JP2013030375A

JP2013030375A - 電池パックの温度制御装置

Info

Publication number: JP2013030375A
Application number: JP2011166173A
Authority: JP
Inventors: Munetaka Yamamoto; 宗隆山本; Mamoru Kuraishi; 守倉石; Masaaki Suzuki; 正彰鈴木
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-02-07

Abstract

【課題】単一の温度センサを使用し、温度センサを複数使用することによる装置のコストアップを防止し、また単一の温度センサを使用することによって、電池パックの温度制御を容易に行うことを目的とする。
【解決手段】電池パックの温度制御装置であって、複数の電池を収納する電池パックと、冷房時に最低温度となる電池パック内の位置と冷房時に最高温度となる電池パック内の位置との間に配設された高効率熱伝導部材と、該高効率熱伝導部材の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段の温度測定結果に基づいて上記電池パック内の温度を最適温度範囲に制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はリチウムイオン電池やニッケル水素蓄電池等の二次電池が多数収納された電池パックの温度制御装置に関する。

今日、リチウムイオン電池やニッケル水素蓄電池等の二次電池は、所謂ハイブリットカーや電気自動車のみならず、フォークリフトや各種産業用機械のバックアップ電源等としても広く使用されている。したがって、このような二次電池には大きな出力が要求されるため、多数の電池を容器に収納した電池パックとして電気自動車等に搭載されている。
図７はこのような電池パックの構成図であり、電池パック３０は内部に複数の電池ブロック３１を有し、この電池ブロック３１内に電池セル３２である、例えばリチウムイオン電池が多数収納されている。

このように電池パック３０には多くの電池（電池セル３２）が収納されているため、駆動に際して発熱する。また、電池パック３０が使用される電気自動車や産業用機械等のバックアップ電源は寒冷地等の過酷な環境下で使用される場合も多い。このため、図７に示すように、例えばペルチェ３４を使用し、熱媒体３５を介して電池パック３０を冷房又は暖房し、電池パック３０を最適温度範囲で駆動するための温度制御を行っている。

具体的には、電池パック３０内に温度センサを設け、この温度センサからの温度情報に基づいて電池パック３０の温度制御を行っている。例えば、図７に示すように冷房時に最低温度となる電池パック３０内の位置ａに温度センサ３６を設け、冷房時に最高温度となる電池パック３０内の位置ｂに温度センサ３７を設け、温度センサ３６が目標温度範囲の下限温度以下となった時、暖房を開始し、温度センサ３７が目標温度範囲の上限温度を超えた時、冷房を開始し、電池パック３０内の温度を目標温度範囲内に制御している。

尚、特許文献１に記載された発明は、ホルダと充電器を有し、コントローラによって充電の開始や終了が制御される充電装置の発明であって、複数個の充電池の各周面部に接触されて温度を均一化する熱導電性のよいヒートシンクを備え、最高温度となる部分と最低温度となる部分が同じ温度であるとみなして、温度センサの数を削減する発明である。

また、特許文献２に記載された発明は、同一形態の素電池を複数個接続してなる組電池において、上記複数個の素電池の外殻にそれぞれ均等に接触を保つ高熱伝導性の伝熱媒体部材と、この伝熱媒体部材に装着される１つの温度検出素子とを具備する発明である。

登録実用−３１２１１２３号公報実開平０５−０７９８６６号公報

しかしながら、従来の電池パックの温度制御装置では、上記のように電池パック内に少なくとも２つの温度センサが必要であり、装置のコストアップの原因となる。また、複数の温度センサからの温度情報に基づいて温度制御を行うため、制御が複雑となる。また、上記特許文献１に記載された発明では、複数個の充電池の各周面部にヒートシンクを配設する必要はあり、装置のコストアップの原因となる。さらに、特許文献２に記載された発明では、複数個の素電池の外殻に伝熱媒体部材を配設する必要があり、上記と同様装置のコストアップの原因となる。

そこで、本発明は単一の温度センサを使用し、温度センサを複数使用することによる装置のコストアップを防止し、また単一の温度センサを使用することによって、電池パックの温度制御を容易に行うことを目的とする。

上記課題は本発明によれば、複数の電池を収納する電池パックと、冷房時に最低温度となる上記電池パック内の位置と冷房時に最高温度となる上記電池パック内の位置との間に配設された高効率熱伝導部材と、この高効率熱伝導部材の温度を測定する温度測定手段と、この温度測定手段の温度測定結果に基づいて、上記電池パック内の温度を最適温度範囲に制御する制御手段とを有する電池パックの温度制御装置を提供することによって達成する。すなわち、電池パック内で冷房時に最低温度となる電池パック内の位置と冷房時に最高温度となる位置との間に高効率熱伝導部材を配設し、この高効率熱伝導部材に温度センサを取り付けることによって、単一の温度センサによって電池パック内の温度を計測することができ、装置のコストダウンを図ることができる。また、単一の温度センサからの温度情報に基づいて、電池パックの温度制御を行うので、温度制御を容易とすることができる。

また、上記課題は本発明によれば、上記温度測定手段による測定温度が最適温度範囲の上限を超える時、ペルチェを駆動して電池パックを冷房し、温度測定手段による測定温度が最適温度範囲の下限以下の時、ペルチェを駆動して電池パックを暖房することにより、ペルチェを使用して、電池パックの冷房及び暖房の両方の温度制御を行うことができる。

さらに、送風装置からペルチェに対して送風することによって、より効率よく電池パックの冷房及び暖房を行うことができる。

本発明によれば、単一の温度センサを使用して電池パックの温度制御を行うことができ、装置をコストダウンすることができ、更に単一の温度センサからの温度情報に基づいて電池パックの温度制御を行うことができ、電池パックの温度制御が容易となる。

本実施形態の温度制御装置の基本構成を説明する図である。本実施形態の電池パックの温度制御装置の全体構成図である。筐体内に配設された電池パックを含む電池パックの温度制御装置の外観図である。温度制御装置の具体的な温度制御システムを説明する図である。制御部の回路図である。本実施形態の温度制御処理を説明するフローチャートである。従来の電池パックの構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図２は電池パックの温度制御システムの全体構成を説明する図である。同図において、本システム１は、電池パック２が収納された筐体３と、筐体３に送風を行う送風装置４で構成されている。送風装置４にはファン５が設けられ、送風装置４は筐体３内に送風を行う。

筐体３は図２に示すように、送風装置４からの送風の入力部７と電池パック２を通過した後の排気を行う出力部８を備え、入力部７及び出力部８は共に管状の部材で構成されている。また、筐体３内には電池パック２を含む電池パック２の温度制御装置９が配設されている。

図３は筐体３内に配設された電池パック２を含む温度制御装置９の外観図である。この温度制御装置９には、電池パック２及びペルチェ１０が配設され、電池パック２及びペルチェ１０は交互に配設され、両端を保持部材１１ａ、１１ｂに取り付けられている。また、保持部材１１ａと１１ｂは保持パイプ１２によって固定されている。

上記送風装置４からの電池パック２への送風は、同図に示す矢印１３側から送られ、電池パック２を冷房又は暖房した後の排気は、矢印１４方向に流れる。
図１は上記外観構成の温度制御装置９の基本構成を説明する図であり、図４は温度制御装置９の具体的な温度制御システムを説明する図である。本実施形態で使用する電池は、例えばリチウムイオン電池であり、個々のリチウムイオン電池が１個の電池セル１６として配設されている。本実施形態で説明する電池パック２は、電池セル１６を４個収納して電池ブロック１７を構成し、この電池ブロック１７を２個収納して構成されている。尚、上記構成は本実施形態の説明上、少ない数の電池セル１６を収納する電池パック２の例を説明するものである。

一方、図１及び図４に示す高効率熱伝導部材１８は、例えば金（Ａｇ）等の高い熱伝導効率を有する部材であり、電池パック２内の位置ａと位置ｂ間に配設されている。ここで、位置ａは冷房時に最低温度となる電池パック２内の位置であり、位置ｂは冷房時に最高温度となる電池パック２内の位置である。したがって、この電池パック２内の位置ａと位置ｂを高効率熱伝導部材１８で接続することによって、位置ａと位置ｂ間の温度差を解消する。

また、高効率熱伝導部材１８には温度センサ１９が取り付けられている。この温度センサ１９の取り付け位置は、例えば本例では上記位置ｂに取り付けられている。尚、温度センサ１９としては、例えばサーミスタや白金抵抗センサ等の各種温度センサを使用することができる。

電池パック２には前述のように熱媒体２０を介してペルチェ等の熱源２１から冷風又は温風が供給され、電池パック２を冷房又は暖房する。この間、温度センサ１９は電池パック２内の温度を検知し、制御部に通知する。尚、本実施形態の場合、熱媒体２０は熱源２１と電池パック２との隙間に形成される空間である。

図４に示すように、熱源２１は前述のペルチェ１０で構成され、ファン５からの送風を受け、冷風又は温風を電池パック２に供給する。また、熱源２１（ペルチェ１０）にはＤＣ/ＤＣコンバータ２３を介して制御部２４から制御信号が出力される。また、制御部２４はファン５に駆動信号を出力し、ファン５の駆動制御も行う。

制御部２４は、図５に示すように、ＣＰＵ２５、ＲＯＭ２６、バッファ２７で構成され、入力ポート２８と出力ポート２９を備える。ＲＯＭ２６は本例の温度制御装置９の制御プログラムを記憶し、ＣＰＵ２５はＲＯＭ２６に記憶された制御プログラムに従って温度制御を行う。

入力ポート２８には前述の温度センサ１９から温度データが入力する。バッファ２７は入力する温度データを一旦保持し、ＣＰＵ２５に出力する。ＣＰＵ２５は上記ＲＯＭ２６に記憶されたプログラムに従って後述する温度制御を行い、出力ポート２９から制御信号をＤＣ/ＤＣコンバータ２３に出力する。ＤＣ/ＤＣコンバータ２３に出力された制御信号は、ＤＣ/ＤＣコンバータ２３から前述のペルチェ１０に出力され、ペルチェ１０を駆動し、電池パック２を冷房又は暖房する。

図６は本実施形態の電池パック２の温度制御を説明するフローチャートである。上記ＣＰＵ２５は一定の時間間隔で同図に示す電池パック２の温度制御を行う。先ず、ＣＰＵ２５は温度センサ１９から温度データを取得する（ステップ（以下、Ｓで示す）１）。この温度データの取得は、バッファ２７を介して行い、温度センサ１９で検出した温度データはバッファ２７に保持されており、ＣＰＵ２５は一定時間間隔でバッファ２７に記録された温度データを読み出す。

次に、ＣＰＵ２５は取得した温度データが目標温度範囲内の温度であるか判断する。この判断は、先ず温度センサ１９で検知した温度が目標温度範囲の上限を超えているか判断する（Ｓ２）。ここで、温度センサ１９で検知した温度が目標温度範囲の上限を超えている場合（Ｓ２がＹＥＳ）、冷房処理を開始する（Ｓ３）。この場合、温度センサ１９で電池パック２内の温度を計測し（Ｓ４）、冷房条件でペルチェ１０に流す電流の通電時間を計算する（Ｓ５）。

すなわち、温度センサ１９によって計測された温度によって電池パック２を冷房する時間が異なり、ペルチェ１０に流す電流の通電時間を計算する。例えば、目標温度範囲の上限を遥かに超えている場合には、ペルチェ１０に長時間電流を流す必要があり、一方目標温度範囲の上限を少し超えている場合には、ペルチェ１０に短時間電流を流せばよい。尚、温度センサ１９によって電池パック２の温度を再度計測するのは、前の計測からのタイムラグを考慮し、より正確な電池パック２内の温度を取得するためである。

次に、上記通電時間に対応するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）を演算し（Ｓ６）、演算結果のＰＷＭの信号をＤＣ/ＤＣコンバータ２３に出力し（Ｓ７）、ペルチェ１０を駆動して上記通電時間を待つ（Ｓ８）。また、この場合、温度センサ１９から得られる温度計測データは、電池パック２内の位置ｂに設けられた温度センサ１９からのデータであり、高効率熱伝導部材１８を介して電池パック２内の位置ａの温度データでもある。

したがって、上記温度センサ１９によって得られる温度データは、単一の温度センサ１９からデータであっても、電池パック２内の正確な温度データであり、電池パック２を正確に冷房することができる。

次に、前述の判断（Ｓ２）において、温度センサ１９で検知した温度が目標温度範囲の上限を超えていない場合（Ｓ２がＮＯ）、更に温度センサ１９で検知した温度が目標温度範囲の下限以下であるか判断する（Ｓ９）。ここで、温度センサ１９で検知した温度が目標温度範囲の下限以下でなければ（Ｓ９がＮＯ）、電池パック２内の温度は目標温度範囲内であると判断して、更に温度制御を継続するため、温度センサ１９から温度データを取得する（Ｓ１）。

一方、温度センサ１９で検知した温度が目標温度範囲の下限以下である時（Ｓ９がＹＥＳ）、暖房を開始する（Ｓ１０）。この場合、上記と同じ理由で、温度センサ１９で電池パック２内の温度を再度計測し（Ｓ１１）、暖房条件でペルチェ１０に流す電流の通電時間を計算する（Ｓ１２）。この場合も、温度センサ１９によって計測された温度によって電池パック２を暖房する時間が異なり、ペルチェ１０に流す電流の通電時間を計算する。

したがって、冷房の場合と同様、上記通電時間に対応するＰＷＭを演算し（Ｓ６）、演算結果のＰＷＭの信号をＤＣ/ＤＣコンバータ２３に出力し（Ｓ７）、ペルチェ１０を駆動して上記通電時間を待つ（Ｓ８）。また、この場合も、温度センサ１９から得られる温度計測データは、電池パック２内の位置ｂに設けられた温度センサ１９からのデータであり、高効率熱伝導部材１８を介して電池パック２内の位置ａの温度データでもある。

したがって、上記温度センサ１９によって得られる温度データは、単一の温度センサ１９からデータであっても、電池パック２内の正確な温度データであり、電池パック２を正確に暖房することができる。

以上のように、本実施形態の温度制御装置によれば、単一の温度センサを使用して電池パックの温度制御を行うことができ、装置をコストダウンすることができる。また、単一の温度センサからの温度データに基づいて電池パックの温度制御を行うことができ、電池パックの温度制御を容易にすることができる。

尚、本実施形態の説明では温度センサ１９を設ける位置は、高効率熱伝導部材１８が配設された位置ｂであったが、高効率熱伝導部材１８上の他の位置に設けてもよい。
また、高効率熱伝導部材１８は金に限らず、高い熱伝導効率を有する材料であれば使用することができる。また、電池セル１６として使用する電池もリチウムイオン電池に限るものではなく、ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池等であってもよい。

１・・・温度制御装置
２・・・電池パック
３・・・筐体
４・・・送風装置
５・・・ファン
７・・・入力部
８・・・出力部
９・・・温度制御装置
１０・・ペルチェ
１１ａ、１１ｂ・・保持部材
１２・・保持パイプ
１３、１４・・矢印
１６・・電池セル
１７・・電池ブロック
１８・・高効率熱伝導部材
１９・・温度センサ
２０・・熱媒体
２１・・熱源
２３・・ＤＣ/ＤＣコンバータ
２４・・制御部
２５・・ＣＰＵ
２６・・ＲＯＭ
２７・・バッファ
２８・・入力ポート
２９・・出力ポート

Claims

複数の電池を収納する電池パックと、
冷房時に最低温度となる前記電池パック内の位置と、冷房時に最高温度となる前記電池パック内の位置との間に配設された高効率熱伝導部材と、
該高効率熱伝導部材の温度を測定する温度測定手段と、
該温度測定手段の温度測定結果に基づいて、前記電池パック内の温度を最適温度範囲に制御する制御手段と、
を有することを特徴とする電池パックの温度制御装置。
前記制御手段は、前記温度測定手段による測定温度が前記最適温度範囲の上限を超える時、ペルチェを駆動して前記電池パックを冷房し、前記温度測定手段による測定温度が前記最適温度範囲の下限以下の時、前記ペルチェを駆動して前記電池パックを暖房することを特徴とする請求項１に記載の電池パックの温度制御装置。
前記ペルチェには送風装置から送風が行われることを特徴とする請求項２に記載の電池パックの温度制御装置。
前記電池パック内に収納された電池は二次電池であり、前記高効率熱伝導部材は金であることを特徴とする請求項１、２、又は３に記載の電池パックの温度制御装置。