JP6463977B2 - 車載電池温調システム - Google Patents
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Description
一般的に、電池の放電特性は温度によって変化するものとされ、例えば、電池の温度が低温であるときには、放電可能な電池の容量が減少して十分な出力特性が得られない。そのため、電動車においては、冬場の走行や寒冷地での走行等といった低温環境下での電動走行時に発進性能や走行性能が低下し、十分な出力が得られないことがある。
或いは、スペースを優先し、電池パック内の電池数を削減して電池パックサイズの大型化を防止することも考えられるが、その場合は必要な電池容量を確保することが困難となる虞がある。
また、上記特許文献1、2の双方では、電池を加熱するための専用のヒータを用いている。すなわち、電池の温調にあたって専用の加熱デバイスを追加しているものであり、部品点数の増加やコストアップを招いている。
また、上記の制御部により、電池の加熱要否に応じて充電器の発熱量が制御されることで、加熱を要する際には加熱効率を優先させ、加熱が不要の際には充電効率を優先させることが可能とされる。
これにより、充電器の発熱量制御はスイッチング周波数制御により実現される。
これにより、充電器が発した熱はダクトを介してファンにより送風されて電池に伝達される。
これにより、熱伝達用のファンを別途に設けるが必要なく、また電池への熱伝達用に設けるべきダクトの長さも短くすることが可能とされる。
これにより、電池への熱伝達効率が向上する。
これにより、電池に対し熱交換効率が比較的高くなるように設置されている電池冷却用ダクトに対して充電器の熱を導入可能とされる。
これにより、熱循環がダクト内で完結する。
これにより、充電器が電池を充電していない状態においても電池を加熱することが可能とされる。
これにより、第二電力変換部の発熱を用いて電池の温調を行う場合において、電池の加熱を要する際には加熱効率を優先させ、加熱が不要の際には第二電力変換部の電力変換効率を優先させることが可能とされる。
また、電池の加熱要否に応じて充電器の発熱量が制御されることで、電池の加熱効率と充電効率とのバランスを取ることができる。
図1は、本発明に係る第1の実施の形態としての車載電池温調システム1の構成を説明するための図である。
車載電池温調システム1は、例えばハイブリッド車や電気自動車等、電動発動機(以下「電動機」と表記)の動力により車輪の駆動が可能に構成された電動車に設けられ、電動機への電力供給を行う電池について温度調整を行う。
本例における車載電池温調システム1は、エンジンがOFFとされた状態で電動機の動力により車輪が駆動されるモードであるEV(Electric Vehicle)モードのON/OFFが可能とされたプラグインハイブリッド式の電動車に設けられている。
車載電池温調システム1において、上記のエアコンECU6、外気温センサ7、及び内気温センサ8を除いた各部は、車両における床下空間Uf内に配置されている。
なお、床下空間Ufは、本例ではトランクルームやカーゴルームの床下等、車両後方における床下空間とされている。
電池モジュール11は、内部に直列又は並列に接続された複数の電池セルを有する組電池とされている。
電池冷却用ファンFbは、電池冷却用ダクトDbにおける電池パック2よりも上流の位置に挿入され、当該電池冷却用ファンFbの回転により、吸気口Dbiから空気が取り込まれて排気口Dboへと送風が行われる。
なお、ダクトにおける上流は、吸気口側を意味するものである。
電池ECU12に対しては、電池モジュール11の近傍に設けられ当該電池モジュール11の温度(以下「電池温度Tb」と表記)を検出する電池温度センサ13が接続されている。
また、電池ECU12は、充電器ECU4、エアコンECU6と例えばCAN(Controller Area Network )などの車内LAN(Local Area Network)を介して接続されており、これら各ECU間では各種信号の送受信や情報共有が可能とされている。
この際、内気温については、エアコンECU6から入力したものに限らず、例えば吸気口Dbi近傍に設けた温度センサが検出した吸気温度を用いることとしてもよい。
充電器3は、交流電源からプラグ3pを介して入力される交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部として構成され、電力変換により得られた出力電圧Voutにより電池モジュール11を充電する。
なお、本例における充電器3の内部回路構成については後述する。
充電器側ダクトDcは、吸気口Dciが床下空間Ufの外部に設けられ、車室内の空気を吸気可能とされている。本例の場合、充電器側ダクトDcの充電器3よりも下流側の配管部分は、二股に分岐されており、分岐された一方の配管部には排気口Dcoが形成され、他方の配管部は加熱用配管部Dchとして電池パック2内に導かれ、電池パック2内に排気を行う。
充電器側ダクトDcにおいて、吸気口Dciから排気口Dcoまでの配管部(図中「Dcc」と表記)は充電器3の冷却用ダクトとして機能する配管部であり、以下、「充電器冷却用配管部Dcc」と表記する。排気口Dcoは、床下空間Ufの内部に設けられ、充電器冷却用配管部Dccによる排気を車室内及び車外へと排出可能とされている。
後述するように、可動弁CV1を用いた風路切替は充電器ECU4の制御によって行われる。
また、充電器ECU4に対しては、充電器3の近傍に設けられ当該充電器3の温度を検出する充電器温度センサ5が接続されており、充電器ECU4は、充電器温度センサ5が検出した充電器3の温度に基づき、充電器3の冷却制御を行う。具体的に、充電器ECU4は、充電器3の温度が充電器冷却閾値THcc以上、且つ電池温度Tbが所定温度以上であるか否かを判定し、肯定結果が得られた場合は可動弁CV1を前述した第一位置に位置させ、充電器側ファンFcをONとする。これにより、充電器側ダクトDccにおいて吸気口Dciから流入した空気が充電器3との接触部分を介して排気口Dcoから排出され、充電器3が冷却される。
また、上記判定により否定結果が得られた場合、充電器ECU4は可動弁CV1を前述した第二位置に位置させ、充電器側ファンFcをOFFとする。
充電器3は、PFCコンバータ3aとDC/DCコンバータ3bと制御回路3cとを有している。PFCコンバータ3aは、プラグ3pを介して車外の単相交流電源から入力された交流電圧について力率改善及び交流/直流電力変換を行う。
DC/DCコンバータ3bは、スイッチングコンバータとして構成され、PFCコンバータ3aによる交流/直流電力変換に基づき得られた直流電圧について直流/直流電力変換を行って出力電圧Voutを生成する。
また、制御回路3cは、スイッチング素子SWのスイッチング周波数の調整機能を有している。
充電器ECU4は、電池モジュール11の加熱制御として、先ずは電池温度Tbが電池加熱閾値THbh以下であるか否かを判定する(S101)。ここで、電池加熱閾値THbhは、少なくとも電池冷却閾値THbcよりも小さな値として設定されている。
電池温度Tbが電池加熱閾値THbh以下であれば、充電器ECU4は可動弁CV1を前述した第二位置に位置させる共に、充電器側ファンFcをONとし、さらに充電器3における制御回路3cに対する指示信号ScをONとする(S102)。
上記の可動弁CV1、充電器側ファンFcの制御により、加熱用配管部Dchを介した電池パック2内への排気が停止され、充電器3が発した熱に基づく電池モジュール11の加熱が停止される。
また、制御回路3cは、指示信号ScがOFFである場合には、スイッチング素子SWのスイッチング周波数を高める制御を非実行とする。すなわち、電池加熱が不要である場合には、充電器3の発熱量増加機能はOFFとされ、通常の充電効率により電池モジュール11の充電が行われる。
従って、車載電池温調システムについて配置スペースの大型化、部品点数の増加の抑制を図ることができ、電動車の設計自由度の低下、コストアップの抑制を図ることができる。
また、充電器は電池の比較的近傍に配置され、電池への熱伝達経路長を短くできるため、上記のように充電器が発した熱に基づき電池を加熱する構成としたことで、熱伝達ロスを比較的少なくでき、電池加熱効率の向上を図ることができる。
さらに、上記の制御部により、電池の加熱要否に応じて充電器の発熱量が制御されることで、加熱を要する際には加熱効率を優先させ、加熱が不要の際には充電効率を優先させることが可能とされる。
従って、電池の加熱効率と充電効率とのバランスを取ることができる。
これにより、充電器の発熱量制御はスイッチング周波数制御により実現される。
充電器の発熱量を制御する手法としては、例えば充電器に設けた可変抵抗の抵抗値を調整する等の手法を挙げることができるが、この場合にはスイッチングコンバータ等の充電器内の回路に対して電子部品の追加を要し、部品点数の増加、回路実装スペースの大型化、コストアップを招く。スイッチングコンバータにはスイッチング周波数を制御可能な制御回路が備わっているので、上記のように充電器の発熱量制御をスイッチング周波数制御により実現する構成としたことで、部品追加を不要とでき、部品点数の増加、回路実装スペースの大型化、コストアップの防止を図ることができる。
これにより、充電器が発した熱はダクトを介してファンにより送風されて電池に伝達される。
従って、電池への熱伝達効率が向上し、電池の加熱効率の向上を図ることができる。
これにより、熱伝達用のファンを別途に設けるが必要なく、また電池への熱伝達用に設けるべきダクトの長さも短くすることが可能とされる。
従って、車載電池温調システムについて配置スペースの大型化、部品点数の増加のさらなる抑制を図ることができる。
図5は、第2の実施の形態としての車載電池温調システム1Aの構成を説明するための図である。
第2の実施の形態の車載電池温調システム1Aは、充電器が発した熱を加熱用のダクトを介して循環可能としたものである。
なお、以下の説明において、既に説明済みとなった部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
また、車載電池温調システム1Aにおいては、充電器側ファンFcは、充電器側ダクトDc’における吸気口Dciから加熱用配管部Dchの分岐部分までの間において、充電器3との接触部分よりも下流側に配置されている。
これにより、電池温度Tbが電池加熱閾値THbh以下であって電池加熱が必要と判定された場合には、充電器3の発熱量が増加された状態で充電器3が発した熱が加熱用配管部Dch、電池パック2内、及び循環用ダクトDjを介して循環する。
また、電池温度Tbが電池加熱閾値THbh以下ではなく電池加熱が不要と判定された場合には、充電器3による充電効率が通常に戻されると共に、上記の循環が停止される。
これにより、電池への熱伝達効率が向上し、電池の加熱効率の向上を図ることができる。
図6Aに示すように、第一例においては、可動弁CV1、可動弁CV2を観音開き状に開閉させることで可動弁CV1、可動弁CV2の第一位置〜第二位置間の移動が実現されるように風路切替部C1、風路切替部C2が配置されている。
この場合、モータMにより回転駆動される回転軸Rには、ねじ山の巻き方向が異なる第一軸部r1と第二軸部r2とが形成されている。第一軸部r1、第二軸部r2には、それぞれ回転軸Mの回転に伴い第一軸部r1のねじ山により回転駆動される第一歯車G1、第二軸部r2のねじ山により回転駆動される第二歯車G2が対応して設けられている。
可動弁CV1は、開閉軸が第一歯車G1の回転軸と一致するように第一歯車G1に接続され、可動弁CV2は、開閉軸が第二歯車G2の回転軸と一致するように第二歯車G2に接続されている。
このような構成により、可動弁CV1と可動弁CV2が観音開き状に開閉自在とされている。
図7Aの模式図に示すように、第二例においては、可動弁CV1と可動弁CV2を駆動方向を同調させて開閉させることで可動弁CV1、可動弁CV2の第一位置〜第二位置間の移動が実現されるように風路切替部C1、風路切替部C2が配置されている。
図6は、第3の実施の形態としての車載電池温調システム1Bの構成を説明するための図である。
第3の実施の形態の車載電池温調システム1Bは、充電器が発した熱を加熱用のダクトを介して電池冷却用ダクトに対して導入可能としたものである。
充電器側ダクトDc''は、図1に示した充電器側ダクトDcと比較して、加熱用配管部Dchに代えて加熱用配管部Dch’が形成された点が異なり、電池冷却用ダクトDb’は、電池冷却用ダクトDbと比較して排気口Dboが省略され、図のように電池モジュール11との接触部分よりも下流部分が加熱用配管部Dch’と連結されている点が異なる。
このような構成により、車載電池温調システム1Bにおいては、充電器3が発した熱を加熱用配管部Dch’を介して電池冷却用ダクトDb’に導入可能とされている。
前述のように電池冷却閾値THbc>電池加熱閾値THbhであることから、電池温度Tbが高く電池ECU12により電池冷却が行われる場合には、充電器ECU4は可動弁CV1を第一位置(非電池加熱時の位置)に位置させている。このため、第3の実施の形態の車載電池温調システム1Bにおいても、電池の加熱系が電池の冷却系に影響を与えないように図られている。
これにより、電池に対し熱交換効率が比較的高くなるように設置されている電池冷却用ダクトに対して充電器の熱を導入可能とされる。
従って、電池に効率良く熱伝達ができ、電池の加熱効率の向上を図ることができる。
図9は、第4の実施の形態としての車載電池温調システム1Cの構成を説明するための図である。
第4の実施の形態の車載電池温調システム1Cは、充電器が発した熱を加熱用のダクトと電池冷却用ダクトとの間で循環可能としたものである。
この場合、充電器側ファンFcは、充電器側ダクトDc''における吸気口Dciから加熱用配管部Dch’の分岐部分までの間において、充電器3との接触部分よりも下流側に配置されている。
車載電池温調システム1Cにおいては、上記の開口同士が一致するように電池冷却用ダクトDb''と充電器側ダクトDc''Aとが連結されて、電池冷却用ダクトDb''と充電器側ダクトDc''Aとの間で空気を循環させることが可能とされている。
風路切替部C3は、可動弁CV3を駆動する例えばモータ等のアクチュエータを有し、可動弁CV3を図中破線により示す第一位置、すなわち電池冷却用ダクトDb''と充電器側ダクトDc''Aとの連結部を閉鎖し、吸気口Dbiからの吸気を電池モジュール11側に流入させる位置と、図中の実線で示す第二位置、すなわち循環用ダクトDjと充電器側ダクトDc’との連結部を開放し、吸気口Dbiから電池モジュール11側への空気流入を遮断する位置との間で開閉動作させることが可能に構成されている。
また、風路切替部C4は、可動弁CV4を駆動する例えばモータ等のアクチュエータを有し、可動弁CV4を図中破線により示す第一位置、すなわち電池冷却用ダクトDb''と充電器側ダクトDc''Aとの連結部を閉鎖し、吸気口Dciからの吸気を充電器側ファンFcに流入させる位置と、図中の実線で示す第二位置、すなわち電池冷却用ダクトDb''と充電器側ダクトDc''Aとの連結部を開放し、吸気口Dciから充電器側ファンFcへの空気流入を遮断する位置との間で開閉動作させることが可能に構成されている。
これにより、電池温度Tbが電池加熱閾値THbh以下であって電池加熱が必要と判定された場合には、充電器3の発熱量が増加された状態で、充電器3が発した熱が加熱用配管部Dch’、電池冷却用ダクトDb''における電池モジュール11との接触部分、及び電池冷却用ダクトDb''と充電器側ダクトDc''Aとの連結部を介して循環する。
また、電池温度Tbが電池加熱閾値THbh以下ではなく電池加熱が不要と判定された場合には、充電器3による充電効率が通常に戻されると共に、上記の循環が停止される。
これにより、熱循環がダクト内で完結し、電池の加熱効率のさらなる向上を図ることができる。
図10は、第5の実施の形態としての車載電池温調システム1Dの構成を説明するための図である。
第5の実施の形態の車載電池温調システム1Dは、電池からの供給電力について電力変換を行う第二電力変換部が発した熱を電池に対して伝達可能とするものである。
充電器側ダクトDc''Bは、充電器側ダクトDc''Aと比較して、電池冷却用ダクトDb''との連結部から加熱用配管部Dch’の形成部分までの間の一部がDC/DCコンバータ14に対して熱交換可能に接している点が異なる。本例では、DC/DCコンバータ14にはヒートシンク(不図示)が形成され、充電器側ダクトDc''Bの上記一部が当該ヒートシンクに接し、DC/DCコンバータ14が発した熱を充電器側ダクトDc''B側に伝達可能とされている。
なお、充電器側ダクトDc''B内の送風によりDC/DCコンバータ14の冷却も可能とする際には、充電器側ダクトDc''Bにおける加熱用配管部Dch’の分岐部よりも上流側にDC/DCコンバータ14を配置することが望ましい。
DC/DCコンバータ14は、図2に示したDC/DCコンバータ3bと同様にスイッチングコンバータとして構成され、電池モジュール11から供給される直流電圧をスイッチングするスイッチング素子SW’(不図示)を有している。
さらに、充電器ECU4Cは、例えばプラグp3が車外電源から外される等により充電器3による充電動作が停止され、且つDC/DCコンバータ14が動作中である場合に対応して、図11のフローチャートに示す処理を行ってDC/DCコンバータ14の発熱を利用した電池モジュール11の加熱を実現する。
電池残量が所定量以下でなかった場合、すなわち電池モジュール11が十分に充電されている場合には、充電器ECU4Cは電池モジュール11の加熱のための処理を行う(S203)。具体的には、各可動弁(CV1、CV3、CV4)を第二位置に位置させると共に、充電器側ファンFcをON、制御回路15に対する指示信号Sc’をONとする。
これにより、電池残量が少ない場合に対応して、電池の充電を優先させることができ、出力電圧Vout’を動作電源とする車載電子デバイスをより長時間駆動させることができる。
これにより、充電器が電池を充電していない状態においても電池を加熱することが可能とされる。
従って、走行時においても電池を加熱することができる。
これにより、第二電力変換部の発熱を用いて電池の温調を行う場合において、電池の加熱を要する際には加熱効率を優先させ、加熱が不要の際には第二電力変換部の電力変換効率を優先させることが可能とされる。
従って、電池の加熱効率を維持しつつ、電池を電源とした電力供給システムにおける電力損失低減を図ることができ、電池加熱効率と電力損失とのバランスを取ることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記で説明した具体例に限定されず、多様な変形例が考えられるものである。
例えば、上記では、本発明の車載電池温調システムがプラグインハイブリッド型の電動車に適用される場合を例示したが、本発明は電動車一般に広く好適に適用できるものである。
また、上記では、充電器における制御回路3cが指示信号Scに基づきスイッチング周波数を高める制御を行う構成を例示したが、制御回路3cが外部のクロック回路より供給されるクロックに対してスイッチング周波数を同期させるように構成されている場合には、該クロック回路に対して制御部が指示信号Scを出力してスイッチング周波数の制御が行われるようにすればよい。
Claims (9)
- 車両に搭載された電池についての温度調整を行う車載電池温調システムであって、
第一電力変換部を有し、車両外部の電源に接続されることで前記電池を充電する充電器
と、
前記充電器が発した熱を前記電池に対して伝達する熱伝達機構と、
前記電池の加熱要否を判定し、加熱を要する場合に、前記第一電力変換部の電力変換効
率を低下させて前記充電器の発熱量を増加させる制御を行う制御部と、
前記電池を冷却するための電池冷却用ダクトと前記充電器側へ空気を流す充電器側ダクトと、を備え、
前記電池冷却用ダクトと前記充電器側ダクトにはそれぞれ別々の吸気口が設けられ、
前記充電器側ダクトは前記充電器よりも下流で排気口側と前記電池側の二股に分岐され、該分岐部分に風路切換部が設けられている
車載電池温調システム。 - 前記第一電力変換部がスイッチングコンバータで構成され、
前記制御部は、前記スイッチングコンバータのスイッチング周波数を高める制御を行う
ことで前記発熱量を増加させる
請求項1に記載の車載電池温調システム。 - 前記熱伝達機構は、前記充電器が発した熱を前記電池に対して伝達するための加熱用ダ
クト及びファンを備えている
請求項1又は請求項2に記載の車載電池温調システム。 - 前記熱伝達機構における前記加熱用ダクトの一部及びファンが、前記充電器を冷却する
ための充電器冷却用ダクトの一部及び充電器冷却用ファンと共用されている
請求項3に記載の車載電池温調システム。 - 前記熱伝達機構は、前記充電器が発した熱を前記加熱用ダクトを介して循環可能に構成
されている
請求項3又は請求項4に記載の車載電池温調システム。 - 前記熱伝達機構は、前記充電器が発した熱を前記加熱用ダクトを介して前記電池を冷却
するための電池冷却用ダクトに対して導入可能に構成されている
請求項3乃至請求項5の何れかに記載の車載電池温調システム。 - 前記熱伝達機構は、前記充電器が発した熱を前記加熱用ダクトと前記電池冷却用ダクト
との間で循環可能に構成されている
請求項6に記載の車載電池温調システム。 - 前記熱伝達機構は、前記電池からの供給電力について電力変換を行う第二電力変換部が
発した熱を前記電池に対して伝達可能に構成されている
請求項1乃至請求項7の何れかに記載の車載電池温調システム。 - 前記制御部は、前記第二電力変換部の電力変換効率を調整して当該第二電力変換部の発
熱量を制御する
請求項8に記載の車載電池温調システム。
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