JP2021034304A

JP2021034304A - 電池システム

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Publication number: JP2021034304A
Application number: JP2019155799A
Authority: JP
Inventors: 昌弘糟谷; Masahiro Kasuya; 尭史辻村; Takashi Tsujimura
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-01
Anticipated expiration: 2039-08-28
Also published as: JP7207235B2

Abstract

【課題】消費電力を低減しつつ二次電池を温めることができる電池システムを提供する。
【解決手段】電池システム１１は、熱を伝達する流体が循環する循環流路１２と、循環流路１２を循環する流体と熱交換可能に配置された二次電池２１と、循環流路１２に設けられ、熱を持つ流体を蓄える蓄熱部１９とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池を温めることが可能な電池システムに関する。

一般に、リチウムイオン電池などの二次電池は、低温になると内部抵抗が高くなるので、常温時に比べて出力できる電力が低くなってしまう。このため、従来は、例えば特許文献１に示すように、電気ヒータによって冷却水及び潜熱蓄熱材を介して二次電池を温める構成の二次電池温度調整装置が提案されている。

特開２０１７−２１６０９８号公報

しかし、上述のような二次電池温度調整装置では、電気ヒータによって冷却水及び潜熱蓄熱材を介して二次電池を温める構成であるため、消費電力が大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされた。その目的は、消費電力を低減しつつ二次電池を温めることができる電池システムを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する電池システムは、熱を伝達する流体が循環する循環流路と、前記循環流路を循環する前記流体と熱交換可能に配置された二次電池と、前記循環流路に設けられ、熱を持つ前記流体を蓄える蓄熱部と、を備えることを要旨とする。

この構成によれば、例えば二次電池が高温のときに二次電池の熱によって温められた流体は蓄熱部に蓄えておくことができるので、二次電池が低温のときに蓄熱部に蓄えた熱を持つ流体によって二次電池を温めることができる。このため、電力を使わずに二次電池を温めることができるので、消費電力を低減しつつ二次電池を温めることができる。

一実施形態の電池システムにおいて、流体によって各二次電池を温めるときの状態を示す模式図。同電池システムの二次電池の放電回路の模式図。同電池システムの電気的構成を示すブロック図。同電池システムにおいて、流体によって各二次電池を冷却するときの状態を示す模式図。

以下、電池システムの一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、電池システム１１は、例えばハイブリッド自動車などに搭載され、熱を伝達する流体が循環する矩形環状の循環流路１２と、循環流路１２における長手方向の一端と他端とを繋ぐ直線状の冷却流路１３とを備えている。冷却流路１３の一端と循環流路１２の長手方向の一端との連結部分には第１三方弁１４が設けられ、冷却流路１３の他端と循環流路１２の長手方向の他端との連結部分には第２三方弁１５が設けられている。

第１三方弁１４及び第２三方弁１５は、冷却流路１３に流体を流さない状態（図１に示す状態）と、冷却流路１３に流体を流す状態（図４に示す状態）との間で切り替えられる。冷却流路１３の中央部には、冷却流路１３を流れる流体を冷却するラジエータ１６が設けられている。なお、流体には空気などの各種気体や水などの各種液体を用いることができるが、本実施形態の流体には水が採用されている。

循環流路１２における短手方向の一端側には流体を一方向に流すポンプ１７と熱交換部１８とが設けられ、循環流路１２における短手方向の他端側には蓄熱部１９と発熱部２０とが設けられている。したがって、ポンプ１７及び熱交換部１８と、蓄熱部１９及び発熱部２０とは、冷却流路１３を挟んで互いに反対側となるように循環流路１２に設けられている。

ポンプ１７は、その駆動により、流体を循環流路１２に沿って図１における時計回りに循環させる。ポンプ１７と熱交換部１８とは、互いに隣り合うように配置されている。この場合、ポンプ１７と熱交換部１８とは、熱交換部１８の方がポンプ１７よりも循環流路１２における上流側に位置するように配置されている。熱交換部１８は、比較的熱伝導率の高い銅やアルミニウムなどの金属によって矩形板状に形成される。熱交換部１８の内部には、流体が流れる流路（図示略）が熱交換部１８全体にわたって蛇行して延びるように形成されている。

熱交換部１８上には、ハイブリッド自動車の動力源となる複数の矩形板状の二次電池２１が互いに接触するように水平方向に並んで配置されている。すなわち、複数の二次電池２１は、循環流路１２を循環する流体と熱交換部１８において熱交換可能に配置されている。複数の二次電池２１には、複数の二次電池２１の温度を検出する温度センサ２２（図３参照）がそれぞれ取り付けられている。

図１及び図２に示すように、複数の二次電池２１は、例えばリチウムイオン電池によって構成され、バスバー（図示略）によって直列に電気的に接続されている。複数の二次電池２１には、これらを強制的に放電させるための放電回路２３がそれぞれ設けられている。各放電回路２３は、スイッチ２４と抵抗２５とを有している。

そして、各放電回路２３のスイッチ２４をオンにすることで、二次電池２１から放電回路２３に電流が流れて二次電池２１が放電される。この場合、各放電回路２３の抵抗２５で発生する熱は、発熱部２０に供給されるようになっている。つまり、発熱部２０は、各放電回路２３によって強制的に放電させる二次電池２１の電気エネルギーによって発熱する。

図３に示すように、電池システム１１は、電池システム１１全体を統括的に制御する制御部２６を備えている。制御部２６には、複数の温度センサ２２、複数の二次電池２１、ポンプ１７、第１三方弁１４、第２三方弁１５、及び複数の放電回路２３のスイッチ２４がそれぞれ電気的に接続されている。

制御部２６は、複数の温度センサ２２及び複数の二次電池２１から送信される信号に基づいて、ポンプ１７の駆動、第１三方弁１４の切替動作、第２三方弁１５の切替動作、及び複数の放電回路２３のスイッチ２４のオンオフの切替動作を制御する。なお、制御部２６には、各二次電池２１を効率よく使用する上での各二次電池２１の適切な温度範囲である所定温度範囲Ｔが記憶されている。

図２及び図３に示すように、通常、直列に接続された複数の二次電池２１の間では、製造上のばらつき、温度分布のばらつき、劣化状態の差などがあるため、充電量にばらつきが発生した状態になっている。この状態で複数の二次電池２１の充放電を行う場合、放電時には最も充電量の少ない二次電池２１が使用下限充電量になった時点で全ての二次電池２１の放電を停止しなければならない一方、充電時には最も充電量の多い二次電池２１が使用上限充電量になった時点で全ての二次電池２１の充電を停止しなければならない。

こうした複数の二次電池２１の間での充電時のアンバランスを解消するため、電池システム１１では、制御部２６が、複数の二次電池２１の電圧を均一化して充電量を合わせるべく複数の二次電池２１を選択的且つ強制的に放電する制御、すなわちパッシブ方式のセルバランス制御を行う。

パッシブ方式のセルバランス制御では、複数の二次電池２１の放電時に、最も充電量の少ない二次電池２１が使用下限充電量になった時点で充電量が使用下限充電量よりも多い他の二次電池２１を、これらに対応するそれぞれの放電回路２３のスイッチ２４を制御部２６がオンにして選択的且つ強制的に放電させることにより、全ての二次電池２１の充電量を使用下限充電量に合わせる。

また、パッシブ方式のセルバランス制御では、複数の二次電池２１の充電時に、最も充電量の少ない二次電池２１が使用上限充電量に達するまで、これよりも先に使用上限充電量に達している他の二次電池２１を、これらに対応するそれぞれの放電回路２３のスイッチ２４を制御部２６がオンにして選択的且つ強制的に放電させることにより、全ての二次電池２１の充電量を使用上限充電量に合わせる。

したがって、本実施形態では、複数の二次電池２１の電圧を均一化するべく複数の二次電池２１を選択的に放電させる放電部が、放電回路２３と制御部２６とによって構成される。

図１に示すように、蓄熱部１９と発熱部２０とは、互いに隣り合うように配置されている。この場合、蓄熱部１９と発熱部２０とは、発熱部２０の方が蓄熱部１９よりも循環流路１２における上流側に位置するように配置されている。したがって、蓄熱部１９には、その上流側に位置する発熱部２０の発熱によって温められて熱を持った流体が流れ込んで蓄えられる。なお、蓄熱部１９は、内部に蓄えた流体の熱が外部へ逃げることを効果的に抑制するべく、例えば真空断熱構造などの高い断熱性を持つ構造のケースによって構成することが好ましい。

次に、電池システム１１の作用について説明する。
例えば寒冷地において一晩放置したハイブリッド自動車のエンジンの始動時には、電池システム１１における各二次電池２１の温度が所定温度範囲Ｔに比べて格段に低い状態になっている。このため、各二次電池２１をできるだけ早く温めることが好ましい。そして、各二次電池２１を温める場合には、まず、図１に示すように、冷却流路１３に流体が流れない状態になるように、第１三方弁１４及び第２三方弁１５が切替動作される。

続いて、ポンプ１７が駆動されると、流体は、冷却流路１３に流れることなく、循環流路１２に沿って図１における時計回りに流れる。すると、前回のハイブリッド自動車の使用中に行われたパッシブ方式のセルバランス制御による発熱部２０の発熱によって温められた流体が保温状態で蓄えられている蓄熱部１９から熱を持つ温かい流体が熱交換部１８に向かって流れる。そして、この温かい流体が熱交換部１８を流れる過程で、この流体の熱によって各二次電池２１が温められる。

各二次電池２１を温めて温度が下がった流体は、循環流路１２に沿って発熱部２０に向かって流れた後、再び蓄熱部１９に流れ込む。このようにして蓄熱部１９内の熱を持つ温かい流体が循環流路１２を循環することで、各二次電池２１が迅速に温められる。また、今回のハイブリッド自動車の使用中にパッシブ方式のセルバランス制御が行われると、発熱部２０が発熱するため、循環流路１２を流れる流体の温度が上昇する。このため、各二次電池２１がより一層迅速に温められる。そして、各二次電池２１の温度が所定温度範囲Ｔの下限を上回ると、ポンプ１７が停止される。

また、各二次電池２１は、その使用により発熱するため、徐々に温度が上昇する。そして、各二次電池２１の温度が所定温度範囲Ｔの上限を上回ると、各二次電池２１を冷却することが好ましい。各二次電池２１を冷却する場合には、まず、図４に示すように、冷却流路１３に流体が流れる状態になるように、第１三方弁１４及び第２三方弁１５が切替動作される。これにより、流体は、発熱部２０及び蓄熱部１９を流れなくなる。

続いて、ポンプ１７が駆動されると、流体は、冷却流路１３を流れるようにして循環される。すなわち、ポンプ１７によって送り出された流体は、第１三方弁１４から冷却流路１３に流れ込み、ラジエータ１６を流れる過程で冷却され、その後、第２三方弁１５を経由して熱交換部１８に向かって流れる。そして、この冷却された流体は、熱交換部１８を流れる過程で各二次電池２１から熱を奪うことで、各二次電池２１を冷却する。

各二次電池２１を冷却して温度が上がった流体は、第１三方弁１４を経由して冷却流路１３に流れ込み、ラジエータ１６を流れる過程で冷却され、その後、第２三方弁１５を経由して熱交換部１８に向かって流れる。このようにしてラジエータ１６によって冷却された流体が循環することで、各二次電池２１が迅速に冷却される。そして、各二次電池２１の温度が所定温度範囲Ｔの上限を下回ると、ポンプ１７が停止される。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）電池システム１１は、熱を伝達する流体が循環する循環流路１２と、循環流路１２を循環する流体と熱交換可能に配置された複数の二次電池２１と、循環流路１２に設けられて熱を持つ流体を蓄える蓄熱部１９と、複数の二次電池２１の電圧を均一化するべく複数の二次電池２１を選択的に放電させる複数の放電回路２３及び制御部２６と、循環流路１２に設けられて上記放電させる電気エネルギーによって発熱する発熱部２０とを備える。この構成によれば、複数の二次電池２１の電圧を均一化する際に一部の二次電池２１から放電させる電気エネルギーによって発熱する発熱部２０の熱によって循環流路１２を循環する流体を温めることができる。そして、この温められた流体は蓄熱部１９に蓄えておくことができるので、各二次電池２１が低温のときに蓄熱部１９に蓄えた熱を持つ流体によって各二次電池２１を温めることができる。このため、電力を使わずに各二次電池２１を温めることができるので、消費電力を低減しつつ各二次電池２１を温めることができる。さらに、流体は、複数の二次電池２１の電圧を均一化するために無駄に消費しなければならない電気エネルギーによって温めることができるので、当該電気エネルギーを有効利用することができる。

（２）電池システム１１において、発熱部２０は、循環流路１２における蓄熱部１９の上流側に設けられている。この構成によれば、発熱部２０の熱によって温められた流体を円滑に蓄熱部１９に供給することができる。

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・電池システム１１において、発熱部２０は、蓄熱部１９内に設けるようにしてもよい。このようにすれば、蓄熱部１９内の流体を発熱部２０によって温めることができるので、蓄熱部１９内の流体の温度低下を効果的に抑制できる。

・電池システム１１において、発熱部２０は省略してもよい。この構成によれば、例えば二次電池２１が高温のときに二次電池２１の熱によって温められた流体を蓄熱部１９に蓄えておくことができるので、二次電池２１が低温のときに蓄熱部１９に蓄えた熱を持つ流体によって二次電池２１を温めることができる。このため、電力を使わずに二次電池２１を温めることができるので、消費電力を低減しつつ二次電池２１を温めることができる。

・電池システム１１は、発熱部２０を省略し、ハイブリッド自動車のエンジンの熱によって流体が温められて当該温められた流体が蓄熱部１９に蓄えられるように構成してもよい。

・電池システム１１において、二次電池２１は１つであってもよい。
・電池システム１１において、冷却流路１３及びラジエータ１６は省略してもよい。
・電池システム１１におけるラジエータ１６は、ハイブリッド自動車のエンジンを冷却するためのラジエータと兼用であってもよい。

・電池システム１１において、熱交換部１８は省略してもよい。この場合、各二次電池２１は、流体によって直接温められる。さらにこの場合には、流体として例えばフッ素系不活性液体であるフロリナート（登録商標）などの電気絶縁性を有する液体を採用することが好ましい。

１１…電池システム、１２…循環流路、１９…蓄熱部、２０…発熱部、２１…二次電池、２３…放電部を構成する放電回路、２６…放電部を構成する制御部。

Claims

熱を伝達する流体が循環する循環流路と、
前記循環流路を循環する前記流体と熱交換可能に配置された二次電池と、
前記循環流路に設けられ、熱を持つ前記流体を蓄える蓄熱部と、
を備えることを特徴とする電池システム。
複数の前記二次電池と、
複数の前記二次電池の電圧を均一化するべく複数の前記二次電池を選択的に放電させる放電部と、
前記循環流路に設けられ、前記放電させる電気エネルギーによって発熱する発熱部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
前記発熱部は、前記循環流路における前記蓄熱部の上流側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電池システム。
前記発熱部は、前記蓄熱部内に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電池システム。