JP2013004256A - 電池制御方法及び電池制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電池の内部抵抗は、全周波数の交流電圧に追従できる第1抵抗成分と、第1周波数以下の交流電圧のみに追従できる第2抵抗成分と、第1周波数より低い第2周波数以下の交流電圧のみに追従できる第3抵抗成分とを含み、電池に第1周波数以下且つ第2周波数以上の2種類以上の周波数の交流電圧を印加し、発生した交流電流を測定して第1及び第2抵抗成分を算出する内部抵抗算出ステップS100と、雰囲気温度と目標電池温度と第1及び第2抵抗成分と昇温用交流電圧に基づいて昇温時間を算出する昇温時間算出ステップS200と、電池の出力電圧に対応する直流電圧に昇温用交流電圧を重畳させた昇温用電圧を、昇温時間の間電池に印加して電池を昇温させる昇温ステップS300と、を有する。
【選択図】図5
Description
また、特許文献2及び特許文献3に記載された従来技術には、バッテリが低温の場合、バッテリの充電と放電を交互に周期的に繰り返すことでジュール熱を発生させてバッテリを昇温させる2次電池の制御装置が開示されている。
そこで、特許文献1に記載された従来技術では、「内部抵抗」を求めることを行わず、実験データやシミュレーション等に基づいて作成したマップを用いて、バッテリを昇温させる充放電の振幅をバッテリ温度から求め、充放電の周期をバッテリ温度と前記振幅から求めている。従って、「内部抵抗」が「電子抵抗」と「液抵抗」と「反応抵抗」と「拡散抵抗」を含んでいることまでは言及していない。また、ハイブリッド車や電気自動車に搭載する電池は、複数の電池を直列接続した電池パックの形態で利用されているが、個々の電池で出力電圧も内部抵抗も異なる。更に出力電圧も内部抵抗も、電池の劣化状態で個々に変動する。従って、バッテリ温度を用いて求めた振幅や周期で画一的に昇温しても、各電池をそれなりに昇温することはできるが、最適に昇温することまではできない、と思料される。
また、特許文献2及び特許文献3も、特許文献1と同様に、「内部抵抗」を求めることを行っておらず、モータや昇圧コンバータを用いて充放電を行って昇温させている。しかし、「内部抵抗」が「電子抵抗」と「液抵抗」と「反応抵抗」と「拡散抵抗」を含んでいることまでは言及しておらず、「内部抵抗」を求めていないので、各電池をそれなりに昇温することはできるが、最適に昇温することまではできない、と思料される。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、個々の電池の内部抵抗を適切に求め、求めた内部抵抗を用いて、電池をより適切に昇温させることができる電池制御方法及び電池制御システムを提供することを課題とする。
まず、本発明の第1の発明は、対象とする電池の充放電を行って当該電池の内部抵抗を利用した内部発熱にて当該電池を昇温させる電池制御方法である。
前記内部抵抗は、全周波数の交流電圧に対して追従できる抵抗成分である第1抵抗成分と、第1周波数以下の交流電圧に対して追従できるが前記第1周波数より高い周波数の交流電圧に対して追従できない抵抗成分である第2抵抗成分と、前記第1周波数より低い第2周波数以下の交流電圧に対して追従できるが前記第2周波数より高い周波数の交流電圧に対して追従できない抵抗成分である第3抵抗成分と、を含んでいる。
そして、前記電池に対して前記第1周波数以下であり且つ前記第2周波数以上の周波数であって互いに異なる2種類以上の周波数である内部抵抗測定用周波数に設定した第1所定振幅を有する交流電圧である内部抵抗測定用交流電圧をそれぞれ印加し、印加したそれぞれの内部抵抗測定用交流電圧に対して発生するそれぞれの追従電流であるそれぞれの交流電流を測定し、印加したそれぞれの内部抵抗測定用交流電圧と、当該内部抵抗測定用交流電圧のそれぞれに対応させて測定したそれぞれの交流電流と、に基づいて、前記電池における少なくとも前記第1抵抗成分と前記第2抵抗成分を算出する内部抵抗算出ステップと、前記電池の雰囲気温度と、目標電池温度と、算出した前記第1抵抗成分及び前記第2抵抗成分と、前記第1周波数以下の周波数であり且つ前記第2周波数以上の周波数に設定した昇温用周波数であるとともに第2所定振幅を有する交流電圧である昇温用交流電圧と、に基づいて、前記電池の昇温に必要な時間である昇温時間を算出する昇温時間算出ステップと、前記電池の出力電圧に対応する直流電圧に前記昇温用交流電圧を重畳させた昇温用電圧を、前記昇温時間の間、前記電池に印加して前記電池を充放電させて昇温させる昇温ステップと、を有する。
それぞれの電池に対して前記内部抵抗算出ステップと前記昇温時間算出ステップを行って、それぞれの電池に対する前記第1抵抗成分と前記第2抵抗成分と前記昇温時間を算出し、前記昇温ステップの前にて、前記電池パックの出力電圧を直列接続されている電池の個数で除した、電池平均電圧を算出する。
そして、前記昇温ステップにて、それぞれの電池に対して、それぞれの電池の出力電圧である固有出力電圧を測定し、それぞれの電池に対応する前記昇温時間をかけて前記固有出力電圧から徐々に前記電池平均電圧に達する固有直流電圧を設定し、設定した固有直流電圧に前記昇温用交流電圧を重畳させた前記昇温用電圧を、それぞれの電池に対応する昇温時間の間、それぞれの電池に印加して充放電させて昇温させる。
更に、各電池の出力電圧のばらつきを平坦化して電池平均電圧にすることができるので、複数の電池が直列接続された電池パックの充放電特性を最大限に利用することが可能となる。
前記内部抵抗は、全周波数の交流電圧に対して追従できる抵抗成分である第1抵抗成分と、第1周波数以下の交流電圧に対して追従できるが前記第1周波数より高い周波数の交流電圧に対して追従できない抵抗成分である第2抵抗成分と、前記第1周波数より低い第2周波数以下の交流電圧に対して追従できるが前記第2周波数より高い周波数の交流電圧に対して追従できない抵抗成分である第3抵抗成分と、を含んでいる。
前記制御手段は、前記電源手段と前記交流電圧発生手段を用いて、前記第1周波数以下の周波数であり且つ前記第2周波数以上の周波数であって互いに異なる2種類以上の周波数である内部抵抗測定用周波数に設定された第1所定振幅を有する交流電圧である内部抵抗測定用交流電圧のそれぞれを前記電池に印加し、前記交流電流測定手段を用いて、印加したそれぞれの前記内部抵抗測定用交流電圧に対して発生するそれぞれの追従電流であるそれぞれの交流電流を測定し、印加したそれぞれの前記内部抵抗測定用交流電圧と、当該内部抵抗測定用電圧のそれぞれに対応させて測定したそれぞれの交流電流と、に基づいて、前記電池における少なくとも前記第1抵抗成分と前記第2抵抗成分を算出する。
また前記制御手段は、前記温度測定手段を用いて測定した前記電池の雰囲気温度と、予め設定された目標電池温度と、算出した前記第1抵抗成分及び前記第2抵抗成分と、前記第1周波数以下の周波数であり且つ前記第2周波数以上の周波数に設定した昇温用周波数であるとともに第2所定振幅を有する交流電圧である昇温用交流電圧と、に基づいて、前記電池の昇温に必要な時間である昇温時間を算出する。
そして前記制御手段は、前記電源手段と、前記交流電圧発生手段と、前記直流電圧発生手段と、前記電圧重畳手段と、前記直流電圧測定手段と、を用いて、前記直流電圧測定手段にて測定した前記電池の出力電圧に対応させた直流電圧に前記昇温用交流電圧を重畳させた昇温用電圧を、前記昇温時間の間、前記電池に印加して前記電池を充放電させて昇温する。
前記制御手段は、それぞれの電池に対して前記第1抵抗成分と前記第2抵抗成分と前記昇温時間を算出し、前記直流電圧測定手段を用いて、前記電池パックの出力電圧を測定し、測定した出力電圧を直列接続されている電池の個数で除した電池平均電圧を算出する。
そして前記制御手段は、それぞれの電池に対して前記昇温用電圧を印加する際、前記直流電圧測定手段を用いて、それぞれの電池の出力電圧である固有出力電圧を測定し、前記電源手段と、前記交流電圧発生手段と、前記直流電圧発生手段と、前記電圧重畳手段と、を用いて、それぞれの電池に対して、それぞれの電池に対応する前記昇温時間をかけて、前記固有出力電圧から徐々に前記電池平均電圧に達する固有直流電圧を設定し、設定した固有直流電圧に前記昇温用交流電圧を重畳させた前記昇温用電圧を、それぞれの電池に対応する前記昇温時間の間、それぞれの電池に印加して充放電させて昇温する。
更に、各電池の出力電圧のばらつきを平坦化して電池平均電圧にすることが可能であり、複数の電池が直列接続された電池パックの充放電特性を最大限に利用することを可能とする電池制御システムを、適切に実現することができる。
本発明の電池制御システムは、制御装置20と電源手段30にて構成されており、図1に示すように、車両1の床下部に電池パックBPと隣接する位置に搭載されている。
電池パックBPは、図2に示すように、複数の電池Bが直列接続されて構成されている。なお、電池Bは、例えばリチウムイオン2次電池であり、図示省略するが、隣り合う電池の+極と−極がバスバーと呼ばれる導電体で接続されて直列に接続されている。
なお、温度25℃における電池パックBPの出力電力に対して、温度−20℃における電池パックBPの出力電力は、約1/10程度まで低下することが知られている。そこで、−20℃等の低温時における始動性を確保するために必要な数の電池Bにて電池パックBPが構成されているので、電池Bの数が多く、スペースを必要とするとともに重量が増加している。
電池Bを昇温させるためには、ヒータ等で外部から熱を加えるよりも、電池Bの内部抵抗を利用したジュール熱にて内部から発熱させることが効率的である。
ジュール熱を発生させるためには、電池Bに対して充電と放電を繰り返せば良いが、電池Bの内部抵抗は、それぞれ異なる値であるので、各電池Bに同じ周波数かつ同じ振幅の電圧を同じ時間だけ入力しても、それぞれ異なる温度に昇温されてしまう。
特許文献1〜3に記載された従来技術を用いながら、各電池Bの温度が同じ温度となるように昇温するには、それぞれの電池Bに温度センサを設ける必要があり、コスト、スペース、配線数等が大きく増加してしまう。
電子抵抗Reは、+極、−極の集電体内を電子が流れるときの抵抗であり、容量成分を含んでおらず、抵抗成分Reのみにて表現され、全ての周波数に対して追従可能な抵抗である。なお、「追従可能」とは、印加した電圧に対してリアルタイムに電流が流れることを指し、例えば正弦波の交流電圧を印加した場合、遅れ時間はあるが正弦波の交流電流が発生することを指す。
液抵抗Rsは、電解液内をイオンが流れるときの抵抗であり、容量成分を含んでおらず、抵抗成分Rsのみにて表現され、全ての周波数に対して追従可能な抵抗である。
反応抵抗Rctは、イオンが活物質内へ出入りするときの抵抗であり、容量成分を含んでおり、抵抗成分Rrと容量成分Crの並列回路にて表現される。そして反応抵抗Rctは、例えば800Hz以下の周波数(第1周波数に相当)に対して追従可能であるが、800Hzを超える周波数に対しては容量成分Crの影響により追従できない。
拡散抵抗Zwは、活物質内のイオンが活物質の奥へ拡散するときの抵抗、及び電解液内をイオンが移動するときの抵抗であり、容量成分を含んでいる。そして拡散抵抗Zwは、例えば0.5Hz以下の周波数(第2周波数に相当)に対して追従可能であるが、0.5Hzを超える周波数に対しては容量成分の影響により追従できない。
なお、電池Bにおける最も昇温したい個所は、電極部分を除いた電池の内部全体であり、反応抵抗を有する部分である。従って、反応抵抗を用いたジュール熱を発生させることが好ましい。
次に図3(A)を用いて、電池Bを昇温する際に印加する昇温用電圧の例を説明する。
電池Bを充放電させて昇温するために、当該電池Bの出力電圧と同電圧の直流電圧に昇温用交流電圧を重畳させた昇温用電圧を、電池Bに印加する。これにより、昇温用電圧が電池出力電圧よりも高い場合は電池Bを充電し、昇温用電圧が電池出力電圧よりも低い場合は電池Bから放電され、電池Bを充放電することができる。
本実施の形態の説明では、昇温用交流電流の振幅を±50mVに設定した例で説明するが、昇温用交流電流の振幅は±50mVに限定されるものではない。
また、昇温用交流電流の周波数は、以下のようにして決定する。
仮に昇温用電圧の周波数を400Hzとした場合、この周波数における内部抵抗のインピーダンスでジュール熱が発生することになる。従って、400Hzの周波数では、内部抵抗の中でも、上記の電子抵抗Re、液抵抗Rs、反応抵抗Rctがジュール熱を発生させることになる。これらを求めれば、昇温用交流電流による充放電の消費電流と、電子抵抗Reと液抵抗Rsと反応抵抗Rctを含む内部抵抗のインピーダンスと、電池Bの比熱等から、単位時間当たりの昇温温度を求めることができる。
更に、昇温開始時の電池Bの温度と、目標電池温度との温度差から、昇温時間を求めることができる。
昇温開始時の電池Bの温度は、電池Bに直接取り付けた、あるいは電池Bの周囲に配置した温度センサ25(図4(A)参照)にて検出する。また目標電池温度は、25℃等の予め固定した温度でも良いし、昇温開始時の電池Bの温度や昇温前の電池Bの出力電圧等から求めるようにしても良い。以降に説明する本実施の形態では、目標電池温度を25℃に固定した例で説明する。
次に図4(A)を用いて、制御装置20の構成と、制御装置20と電源手段30と電池パックBPの各電池Bnとの接続について説明する。
制御装置20は、CPU等の制御手段21、交流電圧発生手段と直流電圧発生手段と電圧重畳手段とを含む電圧出力回路22、交流電流測定手段を含む電流検出回路23、直流電圧測定手段を含む電圧検出回路24、選択回路SLとを有している。
各電池B1、B2・・Bnの+極と−極は、それぞれ端子S1、S2・・Snに接続されている。また電池B1〜BnがバスバーBbにて直列接続された電池パックBPの+極と−極は端子STに接続されている。
選択回路SLは、制御手段21からの信号に基づいて、端子S1、S2・・Sn、STのいずれか1つに接続されている+極と−極を、電圧出力回路22と電流検出回路23と電圧検出回路24に接続する。
また、電池パックBPの雰囲気温度を検出する温度センサ25(温度測定手段に相当)が、電池Bnに直接取り付けられている、または電池パックBPの周囲に配置されている。
電源手段30は、キャパシタや2次電池等であり、電池Bの放電動作時には放電された電力を蓄積し、電池Bの充電動作時には蓄積されている電力を供給する。なお、電源手段30は電圧出力回路22に接続されている。
また制御手段21は、電流検出回路23を介して、選択した電池の+極と−極の間に発生している交流電流を検出することができる。
また制御手段21は、電圧検出回路24を介して、選択した電池の+極と−極の間に発生している直流電圧を検出することができる。
また制御手段21は、温度センサ25からの検出信号に基づいて、電池パックBPの雰囲気温度(あるいは電池Bnの温度)を検出することができる。
MOSトランジスタTr1のソースとドレインの間にはダイオードD1が接続され、Tr1のゲートには制御手段21からの制御信号が入力される。そしてTr1のドレインには電源手段30の+極が接続され、Tr1のソースはコイルL1の一方端に接続されている。
MOSトランジスタTr2のソースとドレインの間にはダイオードD2が接続され、Tr2のゲートには制御手段21からの制御信号が入力される。そしてTr2のドレインはコイルL1の一方端に接続され、Tr2のソースは接地されている。
MOSトランジスタTr3のソースとドレインの間にはダイオードD3が接続され、Tr3のゲートには制御手段21からの制御信号が入力される。そしてTr3のドレインはコイルL1の他方端に接続され、Tr3のソースは接地されている。
MOSトランジスタTr4のソースとドレインの間にはダイオードD4が接続され、Tr4のゲートには制御手段21からの制御信号が入力される。そしてTr4のドレインはコンデンサC1の一方端に接続され、Tr4のソースはコイルL1の他方端に接続されている。
コンデンサC1の他方端は接地されており、コンデンサC1の両端が選択回路SLに接続されている。
次に図5に示すフローチャートを用いて、制御手段21の処理手順について説明する。
図5に示すフローチャートは、例えば車両1の始動前や、リモコン等による始動指令を受信した場合等にて実行される。
そして図5に示す制御手段21の処理は、各電池B1〜Bnの内部抵抗を求める内部抵抗算出ステップS100と、各電池B1〜Bnの昇温時間を求める昇温時間算出ステップS200と、各電池B1〜Bnを充放電させて昇温する昇温ステップS300と、を有している。
ステップS120にて、制御手段21は、選択回路SLに対して電池B(n)(この場合、電池B1)に対応する端子S(n)(この場合、端子S1)を選択する信号を出力し、ステップS130に進む。
ステップS130にて、制御手段21は、電圧出力回路22を制御して周波数f1にて所定振幅を有する交流電圧(f1)を電池B(n)に印加し、電流検出回路23からの検出信号に基づいて、追従電流(f1)を測定し、ステップS140に進む。
ステップS140にて、制御手段21は、電圧出力回路22を制御して周波数f2にて所定振幅を有する交流電圧(f2)を電池B(n)に印加し、電流検出回路23からの検出信号に基づいて、追従電流(f2)を測定し、ステップS150に進む。
ステップS150にて、制御手段21は、電圧出力回路22を制御して周波数f3にて所定振幅を有する交流電圧(f3)を電池B(n)に印加し、電流検出回路23からの検出信号に基づいて、追従電流(f3)を測定し、ステップS160に進む。
ステップS160にて、制御手段21は、交流電圧(f1)と追従電流(f1)、交流電圧(f2)と追従電流(f2)、交流電圧(f3)と追従電流(f3)に基づいて、少なくとも電子抵抗Reと液抵抗Rs(第1抵抗成分に相当)と、反応抵抗Rct(第2抵抗成分に相当)を算出し、ステップS170に進む。
図6は交流電圧を印加した際に発生する追従電流の例を示している。印加した交流電圧に対して追従電流には遅れ時間ΔTが存在する。また、印加した交流電圧の振幅に対して、追従電流の振幅は内部抵抗のインピーダンスに応じた振幅となる。
本実施の形態では、印加した交流電圧(f1)の周波数を800Hz、交流電圧(f2)の周波数を400Hz、交流電圧(f3)の周波数を0.5Hzとした。また、交流電圧(f1)〜交流電圧(f3)の振幅は、どれも±20mVとした。この交流電圧(f1)〜交流電圧(f3)の周波数が内部抵抗測定用周波数に相当し、交流電圧(f1)〜交流電圧(f3)の振幅が第1所定振幅に相当する。
交流電圧(f1)に対する追従電流(f1)の遅れ時間ΔT(f1)、振幅(f1)等から、図7に示すCole・Coleプロット中のP(f1)の位置が決定する。同様に、交流電圧(f2)に対してP(f2)の位置が決定し、交流電圧(f3)に対してP(f3)の位置が決定する。
図7に示すCole・Coleプロットでは、P(f1)、P(f2)、P(f3)が円弧上(半円上)に位置することはわかっているので、これらを円弧で結んで行くと、電子抵抗Re+液抵抗Rsのインピーダンスの実数成分と、反応抵抗Rctのインピーダンスの実数成分を求めることができる。
なお上記の例では、互いに異なる3つの内部抵抗測定用周波数の交流電圧を印加して内部抵抗を求める例を説明したが、3つに限定されず、互いに異なる2つ以上の周波数の交流電圧を印加して、それぞれの追従電流を求めればよい。
また、交流電圧(f1)〜交流電圧(f3)は、10周期程度の印加で充分測定が可能であり、比較的短時間に測定することができる。
ステップS170では、制御手段21は、全ての電池B(n)の内部抵抗の算出が終了したか否かを判定する。全ての電池B(n)の内部抵抗の算出が終了した場合(Yes)はステップSA10に進み、そうでない場合(No)はステップS180を経由してnにn+1を代入して(次の電池B(n+1)の用意をして)ステップS120に戻る。
ステップSA20にて、制御手段21は、端子STと電圧検出回路24を介して電池パックBPの出力電圧を測定する。そして測定した電池パックBPの出力電圧を、電池パックBPを構成している電池B1〜Bnの個数で除して、電池平均電圧を算出し、ステップSA30に進む。
ステップSA30にて、制御手段21は、選択回路SLを用いて電池B1〜Bnを順番に電圧検出回路24に接続し、電池B1〜Bnのそれぞれの出力電圧である固有出力電圧(n)を測定し、昇温する電池の順番を決定し、ステップS210に進む。例えば1番目は固有出力電圧が最大の電池、2番目は固有出力電圧が最小の電池、3番目は固有出力電圧が上から2番目の電池、4番目は固有出力電圧が下から2番目の電池・・という具合に固有出力電圧が高−低−高−低・・となるように順番を決定する。
ステップS220にて、制御手段21は、電池B1〜Bnのいずれかの電池を特定するためのnに1を代入し、ステップS230に進む。
ステップS230にて、制御手段21は、選択回路SLに対して電池B(n)(この場合、電池B1)に対応する端子S(n)(この場合、端子S1)を選択する信号を出力し、ステップS240に進む。
ステップS210にて、制御手段21は、電池B(n)の内部抵抗(n)と、昇温用交流電圧と、必要熱量から、電池B(n)の昇温時間(n)を算出し、ステップS250に進む。昇温用交流電圧は、例えば周波数400Hz(図3(B)における最も効率の良い周波数)、振幅±50mV(第2所定振幅に相当)の交流電圧である。この昇温用交流電圧の周波数は、反応抵抗Rctが追従できる周波数であり、且つ拡散抵抗Zwが追従できない周波数であり、第1周波数(この場合、800Hz)以下であり且つ第2周波数(この場合、0.5Hz)以上の周波数である。また、内部抵抗(n)は、ステップS160にて求めた、電子抵抗Reと液抵抗Rs(第1抵抗成分)と、反応抵抗Rct(第2抵抗成分)である。
ステップS250では、制御手段21は、全ての電池B(n)の昇温時間の算出が終了したか否かを判定する。全ての電池B(n)の昇温時間の算出が終了した場合(Yes)はステップS310に進み、そうでない場合(No)はステップS260を経由してnにn+1を代入して(次の電池B(n+1)の用意をして)ステップS230に戻る。
ステップS320にて、制御手段21は、固有出力電圧(n)と電池平均電圧と昇温時間(n)から、昇温時間(n)の時間をかけて固有出力電圧(n)から徐々に電池平均電圧に達する固有直流電圧(n)を設定し、ステップS330に進む。
ステップS330にて、制御手段21は、固有直流電圧(n)に昇温用交流電圧を重畳した昇温用電圧(n)を、電池B(n)に対応した昇温時間(n)の間、電池B(n)に印加し、ステップS340に進む。
ステップS340にて、制御手段21は、全ての電池B(n)の昇温が終了したか否かを判定する。全ての電池B(n)の昇温が終了した場合(Yes)は処理を終了し、そうでない場合(No)はステップS350を経由してステップSA30の結果に基づいた次に昇温するべき電池Bnを選択し、ステップS320に戻る。
図8(A)は電池B(j)の固有出力電圧V(j)が、電池平均電圧Eより高い場合における昇温用電圧の例を示しており、図8(B)は電池B(k)の固有出力電圧V(k)が、電池平均電圧Eより低い場合における昇温用電圧の例を示している。
図8(A)に示す例の場合、制御手段21は、電池B(j)の昇温時間(j)の時間をかけて電池B(j)の固有出力電圧V(j)から電池平均電圧Eへと達する固有直流電圧(図8(A)における四角形V(j)−O−C(j)−D(j))を設定する。そして、この固有直流電圧に昇温用交流電圧を重畳した昇温用電圧を、電池B(j)に印加する。
昇温用交流電圧は、上述したように、例えば周波数400Hz、振幅±50mVの交流電圧である。この場合、電池B(j)の出力電圧はΔV(j)だけ降下される。このΔV(j)に相当する電力は、電源手段30に蓄積される。
また図8(B)に示す例の場合、制御手段21は、電池B(k)の昇温時間(k)の時間をかけて電池B(k)の固有出力電圧V(k)から電池平均電圧Eへと達する固有直流電圧(図8(B)における四角形V(k)−O−C(k)−D(k))を設定する。そして、この固有直流電圧に昇温用交流電圧を重畳した昇温用電圧を、電池B(k)に印加する。昇温用交流電圧は、上述したように、例えば周波数400Hz、振幅±50mVの交流電圧である。この場合、電池B(k)の出力電圧はΔV(k)だけ昇圧される。このΔV(k)に相当する電力は、電源手段30から供給される。
つまり、電池平均電圧より高い固有出力電圧の電池から余分な電力を電源手段30に蓄積させた後、電池平均電圧より低い固有出力電圧の電池に、電源手段30に蓄積した電力を供給する。ステップSA30にて決定した昇温する電池の順番は、この考え方に基づいた順番である。
本実施の形態にて説明した電池制御システム(あるいは電池制御方法)を用いていない従来の車両1では、−20℃等の低温では電池パックBPの出力電力が1/10程度に低下することを考慮して48個の電池Bnを直列接続して電池パックBPを構成している。しかし電池Bnを昇温することで、低下した電力を回復可能であり、低温時における始動性の確保という観点については、少なくとも5個の電池を回復させれば良いことになる。これならば1個の電池Bnの昇温に約20secかかったとしても、充分短い時間で全電池を昇温することができる。そして、電池パックBPを構成する電池Bnの数を大幅に削減できる可能性を有している。
また、電池Bnにおける反応抵抗を有する個所、すなわち電池Bnの内部全体を効果的に昇温することができるので、エネルギー効率が良い。
また、電池パックBPを構成している各電池Bnの出力電圧のばらつきを平坦化して各電池の出力電圧を電池平均電圧に近づけることができるので、電池パックBPの充放電特性を最大限に利用することができるようになる。
また、昇温時の電流が比較的小さく済むので、複数の配線の太さを、あまり太くする必要がなく、重量、コスト等の上昇を抑制することができる。
なお、図5に示すフローチャートにおけるステップS110〜S170の処理を、車両1を使用していない深夜にてタイマ処理等にて行い、ステップSA10以降の処理を、車両1の始動の直前に行うようにすることも可能である。
また、本実施の形態にて説明した電池制御方法及び電池制御システムは、ハイブリッド車や電気自動車に搭載する電池に限定されず、種々の機器等に用いられる電池に適用することが可能である。
また、本実施の形態にて説明した電池制御方法及び電池制御システムは、リチウムイオン電池に限定されず、種々の電池の昇温に適用することが可能である。
また、以上(≧)、以下(≦)、より大きい(>)、未満(<)等は、等号を含んでも含まなくてもよい。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
20 制御装置
21 制御手段
22 電圧出力回路
23 電流検出回路
24 電圧検出回路
25 温度センサ
30 電源手段
Bn 電池
BP 電池パック
SL 選択回路
Claims (4)
- 対象とする電池の充放電を行って当該電池の内部抵抗を利用した内部発熱にて当該電池を昇温させる電池制御方法において、
前記内部抵抗は、全周波数の交流電圧に対して追従できる抵抗成分である第1抵抗成分と、第1周波数以下の交流電圧に対して追従できるが前記第1周波数より高い周波数の交流電圧に対して追従できない抵抗成分である第2抵抗成分と、前記第1周波数より低い第2周波数以下の交流電圧に対して追従できるが前記第2周波数より高い周波数の交流電圧に対して追従できない抵抗成分である第3抵抗成分と、を含んでおり、
前記電池に対して前記第1周波数以下であり且つ前記第2周波数以上の周波数であって互いに異なる2種類以上の周波数である内部抵抗測定用周波数に設定した第1所定振幅を有する交流電圧である内部抵抗測定用交流電圧をそれぞれ印加し、印加したそれぞれの内部抵抗測定用交流電圧に対して発生するそれぞれの追従電流であるそれぞれの交流電流を測定し、印加したそれぞれの内部抵抗測定用交流電圧と、当該内部抵抗測定用交流電圧のそれぞれに対応させて測定したそれぞれの交流電流と、に基づいて、前記電池における少なくとも前記第1抵抗成分と前記第2抵抗成分を算出する内部抵抗算出ステップと、
前記電池の雰囲気温度と、目標電池温度と、算出した前記第1抵抗成分及び前記第2抵抗成分と、前記第1周波数以下の周波数であり且つ前記第2周波数以上の周波数に設定した昇温用周波数であるとともに第2所定振幅を有する交流電圧である昇温用交流電圧と、に基づいて、前記電池の昇温に必要な時間である昇温時間を算出する昇温時間算出ステップと、
前記電池の出力電圧に対応する直流電圧に前記昇温用交流電圧を重畳させた昇温用電圧を、前記昇温時間の間、前記電池に印加して前記電池を充放電させて昇温させる昇温ステップと、を有する、
電池制御方法。 - 請求項1に記載の電池制御方法であって、
前記電池は、複数が直列に接続された電池パックとして構成されており、
それぞれの電池に対して前記内部抵抗算出ステップと前記昇温時間算出ステップを行って、それぞれの電池に対する前記第1抵抗成分と前記第2抵抗成分と前記昇温時間を算出し、
前記昇温ステップの前にて、
前記電池パックの出力電圧を直列接続されている電池の個数で除した、電池平均電圧を算出し、
前記昇温ステップにて、
それぞれの電池に対して、それぞれの電池の出力電圧である固有出力電圧を測定し、それぞれの電池に対応する前記昇温時間をかけて前記固有出力電圧から徐々に前記電池平均電圧に達する固有直流電圧を設定し、設定した固有直流電圧に前記昇温用交流電圧を重畳させた前記昇温用電圧を、それぞれの電池に対応する昇温時間の間、それぞれの電池に印加して充放電させて昇温させる、
電池制御方法。 - 対象とする電池の充放電を行って当該電池の内部抵抗を利用した内部発熱にて当該電池を昇温させる電池制御システムにおいて、
所定周波数且つ所定振幅の交流電圧を発生する交流電圧発生手段と、
所定電圧の直流電圧を発生する直流電圧発生手段と、
前記交流電圧及び前記直流電圧の電源となる電源手段と、
前記交流電圧と前記直流電圧を重畳可能な電圧重畳手段と、
交流電流を測定可能な交流電流測定手段と、
直流電圧を測定可能な直流電圧測定手段と、
対象とする電池の雰囲気の温度を測定可能な温度測定手段と、
制御手段と、を備え、
前記内部抵抗は、全周波数の交流電圧に対して追従できる抵抗成分である第1抵抗成分と、第1周波数以下の交流電圧に対して追従できるが前記第1周波数より高い周波数の交流電圧に対して追従できない抵抗成分である第2抵抗成分と、前記第1周波数より低い第2周波数以下の交流電圧に対して追従できるが前記第2周波数より高い周波数の交流電圧に対して追従できない抵抗成分である第3抵抗成分と、を含んでおり、
前記制御手段は、
前記電源手段と前記交流電圧発生手段を用いて、前記第1周波数以下の周波数であり且つ前記第2周波数以上の周波数であって互いに異なる2種類以上の周波数である内部抵抗測定用周波数に設定された第1所定振幅を有する交流電圧である内部抵抗測定用交流電圧のそれぞれを前記電池に印加し、
前記交流電流測定手段を用いて、印加したそれぞれの前記内部抵抗測定用交流電圧に対して発生するそれぞれの追従電流であるそれぞれの交流電流を測定し、
印加したそれぞれの前記内部抵抗測定用交流電圧と、当該内部抵抗測定用電圧のそれぞれに対応させて測定したそれぞれの交流電流と、に基づいて、前記電池における少なくとも前記第1抵抗成分と前記第2抵抗成分を算出し、
前記温度測定手段を用いて測定した前記電池の雰囲気温度と、予め設定された目標電池温度と、算出した前記第1抵抗成分及び前記第2抵抗成分と、前記第1周波数以下の周波数であり且つ前記第2周波数以上の周波数に設定した昇温用周波数であるとともに第2所定振幅を有する交流電圧である昇温用交流電圧と、に基づいて、前記電池の昇温に必要な時間である昇温時間を算出し、
前記電源手段と、前記交流電圧発生手段と、前記直流電圧発生手段と、前記電圧重畳手段と、前記直流電圧測定手段と、を用いて、前記直流電圧測定手段にて測定した前記電池の出力電圧に対応させた直流電圧に前記昇温用交流電圧を重畳させた昇温用電圧を、前記昇温時間の間、前記電池に印加して前記電池を充放電させて昇温する、
電池制御システム。 - 請求項3に記載の電池制御システムであって、
前記電池は、複数が直列に接続された電池パックとして構成されており、
前記制御手段は、
それぞれの電池に対して前記第1抵抗成分と前記第2抵抗成分と前記昇温時間を算出し、
前記直流電圧測定手段を用いて、前記電池パックの出力電圧を測定し、測定した出力電圧を直列接続されている電池の個数で除した電池平均電圧を算出し、
それぞれの電池に対して前記昇温用電圧を印加する際、
前記直流電圧測定手段を用いて、それぞれの電池の出力電圧である固有出力電圧を測定し、
前記電源手段と、前記交流電圧発生手段と、前記直流電圧発生手段と、前記電圧重畳手段と、を用いて、それぞれの電池に対して、それぞれの電池に対応する前記昇温時間をかけて、前記固有出力電圧から徐々に前記電池平均電圧に達する固有直流電圧を設定し、設定した固有直流電圧に前記昇温用交流電圧を重畳させた前記昇温用電圧を、それぞれの電池に対応する前記昇温時間の間、それぞれの電池に印加して充放電させて昇温する、
電池制御システム。
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