JP5359390B2

JP5359390B2 - 電池温度調節装置

Info

Publication number: JP5359390B2
Application number: JP2009053252A
Authority: JP
Inventors: 茂樹木野村; 誠平井; 博人日下; 直人弓指; 保亀嶋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: JP2010205710A

Description

本発明は、二次電池の温度調節が可能な電池温度調節装置に関する。

従来から、電池の温度を調節することで、電池の出力特性を向上させる電池温度調節装置が知られている。例えば、特許文献１には、二次電池の端子に抵抗体からなる発熱体を設けて温度に応じた通電制御を行い、外気温が低い場合でも端子から電池を温めて電池の出力特性を速やかに上昇させる技術が開示されている。その他、本発明に関連する技術が、特許文献２に開示されている。

特開平１１−０８２１００号公報特開２００６−１５２８４８号公報

上述の技術によると、外側からの加熱により電極を昇温させるため、入出力特性に寄与する電極周りの活物質が暖まるまでに時間を要する。また、入出力特性に寄与しない部分を加熱することになり、消費するエネルギーの効率が悪い。特許文献１及び特許文献２には、上記の問題について、何ら考慮されていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、低温時に電池の入出力特性を早期にかつ効率よく向上させることが可能な電池温度調節装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、抵抗が異なる２つの電力端子が正電極または負電極として配置された二次電池と、前記二次電池の温度が所定値以下のときには、前記抵抗が異なる電力端子のうち、抵抗が大きい方の電力端子を電気的に接続させることで、前記二次電池の内部から前記二次電池を昇温させる制御手段と、を備える。

上記の電池温度調節装置は、二次電池と、制御手段と、を備える。二次電池には、抵抗が異なる２つの電力端子が正電極または負電極として配置される。制御手段は、例えばＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、二次電池の温度が所定値以下のときには、抵抗が異なる電力端子のうち、抵抗が大きい方の電力端子を電気的に接続させることで、二次電池の内部から二次電池を昇温させる。従って、電池温度調節装置は、電池温度が低温な場合には抵抗が大きい電極端子を使用することで、電極自体を発熱体とすることができる。即ち、電池温度調節装置は、二次電池の入出力特性を早期にかつ効率よく向上させることができる。

第１及び第２実施形態に係る電池温度調節装置の概略構成図を示す。第１実施形態の処理手順を示すフローチャートである。第２実施形態の処理手順を示すフローチャートである。第３実施形態に係る電池温度調節装置の概略構成図を示す。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［電池温度調節装置の構成］
図１は、本発明に係る電池温度調節装置１００の概略構成図を示す。なお、図中の破線矢印は、信号の入出力を示し、実線は電力線を示す。

電池温度調節装置１００は、電池１と、正電極２と、負電極３と、スイッチ４と、温度センサ５と、電池ＥＣＵ１０と、を備える。

電池１は、例えばリチウムイオンなどの二次電池である。電池１は、主にハイブリッド車両や電気自動車などに搭載される。電池１は、例えばハイブリッド車両に搭載された場合には、モータの電源として機能することが可能に構成されると共に、モータが発電した電力を充電可能に構成される。電池１は、正電極２と、負電極３と、を有する。

正電極２は、通常用電極２ｘと加熱用電極２ｙの２つの電極端子を有する。通常用電極２ｘは、加熱用電極２ｙに比べ電気抵抗の小さな電極である。加熱用電極２ｙは、通常用電極２ｘに比べ電気抵抗の大きな電極である。

通常用電極２ｘと加熱用電極２ｙとは、スイッチ４に接続されている。スイッチ４は、通常用電極２ｘと加熱用電極２ｙとのいずれを電気的に接続させるか選択可能なスイッチである。スイッチ４は、電池ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ１０に基づきその駆動が制御される。

電池１には、温度センサ５が設置されている。温度センサ５は、電池１を構成する電池セルなどに近接して配置され、電池１の温度を検出し、その検出結果を電池ＥＣＵ１０へ出力する。以後では、温度センサ５に基づき検出した電池１の温度を「電池温度Ｔｂ」と呼ぶ。

電池ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などを備える。電池ＥＣＵ１０は、温度センサ５から供給される電池温度Ｔｂに基づき、スイッチ４の制御を行う。このように、電池ＥＣＵ１０は、本発明における制御手段として機能する。

以下では、電池ＥＣＵ１０が実行する制御を第１実施形態及び第２実施形態で具体的に説明する。また、上述した電池温度調節装置１００の構成とは異なる構成を第３実施形態で説明する。なお、以後の説明で、「入力特性」とは、充電可能な電力の上限値などの電池１の充電に関する特性を指し、「出力特性」とは、放電可能な電力の上限値などの電池１の放電に関する特性を指す。

［第１実施形態］
第１実施形態では、電池ＥＣＵ１０は、電池温度Ｔｂに基づき通常用電極２ｘと加熱用電極２ｙとを適切に使い分ける。これにより、電池ＥＣＵ１０は、低温時であっても適切に電池１を昇温させる。

具体的には、電池ＥＣＵ１０は、電池温度Ｔｂが所定値（以後、「所定値ＴＨ１」と呼ぶ。）より大きい場合には、通常用電極２ｘを使用し、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１以下の場合には、加熱用電極２ｙを使用する。ここで、所定値ＴＨ１は、電池１の入出力特性と電池温度Ｔｂとの関係に基づき実験等により適切な値に設定される。

この制御ついて補足説明する。一般に、電池温度Ｔｂが低温の場合、電池１の入力特性及び出力特性が悪化し、車両の動力性能や燃費が悪化する。特に、電池１がリチウムイオン電池などの内部抵抗が小さな電池の場合、電池１の入出力による自己発熱が小さいため、電池温度Ｔｂが上昇しにくい。この場合、電池１は、入出力特性が悪化したままの状態が続く。

以上を考慮し、第１実施形態では、電池ＥＣＵ１０は、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１以下のときには抵抗が大きい加熱用電極２ｙを使用することで、加熱用電極２ｙの抵抗の発熱により電池１の内部から電池１を昇温させる。この場合、電極の抵抗を利用して電池１を加熱することにより、電池ＥＣＵ１０は、電池１の入出力に寄与する電極付近の活性質を早期に暖機することができる。また、ヒータなどを用いて外部から電池１を加熱する場合と比較して、電池ＥＣＵ１０は、電池１のケースなど電池１の入出力特性に寄与しない部分を不要に加熱するのを防ぐ。このように、第１実施形態では、電池ＥＣＵ１０は、効率よく電池１を暖機すると共に、電池１の入出力特性を早期に向上させることができる。

（処理フロー）
次に、第１実施形態で電池ＥＣＵ１０が実行する処理手順について説明する。図２は、第１実施形態で電池ＥＣＵ１０が実行する処理手順を示すフローチャートである。電池ＥＣＵ１０は、このフローチャートの処理を、所定の周期に従い繰り返し実行する。

まず、電池ＥＣＵ１０は、電池温度Ｔｂを取得する（ステップＳ１０１）。電池ＥＣＵ１０は、温度センサ５から供給された検出信号に基づき電池温度Ｔｂを取得する。

次に、電池ＥＣＵ１０は、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１より大きいか否かについて判断する（ステップＳ１０２）。所定値ＴＨ１は、実験等により適切な値に設定され、電池ＥＣＵ１０のメモリ等に予め保持される。

そして、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１より大きい場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、電池ＥＣＵ１０は、通常用電極２ｘを使用する（ステップＳ１０３）。

一方、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１以下の場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、電池ＥＣＵ１０は、加熱用電極２ｙを使用する（ステップＳ１０４）。これにより、電池ＥＣＵ１０は、加熱用電極２ｙを発熱させ、電池１の入出力性能を向上させることができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、電池ＥＣＵ１０は、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１以下の場合には加熱用電極２ｙを使用することで、電池１の入出力性能を向上させた。これに加え、第２実施形態では、電池ＥＣＵ１０は、加熱用電極２ｙを使用中に、電池１へ流れる電流に基づき温度センサ５の異常を検出し、異常があると判断した場合には、通常用電極２ｘに切り替える。このようにすることで、電池ＥＣＵ１０は、電池１を過剰に加熱するのを防ぐ。以下では、第２実施形態で電池ＥＣＵ１０が実行する制御について具体的に説明する。なお、電池温度調節装置１００の構成は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

まず、電池ＥＣＵ１０は、加熱用電極２ｙを使用中、電池１へ流れる電流を計測する。例えば、電池ＥＣＵ１０は、図示しない電流計または電圧計に基づき電池１に流れる電流を検出する。

そして、電池ＥＣＵ１０は、検出した電池１へ流れる電流の二乗値（以後、単に「電流二乗値」と呼ぶ。）が所定値（以後、「所定値ＴＨ２」と呼ぶ。）を超えた場合には、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１以下であっても、加熱用電極２ｙから通常用電極２ｘへ切り替える。所定値ＴＨ２は、実験等により適切な値に設定される。

この制御について補足説明する。一般に、電池１の抵抗による発熱量は、電流二乗値によって定まる。即ち、電池１の発熱量を「Ｐ」、電池１に流れる電流を「Ｉ」、電池１の内部抵抗を「Ｒ」とすると、以下の式（１）が成立する。
Ｐ＝Ｉ×Ｉ×Ｒ式（１）
従って、電池ＥＣＵ１０は、予め内部抵抗Ｒをメモリ等に保持しておくことで、電流二乗値から発熱量Ｐを算出することが可能である。また、発熱量Ｐと電池温度Ｔｂの上昇値とは一般に正の相関を有する。

以上を考慮し、電池ＥＣＵ１０は、温度センサ５により検出した電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１以下であっても、電流二乗値が所定値ＴＨ２を超えた場合には、実際の電池温度Ｔｂは十分に高いと判断する。言い換えると、電池ＥＣＵ１０は、この場合、温度センサ５の異常に起因して、検出した電池温度Ｔｂが実際の電池温度Ｔｂよりも低くなっていると判断する。従って、電池ＥＣＵ１０は、この場合、加熱用電極２ｙから通常用電極２ｘへ切り替える。これにより、電池ＥＣＵ１０は、過剰に電池１を加熱するのを防ぎ、電池１の劣化を抑制することができる。

（処理フロー）
次に、第２実施形態で電池ＥＣＵ１０が実行する処理手順について説明する。図３は、第２実施形態で電池ＥＣＵ１０が実行する処理手順を示すフローチャートである。電池ＥＣＵ１０は、このフローチャートの処理を、所定の周期に従い繰り返し実行する。

まず、電池ＥＣＵ１０は、電池温度Ｔｂを取得する（ステップＳ２０１）。

次に、電池ＥＣＵ１０は、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１以下か否か判定する（ステップＳ２０２）。そして、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１以下の場合（ステップＳ２０２；Ｙｅｓ）、電池ＥＣＵ１０は、ステップＳ２０４へ処理を進める。一方、電池温度Ｔｂが所定値ＴＨ１より大きい場合（ステップＳ２０２；Ｎｏ）、電池ＥＣＵ１０は、電池１を加熱する必要はないと判断し、通常用電極２ｘを使用する（ステップＳ２０３）。

電池ＥＣＵ１０は、次に、電流二乗値が所定値ＴＨ２以下か否か判定する（ステップＳ２０４）。これにより、電池ＥＣＵ１０は、温度センサ５の異常を検出する。

そして、電流二乗値が所定値ＴＨ２以下の場合（ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）、電池ＥＣＵ１０は、温度センサ５に異常はないと判断し、加熱用電極２ｙを使用する（ステップＳ２０５）。

一方、電流二乗値が所定値ＴＨ２より大きい場合（ステップＳ２０４；Ｎｏ）、電池ＥＣＵ１０は、温度センサ５の異常に起因して電池１を過剰に加熱する恐れがあると判断し、通常用電極２ｘを使用する（ステップＳ２０３）。

以上のように、電池ＥＣＵ１０は、電池１の低温時では電池１の入出力特性を向上させると共に、温度センサ５の故障による影響を最小限に抑制することができる。

［第３実施形態］
上述の第１実施形態及び第２実施形態の説明では、電池温度調節装置１００は、正電極２に通常用電極２ｘと加熱用電極２ｙとを備えていた。しかし、本発明が適用可能な構成はこれに限定されない。例えば、これに加えて、またはこれに代えて、電池温度調節装置１００は、負電極３に抵抗の小さい通常用電極と抵抗の大きい加熱用電極とを設けてもよい。この具体例について図４を用いて説明する。

図４は、第３実施形態における電池温度調節装置１００ａの概略構成図である。図中の破線矢印は、信号の入出力を示し、実線は電力線を示す。

図４に示すように、電池温度調節装置１００ａは、負電極３として通常用電極３ｘと加熱用電極３ｙとを備える。通常用電極３ｘは、加熱用電極３ｙに比べ抵抗の小さな負電極である。加熱用電極３ｙは、通常用電極３ｘに比べ抵抗の大きな負電極である。

さらに、電池温度調節装置１００ａは、通常用電極３ｘと加熱用電極３ｙとを切り替えるためのスイッチ７を備える。スイッチ７は、電池ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ７に基づき駆動が制御される。

次に、第３実施形態で電池ＥＣＵ１０が実行する制御について説明する。電池ＥＣＵ１０は、第１実施形態の制御または第２実施形態の制御いずれかを実行する。即ち、電池ＥＣＵ１０は、図２または図３のフローチャートを実行する。この場合、電池ＥＣＵ１０は、図２のステップＳ１０３では通常用電極２ｘ、３ｘを使用し、ステップＳ１０４では加熱用電極２ｙ、３ｙを使用する。同様に、電池ＥＣＵ１０は、図３のステップＳ２０３では、通常用電極２ｘ、３ｘを使用し、ステップＳ２０５では加熱用電極２ｙ、３ｙを使用する。このように、電池ＥＣＵ１０は、図２の処理を実行することで、電池１の入出力特性を向上させることができる。また、電池ＥＣＵ１０は、図３の処理を実行することで、電池１の入出力特性を向上させると共に、温度センサ５の電池１の過剰な加熱を抑制することができる。

なお、図４に示す例の他、電池温度調節装置１００は、負電極３にのみ抵抗の異なる電極端子を複数備えてもよい。この場合であっても、電池ＥＣＵ１０は、図２または図３の処理を実行することで、電池１の入出力特性の向上等を実現させることができる。

１電池
２正電極
３負電極
４、７スイッチ
５温度センサ
６バッテリ
１０電池ＥＣＵ
１００、１００ａ電池温度調節装置

Claims

抵抗が異なる２つの電力端子が正電極または負電極として配置された二次電池と、
前記二次電池の温度が所定値以下のときには、前記抵抗が異なる電力端子のうち、抵抗が大きい方の電力端子を電気的に接続させることで、前記二次電池の内部から前記二次電池を昇温させる制御手段と、
を備えることを特徴とする電池温度調節装置。