JP2023032420A - 車両用バッテリ昇温システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車の高電圧バッテリを昇温する昇温工程において、バッテリ昇温に必要となる電力消費量を低減する。【解決手段】車両駆動用モータに電力を供給するバッテリ４と、バッテリ４と熱交換する冷媒１０６が循環する冷媒循環回路１１０と、冷媒循環回路１１０の冷媒１０６の流量を制御する冷媒循環ポンプ１３０と、高電圧系電力が供給され冷媒１０６を加熱する高電圧系加熱部１４０と、バッテリ４の昇温工程を制御する昇温制御部１９２と、を含み、昇温制御部１９２は、冷媒循環ポンプ１３０と高電圧系加熱部１４０を駆動してバッテリ４を昇温する第１昇温制御と、第１昇温工程によりバッテリ４の温度が使用可能温度範囲まで昇温したら、冷媒循環ポンプ１３０と高電圧系加熱部１４０の駆動を停止し、バッテリ４を使用しつつ低電圧系加熱部１０のみを駆動してバッテリ４を昇温する第２昇温制御とを実施する。【選択図】図１

Description

本件は、高電圧系加熱部及び低電圧系加熱部を利用して車両用バッテリを昇温する車両用バッテリ昇温システムに関する。

近年、環境負荷低減の観点から、トラック等の商用車の分野においても内燃機関を備えず、電動モータのみによって駆動する電動トラック等の電動車両の開発が行われている（特許文献１）。

このような電動車両に搭載される二次電池等の高電圧バッテリは、所定の使用可能温度範囲を有する。高電圧バッテリの温度が、この使用可能温度範囲の下限温度（例えば０℃）未満となる低温環境下では、高電圧バッテリを使用するとバッテリの劣化を促進し、高電圧バッテリ寿命の短縮につながる。そこで、一般的には、高電圧バッテリの温度が下限温度未満の状況では、バッテリの使用を禁止している。

このため、バッテリ温度が使用可能温度範囲よりも低温となる環境下においては、車両始動時にＰＴＣヒータ等の電熱ヒータでバッテリ温調用冷媒を加熱し、当該冷媒を循環させることによって、バッテリの昇温が行われる。

さらに、高電圧バッテリは、この使用可能温度範囲よりもさらに範囲を限定した使用推奨温度範囲があり、高電圧バッテリの温度を、この使用可能温度範囲内に保持して使用することが推奨されている。

特開２０１６－１１３０６３号公報

しかしながら、バッテリ昇温制御においては、車載の高電圧バッテリ、または外部充電装置から供給される充電電力をＰＴＣヒータ等の電熱ヒータ駆動用電力に配分する必要がある。
よって、バッテリの劣化防止、電力消費量低減、および充電時間短縮の観点から、バッテリ昇温制御における電力消費量を極力抑制したいとの要望がある。

以上から、本願の解決すべき課題は、高電圧バッテリを昇温する昇温工程において、バッテリ昇温に必要となる電力消費量を低減することができる、車両用バッテリ昇温システムを提供することとする。

本願は上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。
本適用例に係る車両用バッテリ昇温システムは、車両を駆動するモータに電力を供給し、所定の使用可能温度範囲を有するバッテリと、前記バッテリと熱交換する冷媒が循環する冷媒循環回路と、前記冷媒循環回路における前記冷媒の流量を制御する冷媒循環ポンプと、高電圧系電力が供給されることにより、前記冷媒循環回路の冷媒を加熱する高電圧系加熱部と、前記バッテリの内部または外面に配置され、低電圧系電力が供給されることにより前記バッテリを加熱する低電圧系加熱部と、前記冷媒循環ポンプ、前記高電圧系加熱部、および前記低電圧系加熱部の駆動を制御することにより、前記バッテリの昇温工程を制御する昇温制御部と、を含んで構成される。
なお、高電圧系加熱部には例えばＰＴＣヒータを適用することができ、低電圧系加熱部には例えばフィルムヒータを適用することができる。
前記昇温制御部は、前記昇温工程において、前記冷媒循環ポンプと前記高電圧系加熱部とを駆動することにより前記バッテリを昇温する第１昇温制御と、前記第１昇温制御によって前記バッテリの温度が前記使用可能温度範囲まで昇温したら、前記冷媒循環ポンプと前記高電圧系加熱部の駆動を停止し、前記バッテリを使用しつつ前記低電圧系加熱部のみを駆動することにより前記バッテリを昇温する第２昇温制御とを実施する。

したがって、バッテリの昇温工程では、まず、第１昇温制御によって、冷媒循環ポンプと高電圧系加熱部とを駆動することによりバッテリを昇温する。この昇温により、バッテリの温度を使用可能温度範囲まで昇温させることができ、バッテリの電力を用いて車両走行が可能になる。
このように第１昇温制御によってバッテリの温度が使用可能温度範囲まで昇温したら、第２昇温制御によって、冷媒循環ポンプと高電圧系加熱部との駆動を停止し、バッテリを使用しつつ低電圧系加熱部のみを駆動するので、冷媒循環ポンプ及び高電圧系加熱部による大きな電力消費を抑制し、比較的小電力で作動する低電圧系加熱部による加熱と、バッテリの使用（放電）による自己発熱とによって、少ない電力消費でバッテリの昇温を促進することができる。

本件によれば、車両用バッテリ昇温システムにおいて、バッテリ昇温に必要となる電力消費量を低減することができる。

実施形態に係る車両用バッテリ昇温システムの模式的な構成図である。 図１の車両用バッテリ昇温システムの昇温制御を説明するフローチャートである。 図１の車両用バッテリ昇温システムの昇温制御を比較説明する制御特性図であり、（ａ）は比較例のものを示し、（ｂ）は本実施形態のものを示す。

図面を参照して、本件の実施形態について説明する。この実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．装置構成］
本実施形態に係る車両用バッテリ昇温システム１０２は、電気自動車（電動車両）に装備され、車両走行用の電動モータに電力を供給する車両用バッテリ４（車両用バッテリパック、以下、単に、「バッテリ」ともいう）を昇温するために、バッテリ４の温度を調整する車両用バッテリ温度調整システム１００の一部として装備される。
なお、車両用バッテリ温度調整システム１００は、この車両用バッテリ昇温システム１０２と、バッテリ４の温度を所定の温度域内に保持する車両用バッテリ温度保持システム１０４とから構成される。

車両用バッテリ温度調整システム１００は、図１に示すように、冷媒循環回路１１０と、冷媒１０６が貯留される冷媒貯留タンク１２０と、冷媒循環ポンプ１３０と、高電圧系加熱部としてのＰＴＣヒータ１４０と、第１熱交換器としてのチラー（又はエバポレータ）１５０と、第２熱交換器としてのラジエータ１６０と、低電圧系加熱部としてのフィルムヒータ１７０と、３／２バルブ（三方向二位置バルブ、以下、単に、「バルブ」ともいう）１８０と、バッテリ４の昇温工程を制御する昇温制御部１９２の機能を有する制御装置１９０とを備えている。

冷媒循環回路１１０は、冷媒流路１１２，１１４，１１６を備えている。冷媒流路１１２は、冷媒貯留タンク１２０からバルブ１８０までの間に設けられ、冷媒流路１１４，１１６はそれぞれ、バルブ１８０から冷媒貯留タンク１２０までの間に設けられる。冷媒流路１１２には、冷媒循環ポンプ１３０と、ＰＴＣヒータ１４０と、バッテリ４とが、冷媒１０６の流れ方向に順に介装される。また、冷媒流路１１４には、チラー（エバポレータ）１５０が介装され、冷媒流路１１６には、ラジエータ１６０が介装される。

冷媒循環ポンプ１３０は、流量調整が可能であり、本実施形態では、電気信号により駆動を制御できる電動ポンプが適用されている。この冷媒循環ポンプ１３０が作動すると、冷媒貯留タンク１２０内の冷媒１０６が、冷媒流路１１２を流通してバッテリ４に供給される。バッテリ４内には図示しない冷媒流路が装備され、冷媒１０６が流通するとバッテリ４と冷媒１０６との間で熱交換が行われバッテリ４の温度が調整される。

冷媒流路１１２のバッテリ４の上流には、ＰＴＣヒータ１４０が介装される。ＰＴＣヒータ１４０は、高電圧系電力が供給されることにより作動して冷媒１０６を加熱する。したがって、バッテリ４の温度も冷媒１０６の温度も低い冷態時には、ＰＴＣヒータ１４０を作動させることにより、冷媒１０６の温度を上昇させてバッテリ４を昇温させることができる。

また、フィルムヒータ１７０は、バッテリ４の内部または外面に配置され、低電圧系電力が供給されることによりバッテリ４を加熱する。したがって、バッテリ４内の冷媒流路に冷媒１０６を流通させなくても、フィルムヒータ１７０を作動させることでバッテリ４を昇温させることができる。

バッテリ４との熱交換後、バッテリ４から流出した冷媒１０６は、３／２バルブ１８０を経て、チラー１５０を備えた冷媒流路１１４又はラジエータ１６０を備えた冷媒流路１１６に流入し、温度調整（主に冷却）される。３／２バルブ１８０は、電気信号に応じて作動する電磁バルブであり、冷媒１０６に対する温度調整要求に応じて、冷媒流路１１４、１１６を選択的に切り替えられる。

例えば、冷媒１０６に対する冷却要求が強い場合は、冷媒流路１１４を使用するように切り替え、チラー１５０において液体との熱交換交換による液冷によって速やかに冷媒１０６の温度調整（主に冷却）を行う。逆に、冷媒１０６に対する冷却要求が強くなければ、冷媒流路１１６を使用するように切り替え、ラジエータ１６０において空気との熱交換交換による空冷によって冷媒１０６の温度調整（主に冷却）を行う。

制御装置１９０は、バッテリ温度又はバッテリ温度に相当する温度を検出し、この検出温度Ｔ_Ｂに基づいて、（以下、「バッテリ温度Ｔ_Ｂ」ともいう）冷媒循環ポンプ１３０、ＰＴＣヒータ１４０、フィルムヒータ１７０、３／２バルブ１８０、チラー１５０およびラジエータ１６０を制御する。バッテリ温度Ｔ_Ｂが使用可能温度範囲（例えば０～３５℃）よりも低い冷態時に、バッテリ４を使用推奨温度範囲（例えば１０～３０℃）まで昇温させる昇温制御部１９２と、バッテリ４が使用推奨温度範囲まで昇温した後のバッテリ４の使用中に、バッテリ温度Ｔ_Ｂを使用推奨温度範囲内に保持する温度保持制御部１９４との２つの制御機能を備えている。

なお、本実施形態では、冷媒１０６の温度を検出する温度センサ１０８を冷媒循環回路１１０の何れかの箇所に装備し、この温度センサ１０８の検出値をバッテリ４の温度に相当する温度として用いている。ここでは、温度センサ１０８を、冷媒流路１１２のバッテリ４の直下流に配置している。

昇温制御部１９２は、冷媒循環ポンプ１３０、ＰＴＣヒータ１４０およびフィルムヒータ１７０の駆動を制御することにより、バッテリ４の昇温工程を制御する。
なお、車両用バッテリ昇温システム１０２は、冷媒循環ポンプ１３０、ＰＴＣヒータ１４０およびフィルムヒータ１７０と、昇温制御部１９２とから構成されている。
また、車両用バッテリ温度保持システム１０４は、冷媒循環ポンプ１３０、チラー１５０およびラジエータ１６０と、温度保持制御部１９４とから構成されている。

車両用バッテリ昇温システム１０２について、さらに説明する。
昇温制御部１９２は、バッテリ４の昇温工程を、冷媒循環ポンプ１３０とＰＴＣヒータ１４０とを駆動することによりバッテリ４を昇温する第１昇温制御と、この第１昇温制御の後、即ち、第１昇温制御によってバッテリ４の温度Ｔ_Ｂが使用可能温度範囲まで昇温したら、冷媒循環ポンプ１３０とＰＴＣヒータ１４０との駆動を停止し、車両走行などによりバッテリ４を使用しながら、フィルムヒータ１７０のみを駆動することによりバッテリ４を昇温する第２昇温制御と、によって制御する。なお、昇温工程は、第１昇温制御を行う第１昇温工程と第２昇温制御を行う第２昇温工程とを、この順に行うことになる。

つまり、バッテリ温度（温度センサ１０８による検出温度）Ｔ_Ｂが使用可能温度範囲の下限値Ｔ_０（例えば０℃）よりも低い冷態時には、まず、第１昇温制御として、冷媒循環ポンプ１３０とＰＴＣヒータ１４０とを駆動する。これにより、ＰＴＣヒータ１４０により暖められた冷媒１０６をバッテリ４に流通させて、バッテリ４を昇温する。
第１昇温制御によってバッテリ４が昇温し、バッテリ温度Ｔ_Ｂが使用可能温度範囲の下限値Ｔ_０以上になると、バッテリ４が使用可能となるので、例えば車両を走行させてバッテリ４の電力を使用することができ、第２昇温制御として、バッテリ４を使用しつつ、フィルムヒータ１７０のみを駆動することにより、バッテリ４を昇温する。

［２．作用及び効果］
本実施形態にかかる車両用バッテリ温度調整システム１００では、例えば図２のフローチャートに示すように、バッテリ４の温度を調整する。
バッテリ４の温度（温度センサ１０８による検出温度）Ｔ_Ｂが使用可能温度範囲の下限値Ｔ_０（例えば０℃）未満か否かが判断される（ステップＳ１０）。
バッテリ温度Ｔ_Ｂが使用可能温度範囲の下限値Ｔ_０よりも低い場合は、車両用バッテリ昇温システム１０２により、まず、第１昇温制御（ステップＳ３０）を実施する。

第１昇温制御では、冷媒循環ポンプ１３０とＰＴＣヒータ１４０とを駆動することにより、ＰＴＣヒータ１４０により暖められた冷媒１０６をバッテリ４に流通させて、バッテリ４を昇温する。こえにより、ＰＴＣヒータ１４０により暖められた冷媒１０６をバッテリ４に流通させて、バッテリ４を昇温する。

これにより、バッテリ４が昇温する。バッテリ温度Ｔ_Ｂが使用可能温度範囲の下限値Ｔ_０以上になると、ステップＳ１０からステップＳ２０に進み、バッテリ温度Ｔ_Ｂが使用推奨温度範囲の下限値Ｔ_１（例えば１０℃）未満か否かが判断される。バッテリ温度Ｔ_Ｂが使用推奨温度範囲の下限値Ｔ_１未満であれば、第２昇温制御（ステップＳ４０）を実施する。

第２昇温制御では、冷媒循環ポンプ１３０とＰＴＣヒータ１４０との駆動を停止し、例えばバッテリ４の電力を使用して車両を走行させるなどバッテリ４を使用しつつ、フィルムヒータ１７０のみを駆動することにより、バッテリ４を昇温する。フィルムヒータ１７０を駆動することで、冷媒循環ポンプ１３０とＰＴＣヒータ１４０との駆動を停止しても、バッテリ４の昇温を実施することができ、さらに、バッテリ４を使用することで、バッテリ４自体が発熱するため、バッテリ４の昇温が促進される。

このように、第２昇温制御では、冷媒循環ポンプ１３０とＰＴＣヒータ１４０との駆動を停止するので、冷媒循環ポンプ１３０で使用する電力や、ＰＴＣヒータ１４０で使用する消費電力が大きい高電圧系電力の消費を抑制することができる。
したがって、図３（ｂ）に示すように、バッテリ温度Ｔ_Ｂが使用可能温度範囲Ｔ_０に達してから使用推奨温度範囲Ｔ_１に達するまでの間は、冷媒循環ポンプ１３０とＰＴＣヒータ１４０とを使用する第１昇温制御を継続する場合〔図３（ａ）参照〕に比べて、電力消費を抑えつつバッテリ４の昇温を促進することができる効果を得ることができる。

その後、バッテリ温度Ｔ_Ｂが使用推奨温度範囲の下限値Ｔ_１（例えば１０℃）以上になると、ステップＳ２０からステップＳ５０に進み、車両用バッテリ温度保持システム１０４によって、冷媒循環ポンプ１３０、チラー１５０およびラジエータ１６０を用いて、バッテリ温度Ｔ_Ｂを使用推奨温度範囲内に保持する温度保持制御を行う。

［３．その他］
上記の実施形態では、使用可能温度範囲として、０～３５℃の範囲を例示し、使用推奨温度範囲として、１０～３０℃の範囲を例示したが、これらは一例であり、使用可能温度範囲や使用推奨温度範囲は、バッテリの特性等に応じて適宜設定される。

また、高電圧系加熱部としてのＰＴＣヒータ１４０を例示したが、高電圧系加熱部はバッテリ４を速やかに昇温することができるものあればよく、ＰＴＣヒータ１４０に限定されない。また、低電圧系加熱部としてのフィルムヒータ１７０を例示したが、低電圧系加熱部は冷媒１０４に頼らずにバッテリ４を昇温することができるものあればよく、フィルムヒータ１７０に限定されない。

車両用バッテリ温度保持システム１０４では、第１熱交換器としてのチラー（又はエバポレータ）１５０及び第２熱交換器としてのラジエータ１６０を使用する例を例示したが、車両用バッテリ温度保持システム１０４には冷媒１０４と熱交換できる手段であれば、これらの例示した熱交換器に限らず使用することができる。

４ 車両用バッテリ（車両用バッテリパック、バッテリ）
１００ 車両用バッテリ温度調整システム
１０２ 車両用バッテリ昇温システム
１０４ 車両用バッテリ温度保持システム
１０６ 冷媒
１０８ 温度センサ
１１０ 冷媒循環回路
１１２，１１４，１１６ 冷媒流路
１２０ 冷媒貯留タンク
１３０ 冷媒循環ポンプ
１４０ 高電圧系加熱部としてのＰＴＣヒータ
１５０ 第１熱交換器としてのチラー（又はエバポレータ）
１６０ 第２熱交換器としてのラジエータ
１７０ 低電圧系加熱部としてのフィルムヒータ
１８０ ３／２バルブ（三方向二位置バルブ、バルブ）
１９０ 制御装置
１９２ 昇温制御部
１９４ 温度保持制御部
Ｔ_Ｂ バッテリ温度（温度センサ１０８による検出温度）
Ｔ_０ 使用可能温度範囲の下限値
Ｔ_１ 使用推奨温度範囲の下限値

Claims (1)

1. 車両を駆動するモータに電力を供給し、所定の使用可能温度範囲を有するバッテリと、
   前記バッテリと熱交換する冷媒が循環する冷媒循環回路と、
   前記冷媒循環回路における前記冷媒の流量を制御する冷媒循環ポンプと、
   高電圧系電力が供給されることにより、前記冷媒循環回路の冷媒を加熱する高電圧系加熱部と、
   前記バッテリの内部または外面に配置され、低電圧系電力が供給されることにより前記バッテリを加熱する低電圧系加熱部と、
   前記冷媒循環ポンプ、前記高電圧系加熱部、および前記低電圧系加熱部の駆動を制御することにより、前記バッテリの昇温工程を制御する昇温制御部と、を含み、
   前記昇温制御部は、前記昇温工程において、前記冷媒循環ポンプと前記高電圧系加熱部とを駆動することにより前記バッテリを昇温する第１昇温制御と、前記第１昇温制御によって前記バッテリの温度が前記使用可能温度範囲まで昇温したら、前記冷媒循環ポンプと前記高電圧系加熱部の駆動を停止し、前記バッテリを使用しつつ前記低電圧系加熱部のみを駆動することにより前記バッテリを昇温する第２昇温制御とを実施する
   ことを特徴とする、車両用バッテリ昇温システム。

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