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JP2016115609A - バッテリ冷却装置 - Google Patents

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JP2016115609A
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田邊 圭樹
Yoshiki Tanabe
圭樹 田邊
山田 純一
Junichi Yamada
純一 山田
近藤 暢宏
Nobuhiro Kondo
暢宏 近藤
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Daimler AG
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Abstract

【課題】バッテリ温度を適正温度範囲に維持する上、バッテリ冷却手段の効率的な作動を実現し、バッテリ冷却に要する消費エネルギの低減に寄与することができるバッテリ冷却装置を提供すること。【解決手段】自車両の位置情報及び車両前方の所定の予測範囲における経路情報からバッテリ(11)の温度推移を予測して、バッテリ温度が適正温度範囲を超過する場合に、管理温度幅内でバッテリ温度をばらつかせつつ平均温度が指示温度となるようバッテリ冷却回路(20)を制御する冷却制御において、予測範囲におけるΣΔSOC2に基づくバッテリ使用状態が所定値より大である場合には(S20がYes)、冷却モードとして、管理温度幅が狭い第1温度幅とし、予測範囲が短い第1範囲とする急冷モードを選択する(S21)。【選択図】図6

Description

本発明は、バッテリ冷却装置に関する。
バッテリには通常、使用する上で適正な温度範囲があり、この温度範囲より高温状態となると、性能の低下や製品寿命の低下を招く。そこで、例えば特許文献1に記載されるように、ハイブリッド車両において駆動源となるモータに電力を供給するバッテリの温度を走行経路に関する道路情報を基に温度推移を予測することでバッテリを適正温度範囲に制御するバッテリ冷却装置が知られている。
特開2006−139963号公報
特許文献1に記載される技術においては、バッテリ温度が適正温度範囲を超える場合に事前に冷却を行うこととしているが、車両の走行状態に応じたバッテリの使用状態に伴うバッテリの必要冷却仕事量(冷却水流量と冷却ファン出力によって変化する冷却仕事量)の変化までは考慮されていない。
例えば、バッテリの温度が適正温度範囲を超える場合に、適正温度範囲を維持すべくバッテリの冷却ファンを常に最大出力で駆動していては必要以上のエネルギを消費し効率が悪くとなるという問題がある。また、長い降坂路で回生運転が継続して行われている場合などでは、車両の走行状態に応じてバッテリの使用が増加することから、単位時間に必要とされるバッテリ冷却仕事量も増大する。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、バッテリ温度を適正温度範囲に維持する上で、バッテリ冷却手段の効率的な作動を実現し、バッテリ冷却に要する消費エネルギの低減に寄与しつつ、車両の走行状態に応じた必要バッテリ冷却仕事量の変化に確実に対応することができるバッテリ冷却装置を提供することにある。
本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。
本適用例に係るバッテリ冷却装置は、車両に搭載され、所定の適正温度範囲を有するバッテリと、前記バッテリを冷却するバッテリ冷却手段と、車両前方の所定の予測範囲における経路情報を取得して、経路上の各地点における前記車両の運転状態を予測し、前記バッテリの温度推移を予測するバッテリ温度予測手段と、前記バッテリ温度予測手段により予測されるバッテリ温度推移において前記適正温度範囲を超える場合、前記バッテリの温度を適正温度範囲内に維持するために前記バッテリ冷却手段に対する指示温度を設定する冷却設定手段と、前記冷却設定手段により設定された指示温度に対し、前記予測範囲において所定の管理温度幅内でばらつきを持たせつつ平均温度が前記指示温度となるように前記バッテリ冷却手段を制御する冷却制御手段と、前記予測範囲における前記バッテリの使用状態を推定するバッテリ使用状態推定手段と、前記バッテリ使用状態推定手段により推定されたバッテリの使用状態が所定の閾値より大である場合には、前記冷却制御手段の前記管理温度幅を閾値以下の場合よりも狭く設定する管理温度幅設定手段と、を備える。
上記手段を用いる本発明によれば、バッテリ温度を適正温度範囲に維持する上、バッテリ冷却手段の効率的な作動を実現し、バッテリ冷却に要する消費エネルギの低減に寄与することができる。
本発明の一実施形態に係るバッテリ冷却装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリ冷却装置のECUが実行するバッテリ冷却制御ルーチンを表すフローチャートである。 バッテリの温度推移の例を示すタイムチャートである。 バッテリ冷却における制御ベース値と制御ゲインとを算出する制御フローである。 予測範囲におけるバッテリ温度の平均温度と冷却仕事量の関係図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリ冷却装置のECUが実行する管理温度幅及び予測範囲の設定制御ルーチンを表すフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
図1は本発明の一実施形態におけるハイブリッド車両のバッテリ冷却装置の概略構成図であり、同図に基づき説明する。
ハイブリッド車両1はいわゆるパラレル型ハイブリッドのトラックとして構成されており、以下の説明では、単に車両とも称する。
車両1には走行用の動力源としてディーゼルエンジン(以下、エンジンという)2、及び発電機としても作動可能なモータ3(電動機)が搭載されている。エンジン2の出力軸にはクラッチ4が連結され、クラッチ4にはモータ3の回転軸を介して変速機5の入力側が連結されている。変速機5の出力側にはプロペラシャフト6を介して差動装置7が連結され、差動装置7には駆動軸8を介して左右の駆動輪9が連結されている。
モータ3は、具体的には永久磁石が貼り付けられたロータと三相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機であり、電力変換器10を介してバッテリ11と接続されている。
電力変換器10は、バッテリ11からの直流電力を交流電力に変換してモータ3に供給可能であるとともに、モータ3からの交流電力を整流してバッテリ11へ供給可能である。
このように構成された車両1は、エンジン2又はモータ3で発生させた駆動力を変速機5で変速された後、駆動輪9に伝達されることで走行する。また、例えば車両1の減速時や降坂路での走行時には、駆動輪9側からの逆駆動によりモータ3が発電機として作動する。そしてモータ3が発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪9側に伝達されると共に、モータ3が発電した交流電力が電力変換器10で直流電力に変換されてバッテリ11に充電される。
また、車両1には、バッテリ11を冷却するためのバッテリ冷却回路20(バッテリ冷却手段)が設けられている。バッテリ冷却回路20は、冷媒として冷却水を使用する、いわゆる水冷式の冷却構造である。バッテリ冷却回路20には、バッテリ11、ポンプ21、冷却水タンク22、ラジエータ23が設けられている。
詳しくは、ポンプ21はバッテリ冷却回路20内に冷却水を循環させるよう駆動するものである。ポンプ21は電動で駆動し、回転数を調整することで冷却水の流量を変動させることが可能である。本実施形態におけるバッテリ冷却回路20では、ポンプ21から、バッテリ11、冷却水タンク22、及びラジエータ23の順に冷却水が循環する。
冷却水タンク22は、冷却水を貯えるものであり、ラジエータ23は外気との熱交換により冷却水を冷却する熱交換器である。また、ラジエータ23の近傍には、当該ラジエータ23に向けて送風を行うファン24が配設されている。
ファン24は電動で駆動し、回転数を調整することで送風量を変動させることが可能である。ラジエータ23は、ファン24からの送風により外気との熱交換が促進される。
このように構成されたバッテリ冷却回路20は、バッテリ11の冷却時には、ポンプ21が駆動することでバッテリ11の熱を吸収した冷却水がラジエータ23に送られる。ラジエータ23では、冷却水と外気との間で熱交換が行われることで、冷却水が冷却される。そして、十分冷却された冷却水が再びバッテリ11に送られる。
このバッテリ冷却回路20によるバッテリ11の放熱量はポンプ21とファン24の駆動量に応じて変化する。例えば、ポンプの駆動量を増加させれば、冷却水の循環速度が上がりバッテリ11の放熱量は上昇する。また、ファンの駆動量を増加させれば、ラジエータ23での冷却水の放熱が促進され、冷却水を低温に維持できることから、バッテリ11の放熱量は上昇する。
車両1には上記バッテリ冷却回路20を含め、バッテリ11の管理を行うECU30が搭載されている。当該ECU30には、バッテリ11の温度を検出するバッテリ温度センサ31、車両1外部の外気温度を検出する外気温度センサ32が接続されている。また当該ECU30は、バッテリ11からバッテリ11の電圧、電力変換器10とバッテリ11との間に流れる電流などを検出し、これらの検出結果からバッテリ11のSOC(State Of Charge:充電量)を算出する。
また、ECU30はバッテリ冷却回路20を用いたバッテリ11の冷却制御も行う。このバッテリ11の冷却制御において、ECU30は車両1の走行を予測し、それに応じたバッテリ温度の変化を予測して、バッテリ温度が適正温度範囲内に維持されるようバッテリ冷却制御を行う。
詳しくは、ECU30は、自車両前方の走行経路における所定の予測範囲で道路環境情報(経路情報)を取得し、当該経路上の各地点の車両1の運転状態を予測する。そのためECU30には、自車両の位置情報取得するGPS(Global Positioning System)33と、自車両前方の経路情報を検出するためのナビゲーションユニット34が接続されている。例えば、ナビゲーションユニット34は自己の記憶領域に地図データや道路情報、路面勾配情報等が記憶可能であり、且つ渋滞や交通規制などの道路交通情報を外部の通信網から受信可能である。
ここで、図2から図5を参照すると、図2にはECU30が実行するバッテリ冷却制御ルーチンを表すフローチャートが、図3にはバッテリ11の温度推移の例を示すタイムチャートが、図4にはバッテリ冷却における制御ベース値と制御ゲインとを算出する制御フローが、図5には予測範囲におけるバッテリ温度の平均温度と冷却仕事量の関係図が示されており、以下図2のフローチャートに沿って、途中図3から図5を参照しつつ、本実施形態におけるバッテリ冷却制御について説明する。
まずECU30は、ステップS1において、GPS33から自車両の位置情報を取得し、ナビゲーションユニット34から所定の予測範囲内における路面勾配情報を取得する。
続いてECU30は、ステップS2において、バッテリ11の温度推移を予測する(バッテリ温度予測手段)。具体的には、上記ステップS1において取得した路面勾配情報に基づき車両前方の経路を区分して、各区間において予想される経路上の勾配変化と車両1の運転状態からSOCの変動を予測する。例えば降坂路の区間においてはモータ3により回生運転が行われることが予想され、SOCが上昇すると予測する。また、登坂路又は平坦路の区間においては、当該区間において予測されるSOCが比較的多ければモータ3のみもしくはモータ3とエンジン2の両者での走行が行われることが予想され、SOCが消費されると予測する。一方、平坦路が続き回生運転が期待できず、かつ、SOCが少なければエンジン2のみでの走行が行われることが予想されるため、SOCは増減しにくいと予測される。そして、ECU30は、このようなSOCの変動からバッテリ11の温度変化を予測する。例えば、SOCは電流履歴から算出されるため、発熱量を算出するIR(電流の2乗×内部抵抗)と同様に、ΔSOC(SOCの変化量の2乗)で算出可能である。
そしてステップS3において、ECU30は予測したバッテリ温度が、予め定められているバッテリ11の適正温度範囲を超過するか否かを判別する。当該判別結果が偽(No)である場合、即ちバッテリ温度が適正温度範囲内で推移するのであればバッテリ冷却を行う必要はなく、当該ルーチンをリターンする。
一方、図3に示すように、予測したバッテリ温度の推移において、バッテリ冷却を行わなければ適正温度範囲を超過するような場合には、ステップS3の判別結果は真(Yes)となり、バッテリ冷却を行うべくステップS4に進む。
ステップS4において、ECU30は、バッテリ冷却を行うための指示温度TTarget及び管理温度幅TBandを設定する(冷却設定手段)。ここでの指示温度TTargetは、バッテリ温度を適正温度範囲内に抑えるための温度に設定され、例えば適正温度範囲の上限値TLimitに設定される(TTarget=TLimit)。また、管理温度幅はバッテリ温度のばらつきを許容する幅に相当し、詳しくは後述するように、予測範囲におけるバッテリ11の使用状態等に応じて設定される。
続くステップS5において、ECU30は、図4に示す制御フローに従って指示温度TTarget及び管理温度幅TBandから、バッテリ冷却回路20に対する冷却指令値を求めるための制御ベース値TBase及び制御ゲインTGainを算出する。
詳しくは、図4に示すように、ECU30は、指示温度TTarget、管理温度幅TBand、予測範囲内のΣΔSOC(SOCの変化量の二乗の積算値)、外気温度センサ32により算出される外気温度TAmbient、及び車速に基づく第1マップにより、制御ゲインTGainを算出する。そして、この制御ゲインTGainと、指示温度TTarget、予測範囲内のΣΔSOC、外気温度TAmbient、及び車速に基づく第2マップにより、制御ベース値TBaseを算出する。第1マップ及び第2マップは、バッテリ温度が車両1の運転パターンや外気温度TAmbient等の外因の影響を受けることを考慮し、予め指示温度TTarget及び管理温度幅TBandに対してこれらの外因に応じた適正な制御ベース値TBase及び制御ゲインTGainを予め実験により求めて設定されたものである。
ここで、図5の予測範囲におけるバッテリ温度の平均温度と冷却仕事量の関係図に基づき、制御ベース値TBase及び制御ゲインTGainについて説明する。なお、当該関係図において外気温度は一定値TAmbient1(例えば35℃)とする。
同図において、黒点は管理温度幅を0とした場合、即ち制御ゲインTGainを100%とした場合のバッテリ平均温度TAveと冷却仕事量Eとの関係を示している。この場合は一点鎖線で示すように、バッテリ平均温度TAveが高くなるほど、即ちバッテリ温度と外気温度TAmbient1との差が大きくなるほど冷却仕事量Eは低くなる傾向にある。
一方、白点は黒点の条件に対し所定の管理温度幅TBand1を持たせた場合のバッテリ平均温度TAveと冷却仕事量Eの関係を示している。この場合は二点差線で示すように、一点鎖線よりも全体として冷却仕事量が低くなる。その上で、一点鎖線と平行をなすようにバッテリ平均温度TAveが高くなるほど冷却仕事量Eが低くなる傾向にある。
ここで図5において、管理温度幅を0とし、指示温度TTargetを適正温度範囲の上限値TLimitとして制御した場合の黒点がa点となる。この場合の予測範囲内におけるバッテリ温度の分布は、正規分布図(a)に示すように、バッテリ温度は、予測範囲内のほとんどの時間において指示温度TTargetに制御され、平均値TAve1はほぼ指示温度TTargetと同じとなる。そして、a点の実温度幅は比較的狭いΔTb1となり、冷却仕事量はE1となる。
一方、指示温度TTargetは適正温度範囲の上限値TLimitとしつつ、所定の管理温度幅TBand1を持たせると白点bとなる。この場合は、正規分布図(b)に示すように、黒点aの場合よりもバッテリ温度のばらつきが多くなり、実温度幅がΔTb2に拡がる(ΔTb2>ΔTb1)。そして、平均温度TAve2が若干上昇する一方(TAve2>TAve1)、冷却仕事量がE1からE2に低下する(E2<E1)。つまり、管理温度幅TBand1を持たせてバッテリ温度のばらつきを許容することにより、バッテリ冷却回路20によるバッテリ11の冷却精度が低下する一方で冷却仕事量が低減することとなる。
そして、管理温度幅TBand1を持たせたことでバッテリ11の平均温度TAveが上昇して指示温度TTargetから外れることに対して、ECU30は管理温度幅TBand1を維持しつつ平均温度TAveが指示温度TTargetとなるように、上記第1マップ及び第2マップにより制御ベース値TBaseと制御ゲインTGainとを設定している。つまりこれは、図5の白点cに示すように、白点bから二点鎖線の傾向に沿って、平均温度TAve3を指示温度TTargetとしている。そして、当該白点cの冷却仕事量E3は、白点bの冷却仕事量E2よりも上昇するが、管理温度幅を持たせない場合の黒点aの冷却仕事量E1よりも低い冷却仕事量を実現している(E3<E1)。
ECU30は、このような制御ベース値TBase及び制御ゲインTGainを設定した後、続くステップS6において、制御ベース値TBaseと制御ゲインTGainとを乗算した値を冷却指令値(=TBase×TGain)としてバッテリ冷却回路20を制御する(冷却制御手段)。具体的にはECU30は冷却指令値に従ってポンプ21及びファン24を駆動制御することで、所定の予測範囲においてバッテリ温度を管理温度幅TBand内でばらつきつつも平均温度TAveが指示温度TTargetとなるようにする。
以上のようにして、ECU30は、バッテリ11の温度推移を予測し、適正温度範囲を超えるような場合には、適正温度を超える前にバッテリ温度を指示温度TTargetまで抑えることで、確実にバッテリ温度を適正温度範囲内に維持している。
さらに本実施形態におけるECU30は、図2のステップS3の管理温度幅についてはバッテリ11の使用状態に応じて、またステップS1の所定の予測範囲についてはバッテリ11の環境状態に応じて、それぞれ設定を変更する。
詳しくは図6に、ECU30が実行する管理温度幅及び予測範囲の設定制御ルーチンを表すフローチャートが示されている。
前提として、ECU30には、管理温度幅として比較的狭い範囲である第1温度幅と、第1温度幅より広い範囲である第2温度幅の2つの温度幅が記憶されている。また図3に示すように、予測範囲としては、ベースとなるベース範囲と、ベース範囲より短い第1範囲、ベース範囲より長い第2範囲がECU30に記憶されている。そして、ECU30はこれら管理温度幅と予測範囲の組合せが異なる3種類の冷却モードを備えている。
図6のフローチャートに示すように、まずECU30はステップS20として、予測範囲(例えばベース範囲)におけるバッテリ11のΣΔSOC(SOCの変化量の二乗の積算値)を算出し、当該ΣΔSOCが予め定めた所定値より大であるか否かを判別する。当該判別は、バッテリ11に対する電流の出入りからバッテリ11の使用状態を推定している(バッテリ使用状態推定手段)。ここでの所定値は、例えばバッテリ温度が適正温度範囲を超えるおそれのあるΣΔSOCに設定される。従って、長い降坂路で回生運転が継続して行われている場合や、モータ3での力行運転が長時間行われている場合には、ΣΔSOCが所定値より大きくなる。ΣΔSOCが所定値より大である場合は、当該判別結果が真(Yes)となり、ステップS21に進む。
ステップS21において、ECU30は、バッテリ冷却モードとしてバッテリ11を早期に冷却する急冷モードを選択する。急冷モードでは、管理温度幅が狭い第1温度幅とし、予測範囲が短い第1範囲とする(管理温度幅設定手段)。第1温度幅は、例えば上述の制御ゲインTGainが100%又は100%近くとなる温度幅に相当し、バッテリ温度のばらつきをほとんどなくしてほぼ指示温度TTarget通りにバッテリ温度を制御することとなる。そして、予測範囲を短い第1範囲とすることで、現在から短期間のΔSOCの傾向を用いることから、大きな温度超過量を推定することとなり要求する冷却仕事量も大きくなるとともに、予測頻度が増え冷却仕事量のフィードバック修正間隔が短くなることから、短期間でバッテリの温度を指示温度まで冷却することとなる。
したがって、本実施形態に係るECU30は、長い降坂路で回生運転が継続して行われている場合などの走行状態によりバッテリ使用状態が変化し、単位時間に必要となるバッテリ冷却仕事量の増加が予測される場合は、後述される冷却モードよりも管理温度幅を狭く設定する急冷モードを設けることにより、バッテリ11を急速に冷却することができる。これにより、車両の走行状態に応じたバッテリ11の冷却仕事量の変化に確実に対応することができる。
一方、上記ステップS20の判別結果が偽(No)である場合、即ちΣΔSOCが所定値以下の通常のバッテリ使用状態である場合には、ステップS22に進む。
ステップS22において、ECU30は外気温度センサ32から外気温度TAmbientを検出し、当該外気温度TAmbientが予め定めた所定温度未満であるか否かを判別する。当該所定温度はバッテリ11の適正温度範囲に対して比較的低めの温度に設定されており、外気温度TAmbientが所定温度未満の低温状態である場合には、当該判別結果が真(Yes)となり、ステップS23に進む。
ステップS23において、ECU30は、バッテリ冷却モードとして低温状態のバッテリ11に対応した低温モードを選択する。低温モードでは、バッテリ11と外気温度との差が大きく、冷却しやすい環境にあることから、管理温度幅が広い第2温度幅とし、予測範囲が長い第2範囲とする(管理温度幅設定手段)。このように管理温度幅を広くすることで、上述の制御ゲインTGainは低くなりバッテリ温度のばらつきを許容して冷却仕事量Eを低下させることとなる。そして予測範囲も長くすることで、長い時間をかけてバッテリ11の温度を指示温度TTargetまで冷却することとなるのでより冷却仕事量を低下させることができる。
一方、上記ステップS22の判別結果が偽(No)である場合、即ち外気温度が所定温度以上の環境下に車両がある場合には、ステップS24に進む。
ステップS24において、ECU30はバッテリ冷却モードとして通常モードを選択する。通常モードでは、管理温度幅が広い第2温度幅とし、予測範囲はベース範囲とする(管理温度幅設定手段)。このように管理温度幅を第2温度幅とすることで冷却仕事量Eの低下を図ることができる。
以上のようにステップS21、S23、S24において冷却モードを選択し、管理温度幅及び予測範囲を決定した後、当該ルーチンをリターンする。
そして、ECU30は冷却モードに応じた管理温度幅及び予測範囲で、上述した図2に示すバッテリ冷却制御を行う。
このように、ΣΔSOCからバッテリ11の使用状態を推定し、長い降坂路で回生運転が継続して行われている場合などの走行状態によりバッテリ使用状態が変化し、単位時間に必要となるバッテリ冷却仕事量の増加が予測される場合には、急冷モードを選択することでバッテリ11を早期に冷却することとなりバッテリ温度を適正温度範囲内に確実に維持することができ、バッテリ性能を維持することができる。一方で、バッテリ11の負荷が大きくない場合には、管理温度幅を持たせ、予測範囲を長くすることで効率よくバッテリ11を冷却することができ、バッテリ冷却に要する消費エネルギを低減することができる。
また、外気温度が低い場合には予測範囲を長くすることで、長い時間をかけて効率よくバッテリ温度を適正温度範囲内に維持することができる。
以上で本発明に係るバッテリ冷却装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
上記実施形態のバッテリ冷却回路20に設けられる装置は上述したものに限られるものではなく、各装置の配置等もこれに限られるものではなく、他の装置を設けたり、配置を替えたりしてもよい。また、上記実施形態のバッテリ冷却回路20は水冷式であるが、冷却指令値に応じてファンを駆動する空冷式であってもよい。
1 車両
2 エンジン
3 モータ
4 クラッチ
5 変速機
11 バッテリ
20 バッテリ冷却回路(バッテリ冷却手段)
21 ポンプ
22 冷却水タンク
23 ラジエータ
30 ECU(バッテリ温度予測手段、冷却設定手段、冷却制御手段、バッテリ使用状態推定手段、管理温度幅設定手段)
31 バッテリ温度センサ
32 外気温度センサ
33 GPS
34 ナビゲーションユニット

Claims (1)

  1. 車両に搭載され、所定の適正温度範囲を有するバッテリと、
    前記バッテリを冷却するバッテリ冷却手段と、
    車両前方の所定の予測範囲における経路情報を取得して、経路上の各地点における前記車両の運転状態を予測し、前記バッテリの温度推移を予測するバッテリ温度予測手段と、
    前記バッテリ温度予測手段により予測されるバッテリ温度推移において前記適正温度範囲を超える場合、前記バッテリの温度を適正温度範囲内に維持するために前記バッテリ冷却手段に対する指示温度を設定する冷却設定手段と、
    前記冷却設定手段により設定された指示温度に対し、前記予測範囲において所定の管理温度幅内でばらつきを持たせつつ平均温度が前記指示温度となるように前記バッテリ冷却手段を制御する冷却制御手段と、
    前記予測範囲における前記バッテリの使用状態を推定するバッテリ使用状態推定手段と、
    前記バッテリ使用状態推定手段により推定されたバッテリの使用状態が所定の閾値より大である場合には、前記冷却制御手段の前記管理温度幅を閾値以下の場合よりも狭く設定する管理温度幅設定手段と、
    を備えるバッテリ冷却装置。
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