JP2012083100A - 車両冷却システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の冷却システム(1)は、ポンプ装置(13)と、冷却液とバッテリ(2)との間で熱を伝達させるための熱交換器(5)と、冷却液と環境との間で熱を伝達させるための熱交換器(6)と、さらに、冷却液と冷媒回路(4)内を循環する冷媒との間で熱を伝達させるための熱交換器(10)を含む。冷媒回路(4)は、さらに、熱交換器(19)及び関連付けられた膨張器と共に設計されている。冷媒回路(4)は、さらに、2つの更なる膨張器(14、15)を含み、第1の膨張器(14)は、冷媒流れ方向において、熱交換器(10)の上流に配置され、第2の膨張器(15)は、熱交換器(10)の下流に配置される。このため、冷媒側で蒸発器として設計された熱交換器(10、19)は、異なる圧力レベル及び温度レベルで動作できる。
【選択図】図1
Description
本発明は、さらに、冷却システムを動作させるための方法に関する。
動作時において、電気モータ及びパワーエレクトロニクス等の電気ドライブトレインの他の構成要素と、バッテリのバッテリセルとの両方の温度が上昇する。バッテリは、特に、放電及び充電時において最適な温度で動作する必要がある。高い動作温度は、バッテリセルに非常に高い熱負荷を生じさせる可能性があるため、プロセスにおいて生じた及び放出された熱は放散する必要がある。バッテリの温度耐性は限られているため、これらは、積極的に冷却する必要がある。バッテリ及びドライブトレインの他の電子構成要素を冷却するために適した媒体は、周囲空気、車内空気、冷媒及び冷却液である。冷却液として、例えば水及び/又はグリコールが使用される。
バッテリの冷却は、その寿命を延長させる。冷却されたバッテリの温度が、限られた範囲内のみで変動するように、バッテリの冷却を行うべきである。
しかしながら、最適な動作温度で電気自動車のバッテリを動作させるには、生成された熱を放散する必要があるだけでなく、特に始動時において周囲温度が低すぎる場合に、低温のバッテリに熱を提供する必要がある。
動作温度が上昇すると、リチウムイオンバッテリの電気効率は増加する。しかしながら、40℃を超える温度では、バッテリセルの老化が進み、温度が50℃よりも高い場合、セルを損傷させることになり得る。
一方で、空気調整された車内から冷却空気を回収し、これをバッテリへ導くという可能性がある。
車内からの冷却空気を使用することは、周囲空気の使用よりも狭い温度範囲を可能にする一方で、しかしながら、車内からの空気の回収は、車両内のノイズを増加させ、したがって、快適性を低下させることになる。
加えて、0〜5Kの範囲の温度差で、温度分布の均質性についてかなり要求の厳しい、バッテリのための空冷を使用すると、個々のバッテリセルの間の温度変化が大きくなりすぎる可能性がある。温度変化を小さくするには、冷却は、非常に大きい空気質量流量を使用して実行する必要がある。上記の高いレベルの流動ノイズ及び周囲条件によって変化する冷却容量に加えて、さらに、大規模な送風機及び大きな流れ断面を使用して、空冷システムを使用する場合には、空気の経路指定のために大きな設置スペースが利用可能であることを確実にしなければならない。
冷媒によってバッテリを冷却する際に、周囲条件が車内の空気調整を必要としない場合でも、車両空調システムの冷媒回路を動作させる必要があるため、コンプレッサの動作に電気エネルギーを使用する必要がある。
さらに、冷却液によってバッテリを冷却するために電気エネルギーが必要である。しかしながら、冷却液を提供するための電力は、冷却液回路の動作に必要なコンプレッサ電力よりも大幅に低い。低温の回路内では、冷却液がバッテリから吸収される熱を環境へと放散させる。バッテリの温度は40℃を超えてはならないため、この動作は、知られているように、同様に40℃未満の周囲温度でのみ可能である。
周囲空気温度が40℃を超える場合、冷却液は、車両空調システムの冷媒回路によって周囲温度未満になるように冷却される。冷媒/冷却液熱交換器は、さらに、冷却装置とも称され、冷媒に対して蒸発器として動作される。その液体部分の大部分は蒸発器に入ると二相性(two−phase)である冷媒は、必要な場合に蒸発及び過熱される。
バッテリの温度が切り替え上限を超えると、バッテリは冷却する必要が生じ、ソレノイドバルブが開かれる。冷蔵容量は、自動温度調節用膨張バルブによって、「自動で」調節する。このプロセスによりバッテリが冷却される。低温側の切り替え限度未満に低下すると、ソレノイドバルブは閉じられる。バッテリの温度は、ゆっくりと再び上昇する。自動温度調節用膨張バルブ制御は機械的なものであるため、バッテリを冷却するための冷蔵容量を必要に応じて提供することはできず、これにより、バッテリ冷却プロセスの効率は低下する。バッテリは必要以上に強く冷却され、したがって、動作の効率性は低下する。必要な冷却容量が増加すると、バッテリ冷却を動作させるために生成される電力も増加する。
閉じた冷媒回路は、さらに、蒸発器として設計される空気/冷媒熱交換器に関連付けられる膨張器と同様に、冷媒コンプレッサ、コンデンサを含む。
第2の実施形態では、冷却装置は、冷媒流れ方向において、並列ではなく、直列に及び/又は直列接続として、車両空調システムの空気/冷媒熱交換器の上流又は下流に組み込まれる。
調整可能な膨張バルブは自動温度調節用膨張バルブであり、これは、好ましくは、外部から操作可能となるように設計される。
バッテリから冷却液へ伝達され、次に冷却液から放散される熱は、バッテリ冷却器として設計された熱交換器への冷却液の流入温度に応じて、及び、周囲温度に応じて、制御される。周囲温度は、特に、周囲空気の温度である。熱は、熱交換器内の冷却液から、周囲空気及び/又は冷却装置内の冷媒へと伝達される。
冷媒の蒸発の温度レベル以外に、冷却装置を通る冷媒の質量流が、膨張器によって調整される。
この目的のために、制御可能な膨張バルブ、特に、自動温度調節用膨張バルブとして有利に設計される膨張バルブは、外部から操作される。冷却装置へと流れる前に、及び、冷却装置から流出後に必要な場合に、冷媒が減圧される。冷却装置の上流及び下流で冷媒を減圧するプロセスのために、冷媒回路は、2段階の膨張で動作される。冷却システムの動作時において、2段階の膨張によって生成される冷却装置内の冷媒の中間圧力レベルは、バッテリの冷却要求及び周囲温度により、種々の蒸発の温度レベルに調整及び変更される。中間圧力は、冷却装置内の圧力レベルに相当する、第1の膨張器における第1の膨張後の圧力を意味することが理解される。
冷媒/冷却液の熱交換器内の冷却液と冷媒との間の熱伝達の温度レベルは、したがって、車両空調システムの蒸発器とは無関係に、有利に制御できる。
空気/冷却液熱交換器を通って導かれる周囲空気の質量流は、熱交換器に関連付けられたファンの回転速度によって制御される。冷却液から冷媒へ熱を伝達するための冷却装置が作動停止される。空気/冷却液熱交換器から流出した後で、冷却液は冷却装置の周囲のバイパスを通って流れ、及び/又は、流れは、冷却装置の冷媒側を全く通らない。いずれの制御形態をとっても、冷却液から冷媒へ熱は伝達されない。
−最大効率及び最小限のバッテリ電力損失、
−バッテリの調整のための最小限の電力消費、
−システム全体の、特に駆動システムの最大効率、
及び、したがって、
−車両の最大動作範囲、を有する。
加えて、本発明による解決法では、冷却液回路は、空調システムの冷媒回路にこのように熱的に結合され、冷媒回路は、両方のシステムを異なる温度レベルで動作できるため、車内がバッテリの冷却とは無関係に調整されるように設計される。
冷却液回路3は、冷却液を供給するためのポンプ装置13を有する。冷却液流れ方向において、熱交換器5は冷却液ポンプの下流に配置され、熱交換器はバッテリ2に熱的に結合される。この目的のために、種々の熱伝達が考えられる。冷却液は、バッテリセルの間で形成される空間を直接通って流れ、こうして、バッテリセルの表面と直接接する。あるいは、熱は、バッテリ2の筐体の接触表面を介して、冷却液へ伝達される。
分岐8とマウスポイント12との間で、流路9は熱交換器10を有し、これを通って、一方の側で冷却液が流れ、他方の側で車両の空調システムの冷媒が流れる。冷却液回路3は、冷媒/冷却液熱交換器10を介して、冷媒回路4へ熱的に結合される。冷媒回路4に対して蒸発器10として動作される冷媒/冷却液熱交換器10内部では、これを通って流れる冷媒は、熱を吸収する気体状態へ変換される。冷却液から熱が回収され、冷却される。バイパス11は、冷媒への熱伝達が行われないように、熱交換器10を通過する冷却液の誘導の操作の制御ついて選択肢を提供する。
分岐8は、3方向バルブ及び/又は切り替えバルブ8として設計される。一方の側では、冷却液は、冷却液回路3が直接、冷媒回路4へ接続されるように、冷却装置10とも称される蒸発器10を使用して、流路9を介して導くことができる。他方の側では、冷却液は、切り替えバルブ8を使用してバイパス11を通り、蒸発器10の周囲に導くことができる。あるいは、冷却液の質量流は、流路9及びバイパス11を形成するように、分岐8において分岐させることもできる。
あるいは、冷却装置10は、車内への流入空気の調整のために、冷媒回路4内の蒸発器19の上流又は下流で直列に配置することもできる。
熱交換器6は、最大で30℃の周囲空気温度で、ファン7と共に動作される。特別に空冷された冷却液の温度が、バッテリ2の冷却のための許容温度を超える場合にのみ、冷却液回路4の熱交換器10がさらに動作される。空気によって冷却液を特別に冷却する方法において、低温度冷却器6を動作させる利点は、冷却液回路4、したがって車両の空調システムが、およそ30℃を超える周囲空気温度でのみ動作されるということである。したがって、車両の空調システムは、連続的に動作させる必要はないため、車両の駆動に利用可能なエネルギーが節約され、車両の動作範囲が最小限にされる。
あるいは、冷却液回路3の設計により、冷却液が低温度冷却器6を通って流れないように、冷却液がバイパス18を通るように導くことができる。次いで、低温度冷却器6は、冷却液側でブロックされ、同様に、アクティブにはならない。
そうでなければ、熱交換器6へ40℃を超える温度を有する非常に温度の高い周囲空気を供給すると、冷却液が周囲空気より低い温度を有する場合、冷却液回路3が環境から更なる熱を吸収することになる。
非常に低い周囲温度、特に0℃未満の空気温度においても、冷却装置10内の蒸発の温度レベルは、膨張バルブ14、15の断面によって制御される。特に、熱源として周囲空気を使用して熱ポンプモードで動作される、冷却液回路3から車両の空調システムの冷媒回路4へバッテリ2の余熱を伝達する場合に、バッテリ2内の非常に高い温度勾配が、冷却システム1を0℃未満の周囲温度で切り替えられる場合に生じ得る。バッテリ2内の高い温度勾配を防ぐために、冷却装置10内の温度レベルが、冷媒回路4の並列接続された蒸発器19とは無関係に制御される。冷媒回路4内の蒸発器10、19内の圧力レベル及び/また温度レベルの独立した制御が、膨張バルブ14、15の配置によって、2段階の膨張によって可能になる。冷却装置10内の空調システムの冷却液と冷媒との間の熱伝達の温度レベルを、空調システムの空気/冷媒熱交換器19とは無関係に制御できる。
2 エネルギー蓄積装置、バッテリ
3 冷却液回路
4 冷媒回路
5 熱交換器、バッテリ冷却器
6 熱交換器、低温度冷却器、空気/冷却液熱交換器
7 ファン、送風機
8 分岐、切り替えバルブ、3方向バルブ
9 流路
10 熱交換器、蒸発器、冷却装置、冷媒/冷却液熱交換器
11 冷却装置バイパス
12 マウスポイント、T字部分
13 ポンプ装置、冷却液ポンプ
14 第1の膨張装置、膨張バルブ
15 第2の膨張装置、膨張バルブ
16 分岐、T字部分
17 マウスポイント、切り替えバルブ、3方向バルブ
18 低温度冷却器バイパス
19 熱交換器、蒸発器、空気/冷媒熱交換器
Claims (10)
- 冷却液回路(3)を使用して、車両のバッテリ(2)を冷却するための冷却システム(1)であって、ポンプ装置(13)と、冷却液と前記バッテリ(2)との間で熱を伝達させるための熱交換器(5)と、前記冷却液と環境との間で熱を伝達させるための熱交換器(6)と、前記冷却液と冷媒回路(4)内で循環する冷媒との間で熱を伝達するための熱交換器(10)とを備え、前記冷媒回路(4)は、関連付けられた膨張器を有する熱交換器(19)をさらに備え、
前記冷媒回路(4)は2つの膨張器(14、15)と共に設計されており、前記冷媒側の蒸発器として設計される前記熱交換器(10、19)が、変動する圧力レベル及び温度レベルにおいて動作できるように、前記冷媒の流れ方向において、前記第1の膨張器(14)は前記熱交換器(10)の上流に配置され、前記第2の膨張器は前記熱交換器(10)の下流に配置されることを特徴とする、冷却システム。 - 前記冷媒回路(4)は、前記車両の空調システムの構成要素として設計され、前記熱交換器(19)は、車内の前記流入空気を調整するための空気/冷媒熱交換器(19)として提供されることを特徴とする、請求項1に記載の冷却システム(1)。
- 前記冷媒回路(4)内の前記冷却液と前記冷媒と間で熱を伝達させるための前記熱交換器(10)は、前記車両空調システムの前記空気/冷媒熱交換器(19)と並列に接続される、請求項2に記載の冷却システム(1)。
- 前記冷却液と前記冷媒との間の前記熱伝達の前記温度レベルが、前記空気/冷媒熱交換器内の前記熱伝達の前記温度レベルとは無関係に制御できるように、前記冷媒回路(4)を前記熱交換器(10)における2段階の膨張によって動作できるように、前記膨張器(14、15)は、調整可能な膨張バルブ(14、15)として設計されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1つに記載の冷却システム(1)。
- 前記冷却液と前記環境との間で熱を伝達するための前記熱交換器(6)は、前記熱を前記冷却液から前記周囲空気の質量流へ伝達できるように、ファン(7)を有する空気/冷却液熱交換器(6)として設計されることを特徴とし、前記ファン(7)は調整可能な速度で設計される、請求項1〜4のいずれか1つに記載の冷却システム(1)。
- 車両のバッテリ(2)を冷却するための冷却システム(1)を動作させるための方法であって、
−前記バッテリ(2)から放散される前記熱は、熱交換器(5)内で冷却液へと伝達され、前記冷却液は、冷却液回路(3)内のポンプ装置(13)によって再循環され、熱交換器(10)によって、冷媒へと熱的に結合されて、冷媒回路(4)内で再循環され、
−前記冷却液から放散される前記熱は、前記熱交換器(5)への前記冷却液の前記流入温度及び前記周囲温度に応じて、熱交換器(6)内において前記周囲空気へ、及び/又は前記熱交換器(10)内において前記冷媒へ、これを伝達することにより、制御され、
蒸発器として設計された空気/冷媒熱交換器(19)を含む、前記冷媒回路(4)内において、前記熱交換器(10)は、前記冷媒流れ方向において、上流の膨張器(14)及び下流の第2の膨張器(15)を有する蒸発器(10)として動作され、前記熱交換器(10)内の冷媒の前記蒸発の前記温度レベルは、前記空気/冷媒熱交換器(19)内の前記蒸発の前記温度レベルとは無関係に制御されることを特徴とする、方法。 - 蒸発器として設計された前記空気/冷媒熱交換器(19)、並びに前記冷媒流れ方向において、上流に前記第1の膨張器(14)及び下流に前記第2の膨張器(15)を有する、前記冷却液と前記冷媒との間で熱を伝達するための前記蒸発器(10)は、前記冷媒回路(4)内において互いに並列接続で動作されることを特徴とし、
−調整可能な膨張バルブ(14、15)として設計された前記膨張器(14、15)は、外部から操作され、
−前記蒸発器(10)へ流れる前、及び前記蒸発器(10)から出た後に、前記冷媒は、前記冷媒が前記蒸発器(10)をまたぐ2段階の膨張を実行するように減圧され、前記蒸発器(10)内の前記冷媒の中間圧力レベルは、前記バッテリ(2)の前記冷却要求及び前記蒸発の種々の温度レベルにおける前記周囲温度に応じて、調整及び変動される、請求項6に記載の方法。 - 前記バッテリ(2)から放散される前記熱は、電気的に駆動されるポンプ装置(13)を使用するバッテリ冷却器として設計される前記熱交換器(5)を通る前記冷却液の流量によって連続的に制御されることを特徴とする、請求項6又は7に記載の方法。
- 請求項6〜8のいずれか1つに記載される方法であって、前記冷却液から放散される前記熱は、
−低い周囲温度時に、前記熱交換器(6)で前記周囲空気に伝達され、
−前記熱交換器(6)における前記周囲空気の前記質量流は、前記熱交換器(6)に関連付けられたファン(7)の前記回転速度によって制御され、
−前記冷媒へ前記熱を伝達するための前記熱交換器(10)は、作動停止され、
−前記熱交換器(5)への前記冷却液の前記流入温度が前記熱交換器(6)内の許容温度を超える場合に、前記周囲空気及び前記熱交換器(10)内の前記冷却液に伝達され、前記冷媒へ前記熱を伝達するための前記熱交換器(10)は動作され、前記熱交換器(10)内の前記冷媒の前記蒸発の前記温度レベルは、前記冷蔵容量と同様に、前記膨張バルブ(14、15)の断面を変化させることにより制御され、
−高い周囲温度時に、前記熱交換器(10)で前記冷媒に伝達され、
−前記熱交換器(10)内の前記冷媒の前記蒸発の前記温度レベルは、前記冷蔵容量と同様に、前記膨張バルブ(14、15)の前記断面を変化させることにより制御され、
−前記周囲空気へ前記熱を伝達させるための前記熱交換器(6)は作動停止される、ことを特徴とする、方法。 - 周囲空気が、蒸発器として設計された前記空気/冷媒熱交換器(19)の周囲を、前記熱交換器(5)への前記冷却液の前記必要な流入温度よりも低い周囲温度で流れ、空気ヒートポンプとして前記車両の前記空調システムの前記冷媒回路(4)が動作している間、熱交換器(10)内の前記冷媒の蒸発の前記温度レベルは、前記冷蔵容量と同様に、前記膨張バルブ(14、15)の前記断面を変化させることにより制御される、請求項6〜9のいずれか1つに記載の方法。
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