JP2017103128A - 電池パックの冷却ファン制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファン６のインペラ６ａの欠損による風量低下を回避する。
【解決手段】電池パックは、２つの冷却ファンを備えており、一方の冷却ファンの回転数指令と他方の冷却ファンの回転数指令との比較、および、各々の回転数指令と実回転数との比較、によりインペラの欠損を判定する。時間ｔ１においてインペラ欠損が生じ、時間ｔ２においてインペラ欠損と判定すると、回転数指令に風量補正量が加えられるので、実回転数が上昇し、風量低下が抑制される。同時に、定常偏差を相殺するように定常偏差補正量が加えられ、回転数フィードバック量が小さくなるため、制御性が良好となる。
【選択図】図１０

Description

この発明は、電気自動車などに用いられる電池パックの冷却ファン制御装置に関し、特に、複数の冷却ファンを備えた冷却ファン制御装置に関する。

内部の冷却のために複数の冷却ファンを備えた電池パックが特許文献１に開示されている。この特許文献１には、いずれかの冷却ファンの実回転数が何らかの異常により目標値よりも低くなったときに、正常な他の冷却ファンの回転数を低くし、逆に、回転異常の冷却ファンの実回転数が目標値よりも高くなったときには、正常な他の冷却ファンの回転数を高くして、複数の電池モジュールの冷却のばらつきを回避する技術が記載されている。

特開２００５−３１０５９６号公報

冷却ファンは、一般に電動モータによってインペラを回転駆動する構成であるが、インペラの一部（例えば複数枚の羽根の中の一枚）が欠損した場合に、同じ回転数であっても風量が低下し、冷却性が低下する。

上記特許文献１の技術は、このようなインペラの欠損に対し何ら有効なものではない。

この発明は、少なくとも２つの冷却ファンを備えた電池パックの冷却ファン制御装置であって、
第１の冷却ファンおよび第２の冷却ファンの各々の回転数指令を、各々の実回転数の検出に基づくフィードバック制御により求めるフィードバック制御手段と、
第１の冷却ファンの回転数指令と第２の冷却ファンの回転数指令との乖離が所定の閾値よりも大きく、かつ回転数指令が相対的に低い方の冷却ファンの実回転数が当該冷却ファンの回転数指令よりも所定量高いときに、当該冷却ファンのインペラの欠損が生じたと判定するインペラ故障検出手段と、
インペラ欠損と判定した冷却ファンの回転数を高く補正する補正手段と、
を備えて構成されている。

インペラの欠損が生じると、電動モータの負荷が軽減するため、同じ回転数指令であっても実回転数が上昇しようとする。従って、実回転数の検出に基づくフィードバック制御により、回転数指令は低下する。そして、回転数指令に比較して実回転数が高い状態となる。

インペラ故障検出手段は、２つの冷却ファンの回転数指令が大きく乖離しており、かつ、回転数指令が相対的に低い方の冷却ファンの実回転数が回転数指令に対し所定量高くなっているときに、インペラの欠損が生じたと判定する。

そして、インペラの欠損による風量低下を補うように、冷却ファンの回転数が高く補正される。

この発明によれば、いずれかの冷却ファンのインペラが欠損したことを確実に検出することができ、欠損が生じた冷却ファンの回転数を高く補正することで、風量の低下ひいては電池パックにおける冷却性の低下を回避することができる。

この発明の一実施例の構成説明図。 ファン制御のメインフローチャート。 故障モード判定のルーチンを示すフローチャート。 故障モード判定のルーチンの一部を示すフローチャート。 回転数指令の設定のルーチンを示すフローチャート。 ＰＩ制御のルーチンを示すフローチャート。 指令出力の計算のルーチンを示すフローチャート。 実回転数と回転数指令との差分と故障レベルとの関係を示す特性図。 故障レベルと風量補正量との関係を示す特性図。 インペラ欠損の場合の実回転数等の変化を示したタイムチャート。 比較例におけるインペラ欠損の場合のタイムチャート。 ファン寿命の場合の実回転数等の変化を示したタイムチャート。 比較例におけるファン寿命の場合のタイムチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る冷却ファン制御装置の構成を模式的に示したものである。例えば電気自動車の電源として用いられる電池パック１は、ケース２内部が隔壁３によって２つの空間４ａ，４ｂに仕切られており、各々に、複数の電池モジュール５が収容されている。

冷却ファン６が、各々の空間４ａ，４ｂに個々に設けられており、この冷却ファン６と反対側に、外気を取り入れるためのダクト２ａがそれぞれ設けられている。冷却ファン６が回転すると、ダクト２ａを介して導入された外気が矢印で示すように各空間４ａ，４ｂ内を流れ、冷却ファン６を通して外部へ排出される。各々の空間４ａ，４ｂには、温度センサ７が配設されており、各温度センサ７から出力される温度検出信号が、冷却ファン６の制御を行うコントロールユニット１０に入力されている。

一対の冷却ファン６は、互いに同一の構成であって、インペラ６ａと、このインペラ６ａを回転駆動する電動モータ６ｂと、を具備している。電動モータ６ｂは、インバータを含むモータ駆動回路８を介して、コントロールユニット１０によって回転数制御されている。モータ駆動回路８は、コントロールユニット１０からＰＷＭインバータ制御のデューティ信号を受け取る一方、電動モータ６ｂの実回転数を示す実回転数信号をコントロールユニット１０に出力する。

次に、図２〜図７のフローチャートに基づいて、上記コントロールユニット１０が実行する冷却ファン制御について説明する。なお、ここでは、便宜上、いずれか一方の冷却ファン６を「第１ファン」、他方の冷却ファン６を「第２ファン」とし、フローチャート中ではそれぞれ「ファン１」、「ファン２」と略記する。

図２は、制御全体のメインフローチャートであって、ステップ１で、各々の温度センサ７による温度の検出ならびに各冷却ファン６の実回転数の検出を行う。

ステップ２では、図３，４に詳細を示す故障モード判定を実行する。ステップ３では、図５に詳細を示す回転数指令の設定を行う。ステップ４では、設定された回転数指令に基づき、フィードバック制御、例えば図６に詳細を示すＰＩ制御を行う。なお、フィードバック制御として、Ｐ制御あるいはＰＩＤ制御も可能である。そして、ステップ５において、ステップ４で求めたＰＩ制御値を用いて、図７に詳細を示すように、モータ駆動回路８へ最終的なデューティ信号を出力する。

次に、図３，図４の故障モード判定の詳細を説明する。ステップ１１で、第１ファンおよび第２ファンの実回転数を読み込み、ステップ１２で、第１ファンおよび第２ファンの回転数指令を読み込む。ステップ１３では、第２ファンの回転数指令が第１ファンの回転数指令よりも第１の所定値（フローチャート中では「所定値１」と略記する）だけ大きいか否か、つまり「第２ファンの回転数指令−第１ファンの回転数指令」が第１の所定値よりも大きいか否か判定する。ＹＥＳであればステップ１４へ進み、ＮＯであれば図４のステップ１９へ分岐する。

ステップ１４では、両ファンの実回転数の差（｜第２ファンの実回転数−第１ファンの実回転数｜）が第２の所定値（フローチャート中では「所定値２」と略記する）よりも小さいか否か判定する。ＹＥＳであればステップ１５へ進む。ＮＯであれば、故障ではないものとして、ルーチンを終了する。

ステップ１５では、第１ファンの実回転数と回転数指令との差（第１ファンの実回転数−第１ファンの回転数指令）が第３の所定値（フローチャート中では「所定値３」と略記する）よりも大きいか否かを判定する。ＮＯであればステップ１７へ進む。ＹＥＳであればステップ１６へ進み、第１ファンが第１の故障モード（フローチャート中では「故障モード１」と略記する）にあると判定した上で、ステップ１７へ進む。この第１の故障モードは、冷却ファン６のインペラ６ａの欠損に相当する。

ステップ１７では、第２ファンの回転数指令と実回転数との差（第２ファンの回転数指令−第２ファンの実回転数）が第４の所定値（フローチャート中では「所定値４」と略記する）よりも大きいか否かを判定する。ＹＥＳであればステップ１８へ進み、第２ファンが第２の故障モード（フローチャート中では「故障モード２」と略記する）にあると判定する。この第２の故障モードは、冷却ファン６の電動モータ６ｂの寿命の到来に相当する。ＮＯであれば、故障ではないものとして、ルーチンを終了する。

図４のステップ１９では、ステップ１４と同じく、両ファンの実回転数の差（｜第１ファンの実回転数−第２ファンの実回転数｜）が第２の所定値よりも小さいか否か判定する。ＹＥＳであればステップ２０へ進む。ＮＯであれば、故障ではないものとして、ルーチンを終了する。

ステップ２０では、第１ファンの回転数指令と実回転数との差（第１ファンの回転数指令−第１ファンの実回転数）が第３の所定値よりも大きいか否かを判定する。ＮＯであればステップ２２へ進む。ＹＥＳであればステップ２１へ進み、第１ファンが第２の故障モード、つまり電動モータ６ｂの寿命の到来に相当する故障モードにあると判定した上で、ステップ２２へ進む。

ステップ２２では、第２ファンの実回転数と回転数指令との差（第２ファンの実回転数−第２ファンの回転数指令）が第４の所定値よりも大きいか否かを判定する。ＹＥＳであればステップ２３へ進み、第２ファンが第１の故障モード、つまりインペラ６ａの欠損に相当する故障モードにあると判定する。ＮＯであれば、故障ではないものとして、ルーチンを終了する。

以上の故障モード判定により、第１，第２ファンのインペラ６ａの欠損および寿命の到来が検出される。すなわち、いずれかの冷却ファン６のインペラ６ａが欠損すると、電動モータ６ｂの負荷が軽減するため、同じ回転数指令であっても実回転数が上昇しようとし、かつフィードバック制御により回転数指令は低下する。そして、回転数指令に比較して実回転数が高い状態となる。他方、電動モータ６ｂの寿命が到来すると、同じ回転数指令であっても実回転数が低くなり、フィードバック制御により回転数指令がさらに上昇するので、両者の乖離が大きくなる。従って、上述したような処理により、インペラ６ａの欠損および寿命の到来を各冷却ファン６について判定できる。

図５のフローチャートは、ステップ３の回転数指令の設定の詳細を示す。なお、図５〜図７のルーチンは、各々の冷却ファン６について個々に実行される。ステップ３１では、検出した温度に基づいて、例えば所定のマップを参照して、基本的な回転数指令を算出する。ステップ３２では、ステップ１６ないしステップ２３で第１の故障モード（インペラ欠損）と判定した状態が所定時間継続したか否かを判定する。ＹＥＳであればステップ３３へ進み、ＮＯであればステップ４０へ分岐する。

ステップ３３では、対応する冷却ファン６の「実回転数−回転数指令」の差分に基づき、故障レベルを決定する。例えば、図８に示すように、差分の大きさに応じて、３段階に故障レベルを判定する。そして、ステップ３４では、図９に示すように、故障レベルに応じて風量補正量を決定する。つまり、「実回転数−回転数指令」の差分が大きいほどインペラ６ａが大きく欠損しているものとみなして、風量補正量を大きく与える。

ステップ３５では、このようにインペラ６ａが欠損している状態での「実回転数−回転数指令」の差分から定常偏差補正量を決定する。これは、インペラ６ａの欠損に伴って生じるフィードバック制御上の定常偏差を相殺するためのものであり、例えば適宜な期間内の差分の平均値が定常偏差補正量として用いられる。

次に、ステップ３６では、ステップ１８ないしステップ２１で第２の故障モード（寿命）と判定した状態が所定時間継続したか否かを判定する。ＮＯであればステップ３８へ進む。なお、同じ冷却ファン６が同時に第１の故障モードと第２の故障モードとにあると判定されることはない。ここで仮にＹＥＳであればステップ３７へ進み、風量補正量ならびに定常偏差補正量をクリアする。

ステップ３８では、ステップ３１の基本的な回転数指令に風量補正量を加えて、補正後の回転数指令（フローチャート中では「回転数指令１」と記す）を求める。ステップ３９では、所定の上限値および下限値を越えないように回転数指令を制限する。

一方、ステップ４０では、インペラ欠損に関する故障レベルを０とし、かつ風量補正量をクリアする。

ステップ４１では、ステップ１８ないしステップ２１で第２の故障モード（寿命）と判定した状態が所定時間継続したか否かを判定する。ＹＥＳであればステップ４２へ進み、「回転数指令−実回転数」の差分から定常偏差補正量を決定する。これは、電動モータ６ｂの寿命の到来による回転数低下に伴って生じるフィードバック制御上の定常偏差を相殺するためのものであり、例えば適宜な期間内の差分の平均値が定常偏差補正量として用いられる。

ステップ４１でＮＯであればステップ４３へ進み、風量補正量ならびに定常偏差補正量をクリアする。つまり、図３，図４の故障モード判定により第１の故障モードないし第２の故障モードと判定されても、所定時間よりも短い短時間であれば、故障ではないものとして処理される。

図６のフローチャートは、ステップ４のＰＩ制御の詳細を示す。ステップ５１では、ステップ３８で求めた風量補正後の回転数指令（回転数指令１）と実回転数との偏差に基づき、一般的なＰＩ制御に従って、Ｐ項およびＩ項の制御値を算出する。ステップ５２では、所定の上限値および下限値を越えないように、Ｐ項およびＩ項の制御値をそれぞれ制限する。

図７のフローチャートは、ステップ５の最終的な指令出力の計算の詳細を示している。ステップ６１では、ステップ３８で求めた風量補正後の回転数指令（回転数指令１）にさらにステップ３５ないしステップ４２の定常偏差補正量を加えて、定常偏差補正後の回転数指令（フローチャート中では「回転数指令２」と記す）を求める。ステップ６２では、ステップ５２で求めたＰＩ制御値をステップ６１の回転数指令（回転数指令２）に加えて、最終的な回転数指令を求める。ステップ６３では、最終的な回転数指令が所定の上限値および下限値を越えないように制限する。ステップ６４では、この最終的な回転数指令を、ＰＷＭインバータ制御のデューティ値に置き換え、かつステップ６５で、このデューティ値を、対応するモータ駆動回路８に出力する。

次に、上記実施例の作用について説明する。

図１０は、上記実施例の制御によるインペラ欠損に対する、回転数指令（ｒｐｍ）、回転数フィードバック量（ｒｐｍ）および実回転数（ｒｐｍ）、の変化を示すタイムチャートである。時間ｔ１においてインペラ欠損が生じると、電動モータ６ｂの負荷の軽減により実回転数が上昇しようとし、フィードバック制御によって回転数指令が低下する。これにより、時間ｔ２において、インペラ欠損と確定的に判定されると、故障レベルに応じて風量補正が加えられるため、実回転数が高く保たれる。つまり、目標とする回転数（ターゲット回転数）が高く与えられ、これに沿って実回転数が得られる。これにより、インペラ欠損による風量減少が補われる。また、インペラ欠損に伴うフィードバック制御の定常偏差を相殺するようにフィードフォワード項として定常偏差補正量が与えられるため、回転数フィードバック量が小さく保たれ、過渡時の制御性が良好に得られる。時間ｔ２以降の回転数指令は、定常偏差の補正ならびに故障レベルに応じた風量補正が反映したものとなっている。

図１１は、一般的なフィードバック制御による場合の比較例を示しており、この場合は、時間ｔ１においてインペラ欠損が生じると、実回転数を目標回転数に維持するように単純にフィードバック制御が行われる。従って、インペラ欠損に伴い、風量が低下してしまう。また、インペラ欠損により実回転数が上昇しようとする結果、回転数フィードバック量に定常偏差が生じ、過渡時の制御性が悪化する。

図１２は、上記実施例の制御によるモータ寿命（第２の故障モード）に対する回転数指令等の変化を示すタイムチャートである。時間ｔ１においてモータ寿命による回転数低下が生じると、フィードバック制御によって回転数指令が上昇する。これにより、時間ｔ２において、モータ寿命到来と確定的に判定されると、モータ寿命に伴うフィードバック制御の定常偏差を相殺するように定常偏差補正量が与えられる。つまりフィードフォワード項として定常偏差補正量が加えられる。従って、回転数フィードバック量が小さく保たれ、過渡時の制御性が良好に得られる。時間ｔ２以降の回転数指令は、定常偏差の補正が反映したものとなっている。

図１３は、一般的なフィードバック制御による場合の比較例を示しており、この場合は、時間ｔ１においてモータ寿命による回転数低下が生じると、実回転数を目標回転数に維持するように単純にフィードバック制御が行われる。従って、回転数フィードバック量に定常偏差が生じ、過渡時の制御性が悪化する。

１…電池パック
２…ケース
３…隔壁
５…電池モジュール
６…冷却ファン
７…温度センサ
８…モータ駆動回路
１０…コントロールユニット

Claims (4)

1. 少なくとも２つの冷却ファンを備えた電池パックの冷却ファン制御装置であって、
   第１の冷却ファンおよび第２の冷却ファンの各々の回転数指令を、各々の実回転数の検出に基づくフィードバック制御により求めるフィードバック制御手段と、
   第１の冷却ファンの回転数指令と第２の冷却ファンの回転数指令との乖離が所定の閾値よりも大きく、かつ回転数指令が相対的に低い方の冷却ファンの実回転数が当該冷却ファンの回転数指令よりも所定量高いときに、当該冷却ファンのインペラの欠損が生じたと判定するインペラ故障検出手段と、
   インペラ欠損と判定した冷却ファンの回転数を高く補正する補正手段と、
   を備えてなる電池パックの冷却ファン制御装置。
2. インペラ欠損と判定した冷却ファンの実回転数と回転数指令との差分の大小に応じて故障レベルを決定し、この故障レベルに応じた回転数補正量を付加するようにした請求項１に記載の電池パックの冷却ファン制御装置。
3. インペラ欠損と判定したときに、上記フィードバック制御手段における定常偏差を縮小するように当該冷却ファンの回転数指令の補正を行う、請求項１または２に記載の電池パックの冷却ファン制御装置。
4. 第１の冷却ファンの回転数指令と第２の冷却ファンの回転数指令との乖離が所定の閾値よりも大きく、かつ回転数指令が相対的に高い方の冷却ファンの実回転数が当該冷却ファンの回転数指令よりも所定量低いときに、当該冷却ファンの寿命が到来したと判定するファン寿命検出手段、をさらに備えてなる請求項１〜３のいずれかに記載の電池パックの冷却ファン制御装置。

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