JP2019129555A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ、電源システム及び二次電池の充放電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車載の二次電池を充放電させて昇温することが可能なＤＣ／ＤＣコンバータ、電源システム及び二次電池の充放電方法を提供する。【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータは、車両に搭載された二次電池及び電力を一時的に蓄電する蓄電器の間に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記二次電池及び蓄電器を所定の周期で、且つ所定の電流波形で相互に充放電するようにしてある。【選択図】図１

Description

本発明は、車載の二次電池及び電力を一時的に蓄電する蓄電器の間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ、該ＤＣ／ＤＣコンバータを備える電源システム並びに二次電池の充放電方法に関する。

従来、車両には補機類に給電する補機バッテリが搭載されており、ＨＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ハイブリッド車）、ＰＨＶ（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ：プラグインハイブリッド車）、ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；電気自動車）等のモータを有する車両では駆動用のバッテリが搭載されている。また、減速の際に車両の運動エネルギーを電力に変換することによって発電機に回生電力を発生させ、発生させた回生電力をバッテリ、キャパシタ等の蓄電器に蓄電する車両も普及している。

化学反応を利用するバッテリは、温度変化の影響を受けやすく、特に低温の環境下で充電及び放電（以下、充放電ともいう）の特性が低下する傾向がある。一方では、このような低温時の特性の低下を防止する発明が多数考案されている。

例えば特許文献１には、駆動用の二次電池（バッテリ）の温度が設定温度よりも低い場合に、電装用の二次電池（補機バッテリ）と駆動用の二次電池との間で交互に充放電することにより、特に駆動用の二次電池を自己発熱させて加熱する技術が記載されている。また、特許文献２には、ハーフブリッジ回路及びインダクタを用いて、降圧した電圧で駆動用の二次電池を充電したり放電させた電圧を昇圧したりすることにより、駆動用の二次電池に所定周波数のリップル電流を発生させて昇温する技術が記載されている。

特開２００３−９２８０５号公報 国際公開第２０１１／００４４６４号

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、駆動用の高圧の二次電池と電装用の低圧の二次電池との間で充放電させるものであり、特許文献２に開示された技術は、駆動用の二次電池に対して充放電のリップル電流を発生させるものであって、何れも低圧側の二次電池だけで充放電させるものではなかった。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車載の二次電池を充放電させて昇温することが可能なＤＣ／ＤＣコンバータ、電源システム及び二次電池の充放電方法を提供することにある。

本発明の一態様に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、車両に搭載された二次電池及び電力を一時的に蓄電する蓄電器の間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記二次電池及び蓄電器を所定の周期で、且つ所定の電流波形で相互に充放電するようにしてある。

本発明の一態様に係る電源システムは、上述のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記蓄電器とを備える。

本発明の一態様に係る二次電池の充放電方法は、車両に搭載された二次電池及び電力を一時的に蓄電する蓄電器の間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータで前記二次電池を充放電する方法であって、前記二次電池及び蓄電器を所定の周期で、且つ所定の電流波形で相互に充放電するステップを含む。

なお、本願は、このような特徴的な処理部を備えるＤＣ／ＤＣコンバータ、電源システム及び二次電池の充放電方法として実現することができるだけでなく、かかる特徴的な処理ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムとして実現したりすることができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータの一部又は全部を集積回路として実現したり、ＤＣ／ＤＣコンバータ及び／又は電源システムを含む他のシステムとして実現したりすることができる。

上記によれば、車載の負荷に電力を供給する二次電池を充放電させて昇温することが可能となる。

実施形態１に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。 低圧電池の等価回路モデルの一例を示す説明図である。 低圧電池のインピーダンススペクトルの一例を示す説明図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの構成例を示すブロック図である。 低圧電池の充電及び放電と、ＤＣ／ＤＣコンバータによる昇圧及び降圧との関係を示すタイミングチャートである。 低圧電池を昇温した場合の電池温度の時間変化を示すグラフである。 変形例１に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。 変形例２に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。 変形例３に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（１）本発明の一態様に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、車両に搭載された二次電池及び電力を一時的に蓄電する蓄電器の間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記二次電池及び蓄電器を所定の周期で、且つ所定の電流波形で相互に充放電するようにしてある。

（１５）本発明の一態様に係る二次電池の充放電方法は、車両に搭載された二次電池及び電力を一時的に蓄電する蓄電器の間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータで前記二次電池を充放電する方法であって、前記二次電池及び蓄電器を所定の周期で、且つ所定の電流波形で相互に充放電するステップを含む。

本態様にあっては、ＤＣ／ＤＣコンバータが、車載の二次電池と、電力を一時的に蓄電する蓄電器との間に接続されており、二次電池の放電及び蓄電器の充電と、蓄電器の放電及び二次電池の充電とを交互に行う。この場合の充放電は、所定の周期、且つ所定の電流波形で行われる。これにより、同じ充放電電流の大きさで比較して二次電池の昇温効果が比較的大きい周期、且つ、二次電池の端子電圧の上昇量が比較的少ない電流波形で充放電が行われるため、二次電池が比較的短時間で安全に昇温される。

（２）前記二次電池は、リチウムイオン電池を含む非水電解質二次電池であることが好ましい。

二次電池がリチウムイオン電池を含む非水電解質二次電池である場合、低温時に蓄電器との間で相互に充放電させて昇温することにより、電解液中のイオンの移動度が大きくなって二次電池の放電特性の低下が好適に防止される。

（３）前記蓄電器は、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン電池を含むことが好ましい。

蓄電器が電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン電池である場合、急速な充放電特性に優れているため、負荷電流の急激な変動による負荷の電圧変動が好適に防止される。また、二次電池の昇温時にこれらのキャパシタ又はリチウムイオン電池も同時に昇温されて、充放電特性の低下が防止される。

（４）前記周期は、前記二次電池の内部インピーダンスの絶対値が該絶対値の最小値より所定値だけ大きい値以下となる周波数の逆数であることが好ましい。

内部インピーダンスの絶対値がその最小値より所定値だけ大きい値以下となる周波数の逆数で表される周期で二次電池を充放電することにより、充放電電流の大きさに対する二次電池の電圧変動幅が比較的小さくなり、二次電池の劣化が防止される。

（５）前記周期は、前記内部インピーダンスの虚数成分の絶対値が第２の値以下となる周波数の逆数であることが好ましい。

内部インピーダンスの虚数成分の絶対値が第２の値以下となる周波数の逆数で表される周期で二次電池を充放電することにより、二次電池の充放電電流のうち、内部インピーダンスの実数成分に流れる電流が相対的に大きくなってジュール熱を発生させるため、二次電池が効率的に昇温される。

（６）前記電流波形は、正弦波状又は矩形波状であることが好ましい。

充放電の電流波形が正弦波状である場合、充放電電流に含まれる高調波成分が比較的少ないため、充放電の周期を適当に選択することにより、充放電電流の大きさに対する二次電池の電圧変動幅が比較的小さく抑えられる。また、充放電の電流波形が矩形波状である場合、同じ充放電電流のピーク値で比較して二次電池の昇温効果が比較的大きくなる。

（７）前記蓄電器は、前記車両の負荷に接続されることが好ましい。

蓄電器に直接的に負荷が接続されている場合、負荷電流の急激な変動が蓄電器によって時間遅れなく吸収される。

（８）前記二次電池は、前記車両の負荷に接続されることが好ましい。

二次電池に直接的に負荷が接続されている場合、二次電池から負荷に供給される電力にロスが生じない。

（９）本発明の一態様に係る電源システムは、上述のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記蓄電器とを備える。

本態様にあっては、電源システムに含まれる蓄電器が、二次電池と同時に昇温される。

（１０）前記二次電池を更に備えることが好ましい。

電源システムには、蓄電器に加えて二次電池が更に含まれており、これらがＤＣ／ＤＣコンバータと一体的に管理される。

（１１）前記二次電池は、前記車両を駆動するための第２の二次電池の電圧を降圧する第２のＤＣ／ＤＣコンバータによって充電されることが好ましい。

第２のＤＣ／ＤＣコンバータによって車両駆動用の第２の二次電池の電圧が降圧され、二次電池に電力が供給される。これにより、例えば二次電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が低下した場合は、第２の二次電池によって二次電池が充電され、負荷にも電力が供給される。
（１２）前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを更に備えることが好ましい。

電源システムには、蓄電器に加えて第２のＤＣ／ＤＣコンバータが更に含まれており、これらがＤＣ／ＤＣコンバータと一体的に管理される。

（１３）前記二次電池は、前記車両に搭載されたエンジンに連動して発電する車載発電機によって充電されることが好ましい。

車載発電機から二次電池に電力が供給されるため、例えば二次電池のＳＯＣが低下した場合は、車載発電機によって二次電池が充電され、負荷にも電力が供給される。

（１４）前記二次電池の温度を検出する検出部から取得した検出結果に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記二次電池及び蓄電器を充放電させる電源制御部を更に備えることが好ましい。

電源制御部が二次電池の温度に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータに充放電させるため、例えば二次電池の温度が所定温度より低いために二次電池の昇温が必要とされる場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータによって二次電池及び蓄電器が相互に充放電される。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ、電源システム及び二次電池の充放電方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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。また、各実施形態で記載されている技術的特徴は、お互いに組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電源システムＳの構成例を示すブロック図である。電源システムＳは、車両Ｃに搭載された低圧電池１００（二次電池に相当）の電圧を変換して車載の負荷群２００に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、負荷群２００に接続されて電力を一時的に蓄電する蓄電器２とを少なくとも備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、低圧電池１００及び蓄電器２の間に接続されており、双方向に電圧を変換する。低圧電池１００が電源システムＳに含まれていてもよい。

低圧電池１００は、例えばリチウムイオン電池等の非水電解質二次電池であり、従来の鉛蓄電池と比較して体積エネルギー密度及び質量エネルギー密度が遙かに高い。低圧電池１００は、電池電圧又はＳＯＣが低下した場合に、車両Ｃを駆動するための高圧電池３００（第２の二次電池に相当）の電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ３（第２のＤＣ／ＤＣコンバータに相当）により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１を介して充電される。高圧電池３００の電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１を介さずに低圧電池１００が充電されるようにしてもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ３が電源システムＳに含まれてもよい。

蓄電器２は、例えば電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ＝Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ−Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）又はリチウムイオンキャパシタであり、低圧電池１００よりも内部抵抗が低く、短時間での充放電が可能である。リチウムイオン電池を蓄電器２として用いてもよい。

電源システムＳは、更に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の温度を検出する温度センサ４１から車両Ｃの始動時等に取得した検出結果に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１の充放電を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である電源制御部４を備えていてもよい。電源制御部４は、低圧電池１００の電圧の低下又はＳＯＣの低下を検出してＤＣ／ＤＣコンバータ３に高圧電池３００を放電させると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１に低圧電池１００を充電させる。この場合、蓄電器２及び負荷群２００に供給される電源電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によって一定に調整され、この調整された電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１が変換して低圧電池１００を充電する。

上述の構成において、低圧電池１００が適当に充電されている場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が低圧電池１００の電圧を変換して負荷群２００及び蓄電器２に電源電圧を供給することにより、負荷群２００に動作電力が供給され、蓄電器２が電源電圧まで充電される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３が高圧電池３００の電圧を変換して負荷群２００及び蓄電器２に定常的に電源電圧を供給し、低圧電池１００がこれをバックアップするようにしてもよい。

負荷群２００に誘導性負荷が含まれている場合、上記電源電圧が短時間内に急変動したときは、蓄電器２が電源電圧の変動を抑える。例えば、高圧電池３００等の高圧系は、安全のために車体からフローティングされており、車両Ｃの始動時にフローティングを解除するリレーに突入電流が流れるが、このような場合であっても、蓄電器２からの放電電流で電源電圧の低下が抑えられる。低圧電池１００又はＤＣ／ＤＣコンバータ１が故障した場合は、蓄電器２が一定時間だけ負荷群２００に動作電力を供給する。

低圧電池１００がリチウムイオン電池等の非水電解質二次電池である場合、低温時に電解液中のイオンの動きが遅くなって放電特性が低下し、大電流放電での電圧低下が大きくなる。極度の低温下では、電解液中のリチウムイオンがリチウム金属として析出する可能性も指摘されている。そこで本実施形態１では、電源制御部４が、車両Ｃの始動時に温度センサ４１から取得した低圧電池１００の温度が所定温度より低い場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１に低圧電池１００の放電及び蓄電器２の充電と、蓄電器２の放電及び低圧電池１００の充電とを交互に実行させる。この間に低圧電池１００の内部抵抗に流れる充放電電流でジュール熱が発生して低圧電池１００が昇温されるため、放電特性の低下が緩和される。但し、内部抵抗に生じる電圧降下によって、低圧電池１００の電圧が過電圧とならないように留意する。

ここで、低圧電池１００がリチウムイオン電池である場合の特性について説明する。図２は、低圧電池１００の等価回路モデルの一例を示す説明図である。等価回路モデルは、低圧電池１００の内部インピーダンスを表すものであり、例えば、開放電圧ＯＣＶを有する電圧源と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２〜Ｒ５夫々とキャパシタＣ２〜Ｃ５夫々との並列回路が４個直列に接続された回路との組み合わせで構成される。開放電圧ＯＣＶは、正極、負極及び電解質の静的なつり合いで決まり、内部インピーダンスは動的なメカニズムで決まる。充電電流又は放電電流が流れる場合、ＯＣＶから内部インピーダンスによる電圧降下を差し引いた電池電圧が端子電圧として外部から観測される。

より具体的には、抵抗Ｒ１は、例えば、電解液バルクの抵抗を表し、抵抗Ｒ２〜Ｒ５は、例えば、界面電荷移動抵抗及び拡散インピーダンスを表し、キャパシタＣ２〜Ｃ５は、例えば、電気二重層キャパシタンスを表す。電解液バルクの抵抗は、電解液中でのリチウム（Ｌｉ）イオンの伝導抵抗、正極及び負極での電子抵抗などを含む。界面電荷移動抵抗は、活物質表面における電荷移動抵抗及び被膜抵抗等を含む。拡散インピーダンスは、活物質粒子内部へのリチウムイオンの拡散過程に起因するインピーダンスである。

図３は、低圧電池１００のインピーダンススペクトルの一例を示す説明図である。図３において、横軸はインピーダンスＺの実数成分Ｚｒを示し、縦軸はインピーダンスＺの虚数成分Ｚｉを示す。実線は比較的新しい低圧電池１００を常温の環境下に置いた場合の特性を表し、破線は劣化した場合又は低温の環境下に置いた場合の低圧電池１００の特性を表す。図３に示すように、低圧電池１００が劣化したり低温の環境下に置かれたりするとインピーダンススペクトルの円弧が大きくなり、内部インピーダンスが大きくなるが、虚数成分Ｚｉがゼロとなるいわゆる共振周波数は略一定であり、共振周波数における実数成分の大きさも略一定である。

低圧電池１００の内部抵抗Ｒは、電解液バルクの抵抗Ｒｓ及び界面電荷移動抵抗Ｒｃが主要部分を占める。一方、交流インピーダンス法での測定周波数を、例えば１ｋＨｚ程度の周波数から０．１Ｈｚ程度の周波数へと低下させた場合、低圧電池１００の内部インピーダンスは、共振周波数で虚数成分Ｚｉがゼロとなり、更に境界周波数域と称する領域（図３の符号ｆｂ，ｆｂ’で示す付近）で極値をとり、その後再び増加に転じる。この増加は拡散インピーダンスが寄与することが知られており、境界周波数域より高い周波数では、低圧電池１００の内部インピーダンスが、電解液バルクの抵抗Ｒｓと界面電荷移動抵抗Ｒｃとの合計値で近似される。

上述したように、低圧電池１００に流れる充放電電流Ｉによって内部抵抗Ｒにジュール熱を発生させる場合、内部抵抗Ｒの電圧降下がＩ×Ｒで表されるのに対してジュール熱はＩ² ×Ｒに比例する。よって、電圧降下を一定にしてジュール熱を大きくするには、内部抵抗Ｒが小さくなる周波数の逆数である周期で低圧電池１００を充放電すればよい。具体的には、共振周波数の逆数である周期で充放電するのが理想的であるが、内部インピーダンスの絶対値がその最小値より所定値だけ大きい値以下となる周波数の逆数で表される周期で充放電することが好ましい。より好ましくは、内部インピーダンスの虚数成分の絶対値が第２の値以下となる周波数の逆数で表される周期で充放電する。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成と動作について説明する。図４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成例を示すブロック図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、トランジスタという）等のスイッチング素子を含む２つのアームＡ，Ｂを有するフルブリッジ回路と、各トランジスタをオン／オフに駆動する駆動回路１１を有する駆動制御部１０とを備える。

アームＡのトランジスタＱ１は、ドレインが平滑用のコンデンサＣ１１の一端に接続されると共に抵抗器Ｒ１１を介して低圧電池１００の一端に接続され、ソースがトランジスタＱ２のドレイン及びインダクタＬ１の一端に接続され、ゲートが駆動回路１１に接続されている。トランジスタＱ２は、ソースが共通電位に接続され、ゲートが駆動回路１１に接続されている。コンデンサＣ１１の他端及び低圧電池１００の他端は、共通電位に接続されている。抵抗器Ｒ１１の両端は増幅器Ｚ１の入力端子に接続されている。増幅器Ｚ１は電流センスアンプであり、抵抗器Ｒ１１に流れる電流に比例した電圧を駆動制御部１０に与えるようになっている。

アームＢのトランジスタＱ３は、ドレインが平滑用のコンデンサＣ１２の一端及び蓄電器２の一端に接続され、ソースがトランジスタＱ４のドレイン及びインダクタＬ１の他端に接続され、ゲートが駆動回路１１に接続されている。トランジスタＱ４は、ソースが共通電位に接続され、ゲートが駆動回路１１に接続されている。コンデンサＣ１２の他端及び蓄電器２の他端は、共通電位に接続されている。

駆動制御部１０は、駆動回路１１に加えて、充放電電流の基準となる基準電流の波形を表す電圧を発生する基準電流波形回路１２と、ＰＷＭ信号を生成するための三角波を発生して駆動回路１１に与える三角波発生回路１３と、増幅器１４と、コンパレータ１５とを有する。駆動回路１１には、低圧電池１００の電圧Ｖ１及び蓄電器２の電圧Ｖ２が与えられる。基準電流波形回路１２は、本実施形態１では正弦波状の電圧を発生するが、矩形波状、三角波状等の他の波形を発生するものであってもよい。

増幅器１４は、例えば非反転入力端子が増幅器Ｚ１の出力端子に接続され、反転入力端子が基準電流波形回路１２の出力端子に接続されている。増幅器１４はエラーアンプであり、正弦波状に変化する基準電流に対する、抵抗器Ｒ１１に流れる電流の誤差を増幅して、誤差電圧を駆動回路１１に与える。

コンパレータ１５は、例えば非反転入力端子が基準電流波形回路１２の出力端子に接続され、反転入力端子が共通電位に接続されている。コンパレータ１５は、基準電流の波形を表す正弦波状の電圧の極性が正であるか否かに応じて、放電又は充電を示す信号を駆動回路１１に与える。

駆動回路１１は、コンパレータ１５から与えられる放電又は充電を示す信号に応じて、アームＡ，Ｂを有するフルブリッジ回路による電圧の変換方向を決定する。駆動回路１１は、決定した電圧の変換方向と、電圧Ｖ１及びＶ２の大きさとに応じて、アームＡ，Ｂ夫々による降圧、昇圧又は素通しの動作を決定する。

アームＡ又はＢの動作が降圧に決定された場合、駆動回路１１からトランジスタＱ１又はＱ３にＰＷＭ信号が与えられる。アームＡ又はＢの動作が昇圧に決定された場合、駆動回路１１からトランジスタＱ２又はＱ４にＰＷＭ信号が与えられる。ＰＷＭ信号は、例えば増幅器１４からの誤差電圧と、三角波発生回路１３からの三角波とを比較することによって生成される。アームＡ又はＢの動作が素通しに決定された場合、トランジスタＱ１又はＱ３がオンに固定され、トランジスタＱ２又はＱ４がオフに固定される。いわゆるデッドタイムを除けば、トランジスタＱ１及びＱ２、並びにトランジスタＱ３及びＱ４は相補的にオンされる。

図５は、低圧電池１００の充電及び放電と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１による昇圧及び降圧との関係を示すタイミングチャートである。図５に５段に分けて示すタイミングチャートでは、何れも同一の時間軸（ｔ）を横軸にしてあり、縦軸は電圧又は状態を表す。最上段のタイミングチャートは、充放電電流の基準電流の時間変化を表す。ここでの基準電流は、低圧電池１００の共振周波数に近い周波数で大きさが変化する正弦波状の電流である。この周波数は、低圧電池１００の内部インピーダンスの絶対値がその最小値に所定値だけ近い値以下となる周波数であり、内部インピーダンスの虚数成分の絶対値がゼロに近い第２の値以下となる周波数でもある。

上から２段目のタイミングチャートは、基準電流の時間変化に応じて決定される放電及び充電の状態が継続する期間を表す。上から３段目のタイミングチャートは、駆動回路１１に与えられる電圧Ｖ１及びＶ２の高低関係が変化するタイミングの一例を表す。上から４段目及び５段目のタイミングチャートは、放電及び充電の状態と、電圧Ｖ１及びＶ２の高低関係とに基づいて決定されるアームＡ及びＢによる降圧及び昇圧の動作が継続する期間を表す。

ここでは、時刻ｔ０からｔ２までの期間に低圧電池１００が放電され、時刻ｔ２からｔ４までの期間に低圧電池１００が充電されるものとする。また、時刻ｔ０からｔ１（ｔ０＜ｔ１＜ｔ２）までの期間中と、時刻ｔ３からｔ４（ｔ２＜ｔ３＜ｔ４）までの期間中は、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２より高く、時刻ｔ１からｔ３までの期間中は、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２より低いものとする。基準電流が矩形波状である場合であっても、上記と同様の放電及び充電期間と、夫々の期間における上記と同様の電圧関係を想定することができる。

例えば、低圧電池１００の放電が決定された期間のうち、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２より高い時刻ｔ０からｔ１までの期間中は、アームＢが素通しに制御され、且つアームＡによって電圧Ｖ１が降圧され、この降圧期間中に抵抗器Ｒ１１を流れる電流が、基準電流の時間変化に追従して変化するようにＰＷＭ制御される。電圧Ｖ１が電圧Ｖ２より低い時刻ｔ１からｔ２までの期間中は、アームＡが素通しに制御され、且つアームＢによって電圧Ｖ１が昇圧され、この昇圧期間中に抵抗器Ｒ１１を流れる電流が、基準電流の時間変化に追従して変化するようにＰＷＭ制御される。時刻ｔ１にて、アームＡによる降圧からアームＢによる昇圧に切り替える方法については、様々な技術が既に提案されているので、ここでの説明を省略する。

同様に、低圧電池１００の充電が決定された期間のうち、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２より低い時刻ｔ２からｔ３までの期間中は、アームＡが素通しに制御され、且つアームＢによって電圧Ｖ２が降圧され、この降圧期間中に抵抗器Ｒ１１を流れる電流が、基準電流の時間変化に追従して変化するようにＰＷＭ制御される。電圧Ｖ１が電圧Ｖ２より高い時刻ｔ３からｔ４までの期間中は、アームＢが素通しに制御され、且つアームＡによって電圧Ｖ２が昇圧され、この昇圧期間中に抵抗器Ｒ１１を流れる電流が、基準電流の時間変化に追従して変化するようにＰＷＭ制御される。

以上の駆動制御部１０の動作説明は、ハードウェアによって電圧信号等を処理する場合を例にしたものであるが、マイクロコンピュータ等が実行するソフトウェアによって信号処理を行い、その結果によってトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を駆動するようにしてもよい。また、以上の動作説明は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との高低関係が一意に定まらないことを前提としていたが、例えば電圧Ｖ１が常に電圧Ｖ２より高い場合は、アームＢが不要となり、トランジスタＱ４が削減され、トランジスタＱ３が導線で置き換えられる。同様に、電圧Ｖ１が常に電圧Ｖ２より低い場合は、アームＡが不要となり、トランジスタＱ２が削減され、トランジスタＱ１が導線で置き換えられる。

次に、充放電電流によって低圧電池１００を昇温した場合の電池温度の実測値について説明する。図６は、低圧電池１００を昇温した場合の電池温度の時間変化を示すグラフである。図６の上下２段に分けて示すグラフは、何れも同一の時間軸（ｔ）を横軸にしてあり、縦軸は低圧電池１００の温度（℃）を表す。上段のグラフは、正弦波状の充放電電流で昇温した場合の温度変化を示すものであり、下段のグラフは、比較のために矩形波状の充放電電流で昇温した場合の温度変化を示すものである。

実測に用いた低圧電池１００は、容量が３Ａｈの３つの平板状のセル（単位電池）を、板面同士を重ね合わせてモジュール化したものである。このうち中央のセルの温度変化を実線で示し、他の２つのセルの温度変化を破線及び一点鎖線で示す。温度の測定点は、各セルにおける板面の四隅付近のうち、特定の１点を選択した。充放電電流の大きさは９０Ａｐ−ｐである。昇温開始時の低圧電池１００の温度は−３０℃である。

図６の上段に示すように、正弦波状の充放電電流で昇温した場合は、概ね１５分で電池温度が１０℃程度上昇する。また、矩形波状の充放電電流で昇温した場合は、概ね７分で電池温度が１０℃程度上昇する。何れの場合であっても、３０分程度の充放電を継続する間に、低圧電池１００の端子電圧が過電圧となることはなく、特段の異常が認められなかった。

以上のように本実施形態１によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が、車載の低圧電池１００と、電力を一時的に蓄電する蓄電器２との間に接続されており、低圧電池１００の放電及び蓄電器２の充電と、蓄電器２の放電及び低圧電池１００の充電とを交互に行う。この場合の充放電は、所定の周期、且つ所定の電流波形で行われる。従って、同じ充放電電流の大きさで比較して低圧電池１００の昇温効果が比較的大きい周期、且つ、低圧電池１００の端子電圧の上昇量が比較的少ない電流波形で充放電が行われるため、低圧電池１００を比較的短時間で安全に昇温することが可能となる。

また、実施形態１によれば、低圧電池１００がリチウムイオン電池を含む非水電解質二次電池であるため、低温時に蓄電器２との間で相互に充放電させて昇温することにより、電解液中のイオンの移動度が大きくなって低圧電池１００の放電特性の低下を好適に防止することができる。

更に、実施形態１によれば、蓄電器２が電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン電池であり、急速な充放電特性に優れているため、負荷電流の急激な変動による負荷群２００の電圧変動を好適に防止することができる。また、低圧電池１００の昇温時にこれらのキャパシタ又はリチウムイオン電池も同時に昇温されるため、充放電特性の低下を防止することができる。

更に、実施形態１によれば、内部インピーダンスの絶対値がその最小値に所定値だけ近い値以下となる周波数の逆数で表される周期で低圧電池１００を充放電することにより、充放電電流の大きさに対する低圧電池１００の電圧変動幅が比較的小さいため、低圧電池１００の劣化を防止することができる。

更に、実施形態１によれば、内部インピーダンスの虚数成分の絶対値がゼロに近い第２の値以下となる周波数の逆数で表される周期で低圧電池１００を充放電することにより、低圧電池１００の充放電電流のうち、内部インピーダンスの実数成分に流れる電流が相対的に大きくなってジュール熱を発生させるため、低圧電池１００を効率的に昇温することができる。

更に、実施形態１によれば、充放電の電流波形が正弦波状である場合、充放電電流に含まれる高調波成分が比較的少ないため、充放電の周期を適当に選択することにより、充放電電流の大きさに対する低圧電池１００の電圧変動幅を比較的小さく抑えることができる。また、充放電の電流波形が矩形波状である場合、同じ充放電電流のピーク値で比較して低圧電池１００の昇温効果を比較的大きくすることができる。

（変形例１）
実施形態１は、負荷群２００が蓄電器２に直接的に接続される形態であるのに対し、変形例１は、負荷群２００が低圧電池１００に直接的に接続される形態である。図７は、変形例１に係る電源システムＳ１の構成例を示すブロック図である。電源システムＳ１は、電力を一時的に蓄電する蓄電器２と、蓄電器２の電圧を変換して低圧電池１００及び負荷群２００に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１とを少なくとも備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、蓄電器２及び低圧電池１００の間に接続されており、双方向に電圧を変換する。低圧電池１００が電源システムＳ１に含まれていてもよい。

低圧電池１００は、電池電圧又はＳＯＣが低下した場合に、高圧電池３００の電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ３により充電される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３が電源システムＳに含まれてもよい。その他の接続構成については実施形態１の図１に示すものと同様であるため、実施形態１に対応する箇所には同様の符号を付してその説明を省略する。

本変形例１に係る構成において、低圧電池１００が適当に充電されている場合、低圧電池１００が負荷群２００に定常的に電源電圧を供給することにより、負荷群２００に動作電力が供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３が高圧電池３００の電圧を変換して負荷群２００及び低圧電池１００に定常的に電源電圧を供給し、低圧電池１００がこれをバックアップするようにしてもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、適時低圧電池１００の電圧を変換して蓄電器２を充電する。

負荷群２００に誘導性負荷が含まれている場合、上記電源電圧が急激に上昇したときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が電源電圧を変換して蓄電器２を充電することにより、電源電圧の変動を抑える。また、上記電源電圧が急激に低下したときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が蓄電器２の電圧を変換して負荷群２００に供給することにより、電源電圧の変動を抑える。低圧電池１００が故障した場合は、蓄電器２がＤＣ／ＤＣコンバータ１を介して一定時間だけ負荷群２００に動作電力を供給する。

以上のように本変形例１によれば、低圧電池１００に直接的に負荷群２００が接続されているため、低圧電池１００から負荷群２００に供給される電力にロスが生じるのを防止することができる。

また、実施形態１及び変形例１によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によって車両Ｃの駆動用の高圧電池３００の電圧が降圧され、低圧電池１００に電力が供給される。従って、二次電池のＳＯＣが低下した場合は、高圧電池３００によって低圧電池１００を充電したり、負荷群２００に電力を供給したりすることができる。

また、実施形態１及び変形例１によれば、電源システムＳ及びＳ１には、蓄電器２に加えてＤＣ／ＤＣコンバータ３が更に含まれており、これらをＤＣ／ＤＣコンバータ１と一体的に管理することができる。

（変形例２）
実施形態１は、低圧電池１００がＤＣ／ＤＣコンバータ３及び１を介して高圧電池３００からの電力によって充電される形態であるのに対し、変形例２は、低圧電池１００がＤＣ／ＤＣコンバータ１を介して車載のオルタネータ４００（車載発電機に相当）からの電力で充電される形態である。図８は、変形例２に係る電源システムＳ２の構成例を示すブロック図である。電源システムＳ２は、低圧電池１００の電圧を変換して車載の負荷群２００に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、負荷群２００に接続されて電力を一時的に蓄電する蓄電器２とを少なくとも備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、低圧電池１００及び蓄電器２の間に接続されており、双方向に電圧を変換する。低圧電池１００が電源システムＳに含まれていてもよい。

低圧電池１００は、車両Ｃのエンジンに連動して発電するオルタネータ４００が発電した電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１により随時充電される。車両Ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及び高圧電池３００を搭載していない。その他の接続構成については実施形態１の図１に示すものと同様であるため、実施形態１に対応する箇所には同様の符号を付してその説明を省略する。

本変形例２に係る構成において、オルタネータ４００が発電していない場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が低圧電池１００の電圧を変換して負荷群２００及び蓄電器２に電源電圧を供給することにより、負荷群２００に動作電力が供給され、蓄電器２が電源電圧まで充電される。負荷群２００に誘導性負荷が含まれている場合、上記電源電圧が短時間内に急変動したときは、蓄電器２が電源電圧の変動を抑える。低圧電池１００又はＤＣ／ＤＣコンバータ１が故障した場合は、蓄電器２が一定時間だけ負荷群２００に動作電力を供給する。

（変形例３）
変形例２は、低圧電池１００がＤＣ／ＤＣコンバータ１を介して車載のオルタネータ４００からの電力で充電される形態であるのに対し、変形例３は、低圧電池１００がオルタネータ４００からの電力で直接的に充電される形態である。図９は、変形例３に係る電源システムＳ３の構成例を示すブロック図である。電源システムＳ３は、低圧電池１００の電圧を変換して車載の負荷群２００に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、負荷群２００に接続されて電力を一時的に蓄電する蓄電器２とを少なくとも備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、低圧電池１００及び蓄電器２の間に接続されており、双方向に電圧を変換する。低圧電池１００が電源システムＳに含まれていてもよい。

低圧電池１００は、車両Ｃのエンジンに連動して発電するオルタネータ４００が発電した電力により随時充電される。車両Ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及び高圧電池３００を搭載していない。その他の接続構成については実施形態１の図１に示すものと同様であるため、実施形態１に対応する箇所には同様の符号を付してその説明を省略する。

本変形例３に係る構成において、オルタネータ４００が発電していない場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が低圧電池１００の電圧を変換して負荷群２００及び蓄電器２に電源電圧を供給することにより、負荷群２００に動作電力が供給され、蓄電器２が電源電圧まで充電される。負荷群２００に誘導性負荷が含まれている場合、上記電源電圧が短時間内に急変動したときは、蓄電器２が電源電圧の変動を抑える。低圧電池１００又はＤＣ／ＤＣコンバータ１が故障した場合は、蓄電器２が一定時間だけ負荷群２００に動作電力を供給する。

以上のように本変形例３並びに実施形態１及び変形例２によれば、蓄電器２に直接的に負荷群２００が接続されているため、負荷電流の急激な変動を蓄電器２によって時間遅れなく吸収することができる。

また、実施形態１及び変形例１〜３によれば、電源システムＳ及びＳ１〜Ｓ３に含まれる蓄電器２を、低圧電池１００と同時に昇温することができる。

更に、実施形態１及び変形例１〜３によれば、電源システムＳ及びＳ１〜Ｓ３には、蓄電器２に加えて低圧電池１００が更に含まれており、これらをＤＣ／ＤＣコンバータ１と一体的に管理することができる。

更に、変形例２及び３によれば、オルタネータ４００から低圧電池１００に電力が供給される。従って、低圧電池１００のＳＯＣが低下した場合は、オルタネータ４００によって低圧電池１００を充電したり、負荷群２００に電力を供給したりすることができる。

更に、実施形態１及び変形例１〜３によれば、電源制御部４が低圧電池１００の温度に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１に充放電させるため、低圧電池１００の温度が所定温度より低いために低圧電池１００の昇温が必要とされる場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１によって低圧電池１００及び蓄電器２を相互に充放電することができる。

１、３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ 蓄電器
４ 電源制御部
４１ 温度センサ
１０ 駆動制御部
１１ 駆動回路
１２ 基準電流波形回路
１３ 三角波発生回路
１４ 増幅器
１５ コンパレータ
１００ 低圧電池
２００ 負荷群
３００ 高圧電池
４００ オルタネータ
Ａ、Ｂ アーム
Ｃ 車両
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４ トランジスタ
Ｃ１１、Ｃ１２ コンデンサ
Ｌ１ インダクタ
Ｒ１１ 抵抗器
Ｚ１ 増幅器

Claims (15)

1. 車両に搭載された二次電池及び電力を一時的に蓄電する蓄電器の間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   前記二次電池及び蓄電器を所定の周期で、且つ所定の電流波形で相互に充放電するようにしてあるＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記二次電池は、リチウムイオン電池を含む非水電解質二次電池である請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記蓄電器は、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン電池を含む請求項１又は２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記周期は、前記二次電池の内部インピーダンスの絶対値が該絶対値の最小値より所定値だけ大きい値以下となる周波数の逆数である請求項１から３の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 前記周期は、前記内部インピーダンスの虚数成分の絶対値が第２の値以下となる周波数の逆数である請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. 前記電流波形は、正弦波状又は矩形波状である請求項１から５の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
7. 前記蓄電器は、前記車両の負荷に接続される請求項１から６の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
8. 前記二次電池は、前記車両の負荷に接続される請求項１から６の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
9. 請求項１から８の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記蓄電器とを備える電源システム。
10. 前記二次電池を更に備える請求項９に記載の電源システム。
11. 前記二次電池は、前記車両に搭載される第２の二次電池の電圧を降圧する第２のＤＣ／ＤＣコンバータによって充電される請求項９又は１０に記載の電源システム。
12. 前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを更に備える請求項１１に記載の電源システム。
13. 前記二次電池は、前記車両に搭載されたエンジンに連動して発電する車載発電機によって充電される請求項９又は１０に記載の電源システム。
14. 前記二次電池の温度を検出する検出部から取得した検出結果に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記二次電池及び蓄電器を充放電させる電源制御部を更に備える請求項９から１３の何れか１項に記載の電源システム。
15. 車両に搭載された二次電池及び電力を一時的に蓄電する蓄電器の間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータで前記二次電池を充放電する方法であって、
    前記二次電池及び蓄電器を所定の周期で、且つ所定の電流波形で相互に充放電するステップを含む二次電池の充放電方法。

Images