JP2020035689A - 蓄電池用冷却ファンの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉構造の蓄電池収納箱内の冷却ファンの駆動を効果的に制御することにより、蓄電池セルからの放熱パワーの最大化を図ることができる冷却ファンの制御方法を提供する。【解決手段】蓄電池と、該蓄電池を収納すると共に防塵機能を有する蓄電池収納箱と、該蓄電池収納箱内の内気を撹拌する冷却ファンを備えた蓄電池システムの前記冷却ファンの制御方法であって、前記蓄電池の放熱に関する熱回路モデルを構築する工程と、前記蓄電池の温度を取得する工程と、前記蓄電池収納箱外の温度を取得する工程と、前記蓄電池の温度及び前記蓄電池収納箱外の温度差を取得する工程と、前記温度差に応じて放熱パワーが最大又は最小となる前記冷却ファンへの通流率を選択することを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、自動車や鉄道車両に搭載される蓄電池の冷却ファンの制御方法に関する。

従来、電力系統や工場などにおける出力電力の変動抑制又はピークシフトなどを目的として、充放電可能な蓄電池を用いる蓄電池システムが知られており、蓄電池の温度変動による充放電効率の低下を抑制するために、蓄電池の温度制御を行う蓄電池システムが知られている。

この蓄電池システムは、例えば、特許文献１に記載されているように、蓄電池と、前記蓄電池に接続され、電力を直流と交流との間で互いに変換するパワーコンディショナと、前記蓄電池を収容する第１収容体と、前記パワーコンディショナを収容する第２収容体と、前記第１収容体と前記第２収容体との間で空気を出入りさせる第１空気循環部と、前記第１収容体内で空気を循環させる第２空気循環部と、前記蓄電池の温度を測定する温度センサと、前記温度センサによって測定された前記蓄電池の温度が第１閾値未満である場合には、前記第１空気循環部を稼動させ、前記蓄電池の温度が、前記第１閾値よりも高い第２閾値を超える場合には、前記第２空気循環部を稼動させる制御部と、を備えるという構成を採用している。

特開２０１７−８４５２２号公報

上述した従来の蓄電池システムは、工場などで使用される場合を想定した発明であるが、近年鉄道などの車両にもこのような蓄電池を搭載した蓄電池搭載車両の導入が進められている。蓄電池搭載車両は、いずれも大容量のリチウムイオン電池が搭載されており、高価な電池を頻繁に交換するとコストメリットが低下してしまうため、蓄電池システムを長寿命に使用したいという要求がある。

また、このような蓄電池搭載車両は、床下又は屋根上に蓄電池を収納する蓄電池収納箱が搭載されている。このような蓄電池収納箱のうち、蓄電池箱内に塵埃等が侵入しないように換気を伴わない密閉構造となっているものについては、放熱性能の確保が課題となっている。ここで、蓄電池収納箱内の内気温度が上昇すると、蓄電池が劣化して寿命延伸に影響を与えることから、内気温度を適切に冷却する必要が生じる。

しかし、発明者等が検討を進めた結果、上述した密閉構造を採用した場合では、箱内ファンによって蓄電池収納箱の内気を撹拌して放熱性能を高めているが、冷却ファンを常時高回転で稼動した場合に、常時低回転で稼動した場合と比べて放熱性能が悪化するという課題が生じた。これは、冷却ファンの稼動に伴う冷却ファンを稼動させるモータなどの駆動源からの発熱や空気の撹拌摩擦による発熱が蓄電池収納箱内に籠ることによって生じているものと考えられる。なお、この場合の冷却ファンの制御方法は、蓄電池温度に応じて冷却ファンを最小回転から最大回転に切り替える２値制御を採用していた。

そこで、本発明の目的は、上述した課題を解決するためになされたものであり、密閉構造の蓄電池収納箱内の冷却ファンの駆動を効果的に制御することにより、蓄電池セルからの放熱パワーの最大化を図ることができる冷却ファンの制御方法を提供することにある。

本発明に係る冷却ファンの制御方法は、蓄電池と、該蓄電池を収納すると共に防塵機能を有する蓄電池収納箱と、該蓄電池収納箱内の内気を撹拌する冷却ファンを備えた蓄電池システムの前記冷却ファンの制御方法であって、前記蓄電池の放熱に関する熱回路モデルを構築する工程と、前記蓄電池の温度を取得する工程と、前記蓄電池収納箱外の温度を取得する工程と、前記蓄電池の温度及び前記蓄電池収納箱外の温度差を取得する工程と、前記温度差に応じて放熱パワーが最大又は最小となる前記冷却ファンへの通流率を選択することを特徴とする。

また、本発明に係る冷却ファンの制御方法において、前記通流率の選択は、前記熱回路モデルから算定した熱パラメータから作成したテーブル又はグラフを用いて選択されると好適である。

また、本発明に係る冷却ファンの制御方法において、前記放熱パワーは、以下の式によって算定されると好適である。

ここで、R_bi、R_ioはファンの回転数に応じて定まる熱抵抗値、T_bは電池温度、T_oは外気温度、P_fはファン電力である。

また、本発明に係る冷却ファンの制御方法において、前記蓄電池の温度が低温時には、前記放熱パワーが最小となるように最小化制御を行い、前記蓄電池の温度が高温時には、前記放熱パワーが最大となるように最大化制御を行うと好適である。

本発明の特徴によれば、冷却ファンへの通流率を多段階の中から最適値を選択することにより、蓄電池セルからの放熱パワーを高めて効果的な蓄電池の冷却が可能となる。また、常時高回転で冷却ファンが回転することを抑制することができるので、冷却ファンの消費電力量を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る蓄電池システムの概要図。 本発明の実施形態に係る蓄電池システムの熱回路の概要図。 通流率と放熱パワーの関係を示すグラフの概要図。 冷却ファンの制御方法を示すフローチャート。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る蓄電池システムの概要図であり、図２は、本発明の実施形態に係る蓄電池システムの熱回路の概要図であり、図３は、通流率と放熱パワーの関係を示すグラフの概要図であり、図４は、冷却ファンの制御方法を示すフローチャートである。

図１に示すように、本実施形態に係る蓄電池システム１は、図示しない鉄道車両の床下又は屋根上に搭載されている。蓄電池システム１は、蓄電池１０と、該蓄電池１０を収納する蓄電池収納箱２０と、蓄電池収納箱内の内気を撹拌する冷却ファン３０とを備えている。

蓄電池１０は、所定の区間を十分に走行可能な容量を有していれば、どのような構成でも構わないが、例えば単セル電圧が３．７Ｖのマンガン系リチウムイオン電池を直列に接続してモジュールを構成し、該モジュールを複数直列に接続してバンクを構成すると好適である。

また、蓄電池１０には、蓄電池温度Ｔ_bを測定する蓄電池温度センサ１１が取り付けられている。

蓄電池収納箱２０は、蓄電池１０を収納すると共に外部から塵埃等が侵入しないように密閉構造に構成されている。蓄電池収納箱２０は、蓄電池収納箱２０内の内気と蓄電池収納箱２０外の外気の熱交換を効率よく行うために、熱伝導率のよい金属等で構成されると好適である。また、蓄電池収納箱２０の外周部には、蓄電池収納箱２０外の外気温度Ｔ_oを測定する外気温度センサ２１が取り付けられている。なお、外気温度については、外気温度センサ２１を省略して何らかの外気温度推定手段から得ても構わない。

また、蓄電池収納箱２０内には、蓄電池収納箱２０内の内気を撹拌する冷却ファン３０が取り付けられている。冷却ファン３０は、駆動源３２と、該駆動源３２の回転軸３３に取り付けられ、回転することで内気を撹拌するファン部材３１を備えている。

このように構成された蓄電池システム１は、蓄電池収納箱２０の外部に設けられた制御部４０によって、蓄電池１０の蓄電池温度Ｔ_b及び外気温度Ｔ_oに応じて適切な回転数で冷却ファン３０を駆動することができるように冷却ファン３０への通電率を多段階に制御している。

制御部４０は、処理プログラムに従って測定データを処理するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、処理プログラムを格納するＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＣＰＵの処理に必要なデータを一時的に記憶するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えている。

図２に示すように、制御部４０では、放熱に関する熱回路モデルを構築する。熱回路モデルは、蓄電池か１０ら蓄電池収納箱２０までの放熱を熱回路網であらわしたものであり、Ｔ_bkは蓄電池温度の平均値（℃）、Ｔ_ikは蓄電池収納箱の内気温度の平均値（℃）、Ｔ_ckは蓄電池収納箱の温度の平均値（℃）、Ｔ_oは蓄電池収納箱の外気温度の平均値（℃）、Ｃ_bは蓄電池の熱容量（Ｊ／Ｋ）、Ｃ_iは蓄電池収納箱の内気の熱容量（Ｊ／Ｋ）、Ｃ_cは蓄電池収納箱の熱容量（Ｊ／Ｋ）、Ｒ_biは蓄電池と蓄電池収納箱の内気間の熱抵抗（Ｋ／Ｗ）、Ｒ_icは蓄電池収納箱の内気と蓄電池箱の間の熱抵抗（Ｋ／Ｗ）、Ｒ_coは蓄電池収納箱と外気の間の熱抵抗（Ｋ／Ｗ）、Ｐ_bkは蓄電池の内部放熱パワー（Ｗ）、Ｐ_fkは冷却ファンから生じる熱量（Ｗ）である。なお、添え字ｋは、バンク番号のいずれかを示している。

次に、図２に示す熱回路モデルを用いて、冷却ファン３０の回転数の制御を行う。ここでは、定常状態（温度平衡状態）を仮定して各熱容量を無視し、内気と外気間の熱抵抗であるＲ_ic＋Ｒ_coをＲ_ioとすると、次式のような関係が成り立つ。

この式を蓄電池の内部放熱パワーＰ_bkについて、変形すると、次式を得る。この式は蓄電池セルから外気への等価的な放熱パワーを示す。

この式に冷却ファンの通流率毎に算定しておいた熱抵抗値を代入して、図３に示すような通流率と放熱パワーの関係を示すグラフを作成する。なお、上述した熱回路モデル及び通流率と放熱パワーの関係を示すグラフは、一度作成された後、制御部４０に記憶させておくと好適である。なお、冷却ファンの通流率の大小は回転数の大小に対応する。

次に、図４を参照して本実施形態に係る冷却ファンの制御方法について説明を行う。まず、上述したように放熱に関する熱回路モデルを構築する（Ｓ１０１）。その後、蓄電池温度センサ１１及び外気温度センサ２１から蓄電池の温度Ｔ_b及び蓄電池収納箱外の温度Ｔ_oを取得する（Ｓ１０２，Ｓ１０３）。また、蓄電池温度Ｔ_b及び外気温度Ｔ_oを用いて、蓄電池温度と外気温度の差（Ｔ_b−Ｔ_o）を算出する（Ｓ１０４）。

次に、制御方法の選択を行う（Ｓ１０５）。蓄電池１０の特性として、蓄電池温度Ｔ_bが低温の場合には十分に性能を発揮することができず、高温となると電池が劣化して電池寿命が短くなることから、適切な温度で蓄電池１０を稼動させるために、上述した放熱パワーを最大化するか最小化するかを切り替えている。なお、適切な蓄電池温度Ｔ_bは用いられる蓄電池に応じて定められるが、例えば３０℃に設定されると好適であり、蓄電池温度Ｔ_bが３０℃を超える場合には、蓄電池１０の温度上昇を抑えて電池寿命を延伸させるために冷却ファン３０による冷却を強めるために放熱パワー最大化制御を行い（Ｓ１０６）、蓄電池温度Ｔ_bが３０℃以下の場合には、蓄電池１０の性能発揮のために加温するため、冷却ファン３０による冷却を抑えた放熱パワー最小化制御を行う（Ｓ１０７）。

なお、放熱パワー最大化制御（Ｓ１０６）は、図３に丸印で示した稜線に沿って蓄電池温度と外気温度の差（Ｔ_b−Ｔ_o）に応じて通流率（冷却ファンの回転数）を多段階に選択し、放熱パワー最小化制御（Ｓ１０７）は、図３に三角印で示した稜線に沿って蓄電池温度と外気温度の差（Ｔ_b−Ｔ_o）に応じて通流率（冷却ファンの回転数）を多段階に選択している。

このように、蓄電池１０の性能発揮や電池寿命を考慮して最適な動作状態となるように蓄電池収納箱２０の内気を撹拌する冷却ファン３０を制御することで、より効率的な冷却を行うと共に、冷却ファン３０の消費電力量も抑制することが可能となる。

なお、上述した実施形態において、通流率と放熱パワーの関係を示すグラフは、等価放熱パワー、外気と蓄電池の温度差及びファン回転数の三次元グラフを作成した場合について説明を行ったが、温度差に対応した等価放熱パワーの最大値又は最小値を算出し、該最大値又は最小値と通流率の関係を示したテーブル（最大値用又は最小値用）を用いて冷却ファンの通流率を選択しても構わない。

１ 蓄電池システム
１０ 蓄電池
１１ 蓄電池温度センサ
２０ 蓄電池収納箱
２１ 外気温度センサ
３０ 冷却ファン
３１ ファン
３２ 駆動源
３３ 回転軸
４０ 制御部

Claims (4)

1. 蓄電池と、
   該蓄電池を収納すると共に防塵機能を有する蓄電池収納箱と、
   該蓄電池収納箱内の内気を撹拌する冷却ファンを備えた蓄電池システムの前記冷却ファンの制御方法であって、
   前記蓄電池の放熱に関する熱回路モデルを構築する工程と、
   前記蓄電池の温度を取得する工程と、
   前記蓄電池収納箱外の温度を取得する工程と、
   前記蓄電池の温度及び前記蓄電池収納箱外の温度差を取得する工程と、
   前記温度差に応じて放熱パワーが最大又は最小となる前記冷却ファンへの通流率を選択することを特徴とする冷却ファンの制御方法。
2. 請求項１に記載の冷却ファンの制御方法において、
   前記通流率の選択は、前記熱回路モデルから算定した熱パラメータから作成したテーブル又はグラフを用いて選択されることを特徴とする冷却ファンの制御方法。
3. 請求項１又は２に記載の冷却ファンの制御方法において、
   前記放熱パワーは、以下の式によって算定されることを特徴とする冷却ファンの制御方法。
   
   ここで、R_bi、R_ioはファンの回転数に応じて定まる熱抵抗値、T_bは電池温度、T_oは外気温度、P_fはファン電力である。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の冷却ファンの制御方法において、
   前記蓄電池の温度が低温時には、前記放熱パワーが最小となるように最小化制御を行い、前記蓄電池の温度が高温時には、前記放熱パワーが最大となるように最大化制御を行うことを特徴とする冷却ファンの制御方法。