JP2013171783A

JP2013171783A - バッテリの温度調節装置及び車室内の温度調節装置

Info

Publication number: JP2013171783A
Application number: JP2012036330A
Authority: JP
Inventors: Maki Morita; 真樹森田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: JP5626237B2

Abstract

【課題】着霜の発生を抑制しながらバッテリの温度調節を行うことを目的とする。
【解決手段】車両に搭載されるバッテリの温度を調節する温度調節装置であって、吸熱面において吸熱した熱を発熱面に伝熱するペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の動作を制御するコントローラと、を有し、前記コントローラは、前記バッテリを昇温させる際に、第１の電流値にて前記ペルチェ素子を駆動する第１の処理と、前記第１の電流値よりも高い第２の電流値にて前記ペルチェ素子を駆動することにより、前記吸熱面における着霜を抑制する第２の処理と、を実行可能であることを特徴とするバッテリの温度調節装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されるバッテリの温度調節装置等に関する。

車両には、車室内の温度を調節したり、バッテリの温度を調節する様々な温度調節装置が搭載されている。この種の温度調節装置として、ヒートポンプを用いたエアコン装置が知られている。このヒートポンプ式エアコン装置では、熱交換器を用いて外気の熱エネルギーと車室内の熱エネルギーとを交換することで温度調節を行う。ここで、外気温度が低い場合、熱交換器が採熱動作により０℃以下の温度に温度低下して、着霜することがある。熱交換器が着霜した状態でエアコン装置を作動させると、熱交換器機能が低下するため、エアコン装置の能力が低下し、十分な暖房効果を得ることができなくなる。

特許文献１は、着霜対策として、電気自動車のバッテリの充電電力を用いてコンプレッサを駆動することで熱交換器を機能させ、前記電気自動車の車内空調を行う電気自動車用エアコン装置において、エアコン装置が搭乗者の乗車以前の予備動作状態になることを検知するエアコン動作検知手段と、前記熱交換器に対する着霜状態を判定する着霜判定手段と、前記エアコン動作検知手段によりエアコン動作中を検知し、且つ、前記着霜判定手段により着霜状態と判定した際、前記エアコン装置を冷房動作で駆動制御する除霜手段と、を備えることを特徴とする除霜運電制御装置を開示する。

特開平８−０２０２３９号公報特開２０１０−２８２８７８号公報特開２０１０−１１３８６１号公報

しかしながら、上述の構成では、車両走行中に熱交換器が再び着霜した場合、乗車環境を優先して暖房動作が継続される（特許文献１の段落００１８参照）。つまり、上述の構成では、車両走行中に熱交換器に発生した着霜を解消する手段が何ら考慮されていない。したがって、上述の構成を車両に搭載されるバッテリの温度調節装置に応用した場合には、暖房効率が低い状態で暖房動作が継続されることになる。

そこで、本願発明は、着霜の発生を抑制しながらバッテリの温度調節を行うことを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明に係るバッテリの温度調節装置は、車両に搭載されるバッテリの温度を調節する温度調節装置であって、吸熱面において吸熱した熱を発熱面に伝熱するペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の動作を制御するコントローラと、を有し、前記コントローラは、前記バッテリを昇温させる際に、第１の電流値にて前記ペルチェ素子を駆動する第１の処理と、前記第１の電流値よりも高い第２の電流値にて前記ペルチェ素子を駆動することにより、前記吸熱面における着霜を抑制する第２の処理と、を実行可能であることを特徴とする。

本発明によれば、着霜の発生を抑制しながらバッテリの温度調節を行うことができる。

バッテリの温度調節装置の機能ブロック図である。ペルチェ素子の温度とペルチェ素子に供給される電流との関係を示すグラフである（初期状態の温度が０℃）バッテリの温度調節装置のハードウェア構成を示している。コントローラが行う昇温処理の手順を示したフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、バッテリの温度を調節する温度調節装置の機能ブロック図である。同図を参照して、温度調節装置１は、バッテリ１０の温度を調節する。バッテリ１０は、車両を走行させるモータに供給される電力を蓄電する。バッテリ１０は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池、或いはキャパシタであってもよい。また、バッテリ１０は、複数の単電池を電気的に直列に接続した組電池であってもよい。ただし、組電池の中に互いに並列に接続された単電池が含まれていてもよい。単電池は、電池セル、或いは複数の電池セルを接続した電池モジュールであってもよい。電池セルは、充放電可能な最小単位の要素を意味する。

温度調節装置１は、ペルチェ素子２０、取得部３０、電源部４０及びコントローラ５０を含む。取得部３０は、ペルチェ素子２０の発熱面に霜が付着するか否かを判別するための判別情報を取得し、この取得した判別情報をコントローラ５０に出力する。コントローラ５０は、電源部４０からペルチェ素子２０に流れる電流の値、或いは電流の向きを制御することにより、ペルチェ素子２０の動作を制御する。

コントローラ５０は、バッテリ１０を昇温する際に、第１の電流値にてペルチェ素子２０を駆動する第１の処理と、第１の電流値よりも高い第２の電流値にてペルチェ素子２０を駆動することにより、吸熱面における着霜を抑制する第２の処理とを実行可能である。コントローラ５０がこれらの二つの異なる処理モードを有する理由を、図２を参照しながら、詳細に説明する。

図２は、ペルチェ素子２０に流れる電流値と、ペルチェ素子２０の吸熱面及び発熱面の温度との関係を示したグラフであり、初期状態においてペルチェ素子２０の吸熱面及び発熱面の温度は０℃であると仮定する。この場合、ペルチェ素子２０の発熱面は、ペルチェ素子２０に流れる電流値が高くなるほど、温度が高くなる。一方、ペルチェ素子２０の吸熱面の温度は、ペルチェ素子２０に流れる電流値が第１の電流値に到達するまで低下し、第１の電流値を超えると徐々に上昇し、第２の電流値に到達すると０℃よりも若干高い温度になる。

したがって、図２に図示するように、例えば吸熱面及び発熱面の温度がいずれも０℃である場合に、ペルチェ素子２０に流れる電流値を第２の電流値よりも低い第１の電流値に設定すると、吸熱面の温度が０℃以下に低下し、吸熱面が着霜するおそれがある。そこで、本実施形態では、吸熱面が着霜するおそれのある場合、つまり、吸熱面の温度が０℃以下に低下するおそれのある場合に、ペルチェ素子２０に供給される電流値を第１の電流値よりも高い第２の電流値に設定することにより、吸熱面の温度を上昇させる（つまり、第２の処理を行う）。これにより、吸熱面の温度を着霜が起きない温度に保つことができるため、吸熱面における着霜を抑制しながらバッテリ１０の温度調節を行うことができる。なお、吸熱面の温度が０℃以下に低下するおそれのない場合には、ペルチェ素子２０に供給される電流値を第２の電流値よりも低い第１の電流値に設定することができる（つまり、第１の処理を行う）。

ここで、第２の電流値は、ペルチェ素子２０の吸熱面の温度が着霜しない温度になるように、昇温処理を開始する際の吸熱面の初期温度に応じて適宜の値に設定することができる。例えば、ペルチェ素子２０の吸熱面の初期温度が−５℃である場合には、初期温度が０℃の場合よりも第２の電流値を高く設定する必要がある。また、第１の電流値は、第２の電流値（つまり、吸熱面と発熱面とがいずれも発熱する場合の電流値）よりも小さい適宜の値に設定することができる。

再び、図１を参照して、取得部３０は、ペルチェ素子２０の吸熱面における着霜の有無を判別するための判別情報を取得し、この判別情報をコントローラ５０に出力する。コントローラ５０は、この判別情報に基づき、ペルチェ素子２０の吸熱面が着霜しないと判別し場合には、第１の処理を行い、ペルチェ素子２０の吸熱面が着霜すると判別した場合には、第２の処理を行う。

次に、図３を参照しながら、温度調節装置１のハードウェア構成を説明する。図３は、温度調節装置のハードウェア構成を示した概略図である。ペルチェ素子２０は、Ｐ型熱電半導体２１と、Ｎ型熱電半導体２２と、発熱側電極板２３ａと、吸熱側電極板２３ｂと、発熱側ヒートシンク２４と、吸熱側ヒートシンク２５と、発熱側サーミスタ２６と、吸熱側サーミスタ２７とを含む。発熱側電極板２３ａの板厚方向の一端面には、Ｐ型熱電半導体２１及びＮ型熱電半導体２２が接触しており、他端面には発熱側ヒートシンク２４が接触している。吸熱側電極板２３ｂの板厚方向の一端面には、Ｐ型熱電半導体２１及びＮ型熱電半導体２２が接触しており、他端面には吸熱側ヒートシンク２５が接触している。

発熱側ヒートシンク２４には、複数の発熱側リブ２４ａが形成されており、これらの発熱側リブ２４ａは、発熱側配管９１（第２の管路に相当する）の内部に延出している。発熱側ヒートシンク２４には、熱伝導率の高い金属（例えば、アルミニウム）を用いることができる。発熱側配管９１は、空気流入口９１ａ及び空気排出口９１ｂを有し、空気流入口９１ａには、送風機９６（第２の送風機に相当する）が設置されており、空気排出口９１ｂはバッテリ１０に接続されている。送風機９６は、ブロワ、ファンであってもよい。

吸熱側ヒートシンク２５には、複数の吸熱側リブ２５ａが形成されている。これらの吸熱側リブ２５ａは、吸熱側配管９２（第１の管路に相当する）の内部に延出している。吸熱側ヒートシンク２５には、熱伝導率の高い金属（例えば、アルミニウム）を用いることができる。吸熱側配管９２は、空気流入口９２ａ及び空気排出口９２ｂを有し、空気流入口９２ａには送風機９７が設置されている。送風機９７（第１の送風機に相当する）は、ブロワ、ファンであってもよい。

空気流入口９１ａ,９２ａ及び空気排出口９２ｂは、車室外に設けられている。したがって、送風機９６を作動させた場合、発熱側配管９１の内部に車外の空気が取り込まれる。また、送風機９７が作動された場合、吸熱側配管９２の内部に車外の空気が取り込まれる。

補機バッテリ２８は、バッテリ１０を昇温処理する際に、ペルチェ素子２４に対して矢印方向に流れる電流を供給する。これにより、ペルチェ素子２０の吸熱側ヒートシンク２５から発熱側ヒートシンク２４に向かって熱が移動する。なお、補機バッテリ２８は、車両に搭載されるオーディオ機器等の補機に対しても電力を供給する。

発熱側ヒートシンク２４には、発熱側サーミスタ２６が設けられており、吸熱側ヒートシンク２５には、吸熱側サーミスタ２７が設けられている。発熱側サーミスタ２６は、発熱側ヒートシンク２４の温度を取得して、この取得した温度情報をＥＣＵ２９に出力する。吸熱側サーミスタ２７は、吸熱側ヒートシンク２５の温度を取得して、この取得した温度情報をＥＣＵ２９に出力する。

ＥＣＵ２９は、温度調節装置１全体の制御を司る。ＥＣＵ２９は、記憶部２９ａに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、バッテリ１０の昇温処理を実行する。また、ＥＣＵ２９は、昇温処理の際に、送風機９６、９７を作動させる処理を行う。ＥＣＵ２９は、ＣＰＵ、ＭＰＵ或いは、ＣＰＵ等が行う処理の少なくとも一部を回路的に実行するＡＳＩＣ回路であってもよい。

次に、図１の機能ブロックと、図３のハードウェア構成との対応関係を説明する。図１のコントローラ５０は、図３のＥＣＵ２９及び記憶部２９ａが協働することにより実現される。図１の電源部４０は、図３の補機バッテリ２８により実現される。図１の取得部３０は、図３の吸熱側サーミスタ２７により実現される。また、ペルチェ素子２０の吸熱面は、吸熱側ヒートシンク２５の外面に対応している。ペルチェ素子２０の発熱面は、発熱側ヒートシンク２４の外面に対応している。

次に、図４のフローチャートを参照しながら、バッテリ１０を昇温する際にＥＣＵ２９が行う処理について説明する。なお、バッテリ１０の昇温処理は、バッテリ１０の温度が所定温度以下である場合に実行される。この所定温度は、温度が低くなると内部抵抗が増大して、入出力特性が低下するバッテリ１０の特性に基づき、適宜の値に設定することができる。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ２９は、吸熱側ヒートシンク２５の着霜の有無を判別する。ここで、ＥＣＵ２９は、吸熱側ヒートシンク２５の温度に基づき、吸熱側ヒートシンク２５の着霜の有無を判別することができる。

吸熱側ヒートシンク２５が着霜する場合（ステップＳ１０１、Ｙｅｓ）、着霜を抑制する必要があるため、処理はステップＳ１０５に進み、吸熱側ヒートシンク２５が着霜しない場合（ステップＳ１０１、Ｎｏ）、そもそも着霜が起こらないため、処理はステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ２９は、補機バッテリ２８からの電力の供給を許容することにより、ペルチェ素子２０を第１の電流値で駆動するとともに、送風機９６,９７を作動させる。ペルチェ素子２０が第１の電流値で駆動されると、吸熱側ヒートシンク２５から発熱側ヒートシンク２４に熱が移動し、さらに、発熱側ヒートシンク２４で暖められた空気により、バッテリ１０が昇温される（つまり、第１の処理が行われる）。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ２９は、バッテリ１０の温度が目標温度に達したか否かを判別する。ここで、目標温度は、バッテリ１０の入出力を一定レベルに維持する観点から適宜の値に設定することができる。バッテリ１０の温度が目標温度に達した場合には（ステップＳ１０３、Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１０４に進み、バッテリ１０の温度が目標温度に達していない場合には（ステップＳ１０３、Ｎｏ）、処理はステップＳ１０２に戻る。ステップＳ１０４において、ＥＣＵ２９は、補機バッテリ２８からの電力の供給を禁止することにより、ペルチェ素子２０を停止させる。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ２９は、補機バッテリ２８からの電力の供給を許容することにより、ペルチェ素子２０を第２の電流値で駆動するとともに、送風機９６,９７を作動させる。ペルチェ素子２０が第２の電流値で駆動されると、吸熱側ヒートシンク２５から発熱側ヒートシンク２４に熱が移動し、さらに、発熱側ヒートシンク２４で暖められた空気により、バッテリ１０が昇温される。なお、本フローチャートでは、図２に図示する第２の電流値（つまり、昇温処理の開始するときの発熱面及び吸熱面の温度が０℃である場合に、着霜を抑制するのに必要な電流値）がデフォルト値として設定されているものとする。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ２９は、吸熱側ヒートシンク２５の温度が２℃よりも高いか否かを判別する。吸熱側ヒートシンク２５の温度が２℃よりも高い場合（ステップＳ１０６、Ｙｅｓ）、着霜は起こらないため、ＥＣＵ２９は、ステップＳ１０８において、第２の電流値の値を維持して、バッテリ１０の昇温処理を継続する。

吸熱側ヒートシンク２５の温度が２℃以下である場合（ステップＳ１０６、Ｎｏ）、着霜が起こるおそれがあるため、ＥＣＵ２９は、ステップＳ１０７において第２の電流値の値をΔＩ引き上げる処理を行う。例えば、昇温処理を開始するときの吸熱側ヒートシンク２５の初期温度が−５℃である場合に、ペルチェ素子２０に供給される電流値を前記デフォルト値に設定すると、吸熱側ヒートシンク２５の温度を０℃まで昇温させることができないため、第２の電流値をデフォルト値よりも高い値に引き上げる必要がある。第２の電流値がΔＩだけ引き上げられると、処理はステップＳ１０６に戻り、吸熱側ヒートシンク２５の温度が２℃より高い温度となるまで、ステップＳ１０７の処理が繰り返される。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ２９は、バッテリ１０の温度が目標温度に達したか否かを判別する。目標温度については、説明を繰り返さない。バッテリ１０の温度が目標温度に達した場合には（ステップＳ１０９、Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１１０に進み、バッテリ１０の温度が目標温度に達していない場合には（ステップＳ１０９、Ｎｏ）、処理はステップＳ１０８に戻る。ステップＳ１１０において、ＥＣＵ２９は、補機バッテリ２８からの電力の供給を禁止することにより、ペルチェ素子２０を停止させる。

上述の方法によれば、ペルチェ素子２０に供給される電流値の値を変更するという簡易な手法で、着霜を抑制しながらバッテリ１０を昇温することができる。つまり、車両走行中にペルチェ素子２０が着霜した場合であっても、ペルチェ素子２０を第２の電流値で作動させることにより、着霜を取り除くことができる。

（変形例１）
上述の実施形態では、バッテリ１０の昇温処理として第１及び第２の処理のうちいずれを選択するかをＥＣＵ２９が判断したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、乗員が第１及び第２の処理のうちいずれかを選択できるように構成してもよい。乗員は、外気温度が著しく低いと判断した場合に、第２の処理を選択することにより、着霜の発生を抑制しながらバッテリ１０を昇温させることができる。また、上述の実施形態では、着霜状態であるか否かを吸熱側ヒートシンク２５の温度に基づき判別したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、車両に搭載された外気温度センサを用いたり、或いは、車室内の温度を調節するエアコンの動作に対応させることもできる。すなわち、外気温度センサにより取得される外気温度が著しく低い場合、ＥＣＵ２９は、昇温処理として第２の処理を選択することにより、着霜の発生を抑制しながらバッテリ１０を昇温することができる。また、エアコンが暖房側に設定されている場合、ＥＣＵ２９は、昇温処理として第２の処理を選択することにより、着霜の発生を抑制しながらバッテリ１０を昇温することができる。

（変形例２）
上述のフローチャートでは、吸熱側ヒートシンク２５の温度に応じて、第２の電流値を徐々に引き上げる処理を行ったが（ステップＳ１０７参照）、本発明はこれに限るものではなく、例えば、吸熱側ヒートシンク２５の初期温度と、第２の電流値とを対応付けたデータテーブルを準備しておき、このデータテーブルにしたがって第２の電流値を設定してもよい。この場合、第２の電流値は、初めから着霜を起こさない電流値に設定されるため、より効果的に着霜の発生を抑制することができる。なお、データテーブルは、記憶部２９ａに記憶させることができる。

（変形例３）
上述の温度調節装置は、バッテリ１０を冷却する場合にも用いることができる。この場合、ＥＣＵ２９は、ペルチェ素子２０に流れる電流の向きを逆向きに変更する処理を行うとよい。ペルチェ素子２０に流れる電流の向きが逆向きになると、ペルチェ素子２０の吸熱面と発熱面とが入れ替わる。したがって、送風機９６による送風方向を反対方向（つまり、バッテリ１０からヒートシンクに向かう方向）に切り替えることにより、バッテリ１０を冷却することができる。本変形例によれば、バッテリ１０の暖房及び冷却を一つの装置で行うことができる。

（変形例４）
本発明の温度調節装置は、車室内の温度を調節するために用いることもできる。この場合、空気流入口９１ａ及び空気排出口９１ｂを車室内に設けることにより、車室内の温度を調節することができる。

（変形例５）
上述の実施形態では、発熱側ヒートシンク２４で暖められた空気をバッテリ１０に吹き付けることにより、バッテリ１０を昇温させたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、発熱側ヒートシンク２４とバッテリ１０とを接触させることにより、バッテリ１０を昇温してもよい。

１温度調節装置１０バッテリ２０ペルチェ素子２１Ｐ型熱電半導体２２Ｎ型熱電半導体２３ａ発熱側電極板２３ｂ吸熱側電極板
２４発熱側ヒートシンク２５吸熱側ヒートシンク２６発熱側サーミスタ
２７吸熱側サーミスタ３０取得部４０電源部５０コントローラ

Claims

車両に搭載されるバッテリの温度を調節する温度調節装置であって、
吸熱面において吸熱した熱を発熱面に伝熱するペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子の動作を制御するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、
前記バッテリを昇温させる際に、第１の電流値にて前記ペルチェ素子を駆動する第１の処理と、前記第１の電流値よりも高い第２の電流値にて前記ペルチェ素子を駆動することにより、前記吸熱面における着霜を抑制する第２の処理と、を実行可能であることを特徴とするバッテリの温度調節装置。
前記吸熱面における着霜の有無を判別するための判別情報を取得する取得部を有し、
前記コントローラは、前記判別情報に基づき、前記吸熱面において着霜有りと判別した場合に、前記第２の処理を実行することを特徴とする請求項１に記載のバッテリの温度調節装置。
前記第２の処理において、前記吸熱面は０℃よりも高い温度に昇温されることを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリの温度調節装置。
前記吸熱面を構成する吸熱側ヒートシンクと、
前記発熱面を構成する発熱側ヒートシンクと、
前記吸熱側ヒートシンクが内部に配置される第１の管路と、
前記発熱側ヒートシンクが内部に配置される第２の管路と、
前記第１の管路の一端側から他端側に向かって空気を送風する第１の送風機と、
前記第２の管路の一端側から他端側に向かって空気を送風する第２の送風機と、を有し、
前記バッテリは、昇温処理の際に、前記第２の管路の他端側から排気される空気によって加熱されることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のバッテリの温度調節装置。
車室内の温度を調節する温度調節装置であって、
吸熱面において吸熱した熱を発熱面に伝熱するペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子の動作を制御するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、
前記車室内を昇温する際に、第１の電流値にて前記ペルチェ素子を駆動する第１の処理と、前記第１の電流値よりも高い第２の電流値にて前記ペルチェ素子を駆動することにより、前記吸熱面における着霜を抑制する第２の処理と、を実行可能であることを特徴とする車室内の温度調節装置。