JP6822263B2

JP6822263B2 - 故障診断装置

Info

Publication number: JP6822263B2
Application number: JP2017059451A
Authority: JP
Inventors: 治喜吉牟田
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: JP2018163760A

Description

本発明は、冷却装置の故障を診断する技術に関する。

蓄電池が充放電などにより発熱した場合の冷却方法の１つとして、冷却ファン等の冷却装置を用いる方法がある。下記の特許文献１には、各バッテリブロックを冷却ファン等の冷却装置を用いて冷却するシステムにおいて、各バッテリブロック間で、ファン動作後の温度差の情報を比較することで、冷却装置の故障を判断している。

特開２００５−１６０１３２号公報

しかしながら、上記の方法では、バッテリブロック間の温度差の情報だけで、冷却装置の故障を判断している。そのため、バッテリブロックが異常発熱して、バッテリブロック間に温度差が生じている場合、冷却装置の故障と、誤判断する可能性があった。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、冷却装置の故障診断精度を高くすることを目的とする。

蓄電システムを冷却する冷却装置の故障を判断する故障診断装置であって、前記蓄電システムは、複数の冷却装置と、前記複数の冷却装置により個別に冷却される複数の蓄電ブロックと、前記蓄電ブロック内の異なる部位の温度を検出する複数の温度センサを有し、前記故障診断装置は、同一の蓄電ブロック内における異なる部位の温度差の情報と、異なる蓄電ブロック間における温度差の情報とに基づいて、前記冷却装置の故障を判断する。

上記故障診断装置を有する蓄電システムに適用することが出来る。また、冷却装置の故障を診断する診断方法に適用することが出来る。

異なる蓄電ブロック間における温度差の情報のみに基づいて故障を判断する場合に比べて、冷却装置の故障診断精度を高くすることが出来る。

一実施形態に適用された蓄電システムの構成図蓄電素子モジュールの斜視図蓄電ブロックの斜視図冷却ファンの故障診断処理の流れを示すフローチャート図水冷式の冷却装置を示す図蓄電ブロックの他の形態を示す図

本実施形態にて開示する故障診断装置の概要について説明する。
蓄電システムを冷却する冷却装置の故障を診断する故障診断装置であって、前記蓄電システムは、複数の冷却装置と、前記複数の冷却装置により個別に冷却される複数の蓄電ブロックと、前記蓄電ブロック内の複数箇所の温度を検出する複数の温度センサを有し、前記故障診断装置は、同一の蓄電ブロック内における複数箇所の温度差の情報と、異なる蓄電ブロック間における温度差の情報とに基づいて、前記冷却装置の故障を判断する。

この構成では、同一の蓄電ブロック内における複数箇所の温度差の情報と、異なる蓄電ブロック間における温度差の情報とに基づいて、冷却装置の故障を判断する。従って、異なる蓄電ブロック間における温度差の情報のみに基づいて、冷却装置の故障を判断する場合に比べて、冷却装置の故障を精度よく判断することが出来る。

前記故障診断装置は、同一の蓄電ブロック内における複数箇所の温度差の情報に基づいて、前記蓄電ブロックの異常を判断するとよい。この構成では、冷却装置の故障だけでなく、蓄電ブロックの異常を判断することが出来る。

前記故障診断装置は、前記蓄電ブロックは正常と判断した場合、異なる蓄電ブロック間における温度差の情報とに基づいて、前記冷却装置の故障を判断するとよい。この構成では、蓄電ブロックが正常である場合についてのみ、冷却装置の故障を判断する。従って、蓄電ブロックの異常を、冷却装置の故障と誤判断することがなく、冷却装置の故障診断精度が高い。

前記故障診断装置は、同一の蓄電ブロック内での温度差が第１所定値以上の場合、又は同一の蓄電ブロック内において冷却方向の上流側の温度が下流側の温度より高い場合、前記蓄電ブロックは異常であると判断するとよい。この構成では、蓄電ブロックの異常発熱を比較的容易に、精度よく判断できる。

異なる蓄電ブロック間の温度差は、異なる蓄電ブロック間の同一箇所の温度差であるとよい。この構成では、異なる蓄電ブロック間の正確な温度差を検出することが出来るので、冷却装置の故障を精度よく診断できる。

＜実施形態＞
１．蓄電システムＵの説明
図１は蓄電システムの斜視図である。蓄電システムＵは、例えば、電車の床下等に設置され、電車への電力供給及び減速時に回生の受け入れを行う。

図１に示すように、蓄電システムＵは、複数の冷却ファンＦと、複数の蓄電ブロックＢと、管理装置（本発明の「故障診断装置」に相当）５０を備えている。具体的には、９つの冷却ファンＦ１〜Ｆ９と、９つの蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９を備えている。９つの蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９は、Ｘ方向に３列、Ｚ方向の３段の配置となっている。９つの蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９は同一構造である。

図１の左右方向をＸ方向とし、上下方向をＺ方向とし、奥行き方向をＹ方向として説明を行う。以下の説明において、冷却ファンＦは９つの冷却ファンＦ１〜Ｆ９の総称を指し、蓄電ブロックＢは９つの蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９の総称を指す。

蓄電ブロックＢは、複数の蓄電素子モジュールＭから構成されている。蓄電素子モジュールＭは、図２に示すように、外枠となるケース２０内に、４つの電池セル２５を収容している。電池セル間には、通気用の通路２７が設けられている。電池セル２５は蓄電素子の一例である。

蓄電ブロックＢは、図３に示すように、Ｙ方向に並んで組みつけられた２つの蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２と、通気ダクト３０と、複数の温度センサＳ１、Ｓ２から構成されている。

複数の温度センサＳ１、Ｓ２は、２つの蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２に対応して２つ設けられており、各蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２の温度を検出する。

冷却ファンＦは、吸引式であり、蓄電ブロックＢの長手方向であるＹ方側の端部に配置されている。通気ダクト３０は、冷却ファンＦと蓄電ブロックＢの間に配置されている。

冷却ファンＦを駆動すると、電池セル間の通路２７に沿ってＹ方向に冷却風が流れるため、各電池セル２５を冷却することが出来る。図１、図３の矢印は、冷却風の流れを示している。この例では、蓄電素子モジュールＭ２が吸気側（上流側）、蓄電素子モジュールＭ１が排気側（下流側）である。通気ダクト３０は、冷却ファンＦの生じる気流が、隣接する他の蓄電ブロックＢに漏れないように、冷却風の通路２７を仕切っている。

冷却ファンＦ１〜Ｆ９は、図１に示すように、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９に対応して配置されており、蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９を個別に冷却する。すなわち、冷却装置Ｆ１が蓄電ブロックＢ１を冷却し、冷却装置Ｆ２が蓄電ブロックＢ２を冷却し、冷却装置Ｆ３が蓄電ブロックＢ３を冷却する。

管理装置５０は、蓄電システムＵを監視及び管理する装置であり、蓄電ブロックＢに付随して配置されている。管理装置５０は、電流センサや電圧センサの出力に基づいて、各電池セル２５に流れる電流や電圧を監視する。

管理装置５０は、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９の温度センサＳ１、Ｓ２より出力される温度のデータに基づいて、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９の温度を監視する。

管理装置５０は、これらの温度情報から電池セル２５が閾値よりも温度上昇している場合には、冷却ファンＦ１〜Ｆ９を駆動して、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９の電池セル２５の温度上昇を抑制する。

２．冷却ファンＦの故障診断
図４を参照して、冷却ファンＦの故障診断処理について説明する。図４に示す故障診断処理はＳ１０〜Ｓ５０のステップから構成されており、冷却ファンＦの動作中に、管理装置５０により実行される。

故障診断処理がスタートすると、管理装置５０は、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９の温度センサＳ１、Ｓ２の出力から、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９について蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２の温度を取得する（Ｓ１０）。

温度の取得後、管理装置５０は、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９が正常か判断する（Ｓ２０）。具体的には、同一の蓄電ブロックＢを対象に、２つの蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２の温度差ΔＴａを検出する。温度差ΔＴａが第１所定値よりも小さい場合、蓄電ブロックＢは正常と判断する。

温度差ΔＴａが第１所定値以上の場合、蓄電ブロックＢは異常、具体的には蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２のいずれかが、異常発熱していると判断する。温度差ΔＴａは、本発明の「同一の蓄電ブロック内における複数箇所の温度差」に相当する。

管理装置５０は、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９について上記の判断を行い、いずれか一つでも異常がある場合（Ｓ２０：ＮＯ）、蓄電ブロックＢの異常を外部に報知する（Ｓ４０）。

管理装置５０は、９つの蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９が全て正常の場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、各冷却ファンＦが正常か判断する（Ｓ５０）。

判断方法の詳細は、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９間で、蓄電素子モジュールＭ１の温度を比較し、温度の最小値と最大値を算出する。

次に、最小値と最大値との温度差ΔＴｂを算出し、温度差ΔＴｂが第２所定値より小さい場合、全ての冷却ファンＦは正常であると判断する（Ｓ３０：ＹＥＳ）。冷却ファンＦが正常の場合、故障判断処理は終了する。

最小値と最大値との温度差ΔＴｂが第２所定値以上の場合、最大値を記録した蓄電ブロックＢの冷却ファンＦは故障と判断する（Ｓ３０：ＮＯ）。監視視装置５０は、冷却ファンＦが故障と判断した場合、冷却ファンＦの故障を外部に報知する（Ｓ５０）。温度差ΔＴｂは、本発明の「異なる蓄電ブロック間における温度差」に相当する。

３．効果説明
蓄電システムＵによれば、蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９が正常か否かをまず判断し、蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９が正常である場合、すなわち、蓄電素子モジュールＭに異常発熱がない場合に限り、冷却ファンＦ１〜Ｆ９の故障を判断する。そのため、蓄電素子モジュールＭの異常発熱により一部の蓄電ブロックＢが温度上昇して、他の蓄電ブロックＢとの間に温度差が発生しても、冷却ファンＦ１〜Ｆ９の故障と誤って判断されない。従って、冷却ファンＦ１〜Ｆ９の故障を精度よく判断することが出来る。

蓄電システムＵによれば、蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９の温度監視用として、標準装備されている温度センサＳ１、Ｓ２の出力を利用して、冷却ファンＦ１〜Ｆ９の故障を検出する。そのため、冷却ファンＦの状態を検出する専用のセンサ（パルスセンサやロックセンサ）やセンサの信号処理回路を設ける必要がないことから、部品点数を削減することが出来る。

蓄電システムＵによれば、Ｓ３０にて、各蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９間で同じ蓄電モジュールＭ１の温度を比較するため、各蓄電ブロックＢ間の正確な温度差ΔＴｂを検出出来る。従って、冷却ファンＦの故障を正確に診断できる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）上記実施形態では、蓄電システムＵを電車に搭載した例を示した。蓄電システムの用途は電車に限定されるものでなく、他の用途、例えば、無停電電源装置（ＵＰＳ）や発電システム等に適用することが出来る。

（２）上記実施形態では、管理装置５０を蓄電ブロックＢに付随して配置した例を示した。管理装置５０は必ずしも蓄電ブロックＢに付随する態様で設置される必要はなく、車両等の上位装置の制御装置が管理装置５０の機能を有してしてもよい。また、蓄電システムを無停電電源装置（ＵＰＳ）や発電システム等に適用する場合、状態確認装置が管理装置の機能を有していてもよい。更に、ＬＡＮや無線で接続されたコンピュータが管理装置５０の機能を有してしてもよい。

（３）上記実施形態では、蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９を冷却する冷却装置の一例として、吸引式の冷却ファンＦ１〜Ｆ９を例示した。冷却ファンＦに吸引式に限定されるものではなく、送風式でもよい。上記実施形態では、図１に示すように、吸引式の冷却ファンＦを各蓄電ブロックＢの手前側（下流側）の端部に配置したが、送風式を採用する場合、各蓄電ブロックＢの奥側（上流側）の端部に冷却ファンＦを配置するとよい。

（４）上記実施形態では、蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９を冷却する冷却装置の一例として、冷却ファンＦ１〜Ｆ９を例示した。冷却装置は冷却ファンＦに限定されるものではなく、図５に示すように、冷却水を循環させるポンプ７０と熱交換器８０とからなる水冷式の冷却装置１００でもよい。それ以外に、ペルチェ素子を用いた冷却装置でもよい。

（５）上記実施形態では、Ｙ方向に配置された２つの蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２を、１つの冷却ファンＦで冷却した。これ以外にも、図６に示すように、８つの蓄電素子モジュールＭ１〜Ｍ８を１つの冷却ファンＦにより冷却してもよい。蓄電ブロックＢは、１つの冷却装置により冷却される蓄電素子モジュールＭのまとまりの単位であり、図６に示すように、８つの蓄電素子モジュールＭ１〜Ｍ８を１つの冷却ファンＦで冷却する場合、８つの蓄電素子モジュールＭ１〜Ｍ８の全体が蓄電ブロックＢに相当する。

実施形態では、蓄電ブロックＢを、Ｙ方向に配置された２つの蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２から構成したが、Ｙ方向に配置された３つ又はそれ以上の蓄電素子モジュールＭ１〜Ｍ３から構成してもよい。また、温度センサＳは、各蓄電素子モジュールＭ１〜Ｍ３ごとに配置するとよい。

（６）上記実施形態では、蓄電ブロックＢの異常、具体的には、蓄電素子モジュールＭが異常発熱か否かを、同一の蓄電ブロックＢの２つの蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２の温度差ΔＴａを第１所定値と比較することにより判断した。蓄電素子モジュールＭが異常発熱していない場合、冷却方向において上流側となる蓄電素子モジュールＭ２の方が、下流側となる蓄電素子モジュールＭ１よりも温度が下がる傾向になる。従って、同一の蓄電ブロックＢの２つの蓄電素子モジュールＭ１、Ｍ２の温度を比較し、上流側の蓄電素子モジュールＭ２の温度が、下流側の蓄電素子モジュールＭ１よりも低い場合は正常、高い場合は異常発熱と判断してもよい。

（７）上記実施形態では、蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９間において、冷却方向の下流側にあたる蓄電素子モジュールＭ１の温度を比較することにより、冷却ファンＦの故障の有無を判断する例を示したが、上流側にあたる蓄電素子モジュールＭ２の温度を比較することにより、冷却ファンＦの故障の有無を判断してもよい。すなわち、蓄電ブロックＢ間で対応する箇所の温度情報を比較するものであれば、どの部位の温度情報でもよい。

（８）上記実施形態では、蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９が正常か否かをまず判断し、全蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９は正常と判断した場合に、冷却ファンＦ１〜Ｆ９の故障を判断した。冷却ファンＦ１〜Ｆ９の故障の診断は、実施形態の方法に限定されるものではなく、同一の蓄電ブロックＢ内における複数箇所の温度差の情報と、異なる蓄電ブロックＢ間における温度差の情報とに基づいて判断する方法であれば、いかなる方法であってもよい。例えば、蓄電ブロックＢの異常判断は実行せず、同一の蓄電ブロックＢ内における複数箇所の温度差が第１所定値未満であり、かつ、異なるブロックＢ間における温度差が第２所定値以上である時に、冷却ファンＦは故障であると判断してもよい。

（９）複数の蓄電ブロックＢ１〜Ｂ９からなるユニットを複数組有する構成では、ユニット間における温度差に基づいて、各ユニットの異常を判断することが出来る。例えば、ユニット間における同一箇所の蓄電ブロックの温度差に基づいて、各ユニットに設けられたエアフィルタの目詰まりにより、冷却風が正常に流れていない異常を判断することが出来る。また、電源や配線がユニット毎に分けかれている場合、電源や配線の異常により冷却ファンが停止する異常を判断することが出来る。

２０...ケース
２５...電池セル
２７...通路
３０...通気ダクト
５０...管理装置（本発明の「故障診断装置」の一例）
Ｂ１〜Ｂ９...蓄電ブロック
Ｆ１〜Ｆ９...冷却ファン
Ｍ１、Ｍ２...蓄電素子モジュール
Ｕ...蓄電システム

Claims

蓄電システムを冷却する冷却装置の故障を診断する故障診断装置であって、
前記蓄電システムは、
複数の冷却装置と、
前記複数の冷却装置により個別に冷却される複数の蓄電ブロックと、
前記蓄電ブロック内の複数箇所の温度を検出する複数の温度センサを有し、
前記故障診断装置は、
同一の蓄電ブロック内における複数箇所の温度差の情報と、異なる蓄電ブロック間における温度差の情報とに基づいて、前記冷却装置の故障を判断し、
前記故障診断装置は、
同一の蓄電ブロック内における複数箇所の温度差の情報に基づいて、前記蓄電ブロックの異常を判断し、
前記蓄電ブロックが正常である場合、異なる蓄電ブロック間における温度差の情報に基づいて、前記冷却装置の故障を判断する、故障診断装置。
請求項１に記載の故障診断装置であって、
同一の蓄電ブロック内での温度差が第１所定値以上の場合、又は同一の蓄電ブロック内において冷却方向の上流側の温度が下流側の温度より高い場合、前記蓄電ブロックは異常であると判断する、故障診断装置。
請求項１又は請求項２に記載の故障診断装置であって、
異なる蓄電ブロック間の温度差は、異なる蓄電ブロック間の同一箇所の温度差である、故障診断装置。