JP6709098B2

JP6709098B2 - バッテリシステム

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Publication number: JP6709098B2
Application number: JP2016070839A
Authority: JP
Inventors: 和宏後藤
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP2017184522A

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されるバッテリを昇温したり冷却したりするバッテリシステムに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両には、複数のセルで構成されたバッテリが搭載されている。このようなバッテリには、性能を効率的に発揮できる所定の温度範囲（以下、「許容温度範囲」と称する）があり、許容温度範囲を下回る低温環境下（例えば、−２０℃未満）に曝されると、内部抵抗が大きくなって放電性能が低下してしまう。したがって、低温環境下に曝された状態でバッテリを始動させると、車両の航続距離が短縮してしまうという問題がある。

そこで、バッテリの近傍にヒータを設けておき、バッテリの温度が許容温度範囲を下回った場合に、ヒータを駆動させて、バッテリを昇温する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−７６８９８号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、バッテリのうち、外気の近傍に位置するセルと、ヒータの近傍に位置するセルとで昇温速度が異なるため、セル間の性能にバラツキが生じて、バッテリ全体の性能を向上させることができないという問題がある。

また、バッテリは、使用状況によって、許容温度範囲を上回ることもあり、この場合、バッテリを許容温度範囲内に冷却する必要がある。

本発明は、このような課題に鑑み、バッテリを効率よく昇温したり、冷却したりすることが可能なバッテリシステム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、本発明のバッテリシステムは、車両に搭載されるバッテリシステムであって、複数のセルと、隣接する前記セル同士を隔てるセパレータと、前記セパレータの外面に設けられ、前記セパレータと前記セルとの間に形成される冷却流路に沿って延在する複数の凸部と、前記セパレータの外面から突出して設けられ、電力供給部から供給された電力で発熱する配線と、を備え、前記配線は、前記冷却流路を流れる空気の流れと交差する方向であって、少なくとも２つの前記凸部に亘って延在する交差部を有することを特徴とする。

また、前記複数の凸部を横断して設けられた複数の切欠き部を備え、前記切欠き部の深さは前記配線の厚みよりも大きく構成され、前記配線は前記切欠き部に沿って埋設されるとしてもよい。

また、前記セルの温度を測定する温度測定部と、前記電力供給部を制御する通電制御部と、を備え、前記通電制御部は、前記温度測定部が測定した前記セルの温度が、第１閾値未満であると前記電力供給部を制御して前記配線への電力の供給を開始し、前記温度測定部が測定した前記セルの温度が、前記第１閾値より大きい第２閾値以上であり、かつ、前記電力供給部が前記配線に電力を供給している場合、該電力供給部による該配線への電力の供給を停止するとしてもよい。

また、前記冷却流路に空気を供給するブロワと、前記セルの温度を測定する温度測定部と、前記ブロワを制御するブロワ制御部と、を備え、前記ブロワ制御部は、前記温度測定部が測定した前記セルの温度が、第３閾値以上であると前記ブロワを制御して前記冷却流路への空気の供給を開始し、前記温度測定部が測定した前記セルの温度が、前記第３閾値未満の第４閾値未満であり、かつ、前記ブロワが前記冷却流路に空気を供給している場合、該ブロワによる該冷却流路への空気の供給を停止するとしてもよい。

本発明によれば、バッテリを効率よく昇温したり、冷却したりすることが可能となる。

車両の側面図である。バッテリシステムの機能ブロック図である。バッテリを説明する図である。セルスタックを構成するセルを説明する図である。配線を構成する交差部の機能を説明する図である。

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。

図１は、車両１０の側面図である。ここでは、車両１０として、エンジン１２とモータ１４を駆動源とするハイブリッド車両を例に挙げて説明するが、電気自動車であってもよい。図１に示すように、車両１０には、エンジン１２、モータ１４、および、バッテリ１１０が搭載される。エンジン１２およびモータ１４は、車体１０ａの前後方向（図１中、左右方向）の前方側に配される。バッテリ１１０は、車体１０ａの後方側に配される。

ここで、車両１０は、要求トルクなどの走行状態に応じて、モータ１４に優先してエンジン１２で走行したり、エンジン１２に優先してモータ１４で走行したり、モータ１４とエンジン１２とを併用して走行したりする。

また、車両１０には、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）２００が搭載されている。ＰＣＵ２００は、例えば、車室１０ｂの床下に配置され、車体１０ａの前後方向における、モータ１４とバッテリ１１０との間に位置している。ＰＣＵ２００は、昇圧器やインバータなどを含んで構成される。昇圧器は、バッテリ１１０からの直流電力を昇圧し、インバータは、その直流電力を交流電力に変換してモータ１４へ供給する。

（バッテリシステム１００）
図２は、本実施形態にかかるバッテリシステム１００の機能ブロック図である。なお、図２中、信号の流れを破線の矢印で示す。図２に示すように、バッテリシステム１００は、バッテリ１１０と、配線１２０と、電力供給部１３０と、ブロワ１４０と、温度測定部１５０と、通電制御部１６２、ブロワ制御部１６４を有するＢＣＵ（バッテリコントロールユニット）１６０と、を含んで構成される。

図３は、バッテリ１１０を説明する図であり、図３（ａ）はバッテリ１１０の斜視図を示し、図３（ｂ）はバッテリ１１０の内部構成を説明する図を示す。なお、図３（ｂ）中、理解を容易にするために上面１１２ａ、ブロワ１４０を省略するとともに、空気の流れを実線の矢印で示す。また、本実施形態にかかる図３を始めとする以下の図では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。

図３に示すように、バッテリ１１０は、箱型の筐体１１２と、セルスタック３００と、ブロワ１４０とを含んで構成される。筐体１１２は、上面１１２ａ、底面１１２ｂ、側面１１２ｃ〜１１２ｆで構成され、内部に複数のセルスタック３００（例えば、５個）を収容する。また、筐体１１２の側面１１２ｃには、ダクト１１４が設けられており、ダクト１１４にブロワ１４０が接続されている。

セルスタック３００は、複数のセル３１０（例えば、１９個）を含んで構成される。セル３１０は、例えば、リチウム（Ｌｉ）イオン電池等の２次電池で構成され、放電したり、充電されたりする。

ブロワ１４０は、ダクト１１４を通じて、筐体１１２内に空気を供給する。本実施形態において、筐体１１２とセルスタック３００との間、および、セルスタック３００における隣接するセル３１０の間には、間隙が形成されている。そして、ブロワ１４０によって供給された空気は、筐体１１２（側面１１２ｃ）とセルスタック３００との間に形成された間隙（以下、「冷却流路１４２ａ」と称する）を流れた後、隣接するセル３１０の間に形成された間隙（以下、「冷却流路１４２ｂ」と称する）を流れることとなる。したがって、ブロワ１４０によって供給された空気によってセル３１０が冷却される。

図４は、セルスタック３００を構成するセル３１０を説明する図であり、図４（ａ）はセル３１０の斜視図を示し、図４（ｂ）はセル３１０の側面図を示し、図４（ｃ）はセル３１０の正面図を示す。なお、理解を容易にするために、図４中、セル３１０を３つのみ示し、また、図４（ｃ）中、凸部３２４を強調して示すとともに配線１２０を黒い塗りつぶしで示す。

図４に示すように、セルスタック３００には、隣接するセル３１０の間にセパレータ３２０が配される。セパレータ３２０は、隣接するセル３１０同士を隔てて絶縁する。また、セパレータ３２０には、セパレータ３２０の両端部から立設した絶縁部材３２２が設けられている。したがって、セパレータ３２０と絶縁部材３２２とは、図４中ＸＹ断面がコの字形状に形成されることとなり、セル３１０は、セパレータ３２０と絶縁部材３２２とに囲繞された空間に収容されることとなる。

セパレータ３２０、絶縁部材３２２は、例えば、プラスチック、セラミック等の絶縁体で構成される。また、隣接するセル３１０とセパレータ３２０との間には、間隙が形成されており、この間隙が上記冷却流路１４２ｂを構成することとなる（図４（ｃ）参照）。

セパレータ３２０の外面３２０ａには、セパレータ３２０の強度を維持するとともに、空気を整流する複数の凸部３２４が形成されている。凸部３２４は、空気の流れ方向（図４中、Ｘ軸方向）に延在しており（冷却流路１４２ｂに沿って延在しており）、複数の凸部３２４は、図４中、Ｚ軸方向に並列して配されている。

また、セパレータ３２０の外面３２０ａには、銅等の金属線で構成された配線１２０が配される。配線１２０は、電力供給部１３０（図２参照）によって電力が供給されることで、熱を生じる。配線１２０をセパレータ３２０の外面３２０ａに直接配する構成により、セル３１０を効率よく昇温することが可能となる。

また、本実施形態において、セパレータ３２０の外面３２０ａに設けられた凸部３２４には、凸部３２４の延在方向（図４中、Ｘ軸方向）と直交する方向（図４中、Ｚ軸方向）に延在する切欠き部３２６が、所定の間隔で図４中、Ｘ軸方向に複数設けられている。また、この切欠き部３２６は、Ｚ軸方向の位置を等しくして、すべての凸部３２４を横断して設けられている。

そして、配線１２０が外面３２０ａに設置される際には、配線１２０は、図４中、Ｚ軸方向に並んだ切欠き部３２６に沿って埋設され、最も端部に配される凸部３２４の切欠き部３２６に到達したら、図４中、Ｘ軸方向に沿って所定長さ配され、その後、Ｘ軸方向に隣接する切欠き部３２６に沿って埋設されることとなる。これにより、配線１２０は、図４中、Ｘ軸方向に交互に配されることとなる。なお、本実施形態において、凸部３２４の高さと、切欠き部３２６の深さは、実質的に等しく設定され、配線１２０の厚みよりも大きく構成される。

したがって、配線１２０は、外面３２０ａから突出するとともに、空気の流れ方向に延在する延在部１２２と、空気の流れ方向と直交する方向（図４中、Ｚ軸方向）に延在する交差部１２４とを含んで構成されることとなる。換言すれば、交差部１２４は、冷却流路１４２ｂの延在方向と直交する方向、もしくは、セパレータ３２０の延在方向に延在する。

図５は、配線１２０を構成する交差部１２４の機能を説明する図であり、図５（ａ）は図４（ｂ）のＶａ線断面図を示し、図５（ｂ）は本実施形態のセパレータ３２０の外面３２０ａ（冷却流路１４２ｂ）における温度境界層を説明する図であり、図５（ｃ）は比較例のセパレータＳの外面Ｇにおける温度境界層を説明する図である。なお、図５（ｂ）、（ｃ）中、温度境界層を黒い塗りつぶしで示す。

セパレータ３２０の外面３２０ａの表面（冷却流路１４２ｂ）に形成される温度境界層について説明すると、温度境界層は、流体（ここでは、空気）の流れ方向上流側から下流側（図５中、Ｘ軸方向）に向かうに従って厚くなる（表面からの距離が大きくなる）。温度境界層が厚い程、熱伝達率が低下するため、ブロワ１４０を駆動してセル３１０を冷却する際には、温度境界層をなるべく薄くすることが好ましい。

しかし、図５（ｃ）に示すように、比較例のセパレータＳは外面Ｇが面一であるため、下流側に向かうに従って温度境界層の厚みが増大し、熱伝達率が低下し、効率的な冷却が困難であった。

そこで、図５（ａ）に示すように、本実施形態では、セパレータ３２０の外面３２０ａの表面（冷却流路１４２ｂ）に配された配線１２０が、空気の流れ方向と直交する方向に延在する交差部１２４を有する構成としている。これにより、冷却流路１４２ｂに供給された空気は、交差部１２４に衝突しながら冷却流路１４２ｂを流れ、図５（ｂ）に示すように、温度境界層は、交差部１２４に到達するごとに消滅（破壊）することとなる。したがって、温度境界層の厚みの増大を抑制することができ、熱伝達率の低下を低減することが可能となる。

このように、セル３１０を加熱する機能を有する配線１２０が、セル３１０を冷却する際の熱伝達率の低下を低減することができ、セル３１０の昇温、および、冷却をともに効率よく行うことが可能となる。

図２に戻って説明すると、温度測定部１５０は、例えば、サーミスタで構成され、セルスタック３００（複数のセル３１０）の温度を測定する。

通電制御部１６２は、温度測定部１５０が測定したセルスタック３００の温度が、第１閾値（例えば、−２０℃）未満であると電力供給部１３０を制御して配線１２０への電力の供給を開始する。また、通電制御部１６２は、温度測定部１５０が測定したセルスタック３００の温度が、第１閾値より大きい第２閾値（例えば、１０℃）以上であり、かつ、電力供給部１３０が配線１２０に電力を供給している場合、電力供給部１３０による配線１２０への電力の供給を停止する。なお、第２閾値は、例えば、セル３１０の許容温度範囲の下限値に基づいて設定される。

これにより、低温環境下においてもバッテリ１１０（セル３１０）の放電性能を向上させることが可能となる。また、配線１２０による不要な昇温を防止することができる。

ブロワ制御部１６４は、温度測定部１５０が測定したセルスタック３００の温度が、第３閾値（例えば、３０℃）以上であるとブロワ１４０を制御して冷却流路１４２ａ、１４２ｂへの空気の供給を開始する。また、ブロワ制御部１６４は、温度測定部１５０が測定したセルスタック３００の温度が、第３閾値未満の第４閾値未満（例えば、２０℃）であり、かつ、ブロワ１４０が冷却流路１４２ａ、１４２ｂに空気を供給している場合、ブロワ１４０による冷却流路１４２ａ、１４２ｂへの空気の供給を停止する。なお、第３閾値は、第２閾値を上回る値であり、例えば、セル３１０の許容温度範囲の上限値に基づいて設定される。

これにより、バッテリ１１０（セル３１０）が許容温度範囲の上限値に近づいた場合に、バッテリ１１０を効率よく冷却することができ、バッテリ１１０の劣化を防止することが可能となる。また、ブロワ１４０による不要な冷却を防止することができる。

以上、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説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、配線１２０の交差部１２４が冷却流路１４２ｂを流れる空気の流れと直交する方向に延在する構成を例に挙げて説明した。しかし、交差部１２４は、冷却流路１４２ｂを流れる空気の流れと交差する方向に延在していればよい。いずれにせよ、交差部１２４が温度境界層を消滅させることができればよい。

また、上記実施形態において、バッテリシステム１００が、ブロワ１４０を備える構成を例に挙げて説明したが、ブロワ１４０は必須の構成ではない。例えば、車両１０の走行風を冷却流路１４２ａ、１４２ｂに供給するとしてもよい。

また、上記実施形態において、バッテリシステム１００が、温度測定部１５０、通電制御部１６２、ブロワ制御部１６４を備える構成を例に挙げて説明したが、これらは必須の構成ではない。

また、上記実施形態において、電力供給部１３０、温度測定部１５０が、セルスタック３００それぞれに設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、電力供給部１３０はすべてのセルスタック３００の配線１２０に電力を供給してもよい。この場合、温度測定部１５０の複数のセルスタック３００のうち、代表点となるセルスタック３００の温度を測定してもよい。また、温度測定部１５０が複数のセルスタック３００すべての温度を測定し、通電制御部１６２は、電力供給部１３０を制御して、測定された温度に基づいて、セルスタック３００ごとに、配線１２０に供給する電力を調整してもよい。また、温度測定部１５０は、複数のセルスタック３００の温度の平均値を導出してもよい。この場合、通電制御部１６２は、平均値に基づいて、配線１２０への通電を制御するとよい。さらに、第１〜第４閾値として特定の温度を例示したが、固定値ではなく、車速や吸気温度等の車両状況に応じて変化するようにしてもよい。

本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されるバッテリを昇温したり冷却したりするバッテリシステムに利用できる。

１０車両
１００バッテリシステム
１２０配線
１２４交差部
１３０電力供給部
１４０ブロワ
１４２ｂ冷却流路
１５０温度測定部
１６２通電制御部
１６４ブロワ制御部
３１０セル
３２０セパレータ
３２０ａ外面
３２４凸部
３２６切欠き部

Claims

車両に搭載されるバッテリシステムであって、
複数のセルと、
隣接する前記セル同士を隔てるセパレータと、
前記セパレータの外面に設けられ、前記セパレータと前記セルとの間に形成される冷却流路に沿って延在する複数の凸部と、
前記セパレータの外面から突出して設けられ、電力供給部から供給された電力で発熱する配線と、
を備え、
前記配線は、前記冷却流路を流れる空気の流れと交差する方向であって、少なくとも２つの前記凸部に亘って延在する交差部を有することを特徴とするバッテリシステム。
前記複数の凸部を横断して設けられた複数の切欠き部を備え、
前記切欠き部の深さは前記配線の厚みよりも大きく構成され、
前記配線は前記切欠き部に沿って埋設されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステム。
前記セルの温度を測定する温度測定部と、
前記電力供給部を制御する通電制御部と、
を備え、
前記通電制御部は、
前記温度測定部が測定した前記セルの温度が、第１閾値未満であると前記電力供給部を制御して前記配線への電力の供給を開始し、
前記温度測定部が測定した前記セルの温度が、前記第１閾値より大きい第２閾値以上であり、かつ、前記電力供給部が前記配線に電力を供給している場合、該電力供給部による該配線への電力の供給を停止することを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリシステム。
前記冷却流路に空気を供給するブロワと、
前記セルの温度を測定する温度測定部と、
前記ブロワを制御するブロワ制御部と、
を備え、
前記ブロワ制御部は、
前記温度測定部が測定した前記セルの温度が、第３閾値以上であると前記ブロワを制御して前記冷却流路への空気の供給を開始し、
前記温度測定部が測定した前記セルの温度が、前記第３閾値未満の第４閾値未満であり、かつ、前記ブロワが前記冷却流路に空気を供給している場合、該ブロワによる該冷却流路への空気の供給を停止することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のバッテリシステム。