(57)【要約】【課題】車両等に搭載される電池の温度調整を行うバッテリ温調システムに関し、簡単な機構で、複数の電池間の温度のばらつきを抑えて、温度のばらつきによって生ずる電池劣化を防止することを目的とする。【解決手段】温度計測部１０２、１０３は、電池１０１上の、熱源１０４による熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置にそれぞれ設置される。熱量算出手段として動作する制御部１０５は、各温度計測部１０２，１０３で計測される各温度Ｔ1 、Ｔ2 と温度目標値ＴＧとの各温度差ΔＴ1 、ΔＴ2を算出し、各温度差に従って電池１０１に対して与えるべき熱量Ｑp を計算する。熱源動作判定手段として動作する制御部１０５は、各温度差の値および符号に従って、熱源１０４を介して電池１０１に熱量を加えるか否かを判定する。熱源電力供給手段として動作する制御部１０５は、その判定結果に基づいて、算出した熱量に対応する電力を、ＤＤＣ１０６を介して熱源１０４のペルチェ素子に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の温度を熱源を使って調整するシステムにおける熱入出量制御システムであって
前記電池上の、前記熱源による熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置にそれぞれ設置される温度計測部と、
前記各温度計測部で計測される各温度と温度目標値との各温度差を算出し、該各温度差に従って前記電池に対して与えるべき熱量を計算する熱量算出手段と、
前記各温度差の値および符号に従って、前記熱源を介して前記電池に熱量を加えるか否かを判定する熱源動作判定手段と、
前記判定結果に基づいて、前記熱量算出手段にて計算した熱量に対応する電力を、前記熱源に供給する熱源電力供給手段と、
を備えることを特徴とする温度ムラを考慮した熱入出量制御システム。
【請求項２】
前記熱量算出手段は、前記各温度差の平均値を計算し、該平均値に前記電池の熱容量を乗算した値として前記熱量を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度ムラを考慮した熱入出量制御システム。
【請求項３】
前記熱源動作判定手段は、前記各温度差の値および符号の関係が、前記電池における温度が平衡な状態になるように熱が拡散する方向になる関係にあるとき、または前記各温度差の値の絶対値が所定の閾値以下になるときに、前記熱源を停止させて前記電池に熱量は加えないと判定し、前記関係以外の関係であるときに、前記熱源を動作させて前記電池に熱量を加えると判定する、
ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の温度ムラを考慮した熱入出量制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載される電池の温度調整を行うバッテリ温調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電池や電池パックは、環境によって出力電力の特性が変化し、特に温度には敏感である。
最近では、いわゆるハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、あるいはハイブリッドビークル、ハイブリッドエレクトリックビークルなどと呼ばれる、エンジンに加えてモータ（電動機）を動力源として備えた車両または輸送機械（以下、「車両等」と称する）が実用化されている。さらには、エンジンを備えずモータのみで車両を駆動する電気自動車も実用化されつつある。
【０００３】
それらのモータを駆動する電源として、小型、大容量の特徴を有するリチウムイオン電池などが多く使用されるようになってきている。そして、このような用途においては、複数の電池や電池パックが相互に接続されて電源として供給される場合が多い。この場合、リチウムイオン電池などは温度による特性の変化が大きく、電池が使用される環境の温度によって電池の寿命も大きく変化する。さらには、複数の電池パック等が接続されて使用される場合、それぞれの電池パックには劣化のばらつきがあり、１つの電池パックが使用不能になると、それに接続されている他の電池パックも交換が必要になってしまう。
【０００４】
以上の特性により、複数接続される電池パックは、なるべく温度むらがないように稼働させて、劣化を抑制するように制御することが求められる。従って、車両等に搭載される電池においては、いかにインテリジェントな温度調整制御（以下、「温調」と称する）を実現するかが重要である。
【０００５】
電池の温調制御に関連する第１の従来技術として、二次電池温度を測定する温度センサと抵抗体の温度を測定する抵抗体温度センサを有し、それらのセンサから算出した二次電池最大電流値と抵抗体の抵抗値に基づいて、抵抗体(加熱部)の最大発熱量Ｑｍａｘを算出すると共に、二次電池温度が基準温度以上になっているか否かを判定して、暖気の終了、継続を制御する技術が知られている（例えば特許文献１）。蓄電手段を過加熱することなく速やかに加熱昇温させることができる車両用蓄電手段の加熱装置を提供する技術である。
【０００６】
この従来技術は、複数箇所からのセンサ出力に基づいて電池の温調制御を行っている。しかし、これらの複数のセンサは二次電池温度センサと抵抗体温度センサであり、速やかな加熱昇温は行えても、電池パックまたは電池セル間の加熱・冷却温度のばらつきを抑制するようには構成されていない。このため、それらのばらつきによって生ずる電池劣化を防止することができないという問題点を有していた。
【０００７】
次に、第２の従来技術として、電池ケース内に複数の温度センサを配置して最低温度が基準下限温度よりも低いか否かおよび最高温度が基準上限温度よりも高いか否か、ならびに電池ブロックごとに算出した電圧Ｖｎの時間変化率（差分電圧ΔＶ）の大きさに応じて、加温装置の加温の実行／停止と、加温熱量を制御する技術が知られている（特許文献２）。二次電池の加温によって発生しうる単電池間もしくは電池モジュール間における電池温度もしくは電池電圧のばらつきを抑制する技術である。
【０００８】
この従来技術は、電圧の時間変化率に基づいて電池温度もしくは電池電圧のばらつきを抑制する。しかし、温度センサは、単に電池ケース内の最低・最高温度が基準下限・上限温度を超えているか否かを見ているのみであり、電池ケース内の温度のばらつきを熱量のレベルで正確に制御するものではない。このため、温度のばらつきによって生ずる電池劣化を完全には防止することができないという問題点を有していた。さらに、電圧の時間変化率を監視しなければならない等、制御が複雑であった。
【０００９】
続いて、第３の従来技術として、バッテリ温度検出部と冷媒温度検出部を有し、バッテリの発熱量及び冷媒による冷却量を算出し、それらを比較して冷媒供給量を制御する技術が知られている（特許文献３）。急速充電を行う際にも、適正な満充電状態とすることができ、その結果、エネルギロスを低減できるとともに、充電不足を防止でき、さらにバッテリの寿命を向上させることができるバッテリ充電装置を提供する技術である。
【００１０】
この従来技術は、バッテリの発熱量及び冷媒による冷却量を比較して冷媒供給量を制御することで、適正な充電制御を行う技術である。従って、第１の従来技術の場合と同様に、電池パックまたは電池セル間の加熱・冷却温度のばらつきを抑制するようには構成されていない。このため、それらのばらつきによって生ずる電池劣化を防止することができないという問題点を有していた。
【００１１】
さらに、第４の従来技術として、複数の電池セルを冷却するための冷却機構と冷却能力が他の電池セルとの関係で平均以上である少なくとも一つの電池セルと熱結合された発熱体とを備え、セル温度の最も低い電池セル及び最も高い電池セルに熱結合した温度センサからの温度差が低減されるように制御する技術が知られている（特許文献４）。電池セル間の温度差を少なくして電池セルを信頼性高く使用可能とする技術である。
【００１２】
この従来技術は、冷却機構と発熱機構の適切な配置により電池セル間の温度差を少なくする技術である。しかし、この技術では、複数の電池セルに配置される温度センサと共に、冷却機構に加えて、発熱機構も設ける必要があり、構造が非常に複雑になってしまい、システムのコストアップを招いてしまうという問題点を有していた。
【００１３】
電池を温調制御する際に熱源からの熱が流入する位置と、そこから離れた位置では伝熱の時間差により温度ムラが生じる。そのため電池の温度を適正範囲内に収めることが難しくなる。上述の従来技術は、そのような温調ができないか、またはできたとしても複雑な機構が要求されてコストアップを招くという問題点を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−１１８７２９号公報
【特許文献２】特開２００７−２４２３１６号公報
【特許文献３】特開２００２−１７１６８４号公報
【特許文献４】特開２０１１−２３１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、簡単な機構で、複数の電池間の温度のばらつきを抑えて、温度のばらつきによって生ずる電池劣化を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、電池の温度を熱源を使って調整する電池温調システムであって、電池上の、熱源による熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置にそれぞれ設置される温度計測部と、各温度計測部で計測される各温度と温度目標値との各温度差を算出し、各温度差に従って電池に対して与えるべき熱量を計算する熱量算出手段と、各温度差の値および符号に従って、熱源を介して電池に熱量を加えるか否かを判定する熱源動作判定手段と、判定結果に基づいて、熱量算出手段にて計算した熱量に対応する電力を、熱源に供給する熱源電力供給手段とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、簡単な機構で、電池の温度状態に対して適性量の熱量を供給可能となり、電池温度を適正な範囲内に収めることが容易となって、温度のばらつきによって生ずる電池の劣化を防止することが可能となる。
【００１８】
さらに、必要なとき以外は、熱源のペルチェ素子の動作を停止できるため、最小限の電力消費で電池の温調を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態の構成図である。
【図２】実施形態の動作説明図である。
【図３】実施形態の動作特性図である。
【図４】実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態の構成図である。本実施形態は、車両に搭載される電池を温めるバッテリ温調システムとして実施される。
【００２１】
電池や電池パック（以下単に「電池」と称する）１０１は、車両等を駆動し、例えばリチウムイオン電池である。この電池１０１は、複数の電池モジュールから構成されている。
【００２２】
電池１０１には、その温度を測定するための２つの温度計測部１０２および１０３が装着されている。温度計測部１０２および１０３は例えば、半導体抵抗温度センサであるサーミスタにより構成される。これの配置構成の詳細については後述する。
【００２３】
また、電池１０１には、それを温めたり冷却したりするための熱源１０４が密着されている。この熱源１０４は例えば、熱電素子の一種であるペルチェ素子である。
熱源１０４には、それ自体の発熱を冷却するためおよび熱源１０４の加熱・冷却効果を電池１０１に伝えやすくするためのファン１０７が配置されている。ファン１０７は例えば、モータとモータ軸に直結されている回転羽とで構成される。
【００２４】
ＤＤＣ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）１０６は、制御部１０５から供給される電力電圧を、熱源１０１を駆動するための一定電圧に昇圧または降圧する。
制御部１０５は、システム全体を制御するコンピュータユニットおよび電源ユニットである。制御部１０５は、温度計測部１０２、１０３が検出する電池１０１の各部の温度を監視する。そして、制御部１０５は、温度計測部１０２、１０３の各温度検出出力に基づいて、電池１０１を構成する複数の電池モジュール間の温度ムラがなくなる方向になるように、熱源１０４が電池１０１に与えるべき熱量を算出する。そして、制御部１０５は、その算出した熱量に対応する出力電流値を決定し、ＤＤＣ１０６を介して、熱源１０４のペルチェ素子を駆動する。また、制御部１０５、ファン１０７を駆動する。制御部１０５は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリのほか、図１のキャパシタ１０１、電池１０１、温度計測部１０２、１０３、ファン１０７などに対するインタフェース回路を備える。そして、それぞれの回路が、バスによって相互に接続される構成を有する。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、以下に説明する各制御動作を実現する。
【００２５】
図１の構成を有する本実施形態の動作について、以下に説明する。
図２は、本実施形態の動作説明図である。
電池１０１を温調制御する際に、熱源１０４のペルチェ素子からの熱が流入する位置と、そこから離れた位置では伝熱の時間差により温度ムラが生じる。そこでまず、本実施形態では、熱源１０４のペルチェ素子からの熱が流入する位置に、第１の温度計測部１０２を設置する。また、熱の流入箇所から最も離れた位置に、第２の温度計測部１０３を設置する。そして、これら温度計測部１０２、１０３にて検出される温度をＴ1 及びＴ2 とし、次式により、熱源１０４のペルチェ素子が電池１０１に与えるべき熱量を算出する。
【００２６】
【数１】
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ここで、Ｑp は、熱源１０４のペルチェ素子から電池１０１へ与えるべき熱量である。Ｃは、電池の熱容量である。また、ΔＴ1 とΔＴ2 は、次式により算出する。
【００２７】
ΔＴ1 ＝ＴＧ−Ｔ1       （２）
ΔＴ2 ＝ＴＧ−Ｔ2       （３）
ここで、ＴＧは、電池１０１における温度目標値である。すなわち、（２）式のΔＴ1 は、温度目標値ＴＧと熱の流入箇所に最も近い位置の温度計測部１０２が検出する温度Ｔ1 との温度差である。（３）式のΔＴ2 は、温度目標値ＴＧと熱の流入箇所から最も離れた位置の温度計測部１０３が検出する温度Ｔ2 との温度差である。従って、（１）式では、括弧内の数値として、熱の流入箇所に最も近い位置の温度計測部１０２での温度目標値ＴＧとの温度差ΔＴ1 と、熱の流入箇所から最も離れた位置の温度計測部１０３での温度目標値ＴＧとの温度差ΔＴ2 の平均値｛（ΔＴ1 ＋ΔＴ2 ）÷２｝がまず算出される。そして、その平均温度差に電池の熱容量を乗算して得られる値Ｑp が、温度目標値ＴＧに近づくために電池１０１に与えられるべき熱量として算出される。
【００２８】
次に、図３は、本実施形態の動作特性図である。この図は、（２）式および（３）式によるΔＴ1 とΔＴ2 の関係と、目標温度範囲、および熱源１０４のペルチェ素子の動作停止の温度範囲との関係を示す図である。
【００２９】
まず、図３の矩形領域３０１で示される目標温度範囲は、ΔＴ1 およびΔＴ2 ともに所定の許容範囲をもってゼロに近い値の範囲である。言い換えれば、これらの値の絶対値が所定の閾値以内の値である範囲である。これらの値がゼロに近づけば、電池１０１の温度が温度目標値ＴＧに近づくことになる。この矩形領域３０１では、電池１０１の温度が既に目標温度範囲にあるため、熱源１０４のペルチェ素子は動作させる必要がない。
【００３０】
次に、図３の平行四辺形領域３０２で示される範囲は、熱源１０４のペルチェ素子を動作させない範囲である。例えば、平行四辺形領域３０２の左上（図３のΔＴ1 −ΔＴ2 平面の第２象限）では、ΔＴ1 はマイナス値、ΔＴ2 はプラス値である。すなわち、（２）式および（３）式より、熱源１０４のペルチェ素子による加熱により、熱の流入箇所に最も近い位置の温度計測部１０２での計測温度Ｔ1 が温度目標値ＴＧよりも既に高くなっている。また、熱の流入箇所から最も離れた位置の温度計測部１０３での計測温度Ｔ2 はまだ温度目標値ＴＧには達しておらず低くなっている。一方、平行四辺形領域３０２の右下（図３のΔＴ1 −ΔＴ2 平面の第４象限）では、ΔＴ1 はプラス値、ΔＴ2 はマイナス値である。すなわち、（２）式および（３）式より、熱源１０４のペルチェ素子による冷却により、熱の流入箇所に最も近い位置の温度計測部１０２での計測温度Ｔ1 が温度目標値ＴＧよりも既に低くなっている。また、熱の流入箇所から最も離れた位置の温度計測部１０３での計測温度Ｔ2 はまだ温度目標値ＴＧには達しておらず高くなっている。以上のような平行四辺形領域３０２においては、電池１０１において、外部からの熱が無ければ、熱の拡散により何もしなくて温度ばらつきが少なくなる方向３０３または３０４、すなわち目標温度範囲の矩形領域３０１の方向に向かう。このようにして、平行四辺形領域３０２においては、温度が平衡な状態になるように熱が拡散するため、熱源１０４のペルチェ素子からの熱入力を停止することにより、ペルチェ素子での消費電力を削減することが可能となる。
【００３１】
一方、目標温度範囲の矩形領域３０１および平行四辺形領域３０２以外の外の領域では、電池内での温度ムラがあまりない状態である。例えば、ΔＴ1 およびΔＴ2 ともにプラス値の領域（図３のΔＴ1 −ΔＴ2 平面の第１象限）は、熱源１０４のペルチェ素子による加熱において、熱の流入箇所に最も近い位置の温度計測部１０２での計測温度Ｔ1 および熱の流入箇所から最も離れた位置の温度計測部１０３での計測温度Ｔ2 ともにまだ温度目標値ＴＧには達しておらず低くなっている状態である。また、ΔＴ1 およびΔＴ2 ともにマイナス値の領域（図３のΔＴ1 −ΔＴ2 平面の第３象限）は、熱源１０４のペルチェ素子による冷却において、熱の流入箇所に最も近い位置の温度計測部１０２での計測温度Ｔ1 および熱の流入箇所から最も離れた位置の温度計測部１０３での計測温度Ｔ2 ともにまだ温度目標値ＴＧには達しておらず高くなっている状態である。これらの場合には、熱源１０４のペルチェ素子に、前述した（１）（２）（３）式で算出される熱量ＱP に相当する電流印加を行って、電池１０１に対して加熱または冷却を行う。
【００３２】
図４は、以上の動作原理に基づいて図１の制御部１０５が実行する制御動作を示すフローチャートである。
まず、図１の制御部１０５は、温度計測部１０２、１０３から計測温度Ｔ1 および計測温度Ｔ2 を取得し、（２）式および（３）式に基づいて、温度差ΔＴ1 およびΔＴ2 を算出する（ステップＳ４０１）。
【００３３】
次に、制御部１０５は、ステップＳ４０１で算出した温度差ΔＴ1 およびΔＴ2 の値と符号を判定することにより、これらの値の組が図３の平行四辺形領域３０２の範囲に入っているか否かを判定する（ステップＳ４０２）。この平行四辺形領域３０２の４頂点に対応するΔＴ1 とΔＴ2 の座標値の組は、予め決定しておくものとする。すなわち、制御部１０５は、熱源動作判定手段として動作する。
【００３４】
ステップＳ４０１で算出した温度差ΔＴ1 およびΔＴ2 の値の組が図３の平行四辺形領域３０２の範囲に入っておりステップＳ４０２の判定がＹＥＳならば、制御部１０５は、熱源１０４のペルチェ素子の駆動は行わない。そして、制御部１０５は、ステップＳ４０１の処理に戻って、新たな温度差ΔＴ1 およびΔＴ2 の値の組を算出する。
【００３５】
ステップＳ４０１で算出した温度差ΔＴ1 およびΔＴ2 の値の組が図３の平行四辺形領域３０２の範囲から外れてステップＳ４０２の判定がＮＯならば、制御部１０５は、熱源１０４のペルチェ素子を次のようにして駆動する。
【００３６】
まず、制御部１０５は、（１）式に基づいて、熱量ＱP を算出する（ステップＳ４０３）。すなわち、制御部１０５は、熱量算出手段として動作する。
次に、制御部１０５は、算出された熱量ＱP に基づいて、熱源１０４のペルチェ素子に流すべき電流を設定する（ステップＳ４０４）。そして、制御部１０５は、設定した電流値に基づいて、ＤＤＣ１０６を介して熱源１０４のペルチェ素子を駆動する（ステップＳ４０５）。すなわち、制御部１０５は、熱源電力供給手段として動作する。
【００３７】
その後、制御部１０５は、ステップＳ４０１の処理に戻って、新たな温度差ΔＴ1 およびΔＴ2 の値の組を算出する。
以上のようにして、本実施形態では、電池１０１上の、熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置に温度計測部１０２、１０３が設置される。そして、（１）（２）（３）式に基づいて必要熱量ＱP が計算される。さらに、図３の動作特性図に基づいて、熱源１０４のペルチェ素子の駆動制御が実施される。これらの構成および動作により、非常に簡単な機構で、電池の温度状態に対して適性量の熱量を供給可能となり、電池温度を適正な範囲内に収めることが容易となって、温度のばらつきによって生ずる電池１０１の劣化を防止することが可能となる。さらに、必要なとき以外は、熱源１０４のペルチェ素子の動作を停止できるため、最小限の電力消費で電池１０１の温調を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１０１  電池
１０２、１０３  温度計測部
１０４  熱源（ペルチェ素子）
１０５  制御部
１０６  ＤＤＣ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
１０７  ファン
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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