JP4727672B2 - バッテリーパックの温度制御方法 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、バッテリーパックの温度を制御する方法に関し、より詳しくは、バッテリーパックの温度を制御するための方法であって、バッテリーパックが過度に加熱または冷却される場合にファンを作動させてバッテリーパックの温度を制御する時に、バッテリーパックの、ファンを作動させるための最高許容温度および最低許容温度の臨界値、およびバッテリーパックの温度と、導入される空気の温度との間の差の臨界値とを同時に考慮してファンの作動を制御することができ、好ましくは、バッテリーパックを構成する単位電池間の温度変動を最少に抑え、ファンの作動を最少に抑え、それによって、最適温度制御効果および最適バッテリー作動状態を達成するための条件を設定することができる、方法に関する。

発明の背景

化石燃料、例えばガソリンまたはディーゼル油を使用する車両に関する深刻な問題の一つは大気汚染である。この問題を解決するために、車両の動力源として再充電可能な二次電池を使用する技術が提案されている。バッテリーだけを動力源とする電気自動車（ＥＶ）およびバッテリーおよび既存のエンジンを併用するハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が開発されており、電気およびハイブリッド電気自動車の一部は商業的に使用されている。ニッケル−金属ハイブリッドバッテリーは、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用の動力源である二次電池として主に使用される。最近では、二次電池としてリチウム−イオンバッテリーの使用も研究されている。

電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用の動力源として二次電池を使用するには、その二次電池は高出力および大容量を有する必要がある。このためには、複数の小型二次電池（単位電池）を直列または並列に相互接続してバッテリー群を構成し、複数のバッテリー群を直列または並列に相互接続してバッテリーパックを構成する。

しかしながら、高出力、大容量バッテリーには、充電／放電の際に大量の熱を発生するという問題がある。充電および放電の際に単位電池から発生する熱を効率的に除去しないと、熱が蓄積し、それによって、単位電池が劣化する。

バッテリーパックの温度を過度に下げると、多くの反応遅延要素が単位電池における電気化学的反応に影響を及ぼし、従って、バッテリーの性能が著しく低下する。

従って、高出力、大容量バッテリーであるバッテリーパックには、単位電池を効率的に作動させるための温度制御が必要である。

バッテリーパックの温度を制御するための従来方法では、バッテリーの効率的な温度範囲Ｔ_ｍｇ、バッテリーの最高許容温度Ｔ_ｍａｘ、およびバッテリーの最低許容温度Ｔ_ｍｉｎを予め設定する。バッテリーパックの温度が最高許容温度Ｔ_ｍａｘ以上である場合、冷却ファンを作動させ、バッテリーパックの温度が最低許容温度Ｔ_ｍｉｎ以下である場合、空調装置のヒーターを作動させ、バッテリーパックの温度を温度の効率的な範囲Ｔ_ｍｇに維持する。先行技術の中には、温度の効率的な範囲Ｔ_ｍｇと最高許容温度Ｔ_ｍａｘとの間の部分、および温度の効率的な範囲Ｔ_ｍｇと最低許容温度Ｔ_ｍｉｎとの間の部分を小分割し、ファンの駆動速度を制御するものがある。

しかしながら、従来のバッテリーパック温度制御方法には、下記の問題がある。

第一に、バッテリーパックの温度変化だけを検出してファンを作動させているが、ファンの作動により供給される空気の冷却または加熱効率は考慮されていない。その結果、ファンの作動による温度制御の効率は著しく低い。例えば、ファンの作動により導入される空気の温度が高い場合、ファンの駆動速度は高いが、冷却効果は低い。

第二に、バッテリーパックを構成する単位電池における温度差によるバッテリー効率の低下が制御されない。バッテリー装置の作動効率を下げる主要原因の一つは、単位電池間の温度変動が大きいことであり、この温度変動は、バッテリーパックの温度を制御するための従来方法では考慮されていない。

発明の概要

そこで、本発明は、先行技術の上記の問題ならびに過去に必要とされた技術的な問題を実質的に排除した、バッテリーパックの温度制御方法に関する。

本発明者らは、様々な実験および調査を行い、バッテリーパックの温度制御装置上で作動するファンにより供給される空気の温度と単位電池の温度との差が、予め決められたレベル以上である場合に、ファンの作動による温度制御が効果的に達成され、単位電池の温度変動が温度制御装置により同時に制御される場合に、バッテリーの最適作動条件が達成されることを見出した。その結果、本発明者らは、本発明を完成させるに至った。

そこで、本発明の第一目的は、ファンの最少作動により最適温度制御を達成することが
できる、バッテリーパックの温度制御方法を提供することである。

本発明の第二目的は、各単位電池の温度変動を同時に制御することにより、バッテリー装置の最適作動を達成することができる、バッテリーパックの温度制御方法を提供することである。

本発明により、上記の、および他の目的は、バッテリーパックの温度を制御する方法であって、バッテリー温度が最高許容温度（Ｔ_ｍａｘ）以上である条件を満足する場合、または、バッテリー温度が最低許容温度（Ｔ_ｍｉｎ）以下であって、かつ同時に、バッテリー温度（Ｔ_ｂａｔ）と空気の空気温度（Ｔ_ａｉｒ）との差が臨界温度（Ｔ_ｃｒｔ）以上である場合、ファンを作動させて、前記バッテリー温度を最適温度範囲（Ｔ_ｏｐｔ）に変化させる工程を含んでなる方法を提供することにより、達成することができる。

本発明の特徴の一つは、空調装置のファンが作動し、熱交換媒体として作用する空気をバッテリーに供給してバッテリーの温度を制御する時、バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）、ならびに最高許容温度Ｔ_ｍａｘと最低許容温度Ｔ_ｍｉｎとの差を考慮して、ファンを作動させるか否かを決定することである。バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）が臨界温度Ｔ_ｃｒｔ以下であっても、バッテリー温度が最高許容温度Ｔ_ｍａｘ以上である場合、ファンの作動による温度制御効率は高くはなく、従って、冷却が必要である、あるいはバッテリー温度が最低許容温度Ｔ_ｍｉｎ以下である場合、やはりファンの作動による温度制御効率は高くはなく、従って、加熱が必要である。本発明により、バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）が臨界温度Ｔ_ｃｒｔ以上である場合にのみ、ファンを作動させるが、冷却または加熱が必要である。従って、ファンの過剰作動による電力消費が低減され、製品の耐用寿命の低下が阻止される。

本発明により、温度を測定するバッテリーはバッテリーパック、そのバッテリーパックを構成するバッテリー群、または各バッテリー群を構成する単位電池である。バッテリーがバッテリー群または単位電池である場合、バッテリー群または単位電池の温度を測定し、測定された最高温度および測定された最低温度をバッテリー温度Ｔ_ｂａｔとして設定するか、または測定された温度の平均をバッテリー温度Ｔ_ｂａｔとして設定することができる。

最高許容温度Ｔ_ｍａｘは、ファンの作動によりバッテリーを冷却する必要がある温度である。最高許容温度Ｔ_ｍａｘは、バッテリーの種類に応じて変化し得る。最低許容温度Ｔ_ｍｉｎは、ファンの作動によりバッテリーを加熱する必要がある温度である。最低許容温度Ｔ_ｍｉｎもバッテリーの種類に応じて変化し得る。

状況に応じて、ファンを作動させる必要がある最高許容温度Ｔ_ｍａｘおよび最低許容温度Ｔ_ｍｉｎを小分割し、小分割された最高許容温度Ｔ_ｍａｘおよび小分割された最低許容温度Ｔ_ｍｉｎに応じて、ファンの駆動速度を変えるのが好ましい。例えば、最高許容温度Ｔ_ｍａｘ１をファンの駆動速度の６０％を達成するように、別の最高許容温度Ｔ_ｍａｘ２をファンの駆動速度の８０％を達成するように、別の最高許容温度Ｔ_ｍａｘ３をファンの駆動速度の９０％を達成するように、さらに別の最高許容温度Ｔ_ｍａｘ４をファンの駆動速度の１００％を達成するように予め設定することができる。最高許容温度Ｔ_ｍａｘ１の温度、Ｔ_ｍａｘ２、Ｔ_ｍａｘ３、およびＴ_ｍａｘ４を順次増加させる。好ましくは、ファンの作動を開始する最高許容温度Ｔ_ｍａｘは２０℃であり、ファンの作動を開始する最低許容温度Ｔ_ｍｉｎは−１０℃である。

ファンの作動によりバッテリーパック中に導入する熱交換媒体である空気は、装置の外側から導入される空気、装置内で循環する空気、または冷却装置または加熱装置、例えばエンジンから供給される空気でよい。好ましくは、空気は装置の外側から導入する。

空気温度Ｔ_ａｉｒとバッテリー温度Ｔ_ｂａｔとの差が予め決められたレベル以上である場合、ファンの作動による温度制御効率が達成される。従って、バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）が臨界温度Ｔ_ｃｒｔ以上である場合にのみ、ファンの作動を開始する。好ましい例では、臨界温度Ｔ_ｃｒｔは５℃である。

状況により、空気を装置の外側から導入し、バッテリーパックの温度制御方法は、空気の空気温度Ｔ_ａｉｒが高すぎる場合、その空気を、別の冷却装置から供給される空気と混合または交換する工程、および空気の空気温度Ｔ_ａｉｒが低すぎる場合、その空気を、別の加熱装置から供給される空気と混合または交換する工程をさらに含んでなることができる。

上記の構造により、熱交換媒体である空気の空気温度Ｔ_ａｉｒは、適切なレベルに維持される。加熱装置はエンジンまたは別のヒーターでよい。

最適温度範囲Ｔ_ｏｐｔも、バッテリーの種類に応じて変化しうる。

好ましい例では、バッテリーパックの温度制御方法は、ファンの駆動条件が満たされていないが、各単位電池の温度変動Ｔ_ｖａｒが予め決められた臨界温度Ｔ_ｃｒｔ１以上である場合、ファンを作動させてバッテリー温度を、各単位電池の最適温度変動範囲Ｔ_ｏｐｔ１に変える工程をさらに含んでなる。

上記のように、バッテリーパックを構成する各単位電池の温度変動が大きい場合、そのバッテリー装置の効率は著しく低下する。従って、本発明のバッテリーパックの温度制御方法により、バッテリーの作動状態を最適化する。

温度変動Ｔ_ｖａｒの臨界温度Ｔ_ｃｒｔ１および最適温度変動範囲Ｔ_ｏｐｔ１は、バッテリーの種類に応じて変化し得る。好ましい例では、臨界温度Ｔ_ｃｒｔ１は４℃であり、最適温度変動範囲Ｔ_ｏｐｔ１は２℃である。

本バッテリーパックは、高出力、大容量電力を必要とする電気自動車またはハイブリッド電気自動車用の動力源として使用される。好ましくは、このバッテリーパックは、ハイブリッド電気自動車用の動力源として使用される。

状況により、本発明のバッテリーパックの温度制御方法の効率を高めるために、追加の工程を包含することができ、無論、この追加の工程を包含するバッテリーパックの温度制御方法も、本発明の範囲内に入る。

本発明の上記の、および他の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。

好ましい実施態様の詳細な説明

ここで、添付の図面を参照しながら本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、例示する実施態様は、本発明を明確に理解するため記載されたものであることは言うまでもなく、従って、本発明の範囲は、例示する実施態様により制限されるものではない。

図１は、本発明の好ましい実施態様によるバッテリーパックの温度制御方法を例示するフローチャートである。

図１に関して、バッテリーパックの温度制御装置を作動させる時、各種パラメータの値を読み取り（Ｓ１００）、バッテリー温度Ｔ_ｂａｔおよび空気温度Ｔ_ａｉｒを測定する（Ｓ１１０）。これらのパラメータは下記のように設定する。すなわち、最高許容温度Ｔ_ｍａｘを２０℃に、最低許容温度Ｔ_ｍｉｎを−１０℃に、臨界温度Ｔ_ｃｒｔを５℃に、別の臨界温度Ｔ_ｃｒｔ１を４℃に設定する。バッテリー温度Ｔ_ｂａｔおよび空気温度Ｔ_ａｉｒは温度センサーにより測定する。

測定されたバッテリー温度Ｔ_ｂａｔが、予め設定された最高許容温度Ｔ_ｍａｘ、すなわち２０℃以上であるか否かを確認する（Ｓ１２０）。測定されたバッテリー温度Ｔ_ｂａｔが２０℃以上である（ＹＥＳ）と確認された場合、バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）の絶対値が臨界温度Ｔ_ｃｒｔ、すなわち５℃以上であるか否かを確認する（Ｓ１３０）。バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）の絶対値が５℃以上である（ＹＥＳ）と確認された場合、ファンを作動させる（Ｓ１６０）。一方、バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）の絶対値が５℃未満である（ＮＯ）と確認された場合、この手順は、以下に説明する工程Ｓ１７０に移動する。

工程Ｓ１２０で、測定されたバッテリー温度Ｔ_ｂａｔが２０℃未満である（ＮＯ）と確認された場合、測定されたバッテリー温度Ｔ_ｂａｔが最低許容温度Ｔ_ｍｉｎ、すなわち−１０℃、以下であるか否かを確認する（Ｓ１４０）。測定されたバッテリー温度Ｔ_ｂａｔが−１０以下である（ＹＥＳ）と確認された場合、バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）の絶対値が臨界温度Ｔ_ｃｒｔ、すなわち５℃以上であるか否かを確認する（Ｓ１５０）。バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）の絶対値が５℃以上である（ＹＥＳ）と確認された場合、ファンを作動させる（Ｓ１６０）。

工程Ｓ１４０で、測定されたバッテリー温度Ｔ_ｂａｔが−１０℃を超えている（ＮＯ）と確認された場合、あるいは工程Ｓ１５０で、バッテリー温度Ｔ_ｂａｔと空気温度Ｔ_ａｉｒとの差（Ｔ_ｂａｔ−Ｔ_ａｉｒ）の絶対値が５℃未満であると確認された場合、以下に説明する工程Ｓ１７０に移動する。

Ｓ１７０では、単位電池の温度変動が臨界温度Ｔ_ｃｒｔ１、すなわち４℃以上であるか否かを確認する。単位電池の温度変動が４℃以上である（ＹＥＳ）と確認された場合、ファンを作動させる（Ｓ１８０）。単位電池の温度変動が４℃未満であり、ファンが作動している場合、ファンの作動を停止する（Ｓ１９０）。単位電池の温度変動が４℃未満であり、ファンが作動していない場合、他の操作を行わずに、手順は工程Ｓ１１０に戻る。ファンを作動させた（Ｓ１６０およびＳ１８０）後、手順は工程Ｓ１１０に戻る。

図１に示す操作フローは、様々に修正することができる。例えば、工程Ｓ１３０は、工程Ｓ１１０の後に行うことができ、工程Ｓ１２０およびＳ１４０は、工程Ｓ１５０の後に行うことができる。あるいは、工程Ｓ１２０を工程Ｓ１７０の後に行うことができる。また、上記のように、順次増加させる最高許容温度Ｔ_ｍａｘ１、Ｔ_ｍａｘ２、Ｔ_ｍａｘ３・・・を予め設定してファンの駆動速度を制御することができ、幾つかの確認工程およびファンの駆動速度を確認する工程は、工程Ｓ１２０と工程Ｓ１３０との間に行うことができる。工程Ｓ１６０および工程Ｓ１８０でファンを作動させた後、工程Ｓ１１０に直接戻らずに、バッテリーの温度を測定し、測定された温度がバッテリー作動に最適な温度範囲内にあるか否かを確認することもできる。この場合、測定された温度がバッテリー作動に最適な温度範囲内にあることが確認された場合、工程Ｓ１９０を行い、ファンの作動を停止し、次いで、手順を工程Ｓ１１０に戻す。他方、測定された温度がバッテリー作動に最適な温度範囲内にないことが確認された場合、ファンをループ方式で連続的に作動させる。

上記のように、本発明の概念を具体化するために、様々な構造を提供することができ、これらの構造は、測定されたバッテリーの温度が、ファンの作動に必要な最高または最低許容温度を超えているか否か、および、測定したバッテリーの温度が最高または最低許容温度を超えている場合、バッテリー温度および空気温度が特定の臨界温度を超えているか否かを確認し、ファンの作動を決定することを包含する本発明の概念に基づいている。

従って、当業者には明らかなように、請求項に開示する本発明の範囲および精神から離れることなく、様々な修正、追加および置き換えが可能である。

上記の説明から明らかなように、本発明のバッテリーパックの温度制御方法には、ファンの作動を最少に抑え、従って、不必要な電力消費を低減しながら、最適なバッテリー作動を達成できるという点で、および単位電池間の温度変動を下げ、従って、バッテリー装置全体の作動を最適化することができるという点で、産業上の利用可能性がある。

本発明の好ましい実施態様によるバッテリーパックの温度制御方法を例示するフローチャートである。

Claims (9)

1. バッテリーパックの温度を制御する方法であって、
   バッテリー温度が最高許容温度（Ｔ_ｍａｘ）以上である条件を満足する場合、または、バッテリー温度が最低許容温度（Ｔ_ｍｉｎ）以下であって、かつ同時に、バッテリー温度（Ｔ_ｂａｔ）と前記バッテリーに供給する熱交換媒体である空気としての空気温度（Ｔ_ａｉｒ）との差が、ファンの過剰作動による電力消費が低減される臨界温度（Ｔ_ｃｒｔ）以上である場合、ファンを作動させて、前記バッテリー温度を最適温度範囲（Ｔ_ｏｐｔ）に変化させる工程、
   前記空気温度（Ｔ_ａｉｒ）が前記臨界温度（Ｔ _ｃｒｔ ）より高い場合、前記空気を、冷却装置から供給される別の空気と混合または交換する工程、および
   前記空気温度（Ｔ_ａｉｒ）が前記臨界温度（Ｔ _ｃｒｔ ）より低い場合、前記空気を、加熱装置から供給される別の空気と混合または交換する工程を含んでなる、方法。
2. 温度測定される前記バッテリーが、バッテリーパック、前記バッテリーパックを構成するバッテリー群、または前記各バッテリー群を構成する単位電池である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ファンを作動させる必要がある前記最高許容温度（Ｔ_ｍａｘ）および前記最低許容温度（Ｔ_ｍｉｎ）を小分割し、前記小分割された最高許容温度（Ｔ_ｍａｘ）および前記小分割された最低許容温度（Ｔ_ｍｉｎ）に応じて、前記ファンの駆動速度を変化させる工程をさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
4. 前記ファンの作動を開始する前記最高許容温度（Ｔ_ｍａｘ）が２０℃であり、
   前記ファンの作動を開始する前記最低許容温度（Ｔ_ｍｉｎ）が−１０℃である、請求項１に記載の方法。
5. 熱交換媒体である前記空気が、装置の外側から導入される空気、前記装置内で循環する空気、または前記装置中の冷却装置または加熱装置から供給される空気である、請求項１に記載の方法。
6. 前記臨界温度（Ｔ_ｃｒｔ）が５℃である、請求項１に記載の方法。
7. 前記バッテリー温度が前記条件を満たしておらず、
   前記バッテリーを構成する各単位電池において、
   各単位電池の温度変動（Ｔ_ｖａｒ）が、予め決められた、ファンの過剰作動による電力消費が低減される臨界温度（Ｔ_ｃｒｔ１）以上である場合、前記ファンを作動させて、前記バッテリー温度を、各単位電池の最適温度変動範囲（Ｔ_ｏｐｔ１）に変える工程をさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
8. 前記臨界温度（Ｔ_ｃｒｔ１）が４℃であり、前記最適温度変動範囲（Ｔ_ｏｐｔ１）が２℃である、請求項７に記載の方法。
9. 前記バッテリーパックが、電気自動車またはハイブリッド電気自動車用の動力源である、請求項１に記載の方法。

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