WO2016039098A1

WO2016039098A1 - 温度検出装置

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Publication number: WO2016039098A1
Application number: PCT/JP2015/073233
Authority: WO
Inventors: 谷川　純也; 荘田　隆博
Original assignee: 矢崎総業株式会社
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2016-03-17
Also published as: JP2016057173A; CN106687784B; US20170179550A1; DE112015004134T5; US10355323B2; JP6211493B2; CN106687784A

Abstract

　温度検出装置（１）は、複数の電池セル（１０１）の各々に対応して設けられる複数の検出回路（１０）と、それら検出回路を電気的に並列に接続する一対の検出線（１５ａ，１５ｂ）と、分圧抵抗（２１）を介して検出線に正弦波検出信号を入力して複数の電池セルの各々の温度を検出する処理部（２３）と、を備える。複数の検出回路（１０）の各々は、温度に対応して電気特性が変化する感温抵抗と、コイルと、コンデンサと、を直列に接続した回路によって構成される。

Description

温度検出装置

　本発明は、複数の電池セルを組合せた組電池（電池パック）の状態管理に用いられる温度検出装置に関する。

　従来から、電気自動車（ＥＶ）及びハイブリッド自動車（ＨＥＶ）のように、電動機（モータ）を駆動源として用いて走行する車両が知られている。この種の車両には、モータに電力を供給するバッテリ（蓄電装置）が搭載されている。バッテリとしては、例えば、リチウムイオン電池が用いられる。バッテリは、その充放電過程（特に、満充電で充電を継続した場合、及び、継続的な高負荷状態に対応して大きな電流を流し続けた場合など）において発熱し、その温度が上昇する。バッテリの温度が上昇するとバッテリの出力特性が変化し得るため、バッテリの温度を考慮した上で充放電を行うことが好ましい。

　一方、車両のモータを駆動させるバッテリには高い出力電圧が求められるため、一般に、複数の電池セル（単位電池）を組み合わせた組電池（電池パック）が用いられる。この組電池においては、電池セル毎に放熱の程度が異なることに起因して組電池内に温度分布が発生する場合があるため、電池セル毎に温度を管理することが望ましい。

　例えば、従来の温度検出装置の一つ（以下「従来装置」という。）は、組電池（電池パック）の温度を複数の温度センサを用いて検出するようになっている。具体的には、従来装置は、組電池における電池セルの配列方向に沿って複数の（但し、電池セルの数よりも少ない数の）温度センサを配置している。一例として、従来装置は、１００個以上の電池セルに対して３個の温度センサを配置している。そして、従来装置は、温度センサの出力値と、他のパラメータ（例えば、周辺温度、冷却風量など）と、に基づき、組電池の内部の温度を推定するようになっている。なお、温度センサとして、サーミスタ等の感温素子が用いられている（例えば、特許文献１を参照。）。

日本国特開２０１１－２２２１３３号公報

　従来装置では、電池セルの数よりも少ない数の温度センサによって組電池の温度を推定している。そのため、従来装置は、電池セルの数に対して温度センサの数が不十分であると、組電池の内部の温度状態を分解能よく把握できない場合がある。更に、従来装置は、温度センサの各々に対して一対の検出線（温度センサに繋がった配線）を設けているため、温度検出の分解能を高めるべく温度センサの数を増やすと、温度センサの数に比例して検出線の数も増えることになる。その結果、組電池を収容するケース内の限られたスペースに多数の検出線を配索することとなり、検出線の配索作業が煩雑となる場合がある。このように、従来装置には、温度検出の分解能の向上と、検出線の配索の作業性と、の間に二律背反の関係がある。

　本発明の目的は、上記課題に鑑み、組電池の温度状態を分解能よく検出すると共に検出線の配索性に優れる温度検出装置を提供することにある。

　上述した目的を達成するために、本発明に係る温度検出装置は、下記（１）～（３）の特徴を有している。
（１）
　複数の電池セルを組み合わせた組電池の温度を検出する温度検出装置であって、
　前記複数の電池セルの各々に対応して設けられる複数の検出回路と、
　前記複数の検出回路を電気的に並列に接続する一対の検出線と、
　分圧抵抗を介して前記一対の検出線に正弦波検出信号を入力することにより、前記複数の電池セルの各々の温度を検出する処理部と、を備え、
　前記複数の検出回路の各々は、
　温度に対応して電気特性が変化する感温抵抗と、コイルと、コンデンサと、を直列に接続した回路によって構成される、
　温度検出装置であること。
（２）
　上記（１）に記載の温度検出装置において、
　前記複数の検出回路の各々における前記コイルのインダクタンス及び前記コンデンサの静電容量が、
　前記複数の検出回路の各々の共振周波数がそれぞれ異なる値となるように設定され、
　前記処理部が、
　前記複数の検出回路の各々の共振周波数と対応するように前記正弦波検出信号の周波数を変動させながら、前記一対の検出線に前記正弦波検出信号を入力する、
　温度検出装置であること。
（３）
　上記（２）に記載の温度検出装置において、
　前記処理部が、
　前記正弦波検出信号の周波数が共振周波数と対応する前記検出回路における前記感温抵抗の抵抗値を、前記分圧抵抗における電圧に基づいて算出し、
　前記感温抵抗の抵抗値に基づき、前記共振周波数と対応する検出回路が設けられた前記電池セルの温度を検出する、
　温度検出装置であること。

　本発明によれば、温度検出対象の電池セルの各々に対応して複数の検出回路を設けている（即ち、電池セルと検出回路とが一対一に対応する）ため、電池セルの各々の温度状態を検出できる。更に、一対の（２本の）検出線を全ての検出回路が共用するため、検出線を検出回路ごとに設ける必要がない。これにより、組電池の温度状態を分解能よく検出すると共に検出線の配索性に優れた温度検出装置を提供できる。

　以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る温度検出装置の構成を模式的に示す説明図である。図２は、本発明の実施形態に係る温度検出装置の回路構成を示す説明図である。図３は、本発明の実施形態に係る温度検出装置における各検出回路に関するインダクタンス及び静電容量の一例と、その共振周波数と、を示す図である。図４は、本発明の実施形態に係る温度検出装置による温度検出処理を示すフローチャートである。

　図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る温度検出装置（以下「温度検出装置１」という。）は、組電池１００の状態管理に用いられる。

　組電池１００は、複数の電池セル１０１を電気的に接続したものである。本実施形態においては、組電池１００は、６つの電池セル１０１から構成されている。複数の電池セル１０１は、それらの厚さ方向に積層された状態にてモジュールケース（図示省略）に収容されている。

　なお、複数の電池セル１０１の各々は、１つの電池要素から又は複数の電池要素を電気的に接続することにより、構成されている。電池セル１０１として、例えば、リチウムイオン電池を用いることができる。リチウムイオン電池は、一般に高温下での特性変化が大きいため、出来る限り厳密に温度管理を行うことが望ましい。

　温度検出装置１は、複数の電池セル１０１の各々に対応して設けられている複数の検出回路１０と、複数の検出回路を電気的に並列に接続している一対の検出線１５と、検出線１５に温度検出用の信号を入力すると共に検出線からの出力に基づいて電池セル１０１の温度を検出する検出処理装置２０とを有している。

　複数の検出回路１０は、それぞれが独立した回路である。本実施形態では、６つの電池セル１０１の各々に対応する６つの検出回路１０が設けられ、検出回路１０の各々と電池セル１０１の各々とが一対一の関係となるようになっている。なお、図２においては、複数の検出回路１０を識別する目的にて、各々の検出回路１０に「Ｓ１」から「Ｓ６」までの符号が付されている。

　検出回路１０の各々は、対応する電池セル１０１の温度を検出する回路であり、電池セル１０１ごとに（１つの電池セル１０１に１つの検出回路１０が）設けられている。検出回路１０の各々は、抵抗と、コイルと、コンデンサとを直列に接続した回路（ＲＬＣ回路）である。

　具体的には、第１の検出回路１０（Ｓ１）は、抵抗Ｒｔｈ１、コイルＬ１及びコンデンサＣ１からなるＲＬＣ回路である。同様に、第２の検出回路１０（Ｓ２）は、抵抗Ｒｔｈ２、コイルＬ２及びコンデンサＣ２からなるＲＬＣ回路であり、第３の検出回路１０（Ｓ３）は、抵抗Ｒｔｈ３、コイルＬ３及びコンデンサＣ３からなるＲＬＣ回路であり、第４の検出回路１０（Ｓ４）は、抵抗Ｒｔｈ４、コイルＬ４及びコンデンサＣ４からなるＲＬＣ回路であり、第５の検出回路１０（Ｓ５）は、抵抗Ｒｔｈ５、コイルＬ５及びコンデンサＣ５からなるＲＬＣ回路であり、第６の検出回路１０（Ｓ６）は、抵抗Ｒｔｈ６、コイルＬ６及びコンデンサＣ６からなるＲＬＣ回路である。

　抵抗Ｒｔｈ１～Ｒｔｈ６は、対応する電池セル１０１に対して熱的に接触して（換言すると、電池セル１０１の熱が対応する抵抗に伝達可能であるように）配設されている。抵抗Ｒｔｈ１～Ｒｔｈ６は、温度に応じて電気特性が変化する感温抵抗である。抵抗Ｒｔｈ１～Ｒｔｈ６はとして、例えば、サーミスタなどが用いられ得る。

　検出回路１０の各々において、コイルＬ１～Ｌ６のインダクタンス及びコンデンサＣ１～Ｃ６の静電容量は、検出回路１０の各々の共振周波数（固有周波数）がそれぞれ異なる値となるように、設定されている。

　一例として、図３に示すように、本実施形態（温度検出装置１）において、コイルＬ１～Ｌ６のインダクタンスＬは、いずれも４７μＨに設定されている。コンデンサＣ１～Ｃ６の静電容量Ｃは、それぞれ、０．１μＦ、０．１５μＦ、０．２２μＦ、０．３３μＦ、０．４７μＦ及び０．５６μＦに設定されている。検出回路１０の共振周波数ｆ０は、７３．４ｋＨｚ、５９．９ｋＨｚ、４９．５ｋＨｚ、４０．４ｋＨｚ、３３．９ｋＨｚ及び３１．０ｋＨｚである。

　一対の検出線１５は、６つの検出回路１０を電気的に並列に接続している。一対の検出線１５のうち、第１の検出線１５ａは、各検出回路１０の抵抗Ｒｔｈ１～Ｒｔｈ６側に接続され、第２の検出線１５ｂは、各検出回路１０のコンデンサＣ１～Ｃ６側に接続されている。第１の検出線１５ａと第２の検出線１５ｂとの間には、電源電圧Ｖｃｃを印加する電源３０が接続されている。なお、第２の検出線１５ｂは、グランドに接続されている。

　検出処理装置２０は、分圧抵抗２１と、電圧センサ２２と、処理部２３と、電源３０と、を含んでいる。

　分圧抵抗２１は、第１の検出線１５ａに接続されている。電源３０から出力される電圧（換言すると、後述する正弦波検出信号）は、分圧抵抗２１と、検出線１５を通じて複数の検出回路１０に印加される。即ち、電源３０の電圧は、分圧抵抗２１と、複数の検出回路１０と、に分圧されることになる。以下、分圧抵抗２１の抵抗値を「ｒ」とする。

　電圧センサ２２は、分圧抵抗２１に印加される電圧を検出するセンサである。

　処理部２３は、電池セル１０１の各々の温度を検出する。処理部２３として、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。処理部２３は、例えば、一対の検出線１５に分圧抵抗２１を介して特定周波数の正弦波検出信号を供給すること、及び、分圧抵抗２１に印加される電圧を検出することが可能である。

　電源３０は、周波数可変の交流電源であり、処理部２３によって制御されて特定の周波数の正弦波検出信号（交流電圧）を出力する。電源３０は、例えば、インバータ回路等で構成することが可能である。但し、電源３０は、これに限定されるものではない。

　以下、温度検出装置１における温度検出の原理について、説明する。

　一対の検出線１５に入力される正弦波検出信号の周波数が、検出回路Ｓ１～Ｓ６のいずれか（例えば、検出回路Ｓ１）の共振周波数ｆ０と一致した場合、その検出回路（例えば、検出回路Ｓ１）は共振状態となる。共振状態の検出回路１０（Ｓ１）では、コイルＬ１～Ｌ６及びコンデンサＣ１～Ｃ６の電位が打ち消し合うため、コイル及びコンデンサの合成インピーダンスを０Ωとみなすことができる。換言すると、正弦波検出信号の周波数と一致する共振周波数を有する検出回路（Ｓ１）を流れる電流が最大値となり、他の検出回路（Ｓ２～Ｓ６）を流れる電流が相対的に小さくなる（共振周波数の差が十分に大きければ、実質的にゼロとみなし得る）。

　この場合、全回路のインピーダンスは、分圧抵抗２１の抵抗値ｒと共振状態の検出回路１０の抵抗（Ｒｔｈ１）の抵抗値Ｒとの和として捉えることができる。そのため、分圧抵抗２１における電圧Ｖｒを電圧センサ２２によって検出すれば、検出された電圧Ｖｒと、入力電圧（電源電圧Ｖｃｃ）と、分圧抵抗２１の抵抗値ｒとに基づいて、共振状態の検出回路１０（Ｓ１）の抵抗（Ｒｔｈ１）の抵抗値Ｒを求めることができる。

　更に、検出回路１０の抵抗Ｒｔｈ１～Ｒｔｈ６は温感特性を有しているので、抵抗値Ｒに基づき、その抵抗（検出回路Ｓ１）が設けられている電池セル１０１の温度を特定できる。即ち、検出回路１０の抵抗Ｒｔｈ１～Ｒｔｈ６は電池セル１０１に熱的に接触されているため、特定された温度がその電池セル１０１の温度を表すこととなる。

　以下、温度検出装置１における温度検出処理の手順について、図４を参照しながら説明する。図４にフローチャートによって示す処理は、所定の周期で呼び出され、処理部２３により実行される。

　例えば、所定のタイミングにて処理部２３が処理を開始すると、処理部２３は、ステップ１０（Ｓ１０）において、正弦波検出信号の周波数を設定する。本温度検出処理では、処理部２３は、複数の検出回路１０の各々の共振周波数と対応するように正弦波検出信号の周波数を変動させながら、一対の検出線１５に正弦波検出信号を入力する。本ステップでは、処理部２３は、６つの検出回路Ｓ１～Ｓ６の中から温度検出をする電池セル１０１に対応する検出回路（Ｓ１～Ｓ６のうちの１つ）の共振周波数ｆ０を選択し、これを正弦波検出信号の周波数として設定する。

　次いで、ステップ１１（Ｓ１１）において、処理部２３は、電源３０を制御して、ステップ１０で設定された周波数の正弦波検出信号を出力する。出力された正弦波検出信号は、分圧抵抗２１及び一対の検出線１５に入力される。

　次いで、ステップ１２（Ｓ１２）において、処理部２３は、電圧センサ２２により、分圧抵抗２１における電圧を検出する。

　次いで、ステップ１３（Ｓ１３）において、処理部２３は、ステップ１０で設定した周波数（共振周波数ｆ０）に対応する検出回路１０が設けられた電池セル１０１の温度を算出する。具体的には、処理部２３は、分圧抵抗２１の電圧に基づいて、その検出回路１０の抵抗Ｒｔｈ１～Ｒｔｈ６の抵抗値Ｒを演算する。そして、処理部２３は、演算した抵抗値Ｒに基づき、電池セル１０１の温度を演算する。これにより、ステップ１０（Ｓ１０）にて選択した検出回路（Ｓ１～Ｓ６のうちの１つ）に対応した電池セル１０１の温度検出が行われる。

　次いで、ステップ１４（Ｓ１４）において、処理部２３は、温度検出をすべき次の電池セル１０１があるか否かを判定する。次の電池セル１０１がない場合、処理部２３はステップ１４にて「Ｎｏ」と判定し、本ルーチンを一旦終了する。これに対し、次の電池セル１０１がある場合、処理部２３はステップ１４にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ１０に戻る。そして、処理部２３は、ステップ１０にて、６つの電池セル１０１の中で未だに温度検出がなされていない新たな電池セル１０１を選択する。処理部２３は、選択した電池セル１０１に対応する検出回路（Ｓ１～Ｓ６のうちの１つ）の共振周波数ｆ０を選択し、これを正弦波検出信号の周波数として用い、その電池セル１０１の温度検出を行う。処理部２３は、温度検出対象となる全ての電池セル１０１について温度が検出されるまで、上述の処理を繰り返す。

　以上に説明したように、本実施形態の温度検出装置１によれば、６つの電池セル１０１のそれぞれに対応して６つの検出回路１０を設けているため、電池セル１０１の各々の温度状態を検出することが可能となる。更に、一対の検出線１５を全ての検出回路１０が共用することにより、一対の検出線１５を検出回路１０ごとに設ける必要がない。これにより、組電池１００の温度状態を分解能よく検出すると共に、検出線１５の配索性に優れる温度検出装置１を提供できる。

　ここで、上述した本発明に係る温度検出装置の実施形態の特徴を、下記（１）～（３）に簡潔に纏めて列記する。
（１）
　複数の電池セル（１０１）を組み合わせた組電池（１００）の温度を検出する温度検出装置（１）であって、
　前記複数の電池セルの各々に対応して設けられる複数の検出回路（Ｓ１～Ｓ６）と、
　前記複数の検出回路を電気的に並列に接続する一対の検出線（１５ａ，１５ｂ）と、
　分圧抵抗（２１）を介して前記一対の検出線に正弦波検出信号を入力することにより、前記複数の電池セルの各々の温度を検出する処理部（２３）と、を備え、
　前記複数の検出回路（Ｓ１～Ｓ６）の各々は、
　温度に対応して電気特性が変化する感温抵抗（Ｒｔｈ１他）と、コイル（Ｌ１他）と、コンデンサ（Ｃ１他）と、を直列に接続した回路によって構成される、
　温度検出装置。
（２）
　上記（１）に記載の温度検出装置において、
　前記複数の検出回路（Ｓ１～Ｓ６）の各々における前記コイル（Ｌ１他）のインダクタンス及び前記コンデンサ（Ｃ１他）の静電容量が、
　前記複数の検出回路の各々の共振周波数（ｆ０）がそれぞれ異なる値となるように設定され、
　前記処理部（２３）が、
　前記複数の検出回路の各々の共振周波数と対応するように前記正弦波検出信号の周波数を変動させながら、前記一対の検出線（１５ａ，１５ｂ）に前記正弦波検出信号を入力する、
　温度検出装置。
（３）
　上記（２）に記載の温度検出装置において、
　前記処理部（２３）が、
　前記正弦波検出信号の周波数が共振周波数（ｆ０）と対応する前記検出回路（Ｓ１～Ｓ６）における前記感温抵抗（Ｒｔｈ１他）の抵抗値を、前記分圧抵抗（２１）における電圧に基づいて算出し、
　前記感温抵抗（Ｒｔｈ１他）の抵抗値に基づき、前記共振周波数と対応する検出回路（Ｓ１～Ｓ６）が設けられた前記電池セル（１０１）の温度を検出する、
　温度検出装置。

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

　例えば、上記実施形態では、組電池１００を構成する電池セルの数を６つとしたが、電池セルの数は特にこれに限定されない。更に、上記実施形態では、組電池１００をなす全ての電池セル１０１を温度検出対象とし、検出回路Ｓ１～Ｓ６が電池セル１０１の各々に対応するように設けているが、組電池１００の中から選択した一部の電池セル１０１のみを温度検出対象としてもよい。

　更に、例えば、本発明の温度検出装置は、車両のバッテリ以外にも、電化製品および携帯電話に実装されるバッテリなどについても適用が可能である。

　本出願は、２０１４年９月１０日出願の日本特許出願（特願２０１４－１８４０７４）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明によれば、組電池の温度状態を分解能よく検出すると共に検出線の配索性を高めることが可能である。この効果を奏する本発明は、組電池の温度状態を検出する温度検出装置に関して有用である。

１　　　温度検出装置
１０　　検出回路
Ｒｔｈ１～Ｒｔｈ６　　抵抗
Ｌ１～Ｌ６　　コイル
Ｃ１～Ｃ６　　コンデンサ
１５ａ，１５ｂ　　一対の検出線
２１　　分圧抵抗
２３　　処理部

Claims

　複数の電池セルを組み合わせた組電池の温度を検出する温度検出装置であって、
　前記複数の電池セルの各々に対応して設けられる複数の検出回路と、
　前記複数の検出回路を電気的に並列に接続する一対の検出線と、
　分圧抵抗を介して前記一対の検出線に正弦波検出信号を入力することにより、前記複数の電池セルの各々の温度を検出する処理部と、を備え、
　前記複数の検出回路の各々は、
　温度に対応して電気特性が変化する感温抵抗と、コイルと、コンデンサと、を直列に接続した回路によって構成される、
　温度検出装置。
　請求項１に記載の温度検出装置において、
　前記複数の検出回路の各々における前記コイルのインダクタンス及び前記コンデンサの静電容量が、
　前記複数の検出回路の各々の共振周波数がそれぞれ異なる値となるように設定され、
　前記処理部が、
　前記複数の検出回路の各々の共振周波数と対応するように前記正弦波検出信号の周波数を変動させながら、前記一対の検出線に前記正弦波検出信号を入力する、
　温度検出装置。
　請求項２に記載の温度検出装置において、
　前記処理部が、
　前記正弦波検出信号の周波数が共振周波数と対応する前記検出回路における前記感温抵抗の抵抗値を、前記分圧抵抗における電圧に基づいて算出し、
　前記感温抵抗の抵抗値に基づき、前記共振周波数と対応する検出回路が設けられた前記電池セルの温度を検出する、
　温度検出装置。