特開 2024-179475 電池温度調整システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024179475

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】電池温度調整システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/63 20140101AFI20241219BHJP

   H01M 10/6567 20140101ALI20241219BHJP

   H01M 10/6561 20140101ALI20241219BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20241219BHJP

   H01M 10/615 20140101ALI20241219BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

H01M10/63

H01M10/6567

H01M10/6561

H01M10/48 301

H01M10/48 P

H01M10/615

H01M10/613

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023098351

(22)【出願日】2023-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101203

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100104499

【弁理士】

【氏名又は名称】岸本 達人

(74)【代理人】

【識別番号】100129838

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 典輝

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 正高

【テーマコード（参考）】

5H030

5H031

【Ｆターム（参考）】

5H030AA01

5H030AS06

5H031AA09

5H031HH01

5H031HH06

5H031KK08

(57)【要約】      （修正有）

【課題】電池性能の低下を抑制しつつ電池パックの温度を調整できる電池温度調整システムを提供する。
【解決手段】複数の電池セルを有する電池パックと、複数の電池セルを監視する監視ユニットと、複数の電池セルの温度を調整する温度調整装置と、温度調整装置の作動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、を備える電池温度調整システム１００であって、監視ユニットは、電池セルの温度を測定する温度センサと、電池セルの電流値を測定する電流センサと、電池セルの電圧値を測定する電圧センサと、を有し、電子制御ユニットは、電池セル情報として、温度センサから複数の電池セルにおける最高温度および最低温度を取得し、電流センサから電流値を取得し、かつ、電圧センサから電圧値を取得する取得部と、取得部が取得した電池セル情報に基づき、温度調整装置の作動を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電池セルを有する電池パックと、
前記複数の電池セルを監視する、監視ユニットと、
前記複数の電池セルの温度を調整する温度調整装置と、
前記温度調整装置の作動を制御する電子制御ユニットと、を備える電池温度調整システムであって、
前記監視ユニットは、
前記電池セルの温度を測定する温度センサと、前記電池セルの電流値を測定する電流センサと、前記電池セルの電圧値を測定する電圧センサと、を有し、
前記電子制御ユニットは、
電池セル情報として、前記温度センサから前記複数の電池セルにおける最高温度および最低温度を取得し、前記電流センサから前記電流値を取得し、かつ、前記電圧センサから前記電圧値を取得する、取得部と、
前記取得部が取得した前記電池セル情報に基づき、前記温度調整装置の作動を制御する、制御部と、を備える、電池温度調整システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電池温度調整システムに関する。

【背景技術】

【0002】

リチウムイオン二次電池などの電池に対して、電池温度を調整する技術が検討されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、充放電情報に基づいて温度調整部の作動を制御する温度調整制御部を備えた電池温度調整装置が開示されている。また、特許文献２には、第１温度センサが検知した外気の温度時での二次電池の第１内部抵抗値と第２温度センサが検知した二次電池の温度時での二次電池の第２内部抵抗値との抵抗値差が、所定の閾値より未満の場合と以上の場合とにより、冷却装置による冷却速度を変化させる、二次電池の制御装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２―１５１６３５号公報

【特許文献2】特開２０１９－０５７４５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

複数の電池セルを有する電池パックにおいては、電池セルごとに温度が異なる場合が想定される。電池パックの冷却は、最も温度が高い電池セルに合わせて冷却を行うことが想定されるが、後述するように電池パックの性能が低下する恐れがある。

【0006】

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電池性能の低下を抑制しつつ電池パックの温度を調整できる、電池温度調整システムを提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

［１］
複数の電池セルを有する電池パックと、上記複数の電池セルを監視する、監視ユニットと、上記複数の電池セルの温度を調整する温度調整装置と、上記温度調整装置の作動を制御する電子制御ユニットと、を備える電池温度調整システムであって、上記監視ユニットは、上記電池セルの温度を測定する温度センサと、上記電池セルの電流値を測定する電流センサと、上記電池セルの電圧値を測定する電圧センサと、を有し、上記電子制御ユニットは、電池セル情報として、上記温度センサから上記複数の電池セルにおける最高温度および最低温度を取得し、上記電流センサから上記電流値を取得し、かつ、上記電圧センサから上記電圧値を取得する、取得部と、上記取得部が取得した上記電池セル情報に基づき、上記温度調整装置の作動を制御する、制御部と、を備える、電池温度調整システム。

【発明の効果】

【0008】

本開示においては、電池性能の低下を抑制しつつ電池パックの温度を調整できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示における本開示における電池温度調整システムを例示する概略図である。

【図2】本開示における電池セルを例示する概略断面図である。

【図3】本開示における電子制御ユニットが実行する処理を例示するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示における電池温度調整システムについて、詳細に説明する。図１は、本開示における電池温度調整システムの構成を例示する概略図である。図１に示される電池温度調整システム１００は、複数の電池セルを有する電池パック１０と、電池パックを監視する監視ユニット２０と、複数の電池セルを冷却する温度調整装置３０と、温度調整装置３０の動作を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）４０と、を備えている。また、電子制御ユニットは、監視ユニットが測定した電池セル情報に基づき、上記温度調整装置の作動を制御できるように構成されている。

【0011】

本開示によれば、複数の電池セルにおける最高温度および最低温度の情報と、電流値の情報および電圧値の情報に基づき、温度調整装置の作動を制御するため、電池性能の低下を抑制しつつ、電池パックを冷却することができる。

【0012】

電池の高容量化に伴い、電流密度の上昇と、連続通電時間の長時間化が想定される。一方で、電解液の濃度ムラが生じる恐れがあり、内部抵抗が上昇する恐れがある。この点、電池セルの温度が低いほど、内部抵抗上昇が起きやすい。そのため、冷却によって電池セル間に温度差が発生すると、特に連続通電時間が長い場合において、内部抵抗上昇に伴う損失増加やセル電圧低下により、電池パック全体の性能が低下する恐れがある。これに対して、本開示における電池温度調整システムでは、複数の電池セルにおける最高温度および最低温度の情報と、電流値の情報および電圧値の情報に基づき、温度調整装置の作動を制御するため、特定の電池セル（最も温度が低い電池セル）が過度に冷却されることを抑制することができる。その結果、電池性能の低下を抑制しつつ、電池パックを冷却することができる。

【0013】

１．電池パック
本開示における電池パックは、複数の電池セルを有する。

【0014】

図２に示すように、電池セル１１は、正極活物質層１と、負極活物質層２と、正極活物質層１および負極活物質層２の間に配置されたセパレータ３と、正極活物質層１の電子を集電する正極集電体４と、負極活物質層２の電子を集電する負極集電体５と、を有する。また電池セル１１は外縁にシール部６を有している。なお、電池セル１１の内部には電解液７が充填されている。また、電池セルは通常、ラミネートフィルムなどの外装体を有している。

【0015】

電池セルは、正極活物質層１、負極活物質層２およびセパレータ３からなる発電単位Ｕを１つ有していてもよく、複数有していてもよい。

【0016】

電池パックにおける電池セルの数は、２以上であり、５以上であってもよく、１０以上であってもよい。

【0017】

電池パックは、上記複数の電池セルを保持する保持ケースを通常有する。

【0018】

上述した各部材は、電池の分野において従来公知の材料とする。

【0019】

２．監視ユニット
本開示における監視ユニットは、電池セルの温度を測定する温度センサと、電池セルの電流値を測定する電流センサと、電池セルの電圧値を測定する電圧センサを有する。

【0020】

監視ユニットは、上記各センサから取得した電池セルの情報を、後述する温度調整装置（温度取得部）に出力する。温度センサ、電流センサおよび電圧センサについては、従来公知のセンサとすることができる。

【0021】

２．温度調整装置
温度調整装置は、上記複数の電池セルの温度を調整する装置である。

【0022】

温度調整装置は、電池セルを冷却する冷却機構、および、電池セルを加温する加温機構を有していてもよい。冷却機構の構成は、冷却方法により適宜調整することができる。冷却は、空冷であってもよく、水冷であってもよく、冷媒冷却であってもよい。温度調整装置を構成する部材としては、例えば、ポンプ、ファン、コンプレッサ、膨張弁、電磁弁などが挙げられる。これらの部材ついては、従来公知の部材とすることができる。加温機構は、例えばヒータである。

【0023】

３．電子制御ユニット（ＥＣＵ）
（１）電子制御ユニットの構成
電子制御ユニット（ＥＣＵ）は、通常、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含む。メモリは、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および、書き換え可能な不揮発性メモリを含む。メモリに記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することで、各種制御が実行される。ＥＣＵが行なう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）で処理することも可能である。

【0024】

電子制御ユニットは上記温度調整装置を制御するための処理ブロックとして、取得部および制御部を有する。取得部は、電池セル情報として、上記温度センサから上記複数の電池セルにおける最高温度および最低温度を取得し、上記電流センサから上記電流値を取得し、かつ、上記電圧センサから、上記電圧値を取得する。

【0025】

制御部は、取得部が取得した上記電池セル情報に基づき、上記温度調整装置の作動を制御する。制御部の制御は、例えば、上記電池セル情報と、電池セル情報と電池の内部抵抗との関係を記録したマップに当てはめることで行うことができる。

【0026】

制御部は、電池温度、電流値および電圧値の情報を用いた制御を行う。例えば、電池温度を用いた制御では、電池温度が冷却開始温度以上の条件で冷却能力を切り替える制御を行う。具体的には、電池温度が冷却開始温度以上の条件で冷却能力を下げる制御（セル間温度差を縮小する制御）を行う。また、電池温度が冷却開始温度以上の条件で冷却能力を下げる方法を間欠冷却で行う。また、電池温度が冷却開始温度以上＆電池発熱量が冷却能力以上の条件で冷却能力を下げる制御を行う。また、電池温度が冷却開始温度以上、かつ、電池発熱量が冷却能力以上の条件で冷却能力を下げる方法を間欠冷却で行う。

【0027】

また、電流値を用いて電池セルの内部抵抗指数に基づいた制御を行うこともできる。なお、内部抵抗指数とは、電流積算値に、２５℃を１とした温度係数をかけた指数であり、電解液の濃度ムラに起因して上昇する。また、電池温度が低いほど内部抵抗は上昇しやすい。例えば、内部抵抗指数が所定値Ａ以上になったときに冷却能力を下げる方法を間欠冷却で行う。また、内部抵抗指数が所定値Ｂ以上になったときに冷却を停止する。また、内部抵抗指数が所定値Ｂ以上になったときに冷却液を循環し、ヒータを駆動する（セル間温度差を縮小する）。

【0028】

また、電圧値から測定した電池の充電状態（ＳＯＣ）に基づいた制御を行うこともできる。例えば、ＳＯＣが所定値以上でセル電圧が急下降した時に冷却能力を下げる。また、ＳＯＣが所定値以上でセル電圧が急下降した時に冷却能力を下げる方法を間欠冷却で行う。また、ＳＯＣが所定値以上でセル電圧が閾値以下の時に冷却能力を下げる。また、ＳＯＣが所定値以上でセル電圧が閾値以下の時に冷却能力を下げる方法を間欠冷却で行う。また、ＳＯＣが所定値未満でセル電圧が急上昇した時に冷却能力を下げる。また、ＳＯＣが所定値未満でセル電圧が急上昇した時に冷却能力を下げる方法を間欠冷却で行う。また、ＳＯＣが所定値未満でセル電圧が閾値以上の時に冷却能力を下げる。また、ＳＯＣが所定値未満でセル電圧が急上昇した時に冷却能力を下げる方法を間欠冷却で行う。

【0029】

制御部が行う制御は、上述した制御を組み合わせて行うことが好ましい。

【0030】

（２）温度調整装置の処理
図３は、本開示における電子制御ユニットの処理を例示するフローチャートである。なお、図３におけるフローチャートにおいては、電池の冷却が行われている状態をＳＴＡＲＴとしている。図３に示すように、ステップＳ１では、温度センサから取得した温度の中で、最大値が閾値Ａより大きいか否かを判定する。ステップＳ１で閾値Ａより大きいと判定された場合は、温度調整装置に通常の冷却を継続するよう指示をする。また、ステップＳ１で閾値Ａ以下であると判定された場合は、ステップＳ２に進み、上記電池温度が閾値Ｂより大きいか否かを判定する。閾値Ｂは閾値Ａよりも低い温度である。閾値ＡおよびＢは寿命要件などの出力制限に基づき設定されることが好ましい。例えば、閾値Ａは加熱からの電池保護に重点を置き、電池の冷却を優先して設定される。一方、閾値Ｂは、電池の寿命条件に重点を置き、空調を優先して設定される。ステップＳ２で閾値Ｂより大きいと判定された場合、ステップＳ３へ進む。一方、ステップＳ２で閾値Ｂ以下であると判定された場合、冷却を終了するよう指示をする。

【0031】

ステップ３では、複数の電池セルにおいて、セル電圧についての判定を行う。具体的には、電池パックが放電時か充電時かで異なる判定を行う。例えば、放電時においては、ＳＯＣが所定値以上の場合の場合において、セル電圧変化量が閾値以上か否かを判定する。または、ＳＯＣが所定値以上の場合の場合において、セル電圧が閾値以上か否かを判定する。一方、充電時においては、ＳＯＣが所定値未満で、セル電圧変化量が閾値以上か否かを判定する。または、ＳＯＣが所定値未満で、セル電圧が閾値以上か否かを判定する。なお、セル電圧の閾値については、マップに記録された、ＳＯＣとＣレートごとの内部抵抗（ΔＶ）に基づき設定される。また、セル電圧変化量の閾値については、マップに記録された、Ｃレートごとの値に基づき設定される。電圧変化量が閾値以上と判定された場合（Ｓ３でＹｅｓ）、冷却を終了する。一方、電圧が閾値以下であると判定された場合（Ｓ３でＮｏ）、ステップＳ４に進む。

【0032】

ステップＳ４では、閾値を変化させたこと以外ステップＳ３と同じ判定を行う。Ｙｅｓと判定された場合、電池セル間の温度差を縮小するよう指示を出す。具体的には、冷却能力を低下またはヒータを駆動するよう指示するか、間欠冷却を行うよう指示する。一方、ステップＳ４でＮｏと判定された場合、通常冷却を継続するよう指示をする。

【0033】

なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。

【符号の説明】

【0034】

１０ …電池パック
１１ …電池セル
２０ …監視ユニット
３０ …温度調整装置
１００ …電池温度調整システム

【図1】

【図2】

【図3】