JP2012226927A

JP2012226927A - 電池温調システムおよび温調方法

Info

Publication number: JP2012226927A
Application number: JP2011092605A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Kuraishi; 守倉石
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】電池温度を制御する熱交換器の冷熱特性および温熱特性にヒステリシス特性をもたせることにより、温冷切替え付近の温度差が小さい状態であっても、安定した温度制御が可能でかつ電池の温度を的確に調整する。
【解決手段】電池温調システムは、電池の温度を検出する温度検出手段と、電池の温度を熱伝達により変化させる熱交換手段と、温度検出手段の検出温度に応じて熱交換手段を温度制御して電池の温度を調整する温度制御手段、を備える。温度制御手段は、温度上昇の立ち上り特性と立ち下り特性がそれぞれ異なるヒステリシス特性をもって、電池の温度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池の温度を調整する電池温調システム及び温調方法に関し、詳しくは、例えば車両に搭載される走行駆動源としての電池の温調システム及び温調方法に関する。

特許文献１には、電池ケースの電池収納空間に複数の電池セルが収納され、電池収納空間の相互間には、供給される電流の向きによって、放熱または吸熱するペルチェ素子が設けられ、電池セルの温度を温度センサによって検出し、その温度に応じてペルチェ素子に供給される電流の向きを変えることにより、電池を温熱または冷熱する構成が記載されている。

特開平１１−１７６４８７号公報

一般に、上述の従来技術を含めて、ペルチェ方式による電池温調システムでは、ペルチェ素子を使用して電池を直接に温熱または冷熱するが、温度差が大きい制御の場合には、ペルチェ素子に対して高電圧の制御電圧が必要となる。他方、温度差が小さい場合には、ペルチェ素子に対する制御電圧の電位差を小さくしなければならず、熱交換器の温冷切替え点の近傍では、温度差が小さい温度制御が極めて不安定な状態となる。

図７は、従来の電池温調システムにおける一般的な制御電圧に対する温度変化の特性図である。図７において、横軸はペルチェ素子に印加される制御電圧、縦軸は電池を昇温または降温させるペルチェ素子の温度を示す。図７に示すペルチェ素子の制御電圧−温度特性によれば、ペルチェ素子に印加される制御電圧が０Ｖのとき、電池の温度が０℃でかつ昇温または降温の立ち上り及び立ち下り特性Ａ、Ｂが同一である特性を有する。

したがって、上述の特性において、温度差が小さい０℃近傍における温冷切替え付近では温度差が小さいために、温度制御系として不安定な状態となり、電池の温度を適正に調整することが困難である。

本発明の目的は、上述の課題を解消するためになされたもので、温冷切替え点の近傍の温度差が小さい状態であっても、安定した温度制御が可能な制御系を確保すると共に、電池の温度を的確に調整することができる電池温調システム及び温調方法を提供することにある。なお、本発明において、「電池」とは、リチウムニ次電池、ニッケル水素電池、その他の充放電可能な電池を総称するものとする。

本発明は、上述の課題を解消するために、つぎの手段を採用する。即ち、本発明の電池温調システムは、電池の温度を検出する温度検出手段と、前記電池の温度を熱伝達により変化させる熱交換手段と、前記温度検出手段の検出温度に応じて前記熱交換手段を温度制御して前記電池の温度を調整する温度制御手段とを備え、前記温度制御手段は、温度上昇の立ち上り特性と立ち下り特性がそれぞれ異なるヒステリシス特性をもって前記電池の温度を制御する。

前記温度制御手段は、温度上昇の立ち上り及び立ち下り特性が比較的急峻で、かつ前記温度上昇の立ち上り及び立ち下りの後方側特性が比較的に緩やかなヒステリシス特性をもって前記電池の温度を制御してもよい。

前記熱交換手段は、供給される電流の向きによって放熱または吸熱するペルチェユニットと、前記電池の近傍に配置された流体通路とを備え、前記ペルチェユニットは、前記流体通路の流体を昇温または降温させて前記電池の温度を調整してもよい。

前記ペルチェユニットは、複数のＰ型熱電半導体素子と複数のＮ型熱電半導体素子とが電極を介して電気的に直列に接続して平板状に形成され、放熱側には第１の流体が流れる第１の流体通路が設けられ、吸熱側には第２の流体が流れる第２の流体通路が設けられ、放熱側の電極及び吸熱側の電極が前記第１及び第２の流体通路にそれぞれ露出し、かつ前記第１及び第２の流体通路間の第１及び第２の流体の移動を阻止するように配置されるようにしてもよい。

本発明の電池温調方法は、電池の温度を検出する温度検出手段と、前記電池の温度を熱伝達により変化させる熱交換手段と、前記温度検出手段の検出温度に応じて前記電池の温度制御をする温度制御手段とを備えた電池温調システムにおける温調方法であって、温度上昇の立ち上り及び立ち下り特性がそれぞれ異なるヒステリシス特性をもって前記電池の温度を制御する。

本発明によれば、電池温度を制御する熱交換器の冷熱特性及び温熱特性にヒステリシス特性をもたせることにより、温冷切替え点の近傍の温度差が小さい状態であっても、安定した温度制御が可能であり、かつ電池の温度を的確に調整することができる電池温調システム及び温調方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る電池温調システムの一例を示す図である。本発明の実施形態に係る電池温調システムの概略図である。ペルチェユニットの温度制御回路の一例を示す概略図である。電池の温調制御の一例を示すフローチャートである。熱交換器の制御電圧−温度特性図である。熱交換器の他の制御電圧−温度特性図である。従来のペルチェ素子の制御電圧−温度特性図である。

図１は、本発明の実施形態に係る電池温調システムの一例を示す。図１において、電池温調システム１は、電池２の近傍に配置された第１の熱交換器３と、第１の熱交換器３を温熱または冷熱するペルチェユニット４と、第１の熱交換器３およびペルチェユニット４に流体を供給する第１の流体通路５Ａと、第１の流体通路５Ａの流体を循環させる第１のポンプユニット５を含む。

また、電池温調システム１は、電池２に対し離間して配置された第２の熱交換器６と、第２の熱交換器６を温熱または冷熱するペルチェユニット４と、ペルチェユニット４および第２の熱交換器６に流体を供給する第２の流体通路７Ａと、第２の流体通路７Ａの流体を循環させる第２のポンプユニット７と、第２の熱交換器６を空冷するファンユニット８を含む。

さらに、電池温調システム１は、電池電圧、電池電流、および電池温度を検出して監視する電池監視部１１を備える。電池電圧、電池電流、および電池温度についての検出信号は、制御部（ＥＣＵ）に導かれる。また、ペルチェユニット４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０で制御される。

図２は、本発明の実施形態に係る電池温調システムの概略図である。図２において、電池２の近傍には、第１の空洞２１が配置されている。第１の空洞２１に対向する離間位置には、第２の空洞２２が配置されている。第１および第２の空洞２１、２２の間には、中間空洞２３が配置されている。第１の空洞２１および中間空洞２３は、連結管２４ａ、２４ｂで連結されている。また、第２の空洞２２および中間空洞２３は、連結管２５ａ、２５ｂで連結されている。

中間空洞２３には、複数のＰ型熱電半導体素子２６および複数のＮ型熱電半導体素子２７が不図示の電極を介して電気的に直列に接続されたペルチェユニット４が配置されている。ペルチェユニット４の吸熱側には、第１の流体５ａが流れる第１の流体通路５Ａが設けられている。ペルチェユニット４の放熱側には、第２の流体７ａが流れる第２の流体通路７Ａが設けられている。ペルチェユニット４は、吸熱側の電極および放熱側の電極がそれぞれ第１および第２の流体通路５Ａ、７Ａに露出し、かつ第１および第２の流体通路５Ａ，７Ａ間の流体の移動を阻止するように配置されている。この構成により、第１および第２の熱交換器３、６、およびペルチェユニット４を含む電池温調システム１が構成されている。

電池温調システム１は、電池電圧、電池電流、および電池温度を検出する電池監視部１１を備える。電池監視部１１は、電池２の電圧を検出する電池電圧検出センサ１１Ａ、電池２の電流を検出する電池電流検出センサ１１Ｂ、および電池２の温度を検出する電池温度検出センサ１１Ｃを備える。センサ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの検出信号は、制御部（ＥＣＵ）９に導かれる。そして、制御部９は、これらの検出信号に基づいて、第１および第２の熱交換器３、６、ペルチェユニット４、第１および第２のポンプユニット５、７、ファンユニット８、およびＤＣＤＣコンバータ１０を制御する。

図３は、ペルチェユニットの温度制御回路の一例を示す概略図である。図３において、トランスＴの二次側には、メイントランジスタＳｄを介して、インダクタンスＬ１およびキャパシタＣを含むフィルタ回路、およびトランジスタＳｄ１〜Ｓｄ４から構成されるブリッジ回路１２が設けられる。ブリッジ回路１２にペルチェユニット４が電気的に接続されている。トランスＴの１次側には、不図示の直流電源が接続されている。

上記構成の制御回路において、メイントランジスタＳｄをＯＮ状態に制御すると共に、ブリッジ回路１２におけるトランジスタＳｄ１、Ｓｄ２を矩形パルス信号の印加で導通さる。そうすると、ペルチェユニット４を介して第１の方向に電流が流れ、一方の表面において吸熱が行われる。

他方、前記ブリッジ回路１２におけるトランジスタＳｄ３、Ｓｄ４を導通させると、ペルチェユニット４を介して第１の方向と逆方向に電流が流れ、他方の表面において放熱が行われる。ペルチェユニット４の放熱量および吸熱量は、ブリッジ回路１２のトランジスタＳｄ１〜Ｓｄ４に印加されるパルス信号のデューティ比を調整することにより増減させることができる。

次に、上記構成のシステムの動作について説明する。図２で示す電池温調システム１において、第１の熱交換器３における第１のポンプユニット５を駆動すると、中間空洞２３の第１の流体５ａが矢印方向へ移動し、連結管２４ａを通って第１の空洞２１に流入した後、連結管２４ｂを通って中間空洞２３に還流して循環する。他方、第２のポンプユニット７を駆動すると、中間空洞２３の第２の流体７ａが矢印方向へ移動し、連結管２５ｂを通って第２の空洞２２に流入した後、連結管２５ａを通って中間空洞２３に還流して循環する。なお、ファンユニット８を駆動すると、第２の空洞２２が空冷される。また、第１および第２の流体５ａ、７ａは、例えば、シリコーンオイル等の電気絶縁性の流体で実現される。

いま、ペルチェユニット４に対し電流を一方向へ通電すると、ペルチェユニット４は、一方の流体５ａに放熱して第１の熱交換器３の温度を上昇させると共に、他方の流体７ａから吸熱して第２の熱交換器６の温度を下降させることができる。他方、ペルチェユニット４に対し電流を逆方向へ通電すると、ペルチェユニット４は、一方の流体５ａから吸熱して第１の熱交換器３の温度を下降させると共に、他方の流体７ａに放熱して第２の熱交換器６の温度を上昇させることができる。

第１の熱交換器３は、図５に示す温度特性を有する。横軸は、ペルチェユニット４に印加される制御電圧を示し、縦軸は、電池２を昇温または降温させる第１の熱交換器３の温度を示す。図５において、実線Ｂは、熱交換器温度の立ち上り特性を表し、点線Ａは、熱交換器温度の立下り特性を表す。これらの立ち上りおよび立ち下り特性Ａ、Ｂは、比較的急峻でかつ後方側特性が比較的に緩やかなヒステリシス特性を有する。

いま、電池２が電力消費によって温度上昇し、その温度上昇が所定値以上であるものとする。この場合、温度検出センサ１１ｃの検出信号を受けて、ペルチェユニット４には制御電圧Ｘ２が印加される。そうすると、吸熱作用で第１の熱交換器３を冷熱特性Ａに従って温度降下させ、例えば電池２の温度が０℃となるように制御する。

他方、外気の温度が低下して電池２の温度が降下し、その温度降下が所定値以上であるものとする。この場合、温度検出センサ１１ｃの検出信号を受けて、ペルチェユニット４には制御電圧Ｘ１が印加され、放熱作用で第１の熱交換器３を温熱特性Ｂに従って温度上昇させ、例えば電池２の温度が０℃となるように制御する。

図４は、図５に示すヒステリシス特性をもった熱交換器の温度特性を得るためのフローチャートである。ステップＳ１において、ペルチェユニット４の温度Ｔｐをペルチェ温度検出センサ４Ａで検出する。ステップＳ２において、第１の熱交換器３の温度Ｔｃを温度検出センサ２８で検出する。

ステップＳ３において、検出されたペルチェ温度Ｔｐと熱交換器温度Ｔｃとの温度差（Ｔｐ−Ｔｃ）がプラスであれば、ステップＳ４において、ペルチェユニット４に制御電圧Ｘ２が印加され、その吸熱作用で第１の熱交換器３を冷熱特性Ａに従って温度降下させ、例えば電池２の温度が０℃となるように制御する。

他方、ステップＳ３において、検出されたペルチェ温度Ｔｐと熱交換器温度Ｔｃとの温度差（Ｔｐ−Ｔｃ）がマイナスであれば、ステップＳ５において、ペルチェユニット４には制御電圧Ｘ１が印加され、その放熱作用で第１の熱交換器３を温熱特性Ｂに従って温度上昇させ、例えば電池２の温度が０℃となるように制御する。

前述のとおり、第１の熱交換器３の冷熱特性Ａおよび温熱特性Ｂは、図５に示すようなヒステリシス特性を利用して温度制御される。このため、例えば電池２の温度を０℃とする制御において、温冷切替え点の近傍の温度差が小さい状態であっても、安定した温度制御が可能である。なお、冷熱特性Ａおよび温熱特性Ｂは、図５に示す例では直線的に変化するが、図６に示すように曲線的に変化する特性であってもよい。

１電池温調システム
２電池
３第１の熱交換器
４ペルチェユニット
４Ａペルチェ温度検出センサ
５第１のポンプユニット
５Ａ第１の流体通路
５ａ第１の流体
６第２の熱交換器
７第２のポンプユニット
７Ａ第２の流体通路
７ａ第２の流体
１１ｃ電池温度検出センサ
２６Ｐ型熱電半導体素子
２７Ｎ型熱電半導体素子
２８熱交換器温度検出センサ

Claims

電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記電池の温度を熱伝達により変化させる熱交換手段と、
前記温度検出手段の検出温度に応じて前記熱交換手段を温度制御して前記電池の温度を調整する温度制御手段と、を備え、
前記温度制御手段は、温度上昇の立ち上り特性と立ち下り特性がそれぞれ異なるヒステリシス特性をもって前記電池の温度を制御することを特徴とする電池温調システム。
前記温度制御手段は、温度上昇の立ち上り及び立ち下り特性が比較的急峻で、かつ前記温度上昇の立ち上り及び立ち下りの後方側特性が比較的に緩やかなヒステリシス特性をもって前記電池の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の電池温調システム。
前記熱交換手段は、供給される電流の向きによって放熱または吸熱するペルチェユニットと、前記電池の近傍に配置された流体通路とを備え、
前記ペルチェユニットは、前記流体通路の流体を昇温または降温させて前記電池の温度を調整することを特徴とする請求項１に記載の電池温調システム。
前記ペルチェユニットは、複数のＰ型熱電半導体素子と複数のＮ型熱電半導体素子とが電極を介して電気的に直列に接続して平板状に形成され、放熱側には第１の流体が流れる第１の流体通路が設けられ、吸熱側には第２の流体が流れる第２の流体通路が設けられ、放熱側の電極及び吸熱側の電極が前記第１及び第２の流体通路にそれぞれ露出し、かつ前記第１及び第２の流体通路間の第１及び第２の流体の移動を阻止するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電池温調システム。
電池の温度を検出する温度検出手段と、前記電池の温度を熱伝達により変化させる熱交換手段と、前記温度検出手段の検出温度に応じて前記電池の温度制御をする温度制御手段とを備えた電池温調システムにおける温調方法であって、
温度上昇の立ち上り及び立ち下り特性がそれぞれ異なるヒステリシス特性をもって前記電池の温度を制御することを特徴とする電池温調方法。