JP2015179609A - 電池温度調節装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】外部充電時の余分な消費電力を抑えつつ、かつ電池を蓄熱部として使用し、走行可能距離を延ばすことである。
【解決手段】車両1は、空調装置10と、車両外部から充電が可能に構成された電池60とを含む。電池温度調節装置50は、空調装置10と熱交換可能に構成された低温熱交換器58と、低温熱交換器58と熱交換可能に構成され、電池60の温度を目標温度に近づけるように調節する電池温調部52と、電池温調部52を制御する制御装置66とを備える。制御装置66は、車両外部から充電を行なう場合に、電池60への蓄熱の要否を判断し、蓄熱要と判断した場合には、蓄熱不要と判断した場合よりも、外部充電中の電池の目標温度を高く設定する。
【選択図】図1

Description

この発明は、電池温度調節装置に関し、特に車両外部から充電が可能に構成された電池を含む車両に搭載される電池温度調節装置に関する。
電気自動車やハイブリッド自動車には、走行用モータに電力を供給する走行用電池が搭載されている。電池は、適温で充放電を行なわないと充分に性能を発揮できなかったり、寿命に悪影響を与えたりするので、このような車両には電池用の温度調節装置が搭載されている。
国際公開第2012/004926号パンフレットには、電池冷却装置が開示されている。この電池冷却装置は、空調用の冷凍サイクルの冷媒を電池の冷却にも使用している。
国際公開第2012/004926号パンフレット
上記国際公開第2012/004926号パンフレットに記載された電池冷却装置では、電池の熱は冷却されることによって捨てられており、この熱を有効利用することについては十分な検討がなされていない。
特に、ハイブリッド自動車のエンジン停止時や電気自動車の車内暖房は、エンジンの排熱が利用できないので、電池に保持している電気エネルギーを熱に変換して乗員の車内暖房に使用しなければならず、走行可能距離が短縮されてしまう。そこで、本願発明者は、車両外部から電池に充電を行なう際(以下、外部充電時という)に車外から受電した電力で電池を予熱しておき、電池に蓄熱された熱を暖房等に利用することを検討している。電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される走行用電池は大型であり熱容量も大きいので、蓄熱部として使用すると電池をさらに有効に活用できる可能性がある。しかし、外部充電時に一律に電池を昇温させておくのは、走行可能距離の面では有利でも、外部充電時に余分に電力を必要とするという側面もある。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、外部充電時の余分な消費電力を抑えつつ、かつ電池を蓄熱部として使用し、走行可能距離を延ばすことができる車載の電池温度調節装置を提供することである。
この発明は、要約すると、空調装置と、車両外部から充電が可能に構成された電池とを含む車両に搭載される電池温度調節装置であって、空調装置と熱交換可能に構成された熱交換部と、熱交換部と熱交換可能に構成され、電池の温度を目標温度に近づけるように調節する電池温調部と、電池温調部を制御する制御部とを備える。制御部は、車両外部から充電を行なう場合に、電池への蓄熱の要否を判断し、蓄熱要と判断した場合には、蓄熱不要と判断した場合よりも、充電中の電池の目標温度を高く設定する。
上記の構成によれば、電池の目標温度を一律に設定するのではなく、蓄熱が必要と判断した場合には、蓄熱不要と判断した場合よりも、目標温度を高く設定する。したがって、蓄熱不要であるときには外部充電時の消費電力を抑制できる一方で、蓄熱が必要であるときには電池に放熱可能な熱を蓄えることができる。
好ましくは、制御部は、外気温がしきい値よりも低い場合には電池への蓄熱要と判断し、外気温がしきい値よりも高い場合には電池への蓄熱不要と判断する。
空調装置に使用されるヒートポンプは、−20℃程度の極低温になると冷媒の密度が低下し、性能が落ちることが知られている。したがって、外気温が低い場合には、空調装置のヒートポンプの性能が落ちるので、空調装置が使用できない可能性がある。上記の構成によれば、外気温が低い場合には外部充電時に電池に蓄熱を行なうため、この熱を利用して、たとえば空調装置のヒートポンプの冷媒を温めることができ、速やかに空調の性能を発揮させることが可能となる。なお、熱の利用の用途は空調に限定されずそれ以外であっても良い。
電池温調部は、車両外部から受電した電力を使用して電池を加熱可能なヒータと、電池に蓄えられた熱を熱交換部に送る電池熱交換部とを含む。
上記の構成とすれば、外部充電時に電池への充電を行なうとともに、受電した電力を用いて電池を加熱しておくことができるので、電池に蓄えた電力を減らすことなく電池を昇温させることができる。
本発明によれば、外部充電時の消費電力の無駄を省きつつ、電池を蓄熱部として有効活用できる。
本実施の形態の電池温度調節装置が搭載される車両の構成を示す図である。 低温熱交換器58の構成を示した図である。 外部充電時の電池への蓄熱の制御を説明するためのフローチャートである。 車両起動時の電池の蓄熱の空調への利用例を説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
図1は、本実施の形態の電池温度調節装置が搭載される車両の構成を示す図である。図1を参照して、車両1は、空調装置10と、電池温度調節装置50と、電池60と、充電器68とを含む。
充電器68は、外部電源70から電力を受けて電池60に電力を供給する。充電器68は、図示しないインレットを経由して充電ケーブルで外部電源から電力を受けるが、非接触で電磁界等による電力授受が行なわれるように車両を構成しても良い。
空調装置10は、圧縮機12と、室内コンデンサ14と、屋外コンデンサ20と、ファン24と、蒸発器26と、アキュームレータ25とを含む。空調装置10は、さらに、膨張弁16,28と、電磁弁18,30,32と、三方弁22と、流量調節機能付き膨張弁34とを含む。
圧縮機12で圧縮された冷媒は、室内コンデンサ14に送出される。室内コンデンサ14を通過した冷媒は、冷房時には電磁弁18を通過し、暖房時には電磁弁18が閉じられ膨張弁16を通過する。電磁弁18または膨張弁16を通過した冷媒は、三方弁22によって、屋外コンデンサ20をバイパスする流路Aまたは屋外コンデンサ20を流れる流路Bのいずれか一方に流れるように流路が決定される。
屋外コンデンサ20またはこれをバイパスする流路を通過した冷媒は、暖房時には電磁弁30が閉、電磁弁32が開に制御されることによってバイパス流路F1に流れ、冷房時には電磁弁30が開、電磁弁32が閉に制御されることによって膨張弁28および蒸発器26を通る流路F2に流れる。
流路F1,F2と並列に流路F3が設けられる。流路F3は、空調の冷媒と電池の温度調節の冷媒との間で必要に応じて熱交換を行なうための流路である。この流路F3には流量調節機能付き膨張弁34および低温熱交換器58が配置されている。流路F1〜F3のいずれかを通過した冷媒は、アキュームレータ25に送られて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機12に送られる。
本実施の形態については、極低温時の外部充電時に電池60に熱を蓄え、蓄えた熱を電池以外に利用する場合について説明するので、以下、空調装置10の冷媒循環経路は暖房時の経路が選択されるものとする。
電池温度調節装置50は、電池温調部52と、低温熱交換器58と、ファン56と、電池温度センサ62と、外気温センサ64と、制御装置66とを含む。
低温熱交換器58は、後に図2で説明するように空調装置10と熱交換可能に構成される。電池温調部52は、低温熱交換器58と循環する冷媒を介して熱交換可能に構成され、電池60の温度を目標温度に近づけるように調節する。
制御装置66は、制御信号CS1〜CS9を出力し、電磁弁18,30,32、三方弁22、流量調節機能付き膨張弁34、ファン24,56およびヒータ54を制御する。なお、制御装置66は、空調装置10と電池温度調節装置50とに分けて設けられても良い。
電池温度調節装置50は、液媒体をポンプで循環させる方式でも良いが、好ましくは、サーモサイフォン(ボトムヒート)型ヒートパイプ方式を採用すると良い。低温熱交換器58を電池60および電池温調部52よりも重力上方に配置すれば、電池発熱を重力上方の低温熱交換器58で冷却するサーモサイフォン型ヒートパイプが構成され、電池60の熱を移動させるのに別途の圧縮機やポンプ等が不要となる。
図2は、低温熱交換器58の構成を示した図である。低温熱交換器58は、二重管式空冷熱交換器であって、内管104と、外管106と、空冷フィン102とを含む。内管104の内部には空調装置10の冷媒が流れる。内管104の外側であって外管106の内部には電池温度調節装置50の冷媒が流れる。限定されないが、空冷フィン102は走行風を受けることができる位置に配置されることが好ましい。車両走行時には走行風を利用して空冷フィン102から放熱が行なわれる。停車時においても必要に応じてファン56が回転され、空冷フィン102に風があたり空冷フィン102からの放熱が行なわれる。
電池60の温度調節の冷媒を外管106に流し、空調装置10の冷媒を逆方向に内管104に流す。この構成によって電池60の熱を空調装置10の冷媒に移すことが可能となる。また電池の冷媒を外管106に流すことにより、電池60の冷媒を空冷フィン102によって好適に冷却することができる。この構成によって、冷却コストが安い空冷方式を優先的に電池の冷却に使用することが可能となる。
再び図1を参照して、本実施の形態の電池温度調節装置50は、外部充電時に、電池60を予熱することが可能に構成される。具体的には、電池温度調節装置50の電池温調部52は、車両外部から受電した電力を使用して電池60を加熱可能なヒータ54と、電池60に蓄えられた熱を熱交換部に送る電池熱交換部53とを含む。ヒータ54によって加熱されることによって、または充電によって自己発熱したことによって電池60に蓄熱が行なわれる。
電池60を外部充電時に予熱する理由は以下のとおりである。電池60は、充電や放電を行なうのに適切な温度に管理しないと、性能が低下したり寿命が短くなったりしてしまう。したがって、電池温調部52によって、電池60の温度が適切な範囲に収まるように冷却または加熱が行なわれる。特に、外気が低温である場合には、外部充電時に充電が完了した時点で電池の性能が発揮できるようにヒータ54を用いて電池60を予熱することが行なわれる。
電気自動車やプラグインハイブリッド自動車に搭載される電池は、大型であり、大きな熱容量を有し温めにくく冷めにくい。本実施の形態ではこの特性を利用して外部充電時に電池60に熱を蓄えて電池以外の部分で蓄えた熱を使用する。
熱を使用する前提として、必要に応じて電池60に熱を蓄えるように、制御装置66は電池温調部52を制御する。制御装置66は、車両外部から充電を行なう場合に、電池60への蓄熱の要否を判断し、蓄熱要と判断した場合には、蓄熱不要と判断した場合よりも、外部充電中の電池の目標温度を高く設定する。好ましくは、制御装置66は、外気温がしきい値よりも低い場合には電池60への蓄熱要と判断し、外気温がしきい値よりも高い場合には電池60への蓄熱不要と判断する。
外部充電時に一律に電池を昇温させておくのは、走行可能距離の面では有利でも、外部充電時に余分に電力を必要とするという側面もある。制御装置66は、蓄熱要否を判断して電池60に蓄熱を行なうため、蓄熱不要であるときには外部充電時の消費電力を抑制できる一方で、蓄熱が必要であるときには電池に放熱可能な熱を蓄えることができる。
以下、本実施の形態において制御装置66が実行する制御について説明する。まず、図3で電池60への蓄熱処理について説明し、図4で電池60から熱を放出する処理について説明する。
図3は、外部充電時の電池への蓄熱の制御を説明するためのフローチャートである。図1、図3を参照して、このフローチャートの処理が開始されると、ステップS1において制御装置66は、外気温センサ64から外気温Toを取得する。続いてステップS2において、制御装置66は、電池温度センサ62から現在の電池温度Tbを取得する。
ステップS3において、制御装置66は、昇温時間t1を算出する。昇温時間t1は、電池60の昇温に使用可能な時間を示す。たとえばt1は、電池昇温開始時刻から車両の使用開始時刻までの時間差で求められる。なお、外部充電が行なわれる場合には、昇温開始時刻は、充電開始時刻と等しくても良く、充電開始時刻よりも後の時刻であっても良い。制御装置66は、ユーザから使用開始時刻が与えられると、使用開始時刻に充電が完了するように、昇温開始時刻(充電開始時刻)を設定する。
続いてステップS4において、制御装置66は、電源プラグの接続があるか否かを判断する。図示しないが、充電器68と外部電源70との間には、車両のボディにインレットが設けられており、インレットには電源プラグに相当する充電コネクタが接続可能である。充電コネクタの接続の有無は、インレットの接続検出センサなどで検出される。充電コネクタがインレットに接続されている場合には、制御装置66は、ステップS4において電源プラグの接続があると判断する。制御装置66は、非接触で充電が行なわれる場合には、外部電源から電力が授受可能であるか否かを判断し、電力が授受可能である場合には電源プラグの接続があると判断する。
ステップS4で制御装置66が電源プラグの接続が無いと判断した場合(S4においてNO)には、ステップS5に処理が進められる。ステップS5では、制御装置66は、加熱時の電池目標温度を温度Tlに設定する。温度Tlは、電池の使用可能範囲温度のなかで電池が使用可能となる最低限の電池温度(下限温度)である。走行中は、電池から充放電が行なわれることにより電池は自己発熱するので、温度Tl以上に電池60を加熱するとかえって電力の無駄が生じる。したがって、電池目標温度を下限温度T1に設定することによって、外部充電時の消費電力を最小限に抑えることができる。
そして、ステップS6において、制御装置66は、電池加熱量Qを車両の駆動に最低限必要な加熱量Qlに設定する。このとき、電池の熱容量をCとすると、Ql=C・(Tl−Tb)で計算される。
一方、ステップS4で制御装置66が電源プラグの接続があると判断した場合(S4においてYES)には、ステップS7に処理が進められる。ステップS7では、制御装置66は、空調装置10のヒートポンプの性能が低下しているか否かを判断する。具体的には、ヒートポンプの冷媒の性能が低下する温度に相当する低温しきい値より外気温Toが高い場合には、制御装置66は、ヒートポンプの性能が低下していないと判断する。低温しきい値より外気温Toが低い場合には、制御装置66は、ヒートポンプの性能が低下していると判断する。言い換えると、ステップS4では、制御装置66は、電池60への余力熱の蓄熱の要否を判断している。制御装置66は、外気温がしきい値よりも低い場合には電池60への蓄熱要と判断し、外気温がしきい値よりも高い場合には電池60への蓄熱不要と判断する。
ステップS7においてヒートポンプの性能が低下していない(蓄熱不要)と判断された場合(S7においてNO)には、空調装置10の性能は低下しておらず、空調装置10に暖房を任せておけば良い。したがって、ステップS8では制御装置66は、電池目標温度を温度Taに設定する。温度Taは、電池の使用可能範囲温度のなかで電池60が充電するために最適な電池温度である。ただし、Ta>Tlである。
そしてステップS9において、制御装置66は、電池加熱量Qを算出する。このとき電池加熱量Qは、ステップS6で算出されたQlにQaを加算したものである。Qaは、TlからTaまで電池60を昇温するために必要な熱量である。
一方、ステップS7においてヒートポンプの性能が低下している(蓄熱要)と判断された場合(S7でYES)には、空調装置10が暖房性能を早急に発揮できるように、車両起動時に熱を電池60から空調装置10の冷媒に移すことが好ましい。そのための準備として、ステップS10において、制御装置66は、電池目標温度を温度Trに設定する。温度Trは、電池60の使用可能範囲温度のなかで電池60が充電するために最適な電池温度Taよりも高い温度であり、空調装置10の冷媒に移送するための余分な熱を電池60に蓄えることを考慮して設定される。ここで、Tr>Ta>Tlである。
そしてステップS11において、制御装置66は、電池加熱量Qを算出する。このとき電池加熱量Qは、ステップS6,S9で算出されたQl,Qaの和にさらにQrを加算したものである。Qrは、TaからTrに電池60を昇温するのに必要な熱量である。
ステップS6,S9,S11のいずれかにおいて電池加熱量Qが算出された後には、ステップS12に処理が進められる。ステップS12では、制御装置66は、電気ヒータ54の加熱速度qを算出する。
加熱速度qは、単位時間当たりの加熱量であり、q=(Q−z)/t1で算出される。ここで、Qは、ステップS6,S9,S11のいずれかで算出された加熱量を示し、zは、電池60の充電時に電池60自身で発生する単位時間当たりの発熱量を示し、t1は、ステップS3で求めた昇温時間を示す。
そして、ステップS13において制御装置66は、電池60の加熱を実行する。このとき、電源プラグが接続されている場合には電池60の充電も実行される。その後昇温時間t1が経過すると、ステップS14において電池60の加熱が終了する。
なお、加熱や充電が一定速度で行なわれない場合には、電池温度Tbを監視しながら適宜加熱速度qを補正するような処理を行なっても良い。
図3に示すような制御を行なうことによって、無駄がない電池60の予熱が、必要に応じて外部充電時に行なわれる。
図4は、車両起動時の電池の蓄熱の空調への利用例を説明するためのフローチャートである。図1、図4を参照して、イグニッションキースイッチなどの操作によって車両が起動されるとまずステップS51において、制御装置66は、外気温センサ64から外気温Toを取得する。
続くステップS52では、制御装置66は、目標電池温度TTbを設定する。目標電池温度TTbは、電池60が性能を発揮するために最適な電池温度である。
続いてステップS53において、制御装置66は、電池温度センサ62から現在の電池温度Tbを取得し、ステップS54において、電池余力熱Qbを算出する。電池余力熱Qbは、たとえばQb=f(Tb−TTb)で算出される。ここで、fは、Tb−TTbの値の変化に従って単調増加する関数であるが、実験的に求めたマップなどで温度Tb,TTbからQbを決定しても良い。
ステップS55では、制御装置66は、電池60に余力熱があるか否かを判断する。原則として電池余力熱Qb>0であれば余力熱があるが、電池余力熱Qbがあまり小さいと熱を利用できる時間がきわめて短時間になってしまうので、ステップS55ではしきい値QbminよりもQbが大きい場合に余力熱ありと判断している。
ステップS55において電池60に余力熱が無いと判断された場合(S55においてNO)にはステップS56に処理が進められる。この場合、電池60から空調装置10の冷媒に熱を移動させるとかえって電池60が最適温度よりも下がってしまうので、ステップS56では、制御装置66は、流量調節機能付き膨張弁34を閉じて、流路F3に空調装置の冷媒を流さないようにする。また、制御装置66は、空冷フィン102に送風するためのファン56も停止する。
一方、ステップS55において電池60に余力熱があると判断された場合(S50においてYES)にはステップS57に処理が進められる。ステップS57では、電池60から空調装置10の冷媒に熱を移動させるために、制御装置66は、流量調節機能付き膨張弁34を開き、流路F3に空調装置10の冷媒を流す。そしてステップS58において、制御装置66は、暖房要求の有無を判断する。ユーザがエアコンスイッチで暖房ON操作を行なった場合や、タイマーなどで暖房が作動する時刻になった場合などに暖房要求が発生する。暖房要求がある場合には、早期の暖房性能の発揮のために電池60の余力熱を空調の冷媒に移してヒートポンプの性能を向上させることが望ましい。
したがって、ステップS58において暖房要求があった場合には、ステップS59に処理が進められ、制御装置66は、圧縮機12を起動し、空調冷媒を空調装置10の暖房経路に循環させる。この時、流量調節機能付き膨張弁34も開とされるので、低温熱交換器58にも空調冷媒が循環する。したがって、ステップS60において、低温熱交換器58の作動によって電池60の余力熱が空調冷媒に移動し、速やかに空調冷媒が昇温される。これによって、極低温時の性能低下した状態から空調装置10の性能を向上させることができる。
一方、ステップS58において暖房要求が無い場合(S58でNO)には、ステップS61に処理が進められる。ステップS61では、制御装置66は、圧縮機12を停止する。その結果、空調冷媒は低温熱交換器内を循環しない。したがって電池60と空調冷媒との熱交換は行なわれない状態となる。なお、この状態でもステップS62において、電池60が過熱状態となった場合には、制御装置66は、必要に応じてファン56を駆動して電池温度調節装置50の冷媒を空冷して電池60を冷却する。
ステップS60またはステップS62の処理の後には、再びステップS53の現在電池温度Tbの計測処理が実行され、以降の処理が繰り返される。
以上の処理に従って制御を行なうことにより、電池60に蓄えられた熱を必要に応じて空調装置10の冷媒に移す。これにより、極低温時の外部充電直後における空調装置10の速やかな性能発揮が可能となる。
なお、図1の構成では、電磁弁30,32によって冷房と暖房とを切替えているが、電磁弁30,32に代えて1つの三方弁を設け、流路F1、F2のいずれか1つに冷媒を選択的に送る構成としても良い。
また、本実施の形態では、外部充電時に電池に蓄えた熱を空調装置の冷媒を温めるのに使用することを例として挙げたが、熱の利用の用途は空調に限定されずそれ以外であっても良い。たとえば、電池とエンジンまたは排気ガスの浄化触媒等とを熱交換可能に構成しておき、これらの暖機などに電池の熱を利用しても良い。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 車両、10 空調装置、12 圧縮機、14 室内コンデンサ、16,30 膨張弁、18,30,32 電磁弁、20 屋外コンデンサ、22 三方弁、24,56 ファン、25 アキュームレータ、26 蒸発器、34 流量調節機能付き膨張弁、50 電池温度調節装置、52 電池温調部、54 電気ヒータ、58 低温熱交換器、60 電池、62 電池温度センサ、64 外気温センサ、66 制御装置、68 充電器、70 外部電源、102 空冷フィン、104 内管、106 外管。

Claims (3)

  1. 空調装置と、車両外部から充電が可能に構成された電池とを含む車両に搭載される電池温度調節装置であって、
    前記空調装置と熱交換可能に構成された熱交換部と、
    前記熱交換部と熱交換可能に構成され、前記電池の温度を目標温度に近づけるように調節する電池温調部と、
    前記電池温調部を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、車両外部から充電を行なう場合に、前記電池への蓄熱の要否を判断し、蓄熱要と判断した場合には、蓄熱不要と判断した場合よりも、充電中の前記電池の目標温度を高く設定する、電池温度調節装置。
  2. 前記制御部は、外気温がしきい値よりも低い場合には前記電池への蓄熱要と判断し、外気温がしきい値よりも高い場合には前記電池への蓄熱不要と判断する、請求項1に記載の電池温度調節装置。
  3. 前記電池温調部は、
    車両外部から受電した電力を使用して前記電池を加熱可能なヒータと、
    前記電池に蓄えられた熱を前記熱交換部に送る電池熱交換部とを含む、請求項2に記載の電池温度調節装置。
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