JP2016105365A - 自動車のバッテリー保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温の雰囲気下で、電力を供給しなくてもバッテリーを適温に保つことができる自動車のバッテリー保護装置を提供する。【解決手段】バッテリー保護装置３は、真空断熱層３１を含む高断熱構造で被覆されたバッテリーケース３０と、その内部を通って冷媒を循環させるヒートパイプサイクル３４とを備える。ヒートパイプサイクル３４は、放熱部３４ａと、吸熱部３４ｂと、循環経路３４ｃ、３４ｄとを有している。バッテリー２の使用可能温度よりも冷媒の沸点が低くなるように、ヒートパイプサイクル３４の内部が減圧されている。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車のバッテリーを適温に保つ保護装置に関する。

蒸発部や圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発部などで構成された冷却装置を用いて、二次電池を冷却する電池システムが開示されている（特許文献１）。

ヒートパイプ（減圧下に作動液を封入し、温度差で生じる作動液の蒸気の圧力勾配によって熱輸送を行う）の技術を利用して、自動車のバッテリを冷却する冷却システムも開示されている（特許文献２）。

その冷却システムのヒートパイプは、一対の接続部で接続された吸熱部及び放熱部などで構成されていて、これらを冷媒が循環するようになっている。バッテリは、自動車の床面上に設置されたバッテリーケースに収容されていて、そのバッテリーケースの内部に吸熱部が配置されている。放熱部は、自動車の床下に配置され、床面を貫通した接続部を介して吸熱部と接続されている。

特開２０１４−１３７９３０号公報 特開２００８−６２８７５号公報

今日の自動車には多数の電装部品が装備されているし、電気自動車なども実用化されつつあるため、これらに電力を供給するバッテリーの重要性が高まっている。これまでのバッテリーは鉛蓄電池が一般的であったが、重くて嵩張るため、近年では、リチウムイオン電池等、軽量でより高性能なバッテリーが多用されつつある。

ところが、このような高性能なバッテリーは、環境温度によって性能や耐久性が影響を受け易いため、運転時に高温になるエンジンルームへの設置が難しいという問題がある。

例えば、特許文献１の電池システムのような冷却装置をバッテリーに付設すれば、エンジンルームでもバッテリーを適温に保つことはできる。しかし、部材点数が増えて構造が複雑になるうえに、冷却装置自体を駆動する電力が必要になるなど、課題は多い。

その点、特許文献２の冷却システムであれば、構造が簡単なうえ、電力を要さずにバッテリーの冷却が可能になるが、実用的に難があるうえに、エンジンルームのような高温環境下に設置できない欠点がある。

すなわち、特許文献２の冷却システムでは、放熱部が吸熱部の下に配置されているため、放熱部で凝縮した冷媒液が放熱部に溜まってしまい、冷媒を円滑に循環できない。従って、冷却システム自体が有効に機能しないため、バッテリーを適切に冷却できない。

ヒートパイプで輸送できる熱量は、冷却装置に比べると微量であるため、高温環境下では、冷却能力が圧倒的に不足して役に立たない。

そこで本発明の目的は、高温の雰囲気下で、電力を供給しなくてもバッテリーを適温に保つことができる自動車のバッテリー保護装置を提供することにある。

開示する自動車のバッテリー保護装置は、真空断熱層を含む高断熱構造で被覆され、バッテリーを密閉した状態で収容するバッテリーケースと、前記バッテリーケースの内部を通って冷媒を循環させるヒートパイプサイクルと、を備える。

前記ヒートパイプサイクルは、前記バッテリーケースの外部に配置され、前記冷媒の液化によって放熱が行われる放熱部と、前記バッテリーケースの内部に配置され、前記冷媒の気化によって吸熱が行われる吸熱部と、前記放熱部と前記吸熱部との間に介在し、前記冷媒の移動が行われる循環経路と、を有している。そして、前記バッテリーの使用可能温度よりも前記冷媒の沸点が低くなるように、前記ヒートパイプサイクルの内部が減圧されている。

すなわち、このバッテリー保護装置では、バッテリーが、真空断熱層を含む高断熱構造で被覆されたバッテリーケースに密閉した状態で収容されているため、高温の雰囲気下にあっても、単位時間当たりの熱の侵入を微量に抑制できる。

バッテリーは、放電や充電によって発熱する。そのため、高断熱性のバッテリーケースに密閉しただけでは、却って高温になる。それに対し、このバッテリー保護装置では、バッテリーケースの内部に、バッテリーの使用可能温度よりも冷媒の沸点が低くなるように減圧されたヒートパイプサイクルの吸熱部が配置されている。

従って、バッテリーケースの内部が使用可能温度に達する前に、吸熱部で冷媒が気化し、動力を与えなくても、冷媒の循環による熱輸送が行われ、バッテリーケースの内部の熱が排出される。バッテリーが発生する程度の熱であれば、このようなヒートパイプサイクルであっても支障なく排熱できるので、バッテリーケースの内部の温度上昇が抑制でき、バッテリーを適温に保つことができる。

前記真空断熱層の外側には、熱線反射層を設けるのが好ましい。

真空断熱層により、バッテリーケースと外部との間で熱電導や対流伝熱を防ぐことができる。更にその外側に熱線反射層を設ければ、輻射熱の侵入も抑制できる。従って、これら両者の組み合わせにより、バッテリーケースに高度な断熱性を付与することができる。

例えば、前記バッテリーケースは、エンジンルームの上部に配置され、前記放熱部が、前記バッテリーケースより上方の前記エンジンルームの外部に配置されて、走行風に曝されるようにするとよい。

そうすれば、放熱部を吸熱部の上方の近傍に配置させながら、放熱部を空冷できるので、冷媒を円滑に循環移動させることができるうえに、装置全体をコンパクトに構成でき、放熱部での放熱も効果的に行える。

この場合、前記放熱部が、前記自動車が噴射するウォッシャー液で濡れるようにするとよい。

そうすれば、適切な走行風が得られないような場合に、吸熱部をウォッシャー液で濡らすことで、放熱部をウォッシャー液で冷却することができる。

更に、前記バッテリーケースの内部温度を計測する温度センサと、前記温度センサの計測値に基づいて、前記ウォッシャー液の噴射を制御する液噴射制御手段と、を備えるようにするのが好ましい。

そうすれば、バッテリーケースの内部の温度が危険域に達した場合などに、液噴射手段によってウォッシャー液を自動的に噴射させることができるので、安定してバッテリーを適温に保つことができる。

前記吸熱部は前記バッテリの端子に接触しているようにするのが好ましい。

バッテリーの部位のうち、使用時に最も発熱するのが端子であるため、吸熱部と端子とを接触させることで、効率よくバッテリーが発する熱を吸熱部に伝えることができる。なお、吸熱部と端子との接触は直接に限らない。熱を伝えることができるのであれば間接的であってもよい。

本発明のバッテリー保護装置によれば、簡単な構造で実現でき、高温の雰囲気下に設置しても、電力を要さずにバッテリーを適温に保つことができる。

本実施形態の自動車を示す概略斜視図である。要部を示すために一部を省略して示している。 バッテリー保護装置の構成を示す概略図である。 温度及び気圧の変化に対応した冷媒（水）の沸点を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

図１に、本発明のバッテリー保護装置３を適用した自動車１を示す。この自動車１は前輪駆動方式であり、エンジン１ａなどの駆動装置を収容したエンジンルーム１ｂが車室の前方に配置されている。

自動車１のフロントガラス１ｃの下縁部の近傍には、一般的な装備として、フロントガラス１ｃの前面に沿って揺動するワイパー１ｄと、ウォッシャー液を噴射する噴射口１ｅとが設置されている。車室での所定のレバー操作により、ワイパー１ｄが作動し、噴射装置１ｆが作動して噴射口１ｅからウォッシャー液がフロントガラス１ｃに向けて噴射される。

本実施形態のバッテリー２は、リチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池は、高温になると、バッテリー液の気化などの不具合が発生する。そのため、使用できる温度に上限があり（使用可能温度）、例えば、６０℃が設定されている。

従って、バッテリー２は、そのままの状態では、高温になるエンジンルーム１ｂの内部に設置できないため、バッテリー保護装置３で温度的に保護された状態で、エンジンルーム１ｂの内部に配置されている。

（バッテリー保護装置）
図２に、そのバッテリー保護装置３の構造を簡略化して示す。バッテリー保護装置３は、バッテリーケース３０やヒートパイプサイクル３４などで構成されている。

（バッテリーケース）
バッテリーケース３０は、バッテリー２を密閉した状態で収容する容器であり、エンジンルーム１ｂの上部に配置されている。バッテリーケース３０は、上面に開口を有するケース本体３０ａと、ケース本体３０ａの開口に密着した状態で嵌合する上蓋３０ｂとで構成されている。バッテリーケース３０の全体は、高断熱構造で被覆されている。

高断熱構造の主体は、真空断熱層３１で構成されている。真空断熱層３１は、バッテリーケース３０を囲む高度に減圧された層（空間）からなり、バッテリーケース３０と外部との間で熱電導や対流伝熱を防いで高度な断熱性を発揮する。

真空断熱層３１によれば、一般的な断熱材であるグラスウールやウレタンフォームなどに比べて格段に優れた断熱性が得られる。真空断熱層３１の熱伝導率としては、例えば０．００２（Ｗ／Ｋｍ）以下が好ましい。

真空断熱層３１は、魔法瓶のような二重構造にしてもよいが、グラスウールやラミネートフィルムなどで構成されている真空断熱材（公知）を使用すれば、容易に実現できる。

真空断熱層３１で密閉することにより、エンジンルーム１ｂの内部であっても、数Ｊ／秒等、バッテリーケース３０の内部への熱の侵入を極めて少量に抑制できる。

真空断熱層３１の外側には、更に、熱線反射層３２が設けられている。熱線反射層３２には、アルミ箔や熱線反射フィルム、熱線反射塗装などが使用できる。熱線反射層３２により、エンジンルーム１ｂからの輻射熱の侵入を抑制できるので、真空断熱層３１との組み合わせにより、バッテリーケース３０に優れた断熱性を付与することができる。

バッテリー２は、各端子２ａを上方に向けた状態で、バッテリーケース３０のケース本体３０ａの内部に配置されている。各端子２ａには、表面積の大きなバスバー４が接続されている。

（ヒートパイプサイクル）
ヒートパイプサイクル３４は、冷媒を密封した１つのループ状の空間を形成している。ヒートパイプサイクル３４は、バッテリーケース３０の内部を通って冷媒を循環させることにより、バッテリーケース３０の内部の熱を外部に移動させる機能を有している。

冷媒は、例えば、水やエタノールなどであり、仕様に応じて適宜選択できる。本実施形態では水が冷媒に用いられ、ヒートパイプサイクル３４の内部に適量の水が充填されている。

ヒートパイプサイクル３４の内部は、上述した使用可能温度よりも冷媒の沸点が低くなるように、減圧されている。

図３に、水の沸点を表したグラフを示す。縦軸は気圧（ＭＰａ）であり、横軸は温度（℃）である。

６０℃が使用可能温度であれば、ヒートパイプサイクル３４の内部の圧力は、略０．０１８ＭＰａより低くなるように減圧されている。例えば、０．００５ＭＰａにヒートパイプサイクル３４の内部を減圧すれば、沸点を約３５℃に設定できる。

ヒートパイプサイクル３４は、放熱部３４ａ、吸熱部３４ｂ、液相側循環経路３４ｃ、気相側循環経路３４ｄなどで構成されている。

放熱部３４ａは、熱伝導率に優れた板状の中空構造体からなる。放熱部３４ａは、バッテリーケース３０よりも上方のエンジンルーム１ｂの外部に配置されている。放熱部３４ａは、放熱によって冷媒を液化させる機能を有している。

図１に示すように、放熱部３４ａは、自動車１が走行している時には走行風に曝されるように、フロントガラス１ｃの下縁部の近傍に設置されている。更に、放熱部３４ａは、ウォッシャー液が噴射された時にはウォッシャー液で濡れる位置に設置されている。

放熱部３４ａの上部には、気相側循環経路３４ｄの一端が接続されており、放熱部３４ａの下部には、液相側循環経路３４ｃの一端が接続されている。液相側循環経路３４ｃ及び気相側循環経路３４ｄの各々は、放熱部３４ａと吸熱部３４ｂとの間に介在する配管であり、これらの間で冷媒を循環移動させる。これらの周囲は、一般的な断熱材３５で被覆されている。

液相側循環経路３４ｃは、放熱部３４ａで液化した冷媒を吸熱部３４ｂに移動させる経路である。吸熱部３４ｂが放熱部３４ａの下方に位置しているため、自由落下により冷媒を吸熱部３４ｂに円滑に移動させることができる。

本実施形態では、その移動を更に促進させるために、繊維などからなるウイック３６（毛管現象を発生させる）が、放熱部３４ａの内部及び液相側循環経路３４ｃの内部にわたって設けられている。

気相側循環経路３４ｄは、吸熱部３４ｂで気化した冷媒を放熱部３４ａに移動させる経路である。

液相側循環経路３４ｃは、気相側循環経路３４ｄよりも短くするのが好ましい。そうすれば、液化した冷媒を安定して吸熱部３４ｂに移動させることができる。液相側循環経路３４ｃ及び気相側循環経路３４ｄの各々の他端は、上蓋３０ｂの互いに離れた部位からバッテリーケース３０の内部に隙間無く挿入され、吸熱部３４ｂの両端に接続されている。

吸熱部３４ｂは、熱伝導率に優れた板状の中空構造体からなる。吸熱部３４ｂは、上蓋３０ｂの内面に一方の面が沿うようにして、バッテリーケース３０の内部に配置されている。吸熱部３４ｂの他方の面は、絶縁フィルムで被覆されている。吸熱部３４ｂは、吸熱によって冷媒を気化させる機能を有している。

ケース本体３０ａに上蓋３０ｂを嵌め込んだ場合に、吸熱部３４ｂがバスバー４に密着し、吸熱部３４ｂと各端子２ａとが間接的に接触するように構成されている。

バッテリー２の部位のうち、使用時に最も発熱するのが各端子２ａであるため、吸熱部３４ｂと各端子２ａとを一体的に連結させることで、効率よくバッテリー２が発する熱を吸熱部３４ｂに伝えることができる。

ヒートパイプサイクル３４での冷媒の循環移動は、圧力勾配や毛管現象によって自然発生し、外部からの動力の供給を受けずに行われるようになっている。

すなわち、バッテリー２の発熱等により、吸熱部３４ｂに貯留されている冷媒（液体）の温度が沸点に達すると、吸熱して気化した冷媒は、容積が増加する。それにより、気相側循環経路３４ｄを通って放熱部３４ａに移動する。

放熱部３４ａでの放熱によって冷媒が液化し、液化した冷媒は、液相側循環経路３４ｃを通って吸熱部３４ｂに移動する。従って、吸熱部３４ｂが加熱され、放熱部３４ａが冷却されることで、動力がなくても冷媒を循環移動させることができ、バッテリーケース３０の内部から熱を排出させることができる。

バッテリーケース３０には、その内部温度を計測する温度センサ３７が設置されている。温度センサ３７は、自動車１の各電装品を総合的に制御しているＥＣＵ３８（電子制御ユニット）に接続されている。

ＥＣＵ３８には、温度センサ３７の計測値に基づいて、噴射装置１ｆの作動を制御する液噴射プログラム３８ａ（液噴射制御手段）が実装されている。液噴射プログラム３８ａは、温度センサ３７の計測値が所定の設定温度（使用可能温度かそれより低い温度）になると、レバー操作とは関係なく、噴射装置１ｆを作動させ、ウォッシャー液を噴射させるように構成されている。

自動車１の走行時には、走行風によって放熱部３４ａから効果的に放熱させることができるが、アイドリング時等には、適切な走行風が得られない。そのような場合、放熱部３４ａの放熱が不十分になり、バッテリーケース３０の内部の温度が上昇し、使用可能温度以上に達するおそれがある。

そこで、この自動車１では、バッテリーケース３０の内部の温度が危険域に達すると、液噴射プログラム３８ａにより、ウォッシャー液が強制的に噴射され、吸熱部３４ｂをウォッシャー液で濡らす処理が実行される。それにより、放熱部３４ａは、ウォッシャー液との熱交換によって冷却され、ヒートパイプサイクル３４を適切に機能させることができる。

微量のウォッシャー液で放熱部３４ａが濡れるだけでも充分である。

例えば、バッテリー２（内部抵抗：３ｍΩ、放電効率９５％）が、２００Ａの大電流を１秒で放電する場合を想定すると、その発熱量は、２００×２００×０．００３×１＝１２０Ｊとなる。

放熱前のバッテリーケース３０の内部の温度が３０℃、冷媒の沸点が３５℃（ヒートパイプサイクル３４の内圧：略０．００５気圧）とすると、吸熱部３４ｂで冷媒（水）が気化する量Ｗは、４．２Ｗ（顕熱分）×５（℃）＋２４１６Ｗ（潜熱分）＝１２０（Ｊ）より、０．０５ｇとなり、約１．６Ｌの水蒸気が発生する。

この１２０Ｊの熱を、３５℃のウォッシャー液（２０％がメタノール）の蒸発によって、過不足無く放熱部３４ａが放熱するとすると、ウォッシャー液の量Ｙは、２４１６×０．２Ｙ×０．２（水成分の潜熱分）＋１２００（メタノールの潜熱：ＫＪ／Ｋ／ｇ）×０．２Ｙ（メタノール成分の潜熱分）＝１２０（Ｊ）より、０．３６ｇとなり、微量で足りる。

外部からバッテリーケース３０の内部に侵入する熱も、高断熱構造によれば、数Ｊ／秒の一桁レベルに抑制できることを確認しているため、ヒートパイプサイクル３４で余裕を持って排熱できる。

従って、放熱部３４ａは、適度にウォッシャー液がかかるようにするだけでよいし、走行風にも適度に曝す程度でよい。従って、このバッテリー保護装置３であれば、大掛かりな装置が不要なうえに、設置場所も限られないので、実用化も容易である。

なお、本発明にかかるバッテリー保護装置は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。

例えば、ウォッシャー液の噴射は、噴射口１ｅからフロントガラス１ｃに向けてウォッシャー液を噴射する既設の経路とは別の経路を新たに噴射装置１ｆに設けて、放熱部３４ａに直接ウォッシャー液を噴射するようにしてもよい。

自由落下によって冷媒（液体）が円滑に移動するのであれば、ウイック３６は設けなくてもよい。

放熱部３４ａの表面には、濡れ性を高める親水化処理を施しておくのが好ましい。そうすれば、ウォッシャー液との熱交換が高まって、効率的に放熱させることができる。

１ 自動車
２ バッテリー
３ バッテリー保護装置
３０ バッテリーケース
３１ 真空断熱層
３２ 熱線反射層
３４ ヒートパイプサイクル
３４ａ 放熱部
３４ｂ 吸熱部
３４ｃ 液相側循環経路
３４ｄ 気相側循環経路
３７ 温度センサ
３８ ＥＣＵ

Claims (6)

1. 自動車のバッテリー保護装置であって、
   真空断熱層を含む高断熱構造で被覆され、バッテリーを密閉した状態で収容するバッテリーケースと、
   前記バッテリーケースの内部を通って冷媒を循環させるヒートパイプサイクルと、
   を備え、
   前記ヒートパイプサイクルは、
   前記バッテリーケースの外部に配置され、前記冷媒の液化によって放熱が行われる放熱部と、
   前記バッテリーケースの内部に配置され、前記冷媒の気化によって吸熱が行われる吸熱部と、
   前記放熱部と前記吸熱部との間に介在し、前記冷媒の移動が行われる循環経路と、
   を有し、
   前記バッテリーの使用可能温度よりも前記冷媒の沸点が低くなるように、前記ヒートパイプサイクルの内部が減圧されているバッテリー保護装置。
2. 請求項１に記載のバッテリー保護装置において、
   前記真空断熱層の外側に熱線反射層が設けられているバッテリー保護装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のバッテリー保護装置において、
   前記バッテリーケースは、エンジンルームの上部に配置され、
   前記放熱部が、前記バッテリーケースより上方の前記エンジンルームの外部に配置されて、走行風に曝されるようになっているバッテリー保護装置。
4. 請求項３に記載のバッテリー保護装置において、
   前記放熱部が、前記自動車が噴射するウォッシャー液で濡れるようになっているバッテリー保護装置。
5. 請求項４に記載のバッテリー保護装置において、
   前記バッテリーケースの内部温度を計測する温度センサと、
   前記温度センサの計測値に基づいて、前記ウォッシャー液の噴射を制御する液噴射制御手段と、
   を更に備えるバッテリー保護装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のバッテリー保護装置において、
   前記吸熱部が前記バッテリの端子に接触しているバッテリー保護装置。

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