JP2014087081A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄電装置の出力電圧の昇圧する処理と、蓄電装置を温める処理とを効率良く行わせる。
【解決手段】 蓄電システムは、充放電を行う蓄電装置と、蓄電装置の出力電圧を昇圧する昇圧回路とを有する。昇圧回路は、第１リアクトルおよびスイッチング素子を含んでおり、第１リアクトルと直列に接続された第１リレーが、第１リアクトルの通電および非通電を切り替える。第１リアクトルには、第２リアクトルが並列に接続されており、第２リアクトルのインダクタンスは、第１リアクトルのインダクタンスよりも小さい。第２リアクトルと直列に接続された第２リレーは、第２リアクトルの通電および非通電を切り替える。コントローラは、蓄電装置の出力電圧を昇圧するとき、第１リアクトルの通電状態において、スイッチング素子を駆動する。コントローラは、蓄電装置にリプル電流を流すとき、第２リアクトルの通電状態において、スイッチング素子を駆動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リプル電流を用いて蓄電装置の温度を上昇させる技術に関する。

二次電池の温度が低下すると、二次電池の内部抵抗が上昇し、二次電池の入出力が低下してしまうことが知られている。ここで、特許文献１では、二次電池にリプル電流を流すことにより、ジュール熱によって二次電池を内部から温め、二次電池の温度を上昇させるようにしている。ここで、リプル電流を用いて二次電池を温めることを、昇温処理という。

特開２０１０−２５７７２２号公報

特許文献１では、車両を走行させるときも、昇温処理を行うときも、昇圧コンバータに含まれる１つのリアクトルに電流が流れるようになっている。ここで、リアクトルのインダクタンスを変更すると、リプル電流の振幅や実効電流値を変化させることができる。

リプル電流の振幅を増加させれば、ジュール熱が発生しやすくなり、リプル電流を用いた昇温処理を効率良く行うことができる。しかし、リプル電流の振幅が増加するほど、昇圧コンバータの出力電圧が不安定になったり、昇圧コンバータの出力にノイズが含まれやすくなったりしてしまう。

そもそも、特許文献１に記載の昇圧コンバータは、二次電池の出力電圧を昇圧して、昇圧後の電力をインバータに供給するために用いられている。昇圧コンバータの本来の機能を考慮すれば、出力電圧が不安定になったり、ノイズが含まれたりしないように、リアクトルのインダクタンスを設定することが一般的である。

本発明である蓄電システムは、充放電を行う蓄電装置と、蓄電装置の出力電圧を昇圧する昇圧回路とを有する。ここで、昇圧回路は、第１リアクトルおよびスイッチング素子を含んでおり、第１リアクトルと直列に接続された第１リレーが、第１リアクトルの通電および非通電を切り替える。また、第１リアクトルには、第２リアクトルが並列に接続されており、第２リアクトルのインダクタンスは、第１リアクトルのインダクタンスよりも小さい。

第２リアクトルと直列に接続された第２リレーは、第２リアクトルの通電および非通電を切り替える。コントローラは、蓄電装置の出力電圧を昇圧するとき、第１リアクトルの通電状態において、スイッチング素子を駆動する。また、コントローラは、蓄電装置にリプル電流を流すとき、第２リアクトルの通電状態において、スイッチング素子を駆動する。

本発明によれば、第２リアクトルのインダクタンスを、第１リアクトルのインダクタンスよりも小さくしている。これにより、第２リアクトルを通電状態としたときのリプル電流の振幅（言い換えれば、実効電流値）は、第１リアクトルを通電状態としたときのリプル電流の振幅（言い換えれば、実効電流値）よりも大きくなる。リプル電流の振幅を増加させることができれば、リプル電流が流れることに伴う蓄電装置の発熱量を増加させることができる。これにより、蓄電装置の温度を上昇させやすくなり、蓄電装置を温める処理（昇温処理）を効率良く行うことができる。

一方、第１リアクトルのインダクタンスは、第２リアクトルのインダクタンスよりも大きくなっている。これにより、第１リアクトルを通電状態としたリプル電流の振幅は、第２リアクトルを通電状態としたリプル電流の振幅よりも小さくなる。リプル電流の振幅を減少させることができれば、昇圧回路の出力電圧を安定化させたり、昇圧回路の出力にノイズが含まれてしまうことを抑制したりすることができる。

本発明によれば、第１リアクトルおよび第２リアクトルに対して、互いに異なる機能を分担させることができ、蓄電装置の昇温処理と、昇圧回路の安定動作とを両立させることができる。

ここで、第２リアクトルにおけるコイルの巻き数を、第１リアクトルにおけるコイルの巻き数よりも小さくすれば、第２リアクトルのインダクタンスを第１リアクトルのインダクタンスよりも小さくすることができる。また、第２リアクトルにおけるコアの断面積を、第１リアクトルにおけるコアの断面積よりも小さくすれば、第２リアクトルのインダクタンスを第１リアクトルのインダクタンスよりも小さくすることができる。

なお、コイルの巻き数およびコアの断面積のうち、少なくとも一方に関して、上述した大小関係を満たしていればよい。コイルの巻き数およびコアの断面積の両方に関して、上述した大小関係を満たせば、蓄電装置の昇温処理と、昇圧回路の安定動作とを両立させやすくなる。

一方、第２リアクトルにおけるコイル線の断面積を、第１リアクトルにおけるコイル線の断面積よりも大きくすることができる。このようにコイル線の断面積を設定することにより、第２リアクトルの熱容量を、第１リアクトルの熱容量よりも大きくすることができ、第２リアクトルの温度上昇を抑制することができる。

蓄電装置にリプル電流を流すときには、第２リアクトルが通電状態となる。上述したように、第２リアクトルを用いたリプル電流の振幅（言い換えれば、実効電流値）は、第１リアクトルを用いたリプル電流の振幅（言い換えれば、実効電流値）よりも大きくなる。このため、第２リアクトルには、第１リアクトルよりも電流が流れやすくなり、第２リアクトルが発熱しやすくなってしまう。

そこで、第２リアクトルの熱容量を、第１リアクトルの熱容量よりも大きくすることにより、蓄電装置の昇温処理を行っている間でも、第２リアクトルの温度上昇を抑制でき、昇温処理を継続させることができる。リアクトルの耐熱性を考慮すると、リアクトルの温度が上昇しすぎたときに、リアクトルの通電を遮断して、リアクトルの温度を低下させなければならない。

ここで、第２リアクトルの通電を遮断してしまうと、昇温処理を継続させることができなくなってしまい、昇温処理が不十分となってしまうことがある。本発明では、第２リアクトルの温度上昇を抑制できるため、第２リアクトルの通電を遮断することなく、昇温処理を継続して行うことができる。これにより、昇温処理を行う十分な時間を確保することができる。

蓄電装置の温度が、予め定められた閾値よりも低いか否かを判別することにより、蓄電装置の昇温処理を行うか否かを判別することができる。すなわち、蓄電装置の温度が閾値よりも低いときには、蓄電装置の昇温処理を行うことができる。ここで、蓄電装置の温度は、温度センサを用いて検出することができる。昇温処理を行うことにより、蓄電装置の入出力を確保することができる。

蓄電装置は、例えば、車両に搭載することができる。具体的には、蓄電装置から出力された電気エネルギを運動エネルギに変換し、この運動エネルギを用いて車両を走行させることができる。蓄電装置としては、複数の二次電池（単電池）によって構成された組電池を用いることができる。

電池システムの構成を示す図である。 走行用リアクトルおよび昇温用リアクトルを用いたリプル電流の挙動を示す図である。 走行用リアクトルおよび昇温用リアクトルを用いたリプル電流による電池温度の上昇率を示す図である。 走行用リアクトルおよび昇温用リアクトルの温度上昇を示す図である。 組電池の昇温処理を行うときにおいて、走行用リアクトルおよび昇温用リアクトルを用いたエネルギ使用量（電力使用量）の関係を示す図である。 組電池の昇温処理を示すフローチャートである。 組電池の昇温処理において、システムメインリレー、電池電流および電池温度の挙動を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池システム（蓄電システムに相当する）について、図１を用いて説明する。図１は、電池システムの構成を示す図である。本実施例の電池システムは、例えば、車両に搭載することができる。なお、昇圧回路を用いて電池の出力電圧を昇圧するシステムであれば、本発明を適用することができる。

車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両を走行させる動力源として、後述する組電池に加えて、エンジン又は燃料電池といった、他の動力源を備えている。電気自動車は、車両を走行させる動力源として、後述する組電池だけを備えている。

組電池（蓄電装置に相当する）１０は、直列に接続された複数の単電池を有する。単電池としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることもできる。ここで、組電池１０を構成する単電池の数は、組電池１０に対して要求される出力を考慮して、適宜設定することができる。また、組電池１０には、並列に接続された複数の単電池が含まれていてもよい。

監視ユニット２０は、組電池１０の端子間電圧を検出したり、各単電池の端子間電圧を検出したりし、検出結果をコントローラ４０に出力する。監視ユニット２０によって検出された電圧は、組電池１０の充放電を制御するときに用いられる。例えば、組電池１０の過充電や過放電を抑制するために、監視ユニット２０によって検出された電圧が、上限電圧および下限電圧の間で変化するように、組電池１０の充放電を制御することができる。ここで、上限電圧は、組電池１０又は単電池の過充電を抑制するために設けられ、下限電圧は、組電池１０又は単電池の過放電を抑制するために設けられている。

温度センサ３０は、組電池１０（単電池）の温度を検出し、検出結果をコントローラ４０に出力する。ここで、温度センサ３０の数は、適宜設定することができる。複数の温度センサ３０を用いるときには、組電池１０に対して、互いに異なる位置に温度センサ３０を配置することができる。温度センサ３０によって検出された温度は、組電池１０の充放電を制御するときに用いることができる。

組電池１０の温度が低下すると、組電池１０（単電池）の内部抵抗が上昇し、組電池１０の入出力を確保しにくくなる。本実施例のように、組電池１０を車両に搭載した場合には、組電池１０の出力電力は、車両を始動させるときに必要となる電力よりも高くしておく必要がある。温度センサ３０を用いて、組電池１０の温度を検出することにより、組電池１０の温度が低下しているか否かを判別することができる。

組電池１０の温度が低下しているときには、後述するように、組電池１０を温めることにより、組電池１０の入出力を確保しやすくなる。すなわち、組電池１０を温めれば、組電池１０（単電池）の内部抵抗を低下させることができ、組電池１０の入出力を確保しやすくなる。

電流センサ３１は、組電池１０に流れる電流値を検出し、検出結果をコントローラ４０に出力する。本実施例において、組電池１０を放電しているときには、電流センサ３１によって検出された電流値として、正の値を用いることができる。また、組電池１０を充電しているときには、電流センサ３１によって検出された電流値として、負の値を用いることができる。

本実施例では、組電池１０の正極端子と接続された正極ラインＰＬに、電流センサ３１を設けているが、これに限るものではない。電流センサ３１は、組電池１０に流れる電流値を検出することができればよい。具体的には、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬのうち、少なくとも一方に、電流センサ３１を設けることができる。ここで、負極ラインＮＬは、組電池１０の負極端子と接続されたラインである。

負極ラインＮＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇが設けられている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｇは、コントローラ４０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。システムメインリレーＳＭＲ−Ｇには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐおよび電流制限抵抗Ｒが並列に接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｐおよび電流制限抵抗Ｒは、直列に接続されている。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｐは、コントローラ４０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。電流制限抵抗Ｒは、組電池１０を負荷（具体的には、後述する昇圧回路３２）と接続するときに、突入電流が流れることを抑制するために用いられる。

正極ラインＰＬには、並列に接続されたシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｂ２が設けられている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｂ２のそれぞれは、コントローラ４０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。

システムメインリレー（第１リレーに相当する）ＳＭＲ−Ｂ１には、走行用リアクトル（第１リアクトルに相当する）３２ａが直列に接続されており、システムメインリレー（第２リレーに相当する）ＳＭＲ−Ｂ２には、昇温用リアクトル（第２リアクトルに相当する）３３が直列に接続されている。ここで、走行用リアクトル３２ａおよび昇温用リアクトル３３は、並列に接続されている。

後述するように、走行用リアクトル３２ａは、昇圧回路３２の一部であり、車両を走行させるときに用いられる。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｂ２のうち、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１だけをオンにすれば、組電池１０を充放電するときの電流が走行用リアクトル３２ａに流れる。

昇温用リアクトル３３は、後述するように、組電池１０を温めるときに用いられる。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｂ２のうち、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２だけをオンにすれば、組電池１０を充放電したときの電流が昇温用リアクトル３３に流れる。

昇圧回路３２は、組電池１０の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ３５に出力する。また、昇圧回路３２は、インバータ３５から出力された電圧を降圧して、降圧後の電力を組電池１０に出力することができる。コントローラ４０は、昇圧回路３２の動作を制御する。

昇圧回路３２は、走行用リアクトル３２ａと、ダイオード３２ｂ，３２ｃと、スイッチング素子としてのトランジスタ（ｎｐｎ型トランジスタ）３２ｄ，３２ｅとを有する。走行用リアクトル３２ａは、一端がシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１に接続され、他端がトランジスタ３２ｄ，３２ｅの接続点（中間点）に接続されている。また、昇温用リアクトル３３は、一端がシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２に接続され、他端がトランジスタ３２ｄ，３２ｅの接続点（中間点）に接続されている。

トランジスタ３２ｄ，３２ｅは、直列に接続されており、各トランジスタ３２ｄ，３２ｅのベースには、コントローラ４０からの制御信号（ゲート信号）が入力される。各トランジスタ３２ｄ，３２ｅのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオード３２ｂ，３２ｃがそれぞれ接続されている。

トランジスタ３２ｄ，３２ｅとしては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることもできる。また、ｎｐｎ型トランジスタに代えて、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等のスイッチング素子を用いることもできる。

昇圧回路３２が組電池１０の出力電圧を昇圧するとき、コントローラ４０は、まず、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１をオンにするとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２をオフにしておく。また、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオンにしておく。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｇがオンとなっている状態において、コントローラ４０は、トランジスタ３２ｅをオンにするとともに、トランジスタ３２ｄをオフにする。これにより、組電池１０から走行用リアクトル３２ａに電流が流れ、走行用リアクトル３２ａには、電流量に応じた磁場エネルギが蓄積される。

次に、コントローラ４０は、トランジスタ３２ｅをオンからオフに切り替えることにより、走行用リアクトル３２ａからダイオード３２ｂを介して、インバータ３５に電流を流す。これにより、走行用リアクトル３２ａで蓄積されたエネルギが放出され、昇圧動作が行われる。

昇圧回路３２およびインバータ３５の間に位置するラインＰＬ，ＮＬには、コンデンサ３４が接続されている。コンデンサ３４は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬの間における電圧を平滑化するために用いられる。なお、図１には示していないが、組電池１０および昇圧回路３２の間に位置するラインＰＬ，ＮＬにも、電圧を平滑化するためのコンデンサを接続することができる。

一方、昇圧回路３２がインバータ３５の出力電圧を降圧するとき、コントローラ４０は、トランジスタ３２ｄをオンにするとともに、トランジスタ３２ｅをオフにする。これにより、インバータ３５からの電力が走行用リアクトル３２ａを介して組電池１０に供給され、組電池１０の充電が行われる。

インバータ３５は、昇圧回路３２から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ３６に出力する。また、インバータ３５は、モータ・ジェネレータ３６が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を昇圧回路３２に出力する。コントローラ４０は、インバータ３５の動作を制御する。モータ・ジェネレータ３６としては、例えば、三相交流モータを用いることができる。

モータ・ジェネレータ３６は、インバータ３５からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。組電池１０の出力電力を用いて車両を走行させるとき、モータ・ジェネレータ３６によって生成された運動エネルギは、車輪に伝達される。

車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ３６は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ（交流電力）に変換する。インバータ３５は、モータ・ジェネレータ３６が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を昇圧回路３２に出力する。昇圧回路３２は、インバータ３５からの出力電圧を降圧して、降圧後の電力を組電池１０に出力する。これにより、回生電力を組電池１０に蓄えることができる。

組電池１０を昇圧回路３２と接続するとき、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｐをオフからオンに切り替える。これにより、電流制限抵抗Ｒに電流を流すことができ、突入電流が流れることを抑制することができる。

次に、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替えた後に、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンからオフに切り替える。これにより、組電池１０および昇圧回路３２の接続が完了し、図１に示す電池システムは、起動状態（Ready-On）となる。一方、組電池１０および昇圧回路３２の接続を遮断するとき、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｇをオンからオフに切り替える。これにより、図１に示す電池システムは停止状態（Ready-Off）となる。

ここで、コントローラ４０には、車両のイグニッションスイッチのオン／オフに関する情報が入力される。コントローラ４０は、イグニッションスイッチがオンであるとき、図１に示す電池システムを起動状態とし、イグニッションスイッチがオフであるとき、電池システムを停止状態とする。

コントローラ４０は、メモリ４１を内蔵しており、メモリ４１は、コントローラ４０が所定の処理（特に、本実施例で説明する処理）を行うための各種の情報を記憶する。本実施例では、メモリ４１がコントローラ４０に内蔵されているが、コントローラ４０の外部にメモリ４１を設けることもできる。

組電池１０の温度を上昇させるとき、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２，ＳＭＲ−Ｇをオンにする。ここで、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオンにするとき、コントローラ４０は、まず、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンにした後に、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオンにする。そして、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオンにした後、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオフにする。なお、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１は、オフのままである。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２，ＳＭＲ−Ｇをオンにした状態において、コントローラ４０は、トランジスタ３２ｄ，３２ｅをオンおよびオフの間で周期的に切り替える。トランジスタ３２ｄ，３２ｅをオンおよびオフの間で切り替えることにより、リプル電流を発生させることができる。リプル電流は、周期的に変化する電流値である。

トランジスタ３２ｄ，３２ｅのオンおよびオフを周期的に切り替えることにより、組電池１０の充電および放電を周期的に切り替えることができる。これにより、図２に示すように、所定値（正の値）Ｉｄ［Ａ］を基準として、放電側（正の値側）および充電側（負の値側）に電流値を変化させることができる。

これにより、所定値Ｉｄ［Ａ］を振幅中心とした周波信号であるリプル電流を発生させることができる。ここで、リプル電流の周波数は、トランジスタ３２ｄ，３２ｅをオン又はオフにする時間に応じて変化させることができる。なお、リプル電流の振幅中心は、所定値Ｉｄ［Ａ］に対して、正の値側又は負の値側にシフトしていてもよい。

リプル電流を組電池１０（単電池）に流すと、組電池１０（単電池）の内部抵抗によって、組電池１０（単電池）を発熱させることができる。組電池１０（単電池）の発熱量は、下記式（１）で表される。

上記式（１）において、Ｑは、組電池１０（単電池）における発熱量であり、Ｉは、組電池１０（単電池）に流れる電流値であり、Ｒは、組電池１０（単電池）の内部抵抗である。上記式（１）に示すように、電流値Ｉが大きくなるほど、発熱量Ｑが大きくなる。特に、発熱量Ｑは、電流値Ｉの二乗に比例するため、電流値Ｉが大きくなるほど、発熱量Ｑが大きくなりやすい。

ここで、走行用リアクトル３２ａを用いてリプル電流を発生させた場合と、昇温用リアクトル３３を用いてリプル電流を発生させた場合とにおいて、リプル電流の挙動を図２に示す。図２に示すように、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流の振幅は、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流の振幅よりも大きくなっている。

これにより、昇温用リアクトル３３を用いたときの実効電流値は、走行用リアクトル３２ａを用いたときの実効電流値よりも大きくなり、上記式（１）によれば、昇温用リアクトル３３を用いたときの組電池１０の発熱量を、走行用リアクトル３２ａを用いたときの組電池１０の発熱量よりも多くすることができる。

昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流の振幅を、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流の振幅よりも大きくするときには、リプル電流における電流変化量を大きくする必要がある。ここで、電流変化量は、下記式（２）で表される。

上記式（２）において、ΔＩは、リプル電流における電流変化量であり、Ｌは、リアクトル３２ａ，３３のインダクタンスである。Ｖは、リアクトル３２ａ，３３に加えられる電圧値であり、Δｔは、時間の変化量である。

上記式（２）によれば、電圧値Ｖが一定であるとき、インダクタンスＬを小さくするほど、電流変化量ΔＩを大きくすることができる。電流変化量ΔＩを大きくするほど、リプル電流の振幅を大きくすることができる。昇温用リアクトル３３は、組電池１０を発熱させて、組電池１０の温度を上昇させるために用いられるため、昇温用リアクトル３３のインダクタンスＬは、小さくすることが好ましい。

一方、上記式（２）によれば、電圧値Ｖが一定であるとき、インダクタンスＬを大きくするほど、電流変化量ΔＩを小さくすることができる。電流変化量ΔＩを小さくするほど、電流値を安定化させたり、ノイズの発生を抑制したりすることができる。走行用リアクトル３２ａは、車両を走行させるときに用いられるため、昇圧回路３２の出力電圧の安定化やノイズの抑制を考慮する必要がある。すなわち、走行用リアクトル３２ａのインダクタンスＬは、大きくすることが好ましい。

このように、昇温用リアクトル３３および走行用リアクトル３２ａに対しては、インダクタンスＬに関して、相反する特性が求められる。そこで、本実施例では、走行用リアクトル３２ａの他に、昇温用リアクトル３３を設けており、車両を走行させるときと、組電池１０の温度を上昇させるときとで、使用されるリアクトル３２ａ，３３を切り替えるようにしている。ここで、昇温用リアクトル３３のインダクタンスＬは、走行用リアクトル３２ａのインダクタンスＬよりも小さくなっている。

図３に示すように、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流によって組電池１０を温めると、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流によって組電池１０を温める場合に比べて、組電池１０の温度上昇率を向上させることができる。図３において、縦軸は、組電池１０の温度を示し、横軸は、組電池１０にリプル電流を流している時間を示す。図３に示すように、組電池１０にリプル電流が流れるほど、組電池１０の温度が上昇しやすくなる。

昇温用リアクトル３３のインダクタンスは、走行用リアクトル３２ａのインダクタンスよりも小さいため、昇温用リアクトル３３を用いれば、走行用リアクトル３２ａを用いる場合に比べて、組電池１０の発熱量を増加させることができる。このため、昇温用リアクトル３３を用いることにより、走行用リアクトル３２ａを用いる場合に比べて、組電池１０の温度を所定温度Ｔ＿ｔｈまで素早く到達させることができる。

所定温度Ｔ＿ｔｈとして、例えば、組電池１０の出力電力が車両を始動させることができる下限電力となるときの組電池１０の温度とすることができる。この場合には、組電池１０の温度が所定温度Ｔ＿ｔｈよりも低くても、昇温リアクトル３３を用いたリプル電流によって、組電池１０を温めることにより、組電池１０の温度を所定温度Ｔ＿ｔｈまで素早く上昇させることができる。これにより、低温環境であっても、組電池１０の出力を用いて車両を始動させやすくなり、車両の始動性能を向上させることができる。

リアクトル３３，３２ａのインダクタンスＬを変更するときには、リアクトル３３，３２ａにおけるコイルの巻き数やコアの断面積を変更することができる。具体的には、昇温用リアクトル３３におけるコイルの巻き数を、走行用リアクトル３２ａにおけるコイルの巻き数よりも小さくすれば、昇温用リアクトル３３のインダクタンスＬを、走行用リアクトル３２ａのインダクタンスＬよりも小さくすることができる。

また、昇温用リアクトル３３におけるコアの断面積を、走行用リアクトル３２ａにおけるコアの断面積よりも小さくすれば、昇温用リアクトル３３のインダクタンスＬを、走行用リアクトル３２ａのインダクタンスＬよりも小さくすることができる。

リアクトル３２ａ，３３のインダクタンスＬは、下記式（３）によって規定される。

上記式（３）において、Ｎは、リアクトル３２ａ，３３におけるコイルの巻き数であり、Ｓは、コアの断面積である。ｌｃは、コアの磁路長であり、ｌｇは、総ギャップの長さである。μ０は、真空透磁率であり、μｒは、コアの比透磁率である。

昇温用リアクトル３３の巻き数に対する走行用リアクトル３２ａの巻き数を、１／σとする。すなわち、昇温用リアクトル３３の巻き数を走行用リアクトル３２ａの巻き線で除算した値を、１／σとする。また、昇温用リアクトル３３のインダクタンスをＬｒとし、走行用リアクトル３２ａのインダクタンスをＬｄとする。上記式（３）を考慮すると、インダクタンスＬｒ，Ｌｄは、下記式（４）に示す関係を有する。ここで、リアクトル３２ａ，３３におけるコアの断面積は、等しいものとする。

下記式（５），（６）に示す関係を考慮し、電圧値Ｖが一定であると仮定すると、下記式（７）に示す関係が得られる。下記式（７）に示す添え字ｒ、ｄのそれぞれは、昇温用リアクトル３３および走行用リアクトル３２ａを示す。

上記式（７）に示す関係から、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流の実効電流値Ｉｒｍｓ＿ｒと、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流の実効電流値Ｉｒｍｓ＿ｄとは、下記式（８）に示す関係を有する。

組電池１０（単電池）の発熱量Ｑは、上記式（１）で表されるため、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流による発熱量Ｑｒと、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流による発熱量Ｑｄとは、下記式（９）に示す関係を有する。

昇温用リアクトル３３の巻き数を、走行用リアクトル３２ａの巻き数よりも小さくすると、σは、１よりも大きい値となる。σが１よりも大きければ、上記式（９）に示すように、発熱量Ｑｒは、発熱量Ｑｄよりも大きくなる。すなわち、σが１よりも大きくなる条件において、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流によって組電池１０を温めれば、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流によって組電池１０を温めるときよりも、組電池１０を温めやすくすることができる。

次に、昇温用リアクトル３３のコア断面積に対する走行用リアクトル３２ａのコア断面積を、１／εとする。すなわち、昇温用リアクトル３３のコア断面積を走行用リアクトル３２ａのコア断面積で除算した値を、１／εとする。また、昇温用リアクトル３３のインダクタンスをＬｒとし、走行用リアクトル３２ａのインダクタンスをＬｄとする。

上記式（３）を考慮すると、インダクタンスＬｒ，Ｌｄは、下記式（１０）に示す関係を有する。ここで、リアクトル３２ａ，３３におけるコイルの巻き数は、等しいものとする。

上記式（５），（６）に示す関係を考慮し、電圧値Ｖが一定であると仮定すると、上記式（７），（８）と同様に、下記式（１１），（１２）に示す関係が得られる。下記式（１１），（１２）に示す添え字ｒ、ｄのそれぞれは、昇温用リアクトル３３および走行用リアクトル３２ａを示す。

組電池１０（単電池）の発熱量Ｑは、上記式（１）で表されるため、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流による発熱量Ｑｒと、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流による発熱量Ｑｄとは、下記式（１３）に示す関係を有する。

昇温用リアクトル３３のコア断面積を、走行用リアクトル３２ａのコア断面積よりも小さくすると、εは、１よりも大きい値となる。εが１よりも大きければ、上記式（１３）に示すように、発熱量Ｑｒは、発熱量Ｑｄよりも大きくなる。すなわち、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流によって組電池１０を温めれば、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流によって組電池１０を温めるときよりも、組電池１０を温めやすくすることができる。

ここで、巻き数およびコア断面積の両方の値に関して、昇温用リアクトル３３の値を走行用リアクトル３２ａの値よりも小さくすれば、発熱量Ｑｒ，Ｑｄは、下記式（１４）に示す関係を有する。

上記式（１４）に示すように、巻き数およびコア断面積に関して、昇温用リアクトル３３の値を走行用リアクトル３２ａの値よりも小さくすることにより、発熱量Ｑｒを発熱量Ｑｄよりも大きくしやすくなり、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流によって、組電池１０の温度を効率良く上昇させることができる。

一方、昇温用リアクトル３３におけるコイル線の断面積は、走行用リアクトル３２ａにおけるコイル線の断面積よりも大きくすることができる。これにより、昇温用リアクトル３３の熱容量を、走行用リアクトル３２ａの熱容量よりも大きくすることができ、図４に示すように、昇温用リアクトル３３の温度上昇率を、走行用リアクトル３２ａの温度上昇率よりも低下させることができる。

図４において、縦軸は、リアクトル３２ａ，３３の温度を示し、横軸は、リアクトル３２ａ，３３にリプル電流が流れる時間を示す。図４に示すように、リアクトル３２ａ，３３にリプル電流が流れる時間が長くなるほど、リアクトル３２ａ，３３は、発熱しやすくなる。

リアクトル３３，３２ａに電流が流れれば、リアクトル３３，３２ａの抵抗によって、リアクトル３３，３２ａが発熱する。ここで、昇温用リアクトル３３におけるコイル線の断面積を、走行用リアクトル３２ａにおけるコイル線の断面積よりも大きくすることにより、昇温用リアクトル３３の抵抗を、走行用リアクトル３２ａの抵抗よりも低くすることができる。リアクトル３３，３２ａの抵抗を低下させれば、通電に伴うリアクトル３３，３２ａの発熱を抑制することができるため、図４に示すように、昇温用リアクトル３３の温度上昇率を、走行用リアクトル３２ａの温度上昇率よりも低下させることができる。

図４に示す温度Ｔｒ＿ｍａｘは、リアクトル３３，３２ａの耐熱性に関して、リアクトル３３，３２ａを保護するための上限温度である。走行用リアクトル３２ａの温度上昇率は、昇温用リアクトル３３の温度上昇率よりも高いため、走行用リアクトル３２ａの温度は、昇温用リアクトル３３の温度よりも上限温度Ｔｒ＿ｍａｘに到達しやすくなる。

走行用リアクトル３２ａの温度が上限温度Ｔｒ＿ｍａｘに到達したときには、走行用リアクトル３２ａを保護するために、走行用リアクトル３２ａの通電を停止させる必要がある。ここで、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流によって、組電池１０を温めようとするときには、走行用リアクトル３２ａの温度が上限温度Ｔｒ＿ｍａｘに到達した時点において、組電池１０の昇温処理を停止させなければならない。これにより、組電池１０の昇温処理が不十分となってしまうおそれがある。

一方、昇温用リアクトル３３は、走行用リアクトル３２ａに比べて、温度が上昇しにくいため、昇温用リアクトル３３の温度が、上限温度Ｔｒ＿ｍａｘに到達しにくくなる。これにより、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流によって、組電池１０を温め続けることができる。すなわち、組電池１０の昇温処理を十分に行うことができる。

また、昇温用リアクトル３３の抵抗を、走行用リアクトル３２ａの抵抗よりも低下させることにより、昇温用リアクトル３３で消費される電力を、走行用リアクトル３２ａで消費される電力よりも低下させることができる。図５には、走行用リアクトル３２ａを用いたリプル電流によって組電池１０を温めるときのエネルギ使用量（電力使用量）と、昇温用リアクトル３３を用いたリプル電流によって組電池１０を温めるときのエネルギ使用量（電力使用量）との関係を示す。

ここでいうエネルギ使用量は、図５に示すように、組電池１０を昇温させるためのエネルギ使用量と、リアクトル３３，３２ａで消費されるエネルギ使用量（エネルギ損失）と、これ以外のエネルギ使用量（エネルギ損失）とを含んでいる。他のエネルギ使用量には、例えば、リアクトル３３，３２ａを除く電流経路（特に、電気素子）で消費されるエネルギ量がある。

上述したように、昇温用リアクトル３３の抵抗を、走行用リアクトル３２ａの抵抗よりも低下させることにより、昇温用リアクトル３３におけるエネルギ損失を、走行用リアクトル３２ａにおけるエネルギ損失よりも減少させることができる。これにより、組電池１０を温めるときのエネルギ使用量に関して、昇温用リアクトル３３を用いたときのエネルギ使用量を、走行用リアクトル３２ａを用いたときのエネルギ使用量よりも減少させることができる。

ここで、組電池１０を昇温させるためのエネルギ使用量や、他のエネルギ使用量は、変化させにくいが、リアクトル３３，３２ａで消費されるエネルギ使用量は、リアクトル３３，３２ａの抵抗を適宜設定することにより、変化させやすい。また、走行用リアクトル３２ａにおけるエネルギ使用量に示すように、リアクトルの抵抗が高くなるほど、全体のエネルギ使用量に対して、リアクトルで消費されるエネルギ使用量が占める割合が高くなる。このため、組電池１０を昇温させるときの全体のエネルギ使用量を低減させる上では、リアクトルで消費されるエネルギ使用量を低減させることが効果的である。

次に、組電池１０を温めるときの処理（昇温処理）について、図６に示すフローチャートを用いて説明する。図６に示す処理は、コントローラ４０によって実行される。図６に示す処理は、例えば、車両を始動させる前に行うことができる。

ステップＳ１０１において、コントローラ４０は、温度センサ３０の出力に基づいて、組電池１０の温度Ｔｂを取得する。ステップＳ１０２において、コントローラ４０は、ステップＳ１０１の処理で取得した電池温度Ｔｂが第１閾値Ｔ１よりも低いか否かを判別する。

第１閾値Ｔ１は、組電池１０の入出力を確保できる点に基づいて、予め設定された組電池１０の温度である。組電池１０の温度が第１閾値Ｔ１よりも低いときには、組電池１０の入出力を確保しにくくなり、例えば、組電池１０の出力に基づいて、車両を始動させることができないおそれがある。そこで、組電池１０の温度は、第１閾値Ｔ１よりも高い温度に維持することが好ましい。このような観点に基づいて、第１閾値Ｔ１を適宜設定することができ、第１閾値Ｔ１に関する情報は、メモリ４１に記憶しておくことができる。

電池温度Ｔｂが第１閾値Ｔ１よりも低いとき、コントローラ４０は、ステップＳ１０３の処理を行う。一方、電池温度Ｔｂが第１閾値Ｔ１よりも高いとき、コントローラ４０は、ステップＳ１０８の処理を行う。電池温度Ｔｂが第１閾値Ｔ１よりも高いとき、コントローラ４０は、組電池１０の入出力を確保でき、組電池１０を温める必要が無いと判別する。

ステップＳ１０３において、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１をオフにするとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２をオンにする。ここで、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇもオンにする。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオンにするとき、コントローラ４０は、まず、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンにした後に、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオンにする。ここで、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオンにした後は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオフにする。

図７に示すように、時刻ｔ２において、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２をオフからオンに切り替えるときには、時刻ｔ２よりも前の時刻ｔ１において、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１がオンからオフに切り替わっている。

ステップＳ１０４において、コントローラ４０は、昇圧回路３２におけるトランジスタ３２ｄ，３２ｅのオンおよびオフを切り替えることにより、リプル電流を発生させる。図７では、時刻ｔ３において、リプル電流が発生する。リプル電流は、図２を用いて説明したように、所定値Ｉｄ［Ａ］を振幅中心とする周波信号となる。ここで、リプル電流は、電流値Ｉｂ＿ｄ，−Ｉｂ＿ｃの間で変化する。

上述したように、リプル電流を発生させるとき、リプル電流は、昇温用リアクトル３３に流れる。昇温用リアクトル３３を用いてリプル電流を発生させることにより、組電池１０の温度を上昇させやすくすることができる。図７に示すように、リプル電流を発生させた時刻ｔ３のタイミングから、組電池１０の温度が上昇することになる。

ステップＳ１０５において、コントローラ４０は、温度センサ３０の出力に基づいて、組電池１０の温度Ｔｂを取得する。ステップＳ１０６において、コントローラ４０は、ステップＳ１０５の処理で取得した電池温度Ｔｂが、第２閾値Ｔ２よりも高いか否かを判別する。第２閾値Ｔ２は、図７に示すように、第１閾値Ｔ１よりも高い温度である。

第２閾値Ｔ２は、組電池１０の温度を第１閾値Ｔ１よりも高い状態に維持する観点に基づいて、予め設定された温度である。リプル電流によって、組電池１０の温度を上昇させた後に、リプル電流を用いた昇温処理を停止させると、組電池１０の温度が低下してしまうことがある。ここで、組電池１０の温度が第１閾値Ｔ１に到達したタイミングにおいて、リプル電流を用いた昇温処理を停止させてしまうと、組電池１０の温度が第１閾値Ｔ１よりも低下しやすくなってしまう。

そこで、本実施例では、リプル電流を用いた昇温処理を停止させた後の組電池１０の温度低下を考慮し、組電池１０の温度を第１閾値Ｔ１よりも高い状態に維持するために、第２閾値Ｔ２を設定している。第２閾値Ｔ２に関する情報は、メモリ４１に記憶しておくことができる。

電池温度Ｔｂが第２閾値Ｔ２よりも低いとき、コントローラ４０は、ステップＳ１０５の処理に戻り、組電池１０の温度Ｔｂを検出し続ける。一方、電池温度Ｔｂが第２閾値Ｔ２よりも高いとき、コントローラ４０は、ステップＳ１０７の処理を行う。このように、電池温度Ｔｂが第２閾値Ｔ２よりも高くなるまで、リプル電流を用いた昇温処理が継続されることになる。

ここで、昇温用リアクトル３３におけるコイル線の断面積は、走行用リアクトル３２ａにおけるコイル線の断面積よりも大きいため、昇温処理を継続しても、昇温リアクトル３３の温度上昇を抑制することができる。これにより、昇温処理を行っている間、昇温用リアクトル３３を保護することができる。

ステップＳ１０７において、コントローラ４０は、リプル電流を用いた組電池１０の昇温処理を終了する。図７に示すように、時刻ｔ４において、組電池１０の温度Ｔｂが第２閾値Ｔ２に到達すると、コントローラ４０は、リプル電流を発生させる処理を終了する。

ステップＳ１０８において、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１をオンにするとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２をオフにする。図７に示すように、時刻ｔ５において、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２がオンからオフに切り替わるとともに、時刻ｔ５よりも後の時刻ｔ６において、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１がオフからオンに切り替わる。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ２をオンからオフに切り替えるとき、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇもオンからオフに切り替えることができる。ここで、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１をオフからオンに切り替えるとき、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇもオフからオンに切り替えることができる。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替えるとき、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオフからオンに切り替えた後に、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替えることができる。そして、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替えた後、コントローラ４０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンからオフに切り替えることができる。これにより、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｇをオンにした状態において、車両を走行させることができる。

本実施例によれば、昇温用リアクトル３３のインダクタンスが、走行用リアクトル３２ａのインダクタンスよりも小さいため、リプル電流を用いた昇温処理において、組電池１０の温度を効率良く上昇させることができる。また、昇温用リアクトル３３におけるコイル線の断面積が、走行用リアクトル３２ａにおけるコイル線の断面積よりも大きいため、昇温処理を行っている間において、昇温用リアクトル３３を熱的に保護することができる。

一方、走行用リアクトル３２ａのインダクタンスは、昇温用リアクトル３３のインダクタンスよりも大きいため、車両を走行させるときに、リプル電流の振幅を低減させることができる。これにより、昇圧回路３２の出力電圧を安定化させたり、昇圧回路３２の出力にノイズが含まれてしまうことを抑制したりすることができる。

１０：組電池、２０：監視ユニット、３０：温度センサ、３１：電流センサ、
３２：昇圧回路、３２ａ：走行用リアクトル、３２ｂ，３２ｃ：ダイオード、
３２ｄ，３２ｅ：トランジスタ、３３：昇温用リアクトル、３４：コンデンサ、
３５：インバータ、３６：モータ・ジェネレータ、４０：コントローラ、４１：メモリ、
ＰＬ：正極ライン、ＮＬ：負極ライン、
ＳＭＲ−Ｂ１，ＳＭＲ−Ｂ２，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐ：システムメインリレー
Ｒ：電流制限抵抗

Claims (5)

1. 充放電を行う蓄電装置と、
   第１リアクトルおよびスイッチング素子を含み、前記蓄電装置の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、
   前記第１リアクトルと直列に接続され、前記第１リアクトルの通電および非通電を切り替える第１リレーと
   前記第１リアクトルと並列に接続され、前記第１リアクトルよりもインダクタンスが小さい第２リアクトルと、
   前記第２リアクトルと直列に接続され、前記第２リアクトルの通電および非通電を切り替える第２リレーと、
   前記スイッチング素子の駆動を制御するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、前記第１リアクトルの通電状態において、前記スイッチング素子を駆動して前記蓄電装置の出力電圧を昇圧するとともに、前記第２リアクトルの通電状態において、前記スイッチング素子を駆動してリプル電流を前記蓄電装置に流すことを特徴とする蓄電システム。
2. 前記第２リアクトルは、コイルの巻き数およびコアの断面積の少なくとも一方に関して、前記第１リアクトルよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記第２リアクトルは、コイル線の断面積に関して、前記第１リアクトルよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電システム。
4. 前記蓄電装置の温度を検出する温度センサを有しており、
   前記コントローラは、前記温度センサによる検出温度が閾値よりも低いとき、前記蓄電装置に前記リプル電流を流すことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電システム。
5. 前記蓄電装置は、車両を走行させるための運動エネルギに変換される電気エネルギを出力することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の蓄電システム。