(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次電池の表面温度と、
前記２次電池に対するファンの送風量及び送風温度と、
前記ファンの送風による前記２次電池の内外温度差比率と
から前記２次電池の内部温度を演算することを特徴とする２次電池の内部温度演算装置。
【請求項２】
２次電池の表面温度を計測する手段と、
前記２次電池に送風するファンの送風量を計測する手段と、
前記ファンによる送風空気温度を計測する手段と、
前記２次電池の表面温度の計測手段、前記送風量の計測手段、及び前記送風空気温度の計測手段による計測値から前記２次電池の内部温度を演算すべき演算手段と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の２次電池の内部温度演算装置。
【請求項３】
前記ファンに対するオンオフ制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の２次電池の内部温度演算装置。
【請求項４】
前記２次電池の表面温度の計測値に対して前記ファンの送風出力を１次変化させる制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の２次電池の内部温度演算装置。
【請求項５】
前記２次電池の容量に応じて前記ファンの送風出力の制御を行なう制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の２次電池の内部温度演算装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、２次電池、すなわち、充電、放電を繰返して使用可能な電池の稼動に伴う内部温度を演算する内部温度演算装置に関するものである。
【従来の技術】
従来の２次電池の温度検出装置としては、最も温度が高くなる電池の表面にセンサを取付けることが通常考えられている。また、２次電池の内部にセンサを取付けることも考えられる。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の２次電池の温度検出装置にあっては、２次電池（以下、特に混同のおそれのない限り単に電池と略記する）表面の周囲温度を計測してしまい、電池内部にセンサを取付ける場合も、前記理由で電池の内部温度を正確に予測できないことに加えて、電池内部と電池外部のシール性や耐圧性が確保できないといった問題があった。
【０００２】
そこで、表面温度ＴBと内部温度ＴB0との差が所定の値ΔＴ（一定値）と仮定し、ＴB＋ΔＴの値によりファンを制御する方法が考えられる。しかしながら、このような方法ではΔＴが実際の温度差と異なっている場合には、電池内部が十分冷えてないにも係らず、ファンによる冷却を停止してしまったり、あるいは電池内部が低温になっているにも係らずファンによる冷却を開始してしまう結果、電池の劣化をまねいたり、電池の性能を十分に発揮できないおそれがあった。この発明は、従来技術の問題点に着目して２次電池の充電、または放電制御を行なう２次電池の内部温度演算装置を提供することを目的としている。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、電池の表面の温度とファン出力から電池内部温度を演算し、その値を用いてファンの送風制御、電池の充放電制御を行なうことによって達成される。風洞形のファンケース内部に設置されて稼動している２次電池に対する冷却効果は、ファンによる送風空気量（ファン出力）と送風空気の温度によって変動する。すなわち、後記図１と同じ電池１、ケース８及びファン６を用いた実験装置に基づいた実験を行ない、図１３〜図１５に示したように、ファン６の出力Ｐから冷却空気流量Ｑを求め、次いで冷却空気流量Ｑから熱伝達率ｈを求め、さらに熱伝達率ｈからファン６による内外温度差比率αを求める。これにより、ファン６の出力Ｐが０のときの内外温度差比率α１、出力Ｐが最大値のときの内外温度差比率α２を算出して電池１の表面温度から内部温度を演算するものである。要するに、この発明は、前記の手順によって、ケース８内に設置された電池１の表面温度を計測し、表面温度から電池１の内部温度を演算し、これにより適正なファン６の送風制御と、電池１の放電または充電制御を実行するものである。
【０００４】
すなわち本発明は、特許請求の範囲に記載されているように、２次電池の電池表面温度を計測する手段と、前記電池に送風するファンの送風量を計測する手段と、前記ファンによる送風空気温度を計測する手段と、前記電池の表面温度の計測手段、前記送風量の計測手段、及び前記送風空気温度の計測手段による計測値から前記電池の内部温度を演算する演算手段を備えたことを特徴とする２次電池の内部温度演算装置である。
【０００５】
【発明の効果】
本発明は、電池の表面の温度とファン出力から電池内部温度を演算し、その値を用いてファンの送風制御、電池の充電及び放電制御を行なう構成により、ファンの効率の向上が図られ、２次電池の充電量または放電量の増加をもたらすという効果が得られる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【０００７】
〈実施の形態１〉
この発明の実施の形態１を図１〜図８により説明する。まず本実施の形態の構成を説明すると、図１において１は電池でジャンクションボックス２を介して充電器３と放電器４に接続されている。充電時は電池１と充電器３が接続され、放電時は電池１と放電器４が接続されるようジャンクションボックス２の中で切り換えが行なわれる。電池１は周囲がケース８に覆われており、空気送風用のファン６によって電池１の温度管理を行うことができる。電池１自体の表面温度と電池１周辺の雰囲気の温度は、電池温度センサ７ａ、空気温度センサ７ｂによって常時計測されている。電池温度センサ７ａ、空気温度センサ７ｂの計測信号はコントローラ５ヘ入力され、コントローラ５の演算により充電器３、放電器４及びファン６ヘ信号を送り制御を行なうことができる。
【０００８】
次に作用を説明する。図２はファンの制御作用を示す図であり、この実施の形態では電池を冷却する場合に、電池温度がある設定値ＴF2以上に上昇した時はオン、ある設定値ＴF1以下に下降した時はオフにする制御作用を示す。図３は、図１の構成の下で図２のファンの制御を行なう場合の制御フローを示す図である。図３において、ステップＳ１１では充電または放電が開始され、ステップＳ１２では電池１の表面温度ＴBと空気温度Ｔ∞が計測される。ステップＳ１３では、ステップＳ１２により求めた表面温度ＴBに基づいて仮設定した初期値ＴBOが、使用限界温度Ｔmax（概ね７０℃）を超えるか、充電または放電が終了と判断されるまで電池１の稼動を継続しステップＳ１４以下のフローが繰返される。
【０００９】
ステップＳ１４でファン６が作動しているか否かの判断をする。まず、ファン６が作動していない場合について説明する。ステップＳ１５でファンＯＦＦ時の内外温度差比率α１を用いて、推定される電池内部温度ＴBOを演算する。
【００１０】
ステップＳ１５１で演算された電池内部温度ＴBOと設定値ＴF1（概ね４０℃）とが比較され、ＴBO＜ＴF1であればステップＳ１２に戻り充電または放電を続ける。ＴBO＞ＴF1であればファンをＯＮにし、所定時間ｔだけＯＮ待機した後、ステップＳ１２に戻る。次に、ファン８が作動している場合について説明する。
【００１１】
ステップＳ１６でファンＯＮ時の内外温度差比率α２を用いて、推定される電池内部温度ＴBOを演算する。ステップＳ１６１で演算された電池内部温度ＴBOと設定値ＴF2（概ね６０℃）とが比較され、ＴBO＞ＴF2であればステップＳ１２に戻り充電または放電を続ける。ＴBO＜ＴF2であればファンをＯＦＦにし、所定時間ｔだけＯＦＦ待機の後、ステップＳ１２に戻る。
【００１２】
図４は、実施の形態１における電池内外各部の温度分布を示す図、図５は実施の形態１におけるファン出力と内外温度差比率αの関係を示す図である。図４、図５を用いて内外温度差比率α１、α２について説明する。ファン６からの送風によって電池１は表面から熱を奪われ、電池１の内外各部の温度は図４のような温度分布曲線によって変化する。ここで内外温度差の比率をαとすると
α＝（ＴB−Ｔ∞）／（ＴBO−Ｔ∞）
このαは、図５に示すように電池の表面から冷却空気へ熱伝導率つまりファンの出力によって０から１の間を変動する。そこで、ファンの出力がＯＦＦのときをα１、ＯＮのときをα２とし、図１と同じ電池１、ケース８及びファン６を用いた実験に基づいてこのα１とα２を求める。すなわち、図１３は、これによりファン出力Ｐと冷却空気流量Ｑとの関係を求めた図である。図１４は、同じく実験によって求めた流量Ｑと熱伝達係数ｈとの関係を求めた図である。次に、電池１内部の熱伝導方程式を解くことにより、図１３により熱伝導係数ｈと内外温度差比率α１、α２の関係を求める。
【００１３】
図６、図７は、実施の形態１におけるファンＯＦＦからＯＮ、またはＯＮからＯＦＦによる遅れ時間を示す図である。すなわち、図６では時間の経過と共に内外温度差比率はα１からα２に漸減し、図７では時間の経過と共に内外温度差比率はα２からα１に漸増する。これにより、ステップＳ１５３、Ｓ１６３に示したように、ファンのＯＮ、ＯＦＦから所定時間は、電池１の温度が安定しないので、その間に演算された電池１の内部温度ＴBOは、実際の内部温度とは相違が生ずる。そこで、ｔ時間ＯＮまたはｔ時間ＯＦＦの間は、α１またはα２の値を補正せずにフローの停止を行なわない。ｔ時間ＯＮ、または、ｔ時間ＯＦＦの値は電池１の熱物性値と形状によるが、厚さ２４ｍｍのリチウムイオン電池の場合で１０sec程度で、電池１の温度上昇は、最大で１℃／min程度であることから上記による電池１への影響は殆ど生じない。
【００１４】
以上のように計測した電池表面温度とファン６の出力により電池１の内部温度をより正確に求めることができる。図８に示すように、電池１の表面温度ＴBから電池内部温度ＴBOを予測しようとして安全性を考慮すると、ＴBO＝ＴB＋ΔＴmaxとしてΔＴは最大値を見込まざるを得ない。ΔＴmaxはファン６の出力Ｐと電池表面温度と空気温度との温度差ＴB−Ｔ∞に比例するため、ファン６の出力はＰmax、温度差は電池１の耐熱性を考えなければならない最低の空気温度Ｔ∞の場合で、図８中の×印の点となってしまう。つまり、電池１の内部温度を高く見積り過ぎて耐熱限度に達していないのにファン６を駆動するようになる。しかし、本実施の形態によれば、ファン６の出力と温度差によって変化するが、ΔＴmax以下の適正値となり、充電または放電時間ををより長く継続することができる。このときのファン６の出力Ｐは空気流量Ｑにより代用することができる。
【００１５】
〈実施の形態２〉
図９、図１０を用いてこの発明の実施の形態２を説明する。本実施の形態は、図９に示すようなファン６の制御を行なう場合である。図５に示すファン出力Ｐと内外温度差比率αの関係からステップＳ２１でファン６の出力に応じたαを求め、ステップＳ２２で電池１の内部温度ＴBOを演算する。ステップＳ２３で内部温度ＴBOに対するファン６の出力に変更しステップＳ１２へ戻る。ステップＳ１３で充放電停止を判断する温度値は、ステップＳ２２で求めた内部温度ＴBOを用いる。
【００１６】
本実施の形態では、実施の形態１のようにファン出力のステップ変化がないため、フローチャートの中にステップＳ１５３、Ｓ１６３のような遅れ時間を設ける必要がなくなる。
【００１７】
〈実施の形態３〉
図１１、図１２を用いて実施の形態３を説明する。図１１において、線Ｌ1は電池の耐熱保証をするときの温度上昇線であり、線Ｌ1の上の領域Ａ1にある場合は電池の冷却が必要で、線Ｌ1の下の領域Ａ2にある場合は電池が耐熱温度Ｔmaxに達しないと予測されるため冷却が必要ないと考えられる。本実施の形態では電池の内部温度ＴBOと電池の容量からステップＳ３１で電池の状態が図１１の領域Ａ1とＡ2のどちらにあるか判定し、領域Ａ1ならばファン６をＯＮ、領域Ａ2ならばファン６をＯＦＦとする制御を行なう。このような制御を行なう理由は、電池１の残容量によって温度上昇する値に限界が出てくるので、耐熱温度に達しないと予測される場合はファン６を停止してエネルギーの節約をはかるためである。
【００１８】
以上説明してきたように、この発明によれば、その構成を電池の表面の温度とファンの出力による電池の内外温度差比率から電池内部温度を演算し、その値を用いてファン制御、充電または放電制御を行なう構成としたため、従来のようにファンによる電池の冷却効果が現れていないにも拘らず、ファンの駆動を停止させるといった不具合を生ずることなく電池を稼動することができ、充電量または放電量を増加する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の２次電池の内部温度演算装置の実施の形態１のブロック図である。
【図２】  実施の形態１のファン制御を示す図である。
【図３】  実施の形態１のフローチャートである。
【図４】  実施の形態１における電池内外の温度分布を示す図である。
【図５】  実施の形態１におけるファン出力と内外温度差比率の関係を示す図である。
【図６】  実施の形態１におけるファンＯＦＦからＯＮによる遅れ時間を示す図である。
【図７】  実施の形態１におけるファンＯＮからＯＦＦによる遅れ時間を示す図である。
【図８】  本発明のファン出力と電池−空気の温度差の関係特性を示す図である。
【図９】  実施の形態２のファン制御を示す図である。
【図１０】  実施の形態２のフローチャートを示す図である。
【図１１】  実施の形態３の電池容量と電池内部温度の特性を示す図である。
【図１２】  実施の形態３のフローチャートである。
【図１３】  本発明の予備実験によるファン出力と空気流量の関係を求めた図である。
【図１４】  本発明の予備実験による空気流量と熱伝達率の関係を求めた図である。
【図１５】  本発明の予備実験による熱伝達率と電池の内外お温度差比率の関係を求めた図である。
【符号の説明】
１…電池                    ２…ジャンクションボックス
３…充電器                  ４…放電器
５…コントローラ            ６…ファン
７ａ…電池温度センサ        ７ｂ…空気温度センサ
８…ケース
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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