JP6790729B2 - 車載バッテリ冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、車載バッテリ冷却システムに関し、特に、冷却システムの異常警告を発報する車載バッテリ冷却システムに関する。

回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車には、電源となるバッテリ（二次電池）と、その冷却システムが搭載されている。冷却システムには、車室内の空気を冷却空気として取り込んでこれをバッテリに送り込む冷却ブロアが設けられる。

特許文献１には、冷却ブロアの動作異常を検知する故障検知装置が開示されている。故障検知装置は、冷却ブロアの冷却能力及びバッテリの発熱量から求められた想定温度変化量と、実温度変化量との比較に基づいて、冷却ブロアの故障有無を判定している。

また特許文献２では、冷却ブロアの動作異常が発生した際に、冷却ブロアの制御情報を記憶部に記憶させている。そして修理・メンテナンスの際には、動作異常の原因解析のため、記憶部の制御情報が呼び出される。

特開２００１−８６６０１号公報 特開２０１３−６５０８号公報

ところで、冷却ブロアの動作異常は、一過性の異常と恒常的な異常とに大別できる。前者の例として、液体による回路ショートや、回転部への異物の噛み込み等が挙げられる。これら一過性の動作異常は液体の蒸発やトルク印加時の異物の脱落等により正常状態に復帰する。

一方、従来の故障検知プロセスでは、一過性の動作異常と恒常的な動作異常とを問わず、ひとたび動作異常有りと判定されると異常警告が発報される。例えばディーラー等の整備工場での点検を促すメッセージが車両内のディスプレイに表示される。しかしながら、動作異常が一過性のものであると、車両を整備工場に移動させた頃には冷却ブロアの動作が正常状態に復帰している場合がある。このような場合、整備点検は不要となる。

そこで本発明は、バッテリの冷却ブロアに動作異常が生じたときに、それが一過性のものであるか恒常的なものであるかを切り分けることで、不要な異常警告の発報を抑制可能な、車載バッテリ冷却システムを提供することを目的とする。

本発明に係る車載バッテリ冷却システムは、冷却ブロア、ブロア制御部、異常判定部、温度センサ、カウンタ、及び警告発報部を備える。冷却ブロアは、冷却空気を取り込んでバッテリに送り込む。ブロア制御部は、冷却ブロアの駆動制御を行う。異常判定部は、冷却ブロアの動作異常の有無を判定する。温度センサは、バッテリの温度を測定する。カウンタは、冷却ブロアに対して動作異常有りと判定され、かつ、バッテリの温度が所定の保護温度以下であるときに、異常発生回数がカウントアップされる。警告発報部は、異常発生回数が所定の閾値回数を超過したときに、異常警告を発報する。

本発明によれば、バッテリの冷却ブロアに動作異常が生じたときに、それが一過性のものであるか恒常的なものであるかを切り分けることが可能となり、その結果、不要な異常警告の発報を抑制可能となる。

本実施形態に係るバッテリ冷却システム及びこれを搭載した車両の要部を例示するブロック図である。 冷却ブロアの制御システムを例示する制御ブロック図である。 本実施形態に係る動作異常切り分けフローを例示するフローチャートである。

図１に、本実施形態に係るバッテリ冷却システム及びこれが搭載された車両の構成を例示する。なお、図示を簡略化するために、図１では、本実施形態に係るバッテリ冷却システムとの関連性の低い構成については適宜図示を省略している。また、図１の矢印線は信号線を表している。

図１に示す車両は、内燃機関及び回転電機を駆動源とするハイブリッド車両である。しかしながら、本実施形態に係るバッテリ冷却システムが搭載される車両はこれに限らない。要するに回転電機を駆動源とし、これに電力を供給する大容量のバッテリを備えた車両であればよく、例えば電気自動車や燃料電池車に、本実施形態に係る冷却システムを搭載してもよい。

図１に示す車両（ハイブリッド車両）では、メインバッテリ１０から出力された直流電力が、図示しない昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧され、さらにインバータにて直交変換され、回転電機等の負荷に供給される。

また図１に示す車両には、メインバッテリ１０と負荷とを繋ぐ電路（高電圧電路）から分岐して、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に接続される分岐電路が設けられる。降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によって降圧された直流電力はブロア用インバータ２２にて直交変換される。変換後の交流電力はブロアモータ２４に供給される。ブロアモータ２４により冷却ブロア２６が回転駆動させられ、これに伴い冷却空気が取り込まれる。

＜バッテリ冷却システムの構成＞
本実施形態に係るバッテリ冷却システムは、メインバッテリ１０、冷却ブロア２６、ブロアモータ２４、ブロア用インバータ２２、及び制御部３０を備える。

メインバッテリ１０は、ニッケル水素やリチウムイオン電池等の二次電池から構成される。例えばメインバッテリ１０は、１〜５Ｖ程度の電池セル（単電池）が複数積層されたスタック（積層体）から構成される。また、メインバッテリ１０はカバー３２に収容される。カバー３２には冷却空気の供給口３４及び排出口３６が形成されている。後述するように、冷却ブロア２６から送られた冷却空気が供給口３４からカバー３２内部に取り込まれてメインバッテリ１０が空冷される。冷却後の空気は排出口３６から排出される。

冷却ブロア２６は、冷却空気をメインバッテリ１０に送り込む送風機である。冷却ブロア２６は例えばシロッコファン（多翼送風機）から構成される。本実施形態に係る冷却ブロア２６の吸入口３８は車室内に向けられている。メインバッテリ１０及び冷却システムがリアシート下部に設置されている場合、冷却ブロア２６の吸入口３８はリアシート下部を覆うカバーから車室内に露出するように設置される。

冷却ブロア２６は冷却空気として車室内の空気を取り込む。取り込みに際して、空気中及びフロアマット上の塵埃の吸入を避けるために、吸入口３８にはフィルタ４０が取り付けられている。フィルタ４０を介して冷却ブロア２６に取り込まれた冷却空気は、ダクト４２を経由してメインバッテリ１０に送り込まれる。

ブロアモータ２４は冷却ブロア２６を回転駆動させる。ブロアモータ２４は例えば定格電圧が１４［Ｖ］の３相ブラシレスモータから構成される。ブロアモータ２４にはブロア用インバータ２２から駆動電圧（３相電圧）が印加され、これによりブロアモータ２４が回転駆動される。ブロアモータ２４のロータ位置は位置センサ４４により検知され、後述するフィードバック制御に用いられる。なお、以下では、理解を容易にするため、ブロアモータ２４の回転数［ｒｐｍ］と冷却ブロア２６の回転数［ｒｐｍ］は同一であるとする。

ブロア用インバータ２２は、メインバッテリ１０から降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を介して供給された、または、サブバッテリ２８から直接供給された直流電力を直交変換してこれをブロアモータ２４に供給する。ブロア用インバータ２２は複数のスイッチング素子を備えており、ブロア制御部７０から送られたＰＷＭ制御信号に基づいて、これらのスイッチング素子のオン／オフ動作が制御される。

図１に戻り、制御部３０は、バッテリ冷却システムを含む車両内の機器を制御する。制御部３０は例えばコンピュータから構成され、演算回路であるＣＰＵ４６及び記憶装置であるメモリ４９を備える。メモリ４９はＳＲＡＭ等の揮発性メモリ及びＲＯＭやハードディスク等の不揮発性メモリを含んで構成される。メモリ４９には冷却ブロア２６を制御する制御プログラムや後述する動作異常切り分け判定フローを実行するためのプログラム等が記憶されている。

制御部３０は車両に搭載された各種センサから検出値を受信する。具体的には電圧センサ５４及び電流センサ５６からそれぞれメインバッテリ１０の電圧値Ｖｂ及び電流値Ｉｂを受信する。また制御部３０はバッテリ温度センサ５８からメインバッテリ１０の温度Ｔｂを受信し、車室温度センサ６０から車室温度Ｔａを受信する。さらに制御部３０はブロアモータ回転位置センサ４４からブロアモータ２４のロータ位置θを受信する。

メモリ４９に記憶された制御プログラムや動作異常切り分けフローの実行プログラムをＣＰＵ４６が実行することで、制御部３０には図２に示される機能ブロックが構築される。具体的に制御部３０は、ブロア制御部７０、異常判定部７２、カウンタ７４、タイマー７６、ダイアグメモリ７８、及び警告発報部８０を備える。

ブロア制御部７０は、ブロアモータ２４への印加電圧である指令電圧値Ｖ＿ｃｏｍ（ｔ）を制御することで冷却ブロア２６を駆動制御する。本実施形態では、指令電圧値Ｖ＿ｃｏｍ（ｔ）がＰＷＭ制御信号に変換され、これによって冷却ブロア２６の回転数［ｒｐｍ］が制御される。

図２に例示する制御ブロック図では、ブロア制御部７０が複数の機能部に分けられている。すなわち、ブロア制御部７０は、回転数指令生成部７０Ａ、微分演算部７０Ｂ、ＰＩ制御部７０Ｃ、２相→３相変換部７０Ｄ、及びＰＷＭ生成部７０Ｅを備える。

ブロア制御部７０、ブロア用インバータ２２、ブロアモータ２４、及びブロアモータ回転位置センサ４４によってフィードバックループが形成される。以下このループに沿って冷却ブロア２６の回転数制御について簡単に説明する。ブロア制御部７０の回転数指令生成部７０Ａには、メインバッテリ１０の温度Ｔｂ及び車室温度Ｔａが送られる。これらの値に基づいて回転数指令生成部７０Ａはブロアモータ２４（及び冷却ブロア２６）の指令回転数Ｒ＿ｃｏｍ（ｔ）[ｒｐｍ]を生成する。指令回転数Ｒ＿ｃｏｍ（ｔ）から微分演算部７０Ｂによるブロアモータ２４の実回転数Ｒ（ｔ）［ｒｐｍ］が減算されてＰＩ制御部７０Ｃに送られる。

ＰＩ制御部７０Ｃでは、指令回転数Ｒ＿ｃｏｍ（ｔ）と実回転数Ｒ（ｔ）の差分値（回転差分値）に基づいて、指令電圧値Ｖ＿ｃｏｍ（ｔ）が生成される。回転差分値と指令電圧値Ｖ＿ｃｏｍ（ｔ）との対応関係は、例えばマップデータとして予めメモリ４９に記憶される。更にＰＩ制御部７０Ｃでは、指令電圧値Ｖ＿ｃｏｍ（ｔ）がｄ軸成分Ｖｄ＊及びｑ軸成分Ｖｑ＊に変換される。

２相→３相変換部７０Ｄでは、指令電圧のｄ軸成分Ｖｄ＊及びｑ軸成分Ｖｑ＊ならびにブロアモータ２４のロータ位置θに基づいて、３相電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが生成される。ＰＷＭ生成部７０Ｅでは３相電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相のデューティ比が各々定められたＰＷＭ制御信号が生成される。ＰＷＭ制御信号はブロア用インバータ２２の各スイッチング素子に送られ、これらスイッチング素子のオンオフ動作が制御される。メインバッテリ１０から降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を介して降圧された、またはサブバッテリ２８から直接印加された直流電圧は、ブロア用インバータ２２のスイッチング素子のオン／オフによって３相の方形波電圧に変換される（直交変換）。

３相電圧がブロアモータ２４に印加されることでブロアモータ２４のロータが回転駆動される。ロータの回転位置θ（機械角）はブロアモータ回転位置センサ４４に検知される。検知された回転位置θは微分演算部７０Ｂにて微分（Δθ／ｄｔ）され実回転数Ｒ（ｔ）（回転速度）となり、指令回転数Ｒ＿ｃｏｍ（ｔ）から実回転数Ｒ（ｔ）が減算される。以下、実回転数Ｒ（ｔ）が指令回転数Ｒ＿ｃｏｍ（ｔ）に一致するようにフィードバック制御が実行される。

異常判定部７２は、冷却ブロア２６の動作異常の有無を判定する。例えば指令回転数Ｒ＿ｃｏｍ（ｔ）と実回転数Ｒ（ｔ）との回転数差が所定の閾値以上である場合に、異常判定部７２は冷却ブロア２６（及びブロアモータ２４）に動作異常有りと判定する。

加えて、本実施形態では、冷却ブロア２６に動作異常有りと判定された場合に、それが一過性の異常（一時的な異常）であるか、継続して発生する恒常的な異常であるか否かを判定している。

＜動作異常切り分けフロー＞
図２の制御ブロックに加え、図３のフローチャートを用いて、本実施形態に係る動作異常切り分けフローを説明する。

ブロア制御部７０は、バッテリ温度Ｔｂが冷却ブロア２６の駆動閾値温度Ｔ１を超過するか否かを判定する（Ｓ１０）。駆動閾値温度Ｔ１は例えば３６℃である。バッテリ温度Ｔｂが駆動閾値温度Ｔ１を超過する場合、ブロア制御部７０は冷却ブロア２６を駆動させる（Ｓ１２）。例えばＰＷＭ制御信号を生成する。ステップＳ１２の段階で既に冷却ブロア２６が稼働中である場合には、ＰＷＭ制御信号の生成が継続される。さらにステップＳ１４に進む。

ステップＳ１０にて、バッテリ温度Ｔｂが駆動閾値温度Ｔ１以下である場合、ブロア制御部７０はバッテリ温度Ｔｂが冷却ブロア２６の停止閾値温度Ｔ２を超過しているか否かを判定する（Ｓ２０）。停止閾値温度は例えば３４℃である。バッテリ温度Ｔｂが停止閾値温度Ｔ２以下である場合、ブロア制御部７０は冷却ブロア２６を停止させる（Ｓ２４）。例えばＰＷＭ制御信号の生成を中止する。ステップＳ２４の段階で既に冷却ブロア２６が停止しているときには、引き続きＰＷＭ制御信号の生成を休止する。ステップＳ２４の後、再びステップＳ１０に戻る。

ステップＳ２０にてバッテリ温度Ｔｂが停止閾値温度Ｔ２を超過する場合、冷却ブロア２６が駆動中であるか否かが判定される（Ｓ２２）。駆動中である場合にはステップＳ１４に進む。冷却ブロア２６が停止中である場合にはステップＳ１０まで戻る。

ステップＳ１２にて冷却ブロア２６の駆動を開始させた後、または、ステップＳ２２にて冷却ブロア２６が駆動中であると判定されたとき、異常判定部７２は冷却ブロア２６の動作異常の有無を判定する。例えば上述したように、指令回転数Ｒ＿ｃｏｍ（ｔ）と実回転数Ｒ（ｔ）との回転数差が所定の閾値以上であるか否かが判定される。

さらに冷却ブロア２６に対する動作異常の有無が判定され（Ｓ１４）、動作異常無しと判定された場合はステップＳ１０まで戻る。動作異常有りと判定された場合、異常判定部７２は、バッテリ温度Ｔｂが所定の保護閾値温度Ｔ３（保護温度）を超過するか否かを判定する（Ｓ１６）保護閾値温度Ｔ３は例えば４０℃である。

後述するように本実施形態では、バッテリ温度Ｔｂが保護閾値温度Ｔ３以下の環境下で、動作異常有りと判定された異常発生回数Ｋがある程度カウントアップされると、その時点で冷却ブロア２６に対する異常警告が発報される。一方、冷却ブロア２６を含むバッテリ冷却系の機能が低下してメインバッテリ１０の過熱に至るおそれがある場合、つまり、バッテリ温度Ｔｂが保護閾値温度Ｔ３を超過する場合は、メインバッテリ１０を保護する観点から、異常発生回数Ｋに関わらず、異常警告が発報される。すなわち異常判定部７２は、警告発報部８０に対してブロア異常警告を発報する指令を出力する（Ｓ１８）。これにより、メインバッテリ１０の過熱が防止される。

ステップＳ１６にてバッテリ温度Ｔｂが保護閾値温度Ｔ３以下である場合、異常判定部７２はカウンタ７４にて記憶された異常発生回数Ｋをカウントアップする（Ｓ２６）。警告発報部８０は、カウンタ７４を参照して、異常発生回数Ｋが所定の発報閾値回数Ｋ＿ｔｈを超過するか否かを判定する（Ｓ２８）。異常発生回数Ｋが発報閾値回数Ｋ＿ｔｈを超過する場合、警告発報部８０は、冷却ブロア２６に動作異常が有ることを知らせるブロア異常警告を発報する（Ｓ１８）。例えば、車両内のディスプレイ８２（図１）に、ディーラー等の整備工場での点検を促すメッセージを表示させる。

ステップＳ２８にて異常発生回数Ｋが発報閾値回数Ｋ＿ｔｈ以下である場合、異常判定部７２は冷却ブロア２６を一旦停止させるために一時停止指令をブロア制御部７０の回転数指令生成部７０Ａに送信する（Ｓ３０）。これにより、冷却ブロア２６は一時停止期間休止状態となる（Ｓ３２）。一時停止期間はタイマー７６により計測される。

ステップＳ１４にて判定された動作異常が一過性のものである場合、この一時停止により解消される場合がある。例えば冷却ブロア２６の回転部が異物を噛み込んだ場合、冷却ブロア２６の始動トルクによって異物が脱落し（振り落とされ）、正常状態に復帰する。またブロアモータ２４及びブロア用インバータ２２を含む回路が液体によりショートした場合には、一時停止期間中に液体が蒸発することで、正常状態に復帰する。

一時停止期間経過後、ブロア制御部７０はバッテリ温度Ｔｂが駆動閾値温度Ｔ１を超過するか否かを判定する（Ｓ３４）。バッテリ温度Ｔｂが駆動閾値温度Ｔ１以下である場合、ステップＳ１０まで戻る。

バッテリ温度Ｔｂが駆動閾値温度Ｔ１を超過する場合、ブロア制御部７０は、冷却ブロア２６を再駆動させる（Ｓ３６）。このとき異常判定部７２は、冷却ブロア２６の再駆動（リトライ）した履歴をダイアグメモリ７８に保存する（Ｓ３８）。保存後、ステップＳ１０まで戻る。

ダイアグメモリ７８は、ダイアグノーシス（自己診断機能）システムに組み込まれており、整備工場等で整備員がアクセス可能となっている。ダイアグメモリ７８にリトライ履歴が保存されることで、冷却ブロア２６に対して動作異常有りと判定された記録を整備・点検時に取得できる。

１０ メインバッテリ、２２ ブロア用インバータ、２４ ブロアモータ、２６ 冷却ブロア、３０ 制御部、７０ ブロア制御部、７２ 異常判定部、７４ カウンタ、７６ タイマー、７８ ダイアグメモリ、８０ 警告発報部。

Claims (1)

1. 冷却空気を取り込んでバッテリに送り込む冷却ブロアと、
   前記冷却ブロアの駆動制御を行うブロア制御部と、
   前記冷却ブロアの動作異常の有無を判定する異常判定部と、
   前記バッテリの温度を測定する温度センサと、
   前記冷却ブロアに対して動作異常有りと判定され、かつ、前記バッテリの温度が所定の保護温度以下であるときに、異常発生回数がカウントアップされるカウンタと、
   前記異常発生回数が所定の閾値回数を超過したとき、及び、前記冷却ブロアに対して動作異常有りと判定され、かつ、前記バッテリの温度が前記保護温度を超過するときに、異常警告を発報する警告発報部と、
   を備えることを特徴とする、車載バッテリ冷却システム。