(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電源を供給するプレヒート用電源供給システムに関し、車両等の始動時においてコンデンサに十分な電力を確保して電池を急速に温調可能とすることを目的とする。【解決手段】キャパシタ１０１は、熱源１０３に電力を供給する。電池ＥＣＵ１０５は、車両等の停止時に、キャパシタ１０１の充電量が閾値以下であるときには、ＳＷ３をオンして電池１０２からキャパシタ１０１に充電させる。電池ＥＣＵ１０５は、車両等の始動時に、温度センサ１０４からの電池１０２の温度が所定の温度閾値以下のときには、ＳＷ２オン、ＳＷ１をオフして、キャパシタ１０１の出力電力を熱源１０３に供給する。電池１０２の温度が所定の温度閾値以下のときには、ＳＷ２オフ、ＳＷ１をオンして、電池１０２の出力電力を熱源１０３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】
車両等に搭載される電池の温度を、熱源を使って調整するシステムに電源を供給するプレヒート用電源供給システムであって、
前記熱源に電力を供給するキャパシタと、
前記電池の出力電力を前記熱源に供給する第１のスイッチ手段と、
前記キャパシタの出力電力を前記熱源に供給する第２のスイッチ手段と、
前記電池の出力電力を前記キャパシタに供給する第３のスイッチ手段と、
前記車両等の停止時に、前記キャパシタの充電量が閾値以下であるときには、前記第３のスイッチ手段をオンして、前記電池から前記キャパシタに充電させる第１の制御手段と、
前記車両等の始動時に、前記電池の温度が所定の温度閾値以下のときには、前記第２のスイッチ手段をオンし、前記第１のスイッチ手段をオフして、前記キャパシタの出力電力を前記熱源に供給し、前記電池の温度が所定の温度閾値以下のときには、前記第２のスイッチ手段をオフし、前記第１のスイッチ手段をオンして、前記電池の出力電力を前記熱源に供給する第２の制御手段と、
を備えることを特徴とするプレヒート用電源供給システム。
【請求項２】
前記第２の制御手段は、前記電池の温度が所定の温度閾値以下のときに、前記第２のスイッチ手段をオフした後に、前記第１のスイッチ手段をオンする、
ことを特徴とする請求項１に記載のプレヒート用電源供給システム。
【請求項３】
回生エネルギーを取得する回生エネルギー電源手段と、
前記回生エネルギー電源手段の出力電力を前記キャパシタに供給する第４のスイッチ手段と、
前記車両等の制動時に、前記第４のスイッチ手段をオンして、前記回生エネルギー電源手段から前記キャパシタを充電させる第３の制御手段と、
をさらに備え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プレヒート用電源供給システム。
【請求項４】
車両等に搭載される電池の温度を、熱源を使って調整するシステムに電源を供給するプレヒート用電源供給システムであって、
前記熱源に電力を供給するキャパシタと、
前記電池の出力電力を前記熱源に供給する第１のスイッチ手段と、
前記キャパシタの出力電力を前記熱源に供給する第２のスイッチ手段と、
回生エネルギーを取得する回生エネルギー電源手段と、
前記回生エネルギー電源手段の出力電力を前記キャパシタに供給する第４のスイッチ手段と、
前記車両等の制動時に、前記第４のスイッチ手段をオンして、前記回生エネルギー電源手段から前記キャパシタを充電させる第３の制御手段と、
前記車両等の始動時に、前記電池の温度が所定の温度閾値以下のときには、前記第２のスイッチ手段をオンし、前記第１のスイッチ手段をオフして、前記キャパシタの出力電力を前記熱源に供給し、前記電池の温度が所定の温度閾値以下のときには、前記第２のスイッチ手段をオフし、前記第１のスイッチ手段をオンして、前記電池の出力電力を前記熱源に供給する第２の制御手段と、
を備えることを特徴とするプレヒート用電源供給システム。
【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電源を供給するプレヒート用電源供給システムに関する。
【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。そして、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。このような用途において、朝方における車両等の始動時などのように電池の温度が低い状態においては、電池から車両等の駆動用のモータに十分な電力が供給されない。このため、エンジンによるアシストが必要となって燃費効率が落ちる、あるいは電池の電力消耗が速くなって車両等の走行距離または稼働時間が落ちるといった状況が発生する。
【０００３】
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。
車両等に搭載される電池の温調のための従来技術として、コンデンサから冷却ファンや熱電素子の一種であるペルチェ素子に電力を供給し、電池を温調して電池のアンバランスを解消する技術が知られている（例えば特許文献１）。この従来技術では、複数の電池のうち過大容量となっている電池からコンデンサに充電しておく。そして、コンデンサが冷却ファンやペルチェ素子を駆動することにより、電池を温調する。これにより、外気温が高い状態での充放電時の電池を冷却したり、逆に過冷却された電池を温めたりすることにより、電池の寿命や複数の電池間での残容量の差を解消する。
【０００４】
しかし、電池を温める必要性の高い朝方などの車両等の始動時においては、車両等が一晩停車状態にあることが多いため、電池が過大容量になっている状態は考えにくく、従って、ペルチェ素子等を駆動するコンデンサに十分な電力が充電されているとは限らない。特に冬季における車両等の始動時においては、電池の温度がかなり低くなっているため電池を急速に温める必要がある。しかし、コンデンサに十分な電力が充電されていない場合には、電池を急速に加熱することができず、電池の特性を短時間で最適な状態にもってゆくことが困難となる。従って、上述の従来技術では、コンデンサに十分な電力が充電されていないと、車両等の始動時において電池を急速に温調する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】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１４１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、車両等の始動時において、特に電池温度が低いときでも電池を急速に温調可能として電池利用効率を向上させるプレヒート用電源システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明であるプレヒート用電源供給システムは、車両等に搭載される電池の温度を熱源を使って調整するシステムに電源を供給するプレヒート用電源供給システムであって、熱源に電力を供給するキャパシタと、電池の出力電力を熱源に供給する第１のスイッチ手段と、キャパシタの出力電力を熱源に供給する第２のスイッチ手段と、電池の出力電力をキャパシタに供給する第３のスイッチ手段と、車両等の停止時に、キャパシタの充電量が閾値以下であるときには、第３のスイッチ手段をオンして、電池からキャパシタに充電させる第１の制御手段と、車両等の始動時に、電池の温度が所定の温度閾値以下のときには、第２のスイッチ手段をオンし、第１のスイッチ手段をオフして、キャパシタの出力電力を熱源に供給し、電池の温度が所定の温度閾値以下のときには、第２のスイッチ手段をオフし、第１のスイッチ手段をオンして、電池の出力電力を熱源に供給する第２の制御手段とを備える。
【０００８】
この構成により、車両等の停止時に電池からキャパシタを充電させ、車両等の始動時（発進時）に、電池の温度が低いときには、キャパシタから熱源に電力が供給されるように動作する。
【０００９】
加えて本発明は、回生エネルギーを取得する回生エネルギー電源手段と、回生エネルギー電源手段の出力電力をキャパシタに供給する第４のスイッチ手段と、車両等の制動時に、第４のスイッチ手段をオンして、回生エネルギー電源手段からキャパシタを充電させる第３の制御手段とをさらに備える。
【００１０】
この構成により、車両等の制動時に回生エネルギー電源手段からキャパシタを充電させるように動作する。
【発明の効果】
【００１１】
車両等の停止時にキャパシタに十分な電力が充電されているため、冬季における車両等の始動時の電池温度が低い場合においても、電池を急速に加熱することができ、電池から車両等の駆動用の電動機に十分な電力が供給されるようになる。この結果、電池の利用効率が向上して車両等におけるエンジンの燃費効率を向上させたり、電動機による走行距離または稼働時間を伸ばすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態の構成図である。
【図２】第１の実施形態の動作説明図である。
【図３】第１の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態の車両等の発進時の制御動作を示すタイミングチャートである。
【図５】逆潮の防止制御の説明図である。
【図６】第２の実施形態の構成図である。
【図７】第２の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】
【００１３】
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、本発明の第１の実施形態の構成図である。第１の実施形態は、車両に搭載される電池を温めるバッテリ温調システムに電源を供給するプレヒート用電源供給システムとして実施される。
【００１４】
電池や電池パック（以下単に「電池」と称する）１０２は、車両等を駆動し、例えばリチウムイオン電池である。
電池１０２には、その温度を測定するための温度センサ１０４が装着されている。温度センサ１０４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。
【００１５】
また、電池１０２には、それを温めたり冷却したりするための熱源１０３が密着されている。この熱源１０３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１０３には、それ自体の発熱を冷却するためのファン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。
【００１６】
キャパシタ１０１は、車両等の始動時にスイッチＳＷ２がオン、スイッチＳＷ１がオフになったときに、ＤＣ−ＤＣコンバータ（以下、「ＤＤＣ」と称する）１０６を介して、熱源１０３に駆動電力を供給する。このキャパシタ１０１としては、比較的大きな電力を急速に充放電できるようなタイプが用いられる。また、物理的な過程によって蓄電するタイプで、動作温度範囲が−３０〜６０度と広い、例えば電気２重層キャパシタが、キャパシタ１０１として用いられる。
【００１７】
また、電池１０２は、スイッチＳＷ１がオン、スイッチＳＷ２がオフになったときに、ＤＤＣ１０６を介して、熱源１０３に駆動電力を供給する。
さらに、電池１０２は、スイッチＳＷ３がオンになったときに、キャパシタ１０１を充電する。
【００１８】
ＤＤＣ１０６は、キャパシタ１０１または電池１０２から供給される電力電圧を、熱源１０３を駆動するための一定電圧に昇圧または降圧する。
電池ＥＣＵ（電池エンジンコントロールユニット）１０５は、システム全体を制御するコンピュータユニットである（第１〜第３の制御手段）。電池ＥＣＵ１０５は、電池１０２やキャパシタ１０１の充電量を監視するほか、温度センサ１０４が検出する電池１０２の温度を監視する。そして、電池ＥＣＵ１０５は、車両等の駆動状態（例えば停車終了、発進回避など）に応じて、後述する図３（ａ）または（ｂ）のフローチャートに対応する制御動作を実行する。この制御動作において、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を制御することにより、電池１０２、キャパシタ１０１、熱源１０３間の電力供給状態を制御する。また、電池ＥＣＵ１０５は、ＤＤＣ１０６の出力電圧値および出力電圧極性を制御することにより、熱源１０３を加熱状態または冷却状態に制御する。さらに、電池ＥＣＵ１０５は、ファン１０７を駆動する。電池ＥＣＵ１０５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１０２、温度センサ１０４、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＤＤＣ１０６、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。
【００１９】
図１の構成を有する第１の実施形態の動作について、以下に説明する。
図２は、第１の実施形態の動作説明図である。
第１の実施形態では、車両等の停車時に、キャパシタ１０１の充電量が閾値以下であるときには、図１の電池ＥＣＵ１０５がスイッチＳＷ３をオン、スイッチＳＷ１とＳＷ２をオフとする。この結果、図２（ａ）に示されるように、電池１０２からの電力がキャパシタ１０１に供給されて、キャパシタ１０１が充電される。
【００２０】
一方、車両の発進時などで図１の電池１０２の温度が閾値以下のときには、図１の電池ＥＣＵ１０５がスイッチＳＷ１とＳＷ３をオフ、スイッチＳＷ２をオンとする。この結果、図２（ｂ）に示されるように、キャパシタ１０１からの電力がＤＤＣ１０６を介してペルチェ素子である熱源１０３に供給され、熱源１０３が例えばリチウムイオン電池である電池１０２を加熱する。なお、温度が閾値より高いときには、図１の電池ＥＣＵ１０５がスイッチＳＷ２とＳＷ３をオフ、スイッチＳＷ１をオンとする。この結果、電池１０２からの電力がＤＤＣ１０６を介してペルチェ素子である熱源１０３に供給される。
【００２１】
以上の制御において、車両等の停車時にキャパシタ１０１に十分な電力が充電されているため、冬季における車両等の始動時においても、電池を急速に加熱することができ、電池１０２から車両等の駆動用のモータに十分な電力が供給されるようになる。車両等におけるエンジンの燃費効率を向上させたり、走行距離または稼働時間を伸ばすことが可能となる。
【００２２】
図３は、図１の電池ＥＣＵ１０５が実行する電池１０２のプレヒート用電源供給のための制御動作を示すフローチャートである。
電池ＥＣＵ１０５は、車両等の駆動状態を制御する特には図示しない制御ユニットから、停車終了状態を通知されると、図３（ａ）のフローチャートで示される制御動作の実行を開始する。
【００２３】
まず、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ３をオン（ＯＮ：導通状態）、スイッチＳＷ１とＳＷ２をオフ（ＯＦＦ：遮断状態）とする（ステップＳ３０１）。
次に、電池ＥＣＵ１０５は、キャパシタ１０１から検出されている充電量が、所定の閾値より多いか否かを判定する（ステップＳ３０２）。
【００２４】
キャパシタ１０１の充電量が閾値以下でステップＳ３０２の判定がＮＯであるときには、ステップＳ３０１で設定した各スイッチＳＷ１〜３の状態を継続する（ステップＳ３０２の判定の繰返し）。この結果、図２（ａ）に示したように、電池１０２からキャパシタ１０１に電力が供給され続けて、キャパシタ１０１が充電される。
【００２５】
キャパシタ１０１の充電量が閾値より大きくなってステップＳ３０２の判定がＹＥＳになると、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ３をオフにする（ステップＳ３０３）。この結果、電池１０２からキャパシタ１０１への電力供給が停止されて、キャパシタ１０１の充電が完了する。
【００２６】
次に、電池ＥＣＵ１０５は、特には図示しない前述の制御ユニットから、発進開始状態を通知されると、図３（ｂ）のフローチャートで示される制御動作の実行を開始する。
まず、電池ＥＣＵ１０５は、図１の温度センサ１０４の出力に基づいて、電池１０２の温度Ｔを計測する（ステップＳ３１１）。
【００２７】
次に、電池ＥＣＵ１０５は、温度Ｔが所定の温度閾値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ３１２）。
例えば冬季の朝方などで電池１０２の温度Ｔが温度閾値以下でステップＳ３１２の判定がＮＯのときには、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ１をオフ、スイッチＳＷ２をオンとする（ステップＳ３１３）。この結果、図２（ｂ）に示したように、キャパシタ１０１からの電力がＤＤＣ１０６を介してペルチェ素子である熱源１０３に供給され、熱源１０３が電池１０２を加熱する。ステップＳ３１３の処理の後、ステップＳ３１１の温度計測処理に戻る。以下、ステップＳ３１１→Ｓ３１２→Ｓ３１３→Ｓ３１１の各処理の繰り返しとなる。
【００２８】
その後、電池１０２が加熱されてその温度Ｔが温度閾値より高くなりステップＳ３１２の判定がＹＥＳとなると、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ１をオン、スイッチＳＷ２をオフとする（ステップＳ３１４）。この結果、電池１０２からの電力がＤＤＣ１０６を介してペルチェ素子である熱源１０３に供給される。その後、電池ＥＣＵ１０５は、必要に応じて、ＤＤＣ１０６の出力電圧の極性を制御して、熱源１０３に対して、電池１０２を加熱させまたは冷却させる。
【００２９】
上述の制御動作において、停車終了時には、車両等は今まで走行または稼働していた状態であるから、図１の電池１０２には十分な充電容量が蓄積されている。従って、この充電容量を使って、停車時に、十分な充電容量をキャパシタ１０１に充電させることが可能となる。そして、次の発進時には、キャパシタ１０１に蓄積されたこの十分な充電容量を使って、熱源１０３により電池１０２を急速加熱させることが可能となる。
【００３０】
図４は、第１の実施形態の制御動作を示すタイミングチャートである。図４（ａ）は、図１の電池ＥＣＵ１０５の各種状態の検出状況を示す。図４（ｂ）は、車両等の発進状態であるイグニッション（ＩＧ）の状態を示す。図４（ｃ）は、図１のスイッチＳＷ１の導通状態を示す。図４（ｄ）は、図１のスイッチＳＷ２の導通状態を示す。図４（ｅ）は、図１のＤＤＣ１０６から熱源１０３への電力供給状態を示す。図４（ａ）から（ｅ）において、それぞれの横軸は時間経過を示している。
【００３１】
図４の時刻ｔ１において、まず図１の電池ＥＣＵ１０５が前述した特には図示しない制御ユニットからの通知に基づいてイグニッションオン（ＩＧ  ＯＮ）を検出する（図４（ａ）および（ｂ））。
【００３２】
この直後の時刻ｔ２に、電池ＥＣＵ１０５は、温度センサ１０４からの出力に基づいて、電池１０２の温度Ｔを判定し、電池１０２の温度Ｔが温度閾値以下であることを判定する（図４（ａ）、図３のステップＳ３１１、ステップＳ３１２の判定がＮＯ）。この結果、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ２をオンする（図４（ｄ）、図３のステップＳ３１３）。なお、スイッチＳＷ１は、オフのままである（図４（ｃ）、図３のステップＳ３１３）。時刻ｔ２の後に、電池ＥＣＵ１０５がＤＤＣ１０６をオンする（図４（ｅ））。この結果、キャパシタ１０１からの電力がＤＤＣ１０６を介してペルチェ素子である熱源１０３に供給され、熱源１０３が電池１０２の加熱を開始する（図３のステップＳ３１３→Ｓ３１１→Ｓ３１２→Ｓ３１３の繰り返し処理）。
【００３３】
電池１０２が熱源１０３によって十分に加熱され、図４の時刻ｔ３において、電池ＥＣＵ１０５が、電池１０２の温度Ｔが温度閾値より高くなったことを判定する（図４（ａ）、図３のステップＳ３１２の判定がＹＥＳ）。この結果、電池ＥＣＵ１０５はまず、ＤＤＣ１０６の出力を停止させる。
【００３４】
続いて、時刻ｔ４において、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ２をオフする（図４（ｄ））。さらに、一瞬をおいた時刻ｔ５で、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ１をオンする（図４（ｃ））。その後の時刻ｔ６に、電池ＥＣＵ１０５は、ＤＤＣ１０６の出力を熱源１０３に供給する（図４（ｅ））。
【００３５】
以上の制御動作において、電池１０２の温度Ｔが温度閾値より高くなったときに、スイッチＳＷ２のオフとスイッチＳＷ１のオンを同時に行わない理由について、図５の、逆潮の防止制御の説明図に基づいて説明する。図４の時刻ｔ４の直前までは、図５（ａ）の太線矢印線５０１として示されるように、キャパシタ１０１からスイッチＳＷ２、ＤＤＣ１０６を介して、熱源１０３に電力が供給されている。この後、スイッチＳＷ２のオフとスイッチＳＷ１のオンがほぼ同時に発生し、一瞬の間スイッチＳＷ２がオン、スイッチＳＷ１がオンという状態が発生したとする。この場合、図５（ｂ）に示されるように、もし電池１０２とスイッチＳＷ１間の電位Ｉがキャパシタ１０１とスイッチＳＷ２間の電位ＩＩよりも高いと、太線矢印線５０２として示されるように、電池１０２からキャパシタ１０１に電流が流れて、逆潮状態が発生する。逆潮状態が発生すると、キャパシタ１０１が破損するおそれがある。このような状態が発生しないように、図４の時刻ｔ４とｔ５として示されるように、スイッチＳＷ１をオンするタイミングが、スイッチＳＷ２をオフするタイミングよりも一瞬遅らされる。
【００３６】
図６は、本発明の第２の実施形態の構成図である。第２の実施形態は、図１の第１の実施形態の構成に加えて、回生エネルギーをキャパシタ１０１の充電に利用可能な構成を備える。
【００３７】
回生エネルギーとは、車両の減速時等に電動機を電磁誘導発電機として用いる事により、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して電池に蓄える技術である。ハイブリッドカーや電気自動車等では、この回生エネルギーを使った回生ブレーキによってエネルギー効率を向上できる。
【００３８】
第２の実施形態では、車両等のブレーキ（制動）がかけられた場合等において、キャパシタ１０１の充電量が十分でない場合には、回生エネルギー電源６０１からスイッチＳＷ４を介して供給される電力がキャパシタ１０１に充電される。
【００３９】
図７は、第２の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
図６の電池ＥＣＵ１０５は、第１の実施形態の説明で前述した特には図示しない制御ユニットからの通知により、車両等のブレーキがかけられた状態を検出すると、図７のフローチャートで示される制御動作の実行を開始する。
【００４０】
まず、回生エネルギー電源６０１が、回生エネルギーを取得する（ステップＳ７０１）。
次に、電池ＥＣＵ１０５は、キャパシタ１０１から検出される充電量が所定の閾値より少ないか否かを判定する（ステップＳ６０２）。
【００４１】
キャパシタ１０１の充電量が所定の閾値より少なくステップＳ６０２の判定がＹＥＳならば、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ４をオンし、回生エネルギー電源６０１が取得した回生エネルギーをキャパシタ１０１に供給してキャパシタ１０１を充電する。その後、ステップＳ６０２の充電量の判定処理に戻る。以下、ステップＳ６０２→Ｓ６０３→Ｓ６０２の繰り返し処理となる。
キャパシタ１０１の充電量が所定の閾値以上でステップＳ６０２の判定がＮＯになったならば、電池ＥＣＵ１０５は、スイッチＳＷ４をオフし、キャパシタ１０１の充電を終了する（ステップＳ６０４）。
【符号の説明】
【００４２】
１０１  キャパシタ
１０２  電池
１０３  熱源
１０４  温度センサ
１０５  電池ＥＣＵ
１０６  ＤＤＣ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
１０７  ファン
６０１  回生エネルギー電源
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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