JP2013254646A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】保持する電力を効率的に活用すると共に、方式を切り替えることで二次電池の充放電回数を抑えて加温する電池システム。
【解決手段】二次電池２１ａ，２１ｂの電池状態を監視する電池監視回路２２ａ，２２ｂ、二次電池の温度を計測する温度計測部２３ａ，２３ｂ、二次電池の近傍に配置され二次電池を外部から加温する保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂ、二次電池間に設けられ入力された電圧を昇圧又は降圧して二次電池に供給する昇降圧回路１１、保温用ダミー抵抗と昇降圧回路と二次電池とに接続される１つ以上のスイッチ２４ａ，２４ｂ、温度計測部からの温度情報と電池監視回路からの電池状態情報とに基づき昇降圧回路を動作させて二次電池間の電力授受による加温方式とスイッチを動作させて保温用ダミー抵抗による加温方式とを切り替えて二次電池の加温制御を行う加温制御回路１０ａを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複数のリチウムイオン電池と保温用ダミー抵抗を有する電池システムに関する。

一般的に、リチウムイオン電池は低温環境下において内部抵抗が増加し、充放電特性が著しく低下する。このため、電池を外部又は内部から加温して電池温度を上昇させることにより、低温環境下でも常温に近い特性で電池を使用することができる。外部から電池を加温する場合、一般的にヒータが用いられている。

また、複数のリチウムイオン電池を用いる電池システムでは、複数の電池間で電力の授受を行なう提案がなされている（特許文献１、特許文献２）。このような電池システムは、サブの電池に蓄えられた電力をメインの電池に供給することで長時間の運用を図り、電力授受により電池の温度上昇を図っている。例えば、特許文献１に記載されたハイブリッドカー用電源装置は、温度特性の悪いニッケル水素電池を使用した駆動用二次電池を、温度特性の良い鉛蓄電池を使用した電装用二次電池により加温しており、交互に充放電を行っている。

特開２００３−９２８０５号公報 特開２００３−２５９５０８号公報

しかしながら、組電池では、セル構造、及び複数個のセルを組み合わせた電池モジュール構造など様々な形態があり、必ずしも外部から加温し易い構造になっていない。このため、加温効率が悪く、電池モジュール内部の温度上昇の分布が不均一になる。このため、電池セルの温度や電圧にばらつきが発生し、セル及び電池モジュールが劣化する可能性がある。また、電池容量や電池構造によってはヒータ用の電源容量が増大する。

一方、電力授受により内部的に二次電池を加温する場合、自己発熱によりセル内部から温度が上昇するため、電池モジュールの構造物により断熱されることもなく外部からの加温方法に比べて、加温効率が非常に良くなる。

しかし、二次電池には充放電サイクル特性により充放電可能な回数には限度があり、二次電池間で電力授受を頻繁に行えば、本来の二次電池の寿命が短くなる。また、各二次電池が満充電状態である場合、二次電池に空き容量を設けないと、二次電池間での電力授受を開始することができない。

本発明が解決しようとする課題は、電池システム使用時における二次電池の加温に際し、二次電池の保持する電力を効率的に活用すると共に、方式を切り替えることで加温のための二次電池の充放電回数を低減可能な電池システムを提供することにある。

実施形態に係る電池システムによれば、複数の二次電池と、前記複数の二次電池に対応して設けられ、前記二次電池の電池状態を監視する複数の電池監視回路と、前記複数の二次電池に対応して設けられ、前記二次電池の温度を計測する複数の温度計測部と、前記二次電池の近傍に配置され、前記二次電池を外部から加温する１つ以上の保温用ダミー抵抗と、前記複数の二次電池間に設けられ、入力された電圧を昇圧又は降圧して前記複数の二次電池に供給する昇降圧回路と、前記１つ以上の保温用ダミー抵抗に対応して設けられ、前記保温用ダミー抵抗と前記昇降圧回路と前記二次電池とに接続される１つ以上のスイッチと、前記複数の温度計測部からの温度情報と前記複数の電池監視回路からの電池状態情報とに基づき、前記昇降圧回路を動作させて前記二次電池間の電力授受による加温方式と前記スイッチを動作させて前記保温用ダミー抵抗による加温方式とを切り替えて前記二次電池の加温制御を行う加温制御回路とを備えることを特徴とする。

第１の実施形態に係る電池システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る電池システムの動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例に係る電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

第１の実施形態

第１の実施形態の電池システムは、低温環境において低下する二次電池の充放電特性を改善するために、複数のリチウムイオン二次電池間で電力の授受を行ない二次電池の内部抵抗による自己発熱を利用して二次電池を加温させる加温方式と、二次電池近傍に配置される保温用ダミー抵抗による発熱を利用して二次電池を加温する加温方式とを有し、二次電池の電圧情報と温度情報とに基づき、前記２つの加温方式を切り替えることを特徴とする。

図１は、第１の実施形態に係る電池システムの構成を示すブロック図である。電池システムは、発電器２、充電器３、操作入力部５、二次電池モジュール２０ａ，温度計測部２３ａ，２３ｂ、スイッチ２４ａ，２４ｂ、保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂ、負荷３０ａ，３０ｂを備えている。

発電器２は充電器３の入力端側に接続され、充電器３に充電用の電力を供給する。充電器３の出力側の一端には二次電池モジュール２０ａとスイッチ２４ａとが接続され、充電器３の出力側の他端には二次電池モジュール２０ｂとスイッチ２４ｂとが接続されている。充電器３は、二次電池モジュール２０ａと二次電池モジュール２０ｂとを充電するための充電回路１ａ、１ｂ、これら充電回路を制御するための充電制御回路１０、及び昇降圧回路１１を備えている。

二次電池モジュール２０ａ，２０ｂは、二次電池２１ａ，２１ｂ、電池監視回路２２ａ，２２ｂを備え、二次電池２１ａ，２１ｂには昇降圧回路１１及びスイッチ２４ａ，２４ｂが接続されている。二次電池２１ａ，２１ｂは、通常は充電回路１ａ、１ｂからの電力により充電され、通常時以外（例えば、充電回路から電力が供給されない場合）は昇降圧回路１１からの電力により充電され、蓄積された電力を負荷３０ａ，３０ｂに供給する。

電池監視回路２２ａ，２２ｂは、二次電池２１ａ，２１ｂの電池電圧や電池温度などの電池状態の監視と、電池残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）の推定を行い、これらの電池状態情報を充電制御回路１０に出力する。温度計測部２３ａ，２３ｂは、二次電池モジュール２０ａ，２０ｂの温度を計測し、計測された温度情報を充電制御回路１０に出力する。

スイッチ２４ａ，２４ｂは、加温昇温制御回路１０ａからの保温制御信号によりオン／オフして、オン時に二次電池２１ａ，２１ｂの電荷を保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂに放電させるように動作する。

充電制御回路１０は、二次電池２１ａ，２１ｂを充電するための充電回路１ａ、１ｂを制御するもので、加温制御回路１０ａを備えている。加温制御回路１０ａは、温度計測部２３ａ，２３ｂからの温度情報と電池監視回路２２ａ，２２ｂからの電池状態情報とに基づき、昇降圧回路１１を動作させて二次電池２１ａ，２１ｂ間の電力授受による加温方式とスイッチ２４ａ，２４ｂを動作させて保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂによる加温方式とを切り替えて二次電池２１ａ，２１ｂの加温制御を行う。

昇降圧回路１１は、二次電池モジュール２０ａ，２０ｂ間で電力授受を行うために二次電池モジュール２０ａ，２０ｂ間に配置され、加温制御回路１０ａからの加温制御信号により、入力された電圧を昇圧又は降圧して二次電池２１ａ，２１ｂに電力を供給する。
保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂは、二次電池モジュール２０ａ，２０ｂの近傍に配置され、抵抗による発熱により二次電池モジュール２０ａ，２０ｂを外部から加温する。保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂの一端には、スイッチ２４ａ，２４ｂが接続され、スイッチ２４ａ，２４ｂの他端には、二次電池２１ａ，２１ｂと昇降圧回路１１とが接続されている。

次に、上記のように構成される第１の実施形態に係る電池システムの動作を説明する。図２は、第１の実施形態に係る電池システムの動作を示すフローチャートである。図２を参照しながら第１の実施形態に係る電池システムの動作を説明する。ここでは、二次電池２１ａ，２１ｂの加温制御について説明する。

この例では、低温起動時に二次電池２１ａ，２１ｂ間での電力授受による加温を実施し、その後、運用中に片側の二次電池モジュール２０ａ又は２０ｂの温度が低下した場合に、保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂによる加温制御を実施し、それ以降は二次電池２１ａ，２１ｂの温度を均一に保持することを想定して説明する。

まず、電池システムを起動時に電池システムに異常があるか否かのチェックを行い（ステップＳ１１）、電池システムに異常がない場合には、電池監視回路２２ａ，２２ｂは、二次電池２１ａ，２１ｂの電圧情報を監視し、電池残容量ＳＯＣを監視する（ステップＳ１２）。また、温度計測部２３ａ，２３ｂは、二次電池２１ａ，２１ｂの温度を計測し、充電制御回路１０に出力する。

次に、充電制御回路１０は、操作入力部５から充放電要求が入力されたかどうかを判定する（ステップＳ１３）。操作入力部５から充放電要求が入力された場合には、充電制御回路１０は、温度計測部２３ａ，２３ｂで計測された二次電池２１ａ，２１ｂの温度が低温かどうかを判定する（ステップＳ１４）。

二次電池２１ａ，２１ｂの温度が低温である場合、即ち、充放電特性が低下する温度範囲にある場合には、二次電池間の電力授受による加温制御シーケーンスに移行する。二次電池間の電力授受による加温制御シーケーンスでは、実行前に対象となる二次電池２１ａ，２１ｂのＳＯＣを監視する（ステップＳ１５）。

二次電池２１ａ，２１ｂのいずれもが満充電である場合には（ステップＳ１６のＹＥＳ）、いずれか一方の保温用ダミー抵抗、例えば、保温用ダミー抵抗２５ａのスイッチ２４ａを閉じて、二次電池２１ａを放電した後（ステップＳ１７）、ステップＳ２０の処理に進む。

一方、二次電池２１ａ，２１ｂがともに満充電でない場合には、充電制御回路１０は、二次電池２１ａ，２１ｂがともに完放電に近いかどうかを判定する（ステップＳ１８）。二次電池２１ａ，２１ｂがともに完放電に近い場合には、充電制御回路１０は、一方の二次電池、例えば、二次電池２１ａを充電し（ステップＳ１９）、ステップＳ２０の処理に進む。

ステップＳ２０の処理では、昇降圧回路１１により二次電池２１ａ，２１ｂ間の充放電制御を開始する。そして、例えば、一方の二次電池２１ａを３０秒間放電し、５秒間休止し、二次電池２１ａを３０秒間充電し、５秒間休止するようなサイクル制御を行う。このステップの処理は、他方の二次電池２１ｂから見ると、二次電池２１ｂを３０秒間充電し、５秒間休止し、二次電池２１ａを３０秒間放電し、５秒間休止となる。計測された温度が所定温度に達した場合に、前述したサイクル制御を停止する（ステップＳ２１〜Ｓ２２）。あるいは、十分な充放電電流により充放電を行っているにも関わらず、計測された時間がタイマで設定された時間を経過しても、計測された温度が所定温度に達しない場合には、電池システムが異常であると判定しても良い。

二次電池２１ａ，２１ｂ間の電力授受により、計測された温度が目標温度に到達したことで、加温制御を停止した後、操作入力部５からの充放電要求に従い、充放電動作を行う。

この場合、運用中のいずれか一方の二次電池の使用頻度が低い場合、運用過程において二次電池２１ａ，２１ｂの温度が低下することがある。このため、充電制御回路１０は、運用中に、二次電池２１ａ，２１ｂの温度が低下したかどうかを判定する（ステップＳ２３）。

二次電池２１ａ，２１ｂの温度が低下した場合には、温度計測部２３ａ，２３ｂからの信号により充電制御回路１０からスイッチ２４ａ，２４ｂがオンされて、保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂが充電器３に接続され、保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂの発熱により二次電池２１ａ，２１ｂが加温される（ステップＳ２４）。さらに、温度計測部２３ａ，２３ｂは、二次電池２１ａ，２１ｂの温度を計測する（ステップＳ２５）。

このように保温動作設定温度によりスイッチ２４ａ，２４ｂが開閉制御されて、使用頻度の少ない二次電池２１ａ，２１ｂの温度低下を防止することができる。

このように、第１の実施形態に係る電池システムによれば、二次電池２１ａ，２１ｂ間で電力の授受を行ない二次電池２１ａ，２１ｂの内部抵抗による自己発熱を利用して二次電池２１ａ，２１ｂを加温させる加温方式と、電池近傍に配置される保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂによる発熱を利用して二次電池２１ａ，２１ｂを加温する加温方式とを有し、二次電池２１ａ，２１ｂの電圧情報と温度情報とに基づき前記２つの加温方式を切り替えることで、状況に応じて二次電池２１ａ，２１ｂの加温制御を行うことができる。

従って、ヒータである保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂを小型化及び軽量化できるとともに、電力授受による加温方式単独のシステムに比べて二次電池２１ａ，２１ｂの間での電力の授受による充放電回数を抑えることができる電池システムを提供することができる。

また、各二次電池２１ａ，２１ｂが満充電状態であっても、無駄に電力を負荷側に捨てずに保温用ダミー抵抗２５ａ，２５ｂを用いることで、エネルギー効率良く二次電池２１ａ，２１ｂの加温を実施することができる。

一般にリチウムイオン二次電池の充放電サイクル特性はあまり良くないが、例えば、負極材にチタン酸リチウムを採用した充放電サイクル特性の良いリチウムイオン二次電池を用いることで、実施例１の電池システムを有効に活用できる。

なお、充放電サイクル特性の良くないリチウムイオン二次電池では、二次電池間で電力授受を頻繁に繰り返すことは、電池寿命を縮めることになるが、低温起動時の１回の動作とするなどの制限を加えることで、実施例１の電池システムを適用することができる。
実施例１の電池システムでは、２つの二次電池モジュール２０ａ，２０ｂを有する電池システムを例示したが、本発明は、３つ以上の二次電池モジュールを有する電池システムにも適用できる。また、保温用ダミー抵抗は必ずしも電池モジュール毎に必要ではないため、一部の保温用ダミー抵抗を削減することができる。

また、実施例１の電池システムでは、低温起動時に二次電池間の電力授受により内部抵抗による加温制御を実施し、温度が目標温度に到達した以降では、温度低下が発生した場合に保温用ダミー抵抗で二次電池を加温する制御を行ったが、例えば、最初から、二次電池間の電力授受による内部抵抗による加温制御と、保温用ダミー抵抗で二次電池を加温する制御とを併用するようにしても良い。

あるいは、温度が目標温度に到達した以降に、温度低下が発生した時に、再度、二次電池間の電力授受による内部抵抗による加温制御を実施しても良い。あるいは、少し温度を上げるだけで良い場合には、保温用ダミー抵抗による加温から開始する場合などがあり、状況に応じて様々な制御シーケンスを用いることができる。

以上のように、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ａ、１ｂ 充電回路
２ 発電器
３ 充電器
５ 操作入力部
１０ 充電制御回路
１０ａ 加温制御回路
１１ 昇降圧回路
２０ａ，２０ｂ 二次電池モジュール
２１ａ，２１ｂ 二次電池
２２ａ，２２ｂ 電池監視回路
２３ａ，２３ｂ 温度計測部
２４ａ，２４ｂ スイッチ
２５ａ，２５ｂ 保温用ダミー抵抗
３０ａ，３０ｂ 負荷

Claims (3)

1. 複数の二次電池と、
   前記複数の二次電池に対応して設けられ、前記二次電池の電池状態を監視する複数の電池監視回路と、
   前記複数の二次電池に対応して設けられ、前記二次電池の温度を計測する複数の温度計測部と、
   前記二次電池の近傍に配置され、前記二次電池を外部から加温する１つ以上の保温用ダミー抵抗と、
   前記複数の二次電池間に設けられ、入力された電圧を昇圧又は降圧して前記複数の二次電池に供給する昇降圧回路と、
   前記１つ以上の保温用ダミー抵抗に対応して設けられ、前記保温用ダミー抵抗と前記昇降圧回路と前記二次電池とに接続される１つ以上のスイッチと、
   前記複数の温度計測部からの温度情報と前記複数の電池監視回路からの電池状態情報とに基づき、前記昇降圧回路を動作させて前記二次電池間の電力授受による加温方式と前記スイッチを動作させて前記保温用ダミー抵抗による加温方式とを切り替えて前記二次電池の加温制御を行う加温制御回路と、
   を備えることを特徴とする電池システム。
2. 前記加温制御回路は、前記複数の二次電池の全てが満充電である場合、前記複数の二次電池の内の１つの二次電池を選択し、選択された二次電池に接続される前記スイッチを閉じて、選択された前記二次電池を前記保温用ダミー抵抗により放電し、電池残量が一定の電池残量に達した場合には前記スイッチを開いて前記二次電池の放電動作を停止し、前記昇降圧回路を制御して、前記放電された二次電池に対して前記放電された二次電池以外の二次電池から充電を行うことを特徴とする請求項１記載の電池システム。
3. 前記複数の二次電池の各々は、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電池システム。

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