JP6026316B2 - 二次電池制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、二次電池を昇温するための二次電池制御装置に関する。

二次電池を低温環境下で使用する場合、内部抵抗が高くなるため所望の電流を出力できないという問題があった。この問題に対し、従来では、ヒーター装置等を用いることで電池を温めてから使用する手法が提案されているが、ヒーターによって電池を温めるときの熱エネルギーのロスが大きいという課題があった。そこで、二次電池の充放電の繰り返しを二次電池と直流コンデンサとの間で実施するという昇温方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１２５６８号公報

ところが、上記昇温方法では、電池を短時間で昇温するのに必要な大電流の充放電に対して、コンデンサの容量を相当大きくする必要があり、体積やコストの点で課題となる。

本実施形態の目的は、短時間に効率良く二次電池を昇温可能な二次電池制御装置を提供することにある。

本実施形態に係る二次電池制御装置は、第１の二次電池と第２の二次電池を制御する装置であって、前記第１及び第２の二次電池間を接続し、互いに一方の二次電池が放電した電力によって他方の二次電池を充電する充放電手段と、前記第１の二次電池のＳＯＣを推定する第１のＳＯＣ推定手段と、前記第２の二次電池のＳＯＣを推定する第２のＳＯＣ推定手段と、予め取得した前記第１及び第２の二次電池の出力可能なＳＯＣ領域に基づいて目標ＳＯＣを表す直線を決定し、前記第１及び第２のＳＯＣ推定手段で推定されたＳＯＣの和が一定値を維持したまま、それぞれのＳＯＣが前記直線上の目標ＳＯＣになるように前記充放電手段を制御する充放電制御手段とを具備するものである。

第１実施形態に係る二次電池制御装置を用いた二次電池システムを示す図。 第１実施形態に係る目標ＳＯＣ設定方法を示す図。 第１実施形態に係る昇温動作の一例を示す図。 第２実施形態に係る目標ＳＯＣ設定方法を示す図。 第３実施形態に係るＳＯＣによる昇温効果特性を示す図。 第３実施形態に係る目標ＳＯＣ設定方法を示す図。 第４実施形態に係る充放電器制御部１０の詳細を示す図。 第４実施形態に係る目標ＳＯＣ設定方法を示す図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る二次電池制御装置を説明する。

（第１実施形態）
図１に、本実施形態に係る二次電池制御装置を用いた二次電池システムを示す。

第１の二次電池２ａ及び第２の二次電池２ｂ（二次電池と総称する）は、電気的に多直列多並列に接続された二次電池セル１から構成され、内部に二次電池ＳＯＣ推定部３と、少なくとも１つの二次電池の温度測定部４とを含む。二次電池の電圧や容量は異なっていてもよく、温度測定部４としては、例えば、サーミスタや熱電対を用いる。二次電池ＳＯＣ推定部３は、セル電圧や電池の通電電流、温度等を用いて電池エネルギー残量（ＳＯＣ：State of Charge）を推定する。

負荷装置５には、二次電池の電力もしくは充電器８により電力が供給される。負荷装置５は直流電力を交流電力に変換するインバータや直流電圧を変化させるＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換器を含む。充放電器６は、第１の二次電池２ａと第２の二次電池２ｂとの間で電力のやり取りを行う。この充放電器６は、半導体スイッチを内部に有し、スイッチングタイミングを変化させることで出力電力や電流を変化させる。また、図１では、充放電器６は、一台であるが、片方向のコンバータを組み合わせもよい。さらに、充放電器６は、二次電池の電流を計測する電池電流計測部１２と、二次電池の電圧を計測する電池電圧計測部１３を含む。

充放電器制御装置７は、充放電器６に昇温開始を指令する昇温指令部９と、充放電器６の充放電を制御する充放電器制御部１０と、負荷装置５に電気エネルギーを出力させる負荷出力指令部１１を含む。

充放電器６は、充放電器制御装置７の昇温指令部９からの昇温開始指令もしくは、二次電池の温度測定部４の測定温度が所定の温度より低下したことを起点として、昇温動作を開始し、二次電池ＳＯＣ推定部３で推定されるＳＯＣが、後述する充放電器制御装置７により設定される目標ＳＯＣとなるように、充放電器６により二次電池に交互にパルスの電流を流す。パルス時間は一定値（例えば４０ｓｅｃ）でもよいし、電池電圧がそれぞれの二次電池の使用電圧範囲外になった時点で停止してもよい。しかし、このようなパルス充放電をＳＯＣの管理をせずに行った場合、電池の温度が上昇しても、所望する出力を得るのに必要なＳＯＣに達していないことがあるため、さらに電池のＳＯＣを調整する時間がかかる場合がある。

以下に、この問題を解決するために、充放電器制御装置７の充放電器制御部１０が行う充放電制御処理を図２及び図３を用いて説明する。所望の出力を得るのに必要な二次電池のＳＯＣは、その二次電池自身の温度に応じて決まり、一般に、温度が低いほど高いＳＯＣを必要とし、温度が高くなるにつれて必要なＳＯＣは低下する傾向を示す。そして、所定の温度において、所望の出力を得るのに必要なＳＯＣに達している状態にあれば、この二次電池は高出力可能領域にあるとし、そうでなければ高出力不可領域にあるとする。

図２は、低温環境（例えば−３０℃）における２つの二次電池２ａ及び２ｂのそれぞれの高出力可能領域及び高出力不可領域、ならびに目標ＳＯＣ直線設定の一例を示す図である。この事例では、低温環境で所望の出力を得るのに必要なＳＯＣは、いずれの二次電池も８０％としている。高出力可能領域１６は、第１の二次電池２ａの高出力不可領域１４と第２の二次電池２ｂの高出力不可領域１５以外の部分で表す。図２の場合、２つの高出力不可領域１４，１５の交点Ｐ１と２つの電池のＳＯＣが０％である点とを結んだ直線を、目標ＳＯＣ直線１７と表す。昇温動作中の充電器８の充電電流や負荷装置５での消費電流に応じて二次電池のＳＯＣは一定とならない場合があるが、目標ＳＯＣをこのように直線とすることで、二次電池のＳＯＣが変化しても目標ＳＯＣをこの直線上で逐次変化することができる。

図３に、低温（例えば上記した−３０℃）の時点から開始する昇温動作の例を示す。昇温開始時の２組の二次電池のＳＯＣ状態がＰ２（第１の二次電池２ａのＳＯＣ＝５％、第２の二次電池２ｂのＳＯＣ＝７０％）にあるものとする。２つの二次電池に対して、外部からのエネルギーの出入りや充放電器６の変換損失や二次電池の発熱損失を無視した場合、第１の二次電池２ａのＳＯＣ＋第２の二次電池２ｂのＳＯＣ＝一定値となる。そして、このＳＯＣの一定値を維持したまま、それぞれの二次電池のＳＯＣが目標ＳＯＣ直線１７上の値となるように、二次電池間で充放電制御を行う。図３の事例では、第２の二次電池２ｂから第１の二次電池２ａへ放電を行う。また、この時の充放電制御の際に、電池電圧が二次電池の動作電圧を超えない限り目標ＳＯＣになるまでは、充放電を切り替えないものとする。これによって、それぞれの二次電池のＳＯＣは、図３中のＰ２から目標ＳＯＣ直線１７に向けて、矢線の方向に昇温しながら移動していく。

そして、一度目標ＳＯＣに到達した後は、パルス充放電の幅を一定値（例えば４０ｓ）とし、相互に充放電動作を継続することによって、更に所期の値に昇温させる。このパルス幅が大きいと目標ＳＯＣ直線から離れることになり、短すぎると十分な昇温効果が得られない。これらの関係からΔＳＯＣを設定するとより効果的である。

以上述べたように、上記第１実施形態によれば、各二次電池の目標ＳＯＣを管理しながら充放電制御による昇温を行うので、それぞれの二次電池では所望する出力を得るのに必要なＳＯＣが確保されつつ昇温されていく。従って、昇温後にＳＯＣを再調整する必要はなく、二次電池の昇温開始から使用可能になるまでの時間を短縮することができる。

（第２実施形態）
二次電池の特性から電池温度が上がると二次電池の高出力不可領域は低減していく。また、双方の二次電池の温度上昇は、電池の構成、設置場所、冷却環境、電池残量等によって異なる。このことから、より短時間で高出力可能領域に到達させるためには、温度上昇に応じて目標ＳＯＣを変化させていくことが望ましい。

図４に、第１の二次電池２ａが−２０℃、第２の二次電池２ｂが−１０℃の時の特性の例を示す。双方の二次電池２ａ，２ｂが−３０℃から昇温を開始する場合の目標ＳＯＣをＰ４とすると、第１の二次電池２ａが−２０℃、第２の二次電池２ｂが−１０℃になった時は、第１の二次電池２ａと第２の二次電池２ｂの高出力不可領域の違いからＰ３を通るように目標ＳＯＣ直線を算出すると新たに目標値が変化することになる。目標値の更新タイミングは、現在の目標値と更新後の目標値のＳＯＣ差が一定値以上離れた時点や昇温開始から一定時間ごとに更新してもよい。

（第３実施形態）
図５に、ＳＯＣによる昇温効果特性を示す。図５において、高昇温効果領域１９は、電池の昇温時には大電流を一定時間流すことで大きな昇温効果が得られる。一方、ＳＯＣが極端に高い領域と極端に低い領域からなる低昇温効果領域１８においては、昇温効果が低い。これらの特性を事前に試験等で取得しておくと、さらに効率良く昇温可能となる。

図６を用いて、図５の特性を考慮したときの目標ＳＯＣの設定方法を説明する。第１の実施形態によれば、目標ＳＯＣ直線１７は、Ｐ６を通る直線で表されるが、第３実施形態では、昇温前のＳＯＣがＰ５にあるとき、Ｐ５と高出力不可領域の交点から算出した目標ＳＯＣはＰ７を通る直線を目標ＳＯＣ直線とする。

（第４実施形態）
図７を用いて、第４実施形態を説明する。いずれかの負荷装置５の出力のみが過大に必要な場合、充放電器６を用いた電力の供給が可能である。図７の電圧制御部１０２では、第１の二次電池２ａの電圧を取得して電圧指令値１０１との差分をＰＩ制御器を通して電流制御部１０４に入力する電流指令値を計算する。第１の二次電池２ａの電圧が低い場合、電圧指令値１０１を高く設定することで第２の二次電池２ｂから第１の二次電池２ａへの充電電流を大きくすることが可能である。リミッタ１０３では、電圧制御部１０２で演算された電流値がある電流以上の値が流れないように制限するものであり、電流の供給量の最大値を決定することができる。図７の電流制御部１０４では、第１の二次電池２ａに流れる電流と電圧制御部１０１から得られた電流指令値の差分をＰＩ制御器で演算結果をゲート信号生成部１０５に入力することにより、所望の電流を発生させる半導体デバイスへのスイッチング信号を生成することができる。

このような方法で、昇温後に所望の出力を得るために必要なＳＯＣが、第１の二次電池２ａの方が第２の二次電池２ｂより小さい場合の昇温可能領域の変化を図８を用いて説明する。上記図２に示したのが第１の二次電池２ａ、第２の二次電池２ｂ共に電池温度が−３０℃の時の高出力可能領域１６であるとき、上記のように充放電器による電力の融通を行った場合の高出力可能領域１６は図８のように変化する。電力を第１の二次電池２ａから第２の二次電池２ｂに供給する場合を前提としているので、第１の二次電池２ａの目標ＳＯＣは低下させ、第２の二次電池２ｂの目標ＳＯＣは増加させる必要がある。これに伴い、第１の電池２ａの高出力不可領域１４は減少し、第２の二次電池２ｂの高出力不可領域１５は増加する。

この割合は電流指令値のリミッタ１０３で設定可能であるため、第２の二次電池２ｂを使用しない場合は、最大限リミットを大きく設定できる。第２の二次電池２ｂが出力可能な電流はＳＯＣと温度によって変化するため予め電池特性を取得したテーブルを用いて設定することが望ましい。以上により、昇温することなく二次電池のいずれかの出力を本来の電池能力より大きくとることができる。出力時に電力を片方に融通することができることを前提にすれば、目標ＳＯＣ直線も図８のＰ８を通るように変化させることが効果的である。

なお、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。

１…二次電池セル、２ａ…第１の二次電池、２ｂ…第２の二次電池、３…二次電池ＳＯＣ推定部、４…温度測定部、５…負荷装置、６…充放電器、７…充放電器制御装置、８…充電器、９…昇温指令部、１０…充放電器制御部、１１…負荷出力指令部、１２…電池電流計測部、１３…電池電圧計測部、１４…電池１の高出力不可領域、１５…電池２の高出力不可領域、１６…第１の二次電池と第２の二次電池の高出力可能領域、１７…目標ＳＯＣ直線、１８…低昇温効果領域、１９…高昇温効果領域。

Claims (6)

1. 第１の二次電池と第２の二次電池を制御する装置であって、
   前記第１及び第２の二次電池間を接続し、互いに一方の二次電池が放電した電力によって他方の二次電池を充電する充放電手段と、
   前記第１の二次電池のＳＯＣを推定する第１のＳＯＣ推定手段と、
   前記第２の二次電池のＳＯＣを推定する第２のＳＯＣ推定手段と、
   予め取得した前記第１及び第２の二次電池の出力可能なＳＯＣ領域に基づいて目標ＳＯＣを表す直線を決定し、前記第１及び第２のＳＯＣ推定手段で推定されたＳＯＣの和が一定値を維持したまま、それぞれのＳＯＣが前記直線上の目標ＳＯＣになるように前記充放電手段を制御する充放電制御手段と
   を具備することを特徴とする二次電池制御装置。
2. 前記充放電制御手段は、前記目標ＳＯＣから一定のＳＯＣ範囲内で充放電を行うことをさらに特徴とする請求項１に記載の二次電池制御装置。
3. 前記充放電制御手段は、前記第１及び第２の二次電池の温度の上昇に応じて前記直線を変化させることをさらに特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池制御装置。
4. 前記充放電制御手段は、予め取得した低昇温効果領域に応じて前記直線を変化させることをさらに特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池制御装置。
5. 前記充放電制御手段は、前記第１又は第２の二次電池から他方の二次電池へ電力を供給するように前記充放電手段を制御することをさらに特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二次電池制御装置。
6. 前記充放電制御手段は、前記他方の二次電池へ電力を供給した場合に前記第１及び第２の二次電池の出力可能なＳＯＣ領域を変更し、前記変更したＳＯＣ領域に基づいて前記直線を変化させることをさらに特徴とする請求項５に記載の二次電池制御装置。

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