JP2014032920A - 温度調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換素子の消費電力を低減させることができ、かつ、車両に搭載される電子機器を効率よく温度調節すること。
【解決手段】温度調節装置１３は、電気自動車が走行することで電気自動車の内部に導入される外気によって電池１１の温度調節を行う。温度調節装置１３は、外気を加熱又は冷却するペルチェ素子２５を備えている。制御装置２８は、電池１１と熱交換を行う前の外気の温度に基づいてペルチェ素子２５に供給される電流量を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両が走行することで車両の内部に導入される外気によって車両に搭載される電子機器の温度調節を行う温度調節装置に関する。

車両に搭載される電子機器を温度調節するために外気を利用するものとしては、例えば特許文献１に記載の自動車用バッテリの温度制御モジュールが挙げられる。
この温度制御モジュールにおいて、バッテリユニット（二次電池）はケーシングによって区画されたコンパートメント内に設置されるとともに、ケーシングには熱電セル（熱電変換素子）が設けられている。熱電セルは、第１の面がコンパートメントの内部を流れる外気と接触し得るようにコンパートメントの境界領域に設置されている。また、熱電セルは、第２の面がケーシングの外部を流れる外気と接触し得るように設置されている。そして、バッテリユニットは、コンパートメントの内部を流れる外気によって加熱又は冷却される。

特開２００９−３０２０５４号公報

ところで、近年、省エネルギーなどの観点から、熱電セルの消費電力を低減させることが望まれている。
本発明の目的は、熱電変換素子の消費電力を低減させることができ、かつ、車両に搭載される電子機器を効率よく温度調節することができる温度調節装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、車両が走行することで前記車両の内部に導入される外気の加熱又は冷却を可能とした熱電変換素子と、前記熱電変換素子への電流供給を制御する制御部と、を備え、前記外気によって前記車両に搭載される電子機器の温度調節を行う温度調節装置であって、前記制御部は、前記電子機器と熱交換を行う前の前記外気の温度と、前記車両の速度に基づいて前記熱電変換素子への電流供給量を制御することを要旨とする。

これによれば、制御部は、外気の温度と、車両の速度と、を考慮して熱電変換素子の放熱量又は吸熱量を調整する。このため、外気を電子機器の温度調節に用いつつ、電子機器を規定温度に温度調節するために必要な温度分だけ、熱電変換素子の加熱又は冷却によって温度調節された外気で補うことができる。外気の温度が電子機器の温度調節を行うのに十分な温度の場合（外気単独で電子機器を規定温度に温度調節できる場合）に、熱電変換素子によって外気を過剰に冷却したり、過剰に加熱したりすることが防止される。このため、熱電変換素子に無駄に供給される電流量を減らすことができ、熱電変換素子の駆動に伴う消費電力を低減させることができる。また、外気単独では、電子機器を規定温度に温度調節できない場合、制御部は、温度調節に必要な電流量を熱電変換素子に供給することで、外気の温度が熱電変換素子の放熱又は吸熱によって補われるため、電子機器を効率よく温度調節することができる。更に、外気の温度に加え、車両の速度に基づいて熱電変換素子への電流供給量が制御される。車両の内部に導入される外気の流量は、車両の速度が速くなると多くなる。このため、車両の速度が速くなると、外気による電子機器に対する温度調節効率は向上する。したがって、外気の温度に加えて車両の速度を加味して熱電変換素子への電流供給量を制御することで、熱電変換素子によって外気を過剰に冷却したり、外気を過剰に加熱したりすることを更に減らすことができる。このため、熱電変換素子に無駄に供給される電流量を更に減らすことができる。

また、前記制御部は、前記電子機器と熱交換を行う前の前記外気の温度と、前記車両の速度に加え、前記電子機器の温度に基づいて前記熱電変換素子への電流供給量を制御してもよい。

これによれば、制御部は、電子機器と熱交換を行う前の外気の温度と、車両の速度に加え、電子機器の温度を考慮して熱電変換素子の放熱量又は吸熱量を調整することができる。電子機器の温度によっては、温度調節を行うのに適した外気の温度が異なる。このため、外気の温度と、車両の速度に加えて、電子機器の温度も加味して熱電変換素子の放熱量又は吸熱量を制御することで、外気の温度を、電子機器の温度調節に適した温度に調節して電子機器の温度調節を行うことができる。

また前記電子機器に送風を行う送風機を備え、前記制御部は、前記車両の速度に基づいて前記送風機への電流供給量を制御してもよい。
これによれば、制御部が、車両の速度に基づいて送風機への電流供給量を制御することで、送風機の送風量を調整することができる。このため、外気単独では電子機器を規定温度に温度調節しにくいときは、送風機による送風によって外気の流量を補うことができる。また、外気を熱電変換素子によって加熱又は冷却しても電子機器を規定温度に温度調節できない場合に、送風機によって送風を行うことで、電子機器を規定温度に温度調節することができる。このため、電子機器に供給される外気の流量が、電子機器の温度調節を行うのに十分な場合（送風機を駆動しなくても電子機器を規定温度に温度調節できる場合）に、送風機によって過剰に送風を行うことが抑制される。このため、送風機への電流供給量を低減させることができ、送風機の駆動に伴う消費電力を低減させることができる。

また、前記制御部は、前記車両の速度が前記電子機器に前記外気を供給できる速度に所定時間以上維持された継続走行時には、前記送風機に電流を供給しなくてもよい。
これによれば、継続走行時には、電子機器に対して継続的に外気が供給されているとみなして、送風機が駆動されない。したがって、外気が十分に導入されているときには、送風機が駆動されず、送風機の駆動によって消費する電力を低減させることができる。

本発明によれば、熱電変換素子の消費電力を低減させることができ、かつ、車両に搭載される電子機器を効率よく温度調節することができる。

実施形態の電気自動車を示す概略図。 実施形態の温度調節装置の概略断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、車両としての電気自動車１０には、電池１１（二次電池）が搭載されている。電池１１には、モータ１２が電気的に接続されている。電気自動車１０は、電池１１から供給される電力によって駆動するモータ１２を駆動源として走行する。

図２に示すように、電池１１は、電気自動車１０の内部に形成された電池収容部２１に収容されている。電池収容部２１には、電池収容部２１に外気を導入する導入路２２が接続されている。電池収容部２１には、導入路２２から電池収容部２１に導入された外気を車両の外部に排出する排出路２３が接続されている。導入路２２には、電池収容部２１に送風を行う送風機２４が配設されている。送風機２４は、供給される電流に比例して、電池収容部２１への送風量を増加させる。導入路２２には、導入路２２を流通する外気を加熱又は冷却する熱電変換素子としてのペルチェ素子２５が配設されている。具体的にいえば、ペルチェ素子２５は、吸熱と放熱の相反する作用を行う第１面２５ａ及び第２面２５ｂを有しており、外気を加熱又は冷却する第１面２５ａが導入路２２の内部に露出し、第２面２５ｂが導入路２２の外部に露出している。ペルチェ素子２５は、電流供給量によって、第１面２５ａ及び第２面２５ｂが行う吸熱量及び放熱量が変化する。

電池１１には、電池１１の温度を測定する温度センサ２６が設けられている。また、電気自動車１０には、電気自動車１０の速度を測定する速度センサ２７が設けられている。導入路２２上には、導入された外気の温度を測定する外気温度センサ２９が設けられている。温度センサ２６、速度センサ２７は及び外気温度センサ２９から出力される信号は、制御装置２８に入力される。温度センサ２６は、電池１１の温度を制御装置２８に入力する。速度センサ２７は、電気自動車１０の速度（車速）を制御装置２８に入力する。外気温度センサ２９は、導入された外気（電池１１と熱交換を行う前の外気）の温度を制御装置２８に入力する。

制御部としての制御装置２８は、ペルチェ素子２５及び送風機２４を制御する。制御装置２８は、電池１１の温度、車速（電気自動車１０の速度）及び外気の温度（外気温）に基づいてペルチェ素子２５及び送風機２４の制御を行う。具体的にいえば、制御装置２８は、ペルチェ素子２５への電流供給量、ペルチェ素子２５の第１面２５ａ及び第２面２５ｂの吸熱と放熱の切り替え及び送風機２４への電流供給量を制御する。本実施形態の温度調節装置１３は、導入路２２、電池収容部２１、排出路２３、送風機２４、ペルチェ素子２５及び制御装置２８から構成されており、車両に搭載される電子機器としての電池１１の温度調節を行う。

上記のように構成された電気自動車１０は、走行することで導入路２２を介して電池収容部２１（車両の内部）に外気が導入される。その外気は電池１１に供給される。電池収容部２１に導入される外気は、電気自動車１０の速度が速いほど増加する。電池収容部２１に導入された外気によって電池１１は温度調節される。

次に、本実施形態の制御装置２８が行う制御について詳細に説明する。
制御装置２８は、電気自動車１０の電池１１の温度、車速、及び外気の温度（外気温）の関係から、ペルチェ素子２５及び送風機２４を駆動させるか否か、すなわち、ペルチェ素子２５及び送風機２４に電流を供給するか否かを各センサ２６，２７，２９からの情報に基づいて判断する。

制御装置２８は、電池１１の温度が規定温度以外であれば、温度調節を行う。なお、「規定温度」とは、電池１１の温度が、放電に支障をきたす低温側温度より高く、電池１１の劣化を促進する高温側温度より低い範囲の温度である。

まず、制御装置２８は、電池１１の温度を、現在の温度から目標温度（規定温度範囲内の任意の温度）まで温度調節するのに必要な外気の温度（以下、必要温度という）及び必要な車速（以下、必要速度という）を導出する。以下、必要温度と必要速度の導出方法について具体的に説明する。

必要温度は、車速によって左右される、例えば、電池１１を冷却する場合には、電池収容部２１に供給される外気の流量が増えれば増えるほど外気による電池１１に対する冷却効率は向上する。このため、車速が速くなれば、電池収容部２１に供給される外気の温度が高くても電池１１を目標温度に冷却することが可能となる。逆に、車速が遅くなれば、電池収容部２１に供給される外気の温度が低くても、電池１１を冷却することが不可能となる。

必要速度は、外気の温度によって左右される。例えば、電池１１を冷却する場合には、外気の温度が低ければ低いほど電池１１に対する冷却効率は向上する。このため、外気の温度が低くなれば、電気自動車１０の速度（車速）が遅くても電池１１を目標温度に冷却することが可能となる。逆に、外気の温度が高くなれば、電気自動車１０の速度（車速）が速くても電池１１を目標温度に冷却することが不可能となる。

上記したように、必要温度と必要速度は、相互に関連しあい、電池１１の温度を現在の温度から目標温度まで温度調節するための必要温度と、必要速度との組み合わせは、複数存在し、これらの組み合わせは、例えば、制御装置２８に備えられる図示しない記憶部にマップとして記憶されている。そして、制御装置２８は、現在の温度から目標温度に電池１１を温度調節するためにマップから必要温度及び必要速度を導出する。

そして、制御装置２８は、必要温度及び必要速度の条件が満たされるようにペルチェ素子２５及び送風機２４を制御する。制御装置２８は、外気の温度と必要温度の差を補えるだけの電流量をペルチェ素子２５に供給する。ペルチェ素子２５への電流供給量は、ペルチェ素子２５と熱交換を行う前の外気の温度と、必要温度の差に比例し、外気の温度と必要温度の差が大きい場合には、ペルチェ素子２５への電流供給量が多くなり、外気の温度と必要温度の差が小さい場合には、ペルチェ素子２５への電流供給量が少なくなる。

制御装置２８は、車速と必要速度の差を補えるだけの電流量を送風機２４に供給する。送風機２４への電流供給量は、車速と必要速度の差に比例し、車速と必要速度の差が大きい場合には、送風機２４への電流供給量が多くなり、車速と必要速度の差が小さい場合には、送風機２４への電流供給量が少なくなる。

また、特に好ましくは、制御装置２８は、必要温度と必要速度の複数の組み合わせの中から、最も消費電力が少なくなる組み合わせを選択する。具体的にいえば、制御装置２８は、複数の組み合わせの中から、ペルチェ素子２５よりも送風機２４を優先して駆動させる組み合わせを選択する。すなわち、制御装置２８は、外気をペルチェ素子２５で加熱又は冷却するよりも、電池１１に供給される外気の流量を調整して、電池１１を温度調節する必要温度と必要速度の組み合わせを選択する。ペルチェ素子２５は、送風機２４に比べて消費電力が大きいため、なるべくペルチェ素子２５を駆動させずに、電池１１を温度調節することで、消費電力を低減させることができる。

次に、本実施形態の温度調節装置１３の作用について説明する。
上記したように、制御装置２８は、外気の温度が必要温度となり、車速が必要速度となるようにペルチェ素子２５及び送風機２４に電流を供給する。そして、電池１１は、必要温度に温度調節された外気と熱交換を行うことで、規定温度に温度調節される。

したがって、上記実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）制御装置２８は、電池１１の温度、電池１１と熱交換を行う前の外気の温度及び車速に基づいて電池１１を温度調節するための必要温度及び必要速度を導出している。そして、外気の温度が必要温度に満たない場合には、外気の温度と、必要温度の差分だけペルチェ素子２５による加熱又は冷却によって補うことができるため、ペルチェ素子２５によって外気を過剰に冷却したり、過剰に加熱したりすることが防止される。このため、ペルチェ素子２５に無駄に供給される電流量を減らすことができ、ペルチェ素子２５の駆動に伴う消費電力を低減させることができる。また、外気単独では電池１１を規定温度に温度調節できない場合、制御装置２８は、電池１１の温度調節に必要な電流量をペルチェ素子２５に供給する。これにより、外気の温度は必要温度に加熱又は冷却されるため、電池１１を効率よく温度調節することができる。

（２）電池１１と熱交換を行う前の外気の温度と、車速に加え、電池１１の温度も加味して必要温度及び必要速度を導出している。電池１１の温度によっては、温度調節に適した温度が異なるため、電池１１の温度を加味して必要温度及び必要速度を導出することで、ペルチェ素子２５によって、外気の温度を電池１１の温度調節に適した温度に加熱又は冷却することができる。

（３）制御装置２８は、車速が必要速度に満たない場合には、車速と必要速度の差分の外気の流量を補うように送風機２４を駆動させる。このため、電池１１の温度調節を行うために送風機２４によって過剰に送風を行うことが防止される。したがって、送風機２４に無駄に供給される電流量を減らすことができ、送風機２４の駆動に伴う消費電力を低減させることができる。

なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、制御装置２８は、電気自動車１０の速度が、電池１１に外気を供給できる速度に所定時間以上維持された継続走行時には、送風機２４に電流を供給しなくてもよい。すなわち、継続走行時には、送風機２４を駆動しなくてもよい。継続走行時には、電池１１に継続的に外気が供給されていると考えられ、このような場合には送風機２４に電流を供給しないことで、送風機２４の駆動に伴う消費電力を低減させることができる。

○ 実施形態において、電池１１の温度を温度センサ２６によって測定して、電池１１の温度と外気の温度などとの関係から必要温度及び必要速度を導出したが、電池１１に温度センサ２６を設けなくてもよい。この場合、電池１１の温度を所定の範囲内に維持できる必要温度及び必要速度を予め設定する。そして、ペルチェ素子２５及び送風機２４の駆動によって、外気の温度が予め設定された必要温度となり、電気自動車１０の速度が予め設定された必要速度（必要な外気の流量）となるように加熱又は冷却を行う。この場合、温度センサ２６が不要となり、部品点数を削減することができる。

○ 実施形態において、送風機２４は、排出路２３や、電池収容部２１に配設されていてもよい。また、ペルチェ素子２５は、電池収容部２１に配設されていてもよい。
○ 実施形態において、電池１１以外の電子機器を温度調節してもよい。例えば、モータ１２や、ＤＣＤＣコンバータなどの電子機器を温度調節してもよい。

○ 実施形態において、制御装置２８は、電池１１からモータ１２へ供給される電力量などから、電池１１の温度変化を予め予測して、ペルチェ素子２５及び送風機２４に供給される電流量を制御してもよい。

１０…車両としての電気自動車、１１…電子機器としての電池、１２…電子機器としてのモータ、１３…温度調節装置、２１…車両の内部としての電池収容部、２４…送風機、２５…熱電変換素子としてのペルチェ素子、２８…制御部としての制御装置。

Claims (4)

1. 車両が走行することで前記車両の内部に導入される外気の加熱又は冷却を可能とした熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子への電流供給を制御する制御部と、を備え、前記外気によって前記車両に搭載される電子機器の温度調節を行う温度調節装置であって、
   前記制御部は、前記電子機器と熱交換を行う前の前記外気の温度と、前記車両の速度に基づいて前記熱電変換素子への電流供給量を制御することを特徴とする温度調節装置。
2. 前記制御部は、前記電子機器と熱交換を行う前の前記外気の温度と、前記車両の速度に加え、前記電子機器の温度に基づいて前記熱電変換素子への電流供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の温度調節装置。
3. 前記電子機器に送風を行う送風機を備え、
   前記制御部は、前記車両の速度に基づいて前記送風機への電流供給量を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度調節装置。
4. 前記制御部は、前記車両の速度が前記電子機器に前記外気を供給できる速度に所定時間以上維持された継続走行時には、前記送風機に電流を供給しないことを特徴とする請求項３に記載の温度調節装置。