JP2018116811A - 電池冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタのメンテナンスの頻度を低減できる電池冷却装置を提供すること。【解決手段】電池冷却装置５０が、車室１２内の空気を電池３０が収容されたケース３６内に導入するダクト５１と、羽根車を回転駆動させるモータ５６を含んで、ダクト５１に空気を流通させるブロワ５２と、ダクト５１内を流通する空気がケース３６内に到達するまでに通過するフィルタ５３と、フィルタ５３が所定量以上の異物を収集していることを特定可能な電池温度検出センサ５４と、電池温度検出センサ５４からの信号を受けて、フィルタ５３が所定量以上の異物を収集していると判断すると、モータ５６が振動するようにモータ５６に流れる電流の進角を制御する制御部５５と、を備えるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載された電池を冷却する電池冷却装置に関する。

従来、電池冷却装置としては、特許文献１に記載されているように、車両駆動用のモータ、当該モータに電力を供給する電池、電池を内部に配置した電池ケース内に車室内の空気を案内するダクト、空気をダクトに流通させるブロワ、及びダクトの空気流入口を覆うよう配置されたフィルタを備えたものがある。この電池冷却装置は、ブロワを駆動することで、車室内の空気を、ダクトを介して電池ケース内に引き込んで、電池ケース内の電池を冷却している。また、この電池冷却装置は、車室内の空気に含まれる粉塵等の異物をフィルタで収集し、当該異物が電池ケース内に入り込むことを抑制している。このようにして、電池ケース内の電池や電装品等が、当該異物が原因で故障することを抑制している。

特開２０１６−１３９５７５号公報

フィルタが異物を収集するにつれて、車室内の空気がダクトを流れにくくなり、電池の冷却効率が悪くなる。よって、フィルタの交換や洗浄を定期的に行う必要があるが、係るフィルタのメンテナンスには、時間と費用が必要になる。

そこで、本発明の目的は、フィルタのメンテナンスの頻度を低減できる電池冷却装置を提供することにある。

本発明に係る電池冷却装置は、車室内の空気を電池が収容されたケース内に導入するダクトと、羽根車と、その羽根車を回転駆動させるモータとを含み、前記ダクトに前記空気を流通させる送風機と、前記ダクト内を流通する前記空気が前記ダクトの空気取入口から前記ケース内に到達するまでのいずれかの場所に位置するフィルタと、前記フィルタが所定量以上の異物を収集していることを特定可能な特定手段と、前記特定手段からの信号を受けて、前記フィルタが前記所定量以上の異物を収集していると判断すると、前記モータが振動するように前記モータに流れる電流の進角を制御する制御部と、を備える。

また、本発明において、前記特定手段は、前記送風機を所定回転数で所定時間駆動した場合に、電池温度が所定温度以下しか低下しなかったことで、前記フィルタが所定量以上の異物を収集していると判定するとよい。

また、本発明において、前記制御部は、前記異物を前記フィルタから除去するときの前記電流の前記進角を、前記異物を前記フィルタから除去しないときの前記電流の前記進角よりも大きくすることで、前記モータに脈動を生起して前記モータを振動させるとよい。

また、本発明において、前記モータの脈動の振動数と、前記モータの固有振動数とを一致させることで、前記モータを共振させて振動させるとよい。この場合、前記送風機の吸い込み口に直接、前記フィルタを付けてもよい。

本発明に係る電池冷却装置によれば、制御部が、フィルタの所定量以上の異物の収集（フィルタの目詰まり）を判断すると、モータに流れる電流の位相遅れを、この電流の位相を進めることでタイミングを調整する進角において、モータの誘起電圧の位相に同期するタイミングよりさらに進角させることで、モータを振動させる。したがって、この振動でフィルタを振動させることができ、フィルタが収集した異物の少なくとも一部をフィルタから振るい落とすことができる。よって、フィルタのメンテナンス頻度を低減でき、メンテナンスに要する費用及び時間を低減できる。

本発明の一実施形態に係る車両の概略模式図である。 制御部が、フィルタから粉塵等を振るい落とすための処理手順を示すフローチャートである。 フィルタの異物除去制御を行わないブロワの通常運転時の、１つの相の誘起電圧と、当該相の駆動電流を表すグラフの一例である。 フィルタの異物除去制御を行っているときの、１つの相の誘起電圧と、当該相の駆動電流を表すグラフの一例である。 １つの相における、進角０°の駆動電流と、進角５０°の駆動電流との差を表すグラフの一例であり、駆動電流の脈動の一例を表すグラフである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて新たな実施形態を構築することは当初から想定されている。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両１の概略模式図である。図１に示すように、車両１は、前部の駆動機構格納スペース１１と、中央の車室１２と、後部のラゲッジスペース１３とを備える。前部の駆動機構格納スペース１１の中には、エンジン２５、モータジェネレータ２６、及びＰＣＵ（Power Control Unit）１９が格納される。エンジン２５及びモータジェネレータ２６は、車輪１４,１５を駆動するのに用いられ、ＰＣＵ１９は、電池３０から供給される直流電圧を昇圧し、モータジェネレータ２６を駆動する三相交流電力に変換する。モータジェネレータ２６は、ＰＣＵ１９のインバータと三相交流電力をやり取りする。車室１２には、前席シート１７と後席シート１８が取り付けられる。前席シート１７の前側には、ハンドル２９が設けられ、運転席と助手席との間には、空調装置３１のスイッチや、窓３２，３３の開閉スイッチ等が配置されたセンターコンソール３５が取り付けられる。電池３０は、車両後部のラゲッジスペース１３中に搭載される。電池３０と、電池３０を格納するケース３６は、電池パック３７を構成する。

車両１は、電池冷却装置５０を更に備え、電池冷却装置５０には、ダクト５１と、送風機の一例としてのブロワ５２と、フィルタ５３と、電池温度検出センサ５４と、ブロワモータ用の位置センサ６０、及び制御部５５が含まれる。ダクト５１は、吸込みダクト５１ａと、接続ダクト５１ｂを含み、車室内の空気を電池３０内のケース３６内に案内する。吸込みダクト５１ａは、電池パック３７の車室１２側からブロワ５２の吸い込み口まで車両の後側に延在して、当該吸い込み口に接続される。また、接続ダクト５１ｂは、ブロワ５２の吐出口に接続されて、当該吐出口からケース３６の空気流入口まで車両の後側に延在して、当該空気流入口に接続される。なお、図においては、図を見やすくするために、ダクト５１の吸い込み口をシート背もたれの中間部に配置したが、シート座面側の側部やシート下方など、乗員に目立たず、吸気による空気の流れも気にならない位置に設けるとよい。

ブロワ５２は、例えば電池パック３７の車室１２側に配置される。ブロワ５２は、図示しない羽根車と、羽根車を回転駆動すると共に三相交流モータで構成されるモータ５６とを含む。フィルタ５３は、吸込みダクト５１ａの車室１２側の空気取入口を覆うように吸込みダクト５１ａに取り付けられる。ブロワ５２は、フィルタ５３を通じて車室１２内の空気を吸い込んで、吸い込んだ空気を接続ダクト５１ｂから電池パック３７のケース３６内に供給する。電池３０を冷却した排気空気はケース３６からラゲッジスペース１３に排気された後、ラゲッジスペース１３と車室１２とを仕切る仕切り板１６に設けられた開口から車室１２の中に戻る。車室１２中の空気は、空調装置３１によって所定の温度に制御されているので電池３０の冷却によって温度上昇した排気がラゲッジスペース１３を介して車室１２内に戻ってきても車室１２内の温度は所定の温度に保たれる。

電池温度検出センサ５４は、電池３０の周辺に配設され、電池温度を測定する。電池温度検出センサ５４は、例えば、温度によって電気抵抗が変化するサーミスタ素子と、熱伝導性の高い樹脂などの絶縁体からなって、サーミスタ素子の周囲を覆うことでサーミスタ素子を保護する保護絶縁部とを有し、サーミスタ素子は、リード線を介して制御部５５と電気的に接続される。保護絶縁部は、電池３０の表面に接触した状態で取り付けられる。サーミスタ素子の温度がその設置箇所の温度に応じて変化すると、サーミスタ素子の抵抗値が変化してリード線を流れる電流が変化する。制御部５５は、リード線を流れる電流を検出することで電池におけるサーミスタ素子設置個所の温度を認識する。

ブロワモータ用の位置センサ６０は、ブロワ５２のモータ５６のステータに設けられ、例えば、ホール素子や磁気抵抗素子を用いた磁気センシングデバイスで構成される。磁気センシングデバイスは、三相交流用のモータ５６の回転に伴い、ロータに取り付けられたマグネットの回転に伴う磁極変化に応じて変化するセンサ信号により位置検出信号を出力する。この位置検出信号は、制御部５５に入力される。位置センサ６０は、例えばロータに設けられた角度センサであってもよいが、レゾルバ等、モータ５６の回転に伴う各相の位置変化を検出することができるものであれば、如何なるセンサで構成されてもよい。位置センサ６０の信号から、ステータに対するロータの相対位置に基づき、各相（Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相）の巻線の誘起電圧の位相が推定される。

制御部５５は、車内に配置される。制御部５５は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行う。制御部５５は、進角決定部、波形生成部、パルス幅変調部、速度調整部、及びタイマを含む。進角決定部は、電池温度検出センサ５４からの信号を受けて、モータ５６に流す電流の進角を決定し、当該決定した進角を表す信号を波形生成部に出力する。進角決定部での進角決定プロセスについては、後で図３〜図５を用いて詳しく説明する。また、波形生成部は、進角決定部からの信号と、ブロワモータ用の位置センサ６０からのロータの位置を表す信号とに基づいて、当該ロータの位置に対して進角決定部が決定した角度だけ進角した正弦波状の波形信号を生成する。この波形信号は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動巻線の波形信号であり、ブロワ５２のモータ５６を制御するインバータに含まれる６つのスイッチング素子のオン期間とオフ期間の比率を特定するための信号である。モータ５６は、回転数を上げるとモータ５６への印加電圧のタイミングに対し、当該駆動巻線のインタクダンス成分の影響で当該電流の位相は遅れが発生する。一般的に進角は、当該誘起電圧波形に対する当該電流の位相遅れを、当該電流の位相を進めて当該誘起電圧の位相に同期させることで、効率的なモータ駆動を行うことに用いられる。

パルス幅変調部は、三角波状のキャリア信号を生成するキャリア信号部を含む。パルス幅変調部は、波形生成部からの正弦波状の波形信号と、速度調整部からのモータ速度を表す信号を受ける。パルス幅変調部は、波形生成部からの正弦波状の波形信号と、キャリア信号とを比較し、その比較結果に応じて、インバータの６つのスイッチング素子に、当該６つのスイッチング素子を相補的にオンオフする制御信号を出力する。その結果、相ごとに誘起電圧に対する位相遅れに応じて進角した駆動電流が駆動巻線に流れる。速度調整部は、波高値（振幅）を表す信号をパルス幅変調部に出力する。パルス幅変調部は、波高値を表す信号に基づいて当該波高値に対応する振幅の正弦波を生成するための制御信号を６つのスイッチング素子に出力する。これによりモータ５６の速度調整が行われる。

以上の動作を簡潔にまとめると、進角決定部は、位相進角信号を波形生成器に出力する。波形生成器は、６つのスイッチング素子のオン期間とオフ期間の比率信号を駆動巻線の波形信号として出力する。その波形信号の位相は位相進角信号により制御される。パルス幅変調部は、その波形信号に応じて６つのスイッチング素子のオン期間とオフ期間の比率を表す信号をインバータ（６つのスイッチング素子）に出力する。これにより、インバータの６つのスイッチング素子がオンオフ動作され、各相の駆動巻線が正弦波状の交番電流で駆動される。正弦波状の交番電流の振幅は、速度調整部からの信号で制御される。

次に制御部５５によるフィルタ５３の目詰まりの判断手法について説明する。制御部５５は、中央処理装置（ＣＰＵ）を有し、中央処理装置には、各種制御プログラムを格納した記憶部（内蔵ＲＯＭ等で構成される）５９が含まれる。記憶部５９には、フィルタ５３の目詰まり（フィルタ５３に所定量以上の異物（粉塵等）が付着している状態）を特定できる情報が格納されている。詳しくは、記憶部５９には、フィルタ５３が新品の状態である場合における、電池３０がモータ５６の駆動を開始する所定の電池温度に到達してからモータ５６を所定回転数で所定時間駆動したときの電池３０の低下温度が記憶されている。上述のように、制御部５５は、電池温度検出センサ５４のサーミスタ素子に電気的に接続されたリード線を流れる電流値に基づいて電池３０におけるサーミスタ素子設置箇所の温度を特定する。ブロワ５２の所定回転数での所定時間の駆動で実際に低下した温度が記憶部５９に記憶された低下温度よりも所定温度以上小さければ、制御部５５は、電池冷却効果がフィルタ５３の目詰まりで低下したと判断する。電池温度検出センサ５４は、フィルタ５３が所定量以上の異物を収集していることを特定可能な特定手段を構成する。

次に、図２〜図５を用いて、フィルタ５３に付着した粉塵等の振るい落とし制御の一例について説明する。図２は、制御部５５が、フィルタ５３から粉塵等を振るい落とす処理手順を示すフローチャートである。また、図３は、フィルタ５３の異物除去制御が行われないブロワ５２の通常運転時の、単相（１つの相）の誘起電圧と、当該相の駆動電流を表すグラフの一例であり、図４は、フィルタ５３の異物除去制御を行っているときの、単相の誘起電圧と、当該相の駆動電流を表すグラフの一例である。また、図５は、単相における、誘起電圧と駆動電流の位相タイミングが同期するときを進角０°として、進角０°の駆動電流と、進角５０°の駆動電流との差を表すグラフの一例であり、駆動電流の脈動の一例を表すグラフである。

図２を参照して、制御部５５が、電池温度検出センサ５４からの信号に基づいて電池温度がブロワ５２を駆動する温度以上になったと判定すると、制御がスタートし、ステップＳ１で、制御部５５が、ブロワ５２の通常制御を行って、ブロワ５２のモータ５６を所定回転数で回転駆動する。ステップＳ１でのブロワ５２のモータ５６の駆動では、図３に示すように、ブロワ５２のモータ５６における駆動電流の進角θ１を、０°≦θ１≦２０°としたモータ５６の駆動が実行される。図３において、誘起電圧のグラフは、ブロワモータ用の位置センサ６０が出力した位置検出信号に基づき、１つの相の巻線の誘起電圧の位相を推定できる。一般的に、誘起電力と同期するモータ駆動電流にてモータ５６を駆動すると、モータ効率（入力電力（電圧×電流×力率）に対するモータ５６の機械的出力（トルク×角回転数））が高くなって好ましいが、モータ５６の回転数を上げると、誘起電圧の位相に対しモータ駆動電流の位相が遅れる。そこで、ステップＳ１のブロワ５２の通常制御では、０°≦θ１≦２０°としたモータ５６の駆動を行って、モータ効率を高くしている。

再度、図２を参照して、ステップＳ１でブロワ５２の通常制御を行った後、ステップＳ２で、ブロワの所定回転数での駆動時間が所定時間に達したか否かが判定される。この駆動時間は、制御部５５のタイマを用いて計測される。ステップＳ２で否定判定されると、ステップＳ１以下が繰り返される。他方、ステップＳ２で肯定判定されると、ステップＳ３に移行して、制御部５５が、電池温度検出センサ５４からの信号に基づいて電池温度を検出し、ステップＳ４に移行する。

ステップＳ４では、制御部５５が、スタート時の電池温度と、ステップＳ３で検出された電池温度との温度差が、記憶部５９に記憶されている低下温度より予め定められた温度だけ小さい所定温度以下か否かを判定する。ステップＳ４で否定判定されて、制御部５５が、当該温度差が所定温度よりも大きいと判断し、電池冷却効果が大きいと判定すると、ステップＳ８に移行する。

ステップＳ８では、制御部５５が、電池温度検出センサ５４からの信号に基づいて電池温度を検出し、その電池温度が所定温度以下か否かを判定する。ステップＳ８で肯定判定されて、制御部５５が、電池温度がブロワ５２で冷却する必要がない温度まで低下したと判定すると、ステップＳ９に移行して、制御部５５がブロワ５２の駆動を停止し、制御がエンドになる。他方、ステップＳ８で否定判定されて、制御部５５が、電池温度が高くてブロワ５２で冷却する必要があると判定すると、ステップＳ１に移行して、ステップＳ１以下が繰り返される。

他方、ステップＳ４で肯定判定されて、制御部５５が、電池冷却効果が小さくてフィルタ５３に所定量以上の異物が付着していると判定し、フィルタ５３が目詰まりしていると判定すると、ステップＳ５に移行して、フィルタ５３の異物除去制御が実行される。詳しくは、制御部５５が、ブロワ５２のモータ５６における駆動電流の進角θ１を、２０°＜θ１＜５０°としたモータ５６の駆動を実行する。図４及び図５に示すように、電流位相を進角させると、電流波形に高周波成分が重畳し、波形が脈動する。係る脈動は、個々のモータ毎に異なり、モータ個体差に依存する。例えば、個々のモータ毎に、進角と、脈動との関係を事前に調査する。そして、例えば、モータの固有振動数と略一致する振動数を有する脈動が生じる進角θ１（２０°＜θ１＜５０°）を事前に決定する。

ステップＳ５では、事前に決定された大きい進角θ１（２０°＜θ１＜５０°）の位相を有するモータ駆動電流を生成することにより、モータ５６の脈動の振動数と、モータ５６の固有振動数とを意図的に一致させ、モータ５６を共振させる。このようにして、共振しているモータ５６に吸込みダクト５１ａを介してつながるフィルタ５３を大きく振動させ、フィルタ５３が収集している埃等の異物（フィルタ５３に付着している埃等の異物）を、フィルタ５３から振るい落とす。

ステップＳ５の後のステップＳ６では、制御部５５が、ステップＳ５の電流進角制御の制御時間が所定時間に達したか否かを判定する。この制御時間は、制御部５５のタイマを用いて計測される。ステップＳ６で否定判定されると、ステップＳ５以下が繰り返される。他方、ステップＳ６で肯定判定されると、ステップＳ７に移行して、ステップＳ５の電流進角制御を終了させて、モータ５６の制御を通常制御に戻し、その後、ステップＳ８に移行する。

上記実施形態によれば、制御部５５が、フィルタ５３の所定量以上の異物の収集（フィルタの目詰まり）を判断すると、ブロワ５２用のモータ５６に流れる電流の進角を制御して、モータ５６を共振させる。したがって、この共振でフィルタ５３を大きく振動させることができ、フィルタ５３が収集した異物の少なくとも一部をフィルタ５３から振るい落とすことができる。よって、フィルタ５３のメンテナンスの頻度を低減でき、メンテナンスに要する費用及び時間を低減できる。

尚、本発明は、上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、駆動電流の進角制御によって生じる脈動の振動数を、モータ５６の固有振動数に一致させたが、駆動電流の進角制御によって生じる脈動の振動数は、フィルタが振動する振動数に設定されればよく、モータの固有振動数に一致しなくてもよい。

また、フィルタ５３からの異物振り落とし制御では、モータ駆動電流の進角θ１が、２０°＜θ１＜５０°に設定されたが、フィルタに付着している異物を振り落とす制御でのモータ駆動電流の進角θ１は、それ以外の角度に設定されてもよく、マイナス（負）の角度に設定されてもよい。また、送風機がブロワ５２であったが、送風機は、圧力比がブロワ５２よりも小さいファンでもよい。

また、駆動電流の進角制御は、公知のベクトル制御で行ってもよく、例えば、各相の電流位相を検知してマイコンの高速演算処理により、フィードバックをかけることによってより精密な進角制御を行ってもよい（例えば、特開昭６０−８２０８８号公報参照）。また、フィルタ５３が、吸込みダクト５１ａの車室１２側の空気取入口を覆うように吸込みダクト５１ａに取り付けられる例について説明した。しかし、フィルタは、ダクト内を流通する空気がケース内に到達するまでに通過するように配置されればよく、例えば、ブロアの空気吸い込み口や電池ケースの空気吸い込む口を覆うように配置されてもよい。

また、フィルタ５３に所定量以上の異物が付着していることをブロワ５２による電池３０の冷却性能により判定した。しかし、ブロア５２の運転時間を積算して積算運転時間が所定時間に達したこと、予め設定した期間を経過したこと、車両が所定距離走行したとき、車両がモータを駆動して所定距離走行したとき、などによって、フィルタが所定量以上の異物を収集していることを特定してもよい。又は、フィルタ５３に所定量以上の異物が付着しているか否かの判定は、送風機のモータを流れる電流を検出することによって実行してもよい。フィルタに埃等の異物が溜まると、ブロワによる送風量が下がるため、空気を流動させる負荷が小さくなり、送風機のモータを流れる電流が小さくなる。よって、送風機のモータを流れる電流の値が所定以下であることを判定することで、フィルタに所定量以上の異物が付着していることを判定できる。

１２ 車室、３０ 電池、３６ ケース、５０ 冷却装置、５１ ダクト、５２ ブロワ、５３ フィルタ、５４ 電池温度検出センサ、５５ 制御部、５６ ブロワのモータ。

Claims (2)

1. 車室内の空気を電池が収容されたケース内に導入するダクトと、
   羽根車と、その羽根車を回転駆動させるモータとを含み、前記ダクトに前記空気を流通させる送風機と、
   前記ダクト内を流通する前記空気が前記ダクトの空気取入口から前記ケース内に到達するまでのいずれかの場所に位置するフィルタと、
   前記フィルタが所定量以上の異物を収集していることを特定可能な特定手段と、
   前記特定手段からの信号を受けて、前記フィルタが前記所定量以上の異物を収集していると判断すると、前記モータが振動するように前記モータに流れる電流の進角を制御する制御部と、
   を備える電池冷却装置。
2. 前記フィルタは、前記送風機の吸い込み口に位置する請求項１に記載の電池冷却装置。

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