CN102939685B - 电池温度调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供电池温度调整装置。有效地对电池进行加温。在电池收纳体（12）收纳有电池（10）。凝结器（14）形成为热介质直接或间接地与电池收纳体（12）的表面接触，该凝结器（14）使热介质凝结而经由电池手按提（12）对电池（10）进行加热。将在凝结器（14）中凝结了的热介质朝对热介质进行加热而使热介质蒸发的蒸发器（16）供给。使利用蒸发器（16）蒸发了的气体的热介质朝上述凝结器（14）循环。

Description

电池温度调整装置

技术领域

本发明涉及利用热介质的凝结热对电池进行加热的电池的加温装置。

背景技术

在车辆等移动体搭载有电池，将该电池的能量利用于车辆的行驶等。此处，该电池的能量的输出效率等受到温度的影响。特别是在低温的情况下，电池内部的电解液的粘性、反应电阻上升，因此，存在无法获得足够的输出的情况，另一方面，在温度过高时，存在对电池的构成物质造成不良影响的情况。因此，电池的温度管理很重要。

在专利文献1中，设置有供在水冷发动机中循环的热介质循环的热交换器，利用该热交换器对电池进行暖机。并且，在专利文献2中，示出了借助利用发电机的输出驱动马达的电线中的发热（焦耳热）来对电池进行加温的技术。

专利文献1：日本特开2008－290636号公报

专利文献2：日本特开2008－230508号公报

专利文献3：日本特开2008－305575号公报

此处，由于低温时的电池的性能大幅变低，因此存在欲尽可能高速地进行电池的加温的要求。在利用电线中的发热的情况下，该能量相应地被白白浪费。并且，在现有的热交换器中，难以进行高速的加热。

并且，当温度过高时，存在对电池的构成物质造成不良影响的情况，专利文献3中公开了如下结构：在冷启动时，将利用凝结蒸发器得到的水蒸汽输送至吸附器，借助凝结热对吸附器供给热能，利用来自该吸附器的热使用热交换流体对电池组进行加热。

发明内容

本发明所涉及的电池温度调整装置包括：电池收纳体，该电池收纳体收纳电池；凝结器，该凝结器形成为热介质直接或间接地与电池收纳体的表面接触，该凝结器使热介质凝结，从而借助导热对上述电池收纳体进行加热；以及蒸发器，该蒸发器对在上述凝结器凝结了的热介质进行加热而使热介质蒸发，使利用蒸发器蒸发了的气体的热介质朝上述凝结器循环。

并且，本发明所涉及的电池温度调整装置的特征在于，上述电池温度调整装置包括：电池收纳体，该电池收纳体收纳电池；热交换器，该热交换器与电池收纳体连接，通过使热介质蒸发而经由电池收纳体借助导热对电池进行冷却；以及凝结器，该凝结器使在上述热交换器中蒸发了的热介质冷却凝结，使利用凝结器凝结了的液体的热介质在上述热交换器中蒸发。

并且，本发明所涉及的电池温度调整装置包括：电池收纳体，该电池收纳体收纳电池；热交换器，该热交换器与电池收纳体连接，通过使热介质蒸发或凝结而经由电池收纳体借助导热对电池进行冷却或者加热；吸附器，该吸附器吸附在上述热交换器中蒸发了的热介质；以及凝结器/蒸发器，对从吸附器放出的热介质的蒸汽进行冷却而使该蒸汽凝结，或者使在上述热交换器中凝结了的液体的热介质蒸发。

根据本发明，能够使用热介质的凝结热有效地对电池进行加温。并且，能够使用热介质的蒸发热有效地对电池进行冷却。

附图说明

图1是示出实施方式所涉及的电池温度调节装置的概要结构的图。

图2是示出电池收纳体的构成例的图。

图3是示出基于各种热介质的加温特性的图。

图4是示出各种热介质的显热损失的图。

图5是示出各种热介质的导热率的图。

图6是示出冷却加温系统的结构的图。

图7是对升温模式进行说明的图。

图8是对冷却模式进行说明的图。

图9是对吸附器再生模式进行说明的图。

图10是示出电池冷却的结构的图。

具体实施方式

图1是示出实施方式所涉及的电池温度调节装置的概要结构的图。电池10被收纳于电池收纳体12。在该电池收纳体12的收纳电池10的位置附近形成有热介质通路，该部分构成凝结器14。在该凝结器14连接有蒸发器16，热介质在二者之间循环。并且，热源18与蒸发器16热连接，来自热源18的热被利用于蒸发器16中的热介质的蒸发。

在热源18设置有温度计20，在蒸发器16设置有温度计22、压力计24，它们的检测结果被供给至控制装置28。进而，控制装置28对热源18进行控制，从而对热源18以及蒸发器16的温度以及压力进行管理。并且，在该例中，在将热介质从凝结器14送回蒸发器16的路径设置有阀30。

此处，电池10是二次电池，例如采用锂离子电池。锂离子电池特别是电解液的粘性高，低温时的内部电阻变高，低温时的电力的输入输出特性的劣化大。因此，在低温时需要快速地进行加热而使之具有足够的能力。另外，电池10由多个电池单元构成，例如是将多个数V程度的电池单元串联连接而得到数100V的输出的电池组。

电池收纳体12例如具有与电池单元的数量相应的量的用于一个一个地收纳电池单元的收纳孔。另外，各电池单元相互电连接，并且，在作为电池组的外部输出端子连接有电缆，且整体被绝缘。

图2中示出电池收纳体12的构成例。电池收纳体12整体为长方体，且贯通该电池收纳体12以恒定间隔设置有多个收纳孔。进而，电池单元10a插入于该收纳孔内。在该例中，电池单元10a被装入圆筒状的封装，该封装的周围与收纳孔接触。为了使热传导良好，优选以尽可能多的面积接触，在收纳孔内的与电池单元10a的周面之间封入环氧树脂等热传导性良好的材料的作法是合适的。

进而，在电池单元10a的周边设置有环状的空间14a，在此构成凝结器14。即，来自蒸发器16的热介质的蒸汽（在该例中为水蒸汽）被导入该空间14a，利用此时产生的凝结热经由电池收纳体12对电池单元10a进行加热，从而电池10被加热。电池收纳体12优选由热传导性良好的金属构成，但也可以由塑料构成。并且，如图2所示，优选除收纳孔以及空间14a以外的部分是实心的，但也可以使用板材而形成为空心的。另外，空间14a成为热介质的通路。

即，凝结器14和蒸发器16的内部包括连接凝结器14和蒸发器16的管路在内形成供热介质（在该例中为水、水蒸汽）循环的密闭空间，在蒸发器16中蒸发了的水蒸汽在凝结器14中由电池10冷却而成为液体（水），成为液体后的水朝蒸发器16循环。

在蒸发器16中，借助来自热源18的热使水蒸发。蒸发器能够采用通常的热交换器的构造，使来自热源的热作用于热介质流路的热介质，从而对该热介质进行加热而使该热介质蒸发。

热源18能够考虑各种热源，例如利用搭载于车辆的电动空调等。电动空调具有热泵，该热泵具有凝结器和蒸发器，利用压缩机对热介质进行加压并供给至凝结器，通过封闭该凝结器的排出侧而使该凝结器成为高压，能够使凝结器变得高温。因此，能够将该凝结器的热传递至蒸发器16。热源18并不限于此，能够利用车载的发动机、散热器等发热源，也可以设置专用的加热器。

进而，控制装置根据蒸发器16的内部的热介质的温度以及压力对来自热源18的热进行控制，从而对蒸发器16中的热介质的温度以及压力进行控制。例如使蒸发器16内部大致成为真空状态，形成为使得热介质蒸发时的热介质的沸点为55℃的压力，并对加热进行控制而使热介质的蒸汽的温度成为55℃。由此，在蒸发器16中热介质蒸发，且在凝结器14中在温度为55℃的状态下凝结，55℃的热介质返回蒸发器16，对来自热源18的热量进行控制。由此来进行通过使蒸汽在凝结器14中凝结而进行的对电池10的加热。另外，实际上，优选使朝凝结器14供给的蒸汽温度稍高于沸点，使循环的热介质的温度稍低于沸点，从而使循环稳定化。

在混合动力车辆中搭载有二次电池，利用该二次电池驱动电动发电机，并利用电动发电机的发电或再生电力对二次电池充电。并且，在电动汽车中，并非利用由电动发电机发电的电力、而是利用来自外部的电力对二次电池进行充电，但搭载于车辆的二次电池充放电的情况与混合动力车辆相同。作为搭载于这种车辆的电池10，例如采用锂离子二次电池。该锂离子二次电池的电解液的粘度在低温时高，低温时的内部电阻高。在本实施方式中，通过使用蒸汽进行加热，能够迅速地降低内部电阻，能够充分地利用电池容量进行低温下的马达驱动。并且，在电池温度低、内部电阻高的情况下，若欲将再生能量全部蓄积于电池10，则在电池10内部过电压变高，容易导致金属锂析出而电池功能劣化。因而，需要使电池10迅速地升温。

另一方面，据报道，对于锂离子二次电池，当变得高温时，会在电池内部产生不同于电池反应的其他的副反应，从而电池劣化。因而，在提高用于对电池进行加温的热交换器的温度从而进行电池的加温的情况下，需要用于进行监视等的单元，以免电池温度成为规定以上的温度。在本实施方式中，由于将蒸汽压力维持在规定值而在凝结器14中使蒸汽凝结从而进行加热，因此，凝结器14的温度被维持在热介质的凝结温度，能够防止凝结器14的温度成为凝结温度以上的温度。因而，能够可靠地防止电池10的温度成为规定以上的温度。

对作为热源18使用上述的电动空调的情况进行说明。作为电动空调的热源，使用输出特性好的铅蓄电池（2kW），利用升温模式驱动变频空调来生成热量。由此，就热量而言，理论上能够生成约7℃、14kW的热量。

图3中示出在使用这种热源18进行利用基于蒸汽、水、油、空气的对流传热进行的加热的情况下的加热（升温结果）的仿真结果。在该仿真中，假定存在空调的延迟。因而，无论使用哪种热介质的情况下均产生延迟。但是，结果是：本实施方式的真空蒸汽加热的温度上升最早、且升温也快。这是因为：与使水、油循环的情况相比较，在真空蒸汽加热的情况下，对热介质进行加热的热容量极小，并且热传递率大。在该仿真中，假定水不凝固。并且，空气的热传递率低，无法充分升温。

图4中示出使用各介质从－30℃加温到7℃的情况下的显热损失。如此可知：在热容量大的油、水等的情况下显热损失大、升温慢。与水相比，水蒸汽的显热损失约为1/9，空气也大致相同。另外，在该情况下，假定水为液体。

图5中示出使用各介质从－30℃加温到7℃的情况下的热传递率。如此，对于热传递率，水蒸汽很高而脱颖而出，约为水的15倍，空气的300倍。

根据上述结果，能够理解：通过使用水蒸汽作为介质，能够期待较少的显热损失且较高的导热能力。

在本实施方式中，例如将凝结器中的蒸汽温度（蒸发凝结温度）设定为7℃，在－30℃那样的极寒状况下，一分钟左右就能够升温到7℃。

此处，需要使在凝结器14中生成的液体返回蒸发器16。虽然在热介质的循环周期启动后液体的循环也顺畅地进行，但是，在启动时等需要强制性地使液体返回蒸发器16。因此，优选构成为：将凝结器14配置在高于蒸发器16的位置，在运转结束时使液体全部返回蒸发器16。另外，也可以利用泵等其他的单元使液体返回。

并且，作为热介质利用了水，但并不限于此，只要是能够很好地利用蒸发潜热的介质即可，也可以是其他介质。例如，优选是氨、甲醇、乙醇等蒸发潜热大的介质，能够具有较大的导热系数。并且，在使用氨或二氧化碳时，由于蒸汽密度高，因此难以在配管等产生损失，特别适用于配管长度大的情况。

“冷却/加热系统”

图6中示出将电池收纳体12中的空间并非仅用作凝结器，而是用作凝结/蒸发器50，并将蒸发器16用作蒸发/凝结器54的系统。另外，在热泵中，使蒸发器和凝结器分别以相反方式发挥功能是常用手段，在本实施方式中也如此。

凝结/蒸发器50具有与上述的凝结器14同样的结构，形成为收纳电池10的电池收纳体12内的供热介质流通的内部空间。在导入蒸汽而使蒸汽凝结成液体的情况下，凝结/蒸发器50作为凝结器发挥功能，在导入液体的热介质而使该热介质蒸发的情况下，凝结/蒸发器50作为蒸发器发挥功能。

在凝结/蒸发器50经由阀52连接有蒸发/凝结器54。该蒸发/凝结器54具有与上述的蒸发器16同样的结构，在被供给液体的热介质的情况下对该热介质进行加热而使其蒸发，作为蒸发器发挥功能，在被导入蒸汽的情况下使该蒸汽散热凝结，作为凝结器发挥功能。在该蒸发/凝结器54经由三通阀56连接有凝结/蒸发器50。因而，在蒸发/凝结器54中使热介质蒸发，将所得到的蒸汽导入凝结/蒸发器50，使蒸汽在此凝结而成为液体并朝蒸发/凝结器54循环，由此能够使电池10升温。

此处，在本实施方式中，经由三通阀56连接有吸附器58。在对电池进行冷却时，该吸附器吸附在凝结/蒸发器50中得到的蒸汽，然后将所吸附的蒸汽放出，例如在内部填充有硅胶等蒸汽吸附剂。

并且，在本实施方式中，具有用于对蒸发/凝结器54以及吸附器58进行加温或者冷却的单元。在发动机的排气系统的消声器的前方设置有排热回收器60，在此将排气的热回收至水等热介质而利用于车厢内的制热等，但在本例中将该水朝蓄热体62供给以蓄积热量。对于该蓄热体62，只要能够蓄积热量即可，可以是任意部件，在本例中使用化学蓄热体。例如使用钙，通过借助热使氢氧化钙Ca（OH）₂变化成CaO而以化学方式蓄积热量。进而，在必要的情况下供给水，使CaO变化成Ca（OH）₂而放出热量，由此对热介质（水）进行加热而得到高温的热介质（热水）。在蓄热体62中得到的热水经由四通阀64被朝蒸发/凝结器54或者吸附器58供给。进而，来自蒸发/凝结器54或者吸附器58的介质经由四通阀66朝排热回收器60循环。

并且，来自由用于进行发动机等的冷却的散热器构成的外部冷却器68的低温的制冷剂（冷却水）贮存于蓄热器70。对于蓄热器70，只要能够蓄积热量即可，能够使用任意的部件，在本例中仅贮存冷却水。来自蓄热器70的冷却水经由四通阀64被朝吸附器58或者蒸发/凝结器54供给。进而，来自吸附器58或者蒸发/凝结器54的介质经由四通阀66、泵72朝外部冷却器68循环。

这样，在本实施方式中，除热介质（水）的管线之外还具有以排热回收器60作为热源的热水管线、和以外部冷却器68作为冷却源的冷却水管线，能够对蒸发/凝结器54以及吸附器58进行加温或者冷却。

并且，蓄热器70经由阀74连接于蓄热体62，能够将蓄热器70的热朝蓄热体62散热。

另外，作为热水的热源，作为一例举出了排热回收器60和蓄热体62，但也可以从燃烧器、电能产生热。并且，吸附器58也可以替换成化学反应。

“升温模式”

在这种系统中，基于图7对使电池升温的升温模式进行说明。在该情况下，蒸发/凝结器54作为蒸发器发挥功能。因而，四通阀64将来自蓄热体62的热水朝蒸发/凝结器54供给。来自蒸发/凝结器54的热水经由四通阀66朝排热回收器60循环。

因而，在排热回收器60汇总回收的热被朝蒸发/凝结器54供给，在此处热介质蒸发。蒸发后的热介质经由三通阀56被朝凝结/蒸发器50供给，在此处成为水。进而，所得到的水朝蒸发/凝结器54循环。阀52打开。由此，朝蒸发/凝结器54供给的热作为凝结热经由电池收纳体12被朝电池供给，电池10被加热。进而，通过对蒸发/凝结器54的热介质温度、压力进行管理，能够尽快将电池温度设定成规定的温度。

“冷却模式”

图8中示出冷却模式。在冷却模式中，将蒸发/凝结器54用作凝结器，将在此处得到的液体的热介质（水）朝凝结/蒸发器50供给。阀52打开。在凝结/蒸发器50中使水蒸发而得到水蒸汽，水蒸汽经由三通阀56被导入吸附器58。吸附器58具有硅胶等，蒸汽被硅胶吸附。此时，电池收纳体12的表面被冷却至与吸附器58侧的压力对应的温度。并且，在吸附器58中产生与所吸附的蒸汽相应的量的热量，且该热量被朝冷却水排出。并且，当冷却水的温度高而无法充分地进行电池10的冷却时，优选将蓄热体62与蓄热器70之间的阀74打开，通过利用蓄热体62吸热而使蓄热器70成为散热模式，从而使冷却水的温度更低，降低吸附器58的压力。

另外，在外部冷却器68中被冷却后的冷却水经由四通阀64被朝吸附器58供给，并对吸附器58进行冷却。因而，在吸附器58中产生的热借助冷却水被除去。另外，也可以将冷却水朝蒸发/凝结器54供给而对该蒸发/凝结器54也进行冷却。

此处，在本实施方式中，在凝结/蒸发器50中产生的蒸汽由吸附器58吸附，不朝蒸发/凝结器54循环。因而，能够使凝结/蒸发器50中的蒸汽温度成为低于蒸发/凝结器54中的水的温度的温度，能够有效地进行电池的冷却。

“吸附器再生模式”

图9中示出吸附器再生模式。将来自蓄热体62的热水经由三通阀朝吸附器58供给。由此，吸附器58被加热，所吸附的热介质（水）成为水蒸汽而脱离。所得到的水蒸汽经由三通阀被导入蒸发/凝结器54。此时阀52关闭。来自蓄热器70的冷却水经由四通阀64被朝该蒸发/凝结器54供给，在此处热介质（水蒸汽）成为液体（水）。这样，在吸附器再生模式中，通过对蒸发/凝结器54进行冷却，热介质凝结，因此，在冷却模式中无需对蒸发/凝结器54进行冷却。

在对电池10进行冷却的情况下，在必要的时刻执行上述冷却模式，并在结束后执行吸附器再生模式。进而，根据需要反复执行两个模式，从而电池10按所需要的程度被冷却。

“电池的冷却”

图10中示出电池10的冷却的概要。在该图10中仅示出冷却，因此使凝结/蒸发器50成为蒸发器50，使蒸发/凝结器54成为凝结器54。

在凝结器54中得到的凝结水被朝蒸发器50供给。该蒸发器50在收纳电池10的电池收纳体12的内部构成热介质（水）被导入的空间。因而，通过凝结水在该蒸发器50蒸发，电池10被冷却，蒸发后的水蒸汽被导入吸附器58而被吸附。在暂时被吸附器58吸附之后，通过使来自热源（排热回收器）60的热作用于吸附器58，水蒸汽从吸附剂脱离，该水蒸汽被导入凝结器54并在此处凝结。吸附器58的温度/压力被朝控制装置28供给，控制装置28根据电池10的温度来判断是否需要进行冷却，且在需要进行冷却的情况下根据电池温度计算电池的冷却所需要的冷却热量。进而，对吸附器58进行冷却而使此处的压力下降。在规定的冷却结束之后，将吸附器58与蒸发器50连接，将来自热源（排热回收器）60的热朝吸附器供给。由此，从吸附器58放出水蒸汽，吸附器58再生。并且，来自吸附器58的水蒸汽被导入凝结器54，并被冷却而成为水。

这样，能够达成对电池10的期望的冷却。如果必要，可以反复进行上述的冷却和吸附器的再生。

这样，在本实施方式中，作为用于对电池进行冷却的热交换器具有蒸发器50，并且具有吸附式冷冻机，该吸附式冷冻机具有吸收或者吸附来自蒸发器50的热介质的吸附器58。由此，能够将蒸发器50冷却至与吸附器58中的压力相当的温度，能够将其温度设定成低于凝结器54中的温度的温度。

标号说明

10：电池；12：电池收纳体；14：凝结器；16：蒸发器；18：热源；20、22：温度计；24：压力计；28：控制装置；30：阀；50：凝结/蒸发器；54：蒸发/凝结器；56：三通阀；58：吸附器；60：排热回收器；62：蓄热体；64、66：四通阀；68：外部冷却器；70：蓄热器；72：泵；74：阀。

Claims (9)

1.一种电池温度调整装置，其中，

上述电池温度调整装置包括：

电池收纳体，该电池收纳体收纳电池；

凝结器，该凝结器形成为热介质直接或间接地与电池收纳体的表面接触，该凝结器使热介质凝结，从而借助导热对上述电池收纳体进行加热；

蒸发器，该蒸发器对在上述凝结器凝结了的热介质进行加热而使热介质蒸发；以及

控制装置，该控制装置对上述蒸发器的加热进行控制，进而控制上述蒸发器中的热介质的温度及压力，以使上述凝结器中的热介质的凝结温度成为电池的加热目标温度，

使利用蒸发器蒸发了的气态的热介质朝上述凝结器循环。

2.根据权利要求1所述的电池温度调整装置，其中，

上述凝结器形成为上述热介质直接与上述电池收纳体的表面接触。

3.根据权利要求1所述的电池温度调整装置，其中，

上述电池收纳体具有电池收纳孔，上述电池被收纳在上述电池收纳孔内。

4.根据权利要求3所述的电池温度调整装置，其中，

上述电池收纳孔贯通上述电池收纳体。

5.根据权利要求4所述的电池温度调整装置，其中，

上述电池收纳孔的内表面与上述电池的外表面直接接触或者经由导热性优异的材料接触。

6.根据权利要求3所述的电池温度调整装置，其中，

以包围上述电池收纳孔的方式在上述电池收纳体中形成有上述热介质的通路，上述热介质在上述通路内凝结。

7.一种电池温度调整装置，其中，

上述电池温度调整装置包括：

电池收纳体，该电池收纳体收纳电池；

蒸发器，该蒸发器与电池收纳体连接，通过使热介质蒸发而经由电池收纳体借助导热对电池进行冷却；

凝结器，该凝结器使在上述蒸发器中蒸发了的热介质冷却凝结；

吸附器，该吸附器对在上述蒸发器中蒸发了的热介质进行吸附；以及

控制装置，该控制装置对上述吸附器的冷却进行控制，进而控制上述吸附器中的热介质的温度及压力，以使上述蒸发器中的热介质的蒸发温度成为电池的冷却目标温度，

使在上述蒸发器中蒸发了的热介质供给并吸附于上述吸附器，然后对吸附器供给热而使吸附器放出热介质的蒸汽从而使吸附器再生，并且使来自吸附器的蒸汽在上述凝结器中凝结，使利用凝结器凝结了的液态的热介质在上述蒸发器中蒸发。

8.一种电池温度调整装置，其中，

上述电池温度调整装置包括：

电池收纳体，该电池收纳体收纳电池；

第一凝结/蒸发器，该第一凝结/蒸发器与电池收纳体连接，通过使热介质蒸发或凝结而经由电池收纳体借助导热对电池进行冷却或者加热；

吸附器，该吸附器吸附在上述第一凝结/蒸发器中蒸发了的热介质；

第二凝结/蒸发器，该第二凝结/蒸发器对从吸附器放出的热介质的蒸汽进行冷却而使该蒸汽凝结，或者使在上述第一凝结/蒸发器中凝结了的液态的热介质蒸发；以及

控制装置，在冷却上述电池的情况下，该控制装置对上述吸附器中的热介质的温度及压力进行控制，以使上述第一凝结/蒸发器中的热介质的蒸发温度成为电池的冷却目标温度，在加热上述电池的情况下，该控制装置对第二凝结/蒸发器中的热介质的温度及压力进行控制，以使上述第一凝结/蒸发器中的热介质的凝结温度成为电池的加热目标温度。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的电池温度调整装置，其中，

上述热介质是水。