(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池加熱を制御する方法であって：
電池加熱を開始する条件が満たされるときに電池加熱を開始する工程と；
電池の状態を検出する工程であって：
（ａ）電池の吸収エネルギーQが所定のエネルギーQSETに達すること；
（ｂ）電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達すること；
（ｃ）その放電電流Iが減少しはじめること；
および
（ｄ）加熱時間Tが所定の最大加熱時間Tmaxに達すること、
それぞれを検出すること含む、電池の状態を検出する工程と；
前記（ａ）、前記（ｂ）、前記（ｃ）、および前記（ｄ）、の何れか１つの電池加熱を停止する条件が満たされるときに電池加熱を停止する工程とを含む、方法。
【請求項２】
前記所定のエネルギーQSETが電池加熱温度Kを設定することによって計算される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記所定のエネルギーQSETが式
QSET＝cm(KSTOP−KSTART)
によって計算され、ここで、
cは単位J/(kg・°C)での比熱を表し、
mは単位kgでの電池の質量を表し、
KSTARTは単位°Cでの電池加熱を開始する温度を表し、約−50°Cないし0°Cの範囲であり、
KSTOPは単位°Cでの電池加熱を停止する温度を表し、約0°Cないし25°Cの範囲であり、KSTART＜KSTOPである、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記電池加熱が、電池の短絡を引き起こして該電池の温度を上げるよう正電極と負電極の間に接続されたスイッチ・モジュールをオンにすることによって実現される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
電池が吸収した前記吸収エネルギーQが、前記短絡の際の電池放電の間の放出されたエネルギーQDを計算することによって得られる、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記電池加熱を停止する条件が：
（ａ）電池のSOCが所定のSOCSETより低くなく、かつ電池の前記放電電流Iが定格電流Irに達するまたは前記加熱時間Tが第一の最大加熱時間T1maxに達すること；および
（ｂ）電池のSOCが所定のSOCSETより低く、かつ電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達するまたは前記放電電流Iが減少しはじめるまたは前記加熱時間Tが第二の最大加熱時間T2maxに達すること、
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
電池加熱を制御する装置であって：
電池を加熱するための電池加熱部と；
前記電池加熱部の制御端子と接続された制御部であって、
（ａ）電池の吸収エネルギーQが所定のエネルギーQSETに達すること；
（ｂ）電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達すること；
（ｃ）前記放電電流Iが減少しはじめること；および
（ｄ）加熱時間Tが所定の最大加熱時間Tmaxに達すること、
それぞれを検出し、電池加熱を開始する条件が満たされるときに前記電池加熱部に電池を加熱することを開始させ、前記（ａ）、前記（ｂ）、前記（ｃ）、および前記（ｄ）、の何れか１つの電池加熱を停止する条件が満たされるときに前記電池加熱部に電池を加熱することを停止させるよう構成された制御部とを有する、装置。
【請求項８】
前記所定のエネルギーQSETが電池加熱温度Kを設定することによって計算される、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記所定のエネルギーQSETが式
QSET＝cm(KSTOP−KSTART)
によって計算され、ここで、
cは単位J/(kg・°C)での比熱を表し、
mは単位kgでの電池の質量を表し、
KSTARTは単位°Cでの電池加熱を開始する温度を表し、約−50°Cないし0°Cの範囲であり、
KSTOPは単位°Cでの電池加熱を停止する温度を表し、約0°Cないし25°Cの範囲であり、KSTART＜KSTOPである、
請求項７記載の装置。
【請求項１０】
前記電池加熱部が正電極と負電極の間に接続されたスイッチ・モジュールを有し、電池の短絡を引き起こして該電池の温度を上げるよう前記スイッチ・モジュールが導通させられる、請求項７記載の装置。
【請求項１１】
請求項７記載の装置であって、さらに：
電池の前記吸収エネルギーQを計算して前記吸収エネルギーQを前記制御部に出力する、前記制御部と接続されたエネルギー計算ユニットと；
前記放電電流Iを検出して前記放電電流Iを前記制御部に出力する、前記制御部と接続された電流検出ユニットと；
前記制御部の制御のもとで前記加熱部の前記加熱時間Tを計算し、Tが前記所定の最大加熱時間Tmaxに達したときに前記制御部に信号を出力する、前記制御部と接続されたタイミング・ユニットとを有しており、
前記制御部は：
前記吸収エネルギーQを前記所定のエネルギーQSETと比較し、前記吸収エネルギーQが前記所定のエネルギーQSETに達する場合に電池加熱を停止する制御信号を出力し；
検出された前記放電電流Iに基づいて前記放電電流Iが変化しているかどうかを判定し、前記放電電流Iが一定になるときに前記時間Tiを記録することを開始し、前記時間Tiが所定の時間期間TSETに達するときに電池加熱を停止する制御信号を出力し；
前記放電電流Iが減少しはじめるときに電池加熱を停止する制御信号を出力するよう構成される、
装置。
【請求項１２】
請求項７記載の装置であって、さらに：
電池の前記吸収エネルギーQを計算して前記Qを前記制御部に出力する、前記制御部と接続されたエネルギー計算ユニットと；
前記放電電流Iを検出して前記放電電流Iを前記制御部に出力する、前記制御部と接続された電流検出ユニットとのうち少なくとも一つを有しており、
前記制御部が、所定のパルス・シーケンス継続時間が前記所定の最大加熱時間Tmaxより大きくないかどうかを判定し、
前記制御部がさらに：
前記吸収エネルギーQを前記所定のエネルギーQSETと比較し、前記吸収エネルギーQが前記所定のエネルギーQSETに達する場合に電池加熱を停止する制御信号を出力し；
検出された前記放電電流Iに基づいて前記放電電流Iが変化しているかどうかを判定し、前記放電電流Iが一定になるときに前記時間Tiを記録することを開始し、前記時間Tiが所定の時間期間TSETに達するときに電池加熱を停止する制御信号を出力し；
前記放電電流Iが減少しはじめるときに電池加熱を停止する制御信号を出力するよう構成される、
装置。
【請求項１３】
請求項７記載の装置であって、前記電池加熱を停止する条件がさらに：
（ａ）電池のSOCが所定のSOCSETより低くなく、かつ電池の前記放電電流Iが定格電流Irに達するまたは前記加熱時間Tが第一の最大加熱時間T1maxに達する；および
（ｂ）電池のSOCが所定のSOCSETより低く、かつ電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達するまたは前記放電電流Iが減少しはじめるまたは前記加熱時間Tが第二の最大加熱時間T2maxに達する、
のうちの少なくとも一つをさらに含む、装置。
【請求項１４】
請求項７記載の装置であって、さらに：
電池の前記吸収エネルギーQを計算して前記吸収エネルギーQを前記制御部に出力する、前記制御部と接続されたエネルギー計算ユニットと；
前記放電電流Iを検出して前記放電電流Iを前記制御部に出力する、前記制御部と接続された電流検出ユニットと；
前記制御部の制御のもとで前記加熱部の前記加熱時間Tを計算し、前記加熱時間Tが前記所定の最大加熱時間Tmaxに達したときに前記制御部に信号を出力する、前記制御部と接続されたタイミング・ユニットとを有しており、
前記制御部はさらにSOCをSOCSETと比較して、電池がSOCSETより大きい高SOCにあるかSOCSETより小さい低SOCにあるかを判定し、
電池が高SOCにある場合、前記制御部はさらに、検出された前記放電電流IをIrと比較し、I＝Irであれば電池加熱を停止する制御信号を出力し、あるいは、前記制御部が前記タイミング・ユニットから信号を受信する場合に、前記制御部は電池加熱を停止する制御信号を出力し、
電池が低SOCにある場合、前記制御部はさらに、前記放電電流Iが変化しているかどうかを判定し、変化していなければ、前記制御部は前記放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiを記録することを開始し、あるいはIが減少しはじめるまたは前記制御部が前記タイミング・ユニットから信号を受領する場合に前記制御部は電池加熱を停止する制御信号を出力する、
装置。
【請求項１５】
請求項７記載の装置であって、当該装置がさらに：
電池のSOCを評価して評価されたSOCを前記制御部に出力する、前記制御部と接続されたSOC評価ユニットと；
電池の前記放電電流Iを検出して、得られた前記放電電流Iを前記制御部に出力する、前記制御部と接続された電流検出ユニットとを有しており、
前記制御部はさらにSOCをSOCSETと比較して、電池がSOCSETより大きい高SOCにあるかSOCSETより小さい低SOCにあるかを判定し、
電池が高SOCにある場合、前記制御部はさらに、検出された前記放電電流IをIrと比較し、I＝Irであれば電池加熱を停止する制御信号を出力し、あるいは、前記制御部が、前記制御部の制御のもとで前記加熱部の前記加熱時間Tを計算し、前記加熱時間Tが前記所定の最大加熱時間Tmaxに達したときに前記制御部に信号を出力する、前記制御部と接続されたタイミング・ユニットから信号を受信する場合に、前記制御部は電池加熱を停止する制御信号を出力し、
電池が低SOCにある場合、前記制御部はさらに、前記放電電流Iが変化しているかどうかを判定し、変化していなければ、前記制御部は前記放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiを記録することを開始し、あるいは前記放電電流Iが減少しはじめるまたは前記制御部が前記タイミング・ユニットから信号を受領する場合に前記制御部は電池加熱を停止する制御信号を出力する、
装置。
【請求項１６】
請求項７記載の装置であって、前記電池加熱部が、正電極および負電極と接続するよう構成されたスイッチ・モジュールを有し、電池の温度は、前記スイッチ・モジュールをオンして電池の短絡を引き起こすことによって上昇させられる、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〈関連出願への相互参照〉
本願は：
（ａ）2009年6月18日に中華人民共和国国家知的財産権局に出願された中国特許出願第200910147356.7号、
（ｂ）2009年6月18日に中華人民共和国国家知的財産権局に出願された中国特許出願第200910147355.2号および
（ｃ）2009年6月18日に中華人民共和国国家知的財産権局に出願された中国特許出願第200910147362.2号
の利益を主張する。これらの全内容はすべてここに参照によって組み込まれる。
【０００２】
〈分野〉
本発明は、バッテリー温度管理に、より詳細にはバッテリー加熱を制御する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、リチウムイオン電池は、ポータブル電子装置および電気自動車のための理想的な電源となっている。電気自動車は複雑な道路条件および種々の環境条件において機能する必要があることがあり、一部の電子装置は劣悪な環境条件において動作する必要があることがあるので、電源としてのリチウムイオン電池は複雑な条件に好適である必要があることがある。特に電気自動車または電子装置が低温環境において動作するとき、電池は、出力および入力パワー性能などとともに、優れた低温充放電性能をもつ必要があることがある。
【０００４】
通常、低温条件のもとでは、リチウムイオン電池の充電中、リチウムイオンは小さな移動速度をもつことがあり、負電極中に挿入されるのが難しいことがあり、一方、負電極から離脱するのは比較的容易である。したがって、リチウム金属が析出することがあり、いわゆる「リチウム樹状物（lithium  dendrite）」を形成することがある。析出したリチウムの電解質との還元反応が起こり、新たな固体電解質界面（solid  electrolyte  interface）膜、すなわちSEI膜を形成することがあり、分極が増進することがあり、したがって、電池の容量が劇的に低下することがあり、それはさらに電池内での短絡を引き起こすことがあり、その結果として負の安全事故につながることがある。
【０００５】
リチウム樹状物の生成を回避し、電池の容量を維持するために、低温におけるリチウムイオンの移動問題を解決することが決定的に重要であることがありうる。現在、次のような二つの方法が使われている：電池における内的な電気化学反応が電池の低温性能を改善するために使われる；および、電池が好適な温度で機能しうるよう電池の温度を上げるために電池の外側に加熱装置が設けられる。後者については、当技術分野における通常の方法によれば、電池加熱の開始または停止は主として電池の温度のみを検出することに依存する。通常、温度が所定の温度より低い場合に、加熱装置は電池の加熱を開始し、温度が別の所定の温度に達したときに、加熱装置がしかるべく停止できる。
【０００６】
たとえば、中国特許出願CN201038282Yは、低温環境において使用されるのに好適なリチウムイオン電池であって：電池シェル、前記電池シェル上に密に取り付けられた断熱層、前記電池シェル内に配置された電気コア、前記電気コアと前記断熱層の間に配置された加熱組立体ならびに前記加熱装置および前記電気コアそれぞれに結合された制御回路とを有するものを開示している。前記電池の内部温度が所定の温度より低い場合は、熱伝導カートリッジ中に埋め込まれている前記電気コアが、制御回路および温度制御スイッチからなる制御組立体ならびに熱生成組立体および熱伝導組立体からなる熱供給組立体によって加熱され、前記電池の温度が所定の温度を超えると、前記制御回路および前記温度制御スイッチが前記加熱組立体を止める。
【０００７】
当技術分野における通常の温度制御方法、特に加熱を止めるために所定の一定温度を設定することによるものは、時に、あらゆる種類の条件には適さないことがある。電池の温度が内部電流収集部から他の部分に移送されるので、温度は短時間において安定でないことがあり、その温度ヒステリシスが起こることがある。いつ加熱を止めるかを決定するための単一の温度条件を使うことは、実際的でないこともあり、電池を効果的に保護しないこともある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これに鑑み、本発明は、当技術分野における問題の少なくとも一つを解決し、電池を加熱する方法および電池を加熱する装置であって、電池をより効果的に保護しうるものを提供することに向けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある側面によれば、電池加熱を制御する方法であって：電池加熱を開始する条件が満たされるときに電池加熱を開始する段階と；電池加熱を停止する条件が満たされるときに電池加熱を停止する段階とを含む方法が提供されうる。電池加熱を停止する条件は、次のうちの少なくとも一つである：（ａ）電池の吸収エネルギーQが所定のエネルギーQSETに達する；（ｂ）電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達する；（ｃ）その放電電流Iが減少しはじめる；および（ｄ）加熱時間Tが所定の最大加熱時間Tmaxに達する。
【００１０】
本発明のある実施形態によれば、電池加熱を制御する方法が提供されうる。その方法は：電池加熱を開始する条件が満たされるときに電池加熱を開始する工程と；電池加熱を停止する条件が満たされるときに電池加熱を停止する工程とを含む。電池加熱を停止する条件は、次のうちの少なくとも一つである：（ａ）電池のSOCが所定のSOCSETより低くなく、かつ電池の放電電流Iが定格電流Irに達するまたは加熱時間Tが第一の最大加熱時間T1maxに達する；および（ｂ）電池のSOCが所定のSOCSETより低く、かつ電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達するまたは該放電電流Iが減少しはじめるまたは加熱時間Tが第二の最大加熱時間T2maxに達する。
【００１１】
本発明のある実施形態によれば、電池加熱を制御する装置であって：電池を加熱するための電池加熱部と；前記加熱部の制御端子と接続された制御部であって、電池加熱を開始する条件が満たされるときに前記加熱部に電池を加熱することを開始させ、電池加熱を停止する条件が満たされるときに前記加熱部に電池を加熱することを停止させるよう構成された制御部とを有する装置。電池加熱を停止する条件は、次のうちの少なくとも一つであってもよい：（ａ）電池の吸収エネルギーQが所定のエネルギーQSETに達する；（ｂ）電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達する；（ｃ）該放電電流Iが減少しはじめる；および（ｄ）加熱時間Tが所定の最大加熱時間Tmaxに達する。
本発明のある実施形態によれば、前記所定の時間期間TSETは約10sないし30sであり、前記所定の最大加熱時間Tmaxは約30sないし360sである。
本発明のある実施形態によれば、前記SOCSETは約50%ないし90%であり、前記TSETは約10sないし30sであり、前記第一の最大加熱時間T1maxは約30ないし120sであり、前記第二の最大加熱時間T2maxは約30ないし360sである。
本発明のある実施形態によれば、前記スイッチ・モジュールをオンにすることおよびオフにすることは、約1ないし3msのパルス幅、約5ないし30%のデューティー比および約30sないし前記所定の最大加熱時間Tmaxの範囲の継続時間をもつパルス・シーケンスによってトリガーされる。

【００１２】
本発明のある実施形態によれば、電池加熱を制御する装置が提供されうる。その装置は：電池を加熱するための加熱部と；前記加熱部の制御端子と接続された制御部であって、電池加熱を開始する条件が満たされるときに前記加熱部に電池を加熱することを開始させ、電池加熱を停止する条件が満たされるときに前記加熱部に電池を加熱することを停止させるよう構成される制御部とを有する。電池加熱を停止する条件は、次のうちの少なくとも一つであってもよい：（ａ）電池のSOCが所定のSOCSETより低くなく、かつ電池の放電電流Iが定格電流Irに達するまたは加熱時間Tが第一の最大加熱時間T1maxに達する；および（ｂ）電池のSOCが所定のSOCSETより低く、かつ電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達するまたは該放電電流Iが減少しはじめるまたは加熱時間Tが第二の最大加熱時間T2maxに達する。
本発明のある実施形態によれば、前記スイッチ・モジュールは、グリッド、ソースおよびドレインをもつIGBTモジュールであり、前記グリッドは前記制御部と接続されるよう構成され、前記ソースは正電極または負電極と接続されるよう構成され、前記ドレインは前記負電極および前記正電極の残りのものと接続されるよう構成される、装置。
本発明のある実施形態によれば、前記制御部は、前記スイッチ・モジュールをオンまたはオフにするよう、パルス・シーケンスを生成し、前記スイッチ・モジュールの制御端子に出力するパルス生成器である。
【発明の効果】
【００１３】
当技術分野における単一の温度条件のみに基づく電池加熱の制御と比べ、本発明に基づく方法および装置は、電池加熱をいつ止めるかを決定するために、温度、放電電流、電池SOC、加熱時間などを含む複数の因子を考慮に入れる。これは、実際上の応用の要求を満たし、電池を損傷せず、電池寿命を延ばすものとなりうる。特にSOCの場合、電池加熱を停止する条件は、高いSOCおよび低いSOCそれぞれについて放電電流および加熱時間等を含んでいてもよく、種々のSOCのもとでの要求に、より適することがありうる。こうして、最適作動温度のもとでの電池の充／放電性能を保証するよう、低温環境における電池は効果的に加熱されうる。さらに、電池は事故で損傷されることがなく、電池の動作効率および寿命が大幅に向上しうる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明のこれらおよびその他の側面は、図面との関連で参酌される以下の説明から明白となり、より容易に理解されるであろう。
【図１】本発明のある実施形態に基づく、電池加熱を制御するためのフローチャートである。
【図２】本発明のある好ましい実施形態に基づく、電池加熱を制御するためのフローチャートである。
【図３】本発明のある実施形態に基づく、電池加熱を制御するための装置の概略図である。
【図４】本発明のある好ましい実施形態に基づく、電池加熱を制御するための装置の概略図である。
【図５】本発明のもう一つの実施形態に基づく、電池加熱を制御するためのフローチャートである。
【図６】本発明のもう一つの好ましい実施形態に基づく、電池加熱を制御するためのフローチャートである。
【図７】本発明のもう一つの好ましい実施形態に基づく、電池加熱を制御するための装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態を詳細に参照していく。図面を参照して本稿に記載される実施形態は説明、例解するものであって、一般に本発明を理解するために使われる。これらの実施形態は本発明を限定するものと解釈してはならない。同じもしくは似た要素または同じまたは似た機能をもつ要素は諸記述を通じて同様の参照符号によって表される。
【００１６】
まず、本発明における「電池」〔バッテリー〕の用語は、単電池〔単一セル〕も、複数の単電池を有するバッテリー・パックをも指すものと理解されうる。「電池」についての記述は、単電池にもバッテリー・パックにも適用可能でありうる。たとえば、単電池については、用語「正電極および負電極」は当該単電池の正電極および負電極を指してもよく、バッテリー・パックについては用語「正電極および負電極」は当該バッテリー・パックの正電極および負電極を指してもよい。
【００１７】
図１を参照するに、その方法は：加熱を開始する条件を満たすときに電池加熱を開始する工程と；電池加熱を停止する条件が満たされうるときに電池加熱を停止する工程との二つの工程を含みうる。電池加熱を停止する条件は、次のうちの少なくとも一つであってもよい：
（ａ）電池の吸収エネルギーQが所定のエネルギーQSETに達する；
（ｂ）電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達する；
（ｃ）前記放電電流Iが減少しはじめる；および
（ｄ）加熱時間Tが所定の最大加熱時間Tmaxに達する。
【００１８】
上記の条件のうちの少なくとも一つが満たされる限り、電池加熱は停止されうる。
【００１９】
図５に示されるように、本発明のもう一つの実施形態に基づく制御方法は：電池加熱を開始する条件が満たされうるときに電池加熱を開始する工程と；電池加熱を停止する条件が満たされうるときに電池加熱を停止する工程との二つの工程を含みうる。電池加熱を停止する条件は、次のうちの少なくとも一つであってもよい：（ａ）電池のSOCが所定のSOCSETより低くなく、かつ電池の放電電流Iが定格電流Irに達するまたは加熱時間Tが第一の最大加熱時間T1maxに達する；および（ｂ）電池のSOCが所定のSOCSETより低く、かつ電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達するまたは該放電電流Iが減少しはじめるまたは加熱時間Tが第二の最大加熱時間T2maxに達する。
【００２０】
上記の条件のうちの少なくとも一つが満たされる限り、電池の加熱はしかるべく停止されうる。
【００２１】
電池加熱を停止するための上述した条件におけるパラメータについて以下で詳細に説明する。
【００２２】
電池の充電状態（SOC:  State  of  Charge）は、完全充電された電池の電気量における、残っている実際の電気量の割合を意味する。本発明のある実施形態によれば、これは開放回路電圧（OCV:  open  circuit  voltage）に従って計算されうる。
【００２３】
SOCSETは実際上の要求に従って事前設定されてもよく、高いSOCを低いSOCから区別するために使用されてもよい。本発明のある実施形態によれば、前記SOCの範囲は、約50%〜90%であってもよく、より好ましくは約60%であってもよい。すなわち、SOC≧60%である場合に電池は高いSOCにあり、SOC＜60%である場合に電池は低いSOCにある。
【００２４】
定格電流Irは、電池の種々の公称容量に基づいて決定されてもよい。たとえば、公称容量50Ahをもつ電池についてはIrは約2600Aであってもよく、公称容量約200Ahをもつ電池についてはIrは約8000Aであってもよい。
【００２５】
T1maxは、高いSOC条件のもとでの最長の耐えられる加熱時間に依存していてもよく、約30〜120sであってもよい。
【００２６】
T2maxは、低いSOC条件のもとでの最長の耐えられる加熱時間に依存していてもよく、約30〜360sであってもよい。
【００２７】
加熱時間Tは実際の動作において得られてもよく、加熱を開始する時点から記録されてもよい。もちろん、加熱の継続時間は、第一の加熱時間T1maxまたは第二の加熱時間T2maxを超えないよう、直接設定されてもよく、それなら加熱時間Tは記録される必要がないこともありうる。
【００２８】
吸収エネルギーQは、Jを単位とする、加熱の間に電池が吸収したエネルギーであってもよい。Qは複数の手段を介して計算されうる。
【００２９】
所定のエネルギーQSETは電池の加熱温度（heating  temperature）Kに基づいて決定されてもよい。本発明のある実施形態によれば、QSETは次の式によって計算されてもよい。
【００３０】
QSET＝cm(KSTOP−KSTART)
ここで、cは電池の比熱を表し、その単位はJ/(kg・°C)である。比熱は、正極材料、負極材料、電解質および他の組成物の重み付けされた質量分率の累計によって得られてもよい。たとえば、c＝Σi=1nciwiであり、ciは電池中の各組成物の比熱を表し、wiは各組成物の質量分率を表す。上式において、mは電池の質量を指し、その単位はkgであり、同じ型の複数の電池を測定することによって得られてもよい。KSTARTは加熱を開始する温度を表し、その単位は°Cである。KSTARTは約−50°Cないし0°Cである。KSTOPは電池加熱を停止する温度を表し、その単位は°Cである。KSTOPは約0°Cないし25°Cである。また、KSTART＜KSTOPである。
【００３１】
放電電流Iは実際上の使用において得られてもよく、たとえば、ホール電流センサーによって検出されてもよい。
【００３２】
所定の最大加熱時間Tmaxは、最大の耐えられる時間に基づいて決定されてもよく、約30s〜360sであってもよい。
【００３３】
説明する必要があるのは、加熱時間が電池の実際の動作において測定されてもよく、電池加熱を開始する時点から記録されてもよいということである。もちろん、加熱の継続時間は、第一の加熱時間T1maxまたは第二の加熱時間T2maxを超えないよう、直接設定されてもよく、それなら加熱時間Tは記録される必要がないこともありうる。
【００３４】
放電電流Iが一定を維持する時間Tiは、電池の実際の動作において試験されてもよい。たとえば、ホール電流センサーが放電電流を試験するために使用されてもよく、電流が巡回的に（circularly）サンプリングされてもよい。時間期間Tiは、放電電流Iが一定である時間期間を記録することによって得られてもよい。
【００３５】
所定の時間TSETは実際上の要求に基づいて事前設定されてもよく、その範囲は約10〜30s、特に約30sである。
【００３６】
図２および図６を参照して以下でいくつかの好ましい実施形態について述べる。
【００３７】
まず、加熱を開始するための条件に対する特別な制限はなく、加熱を開始するための多様な好適な条件が追加的または代替的に使用されうる。たとえば、図２および図６に示されるように、電池の温度Kが所定の温度KSTARTより低い場合に、電池の加熱が開始されてもよい。
【００３８】
この場合、電池温度Kが検出される必要があることがあり、温度センサーが使用されてもよい。複数の単電池を含むバッテリー・パックについては、各セルの温度を検出するために複数の温度センサーが使用されてもよく、そのうちの最低の温度が検出された電池温度Kとして選択されてもよい。
【００３９】
加熱方法は、当技術分野における好適な方法のいずれであってもよい。たとえば、電熱装置が加熱のために使用されてもよい。本発明のある実施形態によれば、電池の温度を上げるよう大電流を引き起こすために電池における短絡が使用されてもよい。短絡は、電池の正電極と負電極の間に接続されたスイッチ・モジュール（たとえばIGBTモジュール）によって実現されてもよい。該スイッチ・モジュールをオンにすることによって、電池の短絡が非常に短時間で生起しうる。
【００４０】
短絡を使う際、電池が吸収したエネルギーQは、短絡時の放電の間の放出されたエネルギーQDを計算することによって得られてもよい。このQDは次式によって計算されてもよい：
QD＝I2Rt
ここで、Iは電池の放電電流を表し、その単位はAである。tは放電時間を表し、その単位はs（秒）である。Rは電池の内部抵抗を表し、これは異なる温度Kに依存して、式R＝a＋be-cKに従って変動しうる。ここで、a、b、cは電池の特定の型について検出されたパラメータを表す。試験方法は：同じ型の諸電池を少なくとも約4時間にわたってある温度（−40°Cないし40°C）に保持して電池の温度を安定させ、次いで1kHzの周波数をもつ電流を使って交流（AC）内部抵抗を試験し、それにより式R＝a＋be-cKに当てはめるために種々の温度における内部抵抗が試験されることができる。ここで、aは約0.1〜0.5であってもよく、bは約0.01〜0.1であってもよく、cは約0.05〜0.1であってもよい。たとえば、ある型の電池の試験後、その結果が次のように得られてもよい：a＝0.5、b＝0.1、c＝0.1。
【００４１】
上記の内部抵抗の式はQDの計算式に代入されてもよく、t、Kについて二次積分（quadratic  integration）を実行後、次の式を得ることができる：
【００４２】
【数１】
0005552532.tif 000002
周期的にQDへの積分（integration）を実行し、そのサンプリング周期は0.1s、0.2s、0.5sまたは1sであってもよい。QDが所定のQSETに達するとき、電池加熱を停止する条件が満たされうる。
【００４３】
長期の短絡に起因する電池に対する無用の損傷を避けるため、スイッチ・モジュールをオンにしたりオフにしたりする時間が制御される必要があることがありうる。スイッチ・モジュールのオン／オフは、パルス・シーケンスによってトリガーされてもよい。具体的には、パルス幅は約1〜3ms、特に1〜2msであってもよい。デューティー比は約5〜30%、特に5〜10%であってもよい。継続時間は約30sから、所定の最大加熱時間Tmaxの範囲であってもよい。所定の最大加熱時間Tmaxは特に約60〜360sであってもよい。
【００４４】
加熱を開始するとき、所定の最大加熱時間Tmaxと比べるために、加熱時間Tは最初から記録されてもよい。加熱時間が所定の最大加熱時間Tmaxより大きくならないよう設定することによって、上記の工程は省略されてもよい。
【００４５】
本発明のある実施形態によれば、電池の加熱中、電池の吸収エネルギーQ、放電電流Iおよび加熱時間T（必須ではない）が検出されてもよい。電池加熱を停止する条件を満足するかどうかは、図２に示される詳細なフローチャートに従って判定されてもよく、それらの条件の少なくとも一つが満たされると、電池の性能および寿命に対する障害を回避するために、電池の加熱が停止されてもよい。もちろん、図２に示されるフローチャートは排他的なものではない。当業者は、本発明に挙げられた条件に従って他のフローを考案してもよい。
【００４６】
本発明のもう一つの実施形態によれば、電池の加熱中、電池SOC、電池の放電電流および加熱時間T（必須ではない）が検出されてもよい。電池加熱を停止する条件を満足するかどうかは、図６に示される詳細なフローチャートに従って判定されてもよく、それらの条件の少なくとも一つが満たされると、電池の性能および寿命に対する障害を回避するために、電池の加熱は停止されてもよい。もちろん、図６に示されるフローチャートは排他的なものではない。当業者は、本発明に挙げられた条件に従って他のフローを考案してもよい。
【００４７】
電池の加熱を制御するための装置について、図３、図４および図７との関連でさらに述べる。
【００４８】
図３に示すように、本発明のある実施形態によれば、電池の加熱を制御する装置１０は：電池を加熱するための電池加熱部１と；前記加熱部１の制御端子と接続された制御部２であって、加熱を開始する条件を満たすときに前記加熱部１に電池を加熱することを開始させ、電池加熱を停止する条件を満たすときに前記加熱部１に電池を加熱することを停止させるよう構成された制御部とを有していてもよい。電池加熱を停止する条件は、次のうちの少なくとも一つであってもよい：（ａ）電池の吸収エネルギーQが所定のエネルギーQSETに達する；（ｂ）電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達する；（ｃ）該放電電流Iが減少しはじめる；および（ｄ）加熱時間Tが所定の最大加熱時間Tmaxに達する。
【００４９】
本発明のもう一つの実施形態によれば、電池加熱を停止する条件は、次のうちの少なくとも一つであってもよい：（ａ）電池のSOCが所定のSOCSETより低くなく、かつ電池の放電電流Iが定格電流Irに達するまたは加熱時間Tが第一の最大加熱時間T1maxに達する；および（ｂ）電池のSOCが所定のSOCSETより低く、かつ電池の放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiが所定の時間期間TSETに達するまたは該放電電流Iが減少しはじめるまたは加熱時間Tが第二の最大加熱時間T2maxに達する。
【００５０】
電池加熱部１は、電池のいかなる加熱装置であってもよい。たとえば、通常の電気的加熱装置（たとえば電熱線）が使用されてもよい。しかしながら、この種の装置は一般により複雑なことがあり、より大きなスペースを占めることがあるので、電池組立体の体積が大きくなることがありうる。したがって、当該電池を収容するために電気装置または設備がより大きなスペースを必要とすることがありうる。
【００５１】
上述した問題を解決するため、本発明のある実施形態に基づく加熱部１は、正電極と負電極の間に接続されたスイッチ・モジュールを有していてもよい。スイッチ・モジュールをオンにすると、電池の短絡が起こりうる。実際、スイッチ・モジュール自身は電池の加熱機能はもたなくてもよく、スイッチ・モジュールをオンにすることによって電池の内部短絡が瞬時に起こって、大きな即時の電流を引き起こし、そうして生成された熱により電池の温度を上昇させる。通常の電熱装置に比べ、スイッチ・モジュールはより単純な構造およびより小さな体積をもつことができ、限られたスペースをもつ電気装置または設備に適応されうる。
【００５２】
スイッチ・モジュールは、パルス式に短絡を引き起こすことができ、電池を損傷させたり電池性能に影響したりしないことができる限り、いかなるスイッチ回路であってもよく、たとえばトライオード（triode）、MOSトランジスタなどであってもよい。
【００５３】
ある個別的な実施形態によれば、スイッチ・モジュールは、ドレイン、ソースおよびグリッドをもつ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT:  insulated  gate  bipolar  transistor）モジュールであってもよい。ドレイン（すなわち制御端子）は制御部２と接続されるよう構成されてもよく、ソースは正電極または負電極と接続されるよう構成されてもよく、ドレインは負電極および正電極の残りのものに接続されるよう構成されてもよい（IGBTのP型またはN型に依存して）。IGBTモジュールは、パワー電界効果トランジスタおよび電子的トランジスタの両方の利点をもち、高い入力インピーダンス、高速な動作速度、優れた熱安定性、簡単な駆動回路、低いオン状態電圧、高電圧耐久性（high  voltage  durability）および高電流耐久性（high  current  durability）といった複数の利点をもちうる。特に、スイッチ・モジュールは並列に接続された複数のIGBTモジュールを有していてもよく、短絡を引き起こすためにその一つがオンにされてもよい。
【００５４】
電池の種々の型または設計容量に従って、適正な耐電圧（withstanding  voltage）または耐電流（withstanding  current）をもつ好適なIGBTモジュールが当業者によって選択されうる。特に、1000Vを超える電圧耐久値（voltage  duration  value）をもつIGBTが選択されてもよく、より特定的には、1200Vを超える電圧耐久値が選択されてもよい。もう一つの個別的な実施形態によれば、設計容量が100Ah未満であるとき、3000〜5000Aの電流耐久値（current  duration  value）をもつIGBTが使用されてもよく、電池の設計容量が100Ahを超えるとき、5000〜10000Aの電流耐久値をもつIGBTが使用されてもよい。
【００５５】
図３に示されるように、制御部２は電池加熱部１の加熱を制御してもよく、電池加熱部１に依存して、制御信号を送ることのできるコントローラ、たとえばワンチップマイクロコンピュータ（SCM:  Single  Chip  Microcomputer）、DSPなどが制御部２として選択されてもよい。
【００５６】
本発明のある実施形態によれば、スイッチ・モジュールを使う加熱方法の場合、制御部２は特に、パルス・シーケンスを生成できるパルス生成器であってもよく、スイッチ・モジュールをオンまたはオフにするようスイッチ・モジュールの制御端子に出力される。長時間の短絡による電池に対する無用な損傷を避けるため、スイッチ・モジュールをオン／オフする時間が制御される必要があることがある。スイッチ・モジュールのオン／オフはパルス・シーケンスによってトリガーされてもよい。本発明のある実施形態によれば、パルス幅は約1〜3ms、特に1〜2msであってもよい。デューティー比は約5〜30%、特に5〜10%であってもよい。継続時間は約30sから、所定の最大加熱時間Tmaxの範囲であってもよい。所定の最大加熱時間Tmaxは特に約60〜360sであってもよい。
【００５７】
制御信号を生成するとき、制御部２は、電池の加熱を開始または停止する条件が満たされるかどうかを判定する必要があることがある。
【００５８】
加熱を開始するための条件に対する特別な制限はなく、電池加熱を開始するための多様な好適な条件が使用されうる。たとえば、電池の温度Kが所定の温度KSTARTより低い場合に、電池の加熱が開始されてもよい。ここで、KSTART＜KSTOPであり、KSTARTは約−50°Cないし約0°Cの範囲であってもよい。
【００５９】
この場合、電池温度Kが検出される必要があることがある。本発明のある実施形態によれば、図４および図７に示されるように、電池の加熱を制御する装置１０はさらに、制御部２に接続された温度検出部３を有していてもよく、電池温度Kを検出するよう構成されていてもよい。次いでその出力が制御部２へ。この時点で、受領された温度Kは、制御部２によって、電池加熱を開始するための温度KSTARTと比較されてもよく、電池加熱を開始するかどうかが、比較結果に応じて決定されてもよい。温度検出部３は、いかなる温度検知装置であってもよい。本発明のある実施形態によれば、温度センサーが使用されてもよい。本発明のもう一つの実施形態によれば、センサーの数は単電池の数と同じであってもよい。制御部２が複数の温度を受領する場合、それらのうちの最も低いものが電池温度Kとして選択されてもよい。
【００６０】
本発明は主として、電池加熱を止める条件を改善することに向けられる。制御部２が電池加熱を停止する条件を判別するとき、電池の吸収されたエネルギーQ、SOC、放電電流Iおよび加熱時間T（必須ではない）が必要とされることがある。よって、本発明のいくつかの実施形態によれば、電池加熱を制御するための装置１０はさらに、上記の情報を取得するためのいくつかのユニットまたは装置を有していてもよい。
【００６１】
本発明のある実施形態によれば、以下のプロセスが制御部２によって実行されてもよい。
【００６２】
第一に、制御部２は吸収されたエネルギーQが所定のエネルギーQSETに達する時を判別する必要があることがある。その場合、装置１０はさらに、電池の吸収エネルギーQを計算して該エネルギーQを制御部２に出力する、制御部２と接続されたエネルギー計算ユニット６を有していてもよい。エネルギーQの計算方法は、上記の方法において記述したのと同じであってもよく、明確のためのここでは省略する。制御部２によって吸収エネルギーQが所定のエネルギーQSETに達したことが見出されたとき、電池加熱を停止する制御信号が制御部２によってすぐに出力されてもよい。
【００６３】
第二に、制御部２はさらに、放電電流Iを検出する必要があることがある。図４に示されるように、装置１０はさらに、電池の放電電流Iを検出して、得られた放電電流Iを制御部２に出力する、制御部２と接続された電流検出ユニット４を有していてもよい。制御部２は検出された放電電流Iが変化しているかどうかを判定してもよく、変化していなければ、制御部２は放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiを記録しはじめる。Tiが所定の時間TSETに達したら、制御部２は電池加熱を停止する制御信号を出力してもよい。Iが減少しはじめたら、制御部２はやはり電池加熱を停止する制御信号を出力してもよい。電流検出ユニット４は、電流を検出できるいかなる種類の装置であってもよい。特に、ホール電流センサーが使用されうる。
【００６４】
第三に、制御部２はさらに、次の二つの方法によって加熱時間Tに従って電池加熱を停止することを決定してもよい。
【００６５】
図４に示されるように、装置１０はさらに、制御部２の制御のもとで加熱部１の加熱時間Tを記録し、Tが所定の最大加熱時間Tmaxに達したときに制御部２に信号を出力する、制御部２と接続されたタイミング・ユニット５を有していてもよい。Tが所定の最大加熱時間Tmaxに達した時点で、制御部２は、受信される信号に従ってすぐに電池加熱を止めるための制御信号を出力してもよい。
【００６６】
もう一つの方法も図４に示されている。制御部２によって生成されるパルス・シーケンスの継続時間は、所定の最大加熱時間Tmaxより大きくならないよう設定される。加熱時間Tが最大加熱時間に達したとき、電池加熱は自動的に停止してもよい。
【００６７】
本発明のもう一つの実施形態によれば、次のプロセスが制御部２によって実行されてもよい。
【００６８】
第一に、制御部は電池が高SOCにあるか低SOCにあるかを判定する必要がある。この場合、図７に示されるように、図１０はさらに、電池のSOCを評価し、評価されたSOCを制御部２に出力する、制御部２と接続されたSOC評価ユニット６を有していてもよい。制御部は、受け取ったSOCをSOCSETと比較したのち、電池が高いSOCにあるか低いSOCにあるかを判定してもよい。SOC評価ユニット６は、たとえば電池のSOCを電池の開放回路電圧に従って評価することによるなど、いかなるSOC評価方法によって動作してもよい。
【００６９】
電池が高いSOCにある場合、制御部はさらに、放電電流Iを検出してもよい。図４に示されるように、装置１０はさらに、電池の放電電流Iを検出して、得られた放電電流Iを制御部２に出力する、制御部２と接続された電流検出ユニット４を有していてもよい。制御部２はその放電電流Iを定格電流Irと比較してもよく、IがIrに達したら、制御部は電池加熱を停止する制御信号を出力してもよい。電流検出ユニット４は、電流を検出できるいかなる装置であってもよい。特に、ホール電流センサーが使用されうる。
【００７０】
電池が低いSOCにある場合、制御部はさらに、電流検出ユニット４によって放電電流Iを検出してもよい。制御部２は、検出された放電電流Iが変化しているかどうかを判定してもよい。変化していなければ、制御部２は放電電流Iが一定を維持する時間期間Tiを記録しはじめてもよい。Tiが所定の時間TSETに達したら、制御部２は電池加熱を停止する制御信号を出力してもよい。放電電流Iが減少しはじめたら、制御部２はやはり電池加熱を停止する制御信号を出力してもよい。
【００７１】
制御部２はさらに、次の二つの方法によって加熱時間Tに従って電池加熱を停止するかどうかを決定してもよい。
【００７２】
第一に、図４に示されるように、装置１０はさらに、制御部２によって制御される加熱部１の加熱時間Tを計算し、Tが第一の最大加熱時間T1maxまたは第二の最大加熱時間T2maxに達したときに制御部２に信号を出力する、制御部２と接続されたタイミング・ユニット５を有していてもよい。制御部２は、受信される信号に従って電池加熱を止めるための制御信号を出力してもよい。
【００７３】
第二に、制御部２は、電池のSOCをSOCSETと比較したのち、パルス・シーケンスの継続時間を直接設定してもよい。高いSOC（SOC≧SOCSET）については、継続時間は第一の最大加熱時間T1maxを超えてはならず、低いSOC（SOC＜SOCSET）については、継続時間は第二の最大加熱時間T2maxを超えてはならない。加熱時間Tが上記第一の加熱時間または上記第二の加熱時間に達したときに、電池の加熱は自動的に停止してもよい。
【００７４】
例示的な実施形態が図示され、記述されたが、当業者は、これらの実施形態において、本発明の精神および原理から外れることなく、変更、改変および修正がなされることができ、それがみな請求項およびその等価物にはいることを認識するであろう。
【図１】
0005552532.tif 000003
【図２】
0005552532.tif 000004
【図３】
0005552532.tif 000005
【図４】
0005552532.tif 000006
【図５】
0005552532.tif 000007
【図６】
0005552532.tif 000008
【図７】
0005552532.tif 000009