(57)【要約】【課題】電池外部から熱を与えて電池を昇温する場合において、電池の使用待機時間を適切に調整する。【解決手段】電池システムは、電池１０と、電池１０の外部温度を検出する温度センサ１２と、電池１０を外部から加熱する電池ヒータ１４と、電池ヒータ１４による電池１０の加熱開始からの経過時間と、加熱手段の出力とに応じ、経過時間が短いほど、かつ、電池ヒータ１４の出力が大きいほど増大するように、電池１０の使用待機時間を調整する電池ＥＣＵ１８を備える。【選択図】図１
2017147032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池と、
電池の外部温度を検出する温度検出手段と、
電池を外部から加熱する加熱手段と、
加熱手段による電池の加熱開始からの経過時間と、加熱手段の出力とに応じ、経過時間が短いほど、かつ、加熱手段の出力が大きいほど増大するように、電池の使用待機時間を調整する制御手段と、
を備えることを特徴とする電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池システムに関し、特に電池の温度制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池等においては、極低温環境下で電解液が凍結してしまい、凍結したリチウムイオン二次電池は内部抵抗が高く、そのまま通電するとリチウムが析出してしまう。このため、電池の外部から熱を与えて電池温度を昇温した後に使用する必要がある。
【０００３】
特許文献１には、電池の外装表面に接触配置され、電池の温度を検出する接触式の温度検出手段と、温度検出手段を加熱する加熱手段と、温度検出手段を加熱しているときの温度検出手段により検出された温度の変化速度を算出することにより、温度検出手段の電池に対する取付状態を判定する技術が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、電池の外部における温度を検出する温度センサと、温度センサで検出された温度と、熱の移動を表す式を用いて電池の内部抵抗に対応した温度を示す基準点の温度を算出する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１４０７８７号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１８０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、リチウムイオン二次電池のリチウム析出耐性は低温ほど低く、このため電池の温度は温度センサによりできるだけ正確に検出する必要がある。
【０００７】
他方、電池を加熱すべく電池外部から熱を与えると、その影響により温度センサの測定誤差が拡大してしまう。すなわち、電池外部から熱を与えると、電池内部温度よりも先に電池周囲が加温され、電池温度と周囲温度の差が大きいほど、温度センサの誤差が拡大してしまう（つまり、温度センサの測定誤差は、周囲との温度差に影響される）。従って、仮に、電池温度を昇温させるべく加熱手段を使用した直後に電池搭載車両を起動して電池に通電すると、電池温度と周囲温度の差が大きい状態で電池を使用することとなり、電池内部の温度を正確に測定できず、結果としてリチウムが析出するおそれがある。このような問題は、電池と加熱手段との間に温度センサが配置される場合に特に顕在化し得る。
【０００８】
本発明は、かかる従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池外部から熱を与えて電池を昇温する場合において、電池の使用タイミングを適切化する、より詳しくは、電池の使用待機時間を適切に調整し得る電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電池と、電池の外部温度を検出する温度検出手段と、電池を外部から加熱する加熱手段と、加熱手段による電池の加熱開始からの経過時間と、加熱手段の出力とに応じ、経過時間が短いほど、かつ、加熱手段の出力が大きいほど増大するように、電池の使用待機時間を調整する制御手段とを備えることを特徴とする電池システムである。
【００１０】
本発明において、加熱手段で電池を外部から加熱する場合、温度検出手段で検出される電池の外部温度、すなわち電池の周囲温度と電池の内部温度には温度差が生じるが、当該温度差は加熱手段での加熱開始からの経過時間に依存し、経過時間が短いほど温度差は大きい。また、当該温度差は加熱手段の出力にも依存し、出力が大きいほど温度差は大きい。制御手段は、この事実に着目し、経過時間が短いほど、かつ、加熱手段の出力が大きいほど増大するように、電池の使用待機時間を調整することで、温度差が相対的に大きい場合に電池の使用を待機し、温度差が相対的に十分小さい場合に電池の使用を許容し、実際には加熱手段により電池内部が十分に昇温されていないにもかかわらず温度検出手段で検出された温度に基づいて電池を充放電することに起因するリチウム析出等の不具合を低減する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電池外部から熱を与えて電池を昇温する場合において、電池の使用待機時間を適切に調整し得る。本発明によれば、電池としてリチウムイオン電池を用いた場合、低温時の通電によるリチウム析出を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態のシステム構成図である。
【図２】実施形態の電池ＥＣＵのブロック図である。
【図３】実施形態の処理フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載される場合について説明する。
【００１４】
＜構成＞
図１は、本実施形態のシステム構成図を示す。電池システムは、組電池１０と、温度センサ１２と、電池ヒータ１４と、電源１６と、電池ＥＣＵ１８を備える。
【００１５】
組電池１０は、直列に接続された複数の単電池を有する。単電池は、例えばリチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池の構成は公知であり、例えば正極板と、電解液を含んだセパレータと、負極板とを重ねた積層体を巻くことにより構成される。単電池の数は、組電池１０の要求出力に基づいて設定される。
【００１６】
温度センサ１２は、組電池１０の外部表面温度を検出する接触式の温度センサであり、電池の外装表面に接触配置される。温度センサ１２は、例えばサーミスタである。温度センサ１２は、検出信号を電池ＥＣＵ１８に出力する。
【００１７】
電池ヒータ１４は、組電池１０を外部から加熱するものであり、電源１６からの電力供給を受けて組電池１０を加熱する。電池ヒータ１４は、電池ＥＣＵ１８からの制御指令を受けて駆動され、発熱量（出力）を含む作動状況を電池ＥＣＵ１８に出力する。電池ヒータ１４は、図では組電池１０との間に温度センサ１２を挟むような位置に配置されるが、必ずしもこのような配置に限定されない。但し、本実施形態は、組電池１０と電池ヒータ１４との間に温度センサ１２が配置されるような構成において特に好適である。
【００１８】
電池ＥＣＵ１８は、組電池１０の充放電を制御するコントロールユニットであり、かつ、組電池１０の温度を管理するコントロールユニットである。電池ＥＣＵ１８は、温度センサ１２からの検出信号を入力して組電池１０の温度を監視し、組電池１０の温度が閾温度以下であって低温と判定した場合に、電池ヒータ１４を駆動して組電池１０を加熱する。また、電池ＥＣＵ１８は、組電池１０のＳＯＣや車両からの各種操作信号及び検出信号に基づいて組電池１０の充放電を制御するが、本実施形態では、温度センサ１２からの検出信号と、電池ヒータ１４の作動状況に応じて、組電池１０の使用タイミング、すなわち組電池１０の使用待機時間を増減調整する。
【００１９】
図２は、電池ＥＣＵ１８の構成ブロック図である。電池ＥＣＵ１８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｆ）を備える。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムに基づき、ＲＡＭをワーキングメモリとして以下に示す処理を実行する。ＣＰＵは、入出力Ｉ／Ｆを介して温度センサ１２からの検出信号を入力する。また、ＣＰＵは、入出力Ｉ／Ｆを介して電池ヒータ１４に対して駆動指令を出力するとともに、電池ヒータ１４の作動信号を入力する。さらに、ＣＰＵは、入出力Ｉ／Ｆを介して組電池１０を駆動する駆動回路に対して充放電制御指令を出力する。電池ＥＣＵ１８による組電池１０の充放電制御は公知であり、組電池１０は、システムメインリレーを介して昇圧コンバータ、インバータ及びモータジェネレータに接続される。電池ＥＣＵ１８は、車両のイグニッションスイッチのオン／オフに応じてシステムメインリレーのオン／オフを制御する。また、インバータの動作を制御して組電池１０からの直流電力を三相交流電力に変換してモータジェネレータに供給するとともに、車両の減速時等にはモータジェネレータが生成した交流電力を直流電力に変換して組電池１０に供給する。電池ＥＣＵ１８は、組電池１０の入力電力及び出力電力が、予め設定された上限値を超えないように駆動回路を制御する。
【００２０】
本実施形態における、ＣＰＵでの処理の基本原理は以下のとおりである。
【００２１】
すなわち、温度センサ１２で検出された組電池１０の温度を閾温度と比較し、閾温度以下の場合に電池ヒータ１４を駆動して組電池１０を加熱して昇温する。電池ヒータ１４で組電池１０を外部から加熱する場合、組電池１０の内部温度とその周囲の温度には温度差が生じるが、当該温度差は電池ヒータ１４での加熱開始からの経過時間に依存し、経過時間が短いほど温度差は大きく、経過時間が増大するにつれ温度差は小さくなっていく。そこで、ＣＰＵは、電池ヒータ１４での加熱開始からの経過時間を用いて組電池１０の内部温度と周囲温度との温度差を推定し、温度差が十分小さくなり温度センサ１２で検出される温度が組電池１０の内部温度を十分正確に反映していると判定できるまで組電池１０の使用（充放電制御）を待機する。
【００２２】
また、ＣＰＵは、電池ヒータ１４で組電池１０を外部から加熱する場合、組電池１０の内部温度とその周囲の温度には温度差が生じるが、当該温度差は電池ヒータ１４での加熱量（出力）にも依存し、加熱量が多いほど温度差は大きく、加熱量が小さいほど温度差は小さくなっていく。そこで、ＣＰＵは、電池ヒータ１４での加熱量を用いて組電池１０の内部温度と周囲温度との温度差を推定し、温度差が十分小さくなり温度センサ１２で検出される温度が組電池１０の内部温度を十分正確に反映していると判定できるまで組電池１０の使用（充放電制御）を待機する。
【００２３】
ＣＰＵは、このように、電池ヒータ１４での加熱時において、加熱開始からの経過時間の大小、及び加熱量（出力）の大小に応じて、組電池１０の使用待機時間を増減調整することで、電池ヒータ１４での加熱後の、温度センサ１２で検出された温度と、実際の組電池１０の内部温度との温度差を補償ないしキャンセルし、温度差に起因するリチウムの析出、すなわち、温度センサ１２で検出された温度よりも組電池１０の実際の内部温度が低いため、温度センサ１２で検出された温度に基づいて不適切なタイミングで組電池１０を使用してしまうために生じ得るリチウムの析出を効果的に抑制できる。
【００２４】
なお、ＣＰＵは、電池ヒータ１４の加熱量（出力）の大小のみに応じて組電池１０の使用待機時間を調整することも可能であるが、この場合には、電池ヒータ１４で加熱し続け、組電池１０の内部温度と周囲温度が十分に均一になった状態においても組電池１０の使用を待機し続けてしまい、ユーザに対して必要以上の待機状態を強いることになるので好ましくない。従って、加熱開始からの経過時間と加熱量（出力）とに基づいて、組電池１０の使用待機時間を増減調整することが好適である。
【００２５】
＜処理＞
図３は、本実施形態における電池ＥＣＵ１８の処理フローチャートであり、組電池１０の使用待機時間を増減調整する処理フローチャートである。
【００２６】
まず、ＣＰＵは、温度センサ１２で検出された温度と、予めＲＯＭに記憶された閾温度とを大小比較し、検出温度が閾温度以下であるか否かを判定する（Ｓ１０１）。
【００２７】
検出温度が閾温度以下である場合、次に、ＣＰＵは、電池ヒータ１４を使用しているか否かを判定する（Ｓ１０２）。電池ヒータ１４の使用開始温度を閾温度に設定している場合、ＣＰＵは、電池ヒータ１４に駆動指令を出力して電池ヒータ１４による加熱を開始する。既に電池ヒータ１４による加熱が開始されている場合には、Ｓ１０２ではＹＥＳと判定される。ＣＰＵは、電池ヒータ１４による加熱を開始した場合、内蔵タイマをスタートさせる。
【００２８】
電池ヒータ１４により組電池１０を加熱している場合、次に、ＣＰＵは、内蔵タイマで計測している加熱開始からの経過時間と、予めＲＯＭに記憶された閾時間とを大小比較し、経過時間が閾時間以下であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。
【００２９】
経過時間が閾時間以下である場合、次に、ＣＰＵは、電池ヒータ１４の加熱量、すなわち出力と、予めＲＯＭに記憶された所定値とを大小比較し、加熱量（出力）が所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。この判定は、例えば電池ヒータ１４による加熱のモードに、通常出力である通常モードと、それ以上の出力である急速加熱モードの２つのモードがある場合に、急速加熱モードであるか否かを判定する処理としてもよい。そして、電池ヒータ１４による加熱量（出力）が所定値以上である場合、あるいは急速加熱モードである場合、ＣＰＵは、組電池１０の使用待機時間として第１時間を設定してＲＡＭに記憶する（Ｓ１０５）。また、電池ヒータ１４による加熱量（出力）が所定値未満である場合、あるいは通常加熱モードである場合、ＣＰＵは、組電池１０の使用待機時間として第２時間を設定してＲＡＭに記憶する（Ｓ１０６）。ここで、
第１時間＞第２時間
である。
【００３０】
他方、Ｓ１０３で判定した結果、経過時間が閾時間を超えている場合、ＣＰＵは、組電池１０の使用待機時間として第３時間を設定してＲＡＭに記憶する（Ｓ１０７）。ここで、
第１時間＞第２時間＞第３時間
である。
【００３１】
待機時間を設定した後、ＣＰＵは、内蔵タイマで計測している加熱開始からの経過時間と、設定した待機時間とを大小比較し、経過時間が待機時間に達したか否かを判定する（Ｓ１０８）。経過時間が未だ待機時間に達していない場合、Ｓ１０３以降の処理を繰り返す。このとき、経過時間が未だ閾時間以下であればＳ１０４以降の処理に移行するが、既に第１時間あるいは第２時間が設定されてＲＡＭに記憶されていれば、再度、待機時間を設定することなくＳ１０８に移行して待機時間に達したか否かを判定する。他方、経過時間が閾時間に達していればＳ１０７の処理に移行し、たとえ第１時間あるいは第２時間が設定されてＲＡＭに記憶されていても、再度、待機時間を第３時間に設定する。
【００３２】
以上の処理を繰り返し実行し、経過時間が待機時間に達すると、ＣＰＵは、車両の起動を開始し、組電池１０の使用、すなわち充放電制御を開始する（Ｓ１０９）。具体的には、ＣＰＵは、システムメインリレーをオフからオンにして組電池１０とインバータとを接続し、充放電を開始する。
【００３３】
他方、Ｓ１０１で組電池１０の温度が閾温度を超えている場合や、電池ヒータ１４が駆動されていない場合は、電池ヒータ１４の加熱に伴う本実施形態の処理は実行せず、組電池１０の使用を待機することなく充放電制御を実行する。
【００３４】
本実施形態では、ＣＰＵは、電池ヒータ１４の加熱開始から閾時間が経過するまでは、電池ヒータ１４による加熱量（出力）に応じて待機時間を増減調整し、加熱開始から閾時間を経過した後は、一定の待機時間（第３時間）後に組電池１０の使用を許容するということができる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【００３６】
例えば、本実施形態では、経過時間が閾時間を超えた場合には、組電池１０の使用待機時間を第３時間に設定しているが、経過時間が閾時間を超えた場合には、待機時間を設定することなく直ちに組電池１０の使用を許容してもよい。
【００３７】
また、本実施形態では、電池ヒータ１４による加熱量（出力）に応じて第１時間及び第２時間という２つの待機時間を設定しているが、必要に応じて３つ以上の待機時間を設定してもよい。
【００３８】
また、本実施形態では、電池ヒータ１４による加熱開始からの経過時間と、電池ヒータ１４による加熱量（出力）に応じて組電池１０の使用待機時間を増減調整するものであるが、経過時間と加熱量と待機時間との関係を予めマップとして規定してＲＯＭに格納し、ＣＰＵが、電池ヒータ１４による加熱を開始した後に当該マップを参照し、経過時間と加熱量（出力）とに応じた待機時間を取得して設定してもよい。
【００３９】
さらに、本実施形態において、組電池１０の内部温度と周囲温度との温度差と待機時間との関係を予めマップとして規定してＲＯＭに格納し、加熱開始からの経過時間と、電池ヒータ１４による加熱量（出力）に応じて組電池１０の内部温度と周囲温度との温度差を推定し、電池ヒータ１４による加熱を開始した後に当該マップを参照することで推定した温度差に対応する待機時間を取得して設定してもよい。
【００４０】
本発明は、加熱手段による加熱開始からの経過時間と、加熱手段の加熱量（出力）とに応じ、経過時間が短いほど待機時間を増大させ、かつ、加熱量（出力）が大きいほど待機時間を増大させるように調整する、言い換えれば、経過時間が長いほど待機時間を減少させ、かつ、加熱量（出力）が小さいほど待機時間を減少させるように調整するものであり、かかる技術思想の範囲内において任意の変更が可能である。従って、本実施形態では、組電池１０の使用待機時間を増減調整しているが、使用待機時間に代えて使用禁止期間としてもよく、また、Ｓ１０１で検出された組電池１０の温度に応じて、第１時間〜第３時間の大小関係を維持しつつ、第１時間〜第３時間の値を適宜調整してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０  組電池、１２  温度センサ（温度検出手段）、１４  電池ヒータ（加熱手段）、１６  電源、１８  電池ＥＣＵ（制御手段）。
【図１】
2017147032.tif 000003
【図２】
2017147032.tif 000004
【図３】
2017147032.tif 000005