JP4081855B2

JP4081855B2 - 電池の昇温装置

Info

Publication number: JP4081855B2
Application number: JP13218298A
Authority: JP
Inventors: 英明堀江; 豊昭中川; 幹夫川合; 雄児丹上; 孝昭安部; 健岩井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: US6078163A; JPH11329516A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池を昇温する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
一般に電池は、低温時に内部抵抗値が高くなって所定の出力が得られないという特性を有している。低温時に強制放電を行えば電池を昇温することができるが、電池の充電電力を不必要に消費することがあり、充電電力を有効に利用できないという問題がある。
【０００３】
本発明の目的は、最少限の電力消費で電池を効果的に昇温することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図２に対応づけて本発明を説明すると、
（１）請求項１の発明は、電池１５の両端にインダクターＬとキャパシターＣと交流電源ＯＳＣとから成る直列回路を接続して共振回路を構成し、交流電源ＯＳＣから共振回路の共振周波数の交流電圧を発生させて電池１５を昇温することにより、上記目的を達成する。
（２）請求項２の電池の昇温装置は、共振時に電池１５を構成するセルＣe1〜Ｃenの電圧がその上限電圧以下となるように、交流電源ＯＳＣから出力される交流電圧の振幅を調節するようにしたものである。
（３）請求項３の電池の昇温装置は、電池１５のＳＯＣが所定値に低下するまでは、電池１５から外部負荷へ電力を供給して強制放電による昇温を行い、電池１５のＳＯＣが所定値まで低下したら共振回路による昇温を開始するようにしたものである。
（４）請求項４の電池の昇温装置は、電池１５は電気自動車に用いられ、外部負荷は暖房装置である。
【０００５】
上述した課題を解決するための手段の項では、説明を分かりやすくするために一実施の形態の構成図を用いたが、これにより本発明が一実施の形態に限定されるものではない。
【０００６】
【発明の効果】
（１）請求項１の発明によれば、共振時にほとんど電池の内部抵抗で電力が消費され、自己発熱して電池を昇温するので、最少限の電力消費で効果的に電池を昇温することができる。
（２）請求項２の発明によれば、共振時に電池セルに印加される電圧が上限値以下に制限され、電池の長寿命化を図ることができる。
（３）請求項３の発明によれば、必要に応じて外部負荷へ電力を供給しながら電池を昇温することができ上に、電池のＳＯＣが低下したら共振回路による昇温が開始されるので、電池が残容量不足となるのを防止できる。
（４）請求項４の発明によれば、電池の温度が低い時に、電池の残容量不足を防止しながら暖房装置へ電力を供給して暖房を行うことができる上に、最少限の電力消費で電気自動車の電池を効果的に昇温することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明をハイブリッド車両に応用した一実施の形態を説明する。図１は一実施の形態の構成を示す図である。図において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。
この車両のパワートレインは、モーター１、エンジン２、クラッチ３、モーター４、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８から構成される。モーター１の出力軸、エンジン２の出力軸およびクラッチ３の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ３の出力軸、モーター４の出力軸および無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。
【０００８】
クラッチ３締結時はエンジン２とモーター４が車両の推進源となり、クラッチ３解放時はモーター４のみが車両の推進源となる。エンジン２および／またはモーター４の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。無段変速機５には油圧装置９から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。油圧装置９のオイルポンプ（不図示）はモーター１０により駆動される。
【０００９】
モータ１，４，１０は三相同期電動機または三相誘導電動機などの交流機であり、モーター１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モーター４は主として車両の推進と制動に用いられる。また、モーター１０は油圧装置９のオイルポンプ駆動用である。なお、モーター１，４，１０には交流機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、クラッチ３締結時に、モーター１を車両の推進と制動に用いることもでき、モーター４をエンジン始動や発電に用いることもできる。
【００１０】
クラッチ３はパウダークラッチであり、伝達トルクを調節することができる。なお、このクラッチ３に乾式単板クラッチや湿式多板クラッチを用いることもできる。無段変速機５はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。
【００１１】
モーター１，４，１０はそれぞれ、インバーター１１，１２，１３により駆動される。なお、モーター１，４，１０に直流電動機を用いる場合には、インバーターの代わりにＤＣ／ＤＣコンバーターを用いる。インバーター１１〜１３は共通のＤＣリンク１４を介してメインバッテリー１５に接続されており、メインバッテリー１５の直流充電電力を交流電力に変換してモーター１，４，１０へ供給するとともに、モーター１，４の交流発電電力を直流電力に変換してメインバッテリー１５を充電する。なお、インバーター１１〜１３は互いにＤＣリンク１４を介して接続されているので、回生運転中のモーターにより発電された電力をメインバッテリー１５を介さずに直接、力行運転中のモーターへ供給することができる。
【００１２】
コントローラー１６は、マイクロコンピューターとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、エンジン２の回転速度、出力およびトルク、クラッチ３の伝達トルク、モーター１，４，１０の回転速度およびトルク、無段変速機５の変速比、メインバッテリー１５の充放電などを制御する。コントローラー１６には、図２に示すように、車両のキースイッチ１７、メインバッテリー１５の温度ＴBを検出する温度センサー１８、メインバッテリー１５の端子電圧ＶBを検出する電圧センサー１９、メインバッテリー１５の充電状態ＳＯＣを検出するＳＯＣ検出装置２０などが接続されている。
【００１３】
図２にメインバッテリー１５の昇温回路を示す。メインバッテリー１５はｎ個のセルＣe1〜Ｃenが直列に接続されている。各セルＣn（ｎ＝１，２，３，・・、以下同様）には内部抵抗ｒ１〜ｒｎがあり、それらの合成抵抗をＲは、
【数１】

【００１４】
メインバッテリー１５の端子ａ，ｂ間にはインダクターＬ、キャパシターＣおよび交流電源ＯＳＣが直列に接続され、合成内部抵抗Ｒとともにメインバッテリー１５の昇温回路を構成する。インダクターＬのインダクダンスを便宜上Ｌ［Ｈ］とし、キャパシターＣのキャパシタンスを便宜上Ｃ［Ｆ］とする。交流電源ＯＳＣはコントローラー１６により制御され、角周波数ω［rad／sec］の交流電圧を発生する。メインバッテリー１５の合成内部抵抗Ｒと、昇温回路のインダクターＬおよびキャパシターＣは、ＲＬＣの直列共振回路を構成し、その共振角周波数ωoは、
【数２】

で表される。
【００１５】
ここで、交流電源ＯＳＣの角周波数ωを昇温回路の共振角周波数ωoに設定すると、昇温回路に直列共振が発生し、交流電流ｉが流れる。これにより、各セルＣnの内部抵抗ｒｎで、
【数３】

の熱を発生し、バッテリー全体として、
【数４】

の熱を発生する。この熱によりメインバッテリー１５の温度ＴBが上昇し、放電能力が増加する。
【００１６】
バッテリー１５の温度ＴBが低い時は、内部抵抗Ｒが大きい上に、共振時のインダクターＬおよびキャパシターＣのインピーダンスが内部抵抗Ｒに比べて小さいので、昇温回路による共振時の電力消費はその多くが内部抵抗Ｒ（＝Σｒｎ）で発生し、熱となる。つまり、共振時には、ほとんどメインバッテリー１５の内部で電力が消費され、自己発熱してバッテリー温度ＴBが上昇する。
【００１７】
これに対し、外部の抵抗負荷などへ電力を供給して強制放電を行い、バッテリーを昇温する場合には、内部抵抗による電力消費に比べて外部負荷による電力消費の方が大きく、バッテリーの自己発熱量が小さくなり、電力消費量に対する昇温効果が小さくなる。
【００１８】
なお、昇温回路に共振を発生させると、メインバッテリー１５の各セルＣnの両端には交番電圧ｖが印加される。通常、電池セルには、図３に示すように、早期の劣化を防止するためにセル電圧Ｖcの上限電圧ＶHが設定されており、共振による交番電圧ｖのピーク値がこの上限値ＶHを越えないようにしなければならない。そこで、コントローラー１６は、電圧センサー１９により検出したメインバッテリー１５の端子電圧ＶBに応じて、交流電源ＯＳＣから出力される交流電圧の振幅を調節する。すなわち、端子電圧ＶBが高いほど振幅を下げる。これにより、共振時に電池セルに印加される電圧Ｖcを上限値ＶH以下に制限することができ、バッテリーの長寿命化を図ることができる。
【００１９】
図４は電池昇温制御を示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。
コントローラー１６は、車両のキースイッチ１７がオンされるとこの制御プログラムを実行する。ステップ１において、温度センサー１８により検出されたメインバッテリー１５の温度ＴBが所定値Ｋ１以下かどうかを確認する。バッテリー温度ＴBが所定値Ｋ１より高い場合は、昇温動作を行う必要がないと判断して電池昇温制御を終了する。バッテリー温度ＴBが所定値Ｋ１以下の時はステップ２へ進み、車両の暖房装置（不図示）がオンされているかどうかを確認する。
【００２０】
車両の暖房装置がオンされている時はステップ３へ進み、まずメインバッテリー１５から暖房装置へ電力を供給して車室内の暖房を行う。これにより、メインバッテリー１５から暖房装置へ電流が流れ、メインバッテリー１５は内部抵抗ｒｎにより発熱し、温度が上がる。ステップ４で、暖房装置への電力供給によってバッテリー温度ＴBが所定値Ｋ１より上昇したかどうかを確認し、上昇したら電池の昇温制御を終了する。
【００２１】
ステップ４でバッテリー温度ＴBが所定値Ｋ１以下と判定された時はステップ５へ進み、ＳＯＣ検出装置２０により検出されたメインバッテリー１５のＳＯＣが所定値Ｋ２以下になったかどうかを確認する。上述したように、外部負荷への強制放電による電池の昇温効果は高くないので、ＳＯＣが所定値Ｋ２以下になったら、メインバッテリー１５の温度ＴBを早期に上げて放電能力を高める必要がある。
【００２２】
ＳＯＣが所定値Ｋ２以下と判定された時は、ステップ６で交流電源ＯＳＣから共振周波数ωoの交流電圧を出力させ、上述したＲＬＣ昇温回路で共振を発生させる。この時、交流電圧の振幅は、電圧センサー１９により検出したメインバッテリー１５の端子電圧ＶBに応じた値とし、セル電圧Ｖcが上限値ＶH以下になるように制御する。昇温回路を作動させた後、ふたたびステップ１へ戻り、上述した処理を繰り返す。一方、ステップ５でＳＯＣが所定値Ｋ２より大きいと判定された時はステップ３へ戻り、暖房装置への電力供給を継続する。
【００２３】
なお、上述した一実施の形態ではハイブリッド車両に本発明を適用した例を説明したが、本発明は上記以外の種類のハイブリッド車両を含む各種電気自動車の電池に適用することができる。もちろん、電気自動車以外の組電池にも適用することができる。
【００２４】
また、上述した一実施の形態では暖房装置へ電力を供給する例を示したが、強制放電を行う外部負荷は暖房装置に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】メインバッテリーの昇温回路を示す図である。
【図３】バッテリーセルの放電深度ＤＯＤに対するセル電圧Ｖcの特性を示す図である。
【図４】電池昇温制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、４、１０モーター
２エンジン
３クラッチ
５無段変速機
６減速装置
７差動装置
８駆動輪
９油圧装置
１１〜１３インバーター
１４ＤＣリンク
１５メインバッテリー
１６コントローラー
１７キースイッチ
１８温度センサー
１９電圧センサー
２０ＳＯＣ検出装置
Ｃe1〜Ｃen セル
ｒ1〜ｒn セルの内部抵抗
Ｌインダクター
Ｃキャパシター
ＯＳＣ交流電源

Claims

電池の両端にインダクターとキャパシターと交流電源とから成る直列回路を接続して共振回路を構成し、前記交流電源から前記共振回路の共振周波数の交流電圧を発生させて前記電池を昇温することを特徴とする電池の昇温装置。
請求項１に記載の電池の昇温装置において、
共振時に前記電池を構成するセルの電圧がその上限電圧以下となるように、前記交流電源から出力される交流電圧の振幅を調節することを特徴とする電池の昇温装置。
請求項１または請求項２に記載の電池の昇温装置において、
前記電池のＳＯＣが所定値に低下するまでは、前記電池から外部負荷へ電力を供給して強制放電による昇温を行い、前記電池のＳＯＣが所定値まで低下したら前記共振回路による昇温を開始することを特徴とする電池の昇温装置。
請求項３に記載の電池の昇温装置において、
前記電池は電気自動車に用いられ、前記外部負荷は暖房装置であることを特徴とする電池の昇温装置。