JP2016112933A - 車両用バッテリの暖機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的にバッテリを昇温することができる車両用バッテリの暖機装置を提供すること。【解決手段】エンジン２と、発電機３と、複数の蓄電部１４と、冷媒が内部を通過することにより冷媒と蓄電部との間で熱交換する複数の熱交換流路１６ａ，ｂ，ｃ、及び熱交換流路の冷媒流入口側に設けられた複数の流量調整バルブ１８ａ，ｂ，ｃからなる熱交換回路３０と、複数の熱交換回路に対してエンジンの廃熱により加熱された冷媒を供給する冷媒供給回路２０と、複数の蓄電部の温度を検出する温度検出部１５ａ，ｂ，ｃと、複数の蓄電部を選択的に暖機する暖機制御部４０と、を有し、暖機制御部は、所定の温度範囲の下限値よりも低い温度の蓄電部が温度検出部によって複数検出された場合に、検出された複数の蓄電部を順次個別に暖機を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用バッテリの暖機装置に係り、詳しくは低温状態の車両用バッテリを適切な温度に暖機する技術に関する。

近年、環境問題等を考慮して、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド電気自動車の開発が進んでいる。このようなハイブリッド車両には、大容量のバッテリが搭載されているが、バッテリは適切な温度範囲になければ大幅に充放電効率が低下し、更にはバッテリ自体の寿命を縮めることになる。また、ハイブリッドシステムの使用範囲が制限され、燃費改善効果が得られない。

そこで、例えば冬季などの氷点下となる使用環境においては、バッテリ温度を使用可能な温度範囲まで暖機する必要がある。例えば、特許文献１では、エンジン近傍及びバッテリ近傍に冷媒が循環する循環経路を形成し、車両始動直後にエンジンの暖機とともにバッテリの暖機を行っている。

特開２００６−１５１０９１号公報

しかしながら、このようなハイブリッド電気自動車では、排ガス低減の観点から、搭載されるバッテリ容量は今後増加する傾向にあると考えられるため、バッテリの温度を適切な温度まで昇温するために必要となる熱容量も増大すると考えられる。

従って、より効率的にバッテリを昇温することができる暖機装置が要求されることになる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、より効率的にバッテリを昇温することができる車両用バッテリの暖機装置を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

本適用例に係る車両用バッテリの暖機装置は、車両の駆動源であるエンジンと、前記エンジンの駆動により発電する発電機と、所定の温度範囲内において、前記車両に搭載された機器に電力の供給及び前記発電機により発電された電力の蓄電が可能な複数の蓄電部と、前記複数の蓄電部のそれぞれの周囲又は近傍に設けられ、冷媒が内部を通過することにより前記冷媒と前記蓄電部との間で熱交換する複数の熱交換流路、及び前記複数の熱交換流路の冷媒流入口側のそれぞれに設けられた複数の流量調整バルブからなる熱交換回路と、前記エンジンを経由して前記複数の熱交換流路の冷媒流入口及び冷媒流出口に接続され、前記複数の熱交換回路に対して前記エンジンの廃熱により加熱された前記冷媒を供給する冷媒供給回路と、前記複数の蓄電部の温度をそれぞれ検出する温度検出部と、前記複数の流量調整バルブごとに開閉状態を制御して、前記冷媒供給回路から前記熱交換流路に供給される冷媒流量を調整することで前記複数の蓄電部を選択的に暖機する暖機制御部と、を有し、前記暖機制御部は、前記所定の温度範囲の下限値よりも低い温度の前記蓄電部が前記温度検出部によって複数検出された場合に、検出された前記複数の蓄電部を順次個別に暖機する。

上記手段を用いる本発明によれば、より効率的にバッテリを昇温することができる。

本発明の一実施形態に係る暖機装置を搭載するハイブリッド車両の概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る暖機装置を搭載するハイブリッド車両の概略構成図であり、同図に基づき説明する。

ハイブリッド車両１はいわゆるパラレル型ハイブリッドシステムとして構成されており、以下の説明では、単に車両１とも称する。

車両１には走行用の動力源としてディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２、及び発電機としても作動可能なモータ３（電動機）が搭載されている。エンジン２の出力軸にはクラッチ４が連結され、クラッチ４にはモータ３の回転軸を介して変速機５の入力側が連結されている。変速機５の出力側にはプロペラシャフト６を介して差動装置７が連結され、差動装置７には駆動軸８を介して左右の駆動輪９が連結されている。

モータ３は、具体的には永久磁石が貼り付けられたロータと三相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機である。すなわち、モータ３は、エンジン２に代わって変速機５にその駆動力を伝達することができ、更にはエンジン２の駆動や駆動輪９側からの逆駆動により発電する。また、モータ３は、配線１０を介して電力変換装置１１と接続されている。

電力変換装置１１は、一般的なインバータ及びコンバータを備えており、配線１２を介してバッテリ１３と接続されている。すなわち、電力変換装置１１はモータ３及びバッテリ１３と電気的に接続されている。従って、電力変換装置１１は、バッテリ１３から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給可能であるとともに、モータ３から供給される交流電力を整流してバッテリ１３へ供給可能である。ここで、図１においては便宜上のため、１本の配線１２を介して電力変換装置１１とバッテリ１３が接続されているが、実際の電気的な接続としては、電力変換装置１１が、後述する蓄電部１４（バッテリモジュール１７）ごとに電気的に接続されている。

バッテリ１３は、複数の二次電池セルが直列に接続されて構成される３つの蓄電部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ（いずれかを指定しない場合には、単に蓄電部１４とも称する）、各蓄電部１４の温度を検出するための３つの温度センサ（温度検出部）１５ａ、１５ｂ、１５ｃ（いずれかを指定しない場合には、単に温度センサ１５とも称する）、各蓄電部１４の上部に隣接して設けられた３つの水路（熱交換流路）１６ａ、１６ｂ、１６ｃ（いずれかを指定しない場合には、単に水路１６とも称する）を有している。すなわち、バッテリ１３は、蓄電部１４、温度センサ１５、水路１６からなる３つのバッテリモジュール１７ａ、１７ｂ、１７ｃ（いずれかを指定しない場合には、単にバッテリモジュール１７とも称する）を有している。より具体的には、蓄電部１４ａ、温度センサ１５ａ、水路１６ａからバッテリモジュール１７ａが構成され、蓄電部１４ｂ、温度センサ１５ｂ、水路１６ｂからバッテリモジュール１７ｂが構成され、蓄電部１４ｃ、温度センサ１５ｃ、水路１６ｃからバッテリモジュール１７ｃが構成されている。

また、バッテリ１３は、各水路１６の冷媒流入口側に設置された３つの流量調整バルブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ（いずれかを指定しない場合には、単に流量調整バルブ１８とも称する）を有している。

更に、バッテリ１３は、車両１に搭載された他の機器に対して電力の供給が行えるように、蓄電部１４（すなわち、バッテリモジュール１７）ごとに当該他の機器と電気的な接続が施されている。

なお、上述した蓄電部１４、温度センサ１５、水路１６、バッテリモジュール１７、流量調整バルブ１８の数量は、３つに限定されず、車両１に要求される蓄電容量、及び１つのバッテリモジュール１７における蓄電容量に応じて適宜変更することができる。また、水路１６は、蓄電部１４の周囲を覆うように配置されてもよく、隣り合う蓄電部１４同士の隙間（すなわち、蓄電部１４の近傍）に配置されてもよい。更に、蓄電部１４、温度センサ１５、及び水路１６をモジュール化しなくてもよい。そして、バッテリモジュール１７に流量調整バルブ１８を含めてもよく、或いは流量調整バルブをバッテリ１３の外部に設けてもよい。

このように構成された車両１は、エンジン２又はモータ３で発生させた駆動力を変速機５で変速された後、駆動輪９に伝達されることで走行する。また、例えば車両１の減速時や降坂路での走行時には、駆動輪９側からの逆駆動によりモータ３が発電機として作動する。そしてモータ３が発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪９側に伝達されると共に、モータ３が発電した交流電力が電力変換装置１１で直流電力に変換されてバッテリ１３に充電される。

また、車両１は、エンジン２を冷却するためのエンジン冷却回路２０、バッテリ１３を暖機するためのバッテリ暖機回路（熱交換回路）３０を備えている。ここで、バッテリ暖機回路３０は、エンジン冷却回路２０と連結しており、エンジン冷却回路２０とバッテリ暖機回路３０とは同一の冷媒が通過することになる。すなわち、エンジン冷却回路２０からバッテリ暖機回路３０に向けて冷媒が供給されることになり、エンジン冷却回路２０はバッテリ暖機回路３０の冷媒供給回路としても機能する。

エンジン冷却回路２０には、冷媒としてエンジン冷却水が使用される。そして、エンジン冷却回路２０は、エンジン２、エンジン冷却水が通過する水路２１、エンジン冷却水を循環させるエンジン冷却ポンプ２２、外気との熱交換によりエンジン冷却水を冷却するエンジンラジエータ２３、エンジン冷却水を貯えるエンジン冷却水タンク２４、及びバッテリ暖機回路３０へのエンジン冷却水の供給及び非供給を切り替えるバイパスバルブ２５、２６から構成されている。

エンジンラジエータ２３はエンジンルームの前方に配置されており、エンジン２により駆動される冷却ファン２ａの回転により当該エンジンラジエータ２３に走行風が引き込まれ、外気とエンジン冷却水との熱交換が促進される。

バッテリ暖機回路３０は、３つの水路１６及び各水路１６の冷媒流入口側に設けられた３つの流量調整バルブ１８から構成され、冷媒流入口側がエンジン冷却回路２０のバイパスバルブ２５に接続し、冷媒流出口側がエンジン冷却回路２０のバイパスバルブ２６に接続している。より具体的には、水路１６ａがバイパスバルブ２５から流量調整バルブ１８ａ及び蓄電部１４ａを経由してバイパスバルブ２６まで延在しており、水路１６ｂが流量調整バルブ１８ａから流量調整バルブ１８ｂ及び蓄電部１４ｂを経由して水路１６ａの冷媒流出口側にまで延在しており、水路１６ｃが流量調整バルブ１８ｂから流量調整バルブ１８ｃ及び蓄電部１４ｃを経由して水路１６ｂの冷媒流出口側にまで延在している。

このように構成されたバッテリ暖機回路３０がエンジン冷却回路２０に連結されているため、エンジン２の廃熱によって加熱されたエンジン冷却水がエンジン冷却回路２０からバイパスバルブ２５を介してバッテリ暖機回路３０へ供給されることになる。そして、バッテリ暖機回路３０に供給された高温のエンジン冷却水は、各蓄電部１４との間で熱交換し、各蓄電部１４が暖機される。各蓄電部１４との間で熱交換をして冷却されたエンジン冷却水は、バイパスバルブ２６を介してエンジンラジエータ２３に供給され、更に冷却されたのちにエンジン冷却ポンプ２２を介してエンジン２を再び経由することになる。

このようなエンジン冷却回路２０とバッテリ暖機回路３０との構成により、エンジンの廃熱を有効に利用することができ、バッテリ１３の作動温度を確保するための新たな熱源を設置する必要がなくなるため、車両１のコスト低減を図ることができる。また、エンジン２のエンジン冷却水をより効率良く冷却することができるため、エンジン２の負担をより一層軽減することができる。

更に、車両１は、暖機制御部４０を備えている。暖機制御部４０は、車両１に搭載されている一つ又は複数のＥＣＵ（電子コントロールユニット）からなり、モータ３、電力変換装置１１、エンジン冷却ポンプ２２、流量調整バルブ１８、及びバイパスバルブ２５、２６の制御が可能である。

そして、暖機制御部４０には、バッテリモジュール１７のそれぞれに設けられた温度センサ１５が接続されており、蓄電部１４のそれぞれの温度信号が供給される。尚、蓄電部１４の温度信号を得る温度センサ１５の配置や手法については、特に限定されない。

このような構成により、暖機制御部４０は、蓄電部１４の各温度に応じ、流量調整バルブ１８、バイパスバルブ２５、２６ごとに開閉状態を制御することができ、各水路１６に供給される冷媒であるエンジン冷却水の流量を調整することができる。すなわち、暖機制御部４０は、蓄電部１４の各温度に応じ、蓄電部１４を選択的に暖機することができる。

このようなバッテリ１３の暖機機構から、本実施形態においては、エンジン２、モータ３、蓄電部１４、温度センサ１５、エンジン冷却回路２０、バッテリ暖機回路３０、及び暖機制御部４０から暖機装置５０が構成されていることになる。

以下において、暖機制御部４０が実行するバッテリ１３の暖機制御について詳しく説明する。

先ず、バッテリ１３の各蓄電部１４の温度が所定の温度範囲内である場合に、暖機制御部４０は、エンジン冷却回路２０内のみでエンジン冷却水を循環させる。ここで、所定の温度範囲とは、蓄電部１４の種類によって決定される二次電池の動作温度範囲のことである。具体的に、暖機制御部４０は、温度センサ１５から供給される温度信号によって、各蓄電部１４の温度が所定の温度範囲内であるか否かを判別する。その後、暖機制御部４０は、バッテリ１３へエンジン冷却水が循環しないように、バイパスバルブ２５、２６の開閉状態を制御する。バイパスバルブ２５、２６の開閉状態の制御が完了すると、暖機制御部４０はエンジン冷却ポンプ２２を駆動させ、エンジン２、バイパスバルブ２５、バイパスバルブ２６、エンジンラジエータ２３、エンジン冷却ポンプ２２の順序となる流路でエンジン冷却水を循環させる。

次に、バッテリ１３を構成する３つの蓄電部１４のうちいずれか１つの温度が所定の温度範囲の下限値よりも低い場合に、暖機制御部４０は、当該下限値よりも低い温度の蓄電部１４のみを暖機するように、流量調整バルブ１８、バイパスバルブ２５、２６の開閉状態を制御する。

例えば、蓄電部１４ａの温度が所定の温度範囲の下限値よりも低い場合に、暖機制御部４０は、バイパスバルブ２５からバイパスバルブ２６に向かって直接的にエンジン冷却水を流さず、バッテリ１３を経由してエンジン冷却水が流れるようにバイパスバルブ２５、２６の開閉状態を制御する。また、暖機制御部４０は、バッテリモジュール１７ａを構成する蓄電部１４ａのみにエンジン冷却水が供給されるように、流量調整バルブ１８ａの開閉状態を制御する。流量調整バルブ１８ａ及びバイパスバルブ２５、２６の開閉状態の制御が完了すると、暖機制御部４０はエンジン冷却ポンプ２２を駆動させ、エンジン２、バイパスバルブ２５、流量調整バルブ１８ａ、蓄電部１４ａ、バイパスバルブ２６、エンジンラジエータ２３、エンジン冷却ポンプ２２の順序となる流路でエンジン冷却水を循環させる。

その後、温度センサ１５ａから供給される温度信号によって暖機制御部４０が蓄電部１４ａの暖機が完了した（すなわち、所定の温度範囲まで暖機された）と判断すると、暖機制御部４０は、流量調整バルブ１８ａ及びバイパスバルブ２５、２６の開閉状態の制御し、バッテリ１３へのエンジン冷却水の供給を停止し、エンジン冷却回路２０のみでエンジン冷却水を循環させる。なお、エンジン２の冷却が不要の場合には、エンジン冷却ポンプ２２を停止し、エンジン冷却水の循環を止めてもよい。

次に、バッテリ１３を構成する３つの蓄電部１４のうちいずれか２つ以上の温度が所定の温度範囲の下限値よりも低い場合に、暖機制御部４０は、当該下限値よりも低い温度の蓄電部１４のみを順次個別に暖機するように、流量調整バルブ１８、バイパスバルブ２５、２６の開閉状態を制御する。

例えば、３つの蓄電部１４の温度が所定の温度範囲の下限値よりも低い場合に、暖機制御部４０は、３つの蓄電部１４の暖機の順番を決定する。暖機制御部４０は、蓄電部１４の温度が高いものから順次個別に暖機するようにしてもよい。このような暖機順序とすることで、最初に暖機する蓄電部１４が所定の温度範囲に到達するまでの時間を短縮し、効率よく暖機を行うことができ、早期の電源確保が可能になる。以下において、蓄電部１４ａ、蓄電部１４ｂ、蓄電部１４ｃの順序で暖機するものとする。

先ず、暖機制御部４０は、バイパスバルブ２５からバイパスバルブ２６に向かって直接的にエンジン冷却水を流さず、バッテリ１３を経由してエンジン冷却水が流れるようにバイパスバルブ２５、２６の開閉状態を制御する。また、暖機制御部４０は、蓄電部１４ａのみにエンジン冷却水が供給されるように、流量調整バルブ１８ａの開閉状態を制御する。流量調整バルブ１８ａ及びバイパスバルブ２５、２６の開閉状態の制御が完了すると、暖機制御部４０はエンジン冷却ポンプ２２を駆動させ、エンジン２、バイパスバルブ２５、流量調整バルブ１８ａ、蓄電部１４ａ、バイパスバルブ２６、エンジンラジエータ２３、エンジン冷却ポンプ２２の順序となる流路でエンジン冷却水を循環させる。

その後、温度センサ１５ａから供給される温度信号によって暖機制御部４０が蓄電部１４ａの暖機が完了したと判断すると、暖機制御部４０は、蓄電部１４ｂのみにエンジン冷却水が供給されるように、流量調整バルブ１８ａ、１８ｂの開閉状態を制御する。これにより、エンジン２、バイパスバルブ２５、流量調整バルブ１８ｂ、蓄電部１４ｂ、バイパスバルブ２６、エンジンラジエータ２３、エンジン冷却ポンプ２２の順序となる流路でエンジン冷却水が循環し、蓄電部１４ｂの暖機が開始される。

その後、温度センサ１５ｂから供給される温度信号によって暖機制御部４０が蓄電部１４ｂの暖機が完了したと判断すると、暖機制御部４０は、蓄電部１４ｃのみにエンジン冷却水が供給されるように、流量調整バルブ１８ｂ、１８ｃの開閉状態を制御する。これにより、エンジン２、バイパスバルブ２５、流量調整バルブ１８ｃ、蓄電部１４ｃ、バイパスバルブ２６、エンジンラジエータ２３、エンジン冷却ポンプ２２の順序となる流路でエンジン冷却水が循環し、蓄電部１４ｃの暖機が開始される。

その後、温度センサ１５ｃから供給される温度信号によって暖機制御部４０が蓄電部１４ｃの暖機が完了したと判断すると、暖機制御部４０は、流量調整バルブ１８ｃ及びバイパスバルブ２５、２６の開閉状態の制御し、バッテリ１３へのエンジン冷却水の供給を停止し、エンジン冷却回路２０のみでエンジン冷却水を循環させる。

このような暖機制御部４０の制御により、暖機が必要となる蓄電部１４のみを順次個別に暖機することができるため、暖機が完了した蓄電部１４から順次電源として使用することができる。すなわち、エンジン冷却水の熱量を分散させず、暖機が必要な蓄電部１４と個別に熱交換を行うことができるため、より効率的にバッテリ１３を昇温することができ、車両１の低温起動時においても、速やかに電源を確保することができる。

なお、エンジン２付近におけるエンジン冷却水の温度が非常に高温であって複数の蓄電部１４を同時に暖機できるほどの熱量が存在する場合には、暖機が必要となる蓄電部１４を同時に暖機するようにしてもよい。この場合には、エンジン２又はバイパスバルブ２５近傍に温度センサを設け、当該温度センサから暖機制御部４０に供給される温度信号に応じて、暖機制御部４０が流量調整バルブ１８、バイパスバルブ２５、２６の開閉状態を制御してもよい。

以上で本発明に係る車両用バッテリの暖機装置の実施形態についての説明を終えるが、本発明の実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

上記実施形態ではクラッチ４と変速機５の間にモータ３を配置したハイブリッド車両１において暖機装置を構成していたが、モータ３の配置を変更（たとえばエンジン２とクラッチ４の間、あるいは変速機５の後方）してもよい。また、システム中にモータ３を複数搭載した形態や、いわゆるシリーズハイブリッドシステムやシリーズ／パラレルハイブリッドシステムといった、異なるハイブリッドシステム構成であっても構わない。あるいはモータ３を発電機としてのみ機能させ、エンジン（例えば、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジン）のみを駆動源とする車両において暖機装置を構成してもよい。

また、上記実施形態では、バッテリ暖機回路３０の熱源として内燃機関のエンジン冷却水（すなわち、エンジンによって加熱されたエンジン冷却水）を用いたが、他の加熱された媒体を熱源として用いてもよい。例えば、エンジンの排気管に配置された廃熱回収用熱交換器において使用されるアルコール等の媒体を熱源としてもよい。すなわち、エンジン２の駆動によって生じる様々な熱をバッテリ１３の暖機に利用することができれば、車両１で使用されている既存の熱媒体を熱源として用いることができる。

更に、上記実施形態では、内燃機関のエンジン冷却水を循環する１つの水路１６を熱交流路として１つのバッテリモジュール１７に設けたが、１つのバッテリモジュール１７に対して、複数の熱交換流路を設けてもよい。例えば、水路１６と上記廃熱回収用熱交換器において使用されるアルコールの流路とをバッテリモジュール１７に対して設けてもよい。このような構成にすることで、蓄電部１４をより効率よく暖機することができる。

１ ハイブリッド車両（車両）
２ エンジン
３ モータ（電動機・発電機）
１１ 電力変換装置
１３ バッテリ
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 蓄電部
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 温度センサ
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 水路（熱交換流路）
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ バッテリモジュール
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 流量調整バルブ
２０ エンジン冷却回路（冷媒供給回路）
３０ バッテリ暖機回路（熱交換回路）
４０ 暖機制御部
５０ 暖機装置

Claims (1)

1. 車両の駆動源であるエンジンと、
   前記エンジンの駆動により発電する発電機と、
   所定の温度範囲内において、前記車両に搭載された機器に電力の供給及び前記発電機により発電された電力の蓄電が可能な複数の蓄電部と、
   前記複数の蓄電部のそれぞれの周囲又は近傍に設けられ、冷媒が内部を通過することにより前記冷媒と前記蓄電部との間で熱交換する複数の熱交換流路、及び前記複数の熱交換流路の冷媒流入口側のそれぞれに設けられた複数の流量調整バルブからなる熱交換回路と、
   前記エンジンを経由して前記複数の熱交換流路の冷媒流入口及び冷媒流出口に接続され、前記複数の熱交換回路に対して前記エンジンの廃熱により加熱された前記冷媒を供給する冷媒供給回路と、
   前記複数の蓄電部の温度をそれぞれ検出する温度検出部と、
   前記複数の流量調整バルブごとに開閉状態を制御して、前記冷媒供給回路から前記熱交換流路に供給される冷媒流量を調整することで前記複数の蓄電部を選択的に暖機する暖機制御部と、を有し、
   前記暖機制御部は、前記所定の温度範囲の下限値よりも低い温度の前記蓄電部が前記温度検出部によって複数検出された場合に、検出された前記複数の蓄電部を順次個別に暖機する車両用バッテリの暖機装置。
   

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