JP2015015013A - 発熱量制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発熱体同士の内部熱量の均一化制御を高精度に実行できる発熱量制御装置を提供する。
【解決手段】隣り合う第1、第2発熱体の間に配置された熱流束センサ10と、第1、第2発熱体の発熱量を制御する制御部20とを備える構成とする。熱流束センサ10は、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材に厚さ方向に貫通する複数の第1、第2ビアホールが形成されていると共に、第1、第2ビアホールに互いに異なる金属で形成された第1、第2層間接続部材が埋め込まれ、第1、第2層間接続部材が交互に直列接続された構造を有する。制御部20は、熱流束センサ10から出力されるセンサ信号に基づいて、第1、第2発熱体の間の熱流束が所定値以下となるように、第1、第2発熱体の発熱量を制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、発熱体の発熱量を制御する発熱量制御装置に関するものである。
従来の発熱量制御装置は、発熱体の温度を検出し、検出した温度に基づいて、発熱体の発熱量を制御している(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−353034号公報
ところで、積層された複数の発熱体のそれぞれの内部熱量(内部温度)をそろえたい場合、上記した従来技術のように、各発熱体に温度センサを取り付けて、各発熱体の表面温度を検出し、各検出温度が同じとなるように、各発熱体の発熱量を制御することが一般的である。
しかし、各発熱体の配置場所等により、各発熱体が外部から受ける影響が異なる。例えば、少なくとも3つの発熱体が積層されている場合、積層された複数の発熱体のうち外側に位置する発熱体は、外部温度の影響を受けやすいため、外部への放熱量が多く、表面温度が低くなる。一方、内側に位置する発熱体は、隣の発熱体によって断熱状態となるため、外部への放熱量が少なく、表面温度が高くなる。また、2つの発熱体が積層されている場合、各発熱体の周囲温度や、各発熱体の外部への露出面積が異なる等により、各発熱体の放熱量が異なる。
このため、各発熱体の表面温度が同じとなるように、各発熱体の発熱量を調整しても、各発熱体の内部熱量(内部温度)を同じにすることができないという問題が生じる。なお、この問題は、少なくとも3つの発熱体が積層されている場合に、特に顕著となる。上記の通り、内側に位置する発熱体と外側に位置する発熱体とでは、外部への放熱量が異なり、各発熱体の内部熱量が不均一になりやすいからである。
本発明は上記点に鑑みて、発熱体同士の内部熱量(内部温度)の均一化制御を高精度に実行できる発熱量制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、隣接する第1、第2発熱体の間に配置された熱流束センサ(10)と、第1、第2発熱体の少なくとも一方の発熱量を制御する制御部(20)とを備え、次のことを特徴としている。すなわち、熱流束センサは、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材(100)に厚さ方向に貫通する複数の第1、第2ビアホール(101、102)が形成されていると共に、第1、第2ビアホールに互いに異なる金属で形成された第1、第2層間接続部材(130、140)が埋め込まれ、第1、第2層間接続部材が交互に直列接続された構造を有し、交互に直列接続された前記第1、第2層間接続部材は、前記第1、第2発熱体の間の熱流束に応じた起電力を発生し、制御部は、熱流束センサにて発生した起電力に基づいて、第1、第2発熱体の間の熱流束が所定値以下となるように、発熱量を制御することを特徴としている。
これによれば、第1、第2発熱体の間の熱流束が所定値以下となるように、すなわち、第1、第2発熱体の内部熱量(内部温度)に差がなくなるように、第1、第2発熱体の少なくとも一方の発熱量を調整するので、第1、第2発熱体の内部熱量(内部温度)の均一化制御を高精度に実行できる。
また、請求項2に記載の発明では、積層された第1、第2、第3発熱体のうち隣接する第1、第2発熱体の間に配置された第1熱流束センサ(10a)と、隣接する第2、第3発熱体の間に配置された第2熱流束センサ(10b)と、第1、第2、第3発熱体の発熱量を制御する制御部(20)とを備え、次のことを特徴としている。
第1、第2熱流束センサは、両方とも、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材(100)に厚さ方向に貫通する複数の第1、第2ビアホール(101、102)が形成されていると共に、第1、第2ビアホールに互いに異なる金属で形成された第1、第2層間接続部材(130、140)が埋め込まれ、第1、第2層間接続部材が交互に直列接続された構造を有し、第1熱流束センサの交互に直列接続された第1、第2層間接続部材は、第1、第2発熱体の間の第1熱流束に応じた起電力を発生するとともに、第2熱流束センサの交互に直列接続された第1、第2層間接続部材は、第2、第3発熱体の間の第2熱流束に応じた起電力を発生し、
制御部は、第1熱流束センサにて発生した起電力に基づいて、第1熱流束が所定値以下となるように、第1、第2発熱体の少なくとも一方の発熱量を制御するとともに、第2熱流束センサにて発生した起電力に基づいて、第2熱流束が所定値以下となるように、第2、第3発熱体の少なくとも一方の発熱量を制御することを特徴としている。
これによれば、第1、第2発熱体の間の第1熱流束および第2、第3発熱体の間の第2熱流束が所定値以下となるように、すなわち、第1、第2、第3発熱体の内部熱量(内部温度)に差がなくなるように、第1、第2、第3発熱体の発熱量を調整するので、第1、第2、第3発熱体の内部熱量(内部温度)の均一化制御を高精度に実行できる。
また、請求項3に記載の発明では、請求項1、2に記載の発明において、前記第1、第2層間接続部材を形成する前記金属の少なくとも一方は、複数の金属原子が当該金属原子の結晶構造を維持した状態で焼結された焼結合金であることを特徴としている。
これによれば、交互に直列接続された第1、第2層間接続部材にて発生する起電力を大きくでき、熱流束センサの高感度化が可能である。このように、高感度な熱流束センサを用いることで、各発熱体の内部熱量の均一化制御を高精度に実行できる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
第1実施形態における発熱量制御装置の構成を示す模式図である。 図1中の熱流束センサの平面図である。 図2中のIII−III線に沿った断面図である。 図2中のIV−IV線に沿った断面図である。 熱流束センサの製造工程を示す断面図である。 第1実施形態における内部熱量(内部温度)の均一化制御を説明するための図である。 第1実施形態における内部熱量の均一化制御のフローチャートである。 図7中のステップS2の制御内容を示すフローチャートである。 図7中のステップS3の制御内容を示すフローチャートである。 図7中のステップS4の制御内容を示すフローチャートである。 比較例における発熱量制御装置の構成を示す模式図である。 比較例における内部熱量(内部温度)の均一化制御を説明するための図である。 参考例1における異常監視装置の構成を示す模式図である。 参考例1における異常監視制御のフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、各図において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
本実施形態の発熱量制御装置は、車両に搭載される電池の発熱量を制御するものである。図1に示されるように、発熱量制御装置は、熱流束センサ10と、制御部20とを備えている。
電池1は、リチウムイオン電池や燃料電池等であり、走行用モータ等の電気機器に電力を供給するものである。電池1は、複数の電池パック1a、1b、1cが積層された構成である。本実施形態では、第1電池パック1a、第2電池パック1b、第3電池パック1cの3つの電池パックが積層されている。各電池パック1a、1b、1cは、図示しない電池セルが複数積層されたものである。各電池パック1a、1b、1cは、電力の出力にともなって発熱する発熱体である。各電池パック1a、1b、1cは、独立して、出力する電力量の調整が可能であり、発熱量の調整が可能である。隣り合う電池パックは、外部の空気が介在しない状態である。すなわち、隣り合う電池パックは、熱流束センサ10を介して隣接している。電池1は、複数の電池パック1a、1b、1cの外側に放熱板2、3が設けられている。複数の電池パック1a、1b、1cのうち隣り合う電池パックが、特許請求の範囲に記載の隣接する第1、第2発熱体を構成する。また、第1、第2、第3電池パック1a、1b、1cが、特許請求の範囲に記載の第1、第2、第3発熱体を構成する。
複数の電池パック1a、1b、1cのうち中央の電池パック1bの表面には、温度センサ11が設置されている。温度センサ11は、電池パック1bの表面温度に応じたセンサ信号を制御部2に向けて出力する。
熱流束センサ10は、隣り合う電池パック同士の間に挟まれており、隣り合う電池パックは、熱流束センサ10を介して、熱移動が可能な状態となっている。熱流束センサ10は、隣り合う電池パックの間の熱流束を検出する。本実施形態では、熱流束センサ10として、第1、第2電池パック1a、1bの間に配置された第1熱流束センサ10aと、第2、第3電池パック1b、1cの間に配置された第2熱流束センサ10bとが用いられている。
熱流束センサ10は、図2〜図4に示されるように、絶縁基材100、表面保護部材110、裏面保護部材120が一体化され、この一体化されたものの内部で第1、第2層間接続部材130、140が交互に直列に接続されたものである。以下に、熱流束センサ10の構造について具体的に説明する。なお、図2は、理解をし易くするために、表面保護部材110を省略して示してある。また、図2は、断面図ではないが、理解をし易くするために第1、第2層間接続部材130、140にハッチングを施してある。
絶縁基材100は、本実施形態では、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)、液晶ポリマー(LCP)等に代表される平面矩形状の熱可塑性樹脂フィルムにて構成されている。そして、厚さ方向に貫通する複数の第1、第2ビアホール101、102が互い違いになるように千鳥パターンに形成されている。
なお、本実施形態の第1、第2ビアホール101、102は、表面100aから裏面100bに向かって径が一定とされた円筒状とされているが、表面100aから裏面100bに向かって径が小さくなるテーパ状とされていてもよい。また、裏面100bから表面100aに向かって径が小さくなるテーパ状とされていてもよいし、角筒状とされていてもよい。
そして、第1ビアホール101には第1層間接続部材130が配置され、第2ビアホール102には第2層間接続部材140が配置されている。つまり、絶縁基材100には、第1、第2層間接続部材130、140が互い違いになるように配置されている。
第1、第2層間接続部材130、140は、ゼーベック効果を発揮するように、互いに異なる金属で構成されている。例えば、第1層間接続部材130は、P型を構成するBi−Sb−Te合金の粉末が、焼結前における複数の金属原子の結晶構造を維持するように固相焼結された金属化合物で構成される。また、第2層間接続部材140は、N型を構成するBi−Te合金の粉末が、焼結前における複数の金属原子の結晶構造を維持するように固相焼結された金属化合物で構成される。
絶縁基材100の表面100aには、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)、液晶ポリマー(LCP)等に代表される平面矩形状の熱可塑性樹脂フィルムにて構成される表面保護部材110が配置されている。この表面保護部材110は、絶縁基材10と平面形状が同じ大きさとされており、絶縁基材100と対向する一面110a側に銅箔等がパターニングされた複数の表面パターン111が互いに離間するように形成されている。そして、各表面パターン111はそれぞれ第1、第2層間接続部材130、140と適宜電気的に接続されている。
具体的には、図3に示されるように、隣接する1つの第1層間接続部材130と1つの第2層間接続部材140とを組150としたとき、各組150の第1、第2層間接続部材130、140は同じ表面パターン111と接続されている。つまり、各組150の第1、第2層間接続部材130、140は表面パターン111を介して電気的に接続されている。なお、本実施形態では、絶縁基材100の長手方向(図3中紙面左右方向)に沿って隣接する1つの第1層間接続部材130と1つの第2層間接続部材140とが組150とされている。
絶縁基材100の裏面100bには、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)、液晶ポリマー(LCP)等に代表される熱可塑性樹脂フィルムにて構成される平面矩形状の裏面保護部材120が配置されている。この裏面保護部材120は、絶縁基材100の長手方向の長さが絶縁基材100より長くされており、長手方向の両端部が絶縁基材100から突出するように絶縁基材100の裏面100bに配置されている。
そして、裏面保護部材120には、絶縁基材100と対向する一面120a側に銅箔等がパターニングされた複数の裏面パターン121が互いに離間するように形成されている。そして、各裏面パターン121はそれぞれ第1、第2層間接続部材130、140と適宜電気的に接続されている。
具体的には、図3に示されるように、絶縁基材100の長手方向に隣接する組150において、一方の組150の第1層間接続部材130と他方の組150の第2層間接続部材140とが同じ裏面パターン121と接続されている。つまり、組150を跨いで第1、第2層間接続部材130、140が同じ裏面パターン121を介して電気的に接続されている。
また、図4に示されるように、絶縁基材100の外縁では、長手方向と直交する方向(図2中紙面上下方向)に沿って隣接する第1、第2層間接続部材130、140が同じ裏面パターン121と接続されている。詳述すると、絶縁基材100の長手方向に表面パターン111および裏面パターン121を介して直列に接続されたものが折り返されるように、隣接する第1、第2層間接続部材130、140が同じ裏面パターン121と接続されている。
また、裏面パターン121のうち、上記のように直列に接続されたものの端部となる部分は、図2および図3に示されるように、絶縁基材100から露出するように形成されている。そして、裏面パターン121のうち絶縁基材100から露出する部分が制御部20と接続される端子として機能する部分となる。
以上が本実施形態における基本的な熱流束センサ10の構成である。そして、このような熱流束センサ10は、熱流束センサ10を厚さ方向に通過する熱流束に応じたセンサ信号(起電圧)を制御部20に出力する。熱流束が変化すると、交互に直列接続された第1、第2層間接続部材130、140にて発生する起電圧が変化する。なお、熱流束センサ10の厚さ方向とは、絶縁基材100、表面保護部材110、裏面保護部材120の積層方向のことである。
本実施形態の熱流束センサ10では、第1、第2ビアホール101、102の数や径、間隔等を適宜変更することで、第1、第2層間接続部材130、140の高密度化が可能となる。これにより、起電圧を大きくできるとともに、多接点化が可能となり、熱流束センサ10の高感度化が可能である。
また、本実施形態の熱流束センサ10では、第1、第2層間接続部材130、140として所定の結晶構造が維持されるように固相焼結された金属化合物(Bi−Sb−Te合金、Bi−Te合金)を用いている。すなわち、第1、第2層間接続部材130、140を形成する金属は、複数の金属原子が当該金属原子の結晶構造を維持した状態で焼結された焼結合金である。これにより、交互に直列接続された第1、第2層間接続部材130、140にて発生する起電圧を大きくでき、熱流束センサ10の高感度化が可能である。
また、本実施形態の熱流束センサ10では、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材100に第1、第2ビアホール101、102を形成する構造であるので、熱流束センサ10の極薄化および大面積化が可能である。このため、隣り合う電池パック間の熱移動を阻害することなく、熱流束の検出が可能であるとともに、熱流束センサ10の高感度化が可能である。
ここで、上記熱流束センサ10の製造方法について図5を参照しつつ説明する。
まず、図5(a)に示されるように、絶縁基材100を用意し、複数の第1ビアホール101をドリルやレーザ等によって形成する。
次に、図5(b)に示されるように、各第1ビアホール101に第1導電性ペースト131を充填する。なお、第1ビアホール101に第1導電性ペースト131を充填する方法(装置)としては、本出願人による特願2010−50356号に記載の方法(装置)を採用すると良い。
簡単に説明すると、吸着紙160を介して図示しない保持台上に、裏面100bが吸着紙160と対向するように絶縁基材100を配置する。そして、第1導電性ペースト131を溶融させつつ、第1ビアホール101内に第1導電性ペースト131を充填する。これにより、第1導電性ペースト131の有機溶剤の大部分が吸着紙160に吸着され、第1ビアホール101に合金の粉末が密接して配置される。
なお、吸着紙160は、第1導電性ペースト131の有機溶剤を吸収できる材質のものであれば良く、一般的な上質紙等が用いられる。また、第1導電性ペースト131は、金属原子が所定の結晶構造を維持しているBi−Sb−Te合金の粉末を融点が43℃であるパラフィン等の有機溶剤を加えてペースト化したものが用いられる。このため、第1導電性ペースト131を充填する際には、絶縁基材100の表面100aが約43℃に加熱された状態で行われる。
続いて、図5(c)に示されるように、絶縁基材100に複数の第2ビアホール102をドリルやレーザ等によって形成する。この第2ビアホール102は、上記のように、第1ビアホール101と互い違いとなり、第1ビアホール101と共に千鳥パターンを構成するように形成される。
次に、図5(d)に示されるように、各第2ビアホール102に第2導電性ペースト141を充填する。なお、この工程は、上記図5(b)と同様の工程で行うことができる。
すなわち、再び、吸着紙160を介して図示しない保持台上に裏面100bが吸着紙160と対向するように絶縁基材100を配置した後、第2ビアホール102内に第2導電性ペースト141を充填する。これにより、第2導電性ペースト141の有機溶剤の大部分が吸着紙160に吸着され、第2ビアホール102に合金の粉末が密接して配置される。
第2導電性ペースト141は、第1導電性ペースト131を構成する金属原子と異なる金属原子が所定の結晶構造を維持しているBi−Te合金の粉末を融点が常温であるテレピネ等の有機溶剤を加えてペースト化したものが用いられる。つまり、第2導電性ペースト141を構成する有機溶剤は、第1導電性ペースト131を構成する有機溶剤より融点が低いものが用いられる。そして、第2導電性ペースト141を充填する際には、絶縁基材100の表面100aが常温に保持された状態で行われる。言い換えると、第1導電性ペースト131に含まれる有機溶剤が固化された状態で、第2導電性ペースト141の充填が行われる。これにより、第1ビアホール101に第2導電性ペースト141が混入することが抑制される。
なお、第1導電性ペースト131に含まれる有機溶剤が固化された状態とは、上記図5(b)の工程において、吸着紙160に吸着されずに第1ビアホール101に残存している有機溶剤のことである。
そして、上記各工程とは別工程において、図5(e)および図5(f)に示されるように、表面保護部材110および裏面保護部材120のうち絶縁基材100と対向する一面110a、120aに銅箔等を形成する。そして、この銅箔を適宜パターニングすることにより、互いに離間している複数の表面パターン111が形成された表面保護部材110、互いに離間している複数の裏面パターン121が形成された裏面保護部材120を用意する。
その後、図5(g)に示されるように、裏面保護部材120、絶縁基材100、表面保護部材110を順に積層して積層体170を構成する。
なお、本実施形態では、裏面保護部材120は、絶縁基材100より長手方向の長さが長くされている。そして、裏面保護部材120は、長手方向の両端部が絶縁基材100から突出するように配置される。
続いて、図5(h)に示されるように、この積層体170を図示しない一対のプレス板の間に配置し、積層方向の上下両面から真空状態で加熱しながら加圧することにより、積層体170を一体化する。具体的には、第1、第2導電性ペースト131、142が固相焼結されて第1、第2層間接続部材130、140を形成すると共に、第1、第2層間接続部材130、140と表面パターン111および裏面パターン121とが接続されるように加熱しながら加圧して積層体170を一体化する。
なお、特に限定されるものではないが、積層体170を一体化する際には、積層体170とプレス板との間にロックウールペーパー等の緩衝材を配置してもよい。以上のようにして、上記熱流束センサ10が製造される。
制御部20は、各電池パック1a、1b、1cの発熱量を制御する発熱量制御手段であり、例えば、マイクロコンピュータ、記憶手段としてのメモリ、その周辺回路にて構成される電子制御装置で構成される。制御部20は、各電池パック1a、1b、1cが出力する電力量を調整することにより、各電池パック1a、1b、1cの発熱量を調整する。
具体的には、制御部20は、図6に示されるように、熱流束センサ10のセンサ信号に基づいて、隣り合う電池パックの間の熱流束が0となるように、隣り合う電池パックの発熱量を制御する(内部熱量の均一化制御)。なお、隣り合う電池パックの間の熱流束が完全に0でなく、0に近い所定値以下となれば良い。例えば、熱流束センサ10から入力された起電圧と、しきい値とを比較してしきい値以下となるように、隣り合う電池パックの発熱量を調整する。
この内部熱量(内部温度)の均一化制御は、例えば、電池1全体の発熱量を最低限に抑えて、電池1を発電させるために実行される。この場合、制御部20は、各電池パック1a、1b、1cのうち内部熱量が多い電池パックの発熱量を減少させることにより、各電池パック1a、1b、1cの内部熱量(内部温度)を均一化させる。
また、この内部熱量(内部温度)の均一化制御は、例えば、低温環境下で電池1を作動させる場合の暖機運転モード時に実行される。この暖機運転モードは、電池1から電気機器への電力供給開始前に、各電池パック1a〜1cの温度状態を出力が安定する温度状態とするための電池の運転モードである。この場合、制御部20は、各電池パック1a、1b、1cの内部熱量が均一となるように、各電池パック1a〜1cの発熱量を調整しながら、各電池パック1a〜1cの温度を上昇させる制御処理を実行する。
具体的には、図7に示されるように、ステップS1で、温度センサ11で検出した電池パック1bの温度T1bと、電池パック1aと電池パック1bとの間の第1熱流束センサ10aの第1起電圧V1a―1bと、電池パック1bと電池パック1cとの間の第2熱流束センサ10bの第2起電圧V1b―1cとを取得とする。
続いて、ステップS2で、ステップS1で取得した温度T1bに基づいて、電池パック1bの発熱量を制御する。
続いて、ステップS3で、ステップS1で取得した第1起電圧V1a―1bに基づいて、電池パック1aの発熱量を制御する。
続いて、ステップS4で、ステップS1で取得した第2起電圧V1b―1cに基づいて、電池パック1cの発熱量を制御する。
ここで、図8に示されるように、ステップS2の電池パック1bの発熱量制御においては、ステップS21で、ステップS1で取得した温度T1bと目標温度との差の絶対値が所定のしきい値Tth以下であるか否かを判定する。この目標温度は、電池パックの出力が安定する温度であり、例えば、30℃である。このしきい値Tthは、取得した温度T1bと目標温度との差が0に近くなるように設定される。このステップS21で肯定(YES)判定した場合、電池パック1bの発熱量の変更は不要であるため、ステップS3へ進む。一方、否定(NO)判定した場合、電池パック1bの発熱量の変更が必要であるため、ステップS22に進む。
ステップS22では、発熱量の減少と増大のどちらが必要かを判定する。すなわち、ステップS1で取得した温度T1bが目標温度(30℃)よりも高いか否かを判定する。このステップS22で肯定(YES)判定した場合、電池パック1bの発熱量を減少させる必要があるため、ステップS23で必要な発熱減少量を算出する。
ステップS23では、ステップS1で取得した温度T1bに基づいて発熱減少量を算出する。例えば、ステップS1で取得した温度T1bと目標温度との差(T1b−30℃)に、所定の係数Kを掛けたものを、発熱減少量とする。続いて、ステップS24では、電池パック1bの発熱量が、ステップS23で算出した減少量にて減少するように、電池パック1bの出力を変更させるための制御信号を出力する。例えば、電池パック1bの出力を調整する他の制御部に対して、電池パック1bの出力を変更させるための制御信号を出力する。その後、ステップS3へ進む。
一方、ステップS22で否定(NO)判定した場合、電池パック1bの発熱量を増大させる必要があるため、ステップS25で必要な発熱増大量を算出する。ステップS25では、ステップS1で取得した温度T1bに基づいて発熱増大量を算出する。例えば、目標温度とステップS1で取得した温度T1bとの差(30℃−T1b)に、所定の係数Kを掛けたものを、発熱増大量とする。続いて、ステップS24では、電池パック1bの発熱量が、ステップS25で算出した増大量にて増大するように、電池パック1bの出力を調整するための制御信号を出力する。その後、ステップS3へ進む。
これによれば、電池パック1bの温度が目標温度よりも低い間は、ステップS22、S25、S24によって、電池パック1bの発熱量が増大される。電池パック1bの温度が目標温度を超えた場合は、ステップS22、S23、S24によって、電池パック1bの発熱量が減少される。このように、電池パック1bの温度T1bが目標温度に近づくまで、電池パック1bの発熱量が増減するように、電池パック1bの出力が調整される。一方、電池パック1bの温度T1bが目標温度に近づけば、電池パック1bの発熱量が維持されるように、電池パック1bの出力が維持される。
図9に示されるように、ステップS3の電池パック1aの発熱量制御においては、ステップS31で、ステップS1で取得した第1起電圧V1a―1bがしきい値以下であるか否かを判定する。このしきい値は、第1起電圧V1a―1bが0に近くなるように設定される。このステップS31で肯定(YES)判定した場合、電池パック1aの発熱量の変更は不要であるため、ステップS4へ進む。一方、否定(NO)判定した場合、電池パック1aの発熱量の変更が必要であるため、ステップS32に進む。
ステップS32では、発熱量の減少と増大のどちらが必要かを判定する。すなわち、ステップS1で取得した第1起電圧V1a―1bが正の値(V1a―1b>0)であるか否かを判定する。電池パック1bから電池パック1aに向かう熱流束に応じた起電圧値が正となるように、熱流束センサ10aを設置したとき、起電圧値が正であれば、電池パック1aの内部熱量が電池パック1bの内部熱量よりも少ないということである。したがって、このステップS32で肯定(YES)判定した場合、電池パック1aの発熱量を増大させる必要があるため、ステップS33で必要な発熱増大量を算出する。
ステップS33では、例えば、ステップS1で取得した第1起電圧V1a―1bに、所定の係数Kを掛けたものを、発熱増大量として算出する。続いて、ステップS34では、ステップS24と同様に、電池パック1aの発熱量が、ステップS33で算出した増大量にて増大するように、電池パック1aの出力を変更させるための制御信号を出力する。その後、ステップS4へ進む。
一方、ステップS32で否定(NO)判定した場合、電池パック1aの発熱量を減少させる必要があるため、ステップS35で必要な発熱減少量を算出する。ステップS35では、例えば、ステップS1で取得した第1起電圧V1a―1bに、所定の係数Kを掛けたものを、発熱減少量として算出する。続いて、ステップS34では、電池パック1aの発熱量が、ステップS35で算出した減少量にて減少するように、電池パック1aの出力を変更させるための制御信号を出力する。その後、ステップS4へ進む。
これによれば、電池パック1aの内部熱量が電池パック1bの内部熱量よりも少ない間は、ステップS32、S33、S34によって、電池パック1aの発熱量が増大される。そして、電池パック1aの内部熱量が電池パック1bの内部熱量を超えると、ステップS32、S35、S24によって、電池パック1aの発熱量が減少される。このように、電池パック1aの内部熱量と電池パック1bの内部熱量とが均一になるまで、電池パック1aの発熱量が増減するように、電池パック1aの出力が調整される。一方、電池パック1aの内部熱量と電池パック1bの内部熱量とが均一になれば、電池パック1aの発熱量が維持されるように、電池パック1aの出力が維持される。
図10に示されるように、ステップS4の電池パック1cの発熱量制御においては、ステップS41で、ステップS1で取得した第2起電圧V1b―1cがしきい値以下であるか否かを判定する。このしきい値は、ステップS31のしきい値と同じである。このステップS41で肯定(YES)判定した場合、電池パック1cの発熱量の変更は不要であるため、図7の制御フローが終了し、ステップS1へ戻る。一方、否定(NO)判定した場合、電池パック1cの発熱量の変更が必要であるため、ステップS42に進む。
ステップS42では、発熱量の減少と増大のどちらが必要かを判定する。すなわち、ステップS1で取得した第2起電圧V1b―1cが正の値(V1b―1c>0)であるか否かを判定する。電池パック1bから電池パック1cに向かう熱流束に応じた起電圧値が正となるように、熱流束センサ10bを設置したとき、起電圧値が正であれば、電池パック1cの内部熱量が電池パック1bの内部熱量よりも少ないということである。したがって、このステップS42で肯定(YES)判定した場合、電池パック1cの発熱量を増大させる必要があるため、ステップS43で必要な発熱増大量を算出する。
ステップS43では、例えば、ステップS1で取得した第2起電圧V1b―1cに、所定の係数Kを掛けたものを、発熱増大量として算出する。続いて、ステップS44では、ステップS24と同様に、電池パック1cの発熱量が、ステップS43で算出した増大量にて増大するように、電池パック1cの出力を変更させるための制御信号を出力する。これにより、図7の制御フローが終了し、ステップS1へ戻る。
一方、ステップS42で否定(NO)判定した場合、電池パック1cの発熱量を減少させる必要があるため、ステップS45で必要な発熱減少量を算出する。ステップS45では、例えば、ステップS1で取得した第2起電圧V1b―1cに、所定の係数Kを掛けたものを、発熱減少量として算出する。続いて、ステップS44では、電池パック1cの発熱量が、ステップS45で算出した減少量にて減少するように、電池パック1cの出力を変更させるための制御信号を出力する。
これによれば、電池パック1cの内部熱量が電池パック1bの内部熱量よりも少ない間は、ステップS42、S43、S44によって、電池パック1cの発熱量が増大される。そして、電池パック1cの内部熱量が電池パック1bの内部熱量を超えると、ステップS42、S45、S44によって、電池パック1cの発熱量が減少される。このように、電池パック1bの内部熱量と電池パック1cの内部熱量とが均一になるまで、電池パック1cの発熱量が増減するように、電池パック1cの出力が調整される。一方、電池パック1bの内部熱量と電池パック1cの内部熱量とが均一になれば、電池パック1cの発熱量が維持されるように、電池パック1cの出力が維持される。
ここで、本実施形態の発熱量制御装置による内部熱量(内部温度)の均一化制御と図11に示される比較例の発熱量制御装置による内部熱量(内部温度)の均一化制御とを比較する。
図11に示される比較例の発熱量制御装置は、発明が解決しようとする課題の欄に記載した一般的なものであり、各電池パック1a、1b、1cのそれぞれの表面に取り付けた各温度センサ11(第1温度センサ11a、第2温度センサ11b、第3温度センサ11c)によって、各電池パック1a、1b、1cの表面温度を検出し、各検出温度が目標温度になるように、各電池パック1a、1b、1cの発熱量を制御するものである。この比較例の発熱量制御装置では、各電池パック1a、1b、1cの内部熱量(内部温度)の均一化のために、例えば、各温度センサ11の各検出温度が同じとなるように、各電池パック1a、1b、1cの発熱量を制御することが考えられる。
しかし、この場合、各温度センサ11が検出する各電池パック1a、1b、1cの表面温度は、各電池パック1a、1b、1cの発熱量だけでなく、外部温度の影響を受けた結果である。すなわち、積層された電池パック1a、1b、1cのうち、外側に位置する電池パック1a、1cは、外部温度の影響を受けやすいため、外部への放熱量が多く、表面温度が低くなる。一方、内側に位置する内側に位置する電池パック1bは、両隣の電池パック1a、1cによって断熱状態となるため、外部への放熱量が少なく、表面温度が高くなる。このため、各電池パック1a、1b、1cの表面温度が同じとなるように、各電池パック1a、1b、1cの発熱量を調整しても、各電池パック1a、1b、1cの内部熱量(内部温度)が同じになるとは限られない。
また、比較例の発熱量制御装置において、各電池パック1a、1b、1cの内部熱量(内部温度)の均一化のために、各電池パック1a、1b、1cの放熱量の違いを考慮して、各電池パック1a、1b、1cの検出温度がそれぞれの目標温度となるように、各電池パック1a、1b、1cの発熱量を制御することが考えられる。例えば、図12に示されるように、上段の電池パック1a、下段の電池パック1c、中段の電池パック1bの順に放熱量が多い場合、この順に目標温度を高くすることが考えられる。
しかし、この場合、外部温度が変化すると、外部温度の影響を受けて、各電池パック1a、1b、1cの表面温度も変化するため、各電池パック1a、1b、1cの検出温度が、それぞれの目標温度に維持されるように、各電池パック1a、1b、1cの発熱量を制御し続けなければならない。
これに対して、本実施形態では、隣り合う電池パックの間の熱流束が0となるように、隣り合う電池パックの発熱量を調整するようにしている。これによれば、隣り合う電池パックの内部熱量(内部温度)に差がなくなるように、隣り合う電池パックの発熱量を制御するので、各電池パック1a、1b、1cの内部熱量(内部温度)の均一化制御を高精度に実行できる。
また、本実施形態によれば、各電池パック1a、1b、1cの内部熱量(内部温度)が均一となった後に、外部温度が変化しても、隣り合う電池パックの間の熱流束は変わらないので、各電池パック1a、1b、1cの発熱量を制御し続ける必要がない。
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のように、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(1)第1実施形態では、制御部20が実行する内部熱量の均一化制御において、熱流束センサ10で発生した起電圧(電圧値)としきい値とを比較し、起電圧がしきい値以下となるように、隣り合う電池パックの発熱量を調整したが、起電圧の代わりに、起電圧から算出した熱流束をしきい値と比較しても良い。また、熱流束センサ10で発生した電流の値をしきい値と比較してもよい。要するに、本発明では、各熱流束センサにて発生した起電力に基づいて、隣り合う電池パックの熱流束が所定値以下となるように、隣り合う電池パックの発熱量を調整すればよい。
(2)第1実施形態では、積層された3つの電池パックの発熱量を制御したが、本発明の発熱量制御装置は、積層された4つ以上の電池パックの発熱量についても、第1実施形態と同様に制御することができる。また、本発明の発熱量制御装置は、積層された2つの電池パックの発熱量についても、第1実施形態と同様に制御することができる。なお、少なくとも3つの発熱体が積層されている場合、内側に位置する発熱体と外側に位置する発熱体とでは、外部への放熱量が異なり、各発熱体の内部熱量が不均一になりやすい。したがって、この場合に、本発明の発熱量制御装置によって、内部熱量の均一化制御を実施することが特に有効である。
(3)第1実施形態では、各電池パック1a、1b、1cの内部熱量(内部温度)の均一化制御において、隣り合う電池パックの両方の発熱量を制御したが、隣り合う電池パックの一方の発熱量のみを制御しても良い。
(4)第1実施形態では、本発明の発熱量制御装置が、車両に搭載される電池の発熱量を制御する場合を説明したが、電池は車両に搭載されるものに限られず、家庭や工場等に設置される据置型の電池であっても良い。
(5)本発明の発熱量制御装置を、電池以外の発熱体の発熱量制御に適用してもよい。例えば、鉄板焼きに使用される鉄板(ホットプレート)が、積層された複数の発熱体で構成されている場合、これらの発熱体の発熱量を制御することも可能である。また、本発明の発熱量制御装置によって、熱プレス成型機の上型の発熱体と下型の発熱体の発熱量を制御することも可能である。この場合、被成型品のプレス中において、上型と下型とが隣接した状態となる。したがって、プレス中に上型と下型との間に位置するように、熱流束センサを配置すればよい。
(6)上記各実施形態では、第1、第2層間接続部材130、140を形成する金属が、それぞれ、Bi−Sb−Te合金、Bi−Te合金であったが、他の合金であってもよい。また、上記した各実施形態では、第1、第2層間接続部材130、140を形成する金属の両方が、固相焼結された焼結合金であったが、少なくとも一方が固相焼結された焼結合金であればよい。これにより、第1、第2層間接続部材130、140を形成する金属の両方が固相焼結された焼結金属でない場合と比較して、起電圧を大きくでき、熱流束センサ10の高感度化が可能である。
(7)上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
(参考例1)
本参考例では、発熱体である電気炉等の設備の異常監視装置について説明する。
すなわち、本参考例は、
発熱体の表面に取り付けられ、前記発熱体と外気との間の熱流束を検出する熱流束センサと、
外気温度を検出する温度センサと、
前記発熱体の異常発熱の有無を判定する判定手段とを備え、
前記熱流束センサは、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材に厚さ方向に貫通する複数の第1、第2ビアホールが形成されていると共に、前記第1、第2ビアホールに互いに異なる金属で形成された第1、第2層間接続部材が埋め込まれ、前記第1、第2層間接続部材が交互に直列接続された構造を有し、
交互に直列接続された前記第1、第2層間接続部材は、前記発熱体と外気との間の熱流束に応じた起電力を発生し、
前記判定手段は、外気温度毎に前記発熱体の発熱状態が正常である場合に検出されうる熱流束に応じて設定される判定基準のうち、前記温度センサが検出した外気温度に応じた前記判定基準を用い、前記熱流束センサの検出結果と前記判定基準とを比較して、前記発熱体の異常発熱の有無を判定することを特徴とする異常監視装置に関するものである。
この異常監視装置は、発熱体である設備の異常発熱を検知したときに、設備が異常発熱の状態である旨を報知手段によって報知させたり、設備の発熱状態が正常となるように、設備の発熱量を調整する制御を行ったりするものである。
図13に示すように、この異常監視装置は、第1実施形態と同様に、熱流束センサ10と、制御部20とを備えている。熱流束センサ10と制御部20は、第1実施形態の熱流束センサ10と制御部20と同じ構成のものである。ただし、第1実施形態と異なり、熱流束センサ10は、設備30の表面に取り付けられ、設備30と外気との間の熱流束に応じたセンサ信号(起電圧)を制御部20に出力する。
また、異常監視装置は、設備30の外部に設置され、外気温度を検出する温度センサ11と、図示しないブザーや表示器とを備えている。温度センサ11は、外気温度に応じたセンサ信号を制御部2に向けて出力する。ブザーや表示器は、設備の異常発熱時にその旨を人に報知するための報知手段である。
制御部20は、熱流束センサ10からのセンサ信号に基づいて、設備30と外気との間の熱流束が所定値を超えているか否かを判定する判定手段である。所定値は、設備30の発熱状態が正常であるときの熱流束の上限値となるように設定される。このため、設備30と外気との間の熱流束が所定値以下である場合、設備30の発熱状態は正常であると判定する。一方、設備30と外気との間の熱流束が所定値を超えている場合、設備30の発熱状態は異常であると判定する。このようにして、制御部20は、設備30の異常発熱の有無を判定する。
そして、制御部20は、設備30の発熱状態は異常であると判定した場合に、ブザーや表示器等の報知手段を作動させて、設備30の異常発生を報知する。また、制御部20が、設備30の発熱量を制御可能であれば、熱流束センサ10からのセンサ信号に基づいて、設備30と外気との間の熱流束が所定値以下となるように、設備30の発熱量を調整する。
具体的には、図14に示されるように、制御部20は、ステップS101で、熱流束センサ10の起電圧(電圧値)Vと、温度センサ11が検出した外気温度Tとを取得する。
続いて、ステップS102で、取得した電圧値Vがしきい値Vth以下であるか否かを判定する。このしきい値Vthは、設備30の発熱状態が正常である場合に検出されうる熱流束に応じて設定される判定基準であり、設備30の発熱状態が正常である場合の熱流束の上限値に対応する電圧値である。設備30の発熱状態が正常である場合に検出されうる熱流束は、外気温度によって異なる。このため、設備30の発熱状態が正常である場合の外気温度と熱流束との関係を予め実験等により調べておき、外気温度毎にしきい値Vthを予め記憶部に記憶しておく。ステップS102では、温度センサ11が検出した外気温度Tに応じて選択されたしきい値Vthを用いる。
ステップS102で肯定(YES)判定した場合、ステップS103で設備30の発熱状態は正常であると決定し、図14の制御フローを終了する。
一方、ステップS102で否定(NO)判定した場合、ステップS104で設備30の発熱状態は異常であると決定し、ステップS105で、ブザーや表示器に対して、発熱状態の異常を報知するための制御信号を出力する。これにより、ブザーや表示器が作動して、設備30の異常発生を報知する。このとき、設備30に対して、発熱量を減少させるための制御信号を出力することにより、設備30の発熱量を減少させてもよい。
ところで、発熱体の異常監視装置が、発熱体の温度を検出し、検出した温度に基づいて、発熱体の発熱状態の異常の有無を判定する場合、発熱体の温度は、発熱体が外部から受ける影響によって変動するため、発熱体の発熱状態の異常の有無を正確に判定できないという問題がある。例えば、外部温度(外気温度)が低い場合、発熱体が異常発熱していても、発熱体が冷却されることにより、検出した発熱体の温度が正常時の温度となる可能性がある。また、発熱体と外部の間が断熱状態の場合、発熱体の発熱状態が正常でも、検出した発熱体の温度が異常時の温度となる可能性がある。なお、断熱状態とは、熱移動が抑制されている状態を意味する。
これに対して、本参考例の異常監視装置では、設備30と外気との間の熱流束の検出結果に基づいて、設備30の発熱状態の異常の有無を判定する。このとき、外気温度に応じた判定基準を用いる。これにより、設備30の発熱状態が正常であれば、判定基準を満たし、設備30の発熱状態が異常であれば、判定基準を満たさない。このため、設備の発熱状態の異常の有無を高精度に行うことができる。
10 熱流束センサ
20 制御部
100 絶縁基材
101、102 第1、第2ビアホール
130、140 第1、第2層間接続部材

Claims (5)

  1. 隣接する第1、第2発熱体の間に配置された熱流束センサ(10)と、
    前記第1、第2発熱体の少なくとも一方の発熱量を制御する制御部(20)とを備え、
    前記熱流束センサは、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材(100)に厚さ方向に貫通する複数の第1、第2ビアホール(101、102)が形成されていると共に、前記第1、第2ビアホールに互いに異なる金属で形成された第1、第2層間接続部材(130、140)が埋め込まれ、前記第1、第2層間接続部材が交互に直列接続された構造を有し、
    交互に直列接続された前記第1、第2層間接続部材は、前記第1、第2発熱体の間の熱流束に応じた起電力を発生し、
    前記制御部は、前記熱流束センサにて発生した起電力に基づいて、前記第1、第2発熱体の間の熱流束が所定値以下となるように、前記発熱量を制御することを特徴とする発熱量制御装置。
  2. 積層された第1、第2、第3発熱体のうち隣接する第1、第2発熱体の間に配置された第1熱流束センサ(10a)と、
    隣接する前記第2、第3発熱体の間に配置された第2熱流束センサ(10b)と、
    前記第1、第2、第3発熱体の発熱量を制御する制御部(20)とを備え、
    前記第1、第2熱流束センサは、両方とも、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材(100)に厚さ方向に貫通する複数の第1、第2ビアホール(101、102)が形成されていると共に、前記第1、第2ビアホールに互いに異なる金属で形成された第1、第2層間接続部材(130、140)が埋め込まれ、前記第1、第2層間接続部材が交互に直列接続された構造を有し、
    前記第1熱流束センサの交互に直列接続された前記第1、第2層間接続部材は、前記第1、第2発熱体の間の第1熱流束に応じた起電力を発生するとともに、前記第2熱流束センサの交互に直列接続された前記第1、第2層間接続部材は、前記第2、第3発熱体の間の第2熱流束に応じた起電力を発生し、
    前記制御部は、前記第1熱流束センサにて発生した起電力に基づいて、前記第1熱流束が所定値以下となるように、前記第1、第2発熱体の少なくとも一方の前記発熱量を制御するとともに、前記第2熱流束センサにて発生した起電力に基づいて、前記第2熱流束が所定値以下となるように、前記第2、第3発熱体の少なくとも一方の前記発熱量を制御することを特徴とする発熱量制御装置。
  3. 前記第1、第2層間接続部材を形成する前記金属の少なくとも一方は、複数の金属原子が当該金属原子の結晶構造を維持した状態で焼結された焼結合金であることを特徴とする請求項1または2に記載の発熱量制御装置。
  4. 前記熱流束センサは、前記絶縁基材の表面(100a)に表面パターン(111)が形成された表面保護部材(110)が配置されていると共に前記表面と反対側の裏面(100b)に裏面パターン(121)が形成された裏面保護部材(120)が配置され、前記裏面保護部材、前記絶縁基材、前記表面保護部材が一体化されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の発熱量制御装置。
  5. 前記発熱体は、電力の出力にともなって発熱するとともに、独立して出力する電力量の調整が可能な電池パックであり、
    前記制御部は、それぞれの前記電池パックが出力する電力量を調整することにより、前記電池パックの発熱量を制御することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の発熱量制御装置。
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