(57)【要約】 【課題】  充放電能力の高い蓄電池装置を提供する。【解決手段】  実施形態による蓄電池装置は、複数の電池セルを含む組電池と、前記電池セルの電圧および温度を検出する電池監視回路２と、複数の電池セルの温度を調整する温度調整部４と、を備えた電池モジュールＭＤＬを少なくとも１つと、温度調整部４に供給される媒体を加温して出力する加温部２０と、温度調整部４に供給される媒体を冷却して出力する冷却部３０と、電池監視回路２および外部と通信可能であり、媒体の温度を検出する温度検出器ＴＣと、電池監視回路２から受信した電池セルの温度および電圧の値に対応する内部抵抗の値に基づいて、複数の電池セルの内部抵抗が所定の範囲となるように、加温部２０および冷却部３０を制御して媒体の温度を調整して電池セルの温度制御を行う電池温度制御部１２と、を備えた電池管理回路１０とを備える。【選択図】図１
2020061244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルを含む組電池と、前記電池セルの電圧および温度を検出する電池監視回路と、複数の前記電池セルの温度を調整する温度調整部と、を備えた電池モジュールを少なくとも１つと、
前記温度調整部に供給される媒体を加温して出力する加温部と、
前記温度調整部に供給される前記媒体を冷却して出力する冷却部と、
前記電池監視回路および外部と通信可能であり、前記媒体の温度を検出する温度検出器と、前記電池監視回路から受信した前記電池セルの温度および電圧の値に対応する内部抵抗の値に基づいて、複数の前記電池セルの内部抵抗が所定の範囲となるように、前記加温部および前記冷却部を制御して前記媒体の温度を調整して前記電池セルの温度制御を行う電池温度制御部と、を備えた電池管理回路と、を備えた蓄電池装置。
【請求項２】
前記電池管理回路は、外部から所定期間の運行計画を受信可能であり、
前記電池温度制御部は、前記運行計画に基づいて、複数の前記電池セルの温度制御を行う時刻を設定し、前記時刻となったときに前記電池セルの前記温度制御を行う、請求項１記載の蓄電池装置。
【請求項３】
前記電池温度制御部は、前記電池監視回路から受信した複数の前記電池セルの温度の中の最高値が第１温度閾値未満であり第２温度閾値より高く、複数の前記電池セルの温度が最低値である前記電池セルの内部抵抗値が内部抵抗値の上限閾値より小さいときに、前記媒体を冷却して複数の前記電池セルの温度を下げるように前記冷却部へ温度指令を出力し、
前記最高値が第３温度閾値より高く前記第２温度閾値未満であって、温度が前記最低値である前記電池セルの内部抵抗値が内部抵抗値の前記上限閾値より小さいときに、複数の前記電池セルの温度を維持し、
前記最低値が前記第３温度閾値未満であり、温度が前記最低値である前記電池セルの内部抵抗値が内部抵抗値の前記上限閾値以上であるときに、前記媒体を加温して複数の前記電池セルの温度を上げるように前記加温部へ温度指令を出力する、請求項１又は請求項２記載の蓄電池装置。
【請求項４】
前記電池温度制御部は、非常走行指令を受信し、複数の前記電池セルの内部抵抗値が所定の閾値以上であるときに、複数の前記電池セルの内部抵抗値が所定の範囲となるように前記電池セルの前記温度制御を行い、複数の前記電池セルの内部抵抗値が所定の範囲に到達したときに放電を開始させる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蓄電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蓄電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蓄電池と保護安全装置とを備えた蓄電池装置を車両に搭載し、車両の燃費改善を目指すとともに、架線等の外部からの給電が絶たれた非常時に蓄電池装置から供給される電力により乗客を安全な場所まで送り届けることが可能な車両用蓄電池装置の開発が進められている。
【０００３】
車両用蓄電池装置は、複数の組電池を備えている。複数の組電池は、所望の電流と電圧とを出力可能とするために、互いに直列接続又は並列接続されている。車両用蓄電池装置は、既存車両の限られたスペースに搭載されることが多く、蓄電池装置により多くの組電池を搭載するためには、複数の組電池を密接して配置する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２３２７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電池セルの入出力能力を示す指標としてＣレートが用いられることがある。Ｃレートは、電池セルの定格電流に対し充電（入力）および放電（出力）可能な電流の割合を表す指標であり、たとえば電池セルの定格電流が１０[Ａｈ]であってＣレートが４Ｃのとき、電池セルの入出力能力は４０[Ａ]となる。
【０００６】
例えば電池セルの並列数を増やすことにより、単位セルあたりの電流責務を下げることができる。また、電池セルのＣレートを下げることにより、単位セルあたりの発熱量も下げることができるため、冷却系の設計が容易になる。
【０００７】
一方で、電池セルの並列数が増えることにより電池セルの搭載個数が増加し、蓄電池装置の重量が増加する。また、増加した電池セル分だけ蓄電池装置のコストを低く抑えることが難しくなる。また、搭載する電池セルの数が多くなると、蓄電池装置の外形が大きくなり、省スペース化を実現することが困難である。
【０００８】
上記の事情から、蓄電池装置に搭載される電池セルは少ない方が望ましい。しかしながら、急速充電や急速放電を行うときには電流が高くなるため、ＳＯＣ（充電率：state of charge）が１０％〜９０％と広い範囲を短時間に変化する可能性がある。このように短時間にＳＯＣが大きく変化するときには、例えば、ＳＯＣ１０％や、ＳＯＣ９０％付近の電池セルの内部抵抗が高い状態も使用するから、電池セルの電圧が上限又は下限に到達し、電池セルのＳＯＣを広範囲で利用することが困難であった。
【０００９】
本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、充放電能力の高い蓄電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態による蓄電池装置は、複数の電池セルを含む組電池と、前記電池セルの電圧および温度を検出する電池監視回路と、複数の前記電池セルの温度を調整する温度調整部と、を備えた電池モジュールを少なくとも１つと、前記温度調整部に供給される媒体を加温して出力する加温部と、前記温度調整部に供給される前記媒体を冷却して出力する冷却部と、前記電池監視回路および外部と通信可能であり、前記媒体の温度を検出する温度検出器と、前記電池監視回路から受信した前記電池セルの温度および電圧の値に対応する内部抵抗の値に基づいて、複数の前記電池セルの内部抵抗が所定の範囲となるように、前記加温部および前記冷却部を制御して前記媒体の温度を調整して前記電池セルの温度制御を行う電池温度制御部と、を備えた電池管理回路と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態の蓄電池装置の構成例を概略的に示す図である。
【図２】図２は、電池セルの充電電力および放電電力と、電圧との関係の一例を示す図である。
【図３】図３は、電池セルのＳＯＣと充電時の内部抵抗の値との関係の一例を、電池セルの温度毎に示した図である。
【図４】図４は、電池セルのＳＯＣと放電時の内部抵抗の値との関係の一例を、電池セルの温度毎に示した図である。
【図５】図５は、一実施形態の蓄電池装置の電池温度制御部の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図６】図６は、複数の電池モジュールの充電および放電スケジュールと、電池セルの温度変化との一例を示す図である。
【図７】図７は、一実施形態の蓄電池装置の電池温度制御部の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図８】図８は、電池セルの温度とＳＯＣとに対応する内部抵抗の値を格納したテーブルの一例を示す図である。
【図９】図９は、組電池における温度の高い電池セルと温度の低い電池セルとの配置位置の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、複数の組電池を含む電池モジュールにおいて、温度の高い電池セルと温度の低い電池セルとの配置位置の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、第２実施形態の蓄電池装置における電池セルの温度制御の一例を説明するための図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態の蓄電池装置における電池セルの温度制御の一例を説明するための図である。
【図１３】図１３は、第３実施形態の蓄電池装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図１４】図１４は、複数の電池モジュールの充電電力および放電電力と、電池セルの温度変化との一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態の蓄電池装置について、図面を参照して説明する。  
以下の実施形態では、車両に搭載された蓄電池装置の構成の一例について説明する。
【００１３】
たとえば鉄道車両に搭載された蓄電池装置は、路線ごとの運行ルートにともない、充放電スケジュールは予め設定可能である。例えば鉄道車両が長い上り坂を走行するとき、鉄道車両に搭載された蓄電池装置は踏面トルクを出力し続けるため、坂を上りきるまで放電Ｃレートが高い時間が継続する。このとき、蓄電池装置の電池セルの温度が適切でなければ、電池セルの内部抵抗が高くなり、十分な放電が行えない可能性がある。
【００１４】
また、たとえば災害により架線等の外部から鉄道車両への電源供給が喪失したとき、鉄道車両は蓄電池装置からの電源供給により非常走行を行い、安全な場所に到着するまで所望踏面トルクを出す必要がある。しかしながら、たとえば冬季、通常走行時に通電されず蓄電池装置の温度が低いときには、電池セルの内部抵抗は高い状態にある。この状態から通電、蓄電池装置から放電を開始させると、放電開始から短時間で電池セルの電圧が使用下限値若しくは使用上限値に到達し、所望の放電を行うことができない恐れがある。
【００１５】
また、部分架線レス路線又は架線レス路線を走行する鉄道車両に搭載される蓄電池装置は、充電可能な区間あるいは充電可能な駅停車時間が限定される。そのため、駅停車時間などの限られた時間内で蓄電池の急速充電を完了する必要があり、架線がない区間では蓄電池を継続して放電させる必要がある。しかしながら、電池セルのＳＯＣが低くかつ温度が低いときには、蓄電池装置の急速充電を行おうとしても、電池セルの電圧が使用上限値に到達して急速充電を完了することができない可能性がある。
【００１６】
上記のような状況において蓄電池装置の充電および放電を可能とするために、搭載する電池セルの数を増やして単位セルあたりの充放電責務を下げると、蓄電池装置の重量が増加するとともにコスト増加につながる。移動体は、艤装、搭載可能重量の上限が車両ごとに設定されており、重量上限を超えた場合には蓄電池装置を移動体に搭載することができない。
【００１７】
そこで、本実施形態では、搭載された電池セルをＳＯＣが例えば１０％から満充電付近までの範囲の中で最大限を利用可能とし、蓄電池装置の重量および外形が大きくなることを抑制するとともに、コストの増加を抑制可能な蓄電池装置について説明する。
【００１８】
図１は、第１実施形態の蓄電池装置の構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の蓄電池装置は例えば車上電源であって、鉄道車両内床下あるいは床上、機関車であれば機関室内に搭載され得る。
【００１９】
本実施形態の蓄電池装置では、上述のような幅広い運用例に対応するため、例えば、所定の充放電パターンにさしかかる前や、電池セルのＳＯＣが乱高下するパターンに差し掛かる前に、電池セルの内部抵抗が所定の範囲となるように電池セルの温度を調整する制御を行う。
【００２０】
本実施形態の蓄電池装置は、複数の電池モジュールＭＤＬと、電池管理回路（ＢＭＵ：battery management unit）１０と、加温部２０と、冷却部（チラーシステム）３０と、を備えている。
【００２１】
複数の電池モジュールＭＤＬのそれぞれは、組電池ＢＴと、電池監視回路（ＣＭＵ：cell monitoring unit）２と、温度調整部４と、を備えている。
【００２２】
組電池ＢＴは、複数の電池セルを含む。電池セルは、急速充電および急速放電可能な蓄電池セルが望ましく、例えば、リチウムイオン電池を採用することができる。
【００２３】
電池監視回路２もしくは電池管理回路（ＢＭＵ：battery management unit）１０は、外部と通信可能な通信部と、電池セルの電圧および温度を検出する検出器と、を備え、組電池ＢＴに含まれる電池セルの電圧および温度を周期的に検出して、電池管理回路１０へ出力する。なお、電池監視回路２は、電池セルの内部抵抗を検出する検出器を更に備え、検出した内部抵抗の値を電池管理回路１０へ周期的に出力するように構成されてもよい。
【００２４】
温度調整部４は、例えば、媒体が流れる流路を備え、媒体と組電池ＢＴとの間で熱を伝達させることにより、組電池ＢＴを冷却又は加温する。
【００２５】
加温部２０は、収容部２２と、ヒータ２４と、ポンプ２６と、を備えている。ヒータ２４は電池管理回路１０により動作を制御され、電池管理回路１０からの温度指令に従って、収容部２２に収容された媒体を温める。ポンプ２６は、収容部２２に収容された媒体を冷却部３０へ送出する。
【００２６】
冷却部３０は、電池管理回路１０により動作を制御され、電池管理回路１０からの温度指令に従って、加温部２０から流入した媒体を冷却して複数の電池モジュールＭＤＬへ送出する。
【００２７】
電池管理回路１０は、上位装置と、複数の電池モジュールＭＤＬの電池監視回路２と通信可能な通信部（図示せず）と、電池温度制御部１２と、温度検出器ＴＣと、を備えている。
【００２８】
温度検出器ＴＣは、冷却部３０から複数の電池モジュールＭＤＬに送出された媒体の温度を検出する。
【００２９】
電池管理回路１０は、複数の電池モジュールＭＤＬの電池監視回路２から、複数の電池セルの電圧、温度、および、内部抵抗に相当する値を受信し、複数の電池セル(若しくは)組電池ＢＴ）のＳＯＣを演算する。
【００３０】
また、電池管理回路１０は、上位制御装置から運行計画を取得し、運行計画に沿って複数の電池モジュールの充電および放電の制御を行うとともに、加温部２０と冷却部３０とを制御して組電池ＢＴの温度制御を行う。
【００３１】
電池管理回路１０は、例えば、少なくとも１つのプロセッサと、このプロセッサにより実行されるプログラムが記録されるメモリと、を備え、後述する動作をソフトウエアにより実現するように構成されてもよい。
【００３２】
電池温度制御部１２は、電池セルの温度とＳＯＣとに対応する内部抵抗の値を格納したテーブルを備え、温度検出器ＴＣにより検出された媒体の温度と、演算された複数の電池セルのＳＯＣと、複数の電池モジュールＭＤＬの電池監視回路２から受信した複数の電池セルの電圧および温度と、を用いて、加温部２０と冷却部３０とを制御し、複数の電池モジュールＭＤＬの組電池ＢＴの温度を調整する。
【００３３】
ここで、電池セルの内部抵抗と、温度と、ＳＯＣとの関係の一例について説明する。
図２は、電池セルの充電電力および放電電力と、電圧との関係の一例を示す図である。
電池セルの電圧は、使用できる上限値（上限電圧値）と、下限値（下限電圧値）とが設定されている。また、電池セルを充電する際の電力の最大値（最大充電電力）と、電池セルを放電する際の電力の最大値（最大放電電力）とが設定されている。
【００３４】
電池セルの充電と放電とは、電池セルの電圧が下限値以上であり上限値以下である範囲で行われる。たとえば、電池セルの温度が２５℃のとき、ＳＯＣ５０％であれば、最大充放電電力にて電池セルを充電しても電池セルの電圧が下限値以上、上限値以下となるため、高いＣレートで充電することが可能である。
【００３５】
一方、電池セルのＳＯＣが９０％で温度が２５℃のときには、充電電力が最大のときには電池セルの電圧が上限電圧値より大きくなるため、電池セルの電圧が上限電圧値以下となるようＣレートと電流値を下げながら充電が行われなければならない。
【００３６】
また、電池セルのＳＯＣが９０％で温度が１５℃のときには、低い充電電力で電池セルを充電した場合でも、電池セルの電圧が上限電圧値より大きくなるため、より低いＣレートにて電池セルの充電を行う必要があり、満充電（ＳＯＣ１００％）となるまで時間を要する。
【００３７】
また、電池セルを放電するときには、電池セルの温度が２５℃のときには、ＳＯＣが７０％のときもＳＯＣが１５％のときも最大放電電力にて放電しても電池セルの電圧が下限値電圧以上となるため、高いＣレートにて放電することが可能である。
【００３８】
しかしながら、電池セルのＳＯＣが１５％であり温度が１５℃のときには、最大放電電力にて放電した際には電池セルの電圧が下限電圧値より小さくなるため、より低いＣレートにて電池セルの放電を行う必要がある。例えば、冬季や寒冷地などで外部からの電源が喪失したときの非常電源として利用される場合、電池セルの電圧が下限値未満となるために電池セルの容量を限界まで利用することができない可能性がある。
上記のように、電池セルのＳＯＣが同じであるときでも、採用できる充電電力の大きさが温度により異なるのは、電池セルの内部抵抗値が温度により異なることが理由である。
【００３９】
図３は、電池セルのＳＯＣと充電時の内部抵抗の値との関係の一例を、電池セルの温度毎に示した図である。
電池セルのＳＯＣと内部抵抗［Ω］との関係は非線形であり、同じＳＯＣであるとき、電池セルの温度が高いほど充電時の内部抵抗の値は小さくなる。そのため、電池セルの温度が低い時ほど、充電時に電池セルの電圧が高くなりやすい。
【００４０】
図４は、電池セルのＳＯＣと放電時の内部抵抗の値との関係の一例を、電池セルの温度毎に示した図である。
放電時も充電時と同様に、電池セルのＳＯＣと内部抵抗［Ω］との関係は非線形であり、同じＳＯＣであるとき、電池セルの温度が高いほど放電時の内部抵抗の値は小さくなる。そのため、電池セルの温度が低い時ほど、放電時に電池セルの電圧が高くなりやすい。
【００４１】
上記のことから、本実施形態の蓄電池装置では、より広いＳＯＣの範囲にて電池セルを充電および放電可能とし、単位電池セルあたりの充放電責務を向上するために、電池セルの内部抵抗値が所定の範囲となるように、電池セルの温度を制御している。
【００４２】
図５は、一実施形態の蓄電池装置の電池温度制御部の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
電池温度制御部１２は、鉄道車両の所定期間(例えば１日)の運行計画を上位制御装置から受信する（ステップＳＡ１）。鉄道車両の運行計画は、例えば、走行する路線の情報や、駅などの所定の地点を通過する時刻などの情報を含み得る。電池温度制御部１２は、鉄道車両の運行計画に基づいて、複数の電池モジュールＭＤＬの充電および放電のスケジュールを決定する。
【００４３】
図６は、複数の電池モジュールの充電および放電スケジュールと、電池セルの温度変化との一例を示す図である。
この例では、鉄道車両が架線レス走行を行う区間（非電化区間）が３回ある場合を示している。
【００４４】
架線レス走行区間Ａでは、直前に電池モジュールＭＤＬを充電する期間（電化区間）が設けられる。この充電期間は鉄道車両が駅に停車している時間を利用するものであり、比較的短時間（例えば５分程度）で充電を完了するため、高いＣレートにて充電を行うことが好ましい。
【００４５】
しかしながら、例えば破線で示したように、当初の電池セルの温度が低く、架線レス走行区間Ａの直前に電池セルを充電するタイミングにて、電池セルの温度が十分に高くならなかった場合に、高いＣレートにて電池セルを充電すると、電池セルの電圧が上限値を超えてしまい、所望の充電が行えない可能性がある。
【００４６】
例えば、電池セルのＳＯＣが９０％であるときに電池セルの温度が１５℃のときと２５℃のときとを比較すると、電池セルの温度が１５℃のときにはより低い充電電力で電池セルの電圧が上限電圧に到達してしまう。すなわち、短時間に高電力、高Ｃレートで電池セルを満充電状態にするには、電池セルの温度が例えば２５℃から４５℃以下であることが望ましい。
【００４７】
また、架線レス走行区間Ｂでは、直前の期間にて電池モジュールＭＤＬは充電も放電も行っていない。そのため、例えば破線で示したように、架線レス走行を開始するタイミングにて電池セルの温度が低下した状態であると、架線レス走行区間Ｂにおける放電電力が制限され、所定の運行計画を実行することができない可能性がある。
【００４８】
そこで、電池温度制御部１２は、運行計画に基づいて電池セルのＳＯＣの時間変化の予測値を演算し、急速放電（放電電力が所定の閾値以上）を行い、かつ、電池セルのＳＯＣが所定値以下となるタイミングがあるか否かを判断する（ステップＳＡ２）。
【００４９】
急速放電を行い、かつ、電池セルのＳＯＣが所定値以下となるタイミングでは、急速放電により電池セルの電圧が下限値よりも低くなる可能性があるため、急速放電を開始する際に電池セルの温度が所定の範囲となるように温度を制御する。電池温度制御部１２は、蓄電池装置の冷却および加温の性能を考慮して、電池セルの温度制御を開始する時刻を設定する（ステップＳＡ３）。
【００５０】
また、電池温度制御部１２は、運行計画に基づいて電池セルのＳＯＣの時間変化の予測値を演算し、急速充電（充電電力が所定の閾値以上）を行い、かつ、電池セルのＳＯＣが所定の閾値以上となるタイミングがあるか否かを判断する（ステップＳＡ４）。
【００５１】
急速充電を行い、かつ、電池セルのＳＯＣが所定値以上となるタイミングでは、急速充電により電池セルの電圧が上限値よりも高くなる可能性があるため、急速充電を開始する際に電池セルの温度が所定の範囲となるように温度を制御する。電池温度制御部１２は、蓄電池装置の冷却および加温の性能を考慮して、電池セルの温度制御を開始する時刻を設定する（ステップＳＡ５）。
【００５２】
なお、本実施形態では、急速充電や急速放電を行うときの電池セルの温度制御について説明したが、電池温度制御部１２は、Ｃレートが所定値以下のときであっても電池セルのＳＯＣの値に応じて、電池セルの温度を制御してもよい。その場合には、例えば図５に示すステップＳＡ２およびステップＳＡ４において、放電電力の閾値および充電電力の閾値を適宜調整することにより、電池セルの内部抵抗が高くなる時点において電池セルの温度制御を行うように予め設定することが可能である。
【００５３】
図７は、一実施形態の蓄電池装置の電池温度制御部の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
電池温度制御部１２は、電池セルの温度制御を開始する時刻になったか否か判断し（ステップＳＢ１）、開始時刻となったと判断したときに、電池セルの内部抵抗値が所定の範囲となるように、電池セルの温度制御を行う（ステップＳＢ２）。
【００５４】
具体的には、電池温度制御部１２は、複数の電池セルの温度とＳＯＣとを取得する（ステップＳＢ２１）。
次に、電池温度制御部１２は、電池セルの温度とＳＯＣとの値に対応する内部抵抗値のテーブルを参照して、複数の電池セルの内部抵抗値を求める（ステップＳＢ２２）。
【００５５】
図８は、電池セルの温度とＳＯＣとに対応する内部抵抗の値を格納したテーブルの一例を示す図である。
電池温度制御部１２は、複数の電池監視回路２から受信した複数の電池セルの温度と、演算されたＳＯＣとの値を用いて、テーブルから複数の電池セルのそれぞれに対応する内部抵抗の値を読み出すことができる。
【００５６】
なお、電池セルの内部抵抗の値は、電池セルの使用期間等に基づく劣化状態により変わるものである。したがって、より正確な内部抵抗の値を求めるために、電池温度制御部１２は、電池セルの使用期間や使用履歴に基づいてテーブルに格納された値を修正してもよく、複数の劣化状態のそれぞれに対応したテーブルを備えていてもよい。
【００５７】
続いて、電池温度制御部１２は、複数の電池セルの内部抵抗値が所定の範囲に含まれるか否か判断する（ステップＳＢ２３）。このとき、電池温度制御部１２は、例えば、複数の内部抵抗の値の中から、最も大きい値と最も小さい値との両方が所定の範囲に含まれるか否か判断してもよく、複数の電池セルの内部抵抗値の平均値が所定の範囲に含まれるか否か判断してもよい。
【００５８】
複数の電池セルの内部抵抗値が所定の範囲に含まれていないと判断したときに、電池温度制御部１２は、媒体の温度を調整する（ステップＳＢ２４）。すなわち、複数の電池セルの内部抵抗値が所定の閾値以上であるときに、電池温度制御部１２は、加温部２０のヒータ２４へ媒体の温度を上げるように温度指令を出力する。複数の電池セルの内部抵抗値が所定の閾値以下であるときに、電池温度制御部１２は、冷却部３０へ媒体の温度を下げるように温度指令を出力する。
【００５９】
電池温度制御部１２は、上記のように媒体の温度を調整し、複数の電池モジュールＭＤＬの急速充電を開始する時刻、又は、急速放電を開始する時刻となるまで、複数の電池セルの内部抵抗値が所定の範囲になるように、電池セルの温度を制御する。なお、電池温度制御部１２は、電池セルの温度が所定の温度以上となった場合には、電池セルの劣化を抑制することを優先して、電池セルの温度が閾値以上となることを回避するように、媒体の温度を調整してもよい。
【００６０】
電池温度制御部１２は、例えば、複数の電池モジュールＭＤＬの急速充電を開始する時刻、又は、急速放電を開始する時刻となったときに、電池セルの温度制御を終了する（ステップＳＢ３）。
【００６１】
なお、電池温度制御部１２は、上記のように電池セルの内部抵抗値に基づく温度制御を行う期間以外であっても、電池セルの温度が使用上限値以上、および、使用下限値以下となることが無いように、加温部２０および冷却部３０を制御して、電池セルの温度が高くなりすぎることや低くなりすぎることを回避している。
【００６２】
次に、図６に示す、複数の電池モジュールの充電および放電スケジュールと、電池セルの温度変化とを参照して、本実施形態の効果を説明する。
架線レス走行区間Ａでは、直前に電池モジュールＭＤＬを充電する期間が設けられる。この充電期間は鉄道車両が駅に停車している時間を利用するものであり、比較的短時間で充電を完了するため、高いＣレートにて充電を行うことが好ましい。
【００６３】
本実施形態の蓄電池装置では、高いＣレートにて充電を開始する際に、電池セルの内部抵抗の値が所定の範囲となるように、必要であれば予め電池セルを加温した後に運転を開始し、運転開始後から充電開始するタイミングまで温度管理を行う。これにより、充電開始時の電池セルの内部抵抗が所定の範囲となり、比較的短時間で充電を完了することが可能となる。
【００６４】
また、架線レス走行区間Ｂでは、直前の期間にて電池モジュールＭＤＬは充電も放電も行っていない。本実施形態では、電池温度制御部１２は、架線レス走行区間Ｂが開始するタイミングに、電池セルの内部抵抗が所定の範囲となるように、架線レス走行区間Ｂを走行する前に電池セルの温度制御を開始する。これにより、放電開始時の電池セルの内部抵抗が所定の範囲となり、架線レス走行時に蓄電池装置からの給電を行うことが可能となる。
【００６５】
例えば、車両が駅停車中に急速充電を行っているときや、上り坂を上るとき踏面トルクを出力するために高いＣレートで放電を長時間行っているときには、電池セルにおける発熱量が大きくなる。
【００６６】
上記のように、例えば運行計画が予め分かっているときには、電池セルの電圧が上限値や下限値を超える可能性がある時点を予め知ることができるため、その時点において電池セルの内部抵抗が所定の範囲となるように、電池セルの温度制御を行うことが可能である。これにより、搭載された電池セルをＳＯＣが０％から満充電付近までの範囲の中で最大限を利用可能とし、電池セルの数を増やすことなく蓄電池装置の充放電能力を向上させることができる。
また、蓄電池装置の重量および外形が大きくなることを抑制するとともに、コストの増加を抑制可能な蓄電池装置を提供することができる。
【００６７】
次に第２実施形態の蓄電池装置について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明において、上述の第１実施形態の蓄電池装置と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
本実施形態では、電池モジュールＭＤＬに搭載された複数の電池セルの配置位置による温度勾配があるときの、温度制御の一例について説明する。
【００６９】
図９は、組電池における温度の高い電池セルと温度の低い電池セルとの配置位置の一例を示す図である。
図１０は、複数の組電池を含む電池モジュールにおいて、温度の高い電池セルと温度の低い電池セルとの配置位置の一例を示す図である。
【００７０】
ここでは、組電池ＢＴ内に、温度の低い電池セルＣ１と温度の高い電池セルＣ２とが含まれる例について説明する。例えば単一の組電池ＢＴを含む電池モジュールＭＤＬでは、他の電池セルに囲まれた領域に配置された電池セルは温度が高くなる傾向がある。また、例えば複数の組電池ＢＴを搭載した電池モジュールＭＤＬでも同様に、複数の電池セルに囲まれた、内側に配置された電池セルは温度が高くなる傾向がある。
【００７１】
本実施形態では、電池モジュールＭＤＬ内で最も温度の高い電池セルと、最も温度の低い電池セルとに着目して、電池セルの温度制御を行う。
図１１は、第２実施形態の蓄電池装置における電池セルの温度制御の一例を説明するための図である。
【００７２】
ここでは、電池モジュールＭＤＬに含まれる複数の電池セルの中で最も高い温度（最高値）をｃ℃、最も低い温度（最低値）をｄ℃として、電池セルの温度と内部抵抗値（高ＳＯＣ時）との関係の例を４つ示している。
【００７３】
なお、図１０の縦軸にて、Ａ´（第１温度閾値）[℃]＞Ａ（第２温度閾値）[℃]＞Ｂ（第３温度閾値）[℃]であって、例えば、Ａ´は電池セルの劣化を考慮した使用上限温度であり、Ａは電池セルの内部抵抗値を考慮した電池セルの上限温度であり、Ｂは電池セルの内部抵抗値を考慮した電池セルの下限温度である。たとえば、Ａ´＝５５℃、Ａ＝４５℃、Ｂ＝１５℃である。
【００７４】
また、最も高い温度の電池セルの内部抵抗をＲｃ、最も低い温度の電池セルの内部抵抗をＲｄ、目標である電池セルの内部抵抗の上限値（上限閾値）をＲとする。この例では、電池セルの温度がＢ[℃]以上にて電池セルの内部抵抗値は略等しくなり、内部抵抗値の上限閾値Ｒ以下となる。
【００７５】
電池温度制御部１２は、複数の電池モジュールＭＤＬから複数の電池セルの温度と内部抵抗値とを受信し、複数の温度の最高値と最低値とを選択する。
【００７６】
図１２は、第２実施形態の蓄電池装置における電池セルの温度制御の一例を説明するための図である。
なお、ここでは、電池セルのＳＯＣが９０％以上のとき、又は、１０％以下のときの例について説明する。
【００７７】
ケース（１）では、Ａ＜ｃ＜Ａ´でありＡ＜ｄ＜Ａ´である。最も低い電池セルの温度ｄがＢ[℃]よりも高いため、Ｒｃ≒Ｒｄであり、Ｒｃ＜Ｒ、Ｒｄ＜Ｒである。
【００７８】
この場合には、電池セルの内部抵抗値は上限閾値Ｒを下回っているが、電池セルの温度が高い状態で充電および放電を行うことにより電池セルの劣化が加速するため、電池温度制御部１２は、電池セルの温度が上限温度Ａ´［℃］を上回ることがないように、媒体の温度設定を下げる。
【００７９】
なお、Ａ＜ｃ＜Ａ´であり、Ｂ＜ｄ＜Ａのときにも同様に、電池温度制御部１２は、電池セルの温度が高い状態で充電および放電を行うことにより電池セルの劣化が加速するため、電池温度制御部１２は、電池セルの温度が上限温度Ａ´［℃］を上回ることがないように、媒体の温度設定を下げる。
【００８０】
すなわち、電池温度制御部１２は、少なくともＡ＜ｃ＜Ａ´かつＲｄ＜Ｒであるときに、媒体の温度が温度検出器ＴＣにて検出された値よりも低温になるように媒体を冷却して電池セルの温度を下げるように、冷却部３０へ温度指令を出力する。
【００８１】
ケース（２）では、Ｂ＜ｃ＜Ａであり、Ｂ＜ｄ＜Ａである。また、最も低い電池セルの温度ｄがＢ[℃]よりも高いため、Ｒｃ≒ＲｄでありＲｃ＜Ｒ、Ｒｄ＜Ｒである。
【００８２】
この場合には、電池セルの内部抵抗値は上限閾値Ｒを下回っており、かつ、電池セルの劣化も抑制されるため、電池温度制御部１２は、媒体の温度が温度検出器ＴＣにて検出された値を維持するように加温部２０および冷却部３０を制御する。
【００８３】
なお、ケース（２）において、例えば電池セルの劣化などにより内部抵抗値が高くなり、Ｒｃ＜Ｒ、Ｒｄ≧Ｒであるときには、電池温度制御部１２は、複数の電池セルの温度を上げるように加温部２０へ温度指令を出力してもよい。
【００８４】
すなわち、温度制御部１２は、少なくとも、Ｂ＜ｃ＜ＡかつＲｄ＜Ｒであるときに、媒体の温度が温度検出器ＴＣにて検出された値を維持するように加温部２０および冷却部３０を制御する。
【００８５】
ケース（３）では、ｃ＞Ｂであり、ｄ＜Ｂである。また、最も低い電池セルの温度ｄがＢ[℃]よりも低いため。Ｒｃ＜ＲｄでありＲｃ＜Ｒ、Ｒｄ≧Ｒである。
【００８６】
この場合には、少なくとも最も温度が低い電池セルの内部抵抗値が上限閾値Ｒよりも大きいため、電池温度制御部１２は、媒体の温度が温度検出器ＴＣにて検出された値よりも高温になるように媒体を加温して電池セルの温度を上げるように、加温部２０のヒータ２４へ温度指令を出力する。
【００８７】
ケース（４）では。ｃ＜Ｂでありｄ＜Ｂである。また、最も高い電池セルの温度ｃがＢ[℃]よりも低いため、Ｒｃ＜ＲｄでありＲｃ＞ＲかつＲｄ≧Ｒである。
【００８８】
この場合には、全ての電池セルの内部抵抗値が上限閾値Ｒよりも大きい状態であるため、電池温度制御部１２は、媒体の温度が温度検出器ＴＣにて検出された値よりも高温になるように媒体を加温して電池セルの温度を上げるように、加温部２０のヒータ２４へ温度指令を出力する。
【００８９】
なお、この場合には、電池温度制御部１２は、ケース（３）のときよりも内部抵抗値が高い電池セルが多いため、ヒータ２４による加温を強くして電池セルの温度が短時間で上昇するように制御してもよい。
【００９０】
すなわち、電池温度制御部１２は、少なくとも、ｄ＜ＢかつＲｄ≧Ｒであるときに、媒体の温度が温度検出器ＴＣにて検出された値よりも高温になるように媒体を加温して電池セルの温度を上げるように、加温部２０のヒータ２４へ温度指令を出力する。
【００９１】
本実施形態の蓄電池装置は、電池セルの温度制御（ステップＳＢ２）の動作が上述の第１実施形態と異なっている。すなわち、電池温度制御部１２は、ステップＳＢ２１と同様に、複数の電池セルの温度とＳＯＣとを取得し、ステップＳＢ２２と同様に電池セルの温度とＳＯＣとの値に対応する内部抵抗値のテーブルを参照して、複数の電池セルの内部抵抗値を求める。続いて、電池温度制御部１２は、複数の電池セルの内部抵抗と温度との値から、上記ケース（１）−（４）のいずれに該当するか判断し、それぞれのケースに対応した電池セルの温度制御を行う。
【００９２】
上記のように、電池セルの温度の最高値と最低値とに着目して、電池セルの温度制御を行うことにより、組電池ＢＴ内で電池セルの温度に勾配が生じている場合であっても、電池セルの内部抵抗値を所定の範囲となるように電池セルの温度制御を行うことが可能である。また、電池セルの内部抵抗値だけでなく、電池セルの温度にも基づいて電池セルの温度制御を行うことにより、例えば、温度Ｂ[℃]以上の領域のように内部抵抗値が略一定値となる温度領域にて、電池セルの劣化や内部抵抗の上昇を回避するように、より精度よく温度制御を行うことが可能となる。
【００９３】
すなわち、本実施形態の蓄電池装置によれば、搭載された電池セルをＳＯＣがたとえば１０％から満充電付近までの範囲の中で最大限を利用可能とし、電池セルの数を増やすことなく蓄電池装置の充放電能力を向上させることができる。
【００９４】
また、蓄電池装置の重量および外形が大きくなることを抑制するとともに、コストの増加を抑制可能な蓄電池装置を提供することができる。
【００９５】
次に、第３実施形態の蓄電池装置について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態では、蓄電池装置を搭載した車両が非常走行を行う際の、蓄電池装置の動作の一例について説明する。
【００９６】
例えば、架線や第三軌条などから給電されて車両が走行しているときに、災害等により外部からの給電が停止した場合、蓄電池装置に蓄えられたエネルギーを利用して乗客を安全なところまで移動させる必要がある。
【００９７】
とくに、第三軌条の場合、架線に相当する給電部が車両足元にあるため、乗客を車両の外にだすことは感電防止の観点から困難である。安全性の観点から、電源喪失して停車した位置から隣の駅まで、蓄電池装置を電源として車両を走行させることが望ましい。
【００９８】
上記のことから非常走行時には、電池セルに蓄えられたエネルギーを最大限利用して車両を移動可能とすることが要求される。そこで、本実施形態では、電池セルの内部抵抗値を所定の範囲とするように温度制御をした後、蓄電池装置の放電を行うこととしている。
【００９９】
図１３は、第３実施形態の蓄電池装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
例えば架線や第三軌条などから給電が停止し、非常走行が必要であるときに、上位制御装置は蓄電池装置へ非常走行指令を送信する。
【０１００】
電池温度制御部１２は非常走行指令を受信したときに（ステップＳＣ１）、複数の電池モジュールＭＤＬから受信した電池セルの内部抵抗値が所定の範囲内であるか否かを判断する（ステップＳＣ２）。
【０１０１】
電池セルの内部抵抗値は所定の範囲に含まれる場合には、電池温度制御部１２は、蓄電池装置の放電を開始する（ステップＳＣ５）。
【０１０２】
ステップＳＣ２にて電池セルの内部抵抗値が所定の範囲に含まれない場合には、電池温度制御部１２は、内部抵抗値が所定の範囲となるように電池セルの温度制御を行う（ステップＳＣ３）。ステップＳＣ３にて、電池温度制御部１２は、上述の第１実施形態（例えばステップＳ２４）と同様に電池セルの内部抵抗の値に基づいて複数の電池セルの温度制御を行ってもよく、上述の第２実施形態と同様に複数の電池セルの内部抵抗と温度との値に基づいて電池セルの温度制御を行ってもよい。
【０１０３】
なお、非常走行時における内部抵抗値の上限値と下限値とは、通常の走行時における上限値と下限値と異なる値であってもよい。例えば、ここで温度制御を行うときには、組電池ＢＴに蓄えられたエネルギーを用いて、加温部２０および冷却部３０を制御するため、温度制御のためにエネルギーを使いすぎると、走行の為に利用するエネルギーが不足する可能性がある場合には、走行に用いるエネルギーがより多くなるように上限値や下限値を調整してもよい。
【０１０４】
電池温度制御部１２は、電池セルの内部抵抗値が所定の範囲に到達するまで電池セルの温度制御を行い、電池セルの内部抵抗値が所定の範囲に到達したら（ステップＳＣ４）、蓄電池装置の放電を開始する（ステップＳＣ５）。
【０１０５】
次に、本実施形態の蓄電池装置の効果について説明する。
図１４は、複数の電池モジュールの充電電力および放電電力と、電池セルの温度変化との一例を示す図である。
【０１０６】
例えば、非常走行時に走行する区間に坂道がある場合には、放電時のＣレートが高くなる。とくに、冬季や寒冷地では電池セルの温度が外気温と同じ程度になることもあり、電池セルの温度が１０℃以下であることも十分想定される。電池セルの温度が１０℃の状態で蓄電池装置から給電を開始しても、電池セルの温度が低いため上り坂を走行するための所要電力が放電できない恐れがある。
【０１０７】
そこで、図１４に示す例では、電池温度制御部１２は、外部電源が停止して車両が停車した位置にて、電池セルの内部抵抗が所定の範囲となるように電池セルを加温している。電池温度制御部１２は、電池セルの内部抵抗が所定の範囲となったとき、たとえば電池セルの温度が２５℃以上になったときに、内部抵抗が下がったことを確認し、蓄電池装置の放電を開始させる。
【０１０８】
これにより、例えば冬季や寒冷地にて外部電源を喪失したときでも、蓄電池装置に蓄えられたエネルギーを最大限に利用して高放電責務の区間を走行することが可能となり、車両を隣の駅まで走行させて、乗客を安全な場所で降車させることが可能となる。
【０１０９】
すなわち、本実施形態の蓄電池装置によれば、搭載された電池セルをＳＯＣが例えば略１０％から満充電付近までの範囲の中で最大限を利用可能とし、電池セルの数を増やすことなく蓄電池装置の充放電能力を向上させることができる。
【０１１０】
なお、上述の複数の実施形態では鉄道車両に搭載された蓄電池装置の例について説明したが、鉄道用途だけには限定されるものではなく、他の車両に搭載される蓄電池装置にも適用可能である。他の車両に搭載される場合には、例えば図５に示す動作を省略してもよく、例えば蓄電池装置から給電を開始する前、蓄電池装置から給電中、および、蓄電池装置の充電中に渡って、電池温度制御部１２により電池セルの内部抵抗値に基づく温度制御を行ってもよい。
【０１１１】
なお、上述の複数の実施形態では、電池セルの内部抵抗値は、電池セルの温度とＳＯＣとに対応する内部抵抗値のテーブルを用いて求めた値としているが、電池監視回路２や電池管理回路１０が内部抵抗値の検出器を備える場合には、この検出器により検出された値を用いてもよく、電池セルのＳＯＣと温度とに対応する内部抵抗値の多項式を用いることにより求めることも可能である。
【０１１２】
車両を運転しているときにＳＯＣの値を測定することは困難であるため、電池管理回路１０にて電池セルの電圧や温度や組電池ＢＴの電流などの値により推定値を演算して用いられることが多くある。ＳＯＣの推定値に基づいて得られる電池セルの内部抵抗値は、検出器により検出される内部抵抗値よりも精度が劣る可能性がある。したがって、内部抵抗値を検出するための検出器を搭載可能である鉄道用途はじめとする産業用途であれば、内部抵抗値を直接測定することにより、電池セルの温度制御をより精度よく行うことが可能である。
ここまで、複数の電池セルが搭載されるモジュールに対する電池管理回路１０、電池温度制御部１２の発明について説明したが、モジュールが複数個ある装置あるいはシステム、パックと呼ばれる規模の場合も同様の計算を各々モジュールか、複数のモジュールを管理する電池管理回路１０と電池温度制御部１２についても同様の発明を実施することが可能である。
【０１１３】
本発明の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。
【符号の説明】
【０１１４】
２…電池監視回路（ＣＭＵ）、４…温度調整部、１０…電池管理回路（ＢＭＵ）、１２…電池温度制御部、２０…加温部、２２…収容部、２４…ヒータ、２６…ポンプ、３０…冷却部、ＭＤＬ…電池モジュール、ＴＣ…温度検出器、ＢＴ…組電池。
【図１】
2020061244.tif 000003
【図２】
2020061244.tif 000004
【図３】
2020061244.tif 000005
【図４】
2020061244.tif 000006
【図５】
2020061244.tif 000007
【図６】
2020061244.tif 000008
【図７】
2020061244.tif 000009
【図８】
2020061244.tif 000010
【図９】
2020061244.tif 000011
【図１０】
2020061244.tif 000012
【図１１】
2020061244.tif 000013
【図１２】
2020061244.tif 000014
【図１３】
2020061244.tif 000015
【図１４】
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