JP2014026825A - バッテリ冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両走行中など、大きな冷却能力を必要とする時に、十分な冷却能力を得ると共に、車両停止後に省エネでバッテリの冷却を可能にする。
【解決手段】熱交換ブロック１２に冷却プレート１６が一体形成され、熱交換ブロック１２及び冷却プレート１６の内部に冷却水導入空間ｓ１、ｓ２が形成されている。冷却プレート１６と連通管１８とで形成した保持部Ａに複数の電池セルＥｃを保持する。電動車の走行時、熱交換ブロック１２内に供給された冷却水ｗ１によって電池セルＥｃを冷却する。電動車の停止後、熱交換ブロック１２内に少量の冷却水ｗ１を封入して熱交換ブロック１２内を減圧し、冷却水ｗ１の気化潜熱で電池セルＥｃの熱を吸収し、電池セルＥｃを冷却する。気化した水蒸気ｖはヒートシンク２４内で放熱して液化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両等に搭載されるバッテリの冷却装置に関する。

電動車両駆動用バッテリは、寒冷地では保温のためバッテリモジュール全体を断熱材で覆う等の保温対策を施す必要がある。しかし、この保温策では、電動車両の走行後に高温となったバッテリが自然冷却されにくくなるという問題がある。一方、走行中のバッテリの温度上昇を防ぐため、冷却水の通路が設けられ、この冷却水通路に冷却水を通水し、バッテリを冷却している。そこで、前記問題に対し、車両の停止後もポンプを作動させ、バッテリの温度上昇を防止する方策が考えられる。しかし、この方策の場合、電力消費も増加するという問題がある。

特許文献１及び特許文献２には、車両に搭載されたバッテリの冷却手段として、ヒートパイプを用いてバッテリを冷却する手段が開示されている。即ち、バッテリの熱を吸収する吸熱部と、放熱フィンやヒートシンクが付設された放熱部とを有するヒートパイプをバッテリに設け、該吸熱部でバッテリの熱を吸収することで、バッテリを冷却している。

特開２００５−３４９９５５号公報 特開２００６−２１０２４５号公報

ヒートパイプを用いた冷却手段は、特に動力を必要としないため、ポンプによりバッテリに冷却水を通水する手段と比べて、省エネとなる利点がある。しかし、冷却水を通水する手段と比べて、冷却能力の点で劣るため、車両の走行中など、大きな冷却能力を必要とするとき、十分な冷却能力を得ることは困難である。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、車両に搭載されたバッテリを冷却するバッテリ冷却装置において、車両の走行中など、大きな冷却能力を必要とする時に十分な冷却能力を得ることができると共に、車両の停止後に省エネでバッテリの冷却を可能にすることを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明のバッテリ冷却装置は、外表面に前記バッテリを構成するバッテリモジュールを保持する保持部を有すると共に、内部に冷却媒体導入空間を有する熱交換ブロックと、熱交換ブロックに冷却媒体を供給する冷却媒体供給路及び該冷却媒体供給路に設けられた供給ポンプと、冷却媒体供給路に接続され、該冷却媒体流供給路を介して熱交換ブロックの内部を減圧する真空ポンプとを備え、熱交換ブロックに冷却媒体を供給し、冷却媒体の顕熱でバッテリモジュールを冷却する第１冷却モードと、真空ポンプで熱交換ブロックの内部を減圧し、ヒートパイプ作用でバッテリモジュールを冷却する第２冷却モードを具備するものである。

車両の走行時又は急速充電時等のように、バッテリに対して大きな冷却能力を必要とする時、熱交換ブロックに冷却媒体を供給し、該冷却媒体の顕熱でバッテリモジュールを冷却する第１冷却モードを行う。そして、車両が走行した後の停止時など、比較的小さな冷却能力で済む場合は、真空ポンプで熱交換ブロックの内部を減圧し、ヒートパイプ作用でバッテリモジュールを冷却する第２冷却モードを行う。

第２冷却モードでは、熱交換ブロック内に少量の冷却媒体を封入した状態で、熱交換ブロック内を減圧することで、熱交換ブロック内の冷却媒体の沸点を下げる。そして、冷却媒体の気化潜熱でバッテリモジュールを冷却する。気化した冷却媒体は放熱部に移動し、放熱部で放熱して液化し、液化した冷却媒体は再びバッテリモジュールの熱を吸収して気化する。この挙動を繰り返すヒートパイプ作用でバッテリモジュールを冷却する。

これによって、車両の走行時あるいはバッテリの急速充電時等、バッテリに対して大きな冷却能力を必要とする時、冷却媒体の顕熱によって十分な冷却能力を得ることができると共に、車両走行後の停止時等、比較的小さな冷却能力で済む場合には、ヒートパイプ作用により省エネでバッテリの冷却を可能にする。

本発明において、熱交換ブロックは、バッテリモジュールの熱を吸収して気化した冷却媒体が上昇する気化冷却媒体流路が上下方向に沿って内部に形成された本体ブロックと、本体ブロックの上端に設けられたヒートシンクと、ヒートシンクの下方で互いに間隔を置いて本体ブロックから水平方向へ延設され、気化冷却媒体流路と連通する内部空間が形成された複数の板状ケーシングと、複数の板状ケーシング間に架設され、板状ケーシングの内部空間同士を上下に連通させる連通管とを有し、板状ケーシングと連通管とで囲まれる領域にバッテリモジュールを保持すると共に、板状ケーシングと連通管とで、気化冷却媒体流路の上部域で冷却され液化した液化冷却媒体が重力で流下する液化冷却媒体流路を形成するようにするとよい。

このように、気化冷却媒体流路と液化冷却媒体流路とを別々に設けたことで、熱交換ブロックの内部で、吸熱領域と放熱領域との間の冷却媒体の循環を円滑にすることができる。そのため、熱交換ブロックの冷却能力を向上できる。また、バッテリモジュールの保持部を板状ケーシングと連通管とで形成できるので、別に保持手段を設ける必要がなくなり、熱交換ブロックの構成を簡素化できる。また、内部に液化冷却媒体が流れる板状ケーシング及び連通管にバッテリモジュールを直接保持するので、バッテリモジュールの冷却効果を向上できる。

前記構成に加えて、連通管を板状ケーシングの中央域及び両端域に交互に配置するとよい。これによって、液化冷却媒体流路をジグザグ状に形成できるので、板状ケーシングの全域に液化冷却媒体を均一に分配できる。そのため、液化冷却媒体によるバッテリモジュールの冷却効果を向上できる。

本発明において、バッテリモジュールの温度を検出する温度センサと、車両が走行後停止し、その時、温度センサの検出値が閾値を超えていたとき、真空ポンプを作動させ、熱交換ブロックにヒートパイプ作用を開始させる制御装置とを備えているとよい。これによって、車両停止後のバッテリの温度に応じて、バッテリを冷却する必要があるときに、熱交換ブロックに自動的にヒートパイプ作用を行わせることができる。

本発明によれば、車両の走行中など、バッテリに対して大きな冷却能力を必要とする時、冷却水の顕熱によって十分な冷却能力を得ることができると共に、車両が走行した後の停止時には、ヒートパイプ作用によって省エネでバッテリの冷却が可能になる。

本発明の一実施形態に係るバッテリ冷却装置の熱交換ブロックの斜視図である。 前記熱交換ブロックの斜視図である。 前記熱交換ブロックの断面図である。 前記バッテリ冷却装置の配管系を示す系統図である。 前記バッテリ冷却装置の操作手順を示すフロー図である。 前記バッテリ冷却装置の冷却水による冷却工程を示す系統図である。 前記バッテリ冷却装置の排水工程を示す系統図である。 前記バッテリ冷却装置の減圧工程を示す系統図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

本発明を電動車に搭載された電動車駆動用バッテリの冷却に適用した一実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。図１は本実施形態のバッテリ冷却装置１０の一部を構成する熱交換ブロック１２に、バッテリＢを構成する複数の電池セルＥｃを取り付けた状態を示す。図２は熱交換ブロック１２を示す。図３は、熱交換ブロック１２の内部構造を示す。図３に示すように、熱交換ブロック１２の内部は、全体に亘って冷却水導入空間ｓ１が形成されている。

図２において、熱交換ブロック１２は、中央に位置し上下方向に配置されて厚みのある板状のジャケット１４と、ジャケット１４に対し直角方向に交差するように配置された複数の冷却プレート１６とが一体形成されている。冷却プレート１６は水平方向へ配置され、ジャケット１４の両側に上下方向に互いに間隔を置いて設けられている。冷却プレート１６間の間隔は、１個の電池セルＥｃが挿入可能な大きさとなっている。冷却プレート１６の内部は冷却水導入空間ｓ２が形成されており、該冷却水導入空間ｓ２は、ジャケット１４の内部に形成された冷却水導入空間ｓ１と連通している。各冷却プレート１６は、小径の連通管１８で上下方向に接続されている。連通管１８の内部は冷却プレート１６の冷却水導入空間ｓ２と連通している。

上方から順に冷却水流出管２２、冷却水流入管２０及び冷却水排出管２３が水平方向に配置され、これらの管はジャケット１４の側端面に接続されている。連通管１８は、各冷却プレート１６の冷却水導入空間ｓ２を連通させるもので、各冷却プレート１６の両端及び中央に交互に千鳥足状に配置されている。冷却プレート１６間及び連通管１８間に電池セルＥｃを収納保持する保持部Ａが形成されている。

図３において、熱交換ブロック１２の内部には、中央に上下方向に配置され、広い断面積を有する中央流路１２ａが形成されている。冷却水流入管２０から流入した冷却水ｗ１は、熱交換ブロック１２、冷却プレート１６及び連通管１８の内部を通り、冷却水流出管２２から流出する。

図１に示すように、一部の電池セルＥｃには、電池セルＥｃの温度を検出する温度センサ２８が設けられている。複数の電池セルＥｃは、熱交換ブロック１２の外壁に接し、且つ冷却プレート１６の上面に接した状態で保持部Ａに保持される。その際、電池セルＥｃの保持位置は連通管１８によって位置決めされる。熱交換ブロック１２は、電池セルＥｃの数に応じて複数個設けるようにしてもよい。また、寒冷地では、電池セルＥｃを保温するため、断熱材２６で被覆される。ジャケット１４の上部部位１４ａ及び該上部部位１４ａに一体形成された最上段の冷却プレート１６ａは、断熱材２４の外側に配置され、ヒートシンク２４を構成している。冷却水流入管２０から熱交換ブロック１２に冷却水ｗ１が供給され、熱交換ブロック１２に保持された電池セルＥｃを冷却する。

次に、熱交換ブロック１２に冷却水ｗ１を供給する配管系の構成を図４により説明する。図４において、冷却水流入管２０及び冷却水流出管２２には冷却水循環路３０が接続され、冷却水循環路３０には、冷却水ｗ１を貯留するリザーバタンク３２、及び冷却水ｗ１を矢印方向へ循環させるウォータポンプ３４が介設されている。

冷却水循環路３０のウォータポンプ３４より上流側部位から分岐路３６が分岐し、分岐路３６は冷却水排出管２３に接続されている。分岐路３６にタンク３８が設けられ、タンク３８の上部にはタンク３８内の気相域を外部に連通させる大気開放路４０が設けられている。冷却水排出管２３は、熱交換ブロック１２の冷却水封入量が３０％程度となる高さに配置されている。冷却水循環路３０のリザーバタンク３２より上流側部位には大気開放路４２が分岐し、大気開放路４２には管路４４を介して真空ポンプ４６が接続されている。各管路には夫々開閉弁５０、５２，５４，５６，５８及び６０が介設されている。タンク３８はウォータポンプ３４より高い位置に設定され、大気開放路４０及び４２の開放端はリザーバタンク３２より高い位置に配置されている。

また、電動車の運転室（図示省略）に、制御装置６４が設けられている。制御装置６４には電動車のイグニッション・スィッチ６２のオンオフ信号及び温度センサ２８の検出値が入力され、制御装置６４によって前記各開閉弁の動作及びウォータポンプ３４、真空ポンプ４６の稼働を制御する。また、制御装置６４は、電動車が停止した後、温度センサ２８の検出値が閾値を超えていたとき、真空ポンプ４６を作動させ、熱交換ブロック１２の内部を減圧してヒートパイプ作用を開始させる。即ち、熱交換ブロック１２内を減圧させ、冷却水ｗ１の気化潜熱で電池セルＥｃの熱を吸収させる。

次に、バッテリ冷却装置１０の作動手順を図５のフロー図に沿って説明する。図６は冷却水ｗ１による冷却工程（第１冷却モード）を示す。即ち、イグニッション・スィッチ６２がオンされ（Ｓ１０）、電動車が走行を開始したか、あるいは急速充電中のとき（Ｓ１２）、バッテリ冷却装置１０は、図６に示す状態にある。熱交換ブロック１２には冷却水流出管２２より高い水位Ｌ_１まで冷却水ｗ１が充填され、開閉弁５６及び５８は開放され、開閉弁５０，５２、５４及び６０が閉じられている。ウォータポンプ３４が稼働し（Ｓ１６）、リザーバタンク３２内の冷却水ｗ１は循環路３０を循環し、冷却水流入管２０から熱交換ブロック１２に流入する。

熱交換ブロック１２に流入した冷却水ｗ１は、熱交換ブロック１２の冷却水導入空間ｓ１及び冷却プレート１６の冷却水導入空間ｓ２を流れ、途中電池セルＥｃを冷却しながら、冷却水流出管２２から循環路３０に流出する。

電動車が停止し、イグニッション・スィッチ６２がオフとなったとき（Ｓ１６）、温度センサ２８で検出されるバッテリ温度Ｔｂと閾値Ｔｓとを比較する（Ｓ１８）。Ｔｂ≦Ｔｓのとき、バッテリＢを冷却する必要がないので、バッテリ冷却装置１０を停止させる（Ｓ３０）。Ｔｂ＞Ｔｓのとき、バッテリＢを閾値Ｔｓ以下に冷却するため、ヒートパイプ作用によるバッテリ冷却工程（第２冷却モード）を開始する。

この第２冷却モード開始時のバッテリ冷却装置１０の状態を図７に示す。開閉弁５２、５６及び５８が閉じられ、開閉弁５０、５４及び６０が開放されている。熱交換ブロック１２内の冷却水ｗ１は、冷却水排出管２３からタンク３８に自然排出され、熱交換ブロック１２内の冷却水ｗの水位Ｌ_２は冷却水排出管２３の位置まで下げられる。これで熱交換ブロック１２内の冷却水ｗ１の封入量は３０％程度となる（Ｓ２０）。次に、図８に示すように、開閉弁５０、５４，５６，５８及び６８を閉じ、開閉弁５２を開放した後、真空ポンプ４６を稼働させ、熱交換ブロック１２の内部を減圧する（Ｓ２２）。熱交換ブロック１２の内部を所定圧まで減圧した後、真空ポンプ４６を停止させる（Ｓ２４）。この状態で、熱交換ブロック１２の内部でヒートパイプ作用が開始される（Ｓ２６）。

図３に示すように、熱交換ブロック１２内の冷却水ｗ１は、電池セルＥｃの熱を吸収して水蒸気ｖとなる。水蒸気ｖは、中央流路１２ａを通って上昇し、ヒートシンク２４の内部で、ヒートシンク２４の冷却効果で冷却され液化する。液化した凝縮水ｗ２は、冷却プレート１６と連通管１８とでジグザグ状に形成された流路を通り、途中電池セルＥｃを冷却しながら、重力によりジャケット１４の下部まで下降する。

バッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｓ以下となるまで、熱交換ブロック１２のヒートパイプ運転を続ける（Ｓ２８）。バッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｓ以下となったら、各開閉弁の開閉状態を図６に示す状態に戻し、ウォータポンプ３４を作動させ、タンク３８内の冷却水ｗ１を熱交換ブロック１２に戻す（Ｓ３０）。これによって、熱交換ブロック１２内の減圧状態を解除し、バッテリ冷却装置１０のヒートパイプ作用を停止させる（Ｓ３２）。冷却水ｗ１が不足する場合、リザーバタンク３２内の冷却水ｗ１を熱交換ブロック１２に補充する。

なお、熱交換ブロック１２内の減圧状態を解除せず、ヒートシンク作用をそのまま続行させてもよい。あるいは制御装置６４にタイマを設け、一定時間経過後に、該タイマによってウォータポンプ３４を作動させ、ヒートシンク作用を解除させるようにしてもよい。

本実施形態によれば、電動車の走行時あるいはバッテリＢに急速充填を行う時には、冷却水ｗ１の顕熱を利用した第１冷却モードを行うことで、バッテリＢに対して十分な冷却能力を得ることができる。また、電動車が停止した後では、熱交換ブロック１２のヒートパイプ作用を利用した第２冷却モードで、バッテリＢを閾値Ｔｓ以下に冷却できると共に、消費電力を節減できる。

また、熱交換ブロック１２の内部では、水蒸気ｖが上昇する中央流路１２ａと、中央流路１２ａの両側に配置され、凝縮水ｗ２が下降する２系統の循環路を形成しているので、冷却媒体の循環を円滑にすることができる。従って、熱交換ブロック１２の冷却効果を高く保持できる。また、電池セルＥｃの保持部Ａを冷却プレート１６と連通管１８とで形成できるので、別に保持手段を設ける必要がなくなり、熱交換ブロック１２の構成を簡素化できる。また、内部に凝縮水ｗ２が流れる冷却プレート１６及び連通管１８に電池セルＥｃを直接保持するので、電池セルＥｃの冷却効果を向上できる。

また、凝縮水ｗ２が冷却プレート１６と管路１８とで形成されるジグザグ状の流路を下降するので、電池セルＥｃとの熱交換量を増大でき、大きな冷却効果を得ることができる。さらに、電動車の停止後、電池セルＥｃの温度が閾値Ｔｓを超えていたら、制御装置６４によって、自動的に熱交換ブロック１２のヒートパイプ作用を行わせることができる。

前記実施形態は、冷却媒体として冷却水を用いているが、別な冷却媒体、例えば、アルコール（例えばメタノール、エタノール等）を用いてもよい。

本発明によれば、車両走行中など、バッテリに対して大きな冷却能力を必要とする時に十分な冷却能力を得ることができると共に、車両停止後に省エネでバッテリを冷却できるバッテリ冷却装置を実現できる。

１０ バッテリ冷却装置
１２ 熱交換ブロック
１２ａ 中央流路（気化冷却媒体流路）
１４ ジャケット（本体ブロック）
１６ 冷却プレート（板状ケーシング）
１８ 連通管
２０ 冷却水流入管
２２ 冷却水流出管
２３ 冷却水排出管
２４ ヒートシンク
２６ 断熱材
２８ 温度センサ
３０ 冷却水循環路（冷却媒体供給路）
３２ リザーバタンク
３４ ウォータポンプ
３６ 分岐路
３８ タンク
４０，４２ 大気開放路
４４ 管路
４６ 真空ポンプ
５０，５２，５４，５６，５８，６０ 開閉弁
６２ イグニッション・スィッチ
６４ 制御装置
Ａ 保持部
Ｂ バッテリ
Ｅｃ 電池セル（バッテリモジュール）
ｓ１、ｓ２ 冷却水導入空間
ｖ 水蒸気
ｗ１ 冷却水
ｗ２ 凝縮水

Claims (5)

1. 車両に搭載されたバッテリを冷却するバッテリ冷却装置において、
   外表面に前記バッテリを構成するバッテリモジュールを保持する保持部を有すると共に、内部に冷却媒体導入空間を有する熱交換ブロックと、
   前記熱交換ブロックに冷却媒体を供給する冷却媒体供給路及び該冷却媒体供給路に設けられた供給ポンプと、
   該冷却媒体供給路に接続され、該冷却媒体流供給路を介して前記熱交換ブロックの内部を減圧する真空ポンプとを備え、
   前記熱交換ブロックに冷却媒体を供給し、該冷却媒体の顕熱で前記バッテリモジュールを冷却する第１冷却モードと、前記真空ポンプで前記熱交換ブロックの内部を減圧し、ヒートパイプ作用で前記バッテリモジュールを冷却する第２冷却モードとを具備することを特徴とするバッテリ冷却装置。
2. 前記熱交換ブロックは、
   前記バッテリモジュールの熱を吸収して気化した冷却媒体が上昇する気化冷却媒体流路が上下方向に沿って内部に形成された本体ブロックと、
   前記本体ブロックの上端に設けられたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクの下方で互いに間隔を置いて前記本体ブロックから水平方向へ延設され、前記気化冷却媒体流路と連通する内部空間が形成された複数の板状ケーシングと、
   前記複数の板状ケーシング間に架設され、該板状ケーシングの内部空間同士を上下に連通させる連通管とを有し、
   前記保持部を前記板状ケーシングと前記連通管とで囲まれる領域に形成すると共に、前記板状ケーシングと前記連通管とで前記気化冷却媒体流路の上部域で冷却され液化した液化冷却媒体が重力で流下する液化冷却媒体流路を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ冷却装置。
3. 前記連通管が前記板状ケーシングの中央域及び両端域に交互に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のバッテリ冷却装置。
4. 車両の走行時又は急速充電時に前記第１冷却モードを行い、車両が走行した後の停止時に前記第２冷却モードを行うことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のバッテリ冷却装置。
5. 前記バッテリモジュールの温度を検出する温度センサと、
   前記車両が停止した時、前記温度センサの検出値が閾値を超えていたら、前記真空ポンプを作動させ、前記熱交換ブロックにヒートパイプ作用を開始させる制御装置とを備えていることを特徴とする請求項４に記載のバッテリ冷却装置。

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