JP2016152194A - 二次電池の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凍結による電池の異常劣化を抑制することができる二次電池の温度制御装置を提供する。【解決手段】二次電池の温度制御装置は、二次電池の温度Ｔｂを検出する温度センサ４０と、二次電池の電流Ｉｂを検出する電流センサ２０と、二次電池の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ３０と、二次電池を加熱するヒータ７０を作動させるＥＣＵ１００とを備える。ＥＣＵ１００は、温度センサ４０、電流センサ２０、電圧センサ３０の出力に基づいて、放電時または充電時の第１時点から第２時点までの二次電池の電圧変化の比率としきい値とを比較して、二次電池の電解液が凍結しているか否かを判断する。ＥＣＵ１００は、電解液が凍結していると判断した場合に、二次電池１０を加熱するヒータ７０を作動させる。【選択図】図１

Description

この発明は、二次電池の温度制御装置に関する。

車載用電池は、きわめて厳しい温度環境で使用される。−３０℃を大きく下回るような極低温域では、電解液凍結による異常劣化が発生し、電池寿命が急激に低下する虞がある。

特開２００３−２０３６７９号公報（特許文献１）は、二次電池を搭載した自動車用の電源装置を開示する。この電源装置では、外気温度が所定温度以下の場合には、ヒータを用いて二次電池を加温する。ヒータを用いて二次電池を加温することにより、たとえば、電池の電解液が凍結した状態での使用が防止され、電池異常劣化を抑制している。

特開２００３−２０３６７９号公報

しかし、電解液凍結の有無は、極低温化での車両放置条件、電池内における電解液の存在状態に大きく左右される。このため、外気温度や電池温度を監視するだけでは不十分である。

この発明の目的は、正確に電池の内部の電解液の凍結有無を確認することによって、電池性能を十分に利用することができ、かつ凍結による電池の異常劣化を抑制することができる二次電池の温度制御装置を提供することである。

この発明は、要約すると、二次電池の温度制御装置であって、二次電池の電圧を検出する電圧センサと、電流センサ、電圧センサの出力に基づいて二次電池の温度を上昇させる制御を行なう制御部とを備える。制御部は、二次電池の放電または充電の開始を検出した場合に、二次電池の放電または充電が開始される前の電圧からの電圧変化量を二次電池の放電または充電の開始後に監視し、電圧変化量の増加率が判定しきい値よりも少ない場合には、二次電池の温度を上昇させる制御を実行する。

放電時の電圧降下量、充電時の電圧上昇量は、時間が経過するにつれて一般に増加していく。二次電池の電解液に凍結が発生した場合には、この増加率が凍結していない場合と比べて少なくなる。したがって、増加率と予め実験的に定めた判定しきい値とを比較することによって電池の内部の電解液の凍結有無を判定することができる。上記の制御を行なうと、凍結発生時に二次電池の温度を上昇させる処理が実行され、電池の劣化が防止される。

好ましくは、制御部は、放電開始後または充電開始後の第１時点における電圧変化量と、第１時点よりも後の第２時点における電圧変化量との比によって、増加率を算出する。

好ましくは、判定しきい値はゼロであり、制御部は、増加率が負の場合に二次電池の温度を上昇させる制御を実行する。

本発明によれば、温度以外に、放電時または充電時の二次電池の電圧変化の挙動も考慮して精度良く凍結の有無を判断するので、必要なときに限定して電池の温度を上昇させるための処理を行なうことができる。このため、電池性能を十分に利用しつつ、かつ凍結による電池の異常劣化を抑制することができる。

本発明の実施の形態による二次電池の温度制御装置が適用される、二次電池を電源とする電源システムの概略構成を示すブロック図である。 電池放電時の電圧挙動をどのように凍結の判断に使用するかを説明するための図である。 電解液の凍結がある場合の放電時の電池電圧と凍結が無い場合の放電時の電池電圧とを比較して示した図である。 電池セルの温度が−３０℃〜−４０℃の間において、電圧降下量ΔＶ１、ΔＶ２およびその比がどのような値となったかを示した図である。 図４のデータをグラフにして示した図である。 電解液の凍結が発生している電池の放電時の電圧降下量ΔＶ１、ΔＶ２を示した図である。 電解液の凍結がある場合の充電時の電池電圧と凍結が無い場合の充電時の電池電圧とを比較して示した図である。 ＥＣＵ１００が実行する電解液凍結の有無の検出と電池の劣化抑制処理とを説明するためのフローチャートである。 ＥＣＵ１００が実行する電解液凍結の有無の検出と電池の劣化抑制処理の変形例を説明するためのフローチャートである。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態による二次電池の温度制御装置が適用される、二次電池を電源とする電源システムの概略構成を示すブロック図である。

図１を参照して、二次電池１０は、負荷５０の駆動電力を供給する。負荷５０は、たとえば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される走行用電動機で構成される。さらに、負荷５０は、電動機の回生電力により二次電池１０を充電する。二次電池１０は、代表的にはリチウムイオン電池により構成される。

二次電池１０には、電池電流を測定するための電流センサ２０と、電池電圧を測定するための電圧センサ３０と、電池温度を測定するための温度センサ４０とが設けられている。以下では、電流センサ２０による測定値を電池電流Ｉｂと表記し、電圧センサ３０による測定値を電池電圧Ｖｂと表記し、温度センサ４０による測定値を電池温度Ｔｂと表記する。

センサ２０〜４０によって測定された電池電流Ｉｂ、電池電圧Ｖｂおよび電池温度Ｔｂは電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００へ送出される。なお、電池電流Ｉｂについては、二次電池１０の放電時には正値（Ｉｂ＞０）で示され、充電時には負値（Ｉｂ＜０）で示されるものと定義する。

ＥＣＵ１００は、図示しない、マイクロプロセッサ、メモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等を含む。ＥＣＵ１００は、メモリに予め格納したプログラムの実行によって、センサ等からの入力信号・データを用いた演算処理を実行して、演算処理結果に基づく出力信号・データを生成するように構成される。本実施の形態では、ＥＣＵ１００は、電流センサ２０、電圧センサ３０および温度センサ４０によって検出された電池データ（Ｉｂ，Ｖｂ，Ｔｂを総括的に表記するもの）に基づき、充電率（ＳＯＣ）に代表される電池情報を生成する。

ＥＣＵ１００によって求められた電池情報は、負荷制御装置６０に送出される。負荷制御装置６０は、電池情報に基づいて負荷５０の駆動状態を制御するための制御指令を発生する。たとえば、二次電池１０のＳＯＣが低下した場合には、負荷５０の使用電力を制限するような制御指令が生成される。逆に、二次電池１０のＳＯＣが高い場合には、負荷５０による回生電力の発生を抑制するような制御指令が発生される。

特に、後述するように、ＥＣＵ１００は、電池ヒータ７０を制御することによって二次電池の温度制御装置として機能する。この二次電池の温度制御装置は、二次電池１０の温度Ｔｂを検出する温度センサ４０と、二次電池１０の電流Ｉｂを検出する電流センサ２０と、二次電池１０の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ３０と、ＥＣＵ１００とを含む。ＥＣＵ１００は、二次電池１０を加熱する電池ヒータ７０をセンサの出力に基づいて作動させる。

図２は、電池放電時の電圧挙動をどのように凍結の判断に使用するかを説明するための図である。図１、図２を参照して、ＥＣＵ１００は、温度センサ４０、電流センサ２０、電圧センサ３０の出力に基づいて、放電時の第１時点ｔ１から第２時点ｔ２までの二次電池の電圧変化ΔＶ１、ΔＶ２の比率としきい値とを比較して、二次電池１０の電解液が凍結しているか否かを判断する。

図２に示すように、通常は、放電が開始されると、時刻０での電圧（開放電圧ＯＣＶに近い電圧）から電流が流れることにより時刻ｔ１では内部抵抗による電圧降下ΔＶ１が発生する。そして、放電が進行すると、電池電圧は次第に低下する。このため時刻ΔＶ１に比べてΔＶ２は増加しているのが通常である。

ところが、電池の電解液が凍結していると、電池の内部抵抗が非常に大きくなっている。このため、通電すると急激にセルが発熱し電解液の凍結部分が融解する。すると見かけ上、電池の内部抵抗が減少する。

図３は、電解液の凍結がある場合の放電時の電池電圧と凍結が無い場合の放電時の電池電圧とを比較して示した図である。電解液の凍結が無い場合のラインＬ１は、図２に示した場合と同じように放電時間の経過に対して、電池電圧は単調減少している。これに比べて凍結がある場合のラインＬ２は、時刻ｔ１以降電解液が発熱により融解し内部抵抗が減少するので、電圧降下が少なくなる。このため、時刻ｔ１以降しばらくの間は、電池電圧が増加する。放電時のこのような挙動を検出することによって、電解液の凍結の有無を判断することができる。

図１のＥＣＵ１００は、二次電池１０の電解液が凍結していると判断した場合に、二次電池を加熱する電池ヒータ７０を作動させる。

本願発明者は、短時間通電時の電圧降下量ΔＶ１と、短時間通電時の電圧降下量ΔＶ２との比ΔＶ２／ΔＶ１が電解液の凍結の有無の判断に使用できることを見出した。以下に、データを示して比ΔＶ２／ΔＶ１について説明する。

図４は、電池セルの温度が−３０℃〜−４０℃の間において、電圧降下量ΔＶ１、ΔＶ２およびその比がどのような値となったかを示した図である。図５は、図４のデータをグラフにして示した図である。

電圧降下量ΔＶ１は、放電開始後０．１秒後の電圧降下量である。電圧降下量ΔＶ２は、放電開始後１０秒後の電圧降下量である。

電池温度が−３６℃以下の領域Ａ２のサンプル３個については、電解液に凍結が発生していることがわかった。そこで、比ΔＶ２／ΔＶ１に対する凍結判定しきい値を１．１に設定した。

図６は、電解液の凍結が発生している電池の放電時の電圧降下量ΔＶ１、ΔＶ２を示した図である。電解液の凍結がある場合には、領域Ａ１に示すように電池電圧が一度上昇する。時間が経過すると図６のように再び電池電圧が低下する場合もあるが、それでも電解液が凍結していないサンプルと比べるとΔＶ２が少なくなっている。

上記の凍結判定は、充電実行時にも適用することができる。図７は、電解液の凍結がある場合の充電時の電池電圧と凍結が無い場合の充電時の電池電圧とを比較して示した図である。電解液の凍結が無い場合のラインＬ１Ａは、充電時間の経過に対して、電池電圧は単調増加している。これに比べて凍結がある場合のラインＬ２Ａは、時刻ｔ１Ａ以降電解液が発熱により融解し内部抵抗が減少するので、電圧上昇が少なくなる。このため、時刻ｔ１Ａ以降しばらくの間は、電池電圧が低下する。充電時のこのような挙動を検出することによっても、電解液の凍結の有無を判断することができる。

図８は、ＥＣＵ１００が実行する電解液凍結の有無の検出と電池の劣化抑制処理とを説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。

図８を参照して、まず、処理が開始されるとステップＳ１において、ＥＣＵ１００は、電池温度Ｔｂを検出する。次に、ステップＳ２において電池温度が判定しきい値よりも低いか否かが判断される。この判定しきい値は、電解液が凍結する可能性がある温度に設定される。図５の例では、この判定しきい値は、−３０℃である。ステップＳ２において電池温度がしきい値以上であれば（Ｓ２でＮＯ）、ステップＳ６に処理が進められ現状の使用方法が維持される。

一方、ステップＳ２において、電池温度＜しきい値であった場合には（Ｓ２でＹＥＳ）、ステップＳ３に処理が進められる。ステップＳ３では、電池の充放電挙動の検出が行なわれる。具体的には、ＥＣＵ１００は、図４、図５で説明したような電圧降下量ΔＶ１と電圧降下量ΔＶ２を計測し、これらの比ΔＶ２／ΔＶ１を求める。なお、充電の場合は、ＥＣＵ１００は電圧上昇量の比を求める。

ステップＳ３に続き、ステップＳ４において、電圧変化量（放電の場合は電圧降下量、充電の場合は電圧上昇量）の比が凍結範囲内であるか否かが判断される。図５に示した例では、ΔＶ２／ΔＶ１が１．１以下である場合には、凍結範囲内であると判断される。

ステップＳ４において、電圧降下量の比が凍結範囲内でなければ（Ｓ４でＮＯ）、ステップＳ６に処理が進められ現状の使用方法が維持される。一方、ステップＳ４において、電圧降下量の比が凍結範囲内であった場合には（Ｓ４でＹＥＳ）、ステップＳ５に処理が進められ、電池の使用方法が変更される。使用方法の変更の一例としては、ヒータを使用して電池温度を上昇させ、凍結状態での電池の充放電を避けることが上げられる。なお、ヒータに限らず他の方法で電池の温度を上昇させても良い。

ステップＳ５またはＳ６の処理が終了すると、ステップＳ７に処理が進められ、制御はメインルーチンに戻される。

以上説明したように、本実施の形態に開示される二次電池の温度制御装置は、二次電池１０の電流を検出する電流センサ２０と、二次電池１０の電圧を検出する電圧センサ３０と、電流センサ２０、電圧センサ３０の出力に基づいて二次電池１０の温度を上昇させる制御を行なうＥＣＵ１００とを備える。ＥＣＵ１００は、電流センサ２０の出力に基づいて二次電池の放電または充電の開始を検出し、二次電池１０の放電または充電が開始される前の電圧（ｔ＝０における電池電圧）からの電圧変化量の変化を二次電池１０の放電または充電の開始後に監視し、電圧変化量の増加率が判定しきい値よりも少ない場合には、二次電池１０の温度を上昇させる制御を実行する。

好ましくは、図２、図６に示すように、ＥＣＵ１００は、放電開始後または充電開始後の第１時点（ｔ＝ｔ１）における電圧変化量ΔＶ１と、第１時点よりも後の第２時点（ｔ＝ｔ２）における電圧変化量ΔＶ２との比ΔＶ２／ΔＶ１によって、増加率を算出する。

これにより、凍結発生時に二次電池の温度を上昇させる処理が実行され、電池の劣化が防止される。

［制御の変形例］
図８には、充放電挙動の検出の一例として、電圧降下量の比を求めてしきい値と比較する処理を説明した。しかし、電池から放電すると凍結していなければ、電池電圧は次第に降下するのが通常であり、図３、図６に示したような放電中に電圧が上昇する現象を検出すれば凍結の有無の判断はできる。

図９は、ＥＣＵ１００が実行する電解液凍結の有無の検出と電池の劣化抑制処理の変形例を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。

図９を参照して、まず、処理が開始されるとステップＳ１１において、ＥＣＵ１００は、電池温度Ｔｂを検出する。次に、ステップＳ１２において電池温度がしきい値よりも低いか否かが判断される。このしきい値は、電解液が凍結する可能性がある温度に設定される。たとえば、図５に示した例と同様に、しきい値は−３０℃とすることができる。ステップＳ１２において電池温度がしきい値以上であれば（Ｓ１２でＮＯ）、ステップＳ１７に処理が進められ制御はメインルーチンに戻される。その結果、現状の使用方法が維持される。

一方、ステップＳ１２において、電池温度＜しきい値であった場合には（Ｓ１２でＹＥＳ）、ステップＳ１３に処理が進められる。ステップＳ１３では、電池が放電中であるか否かが判断される。ステップＳ１３において、電池が放電中でない場合には（Ｓ１３でＮＯ）、ステップＳ１７に処理が進められ、制御はメインルーチンに戻される。その結果、現状の使用方法が維持される。

一方、ステップＳ１３において電池が放電中であった場合には（Ｓ１３でＹＥＳ）、ステップＳ１４に処理が進められる。ステップＳ１４では、電池電圧が上昇中であるか否かが判断される。放電中に電池電圧が上昇するのは、図３、図６に示したような領域Ａ１の状態である。ステップＳ１４において、電池電圧が上昇中でない場合には（Ｓ１４でＮＯ）、ステップＳ１７に処理が進められ、制御はメインルーチンに戻される。その結果、現状の使用方法が維持される。

一方、ステップＳ１４で電池電圧が上昇中であると判断された場合には（Ｓ１４でＹＥＳ）、ステップＳ１５に処理が進められ、電池の電解液が凍結中であると判定される。そしてステップＳ１６では、ＥＣＵ１００は、電池ヒータ７０を作動させて、二次電池１０が加熱される。ここでも、ヒータに限らず他の方法で電池の温度を上昇させても良い。

その後、ステップＳ１７に処理が進められ制御はメインルーチンに移される。
なお、図９のフローチャートの処理は、図８のフローチャートの処理において、電圧変化量ΔＶの判定しきい値を１（増加率では判定しきい値ゼロ）とし時刻ｔ１とｔ２の間隔を狭くして繰り返し判定を行なうことにも相当する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、温度以外に、放電時または充電時の二次電池の電圧変化の挙動も考慮して精度良く凍結の有無を判断するので、必要なときに限定してヒータを作動させることができる。このため、電池性能を十分に利用しつつ、かつ凍結による電池の異常劣化を抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 二次電池、２０ 電流センサ、３０ 電圧センサ、４０ 温度センサ、５０ 負荷、６０ 負荷制御装置、７０ 電池ヒータ、１００ 電子制御装置。

Claims (1)

1. 前記二次電池の電圧を検出する電圧センサと、
   前記電流センサ、前記電圧センサの出力に基づいて前記二次電池の温度を上昇させる制御を行なう制御部とを備え、
   前記制御部は、前記二次電池の放電または充電の開始を検出した場合に、前記二次電池の放電または充電が開始される前の電圧からの電圧変化量を前記二次電池の放電または充電の開始後に監視し、前記電圧変化量の増加率が判定しきい値よりも少ない場合には、前記二次電池の温度を上昇させる制御を実行する、二次電池の温度制御装置。

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