JP2017037775A - バッテリ冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却水の導電率を冷却水の温度上昇にかかわらず確実に低減できる信頼性にすぐれたバッテリ冷却装置を提供する。【解決手段】 冷却水循環回路、バイパス回路、導電率検知手段、温度検知手段、および制御手段を備える。冷却水循環回路は、ポンプから送出される冷却水をバッテリ電源の放熱用部材に導き、その放熱用部材を経た冷却水を熱交換器に通して前記ポンプに戻す。バイパス回路は、前記ポンプから送出される冷却水の一部をイオン除去部材に通して前記バッテリ電源に導く。導電率検知手段は、冷却水の導電率を検知する、温度検知手段は、冷却水の温度を検知する。制御手段は、前記導電率検知手段の検知導電率が設定値以上の場合、および前記温度検知手段の検知温度が所定値以上の場合に、前記バイパス回路への冷却水の流入量を増やす。【選択図】図１

Description

この発明は、電動車両のバッテリ電源を冷却するバッテリ冷却装置に関する。

ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）等の電動車両は、モータ駆動用のバッテリ電源の温度上昇を抑えるため、バッテリ冷却装置を備える。

バッテリ冷却装置は、循環用のポンプおよび配管を含み、冷却水をバッテリ電源と熱交換器との間で循環させる。とくに、低導電性の冷却水を用いることにより、車両の衝突等により配管や熱交換器が破損して冷却水が漏れた場合でも、漏れた冷却水による電気的な短絡が生じないようにしている。

ただし、配管や熱交換器に含まれるイオン物質の親水性成分が冷却水中に溶け出するため、たとえ低導電性の冷却水を用いていても、冷却水の導電率は徐々に上昇する。

対策として、冷却水の導電率を検知し、検知した導電率が設定値以上に上昇した場合に冷却水をイオン除去部材に通し、冷却水中のイオン物質をイオン除去部材で捕捉し除去するようにしている。

特許第３６５９１７３号公報

配管や熱交換器から冷却水中に溶出するイオン物質の量は、冷却水の温度が上昇した場合に増加していく。この増加に伴い導電率が上昇して上記イオン除去部材が投入されるが、その段階ではすでに多量のイオン物質が溶出しているため、イオン物質の除去が追い付かない事態となる。

この発明の目的は、冷却水の導電率を冷却水の温度上昇にかかわらず確実に低減できる信頼性にすぐれたバッテリ冷却装置を提供することである。

請求項１に係る発明のバッテリ冷却装置は、冷却水循環回路、バイパス回路、導電率検知手段、温度検知手段、および制御手段を備える。冷却水循環回路は、ポンプから送出される冷却水をバッテリ電源に導き、そのバッテリ電源を経た冷却水を熱交換器に通して前記ポンプに戻す。バイパス回路は、前記ポンプから送出される冷却水の一部をイオン除去部材に通して前記バッテリ電源に導く。導電率検知手段は、冷却水の導電率を検知する。温度検知手段は、冷却水の温度を検知する。制御手段は、前記導電率検知手段の検知導電率が設定値以上の場合、および前記温度検知手段の検知温度が所定値以上の場合に、前記バイパス回路への冷却水の流入量を増やす。

請求項２に係る発明のバッテリ冷却装置は、請求項１に係る発明の制御手段について限定している。制御手段は、前記導電率検知手段の検知導電率が前記設定値以上の場合、および前記温度検知手段の検知温度が前記所定値以上の場合に、前記バイパス回路への冷却水の流入量を増やしかつ前記ポンプの能力を増やす。

請求項３に係る発明のバッテリ冷却装置は、請求項１においてさらに流量調整弁を備えるとともに、請求項１に係る発明の制御手段について限定している。流量調整弁は、前記冷却水循環回路における前記バイパス回路の接続位置より下流側に配置されている。制御手段は、前記導電率検知手段の検知導電率が前記設定値未満の場合および前記温度検知手段の検知温度が前記所定値未満の場合に前記流量調整弁を全開し、前記導電率検知手段の検知導電率が前記設定値以上の場合および前記温度検知手段の検知温度が前記所定値以上の場合に前記流量調整弁の開度を所定値だけ縮小する。

この発明のバッテリ冷却装置によれば、冷却水の導電率を冷却水の温度上昇にかかわらず確実に低減できる。

第１実施形態の構成を示すブロック図。 第１実施形態における流量調整弁の構成を断面して示す図。 第１実施形態におけるコントローラの制御を示すフローチャート。 第２実施形態の構成を示すブロック図。 第２実施形態における三方弁の第１回動位置を断面して示す図。 第２実施形態における三方弁の第２回動位置を断面して示す図。 第３実施形態の構成を示すブロック図。

［１］第１実施形態
この発明の第１実施形態を図１を参照しながら説明する。
バッテリ電源１は、リチウムイオン電池などの複数の電池セルを直列接続してなる二次電池であり、電動車両にモータ駆動用として搭載される。このバッテリ電源１は、各電池セルの熱を大気や冷却水に放出するための放熱用部材として例えばアルミニウム製の放熱板２を備える。

この放熱板２に対し、ポンプ１０、配管１１、流量調整弁１２、配管１３，１４、熱交換器１５、配管１６などを順次に接続してなる冷却水循環回路が構成される。冷却水循環回路は、ポンプ１０から吐出される冷却水を配管１１、流量調整弁１２、および配管１３に通してバッテリ電源１の放熱板２に導き、その放熱板２を経た冷却水を配管１４、熱交換器１５、および配管１６に通してポンプ１０の吸込口に戻す。放熱板２に導かれた冷却水は、放熱板２から熱を奪い、バッテリ電源１を冷却する。この冷却により温度上昇した冷却水は、熱交換器１５を通る外気や冷媒に熱を放出し温度低下する。温度低下した冷却水は、ポンプ１０に吸込まれる。

この冷却水循環回路に対し、配管２１、イオン除去部材２２、配管２３などを含むバイパス回路が接続される。バイパス回路は、ポンプ１０から送出される冷却水の一部を配管２１に取込んでイオン除去部材２２に導き、そのイオン除去部材２２を通った冷却水を配管２３により放熱板２に導く。イオン除去部材２２は、例えば粒状の多数のイオン交換樹脂を容器に充填したもので、配管２１から流入する冷却水に含まれるイオン物質を捕捉し除去する。

配管１１，１３，１４，１６，２１，２３の径は、互いに同じである。また、車両の衝突等により配管１１，１３，１４，１６，２１，２３や熱交換器１５が破損して冷却水が漏れた場合でも、漏れた冷却水による電気的な短絡が生じないよう、低導電性の冷却水が冷却水循環回路に充填されている。

冷却水循環回路における流量調整弁１２の配置位置は、冷却水循環回路におけるバイパス回路の接続位置よりも下流側である。

流量調整弁１２は、図２に示すように、本体４１の内部空間４１ｘに可動体４２を収め、その可動体４２を電磁的な駆動により矢印方向に往復動させるもので、本体４１の流入孔４１ａ，４１ａおよび流出孔４１ｂ，４１ｂと可動体４２の流通孔４２ａ，４２ａとの相対位置に応じて、全開から全閉まで開度が連続的に変化する。

冷却水循環回路の配管１１に温度センサ（温度検知手段）３１が取付けられ、冷却水循環回路の配管１３に導電率センサ（導電率検知手段）３２が取付けられる。温度センサ３１は、冷却水の温度Ｔａを検知する。導電率センサ３２は、冷却水の導電率Ｃを検知する。

一方、ポンプ１０、流量調整弁１２、温度センサ３１、および導電率センサ３２がコントローラ３０に接続される。コントローラ３０は、温度センサ３１の検知温度Ｔａおよび導電率センサ３２の検知導電率Ｃに応じて流量調整弁１２の開度およびポンプ１０の能力を制御するもので、主要な機能として次の（１）（２）の制御手段を含む。

（１）検知導電率Ｃが設定値Ｃｓ未満の場合、および検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１（例えば４０℃）未満の場合に、バイパス回路に少量の冷却水が流入するように流量調整弁１２の開度を制御し且つポンプ１０を予め定められた定常能力で運転する第１制御手段。

（２）検知導電率Ｃが設定値Ｃｓ以上の場合、および検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１以上の場合に、バイパス回路に流入する冷却水の量が増えるように流量調整弁１２の開度を制御し且つポンプ１０の能力を定常能力より所定値高い能力で運転する第２制御手段。

コントローラ３０が実行する制御を図３のフローチャートを参照しながら説明する。
コントローラ３０は、導電率センサ３２の検知導電率Ｃと設定値Ｃｓとを比較する（ステップＳ１）。検知導電率Ｃが設定値Ｃｓ未満の場合（ステップＳ１のＮＯ）、コントローラ３０は、温度センサ３１の検知温度Ｔａと所定値Ｔａ１（例えば４０℃）とを比較する（ステップＳ２）。検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１未満の場合（ステップＳ２のＮＯ）、コントローラ３０は、流量調整弁１２を全開するとともに（ステップＳ３）、ポンプ１０を定常能力で運転する（ステップＳ４）。そして、コントローラ３０は、ステップＳ１の処理に戻る。

流量調整弁１２が全開してポンプ１０が定常能力で運転することにより、かつ配管２１側に存するイオン除去部材２２の流通抵抗により、ポンプ１０から送出される冷却水は、例えば10:1の比率で配管１１と配管２１とに分流する。冷却水循環回路の配管１１に流れる冷却水の量を“10”とすると、バイパス回路の配管２１に流れる冷却水の量はその1/10の割合となる。

冷却水循環回路の配管１１に流れた冷却水は、流量調整弁１２および配管１３を通って放熱板２に流れる。バイパス回路の配管２１に流れた冷却水は、イオン除去部材２２を通って放熱板２に流れる。

この場合、1/10の割合という少量の冷却水をイオン除去部材２２に流すのは、イオン除去部材２２内のイオン交換樹脂の乾燥を防ぐためである。もちろん、イオン除去部材２２を通る冷却水にイオン物質が含まれていれば、そのイオン物質がイオン除去部材２２のイオン交換樹脂により捕捉されて除去される。

一方、配管１１，１３，１４，１６，２１，２３および熱交換器１５に含まれているイオン物質の親水性成分が冷却水中に溶け出し、冷却水の導電率が徐々に上昇するようになる。

コントローラ３０は、検知導電率Ｃが設定値Ｃｓ以上に上昇した場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、流量調整弁１２の開度を所定値だけ縮小するとともに（ステップＳ５）、ポンプ１０を定常能力より所定値高い能力で運転する（ステップＳ６）。そして、コントローラ３０は、ステップＳ１の処理に戻る。

流量調整弁１２の開度が所定値だけ縮小されることにより、配管１１から流量調整弁１２を通って配管１３に流れる冷却水の量が減り、その減った分だけ配管２１に流れる冷却水の量が増える。例えば、ポンプ１０から送出される冷却水が10:3の比率で配管１１と配管２１とに分流する。バイパス回路のイオン除去部材２２に流れる冷却水の量が増えるので、冷却水中のイオン物質の捕捉および除去が促進される。これにより、冷却水の導電率が低下していく。

バイパス回路のイオン除去部材２２に流れる冷却水の量が増えると、イオン除去部材２２の流通抵抗による圧力損失が大きくなり、冷却水の循環量が減少して放熱板２に対する冷却効率が低下する可能性がある。しかしながら、ポンプ１０が定常能力より高い能力で運転するので、イオン除去部材２２の流通抵抗による圧力損失に影響を受けることなく、冷却水の循環量が適正な状態に保たれる。放熱板２に対する冷却効率を良好な状態に維持できる。

ところで、気温が上昇する夏季など、冷却水の温度が上昇する。コントローラ３０は、検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１たとえば４０℃以上に上昇した場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、検知導電率Ｃの上昇時と同じく、流量調整弁１２の開度を所定値だけ縮小するとともに（ステップＳ５）、ポンプ１０を定常能力より所定値高い能力で運転する（ステップＳ６）。そして、コントローラ３０は、ステップＳ１の処理に戻る。

配管１１，１３，１４，１６，２１，２３や熱交換器１５から冷却水中に溶出するイオン物質の量は、冷却水の温度がとくに４０℃以上に上昇した場合に増加していく。この増加に伴い冷却水の導電率Ｃが上昇するが、検知導電率Ｃが設定値Ｃｓに達するより前の段階（検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１に達する時点）で、流量調整弁１２の開度が所定値だけ縮小される。

このように、冷却水の温度が４０℃以上に上昇した場合はイオン物質の溶出量が増加することを見越してバイパス回路のイオン除去部材２２に流れる冷却水の量を増やし、これによりイオン除去部材２２によるイオン物質の捕捉および除去を促進することにより、溶出するイオン物質を追従遅れなく確実に除去することができる。ひいては、冷却水の導電率Ｃの上昇を確実に抑えることができる。

しかも、バイパス回路のイオン除去部材２２に流れる冷却水の量が増やすことに加えてポンプ１０を定常能力より高い能力で運転するので、イオン除去部材２２の流通抵抗による圧力損失にかかわらず、冷却水の循環量が適正な状態に保たれる。放熱板２に対する冷却効率を良好な状態に維持できる。

なお、上記実施形態では、検知導電率Ｃが設定値Ｃｓ未満の場合、および温度センサ３１の検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１未満の場合に、ポンプ１０を定常能力で運転する構成としたが、検知温度Ｔａが最適値である例えば２５℃となるようにポンプ１０の能力を可変制御する構成としてもよい。

この可変制御の採用に際しては、検知導電率Ｃが設定値Ｃｓ以上の場合、および温度センサ３１の検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１以上の場合に、ポンプ１０を通常の可変制御値よりも所定値高い能力で運転する。すなわち、バイパス回路のイオン除去部材２２に流れる冷却水の量を増やして冷却水の循環量を適正な状態に保つことを、検知温度Ｔａの最適値維持よりも優先する。

また上記可変制御の採用に際しては、検知導電率Ｃが設定値Ｃｓ以上の場合、および温度センサ３１の検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１以上の場合に、冷却水循環回路における冷却水の循環量を流量センサで検知し、その検知流量が最適値を保つようにポンプ１０の能力を可変制御する構成としてもよい。すなわち、バイパス回路のイオン除去部材２２に流れる冷却水の量を増やして冷却水の循環量を最適値に保つことを、検知温度Ｔａを最適値に維持することよりも、優先する。

上記実施形態では、バッテリ電源１がリチウムイオン電池である場合を例に説明したが、バッテリ電源１が燃料電池である場合も同様に実施可能である。

上記実施形態では、イオン除去部材２２としてイオン交換樹脂を用いたが、イオン物質を捕捉して除去するものであれば、イオン交換樹脂に限らず他の部材を用いてもよい。

［２］第２実施形態
第２実施形態では、図４に示すように、流量調整弁１２に代えて、三方弁１７が、配管１１と配管２１との接続部に配置される。

三方弁１７は、図５に示すように、本体５１の内部空間５１ｘに回転体５２を収め、電磁駆動により回転体５２を適宜な位置に回動させることにより、冷却水循環回路の配管１３側に流れる冷却水の量、およびバイパス回路の配管２１側に流れる冷却水の量を調整する。

本体５１は、配管１１が接続される流路５１ａ、配管１３が接続される流路５１ｂ、配管２１が接続される流路５１ｃを有する。

回転体５２は、流路５２ａ，５２ｂを連通してなる第１流路と、流路５２ｃ，５２ｄを連通してなる第２流路とを交差状に配置したもので、図５に示すように流路５２ａ，５２ｂの第１流路が本体５１の流路５１ａ，５１ｂに対向し流路５２ｃが本体５１の流路５１ｃに対向する第１回動位置、および図６に示すように流路５２ｃ，５２ｄの第２流路が本体５１の流路５１ａ，５１ｂに対向し流路５２ｂが本体５１の流路５１ｃに対向する第２回動位置を選択的に切換えることができる。流路５２ａ，５２ｂ，５２ｃの内径は、互いに同じであり、かつ本体５１の流路５１ａ，５１ｂ，５１ｃの内径と同じである。流路５２ｄの内径は、流路５２ａ，５２ｂ，５２ｃの内径より小さく、かつ本体５１の流路５１ａ，５１ｂ，５１ｃの内径より小さい。

コントローラ３０は、主要な機能として次の（１１）（１２）の制御手段を含む。
（１１）検知導電率Ｃが設定値Ｃｓ未満の場合、および検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１（例えば４０℃）未満の場合に、バイパス回路に少量の冷却水を流入させるべく三方弁１７の回転体５２を第１回動位置に設定し、かつポンプ１０を予め定められた定常能力で運転する第１制御手段。

（１２）検知導電率Ｃが設定値Ｃｓ以上の場合、および検知温度Ｔａが所定値Ｔａ１以上の場合に、バイパス回路に流入する冷却水の量が増やすべく、三方弁１７の回転体５２を第２回動位置に切換え、かつポンプ１０を定常能力より所定値高い能力で運転する第２制御手段。

三方弁１７の回転体５２が図５の第１回動位置に設定された場合、互いに同じ内径の流路５２ａ，５２ｂ，５２ｃが流路５１ａ，５１ｂ，５１ｃを通じて配管１１，１３，２１にそれぞれ連通する。この場合、ポンプ１０から送出される冷却水は、例えば10:1の比率で配管１１と配管２１とに分流する。

三方弁１７の回転体５２が図６の第２回動位置に設定された場合、互いに同じ内径の流路５２ｃ，５２ｂが流路５１ａ，５１ｃを通じて配管１１，２１にそれぞれ連通し、小さい内径の流路５２ｄが流路５１ｂを通じて配管１３に連通する。配管１３と連通する流路５２ｄの内径が小さいので、配管１１から流量調整弁１２を通って配管１３に流れる冷却水の量が減り、その減った分だけ配管２１に流れる冷却水の量が増える。例えば、ポンプ１０から送出される冷却水が10:3の比率で配管１１と配管２１とに分流する。バイパス回路のイオン除去部材２２に流れる冷却水の量が増えるので、冷却水中のイオン物質の捕捉および除去が促進される。
他の構成および作用は第１実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。

［３］第３実施形態
第３実施形態では、図７に示すように、流量調整弁１８がバイパス回路の配管２１に配置される。流量調整弁１８は、流量調整弁１２と同じ構成である。

コントローラ３０は、流量調整弁１２，１８の開度をそれぞれ制御することにより、ポンプ１０から送出される冷却水を例えば10:1〜10:5の範囲の詳細な比率をもって配管１１と配管２１とに分流させることができる。配管１１，２１への分流量を多段階に細かく設定することができる。
他の構成および作用は第１実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。

なお、上記各実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…バッテリ電源、２…放熱板、１０…ポンプ、１１，１３，１４，１６，２１，２３…配管、１２…流量調整弁、１５…熱交換器、１７…三方弁、１８…流量調整弁、３０…コントローラ、３１…温度センサ、３２…導電率センサ、４１…本体、４１ａ…流入路、４１ｂ…流出路、４２…可動体、４２ａ…流通路、５１…本体、５１ａ，５１ｂ，５１ｃ…流路、５２…回転体、５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ…流路

Claims (3)

1. バッテリ電源を備えた車両のバッテリ冷却装置であって、
   ポンプから送出される冷却水を前記バッテリ電源の放熱用部材に導き、その放熱用部材を経た冷却水を熱交換器に通して前記ポンプに戻す冷却水循環回路と、
   前記ポンプから送出される冷却水の一部をイオン除去部材に通して前記バッテリ電源に導くバイパス回路と、
   前記冷却水の導電率を検知する導電率検知手段と、
   前記冷却水の温度を検知する温度検知手段と、
   前記導電率検知手段の検知導電率が設定値以上の場合、および前記温度検知手段の検知温度が所定値以上の場合に、前記バイパス回路への冷却水の流入量を増やす制御手段と、
   を備えることを特徴とするバッテリ冷却装置。
2. 前記制御手段は、前記導電率検知手段の検知導電率が前記設定値以上の場合、および前記温度検知手段の検知温度が前記所定値以上の場合に、前記バイパス回路への冷却水の流入量を増やしかつ前記ポンプの能力を増やす
   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. 前記冷却水循環回路における前記バイパス回路の接続位置より下流側に配置された流量調整弁、
   をさらに備え、
   前記制御手段は、前記導電率検知手段の検知導電率が前記設定値未満の場合および前記温度検知手段の検知温度が前記所定値未満の場合に前記流量調整弁を全開し、前記導電率検知手段の検知導電率が前記設定値以上の場合および前記温度検知手段の検知温度が前記所定値以上の場合に前記流量調整弁の開度を所定値だけ縮小する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ冷却装置。

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