JP2008108509A - 電池搭載装置、温度調整システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で二次電池の温度調整を行なう。
【解決手段】熱電変換素子２０は、ラジエータ１３の熱を電気に変換する。ＢＭＵ５０は、電池ユニット１４の温度Ｔを取得する。電熱変換素子３０は、電池ユニット１４の温度Ｔが下限温度Ｔ１より低いとき、熱電変換素子２０が生成した電気を利用して電池ユニット１４を加熱する。電池ユニット１４の温度Ｔが上限温度Ｔ２より高いとき、熱電変換素子２０が生成した電気を利用して電池ユニット１４の熱を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池搭載装置、及び、電池の温度を調整する温度調整システムに関する。

電池の放電特性は電池の温度に依存し、低温下では放電できる容量が減少して十分の放電特性が得られず、反対に高温下では自己放電が増加して残容量の減少や充電性能の低下が起こる。このような放電特性の低下を防止するために、従来、二次電池を冷却、加熱する温度調整システムが存在する。

例えば、特許文献１には、電池ユニットに吸気口を設け、電池温度と外気温度との温度差に基づいて、吸気弁の開閉を制御し、外気を取り込み、電池を冷却するだけでなく、電池ユニットにエアーコンプレッサ用の冷媒管を延長し、外気のみの温度調節と冷媒による温度調整とを切り替える温度調整システムが開示されている。

また、特許文献２には、電池（バッテリ）を敷設するバッテリトレイの中央に燃焼式ヒータ部を設け、インバータやモータなどの補機類が発生する熱を燃焼式ヒータ部に送給し、電池を保温する開示されている。
特開２００６−５４１５０号公報 特開平６−２３１８０７号公報

特許文献１記載の発明は、電池を冷却するものであり、電池を加温する機能を備えない。また、この発明では、循環ユニット、吸気弁、排気弁、冷媒管などの装置が必要になり、装置の重量が嵩み、さらには冷却のために余分な電力消費が発生するという問題がある。

また、特許文献２記載の発明は、インバータやモータなどの補機類が発生する熱を送給管を用いて燃焼式ヒータ部に送給して電池を加温するが、電池を加温するための配管が必要であり、装置の複雑化を招いてしまう。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で電池の温度調整を行なう電池搭載装置、及び、電池の温度調整システムを提供することにある。

前記課題を解決するための発明は、電池が搭載された、発熱部を有する電池搭載装置であって、前記発熱部で発生する熱により電力を生成する熱電変換部と、前記熱電変換部が生成した電力により前記電池の加熱又は冷却を行う電熱変換部と、を備えることを特徴とする電池搭載装置である。

また、前記課題を解決するための発明は、発熱部を備える装置に搭載された電池の温度を調整するシステムであって、前記発熱部で発生する熱により電力を生成する熱電変換部と、前記熱電変換部が生成した電力により前記電池の加熱又は冷却を行う電熱変換部と、を備えることを特徴とする電池の温度調整システムである。

本発明によれば、簡単な構成で電池の温度調整を行なうことができる。

＝＝＝全体構成＝＝＝
以下、図面を参照しつつ本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、電気自動車１の要部構成を示すブロック図である。電気自動車１は、タイヤ１０を駆動するモータ１１、モータ１１を駆動するインバータ１２、インバータ１２及び充電器１５を冷却する冷却液を放熱させるラジエータ１３、電池を格納する電池ユニット１４、電池の充電を行なう充電器１５、ラジエータ１３の熱を電気に変換する熱電変換素子２０、熱電変換素子２０が生成した電気を利用して電池ユニット１４を加熱又は冷却する電熱変換素子３０、熱電変換素子２０が生成した電気の経路を切り替えるスイッチユニット４０、電池の温度調節を行なうＢＭＵ（Battery Management Unit）５０を備える。

図２は、スイッチユニット４０の内部構成を示すブロック図である。スイッチユニット４０は、図２に示すように、ダイオード４５、４６からなる倍電圧整流回路４１、コンデンサ４２、経路変換スイッチ４３、昇圧回路４４、及び、極性反転回路６０を備える。

熱電変換素子２０は、例えば、２種類の異なる金属または半導体を接合したものであり、その接合部に温度差が生じた場合にゼーベック効果により起電力を発生させるものである。

本実施の形態では、熱電変換素子２０は、ラジエータ１３に取り付けられている。ラジエータ１３には、インバータ１２及び充電器１５を冷却することにより温度が上昇した冷却液が冷却配管１６を介して流れる。ラジエータ１３は、冷却液を放熱する。熱電変換素子２０は、高温のラジエータ１３と周囲の温度差によりラジエータ１３が発する熱を電気に変換する。なお、熱電変換素子２０は、ラジエータ１３以外の発熱体、例えば、モータ１１、インバータ１２、充電器１５の何れか１つ、若しくは、複数に取り付けてもよい。複数の発熱体に熱電変換素子２０を取り付ける場合には、熱電変換素子２０を並列に接続する。熱電変換素子２０の出力端子は、倍電圧整流回路４１の入力端子に接続されている。

倍電圧整流回路４１は、熱電変換素子２０が生成した電力の電圧を倍電圧整流すると共に、熱電変換素子２０への逆電圧が印加されるのを防止する。コンデンサ４２は、熱電変換素子２０から出力され倍電圧整流回路４１で整流された電気に含まれるノイズを除去する。

経路変換スイッチ４３は、ＢＭＵ５０の制御に従い、熱電変換素子２０が生成した電気の出力先を、昇圧回路４４、又は、極性反転回路６０の何れかに切り替える。昇圧回路４４は、熱電変換素子２０が生成した電気の電圧を昇圧させて電池ユニット１４、又は、インバータ１２に供給する。

極性反転回路６０は、図３に示すように、熱電変換素子２０の各極に接続されたａ端子、ｂ端子と、電熱変換素子３０の一方の極に接続されたＡ端子、及び他方の極に接続された２つのＢ１端子，Ｂ２端子と、ａ端子、ｂ端子とＡ端子、Ｂ１端子、Ｂ２端子との接続状態を切り替えるスイッチ６１、６２とを備える。

スイッチ６１、６２を図面上方向に切り替えた場合、ａ端子とＢ１端子が接続され、ｂ端子とＡ端子が接続される。また、スイッチ６１、６２を図面下方向に切り替えた場合、ａ端子とＡ端子が接続され、ｂ端子とＢ２端子が接続される。極性反転回路６０は、このようにして、電熱変換素子３０にかかる電圧の極性を反転させる。

電熱変換素子３０は、例えば、２種類の異なる金属または半導体を接合されており、電流が流れたときにペルチェ効果により電流の極性に応じて、発熱又は吸熱するペルチェ素子である。極性反転回路６０により、電熱変換素子３０にかかる電圧の極性を切り替えることで、電熱変換素子３０の吸熱と発熱とを切り替えることができる。

なお、本実施の形態では、極性反転回路６０がａ端子とＡ端子、ｂ端子とＢ２端子を接続したときに電熱変換素子３０が発熱し、ａ端子とＢ１端子、ｂ端子とＡ端子を接続したときに電熱変換素子３０が吸熱するものとする。

ＢＭＵ５０は、電池ユニット１４の温度制御を行なう。電池ユニット１４には、例えば、セルマネージメントシステム（不図示）と呼ばれる電池ユニット１４の制御システムが設けられており、温度検出信号をＢＭＵ５０に供給する。

ＢＭＵ５０は、上記の温度検出信号に基づいて、電池の温度を検知し、この温度が所定の下限温度Ｔ１（例えば、２０〜３０度）以下であれば、経路変換スイッチ４３と極性反転回路６０に電池を加熱すべき旨の制御信号を出力する。この制御信号に応じて、経路変換スイッチ４３は、熱電変換素子２０と極性反転回路６０とを接続し、極性反転回路６０は、ａ端子とＡ端子、ｂ端子とＢ２端子とが接続するようスイッチＳＷ６１，６２を切り替える。これにより、電熱変換素子３０は、熱電変換素子２０から供給された電力により電池ユニット１４を加熱する。

一方、電池ユニット１４の温度が上限温度Ｔ２（例えば、５０度）以上であれば、ＢＭＵ５０は、経路変換スイッチ４３と極性反転回路６０に電池を冷却すべき旨の制御信号を出力する。この制御信号に応じて、経路変換スイッチ４３は、熱電変換素子２０と極性反転回路６０とを接続し、極性反転回路６０は、ａ端子とＢ１端子、ｂ端子とＡ端子が接続するようスイッチＳＷ６１，６２を切り替える。電熱変換素子３０は、熱電変換素子２０から供給された電気を用いて電池ユニット１４の熱を冷却する。

一方、電池ユニット１４の温度が下限温度Ｔ１と上限温度Ｔ２の間であれば、ＢＭＵ５０は、経路変換スイッチ４３に電池の温度調節を停止すべき旨の制御信号を出力する。この制御信号に応じて、経路変換スイッチ４３は、熱電変換素子２０と昇圧回路４４とを接続する。これにより、熱電変換素子２０が生成した電気を電池ユニット１４の充電電力として用いることができる。

＝＝＝温度調整システムの動作＝＝＝
次いで、図４に示す温度調整システムの動作を説明する。
ＢＭＵ５０は、電池ユニット１４の温度を取得する（ステップＳ１０）。ＢＭＵ５０は、電池ユニット１４の温度Ｔが下限温度よりも低い場合（ステップＳ１１；Ｔ＜Ｔ１）、経路変換スイッチ４３及び極性反転回路６０に電池ユニット１４を加熱すべき旨の制御信号を出力する。この制御信号に応じて、経路変換スイッチ４３は、熱電変換素子２０と極性反転回路６０とを接続し（ステップＳ１２）、極性反転回路６０は、ａ端子とＡ端子、ｂ端子とＢ２端子とを接続して電熱変換素子３０にかかる極性を切り替える（ステップＳ１３）。電熱変換素子３０は、熱電変換素子２０から供給された電気を用いて電池ユニット１４を加熱する（ステップＳ１４）。

電池ユニット１４の温度Ｔが下限温度Ｔ１と、上限温度Ｔ２の間であれば（ステップＳ１１；Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２）、ＢＭＵ５０は、経路変換スイッチ４３に電池の温度調節を停止すべき旨の制御信号を出力する。この制御信号に応じて、経路変換スイッチ４３は、熱電変換素子２０と昇圧回路４４とを接続する（ステップＳ１５）。昇圧回路４４は、熱電変換素子２０から供給された電気を昇圧し、電池ユニット１４に出力する（ステップＳ１６）。

電池ユニット１４の温度Ｔが上限温度Ｔ２より高いとき（ステップＳ１１；Ｔ２＜Ｔ）、ＢＭＵ５０は、経路変換スイッチ４３及び極性反転回路６０に電池ユニット１４を冷却すべき旨の制御信号を出力する。この制御信号に応じて、経路変換スイッチ４３は、熱電変換素子２０と極性反転回路６０とを接続し（ステップＳ１７）、極性反転回路６０は、ａ端子とＢ１端子、ｂ端子とＡ端子とを接続して電熱変換素子３０にかかる極性を切り替える（ステップＳ１８）。電熱変換素子３０は、熱電変換素子２０から供給された電気を用いて電池ユニット１４の熱を冷却する（ステップＳ１９）。

以上説明したように、本実施の形態では、ラジエータ１３の熱を電気に変換して、この電気を用いて電池ユニット１４の加熱又は冷却を行なう。このため、本実施の形態における温度調整システムによれば、電気を用いて加熱冷却を行なうため、水や空気などの熱伝導媒体を搬送する配管スペースが不要になる。また、温度調整システムでは、熱伝導媒体を用いないため、二次電池と熱伝導媒体とが直接接触した場合の化学反応等を心配する必要もない。

また、温度調整システムにおける電池ユニット１４の加熱冷却には、電熱変換素子３０を用いる。温度調整システムは、電熱変換素子３０だけで加熱と冷却を行なうため省スペースが可能である。

温度調整システムは、電池ユニット１４の温度が適正範囲であるとき、熱電変換素子２０が生成した電気を充電、又は、インバータ１２やモータ１１へ供給するため、電気を効率的に利用することができる。

以上、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

例えば、本実施の形態では、発熱体としてのラジエータ１３に熱電変換素子２０を取り付けたが、これに限らず、発熱体としてのインバータ１４や充電器１５に熱電変換素子２０を取り付けてもよい。また、本実施の形態では、本発明を電気自動車に適用したが、発熱体と電池とを備える電気自動車以外の装置にも本発明を適用することができる。例えば、内燃機関を動力源とする通常の自動車の場合には、高温となる内燃機関あるいは内燃機関を冷却する冷媒を放熱させるラジエータに熱電変換素子２０を取り付けて、内燃機関あるいはラジエータの熱で生成された電力を電熱変換素子３０に供給する。

電気自動車の要部構成を示すブロック図である。 スイッチユニットの内部構成を示すブロック図である。 極性反転回路の内部構成を示す回路図である。 温度調整システムの動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 電気自動車 １０ タイヤ
１１ モータ １２ インバータ
１３ ラジエータ １４ 電池ユニット
１５ 充電器 ２０ 熱電変換素子
３０ 電熱変換素子 ４０ スイッチユニット
５０ ＢＭＵ ４１ 倍電圧整流回路
４３ 経路変換スイッチ ４４ 昇圧回路
６０ 極性反転回路 ６１、６２ スイッチ

Claims (8)

1. 電池が搭載された、発熱部を有する電池搭載装置であって、
   前記発熱部で発生する熱により電力を生成する熱電変換部と、
   前記熱電変換部が生成した電力により前記電池の加熱又は冷却を行う電熱変換部と、
   を備えることを特徴とする電池搭載装置。
2. 前記電池の温度に基づいて、前記熱電変換部による前記電池の加熱と冷却を切り換える制御部を備えることを特徴とする請求項１記載の電池搭載装置。
3. 前記熱電変換部から前記電熱変換部に供給される電力の極性を切り替える極性反転部を備え、
   前記制御部は、前記極性反転部により極性を切り換えることにより、前記熱電変換部による前記電池の加熱と冷却を切り換えることを特徴とする請求項２記載の電池搭載装置。
4. 前記制御部は、前記電池の温度が所定の下限温度以下であれば前記熱電変換部により前記電池を加熱させ、前記電池の温度が所定の上限温度以上であれば前記熱電変換部により前記電池を冷却させることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の電池搭載装置。
5. 前記熱電変換部が生成した電力が前記電熱変換部に供給される状態と前記電池に供給される状態とを切り換える供給先切換部を備え、
   前記制御部は、前記電池の温度が前記上限温度と前記下限温度の間の場合は、前記供給先切換部により前記熱電変換部が生成した電力を前記電池に供給することを特徴とする請求項４記載の電池搭載装置。
6. 当該電池搭載装置は、電気自動車、又は、ハイブリッド自動車であり、
   前記発熱部は、モータを制御するインバータ、前記電池の充電器、又は、インバータや充電器を冷却する冷媒を放熱させるラジエータであることを特徴とする請求項１記載の電池搭載装置。
7. 当該電池搭載装置は、内燃機関自動車であり、
   前記発熱部は、内燃機関、又は、前記内燃機関を冷却する冷媒を放熱させるラジエータであることを特徴とする請求項１記載の電池搭載装置。
8. 発熱部を備える装置に搭載された電池の温度を調整するシステムであって、
   前記発熱部で発生する熱により電力を生成する熱電変換部と、
   前記熱電変換部が生成した電力により前記電池の加熱又は冷却を行う電熱変換部と、
   を備えることを特徴とする電池の温度調整システム。

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