(57)【要約】【課題】熱交換状態及び保温状態の切換えを適切に行って、電池ユニットを適温にする。【解決手段】車両に搭載された電池パック２内に冷却水を循環させて電池を冷却する車載電池の温調装置であって、各バルブ２１〜２４及びウォータポンプ２０の作動により、電池４の周囲に冷却水を循環させて冷却水を介して外気と電池４とを熱交換させる熱交換状態と、電池４の周囲から冷却水を抜いて冷却水を介する外気と電池４との熱交換を抑制する保温状態とに切換え可能であって、電池４の温度と外気温度とに基づいて当該バルブ２１〜２４及びウォータポンプ２０を作動制御して、熱交換状態と保温状態との切換えを行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された電池の周囲に熱媒体を通過させる熱媒体路と、熱媒体路を通過した熱媒体と外気とを熱交換する熱交換機を備えた車載電池の温調装置であって、
前記熱媒体路と前記熱交換機との間で前記熱媒体を循環させて前記熱媒体を介して外気と前記電池とを熱交換させる熱交換状態と、前記熱媒体路から前記熱媒体を排出して前記熱媒体を介する外気と前記電池との熱交換を抑制する保温状態とに切換える切換装置と、
前記電池の温度と外気温度とに基づいて前記切換装置を作動制御して、前記熱交換状態と前記保温状態との切換えを設定する制御装置と、
を備えたことを特徴とする車載電池の温調装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記電池の温度が前記外気温度に基づいて設定された閾値以上である場合に前記切換装置を前記熱交換状態に設定し、前記電池の温度が前記閾値未満である場合に前記切換装置を前記保温状態に設定し、
前記閾値は、前記外気温度が低下するに伴って高く設定されることを特徴とする請求項１に記載の車載電池の温調装置。
【請求項３】
前記電池は前記車両の始動時における電力供給源であり、
前記閾値は、前記車両の始動時に停車時よりも低く設定されることを特徴とする請求項２に記載の車載電池の温調装置。
【請求項４】
前記車両の走行中では、前記外気温度に拘わらず前記閾値が一定値に設定されることを特徴とする請求項２または３に記載の車載電池の温調装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記電池の特性に応じて設定された適正温度範囲より外気温度が高い場合に前記保温状態に設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の車載電池の温調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載された電池に熱媒体を循環させて温調する温調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド車等のように高容量高出力の電池を搭載した車両において、当該電池を温調する電池温調装置を備えたものがある。電池温調装置としては、例えば空冷式や冷却水等の熱媒体を用いて電池を冷却する液冷式（水冷式）等の冷却装置が開発されている。
更に、特許文献１には、内部に電池を搭載した電池パック(電池スタック)に熱媒体を循環させて電池を冷却可能にする熱交換状態と、電池パックから熱媒体を排出した保温状態とに切換え可能な構成とした冷却装置が提案されている。この冷却装置では、例えば寒冷時に車両を放置して電池温度が低下している場合での始動時に、電池パックから熱媒体を排出して電池の熱容量を低下させ、電池の自己発熱により電池温度をすぐに上昇させて電池性能を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１３１１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、熱媒体を排出する時期を始動時に限定しており、また、熱媒体を循環させて電池を冷却している際に、周囲環境によってその冷却性能が変化するので、各種状況下において、電池の温度を適温に維持したり、適温により迅速に近づけるようにしたりして、電池性能を更に向上させることが望まれている。
本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、各種状況下において熱交換状態及び保温状態の切換えを適切に行って、電池を適温にする車両搭載電池の温調装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するべく、請求項１の車載電池の温調装置は、車両に搭載された電池の周囲に熱媒体を通過させる熱媒体路と、熱媒体路を通過した熱媒体と外気とを熱交換する熱交換機を備えた車載電池の温調装置であって、前記熱媒体路と前記熱交換機との間で前記熱媒体を循環させて前記熱媒体を介して外気と前記電池とを熱交換させる熱交換状態と、前記熱媒体路から前記熱媒体を排出して前記熱媒体を介する外気と前記電池との熱交換を抑制する保温状態とに切換える切換装置と、前記電池の温度と外気温度とに基づいて前記切換装置を作動制御して、前記熱交換状態と前記保温状態との切換えを設定する制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２の車載電池の温調装置は、請求項１において、前記制御装置は、前記電池の温度が前記外気温度に基づいて設定された閾値以上である場合に前記切換装置を前記熱交換状態に設定し、前記電池の温度が前記閾値未満である場合に前記切換装置を前記保温状態に設定し、前記閾値は、前記外気温度が低下するに伴って高く設定されることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３の車載電池の温調装置は、請求項２において、前記電池は前記車両の始動時における電力供給源であり、前記閾値は、前記車両の始動時に停車時よりも低く設定されることを特徴とする。
また、請求項４の車載電池の温調装置は、請求項２または３において、前記車両の走行中では、前記外気温度に拘わらず前記閾値が一定値に設定されることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項５の車載電池の温調装置は、請求項１から４のいずれか１項において、前記制御装置は、前記電池の特性に応じて設定された適正温度範囲より外気温度が高い場合に前記保温状態に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の車載電池の温調装置によれば、電池の温度と外気温度とに基づいて、温調装置を熱交換状態と保温状態とに切換えるので、熱交換状態にした際に外気温度に伴って異なる電池の温調効果を利用して、熱交換状態と保温状態との切換えを適切なタイミングで行うことができる。これにより、各種状況下において電池温度を適温にすることが可能となり、電池性能を向上させることができる。
【００１０】
請求項２の車載電池の温調装置によれば、電池温度が外気温度に基づいて設定された閾値以上である場合には熱交換状態に設定され、電池温度が閾値未満である場合には保温状態に設定されるとともに、外気温度が低下するに伴って閾値が高く設定されるので、外気温度が低下するに伴って電池温度が高い温度で熱交換状態と保温状態との切換えが行われて、外気温度が上昇するに伴って電池温度が低い温度で熱交換状態と保温状態との切換えが行われる。したがって、外気温度が低い場合には過度な冷却を抑制して電池温度を適温に維持することが可能となり、外気温度が高い場合には電池温度が低ければ電池温度を上昇させることができ、電池温度を適温に迅速に近づけることができる。
【００１１】
請求項３の車載電池の温調装置によれば、始動時には停車時よりも閾値が低く設定されるので、始動時の方が停車時よりも低い電池温度で熱交換状態と保温状態との切換えが行われる。したがって、始動時における電力の使用による自己発熱によって電池温度が上昇することを考慮して熱交換状態と保温状態との切換えが行われ、始動時及び停車時の夫々において適切な切換えが可能となる。
【００１２】
請求項４の車載電池の温調装置によれば、走行中では、外気温度と電池温度とが略一定の関係になるので、電池温度のみで熱交換状態と保温状態との切換判定を正確にかつ容易に行うことができる。
請求項５の車載電池の温調装置によれば、電池の適正温度範囲より外気温度が高い場合には、保温状態にすることで、外気と電池との熱交換を抑制して、電池の適正温度範囲を越える温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る車載電池の温調装置の構成図である。
【図２】本実施形態の車載電池の温調装置において、熱交換状態での冷却水の位置を示す説明図である。
【図３】本実施形態の車載電池の温調装置において、保温状態での冷却水の位置を示す説明図である。
【図４】熱交換状態から保温状態への切換える際の各バルブ及びウォータポンプの作動要領を示すフローチャートである。
【図５】保温状態から熱交換状態への切換える際の各バルブ及びウォータポンプの作動要領を示すフローチャートである。
【図６】熱交換状態・保温状態の切換判定用マップの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車載電池の温調装置の構成図である。
本実施形態の車載電池の温調装置１は、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のように、走行駆動用モータへ電力を出力する車載電池を搭載した車両に適用される。
本実施形態では、車載電池として電池パック２が車両に搭載されている。
【００１５】
図１に示すように、電池パック２は、ケース３内に複数の電池４を搭載して構成されている。電池パック２の内部には、各電池４の周囲に冷却水（熱媒体）の通路である内部冷却水路５（熱媒体路）が形成されている。内部冷却水路５は、電池パック２の上部に設けられた流入口６から冷却水を導入され、電池パック２の下部、詳しくは内部冷却水路５の最下方の位置に設けられた排出口７から冷却水を排出可能になっており、内部冷却水路５を流通する冷却水と電池４との間で熱交換可能となっている。
【００１６】
電池パック２内には、電池４の下部に冷却水を貯留可能な空間である下部冷却水タンク８が備えられている。下部冷却水タンク８は、その最下方の位置に設けられた下部タンク流出入口９から冷却水を流入及び排出が可能となっている。下部冷却水タンク８の上部は、内部冷却水路５の上部と上部連通路１０を介して連通している。
流入口６と排出口７とは電池パック２の外部に設けられた外部冷却水路１５によって連通されており、当該外部冷却水路１５には熱交換機１６が介装されている。熱交換機１６は外部冷却水路１５を通過する冷却水と外気との間で熱交換する機能を有している。
【００１７】
排出口７と熱交換機１６との間の外部冷却水路１５と、下部タンク流出入口９とは、下部連通路１７を介して連通している。
外部冷却水路１５には、下部連通路１７との接続部１８と熱交換機１６との間に、ウォータポンプ２０（ＷＰ）が設けられている。ウォータポンプ２０は、排出口７側から流入口６側へ向かって外部冷却水路１５内の冷却水を吐出する機能を有している。
【００１８】
外部冷却水路１５の熱交換機１６と流入口６との間には、外部冷却水路１５を開閉する第１開閉バルブ２１（Ｖ1）が設けられている。また、外部冷却水路１５の排出口７と接続部１８との間には、外部冷却水路１５を開閉する第２開閉バルブ２２（Ｖ2）が設けられている。
下部連通路１７には、下部連通路１７を開閉する第３開閉バルブ２３（Ｖ3）が設けられている。
【００１９】
上部連通路１０と下部冷却水タンク８との接続部には、上部連通路１０を開閉する第４開閉バルブ２４（Ｖ4）が設けられている。
なお、ウォータポンプ２０、第１開閉バルブ２１、第２開閉バルブ２２、第３開閉バルブ２３及び第４開閉バルブ２４が本発明の切換装置に該当する。
電池パック２には、電池４の温度を検出する電池温度センサ３０が設けられている。
また、車両には、外気温度を検出する外気温度センサ３１が設けられている。
【００２０】
ウォータポンプ２０、第１開閉バルブ２１、第２開閉バルブ２２、第３開閉バルブ２３、第４開閉バルブ２４は、コントロールユニット４０（制御装置）により作動制御される。
コントロールユニット４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びタイマ等を含んで構成され、図示しない車両コントロールユニットから車両状態（走行中、停車時、始動時）を入力するとともに、電池温度センサ３０及び外気温度センサ３１から電池温度及び外気温度を入力して、ウォータポンプ２０、第１開閉バルブ２１、第２開閉バルブ２２、第３開閉バルブ２３、第４開閉バルブ２４の作動制御を行う。
【００２１】
本実施形態では、ウォータポンプ２０及び各バルブ２１〜２４を作動制御して、温調装置１内の冷却水を移動させ、内部冷却水路５及び外部冷却水路１５に冷却水を満たして循環させる熱交換状態と、内部冷却水路５から冷却水を下部冷却水タンク８に排出する保温状態とに切換え可能になっている。
図２は、熱交換状態での冷却水の位置を示す説明図である。図３は、保温状態での冷却水の位置を示す説明図である。なお、図２及び３において、水平方向のハッチング部が冷却水の位置を示している。
【００２２】
熱交換状態では、第１開閉バルブ２１及び第２開閉バルブ２２は開弁しており、第３開閉バルブ２３及び第４開閉バルブ２４は閉弁している。
そして、図２に示すように、内部冷却水路５及び外部冷却水路１５に冷却水が充填されており、この状態でウォータポンプ２０を作動させることで、図２中の矢印で示すように、内部冷却水路５及び外部冷却水路１５を冷却水が循環する。このとき、電池４が高温状態である場合には、内部冷却水路５を通過する冷却水によって電池４と熱交換して電池４が冷却され、高温となった冷却水は熱交換機１６によって冷却され、内部冷却水路５に戻る。
【００２３】
保温状態では、第３開閉バルブ２３は開弁しており、第１開閉バルブ２１、第２開閉バルブ２２及び第４開閉バルブ２４は閉弁している。
図３に示すように、保温状態は、内部冷却水路５から冷却水を排出して、下部冷却水タンク８に流入させた状態である。
図４は、熱交換状態から保温状態へ切換える際の各バルブ２１〜２４及びウォータポンプ２０の作動要領を示すフローチャートである。
【００２４】
本制御は、後述する切換判定制御により、図２に示すような熱交換状態から図３に示すような保温状態へ切換えるように判定された際に実行される。
始めに、ステップＳ１０では、ウォータポンプ２０の作動を停止する。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、第３開閉バルブ２３及び第４開閉バルブ２４を開弁させる。なお、第１開閉バルブ２１及び第２開閉バルブ２２は熱交換状態で開弁しているので、開弁状態のままとする。これにより、内部冷却水路５内の冷却水は、下部連通路１７を介して、下部冷却水タンク８に流入する。そして、ステップＳ３０に進む。
【００２５】
ステップＳ３０では、下部冷却水タンク８へ冷却水が移動完了するまで待機する。具体的には、ステップＳ２０において、第３開閉バルブ２３及び第４開閉バルブ２４を開弁してから所定時間経過するまで待機する。当該所定時間は、内部冷却水路５から下部冷却水タンク８へ冷却水が移動完了するまでに要する時間以上に設定すればよい。なお、この際、上部連通路１０は空気抜き通路として機能する。そして、ステップＳ４０に進む。
【００２６】
ステップＳ４０では、第１開閉バルブ２１、第２開閉バルブ２２及び第４開閉バルブ２４を閉弁させる。そして、本ルーチンを終了する。
図５は、図３に示すような保温状態から図２に示すような熱交換状態へ切換える際の各バルブ２１〜２４及びウォータポンプ２０の作動要領を示すフローチャートである。
本制御は、後述する切換判定制御により、保温状態から熱交換状態へ切換えるように判定された際に実行される。
【００２７】
始めに、ステップＳ１００では、第２開閉バルブ２２を閉弁させる。なお、保温状態では第２開閉バルブ２２を閉弁しているが、確実に閉弁状態にするために本ステップで閉弁作動させる。そして、ステップＳ１１０に進む。
ステップＳ１１０では、第１開閉バルブ２１、第３開閉バルブ２３及び第４開閉バルブ２４を開弁させる。そして、ステップＳ１２０に進む。
【００２８】
ステップＳ１２０では、ウォータポンプ２０を作動させる。これにより、下部連通路１７を介して、下部冷却水タンク８内の冷却水が流入口６から内部冷却水路５内に流入する。そして、ステップＳ１３０に進む。
ステップＳ１３０では、内部冷却水路５へ冷却水が移動完了するまで待機する。具体的には、ステップＳ１２０において、ウォータポンプ２０を作動開始してから所定時間経過するまで待機する。当該所定時間は、下部冷却水タンク８から内部冷却水路５へ冷却水が全量移動完了するまでに要する時間以上に設定すればよい。そして、ステップＳ１４０に進む。
【００２９】
ステップＳ１４０では、ウォータポンプ２０を停止させる。そして、ステップＳ１５０に進む。
ステップＳ１５０では、第３開閉バルブ２３及び第４開閉バルブ２４を閉弁させる。そして、ステップＳ１６０に進む。
ステップＳ１６０では、第２開閉バルブ２２を開弁させる。そして、ステップＳ１７０に進む。
【００３０】
ステップＳ１７０では、ウォータポンプ２０を作動開始させる。これにより、熱交換状態に移行完了する。そして、本ルーチンを終了する。
次に、図６を用いてコントロールユニット４０における熱交換状態及び保温状態の切換判定制御について説明する。
図６は、熱交換状態・保温状態との切換判定用マップの一例である。
【００３１】
コントロールユニット４０は、車両状態、電池温度センサ３０から入力した電池温度及び外気温度センサ３１から入力した外気温度に基づいて、熱交換状態及び保温状態を切換判定する。なお、図１に示す本実施形態では、電池温度センサ３０が１つであるが、各電池４に夫々電池温度センサ３０を設け、検出した各電池温度のうち最高値を電池温度としてもよいし、平均温度を電池温度としてもよい。
【００３２】
熱交換状態及び保温状態の切換判定は、図６に示すようなマップを用いて行われる。
図６に示すように、各車両状態、詳しくは停車時、走行中、始動時において設定される閾値（図６中において、線Ａ：停車時、線Ｂ：始動時、線Ｃ：走行中）よりも、電池温度あるいは外気温度が高い場合（図６中の各線Ａ〜Ｃより右側あるいは上側の領域）では熱交換状態と判定され、電池温度あるいは外気温度が低い場合（図６中の各線Ａ〜Ｃより左側あるいは下側の領域）には保温状態と判別する。即ち、各車両状態で電池温度が外気温度に基づいて設定された閾値（図６中の各線Ａ〜Ｃ）以上であると熱交換状態であると判定され、電池温度が閾値未満であると熱交換状態であると判定される。
【００３３】
また、始動時の閾値（線Ａ）及び停車時の閾値（線Ｂ）は、外気温度が高くなるに伴って電池温度が低く、外気温度が低くなるに伴って電池温度が高くなるように設定されている。
更に、停車時よりも始動時の方が、外気温度に基づく閾値が低く設定される。
詳しくは、始動時では、電池温度が適正温度範囲より低い温度で熱交換状態と保温状態とに切り換わり、停車時では、電池温度が適正温度範囲内でも外気温度が適正温度範囲より低い温度では熱交換状態と保温状態とに切り換わる。
【００３４】
また、始動時及び停車時のいずれにおいても、電池温度及び外気温度が適正温度範囲、あるいは適正温度範囲より高い温度であるならば、熱交換状態であると判定される。例えば適正温度範囲の上限温度（高温側）は、鉛電池やニッケル水素電池が略摂氏５０度であり、ニッケルカドミウム電池やリチウムイオン電池が略摂氏６０度である。また、適正温度範囲の下限温度（低温側）は、鉛電池、ニッケルカドミウム電池及びリチウムイオン電池が略摂氏−１５度〜−２０度であり、ニッケル水素電池が摂氏−５度である。
【００３５】
また、走行中においては、外気温度に拘わらず、電池温度が適正温度範囲の下限値より若干低い温度に設定された閾値（一定値）よりも高い場合には熱交換状態であると判定し、閾値未満である場合には保温状態であると判定する。
更に、外気温度が極度に高温である場合（電池温度の適正温度範囲よりも大幅に高い温度）では、電池温度の適正温度範囲内において始動時及び停車時には、保温状態に判定する（図６中の線Ｄより上部の領域）。
【００３６】
そして、電池温度が、車両状態及び外気温度に基づいて設定された閾値を越えて、熱交換状態から保温状態に変更したときに上記図４に示す切換制御を実行し、保温状態から熱交換状態に変更したときに上記図５に示す切換制御を実行する。
以上のように、本実施形態では、停車時や始動時では、電池温度及び外気温度に基づいて、車載電池の温調装置１を熱交換状態と保温状態とで切換える。
【００３７】
例えば寒冷地において走行から停車した直後のように、電池温度が暖まって適正温度範囲内であるものの外気温度が低い場合には、特許文献１に示す従来技術では熱交換状態に維持される。これに対し、本実施形態では、電池温度が適正温度範囲内にあるものの外気温度が適正温度範囲より低下した状態である場合には、保温状態に設定されるので、電池温度の低下を抑えることができる。
【００３８】
また、停車時において電池温度が適正温度範囲より低く外気温度が高い場合には、本実施形態では熱交換状態に設定されるので、外気の熱によって電池温度を上昇させて電池温度を適正温度範囲に少しでも近づけておくことができる。
このように、電池温度だけでなく外気温度にも基づいて熱交換状態と保温状態とに切換えるので、停車時において電池温度を適正温度に維持することができる。
【００３９】
また、始動時では、停車時と同様に電池温度及び外気温度に基づいて熱交換状態と保温状態とで切換え、更に停車時よりも電池温度が低温で保温状態に切換える。これは、始動時では通電により電池温度が上昇するためであって、その分電池温度が低温で熱交換状態にしても電池温度を適正温度範囲内に維持することができる。
また、始動時では、電池温度が適正温度範囲より低く外気温度が高い場合には、特許文献１に示す従来技術では保温状態になるが、本実施形態では、熱交換状態に設定されるので、外気の熱によって電池温度を上昇させて適正温度範囲に迅速に近づけることができる。
【００４０】
また、停車時及び始動時において、外気温度が電池温度の適正温度範囲よりも大幅に高い場合には、電池温度が適正温度範囲内であるときに、保温状態に切り替わるので、外気の熱によって電池の温度が適正温度範囲よりも上昇することを抑えることができる。
このように、本実施形態では、電池温度及び外気温度に基づいて、車載電池の温調装置１を熱交換状態と保温状態とで切換えることで、停車時や始動時の夫々で適切に切換えが行われ、電池を適温にすることができ、電池性能を向上させることができる。
【００４１】
また、本実施形態では、走行中では外気温度に拘わらず電池温度によって車載電池の温調装置１の切換えが行われる。これは、走行中では、走行風により熱交換機における熱交換率が高いため、電池温度と外気温度とが略一致する。したがって、電池温度のみで熱交換状態及び保温状態を正確かつ容易に判定することができる。
また、本実施形態では、下部冷却水タンク８が内部冷却水路５の下方に位置するので、熱交換状態から保温状態に切換える際に、ウォータポンプ２０を作動せずにバルブを開弁させるだけで冷却水を自重によって移動させることができる。これにより電力消費を抑制することができる。
【００４２】
なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、熱交換状態と保温状態との切換判定用のマップについては、図６以外でも電池温度と外気温度に基づいて判定する領域があればよく、温調装置の性能や電池の容量等に応じて適宜変更してもよい。
また、下部冷却水タンク８を電池パック２の外側に配置したり、内部冷却水路５の下方以外に配置したりするように、温調装置の構成についても適宜変更してもよい。
【００４３】
また、本実施形態では、電池パック２は走行駆動モータへの電力供給用の電池であるが、熱媒体を介して外気と熱交換する車載電池に対して本願発明を広く適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  温調装置
２  電池パック
４  電池
５  内部冷却水路（熱媒体路）
２０  ウォータポンプ（切換装置）
２１  第１開閉バルブ（切換装置）
２２  第２開閉バルブ（切換装置）
２３  第３開閉バルブ（切換装置）
２４  第４開閉バルブ（切換装置）
４０  コントロールユニット（制御装置）
【図１】
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【図２】
2015230797.tif 000004
【図３】
2015230797.tif 000005
【図４】
2015230797.tif 000006
【図５】
2015230797.tif 000007
【図６】
2015230797.tif 000008