(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、環境温度に対応して電池の最適な温調制御を実現する。【解決手段】  温度計測部１０２、１０３は、電池１０１の温度Ｔs1及びＴs2を計測する。温度計測部１０８は、電池の周囲の環境温度ＴA を計測する。第１の熱量算出部として動作する制御部１０５は、温度Ｔs1及びＴs2と電池１０１の温度が到達すべき目標温度ＴG とに基づいて電池１０１に必要な熱量ＱN を算出する。第２の熱量算出部として動作する制御部１０５は、環境温度ＴA に基づいて、電池１０１の外部の環境から電池１０１への熱流量ＱA を算出する。熱源電力供給部として動作する制御部１０５は、熱量ＱN からＱA を減算することにより、熱源１０４から電池１０１に与えるべき熱量ＱP を算出し、対応する電力をＤＤＣ１０６から熱源１０４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温調制御システムであって、
前記電池の温度を計測する電池温度計測部と、
前記電池の周囲の環境温度を計測する環境温度計測部と、
前記電池温度計測部が計測した前記電池の温度と前記電池の温度が到達すべき目標温度とに基づいて前記電池に必要な熱量を算出する第１の熱量算出部と、
前記環境温度計測部が計測した環境温度に基づいて、前記電池の外部の環境から前記電池への熱流量を算出する第２の熱量算出部と、
前記第１の熱量算出部が算出した前記電池に必要な熱量から前記第２の熱量算出部が算出した前記電池の外部の環境から前記電池への熱流量を減算することにより、前記熱源から前記電池に与えるべき熱量を算出し、該算出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部と、
を備えることを特徴とする外部環境からの熱量を考慮した温調制御システム。
【請求項２】
前記電池温度計測部は、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第１および第２の電池温度計測部により構成され、
前記第１の熱量算出部は、前記第１および第２の電池温度計測部が計測した第１および第２の電池温度の平均値と前記電池の温度が到達すべき目標温度とに基づいて前記電池に必要な熱量を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の外部環境からの熱量を考慮した温調制御システム。
【請求項３】
前記第１の熱量算出部は、前記目標温度から前記電池温度計測部が計測した電池温度を減算した結果に前記電池の熱容量を乗算した結果として、前記電池に必要な熱量を算出する、
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外部環境からの熱量を考慮した温調制御システム。
【請求項４】
前記第２の熱量算出部は、前記環境温度計測部が計測した環境温度から前記電池温度計測部が計測した電池温度を減算した結果に前記電池の外部の環境から前記電池への熱伝達率を乗算した結果として、前記電池の外部の環境から前記電池への熱流量を算出する、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の外部環境からの熱量を考慮した温調制御システム。
【請求項５】
前記第２の熱量算出部は、前記目標温度と複数の環境温度との各差分温度に対応して予め前記電池の外部の環境から前記電池への各熱流量を計測し、前記各差分温度と前記各熱流量との関係をテーブルデータとして予め記憶し、前記目標温度と前記環境温度計測部が計測した環境温度との差分温度に基づいて前記マップテーブルデータを参照することにより、前記電池の外部の環境から前記電池への熱流量を算出する、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の外部環境からの熱量を考慮した温調制御システム。
【請求項６】
前記第２の熱量算出部は、前記目標温度と複数の環境温度との各差分温度に対応して予め前記電池の外部の環境から前記電池への各熱流量を計測し、前記各差分温度と前記各熱流量との関係を関数データとして予め記憶し、前記目標温度と前記環境温度計測部が計測した環境温度との差分温度に基づいて前記関数データにて計算することにより、前記電池の外部の環境から前記電池への熱流量を算出する、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の外部環境からの熱量を考慮した温調制御システム。
【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。
【０００４】
以上の特性により、電池パックは、なるべく所定温度になるように稼働させて、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、セル内温度および外部温度に基づいて、温冷素子に供給する電流量を決定し、電池セルを過剰に加熱または冷却するすることを抑制する技術が知られている（例えば特許文献１）。
【０００６】
この従来技術は、セル内温度と外部温度との差分に基づいて温冷素子に供給する電流量を制御している。しかし、温冷素子に必要な電流量は、セル内温度と外部温度との単純な差分で決まるようなものではないため、この従来技術では、最適な温調制御を行うことができないという問題点を有していた。
【０００７】
次に、電池の温調制御に関連する第２の従来技術として、バッテリ温度が高温基準値よりも高いと判断した場合、にバッテリを冷却するようにペルチェ素子に供給する温度制御用電流の方向を制御し、バッテリ温度が低温基準値よりも低いと判断した場合にバッテリを加熱するようにペルチェ素子に供給する温度制御用電流の方向を制御し、さらにバッテリが周囲温度よりも低くなるように制御する技術が知られている（例えば特許文献２）。
【０００８】
しかし、バッテリの特性は、周囲温度によって複雑に影響を受けるため、周囲温度に比較して低くするというような単純な技術では、最適な温調制御を行うことができないという問題点を有していた。
【０００９】
さらに、電池の温調制御に関連する第３の従来技術として、電池の温度を検知し、所定の下限温度以下であれば電池を加熱すべき旨の制御信号を出力し、所定の上限温度を以上であれば電池ユニットの熱を冷却する旨の制御信号を出力し、この制御信号に基づいて動作する熱電変換素子から供給された電力により電池ユニットを加熱または冷却する技術が知られている（例えば特許文献３）。
【００１０】
しかし、バッテリの特性は、環境温度によって複雑に影響を受けるため、環境温度を考慮していないこの従来技術では、最適な温調制御を行うことができないという問題点を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−２８２８７８号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８３５２号公報
【特許文献３】特開２００８−１０８５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、環境温度に対応して電池の最適な温調制御を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電池の温度を熱源を使って調整するシステムにおける温調制御システムであって、電池の温度を計測する電池温度計測部と、電池の周囲の環境温度を計測する環境温度計測部と、電池温度計測部が計測した電池の温度と電池の温度が到達すべき目標温度とに基づいて電池に必要な熱量を算出する第１の熱量算出部と、環境温度計測部が計測した環境温度に基づいて、電池の外部の環境から電池への熱流量を算出する第２の熱量算出部と、第１の熱量算出部が算出した電池に必要な熱量から第２の熱量算出部が算出した電池の外部の環境から電池への熱流量を減算することにより、熱源から電池に与えるべき熱量を算出し、その算出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部とを備える
。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱源から出力される熱量を過不足なく電池に与えることが可能となり、電池温調のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態の構成図である。
【図２】実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【図３】実施形態の制御例におけるマップの例を示す図である。
【図４】実施形態の制御例を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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、例えば複数の電池モジュールから構成されている。
【００１８】
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。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を設置し、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。これら温度計測部１０２、１０３にて検出される温度をＴs1及びＴs2とする。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
温度計測部１０８は、電池１０１の周囲の環境温度を計測するためのセンサであり、温度計測部１０２、１０３と同様に、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。
【００２１】
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と共に、温度計測部１０８が検出する環境温度を監視する。そして、制御部１０５は、温度計測部１０２、１０３、１０８の各温度検出出力に基づいて、電池１０１の温度が所定の目標温度になるように、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の電池１０１、温度計測部１０２、１０３、１０８、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。
【００２２】
図１の構成を有する本実施形態の動作原理について、以下に説明する。
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を設置し、それぞれ温度Ｔs1及びＴs2を検出する。
【００２３】
いま、電池１０１に必要な熱量をＱN としたとき、ＱN は次式により算出することができる。
【００２４】
【数１】
2012252887.tif 000003
ここで、Ｃは、電池１０１の熱容量であり、ＴG は、目標温度である。上記（１）式において、（Ｔs1−Ｔs2）／２は、電池１０１の代表温度を計算している。従って、上記（１）式は、電池１０１の目標温度ＴG と電池１０１の代表温度との差分に電池１０１の熱容量を乗算して得られる熱量を、電池１０１に必要な熱量をＱN として計算していることになる。
【００２５】
次に、外部環境から電池への熱流量ＱA は、次式により算出することができる。
【００２６】
【数２】
2012252887.tif 000004
ここで、ｈは、外部環境から電池１０１への熱伝達率である。これにより、上記（２）式は、環境温度ＴA と電池１０１の代表温度との差分に熱伝達率ｈを乗算して得られる熱量を、外部環境から電池への熱流量ＱA として計算していることになる。
【００２７】
以上の（１）式および（２）式より、本実施形態では、熱源１０４から電池１０１に与えるべき熱量ＱP を、次式に示されるように、電池１０１に必要な熱量ＱN から外部環境から電池への熱流量ＱA を差し引いた値として算出する。
【００２８】
【数３】
2012252887.tif 000005
図２は、上述の動作原理に基づいて図１の制御部１０５が実行する制御処理を示すフローチャートである。
【００２９】
制御部１０５はまず、温度計測部１０２、１０３からの各電池温度Ｔs1及びＴs2、ならびに温度計測部１０８からの環境温度ＴA を取得する（ステップＳ２０１）。
次に、制御部１０５は、環境温度ＴA から前述した（２）式に基づき、外部環境から電池への熱流量ＱA を求める（ステップＳ２０２）。
【００３０】
これと共に、制御部１０５は、各電池温度Ｔs1及びＴs2から前述した（１）式に基づき、電池１０１に必要な熱量をＱN を求める（ステップＳ２０３）。
さらに、制御部１０５は、ステップＳ２０２とＳ２０３の各計算結果から、前述した（３）式に基づき、ペルチェ素子である熱源１０４から電池１０１に与えるべき熱量ＱP を求める（ステップＳ２０４）。
【００３１】
そして、制御部１０５は、ステップＳ２０４にて算出した熱量ＱP 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（ステップＳ２０５）。
【００３２】
制御部１０５は、以上のステップＳ２０１からＳ２０５までの一連の制御動作を繰り返し実行して、電池１０１の温調制御を行う。
ここで、図２のステップＳ２０２における外部環境から電池への熱流量ＱA を算出するための本実施形態のさらに制御例について説明する。熱流量ＱA を算出するための前述の（２）式では、熱伝達率ｈを予め計測する必要がある。これに対し、次のような制御形態を採用することが可能である。まず、目標温度ＴG と環境温度ＴA との差分温度に対応して予め電池１０１の外部の環境から電池１０１への各熱流量ＱA を計測しておき、図３に示されるようなマップテーブルを制御部１０５に保持する。そして、制御部１０５は、ステップＳ２０２で、目標温度ＴG とステップＳ２０１で計測された環境温度ＴA との差分温度に基づいてこのテーブルを参照し、熱流量ＱA を決定する。
【００３３】
あるいは、次のような制御形態を採用することも可能である。まず、目標温度ＴG と環境温度ＴA との差分温度に対応して予め熱流量ＱA を計測しておき、図４に示されるような特性を有する関数を制御部１０５に保持する。そして、制御部１０５は、ステップＳ２０２で、目標温度ＴG とステップＳ２０１で計測された環境温度ＴA との差分温度に基づいてこの関数を計算し、熱流量ＱA を決定する。
【００３４】
以上説明した実施形態では、電池１０１の温度を計測する温度計測部として１０２と１０３の２つの温度計測部を設けたが、これに限られるものではない。電池１０１の構成に応じて１つでもよいし３つ以上の複数であってもよい。その場合、（１）式および（２）式の「（Ｔs1−Ｔs2）／２」の項は、電池１０１の代表温度を算出するための計算項に置き換えられる。
【００３５】
以上のようにして、本実施形態では、電池１０１に必要な熱量をＱN から外部環境から電池への熱流量ＱA を差し引いた値として、熱源１０４から電池１０１に与えるべき熱量ＱP の最適値を算出することが可能となる。これにより、ペルチェ素子である熱源１０４から出力される熱量を過不足なく電池に与えることが可能となり、電池温調のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
１０１  電池
１０２、１０３、１０８  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２】
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【図３】
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【図１】
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【図４】
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