JP6332121B2 - 電池の昇温装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部電源に接続可能な車両に搭載される電池の昇温装置に関する。

特開２０１１−２３８４２８号公報（特許文献１）には、電池を外部から加熱するヒータと、ヒータで電池を加熱することによって電池を昇温する制御装置とを備えた昇温システムが開示されている。制御装置は、電池温度が所定温度以下である場合にヒータを作動させ、所定時間が経過するとヒータを停止する。

特開２０１１−２３８４２８号公報

特開２０１１−２３８４２８号公報（特許文献１）に開示された昇温システムにおいては、所定時間が経過するとヒータが停止されるため無駄な消費電力が抑えられるが、ヒータ停止後に電池が極低温環境下に長期間放置されると、電池の電解液が凍結し、電池の入出力が一切できない状態に陥るおそれがある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ヒータの消費電力の増大を抑制しつつ、電池の電解液の凍結をより長い期間抑制することである。

この発明に係る昇温装置は、外部電源に接続可能な車両に搭載され、外部電源から供給される電力を用いて充電可能に構成された電池の昇温装置であって、電池を外部から加熱するヒータと、ヒータで電池を加熱することによって電池を昇温する昇温制御を実行する制御装置とを備える。制御装置は、外部電源から電池に電力を供給可能な状態になってから第１期間が経過するまでの間は、電池の温度を第１下限温度以上にするようにヒータを制御する第１昇温制御を行ない、第１期間が経過した後は、電池の温度を第２下限温度以上にするようにヒータを制御する第２昇温制御を行なう。第２下限温度は、第１下限温度よりも低く、かつ電池の電解液が凍結する温度よりも高い。

このような構成によれば、第１期間経過後も、電池の温度が第２下限温度以上になるようにヒータが継続して作動される。第２下限温度は、第１期間中の第１下限温度よりも低い温度であるため、第１期間中よりもヒータの消費電力が抑制される。さらに、第２下限温度は、電池の電解液が凍結する温度よりも高い。そのため、ヒータの消費電力の増大を抑制しつつ、電池の電解液の凍結をより長い期間抑制することができる。

好ましくは、車両は、電池の電力を用いてモータを作動させることによって車両駆動力を発生する。第１下限温度は、電池の温度が第２下限温度である時よりも高い電力を電池がモータに出力することができる温度である。

このような構成によれば、第１期間中に車両走行を開始する場合には、第１期間後に車両走行を開始する場合よりも、大きい車両駆動力で車両走行を開始することができる。

好ましくは、制御装置は、第２昇温制御を開始してから第２期間が経過した場合、第２昇温制御を停止する。

このような構成によれば、第２昇温制御を開始してから第２期間が経過したときは、車両が使用されないと想定されるため、第２昇温制御を停止することでヒータの消費電力が無駄に増大することを抑制することができる。

好ましくは、第２期間は、第１期間よりも長い。
このような構成によれば、消費電力の低い第２期間を消費電力の高い第１期間よりも長くすることで、ヒータの消費電力の増大を抑制しつつ、電池の電界液の凍結をより長い期間抑制することができる。

好ましくは、第１昇温制御は、電池の温度を第１下限温度以上かつ第１上限温度未満の第１温度領域に維持するようにヒータを作動および停止する制御である。第２昇温制御は、電池の温度を第２下限温度以上かつ第２上限温度未満の第２温度領域に維持するようにヒータを作動および停止する制御である。第２上限温度は、第１上限温度よりも低い。

このような構成によれば、第２期間中の第２上限温度が第１期間中の第１上限温度よりも低いため、第２期間中のヒータの消費電力を第１期間中のヒータの消費電力よりも抑えることができる。

車両の全体構成図である。 昇温制御による電池温度Ｔｂの変化の一例を示す図である。 制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態による電池の昇温装置を備えた車両１の全体構成図である。車両１は、駆動用バッテリ１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、補機バッテリ３０と、ヒータ４０と、充電器５０と、インレット５１と、タイマ６０と、制御装置１００とを備える。

車両１は、駆動用バッテリ１０に蓄えられた電力で図示しないモータを駆動することによって走行することができる電動車両である。なお、車両１は、動力源として上記モータに加えてエンジンを備えてもよい。すなわち、車両１は、電気自動車であってもハイブリッド自動車であってもよい。

駆動用バッテリ１０は、モータを作動させるための電力を蓄える二次電池である。駆動用バッテリ１０は、たとえばリチウムイオン電池セルやニッケル水素電池セルなどを含んで構成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、駆動用バッテリ１０を含む高圧系の電圧（たとえば２００ボルト程度）を、補機バッテリ３０を含む低圧系の電圧（たとえば１２ボルト程度）に降圧して出力する。これにより、高圧系の電力が低圧系にも供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、制御装置１００からの制御信号に基づいて制御される。

補機バッテリ３０は、車両１の補機（ヒータ４０や制御装置１００など）を作動させるための電力を蓄える二次電池である。補機バッテリ３０は、代表的には鉛蓄電池を含んで構成される。補機バッテリ３０の電圧は、上述したようにたとえば１２ボルト程度の比較的低い値である。

ヒータ４０は、通電時にジュール熱を発生することによって駆動用バッテリ１０を外部から加熱する。制御装置１００からの制御信号によってスイッチ４１が閉じられると、ヒータ４０は、補機バッテリ３０から供給される電力、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を介して駆動用バッテリ１０から供給される電力、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を介して外部電源２００から供給される電力の少なくともいずれかの電力によって発熱する。

インレット５１は、車両１のボディ表面に設けられ、外部電源２００のコネクタ２０１に接続可能に構成される。外部電源２００のコネクタ２０１がインレット５１に接続されると、インレット５１には外部電源２００からの交流電力（以下「外部電力」ともいう）が入力される。

充電器５０は、制御装置１００からの制御信号によって制御され、外部電源２００からインレット５１に入力された外部電力（交流電力）を、駆動用バッテリ１０に充電可能な電力（直流電力）に変換し、高圧系に供給する。これにより、駆動用バッテリ１０が外部電力によって充電される。以下、駆動用バッテリ１０を外部電力によって充電することを「外部充電」という。

外部電源２００のコネクタ２０１がインレット５１に接続された場合、インレット５１には、外部電源２００の充電ケーブル２０２からコントロールパイロット信号（以下「ＣＰＬＴ信号」という）が入力される。ＣＰＬＴ信号は、外部電源２００から車両１に供給可能な電流に応じたデューティサイクルで発振する。ＣＰＬＴ信号は、インレット５１を介して制御装置１００に入力される。

車両１は、駆動用バッテリ１０の状態、具体的には温度（以下「電池温度Ｔｂ」ともいう）、電流、電圧などを検出する監視ユニット１１を備える。さらに、車両１は、補機バッテリ３０の状態（電圧、電流、温度など）、アクセルペダルポジション、車速など、車両１の走行を制御するのに必要な情報を検出する複数のセンサ（いずれも図示せず）を備える。各センサは、検出結果を制御装置１００に出力する。

タイマ６０は、制御装置１００から指示された開始タイミングからの経過時間ｔを計測して、制御装置１００に出力する。タイマ６０は、たとえば車載の時計やナビゲーション装置で実現することができる。なお、図１に示す例では、タイマ６０は制御装置１００の外部に設けられているが、タイマ６０を制御装置１００の内部に設けるようにしてもよい。

制御装置１００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリを含み、当該メモリに記憶された情報や各センサの検出結果などに応じて車両１の各機器を制御する。なお、図１においては、制御装置１００を１つのユニットとしているが、機能ごとに分割してもよい。

制御装置１００は、外部電源２００がインレット５１に接続されると、充電ケーブル２０２からのＣＰＬＴ信号に基づいて外部充電が可能な状態であるか否かを判定する。外部充電が可能な状態であると判定されると、制御装置１００は、充電器５０を作動させて外部充電を開始する。制御装置１００は、外部充電によって駆動用バッテリ１０の蓄電量が目標値に達した場合に充電器５０を停止させて外部充電を終了する。

以上のような構成を有する車両１が外部充電中あるいは外部充電完了後において極低温環境下で放置されると、電池温度Ｔｂが低下し、駆動用バッテリ１０の出力性能（出力可能電力）が低下した状態となる。このような状態では、ユーザが次に車両１を走行させようとしても、十分な電力を駆動用バッテリ１０からモータに供給することができず、モータ走行性能が悪化することが懸念される。

このような点に鑑み、制御装置１００は、外部充電中あるいは外部充電完了後において、ヒータ４０を作動させて駆動用バッテリ１０を昇温する制御（以下「昇温制御」ともいう）を実行する。外部充電開始後においては、外部電源２００がインレット５１に接続された状態であり外部電力を用いてヒータ４０を作動させることができるため、駆動用バッテリ１０の蓄電量を低下させることなく駆動用バッテリ１０の昇温を行なうことができる。

しかしながら、車両１が長期間（たとえば数十日以上）使用されずに放置される場合も想定される。このような場合に、次に車両１が使用されるまで長期間に亘って昇温制御を継続すると、駆動用バッテリ１０の昇温に要するエネルギが無駄になってしまう。その一方で、昇温制御を継続する期間が短期間（たとえば数日程度）であると、昇温制御の停止後にユーザが車両１を走行させようとしても、駆動用バッテリ１０の電解液が凍結して駆動用バッテリ１０の入出力が一切できず車両１を退避走行させることもできない状態に陥るおそれがある。

上記のような問題に鑑み、本実施の形態による制御装置１００は、昇温制御を継続する期間を第１期間と第２期間とに分け、各期間で昇温の目標温度を変更する。前半の第１期間は、ユーザが車両１を使用する可能性が比較的高い期間であると定義し、走行開始時からモータによる一定の走行性能（本来のモータ走行性能）を保証することを目的とした比較的高い目標温度とする。後半の第２期間は、ユーザが車両１を使用する可能性が比較的低い期間であると定義し、駆動用バッテリ１０の電解液の凍結を防ぐための必要最低限の目標温度とする。

図２は、制御装置１００が行なう昇温制御による電池温度Ｔｂの変化の一例を示す図である。図２において、横軸はプラグイン状態（外部電源２００がインレット５１に接続されて外部充電が可能な状態）になってからの経過時間ｔを示し、縦軸は電池温度Ｔｂを示す。

図２において、プラグイン状態になってからの経過時間ｔが時間ｔ１になるまでの期間が、上記の第１期間である。第１期間中、制御装置１００は、電池温度Ｔｂを上限温度Ｔ１と下限温度Ｔ２との間の目標温度領域Ｒ１に維持するようにヒータ４０を作動および停止する。より具体的には、制御装置１００は、電池温度Ｔｂが下限温度Ｔ２に低下するとスイッチ４１を閉じてヒータ４０を作動させ、ヒータ４０の作動によって電池温度Ｔｂが上限温度Ｔ１に上昇するとスイッチ４１を開いてヒータ４０を停止する。以下、第１期間中に実行される昇温制御を「第１昇温制御」ともいう。

第１昇温制御中における目標温度領域Ｒ１は、上述したように、走行開始時からモータによる一定の走行性能（本来のモータ走行性能）を保証することを目的とした比較的高い目標温度に設定される。言い換えれば、第１昇温制御中における目標温度領域Ｒ１は、第２昇温制御中における目標温度領域Ｒ２（後述）に電池温度Ｔｂが維持される時よりも高い電力を駆動用バッテリ１０がモータに出力することができる温度領域である。したがって、第１期間中においては、第２期間中よりも、大きい車両駆動力で車両走行を開始することができる。すなわち、ユーザが第１期間中に車両１を使用する場合には、外気温が極低温であったとしても、車両走行開始時から本来のモータ走行性能を発揮することができる。

図２において、プラグイン状態になってからの経過時間ｔが時間ｔ１になった後から時間ｔ２になるまでの期間が、上記の第２期間である。第２期間中、制御装置１００は、電池温度Ｔｂを上限温度Ｔ３と下限温度Ｔ４との間の目標温度領域Ｒ２に維持するようにヒータ４０を作動および停止する。より具体的には、制御装置１００は、電池温度Ｔｂが下限温度Ｔ４に低下するとスイッチ４１を閉じてヒータ４０を作動させ、ヒータ４０の作動によって電池温度Ｔｂが上限温度Ｔ３に上昇するとスイッチ４１を開いてヒータ４０を停止する。以下、第２期間中に実行される昇温制御を「第２昇温制御」ともいう。

第２昇温制御中における目標温度領域Ｒ２の下限温度Ｔ４は、第１昇温制御中における目標温度領域Ｒ１の下限温度Ｔ２よりも低く、かつ駆動用バッテリ１０の電解液が凍結する温度よりも高い温度に設定される。本実施の形態においては、各温度Ｔ１〜Ｔ４の間に、図２に示すようにＴ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞Ｔ４の関係式が成立する。なお、たとえば各温度Ｔ１〜Ｔ４の間にＴ１＞Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ４の関係式が成立するようにしてもよい。

このように、第１期間が経過した後も、電池温度Ｔｂの上限温度Ｔ３を第１期間中の上限温度Ｔ１よりも低い温度に維持し、電池温度Ｔｂの下限温度Ｔ４を第１期間中の上限温度Ｔ２よりも低くかつ駆動用バッテリ１０の電解液が凍結する温度よりも高い温度に維持するようにヒータ４０を継続して作動することで、ヒータ４０の消費電力の増大を抑制しつつ駆動用バッテリ１０の電解液の凍結をより長い期間抑制することができる。そのため、ユーザが車両１を第２期間中に使用する場合には、外気温が極低温であったとしても、駆動用バッテリ１０の電解液は凍結しておらず、車両１を少なくとも退避走行させることができる。

本実施の形態においては、第２期間は、第１期間よりも長い期間に設定される。たとえば、第１期間を数日程度、第２期間を数十日程度に設定することができる。このように、ヒータ４０の消費電力の低い第２期間を、ヒータ４０の消費電力の高い第１期間よりも長くすることで、ヒータ４０の消費電力の増大を抑制しつつ、電解液の凍結をより長い期間抑制することができる。

なお、制御装置１００は、第２期間が経過した後は、車両１が使用されないと想定されるため、昇温制御（第２昇温制御）を停止する。これにより、ヒータ４０の消費電力が無駄に増大することを抑制することができる。

図３は、制御装置１００が昇温制御を行なう場合の処理の流れを示すフローチャートである。このフローチャートは、プラグイン状態（外部電源２００がインレット５１に接続されて外部充電が可能な状態）になった場合に開始される。

ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１１にて、制御装置１００は、プラグイン状態になってからの経過時間ｔのカウントを開始させる指令をタイマ６０に出力する。

Ｓ１２にて、制御装置１００は、経過時間ｔをタイマ６０から取得する。Ｓ１３にて、制御装置１００は、経過時間ｔが時間ｔ１（たとえば数日程度）を超えたか否かを判定する。

経過時間ｔが時間ｔ１を超えていない場合（Ｓ１３にてＮＯ）、制御装置１００は、Ｓ１４にて、目標上限温度Ｔｈｉｇｈおよび目標下限温度Ｔｌｏｗを、それぞれ上限温度Ｔ１および下限温度Ｔ２（図２参照）に設定する。

経過時間ｔが時間ｔ１を超えた場合（Ｓ１３にてＹＥＳ）、制御装置１００は、Ｓ１５にて、目標上限温度Ｔｈｉｇｈおよび目標下限温度Ｔｌｏｗを、それぞれ上限温度Ｔ３および下限温度Ｔ４（図２参照）に設定する。

Ｓ１６にて、制御装置１００は、電池温度Ｔｂを監視ユニット１１から取得する。Ｓ１７にて、制御装置１００は、電池温度Ｔｂが目標上限温度Ｔｈｉｇｈと目標下限温度Ｔｌｏｗとの間に維持されるようにヒータ４０の作動（オン）および停止（オフ）を切り替える。この処理が昇温制御（第１昇温制御あるいは第２昇温制御）に相当する。

Ｓ１８にて、制御装置１００は、経過時間ｔが時間ｔ２（たとえば数十日程度）を超えたか否かを判定する。

経過時間ｔが時間ｔ２を超えていない場合（Ｓ１８にてＮＯ）、制御装置１００は、処理をＳ１２に戻し、Ｓ１２〜Ｓ１８の処理を繰り返す。

経過時間ｔが時間ｔ２を超えた場合（Ｓ１８にてＹＥＳ）、制御装置１００は、自らを含む昇温システム全体をシャットダウンする。これにより、第２昇温制御が停止される。

以上のように、本実施の形態による制御装置１００は、プラグイン状態になってからの経過時間ｔが時間ｔ１になるまでの第１期間中においては電池温度Ｔｂを本来のモータ走行性能を保証可能な温度領域Ｒ１に維持する第１昇温制御を実行し、第１期間が経過した後の第２期間中においては電池温度Ｔｂを目標温度領域Ｒ１よりも低くかつ駆動用バッテリ１０の電解液が凍結する温度よりも高い温度領域Ｒ２に維持する第２昇温制御を実行する。これにより、ヒータ４０の消費電力の増大を抑制しつつ駆動用バッテリ１０の電解液の凍結をより長い期間抑制することができる。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、昇温制御（第１昇温制御および第２昇温制御）の実行中は制御装置１００を含む昇温システムが作動状態に維持されていた。

しかしながら、昇温制御（第１昇温制御および第２昇温制御）の実行中において、昇温システムを間欠的に停止するようにしてもよい。たとえば、制御装置１００は、外気温の変化波形を学習し、外気温の変化波形の学習結果と電池温度Ｔｂが目標上限温度Ｔｈｉｇｈに到達した時の外気温とから電池温度Ｔｂが目標下限温度Ｔｌｏｗに低下する時刻を予測し、予測された時刻を次回のシステム起動時刻に設定した上で昇温システムを一時的に停止するようにしてもよい。このようにすると、駆動用バッテリ１０の昇温に要するエネルギをより低減することができる。

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。

１ 車両、１０ 駆動用バッテリ、１１ 監視ユニット、２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、３０ 補機バッテリ、４０ ヒータ、４１ スイッチ、５０ 充電器、５１ インレット、６０ タイマ、１００ 制御装置、２００ 外部電源、２０１ コネクタ、２０２ 充電ケーブル。

Claims (5)

1. 外部電源に接続可能な車両に搭載され、前記外部電源から供給される電力を用いて充電可能に構成された電池の昇温装置であって、
   前記電池を外部から加熱するヒータと、
   前記ヒータで前記電池を加熱することによって前記電池を昇温する昇温制御を実行する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記外部電源から前記電池に電力を供給可能な状態になってから第１期間が経過するまでの間は、前記電池の温度を第１下限温度以上にするように前記ヒータを制御する第１昇温制御を行ない、
   前記第１期間が経過した後は、前記電池の温度を第２下限温度以上にするように前記ヒータを制御する第２昇温制御を行ない、
   前記第２下限温度は、前記第１下限温度よりも低く、かつ前記電池の電解液が凍結する温度よりも高い、電池の昇温装置。
2. 前記車両は、前記電池の電力を用いてモータを作動させることによって車両駆動力を発生し、
   前記第１下限温度は、前記電池の温度が前記第２下限温度である時よりも高い電力を前記電池が前記モータに出力することができる温度である、請求項１に記載の電池の昇温装置。
3. 前記制御装置は、前記第２昇温制御を開始してから第２期間が経過した場合、前記第２昇温制御を停止する、請求項１または２に記載の電池の昇温装置。
4. 前記第２期間は、前記第１期間よりも長い、請求項３に記載の電池の昇温装置。
5. 前記第１昇温制御は、前記電池の温度を前記第１下限温度以上かつ第１上限温度未満の第１温度領域に維持するように前記ヒータを作動および停止する制御であり、
   前記第２昇温制御は、前記電池の温度を前記第２下限温度以上かつ第２上限温度未満の第２温度領域に維持するように前記ヒータを作動および停止する制御であり、
   前記第２上限温度は、前記第１上限温度よりも低い、請求項１〜４のいずれかに記載の電池の昇温装置。

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