JP2012216424A - 熱入力タイミング制御装置システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両等に搭載される、複数の電池間の温度のばらつきを抑えるバッテリ温調システムの提供。
【解決手段】温度計測部１０２、１０３は、電池１０１上の、熱源１０４による熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置にそれぞれ設置される。熱量算出手段として動作する制御部１０５は、各温度計測部１０２，１０３で計測される各温度と温度目標値との各温度差より電池１０１内の温度分布が均一になっているか否かを判定し必要な熱量に対応する電力を、熱源１０４に供給する。熱入力タイミング制御手段として動作する制御部１０５は、熱源１０４から電池１０１への熱入力の後、温度分布の判定結果に基づき、熱源１０４から電池１０１に次の熱入力を行うタイミングを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載される電池の温度調整を行うバッテリ温調システムに関する。

電池や電池パックは、環境によって出力電力の特性が変化し、特に温度には敏感である。
最近では、いわゆるハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、あるいはハイブリッドビークル、ハイブリッドエレクトリックビークルなどと呼ばれる、エンジンに加えてモータ（電動機）を動力源として備えた車両または輸送機械（以下、「車両等」と称する）が実用化されている。さらには、エンジンを備えずモータのみで車両を駆動する電気自動車も実用化されつつある。

それらのモータを駆動する電源として、小型、大容量の特徴を有するリチウムイオン電池などが多く使用されるようになってきている。この場合、リチウムイオン電池などは、温度による特性の変化が大きいため、なるべく温度むらがないように稼働させて、エネルギー効率を向上させることが求められる。従って、車両等に搭載される電池においては、いかにインテリジェントな温度調整制御（以下、「温調」と称する）を実現するかが重要である。

電池の温調制御に関連する第１の従来技術として、複数の電池セルを冷却するための冷却機構と冷却能力が他の電池セルとの関係で平均以上である少なくとも一つの電池セルと熱結合された発熱体とを備え、セル温度の最も低い電池セル及び最も高い電池セルに熱結合した温度センサからの温度差が低減されるように制御する技術が知られている（例えば特許文献１）。電池セル間の温度差を少なくして電池セルを信頼性高く使用可能とする技術である。

この従来技術は、冷却機構と発熱機構の適切な配置により電池セル間の温度差を少なくする技術である。この技術では、温度センサで検出された温度差ΔＴが所定の閾値を上回ったときに発熱体を作動させている。しかし実際には、電池が最も効率良く動作するように電池に対して熱量を与えたり停止したりといった制御を行う必要がある。この場合に、複数センサ間の温度差が閾値を上回ったときに熱量を与えるという制御のみでは、どのようなタイミングで次の熱量を与えるというような制御を行うことができず、最適な温調制御が実現されているとはいえなかった。また、この技術では、複数の電池セルに配置される温度センサと共に、冷却機構に加えて、発熱機構も設ける必要があり、構造が非常に複雑になってしまい、システムのコストアップを招いてしまうという問題点を有していた。

次に、第２の従来技術として、電池パックが複数の電池モジュールから構成され、電池パックの両端部にシステムメインリレーが設けられ、電池ＥＣＵが、電池パックに複数設けられた温度センサからの信号に基づいて電池温度を検出する回路と、検出された電池温度に基づいて、電池温度が高い側のシステムメインリレーのソレノイドコイルへの印加電流のデューティ比を低くし、電池温度が低い側のシステムメインリレーのソレノイドコイルへの印加電流のデューティ比を高くするように制御する回路を含む技術が知られている（例えば特許文献２）。

この従来技術は、特別な温度調整機構を用いることなく電池セルの温度を均一にする技術である。しかし、この技術でもやはり、複数センサ間の温度関係に基づいて熱量を与えるための条件についてのみ言及されているものである。

さらに、第３の従来技術として、車両用組電池の暖冷機システムを、リチウムイオン単電池を複数組み合わせたリチウムイオン組電池を収納する組電池パックと、電源用機器をまとめて収納する電源用機器ボックスと、車両の車室内の空気を組電池パックに供給する吸気ダクト及びブロワと、暖かい電源用機器ボックスの空気を組電池パックに供給する給気ダクト及びファンと、吸気ダクトからの空気供給と給気ダクトからの空気供給とを切り換える切換機構と、制御部とを含んで構成され、制御部が、組電池の端部と中央部との温度差である差温度と、外気温度とに基づいて切換機構を切り換えるようにした技術が知られている。

この従来技術は、車両用組電池の暖冷機システム組電池内の温度ばらつきを抑制しながら即暖性のある暖機を可能とする技術である。しかし、この技術では、外気温度と組電池の温度差に基づいて暖機と冷機を切り替える技術について開示しているのみで、次の暖機（熱量）を与えるタイミングについては、言及はされていなかった。

特開２０１１−２３１８０号公報 特開２００４−３１１２９０号公報 特開２００８−０４１３７６号公報

本発明は、簡単な機構で、複数の電池間の温度のばらつきを抑えつつ、熱源から電池に熱量を継続的に与えるタイミングを適正なものにすることで、過不足のない熱量を電池に供給可能とすることを目的とする。

本発明は、電池の温度を熱源を使って調整するシステムにおける熱入力タイミング制御システムであって電池上の、熱源による熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置にそれぞれ設置される温度計測部と、各温度計測部で計測される各温度と温度目標値との各温度差を算出し、各温度差に従って電池に対して与えるべき熱量を計算する熱量算出手段と、各温度計測部で計測される各温度の温度差を算出して電池内の温度分布が均一になっているか否かを判定する温度分布判定手段と、熱量算出手段にて計算した熱量に対応する電力を、熱源に供給する熱源電力供給手段と、熱源電力供給手段の動作に基づいて熱源から電池に熱入力が行われた後、温度分布判定手段での判定結果に基づいて、熱源電力供給手段を再び動作させて熱源から前記電池に次の熱入力を行うタイミングを制御する熱入力タイミング制御手段とを備える。

本発明によれば、簡単な機構で、熱源から電池に熱量を継続的に与えるタイミングを適正なものにすることで、過不足のない熱量を電池に供給することが可能となる。
これにより、電池のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

実施形態の構成図である。 実施形態の動作説明図である。 実施形態の動作特性図である。 実施形態の制御動作を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態の構成図である。本実施形態は、車両に搭載される電池を温めるバッテリ温調システムとして実施される。

電池や電池パック（以下単に「電池」と称する）１０１は、車両等を駆動し、例えばリチウムイオン電池である。この電池１０１は例えば、複数の電池モジュールから構成されている。

電池１０１には、その温度を測定するための２つの温度計測部１０２および１０３が装着されている。温度計測部１０２および１０３は例えば、半導体抵抗温度センサであるサーミスタにより構成される。これの配置構成の詳細については後述する。

また、電池１０１には、それを温めたり冷却したりするための熱源１０４が密着されている。この熱源１０４は例えば、熱電素子の一種であるペルチェ素子である。
熱源１０４には、それ自体の発熱を冷却するためおよび熱源１０４の加熱・冷却効果を電池１０１に伝えやすくするためのファン１０７が配置されている。ファン１０７は例えば、モータとモータ軸に直結されている回転羽とで構成される。

ＤＤＣ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）１０６は、制御部１０５から供給される電力電圧を、熱源１０１を駆動するための一定電圧に昇圧または降圧する。
制御部１０５は、システム全体を制御するコンピュータユニットおよび電源ユニットである。制御部１０５は、温度計測部１０２、１０３が検出する電池１０１の各部の温度を監視する。そして、制御部１０５は、温度計測部１０２、１０３の各温度検出出力に基づいて、電池１０１を構成する複数の電池モジュール間の温度ムラがなくなる方向になるように、熱源１０４が電池１０１に与えるべき熱量を算出する。そして、制御部１０５は、その算出した熱量に対応する出力電流値を決定し、ＤＤＣ１０６を介して、熱源１０４のペルチェ素子を駆動する。また、制御部１０５、ファン１０７を駆動する。制御部１０５は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリのほか、図１のキャパシタ１０１、電池１０１、温度計測部１０２、１０３、ファン１０７などに対するインタフェース回路を備える。そして、それぞれの回路が、バスによって相互に接続される構成を有する。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、以下に説明する各制御動作を実現する。

図１の構成を有する本実施形態の動作について、以下に説明する。
図２は、本実施形態の動作説明図である。
電池１０１を温調制御する際に、熱源１０４のペルチェ素子からの熱が流入する位置と、そこから離れた位置では伝熱の時間差により温度ムラが生じる。そこでまず、本実施形態では、熱源１０４のペルチェ素子からの熱が流入する位置に、第１の温度計測部１０２を設置する。また、熱の流入箇所から最も離れた位置に、第２の温度計測部１０３を設置する。そして、これら温度計測部１０２、１０３にて検出される温度をＴ₁ 及びＴ₂ とし、次式により、熱源１０４のペルチェ素子が電池１０１に与えるべき必要熱量を算出する。

ここで、Ｑ_p は、熱源１０４のペルチェ素子から電池１０１へ与えるべき必要熱量である。Ｃは、電池の熱容量である。また、ΔＴ₁ とΔＴ₂ は、次式により算出する。

ΔＴ₁ ＝ＴＧ−Ｔ₁ （２）
ΔＴ₂ ＝ＴＧ−Ｔ₂ （３）
ここで、ＴＧは、電池１０１における温度目標値である。すなわち、（２）式のΔＴ₁ は、温度目標値ＴＧと熱の流入箇所に最も近い位置の温度計測部１０２が検出する温度Ｔ₁ との温度差である。（３）式のΔＴ₂ は、温度目標値ＴＧと熱の流入箇所から最も離れた位置の温度計測部１０３が検出する温度Ｔ₂ との温度差である。従って、（１）式では、括弧内の数値として、熱の流入箇所に最も近い位置の温度計測部１０２での温度目標値ＴＧとの温度差ΔＴ₁ と、熱の流入箇所から最も離れた位置の温度計測部１０３での温度目標値ＴＧとの温度差ΔＴ₂ の平均値｛（ΔＴ₁ ＋ΔＴ₂ ）÷２｝がまず算出される。そして、その平均温度差に電池の熱容量を乗算して得られる値Ｑ_p が、温度目標値ＴＧに近づくために電池１０１に与えられるべき必要熱量として算出される。

次に、図３は、本実施形態の動作特性図である。この図は、熱入力を開始した後に、２つの温度計測部１０２、１０３の温度Ｔ₁ とＴ₂ の温度差を監視しながら、次回にどのようなタイミングを熱入力を再開すべきかについて示した図である。

まず、時刻ｔ１において、図１の熱源１０４のペルチェ素子から電池１０１への熱入力が開始された後、温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が増加している期間Iが経過する。必要熱量が閾値熱量以下になったら熱入力が停止されるが、その後も２つの温度計測部１０２、１０３からの温度の差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が監視され続ける。

熱入力が停止された後、温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が減少している期間IIで、温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が閾値温度差を下回って図１の電池１０１内の温度分布が均一に安定するまでは、次の熱入力は再開しない。

そして、時刻ｔ２において、温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が閾値温度差を下回って電池１０１内の温度分布が均一に安定した後、必要熱量が閾値熱量を上回った時刻ｔ３の時点で、次の熱入力が再開される。

以上のようにして、本実施形態では、必要熱量の熱入力が行われた後、熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置に温度計測部１０２、１０３からの各温度の温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が閾値温度差を下回って電池１０１内の温度分布が均一に安定するまでは、次の熱入力が行われないような制御が行われる。これにより、電池１０１において内部の温度のばらつきを抑えてエネルギー効率を高めることが可能となる。

図４は、以上の動作原理に基づいて図１の制御部１０５が実行する制御動作を示すフローチャートである。
まず、図１の制御部１０５は、温度計測部１０２、１０３から計測温度Ｔ₁ および計測温度Ｔ₂ を取得し、（２）式および（３）式に基づいて、温度差ΔＴ₁ およびΔＴ₂ を算出し、さらに（１）式に基づいて、必要熱量Ｑ_P を算出する（ステップＳ４０１）。すなわち、制御部１０５は、熱量算出手段として動作する。

次に、制御部１０５は、算出された必要熱量Ｑ_P が閾値熱量を上回っているか否かを判定する（ステップＳ４０２）。
算出された必要熱量Ｑ_P が閾値熱量を上回っておらずステップＳ４０２の判定がＮＯならば、制御部１０５は、ステップＳ４０１の処理に戻って、必要熱量Ｑ_P の算出とその量の判定処理を繰り返す（ステップＳ４０２→Ｓ４０１→Ｓ４０２の繰返し処理）。

算出された必要熱量Ｑ_P が閾値熱量を上回ってステップＳ４０２の判定がＹＥＳになると、制御部１０５は、図１のＤＤＣ１０６から熱源１０４のペルチェ素子に、ステップＳ４０１で算出した必要熱量Ｑ_P に対応する電力の供給を開始する。これにより、熱源１０４から電池１０１への熱入力が開始される（ステップＳ４０３）。これは例えば、図３の時刻ｔ１のタイミングである。すなわち、制御部１０５は、熱源電力供給手段として動作する。

その後、制御部１０５は、ステップＳ４０１と同様の必要熱量Ｑ_p の算出を行う（ステップＳ４０４）。
そして、制御部１０５は、算出された必要熱量Ｑ_P が閾値熱量以下になったか否かを判定する（ステップＳ４０５）。

算出された必要熱量Ｑ_P が閾値熱量以下になっておらずステップＳ４０５の判定がＮＯならば、制御部１０５は、熱源１０４による電池１０１への熱入力を継続する。これは例えば、図３の期間Iにほぼ対応する。

算出された必要熱量Ｑ_P が閾値熱量以下になってステップＳ４０５の判定がＹＥＳになると、制御部１０５は、ＤＤＣ１０６から熱源１０４への電力供給を停止し、熱源１０４による電池１０１への熱入力を停止する（ステップＳ４０６）。

次に、ステップＳ４０５またはＳ４０６の処理の後、制御部１０５は、温度計測部１０２、１０３から計測温度Ｔ₁ および計測温度Ｔ₂ を取得し、それらの温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜を計測する（ステップＳ４０７）。続いて、制御部１０５は、計測した温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が閾値温度差を下回っているか否かを判定する（ステップＳ４０８）。すなわち、制御部１０５は、温度分布判定手段として動作する。

温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が閾値温度差を下回っておらずステップＳ４０８の判定がＮＯならば、制御部１０５は、ステップＳ４０４の処理に戻る。そして、必要熱量Ｑ_p の算出、判定と熱入力の制御（ステップＳ４０５〜Ｓ４０６）、および２つの温度計測部１０２、１０３の温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜の計測、判定の処理（ステップＳ４０７、Ｓ４０８）を繰り返す。

温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が閾値温度差を下回ってステップＳ４０８の判定がＹＥＳになると、制御部１０５は、現在の計測時刻の温度差の絶対値（ｎ＋１）Ｔが１つ前の計測時刻の温度差の絶対値ｎＴ（ｎは離散的な計測時刻を表す）を下回ったか否かを判定する（ステップＳ４０９）。すなわち、温度差の絶対値が、増加傾向（例えば図３の期間I）にあるのか、減少傾向（例えば図３の期間II）にあるのかが判定される。

まだ図１の熱源１０４から電池１０１への熱入力が続けられており温度差の絶対値が例えば図３の期間Iのように増加傾向にあってステップＳ４０９の判定がＮＯとなる場合は例えば、図３の期間Iの時刻ｔ１の熱入力開始直後の温度差の絶対値が閾値温度差よりも小さい状態である。この場合には監視を継続するために、制御部１０５は、ステップＳ４０４の処理に戻る。そして、必要熱量Ｑ_p の算出、判定と熱入力の制御（ステップＳ４０５〜Ｓ４０６）、および２つの温度計測部１０２、１０３の温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜の計測、判定の処理（ステップＳ４０７、Ｓ４０８）を繰り返す。

一方、図１の熱源１０４から電池１０１への熱入力が停止されており（ステップＳ４０５→Ｓ４０７）、温度差の絶対値が例えば図３の期間IIのように減少傾向にあってステップＳ４０９の判定がＹＥＳとなる場合は例えば、図１の電池１０１内の温度分布が均一になった例えば図３の時刻ｔ２の状態である。この場合には、次の熱入力の準備が整ったため、制御部１０５は、ステップＳ４０１の処理に戻って、必要熱量Ｑ_P の算出とその量の判定処理を行う（ステップＳ４０２→Ｓ４０１→Ｓ４０２の繰返し処理）。すなわち、制御部１０５は、熱入力タイミング制御手段として動作する。そして、算出された必要熱量Ｑ_P が閾値熱量を再び上回ってステップＳ４０２の判定がＹＥＳになると、制御部１０５は、図１のＤＤＣ１０６から熱源１０４のペルチェ素子に、ステップＳ４０１で算出した必要熱量Ｑ_P に対応する電力の供給を再開する。これにより、熱源１０４から電池１０１への熱入力が再開される（ステップＳ４０３）。これは例えば、図３の時刻ｔ３のタイミングである。

以上のようにして、本実施形態では、電池１０１上の、熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置に温度計測部１０２、１０３が設置される。そして、図１の熱源１０４から電池１０１への熱入力の開始後、これら２つの温度計測部１０２、１０３からの温度の温度差の絶対値｜Ｔ₁ −Ｔ₂ ｜が閾値温度差を下回って電池１０１内の温度分布が均一に安定するまでは、次の熱入力が行われないような制御が行われる。これにより、簡単な機構で、熱源１０４から電池１０１に熱量を継続的に与えるタイミングを適正なものにすることで、過不足のない熱量を電池に供給することが可能となり、電池１０１において内部の温度のばらつきを抑えてエネルギー効率を高めることが可能となる。

１０１ 電池
１０２、１０３ 温度計測部
１０４ 熱源（ペルチェ素子）
１０５ 制御部
１０６ ＤＤＣ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
１０７ ファン

Claims (2)

1. 電池の温度を熱源を使って調整するシステムにおける熱入力タイミング制御システムであって
   前記電池上の、前記熱源による熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置にそれぞれ設置される温度計測部と、
   前記各温度計測部で計測される各温度と温度目標値との各温度差を算出し、該各温度差に従って前記電池に対して与えるべき熱量を計算する熱量算出手段と、
   前記各温度計測部で計測される各温度の温度差を算出して前記電池内の温度分布が均一になっているか否かを判定する温度分布判定手段と、
   前記熱量算出手段にて計算した熱量に対応する電力を、前記熱源に供給する熱源電力供給手段と、
   前記熱源電力供給手段の動作に基づいて前記熱源から前記電池に熱入力が行われた後、前記温度分布判定手段での判定結果に基づいて、前記熱源電力供給手段を再び動作させて前記熱源から前記電池に次の熱入力を行うタイミングを制御する熱入力タイミング制御手段と、
   を備えることを特徴とする熱入力タイミング制御システム。
2. 電池の温度を熱源を使って調整するシステムにおける熱入力タイミング制御方法であって
   前記電池上の、前記熱源による熱の流入箇所に最も近い位置と最も離れた位置にそれぞれ設置される温度計測部で計測される各温度と温度目標値との各温度差を算出し、該各温度差に従って前記電池に対して与えるべき熱量を計算し、
   前記各温度計測部で計測される各温度の温度差を算出して前記電池内の温度分布が均一になっているか否かを判定し、
   前記計算した熱量に対応する電力を前記熱源に供給し、
   前記熱源電力供給手段の動作に基づいて前記熱源から前記電池に熱入力が行われた後、前記電池内の温度分布の判定結果に基づいて、前記熱源電力供給手段を再び動作させて前記熱源から前記電池に次の熱入力を行うタイミングを制御する、
   ことを特徴とする熱入力タイミング制御方法。