(57)【要約】【課題】電池を内部から発熱させて電池を暖め、電池の出力特性を安定化させる。【解決手段】本実施形態では、交流阻止フィルタ１２が、蓄電池１２の充放電端子と前記蓄電池の直流出力を交流出力に変換するインバータ２０間に設けられる。また前記充放電端子に直流阻止フィルタ１３が接続される。そして、交流電流生成装置１０が前記直流阻止フィルタ１３を介して、前記蓄電池１２にウオームアップ用の交流電流を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過する電力エネルギーを熱エネルギーに変換する内部抵抗を有する蓄電池と、
前記蓄電池に交流電流を供給する交流電流生成装置と、
前記蓄電池から前記交流電流生成装置へ出力される直流電流を阻止する直流阻止フィルタと、
を備える蓄電池装置。
【請求項２】
前記蓄電池から出力される直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記交流電流生成装置から前記蓄電池を介して前記インバータへ出力される交流電流を阻止する交流阻止フィルタと、
をさらに備える請求項１に記載する蓄電池装置。
【請求項３】
前記交流電流生成装置は、エンジンにより駆動される発電機からの出力を前記交流電流に変換する変換器である請求項１記載の蓄電池装置。
【請求項４】
前記交流電流生成装置は、補機バッテリーからの直流電流を、前記交流電流に変換する第２のインバータである請求項１記載の蓄電池装置。
【請求項５】
前記第２のインバータは、前記交流阻止フィルタに発生する直流出力を変換するＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電圧を前記交流電流に変換する請求項４に記載の蓄電池装置。
【請求項６】
前記第２のインバータは、前記交流阻止フィルタの出力を直接前記交流電流に変換する請求項４記載の蓄電池装置。
【請求項７】
前記直流阻止フィルタと前記交流電流生成装置と間に、電流量を調整する電流量調整器をさらに備える請求項１記載の蓄電池装置。
【請求項８】
前記インバータの出力を、モータに電力として供給する請求項１乃至７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、ウオームアップ機能を有する蓄電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蓄電池を主たる動力駆動源とする電気自動車やハイブリッド自動車などの自動車が注目されている。ところで、自動車に搭載される蓄電池として広く利用されているリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の多くの化学電池は、氷点下を下回るような低温環境下では、直列等価抵抗が著しく上昇する現象が見られ、常温時に比べて出力が大幅に低下する。
【０００３】
一方自動車は、周囲温度が−３０度Ｃ程度の低温環境下でも、容易に始動できることが求められている。そのために、低温環境下で出力が低下するような特性を有する蓄電池には、何等かの対策が要求される。
【０００４】
上述した低温環境下で蓄電池の出力の低下を補償する方法として蓄電池を暖めることが提案されている。蓄電池を暖める方法として例えば、以下のような方法が提案されている。
【０００５】
（１）蓄電池を搭載している電気車両の使用予測時間をタイマーで管理する。そして、電気車両が使用される事前に蓄電池を充電し、蓄電池を暖める。（２）蓄電池の温度を検出し、温度が低下すると、蓄電池の放電を行い暖める。（３）加温対象となる部品は、コンデンサであるが、外部からヒーターで暖める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２５１０８４号公報
【特許文献２】特開平６−２５１８０４号公報
【特許文献３】特開平３−５２５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
外部からヒータで電池を暖める方法は、電池への熱伝導効率や温度上昇の速さの点で、電池が暖まるまでに時間がかかる。一方、電池を内部からの暖める従来の方法は、電池の充電状態(満充電または完放電付近)によっては、保護の観点から温度を上げるほどの充放電電流を十分流すことができない。また、電池が暖まるほどの高電流で、電池に急激な充放電を行うと電池寿命を短くする、などの問題が生じる。
【０００８】
そこで本発明は、低温時に電池に対して交流電流を印加することにより、平均的には充放電を伴わない電流を電池に流し、電池を内部から発熱させて電池を暖め、電池の出力特性を安定化させる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】
【０００９】
実施形態によれば、通過する電力エネルギーを熱エネルギーに変換する内部抵抗を有する蓄電池と、前記蓄電池に交流電流を供給する交流電流生成装置と、前記蓄電池から前記交流電流生成装置へ出力される直流電流を阻止する直流阻止フィルタとを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態の代表的な構成例を示す図である。
【図２】他の実施形態の代表的な構成例を示す図である。
【図３】さらに他の実施形態の他の構成例を示す図である。
【図４】蓄電池に交流を供給したときの共振点を現す周波数特性図である。
【図５】図２に示した発電機４２、スイッチ４５、多相−２相変換器４６の内部の構成を原理的に示す図である。
【図６】図３に示した加温用インバータ４８の内部構成を原理的に示す図である。
【図７】蓄電池に加温用の交流電流を供給する経路に電流量調整器を設けた例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、動力源として、モータとエンジンの２つを用いるハイブリッド自動車の構成を簡略化したブロック図で示している。本実施例はこのハイブリッド自動車に適用した例として説明するが、この適用例が、本発明として限定されるものではない。
【００１２】
図１において、蓄電池１１として、複数の単電池が直列接続されている。本実施形態では複数の単電池を内部に備える一つの電池として扱って表現している。
【００１３】
蓄電池１１は、交流電流（およびまたは交流電圧）を阻止するコイルＬ１，Ｌ２を介して、インバータ２０の正極端子と負極端子に接続されている。
【００１４】
交流阻止フィルタ１２は、コイルＬ１，Ｌ２から構成されている。蓄電池１１の正極端子、負極端子と、インバータ２０の正極端子、負極端子間は、主配線回路と称される場合もある。交流阻止フィルタ１２は、交流電流生成装置１０から供給される交流電流の周波数が高いほど阻止する効果も高くなる。したがって、低い周波数を利用する場合は、交流阻止フィルタ１２を使用しない場合もある。
【００１５】
蓄電池１１の正極端子と負極端子には、充電器２２の正出力端子、負出力端子がコイルＬ１，Ｌ２を介して接続することができる態様であってもよい。充電器２２には、蓄電池１１への充電時に外部から電力を取り込むためのプラグ２３が設けられている。このような機能を持つ自動車は、プラグインハイブリッド自動車と称されるもので、自動車の外から蓄電池１１へ充電できる仕組みを持つ車両である。
【００１６】
さらに、蓄電池１１の正極端子と負極端子には、コンデンサＣ１，Ｃ２を介して、交流電流生成装置１０の交流出力端子が接続されている。
【００１７】
直流阻止フィルタ１３は、コンデンサＣ１，Ｃ２から構成されている。
【００１８】
制御ユニット５０は、インバータ・蓄電池・エンジン等の制御を行う制御装置である。蓄電池１１の電池監視ユニットから電池の温度情報を取得する。制御ユニット５０は、蓄電池１１の温度が予め設定している設定温度以下になると、交流電流生成装置１０をオンする。すると交流電流生成装置１０は、交流電流を蓄電池１１に供給する。蓄電池１１の直流出力は、直流阻止フィルタ１３により、阻止されるので、交流電流生成装置１０へ逆流を防ぐ。また、交流電流生成装置１０からの交流電流は、交流阻止フィルタ１２により阻止されるので、インバータ２０への入力を防ぐ。
【００１９】
これにより電池の内部抵抗に流れる交流電流により発熱し、蓄電池１１は、温度上昇する。
【００２０】
インバータ２０側には交流阻止フィルタ１２があるため、交流電流生成装置１０から供給した交流電流がインバータ２０の入力コンデンサに流れ込むことが抑制され、蓄電池１１を効率的に暖めることができる。
【００２１】
蓄電池１１に交流電流を印可することにより、平均的には充放電が行われないため、電池の充電状態（ＳＯＣ）を変化させない。また使用する周波数範囲を適切に選べば、蓄電池１１の劣化を抑えて大きな交流電流を流し、早く効率的に蓄電池１１を加温することが可能である。周波数範囲としては、例えば蓄電池１１の共振周波数付近の周波数が選択されてもよい。
【００２２】
加温が完了したら、制御ユニット５０は、交流電流生成装置１０の出力を停止し、交流電流の蓄電池１１への印加が停止される。
【００２３】
先のインバータ２０は、蓄電池１１からの直流電圧を３相の交流電流に変換し、モータ３１に供給する。モータ３１の回転動力は、減速器３２を介して車輪３３に伝達される。このとき、つまりモータ３１の減速した回転動力が、車輪３３に伝達されるとき、石油や天然ガスなどをエネルギー源として用いるエンジン４１の回転動力と足し合わせられて、車輪３３に伝達される。
【００２４】
エンジン４１のシャフトの回転は、発電機（オルタネータと称しても良い）４２に伝達される。発電機４２で発電された三相交流電流は、整流器４３で整流されて、補機バッテリー４４(例えば１２Ｖ）に充電される。補機バッテリー４４は、車載のライト、カーナビゲータ、エンジンの点火、冷却装置などの作動用電源、制御ユニット５０の電源など、車載の電装機器の電源として使用される。
【００２５】
上記の自動車において、制御ユニット５０の制御に基づき、車輪３３から得られる車体の運動エネルギーをモータ３１を発電機として使用し蓄電池１１へ回生することもできる。またエンジン４１でモータ３１を発電機として駆動し、蓄電池１１へ充電するようにしてもよい。モータ３１が電動モータと発電機を兼ねているが、電動モータと発電機をそれぞれ別々に搭載してもよい。
【００２６】
上記交流電流生成装置１０は、実施形態として各種の実施形態が可能であり、以下に説明する。
【００２７】
図２には、他の実施形態を示している。図２において、図１と同一部分は、図１と同一符号を付し、重複する説明は省略する。図２の実施形態の場合、蓄電池１１の正極端子と負極端子には、コンデンサＣ１，Ｃ２を介して、多相−２相変換器４６(例えばスコットトランス)の交流出力端子が接続されている。コンデンサＣ１，Ｃ２は、直流阻止フィルタ１３を構成している。
【００２８】
発電機４２で発電された三相交流電流は、さらにスイッチ４５を介して、多相−２相変換器４６に接続されている。スイッチ４５は、制御ユニット５０によりオンまたはオフ制御さる。制御ユニット５０は、蓄電池１１の電池監視ユニットから電池の温度情報を受け取る。制御ユニット５０は、蓄電池１１の温度が予め設定している設定温度以下になると、スイッチ４５をオンする。すると多相−２相変換器４６が発電機４２の３相出力を２相交流電流に変換し、蓄電池１１に供給する。蓄電池１１の直流出力は、直流阻止フィルタ１３により、阻止されるので、多相−２相変換器４６に逆流することはない。また、多相−２相変換器４６からの交流電流は、交流阻止フィルタ１２により阻止されるので、インバータ２０に入力することはない。
【００２９】
これにより電池の内部抵抗に流れる交流電流により発熱が生じ、蓄電池１１は、加温される。加温が完了したら、制御ユニット５０の制御は、スイッチ４５を開き、交流電流の蓄電池１１への印加が停止される。
【００３０】
蓄電池１１に交流電流を印加している間、目的の周波数範囲になるように制御ユニット５０の制御に基づき、エンジン４１の回転数を制御することができる。また、スイッチ４５のオン/オフによって変化する発電機４２の負荷変動に伴うエンジン４１の負荷変化を補償すべく、制御ユニット５０の制御に基づき、エンジン４１への燃料供給量を調整することができる。
【００３１】
図２では発電機４２はエンジン４１の出力軸に直接結合されているが減速器やその他の動力伝達手段を経て接続される場合がある。一般に発電機は同じ電力を供給するのであれば出力電圧が高いほど損失が減る傾向にある。このため、蓄電池１１を暖めるために必要となる低電圧大電流を直接発電機４２から得るのではなく、多相−２相変換時にトランスの巻き線比を工夫して１次側(発電機４２側)は高圧小電流、２次側(蓄電池側)は低圧大電流に変換することも好ましい。なお、発電機４２が２相出力であった場合は、多相−２相変換は不要である。
【００３２】
なお蓄電池１１は、必ずしも限定される訳ではないが、単電池が例えば約１００個、出力電圧が例えば２００Ｖ〜４００Ｖの範囲で選定されている。また、電池を暖めるための高周波交流電流のパワー（電流値及び電圧値）は、蓄電池１１の規模と、各種の条件に応じて選択可能に設計されてもよい。
【００３３】
例えば、電池の現在の温度Ａ１と、目標とする暖い温度Ａ２との差（Ａ２−Ａ１）と、温度Ａ２に達するまでに要求される時間Ｔに応じて、予め実測しておき、その測定データがテーブルとしてメモリに保存されてもよい。要求時間Ｔが短くなるにつれて、交流電流は、例えば電流１アンペア、５アンペア、１０アンペアの何れかと、電圧１Ｖ、１０Ｖ，２０Ｖの組み合わせが任意に選択されてもよい。蓄電池１１の保護カバー及び配置状態、蓄電池１１の出力規格に応じて、加温するときの温度上昇特性が異なるので、それぞれの蓄電池に応じて、上記の測定データのテーブルが作成されてもよい。
【００３４】
図３は、さらに他の実施形態を示している。上記の実施形態は、エンジン４１に発電機４２が備えられている場合であり、発電機４２の交流出力が、蓄電池１１に印加する高域の交流電流に変換された。
【００３５】
しかし、ハイブリッド自動車によっては、エンジン４１に発電機が備わっていないものもある。またそもそもエンジン４１を搭載せず、モータ３１のみを動力源とする電気自動車も存在する。図３は、このタイプの自動車に適用可能な蓄電装置の一例を示している。図３において、図２と同一部分は、図２と同一符号を付し、重複する説明は省略する。図３に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ４７の正負入力端子は、蓄電池１１の正極端子と負極端子間に交流阻止フィルタ１２を介して接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ４７で変換された、例えば１２Ｖの出力電圧は、補機バッテリー４４に供給される。
【００３６】
補機バッテリー４４の出力端子は、加温用インバータ４８の入力端子に接続される。この加温用インバータ４８の出力端子は、直流阻止フィルタ１３を介して、蓄電池１１に接続されている。
【００３７】
加温用インバータ４８は、制御ユニット５０により制御されるインバータである。制御ユニット５０は、蓄電池１１を加温すべきと判断したときは、加温用インバータ４８を駆動する。加温用インバータ４８は、直流交流変換を行い、交流電流を出力し、蓄電池１１へ交流電流を印加する。これにより蓄電池１１が発熱し加温される。加温用インバータ４８は、半導体スイッチ素子(FET（電界効果型トランジスタ）、IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等)をスイッチ動作のために有する。
【００３８】
上記した実施形態は、補機バッテリー４４の電力を加温用インバータ４８で交流電流に変換した。しかしこれに限らず、蓄電池１１から直接電力を得ることも可能である。
【００３９】
この場合は、交流阻止フィルタ１２とインバータ２０の間から変圧器で減圧した電力を取得することが好適である。なお変圧器は、加温用インバータ４８が内蔵していてもよい。このようにすれば、加温用インバータ４８の駆動電流として蓄電池１１から得たエネルギーを蓄電池１１に交流電流として印加することになる。よって、先の実施例に比べて、補機バッテリー４４の電力消費を抑えて蓄電池１１を加温可能である。
【００４０】
また、交流電流を発生させるための電力を蓄電池１１そのものから得ている。したがって、蓄電池１１より電流を取り出すことによる蓄電池内部抵抗消費エネルギーと、交流電流を加えることにより発生する蓄電池内部抵抗消費エネルギーが加算される。この結果、本実施形態では、蓄電池以外から電力を得て同じ振幅の交流電流を加える時に比べて、約２倍の発熱量を得ることができる。
【００４１】
次に、蓄電池１１の加温用として供給される交流電流の周波数について説明する。蓄電池は、電極にアルミニウムなどの金属が採用され、正負電極間の交流インピーダンスは、比較的高い周波数(概ね１００ｋＨｚ以上)において誘導性のインピーダンス特性を示す。このため、蓄電池は正負電極間の交流インピーダンスに図４のように共振点が存在する。図４の特性図は、横軸が周波数、縦軸が交流インピーダンス絶対値を示している。このような共振点をもつ蓄電池に交流電流を供給する場合、交流電流の周波数が前記共振点付近の周波数に選択されると、低い電圧で大きな電流を蓄電池１１へ流すことが可能となり、加温用インバータの製造上有利である。
【００４２】
上記したように低温時に電池に交流電流を印加することにより、充放電を伴わない電流を流して電池を内部から発熱させて電池を加温し、低温時の出力特性を改善することができるようになった。
【００４３】
図５は、図２に示した発電機４２、スイッチ４５、多相−２相変換器４６の内部の構成を原理的に示している。発電機４２は、永久磁石を備える回転子がエンジン４１により回転駆動されると、コイルを備える固定子に誘導電流が流れ交流電流（この例は２相交流電流）として出力される。この交流電流は、スイッチ４５を介して、多相−２相変換器４６（この例は、２相−２相変換）に供給される。この場合、変換器４６は、巻き線比を工夫して１次側(発電機４２側)は高圧小電流、２次側(蓄電池側)は低圧大電流とされる。加温時には、スイッチ４５がオンされ、変換器４６の出力電流が直流阻止フィルタ１３を介して、蓄電池１１に供給される。
【００４４】
図６は、図３に示した加温用インバータ４８の内部構成を原理的に示している。補機バッテリー４４の正電極に、スイッチングトランジスタ４８aの入力電極が接続され、このスイッチングトランジスタ４８aの出力電極は、トランス４８bの一次側巻線を介してアースラインに接続される。トランス４８bの二次側巻線は、直流阻止フィルタ１３を介して蓄電池１１に接続される。スイッチングトランジスタ４８aのオンオフ制御信号は、制御ユニット５０から与えられる。
【００４５】
図７は、蓄電池１１に加温用の交流電流を供給する経路に電流量調整器６１ａ,６１ｂを設けた例を示す。電流量調整器６１ａ,６１ｂは、制御ユニット５０により制御される。例えば、蓄電池１１に交流電流の供給を開始した後、電池温度の変化に応じて、電流量が可変されてもよい。つまり、交流電流の供給を開始すると、電池温度が上昇を開始するが、このとき電池温度が低い場合は反応が遅いので、最初は大きな値の電流量を設定し、電池温度が所定温度に達したあとは、電流量を少なくする。なお、図６の回路構成の場合は、スイッチングトランジスタ４８aのオンオフ制御信号をパルス幅変調して与えることにより、電流量を時間変化とともに可変することが可能である。
【００４６】
上記した実施形態は、電気自動車、ハイブリッド自動車のみならず、広く蓄電池を動力駆動源とする電気車、例えばフォークリフト、２輪車の動力源などに適用できる。また電気車に限らず、屋外の蓄電池、電源供給プラントなど適用することも可能である。
【００４７】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、蓄電池１１を構成する単電池の数は１つ以上または２つ以上の複数個を直列接続およびまたは並列接続される形態であってもよい。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】
【００４８】
１１・・・蓄電池、１２・・・交流阻止フィルタ、１３・・・直流阻止フィルタ、２０・・・インバータ、２２・・・充電器、３１・・・モータ、３２・・・減速器、３３・・・車輪、４１・・・エンジン、４２・・・発電機、４３・・・整流器、４４・・・補機バッテリー、４５・・・スイッチ、４６・・・多相−２相変換器、４７・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ、４８・・・加温用インバータ、５０・・・制御ユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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