JP2014510996A

JP2014510996A - 車両用駆動バッテリーの加温方法及び装置

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Publication number: JP2014510996A
Application number: JP2013554823A
Authority: JP
Inventors: ドメルベルンハルト
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2014-05-01
Also published as: CN103392258A; DE102011004624A1; EP2678896A1; CA2826329A1; KR20140015342A; WO2012113583A1; US20130330578A1

Abstract

車両の駆動バッテリー（120）を加温する方法を提案する。車両は，インバータ（130）と，駆動バッテリー（120）及びインバータ（130）を熱的に接続する冷却回路（250）と，電気機械（140）とを備える。電機機械（140）はインバータ（130）から交流電流が供給され，この交流電流は，駆動バッテリー（120）が供給する直流電流からインバータ（130）によって生成するものである。本発明においては，交流電流の無効電流成分を設定することにより，インバータ（130）において駆動バッテリー（120）を加温するための損失熱を冷却回路（250）によって生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は，車両用駆動バッテリーを加温するための方法及び装置，並びに対応する加温装置を有する車両駆動システムに関するものである。

乗用車分野で適用される駆動力供給用のバッテリー（例えばリチウム電池）は，寒冷時には非常に僅かな電力しか取り出せない。寒冷時に取り出すことのできる電力を実際に取り出す際には内部損失が発生するが，これはバッテリーを適切な使用温度まで加温するには不十分である。従来，車載バッテリーは様々な対策によって使用温度まで加温している。しかしながら，従来の対策は，例えば付加的ハードウェアの観点から更なるコストを必要とする。

ドイツ特許第4027149号明細書は，ハウジング内に設置されてバッテリーに両面接着フィルムで取り付けられた電子式バッテリーヒーターを開示している。

ドイツ特許第4027149号明細書

上述した背景技術に鑑み，本発明は，独立請求項に記載したとおりの，車両駆動バッテリーを加温するための改善された方法，車両駆動バッテリーヒーターを加温するための改善された装置，並びに車両の改善された駆動システムを提供するものである。本発明の有利な実施形態は，従属請求項と，以下の記載から明らかである。

本発明は，無効電流の冷却液の加温に利用する着想に基づいている。加熱された冷却水を駆動バッテリーの加温にも利用するものである。本発明の基本原理は，車両における通常動作用の既存ハードウェアにより，寒冷状態のバッテリーから取り出せる電力の全部又は大部分を熱に変換する点にある。この場合，既存ハードウェアは，駆動バッテリーの他に，インバータ及び電気機械によって構成されている。

一実施形態によれば，インバータは電気機械に交流電流を供給し，機械に殆どトルクを生じさせず，もっぱら抵抗損失のみを，又は主として抵抗損失を廃熱の形態で生じさせる。電気的には，機械の電流は無効電流である。交流電流を生成することによって，インバータ切換え素子の切換え及び導通損失が発生し，これにより冷却回路の冷却液が加温される。インバータ及び駆動バッテリーは冷却回路に熱的に接続されており，流体的に直列に接続されているため，加温された冷却水は駆動バッテリーを通って流れ，駆動バッテリーを加温することができる。

本発明の利点は，駆動バッテリーを無効電流によって加温するため，加温するための更なるハードウェアのコストが発生しないことである。このため，コスト及び設置スペースを削減することができる。また，このような駆動バッテリーヒーターの実装は，簡単な製造技術である。駆動バッテリーは，低温時に完全な性能を発揮させるために加温する必要があるところ，本発明では，コールドスタート時でも駆動バッテリーを可及的速やかに十分な性能が発揮できるように加温することが可能である。従って，駆動バッテリーが接続されている冷却回路内の冷却液を，乗用車に搭載可能な補助ヒーター又は熱交換器によって加温する必要がなく，このような熱交換器のためのバッテリー又は外部電源型のヒーターも不要である。更に，駆動バッテリー用の内部加温セルを省くこともできる。

本発明は，インバータと，駆動バッテリー及びインバータを熱的に接続する冷却回路と，電気機械とを備える車両の駆動バッテリーを加温する方法を提供する。この電気機械はインバータから交流電流が供給されるように構成されており，その交流電流は，インバータが駆動バッテリーから取り出した直流電流によって生成するものである。本発明に係る加温方法は，駆動バッテリーを冷却回路によって加温するための損失熱をインバータ内で生成するよう，交流電流の無効電流成分を設定するステップを含んでいる。

車両は，例えば，乗用車又はトラック等の自動車，航空機，船舶などの電動車両であってもよい。駆動バッテリーは，このような電動車両に駆動力を供給する。従って，駆動バッテリーは，二次電池又は蓄電池，特にリチウム電池で構成される電気化学的なエネルギー貯蔵手段であってもよい。駆動バッテリーは，電力を直流電流として出力するように構成されている。インバータは，駆動バッテリーから直流電流が供給される構成とされている。この場合にインバータは，バッテリーから取り出される直流電流を交流電流に変換するための電気装置である。変換プロセスによってインバータの変換素子に損失が発生し，この損失は熱としてバッテリーの加温に使用される。即ち，冷却回路内の冷却液は，交流電流への変換に際して生じるインバータからの損失熱を吸収すると共に駆動バッテリーに放出することにより，バッテリーを加温することができる。インバータによってバッテリーの直流電流から得られる交流電流は，三相電流又は三相交流電流である。交流電流は，有効電流成分と無効電流成分とを含むことができる。その有効電流成分は，電気機械から機械的な駆動力を取り出す場合に利用することができる。電気機械は，電気モータであってもよい。無効電流成分は電気機械により，機械的な動力ではなく，加温用の電力に変換される。従って，無効電流成分は電気機械の通常動作時にはできる限り小さく保たれる。本発明によれば，より多くの損失熱を生成させるために交流電流の無効電流成分を，電気機械の通常動作に必要とされる以上に増大させる。無効電流成分による損失熱は，インバータ及び電気機械の両者において発生する。必要とされる交流電流の特定の位相整合は，電気機械の停止時に，例えば一定のレゾルバ角度パターンを適用して行うことができる。回転機械の場合，例えば適切な制御技術に基づいて，無効電流成分の所望の増大効果が得られるように交流電流の位相整合を制御することができる。

この場合，交流電流の無効電流成分を設定するステップにおいて，交流電流の無効電流成分は，駆動バッテリーの温度に応じて設定することができる。駆動バッテリーは，駆動バッテリーの出力が最大となる最適な使用温度範囲を有している。現在の駆動バッテリーの温度が最適使用温度範囲未満の場合，無効電流成分を増大させることができる。増大された無効電流成分は，駆動バッテリーを最適使用温度範囲内の温度まで昇温させるために使用する。その温度は，インバータの熱が冷却回路により駆動バッテリーに放出されることによって上昇する。この場合，無効電流成分は可変設定することができる。この実施形態は，駆動バッテリーを低コストで効率的に加温できる利点を提供する。

交流電流の有効電流成分を設定するための設定ステップは，電気機械によって機械的な駆動力を供給されるように実行することができる。有効電流成分は，電気機械により機械的な駆動力に変換することができる。駆動バッテリーは，その温度が最適使用温度範囲内になるように加温されると，無効電流成分が増大するように有効電力成分を低減させることができる。この実施形態は，低温状態での過大放電によるバッテリー損傷を回避できるという利点を提供するものであり，駆動バッテリーを最適使用温度に加温して最大の機械的駆動力を利用可能とするものである。

一実施形態によれば，交流電流の有効電流成分を設定するための設定ステップにおいて，駆動バッテリー温度が所定温度に満たない場合に交流電流の無効電流成分を，所要の機械的駆動力とは関係なく，ゼロ又はほぼゼロに設定することができる。この所定温度はある閾値を有し，その閾値を下回る場合には，バッテリーを保護するために可及的に少ない電力のみを取り出さなければならない。バッテリーの温度が所定温度に満たない場合には，有効電流の供給をインバータによって制限する。有効電流の供給制限は，その制限により，車両の駆動に必要とされる機械的駆動力よりも小さい駆動力が電気機械から供給されるようになるまで持続させることができる。あるいは，インバータからより多くの無効電流を供給することもできる。この実施形態は，寒冷時でも可及的速やかに駆動バッテリーを最適使用温度範囲まで昇温させるための，非常に効率的な加温を行うことができるという利点を提供する。

更なる実施形態によれば，設定ステップにおいて，交流電流の無効電流成分と有効電流成分との比を，駆動バッテリーの温度に応じて可変設定することができる。駆動バッテリーの実際の温度が要求される最適使用温度に近いほど，有効電流成分の比を高く設定することができる。本発明の更なる実施形態によれば，駆動バッテリーを加温するための加温電力は，必要に応じて，それぞれの温度に適合させることができるという利点も提供する。即ち，電気機械のハイブリッド動作が可能となる。換言すれば，交流電流の一部を例えばトルクの発生に使用し，残部を加温に使用することができる。このように，交流電流におけるトルク電力及び加温電力の比，又は有効電流及び無効電流の比を，所要に応じて適切に配分することが可能となる。

一実施形態によれば，電気機械も冷却回路に熱的に接続する。この場合，設定ステップにおいて交流電流の無効電流成分を，電気機械において駆動バッテリーを冷却回路により更に加温するための更なる損失熱が生成されるように設定することができる。電気機械がインバータ及び駆動バッテリーと同じ冷却回路に設置されている車両では，冷却回路内に放出される電気機械の抵抗損失も，駆動バッテリーの加温に使用することができる。この実施形態は，駆動バッテリーを加温するための最大熱量を生成することができるという利点を提供する。この場合にも，有効電流成分による電気機械の損失熱を駆動バッテリーの加温に使用する。従って，インバータによって供給される無効電流の全てを駆動バッテリーの加温に使用することができる。

また，駆動バッテリーの温度を取得するための信号を取り出すステップを追加することができる。この信号は，例えば周囲温度又は駆動バッテリー温度を検出する温度センサの出力信号であるが，駆動バッテリー温度の判断に使用できるものであれば他の状態を示す信号でもよい。この実施形態は，バッテリー温度を確実に判断することができる利点を提供し，それによって動作中に駆動バッテリーが最適使用温度範囲内に維持されているか否かを確認するための制御も可能とするものである。

更に本発明は，インバータと，駆動バッテリー及びインバータを熱的に接続する冷却回路と，電気機械とを備える車両の駆動バッテリーを加温する装置を提供する。この電気機械はインバータから交流電流を取り出すように構成されており、この交流電流はインバータが駆動バッテリーから取り出した直流電流によって生成される。本発明に係る加温装置は，冷却回路によって駆動バッテリーを加温するための損失熱をインバータ内で生成するために，交流電流の無効電流成分を設定するという特徴を含んでいる。

駆動バッテリーを加温するための本発明に係る加温装置は，上述した加温方法を有利に実行できる構成とした手段を備えている。

冷却回路に電気機械も熱的に接続させる実施形態においては，冷却回路によって駆動バッテリーを更に加温するための更なる損失熱を電気機械内で生成するよう，交流電流の無効電流成分を設定するための設定手段を構成することができる。

更に本発明は，車両用の駆動システムを提供するものであり，この駆動システムは，
・直流電流を生成するための駆動バッテリーと，
・直流電流を交流電流に変換するためのインバータと，
・交流電流を機械的な駆動力に変換するための電気機械と，
・駆動バッテリー，インバータ及び／又は電気機械に接続される冷却回路と，
・駆動バッテリーを加温するための本発明に係る加温装置と，
を備えることを特徴としている。

本発明に係る加温方法は，上記の駆動システムを使用して有利に実行することができる。

本発明の一実施形態に係る加温装置を備える車両の概略図である。本発明の一実施形態に係る駆動システムの概略図である。本発明の一実施形態に係る方法のフローチャートである。

以下，本発明を図示の実施形態について更に詳述する。なお，機能的に対応する構成要は各図において同一又は類似の参照番号で示し，重複記載を省略する。

図１は，本発明の一実施形態に係る駆動バッテリー加温装置110を備える車両100の概略図である。車両100には，加温装置110，設定手段115，駆動バッテリー120，インバータ130及び電気機械140が配置されている。加温装置110は，設定手段115を含んでいる。

インバータ130は，電気配線により加温装置110，駆動バッテリー120及び電気機械140と接続されている。図２に関連して後述するように，駆動バッテリー120及びインバータ130は，そして任意的には電気機械140も，冷却回路によって熱的に接続されている。電気機械140には，インバータ130から交流電流が供給される。この交流電流は，駆動バッテリー120からの直流電流をインバータ130により変換して生成するものである。

設定手段115は，交流電流の無効電流成分を設定し，冷却回路250によって駆動バッテリー120を加温するためにインバータ130に，そして任意的には電気機械140にも，より多くの損失熱を生成するように構成される。このため，設定手段115を温度センサ117と接続し，同温度センサ117を駆動バッテリー120又はその近傍に設置して，駆動バッテリー温度を検出することができる。この場合，設定手段115は，駆動バッテリー120の温度に応じて無効電流成分が設定されるように構成することができる。

駆動バッテリー120，インバータ130，電気機械140，図１に示さない冷却回路，並びに設定手段115を有する加温装置110は，車両100の駆動システムを構成するものである。そのために，電気機械140を車両100の変速機又は入力軸と接続させることができる。

図２は，本発明の一実施形態に係る駆動システム200の概略図であり，駆動バッテリー120，インバータ130及び電気機械140を示している。インバータ130は駆動バッテリー120及び電気機械140と電気回路によって接続されている。駆動バッテリー120，インバータ130及び電気機械140は，冷却回路250によって熱的に接続されている。ポンプ260は冷却回路250に接続され，冷却回路250内の冷却液を加温する。駆動バッテリー120は加温電力（Ρ_Ηeiz）220を取り出し，バッテリー電力（P_batt）225を放出する。インバータ130はバッテリー電力（P_batt）225を取り出し，インバータ損失熱（P_{V_WR}）230及び交流電力（P_ac）235を放出する。電気機械140は交流電力（P_ac）235を取り出し，機械的な駆動力（P_mech）245及び機械的な損失熱（P_{v_masch}）240を放出する。冷却回路250は，インバータ損失熱（P_{V_WR}）230及び機械的損失熱（P_{v_masch}）240を取り出し，加温電力（Ρ_ΗΘΙΖ）220を放出するように構成されている。

冷却液はポンプ260によって冷却回路250内を循環し，冷却液の流れる方向において，インバータ130は駆動バッテリー120の後方に，そして電気機械140はインバータ130の後方に配置される。この場合に冷却液は，駆動バッテリー120，インバータ130，電気機械140及びポンプを順次に流れて循環する。

駆動バッテリー120は２本の接続ケーブルによってインバータ130に電気的に接続されている。そのためにインバータ130には，２つの端子U_ei⁺ 及びU_ef が設けられている。接続ケーブルによって，直流電流及びそれと共にバッテリー電力（P_batt）225が駆動バッテリー120からインバータ130に運ばれる。インバータ130は取り出した直流電流を交流電流に変換するように構成されている。交流電流は，Ｕ，Ｖ，Ｗの相を有する三相交流電流として，インバータ130から電気機械140に与えられる。直流電流を交流電流に変換することによって，インバータ損失熱（P_{V_WR}）230，すなわち電力損失が生じ，これはインバータ130から冷却回路250冷却液に放出される。交流電流により，交流電力（P_ac）235が電気機械140に運ばれる。インバータ損失熱（P_{V_WR}）230は，次式で表される：
P_{v_WR} = P_batt − P_ac

従って，バッテリー電力（P_batt）225と交流電力（P_ac）235との差は，インバータ損失熱（P_{V_WR}）230である。

電気機械140はインバータ130に接続され，インバータ130から交流電流（P_ac）235，即ち三つの相Ｕ，Ｖ，Ｗを有する三相交流電流が供給される。電気機械140は機械的駆動力（P_mech）245における交流電力(P_ac) 235の有効電流成分を設定し，この場合に電力損失が機械的損失熱（P_{v_masch}）240の形で生じる。交流電流（P_ac）235の無効電流成分は，機械的駆動力ではなく，もっぱら機械的損失熱（P_{v_masch}）240としての電力損失に変換される。適切な設定手段により，交流電流（P_ac）における無効電流成分と有効電流成分との比を設定することができる。

機械的損失熱（P_{v_masch}）240は，冷却回路250の冷却液から取り出される。ここで，機械的損失熱（P_{v_masch}）240は次式で表される：
P_{v_masch} ⁼ P_ac − P_mech

この場合，機械的損失熱（P_{v_masch}）240は，交流電力（P_ac）235と機械的駆動力（P_mech）245との差である。

従って，冷却回路250は，インバータ損失熱（P_{V_WR}）230及び機械的損失熱（P_{v_masch}）240を取り出し，これらを加温すべき駆動バッテリー120に加温電力（P_Heiz）220として与えることができる。これにより，駆動バッテリー120は加温電力（P_Heiz）220を吸収して加温される。加温電力(P_Heiz)220は，下式で表される：
P_Heiz= P_{v_WR} + P_{v_masch} = P_batt−P_mech
P_Heiz≒ P_mech（ただし，P_batt≒0の場合）

この場合，加温電力（P_Heiz）220は，インバータ損失熱（P_{V_WR}）230と機械損失熱（P_{v_masch}）240の和として得られる。更なる損失を除き，加温電力（Ρ_Heiz）220は，バッテリー電力（P_batt）225と機械的駆動力（P_mech）245の差に相当する。機械的駆動力（P_mech）245がほぼゼロの場合，式は加温電力（P_Heiz)220がバッテリー電力（P_batt）225とほぼ等しくなるように単純化することができる。この場合，利用できるバッテリー電力（P_batt）225のほぼ全てが，駆動バッテリー120を加温するため，加温電力（P_Heiz）220に変換される。これは，交流電力（P_ac）の有効電流成分を低減し，交流電力（P_ac）の無効電流成分を増大することによって達成することができる。

図３は，車両の駆動バッテリーを加温するための，本発明の一実施形態に係る加温方法300を説明するためのフローチャートである。この加温方法300は，有利には，インバータと，駆動バッテリー及びインバータが熱的に接続される冷却回路と，電気機械とを有する車両によって実行される。これにより，電気機械はインバータから交流電流を取り出し，交流電流はインバータにより，駆動バッテリーから取り出した直流電流から生成される。

加温方法300は，駆動バッテリーの温度を得る信号を取り出す任意選択のステップ310を含んでいる。この加温方法300では，電気機械を駆動せずに，冷却回路によって駆動バッテリーを加温するためにインバータ損失熱を生成させる，交流電流の無効電流成分を設定するステップ320を含んでいる。加温方法300は，電気機械から所要の機械的駆動力を取り出せるように交流電流の有効電流成分を設定するための追加的又は代替的なステップを更に含んでいる。

この場合，設定ステップ320において交流電流の無効電流成分を，駆動バッテリーの温度に応じて設定することができる。駆動バッテリーの温度が駆動バッテリーの所定温度を下回る場合，交流電流の有効電流成分を設定する設定ステップ330は，所要の機械的駆動力とは関係なく，ゼロ又はほぼゼロに設定することができる。従って，交流電流の無効電流成分と有効電流成分との比を，駆動バッテリーの温度に応じて可変設定することができる。また，電気機械は冷却回路と熱的に接続されており，設定ステップ320により，冷却回路によって駆動バッテリーを更に加温するための損失熱を電気機械に生じさせることができる。

上述した図示の実施形態は，もっぱら例示的に選択されたものである。種々の実施形態を全体的に，又は個別的な特徴に関連して組み合わせることができ，一実施形態を他の実施形態の特徴によって補うこともできる。更に，本発明に係る加温方法の一連のステップは，反復的に実行することができ，記載された順序とは異なる時系列で実行することも可能である。

100 車両
110 加温装置
115 設定手段
117 温度センサ
120 駆動バッテリー
130 インバータ
140 電気機械
200 駆動システム
220 加温電力
225 バッテリー電力
230 インバータ損失熱
235 交流電力
240 機械損失熱
245 機械的駆動力
250 冷却回路
260 ポンプ
300 駆動バッテリーの加温方法
310 取り出しステップ
320 無効電流成分の設定ステップ
330 有効電流成分の設定ステップ

Claims

駆動バッテリー（120）と，インバータ（130）と，前記駆動バッテリー（120）及びインバータ（130）を熱的に接続する冷却回路（250）と，前記駆動バッテリー（120）から供給される直流電流を前記インバータ（130）により変換した交流電圧が供給される電気機械（140）とを備える車両（100）において，前記駆動バッテリー（120）を加温するための加温方法（300）であって，
前記インバータ（130）内で前記駆動バッテリー（120）を加温するための損失熱を，前記冷却回路（250）によって生成するよう前記交流電流の無効電流成分を設定するステップ（320）を含む加温方法。
請求項１に記載の加温方法（300）であって，前記交流電流の無効電流成分を設定するステップ（320）において，該交流電流の無効電流成分を，前記駆動バッテリー（120）の温度に応じて設定することを特徴とする加温方法。
請求項１又は２に記載の加温方法（300）であって，前記電気機械（140）により機械的駆動力を提供するよう，前記交流電流の有効電流成分の設定ステップ（330）を更に備えることを特徴とする加温方法。
請求項３に記載の加温方法（300）であって，前記交流電流の有効電流成分の設定ステップ（330）において，前記駆動バッテリー（120）の温度が所定温度を下回る場合に，要求される機械的駆動力とは無関係に前記交流電流の有効電流成分を，ゼロ又はほぼゼロに設定することを特徴とする加温方法。
請求項１〜４の何れか一項に記載の加温方法（300）であって，前記設定ステップ（320, 330）において，無効電流成分と有効電流成分との比を，前記駆動バッテリー（120）の温度に応じて可変設定することを特徴とする加温方法。
請求項１〜５の何れか一項に記載の加温方法（300）であって，前記電気機械（140）も前記冷却回路（250）と熱的に接続し，前記無効電流成分の設定ステップ（320）において前記交流電流の無効電流成分を，前記電気機械（140）内で前記駆動バッテリー（120）を更に加温するための更なる損失熱を前記冷却回路（250）により発生するよう設定する加温方法。
請求項１〜６の何れか一項に記載の加温方法（300）であって，駆動バッテリー（120）の温度を得るために所要の信号を取り出すステップ（310）を更に備えることを特徴とする加温方法。
駆動バッテリー（120）と，インバータ（130）と，前記駆動バッテリー（120）及びインバータ（130）を熱的に接続する冷却回路（250）と，前記駆動バッテリー（120）から供給される直流電流を前記インバータ（130）により変換した交流電圧が供給される電気機械（140）とを備える車両（100）において，前記駆動バッテリー（120）を加温するための加温装置（110）であって，
前記駆動バッテリー（120）を加温するための損失熱を前記冷却回路（250）によって前記インバータ（130）内に生成するため，前記交流電流の無効電流成分を設定する設定手段（115）を更に備えることを特徴とする加温装置。
請求項８に記載の加温装置（110）であって，前記電気機械（140）も前記冷却回路（250）に熱的に接続され，前記設定手段（115）は，前記電気機械（140）内で前記駆動バッテリー（120）を更に加温するための更なる損失熱を，前記冷却回路（250）により生成するために前記交流電流の無効電流成分を設定するよう構成されていることを特徴とする加温装置。
車両（110）用駆動システム（200）であって，
・直流電流を生成する駆動バッテリー（120）と，
・該直流電流を交流電流に変換するインバータ（130）と，
・該交流電流を機械的駆動力に変換する電気機械（140）と，
・前記駆動バッテリー（120），前記インバータ（130）及び／又は前記電気機械（140）を互いに接続する冷却回路（250）と，
・前記駆動バッテリーを加温するための，請求項８又は９に記載の加温装置（110）と，
を備えることを特徴とする駆動システム。