JP4770131B2 - 二次電池の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の冷却装置に関するものである。

従来から冷却装置の異常を検出すると共に充放電に伴う発熱により温度上昇される二次電池を適正な温度範囲とする二次電池の冷却装置が提案されている（特許文献１参照）。

これは、二次電池の充放電電流と冷却システムの性能とから計算される推定温度と、実際の電池温度との差異を算出し、差異が規定以上となった場合には冷却用ファンをＨｉモードで駆動して冷却効果を大きくして二次電池の異常な温度上昇を抑制する。Ｈｉモードで冷却ファンを作動させても規定以上の差異が継続する場合には冷却装置の冷却機能に異常が発生したとして異常を出力することで、二次電池の異常な温度上昇を抑制し且つ冷却機能の異常を検出するようにしている。
特開２００１−３１３０９２号公報

ところで、冷却装置の異常状態としては、推定温度の演算異常、検出温度の異常、冷却システムの異常等が考えられる。

しかしながら、上記従来例では、異常状態の検出時に冷却用ファンをＨｉモードで駆動して冷却能力を大きくすることで、さらなる温度上昇を抑制するものであるが、冷却システムに異常が発生した場合には、二次電池の温度上昇を抑制することができず、二次電池の劣化が促進される虞がある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、冷却システム異常時においても二次電池の温度上昇を抑制可能な二次電池の冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、二次電池の温度を検出する温度検出手段と、前記二次電池に冷却風を供給することにより二次電池を冷却する冷却ファンおよびファン駆動手段と、前記温度検出手段による検出温度の上昇に連れて段階的に冷却ファンの回転数を上昇させるようファン駆動手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、ファン駆動手段の作動がいずれかの段階で異常となる場合に、ファン駆動手段が異常となる段階より低い段階の回転開始温度を夫々低下させてファン駆動手段を作動させるようにした。

したがって、本発明では、温度検出手段による検出温度の上昇に連れて段階的に冷却ファンの回転数を上昇させるようファン駆動手段を制御手段により制御し、ファン駆動手段の作動がいずれかの段階で異常となる場合には、制御手段によりファン駆動手段が異常となる段階より低い段階の回転開始温度を夫々低下させてファン駆動手段を作動させるようにしたため、冷却ファン回転数が異常となる段階に達する前に冷却ファンの作動機会を増加でき、電池温度が異常状態となるのを抑制でき、電池温度が異常上昇して異常警告する頻度も軽減できる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。

図１〜図３は、本発明を適用した二次電池の冷却装置の第１実施形態を示し、図１は二次電池の冷却装置を含む電動車両のシステム構成図、図２は電動車両の起動時における二次電池の冷却装置の制御フローチャート、図３は電動車両の通常制御時における二次電池の冷却装置の制御フローチャートである。

図１において、二次電池の冷却装置を含む電動車両は、二次電池１０および二次電池制御用コントローラ１１を含む二次電池制御ユニット１と、二次電池１０よりの充放電により車両を制駆動する車両システム２と、車両システム２を制御する車両用コントローラ３と、車両用コントローラ３および二次電池制御用コントローラ１１に制御用電力を供給する補助電池４と、を備える。前記車両用コントローラ３および二次電池制御用コントローラ１１は、イグニッションキー５のオン信号に応じて閉成するスイッチ６を介して補助電池４から制御用電力を供給されて起動する。

前記車両システム２は、メインリレー２１を介して二次電池１０より供給された電力により車両駆動力を発生し且つ制動時の回生電力により二次電池１０を充電する駆動用モータ２２と、同じく二次電池１０より供給された電力により車両を冷暖房するエアコンシステム２３等を備える。車両用コントローラ３は、車両システム２のこれら駆動用モータ２２およびエアコンシステム２３の作動状態を制御し、車両システム２のいずれかにおいて異常が発生した場合には、警告灯等の警報手段７により異常状態をドライバーに告知する。前記メインリレー２１は、二次電池１０と車両システム２との強電回路に挿入配置され、後述するように、二次電池制御用コントローラ１１により開閉状態が制御される。

前記二次電池制御ユニット１は、充放電可能な二次電池セル１０Ａ〜１０Ｄを直列に接続して設置された二次電池１０と、これら二次電池１０を収容し二次電池１０を冷却するための冷却風の通路を形成する冷却風ダクト１２と、冷却風ダクト１２の入口に設置されて冷却風ダクト１２に冷却風を供給する冷却ファン１３と、冷却ファンを複数段階の回転速度により駆動する電動モータおよび電動モータへの電力供給系統等からなる冷却ファン駆動手段１４と、からなる二次電池冷却部を備え、前記二次電池制御用コントローラ１１により前記ファン駆動手段１４を作動させる駆動信号（Ｄｕｔｙ信号）のいずれかを選択することによりその回転数を段階的に変化させて二次電池冷却部の温度を制御する。

即ち、前記二次電池制御用コントローラ１１には、冷却ファン１３に吸込まれるトランクルームの雰囲気温度を冷却風の温度として検出する冷却風温センサ１５よりの温度信号、温度依存性の高い組電池である二次電池１０の状態を的確に把握するために二次電池１０の適切な場所に複数配置されて二次電池の温度を検出する電池温度センサ１６よりの温度信号、二次電池１０の各セル電圧を検出するセル電圧検出部１７よりのセル電圧、車両システム２への強電回路に流れる電流値を検出する電流センサ１８よりの電流信号、車両システム２の強電回路部の電位差を検出する電圧センサ１９よりの電圧信号、ファン駆動手段１４の作動時の印加電圧信号が、夫々入力される。

前記二次電池制御用コントローラ１１は、セル電圧検出部１７よりのセル電圧、電流センサ１８よりの電流信号、電圧センサ１９よりの電圧信号、二次電池１０の温度センサ１６よりの温度信号に基づいて二次電池１０の状態（電圧、ＳＯＣ、劣化状態、温度）を判定し、メモリ２０に記憶されている入出力パターンを参照して入出力電力の制限信号を車両コントローラ３に出力し、車両コントローラ３は駆動用モータ２２およびエアコンシステム２３等で消費する電力の入出力制限を実行する。

また、前記二次電池制御用コントローラ１１は、温度センサ１６で検出した電池温度信号に応じてメモリ２０に記憶されている冷却ファン１３の制御テーブルを参照してファン駆動手段１４の駆動回転数を設定し、設定に応じた駆動信号（Ｄｕｔｙ信号）によりファン駆動手段１４を作動させる。

さらに、前記二次電池制御用コントローラ１１は、冷却ファン駆動手段１４の目標回転数となる駆動信号（Ｄｕｔｙ信号）に対する実回転数となる印加電圧信号がメモリ２０に格納されている基準データと比較して許容値内に有るか否かを監視し、許容値内である場合には冷却ファン駆動手段１４が正常状態にあり、許容値を外れている場合には冷却ファン駆動手段１４が異常であると判断する。

前記メモリ２０は、前記二次電池制御用コントローラ１１から受けた各種情報を記憶し、二次電池制御用コントローラ１１から要求された場合には記憶している格納情報を出力する。メモリ２０には、冷却ファン駆動手段１４の各駆動信号（Ｄｕｔｙ）に対するファン駆動手段の各印加電圧およびその許容範囲データ（図４参照）、二次電池温度に対する入出力制限値データ（図５参照）、二次電池温度に対するファン制御Ｄｕｔｙデータ（図６参照）等を格納情報として記憶している。

図４に示すように、前記冷却ファン駆動手段１４の各駆動信号（Ｄｕｔｙ）に対する冷却ファン駆動手段１４の各印加電圧およびその許容範囲データは、冷却ファン駆動手段１４の目標回転数に対応する各制御Ｄｕｔｙ（例えば、１（Ｌｏ）、２（Ｍｉｄ）、３（Ｈｉ））に対してファン駆動手段１４の基準となる各印加電圧（例えば、３．５Ｖ、６．５Ｖ、１０Ｖ）および各印加電圧の許容範囲（例えば、基準電圧値±０．５％）として記憶している。各印加電圧の許容範囲は、図中⇔で示している。

従って、図示のように、例えば、ファン駆動手段１４に対する制御Ｄｕｔｙが３（Ｈｉ）であれば、その印加電圧が１０Ｖ±０．５％であれば、Ｈｉモードでの冷却ファン作動が正常と判断され、印加電圧が１０Ｖ±０．５％を外れている場合には、Ｈｉモードでの冷却ファン作動が異常であると判断できる。ＬｏモードおよびＭｉｄモードでも同様である。なお、図示の例では、冷却ファン１３の回転数がＬｏモードからＨｉモードまでの３段階に変化できるものについて説明しているが、最高回転モードから最低回転モードの間で４段階以上に回転速度を変更するものであってもよい。

図５に示すように、二次電池温度に対する入出力制限値データは、二次電池１０の電池特性（通常、入出力および寿命）を考慮し、電池温度に応じてその入出力電力制限値を設定している。例えば、摂氏２０度〜摂氏４０度までは高い入出力電力値を許容するように設定され、この温度範囲を外れる場合には、徐々に低くして入出力電力値の許容値を低くしている。また、入出力制限値は、複数の破線ａ〜ｅで示すように、冷却ファン作動が回転数モード（Ｌｏモード〜Ｈｉモード）のいずれのモードにおいて作動異常となったかに応じて、入出力電力制限値を段階的（若しくは連続的に）に小さく、即ち、入出力電力値をより制限するよう設定している。

例えば、冷却ファン作動が最高回転モード（例えば、Ｈｉモード）で作動異常になった場合には、冷却ファン１３を作動させるそれ以下の回転作動モードが残されているため、正常値に最も近い破線ａの出力制限値が選択され、それに続く回転モード（例えば、Ｍｉｄモード）で作動異常になった場合には、冷却ファン１３を作動させるそれ以下の回転作動モード（例えば、Ｌｏモード）が残されているため、正常値から２番目に低い破線ｂの出力制限値が選択される等のように冷却ファン１３の作動異常がどの段階の作動モードで発生したかに応じて入出力制限値を変化させるようにしている。図示例では、５段階の破線ａ〜ｅでの入出力制限値が記載されているが、この段数は冷却ファン１３の回転作動モードの段数に応じて設定すればよい。

図６に示すように、二次電池温度に対する冷却ファン制御Ｄｕｔｙデータは、電池温度に対して冷却ファン１３の作動モードを記憶させたデータであり、冷却ファン作動が全ての作動モードで正常に作動する場合の正常時データ（Ａ）と、最高回転モード（ここでは、Ｈｉモード）の段階で作動異常である場合の最高回転（Ｈｉ）異常時データ（Ｂ）と、それに次ぐ高回転作動モード（ここでは、Ｍｉｄモード）の段階で作動異常である場合の高回転（Ｍｉｄ）異常時データ（Ｃ）等を記憶している。

そして、正常時データ（Ａ）では、図６（Ａ）に示すように、電池温度が摂氏３５度を超えた時点で低回転（Ｌｏ）モードが選択され、摂氏４３度を超えた時点で中回転（Ｍｉｄ）モードが選択され、摂氏５０度を超えた時点で最高回転（Ｈｉ）モードが選択される。また、最高回転（Ｈｉ）異常時データ（Ｂ）では、図６（Ｂ）に示すように、電池温度が正常時データ（Ａ）に対してより低い、例えば、摂氏３３度を超えた時点で低回転（Ｌｏ）モードが選択され、正常時データ（Ａ）に対して低い、例えば、摂氏４２度を超えた時点で中回転（Ｍｉｄ）モードが選択され、異常範囲である最高回転（Ｈｉ）モードは選択されないようにしている。さらに、中回転（Ｍｉｄ）異常時データ（Ｃ）では、図６（Ｃ）に示すように、電池温度が正常時データ（Ａ）に対してより一層低い、例えば、摂氏３０度を超えた時点で低回転（Ｌｏ）モードが選択され、異常範囲である中回転（Ｍｉｄ）モード以上は選択されないようにしている。

以上のように、冷却ファン回転数の異常時に、より低い冷却ファン１３の作動モードの開始温度を夫々低い温度へシフトさせることにより、冷却ファン１３での冷却機会を高めることで、二次電池１０の温度が冷却系の異常範囲に至らぬように設定している。また、ファン駆動手段１４の作動異常となる段階が低段階であるほど、その段階より低い段階のファン回転開始温度を大きく低下させるようにしたため、より電池温度が低い段階から冷却ファン１３を動作させることができ、この場合でも、二次電池１０の温度が冷却系の異常範囲に至らぬように設定している。なお、図示例では、冷却ファン作動がＬｏモードからＨｉモードまでの３段階に回転速度が変化できるものについて説明しているが、４段階以上に回転速度を変更するものであっても、同様に設定することができる。

以上の構成の二次電池の冷却装置の動作について、図２および図３に基づいて以下に説明する。図２に示す電動車両の起動時における二次電池の冷却装置の制御フローチャートは、電動車両のイグニッションキー５がオン作動された直後に二次電池制御用コントローラ１１により実行される。

先ず、ステップＳ１１では、二次電池１０の温度センサ１６の検出値（ここでは、外気温度と同じ温度）を無視して、冷却ファン駆動手段１４に対して規定時間ずつ（例えば１ｓｅｃ）各回転作動モードの擬似Ｄｕｔｙ信号を出力して、冷却ファン１３を各回転モードで回転させて、各回転モードでの冷却ファン駆動手段１４の印加電圧を監視する。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１で得られた各冷却ファン作動時のファン駆動手段１４の印加電圧に基づいて、冷却ファン作動を含めた冷却システムの各異常判定を行う。具体的には、得られた各印加電圧がメモリ２０に記憶されている図４に示す冷却ファン制御Ｄｕｔｙと冷却ファン駆動手段１４の印加電圧との関係で示される許容範囲データに合致するか否かを確認して、いずれの回転モードで異常であるか判定する。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２で判定した結果、異常が検出されたか否かが判断され、異常がなければ本制御処理を終了して通常制御に移行し、いずれかの段階で異常がある場合にはステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４では、異常がある段階の回転モード（ファン制御Ｄｕｔｙ）を確認してステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５では、異常発生時の回転モード（ファン制御Ｄｕｔｙ）が「ゼロ」若しくは「１」で異常発生、言い換えるとファン作動前もしくは低回転モードから異常となるか否かを判定し、この回転モードで異常である場合にはステップ１６へ進み、この回転モード以外で異常である場合にはステップＳ１７へ進む。前者のファン作動前にファン駆動手段１４の印加電圧が異常である場合とは、冷却ファン駆動手段１４の駆動電気系統が断線やリークしている場合を意味し、後者の低回転モードから異常となる場合とは、冷却ファン駆動手段１４が低回転（Ｌｏ）モードから異常であり冷却ファン１３を利用しての二次電池１０の冷却ができないことを意味する。しかしながら、上記回転モード以外で異常である場合とは、冷却ファン１３の正常な回転モードが残されていることを意味する。

ステップＳ１６では、車両システム２の車両コントローラ３に対して冷却システム異常の警報発生指令を出力し、メインリレー２１を遮断して今回の処理を終了する。車両コントローラ３は警報手段７を作動させると共にエラー処理を実行する。エラー処理としては、電動車両が電気自動車である場合には走行禁止とし、電動車両がハイブリッド車両である場合には、エンジンのみによる走行モードを許可する。

ステップＳ１７では、異常のある回転モードでの冷却ファン１３の回転異常時データに基づくファン制御Ｄｕｔｙデータおよび入出力制限値データをメモリ２０から参照して設定し、本制御処理を終了して通常制御に移行する。

図３に示す電動車両の通常制御時における二次電池の冷却装置の制御フローチャートは、二次電池制御用コントローラ１１によって定時的、例えば、１／分毎に実行される。

まず、ステップＳ２１では、異常回転モードでの二次電池温度とファン制御Ｄｕｔｙデータおよび入出力制限値データが既に設定されているか否かを判定し、既に設定されている場合にはステップＳ２２へ進み、まだ設定されていない場合にはステップＳ２３へ進む。

ステップＳ２２では、設定されている異常時のファン制御Ｄｕｔｙデータに基づいて二次電池１０の温度が当該条件に到達した時点で冷却ファン１３を作動させる一方、電池温度および設定された異常時の入出力制限値データに基づいて二次電池１０の入出力電力の制限値を車両コントローラ３に出力する。

このように異常時のファン制御Ｄｕｔｙデータに基づいて、冷却ファン１３の作動モードを切換えることにより、例えば、冷却ファン作動が最高回転モード（Ｈｉモード）で作動異常になった場合には、図６（Ｂ）に示す冷却モードでファン駆動手段１４を回転させることにより、二次電池１０の温度が正常時での冷却開始温度より低い段階から冷却開始することにより二次電池１０の温度上昇をより抑制することができる。また、異常時の入出力制限値データに基づいて、入出力電力を制限することにより、例えば、冷却ファン作動が最高回転モード（Ｈｉモード）で作動異常になった場合には、図５の正常時に最も近い破線での特性で入出力電力を制限することにより、二次電池１０への入出力電力が制限されて、二次電池１０の充放電に基づく発熱量がより抑制され、二次電池１０の温度上昇が、この面からも抑制できる。

ステップＳ２３では、現在実行している冷却ファン駆動手段１４へのファン制御Ｄｕｔｙに対する印加電圧が正常か否かを判定して正常であればステップＳ２４へ進み、異常を判定すればステップＳ２５へ進む。

ステップＳ２４では、システム起動時から現在までの間においてファン駆動手段１４の印加電圧の異常が検出されていないため、正常時のファン制御Ｄｕｔｙデータに基づいて冷却ファン駆動手段１４を制御し、正常時の入出力電力の制限データに基づく二次電池１０の入出力電力の制限値を車両コントローラ３に出力する。

ステップＳ２５では、正常時のファン制御Ｄｕｔｙデータおよび入出力制限値データから切換えて、異常が発生した回転モードに対応する異常回転モードでのファン制御Ｄｕｔｙデータおよび入出力制限値データを設定し、引続くステップＳ２２により、設定されている異常時のファン制御Ｄｕｔｙデータに基づいて二次電池１０の温度が当該条件に到達した時点でファン駆動手段１４を作動させる一方、電池温度および設定された異常時の入出力制限値データに基づいて二次電池１０の入出力電力の制限値を車両コントローラ３に出力する。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）二次電池１０の温度を検出する温度検出手段１６と、前記二次電池１０に冷却風を供給することにより二次電池１０を冷却する冷却ファン１３およびファン駆動手段１４と、前記温度検出手段１６による検出温度の上昇に連れて段階的に冷却ファン１３の回転数を上昇させるようファン駆動手段１４を制御する制御手段１１と、を備え、前記制御手段１１は、ファン駆動手段１４の作動がいずれかの段階で異常となる場合に、ファン駆動手段１４が異常となる段階より低い段階の回転開始温度を夫々低下させてファン駆動手段１４を作動させるようにした。即ち、温度検出手段１６による検出温度の上昇に連れて段階的に冷却ファン１３の回転数を上昇させるようファン駆動手段１４を制御手段１１により制御し、ファン駆動手段１４の作動がいずれかの段階で異常となる場合には、制御手段１１によりファン駆動手段１４が異常となる段階より低い段階の回転開始温度を夫々低下させてファン駆動手段１４を作動させるようにしたため、冷却ファン回転数が異常となる段階に達する前に冷却ファン１３の作動機会を増加でき、電池温度が異常状態となるのを抑制でき、電池温度が異常上昇して異常警告する頻度も軽減できる。

（イ）また、図６（Ｂ）に示すように、ファン駆動手段１４の作動が異常となる段階より低い段階の回転開始温度を低段階ほど大きく低下させるようにしたため、電池温度をできるだけ低い段階に維持させることができ、上記（ア）の効果を高めることができる。

（ウ）さらに、図６（Ｃ）に示すように、ファン駆動手段１４の作動が異常となる段階が低段階であるほど、その段階より低い段階の回転開始温度を大きく低下させるようにしたため、より電池温度が低い段階から冷却ファン１３を動作させることができ、上記（ア）の効果を一層高めることができる。

（エ）図５に示すように、ファン駆動手段１４の作動がいずれかの段階で異常となる場合に、二次電池１０の入出力電力を正常状態より制限するため、充放電による発熱を低減させることで、電池が高温になる可能性を低減でき、結果として電池高温状態での電池使用頻度を低減、且つユーザに対して異常警告する頻度も軽減できる。

（オ）また、図５に示すように、ファン駆動手段１４の作動が異常となる段階が低段階であるほど、二次電池１０の入出力電力の正常状態からの制限値を大きくするため、異常発生状態に応じて充放電による発熱を低減させ、電池が高温になる可能性をより一層低減でき、結果として電池高温状態での電池使用頻度を低減、且つユーザに対して異常警告する頻度も軽減できる。

本発明の一実施形態を示す二次電池の冷却装置を含む電動車両のシステム構成図。 同じく電動車両の起動時における二次電池の冷却装置の制御フローチャート。 電動車両の通常制御時における二次電池の冷却装置の制御フローチャート。 冷却ファン駆動手段の各印加電圧およびその許容範囲データを示す説明図。 二次電池温度に対する入出力制限値データを示す特性図。 電池温度に対して冷却ファンの作動モードを記憶させたデータであり、（Ａ）は正常時の特性データであり、（Ｂ）、（Ｃ）はファン駆動手段が夫々いずれかの段階で異常となる場合の特性データである。

符号の説明

１ 二次電池制御ユニット
２ 車両システム
３ 車両用コントローラ
４ 補助電池
５ イグニッションキー
６ スイッチ
７ 警報手段
１０ 二次電池
１１ 二次電池制御用コントローラ
１２ 冷却風ダクト
１３ 冷却ファン
１４ ファン駆動手段
１６ 二次電池の温度センサ
１７ セル電圧検出部
１８ 電流センサ
１９ 電圧センサ
２０ メモリ
２１ メインリレー
２２ 駆動用モータ
２３ エアコンシステム

Claims (5)

1. 二次電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記二次電池に冷却風を供給することにより二次電池を冷却する冷却ファンおよびファン駆動手段と、
   前記温度検出手段による検出温度の上昇に連れて段階的に冷却ファンの回転数を上昇させるようファン駆動手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、ファン駆動手段の作動がいずれかの段階で異常となる場合に、ファン駆動手段が異常となる段階より低い段階の回転開始温度を夫々低下させてファン駆動手段を作動させることを特徴とする二次電池の冷却装置。
2. 前記制御手段は、ファン駆動手段の作動が異常となる段階より低い段階の回転開始温度を低段階ほど大きく低下させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の冷却装置。
3. 前記制御手段は、ファン駆動手段の作動が異常となる段階が低段階であるほど、その段階より低い段階の回転開始温度を大きく低下させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次電池の冷却装置。
4. 前記制御手段は、ファン駆動手段の作動がいずれかの段階で異常となる場合に、二次電池の入出力電力を正常状態より制限するものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の二次電池の冷却装置。
5. 前記制御手段は、ファン駆動手段の作動が異常となる段階が低段階であるほど、二次電池の入出力電力の正常状態からの制限値を大きくするものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の二次電池の冷却装置。

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