JP6654974B2 - 温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動モータと、駆動モータに電力を供給するバッテリとを搭載した車両において、バッテリを冷却および昇温する温度制御装置に関する。

バッテリの充放電特性は、バッテリ自体の温度によって変化するため、バッテリの温度が低い時は十分な入出力特性を得ることができない場合がある。そこで、車両を駆動する駆動用高電圧バッテリでは、低温状態時にヒータ等を用いてバッテリを昇温するのが一般的である。しかし、ヒータのみによって単純に昇温すると、バッテリの各部位の温度が大きくバラついてしまい、バッテリの寿命に影響を及ぼすこととなる。

そこで、ヒータのみならず、空気等の伝熱媒体を介してバッテリを昇温することが考えられる。このように、温度のばらつきを抑制しつつバッテリを昇温する手法として、例えば、特許文献１〜３に示すような様々な技術が提案されている。

特開２００８−０４１３７６号公報 特開２００７−２４２３１６号公報 特開２０１２−００９４０７号公報

上述したように、バッテリの充放電特性は、バッテリ自体の温度によって変化するため、バッテリの低温時の昇温に加え、バッテリの高温時の冷却も必要になる。このようなバッテリの冷却や昇温に空気等の伝熱媒体を用いる場合、冷却時には伝熱媒体がバッテリを通り抜けるように構成し、昇温時には伝熱媒体がバッテリ近傍を循環するように構成するのが望ましい。しかし、このような伝熱媒体の通り抜けと循環とを画一的に切り換える手法が存在しなかった。

本発明は、このような問題に鑑み、簡易な構成で、伝熱媒体の通り抜けと循環とを画一的に切り換えることが可能な温度制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の温度制御装置は、基本流路から分岐して基本流路に再び合流する、バッテリが配された主流路と、副流路と、主流路に設けられた第１ファンと、主流路と副流路との分岐点において、基本流路が閉状態となる位置に付勢された第１フラップと、主流路と副流路との合流点において、副流路が閉状態となる位置に付勢された第２フラップと、を備え、バッテリの冷却時には、第１ファンを正転させて第１フラップを副流路が閉状態となる位置に切り換え、バッテリの昇温時には、第１ファンを反転させて第２フラップを基本流路が閉状態となる位置に切り換える。

副流路は外部機器と熱交換可能な位置に配され、外部機器を冷却するための外部流路と、副流路に設けられた第２ファンと、副流路と外部流路との合流点において、副流路が閉状態となる位置に付勢された第３フラップと、副流路と外部流路との分岐点において、外部流路が閉状態となる位置に付勢された第４フラップと、をさらに備え、外部機器の冷却時には、第２ファンを反転させて第４フラップを副流路が閉状態となる位置に切り換え、バッテリの昇温時には、第２ファンを正転させて第３フラップを外部流路が閉状態となる位置に切り換えるとしてもよい。

本発明によれば、簡易な構成で、伝熱媒体の通り抜けと循環とを画一的に切り換えることが可能となる。

車両の構成を説明する機能ブロック図である。 温度制御装置の構成を説明するためのブロック図である。 制御部での温度制御を説明するための説明図である。 制御部での温度制御を説明するための説明図である。 温度制御装置の構成を説明するためのブロック図である。 制御部での温度制御を説明するための説明図である。 制御部での温度制御を説明するための説明図である。 制御部での温度制御を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（車両１）
図１は、車両１の構成を説明する機能ブロック図である。車両１は、バッテリ１０、駆動回路２０、駆動モータ３０、温度制御装置４０を含んで構成される。ここでは、車両１として電気自動車（ＥＶ）を挙げて説明する。

バッテリ（駆動用高電圧バッテリ）１０は、複数のセルからなるリチウムイオン電池等の二次電池で構成され、電圧が１００Ｖ以上となるＤＣ（直流）電力を蓄積する。駆動回路２０は、インバータ等で構成され、バッテリ１０から供給されたＤＣ電力を三相交流電力に変換し、駆動モータ３０に供給する。駆動モータ３０は、例えば、同期電動機で構成され、駆動回路２０から三相交流電力の供給を受け、車両１の駆動源として機能する。温度制御装置４０は、バッテリ１０を冷却および昇温することで、バッテリ１０の温度を制御する。以下、温度制御装置４０について詳述する。

（第１の実施形態：温度制御装置４０）
図２は、温度制御装置４０の構成を説明するためのブロック図である。温度制御装置４０は、第１ファン５０と、第１フラップ５２と、第２フラップ５４と、第１温度センサ５６と、ヒータ５８と、制御部６０とを含んで構成される。

温度制御装置４０では、空気等の伝熱媒体でもバッテリ１０を冷却し、かかる伝熱媒体の流路として基本流路７０と、基本流路７０から分岐、再合流する主流路７２および副流路７４とが設けられている。そして、温度制御装置４０の制御対象となるバッテリ１０は、主流路７２の一部である収納ケース７２ａに囲繞され、収納ケース７２ａは、流路方向前後に開口７２ｂを有する。したがって、バッテリ１０は、主流路７２に配置されていることとなり、主流路７２に伝熱媒体が流れると、バッテリ１０を構成するセルと熱交換される。

第１ファン５０は、主流路７２のバッテリ１０より図２中左側に設けられ、伝熱媒体（ここでは空気）の一方向の流れを生成する。ここでは、第１ファン５０を正転させることで、主流路７２における図２中左から右への流れを生成し、反転させることで、主流路７２における図２中右から左への流れを生成する。

第１フラップ５２は、第１係止部５２ａを軸として回転可能な平板（パネル）で構成され、基本流路７０から主流路７２と副流路７４とに分岐する分岐点において、基本流路７０の上流側が閉状態となる位置に付勢されている。したがって、第１フラップ５２に何ら外力が及んでいないときには、基本流路７０の上流側と、主流路７２および副流路７４とを閉扉し、主流路７２と副流路７４とを開扉する。

また、第１フラップ５２と第１ファン５０とは、第１ファン５０が正転すると、第１フラップ５２と第１ファン５０との間の空間が負圧になり、第１フラップ５２が、基本流路７０の上流側が閉状態となる位置から副流路７４が閉状態となる位置に切り換わる位置関係にある。

第２フラップ５４は、第２係止部５４ａを軸として回転可能な平板（パネル）で構成され、主流路７２と副流路７４とが基本流路７０に合流する合流点において、副流路７４が閉状態となる位置に付勢されている。したがって、第２フラップ５４に何ら外力が及んでいないときには、副流路７４と、主流路７２および基本流路７０の下流側とを閉扉し、主流路７２と基本流路７０の下流側とを開扉する。

また、第２フラップ５４と第１ファン５０とは、第１ファン５０が反転すると、副流路７４が正圧となり、第２フラップ５４が、副流路７４が閉状態となる位置から基本流路７０の下流側が閉状態となる位置に切り換わる位置関係にある。

第１温度センサ５６は、バッテリ１０の温度を検出する。ヒータ５８は、例えば、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、バッテリ１０を昇温（加熱）する。制御部６０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、主として、第１温度センサ５６で検出された温度に応じて、第１ファン５０およびヒータ５８を動作させる。

図３、図４は、制御部６０での温度制御を説明するための説明図である。制御部６０は、第１温度センサ５６で検出された温度と、第１閾値（例えば４０℃）および第２閾値（例えば１５℃）とを比較して、第１ファン５０およびヒータ５８を動作させるか否か決定する。

例えば、バッテリ１０の温度が第１閾値未満であり、かつ、第２閾値以上であれば、制御部６０は、第１ファン５０およびヒータ５８を動作させない。そうすると、図２に示したように、第１フラップ５２が、基本流路７０の上流側が閉状態となる位置に付勢され、第２フラップ５４が、副流路７４が閉状態となる位置に付勢されることとなる。したがって、主流路７２や副流路７４に対し、基本流路７０からの伝熱媒体の流入もなく、第１ファン５０も動作していないので、主流路７２および副流路７４での伝熱媒体の流動は生じない。

そして、バッテリ１０の温度が上昇して第１閾値以上となると、図３に示すように、制御部６０は、第１ファン５０を正転させる。そうすると、図４（ａ）に示したように、第１フラップ５２が、基本流路７０の上流側が閉状態となる位置から副流路７４が閉状態となる位置に切り換わり、第２フラップ５４は、副流路７４が閉状態となる位置を維持する。

したがって、図４（ａ）において白抜き矢印で示したように、基本流路７０から流入した伝熱媒体が、バッテリ１０が配置された主流路７２のみを通過し、基本流路７０から流出することになる。こうして、第１ファン５０を正転させるだけの簡易な構成で、第１フラップ５２の位置を自動的に切り換え、バッテリ１０を伝熱媒体が通り抜ける冷却状態を実現することが可能となる。

また、車両１の始動時等、バッテリ１０の温度が低く、第２閾値未満であれば、図３に示すように、制御部６０は、第１ファン５０を反転させるとともにヒータ５８をＯＮする。そうすると、図４（ｂ）に示したように、第２フラップ５４が、副流路７４が閉状態となる位置から基本流路７０の下流側が閉状態となる位置に切り換わり、第１フラップ５２は、基本流路７０の上流側が閉状態となる位置を維持する。

したがって、図４（ｂ）において白抜き矢印で示したように、基本流路７０からの伝熱媒体の流入も、基本流路７０への伝熱媒体の流出もなく、伝熱媒体は、主流路７２を図４（ｂ）中、右から左へ流れ、副流路７４を図４（ｂ）中、左から右に流れ、主流路７２および副流路７４を循環することとなる。こうして、第１ファン５０を反転させるだけの簡易な構成で、第２フラップ５４の位置を自動的に切り換え、バッテリ１０を伝熱媒体が循環する昇温状態を実現することが可能となる。

（第２の実施形態：温度制御装置８０）
上述した第１の実施形態では、バッテリ１０の温度が第２閾値未満であれば、ヒータ５８をＯＮし、伝熱媒体を、主流路７２および副流路７４内で循環させることでバッテリ１０を昇温した。しかし、バッテリ１０近傍には、バッテリ１０に電力を蓄電するための充電器等、発熱を伴う外部機器が存在する。そこで、本実施形態では、さらに、発熱を伴う外部機器を副流路７４に含め、その動作時の熱をバッテリ１０の昇温に利用する。

図５は、温度制御装置８０の構成を説明するためのブロック図である。温度制御装置８０は、温度制御装置４０として既に説明した、第１ファン５０と、第１フラップ５２と、第２フラップ５４と、第１温度センサ５６と、ヒータ５８と、制御部６０に加え、第２ファン９０と、第３フラップ９２と、第４フラップ９４と、第２温度センサ９６とを含んで構成される。第１の実施形態における構成要素として既に述べた第１ファン５０と、第１フラップ５２と、第２フラップ５４と、第１温度センサ５６と、ヒータ５８と、制御部６０とは、実質的に機能が同一なので重複説明を省略し、ここでは、構成が相違する第２ファン９０と、第３フラップ９２と、第４フラップ９４と、第２温度センサ９６を主に説明する。

温度制御装置８０では、基本流路７０、主流路７２、副流路７４に加え、基本流路７０と独立し、副流路７４と合流、再分岐する外部流路７６が設けられている。そして、副流路７４には、バッテリ１０と異なる外部機器１２が配置され、外部機器１２は、副流路７４の一部である収納ケース７４ａに囲繞され、収納ケース７４ａは、流路方向前後に開口７４ｂを有する。かかる外部機器１２としては、例えば、バッテリ１０の充電器等を採用することができるが、バッテリ１０より温度の上昇率が高い、または、温度が常に高く、冷却は要するが、バッテリ１０と異なり昇温を必要としないものであれば、インバータ、昇圧回路、駆動モータ等、どのような機器でもよい。

第２ファン９０は、副流路７４の外部機器１２より図５中左側に設けられ、伝熱媒体（ここでは空気）の一方向の流れを生成する。ここでは、第２ファン９０を正転させることで、副流路７４における図５中左から右への流れを生成し、反転させることで、副流路７４における図５中右から左への流れを生成する。

第３フラップ９２は、第３係止部９２ａを軸として回転可能な平板（パネル）で構成され、副流路７４と外部流路７６の下流側とが合流する合流点において、副流路７４が閉状態となる位置に付勢されている。したがって、第３フラップ９２に何ら外力が及んでいないときには、副流路７４と外部流路７６の下流側とを閉扉し、外部流路７６の下流側と外部機器１２との空間を繋げる。

また、第３フラップ９２と第２ファン９０とは、第２ファン９０が正転すると、第３フラップ９２と第２ファン９０との間の空間が負圧になり、第３フラップ９２が、副流路７４が閉状態となる位置から外部流路７６の下流側が閉状態となる位置に切り換わる位置関係にある。

第４フラップ９４は、第４係止部９４ａを軸として回転可能な平板（パネル）で構成され、副流路７４と外部流路７６の上流側とに分岐する分岐点において、外部流路７６の上流側が閉状態となる位置に付勢されている。したがって、第４フラップ９４に何ら外力が及んでいないときには、外部流路７６の上流側と副流路７４とを閉扉し、外部機器１２と副流路７４との空間を繋げる。

また、第４フラップ９４と第２ファン９０とは、第２ファン９０が反転すると、副流路７４が負圧となり、第４フラップ９４が、外部流路７６の上流側が閉状態となる位置から副流路７４が閉状態となる位置に切り換わる位置関係にある。

第２温度センサ９６は、外部機器１２の温度を検出する。制御部６０は、第１温度センサ５６および第２温度センサ９６で検出された温度に応じて、第１ファン５０、第２ファン９０およびヒータ５８を動作させる。

図６〜図８は、制御部６０での温度制御を説明するための説明図である。制御部６０は、第１温度センサ５６および第２温度センサ９６で検出された温度と、第１閾値（例えば４０℃）、第２閾値（例えば１５℃）、および、第３閾値（例えば６０℃）とを比較して、第１ファン５０、第２ファン９０およびヒータ５８を動作させるか否か決定する。

例えば、バッテリ１０の温度が第１閾値未満であり、かつ、第２閾値以上であり、外部機器１２の温度が第３閾値未満であれば、制御部６０は、第１ファン５０、第２ファン９０およびヒータ５８を動作させない。そうすると、図５に示したように、第１フラップ５２が、基本流路７０の上流側が閉状態となる位置に付勢され、第２フラップ５４が、副流路７４が閉状態となる位置に付勢され、第３フラップ９２が、副流路７４が閉状態となる位置に付勢され、第４フラップ９４が、外部流路７６の上流側が閉状態となる位置に付勢されることとなる。したがって、主流路７２や副流路７４に対し、基本流路７０や外部流路７６からの伝熱媒体の流入もなく、第１ファン５０および第２ファン９０も動作していないので、主流路７２および副流路７４での伝熱媒体の流動は生じない。

そして、バッテリ１０の温度が上昇して第１閾値以上となると、外部機器１２の温度に拘わらず、図６に示すように、制御部６０は、第１ファン５０を正転させる。そうすると、図７に示したように、第１フラップ５２が、基本流路７０の上流側が閉状態となる位置から副流路７４が閉状態となる位置に切り換わり、第２フラップ５４は、副流路７４が閉状態となる位置を維持する。したがって、図７において白抜き矢印で示したように、基本流路７０から流入した伝熱媒体が、バッテリ１０が配置された主流路７２のみを通過し、基本流路７０から流出することになる。こうして、第１ファン５０を正転させるだけの簡易な構成で、第１フラップ５２の位置を自動的に切り換え、バッテリ１０を伝熱媒体が通り抜ける冷却状態を実現することが可能となる。

また、外部機器１２の温度が上昇して第３閾値以上となると、バッテリ１０の温度が第２閾値以上である間、図６に示すように、制御部６０は、第２ファン９０を反転させる。そうすると、図７に示したように、第４フラップ９４が、外部流路７６の上流側が閉状態となる位置から副流路７４が閉状態となる位置に切り換わり、第３フラップ９２は、副流路７４が閉状態となる位置を維持する。

したがって、図７において白抜き矢印で示したように、外部流路７６から流入した伝熱媒体が、外部機器１２が配置された副流路７４のみを通過し、外部流路７６から流出することになる。こうして、第２ファン９０を反転させるだけの簡易な構成で、第４フラップ９４の位置を自動的に切り換え、外部機器１２を伝熱媒体が通り抜ける冷却状態を実現することが可能となる。

ここでは、図７を用いて、バッテリ１０の冷却状態と、外部機器１２の冷却状態とを説明したが、冷却に関して、制御部６０は、両者を独立して制御できる。したがって、バッテリ１０の冷却と、外部機器１２の冷却とをいずれか一方のみ実行することも、両者を一度に実行することも可能である。

また、車両１の始動時等、バッテリ１０の温度が低く、第２閾値未満であれば、外部機器１２の温度に拘わらず、図６に示すように、制御部６０は、第１ファン５０を反転させ、第２ファン９０を正転させるとともに、ヒータ５８をＯＮする。そうすると、図８に示したように、第２フラップ５４が、副流路７４が閉状態となる位置から基本流路７０の下流側が閉状態となる位置に切り換わり、第３フラップ９２が、副流路７４が閉状態となる位置から外部流路７６の下流側が閉状態となる位置に切り換わり、第１フラップ５２は、基本流路７０の上流側が閉状態となる位置を維持し、第４フラップ９４は、外部流路７６の上流側が閉状態となる位置を維持する。

したがって、図８において白抜き矢印で示したように、基本流路７０や外部流路７６からの伝熱媒体の流入も、基本流路７０や外部流路７６への伝熱媒体の流出もなく、伝熱媒体は、主流路７２を図８中、右から左へ流れ、副流路７４を図８中、左から右に流れ、主流路７２および副流路７４を循環することとなる。こうして、第１ファン５０を反転させ、第２ファン９０を正転させるだけの簡易な構成で、第２フラップ５４および第３フラップ９２の位置を自動的に切り換え、バッテリ１０を伝熱媒体が循環する昇温状態を実現することが可能となる。

また、ここでは、発熱を伴う外部機器１２が副流路７４に含まれているので、伝熱媒体と外部機器１２とが接触して熱交換を行う。そうすると、伝熱媒体が昇温し、バッテリ１０をより早期に昇温することが可能となる。また、結果的に外部機器１２が冷却されることになり、熱エネルギーを有効利用することができる。

なお、ここでは、副流路７４において外部機器１２に直接伝熱媒体を接触させることで熱交換する例を挙げて説明しているが、かかる場合に限らず、何らかの媒体を介して間接的に熱交換してもよい。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変形例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、上述した実施形態においては説明の便宜上、電気自動車（ＥＶ）を挙げて説明したが、バッテリ１０を利用していれば、ハイブリッド車（ＨＶ）等、様々な種類の自動車に適用することができる。

また、上述した実施形態においては、伝熱媒体として空気を挙げて説明したが、液体等、様々な媒体を適用することができる。

本発明は、駆動モータと、駆動モータに電力を供給するバッテリとを搭載した車両において、バッテリを冷却および昇温する温度制御装置に利用できる。

１０ バッテリ
１２ 外部機器
４０、８０ 温度制御装置
５０ 第１ファン
５２ 第１フラップ
５４ 第２フラップ
７０ 基本流路
７２ 主流路
７４ 副流路
７６ 外部流路
９０ 第２ファン
９２ 第３フラップ
９４ 第４フラップ

Claims (2)

1. 基本流路から分岐して該基本流路に再び合流する、バッテリが配された主流路と、副流路と、
   前記主流路に設けられた第１ファンと、
   前記主流路と前記副流路との分岐点において、前記基本流路が閉状態となる位置に付勢された第１フラップと、
   前記主流路と前記副流路との合流点において、前記副流路が閉状態となる位置に付勢された第２フラップと、
   を備え、
   前記バッテリの冷却時には、前記第１ファンを正転させて前記第１フラップを前記副流路が閉状態となる位置に切り換え、
   前記バッテリの昇温時には、前記第１ファンを反転させて前記第２フラップを前記基本流路が閉状態となる位置に切り換える温度制御装置。
2. 前記副流路は外部機器と熱交換可能な位置に配され、
   前記外部機器を冷却するための外部流路と、
   前記副流路に設けられた第２ファンと、
   前記副流路と前記外部流路との合流点において、前記副流路が閉状態となる位置に付勢された第３フラップと、
   前記副流路と前記外部流路との分岐点において、前記外部流路が閉状態となる位置に付勢された第４フラップと、
   をさらに備え、
   前記外部機器の冷却時には、前記第２ファンを反転させて前記第４フラップを前記副流路が閉状態となる位置に切り換え、
   前記バッテリの昇温時には、前記第２ファンを正転させて前記第３フラップを前記外部流路が閉状態となる位置に切り換える請求項１に記載の温度制御装置。

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