JP2021144836A - 電池の冷却制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の冷却時、電池の温度ムラを抑制して、電池性能の低下を抑制する。【解決手段】セルの放熱量及び発熱量を用いて求められるセル内部温度パラメータが、セル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲外である場合に、前記セル内部温度パラメータが前記規定値の範囲内となるように、前記セルの放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する、電池の冷却制御装置。【選択図】図１

Description

本願は電池の冷却制御装置を開示する。

特許文献１には、電池を冷却する冷却手段と、電池温度を検出する温度検出部と、検出温度に応じて冷却手段を制御する制御部とを備え、制御部を、電池の最適温度より低い温度領域では温度上昇に対する冷却能力の増加傾向を相対的に低くし、電池の最適温度より高い温度領域では温度上昇に対する冷却能力の増加傾向を相対的に高くするように構成したことを特徴とする電池の冷却制御装置が開示されている。特許文献１に開示された冷却制御装置によれば、電池温度が最適温度より低い場合は冷却能力が小さく制約されて電池の温度が上昇し、電池温度が最適温度より高い場合は冷却能力が急激に大きくなって電池が急速に冷却される。

特開２００３−１４２１６６号公報

特許文献１に開示されているように電池を急速に冷却した場合、電池に温度ムラが生じて、電池性能の低下を起こし易い。

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
セルの放熱量及び発熱量を用いて求められるセル内部温度パラメータが、セル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲外である場合に、
前記セル内部温度パラメータが前記規定値の範囲内となるように、前記セルの放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する、
電池の冷却制御装置を開示する。

本開示の冷却制御装置によれば、セルの内部と外部との間の温度差を小さくでき、温度のバラつきを抑制できる。すなわち、電池に温度ムラが生じ難く、電池性能の低下を起こし難い。

電池の冷却制御装置による制御フローの一例を示す。 セルの温度パラメータの種類を示す。 （Ａ）がセル内外温度パラメータの経時間変化の一例、（Ｂ）がセル内外温度パラメータ差の経時変化の一例、（Ｃ）が冷却媒体の流量の経時変化の一例を示す。 電池の冷却システムの一例を概略的に示す。

１．電池の冷却制御装置
図１に本開示の冷却制御装置による制御フローの一例を示す。図２にセル１の温度パラメータの種類を示す。図１及び２に示されるように、本開示の冷却制御装置は、セル１の放熱量及び発熱量を用いて求められるセル内部温度パラメータが、セル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲外である場合に、セル内部温度パラメータが当該規定値の範囲内となるように、セル１の放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する。

１．１ セル
セル１は正極、負極及び電解質を含む電極体を少なくとも一つ備える。本開示の冷却制御装置は、セル１の内部と外部との間の温度のバラつきを抑制するものであり、セル１が厚いほど高い効果が発揮されるものと考えられる。この点、セル１は複数の電極体を直列又は並列に接続してなるものであってもよい。セル１はラミネートフィルムや金属ケース等の外装体内に収容されたものであってもよい。

本開示の冷却制御装置は複数のセル１の冷却制御を同時に行うものであってもよい。この点、本開示の冷却制御装置の制御対象は、複数のセル１が組み合わされてなる電池パック１０（図４参照）であってもよい。セル１や電池パック１０の構成については従来と同様とすればよい。

１．２ セル内部温度パラメータの推定
図２に示されるように、セル内部温度パラメータはセル１の内部の温度に関するパラメータである。セル内部温度パラメータは、セル１の内部の温度の実測値ではなく、セル１の放熱量と発熱量とを用いて求められる推定値である。

１．２．１ セルの放熱量
セル１の放熱量を求める方法は特に限定されるものではない。例えば、図１に示されるように、セル１の表面温度と、冷却温度（例えば、冷却媒体によって冷却する場合は当該冷却媒体の温度）と、冷却量（例えば、冷却媒体によって冷却する場合は当該冷却媒体の流量）とに基づいて伝熱計算等によってセル１の放熱量を計算してもよい。

セル１の放熱量を求めるにあたってセル１の表面温度を用いる場合、当該セル１の表面温度は、実測値であっても推定値であってもよい。例えば、図２に示されるように、セル１の表面に設置された温度センサ２によってセルの表面温度を直接測定してもよい。或いは、セル１の外部の温度（例えば、電池パック１０内の雰囲気温度、或いは、電池パック１０外の温度）等に基づいてセル１の表面温度を推定してもよい。

セル１の放熱量を求めるにあたって冷却媒体の冷却温度を用いる場合、当該冷却温度は、実測値であっても推定値であってもよい。例えば、セル１の外部に設けられた温度センサ１５（図４参照）によって冷却媒体の冷却温度を直接測定してもよい。或いは、冷却風による場合、ブロア１２（図４参照）の回転数やエバポレータ１３（図４参照）の温度等に基づいて冷却温度を推定してもよい。

セル１の放熱量を求めるにあたって冷却媒体の冷却量（流量）を用いる場合、当該冷却量は実測値であっても推定値であってもよい。例えば、セル１の外部に設けられた流量計（不図示）によって冷却媒体の流量を直接測定してもよい。或いは、冷却風による場合、ブロア１２の回転数等に基づいて冷却媒体の流量を推定してもよい。

複数のセル１によって電池パック１０を構成する場合、すべてのセル１について、その放熱量を求めるとよい。すべてのセル１の放熱量を求めるにあたって、すべてのセル１の表面温度を実測又は推定してもよい。この場合、すべてのセル１の表面に温度センサを設け、当該温度センサによってすべてのセル１の表面温度を直接測定してもよいし、一部のセル１の表面にのみ温度センサを設け、当該温度センサによって一部のセル１の表面温度を直接測定するとともに、他のセル１について表面温度を推定してもよいし、すべてのセル１について、温度センサによらずに、表面温度を推定してもよい。

１．２．２ セルの発熱量
セル１の発熱量を求める方法は特に限定されるものではない。例えば、図１に示されるように、セル１の電気抵抗値と、セル１の電流値とに基づいてセル１の発熱量（ジュール発熱量）を計算してもよい。セル１の電気抵抗値やセル１の電流値については、公知の方法や手段により測定又は推定することが可能である。

１．２．３ セル内部温度パラメータ
図１に示されるように、本開示の冷却制御装置は、上記のようにして求められたセル１の放熱量及び発熱量を用いることで、セル１の内部温度に関するパラメータを求める（Ｓ１）。セル内部温度パラメータは、セル１の内部の温度に関するパラメータであればよく、セル１の内部において最も温度が高くなる部分における温度に関するパラメータであってもよいし、セル１の厚さ方向（電極体の積層方向）における中心温度に関するパラメータであってもよい。セル内部温度パラメータは、シミュレーションによる伝熱計算等に基づいて求めてもよい。セル内部温度パラメータの次元（単位）は℃であっても、それ以外の次元であってもよい。セル内部温度パラメータは、当該セル１の使用中に連続的に求めてもよいし、断続的に求めてもよい。新たにセル内部温度パラメータを求める際は、直前に求めたセル内部温度パラメータを考慮してもよい。また、セル１を使用する前に、当該セル１の放熱量と、当該セル１の発熱量と、セル内部温度との関係を求めておき、当該関係から、使用時における当該セル１のセル内部温度パラメータを求めてもよい。

尚、図１においては、セル１の放熱量を求めた後にセル１の発熱量を求めたうえでセル内部温度パラメータを求めるフローを示したが、発熱量を求めた後に放熱量を求めてもよいし、放熱量と発熱量とを同時に求めてもよいし、放熱量及び／又は発熱量と同時にセル内部温度パラメータを求めてもよい。

１．３ セル外部温度パラメータの推定又は測定
セル外部温度パラメータはセル１の外部の温度に関するパラメータである。セル外部温度パラメータは、図２に示されるように、セル１の表面の温度に関するパラメータであってもよいし、セル１の外部且つ電池パック１０の内部における温度に関するパラメータであってもよいし、電池パック１０の外部における温度に関するパラメータであってもよい。特に、セル１の表面の温度に関するパラメータである場合に、温度制御の精度を高めて、電池の温度ムラを一層抑制することができる。セル外部温度パラメータの次元（単位）は℃であっても、それ以外の次元であってもよい。

セル外部温度パラメータは、実測値であっても推定値であってもよい。例えば、図２に示されるように、セル１の表面に設置された温度センサ２によってセルの表面温度を直接測定し、当該測定値をセル外部温度パラメータとして用いてもよい。或いは、電池パック１０内のいずれかに設置された温度センサによって電池パック１０内の雰囲気温度を直接測定し、当該測定値をセル外部温度パラメータとして用いてもよいし、当該測定値に基づいてセル１の表面の温度を推定し、当該推定値をセル外部温度パラメータとして用いてもよい。或いは、電池パック１０外に設置された温度センサ１５（図４参照）によって電池パック１０外の温度を直接測定し、当該測定値をセル外部温度パラメータとして用いてもよいし、当該測定値に基づいて電池パック１０内の温度やセル１の表面の温度を推定し、当該推定値をセル外部温度パラメータとして用いてもよい。

１．４ 規定値の範囲外であるか否かの判断
図１に示されるように、本開示の冷却制御装置は、上記のセル内部温度パラメータが、セル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲内であるか否かを判断する（Ｓ２）。本開示の冷却制御装置は、セル１の内部温度と外部温度との差を必要に応じて小さくして、セル１の温度のバラつきを抑制するものである。この点、本開示の冷却制御装置は、例えば、セル内部温度パラメータとセル外部温度パラメータとの差を求め、当該差が規定値の範囲内か否か（例えば、閾値を超えているか否か）を判断してもよい。複数のセル１に対して上記の判断を行う場合は、各々のセル１についてセル内部温度パラメータとセル外部温度パラメータとの差を求めたうえで当該差の最大値を求め、当該最大値が規定値の範囲内か否か（閾値を超えているか否か）を判断してもよい。尚、上記の規定値や閾値は特に限定されるものではなく、電池の種類や運転条件等に応じて適宜設定すればよい。

１．５ セルの放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方の制御
図１に示されるように、本開示の冷却制御装置は、上記のセル内部温度パラメータが、セル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲外である場合に、セル内部温度パラメータが当該規定値の範囲内となるように、セル１の放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する（Ｓ４）。

例えば、セル内部温度パラメータとセル外部温度パラメータとの差が閾値を超えている場合、セル１に対する冷却媒体の流量を減少させたり冷却媒体の温度を高めたりする（すなわち、セル１の放熱量を低下させる）ことで、セル外部温度パラメータの値を高め、セル内部温度パラメータとセル外部温度パラメータとの差を小さくしてもよい。或いは、セル内部温度パラメータの値とセル外部温度パラメータの値との差が閾値を超えている場合、セル１の電流値を絞る（すなわち、セル１の発熱量を低下させる）ことで、セル内部温度パラメータの値を低下させ、セル内部温度パラメータとセル外部温度パラメータとの差を小さくしてもよい。

尚、図１に示されるように、本開示の冷却制御装置は、Ｓ４において実際にセルの放熱量や発熱量を制御する前に、セルの放熱量や発熱量を制御してよいか否かを判断してもよい（Ｓ３）。セルの放熱量や発熱量を変化させた場合に何らかの悪影響が想定される場合は、セルの放熱量や発熱量を制御することなく、冷却制御を終了してもよい。

図３（Ａ）にセル内外温度の経時変化の一例、図３（Ｂ）にセル内外温度差の経時変化の一例、図３（Ｃ）に冷却媒体の流量の経時変化の一例を示す。図３（Ａ）に示される例においては、セル内部温度パラメータがセル外部温度パラメータよりも高い値で推移し、セル内部温度パラメータとセル外部温度パラメータとの間に差がある。また、図３（Ｂ）に示されるように、上述したセル１の放熱量や発熱量が経時的に変化することで、セル内部温度パラメータとセル外部温度パラメータとの差も経時的に変化し得る。図３（Ｂ）に示す例においては、時間Ｔ１において、セル内外温度パラメータの差が閾値を超えており、すなわち、セル内部温度パラメータがセル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲外となっている。このように規定値の範囲外と判断された場合は、例えば、図３（Ｃ）に示されるように、時間Ｔ１において冷却媒体の流量を減少させることで、セル外部温度パラメータの値を高めるようにしてもよい。冷却媒体の流量を減少させて、セル外部温度パラメータの値を高めることで、図３（Ｂ）に示すように、セル内外温度パラメータの差が徐々に小さくなる。図３（Ｂ）に示す例においては、時間Ｔ２において、セル内外温度パラメータの差が閾値以下となっており、すなわち、セル内部温度がセル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲内となっている。このように規定値の範囲内と判断された場合、例えば、図３（Ｃ）に示されるように、時間Ｔ２において冷却媒体の流量を時間Ｔ１よりも前の流量にまで戻してもよい。

本開示の冷却制御装置は、上記の制御フローを実行可能な構成を備えていればよい。例えば、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース等を備え得る。

以上の通り、本開示の電池の冷却制御装置によれば、セル内部温度パラメータがセル外部温度パラメータに対して設定した規定値の範囲内となるようにセルの放熱量や発熱量を制御することで、セルの内部と外部との間の温度差を小さくでき、温度のバラつきを抑制できる。すなわち、電池に温度ムラが生じ難く、電池性能の低下を起こし難い。

２．電池の冷却制御方法
本開示の技術は、電池の冷却制御方法としての側面も有する。すなわち、本開示の電池の冷却制御方法は、セル１の放熱量及び発熱量を用いて求められるセル内部温度パラメータが、セル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲外である場合に、セル内部温度パラメータが当該規定値の範囲内となるように、セル１の放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する。各構成については上述した通りであり、ここでは説明を省略する。

３．電池の冷却制御システム
本開示の技術は、電池の冷却制御システムとしての側面も有する。すなわち、本開示の電池の冷却制御システムは、セル１と、セル１の放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する制御装置とを備え、当該制御装置は、セル１の放熱量及び発熱量を用いて求められるセル内部温度パラメータが、セル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲外である場合に、セル内部温度パラメータが当該規定値の範囲内となるように、セル１の放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する。

図４に電池の冷却制御システムの一例を示す。図４に示されるシステム１００は、自動車に搭載されたエアコンの冷却風を用いて電池パック１０内のセル１の冷却を行うシステムである。図４に示されるように、システム１００は、外気又は内気を車内へと流通させる主流路と、主流路から電池パック１０へと分岐する副流路とを備え得る。主流路には、上流側からフィルタ１１、ブロア１２、エバポレータ１３が設けられ、エバポレータ１３からの冷却風がエアミックスドア１６を介して乗員へと到達するように構成され得る。或いは、冬場等の低温時には、エバポレータ１３からの風がヒータコア１７によって適度な温風となり、当該温風が空調ドア１８を介して乗員へと到達するように構成され得る。一方、副流路には、上流側に電池ドア１４が設けられ、電池ドア１４の開閉によって副流路へと分岐する冷却風の流量を制御し得る。電池ドア１４の下流側には電池パック１０が設置され、副流路へと流れ込んだ冷却風によって電池パック１０内のセル１が冷却され得る。また、副流路内には温度センサ１５が備えられ、これにより、セル１に供給される冷却風の温度を測定し得る。尚、図示していないが、電池ドア１４に替えて、或いは、電池ドア１４とともに、電池パック１０に冷却風を導入するスリットを設けて、セル１に対する冷却風の流量を細かく調整できるようにしてもよい。

図４に示されるように、システム１００は、セル１を含む電池パック１０と、電池パック１０におけるセル１の放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する制御装置５０とを備える。当該制御装置５０は、例えば、ブロア１２、エバポレータ１３、電池ドア１４、パック外温度センサ１５及びパック内の温度センサ２（図２参照）等からの情報に基づいて、セル１の放熱量及び発熱量からセル内部温度パラメータを求める。また、制御装置５０は、当該セル内部温度パラメータがセル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲内か否かを判断し、範囲外と判断された場合に、セル内部温度パラメータが規定値の範囲内となるように、セル１の放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する。例えば、ブロア１２の回転数を小さくしたり、電池ドア１４の開度を小さくしたりして、電池パック１０に供給される冷却風の流量を減少させることで、セル１の放熱量を低下させて、セル外部温度パラメータを高めてもよい。或いは、セル１の電流量を絞ることで、セル１の発熱量を低下させて、セル内部温度パラメータを低下させてもよい。

４．補足
本開示の技術は、上記したような冷却風を用いて電池の冷却を行う場合のほか、ポンプを用いて冷却液（例えば冷却水）を流通・循環させて電池の冷却を行う場合等にも適用可能である。

本開示の技術においては、例えば、セル表面の温度に関するパラメータ（セル表面温度パラメータ）と冷却媒体の温度に関するパラメータ（冷却温度パラメータ）との差を求め、当該差が閾値以下となるようにセル１の放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御してもよい。これにより、セル１を緩やかに冷却することができ、温度ムラを一層抑制できる。尚、セル表面温度パラメータは、上述の通り実測値であっても推定値であってもよい。冷却温度パラメータについても、実測値であっても推定値であってもよい。

本開示の電池の冷却制御装置は、自動車に搭載された電池の冷却制御装置として好適に利用可能である。例えば、自動車に搭載されたエアコンによる冷却風を利用して電池を冷却する場合の冷却制御装置として利用可能である。

１ セル
２ 温度センサ
１０ 電池パック
１１ フィルタ
１２ ブロア
１３ エバポレータ
１４ 電池ドア
１５ 温度センサ
１６ エアミックスドア
１７ ヒータコア
１８ 空調ドア
５０ 制御装置
１００ 電池の冷却システム

Claims (1)

1. セルの放熱量及び発熱量を用いて求められるセル内部温度パラメータが、セル外部温度パラメータに対して設定された規定値の範囲外である場合に、
   前記セル内部温度パラメータが前記規定値の範囲内となるように、前記セルの放熱量及び発熱量のうちの少なくとも一方を制御する、
   電池の冷却制御装置。

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