升温装置的制作方法

1.本发明涉及升温装置。


背景技术：

2.从机动车的废气减少、co2削减的观点出发，对电力机动车的关注提高，作为车载用途也正在研究锂离子二次电池的使用。锂离子二次电池等二次电池在特定的温度区域性能变高，存在安装将其升温的装置的情况。例如，存在将线圈、电容器以及交流产生电路串联连接于二次电池、并使交流电流在二次电池流动从而使二次电池升温的技术(例如，参照专利文献1)。
3.另外，通常在逆变器的输入部分、转换器的输入输出部分设置电容器。在为了二次电池的升温而意图产生谐振电流的情况下，期望在电容器的附近配置二次电池。
4.然而，存在谐振电流非意图地偶然产生的情况。例如，当谐振电流的频率接近逆变器等pcu的动作频率时，在通常动作中产生谐振。存在为了抑制这样的由电容器与电感分量引起的谐振电流而设置电抗器的技术(例如，参照专利文献2)。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本专利第4081855号公报
8.专利文献2：日本特开2004-166358号公报


技术实现要素：

9.发明要解决的课题
10.在如专利文献2那样追加电抗器来增大电感、或者增大输入电容器的容量从而在谐振频率与动作频率设置差的对策中，谐振频率变低，在二次电池流动的电流相对于输入电流的倍率变低，因此存在能量效率改善的余地。因此，在以往的技术中，存在产生非意图的谐振电流、或者升温效率不充分的情况。
11.本发明是考虑这样的事情而完成的，目的之一在于提供能够抑制非意图的谐振电流的产生并且更高效地使二次电池升温的升温装置。
12.用于解决课题的方案
13.本发明的升温装置采用了以下的结构。
14.(1)：本发明的一方案的升温装置具备：并联电路，其包括与升温对象的电池并联连接的电容器；以及交流产生电路，其与所述并联电路连接，在将所述电容器的静电容量设为cp、将所述电池的电感分量设为ls、并将所述电池的电阻分量设为rs时，所述cp满足式(1)，所述交流产生电路的角频率ω满足式(2)，
15.[0016][0017]
(2)：本发明的另一方案的升温装置具备：并联电路，其包括与升温对象的电池并联连接的电容器；以及交流产生电路，其与所述并联电路连接，在将所述电容器的静电容量设为cp、将所述电池的电感分量设为ls、并将所述电池的电阻分量设为rs时，所述cp满足式(1)，所述交流产生电路的角频率ω满足式(47)，
[0018][0019][0020]
(3)：在上述(1)或(2)的方案的基础上，所述交流产生电路包括生成纹波电流的生成电路，由所述生成电路生成的纹波电流向所述并联电路流动。
[0021]
(4)：在上述(3)的方案的基础上，所述生成电路具备：第一整流元件；第一开关元件，其与所述第一整流元件并联连接；第二整流元件，其与所述第一整流元件串联连接；以及第二开关元件，其与所述第二整流元件并联连接。
[0022]
(5)：在上述(4)的方案的基础上，所述升温装置还具备对所述纹波电流的振幅进行调整的振幅调整电路。
[0023]
(6)：在上述(5)的方案的基础上，所述振幅调整电路通过使所述第一开关元件与所述第二开关元件之间的占空比变化，从而对所述纹波电流的振幅进行调整。
[0024]
(7)：在上述(2)的方案的基础上，所述交流产生电路包括生成纹波电流的生成电路，由所述生成电路生成的纹波电流向所述并联电路流动，所述升温装置还具备对所述纹波电流的振幅进行调整的振幅调整电路，通过使纹波电流的频率变化，从而对所述纹波电流的振幅进行调整。
[0025]
(8)：在上述(1)至(7)中任一方案的基础上，所述电池具备第一电池以及与所述第一电池串联连接的第二电池，所述电容器具备：第一电容器，其与所述第一电池并联连接；以及第二电容器，其与所述第二电池并联连接，所述交流产生电路具备：第一生成电路，其与包括所述第一电池以及所述第一电容器的第一并联电路连接且生成第一纹波电流；以及第二生成电路，其与包括所述第二电池以及所述第二电容器的第二并联电路连接且生成第二纹波电流，所述升温装置还具备对所述第一纹波电流与所述第二纹波电流之间赋予相位差的相位调整电路。
[0026]
(9)：在上述(1)至(8)中任一方案的基础上，所述升温装置还具备：第一电流限制元件，其连接于所述电池与所述电容器之间；以及第二电流限制元件，其连接于所述电容器与所述交流产生电路之间，并且额定容量与所述第一电流限制元件不同。
[0027]
(10)：在上述(1)至(9)中任一方案的基础上，所述升温装置还具备连接于所述电池与所述电容器之间的电流切断元件。
[0028]
(11)：在上述(1)至(10)中任一方案的基础上，所述电感分量的电流相对于由所述交流产生电路向所述并联电路输入的电流之比超过1。
[0029]
发明效果
[0030]
根据上述(1)～(11)的方案，能够抑制非意图的谐振电流的产生，并且更加高效地使二次电池升温。
附图说明
[0031]
图1是示出搭载有包括升温装置的蓄电系统1的电动车辆的结构的一例的图。
[0032]
图2是示出升温装置60的概要结构的一例的图。
[0033]
图3是示出控制装置100的控制部106所执行的处理的流程的一例的流程图。
[0034]
图4是示出比较例的升温装置60x的结构的图。
[0035]
图5是示出第一实施方式的升温装置60的等效电路结构的图。
[0036]
图6是示出导纳平面的图。
[0037]
图7是示出将电容器的静电容量阶段性地减小了时在线圈ls流动的电流的大小的图。
[0038]
图8是针对电容器c
p
的静电容量的各值(n＝1，2，5，10)示出各部分的电流波形的图。
[0039]
图9是示出lc串联电路与lc并联电路的阻抗的比较的图。
[0040]
图10是示出lc串联电路与lc并联电路的电流特性的比较的图。
[0041]
图11是示出第一实施方式的结构的一例的图。
[0042]
图12是示出第一实施方式的交流等效电路的一例的图。
[0043]
图13是示出交流电源输出了振幅1[v]的正弦波电压的情况下的基于频率的各部分的电流振幅的推移的图。
[0044]
图14是示出从交流电源v1以200[khz]施加了振幅1[v]的交流电压的情况下的各部分的电流波形的图。
[0045]
图15是用于对电池未充放电而soc未变化的状态进行说明的图。
[0046]
图16是用于说明第一实施方式的效果的图。
[0047]
图17是示出第二实施方式的结构的一例的图。
[0048]
图18是示出第二实施方式的更具体例的结构例的图。
[0049]
图19是针对单一单体的阻抗示出频率特性的例子的图。
[0050]
图20是示出第二实施方式的交流等效电路的一部分的图。
[0051]
图21是示出图20的交流等效电路的一部分中的阻抗特性的例子的图。
[0052]
图22是示出第二实施方式的交流等效电路的例子的图。
[0053]
图23是示出开关的时机、电压变化以及电流变化的图。
[0054]
图24是示出例如通过1[khz]的lpf(低通滤波器)后的放电电力以及各部分的发热功的图。
[0055]
图25是用于说明基于占空比进行的振幅调整的图。
[0056]
图26是示出纹波电流振幅、电池交流振幅、电池交流电流的thd的特性图。
[0057]
图27是示出纹波电流的生成电路65的各种变形例的图。
[0058]
图28是示出纹波电流的生成电路65的各种变形例的图。
[0059]
图29是示出纹波电流的生成电路65的各种变形例的图。
[0060]
图30是示出纹波电流的生成电路65的各种变形例的图。
[0061]
图31是示出纹波电流的生成电路65的各种变形例的图。
[0062]
图32是示出第二实施方式的第一变形例的图。
[0063]
图33是示出第二实施方式的第二变形例的图。
[0064]
图34是示出第二实施方式的第三变形例的图。
[0065]
图35是用于说明基于纹波电流的频率进行的振幅调整的图(其1)。
[0066]
图36是用于说明基于纹波电流的频率进行的振幅调整的图(其2)。
[0067]
图37是用于说明基于纹波电流的频率进行的振幅调整的图(其3)。
[0068]
图38是用于说明基于纹波电流的频率进行的振幅调整的图(其4)。
[0069]
图39是示出在将占空比保持为50％的状态下使纹波电流的频率变化的情况下的电池交流电流的振幅以及电池交流电流的thd的图。
[0070]
图40是对通过占空比调整了电池交流电流的振幅的情况与通过纹波频率调整了电池交流电流的振幅的情况下的各自的电池交流电流的thd进行比较的图。
[0071]
图41是示出调整占空比而调节了向二次电池流动的交流电流的振幅的情况下的发热效率以及二次电池的发热的特性例的图。
[0072]
图42是示出第三实施方式的结构的一例的图。
[0073]
图43是示出第三实施方式的结构的其他例子的图。
[0074]
图44是示出调整纹波频率而调节了向二次电池流动的交流电流的振幅的情况下的电池整体的电压变动以及二次电池的发热的特性例的图。
[0075]
图45是对在图42中的各部分流动的电流以及电压进行定义的图。
[0076]
图46是示出电流以及电压的波形的图(其1)。
[0077]
图47是示出电流以及电压的波形的图(其2)。
[0078]
图48是示出电流以及电压的波形的图(其3)。
[0079]
图49是示出电流以及电压的波形的图(其4)。
[0080]
图50是示出电流以及电压的波形的图(其5)。
[0081]
图51是将占空比设为纵轴、并将纹波频率设为横轴的二次电池的发热(w)的等值图。
[0082]
图52是将占空比设为纵轴、并将纹波频率设为横轴的发热效率(％)的等值图。
[0083]
图53是将占空比设为纵轴、并将纹波频率设为横轴的电池整体的电压变动(v)的等值图。
具体实施方式
[0084]
以下，参照附图对本发明的升温装置的实施方式进行说明。在以下的说明中，升温装置作为将搭载于车辆的二次电池升温的升温装置而进行说明，但也可以代替于此(或者在此基础上)，应用于一次电池、电容器件、燃料电池、搭载它们的其他装置、设备。
[0085]
＜第一实施方式》
[0086]
图1是示出搭载有包括升温装置的蓄电系统1的电动车辆的结构的一例的图。搭载蓄电系统1的电动车辆例如是二轮、三轮、四轮等的车辆，其驱动源是电动机、或者电动机与柴油发动机、汽油发动机等内燃机的组合。电动机使用二次电池的放电电力而动作。在以下的说明中，作为一例，说明电动车辆是将发动机或电动机设为驱动源的混合动力车辆的情
况。
[0087]
如图1所示那样，在蓄电系统1例如搭载发动机10、马达20、pcu(power control unit)30、二次电池40、驱动轮50、升温装置60、电流传感器80、电压传感器82、控制装置100等。
[0088]
发动机10是通过使汽油等燃料燃烧从而输出动力的内燃机。发动机10例如是具备工作缸和活塞、进气门、排气门、燃料喷射装置、火花塞、连杆、曲轴等的往复式发动机。另外，发动机10也可以是转子式发动机。
[0089]
马达20例如是三相交流发电机。马达20例如是行驶用的电动机。马达20使用所供给的电力将动力向驱动轮50输出。另外，马达20在车辆的减速时使用车辆的动能而发电。马达20进行车辆的驱动和再生。再生是指由马达20进行的发电动作。需要说明的是，马达20也可以包括发电用的电动机。发电用的电动机例如使用由发动机10输出的动力而发电。
[0090]
pcu30例如具备变换器32以及vcu(voltage control unit)34。需要说明的是，将这些构成要素作为pcu30而汇总成一个的结构只不过是一例，这些构成要素也可以分散地配置。
[0091]
变换器32例如是ac-dc变换器。变换器32的直流侧端子经由直流线路dl而与vcu34连接。变换器32将由马达20发出的交流变换为直流并向直流线路dl输出、或者将经由直流线路dl而供给的直流变换为交流并向马达20供给。
[0092]
vcu34例如是dc-dc转换器。vcu34将从二次电池40供给的电力升压并向变换器32输出。
[0093]
二次电池40例如是锂离子电池等能够反复充电或放电的电池。二次电池40通过电力线70而与pcu30连接。二次电池40例如包括多个电池块，这些电池块相互电串联连接。电池块的各正端子以及各负端子连接于pcu30。需要说明的是，在二次电池40中，也可以包括未图示的dc-ac变换器、dc-dc变换器等。
[0094]
在二次电池40(或收纳有二次电池40的壳体)设置有对二次电池40的温度进行检测的温度传感器42、对二次电池40所输出的电流进行检测的电流传感器。
[0095]
升温装置60使锂离子电池的温度升温。关于升温装置60的详细情况，见后述。
[0096]
电流传感器80安装于电力线70。电流传感器80对电力线70中的规定的测定部位的电流进行检测。电压传感器82对二次电池40的端子间的电压进行检测。例如，电压传感器82也可以包括多个电压传感器，且这些电压传感器分别对不同的电池块的端子间的电压进行检测。
[0097]
控制装置100例如具备信息管理部102、信息处理部104以及控制部106。信息管理部102、信息处理部104以及控制部106通过cpu(central processing unit)等硬件处理器执行存储于存储装置(未图示)的程序(软件)从而实现。另外，这些构成要素中的一部分或全部可以通过lsi(large scale integration)、asic(application specific integrated circuit)、fpga(field-programmable gate array)、gpu(graphics processing unit)等硬件(包括电路部：circuitry)来实现，也可以通过软件与硬件或硬件处理器的协同配合来实现。存储装置例如通过rom(read only memory)、eeprom(electrically erasable and programmable read only memory)、hdd(hard disk drive)等非易失性的存储装置以及ram(random access memory)、寄存器等易失性的存储装置来实现。
[0098]
信息管理部102取得电流传感器80的检测结果、电压传感器82的检测结果、二次电池40的状态、温度传感器42的检测结果等。信息管理部102对所取得的信息、本装置的处理结果进行管理。例如，信息管理部102使上述的信息存储于存储装置。
[0099]
信息处理部104基于由信息管理部102取得的信息，推定soc(state of charge)、或者推定二次电池40的其他状态。其他状态是指二次电池40的异常、运行状态等。
[0100]
控制部106基于控制装置100的指示，控制二次电池40的未图示的充电电路而使二次电池40进行充电、或者控制二次电池40的未图示的放电电路、与二次电池40连接的负载而使二次电池40进行放电。控制部106基于二次电池40的温度或二次电池40的soc，控制升温装置60。
[0101]
图2是示出升温装置60的概要结构的一例的图。升温装置60例如具备连接于二次电池40的两端、且并联连接有交流电源62与电容器64的并联电路c。交流电源62基于控制装置100的控制，设定交流电压以及交流电流，并将所设定的交流电压以及交流电流通入电容器64以及二次电池40。
[0102]
图3是示出控制装置100的控制部106所执行的处理的流程的一例的流程图。首先，控制部106从温度传感器42取得二次电池40的温度，并判定所取得的温度t1是否为阈值th1以下(步骤s100)。在所取得的温度t1为阈值th1以下的情况下，控制部106取得由信息处理部104推定的二次电池40的soc，并判定所取得的soc是否为阈值th2以上(步骤s102)。
[0103]
在所取得的soc为阈值th2以上的情况下，控制部106使升温装置60运行(步骤s104)。运行是指向电容器64以及二次电池40供给电力。关于升温装置60的运行方法，见后述。
[0104]
在所取得的温度t1不是阈值th1以下的情况或所取得的soc不是阈值th2以上的情况下，控制部106不使升温装置60运行(步骤s106)。在升温装置60运行着的情况下，停止运行。
[0105]
如上述，控制部106基于二次电池40的温度以及soc，控制升温装置60。
[0106]
(比较例)
[0107]
图4是示出比较例的升温装置60x以及二次电池40的结构的图。在升温装置60x中，电容器cs与电阻rs以及线圈ls串联连接，电容器cs以及线圈ls构成lc串联电路。在图4那样的lc串联电路的情况下，输入电流iin、电流ic以及电流il相同。因此，在升温装置60x中，需要利用交流产生电路vin使与电流il同量的电流流动。因此，当欲增大电流il而增加发热量时，交流产生电路vin的负担变大。
[0108]
(第一实施方式的结构)
[0109]
在第一实施方式中，成为附加电容器并在高频带处与二次电池40所具有的电感谐振那样的结构，以较小的交流电压得到较大的交流电流。在这样的第一实施方式中，通过以电阻分量变大的频率使电路谐振来进行通电，从而能够以较少的电流得到较大的发热量。
[0110]
图5是示出第一实施方式的升温装置60以及二次电池40的等效电路结构的图。在升温装置60中，例如，电容器cp与电阻rs以及线圈ls并联连接，电容器cp与线圈ls构成lc并联电路。电阻rs以及线圈ls是表示升温对象的二次电池的特性的假想的构件。在图5那样的lc并联电路的情况下，能够以较小的输入电流iin得到较大的电流il，但为此需要满足式(1)。
[0111][0112]
与输入电流iin(＝il+ic)相比电流il的振幅变大的条件是，相比于从作为二次电池的串联电阻分量的rs与作为串联电感分量的ls按照式(1)导出的规定的值，并联连接的电容器的静电容量cp较小。电流il相对于输入电流iin之比(即倍率)在式(2)所示的角频率ω中成为最大。
[0113][0114]
电流il相对于电流iin的倍率如式(3)那样表示。
[0115][0116]
以下，对关系式详细进行说明。图6是示出导纳平面的图。导纳的实数部为电导g，虚数部为容性的电纳b和感性的电纳b。当将基于rs与ls的串联电路的导纳设为y
lr
、并将基于c
p
的导纳设为yc时，它们如式(4)以及式(5)那样表示。
[0117][0118]
yc＝jωc
p
…
(5)
[0119]
从纹波电源观察时的合成导纳为y
lr
与yc的和，因此如式(6)那样表示。
[0120][0121]
需要说明的是，在式(7)至式(11)示出式(4)至式(6)的导出过程。在此，z
lr
为rs与ls的串联电路的阻抗，zc为c
p
的阻抗。
[0122]zlr
＝rs+jωls…
(7)
[0123][0124]
[0125][0126][0127]
在式(12)示出导纳y
lr
的绝对值的平方。
[0128][0129]
在式(13)示出合成导纳y
lr
+yc的绝对值的平方。
[0130][0131]
关于导纳y
lr
的绝对值的平方与合成导纳y
lr
+yc的绝对值的平方之比，示出式(14)以及式(15)。
[0132]
[0133][0134]
在此，当将满足2ω2cpls2+cprs
2-2ls＝0的ω设为ω0时，ω
02
如式(16)那样表示。
[0135][0136]
根据式(17)的关系，在cprs2＞2ls的情况下，式(18)成立。
[0137][0138][0139]
在cprs2＝2ls的情况下，在ω＝0时，式(19)成立。
[0140][0141]
在cprs2＜2ls的情况下，存在成为式(20)的ω。
[0142][0143]
ω
02
如式(21)那样表示。
[0144][0145]
在ω＝ω0时，式(22)成为极值。
[0146][0147]
为了使式(23)成立，需要使cprs2＜2ls成立。
[0148]
[0149]
因此，以成为式(24)的方式选定电容器即可。
[0150][0151]
接着，角频率ω2如式(25)那样表示。
[0152][0153][0154]cp
(r
s2
+ω2l
s2
)≤2ls[0155][0156]
在ω＝ω0时，成为式(26)那样。
[0157][0158]
因此，在ω＝ω0时，成为式(27)那样。
[0159][0160]
在此，定义式(28)。
[0161][0162]
电容器c
p
如式(29)那样表示。
[0163][0164]
因此，能够示出式(30)。
[0165][0166]
同样地，关于ω0，也能够如式(31)那样表示。
[0167][0168]
以下，对得到n倍的电流振幅的原理进行说明。图7是示出在将电容器的静电容量阶段性地减小了时在线圈ls流动的电流的大小的图。纵轴是电流[a]，横轴是频率[hz]。在将电阻分量rs设为0.1[ω]、将电感分量(线圈)ls设为796[nh]、并将输入电流iin设为1[a]的情况下，针对与电容器c
p
相关的值(n＝1，2，5，10)，分别在图7中利用曲线i(l1)、i(l2)、i(l3)以及i(l4)示出在频率为几十[khz]至1[mhz]的范围内向线圈ls流动的电流的大小。
[0169]
在此，当定义为角频率ω
00
＝rs/ls时，其值为125.66k[rad/s]，频率f
00
为ω
00
/2π＝20[khz]。通过式(33)，可知相对于频率f
00
得到大致n倍的电流振幅。
[0170]
[0171][0172][0173]
具体而言，针对n＝1，2，5，10，分别如式(34)至式(37)那样得到线圈ls相对于输入电流iin的倍率。
[0174][0175][0176][0177][0178]
需要说明的是，n＝1时的角频率ω如式(38)那样，n＝2时的角频率ω如式(39)那样。
[0179][0180][0181]
图8是针对电容器c
p
的静电容量的各值(n＝1，2，5，10)示出各部分的电流波形的图。纵轴表示电流[a]，横轴表示时间[ms]。从图8的最下图朝向上图，在c
p
＝c
p
00＝79.6[μf]时，为电流il＝iin
×
1.15[a]，且为频率f＝14.1[khz]。在c
p
＝c
p
00/22＝19.9[μf]时，为电流il＝iin
×
2.07[a]，且为频率f＝37.4[khz]。在c
p
＝c
p
00/52＝3.18[μf]时，为电流il＝iin
×
5.03[a]，且为频率f＝99.0[khz]。在c
p
＝c
p
00/102＝796[nf]时，为电流il＝iin
×
10.01[a]，且为频率f＝14.1[khz]。
[0182]
在此，对以较高的频率谐振进行说明。在应用于hev(hybrid electric vehicle)、ev(electric vehicle)等的情况下，二次电池的特性是，每单一单体的电阻分量为几[mω]，电感分量为几十[nh]程度。在电池封装体整体中，大致电阻分量为100[mω]至500[mω]程度，电感分量为1[uh]至10[uh]程度。pcu的输入电容器与二次电池并联连接，且成为大致100[uf]以上。在这样的应用例中，存在想要以较高的频率谐振这样的迫切希望。
[0183]
即，设为rs＝100[mω]、ls＝10[uh]、c
p
＝100[uf]的条件下的谐振频率如式(40)所示那样为11.3[khz]，此时的电流的倍率如式(41)那样成为1.15倍，相对于输入电流使通入二次电池的电流增加的效果较小。
[0184][0185][0186][0187]
另外，pcu的动作频率大多避开可听域而为15[khz]程度以上，在上述的谐振频率的情况下成为动作频率以下，在通常动作中会产生非意图的谐振。为了抑制该谐振电流，考虑增大pcu的输入电容器的容量、或者追加电抗器而增大电感，但在该情况下谐振频率降低，因此并不优选。即，在对二次电池施加的交流电流的频率较低的情况下，电池内部的充放电反应变大，因此从防止二次电池的过充电、过放电的观点出发必须抑制电流振幅，使二次电池发热的效果变小。
[0188]
于是，也可以使用具有随着在二次电池流动的交流电流的频率从低频率上升而二次电池的阻抗的电阻分量降低、且越从电阻分量成为最小的频率远离高频率侧则电阻分量越增加的特性的二次电池，使比电阻分量成为最小的频率高的高频带的频率的交流电流向二次电池通入。
[0189]
另外，也优选将串联连接的电池组分为多个块，利用针对每个块而连接的高频电流生成电路，向各个块的二次电池通入高频电流，并使每个块的高频电流的相位不同，从而减小电池组整体的电压变动。对此在第三实施方式中进行说明。
[0190]
这样，通过在上述那样的实际的hev、ev的二次电池中组合几[uf]程度的小容量的电容器，从而容易在100[khz]以上的高的频带处谐振。
[0191]
在此，对lc串联谐振与lc并联谐振的比较进行说明。图9是示出lc串联电路与lc并联电路的阻抗的比较的图。如图9的左图所示那样，在lc串联电路的情况下，在谐振频率下为阻抗z＝0。与此相对，如图9的右图所示那样，在lc并联电路的情况下，在谐振频率下为阻抗z＝∞(无穷大)。
[0192]
图10是示出lc串联电路与lc并联电路的电流特性的比较的图。如图10的左图所示那样，在lc串联电路的情况下，在谐振频率下为阻抗z＝0。由于为串联电路，因此输入电流与在线圈流动的电流相同(i(v2))。与此相对，如图10的右图所示那样，在lc并联电路的情
况下，在谐振频率下为阻抗z＝∞(无穷大)。在谐振频率下，输入电流i(v1)几乎不流动，但在线圈与电容器之间电流i(c1)与i(l1)循环。
[0193]
图11是示出第一实施方式的结构的一例的图。若将二次电池40与电容器64并联连接、并从交流电源(也称为“交流产生电路”)62向该并联电路施加纹波，则利用小振幅的纹波电流，在二次电池40与电容器64之间产生大振幅的交流电流。能够利用该大振幅的交流电流使二次电池40升温。
[0194]
图12是示出第一实施方式的交流等效电路的一例的图。关于电路常数，例如设为，二次电池的串联电感ls1为200[nh]，二次电池的串联电阻rs1为100[mω]，并联连接电容器c1为3[uf]，电容器的等效串联电阻rc1为1[mω]，交流电源的输出电阻rv1为100[mω]。
[0195]
图13是示出交流电源输出了振幅1[v]的正弦波电压的情况下的基于频率的各部分的电流振幅的推移的图。如图13所示那样，在交流电源v1流动的电流为i(rv1)，在电容器c1流动的电流为i(rc1)，在线圈ls1流动的电流为i(rs1)。在式(42)示出该情况下的谐振频率。
[0196][0197]
图14是示出从交流电源v1以200[khz]施加了振幅1[v]的交流电压的情况下的各部分的电流波形的图。需要说明的是，关于电流的正负，在图12的交流等效电路中，以朝下为正。根据图14，可知在谐振频率附近，比交流电源v1所输出的交流电流i(rv1)大的交流电流i(rs1)向二次电池流动。
[0198]
图15是用于对二次电池未充放电而soc未变化的状态进行说明的图。在二次电池未充放电而soc未变化的状态下，根据能量守恒定律，在各构成要素的电阻分量产生的发热功的总和w1与交流电源所输出的电力w2当平均时成为大致相等的值。
[0199]
图16是用于说明第一实施方式的效果的图。根据第一实施方式，具备：并联电路，其包括与升温对象的二次电池40并联连接的电容器64；以及交流电源62，其与该并联电路连接，在将电容器64的静电容量设为cp、将二次电池40的电感分量设为ls、并将二次电池40的电阻分量设为rs时，cp满足式(1)，交流产生电路的角频率ω满足式(2)。由此，交流电流(il+ic)比输入电流iin大。换言之，能够以较小的iin得到较大的il。这样，能够利用向二次电池40流动的交流电流il，将二次电池40加温。另外，能够以较高的频率谐振，因此能够抑制非意图的谐振电流的产生，并能够更高效地使二次电池40升温。
[0200]
《第二实施方式》
[0201]
图17是示出第二实施方式的结构的一例的图。第二实施方式的升温装置61与具有规定的阻抗特性的二次电池41连接。升温装置61例如具备与二次电池41并联连接的电容器64以及与电容器64并联连接且生成纹波电流的生成电路65。生成该纹波电流的生成电路65是技术方案中的“交流产生电路”的一例。向由二次电池41以及电容器64构成的并联电路与生成电路65之间流动纹波电流。由于该纹波电流，而在并联电路内产生在二次电池41与电容器64往复的交流电流。该交流电流向二次电池41流动，从而该二次电池41被加温。
[0202]
图18是示出第二实施方式的更具体例的结构例的图。生成纹波电流的生成电路65例如第一整流元件d1、与第一整流元件d1并联连接的第一开关元件s1、与第一整流元件d1
串联连接的第二整流元件d2以及与第二整流元件d2并联连接的第二开关元件s2。
[0203]
图19是针对单一单体的阻抗示出频率特性的例子的图。在图19中，特性曲线cv1示出电阻分量，特性曲线cv2示出电阻分量的放大，特性曲线cv3示出电抗分量，特性曲线cv4示出电抗分量的放大。
[0204]
图20是示出第二实施方式的交流等效电路的一部分的图。关于电路常数，例如设为，二次电池的单体数为12，并联连接电容器cp1为3.6[uf]，电容器的等效串联电阻rcp1为1[mω]。图21是示出图20的交流等效电路的一部分中的阻抗特性的例子的图。在200[khz]附近存在谐振点，阻抗成为最大。
[0205]
图22是示出第二实施方式的交流等效电路的例子的图。关于电路常数，例如设为，二次电池的单体数为12，电池电压为3.7
×
12＝44.4[v]，并联连接电容器cp1为3.6[uf]，电容器的等效串联电阻rcp1为1[mω]，电阻r1为0.1[ω]，线圈l2为3[uh]，电容器c2为1[uf]，开关频率为200[khz]，开关的占空比为50％。
[0206]
图23是示出开关的时机、电压变化以及电流变化的图。相对于电池电流i(e1)，生成纹波电流的生成电路65的电流i(r1)为几分之一的大小。因此，能够抑制由生成电路65所具备的开关元件s1、s2引起的发热。电流i(e1)以在并联连接的电容器cp1与二次电池之间往复的方式流动，但在该电流路径中不包括开关元件，因此能够使结构简化。
[0207]
图24是示出例如通过1[khz]的lpf(低通滤波器)后的放电电力以及各部分的发热功的图。图24的下图分别示出电池发热、电容器发热以及电路发热。纵轴是电力[w]，横轴是时间[ms]。将它们相加而得到的值是“发热的总和”。图24的中图分别示出放电电力以及发热的总和。图24的上图示出从放电电力减去发热的总和而得到的值。根据能量守恒定律，构成要素(二次电池、并联连接电容器、纹波电流生成电路)的发热功的总和与二次电池所放出的电力当平均时成为相等的值。
[0208]
图25是用于说明基于占空比进行的振幅调整的图。在第二实施方式的升温装置61中，也可以还具备对纹波电流的振幅进行调整的振幅调整电路66。振幅调整电路66例如也可以具备使第一开关元件s1与第二开关元件s2之间的占空比变化的变更电路67。图25的左图示出变更电路67将开关元件s1与开关元件s2之间的占空比设定为50∶50的情况，图25的中图示出变更电路67将开关元件s1与开关元件s2之间的占空比变更为30：70的情况，图25的下图示出变更电路67将开关元件s1与开关元件s2之间的占空比变更为10∶90的情况。在使占空比从50∶50变化为10∶90的情况下，纹波电流的振幅方式变化，与此相伴，在电池交流电流的振幅产生d的减少。即，纹波电流与在二次电池流动的交流电流的振幅存在规定的关系。图26是示出纹波电流振幅、电池交流振幅以及电池交流电流的thd的特性图。在纹波电流中包括较多谐波分量，因此当提取纹波电流的基本波分量(在本例中为200[khz])与电池交流分量的基本波分量而进行比较时，如图26所示那样，可知两者具有比例关系。在基本波分量的提取时，利用傅里叶变换处理等即可。这样，也可以通过调整纹波电流的振幅，从而调节在二次电池流动的交流电流的振幅。
[0209]
需要说明的是，如图26所示那样，可知电池交流电流的thd(total harmonic distortion：总谐波失真)为大致2％以下，且大致为正弦波。
[0210]
图27至图31是示出纹波电流的生成电路65的各种变形例的图。以与图18所示的结构的不同点为中心进行说明。在图27的变形例中，将线圈68与电容器69串联连接，并将其与
开关元件s1并联连接。在图28的变形例中，将线圈68与电容器69串联连接，并将其与整流元件d1并联连接，并且将线圈68与电容器69的连接点连接于电容器64的一端。在图29的变形例中，经由线圈68，将电容器64的两端子与整流元件d2的两端子并联连接。在图30的变形例中，将线圈68与电容器69串联连接，并将其与开关元件s2并联连接。在图31的变形例中，将线圈68与电容器69串联连接，并将其与整流元件d2并联连接，并且将线圈68与电容器69的连接点连接于电容器64的一端。
[0211]
图32是示出第二实施方式的第一变形例的图。第一变形例在第二实施方式的结构中例如具备连接于二次电池41与电容器64之间的第一电流限制元件fs1以及连接于电容器64与纹波电流的生成电路(交流产生电路)65之间的第二电流限制元件fs2。在该第一变形例中，也可以使第一电流限制元件fs1的额定容量与第二电流限制元件fs2的额定容量不同。具体而言，也可以使第一电流限制元件fs1的额定容量比第二电流限制元件fs2的额定容量大。第一电流限制元件fs1以及第二电流限制元件fs2具体而言也可以是熔断器(fuse)、ptc(positive temperature coefficient)元件。
[0212]
图33是示出第二实施方式的第二变形例的图。第二变形例在第二实施方式的结构中例如具备连接于二次电池41的负极端子与电容器64之间的电流切断元件sw1。电流切断元件sw1在不需要二次电池41的加温的情况下，维持该电流切断元件sw1的断开状态。根据第二变形例，在不需要二次电池41的加温的情况下，能够防止由于噪声的混入等而产生不必要的谐振电流的情况。
[0213]
图34是示出第二实施方式的第三变形例的图。第三变形例在第二实施方式的结构中例如具备连接于二次电池41的正极端子与电容器64之间的电流切断元件sw2。电流切断元件sw2在不需要二次电池41的加温的情况下，维持该电流切断元件sw2的断开状态。根据第三变形例，在不需要二次电池41的加温的情况下，能够防止由于噪声的混入等而产生不必要的谐振电流的情况。
[0214]
以下，对第二实施方式的第四变形例进行说明。振幅调整电路66也可以不通过占空比来调整纹波电流的振幅，而通过在将占空比例如维持为50％的状态下，调整纹波电流的频率，从而调整纹波电流的振幅。这样一来，能够减少将振幅控制得较小的情况下的电池交流电流的thd。
[0215]
作为升温装置61的性能要件，期望电流增益(前述的倍率)大于1。根据图6，为了使电流增益大于1，需要为|y
lr
|＞|y
lr
+yc|。即，当满足式(43)时电流增益大于1。
[0216][0217][0218][0219][0220]
在此，当将电流增益成为1的ω设为ω1时，式(44)成立。电流增益成为最大的ω0
由式(45)表示，由于为ω1＝ω0
×
√2，因此电流增益大于1的ω的范围由式(46)表示。
[0221][0222][0223][0224]
图35～38是用于说明基于纹波电流的频率进行的振幅调整的图。这些图示出，相对于将纹波电流的频率设为200[khz]的图23在将占空比保持为50％的状态下使纹波电流的频率变化的情况下的各个频率下的各部分波形。可知通过使频率从200[khz]向上方或者下方变化，从而抑制了电池交流电流的振幅。
[0225]
图39是示出在将占空比保持为50％的状态下使纹波电流的频率变化的情况下的电池交流电流的振幅以及电池交流电流的thd的图。另外，图40是对通过占空比调整了电池交流电流的振幅的情况与通过纹波频率调整了电池交流电流的振幅的情况下的各自的电池交流电流的thd进行比较的图。可知与通过占空比来调整相比，通过纹波频率来调整能够进一步减小电池交流电流的thd。并且，图41是示出调整占空比而调节了向二次电池流动的交流电流的振幅的情况下的发热效率以及二次电池的发热的特性例的图。发热效率是二次电池的发热相对于二次电池的放电电力的比率。通过调整占空比，从而调节二次电池的发热，且发热效率的变化较小。在接近谐振频率的纹波频率下，发热效率较高，并且比二次电池的发热也较大。当纹波频率远离谐振频率时，发热效率、二次电池的发热均降低，但即使纹波频率远离谐振频率，由占空比的调整引起的发热效率的变化也较小。
[0226]
《第三实施方式》
[0227]
在第三实施方式中，以与第二实施方式不同的点为中心进行说明。图42是示出第三实施方式的结构的一例的图。第三实施方式的二次电池例如具备第一电池41-1以及与第一电池41-1串联连接的第二电池41-2。第三实施方式的电容器例如具备与第一电池41-1并联连接的第一电容器64-1以及与第二电池41-2并联连接的第二电容器64-2。第三实施方式的交流产生电路例如具备与包括第一电池41-1以及第一电容器64-1的第一并联电路连接且生成第一纹波电流的第一生成电路65-1、以及与包括第二电池41-2以及第二电容器64-2的第二并联电路连接且生成第二纹波电流的第二生成电路65-2。另外，第三实施方式的结构具备对第一纹波电流与第二纹波电流之间赋予相位差的相位调整电路71。
[0228]
相位调整电路71在如图42的例子那样将两个电池模块(41-1、41-2)串联连接的情况下，对来自第一生成电路65-1的第一纹波电流与来自第二生成电路65-2的第二纹波电流之间例如赋予180度的相位差。
[0229]
图43是示出第三实施方式的结构的其他例子的图。第三实施方式的其他例子的二次电池例如具备第一电池41-1、与第一电池41-1串联连接的第二电池41-2以及与第二电池41-2串联连接的第三电池41-3。第三实施方式的电容器例如具备与第一电池41-1并联连接的第一电容器64-1、与第二电池41-2并联连接的第二电容器64-2以及与第三电池41-3并联
连接的第三电容器64-3。第三实施方式的交流产生电路例如具备与包括第一电池41-1以及第一电容器64-1的第一并联电路连接且生成第一纹波电流的第一生成电路65-1、与包括第二电池41-2以及第二电容器64-2的第二并联电路连接且生成第二纹波电流的第二生成电路65-2、以及与包括第三电池41-3以及第三电容器64-3的第三并联电路连接且生成第三纹波电流的第三生成电路65-3。在第三实施方式的结构中，相位调整电路71对第一纹波电流、第二纹波电流以及第三纹波电流之间赋予相位差。
[0230]
相位调整电路71在如图43的例子那样将三个电池模块(41-1、41-2、41-3)串联连接的情况下，对来自第一生成电路65-1的第一纹波电流、来自第二生成电路65-2的第二纹波电流以及来自第三生成电路65-3的第三纹波电流值之间例如赋予120度的相位差。
[0231]
根据第三实施方式，针对将多个电池模块(41-1、41-2、...)串联地组合而成的电池组，相对于各电池模块分别并联地连接电容器(64-1、64-2、...)以及纹波电流的生成电路(65-1、65-2、...)，且相位调整电路71调整多个纹波电流的相位，从而能够抑制电池组整体的电压变动。
[0232]
在第三实施方式中，第一生成电路65-1以及第二生成电路65-2也可以通过调整纹波电流的频率从而调整纹波电流的振幅。图44是示出调整纹波频率而调节了向二次电池流动的交流电流的振幅的情况下的电池整体的电压变动以及二次电池的发热的特性例的图。电池整体的电压变动是在第一电池41-1的负极与第二电池41-2的正极之间的电压产生的变动幅度。在此，来自第一生成电路65-1的第一纹波电流与来自第二生成电路65-2的第二纹波电流之间的相位差设为180度。通过调整纹波频率，从而调节二次电池的发热，特别是在占空比为50％的情况下，thd较小，因此向二次电池流动的交流电流接近正弦波，且具有180度的相位差的两个电流流动，从而电池整体的电压变动被抑制得较低。当占空比远离50％时，电压变动增加。成为在相比谐振频率为高频侧处调整纹波频率的情况下电压变动被抑制的倾向。在如图45那样定义了图42中的在各部分流动的电流以及电压的情况下，它们的波形如图46～50所示那样。
[0233]
另外，图51是将占空比设为纵轴、并将纹波频率设为横轴的二次电池的发热(w)的等值图，图52是相同的轴的发热效率(％)的等值图，图53是相同的轴的电池整体的电压变动(v)的等值图。这样，通过调整占空比以及纹波频率，能够调节二次电池的发热、发热效率以及电池整体的电压变动。
[0234]
需要说明的是，上述的电池模块的数量并不限定于例示的2或3。

技术特征：
1.一种升温装置，其中，所述升温装置具备：并联电路，其包括与升温对象的电池并联连接的电容器；以及交流产生电路，其与所述并联电路连接，在将所述电容器的静电容量设为cp、将所述电池的电感分量设为ls、并将所述电池的电阻分量设为rs时，所述cp满足式(1)，所述交流产生电路的角频率ω满足式(2)，所述cp满足式(1)，所述交流产生电路的角频率ω满足式(2)，2.一种升温装置，其中，所述升温装置具备：并联电路，其包括与升温对象的电池并联连接的电容器；以及交流产生电路，其与所述并联电路连接，在将所述电容器的静电容量设为cp、将所述电池的电感分量设为ls、并将所述电池的电阻分量设为rs时，所述cp满足式(1)，所述交流产生电路的角频率ω满足式(47)，所述cp满足式(1)，所述交流产生电路的角频率ω满足式(47)，3.根据权利要求1或2所述的升温装置，其中，所述交流产生电路包括生成纹波电流的生成电路，由所述生成电路生成的纹波电流向所述并联电路流动。4.根据权利要求3所述的升温装置，其中，所述生成电路具备：第一整流元件；第一开关元件，其与所述第一整流元件并联连接；第二整流元件，其与所述第一整流元件串联连接；以及第二开关元件，其与所述第二整流元件并联连接。5.根据权利要求4所述的升温装置，其中，所述升温装置还具备对所述纹波电流的振幅进行调整的振幅调整电路。6.根据权利要求5所述的升温装置，其中，所述振幅调整电路通过使所述第一开关元件与所述第二开关元件之间的占空比变化，从而对所述纹波电流的振幅进行调整。7.根据权利要求2所述的升温装置，其中，
所述交流产生电路包括生成纹波电流的生成电路，由所述生成电路生成的纹波电流向所述并联电路流动，所述升温装置还具备对所述纹波电流的振幅进行调整的振幅调整电路，通过使纹波电流的频率变化，从而对所述纹波电流的振幅进行调整。8.根据权利要求1或2所述的升温装置，其中，所述电池具备第一电池以及与所述第一电池串联连接的第二电池，所述电容器具备：第一电容器，其与所述第一电池并联连接；以及第二电容器，其与所述第二电池并联连接，所述交流产生电路具备：第一生成电路，其与包括所述第一电池以及所述第一电容器的第一并联电路连接且生成第一纹波电流；以及第二生成电路，其与包括所述第二电池以及所述第二电容器的第二并联电路连接且生成第二纹波电流，所述升温装置还具备对所述第一纹波电流与所述第二纹波电流之间赋予相位差的相位调整电路。9.根据权利要求1或2所述的升温装置，其中，所述升温装置还具备：第一电流限制元件，其连接于所述电池与所述电容器之间；以及第二电流限制元件，其连接于所述电容器与所述交流产生电路之间，并且额定容量与所述第一电流限制元件不同。10.根据权利要求1或2所述的升温装置，其中，所述升温装置还具备连接于所述电池与所述电容器之间的电流切断元件。11.根据权利要求1或2所述的升温装置，其中，所述电感分量的电流相对于由所述交流产生电路向所述并联电路输入的电流之比超过1。

技术总结
本发明提供能够抑制非意图的谐振电流的产生并且更高效地使二次电池升温的升温装置。升温装置具备：并联电路，其包括与升温对象的电池并联连接的电容器；以及交流产生电路，其与所述并联电路连接，在将所述电容器的静电容量设为Cp、将所述电池的电感分量设为Ls、并将所述电池的电阻分量设为Rs时，所述Cp满足式(1)，所述交流产生电路的角频率ω满足式(2)。所述交流产生电路的角频率ω满足式(2)。所述交流产生电路的角频率ω满足式(2)。


技术研发人员：大贯泰道
受保护的技术使用者：本田技研工业株式会社
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/8/28