JP4103856B2 - 2電源型電池搭載車用冷却制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電池搭載車用制御装置に関する。本発明は、高圧電池とそれから給電される低圧電池とこれら電池間の電力授受を制御するDC/DCコンバータとを備える電池搭載車に装備される。この種の電池搭載車としては、ハイブリッド車、燃料電池車およびバッテリ車などがある。
上述の電池搭載車では、多数のセル電池を直列接続してなる走行動力発生用の大容量バッテリ(以下、高圧電池とも言う)と、走行動力発生用のモータ(以下、走行モータとも言う)と、高圧電池から給電されて走行モータを駆動制御するインバータと、電池モニタ回路とを装備し、電池モニタ回路は、高圧電池の各セル電池の電圧や高圧電池の電圧、電流温度などを検出し、検出データに基づいて高圧電池の充放電を制御して、各セル電池の過充電や過放電の発生や各セル電池の温度の過昇が防止している。上記電池搭載車ではインバータや高圧電池の冷却のために電動冷却ファンを設け、それが形成する冷却風によりインバータや高圧電池を強制通風冷却するのが通常である。
ファン冷却方式の一例として、下記の特許文献1は、雰囲気温度が所定のしきい値を超えた場合に、共通の冷却ファンが形成した冷却風を高圧電池に流してそれを冷却し、高圧電池から出た冷却風をインバータに流してそれを冷却する単一ファン型冷却装置を提案している。この単一ファン型冷却装置によれば、高圧電池の冷却とインバータの冷却とを単一の冷却系により行うことができ、冷却ファンの小型化などの効果を奏することができる。
特許第3509517号 また、上記した電池搭載車では、走行動力を走行モータに給電する高圧電池、インバータおよび電池モニタ回路に加えて、種々の車載小電気負荷に給電する低圧電池と、高圧電池の蓄電電力を降圧して低圧電池を充電する降圧DC/DCコンバータ(ダウンコンバータ)を装備するのが一般的であり、以下、この電池搭載車を2電源型電池搭載車と呼ぶ。このDC/DCコンバータは、低圧電池の充電状態を少なくともモニタしてそれを適切な充電レベルに維持するべく、DC/DCコンバータを駆動制御する機能を有している。
上記従来の高圧電池と走行モータ制御用のインバータの冷却を冷却ファンにより共用する場合には、上述したようにそれらの発熱状態に強い相関があるため、大きな問題は生じないが、上記した従来の単一ファン型冷却装置を2電源型電池搭載車の高圧電池と降圧型DC/DCコンバータとの冷却に共用する場合、DC/DCコンバータの温度状態と高圧電池の温度状態とが運転状況により大きく異なることが多いため、上記した従来の雰囲気温度による冷却ファンの駆動制御では、雰囲気温度から想定されるDC/DCコンバータの最大限の発熱量(温度上昇)と高圧電池の最大限の発熱量(温度上昇)との両方を見込んだ状況を仮定して冷却ファンの冷却風量を設定しなければならないため、冷却ファンが大型、高コスト化となり、その消費電力が増大するという問題が生じていた。たとえば、高圧電池の温度は、主として走行モータの駆動レベルに正相関を有するが、DC/DCコンバータは低圧電池が給電する低圧電気負荷たとえばヘッドライトの駆動レベルなどに依存しており、高圧電池の温度レベルとDC/DCコンバータの温度レベルの相関性は小さい。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、回路構成の複雑化しつつ冷却ファンの大型化および消費電力増大を抑止可能な単一ファン型冷却装置を有する2電源型電池搭載車を提供することをその解決すべき課題としている。
上記課題を解決するために、本発明の2電源型電池搭載車用冷却制御装置は、車両制御装置により制御される高圧回転電機と電力を授受する高圧電池と、前記高圧電池の各セル電圧をデジタル信号に変換するA/Dコンバータを備えるとともに前記各セル電圧に基づいて前記高圧電池の状態を検出して前記車両制御装置に送信する電池モニタ回路と、前記高圧電池から低圧負荷給電用の低圧電池へ電力を降圧送電する降圧型のDC/DCコンバータと、前記低圧電池の充電状態に基づいて前記DC/DCコンバータを制御するDC/DCコンバータ制御回路と、前記高圧電池の温度を検出して第1閾値と比較する高圧電池温度検出回路と、前記DC/DCコンバータの温度を検出して第2閾値と比較するDC/DCコンバータ温度検出回路と、互いに近接乃至一体に配置された前記高圧電池および前記DC/DCコンバータに共に冷却風を与える冷却ファンと、前記冷却ファンの駆動を制御する冷却ファン駆動制御回路とを備え、前記DC/DCコンバータ及び前記高圧電池は、共通の冷却風流路の上流と下流とに分かれて配置され、前記DC/DCコンバータは、前記高圧電池よりも上流側に配置され、前記冷却ファン駆動制御回路は、前記高圧電池の温度が第1閾値以上となるか又は前記DC/DCコンバータの温度が第2閾値以上となったかどうかを判定し、なった場合に前記冷却ファンを駆動し、前記高圧電池の温度が第1閾値未満かつ前記DC/DCコンバータの温度が第2閾値未満となった場合に前記冷却ファンを停止させることを特徴としている。
すなわち、この発明によれば、高圧電池およびDC/DCコンバータに冷却風を与えてそれらを冷却する冷却ファンを、高圧電池の温度がその第1閾値を超える場合、もしくは、DC/DCコンバータの温度がその第2閾値を超える場合に駆動する。
これにより、冷却ファン及び冷却流路の共通化により冷却系を小型化し、簡素化することができる。更に、互いにほとんど無関係に温度変化する高圧電池及びDC/DCコンバータの冷却必要性に個別に対応して冷却ファンを駆動する。したがって、従来の単一の雰囲気温度による冷却ファン制御に比較してより高い検出温度まで冷却ファンをオンする必要がなく、その結果として冷却ファンの消費電力を低減し、車両燃費を改善することができる。
更に、この発明では、DC/DCコンバータと高圧電池とは、共通の冷却風流路の上流と下流とに個別に配置するため、冷却風流路を構成するダクトの小型化、簡素化に有益である。また更に、この発明では、DC/DCコンバータは、高圧電池よりも上流側に配置している。これは、DC/DCコンバータの発生熱量自体は高圧電池の発生熱量よりも格段に小さく、その後に高圧電池に送られる冷却風の温度上昇への影響が小さいためである。もちろん、高圧電池を冷却してからDC/DCコンバータを冷却してもよい。
好適な態様において、前記電池モニタ回路、DC/DCコンバータ、DC/DCコンバータ制御回路、DC/DCコンバータ温度検出回路、および冷却ファン駆動制御回路は、一体に形成されて共通の回路ケースに収納される。これにより、回路構成を簡素化するとともに、DC/DCコンバータと同時に上記他の回路も冷却することができるため、DC/DCコンバータと他の回路とを高密度に実装することが可能となる。好適には、DC/DCコンバータ温度検出回路と電池モニタ回路とは共通回路基板に実装される。これにより、DC/DCコンバータ温度検出回路からA/Dコンバータまで信号を伝達する信号線の線長を短縮することができるため、この信号線に重畳するノイズや信号劣化を減らすことができ、これにより、DC/DCコンバータ温度検出精度を確保しつつ回路構成および配線構成を簡素化することができる。
好適な態様において、前記A/Dコンバータ及び前記両温度検出回路に共通の電源電圧を印加する定電圧電源部を有し、前記電池モニタ回路のA/Dコンバータは、前記両温度検出回路が出力する温度信号電圧をデジタル信号に変換する。このようにすれば、電源回路を簡素化できるうえ、二つの温度信号のデジタル変換精度に対する変電源電圧変動の影響のばらつきを抑制することができる。更に、前記両温度検出回路の出力は、前記電池モニタ回路の前記A/Dコンバータによりデジタル信号に変換されるため、回路構成の簡素化を図ることができるうえ、高圧電池の温度検出とDC/DCコンバータの温度検出とにおける回路増幅誤差やオフセット誤差を低減することができる。また、コネクタや配線も簡素化することができる。
なお、上記A/Dコンバータは、その前段入力部にマルチプレクサを有する形式とすることができ、各高圧電池の各セル電圧を時間順次に検出するルーチンを一定時間間隔で実施することができる。この場合には、高圧電池の温度とDC/DCコンバータの温度とは、各セル電圧の検出の前又は後に実施されることが好ましい。これは、各セル電圧の検出はできるだけ同時的に実施されることが好ましいためである。もちろん、A/Dコンバータを複数設けることにより、全セル電圧と二つの温度とを検出するのに必要な時間を短縮してもよい。
好適な態様において、前記冷却ファン駆動制御回路は、前記両温度検出回路の少なくとも一方の出力が所定範囲外である場合に前記冷却ファンを強制作動させる。これにより、両温度検出回路のどちらかが、たとえば想定検出温度範囲(たとえばー20〜80℃)より逸脱したことにより、温度検出回路の故障又は温度検出回路への電源供給の異常又はA/Dコンバータの異常などを判定してすることができ、更にこの異常に応じて冷却ファン駆動を強制実施するため、DC/DCコンバータや高圧電池の過熱を防止することができる。
好適な態様において、前記冷却ファン駆動制御回路は、前記高圧電池の温度が第1閾値以上となるか又は前記DC/DCコンバータの温度が第2閾値以上となった場合に、検出した前記高圧電池の温度を前記高圧電池の温度と冷却ファン回転数との関係から得られた第1の回転数値、及び、検出した前記DC/DCコンバータの温度を前記DC/DCコンバータの温度と冷却ファン回転数との関係から得られた第2の回転数値とを求め、前記両回転数値のうち、高い回転数値にて前記冷却ファンを駆動する。このようにすれば、DC/DCコンバータ及び高圧電池の過熱を防止しつつ燃費を向上することができる。
ハイブリッド車に適用した本発明の2電源型電池搭載車用冷却制御装置の好適態様を以下の実施例により具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限定されるものではなく、他の公知技術又はそれに相当する技術を組み合わせて実施できることはもちろんである。
(全体構成)
この実施例の回路図を図1に示す。
1は電池パック、2は低圧(14V程度)の低圧電池、3は低圧電池2と並列接続された低圧負荷、4は低圧電池温度検出用のサーミスタ、5はイグニッションスイッチ、6は図示しないエンジンやこのエンジンにより駆動される発電機や走行動力発生用の走行モータを駆動制御するための車両制御装置(車両ECU)である。
電池パック1は、車両走行用電力を蓄電する高圧(300〜400V)の高圧電池11と、電池状態監視機能付き電圧コンバータであるコントローラ12と、電動モータ内蔵の冷却ファン13と、高圧電池の温度検出用のサーミスタC、DC/DCコンバータの温度検出用サーミスタDとからなり、電池パックケースに一体に収容されている。
コントローラ12は、電池モニタ14と、降圧送電回路15と、ファン駆動回路16と、電源部17とからなり、共通の回路ケースに収容されている。降圧送電回路15のうち後述するDC/DCコンバータ制御回路158をのぞく回路はヒートシンクをなす金属ベース板に固定され、DC/DCコンバータ制御回路158を含むその他の回路は、この金属ベース板上に平行架設されたプリント基板に実装されて、上記回路ケースに内蔵されている。
電池モニタ14は、A/Dコンバータ141、マイコン142、信号多重化通信を行う通信インタフェース回路143、二つの負荷抵抗148、189を有している。
降圧送電回路15は、入力平滑コンデンサ151、DC/DCコンバータ温度検出回路152、インバータ回路153、降圧トランス154、ダイオード全波整流回路155、チョークコイル156、出力用平滑コンデンサ157、DC/DCコンバータ制御回路158を有している。
DC/DCコンバータ制御回路158は、出力電圧指令受信用の入力I/Oである出力電圧指令受信部1581、低圧電池の端子電圧を検出する入力I/Oである出力電圧検出部1582、PWM制御用の回路であるPWM制御部1583、インバータ回路153へゲート制御電圧を出力するドライバ回路である駆動回路1584からなる。
100は、A/Dコンバータ141によりデジタル信号に変換されたインバータ回路153の温度をPWM制御部1583に出力する信号線である。
上記した入力平滑コンデンサ151、インバータ回路153、降圧トランス154、ダイオード全波整流回路155、チョークコイル156、出力用平滑コンデンサ157は、本発明で言うDC/DCコンバータを構成している。
上記した負荷抵抗148と高圧電池11用のサーミスタCとは、本発明で言う高圧電池温度検出回路を構成している。この高圧電池11用のサーミスタCは、高圧電池11を覆うその外側ケースに密着固定されている。上記した負荷抵抗149と低圧電池温度検出用のサーミスタ4は低圧電池温度検出回路を構成している。サーミスタ4は低圧電池2に密着固定されている。DC/DCコンバータ温度検出回路152は、サーミスタDとそれと直列接続された負荷抵抗(付番省略)とからなり、DC/DCコンバータ温度検出用のサーミスタDはDC/DCコンバータのインバータ回路153に近接して配置されている。サーミスタDは、インバータ回路の冷却フィン(図略)に固定されているが、冷却フィン近傍に配置した回路基板に実装されても良い。これら三つの温度検出回路には、電源部17からたとえば5Vである所定の定電源電圧が印加されている。
上記したコントローラ12は、回路機能を表示するものであり、実際にはたとえば図2に示すようにマイコン装置などにより回路構成を共通化してもよいことは明白である。上記した各回路の動作を以下に説明する。なお、図2において、200は所定個数のA/Dコンバータを内蔵するマイコンであり、201は高圧電池11の各セル電圧又は各ブロック電圧を時間順次電圧信号に変換するマルチプレクサである。マルチプレクサはマイコンに内蔵されていても良い。
(動作説明)
図1の回路の動作を説明する。
A/Dコンバータ141は、高圧電池11の各セル電圧、高圧電池11の温度、インバータ回路153の温度、低圧電池2の温度、降圧送電回路15の入力電圧及び出力電圧を時間順時にデジタル信号に変換してマイコン142に出力する。なお、検出時間間隔を短縮する場合には複数のA/Dコンバータを配置することにより、1回の計測に必要な時間を短縮すればよい。
降圧送電回路15は周知の降圧DC/DCコンバータであって、その詳細説明はもはや省略する。DC/DCコンバータ制御回路158は、ハードウエア回路又はマイコン回路であるにより構成されており、マイコン142からの出力電圧指令(この実施例ではアナログ値とする)と、出力電圧検出部1582が検出した低圧電池2の電圧とを比較し、比較結果に基づいて駆動回路1584を通じてインバータ回路153をPWM制御する。
マイコン142は、A/Dコンバータ141が検出した高圧電池11の充電状況や温度、もしくはそれに基づく高圧電池11の充電要求信号を車両用ECU6に信号多重化I/O143を通じて送信する。また、マイコン142は、車両用ECU6からのDC/DCコンバータ駆動制御指令を信号多重化I/O143を受信して出力電圧指令受信部1581を通じてPWM制御部1583に送信する。
上記動作により、高圧電池11の充放電レベルの制御と、高圧電池11から低圧電池2への降圧送電制御とを行うとともに、高圧電池11の電圧、温度、低圧電池の電圧、温度をモニタして、それらが許容範囲内に維持されているかどうかをモニタすることができる。
(冷却ファン制御)
次に、この実施例の特徴をなす冷却ファン制御を図3に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、高圧電池11の温度T1とDC/DCコンバータ(インバータ回路153)の温度T2とを読み込み(S100)、温度T1がそれが車両電源投入後に達することが可能な温度範囲(TL〜TH)内かどうかを調べ(S102)、範囲内であれば、温度T2がそれが車両電源投入後に達することが可能な温度範囲(TL〜TH)内かどうかを調べる(S104)。TLとしてはたとえばー20℃、THとしては100℃が採用される。
温度T1、T2がともに温度範囲(TL〜TH)内であれば、温度T1が冷却ファン13による高圧電池11の冷却が必要なしきい値温度Tth1(たとえば50℃)を超えたかどうかを調べ(S106)、超えていなければ、温度T2が冷却ファン13によるインバータ回路153の冷却が必要なしきい値温度Tth2(たとえば70℃)を超えたかどうかを調べ(S108)、両方とも超えていなければステップS110にて冷却ファン13をオフしてマイコン142の図示しないメインルーチンにリターンする。
ステップS106又はステップS108にて、温度T1、T2のどちらかが上記しきい値温度を超えたらステップ112にて冷却ファン13をオンしてメインルーチンにリターンする。ステップS102にて温度T1が上記温度範囲から逸脱したと判定した場合には、高圧電池異常フラグを出力し(S114)、冷却ファン13をオンする(S112)。同じく、ステップS104にて温度T2が上記温度範囲から逸脱したと判定した場合には、DC/DCコンバータ異常フラグを出力し(S118)、冷却ファン13をオンする(S112)。
(冷却系の構成)
この実施例の冷却系の構成を図4に示す。
図4では、冷却ファン13のダクト200が形成され、ダクト200内に上流側から下流側へ、降圧送電回路15のパワー部150、降圧送電回路15の制御部15’、高圧電池11の順に収容されている。これにより、インバータ回路153を良好に冷却することができる。なお、ダクト200の一部又は全部は、車体により構成されることもできる。なお、冷却ファン13から出た冷却風を、回路と高圧電池11とに別々に(並列に)供給してもよい。
(変形態様)
上記実施例では、冷却ファン13はオンオフ制御だけをおこなったが、冷却ファン13の運転領域において、検出した高圧電池11の温度T1とインバータ回路153の温度T2に正相関を有する回転数にて冷却ファン13の回転数制御を追加してもよい。この場合、高圧電池11とインバータ回路153とのうち、その冷却性がより高い方の温度に連動して回転数制御を行うのが好適である。
(実施例効果)
この実施例によれば、高圧電池とDC/DCコンバータとの過熱を確実防止できるとうえ、過剰なファン稼動により無駄な電力を消費することがなく、車両燃費を向上することができる。
また、DC/DCコンバータ温度検出回路及び高圧電池温度検出回路を構成するサーミスタCおよびサーミスタDに印加する電源電圧を同一とし、更に、A/Dコンバータの電源電圧と共用しているため、電源電圧変動による各温度への出力変動の傾向が同じとすることができるうえ、回路を簡素化することができる。
更に、冷却ファンの制御を、この冷却ファンに近接配置された電池モニタ14兼降圧送電回路15をなすマイコン回路により制御するため、車両ワイヤの削減と断線などによる安全性が高まる。
更に、電池管理や降圧送電制御に関する車両用ECU6の演算負担を減らすこともでき、それに対する車両用ECU6とマイコン142との間の通信負担も低減することができる。
(変形態様)
上記実施例では、1個の冷却ファンが形成する冷却風を高圧電池冷却とDC/DCコンバータ冷却とで共用したが、この共用される冷却風は複数の冷却ファンで形成してもよく、この場合、冷却必要性に応じて冷却ファンの一部のみを運転するモードと全部の冷却ファンを運転するモードとを設けてもよい。
本発明の一実施例を示す回路図である。 図1の変形態様を示す回路図である。 この実施例の冷却ファン制御を示すフローチャートである。 冷却系の構成の一例を示す模式配置図である。
符号の説明
1 電池パック
2 低圧電池
3 低圧負荷
4 サーミスタ
6 車両用ECU(車両制御装置)
11 高圧電池
12 コントローラ
13 冷却ファン
14 電池モニタ
15 降圧送電回路
16 ファン駆動回路
17 電源部
141 コンバータ
142 マイコン
143 通信インタフェース回路
150 パワー部
150’ 制御部
151 入力平滑コンデンサ
152 コンバータ温度検出回路(DC/DCコンバータ温度検出回路)
153 インバータ回路
154 降圧トランス
155 ダイオード全波整流回路
156 チョークコイル
157 出力用平滑コンデンサ
158 コンバータ制御回路
1581 出力電圧指令受信部
1582 出力電圧検出部
1583 制御部
1584 駆動回路
200 ダクト

Claims (7)

  1. 車両制御装置により制御される高圧回転電機と電力を授受する高圧電池と、
    前記高圧電池の各セル電圧をデジタル信号に変換するA/Dコンバータを備えるとともに前記各セル電圧に基づいて前記高圧電池の状態を検出して前記車両制御装置に送信する電池モニタ回路と、
    前記高圧電池から低圧負荷給電用の低圧電池へ電力を降圧送電する降圧型のDC/DCコンバータと、
    前記低圧電池の充電状態に基づいて前記DC/DCコンバータを制御するDC/DCコンバータ制御回路と、
    前記高圧電池の温度を検出して第1閾値と比較する高圧電池温度検出回路と、
    前記DC/DCコンバータの温度を検出して第2閾値と比較するDC/DCコンバータ温度検出回路と、
    互いに近接乃至一体に配置された前記高圧電池および前記DC/DCコンバータに共に冷却風を与える冷却ファンと、
    前記冷却ファンの駆動を制御する冷却ファン駆動制御回路と、
    を備え、
    前記DC/DCコンバータ及び前記高圧電池は、共通の冷却風流路の上流と下流とに分かれて配置され、
    前記DC/DCコンバータは、前記高圧電池よりも上流側に配置され、
    前記冷却ファン駆動制御回路は、
    前記高圧電池の温度が第1閾値以上となるか又は前記DC/DCコンバータの温度が第2閾値以上となったかどうかを判定し、なった場合に前記冷却ファンを駆動し、前記高圧電池の温度が第1閾値未満かつ前記DC/DCコンバータの温度が第2閾値未満となった場合に前記冷却ファンを停止させることを特徴とする2電源型電池搭載車用冷却制御装置。
  2. 請求項1記載の2電源型電池搭載車用冷却制御装置において、
    前記電池モニタ回路、DC/DCコンバータ、DC/DCコンバータ制御回路、DC/DCコンバータ温度検出回路、および冷却ファン駆動制御回路は、一体に形成されて共通の回路ケースに収納されることを特徴とする2電源型電池搭載車用冷却制御装置。
  3. 請求項2記載の2電源型電池搭載車用冷却制御装置において、
    前記A/Dコンバータ及び前記両温度検出回路に共通の電源電圧を印加する定電圧電源部を有し、
    前記電池モニタ回路のA/Dコンバータは、前記両温度検出回路が出力する温度信号電圧をデジタル信号に変換することを特徴とする2電源型電池搭載車用冷却制御装置。
  4. 請求項1記載の2電源型電池搭載車用冷却制御装置において、
    前記冷却ファン駆動制御回路は、
    前記両温度検出回路の少なくとも一方の出力が所定範囲外である場合に前記冷却ファンを強制作動させることを特徴とする2電源型電池搭載車用冷却制御装置。
  5. 請求項1記載の2電源型電池搭載車用冷却制御装置において、
    前記冷却ファン駆動制御回路は、
    前記高圧電池の温度が第1閾値以上となるか又は前記DC/DCコンバータの温度が第2閾値以上となった場合に、検出した前記高圧電池の温度を前記高圧電池の温度と冷却ファン回転数との関係から得られた第1の回転数値、及び、検出した前記DC/DCコンバータの温度を前記DC/DCコンバータの温度と冷却ファン回転数との関係から得られた第2の回転数値とを求め、前記両回転数値のうち、高い回転数値にて前記冷却ファンを駆動することを特徴とする2電源型電池搭載車用冷却制御装置。
  6. 請求項1記載の2電源型電池搭載車用冷却制御装置において、
    前記DC/DCコンバータ温度検出回路は、
    前記DC/DCコンバータの放熱フィン又は放熱フィン近傍の制御基板に固定される温度センサを有することを特徴とする2電源型電池搭載車用冷却制御装置。
  7. 請求項1記載の2電源型電池搭載車用冷却制御装置において、
    前記高圧電池温度検出回路は、
    前記高圧電池のケースまたは電極端子部に固定される温度センサを有することを特徴とする2電源型電池搭載車用冷却制御装置。
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