JP2006318704A - 電池モジュールおよびその温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のダクトを必要とせず、電池モジュールを適当に冷却できる電池モジュールを提供する。
【解決手段】 電力を発生する組電池と、組電池を収納する筐体１４と、組電池と共に筐体１４内に収納され、筐体１４内において冷媒が流通する方向に沿って組電池と直列に並べて配置され、組電池の電力を変換する電力変換装置と、を有する電池モジュール１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電池モジュールに関し、特に、冷媒の流通により冷却されるのに適した電池モジュールおよびその温度制御方法に関する。

電気自動車やハイブリッド車両の電源として、複数の電池を接続してなる組電池と、該組電池の直流電力を交流電力に変換するインバータや該組電池の出力電圧を昇圧するコンバータなどの電力変換装置とを筐体内に収納した電池モジュールが知られている。

このような電池モジュールにおいては、充放電に伴って組電池が発熱すると共に、電力変換装置の作動により発熱する。このため、筐体内の空間を、組電池および電力変換装置をそれぞれ収納する部屋に区切って、各部屋に冷却ファンを設け冷却風を流通させている（たとえば、特許文献１参照）。流通された冷却風は、筐体の各部屋に設けられた排出口を通じて筐体外へ排出される。

このような電池モジュールを車両に搭載した場合、通常、各排出口とトランクルームのドラフタなどとをそれぞれダクトを介して接続し、筐体内から排出された冷却風を、車室外に排出する。
特開２００４−２２３１７号公報（第１図）

しかし、上記のように、筐体の各部屋に設けられた排出口がそれぞれドラフタなどに接続されている構成では、中間に配置するダクトが複数必要になり、ダクトのレイアウトが困難になってしまう。しかも、部品数の増加は、車室内の空間を減少させてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数のダクトを必要とせず、電池モジュールを適当に冷却できる電池モジュールおよびその温度制御方法を提供することを目的とする。

電力を発生する組電池と、前記組電池を収納する筐体と、前記組電池と共に前記筐体内に収納され、前記筐体内において冷媒が流通する方向に沿って前記組電池と直列に並べて配置され、前記組電池の電力を変換する電力変換装置と、を有する電池モジュール。

筐体内に組電池および電力変換装置が直列に並んで収納された電池モジュールに対して、組電池および電力変換装置を順番に通過するように冷媒を供給する工程を含む電池モジュールの温度制御方法。

本発明の電池モジュールによれば、組電池と電力変換装置とが冷媒の流通方向に並べて配置されているので、冷媒の流通経路が一本で足り、冷媒を筐体から排出するための排出口も一つとなる。結果として、冷媒を車室外に導くダクトも一本設ければよく、レイアウトを容易に行える。

本発明の電池モジュールの温度制御方法によれば、組電池および電力変換装置を順番に通過するように冷媒を供給するので、冷媒の流通経路が一本で足り、冷媒を筐体から排出するための排出口も一つとなる。結果として、冷媒を車室外に導くダクトも一本設ければよく、レイアウトを容易に行える。

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、本実施形態に係る電池モジュールの概略構成図である。

電池モジュールは、電気自動車やハイブリッド車両の電源として、車両に搭載されている。

本実施形態において、電池モジュール１０は、バッテリ１１（組電池）１１と、温度センサ（温度検出手段）１２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電力変換装置）１３と、筐体１４と、冷却ファン１５とを含む。

バッテリ１１は、略等間隔に積層および並べて配置された複数の単電池を、直列または並列に接続したものである。単電池としては、たとえば、扁平型のリチウムイオン二次電池が用いられる。バッテリ１１は、温度や劣化状態に応じて内部抵抗が変化し、これに伴って出力電圧も変化する。本実施形態では、出力電圧が約２００Ｖから４００Ｖまで変化するものとする。

温度センサ１２は、バッテリ１１に取り付けられている。温度センサ１２は、充放電に伴って加熱するバッテリ１１の温度を検出し、後述するファン制御部３２に検出結果を送信する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３（以下、単にコンバータ１３という）は、バッテリ１１と並んで配置されている。コンバータ１３は、昇圧回路であり、バッテリ１１からの出力電圧を所定の電圧まで昇圧して、外部のインバータ３０に出力する。コンバータ１３は、たとえば、バッテリ１１の出力電圧を２４０Ｖまで昇圧する。バッテリ１１の出力電圧が２４０Ｖ以上である場合は、コンバータ１３は、昇圧動作を停止し、入力された電圧をそのまま出力する。

筐体１４は、一つの空間内にバッテリ１１とコンバータ１３を収納する。筐体１４の側面には、２箇所の開口１６、１７が設けられている。一方の第１開口１６は、車室内に接続されている。他方の第２開口１７は、トランクルームのドラフタなど車室外に接続されている。第１開口１６および第２開口１７は、室内気または外気などを冷媒として、筐体１４内に流入または排出するための流入口または排出口となる。第１開口１６および第２開口１７は、間にバッテリ１１およびコンバータ１３を挟む位置に設けられる。このとき、バッテリ１１およびコンバータ１３は、第１開口１６および第２開口１７間を流れる冷媒の流通方向に沿って並ぶ。すなわち、冷媒の流通方向において、バッテリ１１は、コンバータ１３の下流または上流に配置される。

冷却ファン１５は、筐体１４の第１開口１６または第２開口１７に取り付けられている。本実施形態では、第２開口１７に冷却ファン１５が取り付けられている。冷却ファン１５は、順回転または逆回転に回転方向を変更できる。たとえば、冷却ファン１５が順回転のときには、第１開口１６から第２開口１７に向かって冷媒が流れる。逆に、冷却ファン１５が逆回転のときには、第２開口１７から第１開口１６に向かって冷媒が流れる。冷却ファン１５は、後述するファン制御部３２により回転方向が制御される。

上記構成を含む電池モジュール１０は、インバータ３０を介して、モータ３１に接続され、また、ファン制御部３２に接続されている。

インバータ３０は、電力変換装置の一種であり、電池モジュール１０の直流電力を交流電力に変換する。変換された直流電力により、モータ３１が駆動される。モータ３１は、駆動軸を介して、タイヤ（駆動輪）に接続されており、タイヤを回転させるための駆動力を発生する。

また、電池モジュール１０は、ファン制御部３２に接続されている。ファン制御部３２は、車両を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）の一機能として実現されてもよい。しかし、本実施形態では、明瞭のために、単独の構成としてファン制御部３２を示している。

ファン制御部３２は、温度センサ１２および冷却ファン１５に接続されており、温度センサ１２の検出温度に基づいて、冷却ファン１５を制御する。ファン制御部３２には、時間を計測するためのタイマ３３が接続されている。タイマ３３による計測に従って、冷却ファン１５を制御する時間が調整される。該タイマ３３も電子制御装置の一機能として実現されてもよい。

以上のような電池モジュール１０では、バッテリ１１が充放電により加熱する。バッテリ１１は、温度により内部抵抗が変化するので、上記冷媒の流通により、バッテリ１１の温度を制御することは重要である。バッテリ１１の温度と内部抵抗との関係について説明する。

図２は、新品時のバッテリの温度と内部抵抗との関係を示す概念図である。

図２に示すように、バッテリ１１は０℃以下になると内部抵抗が急激に高く増大する。バッテリ１１を内部抵抗が高いまま使用すると、バッテリ１１への負荷が大きく、バッテリ１１の寿命を低下させる虞がある。また、０℃以下などの低温時に、コンバータ１３によって昇圧動作を継続すると、電力消費効率が低下するため、バッテリ１１の温度がなかなか高くならない。したがって、低温時には、バッテリ１１の温度を極力早く上げて、バッテリ１１の内部抵抗を下げることが好ましいことがわかる。

一方、バッテリ１１の温度が高くなりすぎると、バッテリ１１内部の電解液が気化して、バッテリ１１の寿命を低下させる虞がある。したがって、バッテリ１１の温度が所定温度、たとえば６０℃以上となった場合には、モータ３１の出力を制限する必要がある。

以上を鑑みて、バッテリ１１の温度は、適正な範囲の温度、たとえば、２５℃〜３５℃の範囲に維持されることが好ましい。したがって、本実施形態では、上記構成によりバッテリ１１温度の制御を実行している。次に、電池モジュール１０の温度が制御される手順について説明する。

図３は電池モジュールの温度を制御する手順を示すフローチャートである。この制御は、ファン制御部３２によって実行される。なお、図３において、Ｔｂは温度センサ１２により検出されるバッテリ１１の温度を示し、ｔはタイマ３３によるカウント値を示す。

ファン制御部３２は、イグニッションがＯＮになったか否か、すなわち、車両が始動されたか否かを判断する（ステップＳ１）。

イグニッションがＯＮにならない場合（ステップＳ１：ＮＯ）、イグニッションがＯＮになるまで待機する。イグニッションがＯＮになった場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、温度センサ１２により検出された温度Ｔｂが−１０℃以下か否かが判断される（ステップＳ２）。

温度Ｔｂが−１０℃（第１温度）以下である場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、ファン制御部３２は、コンバータ１３からバッテリ１１に向かって冷媒が流通するように、冷却ファン１５を逆回転に始動させる（ステップＳ３）。図１においては、第２開口１７から第１開口１６に向かって冷媒が流通される。

同時に、タイマ３３による計測が開始される（ステップＳ４）。

そして、タイマ３３により計測時間ｔが３０秒以上となったか否か、すなわち、３０秒経過したか否かが判断される（ステップＳ５）。３０秒経過しない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、３０秒経過するまで、冷却ファン１５の回転が継続される。

３０秒経過した場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、タイマ３３が停止され、カウンタがリセットされる（ステップＳ６）。

そして、イグニッションがＯＦＦにされたか否かが判断される（ステップＳ７）。イグニッションがＯＦＦにされていない場合（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ１の処理に戻る。

一方、イグニッションがＯＦＦにされた場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、冷却ファン１５が停止され（ステップＳ８）、電池モジュール１０の温度制御が終了する。

ステップＳ２の処理に戻って、温度Ｔｂが−１０℃以下でない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、さらに、温度Ｔｂが０℃（第２温度）以下か否かが判断される（ステップＳ９）。

温度Ｔｂが０℃以下の場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、冷却ファン１５の状態を変更することなく、ステップＳ４の処理に進む。つまり、冷却ファン１５が既に回転している場合、同じ回転方向で回転を少なくとも３０秒間維持し、冷却ファン１５が停止している場合、停止状態を少なくとも３０秒間継続する（ステップＳ４〜６）。そして、イグニッションがＯＦＦにされた場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、回転しているか否かに関わらず冷却ファン１５が停止され（ステップ８）、電池モジュール１０の温度制御が終了する。

ステップＳ９において、温度Ｔｂが０℃以下でない場合（ステップＳ９：ＮＯ）、さらに、さらに、温度Ｔｂが３５℃（第３温度）以下か否かが判断される（ステップＳ１０）。

温度Ｔｂが３５℃以下の場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、回転しているか否かに関わらず冷却ファン１５が停止され（ステップＳ１１）、ステップＳ４の処理に進む。ステップＳ４以降の処理は上述の通りである。

ステップＳ１０において、温度Ｔｂが３５℃以下でない場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、ファン制御部３２は、バッテリ１１からコンバータ１３に向かって冷媒が流通するように、冷却ファン１５を逆回転に始動させる（ステップＳ１２）。図１においては、第１開口１６から第２開口１７に向かって冷媒が流通される。そして、少なくとも３０秒間、冷却ファン１５の回転が維持され（ステップＳ４〜６）、イグニッションがＯＦＦにされた場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、冷却ファン１５が停止され（ステップ８）、電池モジュール１０の温度制御が終了する。

以上のように、本実施形態においては、バッテリ１１とコンバータ１３とが冷媒の流通経路に直列に並べて配置されている。したがって、冷媒の流通経路が一本で足り、第２開口１７を車室外に接続するためのダクトが一本で足り、レイアウトを容易に行える。しかも、筐体１４を複数の部屋に区切って部屋ごとに冷媒通路を形成するものではないので、部品点数が増加せず、車室内の空間を減少させない。

また、バッテリ１１の温度Ｔｂが−１０℃以下であれば、冷却ファン１５の逆回転により、コンバータ１３からバッテリ１１に冷媒が流れる。すなわち、バッテリ１１がコンバータ１３の下流側に配置されていることなる。したがって、コンバータ１３を通過する際に温められた冷媒がバッテリ１１を通過する際に温める。結果として、バッテリ１１の温度上昇が促進されるので、低温のバッテリ１１を、迅速に０℃以上に温められる。

一方、バッテリ１１の温度Ｔｂが３５℃より高くなると、冷却ファン１５の順回転により、バッテリ１１からコンバータ１３に冷媒が流れる。すなわち、コンバータ１３がバッテリ１１の下流側に配置されることになる。したがって、冷たい冷媒がバッテリ１１を通過する際に、バッテリ１１が冷却される。結果として、高温のバッテリ１１を、迅速に最適温度範囲まで冷却できる。

また、バッテリ１１の温度Ｔｂが０℃から３５℃までの間の場合、冷却ファン１５を停止している。バッテリ１１の温度Ｔｂが０℃から３５℃の範囲では、図２に示すように、バッテリ１１の内部抵抗はかなり小さくなっており、バッテリ１１にかかる負荷も小さいので、バッテリ１１の温度上昇を自己発熱に任せられる。

さらに、冷却ファン１５が順回転または逆回転に切替可能なので、容易に冷媒の流通方向を変更できる。

なお、上記実施形態では、電池モジュール１０として、バッテリ１１、コンバータ１３、温度センサ１２および冷却ファン１５を筐体１４内に収納している。しかし、これに限定されない。レイアウトによっては、図１に示すいずれの構成でも電池モジュール１０として、筐体１４内に収納できる。逆に、上記実施形態において電池モジュール１０として示した構成を、電池もモジュールとは別として、筐体１４外に配置することもできる。たとえば、インバータ３０をコンバータ１３と並べて、筐体１４内に収納して、電池モジュール１０の一部とすることができる。

また、上記実施形態では、検出した温度Ｔｂに基づいて制御した冷却ファンの状態を、少なくとも３０秒間は維持している。しかし、これに限定されない。冷却ファンの状態を維持する時間は適宜調節できる。

上記実施形態では、冷却ファンが一つだけ設けられていた。しかし、これに限定されない。冷却ファンを第１開口１６および第２開口１７近傍にそれぞれ配置し、冷媒の流通方向によって駆動する冷却ファンを選択してもよい。この場合、冷却ファンを順方向または逆方向に制御する必要がない。

本実施形態に係る電池モジュールの概略構成図である。 新品時のバッテリの温度と内部抵抗との関係を示す概念図である。 電池モジュールの温度を制御する手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…電池モジュール、
１１…バッテリ、
１２…温度センサ、
１３…コンバータ、
１４…筐体、
１５…冷却ファン、
１６…第１開口、
１７…第２開口、
３０…インバータ、
３１…モータ、
３２…ファン制御部、
３３…タイマ。

Claims (13)

1. 電力を発生する組電池と、
   前記組電池を収納する筐体と、
   前記組電池と共に前記筐体内に収納され、前記筐体内において冷媒が流通する方向に沿って前記組電池と直列に並べて配置され、前記組電池の電力を変換する電力変換装置と、
   を有する電池モジュール。
2. 前記組電池は、前記冷媒の流通方向において、前記電力変換装置の下流側に配置されている請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記電力変換装置は、前記冷媒の流通方向において、前記組電池の下流側に配置されている請求項１記載の電池モジュール。
4. 前記組電池の温度に基づいて、前記冷媒の流通方向が変更可能である請求項１記載の電池モジュール。
5. 前記組電池の温度が所定の第１温度以下である場合、前記電力変換装置から前記組電池の方向に前記冷媒の流通が開始される請求項４記載の電池モジュール。
6. 前記組電池の温度が前記第１温度よりも高い第２温度以上となった場合、前記冷媒の流通が停止される請求項５記載の電池モジュール。
7. 前記組電池の温度が前記第２温度よりも高い第３温度以上となった場合、前記組電池から前記電力変換装置の方向に前記冷媒の流通が開始される請求項６記載の電池モジュール。
8. 前記組電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段によって検出された前記組電池の温度に基づいて、回転方向の変更または回転の停止が制御され、前記冷媒の流通方向を変更または流通を停止する冷却ファンと、
   をさらに有する請求項１または請求項４〜７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
9. 前記温度検出手段によって検出された前記組電池の温度に基づいて、前記冷却ファンの回転方向または回転の停止を制御する冷却ファン制御装置をさらに有する請求項９に記載の電池モジュール。
10. 筐体内に組電池および電力変換装置が直列に並んで収納された電池モジュールに対して、組電池および電力変換装置を順番に通過するように冷媒を供給する工程を含む電池モジュールの温度制御方法。
11. 前記組電池の温度を検出する工程と、
    検出した前記組電池の温度が所定の第１温度以下である場合、前記電力変換装置から前記組電池の方向に前記冷媒の流通を開始する工程と、
    をさらに含む請求項１０記載の電池モジュールの温度制御方法。
12. 前記組電池の温度が前記第１温度よりも高い第２温度以上となった場合、前記冷媒の流通が停止される請求項１１記載の電池モジュールの温度制御方法。
13. 前記組電池の温度が前記第２温度よりも高い第３温度以上となった場合、前記組電池から前記電力変換装置の方向に前記冷媒の流通が開始される請求項１２記載の電池モジュールの温度制御方法。

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