充放電回路、二次電池の劣化診断装置、加温装置および電池パック
【課題】外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池の充放電を可能にする。
【解決手段】二次電池１０の充放電回路３０は、蓄電素子３１と、二次電池を放電させ、その放電された電力を蓄電素子に蓄積させる放電動作を行う放電回路と、蓄電素子に蓄積された電力により二次電池を充電する充電動作を行う充電回路と、放電動作と充電動作とを交互に切り替える切替回路３２，３３と、を備えることにより、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池の充放電を可能にする。
【解決手段】二次電池１０の充放電回路３０は、蓄電素子３１と、二次電池を放電させ、その放電された電力を蓄電素子に蓄積させる放電動作を行う放電回路と、蓄電素子に蓄積された電力により二次電池を充電する充電動作を行う充電回路と、放電動作と充電動作とを交互に切り替える切替回路３２，３３と、を備えることにより、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池の充放電を可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を充放電するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、交流電源からの交流電力を、サイリスタ整流器により直流電力に整流して二次電池（蓄電池 例えばリチウムイオン電池）を充電しつつ、その充電電圧を上昇させることにより発生するリプル電流およびリプル電圧を測定することにより、インピーダンスを算出し、その算出結果により二次電池の劣化度合いを診断する直流無停電電源装置がある（下記特許文献１参照）。
【０００３】
また、二次電池は、一般的に低温環境下では内部インピーダンスが上昇し、充放電の効率が低下するという特性がある。そこで、従来より、外部電源からの電力を利用して、二次電池の充電と放電とを交互に繰り返すことにより発生する熱によって二次電池を加温する加温装置がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０１５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記の直流無停電電源装置および加温装置はいずれも、交流電源等の外部電源からの電力を利用しなければ、二次電池の充放電を行うことができないという問題があった。
【０００６】
本願明細書は、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池の充放電が可能な技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための手段として、二次電池の充放電回路は、蓄電素子と、二次電池を放電させ、その放電された電力を前記蓄電素子に蓄積させる放電動作を行う放電回路と、前記蓄電素子に蓄積された電力により前記二次電池を充電する充電動作を行う充電回路と、前記放電回路の前記放電動作と前記充電回路の前記充電動作とを交互に切り替える切替回路と、を備える。
【０００８】
この構成によれば、二次電池を放電させ、その放電された電力を蓄電素子に蓄積させる放電動作と、蓄電素子に蓄積された電力により二次電池を充電する充電動作とが交互に切り替えられる。即ち、二次電池自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返す。このため、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池を充放電させることができる。即ち、外部電源の電力を利用しなくても二次電池を充放電させることができる。また、外部電源の電力を利用する構成において当該外部電源の消費電力を節約することができる。
【０００９】
二次電池の劣化診断装置は、上記充放電回路と、前記二次電池の端子間電圧を検出し、その検出信号を出力する検出回路と、前記切替回路を動作させつつ、前記検出信号に基づき、前記充放電回路による前記放電動作および前記充電動作の少なくとも一方の動作期間における前記二次電池の端子間電圧の変化量を算出し、当該変化量に基づき、前記二次電池の劣化度合いを診断する診断回路と、備える。
【００１０】
この構成によれば、二次電池自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返すため、外部電源の電力の利用を低減しつつ、二次電池の劣化度合いを診断することができる。
【００１１】
上記二次電池の劣化診断装置は、前記診断回路が、前記検出信号に基づき、前記動作期間のうち前記放電動作と前記充電動作との切替期間を除いた期間における前記端子間電圧の変化量を算出する構成でもよい。
【００１２】
放電動作と充電動作との切替期間での端子間電圧の変化は、主として二次電池のインダクタンス（Ｌ）成分による影響であり、充放電期間のうち当該切替期間を除く期間での端子間電圧の変化は、主として二次電池のリアクタンス（Ｒ）成分による影響である。そして、二次電池の劣化は、主としてリアクタンス成分に影響を与える。
そこで、この構成によれば、放電動作および充電動作の少なくとも一方の動作期間のうち、上記切替期間を除いた期間における端子間電圧の変化量に基づき、二次電池の劣化度合いを診断する。従って、上記切替期間を含めた期間における端子間電圧の変化量に基づき劣化度合いを診断する構成に比べて、劣化度合いの診断精度を高めることができる。
【００１３】
更に、上記二次電池の劣化診断装置は、当該劣化診断装置が、前記二次電池から電力を供給される負荷に並列接続される構成であり、前記二次電池と前記負荷との電気的接続を入り切りするスイッチング素子を有し、前記診断回路は、前記スイッチング素子をオフさせて前記二次電池と前記負荷とを電気的に遮断した後に、前記検出信号に基づき前記二次電池の劣化度合いを診断する構成でもよい。
【００１４】
この構成によれば、二次電池と負荷とを電気的に遮断した後に、検出信号に基づき二次電池の劣化度合いを診断するため、負荷のインピーダンス成分による影響を抑制しつつ、二次電池の劣化度合いを診断することができる。
【００１５】
加温装置は、上記充放電回路と、前記切替回路を動作させることにより前記二次電池を加温する加温制御回路と、を備える。
【００１６】
この構成によれば、二次電池自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返すため、外部電源の電力の利用を低減しつつ、二次電池を加温することができる。
【００１７】
電池パックは、二次電池と、上記充放電回路、二次電池の劣化診断装置、および、加温装置の少なくも１つの装置と、を備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池の充放電が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係る電池パックの概要構成を示す回路図
【図２】二次電池の劣化診断処理を示すフローチャート
【図３】放電動作および充電動作時における放電電流および端子間電圧の変化を示すグラフ
【図４】実施形態２に係る電池パックの概要構成を示す回路図
【図５】放電動作および充電動作時における充放電電流及びインダクタ電流Ｉ２の波形図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜実施形態１＞
実施形態１について図１〜図３を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態に係る電池パック１（バッテリー）の概要構成を示す回路図である。電池パック１は、例えば図示しない自動車や航空機などに搭載された電気機器などの負荷７０に電力を供給するために利用される。
【００２１】
１．電池パックの構成
電池パック１は、二次電池１０と、劣化診断装置２０とを備えて構成されている。図１に示された二次電池１０は、複数の電池セル１１が直列接続された組電池であるが、二次電池（蓄電池）であれば、１つの電池セルからなる単電池や、複数の電池セルが並列接続されたものでもよい。
【００２２】
劣化診断装置２０は、充放電回路３０、電圧検出回路４０（検出回路の一例）、制御回路５０（診断回路の一例）およびコンタクタ６０（スイッチング素子の一例）を備える。なお、充放電回路３０、電圧検出回路４０、制御回路５０およびコンタクタ６０は、例えば電池パック１に収容された制御基板（図示せず）上に搭載されている。
【００２３】
充放電回路３０は、二次電池１０および負荷７０に並列接続されている。充放電回路３０は、フライバック型（入出力の位相が逆）のトランス３１（蓄電素子の一例）を有し、二次電池１０を放電させ、その放電された電力をトランス３１に磁気エネルギーとして蓄積させる放電動作と、そのトランス３１に蓄積された磁気エネルギーを開放することにより二次電池１０を充電する充電動作とを交互に繰り返し行うことが可能である。
【００２４】
具体的には、トランス３１の一次側コイル３１Ａは、その一端側が、ダイオード３２を介して二次電池１０の正極側端子１０Ａに電気的に接続される。また、その他端が、二次電池１０の負極性端子１０Ｂに電気的に接続されている。二次側コイル３１Ｂは、その一端側が、二次電池１０の正極性端子１０Ａ（上記ダイオード３２のカソード）に接続されるとともに、コンタクタ６０を介して負荷７０の高電位側端子７０Ａに接続される。また、その他端側が、ＦＥＴ３３を介して二次電池１０の負極性端子１０Ｂおよび負荷７０の低電位側端子７０Ｂに電気的に接続されている。
【００２５】
なお、上記ダイオード３２は整流素子の一例であり、当該ダイオード３２以外に、例えばＦＥＴをダイオード接続したもの等でもよい。また、ＦＥＴ３３は、半導体スイッチ素子の一例であり、高速制御が可能であればユニポーラトランジスタ以外に、バイポーラトランジスタでもよい。
【００２６】
また、二次電池１０の正極性端子１０Ａから二次側コイル３１ＢおよびＦＥＴ３３を介して二次電池１０の負極性端子１０Ｂに繋がる電流経路が上記放電動作時における放電電流経路であり、この放電電流経路を含む回路が放電回路の一例である。一方、二次電池１０の負極性端子１０Ｂから一次側コイル３１Ａおよびダイオード３２を介して二次電池１０の正極性端子１０Ａに繋がる電流経路が上記充電動作時における充電電流経路であり、この充電電流経路を含む回路が充電回路の一例である。また、ダイオード３２およびＦＥＴ３３が、放電動作と充電動作とを切り替えるための切替回路の一例である。
【００２７】
電圧検出回路４０は、例えば図示しない電圧検出用抵抗を有し、二次電池１０の端子間電圧Ｖを検出し、その検出電圧（検出結果）に応じた検出信号ＳＧ１を出力する。
【００２８】
制御回路５０は、その信号入力端子５０Ａが、電圧検出回路４０の出力側に接続され、当該電圧検出回路４０から検出信号ＳＧ１を受けることができる。また、制御回路５０は、その第１信号出力端子５０Ｂが、駆動用バッファ３４を介してＦＥＴ３３のゲートに接続されており、当該ＦＥＴ３３を高周波（例えば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度）でオンオフさせることができる。
【００２９】
更に、制御回路５０は、その第２信号出力端子５０Ｃがコンタクタ６０の制御端子に接続されており、当該コンタクタ６０を開閉動作させることができる。なお、コンタクタ６０は、スイッチング素子の一例であり、半導体スイッチ素子でも、機械スイッチでもよい。また、制御回路５０は、その第３信号出力端子５０Ｄが、図示しない外部機器（例えば表示装置）に接続されており、二次電池１０の劣化診断結果に応じた診断結果信号ＳＧ２を出力する。外部機器は、診断結果信号ＳＧ２に基づき、例えば、二次電池１０の劣化度合いに応じた表示や警告等を行う。なお、制御回路５０は、１または複数のＣＰＵとメモリを備えて構成したものでも、ハード回路（例えばＡＳＩＣ）を備えて構成したものでもよい。
【００３０】
２．二次電池の劣化診断処理
図２は、二次電池１０の劣化診断処理を示すフローチャートであり、図３は、放電動作および充電動作時における放電電流Ｉ（図１の符号Ｉ参照）および端子間電圧Ｖの変化を示すグラフである。同図に示すように、放電動作と充電動作とを交互に繰り返すことにより、放電電流Ｉは、正の値と負の値とを交互に示すように増減する電流になり、また、端子間電圧Ｖは、変動成分（リプル成分）を含んだ波形を示す電圧（リプル電圧）になる。後述するように、二次電池の劣化診断では、その端子間電圧Ｖから、放電動作と充電動作との切替期間における電圧サージ分を除外することが好ましい。即ち、後述する非切替期間における端子間電圧Ｖの変化量に基づき、劣化診断を行うことが好ましい。
【００３１】
制御回路５０は、随時、劣化診断開始条件を満たすか否かを判断し、当該劣化診断開始条件を満たすと判断した場合に、図２に示す劣化診断処理を実行する。劣化診断開始条件の一例としては、制御回路５０がタイマを有すれば、前回の劣化診断処理の実行時から所定時間が経過したことが挙げられる。また、その他に、外部機器（ユーザによる操作部や上位機器など）から劣化診断開始指令を受けたことでもよい。
【００３２】
制御回路５０は、まずコンタクタ６０を開動作させて（Ｓ１）、二次電池１０および劣化診断装置２０と、負荷７０との間の電流経路を遮断する。次に、パルス信号ＳＧ３（例えばデューティ比５０％）を出力し（Ｓ２）、前述したようにＦＥＴ３３を高周波でオンオフさせる。本実施形態では、ＦＥＴ３３に入力されているパルス信号ＳＧ３がハイレベルであるとき、ＦＥＴ３３はターンオン（導通）し、上記放電動作が開始される（図３の放電期間を参照）。一方、ＦＥＴ３３に入力されているパルス信号ＳＧ３がローレベルであるとき、ＦＥＴ３３はターンオフ（遮断）し、上記充電動作が開始される（図３の充電期間を参照）。
【００３３】
次に、制御回路５０は、第１検出タイミングが到来したかどうかを判断し（Ｓ３）、到来すれば（Ｓ３：ＹＥＳ）、電圧検出回路４０からの検出信号ＳＧ１に基づき、上記第１検出タイミングでの端子間電圧Ｖ（このときの端子間電圧Ｖの検出値を「第１検出値Ｖ１」とする）を検出し（Ｓ４）、Ｓ５に進む。第１検出タイミングが到来していなければ（Ｓ３：ＮＯ）、端子間電圧Ｖを検出せずにＳ５に進む。
【００３４】
その後、制御回路５０は、第２検出タイミングが到来したかどうかを判断し（Ｓ５）、到来すれば（Ｓ５：ＹＥＳ）、電圧検出回路４０からの検出信号ＳＧ１に基づき、上記第２検出タイミングでの端子間電圧Ｖ（このときの端子間電圧Ｖの検出値を「第２検出値Ｖ２」とする）を検出する（Ｓ６）。次に、制御回路５０は、上記第１検出値Ｖ１と第２検出値Ｖ２との差である電圧差（＝｜Ｖ１−Ｖ２｜ 端子間電圧の変化量の一例）を算出し（Ｓ７）、その電圧差に基づき二次電池１０の劣化度合いを診断する（Ｓ８）。
【００３５】
二次電池１０が劣化すると、当該二次電池１０の内部インピーダンスが増加し、それに伴って、充電期間および放電期間の少なくとも一方の動作期間において互いに異なるタイミングでの端子間電圧の電圧差は増加する。そこで、上述したように、本実施形態では、第１検出タイミングと第２検出タイミングでの端子間電圧Ｖの電圧差を算出している。
【００３６】
ここで、第１検出タイミングおよび第２検出タイミングは、上記動作期間のうち、放電動作と充電動作との切替期間（端子間電圧Ｖの変化が急峻な期間 図３のＴＡ−ＴＢ期間，ＴＣ−ＴＤ期間，ＴＥ−ＴＦ期間，ＴＧ−ＴＨ期間）を除いた期間内とすることが好ましい。理由は次の通りである。放電動作と充電動作との切替期間での端子間電圧Ｖの変化量は、主として二次電池１０のインダクタンス（Ｌ）成分による変化量であり、充放電期間のうち当該切替期間を除く期間（図３の０−ＴＡ期間，ＴＢ−ＴＣ期間，ＴＤ−ＴＥ期間，ＴＦ−ＴＧ期間 以下、「非切替期間」という）での端子間電圧Ｖの変化量は、主として二次電池１０のリアクタンス（Ｒ）成分による変化量である。
【００３７】
そして、二次電池１０が劣化すると、インダクタンス成分はほとんど変化せず、主としてリアクタンス成分が変化する。このため、第１検出タイミングおよび第２検出タイミングは、非切替期間内に設定することが好ましい。これにより、切替期間を含めた期間における端子間電圧の変化量に基づき劣化度合いを診断する構成に比べて、劣化度合いの診断精度を高めることができる。
【００３８】
第１検出タイミングと第２検出タイミングの組み合わせの例としては次のパターンが挙げられる。
第１パターン：第１検出タイミング＝ＴＤ（放電動作から充電動作への切替期間の直後）、第２検出タイミング＝ＴＦ（充電動作から放電動作への切替期間の直後）
第２パターン：第１検出タイミング＝ＴＤ、第２検出タイミング＝ＴＧ（放電動作から充電動作への切替期間の直前）
第３パターン：第１検出タイミング＝ＴＥ（充電動作から放電動作への切替期間の直前）、第２検出タイミング＝ＴＦ
第４パターン：第１検出タイミング＝ＴＥ、第２検出タイミング＝ＴＧ
なお、各検出タイミングは、例えば実験や、回路定数等に基づく計算によって求めることができる。
【００３９】
制御回路５０には、図示しないメモリが内蔵されており、このメモリには、予め実験等により求めた、電圧差と劣化度合いパラメータ（例えば容量保持率）との対応関係情報（例えば対応テーブルや計算式）が記憶されている。制御回路５０は、上記対応関係情報を参照して、Ｓ７で算出した電圧差に対応する劣化度合いパラメータを抽出し、当該劣化度合いパラメータに応じた診断結果信号ＳＧ２を外部機器に出力し、Ｓ９に進む。
【００４０】
一方、制御回路５０は、第２検出タイミングが到来していなければ（Ｓ５：ＮＯ）、端子間電圧Ｖの検出や劣化度合いの診断をせずにＳ９に進む。Ｓ９では、診断停止指令を外部機器から受けたかどうかを判断し、受けていなければ（Ｓ９：ＮＯ）、Ｓ３に戻り、受けていれば（Ｓ９：ＹＥＳ）、本劣化診断処理を終了し、コンタクタ６０を閉動作させて、二次電池１０から負荷７０への電力供給を可能にする。
【００４１】
３．本実施形態の効果
本実施形態によれば、充放電回路３０により、二次電池１０自身に蓄積された電力（磁気エネルギー）を利用して充放電を繰り返す。このため、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池１０を充放電させることができる。即ち、外部電源の電力を利用しなくても二次電池１０を充放電させることができる。また、外部電源および充放電回路３０の両方の電力を利用する構成において外部電源の消費電力を節約することができる。
【００４２】
また、二次電池１０自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返すため、外部電源の電力の利用を低減しつつ、二次電池１０の劣化度合いを診断することができる。
【００４３】
更に、放電動作および充電動作の少なくとも一方の動作期間のうち、非切替期間における端子間電圧Ｖの変化量に基づき、二次電池１０の劣化度合いを診断する。非切替期間は、二次電池１０の劣化に応じて変化するリアクタンス成分の影響を特に受けるから、切替期間を含めた期間における端子間電圧Ｖの変化量に基づき劣化度合いを診断する構成に比べて、劣化度合いの診断精度を高めることができる。
【００４４】
また、二次電池１０と負荷７０とを電気的に遮断した後に、検出信号ＳＧ１に基づき二次電池１０の劣化度合いを診断するため、負荷７０のインピーダンス成分による影響を抑制しつつ、二次電池１０の劣化度合いを診断することができる。
【００４５】
＜実施形態２＞
実施形態２について図４および図５を参照しつつ説明する。
図４は、本実施形態に係る電池パック１００の概要構成を示す回路図である。電池パック１００は、例えば図示しない自動車や航空機などに搭載された電気機器などの負荷７０に電力を供給するために利用される。
【００４６】
１．電池パックの構成
電池パック１００は、二次電池１０と、加温装置１１０とを備えて構成されている。なお、二次電池１０は、上記実施形態１のものと同じであり、詳細な説明は割愛する。
【００４７】
加温装置１１０は、充放電回路１２０、サーミスタ１３０、制御回路１４０（加温制御回路の一例）およびレベルシフタ１５０を備える。なお、充放電回路１２０、制御回路１４０およびレベルシフタ１５０は、例えば電池パック１００に収容された制御基板（図示せず）上に搭載されている。サーミスタ１３０は、二次電池１０に接触するように配置されていることが好ましい。
【００４８】
充放電回路１２０は、二次電池１０に接続されている。充放電回路１２０は、インダクタ１２１およびＦＥＴブリッジ回路を有し、二次電池１０を放電させ、その放電された電力をインダクタ１２１に磁気エネルギーとして蓄積させる放電動作と、そのインダクタ１２１に蓄積された磁気エネルギーを開放することにより二次電池１０を充電する充電動作とを交互に繰り返し行うことが可能である。
【００４９】
具体的には、充放電回路１２０は、二次電池１０の正極側端子１０Ａと負極性端子１０Ｂとの間において直列接続されるＦＥＴ１２２およびダイオード１２３を有する。更に、充放電回路１２０は、二次電池１０の正極側端子１０Ａと負極性端子１０Ｂとの間において直列接続されるダイオード１２４およびＦＥＴ１２５を有する。
【００５０】
インダクタ１２１は、ＦＥＴ１２２およびダイオード１２３の接続点と、ダイオード１２４およびＦＥＴ１２５の接続点との間に接続されている。なお、上記ダイオード１２３，１２４は整流素子の一例であり、当該ダイオード１２３，１２４以外に、例えばＦＥＴをダイオード接続したもの等でもよい。また、ＦＥＴ１２２，１２５は、半導体スイッチ素子の一例であり、高速制御が可能であればユニポーラトランジスタ以外に、バイポーラトランジスタでもよい。
【００５１】
また、二次電池１０の正極性端子１０ＡからＦＥＴ１２２、インダクタ１２１およびＦＥＴ１２５を介して二次電池１０の負極性端子１０Ｂに繋がる電流経路が上記放電動作時における放電電流経路であり、この放電電流経路を含む回路が放電回路の一例である。一方、二次電池１０の負極性端子１０Ｂからダイオード１２３、インダクタ１２１およびダイオード１２４を介して二次電池１０の正極性端子１０Ａに繋がる電流経路が上記充電動作時における充電電流経路であり、この充電電流経路を含む回路が充電回路の一例である。また、ＦＥＴ１２２，１２５が、放電動作と充電動作とを切り替えるための切替回路の一例である。
【００５２】
サーミスタ１３０は、感熱素子の一例であり、二次電池１０の温度に応じた温度検出信号ＳＧ１１を出力する。制御回路１４０は、その信号入力端子１４０Ａが、サーミスタ１３０の出力側に接続され、当該サーミスタ１３０から温度検出信号ＳＧ１１を受けることができる。
【００５３】
また、制御回路１４０は、その信号出力端子１４０Ｂが、バッファ１４１、レベルシフタ１５０、駆動用バッファ１２６を介してＦＥＴ１２２のゲートに接続されている。また、信号出力端子１４０Ｂは、バッファ１４１、駆動用バッファ１２７を介してＦＥＴ１２５のゲートに接続されている。レベルシフタ１５０は、バッファ１４１からの信号レベルを、ＦＥＴ１２２のソース電位を基準とした信号にシフトさせる。これにより、バッファ１４１からの信号レベルに応じて、ＦＥＴ１２２とＦＥＴ１２５とを略同時にオンオフさせることができる。
【００５４】
制御回路５０は、サーミスタ１３０からの温度検出信号ＳＧ１１に基づき二次電池１０の温度が所定温度以下になったと判断した場合に、信号出力端子１４０Ｂからパルス信号ＳＧ１２（例えばデューティ比５０％）の出力を開始し、ＦＥＴ１２２，１２５を高周波（例えば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度）でオンオフさせる。
【００５５】
本実施形態では、ＦＥＴ１２２，１２５に入力されているパルス信号がハイレベルであるとき、ＦＥＴ１２２，１２５はターンオン（導通）し、上記放電動作が開始される。一方、ＦＥＴ１２２，１２５に入力されているパルス信号がローレベルであるとき、ＦＥＴ１２２，１２５はターンオフ（遮断）し、上記充電動作が開始される。
【００５６】
図５は、放電動作および充電動作が繰り返し実行されているときにおける充放電電流Ｉ１（図５の破線波形）及びインダクタ電流Ｉ２（図５の実線波形）の波形図である。このような放電動作および充電動作を交互に繰り返すことにより二次電池１０の内部にジュール熱（Ｑ［Ｊ］＝Ｉ１（充放電電流Ｉ１の電流値［Ａ］）２×Ｒ（二次電池１０の内部抵抗［Ω］）×ｔ（充放電時間［ｓ］））を発生させて、当該二次電池１０を加温させることができる。
【００５７】
２．本実施形態の効果
本実施形態によれば、二次電池１０自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返すため、外部電源の電力の利用を低減しつつ、二次電池１０を加温することができる。これにより、低温度環境下において内部インピーダンスが上昇し、高出力放電・急速充電ができないという事態になることを抑制することができる。
【００５８】
また、充放電回路１２０は、高周波トランスを使用しないため、大電流充放電を小型軽量の回路で実現することができる。
【００５９】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も本発明の技術的範囲に含まれる。特に、各実施形態の構成要素のうち、最上位の発明の構成要素以外の構成要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。
【００６０】
（１）上記実施形態１では、劣化診断装置２０が電池パック１に内蔵された構成としたが、本発明はこれに限られない。例えば充放電回路３０、電圧検出回路４０、制御回路５０およびコンタクタ６０のうち、少なくとも充放電回路３０および制御回路５０を電池パック１の外部に設けた構成でもよい。更に、少なくとも充放電回路３０および制御回路５０を備える独立の劣化診断装置とし、二次電池１０の劣化診断時のみ、当該二次電池１０に接続する構成でもよい。
【００６１】
（２）上記実施形態１において、充放電回路３０の代わりに、実施形態２の充放電回路１２０を利用した構成でもよい。また、逆に、上記実施形態２において、充放電回路１２０の代わりに、実施形態１の充放電回路３０を利用した構成でもよい。
【００６２】
（３）上記実施形態では、トランス３１やインダクタ１２１を有する充放電回路３０，１２０を例に挙げたが、本発明の「充放電回路」はこれに限られない。例えばコンデンサやキャパシタを蓄電素子として有する充放電回路でもよい。
【００６３】
（４）上記実施形態１では、二次電池１０の端子間電圧Ｖを直接検出する構成であったが、当該端子間電圧Ｖと相関関係がある他の電圧や電流を測定することにより、端子間電圧Ｖを間接的に検出する構成でもよい。
【００６４】
（５）上記実施形態１では、第１検出タイミングおよび第２検出タイミングの２点における端子間電圧Ｖの電圧差に基づき二次電池１０の劣化度合いを診断したが、本発明はこれに限られない。例えば、図３における放電期間内における端子間電圧Ｖの平均値と、充電期間内における端子間電圧Ｖの平均値との差に基づき二次電池１０の劣化度合いを診断する構成でもよい。なお、平均値に限らず、各期間内における端子間電圧Ｖの中間値、実効値などでもよい。また、同期間は、上記切替期間を含んでもよいが、切替期間を除いた方が劣化度合いの診断精度を高めることができる。
【００６５】
（６）上記実施形態１では、劣化診断装置２０は、コンタクタ６０を有する構成であったが、本発明はこれに限られず、コンタクタ６０を有しない構成でもよい。即ち、例えば電池パック１と負荷７０との間に既存のスイッチング素子（図示せず）が配置されていれば、コンタクタ６０が無くても、当該スイッチング素子を開閉動作させればよい。
【００６６】
（７）電池パックに、実施形態１の劣化診断装置２０および実施形態２の加温装置の両方を内蔵したものでもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１，１００：電池パック、１０：二次電池、２０：劣化診断装置、３０，１２０：充放電回路、４０：電圧検出回路（検出回路の一例）、５０：制御回路（診断回路の一例）、６０：コンタクタ（スイッチング素子の一例）、３１：トランス（蓄電素子の一例）、３２：ダイオード（切替回路の一例）、３３：ＦＥＴ（切替回路の一例）、Ｖ：端子間電圧、ＳＧ１：検出信号、１１０：加温装置、１４０：制御回路（加温制御回路の一例）、１２２，１２５：ＦＥＴ（切替回路の一例）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を充放電するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、交流電源からの交流電力を、サイリスタ整流器により直流電力に整流して二次電池（蓄電池 例えばリチウムイオン電池）を充電しつつ、その充電電圧を上昇させることにより発生するリプル電流およびリプル電圧を測定することにより、インピーダンスを算出し、その算出結果により二次電池の劣化度合いを診断する直流無停電電源装置がある（下記特許文献１参照）。
【０００３】
また、二次電池は、一般的に低温環境下では内部インピーダンスが上昇し、充放電の効率が低下するという特性がある。そこで、従来より、外部電源からの電力を利用して、二次電池の充電と放電とを交互に繰り返すことにより発生する熱によって二次電池を加温する加温装置がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０１５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記の直流無停電電源装置および加温装置はいずれも、交流電源等の外部電源からの電力を利用しなければ、二次電池の充放電を行うことができないという問題があった。
【０００６】
本願明細書は、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池の充放電が可能な技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための手段として、二次電池の充放電回路は、蓄電素子と、二次電池を放電させ、その放電された電力を前記蓄電素子に蓄積させる放電動作を行う放電回路と、前記蓄電素子に蓄積された電力により前記二次電池を充電する充電動作を行う充電回路と、前記放電回路の前記放電動作と前記充電回路の前記充電動作とを交互に切り替える切替回路と、を備える。
【０００８】
この構成によれば、二次電池を放電させ、その放電された電力を蓄電素子に蓄積させる放電動作と、蓄電素子に蓄積された電力により二次電池を充電する充電動作とが交互に切り替えられる。即ち、二次電池自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返す。このため、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池を充放電させることができる。即ち、外部電源の電力を利用しなくても二次電池を充放電させることができる。また、外部電源の電力を利用する構成において当該外部電源の消費電力を節約することができる。
【０００９】
二次電池の劣化診断装置は、上記充放電回路と、前記二次電池の端子間電圧を検出し、その検出信号を出力する検出回路と、前記切替回路を動作させつつ、前記検出信号に基づき、前記充放電回路による前記放電動作および前記充電動作の少なくとも一方の動作期間における前記二次電池の端子間電圧の変化量を算出し、当該変化量に基づき、前記二次電池の劣化度合いを診断する診断回路と、備える。
【００１０】
この構成によれば、二次電池自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返すため、外部電源の電力の利用を低減しつつ、二次電池の劣化度合いを診断することができる。
【００１１】
上記二次電池の劣化診断装置は、前記診断回路が、前記検出信号に基づき、前記動作期間のうち前記放電動作と前記充電動作との切替期間を除いた期間における前記端子間電圧の変化量を算出する構成でもよい。
【００１２】
放電動作と充電動作との切替期間での端子間電圧の変化は、主として二次電池のインダクタンス（Ｌ）成分による影響であり、充放電期間のうち当該切替期間を除く期間での端子間電圧の変化は、主として二次電池のリアクタンス（Ｒ）成分による影響である。そして、二次電池の劣化は、主としてリアクタンス成分に影響を与える。
そこで、この構成によれば、放電動作および充電動作の少なくとも一方の動作期間のうち、上記切替期間を除いた期間における端子間電圧の変化量に基づき、二次電池の劣化度合いを診断する。従って、上記切替期間を含めた期間における端子間電圧の変化量に基づき劣化度合いを診断する構成に比べて、劣化度合いの診断精度を高めることができる。
【００１３】
更に、上記二次電池の劣化診断装置は、当該劣化診断装置が、前記二次電池から電力を供給される負荷に並列接続される構成であり、前記二次電池と前記負荷との電気的接続を入り切りするスイッチング素子を有し、前記診断回路は、前記スイッチング素子をオフさせて前記二次電池と前記負荷とを電気的に遮断した後に、前記検出信号に基づき前記二次電池の劣化度合いを診断する構成でもよい。
【００１４】
この構成によれば、二次電池と負荷とを電気的に遮断した後に、検出信号に基づき二次電池の劣化度合いを診断するため、負荷のインピーダンス成分による影響を抑制しつつ、二次電池の劣化度合いを診断することができる。
【００１５】
加温装置は、上記充放電回路と、前記切替回路を動作させることにより前記二次電池を加温する加温制御回路と、を備える。
【００１６】
この構成によれば、二次電池自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返すため、外部電源の電力の利用を低減しつつ、二次電池を加温することができる。
【００１７】
電池パックは、二次電池と、上記充放電回路、二次電池の劣化診断装置、および、加温装置の少なくも１つの装置と、を備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池の充放電が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係る電池パックの概要構成を示す回路図
【図２】二次電池の劣化診断処理を示すフローチャート
【図３】放電動作および充電動作時における放電電流および端子間電圧の変化を示すグラフ
【図４】実施形態２に係る電池パックの概要構成を示す回路図
【図５】放電動作および充電動作時における充放電電流及びインダクタ電流Ｉ２の波形図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜実施形態１＞
実施形態１について図１〜図３を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態に係る電池パック１（バッテリー）の概要構成を示す回路図である。電池パック１は、例えば図示しない自動車や航空機などに搭載された電気機器などの負荷７０に電力を供給するために利用される。
【００２１】
１．電池パックの構成
電池パック１は、二次電池１０と、劣化診断装置２０とを備えて構成されている。図１に示された二次電池１０は、複数の電池セル１１が直列接続された組電池であるが、二次電池（蓄電池）であれば、１つの電池セルからなる単電池や、複数の電池セルが並列接続されたものでもよい。
【００２２】
劣化診断装置２０は、充放電回路３０、電圧検出回路４０（検出回路の一例）、制御回路５０（診断回路の一例）およびコンタクタ６０（スイッチング素子の一例）を備える。なお、充放電回路３０、電圧検出回路４０、制御回路５０およびコンタクタ６０は、例えば電池パック１に収容された制御基板（図示せず）上に搭載されている。
【００２３】
充放電回路３０は、二次電池１０および負荷７０に並列接続されている。充放電回路３０は、フライバック型（入出力の位相が逆）のトランス３１（蓄電素子の一例）を有し、二次電池１０を放電させ、その放電された電力をトランス３１に磁気エネルギーとして蓄積させる放電動作と、そのトランス３１に蓄積された磁気エネルギーを開放することにより二次電池１０を充電する充電動作とを交互に繰り返し行うことが可能である。
【００２４】
具体的には、トランス３１の一次側コイル３１Ａは、その一端側が、ダイオード３２を介して二次電池１０の正極側端子１０Ａに電気的に接続される。また、その他端が、二次電池１０の負極性端子１０Ｂに電気的に接続されている。二次側コイル３１Ｂは、その一端側が、二次電池１０の正極性端子１０Ａ（上記ダイオード３２のカソード）に接続されるとともに、コンタクタ６０を介して負荷７０の高電位側端子７０Ａに接続される。また、その他端側が、ＦＥＴ３３を介して二次電池１０の負極性端子１０Ｂおよび負荷７０の低電位側端子７０Ｂに電気的に接続されている。
【００２５】
なお、上記ダイオード３２は整流素子の一例であり、当該ダイオード３２以外に、例えばＦＥＴをダイオード接続したもの等でもよい。また、ＦＥＴ３３は、半導体スイッチ素子の一例であり、高速制御が可能であればユニポーラトランジスタ以外に、バイポーラトランジスタでもよい。
【００２６】
また、二次電池１０の正極性端子１０Ａから二次側コイル３１ＢおよびＦＥＴ３３を介して二次電池１０の負極性端子１０Ｂに繋がる電流経路が上記放電動作時における放電電流経路であり、この放電電流経路を含む回路が放電回路の一例である。一方、二次電池１０の負極性端子１０Ｂから一次側コイル３１Ａおよびダイオード３２を介して二次電池１０の正極性端子１０Ａに繋がる電流経路が上記充電動作時における充電電流経路であり、この充電電流経路を含む回路が充電回路の一例である。また、ダイオード３２およびＦＥＴ３３が、放電動作と充電動作とを切り替えるための切替回路の一例である。
【００２７】
電圧検出回路４０は、例えば図示しない電圧検出用抵抗を有し、二次電池１０の端子間電圧Ｖを検出し、その検出電圧（検出結果）に応じた検出信号ＳＧ１を出力する。
【００２８】
制御回路５０は、その信号入力端子５０Ａが、電圧検出回路４０の出力側に接続され、当該電圧検出回路４０から検出信号ＳＧ１を受けることができる。また、制御回路５０は、その第１信号出力端子５０Ｂが、駆動用バッファ３４を介してＦＥＴ３３のゲートに接続されており、当該ＦＥＴ３３を高周波（例えば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度）でオンオフさせることができる。
【００２９】
更に、制御回路５０は、その第２信号出力端子５０Ｃがコンタクタ６０の制御端子に接続されており、当該コンタクタ６０を開閉動作させることができる。なお、コンタクタ６０は、スイッチング素子の一例であり、半導体スイッチ素子でも、機械スイッチでもよい。また、制御回路５０は、その第３信号出力端子５０Ｄが、図示しない外部機器（例えば表示装置）に接続されており、二次電池１０の劣化診断結果に応じた診断結果信号ＳＧ２を出力する。外部機器は、診断結果信号ＳＧ２に基づき、例えば、二次電池１０の劣化度合いに応じた表示や警告等を行う。なお、制御回路５０は、１または複数のＣＰＵとメモリを備えて構成したものでも、ハード回路（例えばＡＳＩＣ）を備えて構成したものでもよい。
【００３０】
２．二次電池の劣化診断処理
図２は、二次電池１０の劣化診断処理を示すフローチャートであり、図３は、放電動作および充電動作時における放電電流Ｉ（図１の符号Ｉ参照）および端子間電圧Ｖの変化を示すグラフである。同図に示すように、放電動作と充電動作とを交互に繰り返すことにより、放電電流Ｉは、正の値と負の値とを交互に示すように増減する電流になり、また、端子間電圧Ｖは、変動成分（リプル成分）を含んだ波形を示す電圧（リプル電圧）になる。後述するように、二次電池の劣化診断では、その端子間電圧Ｖから、放電動作と充電動作との切替期間における電圧サージ分を除外することが好ましい。即ち、後述する非切替期間における端子間電圧Ｖの変化量に基づき、劣化診断を行うことが好ましい。
【００３１】
制御回路５０は、随時、劣化診断開始条件を満たすか否かを判断し、当該劣化診断開始条件を満たすと判断した場合に、図２に示す劣化診断処理を実行する。劣化診断開始条件の一例としては、制御回路５０がタイマを有すれば、前回の劣化診断処理の実行時から所定時間が経過したことが挙げられる。また、その他に、外部機器（ユーザによる操作部や上位機器など）から劣化診断開始指令を受けたことでもよい。
【００３２】
制御回路５０は、まずコンタクタ６０を開動作させて（Ｓ１）、二次電池１０および劣化診断装置２０と、負荷７０との間の電流経路を遮断する。次に、パルス信号ＳＧ３（例えばデューティ比５０％）を出力し（Ｓ２）、前述したようにＦＥＴ３３を高周波でオンオフさせる。本実施形態では、ＦＥＴ３３に入力されているパルス信号ＳＧ３がハイレベルであるとき、ＦＥＴ３３はターンオン（導通）し、上記放電動作が開始される（図３の放電期間を参照）。一方、ＦＥＴ３３に入力されているパルス信号ＳＧ３がローレベルであるとき、ＦＥＴ３３はターンオフ（遮断）し、上記充電動作が開始される（図３の充電期間を参照）。
【００３３】
次に、制御回路５０は、第１検出タイミングが到来したかどうかを判断し（Ｓ３）、到来すれば（Ｓ３：ＹＥＳ）、電圧検出回路４０からの検出信号ＳＧ１に基づき、上記第１検出タイミングでの端子間電圧Ｖ（このときの端子間電圧Ｖの検出値を「第１検出値Ｖ１」とする）を検出し（Ｓ４）、Ｓ５に進む。第１検出タイミングが到来していなければ（Ｓ３：ＮＯ）、端子間電圧Ｖを検出せずにＳ５に進む。
【００３４】
その後、制御回路５０は、第２検出タイミングが到来したかどうかを判断し（Ｓ５）、到来すれば（Ｓ５：ＹＥＳ）、電圧検出回路４０からの検出信号ＳＧ１に基づき、上記第２検出タイミングでの端子間電圧Ｖ（このときの端子間電圧Ｖの検出値を「第２検出値Ｖ２」とする）を検出する（Ｓ６）。次に、制御回路５０は、上記第１検出値Ｖ１と第２検出値Ｖ２との差である電圧差（＝｜Ｖ１−Ｖ２｜ 端子間電圧の変化量の一例）を算出し（Ｓ７）、その電圧差に基づき二次電池１０の劣化度合いを診断する（Ｓ８）。
【００３５】
二次電池１０が劣化すると、当該二次電池１０の内部インピーダンスが増加し、それに伴って、充電期間および放電期間の少なくとも一方の動作期間において互いに異なるタイミングでの端子間電圧の電圧差は増加する。そこで、上述したように、本実施形態では、第１検出タイミングと第２検出タイミングでの端子間電圧Ｖの電圧差を算出している。
【００３６】
ここで、第１検出タイミングおよび第２検出タイミングは、上記動作期間のうち、放電動作と充電動作との切替期間（端子間電圧Ｖの変化が急峻な期間 図３のＴＡ−ＴＢ期間，ＴＣ−ＴＤ期間，ＴＥ−ＴＦ期間，ＴＧ−ＴＨ期間）を除いた期間内とすることが好ましい。理由は次の通りである。放電動作と充電動作との切替期間での端子間電圧Ｖの変化量は、主として二次電池１０のインダクタンス（Ｌ）成分による変化量であり、充放電期間のうち当該切替期間を除く期間（図３の０−ＴＡ期間，ＴＢ−ＴＣ期間，ＴＤ−ＴＥ期間，ＴＦ−ＴＧ期間 以下、「非切替期間」という）での端子間電圧Ｖの変化量は、主として二次電池１０のリアクタンス（Ｒ）成分による変化量である。
【００３７】
そして、二次電池１０が劣化すると、インダクタンス成分はほとんど変化せず、主としてリアクタンス成分が変化する。このため、第１検出タイミングおよび第２検出タイミングは、非切替期間内に設定することが好ましい。これにより、切替期間を含めた期間における端子間電圧の変化量に基づき劣化度合いを診断する構成に比べて、劣化度合いの診断精度を高めることができる。
【００３８】
第１検出タイミングと第２検出タイミングの組み合わせの例としては次のパターンが挙げられる。
第１パターン：第１検出タイミング＝ＴＤ（放電動作から充電動作への切替期間の直後）、第２検出タイミング＝ＴＦ（充電動作から放電動作への切替期間の直後）
第２パターン：第１検出タイミング＝ＴＤ、第２検出タイミング＝ＴＧ（放電動作から充電動作への切替期間の直前）
第３パターン：第１検出タイミング＝ＴＥ（充電動作から放電動作への切替期間の直前）、第２検出タイミング＝ＴＦ
第４パターン：第１検出タイミング＝ＴＥ、第２検出タイミング＝ＴＧ
なお、各検出タイミングは、例えば実験や、回路定数等に基づく計算によって求めることができる。
【００３９】
制御回路５０には、図示しないメモリが内蔵されており、このメモリには、予め実験等により求めた、電圧差と劣化度合いパラメータ（例えば容量保持率）との対応関係情報（例えば対応テーブルや計算式）が記憶されている。制御回路５０は、上記対応関係情報を参照して、Ｓ７で算出した電圧差に対応する劣化度合いパラメータを抽出し、当該劣化度合いパラメータに応じた診断結果信号ＳＧ２を外部機器に出力し、Ｓ９に進む。
【００４０】
一方、制御回路５０は、第２検出タイミングが到来していなければ（Ｓ５：ＮＯ）、端子間電圧Ｖの検出や劣化度合いの診断をせずにＳ９に進む。Ｓ９では、診断停止指令を外部機器から受けたかどうかを判断し、受けていなければ（Ｓ９：ＮＯ）、Ｓ３に戻り、受けていれば（Ｓ９：ＹＥＳ）、本劣化診断処理を終了し、コンタクタ６０を閉動作させて、二次電池１０から負荷７０への電力供給を可能にする。
【００４１】
３．本実施形態の効果
本実施形態によれば、充放電回路３０により、二次電池１０自身に蓄積された電力（磁気エネルギー）を利用して充放電を繰り返す。このため、外部電源の電力の利用を低減しつつ二次電池１０を充放電させることができる。即ち、外部電源の電力を利用しなくても二次電池１０を充放電させることができる。また、外部電源および充放電回路３０の両方の電力を利用する構成において外部電源の消費電力を節約することができる。
【００４２】
また、二次電池１０自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返すため、外部電源の電力の利用を低減しつつ、二次電池１０の劣化度合いを診断することができる。
【００４３】
更に、放電動作および充電動作の少なくとも一方の動作期間のうち、非切替期間における端子間電圧Ｖの変化量に基づき、二次電池１０の劣化度合いを診断する。非切替期間は、二次電池１０の劣化に応じて変化するリアクタンス成分の影響を特に受けるから、切替期間を含めた期間における端子間電圧Ｖの変化量に基づき劣化度合いを診断する構成に比べて、劣化度合いの診断精度を高めることができる。
【００４４】
また、二次電池１０と負荷７０とを電気的に遮断した後に、検出信号ＳＧ１に基づき二次電池１０の劣化度合いを診断するため、負荷７０のインピーダンス成分による影響を抑制しつつ、二次電池１０の劣化度合いを診断することができる。
【００４５】
＜実施形態２＞
実施形態２について図４および図５を参照しつつ説明する。
図４は、本実施形態に係る電池パック１００の概要構成を示す回路図である。電池パック１００は、例えば図示しない自動車や航空機などに搭載された電気機器などの負荷７０に電力を供給するために利用される。
【００４６】
１．電池パックの構成
電池パック１００は、二次電池１０と、加温装置１１０とを備えて構成されている。なお、二次電池１０は、上記実施形態１のものと同じであり、詳細な説明は割愛する。
【００４７】
加温装置１１０は、充放電回路１２０、サーミスタ１３０、制御回路１４０（加温制御回路の一例）およびレベルシフタ１５０を備える。なお、充放電回路１２０、制御回路１４０およびレベルシフタ１５０は、例えば電池パック１００に収容された制御基板（図示せず）上に搭載されている。サーミスタ１３０は、二次電池１０に接触するように配置されていることが好ましい。
【００４８】
充放電回路１２０は、二次電池１０に接続されている。充放電回路１２０は、インダクタ１２１およびＦＥＴブリッジ回路を有し、二次電池１０を放電させ、その放電された電力をインダクタ１２１に磁気エネルギーとして蓄積させる放電動作と、そのインダクタ１２１に蓄積された磁気エネルギーを開放することにより二次電池１０を充電する充電動作とを交互に繰り返し行うことが可能である。
【００４９】
具体的には、充放電回路１２０は、二次電池１０の正極側端子１０Ａと負極性端子１０Ｂとの間において直列接続されるＦＥＴ１２２およびダイオード１２３を有する。更に、充放電回路１２０は、二次電池１０の正極側端子１０Ａと負極性端子１０Ｂとの間において直列接続されるダイオード１２４およびＦＥＴ１２５を有する。
【００５０】
インダクタ１２１は、ＦＥＴ１２２およびダイオード１２３の接続点と、ダイオード１２４およびＦＥＴ１２５の接続点との間に接続されている。なお、上記ダイオード１２３，１２４は整流素子の一例であり、当該ダイオード１２３，１２４以外に、例えばＦＥＴをダイオード接続したもの等でもよい。また、ＦＥＴ１２２，１２５は、半導体スイッチ素子の一例であり、高速制御が可能であればユニポーラトランジスタ以外に、バイポーラトランジスタでもよい。
【００５１】
また、二次電池１０の正極性端子１０ＡからＦＥＴ１２２、インダクタ１２１およびＦＥＴ１２５を介して二次電池１０の負極性端子１０Ｂに繋がる電流経路が上記放電動作時における放電電流経路であり、この放電電流経路を含む回路が放電回路の一例である。一方、二次電池１０の負極性端子１０Ｂからダイオード１２３、インダクタ１２１およびダイオード１２４を介して二次電池１０の正極性端子１０Ａに繋がる電流経路が上記充電動作時における充電電流経路であり、この充電電流経路を含む回路が充電回路の一例である。また、ＦＥＴ１２２，１２５が、放電動作と充電動作とを切り替えるための切替回路の一例である。
【００５２】
サーミスタ１３０は、感熱素子の一例であり、二次電池１０の温度に応じた温度検出信号ＳＧ１１を出力する。制御回路１４０は、その信号入力端子１４０Ａが、サーミスタ１３０の出力側に接続され、当該サーミスタ１３０から温度検出信号ＳＧ１１を受けることができる。
【００５３】
また、制御回路１４０は、その信号出力端子１４０Ｂが、バッファ１４１、レベルシフタ１５０、駆動用バッファ１２６を介してＦＥＴ１２２のゲートに接続されている。また、信号出力端子１４０Ｂは、バッファ１４１、駆動用バッファ１２７を介してＦＥＴ１２５のゲートに接続されている。レベルシフタ１５０は、バッファ１４１からの信号レベルを、ＦＥＴ１２２のソース電位を基準とした信号にシフトさせる。これにより、バッファ１４１からの信号レベルに応じて、ＦＥＴ１２２とＦＥＴ１２５とを略同時にオンオフさせることができる。
【００５４】
制御回路５０は、サーミスタ１３０からの温度検出信号ＳＧ１１に基づき二次電池１０の温度が所定温度以下になったと判断した場合に、信号出力端子１４０Ｂからパルス信号ＳＧ１２（例えばデューティ比５０％）の出力を開始し、ＦＥＴ１２２，１２５を高周波（例えば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度）でオンオフさせる。
【００５５】
本実施形態では、ＦＥＴ１２２，１２５に入力されているパルス信号がハイレベルであるとき、ＦＥＴ１２２，１２５はターンオン（導通）し、上記放電動作が開始される。一方、ＦＥＴ１２２，１２５に入力されているパルス信号がローレベルであるとき、ＦＥＴ１２２，１２５はターンオフ（遮断）し、上記充電動作が開始される。
【００５６】
図５は、放電動作および充電動作が繰り返し実行されているときにおける充放電電流Ｉ１（図５の破線波形）及びインダクタ電流Ｉ２（図５の実線波形）の波形図である。このような放電動作および充電動作を交互に繰り返すことにより二次電池１０の内部にジュール熱（Ｑ［Ｊ］＝Ｉ１（充放電電流Ｉ１の電流値［Ａ］）２×Ｒ（二次電池１０の内部抵抗［Ω］）×ｔ（充放電時間［ｓ］））を発生させて、当該二次電池１０を加温させることができる。
【００５７】
２．本実施形態の効果
本実施形態によれば、二次電池１０自身に蓄積された電力を利用して充放電を繰り返すため、外部電源の電力の利用を低減しつつ、二次電池１０を加温することができる。これにより、低温度環境下において内部インピーダンスが上昇し、高出力放電・急速充電ができないという事態になることを抑制することができる。
【００５８】
また、充放電回路１２０は、高周波トランスを使用しないため、大電流充放電を小型軽量の回路で実現することができる。
【００５９】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も本発明の技術的範囲に含まれる。特に、各実施形態の構成要素のうち、最上位の発明の構成要素以外の構成要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。
【００６０】
（１）上記実施形態１では、劣化診断装置２０が電池パック１に内蔵された構成としたが、本発明はこれに限られない。例えば充放電回路３０、電圧検出回路４０、制御回路５０およびコンタクタ６０のうち、少なくとも充放電回路３０および制御回路５０を電池パック１の外部に設けた構成でもよい。更に、少なくとも充放電回路３０および制御回路５０を備える独立の劣化診断装置とし、二次電池１０の劣化診断時のみ、当該二次電池１０に接続する構成でもよい。
【００６１】
（２）上記実施形態１において、充放電回路３０の代わりに、実施形態２の充放電回路１２０を利用した構成でもよい。また、逆に、上記実施形態２において、充放電回路１２０の代わりに、実施形態１の充放電回路３０を利用した構成でもよい。
【００６２】
（３）上記実施形態では、トランス３１やインダクタ１２１を有する充放電回路３０，１２０を例に挙げたが、本発明の「充放電回路」はこれに限られない。例えばコンデンサやキャパシタを蓄電素子として有する充放電回路でもよい。
【００６３】
（４）上記実施形態１では、二次電池１０の端子間電圧Ｖを直接検出する構成であったが、当該端子間電圧Ｖと相関関係がある他の電圧や電流を測定することにより、端子間電圧Ｖを間接的に検出する構成でもよい。
【００６４】
（５）上記実施形態１では、第１検出タイミングおよび第２検出タイミングの２点における端子間電圧Ｖの電圧差に基づき二次電池１０の劣化度合いを診断したが、本発明はこれに限られない。例えば、図３における放電期間内における端子間電圧Ｖの平均値と、充電期間内における端子間電圧Ｖの平均値との差に基づき二次電池１０の劣化度合いを診断する構成でもよい。なお、平均値に限らず、各期間内における端子間電圧Ｖの中間値、実効値などでもよい。また、同期間は、上記切替期間を含んでもよいが、切替期間を除いた方が劣化度合いの診断精度を高めることができる。
【００６５】
（６）上記実施形態１では、劣化診断装置２０は、コンタクタ６０を有する構成であったが、本発明はこれに限られず、コンタクタ６０を有しない構成でもよい。即ち、例えば電池パック１と負荷７０との間に既存のスイッチング素子（図示せず）が配置されていれば、コンタクタ６０が無くても、当該スイッチング素子を開閉動作させればよい。
【００６６】
（７）電池パックに、実施形態１の劣化診断装置２０および実施形態２の加温装置の両方を内蔵したものでもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１，１００：電池パック、１０：二次電池、２０：劣化診断装置、３０，１２０：充放電回路、４０：電圧検出回路（検出回路の一例）、５０：制御回路（診断回路の一例）、６０：コンタクタ（スイッチング素子の一例）、３１：トランス（蓄電素子の一例）、３２：ダイオード（切替回路の一例）、３３：ＦＥＴ（切替回路の一例）、Ｖ：端子間電圧、ＳＧ１：検出信号、１１０：加温装置、１４０：制御回路（加温制御回路の一例）、１２２，１２５：ＦＥＴ（切替回路の一例）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電素子と、
二次電池を放電させ、その放電された電力を前記蓄電素子に蓄積させる放電動作を行う放電回路と、
前記蓄電素子に蓄積された電力により前記二次電池を充電する充電動作を行う充電回路と、
前記放電回路の前記放電動作と前記充電回路の前記充電動作とを交互に切り替える切替回路と、を備える二次電池の充放電回路。
【請求項２】
請求項１に記載の充放電回路と、
前記二次電池の端子間電圧を検出し、その検出信号を出力する検出回路と、
前記切替回路を動作させつつ、前記検出信号に基づき、前記充放電回路による前記放電動作および前記充電動作の少なくとも一方の動作期間における前記二次電池の端子間電圧の変化量を算出し、当該変化量に基づき、前記二次電池の劣化度合いを診断する診断回路と、備える、二次電池の劣化診断装置。
【請求項３】
請求項２に記載の二次電池の劣化診断装置であって、
前記診断回路は、前記検出信号に基づき、前記動作期間のうち前記放電動作と前記充電動作との切替期間を除いた期間における前記端子間電圧の変化量を算出する、二次電池の劣化診断装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の二次電池の劣化診断装置であって、
当該劣化診断装置は、前記二次電池から電力を供給される負荷に並列接続される構成であり、
前記二次電池と前記負荷との電気的接続を入り切りするスイッチング素子を有し、
前記診断回路は、前記スイッチング素子をオフさせて前記二次電池と前記負荷とを電気的に遮断した後に、前記検出信号に基づき前記二次電池の劣化度合いを診断する、劣化診断装置。
【請求項５】
請求項１に記載の充放電回路と、
前記切替回路を動作させることにより前記二次電池を加温する加温制御回路と、を備える、加温装置。
【請求項６】
二次電池と、
請求項１に記載の充放電回路、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の二次電池の劣化診断装置、および、請求項５に記載の加温装置の少なくも１つの装置と、を備える、電池パック。
【請求項１】
蓄電素子と、
二次電池を放電させ、その放電された電力を前記蓄電素子に蓄積させる放電動作を行う放電回路と、
前記蓄電素子に蓄積された電力により前記二次電池を充電する充電動作を行う充電回路と、
前記放電回路の前記放電動作と前記充電回路の前記充電動作とを交互に切り替える切替回路と、を備える二次電池の充放電回路。
【請求項２】
請求項１に記載の充放電回路と、
前記二次電池の端子間電圧を検出し、その検出信号を出力する検出回路と、
前記切替回路を動作させつつ、前記検出信号に基づき、前記充放電回路による前記放電動作および前記充電動作の少なくとも一方の動作期間における前記二次電池の端子間電圧の変化量を算出し、当該変化量に基づき、前記二次電池の劣化度合いを診断する診断回路と、備える、二次電池の劣化診断装置。
【請求項３】
請求項２に記載の二次電池の劣化診断装置であって、
前記診断回路は、前記検出信号に基づき、前記動作期間のうち前記放電動作と前記充電動作との切替期間を除いた期間における前記端子間電圧の変化量を算出する、二次電池の劣化診断装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の二次電池の劣化診断装置であって、
当該劣化診断装置は、前記二次電池から電力を供給される負荷に並列接続される構成であり、
前記二次電池と前記負荷との電気的接続を入り切りするスイッチング素子を有し、
前記診断回路は、前記スイッチング素子をオフさせて前記二次電池と前記負荷とを電気的に遮断した後に、前記検出信号に基づき前記二次電池の劣化度合いを診断する、劣化診断装置。
【請求項５】
請求項１に記載の充放電回路と、
前記切替回路を動作させることにより前記二次電池を加温する加温制御回路と、を備える、加温装置。
【請求項６】
二次電池と、
請求項１に記載の充放電回路、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の二次電池の劣化診断装置、および、請求項５に記載の加温装置の少なくも１つの装置と、を備える、電池パック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−７８１８１（Ｐ２０１２−７８１８１Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２３０３８（Ｐ２０１０−２２３０３８）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（５０７１５１５２６）株式会社ＧＳユアサ (375)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（５０７１５１５２６）株式会社ＧＳユアサ (375)
【Ｆターム（参考）】
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