JP5368136B2

JP5368136B2 - 車両用電池冷却システム

Info

Publication number: JP5368136B2
Application number: JP2009050251A
Authority: JP
Inventors: 準奥田; 利明中西; 徳人湯野
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: JP2010206957A; US8258726B2; US20100225264A1

Description

本発明は車両用電池冷却システムに関し、特に電気モータを駆動源とする電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電池の冷却システムに関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動源である電気モータに電力を供給する電池は、温度が上昇すると性能が低下するだけでなく寿命も低下してしまう。そこで、従来より、空調装置により空調された車室内の空気を冷却ファンにより電池室に導き、電池を冷却するシステムが提案されている。

図６に、下記の特許文献１に開示された車両用電池冷却システムの構成を示す。車両１０に電気モータを駆動するバッテリ１２が搭載され、車室１４内を空調するエアコン１６が設けられる。バッテリ１２はバッテリ室１８内に配置され、バッテリ室１８には冷却装置２０が設けられる。エアコン１６は、コンプレッサやエバポレータを含み、エバポレータは空調ダクト２８内に設けられる。空調ダクト２８内にはエバポレータと空気取入口との間に送風手段としてブロワファン３４が設けられ、空気取入口の近傍に空気取入口の開閉を行う切替ダンパ３６が設けられる。一方、バッテリ室１８は、車両１０のリアシートバック５６とトランクルーム５８との間の空間に設けられる。バッテリ室１８には、一端が車室１４内に向けて開口された冷却ダクト６０の他端が連結される。冷却ダクト６０内には、冷却ファン６２が設けられており、ファンモータの駆動により車室１４内の空調された空気がバッテリ室１８内へ冷却風として供給される。バッテリ室１８には、バッテリ１２を挟んで冷却ダクト６０の反対側に循環ダクト６６及び排気ダクト６８のそれぞれの一端が連結される。循環ダクト６６は、他端がトランクルーム５８を介して車室１４内と連通される。排気ダクト６８は、他端が車外に開口される。循環ダクト６６及び排気ダクト６８とバッテリ室１８の間には、切替ダンパ７０が設けられる。

バッテリ室１８内に設けられたバッテリ１２は、冷却ファン６２により供給される車室１４内の空気により冷却され、バッテリ１２を冷却した空気は、切替ダンパ７０が排気ダクト６８を閉止した状態で循環ダクト６６を介して車室１４内へ戻され、また、切替ダンパ７０が循環ダクト６６を閉止することにより、排気ダクト６８を介して車外へ排出される。

また、特許文献２には、車載バッテリを冷却するファンの作動態様を車室内の騒音に応じて制御することが記載されている。すなわち、車室内が静粛なときにはファンの回転速度を低く、車室内の騒音が大きいときにはファンの回転速度を高く制御することで、車両に搭乗する乗員の体感騒音を低減しつつ車載バッテリを効果的に冷却できるとしている。

特開平１０−３０６７２２号公報特開２００４−４８９８１号公報

このように、車室１４内の空気を冷却ファン６２によりバッテリ室１８に導いてバッテリ１２を冷却する際に、車両１０の走行状態によっては効率的にバッテリ１２を冷却することが困難となり得る。すなわち、車両１０の窓が開口しており、しかも車両１０がある速度で走行している場合を想定すると、窓の開き度合いと車速の程度に応じて冷却ファン６２の吸込側静圧のベース圧力が窓閉鎖時に比べ負圧となり、冷却ファン６２による冷却風量が低下してしまう。また、冷却ファン６２が停止中もしくは低回転の場合には、切替ダンパ７０が循環ダクト６６を閉止している場合において排気ダクト６８を通じて車外の空気が逆流するおそれもある。

本発明は、車両の走行状態によらずに車載バッテリを効率的に冷却することができるシステムを提供する。

本発明は、車両に搭載された電池を車室内の空気により冷却する車両用電池冷却システムであって、車室内の空気を前記電池に供給する冷却ファンと、前記冷却ファンのファン速度を制御する制御手段であって、前記冷却ファンの吸込側静圧のベース圧力変化量に応じて前記ファン速度を変化させるものであり、前記冷却ファンの吸込側静圧のベース圧力が窓閉鎖時に比べ負圧である場合に、前記冷却ファンの吸込側静圧のベース圧力が窓閉鎖時に比べ負圧でない場合よりも前記ファン速度をΔｖだけ増大するように制御し、増分Δｖは、前記車両の車速と窓の開度の２次元関数または２次元マップによって前記負圧により生じる風量補償分として設定される、制御手段とを有することを特徴とする。

また、本発明の１つの実施形態では、前記制御手段は、前記車速が増大するほど、及び前記窓の開度が増大するほど前記ファン速度を増大するように制御する。

また、本発明の他の実施形態では、前記制御手段は、前記電池の電池温度に応じて決定される基本ファン速度ｖに対し、前記車速と前記窓の開度に応じたファン速度の増分Δｖを加算することで前記ファン速度を算出する。

本発明によれば、車両の走行状態により冷却ファンの吸込側静圧のベース圧力が窓閉鎖時に比べ負圧となっても、これに応じて冷却ファンのファン速度を変化させるため、車室内の空気により車載電池を効率的に冷却することができる。

実施形態のシステム構成図である。実施形態の冷却ファン制御説明図である。実施形態の処理フローチャートである。実施形態の制御マップ説明図である。実施形態の圧力差とファン速度の増分との関係を示すグラフ図である。従来システムの構成図である。送風機の圧力を示す説明図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における電池冷却システムの構成図を示す。図６と同様に、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両１０にはバッテリ（バッテリパック）１２が搭載され、バッテリ１２はリアシートバック５６とトランクルーム５８との間の空間に設けられるバッテリ室１８内に配置される。バッテリ１２は、一般にはニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池であるが、燃料電池であってもよい。バッテリ室１８には、一端が車室内に向けて開口された冷却ダクト６０の他端が連結される。冷却ダクト６０内には、冷却ファン６２（以降では適宜、送風機とも称する）が設けられており、ファンモータの駆動により車室内の空調された空気がバッテリ室１８内へ冷却風として供給される。冷却ファン６２は、制御部１１により駆動制御される。バッテリ室１８には、図６に示されるようにバッテリ１２を挟んで冷却ダクト６０の反対側に循環ダクト６６及び排気ダクト６８のそれぞれの一端が連結されていてもよい。循環ダクト６６は、他端がトランクルーム５８内へ連通される。排気ダクト６８は、他端が車外に開口される。循環ダクト６６及び排気ダクト６８とバッテリ室１８の間には、切替ダンパ７０が設けられる。図１では、これらの構成のうち、要部である車両１０、制御部１１、バッテリ１２及び冷却ファン６２のみを示す。

制御部１１は、マイクロコンピュータで構成される。制御部１１には、バッテリ１２及びその近傍にそれぞれ設けられた温度センサから電池温度と環境温度が供給される。制御部１１は、供給された電池温度と環境温度から、冷却ファン６２の基本的なファン速度ｖを決定する。一方、制御部１１には、車両１０に設けられた車速センサ及び窓開閉センサから、それぞれ車速及び窓の開度が供給される。制御部１１は、これらのデータに基づいて、ファン速度の増減分Δｖを決定する。そして、制御部１１は、基本的なファン速度ｖと増減分Δｖとを加算し、ファン速度ＶをＶ＝ｖ＋Δｖで算出し、冷却ファン６２のファンモータにファン速度信号として供給する。

冷却ファン６２は、制御部１１からのファン速度信号に基づいて駆動され、車室１４内の空調空気をバッテリ室１８内に導いてバッテリ１２を冷却する。ファン速度Ｖ＝ｖ＋Δｖのうち、右辺第１項は電池温度と環境温度により決定されるファン速度であり、これにより電池温度と環境温度に応じた風量に設定される。また、右辺第２項は車速と窓の開度により決定される調整速度であり、これにより車速と窓の開度に応じた風量に設定される。

既述したように、車両１０の車速及び窓の開度によっては冷却ファン６２の吸込側静圧のベース圧力、すなわち吸込側付近の気圧が窓閉鎖時に比べ負圧となり、冷却ファン６２のファン速度（動力）が同じであれば冷却ファン６２の冷却風量が低下してしまう（以降において、「車室１４内が負圧」とは、冷却ファン６２の吸込側静圧のベース圧力が窓閉鎖時に比べ低下することを意味するものとする）。そこで、本実施形態では、車速と窓開度に応じた調整分Δｖで冷却ファン６２のファン速度を調整することで、負圧により低下した風量分を補償し、車両１０の走行状態によらずに確実にバッテリ１２を冷却する。

制御部１１による冷却ファン６２の速度制御方法は任意であるが、例えば、冷却ファン６２の速度を最大値に対する比率であるデューティ比で連続制御する場合、制御情報に基づいて１％単位（最小制御単位）でファン速度を制御する。あるいは、冷却ファン６２の速度を段階的に制御する場合、例えば３段階，５段階，あるいは７段階に予めファン速度を設定しておいて制御情報に基づいて最適な速度を選択する。

また、調整分Δｖの決定方法として、冷却ファン６２の目標風量を維持するように決定する。あるいは、冷却ファン６２の目標風量±許容誤差を確保するように決定する。冷却ファン６２の目標風量を維持するように決定する場合、車速と窓の開度による車室１４内の負圧により生じる風量不足分を補うファン速度を算出し、現在のファン速度との差分を増分として現在のファン速度に加算する。負圧により生じる風量不足分は、予め測定してマップとして制御装置１１のメモリに記憶しておけばよい。具体的には、車速と窓の開度の２次元関数として風量不足分あるいは風量補償分を規定しておけばよい。２次元関数あるいは２次元マップの例については後述する。この方法は、上記の連続制御あるいは段階制御のいずれにも適用可能である。冷却ファン６２の目標風量±許容誤差を確保するように決定する場合、車速と窓の開度による車室１４内の負圧により生じる風量不足分がしきいレベルを超えたか否かを判定し、しきいレベルを超える場合に現在のファン速度に対して数段階高いファン速度を設定する。負圧により生じる風量不足分については、上記と同様に予め測定してマップとして制御装置１１のメモリに記憶しておけばよい。現在の車速と窓の開度に応じた風量不足分としきいレベルをそれぞれマップを参照して決定し、両者を比較して風量不足分がしきいレベルを超えるか否かを判定する。そして、風量を超える場合に、例えば１段階高いファン速度を設定する。５段階でファン速度を切り替える場合において、現在のファン速度が第３段階にある場合にこれより１段階高い第４段階に切り替える等である。この方法は、上記の段階制御に適用可能である。車速と窓の開度の２次元関数として決定される風量不足分としきいレベルとの差分に応じた段数分だけ高いファン速度に設定してもよい。

ここで、一般的に、送風機の圧力には送風機全圧と送風機静圧とがある。送風機全圧とは送風機によって与えられた増加量で、送風機の吐出口と吸込口とにおける全圧の差で表し、送風機静圧とは送風機全圧から送風機の吐出口における動圧を差し引いたものである。その関係を図７と次式で示す。本実施形態においては、窓を開けることにより冷却ファン６２の吸込側静圧のベース圧力（吸込側付近の気圧）が低下する。この結果、図７のＰ_Ｓ１が小さくなる。
Ｐ_Ｔ＝Ｐ_Ｔ２−Ｐ_Ｔ１＝（Ｐ_Ｓ２＋Ｐ_Ｖ２）−（Ｐ_Ｓ１＋Ｐ_Ｖ１）
＝（Ｐ_Ｓ２−Ｐ_Ｓ１）＋（Ｐ_Ｖ２−Ｐ_Ｖ１）
Ｐ_Ｔ：送風機の全圧
Ｐ_Ｔ２：送風機の吐出側全圧
Ｐ_Ｔ１：送風機の吸込側全圧
Ｐ_Ｓ２：送風機の吐出側静圧
Ｐ_Ｓ１：送風機の吸込側静圧
Ｐ_Ｖ２：送風機の吐出側の動圧
Ｐ_Ｖ１：送風機の吸込側の動圧
図２に、本実施形態における冷却ファン６２の風量制御の原理を示す。図において、横軸は冷却ファン６２の風量を示し、縦軸は冷却経路の圧力損失（図７の送風機全圧に相当）である。グラフ１００は、車両１０の窓が閉まっている場合の圧力損失であり、グラフ２００は車両１０の窓が開いている（全開）場合の圧力損失である。風量が増大するほど圧力損失は増大するが、窓が開いている場合には窓が閉じている場合よりも車室１４内の負圧分だけ圧力損失がさらに増大する。一方、グラフ３００は冷却ファン６２のファン性能を示しており、ファン速度ｖにおける特性である。冷却ファン６２の基本的なファン速度（目標冷却風量）ｖは、電池温度と環境温度により決定される。しかしながら、車両１０の窓が開いている場合、車室１４が負圧となりグラフ２００のように圧力損失が増大するため、ファン速度ｖでは本来得られるべき風量（グラフ１００とグラフ３００との交点により定まる風量）よりも、グラフ２００とグラフ３００の交点により定まる風量（窓開時冷却風量）まで低下してしまう。そこで、本来得られるべき風量が得られるように、冷却ファンの速度を速度ｖから速度ｖ＋Δｖまで増大させる。グラフ４００は、冷却ファン６２のファン速度がｖ＋Δｖの場合の性能を示す。グラフ４００とグラフ２００の交点では目標冷却風量が得られ、負圧による風量不足分を補償できる。目標冷却風量をＷｏ、負圧によりファン速度ｖで得られる風量をＷとすると、負圧による風量不足ΔＷはΔＷ＝Ｗｏ−Ｗである。制御部１１は、この風量不足ΔＷを補うのに十分な程度までファン速度を増大するということができる。もちろん、風量不足ΔＷが微小である場合には、ファン速度を増大する必要はないであろう。したがって、風量不足ΔＷをしきいレベルと大小比較し、風量不足ΔＷがしきいレベルを超える場合にファン速度を増大制御するのも好適である。

図３に、制御部１１における冷却ファン６２のファン速度制御のフローチャートを示す。まず、制御部１１は、電池温度や環境温度に基づき、冷却ファン６２の基本的なファン速度ｖを決定する（Ｓ１０１）。電池温度と環境温度の２次元関数を用いて決定する。電池温度と環境温度をそれぞれ複数段階に区分し、各区分に対応する基本的なファン速度を予め定めた２次元マップを用いてファン速度ｖを決定してもよい。また、電池温度のみに基づいて基本的なファン速度ｖを決定してもよい。例えば、電池温度を５段階に区分し、各区分毎に基本的なファン速度ｖを予め定めておき、制御部１１のメモリに記憶しておく。制御部１１は、温度センサで検出された温度が属する区分に対応する基本的なファン速度ｖをメモリを参照することで決定する。

次に、車両１０に搭載された窓開閉センサからの検出信号に基づき、窓が開いているか否かを判定する（Ｓ１０２）。車両１０の全ての窓が閉まっていればＮＯと判定され、いずれかの窓が開いていればＹＥＳと判定される。制御部１１は、窓が開いていると判定した場合、次にファン速度の増分Δｖを算出する（Ｓ１０３）。増分Δｖは、車速と窓の開度の２次元関数Δｖ＝ｆ（車速，窓の開度）として決定される。

図４に、増分Δｖを規定する２次元マップ５００の一例を示す。この２次元マップ５００は、予め作成されて制御部１１のメモリに記憶される。窓の開度を０％〜１００％として５段階に区分し、車速を０ｋｍ／ｈ〜１００ｋｍ／ｈとして５段階に区分する。なお、窓の開度１００％とは、車室１４の全ての窓を全開した場合である。そして、車速と窓の開度に応じて増分Δｖのレベルを０〜４と５段階で規定する。０〜４は、複数段階のレベル値である。「０」はレベルを上げないことを意味し、「１」は１段階だけレベルを上げることを意味し、「２」は２段階だけレベルを上げることを意味し、「３」は３段階だけレベルを上げることを意味し、「４」は４段階だけレベルを上げることを意味する。例えば、冷却ファン６２のファン速度が０レベル〜６レベルの７段階に切替可能であり、現在のファン速度が１レベルである場合、Δｖが「１」のときにはファン速度を１段階だけ上げて２レベルとし、Δｖが「２」のときにはファン速度を２段階だけ上げて３レベルとする。定性的には、車速が増大するほど、及び窓の開度が増大するほどΔｖのレベルは増大する。車速が増大しても窓の開度が０％、つまり閉まっていればΔｖは０であり、窓の開度が増大しても車速が０、つまり車両１０が停止していればΔｖは０である。いずれも車室１４内に負圧が発生しない場合にはΔｖを０とするためである。

増分Δｖとしては、レベル値ではなく、デューティ比の増分としてもよい。例えば「１」は１％増大を意味し、「２」は２％増大を意味し、「３」は３％増大を意味し、「４」は４％増大を意味してもよく、あるいは増大の単位量を数％、例えば５％として、「１」は１×５％＝５％増大を意味し、「２」は２×５％＝１０％増大を意味し、「３」は３×５％＝１５％増大を意味し、「４」は４×５％＝２０％増大を意味してもよい。

再び図３に戻り、以上のようにしてΔｖを算出した後、制御部１１はＶ＝ｖ＋Δｖによりファン速度Ｖを決定する（Ｓ１０４）。そして、冷却ファン６２のファンモータにファン速度信号を出力する（Ｓ１０５）。

このように、本実施形態では、電池温度や環境温度に基づいて冷却ファン６２の基本的なファン速度ｖを設定しつつ、車速及び窓の開度に応じて増分Δｖを決定し、ファン速度ｖに増分Δｖを加算してファン速度を増大することで、車速及び窓の開度に応じて生じる負圧による風量低下を補償し、バッテリ１２を確実に冷却することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、車速と窓の開度に応じて増分Δｖを決定したが、車速と窓の開度以外にも、車室１４内が負圧となる原因があればこれを考慮することができる。また、車室１４内と車外との圧力差を検出し、車室１４が負圧であることを検出した場合に、この負圧の程度に応じて増分Δｖを決定することも可能である。要するに、冷却ファン６２の吸込側静圧のベース圧力が窓閉鎖時に比べ負圧となる程度に応じて冷却ファン６２のファン速度を変化させればよい。

図５に、窓閉鎖時における吸込側静圧のベース圧力変化量とファン速度の増分Δｖとの関係を示す。ベース圧力変化量が増大するほど（負圧の絶対値が増大するほど）、ファン速度の増分Δｖは増大する。ファン速度の増分Δｖは、グラフ５００のように線形に増大してもよく、グラフ６００のようにあるしきい値Ｐｔｈまでは０で、それ以上になると線形に増大してもよい。あるいは、グラフ７００のように階段状に不連続に増大してもよい。

また、本実施形態では、車速と窓の開度の２次元関数として増分Δｖを決定したが、より簡易に増分Δｖを決定することができる。例えば、窓が開いている場合であって車速が所定のしきい値以上である場合にのみ一定量あるいは一定比率だけファン速度を増大する等である。あるいは、車速が所定のしきい値以上であり、かつ窓の開度が所定のしきい値以上である場合にのみ一定量あるいは一定比率だけファン速度を増大する等である。

また、本実施形態では、ファン速度ＶをＶ＝ｖ＋Δｖにより決定しているが、増分係数をαとして、ファン速度Ｖ＝α×ｖ（但し、α≧１）により決定してもよく、増分係数αは増分Δｖと同様に車速と窓の開度の２次元関数として決定できる。

また、本実施形態では、電池温度と環境温度に応じて基本的なファン速度ｖを決定しているが、電池温度と環境温度以外の物理量に応じて基本的なファン速度ｖを決定してもよい。

また、本実施形態では、ファン速度ＶをＶ＝ｖ＋Δｖにより決定しているため、基本的なファン速度ｖが０の場合、すなわち冷却ファン６２によりバッテリ１２を冷却する必要がない場合においてもΔｖ＞０となり得る。これは、車室１４内の空気によりバッテリ１２を冷却するためでなく、負圧により空気が冷却経路を逆流する事態を防止するためである。

さらに、本実施形態では、車速が増大するほど、及び窓の開度が増大するほど冷却ファン６２のファン速度を増大しているが、これによりバッテリ１２を確実に冷却できるのみならず、冷却ファン６２の作動による騒音を車両乗員が体感し難いという効果もある。すなわち、冷却ファン６２のファン速度を増大すると作動音も増大するが、車速及び窓の開度が増大している状況下では、冷却ファン６２の作動音以外のエンジン音や走行音、風切音等も増大しているため、車両乗員は冷却ファン６２のファン速度が増大したことを関知し難く、このためドライバビリティの低下がないという効果もある。本実施形態では、バッテリ１２の冷却と乗員の体感騒音の低減を両立させることが可能である。

なお、本実施形態において、体感騒音の低減をより重視し、ファン速度Ｖ＝ｖ＋Δｖで決定した後に、さらに車速やエンジンの回転速度等から暗騒音のレベルを評価し、この暗騒音のレベルに基づいてファン速度Ｖ＝ｖ＋Δｖを微調整してもよい。例えば、エンジンの回転数が所定回転数以下であれば暗騒音が相対的に小さいと評価してファン速度Ｖを所定量だけ低下させる（但し、微調整後のファン速度Ｖは、負圧による風量不足分を補償できる風量を維持する）等である。ファン速度Ｖを微調整するのではなく、増分Δｖを微調整することも可能である。例えば、図４に示された２次元マップ５００において、エンジン回転数が所定値以下であれば「３」を「２．５」に変更し、「４」を「３．５」に変更する等である。

１０車両、１１制御部、１２バッテリ（バッテリパック）、６２冷却ファン。

Claims

車両に搭載された電池を車室内の空気により冷却する車両用電池冷却システムであって、
車室内の空気を前記電池に供給する冷却ファンと、
前記冷却ファンのファン速度を制御する制御手段であって、前記冷却ファンの吸込側静圧のベース圧力変化量に応じて前記ファン速度を変化させるものであり、前記冷却ファンの吸込側静圧のベース圧力が窓閉鎖時に比べ負圧である場合に、前記冷却ファンの吸込側静圧のベース圧力が窓閉鎖時に比べ負圧でない場合よりも前記ファン速度をΔｖだけ増大するように制御し、増分Δｖは、前記車両の車速と窓の開度の２次元関数または２次元マップによって前記負圧により生じる風量補償分として設定される、制御手段と、
を有することを特徴とする車両用電池冷却システム。
請求項１記載のシステムにおいて、
前記制御手段は、前記車速が増大するほど、及び前記窓の開度が増大するほど前記ファン速度を増大するように制御することを特徴とする車両用電池冷却システム。
請求項１，２のいずれかに記載のシステムにおいて、
前記制御手段は、前記電池の電池温度に応じて決定される基本ファン速度ｖに対し、前記増分Δｖを加算することで前記ファン速度を算出することを特徴とする車両用電池冷却システム。
請求項１記載のシステムにおいて、
前記制御手段は、前記冷却ファンの吸込側静圧のベース圧力変化量により生じる前記冷却ファンの風量不足をしきいレベルと比較し、しきいレベルを超える場合に前記ファン速度を増大することを特徴とする車両用電池冷却システム。