JP2013026116A - 電池温度制御システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動車両などの車両において、複数の電池セルが直列または並列に接続されて構成される電池部内の温度を電池セルの適正温度範囲に収めることを安価で可能とした電池温度制御システムを提供することである。
【解決手段】提案する電池温度制御システムは、複数個の電池セルが直列・並列に接続された電池部と、前記電池部の各電池セルの温度を制御するための冷暖房部を制御する温度制御部と、前記冷暖房部の動作状況毎に、最高温度と最低温度となる前記電池部の位置に配置された複数の温度計測部と、を備える。そして、前記温度制御部は、前記動作状況毎に、対応する温度計測部が計測した最高温度と最低温度が、電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動車両などの車両に搭載され、複数の電池セルが直列または並列に接続されて構成される電池パックの温度を一定範囲に収める電池温度制御システムに関する。

電動車両などの車両には、複数の電池セルが直列または並列に接続されて構成される電池パックが搭載され、負荷への電力供給などを行なっている。この電池パック内の各電池セルには、仕様により使用時の適正温度範囲（例えば０度〜４０度）が定められている。

走行系負荷への高圧の電力供給などにより、電池パックの周辺温度が上昇したり、または、寒冷な地域を走行することで、電池パックの周辺温度が下降すると、その影響は、電池パック内の各電池セルにも及ぶ。このため、電池パック内の各電池セルの温度を計測し、各電池セルの温度を常に適正温度範囲内に収める制御を行なう必要がある。

特許文献１には、所要数の温度センサを適当間隔おきに、単電池（電池セル）間の側面の適所に配置した、組電池の異常温度検出装置が示されている。
ペルチェ素子（以下、“ペルチェ”という）を電池パックに一体化させて、電池パックの温度調整をペルチェを利用して行なう場合、ペルチェには放熱側の板と、吸熱側の板があり、電池セルの両側にこれらの放熱側の板と吸熱側の板が配置されるとすると、温度分布もその配置に応じた特徴を有することになる。

そこで、ペルチェによる温度制御の停止時に、電池パック内の最高温度、最低温度となる位置を予め計測して求めておき、その２箇所に温度センサを設置して、ペルチェ停止時および動作時に、その２箇所に設置した温度センサで計測した温度が適正温度範囲に収まるかどうかを判断することで、電池パックに対する温度制御を行なうことが考えられる。

しかし、その際、温度センサが設置されている２箇所以外の場所の温度は計測できないため分からず、電池パック内の任意の場所で、温度が適正温度範囲に収まるかどうかも保証ができない。

一方、測定精度を高めるために、特許文献１のように、温度センサをすべての電池セルに設置するようにした場合、温度制御ユニットに要するコストがかかる、という問題がある。

なお、関連技術として、特許文献２には、電池に温度センサを適切な圧力で押し付けて温度検知精度を高め、樹脂部材へのフラット回路体の組み付けを作業性よく行い、フラット回路体の長さを短く抑える技術が示されている。

特開２００１−０９１３６３号公報 特開２００９−２３１００３号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電動車両などの車両において、複数の電池セルが直列または並列に接続されて構成される電池部（電池パック）内の温度を電池セルの適正温度範囲に収めることを安価で可能とした電池温度制御システムおよび方法を提供することを目的とする。

提案する電池温度制御システムは、複数個の電池セルが直列・並列に接続された電池部と、前記電池部の各電池セルの温度を制御するための冷暖房部を制御する温度制御部と、前記冷暖房部の動作状況毎に、最高温度と最低温度となる前記電池部の位置に配置された複数の温度計測部と、を備え、前記温度制御部は、前記動作状況毎に、対応する温度計測部が計測した最高温度と最低温度が、電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行う、ものである。

例えば、前記温度制御部は、前記冷暖房部の停止時には、前記冷暖房部の停止時に最高温度と最低温度を示す前記電池部内の位置に設置された温度計測部が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行う。

また、前記冷暖房部を暖房として使用している時には、前記冷暖房部の暖房時に最高温度と最低温度を示す前記電池部内の位置に設置された温度計測部が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行う。

また、前記冷暖房部を冷房として使用している時には、前記冷暖房部の冷房時に最高温度と最低温度を示す前記電池部内の位置に設置された温度計測部が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行う。

提案する電池温度制御システムでは、温度制御部は、冷暖房部の動作状況毎に、対応する温度計測部が計測した最高温度と最低温度が、電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行っている。例えば、冷暖房部の停止時、暖房としての使用時、冷房としての使用時について、それぞれ最高温度、最低温度となる電池部内の位置に設置された温度計測部により温度を計測しているので、電池セル毎に温度計測部を設置する場合に比較し、温度計測部の数が少なくてすみ、安価なシステム構成にして、電池部内の温度を電池セルの適正温度範囲に収めることを可能としている。

本実施形態の電池パック上の温度センサの配置方法を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電池温度制御システムを示す図である。 図２の制御部を示す図である。 図２の電池温度制御システムの熱循環系を示す図である。 図２の電池パック（ペルチェ）および制御部の電池温度制御系を示す図である。 電池温度制御処理のフローチャートである。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の電池パック上の温度センサの配置方法を示す図である。
図１に示すように、電池セル（単電池）複数個（ここでは、４個）を直列（あるいは並列）に接続して電池ブロックが構成され、その電池ブロックが複数個（ここでは２個の電池ブロック１１、１４）が集まって電池パック１０が構成される。この電池パック１０内に対し、ペルチェ１６により温度制御を行なう。

電池ブロック１１は、４個の電池セル１２−１、１２−２、１２−３、１２−４が直列に接続されて構成され、電池ブロック１４は、４個の電池セル１５−１、１５−２、１５−３、１５−４が直列に接続されて構成される。

ペルチェ１６による温度制御を電池パック１０に対して行なうに際して、電池パック１０内の各位置で計測された温度が必要になる。
本実施形態では、システムの動作状況、特に、ペルチェ（放熱および吸熱手段）の動作状況に応じて、電池パック１０内の各位置での温度分布が変化することを利用して温度制御を行っている。

具体的には、ペルチェ動作停止時、ペルチェによる放熱時（ペルチェの暖房としての使用時）、ペルチェによる吸熱時（ペルチェの冷房としての使用時）に分けて、電池パック１０内の最高温度、最低温度となる位置を予め求めておき、それらの位置（重複しない限り、６箇所）に、温度センサ（サーミスタ等）を設置しておく。これは、ペルチェ停止時に最高温度であった位置が、冷房で電池パック１０を冷やしたときに、最高温度である位置を保ちつつ、各位置が一様に冷えていくことは通常ないことを考慮したものである。暖房時も同様である。

図１では、ペルチェ停止時に最高温度となる場所に設置された温度センサが温度センサ５であり、最低温度となる場所に設置された温度センサが温度センサ６である。
また、ペルチェの暖房としての使用時に最高温度となる場所に設置された温度センサが温度センサ１であり、最低温度となる場所に設置された温度センサが温度センサ２である。

また、ペルチェの冷房としての使用時に最高温度となる場所に設置された温度センサが温度センサ３であり、最低温度となる場所に設置された温度センサが温度センサ４である。

そして、ペルチェ停止時には、温度センサ５、６が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれているかどうかを判定し、ペルチェの暖房としての動作時には、温度センサ１、２が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれているかどうかを判定し、ペルチェの冷房としての動作時には、温度センサ３、４が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれているかどうかを判定する。

図２は、本発明の一実施形態に係る電池温度制御システムを示す図である。
図２に示すように、このシステムは、温度センサ１〜６が設置された電池パック１０、放熱あるいは吸熱のソースとしてのペルチェ１６、ペルチェ１６の熱を所定方向に流す風を発生させるファン１８、温度センサ１〜６が検出した温度に応じてペルチェ１６（の停止、放熱、吸熱）およびファン１８を制御する制御部２０、制御部２０からペルチェ１６への制御信号をレベル調整するためのＤＣ−ＤＣコンバータ１７、を有する。

図３は、図２の制御部を示す図である。
図３に示すように、電池パック１０内の各位置に設置された温度センサ１〜６が検出した温度が入力ポート２１〜２６を通してレジスタ３２に格納される。

メモリ３５には、電池温度制御プログラム３６が格納されている。この電池温度制御プログラム３６はＣＰＵ３１によって実行されるが、その際、レジスタ３２内の各検出温度が参照される。

電池温度制御プログラム３６の処理結果は、ペルチェ制御信号発生回路３７に出力される。そして、ペルチェ制御信号発生回路３７で、ペルチェ１６を制御する制御信号が発生され、出力ポート３３を通してＤＣ−ＤＣコンバータ１７に出力され、レベル調整されて、ペルチェ１６に出力される。

図４は、図２の電池温度制御システムの熱循環系を示す図である。
図４に示すように、実際には、ペルチェは電池パックと一体化して、電池パック（ペルチェ）４０となっている。その意味で、図１および図２は、ペルチェが電池パックと分離して示されている概念的な概念図である、ということができる。また、図４において、ファン１８、風の流入・排出経路を含む容器３９、電池パックと一体化されたペルチェ、により熱源ユニットが構成されている。

電池パック４０は容器３９内にある。この容器３９には一端にあるパイプを通してファン１８が発生した風が流入し、流入した風は電池パック４０を通過した後、他端にあるパイプを通して容器３９から出て行く。

電池パック４０の温度を上昇させるときは、図５で後述するように、ペルチェの対となる絶縁板のうちの、ファン１８から上流側にある絶縁板が放熱するような制御を行う。一方、電池パック４０の温度を下降させるときは、ペルチェの対となる絶縁板のうちの、ファン１８から上流側にある絶縁板が吸熱するような制御を行う。

図５は、図２の電池パック（ペルチェ）および制御部の電池温度制御系を示す図である。
図５では、ペルチェと一体化した電池パック４０の構成が具体的に示されている。ただし、図が煩雑になるのを避けるために、電池ブロック１１、１４に含まれるはずの各電池セルは示されていない。

図５において、電池ブロック１１は、対となる絶縁板４５、４６、電極４７、４９、５１、５３、５５、５７、Ｐ型半導体４８、５２、５６、Ｎ型半導体５０、５４により構成される。また、電池ブロック１４は、対となる絶縁板６５、６６、電極６７、６９、７１、７３、７５、７７、Ｐ型半導体６８、７２、７６、Ｎ型半導体７０、７４により構成される。電池ブロック１１、１４に対し、対となる絶縁板４５、４６、６５、６６は、それぞれの電池ブロック内の各電池セルを挟むように配置される。

図３に示した、電池温度制御プログラム３６の処理内容（このプログラム３６の処理については図６で後述する）は、次の３つに分けられる。
（１）電池パック４０の温度範囲（温度センサ５、６が計測）が適正温度範囲に含まれる場合は温度制御を行わない。
（２）電池パック４０の温度範囲（温度センサ５、６が計測）が適正温度範囲より低温側にずれている場合は、ペルチェによる放熱を行う（ペルチェを暖房として動作させる）。
（３）電池パック４０の温度範囲（温度センサ５、６が計測）が適正温度範囲より高温側にずれている場合は、ペルチェによる吸熱を行う（ペルチェを冷房として動作させる）。

ペルチェを暖房として動作させるときは、図５の矢印Ｘにて示されるファン１８の風向きに対し、電池ブロック１１、１４のそれぞれ上流側に位置する絶縁板４５、６５が放熱するように、ＣＰＵ３１からの指示に基づき、暖房用信号発生回路４１が出力する制御信号によりスイッチ８４を導通させ、冷房用信号発生回路４２が出力する制御信号によりスイッチ８５を非導通にさせ、冷暖房切替信号発生回路４３が出力する制御信号によりスイッチ８１を暖房用電源８２側に傾ける。

このようにすることで、例えば電池ブロック１４を例にとると、電極７７、Ｐ型半導体７６、電極７５、Ｎ型半導体７４、電極７３、Ｐ型半導体７２、電極７１、Ｎ型半導体７０、電極６９、Ｐ型半導体６８、電極６７の順に電流が流れる。そして、Ｐ型半導体の場合は、電流の向きに熱移動が行われ、Ｎ型半導体の場合は、電流の向きとは逆向きに熱移動が行われることから風向き上流の絶縁板６５が放熱側、下流の絶縁板６６が吸熱側の板となる。

ペルチェを冷房として動作させるときは、図５の矢印Ｘにて示されるファン１８の風向きに対し、電池ブロック１１、１４のそれぞれ上流側に位置する絶縁板４５、６５が吸熱するように、ＣＰＵ３１からの指示に基づき、暖房用信号発生回路４１が出力する制御信号によりスイッチ８４を非導通にさせ、冷房用信号発生回路４２が出力する制御信号によりスイッチ８５を導通させ、冷暖房切替信号発生回路４３が出力する制御信号によりスイッチ８１を冷房用電源８３側に傾ける。

このようにすることで、例えば電池ブロック１４を例にとると、電極６７、Ｐ型半導体６８、電極６９、Ｎ型半導体７０、電極７１、Ｐ型半導体７２、電極７３、Ｎ型半導体７４、電極７５、Ｐ型半導体７６、電極７７の順に電流が流れる。そして、Ｐ型半導体の場合は、電流の向きに熱移動が行われ、Ｎ型半導体の場合は、電流の向きとは逆向きに熱移動が行われることから風向き上流の絶縁板６５が吸熱側、下流の絶縁板６６が放熱側の板となる。

図６は、電池温度制御処理のフローチャートである。
このフローチャートの処理は、図３の電池温度制御プログラム３６がＣＰＵ３１により実行されることで、実行される。このフローチャートの処理はペルチェを暖房あるいは冷房として動作させてから一定間隔（ステップＳ１２の時間待ちの間隔）経過してから起動される。この際のペルチェの通電時間はフローチャートの実行周期より短い。このため、フローチャートが起動されるときは、ペルチェは常に停止しているものと仮定できる。

図６のステップＳ１で、温度センサ５（ペルチェ停止時に最高温度となる位置に設置された温度センサ）、および、温度センサ６（ペルチェ停止時に最低温度となる位置に設置された温度センサ）が計測した温度をレジスタ３２から取得する。そして、ステップＳ２で、温度センサ５の計測温度が目標温度範囲上限（電池セルの適正温度範囲の上限）より高いかどうかを判定する。

ステップＳ２で温度センサ５の計測温度が目標温度範囲上限以下であると判定された場合（ステップＳ２の判定結果がＮｏの場合）、ステップＳ６で、温度センサ６の計測温度が目標温度範囲下限（電池セルの適正温度範囲の下限）より低いかどうかを判定する。

ステップＳ６で温度センサ６の計測温度が目標温度範囲下限より高いと判定された場合（ステップＳ６の判定結果がＮｏの場合）、温度センサ５および６の計測温度が目標温度範囲に収まっていることになり、ステップＳ１に戻り、処理を繰り返す。

ステップＳ２で温度センサ５の計測温度が目標温度範囲上限より高いと判定された場合（ステップＳ２の判定結果がＹｅｓの場合）、ステップＳ３で、ペルチェを冷房として動作させるための制御を開始し、ステップＳ４で、温度センサ３（ペルチェを冷房として使用時に最高温度となる位置に設置された温度センサ）、および、温度センサ４（ペルチェを冷房として使用時に最低温度となる位置に設置された温度センサ）が計測した温度をレジスタ３２から取得する。そして、ステップＳ５で、冷房条件で、ペルチェへ流す電流の通電時間を計算し、ステップＳ１０に進む。

なお、ステップＳ５の処理内容としては、例えば、温度センサ３が計測した温度が、目標温度範囲上限をどの位超えているかに比例して、ペルチェを冷房として動作させるための電流を流す通電時間を、温度差と冷房のための通電時間の関係を示す冷房条件テーブル（不図示）に基づいて求めるものである。

ステップＳ６で温度センサ６の計測温度が目標温度範囲下限より低いと判定された場合（ステップＳ６の判定結果がＹｅｓの場合）、ステップＳ７で、ペルチェを暖房として動作させるための制御を開始し、ステップＳ８で、温度センサ１（ペルチェを暖房として使用時に最高温度となる位置に設置された温度センサ）、および、温度センサ２（ペルチェを暖房として使用時に最低温度となる位置に設置された温度センサ）が計測した温度をレジスタ３２から取得する。そして、ステップＳ９で、暖房条件で、ペルチェへ流す電流の通電時間を計算し、ステップＳ１０に進む。

なお、ステップＳ９の処理内容としては、例えば、温度センサ２が計測した温度が、目標温度範囲下限をどの位下回っているかに比例して、ペルチェを暖房として動作させるための電流を流す通電時間を、温度差と暖房のための通電時間の関係を示す暖房条件テーブル（不図示）に基づいて求めるものである。

ステップＳ５またはステップＳ９から制御を渡されたステップＳ１０では、パルス変調演算処理を行う。採用するパルス変調方式としては様々な方式が可能であるが、ここでは、パルス幅変調（ＰＷＭ:Pulse Width Modulation）を用いる。すなわち、ステップＳ５またはＳ９で求めた電流の通電時間を実現するデューティー比（パルスのオンとオフの時間の比）をＰＷＭ演算を行なって求める。

そして、パルス幅変調された制御信号がステップＳ１１で暖房か冷房かに応じて図５のスイッチ８４またはスイッチ８５にＰＷＭ出力される。
続くステップＳ１２では、一定時間経過してからステップＳ１に戻るように、時間待ちが行われる。

以上説明したように、本実施形態の電池温度制御システムでは、制御部２０は、ペルチェの動作状況毎に、対応する温度センサが計測した最高温度と最低温度が、電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行っている。例えば、ペルチェの停止時、暖房としての使用時、冷房としての使用時について、それぞれ最高温度、最低温度となる電池部内の位置に設置された温度センサにより温度を計測しているので、電池セル毎に温度センサを設置する場合に比較し、温度センサの数が少なくてすみ、安価なシステム構成にして、電池パック内の温度を電池セルの適正温度範囲に収めることを可能としている。

１、２、３、４、５、６ 温度センサ
１０ 電池パック
１１、１４ 電池ブロック
１２−１、１２−２、１２−３、１２−４、１５−１、１５−２、１５−３、１５−４ 電池セル
１６ ペルチェ
１７ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１８ ファン
２０ 制御部
２１、２２、２３、２４、２５、２６ 入力ポート
３１ ＣＰＵ
３２ レジスタ
３３ 出力ポート
３５ メモリ
３６ 電池温度制御プログラム
３７ ペルチェ制御信号発生回路
３９ 容器
４０ 電池パック（ペルチェ）
４１ 暖房用信号発生回路
４２ 冷房用信号発生回路
４３ 冷暖房切替信号発生回路
４５、４６、６５、６６ 絶縁板
４７、４９、５１、５３、５５、５７、６７、６９、７１、７３、７５、７７ 電極
４８、５２、５６、６８、７２、７６ Ｐ型半導体
５０、５４、７０、７４ Ｎ型半導体
８１、８４、８５ スイッチ
８２ 暖房用電源
８３ 冷房用電源

Claims (4)

1. 複数個の電池セルが直列・並列に接続された電池部と、
   前記電池部の各電池セルの温度を制御するための冷暖房部を制御する温度制御部と、
   前記冷暖房部の動作状況毎に、最高温度と最低温度となる前記電池部の位置に配置された複数の温度計測部と、を備え、
   前記温度制御部は、前記動作状況毎に、対応する温度計測部が計測した最高温度と最低温度が、電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行う、ことを特徴とする電池温度制御システム。
2. 前記冷暖房部は、前記電池部と一体に設けられたペルチェ素子と、前記ペルチェ素子に向かう所定方向の風を発生させるファンであり、
   前記温度制御部は、前記電池部の温度を上げる場合は、前記ペルチェ素子の対となる絶縁板の放熱側を、前記ファンの風向きの上流側に設定し、
   前記電池部の温度を下げる場合は、前記ペルチェ素子の対となる絶縁板の吸熱側を、前記ファンの風向きの上流側に設定する、ことを特徴とする請求項１記載の電池温度制御システム。
3. 前記温度制御部は、
   前記冷暖房部の停止時には、前記冷暖房部の停止時に最高温度と最低温度を示す前記電池部内の位置に設置された温度計測部が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行い、
   前記冷暖房部を暖房として使用している時には、前記冷暖房部の暖房時に最高温度と最低温度を示す前記電池部内の位置に設置された温度計測部が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行い、
   前記冷暖房部を冷房として使用している時には、前記冷暖房部の冷房時に最高温度と最低温度を示す前記電池部内の位置に設置された温度計測部が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行う、ことを特徴とする請求項１記載の電池温度制御システム。
4. 複数個の電池セルが直列・並列に接続された電池部と、前記電池セルの温度を制御するための冷暖房部と、前記冷暖房部の動作状況毎に、最高温度と最低温度となる前記電池部の位置に配置された複数の温度計測部と、を備えたシステムが実行する電池温度制御方法において、
   前記冷暖房部の停止時には、前記冷暖房部の停止時に最高温度と最低温度を示す前記電池部内の位置に設置された温度計測部が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行い、
   前記冷暖房部を暖房として使用している時には、前記冷暖房部の暖房時に最高温度と最低温度を示す前記電池部内の位置に設置された温度計測部が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行い、
   前記冷暖房部を冷房として使用している時には、前記冷暖房部の冷房時に最高温度と最低温度を示す前記電池部内の位置に設置された温度計測部が計測した温度が電池セルの適正温度範囲に含まれるように温度制御を行う、ことを特徴とする電池温度制御方法。
   

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