JP6665826B2 - 電池装置 - Google Patents
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Description
組電池の二次電池のそれぞれに接続されたバランス補正用のスイッチ素子と、
スイッチ素子に流れる電流が供給される複数の加熱素子と、
複数の加熱素子を組電池の暖まりにくい二次電池に接触又は近傍に配置し、
温度検知部が一定温度範囲を検知した場合に、バランス補正を行った後に、組電池を放電させることによって、充電可能な温度とするようにした電池装置である。
組電池の二次電池のそれぞれに接続されたバランス補正用のスイッチ素子及びスイッチ素子に流れる電流が供給される複数の抵抗を有する第1のバランス補正回路と、
組電池の二次電池のそれぞれに接続されたバランス補正用のスイッチ素子及びスイッチ素子に流れる電流が供給される複数のヒータ抵抗を有する第2のバランス補正回路と、
複数のヒータ抵抗が組電池の温まりにくい二次電池に接触又はその近傍に配置され、
充電可能な温度において、第1のバランス補正回路によってバランス補正を行い、
放電可能であり且つ充電可能でない温度において、第2のバランス補正回路によってバランス補正を行った後に、組電池を放電させることによって、充電可能な温度とするようにした
二次電池に対する可変電流放電制御を行うようにした電池装置である。
<1.第1の実施形態>
<2.第2の実施形態>
<3.応用例>
<4.変形例>
以下に説明する実施形態等は本技術の好適な具体例であり、本技術の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
「システムの構成例」
図1は、本技術の第1の実施形態に係る電池装置が適用される車載システム(車載システム1)の構成例を示す。車載システム1は、例えば、電池装置11と、車内ヒーター(以下適宜、ヒーターと略称する)12と、空調機13と、モーター14と、エンジン15とを含む構成を有している。なお、図1では、参照符号SLが付されたラインにより通信路の一例が示され、参照符号CLが付されたラインにより電流が流れる経路の一例が示され、参照符号HLが付されたラインによりヒーター12により発生した熱が伝達される経路が示されている。
、表示部11cとを有している。本実施形態に係る電池モジュール11aは、例えばボンネットに収納され車内の電装部品等に電力を供給するための二次電池として説明するが、電動車両における動力源の二次電池であっても構わない。なお、電池モジュール11aからの電流が上述したヒーター12に供給されるように構成されている。電流が供給されることによりヒーターが発熱し、この熱が空調機13やモーター14、エンジン15のウォームアップに利用される。
図2は、電池装置11の詳細な構成例を説明するための図である。始めに、本実施形態に係る電池モジュール11aに適用可能な二次電池の一例について説明する。二次電池の一例は、正極活物質と、黒鉛等の炭素材料を負極活物質として含むリチウムイオン二次電池であり、正極材料としてオリビン構造を有する正極活物質を含有するものである。
している。MPU140は、通信端子101cに対して接続されている。MPU140は、通信端子101cを介して負荷や上位のコントローラ等の外部機器と通信を行う。通信は、例えば、CAN(Controller Area Network)の規格等任意の通信規格を使用できる。
また、通信は、有線でもよいし、無線でもよい。MPU140は、上述した通信により、電池モジュール11aの電圧情報、温度情報、電流情報等をデジタル化して送信する。また、MPU140は、後述する可変電流放電制御を行う。
電池装置11の動作について概略的に説明する。通常の充放電制御は、D−FET110およびC−FET111に対するオン/オフが制御され、自己放電用のD−FET113がオフされる。具体的には、通常の放電時には、D−FET110がオンされ、C−FET111がオフされる。また、充電時には、D−FET110がオフされ、C−FET111がオンされる。
ところで、上述した電池モジュール11aを構成するリチウムイオン二次電池の充電可能な温度は0℃以上とされている。しかしながら、電池モジュール11aの用途(例えば、ハイブリット車や電気自動車)や使用地域によっては、電池モジュール11aが氷点下の低温で使用することがある。そのため、例えば0℃未満の低温環境下でも電池モジュール11aを充電できることが望まれている。
始めに、電池装置11の動作例について概略的に説明する。電池装置11では、放電可能であり且つ充電可能でない温度において、電池モジュール11aを自己放電させ、それによる熱で充電可能温度を上回るまで電池モジュール11aの温度を上昇させる。そして、その後に電池モジュール11aに対する充電が行われる。本実施形態では、ヒーター12を負荷として電池モジュール11aを自己放電させる。
図3は、例えばMPU140によって行われる可変電流放電制御における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。始めに、ステップS1では、電池モジュール11aの温度(X℃)とSOC(State Of Charge)(Y%)とが検出される。そして、
処理がステップS2に進む。
例えば、
−20℃<X<−15℃の範囲では、放電電流値が68.4A(3ItA)に設定されて電池モジュール11aが放電される。
−15℃≦X<−10℃の範囲では、放電電流値が91.2A(4ItA)に設定されて電池モジュール11aが放電される。
−10℃≦X<0℃の範囲では、放電電流値が114.0A(5ItA)に設定されて電池モジュール11aが放電される。
なお、図4では、放電電流値を示す軸は放電のためマイナス表記としているので、絶対値でみれば、温度の上昇に伴って放電電流値が大きくなる。
電池モジュールの仕様は単セルを8個並列接続したものを4個直列接続したものを使用し、公称電圧12.8V、公称容量22.8Ah(アンペアアワー)の車載用の12Vバッテリーを使用した。試験環境温度は−20℃である。
当該電池モジュールを定電流放電させた場合と可変放電させた場合とで、下記の項目に関して評価した。
[評価項目]
・−20℃から0℃までに達する時間
・放電容量
・消費SOC
下記の表1に結果を示す。
次に、第2の実施形態について説明する。なお、特に断らない限り、第1の実施形態で説明した事項は、第2の実施形態に適用することができる。第2の実施形態では、電池装置の構成が第1の実施形態に係る電池装置の構成と異なる。
次に、第2の実施形態に係る電池装置11Aの動作例について説明する。第1の実施形態と同様にして電池装置11Aにおいて可変電流放電制御が行われる。可変電流放電制御が行われると、MPU140は、D−FETドライバ115およびC−FETドライバ116を制御してD−FET117をオンし、C−FET118をオフする。これにより、可変電流放電制御が行われることで電池モジュール11aから出力された電力が電気二重層コンデンサ150に供給され、電気二重層コンデンサ150に電力を貯蔵することができる。
次に、第3の実施形態について説明する。なお、特に断らない限り、第1の実施形態及び第2の実施の形態で説明した事項は、第3の実施形態に適用することができる。第1の実施形態及び第2の実施の形態では、低温での充電禁止状態から、電池モジュールの放電電流を制御して内部の自己発熱により電池モジュール自身の温度上昇を促進させて、効率よく充電可能温度に到達するものである。
1.自己発熱しても外側のセルが温まりにくい
2.各セル電圧のバラつき
さらに、第3の実施の形態は、充電禁止温度→充電可能温度(0℃)以上になる到達時間を短くするために 、セルバランスの補正に生じる無駄になる熱損失、放電容量を利用
して、温まりにくい&冷めやすいセルをヒーター(セルバランス補正する抵抗)で先に温めて、電池モジュール全体の放電時間を短縮するものである。
図6は、本技術の第3の実施形態に係る電池装置が適用される車載システム(車載システム1')の構成例を示す。車載システム1'は、上述した第1の実施の形態の車載システム1と同様に、電池装置11と、車内ヒーター12と、空調機13と、モーター14と、エンジン15とを含む構成を有している。さらに、電池モジュール11aに対するヒーター20が設けられている。ヒーター20は、ECU11bによって制御される。電池モジュール11aが充電禁止状態から充電可能温度に到達させたい電池モジュール(例えば1
2Vバッテリー)である。
以下、図12のフローチャートを参照して本発明の第3の実施の形態の制御処理を説明する。この処理は充電禁止状態から、一番容量が多く余っているセルからセルバランス補正のパッシブ方式(抵抗で放電させてセルの電圧をそろえる方式)で放電する。放電した電流をヒーターに通して、セルバランス補正しながら、温まりにくいセルを先に温める処理である。そしてセルバランス補正の放電が終了したら、第1の実施の形態又は第2の実施の形態において採用されている可変電流放電制御によって、電池モジュール全体を0℃以上にする。なお、制御処理を理解しやすいように、図12のフローチャートでは1並列(n=20直列)、公称容量20Ahの車載用電池モジュールを想定して、処理を行なっている。本技術がこれ以外の電池モジュールに対しても適用できる。
直列数が多くなるとセルの数も増えるため、セルの容量のバラつきが大きくなる。そのため、充放電を繰り返すと、直列数が少ない電池モジュールに比べて各セルの電圧のバラつきも大きくなる。そのため、大型電池モジュールのセルバランス補正は必要不可欠である。
第3の実施の形態は、例えば上述した第1の実施の形態に対して図13に示すように、セルバランス補正回路200を付加した構成である。セルバランス補正回路200には、通常のセルバランス補正回路とヒーター用セルバランス補正回路が含まれている。このようにセルバランス補正回路を二つ備えるのは、環境温度が高いような場合でもヒーターが動作して電池モジュール11aが劣化することを防止するためである。なお、第3の実施の形態は、第2の実施の形態と組み合わせるようにしてもよい。
次に、本技術の応用例について説明する。
「応用例としての車両における蓄電システム」
本技術を車両用の蓄電システムに適用した例について、図15を参照して説明する。図15に、本技術が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリーに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
本技術を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図16を参照して説明する。例えば住宅9001用の蓄電システム9100においては、火力発電9002a、原子力発電9002b、水力発電9002c等の集中型電力系統9002から電力網9009、情報網9012、スマートメータ9007、パワーハブ9008等を介し、電力が蓄電装置9003に供給される。これと共に、家庭内発電装置9004等の独立電源から電力が蓄電装置9003に供給される。蓄電装置9003に供給された電力が蓄電される。蓄電装置9003を使用して、住宅9001で使用する電力が給電される。住宅9001に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。
フェースを使う方法、Bluetooth(登録商標)、ZigBee、Wi−Fi等の無線通信規格によるセンサネットワークを利用する方法がある。Bluetooth方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ZigBeeは、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4の物理層を使用するものである。IEEE802.15.4は、PAN(Personal Area Network) またはW(Wireless)PANと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格の名称である。
本技術は、航空機にも適用可能である。航空機は、高度の上空を飛行するため、電池モジュールの使用環境温度が0℃以下になり得る。このような場合でも上述した可変電流放電制御を行うことにより対応することができる。また、本技術は、大型の電動車両や航空機に限らず、電動バイク、電動自転車、電動三輪車、電動小型飛行体(ドローン等とも称される)等にも応用可能である。
表示部に代えて、または表示部とともに、音声等により可変電流放電制御が行われていることをユーザに対して報知してもよい。また、可変電流放電制御が行われたことが他の機器に対して通信により通知されてもよい。
11a・・・電池モジュール
11b・・・ECU
11c・・・表示部
12・・・車内ヒーター
130・・・温度センサ
140・・・MPU
Claims (9)
- 複数の二次電池が直列及び/又は並列に接続されると共に、互いに接近して組み立てられた組電池と、
前記組電池の二次電池のそれぞれに接続されたバランス補正用のスイッチ素子と、
前記スイッチ素子に流れる電流が供給される複数の加熱素子と、
前記複数の加熱素子を前記組電池の暖まりにくい二次電池に接触又は近傍に配置し、
温度検知部が一定温度範囲を検知した場合に、バランス補正を行った後に、前記組電池を放電させることによって、充電可能な温度とするようにした電池装置。 - 複数の二次電池が直列及び/又は並列に接続されると共に、互いに接近して組み立てられた組電池と、
前記組電池の前記二次電池のそれぞれに接続されたバランス補正用のスイッチ素子及び前記スイッチ素子に流れる電流が供給される複数の抵抗を有する第1のバランス補正回路と、
前記組電池の前記二次電池のそれぞれに接続されたバランス補正用のスイッチ素子及び前記スイッチ素子に流れる電流が供給される複数のヒータ抵抗を有する第2のバランス補正回路と、
前記複数のヒータ抵抗が前記組電池の温まりにくい二次電池に接触又はその近傍に配置され、
充電可能な温度において、前記第1のバランス補正回路によってバランス補正を行い、
放電可能であり且つ充電可能でない温度において、前記第2のバランス補正回路によってバランス補正を行った後に、前記組電池を放電させることによって、充電可能な温度とするようにした電池装置。 - 前記組電池の放電は、前記二次電池に対する可変電流放電制御である請求項1又は2に記載の電池装置。
- 前記可変電流放電制御は、前記二次電池の温度に応じて、異なる放電電流値で当該二次電池を放電させる制御である
請求項3に記載の電池装置。 - 前記可変電流放電制御は、前記二次電池の温度の上昇に伴って、放電電流値を大きくして当該二次電池を放電させる制御である
請求項3に記載の電池装置。 - 前記二次電池の電圧が放電終止電圧を下回る場合には、前記可変電流放電制御を停止するように構成される請求項3に記載の電池装置。
- 前記二次電池のSOC(State Of Charge)に応じて、前記可変電流放電制御を行うか否
かを判断するように構成される
請求項3に記載の電池装置。 - 前記可変電流放電制御が行われることに応じて前記二次電池から出力される電力を貯蔵する電力貯蔵部を備える
請求項3に記載の電池装置。 - 前記二次電池の負荷としてヒーターが接続される
請求項1又は2に記載の電池装置。
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