JP2020517065A - バッテリーパックの温度を管理するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング（２００）に収納された少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品を備える自動車両用のバッテリーパックの温度調節用装置であって、前記温度制御／管理装置は、前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品に熱接触する少なくとも１つのバッテリーエバポレータ（２０４）であって、流体冷媒が通流することが意図されたバッテリーエバポレータ（２０４）と、前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータ（２０４）に流体的に連結された減圧装置（２０３）と、を備える。本発明によれば、前記温度制御／管理装置は、前記バッテリーパックの前記ハウジング（２００）に堅固に取り付けられた内部熱交換器（２０５）であって、前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータ（２０４）を出る冷媒流体を過熱することが意図された内部熱交換器（２０５）を備える。

Description

本発明は、電気又はハイブリッドタイプの自動車両用のバッテリーの分野に関し、より具体的には、このタイプの車両におけるバッテリーパックの温度調節、特に冷却のための装置に関する。

また、本発明は、このような温度管理装置を備えるバッテリーパック、及び車両のバッテリーパックの熱処理専用のブランチを備える自動車両の温度調整システムに関する。

電気自動車やハイブリッド自動車の電気エネルギーは、単数又は複数のバッテリーにより供給される。

このタイプの車両では、バッテリーは、いわゆるバッテリーパックを形成するように保護ハウジングに配置された複数の電気エネルギー貯蔵セル（電池）から形成される。

バッテリーは、その動作中にヒートアップして損傷する危険があるという問題を有する。

更に、温度が低すぎると、バッテリーの動作時間が大幅に短くなり得る。

したがって、バッテリーの温度調節は重要なポイントである。

実際に、バッテリーの寿命を最適化しつつ車両の信頼性、一充電走行距離及び性能を確保するには、バッテリーの温度を２０度乃至４０度に維持する必要がある。

バッテリーの温度のこのような調節、特にその冷却は、温度調節装置により提供される。

このような温度調節装置は、一般に、バッテリーパックのハウジング内部に組み込まれ、伝熱流体又は冷媒を利用する。

冷媒の場合、これは、中で冷媒が通流するチューブタイプの単数又は複数の熱交換部品内を通流する。このような部品は、電池と熱接触した状態でバッテリーパックのハウジング内部に配置され、これにより熱伝導によって電池の熱が調節される。

更に、車両には、内部空気流を所望の温度で供給することにより車室の内部空間を温度調節するように、暖房、換気及び／又は空調システムが多くの場合設けられている。

バッテリー専用の温度調節装置は、内部空気流を所望の温度で供給することにより車室の内部空間を温度調節することが意図された空調ループからの冷媒の回路に連結されていることが多い。

図１に示すように、車室の内部空間の温度調節専用の第１回路１０すなわち空調ループと、バッテリーの温度管理専用の第２回路２０とが、互いに並列に配置されている。

従来的に、第１回路１０は、冷媒をこの主ループ内で循環させるコンプレッサ１０１を備えている。これにより、冷媒は、膨張装置１０３すなわち膨張バルブ、及び車室に向けて通流させることが意図された空気を冷却可能なエバポレータ１０４を通過する前にコンデンサ１０２を通過し、その後コンプレッサ１０１に再び到着する。したがって、この主ループにおいて、冷媒は、コンデンサ１０２で熱を放出しエバポレータ１０４で熱を捕捉する熱力学的サイクルを実行する。

更に、コンプレッサ１０１は、バッテリーの温度管理専用の第２回路２０において、特にエバポレータの役割を果たす少なくとも１つ（本例では１つ）の熱交換部品２０４に冷媒を通流させることができる。これにより、冷媒は、バッテリーが放出した熱を吸収してこれを冷却することができる。

エバポレータ２０４は、冷媒が内部を通流するプレート又はチューブで構成された熱交換コアを備えている。

このエバポレータ２０４は、冷媒が熱交換コアを通過する回数に対応する複数の流路を含み得る。

冷却サイクルにおいて、冷媒は、このエバポレータ２０４を出る時、過熱蒸気状態にある。この過熱は、液体状態の冷媒が第１空調回路１０のコンプレッサ１０１に入らないように利用される。

一般に、出口流路と称されるエバポレータ２０４内での冷媒の最終流路において、冷媒は過熱蒸気状態にされる。

しかしながら、冷媒の過熱は、エバポレータ２０４の容量に対する効率低下をもたらす。なぜならば、その内部での最終流路は冷媒の過熱に部分的にしか寄与しないからである。

更に、この最終流路が冷媒の過熱に部分的にしか寄与しないため、エバポレータ２０４の温度が不均一になり、この最終流路は部分的に高温になる。

したがって、エバポレータ２０４と熱接触しているバッテリーの冷却が均一でなくなる。

このため、本発明の目的の１つは、従来技術の欠点を克服することである。

この目的のために、本発明は、ハウジングに収納された少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品を備える自動車両用のバッテリーパックの温度調節用装置であって、前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品に熱接触する少なくとも１つのバッテリーエバポレータであって、冷媒が通流することが意図されたバッテリーエバポレータと、前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータに流体的に連結された膨張装置と、を含む温度管理装置を提案する。

本発明によれば、前記温度管理装置は、前記バッテリーパックの前記ハウジングに堅固に接続された内部熱交換器であって、前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータを出る冷媒を過熱することが意図された内部熱交換器を備える。

したがって、本発明は、内部熱交換器を、単数又は複数の電池と熱接触した単数又は複数のバッテリーエバポレータが収容されているバッテリーパックの内部に、又はその外壁に追加することを提案する。

内部熱交換器は、冷媒を過熱するようにエバポレータの出口に連結される。

この結果、エバポレータはもはや冷媒を過熱するために使用されないので、バッテリーと接触してこれを冷却するためのエバポレータの全面に亘る優れた温度均一性が得られる。

換言すれば、エバポレータは、その内部の冷媒の最終流路がもはや冷媒の過熱に寄与せず、標準的な熱エネルギー交換に寄与するため、より効率的である。これにより、バッテリーの動作及び寿命を最適化しつつ、バッテリーの冷却を均一にすることができる。

本発明の特定の態様によれば、前記膨張装置は、冷媒の流れ方向において、前記内部熱交換器の下流に且つ前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータの上流に配置される。

本発明の特定の態様によれば、前記装置は、コンプレッサと、前記コンプレッサの下流に配置されたコンデンサと、を更に備え、前記内部熱交換器は、前記コンデンサの下流に且つ前記コンプレッサの上流に配置されるとともに、最初に前記コンデンサの冷媒出口に連結され、次に前記コンプレッサの冷媒入口に連結される。

したがって、内部熱交換器は、コンデンサからの冷媒ダクトのバッテリーエバポレータに割り当てられた膨張バルブの上流に、且つエバポレータからの冷媒ダクトのコンプレッサの上流に追加して配置される。

これにより、バッテリーエバポレータからの冷媒は、コンプレッサの冷媒入口に戻る前に、内部熱交換器を通過する。

内部熱交換器を追加することにより、（バッテリーエバポレータに割り当てられた膨張バルブの入口より前でコンデンサを出る高圧の流体の温度を下げることができるため）コンプレッサに入る前の過熱、及びバッテリーエバポレータの出力増加が可能となる。

本発明の特定の実施形態において、前記内部熱交換器は、前記ハウジングの内部に配置される。

特定の態様によれば、前記膨張装置は、前記ハウジングの内部に配置される。

代替例において、前記内部熱交換器は、前記ハウジングの少なくとも１つの外壁に取り付けられる。

本発明の他の特定の実施形態において、前記膨張装置は、前記ハウジングの外壁に取り付けられる。

内部熱交換器は、バッテリーパックのハウジングの少なくとも１つの内壁又は外壁に、例えばねじ留め又はクリップ留めされる。

有利には、前記膨張装置は、サーモスタット膨張弁、電子膨張弁、又はチューブオリフィスである。

更に、本発明は、上述の温度管理装置を含むバッテリーパックに関する。

また、本発明は、自動車両の温度調整システムであって、
‐冷媒が循環する空調ループであって、コンプレッサと、コンデンサと、車室に向けて通流させることが意図された空気を冷却可能である内部エバポレータと、を備える空調ループと、
‐前記車両のバッテリーパックの少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品の温度管理専用のブランチであって、前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品との熱交換を実施可能である冷媒が通流することが意図されたバッテリーエバポレータと称される少なくとも１つのエバポレータと、前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータに流体的に連結された膨張装置と、を備えるブランチと、
を備え、
前記ブランチは、前記バッテリーパックの前記ハウジングに堅固に接続された内部熱交換器であって、前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータを出る冷媒を過熱することが意図された内部熱交換器を備える、温度調整システムに関する。

本発明の他の特徴及び利点は、例示的且つ非限定的な例として、添付図面を参照してなされる以下の説明を読むことでより明瞭になるであろう。

従来技術による電気又はハイブリッド自動車両の温度調整システムの全体概略図。 電気又はハイブリッド自動車両の温度調整システムの概略図であって、本発明によるバッテリーパックの温度調節用装置が使用されている図。 本発明によるバッテリーパック及びバッテリー温度調節装置の全体概略図。 第１実施形態によるバッテリーパック及びバッテリー温度調節装置の全体概略図。 第２実施形態によるバッテリーパック及びバッテリー温度調節装置の全体概略図。

本明細書において、「バッテリー」とは、所望の容量及び電圧を有する発電機をなすように電気的に一体に連結された電気エネルギー貯蔵セル（電池）のセットを意味するが、必要に応じて単独の電気エネルギー貯蔵セルしか含まないこともあり得る。

バッテリーを形成するこれらの電気エネルギー貯蔵セルは、いわゆるバッテリーパックを形成する保護ハウジングに配置される。

更に、「上流に配置される」とは、冷媒又は伝熱流体の通流方向に対して、或る部品が他の部品の前に配置されることを意味する。

逆に、「下流に配置される」とは、冷媒又は伝熱流体の通流方向に対して、或る部品が他の部品の後に配置されることを意味する。

図２は、電気又はハイブリッドタイプの自動車両の温度調整システムを示す。温度調整システムには、駆動力を得るためのバッテリーが設けられている。

本発明によるこの温度調整システムは、冷媒が中で循環する第１空調ループ１０を備えている。その目的は、内部空気流を所望の温度で供給することにより車室の内部空間を温度調節することである。

第１空調ループ１０は、主に、冷媒をこのループで循環させるコンプレッサ１０１を備えている。これにより、冷媒は、内部エバポレータと称されるエバポレータ１０４であって、前記コンデンサ１０２の下流に配置されて車室に向けて通流させることが意図された空気を冷却可能であるエバポレータ１０４に割り当てられた膨張部材すなわち膨張バルブ１０３を通過する前に、前記コンプレッサ１０１の下流に配置されたコンデンサ１０２を通過する。

従って、この第１空調ループにおいて、冷媒は、コンデンサ１０２で熱を放出しエバポレータ１０４で熱を捕捉する熱力学的サイクルを実行する。

図２に示すように、コンデンサ１０１は、車両のバッテリーの熱管理専用の第２回路２０すなわちブランチにおいて、特にエバポレータ２０４の役割を果たす少なくとも１つ（本例では１つ）の熱交換部品に冷媒を更に通流させることができる。これにより、冷媒は、バッテリーが放出した熱を吸収してこれを冷却することができる。

バッテリー（図示せず）は、ハウジング２００に収容されてバッテリーパックを形成している。

エバポレータ２０４は、冷媒が内部を通流するプレート又はチューブで構成された熱交換コアを備えている。

このエバポレータ２０４は、冷媒が熱交換コアを通過する回数に対応する複数の流路を含み得る。

したがって、バッテリーの温度調節用装置は、車両のバッテリーとの間で熱交換を実施可能であるエバポレータ２０４と、本例においてハウジング２００内に配置された内部熱交換器２０５と、内部熱交換器２０５の下流に且つエバポレータ２０４の上流に配置された膨張装置２０３であって、エバポレータ２０４に割り当てられた膨張装置２０３と、を備えている。

従って、バッテリー専用のエバポレータ２０４は、空調ループ１０からの冷媒を移送する回路に連結されている。

内部熱交換器２０５及びバッテリーエバポレータ２０４は、内部エバポレータ１０４に対して並列に連結されている。

内部熱交換器２０５は、コンデンサ１０２の下流に且つコンプレッサ１０１の上流に配置されるとともに、最初にコンデンサ１０２の冷媒出口に連結され、次にコンプレッサ１０１の冷媒入口に連結されている。

内部熱交換器２０５により、コンデンサ１０２からの冷媒とバッテリーエバポレータ２０４からの冷媒との間の熱量交換が可能である。

図３に示す実施形態において、温度調節回路は、冷媒が通流してエバポレータを形成する数個の熱交換用プレート又はチューブ、本例において冷却用プレート又はチューブ２０４’によって電池（図示せず）を冷却する。

図示例において、冷却用の４つのプレート又は一連のチューブ２０４’が、熱伝導によって電池を冷却するように電池と直接接触した状態で又はしない状態で、ハウジング２００内に鉛直方向に配置されている。

しかしながら、冷却用プレート又はチューブ２０４’を、電池が各冷却プレート２０４’に載置されるように、ハウジング２００の底部に配置してもよい。

したがって、バッテリーと温度調節装置との間の熱交換は、冷却プレート／チューブ２０４’で行われる。

冷却プレート／チューブ２０４’の個数は、図示されたものに限定されない。

本実施形態において、内部熱交換器２０５は、ハウジング２００のインターフェースに、空調回路に接続するための接続ユニット２０６の下流において配置されるとともに、冷媒を種々の冷却プレート／チューブ２０４’に分配ユニット（図４及び図５に図示）を介して供給する膨張部材２０３に連結されている。

バッテリーの温度調節用装置の作動中、気相の冷媒はコンプレッサ１０１で圧縮され、少なくとも部分的に液相に変化するようにコンデンサ１０２に向けて通流する。

次いで、冷媒は、膨張部材２０３により膨張し、バッテリーエバポレータ２０４に向けて通流する。

冷媒は、バッテリーエバポレータ２０４を出ると、内部熱交換器２０５により過熱され、ここで気相に変換される。この目的は、コンプレッサ１０１による液体の吸収を防止し、コンプレッサ１０１の寿命を延ばすことである。

したがって、単数又は複数の冷却プレート／チューブで構成されるバッテリーエバポレータ２０４において生成される／管理される過熱はないため、冷却プレート／チューブとバッテリーとの熱交換効率を最適化する気相の冷媒は、これらのプレート／チューブに存在しない。

様々な代替案によれば、膨張部材は、サーモスタット膨張弁、電子膨張弁、又はチューブオリフィス（較正オリフィスとも称される）である。従来技術の解決策では、この膨張部材はバッテリーパックのハウジングの壁に配置されている。これに対し、本発明の文脈において、膨張部材はバッテリーパックのハウジングの内部に配置され得る。

コンプレッサは、内部又は外部で制御される機械式、電気式、又は機械‐電気ハイブリッド式のいずれであってもよい。

図４に示す実施形態において、内部熱交換器２０５、膨張部材２０３、分配ユニット２０３’及びエバポレータ２０４は、バッテリーパックのハウジング２００の内部に配置されている。冷媒入口及び出口を有するインターフェースである接続ユニット２０６は、下流に配置された内部熱交換器２０５に連結されている。

図５に示す実施形態において、内部熱交換器２０５及び膨張部材２０３は、バッテリーパックのハウジング２００の外側においてその外壁に取り付けられている。分配ユニット２０３’及びエバポレータ２０４は、ハウジング２００の内部に配置されている。接続ユニット２０６は、冷媒入口及び出口を有するインターフェースであり、下流に配置された内部熱交換器２０５に連結されている。

図４及び図５の実施形態において、内側熱交換器２０５は、ハウジング２００に堅固に接続している。この目的のために、内部熱交換器２０５は、ねじ留め又はクリップ留め等によって、ハウジング２００に可逆的に固定される。

内部熱交換器２０５は、例えば、２つの同心チューブから構成される同軸交換器、又はプレート交換器であり得る。

同軸交換器の外径は、放電出力に依存する。

この放電出力が０乃至２．５ｋＷの場合、同軸交換器の外径は８乃至１２ｍｍ、好適には８乃至１０ｍｍである。

放電出力が２．５ｋＷ乃至５ｋＷの場合、同軸交換器の外径は１０乃至２４ｍｍ、好適には１０乃至２０ｍｍである。

これらの寸法は、バッテリーの温度調節用装置の性能を最適化するように、同軸タイプの内部熱交換器２０５の圧力損失を制限することを目的としている。

内部熱交換器２０５及び膨張部材２０３は、バッテリーパックの内部に配置してもよいし、バッテリーパックの壁（カバー又は側壁）に可逆的な態様で堅固に取付接続してもよい。

上述のように、温度管理装置の熱交換プレート／チューブの内部を通流する冷媒は、電池の放出した熱を吸収することができる。また、必要な場合、電池を加熱するように熱をもたらすこともできる。

この目的のために、バッテリーの温度調節用ループは、例えば電気抵抗器や正温度係数抵抗器を使用する追加の加熱装置を備えている。

このような追加の加熱装置により、充電を開始する前に電池の温度を上昇させる必要がある特に冬季の低温時に、電池の温度を調節することができる。

したがって、本発明による温度調節／管理装置は、冷却用エバポレータの全面に亘るより良好な温度均一性を可能としつつより効率的なエバポレータを実現するため、バッテリーパックのより良好な温度管理を達成できることが明瞭に理解される。

本発明によるバッテリーの温度調節／管理用装置は、バッテリーの寿命を最適化するとともに、車両の信頼性、一充電走行距離及び性能の確保を可能にする。

使用される冷媒は、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ７４４又は同等タイプの冷媒ガスであり得る。

バッテリーエバポレータ２０４は内部エバポレータ１０４に対して並列配置されているため、これら２つのエバポレータは互いに独立して動作可能であることに留意されたい。

したがって、内部及びバッテリーモジュールは、独立して温度調節可能である。

更に、車両のバッテリーの温度管理専用の回路２０は、空調ループから独立して使用可能であるとともに、このバッテリー温度管理用回路２０専用のコンプレッサとコンデンサとを備え得る。

この場合、内部熱交換器は、コンデンサの下流に且つコンプレッサの上流に配置されるとともに、最初にコンデンサの冷媒出口に連結され、次にコンプレッサの冷媒入口に連結される。

バッテリーはモジュールのアセンブリを備え、モジュール自体は直列及び／又は並列の電池のアセンブリを備えている。

電池は、円筒形、角柱形、又はフレキシブル（「パウチセル」）タイプであり得る。

更に、バッテリーエバポレータは、プレート又はチューブを有し得る。

Claims (10)

1. ハウジング（２００）に収納された少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品を備える自動車両用のバッテリーパックの温度調節用装置であって、
   前記温度管理装置は、
   前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品に熱接触する少なくとも１つのバッテリーエバポレータ（２０４）であって、冷媒が通流することが意図されたバッテリーエバポレータ（２０４）と、
   前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータ（２０４）に流体的に連結された膨張装置（２０３）と、を含み、
   前記温度管理装置は、前記バッテリーパックの前記ハウジング（２００）に堅固に接続された内部熱交換器（２０５）であって、前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータ（２０４）を出る冷媒を過熱することが意図された内部熱交換器（２０５）を備える、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記膨張装置（２０３）は、冷媒の流れ方向において、前記内部熱交換器（２０５）の下流に且つ前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータ（２０４）の上流に配置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記装置は、コンプレッサ（１０１）と、前記コンプレッサ（１０１）の下流に配置されたコンデンサ（１０２）と、を更に備え、
   前記内部熱交換器（２０５）は、前記コンデンサ（１０２）の下流に且つ前記コンプレッサ（１０１）の上流に配置されるとともに、最初に前記コンデンサ（１０２）の冷媒出口に連結され、次に前記コンプレッサ（１０１）の冷媒入口に連結される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記内部熱交換器（２０５）は、前記ハウジング（２００）の内部に配置される、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちの一項に記載の装置。
5. 前記膨張装置（２０３）は、前記ハウジング（２００）の内部に配置される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記内部熱交換器（２０５）は、前記ハウジング（２００）の少なくとも１つの外壁に取り付けられる、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちの一項に記載の装置。
7. 前記膨張装置（２０５）は、前記ハウジング（２００）の外壁に取り付けられる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記膨張装置（２０５）は、サーモスタット膨張弁、電子膨張弁、又はチューブオリフィスである、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のうちの一項に記載の装置。
9. 請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の温度管理装置を含むバッテリーパック。
10. 自動車両の温度調整システムであって、
    ‐冷媒が循環する空調ループであって、コンプレッサと、コンデンサと、車室に向けて通流させることが意図された空気を冷却可能である内部エバポレータと、を備える空調ループと、
    ‐前記車両のバッテリーパックの少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品の温度管理専用のブランチであって、前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵部品との熱交換を実施可能である冷媒が通流することが意図されたバッテリーエバポレータ（２０４）と称される少なくとも１つのエバポレータと、前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータ（２０４）に流体的に連結された膨張装置（２０３）と、を備えるブランチと、
    を備え、
    前記ブランチは、前記バッテリーパックの前記ハウジング（２００）に堅固に接続された内部熱交換器（２０５）であって、前記少なくとも１つのバッテリーエバポレータ（２０４）を出る冷媒を過熱することが意図された内部熱交換器（２０５）を備える、
    ことを特徴とする温度調整システム。