JP2005293971A - 電池を備える電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンの故障を正確に検出して、電池の異常な温度上昇を防止し、電池性能を低下させることなく長期間にわたって有効に使用する。
【解決手段】電池を備える電源装置は、充電できる電池１と、この電池１を収納しているケース４と、ケース４内に強制送風して電池１を冷却する冷却ファン３と、電池１の温度を検出する電池温度センサー５と、この電池温度センサー５で冷却ファン３の運転を制御する制御回路２と、電池１を収納しているケース４に流入される流入側の空気温度をケース４の外部で検出する流入側温度センサー６と、電池１を冷却してケース４から排出される排出側の空気温度をケース４の外部で検出する排出側温度センサー７とを備える。電源装置は、制御回路２が、排出側温度センサー７と流入側温度センサー６の検出温度の温度差を検出し、この温度差が設定温度よりも小さいと、冷却ファン３の故障と判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度の上昇した電池を冷却ファンで強制的に冷却する電源装置に関し、とくに、冷却ファンが正常に運転されて電池を冷却しているかどうかを検出できる電源装置に関する。

電池を内蔵する電源装置は、電池の性能を十分に引き出し、さらに、電池の熱暴走を防ぎ、さらにまた、電池の劣化を防止して寿命を長くするためにも、電池を異常な高温から保護することが大切である。とくに、極めて厳しい外的環境のもとで使用される車両用の電源装置においては、電池の温度管理が極めて大切である。とくに、この用途に使用される電源装置は、電池の充放電電流が極めて大きく、さらに、外気温度が極めて高い状態でも使用されることから、電池を効率よく冷却することが大切である。電池は温度が上昇すると、電気的な性能が低下するばかりでなく、寿命が短くなる性質がある。この弊害を防止するために、電池を内蔵する電源装置は、電池の温度が高くなると、冷却ファンを運転して強制的に冷却している。

以上の電源装置は、電池温度を温度センサーで検出し、電池温度が設定温度よりも高くなると冷却ファンを運転して冷却し、電池温度が低下すると冷却ファンの運転を停止している。この電源装置は、温度センサーと制御回路と冷却ファンが正常に動作するかぎり、電池温度を設定温度よりも低くできる。しかしながら、冷却ファンが故障すると、電池を冷却できなくなる。電池の温度が設定温度よりも高温になって冷却ファンで冷却できなくなると、電池の温度は次第に上昇して、電池に著しく悪い影響を与える。

この弊害を解消するために、冷却ファンが正常に運転されているかどうかを検出する装置が開発されている（特許文献１参照）。

この装置は、冷却ファンの回転数を検出して故障を判定している。冷却ファンの回転数で故障を判定する方法は、冷却ファンが回転しなくなり、あるいは回転速度が低下する故障を確実に検出できる。しかしながら、この方法は、冷却ファンの回転数を検出するために特別な専用の回路部品を必要とする。最も一般的に使用される冷却ファンは、回転数を検出する回路部品を備えていない。このため、回転数を検出する機構を設けると、冷却ファンのコストが高くなる欠点がある。

さらに、冷却ファンの回転数を検出して故障を判定する方法は、全ての故障を確実に検出できない。たとえば、冷却ファンのフィンに多量の異物が付着し、あるいは、空気路に異物が詰まって空気の循環量が低下して、電池を正常に冷却できない故障を検出できない。この故障では、電池は冷却されないが、冷却ファンは正常に回転するからである。

本件出願人は、この欠点を解決する装置を開発した（特許文献２参照）。この装置は、冷却ファンが運転される状態で、電池を冷却する空気ダクトの温度を検出して、冷却ファンの故障を検出する。冷却ファンを運転する状態で、空気ダクトの温度低下が小さいと冷却ファンの故障と判定する。
特開平１１−６２８８５号公報 特開２００１−２１０３８９号公報

この装置は、温度センサーの検出温度で冷却ファンの故障を識別するので、回転数を検出する装置に比較すると簡単な構造で冷却ファンの故障を検出できる。しかしながら、この装置も冷却ファンの故障を正確に検出できないことがある。それは、冷却ファンが正常に運転される状態において、空気ダクトの温度が低下する状態が、外気温度や電池温度によって変化するからである。この弊害を防止するために、この公報に記載する装置は、発熱素子で空気を加温している。発熱素子は、ケースに供給する空気温度を検出する冷却空気温度センサーの検出温度が設定温度となるまで空気を加温している。この構造によると、冷却ファンの故障を検出する構造が複雑になるばかりでなく、発熱素子が無駄なエネルギーを消費して正確に冷却ファンの故障を検出するのが難しくなる。

ところで、冷却ファンが正常に電池を冷却できない状態を確実に検出できない場合、電池の温度が著しく高くなり、しかも電池を大電流で充放電すると、電池の電気性能が急激に低下して、その後、全く使用できなくなる致命的な損傷を受けることがある。このため、この冷却ファンの故障を確実に検出することは極めて大切である。とくに、車両用の電源装置のように、多数の二次電池を直列に接続している電源装置は、冷却ファンの故障による電池の劣化が甚だしくなる。電池を充放電させる電流が大きいからである。また、この種の電源装置は、電池の交換に極めて手間がかかるばかりでなく、電池の交換費用が極めて高額となるので、冷却ファンの故障を速やかに正確に検出することがとくに大切である。

本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、冷却ファンの故障を正確に検出して、電池の異常な温度上昇を防止し、電池性能を低下させることなく長期間にわたって有効に使用できる電池を備える電源装置を提供することにある。

本発明の電池を備える電源装置は、充電できる電池１と、この電池１を収納しているケース４と、ケース４内に強制送風して電池１を冷却する冷却ファン３と、電池１の温度を検出する電池温度センサー５と、この電池温度センサー５で冷却ファン３の運転を制御する制御回路２と、電池１を収納しているケース４に流入される流入側の空気温度をケース４の外部で検出する流入側温度センサー６と、電池１を冷却してケース４から排出される排出側の空気温度をケース４の外部で検出する排出側温度センサー７とを備える。電源装置は、制御回路２が、排出側温度センサー７と流入側温度センサー６の検出温度の温度差を検出し、この温度差が設定温度よりも小さいと、冷却ファン３の故障と判定する。

制御回路２は、電池温度センサー５と流入側温度センサー６の検出温度差と、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の検出温度差の両方で冷却ファン３の故障を判定し、電池温度センサー５と流入側温度センサー６との検出温度差が設定温度よりも大きく、かつ、排出側温度センサー７と流入側温度センサー６との検出温度差が設定温度よりも小さいと冷却ファン３が故障と判定することができる。

本発明の電源装置は、車両を駆動するモーターに電力を供給する電源装置とすることができる。

さらに、本発明の電源装置は、制御回路２が冷却ファン３の故障と判定する流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の検出温度の差を１〜３℃とすることができる。

本発明の電源装置は、冷却ファンの故障を正確に検出できる特長がある。それは、本発明の電源装置が、電池を収納しているケースに流入される流入側の空気温度をケースの外部で検出する流入側温度センサーと、電池を冷却してケースから排出される排出側の空気温度をケースの外部で検出する排出側温度センサーとを備えており、排出側温度センサーと流入側温度センサーの検出温度の温度差が設定温度よりも小さいと冷却ファンの故障と判定するからである。この電源装置は、冷却ファンが故障すると、ケースに送風されなくなって、流入側温度センサーと排出側温度センサーが共にケース外の空気温度を検出するので、これらの温度差が小さくなって冷却ファンの故障が検出される。したがって、本発明の電源装置は、きわめて簡単な構造で、冷却ファンの故障を正確に、しかも速やかに検出できる。このように、冷却ファンの故障を正確に検出できる電源装置は、電池の異常な温度上昇を防止して、電池性能を低下させることなく長期間にわたって有効に使用できる。

さらに、本発明の請求項２の電源装置は、電池温度センサーと流入側温度センサーの検出温度差が設定温度よりも大きく、かつ、流入側温度センサーと排出側温度センサーの検出温度差が設定温度より小さいときに冷却ファンの故障と判定するので、より正確に冷却ファンの故障を検出できる特長がある。それは、電池の温度と外気温度との差が小さいときに、冷却ファンの故障と判定することがないからである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１は、自動車を走行させるモーターを駆動する電池を備える電源装置を示す。とくに、この図は、ハイブリッドカーに搭載される電源装置を示す。この図の電源装置は、充電できる電池１と、この電池１を収納しているケース４と、ケース４内に強制送風して電池１を冷却する冷却ファン３と、電池１の温度を検出する電池温度センサー５と、電池温度センサー５からの信号で電池１の温度を検出して冷却ファン３の運転を制御する制御回路２と、冷却ファン３がケース４に供給する供給側の空気温度を検出する流入側温度センサー６と、ケース４から排出される排出側の空気温度をケース４の外部で検出する排出側温度センサー７とを備えている。

電池１は、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン二次電池等の充電できる二次電池を複数個、直列または並列に接続している。複数の二次電池をケース４に収納している。ケース４は、冷却ファン３で強制送風される冷却空気でもって、収納している全ての電池１を均一に冷却できるように、内部に空気の冷却ダクト（図示せず）を設けている。

冷却ファン３は、外気をケース４内に強制送風して、ケース４に収納している電池１を強制的に冷却する。図１の電源装置は、電池１のケース４内に冷却ファン３を配置している。ケース４の内部に配設されている冷却ファン３は、ケース４内の空気を吸入して強制的にケース４外に排気して、ケース４内に冷却空気を強制送風している。冷却ファン３は、図とは反対に、ケース４外の空気を吸入してケース４内に供給して電池１を冷却することもできる。図の電源装置は、電池１を収納するケース４内に冷却ファン３を配置している。

冷却ファン３は、モーターとファンを備える。モーターは、ファンを回転して電池１を冷却する。冷却ファン３のモーターは、電池１から供給される電力で運転され、あるいは、電気自動車が搭載している電装用のバッテリー（図示せず）から供給される電力で運転される。冷却ファン３の運転は、制御回路２に制御される。

電池温度センサー５は、二次電池の表面に接近し、あるいは、二次電池の表面に接触して配設されて、電池１の温度を検出する。電池温度センサー５は、電池全体の温度を検出し、あるいは、各々の二次電池の温度を別々に検出し、あるいは、複数の二次電池を複数のブロックに分割して、分割されたブロックの温度を検出する。電池温度センサー５は、サーミスタである。電池温度センサー５は、電池温度を検出した信号を制御回路２に入力する。

流入側温度センサー６は、ケース４の内部でなくて外部に配置されて、ケース４に流入される空気温度を、ケース４の外部で検出する。この流入側温度センサー６が、ケース４に流入される空気の温度を、ケース４内でなくて外部で検出するのは、冷却ファン３が故障して、空気がケース４内に流入されなくなるときに、ケース４の外部の空気温度を検出するためである。仮に、流入側温度センサー６がケース４の内部に配置されると、冷却ファン３が故障して空気が強制送風されなくなると、ケース４内の温度が上昇するので、流入側温度センサー６もケース４内の温度を検出して検出温度が高くなり、ケース４外の温度を正確に検出できなくなる。本発明の電源装置は、冷却ファン３が故障して空気がケース４に強制送風されなくなると、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の両方がケース４外の空気温度を検出して、その差が設定温度よりも小さくなることで、冷却ファン３の故障を検出する。すなわち、冷却ファン３が故障すると、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の両方がケース４外の空気温度を検出して温度差が小さくなることを検出するので、流入側温度センサー６がケース４外の空気温度でなくて、ケース４内の温度を検出すると、冷却ファン３が故障するときに、流入側温度センサー６の検出温度が排出側温度センサー７の検出温度よりも高くなるので、冷却ファン３の故障を正確に検出できなくなる。したがって、流入側温度センサー６はケース外部でケース４の流入側の空気温度を検出し、冷却ファン３が故障しても検出温度が上昇しないようにする必要がある。

排出側温度センサー７は、電池１を冷却してケース４から排出される排出側の空気温度をケース４の外部で検出する。この排出側温度センサー７は、冷却ファン３が運転される状態では、電池１を冷却して加温されてケース４から排気される空気温度を検出する。冷却ファン３が故障すると、ケース４から空気が排気されなくなるので、排出側温度センサー７は、ケース４から排出される空気ではなくて、ケース４の外部温度を検出する。したがって、排出側温度センサー７の検出温度は、冷却ファン３が故障すると、電池１で加温された排気空気ではなくて、ケース４外の温度を検出するので、検出温度が低下する。

流入側温度センサー６や排出側温度センサー７は、サーミスタで、流入側の空気温度や排出側の空気温度を正確に検出するために、空気の通路８に配置される。

制御回路２は、電池温度センサー５から入力される信号でもって、冷却ファン３の運転を制御する。制御回路２は、電池温度が設定温度よりも高くなると、冷却ファン３に駆動信号を出力して冷却ファン３を運転する。冷却ファン３で電池１が冷却されて、電池温度が設定温度よりも低くなると、制御回路２は冷却ファン３の運転を停止させる。

さらに、制御回路２は、冷却ファン３の運転状態（＝制御回路２が運転指示を出している状態）において、流入側温度センサー６と、排出側温度センサー７で検出される検出温度でもって、冷却ファン３の故障を検出する。制御回路２は、排出側温度センサー７と流入側温度センサー６の検出温度の温度差を検出し、この温度差が設定温度よりも小さいと、冷却ファン３の故障と判定する。冷却ファン３が故障して、ケース４内に冷却空気を強制送風しなくなると、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の両方がケース４外の温度、すなわち同じ温度を検出する。したがって、冷却ファン３が故障すると、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の検出温度の差は小さくなる。ただ、電池温度センサー５と流入側温度センサー６の検出温度の差が小さいとき、いいかえると、電池１の温度と外気温度との差が小さいときには、冷却ファン３が正常に動作して、空気をケース４内に強制送風する状態であっても、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の検出温度の差が小さくなる。それは、ケース４内に供給される空気の温度が電池温度に等しいと、送風される空気が電池１で加温されなくなるからである。したがって、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の温度差が小さいときに、常に冷却ファン３の故障と判定すると、冷却ファン３が故障していないにもかかわらず、間違って故障と判定することがある。この弊害を避けるには、電池温度センサー５と流入側温度センサー６の検出温度の差が小さいときには、たとえ流入側温度センサー６と排出側温度センサー７との検出温度の差が小さくとも、冷却ファン３の故障とは判定しないことで解消できる。すなわち、電池温度センサー５と流入側温度センサー６との温度差が設定温度（たとえば３〜４℃）よりも大きく、かつ流入側温度センサー６と排出側温度センサー７との温度差が設定温度（たとえば１〜３℃）よりも小さいときにかぎって、冷却ファン３の故障と判定して、より正確に冷却ファン３の故障を判別できる。

さらに、冷却ファン３の故障判定は、必ず冷却ファン３を運転する状態、正確には、制御回路２が冷却ファン３を運転状態にコントロールする状態で検出する。それは、冷却ファン３が運転されない状態では、ケース４内に冷却空気が強制送風されないので、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の検出温度の差は常に小さくなるからである。

図２は、冷却ファン３が正常に運転される状態と、正常に運転されない状態とで、排出側温度センサー７の検出温度が低下する状態を示している。この図に示すように、冷却ファン３が正常に運転される状態では、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の検出温度には一定の差ができる。しかしながら、冷却ファン３が故障してケース４内に空気を強制送風しなくなると、排出側温度センサー７の検出温度が次第に低下して、流入側温度センサー６の検出温度に近くなる。したがって、流入側温度センサー６と排出側温度センサー７の検出温度の差で冷却ファン３の故障を検出できる。

制御回路２が冷却ファン３の故障を判別するフローチャートを図３に示す。この図のフローチャートは、以下のステップで冷却ファン３の故障を判定する。

［ｎ＝１のステップ］
制御回路２が冷却ファン３を運転する状態にあるかどうかを判別する。制御回路２が冷却ファン３を運転する状態にないと、冷却ファン３の故障を検出しない。
［ｎ＝２のステップ］
制御回路２が冷却ファン３を運転する状態にあると、制御回路２は、電池温度センサー５と流入側温度センサー６の検出温度の差を設定温度（Ｘ）に比較する。この実施例において、設定温度（Ｘ）は、以下に示すように、流入側の空気温度により３〜４℃に設定している。
流入側の空気温度が１〜１０℃のとき…………設定温度（Ｘ）＝３℃
流入側の空気温度が１０〜３０℃のとき………設定温度（Ｘ）＝４℃
流入側の空気温度が３０〜５０℃のとき………設定温度（Ｘ）＝３℃
低温と高温において設定温度（Ｘ）を小さくしているのは、あまり温度差が開くまで待たずに判定するためである。低温のときには電池温度が上昇し難く、また高温のときは長い間高温状態に維持しないようにするためである。
電池温度センサー５と流入側温度センサー６との検出温度の差が設定温度（Ｘ）よりも小さいときは、冷却ファン３の故障を検出しない。この温度差が設定温度（Ｘ）よりも大きいとき、すなわち、電池温度が流入側の空気温度より設定温度（Ｘ）を越えて大きいとき、次のステップで冷却ファン３の故障を判別する。
［ｎ＝３、４のステップ］
このステップで、制御回路２は排出側温度センサー７と流入側温度センサー６の検出温度差を設定温度（Ｙ）に比較する。この設定温度（Ｙ）は、１〜２℃に設定している。ただし、この設定温度（Ｙ）は１〜３℃に設定することもできる。排出側温度センサー７と流入側温度センサー６の検出温度の差が設定温度（Ｙ）より小さいと、冷却ファン３の故障と判定し、設定温度（Ｙ）よりも大きいと冷却ファン３の故障とは判定しない。

本発明の一実施例にかかる電池を備える電源装置の概略構成図である。 冷却ファンが正常に運転される状態と正常に運転されない状態とで排出側温度センサーの検出温度が低下する状態を示すグラフである。 制御回路が冷却ファンの故障を判別するフローチャートである。

符号の説明

１…電池
２…制御回路
３…冷却ファン
４…ケース
５…電池温度センサー
６…流入側温度センサー
７…排出側温度センサー
８…通路

Claims (4)

1. 充電できる電池(1)と、この電池(1)を収納しているケース(4)と、ケース(4)内に強制送風して電池(1)を冷却する冷却ファン(3)と、電池(1)の温度を検出する電池温度センサー(5)と、この電池温度センサー(5)で冷却ファン(3)の運転を制御する制御回路(2)と、電池(1)を収納しているケース(4)に流入される流入側の空気温度をケース(4)の外部で検出する流入側温度センサー(6)と、電池(1)を冷却してケース(4)から排出される排出側の空気温度をケース(4)の外部で検出する排出側温度センサー(7)とを備えており、
   制御回路(2)が、排出側温度センサー(7)と流入側温度センサー(6)の検出温度の温度差を検出し、この温度差が設定温度よりも小さいと、冷却ファン(3)の故障と判定するようにしてなる電池を備える電源装置。
2. 制御回路(2)は、電池温度センサー(5)と流入側温度センサー(6)の検出温度差と、流入側温度センサー(6)と排出側温度センサー(7)の検出温度差の両方で冷却ファン(3)の故障を判定し、電池温度センサー(5)と流入側温度センサー(6)との検出温度差が設定温度よりも大きく、かつ、排出側温度センサー(7)と流入側温度センサー(6)との検出温度差が設定温度よりも小さいと冷却ファン(3)が故障と判定する請求項１に記載される電池を備える電源装置。
3. 車両を駆動するモーターに電力を供給する電源装置である請求項１に記載される電池を備える電源装置。
4. 制御回路(2)が冷却ファン(3)の故障と判定する流入側温度センサー(6)と排出側温度センサー(7)の検出温度の差が１〜３℃である請求項１に記載される電池を備える電源装置。
   

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