JP5168853B2

JP5168853B2 - 電源システム

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Publication number: JP5168853B2
Application number: JP2006226805A
Authority: JP
Inventors: 修新村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2026-08-23
Also published as: JP2008052997A

Description

本発明は、電源システムに係り、特に電源と、電源よりも単位時間温度変化率の大きい電気部品とについて暖冷機を行う電源システムに関する。

車両に搭載される電源としては、燃料電池のほか、高電圧バッテリ、１２Ｖバッテリ等が用いられる。例えば高電圧バッテリは、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池のように充電が可能な２次電池が用いられる。そして車両用電源として必要な電圧と電流容量を確保するため、これらの単電池を組み合わせて組電池、あるいは電池パックの形態で用いられる。

これらの電源は、使用によって発熱する。例えば、燃料電池は電気化学反応で発熱し、２次電池は、充放電によって発熱する。そこで、電源の温度が上がり過ぎないように、冷却ファン等を用いて電源の冷却が行われる。また、一般的に、低温になると電池の内部抵抗値が高くなるのでその出力が低下する。そこで低温時には電源の出力制限を行い、あるいは他の電気部品または電気機器の排熱またはヒータの発熱等を用いて電源の暖機が行われる。

例えば、特許文献１には、整流器、インバータ、スイッチ類、電源設備の電気制御装置等の電気機器からなる附帯設備を第１の筐体に収設し、蓄電池を第２の筐体に収設し、これら２つの筐体の間に風量調節手段を介して気体を導く第１及び第２の連通路を設けることが開示されている。ここでは、第１の筐体内に導かれた冷却風で電気機器を冷却し、暖められた暖気を第２の筐体内に導き、外気温が高すぎるときはダンパを用いて流入を制限し、外気温が低いときは第２の筐体側から第１の筐体側に気体を再度導いて気体の温度を上昇させ、蓄電池温度を所定温度に保持することが述べられている。

また、特許文献２には、部品収納ケースに、複数個の二次電池セルを直列接続して構成されるバッテリと、電装品と、電子制御ユニットとを配置し、部品収納ケースに冷却ファンの吸気口と排気口とを設け、バッテリの冷却空気流で電装品及び電子制御ユニットとを強制的に冷却することが開示されている。

また、特許文献３には、電気自動車に搭載されるバッテリと電気部品を外気によって冷却する際に、電気部品収納室に冷却フィンを設け、冷却風に含まれる塵や水分の影響を電気部品に直接及ばないようにする構成が開示されている（シリーズ式冷却）。

また、特許文献４には、電池を暖めるヒータとファンの作動を無駄なくするために、電池の表面の温度と内部の温度との差である内外温度差とファン出力の関係を予め求め、電池の表面温度を検出して、上記関係に基づいてファン制御を行うことが開示されている。

特開２００１−２５１７６号公報特開２００２−８４６０４号公報特開平１１−１８０１６９号公報特開平１０−１２２８７号公報

従来技術の中で、特許文献２，３はバッテリと電気部品の同時冷却を開示し、特許文献４は電池のヒータによる暖機を開示するが、バッテリが高温のときこれを冷却し、バッテリが低温のときこれを暖機することができない。特許文献１には電気機器の冷却風を利用して蓄電池を所定温度に保持することが開示されているが、例えば蓄電池が高温のときにこれを冷却することができない。

本発明の目的は、電源が高温のとき電気部品と共にこれらを冷却し、電源が低温のときに電気部品の発熱を利用しバッテリを暖機する電源システムを提供することである。

本発明に係る電源システムは、電源と、電源よりも単位時間温度変化率の大きい電気部品と、空気を取り込む取込口から、空気を排出する排出口までを結ぶ流路であって、流れる空気と熱交換するように電源と電気部品とが配置される複数の流路と、複数の流路の接続の仕方を変更することで電源と電気部品との間の空気の流れ方を変更して流路を設定する流路設定手段と、流路設定手段により設定された流路に空気を流すためのファンと、電源の温度又は電圧に基づいて、流路設定手段の流路変更と、ファンの作動とを制御し、電源と電気部品との間の空気の流れ方の複数のモードのうち１つを選択する制御手段と、を備え、複数のモードは、外部より空気を取り込み、電気部品と電源とを共に冷却して外部に戻す冷却モードと、外部との間の空気の出入りを遮断し、電気部品と電源との間で空気を循環させて電源を暖機する循環暖気モードであり、複数の流路は、外部から空気を取り込む吸気流路と、外部へ空気を戻す排気流路と、吸気流路と排気流路との間に配置され電源に空気を流す第１流路と、第１流路に並列に配置され電気部品に空気を流す第２流路とを含み、ファンは、吸気流路に配置される第１ファンと、第２流路に配置される第２ファンとを含み、流路設定手段は、吸気流路と第１流路と第２流路との接続箇所に設けられた吸気側流路切換弁と、第１流路と第２流路と排気流路との接続箇所に設けられた排気側流路切換弁とを含み、並列冷却モードを選択するときは、吸気側流路切換弁によって吸気流路に対し第１流路と第２流路とを並列接続し、排気側流路切換弁によって排気流路に対し第１流路と第２流路とを並列接続し、暖機モードを選択するときは、吸気側流路切換弁によって吸気流路を遮断して第１流路と第２流路とを接続し、排気側流路切換弁によって排気流路を遮断して第１流路と第２流路とを接続し、第１流路と第２流路とが循環流路となることを特徴とする。

また、本発明に係る電源システムにおいて、電源は、車両用高電圧バッテリであり、電源よりも単位時間温度変化率の大きい電気部品は、車両用低電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータであることが好ましい。

また、上記構成の少なくとも１つにより、電源システムは、電源と、電源よりも単位時間温度変化率の大きい電気部品との間の空気の流れ方を、電源の温度又は電圧に基づいて、変更する。ここで、空気の流れ方は、外部より空気を取り込み、電気部品と電源とを共に冷却して外部に戻す冷却モードと、外部との間の空気の出入りを遮断し、電気部品と電源との間で空気を循環させて電源を暖機する循環暖気モードのいずれかを選択できる。

これにより、電源が高温のときには冷却モードを選択して電気部品と共にこれらを冷却し、電源が低温のときには循環暖機モードを選択して電気部品の発熱を利用し電源を暖機することができる。

また、冷却モードは、電源に空気を流す第１流路と、第１流路に並列に配置され電気部品に空気を流す第２流路とを含む構成をとる。そして、冷却モードを選択するときは、第１流路と第２流路とを並列接続し、暖機モードを選択するときは、第１流路と第２流路とが循環流路となるようにする。これにより、電気部品と電源とを独立に冷却でき、また、電気部品の発熱による排熱を利用して電源を暖機できる。

また、電源システムは、電源として車両用高圧バッテリとし、電源よりも単位時間温度変化率の大きい電気部品として、車両用低電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。車両用低電圧電源である１２Ｖバッテリは、車両においてほぼ常時使用していることから、これに供給する車両用低電圧を作り出すＤＣ／ＤＣコンバータもほぼ常時稼動している。したがって、例えば車両用高電圧バッテリが低温であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータの温度は比較的高い。そこで、このＤＣ／ＤＣコンバータの発熱による排熱を利用することで、車両用高電圧バッテリに対し効果的な暖機を行うことができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、電源として、車両用高電圧バッテリを説明するが、それ以外の車両用電源で低温時暖機が必要なもの、例えば燃料電池、補機用蓄電池等であってもよい。また、車両用以外の電源で、低温時暖機が必要な電源であってもよい。以下では、車両用高電圧バッテリパックとしてリチウムイオン単電池を複数組み合わせたリチウムイオン組電池パックを説明するが、これは、リチウムイオン電池の低温出力特性が比較的低くて、電池の低温時に暖機が必要な説明例として好適なためであって、それ以外の充電可能な２次電池の組電池であってもよい。例えば水素イオン電池であってもよい。

また、以下では、高電圧バッテリパックを暖機するためにＤＣ／ＤＣコンバータの発熱による排熱を利用するものとして説明するが、これは好ましい一例であって、電源としての車両用高電圧バッテリよりも単位時間温度変化率の大きい電気部品あるいは電気機器であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ以外の電源周辺機器であってもよい。例えば、インバータ、電気制御ユニット（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ：ＥＣＵ）、システムメインリレーのプリチャージ用制限抵抗素子等を用いるものとしてもよい。

以下では、最初に、冷却時には電気部品としてのＤＣ／ＤＣコンバータと電源としての車両用高電圧バッテリとを独立に並列的に冷却し、暖機時には、循環流路でＤＣ／ＤＣコンバータの排熱を利用して車両用高電圧バッテリを暖機する方式、いわば並列冷却−循環暖機方式の電源システムを説明する。そして次に、冷却時には電気部品としてのＤＣ／ＤＣコンバータと電源としての車両用高電圧バッテリとを同じ空気で直列的に冷却し、暖機時には、循環流路でＤＣ／ＤＣコンバータの排熱を利用して車両用高電圧バッテリを暖機する方式、いわば直列冷却−循環暖機方式の電源システムを説明する。その後に、電気部品としてのＤＣ／ＤＣコンバータと電源としての車両用高電圧バッテリとを流路中に直列に配置し、双方向ファンを用いて、流路を流れる空気の方向を切り換えて、同じ空気でＤＣ／ＤＣコンバータと車両用高電圧バッテリとを直列的に冷却し、あるいは、ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱を利用して車両用高電圧バッテリを暖機する電源システムを説明する。

図１は、並列冷却−循環暖機方式の電源システム１０の構成を示す図である。この電源システム１０は、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２とに対し必要な冷却を行い、また、必要なときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の排熱を利用して高電圧バッテリパック３０を暖機する機能を有する。

図１において、電源システム１０の構成は、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２とが配置され、冷却風あるいは暖機風が流される流路部分と、暖冷機を制御する制御部４０とに大別することができる。

ここで、高電圧バッテリパック３０は、車両に搭載される高電圧バッテリパックで、具体的には、リチウムイオン単電池を複数組み合わせ、１つの容器に収納したものである。リチウムイオン電池は、充放電によって発熱するが、その温度上昇のために放電特性等の電池特性が低下する。そこで、高電圧バッテリパックの温度が上がり過ぎないように、冷却が必要となる。一方で、リチウムイオン電池は化学反応を用いているため、低温になると内部抵抗値が高くなり、出力が低下する。そこで高電圧バッテリパックの暖機が必要となる。暖機及び冷機の必要性を判断するために、高電圧バッテリパック３０には、必要な個数の温度センサと必要な個数の電圧センサがそれぞれ配置される。温度センサが検出する温度Ｔのデータと、電圧センサが検出する電圧Ｖのデータは、制御部４０に伝送される。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、高電圧バッテリパック３０の電力から１２Ｖの電圧を作り出すため等に用いられる電気部品である電源周辺機器である。１２Ｖ電源は車両においてほぼ常時使用していることから、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２もほぼ常時稼動している。そこで、例えば高電圧バッテリパック３０が稼動していなくて低温である場合でも、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の温度は比較的高い。そこで、このＤＣ／ＤＣコンバータ３２の排熱が、高電圧バッテリパック３０の暖機が必要なときに利用される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２には適当な温度センサが設けられ、それによって検出されたＤＣ／ＤＣコンバータ３２の温度Ｔのデータは、制御部４０に伝送される。

流路部分は、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２との間で空気を流すための複数の流路１２，１４，１６，１８と、複数の流路の接続の仕方を変更することで高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２との間の空気の流れ方を変更して流路を設定する流路設定手段としての２つの切換弁２０，２２と、流路設定手段により設定された流路に空気を流すための２つのファン２４，２６とを含む。

ここで、複数の流路は、外部から空気を供給する吸気流路１２と、外部へ空気を戻す排気流路１８と、吸気流路１２と排気流路１８との間に配置され高電圧バッテリパック３０に空気を流す第１流路１４と、第１流路１４に並列に配置されＤＣ／ＤＣコンバータ３２に空気を流す第２流路１６である。これらの流路は、適当な配管で構成することができる。

流路設定手段としては、吸気流路１２と第１流路１４と第２流路１６との接続箇所より上流側に設けられた吸気側流路切換弁２０と、第１流路１４と第２流路１６と排気流路１８との接続箇所より下流側に設けられた排気側流路切換弁２２とが設けられる。

これらの切換弁は、制御部４０の指示に従って開閉が制御される。例えば、吸気側流路切換弁２０は、２つの切換状態をとることができ、１つの切換状態は、弁を開くことで、吸気流路１２が第１流路１４にも第２流路１６にも接続される。もう１つの切換状態は、弁を閉じることで、吸気流路１２が第１流路１４からも第２流路１６からも遮断される。同様に、排気側流路切換弁２２は、２つの切換状態をとることができ、１つの切換状態は、弁を開くことで、排気流路１８が第１流路１４にも第２流路１６にも接続される。もう１つの切換状態は、弁を閉じることで、排気流路１８が第１流路１４からも第２流路１６からも遮断される。

流路に空気を流すための２つのファンは、吸気流路１２と吸気側流路切換弁２０との間に配置される第１ファン２４と、第２流路１６に配置される第２ファン２６である。これらのファンは、制御部４０の指示に従って駆動が行われる。

制御部４０は、高電圧バッテリパック３０の温度Ｔ又は電圧Ｖに基づいて、及び必要があればＤＣ／ＤＣコンバータ３２の温度Ｔに基づいて、吸気側流路切換弁２０と、排気側流路切換弁２２の切換状態を変更し、ファンの作動を制御し、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２との間の空気の流れ方を設定制御する機能を有する。制御部４０は、制御回路又はコンピュータで構成でき、その機能を車両に搭載される他の制御装置の機能と統合することもできる。例えば車両のハイブリッドＣＰＵの機能に制御部４０の機能を含ませるものとすることができる。また、ＥＣＵの機能の一部に含ませてもよい。

空気の流れ方としては、並列冷却モードと循環暖機モードの２つのモードがあり、制御部４０は、これら２つのモードのうち１つを選択することと、状況に応じてこれら２つのモードの間で切換を行うことができる。すなわち、制御部４０は、並列冷却モード４４と循環暖機モード４６のうち１つのモードを選択して流路を設定するモード選択モジュール４２と、これら２つのモードの間で切換を行うモード切換モジュール４８とを含む。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する電源暖冷機制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。

図２は、並列冷却モード４４を設定するときの様子を示す図である。このときには、吸気側流路切換弁２０を開き、吸気流路１２に対し第１流路１４と第２流路１６とを並列接続し、同時に排気側流路切換弁２２も開き、排気流路１８に対し第１流路１４と第２流路１６とを並列接続する。そして、第１ファン２４を外部から吸気流路１２に空気を吸い込み、排気流路１８から外部に空気を排出する向きに回転駆動させ、第２ファン２６をＤＣ／ＤＣコンバータ３２に空気を送り込む向きに回転駆動させる。これによって、外部より空気を供給し、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２とを共に冷却して外部に戻すことができる。

図３は循環暖機モード４６を設定するときの様子を示す図である。このときには、吸気側流路切換弁２０を閉じて、第１流路１４と第２流路１６とを接続したままで吸気流路１２を遮断し、同時に、排気側流路切換弁２２も閉じて、第１流路と第２流路とを接続したままで排気流路１８を遮断する。そして、第１ファン２４の作動を停止させ、第２ファン２６をＤＣ／ＤＣコンバータ３２に空気を送り込む向きに回転駆動させる。これによって、第１流路１４と第２流路１６とが循環流路となり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の排熱を利用して高電圧バッテリパック３０を暖機できる。

高電圧バッテリパック３０が低温であるために循環暖機モード４６が設定される場合、このモード設定の初期においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の熱容量に比較して高電圧バッテリパック３０の熱容量の方が大きいので、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は冷たい高電圧バッテリパック３０によって冷却される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の冷却と高電圧バッテリパック３０の暖機の双方を実現できる。その後高電圧バッテリパック３０の温度が上昇してくると、循環空気の温度も上昇してＤＣ／ＤＣコンバータ３２の冷却が不十分になることがある。したがって、高電圧バッテリパック３０の温度と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の温度とを監視し、適当なタイミングで、並列冷却モードに切り換えることが好ましい。

図４は、制御部４０により実行される暖冷機制御の手順を示すフローチャートである。この各手順は、対応する電源暖冷機制御プログラムにおける処理手順に相当する。なお、以下の説明においては、図１で説明した符号を用いる。

車両用高電圧バッテリパックの暖冷機制御が最も用いられる機会が多いのは、寒冷地に車両が長時間置かれて、車両も、車室内も、高電圧バッテリパックも冷たくなっており、その状態から車両を始動させる場合である。したがって、ここでは、車両の始動時、すなわちスタート時（Ｓ１０）から説明を始める。そして、電池温度Ｔが予め定めておいた所定温度Ｔ₀未満か否か、または電池電圧Ｖが予め定めたおいた所定電圧Ｖ₀未満か否かが判断される（Ｓ１２）。

電池温度Ｔは、高電圧バッテリパック３０において適当な位置に配置された温度センサの検出データである。Ｓ１２において判断される電池温度は、高電圧バッテリパック３０の代表的温度であってもよく、また、高電圧バッテリパック３０の端部のように最も低温になりやすい位置の温度でもよい。もちろん、複数の位置の温度データに基づいて判断してもよい。同様に、電池電圧Ｖも、高電圧バッテリパック３０において適当な位置に配置された温度センサの検出データであり、Ｓ１２における電池電圧Ｖに関する判断も、代表電圧、端部電圧、複数の位置の電圧に基づいて行うことができる。

Ｓ１２において、判断が否定的な場合にはＳ１８に移行し、並列冷却モードが選択されるが、高電圧バッテリパック３０が低温下に置かれていると判断され、あるいは何らかの原因で高電圧バッテリパック３０の電池特性が低下して出力電圧が低いと判断されると、循環暖機モード４６にモード選択が行われる（Ｓ１４）。この機能は、制御部４０のモード選択モジュール４２によって実行される。その内容は、図３で説明したように、吸気側流路切換弁２０と排気側流路切換弁２２を閉じ、第１ファン２４の作動を停止させ、第２ファン２６は回転駆動させることである。

次に、電池温度Ｔが予め定めておいた所定温度Ｔ₀以上か否か、及び電池電圧Ｖが予め定めたおいた所定電圧Ｖ₀以上か否かが判断される（Ｓ１６）。ここで、電池温度Ｔが所定温度Ｔ₀以上でなく、あるいは電池電圧Ｖが所定電圧Ｖ₀以上でなければ、Ｓ１４に戻り、循環暖機モード４６が継続される。電池温度Ｔが所定温度Ｔ₀以上であり、かつ電池電圧Ｖが所定電圧Ｖ₀以上であれば、並列冷却モード４４に切換が行われる（Ｓ１８）。すなわち、電池温度Ｔ及び電池電圧Ｖに応じて、空気の流れ方のモードの切換が行われる。この機能は、制御部４０のモード切換モジュール４８によって実行される。

なお、図３に関連して説明したように、高電圧バッテリパック３０の温度と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の温度とを監視し、適当なタイミングで、並列冷却モード４４に切り換えることが好ましい。例えば、高電圧バッテリパック３０の温度と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の温度との温度差について、予め定めておいた所定の温度差ΔＴと比較し、温度差がΔＴ以下の場合に、並列冷却モード４４に切り換えるものとすることができる。この条件をＳ１８に加えるものとすることができる。

Ｓ１８において並列冷却モードに選択または切換が行われると、その後はＳ１６における判断が行われ、上記のように、高電圧バッテリパック３０の温度Ｔ、電圧Ｖ等に応じて、循環暖機モード４６と並列冷却モード４４との間の切換が行われる。

なお、上記においては、吸気側流路切換弁２０と排気側流路切換弁２２は、開か閉かのいずれかの状態に設定されるものとして説明した。すなわち、並列冷却モードを設定するときは吸気側流路切換弁２０と排気側流路切換弁２２とが開かれ、循環暖機モードを設定するときは吸気側流路切換弁２０も排気側流路切換弁２２も完全に閉じられるものとしたが、場合によっては、これらの弁を全開と全閉との間の中間状態をとることができるものとし、適当な量の外部の空気が供給されるものとしてもよい。

図５は、参考実施例として、直列冷却−循環暖機方式の電源システム６０の構成を示す図である。なお、以下では図１において説明した要素と同様の要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。この電源システム６０も、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２とに対し必要な冷却を行い、また、必要なときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の排熱を利用して高電圧バッテリパック３０を暖機する機能を有する。

図５における流路部分は、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２との間で空気を流すための複数の流路１２，６２，６４，１８と、流路設定手段としての２つの切換弁６６，６８と、流路設定手段により設定された流路に空気を流すためのファン７０とを含む。

ここで、複数の流路は、外部から空気を供給する吸気流路１２と、外部へ空気を戻す排気流路１８と、吸気流路１２と排気流路１８との間に配置され高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２について直列的に同じ空気を流す直列流路６２と、直列流路６２に並列に配置される並列流路６４である。これらの流路は、適当な配管で構成することができる。

流路設定手段としては、吸気流路１２と直列流路６２と並列流路６４との接続箇所に設けられた吸気側流路切換弁６６と、直列流路６２と並列流路６４と排気流路１８との接続箇所に設けられた排気側流路切換弁６８とが設けられる。

これらの切換弁は、制御部８０の指示に従って開閉が制御される。例えば、吸気側流路切換弁６６は、２つの切換状態をとることができ、１つの切換状態は、弁を吸気流路１２と直列流路６２とに対し平行方向に回転することで、吸気流路１２が直列流路６２にのみ接続され、並列流路６４が分離される。もう１つの切換状態は、弁を吸気流路１２に垂直とし直列流路６２と並列流路６４とを接続するように回転することで、吸気流路１２が直列流路６２からも並列流路６４からも遮断される。同様に、排気側流路切換弁６８は、２つの切換状態をとることができ、１つの切換状態は、弁を直列流路６２と排気流路１８とに対し平行方向に回転することで、排気流路１８が直列流路６２にのみ接続され、並列流路６４が分離される。もう１つの切換状態は、弁を排気流路１８に垂直とし直列流路６２と並列流路６４とを接続するように回転することで、排気流路１８が直列流路６２からも並列流路６４からも遮断される。

流路に空気を流すためのファン７０は、直列流路６２の中に配置される。ファン７０は、制御部８０の指示に従って駆動が行われる。

制御部８０は、高電圧バッテリパック３０の温度Ｔ又は電圧Ｖに基づいて、及び必要があればＤＣ／ＤＣコンバータ３２の温度Ｔに基づいて、吸気側流路切換弁６６と、排気側流路切換弁６８の切換状態を変更し、ファンの作動を制御し、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２との間の空気の流れ方を設定制御する機能を有する。

空気の流れ方としては、直列冷却モードと循環暖機モードの２つのモードがあり、制御部８０は、これら２つのモードのうち１つを選択することと、状況に応じてこれら２つのモードの間で切換を行うことができる。すなわち、制御部８０は、直列冷却モード８４と循環暖機モード８６のうち１つのモードを選択して流路を設定するモード選択モジュール８２と、これら２つのモードの間で切換を行うモード切換モジュール８８とを含む。

図６は、直列冷却モード８４を設定するときの様子を示す図である。このときには、吸気側流路切換弁６６を吸気流路１２と直列流路６２とに対し平行方向に回転して、吸気流路１２を直列流路６２にのみ接続し、同時に排気側流路切換弁６８も直列流路６２と排気流路１８とに対し平行方向に回転することで、排気流路１８を直列流路６２にのみ接続し、並列流路６４をこれらと分離する。そして、ファン７０を外部から吸気流路１２に空気を吸い込み、排気流路１８から外部に空気を排出する向きに回転駆動させる。これによって、外部より空気を供給し、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２とを同じ空気で直列的に冷却して外部に戻すことができる。

図７は循環暖機モード８６を設定するときの様子を示す図である。このときには、吸気側流路切換弁６６を吸気流路１２に垂直とし直列流路６２と並列流路６４とを接続するように回転し、同時に、排気側流路切換弁６８も排気流路１８に垂直とし直列流路６２と並列流路６４とを接続するように回転し、吸気流路１２と排気流路１８を直列流路６２からも並列流路６４からも遮断する。そして、ファン７０を高電圧バッテリパック３０からＤＣ／ＤＣコンバータ３２の方向に空気を送り込む向きに回転駆動させる。これによって、直列流路６２と並列流路６４とが循環流路となり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の排熱を利用して高電圧バッテリパック３０を暖機できる。

高電圧バッテリパック３０が低温であるために循環暖機モード８６が設定される場合、このモード設定の初期においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の熱容量に比較して高電圧バッテリパック３０の熱容量の方が大きいので、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は冷たい高電圧バッテリパック３０によって冷却される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の冷却と高電圧バッテリパック３０の暖機の双方を実現できる。その後高電圧バッテリパック３０の温度が上昇してくると、循環空気の温度も上昇してＤＣ／ＤＣコンバータ３２の冷却が不十分になることがある。したがって、高電圧バッテリパック３０の温度と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の温度とを監視し、適当なタイミングで、並列冷却モードに切り換えることが好ましい。

制御部８０により実行される暖冷機制御の手順は、図４において説明したものと同様に、直列冷却モードと循環暖機モードとの間の選択と、その間の切換を行うものであるので、詳細な説明を省略する。

また、上記においては、吸気側流路切換弁６６と排気側流路切換弁６８は、直列冷却モードの流路形成か、循環暖機モードの流路形成かのいずれかの状態に設定されるものとして説明した。すなわち、直列冷却モードを設定するときは並列流路６４が分離され、循環暖機モードを設定するときは吸気流路１２と排気流路１８とが完全に遮断されるものとしたが、場合によっては、これらの弁の状態を２つのモードの間の中間状態をとることができるものとし、循環流路を形成しながら適当な量の外部の空気が供給されるものとしてもよい。

図８は、他の参考実施例として、双方向ファンを用いた直列冷却−直列暖機方式の電源システム１００の構成を示す図である。なお、以下では図１において説明した要素と同様の要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。この電源システム１００も、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２とに対し必要な冷却を行い、また、必要なときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の排熱を利用して高電圧バッテリパック３０を暖機する機能を有する。

図８における流路は、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２とが直列に配置された流路１０２のみである。この流路１０２に直列に双方向ファン１０４が配置される。双方向ファン１０４は、回転方向が正方向でも逆方向でも可能な送風機である。双方向ファン１０４の回転方向の制御は、制御部１１０によって行われる。

例えば、図８において、双方向ファン１０４が正方向回転によって流路１０２の一方端の流路１０６から空気を取り込み、他方端の流路１０８から空気を排出するものとすると、逆方向回転では、他方端の流路１０８から空気を取り込み、一方端の流路１０６から空気を排出する。ここで、図８に示されるように、一方端の流路１０６の側に高電圧バッテリパック３０が配置され、他方端の流路１０８の側にＤＣ／ＤＣコンバータ３２が配置されているものとすると、双方向ファン１０４の正方向回転によって、高電圧バッテリパック３０からＤＣ／ＤＣコンバータ３２に向かう方向に空気が流れ、逆方向回転によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２から高電圧バッテリパック３０に向かう方向に空気が流れる。このように、双方向ファン１０４は、制御部１１０の制御の下で、流路１０２における空気の流れを変更する機能を有する。

図８において、これらの要素の直列配置の関係は、双方向ファン１０４−高電圧バッテリパック３０−ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の順として示されるが、これ以外の配置順序であっても構わない。例えば、高電圧バッテリパック３０−双方向ファン１０４−ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の順でもよく、高電圧バッテリパック３０−ＤＣ／ＤＣコンバータ３２−双方向ファン１０４の順でもよい。

制御部１１０は、高電圧バッテリパック３０の温度Ｔ又は電圧Ｖに基づいて、及び必要があればＤＣ／ＤＣコンバータ３２の温度Ｔに基づいて、双方向ファン１０４の作動を制御し、高電圧バッテリパック３０とＤＣ／ＤＣコンバータ３２との間の空気の流れ方を設定制御する機能を有する。

空気の流れ方としては、冷却モードと暖機モードの２つのモードがあり、制御部１１０は、これら２つのモードのうち１つを選択することと、状況に応じてこれら２つのモードの間で切換を行うことができる。すなわち、制御部１１０は、冷却モード１１４と暖機モード１１６のうち１つのモードを選択して流路を設定するモード選択モジュール１１２と、これら２つのモードの間で切換を行うモード切換モジュール１１８とを含む。

図９は、冷却モード１１４が設定されるときの様子を示す図である。このモードは、例えば、高電圧バッテリパック３０が高温であるときに選択される。このときには、流路１０２において、高電圧バッテリパック３０からＤＣ／ＤＣコンバータ３２の方向に空気が流れるように、双方向ファン１０４の回転方向が制御される。上記の例では、双方向ファン１０４を正方向回転とする。図９では、反時計方向の回転として示されている。これによって、一方端の流路１０６から外部の空気が取り込まれ、高電圧バッテリパック３０及びＤＣ／ＤＣコンバータ３２を冷却し、他方端の流路１０８から外部に空気が排出される。

図１０は、暖機モード１１６が設定されるときの様子を示す図である。このモードは、例えば、高電圧バッテリパック３０が低温であって、暖機が必要なときに選択される。このときには、流路１０２において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２から高電圧バッテリパック３０の方向に空気が流れるように、双方向ファン１０４の回転方向が制御される。上記の例では、双方向ファン１０４を逆方向回転とする。図１０では、時計方向の回転として示されている。これによって、他方の流路１０８から外部の空気が取り込まれ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の発熱によって暖められた空気が高電圧バッテリパック３０に供給されて、高電圧バッテリパック３０を暖機し、一方端の流路１０６から外部に空気が排出される。

制御部１１０により実行される暖冷機制御の手順は、図４において説明したものと同様に、冷却モードと暖機モードとの間の選択と、その間の切換を行うものであるので、詳細な説明を省略する。

本発明に係る実施の形態である並列冷却−循環暖機方式の電源システムの構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において並列冷却モードを設定するときの様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において循環暖機モードを設定するときの様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、制御部により実行される暖冷機制御の手順を示すフローチャートである。参考実施例として、直列冷却−循環暖機方式の電源システムの構成を示す図である。参考実施例において直列冷却モードを設定するときの様子を示す図である。参考実施例において循環暖機モードを設定するときの様子を示す図である。他の参考実施例として、直列冷却−直列暖機方式の電源システムの構成を示す図である。他の参考実施例における冷却モードの様子を示す図である。他の参考実施例における暖機モードの様子を示す図である。

１０，６０，１００電源システム、１２，１４，１６，１８，６２，６４，１０２，１０６，１０８流路、２０，２２，６６，６８切換弁、２４，２６，７０ファン、３０高電圧バッテリパック、３２ＤＣ／ＤＣコンバータ、４０，８０，１１０制御部、４２，８２，１１２モード選択モジュール、４４並列冷却モード、４６，８６循環暖機モード、４８，８８，１１８モード切換モジュール、８４直列冷却モード、１０４双方向ファン、１１４冷却モード、１１６暖機モード。

Claims

電源と、
電源よりも単位時間温度変化率の大きい電気部品と、
空気を取り込む取込口から、空気を排出する排出口までを結ぶ流路であって、流れる空気と熱交換するように電源と電気部品とが配置される複数の流路と、
複数の流路の接続の仕方を変更することで電源と電気部品との間の空気の流れ方を変更して流路を設定する流路設定手段と、
流路設定手段により設定された流路に空気を流すためのファンと、
電源の温度又は電圧に基づいて、流路設定手段の流路変更と、ファンの作動とを制御し、電源と電気部品との間の空気の流れ方の複数のモードのうち１つを選択する制御手段と、
を備え、
複数のモードは、
外部より空気を取り込み、電気部品と電源とを共に冷却して外部に戻す冷却モードと、外部との間の空気の出入りを遮断し、電気部品と電源との間で空気を循環させて電源を暖機する循環暖気モードであり、
複数の流路は、外部から空気を取り込む吸気流路と、外部へ空気を戻す排気流路と、吸気流路と排気流路との間に配置され電源に空気を流す第１流路と、第１流路に並列に配置され電気部品に空気を流す第２流路とを含み、
ファンは、吸気流路に配置される第１ファンと、第２流路に配置される第２ファンとを含み、
流路設定手段は、吸気流路と第１流路と第２流路との接続箇所に設けられた吸気側流路切換弁と、第１流路と第２流路と排気流路との接続箇所に設けられた排気側流路切換弁とを含み、
並列冷却モードを選択するときは、吸気側流路切換弁によって吸気流路に対し第１流路と第２流路とを並列接続し、排気側流路切換弁によって排気流路に対し第１流路と第２流路とを並列接続し、
暖機モードを選択するときは、吸気側流路切換弁によって吸気流路を遮断して第１流路と第２流路とを接続し、排気側流路切換弁によって排気流路を遮断して第１流路と第２流路とを接続し、第１流路と第２流路とが循環流路となることを特徴とする電源システム。
請求項１に記載の電源システムにおいて、
電源は、車両用高電圧バッテリであり、
電源よりも単位時間温度変化率の大きい電気部品は、車両用低電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする電源システム。