JP7180312B2 - 電池温度調節装置 - Google Patents

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Description

この明細書における開示は、電池温度調節装置に関する。
特許文献1は、電池温度を調節する電池温度調節装置を開示する。従来技術として列挙された先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。
特開2013-99024号公報
従来技術の構成では、電池の温度を調節するために過度のエネルギを消費する。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、電池温度調節装置にはさらなる改良が求められている。
開示されるひとつの目的は、エネルギ消費が抑制された電池温度調節装置を提供することである。
ここに開示された電池温度調節装置は、電動機器(3)に設けられた電池(31)と熱的に結合された機器通路(33)に熱媒体(14)を供給する電池温度調節装置において、熱媒体を流すための媒体通路(23)と、熱媒体と土地との間において熱交換を提供する地下熱交換器(51)と、脱着可能なコネクタ(13)を介して電動機器に接続され、電力接続を提供するケーブル(12)と、脱着可能なコネクタ(516)を介して電動機器に接続され、熱媒体の接続を提供するケーブル(515)と、熱媒体の接続が提供されているとき、電池における発熱が比較的多い急速充電を許容し、熱媒体の接続が提供されていないとき、電池における発熱が比較的少ない通常充電だけを許容し、電池における発熱が比較的多い急速充電を許容しない制御装置(28)とを備える。
開示される電池温度調節装置によると、土地の地熱を電池の温度調節に利用可能となるから、エネルギ消費が抑制された電池温度調節装置を提供することができる。
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。
充電システムを示すブロック図である。 第1実施形態の充電システムを示すブロック図である。 地下の温度を示すグラフである。 第2実施形態の充電システムを示すブロック図である。 第3実施形態の充電システムを示すブロック図である。 第4実施形態の充電システムを示すブロック図である。 第5実施形態の充電システムを示すブロック図である。
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび/または構造的に対応する部分および/または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および/または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。
第1実施形態
図1において、充電システム1は、地上設備2と、電動機器3とを有する。地上設備2は、電動機器3の主要な保管場所、または電動機器3が長時間にわたって置かれる場所に設置されている。地上設備2は、多くの場合、利用者の住居、または利用者が利用する事業所(店舗を含む)に設置されている。地上設備2は、電池温度調節装置を提供する。電動機器3は、図示の例では、電動車両が例示されている。電動機器3の語は、広義に解釈されるべきである。電動機器3は、電動乗り物、可搬電池、アミューズメント機器、またはシミュレーション機器を含む。電動機器3が電動乗り物である場合、電動乗り物は、地上走行車両、船舶、航空機を含む。電動機器3が地上走行車両である場合、地上走行車両は、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車など多様な名称で呼ばれる。電動機器3は、少なくともひとつの電池31(BATT)を有する。電池31は、二次電池である。電動機器3が電動車両である場合、電池31は、走行用動力源を提供する。電池31は、例えば、リチウムイオン電池である。
地上設備2から電動機器3が充電される場合、電力を供給するための電力接続が形成される。図示の例では、電動機器3と充電ポスト11とは、ケーブル12とコネクタ13とを介して有線により接続されている。ケーブル12は、充電ポスト11から延びている。コネクタ13は、ケーブル12の先端に設けられており、電動機器3に設けられたレセプタクルに接続されている。図示の例では、電動機器3と充電ポスト11とは、ケーブル12内の電力線を通して電力接続が形成されている。電力接続は、電磁結合によって無線により形成されてもよい。この場合、ケーブル12およびコネクタ13は、後述する熱媒体14の流路だけを提供する。
さらに、充電システム1は、電池31の温度を調節する。充電システム1は、電動機器3設けられた電池31の温度を調節するための熱機器22(TH)を有している。電池31は、多くの場合、適正温度範囲を有する。電池31の温度は、充電中においても、適正温度範囲内に維持されることが望ましい。電池31が、リチウムイオン電池である場合、電池31の温度は、例えば、0℃以上50℃以下の範囲内に維持することが求められる。環境温度が高温となる夏季には、充電に伴う発熱によって、電池31の温度が50℃を超える場合がある。この場合、電池31を効率的に充電するために、電池31は冷却される。環境温度が低温となる冬季には、電池31の温度が0℃を下回る場合がある。この場合、電池31を効率的に充電するために、電池31は加熱される。
図2において、電動機器3は、電池31と、電池31を充電するための充電回路32(VHCH)を備える。充電回路32は、電力接続を介して供給される電力によって電池31を充電する。
電池31は、電池31の温度を調節するための熱媒体14の機器通路33を有する。機器通路33は、電池31の全体の温度、かつ、電池31のすべての部位の温度を適正温度範囲内に維持するように、電池31に対して設けられている。機器通路33は、電池31と熱的に結合されている。図示の例では、機器通路33は、電池31を囲むように配置されている。図示は例示である。機器通路33は、複数に分岐していてもよい。機器通路33は、電池31を収容した容器内の空気温度を調節する熱交換器を備えていてもよい。
熱媒体14は、ケーブル12およびコネクタ13を介して供給される。機器通路33は、コネクタ13の脱着によって開閉されることがあるから、熱媒体14は系の開閉に耐える媒体である。熱媒体14としては、液体(冷媒、水、または水系不凍液)、または気体(空気、またはガス)を利用することができる。この実施形態では、熱媒体14は、水系不凍液である。熱媒体14として液体が利用される場合、ケーブル12に含まれる通路として比較的小径の管を利用可能である。
地上設備2は、電力回路21(LNCH)を有する。電力回路21は、ケーブル12およびコネクタ13を介して充電回路32に電力を供給する。電力回路21は、いわゆる商用の電力、または小規模発電施設の発電電力を利用する。小規模発電施設としては、太陽電池、風力発電設備、燃料電池などを利用可能である。電力回路21と充電回路32とは、電池31を充電するための充電装置を提供する。
熱機器22は、機器通路33に熱媒体14を少なくとも供給する。熱機器22は、機器通路33から、熱媒体14を回収する。熱機器22は、機器通路33に熱媒体14を循環させる。熱機器22は、熱媒体14を流すための媒体通路23を有する。媒体通路23は、機器通路33とともに循環通路を形成している。媒体通路23は、リザーバ24(RSV)を有する。リザーバ24は、熱媒体14を貯留する。媒体通路23は、ポンプ25を有する。ポンプ25は、媒体通路23と機器通路33とに熱媒体14を循環させる。
熱機器22は、熱交換器26、27を有する。熱交換器26、27は、媒体通路23に設けられている。熱交換器26、27は、熱媒体14と大気との間における熱交換を提供する。熱交換器26、27は、熱媒体14を加熱または冷却する熱交換器として利用される。熱交換器26、27における熱交換能力は、図示されない送風機によって風量を調節することにより、調節可能である。大気の温度が電池31の温度より低く、かつ、電池31の温度を低下させる場合、熱交換器26、27は、熱媒体14の温度を低下させるように大気に熱を放出する。大気の温度が電池31の温度より高く、かつ、電池31の温度を上昇させる場合、熱交換器26、27は、熱媒体14の温度を上昇させるように大気から熱を吸収する。
熱機器22は、さらに、冷凍サイクル40を備える。冷凍サイクル40は、熱媒体14を冷却、および/または、加熱するために利用される。冷凍サイクル40は、低温、および/または、高温を提供する。冷凍サイクル40は、ヒートポンプサイクルとも呼ばれる。冷凍サイクル40は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルである。冷凍サイクル40は、相変化を伴う冷媒によって、熱の移動を生成する。
冷凍サイクル40は、循環通路41、利用側熱交換器42、非利用側熱交換器43、圧縮機44、および減圧器を備える。利用側熱交換器42は、媒体通路23を流れる熱媒体14と冷媒との間の熱交換を提供する。利用側熱交換器42は、媒体通路23の往路に設けられている。これに代えて、利用側熱交換器42は、復路に設けられていてもよい。非利用側熱交換器43は、冷媒と大気との間の熱交換を提供する。
熱媒体14を加熱する場合、圧縮機44は、非利用側熱交換器43から冷媒を吸入し、利用側熱交換器42に冷媒を吐出する。利用側熱交換器42は、凝縮器として機能し、冷媒を凝縮させる。このとき、熱媒体14が加熱される。利用側熱交換器42を出た冷媒は、減圧器によって減圧され、非利用側熱交換器43に供給される。非利用側熱交換器43は、蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させる。
熱媒体14を冷却する場合、圧縮機44は、利用側熱交換器42から冷媒を吸入し、非利用側熱交換器43に冷媒を吐出する。非利用側熱交換器43は、凝縮器として機能し、冷媒を凝縮させる。非利用側熱交換器43を出た冷媒は、減圧器によって減圧され、利用側熱交換器42に供給される。利用側熱交換器42は、蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させる。このとき、熱媒体14が冷却される。
熱機器22は、さらに、地熱機器50を備える。地熱機器50は、熱媒体14と土地(土および地下水を含む)との間の熱交換を提供する。地熱機器50は、電池31の温度調節への地熱の利用を可能とする。地熱機器50は、地下に埋設された地下熱交換器51を有する。地下熱交換器51は、地下10メートル程度の深さに到達するように埋設されている。地下熱交換器51は、熱媒体14と土地との間において直接的、または間接的に熱交換を提供する。この実施形態における地下熱交換器51は、熱媒体14と土地との間で直接的に熱交換を提供する。
地熱機器50は、バイパス弁52を備える。バイパス弁52は、地下熱交換器51をバイパスする通路を開閉する。バイパス弁52は、熱媒体14が地下熱交換器51を通過する場合と、熱媒体14が地下熱交換器51を通過することなくバイパスする場合とを切り換える切換弁である。
バイパス弁52が閉じているとき、熱媒体14は、地下熱交換器51を通過する。このとき、地下熱交換器51は、熱媒体14と土地との熱交換を提供する。熱媒体14の温度が土地よりも高い場合、熱媒体14は土地によって冷却される。熱媒体14の温度が土地よりも低い場合、熱媒体14は土地によって加熱される。
図3は、冬季の気温が0℃となり、下記の気温が30℃となる地域における地中の温度分布を示すグラフである。地中の温度は、地表では気温の影響を受けて変動する。地中の温度は、地下5メートルを超えると、一定温度に安定する。このように、地熱は、気温の影響が抑制された、安定した温度の熱源(温熱源、および冷熱源)を提供する。
図2に戻り、熱機器22は、熱媒体14と地熱との熱交換を提供することにより、電池31の温度調節への地熱の利用を可能とする。しかも、熱媒体14と地熱との間の直接的な熱交換を提供するから、少ないエネルギ消費によって熱媒体14の温度を調節し、電池31を温度調節することができる。
地上設備2は、さらに、制御装置28(CNT)を備える。制御装置28は、電力回路21、および熱機器22を制御する。制御装置28は、例えば、電力回路21からの供給電力を電池31の温度に応じて調節する。これにより、効率的な充電を提供する。制御装置28は、例えば、電池31の温度を適正温度範囲内に調節するように熱機器22を制御する。制御装置28は、例えば、ポンプ25、圧縮機44、バイパス弁52、および送風機を制御する。送風機は、熱交換器26、27、および/または非利用側熱交換器43を通して大気を送風する。
この明細書における制御装置は、電子制御装置(ECU:Electronic Control Unit)とも呼ばれる場合がある。制御装置、または制御システムは、(a)if-then-else形式と呼ばれる複数の論理としてのアルゴリズム、または(b)機械学習によってチューニングされた学習済みモデル、例えばニューラルネットワークとしてのアルゴリズムによって提供される。
制御装置は、少なくともひとつのコンピュータを含む制御システムによって提供される。制御システムは、データ通信装置によってリンクされた複数のコンピュータを含む場合がある。コンピュータは、ハードウェアである少なくともひとつのプロセッサ(ハードウェアプロセッサ)を含む。ハードウェアプロセッサは、下記(i)、(ii)、または(iii)により提供することができる。
(i)ハードウェアプロセッサは、少なくともひとつのメモリに格納されたプログラムを実行する少なくともひとつのプロセッサコアである場合がある。この場合、コンピュータは、少なくともひとつのメモリと、少なくともひとつのプロセッサコアとによって提供される。プロセッサコアは、CPU:Central Processing Unit、GPU:Graphics Processing Unit、RISC-CPUなどと呼ばれる。メモリは、記憶媒体とも呼ばれる。メモリは、プロセッサによって読み取り可能な「プログラムおよび/またはデータ」を非一時的に格納する非遷移的かつ実体的な記憶媒体である。記憶媒体は、半導体メモリ、磁気ディスク、または光学ディスクなどによって提供される。プログラムは、それ単体で、またはプログラムが格納された記憶媒体として流通する場合がある。
(ii)ハードウェアプロセッサは、ハードウェア論理回路である場合がある。この場合、コンピュータは、プログラムされた多数の論理ユニット(ゲート回路)を含むデジタル回路によって提供される。デジタル回路は、ロジック回路アレイ、例えば、ASIC:Application-Specific Integrated Circuit、FPGA:Field Programmable Gate Array、PGA:Programmable Gate Array、CPLD:Complex Programmable Logic Deviceなどとも呼ばれる。デジタル回路は、プログラムおよび/またはデータを格納したメモリを備える場合がある。コンピュータは、アナログ回路によって提供される場合がある。コンピュータは、デジタル回路とアナログ回路との組み合わせによって提供される場合がある。
(iii)ハードウェアプロセッサは、上記(i)と上記(ii)との組み合わせである場合がある。(i)と(ii)とは、異なるチップの上、または共通のチップの上に配置される。これらの場合、(ii)の部分は、アクセラレータとも呼ばれる。
以上に述べた実施形態によると、電池31の温度調節への地熱の利用が可能となる。この結果、温度が安定している地熱を利用できるため、エネルギ消費が抑制された電池温度調節装置を提供することができる。
第2実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、熱媒体14と地熱との間で直接的な熱交換が提供される。これに代えて、この実施形態では、熱媒体14と地熱との間で間接的な熱交換が提供される。
図4に図示されるように、地熱機器250の地下熱交換器51は、冷凍サイクル40の非利用側熱交換器として設けられている。この場合、地下熱交換器51は、冷凍サイクルの冷媒と土地との間で熱交換を提供する。言い換えると、地熱と冷凍サイクル40の冷媒との間で一次的な熱交換が提供される。さらに、冷凍サイクル40の冷媒と熱媒体14との間で二次的な熱交換が提供される。この結果、熱媒体14と地熱との間で間接的な熱交換が提供される。
この実施形態では、地熱を利用するために圧縮機44を機能させる。この結果、地熱を利用するためのエネルギ消費がやや多い。その一方で、地熱を冷熱源として熱媒体14を冷却する運転と、地熱を温熱源として熱媒体14を加熱する運転との両方を提供することができる。
第3実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、熱媒体14として水系不凍液が利用されている。これに代えて、この実施形態では、熱媒体14は、地上設備2が設置された住居、または事業所において利用可能な水道から供給される水である。
図5に図示されるように、媒体通路23に供給される熱媒体14は、地域において供給されている上水道から供給可能な水である。この実施形態では、熱媒体14としての水は、例えば、蛇口361から供給される。蛇口361は、電磁弁362によって開閉可能に構成されている。電磁弁362は、制御装置28によって制御される。熱媒体14としての水の温度は、冷凍サイクル40、および/または、地熱機器50によって調節可能である。
媒体通路23は、機器通路33を経由した後の水を循環利用しない。水は、廃棄、または再利用される。媒体通路23は、機器通路33を経由した後の水を循環利用してもよい。水道は、河川水、または地下水でもよい。また、水道は、有料、無料といった価格を問わない。また、水道は、公的機関により供給されるものでも、営利組織によって供給されるものでも、私的に供給されるものでもよい。
この実施形態によると、温度が安定している水道の水を利用できるため、エネルギ消費が抑制された電池温度調節装置を提供することができる。なお、住居において利用された水を熱媒体14として再利用してもよい。例えば、風呂の残り湯、炊事に利用した水などを、直接的に、または間接的に熱媒体14として利用してもよい。
第4実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、熱媒体14として液体が利用されている。これに代えて、この実施形態では、熱媒体14は、地上設備2が設置された住居、または事業所の室内の空気である。
図6に図示されるように、媒体通路23は、熱媒体14として、空気を流すことができる。媒体通路23は、比較的太い管、ダクトによって提供されている。媒体通路23は、機器通路33へ向かう往路のみによって提供されている。機器通路33は、電動機器3において開放されている。つまり、電池31の温度を調節するために熱機器22から供給された空気は、電動機器3において環境へ放出される。
住居、または事業所の空気は、冷凍サイクル440を含む空調装置によって温度調節されている。冷凍サイクル440は、循環通路441、利用側熱交換器442、圧縮機444、および減圧器を備える。冷凍サイクル440は、非利用側熱交換器としての地熱機器50(地下熱交換器51)を備える。
熱機器22は、送風機463を備える。送風機463は、住居、または事業所の空気を熱媒体14として媒体通路23へ送る。空気は、媒体通路23から機器通路33へ供給され、電池31の温度を調節する。
この実施形態によると、ヒトにとって快適な温度に調節された後の空気を利用できるため、エネルギ消費が抑制された電池温度調節装置を提供することができる。さらに、媒体通路23は、復路を備えないため、比較的簡単な構成で電池温度調節装置を提供することができる。
第5実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、共通のケーブル12によって電力接続と、熱媒体14の通路との両方を提供している。これに代えて、電力接続のためのケーブル12と、熱媒体14の通路のためのケーブル515とを別々に設けてもよい。
図7に図示されるように、電動機器3と地上設備2との間には、2つのケーブル12、515が配置されてもよい。ケーブル12およびコネクタ13は、電力接続を提供する。これに対して、ケーブル515およびコネクタ516は、熱媒体14の通路を提供する。
このような構成では、制御装置28は、熱媒体14の通路が形成されているか否かに応じて、急速充電を許容するか否かを切り換えることができる。制御装置28は、例えば、ケーブル12だけが接続されている場合、電池31の温度調節が不可能である。この場合、電池31における発熱が比較的少ない通常充電だけを許容するように構成される。言い換えると、制御装置28は、熱媒体14の接続が提供されていないとき、急速充電を許容しないように構成される。制御装置28は、ケーブル12とケーブル515との両方が接続されている場合、電池31の温度調節が可能である。この場合、電池31における発熱が比較的多い急速充電を許容するように構成される。
他の実施形態
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および/または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および/または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および/または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。
1 充電システム、 2 地上設備、 3 電動機器、
11 充電ポスト、 12 ケーブル、 13 コネクタ、
14 熱媒体、 21 電力回路、 22 熱機器、
23 媒体通路、 24 リザーバ、 25 ポンプ、
26、27 熱交換器、 28 制御装置、
31 電池、 32 充電回路、 33 機器通路、
40 冷凍サイクル、 41 循環通路、 42 利用側熱交換器、
43 非利用側熱交換器、 44 圧縮機、
50 地熱機器、 51 地下熱交換器、 52 バイパス弁、
250 地熱機器、
361 蛇口、 362 電磁弁、
440 冷凍サイクル、 441 循環通路、
442 利用側熱交換器、 444 圧縮機、 463 送風機、
515 ケーブル、 516 コネクタ。

Claims (7)

  1. 電動機器(3)に設けられた電池(31)と熱的に結合された機器通路(33)に熱媒体(14)を供給する電池温度調節装置において、
    前記熱媒体を流すための媒体通路(23)と、
    前記熱媒体と土地との間において熱交換を提供する地下熱交換器(250、51)と
    脱着可能なコネクタ(13)を介して前記電動機器に接続され、電力接続を提供するケーブル(12)と、
    脱着可能なコネクタ(516)を介して前記電動機器に接続され、前記熱媒体の接続を提供するケーブル(515)と、
    前記熱媒体の接続が提供されているとき、前記電池における発熱が比較的多い急速充電を許容し、
    前記熱媒体の接続が提供されていないとき、前記電池における発熱が比較的少ない通常充電だけを許容し、前記電池における発熱が比較的多い急速充電を許容しない制御装置(28)とを備える電池温度調節装置。
  2. さらに、前記地下熱交換器(250、51)をバイパスするバイパス弁(52)を備える請求項1に記載の電池温度調節装置。
  3. さらに、前記熱媒体と冷媒との熱交換を提供する利用側熱交換器(42)を含む冷凍サイクル(40)を備える請求項1または請求項2に記載の電池温度調節装置。
  4. 前記冷凍サイクルは、前記冷媒と大気との間で熱交換を提供する非利用側熱交換器を備える請求項3に記載の電池温度調節装置。
  5. 前記地下熱交換器(250、51)は、前記冷凍サイクルの非利用側熱交換器として設けられており、前記冷媒と土地との間で熱交換を提供する請求項3に記載の電池温度調節装置。
  6. 前記熱媒体は、水道から供給される水である請求項1から請求項5のいずれかに記載の電池温度調節装置。
  7. 前記熱媒体は、住居または事業所の室内の空気である請求項1から請求項5のいずれかに記載の電池温度調節装置。
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