JP2022019201A - 昇温装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】より効率的に二次電池を昇温させること。【解決手段】二次電池を流れる交流電流の周波数が低周波数から上昇するに従って前記二次電池のインピーダンスの抵抗成分が低下し、前記抵抗成分が最小となる周波数から高周波数側に離れるほど前記抵抗成分が増加する特性を有した二次電池に接続され、前記抵抗成分が最小となる周波数よりも高い高周波帯域の周波数の交流電流を前記二次電池に通流させて前記二次電池を昇温する交流発生回路とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、昇温装置に関する。
従来、二次電池のインピーダンスの周波数特性に基づいて、インピーダンスの絶対値が相対的に低下する周波数領域の周波数のリップル電流を二次電池に積極的に発生させることで、二次電池を昇温させる装置が開示されている（例えば引用文献１参照）。
特許第５２９３８２０号公報
しかしながら、上記のような従来技術では、効率的に二次電池を昇温させることができない場合があった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、より効率的に二次電池を昇温させることができる昇温装置を提供することを目的の一つとする。
この発明に係る昇温装置は、以下の構成を採用した。
（１）：この発明の一態様に係る昇温装置は、二次電池を流れる交流電流の周波数が低周波数から上昇するに従って前記二次電池のインピーダンスの抵抗成分が低下し、前記抵抗成分が最小となる周波数から高周波数側に離れるほど前記抵抗成分が増加する特性を有した二次電池の両端に接続され、前記抵抗成分が最小となる周波数よりも高い高周波帯域の周波数の交流電流を前記二次電池に通流させて前記二次電池を昇温する交流発生回路を備える。
（２）：この発明の他の一態様に係る昇温装置は、二次電池の両端に接続され、コンデンサ要素を内包した交流発生回路を備え、前記交流発生回路は、前記二次電池のインピーダンスの抵抗成分が最小となる周波数よりも高い高周波数帯域において、前記二次電池のインダクタンス要素と前記コンデンサ要素とを共振させて増幅させた交流電流を前記二次電池に通流させて前記二次電池を昇温する。
（３）：上記（１）または（２）の態様において、前記交流電流の周波数は、前記二次電池に供給する交流電流の電路長の４倍と波長が等しくなる周波数よりも低い周波数である。
（４）：上記（１）から（３）の態様のうちいずれかにおいて、前記交流電流の周波数は、前記二次電池の電気化学反応が所定度合未満となる周波数である。
（５）：この発明の一態様に係る昇温装置は、第１コンデンサと、第１スイッチとが直列に接続された第１回路と、第２スイッチと、第２コンデンサとが直列に接続された第２回路と、前記第１コンデンサと第１スイッチとの間に設けられた接点と、前記第２コンデンサと前記第２スイッチとの間に設けられた接点とに接続された回路に設けられた第３スイッチを含む第３回路とを含み、前記第２回路は、前記第１回路に対して並列に接続され、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが遮断状態であり、前記第３スイッチが導通状態で、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサが直列に接続されて、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサから、前記第１回路および前記第２回路に接続された二次電池に電力を供給する第１制御を実行し、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが導通状態であり、前記第３スイッチが遮断状態で、前記二次電池から、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサに電力を供給する第２制御を実行する、交流発生回路を備える。
（６）：上記（５）の態様において、前記第１制御と前記第２制御とがスイッチングするスイッチング周波数は、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが遮断状態であり、前記第３スイッチが導通状態において形成される直列回路の共振周波数と、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが導通状態であり、前記第３スイッチが遮断状態で形成される並列回路の共振周波数との間の周波数であり、前記直列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと、前記第３スイッチと、前記第２コンデンサとが直列に接続された回路であり、前記並列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと前記第１スイッチとが直列に接続された回路と、前記第２コンデンサと前記第２スイッチとが直列に接続された回路とが並列に接続された回路である。
（７）：上記（５）または（６）の態様において、前記第１制御の期間が、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが遮断状態であり、前記第３スイッチが導通状態において形成される直列回路の共振周期の半分の時間に対して、１倍を含む奇数倍であり、前記第２制御の期間が、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが導通状態であり、前記第３スイッチが遮断状態で形成される並列回路の共振周期の半分の時間に対して、１倍を含む奇数倍であるような、スイッチング周波数とスイッチングデューティで運転されることを特徴とし、前記直列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと、前記第３スイッチと、前記第２コンデンサとが直列に接続された回路であり、前記並列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと前記第１スイッチとが直列に接続された回路と、前記第２コンデンサと前記第２スイッチとが直列に接続された回路とが並列に接続された回路である。
（８）：上記（５）から（７）のいずれかの態様において、前記第１制御の状態から、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが遮断状態であり、前記第３スイッチが導通状態において形成される直列回路の共振により、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサに流れる電流がゼロをまたぐ時に、前記第２制御へと移行し、前記第２制御の状態から、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが導通状態であり、前記第３スイッチが遮断状態で形成される並列回路の共振により、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサに流れる電流がゼロをまたぐ時に、前記第１制御へと移行するようなスイッチング周波数とスイッチングデューティで運転されることを特徴とし、前記直列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと、前記第３スイッチと、前記第２コンデンサとが直列に接続された回路であり、前記並列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと前記第１スイッチとが直列に接続された回路と、前記第２コンデンサと前記第２スイッチとが直列に接続された回路とが並列に接続された回路である。
（９）：上記（５）の態様において、前記第１制御と前記第２制御とがスイッチングするスイッチング周波数と前期スイッチングデューティを調整する。
上記（１）～（９）によれば、より効率的に二次電池を昇温させることができる。
昇温装置を含む蓄電システム１を搭載した電動車両の構成の一例を示す図である。 昇温装置６０の構成の一例を示す図である。 交流電源６２の構成の一例を示す図である。 制御装置１００の制御部１０６が実行する処理の流れの一例を示すフローチャートである。 比較例の二次電池４０と昇温装置６０ｘとの構成を示す図である。 構成Ｘの電気的な特性を示す図である。 第１実施形態の構成（二次電池４０および昇温装置６０を含む構成）の電気的な特性を示す図である。 比較例の構成Ｘと、第１実施形態の構成との電流の振幅と、発熱量との関係の一例を示す図である。 第２実施形態の昇温装置６０Ａの機能構成の一例を示す図である。 二次電池４０が放電する際の制御について説明するための図である。 スイッチング周波数の変化に対する回路の特性を示す図である。 インピーダンスの周波数特性を示す図である。 交流電流源と供試電池とが接続された回路を示す図である。 二次電池と交流発生装置とを含む回路を示す図である。 図１２で説明した特性の二次電池とコンデンサとを直列に接続し、１Ｖの交流電圧を印可した時に通流する交流電流の振幅－周波数特性を示す図である。 直列と並列の切り替えを繰り返した時の各部波形を示す図である。 直列／並列スイッチングを行った場合に電池に流れる電流（実効値）の分布様態を示す図である。 電池で生じる発熱量を示す図である。 電池以外の部分で生じる発熱量を示す図である。 全体の発熱量に対する電池の発熱量割合を効率として示す図である。 高効率ポイントを示す図である。 ２７０ｋＨｚ／３５％での電流・電圧波形を示す図である。 １７０ｋＨｚ／６０％での電流・電圧波形を示す図である。 １２０ｋＨｚ／１５％での電流・電圧波形を示す図である。 １２０ｋＨｚ／７５％での電流・電圧波形を示す図である。 １００ｋＨｚ／３５％での電流・電圧波形を示す図である。 スイッチングデューティと発熱量との関係を示す図である。 実施形態の制御装置１００のハードウェア構成の一例を示す図である。
以下、図面を参照し、本発明の昇温装置の実施形態について説明する。
以下の説明では、昇温装置は、車両に搭載された二次電池を昇温するものとして説明するが、これに代えて（或いは加えて）、一次電池、キャパシタ、燃料電池や、それらが搭載される他の装置や機器に適用されてもよい。
＜第１実施形態＞
［全体構成］
図１は、昇温装置を含む蓄電システム１を搭載した電動車両の構成の一例を示す図である。蓄電システム１が搭載される電動車両は、例えば、二輪や三輪、四輪等の車両であり、その駆動源は、電動機、或いは電動機とディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関との組み合わせである。電動機は、二次電池の放電電力を使用して動作する。以下の説明では、一例として、電動車両は、エンジンまたは電動機を駆動源とするハイブリッド車両であるものとして説明する。
図１に示すように、蓄電システム１には、例えば、エンジン１０や、モータ２０、ＰＣＵ（Power Control Unit）３０、二次電池４０、駆動輪５０、昇温装置６０、電流センサ８０、電圧センサ８２、制御装置１００等が搭載される。
エンジン１０は、ガソリンなどの燃料を燃焼させることで動力を出力する内燃機関である。エンジン１０は、例えば、シリンダとピストン、吸気バルブ、排気バルブ、燃料噴射装置、点火プラグ、コンロッド、クランクシャフトなどを備えるレシプロエンジンである。また、エンジン１０は、ロータリーエンジンであってもよい。
モータ２０は、例えば、三相交流発電機である。モータ２０は、例えば、走行用の電動機である。モータ２０は、供給される電力を用いて動力を駆動輪５０に出力する。また、モータ２０は、車両の減速時に車両の運動エネルギを用いて発電する。モータ２０は、車両の駆動と回生を行う。回生とは、モータ２０による発電動作である。なお、モータ２０は、発電用の電動機を含んでいてもよい。発電用の電動機は、例えばエンジン１０により出力される動力を用いて発電する。
ＰＣＵ３０は、例えば、変換器３２と、ＶＣＵ（Voltage Control Unit）３４とを備える。なお、これらの構成要素をＰＣＵ３０として一まとまりの構成としたのは、あくまで一例であり、これらの構成要素は分散的に配置されても構わない。
変換器３２は、例えば、ＡＣ－ＤＣ変換器である。変換器３２の直流側端子は、直流リンクＤＬを介してＶＣＵ３４に接続されている。変換器３２は、モータ２０により発電された交流を直流に変換して直流リンクＤＬに出力したり、直流リンクＤＬを介して供給される直流を交流に変換してモータ２０に供給したりする。
ＶＣＵ３４は、例えば、ＤＣ―ＤＣコンバータである。ＶＣＵ３４は、二次電池４０から供給される電力を昇圧して変換器３２に出力する。
二次電池４０は、例えばリチウムイオン電池などの繰り返し充電または放電が可能な電池である。二次電池４０は、電力線７０でＰＣＵ３０と連接されている。二次電池４０は、例えば、複数の電池ブロックを含み、これらの電池ブロックは互いに電気的に直列に接続されている。電池ブロックの各プラス端子および各マイナス端子は、ＰＣＵ３０に接続されている。なお、二次電池４０には、不図示のＤＣ－ＡＣ変換器や、ＤＣ－ＤＣ変換器などが含まれていてもよい。
二次電池４０（または二次電池４０が収納された筐体）には、二次電池４０の温度を検出する温度センサ４２や、二次電池４０が出力する電流を検出する電流センサが設けられている。
昇温装置６０は、リチウムイオン電池の温度を昇温させる。昇温装置６０の詳細については後述する。
電流センサ８０は、電力線７０に取り付けられている。電流センサ８０は、電力線７０における所定の測定箇所の電流を検出する。電圧センサ８２は、二次電池４０の端子間の電圧を検出する。例えば、電圧センサ８２は、複数の電圧センサを含み、これらの電圧センサは、それぞれ異なる電池ブロックの端子間の電圧を検出してもよい。
［制御装置の機能構成］
制御装置１００は、例えば、情報管理部１０２と、情報処理部１０４と、制御部１０６とを備える。情報管理部１０２、情報処理部１０４、および制御部１０６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサが記憶装置（不図示）に記憶されたプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアまたはハードウェアプロセッサの協働によって実現されてもよい。記憶装置は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の不揮発性の記憶装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、レジスタ等の揮発性の記憶装置とによって実現される。
情報管理部１０２は、電流センサ８０の検出結果や、電圧センサ８２の検出結果、二次電池４０の状態、温度センサ４２の検出結果等を取得する。情報管理部１０２は、取得した情報や自装置の処理結果を管理する。例えば、情報管理部１０２は、上記の情報を記憶装置に記憶させる。
情報処理部１０４は、情報管理部１０２により取得された情報に基づいて、ＳＯＣを推定したり、二次電池４０のその他の状態を推定したりする。その他の状態とは、二次電池４０の異常や稼働状態等である。
制御部１０６は、制御装置１００の指示に基づいて、二次電池４０の不図示の充電回路を制御して、二次電池４０に充電を行わせたり、二次電池４０の不図示の放電回路や二次電池４０に接続された負荷を制御して、二次電池４０に放電を行わせたりする。制御部１０６は、二次電池４０の温度または二次電池４０のＳＯＣに基づいて、昇温装置６０を制御する。詳細は後述する。
図２は、昇温装置６０の構成の一例を示す図である。昇温装置６０は、例えば、二次電池４０の両端に接続され、交流電源６２とコンデンサ６４とが直列に接続された直列回路Ｃを備える。交流電源６２は、制御装置１００の制御に基づいて、交流電圧および交流電流を設定して、設定した交流電圧および交流電流をコンデンサ６４および二次電池４０に通流させる。交流電源６２の構成の一例を図３に示す。図３に示すように、交流電源６２は、２つのスイッチング素子が直列に設けられた直列回路が並列に接続され、これらの直列回路が電圧源に接続された回路を含む。一方の直列回路の２つのスイッチング素子の間にはコンデンサ６４に接続される電力線が接続され、他方の直列回路の２つのスイッチング素子の間には二次電池４０に接続される電力線が接続さている。交流電源６２は、対角に配置されたスイッチング素子を対として、スイッチング素子を制御して交流電流をコンデンサ６４および二次電池４０に通流させる。
直列回路Ｃにおける交流電源６２を含む回路は、「二次電池を流れる交流電流の周波数が低周波数から上昇するに従って前記二次電池のインピーダンスの抵抗成分が低下し、前記抵抗成分が最小となる周波数から高周波数側に離れるほど前記抵抗成分が増加する特性を有した二次電池の両端に接続され、前記抵抗成分が最小となる周波数よりも高い周波帯域の周波数の交流電流を前記二次電池に通流させて前記二次電池を昇温する交流発生回路」の一例である。
直列回路Ｃは、「二次電池の両端に接続され、コンデンサ要素を内包した交流発生回路」の他の一例である。交流電源６２は、「二次電池のインピーダンスの抵抗成分が最小となる周波数よりも高い高周波帯域の周波数の交流電流を前記二次電池に通流させて前記二次電池を昇温する交流電源」または「二次電池のインピーダンスの抵抗成分が最小となる周波数帯域よりも高い高周波数帯域において、二次電池のインダクタンス要素とコンデンサ要素とを共振させて増幅させた交流電流を二次電池に通流させて二次電池を昇温する交流電源」の一例である。
［フローチャート］
図４は、制御装置１００の制御部１０６が実行する処理の流れの一例を示すフローチャートである。まず、制御部１０６は、温度センサ４２から二次電池４０の温度を取得し、取得した温度Ｔ１が閾値Ｔｈ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。取得した温度Ｔ１が閾値Ｔｈ１以下である場合、制御部１０６は、情報処理部１０４により推定された二次電池４０のＳＯＣを取得し、取得したＳＯＣが閾値Ｔｈ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。
取得したＳＯＣが閾値Ｔｈ２以上である場合、制御部１０６は、昇温装置６０を稼働させる（ステップＳ１０４）。稼働させるとは、コンデンサ６４および二次電池４０に電力が供給されることである。昇温装置６０の稼働手法については後述する。
取得した温度Ｔ１が閾値Ｔｈ１以下でない場合または取得したＳＯＣが閾値Ｔｈ２以上でない場合、制御部１０６は、昇温装置６０を稼働させない（ステップＳ１０６）。昇温装置６０が稼働している場合は、稼働が停止される。
上記のように、制御部１０６は、二次電池４０の温度およびＳＯＣに基づいて、昇温装置６０を制御する。
［比較例との比較］
（比較例）
図５は、比較例の二次電池４０と昇温装置６０ｘとの構成を示す図である。昇温装置６０ｘでは、コンデンサが省略されている。以下、この構成を「構成Ｘ（回路Ｃｘ）」と称する。なお、図５および後述する図の周波数やその他の大きさは、単なる例示であり、回路の構成や各要素の大きさにより変化する。
図６は、構成Ｘの電気的な特性を示す図である。図６の上図、中図、および下図は、周波数を変化させながら、交流電源６２が定電圧（例えば０．２［Ｖ］）を構成Ｘに印加した場合の電気的な特性を示している。図６の上図、中図、および下図の横軸は周波数を示している。図６の上図の左側の縦軸は電圧を示し、右側の縦軸は位相角を示している。図６は、インピーダンスの絶対値（Ω）「図中、ｂ」と、インピーダンスの位相（ｄｅｇ）「図中、ａ」との特性を示している。周波数を変化させながら定電圧を構成Ｘに印加すると、構成Ｘにおける電流が変化する。換言すると、図６の上図に示すように、インピーダンスの絶対値（Ω）が変化する。
図６の中図は上図のインピーダンスの抵抗成分（Ω）「図中、ｃ」の特性を示し、図６の下図は上図のインピーダンスのリアクタンス成分（Ω）「図中、ｄ」の特性を示している。
このような、インピーダンス周波数特性を有する構成Ｘにおいて、インピーダンスの抵抗成分も高周波側で増加しているため、抵抗成分の大きい周波数帯域で交流電流を与えれば、より小さい電流で発熱を得ることができる。
しかし、二次電池４０に含まれるインダクタンス成分を考慮すると、高周波数帯域ではインダクタンスによるリアクタンス成分が大きいため、インピーダンス絶対値が大きい。この場合、交流電圧の振幅を大きくしなければ、交流電流の振幅を大きくできない。
（第１実施形態の構成）
第１実施形態では、コンデンサを付加して、高周波数帯域で二次電池４０が有するインダクタンスと共振するような構成にし、小さい交流電圧で大きな交流電流を得る。そして、第１実施形態では、抵抗成分の大きくなる周波数で回路を共振させて通電を行うことで、少ない電流で大きな発熱量を得ることができる。
図７は、第１実施形態の構成（二次電池４０および昇温装置６０を含む構成）の電気的な特性を示す図である。図７は、図６に第１実施形態の構成の電気的な特性を付加したグラフである。図中「Ａ」はインピーダンスの位相（ｄｅｇ）であり、図中「Ｂ」はインピーダンスの絶対値（Ω）であり、図中「Ｄ」はインピーダンスのリアクタンス成分（Ω）である。図７の上図に示すように、コンデンサ６４が付加されることで、共振点（図中、「ｆ」）ではインピーダンスのリアクタンス成分がゼロ近くとなり、インピーダンスの絶対値は、インピーダンスの抵抗成分と等しくなる。
図８は、比較例の構成Ｘと、第１実施形態の構成との電流の振幅と、発熱量との関係の一例を示す図である。図８の上図および下図の横軸は周波数を示している。図８の上図の縦軸は電流振幅を示し、図８の下図の縦軸は発熱量［Ｗ］を示しいている。図８に示すように所定の電流振幅に対応する第１実施形態の発熱量は、所定の電流振幅に対応する構成Ｘの発熱量よりも発熱量ｄだけ大きい。このように、同じ電流振幅であっても、第１実施形態では、構成Ｘよりも大きい発熱量を得ることができる。
上述したように、第１実施形態では、交流電源６２が、共振点で通電を行うように電力を供給することにより、少ない電流で大きな発熱量を得ることができる。この結果、より効率的に二次電池を昇温させることができる。
［抵抗成分が最小となる周波数帯域よりも高い高周波数帯域について］
リチウムイオン電池などの二次電池の一般的な構造は、箔状の導電体に電極活物質が塗布され、電解液を含侵させたセパレータと共に多層に形成されている。更に導電体は正極側・負極側それぞれで束ねられて集電体を形成して、電池の外装体に設けられた正極端子・負極端子にそれぞれ接続される。
電気自動車用などの電池においては，複数の電池を直列や並列に束ねた構造を形成し電池モジュールとして構成されることが一般的である。電池モジュール内では電池の端子がバスバーあるいはケーブルで相互に接続されている。電池に高周波電流を印加した場合には，周波数が高いほど表皮効果および近接効果により抵抗成分が大きくなる。一般的なリチウムイオン電池の場合は正極導電体にアルミ箔、負極導電体に銅箔を用いており、その厚さは一般的に１０μｍから３０μｍである。
表皮深さが１０μｍとなる周波数は、銅が約４３ＭＨｚ、アルミが約７１ＭＨｚであるため、この程度の周波数より高周波側では導電体箔での交流抵抗値が増大する。また、集電体部分では多数の箔が束ねられることで全体の厚みが増しており、上記よりも低い周波数帯域から交流抵抗値は増大する。さらに、電池モジュール内部のバスバーやケーブルは０．数ｍｍから数ｍｍ程度の厚み（径）を有しているので、集電体同様に低い周波数帯域から交流抵抗値は増大する。なお、表皮深さが１ｍｍとなる周波数は、銅は約４．３ｋＨｚであり、アルミは約７．１ｋＨｚであり、表皮深さが１００μｍとなる周波数は、銅が約４２６ｋＨｚであり、アルミが約７１４ｋＨｚである。
一方、二次電池あるいは二次電池モジュールに交流電流を通した場合の電路長は、概ね数ｃｍから数１０ｃｍとなる。周波数が高くなり、波長と電路長が近くなってくると分布定数回路としての特性が発現してくるため、そもそも分布定数回路として設計されていない電池や電池モジュールでは安定した通電が困難になる。安定して通電できるような分布定数回路として電池を設計すると構造が複雑になり、重量と製造コストが増えてしまう。一般的には、λ／４となるサイズから分布定数回路的な扱いが必要と言われており、概ね１ＧＨｚ（真空中における波長：λ＝３０ｃｍ）程度が電池に対する安定した通電の限界と考えられる。
上記のような考え方に基づいて、電池モジュールの構成ごとに、［抵抗成分が最小となる周波数帯域よりも高い高周波数帯域］が設定される。例えば、高周波帯域とは、１ＧＨｚ未満の帯域であって、４０ＭＨｚや、５０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、７０ＭＨｚなど回路の構成に応じた周波数帯域である。そして、制御部１０６は、記憶装置に記憶された高周波数帯域に関する情報に基づいて、交流電源６２を制御して、高周波数帯域の電力を回路に供給させる。例えば、二次電池４０を昇温させる際に回路に供給する交流電流の周波数は、「電路長の４倍が波長と等しくなる周波数よりも低い周波数」または、上記の求められた値に基づく周波数である。
例えば、上記のような高周波数帯域は、二次電池４０の電気化学反応が極めて小さくなる高周波帯域であるため、二次電池４０の劣化が抑制される。また、高周波数帯域は、可聴域よりも高いため、騒音が抑制される。
以上説明した第１実施形態によれば、昇温装置６０は、二次電池に流れる交流電流の周波数において、低周波数から周波数が上昇するに従って二次電池のインピーダンスの抵抗成分が低下し、抵抗成分が最小となる周波数から抵抗成分が増加に転じる特性を有した二次電池を含む回路と、抵抗成分が最小となる周波数帯域よりも高い高周波帯域の周波数を有する交流電流を通流させて電池を昇温する交流電源と、を備えることにより、より効率的に二次電池を昇温させることができる。
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、昇温装置の構成が、第１実施形態の昇温装置６０の構成と異なる。更に、二次電池４０は、充電および放電を繰り返して温度を上げる。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
図９は、第２実施形態の昇温装置６０Ａの機能構成の一例を示す図である。昇温装置６０は、並列回路Ｃ＃を備える。並列回路Ｃ＃は、二次電池４０に対して、第１回路と、第２回路とが並列に接続されている。第１回路は、コンデンサ６４と、スイッチ６５とが直列に接続されている回路である。第２回路は、スイッチ６６と、コンデンサ６７とが直列に接続されている回路である。更に、並列回路Ｃ＃において、接点Ｐ１と接点Ｐ２とが接続され、その間にスイッチ６８が接続されている。接点Ｐ１は、第１回路のコンデンサ６４とスイッチ６５との間に設けられた接点である。接点Ｐ２は、第２回路のスイッチ６６とコンデンサ６７との間に設けられた接点である。
充電時の制御について説明する。制御装置１００の制御部１０６は、スイッチ６８を導通状態、スイッチ６５およびスイッチ６６を遮断状態に制御して、コンデンサ６４とコンデンサ６７が直列に接続され、充分な時間を経過すると，それぞれのコンデンサの電圧は二次電池４０の電圧を分圧した電圧に整定する。コンデンサ６４とコンデンサ６７の静電容量が等しい場合は，それぞれのコンデンサの電圧は二次電池４０の電圧の２分の１の電圧に整定する。直列に接続される前のコンデンサ６４とコンデンサ６７の電圧の和が二次電池４０の電圧よりも大であった場合は，２つのコンデンサは放電して電圧が低下し二次電池４０が充電される。
図１０は、二次電池４０が放電する際の制御について説明するための図である。制御装置１００の制御部１０６は、スイッチ６５およびスイッチ６６を導通状態、スイッチ６８を遮断状態に制御して、二次電池４０とコンデンサ６４とコンデンサ６７が並列に接続され、充分な時間を経過すると，それぞれのコンデンサの電圧は二次電池４０の電圧に整定する。並列に接続される前のコンデンサ６４とコンデンサ６７の電圧が二次電池４０の電圧よりも小であった場合は，２つのコンデンサは充電されて電圧が上昇し二次電池４０は放電する。
このように，２つのコンデンサの直列状態と並列状態とを繰り返し切り替えることで、二次電池４０は充電と放電を繰り返し、二次電池４０と並列回路Ｃ＃との間を往復する交流電流を生じさせることができる。
第１実施形態では交流を発生させるために独立した電源が必要であったが，第２実施形態では，二次電池４０に蓄電された電荷を基にして交流電流を生成できるため，独立した電源は不要である。
上記のように、充電および放電する際に、制御部１０６は、二次電池４０にダメージを与えないように高速で充電と放電とを切り替える。更に、制御部１０６は、充電時に形成される回路における共振周波数と、放電時に形成される並列回路における共振周波数との間の周波数で、充電と放電とをスイッチングして、電流を二次電池４０に供給したり、二次電池４０からコンデンサ６４等に供給したりする。
充電時に形成される直列回路とは、コンデンサ６４、スイッチ６６、コンデンサ６７、および二次電池４０を含む回路である。放電時に形成される並列回路とは、並列接続されたとみなせる第１回路と、第２回路とを含む回路である。
二次電池４０のインダクタンス成分をＬｂａｔｔ、コンデンサ６４の静電容量とコンデンサ６７の静電容量を等しくＣｃ０とすると，充電時に形成される直列回路の共振周波数は、下記の式（１）で表される。
Figure 2022019201000002
一方，放電時に形成される並列回路の共振周波数は、下記の式（２）で表される。
Figure 2022019201000003
上記の式（１）および式（２）で表されるように、２つの状態の共振周波数は一致せず、ｆ＿ｒｅｓ＿ｓ：ｆ＿ｒｅｓ＿ｐ＝２：１の関係となる。
制御部１０６は、充電時における直列回路の共振周波数と、放電時における並列回路の共振周波数との間の周波数をスイッチング周波数に設定する。そして、制御部１０６は、スイッチング周波数に基づいて、充電と放電とを切り替える。上記のスイッチング周波数は、「前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが遮断状態であり、前記第３スイッチが導通状態において形成される直列回路の共振周波数と、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが導通状態であり、前記第３スイッチが遮断状態で形成される並列回路の共振周波数との間の周波数」の一例である。
図１１は、スイッチング周波数の変化に対する回路の特性を示す図である。図１１の横軸はスイッチング周波数［Ｈｚ］を示し、図１１の左側の縦軸は、回路の発熱量［Ｗ］と、スイッチ（ＦＥＴ；Field effect transistor）における電力損失［Ｗ］、図１１の右側の縦軸は電力効率［％］を示している。
図１１のレンジＲの帯域は、充電時に形成される直列回路の共振周波数と、放電時に形成される並列回路の共振周波数との間の周波数である。このレンジＲの帯域に対応する発熱量は、領域ＡＲに示すように他の周波数に対応する発熱量よりも大きくなる。また、ＦＥＴにおける電力損失も比較的に小さい。
また、制御装置１００は、周波数を制御して発熱量を調整してもよい。例えば、制御装置１００は、発熱量が大きい場合、発熱量が小さくなるようなスイッチング周波数に調整して、発熱量を制御する。
以上説明した第２実施形態によれば、昇温装置６０は、充電時には直列回路として機能し、放電時には並列回路として機能することにより、より効率的に二次電池４０を昇温することができる。
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、スイッチング周波数とスイッチングデューティが調整されて、電池に流す交流電流の量、電池での発熱量、交流を発生させる装置での発熱損失が調整される。第３実施形態は、第２実施形態の思想を前提にした実施形態である。以下、第２実施形態との相違点を中心に説明する。
直列状態のスイッチのオン時間をＴｓ、並列状態のスイッチのオン時間をＴｐとおくと
スイッチング周波数ｆｓｗは式（３）で示される。
Figure 2022019201000004
また、スイッチングデューティＤｓｗを式（４）のように定義する。
Figure 2022019201000005
図１２に示すようなインピーダンスの周波数特性を有した二次電池を例として説明する。このインピーダンスの周波数特性は、図１３に示すように交流電流源と供試電池を接続し、振幅１Ａの正弦波電流を１Ｈｚから１ＭＨｚまで印加したときの電気的な特性を示している。図１２では、上から順に、インピーダンスの絶対値（１Ｖ＝１Ω）「図中、ａ＃」と、インピーダンスの位相（ｄｅｇ）「図中、ｂ＃」と、インピーダンスの抵抗成分（実数成分；１Ｖ＝１Ω）「図中、ｃ＃」と、インピーダンスのリアクタンス成分（虚数成分；１ｉＶ＝１Ω）「図中、ｄ＃」の特性を示している。なお、第３実施形態の二次電池は、例えば、第１実施形態の二次電池とは異なる電池である。
前記の二次電池と交流発生装置を図１４のように接続する。交流発生装置は、並列回路を備える。並列回路は、二次電池４０に対して、第１Ａ回路と、第２Ａ回路とが並列に接続されている。第１Ａ回路は、コンデンサＣ１と、スイッチＳ１とが直列に接続されている回路である。第２Ａ回路は、スイッチＳ２と、コンデンサＣ２とが直列に接続されている回路である。更に、並列回路において、接点Ｐ１Ａと接点Ｐ２Ａとが接続され、その間にスイッチＳ３が接続されている。接点Ｐ１Ａは、第１Ａ回路のコンデンサＣ１とスイッチＳ１との間に設けられた接点である。接点Ｐ２Ａは、第２Ａ回路のスイッチＳ２とコンデンサＣ２との間に設けられた接点である。図中の「Ｇ」は、スイッチに与えられる制御信号を示している。
図１４ではサージ吸収のための保護回路などは省略している。２つのコンデンサＣ１およびＣ２の静電容量をそれぞれ１．５μＦとして、直列と並列の切り替えを繰り返した時の各部波形を後述する図１６に示す。なお、電池電圧は約２６Ｖである。
制御装置１００の制御部１０６は、充電時には、スイッチＳ３を導通状態、スイッチＳ１およびスイッチＳ２を遮断状態に制御して、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２が直列に接続され、放電時には、スイッチＳ１およびスイッチＳ２を導通状態、スイッチＳ３を遮断状態に制御して、二次電池４０とコンデンサＣ１とコンデンサＣ２が並列に接続される。
図１５は、図１２で説明した特性の二次電池とコンデンサとを直列に接続し、１Ｖの交流電圧を印加した時に通流する交流電流の振幅－周波数特性を示す図である。図１５の上図に示すように、２つの１．５μＦのコンデンサを直列にし、０．７５μＦ相当のコンデンサとして二次電池に接続した時の共振周波数は３８０ｋＨｚである。図１５の中図に示すように、１．５μＦのコンデンサを並列にし、３．０μＦ相当のコンデンサとして二次電池に接続した時の共振周波数は１８３ｋＨｚである。図１５の下図に示すように、周波数によって二次電池のインダクタンス成分が変化するため、コンデンサを直列にして二次電池に接続したときの共振周波数が、コンデンサを並列にして二次電池に接続したときの共振周波数の２倍とは一致していない。この二次電池では周波数が上がるとインダクタンス値が下がる特性になっているので、コンデンサを並列にして二次電池に接続したときの共振周波数は、コンデンサを直列にして二次電池に接続したときの２倍の周波数（１８３×２＝３６６ｋＨｚ)よりも高周波数側にずれている。なお、図１５の電池のインダクタンス成分は、前述した図１２の「ｄ＃」の値をω（＝２πｆ）で除算して算出される（Ｚ（Ｌ）＝ｊωＬ）。
前述した図１４に示される、制御信号Ｇ３はスイッチＳ３に対する制御信号であり，制御信号Ｇ１と制御信号Ｇ２とは同一の信号であり、それぞれスイッチＳ１とスイッチＳ２の制御信号である。図１６では、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の端子間電圧、二次電池に流れる電池電流（＋で二次電池に充電）、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とにそれぞれ流れるコンデンサ電流（＋でコンデンサ放電）を示している。電池電流とコンデンサ電流は、直列期間では一致しており、並列期間では電池電流：コンデンサ電流＝２：１の関係になる。
スイッチング周波数ｆｓｗは２００ｋＨｚであり、スイッチングデューティＤｓｗは５０％である。コンデンサ電流の波形から、直列期間と並列期間とでは共振による電流の振動周期が異なっていることが判る。電池電流の実効値は２４．１Ａである。
前記の電池と交流発生装置を用いて，ｆｓｗとＤｓｗを変化させて，直列／並列スイッチングを行った場合に電池に流れる電流（実効値）の分布様態を図１７に示す。２００ｋＨｚ／５０％の条件では２４．１Ａであったが、ｆｓｗ＝２２０ｋＨｚ～２８０ｋＨｚ、Ｄｓｗ＝２５％～４５％のエリアでは、さらに大きな電流を流すことができる。
同じく、電池で生じる発熱量を図１８に示す。高電流の領域と高発熱の領域はほぼ一致している。
同じく、電池以外の部分で生じる発熱量（すなわち交流発生装置での発熱損失）を図１９に示す。局所的に発熱量の大きいエリアがある（例えば２２０ｋＨｚから２３０ｋＨｚ、２５％から４０％のエリア）。この発熱は主にスイッチング素子で生じている。
全体の発熱量(電池およびスイッチング素子など全て）に対する電池の発熱量割合を効率として図２０に示す。効率の良い領域が島状で数か所に分布しており、２７０ｋＨｚ／３５％の付近で最も効率が良くなっている。また、他にも、図２１の高効率ポイントに示すように、１７０ｋＨｚ／６０％、１２０ｋＨｚ／１５％、１２０ｋＨｚ／７５％、１００ｋＨｚ／３５％の付近においても高効率の傾向がみられる。
最も効率の良い条件である，２７０ｋＨｚ／３５％での電流・電圧波形を図２２に示す。コンデンサ電流がゼロ近傍のタイミングで直列／並列が切り替わっており、ＺＣＳ(Zero Current Switching）動作になっている。スイッチング素子での損失が減り，高い効率が得られる。
直列状態での電流振動の半周期時間をＴｓｈｗ、並列状態での電流振動の半周期時間をＴｐｈｗとすると、スイッチのオン時間と共振による電流振動の半周期時間との関係は、およそ、直列状態ではＴｓ＝Ｔｓｈｗ、並列状態ではＴｐ＝Ｔｐｈｗである。
次に、１７０ｋＨｚ／６０％での電流・電圧波形を図２３に示す。コンデンサ電流を図２２と比較すると，並列期間の波形は似たような波形であるが，直列期間においては時間が長くなっておよそ３倍になっており、およそ１周期半の電流波形の振動がみられる。
スイッチのオン時間と共振による電流振動の半周期時間との関係は、およそ、直列状態ではＴｓ＝３Ｔｓｈｗ、並列状態ではＴｐ＝Ｔｐｈｗである。
次に、１２０ｋＨｚ／１５％での電流・電圧波形を図２４に示す。コンデンサ電流を図２２と比較すると，直列期間の波形は似たような波形であるが、並列期間においては時間が長くなっておよそ３倍になっており、およそ１周期半の電流波形の振動がみられる。
スイッチのオン時間と共振による電流振動の半周期時間との関係は、およそ、直列状態ではＴｓ＝Ｔｓｈｗ、並列状態ではＴｐ＝３Ｔｐｈｗである。
次に、１２０ｋＨｚ／７５％での電流・電圧波形を図２５に示すコンデンサ電流を図２２と比較すると，並列期間の波形は似たような波形であるが、直列期間においては時間が長くなっておよそ５倍になっており、およそ２周期半の電流波形の振動がみられる。
スイッチのオン時間と共振による電流振動の半周期時間との関係は、およそ、直列状態ではＴｓ＝５Ｔｓｈｗ、並列状態ではＴｐ＝Ｔｐｈｗである。
次に、１００ｋＨｚ／３５％での電流・電圧波形を図２６に示す。コンデンサ電流を図２２と比較すると、直列期間と並列期間のそれぞれで時間が長くなっておよそ３倍になっており、それぞれおよそ１周期半の電流波形の振動がみられる。
スイッチのオン時間と共振による電流振動の半周期時間との関係は、およそ、直列状態ではＴｓ＝３Ｔｓｈｗ、並列状態ではＴｐ＝３Ｔｐｈｗである。
上記のように、制御装置１００は、直列状態での電流振動の半周期時間（Ｔｓｈｗ）について１倍を含む奇数倍（例えば１倍、３倍、５倍）とし、並列状態での電流振動の半周期時間（Ｔｐｈｗ）について１倍を含む奇数倍（例えば１倍、３倍）とするように制御することにより、より高効率で電池を発熱させることができる。
換言すると、制御装置１００は、直列回路の共振により、コンデンサＣ１およびＣ２に流れる電流がゼロをまたぐタイミングに、スイッチを制御して並列回路に移行して、並列回路の共振により、コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２に流れる電流がゼロをまたぐタイミングで、スイッチを制御して直列回路に移行するようにスイッチング周波数とスイッチングデューティで運転することにより、より高効率で電池を発熱させることができる。
また、電池発熱量が過剰で抑制したい場合などは、たとえば、図２７に示すように、最大発熱点の２７０ｋＨｚ／３５％から、Ｄｓｗを小さくする方向に調整することで、電池以外の発熱（＝交流発生装置での損失）をあまり増やさずに、電池発熱量を絞ることができる。さらにＤｓｗが２５％以下の領域においてはｆｓｗ＝３００ｋＨｚに調整することで、電池以外の発熱を減らすことができる。
以上のように、スイッチング周波数ｆｓｗとスイッチングデューティＤｓｗを調整することで、電池に流す交流電流の量・電池での発熱量・交流発生装置での発熱損失を調整することができる。特に、直列期間と並列期間の双方で、スイッチのオン時間が共振による電流振動の半周期時間の奇数倍（１倍を含む）に近しい条件では、交流発生装置での発熱損失が減少し，高効率で電池を発熱させることができる。
［ハードウェア構成］
図２８は、実施形態の制御装置１００のハードウェア構成の一例を示す図である。図示するように、制御装置１００は、通信コントローラ１００－１、ＣＰＵ１００－２、ワーキングメモリとして使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）１００－３、ブートプログラムなどを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）１００－４、フラッシュメモリやＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置１００－５、ドライブ装置１００－６などが、内部バスあるいは専用通信線によって相互に接続された構成となっている。通信コントローラ１００－１は、制御装置１００以外の構成要素との通信を行う。記憶装置１００－５には、ＣＰＵ１００－２が実行するプログラム１００－５ａが格納されている。このプログラムは、ＤＭＡ（Direct Memory Access）コントローラ（不図示）などによってＲＡＭ１００－３に展開されて、ＣＰＵ１００－２によって実行される。これによって、情報管理部１０２、情報処理部１０４、および制御部１０６のうち一部または全部が実現される。
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
１‥蓄電システム、４０‥二次電池、６０‥昇温装置、６２‥交流電源、６４‥コンデンサ、１００‥制御装置、１０６‥制御部

Claims (9)

  1. 二次電池を流れる交流電流の周波数が低周波数から上昇するに従って前記二次電池のインピーダンスの抵抗成分が低下し、前記抵抗成分が最小となる周波数から高周波数側に離れるほど前記抵抗成分が増加する特性を有した二次電池の両端に接続され、
    前記抵抗成分が最小となる周波数よりも高い高周波帯域の周波数の交流電流を前記二次電池に通流させて前記二次電池を昇温する交流発生回路
    を、備える昇温装置。
  2. 二次電池の両端に接続され、
    コンデンサ要素を内包した交流発生回路を備え
    前記交流発生回路は、前記二次電池のインピーダンスの抵抗成分が最小となる周波数よりも高い高周波数帯域において、前記二次電池のインダクタンス要素と前記コンデンサ要素とを共振させて増幅させた交流電流を前記二次電池に通流させて前記二次電池を昇温する、
    昇温装置。
  3. 前記交流電流の周波数は、前記二次電池に供給する交流電流の電路長の４倍と波長が等しくなる周波数よりも低い周波数である、
    請求項１または２に記載の昇温装置。
  4. 前記交流電流の周波数は、前記二次電池の電気化学反応が所定度合未満となる周波数である、
    請求項１から３のうちいずれか１項に記載の昇温装置。
  5. 第１コンデンサと、第１スイッチとが直列に接続された第１回路と、
    第２スイッチと、第２コンデンサとが直列に接続された第２回路と、
    前記第１コンデンサと第１スイッチとの間に設けられた接点と、前記第２コンデンサと前記第２スイッチとの間に設けられた接点とに接続された回路に設けられた第３スイッチを含む第３回路とを含み、
    前記第２回路は、前記第１回路に対して並列に接続され、
    前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが遮断状態であり、前記第３スイッチが導通状態で、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサが直列に接続されて、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサから、前記第１回路および前記第２回路に接続された二次電池に電力を供給する第１制御を実行し、
    前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが導通状態であり、前記第３スイッチが遮断状態で、前記二次電池から、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサに電力を供給する第２制御を実行する、交流発生回路
    を備える昇温装置。
  6. 前記第１制御と前記第２制御とがスイッチングするスイッチング周波数は、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが遮断状態であり、前記第３スイッチが導通状態において形成される直列回路の共振周波数と、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが導通状態であり、前記第３スイッチが遮断状態で形成される並列回路の共振周波数との間の周波数であり、
    前記直列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと、前記第３スイッチと、前記第２コンデンサとが直列に接続された回路であり、
    前記並列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと前記第１スイッチとが直列に接続された回路と、前記第２コンデンサと前記第２スイッチとが直列に接続された回路とが並列に接続された回路である、
    請求項５に記載の昇温装置。
  7. 前記第１制御の期間が、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが遮断状態であり、前記第３スイッチが導通状態において形成される直列回路の共振周期の半分の時間に対して、１倍を含む奇数倍であり、
    前記第２制御の期間が、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが導通状態であり、前記第３スイッチが遮断状態で形成される並列回路の共振周期の半分の時間に対して、１倍を含む奇数倍であるような、
    スイッチング周波数とスイッチングデューティで運転されることを特徴とし、
    前記直列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと、前記第３スイッチと、前記第２コンデンサとが直列に接続された回路であり、
    前記並列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと前記第１スイッチとが直列に接続された回路と、前記第２コンデンサと前記第２スイッチとが直列に接続された回路とが並列に接続された回路である、
    請求項５または６に記載の昇温装置。
  8. 前記第１制御の状態から、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが遮断状態であり、前記第３スイッチが導通状態において形成される直列回路の共振により、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサに流れる電流がゼロをまたぐ時に、前記第２制御へと移行し
    前記第２制御の状態から、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが導通状態であり、前記第３スイッチが遮断状態で形成される並列回路の共振により、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサに流れる電流がゼロをまたぐ時に、前記第１制御へと移行するような
    スイッチング周波数とスイッチングデューティで運転されることを特徴とし、
    前記直列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと、前記第３スイッチと、前記第２コンデンサとが直列に接続された回路であり、
    前記並列回路は、前記二次電池と、前記第１コンデンサと前記第１スイッチとが直列に接続された回路と、前記第２コンデンサと前記第２スイッチとが直列に接続された回路とが並列に接続された回路である、
    請求項５から７のうちいずれか１項に記載の昇温装置。
  9. 前記第１制御と前記第２制御とがスイッチングするスイッチング周波数と前期スイッチングデューティを調整することにより、前記二次電池の発熱量と、前記交流発生回路の発熱損失量を調節する、
    請求項５に記載の昇温装置。
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