JP5338799B2

JP5338799B2 - バッテリ昇温システム

Info

Publication number: JP5338799B2
Application number: JP2010283170A
Authority: JP
Inventors: 裕康馬場; 邦夫入谷
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: JP2012135085A; JP2013229336A

Description

本発明は、バッテリを早期に昇温するためのバッテリ昇温システムに関し、特にバッテリの安全性を確保しながら早期に昇温するものに適している。

従来より、電源の温度を迅速に上昇させる電圧変換装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、温度センサで検出された直流電源の温度が基準値よりも低いとき、昇圧動作および降圧動作を繰り返し行なうように昇圧コンバータを制御する制御装置を備えた構成が提案されている。

そして、昇圧コンバータが制御装置の制御に従って昇圧動作および降圧動作を繰り返し行なうことで直流電源の温度が基準値以上に上昇すると、制御装置は昇圧動作および／または降圧動作からなる通常動作を行うように昇圧コンバータを制御する。

特開２００５−３１２１６０号公報

しかしながら、直流電源としてリチウムイオン電池等の充電可能な電池を使う場合、氷点下のような低温時には電池の内部抵抗が上昇する。このため、電池に大電流を流して低い周波数で昇降圧を繰り返すと電池の電圧変動が大きくなってしまう。このとき、電池の電圧が上下限値を超えると、電池の安全性が問題となる。

例えば、リチウムイオン電池においては、リチウムイオン電池を構成する材料にもよるが、電池の上限電圧を上回る過充電となった場合、電池の正極では電解液の酸化や結晶構造の破壊が起こり、負極ではリチウムの析出が起こってしまう。また、電池の下限電圧を下回る過放電となった場合、負極の集電体である銅が溶出してしまう。

もちろん、リチウムイオン電池に限らず、充電可能な電池において上記と同様に過充放電時に電池が故障する問題が生じる。

本発明は上記点に鑑み、バッテリの安全性の確保と迅速な昇温との両立を図ることができるバッテリ昇温システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１、２に記載の発明では、充電可能なバッテリ（１１）と、蓄電装置（１３）と、バッテリ（１１）と蓄電装置（１３）との間で電圧変換を行う電圧変換器（１２）と、を備えている。また、バッテリ（１１）のバッテリ温度（Ｔｂ）が基準値（Ｔｔｈ）よりも低いとき、バッテリ（１１）と蓄電装置（１３）との間で電力を授受してバッテリ（１１）を昇温させるように電圧変換器（１２）を制御する制御装置（１５）を備え、以下の点を特徴としている。

すなわち、制御装置（１５）は、バッテリ（１１）のバッテリ電圧（Ｖｂ）を取得し、バッテリ電圧（Ｖｂ）が上限電圧（Ｖｂｕ）に到達したときに、または、バッテリ電圧（Ｖｂ）が下限電圧（Ｖｂｄ）に到達したときに、バッテリ（１１）と蓄電装置（１３）との間で電力の授受を切り替えることを特徴とする。

これによると、制御装置（１５）はバッテリ電圧（Ｖｂ）が上限電圧（Ｖｂｕ）と下限電圧（Ｖｂｄ）との間で変化するように電圧変換器（１２）を制御するので、バッテリ（１１）が過充電または過放電にならないようにすることができる。したがって、バッテリ（１１）は過充電または過放電によって故障しないので、バッテリ（１１）の安全性を確保することができる。また、制御装置（１５）によってバッテリ（１１）と蓄電装置（１３）との間で電力の授受を繰り返しているので、バッテリ（１１）の内部発熱によりバッテリ（１１）を迅速に昇温させることができる。以上により、バッテリ（１１）の安全性の確保と迅速な昇温との両立を図ることができる。

請求項３に記載の発明では、制御装置（１５）は、バッテリ（１１）のバッテリ電圧（Ｖｂ）が上限電圧（Ｖｂｕ）に到達したら電圧変換器（１２）においてバッテリ（１１）から蓄電装置（１３）へ電力を供給し、バッテリ電圧（Ｖｂ）が下限電圧（Ｖｂｄ）に到達したら電圧変換器（１２）において蓄電装置（１３）からバッテリ（１１）へ電力を供給することを特徴とする。

このように、バッテリ（１１）のバッテリ電圧（Ｖｂ）をモニタして電力の授受を切り替えることにより、バッテリ（１１）が過充電または過放電にならないようにすることができる。

請求項１、２に記載の発明では、制御装置（１５）は、蓄電装置（１３）の蓄電電圧（Ｖｃ）を取得し、蓄電電圧（Ｖｃ）が上限値（Ｖｃｕ）に到達したときに、または、蓄電電圧（Ｖｃ）が下限値（Ｖｃｄ）に到達したときに、バッテリ（１１）と蓄電装置（１３）との間で電力の授受を切り替えることを特徴とする。

このように、蓄電装置（１３）の蓄電電圧（Ｖｃ）が上限値（Ｖｃｕ）または下限値（Ｖｃｄ）に到達する度に電力の授受を切り替えることで、蓄電装置（１３）の故障を防止することができる。

請求項４に記載の発明では、制御装置（１５）は、蓄電電圧（Ｖｃ）が上限値（Ｖｃｕ）に到達したら電圧変換器（１２）においてバッテリ（１１）から蓄電装置（１３）への電力の授受を切り替え、蓄電電圧（Ｖｃ）が下限値（Ｖｃｄ）に到達したら電圧変換器（１２）において蓄電装置（１３）からバッテリ（１１）への電力の授受を切り替えることを特徴とする。

このように、蓄電装置（１３）の蓄電電圧（Ｖｃ）をモニタして電力の授受を切り替えることにより、バッテリ（１１）が過充電または過放電にならないようにすることができる。

請求項５に記載の発明では、制御装置（１５）は、電圧変換器（１２）に流れる変換電流（ＩＬ）を取得し、変換電流（ＩＬ）が上限電流に到達したら電圧変換器（１２）においてバッテリ（１１）から蓄電装置（１３）への電力の授受を切り替えることを特徴とする。これにより、電圧変換器（１２）に過電流が流れて電圧変換器（１２）が故障しないようにすることができる。

請求項１に記載の発明では、制御装置（１５）は、蓄電装置（１３）の蓄電電圧（Ｖｃ）が上限値（Ｖｃｕ）を上回る前に所定の時間が経過した場合、蓄電装置（１３）からバッテリ（１１）への電力の授受を行うことを特徴とする。これにより、バッテリ（１１）の放電状態が続くことでバッテリ（１１）が過放電の状態にならないようにすることができる。

請求項２に記載の発明では、制御装置（１５）は、蓄電装置（１３）の蓄電電圧（Ｖｃ）が下限値（Ｖｃｄ）を下回る前に所定の時間が経過した場合、バッテリ（１１）から蓄電装置（１３）への電力の授受を行うことを特徴とする。これにより、バッテリ（１１）の充電状態が続くことでバッテリ（１１）が過充電の状態にならないようにすることができる。

請求項７に記載の発明では、制御装置（１５）は、バッテリ電圧（Ｖｂ）が所定の電圧（Ｖｄ）を下回る場合、電力の授受を行わないことを特徴とする。

これにより、バッテリ（１１）が利用されることでバッテリ（１１）が過放電の状態にならないようにすることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るバッテリ昇温システムを備えた負荷駆動装置の全体構成図である。コンデンサ電圧Ｖｃ、バッテリ電圧Ｖｂ、リアクトル電流ＩＬ、電圧変換器に入力する駆動信号のタイミングチャートである。制御装置の昇温制御の内容を示したフローチャートである。第２実施形態において、周波数とバッテリのインピーダンスとの関係を示した図である。第２実施形態において、周波数とバッテリのバッテリ電流との関係を示した図である。第２実施形態において、周波数とバッテリ発熱量との関係を示した図である。第２実施形態に係る制御装置の昇温制御の内容を示したフローチャートである。第２実施形態において、周波数を一定とした場合および可変とした場合の時間に対するバッテリ温度Ｔｂの関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示されるバッテリ昇温システムは、充電可能な電源を早期昇温するためのシステムであり、例えばハイブリッド車やプラグインハイブリッド車等の電気自動車に適用することができる。

図１は、本実施形態に係るバッテリ昇温システムを備えた負荷駆動装置の全体構成図である。この図に示されるように、負荷駆動装置は、バッテリ昇温システム１０と、インバータ２０と、負荷３０と、を備えている。

バッテリ昇温システム１０は、バッテリ１１と、電圧変換器１２と、蓄電装置１３と、ドライバ回路１４と、制御装置１５と、を備えて構成されている。

バッテリ１１は、最小単位である図示しない電池セルが直列に複数接続されて構成された電池群である。電池セルとして、充電可能なリチウムイオン二次電池が用いられる。このようなバッテリ１１はインバータやモータ等の負荷３０を駆動するための電源として用いられる。

バッテリ１１の近傍には温度検出器１６が備えられており、温度検出器１６で検出されたバッテリ温度が温度検出器１６から制御装置１５に出力される。また、バッテリ１１のバッテリ電圧は図示しない電圧検出器によって検出され、バッテリ１１に流れるバッテリ電流は電流検出器１７により検出される。これらバッテリ電圧およびバッテリ電流は各検出器からそれぞれ制御装置１５に出力される。本実施形態では、バッテリ温度をＴｂとし、バッテリ電圧をＶｂとし、バッテリ電流をＩｂとする。

電圧変換器１２は、制御装置１５からの指令に応じてバッテリ１１と蓄電装置１３との間で電圧変換を行う昇圧コンバータである。すなわち、電圧変換器はＤＣ−ＤＣコンバータである。このような電圧変換器１２は、リアクトル１２ａと、スイッチング素子１２ｂ、１２ｃ（図１のＱｃ１、Ｑｃ２）と、ダイオード素子１２ｄ、１２ｅ（図１のＤ１、Ｄ２）とを含んでいる。

リアクトル１２ａは、一端がバッテリ１１の正極側に接続され、他端が一方のスイッチング素子１２ｂと他方のスイッチング素子１２ｃとの接続点に接続されている。リアクトル１２ａに流れるリアクトル電流は電流検出器１８によって検出され、電流検出器１８から制御装置１５に出力される。本実施形態では、リアクトル電流をＩＬとする。なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、リアクトル電流が特許請求の範囲の「変換電流」に対応する。

各スイッチング素子１２ｂ、１２ｃはそれぞれＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、インバータ２０の電源ラインとグランドラインとの間に直列接続されている。具体的には、一方のスイッチング素子１２ｂのコレクタがインバータ２０の電源ラインに接続され、エミッタが他方のスイッチング素子１２ｃのコレクタに接続されている。また、スイッチング素子１２ｃのエミッタは、インバータ２０のグランドラインに接続されている。そして、各スイッチング素子１２ｂ、１２ｃ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ダイオード素子１２ｄ、１２ｅがそれぞれ接続されている。各ダイオード素子１２ｄ、１２ｅは、いわゆるＦＷＤ（Free Wheeling Diode）である。

蓄電装置１３は、電圧変換器１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ２０に供給するコンデンサである。この蓄電装置１３はインバータ２０の入力側に設けられていると共に、インバータ２０の電源ラインとグランドラインとに接続されている。そして、蓄電装置１３であるコンデンサの両端の電圧がコンデンサ電圧として図示しない電圧検出器で検出され、当該電圧検出器から制御装置１５に出力される。本実施形態では、コンデンサ電圧をＶｃとする。

ドライバ回路１４は、制御装置１５から入力した指令に従って電圧変換器１２の各スイッチング素子１２ｂ、１２ｃとインバータ２０とに駆動信号を出力することで、電圧変換器１２とインバータ２０とを駆動する回路である。なお、このドライバ回路１４は、制御装置１５に含められていても良い。

制御装置１５は、負荷駆動装置の外部に設けられたＥＣＵ（Electrical Control Unit）から負荷３０の駆動に係る指令に従ってドライバ回路１４に電圧変換器１２とインバータ２０を駆動させる装置である。ＥＣＵは、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたマイクロコンピュータがＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って所定の機能を実行する装置である。

また、制御装置１５は、バッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂが基準値よりも低いとき、電圧変換器１２を制御することでバッテリ１１と蓄電装置１３との間で電力を授受してバッテリ１１を昇温させる機能を備えている。本実施形態では基準値をＴｔｈとする。この基準値は、バッテリ１１の昇温が必要な温度であり、例えば０℃に設定されている。これにより、バッテリ１１が氷点下に晒されている状況でバッテリ１１を昇温させることができる。なお、基準値Ｔｔｈはバッテリ１１を構成する電池セルに応じて適宜設定することが好ましい。

バッテリ１１の昇温の際、制御装置１５はバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧または下限電圧を超えないように電圧変換器１２を制御してバッテリ１１と蓄電装置１３との間で電力の授受を切り替えさせる。すなわち、制御装置１５はバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧と下限電圧との間の範囲内に収まるように電力の授受を切り替える。これにより、バッテリ１１が過充電または過放電の状態とならないようにする。

なお、「バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧を超えない」とは、バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧を上回らないという意味であり、「バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが下限電圧を超えない」とは、バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが下限電圧を下回らないという意味である。

そして、バッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂが基準値Ｔｔｈを超えると、制御装置１５は負荷３０を駆動するようにドライバ回路１４を介して電圧変換器１２およびインバータ２０を制御する。つまり、制御装置１５は、蓄電装置１３のコンデンサ電圧Ｖｃを昇圧させる昇圧動作と、蓄電装置１３のコンデンサ電圧Ｖｃを降圧させる降圧動作と、からなる通常動作を行うようにドライバ回路１４を介して電圧変換器１２およびインバータ２０を制御する。

なお、本実施形態では、上限電圧をＶｂｕとし、下限電圧をＶｂｄとする。制御装置１５の作動については、後で具体的に説明する。また、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、コンデンサ電圧が特許請求の範囲の「蓄電電圧」に対応する。

インバータ２０は、ドライバ回路１４からの信号に応じて、蓄電装置１３からの直流電圧を交流電圧に変換して負荷３０を駆動する回路である。また、インバータ２０は、負荷３０が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧を蓄電装置１３を介して電圧変換器１２に供給する機能も備えている。

このようなインバータ２０は、Ｕ相アーム２１と、Ｖ相アーム２２と、Ｗ相アーム２３と、を備えている。これら各アーム２１〜２３は、電源ラインとグランドラインとの間に並列に接続されている。

Ｕ相アーム２１は直列に接続されたスイッチング素子２１ａ、２１ｂで構成され、Ｖ相アーム２２は直列に接続されたスイッチング素子２２ａ、２２ｂで構成され、Ｗ相アーム２３は直列に接続されたスイッチング素子２３ａ、２３ｂで構成されている。各スイッチング素子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ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ダイオード素子２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ、２２ｄ、２３ｃ、２３ｄがそれぞれ接続されている。なお、各スイッチング素子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂは例えばＩＧＢＴであり、各ダイオード素子２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ、２２ｄ、２３ｃ、２３ｄはＦＷＤである。

また、各相アーム２１〜２３の中間点は、負荷３０であるモータの各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータは３相の永久磁石モータであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成されている。そして、Ｕ相コイルの他端がスイッチング素子２１ａ、２１ｂの中間点に、Ｖ相コイルの他端がスイッチング素子２２ａ、２２ｂの中間点に、Ｗ相コイルの他端がスイッチング素子２３ａ、２３ｂの中間点にそれぞれ接続されている。

このような構成のインバータ２０の各スイッチング素子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂは、制御装置１５によってドライバ回路１４を介してスイッチング制御され、負荷３０であるモータが指令されたトルクを出力するようにモータの各相に流す電流が制御される。

負荷３０は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのモータである。この負荷３０をハイブリッド自動車のエンジンに連結することで、エンジンの回転力によって発電する発電機の機能とエンジン始動を行なう電動機の機能とを負荷３０に持たせることもできる。

以上が、本実施形態に係るバッテリ昇温システム１０および負荷駆動装置の全体構成である。

続いて、バッテリ昇温システム１０の作動について、図１および図２を参照して説明する。図２は、コンデンサ電圧Ｖｃ、バッテリ電圧Ｖｂ、リアクトル電流ＩＬ、電圧変換器１２に入力する駆動信号のタイミングチャートである。バッテリ昇温システム１０は、上述のように制御装置１５がドライバ回路１４に指令を出し、ドライバ回路１４が各素子に駆動信号を出力することによって動作する。

まず、蓄電装置１３の昇圧時には、スイッチング素子１２ｃ（Ｑｃ２）がオンされる。これにより、バッテリ１１→リアクトル１２ａ→スイッチング素子１２ｃ（Ｑｃ２）の経路に電流が流れるので、リアクトル１２ａにエネルギーが蓄積される。

その後、スイッチング素子１２ｃ（Ｑｃ２）がオフされると、バッテリ１１→リアクトル１２ａ→ダイオード素子１２ｄ（Ｄ１）→蓄電装置１３の経路に電流が流れる。バッテリ１１→リアクトル１２ａに電流が流れる方向を正とすると、昇圧時には正の方向に電流が流れる。これにより、リアクトル１２ａのバッテリ１１側の電圧はバッテリ電圧Ｖｂとなるため、蓄電装置１３に昇圧された電圧が蓄電される。

そして、図２に示されるように、スイッチング素子１２ｃ（Ｑｃ２）が所定のＤｕｔｙでスイッチング駆動されると、昇圧時はバッテリ電圧Ｖｂが徐々に低下し、コンデンサ電圧Ｖｃは上昇する。昇圧後のコンデンサ電圧Ｖｃは、Ｄｕｔｙ（＝ｔｏｎ／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ））を用いて、Ｖｃ＝｛１／（１−Ｄｕｔｙ）｝×Ｖｂで表される。ｔｏｎはスイッチング素子１２ｃ（Ｑｃ２）のオン時間であり、ｔｏｆｆ：スイッチング素子１２ｃ（Ｑｃ２）のオフ時間である。一方、蓄電装置１３の昇圧にバッテリ１１のエネルギーが利用されるので、バッテリ電圧Ｖｂは下降していく。これが昇圧動作である。

蓄電装置１３の降圧時には、スイッチング素子１２ｂ（Ｑｃ１）がオンされる。これにより、蓄電装置１３→スイッチング素子１２ｂ（Ｑｃ１）→リアクトル１２ａ→バッテリ１１の経路に電流が流れるので、リアクトル１２ａにエネルギーが蓄積される。

その後、スイッチング素子１２ｂ（Ｑｃ１）がオフされると、リアクトル１２ａ→バッテリ１１→ダイオード素子１２ｅ（Ｄ２）の経路に電流が流れる。上記のようにバッテリ１１→リアクトル１２ａに電流が流れる方向を正とすると、降圧時には負の方向に電流が流れる。これにより、リアクトル１２ａのダイオード素子１２ｅ（Ｄ２）側の電圧は０Ｖとなるため、バッテリ１１に降圧された電圧が蓄電される。

そして、図２に示されるように、スイッチング素子１２ｂ（Ｑｃ１）が所定のＤｕｔｙでスイッチング駆動されると、降圧時はコンデンサ電圧Ｖｃが徐々に低下し、バッテリ電圧Ｖｂは上昇する。降圧後のバッテリ電圧Ｖｂは、Ｄｕｔｙ（＝ｔｏｎ／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）、ｔｏｎ：スイッチング素子１２ｂ（Ｑｃ１）のオン時間、ｔｏｆｆ：スイッチング素子１２ｂ（Ｑｃ１）のオフ時間）を用いて、Ｖｂ＝Ｄｕｔｙ×Ｖｃで表される。一方、蓄電装置１３のエネルギーがバッテリ１１に移動するので、バッテリ電圧Ｖｂは上昇していく。これが降圧動作である。

バッテリ昇温時には、上記の昇圧動作と降圧動作を繰り返してバッテリ１１に電流を流し、バッテリ１１の内部発熱によりバッテリ１１を昇温させる。バッテリ１１の内部抵抗をＲとすると、バッテリ発熱量はバッテリ電流Ｉｂを用いて（Ｉｂ）^２×Ｒで表される。

次に、制御装置１５の昇温制御について、図３のフローチャートを参照して説明する。まず、制御装置１５は、図示しない電圧検出器からバッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂを取得し、バッテリ電圧Ｖｂが所定の電圧を下回る場合（Ｓ１００）、電力の授受つまり昇温動作を行わずに通常動作（Ｓ１１４）を行う。ここで、所定の電圧をＶｄとすると、Ｖｄは車両のエンジンを始動できる電圧に設定されており、バッテリ電圧Ｖｂの下限電圧Ｖｂｄよりも低く設定されている。具体的には、制御装置１５がバッテリ電圧Ｖｂやバッテリ電流Ｉｂ等から算出した残存容量（State of Charge；ＳＯＣ）に基づいて設定されている。これにより、バッテリ１１が車両に利用されることでバッテリ１１が過放電の状態にならないので、車両が走行できなくなることを防止できる。

また、通常動作とは、電圧変換器１２によりバッテリ１１を必要に応じて昇圧し、インバータ２０および及び負荷３０を用いて走行、回生する制御である。

バッテリ電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖｄ以上の場合、制御装置１５は温度検出器１６により検出されたバッテリ温度Ｔｂを取得する（Ｓ１０１）。なお、バッテリ温度Ｔｂが基準値Ｔｔｈより高いとき（Ｓ１０２）、バッテリ１１を昇温させる必要がないので、通常動作に移行する（Ｓ１１４）。

そして、バッテリ温度Ｔｂが基準値Ｔｔｈより低いとき（Ｓ１０２）、Ｓ１０３〜Ｓ１０６の昇圧動作を行う。昇圧動作では、まず、バッテリ電圧Ｖｂを昇圧して蓄電装置１３であるコンデンサを充電する（Ｓ１０３）。

この後、バッテリ電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｂｄに到達したら（Ｓ１０４）、昇圧動作を終了し、Ｓ１０７以降の降圧動作に移行する。バッテリ電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｂｄに到達していない場合（Ｓ１０４）、蓄電装置１３のコンデンサ電圧Ｖｃが上限値以上か否かを判定する（Ｓ１０５）。ここで、コンデンサ電圧Ｖｃの上限値をＶｃｕとする。上限値Ｖｃｕは例えばコンデンサの耐圧に設定されている。この判定により、蓄電装置１３の故障を防止することができる。

そして、コンデンサ電圧Ｖｃが上限値Ｖｃｕに到達する前に所定の時間が経過した場合（Ｓ１０６）、Ｓ１０７以降の降圧動作に移行する。これは、蓄電装置１３であるコンデンサが容量不足になるとある時間から電流値が小さくなり、発熱量が低下して効率的に昇温できなくなるため、所定の時間で区切っている。これにより、蓄電装置１３が飽和して電流を流せなくなり、発熱量が低下することを防止することができる。所定の時間が経過していない場合（Ｓ１０６）、Ｓ１０３に戻って昇圧動作を繰り返す。

以上のように、制御装置１５は、バッテリ電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｂｄに到達したら電圧変換器１２において蓄電装置１３からバッテリ１１へ電力を供給する。また、制御装置１５は、コンデンサ電圧Ｖｃが上限値Ｖｃｕに到達したら、電圧変換器１２において蓄電装置１３からバッテリ１１へ電力を供給する。このように、バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂや蓄電装置１３のコンデンサ電圧Ｖｃをモニタして電力の授受を切り替えることにより、バッテリ１１が過放電にならないようにすることができる。

続いて、降圧動作では、蓄電装置１３を降圧してバッテリ１１を充電する（Ｓ１０７）。バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｂｕに到達したら（Ｓ１０８）、降圧動作を終了してＳ１００と同様にバッテリ電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖｄ以上か否かを判定し（Ｓ１１１）する。バッテリ電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖｄに達していない場合はバッテリ１１が車両に利用されてバッテリ１１が過放電の状態になることを防止するために通常動作に移行する（Ｓ１１４）。

また、バッテリ電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖｄに達している場合（Ｓ１１１）、Ｓ１０１と同様にバッテリ温度を検出する（Ｓ１１２）。そして、バッテリ温度Ｔｂが基準値Ｔｔｈより高いとき（Ｓ１１３）、バッテリ１１を昇温させる必要がないので、通常動作に移行する（Ｓ１１４）。一方、バッテリ温度Ｔｂが基準値Ｔｔｈに達していない場合（Ｓ１１３）、再び昇圧動作と降圧動作を繰り返すべく、Ｓ１０３に戻る。

バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｂｕに到達していない場合（Ｓ１０８）、蓄電装置１３のコンデンサ電圧Ｖｃが下限値以下か否かを判定する（Ｓ１０９）。ここで、コンデンサ電圧Ｖｃの下限値をＶｃｄとする。コンデンサ電圧Ｖｃが下限値Ｖｃｄに到達していない場合はＳ１０７に戻り、降圧動作を繰り返す。また、所定の時間が経過していない場合も（Ｓ１１０）、Ｓ１０７に戻り、降圧動作を繰り返す。

一方、コンデンサ電圧Ｖｃが下限値Ｖｃｄに到達する前（Ｓ１０９）に所定の時間が経過した場合（Ｓ１１０）、上記と同様にＳ１１１の処理を行う。これにより、蓄電装置１３に流れる電流が小さくなり、発熱量が低下することを防止できる。

以上のように、制御装置１５は、バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｂｕに到達したら電圧変換器１２においてバッテリ１１から蓄電装置１３へ電力を供給する。また、制御装置１５は、コンデンサ電圧Ｖｃが下限値Ｖｃｄに到達したら電圧変換器１２においてバッテリ１１から蓄電装置１３へ電力を供給する。このように、バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂや蓄電装置１３のコンデンサ電圧Ｖｃをモニタして電力の授受を切り替えることにより、バッテリ１１が過充電にならないようにすることができる。

以上説明したように、本実施形態では、制御装置１５によってバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｂｕと下限電圧Ｖｂｄとの間で変化するように電圧変換器１２を制御している。これにより、バッテリ１１が過充電または過放電にならないようにすることができる。この場合、蓄電装置１３のコンデンサ電圧Ｖｃが上限値Ｖｃｕと下限値Ｖｃｄとの間で変換するように電圧変換器１２を制御しているので、より確実にバッテリ１１の故障を回避できる。したがって、バッテリ１１の安全性を確保することができる。

また、制御装置１５によってバッテリ１１と蓄電装置１３との間で電力の授受を繰り返している。このような電力の授受によりバッテリ１１で内部発熱が起こるので、バッテリ１１を迅速に昇温させることができる。

以上のようにして、バッテリ１１の安全性の確保と迅速な昇温との両立を図ることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｂｕまたは下限電圧Ｖｂｄを超えないようにバッテリ１１と蓄電装置１３との間で電力を授受する周波数とバッテリ１１のバッテリ発熱量との関係を示すデータをバッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂ毎に制御装置１５の記憶手段に予め記憶している。

そして、制御装置１５は、当該関係に基づいてバッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂに応じてバッテリ発熱量が最大となる最適周波数を決定し、当該最適周波数でバッテリ１１と蓄電装置１３との間の電力の授受を切り替えることが特徴となっている。

なお、本実施形態に係るバッテリ昇温システム１０を備えた負荷駆動装置は、第１実施形態の図１で示された構成と同じである。

まず、周波数とバッテリ発熱量との関係について説明する。「周波数」は上記のように「バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｂｕまたは下限電圧Ｖｂｄを超えないようにバッテリ１１と蓄電装置１３との間で電力を授受する周波数」であるが、つまり昇圧動作および降圧動作を１周期とした動作を１秒間に繰り返す回数である。以下、単に周波数という。一方、「バッテリ発熱量」は、バッテリ１１の内部抵抗Ｒとバッテリ電流Ｉｂとを用いて（Ｉｂ）^２×Ｒで表される。

低温時におけるバッテリ１１の直流抵抗は非常に高くなる。このとき、バッテリ１１に電流を流すとバッテリ１１の上下限電圧に到達しやすくなる。例えば、上限電圧Ｖｂｕは１電池セル当たり４．２Ｖであり、下限電圧Ｖｂｄは１電池セル当たり２．５Ｖである。バッテリ１１は上下限電圧を超えると劣化しやすくなるため、上下限電圧を超えるような大電流は流さない方が良い。一方、低温でもバッテリ１１の交流抵抗（インピーダンス）は周波数が１００Ｈｚ〜１ｋＨｚでは小さくなり、大きな電流で昇降圧してもバッテリ電圧Ｖｂが上下限電圧を超えにくい。上記のように、バッテリ発熱量は（Ｉｂ）^２×Ｒで表されるため、バッテリ１１に大電流を流した方が発熱量は大きくなる。したがって，バッテリ１１のインピーダンスを測定し、インピーダンスが低くなる周波数で昇降圧すると良い。

具体的に、図４を参照して説明する。図４は、周波数とバッテリ１１のインピーダンスとの関係をバッテリ温度Ｔｂ毎に示した図である。この図に示されるように、バッテリ温度Ｔｂ毎にインピーダンスが異なるものの、周波数が１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの間では各バッテリ温度Ｔｂで低インピーダンスとなっている。したがって、インピーダンスが低くなる１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲で昇降圧することが考えられる。

図５は、周波数とバッテリ１１の電流との関係をバッテリ温度Ｔｂ毎に示した図である。図５では、−３０℃と−１０℃の関係について示してある。この図に示されるように、バッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂによってバッテリ電流Ｉｂが最大となる周波数は異なっている。例えば、−３０℃のような極低温時には１ｋＨｚ以下ではバッテリ電圧Ｖｂが上下限電圧に到達するためバッテリ１１に電流が流せなくなる。−１０℃になると、−３０℃よりもインピーダンスが小さくなるため、１ｋＨｚ以下でもバッテリ電圧Ｖｂは上下限電圧に到達しない。このようにバッテリ電圧Ｖｂが上下限電圧に到達しない場合、周波数を低くするほど流せるバッテリ電流Ｉｂは大きくなる（ｄｉ＝Ｖ／Ｌ×ｄｔ）。しかし、低い周波数では蓄電装置１３であるコンデンサの容量により飽和して電荷を貯めることができなくなるため、バッテリ１１に電流を流せなくなる。周波数を高くすると、昇降圧する時間（ｄｔ）が短くなるため、バッテリ１１に流せる電流は小さくなる。バッテリ１１に流す電流は、各スイッチング素子１２ｂ、１２ｃのＤｕｔｙをそれぞれ調整することで変更することができる。

図６は、周波数とバッテリ１１のバッテリ発熱量との関係をバッテリ温度Ｔｂ毎に示した図である。図６についても、図５と同様に−３０℃と−１０℃の関係について示してある。上記のようにバッテリ発熱量はバッテリ電流Ｉｂと内部抵抗Ｒ（インピーダンス）により決まる。早く昇温するためには大きなバッテリ発熱量が得られる周波数で昇降圧すると良い。そこで、本実施形態では、各バッテリ温度Ｔｂでバッテリ発熱量が最大となる周波数とＤｕｔｙをマップ化し、これを制御装置１５に予め記憶しておく。

また、高ＳＯＣではバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｂｕを超えやすく、低ＳＯＣでは下限電圧Ｖｂｄを超えやすくなる。したがって、ＳＯＣ毎に周波数とバッテリ１１のバッテリ発熱量との関係およびＤｕｔｙのマップを作成しておき、高ＳＯＣ及び低ＳＯＣではＤｕｔｙを小さくしてバッテリ電圧Ｖｂが上下限電圧を超えないようにする。なお、図５および図６に示される各図はＳＯＣが６０％のデータである。したがって、図６に示されるグラフがＳＯＣ毎に用意され、ＳＯＣ毎のデータが予め制御装置１５に記憶されている。また、図５や図６に示される特性はリチウムイオン二次電池の正極や負極の材料によって電池毎に異なるため、電池毎にデータを取得することが必要である。

次に、本実施形態に係る制御装置１５の昇温制御について、図７のフローチャートを参照して説明する。まず、制御装置１５はＳ２００からＳ２０２の各ステップを行う。なお、Ｓ２００は図３のＳ１００に対応し、Ｓ２０１は図３のＳ１０１に対応し、Ｓ２０２は図３のＳ１０２に対応している。

そして、バッテリ温度Ｔｂが基準値Ｔｔｈより低いとき（Ｓ２０２）、バッテリ温度ＴｂとＳＯＣから昇降圧する周波数とＤｕｔｙを予め測定したマップから決定する（Ｓ２０３）。すなわち、制御装置１５はバッテリ電圧Ｖｂやバッテリ電流Ｉｂから常にＳＯＣを算出しており、Ｓ２０３時点のＳＯＣに応じた周波数とバッテリ発熱量とのマップを選択する。さらに、選択したマップにおいてＳ２０１で取得したバッテリ温度Ｔｂからバッテリ発熱量が最大となる最適周波数を決定し、この最適周波数を実現するための各スイッチング素子１２ｂ、１２ｃのＤｕｔｙも決定する。このように、バッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂおよびバッテリ１１のＳＯＣに応じてバッテリ発熱量が最大となる最適周波数と各スイッチング素子１２ｂ、１２ｃのＤｕｔｙを決定する。

この後、決定した周波数とＤｕｔｙで電圧変換器１２の各スイッチング素子１２ｂ、１２ｃを駆動することで、バッテリ１１と蓄電装置１３との間で昇降圧を繰り返してバッテリ１１を昇温する（Ｓ２０４）。このとき、リアクトル１２ａやスイッチング素子１２ｂ、１２ｃおよびダイオード素子１２ｄ、１２ｅで損失が発生するため、バッテリ１１のＳＯＣは徐々に低下する。そこで、取得したバッテリ電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖｄより低くなった場合（Ｓ２０５）、車両が走行できなくなることを防ぐため、昇温を中止して通常制御に戻す（Ｓ２０８）。

また、昇降圧を繰り返しながらバッテリ温度Ｔｂを検出し（Ｓ２０６）、バッテリ温度Ｔｂが基準値Ｔｔｈに到達した場合（Ｓ２０７）、通常制御に戻す（Ｓ２０８）。なお、バッテリ温度Ｔｂを検出するタイミングは１回昇降圧する毎でも良いし、一定期間昇降圧を繰り返した後でも良い。

一方、バッテリ温度Ｔｂが基準値Ｔｔｈに到達していない場合（Ｓ２０７）、Ｓ２０３に戻り、現在のＳＯＣから最適周波数を選択してＤｕｔｙを決定し、昇高圧を繰り返し行う。そして、バッテリ温度Ｔｂが基準値Ｔｔｈに到達した場合（Ｓ２０６、Ｓ２０７）、通常制御に戻す（Ｓ２０８）。このようにして、バッテリ１１を昇温させる。

以上説明したように、本実施形態では、バッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｂｕと下限電圧Ｖｂｄとを超えないようにバッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂおよびバッテリ１１のＳＯＣに応じてバッテリ発熱量が最大となる最適周波数と各スイッチング素子１２ｂ、１２ｃのＤｕｔｙを決定している。また、これら最適周波数およびＤｕｔｙで制御装置１５によって電圧変換器１２を制御している。このため、バッテリ１１と蓄電装置１３との間で電力を授受させたとしても、バッテリ１１が過充電または過放電によって故障しないようにすることができ、ひいてはバッテリ１１の安全性を確保することができる。

また、本実施形態では、制御装置１５によってバッテリ発熱量が最大となる最適周波数でバッテリ１１と蓄電装置１３との間の電力の授受を切り替えている。この場合、バッテリ温度Ｔｂだけでなくバッテリ１１のＳＯＣに基づいた最適周波数で電力の授受を切り替えているので、バッテリ１１をさらに迅速に昇温させることができる。

ここで、早期に昇温するためにバッテリ温度Ｔｂが上昇したら周波数およびＤｕｔｙを変更することで、常に最大発熱量でバッテリ１１を昇温することができる。すなわち、周波数を常に一定にするのではなく、可変とする。

この場合、図７に示されるフローチャートのＳ２０３〜Ｓ２０７において、Ｓ２０３で、バッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂの変化に応じて最適周波数を変更し、変更した最適周波数でバッテリ１１と蓄電装置１３との間の電力の授受を切り替える。

図８は、周波数を一定とした場合および可変とした場合の時間に対するバッテリ温度Ｔｂの関係を示した図である。この図に示されるように、周波数を可変とした場合のバッテリ温度Ｔｂに対する基準値を時点ｔ１ではＴｔｈ１とし、時点ｔ２ではＴｔｈ２としている。このように、時間が経過するに伴って、バッテリ温度Ｔｂに対する基準値をＴｔｈ１からＴｔｈ２に可変しているので、バッテリ温度Ｔｂに応じてバッテリ発熱量が最大となる最適周波数を選択することができ、常にバッテリ発熱量を最大にすることができる。

このように、バッテリ発熱量が最大となる最適周波数をバッテリ温度Ｔｂの変化に伴って変更することで、最適周波数を変更しない場合よりも速くバッテリ温度Ｔｂを上昇させることができる。なお、最適周波数の変更は何段階かに分けても良いし、リニアに変更しても良い。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示されたバッテリ昇温システム１０および負荷駆動装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構成とすることもできる。例えば、図３に示されるフローチャートのＳ１００や図７に示されるフローチャートのＳ２００は無くても良い。また、所定時間に関係なくバッテリ電圧Ｖｂおよびコンデンサ電圧Ｖｃをモニタすることで昇圧動作と降圧動作とを繰り返しても良いので、Ｓ１０６およびＳ１１０は無くても良い。

第１実施形態では、バッテリ電圧Ｖｂおよびコンデンサ電圧Ｖｃをモニタすることで昇圧動作と降圧動作とを切り替えていたが、制御装置１５によって電圧変換器１２に流れる変換電流ＩＬを取得し、変換電流ＩＬが上限電流に到達したら電圧変換器１２においてバッテリ１１から蓄電装置１３への電力の授受を切り替えても良い。これにより、電圧変換器１２に過電流が流れて電圧変換器１２が故障しないようにすることができる。

第２実施形態では、バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが上下限電圧（Ｖｂｕ、Ｖｂｄ）を超えないようにバッテリ１１と蓄電装置１３との間で電力を授受する周波数とバッテリ１１のバッテリ発熱量との関係をバッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂ毎に制御装置１５に予め記憶していた。しかしながら、周波数とバッテリ発熱量との関係ではなく、周波数とバッテリ電流Ｉｂとの関係を採用しても良い。すなわち、バッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｂｕまたは下限電圧Ｖｂｄを超えないようにバッテリ１１と蓄電装置１３との間で電力を授受する周波数とバッテリ１１に流れるバッテリ電流Ｉｂとの関係をバッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂ毎に予め記憶しており、当該関係に基づいてバッテリ１１のバッテリ温度Ｔｂに応じてバッテリ発熱量が最大となる最適周波数を決定し、当該最適周波数でバッテリ１１と蓄電装置１３との間の電力の授受を切り替えることもできる。

また、第２実施形態では、ＳＯＣ毎およびバッテリ温度Ｔｂ毎に周波数とバッテリ発熱量との関係がマップ化されていたが、ＳＯＣを考慮せずにバッテリ温度Ｔｂ毎だけの周波数とバッテリ発熱量との関係がマップ化されていても良い。周波数とバッテリ電流Ｉｂとの関係についても同様である。

バッテリ昇温システムを構成するバッテリ１１を車載充電器を介して家庭用電源等に接続し、充電することも考えられる。しかし、車載充電器を家庭用電源等に接続せずに外部のコンデンサに接続することで、このコンデンサを利用してコンデンサとバッテリ１１との間で電力の授受を行うことによりバッテリ１１を昇温することもできる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータを利用して、バッテリ１１と補機用バッテリとの間で電力の授受を行うことによりバッテリ１１を昇温することもできる。

上記各実施形態では、バッテリ昇温システムをハイブリッド車やプラグインハイブリッド車等の電気自動車に適用することについて説明したが、これはシステムの適用の一例であり、車両に限らず充電可能な電源を利用して装置を作動させる場合に適用することができる。

１０バッテリ昇温システム
１１バッテリ
１２電圧変換器
１３蓄電装置
１４ドライバ回路
１５制御装置
２０インバータ
３０負荷

Claims

充電可能なバッテリ（１１）と、
蓄電装置（１３）と、
前記バッテリ（１１）と前記蓄電装置（１３）との間で電圧変換を行う電圧変換器（１２）と、
前記バッテリ（１１）のバッテリ温度（Ｔｂ）が基準値（Ｔｔｈ）よりも低いとき、前記バッテリ（１１）と前記蓄電装置（１３）との間で電力を授受して前記バッテリ（１１）を昇温させるように前記電圧変換器（１２）を制御する制御装置（１５）と、を備え、
前記制御装置（１５）は、前記バッテリ（１１）のバッテリ電圧（Ｖｂ）を取得し、前記バッテリ電圧（Ｖｂ）が上限電圧（Ｖｂｕ）に到達したときに、または、前記バッテリ電圧（Ｖｂ）が下限電圧（Ｖｂｄ）に到達したときに、前記バッテリ（１１）と前記蓄電装置（１３）との間で電力の授受を切り替えるバッテリ昇温システムであって、
前記制御装置（１５）は、前記蓄電装置（１３）の蓄電電圧（Ｖｃ）を取得し、前記蓄電電圧（Ｖｃ）が上限値（Ｖｃｕ）に到達したときに、または、前記蓄電電圧（Ｖｃ）が下限値（Ｖｃｄ）に到達したときに、前記バッテリ（１１）と前記蓄電装置（１３）との間で電力の授受を切り替え、
さらに、前記制御装置（１５）は、前記蓄電装置（１３）の蓄電電圧（Ｖｃ）が上限値（Ｖｃｕ）を上回る前に所定の時間が経過した場合、前記蓄電装置（１３）から前記バッテリ（１１）への電力の授受を行うことを特徴とするバッテリ昇温システム。
充電可能なバッテリ（１１）と、
蓄電装置（１３）と、
前記バッテリ（１１）と前記蓄電装置（１３）との間で電圧変換を行う電圧変換器（１２）と、
前記バッテリ（１１）のバッテリ温度（Ｔｂ）が基準値（Ｔｔｈ）よりも低いとき、前記バッテリ（１１）と前記蓄電装置（１３）との間で電力を授受して前記バッテリ（１１）を昇温させるように前記電圧変換器（１２）を制御する制御装置（１５）と、を備え、
前記制御装置（１５）は、前記バッテリ（１１）のバッテリ電圧（Ｖｂ）を取得し、前記バッテリ電圧（Ｖｂ）が上限電圧（Ｖｂｕ）に到達したときに、または、前記バッテリ電圧（Ｖｂ）が下限電圧（Ｖｂｄ）に到達したときに、前記バッテリ（１１）と前記蓄電装置（１３）との間で電力の授受を切り替えるバッテリ昇温システムであって、
前記制御装置（１５）は、前記蓄電装置（１３）の蓄電電圧（Ｖｃ）を取得し、前記蓄電電圧（Ｖｃ）が上限値（Ｖｃｕ）に到達したときに、または、前記蓄電電圧（Ｖｃ）が下限値（Ｖｃｄ）に到達したときに、前記バッテリ（１１）と前記蓄電装置（１３）との間で電力の授受を切り替え、
さらに、前記制御装置（１５）は、前記蓄電装置（１３）の蓄電電圧（Ｖｃ）が下限値（Ｖｃｄ）を下回る前に所定の時間が経過した場合、前記バッテリ（１１）から前記蓄電装置（１３）への電力の授受を行うことを特徴とするバッテリ昇温システム。
前記制御装置（１５）は、前記バッテリ（１１）のバッテリ電圧（Ｖｂ）が上限電圧（Ｖｂｕ）に到達したら前記電圧変換器（１２）において前記バッテリ（１１）から前記蓄電装置（１３）へ電力を供給し、前記バッテリ電圧（Ｖｂ）が下限電圧（Ｖｂｄ）に到達したら前記電圧変換器（１２）において前記蓄電装置（１３）から前記バッテリ（１１）へ電力を供給することを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリ昇温システム。
前記制御装置（１５）は、前記蓄電電圧（Ｖｃ）が上限値（Ｖｃｕ）に到達したら前記電圧変換器（１２）において前記バッテリ（１１）から前記蓄電装置（１３）への電力の授受を切り替え、前記蓄電電圧（Ｖｃ）が下限値（Ｖｃｄ）に到達したら前記電圧変換器（１２）において前記蓄電装置（１３）から前記バッテリ（１１）への電力の授受を切り替えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のバッテリ昇温システム。
前記制御装置（１５）は、前記電圧変換器（１２）に流れる変換電流（ＩＬ）を取得し、前記変換電流（ＩＬ）が上限電流に到達したら前記電圧変換器（１２）において前記バッテリ（１１）から前記蓄電装置（１３）への電力の授受を切り替えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のバッテリ昇温システム。
前記制御装置（１５）は、前記バッテリ電圧（Ｖｂ）が所定の電圧（Ｖｄ）を下回る場合、前記電力の授受を行わないことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のバッテリ昇温システム。