JP2012216422A - 各電池の温度ばらつきの低減 - Google Patents

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Abstract

【課題】セル単位での劣化のばらつきを抑制するために、セルの温度ばらつきを低減する温度調節方法およびシステムを提供する。
【解決手段】温度計測部は、セルとセルの各々に接するようにそれぞれ配置され、セルの温度を計測し、計測された温度を制御部へと送信する。ペルチェ素子は、セルの間の間隙に配置される。制御部は、温度計測部によって計測されたセルの温度差に応じて、ペルチェ素子に流す入力電流の方向および大きさを決定し、DDCへと信号を送信する。DDCは、DC/DCコンバータ回路を含み、制御部から信号を受信して、ペルチェ素子に流す入力電流の方向および大きさを制御する制御回路の役割を果たす。
【選択図】 図2

Description

本発明は、電池の温度ばらつきを低減する温度調節方法およびシステムに関する。
電池の寿命は、温度に対して敏感であり、したがって精度よく温度調節することは電池寿命の延長につながる。電池には適温とされる範囲があり、その範囲から逸脱する、つまり過度に高温の状態もしくは低温の状態が継続すると、劣化を引き起こすことになる。
従来から、ペルチェ素子を加熱冷却手段として電池の温度を調節する装置および方法が提案されてきた。特許文献1には、バッテリ温度が高温状態の場合にはペルチェ素子を発熱させてバッテリに密着する内側が吸熱する方向に電流を流し、逆に、バッテリ温度が低温状態の場合には、ペルチェ素子を発熱させることによって加熱するように電流を流す温度調節装置が開示されている。また、特許文献2には、二次電池の放電時に、充電時および待機時におけるペルチェ素子の余熱を二次電池に与えて加熱する装置が開示されている。さらに、特許文献3には、二次電池が目標温度よりも高い場合には、ペルチェ素子を冷却手段として作用させる電流を流し、二次電池が目標温度よりも低い場合にはペルチェ素子を加熱手段として作用させる電流を流す方法および装置が開示されている。
これらの装置および方法は、いずれもペルチェ素子の発熱、吸熱を切り替えて、加熱または冷却のいずれかのみを実施するものである。また、広範囲を一度に温度調節するため、熱拡散によるエネルギーのロスが大きく、必要とされる熱量が大きくなるため、その結果ペルチェ素子に流す電流量が大きくなる。また、各々のセルに温度差が生じやすく、劣化の程度にばらつきが生じやすいという問題点もある。
一般的に、個々の電池であるセルが複数集合してモジュールを構成し、モジュールが複数集合することでパックを構成している。図1は、パック、モジュール、セルの関係を示す図である。図1に示されているように、個々の電池であるセル1が複数個直列に接続されたものが一つのモジュール2となり、複数のモジュール2が並列に接続されたものが一つのパック3となる。一例としては、4Vのセル1を50個直列に接続して、200Vのモジュール2を構成する場合などが考えられる。
例えば、モジュールもしくはパック中のある部分だけがエンジンなどの発熱部分近傍に位置する場合には、経時変化によって温度を原因とするセルの劣化具合にばらつきが生じ、劣化したセルと使用可能なセルとが混在する状態となる。劣化して使用不可能となった一つのセルのみを交換することはできないため、少なくとも、モジュール毎に交換することが前提となってしまい、劣化していない使用可能なセルまでも廃棄する結果を招いていた。したがって、パック、モジュールの寿命を有効に使いきるためには、セル単位での劣化のばらつきを抑制することが必要であり、つまりは、セル単位での温度調節が非常に重要となる。
特許文献4には、バッテリセルの温度を温度センサによって検出してその温度に応じてペルチェ素子に流れる電流の向きを変えてバッテリセルを加熱または冷却する装置および方法が開示されている。この装置および方法においては、バッテリセルの温度に応じて制御されるのは電流方向のみであり、ペルチェ素子に流す電流量を変化させる方法に関しては開示されていないため、精度の良好な温度調節を行うことができない。
特許文献5には、単電池の正極端子と対向する他方の単電池の負極端子との間にペルチェ素子を配置し、素子に直流電流が通電された際に、一方の単電池の正極端子を加熱し、他方の単電池の対向負極端子を冷却する組電池が開示されている。これは、電極端子間のペルチェ素子に流す電流を制御して加熱および冷却を同時に実施するものであるが、電極端子の温度差によってペルチェ素子に流す電流量を変化させる方法は開示されていないため、セル単位での精度の良好な温度調節を行うことはできない。
特開平8−148189号公報 特開2006−196296号公報 特開2008−10295号公報 特開平11−176487号公報 特開2010−113861号公報
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、セル単位での劣化のばらつきを抑制するために、セルの温度ばらつきを低減する温度調節方法およびシステムを提供することを目的とする。
そして、本発明の態様の一つであるシステムは、一つ以上のセルを有する第一のモジュールと、一つ以上のセルを有する第二のモジュールと、前記第一のモジュールおよび前記第二のモジュールの表面に各々配置された温度計測部と、前記第一のモジュールと前記第二のモジュールとの間に配置されたペルチェ素子と、前記温度計測部から前記第一および前記第二のモジュールの温度を取得し、前記ペルチェ素子に流す電流を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記第一のモジュールの温度と前記第二のモジュールの温度との差に応じて、前記ペルチェ素子に流す前記電流の方向と大きさを制御することを特徴とするものである。
なお、前述した本発明に係るシステムにおいて、前記制御部は、前記第一のモジュールの温度と前記第二のモジュールの温度との差が所定の範囲内に収まる場合には、前記ペルチェ素子に前記電流を流さないように制御するように構成してもよい。
なお、このとき、前記制御部は、DC/DCコンバータ回路に信号を送信することによって、前記ペルチェ素子に流す前記電流の方向と大きさとを制御するように構成してもよい。
また、本発明の態様のひとつである方法は、一つ以上のセルを有する第一のモジュールの温度を取得するステップと、一つ以上のセルを有する第二のモジュールの温度を取得するステップと、前記第一のモジュールの温度と前記第二のモジュールの温度差に応じて、前記第一のモジュールおよび前記第二のモジュールの間に配置されたペルチェ素子に流す電流の方向と大きさを制御するステップと、を含むようにすることを特徴とするものである。
なお、前述した本発明に係る方法において、前記第一のモジュールの温度と前記第二のモジュールの温度との差が所定の範囲内に収まる場合には、前記ペルチェ素子に前記電流を流さないように制御するステップをさらに含むようにしてもよい。
なお、このとき、DC/DCコンバータ回路に信号を送信することによって、前記ペルチェ素子に流す前記電流の方向と大きさとを制御するステップをさらに含むようにしてもよい。
なお、上述した本発明に係る方法をコンピュータに行わせるためのプログラムであっても、このプログラムを当該コンピュータによって実行させることにより、上述した本発明に係る方法と同様の作用・効果を奏するので、前述した課題が解決される。
本発明の態様の一つであるシステムは、一つ以上のセルを有する複数のモジュールと、前記複数のモジュールの表面に各々配置された温度計測部と、隣接する前記複数のモジュールの間に配置された複数のペルチェ素子と、前記温度計測部から前記複数のモジュールの温度を取得し、前記複数のペルチェ素子に流す電流を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記複数のモジュールの温度差に応じて、前記複数のペルチェ素子に流す前記電流の方向と大きさを制御することを特徴とするものである。
本発明によれば、以上のようにすることにより、セル間の温度差を一定にし、モジュールおよびパック全体の寿命を最大限に生かすことができるという効果を奏する。また、一度に吸熱と発熱の双方を温度調節に利用できるため、温度差を一定にするためのエネルギーを有効に利用することが可能となる。
パック、モジュール、セルの関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る温度調節システムの構成を示すブロック図である。 図2に示されたシステムにおけるセル、ペルチェ素子、サーミスタの配置の一例を示す図である。 図2に示されたシステムにおけるセルの温度とペルチェ素子の発熱、吸熱の関係を示す図である。 図2に示されたシステムにおけるペルチェ素子に流す電流を制御する制御回路を示す図である。 図4に示された制御を行うために実施されるフローチャートである。 本発明の別の実施形態に係る温度調節システムの構成を示すブロック図である。 図7に示されたシステムにおけるセル、ペルチェ素子、サーミスタの配置の一例を示す図である。 図7に示されたシステムにおけるセルの温度とペルチェ素子の発熱、吸熱の関係を示す図である。 図9に示された制御を行うために実施されるフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって、本発明の実施に必要な事柄は、本技術分野における従来技術に基づいて、当業者に理解されうる。本発明は、本明細書に開示されている内容と本技術分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
図2は、本発明の一実施形態に係る温度調節システムの構成を示すブロック図であり、本発明を実施する温度調節システムの第一の実施例を含んでいる。
図2の温度調節システムは、セル4およびセル5と、温度計測部6と、ペルチェ素子7と、制御部8と、DDC9と、から成る。
セル4およびセル5は、例えば乾電池などの電池を含む。
温度計測部6は、セル4とセル5の各々に接するようにそれぞれ配置され、セル4およびセル5の温度を計測し、計測された温度を制御部8へと送信する働きを持つ。なお、図1においては、温度計測部6は、各セルの代表温度が計測可能である箇所であれば、一か所以上、いかなる箇所に配置されてもよい。温度計測部6は、例えば、サーミスタ、熱電対などの温度センサを含む。
ペルチェ素子7は、セル4およびセル5の間の間隙に配置される。ペルチェ素子7とセル4およびセル5とは接触していない。
制御部8は、温度計測部6によって計測されたセル4の温度およびセル5の温度の差に応じて、ペルチェ素子7に流す入力電流の方向および大きさを決定し、DDC9へと信号を送信することによって制御する役割を担う。
DDC9は、DC/DCコンバータ回路を含み、制御部8から信号を受信して、ペルチェ素子7に流す入力電流の方向および大きさを制御する制御回路の役割を果たす。
ペルチェ素子とは、異なる2種類の金属もしくはn型半導体とp型半導体との接合部に電流を流すと、片方の金属からもう一方へと熱が移動するペルチェ効果を利用した板状の半導体素子である。ペルチェ素子に直流電流を流すと、一方の面が吸熱し、反対面に発熱が生じる。電流の極性を逆転させるとその関係が反転し、高精度の温度制御に適しているという特徴を持つ。
本発明に係る温度調節システムでは、ペルチェ素子の吸熱および発熱の方向を切り替えることができるという特徴、ならびに、ペルチェ素子に流す電流の大きさによってその発熱量および吸熱量を制御可能であるという特徴を利用する。本発明に係る温度調節システムにおいては、吸熱と発熱の双方を温度調節に利用することによってエネルギーロスを減らし、ペルチェ素子に流す電流量を少なくすることができる。また、セル間に生じる温度ばらつきを低減することによって、モジュールもしくはパック全体での寿命の観点から、その寿命を有効に使いきることが可能となる。
図3は、図2に示されたシステムにおけるセル、ペルチェ素子、サーミスタの配置の一例を示す図である。図3の左側は、セル、ペルチェ素子、サーミスタの配置を概略的に示し、右側はその断面を示す。
セル10の間の間隙にペルチェ素子11が配置される。このとき、セルの加熱時および冷却時の伝熱効率を上げるために、なるべく密な構造にすること、また、ペルチェ素子11をできる限り薄くすることで、パック全体の体積を小さくすることが望ましい。
サーミスタ12は、図2における温度計測部6の一例として示されている。サーミスタ12は、各セル10の代表温度が計測可能であるいかなる箇所に1箇所以上配置されてもよい。
図4は、図2に示されたシステムにおけるセルの温度とペルチェ素子の発熱、吸熱の関係を示す図である。セル4およびセル5の間の間隙にペルチェ素子7が配置されている。図4においては、図2に示された温度計測部6、制御部8、DDC9は省略されている。
セル4の温度をT、セル5の温度をTとし、ペルチェ素子7からセル4に対して発生する発熱量をQ、ペルチェ素子7がセル5から吸収する吸熱量をQ、ペルチェ素子7に流す電流をiとする。温度T<Tの場合には、図4の左側に示されているように、ペルチェ素子7がセル5から吸熱して、セル4に対して発熱するような方向に電流を流すように制御を行う。この場合、iは正の方向に流れるものとする。また、逆に、温度T>Tの場合には、図4の右側に示されているように、ペルチェ素子7がセル4から吸熱して、セル5に対して発熱するような方向に電流を流すように制御を行う。この場合、iは負の方向に流れるものとする。
セル4の熱容量をC、セル5の熱容量をC、熱平衡時の温度をTとすると、次の二つの式が成立する。
上記の二つの式をTについて整理すると、次の式が成立する。
ここで、ペルチェ素子7の熱電能をα、ペルチェ素子7の内部抵抗をR、ペルチェ素子7の熱コンダクタンスをKとすると、次の二つの式が成立する
数式4および数式5を利用して、iに関して数式3を解くことによって、ペルチェ素子7に流す電流iの大きさと方向とを求めることができる。以上のように、セル4の温度Tとセル5の温度Tとの差に応じて、ペルチェ素子7に流す電流iの大きさと方向とを決定することができる。
図5は、図2に示されたシステムにおけるペルチェ素子に流す電流の制御を実施する制御回路を示す図であり、DDCの一実施例を含んでいる。図5においては、図2に示された温度計測部6は省略されている。
DDC9は、DC/DCコンバータ回路を含み、制御部8から信号を受信して、ペルチェ素子7に流す入力電流の方向および大きさを制御する制御回路の役割を果たすものである。
DDC9の回路の一実施例は、図5に示されるとおりであり、基本的には、従来のDC/DCコンバータと同様の動作をするものであって、当業者にとってその動作方法は自明であるため、詳細な回路動作方法については説明を省略する。本実施形態においては、DDC9は、正極13と負極14との間に温度調節の対象であるセル4を接続し、このセル4の電圧を降圧させて、A端子15およびB端子16の間に接続されたペルチェ素子7に電流を流す際に当該電圧を印加する役割を果たすものである。なお、本明細書においては、一実施例として、正極13と負極14との間にセル4を接続した回路が示されているが、これはセル4に限定されるものではなく、セル5が接続されてもよい。
DDC9内の制御基板17は、制御部8から種々の信号を受信することによって、様々なアナログ制御を実施するものである。例えば、POLE信号を受信して極性の切り替えを行い、ペルチェ素子7に流す電流の方向を変更している。さらに、制御部8からPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)信号を受信して、デューティー比を変化させることによって、ペルチェ素子7に流す電流の大きさを制御している。
なお、ON/OFF信号は、制御基板17のONとOFFとを切り替える。SignalGND信号は信号のGNDを提供し、DC14Vは直流14Vを供給し、GNDは制御基板17のGNDを提供する役割を担う。
図6は、図4に示された制御を行うために実施されるフローチャートである。
まず、例えば、自動車のエンジンスタートなどによって、制御部8が始動し、各回路がオン状態となる(ステップS1)。
続いて、温度計測部6は各セル4、5の温度を計測して制御部8へと送信する(ステップS2)。各セル4、5の温度を受信した制御部8は、数式3を解くことによって、ペルチェ素子7に流す電流iを算出する(ステップS3)。
続いて、算出された電流iと閾値電流ithとの比較が行われ(ステップS4)、i>ithである(yes)場合にはステップS5へと進み、i>ithではない(no)場合にはステップS6へと進む。ステップS5においては、ペルチェ素子7に正方向でiの大きさの電流を流すよう制御が行われる。一方、ステップS6においては、−iとithとの比較が行われ、−i<ithである(yes)場合には、ステップS7へと進み、−i<ithではない(no)場合には、ステップS2に戻る。ステップS7においては、ペルチェ素子7に負方向でiの大きさの電流を流すよう制御が行われる。
ここで、ithとは所定の閾値電流であり、ステップS3において算出された電流iの大きさの絶対値が所定の閾値電流ith以下である場合には、ペルチェ素子7に電流を流さないようにする。
この後、制御部8は以上の動作を繰り返し、制御を終了する場合には、ステップS8へと進んで終了する。
以上のように、本発明によれば、セル単位での劣化のばらつきを抑制するために、セルの温度ばらつきを低減する温度調節方法およびシステムを提供することができる。
続いて、本発明の第二の実施例について説明する。
図7は、本発明の別の実施形態に係る温度調節システムの構成を示すブロック図であり、本発明を実施する温度調節システムの第二の実施例を含んでいる。
図7の温度調節システムは、セル18、19および20と、温度計測部21と、ペルチェ素子22および23と、制御部24と、DDC25と、から成る。図7に示されているように、第二の実施例のブロック図は、第一の実施例のブロック図である図2とほぼ同様であるが、セル18とセル19との間にペルチェ素子22が、セル19とセル20との間にペルチェ素子23が配置され、温度計測部21がセル毎に計3箇所配置されているという点で異なっている。それ以外のシステムの構成と各部の動作手順は図2と同様であるため説明を省略する。
図8は、図7に示されたシステムにおけるセル、ペルチェ素子、サーミスタの配置の一例を示す図である。図8の左側は、セル、ペルチェ素子、サーミスタの配置を概略的に示し、右側はその断面を示す。サーミスタ28は、図7における温度計測部21の一例として示される。
図8に示されているように、図7に示されたシステムにおけるセル、ペルチェ素子、サーミスタの配置は、図3に示されたシステムにおけるセル、ペルチェ素子、サーミスタの配置とほぼ同様であるが、3個のセル26の間に2個のペルチェ素子27が配置され、サーミスタ28がセル毎に計3箇所配置されているという点で異なっている。それ以外の特徴は図3と同様であるため説明を省略する。
図9は、図7に示されたシステムにおけるセルの温度とペルチェ素子の発熱、吸熱の関係を示す図である。
セル18およびセル19の間の間隙にペルチェ素子22が配置され、セル19およびセル20の間の間隙にペルチェ素子23が配置されている。図9においては、図7に示された温度計測部21、制御部24、DDC25は省略されている。
セル18の温度をT、セル19の温度をT、セル20の温度をTとする。また、ペルチェ素子22からセル18に対して発生する発熱量をQ 、ペルチェ素子22がセル19から吸収する吸熱量をQ 、ペルチェ素子22に流す電流をiとする。さらに、ペルチェ素子23からセル19に対して発生する発熱量をQ 、ペルチェ素子23がセル20から吸収する吸熱量をQ 、ペルチェ素子23に流す電流をiとする。セル18の熱容量をC、セル19の熱容量をC、セル20の熱容量をC、熱平衡時の温度をT´とすると、次の三つの式が成立する。
上記の二つの式をT´について整理すると、次の式が成立する。
ここで、ペルチェ素子22、23の熱電能をそれぞれα、α、ペルチェ素子22、23の内部抵抗をそれぞれR、R、ペルチェ素子22、23の熱コンダクタンスをそれぞれK、Kとすると、次の四つの式が成立する。
数式10、11、12および13を利用して、iとiに関して数式9を解くことによって、ペルチェ素子22、23に流す電流i、iの大きさと方向とを求めることができる。以上のように、セル18とセル19との温度差およびセル19とセル20との温度差に応じて、ペルチェ素子22、23にそれぞれ流す電流i、iの大きさと方向とを決定することができる。
図10は、図9に示された制御を行うために実施されるフローチャートである。
まず、例えば、自動車のエンジンスタートなどによって、制御部24が始動し、各回路がオン状態となる(ステップM1)。
続いて、温度計測部21は各セル18、19、20の温度を計測し、制御部24へと送信する(ステップM2)。各セル18、19、20の温度を受信した制御部24は、数式9を解くことによって、ペルチェ素子22,23にそれぞれ流す電流iとiとを算出する(ステップM3)。続いて、各ペルチェ素子22,23にi、iの電流をそれぞれ流すよう制御が行われる(ステップM4)。
この後、制御部24は以上の動作を繰り返し、制御を終了する場合には、ステップM5へと進んで終了する。
以上のように、セルを3個配置した場合においても、セル単位での劣化のばらつきを抑制するために、セルの温度ばらつきを低減する温度調節方法およびシステムを提供することができる。本発明に係る温度調整システムにおいては、隣接するセルの温度差に応じてペルチェ素子に流す電流の方向と大きさを制御することによって、セル単位での精度の良好な温度調節を実施することが可能であるが、セル単位での温度調節を複数個所で行う結果として、システム全体の温度を均一にすることも可能となる。
本明細書においては、説明を簡略化するために、第一の実施例としてセルを2個配置した場合、第二の実施例としてセルを3個配置した場合について詳述してきたが、セル数はこれに限定されることはなく、4個以上のセルを配置して上述されたような温度調節を実施してもよい。
また、本明細書においては、セル間にペルチェ素子を配置して温度制御を実施するシステムおよび方法について記述してきたが、システムの構成はこれに限定されることはなく、セル部分をモジュールもしくはパックに置換することによって、上述された方法およびシステムを用いて、各モジュールもしくはパックの温度を計測し、モジュールもしくはパック間での温度調節を実施することも可能となる。
以上詳細に説明したように、本発明によれば、セル単位での劣化のばらつきを抑制するために、セルの温度ばらつきを低減する温度調節方法およびシステムを提供することができる。これによって、セル間の温度差を一定にし、モジュールおよびパック全体の寿命を最大限に生かすことができるという効果を奏する。また、一度に吸熱と発熱の双方を温度調節に利用できるため、温度差を一定にするためのエネルギーを有効に利用することが可能となる。
1 セル
2 モジュール
3 パック
4 セル
5 セル
6 温度計測部
7 ペルチェ素子
8 制御部
9 DDC
10 セル
11 ペルチェ素子
12 サーミスタ
13 正極
14 負極
15 A端子
16 B端子
17 制御基板
18 セル
19 セル
20 セル
21 温度計測部
22 ペルチェ素子
23 ペルチェ素子
24 制御部
25 DDC
26 セル
27 ペルチェ素子
28 サーミスタ

Claims (7)

  1. 一つ以上のセルを有する第一のモジュールと、
    一つ以上のセルを有する第二のモジュールと、
    前記第一のモジュールおよび前記第二のモジュールの表面に各々配置された温度計測部と、
    前記第一のモジュールと前記第二のモジュールとの間に配置されたペルチェ素子と、
    前記温度計測部から前記第一および前記第二のモジュールの温度を取得し、前記ペルチェ素子に流す電流を制御する制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、前記第一のモジュールの温度と前記第二のモジュールの温度との差に応じて、前記ペルチェ素子に流す前記電流の方向と大きさを制御する、
    ことを特徴とする温度調節システム。
  2. 前記制御部は、前記第一のモジュールの温度と前記第二のモジュールの温度との差が所定の範囲内に収まる場合には、前記ペルチェ素子に前記電流を流さないように制御する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の温度調節システム。
  3. 前記制御部は、DC/DCコンバータ回路に信号を送信することによって、前記ペルチェ素子に流す前記電流の方向と大きさとを制御する、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の温度調節システム。
  4. 一つ以上のセルを有する第一のモジュールの温度を取得するステップと、
    一つ以上のセルを有する第二のモジュールの温度を取得するステップと、
    前記第一のモジュールの温度と前記第二のモジュールの温度差に応じて、前記第一のモジュールおよび前記第二のモジュールの間に配置されたペルチェ素子に流す電流の方向と大きさを制御するステップと、
    を含む、
    ことを特徴とする温度調節方法。
  5. 前記第一のモジュールの温度と前記第二のモジュールの温度との差が所定の範囲内に収まる場合には、前記ペルチェ素子に前記電流を流さないように制御するステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項4に記載の温度調節方法。
  6. DC/DCコンバータ回路に信号を送信することによって、前記ペルチェ素子に流す前記電流の方向と大きさとを制御するステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項4または5に記載の温度調節方法。
  7. 一つ以上のセルを有する複数のモジュールと、
    前記複数のモジュールの表面に各々配置された温度計測部と、
    隣接する前記複数のモジュールの間に配置された複数のペルチェ素子と、
    前記温度計測部から前記複数のモジュールの温度を取得し、前記複数のペルチェ素子に流す電流を制御する制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、前記複数のモジュールの温度差に応じて、前記複数のペルチェ素子に流す前記電流の方向と大きさを制御する、
    ことを特徴とする温度調節システム。
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