JP4929597B2

JP4929597B2 - 電池モジュールの暖機装置

Info

Publication number: JP4929597B2
Application number: JP2005023258A
Authority: JP
Inventors: 正彦三井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2025-01-31
Also published as: JP2006210244A

Description

この発明は、車両に搭載される電池モジュールの暖機装置に関し、より特定的には、リチウムイオン電池やニッケル水素電池からなる電池モジュールの暖機装置に関する。

従来の電池モジュールの暖機装置に関連ある技術として、たとえば、特開２００３−１８９４９０号公報には、バッテリセルの残容量均等化処理を、バッテリの残容量を良好な範囲に保ちつつ行なうことを目的とした蓄電装置の残容量均等化装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された残容量均等化装置では、イグニッションオフの信号が確認された後、バッテリを構成する複数のセルの電圧が、それぞれ測定される。測定の結果、電圧値の高かったセルに関しては、そのセルに並列に接続された電流バイパス回路のスイッチがオンされる。このとき、電流バイパス回路に設けられたバイパス抵抗を介して、セルの放電が開始される。これにより、セルの残容量の均等化が行なわれる。

また、特開平１１−２８３６７８号公報には、組電池の温度を速やかに昇温させることを目的とした充電制御装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された充電制御装置では、電池温度が低温の時に、回生パワーの一部が、各セルに並列に接続された均等充電用の抵抗で消費される。これにより、熱が発生し、電池の温度が上昇する。また、特開２０００−４０５３６号公報には、内部発熱を利用して効率的に暖機を行なうことを目的としたバッテリ暖機装置が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示されたバッテリ暖機装置では、バッテリの側方にヒータが配置されている。ヒータで、バッテリの充電電力が熱に変換される。

また、特開２００１−３３９８６５号公報には、充電エネルギを無駄にすることなく、セル電圧を均等化することを目的としたセル電圧均等化装置が開示されている（特許文献４）。また、特開２００１−１０３６１４号公報には、セルの残容量を効率良く均等化することを目的とした蓄電装置の残容量検出装置が開示されている（特許文献５）。
特開２００３−１８９４９０号公報特開平１１−２８３６７８号公報特開２０００−４０５３６号公報特開２００１−３３９８６５号公報特開２００１−１０３６１４号公報

電池は、化学反応によって充放電を行なうため、０℃から−３０℃といった低温下では、十分な出力性能を発揮することができない。たとえば、２５℃で得られる出力に対して、０℃では、７０％ほどの出力しか得られず、−２０℃では、１０％ほどの出力しか得られない。

このため、動力源として電池を搭載したＥＶ（electrical vehicle：電気自動車）やＨＥＶ（hybrid electrical vehicle：ハイブリッド車）では、冷寒始動時に、電池の出力性能が低下する。したがって、始動直後に、十分な走行性能を発揮させることが困難になる。一方、特許文献１から５には、簡易な構成で、車両始動時に十分な出力性能が得られる電池モジュールの暖機装置に関して開示がされていない。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、簡易な構成で、車両始動時に十分な出力性能が得られる電池モジュールの暖機装置を提供することである。

この発明に従った電池モジュールの暖機装置は、車両に搭載され、複数の電池セルが接続されて構成された電池モジュールの暖機装置である。電池モジュールの暖機装置は、複数の電池セルの電圧を均等化する均等化手段と、車両の始動タイミングを判定する始動タイミング判定手段と、始動タイミング判定手段によって判定された始動タイミングに基づき、その始動タイミング前に均等化手段を起動させるタイミングを設定する起動タイミング設定手段とを備える。

このように構成された電池モジュールの暖機装置によれば、均等化手段により複数の電池セルの電圧が均等化されるのに伴い、電池セルで充放電が行なわれる。この際、ジュール熱が発生し、電池モジュールを暖機する。本発明では、起動タイミング設定手段により、均等化手段の起動タイミングが設定されているため、電池モジュールが暖機された状態で、車両の始動タイミングを迎えることができる。また、車両始動後には、電圧が均等化された状態の電池セルを使用することができる。このため、簡易な構成で、車両始動時から優れた出力性能を引き出すとともに、電池モジュールの性能劣化を抑制することができる。

また好ましくは、電池モジュールの暖機装置は、複数の電池セルの少なくとも１つの電池セルから放出した電力を、残る複数の電池セルの少なくとも１つの電池セルに充電する充放電手段をさらに備える。均等化手段によって複数の電池セルの電圧を均等化する前に、充放電手段を起動させ、複数の電池セル間の電圧に差を生じさせる。

このように構成された電池モジュールの暖機装置によれば、充放電手段により、複数の電池セル間の電圧に積極的に差を生じさせることで、均等化手段の起動時、電池セルで充放電を確実に行なわせることができる。また、電池セルから放出された電力は、他の電池セルに供給されるため、電池モジュール全体としての電力損失を低く抑えることができる。

また好ましくは、電池モジュールの暖機装置は、複数の電池セルの電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段をさらに備える。電圧検出手段によって検出された電圧値のばらつきが所定の範囲よりも小さい場合に、充放電手段を起動させる。このように構成された電池モジュールの暖機装置によれば、電圧値に積極的に差を生じさせる必要がある場合にのみ、充放電手段を起動させることができる。これにより、充放電手段を起動させる回数を少なくできる。

また好ましくは、電池モジュールの暖機装置は、複数の電池モジュールの温度を判定する温度判定手段をさらに備える。温度判定手段によって判定された温度に基づいて、始動タイミングに対する均等化手段の起動タイミングおよび充放電手段の起動タイミングの少なくともいずれか一方を決定する。

このように構成された電池モジュールの暖機装置によれば、電池モジュールの温度が低い場合には、均等化手段または充放電手段の起動タイミングを早めに設定し、電池モジュールの温度が高い場合には、均等化手段または充放電手段の起動タイミングを遅めに設定したり、起動させなかったりする。これにより、電池モジュールが置かれる温度条件にかかわらず、電池モジュールを適当に暖機することができる。

以上説明したように、この発明に従えば、簡易な構成で、車両始動時に十分な出力性能が得られる電池モジュールの暖機装置を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、この発明の実施の形態における電池の暖機装置を示すブロック図である。図中の電池は、ハイブリッド自動車に搭載され、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関とともに、ハイブリッド自動車の動力源となる。

図１を参照して、本実施の形態における暖機装置１００が搭載されるハイブリッド自動車（以下、たんに車両とも呼ぶ）は、電池１０と、温度センサ７０と、電圧測定部８０と、均等化回路５０と、電池ＥＣＵ（electronic control unit）６０とを備える。

図２は、図１中の均等化回路を示す概略構成図である。図１および図２を参照して、電池１０は、リチウムイオン電池から形成されている。電池１０の種類は、充放電可能な２次電池であれば特に限定されず、たとえば、ニッケル水素電池であっても良い。電池１０は、複数の電池セル１１から１４が直列に接続されて構成されており、電池１０から、たとえば２００Ｖ以上の高電圧が出力される。なお図２中では、説明の便宜上、４つの電池セル１１から１４が直列に接続された場合が示されているが、複数の電池セルが接続されていれば良い。

電池１０には、電池セル１１から１４の各々の電圧を検出する電圧測定部８０が設けられている。電圧測定部８０は、電池ＥＣＵ６０に接続されており、電圧測定部８０によって検出された電圧検出信号は、電池ＥＣＵ６０に送信される。電池１０には、さらに、電池１０の温度を検出する温度センサ７０が取り付けられている。温度センサ７０は、電池ＥＣＵ６０に接続されており、温度センサ７０で検出された温度検出信号は、電池ＥＣＵ６０に送信される。

電池１０には、バイパス回路５１から５４を含む均等化回路５０が接続されている。バイパス回路５１から５４は、電池セル１１から１４のそれぞれに並列に接続されている。バイパス回路５１から５４には、それぞれ、バイパス抵抗２１およびスイッチング素子としてのトランジスタ２２が設けられている。トランジスタ２２は、電池ＥＣＵ６０に接続されており、電池ＥＣＵ６０から受ける信号によってその作動が制御される。

均等化回路５０は、さらに、電池セル１１から１４のそれぞれに並列に接続されたコンデンサ４１から４４と、電池セル１１から１４とコンデンサ４１から４４との間に配置されたスイッチ３１から３５とを含む。スイッチ３１から３５は、電池ＥＣＵ６０に接続されており、電池ＥＣＵ６０から受ける信号によってその開閉が制御される。スイッチ３１から３５の開閉によって、電池セル１１から１４とコンデンサ４１から４４との間が、適当な組み合わせで選択的に接続される。

図３は、図１中の暖機装置の動作を表わすフローチャートである。図１から図３を参照して、本実施の形態における暖機装置１００では、まず、始動タイミング判定手段としての電池ＥＣＵ６０が、車両の始動タイミングの設定を行なう（Ｓ１０１）。始動タイミングの設定は、たとえば、ユーザーが、車両のイグニションキーをオフする前に、次にイグニションキーをオンする予定の時刻を入力装置に入力することによって行なう。時刻の入力には、カーナビゲーションシステムの操作キーを用いても良いし、専用に設けられた数字キーを用いても良い。

また、車両が出勤に利用される場合には、ユーザーが出勤時刻と出勤日とを入力することで、電池ＥＣＵ６０が、その時刻を出勤日の始動タイミングとして設定しても良い。また、ユーザーが始動タイミングを入力するかわりに、電池ＥＣＵ６０が、毎日の始動タイミングを記憶することで、始動タイミングを自動的に予測しても良い。

続いて、温度判定手段としての温度センサ７０が、電池１０の温度を測定する（Ｓ１０２）。このステップは、後のＳ１０６のステップで算出される暖機の始動タイミングのうち、最も早いタイミングよりもさらに早いタイミングで開始され、たとえば、Ｓ１０１のステップで設定された車両の始動タイミングの３０分前に、自動的に実施される。

なお、本実施の形態では、電池１０に取り付けられた温度センサ７０によって、電池１０の温度を直接、測定したが、これに限定されず、他の温度センサを用いて電池１０の温度を推定しても良い。イグニションキーをオフしてから１時間も経過すれば、電池１０の温度と外気温とは同じになるため、このような場合は、たとえば、車両に設けられた外気温センサを用い、このセンサで測定された温度を電池１０の温度とみなしても良い。また、電池１０に供給される冷却風の温度を測定するための吸気温センサを用い、このセンサで測定された温度を電池１０の温度とみなしても良い。

続いて、Ｓ１０２のステップで測定された電池１０の温度情報に基づき、電池１０を暖機する必要があるか否か、電池ＥＣＵ６０が判断する（Ｓ１０３）。たとえば、電池１０の温度が、１５℃以下の場合は、電池１０を暖機する必要があると判断し、１５℃を超える場合は、電池１０を暖機する必要がないと判断する。Ｓ１０３のステップで電池１０を暖機する必要がないと判断した場合には、そこで、暖機のためのステップを終了する。

Ｓ１０３のステップで電池１０を暖機する必要があると判断した場合には、電圧検出手段としての電圧測定部８０が、電池セル１１から１４のそれぞれの電圧を測定する（Ｓ１０４）。続いて、Ｓ１０４のステップで測定された電池セル１１から１４に電圧情報に基づき、電池セル１１から１４の電圧値のばらつきが所定の範囲よりも小さいか否か、電池ＥＣＵ６０が判断する（Ｓ１０５）。たとえば、電池セル１１から１４の電圧値に基づいて算出した電池セル１１から１４のＳＯＣ（state of charge：残存容量）の最大値と最小値との差が、２０％よりも小さい場合には、電圧差が所定の範囲よりも小さいと判断する。

Ｓ１０５のステップで電圧値のばらつきが所定の範囲よりも小さい、つまり、電池セル１１から１４間で十分な大きさの電圧差が生じていないと判断した場合には、電池セル１１から１４で電圧差を生じさせるＳ１０７のステップを開始するタイミングを、起動タイミング設定手段としての電池ＥＣＵ６０が算出する（Ｓ１０６）。このステップでは、まず、Ｓ１０２のステップで測定した電池１０の温度と、暖機後に得ようとする温度との差を算出する。次に、算出した温度差に基づいて、続くＳ１０７およびＳ１０８のステップで要するであろう時間を算出する。その算出した時間を、Ｓ１０１のステップで設定した車両の始動タイミングから差し引き、Ｓ１０７のステップを開始するタイミングを決定する。このように、電池１０の温度を予め測定しておくことによって、電池１０を過不足なく暖機できる時間を正確に求めることができる。

図４は、図３中のＳ１０７およびＳ１０８のステップで実施される充放電の様子を模式的に表わした図である。図１から図４を参照して、Ｓ１０６で算出したタイミングとなったら、電池セル１１から１４間に電圧差を生じさせるステップを、充放電手段としての均等化回路５０が開始する（Ｓ１０７）。Ｓ１０４のステップで算出した電池セル１１から１４のＳＯＣが、全て５０％であった場合を想定する。この場合、たとえば、スイッチ３２および３３を、接点３２ｂおよび３３ｂにそれぞれ接続し、電池セル１２とコンデンサ４２との間で閉回路を形成する。電池セル１２のＳＯＣが４０％になるまで、コンデンサ４２に電荷を蓄える。また、スイッチ３４および３５を、接点３４ｂおよび３５ｂにそれぞれ接続し、電池セル１４とコンデンサ４４との間で閉回路を形成する。電池セル１４のＳＯＣが４０％になるまで、コンデンサ４４に電荷を蓄える。

次に、スイッチ３１および３２を、接点３１ｂおよび３２ｃにそれぞれ接続し、電池セル１１とコンデンサ４２との間で閉回路を形成する。コンデンサ４２に蓄えられた電荷を電池セル１１に送る。また、スイッチ３３および３４を、接点３３ｃおよび３４ｃにそれぞれ接続し、電池セル１３とコンデンサ４４との間で閉回路を形成する。コンデンサ４４に蓄えられた電荷を電池セル１３に送る。結果、電池セル１１および１３のＳＯＣが６０％になり、電池セル１２および１４のＳＯＣが４０％になり、電池セル１１から１４間に電圧差が生じる。

続いて、均等化手段としての均等化回路５０が、電池セル１１から１４の電圧を均等化する（Ｓ１０８）。この場合、Ｓ１０７のステップで想定した例に続いて、スイッチ３１および３２を、接点３１ａおよび３２ｂにそれぞれ接続し、電池セル１１とコンデンサ４１との間で閉回路を形成する。電池セル１１のＳＯＣが５０％になるまで、コンデンサ４１に電荷を蓄える。また、スイッチ３３および３４を、接点３３ｂおよび３４ｂにそれぞれ接続し、電池セル１３とコンデンサ４３との間で閉回路を形成する。電池セル１３のＳＯＣが５０％になるまで、コンデンサ４３に電荷を蓄える。

次に、スイッチ３２および３３を、接点３２ａおよび３３ａにそれぞれ接続し、電池セル１２とコンデンサ４１との間で閉回路を形成する。コンデンサ４１に蓄えられた電荷を電池セル１２に送る。また、スイッチ３４および３５を、接点３４ａおよび３５ａにそれぞれ接続し、電池セル１４とコンデンサ４３との間で閉回路を形成する。コンデンサ４３に蓄えられた電荷を電池セル１４に送る。結果、電池セル１１から１４のＳＯＣが、全て５０％となり、電池セル１１から１４の電圧が均等化される。

以上に説明したＳ１０７およびＳ１０８のステップの間、電池セル１１から１４の内部に電流が流れる。この際、電池セル１１から１４の内部抵抗によって、電池セル１１から１４が発熱するため、電池１０の暖機を行なうことができる。

一方、Ｓ１０５のステップで電圧値のばらつきが所定の範囲よりも大きい、つまり、電池セル１１から１４間で十分な大きさの電圧差が存在すると判断した場合には、電池セル１１から１４の電圧を均等化するＳ１０８のステップを開始するタイミングを、起動タイミング設定手段としての電池ＥＣＵ６０が算出する（Ｓ１０６）。この場合にも、既に説明したＳ１０６のステップと同様に、電池１０の実際の温度と、暖機後に得ようとする温度との温度差に基づいて、続くＳ１０８のステップで要するであろう時間を算出する。その算出した時間を、Ｓ１０１のステップで設定した車両の始動タイミングから差し引き、Ｓ１０８のステップを開始するタイミングを決定する。

続いて、Ｓ１０６で算出した始動タイミングとなったら、均等化手段としての均等化回路５０が、電池セル１１から１４の電圧の均等化を開始する（Ｓ１０８）。この場合、たとえば、Ｓ１０４のステップで算出した電池セル１１および１３のＳＯＣが、６０％であり、電池セル１２および１４のＳＯＣが、４０％である場合を想定すると、既に説明したＳ１０８のステップと同様のステップを実施すれば良い。このようにコンデンサ４１から４４を用いて、電池セル１１から１４間で電荷のやり取りを行なうことによって、電池１０の暖機のために消費される電力を小さく抑えることができる。

図１から図３を参照して、Ｓ１０８のステップで電圧を均等化する別の方法として、バイパス回路５１から５４を利用する方法がある。たとえば、電池セル１１および１３のＳＯＣが、６０％であり、電池セル１２および１４のＳＯＣが、４０％である場合を想定すると、バイパス回路５１および５３のトランジスタ２２を制御して、電池セル１１とバイパス回路５１との間および電池セル１３とバイパス回路５３との間のそれぞれで、閉回路を形成する。電池セル１１および１３のＳＯＣが４０％になるまで、バイパス回路５１および５３に放電する。この際、バイパス回路５１および５３のバイパス抵抗２１に電流が流れることによって、発熱が生じるため、電池１０の暖機を行なうことができる。

この発明の実施の形態における電池１０の暖機装置１００では、電池ＥＵＵ６０が、車両の始動タイミングの設定を行なうステップ（Ｓ１０１）と、設定された車両の始動タイミングに基づいて、電池セル１１から１４の電圧の均等化を開始するタイミングを算出するステップ（Ｓ１０６）と、均等化回路５０において、電池セル１１から１４の電圧の均等化を開始するステップ（Ｓ１０８）とを有するプログラムを実行する。

このように構成された、この発明の実施の形態における電池１０の暖機装置１００によれば、ユーザーがイグニションキーをオンする際に、既に電池１０の暖機が行なわれている。このため、車両の始動から間もない時から、電池１０の出力を十分に得ることができる。また、電池１０の使用に際しては、電池セルの耐久性や安全性の観点から、過放電に対しては、電池セルの最低電圧で制限され、過充電に対しては、電池セルの最大電圧で制限される。しかし、本実施の形態では、車両の始動時に電池セル１１から１４間の電圧のばらつきが小さく抑えられているため、始動後において、優れた電池性能を得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態における電池の暖機装置を示すブロック図である。図１中の均等化回路を示す概略構成図である。図１中の暖機装置の動作を表わすフローチャートである。図３中のＳ１０７およびＳ１０８のステップで実施される充放電の様子を模式的に表わした図である。

符号の説明

１０電池、１１〜１４電池セル、２１バイパス抵抗、２２トランジスタ、３１〜３４スイッチ、４１〜４４コンデンサ、５０均等化回路、５１〜５４バイパス回路、７０温度センサ、８０電圧測定部、１００暖機装置。

Claims

車両に搭載され、複数の電池セルが接続されて構成された電池モジュールの暖機装置であって、
前記複数の電池セルの電圧を第１の電圧値に均等化する均等化手段と、
前記車両の始動タイミングを判定する始動タイミング判定手段と、
前記始動タイミング判定手段によって判定された始動タイミングに前記複数の電池セルが暖機されているように、前記始動タイミング前に前記均等化手段を起動させるタイミングを設定する起動タイミング設定手段と、
前記複数の電池セルの電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段とを備え、
前記電圧検出手段により前記複数の電池セルの電圧が検出されることによって、前記第１の電圧値よりも大きい電圧値を有する第１電池セルと、前記第１の電圧値よりも小さい電圧値を有する第２電池セルとが特定され、
前記均等化手段は、前記第１電池セルから放出した電力を前記第２電池セルに充電することによって、前記複数の電池セルの電圧を前記第１の電圧値に均等化し、さらに、
前記複数の電池セルの少なくとも１つの電池セルから放出した電力を、残る前記複数の電池セルの少なくとも１つの電池セルに充電する充放電手段を備え、
前記電圧検出手段によって検出された電圧値のばらつきが所定の範囲よりも小さい場合に、前記均等化手段によって前記複数の電池セルの電圧を均等化する前に、前記充放電手段を起動させ、前記複数の電池セル間の電圧に差を生じさせる、電池モジュールの暖機装置。
前記電池モジュールの温度を判定する温度判定手段をさらに備え、
前記温度判定手段によって判定された温度に基づいて、前記始動タイミングに対する前記均等化手段の起動タイミングおよび前記充放電手段の起動タイミングの少なくともいずれか一方を決定する、請求項１に記載の電池モジュールの暖機装置。