JP2014110137A - 温度調節システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 蓄電ブロックに含まれる複数の蓄電素子における温度バラツキを抑制する。
【解決手段】 温度調節システムは、蓄電モジュール(11)と、ブロア(61,62)と、コントローラ(40)とを有する。蓄電モジュールは、直列に接続された複数の蓄電ブロック(12)を有しており、複数の蓄電ブロックは、鉛直方向と直交する方向に並んで配置されている。蓄電ブロックは、複数の蓄電素子(13)を有しており、複数の蓄電素子は、鉛直方向に延びるバスバー(16,17)によって並列に接続されている。ブロアは、蓄電素子の温度調節に用いられる熱交換媒体を鉛直方向に沿って移動させる。コントローラは、ブロアの駆動状態を第1状態および第2状態の間で切り替える。第1状態では、蓄電モジュールの上方から下方に向かって熱交換媒体を移動させる。第2状態では、蓄電モジュールの下方から上方に向かって熱交換媒体を移動させる。
【選択図】 図7

Description

本発明は、複数の蓄電素子における温度を調節する温度調節システムに関する。
バスバーを用いて、複数の単電池を電気的に接続することにより、組電池を構成することがある。特許文献1では、単電池として、いわゆる円筒型電池が用いられており、バスバーを用いて複数の円筒型電池を電気的に接続している。また、特許文献1では、単電池の温度上昇を抑制するために、組電池に冷却風を供給するようにしている。
特開2003−257394号公報
複数の単電池が並列に接続されているときには、複数の単電池に対する冷却風の流し方によって、複数の単電池において、劣化のバラツキが発生してしまう。
本発明である温度調節システムは、蓄電モジュールと、ブロアと、コントローラとを有する。蓄電モジュールは、直列に接続された複数の蓄電ブロックを有しており、複数の蓄電ブロックは、鉛直方向と直交する方向に並んで配置されている。蓄電ブロックは、複数の蓄電素子を有しており、複数の蓄電素子は、鉛直方向に延びるバスバーによって並列に接続されている。ブロアは、蓄電素子の温度調節に用いられる熱交換媒体を鉛直方向に沿って移動させる。
コントローラは、ブロアの駆動を制御する。具体的には、コントローラは、ブロアの駆動状態を第1状態および第2状態の間で切り替える。第1状態では、蓄電モジュールの上方から下方に向かって熱交換媒体を移動させる。第2状態では、蓄電モジュールの下方から上方に向かって熱交換媒体を移動させる。
本発明では、複数の蓄電素子を並列に接続するためのバスバーが鉛直方向に延びており、複数の蓄電ブロックに対応した複数のバスバーが鉛直方向と直交する方向に並んで配置されることになる。ここで、バスバーが鉛直方向に延びていることにより、バスバーに液体が付着したとしても、このバスバーに沿って液体を移動させることができる。すなわち、隣り合って配置される2つのバスバーが、液体を介して導通状態となってしまうことを抑制できる。
バスバーによって並列に接続された複数の蓄電素子は、鉛直方向に沿って配置されることになる。ここで、鉛直方向に沿って熱交換媒体を移動させるときには、並列に接続された複数の蓄電素子において、温度のバラツキが発生しやすくなる。すなわち、各蓄電素子および熱交換媒体の間における熱交換が、並列に接続された複数の蓄電素子において、互いに異なってしまうため、温度のバラツキが発生しやすくなる。
蓄電素子の劣化は、温度に依存するため、複数の蓄電素子における温度のバラツキが発生すれば、複数の蓄電素子において、劣化のバラツキが発生してしまう。複数の蓄電素子は、並列に接続されているため、劣化のバラツキが発生すると、複数の蓄電素子にそれぞれ流れる電流量が異なってしまい、劣化のバラツキを拡大させてしまうおそれがある。
そこで、本発明では、ブロアの駆動状態を第1状態および第2状態の間で切り替えることにより、蓄電モジュールの上方から下方に向かって熱交換媒体を移動させたり、蓄電モジュールの下方から上方に向かって熱交換媒体を移動させたりしている。このように熱交換媒体の移動方向を切り替えることにより、並列に接続された複数の蓄電素子における温度バラツキを相殺させることができる。
蓄電モジュールの上端および下端のそれぞれには、第1ダクトおよび第2ダクトを接続することができる。第1ダクトから第2ダクトに向かって熱交換媒体を移動させれば、蓄電モジュールの上方から下方に向かって熱交換媒体を移動させることができる。ここで、第1ダクトに接続された第1ブロアを駆動することにより、蓄電モジュールの上方から下方に向かって熱交換媒体を移動させることができる。
また、第2ダクトから第1ダクトに向かって熱交換媒体を移動させれば、蓄電モジュールの下方から上方に向かって熱交換媒体を移動させることができる。ここで、第2ダクトに接続された第2ブロアを駆動することにより、蓄電モジュールの下方から上方に向かって熱交換媒体を移動させることができる。なお、1つのブロアを用いることにより、蓄電モジュールの上方から下方に向かって熱交換媒体を移動させたり、蓄電モジュールの下方から上方に向かって熱交換媒体を移動させたりすることもできる。
複数の蓄電モジュールを用いるときには、複数の蓄電モジュールを、鉛直方向と直交する方向に並んで配置することができる。このとき、複数の蓄電モジュールは、直列に接続することができる。複数の蓄電モジュールを鉛直方向と直交する方向に並べるときには、熱交換媒体を鉛直方向に沿って移動させることが好ましい。すなわち、熱交換媒体を鉛直方向に沿って移動させるための部材(第1ダクトや第2ダクトなど)を配置しやすくなる。
コントローラは、蓄電ブロックに含まれる複数の蓄電素子における劣化状態が互いに異なるとき、ブロアの駆動状態を第1状態および第2状態の間で切り替えることができる。上述したように、並列に接続された複数の蓄電素子において、温度のバラツキが発生すると、劣化のバラツキが発生してしまう。このため、並列に接続された複数の蓄電素子における劣化状態を把握することにより、ブロアの駆動状態を制御することができる。具体的には、複数の蓄電素子における劣化のバラツキが許容範囲を超えたときに、ブロアの駆動状態を第1状態および第2状態の間で切り替えることができる。
コントローラは、蓄電ブロックの電流値および電圧値に基づいて、蓄電ブロックに含まれる各蓄電素子の劣化状態(実測値)を算出することができる。また、コントローラは、蓄電ブロックに含まれる複数の蓄電素子に均等な電流が流れていると仮定したときの各蓄電素子の劣化状態(推定値)を推定することができる。ここで、蓄電ブロックに含まれる複数の蓄電素子において、劣化のバラツキが発生しているときには、劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)が互いに異なることになる。そこで、劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)が互いに異なるときに、ブロアの駆動状態を第1状態および第2状態の間で切り替えることができる。これにより、並列に接続された複数の蓄電素子における劣化のバラツキを抑制することができる。
蓄電モジュールに含まれる複数の蓄電素子は、ホルダを用いて保持することができる。ここで、各蓄電素子が、鉛直方向と直交する方向に延びているとき、ホルダは、各蓄電素子の長手方向における少なくとも一端を保持することができる。また、蓄電素子の長手方向における両端において、正極端子および負極端子がそれぞれ設けられているとき、すべての正極端子(又は負極端子)が鉛直方向に沿った平面内に位置するように、複数の蓄電素子を配置することができる。
このように、複数の蓄電素子を配置すれば、蓄電素子の長手方向における両端にバスバーを配置することにより、複数の蓄電素子を並列に接続することができる。ここで、電池ブロックを直列に接続するときには、蓄電素子の長手方向に延びるバスバーを用いて、蓄電素子の長手方向における両端に配置されたバスバーを接続すればよい。蓄電素子は、車両に搭載することができる。蓄電素子から出力された電気エネルギを運動エネルギに変換すれば、この運動エネルギを用いて車両を走行させることができる。
電池システムの構成を示す図である。 電池モジュールの構成を示す回路図である。 電池モジュールの構造を示す断面図である。 図3に示す矢印X1の方向から電池モジュールを見たときの図である。 図3に示す矢印X2の方向から電池モジュールを見たときの図である。 2つの電池モジュールを電気的に直列に接続する構造を示す図である。 電池モジュールの温度を調節するシステムを示す概略図である。 電池モジュールの温度を調節する処理を示すフローチャートである。 容量維持率(実測値)および容量維持率(推定値)の挙動を示す図である。
以下、本発明の実施例について説明する。
本発明の実施例1である電池システムについて、図1を用いて説明する。図1は、電池システムの構成を示す図である。本実施例の電池システムは、車両に搭載されている。
車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両を走行させる動力源として、後述する組電池に加えて、エンジン又は燃料電池を備えている。電気自動車は、車両を走行させる動力源として、後述する組電池だけを備えている。
組電池10の正極端子と接続された正極ラインPLには、システムメインリレーSMR−Bが設けられている。システムメインリレーSMR−Bは、コントローラ40からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。組電池10の負極端子と接続された負極ラインNLには、システムメインリレーSMR−Gが設けられている。システムメインリレーSMR−Gは、コントローラ40からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。
システムメインリレーSMR−Gには、システムメインリレーSMR−Pおよび電流制限抵抗Rが電気的に並列に接続されている。システムメインリレーSMR−Pおよび電流制限抵抗Rは、電気的に直列に接続されている。システムメインリレーSMR−Pは、コントローラ40からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。
電流制限抵抗Rは、組電池10を負荷(具体的には、後述する昇圧回路21)と接続するときに、コンデンサCに突入電流が流れることを抑制するために用いられる。コンデンサCは、正極ラインPLおよび負極ラインNLと接続されており、正極ラインPLおよび負極ラインNLの間における電圧変動を平滑化するために用いられる。
組電池10を負荷と接続するとき、コントローラ40は、システムメインリレーSMR−B,SMR−Pをオフからオンに切り替える。これにより、電流制限抵抗Rに電流を流すことができ、コンデンサCに突入電流が流れることを抑制できる。ここで、コントローラ40には、車両のイグニッションスイッチのオン/オフに関する情報が入力され、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったとき、コントローラ40は、組電池10を負荷と接続する。
次に、コントローラ40は、システムメインリレーSMR−Gをオフからオンに切り替えるとともに、システムメインリレーSMR−Pをオンからオフに切り替える。これにより、組電池10および負荷の接続が完了し、図1に示す電池システムは、起動状態(Ready-On)となる。一方、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わったとき、コントローラ40は、組電池10および負荷の接続を遮断する。具体的には、コントローラ40は、システムメインリレーSMR−B,SMR−Gをオンからオフに切り替える。これにより、図1に示す電池システムは、停止状態(Ready-Off)となる。
昇圧回路21は、組電池10の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ22に出力する。また、昇圧回路21は、インバータ22の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を組電池10に出力することができる。昇圧回路21は、コントローラ40からの制御信号を受けて動作する。本実施例の電池システムでは、昇圧回路21を用いているが、昇圧回路21を省略することもできる。すなわち、組電池10をインバータ22と接続することもできる。
インバータ22は、昇圧回路21から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ23に出力する。また、インバータ22は、モータ・ジェネレータ23が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を昇圧回路21に出力する。モータ・ジェネレータ23としては、例えば、三相交流モータを用いることができる。モータ・ジェネレータ23は、インバータ22からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータ23によって生成された運動エネルギを車輪に伝達することにより、車両を走行させることができる。
車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ23は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ(交流電力)に変換する。インバータ22は、モータ・ジェネレータ23が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を昇圧回路21に出力する。昇圧回路21は、インバータ22からの電力を組電池10に出力する。これにより、回生電力を組電池10に蓄えることができる。
正極ラインPLおよび負極ラインNLには、充電ラインCHLが接続されている。具体的には、充電ラインCHLは、組電池10およびシステムメインリレーSMR−Bの間に位置する正極ラインPLと、組電池10およびシステムメインリレーSMR−Gの間に位置する負極ラインNLとに接続されている。なお、正極ラインPLおよび負極ラインNLに対する充電ラインCHLの接続位置は、適宜設定することができる。
充電ラインCHLには、充電リレーCHRが設けられており、充電リレーCHRは、コントローラ40からの制御信号を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。また、充電ラインCHLには、充電器24が接続されており、充電器24には、インレット25が接続されている。外部電源と接続されたプラグ(図示せず)は、インレット25と接続される。外部電源とは、車両の外部において、車両とは別に設けられた電源であり、外部電源としては、例えば、商用電源がある。
プラグをインレット25に接続したとき、充電器24は、外部電源からの交流電力を直流電力に変換し、直流電力を組電池10に出力する。充電リレーCHRがオンであるとき、外部電源からの電力を用いて、組電池10を充電することができる。このような充電を、外部充電という。ここで、充電器24は、コントローラ40からの制御信号を受けて動作する。外部充電を行うときには、定電流の下で、組電池10の充電を行うことができる。
本実施例では、充電器24が車両に搭載されているが、これに限るものではない。すなわち、車両の外部に充電器24を設置することもできる。また、本実施例では、プラグをインレット25に接続することにより、外部充電を行っているが、これに限るものではない。電磁誘導や共振現象を利用することにより、ケーブルを介さずに電力を供給するシステム(いわゆる、非接触方式の充電システム)を用いて、外部充電を行うこともできる。
電流センサ31は、組電池10に流れる電流値を検出し、検出結果をコントローラ40に出力する。ここで、組電池10を放電しているときには、電流センサ31によって検出された電流値として、正の値を用いることができる。また、組電池10を充電しているときには、電流センサ31によって検出された電流値として、負の値を用いることができる。電流センサ31は、組電池10の電流値を検出できればよく、電流センサ31を設ける位置は、適宜設定することができる。
監視ユニット32は、後述するように、組電池10の一部(電池ブロック12)における電圧値を検出し、検出結果をコントローラ40に出力する。コントローラ40は、メモリ41を有しており、メモリ41は、コントローラ40が所定の処理を行うときの各種の情報を記憶している。なお、本実施例では、メモリ41がコントローラ40に内蔵されているが、コントローラ40の外部にメモリ41を配置することもできる。
図2は、組電池10の構成を示す。組電池10は、電池モジュール(本発明の蓄電モジュールに相当する)11によって構成されている。ここで、1つの電池モジュール11を用いて、組電池10を構成することもできるし、複数の電池モジュール11を用いて、組電池10を構成することもできる。複数の電池モジュール11を用いるときには、例えば、複数の電池モジュール11を電気的に直列に接続することができる。なお、複数の電池モジュール11を用いるとき、電池モジュール11の数は、適宜設定することができる。
図2に示すように、電池モジュール11は、電気的に直列に接続された複数の電池ブロック(本発明の蓄電ブロックに相当する)12を有する。図2では、一例として、電池モジュール11を、4つの電池ブロック12によって構成しているが、これに限るものではない。すなわち、電気的に直列に接続される電池ブロック12の数は、適宜設定することができる。
各電池ブロック12は、電気的に並列に接続された複数の単電池(本発明の蓄電素子に相当する)13を有する。複数の単電池13を並列に接続することにより、電池モジュール11(組電池10)の満充電容量を増やすことができ、組電池10の出力を用いて車両を走行させるときの距離(航続距離)を延ばすことができる。各電池ブロック12を構成する単電池13の数は、組電池10に要求される満充電容量を考慮して、適宜設定することができる。なお、図2では、一例として、電池ブロック12を、4つの単電池13によって構成している。
ここで、電池ブロック12を構成する単電池13の総数をNとする。単電池13の総数Nは、電池モジュール11を構成する複数の電池ブロック12において、互いに等しくすることができる。複数の電池ブロック12は、電気的に直列に接続されているため、各電池ブロック12には、等しい電流が流れる。また、各電池ブロック12では、複数の単電池13が電気的に並列に接続されているため、各単電池13に流れる電流値は、電池ブロック12に流れる電流値を、電池ブロック12を構成する単電池13の数(総数N)で除算した値となる。
具体的には、電池ブロック12を構成する単電池13の総数がN個であり、電池モジュール11(電池ブロック12)に流れる電流値がIbであるとき、各単電池13に流れる電流値は、Ib/Nとなる。ここでは、電池ブロック12を構成する複数の単電池13において、内部抵抗のバラツキが発生していないものと仮定している。言い換えれば、電池ブロック12を構成する複数の単電池13において、劣化のバラツキが発生していないものと仮定している。
単電池13としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ(コンデンサ)を用いることができる。例えば、単電池13としては、18650型の電池を用いることができる。18650型の電池は、いわゆる円筒型の電池であり、直径が18[mm]であり、長さが65.0[mm]である。円筒型の電池では、電池ケースが円筒状に形成されており、電池ケースの内部には、充放電を行う発電要素が収容されている。
発電要素は、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に配置されるセパレータとを有する。正極板は、集電板と、集電板の表面に形成された正極活物質層とを有する。負極板は、集電板と、集電板の表面に形成された負極活物質層とを有する。正極活物質層は、正極活物質や導電剤などを含んでおり、負極活物質層は、負極活物質や導電剤などを含んでいる。ここで、セパレータ、正極活物質層および負極活物質層には、電解液がしみこんでいる。なお、セパレータの代わりに、固体電解質層を用いることもできる。
図2に示すように、監視ユニット32は、各電池ブロック12の端子間電圧を検出する電圧センサ32aを有する。監視ユニット32は、各電圧センサ32aによって検出された電圧値をコントローラ40に出力する。なお、監視ユニット32は、電池モジュール11の端子間電圧を検出することもできる。
次に、電池モジュール11の構造について、図3〜図6を用いて説明する。図3は、電池モジュール11の縦断面図である。図4は、図3に示す矢印X1の方向から電池モジュール11を見たときの図であり、図5は、図3に示す矢印X2の方向から電池モジュール11を見たときの図である。図6は、2つの電池ブロック12を電気的に直列に接続する構造を説明する図である。
図3〜図5において、X軸、Y軸およびZ軸は、互いに直交する軸であり、Z軸は、鉛直方向に相当する軸である。また、X−Y平面は、水平面に相当する。図1を用いて説明したように、電池モジュール11(組電池10)は、車両に搭載されるが、Z軸は、車両の上下方向に相当する。
図2を用いて説明したように、電池モジュール11は、複数の単電池13を有している。単電池13は、X方向に延びており、単電池13の長手方向における両端部には、正極端子13aおよび負極端子13bがそれぞれ設けられている。ここで、単電池13の外装となる電池ケースは、ケース本体および蓋によって構成されている。ケース本体は、上述した発電要素を収容しており、発電要素を組み込むための開口部を有する。蓋は、ケース本体の開口部を塞いでおり、蓋およびケース本体の間には、絶縁材料で形成されたガスケットが配置される。
ガスケットを用いることにより、電池ケースの内部を密閉状態とすることができる。発電要素の正極板は、蓋と電気的に接続されており、蓋は、単電池13の正極端子13aとして用いられる。図3に示すように、正極端子13aとしての蓋は、X方向に突出した形状を有している。
一方、発電要素の負極板は、ケース本体と電気的に接続されており、ケース本体は、単電池13の負極端子13bとして用いられる。本実施例では、後述するように、X方向において蓋(正極端子13a)と対向するケース本体の端面が、バスバー17と接続されており、このケース本体の端面を負極端子13bとして用いている。
電池モジュール11を構成する複数の単電池13は、ホルダ14によって保持されている。図3に示すように、ホルダ14は、各単電池13が挿入される開口部14aを有している。本実施例では、単電池13の一端側(正極端子13aの側)に位置する領域が、開口部14aに挿入されている。また、単電池13の正極端子13aは、ホルダ14の開口部14aから突出している。
ホルダ14における開口部14aの数は、適宜設定することができる。例えば、開口部14aは、電池モジュール1を構成する単電池13の数だけ設けることができる。また、1つの開口部14aに対して、複数の単電池13を挿入することができ、この場合には、開口部14aの数は、単電池13の数よりも少なくなる。また、開口部14aを用いて、電池モジュール11で用いられる他の部材を配置することもできる。この場合には、開口部14aの数は、単電池13の数よりも多くなる。さらに、複数の単電池13を電気的に直列に接続した1つのユニットを、開口部14aによって保持することもできる。この場合には、1つの開口部14aを用いて、複数の単電池13を保持することができる。
ホルダ14を樹脂などの絶縁材料で形成すれば、ホルダ14によって保持される複数の単電池13を絶縁状態とすることができる。また、ホルダ14の開口部14aを弾性変形させることもでき、単電池13の外周面に開口部14aを密接させることができる。これにより、単電池13がホルダ14に対して、ずれてしまうことを抑制できる。
一方、ホルダ14をアルミニウムなどの金属材料で形成すれば、ホルダ14の強度を確保しやすくなる。この場合には、開口部14aおよび単電池13の間に、絶縁材料で形成された層(絶縁層)を設けることが好ましい。絶縁層を用いることにより、単電池13およびホルダ14を絶縁状態とすることができる。また、絶縁層を弾性変形させれば、絶縁層を開口部14aおよび単電池13に密接させることができる。これにより、単電池13がホルダ14に対して、ずれてしまうことを抑制できる。
モジュールケース15は、ホルダ14とともに、複数の単電池13を収容している。具体的には、モジュールケース15は、単電池13のうち、ホルダ14によって保持されていない領域を囲んでいる。モジュールケース15は、上述したホルダ14と同様に、樹脂などの絶縁材料で形成したり、金属材料で形成したりすることができる。
モジュールケース15は、X方向でホルダ14と対向する領域において、複数の開口部15aを有している。開口部15aは、電池モジュール11を構成する単電池13の数だけ設けられており、各開口部15aには、各単電池13の他端側(負極端子13bの側)に位置する領域が挿入される。単電池13を開口部15aに挿入することにより、単電池13の他端側に位置する領域を支持することができる。なお、上述したホルダ14の開口部14aと同様に、開口部15aの数は、適宜設定することができる。
ホルダ14の開口部14aから突出した正極端子13aには、正極バスバー16が接続されている。正極バスバー16は、図4に示すように、Y−Z平面に沿ってプレート状に形成されており、各正極端子13aと対向する領域において、正極タブ(図示せず)を有する。正極バスバー16には、複数の正極端子13aが接続されており、正極端子13aおよび正極バスバー16は、例えば、溶接によって接続することができる。
複数の正極端子13aを正極バスバー16に接続することにより、正極バスバー16に接続された複数の単電池13を、電気的に並列に接続することができる。図3に示す複数(4つ)の単電池13については、電気的に並列に接続されている。正極バスバー16は、Z方向に延びており、正極バスバー16と接続される複数の単電池13もZ方向に並んで配置されている。また、図4に示すように、複数の正極バスバー16は、Y方向において並んで配置されている。ここで、Y方向で隣り合う2つの正極バスバー16は、互いに離れている。
モジュールケース15の開口部15aから突出した負極端子13bには、負極バスバー17が接続されている。負極バスバー17は、図5に示すように、Y−Z平面に沿ってプレート状に形成されており、各負極端子13bと対向する領域において、負極タブ(図示せず)を有する。負極バスバー17には、複数の負極端子13bが接続されており、負極端子13bおよび負極バスバー17は、例えば、溶接によって接続することができる。
複数の負極端子13bを負極バスバー17に接続することにより、負極バスバー17に接続された複数の単電池13を、電気的に並列に接続することができる。負極バスバー17は、Z方向に延びており、負極バスバー17と接続される複数の単電池13もZ方向に並んで配置されている。また、図5に示すように、複数の負極バスバー17は、Y方向において並んで配置されている。ここで、Y方向で隣り合う2つの負極バスバー17は、互いに離れている。
正極バスバー16および負極バスバー17は、図6に示すように、接続バスバー18を介して接続されている。接続バスバー18は、X方向に延びており、接続バスバー18の一端が正極バスバー16と接続され、接続バスバー18の他端が負極バスバー17と接続されている。接続バスバー18を用いることにより、正極バスバー16によって電気的に並列に接続された複数の単電池13(一方の電池ブロック12)と、負極バスバー17によって電気的に並列に接続された複数の単電池13(他方の電池ブロック12)とを電気的に直列に接続することができる。
図4に示す構成において、正極バスバー16に液体が付着したとき、この液体は、自重によってZ方向(図4の下方向)に移動する。ここで、正極バスバー16は、Z方向に延びているため、液体は、正極バスバー16に沿って移動するだけである。言い換えれば、2つの正極バスバー16が、液体によって電気的に接続されることを防止できる。
ここで、液体としては、結露によって生成された水滴や、単電池13からガスを排出させるときに、ガスとともに排出される電解液などがある。単電池13の内部では、過充電などによってガスが発生することがある。この場合には、単電池13の内圧が過度に上昇してしまうことを抑制するために、単電池13の内部で発生したガスを、単電池13の外部に排出させることが好ましい。
そこで、単電池13に弁を設けておき、弁を閉じ状態から開き状態に変化させることにより、単電池13の外部にガスを排出させることができる。ここで、単電池13の内部には、電解液が注入されているため、ガスを排出させるときに、単電池13の外部に電解液も排出されるおそれがある。
図4に示す複数の正極バスバー16をZ方向に並べて配置したときには、以下に説明する不具合が発生してしまう。上述したように、正極バスバー16に液体が付着したとき、この液体は、自重によってZ方向に移動する。ここで、複数の正極バスバー16がZ方向に並んでいると、Z方向で隣り合う2つの正極バスバー16が、液体を介して電気的に接続されてしまう。図6に示す構成において、2つの正極バスバー16が電気的に接続されてしまうと、単電池13の短絡が発生してしまう。
本実施例によれば、上述したように、正極バスバー16に液体が付着したとしても、この液体が他の正極バスバー16に接触してしまうことを抑制できる。これにより、上述したような単電池13の短絡を防止することができる。
負極バスバー17に液体が付着したときでも、正極バスバー16に液体が付着した場合と同様である。すなわち、本実施例によれば、負極バスバー17に液体が付着したとしても、この液体は、負極バスバー17に沿って移動するだけであり、2つの負極バスバー17が液体を介して電気的に接続されてしまうことを防止できる。
次に、組電池10(電池モジュール11)の温度を調節するシステムについて、図7を用いて説明する。
組電池10(電池モジュール11)は、ケース100に収容されており、ケース100には、ダクト51,52の一端が接続されている。ダクト(本発明の第1ダクトに相当する)51の他端には、ブロア(本発明の第1ブロアに相当する)61が接続されており、ブロア61には、ダクト53の一端が接続されている。ダクト53の他端には、開口部53aが形成されている。ブロア61を駆動すれば、開口部53aからダクト53の内部に空気を取り込むことができる。この場合には、開口部53aが吸気口となる。ここで、ブロア61の駆動は、コントローラ40によって制御することができる。
ダクト53に取り込まれた空気は、ブロア61およびダクト51を通過して、ケース100の内部に導かれる。ケース100の内部に導かれた空気(本発明の熱交換媒体に相当する)は、電池モジュール11との間で熱交換を行うことにより、電池モジュール11の温度を調節する。図7に示す矢印D1は、ブロア61を駆動したときの空気の移動方向を示している。図7の矢印D1で示すように、ブロア61から供給された空気は、電池モジュール11の上方から下方に向かって移動する。
充放電などによって電池モジュール11(単電池13)の温度が上昇しているときには、冷却用の空気を電池モジュール11に供給することにより、電池モジュール11の温度上昇を抑制することができる。すなわち、冷却用の空気および電池モジュール11の間で熱交換が行われることにより、電池モジュール11の熱を奪うことができる。
また、外部環境によって電池モジュール11が過度に冷えているときには、加温用の空気を電池モジュール11に供給することによって、電池モジュール11の温度低下を抑制することができる。すなわち、加温用の空気および電池モジュール11の間で熱交換が行われることにより、電池モジュール11に熱を与えることができる。
組電池10(電池モジュール11)は、車両に搭載されるため、電池モジュール11に供給される空気としては、例えば、車内の空気を用いることができる。車内の空気としては、乗員が乗車するスペース(乗車スペース)に存在する空気や、ラゲッジスペースに存在する空気などがある。車内の空気は、車両に搭載された空調設備などによって、電池モジュール11の温度調節に適した空気となる。このため、車内の空気を電池モジュール11に供給することにより、上述した電池モジュール11の温度調節を行うことができる。
乗車スペースの空気をダクト53に取り込むときには、開口部53aを乗車スペースに露出させておけばよい。また、ラゲッジスペースの空気をダクト53に取り込むときには、開口部53aをラゲッジスペースに露出させておけばよい。
ケース100には、ダクト(本発明の第2ダクトに相当する)52の一端が接続されているため、電池モジュール11の温度を調節した後の空気は、ダクト52に導かれる。ここで、ダクト52の他端は、ブロア(本発明の第2ブロアに相当する)62に接続されており、ブロア62には、ダクト54の一端が接続されている。ダクト54の他端には、開口部54aが形成されている。ダクト52に導かれた空気は、ブロア62およびダクト54を通過して、開口部54aから排出される。このとき、開口部54aは、排気口となる。
組電池10は、車両に搭載されるため、開口部54aから排出される空気は、車内に戻すことができる。具体的には、開口部54aから排出される空気を、乗車スペースやラゲッジスペースに導くことができる。
図7に示すシステムにおいて、ブロア62を駆動すると、開口部54aからダクト54の内部に空気が取り込まれる。このとき、開口部54aは、吸気口となる。ダクト54に取り込まれた空気は、ブロア62およびダクト52を通過して、ケース100の内部に導かれる。
ケース100の内部に導かれた空気は、電池モジュール11との間で熱交換を行うことにより、電池モジュール11の温度を調節する。図7に示す矢印D2は、ブロア62を駆動したときの空気の移動方向を示している。図7の矢印D2で示すように、ブロア62から供給された空気は、電池モジュール11の下方から上方に向かって移動する。ケース100には、ダクト51が接続されているため、電池モジュール11の温度を調節した後の空気は、ダクト51に導かれる。ダクト51に導かれた空気は、ブロア61およびダクト53を通過して、開口部53aから排出される。このとき、開口部53aは、排気口となる。
組電池10は、車両に搭載されるため、開口部53aから排出される空気は、車内に戻すことができる。具体的には、開口部53aから排出される空気を、乗車スペースやラゲッジスペースに導くことができる。
図7に示す矢印D1又は矢印D2の方向に空気を流し続けると、電気的に並列に接続された複数の単電池13の配列方向(図7の上下方向)において、温度のバラツキが発生してしまうことがある。空気の移動経路において、下流側に位置する単電池13には、上流側に位置する単電池13との間で熱交換された後の空気が供給されることになる。これにより、上流側に位置する単電池13では、下流側に位置する単電池13よりも熱交換が行われやすくなる。結果として、上流側から下流側に配置された複数の単電池13において、温度のバラツキが発生してしまう。
複数の単電池13において、温度のバラツキが発生してしまうと、劣化のバラツキが発生してしまう。具体的には、単電池13の劣化を規定する内部抵抗は、単電池13の温度による影響を受けやすく、温度のバラツキに伴って、内部抵抗のバラツキが発生してしまう。ここで、複数の単電池13は、電気的に並列に接続されているため、内部抵抗のバラツキが発生すると、単電池13に流れる電流にもバラツキが発生してしまう。
すなわち、内部抵抗が低い側の単電池13には、内部抵抗が高い側の単電池13よりも大きな電流が流れてしまう。単電池13は、通電によって発熱するため、電流量にバラツキが発生すれば、発熱量もばらつくことになる。そして、発熱量のバラツキに伴って、複数の単電池13における温度がばらつくことになる。
そこで、本実施例では、電気的に並列に接続された複数の単電池13における温度のバラツキを抑制するために、ブロア61,62の駆動を切り替えることにより、図7の矢印D1で示す方向に空気を流したり、図7の矢印D2で示す方向に空気を流したりしている。矢印D1で示す方向における空気の流れと、矢印D2で示す方向における空気の流れとを切り替えることにより、複数の単電池13における温度のバラツキを相殺させることができる。すなわち、複数の単電池13における温度のバラツキを抑制することができる。
ここで、図7に示すシステムでは、矢印D1又は矢印D2の方向ではなく、図7の紙面と直交する方向に空気を流すことも考えられる。この場合には、電気的に並列に接続された複数の単電池13に対して、均一な温度の空気を接触させることができ、上述したように、複数の単電池13における温度のバラツキを抑制することができる。
ただし、組電池10(電池モジュール11)を車両に搭載する上では、図7の紙面と直交する流路を確保することが困難な場合もある。特に、複数の電池モジュール11を、図7の紙面と直交する方向に並べて配置するときには、ダクト51,52を配置するためのスペースを確保しにくいことがある。このような場合には、図7に示すように、電池モジュール11の上方および下方に、ダクト51,52を配置しやすくなる。
図7に示すシステムでは、2つのブロア61,62を用いることにより、矢印D1で示す方向における空気の流れと、矢印D2で示す方向における空気の流れとを生成しているが、これに限るものではない。具体的には、空気の移動方向を変更することができるブロアを用いれば、1つのブロアを設けるだけでよい。すなわち、1つのブロアの駆動を制御することにより、矢印D1で示す方向における空気の流れを生成したり、矢印D2で示す方向における空気の流れを生成したりすることができる。この場合には、1つのブロアは、ダクト51,52のいずれか一方に設ければよい。
なお、図7に示すシステムでは、電池モジュール11に対して空気を供給しているが、これに限るものではない。すなわち、電池モジュール11の温度を調節することができればよく、空気以外の気体を用いることもできる。
次に、ブロア61,62の駆動を制御する処理について、図8に示すフローチャートを用いて説明する。図8に示す処理は、コントローラ40によって実行することができる。
ステップS101において、コントローラ40は、ブロア61を駆動することにより、電池モジュール11の温度調節を行う。ここで、コントローラ40は、ブロア61を駆動するときには、ブロア62は駆動しない。ステップS102において、コントローラ40は、現在の単電池13における劣化状態を特定する。劣化状態を特定する方法については、後述する。
ステップS103において、コントローラ40は、電池ブロック12を構成する複数の単電池13に対して均等に電流が流れたと仮定した上で、単電池13の劣化状態を推定する。ここで、劣化状態を推定する方法については、後述する。ステップS104において、コントローラ40は、ステップS102の処理で得られた劣化状態(実測値)と、ステップS103の処理で得られた劣化状態(推定値)とを比較する。劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)が異なっているとき、コントローラ40は、ステップS105の処理を行う。一方、劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)が等しいとき、コントローラ40は、図8に示す処理を終了する。
劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)を比較するときには、2つの劣化状態を算出するときの誤差を考慮することが好ましい。すなわち、劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)が一致していないが、算出誤差の範囲内でずれているときには、劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)が互いに等しいと判別することができる。一方、劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)の差が、算出誤差を超えているときには、劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)が互いに異なっていると判別することができる。
ステップS105において、コントローラ40は、駆動対象となるブロアを変更する。すなわち、ステップS101の処理では、ブロア61を駆動しているため、ステップS105の処理において、コントローラ40は、ブロア62を駆動する。コントローラ40は、ブロア62を駆動するときには、ブロア61の駆動を停止させる。駆動対象となるブロアを変更することにより、電池モジュール11に供給される空気の移動方向(図7に示す矢印D1,D2の方向)を変更することができる。
ステップS105の処理を行った後、コントローラ40は、ブロア62だけを駆動し続ける。そして、コントローラ40は、ブロア62を駆動している状態において、劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)を比較し、これらの劣化状態が互いに異なるときには、駆動対象となるブロアを変更する。すなわち、コントローラ40は、ブロア62の駆動を停止させ、ブロア61を駆動する。
なお、1つのブロアを用いて、電池モジュール11に供給される空気の移動方向を切り替えることができるとき、コントローラ40は、ブロアに対する指令値を変更すればよい。具体的には、矢印D1で示す方向に空気が流れるようにブロアを駆動しているときには、矢印D2で示す方向に空気が流れるように、ブロアの駆動制御を変更すればよい。
次に、図8に示すステップS102およびステップS103の処理で用いられる劣化状態について説明する。単電池13の劣化が進行すると、単電池13の満充電容量が低下する。このため、ステップS102およびステップS103の処理で用いられる劣化状態としては、単電池13の容量維持率を用いることができる。容量維持率は、下記式(1)で表される。
上記式(1)において、ΔQrateは、単電池13の容量維持率を示す。Qdは、現在における単電池13の満充電容量を示し、Qiniは、単電池13が初期状態にあるときの満充電容量を示す。初期状態とは、単電池13が劣化していない状態であり、具体的には、単電池13を使用し始める直前の状態である。満充電容量Qiniは、予め求めておくことができる。
単電池13が劣化していないときには、満充電容量Qd,Qiniが互いに等しくなり、容量維持率ΔQrateは、「1」となる。一方、単電池13の劣化によって、単電池13の満充電容量が低下すると、満充電容量Qdは、満充電容量Qiniよりも小さくなる。したがって、容量維持率ΔQrateは、1よりも低くなる。
ステップS102の処理では、電流センサ31によって検出された電流値と、監視ユニット32によって検出された電圧値とを用いて、電池ブロック12の満充電容量を算出することができる。例えば、組電池10の外部充電を行うときに、電池ブロック12の満充電容量を算出することができる。
具体的には、外部充電を開始するときと、外部充電を終了したときとで、電池ブロック12のOCV(Open Circuit Voltage)を取得する。電池ブロック12のOCVは、監視ユニット32を用いて検出することができる。OCVおよびSOC(State of Charge)は、対応関係を有しているため、この対応関係を予め求めておけば、OCVに対応したSOCを特定することができる。なお、SOCとは、満充電容量に対する、現在の充電容量の割合である。
また、外部充電を行っている間、電流センサ31によって電流値(充電電流)を検出し続け、外部充電を行っている間の電流積算値を算出する。外部充電の開始時および終了時における電池ブロック12のSOCと、外部充電を行っている間の電流積算値とを取得すれば、下記式(2)に基づいて、電池ブロック12の満充電容量を算出することができる。
上記式(2)において、FCCは、電池ブロック12の満充電容量である。Iは、外部充電を行うときに、電池ブロック12(電池モジュール11)に流れる電流値である。ΣIは、外部充電を行っている間の電流積算値である。SOC_sは、外部充電を開始するときの電池ブロック12のSOCであり、SOC_eは、外部充電を終了したときの電池ブロック12のSOCである。
電池ブロック12の満充電容量を算出すれば、電池ブロック12に含まれる単電池13の満充電容量を算出することができる。ここで、電池ブロック12は、電気的に並列に接続された複数の単電池13によって構成されているため、電池ブロック12の満充電容量を、電池ブロック12を構成する単電池13の総数で除算すれば、単電池13の満充電容量を算出することができる。単電池13の満充電容量Qdを算出すれば、上記式(1)を用いることにより、現在の単電池13における容量維持率ΔQrateを算出することができる。このように算出された容量維持率(実測値)ΔQrateは、ステップS102の処理で特定される、現在の単電池13における劣化状態(実測値)に相当する。
一方、ステップS103の処理では、電池ブロック12を構成する、すべての単電池13に対して均等に電流が流れていることを仮定しているため、電流センサ31によって検出された電流値に基づいて、単電池13に流れる電流値を算出することができる。具体的には、電流センサ31によって検出された電流値を、電池ブロック12を構成する単電池13の総数で除算すれば、単電池13に流れる電流値を算出することができる。
単電池13に流れる電流値を算出した後は、特開2010−60384号公報などに記載されている電池モデルを利用することにより、単電池13の満充電容量を推定することができる。具体的には、以下に説明する劣化パラメータを推定すると、この劣化パラメータに基づいて、単電池13の満充電容量を推定することができる。
劣化パラメータには、正極および負極における組成対応のずれを示すずれ容量ΔQsと、正極における容量維持率k1と、負極における容量維持率k2とが含まれる。これらの劣化パラメータは、特開2010−60384号公報などに記載されているように、単電池13に流れる電流値に基づいて推定することができる。単電池13に流れる電流値には、電流センサ31によって検出された電流値と、電流推定値とが含まれる。
単電池13の満充電容量は、下記式(3)に基づいて推定することができる。
上記式(3)において、Qdは、電極板の単位面積あたりの満充電容量を示す。このため、満充電容量Qdに電極板の面積を乗算すれば、単電池13の満充電容量となる。θ1_0は、SOCが0[%]であるときの正極組成を示し、θ1_100は、SOCが100[%]であるときの正極組成を示す。cs,1,maxは、活物質における限界リチウム濃度である。なお、上記式(3)に示す添え字「1」は、正極を表す。
正極組成θは、活物質の表面における局所的SOCであり、活物質の界面におけるリチウム平均濃度を限界リチウム濃度cs,1,maxで除算した値となる。正極組成θ1_11_100は、正極容量維持率k1、負極容量維持率k2およびずれ容量ΔQsに依存するため、容量維持率k1,k2およびずれ容量ΔQsを推定すれば、正極組成θ1_11_100を特定することができる。
上記式(3)において、L1は、電極(正極)の厚さを示し、εs,1は、電極(正極)の体積分率を示す。Fは、ファラデー定数を示す。厚さL1および体積分率εs,1は、正極容量維持率k1に依存するため、正極容量維持率k1を推定すれば、厚さL1および体積分率εs,1を特定することができる。
上記式(3)に基づいて、満充電容量Qdを推定すれば、上記式(1)を用いることにより、満充電容量(推定値)Qdに対応した容量維持率ΔQrateを算出することができる。このように算出された容量維持率(推定値)ΔQrateは、ステップS103の処理で推定される単電池13の劣化状態(推定値)に相当する。
電池ブロック12を構成する複数の単電池13において、劣化のバラツキが発生していなければ、すべての単電池13に対して均等に電流が流れ、容量維持率(実測値)ΔQrateおよび容量維持率(推定値)ΔQrateは等しくなる。一方、電池ブロック12を構成する複数の単電池13において、劣化のバラツキが発生すると、すべての単電池13に対して均等に電流が流れなくなり、容量維持率(実測値)ΔQrateおよび容量維持率(推定値)ΔQrateは、互いに異なる。
図9には、容量維持率(実測値)ΔQrateおよび容量維持率(推定値)ΔQrateの挙動(一例)を示している。図9において、横軸は時間であり、縦軸は容量維持率ΔQrateである。時刻t1までは、容量維持率(実測値)ΔQrateおよび容量維持率(推定値)ΔQrateが一致している。一方、時刻t1以降では、電池ブロック12を構成する複数の単電池13において、劣化のバラツキが発生しており、容量維持率(実測値)ΔQrateおよび容量維持率(推定値)ΔQrateが一致しなくなる。
複数の単電池13における劣化のバラツキが発生したときの満充電容量の低下率は、複数の単電池13に対して均等に電流が流れているときの満充電容量の低下率よりも高くなる。このため、図9に示すように、時刻t1以降では、容量維持率(実測値)ΔQrateは、容量維持率(推定値)ΔQrateよりも低くなる。
図8に示す処理によれば、容量維持率(実測値)ΔQrateおよび容量維持率(推定値)ΔQrateが一致しなくなったときに、駆動対象となるブロアを切り替えている。これにより、電池ブロック12を構成する複数の単電池13において、劣化のバラツキを抑制することができ、容量維持率(実測値)ΔQrateが、容量維持率(推定値)ΔQrateから乖離することを抑制できる。
本実施例では、図8および図9を用いて説明したように、劣化状態(実測値)および劣化状態(推定値)を比較することにより、電池ブロック12を構成する複数の単電池13における劣化のバラツキを特定しているが、これに限るものではない。すなわち、複数の単電池13における劣化のバラツキを特定することができればよく、劣化のバラツキが発生したときに、駆動対象となるブロアを変更すればよい。ここでいう劣化のバラツキとは、最大のバラツキが許容範囲を超えていることをいう。例えば、電池ブロック12を構成する各単電池13の劣化状態(内部抵抗など)を算出できれば、この算出結果に基づいて、劣化のバラツキを把握することができる。
10:組電池、11:電池モジュール(蓄電モジュール)、
12:電池ブロック(蓄電ブロック)、13:単電池(蓄電素子)、13a:正極端子、
13b:負極端子、14:ホルダ、14a:開口部、15:モジュールケース、
15a:開口部、16:正極バスバー、17:負極バスバー、18:接続バスバー、
21:昇圧回路、22:インバータ、23:モータ・ジェネレータ、24:充電器、
25:インレット、31:電流センサ、32:監視ユニット、32a:電圧センサ、
40:コントローラ、41:メモリ、51,52,53,54:ダクト、
53a,54a:開口部、61,62:ブロア

Claims (8)

  1. 鉛直方向に延びるバスバーによって並列に接続された複数の蓄電素子からなる蓄電ブロックと、
    鉛直方向と直交する方向に並んで配置され、直列に接続された複数の前記蓄電ブロックからなる蓄電モジュールと、
    前記蓄電素子の温度調節に用いられる熱交換媒体を鉛直方向に沿って移動させるためのブロアと、
    前記ブロアの駆動を制御するコントローラと、を有し、
    前記コントローラは、前記ブロアの駆動状態を、前記熱交換媒体を前記蓄電モジュールの上方から下方に向かって移動させる第1状態と、前記熱交換媒体を前記蓄電モジュールの下方から上方に向かって移動させる第2状態との間で切り替えることを特徴とする温度調節システム。
  2. 前記蓄電モジュールの上端に接続された第1ダクトと、
    前記蓄電モジュールの下端に接続された第2ダクトと、を有しており、
    前記ブロアは、前記第1ダクトに接続された第1ブロアと、前記第2ダクトに接続された第2ブロアとを含んでおり、
    前記コントローラは、前記第1状態において前記第1ブロアを駆動し、前記第2状態において前記第2ブロアを駆動することを特徴とする請求項1に記載の温度調節システム。
  3. 前記蓄電モジュールを複数有しており、
    前記複数の蓄電モジュールは、鉛直方向と直交する方向に並んで配置され、互いに直列に接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の温度調節システム。
  4. 前記コントローラは、前記蓄電ブロックに含まれる前記複数の蓄電素子における劣化状態が互いに異なるとき、前記ブロアの駆動状態を前記第1状態および前記第2状態の間で切り替えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の温度調節システム。
  5. 前記コントローラは、
    前記蓄電ブロックの電流値および電圧値に基づいて、前記蓄電ブロックに含まれる前記各蓄電素子の劣化状態を算出し、
    前記蓄電ブロックに含まれる前記複数の蓄電素子に均等な電流が流れていると仮定したときの前記各蓄電素子の劣化状態を推定し、
    算出した前記劣化状態と、推定した前記劣化状態とが互いに異なるとき、前記ブロアの駆動状態を前記第1状態および前記第2状態の間で切り替えることを特徴とする請求項4に記載の温度調節システム。
  6. 前記蓄電モジュールに含まれる前記複数の蓄電素子を保持するホルダを有し、
    前記各蓄電素子は、鉛直方向と直交する方向に延びており、
    前記ホルダは、前記各蓄電素子の長手方向における少なくとも一端を保持することを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の温度調節システム。
  7. 前記蓄電素子は、長手方向における両端において、正極端子および負極端子をそれぞれ有しており、
    前記複数の蓄電素子における前記正極端子又は前記負極端子が、鉛直方向に沿った平面内に位置していることを特徴とする請求項6に記載の温度調節システム。
  8. 前記蓄電素子は、車両に搭載されており、前記車両を走行させる運動エネルギに変換される電気エネルギを出力することを特徴とする請求項1から7のいずれか1つに記載の温度調節システム。
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