーブル１３の車両側プラグ１３１が差し込まれ、充電スタンバイ状態となっているか否かを判定する。また、状態検知部２７１は、図略の電圧計からの計測値に基づき、充電ステーションＳの電源電圧の判別（通常は、１００Ｖ又は２００Ｖのいずれであるかの判別）も行う。この電源電圧の値は、メモリ２６へ書き込まれる。

さらに、状態検知部２７１は、二次電池ボックス２１の出力系統に接続され放電電流を計測する電流計（図略）から所定の間隔で電流値をサンプリングし、この電流値を積分することで二次電池ボックス２１の放電量（Ａｈ）を算出する。当該放電量に基づき、二次電池ボックス２１の現状における電池充電率が求められる。この電池充電率はメモリ２６に逐次更新書き込みで記憶される。

温度検出部２７２は、温度センサ２３から与えられる電池温度に関連する電気信号に基づいて、二次電池ボックス２１（二次電池セル２１１）の電池温度を特定する。

判定部２７３は、温度検出部２７２が検出した電池温度が、電池特性に応じて予め設定された加熱設定温度を超過しているか否か、すなわち、二次電池ボックス２１をシートヒータ２２により強制加熱する必要があるか否かを判定する。この加熱設定温度とは、二次電池ボックス２１の充電可能容量が最大となる電池温度であって、もし図５の特性を有する二次電池を使用しているならば、加熱設定温度を２０℃〜２５℃程度に定めることができる。判定部２７３は、実測された電池温度が加熱設定温度を下回っている場合、強制加熱が要と判定し、加熱設定温度と同等以上であれば強制加熱が不要と判定する。

データ取得部２７４は、次述の演算処理部２７５によって実行される演算に用いられる各種のパラメータをメモリ２６から読み出す。例えばデータ取得部２７４は、許容充電時間、電源電圧の値、充電率−充電時間のテーブル、状態検知部２７１で常時管理されている電池充電率、加熱設定温度、二次電池ボックス２１の充電時における自己温度上昇特性、シートヒータ２２により加熱された場合の二次電池ボックス２１の加熱特性などを、必要に応じてメモリ２６から読み出す。

演算処理部２７５は、データ取得部２７４により取得されたパラメータを用いて、充電装置２４及びシートヒータ２２の動作を制御するために必要な演算処理を行う。この演算処理は、加熱制御のパターンによって若干相違する。本実施形態では、この加熱制御のパターンとして、「充電前」加熱制御と、「充電後」加熱制御の２タイプを例示する。

図７は、「充電前」加熱制御が行われた場合の、二次電池ボックス２１の定電流定電圧方式における普通充電特性を示すグラフである。なお、図７には、充電電流Ａ_１、電池温度Ｂ_１及び充電コンセント１２の許容電流Ｉ_ｔｈが示されている。この充電前加熱制御では、許容充電時間（本実施形態では、２３：００〜翌７：００までの８時間）の当初に、充電装置２４が非動作状態とされる一方でシートヒータ２２が動作状態（開閉器２５を「閉」）とされ、二次電池ボックス２１の加熱を開始する（時刻Ｔ１１）。そして、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２の間（第１時間）、この加熱が継続される。時刻Ｔ１２が経過した後、充電装置２４が動作状態とされる一方でシートヒータ２２が非動作状態（開閉器２５を「開」）とされ、二次電池ボックス２１に対する充電が開始されるものである。

このような充電前加熱制御を行うことにより、寒冷環境で二次電池ボックス２１の充電が行われる場合でも、電池温度Ｂ_１を、定格容量までの充電を行うことが出来る適正温度Ｂ_ｉにまで到達させることができる。すなわち、時刻Ｔ１１では、低温の温度Ｂ_１０であった二次電池ボックス２１の電池温度Ｂ_１は、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２の間の加熱によって温度Ｂ_ｘまで上昇する。時刻Ｔ１２で充電が開始されると、充電に伴う自己発熱によって、電池温度Ｂ_１は徐々に上昇し、この温度上昇は、充電電流Ａ_１が徐々に低下し始める時刻Ｔ１３以降も継続する。そして、充電電流Ａ_１が下限値Ａ_ｂに達して充電が完了する時刻Ｔ１４では、電池温度Ｂ_１は適正温度Ｂ_ｉに到達している。従って、二次電池ボックス２１を、満充電の状態とすることができる。

次に図８は、「充電後」加熱制御が行われた場合の、二次電池ボックス２１の定電流定電圧方式における普通充電特性を示すグラフである。なお、図８には、第１充電電流Ａ_２１、第２充電電流Ａ_２２、電池温度Ｂ_２及び充電コンセント１２の許容電流Ｉ_ｔｈが示されている。この充電前加熱制御では、許容充電時間の当初に、充電装置２４を動作状態として充電が開始される（時刻Ｔ２１）。一方でシートヒータ２２は、非動作状態（開閉器２５を「開」）とされる。時刻Ｔ２１から、第１充電電流Ａ_２１が下限値Ａ_ｂに達して充電が完了する時刻Ｔ２３の間（第２時間）、充電装置２４による充電動作が継続される。

時刻Ｔ２３になると、充電装置２４が非動作状態とされる一方で、シートヒータ２２が動作状態（開閉器２５を「閉」）とされ、二次電池ボックス２１の加熱が開始される。この加熱は、時刻Ｔ２３〜時刻Ｔ２４の間（第３時間）、継続される。時刻Ｔ２４が経過した後、充電装置２４が再び動作状態とされる一方で、シートヒータ２２が非動作状態とされ、二次電池ボックス２１に対する再充電が開始される。そして、第２充電電流Ａ_２２が下限値Ａ_ｂに達して充電が完了する時刻Ｔ２５まで、充電装置２４による再充電動作が継続される。

このような充電後加熱制御を行うことによっても同様に、寒冷環境で二次電池ボックス２１の充電が行われる場合でも、電池温度Ｂ_２を、定格容量までの充電を行うことが出来る適正温度Ｂ_ｉにまで到達させることができる。すなわち、時刻Ｔ１１では、低温の温度Ｂ_２０であった二次電池ボックス２１の電池温度Ｂ_２は、時刻Ｔ２１〜時刻Ｔ２２（第１充電電流Ａ_２１の低下開始）〜時刻Ｔ３の間の充電に伴う自己加熱によって温度Ｂ_２１まで上昇する。但し、温度Ｂ_２１は適正温度Ｂ_ｉよりも低い温度であり、この状態は先に図４で説明した状態と同じであって、二次電池ボックス２１は定格容量が満たされた満充電の状態ではない。

しかし、その後の時刻Ｔ２３〜時刻Ｔ２４のシートヒータ２２による外部加熱によって、電池温度Ｂ_２は、温度Ｂ_２１から温度Ｂ_ｙまで上昇する。この温度Ｂ_ｙは、適正温度Ｂ_ｉよりは低いものの、適正温度Ｂ_ｉに近い温度である。そして、時刻Ｔ２４以降の再充電に伴う自己加熱によって電池温度Ｂ_２はさらに上昇し、第２充電電流Ａ_２２が下限値Ａ_ｂに達して充電が完了する時刻Ｔ２５では、電池温度Ｂ_２は適正温度Ｂ_ｉに到達している。従って、二次電池ボックス２１を、満充電の状態とすることができる。

演算処理部２７５は、充電前加熱制御が実行される場合、電池充電時間とヒータ制限時間とを算出する。電池充電時間は、消耗状態にある二次電池ボックス２１をフル充電するために要する時間である。また、ヒータ制限時間は、許容充電時間内においてシートヒータ２２を動作させることが可能な時間である。上記電池充電時間は、次式（１）で求められる。
電池充電時間＝電池容量×電池残量率／（電源電圧×充電電流）／充電効率 ・・・（１）
また、ヒータ制限時間は、次式（２）で求められる。
ヒータ制限時間＝許容充電時間−電池充電時間 ・・・（２）

例えば、二次電池ボックス２１の電池容量が２０ｋＷｈ、充電の電源電圧が２００Ｖ、充電電流が１５Ａ、充電効率が０．９、許容充電時間が夜間電力時間帯の８ｈとすると、電池充電率を基準とした電池充電時間、ヒータ制限時間は次の表１の通りに算出されることとなる。なお、上記（１）式の電池残量率［％］は、１００−電池充電率［％］で求められる。

上記の表１において、例えば電池充電率が５０％である場合、許容充電時間内において４．３ｈの範囲でシートヒータ２２を動作させることができる。しかし、過剰な加熱は不要であるので、シートヒータ２２の稼働時間は、充電開始時点における二次電池ボックス２１の電池温度（図７の温度Ｂ_１０）と、メモリ２６に格納されているシートヒータ２２による二次電池ボックス２１の加熱特性及び二次電池ボックス２１の充電時における温度上昇特性とを参照して定めることが望ましい。

つまり、図７を参照するならば、時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１４の充電動作で予測される電池温度Ｂ_１の温度上昇値（適正温度Ｂ_ｉ−温度Ｂ_ｘ）を考慮して、時刻Ｔ１１のイニシャル温度Ｂ_１０から温度Ｂ_ｘまで電池温度Ｂ_１を上昇させるために必要なシートヒータ２２の稼働時間を、前記加熱特性を参照して算定することが望ましい。これにより、充電が完了する時刻Ｔ１４の時点で、電池温度Ｂ_１を適正温度Ｂ_ｉ（加熱設定温度）と同一乃至は近接させることができる。

演算処理部２７５は、充電後加熱制御が実行される場合、再充電のための電池充電時間とヒータ制限時間とを算出する。ここでの電池充電時間は、当初に行われる充電の完了後における電池温度（図８の温度Ｂ_２１）から予測される、定格容量まで充電するために要する時間である。ヒータ制限時間は、許容充電時間内においてシートヒータ２２を動作させることが可能な時間である。

図８を参照するならば、再充電の電池充電時間は、温度Ｂ_２１と適正温度Ｂ_ｉとの温度差に依存する。この温度差が大きいほど、再充電の電池充電時間は長い時間を要する。つまり、先に図５において例示したような、二次電池ボックス２１の充電可能容量と温度との関係を示すテーブルを予めメモリ２６に格納しておけば、温度Ｂ_２１を計測することで、再充電の電池充電時間を直ちに求めることができる。

このようなテーブルの一例を表２に示す。なお、表２の充電可能容量は、図５のグラフに概ね倣ったものとしている。また、再充電の電池充電時間は、上記（１）式における電池残量率［％］を、１００−電池可能容量率［％］の値に置き換えて算出されたものである。

ヒータ制限時間は、再充電の電池充電時間の導出後に、次式（３）で求めることができる。
ヒータ制限時間＝許容充電時間−充電済時間−再充電の電池充電時間 ・・・（３）
上記（３）式において、充電済時間は加熱制御前に実行された充電に要した時間であり、図８を参照するならば、充電済時間は時刻Ｔ２１〜Ｔ２３の時間である。そして、時刻Ｔ２３以降において、上記ヒータ制限時間を利用して、上述した過剰な加熱が行われない範囲で、シートヒータ２２の稼働時間が設定されるものである。

加熱パターン設定部２７６は、上記で説明した「充電前」加熱制御及び「充電後」加熱制御は、両方を実行する必要はないので、両者のうちのいずれを実行させるかの設定を受け付ける。この設定は、ユーザが図略の操作部で任意に選択できるようにしても良いし、所定の条件に基づいて自動選択が行われるようにしても良い。

充電制御部２７７は、加熱パターン設定部２７６に設定された加熱パターンに従うと共に、演算処理部２７５で求められた電池充電時間に基づいて、充電装置２４を制御する制御信号を生成し、二次電池ボックス２１の充電を行わせる。

ヒータ制御部２７８は、加熱パターン設定部２７６に設定された加熱パターンに従うと共に、演算処理部２７５で求められたヒータ制限時間に基づいて、開閉器２５を「開」又は「閉」とし、シートヒータ２２の動作を制御する。

続いて、上記で説明した電池ユニット２の充電時における動作を説明する。図９は、「充電前」加熱が実行される場合の、二次電池ボックス２１に対する充電動作を示すフローチャートである。この場合、事前に加熱パターン設定部２７６によって、電池ユニット２の動作モードが「充電前」加熱に設定される。

先ず、状態検知部２７１により、車両側コンセント１１に充電ケーブル１３の車両側プラグ１３１が差し込まれ、充電スタンバイ状態となっているか否かが判定される（ステップＳ１）。車両側プラグ１３１の差し込みが検知されない場合（ステップＳ１でＮＯ）、制御部２７は待機する。一方、車両側プラグ１３１の差し込みが検知された場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、状態検知部２７１は、充電ステーションＳの電源電圧を判別する（ステップＳ２）。この電源電圧の値は、後に演算処理部２７５における演算処理で用いられるため、メモリ２６へ書き込まれる。

続いて、温度検出部２７２により温度センサ２３から温度検知信号がサンプリングされ、二次電池ボックス２１の電池温度が検出される（ステップＳ３）。さらに、データ取得部２７４によって、所定のパラメータがメモリ２６から読み出される（ステップＳ４）。読み出されるパラメータは、例えば、二次電池ボックス２１の許容充電時間、電池充電率、充電率−充電時間のテーブル、温度上昇特性などである。

その後、判定部２７３により、温度検出部２７２が検出した電池温度が、上述の加熱設定温度を超過しているか否かが判定される（ステップＳ５）。電池温度が加熱設定温度を下回っている場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、演算処理部２７５により二次電池ボックス２１の充電時間が導出される。この導出には、上記（１）式、若しくは予め準備された表１に示すようなテーブルが適用される（ステップＳ６）。また、シートヒータ２２を稼働させることが可能な時間であるヒータ制限時間が、上記（２）式に基づいて算出される（ステップＳ７）。

続いて、ヒータ制御部２７８により、二次電池ボックス２１の加熱目標温度Ｂ_ｘが設定される（ステップＳ８）。この目標温度Ｂ_ｘは、充電完了後に上述の加熱設定温度に二次電池ボックス２１の電池温度が到達するよう、二次電池ボックス２１の充電時による温度上昇分を前記加熱設定温度から減じた値に設定される。次いで、二次電池ボックス２１の電池温度が目標温度Ｂ_ｘを下回っているか否か（ステップＳ９）、また、現在時点でヒータ制限時間を超過していないか否か（ステップＳ１０）が確認される。なお、初回のルーチンでは、これらステップＳ９、Ｓ１０はスキップされる。

ステップＳ９、Ｓ１０においていずれも“ＹＥＳ”である場合、ヒータ制御部２７８は開閉器２５を「開」から「閉」とする（初回のルーチン）、若しくは「閉」を維持（２回目以降のルーチン）し、シートヒータ２２を稼働させる（ステップＳ１１）。その後、温度検出部２７２により電池温度が検出され（ステップＳ１２）、ステップＳ９に戻って処理が繰り返される。

一方、二次電池ボックス２１の電池温度が目標温度Ｂ_ｘと同等以上である場合（ステップＳ９でＮＯ）、若しくは、ヒータ制限時間を超過している場合（ステップＳ１０でＮＯ）、ヒータ制御部２７８は開閉器２５を「開」とし、シートヒータ２２への通電を停止させてＯＦＦ状態とする（ステップＳ１３）。この時点が、図７における時刻Ｔ１２の時点となる。

その後、充電制御部２７７により、二次電池ボックス２１の充電動作が開始される（ステップＳ１５）。なお、ステップＳ５の時点において、電池温度が既に加熱設定温度を超過している場合（ステップＳ５でＮＯ）、ステップＳ６〜Ｓ１３はスキップされ、適時な時刻に二次電池ボックス２１の充電動作が開始される。そして、所定の充電時間が経過すると、充電動作が終了される（ステップＳ１５）。

図１０は、「充電後」加熱が実行される場合の、二次電池ボックス２１に対する充電動作を示すフローチャートである。この場合、事前に加熱パターン設定部２７６によって、電池ユニット２の動作モードが「充電後」加熱に設定される。

当初の充電が終了した時点で（ステップＳ２１；図８の時刻Ｔ２３の時点）、温度検出部２７２により二次電池ボックス２１の電池温度が検出される（ステップＳ２２）。そして、判定部２７３により、温度検出部２７２が検出した電池温度が、加熱設定温度を超過しているか否かが判定される（ステップＳ２３）。ここで、電池温度が加熱設定温度と同等以上である場合は（ステップＳ２３でＮＯ）、既に二次電池ボックス２１の定格容量がフルに充電されていることになるので、再充電は行わず、そのまま処理を終える。

一方、電池温度が加熱設定温度を下回っている場合（ステップＳ２３でＹＥＳ）、データ取得部２７４によって、所定のパラメータがメモリ２６から読み出される（ステップＳ２４）。また、演算処理部２７５により、二次電池ボックス２１の再充電のための充電時間が、例えば表２のようなテーブルを参照して導出される（ステップＳ２５）。さらに、ヒータ制限時間が、上記（３）式に基づいて算出される（ステップＳ２６）。

続いて、ヒータ制御部２７８により、二次電池ボックス２１の加熱目標温度Ｂ_ｙが設定される（ステップＳ２７）。この目標温度Ｂ_ｙは、再充電完了後に上述の加熱設定温度に二次電池ボックス２１の電池温度が到達するよう、二次電池ボックス２１の充電時による温度上昇分を前記加熱設定温度から減じた値に設定される。

次いで、二次電池ボックス２１の電池温度が目標温度Ｂ_ｙを下回っているか否か（ステップＳ２８）、また、現在時点でヒータ制限時間を超過していないか否か（ステップＳ２９）が確認される。なお、初回のルーチンでは、これらステップＳ２８、Ｓ２９はスキップされる。

ステップＳ２８、Ｓ２９においていずれも“ＹＥＳ”である場合、ヒータ制御部２７８は開閉器２５を「開」から「閉」とする（初回のルーチン）、若しくは「閉」を維持（２回目以降のルーチン）し、シートヒータ２２を稼働させる（ステップＳ３０）。その後、温度検出部２７２により電池温度が検出され（ステップＳ３１）、ステップＳ２８に戻って処理が繰り返される。

一方、二次電池ボックス２１の電池温度が目標温度Ｂ_ｙと同等以上である場合（ステップＳ２８でＮＯ）、若しくは、ヒータ制限時間を超過している場合（ステップＳ２９でＮＯ）、ヒータ制御部２７８は開閉器２５を「開」とし、シートヒータ２２への通電を停止させてＯＦＦ状態とする（ステップＳ３２）。この時点が、図８における時刻Ｔ２４の時点となる。

その後、充電制御部２７７により、二次電池ボックス２１の再充電動作が開始される（ステップＳ３３）。そして、許容充電時間内（夜間電力時間内）であるか否か（ステップＳ３４）、充電電流が所定値以下となり充電が完了したか否か（ステップＳ３５）が確認されつつ、再充電動作が継続される。許容充電時間を超過した場合（ステップＳ３４でＮＯ）、若しくは、充電電流が所定値以下となった場合（ステップＳ３５でＹＥＳ）、再充電動作が終了されるものである（ステップＳ３６）。

以上説明した本実施形態に係る二次電池の充電システムによれば、二次電池ボックス２１の電池温度が加熱設定温度以下である場合に、許容充電時間内において当該二次電池ボックス２１をシートヒータ２２により加熱させる加熱制御が実行されるので、寒冷環境であっても、充電可能な容量を増加させることができる。また、シートヒータ２２が稼働する際には充電動作は行われないので、既存の充電ステーションＳの電気容量の範囲で対応することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を取ることができる。

（１）上記実施形態では、本発明の二次電池の充電システム及び充電方法が、電気自動車に搭載された二次電池ボックス２１の充電に適用される例を示した。充電対象となる二次電池は、電気自動車用に限られず、その他の移動機器や各種の産業機器に搭載される二次電池、家庭用機器に搭載される二次電池であっても良い。

（２）上記実施形態では、「充電前」加熱制御において、演算処理部２７５が電池充電時間及びヒータ制限時間を算出する例を示した。このような演算を行わず、許容充電時間のスタートから一定時間（例えば２時間）を、シートヒータ２２による外部加熱時間として固定的に割り当てるようにしても良い。

（３）同様に、「充電後」加熱制御においても、当初の充電が終了した後の一定時間を、シートヒータ２２による外部加熱時間として、固定的に許容充電時間内に割り当てるようにしても良い。

（４）上記実施形態では、電池充電率に応じて、シートヒータ２２による外部加熱の目標温度Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙを定める例を示した。これに代えて、目標温度Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙを、電池特性に基づき固定的な値（例えば２０℃）に設定して処理を簡素化するようにしても良い。

１ 電気自動車
１１ 車両側コンセント
１２ 充電コンセント
１３ 充電ケーブル
２１ 二次電池ボックス
２１Ａ 電池モジュール
２２ シートヒータ（加熱手段）
２３ 温度センサ（温度計測手段）
２４ 充電装置（充電手段）
２５ 開閉器
２６ メモリ
２７ 制御部（制御手段）

Claims (9)

1. 二次電池と、
   前記二次電池を充電する充電手段と、
   前記二次電池の温度を計測する温度計測手段と、
   前記二次電池を外部から加熱する加熱手段と、
   前記充電手段及び前記加熱手段の動作を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記温度計測手段が計測した電池温度が所定の設定温度以下である場合に、予め定められた許容充電時間内において、前記充電手段を非動作状態とする一方で前記加熱手段を動作状態とする加熱制御を行うことを特徴とする二次電池の充電システム。
2. 前記二次電池の充電可能容量が最大となる電池温度を加熱設定温度とするとき、
   前記制御手段は、前記二次電池の充電時における温度上昇特性と、前記加熱手段による前記二次電池の加熱特性とを参照して、前記二次電池の充電完了時において該二次電池の電池温度が前記加熱設定温度と同一乃至は近接するよう、前記加熱手段の動作時間を設定することを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電システム。
3. 前記制御手段は、
   前記許容充電時間の当初に前記充電手段を非動作状態とする一方で前記加熱手段を動作状態とし、
   所定の第１時間が経過した後、前記充電手段を動作状態とする一方で前記加熱手段を非動作状態とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池の充電システム。
4. 前記制御手段は、
   前記許容充電時間の当初に前記充電手段を動作状態とする一方で前記加熱手段を非動作状態とし、
   所定の第２時間が経過した後、前記充電手段を非動作状態とする一方で前記加熱手段を動作状態とし、
   所定の第３時間が経過した後、前記充電手段を動作状態とする一方で前記加熱手段を非動作状態とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池の充電システム。
5. 前記二次電池が、複数の二次電池セルが接続された電池モジュールと、この電池モジュールを収容するケーシングとを含む二次電池ユニットであり、
   前記加熱手段が、前記ケーシングの外表面に接して配置されるシートヒータであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池の充電システム。
6. 前記二次電池は、電気自動車に搭載される車載電池であり、
   前記充電手段及び加熱手段は、前記電気自動車用の充電ステーションに備えられた給電設備から１の給電配線により電力が供給されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池の充電システム。
7. 二次電池の充電方法であって、
   充電を行うことが可能な許容充電時間を定めるステップと、
   充電対象とする二次電池の温度を計測するステップと、
   前記二次電池の温度が所定の設定温度以下である場合に、前記許容充電時間の一部の時間内において、前記二次電池に対して充電を行うことなく当該二次電池を外部から加熱するステップと、
   前記許容充電時間の他の時間内において、前記二次電池を外部から加熱することなく当該二次電池に対して充電を行うステップと、
   を含むことを特徴とする二次電池の充電方法。
8. 前記許容充電時間の当初に前記二次電池の外部からの加熱が行われ、
   所定の第１時間が経過した後、前記外部からの加熱が停止される一方で前記二次電池に対する充電が開始されることを特徴とする請求項７に記載の二次電池の充電方法。
9. 前記許容充電時間の当初に前記二次電池に対する充電が行われ、
   所定の第２時間が経過した後、前記充電が停止される一方で前記外部からの加熱が開始され、
   所定の第３時間が経過した後、前記外部からの加熱が停止される一方で前記二次電池に対する充電が開始されることを特徴とする請求項７に記載の二次電池の充電方法。

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