JP5076990B2

JP5076990B2 - バッテリ暖機システム

Info

Publication number: JP5076990B2
Application number: JP2008069464A
Authority: JP
Inventors: 敏伸穂満
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: JP2009224256A

Description

本発明は、ハイブリッド自動車等の電気自動車のバッテリ暖機システムに関する。

近年、環境に配慮した自動車として、ハイブリッド自動車等の電気自動車が注目されている。ハイブリッド自動車の一部及び電気自動車は、車両外部の商用電源等を用いて走行用モータに電力を供給するバッテリの充電が可能となっている（プラグイン方式）。このハイブリッド自動車等に化学反応による充放電を行なうバッテリを適用する場合、極低温環境下においてバッテリの化学反応特性の低下により、バッテリの充放電性能が低下し、車両走行性能の低下や一回の充電で走行できる距離が短くなるという問題があった。そこで、例えば特許文献１では、バッテリ周辺にＰＴＣヒータを設置して、商用電源によるバッテリの充電時にＰＴＣヒータに通電することで、バッテリを暖機している（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−２２８４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のバッテリ保温装置では、バッテリ暖機のための暖機専用の電気ヒータを設置する必要があり、車両を構成する電気部品等の増加によりコスト高になるという問題があった。

本発明は、上記点に鑑み、バッテリ暖機専用の電気ヒータを設けることなく、バッテリの暖機を行なうことができるバッテリ暖機システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、車両を走行させる走行用電動モータ（１０）と、車両を走行させるエンジン（２０）と、車両停止中に外部電源（１００）との接続によりモータ駆動用バッテリ（１１）を充電することが可能な外部電源接続手段（１６）と、空気通路を形成する空調ケース（３０１）、空調ケース（３０１）内に配置され、エンジン（２０）の排熱により加熱されたエンジン冷却水により車室内へ吹き出される空気を加熱する加熱用熱交換器（３０７）、加熱用熱交換器（３０７）にエンジン冷却水を循環させる循環回路を含んで構成される空調装置（３０）と、循環回路に設けられ、通電により発熱してエンジン冷却水を加熱する暖房用電気ヒータ（４０６）と、循環回路に設けられ、モータ駆動用バッテリ（１１）に隣接して設けられた熱交換器（１１ａ）と、循環回路におけるエンジン冷却水の流路を切り替える切替弁（４０４、４０７）と、を備え、車両停止中において、外部電源接続手段（１６）によってモータ駆動用バッテリ（１１）が充電されている際に、モータ駆動用バッテリ（１１）の温度が所定温度以下となった場合には、暖房用電気ヒータ（４０６）が通電されると共に、切替弁（４０４、４０７）が、エンジン（２０）→暖房用電気ヒータ（４０６）→加熱用熱交換器（３０７）→熱交換器（１１ａ）→エンジン（２０）へとエンジン冷却水が流れるように、循環回路におけるエンジン冷却水の流路を切り替えることを特徴とする。

このように、モータ駆動用バッテリ（１１）が充電されている間、暖房用電気ヒータ（３０７ａ、４０６）の熱により、モータ駆動用バッテリ（１１）を暖機させることで、バッテリ暖機専用の電気ヒータを設けることなくモータ駆動用バッテリ（１１）の暖機を行なうことができる。

また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、外部電源（１００）から暖房用電気ヒータ（４０６）に供給される電力量を制御する電力調整手段（１２）を備え、電力調整手段（１２）は、外部電源（１００）から供給された電力量を、少なくともモータ駆動用バッテリ（１１）の充電用電力と暖房用電気ヒータ（４０６）での加熱用電力に配分するように構成してもよい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図２に基づいて説明する。本実施形態のバッテリ暖機システムは、ハイブリッド自動車に搭載されるモータ駆動用バッテリを暖機するものであり、図１は、バッテリ暖機システムの全体構成を示す模式図である。

ハイブリッド自動車には、走行用駆動源として走行用電動モータ１０、エンジン（水冷エンジン）２０、車室内を空調する空調装置３０、エンジンを冷却する冷却水システム４０等が搭載されている。走行用電動モータ１０、エンジン２０は、走行用駆動源を構成し、それらの駆動力は変速機（図示せず）を介して車両の駆動輪（図示せず）に伝達される。

走行用電動モータ１０には、モータ駆動用の電源であるモータ駆動用バッテリ１１からインバータ１２を介して電力が供給される。インバータ１２は、モータ駆動用バッテリ１１や補助バッテリ１３の直流電圧を交流電圧に変換するもので、後述する制御装置５０からの制御指令により交流電圧の周波数を変化させて走行用電動モータ１０の回転数等を制御するものである。

また、空調装置３０は、車室内に吹き出す空気の流路を構成する空調ケース３０１を有し、空調ケース３０１の空気流れ上流側部位には、車室内空気を導入する内気導入口３０２及び車室外空気を導入する外気導入口３０３が形成されている。これら導入口３０２、３０３は内外気切替ドア３０４により選択的に開閉される。各導入口３０２、３０３の空気流れ下流側には、空気を送風する遠心式の送風機３０５が設けられている。

送風機３０５の空気流れ下流側には、送風機３０５から送風された空気を冷却する蒸発器３０６が配置されている。ここで、蒸発器３０６は、冷凍サイクル（図示せず）の構成要素の一つであり、周知の如く、蒸発器３０６に流入した低圧冷媒が蒸発する際に送風機３０５によって送風された送風空気から吸熱して送風空気を冷却するものである。蒸発器３０６の下流側には、蒸発器３０６通過後の空気（冷風）を加熱するヒータコア３０７が配置されている。

ヒータコア３０７は、エンジン冷却水を熱源として、蒸発器３０６通過後の空気（冷風）を再加熱する加熱用熱交換器である。また、空調ケース３０１内部のヒータコア３０７の側方には、蒸発器３０６通過後の空気（冷風）がヒータコア１０７をバイパスして通過するバイパス通路３０８が形成されている。

蒸発器３０６とヒータコア３０７との間には、エアミックスドア３０９が配置されている。このエアミックスドア３０９は、空調ケース３０１内に回転自在に配置されており、サーボモータ（図示せず）によって駆動されて、その回転位置（開度）が連続的に調整できるようになっている。従って、エアミックスドア３０９の開度によって、ヒータコア３０７を通過する空気とバイパス通路３０８を通過する空気との風量割合が調整され、風量割合の調整によって車室内吹出空気温度が調整される。

そして、空調ケース３０１の最下流側部位には、車室内乗員の上半身に空調空気を吹き出すためのフェイス吹出口３１０と、車室内乗員の足元に空気を吹き出すためのフット吹出口３１１と、フロントガラス３１３の内面に向かって空気を吹き出すためのデフロスタ吹出口３１２とが形成されている。そして、上記各吹出口３１０〜３１２の空気流れ上流側部位には、各吹出口３１０〜３１２を開閉制御する吹出モード切換ドア３１４〜３１６が配設されている。

次に、エンジン冷却システム４０について説明する。本実施形態におけるエンジン２０は、水冷式であり、その冷却水（熱冷媒）をラジエータ４０１にて冷却するシステムとなっている。ラジエータ４０１は、エンジン２０の排熱と熱交換して高温となった冷却水を外気と熱交換させて冷却する熱交換器である。

エンジン２０とラジエータ４０１は、エンジン２０とラジエータ４０１との間で閉回路を形成する第１冷却水回路Ａによって接続されている。第１冷却水回路Ａには、エンジン２０の動力により機械的に駆動されて第１冷却水回路Ａ等に冷却水を循環させる第１循環ポンプ４０２が設けられている。そして、第１冷却水回路Ａ内の冷却水は、エンジン２０の冷却水出口２１からラジエータ４０１を経由してエンジン２０の冷却水入口２２に循環するようになっている。

第１冷却水回路Ａの途中には、ラジエータ４０１を迂回させて冷却水を流通させるバイパス回路Ｂが、第１冷却水回路Ａに対して並列に接続されている。そして、第１冷却水回路Ａとバイパス回路Ｂとの間に設けられたサーモスタット４０３により、バイパス回路Ｂに冷却水を流通させる場合とラジエータ４０１に冷却水を流通させる場合との切替制御がなされる。サーモスタット４０３は冷却水温度応動弁であり、周知のごとくサーモワックス（感温部材）の温度による体積変化を利用して弁体を変位させて冷却水通路を開閉する。

また、第１冷却水回路Ａには、エンジン２０により加熱された冷却水をヒータコア３０７に流通させる第２冷却水回路Ｃが設けられている。第１冷却水回路Ａと第２冷却水回路Ｃとの間には、第１冷却水回路Ａに冷却水を流通させる場合と第２冷却水回路Ｃに冷却水を流通させる場合とを切替える第１切替弁４０４が設けられている。

そして、第２冷却水回路Ｃにおけるヒータコア３０７と第１切替弁４０４との間には、冷却水をヒータコア３０７に循環させる第２循環ポンプ４０５が設けられている。また、第２冷却水回路Ｃにおける、第２循環ポンプ４０５の冷媒流れ下流側に冷却水を加熱する暖房用電気ヒータとして水加熱式電気ヒータ４０６が設けられている。

水加熱式電気ヒータ４０６は、エンジン冷却水温度が低く、ヒータコア３０７で空気の加熱不足が生じる場合等に、エンジン冷却水を加熱するためのヒータである。ここで、水加熱式電気ヒータ４０６は、モータ駆動用バッテリ１１等を介して通電され、ヒータコア３０７等を流通する冷却水を加熱するために設けられている。

第２冷却水回路Ｃにおけるヒータコア３０７の冷媒流れ下流側は、水加熱式電気ヒータ４０６により加熱された冷却水を、モータ駆動用バッテリ１１に隣接して設けられた熱交換器１１ａに流通させるバッテリ暖機回路Ｄが設けられている。なお、第１、第２冷却水回路Ａ、Ｃ、バッテリ暖機回路Ｄ、バイパス回路Ｂにより冷却水の循環回路が構成されている。

第２冷却水回路Ｃとバッテリ暖機回路Ｄとの間には、バッテリ暖機回路Ｄに冷却水を流通させる場合と、バッテリ暖機回路Ｄに冷却水を流通させない場合とを切替える第２切替弁４０７が設けられている。

ここで、バッテリ暖機回路Ｄは、第２切替弁４０７の冷媒流れ下流側で第２冷却水回路Ｃと接続され、第２冷却水回路Ｃは、第１切替弁４０４の冷媒流れ下流側で第１冷却水回路Ａと接続されている。

また、ハイブリッド自動車は、制御装置５０を備えている。制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。制御装置５０は、センサ群からの各出力信号に基づいて、車両の電気機器、すなわち、走行用電動モータ１０、インバータ１２、エンジン２０、空調装置３０、第１、第２循環ポンプ４０２、４０５、第１、第２切替弁４０４、４０７等へ制御量を出力（制御出力）して作動を制御する。

制御装置５０の入力側にはセンサ群からセンサ検出信号が入力され、操作パネル（コントロールパネル）１５に設けられた各種スイッチ等から操作信号が入力される。センサ群としては、第１、第２冷却水温度センサ４０８、４０９、バッテリ温度センサ１１ｂ、蒸発器出口側温度センサ４２、空調用センサ１４等が設けられている。

ここで、第１冷却水温度センサ４０８は、第１冷却水回路Ａのエンジン２０の冷却水出口２１に設けられ、冷却水出口２１から吐出された直後の冷却水温度を検出するセンサである。また、第２冷却水温度センサ４０９は、第２冷却水回路Ｂの水加熱式電気ヒータ４０６下流側に設けられ、水加熱式電気ヒータ４０６で加熱された冷却水の温度を検出するセンサである。バッテリ温度センサ１１ｂは、モータ駆動用バッテリ１１の温度を検出するセンサである。また、空調用センサ１４は、車室内温度、車室外温度を検出する温度センサ、日射センサ等のセンサで構成されている。

また、ハイブリッド自動車には、車両停車中に外部電源（商用電源）から補助バッテリ１３、モータ駆動用バッテリ１１に電力供給が可能な構成となっている。具体的には、外部電源と接続可能なコンセント１６、コンバータ１７等からなる外部電源接続装置（外部電源接続手段）を備えている。

外部電源１００としては、例えば、車庫に設けられた商用電源を用いることができる。車両停車中に外部電源から電力供給されている場合は、モータ駆動用バッテリ１１、インバータ１２等を介して電気機器への電力が供給されるように構成されている。

ここで、外部電源１００から電力供給されている場合、制御装置１００は、モータ駆動用バッテリ１１の充電状態、第２冷却水温度センサ４０９等からの制御信号に基づいて、外部電源１００から供給された電力量をインバータ１２によりモータ駆動用バッテリ１１の充電量電力、水加熱式電気ヒータ４０６での加熱用電力に適切に配分するように構成されている。なお、制御装置５０、インバータ１２が、電力調整手段を構成している。

以下、上記構成のバッテリ暖機システムの作動について図２に基づいて説明する。図２は、バッテリ暖機システムの作動を示すフローチャートである。なお、車両は、運転停止状態にあるものとする。

まず、外部電源１００に外部電源接続装置が接続され、外部電源１００からモータ駆動用バッテリ１１と補助バッテリ１３に電力が供給されているか否かを判定する（Ｓ１００）。外部電源１００から電力が供給されていると判定された場合は、バッテリ温度センサ１１ｂによりモータ駆動用バッテリ１１の温度が検出される（Ｓ２００）。

そして、検出されたモータ駆動用バッテリ１１の温度が所定温度以下であるか否かを判定する。モータ駆動用バッテリ１１の温度が所定温度以下と判定された場合は、エンジン冷却システム４０の冷却水の流路が切替えられる（Ｓ３００）。

具体的に、冷却水の流路の切替は、第１切替弁４０４を第２冷却水回路Ｃに冷却水が流通するように切替えられ、また、第２切替弁４０７をバッテリ暖機回路Ｄに冷却水が流通するように切替えられる。すなわち、エンジン冷却水がモータ駆動用バッテリ１１に隣接配置された熱交換器１１ａ内を流通するように第１、第２切替弁４０４、４０７が制御される。

第１、第２切替弁４０４、４０７の切替後、第２冷却水回路Ｃに設けられた水加熱式電気ヒータ４０６にインバータ１２を介してモータ駆動用バッテリ１１からの通電がなされる（Ｓ５００）。水加熱式電気ヒータ４０６への通電により、第２冷却水回路Ｃ内の冷却水が加熱される。

ここで、インバータ１２では、制御装置５０からの制御信号により、外部電源１００から供給された電力量を、水加熱式電気ヒータ４０６への通電量（加熱用量電力）とモータ駆動用バッテリ１１への充電用電力等に適切に配分させている。これにより、限られた外部電源１００から供給された電力量を有効に利用することができる。

そして、第１、第２循環ポンプ４０２、４０５の運転が開始される（Ｓ６００）。第１、第２循環ポンプ４０２、４０５の運転が開始されることで、バッテリ暖機回路Ｄに水加熱式電気ヒータ４０６で加熱された冷却水が流通する。すなわち、水加熱式電気ヒータ４０６で加熱された冷却水が、モータ駆動用バッテリ１１に隣接配置された熱交換器１１ａ内を流通して、モータ駆動用バッテリ１１を暖機することができる。

ここで、外部電源からの電力供給がなされていない場合（Ｓ１００：ＮＯ）、モータ駆動用バッテリ１１が所定温度に達した場合（Ｓ３００：ＮＯ）には、第１、第２循環ポンプ４０２、４０５の運転停止、水加熱式電気ヒータ４０６への通電を停止して（Ｓ７００）、モータ駆動用バッテリ１１の暖機を終了する。

以上説明したように、空調装置３０のヒータコア３０７に流入させる冷却水を加熱するための水加熱式電気ヒータ４０６の熱により、モータ駆動用バッテリ１１を暖機させることができるため、バッテリ暖機専用の電気ヒータを設けることなくモータ駆動用バッテリ１１の暖機を行なうことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。ここで、図３は、本実施形態のバッテリ暖機システムの主要構成を示す模式図である。

本実施形態では、第１実施形態のようにエンジン冷却水を加熱するために第２冷却水回路Ｃに水加熱式電気ヒータ４０６を設ける構成ではなく、空調ケース３０１内においてヒータコア３０７の空気流れ下流側に暖房用電気ヒータとして空気加熱式電気ヒータ３０７ａを配置する構成としている。

空気加熱式電気ヒータ３０７ａは、エンジン冷却水温度が低く、ヒータコア３０７で空気の加熱不足が生じる場合等に、蒸発器３０６を通過した冷風を加熱するための補助ヒータとして機能している。

また、空調ケース３０１における空気加熱式電気ヒータ３０７ａの空気流れ下流側には、バッテリ用吹出口３１７が形成されている。そして、バッテリ用吹出口３１７を開閉制御する吹出モード切替ドア３１８が配設されている。

バッテリ用吹出口３１７は、吹出ダクト３１９を介してモータ駆動用バッテリ１１に向けて空気を吹き出すように形成されている。

本実施形態の作動としては、外部電源１００から電力供給され、バッテリ温度センサ１１ｂで検出されたモータ駆動用バッテリ１１の温度が所定温度よりも低い場合に、吹出モード切替ドア３１８によりバッテリ用吹出口３１７を開放状態にする。

そして、空気加熱式電気ヒータ３０７ａにインバータ１２を介してモータ駆動用バッテリ１１からの通電がなされるとともに、送風機３０５が作動される。送風機３０５からの送風空気は、蒸発器３０６、ヒータコア３０７を介して空気加熱式電気ヒータ３０７ａで加熱され、バッテリ用吹出口３１７からモータ駆動用バッテリ１１に向けて吹き出される。そして、モータ駆動用バッテリ１１は、空気加熱式電気ヒータ３０７ａで加熱された空気により暖機される。ここで、エアミックスドア３０９の開度は、最大暖房位置（図中実線位置）に制御されている。

このように、空調装置３０のヒータコア３０７の空気流れ下流側に設けられた空気加熱式電気ヒータ３０７ａの熱により、モータ駆動用バッテリ１１を暖機させることができるため、バッテリ暖機専用の電気ヒータを設けることなくモータ駆動用バッテリ１１の暖機を行なうことができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、ハイブリッド自動車に搭載されるモータ駆動用バッテリ１１を暖機するバッテリ暖機システムについて説明したが、走行用電動モータ１０のみを有する電気自動車に適用してもよい。この場合、第１実施形態においては、エンジン冷却水回路に代えて、インバータ１２、走行用電動モータ１０の冷却水回路内に水加熱式電気ヒータを設ける構成とすればよい。

（２）上述の実施形態では、バッテリ温度センサ１１ｂにより検出されたモータ駆動用バッテリ１１の温度に基づいて、モータ駆動用バッテリ１１の暖機を行なうか否かを判定しているが、これに限定されるものではない。例えば、車室外温度やエンジン冷却水温度に基づいてモータ駆動用バッテリ１１の暖機を行なうか否かを判定してもよい。

（３）上述の実施形態では、車室内空調用の水加熱式電気ヒータ４０６や空気加熱式電気ヒータ３０７ａの熱により、モータ駆動用バッテリ１１を暖機する例について説明したが、車室内空調用の暖房用電気ヒータに限定されるものではない。例えば、暖房用電気ヒータとして、乗員が座るシートの面上に設けられたシートヒータや乗員の下半身を暖める輻射式の電気ヒータ等の熱により、モータ駆動用バッテリ１１を暖機してもよい。

（４）上述の実施形態では、車両停車中に外部電源から電力供給されている場合は、モータ駆動用バッテリ１１等を介して、暖房用電気ヒータ等の電気機器への電力が供給される旨を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、外部電源からの電力を、モータ駆動用バッテリ１１を介さず、コンバータ１７（外部電源接続装置）から直接インバータ１２に供給してもよい。

（５）上述の第２実施形態では、空気加熱式電気ヒータ３０７ａで加熱された空気を、バッテリ用吹出口３１７からモータ駆動用バッテリ１１に向けて直接吹き出す構成としているが、吹出ダクト３１９に整流板等を設け、空気加熱式電気ヒータ３０７ａで加熱された空気を整流させた状態で、モータ駆動用バッテリ１１に吹き出してもよい。

第１実施形態に係るバッテリ暖機システムの全体構成を示す模式図である。第１実施形態に係るバッテリ暖機システムの作動を示すフローチャートである。第２実施形態に係るバッテリ暖機システムの概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１０走行用電動モータ
１１モータ駆動用バッテリ
１６外部電源接続手段
１００外部電源
３０７ａ空気加熱式電気ヒータ
４０６水加熱式電気ヒータ

Claims

車両を走行させる走行用電動モータ（１０）と、
車両を走行させるエンジン（２０）と、
車両停止中に外部電源（１００）との接続により前記モータ駆動用バッテリ（１１）を充電することが可能な外部電源接続手段（１６）と、
空気通路を形成する空調ケース（３０１）、前記空調ケース（３０１）内に配置され、前記エンジン（２０）の排熱により加熱されたエンジン冷却水により車室内へ吹き出される空気を加熱する加熱用熱交換器（３０７）、前記加熱用熱交換器（３０７）に前記エンジン冷却水を循環させる循環回路を含んで構成される空調装置（３０）と、
前記循環回路に設けられ、通電により発熱して前記エンジン冷却水を加熱する暖房用電気ヒータ（４０６）と、
前記循環回路に設けられ、前記モータ駆動用バッテリ（１１）に隣接して設けられた熱交換器（１１ａ）と、
前記循環回路における前記エンジン冷却水の流路を切り替える切替弁（４０４、４０７）と、を備え、
前記車両停止中において、前記外部電源接続手段（１６）によって前記モータ駆動用バッテリ（１１）が充電されている際に、前記モータ駆動用バッテリ（１１）の温度が所定温度以下となった場合には、前記暖房用電気ヒータ（４０６）が通電されると共に、前記切替弁（４０４、４０７）が、前記エンジン（２０）→前記暖房用電気ヒータ（４０６）→前記加熱用熱交換器（３０７）→前記熱交換器（１１ａ）→前記エンジン（２０）へと前記エンジン冷却水が流れるように、前記循環回路における前記エンジン冷却水の流路を切り替えることを特徴とするバッテリ暖機システム。
前記外部電源（１００）から前記暖房用電気ヒータ（４０６）に供給される電力量を制御する電力調整手段（１２）を備え、
前記電力調整手段（１２）は、前記外部電源（１００）から供給された電力量を、少なくとも前記モータ駆動用バッテリ（１１）の充電用電力と前記暖房用電気ヒータ（４０６）での加熱用電力に配分することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ暖機システム。