JP4525577B2 - 蓄電機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車等の車両に搭載される二次電池等の蓄電機構の温度を調節するシステムに関し、特に、蓄電機構の温度を上昇させて、許容される入出力電力の制限を緩和させて、燃費を向上させる制御装置に関する。

電動機により車両の駆動力を得る、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車は、走行用電源として二次電池を搭載している。電気自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動する。ハイブリッド自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、電動機によりエンジンをアシストして車両を駆動したりする。燃料電池車は、燃料電池による電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、この燃料電池による電力に加えて二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したりする。

これらの二次電池は、高電圧高出力を必要とするため、たとえば、１．２Ｖ程度のバッテリセルを６個程度直列に接続した電池モジュールを、３０個程度直列に接続してバッテリパックを形成している。ハイブリッド自動車などにおいては、内燃機関のみを車両の駆動源としていた従来の車両に搭載されていなかったこのような二次電池を搭載しなければならない。車両においては、車室空間および荷室空間の有効的利用、衝突事故時の安全性確保の点などから、車両に搭載される電気機器の中では容積が大きい二次電池の搭載位置を検討する必要がある。この検討においては、この二次電池の大きさ（高さ、車両の幅方向の長さ、車両の前後方向の長さ）を考慮する必要があったり、二次電池の温度を考慮する必要があったりする。

このような二次電池は、その使用温度が常に所定の範囲内にあれば、所望の出力性能を発現するとともに、より長期間に亘り使用し続けることができる。そこで、従来から、極冷間時の二次電池使用時に二次電池の出力性能を確保するために二次電池を暖機したり、二次電池の寿命を確保するために電池を冷却したりすることが考えられている。

特開平１０−２５２４６７号公報（特許文献１）は、電池の冷却または暖機の際の熱利用効率を高める電動車両搭載電池温度調整装置を開示する。この電動車両搭載電池温度調整装置は、キャビンから電池収納ケースの内部に至る導入用流路と、電池収納ケースから車外に至る排出用流路とを備え、キャビンの空調に使用され導入用流路を経て電池収納ケース内部に導入されたエアにて、電池収納ケース内部に収納されている車両推進用の電池を冷却または暖機し、この電池の冷却または暖機に使用されたエアを排出用流路を経て車外に排出するとともに、電池からガスが放出された場合にはそのガスを排出用流路を経て車外に排出する。

この電動車両搭載電池温度調整装置によると、キャビンから電池収納ケースの内部に至る導入用流路と、電池収納ケースから車外に至る排出用流路とを設け、キャビンの空調に使用されたエアを導入用流路を経て電池収納ケース内部に導入し、電池収納ケース内部に収納されている車両推進用の電池の冷却または暖機に使用したエアを排出用流路を経て車外に排出するようにしたため、キャビン内の十分な空調と電池の十分な冷却／暖機を好適に両立させることができ、また、廃熱利用によりエネルギの無駄を減らすことができる。更に、ガスを放出することがある電池を用いている場合でも、放出されたガスは一旦電池収納ケース内にたまりその上で排出用流路を経て車外に排出されるから、キャビンにガスが漏れ居住性が損なわれることもない。
特開平１０−２５２４６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電動車両搭載電池温度調整装置は、キャビンの空調に使用された空気を用いて電池を冷却したり暖機したりするものにすぎない。すなわち、二次電池を暖めるために二次電池よりも温度の高い空気で暖機する場合には、二次電池の温度によっては結露することがある。

本発明は、上述の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、走行用電源である二次電池を含む蓄電機構に結露を発生させることなく、蓄電機構が効率的に使用できる温度にまで速やかに温度を上昇させてエネルギ回収効率を高めることができる、蓄電機構の制御装置を提供することである。

第１の発明に係る蓄電機構の制御装置は、空気吸入口から蓄電機構に車室内の空気を供給するための供給手段と、車室内の空気の温度を検知するための手段と、蓄電機構の温度を検知するための手段と、車室内の空気の温度が蓄電機構の温度よりも高いときに、車室内の空気の温度に基づいて第１の絶対湿度を算出するともに、蓄電機構の温度に基づいて第２の絶対湿度を算出するための算出手段と、第２の絶対湿度が第１の絶対湿度よりも高いときに、車室内の空気を蓄電機構に供給するように、供給手段を制御するための制御手段とを含む。

第１の発明によると、二次電池を始めとする蓄電機構においては、低温であると二次電池の内部抵抗が大きくなり入出力電力量が制限され、回生制動時の回収エネルギ量が少なくなる。このため、車室内の空気で二次電池を温めるのであるが、湿度を考慮することなく、低温の二次電池に高湿度の車室内空気を供給したのでは二次電池に結露が発生する。このため、車室内空気の絶対湿度と二次電池近傍の絶対湿度とを比較して、二次電池に結露が発生しないときにのみ、低温の二次電池に高湿度の車室内空気を供給して、二次電池の温度を早期に上昇させて、入出力電力量の制限が早く緩和させることができる。そのため、エネルギ回収量が増加して、燃費の向上を図ることができる。その結果、走行用電源である二次電池を含む蓄電機構に結露を発生させることなく、蓄電機構が効率的に使用できる温度にまで速やかに温度を上昇させてエネルギ回収効率を高めることができる、蓄電機構の制御装置を提供することができる。

第２の発明に係る制御装置においては、第１の発明の構成に加えて、算出手段は、車室内の空気の温度および相対湿度に基づいて第１の絶対湿度を算出するともに、蓄電機構の温度および蓄電機構近傍の飽和水蒸気量に基づいて第２の絶対湿度を算出するための手段を含む。

第２の発明によると、車室内の空気の絶対湿度については温度および相対湿度に基づき、蓄電機構側の絶対湿度については、温度および飽和水蒸気量に基づき、算出するため、精度高く結露の発生を判定できる。

第３の発明に係る制御装置においては、第１または２の発明の構成に加えて、蓄電機構は、温度が予め定められたしきい値よりも高いと入出力電力量の制限が緩和される二次電池である。

第３の発明によると、二次電池の内部抵抗は低温であると大きく、高温になると小さくなるので、車室内の暖かい空気を用いて早期に二次電池を暖気して、入出力電力量の制限を早期に緩和することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。なお、以下の説明では、蓄電機構の一例である二次電池の温度を制御する制御装置について説明するが（このため、以下においては電池制御装置と記載する）、本発明はこれに限定されない。蓄電機構は二次電池ではなくコンデンサであってもよい。また、以下の説明において、車両は、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド車両を想定するが、電気自動車（ＥＶ）や蓄電機構を備えた燃料電池車であってもよい（ＥＶの電源は限定されるものでない）。また、蓄電機構の搭載位置は、以下の説明に限定されない。

図１に、本実施の形態に係る電池制御装置を搭載した車両の断面図を示す。図１に示すように、この電池制御装置は、車室内空間（搭乗空間）より車両後方側のトランクルーム（搭乗空間以外の空間）内に配設される二次電池の温度を制御する。この二次電池は、車両幅方向の両側のタイヤハウスを避けるように車両幅方向のほぼ中央部に設置されている。

電池制御装置は、車両の駆動源である充放電可能な二次電池（ニッケル水素電池やリチウムイオン電池）１００と、二次電池１００に車室内の空気を供給するための電動ファン２００とを含む。

二次電池１００は、たとえば、角型のバッテリセル（通常１．２Ｖ程度の出力電圧）が６個直列に接続されて１個のバッテリモジュールを形成し、多数（２０〜３０個）のバッテリモジュールを直列に接続してバッテリパックとして構成される。なお、この二次電池１００の体格は、一例として、車両幅方向のリヤサイドメンバの内側に収まるような寸法である。

電池制御装置は、車室内空間の空気が、空気吸込口２１０からダクトを介して電動ファン２００により吸引されることにより、二次電池１００に供給されて、二次電池１００を冷却する。

空気吸込口２１０は、リアガラスの下方部位に位置するリアパッケージトレイ（通常、オーディオのスピーカー等が設置される部材）に開口している。つまり、空気吸込口２１０につながるダクトは、図１に示すように上方から下方に延びるように配置されているため、車室内空気は、図１の矢印で示すように上方から下方に流れ、この車室内空気は、電動ファン２００によって二次電池１００に向けて吸い込まれ（バッテリモジュールの間を流れて）、その後、二次電池１００を冷却した空気は、二次電池１００の後方に接続されたダクト５００を通って車外に排出される。

本実施の形態に係る電池制御装置を実現するＥＣＵ１０００には、車室内の温度を検知する温度センサ１０１０から車室内温度ＴＨ（Ａ）、二次電池１００に設けられた温度センサ１０２０から二次電池温度ＴＨ（Ｂ）が、それぞれ入力される。ＥＣＵ１０００は、各センサから入力された温度情報等に基づいて電動ファン２００を制御する。なお、このとき、ＥＣＵ１０００から電動ファン２００に運転指令信号が出力される。

図２を参照して、本実施の形態に係る電池制御装置を実現するＥＣＵ１０００で実行されるプログラムの制御構造について説明する。なお、このフローチャートで表わされるプログラムは、予め定められたサイクルタイム（たとえば８０ｍｓｅｃ）で繰り返し実行される。

ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、ＥＣＵ１０００は、車室内温度ＴＨ（Ａ）を検知する。このとき、温度センサ１０１０からＥＣＵ１０００に入力された信号に基づいて車室内温度ＴＨ（Ａ）が検知される。

Ｓ２００にて、ＥＣＵ１０００は、二次電池温度ＴＨ（Ｂ）を検知する。このとき、温度センサ１０２０からＥＣＵ１０００に入力された信号に基づいて二次電池温度ＴＨ（Ｂ）が検知される。

Ｓ３００にて、ＥＣＵ１０００は、車室内温度ＴＨ（Ａ）が二次電池温度ＴＨ（Ｂ）よりも高いか否かを判断する。車室内温度ＴＨ（Ａ）が二次電池温度ＴＨ（Ｂ）よりも高いと（Ｓ３００にてＹＥＳ）、処理はＳ４００へ移される。もしそうでないと（Ｓ３００にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ４００にて、ＥＣＵ１０００は、車室内温度ＴＨ（Ａ）および相対湿度から、絶対湿度Ｄ（１）を算出する。Ｓ５００にて、ＥＣＵ１０００は、二次電池温度ＴＨ（Ｂ）から、二次電池１００近傍の飽和水蒸気量を求めて、絶対湿度Ｄ（２）を算出する。なお、絶対湿度とは、温度に無関係に空気中に蒸気として溶け込んでいる水分量であって、単位はｇ／ｌであって、つまり、空気（乾いた）１ｌ当たりに含まれる水の重さを示す。また、相対湿度は、その温度における飽和蒸気（空気中に蒸気として溶け込んでいる量が多いと水滴になってしまうが、水滴にならずにいられる最高の濃度の水分）の密度あるいは蒸気圧を１００％として、その相対比率で表わされるものである。

Ｓ６００にて、ＥＣＵ１０００は、絶対湿度Ｄ（２）が絶対湿度Ｄ（１）よりも高いか否かを判断する。絶対湿度Ｄ（２）が絶対湿度Ｄ（１）よりも高いと（Ｓ６００にてＹＥＳ）、処理はＳ７００へ移される。もしそうでないと（Ｓ６００にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ７００にて、ＥＣＵ１０００は、電動ファン２００を作動させるように運転指令信号を出力して、二次電池温度ＴＨ（Ｂ）を上昇させる。

以上のような構造に基づく、本実施の形態に係る電池制御装置の動作について、説明する。

たとえば、冬期等であって、車室内温度ＴＨ（Ａ）が二次電池温度ＴＨ（Ｂ）よりも高いと（Ｓ３００にてＹＥＳ）、電動ファン２００を作動させて強制的に車室内の暖かい空気を二次電池１００に送り込む。これにより、二次電池１００の温度（二次電池温度ＴＨ（Ｂ））が上昇する。

このとき、二次電池１００近傍の絶対湿度Ｄ（２）が車室内の絶対湿度Ｄ（１）よりも高いときに（Ｓ６００）、このように二次電池１００に暖かい空気を送り込んでも、二次電池１００に結露が発生することもない。二次電池１００の温度が上昇すると、低温下では二次電池１００の内部抵抗が大きく入出力電力量が制限される。このような場合には回生制動時の回収エネルギ量が少なくなる。

ところが、本実施の形態においては二次電池１００の温度が早期に上昇して入出力電力量の制限が早く緩和されることになる。そのため、エネルギ回収量が増加して、燃費の向上を図ることができる。

なお、本実施の形態に係る蓄電機構の制御装置である電池制御装置は、外気温がある程度低い温度であるときに特に燃費向上の効果がある。したがって、Ｓ７００の実行条件として、外気温が予め定められたしきい値よりも低いことを加えてもよい。

さらに、本実施の形態に係る蓄電機構の制御装置である電池制御装置は、二次電池１００の電池パック間において温度のばらつきがある場合には二次電池の性能にもばらつきが発生するので、電池パック間において温度のばらつきが少ない場合に有効である。したがって、Ｓ７００の実行条件として、二次電池１００の温度のばらつきが予め定められた範囲内よりも小さいことを加えてもよい。

さらに、車両にナビゲーション装置が装備されている場合には、北半球においては予め定められた緯度よりも北側において、南半球においては予め定められた緯度よりも南側において、Ｓ７００の処理を実行するようにしてもよい。

以上のようにして、本実施の形態に係る蓄電機構の制御装置である電池制御装置によると、二次電池の耐久性や性能に悪影響を及ぼす結露を生じさせることなく、車室内の暖かい空気を用いて二次電池の温度を早期に上昇せしめて、入出力電力量の制限を早期に緩和させることができる。その結果、回生電力量をより多く二次電池に充電することができるので、燃費を向上させることはできる。

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。

本発明の実施の形態に係る電池制御装置の制御ブロック図である。 図１のＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ 二次電池、２００ 電動ファン、２１０ 冷却風吸入口、５００ 排気ダクト、１０００ ＥＣＵ、１０１０，１０２０ 温度センサ。

Claims (3)

1. 車両に搭載された蓄電機構の制御装置であって、車室内に空気吸入口が設けられ、
   前記空気吸入口から前記蓄電機構に車室内の空気を供給するための供給手段と、
   前記車室内の空気の温度を検知するための手段と、
   前記蓄電機構の温度を検知するための手段と、
   前記車室内の空気の温度が蓄電機構の温度よりも高いときに、前記車室内の空気の温度に基づいて第１の絶対湿度を算出するともに、前記蓄電機構の温度に基づいて第２の絶対湿度を算出するための算出手段と、
   前記第２の絶対湿度が前記第１の絶対湿度よりも高いときに、前記車室内の空気を前記蓄電機構に供給するように、前記供給手段を制御するための制御手段とを含む、蓄電機構の制御装置。
2. 前記算出手段は、前記車室内の空気の温度および相対湿度に基づいて第１の絶対湿度を算出するともに、前記蓄電機構の温度および前記蓄電機構近傍の飽和水蒸気量に基づいて第２の絶対湿度を算出するための手段を含む、請求項１に記載の蓄電機構の制御装置。
3. 前記蓄電機構は、温度が予め定められたしきい値よりも高いと入出力電力量の制限が緩和される二次電池である、請求項１または２に記載の蓄電機構の制御装置。

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