JP2004022496A - 薄型電池による組電池の温度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】薄型単電池C1、C2を位置決め板21上に載置し、同様の位置決め板22と重ねて組電池を構成する。位置決め板21,22はヒートシンク41、42によって支持され、位置決め板21,22の熱をヒートシンク41,42へ伝導する。温度センサ2032、2034…は、ヒートシンク41に設ける。実際の単電池温度と温度センサ2032、2034…による検出温度との差異ΔBTは、あらかじめCPU102(図1)内のメモリに記憶させておく。CPU102(図1)は、冷却風温センサ205(図1)による外気温およびFANデューティに対応するΔBTをメモリから読み出し、ΔBTと温度センサ2032、2034…による検出温度とを用いて単電池温度を算出する。
【選択図】図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラミネート電池などの薄型電池で構成される組電池の温度を検出する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
複数の単電池を用いて構成する組電池の一例として、特開2001−266825公報に開示されているものがある。上記公報による組電池は、円筒形状の単電池(バッテリセル)が所定の間隔でバッテリケース内に配設される。組電池の温度は、単電池の表面に配設された温度センサによって検出される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ラミネート構造を有する薄型形状のラミネート電池が知られている。このラミネート電池を円筒電池の代わりに用い、複数のラミネート電池で組電池を構成する場合、従来の技術のように単電池の表面に温度センサを配設することが困難である。すなわち、ラミネート電池は所定の寸法および所定の圧力で配設するので、ラミネート電池の表面に温度センサを配設することは定寸および定圧の妨げになる。さらに、温度センサをラミネート電池の表面に配設すると、電池の表面層を傷つけるおそれがある。
【0004】
本発明の目的は、単電池の表面以外で検出した温度から当該単電池の温度を得るようにした薄型電池で構成される組電池の温度検出装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の薄型単電池で構成される組電池の温度を検出する温度検出装置に関し、単電池を挟むように支持するとともに単電池による熱を伝導する熱伝導部材を設け、この熱伝導部材に温度検出手段を配設し、当該温度検出手段で検出した温度を用いて単電池の温度を演算で求めるようにしたものである。
【0006】
【発明の効果】
本発明によれば、薄型単電池で構成される組電池の電圧検出装置において、単電池の表面以外で検出した温度から当該単電池の温度を得ることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施の形態による組電池の温度検出装置を搭載した車両の全体構成図である。以下の実施の形態では、組電池を電気自動車の電源として適用した例を説明する。図1において、車両の制御システムは、車両システムと電池制御ユニットとで構成される。図中の太い実線は強電ライン(強電系の配線)を表し、通常の実線は弱電ライン(弱電系の配線)を示す。破線は各ブロック間で送受される信号ラインを示す。
【0008】
車両システムは、電流センサ201と、電圧センサ202と、温度センサ203と、冷却FAN204と、冷却風温センサ205と、駆動用モータ301と、補機システム302と、メインリレー303A,303Bとを有する。組電池は、単電池(セル)C1〜Cnによって構成される。電池制御ユニットは、電池温度検出部101と、CPU102とを有する。
【0009】
駆動用モータ301は、組電池から供給される電力によって車両の駆動力を発生する一方、組電池に対する回生電力を発生する。補機システム302は、組電池から供給される電力によって車両に搭載される不図示のエアコンディショナ(A/C)などを駆動する。メインリレー303A,303Bは、CPU102の指令により開閉制御され、駆動モータ301および補機システム302への電力供給をオン/オフする。
【0010】
電流センサ201は、強電ラインに流れる電流を検出し、検出信号をCPU102へ送出する。電圧センサ202は、組電池の電圧(総電圧)を検出し、検出信号をCPU102へ送出する。温度センサ203は、組電池に対して所定数配設され、それぞれの温度検出信号を電池温度検出部101へ送出する。冷却FAN204は、CPU102の指令により駆動制御され、組電池を冷却する。冷却風温センサ205は、冷却FAN204による風温を検出し、検出信号をCPU102へ送出する。
【0011】
温度検出部101は、温度センサ203からの温度検出信号を集めて組電池の温度を求め、組電池の温度情報をCPU102へ送出する。CPU102は、組電池の温度情報、および冷却風温センサ205による風温情報を用いて組電池の温度を所定の温度範囲に収めるように冷却FAN204のデューティ比を演算し、冷却指令を冷却FAN204へ送出する。デューティ比は冷却FAN204に対する制御量であり、デューティ比に応じてFAN204よる風量が調節される。CPU102は、組電池の温度が異常の場合に車両システムCPU304へ温度異常を報知する。
【0012】
車両システムCPU304は、駆動用モータ301および補機システム302へ出力される電力の出力制限、駆動モータ301から回生される電力の回生制限を行い、車両システムを制御する。車両警告灯305は、車両システムCPU304の指令により点灯し、車両システムの異常発生を運転者に報知する。補助電池401は、CPU102および車両システムCPU304へ電力を供給する。スイッチSWは、運転者によるイグニション(IGN)スイッチ402のオン/オフに連動し、補助電池401からの電力供給をオン/オフする。
【0013】
図2は、組電池の構造を説明する図である。図2において、位置決め板21上の所定位置にラミネート電池などで構成される薄型の単電池C1およびC2が載置されている。同様に、位置決め板22上の所定位置に単電池C3およびC4が載置されている。位置決め板21および22は、ヒートシンク41および42によって所定の間隔で支持される。位置決め板21および22の間隔は、単電池の寸法に応じて設定される。これにより、各単電池は、所定の寸法および所定の圧力で配設される。なお、単電池は、負極箔の表裏面からそれぞれ負極活物質を塗布した負極材と、正極箔の表裏面からそれぞれ正極活物質を塗布した正極材とをセパレータを介して積層し、これをアルミニウム薄膜でラミネートして薄板状ににしたものである。
【0014】
なお、図2の例では、単電池C1〜C4までの2段分の構造を説明したが、組電池を構成する段数、および同じ段に載置する単電池の数は、それぞれ組電池の仕様に応じて適宜設定される。また、実際の組電池では各段の単電池をそれぞれ並列に接続するバスバー、段間を直列に接続する段間接続用のバスバーなどが設けられるが、図2では省略している。バスバーは、強電用配線部材の一例である。位置決め板21および22は、単電池C1〜C4の表面層に接して単電池で発生した熱を吸収し、その熱をヒートシンク41および42へ伝えるヒートシンクの役目も備える。
【0015】
ヒートシンク41および42には、それぞれ温度センサ2031〜2034が設けられている。各温度センサは、ヒートシンク41および42上でそれぞれのセンサが設けられている地点の温度を検出する。温度センサ2031〜2034は、たとえば、サーミスタによって構成される。各温度センサはそれぞれ電池温度検出部101(図1)に接続されており、電池温度検出部101は各温度センサ(サーミスタ)の抵抗値から当該温度センサが設けられている地点の温度を求める。サーミスタの温度と抵抗値との関係は、あらかじめ電池温度検出部101内に記憶されている。なお、上述した冷却FAN204(図1)による冷却風は、ヒートシンク41および42に向けて送風されるように構成されている。冷却風がヒートシンク41および42に当たることにより、組電池が冷却される。冷却風温センサ205(図1)は、ヒートシンク41および42に到達する前の風温を検出するように構成される。
【0016】
本発明は、上記組電池の温度検出に特徴を有する。
【0017】
図3は、CPU102で行われる組電池の温度検出処理の流れを説明するフローチャートである。図3による処理は、CPU102に補助電池401から電力が供給されると繰り返し行われる。補助電池401がCPU102に電力を供給するのは、システム起動(IGNオン)時、もしくは組電池の充電時である。車両の走行が終了し(IGNオフ)、組電池の充電も行われない場合には図3による処理は終了する。
【0018】
図3のステップS1において、CPU102は、ヒートシンクの温度検出指令を電池温度検出部101へ送出してステップS2へ進む。これにより、電池温度検出部101が各温度センサの抵抗値からヒートシンク各地点の温度を求めてCPU102へ送出する。
【0019】
ステップS2において、CPU102は、セル温度(電池温度)を推定する。セル温度BTは、次式(1)によって算出する。
【数1】
BT=HT+ΔBT (1)
ただし、HTは電池温度検出部101から送出された温度情報に含まれるヒートシンクの温度、ΔBTはヒートシンクの温度とセル温度との温度差である。
【0020】
図4は、図2の単電池C2付近を拡大した図である。温度センサ2032は単電池C2と離れた位置に配設されるので、単電池C2の表面温度と温度センサ2032による検出温度との間に差異が生じる。単電池C2で発生した熱は、単電池C2に接する位置決め板21(ヒートシンクを兼ねる)を介してヒートシンク41へ伝わるので、通常、単電池C2の表面温度に対してヒートシンク温度HTの方が低くなる。ここで、ヒートシンク温度HTは、温度センサ2032が設けられている地点の温度である。
【0021】
図5は、ヒートシンク(位置決め板21およびヒートシンク41)において図中左右方向の位置と温度との関係を示す図である。横軸は、ヒートシンク上の位置を表し、縦軸は、冷却FAN204のFANデューティがX%時のヒートシンク上の温度を表す。図5において、温度は位置決め板21の左右方向にほぼ一定であり、ヒートシンク41に近づくにつれて低下する。温度センサ2032の位置に対応する点Aの温度が、上述したヒートシンク温度HTに対応する。セル温度BTは、単電池C2の中央部の点Bに対応する温度とする。ヒートシンク41の右側の位置Cで検出される冷却風温は、外気温に相当する。つまり、上記冷却風温センサ205は位置Cに対応するように配設される。
【0022】
図6は、ヒートシンク(位置決め板21およびヒートシンク41)の位置とFANデューティが1.2X%時の温度との関係を示す図である。図5に比べて、ヒートシンク41に近づいた位置で温度の低下率が大きくなる。つまり、FANデューティが高いほど冷却効果が高いので、セル温度BTおよびヒートシンク温度HT間の差異ΔBTが大きくなる。
【0023】
図5および図6のような温度データを複数の条件ごとに集め、各条件におけるΔBTをマップ化した表を図7に示す。図7の例では、外気温0度、10度、20度、30度および40度の場合に、それぞれFANデューティ0、0.25、0.5、0.75および1とした場合の温度差ΔBTを示す。図7のマップデータは、あらかじめ実験データとして計測し、CPU102内のメモリに記憶させておく。
【0024】
CPU102は、冷却風温センサ205による外気温、および演算したFANデューティに応じて図7のマップからΔBTを読み出し、このΔBTと電池温度検出部101による温度情報とを用いてセル温度を推定する。図7のマップデータは、温度を推定するセル(単電池)ごとに複数組のデータを設けてもよいし、各単電池に共通に使用できる場合は1組のみデータを設けてもよい。CPU102は、上式(1)によって各単電池の温度を推定すると、ステップS3へ進む。
【0025】
ステップS3において、CPU102は、温度異常値を設定してステップS4へ進む。温度異常値は、たとえば、各単電池の推定温度の平均値より1σ大きい値とする。ここで、σは標準偏差である。CPU102は、温度異常値(異常判定値)を設定するとステップS4へ進む。ステップS4において、CPU102は、セル温度が異常か否かを判定する。CPU102は、セル温度が正常な場合にステップS4を否定判定してステップS5へ進み、セル温度が異常の場合にステップS4を肯定判定してステップS6へ進む。
【0026】
図8は、正常なセル温度分布の一例を示す図である。図8において、横軸は、ヒートシンク41上の位置を表し、縦軸は、推定されたセル温度を表す。6個の単電池で組電池を構成する場合を例にとれば、図2のように1枚の位置決め板に2つの単電池を並べて載置し、このような2個1組の電池を3段重ねると6個の単電池による組電池が得られる。図2では2段分を記したが、位置決め板22の下段に単電池C5(不図示)およびC6(不図示)を載置した位置決め板23(不図示)がさらに重ねられているとする。温度センサは、ヒートシンク42側のものを省略し、ヒートシンク41側にのみ配設する。この場合には、上段の温度センサ2032、中段の温度センサ2034、および下段の温度センサ2036(不図示)の3つの温度センサによって3点でヒートシンク温度HTを得る。
【0027】
図8の横軸でモジュール位置「上」側にプロットされている点は、温度センサ2032に対応するヒートシンク温度HTである。モジュール位置「下」側にプロットされている点は、温度センサ2036(不図示)に対応するヒートシンク温度HTである。両者の中央にプロットされている点は、温度センサ2034に対応するヒートシンク温度HTである。単電池C1およびC2のセル温度は、温度センサ2032に対応するヒートシンク温度HTを用いて算出したものである。単電池C3およびC4のセル温度は、温度センサ2034に対応するヒートシンク温度HTを用いて算出したものである。単電池C5(不図示)およびC6(不図示)のセル温度は、温度センサ2036(不図示)に対応するヒートシンク温度HTを用いて算出したものである。この場合には、図7のマップデータが単電池C1〜C6ごとに用意される。
【0028】
CPU102は、単電池C1〜C6に対応するセル温度の推定値(推定電池温度)の全てが推定異常判定値より低ければ、セル温度分布が正常であるとみなし、上述したステップS4を否定判定する。一方、CPU102は、単電池C1〜C6に対応するセル温度の推定値(推定電池温度)の少なくとも1つが推定異常判定値を超えると、セル温度分布が異常であるとみなし、上述したステップS4を肯定判定する。
【0029】
図9は、異常なセル温度分布の一例を示す図である。図9において、単電池C6(不図示)の推定セル温度が推定電池温度の平均値に対して+1σの範囲を超えている。
【0030】
図3のステップS5において、CPU102は、車両システムCPU304へセル温度正常を示す情報を送出し、図3による処理を終了する。車両システムCPU304は、所定の演算を行って組電池に対する充放電制御を行う。
【0031】
ステップS6において、CPU102は、車両システムCPU304へセル温度異常を示す情報を送出するとともに、メインリレー303Aおよび303Bを遮断させて図3による処理を終了する。車両システムCPU304は、セル温度異常を示す情報を受けると、組電池に対する充放電制御を停止するとともに警告灯305を点灯させる。
【0032】
以上説明した実施の形態についてまとめる。
(1)薄型のラミネート電池で構成される単電池C1、C2を位置決め板21上に載置し、同様の位置決め板22とともに重ねて組電池を構成する。各単電池は、上下の位置決め板に挟まれ、発生した熱を位置決め板へ伝導(放熱)する。位置決め板21,22はヒートシンク41、42によって支持され、位置決め板21,22の熱をヒートシンク41,42へ伝導(放熱)する。ヒートシンク41および42は、位置決め板21,22からの熱を吸収する一方で、吸収した熱を外部へ放熱する。位置決め板21、22が単電池から熱を吸収するヒートシンクも兼ねるので、各単電池を所定の寸法、所定の圧力で支持する上に各単電池で発生した熱を効果的に吸収することができる。
(2)冷却FAN204により冷却風をヒートシンク41および42に向けて送風するようにしたので、組電池で発生した熱の放熱効率をより高めることができる。
【0033】
(3)ヒートシンク41に温度センサ2032、2034…を設けるようにしたので、単電池の表面にセンサを設けなくも単電池による温度変化を検出することができる。単電池の表面にセンサを設けないので、各単電池を定寸、定圧で支持しやすくなる上に、単電池の表面層を傷つけるおそれもない。
(4)外気温0度、10度、20度、30度および40度の場合に、それぞれFANデューティ0、0.25、0.5、0.75および1とした場合の温度差ΔBTをあらかじめ実験データとして計測し、マップ化してCPU102内のメモリに記憶させておく。ΔBTは、実際のセル温度(単電池温度)と温度センサ2032、2034…による検出温度との差異である。CPU102は、冷却風温センサ205による外気温、および演算したFANデューティに応じてメモリからΔBTを読み出し、このΔBTと温度センサ2032、2034…による検出温度とを用いて単電池温度を上式(1)で算出する。これにより、単電池の表面温度を直接検出しなくても、単電池温度を推定することができる。さらに、外気温の変化や冷却時の温度変動を考慮して正確に単電池温度を推定することができる。
【0034】
(5)複数の温度センサを設け、単電池ごとの電池温度を推定するようにしたので、組電池を構成する全ての単電池について温度分布を把握することができる。組電池を構成する一部の単電池のみの温度を推定すると、当該単電池以外のものに温度異常が発生しても検出できないが、全ての単電池について温度分布を把握すると、どの単電池に異常が発生してもこれを検出することができる。
(6)温度センサは、ヒートシンク42側のものを省略し、ヒートシンク41側にのみ配設してもよい。この場合には、ヒートシンク41および42の両方に温度センサを設ける場合に比べてコストを低減することができる。
【0035】
温度センサの配設位置は、ヒートシンク41側のものを省略し、ヒートシンク42側にのみ配設してもよい。
【0036】
単電池を載置する位置決め板の各段に対応してそれぞれ温度センサを配設する例を示したが、たとえば、1段おきに間隔をあけて設けてもよい。
【0037】
また、ヒートシンク41側に位置決め板の奇数段に対応して温度センサを配設し、ヒートシンク42側に位置決め板の偶数段に対応して温度センサを配設するようにしてもよい。
【0038】
異常なセル温度分布の判定条件として、少なくとも1つの単電池の推定セル温度が全単電池の推定セル温度の平均値に対して+1σの範囲を超える場合を説明したが、+1σの代わりに+2σとしてもよい。
【0039】
上述したステップS6における異常処理は、車両システムCPU304に警告灯305を点灯させる処理と、メインリレー303Aおよび303Bに強電ラインを遮断させる処理との両方を行うようにしたが、いずれか一方でもよい。
【0040】
温度差ΔBTをあらかじめ実験データとして計測し、離散的なデータをマップ化してCPU102内のメモリに記憶するようにしたが、FANデューティおよび外気温の関数として記憶するようにしてもよい。
【0041】
特許請求の範囲における各構成要素と、発明の実施の形態における各構成要素との対応について説明する。薄型単電池は、たとえば、ラミネート電池C1〜C4それぞれが対応する。熱伝導部材は、たとえば、位置決め板21、22およびヒートシンク41、42によって構成される。第1の温度検出手段は、たとえば、温度センサ203(2031〜2034)および電池温度検出部101によって構成される。演算回路、記憶回路、作動状態検出手段および異常判定回路は、たとえば、CPU102によって構成される。第2の温度検出手段は、たとえば、冷却風温センサ205によって構成される。第1の温度検出手段による検出温度と単電池の温度との関係を示す情報は、たとえば、ΔBTをマップ化したデータ(図7)が対応する。送風装置は、たとえば、冷却FAN204によって構成される。送風装置の作動状態は、たとえば、FANデューティが対応する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による組電池の温度検出装置を搭載した車両の全体構成図である。
【図2】組電池の構造を説明する図である。
【図3】CPUで行われる組電池の温度検出処理の流れを説明するフローチャートである。
【図4】図2の一部を拡大した図である。
【図5】ヒートシンク上の位置と温度との関係を示す図である。
【図6】ヒートシンク上の位置と温度との関係を示す図である。
【図7】ΔBTをマップ化した図である。
【図8】正常なセル温度分布の一例を示す図である。
【図9】異常なセル温度分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
21,22…位置決め板、 41,42…ヒートシンク、
101…電池温度検出部、 102…CPU、
203(2031〜2034)…温度センサ、
204…冷却FAN、 205…冷却風温センサ、
304…車両システムCPU、 C1〜C4…単電池
Claims (5)
- 複数の薄型単電池で構成される組電池の温度を検出する温度検出装置において、
前記単電池を挟むように支持するとともに前記単電池による熱を伝導する熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に配設されて温度を検出する第1の温度検出手段と、
前記第1の温度検出手段による検出温度を用いて前記単電池の温度を演算する演算回路とを備えることを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。 - 請求項1に記載の薄型電池による組電池の温度検出装置において、
前記熱伝導部材から所定間隔離れた位置の気温を検出する第2の温度検出手段と、
前記第1の温度検出手段による検出温度と前記単電池の温度との関係を示す情報を、前記第2の温度検出手段により検出される温度に対応させてあらかじめ記憶する記憶回路とをさらに備え、
前記演算回路は、前記第2の温度検出手段による検出温度に対応する情報を前記記憶回路から読み出し、読み出した情報と前記第1の検出手段による検出温度とに基づいて前記単電池の温度を演算することを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。 - 請求項2に記載の薄型電池による組電池の温度検出装置において、
前記熱伝導部材に冷却風を送る送風装置と、
前記送風装置の作動状態を検出する作動状態検出手段とをさらに備え、
前記記憶回路は、前記第1の温度検出手段による検出温度と前記単電池の温度との関係を示す情報を、前記第2の温度検出手段により検出される温度、および前記作動状態検出手段によって検出される前記送風装置の作動状態のそれぞれに対応させてあらかじめ記憶し、
前記演算回路は、前記第2の温度検出手段による検出温度および前記送風装置の作動状態のそれぞれに対応する情報を前記記憶回路から読み出し、読み出した情報と前記第1の温度検出手段による検出温度とに基づいて前記単電池の温度を演算することを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の薄型電池による組電池の温度検出装置において、
前記熱伝導部材は、前記複数の単電池による熱をそれぞれ伝導し、
前記第1の温度検出手段は、前記熱伝導部材上の異なる位置に複数配設された温度センサを有し、
前記記憶回路は、前記複数の温度センサによる検出温度と前記複数の単電池のそれぞれの温度との関係を示す情報を記憶し、
前記演算回路は、前記複数の単電池の温度をそれぞれ演算することを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。 - 請求項4に記載の薄型電池による組電池の温度検出装置において、
前記演算回路による演算結果から前記複数の単電池の温度分布を求めることにより組電池の温度異常の有無を判定する異常判定回路をさらに備えることを特徴とする薄型電池による組電池の温度検出装置。
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