JP7426427B2

JP7426427B2 - 温調装置及び車両

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Publication number: JP7426427B2
Application number: JP2022059636A
Authority: JP
Inventors: 泰史荻原; 保雄山田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2042-03-31
Also published as: CN116890706A; US20230311709A1; JP2023150499A

Description

本発明は、温調装置及び車両に関するものである。

近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する二次電池に関する研究開発が行われている。
下記特許文献１には、移動体に搭載され、外部給電装置によって充電可能な蓄電装置と、上記蓄電装置の温度を調整するための温度調整部と、上記蓄電装置の温度を監視すると共に上記温度調整部により上記蓄電装置の温度を制御する温度制御部と、を備える移動体用電源制御システムが開示されている。温度調整部は、ヒータ等の加熱部と、ファンや冷凍サイクル等の冷却部を備えている。

特開２０２０－１３７２６号公報

ところで、二次電池に関する技術においては、温調装置の重量及びコストが課題となっている。特に、近年の大容量のバッテリを積んだ車両では、上記のような温調装置が大きくなる傾向にある。また、温調装置のヒータ等の加熱部は、高電圧である場合が多く、安全保護も必要となる。

本願は上記課題の解決のため、バッテリの温調装置の小型化及び軽量化の達成を目的としたものである。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。

この発明に係る温調装置及び車両は、以下の構成を採用した。
（１）：この発明の一態様に係る温調装置は、熱媒体を循環させる温調回路と、前記熱媒体の温度を測定する第１温度センサと、前記温調回路に熱的に接続されたバッテリと、前記バッテリの温度を測定する第２温度センサと、前記温調回路に熱的に接続された発熱機器と、前記発熱機器を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記第１温度センサ及び前記第２温度センサの測定結果に基づいて、前記発熱機器を余剰に発熱させる熱媒体加熱モードを備える。

（２）：上記（１）の態様では、前記発熱機器には、モータを駆動させる駆動装置が含まれてもよい。

（３）：上記（２）の態様では、前記熱媒体加熱モードのとき、前記制御装置は、前記モータの力行中に前記駆動装置を非効率運転させてもよい。

（４）：上記（２）または（３）の態様では、前記熱媒体加熱モードのとき、前記制御装置は、前記モータの回生中に前記駆動装置を非効率運転させてもよい。

（５）：上記（２）～（４）の態様では、前記熱媒体加熱モードのとき、前記制御装置は、前記モータの停止中に前記駆動装置を無負荷運転させてもよい。

（６）：上記（１）～（５）の態様では、前記発熱機器には、外部電源と電気的に接続され、前記バッテリを充電する充電装置が含まれてもよい。

（７）：上記（１）～（６）の態様では、前記バッテリを外気から断熱する断熱部材を備えてもよい。

（８）：この発明の一態様に係る車両は、上記（１）～（７）の態様の温調装置を備える。

上記（１）～（８）の態様によれば、温調回路に熱的に接続された発熱機器を余剰に発熱させてバッテリを加温するため、温調装置の加熱部を縮小もしくは無くすことができる。したがって、バッテリの温調装置の小型化及び軽量化を達成できる。

一実施形態に係る温調装置の構成を示す回路図である。一実施形態に係る温調装置の制御系を示すブロック図である。一実施形態に係る制御装置による各温調モードを説明する図である。一実施形態に係るバッテリの出力特性と温度との関係を示すグラフである。一実施形態に係る熱媒体加熱モードのときの、車両の走行時と充電時における発熱機器の余剰発熱のパターンを示す図である。一実施形態に係る車両の概略構成を示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態に係る温調装置１の構成を示す回路図である。
温調装置１は、図示しない車両に搭載されている。当該車両は、例えば、駆動源としてモータのみを有する電気自動車であってもよく、モータ及び内燃機関を有するハイブリッド自動車でもよい。
温調装置１は、図１に示すように、熱媒体を循環させる温調回路１０を備えている。

温調回路１０には、バッテリ２０が熱的に接続されている。また、温調回路１０には、発熱機器として、駆動装置２１や充電装置２２が熱的に接続されている。発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）は、温調回路１０において、バッテリ２０の下流側に配置されている。

バッテリ２０は、車両の電装系、空調系、駆動系の少なくとも一つに電力を供給する。バッテリ２０は、充放電可能な二次電池である。二次電池としては、充放電時の管理温度範囲が広い全固体電池が好ましい。全固定電池とは、電解液がなく正極と負極の間に固体の電解質が充填された電池である。なお、二次電池としては、電解液を有する既存のリチウムイオン電池等であっても構わない。

駆動装置２１は、バッテリ２０と電気的に接続され、車両のモータを駆動させる。駆動装置２１は、直流電力を交流電力に変換するとともに交流電力を直流電力に変換するインバータ（電力変換装置）を含む。充電装置２２は、バッテリ２０と電気的に接続され、図示しない外部電源と電気的に接続されたときに、バッテリ２０を充電する。充電装置２２は、直流電圧を昇圧又は降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含む。

温調回路１０は、リザーブタンク１１と、ポンプ１２と、ラジエータ１３と、を備えている。リザーブタンク１１は、熱媒体を貯留するとともに、温調回路１０に熱媒体を注水する。熱媒体は、例えば、水、ラジエータ液、クーラン卜液等である。ポンプ１２は、温調回路１０において、リザーブタンク１１の下流側に配置されている。ポンプ１２は、温調回路１０の熱媒体を循環させ、バッテリ２０、充電装置２２、駆動装置２１の順に熱媒体を供給する。

ラジエータ１３は、温調回路１０において、駆動装置２１の下流側に配置されている。ラジエータ１３は、熱媒体と外気とを熱交換させる。温調回路１０において、駆動装置２１の下流側且つラジエータ１３の上流側には、流路切替弁１４を介してバイパス流路１０ａが接続されている。バイパス流路１０ａは、温調回路１０においてラジエータ１３の上流側と下流側を接続している。

流路切替弁１４は、ラジエータ１３を経由せずに熱媒体を循環させる第１温調回路１０Ａと、ラジエータ１３を経由して熱媒体を循環させる第２温調回路１０Ｂと、を形成する。なお、ラジエータ１３の外気を取り入れる通風孔を開閉する開閉装置（例えばアクティブグリルシャッター）が設けられている場合、流路切替弁１４及びバイパス流路１０ａは無くても構わない。

本実施形態において、第１温調回路１０Ａとは、ポンプ１２から送り出された熱媒体が、バッテリ２０、充電装置２２、駆動装置２１の順に供給された後、バイパス流路１０ａを通りリザーブタンク１１に戻る回路をいう。また、本実施形態において、第２温調回路１０Ｂとは、ポンプ１２から送り出された熱媒体が、バッテリ２０、充電装置２２、駆動装置２１の順に供給された後、ラジエータ１３で冷却されてリザーブタンク１１に戻る回路をいう。

上記構成の温調装置１は、複数の温度センサ３０，３１，３２，３３を備えている。温度センサ３０は、温調回路１０におけるバッテリ２０の入口に設置され、熱媒体の温度を測定する。また、温度センサ３１は、温調回路１０におけるラジエータ１３の出口に設置され、熱媒体の温度を測定する。また、温度センサ３２は、バッテリ２０に設置され、バッテリ２０の温度を測定する。また、温度センサ３３は、駆動装置２１に設置され、駆動装置２１の温度を測定する。

また、上記構成の温調装置１は、バッテリ２０を外気から断熱する断熱部材４０を備える。断熱部材４０は、例えば、車両の底部に設けられたバッテリ２０の底面を覆う板状の部材である。これにより、バッテリ２０を保温することができる。

次に、上記構成の温調装置１の制御系について説明する。

図２は、一実施形態に係る温調装置１の制御系を示すブロック図である。
図２に示すように、温調装置１は、上述した複数の温度センサ３０，３１，３２，３３と電気的に接続されると共に、上述したバッテリ２０及び発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）と電気的に接続された制御装置５０を備える。制御装置５０は、バッテリ２０を加温、保温または冷却する複数の温調モードを備える。

図３は、一実施形態に係る制御装置５０による各温調モードを説明する図である。
図３に示すように、制御装置５０は、温度センサ３０（ＬＬＣ温度）及び温度センサ３２（Ｂａｔｔ温度）に基づいて、温調モードを切り替える。温調モードには、熱媒体加熱モード、熱媒体循環モード、及び熱媒体冷却モードが含まれる。

熱媒体加熱モードは、低温のバッテリ２０を加温するモードである。熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、流路切替弁１４を動作させ、温調回路１０を第１温調回路１０Ａに切り替える（ラジエータＯＦＦ）。また、熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、温調回路１０に熱的に接続された発熱機器（駆動装置２１）を余剰に発熱させる（余剰発熱ＯＮ）。なお、発熱機器の余剰発熱については、後述する。

熱媒体循環モードは、管理温度範囲内のバッテリ２０の温度を維持するモードである。熱媒体循環モードのとき、制御装置５０は、流路切替弁１４を動作させ、温調回路１０を第１温調回路１０Ａに切り替える（ラジエータＯＦＦ）。また、熱媒体循環モードのとき、制御装置５０は、温調回路１０に熱的に接続された発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）を通常通り運転させ、余剰発熱させない（余剰発熱ＯＦＦ）。

熱媒体冷却モードは、高温のバッテリ２０の冷却するモードである。熱媒体冷却モードのとき、制御装置５０は、流路切替弁１４を動作させ、温調回路１０を第２温調回路１０Ｂに切り替える（ラジエータＯＮ）。また、熱媒体冷却モードのとき、制御装置５０は、温調回路１０に熱的に接続された発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）を通常通り運転させ、余剰発熱させない（余剰発熱ＯＦＦ）。

図４は、一実施形態に係るバッテリ２０の出力特性と温度との関係を示すグラフである。なお、図４においては、バッテリ２０がリチウムイオン電池（液ＬＩＢ）の場合と、全固体電池（固体）の場合の出力特性（いずれもＳＯＣ（State Of Charge）が５０％のとき）を比較して示している。図５は、一実施形態に係る熱媒体加熱モードのときの、車両の走行時と充電時における発熱機器の余剰発熱のパターンを示す図である。

図４に示す符号Ｌ０は、バッテリ２０が極低温で殆ど機能しないシステム停止状態と、バッテリ２０が機能するが低温で要求出力を満たさない低温出力低下状態との境界線を示している。また、図４に示す符号Ｌ１は、上述した低温出力低下状態と、バッテリ２０が要求温度範囲（つまり管理温度範囲）で要求出力を出すことができる通常出力状態との境界線を示している。

図４に示す符号Ｌ２は、上述した通常出力状態と、バッテリ２０が機能するが高温で制御的にＰＳ（Power Save）がかかった状態で出力を維持する高温出力維持状態との境界線を示している。また、図４に示す符号Ｌ３は、上述した高温出力維持状態と、バッテリ２０が極高温で殆ど機能しないシステム停止状態との境界線を示している。

図４に示すように、バッテリ２０が全固体電池（本実施形態）の場合、バッテリ２０がリチウムイオン電池よりも境界線Ｌ１，Ｌ２の間の通常出力状態となる温度範囲（つまり管理温度範囲）が広い。具体的に、図４に示す例では、バッテリ２０が全固体電池の場合、２０℃～１００℃が通常出力となる管理温度範囲となっている。また、図４に示す例では、バッテリ２０がリチウムイオン電池の場合、５℃～４５℃が通常出力となる管理温度範囲となっている。

上述した熱媒体加熱モードでは、図５に示すように、車両の走行状態（駆動、停止、及び回生）、充電状態（充電及び充電停止）の各シチュエーションに応じて、発熱機器（駆動装置２１）を余剰に発熱させる。

具体的に、熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、モータ２３の力行中（駆動中）に駆動装置２１を非効率運転させる。これにより、駆動装置２１を余剰発熱させ、熱媒体を加温することができる。この駆動装置２１の非効率運転は、図４に示す境界線Ｌ０，Ｌ１の間であって、バッテリ２０が低温出力低下状態である温度範囲Ｔ１で行う。

なお、駆動装置２１の非効率運転とは、最大トルク、電流制御または最大効率制御で用いられる相電流、すなわち所定の駆動力（定トルク曲線上のトルク）を発生させる際に、電流値または損失を最も小さくする相電流（ｄ軸電流，ｑ軸電流）とは、異なる相電流でモータ２３を駆動する制御である。非効率運転では、ｄ軸電流の値が従来効率制御でのｄ軸電流の値より正の方向に大きくなる（概ね正の値となる）ので強め界磁制御ともいう。この非効率運転については、例えば、本出願人の先行出願である特開２０１７－１８９０７９号公報に詳細が開示されている。

また、熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、モータ２３の停止中に駆動装置２１を無負荷運転（ノーロード発熱）させる。なお、駆動装置２１の無負荷運転とは、モータ２３は回転させないが、所定のトルクを出すように駆動装置２１を動作させる制御である。これにより、駆動装置２１を余剰発熱させ、熱媒体を加温することができる。この駆動装置２１の無負荷運転は、図４に示す温度範囲Ｔ１で行う。

また、熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、モータ２３の回生中に駆動装置２１を非効率運転させる。なお、回生中の駆動装置２１の非効率運転とは、車両で発生する余分な電力を、力行中と同様に、モータ２３の非効率領域で消費する制御である。これにより、駆動装置２１を余剰発熱させ、熱媒体を加温することができる。この駆動装置２１の非効率運転は、図４に示す温度範囲Ｔ１と、境界線Ｌ１，Ｌ２の間のバッテリ２０の通常出力状態であって、境界線Ｌ１から回生の出力（または出力制限、または受け入れ性とも言う）が最大（図４において－１で示す）になるまでの温度範囲Ｔ２で行う。

また、熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、バッテリ２０の充電中に駆動装置２１を無負荷運転（ノーロード発熱）させる。これにより、駆動装置２１を余剰発熱させ、熱媒体を加温することができる。さらに、バッテリ２０の充電中の充電装置２２の効率分発熱によっても、熱媒体を加温することができる。この駆動装置２１の無負荷運転及び充電装置２２の効率分発熱は、図４に示す温度範囲Ｔ１，Ｔ２であって、車両の空調設備のプレ暖機中も行う。空調設備のプレ暖房とは、遠隔操作で車室を予め加温するものである。

また、熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、バッテリ２０の充電停止中に駆動装置２１を無負荷運転（ノーロード発熱）させる。これにより、駆動装置２１を余剰発熱させ、熱媒体を加温することができる。この駆動装置２１の無負荷運転は、図４に示す温度範囲Ｔ１，Ｔ２であって、車両の空調設備のプレ暖房中も行う。なお、空調設備でバッテリ２０の電力が消費された分は、上述したバッテリ２０の充電が繰り返されることにより充電されて、バッテリ２０が満充電状態となる。

上記構成の制御装置５０は、図３に示すように、温度センサ３０（ＬＬＣ温度）及び温度センサ３２（Ｂａｔｔ温度）の測定結果に基づいて、温調モードを切り替える。例えば、温度センサ３０（ＬＬＣ温度）が－３０℃～０℃、且つ、温度センサ３２（Ｂａｔｔ温度）が－３０℃～０℃の場合、また、温度センサ３０（ＬＬＣ温度）が－３０℃～０℃、且つ、温度センサ３２が０℃～５０℃（Ｂａｔｔ温度）の場合であって、なお且つ車両走行中の場合は、制御装置５０は、熱媒体加熱モードに切り替え、バッテリ２０を加温する。熱媒体加熱モードでは、上述したように、車両の走行状態（駆動、停止、及び回生）、充電状態（充電及び充電停止）の各シチュエーションに応じて、発熱機器（駆動装置２１）を余剰に発熱させる。

上記構成によれば、温調回路１０に熱的に接続された発熱機器（駆動装置２１）を余剰に発熱させてバッテリ２０を加温することができるため、図１に示すように熱媒体専用のヒータ等の加熱部を無くすことができる。したがって、バッテリ２０の温調装置１の小型化及び軽量化を達成できる。

このように、上述した本実施形態に係る温調装置１によれば、熱媒体を循環させる温調回路１０と、熱媒体の温度を測定する温度センサ３０（第１温度センサ）と、温調回路１０に熱的に接続されたバッテリ２０と、バッテリ２０の温度を測定する温度センサ３２（第２温度センサ）と、温調回路１０に熱的に接続された発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）と、発熱機器を制御する制御装置５０と、を備え、制御装置５０は、温度センサ３０及び温度センサ３２の測定結果に基づいて、発熱機器（駆動装置２１）を余剰に発熱させる熱媒体加熱モードを備える。この構成によれば、バッテリ２０の温調装置１の小型化及び軽量化を達成できる。

また、本実施形態では、発熱機器には、モータ２３を駆動させる駆動装置２１が含まれる。この構成によれば、駆動装置２１の発熱により加熱した熱媒体を介してバッテリ２０を加温することができる。

また、本実施形態では、熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、モータ２３の力行中に駆動装置２１を非効率運転させる。この構成によれば、モータ２３の力行中に駆動装置２１を余剰発熱させ、バッテリ２０を加温することができる。

また、本実施形態では、熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、モータ２３の回生中に駆動装置２１を非効率運転させる。この構成によれば、モータ２３の回生中に駆動装置２１を余剰発熱させ、バッテリ２０を加温することができる。

また、本実施形態では、熱媒体加熱モードのとき、制御装置５０は、モータ２３の停止中に駆動装置２１を無負荷運転させる。この構成によれば、モータ２３の停止中に駆動装置２１を余剰発熱させ、バッテリ２０を加温することができる。

また、本実施形態では、発熱機器には、外部電源と電気的に接続され、バッテリ２０を充電する充電装置２２が含まれる。この構成によれば、充電装置２２の発熱により加熱した熱媒体を介してバッテリ２０を加温することができる。

また、本実施形態では、バッテリ２０を外気から断熱する断熱部材４０を備える。この構成によれば、バッテリ２０を保温し、加温したバッテリ２０が冷えないようにすることができる。

図６は、一実施形態に係る車両１００の概略構成を示す斜視図である。
車両１００の車体１０１には、車室１０２の床下部分にバッテリ２０を収容するバッテリケース１０３が搭載されている。バッテリケース１０３の底部には、断熱部材４０が貼り付けられている。車両１００の前部には、モータルーム１０４が設けられている。モータルーム１０４内には、モータ２３、駆動装置２１、分岐ユニット１０６、充電装置２２等が設けられている。

モータ２３の回転駆動力は、シャフ卜１０７に伝達される。シャフ卜１０７の両端部には、車両１００の前輪１０８が接続されている。駆動装置２１は、モータ２３の上側に配置されてモータ２３のケースに直接、締結固定されている。駆動装置２１は、電源ケーブル１１１でバッテリケース１０３のコネクタに電気的に接続されている。また、駆動装置２１は、例えば三相パスバーによりモータ２３に電気的に接続されている。駆動装置２１は、バッテリ２０から供給される電力によりモータ２３を駆動制御する。

分岐ユニット１０６および充電装置２２は、左右に並列して配置されている。分岐ユニット１０６および充電装置２２は、駆動装置２１の上方に配置されている。分岐ユニット１０６および充電装置２２は、駆動装置２１と離間した状態で配置されている。分岐ユニット１０６とバッテリケース１０３とは、両端にコネクタを有するケーブル１１０により電気的に接続されている。

分岐ユニット１０６は、充電装置２２に電気的に接続されている。充電装置２２は、家庭用電源等の一般的な外部電源に接続して、バッテリ２０に対して充電を行う。充電装置２２と分岐ユニット１０６とは、両端にコネクタを有する不図示のケーブルにより電気的に接続されている。

このような車両１００が、上述した温調装置１を備えることで、バッテリ２０の温調装置１の小型化及び軽量化を達成できる。このように、温調装置１が小型化及び軽量化されることで、電動走行距離の増加、車両効率が向上する。

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

例えば、上記実施形態では、温調装置１の温調回路１０から熱媒体専用のヒータ等の加熱部を無くしたが、当該加熱部と、上述した発熱機器の余剰発熱とを併用してもよい。この場合、発熱機器の余剰発熱によって加熱部を縮小できるので、バッテリ２０の温調装置１の小型化及び軽量化を達成できる。

１温調装置
１０温調回路
２１駆動装置
２２充電装置
２３モータ
３０温度センサ（第１温度センサ）
３２温度センサ（第２温度センサ）
４０断熱部材
５０制御装置
１００車両

Claims

熱媒体を循環させる温調回路と、
前記熱媒体の温度を測定する第１温度センサと、
前記温調回路に熱的に接続されたバッテリと、
前記バッテリの温度を測定する第２温度センサと、
前記温調回路に熱的に接続された発熱機器と、
前記発熱機器を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記第１温度センサ及び前記第２温度センサの測定結果に基づいて、前記発熱機器を余剰に発熱させる熱媒体加熱モードを備える、温調装置。
前記発熱機器には、モータを駆動させる駆動装置が含まれる、請求項１に記載の温調装置。
前記熱媒体加熱モードのとき、前記制御装置は、前記モータの力行中に前記駆動装置を非効率運転させる、請求項２に記載の温調装置。
前記熱媒体加熱モードのとき、前記制御装置は、前記モータの回生中に前記駆動装置を非効率運転させる、請求項２または３に記載の温調装置。
前記熱媒体加熱モードのとき、前記制御装置は、前記モータの停止中に前記駆動装置を無負荷運転させる、請求項２～４のいずれか一項に記載の温調装置。
前記発熱機器には、外部電源と電気的に接続され、前記バッテリを充電する充電装置が含まれる、請求項１～５のいずれか一項に記載の温調装置。
前記バッテリを外気から断熱する断熱部材を備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の温調装置。
請求項１～７のいずれか一項に記載の温調装置を備える、車両。