JP2006296193A - 電気自動車用バッテリの設定温度維持装置 - Google Patents

電気自動車用バッテリの設定温度維持装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電気自動車用バッテリの温度を設定温度に維持しうる装置を提供する。
【解決手段】冷媒が循環する空調サイクル１と、冷却材が循環する冷却サイクル３との間に、中間熱交換器２を設ける。バッテリの温度は、冷却材の温度調節手段によって調節する。冷却材の温度調節手段は、バッテリ４の入口側と出口側にそれぞれ配置される温度センサ16,17と関連づけられたコントローラ15によって制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車またはハイブリッド車用バッテリの設定温度維持装置に係り、より詳しくは、冷媒が循環する空調サイクルと、バッテリに冷却材を送るバッテリ冷却サイクルとの間に、中間熱交換器を設けた電気自動車またはハイブリッド車において、少なくとも１つのバッテリ単位の設定温度を維持する装置に関する。
電気自動車やハイブリッド車は、少なくとも１つの走行用のバッテリを備えている。このバッテリは、直列に、または直列と並列を併用して配置された複数のバッテリ単位から構成される。このようなバッテリにとって必要なことは、その温度を、最適稼動のために設定された温度に維持することである。バッテリがリチウム電池の場合、この設定温度は、２５±２℃である。一般には、車室の空調装置が、バッテリを冷却するために利用されている。
車室の空調装置から放出される空気を直接バッテリに当てるバッテリ冷却システムは、すでに知られている。すなわち、空調装置によって冷却された空気の一部を、バッテリへ送り、バッテリを冷却させた後、車外へ排出するのである。
この外、冷却材をバッテリに向けて送るバッテリ冷却サイクルも知られている。冷却材は、冷媒が循環する空調サイクルを備える空調装置を介して冷却される。このシステムにおいては、冷媒と冷却材との間の熱交換を介して冷却材を冷却するため、空調サイクルと、バッテリ冷却サイクルの間に、熱交換器を設ける。
空調装置は、通常、エバポレータ、コンプレッサ、コンデンサ、およびエバポレータ用の逆止弁を備えている。変形例として、逆止弁は、コンデンサの出口側に配置された貯水槽と関連づけられた、自動温度調節の可能な安全弁、または、コンプレッサに液体が流入するのを避けるためにコンプレッサの上流側に配置されるアキュムレータと関連づけられたオリフィスの場合もある。コンプレッサは、内燃機関もしくは外燃機関のような機械駆動式、電動式、またはハイブリッド式のいずれでもよい。気相の冷媒は、コンプレッサ内で圧縮され、少なくとも一部が液相となって、コンデンサに向かう。冷媒は、逆止弁によって減圧された後、エバポレータに向かい、ここで気相に相変態する。
中間熱交換器は、気相または液相の冷媒と、冷却材（グリコール、またはグリコールと水の混合物が好ましい）が通過するエバポレータである。この中間熱交換器は、空調サイクルにおいて、エバポレータと逆止弁の間に、エバポレータと並列または直列に設けられる。一方、バッテリ冷却サイクルには、中間熱交換器を通過した冷却材を、バッテリに向けて循環させるポンプが設けられる。
しかし、上記のバッテリ冷却システムは、冷媒の温度を調節するのが困難であるため、バッテリを十分に冷却することができない。例えば、車室に冷たい空気が必要なときには、冷却材と熱交換される冷媒の温度は、バッテリの冷却に必要な温度よりもかなり低くなっているため、バッテリを望ましい設定温度に維持することができない。より詳しくいうと、車室を冷却する必要のあるときには、冷媒の気化温度を低くしなければならず、これは、冷却材を過度に低い温度に冷却することにつながる。
もう１つ克服しなければならないのは、バッテリの入口側の温度と出口側の温度の差を、許容範囲に収めることである。リチウム電池の場合、この許容温度差は、おおよそ±２℃である。
空調装置のエネルギー消費を節減するためには、冷却材を必要以上に冷却することは避けなければならない。しかし、公知のコンプレッサを用いる場合には、空調サイクルにおける低圧のレベルを、エネルギー消費を節減しうる程度まで引上げることはできない。公知のコンプレッサによれば、空調サイクルにおける低圧は、５０００hPa（５bar）くらいであり、空調サイクルの温度は１５℃程度になる。しかし、この温度は、バッテリを冷却するには低すぎる。このため、公知のコンプレッサでは、バッテリを冷却するために消費されるエネルギーを節減することはできない。
また、公知のバッテリ冷却システムにおいては、中間熱交換器を、空調サイクルとバッテリ冷却サイクルとの間に配置すると、本来簡単であるべき空調サイクルの構成が複雑になる。より詳しくいうと、中間熱交換器をこのような位置に配置するには、空調サイクルにおいて、最適に配置されている各構成要素と、これらをつなぐ導管の位置を変更しなければならない。
さらに、バッテリの設定温度維持装置は、バッテリを冷却しうるだけでなく、外部の温度が、バッテリの設定温度よりも低い場合には、バッテリを加熱することもできなければならない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、車室の空調装置を介してバッテリを冷却する装置を提供することを目的とする。より詳しくいうと、本発明は、熱交換器を介して空調装置と関連づけられたバッテリ冷却サイクルを循環する冷却材によってバッテリを冷却する装置を提供することを目的とする。
本発明に係るバッテリの設定温度維持装置は、電気自動車またはハイブリッド車において、少なくとも１つのバッテリ単位の設定温度を維持する。ここでいうバッテリとは、例えば、リチウム電池のような複数のバッテリ単位から構成されるものをいう。
本発明に係る装置は、冷媒が循環する車室用空調サイクルを利用する。また、本発明に係る装置は、バッテリの温度を変化させるための冷却材が循環する冷却サイクルも利用する。これらの空調サイクルと冷却サイクルの間には、冷媒と冷却材との間で熱交換を行わせるため、中間熱交換器を設置する。
空調サイクルは、エバポレータ、コンプレッサ、コンデンサ、およびエバポレータの上流側において安全ユニットを備える。安全ユニットとしては、コンデンサの下流側に設けられる恒温槽と関連づけられたサーモスタット式の安全弁、またはエバポレータの下流側に設けられるアキュムレータと関連づけられたチューブのオリフィスが用いられる。
冷却サイクルは、冷却材を、中間熱交換器およびバッテリを通過するように循環させるポンプを備える。
本発明に係る装置は、冷却材の温度調節手段によって、冷却サイクルを制御するという特徴を有する。この冷却材の温度手段は、バッテリの入口と出口にそれぞれ配置される温度センサと関連づけられた制御手段によって制御される。
上記冷却材の温度調節手段は、以下の手段を、単独で、または組み合わせて用いることにより構成される。
１）バッテリに向かって循環する冷却材の一部を利用して、中間熱交換器を通過した他の一部の冷却材の温度を変化させる手段。
２）中間熱交換器と直列に配置される電動式の安全弁や、空調サイクルにおけるコンプレッサ等の、空調サイクルを循環する冷媒の流量を変化させる手段。
３）空調サイクルのエバポレータやヒータを通過した空気流を取り込んで、気相−液相間の熱交換を行わせる熱交換器。
本発明に係る装置は、バッテリを冷却するか、または加熱するために、空調サイクルを利用するのが好ましい。バッテリの加熱は、空調サイクルにヒートポンプ機能を与えることによって実現するか、または、中間熱交換器が、気相−液相間の熱交換を行う熱交換器である場合には、空調サイクルのヒータを通過した空気流を利用して実現する。
本発明の一実施形態においては、中間熱交換器は、冷媒と冷却材が通過するエバポレータである。冷却材の温度調節手段は、中間熱交換器と並列に設けられる導管を含む。この導管には、制御手段によって制御されるバルブを設けるのが好ましい。
制御手段は、上記バッテリの入口と出口にそれぞれ配置される温度センサの外に、中間熱交換器の出口に設けられる第３の冷却材用温度センサとも関連づけられるのが好ましい。
この実施形態の変形例においては、上記バルブは、開度を調節しうるものであるか、またはバッテリの下流側において冷却材の一部を誘導する導管に設けられる三方弁である。
中間熱交換器と並列に、気相−液相間の熱交換を行う追加の熱交換器を設けることもできる。三方弁は、冷却材を、この追加の熱交換器もしくは中間熱交換器へ、または一部の冷却材を追加の熱交換器へ、他の一部を中間熱交換器へ送る。
前記開度を調節しうるバルブは、前記追加の熱交換器と直列または並列に設けるのが好ましい。
前記追加の熱交換器は、通過する空気の流量を調節するフラップを備えているのが好ましい。また、このフラップは、前記制御手段によって制御され、この制御手段は、前記導管を通過する冷却材の温度を調節するために、外気の温度情報を受け取るようになっているのが好ましい。
前記三方弁は、前記制御手段によって制御され、この制御手段は、前記導管を通過する冷却材の温度を調節するために、外気の温度情報を受け取るようになっているのが好ましい。
前記中間熱交換器は、前記エバポレータと並列に設けられ、かつ安全ユニットと関連づけられているのが好ましい。この安全ユニットは、例えば、サーモスタット式の安全弁とすることができる。
本発明の他の実施形態においては、中間熱交換器は、エバポレータと直列に設けられる。また、この実施形態の変形例においては、中間熱交換器は、エバポレータと安全弁の間、またはエバポレータとコンプレッサの間に設けられる。
中間熱交換器の上流側に設けられる安全ユニットは、オリフィスの付いた、ごく小さいチューブであるのが好ましい。このオリフィスは、アキュムレータとは関連づけられない。このオリフィスの付いたチューブの径は、概ね０．５mm、長さは、２〜６mmであるのが好ましい。
本発明のさらに他の実施形態においては、中間熱交換器は、エバポレータと並列に設けられ、かつ冷媒と冷却材が通過するエバポレータであり、この中間熱交換器と直列に安全ユニットが設けられている。冷却材の温度調節手段は、制御手段によって制御されつつ、中間熱交換器を循環する冷媒の流量を調節する。
前記安全ユニットは、前記中間熱交換器と直列に、より詳しくは、前記中間熱交換器の上流側における冷媒の導管に設けるのが好ましい。
前記空調サイクルを循環する冷媒の流量を調節する手段は、回転数を増加または減少させうる電動式コンプレッサとするのが好ましい。この外、内部容積を変化させることによって冷媒の流量を変化させうる、機械駆動式のコンプレッサとすることもできる。
前記冷媒の流量を調節する手段は、中間熱交換器と直列に設けられる安全ユニットとすることもできる。この場合の安全ユニットは、前記制御手段によって制御される電動式の安全弁とするのが好ましい。
本発明のさらに他の実施形態においては、中間熱交換器は、冷媒と冷却材が通過するエバポレータである。また、冷却材の温度調節手段は、冷却材の加熱手段を備える。この冷却材の加熱手段は、中間熱交換器と直列に設けられ、かつバッテリの周りを循環する冷却材の温度を計測する、少なくとも１つの温度センサと関連づけられた制御手段によって制御される。
この実施形態の変形例においては、中間熱交換器は、エバポレータの下流側に設けられ、エバポレータを通過した空気流の少なくとも一部が流入して、気相−液相間の熱交換が行われるようになっている。冷却材の温度調節手段は、制御手段による制御の下に、エバポレータを通過した後中間熱交換器に流入する空気の流量を調節するフラップを備えている。
前記制御手段は、外気の温度センサと関連づけられ、外気の温度情報を受け取るようになっているのが好ましい。
この実施形態におけるバッテリの設定温度維持装置は、エバポレータを通過した空気流を加熱するヒータを備えているのが好ましい。
本発明のさらに他の実施形態においては、中間熱交換器は、ヒータと並列に配置される。この場合には、中間熱交換器とヒータを隣合せに配置して、モジュールを形成するのが好ましい。
本発明のさらに他の実施形態においては、中間熱交換器は、空気流の進む方向において、ヒータの下流側に配置する。冷却材の温度調節手段は、制御手段による制御の下に、ヒータを通過した後中間熱交換器に流入する空気の流量を調節するフラップを備えているのが好ましい。また、ヒータには、エバポレータを通過した空気流を、このヒータまたは中間熱交換器に振り向ける追加のフラップを設けるのが好ましい。
中間熱交換器に備え付けるフラップの位置は、中間熱交換器の上流側でも下流側でもよい。
本発明のさらに他の実施形態においては、中間熱交換器は、冷媒と冷却材が通過するエバポレータである。空調サイクルは、制御手段による制御の下に、コンプレッサの回転方向を反対にして、ヒートポンプとして働くことにより、コンデンサとして用いられる中間熱交換器から流出する冷却材を加熱する可逆性を有する。
前記ポンプは、冷却材の流量を調節するため、前記制御手段によって制御するのが好ましい。
制御手段は、バッテリの冷却システムの近傍に設けられる独立の演算ユニット、または空調機用演算ユニットと統合したものとすることができる。
本発明によれば、バッテリを十分に冷却し、かつ加熱することもできて、バッテリの温度を設定温度に維持しうる装置が提供される。
また、本発明に係るバッテリの設定温度維持装置は、バッテリの入口側の温度と出口側の温度の差を、許容範囲に収めることができる。
さらに、本発明に係るバッテリの設定温度維持装置は、冷却材を必要以上に冷却することを回避し、空調装置のエネルギー消費を節減することができる。
その外、本発明に係るバッテリの設定温度維持装置は、空調サイクルにおいて、最適に配置されている各構成要素と、これらをつなぐ導管の位置を変更する必要なく、設置することができる。
本発明は、添付の図面を参照して行う、以下の好ましい実施形態の説明により、明瞭に理解しうると思う。
図１〜図１０は、電気自動車用バッテリの設定温度維持装置を示す。この装置は、冷媒が循環する空調サイクル１を利用している。バッテリ４は、リチウム電池からなる複数のバッテリ単位から構成されている。中間熱交換器２は、バッテリを、その機能を最適に保ちうる設定温度まで冷却するため、冷却材がバッテリ単位の周りを循環するようになっている冷却サイクル３と、空調サイクル１との間に位置する。このリチウム電池からなるバッテリ単位の設定温度は、概ね２５℃である。
空調サイクル１は、エバポレータ６、コンプレッサ７、コンデンサ８、コンデンサ８の出口に設けられた恒温槽10、および恒温槽10と関連づけられ、かつエバポレータ６の上流側に設けられた逆止弁９からなっている。逆止弁９と恒温槽10は、エバポレータ６と関連づけられた安全ユニットを構成している。
安全ユニットの態様は、本発明の技術的範囲の中で変更することができる。例えば、互いに関連づけられている逆止弁９と恒温槽10は、エバポレータ６の下流側に設けられるアキュムレータと関連づけられたオリフィスに替えることもできる。
本発明に係るバッテリの設定温度維持装置は、冷却サイクル３を循環する冷却材の温度を調節する手段を備えている。冷却材の温度調節は、バッテリの温度を変化させることを目的として、バッテリに必要な温度を評価することから始める。バッテリ温度の調節は、冷媒の温度とは無関係に冷却材の温度を変化させる態様や、車室に必要な温度とは無関係に冷媒の温度を変化させる態様など、種々の態様で実現することができる。
図１〜図９において、中間熱交換器２は、気液二相状態の冷媒と、液相の冷却材が、ともに通過するエバポレータである。
空調サイクル１は、バッテリ４が冷却されているときにも、これを冷却し、バッテリが発熱しているときにも、これを加熱することのできる可逆性を有する。コントローラ15は、車室の冷房または暖房を行うため、空調サイクル１におけるコンプレッサ７の回転方向を制御する。
図１〜図７に示す実施形態のうち、図１と図７に示す実施形態においては、中間熱交換器２は、エバポレータ６と並列に設けられており、それ以外の実施形態においては、直列に設けられている。図２〜図６に示す実施形態のうち、図２に示す実施形態においては、中間熱交換器２は、エバポレータ６の下流側に位置し、図３〜図６に示す実施形態においては、中間熱交換器２は、エバポレータ６の上流側に位置している。
図１〜図７に示す実施形態の中では、設置が簡単であるという理由により、中間熱交換器２がエバポレータ６と直列に設けられている図２〜図６に示す実施形態が好ましい。エバポレータ６と中間熱交換器２を直列に配置すると、空調サイクル１の部品点数、特に、導管と逆止弁の部品点数を削減することができる。図１に示す実施形態においては、中間熱交換器２は、エバポレータ６と並列に、かつ逆止弁５と直列に設けられている。
冷却サイクル３には、中間熱交換器２の外に、冷却材を循環させるためのポンプ11が設けられている。
図１〜図７に示す実施形態においては、中間熱交換器２と並列に、分岐管12が設けられている。冷却材を循環させるポンプ11は、この分岐管12とバッテリ４の間に位置している。分岐管12は、バッテリ４の出口において、バッテリの設定温度とほぼ同じ温度の冷却材の一部を分岐させ、中間熱交換器２を通すことなく、バッテリ４の入口に導く。
このバッテリの設定温度維持装置は、特に、車室を冷房または暖房する必要性が生じ、これに伴って、冷媒の温度が過度に低くなるか、または過度に高くなることにより、バッテリ４を加熱または冷却する必要が生じたときに、バッテリ４の入口における冷却材の温度が、過度に高くなったり、過度に低くなったりすることのないようにする。上記のような装置構成は、バッテリ４の入口において、冷却材が適切な温度を有するようにするため、バッテリ４から流出する冷却材の一部と、中間熱交換器２から流出する他の一部の冷却材とが、混じり合うようにするものである。
冷却材の一部は、分岐管12に設けられたバルブ13または14によって、バッテリ４の出口から分岐され、分岐管12に向かう。バルブ13,14の開閉は、バッテリ４の入口に設けられる少なくとも１つの冷却材用温度センサ16と関連づけられたコントローラ15によって制御される。なお、バッテリ４の出口には、温度センサ17が設けられ、中間熱交換器２の出口には、冷却材用温度センサ２が設けられている。
ここで、以下のように、パラメータを定義する。
ａ) Ｔ１：バッテリ４の入口における冷却材の設定温度であり、リチウム電池からなるバッテリ単位のために、概ね２５℃に維持すべきものである。
ｂ) Ｔ２：バッテリ４の出口における冷却材の設定温度であり、概ねＴ１＋２℃に維持すべきものである。
ｃ) ｑ：中間熱交換器２において冷却または加熱されるべく、中間熱交換器２に向かう冷却材の流量である。
ｄ) Ｔ３：中間熱交換器２の出口における冷却材の温度であり、概ね５〜１５℃に維持すべきものである。
ｅ) Ｑ：バッテリ４の入口における冷却材の流量である。
この設定温度維持装置におけるエネルギー保存則は、次のように表される。
ｑ・Ｃp・Ｔ３＋(Ｑ−ｑ)・Ｃp・Ｔ２＝Ｑ・Ｃp・Ｔ１
（ここで、Ｃpは冷却材の比熱である）
冷却材の比熱Ｃｐは温度に依存しないことを考慮に入れると、狭い温度範囲においては、ｑ＝Ｑ・((Ｔ２−Ｔ１)／(Ｔ２−Ｔ３))が成立する。
Ｔ２−Ｔ１は、概ね２℃であり、他方、Ｔ２−Ｔ３は、これよりも大きいため、バッテリ４の温度調節の必要に応じて、バルブ13,14の開閉を制御すればよい。
冷却サイクル３における複数の箇所での圧力損失、とりわけ、バッテリ単位、中間熱交換器２、およびバルブ13,14における圧力損失を調整するため、コントローラ15によるバルブ13,14の開閉制御とともに、ポンプ11の流量も制御するのが好ましい。バッテリ単位および中間熱交換器２における圧力損失は、ここを通過する冷却材の流量に応じて生ずるのではない。中間熱交換器２によって冷却材の温度を調節する場合には、冷却サイクル３における複数の箇所で、冷却材の流量を異ならせることが必要である。
図１〜図５に示す実施形態において、分岐管12に設けられているバルブ13は、開度を調節することができる。他方、図６に示す実施形態において、中間熱交換器２の下流側に設けられているバルブ14は、三方弁である。バルブ13,14は、バッテリ４の出口から誘導される冷却材の一部の流量を調節することができる。
図４と図５に示す実施形態においては、冷却サイクル３の分岐管12に、中間熱交換器２と並列に、追加の熱交換器18が設けられている。図４に示す追加の熱交換器18は、特別の導管19に設けられたバルブ13とも並列になっている。図５に示す追加の熱交換器18は、開度の調節が可能なバルブ13と直列になるように、導管12に設けられている。
追加の熱交換器18は、バッテリ４の温度調節に利用される空調サイクル１のエネルギー消費を減らすことができる。追加の熱交換器18は、中間熱交換器２に替わって、またはこれを補って、冷却材を冷却するために用いられる。より詳しくいうと、冷却材は、空調サイクル１ではなく冷たい外気によって直接冷却されるか、空調サイクル１において中間熱交換器２によって冷却されるか、または中間熱交換器２と追加の中間熱交換器18の両方によって冷却される。
追加の中間熱交換器18から冷却材を受け取る分岐管12において、バッテリ４の出口側には、三方弁20が設けられている。この三方弁20は、冷却材を、空調サイクル１において冷却するために中間熱交換器２へ送るか、外気によって冷却するために追加の中間熱交換器18へ送るか、または中間熱交換器２と追加の中間熱交換器18の両方へ送る。
三方弁20の開度は、少なくとも１つの外気の温度センサ21と関連づけられているコントローラ15によって制御される。追加の熱交換器18は、外気の流入を調整するためのフラップ22を備えている。フラップ22も、コントローラ15によって制御される。
図７に示す中間熱交換器２は、空調サイクルのエバポレータ６と並列に設けられている。中間熱交換器２と関連づけられている逆止弁23は、非常に小さなオリフィスの付いた、径が概ね０．５mm、長さが２〜６mmのチューブであり、２０００〜５０００hPa(２〜５bar)の高圧用である。
逆止弁23は、通常、この下流側に設けられるアキュムレータとは関連づけられない。したがって、空調サイクルの構成が簡単になり、冷却材の温度調節にかかる時間が短縮される。この空調サイクルにおいては、冷媒の流量は抑えられ、余剰の流量は、コンプレッサによって吸収される。
図８に示す加熱器24は、中間熱交換器２と直列に配置されている。この加熱器２４は、中間熱交換器２から流出する冷却材が、バッテリ４を冷却するには冷たすぎる場合に、冷却材を加熱する。加熱器24は、コントローラ15によって制御されるが、このコントローラ15は、バッテリ４の入口および出口、ならびに中間熱交換器２の出口にそれぞれ設けられている冷却材の温度センサ16,17,25と関連づけられている。この実施形態におけるエネルギー消費は、追加の中間熱交換器が設けられている場合よりも大きい。
図９に示す中間熱交換器２は、空調サイクルのエバポレータ６と並列に配置されている。この実施形態においては、中間熱交換器２を流れる冷媒の流量は、必要量に、正確に制御される。中間熱交換器２と関連づけられている逆止弁26は、バッテリ４の入口と出口にそれぞれ設けられている冷却材の温度センサ16,17と関連づけられたコントローラ15によって制御される電動弁である。逆止弁26は、冷媒の導管38において中間熱交換器２の上流側にあり、中間熱交換器２と直列に設けられている。
コンプレッサ７は、コントローラ15によって制御され、空調サイクルを循環する冷媒の流量を調節する。また、冷却材を循環させるポンプ11も、コントローラ15によって制御され、バッテリの温度調節の必要に応じて、冷却材の流量を調節する。
上記のように、冷却サイクル３は、中間熱交換器２の過熱を抑えることによって冷却材の温度を調節する簡単な構成となっている。温度センサ16,17を設置しても、中間熱交換器２を通過する冷媒の流量は、十分に制御することができる。中間熱交換器２においては、冷却材が与える熱量と、冷媒が受け取る熱量との間に平衡が成立している。
その結果、バッテリを設定温度に維持するために空調サイクル１において消費されるエネルギーは、必要最小限にとどめられる。冷媒の流量を調節することによって、バッテリ４の温度を変化させるために必要な熱量を、正確に得ることができる。すなわち、冷媒の流量を調節することにより、バッテリ４の入口における冷却材の温度を、設定温度の範囲内に制御することができる。また、冷却サイクルにおける冷却材の流量を調節すると、バッテリ４の入口と出口の間の冷却材の温度差を制御することができる。
図１０に示す、空調サイクル１と冷却サイクル３の間に設けられた中間熱交換器２は、空調サイクル１のエバポレータ６を通過した空気が横切るようになっている、気相(空気)−液相(冷却材)間の熱交換器である。また、図１１と図１２に示す、同じく気相−液相間の熱交換が行われる中間熱交換器２は、エバポレータの下流側において、ヒータ27と並列に設けられている。図１０〜図１２に示す実施形態においては、空調サイクル１と冷却サイクル３の既存の構成を変えることなく、冷却材を冷却することができる。
冷却材の温度は、エバポレータ６を通過した後中間熱交換器２を通過する空気の流量を調節するフラップ28を介して、冷媒の温度によって調節される。フラップ28は、バッテリの入口と出口にそれぞれ配置された冷却材の温度センサ16,17および外気の温度センサ21と関連づけられているコントローラ15によって制御される。
図１１と図１２に示す実施形態においては、ヒータ27または中間熱交換器２という空気の通り道とは別に、空気を車室に流入させるために、通気路29が設けられている。ヒータ27と中間熱交換器２は、それぞれ、空気の流量を調節するフラップ28と30を備えている。
外気の温度がバッテリの設定温度よりも低い場合には、この外気が、図示していない空調サイクルのブロワによって導入され、バッテリを冷却するために直接用いられる。外気の温度がバッテリの設定温度よりも高い場合には、空調サイクル１とブロワがともに用いられる。
バッテリ４を冷却することなく、車室を冷房するときには、中間熱交換器２およびヒータ27と関連づけられているフラップ28,30を閉鎖し、通気路29に空気を通す。
バッテリ４を冷却しつつ、車室を冷房するときには、中間熱交換器２と関連づけられているフラップ28を開放し、中間熱交換器２と通気路29に空気を通す。バッテリ４は、エバポレータ６を通過した冷たい空気によって冷却されるが、過度に冷却されることはない。
バッテリ４を冷却することなく、車室を暖房するときには、中間熱交換器２と関連づけられているフラップ28を閉鎖し、他方、エバポレータ６を通過した空気を、ヒータ27に導くために、ヒータ27と関連づけられているフラップ30を開放する。
バッテリ４を冷却しつつ、車室を暖房する必要があるときには、中間熱交換器２およびヒータと関連づけられているフラップ28,30を開放し、エバポレータ６を通過した空気を、中間熱交換器２およびヒータ27に導く。空調サイクル１を作動させなくても、バッテリ４は、エバポレータ６を通過した冷たい外気によって冷却される。したがって、エネルギー消費を節減することができる。
バッテリ４を冷却することなく、車室の窓の曇りを除去するときには、ヒータ27と関連づけられているフラップ30を部分的に開放し、他方、中間熱交換器２と関連づけられているフラップ28を閉鎖して、空気を、通気路29に通すとともに、ヒータ27にも一部通す。
バッテリ４を冷却しつつ、車室の窓の曇りを除去するときには、ヒータ27と関連づけられているフラップ30を部分的に開放するとともに、中間熱交換器２と関連づけられているフラップ28を全面的に開放して、空気を、通気路29、中間熱交換器２、およびヒータ27に通す。バッテリ４は、エバポレータ６を通過した冷たい空気を介して冷却されるが、過度に冷却されることはない。
図１１に示す実施形態においては、フラップ28は、中間熱交換器２の下流側にあって、中間熱交換器２を通過する空気の流量を調節する。中間熱交換器２とヒータ27は、エバポレータ６の下流側において、概ね対向して配置されている。エバポレータ６とヒータ27は、ケーシングに密着して設けられており、通気路29は、中間熱交換器２とヒータ27の間に形成されている。フラップ28は、ケーシング内部のスペースの都合により、中間熱交換器２の上流側に配置することもできる。
図１２に示す実施形態においては、フラップ28は、中間熱交換器２の下流側にあって、中間熱交換器２を通過する空気の流量を調節する。通気路29には、エバポレータ６を通過した空気の流量を調節するフラップ28,30と関連づけられた追加のフラップ31を設けてある。
図１３および図１４に示す中間熱交換器２とヒータ27は、互いに一体となって、１つのモジュールを形成しているため、装置の構成を簡素にすることができる。また、中間熱交換器２とヒータ27を単一のモジュールにまとめることは、製造コストの点からも好ましい。このようなモジュール化が可能な理由は、ともに熱交換器であるヒータ27と中間熱交換器２が、互いに類似の構成とすることができ、同一のチューブおよびコネクタ、ならびに同じような形状のケーシングを備えうるからである。
図１３に示すモジュール32における中間熱交換器２は、長さはヒータ27と等しいが、高さはヒータ27よりも低い。反対に、図１４に示すモジュール32における中間熱交換器２は、高さはヒータ27と等しいが、長さはヒータ27よりも短い。なお、両図ともに、中間熱交換器２とヒータ27の幅は、互いに異なっている。
図１５〜図２１に示す実施形態においては、空調サイクル１と冷却サイクル３の間に設けられる中間熱交換器２は、空調サイクル１のエバポレータ６を通過した空気が横切るようになっている、気相(空気)−液相(冷却材)の間の熱交換器である。中間熱交換器２は、空気の流れる方法において、エバポレータ６とヒータ27の下流側に設けられている。中間熱交換器には、バッテリ４を冷却するときにエバポレータ６を通過した空気を流入させ、また、バッテリ４を加熱するときにヒータ27を通過した空気を流入させるためのフラップ33,34の対が設けられている。
ヒータ27には、エバポレータ６を通過した空気流を、ヒータ27、中間熱交換器２、または通気路36に案内する追加のフラップ35が設けられている。通気路36は、ヒータ27または中間熱交換器２に向かう空気の流路とは別個に、空気流を車室に向けて案内する。通気路37は、ヒータ27を通過した空気流を、中間熱交換器２に向かう空気の流路とは別個に、直接車室に向けて案内する。フラップ33,34,35は、コントローラ15によって制御される。
図１５に示す実施形態においては、フラップ35は、閉鎖されている。また、中間熱交換器２に設けられているフラップ33,34も、閉鎖されている。バッテリ４を冷却することなく、車室を冷房する場合には、エバポレータ６を通過した空気流は、車室に向かう通気路36に案内される。
図１６に示す実施形態においては、フラップ35は、開放されている。他方、中間熱交換器２に設けられているフラップ33,34は、閉鎖されている。バッテリ４を加熱することなく、車室を暖房する場合には、エバポレータ６を通過した空気流は、ヒータ27に案内され、ついで通気路37に向かう。
図１７に示す実施形態においては、フラップ34と35は、閉鎖されている。他方、フラップ33は、開放されている。エバポレータ６を通過した空気流は、車室を冷房するため、通気路36に案内されると同時に、バッテリ４を冷却するため、中間熱交換器２にも案内される。
図１８に示す実施形態においては、フラップ34と35は、開放されている。他方、フラップ33は、閉鎖されている。エバポレータ６を通過した空気流は、車室を暖房するため、通気路37に案内されると同時に、バッテリ４を加熱するため、中間熱交換器２にも案内される。
本発明の第１の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第６の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第７の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第８の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第９の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第１０の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第１１の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第１２の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 図１０に示すバッテリの設定温度維持装置の一実施形態に係るモジュールの側面図である。 図１０に示すバッテリの設定温度維持装置の他の実施形態に係るモジュールの側面図である。 本発明の第１３の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第１４の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第１５の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。 本発明の第１６の実施形態に係るバッテリの設定温度維持装置のブロック図である。
符号の説明
１ 空調サイクル
２ 中間熱交換器
３ 冷却サイクル
４ バッテリ
５ 逆止弁
６ エバポレータ
７ コンプレッサ
８ コンデンサ
９ 逆止弁
10 恒温槽
11 ポンプ
12 分岐管
13,14 バルブ
15 コントローラ
16,17 温度センサ
18 熱交換器
19 導管
20 三方弁
21 温度センサ
22 フラップ
23 逆止弁
24 加熱器
25 温度センサ
26 逆止弁
27 ヒータ
28 フラップ
29 通気路
30, 31 フラップ
32 モジュール
33,34,35 フラップ
36,37 通気路
38 導管

Claims (26)

  1. 冷媒が循環する空調サイクル(１)と、バッテリ(４)の温度を変化させるための冷却材が循環する冷却サイクル(３)と、これらの空調サイクル(１)および冷却サイクル(３)の間に位置する中間熱交換器(２)とを備える電気自動車またはハイブリッド車用の少なくとも１つのバッテリ(４)の設定温度維持装置であって、前記空調サイクル(１)は、エバポレータ(６)、コンプレッサ(７)、コンデンサ(８)、およびエバポレータ(６)の上流側に設けられる安全ユニット(９)を具備し、前記冷却サイクル(３)は、冷却材を前記中間熱交換器(２)とバッテリ(４)へ送るポンプ(11)を具備するようになっているバッテリの設定温度維持装置において、前記冷却サイクル(３)は、冷却材の温度調節手段によって制御されるようになっていることを特徴とするバッテリの設定温度維持装置。
  2. 前記冷却材の温度調節手段は、前記バッテリ(４)の入口側と出口側にそれぞれ配置される温度センサ(16)(17)と関連づけられた制御手段(15)によって制御されるようになっていることを特徴とする請求項１記載のバッテリの設定温度維持装置。
  3. 前記中間熱交換器(２)は、冷媒および冷却材が通過するエバポレータであり、前記冷却材の温度調節手段は、冷却サイクル(３)において、中間熱交換器(２)と並列に設けられる導管(12)を含むことを特徴とする請求項１または２記載のバッテリの設定温度維持装置。
  4. 前記導管(12)には、前記制御手段(15)によって制御されるバルブ(13)(14)が設けられていることを特徴とする請求項３記載のバッテリの設定温度維持装置。
  5. 前記制御手段(15)は、中間熱交換器(２)の出口における冷却材の温度を検知する第３の温度センサ(25)にも関連づけられていることを特徴とする請求項４記載のバッテリの設定温度維持装置。
  6. 前記バルブ(13)は、開度を調節しうるバルブであることを特徴とする請求項４または５記載のバッテリの設定温度維持装置。
  7. 前記バルブ(14)は、前記バッテリ(４)の下流側において、前記導管(12)への分岐路に設けられる三方弁であることを特徴とする請求項４または５記載のバッテリの設定温度維持装置。
  8. 前記中間熱交換器(２)と並列に、気相−液相間の熱交換を行う追加の熱交換器(18)が設けられ、かつ冷却材を、前記追加の熱交換器(18)もしくは中間熱交換器(２)へ、または一部の冷却材を追加の熱交換器(18)へ、他の一部を中間熱交換器(２)へ送る三方弁(20)が設けられていることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載のバッテリの設定温度維持装置。
  9. 前記開度を調節しうるバルブ(13)は、前記追加の熱交換器(18)と直列に設けられることを特徴とする請求項６または８記載のバッテリの設定温度維持装置。
  10. 前記追加の熱交換器(18)は、通過する空気の流量を調節するフラップ(22)を備えていることを特徴とする請求項８記載のバッテリの設定温度維持装置。
  11. 前記フラップ(22)は、前記制御手段(15)によって制御され、この制御手段(15)は、前記導管(12)を通過する冷却材の温度を調節するために、外気の温度情報を受け取るようになっていることを特徴とする請求項１０記載のバッテリの設定温度維持装置。
  12. 前記三方弁(20)は、前記制御手段(15)によって制御され、この制御手段(15)は、前記導管(12)を通過する冷却材の温度を調節するために、外気の温度情報を受け取るようになっていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載のバッテリの設定温度維持装置。
  13. 前記中間熱交換器(２)は、前記エバポレータ(６)と並列に設けられ、かつ安全ユニット(５)と関連づけられていることを特徴とする請求項３〜１２のいずれかに記載のバッテリの設定温度維持装置。
  14. 前記中間熱交換器(２)は、前記エバポレータ(６)と直列に設けられていることを特徴とする請求項３〜９のいずれかに記載のバッテリの設定温度維持装置。
  15. 前記中間熱交換器(２)は、前記エバポレータ(６)と並列に設けられ、かつ冷媒と冷却材が通過するエバポレータであり、この中間熱交換器(２)と直列に安全ユニット(26)が設けられており、前記冷却材の温度調節手段は、前記制御手段(15)によって制御されつつ、中間熱交換器(２)を循環する冷媒の流量を調節することを特徴とする請求項２記載のバッテリの設定温度維持装置。
  16. 前記安全ユニット(26)は、前記中間熱交換器(２)の上流側において、冷媒の導管(38)に設けられることを特徴とする請求項１５記載のバッテリの設定温度維持装置。
  17. 前記コンプレッサ(７)は、前記制御手段(15)によって制御され、空調サイクル(１)を循環する冷媒の流量を調節することを特徴とする請求項１５記載のバッテリの設定温度維持装置。
  18. 前記冷媒の流量を調節する手段は、前記中間熱交換器(２)と直列に設けられる安全ユニット(26)からなり、この安全ユニット(26)は、前記制御手段(15)によって制御される電動式の安全弁であることを特徴とする請求項１５または１６記載のバッテリの設定温度維持装置。
  19. 前記中間熱交換器(２)は、エバポレータ(６)の下流側に設けられ、エバポレータ(６)を通過した空気流の少なくとも一部が流入して、気相−液相間の熱交換が行われるようになっており、前記冷却材の温度調節手段は、前記制御手段(15)による制御の下に、エバポレータ(６)を通過した後中間熱交換器(２)に流入する空気の流量を調節するフラップ(28)を備えていることを特徴とする請求項２記載のバッテリの設定温度維持装置。
  20. 前記制御手段(15)は、外気の温度情報を受け取るようになっていることを特徴とする請求項１９記載のバッテリの設定温度維持装置。
  21. エバポレータ(６)を通過した空気流を加熱するヒータ(27)を備え、前記中間熱交換器(２)は、前記空気流の進む方向において、前記ヒータ(27)と並列に配置されていることを特徴とする請求項１９または２０記載のバッテリの設定温度維持装置。
  22. 前記中間熱交換器(２)とヒータ(27)を隣合せに配置したモジュール(32)を備えていることを特徴とする請求項２１記載のバッテリの設定温度維持装置。
  23. エバポレータ(６)を通過した空気流を加熱するヒータ(27)を備え、前記中間熱交換器(２)は、前記空気流の進む方向において、前記ヒータ(27)の下流側に配置されており、前記冷却材の温度調節手段は、前記制御手段(15)による制御の下に、ヒータ(27)を通過した後中間熱交換器(２)に流入する空気の流量を調節するフラップ(34)を備えていることを特徴とする請求項１９または２０記載のバッテリの設定温度維持装置。
  24. 前記ヒータ(27)には、エバポレータ(６)を通過した空気流を、このヒータ(27)、または中間熱交換器(２)に振り向ける追加のフラップ(35)が設けられていることを特徴とする請求項２３記載のバッテリの設定温度維持装置。
  25. 前記空調サイクル(１)は、前記制御手段(15)による制御の下に、コンプレッサ(７)の回転方向を反対にして、ヒートポンプとして働くことにより、コンデンサとして用いられる中間熱交換器(２)から流出する冷却材を加熱する可逆性を有することを特徴とする請求項２記載のバッテリの設定温度維持装置。
  26. 前記ポンプ(11)は、前記制御手段(15)による制御の下に、冷却材の流量を調節することを特徴とする請求項２〜２５のいずれかに記載のバッテリの設定温度維持装置。
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