KR101358367B1 - 2차 전지의 승온 장치 및 그것을 구비하는 차량 - Google Patents

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Abstract

2차 전지(10)의 승온 장치는, 리플 생성 장치(20)와, 제어 장치(30)를 구비한다. 리플 생성 장치(20)는, 2차 전지(10)에 접속되어, 소정 주파수의 리플 전류(I)를 2차 전지(10)에 적극적으로 발생시키도록 구성된다. 제어 장치(30)는, 리플 전류(I)를 2차 전지(10)에 발생시킴으로써 2차 전지를 승온시키도록 리플 생성 장치(20)를 제어한다. 여기서, 소정 주파수는, 2차 전지(10)의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 임피던스의 절대값이 상대적으로 저하되는 주파수 영역의 주파수로 설정된다.

Description

2차 전지의 승온 장치 및 그것을 구비하는 차량{SECONDARY-BATTERY TEMPERATURE-RAISING APPARATUS AND VEHICLE HAVING SAME}
본 발명은, 2차 전지의 승온 장치 및 그것을 구비하는 차량에 관한 것으로서, 특히, 2차 전지의 내부 저항에 의한 발열을 이용하여 2차 전지를 승온시키는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 리튬 이온 전지로 대표되는 2차 전지는, 온도가 저하되면 충방전 특성이 저하된다. 예를 들어, 리튬 이온 전지에 있어서는, 저온시에 충전되면 부극(負極)에서 리튬(Li)의 석출이 발생하고, 그 결과, 전지의 용량이 저하되는 등의 성능 열화가 일어난다. 그래서, 전지의 온도가 낮은 경우에는, 조속히 전지를 승온시킬 필요가 있다.
일본 공개특허공보 평11-329516호(특허문헌 1)는, 전지의 승온 장치를 개시한다. 이 승온 장치에 있어서는, 인덕터와 커패시터와 교류 전원으로 이루어지는 직렬 회로를 전지의 양단에 접속하여 공진 회로를 구성한다. 그리고, 공진 회로의 공진 주파수의 교류 전압을 교류 전원으로부터 발생시킴으로써 전지를 승온시킨다.
이 승온 장치에 있어서는, 공진시에 대부분 전지의 내부 저항으로 전력이 소비되어, 자기 발열에 의해 전지를 승온시킨다. 따라서, 이 승온 장치에 의하면, 최소한의 전력 소비로 효과적으로 전지를 승온시킬 수 있다고 여겨진다(특허문헌 1 참조).
일본 공개특허공보 평11-329516호 일본 공개특허공보 제2007-12568호
2차 전지에 있어서는, 일반적으로, 안전성이나 내구성의 관점에서 전지의 상하한 전압을 지키는 것이 요구되는데, 저온 하에서는, 상온시와 비교하여 전지의 임피던스가 커지므로, 특히 극저온 하에서는, 전지의 임피던스가 커짐으로써, 전지의 상하한 전압을 지키면서 전지 내부에 발열을 위한 충분한 전류를 흐르게 할 수 없다는 사태가 발생할 수 있다.
또한, 상기의 일본 공개특허공보 평11-329516호에 개시되는 승온 장치에서는, 인덕터, 커패시터 및 교류 전원으로 이루어지는 공진 회로를 새롭게 설치할 필요가 있으므로, 장치의 소형화 및 저비용화도 저해된다.
그래서, 본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은, 2차 전지를 내부로부터 효과적으로 발열시킴으로써 2차 전지를 효과적으로 승온시킬 수 있는 2차 전지의 승온 장치 및 그것을 구비하는 차량을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 2차 전지를 내부로부터 효과적으로 발열시킴으로써 2차 전지를 효과적으로 승온시킬 수 있게 하면서, 장치의 소형화 및 저비용화를 저해하지 않는 2차 전지의 승온 장치 및 그것을 구비하는 차량을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 2차 전지의 승온 장치는, 리플 생성 장치와, 제어 장치를 구비한다. 리플 생성 장치는, 2차 전지에 접속되어, 소정 주파수의 리플 전류를 2차 전지에 적극적으로 발생시키도록 구성된다. 제어 장치는, 리플 전류를 2차 전지에 발생시킴으로써 2차 전지를 승온시키도록 리플 생성 장치를 제어한다. 여기서, 소정 주파수는, 2차 전지의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 임피던스의 절대값이 상대적으로 저하되는 주파수 영역의 주파수로 설정된다.
바람직하게는, 리플 생성 장치는, 2차 전지의 전압 이상으로 출력 전압을 승압할 수 있게 구성된 초퍼형의 승압 장치이다.
더욱 바람직하게는, 제어 장치는, 2차 전지의 승온이 요구되면, 승압 장치의 스위칭 주파수를 소정 주파수로 설정한다.
또한, 더욱 바람직하게는, 제어 장치는, 2차 전지의 승온이 요구되면, 승압 장치의 스위칭 주파수를 2차 전지의 비승온시보다 낮은 값으로 설정한다.
또한, 바람직하게는, 승압 장치는, 제1 및 제2 스위칭 소자와, 리액터를 포함한다. 제1 및 제2 스위칭 소자는, 전압 출력선쌍의 각각의 사이에 직렬로 접속된다. 리액터는, 소정의 인덕턴스를 가지고, 제1 및 제2 스위칭 소자의 접속 노드와 2차 전지의 정극(正極) 사이에 접속된다. 그리고, 제어 장치는, 2차 전지의 승온이 요구되면, 2차 전지의 임피던스의 주파수 특성과 2차 전지의 전압 제한에 의하여 리플 전류의 주파수마다 정해지는 2차 전지의 최대 통전량을 초과하지 않는 범위에서 리플 전류가 최대가 되도록 제1 및 제2 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 설정한다.
또한, 바람직하게는, 승압 장치는, 제1 및 제2 스위칭 소자와, 리액터를 포함한다. 제1 및 제2 스위칭 소자는, 전압 출력선쌍의 각각의 사이에 직렬로 접속된다. 리액터는, 소정의 인덕턴스를 가지고, 제1 및 제2 스위칭 소자의 접속 노드와 2차 전지의 정극 사이에 접속된다. 그리고, 2차 전지의 임피던스의 주파수 특성과 2차 전지의 전압 제한에 의하여 리플 전류의 주파수마다 정해지는 2차 전지의 발열량이 최대가 되도록, 리액터의 인덕턴스가 설정된다.
바람직하게는, 소정 주파수는, 2차 전지의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 대략 1kHz로 설정된다.
바람직하게는, 2차 전지는, 리튬 이온 전지이다. 그리고, 소정 주파수는, 리튬 이온 전지에 충전 전류가 흐를 때의 부극의 석출 저항과 부극의 전기 이중층 용량에 의하여 정해지는 시정수에 대응하는 주파수보다 높아지도록 설정된다.
또한, 바람직하게는, 2차 전지는, 리튬 이온 전지이다. 그리고, 제어 장치는, 리튬 이온 전지의 방전측에 리플 전류의 평균값이 오프셋된 리플 전류를 2차 전지에 발생시키도록 리플 생성 장치를 제어한다.
또한, 본 발명에 의하면, 2차 전지의 승온 장치는, 리플 생성 장치와, 제어 장치를 구비한다. 리플 생성 장치는, 2차 전지에 접속되어, 소정 주파수의 리플 전류를 2차 전지에 적극적으로 발생시키도록 구성된다. 제어 장치는, 리플 전류를 2차 전지에 발생시킴으로써 2차 전지를 승온시키도록 리플 생성 장치를 제어한다. 리플 생성 장치는, 2차 전지의 전압 이상으로 출력 전압을 승압할 수 있게 구성된 초퍼형의 승압 장치이다. 승압 장치는, 제1 및 제2 스위칭 소자와, 제1 및 제2 리액터와, 접속 장치를 포함한다. 제1 및 제2 스위칭 소자는, 전압 출력선쌍의 각각의 사이에 직렬로 접속된다. 제1 리액터는, 제1 및 제2 스위칭 소자의 접속 노드와 2차 전지의 정극 사이에 설치된다. 제2 리액터는, 제1 리액터에 병렬로 설치되고, 제1 리액터보다 인덕턴스가 작다. 접속 장치는, 2차 전지의 승온이 요구되면, 제1 리액터 대신에, 또는 제1 리액터와 함께, 접속 노드와 2차 전지의 정극 사이에 제2 리액터를 접속한다.
또한, 본 발명에 의하면, 차량은, 차량 주행용의 전력을 축적하는 2차 전지와, 2차 전지의 승온이 요구되면 2차 전지를 승온시키는, 상기 서술한 어느 하나의 2차 전지의 승온 장치를 구비한다.
본 발명에 있어서는, 리플 생성 장치에 의해 소정 주파수의 리플 전류를 2차 전지에 적극적으로 발생시킴으로써 2차 전지를 내부로부터 승온시킨다. 여기서, 특히 극저온 하에서는, 전지의 임피던스가 커짐으로써, 전지의 상하한 전압을 지키면서 전지 내부에 발열을 위한 충분한 전류를 흐르게 할 수 없다는 사태가 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명에 있어서는, 리플 전류의 주파수는, 2차 전지의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 임피던스의 절대값이 상대적으로 저하되는 주파수 영역의 주파수로 설정되므로, 극저온이라도, 전지의 상하한 전압을 지키면서 전지 내부에 발열을 위한 충분한 전류를 흐르게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 2차 전지를 내부로부터 효과적으로 발열시킴으로써 2차 전지를 효과적으로 승온시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 의한 2차 전지의 승온 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 2차 전지의 전압의 내역을 나타낸 도면이다.
도 3은 2차 전지의 임피던스 특성을 나타내는 나이퀴스트선도이다.
도 4는 2차 전지의 임피던스 특성(절대값)을 나타내는 보드 선도이다.
도 5는 2차 전지의 임피던스 특성(위상)을 나타내는 보드 선도이다.
도 6은 내부 저항에 발생하는 전압을 구속 조건으로 하여, 극저온시에 2차 전지에 흐르게 할 수 있는 리플 전류의 피크값을 나타낸 도면이다.
도 7은 내부 저항에 발생하는 전압을 구속 조건으로 하여, 극저온시에 2차 전지에 발생시킬 수 있는 평균 발열량을 나타낸 도면이다.
도 8은 내부 저항에 발생하는 전압을 구속 조건으로 하여, 극저온시에 있어서의 I0cosθ의 크기를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 1에 나타내는 리플 생성 장치의 회로 구성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 10은 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 11은 리플 전류의 거동을 나타낸 도면이다.
도 12는 2차 전지에 대한 전극/전해액 계면의 등가 회로도이다.
도 13은 부극의 임피던스의 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시형태 4에 의한 2차 전지의 승온 장치가 적용된 전동 차량의 전체 블록도이다.
도 15는 도 14에 나타낸 ECU의, 승압 컨버터의 제어에 관한 부분의 기능 블록도이다.
도 16은 ECU에 의해 실행되는 리플 승온의 처리 순서를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 17은 2차 전지의 리플 승온시에 있어서의 전류의 파형도이다.
도 18은 리플 전류의 다른 발생 방법을 나타낸 도면이다.
도 19는 발열량에 비례하는 전류(I0cosθ)를 나타낸 도 8에, 리플 전류의 피크값을 중첩시킨 도면이다.
도 20은 2차 전지에 발생시키는 리플 전류를 최대로 하기 위한, 리액터의 인덕턴스의 설계 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 실시형태 7에 있어서의 승압 컨버터의 회로도이다.
도 22는 실시형태 7의 변형예에 있어서의 승압 컨버터의 회로도이다.
도 23은 2차 전지의 임피던스 특성(절대값)을 나타내는 보드 선도이다.
도 24는 2차 전지의 임피던스 특성(위상)을 나타내는 보드 선도이다.
도 25는 2차 전지의 임피던스 특성을 나타내는 나이퀴스트선도의 원점 근방의 확대도이다.
도 26은 실시형태 8에 있어서의 2차 전지의 전극 구조의 특징 부분을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중 동일하거나 상당하는 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
[실시형태 1]
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 의한 2차 전지의 승온 장치의 전체 구성도이다. 도 1을 참조하여, 승온 장치는, 리플 생성 장치(20)와, 제어 장치(30)를 구비한다. 리플 생성 장치(20)는, 2차 전지(10)에 접속된다.
2차 전지(10)는, 리튬 이온 전지나 니켈 수소 전지 등으로 대표되는 재충전 가능한 전지이다. 2차 전지(10)는, 내부 저항(12)을 포함한다. 후술하는 바와 같이, 이 내부 저항(12)은, 온도 의존성을 가짐과 함께, 전지에 흐르는 전류의 주파수에 따라서도 크게 변화된다.
리플 생성 장치(20)는, 제어 장치(30)에 의해 제어되어, 소정 주파수의 리플 전류(I)를 2차 전지(10)에 적극적으로 발생시킨다. 예를 들어, 리플 생성 장치(20)를 구성하는 전력용 반도체 스위칭 소자를 온/오프시킴으로써 2차 전지(10)에 리플 전류(I)를 발생시키는 것이 가능하다. 리플 생성 장치(20)의 회로 구성에 대해서는, 이후에 일례를 들어 설명한다.
제어 장치(30)는, 리플 전류(I)를 2차 전지(10)에 발생시킴으로써 2차 전지(10)를 내부로부터 승온시키도록 리플 생성 장치(20)를 제어한다. 여기서, 제어 장치(30)는, 2차 전지(10)의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 2차 전지(10)의 임피던스의 절대값이 상대적으로 저하되는 주파수 영역의 리플 전류(I)를 2차 전지(10)에 발생시키도록 리플 생성 장치(20)를 제어한다.
이하, 2차 전지(10)에 리플 전류(I)를 적극적으로 발생시킴으로써 2차 전지(10)를 효과적으로 승온시키는 기술(이하, 이 승온을 「리플 승온」이라고도 칭한다)의 사고법에 대하여 자세하게 설명한다.
도 2는, 2차 전지(10)의 전압의 내역을 나타낸 도면이다. 또한, 이 도 2에서는, 간단히 하기 위해, 내부 저항은 실부(實部)만으로 하고, L, C 등에 의한 허부(虛部)는 없는 것으로 한다. 도 2를 참조하여, 2차 전지(10)의 단자 사이에 발생하는 전압(V)은, 개방 회로 전압(OCV)에, 통전시에 내부 저항(12)에 발생하는 전압(ΔV)을 고려한 것이 된다. 구체적으로는, 충전 전류가 흐를 때에는, V=OCV+ΔV가 되고, 방전 전류가 흐를 때에는, V=OCV-ΔV가 된다(ΔV>0).
현재, 2차 전지(10)에 전류(I)가 흘렀을 때의 발열량(Q)은, 내부 저항(12)의 저항값을 R로 하면, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
Q=I2×R … (1)
=I×ΔV … (2)
=ΔV2/R … (3)
이 (1)∼(3)식은 등가이다. (1)식에 의하면, 리플 생성 장치(20)를 사용하여 발생시키는 리플 전류(I)를 크게 하면, 2차 전지(10)를 효과적으로 승온시킬 수 있을 것처럼 보인다. 그러나, 실제로는, 상기 서술한 바와 같이, 2차 전지의 전압(V)에 대해, 안전성이나 내구성의 관점에서 상하한 전압을 지키는 것이 요구된다. 그리고, 특히 극저온 하에서는, 내부 저항(12)의 저항값(R)이 커짐으로써 전압(ΔV)이 커지므로, 2차 전지(10)의 전압(V)을 상하한 내로 억제하면서 발열을 위한 충분한 리플 전류(I)를 흐르게 할 수 없다는 사태가 발생할 수 있다.
즉, 내부 저항(12)의 저항값(R)이 커지는 저온 하(특히 극저온 하)에서는, 전압(ΔV)이 제약이 되어 2차 전지(10)가 리플 전류(I)를 흐르게 할 수 없어, 2차 전지(10)를 효과적으로 승온시킬 수 없다는 사태가 발생할 수 있다. 그래서, 본 발명에 있어서는, (3)식 및 2차 전지(10)의 임피던스의 주파수 특성에 착목하여, 2차 전지(10)의 임피던스[내부 저항(12)의 저항값(R)]의 절대값이 다른 주파수 영역에 비하여 상대적으로 작은 주파수 영역의 리플 전류를 리플 생성 장치(20)에 의해 발생시킨다. 이에 따라, 2차 전지(10)의 발열량(Q)이 커져, 2차 전지(10)를 효과적으로 승온시킬 수 있다.
도 3은, 2차 전지(10)의 임피던스 특성을 나타내는 나이퀴스트선도이다. 또한, 2차 전지의 전기적 특성을 해석하는 방법으로서, 전기 화학적 임피던스 분광법 「EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)라고도 칭해진다」이 알려져 있고, 이 나이퀴스트선도는, EIS를 이용하여 2차 전지(10)의 임피던스 특성을 복소 평면 상에 표시한 것이다.
도 3을 참조하여, 2차 전지(10)의 임피던스(Z)는, 다음 식으로 나타낼 수 있다.
Z=R1+iR2 … (4)
=|Z|ei θ … (5)
도 3에 있어서, 가로축은, 실수 성분(R1)을 나타내고, 세로축은, 허수 성분(R2)을 나타낸다. 또한, 세로축의 허수 성분(R2)에 대해서는, 도 3에 있어서 상방향을 마이너스로 하고, 하방향을 플러스로 하여 나타낸다. 그리고, 원점으로부터의 거리는, 임피던스(Z)의 크기를 나타내는 절대값 |Z|를 나타내고, 가로축(실수축)과 이루는 각은, 임피던스(Z)의 위상(θ)을 나타낸다.
또한, 도 4, 도 5는, 2차 전지(10)의 임피던스 특성을 나타내는 보드 선도이다. 이 보드 선도도, EIS를 이용하여 2차 전지(10)의 임피던스 특성을 표시한 것이다. 도 4는, 임피던스(Z)의 절대값 |Z|의 주파수 특성을 나타내고, 도 5는, 임피던스(Z)의 위상(θ)의 주파수 특성을 나타낸다.
도 4, 도 5에 있어서, 가로축은, 2차 전지(10)에 발생시키는 교류 전류(리플 전류)의 주파수를 대수(對數) 표시로 나타낸다. 세로축은, 도 4에 있어서는 임피던스(Z)의 절대값 |Z|를 대수 표시로 나타내고, 도 5에 있어서는 임피던스(Z)의 위상(θ)을 나타낸다.
도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(10)의 승온이 요구되는 저온 하에서는, 임피던스(Z)의 절대값 |Z|는 비저온시에 비하여 커지지만, 그러한 증대가 현저한 것은, 리플 전류의 주파수가 저주파인 경우이다. 특히, 주파수가 1kHz 근방에서는, 임피던스(Z)의 절대값 |Z|는, 다른 주파수 영역에 비하여 작고, 또한, 극저온 하에서도 비저온시(상온시)의 불과 3배 정도로밖에 되지 않는다(도 4의 A부). 또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 그 주파수 영역에서는, 임피던스(Z)의 위상(θ)도 0 근방이므로, 역률이 1이 되어 효율도 좋다.
그래서, 본 실시형태 1에 있어서는, 이 2차 전지(10)의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 2차 전지(10)의 임피던스(Z)의 절대값 |Z|가 상대적으로 저하되는 주파수 영역(본 실시형태 1에서는 대략 1kHz)의 리플 전류를 리플 생성 장치(20)에 의해 발생시키는 것으로 한 것이다. 이에 따라, 2차 전지(10)의 내부 저항(12)에 발생하는 전압(ΔV)의 제약을 지키면서 2차 전지(10)에 리플 전류를 효과적으로 흐르게 할 수 있고, 그 결과, 2차 전지(10)가 효과적으로 승온된다.
도 6은, 2차 전지(10)의 내부 저항(12)에 발생하는 전압(ΔV)을 구속 조건으로 하여, 극저온시에 2차 전지(10)에 흐르게 할 수 있는 리플 전류의 피크값(I0)을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하여, 가로축은, 리플 전류의 주파수를 나타내고, 세로축은, 전압(ΔV)의 구속 조건 하에서 2차 전지(10)를 흐르게 할 수 있는 리플 전류(정현파를 가정)의 피크값(I0)을 나타낸다. 또한, 여기서는, 일례로서, 전압 ΔV=0.5V, 2차 전지(10)의 온도 T=-30℃(극저온)인 경우를 나타낸다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(10)의 임피던스의 절대값이 상대적으로 작아지는 주파수 영역(1kHz 근방)에 있어서, 2차 전지(10)에 흐르게 할 수 있는 전류는 증대된다. 저주파시나 직류시에 있어서는, 전압 ΔV=0.5V라는 구속 조건을 부여하면, 2차 전지(10)에는 거의 전류를 흐르게 할 수 없어, 2차 전지를 승온시킬 수 없다.
또한, 도 7은, 2차 전지(10)의 내부 저항(12)에 발생하는 전압(ΔV)을 구속 조건으로 하여, 극저온시에 2차 전지(10)에 발생시킬 수 있는 평균 발열량을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하여, 가로축은, 리플 전류의 주파수를 나타내고, 세로축은, 리플 1주기에 있어서의 2차 전지(10)의 평균 발열량을 나타낸다. 또한, 여기서도, 일례로서, 전압 ΔV=0.5V, 2차 전지(10)의 온도 T=-30℃(극저온)인 경우를 나타낸다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(10)의 임피던스의 절대값이 상대적으로 작아지는 주파수 영역(1kHz 근방)에 있어서, 2차 전지(10)의 발열량은 증대된다. 저주파시나 직류시에 있어서는, 전압 ΔV=0.5V라는 구속 조건을 부여하면, 2차 전지(10)에는 거의 전류를 흐르게 할 수 없어, 2차 전지를 승온시킬 수 없다.
또한, 도 8은, 2차 전지(10)의 내부 저항(12)에 발생하는 전압(ΔV)을 구속 조건으로 하여, 극저온시에 있어서의 I0cosθ의 크기를 나타낸 도면이다. 여기서, 발열량(Q)은, I0×|ΔV|×cosθ에 비례하므로, 전압(ΔV)을 일정하게 하면, I0cosθ는 발열량(Q)에 비례하는 값이다. 또한, 여기서도, 일례로서, 전압 ΔV=0.5V, 2차 전지(10)의 온도 T=-30℃(극저온)인 경우를 나타내고 있다.
도 8을 참조하여, 2차 전지(10)의 임피던스의 절대값이 상대적으로 작아지는 주파수 영역(1kHz 근방)에 있어서, I0cosθ는 커진다. 따라서, I0cosθ가 최대가 되는 주파수의 리플 전류를 2차 전지(10)에 발생시키면, 2차 전지(10)의 발열량(Q)을 최대로 할 수 있다.
이와 같이, 2차 전지(10)의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 2차 전지(10)의 임피던스의 절대값이 상대적으로 저하되는 주파수 영역(본 실시형태 1에서는, 예를 들어 1kHz 근방)의 리플 전류를 리플 생성 장치(20)에 의해 발생시킨다. 이에 따라, 2차 전지(10)의 발열량(Q)을 크게 할 수 있어, 2차 전지(10)를 효과적으로 승온시킬 수 있다.
다음으로, 도 1에 나타낸 리플 생성 장치(20) 및 제어 장치(30)의 구체적인 구성의 일례에 대하여 설명한다.
도 9는, 도 1에 나타낸 리플 생성 장치(20)의 회로 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하여, 리플 생성 장치(20)는, 전력용 반도체 스위칭 소자(이하, 간단히 「스위칭 소자」라고도 칭한다)(Q1, Q2)와, 다이오드(D1, D2)와, 리액터(L1)와, 콘덴서(CH)를 포함한다.
스위칭 소자(Q1, Q2)는, 정극선(PL2)과 2차 전지(10)의 부극에 접속되는 부극선(NL) 사이에 직렬로 접속된다. 그리고, 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터가 정극선(PL2)에 접속되고, 스위칭 소자(Q2)의 에미터가 부극선(NL)에 접속된다. 다이오드(D1, D2)는, 각각 스위칭 소자(Q1, Q2)에 역병렬로 접속된다. 리액터(L1)의 일방단은, 2차 전지(10)의 정극에 접속되는 정극선(PL1)에 접속되고, 타방단은, 스위칭 소자(Q1, Q2)의 접속 노드(ND)에 접속된다. 콘덴서(CH)는, 정극선(PL2)과 부극선(NL) 사이에 접속된다.
또한, 상기의 스위칭 소자(Q1, Q2)로서, 예를 들어, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 전력용 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터 등을 사용할 수 있다.
이 리플 생성 장치(20)는, 제어 장치(30)로부터의 제어 신호(PWMC)에 따라 스위칭 소자(Q1, Q2)가 상보적으로 온/오프됨으로써, 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수에 따른 리플 전류(IB)를 2차 전지(10)에 발생시킨다. 구체적으로는, 2차 전지(10)가 충전되는 방향의 리플 전류(IB)를 정(正)으로 하면, 스위칭 소자(Q1, Q2)가 각각 오프, 온 상태일 때, 리플 전류(IB)는, 부(負)방향으로 증가한다. 리플 전류(IB)가 부(負)가 되고, 그 후, 스위칭 소자(Q1, Q2)가 각각 온, 오프 상태로 전환되면, 리플 전류(IB)는, 정(正)방향으로 증가하기 시작한다. 그리고, 리플 전류(IB)가 정이 되고, 그 후, 스위칭 소자(Q1, Q2)가 각각 오프, 온 상태로 다시 전환되면, 리플 전류(IB)는, 부방향으로 증가하기 시작한다. 이와 같이 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수에 따른 리플 전류(IB)를 2차 전지(10)에 발생시킬 수 있다.
도 10은, 제어 장치(30)의 기능 블록도이다. 도 10을 참조하여, 제어 장치(30)는, 리플 주파수 설정부(32)와, 캐리어 생성부(34)와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호 생성부(36)를 포함한다. 리플 주파수 설정부(32)는, 리플 생성 장치(20)의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수, 즉 2차 전지(10)에 발생시키는 리플 전류의 주파수(이하 「리플 주파수」라고도 칭한다)(f)를 설정한다. 구체적으로는, 리플 주파수 설정부(32)는, 도 3∼도 5에 나타낸 2차 전지(10)의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 2차 전지(10)의 임피던스의 절대값이 상대적으로 작은 주파수(예를 들어 1kHz 근방)를 리플 주파수(f)로서 설정하고, 그 설정한 리플 주파수(f)를 캐리어 생성부(34)로 출력한다.
캐리어 생성부(34)는, 리플 주파수 설정부(32)로부터 받는 리플 주파수(f)를 가지는 캐리어 신호(CR)(삼각파)를 생성하고, 그 생성한 캐리어 신호(CR)를 PWM 신호 생성부(36)로 출력한다.
PWM 신호 생성부(36)는, 소정의 듀티 지령값(d)(0.5로 한다)을, 캐리어 생성부(34)로부터 받는 캐리어 신호(CR)와 대소 비교하고, 그 비교 결과에 따라 논리 상태가 변화되는 PWM 신호를 생성한다. 그리고, PWM 신호 생성부(36)는, 그 생성된 PWM 신호를 제어 신호(PWMC)로서 리플 생성 장치(20)의 스위칭 소자(Q1, Q2)로 출력한다.
도 11은, 리플 전류(IB)의 거동을 나타낸 도면이다. 도 11을 참조하여, 예를 들어 시각 t1에 있어서, 캐리어 신호(CR)가 듀티 지령값(d)(=0.5)보다 커지면, 상(上)아암의 스위칭 소자(Q1)가 오프되고, 하(下)아암의 스위칭 소자(Q2)가 온된다. 그러면, 리플 전류(IB)(도 9)는, 부방향으로의 증가로 바뀌고, 리액터(L1)(도 9)에 축적되어 있던 에너지가 방출된 타이밍에서 리플 전류(IB)의 부호가 정에서 부로 전환된다.
시각 t2에 있어서 캐리어 신호(CR)가 듀티 지령값(d)보다 작아지면, 상아암의 스위칭 소자(Q1)가 온되고, 하아암의 스위칭 소자(Q2)가 오프된다. 그러면, 리플 전류(IB)는, 정방향으로의 증가로 바뀌고, 리액터(L1)에 축적되어 있던 에너지가 방출된 타이밍에서 리플 전류(IB)의 부호가 부에서 정으로 전환된다.
그리고, 시각 t3에 있어서 다시 캐리어 신호(CR)가 듀티 지령값(d)보다 커지면, 스위칭 소자(Q1, Q2)가 각각 오프, 온되고, 리플 전류(IB)는, 다시 부방향으로의 증가로 바뀐다.
이와 같이 하여, 캐리어 신호(CR)의 주파수, 즉, 리플 주파수(f)를 가지는 리플 전류(IB)를 2차 전지(10)에 발생시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태 1에 있어서는, 리플 생성 장치(20)에 의해 리플 전류를 2차 전지(10)에 적극적으로 발생시킴으로써 2차 전지(10)를 내부로부터 승온시킨다. 여기서, 리플 주파수는, 2차 전지(10)의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 임피던스의 절대값이 상대적으로 저하되는 주파수 영역의 주파수로 설정되므로(예를 들어 1kHz 근방), 극저온이라도, 전지의 상하한 전압을 지키면서 전지 내부에 발열을 위한 충분한 전류를 흐르게 할 수 있다. 따라서, 본 실시형태 1에 의하면, 2차 전지(10)를 내부로부터 효과적으로 발열시킴으로써 2차 전지(10)를 효과적으로 승온시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태 1에 의하면, 도 9에 나타낸 회로에 의해 리플 생성 장치(20)가 실현되는 경우에는, 2차 전지(10)를 승온시키기 위한 에너지원은 2차 전지(10)뿐이므로(별도의 전원은 불필요), 효율적으로 2차 전지(10)를 승온시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태 1에 의하면, 2차 전지(10)의 내부 저항의 발열을 이용하여 2차 전지(10)의 내부로부터 발열되므로, 히터 등을 사용하여 전지 외부로부터 가열하는 경우에 발생할 수 있는 가열 불균일은 발생하지 않는다. 또한, 전지의 내부 저항은 저온일수록 크고, 직렬 접속된 셀 중 저온의 셀일수록 발열량이 크므로, 전지를 균일하게 승온시킬 수 있다.
[실시형태 2]
본 실시형태 2에서는, 2차 전지(10)가 리튬 이온 전지이고, 충전 방향의 리플 전류에 의해 부극에서의 리튬(Li)의 석출이 문제가 되는 경우에 있어서, Li 석출의 발생을 회피하는 리플 주파수가 설정된다. 이하, 본 실시형태 2에 있어서의 리플 주파수의 사고법에 대하여 설명한다.
도 12는, 2차 전지(10)에 대한 전극/전해액 계면의 등가 회로도이다. 도 12를 참조하여, 2차 전지(10)의 내부 저항은, 주로, 부극 석출 저항(R1-)과, 부극 반응 저항(R2-)과, 부극 전기 이중층 용량(C-)과, 정극 반응 저항(R+)과, 정극 전기 이중층 용량(C+)과, 전해액 저항(Rsol)으로 이루어진다.
부극 석출 저항(R1-)은, 충전시에 있어서의 부극(44)에서의 전하 이동 저항이다. 부극 반응 저항(R2-)은, 방전시에 있어서의 부극(44)에서의 전하 이동 저항이다. 부극 전기 이중층 용량(C-)은, 부극(44)과 전해액의 계면에 형성되는 전기 이중층의 용량이다. 정극 반응 저항(R+)은, 정극(42)측의 전하 이동 저항이다. 정극 전기 이중층 용량(C+)은, 정극(42)과 전해액의 계면에 형성되는 전기 이중층의 용량이다. 전해액 저항(Rsol)은, 전해액의 저항이나 집전박 등의 금속 저항 등이다. 또한, 부극(44)에는, 예를 들어 카본계나 주석 합금계의 재료가 사용된다.
충전시에 부극 석출 저항(R1-)에 전류가 흐름으로써 Li의 석출이 발생한다. 한편, 2차 전지(10)에 발생시키는 리플 전류가 고주파이면, 전류는, 부극 전기 이중층 용량(C-)으로 흐르고, 부극 석출 저항(R1-)에는 거의 흐르지 않는다. 그래서, 본 실시형태 2에서는, 부극 석출 저항(R1-)과 부극 전기 이중층 용량(C-)으로 이루어지는 RC 회로의 시정수에 대응하는 주파수보다 높아지도록 리플 주파수를 설정함으로써, 부극(44)에 있어서의 Li 석출의 발생을 회피한다.
또한, 부극 석출 저항(R1-) 및 부극 전기 이중층 용량(C-)에 대해서는, 예를 들어 이하와 같이 하여 측정할 수 있다. 즉, 도 13에 나타내는 바와 같이, 정극(42)과 부극(44) 사이에 참조극(46)을 형성하고, 정극(42) 및 부극(44) 사이에 전류를 흐르게 하였을 때의 부극(44) 및 참조극(46) 사이의 임피던스를 측정한다. 그리고, 그 측정 결과를 도 3에 나타낸 나이퀴스트선도로 나타냈을 때, 반원부의 직경이 부극 석출 저항(R1-)이고, 반원부의 정점에 있어서 (부극 석출 저항 R1-)×(부극 전기 이중층 용량 C-)=1/2πf(f는 주파수)의 관계가 성립되는 것을 이용하여 부극 전기 이중층 용량(C-)을 구할 수 있다. 또한, 부극(44)에 리튬 금속을 사용하면 부극(44)에서는 석출 반응밖에 일어나지 않으므로, 부극(44)에 리튬 금속을 사용함으로써 부극 석출 저항(R1-)을 측정할 수 있다.
또는, 2차 전지(10)를 분해하고, 정극(42) 대신에 부극(44)을 형성하여 집전 단자 사이에서 임피던스를 측정해도 된다. 이 경우에 있어서도, 상기 서술한 바와 같이, 양 집전 단자에 리튬 금속을 사용함으로써 부극 석출 저항(R1-)을 산출하는 것이 가능하다.
이상과 같이, 본 실시형태 2에 있어서는, 부극 석출 저항(R1-)과 부극 전기 이중층 용량(C-)으로 이루어지는 RC 회로의 시정수에 대응하는 주파수보다 높아지도록 리플 주파수가 설정된다. 따라서, 본 실시형태 2에 의하면, 부극에서의 Li 석출의 발생을 회피할 수 있다.
[실시형태 3]
본 실시형태 3에서는, 2차 전지(10)가 리튬 이온 전지이고, 충전 방향의 리플 전류에 의해 부극에서의 리튬(Li)의 석출이 문제가 되는 경우, 리플 전류의 평균값이 방전측에 오프셋되도록 리플 전류를 발생시킨다.
구체적인 방법으로는, 다시 도 9∼도 11을 참조하여, 예를 들어, 도 9에 나타낸 회로에 의해 리플 생성 장치(20)가 실현되는 경우, 리플 승온시의 듀티 지령값(d)을 0.5보다 작은 값으로 설정해도 된다. 또는, 도 9에 나타낸 회로에 의해 리플 생성 장치(20)가 실현되는 경우, 리플 승온에 필요한 에너지원은 2차 전지(10)뿐이다. 그래서, 리플 승온시의 듀티 지령값(d)을 0.5로 설정해도, 리플 생성 장치(20)에 있어서의 손실분만큼 리플 전류는 방전측에 오프셋되므로, 이것을 이용해도 된다.
이상과 같이, 본 실시형태 3에 의해서도, 부극에서의 Li 석출의 발생을 회피할 수 있다.
[실시형태 4]
본 실시형태 4에서는, 본 발명에 의한 2차 전지의 승온 장치가 전동 차량에 적용된다.
도 14는, 본 발명의 실시형태 4에 의한 2차 전지의 승온 장치가 적용된 전동 차량의 전체 블록도이다. 도 14를 참조하여, 전동 차량(100)은, 2차 전지(10)와, 승압 컨버터(22)와, 콘덴서(CH)와, 인버터(50)와, 모터 제너레이터(60)와, 구동륜(65)을 구비한다. 또한, 전동 차량(100)은, ECU(Electronic Control Unit)(70)와, 온도 센서(82)와, 전류 센서(84)와, 전압 센서(86, 88)를 더 구비한다.
승압 컨버터(22)는, ECU(70)로부터의 제어 신호(PWMC)에 기초하여, 정극선(PL2) 및 부극선(NL) 사이의 전압(이하 「시스템 전압」이라고도 칭한다)을 2차 전지(10)의 출력 전압 이상으로 승압할 수 있다. 또한, 시스템 전압이 목표 전압보다 낮은 경우, 스위칭 소자(Q2)의 온 듀티를 크게 함으로써 정극선(PL1)으로부터 정극선(PL2)으로 전류를 흐르게 할 수 있어, 시스템 전압을 상승시킬 수 있다. 한편, 시스템 전압이 목표 전압보다 높은 경우, 스위칭 소자(Q1)의 온 듀티를 크게 함으로써 정극선(PL2)으로부터 정극선(PL1)으로 전류를 흐르게 할 수 있어, 시스템 전압을 저하시킬 수 있다.
또한, 승압 컨버터(22)는, 콘덴서(CH)와 함께, 도 9에 나타낸 리플 생성 장치(20)를 형성한다. 그리고, 소정의 리플 승온 개시 조건이 성립하면, 승압 컨버터(22)는, ECU(70)로부터의 제어 신호(PWMC)에 기초하여 스위칭 소자(Q1, Q2)를 온/오프시킴으로써, 2차 전지(10)에 리플 전류를 발생시킨다.
콘덴서(CH)는, 정극선(PL2) 및 부극선(NL) 사이의 전압을 평활화한다. 또한, 콘덴서(CH)는, 2차 전지(10)의 리플 승온의 실행시, 2차 전지(10)로부터 방전되는 전력을 일시적으로 축적하는 전력 버퍼로서 사용된다.
인버터(50)는, ECU(70)로부터의 제어 신호(PWMI)에 기초하여, 정극선(PL2) 및 부극선(NL)으로부터 공급되는 직류 전력을 3상 교류로 변환하여 모터 제너레이터(60)로 출력하여, 모터 제너레이터(60)를 구동한다. 또한, 인버터(50)는, 차량의 제동시, 모터 제너레이터(60)에 의해 발전된 3상 교류 전력을 제어 신호(PWMI)에 기초하여 직류로 변환하고, 정극선(PL2) 및 부극선(NL)으로 출력한다.
모터 제너레이터(60)는, 교류 전동기이며, 예를 들어, 영구 자석이 매설된 로터를 구비하는 3상 교류 전동기이다. 모터 제너레이터(60)는, 구동륜(65)에 기계적으로 연결되어, 차량을 구동하기 위한 토크를 발생시킨다. 또한, 모터 제너레이터(60)는, 차량의 제동시, 차량의 운동 에너지를 구동륜(65)으로부터 받아 발전시킨다.
온도 센서(82)는, 2차 전지(10)의 온도(TB)를 검출하고, 그 검출값을 ECU(70)로 출력한다. 전류 센서(84)는, 2차 전지(10)에 대하여 입출력되는 전류(IB)를 검출하고, 그 검출값을 ECU(70)로 출력한다. 전압 센서(86)는, 2차 전지(10)의 출력 전압에 상당하는, 정극선(PL1) 및 부극선(NL) 사이의 전압(VB)을 검출하고, 그 검출값을 ECU(70)로 출력한다. 전압 센서(88)는, 정극선(PL2) 및 부극선(NL) 사이의 전압(VH)을 검출하고, 그 검출값을 ECU(70)로 출력한다.
ECU(70)는, 전압 센서(86, 88)로부터의 전압(VB, VH)의 각 검출값에 기초하여, 승압 컨버터(22)를 구동하기 위한 제어 신호(PWMC)를 생성하고, 그 생성한 제어 신호(PWMC)를 승압 컨버터(22)로 출력한다.
또한, ECU(70)는, 온도 센서(82)로부터의 온도(TB), 2차 전지(10)의 잔존 용량(이하 「SOC(State Of Charge)」라고도 칭한다), 차량의 속도를 나타내는 차속 신호(VS), 도시되지 않은 시프트 레버의 시프트 위치를 나타내는 시프트 위치 신호(SP) 등에 기초하여, 2차 전지(10)의 리플 승온의 실행 조건이 성립하였는지의 여부를 판정한다. 리플 승온의 실행 조건이 성립하면, ECU(70)는, 2차 전지(10)의 임피던스의 절대값이 상대적으로 작은 주파수 영역(예를 들어 1kHz 근방)의 리플 전류를 2차 전지(10)에 발생시키기 위한 제어 신호(PWMC)를 생성하고, 그 생성한 제어 신호(PWMC)를 승압 컨버터(22)로 출력한다.
또한, ECU(70)는, 모터 제너레이터(60)를 구동하기 위한 제어 신호(PWMI)를 생성하고, 그 생성한 제어 신호(PWMI)를 인버터(50)로 출력한다.
도 15는, 도 14에 나타낸 ECU(70)의, 승압 컨버터(22)의 제어에 관한 부분의 기능 블록도이다. 도 15를 참조하여, ECU(70)는, 전압 지령 생성부(110)와, 전압 제어부(112)와, 듀티 지령 생성부(114)와, PWM 신호 생성부(116)와, 리플 승온 조건 판정부(118)와, 리플 주파수 설정부(120)와, 캐리어 생성부(122)를 포함한다.
전압 지령 생성부(110)는, 승압 컨버터(22)에 의해 조정되는 전압(VH)의 목표값을 나타내는 전압 지령값(VR)을 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(110)는, 모터 제너레이터(60)의 토크 지령값 및 모터 회전수로부터 산출되는 모터 제너레이터(60)의 파워에 기초하여 전압 지령값(VR)을 생성한다.
전압 제어부(112)는, 전압 지령 생성부(110)로부터 전압 지령값(VR)을 받고, 전압 센서(88, 86)로부터 각각 전압(VH, VB)의 검출값을 받는다. 그리고, 전압 제어부(112)는, 전압(VH)을 전압 지령값(VR)에 일치시키기 위한 제어 연산(예를 들어 비례 적분 제어)을 실행한다.
듀티 지령 생성부(114)는, 전압 제어부(112)로부터의 제어 출력에 기초하여, 승압 컨버터(22)의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 듀티를 나타내는 듀티 지령값(d)을 생성한다. 여기서, 듀티 지령 생성부(114)는, 2차 전지(10)의 리플 승온을 실행한다는 취지의 통지를 리플 승온 조건 판정부(118)로부터 받으면, 전압 제어부(112)로부터의 제어 출력에 상관없이, 듀티 지령값(d)을 리플 승온용의 소정값(예를 들어 0.5(승압비 2))으로 한다.
PWM 신호 생성부(116)는, 듀티 지령 생성부(114)로부터 받는 듀티 지령값(d)을, 캐리어 생성부(122)로부터 받는 캐리어 신호(CR)와 대소 비교하고, 그 비교 결과에 따라 논리 상태가 변화하는 제어 신호(PWMC)를 생성한다. 그리고, PWM 신호 생성부(116)는, 그 생성된 제어 신호(PWMC)를 승압 컨버터(22)의 스위칭 소자(Q1, Q2)로 출력한다.
리플 승온 조건 판정부(118)는, 온도 센서(82)에 의해 검출되는 온도(TB), 2차 전지(10)의 SOC, 차속 신호(VS) 및 시프트 위치 신호(SP)를 받는다. 또한, 2차 전지(10)의 SOC는, 다양한 공지된 방법을 이용하여, 전류(IB) 및 전압(VB)의 각 검출값 등에 기초하여 산출된다. 그리고, 리플 승온 조건 판정부(118)는, 그들의 각 신호에 기초하여, 2차 전지(10)의 리플 승온의 실행 조건, 보다 상세하게는, 개시 조건, 계속 조건 및 종료 조건을 판정하고, 그들의 판정 결과에 기초하여, 리플 승온을 실행할지의 여부를 듀티 지령 생성부(114) 및 리플 주파수 설정부(120)에 통지한다.
리플 주파수 설정부(120)는, 2차 전지(10)의 리플 승온을 실행한다는 취지의 통지를 리플 승온 조건 판정부(118)로부터 받으면, 리플 주파수(f)(실시형태 1, 2에서 설명한 주파수)를 캐리어 생성부(122)로 출력한다.
캐리어 생성부(122)는, PWM 신호 생성부(116)에 있어서 PWM 신호를 생성하기 위한 캐리어 신호(CR)(삼각파)를 생성하고, 그 생성한 캐리어 신호(CR)를 PWM 신호 생성부(116)로 출력한다. 여기서, 캐리어 생성부(122)는, 리플 주파수 설정부(120)로부터 리플 주파수(f)를 받으면, 그 받은 리플 주파수(f)를 가지는 캐리어 신호(CR)를 생성하여 PWM 신호 생성부(116)로 출력한다.
도 16은, ECU(70)에 의해 실행되는 리플 승온의 처리 순서를 설명하기 위한 플로우차트이다. 또한, 이 플로우차트에 나타내는 처리는, 일정 시간마다 또는 소정의 조건이 성립할 때마다 메인 루틴으로부터 호출되어 실행된다.
도 16을 참조하여, ECU(70)는, 2차 전지(10)의 온도(TB), SOC, 차속 신호(VS), 시프트 위치 신호(SP) 등에 기초하여, 리플 승온의 개시 조건이 성립하고 있는지의 여부를 판정한다(단계 S10). 일례로서, 온도(TB)가 극저온을 나타내고, SOC가 소정값보다 높고, 차속 신호(VS)가 차량의 정지를 나타내고, 또한, 시프트 위치 신호(SP)가 파킹 포지션을 나타내고 있을 때, 리플 승온의 개시 조건이 성립하고 있는 것으로 판정된다.
단계 S10에서 개시 조건이 성립하고 있다고 판정되면(단계 S10에서 YES), ECU(70)는, 상기 서술한 방법에 의해 리플 승온을 실행한다(단계 S20). 이어서, ECU(70)는, 리플 승온이 개시되고 나서의 시간이나, 2차 전지(10)의 온도(TB), SOC, 차속 신호(VS), 시프트 위치 신호(SP) 등에 기초하여, 리플 승온의 계속 조건이 성립하고 있는지의 여부를 판정한다(단계 S30). 일례로서, 온도(TB)가 소정의 승온 종료 온도보다 낮고, SOC가 소정값보다 높고, 차속 신호(VS)가 차량의 정지를 나타내고, 시프트 위치 신호(SP)가 파킹 포지션을 나타내고, 또한, 리플 승온이 개시되고 나서의 시간이 소정 시간을 경과하고 있지 않으면, 리플 승온의 계속 조건이 성립하고 있는 것으로 판정된다. 그리고, 계속 조건이 성립하고 있다고 판정되면(단계 S30에서 YES), 단계 S20으로 처리가 이행되어, 리플 승온이 계속된다.
단계 S30에서 계속 조건이 불성립이라고 판정되면(단계 S30에서 NO), ECU(70)는, 리플 승온을 종료한다(단계 S40). 이어서, ECU(70)는, 2차 전지(10)의 온도(TB), SOC 등에 기초하여, 리플 승온의 종료 조건을 판정한다(단계 S50). 일례로서, 온도(TB)가 소정의 승온 종료 온도를 초과하거나, SOC가 하한값을 하회하면, 종료 조건이 성립하고 있는 것으로 판정된다.
단계 S50에서 종료 조건이 성립하고 있는 것으로 판정되면(단계 S50에서 YES), 일련의 처리가 종료된다. 한편, 단계 S50에서 종료 조건이 불성립이라고 판정되면(단계 S50에서 NO), 경보를 출력함과 함께, 소정의 이상 판정 처리를 실행한다(단계 S60).
도 17은, 2차 전지(10)의 리플 승온시에 있어서의 전류(IB)의 파형도이다. 또한, 2차 전지(10)로 충전 전류가 흐를 때, 전류(IB)를 정(正)으로 한다. 도 17을 참조하여, 리플 승온시, 승압 컨버터(22)의 캐리어 주파수(fCR)는, 리플 주파수(f)(1kHz로 한다)로 설정되므로, 전류(IB)는 리플 주파수(f)에서 변동한다.
또한, 리플 전류를 생성하기 위한 에너지원은 2차 전지(10)뿐이므로, 승압 컨버터(22)에서의 손실 등에 의해 전류(IB)는 부방향(방전 방향)으로 오프셋된다. 이에 따라, 2차 전지(10)가 리튬 이온 전지인 경우에는, 리플 승온에 수반하는 부극에서의 Li 석출의 발생이 회피된다.
또한, 승압 컨버터(22)의 통상적인 승압 동작시[비(非)리플 승온시]에 있어서의 스위칭 주파수는, 수kHz∼10kHz 정도인 반면, 리플 승온시의 리플 주파수(f)는 1kHz 정도로서, 상기 통상 동작시의 스위칭 주파수보다 낮다. 즉, ECU(70)는, 리플 승온시, 승압 컨버터(22)의 스위칭 주파수(혹은 캐리어 주파수)를 통상 동작시(비리플 승온시)보다 낮게 설정한다.
또한, 상기에 있어서는, 승압 컨버터(22)의 캐리어 주파수(fCR)를 리플 주파수(f)로 변경함으로써 리플 전류를 발생시키는 것으로 하였으나, 캐리어 주파수(fCR)는 변경하지 않고(예를 들어 10kHz), 리플 주파수(f)에서 교류 변화하는 전류 지령을 줌으로써, 도 18에 나타내는 리플 전류를 발생시켜도 된다.
이상과 같이, 본 실시형태 4에 있어서는, 승압 컨버터(22)를 이용하여 2차 전지(10)의 리플 승온이 실행된다. 따라서, 본 실시형태 4에 의하면, 2차 전지(10)를 내부로부터 효과적으로 발열시킴으로써 2차 전지(10)를 효과적으로 승온시킬 수 있게 하면서, 차량 구동 장치 및 차량 자체의 소형화 및 저비용화를 저해하지 않는 2차 전지(10)의 승온 장치를 실현할 수 있다.
[실시형태 5]
다시 도 14를 참조하여, 승압 컨버터(22)를 사용하여 2차 전지(10)의 리플 승온을 행하는 경우, 스위칭 소자(Q1, Q2)의 듀티비를 0.5(승압비 2)로 하면, 발생하는 리플 전류(삼각파)의 피크값(Ip)은, 다음 식으로 나타낸다.
Ip=VB/L×1/(4×f) … (6)
여기서, L은 리액터(L1)의 인덕턴스를 나타내고, f는 승압 컨버터(22)의 스위칭 주파수(=리플 주파수, 캐리어 주파수)를 나타낸다.
도 19는, 발열량에 비례하는 전류(I0cosθ)를 나타낸 도 8에, 리플 전류의 피크값(Ip)을 중첩시킨 도면이다. 도 19를 참조하여, 곡선 k1은, 발열량에 비례하는 전류(I0cosθ)를 나타내고, 곡선 k2은, (6)식으로 나타내는 피크값(Ip)을 나타낸다. 즉, 곡선 k1은, 2차 전지(10)로부터 본 최대 전류를 나타내고, 곡선 k2는, 리액터(L1)로부터 본 최대 전류를 나타낸다. 전류의 크기가 곡선 k1을 초과하면, 상하한 전압을 초과하는 전압이 발생하므로, 곡선 k1을 초과하는 전류를 흐르게 할 수는 없다. 한편, 리액터(L1)에 흐르게 할 수 있는 전류는, 곡선 k2로 나타낸다. 그래서, 곡선 k1, k2의 교점(P1)에 상당하는 리플 주파수를 선정함으로써, 2차 전지(10)의 상하한 전압을 지키면서 2차 전지(10)의 발열량을 최대로 할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태 5에 의하면, 이미 설치한 승압 컨버터(22)를 사용한 경우에, 리플 승온에 의한 2차 전지(10)의 발열량을 최대로 할 수 있다.
[실시형태 6]
다시 도 19를 참조하여, 교점(P1)은, 곡선 k1의 최대점이 아니기 때문에, 실시형태 5에서는, 2차 전지(10)의 리플 승온을 최적으로 실시한다는 관점에서 보면, 승압 컨버터(22)의 리액터(L1)의 인덕턴스(L)는 최적이라고는 할 수 없다. 승압 컨버터(22)의 리액터(L1)에 흐르게 할 수 있는 최대 전류는, 상기 서술한 (6)식으로 나타내기 때문에, 승압 컨버터(22)의 리액터(L1)의 인덕턴스(L)를 적절히 설계하면, 2차 전지(10)에 발생시키는 리플 전류를 최대로 할 수 있다.
도 20은, 2차 전지(10)에 발생시키는 리플 전류를 최대로 하기 위한, 리액터(L1)의 인덕턴스(L)의 설계 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 20을 참조하여, 곡선 k3은, (6)식으로 나타내는 리플 전류의 피크값(Ip)을 나타낸다. 본 실시형태 6에서는, 발열량에 비례하는 전류(I0cosθ)를 나타내는 곡선 k1의 최대점(P2)에서 곡선 k3이 곡선 k1과 교차하도록, 리액터(L1)의 인덕턴스(L)가 설계된다. 또한, 실시형태 5와 비교하면, 본 실시형태 6에서는, 실시형태 5에 대하여 리액터(L1)의 인덕턴스(L)가 작아지도록 승압 컨버터(22)가 설계된다.
이상과 같이, 본 실시형태 6에 의하면, 승압 컨버터(22)의 리액터(L1)의 인덕턴스(L)를 적절히 설계함으로써, 2차 전지(10)에 발생시키는 리플 전류를 최대로 할 수 있다.
[실시형태 7]
상기와 같이 승압 컨버터(22)를 사용하여 2차 전지(10)의 리플 승온을 실시하는 경우, 승압 컨버터(22)의 캐리어 주파수[스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수]를 통상적인 승압 동작시보다 낮게 설정하면(예를 들어 1kHz로 설정), 전류에 의한 노이즈가 증대됨과 함께, 발생하는 노이즈가 가청역(可聽域)에 들어감으로써 소음이 문제가 된다. 또한, 효율 면에서도, 리플 승온시의 리액터(L1)에 있어서의 손실이 문제가 된다.
그래서, 본 실시형태 7에서는, 리플 승온용의 리액터가 승압 컨버터에 별도 설치된다. 그리고, 이 리플 승온용의 리액터에 있어서, 승압 컨버터(22)의 캐리어 주파수를 통상 동작시와 동일한 고주파로 유지해도 충분한 리플 전류가 얻어지도록 인덕턴스가 설계된다.
도 21은, 실시형태 7에 있어서의 승압 컨버터의 회로도이다. 또한, 승압 컨버터 이외의 구성은, 도 14에 나타낸 구성과 동일하다. 도 21을 참조하여, 승압 컨버터(22A)는, 도 14에 나타낸 승압 컨버터(22)의 구성에 있어서, 리액터(L2)와, 스위치(SW1)를 더 포함한다.
리액터(L2)는, 리액터(L1)에 병렬로 설치된다. 이 리액터(L2)는, 리플 승온용의 리액터로서, 통상적인 승압 동작용의 리액터(L1)보다 인덕턴스가 작아지도록 설계된다. 예를 들어, 리액터(L1)를 사용한 통상 동작시에 발생하는 전류 리플의 10배의 리플 전류를 리플 승온시에 발생시키고자 하는 경우에는, 리플 승온용의 리액터(L2)의 인덕턴스를 리액터(L1)의 인덕턴스의 1/10로 설계하면 된다.
또한, 저인덕턴스 및 효율 향상을 고려하면, 리액터(L2)로서 공심형(空芯型)의 코일을 사용하는 것이 바람직하다. 공심형의 코일을 사용함으로써, 리액터에 의한 손실(철손)이 저감되어, 효율의 향상이 가능하게 된다.
스위치(SW1)는, 리액터(L1, L2)와 정극선(PL1) 사이에 설치된다. 그리고, 스위치(SW1)는, 도시되지 않은 ECU(70)로부터의 전환 신호(CTL)에 따라, 리액터(L1, L2) 중 어느 일방에 정극선(PL1)을 전기적으로 접속한다. 승압 컨버터(22A)의 그 밖의 구성은, 도 14에 나타낸 승압 컨버터(22)와 동일하다.
이 승압 컨버터(22A)에 있어서는, 통상적인 승압 동작시(비(非)리플 승온시)에는, ECU(70)로부터의 전환 신호(CTL)에 따라, 스위치(SW1)에 의해 리액터(L1)가 정극선(PL1)에 접속되고, 리액터(L2)는 정극선(PL1)으로부터 절리(切離)된다. 한편, 리플 승온시에는, 전환 신호(CTL)에 따라, 스위치(SW1)에 의해 리액터(L2)가 정극선(PL1)에 접속되고, 리액터(L1)는 정극선(PL1)으로부터 절리된다. 또한, 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수[승압 컨버터(22A)의 캐리어 주파수]는, 리플 승온시도 통상적인 승압 동작시와 동일하다(예를 들어, 수kHz∼10kHz 정도).
이상과 같이, 본 실시형태 7에 있어서는, 리플 승온용의 리액터(L2)를 설치하여 리플 승온시에 통상 동작용의 리액터(L1)로부터 리액터(L2)로 전환하도록 하였으므로, 리플 승온시에 승압 컨버터(22)의 스위칭 주파수[승압 컨버터(22A)의 캐리어 주파수]를 낮게 설정할 필요가 없다. 따라서, 본 실시형태 7에 의하면, 리플 승온에 수반하여 소음이 증대되는 것을 회피할 수 있다.
또한, 리플 승온용의 리액터(L2)로서 공심형의 코일을 사용하면, 리플 승온시에, 리액터에 의한 손실(철손)이 저감되어, 리플 승온의 효율이 향상된다.
[변형예]
상기 서술한 바와 같이, 리플 승온용의 리액터(L2)의 인덕턴스는, 이미 설치한 리액터(L1)의 인덕턴스보다 작으므로, 리액터(L1)는 정극선(PL1)에 상시 접속으로 하고, 리플 승온시에 리액터(L2)를 리액터(L1)에 병렬로 전기적으로 접속하도록 해도 된다.
도 22는, 실시형태 7의 변형예에 있어서의 승압 컨버터의 회로도이다. 도 22를 참조하여, 승압 컨버터(22B)는, 도 21에 나타낸 승압 컨버터(22A)의 구성에 있어서, 스위치(SW1) 대신에 스위치(SW2)를 포함한다.
스위치(SW2)는, 리액터(L2)와 정극선(PL1) 사이에 설치된다. 스위치(SW2)는, 도시되지 않은 ECU(70)로부터의 전환 신호(CTL)에 따라 온/오프된다. 또한, 리액터(L1)는, 정극선(PL1)에 직접 접속된다. 승압 컨버터(22B)의 그 밖의 구성은, 도 21에 나타낸 승압 컨버터(22A)와 동일하다.
이 승압 컨버터(22B)에 있어서는, 통상적인 승압 동작시(비리플 승온시)에는, ECU(70)로부터의 전환 신호(CTL)에 따라 스위치(SW2)가 오프되고, 리액터(L2)가 정극선(PL1)으로부터 절리된다. 한편, 리플 승온시에는, 전환 신호(CTL)에 따라 스위치(SW2)가 온되고, 리액터(L2)가 정극선(PL1)에 접속된다. 리액터(L2)의 인덕턴스는, 리액터(L1)의 인덕턴스보다 작으므로, 이러한 구성에 의해서도, 리플 승온시에 실시형태 7과 동일한 특성을 얻을 수 있다.
[실시형태 8]
도 23, 도 24는, 2차 전지(10)의 임피던스 특성을 나타내는 보드 선도이다. 도 23, 24를 참조하여, 실시형태 7 및 그 변형예에서는, 리플 승온시에 2차 전지(10)에 발생시키는 리플 전류의 주파수(리플 주파수)는, 통상적인 승압 동작시와 동일한, 예를 들어 수kHz∼10kHz이지만, 도 23, 24에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 수kHz를 초과하는 고주파 영역에서는, 2차 전지(10)의 임피던스(Z)의 절대값 |Z|가 커지고, 위상(θ)도 커진다. 그리고, 임피던스의 증가는, 상기 서술한 바와 같이, 2차 전지(10)의 전압 상하한의 제약 하에서 리플 전류를 충분히 흐르게 할 수 없게 될 가능성이 있다.
도 25는, 2차 전지(10)의 임피던스 특성을 나타내는 나이퀴스트선도의 원점 근방의 확대도이다. 도 25를 참조하여, 주파수가 1kHz를 초과하면, 2차 전지(10)의 임피던스(Z)의 절대값 |Z|가 증가하고, 위상(θ)도 증가해 가는 것을 도 25로부터도 알 수 있다. 그리고, 이 도 25로부터는, 임피던스의 증가는, L 성분의 증가에 의해 위상(θ)이 90°에 가까워지는 것에 의한 것으로서, 임피던스의 실수 성분의 변화는 작은 것을 알 수 있다.
여기서, 2차 전지(10)의 발열량은, I0×|ΔV|cosθ=I02×|Z|cosθ에 비례하므로, L 성분의 증가에 의해 임피던스가 증가하여도, 2차 전지(10)의 발열량은, 위상(θ)이 대략 0일 때, 즉 1kHz 근방일 때와 거의 변하지 않는다. 즉, L 성분의 증가에 의한 임피던스의 증가는, 2차 전지(10)의 발열량의 증가에 거의 기여하지 않음과 함께, 이제까지도 서술한 바와 같이, 2차 전지(10)의 전압 상하한의 제약 하에서는, 리플 전류를 충분히 흐르게 할 수 없게 될 가능성이 있다.
한편, 이 고주파 영역에서의, L 성분의 증가에 의한 임피던스의 증가는, 2차 전지(10)의 전기 화학적 특성에 기인하는 것이 아니라, 2차 전지(10)의 구조에 기인하는 것이다. 그래서, 본 실시형태 8에서는, 2차 전지(10)에 있어서, 고주파 영역에서의 L 성분의 증가를 억제 가능한 전극 구조를 나타낸다.
도 26은, 실시형태 8에 있어서의 2차 전지의 전극 구조의 특징 부분을 설명하기 위한 도면이다. 도 26을 참조하여, 2차 전지(10)의 전극체(132)는, 본체부(134)와, 정극 집전박부(136)와, 부극 집전박부(138)와, 정극 집전 단자(140)와, 부극 집전 단자(142)와, 용접부(144)를 포함한다.
이 2차 전지(10)의 구조상의 특징은, 정극 집전 단자(140)를 정극 집전박부(136)와 접속하는 용접부(144), 및 부극 집전 단자(142)를 부극 집전박부(138)와 접속하는 용접부(144)의 각각의 면적이 충분히 큰 것이다. 용접부(144)의 면적을 크게 취함으로써 L 성분의 증가를 억제할 수 있다. 또한, 용접부(144)의 면적을 크게 하기 위해서는, 도 26에 나타내는 바와 같이, 용접부(144)를 선이나 면으로 형성하는 것 외에, 용접점의 수를 증가시키거나 해도 된다.
또한, 전극의 구조로서, 정극 및 부극을 세퍼레이터를 개재하여 감은 권회 구조가 아니라, 평판형 구조를 채용해도 된다.
이상과 같이, 본 실시형태 8에 의하면, 고주파 영역에서의 임피던스의 증대를 억제할 수 있으므로, 실시형태 7 및 그 변형예의 구성을 채용한 경우에, 2차 전지(10)의 전압 상하한의 제약 하에서 리플 전류를 충분히 흐르게 할 수 없게 될 가능성을 회피할 수 있다.
또한, 상기에 있어서, 전동 차량(100)은, 모터 제너레이터(60)를 유일한 주행용 동력원으로 하는 전기 자동차여도 되고, 주행용 동력원으로서 엔진을 추가로 탑재한 하이브리드 차량이어도 되고, 나아가서는, 직류 전원으로서 2차 전지(10)에 더하여 연료 전지를 추가로 탑재한 연료 전지차여도 된다.
또한, 상기에 있어서, 제어 장치(30) 및 ECU(70)는, 본 발명에 있어서의 「제어 장치」에 대응하고, 승압 컨버터(22, 22A, 22B)는, 본 발명에 있어서의 「승압 장치」에 대응한다. 또한, 스위칭 소자(Q1, Q2)는, 본 발명에 있어서의 「제1 및 제2 스위칭 소자」에 대응하고, 리액터(L1, L2)는, 각각 본 발명에 있어서의 「제1 리액터」 및 「제2 리액터」에 대응한다.
이번에 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시형태의 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
10 2차 전지
12 내부 저항
20 리플 생성 장치
22, 22A, 22B 승압 컨버터
30 제어 장치
32, 120 리플 주파수 설정부
34, 122 캐리어 생성부
36, 116 PWM 신호 생성부
42 정극
44 부극
46 참조극
50 인버터
60 모터 제너레이터
65 구동륜
70 ECU
82 온도 센서
84 전류 센서
86, 88 전압 센서
110 전압 지령 생성부
112 전압 제어부
114 듀티 지령 생성부
118 리플 승온 조건 판정부
132 전극체
134 전극부
136 정극 집전박부
138 부극 집전박부
140 정극 집전 단자
142 부극 집전 단자
144 용접부
PL1, PL2 정극선
NL 부극선
L1, L2 리액터
Q1, Q2 스위칭 소자
D1, D2 다이오드
CH 콘덴서
ND 접속 노드
R1- 부극 석출 저항
R2- 부극 반응 저항
C- 부극 전기 이중층 용량
R+ 정극 반응 저항
C+ 정극 전기 이중층 용량
Rsol 전해액 저항
SW1, SW2 스위치

Claims (11)

  1. 2차 전지(10)에 접속되어, 소정 주파수의 리플 전류를 상기 2차 전지에 발생시키도록 구성된 리플 생성 장치(20 ; 22)와,
    상기 리플 전류를 상기 2차 전지에 발생시킴으로써 상기 2차 전지를 승온시키도록 상기 리플 생성 장치를 제어하기 위한 제어 장치(30 ; 70)를 구비하고,
    상기 소정 주파수는, 상기 2차 전지의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 상기 임피던스의 절대값이 상대적으로 저하되는 주파수 영역의 주파수로 설정되는, 2차 전지의 승온 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리플 생성 장치는, 상기 2차 전지의 전압 이상으로 출력 전압을 승압할 수 있게 구성된 초퍼형의 승압 장치인, 2차 전지의 승온 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 2차 전지의 승온이 요구되면, 상기 승압 장치의 스위칭 주파수를 상기 소정 주파수로 설정하는, 2차 전지의 승온 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 2차 전지의 승온이 요구되면, 상기 승압 장치의 스위칭 주파수를 상기 2차 전지의 비승온시보다 낮은 값으로 설정하는, 2차 전지의 승온 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 승압 장치는,
    전압 출력선쌍의 각각의 사이에 직렬로 접속되는 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1, Q2)와,
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 접속 노드와 상기 2차 전지의 정극(正極) 사이에 접속되고, 소정의 인덕턴스를 가지는 리액터(L1)를 포함하고,
    상기 제어 장치는, 상기 2차 전지의 승온이 요구되면, 상기 2차 전지의 임피던스의 주파수 특성과 상기 2차 전지의 전압 제한에 의하여 상기 리플 전류의 주파수마다 정해지는 상기 2차 전지의 최대 통전량을 초과하지 않는 범위에서 상기 리플 전류가 최대가 되도록 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 설정하는, 2차 전지의 승온 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 승압 장치는,
    전압 출력선쌍의 각각의 사이에 직렬로 접속되는 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1, Q2)와,
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 접속 노드와 상기 2차 전지의 정극 사이에 접속되는 리액터(L1)를 포함하고,
    상기 2차 전지의 임피던스의 주파수 특성과 상기 2차 전지의 전압 제한에 의하여 상기 리플 전류의 주파수마다 정해지는 상기 2차 전지의 발열량이 최대가 되도록, 상기 리액터의 인덕턴스가 설정되는, 2차 전지의 승온 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소정 주파수는, 상기 2차 전지의 임피던스의 주파수 특성에 기초하여, 1kHz로 설정되는, 2차 전지의 승온 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2차 전지는, 리튬 이온 전지이고,
    상기 소정 주파수는, 상기 리튬 이온 전지에 충전 전류가 흐를 때의 부극(負極)의 석출 저항(R1-)과 상기 부극의 전기 이중층 용량(C-)에 의하여 정해지는 시정수에 대응하는 주파수보다 높아지도록 설정되는, 2차 전지의 승온 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 2차 전지는, 리튬 이온 전지이고,
    상기 제어 장치는, 상기 리튬 이온 전지의 방전측에 상기 리플 전류의 평균값이 오프셋된 리플 전류를 상기 2차 전지에 발생시키도록 상기 리플 생성 장치를 제어하는, 2차 전지의 승온 장치.
  10. 2차 전지(10)에 접속되어, 소정 주파수의 리플 전류를 상기 2차 전지에 발생시키도록 구성된 리플 생성 장치(22A ; 22B)와,
    상기 리플 전류를 상기 2차 전지에 발생시킴으로써 상기 2차 전지를 승온시키도록 상기 리플 생성 장치를 제어하기 위한 제어 장치(70)를 구비하고,
    상기 리플 생성 장치는, 상기 2차 전지의 전압 이상으로 출력 전압을 승압할 수 있게 구성된 초퍼형의 승압 장치이며,
    상기 승압 장치는,
    전압 출력선쌍의 각각의 사이에 직렬로 접속되는 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1, Q2)와,
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 접속 노드와 상기 2차 전지의 정극 사이에 설치되는 제1 리액터(L1)와,
    상기 제1 리액터에 병렬로 설치되고, 상기 제1 리액터보다 인덕턴스가 작은 제2 리액터(L2)와,
    상기 2차 전지의 승온이 요구되면, 상기 제1 리액터 대신에, 또는 상기 제1 리액터와 함께, 상기 접속 노드와 상기 2차 전지의 정극 사이에 상기 제2 리액터를 접속하는 접속 장치(SW1 ; SW2)를 포함하는, 2차 전지의 승온 장치.
  11. 차량 주행용의 전력을 축적하는 2차 전지(10)와,
    상기 2차 전지의 승온이 요구되면 상기 2차 전지를 승온시키는, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 2차 전지의 승온 장치를 구비하는 차량.
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