JP5502603B2 - 車両の電池加温装置 - Google Patents

Description

この発明は車両の電池加温装置に関する。

近年、電気自動車など、搭載された回転電機（モータジェネレータ）の回転出力で車輪を駆動して走行する車両が広く知られている。そのような車両は回転電機に電力を供給する電池（二次電池）を備えるが、冬期など雰囲気温度が比較的低い場合、電池は常温時に比して出力電力が低下する、換言すれば、所期の電力を出力できないことがある。

そこで、従来より、電池を加温する装置が種々提案されており、その例として特許文献１，２記載の技術を挙げることができる。特許文献１記載の技術にあっては、電池の近傍にヒータを配置して加温するように構成される。また、特許文献２記載の技術にあっては、電池と回転電機の間に介挿されるＤＣ／ＤＣコンバータをスイッチング制御してコンデンサから出力される直流電力のリップル電流を増加させ、それを電池に通電することで、電池の内部抵抗の発熱を促進させて加温するように構成される。

特開２００８−３５５８１号公報 国際公開ＷＯ２００２／０６５６２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載される技術の如く構成した場合、電池外部からの熱伝達となるため加温効果は低く、さらにヒータを追加する分だけ装置の大型化や複雑化を招くなどの不具合があった。

また、特許文献２記載の技術の如くコンデンサに蓄積された直流電力を利用して加温するように構成すると、コンデンサに要求される容量が大きくなり、それに伴って装置が大型化するなどの不具合があった。さらに、スイッチング制御によって生じるリップル電流を利用しているため、例えば低周波スイッチングとしたときにはコンデンサの電圧変動分に相当する電荷移動が加温の主体となって前記と同様にコンデンサの容量が大きくなる一方、高周波スイッチングとしたときにはリップル電流の振幅が小さくなって電池の内部抵抗の発熱も小さくなり、結果として電池を効率良く加温できないという不都合が生じていた。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、装置を大型化させることなく、電池を効率良く加温し、よって所期の電力を出力可能とするようにした車両の電池加温装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、車両に搭載される回転電機と、電池と、前記電池と前記回転電機の間に介挿されて前記電池から出力される電圧を昇圧／降圧して前記回転電機に供給する一方、前記回転電機で発電された電圧を昇圧／降圧して前記電池に供給する昇降圧コンバータとを備える車両の電池加温装置において、前記電池と前記昇降圧コンバータを接続する正負極線の間に介挿される第１のコンデンサと、前記昇降圧コンバータと前記回転電機を接続する正負極線の間に介挿される第２のコンデンサと、前記昇降圧コンバータの動作を制御して交流類似の電流を発生させて前記電池と前記第２のコンデンサの間で前記第１のコンデンサを介して入出力させることで前記電池を加温する加温制御を実行する加温制御手段と、前記電池の残容量を検出する残容量検出手段とを備えると共に、前記加温制御手段は、前記検出された電池の残容量が大きいほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように構成した。

請求項２に係る車両の電池加温装置にあっては、前記昇降圧コンバータはスイッチング素子を備えると共に、前記加温制御手段は、前記スイッチング素子をオン／オフさせて前記加温制御を実行するように構成した。

請求項３に係る車両の電池加温装置にあっては、前記車両が電気自動車からなるように構成した。

請求項４に係る車両の電池加温装置にあっては、前記加温制御手段は、前記検出された電池の残容量が大きいほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように予め設定された第１の特性に基づいて前記交流類似の電流を発生させるように構成した。

請求項５に係る車両の電池加温装置にあっては、前記電池の温度を検出する温度検出手段を備えると共に、前記加温制御手段は、前記検出された電池の温度が低いほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように構成した。

請求項６に係る車両の電池加温装置にあっては、前記電池の温度を検出する温度検出手段を備えると共に、前記加温制御手段は、前記検出された電池の温度が低いほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように予め設定された第２の特性に基づいて前記交流類似の電流を発生させるように構成した。

請求項７に係る車両の電池加温装置にあっては、前記加温制御手段は、前記検出された電池の残容量に基づく前記交流類似の電流の周波数及び振幅の制御と前記検出された電池の温度に基づく前記交流類似の電流の周波数及び振幅の制御のうち、前記交流類似の電流の周波数及び振幅が小さくなる制御を選択するように構成した。請求項８に係る車両の電池加温装置にあっては、前記加温制御手段は、前記第１と第２の特性のうち、前記交流類似の電流の周波数及び振幅を小さく設定する特性を選択するように構成した。

請求項１に係る車両の電池加温装置にあっては、電池と昇降圧コンバータを接続する正負極線の間に介挿される第１のコンデンサと、昇降圧コンバータと回転電機を接続する正負極線の間に介挿される第２のコンデンサとを備え、昇降圧コンバータの動作を制御して交流類似の電流を発生させて電池と第２のコンデンサの間で第１のコンデンサを介して入出力させることで電池を加温する加温制御を実行し、電池の残容量を検出すると共に、検出された電池の残容量が大きいほど交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように構成したので、ヒータの追加やコンデンサの容量の増加などは不要となって装置が大型化することはなく、冬期など雰囲気温度が比較的低いときであっても電池を内部抵抗での発熱によって効率良く加温でき、よって所期の電力を出力可能とすることができる。それにより、車両を始動させてから通常電池温度での車両運動性能を確保するまでの時間も短縮できる。また、電池の状態に適した加温制御を実行することができる。

請求項２に係る車両の電池加温装置にあっては、昇降圧コンバータはスイッチング素子を備えると共に、スイッチング素子をオン／オフさせて加温制御を実行するように構成したので、上記した効果に加え、簡易な構成でありながら、前記した加温制御を確実に実行することができる。

請求項３に係る車両の電池加温装置にあっては、車両が電気自動車からなるように構成したので、上記した効果に加え、電気自動車に搭載される電池を効率良く加温することができる。

請求項４に係る車両の電池加温装置にあっては、検出された電池の残容量が大きいほど交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように予め設定された第１の特性に基づいて交流類似の電流を発生させるように構成したので、上記した効果に加え、例えば電池の残容量に応じて交流類似の電流の周波数や振幅を変更することも可能となり、よって電池の状態に応じた最適な加温制御を実行することができる。

請求項５に係る車両の電池加温装置にあっては、電池の温度を検出し、検出された電池の温度が低いほど交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように構成したので、上記した効果に加え、例えば電池の温度に応じて交流類似の電流の周波数や振幅を変更することも可能となり、よって電池の状態に適した加温制御を実行することができる。

請求項６に係る車両の電池加温装置にあっては、電池の温度を検出し、検出された電池の温度が低いほど交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように予め設定された第２の特性に基づいて交流類似の電流を発生させるように構成したので、上記した効果に加え、例えば電池の温度に応じて交流類似の電流の周波数や振幅を変更することも可能となり、よって電池の状態に応じた最適な加温制御を実行することができる。

請求項７に係る車両の電池加温装置にあっては、検出された電池の残容量に基づく交流類似の電流の周波数及び振幅の制御と検出された電池の温度に基づく交流類似の電流の周波数及び振幅の制御のうち、交流類似の電流の周波数及び振幅が小さくなる制御を選択するように構成したので、上記した効果に加え、電池の状態に応じた最適な加温制御を実行することができる。請求項８に係る車両の電池加温装置にあっては、第１と第２の特性のうち、交流類似の電流の周波数及び振幅を小さく設定する特性を選択するように構成したので、上記した効果に加え、電池の状態に応じた最適な加温制御を実行することができる。

この発明の第１実施例に係る車両の電池加温装置を全体的に示す概略図である。 図１に示す電池の等価回路を示す回路図である。 図１に示す電子制御ユニットの加温制御動作を示すフロー・チャートである。 図３に示す強加温制御実行時に電池などの各構成部品に流れる電流等を示すグラフである。 図３に示す強加温制御実行時における昇降圧コンバータのＩＧＢＴのオン／オフ状態を示すグラフである。 図３に示す加温制御での電池の温度の推移を検証するシミュレーション結果を示すデータである。 図３に示す加温制御での電池の温度の推移を検証するシミュレーション結果を示す、図６と同様なデータである。 この発明の第２実施例に係る車両の電池加温装置の電子制御ユニットの加温制御動作を示す、図３と同様なフロー・チャートである。

以下、添付図面に即してこの発明に係る車両の電池加温装置を実施するための形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る車両の電池加温装置を全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０は車両を示す。車両１０は電気自動車（ＥＶ）からなり、回転電機１２（図で「Ｍｏｔｏｒ」と示す）と、電池１４（図で「Ｂａｔｔｅｒｙ」と示す）と、電池１４と回転電機１２の間に介挿される昇降圧コンバータ１６とインバータ２０が搭載される。

回転電機１２はブラシレス交流同期電動機からなると共に、通電されるときは回転出力を連結軸Ｓを介して車輪（駆動輪）２２に伝達して車両１０を走行させる。また、回転電機１２は、減速時には連結軸Ｓの回転に伴って生じた運動エネルギを電気エネルギに変換して出力する回生機能を有する。即ち、回転電機１２は、通電されて回転するときは電動機（モータ）として機能すると共に、車輪２２によって駆動されて回転するときは発電機（ジェネレータ）として機能する。

電池１４はリチウムイオン電池などの二次電池（バッテリ）からなる。図２は電池１４の等価回路を示す回路図である。

図２に示す如く、電池１４は、起電力を表す直流電圧源１４ａと、正負極素子と端子を接続する結線部のもつインダクタンス成分１４ｂと、電極の集電箔の抵抗成分１４ｃと、電気二重層容量１４ｄ−Ｃｎと反応抵抗１４ｄ−Ｒｎが並列に接続されてなる並列回路によって示される活物質（正極材料や負極材料）１４ｄｎ（ｎ：１，２，３・・・）とが直列に接続された等価回路によって表される。このように、電池１４は種々の内部抵抗を有する。

図１の説明に戻ると、電池１４は正極線２４ａと負極線２６ａを介して昇降圧コンバータ１６に接続されると共に、昇降圧コンバータ１６は正極線２４ｂと負極線２６ｂを介してインバータ２０に接続される。正極線２４ａには第２のコンタクタ（継電器）３０ｂが、負極線２６ａには第３のコンタクタ（継電器）３０ｃが設けられると共に、第２のコンタクタ（継電器）３０ｂには直列接続されたプリチャージ用の抵抗３２と第１のコンタクタ（継電器）３０ａが並列に接続される。抵抗３２は、後述するコンデンサのプリチャージを行うとき、コンデンサに供給される電流が過大とならないように制限するための抵抗（制限抵抗）である。

また、正負極線２４ａ，２６ａの間には、電池１４から出力される直流や昇降圧コンバータ１６で発生して出力される交流類似の電流（後述）を平滑する第１のコンデンサ３４が介挿される。即ち、第１のコンデンサ３４は、エネルギ蓄電を必要としない通常の比較的小型のコンデンサであって、平滑フィルタとして機能する。

昇降圧コンバータ１６は、リアクトル（インダクタ）１６ａと、直列接続された複数個（２個）のＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor。スイッチング素子）１６ｂ１，１６ｂ２と、ＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２にそれぞれ並列に接続されるダイオード１６ｃ１，１６ｃ２とを備える。

リアクトル１６ａは一端が電池１４の正極に接続されると共に、他端がＩＧＢＴ１６ｂ１のエミッタ端子（以下「エミッタ」と略称）とＩＧＢＴ１６ｂ２のコレクタ端子（以下「コレクタ」と略称）に接続される。ＩＧＢＴ１６ｂ１のコレクタは正極線２４ｂに接続され、ＩＧＢＴ１６ｂ２のエミッタは負極線２６ａ，２６ｂに接続される。ＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２のゲート端子（以下「ゲート」と省略する）は共に、後述する電子制御ユニットに信号線を介して接続される。

ダイオード１６ｃ１のアノード端子（以下「アノード」という）はＩＧＢＴ１６ｂ１のエミッタに、カソード端子（以下「カソード」という）はコレクタに接続される。また、ダイオード１６ｃ２のアノードはＩＧＢＴ１６ｂ２のエミッタに、カソードはコレクタに接続される。

上記の如く構成された昇降圧コンバータ１６は、ＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２が適宜にオン／オフされることで、電池１４から出力される電圧を昇圧／降圧して回転電機１２に供給する一方、回転電機１２で発電された電圧を昇圧／降圧して電池１４に供給して充電する。このように、昇降圧コンバータ１６は双方向昇降圧型のコンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。

正負極線２４ｂ，２６ｂの間には、昇降圧コンバータ１６で昇圧された電圧を平滑する第２のコンデンサ３６が介挿される。第２のコンデンサ３６も、第１のコンデンサ３４と同様、平滑フィルタとして機能する。

インバータ２０は３相ブリッジ回路から構成される。詳しくは、インバータ２０はＵ相回路２０ｕ、Ｖ相回路２０ｖ、Ｗ相回路２０ｗからなる。Ｕ相回路２０ｕは、正負極線２４ｂ，２６ｂの間に介挿されるＩＧＢＴ２０ａ１，２０ａ２と、ＩＧＢＴ２０ａ１，２０ａ２にそれぞれ並列に接続されるダイオード２０ｂ１，２０ｂ２とを備える。

ＩＧＢＴ２０ａ１のコレクタは正極線２４ｂに接続される一方、エミッタはＩＧＢＴ２０ａ２のコレクタに接続される。ＩＧＢＴ２０ａ２のエミッタは負極線２６ｂに接続される。また、ダイオード２０ｂ１のアノードはＩＧＢＴ２０ａ１のエミッタに、カソードはコレクタに接続される。ダイオード２０ｂ２のアノードはＩＧＢＴ２０ａ２のエミッタに、カソードはコレクタに接続される。

Ｖ，Ｗ相回路２０ｖ，２０ｗもＵ相回路２０ｕと同様に構成される。即ち、Ｖ相回路２０ｖは、ＩＧＢＴ２０ｃ１，２０ｃ２と、ＩＧＢＴ２０ｃ１，２０ｃ２にそれぞれ並列に接続されるダイオード２０ｄ１，２０ｄ２とを備え、ＩＧＢＴ２０ｃ１のコレクタは正極線２４ｂに、エミッタはＩＧＢＴ２０ｃ２のコレクタに接続される。ＩＧＢＴ２０ｃ２のエミッタは負極線２６ｂに接続される。ダイオード２０ｄ１のアノードはＩＧＢＴ２０ｃ１のエミッタに、カソードはコレクタに接続されると共に、ダイオード２０ｄ２のアノードはＩＧＢＴ２０ｃ２のエミッタに、カソードはコレクタに接続される。

Ｗ相回路２０ｗは、ＩＧＢＴ２０ｅ１，２０ｅ２と、ＩＧＢＴ２０ｅ１，２０ｅ２にそれぞれ並列に接続されるダイオード２０ｆ１，２０ｆ２とを備える。ＩＧＢＴ２０ｅ１のコレクタは正極線２４ｂに、エミッタはＩＧＢＴ２０ｅ２のコレクタに接続されると共に、ＩＧＢＴ２０ｅ２のエミッタは負極線２６ｂに接続される。また、ダイオード２０ｆ１のアノードはＩＧＢＴ２０ｅ１のエミッタに、カソードはコレクタに接続される。ダイオード２０ｆ２のアノードはＩＧＢＴ２０ｅ２のエミッタに、カソードはコレクタに接続される。尚、上記した６個のＩＧＢＴ２０ａ１，２０ａ２，２０ｃ１，２０ｃ２，２０ｅ１，２０ｅ２のゲートは全て電子制御ユニットに信号線を介して接続される。

Ｕ，Ｖ，Ｗ相回路２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの中間点は、回転電機１２の各相のコイル（図示せず）に接続される。上記のように構成されたインバータ２０は、各ＩＧＢＴが適宜にオン／オフされることで、昇降圧コンバータ１６で昇圧された直流を３相交流に変換して回転電機１２に供給すると共に、回転電機１２の回生動作によって発電された交流を直流に変換して昇降圧コンバータ１６に供給する。

また、正極線２４ａにおいて電池１４と第２のコンタクタ（継電器）３０ｂの間には電流センサ４０が接続され、そこを流れる電流Ｉbat、具体的には電池１４から流れる電流または電池１４に流れる電流に比例する出力を生じる。

電池１４には電圧センサ４２が設けられ、電池１４から出力される電圧Ｖbatに比例する出力を生じる。第１、第２のコンデンサ３４，３６にもそれぞれ電圧センサ４４，４６が設置されて各コンデンサ３４，３６の端子間の電圧Ｖc1，Ｖc2に比例する出力を生じる。さらに、電池１４の適宜位置には温度センサ４８が配置され、電池１４の温度Ｔに応じた信号を出力する。

上記した各センサの出力は、車両１０に搭載される電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）５０に入力される。ＥＣＵ５０はＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭなどを備えたマイクロ・コンピュータからなる。

ＥＣＵ５０は、入力されたセンサ出力などに基づいて昇降圧コンバータ１６、インバータ２０および各コンタクタ（継電器）３０ａ，３０ｂ，３０ｃの動作を制御する。具体的には、電池１４から出力される直流電圧を昇降圧コンバータ１６で昇圧し、昇圧された直流電圧をインバータ２０で交流電圧に変換して回転電機１２に供給すると共に、回転電機１２で発電された交流電圧をインバータ２０で直流に変換し、それを昇降圧コンバータ１６で昇降圧して電池１４に供給するようにそれぞれの動作を制御する。

ここで、この発明の課題について再説すると、最初に述べたように電池１４は、冬期など雰囲気温度が比較的低い場合、常温時に比して出力電力が低下する。そこで、例えば電池近傍にヒータを設置して加温するなどの構成が考えられるが、装置の大型化などの不具合が生じる。この発明は、そのような不具合を解消し、電池１４を効率良く加温することを課題とする。

以下それについて説明する。

図３は、ＥＣＵ５０の加温制御動作を示すフロー・チャートである。図示のプログラムは、車両１０の始動スイッチ（図示せず）が運転者によってオンされた後、ＥＣＵ５０によって所定の周期（例えば１００ｍｓｅｃ）ごとに実行される。

図３に示すように、先ずＳ１０において、第１のコンデンサ３４のプリチャージが完了したか否か判断する。この判断は、電池１４の電圧Ｖbatとコンデンサ３４の電圧Ｖc1の電圧差と既定値（例えば１１Ｖ）を比較することで行われ、電圧差が既定値未満のとき、換言すれば、電圧Ｖc1が電圧Ｖbat近傍まで上昇したとき、コンデンサ３４のプリチャージが完了したと判断する。

最初のプログラムループにおいては、プリチャージ前であるため電圧Ｖc1は比較的低く、よってＳ１０の判断は通例否定されてＳ１２に進む。Ｓ１２では、インバータ２０の６個のＩＧＢＴを全てオフすると共に、第１、第３のコンタクタ（継電器）３０ａ，３０ｃをオン、第２のコンタクタ（継電器）３０ｂをオフする。これにより、電池１４から抵抗３２を介して第１のコンデンサ３４に電流が供給されてプリチャージが行われる。

Ｓ１２の処理後はＳ１０に戻る一方、Ｓ１０で肯定されるときはＳ１４に進み、インバータ２０の全てのＩＧＢＴをオフする（正確には、オフした状態を継続する）と共に、第１のコンタクタ（継電器）３０ａをオフ、第２、第３のコンタクタ（継電器）３０ｂ，３０ｃをオンする。

次いでＳ１６に進み、温度センサ４８によって検出された電池１４の温度Ｔが第１の所定温度（しきい値）Ｔthre1未満か否か判断する。第１の所定温度Ｔthre1は、温度Ｔがそれ未満のときは電池１４が極低温であって所期の電力を出力できない状態にあると判断できるような値、例えば−１０℃に設定される。

Ｓ１６で肯定されるときはＳ１８に進み、電池１４の残容量を示すＳＯＣ（State Of Charge）を検出し、検出されたＳＯＣが第１の所定値（しきい値）ＳＯＣthre1より大きいか否か判断する。尚、電池１４のＳＯＣは、電池１４の電圧Ｖbatや温度Ｔ、電流センサ４０で検出される電流Ｉbatなどに基づいて検出（算出）される。また、第１の所定値ＳＯＣthre1は、電池１４に後述する強加温制御を実行するのに十分な残容量があると判断できるような値（例えば３５％）とされる。

Ｓ１８で肯定されるときはＳ２０に進み、昇降圧コンバータ１６の動作を制御して電池１４を加温する加温制御を実行する。詳しくは、昇降圧コンバータ１６のＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２をオン／オフさせて電池１４の加温効果が比較的高い加温制御（以下「強加温制御」という）を実行する。

図４はその強加温制御実行時において電池１４などの各構成部品に流れる電流等を示すグラフであり、図５は強加温制御実行時のＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２のオン／オフ状態を示すグラフである。図４においては、上から順に電池１４に流れる電流Ｉbat、第１のコンデンサ３４に流れる電流Ｉc1、第２のコンデンサ３６に流れる電流Ｉc2、ＩＧＢＴ１６ｂ２に流れる電流Ｉigbt、および電池１４の電圧Ｖbatと第２のコンデンサ３６の電圧Ｖc2を示す。

図１および図４，５を参照しつつ強加温制御について説明すると、先ず昇降圧コンバータ１６のＩＧＢＴ１６ｂ１をオフすると共に、ＩＧＢＴ１６ｂ２をオンする。このとき電流は、図１に太線矢印Ａで示す如く、電池１４から第２のコンデンサ３６に向けて流れる（正の通電電流が流れる）。

他方、ＩＧＢＴ１６ｂ１をオンすると共に、ＩＧＢＴ１６ｂ２をオフすると、電流は、向きが反転し、二点鎖線矢印Ｂで示すように第２のコンデンサ３６から電池１４に流れる（負の通電電流が流れる）。

強加温制御にあっては、上記したＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２のオン／オフ動作を繰り返す、換言すれば、ＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２のオン／オフを図５に示す如く交互にスイッチングすることで、図４に示すような交流類似の電流を発生させ、それを電池１４と第２のコンデンサ３６の間で第１のコンデンサ３４を介して入出力させるようにする。尚、この明細書で「交流類似の電流」とは、時間に対して大きさと方向（符号）が変化する交流電流に似た（近似した）電流という意味で使用する。

具体的には、電池１４に流れる電流Ｉbatの周波数と振幅が最大連続電流のそれの約１／２の正弦波となるように、ＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２のオン時間（正確にはゲート電圧を印加する時間）のパルス幅を変調する。ここでは、例えばスイッチング周波数を１５ｋＨｚ（周期６６．７μｓ）、変調波の周波数を１ｋＨｚ（周期１ｍｓ）とする。このスイッチング周波数は、出力先の電圧Ｖbat，Ｖc2を検出し、出力先の電池１４、コンデンサ３６の耐圧を考慮して上限値が設定される。

前記スイッチング動作により、コンデンサ３６の電流Ｉc2とＩＧＢＴ１６ｂ２の電流Ｉigbtは位相が反転した波形となり、電池１４には電流Ｉigbtと略同じ位相の電流Ｉbatが流れる。尚、スイッチングの際、リップル電流が生じるが、交流類似の電流は第１のコンデンサ（平滑コンデンサ）３４でフィルタリングされるため、電池１４の電流Ｉbatのリップル成分は低減させられることとなる。

また、ＩＧＢＴ１６ｂ１をオン、ＩＧＢＴ１６ｂ２をオフして第２のコンデンサ３６から電池１４に電流が流れる、換言すれば、第２のコンデンサ３６に溜まったエネルギを電池１４側に戻すように構成したため、第２のコンデンサ３６の電圧（出力電圧）Ｖc2は、電池１４の電圧Ｖbatに対して昇圧させられたまま略一定値に保たれる。

上記の如くＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２の動作を制御することで、交流類似の電流が電池１４に入出力され、電池１４を構成する様々な内部抵抗に流れてジュール熱が発生し、よって温度Ｔが上昇する、換言すれば、電池１４が加温される。電池１４は加温されることによって所期の電力を出力することが可能となる。

ここで、電池１４での発熱について詳説する。電池１４はバッテリであるため、図２に示すように、等価回路的に接続抵抗成分（１４ｂ）、電解液に起因した化学的なキャパシタンス（１４ｄ−Ｃｎ）と反応抵抗成分（１４ｄ−Ｒｎ）などの組み合わせで表現できる。

昇降圧コンバータ（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）１６は本来、直流電圧から直流電圧への変圧を行うものであるが、本加温制御にあっては、回転電機１２とインバータ２０が停止した状態のとき、昇降圧コンバータ１６で電源電圧を中心とした交流電圧を発生させるようにする。昇降圧コンバータ１６から出力される交流類似の電流は、様々な次数の正弦波を重畳させた変調波形にスイッチングリップル電流波形が重畳された波形となる。

従って、変調波形の低周波成分は電池１４の化学反応に起因する化学的なキャパシタンスに流れて、そこの反応抵抗の発熱が促されると共に、変調波形の高周波成分とスイッチングによるリップル電流周波数成分によって接続抵抗の発熱が促される。このように変調波を利用すると、電池１４の等価回路上の様々な位置に存在する抵抗成分を発熱源とすることができる。

図３フロー・チャートの説明に戻ると、Ｓ１８で否定されるときはＳ２２に進み、電池１４のＳＯＣが第２の所定値（しきい値）ＳＯＣthre2より大きいか否か判断する。この第２の所定値ＳＯＣthre2は、第１の所定値ＳＯＣthre1に比して小さい値とされ、後述する弱加温制御を実行するのに十分な残容量があると判断できるような値（例えば２５％）に設定される。

Ｓ２２で肯定されるときはＳ２４に進み、昇降圧コンバータ１６の動作を制御して電池１４を加温する加温制御を実行する。詳しくは、昇降圧コンバータ１６のＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２をオン／オフさせて電池１４の加温効果が前述した強加温制御に比して弱い加温制御（以下「弱加温制御」という）を実行する。

弱加温制御におけるＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２のオン／オフ動作は、強加温制御のときと基本的に同じである。即ち、ＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２をオン／オフさせて交流類似の電流を発生させて電池１４と第２のコンデンサ３６の間で入出力させる。

但し、電池１４に流れる電流Ｉbatの周波数と振幅は、強加温制御時のそれに比して小さくなるように、具体的には最大連続電流のそれの約１／４となるように、スイッチング制御する。これにより、弱加温制御においては、加温効果は強加温制御のときより弱いものの、加温に利用される電池１４の電力を低減させることが可能となる。

このように、電池１４に流れる電流Ｉbatの周波数と振幅は調整自在（選択自在）とされ、電池１４の残容量（ＳＯＣ）や温度Ｔに応じて周波数や振幅を変更して強／弱加温制御が行われる。

一方、Ｓ２２で否定、即ち、電池１４のＳＯＣが少ないときはＳ２６に進み、強加温制御、弱加温制御のいずれも実行せずにプログラムを終了する。

また、Ｓ１６で否定されるときはＳ３０に進んで電池１４の温度Ｔが第２の所定温度（しきい値）Ｔthre2未満か否か判断する。第２の所定温度Ｔthre2は、前記第１の所定温度Ｔthre2よりも大きい値に設定され、温度Ｔがそれ未満のときは電池１４が低温状態であって所期の電力を出力できないおそれがあると判断できるような値、例えば５℃に設定される。

Ｓ３０で否定されるときは、電池１４は所期の電力を出力可能で加温する必要がない状態と判断できるため、Ｓ３４に進んで加温制御を実行しない、あるいは加温制御を既に実行している場合はそれを停止してプログラムを終了する。

他方、Ｓ３０で肯定されるときは、Ｓ３２に進み、Ｓ２２と同様、電池１４のＳＯＣが第２の所定値ＳＯＣthre2より大きいか否か判断する。Ｓ３２で肯定されるときはＳ２４に進んで弱加温制御を実行する（既に強加温制御を実行している場合は弱加温制御に切り換える）一方、否定されるときはＳ３４に進み、加温制御を行うことなくプログラムを終了する。

図６と図７は、図３に示す加温制御での電池１４の温度Ｔの推移を検証するシミュレーション結果を示すデータである。

尚、図６は電池１４のＳＯＣが第１の所定値ＳＯＣthre1より大きいときの温度Ｔ、図７はＳＯＣが第２の所定値ＳＯＣthre2より大きく第１の所定値ＳＯＣthre1以下のときの温度Ｔの推移を示す。また、図６，７において、初期温度（正確には、車両１０の始動スイッチがオンされたときの温度）が第１の所定温度Ｔthre1未満の場合を実線で、第１の所定温度Ｔthre1以上で第２の所定温度Ｔthre2未満の場合を破線で示す。

先ず図６を参照して説明すると、時刻ｔ０で車両１０の始動スイッチがオンされ、そのときの電池１４の温度Ｔが第１の所定温度Ｔthre1未満の場合（Ｓ１６で肯定）、強加温制御を実行する（Ｓ２０）。これにより、温度Ｔは実線で示す如く急速に上昇する。

そして、時刻ｔ１において温度Ｔが所定温度Ｔthre1に到達すると（Ｓ１６で否定）、弱加温制御を実行し（Ｓ２４）、それによって温度Ｔは緩やかに上昇し続ける。その後、時刻ｔ３で温度Ｔが第２の所定温度Ｔthre2に達すると（Ｓ３０で否定）、弱加温制御を終了する（Ｓ３４）。尚、車両１０が実際に駆動（走行）を開始するのを時刻ｔ４とすると、それまでは弱加温制御を断続的に行うこととなる。

時刻ｔ０での温度Ｔが所定温度Ｔthre1以上で所定温度Ｔthre2未満の場合（Ｓ１６で否定、Ｓ３０で肯定）、弱加温制御を実行する（Ｓ２４）。これにより、図６に破線で示す如く、温度Ｔは徐々に上昇する。そして、時刻ｔ２において温度Ｔが所定温度Ｔthre2に到達すると（Ｓ３０で否定）、弱加温制御を終了する（Ｓ３４）。その後、時刻ｔ４までは前述したように弱加温制御を断続的に実行する。

図７にあっては、ＳＯＣが所定値ＳＯＣthre2より大きく所定値ＳＯＣthre1未満であるため、初期温度の高低に拘らず強加温制御は行わず、時刻ｔ０後は直ちに弱加温制御を実行する（Ｓ２４）。

その後、破線で示す初期温度が所定温度Ｔthre1以上で所定温度Ｔthre2未満であった場合は時刻ｔ１で、実線で示す初期温度が所定温度Ｔthre1未満であった場合は時刻ｔ２で温度Ｔが第２の所定温度Ｔthre2に達し（Ｓ３０で否定）、弱加温制御を終了する（Ｓ３４）。その後、時刻ｔ４まで弱加温制御を断続的に実行するのは、図６のときと同様である。

このように、第１実施例にあっては、電池１４と昇降圧コンバータ１６を接続する正負極線２４ａ，２６ａの間に介挿される第１のコンデンサ３４と、昇降圧コンバータ１６と回転電機１２を接続する正負極線２４ｂ，２６ｂの間に介挿される第２のコンデンサ３６とを備え、昇降圧コンバータ１６の動作を制御して交流類似の電流を発生させて電池１４と第２のコンデンサ３６の間で第１のコンデンサ３４を介して入出力させることで電池１４を加温する加温制御を実行し、電池１４の残容量（ＳＯＣ）を検出し、検出された電池１４の残容量が大きいほど交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように構成したので、ヒータの追加やコンデンサの容量の増加などは不要となって装置が大型化することはなく、冬期など雰囲気温度が比較的低いときであっても電池１４を内部抵抗での発熱によって効率良く加温でき、よって所期の電力を出力可能とすることができる。それにより、車両１０を始動させてから通常電池温度での車両運動性能を確保するまでの時間も短縮できる。また、電池１４の状態に適した加温制御を実行することができる。

また、昇降圧コンバータ１６はＩＧＢＴ（スイッチング素子）１６ｂ１，１６ｂ２を備えると共に、ＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２をオン／オフさせて加温制御を実行するように構成したので、簡易な構成でありながら、前記した加温制御を確実に実行することができる。

また、車両１０が電気自動車からなるように構成したので、電気自動車に搭載される電池１４を効率良く加温することができる。

また、検出された電池１４の残容量が大きいほど交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように予め設定された第１の特性に基づいて交流類似の電流を発生させるように構成したので、電池１４の残容量に応じて交流類似の電流の周波数や振幅を変更することも可能となり、よって電池１４の状態に応じた最適な加温制御を実行することができる。

また、電池１４の温度Ｔを検出し、検出された電池１４の温度Ｔが低いほど交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように構成したので、電池１４の温度Ｔに応じて交流類似の電流の周波数や振幅を変更することも可能となり、よって電池１４の状態に適した加温制御を実行することができる。

次いで、この発明の第２実施例に係る車両の電池加温装置について説明する。

第１実施例との相違点に焦点をおいて説明すると、第２実施例にあっては、交流類似の電流の周波数と振幅を予め設定された特性（マップデータ）を検索して決定するようにした。

図８は第２実施例に係る車両の電池加温装置のＥＣＵ５０の加温制御動作を示す、図３と同様なフロー・チャートである。

図８に示すように、Ｓ１００からＳ１０４までは第１実施例のＳ１０からＳ１４までと同様な処理を行ってＳ１０６に進む。Ｓ１０６では、電池１４の温度Ｔと残容量ＳＯＣ、電池容量・内部抵抗からマップを検索して（詳しくは、電池容量・内部抵抗（換言すれば、電池１４の状態（劣化状態））に応じて加温制御の強弱を制御するためのゲインも含めてマップを検索して）電池１４に流れる電流Ｉbatの周波数と振幅を決定する。

尚、マップデータ、即ち、特性は、電池１４の温度Ｔが低くなるにつれて周波数と振幅が大きくなるように、換言すれば、加温効果が高くなるように設定されると共に、ＳＯＣが多くなるにつれて周波数と振幅が大きくなるように適宜設定される。

次いでＳ１０８に進み、電池１４において加温を必要としているか否か判断する。これは、例えば電池１４が低温のため所期の電力を出力できない状態で、かつＳＯＣが加温制御を実行するのに十分な値を示すとき、加温を必要としていると判断する一方、温度Ｔが比較的高い、あるいはＳＯＣが比較的少ないときは加温が必要ない（または加温制御を実行すべきではない）と判断する。

Ｓ１０８で肯定されるときはＳ１１０に進み、昇降圧コンバータ１６の動作を制御して加温制御を実行する。具体的には、昇降圧コンバータ１６のＩＧＢＴ１６ｂ１，１６ｂ２をオン／オフさせ、Ｓ１０６で決定された周波数と振幅となるような交流類似の電流を発生させ、それを電池１４に入出力させる。これにより、電池１４の内部抵抗に電流が流れて発熱し、よって電池１４の温度Ｔが上昇する、即ち、電池１４が加温される。

他方、Ｓ１０８で否定されるときはＳ１１２に進み、加温制御を実行しない、または加温制御を既に実行している場合はそれを停止してプログラムを終了する。

このように、第２実施例にあっては、電池１４のＳＯＣに応じて予め設定された特性に基づいて交流類似の電流を発生させるように構成したので、ＳＯＣに応じて予め設定された特性に基づいて交流類似の電流Ｉbatの周波数や振幅を変更することも可能となり、よって電池１４の状態に適した加温制御を実行することができる。

また、電池１４の温度Ｔに応じて予め設定された特性に基づいて交流類似の電流を発生させるように構成したので、温度Ｔに応じて予め設定された特性に基づいて交流類似の電流Ｉbatの周波数や振幅を変更することも可能となり、よって電池１４の状態に応じた最適な加温制御を実行することができる。

さらに、電池容量・内部抵抗に応じて予め設定された特性に基づいて交流類似の電流を発生させるように構成したので、電池１４における容量や内部抵抗に応じて予め設定された特性に基づいて交流類似の電流Ｉbatの周波数や振幅を変更することも可能となり、よって電池１４の状態に適した加温制御を行うこともできる。

尚、残余の構成および効果は第１実施例と同一であるので、説明を省略する。

以上の如く、この発明の第１および第２実施例にあっては、車両１０に搭載される回転電機１２と、電池１４と、前記電池と前記回転電機の間に介挿されて前記電池から出力される電圧を昇圧／降圧して前記回転電機に供給する一方、前記回転電機で発電された電圧を昇圧／降圧して前記電池に供給する昇降圧コンバータ１６とを備える車両の電池加温装置において、前記電池１４と前記昇降圧コンバータ１６を接続する正負極線２４ａ，２６ａの間に介挿される第１のコンデンサ３４と、前記昇降圧コンバータ１６と前記回転電機１２を接続する正負極線２４ｂ，２６ｂの間に介挿される第２のコンデンサ３６と、前記昇降圧コンバータ１６の動作を制御して交流類似の電流を発生させて前記電池１４と前記第２のコンデンサ３６の間で前記第１のコンデンサ３４を介して入出力させることで前記電池１４を加温する加温制御（強加温制御、弱加温制御）を実行する加温制御手段と（ＥＣＵ５０。Ｓ１６〜Ｓ３４、Ｓ１０６〜Ｓ１１２）、前記電池１４の残容量（ＳＯＣ）を検出する残容量検出手段（電流センサ４０、電圧センサ４２、温度センサ４８、ＥＣＵ５０）とを備えると共に、前記加温制御手段は、前記検出された電池の残容量ＳＯＣが大きいほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御する（Ｓ１８〜Ｓ２６、Ｓ３２、Ｓ１０６〜Ｓ１１２）ように構成した。

また、前記昇降圧コンバータ１６はスイッチング素子（ＩＧＢＴ）１６ｂ１，１６ｂ２を備えると共に、前記加温制御手段は、前記スイッチング素子１６ｂ１，１６ｂ２をオン／オフさせて前記加温制御を実行するように構成した（Ｓ２０，Ｓ２４，Ｓ１１０）。

また、前記車両１０が電気自動車からなるように構成した。

また、第２実施例にあっては、前記加温制御手段は、前記検出された電池の残容量ＳＯＣが大きいほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように予め設定された第１の特性に基づいて前記交流類似の電流を発生させるように構成した（Ｓ１０６〜Ｓ１１２）。

また、第１実施例にあっては、前記電池１４の温度Ｔを検出する温度検出手段（温度センサ４８）を備えると共に、前記加温制御手段は、前記検出された電池の温度Ｔが低いほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように構成した（Ｓ１６〜Ｓ３２）。

また、第２実施例にあっては、前記電池１４の温度Ｔを検出する温度検出手段（温度センサ４８）を備えると共に、前記加温制御手段は、前記検出された電池の温度Ｔが低いほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように予め設定された第２の特性に基づいて前記交流類似の電流を発生させるように構成した（Ｓ１０６〜Ｓ１１２）。

また、第１実施例にあっては、前記加温制御手段は、前記検出された電池の残容量ＳＯＣに基づく前記交流類似の電流の周波数及び振幅の制御と前記検出された電池の温度Ｔに基づく前記交流類似の電流の周波数及び振幅の制御のうち、前記交流類似の電流の周波数及び振幅が小さくなる制御を選択するように構成した（Ｓ１６〜Ｓ３２）。また、第２実施例にあっては、前記加温制御手段は、前記第１と第２の特性のうち、前記交流類似の電流の周波数及び振幅を小さく設定する特性を選択するように構成した（Ｓ１０６〜Ｓ１１２）。

尚、上記においては、車両１０として電気自動車を例にとって説明したが、ハイブリッド車（内燃機関と回転電機（モータ）を駆動源として備える車両。ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣ車）であっても本発明を適用することができる。

また、電池１４の例としてリチウムイオン電池からなる二次電池を挙げたが、それに限られるものではなく、鉛電池やニッケル水素電池などでも良く、あるいはキャパシタなどの蓄電手段であっても良い。

また、第１、第２の所定温度Ｔthre1，Ｔthre2や第１、第２の所定値ＳＯＣthre1，ＳＯＣthre2、電流の周波数、振幅などを具体的な値で示したが、それらは例示であって限定されるものではない。

１０ 車両（電気自動車）、１２ 回転電機、１４ 電池、１６ 昇降圧コンバータ、１６ｂ１，１６ｂ２ ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、２４ａ，２４ｂ 正極線、２６ａ，２６ｂ 負極線、３４ 第１のコンデンサ、３６ 第２のコンデンサ、４０ 電流センサ、４２ 電圧センサ、４８ 温度センサ、５０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）

Claims (8)

1. 車両に搭載される回転電機と、電池と、前記電池と前記回転電機の間に介挿されて前記電池から出力される電圧を昇圧／降圧して前記回転電機に供給する一方、前記回転電機で発電された電圧を昇圧／降圧して前記電池に供給する昇降圧コンバータとを備える車両の電池加温装置において、前記電池と前記昇降圧コンバータを接続する正負極線の間に介挿される第１のコンデンサと、前記昇降圧コンバータと前記回転電機を接続する正負極線の間に介挿される第２のコンデンサと、前記昇降圧コンバータの動作を制御して交流類似の電流を発生させて前記電池と前記第２のコンデンサの間で前記第１のコンデンサを介して入出力させることで前記電池を加温する加温制御を実行する加温制御手段と、前記電池の残容量を検出する残容量検出手段とを備えると共に、前記加温制御手段は、前記検出された電池の残容量が大きいほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御することを特徴とする車両の電池加温装置。
2. 前記昇降圧コンバータはスイッチング素子を備えると共に、前記加温制御手段は、前記スイッチング素子をオン／オフさせて前記加温制御を実行することを特徴とする請求項１記載の車両の電池加温装置。
3. 前記車両が電気自動車からなることを特徴とする請求項１または２記載の車両の電池加温装置。
4. 前記加温制御手段は、前記検出された電池の残容量が大きいほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように予め設定された第１の特性に基づいて前記交流類似の電流を発生させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の車両の電池加温装置。
5. 前記電池の温度を検出する温度検出手段を備えると共に、前記加温制御手段は、前記検出された電池の温度が低いほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の車両の電池加温装置。
6. 前記電池の温度を検出する温度検出手段を備えると共に、前記加温制御手段は、前記検出された電池の温度が低いほど前記交流類似の電流の周波数及び振幅を大きく制御するように予め設定された第２の特性に基づいて前記交流類似の電流を発生させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の車両の電池加温装置。
7. 前記加温制御手段は、前記検出された電池の残容量に基づく前記交流類似の電流の周波数及び振幅の制御と前記検出された電池の温度に基づく前記交流類似の電流の周波数及び振幅の制御のうち、前記交流類似の電流の周波数及び振幅が小さくなる制御を選択することを特徴とする請求項５記載の車両の電池加温装置。
8. 前記加温制御手段は、前記第１と第２の特性のうち、前記交流類似の電流の周波数及び振幅を小さく設定する特性を選択することを特徴とする請求項６記載の車両の電池加温装置。

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