JP4670281B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、電源装置に関し、より特定的には、冷却装置を含む電源装置における冷却装置の故障検出に関する。

ハイブリッド自動車を初めとする種々の機器およびシステムで、二次電池を含む電源システムが用いられている。二次電池では、充放電に伴って生じる発熱によって二次電池自身の温度が上昇すると、充電効率が急激に低下してしまう温度領域が存在する。したがって、このような電源システムには二次電池用の冷却装置が必要とされる。

従来、この種の二次電池用冷却装置としては、二次電池の温度に応じて冷却ファンをオン・オフ制御して二次電池を冷却する構成が提案されている。冷却ファンの運転によって温度上昇を抑えることにより、二次電池の温度を適正な温度範囲に保つことができる。

しかしながら、二次電池用冷却装置に異常が発生することがある。たとえば、断線などの原因により冷却ファンが作動不能になったり、冷却ファンの制御系異常などの原因により冷却ファンが制御不能になったりする場合がある。また、冷却装置に機械的な異常や電気的な異常が存在しないものの、冷却風の通路にゴミが詰まって冷却媒体である空気の流通を妨げることもある。こうした冷却ファンの異常は、二次電池の冷却に直接影響を与え、二次電池の使用時における所望性能の発揮を阻害する。このような点を考慮して、二次電池用冷却ファンの故障を検出する構成が種々提案されている。

たとえば、二次電池冷却用の冷却ファンを備えた電源装置において、入出力電力やバッテリ温度および冷媒温度の温度差からバッテリの想定温度変化量を算出し、当該想定温度変化量と実温度変化量との比較結果に基づいてバッテリ冷却ファンの故障を検知する構成が提案されている（たとえば特許文献１）。

あるいは、バッテリ冷却ファンへの駆動信号出力後に冷却風温度を監視して、冷却風の温度低下が小さい場合にバッテリ冷却ファンの故障を検出する構成（たとえば特許文献２）や、充放電電流と冷却状態とから算出される推定電池温度と実電池温度との偏差が大きい場合に冷却システムの故障を検知する構成（たとえば特許文献３）等が提案されている。

また、電源装置の冷却系をコンパクトな構造とするために、バッテリおよびＤＣ／ＤＣコンバータが冷却風経路上で直列配置された構成が提案されている（たとえば、特許文献４）。
特開２００１−８６６０１号公報 特開２００１−２１０３８９号公報 特開２００１−３１３０９２号公報 特開２００３−２８９６０１号公報

冷却ファンの故障を検出するために、回転数センサ等の動作状態を検出するセンサを冷却ファンに設ける構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、新たな故障検出用センサの配置によりコストの上昇を招く。また、故障検出用センサそのものの不良も考慮すれば、故障検出信頼性が低下する面もある。

一方、上記特許文献１および３のように、冷却対象となる二次電池の温度検出によって冷却ファンの故障検出を行なうことが可能であるが、二次電池の発熱量は、内部故障や過充電によって、冷却ファンが正常動作していても温度上昇を抑制できない程度まで著しく増大する可能性がある。このため、特許文献４に示されたような、複数電源の冷却系を直列に接続する構成において、各電源の温度実測値のみに依存して、冷却ファンの故障を検知することには信頼性の上で問題がある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、二次電池および当該二次電池に近接して配置される他の電源（たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータ）の冷媒路が直列に配置された構成において、冷却ファンの動作状態を検出するセンサを設けることなく、冷却ファンの故障検出を効率的かつ高信頼性で行なうことである。

この発明による電源装置は、第１の電源と、第２の電源と、冷却装置と、第１および第２の温度センサと、制御回路とを備える。第１の電源は、自身を冷却するための冷媒が通過する第１の冷媒路を有する。第２の電源は、自身を冷却するための冷媒が通過する第２の冷媒路を有する。冷却装置は、直列接続された第１および第２の冷媒路へ冷媒を供給する。第１の温度センサは、第１の電源に取付けられる。第２の温度センサは、第２の電源に取付けられる。制御回路は、第１および第２の温度センサによる検出温度に応じて冷却装置の動作を制御し、かつ、冷却装置に作動指示を発している場合において、第１および第２の温度センサの検出温度がいずれも基準値より大きいときに冷却装置の故障を検出する。

上記電源装置では、冷媒路が直列に接続された第１および第２の電源を共通の冷却装置によって冷却する構成において、第１および第２の電源の両方で実測温度が所定の基準値より大きくなることに対応させて、冷却装置の故障を検出する。これにより、冷却装置に回転数センサ等の故障検出用センサを設けることなく、各電源自体の故障に伴う温度上昇に起因する誤検出の可能性を抑制して、冷却装置の故障を効率的にかつ高い信頼性で検出することができる。

好ましくは、この発明による電源装置において、制御回路は、第１および第２の温度センサの検出温度に基づいて、第１および第２の電源のそれぞれについて冷却が必要であるかどうかを判断して冷却装置を作動させるとともに、冷却装置の作動時には冷却が必要と判断した電源の数および種類に応じて冷媒流量を段階的に設定する。

上記電源装置では、冷却が必要と判断した電源の数および種類に応じて冷媒流量を段階的に設定することにより、冷媒流量を一律に設定する場合と比較して冷却装置の駆動電力を防止できる。

さらに好ましくは、この発明による電源装置において、第１の電源は二次電池であり、第２の電源は、電力用半導体スイッチング素子を内蔵する電力変換器であり、第１の電源は、第２の電源よりも冷却装置側に配置される。

上記電源装置では、冷媒路が直列に接続された二次電池および電力変換器を共通の冷却装置によって冷却する構成において、冷却装置に回転数センサ等の故障検出用センサを設けることなく、特に二次電池自体の故障に伴う温度上昇に起因する誤検出を防止して、冷却装置の故障を効率的にかつ高い信頼性で検出することができる。

この発明による電源装置では、冷媒路が直列に接続された複数の電源を共通の冷却装置によって冷却する構成において、冷却装置に回転数センサ等の故障検出用センサを設けることなく、各電源自体の故障に伴う温度上昇に起因する誤検出の可能性を抑制して、冷却装置の故障を効率的にかつ高い信頼性で検出することができる。

以下において、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰返さないものとする。

図１は、この発明の実施の形態による電源装置１００の構成を示すブロック図である。

図１を参照して、電源装置１００は、「第１の電源」に対応する二次電池１０と、「第２の電源」に対応する電力変換器の代表例として示されるＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、
二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０に共通に設けられる冷却ファン３０および排気路４０と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０とを備える。

電源装置１００における冷却ファン３０は、この発明における「冷却装置」に対応する。また、ＥＣＵ５０は、この発明における「制御回路」に対応し、予めプログラムされた一連の処理を実行するためのマイクロコンピュータ・メモリ等で構成される。

二次電池１０は、冷媒路１５を有する。同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、冷媒路２５を有する。冷媒路１５および２５は、冷却ファン３０および排気路４０の間に直列に接続される。

冷却ファン３０は、吸気した冷媒（代表的には空気）を、冷媒路１５，２５へ送出する。冷却ファン３０からの冷媒は、冷媒路１５の通過時に二次電池１０との間で熱交換を行なった後、冷媒路２５の通過時にＤＣ／ＤＣコンバータ２０との間で熱交換を行なって、排気路４０へ排出される。なお、冷媒路１５および２５は、二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０で十分な冷却効率が得られるようにその形状等が設計されるが、図１においては模式的に直線状に示している。

二次電池１０には温度センサ１２が設けられる。二次電池１０は、比較的大型であり、充放電動作に伴う電気化学反応により発熱するため、発熱のエネルギ密度が比較的小さく、かつ発熱範囲が広くなる。このため、二次電池１０用の温度センサ１２については、複数個配置することが好ましい。

なお、温度センサ１２は、電池セル内部に取付けることが困難であるため、電池セルの筐体表面において、内部からの温度伝導性が比較的高い構造の部位に対応して取付けられる。温度センサ１２での検出温度Ｔｂは、制御回路５０へ送出される。

一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０では、内蔵される電力用半導体スイッチング素子（図示せず）が高周波スイッチング動作に伴って発熱する。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の発熱のエネルギ密度は比較的大きく、かつ発熱範囲は狭くなる。したがって、動作時の温度上昇は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の方が速く、かつ大きくなる傾向にある。このため、この実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に対しては、単一の温度センサ２２が設けられる。温度センサ２２は、電力用半導体スイッチング素子の配置個所に対応して取付けられる。温度センサ２２での検出温度Ｔｄは、制御回路５０へ送出される。

なお、上述した発熱特性の違いにより、熱交換による冷媒の温度上昇量は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の冷媒路２５通過時の方が、二次電池１０の冷媒路１５の通過時よりも大きい。このため、冷媒路が直列接続される構成において、冷媒の温度上昇量が相対的に小さい二次電池１０の方が、冷媒の上流側、すなわち冷却ファン３０側に配置されている。

制御回路５０は、温度センサ１２および２２での検出温度Ｔｂ，Ｔｄに応じて、冷却ファン３０の動作、すなわち、冷却ファン３０の作動（オン）・非作動（オフ）ならびに作動時における冷媒の設定流量を制御する。具体的には、設定冷媒流量に応じて、冷却ファン３０の回転数が制御される。なお、以下では、二次電池１０に設けられた温度センサ１２の検出温度Ｔｂを「バッテリ温度」とも称し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に設けられた温度センサ２２の検出温度Ｔｄを「コンバータ温度」とも称する。

電源装置１００における温度センサ１２は、この発明における「第１の温度センサ」に対応し、温度センサ２２はこの発明における「第２の温度センサ」に対応する。

次に、図２および図３を用いて、冷却ファン３０の動作を説明する。

図２を参照して、電源装置１００の起動により、コンバータ温度Ｔｄおよびバッテリ温度Ｔｂはともに上昇を始める。電源装置１００の起動時においては、二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０ともに温度上昇は未だ小さいので、図３に示されるように、制御回路５０により冷却ファン３０は非作動（オフ）とされる。

再び図２を参照して、電源装置１００の起動後には、二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０の温度は、それぞれの発熱により徐々に上昇する。上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ２０の発熱量の方が相対的に大きいため、コンバータ温度Ｔｄの方が、バッテリ温度Ｔｂよりも上昇速度が速い。

このため、時刻ｔ１において、コンバータ温度Ｔｄが基準値を超えることに応じて、冷却ファン３０に作動指示が発せられる。一方、温度上昇が緩やかな二次電池１０では、時刻ｔ１において、バッテリ温度Ｔｂは、冷却が必要なレベルには上昇していない。

したがって、この時点では、冷却が必要とされる電源がＤＣ／ＤＣコンバータ２０のみであるので、制御回路５０は、所定の冷媒設定流量Ｘ１に対応した回転数指令を冷却ファン３０へ発する。

これにより、時刻ｔ１以降において、コンバータ温度Ｔｄの上昇は抑制される。一方、二次電池１０では、さらに充放電反応が行なわれるのに応じて、バッテリ温度Ｔｂは緩やかに上昇を続ける。

その後の時刻ｔ２において、制御回路５０は、バッテリ温度Ｔｂが基準値を超えることに応答して、二次電池１０についても冷却が必要となったと判断する。

これにより、図３に示すように、制御回路５０は、二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０の両方を冷却するために、冷却ファン３０から送出される冷媒流量を増加する。具体的には、冷媒設定流量Ｘ２（Ｘ２＞Ｘ１）に対応した回転数指令が冷却ファン３０へ発せられる。

また、図示しないが、制御回路５０は、二次電池１０のみに冷却が必要であると判断した場合には、冷媒設定流量Ｘ３（Ｘ３＜Ｘ２）に対応した回転数指令が冷却ファン３０へ発せられる。このように、冷却が必要となる電源の数および種類に応じて冷却ファン３０の冷媒設定流量を段階的に設定することにより、冷却ファン３０の作動時における冷媒流量を一律に設定する場合と比較して、冷却ファン３０の駆動電力を防止できる。なお、冷却ファン３０の冷媒設定流量については、冷却が必要と判断した電源での検出温度に応じて、さらに複数段階に設定してもよい。

再び図２を参照して、上記のように二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０の両方を冷却するための冷媒量が冷却ファン３０から供給されることにより、コンバータ温度Ｔｄおよびバッテリ温度Ｔｂの上昇が抑制される。

これに対し、冷却ファン３０の故障時におけるバッテリ温度♯Ｔｂおよびコンバータ温度♯Ｔｄは、図２中に点線で示されるように推移する。

上述のように、冷却ファンの故障原因としては、断線などの電気的異常や機械的故障による作動不能や制御系異常による制御不能が考えられる。あるいは、冷却ファンに機械的な異常や電気的な異常が存在しないものの、冷却風の通路にゴミが詰まって冷媒（空気）の流通が妨げられることも考えられる。

冷却ファン３０の故障時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の冷却が必要となる時刻ｔ１以降および二次電池１０の冷却が必要となる時刻ｔ２以降において、冷却ファン３０に対して作動指示は発せられるものの、冷媒路１５，２５に対して実際には冷媒（空気）が送出されない。

このため、バッテリ温度♯Ｔｂおよびコンバータ温度♯Ｔｄの両方が上昇を続ける。一方、図示しないが、冷却ファン３０は正常であるものの、二次電池１０あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ２０自体での故障によって、一方の電源のみで温度上昇が著しい場合には、バッテリ温度♯Ｔｂおよびコンバータ温度♯Ｔｄの一方のみが上昇することになる。

したがって、この発明の実施の形態による電源装置１００では、図４に説明する冷却ファン故障検出ルーチンにより、冷却ファン３０に回転検出センサを設けることなく、その故障を検出する。図４に示す冷却ファン故障検出ルーチンは、ＥＣＵ５０へ予めプログラムされて実行される。

図４は、冷却ファン３０の故障検出方法を説明するフローチャートである。

図４を参照して、この発明の実施の形態による電源装置１００における冷却ファン３０の故障検出ルーチンでは、まず、温度センサ１２および２２によって検出されたバッテリ温度Ｔｂおよびコンバータ温度Ｔｄが所定周期でサンプリングされる（ステップＳ１００）。サンプリングされたバッテリ温度Ｔｂおよびコンバータ温度Ｔｄについて、両方が判定基準値Ｔｒｂ，Ｔｒｄより大きいかどうか、すなわちＴｂ＞ＴｒｂおよびＴｄ＞Ｔｒｄの両方が成立するかどうかが判定される（ステップＳ１１０）。なお、判定基準値ＴｒｂおよびＴｒｄについては、共通の値としても、それぞれを独立の値としてもよい。

バッテリ温度Ｔｂおよびコンバータ温度Ｔｄがそれぞれ判定基準値ＴｒｂおよびＴｒｄより大きい場合には（ステップＳ１１０におけるＹＥＳ判定時）、冷却ファン３０に作動指示が発せられているかどうかが確認される（ステップＳ１２０）。

冷却ファン３０に作動指示が出ているにもかかわらず、バッテリ温度Ｔｂおよびコンバータ温度Ｔｄの両方が上昇している場合には（ステップＳ１２０におけるＹＥＳ判定時）、冷却ファン３０の故障を検出する（ステップＳ１３０）。

冷却ファン３０の故障検出時には（ステップＳ１３０におけるＹＥＳ判定時）、故障処理が行なわれる（ステップＳ１４０）。故障処理としては、まず、冷却ファン３０が故障し、修理が必要であることがユーザに対して検知される。さらに、冷却ファン３０による冷却能力の低下に伴い、二次電池１０の充放電動作およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０からの出力電流を制限するような制御が行なわれる。これにより、二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０における発熱を抑えつつ、電源装置１００からの出力を絞った状態での非常退避的な運転が可能となる。

冷却ファン３０の故障が検出されない間は（ステップＳ１１０，Ｓ１２０におけるＮＯ判定時）、バッテリ温度Ｔｂおよびコンバータ温度Ｔｄのサンプリングに基づく、ステップＳ１００〜Ｓ１２０の故障判定処理が、所定周期で繰り返し実行される。

このように、この発明の実施の形態による電源装置では、共通の冷却ファン３０によって冷媒路が直列に接続された二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０を冷却するコンパクトな冷却系構造において、回転数センサ等の故障検出用センサを設けることなく、かつ、二次電池１０あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ２０自体の故障に伴う温度上昇に起因する誤検出の可能性を抑制して、冷却ファン３０の故障を効率的にかつ高い信頼性で検出することができる。

二次電池を含んで構成される電源装置１００は、たとえばハイブリッド自動車に搭載される。このような場合には、二次電池１０は後段に配置されたインバータによる電力変換を介して、主に車両駆動用モータの電源となる。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、他の補機類用の電源となる。このような二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０が並列配置される構成において、冷却系に異常が発生した場合には、上述のように、運転者に対して冷却ファンの故障発生を検知して、修理を促す通知をするとともに、二次電池１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力を絞ることにより、非常退避的な車両運転を続行することが可能となる。

特に、電源装置１００がハイブリッド自動車に用いられる場合には、限られたスペースへの搭載が要求化されるため、冷却系についても小型化することが要求される。このため、この発明の実施の形態による冷却系を備えた電源装置は、ハイブリッド自動車への搭載に好適である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態による電源の冷却装置の構成を説明するブロック図である。 図１に示した電源装置における二次電池およびＤＣ／ＤＣコンバータの温度の推移を説明する図である。 図１に示した冷却ファンの動作制御を説明する図である。 この発明の実施の形態による電源装置における冷却ファンの故障検出方法を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 二次電池、１２ 温度センサ（二次電池）、１５ 冷媒路（二次電池）、２０ コンバータ、２２ 温度センサ（コンバータ）、２５ 冷媒路（コンバータ）、３０ 冷却ファン、４０ 排気路、５０ 制御回路（ＥＣＵ）、１００ 電源装置、Ｔｂ バッテリ温度、Ｔｄ コンバータ温度、Ｔｒｂ，Ｔｒｄ 判定基準値、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３ 冷媒設定流量（冷却ポンプ）。

Claims (3)

1. 自身を冷却するための冷媒が通過する第１の冷媒路を有する第１の電源と、
   自身を冷却するための冷媒が通過する第２の冷媒路を有する第２の電源とを備え、
   前記第１および第２の冷媒路は直列に接続され、
   直列に接続された前記第１および第２の冷媒路へ冷媒を供給する冷却装置と、
   前記第１の電源に取付けられた第１の温度センサと、
   前記第２の電源に取付けられた第２の温度センサと、
   前記第１および第２の温度センサによる検出温度に応じて前記冷却装置の動作を制御する制御回路とをさらに備え、
   前記制御回路は、前記冷却装置に作動指示を発している場合において、前記第１および第２の温度センサの検出温度がいずれも基準値より大きいときに前記冷却装置の故障を検出する、電源装置。
2. 前記制御回路は、前記第１および第２の温度センサの検出温度に基づいて、前記第１および第２の電源のそれぞれについて冷却が必要であるかどうかを判断して前記冷却装置を作動させるとともに、前記冷却装置の作動時には冷却が必要と判断した電源の数および種類に応じて冷媒流量を段階的に設定する、請求項１記載の電源装置。
3. 前記第１の電源は二次電池であり、
   前記第２の電源は、電力用半導体スイッチング素子を内蔵する電力変換器であり、
   前記第１の電源は、前記第２の電源よりも前記冷却装置側に配置される、請求項１または２に記載の電源装置。

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