以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、電池として、車両に搭載される電池を述べるが、これは説明のための例示であって、他の用途に用いられる電池でもよい。電池としては、複数の単電池を積層した電池スタックを述べるが、これは説明のための例示であって、冷却用の吸気口と排気口を有する構成の電池であればよい。以下における空気取入ポート、空気排出ポート、吸気口、排気口等の配置は、説明のための例示であり、電池の冷却制御方法が適用される電池冷却システムの仕様によって適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、車両に搭載される電池を冷却する電池冷却システム10の構成図である。電池冷却システム10は、電池パック12と、電池パック12に含まれる電池スタック30について電池の冷却制御方法を実行する制御装置50とを含んで構成される。電池パック12は、パックケース14と、パックケース14内に収納される複数の電池スタック30と、電池冷却用のファン22,24を含んで構成される。
電池パック12は、車両の後部座席の床下等に配置され、図示しない回転電機等に接続される電源である。パックケース14は、電池パック12の外形を形づくり、車体に接続固定するための接続部を有するケース体である。かかるパックケース14は、適当な強度と電気絶縁性を有する材料を用いて所定の形状に成形したものが用いられる。材料としては、表面に電気絶縁処理を施したアルミニウム合金等の金属や、プラスチックを用いることができる。
電池パック12に設けられる空気取入ポート16,18と空気排出ポート20は、電池冷却用のファン22,24を駆動することで、外気としての車室内の空気を取り入れ、排気するための開口部である。図1の例では、細長い形状の電池パック12の長手方向の両端部に空気取入ポート16,18が設けられ、長手方向のほぼ中央部に空気排出ポート20が設けられる。
電池冷却用のファン22,24は、パックケース14の内部に設けられ、制御装置50の制御の下で駆動または停止を行う電池冷却用の電動ファンである。以下では、電池冷却用のファン22,24を、単にファン22,24と呼ぶ。ファン22,24は、空気取入ポート16,18の配置に対応して、電池パック12の長手方向の両端部に配置される。ファン22,24が駆動されると、空気取入ポート16,18から車室内の空気がパックケース14の内部に取り入れられ、電池スタック30の内部を流れた後、空気排出ポート20からパックケース14の外部に排出される。図1に、ファン22,24が駆動されたときのパックケース14の内部及び電池スタック30内の空気の流れを白抜き矢印で示した。ファン22,24の駆動停止の状態では、これらの白抜き矢印の空気の流れは生じない。
電池スタック30は、複数の単電池34(図2参照)を積層して1つにまとめたものである。パックケース14内には、複数の電池スタック30が収納される。電池パック12を構成する電池スタック30の数をNとし、電池スタック30を構成する単電池34の数をMとすると、1つの電池パック12は、全体で(M×N)個の単電池34を含んで構成される。例えば、電池スタック30内の複数の単電池34を直列接続することで、電池スタック30の端子電圧は、単電池34の端子電圧のM倍の高電圧とできる。電池パック12内の複数の電池スタック30を並列接続することで、電池パック12の電流容量は、電池スタック30の電流容量のN倍とできる。このように複数の単電池34を直列及び並列接続することで、車両に搭載される電気機器に必要な高電圧、大電流を出力可能な電池パック12とできる。上記の直並列の仕方は説明のための例示であって、これ以外の直並列の仕方でも構わない。
図1の例では、電池パック12内に5つの電池スタック30a,30b,30c,30d,30eが収納される。これらはすべて同じものであるので、電池スタック30bに代表させて、図2に電池スタック30の構成を示す。
電池スタック30は、スタックケース32と、スタックケース32の内部に積層して配置される複数の単電池34と、単電池34に空冷用の外気を供給する冷却流路部36を含んで構成される。スタックケース32は、複数の単電池34の積層方向に延びる直方体状の筐体である。冷却流路部36は、スタックケース32の一部として構成してもよい。かかるスタックケース32及び冷却流路部36は、適当な強度と電気絶縁性を有する材料を用いて所定の形状に成形したものが用いられる。材料としては、表面に電気絶縁処理を施したアルミニウム合金等の金属や、プラスチックを用いることができる。
単電池34は、充放電可能な二次電池セルで、リチウムイオン単電池である。これに代えて、ニッケル水素単電池を用いることもできる。単電池34の端子電圧は、約1Vから数V程度であるが、これの複数個を互いに直列接続することで、所望の高電圧とすることができる。
吸気口38は、適当な送風ダクト等の管路でファン22,24の送風口に接続され、ファン22,24が駆動されたときにパックケース14の空気取入ポート16から送り込まれた外気を電池スタック30内に吸気する開口部である。排気口40は、吸気口38から吸気された外気が冷却流路部36を経由して各単電池34に向かって流れ、各単電池34の熱を奪って暖かくなった空気を電池スタック30の外部に排気する開口部である。排気口40は、適当な排気ダクト等の管路で、パックケース14の空気排出ポート20に接続される。以下では、吸気口38と排気口40とを有する電池として、電池スタック30を述べる。
吸気温度センサ42は、冷却流路部36の吸気口38の近傍に配置される温度検出手段である。ファン22,24が駆動されているときは、電池スタック30に吸気される空気の温度を検出する吸気温度の検出手段であるが、ファン22,24が駆動されていないときには、吸気されていない状態での吸気口38の近傍の温度を検出する手段となる。吸気温度センサ42の出力値は、適当な信号線を介して制御装置50に伝送される。
吸気温度センサ42の出力値は、電圧である。制御装置50は取得した電圧を予め定めた換算関係を用いて吸気温度に変換することができる。吸気温度センサ42が正常動作しているときは、吸気温度センサ42の出力値は、吸気口38の温度に対応する電圧であるので、これを吸気温度と考えてよい。吸気温度センサ42の動作が異常のときは、吸気温度センサ42の出力値は、吸気口38の温度と無関係の電圧になる。その場合には、吸気温度センサ42の出力値を温度に換算しても、吸気口38の温度を正しく反映していない。場合によっては、吸気温度センサ42の出力値が、吸気温度センサ42の出力回路の電源電圧またはGND電圧に一定化することがある。かかる吸気温度センサ42としては、サーミスタ等の検温素子が用いられる。
電池温度センサ44は、電池スタック30の温度を検出する電池温度の検出手段である。電池温度センサ44は、電池スタック30のスタックケース32の外側または内側で、単電池34の温度を検出するのに適した位置に配置される。複数の単電池34が積層されるのに対し、吸気口38は1箇所であるので、吸気口38からの距離によって単電池34の電池温度が異なることが生じ得る。そこで、複数の電池温度センサ44を用いて電池温度を検出することが好ましい。図2の例では、スタックケース32の長手方向の中心軸に沿って3個の電池温度センサ44A,44C,44Bが配置される。電池温度センサ44A,44C,44Bの出力値は適当な信号線を介して、制御装置50に伝送される。上記の電池温度センサの個数、配置は、説明のための例示であって、これ以外の個数、配置であってもよい。
電池温度センサ44A,44C,44Bの出力値は、電圧である。制御装置50は取得した電圧を予め定めた換算関係を用いて電池温度に変換することができる。かかる電池温度センサ44A,44C,44Bとしては、吸気温度センサ42と同様に、サーミスタ等の検温素子が用いられる。
この3つの電池温度センサ44A,44C,44Bの検出値に基づいて、電池スタック30の全体としての電池温度を推定することになる。代表的には、スタックケース32のほぼ中央位置に配置される電池温度センサ44Cの検出値を電池スタック30の電池温度として用いることができる。以下では、電池温度センサ44Cを単に電池温度センサ44と呼ぶ。
図1に戻り、制御装置50は、各電池スタック30a〜30eにそれぞれ設けられる吸気温度センサ42及び電池温度センサ44と、ファン22,24とに接続され、電池パック12に収納される複数の電池スタック30について電池の冷却制御を行うコンピュータである。冷却制御の一例を挙げると、制御装置50は、電池冷却のために予め定めた所定温度を電池温度が越えると、吸気温度が電池温度よりも低いときにファン22,24を駆動させ、電池スタック30を冷却する。これが電池冷却システム10の各構成要素が正常のときに行われる電池の通常冷却制御である。
制御装置50は、電池の通常冷却制御を行う他に、吸気温度センサ42の異常を検出する。さらに、吸気温度センサ42が異常のときに、可能な範囲で電池の冷却制御を行う。制御装置50は、吸気温度センサ42の出力値と電池温度センサ44の出力値とを取得するセンサ出力値の取得処理部52と、ファンの駆動処理部54と、吸気温度センサの異常処理部56とを有する。
これらの機能は、ソフトウェアがコンピュータである制御装置50に各処理手順を実行させることで実現される。具体的には、電池冷却制御プログラムがコンピュータである制御装置50に各処理手順を実行させることでこれらの機能が実現される。各機能の一部をハードウェアで実現してもよい。
上記構成の作用、特に制御装置50が実行する電池の冷却制御方法の各手順の内容について、図2と図3を用いてさらに詳細に説明する。図3は、電池の冷却制御方法の手順を示すフローチャートである。各手順は、電池冷却制御プログラムが制御装置50に実行させる各処理手順に対応する。吸気温度センサ42の異常検出は、車両のいくつかの動作段階で行うことができるが、ここでは、車両が始動するときの初期診断における吸気温度センサ42の異常検出について述べる。
車両においてイグニッションスイッチ等の始動スイッチがオンされると、車両の制御システムの各要素が初期化され、電池冷却制御プログラムが立ち上がる。車両の制御システムの各要素の初期化の例は、各種電子制御ユニットの初期化、システムメインリレーの状態確認、各種レジスタの初期化、各種アクチュエータの初期化等である。これらの初期化に必要な電力は、電池パック12に収納される各電池スタック30から供給されるので、電池スタック30である電池は、放電を行い、電池温度が上昇する。
電池冷却制御プログラムが立ち上がると、吸気温度センサ42の出力値が取得される(S10)。この処理手順は、制御装置50におけるセンサ出力値の取得処理部52の機能によって実行される。この段階では、ファン22,24は駆動されてなく、停止状態である。したがって、吸気温度センサ42は、外気温度でなく、パックケース14の内部の温度を吸気口38の温度として検出する。
次に、制御装置50は、取得した吸気温度センサ42の出力値の時間変化が予め定めた所定値未満か否かを判断する(S12)。車両の制御システムの初期化によって電池温度が上昇するので、パックケース14の内部温度も変動する。吸気温度センサ42が正常動作するときは、パックケース14の内部温度の変動を反映して、吸気温度センサ42の出力値も変動する。S12は、取得した出力値がほとんど変動せず、吸気温度センサ42の検出誤差以内に留まっているときは、吸気温度センサ42の異常の可能性があるとして、次に進むための処理手順である。
出力値の時間変化の大きさを求める時間としては、初期化による電池温度の上昇が吸気口38の温度に反映されるのに必要な時間とする。例えば、始動スイッチがオンされてから、約1分〜2分とする。予め定めた所定値は、吸気温度センサ42の検出誤差に基づいて設定される。一例を挙げると、吸気温度センサ42の検出誤差が温度換算で±1℃に対応する±10mVのときは、所定値は、±10mVよりやや大きい値に設定される。例えば、温度換算で±2℃に対応する±20mVを所定値とする。この例では、始動スイッチがオンされてから約1分〜2分の間に、吸気温度センサ42の出力値が±20mV以上変動するときはS12の判断が否定され、吸気温度センサ42の出力値の変動が±20mV未満のときはS12の判断が肯定される。これらの値は、説明のための例示であって、電池パック12、電池スタック30の構成等に応じて適宜変更は可能である。
S12の判断が否定されるときは、吸気温度センサ42は正常動作とされる(S20)。吸気温度センサ42が正常であり、他の要素にも故障がないときは、電池の通常冷却制御が実行される。S12が肯定されるときは、ファン22,24が駆動される(S14)。この処理手順は、制御装置50におけるファンの駆動処理部54の機能によって実行される。ファン22,24が駆動されると、空気取入ポート16,18からパックケース14内に外気が取りこまれ、各電池スタック30の吸気口38から電池スタック30内に吸気され、単電池34が冷却される。ここで外気は、車両の車室内の空気であり、放電により上昇している電池温度よりは低温である。パックケース14内に外気が取り込まれることによって電池温度が低下するが、吸気口38の温度もファン22,24の駆動前に比べ低下する。
図4は、S14の内容を示す図である。図4の横軸は時間、縦軸はセンサ出力値である。時間t=t0は、車両の始動スイッチがオンされた時間であり、時間t=tFは、ファン22,24が駆動されるタイミングである。特性線60は、吸気温度センサ42の出力値である。特性線62,64は、電池温度センサ44の出力値である。時間t=t0において車両の始動スイッチがオンされて各要素の初期化が行われるとその電力を供給するために電池スタック30が放電し、電池温度が時間の経過と共に次第に上昇する。図4では、吸気温度センサ42の出力値が電池温度センサ44の出力値よりも高い値として示したが、これは説明のための一例である。
時間t=tFでファン22,24が駆動されると、車両の車室内の空気が外気としてパックケース14内に取り込まれる。車室内の温度は充放電で発熱した電池スタック30の温度よりも低温であるので、電池スタック30は冷却される。これによって、電池温度は時間t=tFから低下を始める。このとき、電池スタック30の吸気口38も冷却されるので、吸気温度センサ42の動作が正常で、特性線60の出力値が吸気口38の温度に対応するものであれば、予想特性線66に示すように、吸気温度センサ42の出力値も低下するはずである。しかし、図4においては、吸気温度センサ42の出力値は特性線60で示されるように、ファン22,24の駆動前後で変動がなく、一定値のままである。
図3に戻り、ファン22,24の駆動後において、吸気温度センサ42の出力値の時間変化が所定値未満のままであるか否かを判断する(S16)。S16の判断が肯定されるとき、吸気温度センサ42は異常であるとする(S18)。これに対し、ファン22,24の駆動後において、吸気温度センサ42の出力値の時間変化が所定値以上となる場合にはS20に進み、吸気温度センサ42は正常動作とされる。この処理手順は、制御装置50における吸気温度センサの異常処理部56の機能によって実行される。図4の例では、吸気温度センサ42の出力値は、ファン22,24の駆動前後で変動がなく、共に検出誤差程度の範囲で一定値のままであるので、吸気温度センサ42は異常とされる。
なお、図4に示されるように、ファン22,24の駆動前後において、電池温度センサ44の出力値は変動する。したがって、S16の判断基準に電池温度センサ44の出力値の変動状態を加えることが好ましい。例えば「ファン22,24の駆動前後において、電池温度センサ44の出力値が予め定めた所定変動幅以上に変動するが、吸気温度センサ42の出力値の時間変化が所定値未満のままであるときは、吸気温度センサ42は異常である」とするとよい。これによって、吸気温度センサ42が正常動作か異常かの判断についての信頼性が向上する。
なお、車両が始動するときは車両放置後と考えられ、長期間に渡る放置であれば、パックケース14内の温度は均一である。したがって、電池温度センサ44の出力値に対応する電池スタック30の温度と、吸気温度センサ42の出力値に対応する吸気口38の温度もほぼ同一温度であると考えられる。これを利用し、車両が長期間に渡る放置の後に始動されるときは、電池温度センサ44の出力値に対応する電池スタック30の温度と、吸気温度センサ42の出力値に対応する吸気口38の温度とを比較する。比較の結果、温度差が予め定めた所定値以上のときに、吸気温度センサ42は異常とされる。
上記では、車両が始動するときの初期診断における吸気温度センサ42の異常検出に関する手順について述べた。車両が走行中のときは、走行風が車室内に入り、あるいはエアコンディショナが動作して、車室内の空気は運転者によって快適な温度となっており、回転電機やその他の電気機器等の動作によって充放電が行われる電池スタック30の電池温度に比べ車室内温度の方が低温である。この場合でも、図3の手順を用いて、吸気温度センサ42の異常検出を行うことができる。また、車両が外部の充電電源から電池スタック30を充電する場合、空調によって車室内温度を適切な温度にすることが行われるが、その車室内温度は、充電により上昇する電池スタック30の電池温度よりも低温である。この場合でも、図3の手順を用いて、吸気温度センサ42の異常検出を行うことができる。
吸気温度センサ42について、S12の判断のみで異常であるとはせず、S14,S16の手順を踏むのは、各電池スタック30に設けられる吸気温度センサ42が1つであるためである。図2の例では、電池温度センサ44は、1つの電池スタック30に3つ設けられる。また、ファン22,24は、1つのパックケース14に対し2つ設けられる。このように、電池冷却制御に用いられる要素として、電池温度センサ44とファン22,24は複数設けられるので、複数の同じ要素の間の状態変化を比較する等によりこれらの要素の異常が検出できる。これに対し、吸気温度センサ42は電池スタック30に対し1つしか設けられないので、S14,S16の手順を踏み、2段階の判断を行って、その異常を判断することとした。
図5は、吸気温度センサ42が異常とされたときに、部品交換等を行うまでの間等において電池冷却制御を行う手順の一例である。図3のS18で吸気温度センサ42が異常とされると、電池冷却のためにファン22,24が駆動される(S30)。図3の手順においてS14でファン22,24が駆動されるが、その状態のままであれば、そのまま駆動状態を継続する。S18の判断の後にファン22,24の駆動が停止されたときは、再度ファン22,24が駆動される。そして、電池温度センサ44の出力値が電池温度の低下を示すか否かを判断する(S32)。否定されれば、ファン22,24を駆動しても電池が冷却されないことを示すので、ファン22,24の駆動を停止する(S38)。S32が肯定されるときは、電池が冷却されているので、そのままファン22,24の駆動を継続する(S34)。そして、電池温度センサ44の出力値を示す電池温度が所定温度以下になれば、ファン22,24の駆動を停止する(S38)。このようにして、異常とされた吸気温度センサ42が交換等されるまでの期間について電池冷却制御を行うことができる。
図6は、S32からS38の内容を示す図である。図6の横軸は時間、縦軸はセンサ出力値である。時間t=t1は、S18で吸気温度センサ42が異常と判断されファン22,24の駆動が停止されたときであり、時間t=tCは、S30で電池冷却のためにファン22,24が駆動されたときである。特性線60は吸気温度センサ42の出力値である。特性線70は、時間tFまでの期間における電池温度センサ44の出力値の一例である。特性線72は、S32の判断が否定されるときの電池温度センサ44の出力値の一例である。特性線74は、S32の判断が肯定されるときの電池温度センサ44の出力値の一例で、出力値に対応する電池温度が時間の経過と共に低下を続け、所定温度に対応する出力値になった時間t=tEでファン22,24の駆動が停止される。
その後に電池温度が上昇することを示す電池温度センサ44の出力値の変化が生じたときは、適当なヒステリシス温度の余裕を持ってファン22,24の駆動を再開し、S34,S36,S38の手順を繰り返す。このようにして、吸気温度センサ42が異常とされたときも、電池冷却制御を行うことができる。