JP2014120457A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の冷却を好適に行う電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置１０は、蓄電池２０と、該蓄電池２０を収容するケース体１１と、ケース体１１の内部に冷却風を生じさせ、その冷却風により蓄電池２０を冷却する冷却ファン３０と、蓄電池２０に一体に又はその近傍に設けられ蓄電池２０の温度を検出する電池温度センサ４３と、制御装置４０とを備える。制御装置４０は、冷却ファン３０により冷却風を生じさせた状態で、ケース体１１への吸入空気の温度とケース体１１からの排出空気の温度との温度差を検出する。また、制御装置４０は、電池温度センサ４３により検出された蓄電池２０の温度に基づいて、冷却ファン３０の駆動状態を調整して蓄電池２０の温度を制御する。また、制御装置４０は、温度差に基づいて、冷却ファン３０の駆動状態を調整して蓄電池２０の温度を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷却手段により冷却風を供給してケース体に収納された蓄電池を冷却する電源装置に関する。

蓄電池は充放電時においてジュール熱が発生する。蓄電池はその温度が高温になると、劣化が急激に進行する。そこで、蓄電池の温度に応じて冷却ファンから蓄電池に対して冷却風を供給することで、ジュール熱による蓄電池の過度な温度上昇を抑制し、蓄電池の劣化の進行を抑制することができる。

ここで、冷却ファンを必要以上に駆動すると電力消費などの問題が生じる。そこで、蓄電池の温度に基づいて冷却ファンを制御し、冷却ファンによる蓄電池の過度な冷却を抑制する技術が提案されている。例えば、特許文献１に記載の技術では、蓄電池の温度変化が所定量以下となったことを条件として、所定の時間、冷却ファンの駆動を抑制する。

特許第４９３２３４０号公報

蓄電池の温度に応じて冷却ファンを制御し、蓄電池を冷却する電源装置において、蓄電池の温度検出に異常が生じた場合に、蓄電池の冷却を好適に行えないという不都合が生じる。

本発明は上記課題に鑑みたものであり、蓄電池の冷却を好適に行う電源装置を提供することを目的とするものである。

請求項１に記載の発明は、蓄電池（２０）と、該蓄電池を収容するケース体（１１）と、前記ケース体の内部に冷却風を生じさせ、その冷却風により前記蓄電池を冷却する冷却手段（３０）と、前記蓄電池に一体に又はその近傍に設けられ前記蓄電池の温度を検出する温度センサ（４３）と、前記冷却手段により冷却風を生じさせた状態で、前記ケース体への吸入空気の温度と前記ケース体からの排出空気の温度との温度差を検出する温度差検出手段（４０）と、前記温度センサにより検出された前記蓄電池の温度に基づいて、前記冷却手段の駆動状態を調整して前記蓄電池の温度を制御する第１温度制御手段（４０）と、前記温度差検出手段により検出された温度差に基づいて、前記冷却手段の駆動状態を調整して前記蓄電池の温度を制御する第２温度制御手段（４０）と、を備えることを特徴とする電源装置（１０）である。

上記構成によれば、蓄電池に設けられた温度センサにより検出される温度とケース体の吸入空気及び排出空気の温度差との２系統の温度情報に基づいて温度制御を行うことが可能となる。ゆえに、例えば温度センサに異常が生じても、ケース体の吸入空気と排出空気との温度差に基づいて冷却手段の制御が可能となり、蓄電池の温度を適正温度に維持できる。

本実施形態の電源システムの構成を示す概略図。 検出温度Ｔｂと冷却ファンの回転速度との関係を示す図。 温度差ΔＴと冷却ファンの回転速度との関係を示す図。 本実施形態における温度制御処理を示すフロー図。

電源装置を車両に適用した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１に、本実施形態にかかるシステム構成の概略図を示す。

電源装置１０は、蓄電池２０、冷却ファン３０及び制御装置４０と、それらを収納するケース体１１とを有する。本実施形態における蓄電池２０はリチウムイオン蓄電池である。また、蓄電池２０は、直列接続された複数の電池セルを備える。蓄電池２０は、電源装置１０外部のインバータ５０に接続され、インバータ５０を介して各種電気負荷に対して電力を供給する。

蓄電池２０の出力電圧は、電圧計４１によって検出され、検出結果が制御装置４０に通知される。また、蓄電池２０の出力電流は、電流計４２によって検出され、検出結果が制御装置４０に通知される。制御装置４０は、これらの電圧値及び電流値に基づいて蓄電池２０の充電状態を算出し、その充電状態を用いて充放電制御を行う。

蓄電池２０は、充放電時においてその内部抵抗でジュール熱が発生する。このジュール熱によって蓄電池２０の温度が通常使用領域（０〜５０℃）に比べて高温になると、劣化の進行が早くなり、また、その体積が膨張し破裂するおそれがある。そこで、ケース体１１は、蓄電池２０を空気によって冷却するために、空気吸入口と空気排出口とを備え、ケース体１１の空気吸入口には冷却ファン３０が設けられている。冷却ファン３０はケース体１１外部から空気吸入口を通じて空気を吸入し、蓄電池２０に対して冷却風を送ることで蓄電池２０を冷却する。蓄電池２０はケース体１１のうち冷却風によって冷却される位置に設置される。蓄電池２０から吸熱した空気はケース体１１の空気排出口から排出される。

また、蓄電池２０には、一体として又はその近傍に蓄電池２０の温度を検出する電池温度センサ４３が設けられている。制御装置４０は、電池温度センサ４３により検出された蓄電池２０の温度（検出温度Ｔｂ）を取得して、その検出温度Ｔｂに基づいて冷却手段としての冷却ファン３０の回転速度を調整し、蓄電池２０の温度を制御する。これにより、蓄電池２０の劣化の進行や膨張を抑制することができる。

検出温度ＴｂがＴ１（５０℃）以下であることを条件として、制御装置４０は、冷却ファン３０の回転速度を検出温度Ｔｂに基づいた速度に設定する。具体的には、図２に示すように、制御装置４０は検出温度Ｔｂが高いほど冷却ファン３０の回転速度を速く設定する。また、検出温度ＴｂがＴ１を超えたことを条件として、制御装置４０は、冷却ファン３０の回転速度を最大値に設定する。これにより、蓄電池２０の温度がＴ１を超えることを抑制する。

ここで、電池温度センサ４３が故障したり、電池温度センサ４３が蓄電池２０から剥落する等、電池温度センサ４３に異常が生じることで、検出温度Ｔｂに誤りが生じ、蓄電池２０の温度が正確に検出できない事態が懸念される。蓄電池２０の温度を正確に検出することができなくなることで、制御装置４０は、蓄電池２０の温度をＴ１以下に制御することが困難になる。

電源装置１０は、ケース体１１への吸入空気の温度（吸気温度）Ｔｉｎを検出する吸気温度センサ４４、及びケース体１１からの排出空気の温度（排気温度）Ｔｏｕｔを検出する排気温度センサ４５を備えている。そこで、制御装置４０は、吸気温度センサ４４及び排気温度センサ４５から各検出ポイントの温度Ｔｉｎ及びＴｏｕｔを取得する。そして、制御装置４０は、取得した温度Ｔｉｎ及びＴｏｕｔに基づいて冷却ファン３０の回転速度を調整し、蓄電池２０の冷却を実施する。

電源装置１０は、吸気温度センサ４４及び排気温度センサ４５をそれぞれ複数個備えていてもよい。複数個のセンサを用いて、吸気温度Ｔｉｎ及び排気温度Ｔｏｕｔを検出することで、精度よく吸気温度Ｔｉｎ及び排気温度Ｔｏｕｔを検出することができる。また、吸気温度センサ４４をケース体１１の空気吸入口の近傍に、排気温度センサ４５をケース体１１の吸気排出口の近傍にそれぞれ設けることで、吸気温度Ｔｉｎ及び排気温度Ｔｏｕｔを精度よく検出することができる。

冷却ファン３０を駆動させている状態では、充放電時における蓄電池２０の発熱に伴い、ケース体１１への吸気温度Ｔｉｎに比べて、ケース体１１からの排気温度Ｔｏｕｔは上昇する。そこで、制御装置４０は、吸気温度センサ４４によって検出される吸気温度Ｔｉｎと排気温度センサ４５によって検出される排気温度Ｔｏｕｔとの温度差ΔＴを算出する。そして、制御装置４０は、その温度差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の回転速度を設定する。

温度差ΔＴと制御装置４０が設定する冷却ファン３０の回転速度との関係を図３に示す蓄電池２０の温度が高いほど、冷却風において蓄電池２０からの吸熱量は大きくなる。即ち、蓄電池２０の温度が高いほど、吸気温度Ｔｉｎと排気温度Ｔｏｕｔとの温度差ΔＴは大きくなる。そこで、制御装置４０は、温度差ΔＴが大きいほど、冷却ファン３０の回転速度を速く設定する。冷却ファン３０の回転速度が速くなることで、冷却風の風量が大きくなり、冷却風による蓄電池２０からの吸熱量が大きくなる。これにより、電池温度センサ４３に異常が発生している場合においても、蓄電池２０の温度が高温となることを抑制することが可能となる。

また、制御装置４０は、吸気温度Ｔｉｎが高いほど冷却ファン３０の回転速度を速く設定し、冷却風の風量を大きくする。これにより、吸気温度Ｔｉｎが高いために冷却風において蓄電池２０からの吸熱量が低下した場合においても、蓄電池２０を好適に冷却することが可能となる。また、温度差ΔＴが所定値ΔＴｘを超えた場合に、制御装置４０は、冷却ファン３０の回転速度を最大値に設定する。これにより、温度差ΔＴをΔＴｘ以下に抑えることが可能になる。

電池温度センサ４３に異常が生じると、制御装置４０は蓄電池２０の温度制御を適切に行えなくなり、蓄電池２０の温度はＴ１を超えると懸念される。ここで、蓄電池２０の温度が高いほど冷却風の吸熱量は増加し、温度差ΔＴは大きくなる。そこで、制御装置４０は、温度差ΔＴが所定値ΔＴｙを超えたこと、又は、温度差ΔＴがΔＴｙを超えた状態が所定時間続いていることを条件として、蓄電池２０の温度の実際値がＴ１を超えていると判断する。そして、蓄電池２０の検出温度ＴｂがＴ１以下であるにも関わらず、温度差ΔＴに基づいて蓄電池２０の温度の実際値がＴ１を超えていると判断される場合に、電池温度センサ４３に異常が発生していると判定することができる。これにより、好適に電池温度センサ４３の異常を判定することが可能になる。ここで、所定値ΔＴｙは、吸気温度Ｔｉｎに基づいて設定してもよい。吸気温度Ｔｉｎが高いほど冷却風と蓄電池２０の温度との温度差は小さくなり、冷却風の吸熱量は少なくなる。このため、所定値ΔＴｙは、吸気温度Ｔｉｎが高くなるほど小さく設定するとよい。

図４に本実施形態における蓄電池２０の温度制御処理を示す。この処理は、蓄電池２０において充放電が行われていることを条件として、制御装置４０によって所定周期で行われる。蓄電池２０において充放電が行われている間、制御装置４０は、冷却ファン３０を常に駆動させている。

ステップＳ１０において、電池温度センサ４３から検出温度Ｔｂを取得する。ステップＳ１１において、吸気温度センサ４４から吸気温度Ｔｉｎを取得する。ステップＳ１２において、排気温度センサ４５から排気温度Ｔｏｕｔを取得する。ステップＳ１３において、吸気温度Ｔｉｎと排気温度Ｔｏｕｔとの温度差ΔＴを算出する。

ステップＳ１４において、電池温度センサ４３が異常であるか否かを示す異常フラグがＯＦＦであるか否かを判定する。異常フラグがＯＦＦである場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ１５において、検出温度ＴｂがＴ１以下であるか否かを判定する。検出温度ＴｂがＴ１より高い場合（Ｓ１５：ＮＯ）、ステップＳ１６において、蓄電池２０が高温になった場合における冷却ファン３０の制御を行う。具体的には、冷却ファン３０の回転速度を最大値に設定して、蓄電池２０の温度をＴ１以下へと低下させる。そして、処理を終了する。

検出温度ＴｂがＴ１以下である場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、ステップＳ１７において、温度差ΔＴがΔＴｙより大きいか否かを判定する。温度差ΔＴがΔＴｙ以下である場合（Ｓ１７：ＮＯ）、ステップＳ１８において、検出温度Ｔｂに基づいて冷却ファン３０の回転速度を設定する。具体的には、検出温度Ｔｂが高くなるほど冷却ファン３０の回転速度を速く設定する。そして、処理を終了する。

検出温度ＴｂがＴ１以下であり（Ｓ１５：ＹＥＳ）、且つ、温度差ΔＴがΔＴｙより大きい、即ち温度差ΔＴに基づいて蓄電池２０の温度の実際値がＴ１を超えていると判断される場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、ステップＳ１９において、電池温度センサ４３が異常であるか否かを示す異常フラグをＯＮにして処理を終了する。

ステップＳ１４において、異常フラグがＯＮであると判定された場合（Ｓ１４：ＮＯ）、ステップＳ２０〜Ｓ２２において、温度差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の回転速度を設定する。ステップＳ２０において、温度差ΔＴがΔＴｘ以下であるか否かを判定する。温度差ΔＴがΔＴｘ以下である場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、ステップＳ２１において、温度差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の回転速度を設定する。具体的には、温度差ΔＴが大きくなるほど冷却ファン３０の回転速度を速く設定する。そして、処理を終了する。温度差ΔＴがΔＴｘより大きい場合（Ｓ２０：ＮＯ）、蓄電池２０が高温になった場合における冷却ファン３０の制御を行う。具体的には、冷却ファン３０の回転速度を最大値に設定し、温度差ΔＴをΔＴｘ以下へと低下させる。そして、処理を終了する。

本実施形態の奏する効果について述べる。

上記構成によれば、蓄電池２０に設けられた電池温度センサ４３により検出される温度Ｔｂと、ケース体１１の吸入空気及び排出空気の温度差ΔＴとの２系統の温度情報に基づいて、蓄電池２０の温度制御を行うことが可能となる。ゆえに、例えば電池温度センサ４３に異常が生じても、ケース体１１の吸入空気と排出空気との温度差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の制御が可能となり、蓄電池２０の温度を適正温度に維持できる。

電池温度センサ４３に異常が発生した場合においても、吸気温度センサ４４及び排気温度センサ４５によって検出される吸気温度Ｔｉｎ及び排気温度Ｔｏｕｔとの温度差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の風量を制御することで、蓄電池２０の冷却を適切に行うことができる。

制御装置４０は冷却ファン３０を制御し、蓄電池２０の温度が所定温度以上とならないように制御を行う。ここで、電池温度センサ４３に異常が発生していると、蓄電池２０の温度を正確に検出できなくなる。すると、実際には蓄電池２０の温度がＴ１より高くなっているにも関わらず、蓄電池２０の温度の検出値（Ｔｂ）がＴ１以下となっている状況が懸念される。

そこで、制御装置４０は、吸気温度Ｔｉｎと排気温度Ｔｏｕｔとの温度差ΔＴがΔＴｙを超えたことを条件として、蓄電池２０の温度の実際値がＴ１を超えていると判断する。そして、蓄電池２０の検出温度ＴｂがＴ１以下であるにも関わらず、温度差ΔＴに基づいて蓄電池２０の温度の実際値がＴ１を超えていると判断される場合に、電池温度センサ４３に異常が発生していると判定する。そして、電池温度センサ４３に異常が発生していると判定された場合に、温度差ΔＴに基づいて蓄電池２０の温度制御を行うことで、蓄電池２０を好適に冷却することができる。

（他の実施形態）
・蓄電池２０に充放電電流が流れると、ジュール熱が発生する。そのジュール熱によって、蓄電池２０の温度は上昇する。このため、充放電電流が流れて蓄電池２０が発熱しているのにも関わらず、電池温度センサ４３によって検出される検出温度Ｔｂが上昇しないとすると、電池温度センサ４３に異常が発生していると判定することができる。そして、電池温度センサ４３に異常が発生したと判定される場合に、吸気温度Ｔｉｎと排気温度Ｔｏｕｔとの差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の回転速度を設定することで、蓄電池２０を好適に冷却することができる。

具体的には、制御装置４０が電流計４２から蓄電池２０の充放電電流の電流値を取得し、その電流値に基づいて蓄電池２０の発熱量を算出する。そして、制御装置４０は、その発熱量から蓄電池２０の温度を推定し、その推定値と、電池温度センサ４３によって検出される検出温度Ｔｂとを比較し、推定値と検出値との差が所定値以上である場合に、電池温度センサ４３に異常が発生したと判定するとよい。

・上記実施形態では、電池温度センサ４３に異常が発生した場合に、温度差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の回転速度を設定する構成としたが、これに代えて、温度差ΔＴ及び吸気温度センサ４４によって検出される吸気温度Ｔｉｎに基づいて冷却ファン３０の回転速度を設定する構成としてもよい。吸気温度Ｔｉｎが低いほど冷却ファン３０の回転速度を遅くすることで冷却ファン３０における電力消費を抑えることができる。また、吸気温度Ｔｉｎが高いほど冷却ファン３０の回転速度を速くすることで蓄電池２０の冷却を確実に行うことができる。

・上記実施形態では、検出温度Ｔｂに基づいて冷却ファン３０の回転速度を調整して蓄電池２０の温度を制御する第１温度制御と、温度差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の回転速度を調整して蓄電池２０の温度を制御する第２温度制御とを、電池温度センサ４３に異常が生じているか否かに応じて切り替える構成とした。これに代えて、第１温度制御と、第２温度制御とを、検出温度Ｔｂに基づき算出されたファン回転速度と、温度差ΔＴに基づき算出されたファン回転速度との比較結果に応じて切り替える構成としてもよい。例えば、検出温度Ｔｂに基づいて設定される冷却ファン３０の回転速度と、温度差ΔＴに基づいて設定される冷却ファン３０の回転速度とのうち回転速度が高い方を選んで制御を実施してもよい。このような制御を行うことで、蓄電池２０の温度が通常使用領域（０〜５０℃）の上限Ｔ１より高くなるような状況を抑制できる。

また、冷却ファン３０が駆動されていない場合には、検出温度Ｔｂに基づいて蓄電池２０の温度制御を行い、冷却ファン３０が駆動されている場合には温度差ΔＴに基づいて蓄電池２０の温度制御を行う構成であってもよい。

・上記実施形態では、電池温度センサ４３に異常が発生した場合に、吸気温度Ｔｉｎと排気温度Ｔｏｕｔの温度差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の回転速度を設定する構成とした。これに代えて、電池温度センサ４３に異常が発生していない場合においても、温度差ΔＴに基づいて冷却ファン３０の回転速度を設定するものであってもよい。例えば、検出温度Ｔｂに基づいて設定される冷却ファン３０の回転速度を、温度差ΔＴに基づいて補正する構成としてもよい。

蓄電池２０が複数の電池セルを備える組電池であり、その電池セルの一部にのみ電池温度センサ４３が設けられている場合がある。このような場合に、電池温度センサ４３の設けられている電池セルの発熱量は小さいが、電池温度センサ４３の設けられていない電池セルの発熱量が大きく高温となっているという事態が懸念される。ここで、吸気温度Ｔｉｎと排気温度Ｔｏｕｔとの温度差ΔＴは、蓄電池２０全体の発熱量に応じて変化する。そこで、制御装置４０が、検出温度Ｔｂに基づいて設定される冷却ファン３０の回転速度を温度差ΔＴに基づいて補正することで、高温となっている電池セルを含む蓄電池２０全体の発熱量を考慮した温度制御が可能となる。

・上記実施形態では、吸気温度センサ４４と排気温度センサ４５とによって検出された温度Ｔｉｎ，Ｔｏｕｔから温度差ΔＴを算出する構成としたが、これに代えて、直接温度差を検出する構成としてもよい。具体的には、空気吸入口及び空気排出口に熱電対の両端子を接続することで直接的に温度差ΔＴを検出することができる。

１０…電源装置、１１…ケース体、２０…蓄電池、３０…冷却ファン（冷却手段）、４０…制御装置（温度差検出手段、第１温度制御手段、第２温度制御手段）、４３…電池温度センサ（温度センサ）。

Claims (4)

1. 蓄電池（２０）と、
   該蓄電池を収容するケース体（１１）と、
   前記ケース体の内部に冷却風を生じさせ、その冷却風により前記蓄電池を冷却する冷却手段（３０）と、
   前記蓄電池に一体に又はその近傍に設けられ前記蓄電池の温度を検出する温度センサ（４３）と、
   前記冷却手段により冷却風を生じさせた状態で、前記ケース体への吸入空気の温度と前記ケース体からの排出空気の温度との温度差を検出する温度差検出手段（４０）と、
   前記温度センサにより検出された前記蓄電池の温度に基づいて、前記冷却手段の駆動状態を調整して前記蓄電池の温度を制御する第１温度制御手段（４０）と、
   前記温度差検出手段により検出された温度差に基づいて、前記冷却手段の駆動状態を調整して前記蓄電池の温度を制御する第２温度制御手段（４０）と、を備えることを特徴とする電源装置（１０）。
2. 前記温度センサの異常の有無を判定する異常判定手段（４０）を備え、
   前記第２温度制御手段は、前記温度センサに異常が生じている旨が判定された場合に、前記第１温度制御手段に代わって前記蓄電池の温度制御を実施することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記異常判定手段は、前記温度センサにより検出された前記蓄電池の温度が所定温度以下であり、且つ、前記温度差検出手段によって検出される温度差に基づいて前記蓄電池の温度が前記所定温度を超えていると判断される場合に、前記温度センサに異常が発生していると判定することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記蓄電池に流れる充放電電流を検出する電流検出手段（４２）と、
   前記電流検出手段によって検出される電流から前記蓄電池の発熱量を算出する発熱量算出手段（４０）と、
   前記発熱量算出手段によって算出される発熱量から前記蓄電池の温度を推定する温度推定手段（４０）と、を備え、
   前記異常判定手段は、前記温度センサによって検出される温度と、前記温度推定手段によって推定される温度との差が所定値以上である場合に、前記温度センサに異常が発生していると判定することを特徴とする請求項２又は３に記載の電源装置。

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