JP2012156010A - 電池冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電池を効率良く冷却することができる電池冷却構造を得る。
【解決手段】電池冷却構造１０は、空調装置２０からの冷風を車両を駆動するための電力を蓄えるバッテリユニット１６に導く冷風ダクト４５と、バッテリユニット１６を冷却するための冷却水ＣＷが循環される冷却水循環パイプ５４と、冷却水循環パイプ５４に設けられた冷却水タンク５２内の冷却水ＣＷと空調装置２０の冷凍サイクルの冷媒との熱交換を行う熱交換器５０と、冷却水循環パイプ５４に設けられ作動されることで冷却水ＣＷを循環させる冷却水ポンプ５６と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両駆動用の電池を冷却するための電池冷却構造に関する。

空調装置の冷風をバッテリに吹き付けて該バッテリを冷却するバッテリ冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１４３１８３号公報

しかしながら、空調装置の冷風だけでは、バッテリを十分に冷却することができない場合が想定される。

本発明は、電池を効率良く冷却することができる電池冷却構造を得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る電池冷却構造は、車両用の空調装置からの冷風を、車両を駆動するための電力を蓄える電池に導く導風路と、前記電池を冷却するための冷却液が循環される冷却液循環路と、前記冷却液循環路に設けられ、前記空調装置を構成する冷凍サイクルの冷媒と前記冷却液との熱交換を行う熱交換器と、前記冷却液循環路に設けられ、作動されることで前記冷却液を循環させるポンプと、を備えている。

請求項１記載の電池冷却構造では、導風路を経由して導かれる空調装置からの冷風によってバッテリが冷却される。バッテリをさらに冷却する場合には、この冷風による冷却時（すなわち空調装置の作動時）において、ポンプを作動する。すると、冷却液が電池、熱交換器間で冷却液循環路を循環する。これにより、冷凍サイクルの冷媒との熱交換で冷やされた冷却液が電池の冷却に供される。

このように、請求項１記載の電池冷却構造では、冷却液の循環による電池の冷却系等を有しない構成と比較して、電池を効率良く冷却することができる。また、本電池冷却構造では、ポンプを作動させることで、空調装置の非作動時においても循環する冷却液により電池を冷却することができる。

請求項２記載の発明に係る電池冷却構造は、請求項１記載の電池冷却構造において、前記熱交換器は、前記冷凍サイクルを構成する蒸発器の下流側でかつ凝縮器の上流側で前記冷媒と前記冷却液との熱交換を行うように構成されている。

請求項２記載の電池冷却構造では、冷凍サイクルにおける蒸発器から凝縮器にかけての部分で冷媒が冷却液からの熱を奪うため、冷凍サイクル（空調装置の性能）に影響を与えることなく、冷却液すなわち電池を冷却することができる。

請求項３記載の発明に係る電池冷却構造は、請求項１又は請求項２記載の電池冷却構造において、前記熱交換器は、前記冷凍サイクルを構成する蒸発器の下流側でかつ圧縮機の上流側で前記冷媒と前記冷却液との熱交換を行うように構成されている。

請求項３記載の電池冷却構造では、冷凍サイクルにおける蒸発器から凝縮器に向かう冷媒すなわち低温の冷媒と冷却液との熱交換が行われるので、一層効率的に電池を冷却することができる。

請求項４記載の発明に係る電池冷却構造は、請求項１〜請求項３の何れか１項記載の電池冷却構造において、前記熱交換器は、前記冷媒の循環路を構成する配管の一部を、前記冷却液循環路の一部を成すタンク内に収容して構成されている。

請求項４記載の電池冷却構造では、冷凍サイクルの循環路を成す配管の一部をタンクに収容する簡単な構成で、冷媒と冷却液との熱交換器を構成することができる。

以上説明したように本発明に係る電池冷却構造は、電池を効率良く冷却することができるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る電池冷却構造を示す側断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電池冷却構造を示す側断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電池冷却構造の平面配置を模式的に示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電池冷却構造の平面配置の変形例を模式的に示す平面図である。 本発明の各実施形態に係る電池冷却構造を構成する熱交換器の変形例を示す斜視図である。

本発明の第１の実施形態に係る電池冷却構造１０について、図１に基づいて説明する。先ず、電池冷却構造１０が適用された自動車Ｖの概略構成、該自動車Ｖの空調装置２０について説明し、次いで、電池冷却構造１０の具体的な構成を説明することとする。なお、図中に適宜記す矢印ＦＲは車両前後方向の前方向を、矢印ＵＰは車両上下方向の上方向を、矢印Ｗは車幅方向をそれぞれ示す。以下の説明において、単に前後、上下の方向を用いる場合は、車両前後方向、車両上下方向を示すものとする。

（自動車の概略構成）
図１には、電池冷却構造１０が適用された自動車Ｖの前部が模式的な側断面図にて示されている。この図に示される如く、自動車Ｖの前端側には、パワーユニット１２が配設されたパワーユニット室１４が配置されている。この実施形態におけるパワーユニット１２は、それぞれフロントホイールＷｆを駆動するための駆動源として少なくとも電気モータを含んで構成されている。この実施形態では、パワーユニット１２は、駆動源として電気モータ及び内燃機関であるエンジンを含んで構成されている。したがって、自動車Ｖは、２つの駆動源を有するハイブリッド自動車とされている。なお、電気モータは、パワーユニット１２内に配設される構成には限られず、例えばフロントホイールＷｆ内に配設されたインホイールモータとすることも可能である。

また、自動車Ｖは、上記した電気モータを駆動するための電力を蓄える電池としてのバッテリユニット１６を備えている。バッテリユニット１６は、バッテリケース１６Ａ内に多数のバッテリパック１６Ｂを収容した構成されている。バッテリパック１６Ｂに蓄えられている電力は、図示しないケーブルを介してパワーユニット１２を構成する電気モータに供給されるようになっている。

この実施形態では、バッテリユニット１６は、自動車Ｖのフロア１８の下方、より具体的にはフロア１８に設けられたフロアトンネル１８Ａ内に配置されている。なお、バッテリユニット１６は、上記配置には限られず、その寸法形状等に応じて自動車Ｖの適宜位置に配置されれば良い。

（空調装置の概略構成）
以上説明した自動車Ｖは、車室内を空調するための空調装置２０を備えている。この空調装置２０は、冷凍サイクル部２２を備えている。冷凍サイクル部２２は、圧縮機としてのコンプレッサ２４と、凝縮器としてのコンデンサ２６と、減圧手段としての膨張弁２８と、蒸発器としてのエバポレータ３０とが配管部材等より成る冷媒循環路３２にて連通されて構成されており、コンプレッサ２４、コンデンサ２６、膨張弁２８、エバポレータ３０の順で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行うようになっている。

コンプレッサ２４は、図示しない補機用バッテリにて駆動される電動コンプレッサとされており、パワーユニット１２の作動状況に関わらず作動可能とされている。なお、コンプレッサ２４は、電磁クラッチなどを介してパワーユニット１２及び駆動モータと接続されることで、パワーユニット１２の作動中は該パワーユニット１２の動力で作動され、パワーユニット１２の停止中には上記補機用バッテリにて駆動される構成としても良い。

コンデンサ２６は、コンプレッサ２４の下流に配置された冷媒と外気との熱交換器であり、コンプレッサ２４から吐出された過熱気相冷媒を冷却して凝縮させて液相冷媒にするようになっている。コンデンサ２６から流出した液相冷媒は、膨張弁２８にて減圧され、低圧液相（または気液二層状態）とされるようになっている。この実施形態では、コンデンサ２６は、パワーユニット室１４の前端でパワーユニット１２の前方に配置されており、自動車Ｖの走行風又はファンユニット３５の作動により生じる冷却風との熱交換によって冷媒を冷却する構成とされている。なお、図１においてコンデンサ２６の前方に配置されているのは、パワーユニット１２を冷却するためのラジエータ２５である。

エバポレータ３０は、冷凍サイクル部２２においては膨張弁２８の下流に配置されると共に自動車Ｖ内では車室側の空調ユニット３４を構成している。このエバポレータ３０は、低圧液相冷媒を蒸発させて低圧気相冷媒にするための熱（潜熱）を、空調ユニット３４を構成する空調ケース３６内にブロア３８の作動により導入される空調用空気から奪うことで、該空調用空気を冷却する熱交換器として構成されている。

エバポレータ３０による空調用空気の冷却で熱交換により得られた冷風は、複数のダクト４０を介して車室内の各部から選択的に吹き出されるようになっている。この実施形態では、空調ケース３６とダクト４０との連通部に設けられたダンパ４２の開閉により冷風の吹き出し先が選択される構成である。また、エバポレータ３０を含む空調ユニット３４は、フロア１８（フロアトンネル１８Ａ）上でかつインストルメントパネル４４内に配置されている。

（電池冷却構造の構成）
電池冷却構造１０は、空調装置２０を利用してバッテリユニット１６のバッテリパック１６Ｂを冷却するようになっている。この実施形態では、空調装置２０のエバポレータ３０における冷媒との熱交換で得られる冷風（以下、単に「冷風」という）による冷却、及び冷媒循環路３２を流れる冷媒との熱交換で冷却された冷却水ＣＷによる冷却の２系統の冷却によって、バッテリユニット１６のバッテリパック１６Ｂが冷却される構成とされている。以下、具体的に説明する。

図１に示される如く、空調ユニット３４の空調ケース３６には、導風路としての冷風ダクト４５の一端部が連通状態で接続されている。冷風ダクト４５の他端部は、バッテリケース１６Ａに連通状態で接続されている。また、バッテリケース１６Ａには、一端が大気開放された空気抜き用の排気ダクト４６の他端が連通状態で接続されている。そして、空調ユニット３４には、冷風ダクト４５の一端を開閉するダンパ４８が設けられており、該ダンパ４８を開放した状態でブロア３８を作動することで、冷風をバッテリケース１６Ａに送り込むようになっている。なお、冷風ダクト４５内に、バッテリケース１６Ａに冷風を送り込むための専用のファンを設けた構成としても良い。

また、冷媒循環路３２におけるエバポレータ３０の下流でかつコンデンサ２６の上流部分、より具体的にはエバポレータ３０の下流でコンプレッサ２４の上流部分には、熱交換器５０が設けられている。熱交換器５０は、冷媒循環路３２の一部を、冷却液としての冷却水ＣＷが循環（流通）される冷却水タンク５２内に収容して構成されている。この実施形態では、冷却水タンク５２内に収容される部分の冷媒循環路３２は、冷却水ＣＷとの接触面積を増すべく螺旋状に曲げられて形成された伝熱管部３２Ａとされている。

冷却水タンク５２には、中間部がバッテリケース１６Ａ内でバッテリパック１６Ｂ間を通された冷却水循環パイプ５４の一端及び他端が連通状態で接続されている。冷却水循環パイプ５４は、バッテリケース１６Ａ内ではバッテリパック１６Ｂに接触されている。この実施形態では、主に冷却水タンク５２及び冷却水循環パイプ５４が本発明における冷却液循環路を構成している。また、電池冷却構造１０は、冷却水ＣＷを循環させる駆動源であるポンプとしての冷却水ポンプ５６を備えている。この実施形態では、冷却水タンク５２と冷却水循環パイプ５４と一端との間に冷却水ポンプ５６が介在されている。

冷却水ポンプ５６が作動されると、冷却水ＣＷは冷却水タンク５２、冷却水循環パイプ５４を循環し、空調装置２０の冷媒との熱交換で冷却された冷却水ＣＷが、バッテリパック１６Ｂ間で冷却水循環パイプ５４内を流れることで、該バッテリパック１６Ｂを冷却する構成である。なお、上記した通りエバポレータ３０の下流でコンプレッサ２４の上流に位置する冷媒循環路３２の伝熱管部３２Ａには、コンプレッサ２４にて昇温昇圧される前の低温気相の冷媒が流れる構成とされている。

以上説明した電池冷却構造１０は、バッテリパック１６Ｂの充電時（特に、急速充電時や外気温が高い状態での充電時）に自動的に又は操作スイッチの操作（操作者の意思）などに応じて、バッテリパック１６Ｂの強冷却モードを実行する構成とされている。強冷却モードでは、コンプレッサ２４及びファンユニット３５（冷凍サイクル部２２）が作動されると共に空調ユニット３４のブロア３８が作動され、かつダンパ４８が開放位置に位置される。さらに、強冷却モードでは、冷却水ポンプ５６が作動される。

また、電池冷却構造１０では、例えばバッテリパック１６Ｂの温度を検出する温度センサの出力に基づいてバッテリパック１６Ｂの温度が第１閾値を超える場合などに、自動的に冷却モードが実行される構成としても良い。冷却モードは、バッテリパック１６Ｂの温度に応じて、上記した強冷却モードと同様のモード又は冷却水ポンプ５６を作動させない冷風冷却モードとされる。この冷却モードにおいては、車室の空調のために一部のダンパ４２を開放位置に位置させても良い。また、自動車Ｖの高速走行中である場合などには、ファンユニット３５を非作動としても良い。

さらに、電池冷却構造１０では、冷凍サイクル部２２（コンプレッサ２４）の停止中であってバッテリパック１６Ｂの温度が第２閾値（≦第１閾値）を超える場合に、冷却水ポンプ５６を作動させる予備冷却モードが実行される構成としても良い。予備冷却モードは、冷却水ＣＷの循環によりバッテリパック１６Ｂから奪った熱をバッテリケース１６Ａの外側で放熱することでバッテリパック１６Ｂを冷却するモードとされる。なお、冷却水ＣＷの循環すなわち冷却水ＣＷによるバッテリパック１６Ｂの冷却が不要な場合には、冷却水ポンプ５６が停止される。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

上記構成の電池冷却構造１０が適用された自動車Ｖでは、バッテリユニット１６を構成するバッテリパック１６Ｂの充電時には、強冷却モードが実行される。すなわち、空調装置２０のコンプレッサ２４及びファンユニット３５（すなわち冷凍サイクル部２２）が作動され、かつブロア３８が作動されると共にダンパ４８が排気ダクト４６の端部を開放する。また、好ましくはダンパ４２にてダクト４０が閉止される。これらにより、エバポレータ３０における空調用空気と冷媒との熱交換で得られた冷風が、排気ダクト４６からバッテリケース１６Ａ内の空気を押し出しつつ該バッテリケース１６Ａ内に導入され、該バッテリケース１６Ａ内のバッテリパック１６Ｂが冷却される。

さらに、強冷却モードでは、冷却水ポンプ５６が作動される。すると、冷却水ＣＷが冷却水タンク５２すなわち熱交換器５０と冷却水循環パイプ５４すなわちバッテリケース１６Ａないとの間で循環される。これにより、熱交換器５０において伝熱管部３２Ａ内の冷媒との熱交換で冷却された冷却水ＣＷが、バッテリケース１６Ａ内でバッテリパック１６Ｂとの熱交換に供され、該バッテリケース１６Ａ内のバッテリパック１６Ｂが冷却される。

このように、電池冷却構造１０では、バッテリパック１６Ｂが空調装置２０の冷風（空冷）と冷却水ＣＷ（水冷）との２系統で冷却される。すなわち、バッテリパック１６Ｂが空調装置２０の冷風のみにより冷却される比較例と比較して、バッテリパック１６Ｂを効率的に冷却することができる。特に、冷却水ＣＷによる水冷では、空冷と比べて熱交換効率が高い（バッテリパック１６Ｂから奪い得る熱容量が大きい）ため、冷却水ＣＷによる水冷系統を付加することで、バッテリパック１６Ｂを効率的に冷却することに大きく寄与する。

これにより、電池冷却構造１０では、バッテリユニット１６が高温になることが抑制され（温度上昇の抑制、規定温度を超える回数の低減などが果たされ）、バッテリパック１６Ｂの寿命を延ばすことに寄与する。そして、バッテリパック１６Ｂの寿命を延ばすことで、自動車Ｖへのバッテリユニット１６（バッテリパック１６Ｂ）の搭載数を減らすことができる。これにより、自動車Ｖの軽量化、これに伴うエネルギ消費効率（電費）の向上、さらに自動車Ｖの価格低減が果たされる。

特に、冷凍サイクル部２２におけるエバポレータ３０の下流側でコンデンサ２６の上流側の冷媒は、冷却水ＣＷとの熱交換により加熱（昇温）されても冷凍サイクル部２２（空調装置２０）の性能に影響を与えることがない。すなわち、電池冷却構造１０では、熱交換器５０がエバポレータ３０とコンプレッサ２４との間に配置されているので、冷凍サイクル部２２におけるコンプレッサ２４にて昇温される前の低温冷媒にて、空調ユニット３４での冷風の生成に影響を与えることなく、効率的にバッテリパック１６Ｂを冷却することができる。

また特に、冷凍サイクル部２２におけるエバポレータ３０の下流側でコンプレッサ２４の上流側の冷媒は、低温であり、この低温を利用することで、効率的にバッテリパック１６Ｂを冷却することに寄与する。しかも、熱交換器５０における熱交換で冷凍サイクル部２２の冷媒は加熱（昇温）されるので、コンプレッサ２４の負荷軽減にも寄与する。これによっても、自動車Ｖのエネルギ消費効率の向上に寄与する。また、コンプレッサ２４の小型化ひいては自動車Ｖの軽量化、さらなるエネルギ消費効率の向上に寄与する。

さらに、電池冷却構造１０では、冷凍サイクル部２２の冷媒と冷却水ＣＷとの熱交換器５０を備えるため、換言すれば、空調用の冷媒にて直接的にバッテリパック１６Ｂを冷却する構成ではないので、冷凍サイクル部２２（コンプレッサ２４）の停止中であっても、冷却水ポンプ５６を作動により冷却水ＣＷを循環してバッテリパック１６Ｂを冷却することができる（上記した予備冷却モードを実行することができる）。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態の構成と基本的に同一の部品・部分については、上記第１の実施形態の構成と同一の符号を付して説明を省略する。

図２には、第２の実施形態に係る電池冷却構造６０が図１に対応する側断面図にて示されている。この図に示される如く、電池冷却構造６０は、コンデンサ２６がパワーユニット１２（パワーユニット室１４）の後方に配置されている点で、第１の実施形態に係る電池冷却構造１０とは異なる。

具体的には、コンデンサ２６は、ラジエータ２５及びファンユニット３５と共に、フロアトンネル１８Ａの前端部に、正面視で該フロアトンネル１８Ａを塞ぐように配置されている。パワーユニット室１４を下方から覆うアンダカバー６２には、コンデンサ２６にフロア下からの空気流を導く導風ダクト６４が形成されている。これにより、コンデンサ２６、ラジエータ２５には、自動車Ｖの走行風又はファンユニット３５の作動による空気流が導入されるようになっている。ラジエータ２５、コンデンサ２６及びファンユニット３５を通過した空気流は、フロアトンネル１８Ａの下向きの開口部１８Ｂから車外に排出
されるようになっている。

上記したコンデンサ２６の配置により、電池冷却構造６０では、コンデンサ２６が空調ユニット３４のほぼ直下に配置されている。また、図３に模式的な平面図にて示される如く、熱交換器５０はコンデンサ２６に対する車幅方向の側方に配置されている。電池冷却構造６０における他の構成は、基本的に電池冷却構造１０の対応する構成と同様である。

したがって、第２の実施形態に係る電池冷却構造６０によっても、基本的に第１の実施形態に係る電池冷却構造１０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、電池冷却構造６０では、空調ユニット３４すなわちエバポレータ３０のほぼ直下にコンデンサ２６が配置されているため、換言すればこれらが近接して配置されているため、冷媒循環路３２を短く構成することができる。

なお、コンプレッサ２４を電動（補機用バッテリ）のみで駆動することで、パワーユニット１２から離間して配置し得る構成とすれば、該コンプレッサ２４をコンデンサ２６に近接配置して、冷媒循環路３２を一層短く構成することができる。

また、空調ユニット３４を車室外（フロア１８又はパワーユニット室１４の後端を規定するダッシュパネルＤに対するコンデンサ２６側）に配置すれば、コンプレッサ２４、コンデンサ２６（ラジエータ２５、ファンユニット３５）、及び熱交換器５０をアセンブリ（ユニット）化して、一体として車体に組み付ける構成とすることができる。

さらに、第２の実施形態では、ファンユニット３５と冷却水ポンプ５６とが独立して（別個のモータにて）駆動される例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば図４に示される如く、ファンユニット３５と冷却水ポンプ５６とが共通のモータ６６にて駆動される構成としても良い。この構成では、ファンユニット３５と冷却水ポンプ５６とを同時に及び個別に作動させ得るように、モータ６６とファンユニット３５との間、モータ６６と冷却水ポンプ５６との間にそれぞれ電磁クラッチ６８が設けられている。例えば上記の強冷却モードでは、モータ６６によってファンユニット３５と冷却水ポンプ５６とが同時に駆動されるようになっている。

またさらに、上記した各実施形態では、伝熱管部３２Ａが螺旋状に形成された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば図５に示される如く、冷媒循環路３２の外周に放熱（伝熱）用のフィン７０を設けることで、伝熱管部３２Ａを構成しても良い。また、図５に示される如く、冷却水タンク５２に放熱フィン７２を設けても良い。放熱フィン７２は、特に冷凍サイクル部２２（コンプレッサ２４）の停止時に冷却水ＣＷを循環してバッテリユニット１６を冷却する場合等に、冷却水ＣＷがバッテリユニット１６から奪った熱を放熱するのに寄与する。

さらに、上記した各実施形態では、冷却液として冷却水ＣＷを用いた例を示したが、本発明はこれに限定されず、各種の冷却液を使用することができる。また、冷却液として、バッテリパック１６Ｂとの熱交換によって気化される（潜熱を奪う）冷却液を用いても良い。

その他、本発明は、上記の実施形態の構成に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各種変形して実施可能であることは言うまでもない。

１０ 電池冷却構造
１６ バッテリユニット（電池）
１６Ｂ バッテリパック（電池）
２０ 空調装置
２２ 冷凍サイクル部
２４ コンプレッサ（圧縮機）
２６ コンデンサ（凝縮器）
３０ エバポレータ（蒸発器）
３２ 冷媒循環路（冷媒の循環路）
３２Ａ 伝熱管部（冷媒の循環路を構成する配管の一部）
４５ 冷風ダクト（導風路）
５０ 熱交換器
５２ 冷却水タンク（タンク、冷却液循環路）
５４ 冷却水循環パイプ（冷却液循環路）
５６ 冷却水ポンプ（ポンプ）
６０ 電池冷却構造
ＣＷ 冷却水（冷却液）

Claims (4)

1. 車両用の空調装置からの冷風を、車両を駆動するための電力を蓄える電池に導く導風路と、
   前記電池を冷却するための冷却液が循環される冷却液循環路と、
   前記冷却液循環路に設けられ、前記空調装置を構成する冷凍サイクルの冷媒と前記冷却液との熱交換を行う熱交換器と、
   前記冷却液循環路に設けられ、作動されることで前記冷却液を循環させるポンプと、
   を備えた電池冷却構造。
2. 前記熱交換器は、前記冷凍サイクルを構成する蒸発器の下流側でかつ凝縮器の上流側で前記冷媒と前記冷却液との熱交換を行うように構成されている請求項１記載の電池冷却構造。
3. 前記熱交換器は、前記冷凍サイクルを構成する蒸発器の下流側でかつ圧縮機の上流側で前記冷媒と前記冷却液との熱交換を行うように構成されている請求項１又は請求項２記載の電池冷却構造。
4. 前記熱交換器は、前記冷媒の循環路を構成する配管の一部を、前記冷却液循環路の一部を成すタンク内に収容して構成されている請求項１〜請求項３の何れか１項記載の電池冷却構造。

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