JP2024063347A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却による消費電力を抑制できる電池システムを提供する。【解決手段】電池システムは、電池パックと、前記電池パックと外気と接続する通気部と、前記電池パック内の温度を取得する電池温度取得部と、前記電池パック内を減圧する減圧部と、取得した前記温度に基づいて、前記減圧部を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記減圧部を制御して前記電池パック内を減圧し、前記通気部を介して前記電池パック内に外気を取り込む減圧制御を実行する。【選択図】 図１

Description

本開示は、電池システムに関する。

従来から車両に搭載される電池のシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の電池システムは、電池セル内に発生するガスのガス抜きをするために、電池セル内を減圧するシステムを開示している。

特開２０１９-１７５５２号公報

このような電池システムでは、複数の電池セルを纏めた電池パック内の温度を一定に保つことが好ましい。このため、電池パック内に電池セルを冷却するための冷却装置を設ける必要がある。しかし、このような冷却装置は電力を消費するため、例えば高温多湿地域においては冷却のための消費電力が大きくなるという課題がある。

本開示の課題は、冷却による消費電力を抑制できる電池システムを提供することである。

本開示に係る電池システムは、電池パックと、前記電池パックと外気とを接続する通気部と、前記電池パック内の温度を取得する電池温度取得部と、前記電池パック内を減圧する減圧部と、取得した前記温度に基づいて、前記減圧部を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記減圧部を制御して前記電池パック内を減圧し、前記通気部を介して前記電池パック内に外気を取り込む減圧制御を実行する。

この構成によれば、減圧された電池パック内に外気を取り込むことができる。これによって、外気による気化潜熱を利用して電池パック内の温度を低下させることができる。この結果、電力消費を抑制しながら効率的に電池パックを冷却できる。

本開示によれば、冷却による消費電力を抑制できる電池システムを提供できる。

本開示の一実施形態による電池システムのシステム図。 本開示の一実施形態による電池パックの概略図。 本開示の一実施形態による制御部が実行する制御手順を示すフローチャート。

以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図１および図２において、車両Ｃの前後方向をＱ、前後方向Ｑのうち前方をＦと図面に記す。また、車両Ｃの左右方向をＰ、左右方向Ｐのうち右側をＲと図面に記す。なお、左右方向は車幅方向と明細書に記す場合もある。

図１に示すように、電池システム１は、電池パック２と、電池パック２と外気と接続する通気部４と、電池パック２内の温度を取得する電池温度取得部６と、電池パック２内を減圧する減圧部８と、減圧部８を制御する制御部１０と、冷却装置１２と、外気の湿度を取得する湿度取得部１４と、外気の温度を取得する外気温度取得部１６と、を備える。

本実施形態の電池システム１は、車両Ｃに搭載される電池システムである。車両Ｃは、車輪２２と接続され力行および回生可能なモータジェネレータ２０（図１のＭＧ）を備える電動車両である。電動車両は、例えば外部充電又は外部給電が可能なプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）であってもよい。電池システム１は、電池パック２からインバータ（図示なし）を介してモータジェネレータ２０に電力を供給するためのシステムである。

電池パック２は、複数の電池セル２ａを纏めて構成された電池モジュール２ｂを有する。本実施形態の電池セル２ａは、リチウムイオン二次電池である。電池パック２は、このような電池モジュール２ｂを複数保持し格納するための樹脂又は金属でできた筐体である。また、このような電池セル２ａは、電池セル２ａからの電力の入出力に応じて発熱する。このため、電池パック２には冷却装置１２が必要となる。このほか、電池パック２は、電池パック２が低温の場合に電池セル２ａを温めるヒータなどを有してもよい。図１および図２に示すように、電池パック２からは各電池モジュール２ｂからの電力をインバータ（図示せず）に供給するＰＮ線２ｃが伸びる。

通気部４は、空気などの気体が一方向に通過する一方で、水など液体の浸透を抑制可能な膜である。通気部４は、例えば所定のセル径によって形成された発泡樹脂の膜である。このような膜としては、例えばメンブレンフィルターがある。本実施形態では、所定のセル径は、例えば液状の水の浸透を抑制可能である一方、空気中の水蒸気が通過可能なセル径である。本実施形態では、通気部４は、電池パック２の側面に設けられ、電池パック２の外の空気（外気）と電池パック２の内部とを接続する。より具体的には、図２に示すように電池パック２の車幅方向のいずれか一方の側面（本実施形態では左側面）に設けられる。このような位置に通気部４を設けることによって、車両Ｃが冠水路を走行した場合であっても、通気部４から水が侵入することを抑制できる。また、本実施形態では、通気部４を電池パックの車幅方向のいずれか一方の側面に設けたが、両方の側面に通気部４を設けてもよいし、電池パックの上面、底面、前面、後面のいずれかの面、またはこれらのうち複数の面に設けてもよい。

図１に示すように、電池温度取得部６は、電池セル２ａの温度を取得し電池の温度状態を監視するための装置である。本実施形態では、電池セル２ａの温度を検知する温度センサである。しかし、電池温度取得部６は、例えば電池パック２内の温度を取得することによって電池セル２ａの温度を推定するシステムであってもよい。

減圧部８は、電池パック２内の圧力を低下させるための装置である。本実施形態では、減圧部８は、バキュームポンプ８ａ（図１のＶＰ）と、バキュームポンプ８ａから電池パック２の内部につながるバキューム配管８ｂと、を有する。バキュームポンプ８ａは、バキューム配管８ｂを介して電池パック２の内部の空気を吸い込み、電池パック２の内部を減圧する。バキュームポンプ８ａは、例えば、ブレーキのマスターバックを減圧するためのポンプとして使用されてもよい。また、車両Ｃの室内に空調風を供給する空調装置に用いるバキュームポンプ８ａであってもよい。さらに、減圧部８は、電池パック２の内部を減圧できればこのようなシステムに限定されるものではない。例えば、減圧部８は、電池パック２の筐体に電池パック２の内部の空気を強制的に排出する排出装置を設け、電池パック２の内部を減圧してもよい。あるいは、減圧部８は、バキュームポンプ８ａを稼働させず、マスターバックや空調装置の負圧を利用して、電池パック２を減圧してもよい。

制御部１０は、少なくとも、電池温度取得部６、減圧部８、湿度取得部１４、および冷却装置１２と電気的に接続され、これらの機器を制御する装置である。制御部１０は、この他、各電池セル２ａ、各電池モジュール２ｂ、およびアクセル２４の開度を検知するアクセルポジションセンサ２４ａなどと電気的に接続され、モータジェネレータ２０の制御と、各電池セル２ａおよび電池モジュール２ｂの充電率ＳＯＣの取得と電力の入出力の制御と、を実行してもよい。

制御部１０は、実際には、演算装置と、メモリと、入出力バッファ等とを含むマイクロコンピュータによって構成されるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒоｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御部１０は、メモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、バキュームポンプ８ａを制御して電池パック２を減圧する減圧制御を実行する。また、制御部１０は、メモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、後述するウォーターポンプ１２ａを制御して冷媒通路１２ｂに冷媒を流して電池パック２を冷却する液冷制御を実行する。さらに、制御部１０は、メモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、モータジェネレータ２０の制御と、各電池セル２ａおよび電池モジュール２ｂの電力の入出力の制御とを実行してもよい。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。

冷却装置１２は、電池パック２を冷却するための装置である。本実施形態では、冷却装置１２は、ウォーターポンプ１２ａと、冷媒通路１２ｂと、ラジエタ１２ｃと、を有する液冷タイプの冷却装置１２である。図１および図２に示すように、冷媒通路１２ｂは、電池パック２の内部に入り、各電池モジュール２ｂの近傍を通過することによって各電池モジュール２ｂを冷却する通路である。ウォーターポンプ１２ａは、冷媒通路１２ｂに接続され冷媒通路１２ｂの内部に流れる冷媒を吸い上げ、再び冷媒通路１２ｂに送ることで、冷媒通路１２ｂの冷媒を還流させる装置である。ラジエタ１２ｃは、熱交換器およびファンなどを含み、冷媒を外気と熱交換することによって冷媒を冷却する装置である。

湿度取得部１４は、外気の湿度を取得するための装置である。本実施形態では、湿度取得部１４は、空気中の湿度を計測する湿度センサである。しかし、湿度取得部１４は、外気の湿度を取得できればよい。すなわち、湿度取得部１４は、例えば後述する外気温度センサなどで外気の温度を取得し、取得した外気の温度から湿度を推定するプログラムであってもよい。

外気温度取得部１６は、外気の温度を取得するための装置である。本実施形態では、外気温度取得部１６は、空気中の温度を計測する外気温度センサである。

次に、図３のフローチャートを用いて、制御部１０が実行する制御手順について説明する。なお、制御部１０は、図示しないイグニッションスイッチがオンされると制御手順を開始する。

ステップＳ１において、制御部１０は、電池温度取得部６から電池温度ＴＢを取得する。制御部１０は、電池温度ＴＢを取得するとステップＳ２に処理を進める。

ステップＳ２において、制御部１０は、外気温度ＴOが電池温度ＴＢよりも低いか否か判断する。ここで、外気温度ＴOは実際の外気温度取得部１６で取得した温度に対して所定の温度範囲の値であってもよい。所定温度範囲は、例えばプラスマイナス２度などである。外気温度ＴOが電池温度よりも著しく高い場合、電池パック２の内部を冷却することができない。このため、制御部１０は、電池温度ＴＢが外気温度ＴO以下と判断した場合（ステップＳ２ ＹＥＳ）、ステップＳ３に処理を進める。

ステップＳ３において、制御部１０は、各電池モジュール２ｂに要求される電力である要求電力（要求出力の一例）ＢＱを取得し、要求電力ＢＱが所定電力（所定要求出力の一例）ＢＱｔ以上か否か判断する。アクセルポジションセンサ２４ａから取得したアクセル開度Ｔｈが大きいほどモータジェネレータ２０が必要とする電力が増加する。このため、要求電力ＢＱも増加する。したがって、要求電力ＢＱは、例えばアクセルポジションセンサ２４ａから取得したアクセル開度Ｔｈから制御部１０が算出すればよい。各電池モジュール２ｂは要求電力ＢＱが高いほど、発熱しやすくなる。このため、所定電力ＢＱｔは、例えば電池温度ＴＢが所定温度以上上昇すると見込まれる値であればよい。制御部１０は、要求電力ＢＱが所定電力ＢＱｔ未満であると判断した場合（ステップＳ３ ＮＯ）、ステップＳ４に処理を進める。

ステップＳ３において、制御部１０は、要求電力ＢＱが所定電力ＢＱｔ以上であると判断した場合（ステップＳ３ ＹＥＳ）、ステップＳ１１に処理を進め、第１所定温度ＴＢ１を、第１所定温度ＴＢ１よりも低い第２所定温度ＴＢ２に変更し、ステップＳ４に処理を進める。

ステップＳ４において、制御部１０は、ステップＳ１で取得した電池温度ＴＢが第１所定温度ＴＢ１または第２所定温度ＴＢ２以上か否か判断する。すなわち、制御部１０は、電池温度ＴＢが第１所定温度ＴＢ１、または第２所定温度ＴＢ２以上の高温か否か判断する。このとき、第２所定温度ＴＢ２は、第１所定温度ＴＢ１よりも低いため、電池モジュール２ｂがより高温になりやすい要求電力ＢＱが高い状態では、電池温度ＴＢがより低い段階からステップＳ３以降の制御が実行できる。これによって、要求電力ＢＱが高い状態では、より早く電池モジュール２ｂの温度を低下させることができる。

制御部１０は、電池温度ＴＢが第１所定温度ＴＢ１または第２所定温度ＴＢ２以上であると判断した場合（ステップＳ４ ＹＥＳ）、ステップＳ５に処理を進める。

ステップＳ５において、制御部１０は、各電池セル２aまたは各電池モジュールの充電率ＳＯＣを取得し、充電率ＳＯＣが所定充電率ＳＯＣｔより低いか否か判断する。制御部１０は、充電率ＳＯＣが所定充電率ＳＯＣｔよりも低くない（すなわち、充電率ＳＯＣが所定充電率ＳＯＣｔ以上）であると判断した場合（ステップＳ５ ＮＯ）、ステップＳ６に処理を進める。

ステップＳ６において、制御部１０は、外気の湿度Ｈを取得し、外気の湿度Ｈが所定湿度Ｈ１以上か否か判断する。所定湿度Ｈ１は、例えば、電池パック２の内部に外気が混入した場合に、気化潜熱が発生する程度の湿度であればよい。すなわち、外気が乾燥している場合、空気中の水分がなく水分が気化する量が少ない。このため、気化潜熱による電池パック２の内部の温度低下も見込めない。一方、湿度Ｈが所定湿度Ｈ１以上であれば、気化潜熱が期待できる。制御部１０は、湿度Ｈが所定湿度Ｈ１以上であると判断した場合、ステップＳ７に処理を進める。

ステップＳ７において、制御部１０は、減圧制御を実行し電池パック２の内部の圧力を減圧し、外気を通気部４を介して電池パック２に送り込む。このとき電池パック２の内部の温度が気化潜熱によって低下する。制御部１０は、減圧制御を実行するとステップＳ８に処理を進める。

ステップＳ８において、制御部１０は、電池温度ＴＢが低下したか否か判断する。すなわち、気化潜熱によって電池パック２の内部の温度が低下しても、電池温度ＴＢが低下しない場合もある。このため、制御部１０は、電池温度ＴＢが低下している場合は（ステップＳ８ ＹＥＳ）、ステップＳ９に処理を進める。

ステップＳ９において、制御部１０は、電池温度ＴＢが第３所定温度ＴＢ３以下か否か判断する。第３所定温度ＴＢ３は、各電池セル２ａが十分に冷却された際の温度である。制御部１０は、電池温度ＴＢが第３所定温度ＴＢ３以下であると判断した場合（ステップＳ９ ＹＥＳ）、冷却が完了したと判断しステップＳ１０に処理を進める。

ステップＳ１０において、制御部１０は、減圧制御を終了し処理をステップＳ１に戻す。

ステップＳ２において、制御部１０は、電池温度ＴＢが外気温度ＴOより大きいと判断した場合（ステップＳ２ ＮＯ）、ステップＳ１４に処理を進め、ステップＳ３以降の制御を実行せず、冷却装置１２のみによる通常液冷制御を実行する。通常液冷制御は、電池温度ＴＢに応じて冷却装置１２を稼働させ、電池温度ＴＢを低下させる制御である。制御部１０は通常液冷制御を実行するとステップＳ１に処理を戻す。

制御部１０は、ステップＳ４において、電池温度ＴＢが第１所定温度ＴＢ１または第２所定温度ＴＢ２よりも低いと判断した場合（ステップＳ４ ＮＯ）、減圧制御も液冷制御も実行せず、ステップＳ１に処理を戻す。すなわち、制御部１０は、電池セル２ａの冷却は必要ないと判断する。

制御部１０は、ステップＳ５において、充電率ＳＯＣが所定充電率ＳＯＣｔ未満であると判断した場合、ステップＳ１４に処理を進めることによって減圧制御を禁止する。これによって、例えばバキュームポンプ８ａが稼働した場合に電力消費が発生することを抑制する。

制御部１０は、ステップＳ６において湿度Ｈが所定湿度Ｈ１未満であると判断した場合（ステップＳ６ ＮＯ）、ステップＳ１２に処理を進める。すなわち、制御部１０は、外気が乾燥していると判断する。

ステップＳ１２において、制御部１０は、液冷制御を減圧制御に優先して実行する。制御部１０は、液冷制御を実行するとステップＳ１３に処理を進め、電池温度ＴＢが低下したか否か判断する。制御部１０は、電池温度ＴＢが低下したと判断した場合（ステップＳ１３ ＹＥＳ）ステップＳ９に処理を進める。一方、制御部１０は、電池温度ＴＢが低下していないと判断した場合（ステップＳ１３ ＮＯ）、ステップＳ７に進め、減圧制御を実行する。

すなわち、外気が乾燥した状態では減圧制御による気化潜熱があまり期待できない。このため、制御部１０は、まず液冷制御を実行する。しかし、液例制御を実行したものの電池温度ＴＢが低下しない場合、液冷制御をそのまま継続しても電力を消費するだけである。そこで、制御部１０は、電池温度ＴＢが液冷制御によっては低下しない場合は、減圧制御を実行する。これによって、電力の消費を抑えながら効率よく電池セル２ａを冷却できる。

制御部１０は、ステップＳ８において電池温度ＴＢが低下していないと判断した場合、ステップＳ１２に処理を進める。すなわち、制御部１０は、減圧制御を優先して実行したものの、電池温度ＴＢが低下しない場合、液冷制御を併用して電池セル２ａを冷却する。これによって、液冷制御による電力の消費を抑制しながら効率的に電池セル２ａを冷却できる。

制御部１０は、ステップＳ９において電池温度ＴＢが第３所定温度ＴＢ３よりも高い場合、ステップＳ５に処理を進め、引き続き減圧制御および液冷制御のいずれか一方を優先しながら電池セル２ａが第３所定温度ＴＢ３以下となるまで冷却を継続する。

以上説明した通り、本開示によれば、冷却による消費電力を抑制できる電池システム１を提供できる。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。

（ａ）上記実施形態では、冷却装置１２は、液冷タイプを例示したが本開示はこれに限定されない。冷却装置１２は、例えば電池パック２に冷却風を送り、各電池モジュール２ｂを冷却する空冷タイプの冷却装置１２であってもよい。

（ｂ）上記実施形態では、要求出力の一例として要求電力を用いて説明したが、本開示はこれに限定されない。要求出力は、各電池セル２ａおよび各電池モジュール２ｂに要求される負荷を示す値であれば、どのような値であってもよい。例えば、要求出力は、モータジェネレータ２０が発揮する出力を基準として算出した値などであってもよい。

１ ：電池システム
２ ：電池パック
２ａ ：電池セル
４ ：通気部
６ ：電池温度取得部
８ ：減圧部
１０ ：制御部
１２ ：冷却装置
１２ｂ ：冷媒通路
１４ ：湿度取得部
Ｈ ：湿度
Ｈ１ ：所定湿度
ＳＯＣ ：充電率
ＳＯＣｔ ：所定充電率
ＴＢ ：電池温度
ＴＢ１ ：第１所定温度
ＴＢ２ ：第２所定温度

Claims (5)

1. 電池パックと、
   前記電池パックと外気と接続する通気部と、
   前記電池パック内の温度を取得する電池温度取得部と、
   前記電池パック内を減圧する減圧部と、
   取得した前記温度に基づいて、前記減圧部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記減圧部を制御して前記電池パック内を減圧し、前記通気部を介して前記電池パック内に外気を取り込む減圧制御を実行する、
   電池システム。
2. 前記制御部は、前記温度が第１所定温度を超える場合、前記減圧制御を実行する、
   請求項１に記載の電池システム。
3. 前記制御部は、前記電池パックに要求される出力である要求出力が所定要求出力以上の場合、前記第１所定温度を、前記第１所定温度より低い第２所定温度に変更する、
   請求項２に記載の電池システム。
4. 前記電池パックを通過するとともに冷媒が流れる冷媒通路と、
   外気の湿度を取得する湿度取得部と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記冷媒通路に冷媒を流して前記電池パックを冷却する液冷制御を有し、
   前記湿度が所定湿度以上の場合、前記液冷制御に優先して前記減圧制御を実行し、
   前記湿度が前記所定湿度未満の場合、前記減圧制御に優先して前記液冷制御を実行する、
   請求項１に記載の電池システム。
5. 前記制御部は、前記電池の充電率が所定充電率よりも低い場合、前記減圧制御を禁止する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電池システム。