WO2012160922A1 - 電池パックの空調制御装置 - Google Patents

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Abstract

 電池セル(1a)を収容する電池パック(1)内の空気を除熱し、空気を冷却又は除湿する除熱手段(4)を設ける。また、電池パック(1)と除熱手段(4)との間を接続し、空気を内気循環させる循環経路(2)を設ける。さらに、冷却時と除湿時とで逆方向に空気を循環経路(2)内で循環させる方向制御手段(5)を設ける。

Description

電池パックの空調制御装置
 本発明は、電池セルを収容する電池パック内の温度及び湿度を制御する空調制御装置に関する。
 従来、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等のバッテリーに蓄えられた電力を用いて車両を駆動する電気自動車,ハイブリッド自動車が開発されている。特に、エネルギー密度の高いリチウムイオン電池は、バッテリー容量に比して小型軽量化が図りやすく、大電力が要求される車両の走行用バッテリーとしての需要の増大が見込まれている。
 車両に搭載される一般的なリチウムイオン電池は、金属製のケース内に電極及び電解液を収納した気密,水密構造を備えている。例えば、特許文献1には、複数の単電池(電池セル)を外気からシールした金属ケースに密封した電池パックが記載されている。このように金属製のケースを用いることで、単電池の剛性を向上させることができるとされている。
 ところで、車両に搭載されるバッテリーの総バッテリー容量が大きいほど、より多くのエネルギーを使用できるため、車両の航続距離(一回の充電量で走行することができると推定される最大距離)は増大する。一方、バッテリーの搭載量が多いほど車両重量が増大するため、車両を走行させるのに要するエネルギーが増大し、電費や航続距離が減少する。したがって、バッテリー自体を軽量化することができれば、車両重量の増大を抑えつつ、より多くのエネルギーを車両の走行用エネルギーとして利用することが可能となり、車両の走行性能を向上させることができる。
 そこで近年では、バッテリーのケースとして、金属製のものの代わりに樹脂製のものを使用することが提案されている。例えば、特許文献2に記載のように、バッテリーのセル電槽(ケース)をポリプロピレン製とし、要求される剛性を確保しながら軽量化及び低コスト化を図ることが検討されている。
特開2007-200758号公報 特開2008-300144号公報
 しかしながら、バッテリーのケースを樹脂製にすると、十分な水密性を維持することが難しく、バッテリーの劣化を抑制しにくいという課題がある。特に、リチウムイオン電池の場合には、樹脂ケースの壁面からの水分の浸入によって電解質の分解が発生し、これが容量劣化や寿命低下の原因となるため、高度な水密性が要求される。このような水密性能を樹脂製のケースで実現することは難しい。一方、金属製のケースを用いた場合には水密性を確保することは可能となるものの、バッテリーの重量が増大し、車両の走行性能を向上させることができない。
 本件の目的の一つは、これらのような課題に鑑み、温度環境及び湿度環境を適切に制御してバッテリーの劣化を抑制することである。
 なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
 (1)ここで開示する電池パックの空調制御装置は、電池セルを収容する電池パック内の空気を除熱し前記空気を冷却又は除湿する除熱手段を備える。また、前記電池パックと前記除熱手段との間を接続し前記空気を内気循環させる循環経路を備える。さらに、前記冷却時と前記除湿時とで逆方向に前記空気を前記循環経路内で循環させる方向制御手段を備える。
 (2)また、前記除熱手段よりも前記冷却時における上流側の前記循環経路上に設けられ、前記空気と外気との間で熱交換を行う熱交換手段を備えることが好ましい。前記熱交換手段は、前記冷却時には冷却器として機能し、前記除湿時には加温器として機能する。
 (3)また、前記電池セルの充電又は放電時に前記空気を冷却する冷却制御を実施し、前記充電の終了後に前記空気を除湿する除湿制御を実施する空調制御手段を備えることが好ましい。
 (4)この場合、前記空調制御手段が、前記冷却制御時に前記循環経路内を循環する空気の流量よりも、前記除湿制御時に前記循環経路内を循環する空気の流量を減少させることが好ましい。
 (5)また、前記除湿時に前記除熱手段に付着した水分を前記循環経路から流出させるバイパス路を備えることが好ましい。
 (6)また、前記電池パックの上方に設けられ、前記空気の冷却時に前記循環経路から前記電池パック内へと前記空気を導入する第一導入口と、前記電池パックの下方に設けられ、前記空気の除湿時に前記循環経路から前記電池パック内へと前記空気を導入する第二導入口とを備えることが好ましい。
 (7)この場合、前記第一導入口が、前記電池パックの上面の複数箇所に設けられ、前記電池パック内に収容された電池セルの全体に向かって前記空気を供給することが好ましい。また、前記第二導入口が、前記電池パックの隅部に設けられ、前記電池パックの下面側から層状に前記空気を供給することが好ましい。
 開示の電池パックの空調制御装置によれば、冷却時と除湿時とで逆方向に空気を循環させることで、除熱手段で冷却された空気が電池パックに導入されるときの温度を相違させることができ、電池パック内の空気の温度及び湿度を調節することができる。これにより、効率よくバッテリーを冷却しつつ乾燥させることができ、バッテリーの劣化を抑制することができる。
一実施形態に係る空調制御装置が適用された車両の全体構成を示す模式図である。 図1の車両に搭載されたバッテリー(電池パック)の断面構造を例示する縦断面図である。 図1の空調制御装置で実施される冷却制御の開始条件を説明するためのグラフである。 図1の空調制御装置で実施される制御内容を例示するフローチャートである。 図1の空調制御装置による制御作用を説明するための模式図であり、(a)は冷却制御時、(b)は除湿制御時、(c)はデフロスト制御時に対応するものである。 図1の循環経路上における空気の温度分布を例示するグラフであり、(a)は冷却制御時、(b)は除湿制御時に対応するものである。 除湿制御時における電池パック内の水分量の変化を模式的に示すグラフである。
 図面を参照して本実施形態の電池パックの空調制御装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。また、以下の実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよく、実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
 [1.装置構成]
 本実施形態の電池パックの空調制御装置は、図1に示す車両10に適用されている。この車両10は、バッテリーの電力で図示しないモーター装置を駆動して走行する電気自動車である。このモーター装置は、バッテリーの電力を消費して車輪を回転駆動する機能と、制動時における車輪のトルクを利用した発電によって電力を回生する機能とを兼ね備えたモーター・ジェネレーターである。これらの二種類の機能は、車両10の走行状態に応じて適宜制御される。
 バッテリーは、電池パック1の内部に複数の電池セル1aとして収容されている。電池パック1は所定の気密性,水密性を備えた樹脂製の容器であり、路面上の泥や水滴等が内部に入らないように形成されている。一方、電池パック1の壁面は樹脂であり、樹脂中に僅かな水分が浸入する可能性がある。そこで本実施形態では、この電池パック1の内部に存在する空気の温度及び湿度(水蒸気量)を制御する。
 図1に示すように、電池パック1には、内部の空気をその内部のみで循環させるための循環経路2が環状に接続されている。循環経路2は、電池パック1に対して第一接続部2a及び第二接続部2bの二箇所で接続される。この循環経路2上にはエバポレーター4,ファン5,外気との熱交換部6及びバイパス路7が設けられ、さらにエバポレーター4やファン5等を制御するための電池空調ECU3が設けられる。
  [1-1.エバポレーター]
 エバポレーター4(除熱手段)は、循環経路2内の空気を除熱する熱交換器であり、コア4a及び冷媒配管4bを有する。冷媒配管4bは、図示しない膨張弁で気化された冷媒をコア4aに供給するものである。また、コア4aの内部には、冷媒配管4bから供給された冷媒が流通する複数のフィンが所定の間隔で並設されており、コア4a内を流通する冷媒がこれらのフィンの間を通過する空気から熱を奪って空気を冷却する。なお、車両10のエアコン装置の冷媒をエバポレーター4の冷媒として流用してもよい。
 エバポレーター4は、二つの機能を持つ。第一の機能は、空気を冷却する機能である。例えば、電池セル1aの発熱によって暖められた30~40[℃]の循環経路2内の空気10~15[℃]程度まで冷却する能力を持つものとする。第二の機能は、空気中の水蒸気を凝結させる機能である。例えば、20[℃]程度の空気中の水分を結露させるべく、コア4aの表面温度が-10[℃]程度以下(一般的な外気温度よりも低い温度)となる冷却能力を持つものとする。エバポレーター4は、電池空調ECU3からの制御信号に基づいて冷媒のコア4aへの流通を許容又は遮断し、冷媒の遮断時には上記の冷却機能及び水分凝結機能が停止するよう構成されている。
 また、エバポレーター4の配設位置は、循環経路2の第一接続部2aから第二接続部2bまで至る経路の中間点2cよりも何れか一方に偏った位置とされる。本実施形態では、図1に示すように中間点2cよりも第一接続部2a寄りの位置にエバポレーター4が設けられたものを例示する。
  [1-2.ファン]
 ファン5(方向制御手段)は、循環経路2内の空気を内気循環させるための送風装置であり、内蔵された電動機の回転方向に応じて空気の吐出方向を逆転可能に形成されている。以下、ファン5から吐出される空気の流通方向について、第二接続部2b側から吸い込んで第一接続部2a側へ吐き出す循環方向のことを順方向と呼び、第一接続部2a側から第二接続部2b側への循環方向のことを逆方向と呼ぶ。ファン5は、電池空調ECU3からの制御信号に基づき、循環経路2内の空気を順方向又は逆方向の何れかに送風するように機能する。
 エバポレーター4の場合とは異なり、循環経路2上におけるファン5の配設位置は任意である。すなわち、ファン5を中間点2cよりも第一接続部2a側に設けてもよいし、第二接続部2b側に設けてもよい。したがって、ファン5とエバポレーター4との位置関係は任意である。また、ファン5による順方向及び逆方向へのそれぞれの送風効率(送風量)は、順方向への送風効率が逆方向への送風効率よりも高く設定されている。
  [1-3.熱交換部]
 熱交換部6(熱交換手段)は、循環経路2の管壁を蛇腹状に形成した部位であり、循環経路2内の空気と外気との間で熱交換を行うための部位である。この熱交換部6は、外周に外気が接触する位置に設けられている。循環経路2上における外気との熱交換部6の配設位置は、エバポレーター4よりも第一接続部2a側の任意の位置とされる。なお、循環経路の管壁自体が十分な熱伝導性を備えている場合には管壁の加工は不要であり、単に循環経路2上の外気と接触する部位のことを熱交換部6と称してもよい。
 熱交換部6の機能としては、二種類の機能が挙げられる。第一の機能は、電池パック1側から流通する空気を冷却する機能である。例えば、外気温度よりも高温の空気が電池パック1側から流通してきたときに、熱交換部6はその空気を外気で冷却する。第二の機能は、エバポレーター4側から流通する空気を昇温させる機能である。例えば、外気温度よりも低温の空気がエバポレーター4側から流通してきたときに、熱交換部6はその空気を外気で暖める。
 このように、熱交換部6は循環経路2内での空気の循環方向に応じて異なる働きをする部位であり、空気の冷却時には冷却器として機能するとともに、空気の除湿時には昇温器として機能する。
  [1-4.バイパス路,流路切換弁]
 バイパス路7は、循環経路2内の空気中に含まれていた水分を循環経路2外へと排出するための通路である。図1に示す例では、二つのバイパス路7が循環経路2から車両10の下方向へと分岐するように形成され、バイパス路7の先端が外気に開放されている。一方のバイパス路7aはファン5よりも第二接続部2b側に配置され、他方のバイパス路7bはエバポレーター4よりも第一接続部2a側に配置されている。また、これらのバイパス路7と循環経路2との分岐点にはそれぞれ、空気の流通方向を制御するための流路切換弁9が設けられている。
 流路切換弁9は、バイパス路7を閉鎖する姿勢と、バイパス路7を開放しながら循環経路2を閉鎖する姿勢との二位置に切り換え可能とされている。一方のバイパス路7aに設けられた流路切換弁9aは、バイパス路7aを閉鎖する姿勢と、循環経路2のファン5方向にのみバイパス路7aを開放する姿勢との二姿勢に制御される。
 これに対し、他方のバイパス路7bに設けられた流路切換弁9bは、バイパス路7bを閉鎖する姿勢と、バイパス路7bを循環経路2のエバポレーター4方向にのみバイパス路7bを開放する姿勢との二位置に制御される。したがって、図1中に破線で示すように二本のバイパス路7a,7bがともに開放されると、循環経路2のうちエバポレーター4及びファン5が介装された部位と二本のバイパス路7a,7bとが連通する。
  [1-5.電池パック]
 図2(a)に示すように、電池パック1には、内部に電池セル1aを収容するケース本体1bと、その上方を覆うように固定された分岐配管1cとが設けられる。循環経路2の第一接続部2aは分岐配管1cに対して接続され、第二接続部2bはケース本体1bに対して接続されている。また、ケース本体1bの任意の位置には、電池セル1aのバッテリー温度T(又は、ケース本体1bの内部の空気の温度)を検出する温度センサ11(温度検出手段)と、ケース本体1bの内部の湿度(水蒸気量)を検出する湿度センサ12(湿度検出手段)とが設けられる。
 分岐配管1cは、循環経路2とケース本体1bとの間を接続する通路となる部位である。この分岐配管1cは、第一接続部2a側から空気が導入されるときに、電池セル1aの全体に向かって空気を供給するように、ケース本体1b側が複数本に分岐したマニホールド形状をなしている。これらの分岐形成された複数の導入口1dは、ケース本体1b内における電池セル1aの配置に合わせた位置に設けられる。
 一方、第二接続部2bが接続される第二導入口1eは、第二接続部2b側から空気が導入されるときに、ケース本体1bの下面側から空気が層状に充填されるように、ケース本体1bの下面近傍の隅部に設けられる。
 [2.制御構成]
 電池空調ECU3(空調制御手段)は、マイクロコンピュータで構成された電子制御装置であり、例えば周知のマイクロプロセッサやROM,RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成される。電池空調ECU3は、信号線を介して電池パック1,温度センサ11及び湿度センサ12と接続されており、電池セル1aの充電状態に関する情報や充放電に係る通電量A,電池パック1の温度情報,湿度情報等が電池空調ECU3に随時伝達されている。
 なお、充電制御全般を司る電子制御装置(いわゆる、バッテリーECUやEV-ECU等)を搭載した車両の場合には、その電子制御装置から上記の各種情報を取得することとしてもよい。電池空調ECU3の制御対象は、エバポレーター4,ファン5及び流路切換弁9であり、電池空調ECU3はこれらの各装置を充電状態や電池パック1の温度等に応じて制御する。
  [2-1.制御の概要]
 電池空調ECU3では、冷却制御,除湿制御及びデフロスト制御の三種類の制御が実施される。
 冷却制御とは、電池パック1内に低温の空気を供給して冷却する制御であり、例えば電池セル1aの充放電に伴う発熱量が大きい状態(急速充電時や回生充電時,通電量Aが大きい時等)で実施される。
 除湿制御とは、電池パック1内の空気を除湿して乾燥させる制御であり、例えば冷却制御の終了後に実施される。この除湿制御では、循環経路2内の空気中に含まれる水分をエバポレーター4に結露させ、あるいは着霜させることによって除湿がなされる。
 デフロスト制御とは、結露や着霜した水分を循環経路2の外部に排出する制御であり、例えば除湿制御の終了後に実施される。このデフロスト制御では、エバポレーター4への冷媒の供給を遮断して冷却機能を停止させ、外気で霜を流し落とす(あるいは吹き飛ばす)ことによってデフロストがなされる。
 これらの制御を実施するためのソフトウェア又はハードウェアとして、電池空調ECU3には、冷却制御部3a,除湿制御部3b及びデフロスト制御部3cが設けられる。
  [2-2.制御ブロック構成]
 冷却制御部3aは、冷却制御を司るものである。ここでは、冷却制御の開始条件及び終了条件が判定され、それぞれの判定結果に基づいて冷却制御が実施される。冷却制御の開始条件は任意であり、例えば電池セル1aが充電中であることや、温度センサ11で検出されたバッテリー温度Tが所定の温度以上であること等が挙げられる。また、終了条件は、例えば電池セル1aが充電中でないこと(例えば、充電量が所定量以上になったこと)や、温度センサ11で検出されたバッテリー温度Tが所定の温度未満であること等である。
 本実施形態では、電池セル1aの充電状態,バッテリー温度T及びバッテリーの通電量Aに基づいて冷却制御の開始条件及び終了条件が判定される。例えば、図3に示すようなバッテリー温度T及び通電量Aと冷却の要否との関係を規定した制御マップを冷却制御部3aが記憶しており、電池セル1aの充電時にこの制御マップに基づいて冷却制御の実施/不実施を判定する。
 電池セル1aの発熱量は、充放電に係る通電量Aの二乗に比例する。そのため、図3の制御マップでは、冷却制御を実施するためのバッテリー温度Tの判定閾値が、通電量Aの二乗に比例して減少する(T=T0-kA2,kは係数)ように設定されている。通電量Aが0であるときには、バッテリー温度Tが判定温度T0以上であるときに冷却制御の開始条件が成立し、通電量Aが大きいほど、その通電量Aの二乗に比例した温度kA2分だけ低い温度T0-kA2以上であるときに、冷却制御の開始条件が成立する。図中の通電量Aの最大値Amaxは、充電時又は放電時の最大電流値に相当する。
 なお、図3中に実線で示されるグラフT=T0-kA2は、冷却制御の開始条件及び終了条件の両方についての判定閾値を与えるものといえるが、開始条件の判定閾値を与える関数と終了条件の判定閾値を与える関数とを相違させてもよい。例えば、図3中に破線で示すように、通電量Aが0である場合には、バッテリー温度Tが判定温度T0よりも小さい第二判定温度T1未満であるときに、冷却制御の終了条件が成立することとするような判定閾値を設定してもよい。開始条件と終了条件とを相違させることにより、制御ハンチング(短時間で交互に制御が繰り返されること)が防止され、制御性が向上する。
 冷却制御の開始条件が成立すると、冷却制御部3aはエバポレーター4に制御信号を出力して冷媒をコア4aに流通させるとともに、ファン5に制御信号を出力して循環経路2内の空気を順方向に送風させる。また、流路切換弁9a,9bは、それぞれバイパス路7a,7bを閉鎖する姿勢に制御される。
 これにより、エバポレーター4の表面で冷却された空気は、第一接続部2aを介して複数の導入口1dから電池パック1のケース本体1b内部に供給される。一方、ケース本体1b内部の空気は、第二導入口1eを介して第二接続部2b側から循環経路2内へと流通し、熱交換部6で冷却された後にエバポレーター4でさらに冷却される。
 除湿制御部3bは、除湿制御を司るものである。ここでは、除湿制御の開始条件及び終了条件が判定され、それぞれの判定結果に基づいて除湿制御が実施される。除湿制御の開始条件は、例えば冷却制御が終了したことや、冷却制御が所定時間以上継続して実施されたことや、湿度センサ12で検出された電池パック1内の湿度Bが所定湿度B0以上であること等である。また、終了条件は、例えば除湿制御の実施時間が所定時間以上になったことや、電池パック1内の湿度Bが所定湿度B0未満まで低下したこと等である。
 除湿制御の開始条件が成立すると、除湿制御部3bはエバポレーター4に制御信号を出力して冷媒をコア4aに流通させるとともに、ファン5に制御信号を出力して循環経路2内の空気を逆方向に送風させる。つまり、除湿制御部3bは、冷却制御部3aとは逆の方向に空気を循環させるように、ファン5を制御する。ファン5の送風効率は、順方向よりも逆方向の方が低く設定されているため、冷却制御時と比較して除湿制御時に循環経路2内を循環する空気の流量は減少する。また、流路切換弁9a,9bは、それぞれバイパス路7a,7bを閉鎖する姿勢に制御される。
 これにより、エバポレーター4によって冷却された空気中の水分がコア4aの表面に結露,着霜して除湿され、湿度が低下する。また、その空気は熱交換部6で昇温された後に第二接続部2b側へと流通し、第二導入口1eから電池パック1のケース本体1b内部に供給される。ケース本体1bの内部では、乾燥したやや冷たい空気が下面側から層状に充填される。一方、ケース本体1b内部の残りの空気は上面側に押し上げられ、上部に設けられた複数の導入口1dを通って第一接続部2a側から循環経路2内へと流通し、エバポレーター4の近傍に到達する。
 デフロスト制御部3cは、デフロスト制御を司るものである。ここでは、デフロスト制御の開始条件及び終了条件が判定され、それぞれの判定結果に基づいてデフロスト制御が実施される。デフロスト制御の開始条件は、例えば冷却制御が終了したことや除湿制御が終了したこと等である。また、終了条件は、例えばデフロスト制御の実施時間が所定時間以上になったこと等である。
 デフロスト制御の開始条件が成立すると、デフロスト制御部3cはエバポレーター4に制御信号を出力して冷媒のコア4aへの流通を遮断させるとともに、ファン5に制御信号を出力して循環経路2内の空気を逆方向に送風させる。また、流路切換弁9a,9bは、それぞれバイパス路7a,7bを開放する姿勢に制御される。つまり、デフロスト制御では循環経路2が閉鎖され、外気がバイパス路7bを介してエバポレーター4に供給される。
 これにより、エバポレーター4のコア4aの表面に結露,着霜した水分が除去される。例えば、コア4aの表面から蒸発した水分は、外気とともにバイパス路7aから車外へ排出される。また、コア4aの表面で水滴となった水分は循環経路2内に落下し、バイパス路7a,7bを介して車外に流出する。
 [3.フローチャート]
 図4は、上記の電池空調ECU3で実行される制御内容を模式的に示すフローチャートである。このフローは電池空調ECU3の内部において繰り返し実施される。なおここでは、電池セル1aの充電時に冷却制御を実施し、除湿制御の開始条件と冷却制御の終了条件とが同一であり、デフロスト制御の開始条件と除湿制御の終了条件とが同一である場合の制御を説明する。
 ステップA10では、電池セル1aが充電中であるか(充電が開始されているか)否かが冷却制御部3aで判定される。ここで充電中と判定された場合にはステップA15へ進み、充電中でないと判定された場合にはそのままフローを終了する。またステップA15では、バッテリー温度Tが判定温度T0-kA2以上であるか否かが判定される。このバッテリー温度Tに関する判定条件が成立するとステップA20へ進み、不成立の場合にはそのままフローを終了する。なお、これらのステップA10,A15での判定内容は、冷却制御の開始条件に対応する。
 ステップA20では、冷却制御部3aにより冷却制御が実施される。このとき、電池セル1aは充電中であるから発熱し、ケース本体1bの内部の温度が上昇する。一方、充電開始と同時に冷却制御が実施され、循環経路2内の空気が順方向に循環するように送風される。空気の循環方向は、図5(a)中に矢印で示すように順方向となり、ケース本体1b内で暖められた空気は第二接続部2bを通って熱交換部6で空冷され、さらにエバポレーター4によって冷却される。ここで冷却された空気は、図2(a)に示すように、複数の導入口1dからケース本体1bの内部に導入され、電池セル1aの全体に向かって空気が供給される。これにより、電池セル1aの昇温が効果的に抑制される。
 ここで、循環経路2を循環する空気の温度分布に着目する。例えば図6(a)に示すように、電池パック1から流出する空気の温度が40[℃] 前後であり、外気温が25[℃] 前後であるとき、その空気は熱交換部6で30[℃] 前後まで空冷され、その後、エバポレーター4で15[℃] 前後まで冷却される。このとき、エバポレーター4の冷媒温度を例えば-10[℃] 前後とすると、コア4aの表面温度はその周囲の空気に暖められて10[℃] 前後となる。しかし、エバポレーター4よりも上流側に熱交換部6が配置されるため、熱交換部6で冷却された熱量分だけエバポレーター4に要求される冷却能力が小さくて済む。
 また、エバポレーター4で冷却された空気はその温度を維持したまま電池パック1に導入される。これにより、電池パック1で吸収しうる発熱量は、電池パック1に導入される空気の温度と電池パック1から流出する空気の温度との差に応じた量となる。
 続くステップA30では、電池セル1aの充電が完了したか否かが冷却制御部3aで判定される。ここで充電が完了したと判定された場合にはステップA35へ進み、完了していないと判定された場合にはステップA20へ戻る。
 ステップA35では、バッテリー温度Tが判定温度T0-kA2未満であるか否かが判定される。このバッテリー温度Tに関する判定条件が成立するとステップA40へ進み、不成立の場合にはステップA36へ進んで冷却制御のみが継続される。なお、ステップA30,A35では冷却制御の終了条件(除湿制御の開始条件)が判定されており、たとえ電池セル1aが満充電の状態になったとしても、バッテリー温度Tがある程度低下しない限り、冷却制御が継続される。
 ステップA40では、除湿制御部3bにより除湿制御が実施される。このとき、電池セル1aの充電が完了しているため発熱は停止しており、ケース本体1bの内部の温度はある程度低下した状態である。そこで、除湿制御では循環経路2内の空気が逆方向に循環するように、ファン5が制御される。空気の循環方向は、図5(b)中に矢印で示すように冷却制御時とは逆方向となり、その流量も減少する。すなわち、ケース本体1b内の空気は第一接続部2aを通ってエバポレーター4に供給され、コア4aの近傍で冷却される。また、空気中の水分がコア4aの表面に結露,着霜し、エバポレーター4よりも下流側の空気中は乾燥する。
 乾燥した低温の空気は熱交換部6で暖められ、第二導入口1eからケース本体1bの内部に導入される。また、図2(b)に示すように、ケース本体1bの内部ではこの乾燥した空気が下面側から層状に充填される。なお、第二導入口1eから導入される乾燥した空気が低温であるほど、下面側にたまりやすくなり、ケース本体1bの内部の空気と混ざり合いにくくなる。
 一方、ケース本体1b内部の残りの空気は上面側に押し上げられ、その上部に設けられた複数の導入口1dを通って第一接続部2a側から循環経路2内へと流出する。これにより、ケース本体1bの内部の水分を含む空気は、乾燥した空気によって下方から順に置き換えられることになる。したがって、除湿制御時におけるケース本体1bの内部の水分量の経時変化は、図7中に実線で示すように略直線状となり、所定の時間t0で空気中の水分量が略0となる。
 なお、図7中に破線で示すものは、除湿制御時に循環経路2内の空気を順方向に循環させた場合の水分量の経時変化である。この場合、水分を含む空気と乾燥した空気とがケース本体1bの内部で混合してしまうため、水分量が減少するほどその減少率が小さくなることがわかる。
 除湿制御時における循環経路2内の空気の温度分布を図6(b)に例示する。電池パック1内の温度が20[℃] 前後であるとき、その空気はエバポレーター4で即座に冷却される。エバポレーター4の冷媒温度を例えば-10[℃] 前後とすると、除湿制御時の空気の流量は少ないため、空気の温度も-10[℃] 前後まで低下する。一方、外気温が25[℃] 前後であればその空気は熱交換部6で15~20[℃] 前後まで自然に暖められ、電池パック1に導入される。したがって、電池パック1の内部で結露や着霜が生じることはない。
 続くステップA50では、除湿制御が完了したか否かが除湿制御部3bで判定される。ここで除湿制御が完了したと判定された場合にはステップA60へ進み、完了していないと判定された場合にはステップA40へ戻る。ここでは、除湿制御の終了条件(デフロスト制御の開始条件)が判定されており、ここでの条件が成立しない限り、除湿制御が続行される。例えば、湿度センサ12で検出された湿度が所定湿度未満になるか、除湿制御の実施時間が所定時間以上になると、除湿制御が終了する。
 ステップA60では、デフロスト制御部3cによりデフロスト制御が実施される。このときも、電池セル1aの発熱は停止しており、ケース本体1bの内部の温度は上昇しない。一方、直前の除湿制御によってエバポレーター4のコア4aには結露水や霜が付着しているおそれがある。そこで、デフロスト制御では循環経路2が閉鎖され、流路切換弁9a,9bがバイパス路7a,7bを開放する姿勢に制御される。また、エバポレーター4では冷媒のコア4aへの流通が遮断され、冷却機能及び水分凝結機能が停止する。
 このような状態でファン5が駆動されると、図5(c)中に矢印で示すように、外気がバイパス路7bを介してエバポレーター4に供給され、コア4aの表面から蒸発した水分が外気とともにバイパス路7aから車外へ排出される。また、コア4aの表面で水滴となった水分は循環経路2内に落下し、バイパス路7a,7bを介して車外に流出する。
 続くステップA70では、デフロスト制御が完了したか否かがデフロスト制御部3cで判定される。ここで除湿制御が完了したと判定された場合、このフローは終了し、完了していないと判定された場合にはステップA60へ戻る。ここでは、デフロスト制御の終了条件が判定され、ここでの条件が成立するまでデフロスト制御が継続される。例えば、デフロスト制御の実施時間が所定時間以上になると、デフロスト制御が終了する。
 [4.作用,効果]
 上記の電池パック1の空調制御装置では、循環経路2内の空気の空調制御に関して、冷却制御時と除湿制御時とでは逆方向に空気を循環させている。このような制御構成により、図6(a),(b)に示すように、循環経路2内における空気の温度分布形状を相違させて、温度特性を変更することができる。なお、位置A0及びA5はそれぞれ循環経路2の第一接続部2a及び第二接続部2bの位置に対応し、位置A1及びA2はそれぞれエバポレーター4の第二接続部2b側の端部及び第一接続部2a側の端部の位置に対応する。また、位置A3及びA4はそれぞれ熱交換部6の第二接続部2b側の端部と第一接続部2a側の端部の位置に対応する。
 例えば、エバポレーター4の第二接続部2b側の端部A1と第一接続部2a側の端部A2との間の温度勾配に着目すると、図6(a)と図6(b)とでは逆勾配となる。つまり、空気を冷却するというエバポレーター4の本来の機能を変更することなく、あるいは余分なエネルギーを要するヒーター等の付加装置を併設することなく、第一接続部2aや第二接続部2bの近傍における空気の温度を大きく変更できるようになる。したがって、簡素な構成で、電池パック1に導入される空気の温度を比較的自由に調節することが可能となり、電池パック1内の空気の温度及び湿度を適切に制御することができる。
 また、上記の空調制御装置では、熱交換部6がエバポレーター4よりも冷却制御時における上流側に位置する。つまり、電池パック1内の高温の空気が熱交換部6で一旦冷却された後、エバポレーター4で除熱される。これにより、エバポレーター4に導入される空気の温度は、電池パック1内の空気の温度よりも低温となる。したがって、エバポレーター4の仕事量を減少させることができ、冷却制御時における電池パック1の冷却効果を向上させることができる。
 一方、除湿制御時には、熱交換部6がエバポレーター4よりも下流側に位置する。つまり、エバポレーター4で除熱された空気は、熱交換部6で外気と熱交換した後に、電池パック1へと供給される。これにより、電池パック1に導入される温度は、エバポレーター4で除熱された空気の温度よりも高温となる。したがって、電池パック1内での結露の発生を防止することができる。
 なお、図6(a),(b)に示すように、熱交換部6の第二接続部2b側の端部A3と第一接続部2a側の端部A4との間の温度勾配は、エバポレーター4のように逆勾配にならない。これは、空気の循環方向に応じて熱交換部6の機能が変化していることを示している。このように、外気との間で熱交換を行う熱交換部6を用いることにより、外気温度を基準としてその冷却機能及び昇温機能を自動的に切り換えることができ、電池パック1内の空気の温度及び湿度をより適切に制御することができるという利点がある。
 さらに、上記の空調制御装置では、電池セル1aの充電時に冷却制御を実施し、その完了後に除湿制御を実施している。電池セル1aからの放熱量が大きい充電時に冷却制御を実施することで、電池セル1aの特性維持および寿命を確保しながら、充電効率を向上させることができ、充電時間を短縮することができる。また、たとえ充電が完了したとしてもバッテリー温度Tが高温であれば引き続き冷却制御が継続されるため、例えばバッテリー特性の低下防止効果をさらに高めることができる。一方、電池セル1aからの放熱が収まった充電の終了後に除湿制御が実施されるため、循環経路2内の空気中の水分をエバポレーター4で結露させやすくすることができ、除湿効果を向上させることができる。
 また、上記の空調制御装置では、除湿制御時のファン5の流量が冷却制御時の流量よりも小さく設定されている。そのため、循環経路2内の空気の温度が高温であったとしてもエバポレーター4のコア4aの温度を露点よりも低温に維持することが容易であり、確実に結露や霜を発生させることができる。さらに、空気の流量を減少させることで、コア4aと空気との接触時間を長くすることができ、水分を結露させやすくすることができる。これらにより、エバポレーター4での除湿効果をさらに高めることができる。
 また、上記の空調制御装置では、デフロスト制御時に循環経路2内の結露水や霜を循環経路2の外部へ排出するためのバイパス路7a,7bが備えられている。これらのバイパス路7a,7bを介して外気をエバポレーター4に吹き当てることにより、エバポレーター4のコア4aに付着した水滴や蒸発した水蒸気を流出させるだけでなく、コア4aの表面に氷結した霜を容易に溶融させることができる。これにより、循環経路2内の水分を容易に排出させることができるとともに、その排出速度や排出効率を向上させることができる。
 また、図2(a)に示すように、上記の空調制御装置では冷却制御時のケース本体1bへの空気の導入方向が上方からとなっており、冷却風は複数の電池セル1aの隙間を上方から下方へと移動するため、電池セル1aの全体に対して冷却風を供給することができ、冷却性を向上させることができる。一方、除湿制御時にはケース本体1bの下方から空気が供給されるため、ケース本体1bの内部の換気性を向上させることができ、水分を含む空気を乾燥した空気と入れ替えることができ、短時間で湿度,水分量を低下させることができる。
 さらに、上記の空調制御装置では、冷却制御時の導入口1dが複数箇所に設けられているため、ケース本体1bの隅々まで冷却風を拡散させることが容易であり、冷却性を向上させることができる。また、図2(a)に示すように、収容された電池セル1aの配置に合わせて導入口1dの位置を設定した場合には、複数の電池セル1aにむらなく冷却風を供給することができ、それぞれの電池セル1aの温度を均一にできるという利点がある。 
 このように、上記の電池パック1の空調制御装置によれば、冷却制御時と除湿制御時とで逆方向に空気を循環させることで、エバポレーター4で冷却された空気が電池パック1に導入されるときの温度(すなわち、冷却制御時の第一接続部2a近傍の温度と除湿制御時の第二接続部2b近傍の温度)を相違させることができ、電池パック1内の空気の温度及び湿度を調節することができる。
 また、空気の循環方向を逆にすることで、図6(a),(b)に示すように、温度分布特性を大きく変化させることができ、電池パック1内の空気の温度及び湿度の調節が容易となる。これにより、効率よく電池セル1aを冷却しつつ電池セル1a周りの環境を乾燥させることができ、電池セル1aの劣化を抑制することができる。
 [5.変形例]
 上述の実施形態では、ファン5を用いて空気を循環経路2内で循環させるものを示したが、空気を循環させるための具体的な手段はこれに限定されない。例えば、気体ポンプや真空ポンプを利用して空気を循環させる構成としてもよい。少なくとも空気の循環方向を逆転させることができる手段であれば、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。エバポレーター4や熱交換部6についても同様であり、具体的な熱交換の手段は任意である。
 また、電池空調ECU3の制御に関して、図4に示すフローチャートでは、電池セル1aの充電時に冷却制御を実施し、除湿制御の開始条件と冷却制御の終了条件とが同一であり、デフロスト制御の開始条件と除湿制御の終了条件とが同一である場合の制御を説明したが、開始条件や終了条件はこれに限らず種々考えられる。
 例えば、充電時のみならず放電時(例えば、車載電装品によるバッテリー使用時や車両走行時など)や、他の条件に関わらず温度センサ11で検出されたバッテリー温度Tが所定値よりも高温である場合に冷却制御を実施するもの、冷却制御の完了時のバッテリー温度Tや湿度に応じて除湿制御を実施するもの等としてもよい。このように電池セル1aの状態に応じて適宜冷却制御及び除湿制御を実施することで、電池セル1aの特性維持をさらに維持しやすくすることができるとともに、電池寿命を延ばして長持ちさせることができる。
 また、上述の実施形態では、デフロスト制御時に一方のバイパス路7bから外気を取り込んでエバポレーター4に吹き当て、もう一方のバイパス路7aから排出する管路構造のものを説明したが、より簡素な構造とすることも考えられる。例えば、エバポレーター4の下方に水抜き穴及び開閉自在の蓋体を設け、デフロスト時に蓋体を開放することによって循環経路2を外部に対して開放し、水抜きを行うこととしてもよい。
 なお、上述の実施形態は車両10に搭載された電池パック1の冷却及び除湿に係るものを例示したが、本電池パックの空調制御装置の適用対象はこれに限定されない。例えば、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車だけでなく、温度管理及び湿度管理が要求されるバッテリーを搭載した車両や電子機器,コンピュータ等への適用が可能である。一方、電池パック内の空気を除熱する手段や、その空気と外気との間で熱交換を行う手段を備えたものであることが好ましいという点に鑑みると、バッテリーを搭載した装置であって、おもに屋外で使用される装置に用いて好適である。
 1 電池パック
  1a 電池セル
  1b ケース本体
  1d 導入口(第一導入口)
  1e 第二導入口
 2 循環経路
 3 電池空調ECU(空調制御手段)
 4 エバポレーター(除熱手段)
 5 ファン(方向制御手段)
 6 熱交換部(熱交換手段)
 7,7a,7b バイパス路
 9,9a,9b 流路切換弁
 10 車両
 11 温度センサ(温度検出手段)
 12 湿度センサ(湿度検出手段)
 

Claims (7)

  1.  電池セルを収容する電池パック内の空気を除熱し前記空気を冷却又は除湿する除熱手段と、
     前記電池パックと前記除熱手段との間を接続し前記空気を内気循環させる循環経路と、
     前記冷却時と前記除湿時とで逆方向に前記空気を前記循環経路内で循環させる方向制御手段と
    を備えたことを特徴とする、電池パックの空調制御装置。
  2.  前記除熱手段よりも前記冷却時における上流側の前記循環経路上に設けられ、前記空気と外気との間で熱交換を行う熱交換手段を備えた
    ことを特徴とする、請求項1記載の電池パックの空調制御装置。
  3.  前記電池セルの充電又は放電時に前記空気を冷却する冷却制御を実施し、前記充電の終了後に前記空気を除湿する除湿制御を実施する空調制御手段を備えた
    ことを特徴とする、請求項1又は2記載の電池パックの空調制御装置。
  4.  前記空調制御手段が、前記冷却制御時に前記循環経路内を循環する空気の流量よりも、前記除湿制御時に前記循環経路内を循環する空気の流量を減少させる
    ことを特徴とする、請求項3記載の電池パックの空調制御装置。
  5.  前記除湿時に前記除熱手段に付着した水分を前記循環経路から流出させるバイパス路を備えた
    ことを特徴とする、請求項1~4の何れか1項に記載の電池パックの空調制御装置。
  6.  前記電池パックの上方に設けられ、前記空気の冷却時に前記循環経路から前記電池パック内へと前記空気を導入する第一導入口と、
     前記電池パックの下方に設けられ、前記空気の除湿時に前記循環経路から前記電池パック内へと前記空気を導入する第二導入口とを備えた
    ことを特徴とする、請求項1~5の何れか1項に記載の電池パックの空調制御装置。
  7.  前記第一導入口が、前記電池パックの上面の複数箇所に設けられ、前記電池パック内に収容された電池セルの全体に向かって前記空気を供給し、
     前記第二導入口が、前記電池パックの隅部に設けられ、前記電池パックの下面側から層状に前記空気を供給する
    ことを特徴とする、請求項6記載の電池パックの空調制御装置。
     
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