JP2005093144A - バッテリ冷却システムおよびそれを備えた電源装置ならびに電動車両 - Google Patents
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Abstract
【構成】 電源ユニット20の複数のバッテリ23を各バッテリの周囲に間隔を設けてケース21内に収容し、そのケース21に設けた通気孔21aに、空気ダクト14を介して冷却ファン13を内蔵する冷却ユニット12を接続する。その冷却ファン13は、ケース21内へ空気を送り込む第1の送風動作と、そのケース21内から空気を吸い出す第2の送風動作とが可能である。ケース21の底面に吸排気孔26a,27aを設けるとともに、ケース21内の異なる位置に複数の温度センサ25a〜25cを配設し、各温度センサによる検出温度の情報を回路基板30内の制御回路に入力し、その温度情報(例えば温度差)に応じて、冷却ファン13の送風動作を上記第1の送風動作と第2の送風動作の一方から他方へ自動的に切り替える。
【選択図】 図3
Description
特許文献3に記載されたバッテリ冷却構造は、比較的コンパクトにできるが、バッテリ収納室内の走行風あるいは冷却ファンによって吸引される冷却風が流入する側と排出される側では、排出される側の方が冷却風の温度が高くなるため、やはりバッテリ収納室内の各バッテリを均一に冷却することはできない。
この発明は、このような従来の電源装置におけるバッテリ冷却機構あるいは冷却方法による種々の問題を解決するためになされたものであり、電源装置におけるバッテリの出力能力を最大限に発揮させるために、その各バッテリを効率よく均一に冷却して、充放電時にバッテリ間の温度差をなくすことができるようにし、しかもその構造の簡易化およびコンパクト化と低価格化を図ることを目的とする。
そして、そのようなバッテリ冷却システムとそれを備えた電源装置ならびにその電源装置を搭載した電動車両を提供することも目的とする。
そして、上記ケースの上記通気孔を設けた面とは異なる面に吸排気孔を設けるとともに、このケース内の異なる位置に複数の温度センサを配設する。
さらに、その複数の温度センサによる検出温度の情報に基いて、上記冷却ファンの送風動作を上記第1の送風動作から第2の送風動作へ、または上記第2の送風動作から第1の送風動作へ自動的に切り替える冷却ファン駆動制御手段を設けたものである。
または、初めに述べたバッテリ冷却システムにおいて、その冷却ファン駆動制御手段がさらに、上記冷却ファンの送風動作を所定時間間隔で上記第1の送風動作から第2の送風動作へ、または上記第2の送風動作から第1の送風動作へ自動的に切り替える機能も有するようにするとなおよい。
また、上記冷却ファンを、上記第1の送風動作用の冷却ファンと上記第2の送風動作用の冷却ファンとによって構成することができる。
あるいは、上記冷却ファンは、その回転翼の回転方向を反転することによって上記第1の送風動作と第2の送風動作が切り替わるファンであってもよい。
この発明による電源装置は、上述したいずれかのバッテリ冷却システムを備えていることを特徴とする。
この発明による電動車両は、上記電源装置を搭載したことを特徴とする。
そして、そのバッテリ冷却システムを備えた充放電効率のよい電源装置、ならびにその電源装置を搭載した電源利用効率のよい電動車両を実現することができる。
図1は、この発明の一実施形態を示すバッテリ冷却システムを備えた電源装置を搭載した電動二輪車の側面図、図2はその電動二輪車を後輪を除いて後側から見た概略図である。
まず、この図1と図2によって、この発明を実施した電動二輪車の概要を説明する。
この電動二輪車は電動車両の一種であり、ニッケル−水素電池をセルとする複数の筒型電池モジュールから成るバッテリによる電源ユニットと、そのバッテリの冷却システムを備えた電源装置を搭載している。
さらに、ハンドル6の中央部に設けられた表示パネル16には、走行速度やバッテリ残存容量計等を示す表示計や、搭載機器を操作する各種スイッチ等が設けられ、表示パネル16の下方の車体2には、主電源をオンオフするメインスイッチ(キースイッチ)15が設けられている。
メインフレーム3上の車体2の前後方向の中間部の低くなった部分に、後述する複数のバッテリ及び複数の温度センサを収納した電源ユニット20からなる電源装置11を搭載している。また、車体2の進行方向の後方部に、冷却ファン13を収納した冷却ユニット12を配設し、空気ダクト14によって電源ユニット20と接続している。
電源装置11の下面は、メインフレーム3に取付けられたカバープレート29によって隙間をあけて覆われている。
制御装置10は、例えばハンドル6に設けたアクセルグリップ(図示せず)の操作によるアクセル開度情報や各種搭載機器に配置された各種センサからの検出信号などに基づいて、CPUのメモリに格納されたプログラムにしたがって処理し、走行用電動モータ8や電源ユニット20内の複数のバッテリの温度の均一化などの制御を行なう。
しかし、製造コストおよび配線の簡略化等を勘案して、図5に示す例では、ケース21内に収納した多数のバッテリ23の横方向の中央部で且つ積み重ねたバッテリ23の上段部(25a)、中段部(25b)、下段部(25c)、及び横方向で最も離れた2ヶ所(25d,25e)の計5ヶ所に設置している。括弧内の符号はそこに設置されている温度センサの符号である。なお、両側部の2個の温度センサ25d,25eを省略して、上、中、下の3個の温度センサ25a〜25cだけを設けるようにしてもよい。
図3に示すように、この電源ユニット20のケース21の長手方向の両端部には、伝熱性のよい樹脂で作られたバッテリ端部の絶縁板38が設けられている。
また、ケース21の底部は、図3及び図5に示すように、上下方向に若干間隔をあけて平行に設けられた2枚の気液分離プレート26,27によって形成されている。この2枚の気液分離プレート26,27には、互いにその平面上の位置を前後左右方向のいずれにもずらした位置に、吸排気孔26a,27aが複数(多数)形成されている。
そして、気液分離プレート26,27の吸排気孔26aと27aは平面方向の位置がずれていて、上下方向に重なる部分がないので、車両の走行時に水滴等が外側の気液分離プレート27の吸排気孔27aから侵入しても、内側の気液分離プレート26に当たって落下し、吸排気孔26aを通してケース21内のバッテリ23の収容部に侵入するのは防止される。
その冷却ユニット12内には、電源ユニット20のケース21へ空気を送り込む第1の送風動作と、ケース1内から空気を吸い出す第2の送風動作とが可能な冷却ファン13が内蔵されている。この実施形態においては、冷却ユニット12をガソリンエンジン車のエアクリーナのカバーを利用してその中に収納した。
その送出用ファン13Aと吸引用ファン13Bは、いずれも図9に示すような外観を呈する同じファンであり、内部にファンモータとそれによって回転される円筒状回転翼(シロッコファン)を設けており、その回転翼の接線方向に送風口13aを、図9では見えない方の円形面に回転羽根の基部に沿って円形あるいはリング形の吸気口13b(図8に破線で示す)を有している。
この送出用ファン13Aと吸引用ファン13Bを、その吸気口13bを有する面を互いに向かい合わせて、送出用ファン13Aは送風口13aを空気ダクト14の接続部の方向(図7では左方)に向け、吸引用ファン13Bは送風口13aを下方に向けて、それぞれ支持部材40に固着している。その支持部材40には、送出用ファン13Aと吸引用ファン13Bの各吸気口13bを連通させるための開口40a(図7及び図8に破線で示す)が形成されている。
送出用ファン13Aの配線45と吸引用ファン13Bの配線46はまとめて、図示していない冷却ユニット12側のコネクタと外部コード及び電源ユニット20側のコネクタを介して、図3に示した回路基板30に接続される。配線45,46はいずれも2線の給電用の配線コードである。
冷却ファン13の送出用ファン13Aが駆動されると、その吸気口13bから空気を吸い込むため、図8に示す空気口12bから外気が白抜き矢印で示すように、副室42Bから吸引用ファン13Bの送風口13aに入り、その内部を通って吸気口13bおよび支持部材40の開口40aを経て、送出用ファン13Aに吸い込まれ、その送風口13aから主室42A内に送出される。その送出された空気が図3及び図4に示した空気ダクト14を通して電源ユニット20のケース21の上部空間に送り込まれる。
その冷却風は、仕切板22の通気孔22aを通してバッテリ収容部へ流入し、図5に示した各バッテリ23間の隙間を通して全体に広がって各バッテリ23を冷却しながら下方へ流れ、気液分離プレート26,27の吸排気孔26a,27aから外部へ排出される。
冷却ユニット12内の主室42Aの空気が吸引用ファン13Bによって吸い込まれると、図3および図4に示した空気ダクト14を介して電源ユニット20のケース21内の空気が吸い出され、それに伴なって、気液分離プレート26,27の吸排気孔26a,27aから外気がケース1内に流入して、冷却風となって各バッテリ23間の隙間を流れるため、各バッテリ23が冷却される。
そして、その冷却ファン13を電源ユニット20内の回路基板30に接続するための配線は一組だけでよくなる。
図10においては、外部コードの図示は省略し、冷却ユニット12側のコネクタと電源ユニット20側のコネクタをまとめてコネクタ37として示している。
回路基板30内には、マイクロコンピュータ(以下「CPU」と略称する)を主体とする制御回路32とタイマ33、スイッチング用のトランジスタ34と、そのトランジスタ34によって通電が制御されるリレーコイルLyおよび切替接点Syとからなるリレー35と、トランジスタ34のエミッタ・コレクタ間に接続され、リレーコイルLyがオフした時に発生する逆電圧を吸収するダイオード36とが設けられている。
したがって、このときには配線45を通して送出用ファン13Aに通電し、そのファンモータを駆動するので、冷却ユニット12の冷却ファン13は、電源ユニット20のケース21内に冷却風を送り込む第1の送風動作を行なう。
一般にバッテリの放電時には、その温度が20℃乃至30℃の範囲で、且つ複数のバッテリからなる電源ユニットの各バッテリ間に温度差がないことが、最も出力能力を高くすることができて理想的であると言われている。しかし、外気温度は春夏秋冬で著しく差があることと、放電開始時(スタート時)には各バッテリ間に殆ど温度差がなくても、スタート後は次第に積み重ねた多数のバッテリのうち上部もしくは中心部にあるものほど熱を持ち易く、その出力能力にバラツキを生じ易い。
以下に、具体的なバッテリ冷却方法について実施例1〜3として説明する。
まず、その冷却方法の実施例1を説明する。図11はこのバッテリ冷却方法の実施例1のを実施する際の制御回路32による処理のフローチャートである。その図11と次の実施例2のフローチャートである図12において、各ステップを「S」と略記している。
それによって、制御回路32が図11の処理をスタートする。そして、ステップ1で電源ONになった直後は、ステップ2で冷却ファン13に「吸引」動作をさせる。
すなわち、制御回路32は出力端子Osをハイレベル“H”にする。そのためトランジスタ34がONになり、リレー35が励磁されてその切替接点Syが固定接点b側に切り替わり、配線46を通して冷却ファン13の吸引用ファン13Bに通電してそれを回転駆動する。
このようにして、電源ユニット20内の複数のバッテリ23の周囲に滞留していた温度の高い空気を排出し、ケース21内に吸入されて冷却ユニット12に吸引されて流れる外気が冷却風となって、バッテリ23の隙間を流れる際に各バッテリ23をその熱を奪って冷却する。
電池温度差が3℃以上の場合は、ステップ4で最上部の温度センサと最下部の温度センサによる検出温度、すなわち上部電池温度と下部電池温度とを比較する。その結果、上部電池温度が下部電池温度より高いときは、ステップS5へ進んで、冷却ファン13を「送出」動作に切換える。すなわち、制御回路32が出力端子Osをローレベル“L”にする。それによって、トランジスタ34がOFFになり、リレー35が非励磁になってその切替接点Syが固定接点a側に切り替わり、配線45を通して冷却ファン13の送出用ファン13Aに通電してそれを回転駆動する。
ステップ4の判断で、上部電池温度が下部電池温度より高くない(等しいか低い)ときには、ステップ6へ進んで「吸引」動作を継続する。
すなわち、この実施例1では、電池温度差が3℃以上でなければ、吸引動作を継続し、3℃以上のときは、上部電池温度と下部電池温度のどちらが高いかによって「送出」動作か「吸引」動作かを選択する。
その間、複数のバッテリ23の間を通過する冷却風は、各バッテリ23から熱を吸収すると共に、その熱の一部をアルミニウム等の熱伝導性の良好な軽合金からなるケース21の周壁に伝熱させ、そのケース21の周壁に伝熱させた熱はさらにアルミニウムダイカストで製造されたメインフレーム3との固定部分を通じて伝熱させ、外部に放熱される。
次に、このの発明によるバッテリ冷却方法の実施例2について、図12に示すフローチャートによって説明する。この実施例2では、実施例1において説明したバッテリを使用する電源装置において、回路基板30の冷却ファン駆動制御手段として機能する部分に設けたタイマ33を使用し、所定時間間隔で冷却ファン13を第1の送風動作と第2の送風動作の一方から他方へ自動的に切り替え運転し、電源ユニット20内の冷却風の流通方向を切り換えることを特徴としている。
その後、ステップ13でタイマ33による所定時間、例えば5分経過すると冷却ファン13による空気流通方向を切り替えて(最初は「吸引」動作から「送出」動作に切り替える)ステップ14へ進む。
ステップ14で電池温度差が3℃以上のときは、ステップ15へ進んで、実施例1のステップ4と同様に、上部電池温度と下部電池温度を比較し、上部電池温度が下部電池温度より高ければ、ステップ16で冷却ファン13に「送出」動作させ、上部電池温度が下部電池温度より高くなければ、ステップ17で冷却ファン13に「吸引」動作をさせる。
このように、この実施例では、単に温度差だけでなはく、上下の温度差を検出して、それが略等しくなったら、所定時間間隔で空気の流通方向を切り替えるようにしている。
その理由は、「吸引」又は「送出」動作の一方だけを長く継続したり、温度差による動作切り替えだけを実施していると、やがて上部電池と下部電池の温度差が大きくなる。それは、ケース21内の中心付近の空気が入れ替わりにくくなるためである。
これは、上述した実施例2の変形であるが、使用するバッテリの容量が比較的小さい場合には、電源ユニット20内に温度センサを設けることなく、電源ユニット20と冷却ユニット12とを接続し、回路基板30内に有するタイマ33の指令に基づいて、制御回路32の制御によって所定時間間隔で冷却ファン13を送出用ファン13Aと吸引用ファン13Bを交互に切り替え運転させ、電源ユニット20内の冷却風の向きを反転させ、「吸引」動作と「送出」動作を交互に行なわせることによっても、各バッテリを略均一に冷却することができる。
(1)電動車両に搭載された、複数のバッテリおよび複数の温度センサを収容した電源装置に冷却ファンを収容した冷却ユニットを接続し、バッテリの充放電時にその冷却ファンを駆動し、電源装置の電源ユニット内に冷却風を流通させてその各バッテリを冷却する。そして、複数の温度センサの検出信号に基づいて各バッテリの温度差が所定の温度差以上になったことを、冷却ファン駆動制御手段が検知した時、冷却ファンの空気送出動作(第1の送風動作)と空気吸入動作(第2の送風動作)を自動的に切り替え制御し、電源ユニット内を流通する冷却風の方向を反転させる。それによって、電源ユニット内の各バッテリを均一に効率よく冷却することができる。
(3)上記の構成において、電源装置のバッテリとして筒型電池モジュールを使用した場合、その各電池モジュールの長手方向を車両の進行方向と平行に配置し、且つ各電池モジュールをその軸方向から見たときに千鳥状配置とし、電池搭載体積が極小になるように配置するとともに、弾性リングなどによって各電池モジュール間に隙間を作り、その隙間に冷却風を流通させるようにする。
さらに、上記各温度センサによる検出温度の差が上記所定値より小さい第2の所定値以下になったことを検知したときにも、冷却ファンの動作を切り替え運転して、冷却風の方向を反転させてもよい。
電動車両以外の電源装置にこの発明によるバッテリ冷却システムを適用する場合にも、これらの特徴の大部分は活かされる。
そして、それらの電源装置の充電時又は放電時に電源装置を構成するバッテリを冷却するための冷却風の方向を自動的に反転させて、各バッテリを効率よく均一に冷却して、バッテリ間の温度差を殆どなくすることができ、バッテリの出力能力を最大限に発揮させることができる。しかも、構造が簡単で安価に実施できる。
また、充放電効率のよい電源装置ならびにその電源利用効率のよい電動車両を実現することができる。
Claims (8)
- 複数のバッテリを隣接する各バッテリの周囲に間隔を設けてケース内に収容した電源ユニットと、該電源ユニットの前記ケースに設けた通気孔に接続され、該ケース内へ空気を送り込む第1の送風動作と該ケース内から空気を吸い出す第2の送風動作とが可能な冷却ファンとを備え、
前記ケースの前記通気孔を設けた面とは異なる面に吸排気孔を設けるとともに、該ケース内の異なる位置に複数の温度センサを配設し、その複数の温度センサによる検出温度の情報に基いて、前記冷却ファンの送風動作を前記第1の送風動作から前記第2の送風動作へ、または前記第2の送風動作から前記第1の送風動作へ自動的に切り替える冷却ファン駆動制御手段を設けたことを特徴とするバッテリ冷却システム。 - 複数のバッテリを隣接する各バッテリの周囲に間隔を設けてケース内に収容した電源ユニットと、該電源ユニットの前記ケースに設けた通気孔に接続され、該ケース内へ空気を送り込む第1の送風動作と該ケース内から空気を吸い出す第2の送風動作とが可能な冷却ファンとを備え、
前記ケースの前記通気孔を設けた面とは異なる面に吸排気孔を設けるとともに、
前記冷却ファンの送風動作を所定時間間隔で前記第1の送風動作から前記第2の送風動作へ、または前記第2の送風動作から前記第1の送風動作へ自動的に切り替える冷却ファン駆動制御手段を設けたことを特徴とするバッテリ冷却システム。 - 請求項1記載のバッテリ冷却システムにおいて、前記冷却ファン駆動制御手段が、前記冷却ファンの送風動作を所定時間間隔で前記第1の送風動作から前記第2の送風動作へ、または前記第2の送風動作から前記第1の送風動作へ自動的に切り替える機能も有することを特徴とするバッテリ冷却システム。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載のバッテリ冷却システムにおいて、前記ケースの一端面上部に前記通気孔を設け、該ケースの下面に前記吸排気孔を複数設けたことを特徴とするバッテリ冷却システム。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のバッテリ冷却システムにおいて、前記冷却ファンが、前記第1の送風動作用の冷却ファンと前記第2の送風動作用の冷却ファンとからなることを特徴とするバッテリ冷却システム。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のバッテリ冷却システムにおいて、前記冷却ファンが、その回転翼の回転方向を反転することによって前記第1の送風動作と前記第2の送風動作が切り替わるファンであることを特徴とするバッテリ冷却システム。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載のバッテリ冷却システムを備えた電源装置。
- 請求項7記載の電源装置を搭載した電動車両。
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