JP7392750B2

JP7392750B2 - 加温時間算出装置

Info

Publication number: JP7392750B2
Application number: JP2022045190A
Authority: JP
Inventors: 伊紀子島貫
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-12-06
Anticipated expiration: 2042-03-22
Also published as: JP2023139593A

Description

本発明は、バッテリを目標温度まで加熱するのに必要な加温時間を算出する加温時間算出装置に関する。

バッテリを加熱する技術が知られている。特許文献１には、バッテリ冷却ラインで循環する冷却水を加熱してバッテリモジュールに流入させることにより、バッテリモジュールを加熱する技術が開示されている。

特開２０１７－１０５４２号公報

ところで、バッテリが正常に動作する動作温度範囲よりも低い温度でバッテリを充電するとバッテリの性能が低下するおそれがある。そのため、バッテリの温度が動作温度範囲に達するまでバッテリを加熱する必要があるが、バッテリを加熱する時間が長すぎると、充電を開始するタイミングが遅くなってしまう。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、バッテリの温度が動作範囲に達するまでの時間を精度よく求めることを目的とする。

本発明の態様においては、車両に搭載された一以上のバッテリのバッテリ温度を取得する温度取得部と、前記バッテリを加熱する熱媒体及び前記バッテリを含む熱循環システムの熱容量に対する、単位時間あたりに前記熱循環システムに入力される入力熱量と前記単位時間あたりに前記熱循環システムから失われる損失熱量との熱量差の割合を、前記単位時間あたりの前記熱循環システムの上昇温度として算出する上昇温度算出部と、前記上昇温度に対する、前記バッテリが正常に動作する動作温度範囲により定まる目標温度と前記バッテリ温度との温度差の割合を、前記バッテリ温度から前記目標温度になるまでの加温時間として算出する加温時間算出部と、を有する加温時間算出装置を提供する。

前記上昇温度算出部は、前記単位時間あたりに前記熱循環システムの温度が実際に上昇した値に一致するように前記上昇温度を補正する補正係数を、前記熱容量に対する前記熱量差の割合に乗算した値を、前記上昇温度として算出してもよい。

前記上昇温度算出部は、前記熱媒体が循環している配管の長さ及び前記バッテリの個数に応じた前記熱容量に対する前記熱量差の割合を、前記上昇温度として算出してもよい。

前記上昇温度算出部は、前記配管の長さに比例する前記熱媒体の体積及び前記バッテリの個数に比例する前記バッテリの体積に応じた前記熱容量に対する前記熱量差の割合を、前記上昇温度として算出してもよい。

前記上昇温度算出部は、前記熱媒体を加熱するヒータの消費電力に応じて定まる前記入力熱量と前記熱媒体が循環している配管の表面積に応じた前記損失熱量との前記熱量差の前記熱容量に対する割合を、前記上昇温度として算出してもよい。

前記上昇温度算出部は、前記配管の表面積に比例し、かつ前記配管の厚みに反比例する前記損失熱量を前記入力熱量から減算した前記熱量差の前記熱容量に対する割合を、前記上昇温度として算出してもよい。

前記加温時間算出部は、前記バッテリ温度が前記動作温度範囲よりも狭い前記バッテリを正常に充電できる推奨温度範囲の下限よりも低いときに前記加温時間を算出する指示を取得すると、前記バッテリの充電が開始される前に前記加温時間を算出してもよい。

前記加温時間算出部は、前記動作温度範囲よりも狭い前記バッテリを正常に充電できる推奨温度範囲の下限である前記目標温度と前記バッテリ温度との前記温度差の前記上昇温度に対する割合を、前記加温時間として算出してもよい。

本発明によれば、バッテリの温度が動作範囲に達するまでの時間を精度よく求められるという効果を奏する。

車両に搭載された熱循環システムの構成を説明するための図である。バッテリの数に応じた熱容量を示す表である。バッテリの数に応じた損失熱量を示す表である。バッテリの数に応じた加温時間を説明するための図である。加温時間を算出する処理の一例を示すフローチャートである。

［熱循環システムＳの構成］
図１は、車両に搭載された熱循環システムＳの構成を説明するための図である。熱循環システムＳは、車両に搭載されたバッテリ１を加熱するための熱循環システムである。熱循環システムＳは、２個のバッテリ１及び配管２、ポンプ３１及びヒータ３２を含む。

車両には、２個のバッテリ１が搭載されているが、バッテリ１の数はこれに限らない。バッテリ１は、放電及び充電が可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン電池であるが、他の二次電池でもよい。バッテリ１は、動作温度範囲内で正常に動作する。例えば、リチウムイオン電池の動作温度範囲は－３０℃から５５℃である。２個のバッテリ１は、ケース１２により保持されている。

配管２は、バッテリ１を加熱するための熱媒体が循環する配管である。配管２は、例えば金属パイプ、樹脂パイプ、又はゴムチューブである。熱媒体は、例えばアルコールや添加物を含有する不凍液（いわゆるクーラント）であるが、油であってもよい。ポンプ３１は、熱媒体を循環させるポンプである。ヒータ３２は、熱媒体を加熱するヒータである。ヒータ３２は、通電されることにより発熱するカーボンヒータであるが、これに限らない。配管２の一部は、ケース１２を貫通して、２個のバッテリ１に挟まれている。具体的には、配管２の一部は、中空の板状である。ケース１２を貫通している配管２の一部の表面とバッテリ１の表面とが接していることにより、熱媒体の熱がバッテリ１に伝達される。

温度センサ４は、バッテリ１のバッテリ温度を検出するセンサである。温度センサ４は、例えば熱電対又はサーミスタである。温度センサ４は、バッテリ１を保持するケースに張り付けられているが、これに限らず、ケース１２内のバッテリ１に張り付けられていてもよい。温度センサ４は、検出した温度を示す情報を加温時間算出装置５に出力する。

ところで、動作温度範囲の内であった場合でも０℃よりも低い温度でバッテリ１を充電すると、リチウムイオンのイオン濃度分布が不均一になりやすく、リチウム金属がバッテリ１内に析出することがある。リチウム金属がバッテリ１内に析出すると、性能が低下したり、内部で短絡して故障したりするおそれがある。そのため、バッテリ１は、動作温度範囲よりも狭い充電推奨温度範囲内で充電することが推奨されている。充電推奨温度範囲は、バッテリ１を正常に充電できる温度範囲であり、例えば０℃から５０℃である。バッテリ１の温度が推奨温度範囲の下限（０℃）に達するまでバッテリ１を加熱する必要があるが、バッテリ１を加熱する時間が長すぎると、充電を開始するタイミングが遅くなってしまう。そこで、加温時間算出装置５は、バッテリ１の温度が充電推奨温度範囲に達するまでの加温時間を求める。
以下、加温時間算出装置５の構成を説明する。

加温時間算出装置５は、記憶部５１及び制御部５２を備える。記憶部５１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びハードディスク等を含む記憶媒体である。記憶部５１は、制御部５２が実行するプログラムを記憶する。

制御部５２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサを含む計算リソースである。制御部５２は、記憶部５１に記憶されたプログラムを実行することにより、温度取得部５２１、上昇温度算出部５２２及び加温時間算出部５２３としての機能を実現する。

温度取得部５２１は、温度センサ４が検出したバッテリ温度を取得する。また、温度取得部５２１は、バッテリ温度だけでなく、熱媒体の温度及び外気温度を取得してもよい。例えば、温度取得部５２１は、熱媒体が循環する配管２内に設けられた温度センサが検出した熱媒体温度を取得する。温度取得部５２１は、車両内に外気を流入させるダクトに設けられた温度センサが検出した外気温度を取得する。

上昇温度算出部５２２は、単位時間あたりの熱循環システムＳの上昇温度を算出する。単位時間は適宜定めればよく、例えば１秒である。上昇温度の算出に際し、上昇温度算出部５２２は、熱循環システムＳの熱容量を取得する。熱容量は、熱循環システムＳの温度を１℃上昇させるのに必要な熱量であり、熱容量の単位はジュール毎ケルビン（Ｊ／Ｋ）である。熱容量は、車両に搭載されているバッテリ１の数に応じている。具体的には、熱容量は、車両に搭載されているバッテリ１の数に応じたバッテリ１の体積及び熱循環システムＳを循環している熱媒体の体積に応じている。より具体的には、熱容量は、配管２の長さに比例する熱媒体の体積及びバッテリ１の個数に比例するバッテリ１の体積に応じている。

図２は、バッテリ１の数に応じた熱容量を示す表である。車両に搭載されたバッテリ１の数が多いほどバッテリ１の体積が大きくなる。バッテリ１の体積が大きくなると、配管２が長くなる。配管２が長くなると配管２を流れる熱媒体の体積が増加する。そのため、熱循環システムＳ全体の熱容量が大きくなる。図２に示す熱容量は、バッテリ１の体積に応じたバッテリ１の熱容量と、バッテリ１を保持するケース１２の熱容量と、ケース１２内雰囲気の熱容量と、熱媒体の熱容量との総和である。熱媒体の熱容量は、熱媒体の比熱、密度及び体積を乗算した値である。

バッテリ１の数に応じた熱容量は、例えば記憶部５１に記憶されている。上昇温度算出部５２２は、バッテリ１の数の入力を受け付けて、入力されたバッテリ１の数に応じた熱容量を記憶部５１から取得する。バッテリ１の数は、例えば車両を製造する事業者や車両を整備する事業者が車両にバッテリ１を搭載するときに入力される。

上昇温度算出部５２２は、単位時間あたりに熱循環システムＳに入力される入力熱量を取得する。入力熱量は、ヒータ３２の消費電力に応じ、単位は例えばワット（Ｗ）である。入力熱量は、予め記憶部５１に記憶されており、上昇温度算出部５２２は、記憶部５１に記憶された入力熱量を取得する。

上昇温度算出部５２２は、単位時間あたりに熱循環システムＳから失われる損失熱量を取得する。損失熱量は、配管２を循環する熱媒体の熱の外部への流出しやすさに応じ、単位は例えばワット（Ｗ）である。例えば、上昇温度算出部５２２は、バッテリ１の数に応じた損失熱量を取得する。

図３は、バッテリ１の数に応じた損失熱量を示す表である。車両に搭載されたバッテリ１の数が多いほど配管２が長くなるので配管２の表面積が大きくなり、損失熱量は大きくなる。図３に示すとおり、損失熱量は、車両に搭載されたバッテリ１の数が多いほど大きくなる配管２の表面積に応じて大きくなっている。

バッテリ１の数に応じた損失熱量は、例えば記憶部５１に記憶されている。上昇温度算出部５２２は、入力されたバッテリ１の数に応じた損失熱量を記憶部５１から取得する。

上昇温度算出部５２２は、熱媒体が循環している配管２の表面積に応じた損失熱量を算出してもよい。例えば、上昇温度算出部５２２は、配管２の表面積に比例し、かつ配管２の厚みに反比例する損失熱量を算出する。具体的には、上昇温度算出部５２２は、熱媒体温度と外気温度の差を配管２の表面積に乗算した値を、厚みに比例する熱抵抗で除算した値を損失熱量として算出する。熱抵抗は、熱媒体から外気への熱の伝わりにくさを示す。より具体的には、上昇温度算出部５２２は、以下の式（１）を用いて損失熱量を算出する。

損失熱量＝（配管２の表面積×（熱媒体温度－外気温度））／熱抵抗（１）

上昇温度算出部５２２は、配管２と外気の熱伝導率の逆数、配管２と熱媒体の熱伝導率の逆数、及び配管２の厚みを配管２の熱伝導率で除算した値の総和を熱抵抗として算出する。具体的には、上昇温度算出部５２２は、以下の式（２）を用いて熱抵抗を算出する。

熱抵抗＝（１／配管２と外気の間の熱伝導率）＋（１／配管２と熱媒体の間の熱伝導率）＋（配管２の厚み／配管２の熱伝導率）（２）

そして、上昇温度算出部５２２は、入力熱量と損失熱量の熱量差を算出し、熱容量に対する熱量差の割合を上昇温度として算出する。具体的には、上昇温度算出部５２２は、熱容量に対する熱量差の割合に補正係数をかけた値を上昇温度として算出する。補正係数は、単位時間あたりに熱循環システムＳの温度が実際に上昇した実測値に一致するように上昇温度を補正する係数である。

補正係数は、予め実験を行って測定した実測値を、算出した上昇温度で除算した値である。補正係数の具体的な値は、１未満である。また、補正係数は、０．８５から０．９５の範囲内であるのが望ましい。本実施形態における補正係数は０．９である。

上昇温度算出部５２２は、以下の式（３）を用いて上昇温度を算出する。
上昇温度＝（熱量差／熱容量）×補正係数（３）

加温時間算出部５２３は、バッテリ温度が目標温度よりも低いときに、バッテリ温度から目標温度になるまでの加温時間を算出する。目標温度は、バッテリ１が正常に動作する動作温度範囲により定まる。目標温度は、例えば充電推奨温度範囲の下限（０℃）である。加温時間算出部５２３は、目標温度とバッテリ温度の温度差を算出し、上昇温度に対する温度差の割合を加温時間として算出する。

ところで、バッテリ１は、ヒータ３２により加熱された熱媒体の熱が伝達されることにより加熱される。言い換えると、温度が上昇した熱媒体がバッテリ１に達することにより、バッテリ１が加熱されてバッテリ温度が上昇する。そのため、熱循環システムＳの温度（つまり、ヒータ３２を通過した熱媒体の温度）が目標温度になっても、バッテリ温度が目標温度にならないことがある。そこで、加温時間算出部５２３は、温度差に熱媒体の温度とバッテリ温度の差を埋めるための補正値を加えた値の上昇温度に対する割合を、加温時間として算出する。補正値は、例えば１であるが、これに限定するものではない。より具体的には、加温時間算出部５２３は、以下の式（４）を用いて加温時間を算出する。

加温時間＝（目標温度－バッテリ温度＋補正値）／上昇温度（４）

図４は、バッテリ１の数に応じた加温時間を説明するための図である。横軸は時間を示し、縦軸はバッテリ温度を示す。バッテリ温度Ｂ０は、加温時間算出部５２３が加温時間を算出する直前に取得されたバッテリ温度であり、０℃よりも低い。

加温時間算出部５２３は、バッテリ温度Ｂ０から目標温度（０℃）になるまでの２個のバッテリ１の加温時間として加温時間Ｋ１を算出した。グラフＣ１は、２個のバッテリ１を加熱したときのバッテリ温度の時間変化を示すグラフである。

図４に示すとおり、加温時間算出部５２３が算出した加温時間が経過したタイミングで、バッテリ温度が目標温度になっている。このように、加温時間算出部５２３は、バッテリ１の数に応じた熱容量及び損失熱量に基づいて加温時間を算出することにより、バッテリ温度が充電推奨温度範囲の下限（０℃）に達するまでの時間を精度よく求めることができる。

加温時間算出部５２３は、バッテリ１の充電を開始する際に加温時間を算出する。具体的には、加温時間算出部５２３は、バッテリ温度が目標温度よりも低いときに加温時間を算出する指示を充電制御装置６から取得すると、充電制御装置６によりバッテリ１の充電が開始される前に加温時間を算出する。より具体的には、加温時間算出部５２３は、バッテリ１に給電用のコネクタが接続されたことを契機として充電制御装置６が送信した加温時間を算出する指示を取得したら、加温時間を算出する。

加温時間算出部５２３は、バッテリ温度が目標温度よりも低い場合、式（４）を用いて加温時間を算出し、式（４）を用いて算出した加温時間を充電制御装置６に送信する。これにより、充電制御装置６は、バッテリ温度が充電推奨温度範囲の下限以上の温度になってから充電を開始できるので、バッテリ１の性能低下を抑制できる。また、充電制御装置６は、加温時間が長くなりすぎない、適切なタイミングで充電を開始できる。

一方、加温時間算出部５２３は、バッテリ温度が目標温度以上であればバッテリ１を加熱する必要が無いので、加温時間を０と算出し、算出した加温時間［０］を充電制御装置６に送信する。その結果、充電制御装置６は、バッテリ１を加熱する必要が無い場合、すぐにバッテリ１の充電を開始できる。

［加温時間算出装置５が実行する加温時間を算出する処理］
図５は、加温時間を算出する処理の一例を示すフローチャートである。図５のフローチャートは、加温時間算出装置５が加温時間を算出する指示を取得すると実行される。

まず、温度取得部５２１は、温度センサ４が検出したバッテリ温度を取得する（ステップＳ１）。次に、上昇温度算出部５２２は、上昇温度を算出する（ステップＳ２）。具体的には、上昇温度算出部５２２は、入力熱量と損失熱量の熱量差を算出し、バッテリ１の数に応じた熱容量に対する熱量差の割合に、補正係数をかけた値を上昇温度として算出する。

加温時間算出部５２３は、バッテリ温度が目標温度よりも低いか否かを判定する（ステップＳ３）。バッテリ温度が目標温度よりも低い場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、上昇温度を用いて、バッテリ温度から目標温度になるまでの加温時間を算出する（ステップＳ４）。具体的には、加温時間算出部５２３は、上昇温度に対するバッテリ温度と目標温度の温度差の割合を加温時間として算出する。

加温時間算出部５２３は、バッテリ温度が目標温度以上であれば（ステップＳ３でＮｏ）、バッテリ１を加熱する必要が無いので、加温時間として０を算出する（ステップＳ５）。そして、加温時間算出部５２３は、ステップＳ４又はステップＳ５のいずれかで算出した加温時間を充電制御装置６に出力する（ステップＳ６）。

（変形例１）
上昇温度算出部５２２は、ヒータ３２が作動して熱媒体が加熱されているときに計測された熱循環システムＳの温度（バッテリ温度又は熱媒体温度）に基づいて補正係数を算出してもよい。具体的には、上昇温度算出部５２２は、熱媒体が加熱されているときに計測された熱循環システムＳの温度を時系列で並べたデータ列を近似する一次関数の傾きを補正係数として算出する。これにより、上昇温度算出部５２２は、熱循環システムＳが搭載されている車両に応じた補正係数を算出できるので、より正確な上昇温度を算出できる。その結果、加温時間算出部５２３は、熱循環システムＳが搭載されている車両に応じて、より正確な加温時間を算出できる。

（変形例２）
ところで、バッテリ１は、バッテリ温度が動作温度範囲よりも狭い使用推奨温度範囲内に含まれている状態で動作させるのが望ましい。例えば、リチウムイオン電池の使用推奨温度範囲は、１６℃から２５℃である。そこで、加温時間算出部５２３は、動作温度範囲の下限（０℃）よりも高い使用推奨温度範囲の下限（１６℃）を目標温度に設定し、バッテリ１の使用推奨温度範囲の下限に達するまでの加温時間を算出する。これにより、充電制御装置６は、バッテリ温度が使用推奨温度範囲になるタイミングで充電を開始できるので、バッテリ１の性能低下を抑制できる。

［加温時間算出装置５の効果］
以上説明したとおり、加温時間算出装置５は、熱循環システムＳの熱容量に対する入力熱量と損失熱量の熱量差の割合を、単位時間あたりの熱循環システムＳの上昇温度として算出し、上昇温度に対するバッテリ温度と目標温度の温度差の割合を、バッテリ温度から目標温度になるまでの加温時間として算出する。これにより、加温時間算出装置５は、バッテリの温度が目標温度に達するまでの時間を精度よく求めることができる。その結果、充電制御装置６は、バッテリ温度が目標温度以上になるタイミングで充電を開始できるので、バッテリ１の性能低下を抑制できるとともに、加温時間が長くなりすぎない適切なタイミングで充電を開始できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

Ｓ熱循環システム
１バッテリ
２配管
３１ポンプ
３２ヒータ
４温度センサ
５加温時間算出装置
５１記憶部
５２制御部
５２１温度取得部
５２２上昇温度算出部
５２３加温時間算出部
６充電制御装置

Claims

車両に搭載された一以上のバッテリのバッテリ温度を取得する温度取得部と、
前記バッテリを加熱する熱媒体及び前記バッテリを含む熱循環システムの熱容量に対する、単位時間あたりに前記熱循環システムに入力される入力熱量と前記単位時間あたりに前記熱循環システムから失われる損失熱量との熱量差の割合を、前記単位時間あたりの前記熱循環システムの上昇温度として算出する上昇温度算出部と、
前記上昇温度に対する、前記バッテリが正常に動作する動作温度範囲により定まる目標温度と前記バッテリ温度との温度差の割合を、前記バッテリ温度から前記目標温度になるまでの加温時間として算出する加温時間算出部と、
を有する加温時間算出装置。
前記上昇温度算出部は、前記単位時間あたりに前記熱循環システムの温度が実際に上昇した値に一致するように前記上昇温度を補正する補正係数を、前記熱容量に対する前記熱量差の割合に乗算した値を、前記上昇温度として算出する、
請求項１に記載の加温時間算出装置。
前記上昇温度算出部は、前記熱媒体が循環している配管の長さ及び前記バッテリの個数に応じた前記熱容量に対する前記熱量差の割合を、前記上昇温度として算出する、
請求項１又は２に記載の加温時間算出装置。
前記上昇温度算出部は、前記配管の長さに比例する前記熱媒体の体積及び前記バッテリの個数に比例する前記バッテリの体積に応じた前記熱容量に対する前記熱量差の割合を、前記上昇温度として算出する、
請求項３に記載の加温時間算出装置。
前記上昇温度算出部は、前記熱媒体を加熱するヒータの消費電力に応じて定まる前記入力熱量と前記熱媒体が循環している配管の表面積に応じた前記損失熱量との前記熱量差の前記熱容量に対する割合を、前記上昇温度として算出する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の加温時間算出装置。
前記上昇温度算出部は、前記配管の表面積に比例し、かつ前記配管の厚みに反比例する前記損失熱量を前記入力熱量から減算した前記熱量差の前記熱容量に対する割合を、前記上昇温度として算出する、
請求項５に記載の加温時間算出装置。
前記加温時間算出部は、前記バッテリ温度が前記動作温度範囲よりも狭い前記バッテリを正常に充電できる推奨温度範囲の下限よりも低いときに前記加温時間を算出する指示を取得すると、前記バッテリの充電が開始される前に前記加温時間を算出する、
請求項１から６のいずれか一項に記載の加温時間算出装置。
前記加温時間算出部は、前記動作温度範囲よりも狭い前記バッテリを正常に充電できる推奨温度範囲の下限である前記目標温度と前記バッテリ温度との前記温度差の前記上昇温度に対する割合を、前記加温時間として算出する、
請求項１から７のいずれか一項に記載の加温時間算出装置。