JPWO2016111106A1 - 電池システム - Google Patents

Abstract

リチウムイオン電池の劣化を抑制しつつ、リチウムイオン電池を電力ロスなく短時間で均等に昇温することができる電池システムを得る。回路部は、互いに直列に接続されたｎ個（ｎ≧３）のリチウムイオン電池からなるリチウムイオン電池ユニットの各リチウムイオン電池に設けられ、リチウムイオン電池からの放電電圧を、リチウムイオン電池ユニットの総電圧以上に昇圧し、充放電制御部は、リチウムイオン電池ユニットから放電するリチウムイオン電池である放電リチウムイオン電池を１個選択し、放電リチウムイオン電池からの放電電圧を、回路部により昇圧してリチウムイオン電池ユニット全体に供給するものであって、リチウムイオン電池ユニットから選択する放電リチウムイオン電池を順次切り替える。

Description

この発明は、リチウムイオン電池の低温時に、充放電に伴う内部発熱を利用してリチウムイオン電池を昇温する電池システムに関する。

リチウムイオン電池は、一般的に、リチウムを含む複合金属酸化物を活物質として含む正極、炭素材料を活物質として含む負極、正負極間を絶縁するポリオレフィン多孔膜セパレータ、および非水系電解液を外装に封入した構成を有している。また、リチウムイオン電池は、高エネルギー密度および高出力密度を満たすので、電子機器用途の小型のものから、電気自動車やスマートグリッド蓄電用途の大型のものまで幅広く使用されている。

なお、リチウムイオン電池は、寒冷地等の低温環境において使用される場合には、リチウムイオン電池の内部抵抗値が高くなるので、常温環境において入出力可能であった電力を得ることができなくなるという問題があった。この問題に対して、リチウムイオン電池昇温用の熱源としてヒータを設置し、ヒータによりリチウムイオン電池を外部から昇温する方法が知られているが、外部からの昇温は、熱効率が悪く昇温時間が長くなるだけでなく、ヒータの電力ロスが生じるという問題がある。

そこで、直列接続されたキャパシタからなる蓄電部と、キャパシタの内部抵抗値を検出する内部抵抗検出手段と、キャパシタの充放電を制御する充放電制御手段とを備え、充放電制御手段は、内部抵抗検出手段で検出された各キャパシタの内部抵抗値が所定値を上回っている場合にキャパシタが低温状態であると判断し、各キャパシタ間で電荷を移動させて充放電を実施することにより、キャパシタ自身を昇温するキャパシタ蓄電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、特許文献１のキャパシタ蓄電装置をリチウムイオン電池に適用した場合、充放電制御手段は、内部抵抗検出手段で検出された各リチウムイオン電池の内部抵抗値が所定値を上回っている場合に、各リチウムイオン電池間の電力授受により充放電を実施することによって、リチウムイオン電池を昇温する。このとき、リチウムイオン電池間の電力授受による昇温は、電流値が大きいほど発熱量が増大して短時間で昇温することができる。

特開２００７−２５０８２６号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
すなわち、リチウムイオン電池において、充電電流が大きい場合には、電池内の電極表面に電解液中のリチウム金属が析出して電極劣化が生じる。また、析出したリチウム金属を介して電池内の正極と負極とが接触し、内部短絡を生じる恐れがある。このように、リチウムイオン電池において、充電電流が大きい場合には、リチウムイオン電池の劣化が生じるという問題がある。

この発明は、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、リチウムイオン電池の劣化を抑制しつつ、リチウムイオン電池を電力ロスなく短時間で均等に昇温することができる電池システムを得ることを目的とする。

この発明に係る電池システムは、互いに直列に接続されたｎ個（ｎ≧３）のリチウムイオン電池からなるリチウムイオン電池ユニットと、リチウムイオン電池ユニットの各リチウムイオン電池に設けられ、リチウムイオン電池からの放電電圧を、リチウムイオン電池ユニットの総電圧以上に昇圧する回路部と、リチウムイオン電池ユニットから放電するリチウムイオン電池である放電リチウムイオン電池を１個選択し、放電リチウムイオン電池からの放電電圧を、回路部により昇圧してリチウムイオン電池ユニット全体に供給する充放電制御部と、を備え、充放電制御部は、リチウムイオン電池ユニットから選択する放電リチウムイオン電池を順次切り替えるものである。

この発明に係る電池システムによれば、回路部は、互いに直列に接続されたｎ個（ｎ≧３）のリチウムイオン電池からなるリチウムイオン電池ユニットの各リチウムイオン電池に設けられ、リチウムイオン電池からの放電電圧を、リチウムイオン電池ユニットの総電圧以上に昇圧し、充放電制御部は、リチウムイオン電池ユニットから放電するリチウムイオン電池である放電リチウムイオン電池を１個選択し、放電リチウムイオン電池からの放電電圧を、回路部により昇圧してリチウムイオン電池ユニット全体に供給するものであって、リチウムイオン電池ユニットから選択する放電リチウムイオン電池を順次切り替える。
これにより、充電電流を小さくして、充電電流増大によるリチウムイオン電池の劣化を抑制しつつ、リチウムイオン電池間で電力授受を繰り返し、リチウムイオン電池を電力ロスなく短時間で均等に昇温することができる。

この発明の実施の形態１に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電池システムの充放電制御処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る電池システムにおける昇温効果を示す説明図である。 ヒータによる昇温効果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電池システムにおけるリチウムイオン電池の等価回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態２に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態３に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態４に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態４に係る電池システムにおけるリチウムイオン電池の観測電圧と過電圧と開回路電圧との関係を示す回路図である。 この発明の実施の形態５に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態６に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態７に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態８に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態９に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１０に係る電池システムを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１０に係る電池システムにおけるリチウムイオン電池の周波数とインピーダンスとの関係を示す説明図である。

以下、この発明に係る電池システムの好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。なお、図面は、簡略化して描かれており、寸法および形状は必ずしも正確ではない。

また、以下の各実施の形態では、リチウムイオン電池を例に挙げて説明するが、本願発明は、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等の各種二次電池に適用することができる。また、本願発明に適用される二次電池の形状は、積層型や巻き型、ボタン型等、各種の形状を採ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電池システムを示すブロック構成図である。図１において、この電池システムは、互いに直列に接続されたｎ（ｎは３以上の自然数）個のリチウムイオン電池からなるリチウムイオン電池ユニット１と、リチウムイオン電池ユニット１の各リチウムイオン電池に設けられたスイッチング回路２と、スイッチング回路２を制御する充放電制御部３とを備えている。

リチウムイオン電池ユニット１は、第１リチウムイオン電池Ｂ１、第２リチウムイオン電池Ｂ２、第３リチウムイオン電池Ｂ３から第ｎリチウムイオン電池Ｂｎまでのｎ個のリチウムイオン電池が、バスバー等で互いに直列に接続されて構成されている。以下、総称する場合には、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎと記載する。スイッチング回路２は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎのそれぞれに設けられ、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電を切り替える。

充放電制御部３は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電時の電流値を決定し、放電するリチウムイオン電池および充電するリチウムイオン電池を選択し、スイッチング回路２に対して、放電するリチウムイオン電池と充電するリチウムイオン電池との切り替えを制御する充放電制御処理を実行する。

以下、図２のフローチャートを参照しながら、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎに対して、充放電制御部３が実行する充放電制御処理について説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る電池システムの充放電制御処理を示すフローチャートである。

まず、充放電制御部３は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎのうち、第１リチウムイオン電池Ｂ１を放電するリチウムイオン電池として選択し、放電電流Ｘ（Ａ）を決定して、スイッチング回路２を制御することにより、第１リチウムイオン電池Ｂ１を放電する（ステップＳ１）。

続いて、充放電制御部３は、スイッチング回路２を制御することにより、第１リチウムイオン電池Ｂ１から放電されてスイッチング回路２を通った放電電流Ｘ（Ａ）を残りｎ−１個のリチウムイオン電池で均等に分配した充電電流Ｘ／（ｎ−１）（Ａ）で、第２リチウムイオン電池Ｂ２〜第ｎリチウムイオン電池Ｂｎを充電する（ステップＳ２）。

次に、充放電制御部３は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎのうち、第２リチウムイオン電池Ｂ２を放電するリチウムイオン電池として選択し、放電電流Ｘ（Ａ）を決定して、スイッチング回路２を制御することにより、第２リチウムイオン電池Ｂ２を放電する（ステップＳ３）。

続いて、充放電制御部３は、スイッチング回路２を制御することにより、第２リチウムイオン電池Ｂ２から放電されてスイッチング回路２を通った放電電流Ｘ（Ａ）を残りｎ−１個のリチウムイオン電池で均等に分配した充電電流Ｘ／（ｎ−１）（Ａ）で、第１リチウムイオン電池Ｂ１、第３リチウムイオン電池Ｂ３〜第ｎリチウムイオン電池Ｂｎを充電する（ステップＳ４）。

次に、充放電制御部３は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎのうち、第３リチウムイオン電池Ｂ３を放電するリチウムイオン電池として選択し、放電電流Ｘ（Ａ）を決定して、スイッチング回路２を制御することにより、第３リチウムイオン電池Ｂ３を放電する（ステップＳ５）。

続いて、充放電制御部３は、スイッチング回路２を制御することにより、第３リチウムイオン電池Ｂ３から放電されてスイッチング回路２を通った放電電流Ｘ（Ａ）を残りｎ−１個のリチウムイオン電池で均等に分配した充電電流Ｘ／（ｎ−１）（Ａ）で、第１リチウムイオン電池Ｂ１、第２リチウムイオン電池Ｂ２、第４リチウムイオン電池Ｂ４〜第ｎリチウムイオン電池Ｂｎを充電する（ステップＳ６）。

これ以降、充放電制御部３は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電を繰り返した後、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎのうち、第ｎリチウムイオン電池Ｂｎを放電するリチウムイオン電池として選択し、放電電流Ｘ（Ａ）を決定して、スイッチング回路２を制御することにより、第ｎリチウムイオン電池Ｂｎを放電する（ステップＳ７）。

続いて、充放電制御部３は、スイッチング回路２を制御することにより、第ｎリチウムイオン電池Ｂｎから放電されてスイッチング回路２を通った放電電流Ｘ（Ａ）を残りｎ−１個のリチウムイオン電池で均等に分配した充電電流Ｘ／（ｎ−１）（Ａ）で、第１リチウムイオン電池Ｂ１〜第ｎ−１リチウムイオン電池Ｂｎ−１を充電し（ステップＳ８）、再びステップＳ１に戻って、図２に示した充放電制御処理を繰り返す。

以上説明したような充放電制御部３による充放電制御処理によって、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電によるリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎ自身の内部抵抗による発熱が生じ、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎが昇温される。

ここで、充放電制御部３は、放電するリチウムイオン電池と充電するリチウムイオン電池とが短周期で切り替わるようにスイッチング回路２を制御する。これにより、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの昇温ばらつきを低減し、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを短時間で均等に昇温することができるとともに、温度、充放電制御等をしやすくなる。

また、充放電制御部３は、図２に示したように、第１リチウムイオン電池Ｂ１から放電を順番に実施する必要はなく、第２リチウムイオン電池Ｂ２〜第ｎリチウムイオン電池Ｂｎの何れのリチウムイオン電池から放電を開始してもよい。

また、スイッチング回路２は、分配器やスイッチング素子、昇降圧回路、ＤＣＤＣコンバータ等の変換器であってもよい。このような構成によれば、低価格の変換器を選択し、低コストのシステム設計を実現することができる。また、電池の仕様が互いに異なる場合であっても、昇圧または降圧することで、電池の昇温が可能となる。

なお、上述したように、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎにおいて、充電電流が大きい場合には、電池内の電極表面に電解液中のリチウム金属が析出して電極劣化が生じる。これに対して、この発明の実施の形態１の構成によれば、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの１個から放電電流Ｘ（Ａ）で放電し、残りｎ−１個のリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを充電電流Ｘ／（ｎ−１）（Ａ）で充電するので、充電電流を小さくして、充電電流増大によるリチウムイオン電池の劣化を抑制することができる。

また、上述したように、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎは、低温環境下で使用されると、内部抵抗値が高くなるので、常温環境で使用される場合よりも入出力特性が低下する。そこで、低温時におけるリチウムイオン電池の性能低下を抑制するために、外部にヒータを設置して電池を昇温する方法が知られているが、充放電に伴う内部発熱を利用して電池を昇温する方法よりも昇温時間が長くなるという欠点がある。

以下、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電による内部発熱を利用した方法による昇温時間と外部にヒータを設置した場合の昇温時間とを比較する。まず、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電による内部発熱を利用して昇温した場合には、次式（１）で表される発熱量Ｑ（Ｗ）が生じ、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの温度が上昇する。なお、式（１）において、内部抵抗および電流は、それぞれ昇温時間における平均値として、時間平均内部抵抗Ｒ（Ω）および平均電流Ｉ（Ａ）を用いている。

Ｑ＝Ｉ²Ｒ ・・・（１）

図３は、この発明の実施の形態１に係る電池システムにおける昇温効果を示す説明図である。図３では、環境温度−２４℃の低温時に、出力３０Ｗのヒータを外部に設置してリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを昇温した場合の時間と温度との相関と、式（１）で計算される発熱量を約１５Ｗとして、充放電に伴う内部発熱によりリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを昇温した場合の時間と温度との相関を示している。

図３において、ヒータによる外部からの昇温では、１５００秒で約２℃温度上昇（昇温速度０．０８℃／ｍｉｎ）し、充放電に伴う内部発熱を利用した昇温では、１５００秒で約１５℃温度上昇（昇温速度０．６℃／ｍｉｎ）していることが分かる。すなわち、この発明の実施の形態１の構成によれば、充放電に伴う内部発熱を利用して電池を昇温する方法は、外部にヒータを設置して電池を昇温する方法に対して、約７．５倍早い短時間でリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを昇温することができる。

また、上述したように、ヒータによりリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを外部から昇温する場合には、熱効率が悪く、ヒータの電力ロスが生じる。すなわち、エネルギーロスが大きいという課題がある。

以下、この発明の実施の形態１によるエネルギーロスの低減効果について説明する。まず、発熱量Ｑ（Ｗ）および時間ｓ（ｓｅｃ）と、消費されるエネルギーＥ（Ｊ）との関係は、次式（２）で表される。

Ｅ＝Ｑｓ ・・・（２）

図４は、ヒータによる昇温効果を示す説明図である。図４は、環境温度−２４℃の低温時に、出力３０Ｗのヒータを外部に設置してリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを昇温した場合の時間と温度との相関を示している。

図４において、ヒータによる外部からの昇温では、−１５℃まで昇温するために、３８００秒の昇温時間を要する。ここで、式（２）から、ヒータによる外部からの昇温に要したエネルギーは、１１６（ｋＪ）であることが分かる。

これに対して、充放電に伴う内部発熱を利用した昇温では、図３に示したように、上記式（１）で計算される発熱量を約１５Ｗとしたとき、−１５℃まで昇温するために、５００秒の昇温時間を要する。ここで、式（２）から、充放電に伴う内部発熱を利用した昇温に要したエネルギーは、７．５（ｋＪ）であることが分かる。

すなわち、この発明の実施の形態１の構成によれば、充放電に伴う内部発熱を利用して電池を昇温する方法は、外部にヒータを設置して電池を昇温する方法に対して、約９３．５％のエネルギーロスを低減することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、充放電制御部は、リチウムイオン電池ユニットから１つのリチウムイオン電池を放電リチウムイオン電池として選択し、放電電流を決定して、スイッチング回路を制御することにより、放電リチウムイオン電池を放電するとともに、リチウムイオン電池ユニットの放電リチウムイオン電池を除く残りの複数のリチウムイオン電池を充電リチウムイオン電池として選択し、スイッチング回路を制御することにより、放電リチウムイオン電池から放電されてスイッチング回路を通った放電電流を各充電リチウムイオン電池で分配した充電電流で、充電リチウムイオン電池を充電し、放電リチウムイオン電池および充電リチウムイオン電池の組み合わせを繰り返し切り替える。
これにより、充電電流を小さくして、充電電流増大によるリチウムイオン電池の劣化を抑制しつつ、リチウムイオン電池間で電力授受を繰り返し、リチウムイオン電池を電力ロスなく短時間で均等に昇温することができる。

なお、上記実施の形態１では、充放電制御部３が、放電するリチウムイオン電池と充電するリチウムイオン電池とが短周期で切り替わるようにスイッチング回路２を制御すると説明した。ここで、充放電制御部３は、放電するリチウムイオン電池と充電するリチウムイオン電池とを、１ｍｓｅｃ以下の周期で切り替えてもよい。

図５は、この発明の実施の形態１に係る電池システムにおけるリチウムイオン電池の等価回路を示す回路図である。図５では、一般的なリチウムイオン電池の簡易的な等価回路を示している。図５において、１ｋＨｚ以上の高周波数範囲は、回路誘導抵抗、リチウムイオン電池内の集電箔の抵抗、リチウムイオン電池内の電解液の抵抗が支配的であり、電池反応を伴わない周波数範囲となる。

これに対して、１ｋＨｚ以下の低周波数範囲は、リチウムイオン電池の電気二重層容量、化学反応抵抗、リチウムイオン電池内の活物質内の拡散抵抗等の電池反応に依存する値が支配的となる。そのため、１ｋＨｚ以下の低周波数範囲における反応は、電池容量変化を生じさせるので、充放電による昇温後は、リチウムイオン電池間の容量ばらつきが生じる。

また、１ｋＨｚ以上の高周波数範囲におけるリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電に伴う劣化は、電池反応を伴わないので、１ｋＨｚ以下の低周波数範囲におけるリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電に伴う劣化と比べて低減される。そのため、１ｋＨｚ以上の周波数に相当する１ｍｓｅｃ以下の周期で充放電を切り替えることで、充放電に伴う劣化を抑制することができる。

このような構成によれば、充放電制御部３が、放電するリチウムイオン電池と充電するリチウムイオン電池とを、１ｍｓｅｃ以下の周期で切り替えることにより、リチウムイオン電池間の容量ばらつきを低減しつつ、充放電に伴う劣化を抑制してリチウムイオン電池を昇温することができる。

また、上記実施の形態１において、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎに温度ばらつきがある場合には、リチウムイオン電池の劣化する速度が電池毎に異なるので、温度、充放電制御が困難になるという課題が生じる。なお、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの温度は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎに設けたセンサ等によって測定される。

そこで、充放電制御部３は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎから放電するリチウムイオン電池を選択する際に、最も温度の低いリチウムイオン電池を優先的に選択して放電電流を決定し、大きな放電電流を流すとともに、放電電流を他のリチウムイオン電池に分配して充電し、この処理をリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの温度ばらつきがなくなるまで繰り返してもよい。これにより、温度、充放電制御等をしやすくなる。

このような構成によれば、充放電制御部３が、リチウムイオン電池ユニット１から放電するリチウムイオン電池を選択する際、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎに温度ばらつきがある場合に、最も温度の低いリチウムイオン電池を優先的に放電するリチウムイオン電池として選択することを、温度ばらつきがなくなるまで繰り返すことにより、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの温度ばらつきを低減することができる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る電池システムを示すブロック構成図である。図６において、この電池システムは、図１に示したリチウムイオン電池ユニット１に代えて、リチウムイオン電池ユニット１Ａを備えている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

リチウムイオン電池ユニット１Ａは、バスバー等で互いに直列に接続されたｎ（ｎは３以上の自然数）個のリチウムイオン電池Ｂ１Ａ〜ＢｎＡから構成されている。また、リチウムイオン電池Ｂ１Ａ〜ＢｎＡは、それぞれ複数のリチウムイオン電池が直列接続されたリチウムイオン電池モジュールである。

ここで、上記実施の形態１のように、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎのそれぞれにスイッチング回路２を設けた場合には、スイッチング回路２の設置数が多いほどコストが高くなるという課題が生じる。

これに対して、この発明の実施の形態２の構成によれば、複数のリチウムイオン電池が直列接続されたリチウムイオン電池モジュールであるリチウムイオン電池Ｂ１Ａ〜ＢｎＡのそれぞれにスイッチング回路２を設けることにより、各リチウムイオン電池にスイッチング回路２を設けるよりもスイッチング回路２の設置数を低減し、低コスト化、コンパクト化を実現することができる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３に係る電池システムを示すブロック構成図である。図７において、この電池システムは、図１に示した電池システムに加えて、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充電率（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を判定する充電率判定部４を備えている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

ここで、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎは、現在の充電容量を割合で示す充電率が低い状態で放電すると、同じ電流値であっても、充電率が高い状態で放電した場合と比較して、下限電圧に到達するまでの時間が短くなり、放電電流が小さくなる。そのため、上記式（１）を参照すると、昇温に影響する発熱量は、電流値が低いほど少なくなるので、昇温速度が遅くなる。

そこで、充電率判定部４は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの電圧情報に基づいて、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充電率を判定する。また、充放電制御部３は、充電率判定部４で判定したリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充電率に基づいて、最も充電率の高いリチウムイオン電池を選択して放電電流を決定し、大きな放電電流を流すとともに、放電電流を他のリチウムイオン電池に分配して充電する。また、充放電制御部３は、この処理を繰り返してもよい。これにより、昇温時間を短縮することができる。

この発明の実施の形態３の構成によれば、充放電制御部３が、リチウムイオン電池ユニット１から放電するリチウムイオン電池を選択する際に、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充電率に基づいて、最も充電率の高いリチウムイオン電池を放電するリチウムイオン電池として選択することにより、放電時の電流値を高く決定することができ、充電率の低いリチウムイオン電池で放電するよりも、短時間でリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを昇温することができる。

実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態４に係る電池システムを示すブロック構成図である。図８において、この電池システムは、図７に示した電池システムに加えて、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの内部抵抗を計算する内部抵抗計算部５を備えている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態３と同様なので、説明を省略する。

図９は、この発明の実施の形態４に係る電池システムにおけるリチウムイオン電池の観測電圧と過電圧と開回路電圧との関係を示す回路図である。図９では、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの観測電圧Ｖと過電圧ΔＶと開回路電圧ＯＣＶとの関係を示している。

図９において、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎでは、充放電時に内部抵抗Ｒと電流Ｉとの積に相当する過電圧ΔＶが生じるので、観測電圧Ｖは、開回路電圧ＯＣＶと過電圧ΔＶとを加算した値となる。ここで、過電圧ΔＶは、上述したように、内部抵抗Ｒと電流Ｉとの積によって決まるので、放電時の電流値が高ければ、過電圧が大きくなり、放電時にリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの動作可能な下限電圧を下回る恐れがある。

また、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの内部抵抗値が高い状態における過電圧ΔＶは、内部抵抗値が低い状態における過電圧ΔＶよりも大きいので、放電時にリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの動作可能な下限電圧を下回る恐れがある。そのため、放電時の電流値は、開回路電圧ＯＣＶと過電圧ΔＶとを加算した観測電圧Ｖが、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの動作可能な下限電圧を下回らないように決定する必要がある。

そこで、内部抵抗計算部５は、充電率判定部４で判定したリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充電率と、測定されたリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの温度との相関に基づいて、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの内部抵抗を計算する。

また、充放電制御部３は、内部抵抗計算部５で計算されたリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの内部抵抗と、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの動作可能な下限電圧とに基づいて、下限電圧に到達しない範囲で放電時の電流値を決定し、放電するリチウムイオン電池として選択されたリチウムイオン電池を放電する。これにより、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを、下限電圧を下回らない動作可能な範囲内で制御することができる。

また、放電するリチウムイオン電池以外のリチウムイオン電池は、充放電制御部３が決定した放電時の電流値を分配した電流値で充電されるが、充放電制御部３は、充電時にも、内部抵抗計算部５で計算されたリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの内部抵抗と、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの動作可能な上限電圧とに基づいて、上限電圧に到達しない範囲で電流値を決定し、リチウムイオン電池を充電する。

なお、充放電制御部３は、内部抵抗計算部５で計算されたリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの内部抵抗に基づいて、内部抵抗の低いリチウムイオン電池を放電するリチウムイオン電池として選択し、放電を実施する。このとき、内部抵抗の低いリチウムイオン電池は、内部抵抗の高いリチウムイオン電池と比較して、放電時の電流値を高く決定することができるので、発熱量が増大して、昇温時間を短縮することができる。

この発明の実施の形態４の構成によれば、充放電制御部３が、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの内部抵抗と、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの動作可能な上下限電圧とに基づいて、充放電時の電流値を決定することにより、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの動作可能な範囲内において、短時間でリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを昇温することができる。

実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５に係る電池システムを示すブロック構成図である。図１０において、この電池システムは、図８に示した電池システムに加えて、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎで発生させる発熱量を計算する発熱量計算部６を備えている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態４と同様なので、説明を省略する。

発熱量計算部６は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを現在の外部環境温度からあらかじめ設定された目標温度まで昇温するために必要な発熱量を計算する。なお、このとき、発熱量計算部６は、目標温度と併せて、あらかじめ設定された時間条件を考慮して、必要な発熱量を計算してもよい。

また、充放電制御部３は、発熱量計算部６で計算された発熱量と、内部抵抗計算部５で計算されたリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの内部抵抗に基づいて、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを目標温度まで昇温するために必要な最大の電流値を決定し、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電を実施する。これにより、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを、短時間で目標温度まで正確に昇温することができる。

この発明の実施の形態５の構成によれば、充放電制御部３が、発熱量計算部６で計算されたリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを目標温度まで昇温するために必要な発熱量と、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの内部抵抗とに基づいて、充放電時の電流値を決定することにより、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを、目標温度まで正確に昇温することができる。

実施の形態６．
図１１は、この発明の実施の形態６に係る電池システムを示すブロック構成図である。図１１において、この電池システムは、図１に示した電池システムに加えて、直流電力を交流電力に変換するインバータ部７と、周波数を調整する周波数調整部８とを備えている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎでは、充放電による内部発熱を利用して昇温する場合、放電するリチウムイオン電池と充電するリチウムイオン電池との間で容量に変化が生じ、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電による昇温後は、リチウムイオン電池間の容量ばらつきが生じる可能性がある。

ここで、リチウムイオン電池間の容量ばらつきは、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充電率にばらつきを生じさせるので、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充電率に基づく入出力、充放電制御が困難になるという課題がある。

そこで、インバータ部７は、充放電制御部３でリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎから選択された放電するリチウムイオン電池の放電時の直流電力を、交流電力に変換する。また、周波数調整部８は、インバータ部７で変換された交流電力を、図５で示されたように、電池容量変化が生じない１ｋＨｚ以上の高周波数範囲に調整し、調整した交流電力を他のリチウムイオン電池に分配して充電する。これにより、リチウムイオン電池間の容量ばらつきを低減しつつ、充放電に伴う劣化を抑制してリチウムイオン電池を昇温することができる。

なお、周波数調整部８は、リップル電流を生成する装置であってもよい。この場合であっても、周波数調整部８と同様に、１ｋＨｚ以上の高周波数範囲の交流電流を生成してリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを充放電することができるので、リチウムイオン電池間の容量ばらつきを低減することができる。

この発明の実施の形態６の構成によれば、インバータ部７が、放電するリチウムイオン電池の放電時の直流電力を交流電力に変換し、周波数調整部８が、インバータ部７で変換された交流電力を、１ｋＨｚ以上の周波数範囲に調整して充電するリチウムイオン電池に分配して充電することにより、リチウムイオン電池間の容量ばらつきを低減しつつ、充放電に伴う劣化を抑制してリチウムイオン電池を昇温することができる。

実施の形態７．
図１２は、この発明の実施の形態７に係る電池システムを示すブロック構成図である。図１２において、この電池システムは、図１に示したリチウムイオン電池ユニット１に代えて、スイッチング回路２に対して互いに並列に接続された２個のリチウムイオン電池ユニット１Ｂ、１Ｃを備えている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

リチウムイオン電池ユニット１Ｂ、１Ｃは、それぞれバスバー等で互いに直列に接続されたｎ（ｎは３以上の自然数）個のリチウムイオン電池Ｂ１Ａ〜ＢｎＡから構成されている。なお、リチウムイオン電池Ｂ１Ａ〜ＢｎＡは、それぞれ複数のリチウムイオン電池が直列接続されたリチウムイオン電池モジュールであってもよい。

ここで、リチウムイオン電池ユニット１Ｂ、１Ｃの各リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎにそれぞれスイッチング回路２を設けた場合には、スイッチング回路２の設置数が多くなり、コストが高くなるという課題が生じる。

これに対して、この発明の実施の形態７の構成によれば、スイッチング回路２に対して、２個のリチウムイオン電池ユニット１Ｂ、１Ｃが互いに並列に接続されているので、リチウムイオン電池ユニット１Ｂ、１Ｃの各リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎにそれぞれスイッチング回路２を設ける場合と比較してスイッチング回路２の設置数を半減し、低コスト化、コンパクト化を実現することができる。

また、スイッチング回路２に対して、３個以上のリチウムイオン電池ユニットを互いに並列に接続してもよい。これにより、各リチウムイオン電池にスイッチング回路２を設けるよりもスイッチング回路２の設置数を低減し、低コスト化、コンパクト化を実現することができる。

実施の形態８．
図１３は、この発明の実施の形態８に係る電池システムを示すブロック構成図である。図１３において、この電池システムは、図１に示した電池システムに加えて、スイッチング回路２で発生した熱をリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎに伝達するファン９および筐体１０を備えている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

ここで、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎは、充放電制御部３による充放電制御処理によって、充放電に伴う内部発熱により昇温するが、スイッチング回路２を通る放電電流によって、スイッチング回路２で発生した熱は、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの昇温には用いられず、電力ロスとなる。

そこで、ファン９は、スイッチング回路２で発生した熱を、送風によって筐体１０内で対流を発生させることにより、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎに伝達する。これにより、リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎの充放電に伴う内部発熱だけでなく、スイッチング回路２で発生した熱を用いてリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを昇温するので、短時間でリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを昇温することができる。

この発明の実施の形態８の構成によれば、ファン９は、放電するリチウムイオン電池から放電されてスイッチング回路２を通った放電電流により、スイッチング回路２で発生した熱を、送風によってリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎに伝達するので、スイッチング回路２で発生した熱を無駄にすることなく、短時間でリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎを昇温することができる。

実施の形態９．
図１４は、この発明の実施の形態９に係る電池システムを示すブロック構成図である。図１４において、この電池システムは、図１３に示した電池システムに加えて、筐体１０に設けられ、スイッチング回路２で発生した熱を、電池システムの周辺に配置された電装機器２０に伝達する送風路１１を備えている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態８と同様なので、説明を省略する。

ここで、電池システムの周辺に配置された電装機器２０は、低温時においては、霜が発生して動作できない恐れがある。そこで、ファン９は、スイッチング回路２で発生した熱を、送風によって送風路１１を通して電装機器２０に伝達する。これにより、スイッチング回路２で発生した熱を利用して、電装機器２０を動作可能な温度まで昇温することができる。

この発明の実施の形態９の構成によれば、ファン９は、放電するリチウムイオン電池から放電されてスイッチング回路２を通った放電電流により、スイッチング回路２で発生した熱を、送風によって送風路１１を通して電池システムの周辺に配置された電装機器２０に伝達するので、スイッチング回路２で発生した熱を無駄にすることなく、電装機器２０を動作可能な温度まで昇温することができる。

実施の形態１０．
図１５は、この発明の実施の形態１０に係る電池システムを示すブロック構成図である。図１５において、この電池システムは、互いに直列に接続されたｎ（ｎは３以上の自然数）個のリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎで構成されるリチウムイオン電池ユニット１と、リチウムイオン電池ユニット１の各リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎに設けられた回路部２１と、回路部２１を制御する充放電制御部３とを備えている。

回路部２１は、例えばトランスやスイッチング回路等で構成される昇圧回路であり、１個のリチウムイオン電池からの放電電圧を、リチウムイオン電池ユニット１の総電圧以上に昇圧し、リチウムイオン電池ユニット１全体に電力を供給する。

ここで、１個のリチウムイオン電池からの放電電力をＰ１とし、１個のリチウムイオン電池の放電電圧をＶ、放電電流をＩとすると、１個のリチウムイオン電池からの放電電力Ｐ１は、次式（３）で表される。

Ｐ１＝ＶＩ ・・・（３）

一方、回路部２１からリチウムイオン電池ユニット１全体への供給電力をＰ２とし、リチウムイオン電池ユニット１を構成するリチウムイオン電池のセル数をｎ、充電電流をｉとすると、リチウムイオン電池ユニット１全体への供給電力Ｐ２は、次式（４）で表される。

Ｐ２＝ｎＶｉ ・・・（４）

このとき、放電電力Ｐ１と供給電力Ｐ２との間には、Ｐ１＝Ｐ２の関係が成立するため、リチウムイオン電池ユニット１全体への充電電流ｉは、次式（５）で表される関係を満たす。

ｉ＝Ｉ／ｎ ・・・（５）

よって、各リチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂｎは、必ず放電時の放電電流Ｉの１／ｎ以下の充電電流ｉで充電されるため、低温時の充電電流の増大によって生じるリチウムイオン電池の劣化を抑制することができる。

また、充放電制御部３は、回路部２１と制御ラインで接続されており、リチウムイオン電池ユニット１から放電するリチウムイオン電池を１個選択し、このリチウムイオン電池による昇温動作が終了すると、リチウムイオン電池ユニット１から放電する別のリチウムイオン電池を１個選択し、順次放電するリチウムイオン電池を切り替えるように回路部２１を制御する。

よって、リチウムイオン電池ユニット１の各リチウムイオン電池を、温度ばらつきなく、電力消費のロスなく昇温することができる。また、充放電制御部３は、昇温動作において、０．１６ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃの周期で、リチウムイオン電池ユニット１から選択される、放電するリチウムイオン電池を切り替えてもよい。

図１６は、この発明の実施の形態１０に係る電池システムにおけるリチウムイオン電池の周波数とインピーダンスとの関係を示す説明図である。ここでは、リチウムイオン電池の低温（−１０℃）時における周波数とインピーダンスとの関係を示している。図１６に示したように、リチウムイオン電池は、６．５ｋＨｚ以上の高周波範囲ではインピーダンス（抵抗）が増大するため、式（１）により発熱量Ｑも増大し、リチウムイオン電池の昇温速度が速まる。

しかしながら、実際のリチウムイオン電池では、６．５ｋＨｚ以上の高周波範囲において、インダクタンス成分が大きく、リチウムイオン電池に電流が流れにくい状況となることから、式（１）より充分な発熱は生じず、昇温効率が悪くなる。

また、リチウムイオン電池は、１Ｈｚ以下の低周波範囲でも抵抗が増大し、発熱量が増大する。しかしながら、図５に示したように、実際のリチウムイオン電池では、１Ｈｚ以下の低周波範囲において、リチウムイオン電池内部の化学反応等が生じるため、低温時の電池内部反応に伴う劣化が生じやすくなる。

よって、充放電制御部３は、周波数範囲１Ｈｚ〜６．５ｋＨｚに相当する０．１６ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃの周期で、リチウムイオン電池ユニット１から選択される、放電するリチウムイオン電池を順次切り替えることで、低温時の特に充電による電池劣化を抑制しつつ、昇温することができる。

この発明の実施の形態１０の構成によれば、回路部は、互いに直列に接続されたｎ個（ｎ≧３）のリチウムイオン電池からなるリチウムイオン電池ユニットの各リチウムイオン電池に設けられ、リチウムイオン電池からの放電電圧を、リチウムイオン電池ユニットの総電圧以上に昇圧し、充放電制御部は、リチウムイオン電池ユニットから放電するリチウムイオン電池である放電リチウムイオン電池を１個選択し、放電リチウムイオン電池からの放電電圧を、回路部により昇圧してリチウムイオン電池ユニット全体に供給するものであって、リチウムイオン電池ユニットから選択する放電リチウムイオン電池を順次切り替える。
これにより、充電電流を小さくして、充電電流増大によるリチウムイオン電池の劣化を抑制しつつ、リチウムイオン電池間で電力授受を繰り返し、リチウムイオン電池を電力ロスなく短時間で均等に昇温することができる。

なお、上記実施の形態１０に示した電池システムに、上記実施の形態９を適用して、放電リチウムイオン電池から放電されて回路部２１を通った放電電流により、回路部２１で発生した熱を、送風によって電池システムの周辺に配置された電装機器２０に伝達するファン９および送風路１１をさらに設けてもよい。

この発明に係る電池システムは、互いに直列に接続されたｎ個（ｎ≧３）のリチウムイオン電池からなるリチウムイオン電池ユニットと、リチウムイオン電池ユニットの各リチウムイオン電池に設けられ、リチウムイオン電池の電圧を、リチウムイオン電池ユニットの総電圧以上に昇圧する回路部と、リチウムイオン電池ユニットから放電するリチウムイオン電池である放電リチウムイオン電池を１個選択し、放電リチウムイオン電池の電圧を、回路部により昇圧してリチウムイオン電池ユニット全体に電力を供給する充放電制御部と、を備え、充放電制御部は、リチウムイオン電池ユニットから、最も温度の低いリチウムイオン電池を、放電リチウムイオン電池として選択し、放電リチウムイオン電池を繰り返し切り替えるものである。

Claims (3)

1. 互いに直列に接続されたｎ個（ｎ≧３）のリチウムイオン電池からなるリチウムイオン電池ユニットと、
   前記リチウムイオン電池ユニットの各前記リチウムイオン電池に設けられ、前記リチウムイオン電池からの放電電圧を、前記リチウムイオン電池ユニットの総電圧以上に昇圧する回路部と、
   前記リチウムイオン電池ユニットから放電する前記リチウムイオン電池である放電リチウムイオン電池を１個選択し、前記放電リチウムイオン電池からの放電電圧を、前記回路部により昇圧して前記リチウムイオン電池ユニット全体に供給する充放電制御部と、を備え、
   前記充放電制御部は、前記リチウムイオン電池ユニットから選択する前記放電リチウムイオン電池を順次切り替える
   電池システム。
2. 前記充放電制御部は、０．１６ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃの周期で、前記リチウムイオン電池ユニットから選択する前記放電リチウムイオン電池を切り替える
   請求項１に記載の電池システム。
3. 前記放電リチウムイオン電池から放電されて前記回路部を通った放電電流により、前記回路部で発生した熱を、送風によって前記電池システムの周辺に配置された電装機器に伝達するファンおよび送風路をさらに備えた
   請求項１または請求項２に記載の電池システム。

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