JP2010532066A - 熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置 - Google Patents

Abstract

電気自動車のバッテリー温度調節装置を開示する。この装置は、熱電半導体ユニット、温度センサー、及びバッテリーコントローラーを含む。熱電半導体ユニットは、バッテリートレーの内部に一部が露出されるように構成されている。前記熱電半導体コントローラーは、前記熱電半導体ユニットが熱を放出するようにし、前記熱電半導体ユニットが熱を吸収するようにする。前記温度センサーは、前記バッテリートレーの温度を感知して出力する。前記バッテリーコントローラーは、前記温度感知センサーが感知した温度が所定値未満であれば前記熱電半導体ユニットコントローラーに発熱制御信号を出力し、所定値以上であれば前記熱電半導体ユニットコントローラーに吸熱制御信号を出力する。

Description

本発明は電気自動車（ハイブリッド自動車含み）のバッテリー温度調節装置に関する。
より詳しくは、本発明は熱電半導体素子を用いて、電気自動車に搭載されたバッテリーを冷却することができる、熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置に関する。

一般に、自動車は、その駆動源の種類によって、蒸気自動車、内燃機関自動車及び電気自動車に分類され、このうち、電気自動車は内燃機関自動車の排気ガスによる大気汚染問題の深刻性と高油価による燃料費の上昇の問題点を解決するための方案として現在脚光を浴びている。

このような電気自動車は電気を原動力とするもので、一般自動車が内燃機関で石油系の燃料を燃消させてそのエネルギーで走行するものに対し、電力で電動機を回転させることで走行する。
そして、電気自動車は騷音及び振動がほとんどなくて排気ガスを排出しないので、臭いもなくて大気を汚染させることがない。
電気自動車は、電気エネルギーで電動機を回転させて車輪を駆動させる原理で走行するように設計され、自動車の走行のためには高電圧のバッテリーエネルギーが必須になっている。
しかし、現在一つのバッテリーでは電気自動車を駆動させるほどの高いバッテリーエネルギーを得ることができないので、通常多数のバッテリーを直列または並列で接続して高電圧を得るとともに長寿命を維持するようにしている。
多数のバッテリーを集めて固定したものをバッテリーパックといい、実質的に電気自動車にはこのバッテリーパックが箱状のトレーに固定されて車両に搭載されている。

このようなバッテリーは、使用につれて発生する高熱を適切に放熱させることで、その性能と寿命を維持する。例えば、バッテリーを車両の室内または室外空気で冷却させる。このように、車両の室内または室外空気を利用すれば、車両の外気、つまり温度及び湿度の範囲が広い外気によって、バッテリーが要求する適正温度に至るまで遅延が発生し、これにより正常温度範囲に至るまでバッテリーの性能が低下する問題があった。

図１は、従来技術によるバッテリー冷却装置の構成図である。

同図を参照すれば、バッテリー冷却装置は、バッテリートレー２の内側に一定空間を置いて一定間隔で装着されている多数のバッテリー１、多数のバッテリー１が装着されているバッテリートレー２、バッテリー１から発散された熱気を排出するためにバッテリートレー２の一側に設けられた冷却ファン３を備えている。
このようなバッテリー冷却装置において、多数のバッテリー１が内蔵されたバッテリートレー２に冷却ファン３が取り付けられ、この冷却ファン３に補助バッテリー４が始動スイッチ５及びバッテリーコントローラー６を介して接続される。
そして、バッテリートレー２には温度感知センサー７が設置される。バッテリーコントローラー６にはリレー８が備えられ、このリレー８は温度感知センサー７の感知信号によって制御されて、冷却ファン３に供給される電源を遮断もしくは印加させる構造になっている。

このような従来技術による冷却装置は、始動スイッチ５をオンさせるだけで、バッテリ
ーコントローラー６が温度感知センサー７の感知信号によって適正温度を維持するようにしたもので、常温ではバッテリーの温度上昇をいくぶんか制御することができるが、車両の外部的な温度条件の変化、つまり低温または高温の状況に能動的に対処することができなくてバッテリーの性能低下の原因の一つになった。
このような従来技術の問題点を解決するために、車両の排気ガス、あるいはエアコンで熱交換された冷気をバッテリーに供給する方法を用いているが、その装置が複雑で制御しにくく、よって車両の製造原価が高くなっている。

また、ヒートシングとバッテリーの電極を熱的に接続し、ヒートシングを加熱するか冷却する方法があるが、ヒートシングを加熱するか冷却する媒体の選択及び適用が難しく、別途の熱源を備えなければならない問題があった。

半導体冷却加熱素子を用いて、バッテリーの外側面にそれぞれ熱電冷却素子を付着し、別個の熱伝逹媒体によって冷却及び加熱する方式がある。この場合、伝達媒体によってバッテリーの内部に伝導される熱エネルギーの量と伝達時間の遅延などのため、大容量の電気自動車用バッテリーの内部で発生する熱を適正温度に冷却するのに問題があった。また、通常バッテリー本体のケースは金属でない厚いプラスチック素材でなるため、本体ケースを冷却しても、低い熱伝導率のため、個々の電池の効果的な冷却ができなかった。熱電半導体素子は内側が冷却動作のために冷却面を形成する一方、その外側面は放熱動作をすることになる。逆動作の場合、反対の条件が形成される。従来の技術は、素子の可逆反応の際に発生する熱から半導体素子を保護する冷却装置がないため、実際適用の際に素子が過熱及び損傷される問題がある。

鉛蓄電池などの一般的なバッテリーとは異なり、電気自動車用高圧バッテリーは、多数の個別電池の組合せによって高電圧を提供し、この過程で発生する急激な発熱に対する冷却と、バッテリーが低温状態にあるときの迅速な加熱によって正常の性能を発揮するようにするために、個別電池に対する直接的な冷却及び加熱手段が必要になり、このような問題をバッテリーパッケージの外部を冷却及び加熱する方式によっては解決することができないという問題がある。

従って、本発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、熱電半導体を用いてバッテリーの温度を適正水準に維持するようにする、熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置を提供することをその目的とする。

前述したような問題点を解決するために、本発明は、バッテリートレーの内部に一部が露出されており、入力電流が第１方向に流れれば前記バッテリートレーの内部に熱を放出し、第２方向に流れれば前記バッテリートレーの内部熱を吸収する熱電半導体ユニット；放熱制御信号が入力されれば、前記熱電半導体ユニットに第１方向の電流を供給することで前記熱電半導体ユニットが熱を放出するようにし、吸熱制御信号が入力されれば、前記熱電半導体ユニットに第２方向の電流を供給することで前記熱電半導体ユニットが熱を吸収するようにする熱電半導体ユニットコントローラー；前記バッテリートレーの内部温度を感知して出力する温度感知センサー；及び前記温度感知センサーが感知した温度が所定値未満であれば前記熱電半導体ユニットコントローラーに発熱制御信号を出力し、所定値以上であれば前記熱電半導体ユニットコントローラーに吸熱制御信号を出力するバッテリーコントローラー；を含んでなる、電気自動車のバッテリー温度調節装置を提供する。

バッテリーの使用条件によって熱電半導体素子のオン／オフと電流の方向を自動に制御してバッテリーの最適温度を満足させることにより、バッテリーが最適の性能を発揮するようにする効果がある。

また、本発明によれば、冷却加熱用熱源として半導体冷却素子を使用することで、従来使用された車両エアコン、ヒーターまたはファンを用いた冷却装置で発生する騷音、振動などを減少させることができる効果がある。

また、本発明によれば、一つの熱電半導体素子を用いて発熱と吸熱を調節することができるので、簡単に温度調節装置を具現することができる効果がある。

また、本発明によれば、バッテリーをくるんでいる断熱材、入口三方弁及び出口三方弁が外部空気とバッテリーユニットを隔離することにより、車両が運行しない状態でも外部温度の変化からバッテリーを保護することができる。

また、本発明によれば、バッテリーをくるんでいる断熱材、入口三方弁、出口三方弁、熱電半導体ユニットの順になされる冷却流によって広い温度範囲と大体積を持つ外部空気の温度が調節されると、効果的にバッテリーユニットの温度を早くて正確に調節することができる。

従来技術によるバッテリー冷却装置の構成図である。 本発明の一実施例による熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置の構成図である。 本発明の他の実施例による熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置の構成図である。 図２及び図３の熱電半導体ユニットの内部構成図である。

以下、図２を参照して本発明の好適な一実施例による熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置について説明する。

図２は、本発明の一実施例による熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置の構成図である。
同図を参照すれば、本発明の一実施例による熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置は、バッテリー１１、バッテリートレー１２、冷却ファン１３、補助バッテリー１４、始動スイッチ１５、バッテリーコントローラー１６、温度感知センサー１７、リレー１８、熱電半導体ユニット１９、及び熱電半導体ユニットコントローラー２０を備えている。

ここで、バッテリートレー１２は内部が中空状になっており、その内部に多数のバッテリー１１を収容した状態で、一例として電気自動車の底部に搭載されている。もちろん、このようなバッテリートレー１２の搭載位置はこれに限定されなく、例えば、車両の前方または後方でも良い。
冷却ファン１３は、バッテリートレー１２の一側の排気口に位置しており、バッテリートレー１２の内部空気を吸入して排出することで、バッテリー１１から発散された熱気を排出する。

このような冷却ファン１３は、バッテリー１１から放出される熱を外部に排出するために、補助バッテリー１４に始動スイッチ１５とバッテリーコントローラー１６を介して接
続される。

補助バッテリー１４はバッテリー１１が電力を提供する部分以外の装置に低電力を提供するためのもので、バッテリートレー１２の外部に設置されている。
そして、バッテリーコントローラー１６は、バッテリートレー１２の内部温度によってリレー１８を駆動することで、冷却ファン１３に電力が供給されるようにするかあるいは熱電半導体ユニット１９に電力が供給されるようにする。

温度感知センサー１７は、バッテリートレー１２の内部に設置され、バッテリートレー１２の内部温度を感知して出力する。
温度感知センサー１７は測定されたバッテリートレー１２の内部温度をバッテリーコントローラー１６に伝送する。

バッテリーコントローラー１６は、温度感知センサー１７の感知信号によってリレー１８を制御して冷却ファン１３と熱電半導体ユニット１９に供給される電源を遮断もしくは印加させる構造になっている。

一方、熱電半導体ユニット１９は、図４に示すように、冷却ファン１３とバッテリー１１の間に位置し、熱電半導体素子２１と放熱フィン２２からなっている。
ここで、熱電半導体素子２１は相異なる性質を持つ２種の金属が接合されている構造をとっており、電流が流れる方向によって発熱または吸熱作用をするもので（ペルチェ効果と言う）、発熱または吸熱作用は放熱フィン２２を介してバッテリートレー１２の内部に伝達される。

放熱フィン２２は、熱電半導体素子２１で発熱または吸熱作用があるとき、これをバッテリートレー１２の内部に伝達するためのもので、一側は熱電半導体素子２１に付着され、他側はバッテリートレー１１の排気口に露出されている。

ついで、熱電半導体ユニットコントローラー２０は熱電半導体素子２１とバッテリーコントローラー１６の間に位置し、バッテリーコントローラー１６の制御によって熱電半導体素子２１に電流を供給する。
この際、熱電半導体ユニットコントローラー２０は、熱電半導体素子２１に伝達される電流の方向を制御する必要がある。その理由は、熱電半導体素子２１が流れる電流の方向によって発熱または吸熱作用をするからである。
一方、熱電半導体ユニットコントローラー２０と熱電半導体素子２１はコントロールワイヤ２３を介して接続されている。

このような本発明による温度調節装置は、始動スイッチ１５にオンさせるだけでバッテリーコントローラー１６が温度感知センサー１７の感知信号によって適正温度を維持するようにするものである。

すなわち、バッテリーコントローラー１６は、始動スイッチ１５がオンされると、バッテリートレー１２の内部に位置する温度感知センサー１７から感知温度を受ける。
そして、バッテリーコントローラー１６は、温度感知センサー１７から受けた温度が所定温度より高ければ、リレー１８を駆動して冷却ファン１３を駆動することで熱を放出させる。

また、バッテリーコントローラー１６は、熱電半導体ユニットコントローラー２０に制御信号を伝送することにより、熱電半導体ユニットコントローラー２０が熱電半導体素子２１に電流を供給して吸熱作用をするようにする。よって、放熱フィン２２は、熱電半導
体素子２１の吸熱作用によって、バッテリートレー１１の内部熱を熱電半導体素子２１に送ってバッテリートレー１１の内部温度を下げる。
一方、バッテリーコントローラー１６は、温度感知センサー１７から受けた温度が一定温度以下の場合は、熱電半導体ユニットコントローラー２０に制御信号を伝送することで、熱電半導体ユニットコントローラー２００が熱電半導体素子２１に電流を供給して発熱作用をするようにする。放熱フィン２２は、熱電半導体素子２１の発熱作用によって、バッテリートレー１１の内部に熱電半導体素子２１の熱を送ってバッテリートレー１１の内部温度を上げる。
一方、ここでは、熱電半導体素子と冷却ファンの組合せについて説明したが、熱電半導体素子とヒーターの組合せも可能である。

以下、図３を参照して本発明の他の実施例による熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置について説明する。
図３は本発明の他の実施例による熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー温度調節装置の構成図である。

同図を参照すれば、本発明の一実施例による熱電半導体素子を用いた電気自動車のバッテリー冷却装置は、バッテリー１１、バッテリートレー１２、冷却ファン１３、補助バッテリー１４、始動スイッチ１５、バッテリーコントローラー１６、温度感知センサー１７、リレー１８、熱電半導体ユニット１９、熱電半導体ユニットコントローラー２０、入口三方弁３０、出口三方弁３１、断熱材３２、及び再循環空気管３３を備えている。

ここで、バッテリートレー１２は内部が中空状になっており、その内部に多数のバッテリー１１を収容した状態で、一例として電気自動車の底部に搭載されている。もちろん、このようなバッテリートレー１２の搭載位置はこれに限定されなく、例えば車両の前方または後方でも良い。

冷却ファン１３は、バッテリートレー１２の一側の吸気口または排気口に位置し、バッテリートレー１２の内部空気を吸入して排出するか、あるいは車両の外気をバッテリートレー１２の内部に強制に送風することにより、バッテリー１１から発散された熱気を排出する。
このような冷却ファン１３は、バッテリー１１から放出される熱を外部に排出するために、補助バッテリー１４に始動スイッチ１５とバッテリーコントローラー１６を介して接続される。

そして、入口三方弁３０は入口空気の方向を転換させるかあるいはバッテリートレー１２の内部と外気を隔離させるもので、バッテリートレー１２の吸気口に位置している。
ついで、出口三方弁３１は出口空気の方向を転換させるかあるいはバッテリートレー１２の内部と外気を隔離させるもので、バッテリートレー１２の排気口に位置している。

そして、断熱材３２は、バッテリートレー１２の外部を熱的に遮断するために、バッテリートレー１２の外部に位置している。
再循環空気管３３はバッテリートレー１２の空気を再循環させる循環通路であって、入口は入口三方弁３０に接続され、出口は出口三方弁３１に接続されている。

このような入口三方弁３０と出口三方弁３１は、車両システムが稼働しない状態ではバッテリートレー１２の外部と内部の空気を隔離させることにより、車両が低温または高温に露出されてもバッテリー１１が外部温度の影響をあまり受けないようにする。

また、再循環空気管３３は、車両の運行中にバッテリー１１の使用につれて発生する熱
がバッテリートレー１２の出口三方弁３１−再循環空気管３３−入口三方弁３１−バッテリー１１−冷却ファン１３−熱電半導体ユニット１９を経由してバッテリートレー１２内で再循環されるようにする。したがって、車両の運行中に発生するバッテリーユニット内部の熱を熱電半導体ユニットが冷却し、これを速かに再供給することにより、バッテリーが正常温度範囲内で使用されるように空気を再循環させる。

この際、バッテリーコントローラー１６は、入口三方弁３０または出口三方弁３１の転換操作によって外部空気を吸入するかまたは内部空気を排出する必要があるかを判断する。

補助バッテリー１４は、バッテリー１１が電力を提供する部分以外の装置に低電力を提供するためのもので、バッテリートレー１２の外部に設置されている。
そして、バッテリーコントローラー１６は、バッテリートレー１２の内部温度によってリレー１８を駆動することで、冷却ファン１３に電力が供給されるようにするかあるいは熱電半導体ユニット１９に電力が供給されるようにする。

温度感知センサー１７はバッテリートレー１２の内部に設置され、バッテリートレー１２の内部温度を感知して出力する。
温度感知センサー１７は、測定されたバッテリートレー１２の内部温度をバッテリーコントローラー１６に伝送する。

バッテリーコントローラー１６は、温度感知センサー１７の感知信号によってリレー１８を制御することにより、冷却ファン１３と熱電半導体ユニット１９に供給される電源を遮断もしくは印加させる構造になっている。
一方、熱電半導体ユニット１９は、図４に示すように、冷却ファン１３とバッテリー１１の間に位置し、熱電半導体素子２１と放熱フィン２２とからなっている。

ここで、熱電半導体素子２１は相異なる性質を持つ２種の金属が接合されてなる構造をとっており、電流が流れる方向によって発熱または吸熱作用をするもので（ペルチェ効果と言う）、発熱または吸熱作用は放熱フィン２２を介してバッテリートレー１２の内部に伝達される。

放熱フィン２２は、熱電半導体素子２１で発熱または吸熱作用があるとき、これをバッテリートレー１２の内部に伝達するためのもので、一側は熱電半導体素子２１に付着され、他側はバッテリートレー１１の排気口に露出されている。

ついで、熱電半導体ユニットコントローラー２０は熱電半導体素子２１とバッテリーコントローラー１６の間に位置し、バッテリーコントローラー１６の制御によって熱電半導体素子２１に電流を供給する。
この際、熱電半導体ユニットコントローラー２０は熱電半導体素子２１に伝達する電流の方向を制御する必要がある。その理由は、熱電半導体素子２１が流れる電流の方向によって発熱または吸熱作用をするからである。
一方、熱電半導体ユニットコントローラー２０と熱電半導体素子２１はコントロールワイヤ２３を介して接続されている。

このような本発明による温度調節装置は、始動スイッチ１５をオンさせるだけで、バッテリーコントローラー１６が温度感知センサー１７の感知信号によって適正温度を維持するようにしたものである。

すなわち、バッテリーコントローラー１６は、始動スイッチ１５がオンされると、バッ
テリートレー１２の内部に位置する温度感知センサー１７から感知温度を受ける。
そして、バッテリーコントローラー１６は、温度感知センサー１７から受けた温度が所定温度より高ければ、リレー１８を駆動して冷却ファン１３を駆動することで熱を放出させる。
また、バッテリーコントローラー１６は、熱電半導体ユニットコントローラー２０に制御信号を伝送することにより、熱電半導体ユニットコントローラー２０が熱電半導体素子２１に電流を供給して吸熱作用をするようにする。すると、放熱フィン２２は、熱電半導体素子２１の吸熱作用によって、バッテリートレー１１の内部熱を熱電半導体素子２１に送ってバッテリートレー１１の内部温度を下げる。
一方、バッテリーコントローラー１６は、温度感知センサー１７から受けた温度が一定温度以下の場合は、熱電半導体ユニットコントローラー２０に制御信号を伝送して、熱電半導体ユニットコントローラー２００が熱電半導体素子２１に電流を供給して発熱作用をするようにする。すると、放熱フィン２２は、熱電半導体素子２１の発熱作用によって、バッテリートレー１１の内部に熱電半導体素子２１の熱を送ってバッテリートレー１１の内部温度を上げる。

一方、ここでは熱電半導体素子と冷却ファンの組合せについて説明したが、熱電半導体素子とヒーターの組合せも可能である。

１１：バッテリー
１２：バッテリートレー
１３：冷却ファン
１４：補助バッテリー
１５：スイッチ
１６：バッテリーコントローラー
１７：温度感知センサー
１８：リレー
１９：熱電半導体ユニット
２０：熱電半導体ユニットコントローラー
２１：熱電半導体素子
２２：放熱フィン
２３：コントロールワイヤ
３０：入口三方弁
３１：出口三方弁
３２：断熱材
３３：再循環空気管

Claims (8)

1. バッテリートレーの内部に一部が露出されており、入力電流が第１方向に流れれば前記バッテリートレーの内部に熱を放出し、第２方向に流れれば前記バッテリートレーの内部熱を吸収する熱電半導体ユニット；
   放熱制御信号が入力されれば、前記熱電半導体ユニットに第１方向の電流を供給することで前記熱電半導体ユニットが熱を放出するようにし、吸熱制御信号が入力されれば、前記熱電半導体ユニットに第２方向の電流を供給することで前記熱電半導体ユニットが熱を吸収するようにする熱電半導体ユニットコントローラー；
   前記バッテリートレーの内部温度を感知して出力する温度感知センサー；及び
   前記温度感知センサーが感知した温度が所定値未満であれば前記熱電半導体ユニットコントローラーに発熱制御信号を出力し、所定値以上であれば前記熱電半導体ユニットコントローラーに吸熱制御信号を出力するバッテリーコントローラー；を含んでなることを特徴とする、電気自動車のバッテリー温度調節装置。
2. 前記熱電半導体ユニットは、
   前記熱電半導体ユニットコントローラーに接続されており、入力電流が第１方向に流れれば熱を放出し、第２方向に流れれば熱を吸収する熱電半導体素子；及び
   前記バッテリートレーの内部に一側が露出され他側が前記熱電半導体素子に接続されており、前記熱電半導体素子が放出する熱を前記バッテリートレーの内部に伝達し、前記バッテリートレーの内部熱を吸収して前記熱電半導体素子に伝達する放熱フィン；を含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車のバッテリー温度調節装置。
3. 前記バッテリートレーの吸気口または排気口に位置し、前記バッテリートレーの熱を放出する冷却ファンをさらに含み、
   前記バッテリーコントローラーは、前記温度感知センサーの感知温度が所定値以上であれば前記冷却ファンを駆動することを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車のバッテリー温度調節装置。
4. 前記熱電半導体ユニットは、前記バッテリートレーの排気口に一部が露出されるように位置していることを特徴とする、請求項３に記載の電気自動車のバッテリー温度調節装置。
5. 前記バッテリートレーの吸入口に位置し、前記バッテリートレーに熱を供給するヒーターをさらに含み、
   前記バッテリーコントローラーは、前記温度感知センサーの感知温度が所定値未満であれば前記ヒーターを駆動することを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車のバッテリー温度調節装置。
6. 前記バッテリーコントローラーを介して前記熱電半導体ユニットに電力を供給するための補助バッテリー；及び
   前記補助バッテリーと前記ベトロコントローラーの接続を制御するスイッチ；をさらに含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車のバッテリー温度調節装置。
7. 前記バッテリートレーの吸気口に位置し、前記バッテリートレーの空気を外部空気から遮断して再循環させる入口三方弁；
   前記バッテリートレーの排気口に位置し、前記バッテリートレーの空気を外部空気から遮断して再循環させる出口三方弁；及び
   一側が前記入口三方弁に接続され他側が前記出口三方弁に接続されており、排気口から排出される空気を吸気口側に提供して内部空気が再循環されるようにする再循環空気管；
   をさらに含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車のバッテリー温度調節装置。
8. 前記バッテリートレーの外部に付着されており、前記バッテリートレーの内部を外気から遮断させる断熱材をさらに含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車のバッテリー温度調節装置。

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