JP6631493B2 - 車載電池パック冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、車載電池パック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、電源となる電池パック（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電池パックに送り込む冷却ファンが設けられる。

例えば特許文献１では、冷却ファンの駆動に伴って電池パックに供給される空気の総量に基づいて、冷却空気の取り込み口に設けられたフィルタの詰まりの有無を推定している。また特許文献２では、車速、エンジンノイズ、空調ノイズ等の暗騒音に対して冷却ファンの動作音が相対的に小さくなるように冷却ファンの動作を制御している。

特開２０１４−０７２１８２号公報 特開２００７−３３１７３７号公報

ところで、電池パックへの冷却効率等を制御するために、吸気の温度チェックが行われる。例えば車室内から取り込んだ吸気の温度が電池パックの温度以上である場合には冷却ファンを停止させる。冷却ファンを停止状態から起動させる場合には、取り込んだ吸気の温度チェック前に、吸気流路内の滞留空気を送り出す（吐き出す）送出プロセスが実行される。吸気流路は、車室内空気の取り込み口から冷却ファンを経て電池パックに至るまでの流路（ダクト等）を指す。

温度チェック前の滞留空気の送出プロセスについて、従来は車両が停車中である等、車室内が静粛環境にある場合を考慮して、冷却ファンを所定の低回転数（例えば最低回転数）にて一定回転駆動させ、騒音を極力抑えつつ、滞留空気を送出している。加えてその低回転数一定駆動は、滞留空気が吸気流路から送出され、その後、吸気流路内に車室内空気が十分に導入されたと見込まれる時間まで継続される。

このように、吸気流路内の滞留空気の送出に当たり、従来は冷却ファンを低回転数一定回転駆動させ、かつ、その駆動期間も滞留空気が吸気流路から送出された後まで、言い換えると冷却ファンによる送出空気体積が吸気流路の体積（容積）を超過するまで続く場合がある。その結果、滞留空気の送出プロセスに長時間費やすことになり、吸気温度チェックや更にその後の電池パックの冷却に至るまでの待機時間が長期化し、電池パックの冷却が遅延するおそれがある。そこで本発明は、冷却ファンの駆動に伴う騒音による乗員への不快感を抑制させつつ従来よりも迅速に冷却流路内の滞留空気を送出させ、早期の吸気温度チェックを可能にする、車載電池パック冷却システムを提供することを目的とする。

本発明に係る車載電池パック冷却システムは、車室内の空気を取り込んで電池パックに送り込む冷却ファン、車室内の空気の取り込み口から冷却ファンを経て電池パックに至るまでの吸気流路に設けられた吸気温度センサ、車両速度に応じて定められる冷却ファンの最大許容回転数以下の範囲で、電池パックの温度に応じて冷却ファンの回転数を変化させる可変制御を行う冷却ファン制御部、冷却ファンの起動時から起算して、冷却ファンの回転数に基づいた冷却ファンの風量を積算して、冷却ファンによる送出空気体積を求める風量積算部、及び、冷却ファン駆動判定部を備える。冷却ファン駆動判定部は、送出空気体積が、吸気流路における空気の取り込み口から吸気温度センサに至るまでの体積以上になったときに吸気温度センサから吸気温度を取得し、吸気温度が電池パックの温度以上であるときに冷却ファン制御部に対して冷却ファンの駆動停止指令を出力する。

本発明によれば、冷却ファンを可変制御することで、最低回転数の一定制御を実行していた従来よりも風量を稼ぐことが可能となり、したがって吸気流路内の滞留空気の送出を従来より早期に行うことができる。この可変制御に当たり、冷却ファンの回転数は車両速度に応じて定められる最大許容回転数以下に制限される。すなわち冷却ファンの駆動騒音はいわゆるロードノイズにマスキングされる。これにより冷却ファンの駆動騒音に伴う乗員の不快感を抑制可能となる。加えて本発明では、冷却ファンによる送出空気体積を計測し、これが吸気流路における空気の取り込み口から吸気温度センサに至るまでの体積（容積）以上となったときに吸気温度チェックを実行する。このように、冷却ファンの起動から温度チェックまでに要する送出空気体積を必要最小限に絞ることで、速やかな吸気温度チェックが可能となる。

本実施形態に係る電池パック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。 電池パック及びその冷却システムの車内レイアウトを例示する図である。 車速−最大許容回転数マップを例示する図である。 本実施形態に係る冷却ファン駆動判定フローを例示するフローチャートである。 回転数−風量換算マップを例示する図である。 冷却ファンの可変制御について説明する図である。

図１に、本実施形態に係る電池パック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、本実施形態に係る電池パック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電池パック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、電池パック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、電池パック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１２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１２によって降圧された直流電力はファン用インバータ１４にて直交変換される。変換後の交流電力はファンモータ１６に供給される。ファンモータ１６により冷却ファン１８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。

＜電池パック冷却システムの構成＞
本実施形態に係る電池パック冷却システムは、電池パック１０、冷却ファン１８、吸気流路２０、ファンモータ１６、ファン用インバータ１４、及び制御部２２を備える。電池パック冷却システムのうち、少なくとも制御部２２を除く各構成は、例えば図２に示すように、車両の後部座席２３下に配置される。

電池パック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。例えば電池パック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、電池パック１０はカバー２４に収容される。カバー２４には冷却空気の供給口２６及び排出口２８が形成されている。後述するように、冷却ファン１８から送られた吸気（冷却空気）が供給口２６からカバー２４内部に取り込まれて電池パック１０が空冷される。冷却後の空気は排出口２８から排出される。

吸気流路２０は、車室内の空気の取り込み口３０から冷却ファン１８を経て電池パック１０の供給口２６に至るまでの吸気の流路である。吸気流路２０は、取り込みダクト３２、冷却ファン１８のケーシング３５、及び接続ダクト３４を備える。取り込みダクト３２は、車室内の空気の取り込み口３０から冷却ファン１８のケーシング３５に設けられた吸気口３６までを接続する。取り込みダクト３２の取り込み口３０には塵埃除去のフィルタ３８が設けられていてよい。図２に例示されるように、取り込み口３０及びフィルタ３８は車両の後部座席２３下部を覆うカバー３９の側方に設けられる。図１に戻り、接続ダクト３４は冷却ファン１８の送出口４０から電池パック１０のカバー２４の供給口２６までを接続する。

冷却ファン１８は、冷却空気を電池パック１０に送り込む送風機である。冷却ファン１８は例えばシロッコファン（多翼送風機）から構成される。冷却ファン１８は取り込みダクト３２を介して車室内の空気を取り込み、接続ダクト３４を介して取り込んだ空気（吸気）を電池パック１０に送り込む。

ファンモータ１６は冷却ファン１８を回転駆動させる。ファンモータ１６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。ファンモータ１６にはファン用インバータ１４から駆動電圧（３相電圧）が印加され、これによりファンモータ１６が回転駆動される。ファンモータ１６のロータ位置は位置センサ４２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、ファンモータ１６の回転数［ｒｐｍ］と冷却ファン１８の回転数［ｒｐｍ］は同一であるとする。

ファン用インバータ１４は、電池パック１０から降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して供給された直流電力、または、図示しないサブバッテリから直接供給された直流電力を交流電力に変換してこれをファンモータ１６に供給する。ファン用インバータ１４は複数のスイッチング素子を備えており、制御部２２の冷却ファン駆動制御部２２Ａ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。

制御部２２は、電池パック冷却システムを含む車両内の機器を制御する。制御部２２は例えばコンピュータから構成され、演算回路であるＣＰＵ及び記憶装置であるメモリを備える。メモリは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。

メモリには冷却ファン１８を制御する制御プログラムや後述する吸気温度検出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。このプログラムをＣＰＵが実行することで、制御部２２には複数の機能部が構成される。具体的には制御部２２は、冷却ファン駆動制御部２２Ａ、回転数／風量換算部２２Ｂ、風量積算部２２Ｃ、風量積算値比較部２２Ｄ、及び、冷却ファン駆動判定部２２Ｅを備える。これらの詳細な機能については後述する。

制御部２２は車両に搭載された各種センサから検出値を受信する。本実施形態に係る電池パック冷却システムに関連の高いセンサを例示すると、電池パック温度センサ４４、吸気温度センサ４６、位置センサ４２、及び車速センサ４８から検出値を受信する。

電池パック温度センサ４４は例えば電池パック１０の表面に取り付けられる。複数の温度センサを電池パック１０の表面に取り付け、温度分布を求めてもよい。この場合において、複数の温度センサの検出温度の平均をもとに後述する冷却ファン１８の可変制御を行ってもよいし、複数の温度センサの検出温度のうち最高温度に基づいて冷却ファン１８の可変制御を行ってもよい。電池パック温度センサ４４の検出値である電池温度Ｔ＿Ｂａｔは冷却ファン駆動制御部２２Ａ及び冷却ファン駆動判定部２２Ｅに送信される。

吸気温度センサ４６は吸気流路２０に設けられ、少なくともその感温素子は吸気流路２０内に配置（露出）される。吸気流路２０内における温度変化等を考慮して、例えば吸気温度センサ４６は吸気流路２０のうち最も電池パック１０寄りに設けられる。例えば、接続ダクト３４の末端である、カバー２４の供給口２６との接続口に吸気温度センサ４６が設けられる。吸気温度センサ４６の検出値である吸気温度Ｔ＿Ａｉｒは冷却ファン駆動制御部２２Ａ及び冷却ファン駆動判定部２２Ｅに送信される。

なお後述するように、冷却ファン駆動判定部２２Ｅによる吸気温度Ｔ＿Ａｉｒの取得は、風量積算値比較部２２Ｄの許可指令の受信に伴って実行され、図４の冷却ファン駆動判定フロー開始時点から当該許可指令の受信時点までは、吸気温度Ｔ＿Ａｉｒの取得が留保される。

位置センサ４２はファンモータ１６のロータ位置θを受信する。ロータ位置θを微分することでロータの回転速度［ｒｐｍ］及び冷却ファン１８の回転速度［ｒｐｍ］が求められる。上述したように簡単のため以下の説明ではロータの回転速度と冷却ファン１８の回転速度は等しいものとする。位置センサ４２の検出値であるロータ位置θは冷却ファン駆動制御部２２Ａ及び回転数／風量換算部２２Ｂに送信される。また、車速センサ４８の検出値である車速（車両速度）も冷却ファン駆動制御部２２Ａに送信される。

冷却ファン駆動制御部２２Ａは、ファンモータ１６への回転数可変制御を介して、冷却ファン１８に対して回転数可変制御を行う。回転数可変制御は基本的に電池パック１０の温度Ｔ＿Ｂａｔに基づいて行われる。例えば電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔが高いほど指令回転数は高くなる。また、吸気温度Ｔ＿Ａｉｒに基づいた係数を指令回転数に掛けてもよい。例えば吸気温度Ｔ＿Ａｉｒが低いほど係数は低くなる（最終的な指令回転数は低くなる）。

さらに本実施形態では、冷却ファン１８の回転数可変制御に当たり、騒音抑制の観点から、車速（車両速度）に基づいて最大許容回転数に制限を掛けている。吸気流路の取り込み口３０が車室に露出していることから、冷却ファン１８の駆動音は車室内に漏れ易くなっており、この駆動音が乗員の不快感に繋がるおそれがある。そこで本実施形態では車両の駆動に応じて発生するロードノイズで冷却ファン１８の駆動音をマスキングさせ、乗員の不快感を抑制させている。

具体的には図３に示すような車速−最大許容回転数マップを用いて、冷却ファン１８に対する最大許容回転数を制限している。このグラフは、横軸が車速を表し、縦軸が最大許容回転数を表している。車速とそれに伴うロードノイズの大きさは予め騒音試験や官能試験等によって取得される。また冷却ファン１８の回転数に対応する駆動音の大きさも予め騒音試験や官能試験等によって取得される。この取得したデータをもとに、車速に応じた冷却ファン１８の最大許容回転数が定められる。

冷却ファン１８の回転数可変制御に当たり、冷却ファン駆動制御部２２Ａは、車両速度に応じて定められる冷却ファンの最大許容回転数以下の範囲で、電池パック１０の温度Ｔ＿Ｂａｔに応じて冷却ファン１８の回転数を変化させる。例えば冷却ファン駆動制御部２２Ａは、電池パック１０の温度Ｔ＿Ｂａｔに基づいて初期指令回転数を設定する。次に冷却ファン駆動制御部２２Ａは車速−最大許容回転数マップを参照して、現在の車速に対応する最大許容回転数を求める。初期指令回転数が最大許容回転数以下であれば、冷却ファン駆動制御部２２Ａは、初期指令回転数に基づいたＰＷＭ制御信号を生成してファン用インバータ１４を制御する。一方、初期指令回転数が最大許容回転数を超過する場合、冷却ファン駆動制御部２２Ａは、そのときの最大許容回転数を指令回転数として再設定し、これに基づいたＰＷＭ制御信号を生成してファン用インバータ１４を制御する。

また、本実施形態では、冷却ファン駆動制御部２２Ａは、停止状態の冷却ファン１８を起動させる起動時から回転数可変制御を実行する。この結果、最低回転数で起動させていた従来と比較して、後述する滞留空気の送出を速やかに行うことができる。

冷却ファン駆動判定部２２Ｅは、冷却ファン１８の駆動制御に当たり、電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔ及び吸気温度Ｔ＿Ａｉｒに基づいて冷却ファン１８の駆動可否を判定している。例えば車室内から取り込んだ空気（吸気）の温度Ｔ＿Ａｉｒが電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔ以上である場合、電池パック１０の冷却ができなくなるか、または吸気の送り込みよって電池パック１０が加熱されるおそれがある。そこでこのような場合に備え、冷却ファン駆動判定部２２Ｅは、冷却ファン駆動制御部２２Ａに対して冷却ファン１８の駆動を停止させる駆動停止指令を出力可能となっている。

上記のような冷却ファン駆動判定に当たり、判定基準となる吸気温度Ｔ＿Ａｉｒが車室内の吸気である必要がある。例えば冷却ファン１８の停止中に、吸気流路２０の滞留空気が温められて車室内空気よりも高温となるような場合があり、このような場合に、滞留空気の温度を吸気温度Ｔ＿Ａｉｒとして取り込むと冷却ファン１８を停止させる誤判定に繋がるおそれがある。そこで本実施形態では冷却ファン１８が停止状態から起動される際に、予め吸気流路２０内の滞留空気を送出させて（吐き出して）から、吸気温度Ｔ＿Ａｉｒを検出している。

図４には、本実施形態に係る冷却ファン駆動判定フローが例示されている。電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔが所定の閾値温度Ｔ＿ｔｈを超過すると冷却ファン１８が起動され、本フローが実行される。初期設定として、冷却ファン駆動判定部２２Ｅによる吸気温度Ｔ＿Ａｉｒの取得は留保された状態となっている。後述するように、この留保状態は風量積算値比較部２２Ｄから送られる許可指令によって解除される。

冷却ファン駆動制御部２２Ａは、電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔ及び車速に応じて冷却ファン１８を回転数可変制御する（Ｓ１０）。例えば上述したように車速に応じて最大許容回転数を求め、電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔから求めた初期指令回転数がこの最大許容回転数以下であるか否かに応じて指令回転数を調整する。なおこのとき、吸気温度Ｔ＿Ａｉｒを取り込んで可変制御に反映させてもよい。

冷却ファン１８の起動に伴い、位置センサ４２からロータ位置θが回転数／風量換算部２２Ｂに送信される。回転数／風量換算部２２Ｂではロータ位置θに基づいて冷却ファン１８の回転数［ｒｐｍ］を求める。さらに回転数／風量換算部２２Ｂは、冷却ファン１８の回転数を滞留空気の送出風量Ｑ［ｃｍ^３／ｓｅｃ］に換算する（Ｓ１２）。例えば図５に示す回転数−風量換算マップを用いる。このマップは横軸が冷却ファン１８の回転数［ｒｐｍ］を表し、縦軸が冷却ファン１８の風量［ｃｍ^３／ｓｅｃ］を表している。両者の対応関係は冷却ファン１８の仕様や実験等で予め求められる。

風量積算部２２Ｃは、冷却ファン１８の起動時を起点にして、回転数／風量換算部２２Ｂから冷却ファン１８の送出風量Ｑ［ｃｍ^３／ｓｅｃ］を取得しこれを積算する（Ｓ１４）。例えば風量積算部２２Ｃは回転数／風量換算部２２Ｂから送出風量Ｑを毎秒取得する。送出風量Ｑを積算することで冷却ファン１８による送出空気体積Ｖａ（＝ΣＱ）が求められる。

送出空気体積Ｖａは風量積算値比較部２２Ｄに送られる。風量積算値比較部２２Ｄは、風量積算値すなわち送出空気体積Ｖａが体積閾値Ｖ＿ｔｈ以上であるか否かを判定する（Ｓ１６）。例えば体積閾値Ｖ＿ｔｈは、吸気流路２０の取り込み口３０から吸気温度センサ４６に至るまでの吸気流路２０における体積（容積）である。

送出空気体積Ｖａが体積閾値Ｖ＿ｔｈ以上であれば（典型的には送出空気体積Ｖａが体積閾値Ｖ＿ｔｈに到達（Ｖａ＝Ｖ＿ｔｈ）すれば）、吸気温度センサ４６の感温素子に接触する空気は車室内の空気となる。このとき、風量積算値比較部２２Ｄは冷却ファン駆動判定部２２Ｅに対して、吸気温度センサ４６から吸気温度Ｔ＿Ａｉｒの取得を許可する許可指令を送信する（Ｓ１８）。送出空気体積Ｖａが体積閾値Ｖ＿ｔｈ未満である場合には、ステップＳ１０まで戻る。

ステップＳ１８後、冷却ファン駆動判定部２２Ｅは吸気温度Ｔ＿Ａｉｒを取得する。またこれと並行して冷却ファン駆動判定部２２Ｅは、電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔを取得する。次に冷却ファン駆動判定部２２Ｅは、吸気温度Ｔ＿Ａｉｒが電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔ以上であるか否かを判定する（Ｓ２０）。吸気温度Ｔ＿Ａｉｒが電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔ以上である場合には冷却ファン駆動判定部２２Ｅは冷却ファン駆動制御部２２Ａに対して冷却ファン１８の駆動停止指令を出力する（Ｓ２２）。これを受けて冷却ファン駆動制御部２２Ａは停止動作を実行する。例えばファン用インバータ１４へのＰＷＭ制御信号を強制的に遮断して（デューティ比０にして）、ファン用インバータ１４のスイッチング素子の駆動を停止させる。

吸気温度Ｔ＿Ａｉｒが電池パック温度Ｔ＿Ｂａｔ未満である場合には、冷却ファン駆動判定部２２Ｅは駆動停止指令を出力しない。これにより、冷却ファン駆動制御部２２Ａによる冷却ファン１８への回転数可変制御が引き続き継続される（Ｓ２４）。

図６には本実施形態に係る冷却ファン駆動制御を行った例（曲線Ａ）と、従来技術に係る冷却ファン駆動制御を行った例（曲線Ｂ）が示されている。横軸は時間、縦軸は冷却ファン１８の回転数が表されている。時刻ｔ２、ｔ３はともに吸気温度チェックが実行された時刻を表している。この例に示されているように、冷却ファン１８の起動時ｔ１から回転数可変制御を実行することで、起動時に冷却ファン１８を最低回転数制御していた従来技術と比較して、速やかに車室内空気の温度チェックが実行可能となる。

１０ 電池パック、１４ ファン用インバータ、１６ ファンモータ、１８ 冷却ファン、２０ 吸気流路、２２ 制御部、２２Ａ 冷却ファン駆動制御部、２２Ｂ 回転数／風量換算部、２２Ｃ 風量積算部、２２Ｄ 風量積算値比較部、２２Ｅ 冷却ファン駆動判定部、３０ 取り込み口、３２ 取り込みダクト、３４ 接続ダクト、３５ 冷却ファンのケーシング、３８ フィルタ、４２ 位置センサ、４４ 電池パック温度センサ、４６ 吸気温度センサ、４８ 車速センサ。

Claims (1)

1. 車室内の空気を取り込んで電池パックに送り込む冷却ファンと、
   前記車室内の空気の取り込み口から前記冷却ファンを経て前記電池パックに至るまでの吸気流路に設けられた吸気温度センサと、
   車両速度に応じて定められる前記冷却ファンの最大許容回転数以下の範囲で、前記電池パックの温度に応じて前記冷却ファンの回転数を変化させる可変制御を行う冷却ファン制御部と、
   前記冷却ファンの起動時から起算して、前記冷却ファンの回転数に基づいた前記冷却ファンの風量を積算して、前記冷却ファンによる送出空気体積を求める風量積算部と、
   前記送出空気体積が、前記吸気流路における前記空気の取り込み口から前記吸気温度センサに至るまでの体積以上になったときに前記吸気温度センサから吸気温度を取得し、前記吸気温度が前記電池パックの温度以上であるときに前記冷却ファン制御部に対して前記冷却ファンの駆動停止指令を出力する、冷却ファン駆動判定部と、
   を備えることを特徴とする、車載電池パック冷却システム。