JP2017073845A

JP2017073845A - バッテリ装置

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Publication number: JP2017073845A
Application number: JP2015197582A
Authority: JP
Inventors: 中村　公人; Kimito Nakamura; 公人中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-10-05
Also published as: JP6488974B2

Abstract

【課題】バッテリ装置において、簡便な方法で空気温度センサの異常を検出する。【解決手段】バッテリ１０と、冷却ファン１１と、冷却空気の温度を検出する空気温度センサ２１と、バッテリ温度センサ２２と、電流センサ２４と、回転数センサ２５と、空気温度センサ２１の検出値とが入力されるコントローラ３０と、を備えるバッテリ装置１００であって、コントローラ３０は、第１時刻の第１バッテリ温度と第１時刻から所定期間経過後の第２時刻の第２バッテリ温度との温度差と、所定期間内のバッテリ１０の発熱量と、冷却ファン１１が所定期間内にバッテリ１０に送給した冷却空気の体積と、所定期間内の平均バッテリ温度と、に基づいて所定期間内の推定平均冷却空気温度を計算し、空気温度センサ２１の検出値に基づく所定期間内の実平均冷却空気温度と比較して空気温度センサ２１の異常を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されるバッテリ装置に関する。

近年、モータを駆動源とする電気自動車やモータとエンジンとを駆動源とするハイブリッド車両等の電動車両が多く用いられている。これらの電動車両では、モータに電力を供給すると共にモータを発電機として動作させた際の発電電力を充電する充放電可能なバッテリとバッテリを冷却する冷却装置が搭載されている。冷却装置は、冷却ファンを駆動して冷却空気として吸い込み、吸込んだ冷却空気をバッテリの周囲の冷却流路に流してバッテリを冷却するものである。

冷却装置の制御方法としては、バッテリの温度と、吸込み空気温度と、バッテリを冷却した後の排気空気温度とを検出し、電池の発熱状態や冷却状態を判定して冷却ファンの運転を調整し、バッテリの温度を運転に好適な温度に制御する方法等が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−５７２９２号公報

特許文献１に記載されたような従来技術の制御方法では、吸込み空気温度を用いて冷却状態を判定して冷却ファンの調整を行っているため、吸込み空気温度を検出する空気温度センサが故障した場合には、冷却ファンを正確に調整することができなくなる場合がある。空気温度センサの異常を検出するには、空気温度センサを２つ配置して、２つの空気温度センサの検出値の差が大きくなった場合に空気温度センサが異常であると判定する方法が考えられる。しかし、この方法では、空気温度センサの数が増えてしまい、冷却装置が複雑になってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、バッテリ装置において、簡便な方法で空気温度センサの異常を検出することを目的とする。

本発明のバッテリ装置は、車両駆動用のバッテリと、前記バッテリに冷却空気を送給する冷却ファンと、前記冷却ファンが前記バッテリに送給する前記冷却空気の温度を検出する空気温度センサと、前記バッテリの温度と、前記バッテリの入出力電流値と、前記冷却ファンの回転数と、前記空気温度センサの検出値とが入力されるコントローラと、を備えるバッテリ装置であって、前記コントローラは、第１時刻の第１バッテリ温度と前記第１時刻から所定期間経過後の第２時刻の第２バッテリ温度との温度差と、前記所定期間内の前記バッテリの発熱量と、前記冷却ファンが前記所定期間内に前記バッテリに送給した前記冷却空気の体積と、前記所定期間内の平均バッテリ温度と、に基づいて、前記冷却ファンから前記バッテリに送給される前記所定期間内の推定平均冷却空気温度を計算し、前記推定平均冷却空気温度と前記空気温度センサの検出値に基づく前記所定期間内の実平均冷却空気温度とを比較して前記空気温度センサの異常を判定すること、を特徴とする。

本発明は、バッテリ装置において、簡便な方法で空気温度センサの異常を検出することができる。

本発明の実施形態におけるバッテリ装置の構成を示す系統図である。本発明のバッテリ装置の動作を示すフローチャートである。冷却ファンの回転数と風量との関係を示すマップである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態のバッテリ装置１００について説明する。図１に示すように、バッテリ装置１００は、車両駆動用のバッテリ１０と、バッテリ１０に冷却空気を送給する冷却ファン１１と、冷却ファン１１がバッテリ１０に送給する冷却空気の温度Ｔａを検出する空気温度センサ２１と、冷却ファン１１を駆動するモータ１２の回転数Ｓを調整してバッテリ１０の温度Ｔｂを制御するコントローラ３０とを備えている。

バッテリ１０は、正極ライン１６と負極ライン１７とを介してインバータ１８に接続されている。インバータ１８は、バッテリ１０の直流電力を交流電力に変換して車両駆動用のモータジェネレータ１９を駆動する。また、モータジェネレータ１９が発電した交流電力はインバータ１８によって直流電力に変換されてバッテリ１０に充電される。正極ライン１６には、バッテリ１０の入出力電流Ｉｂを検出する電流センサ２４が設けられている。また、正極ライン１６と負極ライン１７との間には、バッテリ１０の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ２３が設けられている。また、バッテリ１０には、バッテリ１０の温度Ｔｂを検出するバッテリ温度センサ２２が取り付けられている。

バッテリ１０は、内部に図示しない冷却流路を備えており、冷却ファン１１の吐出口とバッテリ１０の冷却空気入口との間は吸気ダクト１４で接続されている。また、バッテリ１０の冷却流路の出口には、バッテリ１０を冷却した後の空気を排出する排気ダクト１５が取り付けられている。従って、図１の矢印に示すように、冷却ファン１１の吸気口１３から吸い込まれた冷却空気は、吸気ダクト１４を通ってバッテリ１０の内部の冷却流路に流入し、バッテリ１０を冷却した後、排気ダクト１５から排出される。吸気ダクト１４の内部には、冷却ファン１１からバッテリ１０に送給される冷却空気の温度Ｔａを検出する空気温度センサ２１が取り付けられている。冷却ファン１１はモータ１２で駆動されており、モータ１２或いは冷却ファン１１には、冷却ファン１１の回転数Ｓを検出する回転数センサ２５が取り付けられている。

コントローラ３０は、内部に演算処理を行うＣＰＵ３１と、制御プログラム、制御データ等を格納するメモリ３２とを含むコンピュータであり、空気温度センサ２１と、バッテリ温度センサ２２と、電圧センサ２３と、電流センサ２４と、回転数センサ２５の各検出値が入力される。

次に、図２を参照しながら本実施形態のバッテリ装置１００の動作について説明する。コントローラ３０は、図２のＳ１０１〜Ｓ１１２までの処理を所定期間ΔＴ（例えば、１０秒程等）毎に行い、所定期間ΔＴ毎に空気温度センサ２１の異常の有無を判定する。

まず、図２のステップＳ１０１に示すようにコントローラ３０は、バッテリ温度センサ２２によって所定期間ΔＴの初期におけるバッテリ１０の温度Ｔｂを検出し、第１バッテリ温度Ｔｂ１（Ｋ）としてメモリ３２に格納する。また、空気温度センサ２１によって所定期間ΔＴの初期における冷却ファン１１からバッテリ１０に送給される冷却空気の温度Ｔａを検出し、第１冷却空気温度Ｔａ１（Ｋ）としてメモリ３２に格納する。

次に、図２のステップＳ１０２〜Ｓ１０４に示すように、コントローラ３０は、所定期間ΔＴの間、図２のステップＳ１０２に示すバッテリ１０の発熱量積算処理と、図２のステップＳ１０３に示すような冷却ファン１１がバッテリ１０に送給した冷却空気体積積算処理を繰り返す。

図２のステップＳ１０２に示すバッテリ発熱量積算処理は、所定の周期Δｔ（例えば、１００ｍｓｅｃ等）毎に電流センサ２４によってバッテリ１０の入出力電流Ｉｂを検出し、下記の式（１）に基づいて、所定の周期Δｔの間のバッテリ１０の発熱量ΔＱＨ（Ｊ）を計算する。
ΔＱＨ＝Ｉｂ^２×Ｒ×Δｔ・・・・・・・・（１）
ここで、Ｒはバッテリ１０の内部抵抗である。バッテリ１０の内部抵抗Ｒは、バッテリ１０の温度Ｔｂによって変化するので、バッテリ１０の温度Ｔｂに対する内部抵抗Ｒの関係を示すマップ或いは関係式をメモリ３２に格納しておき、バッテリ温度センサ２２で検出した温度Ｔｂと、このマップ或いは関係式によって計算するようにしてもよい。また、所定の設定値としてもよい。
次に、所定期間ΔＴの間、下記の式（２）のように上記のΔＱＨを積算して所定期間ΔＴの間のバッテリ１０の発熱量ＱＨ（Ｊ）を求める。
ＱＨ＝Σ（ΔＱＨ）・・・・・・・・（２）

図２のステップＳ１０３に示す、冷却ファン１１がバッテリ１０に送給した冷却空気体積積算処理は、先に説明したステップＳ１０２と同様、所定の周期Δｔ（例えば、１００ｍｓｅｃ等）毎に冷却ファン１１の回転数Ｓを検出し、メモリ３２に格納した図３に示すような冷却ファン１１の回転数Ｓに対する冷却ファン１１の風量ＱＶ（ｍ^３／ｈ）を計算し、以下の式（３）によって周期Δｔの間に冷却ファン１１がバッテリ１０に送給した冷却空気の体積ΔＶ（ｍ^３）を計算する。
ΔＶ＝ＱＶ×Δｔ・・・・・・・・（３）
次に、所定期間ΔＴの間、下記の式（４）のように上記のΔＶを積算して所定期間ΔＴの間に冷却ファン１１がバッテリ１０に送給した冷却空気の体積Ｖ（ｍ^３）を求める。
Ｖ＝Σ（ΔＶ）・・・・・・・・（４）

コントローラ３０は、所定期間ΔＴの間、図２に示すステップＳ１０２、Ｓ１０３の処理を行い、図２のステップＳ１０４で所定期間ΔＴが経過したと判断したら、図２のステップＳ１０５に進み、図２のステップＳ１０５に示すように、バッテリ温度センサ２２によって所定期間ΔＴの終期におけるバッテリ１０の温度Ｔｂを検出し、第２バッテリ温度Ｔｂ２（Ｋ）としてメモリ３２に格納する。また、空気温度センサ２１によって所定期間ΔＴの終期における冷却ファン１１からバッテリ１０に送給される冷却空気の温度Ｔａを検出し、第２冷却空気温度Ｔａ２（Ｋ）としてメモリ３２に格納する。

次に、コントローラ３０は、図２に示すステップＳ１０６に進み、冷却ファン１１がバッテリ１０に送給した冷却空気の温度Ｔａの推定計算を行う。
所定期間ΔＴの間のバッテリ１０の発熱量ＱＨと所定期間ΔＴの間に冷却空気がバッテリ１０から奪った熱量ＱＣとの熱量差ΔＱＢ（Ｊ）は、所定期間ΔＴの初期の第１バッテリ温度Ｔｂ１（Ｋ）と所定期間ΔＴの終期の第２バッテリ温度Ｔｂ２（Ｋ）との差にメモリ３２に格納されているバッテリ１０の熱容量ＣＢ（Ｊ／Ｋ）を掛けたものであり、以下の式（５）のように計算できる。
ΔＱＢ＝（Ｔｂ２−Ｔｂ１）×ＣＢ・・・・・（５）

また、所定期間ΔＴの間に冷却ファン１１の冷却空気がバッテリ１０から奪った熱量ＱＣ（Ｊ）は、以下の式（６）で計算できる。
ＱＣ＝Ｖ×（平均バッテリ温度Ｔｂｍ―平均冷却空気温度Ｔａｍ）
×体積比熱（Ｊ／（ｍ３・Ｋ））×係数・・・・・（６）
式（６）において、平均バッテリ温度Ｔｂｍは、所定期間ΔＴの間にバッテリ温度センサ２２で検出したバッテリ１０の温度Ｔｂの平均値であり、下記の式（７）のように、所定期間ΔＴの初期の第１バッテリ温度Ｔｂ１と所定期間ΔＴの終期の第２バッテリ温度Ｔｂ２の平均温度としてもよい。また、体積比熱は、１ｍ^３の空気を１°Ｋ上昇させるのに必要な熱量（Ｊ／（ｍ３・Ｋ））である。体積比熱と係数とは、メモリ３２に格納されている。
平均バッテリ温度Ｔｂｍ＝（第１バッテリ温度Ｔｂ１＋第２バッテリ温度Ｔｂ２）／２
から、
Ｔｂｍ＝（Ｔｂ１＋Ｔｂ２）／２・・・・・（７）

所定期間ΔＴの間のバッテリ１０の発熱量ＱＨと冷却空気がバッテリ１０から奪った熱量ＱＣとの熱量差ΔＱＢ（Ｊ）は、式（２）によって計算した所定期間ΔＴの間のバッテリ１０の発熱量ＱＨから式（６）で計算した所定期間ΔＴの間に冷却空気がバッテリ１０から奪った熱量ＱＣとの差に等しいから、
ΔＱＢ＝ＱＨ−ＱＣ・・・・・（８）
式（６）を式（８）に代入すると、
ΔＱＢ
＝ＱＨ−［Ｖ×（Ｔｂｍ―Ｔａｍ）×体積比熱×係数］・（９）
式（８）を平均冷却空気温度Ｔａｍについて解くと、
（Ｔａｍ―Ｔｂｍ）＝（ΔＱＢ−ＱＨ）／［Ｖ×体積比熱×係数］
となる。これに、式（５）、（１）、（２）、（７）を代入すると、
平均冷却空気温度Ｔａｍ
＝（ΔＱＢ−ＱＨ）／［Ｖ×体積比熱×係数］＋平均バッテリ温度Ｔｂｍ
＝［（Ｔｂ２−Ｔｂ１）×ＣＢ−Σ（ΔＩｂ^２×Ｒ×Δｔ）］／［Ｖ×体積比熱×係数］
＋（Ｔｂ２＋Ｔｂ１）／２・・・・・（１０）
となる。
コントローラ３０は、図２のステップＳ１０６において、ステップＳ１０２で積算した所定期間ΔＴの間の発熱量ＱＨと、ステップＳ１０３で積算した所定期間ΔＴの間の冷却空気の体積Ｖとメモリ３２に格納しているバッテリ１０の熱容量ＣＢ、および、冷却空気の体積比熱と係数と、バッテリ温度センサ２２で検出した第１、第２バッテリ温度Ｔｂ１、Ｔｂ２を用いて、式（１０）から所定期間ΔＴの間に冷却ファン１１からバッテリ１０に送給される冷却空気の平均温度（平均冷却空気温度Ｔａｍ）を計算し、推定平均冷却空気温度Ｔａｍ１としてメモリ３２に格納する。

コントローラ３０は、図２のステップＳ１０６で推定平均冷却空気温度Ｔａｍ１をメモリ３２に格納したら、図２のステップＳ１０７に進み、メモリ３２に格納した、第１冷却空気温度Ｔａ１と第２冷却空気温度Ｔａ２を平均して所定期間ΔＴの間の空気温度センサ２１に基づく実平均冷却空気温度Ｔａｍ２を計算し、メモリ３２に格納する。
実平均冷却空気温度Ｔａｍ２
＝（第１冷却空気温度Ｔａ１＋第２冷却空気温度Ｔａ２）／２
・・・・・（１２）

次にコントローラ３０は、図２のステップＳ１０８に進み、推定平均冷却空気温度Ｔａｍ１と実平均冷却空気温度Ｔａｍ２の温度差ΔＴａを計算する。そして、図２のステップＳ１０９に進み、温度差ΔＴａが所定の閾値を超えているかどうかを判断する。そして、温度差ΔＴａが所定の閾値を超えている場合には、図２のステップＳ１１０に進み、空気温度センサ２１が異常であると判断し、例えば、ダイアグに警報表示を行い、図２に示すステップＳ１１２に進む。一方、温度差ΔＴａが所定の閾値を超えていない場合には、図２のステップＳ１１１に進み、空気温度センサ２１が正常と判断し、図２に示すステップＳ１１２に進む。

コントローラ３０は、図２のステップＳ１１２示すように、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ１０５〜Ｓ１０７でメモリ３２に格納した各データをクリアし、ステップＳ１０１に戻って、次の所定期間ΔＴでの空気温度センサ２１の判定を行う。

以上説明したように、本実施形態のバッテリ装置１００は、空気温度センサ２１を２つ設けなくとも、通常の運転に使用するセンサで検出した検出値に基づいて冷却ファン１１からバッテリ１０に送給される冷却空気の温度Ｔａを推定するという簡便な方法で空気温度センサ２１の異常検出ができる。

１０バッテリ、１１冷却ファン、１２モータ、１３吸気口、１４吸気ダクト、１５排気ダクト、１６正極ライン、１７負極ライン、１８インバータ、１９モータジェネレータ、２１空気温度センサ、２２バッテリ温度センサ、２３電圧センサ、２４電流センサ、２５回転数センサ、３０コントローラ、３１ＣＰＵ、３２メモリ、１００バッテリ装置。

Claims

車両駆動用のバッテリと、
前記バッテリに冷却空気を送給する冷却ファンと、
前記冷却ファンが前記バッテリに送給する前記冷却空気の温度を検出する空気温度センサと、
前記バッテリの温度と、前記バッテリの入出力電流値と、前記冷却ファンの回転数と、前記空気温度センサの検出値とが入力されるコントローラと、を備えるバッテリ装置であって、
前記コントローラは、
第１時刻の第１バッテリ温度と前記第１時刻から所定期間経過後の第２時刻の第２バッテリ温度との温度差と、前記所定期間内の前記バッテリの発熱量と、前記冷却ファンが前記所定期間内に前記バッテリに送給した前記冷却空気の体積と、前記所定期間内の平均バッテリ温度と、に基づいて、前記冷却ファンから前記バッテリに送給される前記所定期間内の推定平均冷却空気温度を計算し、
前記推定平均冷却空気温度と前記空気温度センサの検出値に基づく前記所定期間内の実平均冷却空気温度とを比較して前記空気温度センサの異常を判定すること、
を特徴とするバッテリ装置。