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JP7035968B2 - バッテリの昇温装置 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリの昇温装置に関する。
スイッチング素子を使った電圧コンバータにおいて、スイッチング素子のスイッチング動作に伴って発生する電流のリップルを利用して、バッテリを昇温する技術が開示されている（例えば特許文献１）。特許文献１の技術では、２個の電圧コンバータのスイッチング素子に対して、バッテリの温度が所定の閾値温度よりも低い場合、同じ波形の駆動信号であってバッテリの温度が閾値温度よりも高い場合と比較して位相差の小さい駆動信号を供給している。
特開２０１２－２１０１３８号公報
しかしながら、特許文献１の技術では、発生する電流のリップルの振幅は一定かつ制限されたものであり、バッテリの昇温効果の上で改善の余地がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、効果的に昇温を行うことができるバッテリの昇温装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るバッテリの昇温装置は、バッテリと電気的な負荷との間に並列接続されたコンデンサと、前記バッテリと前記負荷との間で前記コンデンサよりも前記バッテリ側に、前記コンデンサと接続されたリアクトルと、前記リアクトルの前記負荷側の端子と前記コンデンサの一方の端子とに接続された第１スイッチング手段と、前記リアクトルの前記負荷側の端子と前記コンデンサの他方の端子とに接続された第２スイッチング手段と、前記第１スイッチング手段及び前記第２スイッチング手段のオン／オフ状態を制御する制御部と、前記リアクトルに流れるリアクトル電流の向き及び電流値を検出する電流センサと、を備え、前記制御部は、前記バッテリの温度に関連するパラメータについての条件を含む、バッテリ昇温モード制御実行条件を満たしていると判定した場合、前記第１スイッチング手段がオン状態、前記第２スイッチング手段がオフ状態であり、前記コンデンサが充電状態から放電状態に切り替わった後で、前記バッテリの電圧が前記コンデンサの両端子間の電圧よりも大きい状態において、前記リアクトル電流の向きが前記負荷側から前記バッテリ側へ流れる向きである状態から電流値が略ゼロになったときに、前記第１スイッチング手段をオフ状態とし、前記第２スイッチング手段をオン状態とする第１制御を含むバッテリ昇温モード制御を行うことを特徴とする。
上記発明において、前記バッテリ昇温モード制御は、前記リアクトル電流の向きが前記バッテリ側から前記負荷側へ流れる向きである状態において、前記リアクトル電流の電流値が設定値より大きくなったときに、前記第１スイッチング手段をオン状態とし、前記第２スイッチング手段をオフ状態とする第２制御を含んでもよい。これにより、コンデンサ電圧を高くできるとともに、リアクトル電流を増加させることができる。
上記発明において、前記制御部は、前記第１制御と前記第２制御とを交互に繰り返し行ってもよい。これにより、リアクトル電流のリップルの振幅をさらに大きくできる。
上記発明において、前記リアクトル、前記第１スイッチング手段、及び前記第２スイッチング手段は、電圧コンバータを構成していてもよい。これにより、バッテリと負荷との間で電圧変換を行う電圧コンバータの構成を昇温に利用できる。
上記発明において、前記バッテリの温度に関連するパラメータを取得する取得手段を備えてもよい。これにより、バッテリの温度に関連するパラメータを好適に取得でき、昇温モード制御実行条件の判定を行うことができる。
上記発明において、前記取得手段は、前記バッテリの温度を検出する温度センサであり、前記バッテリの温度に関連するパラメータについての条件とは、前記温度センサが検出した温度が所定値以下であるという条件であってもよい。これにより、バッテリの温度を直接的な判定基準として、昇温モード制御実行条件の判定を行うことができる。
本発明によれば、制御部は、第１スイッチング手段がオン状態、第２スイッチング手段がオフ状態であり、コンデンサが充電状態から放電状態に切り替わった後で、バッテリの電圧がコンデンサの両端子間の電圧よりも大きい状態において、リアクトル電流の向きが負荷側からバッテリ側へ流れる向きである状態から電流値が略ゼロになったときに、第１スイッチング手段をオフ状態とし、第２スイッチング手段をオン状態とする。これにより、リアクトルとコンデンサとのＬＣ共振の効果によってコンデンサは放電された後に電圧が極小となり、その後リアクトル電流のリップルの振幅を大きくできるので、効果的にバッテリの昇温を行うことができるという効果を奏する。
図１は、実施形態に係るバッテリの昇温装置を搭載した車両の一例の概略構成図である。 図２は、バッテリの昇温装置を含む部分の回路構成図である。 図３は、リアクトル電流、コンデンサ電圧、バッテリ電圧、及びスイッチ信号のタイムチャートの一例を示す図である。 図４は、ＨＶ－ＥＣＵが行う制御の一例を示すフロー図である。 図５は、バッテリ昇温モード制御の一例を示すフロー図である。 図６は、図５のフロー図に対応するブロック線図及びリアクトル電流に対するＡＮＤ回路入力信号のグラフを示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る電源装置について具体的に説明する。本発明の実施形態に係る電源装置は、ハイブリッド車両やプラグインハイブリッド車両や電気車両（ＥＶ）等の電力を動力源とする車両の電源として好適に使用できるが、以下では主にハイブリッド車両に搭載される場合について説明する。
（実施形態）
図１は、実施形態に係るバッテリの昇温装置を搭載した車両の一例の概略構成図である。以下、バッテリの昇温装置は単に昇温装置と記載する場合がある。
車両１００は、ハイブリッド走行モードやＥＶ走行モードで走行可能なハイブリッド車両である。車両１００は、内燃機関であるエンジン（ＥＮＧ）１と、動力分割機構２と、駆動輪３と、モータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２と、インバータ（ＩＮＶ）４ａ、４ｂと、蓄電部５と、電圧コンバータ６と、コンデンサ１１と、電圧センサ１２、１４と、電流センサ１３と、温度センサ１５と、ＨＶ（Hybrid）－ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２１と、電池ＥＣＵ２２と、を少なくとも備えている。
エンジン１は、ガソリンエンジンやディ－ゼルエンジン等の周知の機関である。モータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２は、電動機及び発電機の両方の機能を有する。動力分割機構２は、例えば、サンギヤ、プラネタリーキャリア、リングギヤの三要素からなる遊星歯車機構からなる。エンジン１、モータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２は、それぞれ、三要素のいずれかに連結されている。
車両１００の走行時において、動力分割機構２は、例えば、エンジン１が出力する駆動力を二分割し、その一方をモータジェネレータＭＧ１側へ配分し、他方をモータジェネレータＭＧ２側へ配分する。モータジェネレータＭＧ１側へ配分された駆動力はモータジェネレータＭＧ１の発電に用いられる。モータジェネレータＭＧ２側へ配分された駆動力は、モータジェネレータＭＧ２が出力する駆動力と合成されて、駆動輪３へ出力される。
インバータ４ａ、４ｂは、直流電力と交流電力とを相互に変換する機能を有しており、正線ＰＬ及び負線ＮＬを介して蓄電部５に接続されている。インバータ４ａは、例えばモータジェネレータＭＧ１が発電した交流電力を直流電力に変換して、蓄電部５に供給する。インバータ４ｂは、例えば蓄電部５から供給された直流電力を交流電力に変換して、モータジェネレータＭＧ２に供給し、駆動力を発生させる。この場合、モータジェネレータＭＧ２やインバータ４ｂが蓄電部５に対する電気的な負荷である。
蓄電部５は、バッテリを備えており、正線ＰＬ及び負線ＮＬを介してインバータ４ａ、４ｂ側に電力を放電し、又はインバータ４ａ、４ｂ側から供給される電力を充電する。
電圧コンバータ６は、蓄電部５とインバータ４ａ、４ｂとの間に設けられており、正線ＰＬ及び負線ＮＬに接続されている。電圧コンバータ６は、蓄電部５からインバータ４ａ、４ｂ側に放電される電力の電圧を昇圧してインバータ４ａ、４ｂに出力する昇圧コンバータとして機能する。なお、電圧コンバータ６は、インバータ４ａ、４ｂ側から供給される電力の電圧を降圧して蓄電部５に出力する降圧コンバータとしても機能する。
コンデンサ１１は、蓄電部５とインバータ４ａ、４ｂとの間で正線ＰＬ及び負線ＮＬに接続されており、蓄電部５と並列接続されている。コンデンサ１１は、蓄電部５とインバータ４ａ及び４ｂとの間を流れる電力の平滑化を行う。また、コンデンサ１１は昇圧装置を構成しているが、これについては後に詳述する。電圧センサ１２は、正線ＰＬ及び負線ＮＬに接続されており、コンデンサ１１の両端子間の電圧であるコンデンサ電圧ＶＨを検出し、検出信号をＨＶ－ＥＣＵ２１に出力する。コンデンサ電圧ＶＨは電圧コンバータ６の昇圧側の出力電圧でもある。
電流センサ１３は、正線ＰＬに設けられており、蓄電部５が放電する電力の電流であるバッテリ電流ＩＢの電流値及び電流の流れる向きを検出し、その検出信号を電池ＥＣＵ２２に出力する。電圧センサ１４は、正線ＰＬ及び負線ＮＬに接続されており、蓄電部５のバッテリの電圧であるバッテリ電圧ＶＢを検出し、検出信号を電池ＥＣＵ２２に出力する。
温度センサ１５は、蓄電部５の近傍に設けられ、蓄電部５のバッテリの温度であるバッテリ温度ＴＢを検出し、検出信号を電池ＥＣＵ２２に出力する取得手段である。
ＨＶ－ＥＣＵ２１と電池ＥＣＵ２２とは、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）によって相互に通信可能に構成されており、各種指令や各種センサの検知結果等の各信号の送受信を行うことができる。ＨＶ－ＥＣＵ２１は、主に、車両１００の走行時においてドライバの要求に応じた車両駆動力を発生させるために、エンジン１及びモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２を制御するとともに、蓄電部５のバッテリの電圧を制御する。ＨＶ－ＥＣＵ２１には、エンジン１の回転数ＮＥや、モータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２の回転数や、車速や、アクセル開度や、コンデンサ電圧ＶＨや、バッテリ温度ＴＢや、後述するリアクトル電流ＩＬや、蓄電部５のバッテリの充電状態値（ＳＯＣ：State Of Charge）等の各信号が入力される。また、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、入力された情報に基づいて算出された、エンジン１に対する電子スロットル弁制御信号（弁制御信号）及び点火信号や、インバータ４ａ、４ｂを制御するためのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号である信号ＰＷＭ１、ＰＷＭ２や、電圧コンバータ６の動作を制御するためのＰＷＭ信号である信号ＰＷＭ３を出力する。
電池ＥＣＵ２２は、主に、蓄電部５のバッテリの充電状態の管理や異常検出や電圧制御を行う。電池ＥＣＵ２２には、バッテリ温度ＴＢや、バッテリ電圧ＶＢや、バッテリ電流ＩＢ等の各信号が入力される。電池ＥＣＵ２２は、バッテリ温度ＴＢ、バッテリ電圧ＶＢ、バッテリ電流ＩＢに基づいて蓄電部５のバッテリのＳＯＣを算出する。電池ＥＣＵ２２は、バッテリ温度ＴＢや、ＳＯＣ等の各信号をＨＶ－ＥＣＵ２１に送信する。
ＨＶ－ＥＣＵ２１と電池ＥＣＵ２２とは、いずれも、物理的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及び入出力等のインターフェースを含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子回路である。ＨＶ－ＥＣＵ２１と電池ＥＣＵ２２との機能は、ＲＯＭに保持されるアプリケーションプログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行することによって、ＣＰＵの制御のもとで制御対象を動作させるとともに、ＲＡＭやＲＯＭにおけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。
図２は、昇温装置を含む部分の回路構成図である。蓄電部５は、バッテリ５ａと、リレースイッチ５ｂ、５ｃとを備えている。バッテリ５ａは、例えばリチウムイオンバッテリである。バッテリ５ａの正極は正線ＰＬに接続されており、負極は負線ＮＬに接続されている。
リレースイッチ５ｂ、５ｃは、それぞれ、正線ＰＬ、負線ＮＬに設けられている。リレースイッチ５ｂ、５ｃは、いずれも、車両１００の不図示のメインスイッチがオン状態とされると開放状態となり、オフ状態にされると閉成状態となる。これにより、メインスイッチがオン状態にされると蓄電部５と電圧コンバータ６とが電気的に導通され、バッテリ電流ＩＢが流れる。メインスイッチがオフ状態にされると蓄電部５と電圧コンバータ６とが電気的に遮断される。なお、温度センサ１５は、バッテリ温度ＴＢを検出するためにバッテリ５ａの近傍に設けられている。
電圧コンバータ６は、リアクトル６ａと、第１スイッチング手段であるスイッチング素子６ｂと、第２スイッチング手段であるスイッチング素子６ｃと、フィルタコンデンサ６ｄとを備えている。電圧コンバータ６は、同期整流型のコンバータとして構成されている。また、電圧コンバータ６には電流センサ６ｅが設けられている。
リアクトル６ａは、正線ＰＬに設けられており、コンデンサ１１に対して接続されている。
スイッチング素子６ｂ、６ｃは、例えばトランジスタであり、本実施形態では、いずれもＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子６ｂ、６ｃには、それぞれ、ダイオードが逆並列接続されている。スイッチング素子６ｂ、６ｃは、スイッチング素子６ｂのエミッタがスイッチング素子６ｃのコレクタに接続されるように直列接続されている。また、スイッチング素子６ｂのエミッタとスイッチング素子６ｃのコレクタとは、リアクトル６ａの負荷側の端子に接続されている。スイッチング素子６ｂのコレクタはコンデンサ１１の一方の端子に接続されている。スイッチング素子６ｃのエミッタはコンデンサ１１の他方の端子に接続されている。スイッチング素子６ｂ、６ｃは、ＨＶ－ＥＣＵ２１からの信号ＰＷＭ３に含まれる信号Ｓ１、Ｓ２がそれぞれのゲートに入力され、所定のタイミングでオン状態又はオフ状態となるように制御される。
フィルタコンデンサ６ｄは、正線ＰＬ及び負線ＮＬに接続されており、リアクトル６ａに対して接続されている。フィルタコンデンサ６ｄは、リアクトル６ａと連動して電気エネルギーの充放電を行う。
電流センサ６ｅは、リアクトル６ａと直列接続するように正線ＰＬに設けられており、リアクトル電流ＩＬの電流値及び電流の流れる向きを検出し、検出信号をＨＶ－ＥＣＵ２１に出力する。
インバータ４ａは、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の上下アームを構成するスイッチング素子４ａａ、４ａｂ、４ａｃ、４ａｄ、４ａｅ、４ａｆを備える。Ｕ相の上下アームでは、上アーム素子であるスイッチング素子４ａａと下アーム素子であるスイッチング素子４ａｂとが直列に接続されている。Ｖ相の上下アームでは、上アーム素子であるスイッチング素子４ａｃと下アーム素子であるスイッチング素子４ａｄとが直列に接続されている。Ｗ相の上下アームでは、上アーム素子であるスイッチング素子４ａｅと下アーム素子であるスイッチング素子４ａｆとが直列に接続されている。スイッチング素子４ａａ、４ａｂ、４ａｃ、４ａｄ、４ａｅ、４ａｆは、例えばトランジスタであるが、本実施形態では、いずれもＩＧＢＴであり、ダイオードが逆並列接続されている。スイッチング素子４ａａ、４ａｂ、４ａｃ、４ａｄ、４ａｅ、４ａｆの各ゲートには信号ＰＷＭ１に含まれるＰＷＭ信号が入力され、それぞれの素子のそれぞれのタイミングでオン状態又はオフ状態となるように制御される。
同様に、インバータ４ｂは、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の上下アームを構成するスイッチング素子４ｂａ、４ｂｂ、４ｂｃ、４ｂｄ、４ｂｅ、４ｂｆを備える。Ｕ相の上下アームでは、上アーム素子であるスイッチング素子ｂａａと下アーム素子であるスイッチング素子４ｂｂとが直列に接続されている。Ｖ相の上下アームでは、上アーム素子であるスイッチング素子４ｂｃと下アーム素子であるスイッチング素子４ｂｄとが直列に接続されている。Ｗ相の上下アームでは、上アーム素子であるスイッチング素子４ｂｅと下アーム素子であるスイッチング素子４ｂｆとが直列に接続されている。スイッチング素子４ｂａ、４ｂｂ、４ｂｃ、４ｂｄ、４ｂｅ、４ｂｆは、例えばトランジスタであるが、本実施形態では、いずれもＩＧＢＴであり、ダイオードが逆並列接続されている。スイッチング素子４ｂａ、４ｂｂ、４ｂｃ、４ｂｄ、４ｂｅ、４ｂｆの各ゲートには信号ＰＷＭ２に含まれるＰＷＭ信号が入力され、それぞれの素子がそれぞれのタイミングでオン状態又はオフ状態となるように制御される。
本実施形態では、昇温装置は、リアクトル６ａ、スイッチング素子６ｂ、６ｃ、電流センサ６ｅ、コンデンサ１１、温度センサ１５、及びＨＶ－ＥＣＵ２１を含んで構成されている。
つぎに、ＨＶ－ＥＣＵ２１が実行する制御について説明する。なお、以下の説明では、リアクトル電流であるリアクトル電流ＩＬの向きがバッテリ５ａ側から負荷側に流れる向きである場合を正の向きとしてその電流値を正値で表し、負荷側からバッテリ５ａ側に流れる向きである場合を負の向きとしてその電流値を負値で表すものとする。
ＨＶ－ＥＣＵ２１は、バッテリ５ａの温度に関連するパラメータについての条件を含む、バッテリ昇温モード制御実行条件を満たしていると判定した場合、以下のようなバッテリ昇温モード制御を実行する。本実施形態では、バッテリ５ａの温度に関連するパラメータについての条件とは、温度センサ１５が検出したバッテリ温度ＴＢが所定値以下であるという条件である。また、本実施形態における昇温モード制御実行条件には、ドライバが駆動力を要求しているか否かという条件が含まれている。ＨＶ－ＥＣＵ２１は、例えばアクセル開度の信号に基づいて、ドライバが駆動力を要求しているかどうかを判定する。例えば、アクセル開度の信号が、アクセル開度がゼロであるという情報を含む信号である場合は、ドライバが駆動力を要求していないと判定される。ドライバが駆動力を要求してない場合としては、例えば車両１００が停車中などの場合がある。本実施形態では、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、バッテリ温度ＴＢが所定値以下であり、ドライバが駆動力を要求していないと判定した場合に、バッテリ昇温モード制御実行条件を満たしていると判定し、バッテリ昇温モード制御を実行する。
バッテリ昇温モード制御は、第１制御と第２制御とを含む。第１制御は、スイッチング素子６ｂがオン状態、スイッチング素子６ｃがオフ状態であり、コンデンサ１１が充電状態から放電状態に切り替わった後で、バッテリ電圧ＶＢが、コンデンサ１１のコンデンサ電圧ＶＨよりも大きい状態において行うものである。具体的には、第１制御は、リアクトル電流ＩＬが負値から略ゼロになったときに、スイッチング素子６ｂをオフ状態とし、スイッチング素子６ｃをオン状態とする制御である。
また、第２制御は、リアクトル電流ＩＬが正値である状態において行うものであり、リアクトル電流ＩＬが設定値（以下、スイッチオフ電流設定値Ｉｏｆｆとする）より大きくなったときに、スイッチング素子６ｂをオン状態とし、スイッチング素子６ｃをオフ状態とする制御である。
上記のようなバッテリ昇温モード制御を行った場合のリアクトル電流ＩＬ、コンデンサ電圧ＶＨ、バッテリ電圧ＶＢ、及び信号Ｓ１、Ｓ２の一例について、図３のタイムチャートを参照して説明する。
まず、バッテリ昇温モード制御の開始前は、信号Ｓ１、Ｓ２はいずれもＯＦＦであり、リアクトル電流ＩＬがゼロ、ＶＢ＝ＶＨであるとする。バッテリ電圧ＶＢは一定である。なお、例えば信号Ｓ１がＯＦＦであるとは、信号Ｓ１が、スイッチング素子６ｂをオフ状態とする状態であることを意味する。また、コンデンサ電圧ＶＨの符号については、コンデンサ１１の正線ＰＬに接続された側の端子（図２における矢印の向いている側）が高電位である場合を正とする。
バッテリ昇温モード制御の開始時刻をｔ＝０とすると、ｔ＝０において、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、信号Ｓ１をＯＦＦとし、信号Ｓ２をＯＮとする。これにより、スイッチング素子６ｂをオフ状態とし、スイッチング素子６ｃをオン状態とする。
スイッチング素子６ｂをオフ状態とし、スイッチング素子６ｃをオン状態とすることによって、リアクトル電流ＩＬが正値で増加する。時刻ｔ１において、リアクトル電流ＩＬがＩｏｆｆより大きくなると、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、スイッチング素子６ｂをオン状態とし、スイッチング素子６ｃをオフ状態とする第２制御を行う。
その後、リアクトル電流ＩＬが減少するが、コンデンサ１１が充電されてコンデンサ電圧ＶＨが増加する。その後、リアクトル電流ＩＬが負値になるとコンデンサ１１が放電してコンデンサ電圧ＶＨが減少する。その後、時刻ｔ２において、コンデンサ電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢより小さくなるとリアクトル電流ＩＬは極小値をとって再び増加し始める。
時刻ｔ２の後は、スイッチング素子６ｂがオン状態、スイッチング素子６ｃがオフ状態であり、コンデンサ１１が充電状態から放電状態に切り替わった後で、バッテリ電圧ＶＢが、コンデンサ電圧ＶＨよりも大きいという状態が成立する。その後、時刻ｔ３において、リアクトル電流ＩＬが負値から略ゼロになったときに、コンデンサ電圧ＶＨは負値で極小になる。このとき、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、スイッチング素子６ｂをオフ状態とし、スイッチング素子６ｃをオン状態とする第１制御を行う。このようなタイミングで第１制御を行うことによって、ＬＣ共振の効果によってコンデンサ１１は放電された後にコンデンサ電圧ＶＨが極小となり、かつバッテリ電圧ＶＢを基準とした振幅を負の方向に増大できる。
その後、リアクトル電流ＩＬは正値で増加する。時刻ｔ４において、リアクトル電流ＩＬがＩｏｆｆより大きくなると、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、再びスイッチング素子６ｂをオン状態とし、スイッチング素子６ｃをオフ状態とする第２制御を行う。その後、ＶＨ＜ＶＢの間はスイッチング素子６ｃがオフ状態であってもリアクトル電流ＩＬは増大する。すなわち、ＬＣ共振の効果によって、リアクトル電流ＩＬの正の方向での振幅が時刻ｔ１における振幅よりも増大する。
その後、時刻ｔ５において、コンデンサ電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢより小さくなるとリアクトル電流ＩＬは極小値をとって再び増加し始めるが、このときのリアクトル電流ＩＬの振幅は、ＬＣ共振の効果によって時刻ｔ２における振幅よりも負の方向に増大している。
その後、時刻ｔ６において第１制御を行い、時刻ｔ７において第２制御を行うことで、時刻ｔ８においてリアクトル電流ＩＬの振幅を、時刻ｔ５における振幅よりも負の方向に増大させることができる。
その後、時刻ｔ９において第１制御を行い、時刻ｔ１０において第２制御を行うことで、リアクトル電流ＩＬの振幅を、正の方向にさらに増大させることができる。このように、第１制御と第２制御とを交互に繰り替えし行う結果、電流軸に沿った白い両矢線で示すように、大振幅のリップル電流としてのリアクトル電流ＩＬ５が得られる。これをバッテリ５ａに流すことによって効果的に昇温を行うことができる。
ここで、時間軸に沿った白い両矢線は、第２制御を行う時刻ｔ１と時刻ｔ４との間隔Ｔを示している。図３から解るように、その次に第２制御を行う時刻ｔ４と時刻ｔ７との間隔は間隔Ｔより長くなっており、さらにその次に第２制御を行う時刻ｔ７と時刻ｔ１０との間隔はさらに長くなっている。第１制御を行う間隔についても同様である。このように、本実施形態では、バッテリ昇温モード制御においては、スイッチング素子６ｂ及びスイッチング素子６ｃの切り換え（スイッチング）を、通常の電圧コンバータ６における制御のように一定間隔で行うものとは限らない。すなわち、コンデンサ電圧ＶＨが極小になる、又はリアクトル電流ＩＬが負値から略ゼロになるタイミングで、スイッチング素子６ｂ及びスイッチング素子６ｃの切り換えを行う。その結果、ＬＣ共振によるリアクトル電流ＩＬの振幅の増大を効果的に行うことができる。
また、このときのリアクトル電流ＩＬの変化は比較的低周波であるので、フィルタコンデンサ６ｄでの減衰を受けにくく、効果的にバッテリ５ａに流れ、昇温させることができる。
特に、バッテリ５ａがリチウムイオンバッテリである場合、外気温が低温時には入出力特性が低下するという温度特性を有しているので、本実施形態に係る昇温装置を用いることが好適である。
図４は、ＨＶ－ＥＣＵが行う制御の一例を示すフロー図である。本制御フローは、例えば車両１００のメインスイッチがオン状態とされた後に繰り替えし実行されるものである。本制御フローでは、ステップＳ１０１において、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、駆動力の要求がないかを判定する。ＨＶ－ＥＣＵ２１は、例えばアクセル開度の信号に基づいて、駆動力の要求がないかを判定する。駆動力の要求がないと判定した場合（ステップＳ１０１、Ｙｅｓ）、制御はステップＳ１０２に進み、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、バッテリ５ａが低温であるかを判定する。本制御フローでは、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、バッテリ温度ＴＢが所定値以下である場合、バッテリ５ａが低温であると判定する。バッテリ５ａが低温であると判定した場合（ステップＳ１０２、Ｙｅｓ）、制御はステップＳ１０３に進み、ＨＶ－ＥＣＵ２１はサブルーチンであるバッテリ昇温モード制御を実行し、その後本制御を終了する。一方、ＨＶ－ＥＣＵ２１が、駆動力の要求があると判定した場合（ステップＳ１０１、Ｎｏ）と、バッテリ５ａが低温ではないと判定した場合（ステップＳ１０２、Ｎｏ）は、制御はステップＳ１０４に進み、ＨＶ－ＥＣＵ２１は通常モード制御を実行し、その後本制御を終了する。なお、通常モード制御とは、ＨＶ－ＥＣＵ２１が、スイッチング素子６ｂとスイッチング素子６ｃとを、所望の電圧変換を行う電圧コンバータ６として機能させるように信号ＰＷＭ３を生成し、電圧コンバータ６に出力して制御を行うものである。
図５は、サブルーチンであるバッテリ昇温モード制御の一例を示すフロー図である。以下では、スイッチング素子６ｂをＳＷ１、スイッチング素子６ｃをＳＷ１と記載する。本制御フローでは、ステップＳ１１０において、ＨＶ－ＥＣＵ２１はＳＷ２をオン状態とし、ＳＷ１をオフ状態とする。
つづいて、ステップＳ１１１において、ＨＶ－ＥＣＵ２１はリアクトル電流ＩＬがスイッチオフ電流設定値より大きいかを判定する。リアクトル電流ＩＬがスイッチオフ電流設定値より大きくないと判定した場合（ステップＳ１１１、Ｎｏ）はステップＳ１１１を繰り返し実行する。リアクトル電流ＩＬがスイッチオフ電流設定値より大きいと判定した場合（ステップＳ１１１、Ｙｅｓ）は、制御はステップＳ１１２に進む。
ステップＳ１１２において、ＨＶ－ＥＣＵ２１はＳＷ２をオフ状態とし、ＳＷ１をオン状態とする（第２制御）。
つづいて、ステップＳ１１３において、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、リアクトル電流ＩＬがゼロより小さいか、すなわち負値かを判定する。リアクトル電流ＩＬがゼロより小さくないと判定した場合（ステップＳ１１３、Ｎｏ）、ステップＳ１１３を繰り返し実行する。リアクトル電流ＩＬがゼロより小さいと判定した場合（ステップＳ１１３、Ｙｅｓ）、制御はステップＳ１１４に進む。
ステップＳ１１４において、ＨＶ－ＥＣＵ２１はＳＷ２のオフ状態、ＳＷ１のオン状態をそれぞれ維持する。
つづいて、ステップＳ１１５において、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、リアクトル電流ＩＬがゼロより大きいか、すなわち負値でないかを判定する。この判定はリアクトル電流ＩＬが負値から略ゼロになったかどうかの判定に相当する。リアクトル電流ＩＬがゼロより大きくないと判定した場合（ステップＳ１１５、Ｎｏ）、ステップＳ１１５を繰り返し実行する。リアクトル電流ＩＬがゼロより大きいと判定した場合（ステップＳ１１５、Ｙｅｓ）、制御はステップＳ１１６に進む。
ステップＳ１１６において、ＨＶ－ＥＣＵ２１はＳＷ２をオン状態とし、ＳＷ１をオフ状態とする（第１制御）。
つづいて、ステップＳ１１７において、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、バッテリ昇温モード制御を終了するか判定する。ＨＶ－ＥＣＵ２１は、駆動力の要求がない、かつバッテリ温度ＴＢが所定値以下である場合、バッテリ昇温モード制御を終了しないと判定し（ステップＳ１１７、Ｎｏ）、制御はステップＳ１１１に戻る。ＨＶ－ＥＣＵ２１は、駆動力の要求がある、又はバッテリ温度ＴＢが所定値より大きい場合、バッテリ昇温モード制御を終了すると判定し（ステップＳ１１７、Ｙｅｓ）、制御はリターンする。
図６（ａ）は、図５のフロー図に対応するブロック線図を示す図である。図６（ａ）に示すように、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、通常モード制御部２１ａと、バッテリ昇温モード制御部２１ｂと、切替部２２ｃと、ＮＯＴ回路２２ｄとを有する。
通常モード制御部２１ａは、通常モード制御を実行する場合の信号Ｓ２を出力する。バッテリ昇温モード制御部２１ｂは、バッテリ昇温モード制御を実行する場合の信号Ｓ２を出力する。切替部２２ｃは、バッテリ５ａが低温であると判定された場合はバッテリ昇温モード制御部２１ｂからの信号Ｓ２を出力し、低温ではないと判定された場合は通常モード制御部２１ａからの信号Ｓ２を出力するように出力の切り替えを行う。ＮＯＴ回路２２ｄは切替部２２ｃから信号Ｓ２が入力されるとこれを反転し、信号Ｓ１を出力する。信号Ｓ１、Ｓ２は信号ＰＷＭ３を構成して電圧コンバータ６に出力される。
通常モード制御部２１ａは、電圧指示生成部２１ａａと、比例積分（ＰＩ）演算部２１ａｂ、２１ａｃと、ＰＷＭ演算部２１ａｄとを有する。
通常モード制御部２１ａでは、電圧指示生成部２１ａａは、車速やアクセル開度から演算された、モータジェネレータＭＧ２に対して要求されるモータトルクやモータ回転数が入力されて、電圧コンバータ６の出力電圧（コンデンサ電圧ＶＨに相当）に対する指示電圧ＶＨ＊を出力する。ＰＩ演算部２１ａｂは、ＶＨ＊と測定された現在のコンデンサ電圧ＶＨとの差が入力されて、リアクトル電流に対する指示電流ＩＬ＊を出力する。ＰＩ演算部２１ａｃは、ＩＬ＊と測定された現在のリアクトル電流ＩＬとの差が入力されて、信号ＰＷＭ３に対するデューティー比の指示信号ｄｕｔｙ１を出力する。ＰＷＭ演算部２１ａｄは、指示信号ｄｕｔｙ１が入力されて、ＰＷＭ信号である信号Ｓ２を出力する。
バッテリ昇温モード制御部２１ｂは、比較器２１ｂａ、２１ｂｂと、ＮＯＴ回路２２ｂｃと、フリップフロップ回路２１ｂｄと、ＡＮＤ回路２１ｂｅとを有する。
バッテリ昇温モード制御部２１ｂでは、比較器２１ｂａは、リアクトル電流ＩＬとゼロ値との比較結果を出力する。比較器２１ｂｂは、リアクトル電流ＩＬとスイッチオフ電流設定値との比較結果を出力する。ＮＯＴ回路２２ｂｃは比較器２１ｂａの出力が入力され、これを反転して出力する。フリップフロップ回路２１ｂｄは、セット（Ｓ）側にＮＯＴ回路２２ｂｃの出力が入力され、リセット（Ｒ）側に比較器２１ｂｂの出力が入力される。ＡＮＤ回路２１ｂｅは、比較器２１ｂａの出力とフリップフロップ回路２１ｂｄの出力とが入力され、信号Ｓ２を出力する。
図６（ｂ）は、リアクトル電流ＩＬに対するＡＮＤ回路入力信号のグラフを示す。図６（ｂ）では、上側が比較器２１ｂａからＡＮＤ回路２１ｂｅへ入力信号を示し、下側がフリップフロップ回路２１ｂｄからＡＮＤ回路２１ｂｅへ入力信号を示している。上側では、比較器２１ｂａからの出力信号は、リアクトル電流ＩＬが負値の場合はＬｏ信号であり、ゼロから正値に増加するとＨｉ信号となり、正値から負値に減少するとＬｏ信号となる。一方、下側では、フリップフロップ回路２１ｂｄからの出力信号は、リアクトル電流ＩＬが負値の場合はＨｉ信号であり、ゼロから正値に増加してもＨｉ信号は保持され、スイッチオフ電流設定値Ｉｏｆｆより大きくなるとリセットされてＬｏ信号となる。また、その後リアクトル電流ＩＬがスイッチオフ電流設定値Ｉｏｆｆ以下になってもＬｏ信号は保持されるが、負値になるとセットされて所定のディレイの後にＨｉ信号となる。なお、スイッチオフ電流設定値Ｉｏｆｆは例えば電圧コンバータ６の耐量に応じてその値が設定される。
以上説明したように、本実施形態に係る昇温装置によれば、リップル電流の振幅を大きくできるので、効果的にバッテリの昇温を行うことができる。その結果、バッテリの出力が低下するような低温時でも、バッテリの温度を速やかに、走行可能な程度に昇温させることができる。また、バッテリの昇温のために追加のヒータを設けなくてもよい。
なお、上記実施形態では、バッテリ昇温モード制御において、図５のステップＳ１１３ではリアクトル電流ＩＬがゼロより小さいかを判定している。ここで、図３に示すように、リアクトル電流ＩＬがゼロより小さくなるとコンデンサ電圧ＶＨの傾きが負値になる。したがって、リアクトル電流ＩＬがゼロより小さいかの判定は、コンデンサ電圧ＶＨの傾きが負値かの判定を行っていることと同等である。したがって、コンデンサ電圧ＶＨの傾きが負値かの判定を行ってもよい。また、図５のステップＳ１１５ではリアクトル電流ＩＬがゼロより大きいかを判定している。ここで、図３に示すように、リアクトル電流ＩＬがゼロより大きくなるとコンデンサ電圧ＶＨの傾きがゼロ以上になる。したがって、リアクトル電流ＩＬがゼロより大きいかの判定は、コンデンサ電圧ＶＨの傾きがゼロ以上かの判定を行っていることと同等である。したがって、コンデンサ電圧ＶＨの傾きがゼロ以上かの判定を行ってもよい。
また、上記実施形態では、バッテリ５ａの温度に関連するパラメータについての条件とは、温度センサ１５が検出したバッテリ温度ＴＢが所定値以下であるという条件である。ただし、バッテリ５ａの温度に関連するパラメータについての条件はこれに限られない。
例えば、バッテリ５ａの温度に関連するパラメータについての条件は、外気温が所定値以下であるという条件でもよい。ＨＶ－ＥＣＵ２１は、外気温を不図示の外気温センサから取得してもよい。また、カーナビゲーションシステムなどの車載電子情報通信機器が外気温の予報値を通信によって取得可能な場合は、ＨＶ－ＥＣＵ２１は、その予測値を外気温の値として取得し、使用してもよい。また、バッテリ５ａの温度に関連するパラメータについての条件は、日付や時刻が所定の範囲であるという条件でもよい。日付が外気温の低い季節に該当する場合や、時刻が外気温の低い時間帯に該当する場合は、バッテリ５ａが、昇温が好ましい程度に低温であることが予測又は推定されるので、バッテリ昇温モード制御実行条件を構成し得る。ＨＶ－ＥＣＵ２１は、日付や時刻をカーナビゲーションシステムなどの車載電子情報通信機器から取得してもよいし、ＨＶ－ＥＣＵ２１自体が時計機能を備えていてもよい。また、バッテリ５ａの温度に関連するパラメータについての条件は、バッテリ入出力可能範囲（Ｗin、Ｗout）が所定の範囲内であるという条件でもよい。バッテリ入出力可能範囲とは、バッテリ５ａに入力及び出力が可能な電力の範囲である。例えば、上述したように、バッテリ５ａがリチウムイオンバッテリである場合、入出力特性は外気温に応じた温度特性を有する。したがって、バッテリ入出力可能範囲が所定範囲である場合は、バッテリ５ａが、昇温が好ましい程度に低温であることが予測又は推定されるので、バッテリ昇温モード制御実行条件を構成し得る。ＨＶ－ＥＣＵ２１は、バッテリ入出力可能範囲を、例えば電池ＥＣＵ２２から取得したり、電池ＥＣＵ２２から取得したバッテリ温度ＴＢやＳＯＣなどの信号に基づいて算出したりすることができる。
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。例えば、負荷はモータジェネレータやインバータに限定されるものではない。また、上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
４ａ、４ｂ インバータ
５ａ バッテリ
６ 電圧コンバータ
６ａ リアクトル
６ｂ、６ｃ スイッチング素子
６ｅ 電流センサ
１１ コンデンサ
１５ 温度センサ
２１ ＨＶ－ＥＣＵ
ＭＧ１、ＭＧ２ モータジェネレータ

Claims (6)

  1. バッテリと電気的な負荷との間に並列接続されたコンデンサと、
    前記バッテリと前記負荷との間で前記コンデンサよりも前記バッテリ側に、前記コンデンサと接続されたリアクトルと、
    前記リアクトルの前記負荷側の端子と前記コンデンサの一方の端子とに接続された第１スイッチング手段と、
    前記リアクトルの前記負荷側の端子と前記コンデンサの他方の端子とに接続された第２スイッチング手段と、
    前記第１スイッチング手段及び前記第２スイッチング手段のオン／オフ状態を制御する制御部と、
    前記リアクトルに流れるリアクトル電流の向き及び電流値を検出する電流センサと、
    を備え、
    前記制御部は、前記バッテリの温度に関連するパラメータについての条件を含む、バッテリ昇温モード制御実行条件を満たしていると判定した場合、
    前記第１スイッチング手段がオン状態、前記第２スイッチング手段がオフ状態であり、前記コンデンサが充電状態から放電状態に切り替わった後で、前記バッテリの電圧が前記コンデンサの両端子間の電圧よりも大きい状態において、
    前記リアクトル電流の向きが前記負荷側から前記バッテリ側へ流れる向きである状態から電流値が略ゼロになったときに、前記第１スイッチング手段をオフ状態とし、前記第２スイッチング手段をオン状態とする第１制御を含むバッテリ昇温モード制御を行う
    ことを特徴とするバッテリの昇温装置。
  2. 前記バッテリ昇温モード制御は、前記リアクトル電流の向きが前記バッテリ側から前記負荷側へ流れる向きである状態において、前記リアクトル電流の電流値が設定値より大きくなったときに、前記第１スイッチング手段をオン状態とし、前記第２スイッチング手段をオフ状態とする第２制御を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリの昇温装置。
  3. 前記制御部は、前記第１制御と前記第２制御とを交互に繰り返し行う
    ことを特徴とする請求項２に記載のバッテリの昇温装置。
  4. 前記リアクトル、前記第１スイッチング手段、及び前記第２スイッチング手段は、電圧コンバータを構成している
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載のバッテリの昇温装置。
  5. 前記バッテリの温度に関連するパラメータを取得する取得手段を備える
    ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載のバッテリの昇温装置。
  6. 前記取得手段は、前記バッテリの温度を検出する温度センサであり、
    前記バッテリの温度に関連するパラメータについての条件とは、前記温度センサが検出した温度が所定値以下であるという条件である
    ことを特徴とする請求項５に記載のバッテリの昇温装置。
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