JP2010044895A - 電源装置の温度調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温度環境下において、複数の蓄電要素が並列接続された並列システムの電源装置を好適に、かつ迅速に上昇させることが可能な温度調節装置を提供する。
【解決手段】並列接続された複数の蓄電要素で構成され、各蓄電要素が隣接して配置された電源装置の温度調節装置であって、温度センサにより検出された電源装置の温度が、内部抵抗が上昇して充放電性能が低下する低温度である場合に、複数の蓄電要素のうちの少なくとも１つの蓄電要素に集中した充放電制御を行う制御部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置の温度調節装置に関し、より詳細には、低温環境下において電源装置を昇温することができる温度調節装置に関する。

ハイブリッド車両に代表されるように、モータジェネレータから得られる駆動力を車両の推進力として利用する車両には、充放電可能な走行用などの２次電池等の蓄電装置、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池が搭載されており、電源装置としての蓄電装置に蓄積された電力をインバータ回路で駆動用電力に変換して取り出し、逆に発電電力を２次電池に充電したりする。

一方で蓄電装置は、冬季などの低温状態の温度環境下では、常温時と比べて同一出力の場合であっても電圧低下が大きくなる。すなわち、低温時は、蓄電装置から取り出せる電力量が著しく低下する。このため、蓄電装置をヒータ等で加熱して常温時の通常の性能を発揮できるようにする方法が知られている。

また、特許文献１には、ヒータ等によって蓄電装置（バッテリ）の外部から加熱するのではなく、充放電動作における放電時の蓄電装置の昇温を利用し、低温環境下の放電動作において要求される出力電流よりも大きな出力電流を流すように当該蓄電装置を制御することで、蓄電装置を昇温させるヒートアップ装置が開示されている。

特開平１１−２６０３２号公報（段落００２８，図１等） 特開平９−２９８８０５号公報 特開２０００−１６４１８６号公報

上記特許文献１は、１つの電源装置（組電池）に要求される出力電流に対してさらに多くの電流を流すように制御して電池を昇温させているが、複数の組電池が並列接続された並列システムの電源装置について開示がない。また、並列システムの電源装置の場合、該特許文献１のように並列システムの電源装置全体の出力電流を多くしても個々の組電池（蓄電要素）の温度上昇が低くなり、電池温度を迅速に上昇させることができない。

そこで、本発明は、低温度環境下において、複数の蓄電要素が並列接続された並列システムの電源装置を好適に、かつ迅速に上昇させることが可能な温度調節装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点における温度調節装置は、並列接続された複数の蓄電要素で構成され、各蓄電要素が隣接して配置された電源装置の温度調節装置であって、温度センサにより検出された電源装置の温度が、内部抵抗が上昇して充放電性能が低下する低温度である場合に、複数の蓄電要素のうちの少なくとも１つの蓄電要素に集中した充放電制御を行う制御部を備えることを特徴とする。

また、上記電源装置の各蓄電要素が、熱伝導性部材で接続されるように構成することができる。

また、集中した充放電制御における放電制御に関する制御履歴情報を蓄電要素毎に記憶する記憶部をさらに有することができ、上記制御部が、記憶された制御履歴情報に基づいて、複数の蓄電要素のうち少なくとも１つの蓄電要素を選択し、選択された蓄電要素に対して集中した放電制御を行うように構成することができる。

また、上記記憶部は、集中した放電制御における各蓄電要素の出力電流積算値を制御履歴情報として記憶し、上記制御部が、各蓄電要素の出力電流積算値に基づいて複数の蓄電要素のうち少なくとも１つの蓄電要素を選択し、選択した蓄電要素に対して集中した放電制御を行うように構成することができる。

また、上記記憶部は、蓄電要素毎に集中した放電制御を行った回数を制御履歴情報として記憶し、上記制御部が、上記回数に基づいて複数の蓄電要素のうち少なくとも１つの蓄電要素を選択し、選択した蓄電要素に対して集中した放電制御を行うように構成することができる。

本発明によれば、低温度環境下において、複数の蓄電要素が並列接続された並列システムの電源装置を好適に、かつ迅速に昇温させることが可能となる。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の電源装置の温度調節装置が適用されたハイブリッド車両のシステム構成を示す図であり、本実施例に関係する部分についてのみ示したものである。

図１に示すように、ハイブリッド車両は、２次電池（電源装置）１と、２次電池１の温度を検出する温度センサ３と、２次電池１の充放電制御を行うバッテリコントローラ５と、エンジンＥの回転駆動を通じて発電するジェネレータ（発電用モータ）９からの交流電力を直流電力に変換し、また、２次電池１からの直流電流を交流電流に変換してモータＭに供給するインバータ７と、モータＭの駆動制御及び当該モータＭに供給される電力の供給制御を行うモータコントローラ１１及びエンジンＥの出力制御を行うエンジンコントローラ１３を含む。

そして、エンジンＥの出力軸はトランスミッション（無段変速機、減速装置など，Ｔ／Ｍ）の入力軸及びジェネレータ９の出力軸と連結され、一方、トランスミッションの出力軸は、ディファレンシャルギア等の駆動系に連結され、エンジン１の駆動力が駆動系に伝達される。また、トランスミッションの出力軸は、モータＭの出力軸と連結され、モータＭの駆動力が駆動系に伝達されるようになっている。また、モータＭは、三相同期モータや三相誘導モータなどの交流モータを用いることができ、ジェネレータ９も同様に、三相同期モータや三相誘導モータなどの交流モータで構成することができる。

２次電池１は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等であり、蓄電要素である組電池１ａ，１ｂ，１ｃが互いに隣接して配置されるとともに、並列に接続された並列システム型の電源装置である。なお、本実施例の２次電池１は、１つの２次電池が並列接続された複数の組電池１ａ，１ｂ，１ｃを含むように構成されているが、例えば、１つ又は複数の組電池で構成された複数の２次電池を互いに隣接して配置し、かつ各々を並列接続した並列型電源システムとして構成された２次電池であってもよい。そして、２次電池１の組電池１ａ，１ｂ，１ｃの各々には、切替スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３が設けられ、各切替スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３は、バッテリコントローラ５に接続されている。

また、本実施例の２次電池１の組電池１ａ，１ｂ，１ｃは、熱伝導性部材Ｐにより接続されており、隣接配置される組電池間の熱移動が熱伝導性部材Ｐを介して迅速に行われるように構成されている。例えば、熱伝導性部材Ｐを熱伝導率の高いフィラーを含むＰＰＳ樹脂等で構成することができ、組電池１ａ，１ｂ，１ｃを一体に覆うように設けることで組電池間の熱移動を容易にする。なお、上述のように、複数の組電池１ａ，１ｂ，１ｃを含んで構成される１つの２次電池の場合は、２次電池１を構成するケースの内部に熱伝導性部材Ｐを設けることができ、また、複数の２次電池が並列接続される電源システムの場合は、２次電池のケース外周に熱伝導性部材Ｐを設けることができる。

温度センサ３は、２次電池１の全体の温度を検出するとともに、各組電池１ａ，１ｂ，１ｃの温度を個別に検出することができ、該温度センサ３は、検出した検出温度（温度情報）をバッテリコントローラ５に出力する。

バッテリコントローラ５は、２次電池１の充電状態や劣化状態などを管理するとともに、並列充放電制御（並列放電制御／並列充電制御）を行う。この管理及び充放電制御は、各組電池に対して各々行われるとともに、並列接続された並列システム全体に対して行われる。具体的には、バッテリコントローラ５は、２次電池１、温度センサ３、インバータ７、モータコントローラ１１及びエンジンコントローラ１３と信号線等で接続されるとともに、２次電池１を構成する複数の並列接続された組電池１ａ，１ｂ，１ｃの各々に設けられた切替スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３と接続され、各切替スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３のスイッチング制御を遂行する。このスイッチング制御は、各々独立して行うことができる。

そして、バッテリコントローラ５は、各組電池１ａ，１ｂ，１ｃを必要に応じて単独で、又は組み合わせた充放電制御を行う。例えば、６０Ａ（１００Ｖ）の電流を出力する場合、各組電池１ａ，１ｂ，１ｃに対して均等に２０Ａずつの放電制御を行い、３個の組電池１ａ，１ｂ，１ｃを組み合わせた並列システムにおける放電制御を行うことができる。また、各切替スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３のスイッチング制御を行い、例えば、要求される出力電流、充電状態や劣化状態に基づいて、各組電池１ａ，１ｂ，１ｃを単独で、又は組み合わせた放電制御を行うことができる。例えば、車両発進時、加速時等において２次電池１の大きな出力電流が要求される場合には（モータＭに大きな電流を供給する場合には）、各切替スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３をＯＮ（接続）して並列接続された複数の各組電池１ａ，１ｂ，１ｃを放電させ、定速走行時等において２次電池１に要求される出力電流が小さい場合には、各切替スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、各組電池１ａ，１ｂ，１ｃを単独または必要に応じて複数組み合わせて放電させることができる。このとき、バッテリコントローラは、充電状態や劣化状態に応じて単独で又は組み合わせて放電させる組電池を選択することができ、選択された組電池のスイッチをＯＮにし、かつ選択されなかった組電池のスイッチをＯＦＦにし、放電制御を行うことができる。

また、充電制御においても、バッテリコントローラ５は、各組電池１ａ，１ｂ，１ｃの１つに対して充電制御を遂行することもでき、また、複数の各組電池１ａ，１ｂ，１ｃの各々に対して並行した充電制御も遂行することができる。このとき、放電制御と同様に、切替スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、対象の組電池に対して充電制御を行う。

なお、充放電制御のうち、放電制御は、ハイブリッド車両の走行時においてはモータＭの駆動に要求される駆動電力（モータコントローラ１１が要求する駆動電力）、非走行時（エンジン停止時、及びエンジン始動後の走行しない状態を含む）に要求される電力（例えば、空調装置の使用など）に基づいて行われる。また、充電制御においては、走行時や非走行時におけるエンジンＥの回転駆動により発電された電力を使用し、バッテリコントローラ５によって管理されている充電状態、劣化状態等に基づいて行われる。そして、本実施例のバッテリコントローラ５は、このような充放電制御において、低温度環境下である場合には、後述する充放電制御を遂行して２次電池１全体を迅速に昇温させる。

リチウムイオン電池等の２次電池は、低温度の環境下（例えば、マイナス３０℃）では、内部抵抗Ｒが上昇し、Ｖ＝ＩＲ（Ｖ；電圧，Ｉ；電流）の関係から出力電力が低下する。このため、所望の出力電力が得られず、安定した電池性能を発揮することができない。

そこで、本実施例では、内部抵抗Ｒが上昇して充放電性能が低下する低温度の環境下において、バッテリコントローラ５は、並列接続された複数の組電池１ａ，１ｂ，１ｃの少なくとも１つに対して集中した充放電制御を行い、２次電池１全体を迅速に昇温させる。つまり、従来（特許文献１参照）は、直列システムの電源装置であり、モータが要求する駆動力に対応する出力電流よりも多くの電流を流すように制御しているが、並列システムの電源装置の場合、複数の並列接続された組電池全体の出力電流を高めても、各組電池が出力する電流は直接システムよりも小さい。このため、個々の組電池の昇温の幅が小さくなり（熱量Ｑ＝Ｉ²×Ｒ）、２次電池全体を迅速に昇温させることができない。したがって、本実施例では、複数の組電池のうち少なくとも１つの組電池に対して、他の組電池よりも多くの放電制御又は充電制御を集中して行うことで、集中して放電制御又は充電制御された組電池を迅速に昇温させつつ、隣接配置された他の組電池を当該集中制御された組電池の発熱を用いて昇温させ、並列システムの２次電池全体を迅速に昇温させる。

また、本実施例の２次電池１は、複数の並列接続された組電池１ａ，１ｂ，１ｃを熱伝導性部材Ｐで接続し、集中して放電制御又は充電制御された組電池からの熱を隣接する他の組電池に伝達させている。このため、２次電池１全体の昇温を迅速に行うことができる。なお、熱伝導性部材Ｐは、複数の組電池１ａ，１ｂ，１ｃ全体を覆うように配置したり、組電池間のみに配置したり、また、複数の組電池１ａ，１ｂ，１ｃの上面又は／及び下面、側面等に配置することができる。

図２は、３つの組電池１ａ，１ｂ，１ｃが並列接続された並列システムの電源装置１を示しており、図２（ａ）の例においてバッテリコントローラ５は、これら組電池１ａ，１ｂ，１ｃのうち、組電池１ｂのみに要求される出力電流に対応する放電制御を遂行する。すなわち、バッテリコントローラ５は、切替スイッチＳｗ１及び切替スイッチＳｗ３をＯＦＦにし、切替スイッチＳｗ２をＯＮにするスイッチング制御を行い、組電池１ｂに対して集中した放電制御を遂行する。また、図２（ｂ）の例においてバッテリコントローラ５は、これら組電池１ａ，１ｂ，１ｃのうち、組電池１ａ，１ｃに要求される出力電流に対応する放電制御を遂行する。すなわち、バッテリコントローラ５は、切替スイッチＳｗ２をＯＦＦにし、切替スイッチＳｗ１及び切替スイッチＳｗ３をＯＮにするスイッチング制御を行い、組電池１ａ及び組電池１ｃに対して集中した放電制御を遂行する。

図３は、４つの組電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが並列接続された並列システムの電源装置１を示しており、図３（ａ）の例においてバッテリコントローラ５は、所定方向に並列して配置された組電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのうち、組電池１ａと組電池１ｄに要求される出力電流に対応する放電制御（切替スイッチＳｗ１及び切替Ｓｗ４をＯＮにし、かつ切替スイッチＳｗ２及び切替スイッチＳｗ３をＯＦＦにし、組電池１ａと組電池１ｄに集中させた放電制御）を遂行する。また、図３（ｂ）の例においてバッテリコントローラ５は、４つの組電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを組み合わせて配置し、組電池１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのうち、組電池１ａと組電池１ｄに要求される出力電流に対応する放電制御を遂行する。なお、図２及び図３の例以外にも集中して放電制御される組電池は、任意に選択可能である。また、並列システムを構成する複数の組電池（蓄電要素）の数及び配置に応じて、集中して放電制御を行う組電池及び組電池の数を任意に設定することができる。

また、本実施例において、並列接続された複数の組電池のうち少なくとも１つに集中して行う放電制御又は充電制御には、例えば図２（ａ）の例を参照して説明すると、組電池１ｂのみに対して放電制御を行う場合とともに、２次電池１に要求される出力電流に対して組電池１ｂが他の組電池１ａ、１ｃよりも多くの出力電流が流れるように制御する場合も含むことができる。すなわち、他の組電池１ａ，１ｃよりも組電池１ｂが電流を流すように制御しつつ、他の組電池１ａ，１ｃに対しても放電制御を行っている場合も含まれる。

また、本実施例のバッテリコントローラ５は、メモリ等の記憶部５ａを備え、低温環境下で集中して放電制御を行った制御履歴情報を各組電池毎に記憶させる。具体的には、集中した放電制御において各蓄電要素が出力した出力電流の積算値又は／及び放電時間、集中した放電制御が行われた回数を制御履歴情報として蓄電要素毎に記憶する。

図４は、本実施例の温度調節装置の動作フローを示したフローチャートである。図４に示すように、バッテリコントローラ５は、不図示の車両起動スイッチがＯＮされたこと（エンジン１が始動されて車両がレディＯＮ状態（車両の電子機器やエアコン等の空調装置が使用可能な状態を含み、車両が停止している状態を含む走行可能な状態））を検出すると（ステップＳ１０１）、温度センサ３に対して温度検出命令を出力し、温度センサ３により検出された検出温度を取得する（ステップＳ１０２）。

そして、バッテリコントローラ５は、検出温度が所定値以下、例えばマイナス３０℃以下の低温（内部抵抗Ｒが高くなり、例えば常温（２０℃）での充放電性能に対してその性能が低下する低温）であるか否かを判別し（ステップＳ１０３）、検出温度が所定値以下である場合は、記憶部５ａに記憶されている各組電池の制御履歴情報に基づいて、例えば、集中した放電制御回数が一番少ない組電池、出力電流の積算値が一番小さい組電池、放電時間が一番短い組電池を、集中して放電制御を行う組電池として選択する（ステップＳ１０４）。そして、バッテリコントローラ５は、選択した組電池に対して車両が要求する出力のうち２次電池１が担う出力電流に対応する放電制御を遂行する（ステップＳ１０５）。つまり、選択された組電池に接続された切替スイッチＳｗをＯＮにし、選択されなかった組電池に接続された切替スイッチＳｗをＯＦＦにして選択された組電池による放電制御を遂行する。

その後、バッテリコントローラ５は、温度センサ３による２次電池１の温度検出を遂行し（ステップＳ１０６）、検出温度が所定値以上であると判別された場合には（ステップＳ１０７）、選択された組電池に対する集中制御を終了するとともに、当該組電池の制御履歴情報を該集中制御における出力電流値、放電時間に基づいて更新するとともに、集中制御回数を１増加させる更新を行う。また、バッテリコントローラ５は、２次電池１の温度が所定値以上であることから、２次電池１を並列システムによる上述の並列充放電制御を遂行する（ステップＳ１０８）。

このステップＳ１０２からステップＳ１０８までの処理は、不図示の車両起動スイッチがＯＦＦされるまで繰り返し行われ（ステップＳ１０９）、車両起動スイッチがＯＦＦされた場合に、バッテリコントローラ５は、２次電池１に対する充放電制御を終了させる。

なお、ステップＳ１０４における組電池の選択処理を、図２（ａ）を一例に具体的に説明すると、集中制御の回数が、組電池１ａ：３回、組電池１ｂ：２回，組電池１ｃ：４回である場合、バッテリコントローラ５は、回数の最も少ない組電池１ｂを選択する。また、出力電流積算値や放電時間についても同様である。これら制御履歴情報のうち、回数、出力電流積算値、放電時間のどれを優先的に選択の判別基準として設定するかは任意であり、また、回数が多くても出力電流積算値が小さい組電池を選択するなど、組電池の劣化状態に応じてこれら制御履歴情報を組み合わせた選択処理を行うことも可能である。すなわち、本実施例では、制御履歴情報に基づいて各組電池を選択することで、集中制御における組電池の負担を分散し、集中して電流を流す制御の対象組電池を毎回変更（ローテーション）する。

また、図４に示すように、ステップＳ１０７において検出温度が所定値に満たない場合や、ステップＳ１０９において車両起動スイッチがＯＦＦされなくても、バッテリコントローラ５は、必要に応じて本実施例の温度調節装置の動作を終了させることができる。つまり、車両全体の制御において、優先して制御する処理がある場合には、ステップＳ１０７において検出温度が所定値を満たさなくても、温度調節動作を終了させることができる。言い換えれば、本実施例の温度調節動作は、２次電池１の温度が所定値を満たすように、断続的に行うことができる。また、ステップＳ１０９において車両起動スイッチがＯＦＦされなくても、本実施例の温度調節動作を終了させることができ、例えば、ステップＳ１０７において２次電池１の検出温度が所定値を満たす場合は、温度調節動作を終了させるように制御することが可能である。

このように本実施例の温度調節装置（温度調節システム）は、低温度環境下において、複数の組電池（蓄電要素）が並列接続された並列システムの２次電池を好適に、かつ迅速に昇温させることが可能となる。

つまり、並列システムにおいて、複数の組電池のうち少なくとも１つに集中した充放電制御を行うことにより、該組電池を迅速に昇温させ、隣接する組電池に発生した熱が伝達されるので、２次電池全体を好適かつ迅速に昇温させることができる。また、熱伝導性部材Ｐを複数の組電池を亘って配置することで、２次電池をより迅速に昇温させることができる。また、並列システムの２次電池の場合、複数の組電池間で温度にバラツキが生じると、所望の出力が得られず、安定した電池性能を発揮することができない。しかしながら、本実施例の温度調節装置は、迅速に昇温させることができるので、並列システムにおける複数の組電池（蓄電要素）間での温度のバラツキを抑制し、安定した電池性能を発揮させることが可能となる。

また、制御履歴情報に基づいて集中制御を行う組電池を毎回変更するローテーション制御を行うことで、組電池の負担を分散し、劣化を抑制させることができる。

なお、上記実施例では、集中した充放電制御において放電制御を中心に説明したが、充電制御においても同様に、２次電池全体を好適かつ迅速に昇温させることができる。例えば、低温度環境下を走行している場合に、複数の組電池のうち少なくとも１つの組電池に対して集中した充電制御を行い、放電制御と同様に充電される組電池の温度を迅速に上昇させ、２次電池全体を昇温させることができる。また、車両起動スイッチＳＷ１がＯＮされた非走行時であっても同様である。

また、並列システムであることから、一の組電池が放電制御されることによって出力される電流を、他方の組電池の充電に利用し、並列システムにおける複数の組電池間で、集中した放電制御及び充電制御を各々の組電池に対して同時に行い、放電及び充電に伴う発熱によって２次電池全体をより迅速に昇温させることも可能である。

本発明の温度調節装置を適用したハイブリッド車両のシステム構成図である。 本発明の温度調整装置を適用した並列システムの電源装置の充放電制御を説明するための図である。 本発明の温度調整装置を適用した並列システムの電源装置の充放電制御を説明するための図である。 本発明の温度調整装置の動作フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 電源装置
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 組電池（蓄電要素）
３ 温度センサ
５ バッテリコントローラ（制御部）
５ａ 記憶部
７ インバータ
９ ジェネレータ
１１ モータコントローラ
１３ エンジンコントローラ
Ｅ エンジン
Ｍ モータ
Ｐ 熱伝導性部材
Ｓｗ 切替スイッチ

Claims (5)

1. 並列接続された複数の蓄電要素で構成され、各蓄電要素が隣接して配置された電源装置の温度調節装置であって、
   温度センサにより検出された前記電源装置の温度が、内部抵抗が上昇して充放電性能が低下する低温度である場合に、前記複数の蓄電要素のうちの少なくとも１つの蓄電要素に集中した充放電制御を行う制御部を備えることを特徴とする温度調節装置。
2. 前記電源装置の各蓄電要素が、熱伝導性部材で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の温度調節装置。
3. 前記集中した充放電制御における放電制御に関する制御履歴情報を蓄電要素毎に記憶する記憶部をさらに有し、
   前記制御部は、前記制御履歴情報に基づいて前記複数の蓄電要素のうち少なくとも１つの蓄電要素を選択し、選択された蓄電要素に対して前記集中した放電制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度調節装置。
4. 前記記憶部は、前記集中した放電制御における各蓄電要素の出力電流積算値を前記制御履歴情報として記憶し、
   前記制御部は、各蓄電要素の出力電流積算値に基づいて前記複数の蓄電要素のうち少なくとも１つを選択し、選択した蓄電要素に対して前記集中した放電制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の温度調節装置。
5. 前記記憶部は、前記蓄電要素毎に前記集中した放電制御を行った回数を前記制御履歴情報として記憶し、
   前記制御部は、前記回数に基づいて前記複数の蓄電要素のうち少なくとも１つを選択し、選択した蓄電要素に対して前記集中した放電制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の温度調節装置。

Images