JP2013097961A

JP2013097961A - バッテリの温度制御装置及び車両

Info

Publication number: JP2013097961A
Application number: JP2011238597A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kondo; 一弘近藤; Yoichi Yamashita; 揚一山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】コストの増大及び車両重量の増加を抑制しながら、バッテリを昇温することを目的とする。
【解決手段】車両に搭載されるバッテリの温度調節装置であって、前記バッテリを充電する充電器の内部に設けられ、電源から供給される電圧を昇圧するＰＦＣ回路に設けられるＩＧＢＴ素子と、前記ＩＧＢＴ素子のスイッチング動作を制御して、電流リップルを基準値よりも大きくすることにより前記バッテリを昇温させる制御部と、を有することを特徴とするバッテリの温度調節装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、バッテリの温度を調節する温度調節装置等に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車などには、車両走行用のモータに駆動電力を供給する充放電可能なバッテリが搭載されている。バッテリは、温度低下により内部抵抗が上昇し、入出力特性が低下する。そのため、温度低下したバッテリを昇温する昇温技術が種々提案されている。

特許文献１は、直流電源が低温であるときに迅速に昇温して、直流電源の温度が、モータに必要電力を供給可能な閾値以下のときには、トランジスタをスイッチング制御して、直流電源に流れる中性点電流のリップルを大きくして直流電源の発熱を促進するリップル発生器を開示する。

特許第３７３２８２８号明細書

しかしながら、特許文献１の構成では、バッテリを発熱させるために、独立したリップル発生器が必要となるため、コストの増大及び車両重量の増加を招いていた。本願発明は、コストの増大及び車両重量の増加を抑制しながら、バッテリを昇温することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明に係る車両に搭載されるバッテリの温度調節装置は、前記バッテリを充電する充電器の内部に設けられ、電源から供給される電圧を昇圧するＰＦＣ回路に設けられるＩＧＢＴ素子と、前記ＩＧＢＴ素子のスイッチング動作を制御して、電流リップルを基準値よりも大きくすることにより前記バッテリを昇温させる制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、コストの増大及び車両重量の増加を抑制しながら、バッテリを昇温することができる。

車両の概略構成を図示したブロック図である。充電器の回路図である。制御ゲイン演算装置のブロック図である。バッテリの昇温方法を示したフローチャートである。バッテリの温度と内部抵抗との相関関係を図示したグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態は、車両に搭載されたバッテリを充電する充電器の内部を制御することにより、電流リップルを増大させ、バッテリを昇温する。車両は、電気自動車（ＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（Ｐ−ＨＥＶ）であってもよい。ここで、プラグインハイブリッド自動車とは、バッテリから供給される電力に基づき車両走行用のモータを駆動する第１の駆動経路と、内燃機関で得られた動力により車両を走行させる第２の駆動経路と、を有し、外部電源（電源に相当する）の電力をバッテリに供給する充電器を備えた車両のことである。電気自動車とは、前記第１の駆動経路のみを有し、外部電源（電源に相当する）の電力をバッテリに供給する充電器を備えた車両のことである。

図１は車両の概略構成を図示したブロック図である。図２は充電器の回路図である。図１を参照して、車両１００は、車載用充電器１１０、バッテリ１２０、インバータ１３０及びモータ１４０を含む。車載用充電器１１０は、車両外部の外部電源２００に対して図示しない充電ケーブルを介して着脱可能に接続される。ただし、本発明は、充電ケーブルを省略した、いわゆる非接触充電に適用することもできる。車載用充電器１１の構成については、後述する。

バッテリ１２０には、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池を用いることができる。リチウムイオン電池は、複数の単電池を接続した組電池であってもよい。ニッケル水素電池は、複数の電池セル接続した電池モジュールを複数個接続した組電池であってもよい。なお、バッテリ１２０は、キャパシタであってもよい。インバータ１３０は、複数のパワースイッチング素子によって構成され、入力された直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ１３０は、コントローラにより交流電流の周波数が制御される。

モータ１４０は、インバータ１３０を介して入力される交流電圧に基づき、車両を走行するためのトルクを発生する。また、モータ１４０は、回生制動時にジェネレータとして動作し、バッテリ１２０を充電してもよい。

図２を参照して、車載用充電器１１０は、ＰＦＣ回路１１１と、ＤＣ／ＤＣ回路１１２と、コントローラ１１３とを含む。ＰＦＣ回路１１１は、外部電源２００から供給される入力電圧を昇圧し、かつ、外部電源２００から供給される電力の力率を１に近づける。ＰＦＣ回路１１１は、リアクトルＬ１、Ｌ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ１０、Ｄ１１と、平滑コンデンサＣ１と、ドライブ回路１１１aと、電圧センサ１１１ｂとを有する。ＩＧＢＴ素子Ｑ１及びダイオードＤ１は並列に接続されており、ダイオードＤ１のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ２及びダイオードＤ２は並列に接続されており、ダイオードＤ２のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続される。ダイオードＤ１０は、平滑コンデンサＣ１とダイオードＤ１との間に接続されている。ダイオードＤ１１は、平滑コンデンサＣ１とダイオードＤ２との間に接続されている。

コントローラ１１３は、ドライブ回路１１１aを介して、ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御する。ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２がスイッチング動作することにより、電流リップルが発生する。この電流リップルが大きくなるのに応じて、バッテリ１２０をより発熱させることができる。つまり、バッテリ１２０を昇温させるためには、ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作に応じて発生する電流リップルを大きくすればよい。なお、外部電源２００及びＰＦＣ回路１１１の間には、ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作に伴って発生するノイズを除去する不図示のフィルターが設けられている。

平滑コンデンサＣ１には、ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作に応じで電荷が蓄えられる。具体的には、ＩＧＢＴ素子Ｑ２をオンして、ＩＧＢＴ素子Ｑ１をオフする動作を行った後に、ＩＧＢＴ素子Ｑ２をオフすることにより、平滑コンデンサＣ１に電荷が蓄えられる。次に、ＩＧＢＴ素子Ｑ１をオンに切り替えた後（ＩＧＢＴ素子Ｑ２のオフ状態は維持する）、ＩＧＢＴ素子Ｑ１をオフに切り換えることにより、平滑コンデンサンＣ１に電荷が蓄えられる。電圧センサ１１１ｂは、平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＨを検出する。

ＤＣ／ＤＣ回路１１２は、ＰＦＣ回路１１１の出力電圧を調節し、この調整された電圧によってバッテリ１２０を充電する。ＤＣ／ＤＣ回路１１２は、ＩＧＢＴ素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６と、ダイオードＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５と、ドライブ回路１１２ａと、トランス１１２ｂと、電流センサ１１２ｃと、リアクトルＬ３と、平滑コンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４と、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、電圧センサ１１２ｄとを含む。

ＩＧＢＴ素子Ｑ３及びダイオードＤ３は並列に接続されており、ダイオードＤ３のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ４及びダイオードＤ４は並列に接続されており、ダイオードＤ４のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続される。

ＩＧＢＴ素子Ｑ５及びダイオードＤ５は並列に接続されており、ダイオードＤ５のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ６及びダイオードＤ６は並列に接続されており、ダイオードＤ６のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続される。電圧センサ１１２ｄは、バッテリ１２０に接続されており、バッテリ１２０の電圧を検出する。

ここで、図３は、制御ゲイン演算装置のブロック図である。制御ゲイン演算装置において、電圧値Ｖ２（要求値）を定めるとともに、ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御することにより、平滑コンデンサＣ１の電圧値が変化して、電流リップルの大小を制御することができる。すなわち、ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のＤＵＴＹ比を制御して、平滑コンデンサＣ１の電圧値を降圧することにより、電流リップルを大きくすることができる。制御ゲイン演算装置は、コントローラ１１３に実装してもよい。

このように、車載用充電器１１０に設けられたＰＦＣ回路１１１におけるＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御するだけで、バッテリ１２０を発熱させて、入出力特性を改善することができる。これにより、バッテリ１２０を発熱させるための独立したリップル発生器が不要となるため、コストの削減及び重量低下による燃費向上を図ることができる。

次に、図４のフローチャートを参照しながら、バッテリの昇温方法について説明する。ステップＳ１０１においてバッテリ１２０の充電をスタートしてステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２において、コントローラ１１３はバッテリ１２０の温度が第１の閾値未満であるか否かを判別する。ここで、バッテリ１２０の温度は、例えば図示しないサーミスタにより取得することができる。バッテリ１２０の温度は、各単電池の電池温度を平均した平均温度、或いは複数の単電池を纏めたブロック毎の電池温度を平均した平均温度であってもよい。

ステップＳ１０２において、バッテリ１２０の温度が第１の閾値よりも高い場合には、ステップＳ１０３に進み、コントローラ１１３は、車両用充電器１１０の電流リップルが最小となるように、ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御する。

ステップＳ１０２において、バッテリ１２０の温度が第１の閾値未満である場合には、ステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４において、コントローラ１１３はバッテリ１２０の温度が第１の閾値よりも低い第２の閾値未満であるか否かを判別する。ここで、図５を参照しながら、第１及び第２の閾値の考え方について説明する。図５は、バッテリの温度と内部抵抗との相関関係を示したグラフであり、横軸がバッテリの温度、縦軸が内部抵抗を示している。同図を参照して、バッテリ１２０は、温度が低下すると内部抵抗が増大して、充電しにくくなる。図示例では、バッテリ１２０の温度が４５℃未満になると、曲線の傾きが大きくなり、０℃未満になると曲線の傾きが更に大きくなる。

一方、バッテリ１２０の温度が高くなりすぎると、バッテリ１２０の劣化が促進される。したがって、第１の閾値を４５℃に設定するとともに、第２の閾値を０℃に設定することにより、バッテリ１２０の過剰な温度上昇を抑制しながら、バッテリ１２０の入出力特性を改善することができる。ただし、これらの閾値は例示であり、電池の種類に応じて第１及び第２の閾値は適宜変更することができる。

ステップＳ１０４において、バッテリ１２０の温度が第２の閾値未満である場合には、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５において、コントローラ１１３は、電流リップルが基準値よりも大きくなるようにＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御する。ここで、基準値は、バッテリ１２０を通常充電する際に発生する電流リップルの大きさのことである。

ステップＳ１０６において、コントローラ１１３は、バッテリ１２０の温度が第１の閾値以上に昇温したか否かを判別し、第１の閾値以上に昇温した場合にはステップＳ１０３に進み、第１の閾値以上に昇温していない場合にはステップＳ１０５に戻って、電流リップルの増大を継続する。

ステップＳ１０４において、バッテリ１２０の温度が第２の閾値未満でない場合には、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７において、コントローラ１１３は、電流リップルが基準値よりも大きくなるようにＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御する。基準値の意味は、上述したため説明を繰り返さない。ここで、ステップＳ１０７では、ステップＳ１０５よりもバッテリ１２０の温度が低いため、ステップＳ１０７における電流リップルの増大量は、ステップＳ１０５における電流リップルの増大量よりも小さい。

ステップＳ１０８において、コントローラ１１３は、バッテリ１２０の温度が第１の閾値以上に昇温したか否かを判別し、第１の閾値以上に昇温した場合にはステップＳ１０３に進み、第１の閾値以上に昇温していない場合にはステップＳ１０７に戻って、電流リップルの増大を継続する。

（参考例）
図３に図示するように、制御ゲイン演算装置はＰＩＤ制御を行うが、比例制御を省略することにより、電流リップを増大させてもよい。比例制御が実行されることにより、ゲインが小さくなるため、電流リップルを大きくすることができる。なお、ＰＩＤ制御は、調節器を用いて行ってもよいし、或いはプログラムを解読することにより実行してもよい。また、図３に図示する電流項（現在値）の平均化処理を実行することにより、電流リップルを大きくすることもできる。

１１０車載用充電器１１１ＰＦＣ回路１１２ＤＣ／ＤＣ回路
１２０バッテリ１３０インバータ１４０モータ
２００外部電源

Claims

車両に搭載されるバッテリの温度調節装置であって、
前記バッテリを充電する充電器の内部に設けられ、電源から供給される電圧を昇圧するＰＦＣ回路に設けられるＩＧＢＴ素子と、
前記ＩＧＢＴ素子のスイッチング動作を制御して、電流リップルを基準値よりも大きくすることにより前記バッテリを昇温させる制御部と、
を有することを特徴とするバッテリの温度調節装置。
前記ＰＦＣ回路は、前記ＩＧＢＴ素子のスイッチング動作に応じて電圧値が変化する平滑コンデンサを有し、
前記制御部は、前記平滑コンデンサの電圧値を下げることにより、電流リップルを基準値よりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載のバッテリの温度調節装置。
前記バッテリは、車両を走行させるモータに供給される電力を蓄電することを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリの温度調節装置。
請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のバッテリの温度調節装置を搭載した車両。