JP4872143B2

JP4872143B2 - 二次電池用の冷却装置

Info

Publication number: JP4872143B2
Application number: JP2000132111A
Authority: JP
Inventors: 晃生石下; 義晃菊池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2020-05-01
Also published as: JP2001313092A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池用の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の二次電池用の冷却装置としては、二次電池の温度に基づいて冷却ファンをオンオフ制御して二次電池を冷却するものが提案されている。二次電池は、充放電に伴って生じる発熱による温度上昇を抑えて性能を維持するための適正な温度範囲に保つ必要があり、その目的で冷却装置が取り付けられているものが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二次電池を冷却する冷却装置に異常が発生することがある。例えば、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の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、冷却装置には、機械的な異常や電気的な異常は存在しないが、冷却風の通路にゴミが詰まって冷却媒体としての空気の流通を妨げることもある。こうした冷却装置の異常は、二次電池の冷却に直接影響を与え、二次電池の所望の性能としての使用を阻害する。
【０００４】
本発明の二次電池用の冷却装置は、冷却装置の異常を検出することを目的の一つとする。また、本発明の二次電池用の冷却装置は、冷却装置の異常を出力することを目的の一つとする。さらに、本発明の二次電池用の冷却装置は、冷却装置に異常が検出されたときでも二次電池を適正な温度範囲にすることを目的の一つとする。
【０００５】
なお、出願人は、上述の課題の一部を解決するものとして、二次電池用の冷却装置に異常が検出され、二次電池の温度が高くなったときには、充放電電流を小さくして二次電池の発熱を抑えるものを提案している（特願平１０−４３８３２号）。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の二次電池用の冷却装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の二次電池用の冷却装置は、前記二次電池を冷却する冷却手段と、前記二次電池の発熱状態を検出する発熱状態検出手段と、前記二次電池の前記冷却手段による冷却状態を検出する冷却状態検出手段と、前記検出された二次電池の発熱状態と冷却状態とに基づいて該二次電池の推定温度を演算する推定温度演算手段と、前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、該検出された温度と前記演算された推定温度とに基づいて異常を判定する異常判定手段とを備える。そして、前記発熱状態検出手段は、前記二次電池の充放電電流を検出し、該検出された充放電電流に基づいて該二次電池の充放電に伴うジュール熱に伴う温度上昇を演算して前記発熱状態として検出する手段であるものとすることができる。
【０００８】
この発明の二次電池用の冷却装置では、推定温度演算手段が、発熱状態検出手段によって検出された二次電池の発熱状態と、冷却状態検出手段により検出された二次電池の冷却状態とに基づいて二次電池の推定温度を演算し、異常判定手段が、温度検出手段により検出された二次電池の温度と演算された推定温度とに基づいて異常を判定する。演算上の推定温度と実際の温度とに基づいて異常を判定するから、異常の原因によらず、異常を検出できる。また、前記発熱状態検出手段は、前記二次電池の充放電電流に基づいて該二次電池の充放電に伴うジュール熱に伴う温度上昇を演算して前記発熱状態として検出する手段とする。こうすることで、より的確に二次電池の発熱状態を検出することができ、推定温度をより正確に推定することができる。
【００１０】
また、本発明の二次電池用の冷却装置において、前記冷却状態検出手段は、前記二次電池を冷却する冷却媒体の温度を検出し、該検出された冷却媒体の温度と前記温度検出手段により検出された前記二次電池の温度と前記冷却手段の運転状態とに基づいて冷却に伴う温度降下を演算して前記冷却状態として検出する手段であるものとすることもできる。こうすれば、より的確に二次電池の冷却状態を検出することができ、推定温度をより正確に推定することができる。
【００１１】
さらに、本発明の二次電池用の冷却装置において、前記異常判定手段は、前記検出された温度と前記演算された推定温度との偏差が所定値以上のとき、異常と判定する手段であるものとすることもできる。この異常判定は、異常が生じていないときには推定温度が演算誤差の範囲内で実際の温度と一致することに基づく。こうすれば、的確に異常を判定することができる。
【００１２】
あるいは、本発明の二次電池用の冷却装置において、前記異常判定手段は、前記検出された温度と前記演算された推定温度との所定時間に亘る偏差が複数回に亘って連続して所定値以上のとき、異常と判定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、より的確に異常を判定することができる。
【００１３】
また、本発明の二次電池用の冷却装置において、前記異常判定手段により異常が判定されたとき、前記二次電池の冷却効果が大きくなる方向に該冷却手段を運転制御する異常時運転制御手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、二次電池が適正な温度範囲を超えて高温になることを抑制することができる。この態様の本発明の二次電池用の冷却装置において、前記異常時運転制御手段による制御にも拘わらず、所定時間以上に亘って前記異常判定手段が異常を判定したとき、異常を出力する異常出力手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、使用者に異常を知らせることができ、異常に迅速に対応することができる。
【００１４】
本発明の二次電池用の冷却装置において、前記異常判定手段が異常を判定したとき、該異常を出力する異常出力手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、使用者に異常を知らせることができ、異常に迅速に対応することができる。
【００１５】
本発明の二次電池用の冷却装置において、前記二次電池および前記冷却手段の定常運転状態を判定する定常運転状態判定手段を備え、前記異常判定手段は、前記定常運転状態判定手段により前記二次電池および前記冷却手段が定常運転状態でないと判定されたとき、異常を判定しない手段であるものとすることもできる。こうすれば、定常運転状態のときに異常を判定し、定常運転状態にないとき、即ち過渡状態のときには異常を判定しないから、より正確に異常を判定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である二次電池の冷却装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の二次電池の冷却装置２０は、図示するように、充放電可能な二次電池Ｂ１〜Ｂ４が直列に接続して設置された二次電池１０を冷却するための冷却風の通路を形成するケース２２と、ケース２２の冷却風の入口２４近傍に取り付けられ冷却風の温度を雰囲気温度Ｔａとして検出する雰囲気温度センサ２５と、ケース２２の冷却風の出口２６近傍に取り付けられＨｉ，Ｍｅ，Ｌｏの三段階で冷却風の強度を調節可能なファン３０と、ファン３０の現在のモードを記憶するモード記憶部３４と、二次電池１０の各二次電池Ｂ１〜Ｂ４の温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４を検出する電池温度センサ４１〜４４と、二次電池１０の充放電電流Ｉを検出する電流センサ４８と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０とを備える。
【００１７】
電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ５４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ５６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット５０には、雰囲気温度センサ２５からの雰囲気温度Ｔａやモード記憶部３４からのファンモードＭｆ，電池温度センサ４１〜４４からの電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４，電流センサ４８からの充放電電流Ｉなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット５０からは、ファン３０への駆動信号やインジケータ５８への点灯信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００１８】
次に、こうして構成された実施例の二次電池の冷却装置２０の動作、特に異常検出の動作について説明する。図２は実施例の二次電池の冷却装置２０の電子制御ユニット５０により実行される異常検出処理ルーチンの一例を示すフローチャートであり、図３は二次電池Ｂ１〜Ｂ４の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を計算する推定温度計算処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。異常検出処理ルーチンは、所定時間毎（例えば、２４０秒毎）に繰り返し実行され、推定温度計算処理ルーチンは、所定時間毎（例えば、１秒毎）に繰り返し実行される。異常検出処理ルーチンでは推定温度計算処理ルーチンにより計算される二次電池Ｂ１〜Ｂ４の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を用いるため、まず、推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４の計算処理について説明し、その後、推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を用いて異常を検出する処理について説明する。なお、図２や図３のルーチンでは、各二次電池Ｂ１〜Ｂ４やその推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４などについての符号は単にＴｅやＴｂなどとして表した。
【００１９】
図３に例示する推定温度計算処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０のＣＰＵ５２は、まず、電流センサ４８からの充放電電流Ｉと前回の発熱量Ｗと前回の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４とを入力する処理を実行する（ステップＳ２００）。ここで、前回の発熱量Ｗは、前回このルーチンが起動されたときに後述するステップＳ２０２で計算された発熱量Ｗであり、装置が始動された直後には初期値として値０が用いられる。また、前回の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４は、前回このルーチンが起動されたときにステップＳ２１０で計算された推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４であり、装置が始動された直後には初期値として電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４が用いられる。
【００２０】
続いて、読み込んだ充放電電流Ｉと前回の発熱量Ｗとを用いて次式（１）により発熱量Ｗを計算する（ステップＳ２０２）。式（１）中、Ｒは、各二次電池Ｂ１〜Ｂ４の内部抵抗であり、電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４に基づいて求められるものである。また、式（１）中、ｋ１は係数である。
【００２１】
Ｗ＝Ｉ²Ｒ＋ｋ１・前回Ｗ（１）
【００２２】
次に、次式（２）に示すように、発熱量Ｗに熱量を温度に換算する係数ｋ２を乗じて各二次電池Ｂ１〜Ｂ４のジュール発熱による温度変化ΔＴｊ１〜ΔＴｊ４を計算する（ステップＳ２０４）。実施例では、係数ｋ２として二次電池Ｂ１〜Ｂ４の特性やその配置により各電池毎に異なる値を用いるものとした。
【００２３】
ΔＴｊ＝ｋ２・Ｗ（２）
【００２４】
次に、モード記憶部３４からのファンモードＭｆと電池温度センサ４１〜４４からの電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４と雰囲気温度センサ２５からの雰囲気温度Ｔａとを読み込み（ステップＳ２０６）、冷却による各二次電池Ｂ１〜Ｂ４の温度変化ΔＴｆ１〜ΔＴｆ４を次式（３）により計算する（ステップＳ２０８）。ここで、係数ｋ３はファン３０のファンモードＭｆや各二次電池Ｂ１〜Ｂ４の配置などにより定まるものであり、各電池毎に異なる値を用いた。
【００２５】
ΔＴｆ＝ｋ３・（Ｔｂ−Ｔａ）（３）
【００２６】
そして、次式（４）に示すように、前回の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４に発熱による温度変化ΔＴｊ１〜ΔＴｊ４を加えたものから冷却による温度変化ΔＴｆ１〜ΔＴｆ４を減じたものとして推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を計算して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。
【００２７】
Ｔｅ＝前回Ｔｅ＋ΔＴｊ−ΔＴｆ（４）
【００２８】
図３のルーチンでは記載してないが、ステップＳ２０２で計算された発熱量ＷやステップＳ２１０で計算された各電池の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４は、電子制御ユニット５０のＲＡＭ５６の所定領域に書き込まれるようになっている。
【００２９】
次に、こうして計算された推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を用いて異常を検出する処理について図２の異常検出処理ルーチンに基づいて説明する。このルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０のＣＰＵ５２は、まず、電池温度センサ４１〜４４により検出される電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４と各二次電池Ｂ１〜Ｂ４の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４の入力は、ＲＡＭ５６の所定領域から読み込むことにより行なわれる。
【００３０】
次に、冷却装置２０や二次電池１０が所定時間継続して定常運転状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。定常運転状態にあるか否かの判定は、例えば、ファン３０のモードＭｆが切り換えられて所定時間経過しているか否かの判定や二次電池１０が定常運転温度範囲にあるか否かの判定，二次電池１０の残容量が定常運転範囲にあるか否かの判定，所定時間内における雰囲気温度Ｔａの変化が許容範囲内であるか否かの判定，所定時間内における充放電電流Ｉの積算値の変化が許容範囲内であるか否かの判定，各電池温度センサ４１〜４４や雰囲気温度センサ２５が正常に動作しているか否かの判定などにより行なわれる。所定時間継続して定常運転状態にないと判定されると、冷却装置２０における異常を判定する条件にないと判断し、読み込んだ電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４を推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４としてＲＡＭ５６の所定領域に書き込んで（ステップＳ１１８）、本ルーチンを終了する。このように、二次電池Ｂ１〜Ｂ４を推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４としてＲＡＭ５６に書き込むのは、図２のルーチンが実行される所定時間毎にその後に計算される推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を適切なものとするためである。
【００３１】
一方、所定時間継続して定常運転状態にあると判定されると、電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４と推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４との偏差ΔＴ１〜ΔＴ４を計算し（ステップＳ１０４）、計算した偏差ΔＴ１〜ΔＴ４と閾値Ｔｒとを比較する（ステップＳ１０６）。前述したように、推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４は前回このルーチンが実行されてから今回実行されるまでに図３のルーチンにより計算されるものであるから、偏差ΔＴ１〜ΔＴ４は、前回このルーチンが実行されてから今回実行されるまでの実際の電池温度と計算上の推定温度との偏差となる。なお、閾値Ｔｒは、実際の電池温度に対する推定温度の許容範囲を設定すると共に何らかの異常が発生したことによる電池温度の異常を検出するために設定されるものであり、実施例では、ファンモードＭｆによって異なると共に各二次電池Ｂ１〜Ｂ４の冷却風に対する位置によって異なる値を用いて設定した。このように設定することにより、より精度の高い異常判定を行なうことができる。偏差ΔＴ１〜ΔＴ４のいずれも閾値Ｔｒ以下のときには、異常はないと判断して、電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４を推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４としてＲＡＭ５６に書き込んで（ステップＳ１１８）、本ルーチンを終了する。
【００３２】
偏差ΔＴ１〜ΔＴ４のいずれかが閾値Ｔｒより大きいときには、ファンモードＭｆを読み込み（ステップＳ１０８）、読み込んだファンモードＭｆがＨｉモードであるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ファンモードＭｆがＨｉモードでないときには、ファン３０をＨｉモードで駆動するよう制御して（ステップＳ１１２）、電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４を推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４としてＲＡＭ５６に書き込み（ステップＳ１１８）、本ルーチンを終了する。このようにファン３０をＨｉモードで駆動することにより、二次電池の冷却装置２０における二次電池１０の冷却効果を高めて電池温度の異常昇温を防止するのである。
【００３３】
ファンモードＭｆがＨｉモードのときには、Ｈｉモードに切り換えてから所定時間経過しているかを判定する（ステップＳ１１４）。ファン３０をＨｉモードで駆動しても、その効果が生じるまでにはある程度の時間を要するから、その時間を経過するまで異常の判定を行なわないようにするためである。所定時間経過しても偏差ΔＴ１〜ΔＴ４のいずれかが閾値Ｔｒより大きいときには、装置の冷却機能に対する何らかの異常が発生したと判断し、インジケータ５８を点灯して異常を出力し（ステップＳ１１６）、電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４を推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４としてＲＡＭ５６に書き込んで（ステップＳ１１８）、本ルーチンを終了する。
【００３４】
以上説明した実施例の二次電池の冷却装置２０によれば、電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４と推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４とに基づいて装置の冷却機能に対する何らかの異常を検出することができる。しかも、ファン３０をＨｉモードで駆動して冷却効果が生じるのに要する時間の経過を待ってから異常を判定するから、より正確に異常を判定することができる。もとより、ファン３０をＨｉモードで駆動するから、二次電池１０が異常な高温状態となるのを抑制することができる。また、実施例の二次電池の冷却装置２０によれば、所定時間継続して定常運転状態にあるときに異常を判定するから、所定時間継続して定常運転状態にない過渡状態における異常の誤判定を防止することができる。
【００３５】
また、実施例の二次電池の冷却装置２０によれば、所定時間経過する毎に推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を計算するために必要な前回の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を電池温度Ｔｂ１〜Ｔｂ４で書き替えるから、より適切な推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を演算することができる。また、推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４の演算の用いる係数ｋ２，ｋ３などを各二次電池Ｂ１〜Ｂ４の特性や配置などを考慮して電池毎に異なる値を用いるから、より正確に推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を計算することができる。
【００３６】
実施例の二次電池の冷却装置２０では、偏差ΔＴ１〜ΔＴ４のいずれかが閾値Ｔｒより大きくなっても、ファン３０をＨｉモードで駆動してから所定時間経過するまで異常を出力しないものとしたが、偏差ΔＴ１〜ΔＴ４のいずれかが閾値Ｔｒより大きくなったときに直ちに異常を出力するものとしてもよい。
【００３７】
実施例の二次電池の冷却装置２０では、図２の異常検出処理ルーチンを２４０秒毎に実行するものとしたが、実行する間隔は如何なるものとしても差し支えない。その場合、ステップＳ１１８の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４の書き換えは、異常を検出するのに必要な間隔とすればよい。
【００３８】
実施例の二次電池の冷却装置２０では、４つの二次電池Ｂ１〜Ｂ４により直列に接続された二次電池１０の冷却装置として説明したが、二次電池の構成に限定されるものではないのは勿論である。したがって、推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を計算する際に用いる係数ｋ１，ｋ２，ｋ３については実際に適用する二次電池を用いて実験などにより適宜設定すればよい。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である二次電池の冷却装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の二次電池の冷却装置２０の電子制御ユニット５０により実行される異常検出処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】二次電池Ｂ１〜Ｂ４の推定温度Ｔｅ１〜Ｔｅ４を計算する推定温度計算処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０二次電池、２０二次電池の冷却装置、２２ケース、２４入口、２５雰囲気温度センサ、２６出口、３０ファン、３４モード記憶部、４１〜４４電池温度センサ、４８電流センサ、５０電子制御ユニット、５２ＣＰＵ、５４ＲＯＭ、５６ＲＡＭ、５８インジケータ、Ｂ１〜Ｂ４二次電池。

Claims

二次電池を冷却する冷却装置であって、
前記二次電池を冷却する冷却手段と、
前記二次電池の発熱状態を検出する発熱状態検出手段と、
前記二次電池の前記冷却手段による冷却状態を検出する冷却状態検出手段と、
前記検出された二次電池の発熱状態と冷却状態とに基づいて該二次電池の推定温度を演算する推定温度演算手段と、
前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、
該検出された温度と前記演算された推定温度とに基づいて異常を判定する異常判定手段とを備え、
前記発熱状態検出手段は、前記二次電池の充放電電流を検出し、該検出された充放電電流に基づいて該二次電池の充放電に伴うジュール熱に伴う温度上昇を演算して前記発熱状態として検出する手段である二次電池用の冷却装置。
前記冷却状態検出手段は、前記二次電池を冷却する冷却媒体の温度を検出し、該検出された冷却媒体の温度と前記温度検出手段により検出された前記二次電池の温度と前記冷却手段の運転状態とに基づいて冷却に伴う温度降下を演算して前記冷却状態として検出する手段である請求項１記載の二次電池用の冷却装置。
前記異常判定手段は、前記検出された温度と前記演算された推定温度との偏差が所定値以上のとき、異常と判定する手段である請求項１または２記載の二次電池用の冷却装置。
前記異常判定手段は、前記検出された温度と前記演算された推定温度との所定時間に亘る偏差が複数回に亘って連続して所定値以上のとき、異常と判定する手段である請求項１または２記載の二次電池用の冷却装置。
前記異常判定手段により異常が判定されたとき、前記二次電池の冷却効果が大きくなる方向に該冷却手段を運転制御する異常時運転制御手段を備える請求項１ないし４のいずれか１に記載の二次電池用の冷却装置。
前記異常時運転制御手段による制御にも拘わらず、所定時間以上に亘って前記異常判定手段が異常を判定したとき、異常を出力する異常出力手段を備える請求項５記載の二次電池用の冷却装置。
前記異常判定手段が異常を判定したとき、該異常を出力する異常出力手段を備える請求項１ないし５のいずれか１に記載の二次電池用の冷却装置。
請求項１ないし７のいずれか１に記載の二次電池用の冷却装置であって、
前記二次電池および前記冷却手段の定常運転状態を判定する定常運転状態判定手段を備え、
前記異常判定手段は、前記定常運転状態判定手段により前記二次電池および前記冷却手段が定常運転状態でないと判定されたとき、異常を判定しない手段である二次電池用の冷却装置。