JP2013013317A

JP2013013317A - 車両の蓄電装置

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Publication number: JP2013013317A
Application number: JP2012164305A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yuyama; 篤湯山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2030-04-20
Also published as: JP5661691B2

Abstract

【課題】エネルギー効率を低下させることなく、低温環境において車両の動力性能を確保できる構造に搭載された車両の蓄電装置を得る。
【解決手段】車両の蓄電装置は、車両に搭載される第１の蓄電部と、上記車両に搭載されるとともに上記第１の蓄電部よりも低温時の最大放電電力及び最大充電電力の低下が小さい第２の蓄電部と、上記第２の蓄電部の出力を制御する出力制御装置と、を備える車両の蓄電装置において、上記出力制御装置の発熱により、上記第１の蓄電部を昇温する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動機を駆動源とする車両に搭載される蓄電装置に関するものである。

近年、環境問題を考慮した車両として、電動機を駆動源とする電気自動車やハイブリッド自動車及びプラグインハイブリッド自動車が注目されている。これらの車両には、電動機に電力を供給したり、減速時に運動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電したりするために、二次電池や電気二重層キャパシタ等からなる蓄電装置が搭載されている。
ところで、一般的な蓄電装置では、低温になるほどその充放電特性が低下する。このため、低温環境において、蓄電装置の充放電特性の低下により、加速時に電動機に十分な電力が供給されず、ドライバーの要求を満たす加速度を出せないという問題があった。また、減速時には電動機から供給される電力を十分に蓄電できないという問題もあった。

これらの問題に対して、蓄電装置が複数の蓄電部を備え、低温環境での蓄電装置の充放電特性の低下を抑制するための方法として、蓄電部を昇温する蓄電装置が提案されている。具体的には、一方の蓄電部に直列に接続されたコンバータと他方の蓄電部に直列に接続されたコンバータとを並列に接続し、一方の蓄電部の温度が温度下限値を下回っている場合には、その蓄電部から放電する電流の電流目標値を、負荷装置に流れる電流よりも大きく設定し、一方の蓄電部に接続されたコンバータは一方の蓄電部からの放電電流が電流目標値となるように制御する。負荷装置に流れなかった電流については、他方の蓄電部に接続されたコンバータを介して他方の蓄電部に蓄電される。これにより、一方の蓄電部の内部発熱を促し、その蓄電部を昇温することができる。その蓄電部を昇温することでその蓄電部の充放電特性の低下を抑制することができ、加速時にはドライバーの要求を満たす加速度を出せるようになり、減速時には電動機から供給される電力を十分に蓄電できるようになる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２９５７８２号公報

しかし、特許文献１に開示される蓄電装置では、一方の蓄電部から負荷電流を上回る電流を流すことによってその蓄電部の温度を上昇させるため、その蓄電部に蓄えられた電力が無駄に消費されることになる。具体的には、その蓄電部に蓄えられた電力は、２つのコンバータを介して他方の蓄電部に蓄電されるため、エネルギー効率が低下するという問題がある。
また、一方の蓄電部が温度下限値よりも高い温度まで昇温されなければ、加速時にモータに十分な電力を供給することができず、ドライバーの要求を満たす加速度を出すことができないという問題がある。また、減速時には電動機から供給される電力を十分に蓄電できないという問題もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、エネルギー効率を低下させることなく、低温環境において車両の動力性能を確保できる構造に搭載された車両の蓄電装置を提供することを目的とする。

この発明に係る車両の蓄電装置は、車両に搭載される第１の蓄電部と、上記車両に搭載されるとともに上記第１の蓄電部よりも低温時の最大放電電力及び最大充電電力の低下が小さい第２の蓄電部と、上記第２の蓄電部の出力を制御する出力制御装置と、を備える車両の蓄電装置において、上記出力制御装置の発熱により、上記第１の蓄電部を昇温する。

この発明に係る車両の蓄電装置は、低温時に電動機が必要とする電力のうち第１の蓄電部から放電される電力だけでは不足するときに第２の蓄電部から放電する電力で補っているから、第２の蓄電部はジュール熱によって発熱し、この発熱により第１の蓄電部が昇温されるので、第１の蓄電部及び第２の蓄電部から放電された電力が全て電動機に供給されており、エネルギー効率を低下することなく、第１の蓄電部の最大放電電力の低下を抑制することができ、且つ加速時にはドライバーの要求を満たす加速度を出すことができる。

また、この発明に係る車両の蓄電装置は、低温時に電動機が発電する電力が第１の蓄電部に充電し得る電力に比べて多いときに第２の蓄電部に充電しているから、第２の蓄電部はジュール熱によって発熱し、この発熱により第１の蓄電部が昇温されるので、第１の蓄電部に充電し得る最大充電電力の低下が抑えられており、全体として充電し得る電力が大きくなる。

この発明の実施の形態１に係る車両の蓄電装置を備える車両の主要部を示す概念図である。この発明の実施の形態１に係る第１の蓄電部及び第２の蓄電部を蓄電装置パック内に配置する例を示す図である。この発明の実施の形態１に係る第１の蓄電部の最大充放電電力の温度依存性の一例である。この発明の実施の形態１に係る第２の蓄電部の最大充放電電力の温度依存性の一例である。この発明の実施の形態１に係る車両に搭載されるモータへ供給する電力の配分である。この発明の実施の形態１に係る第１の蓄電部及び第２の蓄電部を蓄電装置パック内に配置する他の例を示す図である。この発明の実施の形態２に係る第１の蓄電部及び出力制御装置を蓄電装置パックに配置する例を示す図である。図７に蓄電装置パック内に形成される空気流路を追加した図である。この発明の実施の形態２に係る出力制御装置の概略構成図である。この発明の実施の形態２に係る第１の蓄電部、第２の蓄電部及び出力制御装置を蓄電装置パックに配置する例を示す図である。

以下、この発明の車両の蓄電装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る車両の蓄電装置を備える車両の主要部を示す概念図である。
尚、この実施の形態１では、蓄電装置を搭載する車両の一例として、電気自動車を例に挙げて説明する。
この発明の実施の形態１に係る車両１００は、第１の蓄電部１０１、第２の蓄電部１０２、出力制御装置１０３、インバータ１０４、モータ１０５及び蓄電装置パック１０６を備える。第１の蓄電部１０１は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池のような容量の大きい二次電池である。第２の蓄電部１０２は、第１の蓄電部１０１よりも最大充放電電力の低温時の低下が小さい蓄電装置であり、例えば、電気二重層キャパシタである。
出力制御装置１０３は、第２の蓄電部１０２と直列に接続され、第２の蓄電部１０２の出力を制御する。また、出力制御装置１０３は、第１の蓄電部１０１と並列に接続される。

インバータ１０４は、第１の蓄電部１０１及び第２の蓄電部１０２から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータ１０５に供給する。また、インバータ１０４は、車両１００の減速時において、モータ１０５が車両１００の運動エネルギーによって発電する交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を第１の蓄電部１０１または第２の蓄電部１０２に供給する。

モータ１０５は、インバータ１０４から供給される交流電力によって回転駆動力を発生したり、外部からの回転駆動力によって交流電力を発電したりする。モータ１０５は、図示しないトランスミッション等の動力伝達装置と連結され、発生した回転駆動力を図示しない車軸へ伝達する。

次に、この発明の実施の形態１に係る第１の蓄電部１０１及び第２の蓄電部１０２を車両１００に搭載するときの構造について説明する。
図２に示すように、第１の蓄電部１０１及び第２の蓄電部１０２は、蓄電装置パック１０６に内蔵され、第２の蓄電部１０２は、第１の蓄電部１０１の下に搭載される。
ここで、第１の蓄電部１０１の最大放電電力および最大充電電力の温度依存性の一例を図３に示す。尚、以下の説明において、低温（Ｔ℃）時の最大放電電力または最大充電電力の低下を常温（例えば２５℃）時の最大放電電力または最大充電電力に対する割合として表し、割合が小さいほど最大放電電力または最大充電電力の低下が大きいと表現する。
そして、第１の蓄電部１０１は、低温になるほど分極作用等によって内部抵抗が増加し、最大放電電力および最大充電電力が低下する。
また、第２の蓄電部１０２の最大放電電力及び最大充電電力の温度依存性の一例を図４に示す。第２の蓄電部１０２は、第１の蓄電部１０１よりも低温時の最大放電電力及び最大充電電力の低下が小さい蓄電装置であり、この発明の実施の形態１においては、第２の蓄電部１０２は、電気二重層キャパシタである。電気二重層キャパシタの場合、リチウムイオン電池等の二次電池のような化学反応を伴わないため、低温時でも内部抵抗の増加が小さく、このため、最大放電電力及び最大充電電力の低下は小さい。

次に、この発明の実施の形態１に係る車両の蓄電装置１００において、第２の蓄電部１０２の発熱によって、第１の蓄電部１０１を昇温する動作について説明する。
図５は、この発明の実施の形態１に係る車両に搭載されるモータ１０５へ供給する電力の配分を説明するタイミングチャートであり、（ａ）は車両の速度、（ｂ）はモータに入出力される電力、（ｃ）は第１の蓄電部１０１から放電される電力または第１の蓄電部１０１に充電される電力、（ｄ）は第２の蓄電部１０２から放電される電力または第２の蓄電部１０２に充電される電力を示している。なお、図５に示すモータ１０５へ供給する電力の配分は一例である。

図５の時点ｔ_０において、第１の蓄電部１０１及び第２の蓄電部１０２の温度はＴ℃とする。このとき、図３、図４に示す第１の蓄電部１０１及び第２の蓄電部１０２の最大充放電電力の温度依存性から、第１の蓄電部１０１及び第２の蓄電部１０２がモータ１０５に供給できる最大放電電力はそれぞれＰ_１、Ｐ_２である。
図５の時点ｔ_１において車両１００は発進し、図５の時点ｔ_１から時点ｔ_３の間、車両は加速を続け、図５の時点ｔ_３において車両の速度はＶａに達する。ここで、図５の時点ｔ_２において、モータ１０５が必要とする電力が第１の蓄電部１０１が供給できる最大電力Ｐ_１を超えるため、第１の蓄電部１０１だけではモータ１０５が必要とする電力を供給できなくなる。このとき、低温時において最大充放電電力の低下が小さい第２の蓄電部１０２から、不足する電力を補う。即ち、図５の時点ｔ_２から時点ｔ_３の間、モータ１０５に供給する電力の一部は、第２の蓄電部１０２から供給される。

図５の時点ｔ_３において車両は減速を開始し、図５の時点ｔ_３から時点ｔ_４の間、車両は減速を継続し、図５の時点ｔ_４において車両の速度はＶｂとなる。このとき、図３、図４に示す第１の蓄電部１０１及び第２の蓄電部１０２の最大充電電力の温度依存性から、第１の蓄電部１０１及び第２の蓄電部１０２がモータ１０５から受け入れることのできる最大充電電力はそれぞれＰ_３、Ｐ_４である。
ここで、低温環境において、第１の蓄電部１０１は最大充電電力が低下しているため、モータ１０５が回生する電力の一部しか充電することができない。このとき、低温環境においても最大充電電力の低下が小さい第２の蓄電部１０２に、モータ１０５が回生する電力の残りを充電する。

図５の時点ｔ_４において車両は再び加速を開始し、図５の時点ｔ_４から時点ｔ_５の間、車両は加速を続け、図５の時点ｔ_５において車両の速度はＶａとなる。このとき、図５の時点ｔ_２から時点ｔ_３の間と同様に、モータ１０５に必要とする電力が第１の蓄電部１０１から供給できる電力Ｐ_１を超えるため、第１の蓄電部１０１だけではモータ１０５が必要とする電力を供給できない。従って、モータ１０５が必要とする電力の一部は、第２の蓄電部１０２から供給される。

図５に示されるように、車両は発進してから加速、減速を繰り返す。このため、低温環境においては、第２の蓄電部１０２から放電した電力をモータ１０５に供給したり、また、モータ１０５が回生する電力を第２の蓄電部１０２に充電したりする動作が頻繁に行われるため、第２の蓄電部１０２には電流が流れ、ジュール熱によって発熱する。このジュール熱等の熱により、第２の蓄電部１０２の上に搭載されている第１の蓄電部１０１を暖め、昇温することができる。

また、第２の蓄電部１０２は第１の蓄電部１０１の下に搭載されているため、第２の蓄電部１０２は第１の蓄電部１０１にとって、外部環境との間の断熱材としても作用する。従って、この実施の形態１における車両の蓄電装置では、第１の蓄電部１０１を保温する効果もある。

以上述べたように、この発明の実施の形態１に係る車両の蓄電装置によれば、低温環境では、第１の蓄電部１０１の電力不足を補うために第２の蓄電部１０２からモータ１０５に電力を供給するため、第２の蓄電部１０２はジュール熱によって発熱する。この発熱を利用して第１の蓄電部１０１を加温するので、第１の蓄電部１０１及び第２の蓄電部１０２から放電される電力が全てモータ１０５に供給され、エネルギー効率を低下することなく、第１の蓄電部１０１の最大放電電力の低下を抑制することができる。

また、第２の蓄電部１０２は第１の蓄電部１０１にとって、外部環境との間の断熱材としても作用するので、第１の蓄電部１０１を保温する効果もある。
また、低温環境で、第１の蓄電部１０１の最大放電電力が低下した場合でも、第１の蓄電部１０１よりも低温時の最大放電電力の低下が小さい第２の蓄電部１０２からモータ１０５に電力を供給できるため、加速時にはドライバーの要求を満たす加速度を出すことができる。

また、モータ１０５が回生する電力を、第１の蓄電部１０１よりも低温時の最大充電電力の低下が小さい第２の蓄電部１０２に充電するため、減速時にはモータ１０５が回生する電力を十分に蓄電できる。
なお、この発明の実施の形態１では、第２の蓄電部１０２を第１の蓄電部１０１の下に搭載する場合を記載したが、図６に示すように、第２の蓄電部１０２を第１の蓄電部１０１の側に搭載しても同様の効果を得ることができる。また、第２の蓄電部１０２を第１の蓄電部１０１の上に搭載してもよい。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る第１の蓄電部及び出力制御装置を蓄電装置パックに配置する例を示す図である。
この発明の実施の形態２に係る車両の蓄電装置は、この発明の実施の形態１に係る車両の蓄電装置と蓄電装置パック１０６Ｂが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
第１の蓄電部１０１は、蓄電装置パック１０６に内蔵され、蓄電装置パック１０６には吸気口７０２及び排気口７０３が設けられており、吸気口７０２からダクト７０１が車両の進行方向に延びて開口している。このように構成された蓄電装置では、図８のような空気流路が形成される。この空気流路の上流となるダクト７０１の上に、出力制御装置１０３が搭載されている。

次に、出力制御装置１０３について説明する。
一例として、出力制御装置１０３は図９に示すような昇降圧チョッパ回路で構成されており、トランジスタＱ_１、Ｑ_２をオン・オフすることで、出力制御装置１０３が出力する電圧または電流を制御することができる。

次に、この発明の実施の形態２に係る車両の蓄電装置において、出力制御装置１０３の発熱によって、第１の蓄電部１０１を昇温する動作について説明する。
図５を参照して実施の形態１において説明したように、車両は発進してから加速、減速を繰り返す。このため、低温環境においては、第２の蓄電部１０２から放電される電力がモータ１０５に供給されたり、モータ１０５が回生する電力を第２の蓄電部１０２に充電したりする動作が頻繁に行われる。このとき、第２の蓄電部１０２から放電された電力は出力制御装置１０３を介してモータ１０５に供給され、逆にモータ１０５が発電した電力も出力制御装置１０３を介して第２の蓄電部１０２に充電する。即ち、図９に示すトランジスタＱ_１、Ｑ_２をオン・オフさせる動作を行うため、トランジスタＱ_１、Ｑ_２をオン・オフさせることによるスイッチング損失やトランジスタのもつ定常損失のために、出力制御装置１０３は発熱する。この熱で、ダクト７０１内の空気が昇温され、図９に示す空気流路（ダクト７０１→吸気口７０２→蓄電装置パック１０６→排気口７０３）を通して対流し、空気流路において、出力制御装置１０３よりも下流に搭載されている第１の蓄電部１０１が昇温される。

以上述べたように、この発明の実施の形態２による車両の蓄電装置によれば、低温環境では、第１の蓄電部１０１の電力不足を補うために第２の蓄電部１０２から出力制御装置１０３を介してモータ１０５に電力を供給するため、出力制御装置１０３は内部回路によって発熱する。この発熱を利用して第１の蓄電部１０１を昇温するので、エネルギー効率を低下することなく、第１の蓄電部１０１の最大放電電力の低下を抑制することができる。

また、低温環境で、上記第１の蓄電部１０１の充放電特性が低下した場合でも、上記第１の蓄電部１０１よりも低温時の充放電特性の低下が小さい第２の蓄電部１０２から出力制御装置１０３を介してモータ１０５に電力を供給できるため、加速時にはドライバーの要求を満たす加速度を出すことができる。また、モータ１０５が回生する電力を、上記第１の蓄電部１０１よりも低温時の充放電特性の低下が小さい第２の蓄電部１０２に蓄電できるため、減速時にはモータ１０５が回生する電力を十分に蓄電できる。

なお、この発明の実施の形態２では、出力制御装置１０３をダクト７０１の上に搭載したが、図１０に示すように、出力制御装置１０３を蓄電装置パック１０６内の空気流路の上流側に搭載しても、同様の効果を得ることができる。
また、吸気口７０２または排気口７０３に、空気流路を強制対流させるためのファンを搭載することで、第１の蓄電部１０１をより効率的に昇温することができる。
また、この発明の実施の形態２では、出力制御装置１０３を空気経路において、第１の蓄電部１０１よりも上流に搭載することで、第１の蓄電部１０１が昇温できるようにしたが、第２の蓄電部１０２を空気経路において、第１の蓄電部１０１よりも上流に搭載することによっても、第１の蓄電部１０１を昇温することができる。

１００車両、１０１第１の蓄電部、１０２第２の蓄電部、１０３出力制御装置、１０４インバータ、１０５モータ、１０６、１０６Ｂ蓄電装置パック、７０１ダクト、７０２吸気口、７０３排気口、Ｑ_１、Ｑ_２トランジスタ。

Claims

車両に搭載される第１の蓄電部と、上記車両に搭載されるとともに上記第１の蓄電部よりも低温時の最大放電電力及び最大充電電力の低下が小さい第２の蓄電部と、上記第２の蓄電部の出力を制御する出力制御装置と、を備える車両の蓄電装置において、
上記出力制御装置の発熱により、上記第１の蓄電部を昇温することを特徴とする車両の蓄電装置。
上記第１の蓄電部を内蔵するとともに、内部に空気流路を有する蓄電装置パックを備え、
上記出力制御装置は、上記第１の蓄電部よりも上記空気流路の上流側に搭載され、
上記出力制御装置の発熱で昇温した空気を上記空気流路に流して、上記第１の蓄電部を昇温することを特徴とする請求項１に記載の車両の蓄電装置。
上記出力制御装置は、上記蓄電装置パックに内蔵されることを特徴とする請求項２に記載の車両の蓄電装置。
上記空気流路を強制対流にするファンを備えることを特徴とする請求項２または３に記載の車両の蓄電装置。
上記第２の蓄電部は、上記蓄電装置パックに内蔵されることを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の車両の蓄電装置。