JP7147646B2 - 電池モジュールの昇温装置 - Google Patents

Description

電池モジュールを昇温する昇温装置に関する。

一般的に、単位電池は、温度が過度に低い場合、最大出力が著しく低下することが知られている。特許文献１には、単位電池を直列接続して構成された電池モジュールの温度が所定温度よりも低くなった場合に、各単位電池に電流を流すことにより、各単位電池を昇温する昇温装置が開示されている。この昇温装置は、昇温時に各単位電池に流す電流の周波数を、各単位電池の内部抵抗が所定値以下となる周波数に設定することにより、電池モジュールで許容される電圧範囲内で効果的に電流を流している。

特許第５２９３８２０号公報

単位電池の内部抵抗には温度依存性があるため、昇温前に、電池モジュールを構成する各単位電池間に温度のばらつきが存在すると、内部抵抗に差が生じる。各単位電池の内部抵抗の差に起因して、昇温時の各単位電池の損失量にばらつきが生じるため、昇温後の各単位電池において、充電率（ＳＯＣ：State of Charge）にばらつきが生じる。例えば、電池モジュール全体での放電可能量が、各単位電池のうち、最も低い単位電池のＳＯＣに基づいて管理されている場合、ＳＯＣが高い単位電池の蓄電エネルギを十分に使いきれなくなることが懸念される。

本発明は上記課題に鑑みたものであり、電池モジュールの昇温装置において、昇温後の各単位電池のＳＯＣのばらつきを抑制することができる電池モジュールの昇温装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために第１の発明では、複数の単位電池を直列接続して構成された電池モジュールに接続されており、前記各単位電池に電流を流すことにより前記電池モジュールを昇温する昇温部を備え、前記電池モジュールの温度が所定温度よりも低くなった場合に、前記昇温部により前記電池モジュールを昇温させる電池モジュールの昇温装置に関する。昇温装置は、前記昇温部による前記各単位電池の昇温前に、前記単位電池を充放電する充放電部と、前記各単位電池のうち、最も温度が低い電池を低温側電池とし、前記低温側電池以外の電池を高温側電池とすると、前記昇温部による昇温前において、前記低温側電池のＳＯＣが前記高温側電池のＳＯＣよりも高くなるように、前記充放電部の充放電量を設定する設定部と、を備える。

電池モジュールを構成する単位電池のうち、最も温度が低い低温側電池は、この低温側電池以外の単位電池である高温側電池と比べて内部抵抗が高く、昇温部による昇温時の損失が大きくなる。上記構成では、昇温部による昇温前において、低温側電池のＳＯＣが高温側電池のＳＯＣよりも高くなるように、各単位電池の充放電が行われる。これにより、昇温終了時に低温側電池と高温側電池との間のＳＯＣの差を小さくすることができ、各単位電池間でのＳＯＣのばらつきを抑制することができる。

第２の発明では、前記電池モジュールに並列接続された蓄電部を備え、前記昇温部は、昇温時において、前記電池モジュールの電気エネルギを前記蓄電部に移動させる放電処理の実施と、前記蓄電部の電気エネルギを前記電池モジュールに移動させる充電処理の実施とを所定周期で相互に切り換えることにより、前記各単位電池に電流を流し、第１周波数帯よりも高周波側の周波数帯であって、該第１周波数帯よりもＳＯＣに起因する前記各単位電池の内部抵抗の差が相対的に小さくなる第２周波数帯に含まれる周波数で、前記充電処理と前記放電処理とを相互に切り換える。

上記構成では、昇温部による昇温時において、電池モジュールの電気エネルギを蓄電部に移動させる放電処理と、蓄電部の電気エネルギを電池モジュールに移動させる充電処理とが所定周期で相互に実施され、単位電池に充放電電流が流れる。これにより、電池モジュールの電気エネルギの消費を抑制することができる。ここで、単位電池の内部抵抗はＳＯＣに依って変化するが、所定の周波数帯での電流を単位電池に流すことにより、ＳＯＣに起因する内部抵抗の差を抑制することができる。そこで、上記構成では、第１周波数帯よりも高周波側の周波数帯であって、第１周波数帯よりもＳＯＣに起因する各単位電池の内部抵抗の差が相対的に小さくなる第２周波数帯に含まれる周波数で、充電処理の実施と放電処理の実施とが切り換えられる。これにより、充放電処理により生じたＳＯＣの差に起因して各単位電池の内部抵抗の差が大きくなるのが抑制され、昇温終了時において、各単位電池間でのＳＯＣのばらつきをいっそう抑制することができる。

第３の発明では、前記昇温部は、前記低温側電池を現在の温度から目標温度まで昇温するべく、前記各単位電池に電流を流し、前記設定部は、低温側電池における現在の温度と前記目標温度との温度差に基づいて、前記充放電部の前記充放電量を設定する。

上記構成では、低温側電池を目標温度まで昇温するのに必要な温度差に基づいて、充放電部の充放電量が設定されるため、各単位電池を過不足なく充放電することができる。

第４の発明では、前記単位電池の温度を検出する温度検出部と、検出された前記単位電池の温度に基づいて、前記低温側電池及び前記高温側電池の各内部抵抗値を算出する抵抗値算出部と、を備え、前記設定部は、前記低温側電池における現在の温度と前記目標温度との温度差と、算出された前記低温側電池の内部抵抗値とに基づいて、前記昇温部により前記低温側電池を昇温する場合における前記低温側電池の損失量を予測し、前記各高温側電池について、前記低温側電池における現在の温度と前記目標温度との温度差と、算出された前記高温側電池の内部抵抗値とに基づいて、前記昇温部により前記高温側電池を昇温する場合における前記高温側電池の損失量を予測し、予測した前記低温側電池及び前記高温側電池の各損失量に基づいて、前記充放電部の前記充放電量を設定する。

各単位電池間の温度差が小さい場面では、内部抵抗の差が小さいため、昇温による損失量に大きな差が生じないと考えられる。上記構成では、現在の単位電池の温度に応じた内部抵抗値から、低温側電池及び高温側電池の各損失量を予測し、予測した各損失量から充放電量を設定する。これにより、実際の温度を加味して予測された低温側電池及び高温側電池の各損失量を用いて充放電量が設定されるため、不要に各単位電池を充放電することを防止することができる。

第１の発明は第５の発明のように具体化することができる。第５の発明では、前記充放電部は、前記各単位電池を放電させる放電処理を実施し、前記設定部は、前記昇温部による昇温前における前記低温側電池のＳＯＣが前記高温側電池のＳＯＣよりも高くなるように、前記充放電部の放電量を設定する。

昇温装置の構成図。 電池部の構成図。 単位電池の配列を説明する図。 昇温制御時の電流の流れを説明する図。 昇温制御時の電流の流れを説明する図。 比較例に係るＳＯＣの変化を説明する図。 本実施形態に係るＳＯＣの変化を説明する図。 昇温制御の手順を説明するフローチャート。 単位電池における内部抵抗の差を説明する図。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる回転電機の制御システムについて、図面を参照しつつ説明する。回転電機の制御システムは、車両に搭載されており、車両に搭載された回転電機の駆動を制御する。

図１に示す制御システム１００は、電池部１０と、電池部１０を構成する電池モジュール２０から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４０とを備えている。

まずは、電池部１０の構成を説明する。図１，図２に示すように、電池モジュール２０は、複数の単位電池Ｃ１～Ｃｎを直列接続することにより構成された組電池である。電池モジュール２０は、図３に示すように、電池部１０の筐体内において、一対のプレート部材であるエンドプレート２１，２２により挟持された状態で配置されている。各単位電池Ｃ１～Ｃｎは、扁平な直方体形状をなし、エンドプレート２１，２２の間で直列に並んで配置されている。本実施形態では、各単位電池Ｃ１～Ｃｎは、リチウムイオン蓄電池である。また、本実施形態では、各単位電池Ｃ１～Ｃｎの定格電圧は互いに同じ値に設定されている。なお、各単位電池Ｃ１～Ｃｎは、単体の電池セルであってもよいし、複数の電池セルの直列接続体であってもよい。

電池部１０は、監視装置３０を備えている。監視装置３０は、電圧検出回路３２、均等化回路３４及び監視制御部３３を備えている。監視装置３０は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎの正極側及び負極側と複数の検出ラインＬを通じて接続されている。各検出ラインＬには、抵抗素子と、隣接する検出ラインＬ間を接続するキャパシタとにより構成されるローパスフィルタ３１が設けられている。

電圧検出回路３２は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎにおける正極側に接続された検出ラインＬと負極側に接続された検出ラインＬとの電圧差から、単位電池Ｃ１～Ｃｎ毎の電圧である電池電圧Ｖ１～Ｖｎを検出する。

均等化回路３４は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎを放電する放電スイッチＱ１～Ｑｎを備えている。本実施形態では、各放電スイッチＱ１～Ｑｎは、電圧駆動型のスイッチであり、具体的には、ＭＯＳＦＥＴである。放電スイッチＱ１～Ｑｎは、ドレイン・ソース間で、隣接する検出ラインＬを接続することにより、各単位電池Ｃ１～Ｃｎに並列接続されている。各放電スイッチＱ１～Ｑｎがオン操作されることで、この放電スイッチＱ１～Ｑｎに並列接続された単位電池Ｃ１～Ｃｎを放電することができる。

電池部１０は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎの温度である電池温度Ｔ１～Ｔｎを検出する温度センサＳＴ１～ＳＴｎと、各単位電池Ｃ１～Ｃｎに流れる電流を検出する電流センサ３５とを備えている。温度センサＳＴ１～ＳＴｎは、例えばサーミスタであり、電池モジュール２０を構成する単位電池Ｃ１～Ｃｎ毎に設けられている。電流センサ３５は、電池モジュール２０に直列接続されている。本実施形態では、温度センサＳＴ１～ＳＴｎが温度検出部に相当する。

温度センサＳＴ１～ＳＴｎにより検出された電池温度Ｔ１～Ｔｎ、及び電流センサ３５により検出された電流値は監視制御部３３に入力される。監視制御部３３は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎの電池電圧Ｖ１～Ｖｎのばらつきを解消する均等化処理や、各単位電池Ｃ１～Ｃｎの充電率（ＳＯＣ）を算出する。

均等化処理では、監視制御部３３は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎの電池電圧に差がある場合に、均等化回路３４の各放電スイッチＱ１～Ｑｎをオン・オフ操作することにより、各単位電池Ｃ１～Ｃｎを放電する。これにより、各単位電池Ｃ１～Ｃｎの電池電圧Ｖ１～Ｖｎのばらつきを解消する。

ＳＯＣ算出処理では、監視制御部３３は、まず、車両の始動開始時であって電池モジュール２０の充放電の開始前において、単位電池Ｃ１～Ｃｎの電池電圧Ｖ１～Ｖｎを、開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）として検出する。開放電圧とは、単位電池Ｃ１～Ｃｎに電流が流れていない状態での電圧である。監視制御部３３は、検出したＯＣＶとＳＯＣとの相関から、電池モジュール２０の充放電の開始前におけるＳＯＣの初期値を算出する。そして、電池モジュール２０の充放電の開始後は、電流センサ３５により検出された電流に基づいて、ＳＯＣを逐次更新することにより、各単位電池Ｃ１～Ｃｎにおける現在のＳＯＣ１～ＳＯＣｎを算出する。

図１に戻り、電池モジュール２０の正極端子には、第１リレーＭＲ１を介してインバータ４０の第１端子４１が接続され、第２リレーＭＲ２を介してインバータ４０の第２端子４２が接続されている。電池モジュール２０の負極端子には、インバータ４０の第３端子４３が接続されている。第１，第２リレーＭＲ１，ＭＲ２は、例えば可動接点形の電磁形リレーである。

第１端子４１には、インバータ４０の高電位側配線４４が接続されている。第３端子４３には、インバータ４０の低電位側配線４５が接続されている。高電位側配線４４と低電位側配線４５とは、スイッチング素子としての高電位側スイッチＳ￥ｐ（￥＝ｕ，ｖ，ｗ）及び低電位側スイッチＳ￥ｎの直列接続体により接続されている。本実施形態では、各スイッチＳ￥＃（￥＝ｕ，ｖ，ｗ；＃＝ｐ，ｎ）は、ＩＧＢＴである。具体的には、高電位側スイッチＳ￥ｐのコレクタは高電位側配線４４に接続されている。高電位側スイッチＳ￥ｐのエミッタは、低電位側スイッチＳ￥ｎのコレクタに接続されている。低電位側スイッチＳ￥ｎのエミッタは、低電位側配線４５に接続されている。なお、高電位側スイッチＳ￥ｐ及び低電位側スイッチＳ￥ｎには、ダイオードＤ￥＃が逆並列に接続されている。

第２端子４２は、高電位側スイッチＳｕｐのエミッタと低電位側スイッチＳｕｎのコレクタとの接続点に接続されている。高電位側配線４４と低電位側配線４５とは、蓄電部であるコンデンサ１２により接続されている。これにより、コンデンサ１２は、インバータ４０を介して電池モジュール２０に並列接続されている。

回転電機２００は、車載主機としての多相回転電機であり、ロータ２０４が車両の駆動輪に機械的に連結されている。回転電機２００は、Ｕ相ステータコイル２０１、Ｖ相ステータコイル２０２及びＷ相ステータコイル２０３それぞれの第１端が中性点で接続された３相回転電機である。Ｕ相ステータコイル２０１の第２端は、高電位側スイッチＳｕｐと低電位側スイッチＳｕｎとの接続点に接続されている。Ｖ相ステータコイル２０２の第２端は、高電位側スイッチＳｖｐと低電位側スイッチＳｖｎとの接続点に接続されている。Ｗ相ステータコイル２０３の第２端は、高電位側スイッチＳｗｐと低電位側スイッチＳｗｎとの接続点に接続されている。

制御システム１００は、メイン制御部５０を備えている。メイン制御部５０は、インバータ４０を構成する各スイッチＳ￥＃をオン・オフ操作することにより、回転電機２００に電力を供給する。また、メイン制御部５０は、電池部１０の監視制御部３３と通信可能であり、監視制御部３３から送信される電池温度Ｔ１～ＴｎやＳＯＣ１～ＳＯＣｎを入力する。

メイン制御部５０は、電池温度Ｔ１～Ｔｎの中に所定温度よりも低い温度が存在する場合に、電池モジュール２０を構成する各単位電池Ｃ１～Ｃｎの温度を上昇させるべく昇温制御を実施する。この昇温制御では、電池モジュール２０からコンデンサ１２への電気エネルギの移動と、コンデンサ１２から電池モジュール２０への電気エネルギの移動とが交互に行われることにより、各単位電池Ｃ１～Ｃｎに充放電電流が流れる。これにより、各単位電池Ｃ１～Ｃｎを昇温することができる。本実施形態では、インバータ４０が昇温部に相当する。

次に、メイン制御部５０により実施される昇温制御を説明する。本実施形態では、インバータ４０と、均等化回路３４と、メイン制御部５０とにより昇温装置が構成されている。

電池モジュール２０の電気エネルギをコンデンサ１２に移動させる場合、電池モジュール２０に対して放電処理を実施する。この放電処理は、第１リレーＭＲ１がオフ操作され、かつ第２リレーＭＲ２がオン操作された状態で、インバータ４０により電池モジュール２０の端子間電圧を昇圧させてコンデンサ１２を充電する。具体的には、図４（ａ）に示すように、インバータ４０を構成するスイッチング素子のうち、低電位側スイッチＳｖｎ，Ｓｗｎをオン操作し、それ以外をオフ操作する。これにより、電池モジュール２０、第２リレーＭＲ２，回転電機２００、低電位側スイッチＳｖｎ，Ｓｗｎを含むループ経路に電流が流れ、回転電機２００の各相コイル２０１～２０３に電気エネルギが蓄えられる。次に、図４（ｂ）に示すように、低電位側スイッチＳｖｎ，Ｓｗｎをオフ操作することにより、回転電機２００、ダイオードＤｖｐ，Ｄｗｐ、コンデンサ１２、電池モジュール２０及び第２リレーＭＲ２を含むループ経路に電流が流れ、コンデンサ１２が充電される。

コンデンサ１２の電気エネルギを電池モジュール２０に移動させる場合、電池モジュール２０に対して充電処理を実施する。この充電処理は、第１リレーＭＲ１がオフ操作され、かつ第２リレーＭＲ２がオン操作された状態で、インバータ４０によりコンデンサ１２の端子間電圧を降圧させて電池モジュール２０を充電する。具体的には、図５（ａ）に示すように、インバータ４０を構成するスイッチング素子のうち、高電位側スイッチＳｖｐ，Ｓｗｐをオン操作し、それ以外をオフ操作する。これにより、コンデンサ１２、高電位側スイッチＳｖｐ，Ｓｗｐ、回転電機２００、リレーＭＲ２、電池モジュール２０を含むループ経路に電流が流れ、回転電機２００の各相コイル２０１～２０３に電気エネルギが蓄えられる。次に、高電位側スイッチＳｖｐ，Ｓｗｐをオフ操作することにより、回転電機２００、リレーＭＲ２，電池モジュール２０、ダイオードＤｖｎ，Ｄｗｎを含むループ経路に電流が流れ、電池モジュール２０が充電される。

このように、電池モジュール２０とコンデンサ１２との間で電気エネルギを相互に移動させることにより、電気エネルギの消費を抑制しつつ、各単位電池Ｃ１～Ｃｎに充放電電流を流すことができる。これにより、電池モジュール２０を昇温することができる。

続いて、本実施形態の特徴部の構成を比較例と対比しながら説明する。

まず、比較例について説明する。図６は、比較例において、電池モジュール２０を５つの単位電池Ｃ１～Ｃ５で構成した場合の、昇温制御によるＳＯＣの変化を示している。図６（ａ）は、昇温制御前の各単位電池Ｃ１～Ｃ５のＳＯＣであるＳＯＣ１～ＳＯＣ５を示し、図６（ｂ）は、昇温制御後の各単位電池Ｃ１～Ｃ５のＳＯＣを示している。なお、説明を容易にするため、昇温制御前の各単位電池Ｃ１～Ｃ５のＳＯＣを同じ値にしている。なお、エンドプレート２１，２２の間に直列に並んで配置された単位電池Ｃ１～Ｃ５のうち、単位電池Ｃ１，Ｃ５がエンドプレート２１，２２に隣接する単位電池である。

各単位電池Ｃ１～Ｃ５の内部抵抗には温度依存性があるため、昇温制御前において、各単位電池Ｃ１～Ｃ５の温度にばらつきが存在すると、各単位電池Ｃ１～Ｃ５の内部抵抗に差が生じる。例えば、単位電池Ｃ１～Ｃ５のうち、エンドプレート２１，２２に隣接する単位電池Ｃ１，Ｃ５は、エンドプレート２１，２２を介して放熱され易くなるため、他の単位電池Ｃ２～Ｃ４よりも温度が低くなり易い。

昇温制御時における損失量は、各単位電池Ｃ１～Ｃ５に流れる電流Ｉの二乗に内部抵抗値Ｒを掛けたものとなる。そのため、昇温制御時において、各単位電池Ｃ１～Ｃ５の内部抵抗の差に起因して各単位電池Ｃ１～Ｃ５の損失量（＝Ｉ×Ｉ×Ｒ）に差が生じ、昇温制御後において、各単位電池Ｃ１～Ｃ５のＳＯＣ１～ＳＯＣ５にばらつきが生じる。図６（ｂ）では、各単位電池Ｃ１～Ｃ５のうちエンドプレート２１，２２に隣接する単位電池Ｃ１，Ｃ５において、ＳＯＣ１，ＳＯＣ５が、他の単位電池Ｃ２～Ｃ４のＳＯＣ２～ＳＯＣ４よりも小さくなっている。

監視装置３０は、電池モジュール２０全体での放電可能量を、各単位電池Ｃ１～Ｃ５のＳＯＣのうち最も低いＳＯＣに基づいて管理している。例えば、図６（ｂ）では、単位電池Ｃ５のＳＯＣから放電許容下限値ＴＨＳまでの差（＝ＳＯＣ５－ＴＨＳ）が全ての単位電池Ｃ１～Ｃ５の放電可能量となる。そのため、ＳＯＣが単位電池Ｃ５のＳＯＣよりも大きい単位電池Ｃ２～Ｃ４は、蓄積された電気エネルギを十分に使いきれなくなることが懸念される。

そこで、本実施形態では、各単位電池Ｃ１～Ｃｎの温度にばらつきがある場合に、昇温制御前において、電池モジュール２０を構成する単位電池Ｃ１～Ｃｎのうち、最も温度の低い低温側電池のＳＯＣを、それ以外の高温側電池のＳＯＣよりも高くすることにより、昇温制御後の各単位電池Ｃ１～ＣｎのＳＯＣのばらつきを抑制している。この原理を、図７を用いて説明する。図７（ａ）は本実施形態に係る昇温制御前における各単位電池のＳＯＣを示し、図７（ｂ）は、本実施形態に係る、昇温制御前であってかつ放電処理後の各単位電池のＳＯＣを示している。図７（ｃ）は本実施形態に係る昇温制御後における各単位電池のＳＯＣを示している。図７では、電池モジュール２０を５つの単位電池Ｃ１～Ｃ５で構成した場合のＳＯＣ１～ＳＯＣ５の例を示す。図７（ａ）～図７（ｃ）では、低温側電池が単位電池Ｃ５であり、高温側電池が単位電池Ｃ１～Ｃ４である例を示す。

昇温制御前において、メイン制御部５０は、低温側電池Ｃ５のＳＯＣ５が高温側電池Ｃ１～Ｃ４のＳＯＣ１～ＳＯＣ４よりも高くなるように、監視装置３０の均等化回路３４に各単位電池Ｃ１～Ｃ５に対する放電処理を実施させる。高温側電池Ｃ１～Ｃ４の放電量が低温側電池Ｃ５の放電量よりも大きくなることにより、図７（ｂ）に示すように、昇温制御前において、内部抵抗が最も大きい低温側電池Ｃ５のＳＯＣ５が、高温側電池Ｃ１～Ｃ４のＳＯＣ１～ＳＯＣ４よりも大きくなっている。本実施形態では、均等化回路３４が充放電部に相当する。

メイン制御部５０は、均等化回路３４により各単位電池Ｃ１～Ｃ５に対する放電処理を実施させた後に、インバータ４０に、各単位電池Ｃ１～Ｃ５に対する昇温制御を実施させる。これにより、図７（ｃ）に示すように、昇温制御後における、低温側電池Ｃ５のＳＯＣ５と高温側電池Ｃ１～Ｃ４のＳＯＣ１～ＳＯＣ４とのばらつきが抑制される。

本実施形態では、メイン制御部５０は、放電処理による各単位電池Ｃ１～Ｃｎの放電量を次のように設定する。まず、低温側電池を目標温度Ｔｔまで昇温するのに必要な熱量である昇温必要量ΔＴを算出する。本実施形態では、下記式（１）を用いて昇温必要量ΔＴを算出する。「Ｔｍｉｎ」は、低温側電池の電池温度である。
ΔＴ＝Ｔｔ－Ｔｍｉｎ … （１）

メイン制御部５０は、算出した昇温必要量ΔＴを生じさせるのに要する低温側電池の通電量である必要通電量ΔＩを算出する。本実施形態では、下記式（２）を用いて必要通電量ΔＩを算出する。「Ｋｔ」は、単位電池Ｃ１～Ｃｎの熱容量［Ｊ／Ｋ］である。「Ｒ１」は低温側電池の内部抵抗値［Ω］であり、本実施形態では低温側電池の電池温度に応じて値が可変設定される。「Ｐｒ」は、インバータ４０による昇温制御の継続時間［秒］である。なお、本実施形態では、継続時間Ｐｒが６００［秒］に設定されている。

本実施形態では、メイン制御部５０は、記憶部を有し、記憶部には、検出した電池温度と内部抵抗値Ｒとの関係を定めたマップ情報である抵抗マップが記憶されている。メイン制御部５０は、この抵抗マップから低温側電池の電池温度Ｔｍｉｎに応じた内部抵抗値Ｒ１を算出する。メイン制御部５０が抵抗値算出部に相当する。

メイン制御部５０は、算出した必要通電量ΔＩを用いて、昇温制御時における、低温側電池の損失量Ｌｏ１、及び各高温側電池の損失量Ｌｏ２を予測する。具体的には、下記式（３）を用いて低温側電池の損失量Ｌｏ１を算出し、下記式（４）を用いて高温側電池の損失量Ｌｏ２を算出する。「Ｒ２」は、高温側電池の内部抵抗値［Ω］である。メイン制御部５０は、電池モジュール２０を構成する全ての高温側電池に対して損失量Ｌｏ２を算出する。
Ｌｏ１ ＝ ΔＩ×ΔＩ×Ｒ１×Ｐｒ／３６００ … （３）
Ｌｏ２ ＝ ΔＩ×ΔＩ×Ｒ２×Ｐｒ／３６００ … （４）

本実施形態では、損失量Ｌｏ１，Ｌｏ２の予測に用いる各単位電池Ｃ１～Ｃｎの各内部抵抗値Ｒ１，Ｒ２を、現在の単位電池Ｃ１～Ｃｎの温度を加味した値に設定する。具体的には、メイン制御部５０は、抵抗マップから高温側電池の電池温度に応じた内部抵抗値Ｒ２を取得する。本実施形態では、メイン制御部５０が、抵抗値取得部に相当する。

メイン制御部５０は、算出した各単位電池Ｃ１～Ｃｎの損失量Ｌｏ１，Ｌｏ２を用いて、昇温制御後の低温側電池のＳＯＣの予測値である予測充電率ＰＳ１と、昇温制御後の高温側電池のＳＯＣの予測値である予測充電率ＰＳ２とを算出する。本実施形態では、メイン制御部５０は、下記式（５）を用いて低温側電池の予測充電率ＰＳ１を算出し、下記式（６）を用いて高温側電池の予測充電率ＰＳ２を算出する。「Ｅｆ１」は低温側電池の満充電時における蓄電エネルギ［Ｗｈ］であり、「Ｅｆ２」は高温側電池の満充電時における蓄電エネルギ［Ｗｈ］である。本実施形態では、各単位電池Ｃ１～Ｃｎは、満充電電荷量が互いに同一に設定されているため、「Ｅｆ１＝Ｅｆ２」である。「Ｅｐｒ１」は、昇温制御前の低温側電池の蓄電エネルギ［Ｗｈ］であり、本実施形態では、昇温制御前の低温側電池のＳＯＣから算出される。「Ｅｐｒ２」は、昇温制御前の高温側電池の蓄電エネルギ［Ｗｈ］であり、本実施形態では、昇温制御前の高温側電池のＳＯＣから算出される。メイン制御部５０は、電池モジュール２０を構成する全ての高温側電池に対して予測充電率ＰＳ２を算出する。
ＰＳ１ ＝ （Ｅｐｒ１－Ｌｏ１）／Ｅｆ１ … （５）
ＰＳ２ ＝ （Ｅｐｒ２－Ｌｏ２）／Ｅｆ２ … （６）

メイン制御部５０は、算出した低温側電池の予測充電率ＰＳ１と高温側電池の予測充電率ＰＳ２とを用いて、高温側電池に対する均等化回路３４の放電量ＤＡを算出する。本実施形態では、電池モジュール２０を構成する全ての高温側電池に対して、下記式（７）を用いて放電量ＤＡを算出する。
ＤＡ ＝ （ＰＳ２－ＰＳ１）×Ｅｆ２ … （７）
本実施形態では、メイン制御部５０が設定部に相当する。

メイン制御部５０は、電池部１０の監視制御部３３に対して、上記式（７）を用いて算出した各高温側電池に対する放電量ＤＡを送信する。監視制御部３３は、受信した放電量ＤＡに応じて、均等化回路３４を動作させることにより、各高温側電池に対する放電処理を実施する。

次に、図８を用いて、本実施形態にかかる昇温制御の手順を説明する。図８に示す処理は、メイン制御部５０により、所定周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１１では、監視装置３０から、各単位電池Ｃ１～ＣｎのＳＯＣ１～ＳＯＣｎ及び電池温度Ｔ１～Ｔｎを取得する。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１で取得した電池温度Ｔ１～Ｔｎのうち、最も低い温度である最低温度Ｔｍｉｎが、温度判定値ＴＨｔよりも低いか否かを判定する。本実施形態において、温度判定値ＴＨｔは、目標温度Ｔｔと同じ値に設定されている。温度判定値ＴＨｔは、例えば、電池モジュール２０の出力可能な電力が、車両の走行開始に要求される出力未満となる温度の上限値に応じて設定すればよい。ここで、車両の走行開始に要求される出力とは、車両の発進に要求される回転電機２００の出力とすればよい。また、例えば、内燃機関を主機として備え、回転電機２００を内燃機関の始動のために用いる場合は、内燃機関の始動に要求される回転電機２００の出力とすればよい。

最低温度Ｔｍｉｎが温度判定値ＴＨｔ以上であると判定すると、電池モジュール２０に対して昇温制御を実施する必要がないと判定し、図８の処理を一旦終了する。

ステップＳ１２において、最低温度Ｔｍｉｎが温度判定値ＴＨｔよりも小さいと判定すると、車両の発進に先立ち、電池モジュール２０の昇温制御が必要となるため、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、ステップＳ１１で取得した電池温度Ｔ１～Ｔｎのうち、最低温度Ｔｍｉｎに応じた内部抵抗値Ｒ１を抵抗マップに基づいて算出し、各高温側電池の温度に応じた内部抵抗値Ｒ２を抵抗マップに基づいて算出する。

ステップＳ１４では、低温側電池の昇温必要量ΔＴを、上記式（１）を用いて算出する。ステップＳ１５では、ステップＳ１３で算出した内部抵抗値Ｒ１、ステップＳ１４で算出した昇温必要量ΔＴ及び上記式（２）を用いて、必要通電量ΔＩを算出する。

ステップＳ１６では、ステップＳ１３で算出した内部抵抗値Ｒ１、ステップＳ１４で算出した昇温必要量ΔＴ及び上記式（３）を用いて、低温側電池の損失量Ｌｏ１を予測する。また、各高温側電池について、ステップＳ１３で算出した内部抵抗値Ｒ２、ステップＳ１４で算出した昇温必要量ΔＴ及び上記式（４）を用いて、損失量Ｌｏ２を予測する。このとき、全ての高温側電池に対して、ステップＳ１３で取得した内部抵抗値Ｒ２とステップＳ１５で算出した必要通電量ΔＩとに応じた損失量Ｌｏ２を予測する。

ステップＳ１７では、ステップＳ１１で取得した低温側電池のＳＯＣ、ステップＳ１６で算出した損失量Ｌｏ１及び上記式（５）を用いて、低温側電池の予測充電率ＰＳ１を算出する。また、各高温側電池について、ステップＳ１１で取得した高温側電池のＳＯＣ、ステップＳ１６で算出した損失量Ｌｏ２及び上記式（６）を用いて、高温側電池の予測充電率ＰＳ２を算出する。

ステップＳ１８では、各高温側電池に対する放電量ＤＡを、ステップＳ１７で算出した各予測充電率ＰＳ１，ＰＳ２及び上記式（７）を用いて算出する。

ステップＳ１９では、ステップＳ１８で算出した放電量ＤＡを監視装置３０に送信する。これにより、均等化回路３４は、各高温側電池に対して、放電量ＤＡに応じた放電処理を実施し、各高温側電池のＳＯＣが低温側電池のＳＯＣよりも低い値となる。

ステップＳ２０では、インバータ４０に昇温制御を実施させる。具体的には、放電処理と充電処理とが相互に繰り化されるように、インバータ４０のスイッチＳ￥＃を操作する。

ここで、単位電池Ｃ１～Ｃｎの内部抵抗はＳＯＣに依っても変化し得る。図９は、横軸を充放電周波数Ｆｃｄとし、縦軸を内部抵抗値Ｒとする図である。「充放電周波数Ｆｃｄ」とは、昇温制御において、１秒間の間に充電処理と放電処理とが切り替わる回数を示す。そのため、「充放電周波数Ｆｃｄ」は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎに流れる電流の極性が変化する周期とも言える。また、図９には、充放電周波数Ｆｃｄに加えて、内部抵抗値ＲのＳＯＣ及び電池温度に対する依存性も示している。図９において、電池温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは、「Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃ」の関係にある。図９に示す各温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは、氷点下である。また、図９では、ＳＯＣが１０％，６０％，９０％の場合について示す。

充放電周波数Ｆｃｄが高くなるほど単位電池Ｃ１～Ｃｎの内部抵抗値Ｒが低下している。電池温度ＴｃがＴａ，Ｔｂ，Ｔｃの順に低くなるほど、充放電周波数Ｆｃｄの変化に伴う内部抵抗値Ｒの変化が大きくなっている。充放電周波数Ｆｃｄのうち、境界周波数Ｂよりも低い周波数帯域である第１周波数帯では、電池温度と充放電周波数Ｆｃｄとが同じ値であっても、ＳＯＣの差に起因した内部抵抗値Ｒの差が大きくなっている。これに対して、境界周波数Ｂ以上の第２周波数帯では、電池温度と充放電周波数Ｆｃｄとが同じ値であれば、ＳＯＣの差に起因した内部抵抗値Ｒの差が第１周波数帯よりも相対的に小さくなっている。

本実施形態では、昇温制御前に実施する放電処理により各単位電池Ｃ１～ＣｎのＳＯＣ１～ＳＯＣｎに差を設けているため、昇温制御時において、放電処理により生じたＳＯＣ１～ＳＯＣｎの差に起因して各単位電池Ｃ１～Ｃｎの内部抵抗に差が生じることが懸念される。そこで、昇温制御において、充放電周波数Ｆｃｄを、ＳＯＣの依存性が小さい第２周波数帯に含まれる値に設定する。ここで、「ＳＯＣの依存性が小さい」とは、単位電池においてＳＯＣを５％から９５％の範囲で変化させた場合に、内部抵抗値Ｒの変化が３％以内に収まることをいう。例えば、第２周波数帯は、１Ｈｚ以上の周波数帯である。

ステップＳ２０の処理を終了すると、図８の処理を一旦終了する。

以上説明した本実施形態では以下の効果を奏することができる。

・メイン制御部５０は、インバータ４０による昇温制御前に、低温側電池のＳＯＣが高温側電池のＳＯＣよりも高くなるように、均等化回路３４に高温側電池を放電させる。これにより、昇温制御時の損失量が大きい低温側電池は、高温側電池よりも昇温前のＳＯＣが高くなることにより、昇温制御の終了時に低温側電池と高温側電池との間のＳＯＣの差が小さくなる。その結果、各単位電池Ｃ１～Ｃｎ間でのＳＯＣのばらつきを抑制することができる。

・メイン制御部５０は、昇温制御時において、第１周波数帯よりも高周波数であって、ＳＯＣに起因する各単位電池Ｃ１～Ｃｎの内部抵抗の差が第１周波数帯よりも相対的に小さくなる第２周波数帯に含まれる充放電周波数Ｆｃｄで、充電処理の実施と放電処理の実施とを切り換える。このため、昇温制御時に、ＳＯＣの差に起因して各単位電池の内部抵抗の差が大きくなるのが抑制され、昇温終了時において、各単位電池間でのＳＯＣのばらつきをいっそう抑制することができる。

・メイン制御部５０は、低温側電池を目標温度まで昇温するのに必要な温度差に基づいて、均等化回路３４による放電量ＤＡを設定する。これにより、各単位電池Ｃ１～Ｃｎを過不足なく放電することができる。

・メイン制御部５０は、現在の単位電池の温度に応じた内部抵抗から、低温側電池の損失量Ｌｏ１及び各高温側電池の損失量Ｌｏ２を予測し、予測した各損失量Ｌｏ１，Ｌｏ２から放電処理の放電量ＤＡを設定する。これにより、低温側電池と高温側電池との温度に応じた放電量ＤＡが設定されるため、不要に各単位電池Ｃ１～Ｃｎを充放電することを防止することができる。

＜その他の実施形態＞
・上記実施形態では、昇温制御前において、高温側電池に対する放電処理により、低温側電池のＳＯＣを高温側電池のＳＯＣよりも大きくした。これに代えて、昇温制御前において、低温側電池に対する充電処理により、低温側電池のＳＯＣを高温側電池のＳＯＣよりも大きくしてもよい。この場合、監視装置３０は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎを個別に充電する充電部を備えている。そして、メイン制御部５０は、図８のステップＳ１８において、放電量ＤＡの算出に代えて、低温側電池の予測充電率ＰＳ１と高温側電池の予測充電率ＰＳ２とを用いて、低温側電池の充電量を算出すればよい。

・メイン制御部５０は、電池モジュール２０を構成する各単位電池Ｃ１～Ｃｎのうち、エンドプレート２１，２２に隣接する単位電池を低温側電池に定めてもよい。この場合、メイン制御部５０は、図８のステップＳ１２において、エンドプレート２１，２２に隣接する単位電池の電池温度うち、温度が低い方の値を最低温度Ｔｍｉｎに用いればよい。

・第１実施形態では、電池モジュール２０を構成する各単位電池Ｃ１～Ｃｎは、１対のエンドプレート２１，２２の間で直列に配置される構成としたが、各単位電池Ｃ１～Ｃｎは、１対のエンドプレート２１，２２の間で直列に配置されていなくともよい。この場合においても、メイン制御部５０は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎのうち、最も低い電池温度のものを低温側電池とするため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

・上記式（１）の目標温度Ｔｔと、温度判定値ＴＨｔとを同じ値にしたが、目標温度Ｔｔを温度判定値ＴＨｔよりも高い値としてもよい。

・昇温制御を実施する回路は、各単位電池Ｃ１～Ｃｎに電流を流すことができる回路であればよく、インバータに限らず、双方向型のＤＣＤＣコンバータであってもよい。この場合、ＤＣＤＣコンバータは、コンデンサを備え、電池モジュール２０の端子間電圧を昇圧してコンデンサに出力する昇圧制御と、コンデンサの端子間電圧を降圧して電池モジュール２０に出力する降圧制御とを、所定周期で交互に実施することにより、電池モジュール２０とコンデンサ１２との間で電気エネルギを相互に移動させる。

・本開示に記載の制御装置及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

Ｃ１～Ｃｎ…単位電池、１２…コンデンサ、２０…電池モジュール、３４…均等化回路、４０…インバータ、５０…メイン制御部。

Claims (5)

1. 複数の単位電池（Ｃ１～Ｃｎ）を直列接続して構成された電池モジュール（２０）に接続されており、前記各単位電池に電流を流すことにより前記電池モジュールを昇温する昇温部（４０）を備え、
   前記電池モジュールの温度が所定温度よりも低くなった場合に、前記昇温部により前記電池モジュールを昇温させる電池モジュールの昇温装置であって、
   前記昇温部による前記各単位電池の昇温前に、前記単位電池を充放電する充放電部（３４）と、
   前記各単位電池のうち、最も温度が低い電池を低温側電池とし、前記低温側電池以外の電池を高温側電池とすると、前記昇温部による昇温前において、前記低温側電池のＳＯＣが前記高温側電池のＳＯＣよりも高くなるように、前記充放電部の充放電量を設定する設定部（４０）と、
   を備える電池モジュールの昇温装置。
2. 前記電池モジュールに並列接続された蓄電部（１２）を備え、
   前記昇温部は、
   昇温時において、前記電池モジュールの電気エネルギを前記蓄電部に移動させる放電処理の実施と、前記蓄電部の電気エネルギを前記電池モジュールに移動させる充電処理の実施とを所定周期で相互に切り換えることにより、前記各単位電池に電流を流し、
   前記単位電池においてＳＯＣを５％から９５％の範囲で変化させた場合において前記単位電池の内部抵抗値の変化が３％以内に収まる周波数帯を第２周波数帯とし、
   前記単位電池においてＳＯＣを５％から９５％の範囲で変化させた場合において前記単位電池の内部抵抗値の変化が３％を超える周波数帯であって、前記第２周波数帯よりも低周波側の周波数帯を第１周波数帯とし、
   前記第２周波数帯に含まれる周波数で、前記充電処理と前記放電処理とを相互に切り換える請求項１に記載の電池モジュールの昇温装置。
3. 前記昇温部は、前記低温側電池を現在の温度から目標温度まで昇温するべく、前記各単位電池に電流を流し、
   前記設定部は、前記低温側電池における現在の温度と前記目標温度との温度差に基づいて、前記充放電部の前記充放電量を設定する請求項１又は２に記載の電池モジュールの昇温装置。
4. 前記単位電池の温度を検出する温度検出部（ＳＴ１～ＳＴｎ）と、
   検出された前記単位電池の温度に基づいて、前記低温側電池及び前記高温側電池の各内部抵抗値を算出する抵抗値算出部と、を備え、
   前記設定部は、
   前記低温側電池における現在の温度と前記目標温度との温度差と、算出された前記低温側電池の内部抵抗値とに基づいて、前記昇温部により前記低温側電池を昇温する場合における前記低温側電池の損失量を予測し、
   前記各高温側電池について、前記低温側電池における現在の温度と前記目標温度との温度差と、算出された前記高温側電池の内部抵抗値とに基づいて、前記昇温部により前記高温側電池を昇温する場合における前記高温側電池の損失量を予測し、
   予測した前記低温側電池及び前記高温側電池の各損失量に基づいて、前記充放電部の前記充放電量を設定する請求項３に記載の電池モジュールの昇温装置。
5. 前記充放電部は、前記各単位電池を放電させる放電処理を実施し、
   前記設定部は、前記昇温部による昇温前における前記低温側電池のＳＯＣが前記高温側電池のＳＯＣよりも高くなるように、前記充放電部の放電量を設定する請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュールの昇温装置。

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