JP7407848B2 - 昇温装置 - Google Patents

昇温装置 Download PDF

Info

Publication number
JP7407848B2
JP7407848B2 JP2022025658A JP2022025658A JP7407848B2 JP 7407848 B2 JP7407848 B2 JP 7407848B2 JP 2022025658 A JP2022025658 A JP 2022025658A JP 2022025658 A JP2022025658 A JP 2022025658A JP 7407848 B2 JP7407848 B2 JP 7407848B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
current
battery
circuit
capacitor
parallel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022025658A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2023122157A (ja
Inventor
泰道 大貫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2022025658A priority Critical patent/JP7407848B2/ja
Priority to US18/110,912 priority patent/US20230282900A1/en
Priority to CN202310180235.2A priority patent/CN116646648A/zh
Publication of JP2023122157A publication Critical patent/JP2023122157A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7407848B2 publication Critical patent/JP7407848B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/615—Heating or keeping warm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • B60L50/61—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries by batteries charged by engine-driven generators, e.g. series hybrid electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/24—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries for controlling the temperature of batteries
    • B60L58/27—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries for controlling the temperature of batteries by heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4264—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing with capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems
    • H01M10/637—Control systems characterised by the use of reversible temperature-sensitive devices, e.g. NTC, PTC or bimetal devices; characterised by control of the internal current flowing through the cells, e.g. by switching
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00309—Overheat or overtemperature protection
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0004—Devices wherein the heating current flows through the material to be heated
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/545—Temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547—Voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/549—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Description

本発明は、昇温装置に関する。
自動車の排ガス低減やＣＯ２削減の観点から、電気自動車への関心が高まっており、車載用途としてもリチウムイオン二次電池の使用が検討されている。リチウムイオン二次電池などの二次電池は特定の温度領域で性能が高くなるため、これを昇温する装置が取り付けられる場合がある。例えば、コイル、コンデンサ、及び交流発生回路を二次電池に直列に接続し、交流電流を二次電池に流すことで昇温させる技術がある（例えば、特許文献１参照）。
また、インバータの入力部分やコンバータの入出力部分にはコンデンサが設けられるのが一般的である。二次電池の昇温のため意図的に共振電流を発生させる場合には、コンデンサの近傍に二次電池を配置することが望ましい。
ところで、共振電流は意図せず偶発的に発生する場合がある。例えば、共振電流の周波数がインバータ等のＰＣＵの動作周波数に近いと、通常動作において共振が発生してしまう。このようなコンデンサとインダクタンス成分による共振電流を抑制するために、リアクトルを設けるものがある（例えば、特許文献２参照）。
特許第４０８１８５５号公報 特開２００４－１６６３５８号公報
特許文献２のようにリアクトルを追加してインダクタンスを大きくしたり、入力コンデンサの容量を大きくしたりすることによって共振周波数と動作周波数に差を設ける対策では、共振周波数が低くなり、入力電流に対して二次電池に流れる電流の倍率が低くなることから、エネルギー効率改善の余地がある。従って、従来の技術では、意図しない共振電流が発生したり、昇温効率が十分でない場合があった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、意図しない共振電流の発生を抑制しつつ、より効率的に二次電池を昇温させることができる昇温装置を提供することを目的の一つとする。
この発明に係る昇温装置は、以下の構成を採用した。
（１）：この発明の一態様に係る昇温装置は、昇温対象の電池に並列に接続されるコンデンサを含む並列回路と、前記並列回路に接続される交流発生回路と、を備え、前記コンデンサの静電容量をＣｐとし、前記電池のインダクタンス成分をＬｓとし、前記電池の抵抗成分をＲｓとするとき、前記Ｃｐは、式（１）を満たし、前記交流発生回路の角周波数ωが式（２）を満たす、昇温装置である。
Figure 0007407848000001
（２）：本発明の他の態様に係る昇温装置は、昇温対象の電池に並列に接続されるコンデンサを含む並列回路と、前記並列回路に接続される交流発生回路と、を備え、前記コンデンサの静電容量をＣｐとし、前記電池のインダクタンス成分をＬｓとし、前記電池の抵抗成分をＲｓとするとき、前記Ｃｐは、式（１）を満たし、前記交流発生回路の角周波数ωが式（４７）を満たす、
Figure 0007407848000002
 昇温装置。
（３）：上記（１）または（２）の態様において、前記交流発生回路は、リップル電流を生成する生成回路を含み、前記生成回路により生成されたリップル電流が前記並列回路に流れるものである。
（４）：上記（３）の態様において、前記生成回路は、第１の整流素子と、前記第１の整流素子に並列に接続される第１のスイッチング素子と、前記第１の整流素子に直列に接続される第２の整流素子と、前記第２の整流素子に並列に接続される第２のスイッチング素子と、を備えるものである。
（５）：上記（４）の態様において、前記リップル電流の振幅を調整する振幅調整回路を更に備えるものである。
（６）：上記（５）の態様において、前記振幅調整回路は、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間のデューティー比を変化させることにより、前記リップル電流の振幅を調整するものである。
（７）：上記（２）の態様において、前記交流発生回路は、リップル電流を生成する生成回路を含み、前記生成回路により生成されたリップル電流が前記並列回路に流れ、前記リップル電流の振幅を調整する振幅調整回路を更に備え、リップル電流の周波数を変化させることにより、前記リップル電流の振幅を調整するものである。
（８）：上記（１）から（７）のいずれかの態様において、前記電池は、第１の電池と、前記第１の電池に直列に接続される第２の電池と、を備え、前記コンデンサは、前記第１の電池に並列に接続される第１のコンデンサと、前記第２の電池に並列に接続される第２のコンデンサと、を備え、前記交流発生回路は、前記第１の電池と前記第１のコンデンサとを含む第１の並列回路に接続され、第１のリップル電流を生成する第１の生成回路と、前記第２の電池と前記第２のコンデンサとを含む第２の並列回路に接続され、第２のリップル電流を生成する第２の生成回路と、を備え、前記第１のリップル電流と前記第２のリップル電流との間に位相差を与える位相調整回路を更に備えるものである。
（９）：上記（１）から（８）のいずれかの態様において、前記電池と前記コンデンサとの間に接続される第１の電流制限素子と、前記コンデンサと前記交流発生回路との間に接続され、且つ前記第１の電流制限素子とは定格容量が異なる第２の電流制限素子と、を更に備えるものである。
（１０）：上記（１）から（９）のいずれかの態様において、前記電池と前記コンデンサとの間に接続される電流遮断素子を更に備えるものである。
（１１）：上記（１）から（１０）のいずれかの態様において、前記交流発生回路により前記並列回路に入力される電流に対する、前記インダクタンス成分の電流の比が１を超えるものである。
上記（１）～（１１）の態様によれば、意図しない共振電流の発生を抑制しつつ、より効率的に二次電池を昇温させることができる。
昇温装置を含む蓄電システム１を搭載した電動車両の構成の一例を示す図である。 昇温装置６０の概略構成の一例を示す図である。 制御装置１００の制御部１０６が実行する処理の流れの一例を示すフローチャートである。 比較例に係る昇温装置６０ｘの構成を示す図である。 第１実施形態に係る昇温装置６０の等価回路構成を示す図である。 アドミタンス平面を示す図である。 コンデンサの静電容量を段階的に小さくしたときにコイルＬＳに流れる電流の大きさを示す図である。 コンデンサＣｐの静電容量の各値（ｎ＝１，２，５，１０）について、各部の電流波形を示す図である。 ＬＣ直列回路とＬＣ並列回路とのインピーダンスの比較を示す図である。 ＬＣ直列回路とＬＣ並列回路とのの電流特性の比較を示す図である。 第１実施形態の構成の一例を示す図である。 第１実施形態の交流等価回路の一例を示す図である。 交流電源が振幅１［Ｖ］の正弦波電圧を出力した場合における、周波数による各部の電流振幅の推移を示す図である。 交流電源Ｖ１より２００［ｋＨｚ］で振幅１［Ｖ］の交流電圧を印加した場合における、各部の電流波形を示す図である。 電池が充放電されずＳＯＣが変化しない状態について説明するための図である。 第１実施形態の効果を説明するための図である。 第２実施形態の構成の一例を示す図である。 第２実施形態のより具体例な構成例を示す図である。 単一セルのインピーダンスについて周波数特性の例を示す図である。 第２実施形態の交流等価回路の一部を示す図である。 図２０の交流等価回路の一部におけるインピーダンス特性の例を示す図である。 第２実施形態の交流等価回路の例を示す図である。 スイッチングのタイミングと、電圧変化と、電流変化とを示す図である。 例えば１［ｋＨｚ］のＬＰＦ（ローパスフィルタ）を通過させた後の、放電電力と各部の発熱仕事を示す図である。 デューティー比に基づく振幅調整を説明するための図である。 リップル電流振幅と、電池交流振幅と、電池交流電流のＴＨＤとを示す特性図である。 リップル電流の生成回路６５の種々の変形例を示す図である。 リップル電流の生成回路６５の種々の変形例を示す図である。 リップル電流の生成回路６５の種々の変形例を示す図である。 リップル電流の生成回路６５の種々の変形例を示す図である。 リップル電流の生成回路６５の種々の変形例を示す図である。 第２実施形態の第１の変形例を示す図である。 第２実施形態の第２の変形例を示す図である。 第２実施形態の第３の変形例を示す図である。 リップル電流の周波数に基づく振幅調整を説明するための図（その１）である。 リップル電流の周波数に基づく振幅調整を説明するための図（その２）である。 リップル電流の周波数に基づく振幅調整を説明するための図（その３）である。 リップル電流の周波数に基づく振幅調整を説明するための図（その４）である。 デューティー比を５０％に保ったまま、リップル電流の周波数を変化させた場合の電池交流電流の振幅と、電池交流電流のＴＨＤを示した図である。 電池交流電流の振幅を、デューティー比で調整した場合と、リップル周波数で調整した場合のそれぞれにおける、電池交流電流のＴＨＤを比較した図である。 デューティー比を調整して二次電池に流れる交流電流の振幅を調節した場合の、発熱効率と二次電池の発熱の特性例を示す図である。 第３実施形態の構成の一例を示す図である。 第３実施形態の構成の別の例を示す図である。 リップル周波数を調整して二次電池に流れる交流電流の振幅を調節した場合の、電池全体の電圧変動と二次電池の発熱の特性例を示す図である。 図４２における各部を流れる電流と電圧を定義した図である。 電流と電圧の波形を示す図（その１）である。 電流と電圧の波形を示す図（その２）である。 電流と電圧の波形を示す図（その３）である。 電流と電圧の波形を示す図（その４）である。 電流と電圧の波形を示す図（その５）である。 デューティー比を縦軸、リップル周波数を横軸とした、二次電池の発熱（Ｗ）のコンター図である。 デューティー比を縦軸、リップル周波数を横軸とした、発熱効率（％）のコンター図である。 デューティー比を縦軸、リップル周波数を横軸とした、電池残体の電圧変動（Ｖ）のコンター図である。
以下、図面を参照し、本発明の昇温装置の実施形態について説明する。以下の説明では、昇温装置は、車両に搭載された二次電池を昇温するものとして説明するが、これに代えて（或いは加えて）、一次電池、キャパシタ、燃料電池や、それらが搭載される他の装置や機器に適用されてもよい。
＜第１実施形態＞
図１は、昇温装置を含む蓄電システム１を搭載した電動車両の構成の一例を示す図である。蓄電システム１が搭載される電動車両は、例えば、二輪や三輪、四輪等の車両であり、その駆動源は、電動機、或いは電動機とディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関との組み合わせである。電動機は、二次電池の放電電力を使用して動作する。以下の説明では、一例として、電動車両は、エンジンまたは電動機を駆動源とするハイブリッド車両であるものとして説明する。
図１に示すように、蓄電システム１には、例えば、エンジン１０や、モータ２０、ＰＣＵ（Power Control Unit）３０、二次電池４０、駆動輪５０、昇温装置６０、電流センサ８０、電圧センサ８２、制御装置１００等が搭載される。
エンジン１０は、ガソリンなどの燃料を燃焼させることで動力を出力する内燃機関である。エンジン１０は、例えば、シリンダとピストン、吸気バルブ、排気バルブ、燃料噴射装置、点火プラグ、コンロッド、クランクシャフトなどを備えるレシプロエンジンである。また、エンジン１０は、ロータリーエンジンであってもよい。
モータ２０は、例えば、三相交流発電機である。モータ２０は、例えば、走行用の電動機である。モータ２０は、供給される電力を用いて動力を駆動輪５０に出力する。また、モータ２０は、車両の減速時に車両の運動エネルギーを用いて発電する。モータ２０は、車両の駆動と回生を行う。回生とは、モータ２０による発電動作である。なお、モータ２０は、発電用の電動機を含んでいてもよい。発電用の電動機は、例えばエンジン１０により出力される動力を用いて発電する。
ＰＣＵ３０は、例えば、変換器３２と、ＶＣＵ（Voltage Control Unit）３４とを備える。なお、これらの構成要素をＰＣＵ３０として一まとまりの構成としたのは、あくまで一例であり、これらの構成要素は分散的に配置されても構わない。
変換器３２は、例えば、ＡＣ－ＤＣ変換器である。変換器３２の直流側端子は、直流リンクＤＬを介してＶＣＵ３４に接続されている。変換器３２は、モータ２０により発電された交流を直流に変換して直流リンクＤＬに出力したり、直流リンクＤＬを介して供給される直流を交流に変換してモータ２０に供給したりする。
ＶＣＵ３４は、例えば、ＤＣ―ＤＣコンバータである。ＶＣＵ３４は、二次電池４０から供給される電力を昇圧して変換器３２に出力する。
二次電池４０は、例えばリチウムイオン電池などの繰り返し充電または放電が可能な電池である。二次電池４０は、電力線７０でＰＣＵ３０と連接されている。二次電池４０は、例えば、複数の電池ブロックを含み、これらの電池ブロックは互いに電気的に直列に接続されている。電池ブロックの各プラス端子および各マイナス端子は、ＰＣＵ３０に接続されている。なお、二次電池４０には、不図示のＤＣ－ＡＣ変換器や、ＤＣ－ＤＣ変換器などが含まれていてもよい。
二次電池４０（または二次電池４０が収納された筐体）には、二次電池４０の温度を検出する温度センサ４２や、二次電池４０が出力する電流を検出する電流センサが設けられている。
昇温装置６０は、リチウムイオン電池の温度を昇温させる。昇温装置６０の詳細については後述する。
電流センサ８０は、電力線７０に取り付けられている。電流センサ８０は、電力線７０における所定の測定箇所の電流を検出する。電圧センサ８２は、二次電池４０の端子間の電圧を検出する。例えば、電圧センサ８２は、複数の電圧センサを含み、これらの電圧センサは、それぞれ異なる電池ブロックの端子間の電圧を検出してもよい。
制御装置１００は、例えば、情報管理部１０２と、情報処理部１０４と、制御部１０６とを備える。情報管理部１０２、情報処理部１０４、および制御部１０６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサが記憶装置（不図示）に記憶されたプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアまたはハードウェアプロセッサの協働によって実現されてもよい。記憶装置は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の不揮発性の記憶装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、レジスタ等の揮発性の記憶装置とによって実現される。
情報管理部１０２は、電流センサ８０の検出結果や、電圧センサ８２の検出結果、二次電池４０の状態、温度センサ４２の検出結果等を取得する。情報管理部１０２は、取得した情報や自装置の処理結果を管理する。例えば、情報管理部１０２は、上記の情報を記憶装置に記憶させる。
情報処理部１０４は、情報管理部１０２により取得された情報に基づいて、ＳＯＣ(State Of Charge)を推定したり、二次電池４０のその他の状態を推定したりする。その他の状態とは、二次電池４０の異常や稼働状態等である。
制御部１０６は、制御装置１００の指示に基づいて、二次電池４０の不図示の充電回路を制御して、二次電池４０に充電を行わせたり、二次電池４０の不図示の放電回路や二次電池４０に接続された負荷を制御して、二次電池４０に放電を行わせたりする。制御部１０６は、二次電池４０の温度または二次電池４０のＳＯＣに基づいて、昇温装置６０を制御する。
図２は、昇温装置６０の概略構成の一例を示す図である。昇温装置６０は、例えば、二次電池４０の両端に接続され、交流電源６２とコンデンサ６４とが並列に接続された並列回路Ｃを備える。交流電源６２は、制御装置１００の制御に基づいて、交流電圧および交流電流を設定して、設定した交流電圧および交流電流をコンデンサ６４および二次電池４０に通流させる。
図３は、制御装置１００の制御部１０６が実行する処理の流れの一例を示すフローチャートである。まず、制御部１０６は、温度センサ４２から二次電池４０の温度を取得し、取得した温度Ｔ１が閾値Ｔｈ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。取得した温度Ｔ１が閾値Ｔｈ１以下である場合、制御部１０６は、情報処理部１０４により推定された二次電池４０のＳＯＣを取得し、取得したＳＯＣが閾値Ｔｈ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。
取得したＳＯＣが閾値Ｔｈ２以上である場合、制御部１０６は、昇温装置６０を稼働させる（ステップＳ１０４）。稼働させるとは、コンデンサ６４および二次電池４０に電力が供給されることである。昇温装置６０の稼働手法については後述する。
取得した温度Ｔ１が閾値Ｔｈ１以下でない場合または取得したＳＯＣが閾値Ｔｈ２以上でない場合、制御部１０６は、昇温装置６０を稼働させない（ステップＳ１０６）。昇温装置６０が稼働している場合は、稼働が停止される。
上記のように、制御部１０６は、二次電池４０の温度およびＳＯＣに基づいて、昇温装置６０を制御する。
（比較例）
図４は、比較例に係る昇温装置６０ｘおよび二次電池４０の構成を示す図である。昇温装置６０ｘでは、コンデンサＣｓが抵抗Ｒｓ及びコイルＬｓに直列に接続されており、コンデンサＣｓとコイルＬｓとがＬＣ直列回路を構成している。図４のようなＬＣ直列回路の場合、入力電流Ｉｉｎと、電流ＩＣと、電流ＩＬとは同じである。このため、昇温装置６０ｘでは、電流ＩＬと同量の電流を交流発生回路Ｖｉｎによって流す必要がある。従って、電流ＩＬを大きくして発熱量を増やそうとすると、交流発生回路Ｖｉｎの負担が大きくなる。
（第１実施形態の構成）
第１実施形態では、コンデンサを付加して、高周波数帯域で二次電池４０が有するインダクタンスと共振するような構成にし、小さい交流電圧で大きな交流電流を得る。このような第１実施形態では、抵抗成分が大きくなる周波数で回路を共振させて通電を行うことで、少ない電流で大きな発熱量を得ることができる。
図５は、第１実施形態に係る昇温装置６０および二次電池４０の等価回路構成を示す図である。昇温装置６０では、例えば、コンデンサＣｐが抵抗Ｒｓ及びコイルＬｓに並列に接続されており、コンデンサＣｐとコイルＬｓとがＬＣ並列回路を構成している。抵抗Ｒｓ及びコイルＬｓは、昇温対象の二次電池の特性を表す仮想的なものである。図５のようなＬＣ並列回路の場合、小さな入力電流Ｉｉｎで大きな電流ＩＬを得ることが可能であるが、そのためには、式（１）を満たすことが必要である。
Figure 0007407848000003
入力電流Ｉｉｎ（＝ＩＬ＋ＩＣ）よりも電流ＩＬの振幅が大きくなる条件は、二次電池の直列抵抗成分であるＲｓと直列インダクタンス成分であるＬｓから式（１）に従って導出される所定の値よりも、並列接続されるコンデンサの静電容量Ｃｐが小さいことである。入力電流Ｉｉｎに対する電流ＩＬの比（すなわち倍率）は、式（２）に示す角周波数ωにおいて最大となる。
Figure 0007407848000004
電流Ｉｉｎに対する電流ＩＬの倍率は、式（３）のように表される。
Figure 0007407848000005
以下、関係式について詳細に説明する。図６は、アドミタンス平面を示す図である。アドミタンスの実数部がコンダクタンスＧであり、虚数部が容量性のサセプタンスＢと誘導性のサセプタンスＢである。ＲｓとＬｓの直列回路によるアドミタンスをＹＬＲとし、ＣｐによるアドミタンスをＹＣとすると、これらは式（４）及び式（５）のように表される。
Figure 0007407848000006
リップル電源から見たときの合成アドミタンスは、ＹＬＲとＹＣとの和であるから、式（６）のように表される。
Figure 0007407848000007
なお、式（４）から式（６）の導出過程を式（７）から式（１１）に示す。ここで、ＺＬＲはＲｓとＬｓの直列回路のインピーダンス、ＺＣはＣｐのインピーダンスである。
Figure 0007407848000008
アドミタンスＹＬＲの絶対値の二乗を式（１２）に示す。
Figure 0007407848000009
合成アドミタンスＹＬＲ＋ＹＣの絶対値の二乗を式（１３）に示す。
Figure 0007407848000010
アドミタンスＹＬＲの絶対値の二乗と合成アドミタンスＹＬＲ＋ＹＣの絶対値の二乗との比について、式（１４）及び式（１５）を示す。
Figure 0007407848000011
ここで、２ω２ＣｐＬｓ２＋ＣｐＲｓ２－２Ｌｓ＝０を満たすωをω０とすると、ω０ ２は式（１６）のように表される。
Figure 0007407848000012
式（１７）の関係から、ＣｐＲｓ２＞２Ｌｓの場合には、式（１８）が成り立つ。
Figure 0007407848000013
ＣｐＲｓ２＝２Ｌｓの場合には、ω＝０のとき、式（１９）が成り立つ。
Figure 0007407848000014
ＣｐＲｓ２＜２Ｌｓの場合には、式（２０）となるωが存在する。
Figure 0007407848000015
 ω０ ２は式（２１）のように表される。
Figure 0007407848000016
 ω＝ω０のとき、式（２２）は極値となる。
Figure 0007407848000017
 式（２３）が成り立つためには、ＣｐＲｓ２＜２Ｌｓが成り立つことが必要である。
Figure 0007407848000018
 従って、式（２４）となるようにコンデンサを選定すればよい。
Figure 0007407848000019
次に、角周波数ω２は式（２５）のように表される。
Figure 0007407848000020
 ω＝ω０においては、式（２６）のようになる。
Figure 0007407848000021
従って、ω＝ω０において、式（２７）のようになる。
Figure 0007407848000022
ここで、式（２８）を定義する。
Figure 0007407848000023
 コンデンサＣｐは式（２９）のように表される。
Figure 0007407848000024
 従って、式（３０）を示すことができる。
Figure 0007407848000025
同様に、ω０についても、式（３１）のように示すことができる。
Figure 0007407848000026
以下、ｎ倍の電流振幅が得られる原理について説明する。図７は、コンデンサの静電容量を段階的に小さくしたときにコイルＬＳに流れる電流の大きさを示す図である。縦軸は電流［Ａ］、横軸は周波数［Ｈｚ］である。抵抗成分ＲＳを０．１［Ω］とし、インダクタンス成分（コイル）ＬＳを７９６［ｎＨ］とし、入力電流Ｉｉｎを１［Ａ］とした場合に、コンデンサＣＰに関する値（ｎ＝１，２，５，１０）のそれぞれについて、周波数が数１０［ｋＨｚ］から１［ＭＨｚ］の範囲でコイルＬＳに流れる電流の大きさを図７において曲線Ｉ（Ｌ１）、Ｉ（Ｌ２）、Ｉ（Ｌ３）、及びＩ（Ｌ４）によって示す。
ここで、角周波数ω００＝Ｒｓ／Ｌｓと定義すると、その値は１２５．６６ｋ［ｒａｄ／ｓ］であり、周波数ｆ００はω００／２π＝２０［ｋＨｚ］である。式（３３）により、周波数ｆ００に対し、概ねｎ倍の電流振幅を得られることが分かる。
Figure 0007407848000027
具体的には、ｎ＝１，２，５，１０のそれぞれについて、入力電流Ｉｉｎに対するコイルＬＳの倍率が式（３４）から式（３７）のように得られる。
Figure 0007407848000028
なお、ｎ＝１のときの角周波数ωは式（３８）の通りであり、ｎ＝２のときの角周波数ωは式（３９）の通りである。
Figure 0007407848000029
図８は、コンデンサＣｐの静電容量の各値（ｎ＝１，２，５，１０）について、各部の電流波形を示す図である。縦軸は電流［Ａ］を示し、横軸は時間［ｍｓ］を示す。図８の最下図から上図に向かって、Ｃｐ＝Ｃｐ００＝７９．６［μＦ］のとき、電流ＩＬ＝Ｉｉｎ×１．１５［Ａ］であり、周波数ｆ＝１４．１［ｋＨｚ］である。Ｃｐ＝Ｃｐ００／２２＝１９．９［μＦ］のとき、電流ＩＬ＝Ｉｉｎ×２．０７［Ａ］であり、周波数ｆ＝３７．４［ｋＨｚ］である。Ｃｐ＝Ｃｐ００／５２＝３．１８［μＦ］のとき、電流ＩＬ＝Ｉｉｎ×５．０３［Ａ］であり、周波数ｆ＝９９．０［ｋＨｚ］である。Ｃｐ＝Ｃｐ００／１０２＝７９６［ｎＦ］のとき、電流ＩＬ＝Ｉｉｎ×１０．０１［Ａ］であり、周波数ｆ＝１４．１［ｋＨｚ］である。
ここで、高い周波数で共振させることについて説明する。ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）やＥＶ（Electric Vehicle）などに適用する場合、二次電池の特性は、単一セルあたりの抵抗成分は数［ｍΩ］、インダクタンス成分は数１０［ｎＨ］程度である。電池パック全体では、概ね、抵抗成分は１００［ｍΩ］から５００［ｍΩ］程度、インダクタンス成分は１［ｕＨ］から１０［ｕＨ］程度である。ＰＣＵの入力コンデンサは、二次電池と並列に接続され、概ね１００［ｕＦ］以上である。このような適用例において、高い周波数で共振させたいという要望がある。
即ち、Ｒｓ＝１００［ｍΩ］、Ｌｓ＝１０［ｕＨ］、Ｃｐ＝１００［ｕＦ］とした条件での共振周波数は、式（４０）に示すように１１．３［ｋＨｚ］であり、その時の電流の倍率は、式（４１）のように１．１５倍となって、入力電流に対して二次電池に通流させる電流を増加させる効果が小さい。
Figure 0007407848000030
また、ＰＣＵの動作周波数は可聴域を避けて１５［ｋＨｚ］程度以上であることが多く、上記の共振周波数では動作周波数以下となり、通常動作において意図しない共振が発生してしまう。係る共振電流を抑制するためには、ＰＣＵの入力コンデンサの容量を大きくしたり、リアクトルを追加してインダクタンスを大きくしたりすることが考えられるが、この場合には共振周波数が低下するので好ましくない。すなわち、二次電池に印加する交流電流の周波数が低い場合には、電池内部での充放電反応が大きくなるため、二次電池の過充電・過放電を防止する観点から電流振幅を抑制しなければならず、二次電池を発熱させる効果が小さくなる。
そこで、二次電池を流れる交流電流の周波数が低周波数から上昇するに従って二次電池のインピーダンスの抵抗成分が低下し、抵抗成分が最小となる周波数から高周波数側に離れるほど抵抗成分が増加する特性を有した二次電池を用い、抵抗成分が最小となる周波数よりも高い高周波帯域の周波数の交流電流を二次電池に通流させてもよい。
また、直列に接続された電池群を複数のブロックに分けて、ブロックごとに接続した高周波電流生成回路により、それぞれのブロックの二次電池に高周波電流を通流させ、ブロックごとの高周波電流の位相を違えることによって、電池群全体の電圧変動を小さくすることも好ましい。これについては第３実施形態において説明する。
そうすると、上述のような実際のＨＥＶやＥＶの二次電池に、数［ｕＦ］程度の小容量のコンデンサを組み合わせることで、１００［ｋＨｚ］以上の高い周波数域で共振させることが容易になる。
ここで、ＬＣ直列共振とＬＣ並列共振の比較について説明する。図９は、ＬＣ直列回路とＬＣ並列回路とのインピーダンスの比較を示す図である。図９の左図に示すように、ＬＣ直列回路の場合、共振周波数においてインピーダンスＺ＝０である。これに対し、図９の右図に示すように、ＬＣ並列回路の場合、共振周波数においてインピーダンスＺ＝∞（無限大）である。
図１０は、ＬＣ直列回路とＬＣ並列回路との電流特性の比較を示す図である。図１０の左図に示すように、ＬＣ直列回路の場合、共振周波数においてインピーダンスＺ＝０である。直列回路であることから、入力電流とコイルを流れる電流とは同じになる（Ｉ（Ｖ２））。これに対し、図１０の右図に示すように、ＬＣ並列回路の場合、共振周波数においてインピーダンスＺ＝∞（無限大）である。共振周波数においては、入力電流Ｉ（Ｖ１）はほとんど流れないが、コイルとコンデンサとの間では電流Ｉ（Ｃ１）とＩ（Ｌ１）とが循環する。
図１１は、第１実施形態の構成の一例を示す図である。二次電池４０とコンデンサ６４とを並列接続し、この並列回路に交流電源（「交流発生回路」とも称する）６２からリップルを印加すれば、小振幅のリップル電流によって、二次電池４０とコンデンサ６４との間に大振幅の交流電流が生ずる。この大振幅の交流電流により二次電池４０を昇温させることができる。
図１２は、第１実施形態の交流等価回路の一例を示す図である。回路定数について、例えば、二次電池の直列インダクタンスＬｓ１は２００［ｎＨ］、二次電池の直列抵抗Ｒｓ１は１００［ｍΩ］、並列接続コンデンサＣ１は３［ｕＦ］、コンデンサの等価直列抵抗Ｒｃ１は１［ｍΩ］、交流電源の出力抵抗Ｒｖ１は１００［ｍΩ］であるものとする。
図１３は、交流電源が振幅１［Ｖ］の正弦波電圧を出力した場合における、周波数による各部の電流振幅の推移を示す図である。図１３に示すように、交流電源Ｖ１を流れる電流がＩ（Ｒｖ１）、コンデンサＣ１を流れる電流がＩ（Ｒｃ１）、コイルＬｓ１を流れる電流がＩ（Ｒｓ１）である。この場合の共振周波数を式（４２）に示す。
Figure 0007407848000031
図１４は、交流電源Ｖ１より２００［ｋＨｚ］で振幅１［Ｖ］の交流電圧を印加した場合における、各部の電流波形を示す図である。なお、電流の正負については、図１２の交流等価回路において、下向きを正としている。図１４によれば、共振周波数付近において、交流電源Ｖ１が出力する交流電流Ｉ（Ｒｖ１）よりも大きな交流電流Ｉ（Ｒｓ１）が二次電池に流れることが分かる。
図１５は、二次電池が充放電されずＳＯＣが変化しない状態について説明するための図である。二次電池が充放電されずＳＯＣが変化しない状態においては、エネルギー保存則により、各構成要素の抵抗成分で生じる発熱仕事の総和Ｗ１と、交流電源の出力する電力Ｗ２とが平均すると略等しい値となる。
図１６は、第１実施形態の効果を説明するための図である。第１実施形態によれば、昇温対象の二次電池４０に並列に接続されるコンデンサ６４を含む並列回路と、当該並列回路に接続される交流電源６２と、を備え、コンデンサ６４の静電容量をＣｐとし、二次電池４０のインダクタンス成分をＬｓとし、二次電池４０の抵抗成分をＲｓとするとき、Ｃｐが式（１）を満たし、交流発生回路の角周波数ωが式（２）を満たす。これにより、入力電流Ｉｉｎよりも交流電流（ＩＬ＋ＩＣ）が大きくなる。換言すれば、小さなＩｉｎで大きなＩＬを得ることができる。このように、二次電池４０に流れる交流電流ＩＬによって、二次電池４０を加温することができる。また、高い周波数で共振させることができるため、意図しない共振電流の発生を抑制でき、より効率的に二次電池４０を昇温させることができる。
＜第２実施形態＞
図１７は、第２実施形態の構成の一例を示す図である。第２実施形態に係る昇温装置６１は、所定のインピーダンス特性を有する二次電池４１に接続される。昇温装置６１は、例えば、二次電池４１に並列に接続されるコンデンサ６４と、コンデンサ６４に並列に接続され、リップル電流を生成する生成回路６５とを備える。このリップル電流を生成する生成回路６５は、特許請求の範囲における「交流発生回路」の一例である。二次電池４１とコンデンサ６４とで構成される並列回路と、生成回路６５との間にリップル電流が流れる。このリップル電流に起因して、並列回路内で二次電池４１とコンデンサ６４を往復する交流電流が発生する。この交流電流が二次電池４１に流れることによって、当該二次電池４１は加温される。
図１８は、第２実施形態のより具体例な構成例を示す図である。リップル電流を生成する生成回路６５は、例えば、第１の整流素子Ｄ１と、第１の整流素子Ｄ１に並列に接続される第１のスイッチング素子Ｓ１と、第１の整流素子Ｄ１に直列に接続される第２の整流素子Ｄ２と、第２の整流素子Ｄ２に並列に接続される第２のスイッチング素子Ｓ２と、を備える。
図１９は、単一セルのインピーダンスについて周波数特性の例を示す図である。図１９において、特性曲線Ｃｖ１は抵抗成分、特性曲線Ｃｖ２は抵抗成分の拡大、特性曲線Ｃｖ３はリアクタンス成分、特性曲線Ｃｖ４はリアクタンス成分の拡大を示している。
図２０は、第２実施形態の交流等価回路の一部を示す図である。回路定数について、例えば、二次電池のセル数は１２、並列接続コンデンサＣｐ１は３．６［ｕＦ］、コンデンサの等価直列抵抗Ｒｃｐ１は１［ｍΩ］であるものとする。図２１は、図２０の交流等価回路の一部におけるインピーダンス特性の例を示す図である。２００［ｋＨｚ］付近に共振点があり、インピーダンスが最大となる。
図２２は、第２実施形態の交流等価回路の例を示す図である。回路定数について、例えば、二次電池のセル数は１２、電池電圧は３．７×１２＝４４．４［Ｖ］、並列接続コンデンサＣｐ１は、３．６［ｕＦ］、コンデンサの等価直列抵抗Ｒｃｐ１は１［ｍΩ］、抵抗Ｒ１は０．１［Ω］、コイルＬ２は３［ｕＨ］、コンデンサＣ２は１［ｕＦ］、スイッチング周波数は２００［ｋＨｚ］、スイッチングのデューティー比は５０％であるものとする。
図２３は、スイッチングのタイミングと、電圧変化と、電流変化とを示す図である。電池電流Ｉ（Ｅ１）に対し、リップル電流を生成する生成回路６５の電流Ｉ（Ｒ１）は数分の一の大きさである。従って、生成回路６５が備えるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２による発熱を抑制することができる。並列接続されるコンデンサＣｐ１と二次電池との間を往復するように電流Ｉ（Ｅ１）が流れるが、この電流経路にスイッチング素子は含んでいないため、構成を簡素化することができる。
図２４は、例えば１［ｋＨｚ］のＬＰＦ（ローパスフィルタ）を通過させた後の、放電電力と各部の発熱仕事を示す図である。図２４の下図は、電池発熱と、コンデンサ発熱と、回路発熱とをそれぞれ示している。縦軸は電力［Ｗ］、横軸は時間［ｍｓ］である。これらを足し合わせたものが「発熱の総和」である。図２４の中図は、放電電力と、発熱の総和とをそれぞれ示している。図２４の上図は、放電電力から発熱の総和を差し引いたものである。エネルギー保存則により、構成要素（二次電池、並列接続コンデンサ、リップル電流生成回路）の発熱仕事の総和と、二次電池が放電する電力とは、平均すると等しい値になる。
図２５は、デューティー比に基づく振幅調整を説明するための図である。第２実施形態に係る昇温装置６５において、リップル電流の振幅を調整する振幅調整回路６６を更に備えてもよい。振幅調整回路６６は、例えば、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２との間のデューティー比を変化させる変更回路６７を備えても良い。図２５の左図は、変更回路６７がスイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２との間のデューティー比を５０：５０に設定した場合を示し、図２５の中図は、変更回路６７がスイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２との間のデューティー比を３０：７０に変更した場合を示し、図２５の下図は、変更回路６７がスイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２との間のデューティー比を１０：９０に変更した場合を示している。デューティー比を５０：５０から１０：９０に変化させた場合、リップル電流の振幅が変化し、これに伴い電池交流電流の振幅にｄの減少が生じている。すなわち、リップル電流と、二次電池を流れる交流電流の振幅には所定の関係がある。図２６は、リップル電流振幅と、電池交流振幅と、電池交流電流のＴＨＤとを示す特性図である。リップル電流には高調波成分が多く含まれるため、リップル電流の基本波成分（本例では２００［ｋＨｚ］）と電池交流成分の基本波成分とを抽出して比較すると、図２６に示す通り、両者は比例関係にあることが分かる。基本波成分の抽出には、フーリエ変換処理などを利用すればよい。このように、リップル電流の振幅を調整することで、二次電池に流れる交流電流の振幅を調節してもよい。
なお、図２６に示すように、電池交流電流のＴＨＤ（total harmonic distortion：全高調波歪）は概ね２％以下であり、ほぼ正弦波であることが分かる。
図２７から図３１は、リップル電流の生成回路６５の種々の変形例を示す図である。図１８に示した構成との相違点を中心に説明する。図２７の変形例では、コイル６８とコンデンサ６９とを直列に接続して、これをスイッチング素子Ｓ１に並列に接続している。図２８の変形例では、コイル６８とコンデンサ６９とを直列に接続して、これを整流素子Ｄ１に並列に接続すると共に、コイル６８とコンデンサ６９との接続点をコンデンサ６４の一端に接続している。図２９の変形例では、コイル６８を介して、コンデンサ６４の両端子を整流素子Ｄ２の両端子に並列に接続している。図３０の変形例では、コイル６８とコンデンサ６９とを直列に接続して、これをスイッチング素子Ｓ２に並列に接続している。図３１の変形例では、コイル６８とコンデンサ６９とを直列に接続して、これを整流素子Ｄ２に並列に接続すると共に、コイル６８とコンデンサ６９との接続点をコンデンサ６４の一端に接続している。
図３２は、第２実施形態の第１の変形例を示す図である。第１の変形例は、第２実施形態の構成において、例えば、二次電池４１とコンデンサ６４との間に接続される第１の電流制限素子ｆｓ１と、コンデンサ６４とリップル電流の生成回路（交流発生回路）６５との間に接続される第２の電流制限素子ｆｓ２と、を備える。この第１の変形例において、第１の電流制限素子ｆｓ１の定格容量と、第２の電流制限素子ｆｓ２の定格容量と、を異ならせても良い。具体的には、第１の電流制限素子ｆｓ１の定格容量を第２の電流制限素子ｆｓ２の定格容量よりも大きくしてもよい。第１の電流制限素子ｆｓ１及び第２の電流制限素子ｆｓ２は、具体的には、フューズやＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子であってもよい。
図３３は、第２実施形態の第２の変形例を示す図である。第２の変形例は、第２実施形態の構成において、例えば、二次電池４１の負極端子とコンデンサ６４との間に接続される電流遮断素子ＳＷ１を備える。電流遮断素子ＳＷ１は、二次電池４１の加温が不要である場合において、当該電流遮断素子ＳＷ１のオフ状態を維持する。第２の変形例によれば、二次電池４１の加温が不要である場合において、ノイズの混入等によって不必要な共振電流が発生することを防止することができる。
図３４は、第２実施形態の第３の変形例を示す図である。第３の変形例は、第２実施形態の構成において、例えば、二次電池４１の正極端子とコンデンサ６４との間に接続される電流遮断素子ＳＷ２を備える。電流遮断素子ＳＷ２は、二次電池４１の加温が不要である場合において、当該電流遮断素子ＳＷ２のオフ状態を維持する。第３の変形例によれば、二次電池４１の加温が不要である場合において、ノイズの混入等によって不必要な共振電流が発生することを防止することができる。
以下、第２実施形態の第４の変形例について説明する。振幅調整回路６６は、デューティ比によってリップル電流の振幅を調整するのではなく、デューティ比を例えば５０％に維持したまま、リップル電流の周波数を調整することで、リップル電流の振幅を調整してもよい。こうすることで、振幅を小さく制御する場合の電池交流電流のＴＨＤを小さくすることができる。
昇温装置６５の性能要件として、電流ゲイン（前述した倍率）が１よりも大きくなることが望ましい。図６から、電流ゲインが１より大きくなるためには、｜ＹＬＲ｜＞｜ＹＬＲ＋ＹＣ｜である必要がある。つまり、式（４３）が満たされると電流ゲインが１よりも大きくなる。
Figure 0007407848000032
ここで、電流ゲインが１となるωをω１とすると、式（４４）が成立する。電流ゲインが最大となるω０は式（４５）で表され、ω１＝ω０×√２であるから、電流ゲインが１よりも大きくなるωの範囲は式（４６）で表される。
Figure 0007407848000033
図３５～３８は、リップル電流の周波数に基づく振幅調整を説明するための図である。これらの図は、リップル電流の周波数を２００［ｋＨｚ］とした図２３に対して、デューティー比を５０％に保ったまま，リップル電流の周波数を変化させた場合の、それぞれの周波数における各部波形を示している。周波数を２００［ｋＨｚ］から上方あるいは下方に変化させることによって、電池交流電流の振幅が抑制されていることが判る。
図３９は、デューティー比を５０％に保ったまま、リップル電流の周波数を変化させた場合の電池交流電流の振幅と、電池交流電流のＴＨＤを示した図である。また、図４０は、電池交流電流の振幅を、デューティー比で調整した場合と、リップル周波数で調整した場合のそれぞれにおける、電池交流電流のＴＨＤを比較した図である。デューティー比で調整するよりも、リップル周波数で調整したほうが、電池交流電流のＴＨＤをさらに小さくできることが分かる。更に、図４１は、デューティー比を調整して二次電池に流れる交流電流の振幅を調節した場合の、発熱効率と二次電池の発熱の特性例を示す図である。発熱効率は、二次電池の放電電力に対する二次電池の発熱の比率である。デューティー比を調整することにより、二次電池の発熱が調節され、発熱効率の変化は小さくなる。共振周波数に近いリップル周波数では、発熱効率が高く、かつ二次電池の発熱も大きい。リップル周波数が共振周波数から離れると、発熱効率・二次電池の発熱ともに低下するが、リップル周波数が共振周波数から離れていても、デューティー比の調整による発熱効率の変化は小さい。
＜第３実施形態＞
第３実施形態では、第２実施形態とは異なる点を中心に説明する。図４２は、第３実施形態の構成の一例を示す図である。第３実施形態に係る二次電池は、例えば、第１の電池４１－１と、第１の電池４１－１に直列に接続される第２の電池４１－２と、を備える。第３実施形態に係るコンデンサは、例えば、第１の電池４１－１に並列に接続される第１のコンデンサ６４－１と、第２の電池４１－２に並列に接続される第２のコンデンサ６４－２と、を備える。第３実施形態に係る交流発生回路は、例えば、第１の電池４１－１と第１のコンデンサ６４－１とを含む第１の並列回路に接続され、第１のリップル電流を生成する第１の生成回路６５－１と、第２の電池４１－２と第２のコンデンサ６４－２とを含む第２の並列回路に接続され、第２のリップル電流を生成する第２の生成回路６５－２と、を備える。また、第３実施形態の構成は、第１のリップル電流と第２のリップル電流との間に位相差を与える位相調整回路７１を備える。
位相調整回路７１は、図４２の例のように２つの電池モジュール（４１－１，４１－２）を直列に接続する場合には、第１の生成回路６５－１からの第１のリップル電流と、第２の生成回路６５－２からの第２のリップル電流との間に、例えば１８０度の位相差を与える。
図４３は、第３実施形態の構成の別の例を示す図である。第３実施形態の別の例に係る二次電池は、例えば、第１の電池４１－１と、第１の電池４１－１に直列に接続される第２の電池４１－２と、第２の電池４１－２に直列に接続される第３の電池４１－３と、を備える。第３実施形態に係るコンデンサは、例えば、第１の電池４１－１に並列に接続される第１のコンデンサ６４－１と、第２の電池４１－２に並列に接続される第２のコンデンサ６４－２と、第３の電池４１－３に並列に接続される第３のコンデンサ６４－３と、を備える。第３実施形態に係る交流発生回路は、例えば、第１の電池４１－１と第１のコンデンサ６４－１とを含む第１の並列回路に接続され、第１のリップル電流を生成する第１の生成回路６５－１と、第２の電池４１－２と第２のコンデンサ６４－２とを含む第２の並列回路に接続され、第２のリップル電流を生成する第２の生成回路６５－２と、第３の電池４１－３と第３のコンデンサ６４－３とを含む第３の並列回路に接続され、第３のリップル電流を生成する第３の生成回路６５－３と、を備える。第３実施形態の構成において、位相調整回路７１は、第１のリップル電流と第２のリップル電流と第３のリップル電流との間に位相差を与える。
位相調整回路７１は、図４３の例のように３つの電池モジュール（４１－１，４１－２，４１－３）を直列に接続する場合には、第１の生成回路６５－１からの第１のリップル電流と、第２の生成回路６５－２からの第２のリップル電流と、第３の生成回路６５－３からの第３のリップル電流と、の間に、例えば１２０度の位相差を与える。
第３実施形態によれば、複数の電池モジュール（４１－１，４１－２，．．．）を直列に組み合わせた組電池に対して、各電池モジュールのそれぞれに対して並列にコンデンサ（６４－１，６４－２，．．．）とリップル電流の生成回路（６５－１，６５－２，．．．）とを接続し、位相調整回路７１が複数のリップル電流の位相を調整することにより、組電池全体の電圧変動を抑制することができる。
第３実施形態においても、第１の生成回路６５－１および第２の生成回路６５－２が、リップル電流の周波数を調整することで、リップル電流の振幅を調整してもよい。図４４は、リップル周波数を調整して二次電池に流れる交流電流の振幅を調節した場合の、電池全体の電圧変動と二次電池の発熱の特性例を示す図である。電池全体の電圧変動は、第１の電池４１－１の負極と第２の電池４１－２の正極との間の電圧に発生する変動幅である。ここで、第１の生成回路６５－１からの第１のリップル電流と、第２の生成回路６～５－２からの第２のリップル電流との間の位相差は、１８０度としている。リップル周波数を調整することにより、二次電池の発熱が調節され、特にデューティー比が５０％の場合において、ＴＨＤが小さくなることから、二次電池に流れる交流電流が正弦波に近くなり、１８０度の位相差を持つ２つの電流が流れることで、電池全体の電圧変動が低く抑制される。デューティー比が５０％から離れると、電圧変動は増加する。リップル周波数を共振周波数より高周波側で調整したほうが、電圧変動は抑制される傾向となる。図４２における各部を流れる電流と電圧を図４５のように定義した場合、それらの波形は図４６~５０に示すようになる。
また、図５１は、デューティー比を縦軸、リップル周波数を横軸とした、二次電池の発熱（Ｗ）のコンター図であり、図５２は、同じ軸における発熱効率（％）のコンター図であり、図５３は、同じ軸における電池残体の電圧変動（Ｖ）のコンター図である。このように、デューティー比とリップル周波数を調整することで、二次電池の発熱、発熱効率および電池全体の電圧変動を調節することができる。
なお、上述の電池モジュールの数は例示した２又は３に限定されない。
４０…二次電池
６０…昇温装置
６２…交流電源
６４…コンデンサ
１００…制御装置

Claims (11)

  1. 昇温対象の電池に並列に接続されるコンデンサを含む並列回路と、
    前記並列回路に接続される交流発生回路と、
    を備え、
    前記コンデンサの静電容量をＣｐとし、
    前記電池のインダクタンス成分をＬｓとし、
    前記電池の抵抗成分をＲｓとするとき、
    前記Ｃｐは、式（１）を満たし、前記交流発生回路の角周波数ωが式（２）を満たす、
    Figure 0007407848000034
     昇温装置。
  2. 昇温対象の電池に並列に接続されるコンデンサを含む並列回路と、
    前記並列回路に接続される交流発生回路と、
    を備え、
    前記コンデンサの静電容量をＣｐとし、
    前記電池のインダクタンス成分をＬｓとし、
    前記電池の抵抗成分をＲｓとするとき、
    前記Ｃｐは、式（１）を満たし、前記交流発生回路の角周波数ωが式（４７）を満たす、
    Figure 0007407848000035
     昇温装置。
  3. 前記交流発生回路は、リップル電流を生成する生成回路を含み、前記生成回路により生成されたリップル電流が前記並列回路に流れる、
    請求項１または２に記載の昇温装置。
  4. 前記生成回路は、
    第１の整流素子と、
    前記第１の整流素子に並列に接続される第１のスイッチング素子と、
    前記第１の整流素子に直列に接続される第２の整流素子と、
    前記第２の整流素子に並列に接続される第２のスイッチング素子と、を備える、
    請求項３に記載の昇温装置。
  5. 前記リップル電流の振幅を調整する振幅調整回路を更に備える、
    請求項４に記載の昇温装置。
  6. 前記振幅調整回路は、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間のデューティー比を変化させることにより、前記リップル電流の振幅を調整する、
    請求項５に記載の昇温装置。
  7. 前記交流発生回路は、リップル電流を生成する生成回路を含み、前記生成回路により生成されたリップル電流が前記並列回路に流れ、前記リップル電流の振幅を調整する振幅調整回路を更に備え、リップル電流の周波数を変化させることにより、前記リップル電流の振幅を調整する、
    請求項２に記載の昇温装置。
  8. 前記電池は、
    第１の電池と、前記第１の電池に直列に接続される第２の電池と、を備え、
    前記コンデンサは、
    前記第１の電池に並列に接続される第１のコンデンサと、
    前記第２の電池に並列に接続される第２のコンデンサと、を備え、
    前記交流発生回路は、
    前記第１の電池と前記第１のコンデンサとを含む第１の並列回路に接続され、第１のリップル電流を生成する第１の生成回路と、
    前記第２の電池と前記第２のコンデンサとを含む第２の並列回路に接続され、第２のリップル電流を生成する第２の生成回路と、を備え、
    前記第１のリップル電流と前記第２のリップル電流との間に位相差を与える位相調整回路を更に備える、
    請求項１から７のうちいずれか１項に記載の昇温装置。
  9. 前記電池と前記コンデンサとの間に接続される第１の電流制限素子と、
    前記コンデンサと前記交流発生回路との間に接続され、且つ前記第１の電流制限素子とは定格容量が異なる第２の電流制限素子と、
    を更に備える、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の昇温装置。
  10. 前記電池と前記コンデンサとの間に接続される電流遮断素子を更に備える、
    請求項１から９のうちいずれか１項に記載の昇温装置。
  11. 前記交流発生回路により前記並列回路に入力される電流に対する、前記インダクタンス成分の電流の比が１を超える、
    請求項１から１０のうちいずれか１項に記載の昇温装置。
JP2022025658A 2022-02-22 2022-02-22 昇温装置 Active JP7407848B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022025658A JP7407848B2 (ja) 2022-02-22 2022-02-22 昇温装置
US18/110,912 US20230282900A1 (en) 2022-02-22 2023-02-17 Temperature raising device
CN202310180235.2A CN116646648A (zh) 2022-02-22 2023-02-17 升温装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022025658A JP7407848B2 (ja) 2022-02-22 2022-02-22 昇温装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023122157A JP2023122157A (ja) 2023-09-01
JP7407848B2 true JP7407848B2 (ja) 2024-01-04

Family

ID=87638786

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022025658A Active JP7407848B2 (ja) 2022-02-22 2022-02-22 昇温装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230282900A1 (ja)
JP (1) JP7407848B2 (ja)
CN (1) CN116646648A (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5990661A (en) 1998-04-30 1999-11-23 Daimlerchrysler Corporation Circulating current battery heater
WO2011004464A1 (ja) 2009-07-08 2011-01-13 トヨタ自動車株式会社 二次電池の昇温装置およびそれを備える車両
US8823317B2 (en) 2010-07-30 2014-09-02 Byd Company Limited Circuits and methods for heating batteries in series using resonance components in series
JP2015133776A (ja) 2014-01-09 2015-07-23 株式会社デンソー 蓄電池の昇温装置
JP2022019201A (ja) 2020-07-17 2022-01-27 本田技研工業株式会社 昇温装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5990661A (en) 1998-04-30 1999-11-23 Daimlerchrysler Corporation Circulating current battery heater
WO2011004464A1 (ja) 2009-07-08 2011-01-13 トヨタ自動車株式会社 二次電池の昇温装置およびそれを備える車両
US8823317B2 (en) 2010-07-30 2014-09-02 Byd Company Limited Circuits and methods for heating batteries in series using resonance components in series
JP2015133776A (ja) 2014-01-09 2015-07-23 株式会社デンソー 蓄電池の昇温装置
JP2022019201A (ja) 2020-07-17 2022-01-27 本田技研工業株式会社 昇温装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023122157A (ja) 2023-09-01
CN116646648A (zh) 2023-08-25
US20230282900A1 (en) 2023-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hu et al. Hybrid energy storage system of an electric scooter based on wireless power transfer
CN105814769B (zh) 用于平衡功率电池组元件负载的装置
Throngnumchai et al. A study on receiver circuit topology of a cordless battery charger for electric vehicles
Wang et al. Design considerations for a level-2 on-board PEV charger based on interleaved boost PFC and LLC resonant converters
JP2012234700A (ja) 電池システム
Woo et al. Comparison of integrated battery chargers for plug-in hybrid electric vehicles: Topology and control
US20220161673A1 (en) System and method for single-stage on-board charger power factor correction reactive control
JP5627276B2 (ja) 作業車に搭載した蓄電池充電器の充電回路構造及び充電回路制御方法
CN109617256A (zh) 一种无线电能多级双向传输系统
KR102488223B1 (ko) 공진형 dc-dc컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템
Itoh et al. A single-stage rectifier with interleaved totem-pole PFC and dual active bridge (DAB) converter for PHEV/BEV on-board charger
Li et al. Evaluation of a current source active power filter to reduce the dc bus capacitor in a hybrid electric vehicle traction drive
KR20170093014A (ko) 대용량 고전력밀도 ev 탑재형 충전기를 위한 pfc 회로 장치
Nguyen et al. Battery charger with small DC-link capacitors for G2V applications
Petersen et al. Load dependent power control in series-series compensated electric vehicle inductive power transfer systems
CN113948796A (zh) 升温装置
KR20180029713A (ko) 전기자동차용 충전제어장치
JP7407848B2 (ja) 昇温装置
Hou et al. Dual active bridge-based full-integrated active filter auxiliary power module for electrified vehicle applications with single-phase onboard chargers
JP2019129555A (ja) Ｄｃ／ｄｃコンバータ、電源システム及び二次電池の充放電方法
Esfahani et al. Modeling and tuning of parameters of a bidirectional wireless power transfer for interfacing evs with the dc smart grids
Meher et al. A Two-stage Standard On-Board Electric Vehicle Charger with Minimum Switch Count
Zhang et al. Application of predictive current control based multi-pulse flexible-topology thyristor rectifier in off-board battery charger for electric vehicle
Musavi et al. A cost effective high-performance smart battery charger for off-road and neighborhood evs
WO2014195212A1 (en) Battery balancing with resonant converter

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220928

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231219

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7407848

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150