JP6777031B2

JP6777031B2 - 電池ユニット

Info

Publication number: JP6777031B2
Application number: JP2017135461A
Authority: JP
Inventors: 巌尾崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: JP2019021380A

Description

本発明は、車両に搭載される電池ユニットに関する。

特許文献１には、エンジンとモータジェネレータと蓄電装置とを備えたハイブリッド車両が記載されている。特許文献１に記載のハイブリッド車両においては、蓄電装置の鉛直下方に排気管が配置されている。

国際公開第２００９／０２８５２０号

電池セルの鉛直下方に排気管が配置されている場合、排気管の熱によって蓄電装置内の電池セルが過熱される可能性がある。電池セルが過熱されると放電出力が極端に低下し、放電不可となる場合がある。また、電池セルの温度が低い場合にも同様に、電池セルの放電出力が低下するという問題がある。

それ故に、本発明は、電池セルを好ましい温度範囲で使用して電池出力を向上できる電池ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係る電池ユニットは、発熱部品の上方に配置される電池セルと、電池セルの温度を測定する温度測定部と、発熱部品と電池セルとの間を隔てる第１の位置と、電池セルを上方から覆う第２の位置との間を移動自在に支持される断熱材と、断熱材を移動させる駆動機構と、駆動機構の動作を制御する制御部とを備える。制御部は、温度測定部による測定温度が所定温度以上となった場合、駆動機構を制御して断熱材を第１の位置に移動させ、温度測定部による測定温度が所定温度未満となった場合、駆動機構を制御して断熱材を第２の位置に移動させる。

本発明に係る電池ユニットは、電池セルの温度が所定温度以上の場合には、断熱材を電池セルと発熱部品の間の第１の位置に移動させて、電池セルを排気管から断熱する。一方、電池セルの温度が所定温度未満の場合は、電池セルを上方から覆う第２の位置に断熱材を移動させて、発熱部品の熱で電池セルを加温すると共に、電池セル上方からの放熱を抑制する。電池セルの測定温度に基づいて断熱材を移動させることにより、電池セルの温度を好ましい温度範囲で使用できる状態を増やすことができる。

本発明によれば、電池セルを好ましい温度範囲で使用して電池出力を向上できる電池ユニットを提供できる。

第１の実施形態に係る電池ユニットの概略構成を示す正面図電池セル温度と放電出力の関係を示すグラフ図１に示した電池制御基板で実行する断熱材の移動制御処理を示すフローチャート第２の実施形態に係る電池ユニットの概略構成を示す正面図図４（ａ）に示した電池ユニットの概略構成を示す上面図

（概要）
本発明に係る電池ユニットは、排気管上方に配置される電池セルの温度をモニタし、電池セルの温度が所定温度以上となった場合には、電池セルと排気管との間に断熱材を配置して電池セルの過熱を抑制し、電池セルの温度が所定温度未満となった場合には、電池セルの上方に断熱材を配置して排気管の熱で電池セルを加温すると共に、電池セル上方からの放熱を抑制する。このように、電池セルの測定温度に基づいて断熱材を移動させることにより、電池セルを好ましい温度範囲で使用できる状態を増やし、電池出力を向上させる。

（第１の実施形態）
＜構成＞
図１は、第１の実施形態に係る電池ユニットの概略構成を示す正面図である。

電池ユニット１０は、電池セル１と、サーミスタ２と、断熱材３ａ及び３ｂと、モータ４ａ及び４ｂと、支持部材５ａ及び５ｂと、電池制御基板６とを備える。この電池ユニット１０は、例えばハイブリッド車両に搭載される蓄電池であり、電池セル１の鉛直下方には排気管１３が配置されている。以下の説明では、発熱部品の一例に排気管１３を挙げて説明するが、電池セル１が排気管１３以外の発熱部品の上方に配置される場合にも、本発明の構成を同様に適用可能である。

サーミスタ２は、粘着テープや接着剤等により電池セルの上面に貼り付けられており、電池セル１の温度を測定するためのセンサとして利用される。サーミスタ２は、後述する電池制御基板６に接続されており、電池制御基板６がサーミスタ２を用いて電池セル１の温度を測定する。

断熱材３ａ及び３ｂは、断熱性を有する材料からなる平板状の部材である。断熱材３ａ及び３ｂには、例えば、無機質鉱物と有機結合材とを混合した材料を使用できる。断熱材３ａ及び３ｂは、電池セル１を排気管１３から隔てる第１の位置（図１（ａ）において実線で示す位置）と、電池セル１を上方から覆う第２の位置（図１（ｂ）に示す位置）との間を移動自在となるように、それぞれ支持部材５ａ及び５ｂを介して、モータ４ａ及び４ｂの回転軸に接続されている。断熱材３ａ及び３ｂは、第１の位置において、隙間なく電池セルと１と排気管１３との間を遮断すると共に、第２の位置において、隙間なく電池セル１を覆うように構成されている。

モータ４ａ及び４ｂは、後述する電池制御基板６からの制御に従って、支持部材５ａ及び５ｂを介して断熱材３ａ及び３ｂを移動させる。本実施形態では、モータ４ａ及び４ｂと、支持部材５ａ及び５ｂとで駆動機構が構成されている。尚、支持部材５ａ及び５ｂには、剛性のある棒材等を使用できる。

電池制御基板６は、電池セル１の充放電や後述するＤＣＤＣコンバータの動作を制御する基板であるが、断熱材３ａ及び３ｂの駆動を制御する機能も兼ね備える。電池制御基板６は、サーミスタ２の出力に基づいて電池セル１の温度を監視し、電池セル１の温度に基づいて断熱材３ａ及び３ｂの移動を制御する。尚、電池制御基板６が実行する断熱材３ａ及び３ｂの移動処理の詳細は後述する。

上述した電池セル１とサーミスタ２と電池制御基板６とは、筐体８に収容されて電池モジュールを構成している。この電池モジュールは、ブラケット９を介して車両のボデー等の構造材（図示せず）に固定されている。

尚、電池モジュールには、直流電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ等の発熱部品が更に接続されていても良い。本実施形態では、図１に示すように、電池セル１の上部にＤＣＤＣコンバータ１１及びヒートシンク１２が配置され、ＤＣＤＣコンバータ１１がバスバーやハーネス等の配線７を介して電池モジュールの電池セル１及び電池制御基板６に接続されている。

＜電池セルの温度特性＞
ここで、図２を参照して、電池セルの温度特性について説明する。図２は、電池セル温度と放電出力の関係を示すグラフである。

図２に示すように、電池セルの放電出力は、電池セルの温度が概ね１０〜４０℃の範囲にあるときにほぼ最大であるが、電池セルの温度が５０℃を越えると急激に低下し、電池セルの温度が６０℃程度まで上昇すると、放電不可となってしまう。一方、電池セルの温度が１０℃未満に低下すると、温度低下に伴って放電出力が低下する。また、電池セルの充電容量も同様に低温下または高温下で低下する。したがって、電池セルの温度は、１０〜４０℃の範囲に維持されることが好ましい。

＜断熱材の移動制御＞
そこで、本実施形態では、サーミスタ２を用いて測定される電池セル１の温度に応じて断熱材３ａ及び３ｂの配置を変更することにより、電池セル１の温度を上昇または低下させる。再度、図１を参照して、電池セル１の温度と、断熱材３ａ及び３ｂの移動について説明する。

まず、図１（ａ）の実線で示すように、電池セル１の温度が所定の閾値（例えば、１０℃）以上である場合、断熱材３ａ及び３ｂは、電池セル１と排気管１３との間の第１の位置に隙間なく配置されている。断熱材３ａ及び３ｂが第１の位置にある状態では、排気管１３からの熱は断熱材３ａ及び３ｂによって遮断されており、電池セル１の過熱が抑制されている。また、この状態では、電池セル１の上方が断熱材３ａ及び３ｂに覆われず、開放されているため、電池セル１の熱を上方へと積極的に放熱させることができる。排気管１３から電池セル１への熱の伝達が遮断され、かつ、電池セル１の上方が開放されているため、電池セル１の温度低下を促すことができる。

次に、図１（ａ）の実線で示す状態にあるときに、電池セル１の温度が所定の閾値（例えば１０℃）未満となった場合、電池制御基板６は、モータ４ａ及び４ｂを駆動して断熱材３ａ及び３ｂを回転させ、図１（ｂ）に示すように、電池セル１の上方を隙間なく覆う第２の位置に移動させる。断熱材３ａ及び３ｂが第２の位置にある状態では、排気管１３からの熱を電池セル１に伝達させて電池セル１の温度を上昇させることができる。また、この状態では、断熱材３ａ及び３ｂが電池セル１の上方を覆っているため、断熱材３ａ及び３ｂの下方に熱を籠もらせて、電池セル１からの放熱が抑制される。更に、本実施形態では、電池セル１の上部に設けられたＤＣＤＣコンバータ１１の上方に断熱材３ａ及び３ｂが配置されるため、ＤＣＤＣコンバータ１１の熱も籠もることになり、電池セル１からの放熱がより抑制される。

断熱材３ａ及び３ｂの位置と、電池セルの温度との関係をまとめると、以下の表１の通りとなる。

尚、図１（ｂ）に示す状態にあるときに、電池セル１の温度が所定の閾値（例えば、１０℃）以上となった場合、電池制御基板６は、断熱材３ａ及び３ｂを回転させ、図１（ａ）に実線で示す第１の位置に移動させる。以降、電池制御基板６は、サーミスタ２を用いて検出される電池セル１の温度に応じて、断熱板３ａ及び３ｂの位置を上述した第１の位置または第２の位置に移動させる制御を繰り返し実行し、電池セル１の温度を上昇または下降させて、電池セル１の温度が好ましい範囲（例えば、１０〜４０℃）にある状態を増やすことができる。

＜制御処理＞
図３は、図１に示した電池制御基板で実行する断熱材の移動制御処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、電池制御基板６は、サーミスタ２を用いて電池セル１の温度を測定する。この電池制御基板６による電池セル１の温度の測定は、常時行っても良いし、一定のインターバル毎に行っても良い。その後、処理はステップＳ２に移る。

ステップＳ２において、電池制御基板６は、電池セル１の測定温度が所定の閾値以上であるか否かを判定する。尚、この閾値は、電池セル１の特性等に応じて任意に設定可能な値である。電池セル１の測定温度が所定の閾値以上であると判定された場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、処理はステップＳ３に移る。一方、電池セル１の測定温度が所定の閾値以上出ないと判定された場合（ステップＳ２でＮＯ）、処理はステップＳ４に移る。

ステップＳ３において、電池制御基板６は、モータ４ａ及び４ｂを駆動して、断熱材３ａ及び３ｂを第１の位置に移動させる。その後、処理はステップＳ５に移る。

ステップＳ４において、電池制御基板６は、モータ４ａ及び４ｂを駆動して、断熱材３ａ及び３ｂを第２の位置に移動させる。その後、処理はステップＳ５に移る。

ステップＳ５において、電池制御基板６は、電池セル１の温度のモニタを終了するか否かを判定する。エンジンが停止するなどして電池セル１の温度モニタの終了条件が成立すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、処理を終了する。一方、電セルの温度のモニタを終了しない場合（ステップＳ５でＮＯ）、電池制御基板６は、ステップＳ１に戻って上述した処理を繰り返し実行する。

図３に示した制御処理は、電池制御基板６が備えるプロセッサがメモリ等の記憶装置に格納されたプログラムを読み出して実行することによって実現しても良いし、電池制御基板６に組み込まれた専用の回路によって実現しても良い。

＜効果等＞
以上説明したように、本実施形態に係る電池ユニット１０では、電池セル１の温度が所定の閾値以上の場合には、電池セル１を排気管１３の熱から断熱すると共に、電池セル１の上方を開放して積極的に放熱させて、電池セル１の温度低下を促す。また、本実施形態に係る電池ユニット１０では、電池セル１の温度が所定の閾値未満の場合には、電池セル１を排気管１３の熱で加温すると共に、電池セル１の上方を覆って熱を籠もらせて、電池セル１の温度上昇を促す。したがって、本実施形態に係る電池ユニット１０によれば、電池セル１を好ましい温度範囲で使用できる状態を増やして、電池セル１からの出力を向上させることができる。

（第２の実施形態）
＜構成＞
図４は、第２の実施形態に係る電池ユニットの概略構成を示す正面図であり、図５は、図４（ａ）に示した電池ユニットの概略構成を示す上面図である。本実施形態では、第１の実施形態と共通の構成については説明を省略し、第１の実施形態との相異点を中心に説明する。

電池ユニット２０は、電池セル１と、サーミスタ２と、断熱材２２と、ワイヤ２３ａ及び２３ｂと、モータ２４と、電池制御基板６とを備える。本実施形態においても、電池セル１とサーミスタ２と電池制御基板６とが筐体８に格納されて電池モジュールが構成されている。電池モジュールの上部には、ＤＣＤＣコンバータ１１及びヒートシンク１２が配置され、電池モジュール（電池セル１）の鉛直下方には排気管１３が配置されている。

本実施形態に係る電池ユニット２０においては、断熱材２２およびその駆動機構の構成が第１の実施形態と相違する。本実施形態においては、断熱材２２は、可撓性のベルトに断熱板を貼り付けて構成されたフレキシブルプレートである。可撓性のベルトに貼り付ける断熱板には、第１の実施形態と同様に、無機質鉱物と有機結合材とを混合した材料等を使用できる。また、図５に示すように、筐体８の一対の側面（対向する側面）のそれぞれに対向する面内に、環状のベルト保持レール２１ａ及び２１ｂが配置されている。断熱材２２は、電池セル１を排気管１３から隔てる第１の位置（図４（ａ）に示す位置）と、電池セル１を上方から覆う第２の位置（図４（ｂ）に示す位置）との間を移動自在となるように、ベルト保持レール２１ａ及び２１ｂに摺動自在に支持されている。

本実施形態では、モータ２４と、ワイヤ２３ａ及び２３ｂとで駆動機構が構成されている。モータ２４は、電池制御基板６からの制御に従って、ワイヤ２３ａ及び２３ｂ介して断熱材２２を移動させる。より詳細には、断熱材２２の幅方向の一方側には、断熱材２２の長手方向の一方端と他方端を接続するようにワイヤ２３ａが接続され、断熱材２２の幅方向の他方側には、断熱材２２の長手方向の一方端と他方端を接続するようにワイヤ２３ｂが接続されている。ワイヤ２３ａ及び２３ｂは、それぞれベルト保持レール２１ａ及び２１ｂにガイドされており、モータ２４がワイヤ２３ａ及び２３ｂを巻き取り、または、繰り出すことによって断熱材２２を移動させる。

＜断熱材の移動制御＞
本実施形態においても、電池制御基板６がサーミスタ２を用いて測定した電池セル１の温度が所定の閾値以上であるか否かを判定し、判定結果に応じて、断熱材２２を第１の位置または第２の位置に移動させる。尚、電池制御基板６による断熱材の移動制御処理は、図３に示したものと同じである。

具体的には、まず、電池セル１の温度が所定の閾値（例えば、１０℃）以上である場合、断熱材２２は、図４（ａ）に示すように、電池セル１と排気管１３との間の第１の位置に配置されている。断熱材２２が第１の位置にある状態では、第１の実施形態と同様に、排気管１３から電池セル１への熱の伝達が遮断され、かつ、電池セル１の上方が開放されているため、電池セル１の温度は低下することになる。

次に、図４（ａ）の実線で示す状態にあるときに、電池セル１の温度が所定の閾値（例えば１０℃）未満となった場合、電池制御基板６は、モータ２４を駆動して断熱材２２を図４（ａ）の矢印で示す方向に回転させ、図４（ｂ）に示すように、電池セル１の上方を覆う第２の位置まで移動させる。断熱材２２が第２の位置にある状態では、第１の実施形態と同様に、排気管１３からの熱を電池セル１に伝達させて電池セル１の温度を上昇させることができる。また、この状態では、断熱材２２が電池セル１の上方を覆っているため、断熱材２２の下方に熱を籠もらせて、電池セル１からの放熱が抑制される。更に、本実施形態では、電池セル１の上部に設けられたＤＣＤＣコンバータ１１の上方に断熱材２２が配置されるため、ＤＣＤＣコンバータ１１の熱も籠もることになり、電池セル１からの放熱がより抑制される。

＜効果等＞
したがって、本実施形態に係る電池ユニット２０によっても、電池セル１を好ましい温度範囲で使用できる状態を増やして、電池セル１からの出力を向上させることができる。
（その他の変形例）

尚、上記の各実施形態では、電池セルの上部に発熱部品であるＤＣＤＣコンバータが配置される例を説明したが、電池セルの上部に発熱部品がない場合にも本発明の構成を適用可能である。

また、上記の各実施形態において、断熱材を移動させる駆動機構の構成を特定しているが、発熱部品と電池セルとの間を隔てる第１の位置と、電池セルを上方から覆う第２の位置との間で断熱材を移動させることができるものであれば、他の機構を採用しても良い。

本発明は、電池セルの温度制御が必要な電池モジュールに利用でき、特に、ハイブリッド車両に搭載される電池モジュールに好適に利用できる。

１電池セル
２サーミスタ
３断熱材
４ａ、４ｂモータ
５支持部材
６電池制御基板
１０電池ユニット
１３排気管
２０電池ユニット
２１ベルト保持レール
２２断熱材
２３ａ、２３ｂワイヤ
２４モータ

Claims

電池ユニットであって、
発熱部品の上方に配置される電池セルと、
前記電池セルの温度を測定する温度測定部と、
前記発熱部品と前記電池セルとの間を隔てる第１の位置と、前記電池セルを上方から覆う第２の位置との間を移動自在に支持される断熱材と、
前記断熱材を移動させる駆動機構と、
前記駆動機構の動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記温度測定部による測定温度が所定温度以上となった場合、前記駆動機構を制御して前記断熱材を前記第１の位置に移動させ、
前記温度測定部による測定温度が所定温度未満となった場合、前記駆動機構を制御して前記断熱材を前記第２の位置に移動させる、電池ユニット。