JP2015029366A - 電源装置および電源の昇温方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下であっても短時間で所定の出力性能を有する使用可能状態へ移行する電源装置及び電源の昇温方法を提供すること。【解決手段】充放電可能な第１の蓄電手段と第１の負荷とを有し、第２の負荷に電力を供給する電源装置であって、第１の蓄電手段の温度が第１の閾値よりも低い場合は、第１の蓄電手段からの電力を第１の負荷に供給させるとともに、第１の蓄電手段からの電力を第２の負荷に供給させる制御手段を有することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、電源装置および電源の昇温方法に関し、特に、二次電池を昇温する電源装置および電源の昇温方法に関する。

近年、家庭内で使用される電気製品をはじめ、電気自動車の動力源としての原動機に電力を供給する電力源などとして、二次電池が広く用いられている。二次電池は、家庭用電灯線に接続して充電し、繰り返し充放電が可能な電池であり、一次電池に比べて経済的である。

リチウムイオン二次電池は、他の二次電池に比べて、エネルギー密度が高い、作動電圧が高い、メモリ効果がない、寿命が長い、などの特徴を有しており、定置用蓄電池や電気自動車用の電源などとして、近年広く用いられている。

二次電池は二次電池内で正極と負極の間をイオンが移動することにより起電力を生ずる。二次電池は、低温環境下では、電極の反応性が低下するため、十分な電流値が得られない。このため、二次電池には、寒冷地などで二次電池が低温にさらされる環境においては、十分な出力電力を得られず、例えば寒冷地では自動車が始動できない、などの問題がある。

特許文献１には、車両用エンジンを始動させるスタータモータに電力を供給する二次電池における、放電による内部温度上昇と、放電の遮断による電圧回復を繰り返すことにより、車両用エンジンの始動を可能にする車両用エンジンの始動方法が開示されている。

特許文献１に開示されている車両用エンジンの始動方法においては、準備状態として１つの二次電池の放電と放電の遮断を繰り返して、二次電池の温度を上昇させ、二次電池を使用可能な状態に移行させる。

特許文献２には、検出された電池の温度が所定値以下である場合は、エアコンなどにも放電させて、電池に要求される要求電圧よりも大きな電池の出力電流を流すように制御して電池の温度を昇温させる、電気自動車用電池のヒートアップ装置が開示されている。

特許文献２に開示されている電気自動車用電池のヒートアップ装置は、低温環境下で二次電池の使用を開始する際に、要求電流よりも大きな出力電流を二次電池に出力させている。特許文献２に開示されているヒートアップ装置においては、ハイブリッド型電気自動車に備えられた、排気ガスを還元触媒を介して無害ガスに変換する電熱触媒、或いは空気調整を行うエアコンが電気負荷として利用されている。

特許文献３には、二次電池と、充放電可能な補助電源と、二次電池と補助電源との間の電力変換を行う電力変換器を備えた車両用電源システムが開示されている。電力変換器は、二次電池に対するハイレート劣化戻し条件が成立したときに、二次電池を放電させて補助電源に電力を送る強制放電または補助電源から電力を供給して二次電池を充電させる強制充電を行うよう制御される。

特許文献３に開示されている車両用電源システムは、ハイレート劣化と呼ばれる現象が発生したときに、正常な状態へ回復するために二次電池に大電流にて放電させ、ハイレート劣化を解消する。ハイレート劣化は、二次電池に対して大電流で放電あるいは充電が行われたときに、電極間や電極面内に塩濃度分布が生じて内部抵抗が増加する現象であり、大電流放電により解消することが知られている。特許文献３に開示されている車両用電源システムは補助電源を備えており、ハイレート劣化が発生した場合に、二次電池から補助電源に強制放電を行うように、或いは、補助電源から二次電池に強制充電を行うように二次電池が制御される。

特許文献４には、複数の電力貯蔵装置を搭載した車両用電源装置が開示されている。車両用電源装置は、第１の電力変換器と第２の電力変換器を協働させ、第１の電力貯蔵装置と電気負荷との間の双方向送電、第２の電力貯蔵装置と電力負荷との間の双方向送電、第１の電力貯蔵装置と第２の電力貯蔵装置との間の双方向送電を実現する。

特許文献４に開示されている車両用電源装置は、二次電池に、低温環境下でも放電性能が低下しない電力貯蔵装置を補助電源として追加したものである。低温環境下で二次電池の使用の開始時には、補助電源を放電して電気負荷に電力を供給する。

特開２００２−１９５１３８号公報 特開平１１−２６０３２号公報 特開２０１３−４６４４６号公報 特開２０１１−１６０６４０号公報

特許文献１に開示されている車両用エンジンの始動方法においては、移行完了後に、二次電池の使用が可能になるが、準備状態なしで二次電池の使用を開始することはできない。すなわち、電気負荷であるスタータモータには準備状態では電力が供給されるものの、エンジンの始動は準備状態から使用可能な状態への移行完了後であり、準備状態でスタータモータに供給される電力はスタータモータ内で熱に転化するのみである。このため、準備にかかる期間は、二次電池は電力供給には使用されず、準備が完了するまでの期間は二次電池は使用できない。また、準備状態で消費したエネルギーは二次電池の昇温に利用されておらず、二次電池の昇温が不十分である。このため、二次電池が使用開始状態になるまでに時間がかかるという問題がある。

特許文献２に開示されているヒートアップ装置は、二次電池の昇温のために、使用開始時には電力を供給する必要のない装置に対して二次電池の放電が行われる。不十分な電圧で、エアコンなどの装置に電力を供給しても、装置を運転には十分な電力が供給されないことがあり、供給された電力は損失となる。また、不十分な電圧での電力を供給されると、装置の寿命を縮めることがある。また、放電により二次電池の電圧が低下すると、電圧を復活させるために放電を一時的に停止する必要がある。このため、停止された時間だけ二次電池の昇温が遅れることになる。

特許文献３に開示されている車両用電源システムは、低温時に二次電池を昇温させる構成を有していない。また、ハイレート劣化解消のためには、二次電池が強制充電を行う場合には補助電源を充電する移行期間が必要であり、二次電池に強制放電が行う場合は、補助電源を放電する移行期間が必要である。このため、低温環境下での二次電池の使用開始に際してただちに昇温が行われることはない。特許文献３に開示されている車両用電源システムは、二次電池の温度を測定する温度センサを有するが、特許文献３に開示されている車両用電源システムにおいて、二次電池の温度は二次電池の経年劣化を推定するために測定されるものである。所定の放電性能が得られるまで、低温環境下にある二次電池を昇温させる場合の二次電池の温度の監視に使用されるものではない。このため、特許文献３に開示されている車両用電源システムにおいては、二次電池の昇温を早めることはない。

特許文献４に開示されている車両用電源装置においては、低温環境下で二次電池の使用開始時に二次電池を昇温させる構成はない。使用開始時には電力負荷に対する電力供給の大部分を補助電源からの放電によるものが占め、二次電池の放電が小さいため、二次電池の内部温度の上昇が遅く、二次電池が所定の放電性能を有するまでの時間が長くなる。

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、低温環境下であっても短時間で所定の出力性能を有する使用可能状態へ移行する電源装置および電源の昇温方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため本発明の電源装置は、充放電可能な第１の蓄電手段と、第１の負荷と、第１の蓄電手段の温度が第１の閾値よりも低い場合は、第１の蓄電手段からの電力を第１の負荷に供給させるとともに第１の蓄電手段からの電力を第２の負荷に供給させる制御手段を有することを特徴とする。

また、本発明の電源の昇温方法は、充放電可能な第１の蓄電手段および第１の負荷を有し第２の負荷に電力を供給する電源装置において、第１の蓄電手段を昇温する電源の昇温方法であって、第１の蓄電手段の温度が第１の閾値よりも低い場合は、第１の蓄電手段からの電力を第１の負荷に供給させるとともに第１の蓄電手段からの電力を第２の負荷に供給させるステップを有することを特徴とする。

本発明によれば、低温環境下であっても短時間で所定の出力性能を有する使用可能状態へ移行することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す。 本発明の第２の実施形態に係る電源の昇温方法における処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す。 本発明の第２の実施形態に係る電源の昇温方法における処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る電源の昇温方法における電流、電圧および温度の変化の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電源の昇温方法における電流、電圧および温度の変化の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電源装置の制御回路の構成の一例を示す。 本発明の第３の実施形態に係る電源の昇温方法における電流の変化の一例を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施形態に限定されない。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す。

本実施形態に係る電源装置１０１は、充放電可能な第１の蓄電手段１００１と、第１の負荷１００４と、制御手段１００７を有する。

制御手段１００７は、第１の蓄電手段１００１の温度が第１の閾値よりも低い場合は、第１の蓄電手段１００１からの電力を第１の負荷１００４に供給させるとともに第１の蓄電手段１００１からの電力を第２の負荷１００３に供給させる。

本実施形態に係る電源の昇温方法の処理の一例を図２に示す。

本実施形態に係る電源の昇温方法は、充放電可能な第１の蓄電手段および第１の負荷を有し第２の負荷に電力を供給する電源装置において、第１の蓄電手段を昇温する電源の昇温方法である。

第１の蓄電手段の温度が第１の閾値よりも低い場合は（ステップＳ２０１ＮＯ）、第１の蓄電手段からの電力を第１の負荷に供給させるとともに第１の蓄電手段からの電力を第２の負荷に供給させる（図２、ステップＳ２０２）。

本実施形態に係る電源装置１０１においては、低温環境下であっても短時間で所定の出力性能を有する使用可能状態へ移行することが可能である。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成について図３を参照して説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す。

本実施形態における電源装置２０１は、第１の実施形態における第１の負荷として、充放電可能な補助電池４を有する。

電源装置２０１は、例えば、定置用蓄電池である。図３は、電源装置２０１において低温環境下にある二次電池１を昇温する構成を示すブロック図である。

二次電池１は、放電経路選択用のスイッチ２を介して、負荷であるＰＣＳ（直流交流交換装置、Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）３に接続されている。ＰＣＳ３は、供給された直流電力を交流に変換して出力する。

さらに、補助電池４が定電圧出力型のＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力部に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力部はスイッチ２に接続されている。

補助電池４としては、二次電池１が充電および放電ができないような低温の環境下でも充電及び放電が可能なものが用いられている。

本実施形態においては、二次電池１としてリチウムイオン二次電池、補助電池４としてリチウムイオン二次電池に比べて低温環境下でも充電及び放電が可能なリチウムイオンキャパシタが用いられる。二次電池１及び補助電池４の種類はこれに限定されない。すなわち、補助電池４に、二次電池１が充電および放電ができないような低温の環境下でも充電および放電が可能なものを用いるのであれば、二次電池１と補助電池４が上記と異なる種類の電池であってもよい。

二次電池１は、補助電池４を充電するための電力伝達経路として、放電の抑制と遮断を行うための半導体スイッチング素子６を有している。二次電池１は半導体スイッチング素子６を介して、補助電池４に接続されている。

さらに、本発明の第２の実施形態に係る電源装置は、制御回路７を有する。

制御回路７は、二次電池１および補助電池４の電圧値及び電流値、二次電池１の温度を参照して、スイッチ２を制御する。二次電池１および補助電池４の電圧はそれぞれ電圧センサ８および電圧センサ９により検出される。さらに、二次電池１からＰＣＳ３へ流れる電流の電流値は、電流センサ１０により検出される。また、補助電池４と二次電池１との間の電流の電流値が電流センサ１１により検出される。二次電池１の温度は、二次電池１の近傍或いは内部に設置された温度センサ１２により検出される。

スイッチ２は、制御回路７により制御され、二次電池１からＰＣＳ３への電流経路と、補助電池４からＰＣＳ３への電流経路を切替えて、二次電池１からの電流と、補助電池４からの電流のいずれかをＰＣＳ３に供給する。スイッチ２により、ＰＣＳ３への電流経路が確立すると、二次電池１または補助電池４から放電により発生した電力がＰＣＳ３に供給される。

制御回路７はさらに、半導体スイッチング素子６を制御して、二次電池１と補助電池４との間の電流経路を制御する。半導体スイッチング素子６は、例えば、制御回路７により制御されて、ＰＷＭ（パルス幅変調、Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行う。

また、スイッチ２によりＰＣＳ３への電流経路が遮断され、半導体スイッチング素子６により二次電池１と補助電池４との間の電流経路も遮断されると、二次電池１または補助電池４は放電経路を遮断される。

次に、本発明の第２の実施形態に係る電源装置の動作について、図３及び図４を参照して説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る電源の昇温方法の処理の一例を示すフローチャートである。制御回路７は、低温環境下で二次電池１からＰＣＳ３への放電と二次電池１の昇温を制御する。

以下、二次電池１の温度が所定値Ａ以上で、かつ、二次電池１の電圧が所定値Ｂ以上である時に、二次電池１は昇温によりＰＣＳからの要求に対して十分な出力電力が得られる状態であるとする。

なお、ＰＣＳからの要求に対して十分な出力電力が得られる程度に二次電池の内部抵抗が低下した時点での温度を所定値Ａとし、この時点での二次電池の電極間の電圧を所定値Ｂとする。

本実施形態においては、リチウムイオン電池を二次電池に適用したがこれに限定されない。この他の一般の二次電池についても同様にして、所定値ＡおよびＢが決定され、これらを用いて本実施形態の昇温方法が適用可能である。

制御回路７は、温度センサ１２により検出された二次電池１の温度を読み込み、該温度を所定値Ａと比較する（図４、ステップＳ４０１）。

二次電池１の温度が所定値Ａ以上である場合（ステップＳ４０１ＹＥＳ）は、電圧センサ８により検出された二次電池１の電圧を読み込み、該電圧を所定値Ｂと比較する（図４、ステップＳ４０２）。

二次電池１の温度が所定値Ａ未満である場合（ステップＳ４０１ＮＯ）は、電圧センサ９により検出された補助電池４の電圧を読み込み、該電圧を所定値Ｃと比較する（図４、ステップＳ４０３）。

なお、所定値Ｃは、補助電池４の使用電圧の下限値である。補助電池４は所定値Ｃよりも低い電圧では電力を取り出すことができないものとする。

また、二次電池１の温度が所定値Ａ以上の場合（ステップＳ４０１ＹＥＳ）であって、二次電池１の電圧が所定値Ｂ以上の場合（ステップＳ４０２ＹＥＳ）は、二次電池１が十分な出力電圧が得られる状態であるとして、昇温制御処理を終了する。

ステップＳ４０３において、補助電池４の電圧が所定値Ｃ未満である場合（ステップＳ４０３ＹＥＳ）は、二次電池１を放電して（図４、ステップＳ４０４）、補助電池４を充電する。なお、二次電池１の温度が低い状態でも、二次電池１の電圧が使用電圧の下限値以上であれば（図４、ステップＳ４１１ＹＥＳ）、二次電池１の電圧は、補助電池４の使用電圧の下限値よりも高いので、補助電池４の充電は可能である。なお、二次電池１の電圧が使用電圧の下限値未満である場合（図４、ステップＳ４１１ＮＯ）は、二次電池１の残容量で二次電池１を昇温することは不可能であるので、昇温制御処理を終了する。

補助電池４の電圧が所定値Ｃ以上である場合（ステップＳ４０３ＮＯ）は、スイッチ２を切替えて、ＤＣ／ＤＣコンバータ５とＰＣＳ３を接続し、補助電池４を放電して、補助電池４からＰＣＳ３に電力を供給する（図４、ステップＳ４０５）。補助電池４が放電により電圧が低下し、補助電池４の電圧が所定値Ｃを下回ると（ステップＳ４０３ＹＥＳ）、スイッチ２を再び切替えて、補助電池４からの放電を停止して、二次電池１を放電して、補助電池４を充電する。

ステップＳ４０４においては、スイッチ２を介して、二次電池１からＰＣＳ３への電流経路が確立され、二次電池１からＰＣＳ３に放電が行われる。それと同時に、制御回路７は、半導体スイッチング素子６をＰＷＭ制御して、二次電池１と補助電池４との電流経路を接続する。この電流経路を介して、二次電池１は補助電池４を充電する。制御回路７は、二次電池１から補助電池４へ供給される電流の電流値を、電流センサ１０により検出された電流値と電流センサ１１により検出された電流値を基に調整する。すなわち、電流センサ１０により検出される二次電池１からＰＣＳ３への放電電流値は一定値である。本実施形態においては、電流センサ１１により検出される二次電池１から補助電池４への放電電流値が一定であるとする。二次電池１からの放電電流に対して、その一部がＰＣＳ３へ要求された電流値の供給電流になるように、制御回路７はＰＷＭ制御のデューティ比を変更して供給電力の制御を行う。

ステップＳ４０４において二次電池１が放電を開始すると、温度センサ１２により二次電池１の温度が検出され所定値Ａと比較される（図４、ステップＳ４０６）。二次電池１の温度が所定値Ａ未満であれば（ステップＳ４０６ＮＯ）、二次電池１の電圧を所定値Ｄと比較する（図４、ステップＳ４０８）。二次電池１の電圧が所定値Ｄ以上であれば（ステップＳ４０８ＹＥＳ）、補助電池４の電圧を所定値Ｃと比較する（図４、ステップＳ４０９）。ステップＳ４０９において、補助電池４の電圧が所定値Ｃ未満である場合（ステップＳ４０９ＹＥＳ）は、ステップＳ４０４に戻り、上記の手続きを繰り返す。

なお、所定値Ｄは、二次電池１の使用電圧下限値である。二次電池１は所定値Ｄよりも低い電圧では電力を取り出すことができないものとする。

ステップＳ４０６において、二次電池１の温度が所定値Ａ以上である場合（ステップＳ４０６ＹＥＳ）は、二次電池１の電圧を所定値Ｂと比較する（図４、ステップＳ４０７）。二次電池１の電圧がＢ以上である場合（ステップＳ４０７ＹＥＳ）は、二次電池１が十分な出力電圧が得られる状態であるとして、昇温制御処理を終了する。二次電池１の電圧が所定値Ｂ未満である場合（ステップＳ４０７ＮＯ）は、二次電池１の放電を停止し、補助電池４の電圧を所定値Ｃと比較する（図４、ステップＳ４１２）。補助電池４の電圧が所定値Ｃ以上の場合（ステップＳ４１２ＹＥＳ）は、補助電池４の放電を開始する（図４、ステップＳ４１０）。

ステップＳ４０８において、二次電池１の電圧が所定値Ｄ未満である場合（ステップＳ４０８ＮＯ）は、二次電池１の放電を停止し、補助電池４の電圧を所定値Ｃと比較する（図４、ステップＳ４１２）。補助電池４の電圧が所定値Ｃ以上の場合（ステップＳ４１２ＹＥＳ）は、補助電池４の放電を開始する（図４、ステップＳ４１０）。

なお、補助電池４の電圧が所定値Ｃ未満の場合（ステップＳ４１２ＮＯ）は、補助電池４および二次電池１の残容量で、二次電池１の昇温は不可能であるため、昇温制御処理を終了する。

また、ステップＳ４０９において、補助電池４の電圧が所定値Ｃ以上である場合（ステップＳ４０９ＮＯ）、二次電池１の放電を停止し、補助電池４の放電を開始する（図４、ステップＳ４１０）。

ステップＳ４１０において、補助電池４を放電し、二次電池１の温度がＡ未満であり（ステップＳ４０１ＮＯ）、補助電池４の電圧が所定値Ｃ未満になれば（ステップＳ４０３ＹＥＳ）、二次電池１を放電する（図４、ステップＳ４０４）。

ステップＳ４１０において、制御回路７は、半導体スイッチング素子６のＰＷＭ制御を停止し、二次電池１から補助電池４への電力供給を停止する。すなわち、二次電池１の放電による補助電池４の充電が停止される。また、ＰＣＳ３へ供給される電力源がスイッチ２により、二次電池１から補助電池４に切り替えられる。すなわち、補助電池４の放電により、ＰＣＳ３に電力が供給される。補助電池４の電圧が使用電圧下限値である所定値Ｃを下回るようになる（ステップＳ４０３ＹＥＳ）と、スイッチ２を再び切替えて、二次電池１からＰＣＳ３への電力供給のための電流経路が確立する。

なお、補助電池４が放電する期間において、二次電池１の温度が所定値Ａ以上であり（図４、ステップＳ４０１ＹＥＳ）、二次電池１の電圧が所定値Ｂ未満である（図４、ステップＳ４０２ＮＯ）場合は、補助電池４の放電が十分でないとして、補助電池４の放電を継続する（図４、ステップＳ４０５）。

以上の動作を、二次電池１の温度が所定値Ａ以上であり、かつ二次電池の電圧が所定値Ｂ以上の状態に到達するまで繰り返す。

次に、図４乃至６を参照して、本発明の第２の実施形態に係る二次電池１の昇温の手続きの一例を具体的に説明する。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る電源装置における構成要件の温度及び電圧の時間的変化の一例である。

二次電池１は時刻ｔ０に放電を開始すると、電極間に電流が流れる。すなわち、電極間をイオンが移動し起電力を生ずる。低温環境下では電極の反応性が低下しているため、常温環境下に比べて電流値が小さい。また、二次電池１の電圧は、放電により、時間の経過とともに低下する。

また、二次電池１の放電の過程において、二次電池１の内部抵抗に対して電流が流れると、自己発熱が起こり、二次電池１の温度は時間とともに上昇する。

さらに、二次電池１は、放電経路を遮断して放電を停止すると、昇温の効果により電極の反応性が増大したため、二次電池１の電圧が回復する。

ＰＣＳ３が要求する電流の時間的変化の一例を図５（Ａ）に示す。ＰＣＳ３が要求する電流は、時刻ｔ０に開始する時間的に一定な値であるとする。なお、二次電池１は、放電開始直後は温度が所定値Ａ未満である（図４、ステップＳ４０１ＮＯ）とする。補助電池４は二次電池１の放電開始直後は未充電の状態である（図４、ステップＳ４０３ＹＥＳ）とする。

上記の条件により、二次電池１は放電を開始する（図４、ステップＳ４０４）。

補助電池４を充電する電流の時間的変化を図５（Ｂ）に示す。二次電池１の放電により回路に供給される電流が図５（Ｃ）に示される。二次電池１の放電開始（時刻ｔ０）直後は、二次電池１から放電された電流が、補助電池４及びＰＣＳ３に供給される。したがって、時刻ｔ０直後は、図５（Ｃ）で示される電流値は、図５（Ａ）で示されるＰＣＳ３への電流値と、図５（Ｂ）で示される補助電池４への電流値との和になる。すなわち、二次電池１からは、ＰＣＳ３からの要求に応えて供給される電流と補助電池４を充電するための電流が放電される。

二次電池１の放電により二次電池１の内部で発生する熱量は、電流値の二乗にほぼ比例する。このため、図５（Ｄ）で示される二次電池１の温度は、ＰＣＳ３に要求された電流のみを放電した場合よりも短時間で上昇する。

二次電池１が放電により内部の温度が上昇し、時刻ｔ１において、温度が所定値Ａ以上になる（図４、ステップＳ４０６ＹＥＳ）と、二次電池１の電圧が所定値Ｂと比較される。

二次電池１は、図５（Ｆ）に示されるように、二次電池１の温度にかかわらず、二次電池１の放電により電圧が低下する。

二次電池１の電圧が所定値Ｂ未満である場合（図４、ステップＳ４０７ＮＯ）、二次電池１の放電が停止され、補助電池４の放電が開始される（図４、ステップＳ４１０）。

二次電池１は、時刻ｔ０からｔ１までの期間では、低温状態で放電を行うことにより電圧が大きく低下する。二次電池１の放電を停止したｔ１からの期間では、二次電池１は、放電の停止による効果と時刻ｔ１までの期間において二次電池１の内部温度が上昇した効果とにより、電圧が急速に回復する。

補助電池４は、その容量を使い切るまで、すなわち補助電池４の電圧が所定値Ｃ未満になる（図４、ステップＳ４０３ＹＥＳ）までＰＣＳ３への放電を行う。なお、補助電池４の電圧が時刻ｔ２で所定値Ｃを下回ったとする。

時刻ｔ２において、二次電池１の放電が再び開始し（図４、ステップＳ４０４）、二次電池１の温度が所定値Ａ以上である場合（図４、ステップＳ４０６ＹＥＳ）であって、二次電池１の電圧が所定値Ｂ以上であれば（図４、ステップＳ４０７ＹＥＳ）、昇温制御処理が終了する。すなわち、二次電池１の放電による電力がＰＣＳ３のみに供給される。

また、補助電池４が放電し、補助電池４の電圧が所定値Ｃを下回る前に、二次電池１の温度が所定値Ａ以上になり（図４、ステップＳ４０１ＹＥＳ）、二次電池１の電圧が所定値Ｂ以上になった場合（図４、ステップＳ４０２ＹＥＳ）も昇温制御処理が終了する。

なお、二次電池１の温度が所定値Ａ以上であっても、二次電池１の電圧が十分回復していない場合（図４、ステップＳ４０２ＮＯ）は、補助電池４の放電を継続する（図４、ステップＳ４０５）。

また、時刻ｔ２において、二次電池１の温度が所定値Ａ未満の場合は、再び二次電池１の放電を行い（図４、ステップＳ４０４）、ＰＣＳ３および補助電池４へ電力が供給される。

また、二次電池１の放電が時刻ｔ０に開始したのち、二次電池１の温度上昇が遅く、所定値Ａに到達する前に、二次電池１の電圧が所定値Ｄを下回る場合（図４、ステップＳ４０８ＮＯ）も考えられる。時刻ｔ１’で二次電池１の電圧が所定値Ｄを下回ったとする。このような場合、図６（Ｆ）に示されるように、時刻ｔ１’で補助電池４の放電が開始される。

補助電池４の放電によりＰＣＳ３へ電力が供給される一方、二次電池１が放電を停止した効果と、二次電池１の内部温度が上昇した効果とにより、二次電池１の電圧は急速に回復する。

補助電池４は、時刻ｔ２’において、その容量を使い切ったものとする。時刻ｔ２’において、補助電池４の電圧が所定値Ｃを下回ったとして、二次電池１の放電を開始する（図４、ステップＳ４０４）。このとき、二次電池１の温度が所定値Ａ以上であり（図４、ステップＳ４０６ＹＥＳ）、電圧が所定値Ｂ以上であった（図４、ステップＳ４０７ＹＥＳ）とすると、二次電池１の昇温制御処理が終了し、二次電池１の放電による電力はＰＣＳ３のみに供給される。

また、補助電池４がその容量を使い切る前に、二次電池１の温度が所定値Ａ以上となり（図４、ステップＳ４０１ＹＥＳ）、二次電池１の電圧が所定値Ｂ以上となった場合（図４、ステップＳ４０２ＹＥＳ）も昇温制御処理が終了する。

なお、時刻ｔ２’において、二次電池１の温度が所定値Ａ未満の場合は、再び二次電池１の放電を行い（図４、ステップＳ４０４）、ＰＣＳ３および補助電池４へ電力が供給される。

以上の手続きを、二次電池１の温度が所定値Ａ以上であり、二次電池１の電圧が所定値Ｂ以上である状態に到達するまで繰り返す。

昇温制御処理を終えた二次電池１からは、十分な出力電力が得られる。図５において時刻ｔ２から、図６においては時刻ｔ２’からは、二次電池１の放電によりＰＣＳ３にのみ電力が供給される。図５（Ｇ）はＰＣＳ３へ供給される電圧を示す。ＰＣＳ３への出力電圧は、時刻ｔ０からｔ１までの期間においては、二次電池１からの電圧が供給され、時刻ｔ１からｔ２までの期間においては、補助電池４の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ５で変換された定電圧が供給される。

第２の実施形態に係る電源装置においては、二次電池１の電力供給先として負荷が追加されている。定置用蓄電池としての二次電池１が、負荷であるＰＣＳ３から要求された電力を供給すると同時に、追加された負荷に電力を供給して補助電池４を充電する。また、充電された補助電池４から、負荷であるＰＣＳ３へ電力を供給するように構成されている。

上記の構成により、低温環境下において負荷であるＰＣＳ３への電力を供給すると同時に二次電池１を昇温することが可能になる。また、二次電池１は、ＰＣＳ３および追加された負荷としての補助電池４に電力を供給するため、ＰＣＳ３のみに電力を供給する場合よりも大きな電流値で放電する。このため、自己発熱により発生する熱量が大きくなり、これにより、二次電池１を短時間で昇温することが可能になる。

また、二次電池１の昇温時には、放電により発生した電力の一部を補助電池４の充電に充てることにより、負荷であるＰＣＳ３に対して過剰な電力を供給することがない。

さらに、二次電池１の昇温時に二次電池１の電圧低下が発生し、二次電池１の放電遮断が必要になった場合には、負荷であるＰＣＳ３への電力供給元を二次電池１から補助電池４に切り替える。これにより、二次電池１の昇温と同時に安定した電力供給が可能である。
［第３の実施形態］
本実施形態に係る電源装置は、第２の実施形態に係る電源装置における制御回路７に、放電電流制御部３１を追加したものである。

図７は、第３の実施形態に係る電源装置の制御回路７の構成の一例を示す。なお、この他の構成は、第２の実施形態に係る電源装置の構成と同一であるので、説明を省略する。

放電電流制御部３１は、二次電池１が放電を行う際に、二次電池１の温度上昇に伴い、放電電流が増加するよう二次電池１の放電を制御する。

図８は、本実施形態に係る電源装置において、二次電池１の放電時の放電電流の変化の一例を示すタイミング図である。

二次電池１は、低温環境下では、内部温度の低下により内部抵抗が増加するが、二次電池１の放電により内部温度が上昇すると、内部抵抗が減少する。このため、放電の開始時から放電が進行するのに伴い、放電可能な電流値が増大する。

放電電流制御部３１は、ＰＣＳ３が要求する電流値は、図８（Ａ）に示されるように時間的に一定であるが、補助電池４の充電に充てる電流値を図８（Ｂ）に示されるように、二次電池１の温度上昇に伴い増加させる。これにより、二次電池１の放電により発生する電流は、図８（Ｃ）に示されるように、時間とともに増大する。放電により発生する電流が増加すれば、二次電池１の昇温はさらに進行し、第２の実施形態に係る電源装置よりも急速に昇温が進行する。

なお、補助電池４の充電電流のみを増加させる制御は、制御回路７による半導体スイッチング素子６のＰＷＭ制御のデューティ比を時間的に変更することにより実現される。

本実施形態に係る電源装置は、上記の構成により、第２の実施形態と同様の効果を有するとともに、より短時間で二次電池１が昇温する。
［第４の実施形態］
本実施形態に係る電源装置は、第２の実施形態に係る電源装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータ５に放熱板４１を追加し、さらに、補助電池４に放熱板４２を追加したものである。この他の構成は、第２の実施形態に係る電源装置の構成と同一であるので、説明を省略する。

図９は、第４の実施形態に係る電源装置４０１の構成の一例を示す。

本実施形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ５に放熱板４１が密着して備えられている。なお、本実施形態に係る電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５に密着した放熱板４１に加えて、補助電池に密着して配置された放熱板４２を備えていてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５に、補助電池４の放電によりＰＣＳ３に供給される電流が流れ電圧変換が行われる際には損失が発生する。この損失は熱エネルギーとしてＤＣ／ＤＣコンバータ５から発生する熱に変換される。

補助電池４から発生する電力の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ５において変換されて、変換された電圧の電力がＰＣＳ３に供給されるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ５から発生した熱は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５に密着した放熱板４１に吸収される。放熱板４１に吸収された熱は二次電池１まで伝導し、二次電池１の昇温に利用される。

補助電池４に密着させた放熱板４２も同様に、補助電池４が放電する際に発生した熱を吸収する。放熱板４２に吸収された熱は、二次電池１まで伝導して、二次電池１の昇温に利用される。

本実施形態に係る電源装置４０１においては、二次電池１以外の構成要素から発生する熱を二次電池１の昇温に利用する。すなわち、電源回路中に発生したエネルギー損失を二次電池１の昇温に利用することにより、二次電池１の昇温を促進し、より短時間に二次電池１を使用可能な状態へ移行させることができる。

本発明の上記の実施形態に係る電源装置は、低温環境下にある二次電池を用いた蓄電池を昇温する電源装置であって、電源装置の出力先の負荷の要求する電流値を有する電力を出力先の負荷に提供するために二次電池が放電する際に、放電と同時に出力先の負荷とは別の追加された負荷にも電源を供給する。これにより、出力先の負荷に電力を供給すると同時に、二次電池の昇温を効率的に行うことができる。

また、本発明の上記の実施形態に係る電源装置は、二次電池の放電を遮断するタイミングで、補助電池に放電を行わせ、ＤＣ／ＤＣコンバータにより二次電池が出力する電圧範囲内の電圧で負荷に電力を供給する。これにより、二次電池が、低温環境下における放電により電圧低下を起こし、放電遮断を必要とする場合であっても、負荷に対しては安定した電源供給が可能である。また、補助電池に供給した電力は、補助電池の充電に使用され、この充電されたエネルギーが負荷への放電にさらに利用される。このため、二次電池のエネルギーが負荷へ供給される電力として、および、二次電池を昇温する熱源として効率よく利用される。

さらに、制御回路は、二次電池から負荷への放電電流、二次電池から補助電池への放電電流、および二次電池の内部温度を監視し、半導体スイッチング素子により、補助電池への充電電流を二次電池の特定の温度における最大の電流値に制御する。これにより、二次電池の効率的で迅速な昇温が可能である。

また、本発明の上記の実施形態に係る電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータに密着するように設置された放熱板を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータから発生した熱を二次電池の昇温に利用する。これにより、電源装置の外部に放出されるような熱を二次電池の昇温に活用することが可能であり、無駄な電力消費を抑制するとともに、二次電池をより速く昇温することが可能である。

上記の実施形態においては、定置用蓄電池として用いられる二次電池を昇温したが、これに限定されない。昇温される二次電池は、移動体に搭載された電気機器の電力源として、移動体に搭載されたものでもよい。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、低温環境下における二次電池を昇温して使用可能な状態にする電源装置に好適に適用可能である。

１ 二次電池
２ スイッチ
３ ＰＣＳ
４ 補助電池
５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６ 半導体スイッチング素子
７ 制御回路
８、９ 電圧センサ
１０、１１ 電流センサ
１２ 温度センサ
３１ 放電電流制御部
４１、４２ 放熱板
１０１、２０１、４０１ 電源装置
１００１ 第１の蓄電手段
１００３ 第２の負荷
１００４ 第１の負荷
１００７ 制御手段

Claims (10)

1. 充放電可能な第１の蓄電手段と、
   第１の負荷と、
   前記第１の蓄電手段の温度が第１の閾値よりも低い場合は、前記第１の蓄電手段からの電力を前記第１の負荷に供給させるとともに、前記第１の蓄電手段からの電力を第２の負荷に供給させる制御手段と
   を有することを特徴とする、電源装置。
2. 前記第１の負荷は充放電可能な第２の蓄電手段であり、
   前記制御手段は、前記第１の蓄電手段の温度が第１の閾値よりも低く前記第２の蓄電手段の電圧が第３の閾値よりも低い場合は、前記第１の蓄電手段からの電力を前記第２の蓄電手段に供給させるとともに前記第１の蓄電手段からの電力を前記第２の負荷に供給させ、前記第１の蓄電手段の温度が前記第１の閾値以上であり前記第１の蓄電手段の電圧が第２の閾値よりも低い場合、または、前記第１の蓄電手段の温度が前記第１の閾値よりも低く前記第１の蓄電手段の電圧が前記第２の閾値よりも低い第４の閾値よりも低い場合は、前記第２の蓄電手段からの電力を前記第２の負荷に供給させることを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第２の蓄電手段の定格電圧の下限値は前記第１の蓄電手段の定格電圧の下限値よりも低いことを特徴とする、請求項２に記載の電源装置。
4. 前記制御手段は、前記第１の蓄電手段の温度上昇に伴い前記第１の蓄電手段から前記第２の蓄電手段へ供給される電力の電流値を増加させることを特徴とする、請求項２または３に記載の電源装置。
5. 前記第２の蓄電手段から前記第２の負荷に供給される電力の電圧を変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段に接しており前記電圧変換手段から発生した熱を前記第１の蓄電手段に供給する放熱手段をさらに有することを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. 充放電可能な第１の蓄電手段および第１の負荷を有し第２の負荷に電力を供給する電源装置において、前記第１の蓄電手段を昇温する電源の昇温方法であって、
   前記第１の蓄電手段の温度が第１の閾値よりも低い場合は、前記第１の蓄電手段からの電力を前記第１の負荷に供給させるとともに前記第１の蓄電手段からの電力を前記第２の負荷に供給させるステップを有することを特徴とする、電源の昇温方法。
7. 前記第１の負荷は充放電可能な第２の蓄電手段であり、
   前記第１の蓄電手段の温度が第１の閾値よりも低く前記第２の蓄電手段の電圧が第３の閾値よりも低い場合は、前記第１の蓄電手段からの電力を前記第２の蓄電手段に供給させるとともに前記第１の蓄電手段からの電力を前記第２の負荷に供給させるステップと、
   前記第１の蓄電手段の温度が前記第１の閾値以上であり前記第１の蓄電手段の電圧が第２の閾値よりも低い場合、または、前記第１の蓄電手段の温度が前記第１の閾値よりも低く前記第１の蓄電手段の電圧が前記第２の閾値よりも低い第４の閾値よりも低い場合は、前記第２の蓄電手段からの電力を前記第２の負荷に供給させるステップをさらに有することを特徴とする、請求項６に記載の電源の昇温方法。
8. 前記第２の蓄電手段の定格電圧の下限値は前記第１の蓄電手段の定格電圧の下限値よりも低いことを特徴とする、請求項７に記載の電源の昇温方法。
9. 前記第１の蓄電手段から前記第２の蓄電手段に電力を供給させるとともに前記第１の蓄電手段からの電力を前記第２の負荷に供給させるステップは、前記第１の蓄電手段の温度上昇に伴い前記第１の蓄電手段から前記第２の蓄電手段に供給される電力の電流値を増加させるステップを有することを特徴とする、請求項７または８に記載の電源の昇温方法。
10. 前記第２の蓄電手段からの電力を前記第２の負荷に供給させるステップは、前記第２の蓄電手段からの電力の電圧を変換し、電圧の変換により発生した熱を前記第１の蓄電手段に供給するステップを有することを特徴とする、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の電源の昇温方法。

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