JP2008204764A - 温度調節機構および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用に用いられる電池パックが過度に冷却されたり、過度に加熱されたりすることを防止できる電源装置の温度調節機構を提供する。
【解決手段】温度調節機構は、電源装置１０と、電源装置及び熱伝達部材３０の間でこれらに接触し、ＰＴＣを含む部材２０とを有する。ここで、ＰＴＣを含む部材を発熱体とすることができる。更に該電源装置は、ケース内に電源体とともに収納される液体と、該液体の攪拌に用いられる攪拌部材を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源体の過度の温度上昇や温度低下を抑制することのできる温度調節機構及び、この温度調節機構を備えた車両に関するものである。

従来、電気モータからの駆動力により走行するハイブリッド自動車、燃料電池車および電気自動車などがある。これらの車両では、電気モータに供給される電力を蓄える二次電池又はキャパシタ（コンデンサ）が搭載されている。ここで、二次電池の性能や寿命は、環境温度に大きく依存し、特に、高温時に充放電を行うと、二次電池が著しく劣化してしまうことがある。

そこで、二次電池の劣化を抑制するために、二次電池を冷却するための構成が提案されている。

ここで、図６に示すように、ケース１０１内に二次電池１０２及び冷却液１０３を収容した電池パック１００を、車両本体（例えば、フロアパネル）２００に接触させたものがある。この構成では、二次電池１０２で発生した熱を、冷却液１０３を介してケース１０１に伝達させ、ケース１０１から大気中に放出させたり、ケース１０１に接触した車両本体２００に伝達させたりしている。これにより、二次電池１０２の温度上昇を抑制することができる。
特開２０００−４０５３６号公報（段落００１３等） 特開平０９−１９０８４１号公報（段落００１６、図２等） 特許第２７０２３７２号（段落００１３、図１等） 特開２００６−１５６０２４号公報（段落００３７、図１等） 特開平０６−１３０６７号公報 特開２００５−２９５６６８号公報（段落００２６、図２等）

しかしながら、上述した電池パック１００を車両本体２００に接触させた構成では、以下に説明する不具合が生じてしまう。

上述した構成では、電池パック１００が車両本体２００に常に接触しているため、環境温度によっては、電池パック１００が過度に冷却されたり、過度に加熱されたりしてしまうことがある。

例えば、冬においては、車両本体２００の温度が氷点下に到達することがあり、この場合には、車両本体２００に接触した電池パック１００（二次電池１０２）が過度に冷却されてしまう。また、夏においては、車両本体２００の温度が上昇し、車両本体２００に接触した電池パック１００が過度に加熱されてしまう。

ここで、二次電池においては、所定の温度範囲内において、十分な電池特性を得ることができ、二次電池の温度が上記温度範囲の下限値よりも低かったり、上限値よりも高かったりする場合には、十分な電池特性を得ることができない。

したがって、電池パック１００を車両本体２００に接触させたままの構成では、電池パック１００の過度の冷却や加熱が生じ、十分な電池特性を得ることができないことがある。

本発明である温度調節機構は、電源装置と、電源装置及び熱伝達部材の間でこれらに接触し、ＰＴＣを含む部材とを有することを特徴とする。ここで、ＰＴＣを含む部材を、発熱体とすることができる。

ＰＴＣを含む部材は、電源装置のうち熱伝達部材と対向する面（全面）に接触させることができる。

また、電源装置が、ケース内に電源体とともに収容される液体と、液体の撹拌に用いられる撹拌部材とを有している場合には、発熱体及び撹拌部材を、ケースを介して対向する位置に配置することができる。このとき、発熱体は、電源装置のうち熱伝達部材と対向する面のうち一部の領域と接触している。そして、電源装置のうち発熱体と接触する領域以外の領域において、電源装置を熱伝達部材から離した状態で支持する支持部材を設けることができる。

一方、電源装置の温度に関する情報に基づいて、発熱体の駆動を制御する制御手段を設けることができる。具体的には、電源装置の温度が閾値よりも低い場合において、発熱体を発熱させることにより、電源装置の温度低下を抑制できる。

本発明の温度調節機構は車両に搭載することができ、熱伝達部材を車両本体とすることができる。

本発明によれば、電源装置及び熱伝達部材の間に、ＰＴＣを含む部材を配置しているため、電源装置が発熱した場合には、この熱を、ＰＴＣを含む部材を介して熱伝達部材に伝達させることができる。これにより、電源装置の温度上昇を抑制できる。

また、熱伝達部材が過度に加熱された場合には、ＰＴＣを含む部材がトリップすることにより、熱伝達部材の熱を電源装置に伝達しにくくすることができ、電源装置の温度上昇を抑制できる。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である温度調節機構について、図１〜図３を用いて説明する。

ここで、図１は、電池パックの温度調節機構の概略を示す断面図である。また、図２は、温度調節機構の動作制御を行う構成を示すブロック図であり、図３は、温度調節機構の動作制御を示すフローチャートである。なお、図１〜図３において、同一の部材については、同一符号を用いている。

図１において、電池パック（電源装置）１０は、電池ケース１１と、電池ケース１１内に収容される組電池（電源体）１２及び液体１３とを有している。組電池１２は、円筒型の複数の単電池１２ａを有しており、両端側から狭持部材（不図示）によって狭持されている。また、複数の単電池１２ａは、バスバー（不図示）によって電気的に直列に接続されている。

組電池１２には、正極用及び負極用の配線（不図示）が接続されており、これらの配線は、電池ケース１１を貫通して、電池ケース１１の外部に配置された電子機器（例えば、モータ）に接続されている。

ここで、本実施例では、単電池１２ａとして、円筒型の二次電池を用いている。二次電池としては、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池等がある。なお、単電池１２ａの形状は、円筒型に限るものではなく、角型等の他の形状であってもよい。また、本実施例では、二次電池を用いているが、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）や燃料電池を用いることもできる。ここでいう、二次電池等は、上述した電子機器の電源となる。

液体１３は、組電池１２の外周面及びケース１３の内壁面に接触している。ここで、充放電等により組電池１２が発熱した場合において、組電池１２に接触する液体１３は、組電池１２との熱交換を行うことにより、組電池１２の温度上昇を抑制する。組電池１２との熱交換が行われた液体１３は、電池ケース１１内で自然対流することにより、電池ケース１１の内壁面と接触する。これにより、液体１３の熱が電池ケース１１に伝達されることになる。

なお、本実施例では、電池ケース１１内の液体１３を、温度差を利用して自然対流させているが、これに限るものではない。例えば、電池ケース１１内に、液体１３を強制的に流動させるための撹拌部材を配置することができる。

液体１３としては、絶縁性の油や不活性液体を用いることができる。絶縁性の油としては、シリコンオイルが用いられる。また、不活性液体としては、フッ素系不活性液体である、フロリナート、Ｎｏｖｅｃ ＨＦＥ(hydrofluoroether)、Ｎｏｖｅｃ１２３０（スリーエム社製）を用いることができる。

また、本実施例では、液体を用いているが、液体の代わりに、空気や窒素等の気体を用いることもできる。

上述した構成の電池パック１０は、車両に搭載されており、車両内のモータ等に対して電力を供給（放電）したり、車両の減速時等に発生する回生エネルギを回収（充電）したりする。

電池パック１０の底面と、車両本体（熱伝達部材）３０との間には、シート状のＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータ（発熱体）２０が配置されている。すなわち、ＰＴＣヒータ２０は、一方の面において電池パック１０の底面全体と接触しており、他方の面において車両本体３０の表面と接触している。

ここで、車両本体３０としては、例えば、フロアパネルや、車両のフレームがある。

ＰＴＣヒータ２０は、一定電圧を印加すると初期抵抗に応じた電流が流れて自己発熱により温度が上昇するが、キュリー温度に到達すると急激に抵抗が増加して電流も急激に減少する性質を有する。

ＰＴＣヒータ２０としては、例えば、高純度のチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）に、半導体化のために添加物として希土類元素を加えるとともに、抵抗急峻性を良好にする添加物としてＭｎ、Ｃｒ、Ｂ等を微量添加して焼結したセラミックスを用いることができる。また、上述した材料組成と量を適宜設定することにより、キュリー温度を略−２０〜３００℃の範囲内において任意に設定することができる。

図２において、電池パック１０には、第１の温度センサ４１が設けられており、コントローラ（制御手段）５０は、第１の温度センサ４１からの出力を受けて電池パック１０の温度情報を取得（検出）することができる。

ここで、第１の温度センサ４１は、組電池１２の温度を直接的又は間接的に検出できるものであればよい。例えば、第１の温度センサ４１を電池ケース１１内の組電池１２に直接、接触させて、組電池１２の温度を検出することもできるし、電池ケース１１内の液体１３に接触させて、組電池１２の温度を間接的に検出することもできる。

第２の温度センサ４２は、車両本体３０の温度を検出するためのセンサであり、この検出結果をコントローラ５０に出力する。ここで、第２の温度センサ４２は、車両本体３０の温度を直接的又は間接的に検出できるものであればよい。

そして、第２の温度センサ４２としては、車両に設けられた既存のセンサを用いることもできる。また、車室内のエアコンの温度調節状態に基づいて、車両本体３０の温度を推定することも可能である。この場合には、第２の温度センサ４２を設ける必要はない。

コントローラ５０は、以下に説明する制御の他に、車両が所望の運転状態となるように車両に搭載された機器類を制御することができる。

電池パック１０（組電池１２）の出力（高電圧）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０に出力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０において所定の電圧（低電圧）に変換される。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０及びＰＴＣヒータ２０との間には、スイッチ回路７０が設けられている。スイッチ回路７０は、コントローラ５０からの制御信号を受けて、オン状態とオフ状態の間で切り替わるようになっている。

スイッチ回路７０がオン状態である場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の出力がＰＴＣヒータ２０に入力され、オフ状態である場合には、ＰＴＣヒータ２０への通電が遮断される。これにより、ＰＴＣヒータ２０を発熱させたり、発熱を停止させたりすることができる。

なお、本実施例では、電池パック１０（組電池１２）の電力を用いて、ＰＴＣヒータ２０を駆動するようにしているが、車両内に設けられた他の電源を用いてＰＴＣヒータ２０を駆動するようにしてもよい。他の電源としては、例えば、１２Ｖの電圧を出力するバッテリ（いわゆる、補機バッテリ）を用いることができる。

また、本実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を用いて組電池１２の高電圧を低電圧に変換しているが、組電池１２の出力をこのままＰＴＣヒータ２０に入力させることもできる。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、コントローラ５０の制御動作について説明する。ここで、本実施例において、電池パック１０の温度変化に伴うＰＴＣヒータ２０の通電制御と、車両本体３０の温度変化に伴うＰＴＣヒータ２０の通電制御は、別々に行うようにしているが、これらの制御は同じ動作であるため、以下の説明では、まとめて説明する。

ステップＳ１において、コントローラ５０は、第１の温度センサ４１からの出力信号を受けて、電池パック１０の温度情報を取得する。また、コントローラ５０は、第２の温度センサ４２からの出力信号を受けて、車両本体３０の温度情報を取得する。

ステップＳ２において、コントローラ５０は、第１の温度センサ４１によって検出された温度が閾値以上であるか否かを判別する。ここで、検出温度が閾値以上である場合には、ステップＳ４に進み、検出温度が閾値よりも低い場合には、ステップＳ３に進む。

また、コントローラ４０は、第２の温度センサ４１によって検出された温度が閾値以上であるか否かも判別する。ここで、検出温度が閾値以上である場合には、ステップＳ４に進み、検出温度が閾値よりも低い場合には、ステップＳ３に進む。

上述した閾値とは、過度の冷却により電池パック１０（組電池１２）の電池特性に悪影響を与える温度であり、適宜設定することができる。この閾値は、組電池１２の適正温度範囲の下限値に基づいて設定することができ、例えば、０℃に設定することができる。

なお、電池パック１０及び車両本体３０の温度は、略近似した値を示すことが多いが、例えば、冬等の環境下では、車両本体３０の温度が電池パック１０の温度よりも極端に低くなることがある。また、夏等の環境下では、車両本体３０の温度が電池パック１０の温度よりも極端に高くなることがある。

ステップＳ３において、コントローラ５０は、スイッチ回路７０をオン状態とすることにより、ＰＴＣヒータ２０への通電を行う。これにより、ＰＴＣヒータ２０が発熱し、電池パック１０や車両本体３０が温められることになる。

すなわち、電池パック１０の温度が閾値よりも低い場合には、組電池１２の電池特性が劣化してしまうことがあるが、ＰＴＣヒータ２０によって電池パック１０を温めることにより、電池パック１０（組電池１２）の温度低下を抑制することができる。これにより、組電池１２に対して、所望の電池特性を維持させることができる。

また、例えば、冬において車両本体３０が過度に冷却された場合には、車両本体３０上に配置された電池パック１０も過度に冷却されてしまうことがある。そこで、本実施例では、車両本体３０が過度に冷却された場合にも、ＰＴＣヒータ２０を発熱させることにより、電池パック１０が過度に冷却されるのを抑制するようにしている。

ステップＳ４において、コントローラ５０は、スイッチ回路７０をオフ状態とすることにより、ＰＴＣヒータ２０への通電を禁止する。ここで、充放電等によって組電池１２が発熱した場合には、上述したように、液体１３を介して電池ケース１１に伝達される。そして、電池ケース１１に伝達された熱は、電池ケース１１の外表面から大気中に放出されたり、ＰＴＣヒータ２０を介して車両本体３０に伝達されたりする。

この場合において、ＰＴＣヒータ２０は発熱していないため、組電池１２で発生した熱の多くは、ＰＴＣヒータ２０を介して車両本体３０に伝達されることになる。これにより、組電池１２の温度上昇を抑制することができ、温度上昇に伴う電池特性の劣化を抑制することができる。

ここで、車両本体３０や電池パック１０（組電池１２）の温度に応じた、ＰＴＣヒータ２０への通電制御の一例を表１に示す。

車両本体の温度（℃）
−３０
０
２０
６０
８０

電池パックの温度（℃）
−３０
０
２０
６０


ＰＴＣヒータへの通電
通電（ON）
通電（ON）
非通電（OFF）
非通電（OFF）
非通電（OFF）

ＰＴＣヒータ
のトリップ
−
−
−
−
トリップ

表１に示す場合においては、ステップＳ２で説明した閾値が、０〜２０℃の範囲内の値に設定されている。

表１に示すように、車両本体３０の温度が高温（８０℃）に到達した場合には、ＰＴＣヒータ２０が車両本体３０からの熱を受けることにより、トリップする。この場合には、ＰＴＣヒータ２０での熱伝達率が低下し、車両本体３０の熱が電池パック１０に伝わりにくくなる。

このように、電池パック１０が車両本体３０から熱を受けるのを抑制することで、電池パック１０の温度上昇を抑制でき、組電池１２の電池特性が劣化してしまうのを抑制することができる。

一方、電池パック１０の温度が０℃や−３０℃である場合には、ＰＴＣヒータ２０への通電が行われ、ＰＴＣヒータ２０の発熱によって電池パック１０が温められることになる。これにより、電池パック１０（組電池１２）が過度に冷却されて、電池特性が低下してしまうのを抑制することができる。

本実施例のようにＰＴＣヒータ２０を用いれば、以下に説明する効果が得られる。

すなわち、ＰＴＣヒータ２０では、上述した特性を有しているため、温度の低下した領域だけを発熱させることができる。このため、本実施例のように、ＰＴＣヒータ２０を電池パック１０の底面全体に接触させた構成であっても、電池パック１０のうち冷えた部分だけを温めることができる。これにより、電池パック１０との接触面全体を略均一に温めることができる。

また、ＰＴＣヒータ２０は、通電によって急速に発熱することができるため、電池パック１０の温度を特定の温度まで到達させる時間を短縮することができる。さらに、電池パック１０の温度に対して車両本体３０の温度が高い場合には、上述したようにＰＴＣヒータ２０がトリップすることにより、車両本体３０及び電池パック１０の間における熱伝達を抑制でき、電池パック１０が過度に加熱されるのを抑制できる。

なお、本実施例では、電池パック１０（組電池１２）及び車両本体３０の温度を検出するようにしているが、電池パック１０の温度だけを検出するようにしてもよい。すなわち、車両本体３０が過度に冷却された場合には、上述したように電池パック１０も過度に冷却されるおそれがあるが、電池パック１０の温度を監視しておき、電池パック１０の温度が極端に低下する前に、ＰＴＣヒータ２０を発熱させることができる。

また、本実施例では、電池パック１０を、ＰＴＣヒータ２０を介して車両本体３０上に配置した構成であるが、これに限るものではない。例えば、車両本体３０に他の部材（いわゆる、熱伝達部材）を接触させ、他の部材に対して電池パック１０を配置する場合には、他の部材と電池パック１０との間にＰＴＣヒータ２０を配置することができる。

さらに、本実施例では、発熱体としての機能を備えたＰＴＣヒータ２０を用いたが、発熱体としての機能を持たないものを用いることもできる。すなわち、ＰＴＣを含む部材を用いることができる。この場合には、上述したように、過度に加熱された車両本体３０によって、電池パック１０が過度に加熱されるのを抑制できる。

次に、本発明の実施例２である温度調節機構について、図４を用いて説明する。ここで、図４は、本実施例の温度調節機構の構成を示す概略図である。なお、実施例１で説明した部材と同一の機能を有する部材については、同一符号を用いている。

本実施例において、電池パック１０は、実施例１と同様に、電池ケース１１と、電池ケース１１内に収容された組電池１２及び液体１３を有している。

また、電池ケース１１内には、電池ケース１１内の液体１３を撹拌させるための撹拌部材１４が配置されている。撹拌部材１４は、図５に示すように、電池ケース１１の壁面に沿って延びる軸部１４ａと、軸部１４ａの表面に形成された撹拌羽根１４ｂとを有する。

なお、撹拌部材１４は、図５に示す構成に限るものではなく、液体１３を電池ケース１１内で循環させることができるものであれば、いかなる構成であってもよい。

撹拌部材１４は、モータ１５に連結されており、モータ１５からの動力を受けることにより回転可能となっている。モータ１５には、組電池１２又は他の電源からの電力を供給することができる。モータ１５としては、電磁モータ等を用いることができる。電磁モータを用いれば、電池ケース１１の壁面に開口部を形成することなく、撹拌部材１４を駆動することができる。

一方、電池ケース１１のうち、撹拌部材１４が配置された領域と、車両本体３０との間には、シート状のＰＴＣヒータ２０が配置されている。また、電池ケース１１のうち、撹拌部材１４が配置された領域以外の領域と、車両本体３０との間には、電池ケース１１を支持するための複数の支持部材２１が配置されている。

すなわち、本実施例では、電池パック１０及び車両本体３０の間に、電池パック１０の底面よりも面積の小さいＰＴＣヒータ２０を配置しているため、ＰＴＣヒータ２０の厚みに相当する高さを有する支持部材２１を設けることにより、電池パック２０を車両本体３０に対して略平行に配置している。

本実施例では、実施例１と同様に、コントローラ５０によって、ＰＴＣヒータ２０の駆動が制御される（図２，３参照）。すなわち、コントローラ５０は、電池パック１０の温度が閾値よりも低い場合には、ＰＴＣヒータ２０への通電を行い、電池パック１０の温度が閾値以上である場合には、ＰＴＣヒータ２０への通電を遮断する。また、車両本体３０の温度を検出しておき、車両本体３０が過度に冷却されたときに、ＰＴＣヒータ２０への通電を行うこともできる。

ここで、電池ケース１１内の撹拌部材１４は、常に回転させておいてもよいし、ＰＴＣヒータ２０への通電に応じて回転させるようにしてもよい。常に回転させておけば、充放電等によって発熱した組電池１２を効率良く冷却させることができる。また、ＰＴＣヒータ２０への通電に応じて回転させれば、ＰＴＣヒータ２０の駆動に伴う電力消費を抑制できる。

本実施例においても、電池パック１０の温度に応じて、ＰＴＣヒータ２０への通電及び非通電を切り換えているため、実施例１と同様の効果を得ることができる。

ここで、本実施例では、電池ケース１１のうち、ＰＴＣヒータ２０の近傍に撹拌部材１４を配置しているため、ＰＴＣヒータ２０によって温められた液体を撹拌部材１４の回転によって電池ケース１１の全体で流動させることができる。これにより、電池パック１０が冷えている場合には、電池パック１０を効率良く温めることができる。また、実施例１に比べて、ＰＴＣヒータ２０を小型化することができ、コストアップを抑制することができる。

なお、撹拌部材１４は、ＰＴＣヒータ２０によって温められた液体１３を電池ケース１１内で効率良く流動させる位置に設ければよく、図４に示すように、ＰＴＣヒータ２０の真上に設ける必要はない。

また、本実施例では、複数の支持部材２１を用いることによって、電池パック１０の底面を車両本体３０の上面から離している。すなわち、電池パック１０及び車両本体３０の間に空気層を形成している。これにより、車両本体３０が過度に冷却又は加熱された場合に、電池パック１０が過度に冷却又は加熱されるのを抑制することができる。

本発明の実施例１において、車両本体上における電池パックの配置構成を示す図である。 実施例１において、電池パックの温度調節を行うための構成を示すブロック図である。 ＰＴＣヒータの通電制御を示すフローチャートである。 本発明の実施例２である温度調節機構の構成を示す概略図である。 撹拌部材の構成を示す概略図である。 従来の電池パックの配置例を示す概略図である。

符号の説明

１０：電池パック（電源装置）
１２：組電池
２０：ＰＴＣヒータ（発熱体）
３０：車両本体（熱伝達部材）
５０：コントローラ

Claims (7)

1. 電源装置と、
   該電源装置及び熱伝達部材の間でこれらに接触し、ＰＴＣを含む部材とを有することを特徴とする温度調節機構。
2. 前記ＰＴＣを含む部材が、発熱体であることを特徴とする請求項１に記載の温度調節機構。
3. 前記ＰＴＣを含む部材は、前記電源装置のうち前記熱伝達部材と対向する面に接触していることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度調節機構。
4. 前記電源装置は、ケース内に電源体とともに収容される液体と、該液体の撹拌に用いられる撹拌部材とを有しており、
   前記発熱体及び前記撹拌部材は、前記ケースを介して対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の温度調節機構。
5. 前記電源装置のうち前記発熱体と接触する領域以外の領域において、前記電源装置を前記熱伝達部材から離した状態で支持する支持部材を有することを特徴とする請求項４に記載の温度調節機構。
6. 前記電源装置の温度に関する情報に基づいて、前記発熱体の駆動を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項２から５のいずれか１つに記載の温度調節機構。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の温度調節機構を備えた車両であって、
   前記熱伝達部材が車両本体であることを特徴とする車両。