JP2018033276A

JP2018033276A - 車載バッテリの冷却装置

Info

Publication number: JP2018033276A
Application number: JP2016165641A
Authority: JP
Inventors: 土生　雅和; Masakazu Habu; 雅和土生
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-08-26
Also published as: JP6717118B2

Abstract

【課題】車載バッテリに冷却風を送る冷却装置において、冷却風を生成するインペラが外部から回転させられたとき、インペラを回転駆動する永久磁石モータに生じる逆起電力を抑制する。
【解決手段】ファン制御部５８は、車両制御部３８からの回転速度指令が０であり、かつ回転角度センサ６０の出力に基づき取得された永久磁石モータ４６の回転速度の絶対値が所定のしきい値以上であるとき、ファン用インバータ５２に対し弱め界磁制御を指令する。弱め界磁により、逆起電力が抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載されたバッテリを冷却する冷却装置に関し、特にその制御に関する。

車両を駆動する原動機として電動機を備えた電気車両やハイブリッド車両が知られている。これらの車両には、電動機の電源としてバッテリが搭載されている。バッテリは充放電時に発熱するため、車両はバッテリを冷却するための冷却装置を備えている。

下記特許文献１には、バッテリを送風により冷却する冷却ブロア（１２）を備えたバッテリの冷却システムが開示されている。冷却ブロア（１２）は、駆動モータ（２４）で回転駆動されるファンユニット（２６）を備えている。なお、（）内の符号は下記特許文献１で用いられた符号であり、本願の実施形態の説明で用いられる符号とは関連しない。

特開２０１３−９５１１号公報

エアガンなどにより気流を吹き付けてファンユニットを清掃することがある。この気流によりファンユニットは、外部から回転させられる。ファンユニットの駆動モータが永久磁石モータであると、外部から回転されることにより駆動モータが発電機として動作し、駆動モータに逆起電力が発生する。この逆起電力の電圧が高くなると、回路素子を損傷する場合がある。

本発明は、ファンユニットが外部から回転させられたときに発生する電圧を抑えることを目的とする。

本発明は、車載バッテリの冷却装置であって、車載バッテリに送られる冷却風を生成するインペラを回転駆動する永久磁石モータと、永久磁石モータに電力を供給する電力供給部と、永久磁石モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、回転速度指令に基づき電力供給部の動作を制御して永久磁石モータの回転速度を制御する制御部と、を有する。制御部は、回転速度指令が０、かつ回転速度検出部により検出された回転速度の絶対値が所定のしきい値以上であるとき、電力供給部に対し弱め界磁制御を行う。

弱め界磁制御により逆起電力が抑制され、逆起電力の電圧を抑えることができる。

ハイブリッド車両の要部構成を示す模式図である。バッテリ冷却装置の構成を示す図である。ファン制御部の機能を説明するための図である。バッテリ冷却装置の動作を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る車載バッテリの冷却装置（バッテリ冷却装置１０）およびこれが搭載されたハイブリッド車両１２の構成を例示する模式図である。なお、図１では、簡略化のため、本実施形態に係るバッテリ冷却装置１０との関連性の低い構成については適宜図示を省略している。

図１に示すハイブリッド車両１２は、駆動用の原動機として内燃機関１４と２機の電動機１６，１８を有する。２機の電動機１６，１８は、発電機としても機能する。さらに、ハイブリッド車両１２は、電動機１６，１８の電源となる駆動用バッテリ２０を搭載している。駆動用バッテリ２０から電動機１６，１８に電力が供給され、また電動機１６，１８が発電機として動作した場合には、発電された電力が駆動用バッテリ２０に充電される。駆動用バッテリ２０からの直流電力は、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により昇圧され、さらに駆動用インバータ２４によって三相交流電力に変換されて電動機１６，１８に供給される。電動機１６，１８により発電された三相交流電力は、駆動用インバータ２４により直流電力に変換され、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により降圧されて駆動用バッテリ２０に充電される。２機の電動機１６，１８は、互いに独立して制御され、一方のみ運転すること、また一方は電動機として、他方は発電機として運転することも可能である。

内燃機関１４、２機の電動機１６，１８は、動力分配機構２６を介して接続されており、電動機１８には、減速ギア列、差動装置等を介して駆動輪２８が接続されている。３機の原動機１４，１６，１８を車両状況に応じて制御してハイブリッド車両１２が駆動される。例えば、内燃機関１４と電動機１８の動力によりハイブリッド車両１２を駆動することができる。このとき、内燃機関１４の動力の一部で電動機１６を駆動し、電動機１６により発電することができる。また、電動機１８のみにより走行することも可能である。さらに、ハイブリッド車両１２の慣性により電動機１８を駆動して電動機１８により発電を行うことも可能である。

駆動用バッテリ２０は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池である。駆動用バッテリ２０は、バッテリケース３０に収められている。バッテリケース３０内にバッテリ冷却装置１０から冷却風が送られ、これにより駆動用バッテリ２０が冷却される。駆動用バッテリ２０には、さらに、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して補機バッテリ３４が接続されている。補機バッテリ３４は、駆動用バッテリ２０からの電力、または電動機１６，１８が発電した電力により充電される。補機バッテリ３４は、イグニッションスイッチの操作に応じてオンオフするイグニッションリレー３６を介してバッテリ冷却装置１０に接続されている。補機バッテリ３４は、バッテリ冷却装置１０、さらに前照灯などの灯火類、音響機器、経路誘導装置等の電装品の電源となる。
となる。

ハイブリッド車両１２は、内燃機関１４、電動機１６，１８およびバッテリ冷却装置１０を制御する車両制御部３８を有する。車両制御部３８は、アクセルペダル４０やブレーキペダル４２の操作量から運転者の要求を取得し、また車速を取得し、それらに応じて内燃機関１４、電動機１６，１８の制御を行う。さらに、車両制御部３８は、駆動用バッテリ２０の状態、例えば蓄電量や温度に応じて内燃機関１４、電動機１６，１８およびバッテリ冷却装置１０の制御を行う。例えば、駆動用バッテリ２０の蓄電量が少なければ、内燃機関１４により電動機１６を駆動し、発電を行って駆動用バッテリ２０の充電を行う。また、蓄電量が多ければ、制動時における電動機１８の発電を抑制する。また、駆動用バッテリ２０の温度によって、充放電量を増減する制御を行う。さらに、駆動用バッテリ２０の温度が高いとき、バッテリ冷却装置１０を動作させて、駆動用バッテリ２０の冷却を行う。車両制御部３８の電源も補機バッテリ３４である。イグニッションスイッチがオン状態において、補機バッテリ３４の電力が車両制御部３８に供給され、車両制御部３８が動作する。

図１および図２を参照してバッテリ冷却装置１０について説明する。バッテリ冷却装置１０は、駆動用バッテリ２０に対し冷却風を送るファン４４を有する。ファン４４は、ファンモータ４６により回転駆動されるインペラ４８を有する。インペラ４８が回転すると、ファン４４は車室内の空気を吸い込み、駆動用バッテリ２０に向けて冷却風を送り出す。冷却風は、ダクト５０を通ってバッテリケース３０内に送られ、駆動用バッテリ２０を冷やす。ファンモータ４６は、ロータに永久磁石を備えた永久磁石モータである。ファンモータ４６には、補機バッテリ３４からの直流電力がファン用インバータ５２により三相交流電力に変換されて供給される。ファン用インバータ５２は、永久磁石モータであるファンモータ４６に電力を供給する電力供給部として機能する。ファン用インバータ５２に並列してコンデンサ５４およびファン制御部用電源５６が設けられている。ファン制御部５８は、車両制御部３８からの回転速度指令とファンモータ４６の回転速度に基づき、ファン用インバータ５２を動作を制御し、ファンモータ４６の制御を行う。ファンモータ４６の回転速度は、ファンモータ４６の回転角度を検出する回転角度センサ６０の出力に基づき算出される。

ファン制御部５８の動作電圧は補機バッテリ３４の端子電圧より低く、ファン制御部用電源５６は、補機バッテリ３４の電圧を降圧してファン制御部５８に供給する。補機バッテリ３４の端子電圧は例えば１２Ｖであり、ファン制御部５８の動作電圧は例えば５Ｖである。ファン制御部５８は、所定の電圧が供給されることにより動作を開始する。

図３は、ファン制御部５８の機能ブロック図である。ファン制御部５８は、回転速度指令に従い、フィードバック制御にてファンモータ４６の制御を行う。回転速度指令は、例えば、車両制御部３８から送信される。車両制御部３８は、例えば駆動用バッテリ２０の温度に基づき、ファンモータ４６の回転速度を決定し、これに応じた回転速度指令をファン制御部５８に送出する。また、ファン制御部５８が、駆動用バッテリ２０の温度情報を受信し、ファン制御部５８にて回転速度指令を生成してもよい。この回転速度指令から実際の回転速度を減算し、この結果がＰＩ制御部６４に入力される。実際の回転速度は、回転角度センサ６０の出力を微分演算部６２にて微分して得られる。回転角度センサ６０と微分演算部６２がファンモータ４６の回転速度を検出する回転速度検出部として機能する。ＰＩ制御部６４では、回転速度指令と実際の回転速度の差分に基づき指令電圧Ｖｄ^＊,Ｖｑ^＊が算出され、更に２相−３相変換部６６にて３相電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換される。ＰＷＭ生成部６８では、３相電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＰＷＭ信号が生成され、ファン用インバータ５２に送られる。このＰＷＭ信号によって、ファン用インバータ５２の各スイッチング素子がオンオフ制御され、補機バッテリ３４の直流電力が三相交流電力に変換されてファンモータ４６に供給される。

ファン制御部５８は、さらに、回転速度指令と、微分演算部６２の出力、つまり実際の回転速度とに基づいて弱め界磁制御の実行を指令する弱め界磁指令部７０を有する。弱め界磁制御は、永久磁石モータの永久磁石の磁束を減少させるようにモータのステータにより磁界を発生させる制御であり、ロータの回転に伴う逆起電力を減少させることができる。

ファン４４を清掃する際に、エアガン等により空気を吹き付け、付着したほこりを除去することが行われる。この気流により、インペラ４８が回転すると、ファンモータ４６のロータが回転し、逆起電力が発生し、コンデンサ５４が充電される。インペラ４８の回転速度が速くなると充電電圧が高くなり、この電圧がコンデンサ５４自身やファン用インバータ５２などの素子の耐電圧を超える場合がある。ファン制御部５８は、弱め界磁制御を行うことで、逆起電力を減少させ、コンデンサ５４への充電電圧が高くなることを防止する。

図４は、ファン制御部５８の動作説明図である。通常、ファン制御部５８は、運転者等のイグニッションスイッチ操作により起動する。イグニッションスイッチがオンに操作されると、イグニッションリレー３６がオンになり（Ｓ１００）、補機バッテリ３４によりコンデンサ５４が充電される（Ｓ１０２）。コンデンサ５４の端子電圧が所定値に達すると、ファン制御部用電源５６がファン制御部５８に電圧を印加し、これによりファン制御部５８が起動する（Ｓ１０４）。

ファン４４の清掃は、一般的にはイグニッションスイッチがオフ状態で行われる。エアガン等によりインペラ４８が回転させられると、ファンモータ４６が回転する（Ｓ１０６）。この逆起電力により、コンデンサ５４が充電される（Ｓ１０８）。コンデンサ５４の端子電圧が所定値に達すると、ファン制御部用電源５６がファン制御部５８に電圧を印加し、これによりファン制御部５８が起動する（Ｓ１０４）。

ファン制御部５８は、起動すると回転速度指令が０であるかを判断する（Ｓ１１０）。回転速度指令が０でなければ、車両制御部３８が起動している、すなわちイグニッションスイッチがオン状態であると判断できる。この場合は、走行時の制御であり、入力された回転速度指令に基づきファンモータ４６を回転駆動制御する（Ｓ１１２）。

ステップＳ１１０で回転速度指令が０である場合、インペラ４８の回転による逆起電力によりファン制御部５８が起動した可能性がある。ステップＳ１１０で回転速度指令が０であった場合、次に実際のファンモータ４６の回転速度の絶対値が所定のしきい値以上であるかが判断される（Ｓ１１４）。このしきい値は、ファンモータ４６の逆起電力によるコンデンサ５４の充電電圧が回路素子の耐電圧となる回転速度に基づき定められる。しきい値は、耐電圧となる回転速度より低い速度に設定することができ、このしきい値に達した後、弱め界磁制御が開始されるまでの間に回転が更に速くなって充電電圧が更に上昇し耐電圧を超えてしまうことを防ぐことができる。ファンモータ４６は、正逆の両方に回転させられることが考えられるので、これに対応するために回転速度の絶対値がしきい値と比較される。ステップＳ１１４で、実際の回転速度がしきい値以上でない場合、ステップＳ１１０に戻る。実際の回転速度がしきい値以上となったら、ファン用インバータ５２に対し弱め界磁制御を開始する（Ｓ１１６）。

弱め界磁制御を行うことで、ファンモータ４６のロータの永久磁石による磁界の一部が打ち消され、逆起電力が減少する。これにより、逆起電力によって回路素子に印加される電圧が減少し、回路素子が保護される。

１０バッテリ冷却装置、１２ハイブリッド車両、１４内燃機関、１６電動機、１８電動機、２０駆動用バッテリ、２２昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、２４駆動用インバータ、２６動力分配機構、２８駆動輪、３０バッテリケース、３２降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、３４補機バッテリ、３６イグニッションリレー、３８車両制御部、４０アクセルペダル、４２ブレーキペダル、４４ファン、４６ファンモータ、４８インペラ、５０ダクト、５２ファン用インバータ（電力供給部）、５４コンデンサ、５６ファン制御部用電源、５８ファン制御部、６０回転角度センサ（回転速度検出部）、６２微分演算部（回転速度検出部）、６４ＰＩ制御部、６６２相−３相変換部、６８ＰＷＭ制御部、７０弱め界磁指令部。

Claims

車載バッテリに送られる冷却風を生成するインペラを回転駆動する永久磁石モータと、
永久磁石モータに電力を供給する電力供給部と、
永久磁石モータの回転速度を検出する回転速度検出部、
回転速度指令に基づき電力供給部の動作を制御して永久磁石モータの回転速度を制御する制御部と、
を有し、
制御部は、回転速度指令が０であり、かつ回転速度検出部により検出された回転速度の絶対値が所定のしきい値以上であるとき、電力供給部に対し弱め界磁制御を行う、
車載バッテリの冷却装置。