JP2015191703A - 電池温度調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池を蓄熱部として空調に有効活用することによって、走行可能距離を延ばすことができる車載の電池温度調節装置を提供する。【解決手段】電池温度調節装置は、空調装置１の冷媒と電池３０との間で熱交換可能に構成された電池熱交換部１６と、電池熱交換部１６へ供給する冷媒の状態を変更する膨張弁１５と、電池３０の目標温度に応じて膨張弁１５を制御し、電池の温度を制御する制御部２４とを備える。制御部２４は、空調装置１で暖房を行なう場合に空調装置１の暖房性能が不足するか否かを判断し、暖房性能が不足する場合には電池３０の目標温度を下げて電池の熱を冷媒に移動させるように膨張弁１５を制御する。【選択図】図１

Description

この発明は、電池温度調節装置に関し、特に空調装置の冷媒を温度調節に用いる電池温度調節装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車には、走行用モータに電力を供給する走行用電池が搭載されている。電池は、適温で充放電を行なわないと充分に性能を発揮できなかったり、寿命に悪影響を与えたりするので、このような車両には電池用の温度調節装置が搭載されている。

国際公開第２０１２／００４９２６号パンフレットには、電池冷却装置が開示されている。この電池冷却装置は、空調用の冷凍サイクルの冷媒を電池の冷却にも使用している。

国際公開第２０１２／００４９２６号パンフレット

上記国際公開第２０１２／００４９２６号パンフレットに記載された電池冷却装置では、電池の熱は冷却されることによって捨てられており、この熱を有効利用することについては十分な検討がなされていない。

外気温が低い環境下における電気自動車は、電池の暖機や車室内暖房などに非常に大きな電力を消費しており、走行可能距離が大幅に短縮されるなど問題となっている。暖房負荷は、走行負荷と同じ程度の大きな負荷（数ｋＷ）である。常温では、空調装置は、ヒートポンプエアコンによって、消費電力に対して数倍の熱を効率よく発生することができる。しかし、一般的に、ヒートポンプエアコンは、気温の低下に伴い性能および効率が低下する。このため極低温下の暖房では、空調装置は、ヒートポンプよりも効率の劣る電気ヒータに頼るしかなく、暖房の効率が悪化し得る。また、電気ヒータなどの使用電力増加に伴い、電池温度が上昇し、逆に電池の冷却が必要になるなど、熱や電気が無駄になっている。

特に、電気自動車やエンジン停止時のハイブリッド自動車は、車内暖房にエンジンの排熱が利用できないので、電池に保持している電気エネルギーを車内暖房に使用しなければならず、電池に蓄えた電力での走行可能距離が短縮されてしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電池を蓄熱部として空調に有効活用することによって、走行可能距離を延ばすことができる車載の電池温度調節装置を提供することである。

この発明は、要するに、空調装置と、車両外部から充電が可能に構成された電池とを含む車両に搭載される電池温度調節装置であって、空調装置の冷媒と電池との間で熱交換可能に構成された電池熱交換部と、電池熱交換部へ供給する冷媒の状態を変更する膨張弁と、電池の目標温度に応じて膨張弁を制御し、電池の温度を制御する制御部とを備える。制御部は、空調装置で暖房を行なう場合に空調装置の暖房性能が不足するか否かを判断し、暖房性能が不足する場合には電池の目標温度を下げて電池の熱を冷媒に移動させるように膨張弁を制御する。

上記の構成によれば、電池の目標温度を一律に設定するのではなく、空調装置の暖房性能の変動に合わせて電池の目標温度を変化させることによって、必要に応じて電池の熱を空調装置の冷媒に移すことができる。このため、無駄な電池の冷却や、効率の悪い電気ヒータでの暖房などを避けることができ、消費電力が低減し、電池で走行可能な距離が延びる。

本発明によれば、電池に蓄えられた熱を空調に有効活用するので、電池に蓄えた電力での走行可能距離を延ばすことができる。

本発明の実施の形態の電池温度調節装置が適用される空調装置の構成を示したブロック図である。 制御部による電池の目標温度の設定処理を示したフローチャートである。 第１の制御例における電池上限温度および下限温度の設定と外気温の関係について示した図である。 第２の制御例における電池上限温度と下限温度の設定と外気温の関係について示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態の電池温度調節装置が適用される空調装置の構成を示したブロック図である。図１を参照して、空調装置１は、圧縮機１２と、ヒータ（凝縮器:コンデンサ）１４と、電気式膨張弁１５と、電池熱交換器１６と、アキュームレータ１８と、膨張弁２０と、蒸発器（エバポレータ）２２と、電池温度センサ２５と、外気温センサ２６と、制御部２４とを含む。制御部２４は、制御信号ＣＳ１，ＣＳ２をそれぞれ圧縮機１２および電気式膨張弁１５に出力し、これらを制御している。

本実施の形態では、電池温度調節装置は、車両外部から充電が可能に構成された電池３０を含む車両の空調装置１に組み込まれており、空調装置１の構成要素と連結されている。本実施の形態では、電池温度調節装置は、電気式膨張弁１５と、電池熱交換器１６と、電池温度センサ２５と、外気温センサ２６とを含んで構成される。

また、図１には、説明の簡単のために、暖房に関する構成のみが示されている。暖房では、車内に配置されるヒータ１４と車外に配置される蒸発器２２とを使用する。通常は、ヒートポンプを利用する空調装置１は、図示しない切替弁、熱交換器（車内蒸発器、車外凝縮器）、バイパス流路などをさらに含み、これらによって、圧縮機１２から送出される冷媒を冷房にも使用する構成となっている。

次に、図１の構成において暖房が実行される場合の冷媒の流れについて簡単に説明する。圧縮機１２で圧縮された冷媒は、室内に配置されたヒータ１４に送出される。ヒータ１４を通過し熱を放出して低温となった冷媒は、膨張弁２０を通過する。膨張弁２０を通過した冷媒は、蒸発器２２を流れ気化することによって車外空気から熱を吸収する。膨張弁２０の開度は、蒸発器２２の出口付近の冷媒温度に応じて決定される。蒸発器２２を通過した冷媒は、アキュームレータ１８に送られて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機１２に送られる。

図１に示した例は、以上の基本構成に加えて、中間圧の冷媒の一部がヒータ１４の出口部分からアキュームレータに直接送出する中間圧力ラインを設けたガスインジェクションサイクルの構成の空調システムである。ガスインジェクションサイクルは、高温高圧のヒータ１４（コンデンサ）を通過した後、膨張弁２０で冷媒を膨張させる前の中間圧部分の冷媒の一部をアキュームレータ１８に戻す構成である。中間圧部分の冷媒は、蒸発器２２を通過した冷媒よりも密度が高いので、冷媒の流量を増加させることができる。これにより、低温時にも圧縮機１２に入るガスが増えることにより暖房能力が向上する。本実施の形態では、中間圧力ラインに電気式膨張弁１５と、電池熱交換器１６とが配置されている。

一般のエンジンを搭載する車両では、エンジン廃熱を利用するためにヒータコアと呼ばれる熱交換器を車室内に入れて暖房熱源としているが、電気自動車等で暖房に使用されるヒートポンプではコンデンサ（図１ではヒータ１４として示す）を車室内に入れて暖房熱源としている。

しかし、ヒートポンプによる暖房を行なう車両であっても、極低温下ではヒートポンプの性能が低下するので、ヒートポンプよりも効率の劣る電気ヒータに頼るしかなく、暖房の効率が悪化し得る。また、電気ヒータなどの使用電力増加に伴い、電池温度が上昇し、逆に電池の冷却が必要になる。すなわち、暖房のために電気ヒータによって電力を使用し、電気ヒータの電力使用に伴い電池が発熱しこれを冷却するためにさらに電力を使用するなど、熱や電気が無駄になっている。

そこで、本実施の形態の空調装置１は、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車など、大容量電池を使用する車両において、電池の持つ大きな熱容量を生かし、電池を蓄熱器として使用する。本実施の形態では、低温時にも暖房能力が高いガスインジェクションサイクル空調システムに電池熱交換器１６を組み入れ、電池温度を制御する。

具体的には、ガスインジェクション（中間圧力）ラインに電池熱交換器１６を設置し、電池３０を蓄熱器として利用する。そして、急速充電時の電池３０での発熱、および走行中の電池３０の余剰の熱を、電池３０に蓄える。制御部２４は、電池熱交換器１６上流に設置した電気式膨張弁１５によって、冷媒と電池３０との間の吸熱／放熱を切替えることができ、電池の温度または電池熱交換器１６の出口の冷媒温度を適宜変更可能である。制御部２４は、電池３０の目標温度を可能な範囲で上げることにより、暖房性能不足が予測される時などに、暖房開始前に必要に応じて電池３０への蓄熱を可能としている。そして、暖房開始時に電池３０の目標温度を下げることによって電池３０の熱を冷媒に移動させて、暖房性能不足時の空調装置１の暖房性能を向上させることができる。

次に、制御部２４がどのように電池３０の目標温度を設定するかについての詳細を述べる。

図２は、制御部２４による電池の目標温度の設定処理を示したフローチャートである。図１、図２を参照して、まず、制御部２４は、ステップＳ１において、電池目標温度の計算を行なう。制御部２４は、初回は常温での初期値に電池目標温度を設定する。

続いて、ステップＳ２において、制御部２４は、車速センサ２７によって検出された車速に基づいて車両が走行中であるか否かを判断する。車速＞０である場合には、制御部２４は、車両が走行中である（Ｓ２でＹＥＳ）と判断し処理をステップＳ３に進める。また制御部２４は、車速＝０である場合には、車両が走行中でない（Ｓ２でＮＯ）と判断する。

次に、ステップＳ３において、制御部２４は、車両において暖房が使用中であるか否かを判断する。たとえば、制御部２４は、空調装置１の図示しない操作パネルの設定などを読み取って、暖房が使用中であるか否かを判断する。暖房が使用中である場合には、制御部２４はステップＳ４に処理を進める。

ステップＳ４では、制御部２４は、空調装置の暖房性能が不足しているか否かを判断する。具体的には、制御部２４は、吹出温センサ２８で検出された空調装置１から室内への吹き出し空気温が目標温度よりも低い場合には、暖房性能が不足していると判断し（Ｓ４でＹＥＳ）処理をステップＳ６に進める。ステップＳ６では、制御部２４は下限値を限度として電池３０の目標温度を下げる。目標温度が下がると、制御部２４は電気式膨張弁１５の開度を変更して、冷媒の霧化および電池熱交換器１６での冷媒の気化によって、冷媒の温度を下げて電池３０の熱を移動させる。これにより冷媒に熱が移動するので、暖房性能の不足を補うことができる。一方、吹き出し空気温が目標温度以上である場合には、暖房性能が適正であると判断する（Ｓ４でＮＯ）。

ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４のいずれかでＮＯと判断された場合には、制御部２４は、処理をステップＳ５に進める。たとえば、駐車時に外部から電池３０を充電している時や、走行中であっても暖房を使用していない時や、暖房使用中であっても吹出し温が空調装置の設定温度よりも高い時にはステップＳ５に処理が進められる。ステップＳ５では、制御部２４は、電池３０への蓄熱の要否を判断する。具体的には、制御部２４は、外気温センサ２６で検出された外気温がしきい値より低い場合には蓄熱要と判断し（Ｓ５でＹＥＳ）、外気温がしきい値以上である場合には蓄熱不要と判断する（Ｓ５でＮＯ）。

制御部２４は、ステップＳ５でＹＥＳと判断した場合、ステップＳ７に処理を進め上限値を限度として電池目標温度を上昇させる。電池温度を上げるには、基本的には制御部２４が電気式膨張弁１５を操作して冷媒を止めるなどして、電池を冷却せずに自己発熱で電池温度を上昇させる。充電時には充電電流が、放電時には放電電流が流れることによって電池が自己発熱する。たとえば、非走行時（Ｓ２でＮＯ）であれば外部充電時や駐車時の電気負荷使用時などが、電池の自己発熱時に想定される。一方、制御部２４は、ステップＳ５でＮＯと判断し場合、ステップＳ８に処理を進めるが、この場合には電池目標温度を現状のまま変更しない。

このようにして定められた電池目標温度と電池温度センサ２５で検出された電池温度との差が小さくなるように、制御部２４は、圧縮機１２のモータ回転速度と電気式膨張弁１５の開度とを制御する。

以上説明したように、制御部２４は、電池からの放熱の要否を判断し（Ｓ２〜Ｓ４）、電池から冷媒へ放熱用の場合には電池温度を下げる。一方で、制御部２４は、外気温から、蓄熱要否を判断して電池目標温度を変更する（Ｓ５，Ｓ７，Ｓ８）。制御部２４は、電池目標温度を変えることによって電池への蓄熱および電池からの放熱を行ない、電池の熱を利用可能にする制御を行なう。外気温が低い場合（停車充電時も含む）、電池目標温度を上げ、走行や充電時の熱を電池に蓄熱する。低温始動時や暖房性能不足の場合の暖房立ち上がり時に（Ｓ２〜Ｓ４でＹＥＳ）、電池温度を下げ、熱を冷媒へ放出させ（Ｓ６）暖房に利用する。この時、制御部２４は、電池の目標温度に応じて電池熱交換器１６への冷媒の流量や状態変化を制御し、電池の温度を制御する。また、制御部２４は、圧縮機１２の吸入密度を上げ、暖房性能および効率を向上させる。

続いて、具体的な電池温度制御の例を２つ説明する。図３は、第１の制御例における電池上限温度および下限温度の設定と外気温の関係について示した図である。図４は、第２の制御例における電池上限温度と下限温度の設定と外気温の関係について示した図である。

電池温度目標は、一般的に、電気出力確保の面から下限温度が決められ、寿命の面から上限温度が決められている。ヒートポンプに電池の温度調節装置が組み込まれていない通常の車両では、線Ｔ０に示すように、外気温が５℃以下の低温時には寿命面から決まる下限値付近（５〜１０℃の中間付近）に電池温度が制御される。

図３に示すように、外気温が低い時（図３では１５℃以下）には、制御部２４は、電池上限温度を上限温度ＴＵ１（２０℃付近）とし、電池下限温度を下限温度ＴＬ１（１５℃付近）に上げて、この間の温度範囲に電池温度を維持させ、停車時や充電時に電池に蓄熱を行なっておく（図２のＳ７に相当する）。

また車両の再始動時には、電池温度を下げるために、電池上限温度を上限温度ＴＵ２（１０℃付近）に下げるとともに、下限温度を下限温度ＴＬ２（５℃付近）に戻し、この間の温度範囲に電池温度を維持させる（図２のＳ６に相当する）。通常は、電池温度は下限値付近になる場合が多く、再始動直後には、図３中の矢印で示す下限値の変化幅（ＴＬ１−ＴＬ２）に応じた熱量が電池から冷媒へ放熱される。

すなわち、制御部２４が、図２のフローチャートの処理を行なう際に、外気温と電池の上限および下限温度との関係を定めたマップを使用して、Ｓ５、Ｓ７，Ｓ８の処理に代えて電池上限温度、電池下限温度をそれぞれＴＵ１，ＴＬ１に設定する処理としても良く、Ｓ６の処理に代えて電池上限温度、電池下限温度をそれぞれＴＵ２，ＴＬ２に設定する処理としても良い。

図４に示す第２の制御例においても、制御部２４が、図２のフローチャートの処理を行なう際に、外気温と電池の上限および下限温度との関係を定めたマップを使用して、Ｓ５、Ｓ７，Ｓ８の処理に代えて電池上限温度、電池下限温度をそれぞれＴＵ１，ＴＬ１に設定する処理としても良く、Ｓ６の処理に代えて電池上限温度、電池下限温度をそれぞれＴＵ２，ＴＬ２に設定する処理としても良い。

図４の上限温度ＴＵ１に示すように、外気温が５℃以下の低外気温時には、従来上限値（２０℃付近）よりも上限温度を３０℃付近まで上げて使用する代わり、蓄熱不要な２５℃以上の高外気温域において充電時の上限温度をＴＵ１に示すように低下させる。一般に、電池寿命は電池温度が高いほど短くなるので、外気温が低温の場合の電池寿命の短縮が、外気温が高温の場合の電池寿命の延長によって、全外気温域での電池寿命への影響が相殺される。

図４の第２の制御例の場合、蓄熱時（充電時、停止時）の下限温度ＴＬ１と再始動時の下限温度ＴＬ２の温度差が矢印に示すように図３の場合よりも拡大する。したがって、電池と冷媒との間で、より大きな蓄熱および放熱が可能である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、空調および電池冷熱システムにおける電池の温度しきい値（電池目標温度）を適宜変更し、電池に蓄熱機能を持たせて、電池の熱を有効利用することができる。まず、暖房が必要な低温下では、暖房未使用時に電池の目標温度を高く設定するので、走行時や充電時の電池で発生した熱を蓄えることができる。そして、暖房立ち上がり時に、低温になっているヒートポンプの冷媒を電池に蓄えた熱で加熱でき、暖房性能および効率が向上する。

また、熱容量の大きな電池を蓄熱器として利用することにより、廃熱利用による消費電力低減が可能となる。具体的には、走行時や充電時の発熱を暖房立ち上がり時に利用でき、消費電力を低減できる。さらに、暖房効率の良いヒートポンプが低温化でも使用可能となり、電気ヒータを使用するよりも消費電力を低減できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 空調装置、１２ 圧縮機、１４ ヒータ、１５ 電気式膨張弁、１６ 電池熱交換器、１８ アキュームレータ、２０ 膨張弁、２４ 制御部、２５ 電池温度センサ、２６ 外気温センサ、２７ 車速センサ、２８ 吹出温センサ、３０ 電池。

Claims (1)

1. 空調装置と、車両外部から充電が可能に構成された電池とを含む車両に搭載される電池温度調節装置であって、
   前記空調装置の冷媒と前記電池との間で熱交換可能に構成された電池熱交換部と、
   前記電池熱交換部へ供給する前記冷媒の状態を変更する膨張弁と、
   前記電池の目標温度に応じて前記膨張弁を制御し、前記電池の温度を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記空調装置で暖房を行なう場合に前記空調装置の暖房性能が不足するか否かを判断し、前記暖房性能が不足する場合には前記電池の前記目標温度を下げて前記電池の熱を前記冷媒に移動させるように前記膨張弁を制御する、電池温度調節装置。

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