JP2012243684A - 電池パックの空調制御装置 - Google Patents

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拓也 宮下
Hajime Tsunekawa
肇 恒川
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真彦 日比野
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奏 田丸
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Abstract

【課題】電池パックの空調制御装置に関し、温度環境及び湿度環境を適切に制御してバッテリーの劣化を抑制する。
【解決手段】電池セル１ａを収容する電池パック１内の空気を除熱し、空気を冷却又は除湿する除熱手段４を設ける。また、電池パック１と除熱手段４との間を接続し、空気を内気循環させる循環経路２を設ける。さらに、冷却時と除湿時とで逆方向に空気を循環経路２内で循環させる方向制御手段５を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池セルを収容する電池パック内の温度及び湿度を制御する空調制御装置に関する。
従来、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等のバッテリーに蓄えられた電力を用いて車両を駆動する電気自動車，ハイブリッド自動車が開発されている。特に、エネルギー密度の高いリチウムイオン電池は、バッテリー容量に比して小型軽量化が図りやすく、大電力が要求される車両の走行用バッテリーとしての需要の増大が見込まれている。
車両に搭載される一般的なリチウムイオン電池は、金属製のケース内に電極及び電解液を収納した気密，水密構造を備えている。例えば、特許文献１には、複数の単電池（電池セル）を外気からシールした金属ケースに密封した電池パックが記載されている。このように金属製のケースを用いることで、単電池の剛性を向上させることができるとされている。
ところで、車両に搭載されるバッテリーの総バッテリー容量が大きいほど、より多くのエネルギーを使用できるため、車両の航続距離（一回の充電量で走行することができると推定される最大距離）は増大する。一方、バッテリーの搭載量が多いほど車両重量が増大するため、車両を走行させるのに要するエネルギーが増大し、電費や航続距離が減少する。したがって、バッテリー自体を軽量化することができれば、車両重量の増大を抑えつつ、より多くのエネルギーを車両の走行用エネルギーとして利用することが可能となり、車両の走行性能を向上させることができる。
そこで近年では、バッテリーのケースとして、金属製のものの代わりに樹脂製のものを使用することが提案されている。例えば、特許文献２に記載のように、バッテリーのセル電槽（ケース）をポリプロピレン製とし、要求される剛性を確保しながら軽量化及び低コスト化を図ることが検討されている。
特開２００７−２００７５８号公報 特開２００８−３００１４４号公報
しかしながら、バッテリーのケースを樹脂製にすると、十分な水密性を維持することが難しく、バッテリーの劣化を抑制しにくいという課題がある。特に、リチウムイオン電池の場合には、樹脂ケースの壁面からの水分の浸入によって電解質の分解が発生し、これが容量劣化や寿命低下の原因となるため、高度な水密性が要求される。このような水密性能を樹脂製のケースで実現することは難しい。一方、金属製のケースを用いた場合には水密性を確保することは可能となるものの、バッテリーの重量が増大し、車両の走行性能を向上させることができない。
本件の目的の一つは、これらのような課題に鑑み、温度環境及び湿度環境を適切に制御してバッテリーの劣化を抑制することである。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
（１）ここで開示する電池パックの空調制御装置は、電池セルを収容する電池パック内の空気を除熱し前記空気を冷却又は除湿する除熱手段を備える。また、前記電池パックと前記除熱手段との間を接続し前記空気を内気循環させる循環経路を備える。さらに、前記冷却時と前記除湿時とで逆方向に前記空気を前記循環経路内で循環させる方向制御手段を備える。
（２）また、前記除熱手段よりも前記冷却時における上流側の前記循環経路上に設けられ、前記空気と外気との間で熱交換を行う熱交換手段を備えることが好ましい。前記熱交換手段は、前記冷却時には冷却器として機能し、前記除湿時には加温器として機能する。
（３）また、前記電池セルの充電又は放電時に前記空気を冷却する冷却制御を実施し、前記充電の終了後に前記空気を除湿する除湿制御を実施する空調制御手段を備えることが好ましい。
（４）この場合、前記空調制御手段が、前記冷却制御時に前記循環経路内を循環する空気の流量よりも、前記除湿制御時に前記循環経路内を循環する空気の流量を減少させることが好ましい。
（５）また、前記除湿時に前記除熱手段に付着した水分を前記循環経路から流出させるバイパス路を備えることが好ましい。
（６）また、前記電池パックの上方に設けられ、前記空気の冷却時に前記循環経路から前記電池パック内へと前記空気を導入する第一導入口と、前記電池パックの下方に設けられ、前記空気の除湿時に前記循環経路から前記電池パック内へと前記空気を導入する第二導入口とを備えることが好ましい。
（７）この場合、前記第一導入口が、前記電池パックの上面の複数箇所に設けられ、前記電池パック内に収容された電池セルの全体に向かって前記空気を供給することが好ましい。また、前記第二導入口が、前記電池パックの隅部に設けられ、前記電池パックの下面側から層状に前記空気を供給することが好ましい。
開示の電池パックの空調制御装置によれば、冷却時と除湿時とで逆方向に空気を循環させることで、除熱手段で冷却された空気が電池パックに導入されるときの温度を相違させることができ、電池パック内の空気の温度及び湿度を調節することができる。これにより、効率よくバッテリーを冷却しつつ乾燥させることができ、バッテリーの劣化を抑制することができる。
一実施形態に係る空調制御装置が適用された車両の全体構成を示す模式図である。 図１の車両に搭載されたバッテリー（電池パック）の断面構造を例示する縦断面図である。 図１の空調制御装置で実施される冷却制御の開始条件を説明するためのグラフである。 図１の空調制御装置で実施される制御内容を例示するフローチャートである。 図１の空調制御装置による制御作用を説明するための模式図であり、（ａ）は冷却制御時、（ｂ）は除湿制御時、（ｃ）はデフロスト制御時に対応するものである。 図１の循環経路上における空気の温度分布を例示するグラフであり、（ａ）は冷却制御時、（ｂ）は除湿制御時に対応するものである。 除湿制御時における電池パック内の水分量の変化を模式的に示すグラフである。
図面を参照して本実施形態の電極板の検査方法及び検査装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。また、以下の実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよく、実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
［１．装置構成］
本実施形態の電池パックの空調制御装置は、図１に示す車両１０に適用されている。この車両１０は、バッテリーの電力で図示しないモーター装置を駆動して走行する電気自動車である。このモーター装置は、バッテリーの電力を消費して車輪を回転駆動する機能と、制動時における車輪のトルクを利用した発電によって電力を回生する機能とを兼ね備えたモーター・ジェネレーターである。これらの二種類の機能は、車両１０の走行状態に応じて適宜制御される。
バッテリーは、電池パック１の内部に複数の電池セル１ａとして収容されている。電池パック１は所定の気密性，水密性を備えた樹脂製の容器であり、路面上の泥や水滴等が内部に入らないように形成されている。一方、電池パック１の壁面は樹脂であり、樹脂中に僅かな水分が浸入する可能性がある。そこで本実施形態では、この電池パック１の内部に存在する空気の温度及び湿度（水蒸気量）を制御する。
図１に示すように、電池パック１には、内部の空気をその内部のみで循環させるための循環経路２が環状に接続されている。循環経路２は、電池パック１に対して第一接続部２ａ及び第二接続部２ｂの二箇所で接続される。この循環経路２上にはエバポレーター４，ファン５，外気との熱交換部６及びバイパス路７が設けられ、さらにエバポレーター４やファン５等を制御するための電池空調ＥＣＵ３が設けられる。
［１−１．エバポレーター］
エバポレーター４（除熱手段）は、循環経路２内の空気を除熱する熱交換器であり、コア４ａ及び冷媒配管４ｂを有する。冷媒配管４ｂは、図示しない膨張弁で気化された冷媒をコア４ａに供給するものである。また、コア４ａの内部には、冷媒配管４ｂから供給された冷媒が流通する複数のフィンが所定の間隔で並設されており、コア４ａ内を流通する冷媒がこれらのフィンの間を通過する空気から熱を奪って空気を冷却する。なお、車両１０のエアコン装置の冷媒をエバポレーター４の冷媒として流用してもよい。
エバポレーター４は、二つの機能を持つ。第一の機能は、空気を冷却する機能である。例えば、電池セル１ａの発熱によって暖められた30〜40[℃]の循環経路２内の空気を10〜15[℃]程度まで冷却する能力を持つものとする。第二の機能は、空気中の水蒸気を凝結させる機能である。例えば、20[℃]程度の空気中の水分を結露させるべく、コア４ａの表面温度が-10[℃]程度以下（一般的な外気温度よりも低い温度）となる冷却能力を持つものとする。エバポレーター４は、電池空調ＥＣＵ３からの制御信号に基づいて冷媒のコア４ａへの流通を許容又は遮断し、冷媒の遮断時には上記の冷却機能及び水分凝結機能が停止するよう構成されている。
また、エバポレーター４の配設位置は、循環経路２の第一接続部２ａから第二接続部２ｂまで至る経路の中間点２ｃよりも何れか一方に偏った位置とされる。本実施形態では、図１に示すように中間点２ｃよりも第一接続部２ａ寄りの位置にエバポレーター４が設けられたものを例示する。
［１−２．ファン］
ファン５（方向制御手段）は、循環経路２内の空気を内気循環させるための送風装置であり、内蔵された電動機の回転方向に応じて空気の吐出方向を逆転可能に形成されている。以下、ファン５から吐出される空気の流通方向について、第二接続部２ｂ側から吸い込んで第一接続部２ａ側へ吐き出す循環方向のことを順方向と呼び、第一接続部２ａ側から第二接続部２ｂ側への循環方向のことを逆方向と呼ぶ。ファン５は、電池空調ＥＣＵ３からの制御信号に基づき、循環経路２内の空気を順方向又は逆方向の何れかに送風するように機能する。
エバポレーター４の場合とは異なり、循環経路２上におけるファン５の配設位置は任意である。すなわち、ファン５を中間点２ｃよりも第一接続部２ａ側に設けてもよいし、第二接続部２ｂ側に設けてもよい。したがって、ファン５とエバポレーター４との位置関係は任意である。また、ファン５による順方向及び逆方向へのそれぞれの送風効率（送風量）は、順方向への送風効率が逆方向への送風効率よりも高く設定されている。
［１−３．熱交換部］
熱交換部６（熱交換手段）は、循環経路２の管壁を蛇腹状に形成した部位であり、循環経路２内の空気と外気との間で熱交換を行うための部位である。この熱交換部６は、外周に外気が接触する位置に設けられている。循環経路２上における外気との熱交換部６の配設位置は、エバポレーター４よりも第一接続部２ａ側の任意の位置とされる。なお、循環経路の管壁自体が十分な熱伝導性を備えている場合には管壁の加工は不要であり、単に循環経路２上の外気と接触する部位のことを熱交換部６と称してもよい。
熱交換部６の機能としては、二種類の機能が挙げられる。第一の機能は、電池パック１側から流通する空気を冷却する機能である。例えば、外気温度よりも高温の空気が電池パック１側から流通してきたときに、熱交換部６はその空気を外気で冷却する。第二の機能は、エバポレーター４側から流通する空気を昇温させる機能である。例えば、外気温度よりも低温の空気がエバポレーター４側から流通してきたときに、熱交換部６はその空気を外気で暖める。
このように、熱交換部６は循環経路２内での空気の循環方向に応じて異なる働きをする部位であり、空気の冷却時には冷却器として機能するとともに、空気の除湿時には昇温器として機能する。
［１−４．バイパス路，流路切換弁］
バイパス路７は、循環経路２内の空気中に含まれていた水分を循環経路２外へと排出するための通路である。図１に示す例では、二つのバイパス路７が循環経路２から車両１０の下方向へと分岐するように形成され、バイパス路７の先端が外気に開放されている。一方のバイパス路７ａはファン５よりも第二接続部２ｂ側に配置され、他方のバイパス路７ｂはエバポレーター４よりも第一接続部２ａ側に配置されている。また、これらのバイパス路７と循環経路２との分岐点にはそれぞれ、空気の流通方向を制御するための流路切換弁９が設けられている。
流路切換弁９は、バイパス路７を閉鎖する姿勢と、バイパス路７を開放しながら循環経路２を閉鎖する姿勢との二位置に切り換え可能とされている。一方のバイパス路７ａに設けられた流路切換弁９ａは、バイパス路７ａを閉鎖する姿勢と、循環経路２のファン５方向にのみバイパス路７ａを開放する姿勢との二姿勢に制御される。
これに対し、他方のバイパス路７ｂに設けられた流路切換弁９ｂは、バイパス路７ｂを閉鎖する姿勢と、バイパス路７ｂを循環経路２のエバポレーター４方向にのみバイパス路７ｂを開放する姿勢との二位置に制御される。したがって、図１中に破線で示すように二本のバイパス路７ａ，７ｂがともに開放されると、循環経路２のうちエバポレーター４及びファン５が介装された部位と二本のバイパス路７ａ，７ｂとが連通する。
［１−５．電池パック］
図２（ａ）に示すように、電池パック１には、内部に電池セル１ａを収容するケース本体１ｂと、その上方を覆うように固定された分岐配管１ｃとが設けられる。循環経路２の第一接続部２ａは分岐配管１ｃに対して接続され、第二接続部２ｂはケース本体１ｂに対して接続されている。また、ケース本体１ｂの任意の位置には、電池セル１ａのバッテリー温度T（又は、ケース本体１ｂの内部の空気の温度）を検出する温度センサ１１（温度検出手段）と、ケース本体１ｂの内部の湿度（水蒸気量）を検出する湿度センサ１２（湿度検出手段）とが設けられる。
分岐配管１ｃは、循環経路２とケース本体１ｂとの間を接続する通路となる部位である。この分岐配管１ｃは、第一接続部２ａ側から空気が導入されるときに、電池セル１ａの全体に向かって空気を供給するように、ケース本体１ｂ側が複数本に分岐したマニホールド形状をなしている。これらの分岐形成された複数の導入口１ｄは、ケース本体１ｂ内における電池セル１ａの配置に合わせた位置に設けられる。
一方、第二接続部２ｂが接続される第二導入口１ｅは、第二接続部２ｂ側から空気が導入されるときに、ケース本体１ｂの下面側から空気が層状に充填されるように、ケース本体１ｂの下面近傍の隅部に設けられる。
［２．制御構成］
電池空調ＥＣＵ３（空調制御手段）は、マイクロコンピュータで構成された電子制御装置であり、例えば周知のマイクロプロセッサやROM，RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成される。電池空調ＥＣＵ３は、信号線を介して電池パック１，温度センサ１１及び湿度センサ１２と接続されており、電池セル１ａの充電状態に関する情報や充放電に係る通電量A，電池パック１の温度情報，湿度情報等が電池空調ＥＣＵ３に随時伝達されている。
なお、充電制御全般を司る電子制御装置（いわゆる、バッテリーECUやEV-ECU等）を搭載した車両の場合には、その電子制御装置から上記の各種情報を取得することとしてもよい。電池空調ＥＣＵ３の制御対象は、エバポレーター４，ファン５及び流路切換弁９であり、電池空調ＥＣＵ３はこれらの各装置を充電状態や電池パック１の温度等に応じて制御する。
［２−１．制御の概要］
電池空調ＥＣＵ３では、冷却制御，除湿制御及びデフロスト制御の三種類の制御が実施される。
冷却制御とは、電池パック１内に低温の空気を供給して冷却する制御であり、例えば電池セル１ａの充放電に伴う発熱量が大きい状態（急速充電時や回生充電時，通電量Aが大きい時等）で実施される。
除湿制御とは、電池パック１内の空気を除湿して乾燥させる制御であり、例えば冷却制御の終了後に実施される。この除湿制御では、循環経路２内の空気中に含まれる水分をエバポレーター４に結露させ、あるいは着霜させることによって除湿がなされる。
デフロスト制御とは、結露や着霜した水分を循環経路２の外部に排出する制御であり、例えば除湿制御の終了後に実施される。このデフロスト制御では、エバポレーター４への冷媒の供給を遮断して冷却機能を停止させ、外気で霜を流し落とす（あるいは吹き飛ばす）ことによってデフロストがなされる。
これらの制御を実施するためのソフトウェア又はハードウェアとして、電池空調ＥＣＵ３には、冷却制御部３ａ，除湿制御部３ｂ及びデフロスト制御部３ｃが設けられる。
［２−２．制御ブロック構成］
冷却制御部３ａは、冷却制御を司るものである。ここでは、冷却制御の開始条件及び終了条件が判定され、それぞれの判定結果に基づいて冷却制御が実施される。冷却制御の開始条件は任意であり、例えば電池セル１ａが充電中であることや、温度センサ１１で検出されたバッテリー温度Tが所定の温度以上であること等が挙げられる。また、終了条件は、例えば電池セル１ａが充電中でないこと（例えば、充電量が所定量以上になったこと）や、温度センサ１１で検出されたバッテリー温度Tが所定の温度未満であること等である。
本実施形態では、電池セル１ａの充電状態，バッテリー温度T及びバッテリーの通電量Aに基づいて冷却制御の開始条件及び終了条件が判定される。例えば、図３に示すようなバッテリー温度T及び通電量Aと冷却の要否との関係を規定した制御マップを冷却制御部３ａが記憶しており、電池セル１ａの充電時にこの制御マップに基づいて冷却制御の実施／不実施を判定する。
電池セル１ａの発熱量は、充放電に係る通電量Aの二乗に比例する。そのため、図３の制御マップでは、冷却制御を実施するためのバッテリー温度Tの判定閾値が、通電量Aの二乗に比例して減少する（T=T0-kA2，kは係数）ように設定されている。通電量Aが0であるときには、バッテリー温度Tが判定温度T0以上であるときに冷却制御の開始条件が成立し、通電量Aが大きいほど、その通電量Aの二乗に比例した温度kA2分だけ低い温度T0-kA2以上であるときに、冷却制御の開始条件が成立する。図中の通電量Aの最大値Amaxは、充電時又は放電時の最大電流値に相当する。
なお、図３中に実線で示されるグラフT=T0-kA2は、冷却制御の開始条件及び終了条件の両方についての判定閾値を与えるものといえるが、開始条件の判定閾値を与える関数と終了条件の判定閾値を与える関数とを相違させてもよい。例えば、図３中に破線で示すように、通電量Aが0である場合に、バッテリー温度Tが判定温度T0よりも小さい第二判定温度T1未満であるときに、冷却制御の終了条件が成立することとするような判定閾値を設定してもよい。
冷却制御の開始条件が成立すると、冷却制御部３ａはエバポレーター４に制御信号を出力して冷媒をコア４ａに流通させるとともに、ファン５に制御信号を出力して循環経路２内の空気を順方向に送風させる。また、流路切換弁９ａ，９ｂは、それぞれバイパス路７ａ，７ｂを閉鎖する姿勢に制御される。
これにより、エバポレーター４の表面で冷却された空気は、第一接続部２ａを介して複数の導入口１ｄから電池パック１のケース本体１ｂ内部に供給される。一方、ケース本体１ｂ内部の空気は、第二導入口１ｅを介して第二接続部２ｂ側から循環経路２内へと流通し、熱交換部６で冷却された後にエバポレーター４でさらに冷却される。
除湿制御部３ｂは、除湿制御を司るものである。ここでは、除湿制御の開始条件及び終了条件が判定され、それぞれの判定結果に基づいて除湿制御が実施される。除湿制御の開始条件は、例えば冷却制御が終了したことや、冷却制御が所定時間以上継続して実施されたことや、湿度センサ１２で検出された電池パック１内の湿度Bが所定湿度B0以上であること等である。また、終了条件は、例えば除湿制御の実施時間が所定時間以上になったことや、電池パック１内の湿度Bが所定湿度B0未満まで低下したこと等である。
除湿制御の開始条件が成立すると、除湿制御部３ｂはエバポレーター４に制御信号を出力して冷媒をコア４ａに流通させるとともに、ファン５に制御信号を出力して循環経路２内の空気を逆方向に送風させる。つまり、除湿制御部３ｂは、冷却制御部３ａとは逆の方向に空気を循環させるように、ファン５を制御する。ファン５の送風効率は、順方向よりも逆方向の方が低く設定されているため、冷却制御時と比較して除湿制御時に循環経路２内を循環する空気の流量は減少する。また、流路切換弁９ａ，９ｂは、それぞれバイパス路７ａ，７ｂを閉鎖する姿勢に制御される。
これにより、エバポレーター４によって冷却された空気中の水分がコア４ａの表面に結露，着霜して除湿され、湿度が低下する。また、その空気は熱交換部６で昇温された後に第二接続部２ｂ側へと流通し、第二導入口１ｅから電池パック１のケース本体１ｂ内部に供給される。ケース本体１ｂの内部では、乾燥したやや冷たい空気が下面側から層状に充填される。一方、ケース本体１ｂ内部の残りの空気は上面側に押し上げられ、上部に設けられた複数の導入口１ｄを通って第一接続部２ａ側から循環経路２内へと流通し、エバポレーター４の近傍に到達する。
デフロスト制御部３ｃは、デフロスト制御を司るものである。ここでは、デフロスト制御の開始条件及び終了条件が判定され、それぞれの判定結果に基づいてデフロスト制御が実施される。デフロスト制御の開始条件は、例えば冷却制御が終了したことや除湿制御が終了したこと等である。また、終了条件は、例えばデフロスト制御の実施時間が所定時間以上になったこと等である。
デフロスト制御の開始条件が成立すると、デフロスト制御部３ｃはエバポレーター４に制御信号を出力して冷媒のコア４ａへの流通を遮断させるとともに、ファン５に制御信号を出力して循環経路２内の空気を逆方向に送風させる。また、流路切換弁９ａ，９ｂは、それぞれバイパス路７ａ，７ｂを開放する姿勢に制御される。つまり、デフロスト制御では循環経路２が閉鎖され、外気がバイパス路７ｂを介してエバポレーター４に供給される。
これにより、エバポレーター４のコア４ａの表面に結露，着霜した水分が除去される。例えば、コア４ａの表面から蒸発した水分は、外気とともにバイパス路７ａから車外へ排出される。また、コア４ａの表面で水滴となった水分は循環経路２内に落下し、バイパス路７ａ，７ｂを介して車外に流出する。
［３．フローチャート］
図４は、上記の電池空調ＥＣＵ３で実行される制御内容を模式的に示すフローチャートである。このフローは電池空調ＥＣＵ３の内部において繰り返し実施される。なおここでは、電池セル１ａの充電時に冷却制御を実施し、除湿制御の開始条件と冷却制御の終了条件とが同一であり、デフロスト制御の開始条件と除湿制御の終了条件とが同一である場合の制御を説明する。
ステップＡ１０では、電池セル１ａが充電中であるか（充電が開始されているか）否かが冷却制御部３ａで判定される。ここで充電中と判定された場合にはステップＡ１５へ進み、充電中でないと判定された場合にはそのままフローを終了する。またステップＡ１５では、バッテリー温度Tが判定温度T0-kA2以上であるか否かが判定される。このバッテリー温度Tに関する判定条件が成立するとステップＡ２０へ進み、不成立の場合にはそのままフローを終了する。なお、これらのステップＡ１０，Ａ１５での判定内容は、冷却制御の開始条件に対応する。
ステップＡ２０では、冷却制御部３ａにより冷却制御が実施される。このとき、電池セル１ａは充電中であるから発熱し、ケース本体１ｂの内部の温度が上昇する。一方、充電開始と同時に冷却制御が実施され、循環経路２内の空気が順方向に循環するように送風される。空気の循環方向は、図５（ａ）中に矢印で示すように順方向となり、ケース本体１ｂ内で暖められた空気は第二接続部２ｂを通って熱交換部６で空冷され、さらにエバポレーター４によって冷却される。ここで冷却された空気は、図２（ａ）に示すように、複数の導入口１ｄからケース本体１ｂの内部に導入され、電池セル１ａの全体に向かって空気が供給される。これにより、電池セル１ａの昇温が効果的に抑制される。
ここで、循環経路２を循環する空気の温度分布に着目する。例えば図６（ａ）に示すように、電池パック１から流出する空気の温度が40[℃] 前後であり、外気温が25[℃] 前後であるとき、その空気は熱交換部６で30[℃] 前後まで空冷され、その後、エバポレーター４で15[℃] 前後まで冷却される。このとき、エバポレーター４の冷媒温度を例えば-10[℃] 前後とすると、コア４ａの表面温度はその周囲の空気に暖められて10[℃] 前後となる。しかし、エバポレーター４よりも上流側に熱交換部６が配置されるため、熱交換部６で冷却された熱量分だけエバポレーター４に要求される冷却能力が小さくて済む。
また、エバポレーター４で冷却された空気はその温度を維持したまま電池パック１に導入される。これにより、電池パック１で吸収しうる発熱量は、電池パック１に導入される空気の温度と電池パック１から流出する空気の温度との差に応じた量となる。
続くステップＡ３０では、電池セル１ａの充電が完了したか否かが冷却制御部３ａで判定される。ここで充電が完了したと判定された場合にはステップＡ３５へ進み、完了していないと判定された場合にはステップＡ２０へ戻る。
ステップＡ３５では、バッテリー温度Tが判定温度T0-kA2未満であるか否かが判定される。このバッテリー温度Tに関する判定条件が成立するとステップＡ４０へ進み、不成立の場合にはステップＡ３６へ進んで冷却制御のみが継続される。なお、ステップＡ３０，Ａ３５では冷却制御の終了条件（除湿制御の開始条件）が判定されており、たとえ電池セル１ａが満充電の状態になったとしても、バッテリー温度Tがある程度低下しない限り、冷却制御が継続される。
ステップＡ４０では、除湿制御部３ｂにより除湿制御が実施される。このとき、電池セル１ａの充電が完了しているため発熱は停止しており、ケース本体１ｂの内部の温度はある程度低下した状態である。そこで、除湿制御では循環経路２内の空気が逆方向に循環するように、ファン５が制御される。空気の循環方向は、図５（ｂ）中に矢印で示すように冷却制御時とは逆方向となり、その流量も減少する。すなわち、ケース本体１ｂ内の空気は第一接続部２ａを通ってエバポレーター４に供給され、コア４ａの近傍で冷却される。また、空気中の水分がコア４ａの表面に結露，着霜し、エバポレーター４よりも下流側の空気中は乾燥する。
乾燥した低温の空気は熱交換部６で暖められ、第二導入口１ｅからケース本体１ｂの内部に導入される。また、図２（ｂ）に示すように、ケース本体１ｂの内部ではこの乾燥した空気が下面側から層状に充填される。なお、第二導入口１ｅから導入される乾燥した空気が低温であるほど、下面側にたまりやすくなり、ケース本体１ｂの内部の空気と混ざり合いにくくなる。
一方、ケース本体１ｂ内部の残りの空気は上面側に押し上げられ、その上部に設けられた複数の導入口１ｄを通って第一接続部２ａ側から循環経路２内へと流出する。これにより、ケース本体１ｂの内部の水分を含む空気は、乾燥した空気によって下方から順に置き換えられることになる。したがって、除湿制御時におけるケース本体１ｂの内部の水分量の経時変化は、図７中に実線で示すように略直線状となり、所定の時間ｔ0で空気中の水分量が略０となる。
なお、図７中に破線で示すものは、除湿制御時に循環経路２内の空気を順方向に循環させた場合の水分量の経時変化である。この場合、水分を含む空気と乾燥した空気とがケース本体１ｂの内部で混合してしまうため、水分量が減少するほどその減少率が小さくなることがわかる。
除湿制御時における循環経路２内の空気の温度分布を図６（ｂ）に例示する。電池パック１内の温度が20[℃] 前後であるとき、その空気はエバポレーター４で即座に冷却される。エバポレーター４の冷媒温度を例えば-10[℃] 前後とすると、除湿制御時の空気の流量は少ないため、空気の温度も-10[℃] 前後まで低下する。一方、外気温が25[℃] 前後であればその空気は熱交換部６で15〜20[℃] 前後まで自然に暖められ、電池パック１に導入される。したがって、電池パック１の内部で結露や着霜が生じることはない。
続くステップＡ５０では、除湿制御が完了したか否かが除湿制御部３ｂで判定される。ここで除湿制御が完了したと判定された場合にはステップＡ６０へ進み、完了していないと判定された場合にはステップＡ４０へ戻る。ここでは、除湿制御の終了条件（デフロスト制御の開始条件）が判定されており、ここでの条件が成立しない限り、除湿制御が続行される。例えば、湿度センサ１２で検出された湿度が所定湿度未満になるか、除湿制御の実施時間が所定時間以上になると、除湿制御が終了する。
ステップＡ６０では、デフロスト制御部３ｃによりデフロスト制御が実施される。このときも、電池セル１ａの発熱は停止しており、ケース本体１ｂの内部の温度は上昇しない。一方、直前の除湿制御によってエバポレーター４のコア４ａには結露水や霜が付着しているおそれがある。そこで、デフロスト制御では循環経路２が閉鎖され、流路切換弁９ａ，９ｂがバイパス路７ａ，７ｂを開放する姿勢に制御される。また、エバポレーター４では冷媒のコア４ａへの流通が遮断され、冷却機能及び水分凝結機能が停止する。
このような状態でファン５が駆動されると、図５（ｃ）中に矢印で示すように、外気がバイパス路７ｂを介してエバポレーター４に供給され、コア４ａの表面から蒸発した水分が外気とともにバイパス路７ａから車外へ排出される。また、コア４ａの表面で水滴となった水分は循環経路２内に落下し、バイパス路７ａ，７ｂを介して車外に流出する。
続くステップＡ７０では、デフロスト制御が完了したか否かがデフロスト制御部３ｃで判定される。ここで除湿制御が完了したと判定された場合、このフローは終了し、完了していないと判定された場合にはステップＡ６０へ戻る。ここでは、デフロスト制御の終了条件が判定され、ここでの条件が成立するまでデフロスト制御が継続される。例えば、デフロスト制御の実施時間が所定時間以上になると、デフロスト制御が終了する。
［４．作用，効果］
上記の電池パック１の空調制御装置では、循環経路２内の空気の空調制御に関して、冷却制御時と除湿制御時とでは逆方向に空気を循環させている。このような制御構成により、図６（ａ），（ｂ）に示すように、循環経路２内における空気の温度分布形状を相違させて、温度特性を変更することができる。なお、位置Ａ0及びＡ5はそれぞれ循環経路２の第一接続部２ａ及び第二接続部２ｂの位置に対応し、位置Ａ1及びＡ2はそれぞれエバポレーター４の第二接続部２ｂ側の端部及び第一接続部２ａ側の端部の位置に対応する。また、位置Ａ3及びＡ4はそれぞれ熱交換部６の第二接続部２ｂ側の端部と第一接続部２ａ側の端部の位置に対応する。
例えば、エバポレーター４の第二接続部２ｂ側の端部Ａ1と第一接続部２ａ側の端部Ａ2との間の温度勾配に着目すると、図６（ａ）と図６（ｂ）とでは逆勾配となる。つまり、空気を冷却するというエバポレーター４の本来の機能を変更することなく、あるいは余分なエネルギーを要するヒーター等の付加装置を併設することなく、第一接続部２ａや第二接続部２ｂの近傍における空気の温度を大きく変更できるようになる。したがって、簡素な構成で、電池パック１に導入される空気の温度を比較的自由に調節することが可能となり、電池パック１内の空気の温度及び湿度を適切に制御することができる。
また、上記の空調制御装置では、熱交換部６がエバポレーター４よりも冷却制御時における上流側に位置する。つまり、電池パック１内の高温の空気が熱交換部６で一旦冷却された後、エバポレーター４で除熱される。これにより、エバポレーター４に導入される空気の温度は、電池パック１内の空気の温度よりも低温となる。したがって、エバポレーター４の仕事量を減少させることができ、冷却制御時における電池パック１の冷却効果を向上させることができる。
一方、除湿制御時には、熱交換部６がエバポレーター４よりも下流側に位置する。つまり、エバポレーター４で除熱された空気は、熱交換部６で外気と熱交換した後に、電池パック１へと供給される。これにより、電池パック１に導入される温度は、エバポレーター４で除熱された空気の温度よりも高温となる。したがって、電池パック１内での結露の発生を防止することができる。
なお、図６（ａ），（ｂ）に示すように、熱交換部６の第二接続部２ｂ側の端部Ａ3と第一接続部２ａ側の端部Ａ4との間の温度勾配は、エバポレーター４のように逆勾配にならない。これは、空気の循環方向に応じて熱交換部６の機能が変化していることを示している。このように、外気との間で熱交換を行う熱交換部６を用いることにより、外気温度を基準としてその冷却機能及び昇温機能を自動的に切り換えることができ、電池パック１内の空気の温度及び湿度をより適切に制御することができるという利点がある。
さらに、上記の空調制御装置では、電池セル１ａの充電時に冷却制御を実施し、その完了後に除湿制御を実施している。電池セル１ａからの放熱量が大きい充電時に冷却制御を実施することで、電池セル１ａの特性維持および寿命を確保しながら、充電効率を向上させることができ、充電時間を短縮することができる。また、たとえ充電が完了したとしてもバッテリー温度Tが高温であれば引き続き冷却制御が継続されるため、例えばバッテリー特性の低下防止効果をさらに高めることができる。一方、電池セル１ａからの放熱が収まった充電の終了後に除湿制御が実施されるため、循環経路２内の空気中の水分をエバポレーター４で結露させやすくすることができ、除湿効果を向上させることができる。
また、上記の空調制御装置では、除湿制御時のファン５の流量が冷却制御時の流量よりも小さく設定されている。そのため、循環経路２内の空気の温度が高温であったとしてもエバポレーター４のコア４ａの温度を露点よりも低温に維持することが容易であり、確実に結露や霜を発生させることができる。さらに、空気の流量を減少させることで、コア４ａと空気との接触時間を長くすることができ、水分を結露させやすくすることができる。これらにより、エバポレーター４での除湿効果をさらに高めることができる。
また、上記の空調制御装置では、デフロスト制御時に循環経路２内の結露水や霜を循環経路２の外部へ排出するためのバイパス路７ａ，７ｂが備えられている。これらのバイパス路７ａ，７ｂを介して外気をエバポレーター４に吹き当てることにより、エバポレーター４のコア４ａに付着した水滴や蒸発した水蒸気を流出させるだけでなく、コア４ａの表面に氷結した霜を容易に溶融させることができる。これにより、循環経路２内の水分を容易に排出させることができるとともに、その排出速度や排出効率を向上させることができる。
また、図２（ａ）に示すように、上記の空調制御装置では冷却制御時のケース本体１ｂへの空気の導入方向が上方からとなっており、冷却風は複数の電池セル１ａの隙間を上方から下方へと移動するため、電池セル１ａの全体に対して冷却風を供給することができ、冷却性を向上させることができる。一方、除湿制御時にはケース本体１ｂの下方から空気が供給されるため、ケース本体１ｂの内部の換気性を向上させることができ、水分を含む空気を乾燥した空気と入れ替えることができ、短時間で湿度，水分量を低下させることができる。
さらに、上記の空調制御装置では、冷却制御時の導入口１ｄが複数箇所に設けられているため、ケース本体１ｂの隅々まで冷却風を拡散させることが容易であり、冷却性を向上させることができる。また、図２（ａ）に示すように、収容された電池セル１ａの配置に合わせて導入口１ｄの位置を設定した場合には、複数の電池セル１ａにむらなく冷却風を供給することができ、それぞれの電池セル１ａの温度を均一にできるという利点がある。
このように、上記の電池パック１の空調制御装置によれば、冷却制御時と除湿制御時とで逆方向に空気を循環させることで、エバポレーター４で冷却された空気が電池パック１に導入されるときの温度（すなわち、冷却制御時の第一接続部２ａ近傍の温度と除湿制御時の第二接続部２ｂ近傍の温度）を相違させることができ、電池パック１内の空気の温度及び湿度を調節することができる。
また、空気の循環方向を逆にすることで、図６（ａ），（ｂ）に示すように、温度分布特性を大きく変化させることができ、電池パック１内の空気の温度及び湿度の調節が容易となる。これにより、効率よく電池セル１ａを冷却しつつ電池セル１ａ周りの環境を乾燥させることができ、電池セル１ａの劣化を抑制することができる。
［５．変形例］
上述の実施形態では、ファン５を用いて空気を循環経路２内で循環させるものを示したが、空気を循環させるための具体的な手段はこれに限定されない。例えば、気体ポンプや真空ポンプを利用して空気を循環させる構成としてもよい。少なくとも空気の循環方向を逆転させることができる手段であれば、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。エバポレーター４や熱交換部６についても同様であり、具体的な熱交換の手段は任意である。
また、電池空調ＥＣＵ３の制御に関して、図４に示すフローチャートでは、電池セル１ａの充電時に冷却制御を実施し、除湿制御の開始条件と冷却制御の終了条件とが同一であり、デフロスト制御の開始条件と除湿制御の終了条件とが同一である場合の制御を説明したが、開始条件や終了条件はこれに限らず種々考えられる。
例えば、充電時のみならず放電時（例えば、車載電装品によるバッテリー使用時や車両走行時など）や、他の条件に関わらず温度センサ１１で検出されたバッテリー温度Tが所定値よりも高温である場合に冷却制御を実施するもの、冷却制御の完了時のバッテリー温度Tや湿度に応じて除湿制御を実施するもの等としてもよい。このように電池セル１ａの状態に応じて適宜冷却制御及び除湿制御を実施することで、電池セル１ａの特性維持をさらに維持しやすくすることができるとともに、電池寿命を延ばして長持ちさせることができる。
また、上述の実施形態では、デフロスト制御時に一方のバイパス路７ｂから外気を取り込んでエバポレーター４に吹き当て、もう一方のバイパス路７ａから排出する管路構造のものを説明したが、より簡素な構造とすることも考えられる。例えば、エバポレーター４の下方に水抜き穴及び開閉自在の蓋体を設け、デフロスト時に蓋体を開放することによって循環経路２を外部に対して開放し、水抜きを行うこととしてもよい。
なお、上述の実施形態は車両１０に搭載された電池パック１の冷却及び除湿に係るものを例示したが、本電池パックの空調制御装置の適用対象はこれに限定されない。例えば、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車だけでなく、温度管理及び湿度管理が要求されるバッテリーを搭載した車両や電子機器，コンピュータ等への適用が可能である。一方、電池パック内の空気を除熱する手段や、その空気と外気との間で熱交換を行う手段を備えたものであることが好ましいという点に鑑みると、バッテリーを搭載した装置であって、おもに屋外で使用される装置に用いて好適である。
１ 電池パック
１ａ 電池セル
１ｂ ケース本体
１ｄ 導入口（第一導入口）
１ｅ 第二導入口
２ 循環経路
３ 電池空調ＥＣＵ（空調制御手段）
４ エバポレーター（除熱手段）
５ ファン（方向制御手段）
６ 熱交換部（熱交換手段）
７，７ａ，７ｂ バイパス路
９，９ａ，９ｂ 流路切換弁
１０ 車両
１１ 温度センサ（温度検出手段）
１２ 湿度センサ（湿度検出手段）

Claims (7)

  1. 電池セルを収容する電池パック内の空気を除熱し前記空気を冷却又は除湿する除熱手段と、
    前記電池パックと前記除熱手段との間を接続し前記空気を内気循環させる循環経路と、
    前記冷却時と前記除湿時とで逆方向に前記空気を前記循環経路内で循環させる方向制御手段と
    を備えたことを特徴とする、電池パックの空調制御装置。
  2. 前記除熱手段よりも前記冷却時における上流側の前記循環経路上に設けられ、前記空気と外気との間で熱交換を行う熱交換手段を備えた
    ことを特徴とする、請求項１記載の電池パックの空調制御装置。
  3. 前記電池セルの充電又は放電時に前記空気を冷却する冷却制御を実施し、前記充電の終了後に前記空気を除湿する除湿制御を実施する空調制御手段を備えた
    ことを特徴とする、請求項１又は２記載の電池パックの空調制御装置。
  4. 前記空調制御手段が、前記冷却制御時に前記循環経路内を循環する空気の流量よりも、前記除湿制御時に前記循環経路内を循環する空気の流量を減少させる
    ことを特徴とする、請求項３記載の電池パックの空調制御装置。
  5. 前記除湿時に前記除熱手段に付着した水分を前記循環経路から流出させるバイパス路を備えた
    ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の電池パックの空調制御装置。
  6. 前記電池パックの上方に設けられ、前記空気の冷却時に前記循環経路から前記電池パック内へと前記空気を導入する第一導入口と、
    前記電池パックの下方に設けられ、前記空気の除湿時に前記循環経路から前記電池パック内へと前記空気を導入する第二導入口とを備えた
    ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の電池パックの空調制御装置。
  7. 前記第一導入口が、前記電池パックの上面の複数箇所に設けられ、前記電池パック内に収容された電池セルの全体に向かって前記空気を供給し、
    前記第二導入口が、前記電池パックの隅部に設けられ、前記電池パックの下面側から層状に前記空気を供給する
    ことを特徴とする、請求項６記載の電池パックの空調制御装置。
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