JP6268787B2 - 電源装置および電源の昇温方法 - Google Patents
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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。
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。
[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。
[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。
[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。
[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
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 (8)
- 充放電可能な第1の蓄電手段と、
充放電可能な第2の蓄電手段と、
第2の負荷と、
制御手段を有し、
前記制御手段は、前記第1の蓄電手段の温度が前記第2の負荷が要求する電流を出力可能な電力が得られる内部抵抗の時の前記第1の蓄電手段の温度である第1の閾値よりも低く前記第2の蓄電手段の電圧が前記第2の負荷が要求する電流を出力可能な電力が得られる内部抵抗の時の前記第1の蓄電手段の電圧である第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前記第3の閾値より低くしかも前記第2の蓄電手段の使用下限電圧である第2の閾値以上である場合、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の閾値よりも低い前記第1の蓄電手段の使用下限電圧である第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電源装置。 - 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1に記載の電源装置。
- 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1または2記載の電源装置。
- 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1乃至3のいずれか1項に記載の電源装置。
- 充放電可能な第1の蓄電手段および充放電可能な第2の蓄電手段を有し第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、
前記第1の蓄電手段の温度が前記第2の負荷が要求する電流を出力可能な電力が得られる内部抵抗の時の前記第1の蓄電手段の温度である第1の閾値よりも低く前記第2の蓄電手段の電圧が前記第2の負荷が要求する電流を出力可能な電力が得られる内部抵抗の時の前記第1の蓄電手段の電圧である第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前記第3の閾値より低くしかも前記第2の蓄電手段の使用下限電圧である第2の閾値以上である場合、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の閾値よりも低い前記第1の蓄電手段の使用下限電圧である第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電源の昇温方法。 - 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5に記載の電源の昇温方法。
- 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5または6に記載の電源の昇温方法。
- 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5乃至7のいずれか1項に記載の電源の昇温方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013157347A JP6268787B2 (ja) | 2013-07-30 | 電源装置および電源の昇温方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013157347A JP6268787B2 (ja) | 2013-07-30 | 電源装置および電源の昇温方法 |
Publications (2)
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JP2015029366A JP2015029366A (ja) | 2015-02-12 |
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