JP2018075945A - バッテリ冷却機構及び移動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの冷却を行うバッテリ冷却機構及び移動車両において、空気調和装置と別にヒートポンプ機構を設置することなく、かつ、バッテリと車室内を直接連通させることなくバッテリを冷却可能とする。
【解決手段】空気調和装置が搭載された移動車両のバッテリを冷却するバッテリ冷却機構であって、空気調和装置で生成された調和空気と冷媒との熱交換を行うことで冷媒を冷却する熱交換器と、バッテリと熱交換器との間で冷媒を循環させる循環部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ冷却機構及び移動車両に関するものである。

近年、リチウムイオン電池等のバッテリを搭載した自動車が広く用いられており、バッテリを搭載して架線がない区間を走行する鉄道等も提案されている。このような大型のバッテリを搭載した移動車両では、放充電によるバッテリの昇温を抑えるために、バッテリを冷却するためのバッテリ冷却機構を搭載する必要がある。通常、使用時のリチウムイオン電池等のバッテリの温度は、数十℃程度であり、外気温よりも低い場合もある。このため、バッテリを冷却するためには、外気温との熱交換では不十分となる場合があり、バッテリの温度よりも十分に低い冷媒を用いる必要がある。

例えば、特許文献１には、車室内の温度調整等のために一般的に移動車両に搭載される空気調和装置で生成された調和空気により、発熱体（特許文献１においては）を冷却する冷却機構が開示されている。

特開２０１２−１２６１７５号公報

上述のような特許文献１をバッテリが搭載された移動車両に設置し、バッテリ冷却機構として用いることにより、バッテリの冷却を行うことが考えられる。しかしながら、特許文献１の構造をそのままバッテリ冷却機構として採用すると、発熱体であるバッテリと車室内とが調和空気の流路によって連通されることになる。このため、万が一、バッテリの一部にて液漏れ等が生じた場合に、電解液が発する臭い等が車室内に流れ込み、乗員に不安感を与える恐れがある。

このような問題を解消するためには、低温の冷媒を生成できるバッテリ冷却機構を空気調和装置と別に搭載することが考えられる。しかしながら、このようなバッテリ冷却機構を別体で設ける場合には、移動車両に対して、２つのヒートポンプ機構を設置する必要がある。このため、移動車両の大型化を招く。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、バッテリの冷却を行うバッテリ冷却機構及び移動車両において、空気調和装置と別にヒートポンプ機構を設置することなく、かつ、バッテリと車室内を直接連通させることなくバッテリを冷却可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、空気調和装置が搭載された移動車両のバッテリを冷却するバッテリ冷却機構であって、上記空気調和装置で生成された調和空気と冷媒との熱交換を行うことで上記冷媒を冷却する熱交換器と、上記バッテリと上記熱交換器との間で上記冷媒を循環させる循環部とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記熱交換器が、上記空気調和装置の上記調和空気の吹出口に対向して配置されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記熱交換器が、上記移動車両の天井部に配置されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記調和空気の流れ方向における熱交換器よりも下流側で上記熱交換器に対向配置されると共に、上記熱交換器を通過した上記調和空気の供給先を上記移動車両の車室と上記空気調和装置とに切り替え可能とする切替装置を備えるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記冷媒が、水または空気であるという構成を採用する。

第６の発明は、車室に調和空気を供給可能な空気調和装置と、バッテリと、上記バッテリを冷却するバッテリ冷却機構とを備える移動車両であって、上記バッテリ冷却機構として、上記第１〜第５いずれかの発明であるバッテリ冷却機構を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、バッテリの冷却を行うバッテリ冷却機構及び移動車両において、空気調和装置と別にヒートポンプ機構を設置することなく、かつ、バッテリと車室内を直接連通させることなくバッテリを冷却することができる。

本発明の第１実施形態における鉄道車両の概略構成を模式的に示す側面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１実施形態における鉄道車両が備えるバッテリ冷却機構の一部を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態における鉄道車両の概略構成を模式的に示す縦断面図である。 本発明の第１実施形態における鉄道車両の変形例の概略構成を模式的に示す側面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るバッテリ冷却機構及び移動車両の一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明では、本発明の移動車両を鉄道車両に適用した例について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態における鉄道車両１の概略構成を模式的に示す側面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。これらの図に示すように、車体２と、台車３と、バッテリモジュール４（バッテリ）と、空気調和装置５と、バッテリ冷却機構６とを備えている。なお、図１及び図２には図示していないが、鉄道車両１は、台車３の車輪を回転駆動するためのモータや、車輪を停止するためのブレーキ等を備えている。

車体２は、構体２ａ、床部２ｂ、椅子２ｃ、天井部２ｄ、隔壁２ｅ及びフィルタ２ｆ等を備えている。構体２ａは、周知のように、車体２の重量を支える台枠２ａ１、壁部を形成する側構体２ａ２、側構体２ａ２に支持される屋根構体２ａ３、及び、前後面を形成する妻構体２ａ４等を有している。床部２ｂは、車体２の底部を形成しており、台枠２ａ１によって支持されている。椅子２ｃは、床部２ｂ上に設置されている。天井部２ｄは、屋根構体２ａ３と一定の隙間を空けた状態で屋根構体２ａ３の下方に吊下げ支持されている。なお、床部２ｂと天井部２ｄとの間の空間が鉄道の乗客が車室Ｒとされている。また、天井部２ｄには、後述する供給流路１０に接続する開口部である供給開口２ｄ１と、後述する返送流路１１に接続する開口部である返送開口２ｄ２とが形成されている。

隔壁２ｅは、屋根構体２ａ３と天井部２ｄと間に設けられており、屋根構体２ａ３と天井部２ｄと間の空間を、空気調和装置５から吐出された調和空気Ｘを車室Ｒに案内する供給流路１０と、車室Ｒから空気調和装置５に調和空気Ｘを案内する返送流路１１とに区画している。供給流路１０は、空気調和装置５で生成された調和空気Ｘを案内して、天井部２ｄに形成された供給開口２ｄ１を介して、調和空気Ｘを車室Ｒに案内する。返送流路１１は、天井部２ｄに形成された返送開口２ｄ２を介して車室Ｒから取り込まれた調和空気Ｘを空気調和装置５まで案内する。

フィルタ２ｆは、天井部２ｄの返送開口２ｄ２を塞ぐように天井部２ｄに対して取り付けられている。このフィルタ２ｆは、車室Ｒから返送流路１１に流れ込む調和空気Ｘに含まれる粉じん等を補足し、空気調和装置５に供給される調和空気Ｘから異物を除去する。

台車３は、車体２の台枠２ａ１に固定されており、車体２を前後方向に移動可能に支持する。この台車３は、車体２の前後方向に離間して２つ設けられている。バッテリモジュール４は、台車３の車輪を回転駆動するための電力を蓄えるものである。このようなバッテリモジュール４は、複数の電池セルや、これらの電池セルを収容するケーシング等を備えている。本実施形態において、バッテリモジュール４は、車体２の屋根構体２ａ３上に配置されており、車体２の前後方向に離間して２つ設けられている。これらのバッテリモジュール４は、例えば、台車３の車輪を回転駆動するモータと電気的に接続され、モータへの電力供給のための放電とモータからの回生電力の回収のための充電とを繰り返すと共に、充放電の際に発熱する。

空気調和装置５は、温度や湿度を調整した調和空気Ｘを車室Ｒに供給可能とするために鉄道車両１に搭載されている。この空気調和装置５は、不図示のコンプレッサ、蒸発器、凝縮器、膨張弁等を備え、代替フロン等の冷媒を圧縮膨張させることにより、車室Ｒの熱を車外に放出するヒートポンプ機構を有する。この他、空気調和装置５は、調和空気Ｘを送風するための送風ファンや、送風ファンやコンプレッサ等を収容するケーシング等を備えている。このような空気調和装置５は、本実施形態において、車体２の屋根構体２ａ３上に配置されており、車体２の前後方向に離間して２つ設けられている。

また、これらの空気調和装置５は、調和空気Ｘを車室Ｒに供給すると共に、車室Ｒにて温度や湿度が変化した調和空気Ｘを回収し、再び、調和空気Ｘを設定された温度及び湿度に調整してから車室Ｒに戻す。本実施形態においては、空気調和装置５の下面に調和空気Ｘを排出するための吹出口が設けられており、空気調和装置５の側面に調和空気Ｘを回収する取込口が設けられている。空気調和装置５の吹出口は、車体２の上部に形成された供給流路１０に接続されている。また、空気調和装置５の取込口は、車体２の上部に形成された返送流路１１に接続されている。

バッテリ冷却機構６は、放熱用熱交換器６ａ（熱交換器）と、冷却用熱交換器６ｂと、循環ポンプ６ｃ（循環部）と、温度センサ６ｄと、制御部６ｅとを備えている。放熱用熱交換器６ａは、天井部２ｄに設けられており、空気調和装置５の下方に配置されることで空気調和装置５の調和空気Ｘの吹出口に対向配置されている。この放熱用熱交換器６ａは、放熱用熱交換器６ａの内部を流れるバッテリ冷却機構６の冷媒と、空気調和装置５から吐出された調和空気Ｘとを熱交換することによって、冷媒の冷却すなわち冷媒からの熱の放出を行うものである。この放熱用熱交換器６ａは、上下方向に気体を通過可能に伝熱管が蛇行された形状とされており、上方から供給された調和空気Ｘを下方に通過可能としている。

冷却用熱交換器６ｂは、バッテリモジュール４の冷却を行うための熱交換器であり、例えばバッテリモジュール４のケーシングの内部に配設されている。この冷却用熱交換器６ｂは、放熱用熱交換器６ａで冷却された冷媒によってバッテリモジュール４で発生した熱を吸収させることによって、バッテリモジュール４の冷却を行う。

循環ポンプ６ｃは、放熱用熱交換器６ａと冷却用熱交換器６ｂとの間に配設されており、放熱用熱交換器６ａと冷却用熱交換器６ｂ（すなわちバッテリモジュール４）と間で冷媒を循環させる。このような循環ポンプ６ｃは、制御部６ｅの制御の下に駆動される。温度センサ６ｄは、バッテリモジュール４に取り付けられており、バッテリモジュール４の温度を示す計測信号を出力する。制御部６ｅは、図３のブロック図に示すように、循環ポンプ６ｃと温度センサ６ｄとに電気的に接続されている。このような制御部６ｅは、温度センサ６ｄから入力される計測信号に基づいて循環ポンプ６ｃを駆動する。つまり、制御部６ｅは、温度センサ６ｄから入力される計測信号が示す温度がバッテリモジュール４の冷却を要する温度である場合には、循環ポンプ６ｃを駆動する。

このようなバッテリ冷却機構６は、バッテリモジュール４ごとに設けられている。つまり、本実施形態においては、バッテリ冷却機構６は、２つ設けられている。各々のバッテリ冷却機構６は、バッテリモジュール４の熱をバッテリモジュール４よりも低温の調和空気Ｘに伝達するものであることから、冷媒を膨張や圧縮等するヒートポンプとしての機能を必要としない。このため、冷媒としては、容易に入手可能でかつ管理が容易な水を用いることができる。

このような構成の本実施形態の鉄道車両１では、空気調和装置５が稼働すると、空気調和装置５で生成された調和空気Ｘが空気調和装置５の下面の吹出口から供給流路１０に吐出される。供給流路１０に吐出された調和空気Ｘは、天井部２ｄに設けられた供給開口２ｄ１から車室Ｒに供給される。これによって、車室Ｒの温度及び湿度が最適に調整される。車室Ｒの調和空気Ｘは、天井部２ｄに設けられた返送開口２ｄ２を通過し、フィルタ２ｆによって異物が除去された後に、返送流路１１に流れ込む。返送流路１１の調和空気Ｘは、空気調和装置５の側面に設けられた取込口から空気調和装置５に取り込まれ、再び温度及び湿度が調整される。

一方で、バッテリ冷却機構６においては、温度センサ６ｄで計測されたバッテリモジュール４の温度が冷却を要する温度である場合に、制御部６ｅによって循環ポンプ６ｃが駆動される。循環ポンプ６ｃが駆動されると、放熱用熱交換器６ａと冷却用熱交換器６ｂとの間で冷媒が循環される。ここで、放熱用熱交換器６ａにおいて空気調和装置５から吐出された調和空気Ｘとバッテリ冷却機構６の冷媒とが熱交換され、冷媒が冷却される。このように冷却された冷媒は、冷却用熱交換器６ｂに供給され、バッテリモジュール４の熱を吸収することでバッテリモジュール４を冷却する。

以上のような本実施形態の鉄道車両１及びバッテリ冷却機構６によれば、放熱用熱交換器６ａにて調和空気Ｘの冷温にて冷媒を冷却し、この冷媒を循環ポンプ６ｃにてバッテリモジュール４に送ることによってバッテリモジュール４を冷却する。このため、単に調和空気Ｘよりも高温のバッテリモジュール４の熱を調和空気Ｘに伝えるだけで済み、低温部から高温部に熱を移動させるヒートポンプ機構を設置することなくバッテリモジュール４の冷却を行うことができる。さらに、放熱用熱交換器６ａによって調和空気Ｘと冷媒との熱交換を行うことによりバッテリモジュール４の熱を調和空気Ｘに伝達していることから、バッテリモジュール４と車室Ｒとを流路で連通する必要はない。したがって、本実施形態の鉄道車両１及びバッテリ冷却機構６によれば、空気調和装置５と別にヒートポンプ機構を設置することなく、かつ、バッテリモジュール４と車室Ｒ内を直接連通させることなくバッテリモジュール４を冷却することができる。

また、本実施形態の鉄道車両１及びバッテリ冷却機構６においては、放熱用熱交換器６ａは、空気調和装置５の調和空気Ｘの吹出口に対向して配置されている。このため、調和空気Ｘの温度が最も低くかつ流速が最も速い領域で、調和空気Ｘと冷媒との熱交換を行うことができる。したがって、本実施形態の鉄道車両１及びバッテリ冷却機構６によれば、効率的にバッテリモジュール４の冷却を行うことができる。

また、本実施形態の鉄道車両１及びバッテリ冷却機構６においては、放熱用熱交換器６ａが車体２の天井部２ｄに設けられている。このため、放熱用熱交換器６ａを設置することによる車室Ｒの空間減少を車室Ｒの上部空間に限ることができる。このため、鉄道車両１の構体２ａの設計変更や収容可能人数の減少を招くことなく、バッテリ冷却機構６を設置することができる。

また、本実施形態の鉄道車両１及びバッテリ冷却機構６においては、バッテリ冷却機構６の冷媒として水を用いることができる。このため、空気調和装置５のように代替フロンのような冷媒を用いる必要がなく、安価でかつ管理が容易なバッテリ冷却機構６とすることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図４を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態の鉄道車両１Ａ（移動車両）の概略構成を模式的に示す縦断面図である。この図に示すように、本実施形態の鉄道車両１Ａでは、バッテリ冷却機構６が切替装置６ｆをさらに備えている。

切替装置６ｆは、車体２の天井部２ｄの下面に固定され、天井部２ｄに設けられた供給開口２ｄ１を下方から覆うように配置されている。つまり、切替装置６ｆは、図４に示すように、調和空気Ｘの流れ方向における放熱用熱交換器６ａよりも下流側で放熱用熱交換器６ａに対向配置されている。この切替装置６ｆは、供給開口２ｄ１を通過する調和空気Ｘの送り先を設定するための装置であり、内部に不図示のダンパ機構等を備えている。本実施形態において切替装置６ｆは、放熱用熱交換器６ａを通過した調和空気Ｘの供給先を、車室Ｒと、空気調和装置５とに切り替え可能とされている。

このような切替装置６ｆは、車室Ｒを調和空気Ｘの供給先とする場合には、上方から供給される調和空気Ｘをそのまま下方に向けて通過させる。これによって調和空気Ｘは、車室Ｒに供給される。一方、切替装置６ｆは、空気調和装置５を供給先とする場合には、車室Ｒをバイパスし（つまり、車室Ｒに調和空気Ｘを供給することなく）、調和空気Ｘを返送流路１１に供給する。これによって調和空気Ｘは、車室Ｒに供給されることなく空気調和装置５に返送される。

このような構成を採用する本実施形態の鉄道車両１Ａによれば、調和空気Ｘを車室Ｒに供給することなく空気調和装置５に戻すことができる。このため、バッテリ冷却機構６を稼働させる場合であって、調和空気Ｘを車室Ｒに供給しないようにすることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、バッテリモジュール４を車体２の屋根構体２ａ３に設置する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、バッテリモジュール４が車体２の台枠２ａ１に設置する構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、１つのバッテリモジュール４に対して１つのバッテリ冷却機構６を設置する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のバッテリモジュール４に対して１つのバッテリ冷却機構６を設置する構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、バッテリ冷却機構６の冷媒として水が好適であることについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、安価かつ管理が容易な冷媒として空気を用いることも可能である。このような場合には、例えば冷却用熱交換器６ｂを削除し、冷媒をバッテリモジュール４のケーシングの内部に直接供給及び回収する構成とし、ファン（循環部）等によって冷媒を循環させる構成を採用することも可能である。バッテリ冷却機構６の冷媒は、バッテリモジュール４よりも低い温度を実現できれば、任意の液体又は気体とすることができる。

また、上記実施形態においては、放熱用熱交換器６ａを車体２の天井部２ｄに設け、空気調和装置５の吹出口に対向配置する構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。バッテリモジュール４の冷却効率の低下を許容できれば、放熱用熱交換器６ａは調和空気Ｘの流れの途中のいずれの箇所にも設置することができる。

また、上記実施形態において、外気温がバッテリモジュール４の温度よりも低い場合に、補助的に外気を用いてバッテリモジュール４を冷却する機構を設置するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、本発明の移動車両を鉄道車両（鉄道車両１及び鉄道車両１Ａ）に適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の移動車両を、自家用車、バス、トラック等に適用することも可能である。

１……鉄道車両
１Ａ……鉄道車両
２……車体
２ａ……構体
２ａ１……台枠
２ａ２……側構体
２ａ３……屋根構体
２ａ４……妻構体
２ｂ……床部
２ｃ……椅子
２ｄ……天井部
２ｄ１……供給開口
２ｄ２……返送開口
２ｅ……隔壁
２ｆ……フィルタ
３……台車
４……バッテリモジュール（バッテリ）
５……空気調和装置
６……バッテリ冷却機構
６ａ……放熱用熱交換器（熱交換器）
６ｂ……冷却用熱交換器
６ｃ……循環ポンプ（循環部）
６ｄ……温度センサ
６ｅ……制御部
６ｆ……切替装置
１０……供給流路
１１……返送流路
Ｒ……車室
Ｘ……調和空気

Claims (6)

1. 空気調和装置が搭載された移動車両のバッテリを冷却するバッテリ冷却機構であって、
   前記空気調和装置で生成された調和空気と冷媒との熱交換を行うことで前記冷媒を冷却する熱交換器と、
   前記バッテリと前記熱交換器との間で前記冷媒を循環させる循環部と
   を備えるバッテリ冷却機構。
2. 前記熱交換器は、前記空気調和装置の前記調和空気の吹出口に対向して配置されていることを特徴とする請求項１記載のバッテリ冷却機構。
3. 前記熱交換器は、前記移動車両の天井部に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のバッテリ冷却機構。
4. 前記調和空気の流れ方向における前記熱交換器よりも下流側で前記熱交換器に対向配置されると共に、前記熱交換器を通過した前記調和空気の供給先を前記移動車両の車室と前記空気調和装置とに切り替え可能とする切替装置を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のバッテリ冷却機構。
5. 前記冷媒は、水または空気であることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載のバッテリ冷却機構。
6. 車室に調和空気を供給可能な空気調和装置と、バッテリと、前記バッテリを冷却するバッテリ冷却機構とを備える移動車両であって、
   前記バッテリ冷却機構として、請求項１〜５のいずれか一項に記載されたバッテリ冷却機構を備えることを特徴とする移動車両。

Images