JP2015107023A - 温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い精度で、被温度制御対象体を目標温度まで制御できる温度制御装置を提供する。【解決手段】温度制御の対象となる被温度制御対象体９と、熱交換媒体を加熱する温調部１３と、被温度対象体へ温調された熱交換媒体を送り、当該熱交換媒体を被温度対象体と熱交換させる熱交換媒体供給部１７と、被温度制御対象体に設けられ、被温度制御対象体の温度を検出する温度検出部１０と、温度検出部で検出される検出温度にしたがい温調部及び熱交換媒体供給部を制御し、被温度制御対象体を目標温度にする制御部１９とを有し、制御部は、温度検出部にて被温度制御対象体が目標温度に到達したことが検出されると、温調部の作動を停止し、温調部の作動停止から所定時間経過後に、被温度制御対象体の温度を再び検出し、再度、被温度制御対象体を目標温度にする制御を行うものとした。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換媒体によって被温度制御対象体を目標温度に制御する温度制御装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車などの電動自動車の多くは、車体の下部に電池パックを取り付けて、電池パック内に収めた電池セルの電力を走行用モータへ供給している。
こうした走行用の電池パックに内蔵される電池セルは、極低外気温の際、出力性能が低下して、十分に電力が供給できない。
そのため、車載の電池パックでは、低温に伴う電池セルの出力性能の低下を抑えるため、電池パックのケーシング内に、ヒータや送風ファンなどを有した温風供給装置を設け、電池セルに温度センサを設け、電池パック内に収めた電池セルの電力や、補機用電池の電力、または外部交流電源からの充電電力を利用して、温風供給装置を作動させて、温風で電池セルを暖房することが行われる。

具体的には電池セルの暖房は、例えばイグニションオン時、電池温度が電池暖房が必要な温度になると、制御部により、温度センサで検出される温度にしたがい温風供給装置を作動させて、温風で電池セルを暖める。そして、温度センサにて、目標となる暖房終了温度が検出されると、温風供給装置の作動を止める温度制御が用いられる（特許文献１など参照）。

また、走行用の電池パックに内蔵される電池セルは、所定以上の高温状態において、電池が劣化し、寿命が短くなることが知られている。
そこで、車載の電池パックでは、高温に伴う電池の劣化を抑えるため、電池パックのケーシング内に、エバポレータや送風ファンなどを有した冷風供給装置を設け、電池セルに温度センサを設ける。そして、上述した電力を利用して、冷風供給装置を作動させて、冷風で電池セルを冷房することが行われる。

電池セルの冷房も、上述した電池セルの暖房と同様、制御部により、温度センサで検出される温度にしたがい冷風供給装置を作動させて、冷風で電池セルを冷却する。そして、温度センサにて、目標となる冷房終了温度が検出されると、冷風供給装置の作動を止める温度制御が行われる。

特開２００３−３４１４４８号公報

ところで、温度センサは、通常、電池パックの内部空間に晒される状態で組み付けられる。
このため、温度センサが検出する温度は、温風や冷風の熱が含まれているおそれがある。つまり、実際の電池セルの温度は、温風温度の影響により、温度センサで検出される温度とは異なることがある。このため、電池セルの暖房運転では十分に電池セルの出力特性が回復する前に暖房運転が終了してしまうおそれがあり、冷房運転では電池セルの劣化が促進され得る温度のまま冷房運転が終了してしまうおそれがある。

そこで、本発明の目的は、高い精度で、被温度制御対象体を目標温度まで制御できる温度制御装置を提供する。

請求項１に記載の発明の温度制御装置は、温度制御の対象となる被温度制御対象体と、熱交換媒体を温調する温調部と、被温度対象体へ温調された熱交換媒体を送り、当該熱交換媒体を被温度対象体と熱交換させる熱交換媒体供給部と、被温度制御対象体に設けられ、被温度制御対象体の温度を検出する温度検出部と、温度検出部で検出される検出温度にしたがい温調部及び熱交換媒体供給部を制御し、被温度制御対象体を目標温度にする制御部とを有し、制御部は、温度検出部にて被温度制御対象体が目標温度に到達したことが検出されると、温調部の作動を停止し、温調部の作動停止から所定時間経過後に、被温度制御対象体の温度を再び検出し、再度、前記被温度制御対象体を目標温度にする制御を行うものとした。

請求項２に記載の発明の温度制御装置は、制御部が、単位時間当たりの被温度制御対象体の温度変化率を算出し、温度変化率が予め設定された所定の温度変化率値以下になると所定時間が経過したと判定し、再度、被温度制御対象体を目標温度にする制御を行うものとした。
請求項３に記載の発明の温度制御装置は、被温度制御対象体は、車両に搭載される電池パック内に収容した電池であり、温調部はヒータもしくはエバポレータであり、熱交換媒体供給部は送風ファンであるものとした。

請求項１の発明によれば、被温度制御対象体が熱交換媒体との熱交換により温調され、目標温度に到達したことが検出されると、温調部の作動を停止し、温調された熱交換媒体で影響されない状態を作り出す。温調部の作動停止から所定時間経過後に、被温度制御対象体の温度を再び検出する。この熱交換媒体の影響を避けたときの被温度制御対象体の温度に基づき、再度、被温度制御対象体を目標温度にする制御が行われる。

それ故、被温度制御対象体を目標温度にする制御は、十分に被温度制御対象体が温調されないまま終了することが回避され、高い精度で被温度制御対象体を目標温度まで制御することができる。しかも、同制御は、目標温度に到達したとき温調部の作動を停止させ、所定時間経過後、再度、温度検出部で検出される被温度制御対象体の温度にしたがい、温調部及び熱交換媒体供給部を制御するだけでよく、簡単である。

請求項２の発明によれば、単位時間当たりの被温度制御対象体の温度変化率の動向を所定時間経過の判定として用いることにより、被温度制御対象体の温度変化率が所定の温度変化率値以下になると、被温度制御対象体の温度変化が安定したと見做すことができ、被温度制御対象体の温度をより高精度で認識することができる。
請求項３の発明によれば、車両に搭載される走行用電池パック内の電池セルの暖房または冷房に好適である。

本発明の第１の実施形態に係る温度制御装置を、同装置に適用される車載の走行用電池パックと共に示す断面図。 同温度制御装置を電池暖房に適用したフローチャート。 同制御で行われる電池暖房の電池セルの温度変化を説明する線図。 本発明の第２の実施形態の要部となる異なる電池暖房制御のフローチャート。 同制御で行われる電池暖房の電池セルの温度変化を説明する線図。

以下、本発明を図１から図３に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は、電気自動車やハイブリッド車など、電池パックを搭載した電動自動車（車両）の一部を示している。
図１中１は電動自動車の車体、３は車体１の下部に組み付けられた走行用電池パック（本願の電池パックに相当）、５は電動自動車に搭載された補機用電池をそれぞれ示している。

走行用電池パック１は、車体前後方向に延びる扁平なケーシング７内に、多数の電池セル９（本願の電池に相当）を収容して構成される。電池セル９は、所定の個数毎に締結してモジュール化してある。モジュール群は直列に接続してある。このモジュール群が、車体１に搭載したインバータを介して走行用モータ（いずれも図示しない）に接続され、電池セル９に蓄えた電力で、走行用モータを駆動できるようにしている。

一部の電池セル９には、電池セル９の温度を検出する温度センサ１０（本願の温度検出部に相当）が組み付けられている。温度センサ１０は、例えば電池セル９の端子と連結されるバスバー（図示しない）と一緒に固定されている。このため、温度センサ１０は、ケーシング７の内部空間に晒される。ちなみに補機用電池５は、電動自動車に搭載された各種補機に電力を供給するものである。

走行用電池パック５には、極低温時における電池セル９の出力性能を回復するため、電池暖房装置１１が設けられている。電池暖房装置１１は、電池セル９を暖房する装置で、例えば、ＰＣＴヒータなどのヒータ１３（本願の温調部に相当）を収めたヒータユニット１５と、電動式の送風ファン１７（本願の熱交換媒体供給部に相当）と、これら機器を制御する制御部１９とを有している。

ヒータユニット１５と送風ファン１７は、ケーシング７内に収められていて、このうちヒータユニット１５に形成されている入口部１５ａは、ケーシング７内に開口している。ヒータユニット１５に形成されている出口部１５ｂは、送風ファン１７の吸込部１７ａと連通している。また送風ファン１７の吹出部１７ｂは、図示しないダクトを介して、ケーシング７内の各部に開口していて、入口部１５ａから吸い込まれるケーシング７の空気（本願の熱交換媒体に相当）が、ヒータ１３の熱で加熱され、この加熱で暖められた空気（温風）が吹出部１７ｂから、ダクトを通じて、それぞれ電池セル９へ送られる。つまり、温風で電池セル９が暖房されるようになっている。

この電池暖房は、制御部１９で行われる。例えばイグニションオンのとき、電動自動車に設けた外気温センサ２１で検出される外気温や温度センサ１０で検出される電池温度が、極低温であると検出すると、ヒータ１３および送風ファン１７を作動させ、電池暖房を開始する。そして、制御部１９の指令にて、温度センサ１０で検出される電池温度にしたがい、ヒータ１３および送風ファン１７の作動を制御することで行われている。具体的には電池セル９は、ヒータ１３および送風ファン１７の作動により、電池セル９の出力性能の回復の目安となる電池暖房終了温度ａ（本願の目標温度に相当）まで加温される。そして、温度センサ１０で検出される電池温度が、電池暖房終了温度ａに到達すると、電池暖房が終えるようにしてある。

また制御部１９には、電池暖房が、電池セル９自身の電池温度が電池暖房終了温度ａに到達する前に終了するのを避ける制御が設定されている。この誤った暖房終了は、温度センサ１０が、電池セル９の温度だけでなく、温風の温度も検出してしまうことによる。
そのため、制御部１９には、実際の電池セル９の温度だけが温度センサ１０から検出されるよう、温度センサ１０から検出される電池セル９の温度が電池暖房終了温度ａに到達すると、送風ファン１７の作動はそのままで、ヒータ１３の作動を止める機能、ヒータ１３の作動停止から電池セル９自身の温度が表れるまでの経過時間、ここでは所定時間Ｘを経過後、再び温度センサ１０にて電池セル９の温度を検出する機能、この電池セル９自身の温度にしたがい、再度、電池セル９を電池暖房終了温度ａにするまで暖房する機能が設定されている。つまり、電池セル９自身が電池暖房終了温度ａに到達しているとの判定から、電池暖房を終えるようにしている。

図２には、この電池セル９の電池暖房制御が示され、図３には同制御のときの電池セル９の温度変化が示されている。
つぎに、図２および図３を参照して電池暖房運転について説明する。
例えば極寒地において電動自動車に運転者が乗り込み、イグニションオン操作したとする。すると、制御部１９は、図２中のステップＳ１のように電池暖房が必要か否かの判定が始まる。判定は、温度センサ１０から検出される電池セル９の温度などに基づき行われる。ここでは、極低外気温からの始動なので、電池セル９の温度は極低温となる。そのため、電池セル９の出力性能は、極外気温の影響を受けて、かなり悪化している。このため、電池暖房が必要と判定される。すると、ステップＳ２へ進み、電池暖房が開始され、電池セル９の出力性能の回復が行われる。

すなわち、電池暖房は、補機用電池５の電力を用いて、ステップＳ２のようにヒータ１３と送風ファン１７とをオンすることにより開始される。すると、ケーシング７内部の空気（熱交換媒体）は、ヒータユニット１５の入口部１５ａから吸い込まれ、ヒータ１３の熱で加熱される。この加熱で暖められた空気が温風となって、送風ファン１７の吹出部１７ｂから、ダクト（図示しない）を通じ、それぞれ電池セル９へ送られる。この温風が電池セル９と熱交換され、電池セル９を暖める。熱交換後の温風は、再び入口部１５ａから吸い込まれる。これにより、各電池セル９は、ケーシング７内を循環する温風で温められる。この電池暖房により、温度センサ１０で検出される電池セル９の温度は、図３中の電池温度Ｂ１のように次第に上昇する。

図３に示されるように温度センサ１０で検出される検出温度が電池暖房終了温度ａに到達すると、図２のステップＳ３のように制御部１９は、電池暖房終了温度ａ（目標温度）まで電池セル９が暖められたと判定する。
しかし、このとき温度センサ１０が検出した温度は、温風の熱が含まれているため、実際の電池セル９の温度は、温度センサ１０で検出された温度とは異なる傾向がある。具体的には温度センサ１０からは、実際の電池温度Ｂよりも高い温度が検出される。このままでは、電池暖房運転が、十分に電池セル９の出力特性が回復する前に終了してしまう。

そこで、こうしたことがないよう電池暖房終了温度ａに到達した後、続くステップＳ４〜Ｓ７のルーチンを用いて、ヒータ１３の作動だけを停止させて、温風の熱で影響されない状態を作り出し、この状態を用いて電池セル９の実際の温度の検出し、再度、電池セル９を温風で電池暖房終了温度ａに到達するまで暖房する。
この制御を説明すると、ステップＳ３において電池暖房終了温度ａに到達したと判定されると、ステップＳ４へ進み、ヒータ１３をオフ、送風ファン１７はオンにする。つまり、送風ファン１７の作動は継続し、ヒータ１３の作動だけが停止する。これにより、誤った制御をもたらす要因となる温風の熱は取り除かれ、温度センサ１０は、ヒータ１３の熱を受けなくなる。このヒータ１３の作動停止に伴い電池セル９の温度は、図３中のＢ２に示されるように次第に下降していく。

続くステップＳ５は、ヒータ１３の作動停止から、所定時間Ｘが経過するまでを計時（図示しないタイマーによる）している。ここで、所定時間Ｘは、例えば図３中の一点鎖線Ｂ２´のようにヒータ１３の作動停止から電池セル９自身の温度が表れるまでの経過時間で設定されている。そして、ステップＳ６のように所定時間Ｘ経過後に、温度センサ１０にて電池セル６の温度が再び検出される。つまり、実際の電池セル９の温度が検出される。

続くステップＳ７にて、実際の電池セル９の温度が、電池暖房終了温度ａに到達しているかを判定する。このとき実際の電池セル９の温度は、電池暖房終了温度ａよりも低いから、再びステップＳ２へ戻る。これにより、ヒータ１３および送風ファン１７はオンとなり、再度、電池セル９を温風で、電池暖房終了温度ａにする電池暖房が行われる。
すると、電池セル９の温度は、図３中のＢ３に示されるように上昇する。再度の電池暖房により、再び電池セル９の温度は、電池暖房終了温度ａに到達する。そして、再びステップＳ４〜Ｓ６のような実際の電池セル９の温度を検出する処理を経て、再度、ステップＳ７に至り、実際の電池セル９の温度が、電池暖房終了温度ａに到達しているかの判定が行われる。

再度の電池暖房運転により、電池セル９の温度は、多くの場合、電池暖房終了温度ａに到達する。
電池暖房終了温度ａに到達すると、電池セル９は、十分に出力性能が回復するまで加温されたと判定され、ステップＳ８に進み。ヒータ１３および送風ファン１７をオフし、電池暖房を終える。

ちなみに、再度、ステップＳ７にて、電池セル９の温度が、電池暖房終了温度ａに到達していないと判定されると、再びステップＳ４〜Ｓ６のルーチンを繰り返す。最後には実際の電池セル９の温度は、電池暖房終了温度ａに到達する。
このように温風の熱の影響を避け、実際の電池セル９の温度が表れ出るとき、電池セル９の温度を検出し、再度、電池セル９を電池暖房終了温度ａに到達する温度制御を行うことにより、電池暖房の制御は、温風の熱の影響を避けながら行える。このため、電池暖房運転が、十分に電池セル９の出力特性が回復する前に終了するおそれはない。

それ故、高い精度で、電池セル９を電池暖房終了温度ａ（目標温度）にする制御ができる。極寒地を走行する電動自動車の電池セル９を暖房する電池暖房装置１１には好適である。
しかも、この温度制御は、ヒータ１３の作動停止後、所定時間Ｘが経過した後の電池セル９の温度を検出し、再度、電池セル９を電池暖房終了温度ａにする制御なので、簡単である。

図４および図５は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、単位時間当たりの電池セル９の温度変化率の変化具合から、ヒータの作動停止から所定時間が経過したと判定するようにしたものである。
この点が、図４に示すフローチャートのステップＳ１０〜ステップＳ１２に示されている。

すなわち、ステップＳ４のヒータ１３をオフにする処理の後に続くステップＳ１０は、降下する単位時間当たりの電池セル９の温度を算出（ｄＴ／ｄｔ）する算出機能により、電池セル９の温度変化率δ１（傾き）を求める。電池セル９の温度変化率δ１は、ヒータ１３の作動停止後、電池セル９の実際の温度が表れ始めるにしたがい、図５中の一点鎖線Ｂ２´のように変化する。このため、電池セル９の実際の温度が表れる温度変化率の所定値、すなわち所定の温度変化率δ２（傾き）を予め設定しておく。その後のステップＳ１１は、算出した電池セル９の温度変化率δ１が、設定した所定の温度変化率δ２以下か否かを対比し、温度変化率δ１が所定の温度変化率δ２以下になると第１の実施形態で述べた所定時間（Ｘ）が経過したと判定する。続くステップＳ１２は、温度変化率δ１が所定の温度変化率δ２以下になったとき（所定時間経過後）の電池セル９の温度を再び検出するものである。これにより、第１の実施形態と同様、電池暖房は、ステップＳ７，Ｓ２〜Ｓ１２の繰り返しにより、再度、電池セル９を電池暖房終了温度ａにする温度制御が行われる。

これにより、第２の実施形態も、第１の実施形態と同様の効果を奏する。しかも、単位時間当たりの電池セル９の温度変化率δ１の動向を所定時間経過の判定として用いることにより、電池セル９の温度変化率δ１が所定の温度変化率値δ２以下になると、電池セル９の温度変化が安定したと見做すことができ、電池セル９の温度をより高精度に認識できる。

但し、上述した第２の実施形態において、第１の実施形態と同じ部分には、同一符号を付してその説明を省略した。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。上述した実施形態では、本発明を、電池パックの電池セル暖房を行う電池暖房装置に適用し、温調部としてヒータ１３を示したが、これに限らず、電池パックの電池セル冷房を行う電池冷房装置に適用してもよい。そして、温調部を、熱交換媒体の気化熱により冷却空気を生み出すエバポレータとしてもよい。この場合、エバポレータで冷却された空気を、熱交換媒体供給部としての送風ファンを作動させて送風することにより、電池セルへ冷却風を送風して電池セル冷房を行う。

具体的には、エバポレータおよび送風ファンの作動により、電池セルの劣化を防ぐための目安となる電池冷房終了温度（本願の目標温度に相当）まで電池セルが冷却される。そして、温度センサで検出される電池温度が、電池冷房終了温度に到達すると、送風ファンの作動はそのままで、エバポレータの作動を止める機能、エバポレータの作動停止から電池セル自身の温度が表れるまでの経過時間の経過後、再び温度センサにて電池セルの温度を検出する機能、この電池セル自身の温度にしたがい、再度、電池セルを電池冷房終了温度にするまで冷房する機能が設定される。このように、電池暖房のみならず、電池冷房においても、電池セル自身が電池冷房終了温度に到達しているとの判定から、電池温調を終えるようにしてよい。

また上述した実施形態では、電池の温調に利用する電力を、補機用電池５の電力としたが、これに限られず、電池パック内に収めた電池セルの電力や、外部交流電源からの充電電力を利用するようにしてもよい。電池パック内に収めた電池セルの電力を温調に利用する場合は、この電池セルの電力をＤＣ−ＤＣコンバータを介して降圧変換された電力が用いられる。また、外部交流電源からの充電電力を温調に利用する場合は、この充電電力を車載充電器及びＤＣ−ＤＣコンバータを介して直流電力に変換した電力が用いられる。

むろん、上述した実施形態では、本発明を、電池パックの電池セルの冷房、暖房を行う装置に適用したが、これに限らず、他の温度制御が求められる装置にも適用してもよい。

９ 電池セル（被温度制御対象体）
１０ 温度センサ（温度検出部）
１３ ヒータ（温調部）
１７ 送風ファン（熱交換媒体供給部）
１９ 制御部

Claims (3)

1. 温度制御の対象となる被温度制御対象体と、
   熱交換媒体を温調する温調部と、
   前記被温度対象体へ前記温調された熱交換媒体を送り、当該熱交換媒体を被温度対象体と熱交換させる熱交換媒体供給部と、
   前記被温度制御対象体に設けられ、前記被温度制御対象体の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部で検出される検出温度にしたがい前記温調部及び前記熱交換媒体供給部を制御し、前記被温度制御対象体を目標温度にする制御部とを有し、
   前記制御部は、
   前記温度検出部にて前記被温度制御対象体が前記目標温度に到達したことが検出されると、前記温調部の作動を停止し、前記温調部の作動停止から所定時間経過後に、前記被温度制御対象体の温度を再び検出し、再度、前記被温度制御対象体を目標温度にする制御を行うことを特徴とする温度制御装置。
2. 前記制御部は、単位時間当たりの前記被温度制御対象体の温度変化率を算出し、前記温度変化率が予め設定された所定の温度変化率値以下になると前記所定時間が経過したと判定し、再度、前記被温度制御対象体を目標温度にする制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記被温度制御対象体は、車両に搭載される電池パック内に収容した電池であり、
   前記温調部はヒータもしくはエバポレータであり、
   前記熱交換媒体供給部は送風ファンである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の温度制御装置。

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