JP2021069204A - バッテリー冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリー冷却装置に関し、冷媒の漏出検知精度を向上させる。【解決手段】車両に搭載されるバッテリー１と熱交換器３との間に冷媒を循環させることでバッテリー１を冷却するバッテリー冷却装置において、入口圧センサー５と出口圧センサー５と温度センサー４，５と制御装置１０とを設ける。入口圧センサー５は、バッテリー１に流入する冷媒の入口圧P1を検出し、出口圧センサー６、バッテリー１から流出する冷媒の出口圧P2を検出し、温度センサー５，６は、冷媒の温度を検出する。制御装置１０は、入口圧P1と出口圧P2との差圧Aを算出するとともに、冷媒の温度に応じて設定される基準値Cよりも差圧の絶対値|A|が大きい場合に冷媒が漏出していると判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されるバッテリーを冷却するバッテリー冷却装置に関する。

従来、車両に搭載されるバッテリー（二次電池）を冷却することで、バッテリーの温度を適温に保つ技術が知られている。例えば、冷媒が流通する冷媒ジャケットを薄型電池の表裏に配置し、薄型電池の発熱による温度上昇を防止するものが存在する。冷媒の種類としては、フッ素系不活性ガス（パーフルオロケトン，ハイドロフルオロオレフィンなどの気液二相冷媒）が使用されている（特許文献１，２参照）。

特開2013-062207号公報 特開2012-236577号公報

一方、車両用のエンジン冷却水を冷媒として使用することも考えられる。車両にエンジンが搭載されている場合には、エンジンを冷却するための冷却回路にバッテリー冷却回路を接続することで、冷媒を共通化することが可能となる。また、エンジン冷却水は車両ユーザーが市販品を入手しやすいことから、エンジンが搭載されない電気自動車においてもメンテナンス性を向上させることができる。

車両に搭載されるバッテリーの冷却装置においては、バッテリーの周囲に配置される他の車載装置への影響を考慮して、冷媒配管の劣化や破損による冷媒の漏出を正しく検出することが望まれる。特に、液体冷媒を使用する場合には、冷媒による漏電防止や短絡防止の観点から、冷媒の漏出を迅速かつ精度よく検出できるようにしておくことが好ましい。このような点で、車両に搭載されるバッテリーの冷却装置には改良の余地がある。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、車両に搭載されるバッテリーの冷却装置において、冷媒の漏出検知精度を向上させることである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

ここで開示するバッテリー冷却装置は、車両に搭載されるバッテリーと熱交換器との間に冷媒を循環させることでバッテリーを冷却するバッテリー冷却装置である。本装置は、入口圧センサーと出口圧センサーと温度センサーと制御装置とを備える。入口圧センサーは、バッテリーに流入する冷媒の入口圧を検出し、出口圧センサーは、バッテリーから流出する冷媒の出口圧を検出し、温度センサーは、冷媒の温度を検出する。制御装置は、入口圧と出口圧との差圧を算出するとともに、温度に応じて設定される基準値よりも差圧の絶対値が大きい場合に冷媒が漏出していると判定する。

冷媒の温度に応じて設定される基準値と差圧とを比較し、差圧の絶対値が基準値よりも大きい場合に冷媒が漏出していると判定することで、冷媒の漏出を迅速かつ精度よく判定することができ、冷媒の漏出検知精度を向上させることができる。

車両に適用されたバッテリー冷却装置の模式図である。 バッテリー冷却装置のブロック図である。 (A),(B)は、冷媒の温度と基準値との関係を例示するグラフである。 バッテリー冷却装置の制御内容を説明するためのフローチャートである。

［１．装置］
図１〜図４を用いて、車両に搭載されるバッテリー１を冷却対象としたバッテリー冷却装置について説明する。このバッテリー冷却装置は、バッテリー１とラジエーター３との間に冷媒を循環させることでバッテリー１を冷却するものである。冷媒の循環経路１５には、バッテリー１，ラジエーター３，ポンプ４，ヒーターユニット７，クーラーユニット８が介装される。本実施形態では、エンジン冷却水（例えばエチレングリコールやグリセリンを主成分とする不凍液）が冷媒として用いられる。

バッテリー１は、電力を貯留する二次電池であり、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池，鉛蓄電池などである。バッテリー１のセルは、ケース２（容器）の内部に収容される。また、バッテリー１が搭載される位置は、車両の下面（フロア下）や車両後部，車室内，荷室内，エンジンルーム内（モータールーム内）などに設定される。なお、このバッテリー１は、走行用の二次電池（高電圧電池や中電圧電池）であってもよいし、車載電装品を駆動するための二次電池（低電圧電池）であってもよい。

ラジエーター３は、冷媒を空気（車両の外部から導入される外気）で冷却するための熱交換器である。ここでは、空気によって冷媒が冷却される。ラジエーター３は、冷媒から空気へと熱を移動させるように機能する。冷媒の循環経路１５は、ラジエーターコアの内部を通過するように配索される。ラジエーター３の搭載位置は、車両の前面や下面（フロア下），エンジンルーム内（モータールーム内）などに設定される。

ポンプ４は、冷媒を所定の吐出圧P_Pで圧送する圧送装置である。図１に示す例では、冷媒の流通方向を基準としてポンプ４がバッテリー１よりも上流側に配置されている。一方、ポンプ４をバッテリー１よりも下流側に配置することも可能である。ポンプ４の作動状態に関する情報は、後述する制御装置１０に伝達される。なお、ポンプ４の吐出圧P_Pは固定されていてもよいし可変であってもよい。吐出圧P_Pが可変である場合、その値も併せて制御装置１０に伝達される。

ヒーターユニット７及びクーラーユニット８は、ラジエーター３に対して並列に接続される。ヒーターユニット７は、車室内の暖房に利用される加温装置である。ここでは、車室内に供給される空気が、電熱線ヒーターや冷媒の熱によって加温される。また、ヒーターユニット７は、冷媒の温度を低下させる用途でも使用され、冷媒から空気へと熱を移動させるように機能する。冷媒の循環経路１５は、ヒーターユニット７の近傍（ヒーターコアの近傍や内部）を通過するように配索される。

クーラーユニット８は、車室内の冷房に利用される冷却装置である。ここでは、エアコン冷媒の気化によってクーラーユニット（エバポレーター）の近傍の空気が冷却され、その空気が車室内に供給される。また、クーラーユニット８は、冷媒の温度を低下させる用途でも使用され、冷媒から空気へと熱を移動させるように機能する。冷媒の循環経路１５は、クーラーユニット８の近傍（エバポレーターの近傍や内部）を通過するように配索される。

冷媒の循環経路１５は、バッテリー１の下流側において、ラジエーター３につながる第一経路１６とヒーターユニット７及びクーラーユニット８につながる第二経路１７とに分岐した形状に形成される。第一経路１６と第二経路１７との分岐箇所には、バルブ９が介装される。バルブ９は、冷媒の流通先や流通割合を制御するための制御弁である。バルブ９の作動状態は、冷媒の温度や車両の走行状態などに応じて制御される。

ここで、冷媒の循環経路１５とバッテリー１との接続箇所のうち、バッテリー１よりも上流側の接続箇所を入口と呼び、バッテリー１よりも下流側の接続箇所を出口と呼ぶ。入口側の循環経路１５には入口センサー５が設けられ、出口側には出口センサー６が設けられる。入口センサー５は、バッテリー１に流入する冷媒の入口圧P₁とその温度である入口温T₁とを検出するセンサーである。また、出口センサー６は、バッテリー１から流出する冷媒の出口圧P₂とその温度である出口温T₂とを検出するセンサーである。各センサー５，６で検出された入口圧P₁，入口温T₁，出口圧P₂，出口温T₂の各情報は、制御装置１０に伝達される。

入口センサー５は、バッテリー１に流入する冷媒の入口圧P₁を検出する入口圧センサーとしての機能と、バッテリー１に流入する冷媒の入口温T₁を検出する入口温センサーとしての機能とを併せ持つ。したがって、入口センサー５は、入口圧センサーに入口温センサーを内蔵させたもの（あるいは、入口温センサーに入口圧センサーを内蔵させたもの）とみなすことができる。出口センサー６についても同様である。

制御装置１０は、冷媒漏れを検知して乗員に報知するための電子制御装置（コンピューター）である。図２に示すように、制御装置１０には、プロセッサー（中央処理装置），メモリ（メインメモリ），記憶装置（ストレージ），インタフェースなどが内蔵される。制御装置１０の入力側にはポンプ４，入口センサー５，出口センサー６が接続され、出力側には各種ランプ１１〜１４が接続される。

本実施形態の各種ランプ１１〜１４には、ケース内水漏れランプ１１，ケース外水漏れランプ１２，ハザードランプ１３，スリップ注意ランプ１４が含まれる。これらのランプ１１〜１４は、運転席の前方に配置される情報表示パネル（インストルメントパネル）に設けられる。なお、各種ランプ１１〜１４に対応する発光装置や表示器を用意する代わりに、各種ランプ１１〜１４に対応する情報をディスプレイ装置（液晶パネル，有機ELパネルなど）に表示させてもよい。

ケース内水漏れランプ１１は、ケース２の内部で冷媒が漏水したこと（またはその可能性が高いこと）を乗員に知らせるための表示灯である。冷媒配管の破損箇所がケース２の内部である場合には、ケース内水漏れランプ１１が点灯制御される。また、ケース外水漏れランプ１２は、ケース２の外部で冷媒が漏水したこと（またはその可能性が高いこと）を乗員に知らせるための表示灯である。冷媒配管の破損箇所がケース２の内部でない場合には、ケース外水漏れランプ１２が点灯制御される。

ハザードランプ１３は、冷却システムの危機的な状況を乗員に知らせるための表示灯である。本実施形態では、冷媒の漏水が検知されたときに、ハザードランプ１３が点灯制御される。これにより、乗員に車両を停車させて整備点検の手配を促すことができる。なお、ハザードスイッチの作動状態に応じて点灯制御される一般的なハザードスイッチインジケーターをハザードランプ１３として機能させてもよい。あるいは、一般的なハザードスイッチインジケーターとは別に、ハザードランプ１３を用意してもよい。

スリップ注意ランプ１４は、車輪がスリップするおそれがあることを乗員に知らせるための表示灯である。本実施形態では、ケース２の外部での冷媒漏れが検知されたときに、スリップ注意ランプ１４が点灯制御される。これにより、車両を停車させようとしている乗員に対して、慎重な減速操作を促すことができる。なお、車輪が実際にスリップした場合に点灯制御される一般的なスリップ表示灯をスリップ注意ランプ１４として機能させてもよい。あるいは、一般的なスリップ表示灯とは別に、スリップ注意ランプ１４を用意してもよい。

［２．制御内容］
制御装置１０は、入力側からの情報に基づいて各種ランプ１１〜１４を制御することで、冷媒漏れを乗員に報知する制御を実施する。この制御の内容は、制御装置１０の記憶装置上にアプリケーションプログラムとして記録される。プログラムは、必要に応じてメモリ上に展開され、プロセッサーで実行される。

制御装置１０は、入口圧P₁と出口圧P₂との差圧Aを算出し、差圧Aと基準値Cとを比較することで漏水の有無を判断する。差圧Aは、例えば入口圧P₁から出口圧P₂を減じる（あるいは、出口圧P₂から入口圧P₁を減じる）ことで算出される。また、基準値Cは正の値を持つ。制御装置１０は、差圧の絶対値|A|が基準値Cよりも大きい場合に、冷媒が漏出していると判断する。一方、差圧の絶対値|A|が基準値C以下である場合には、冷媒が漏出していないと判断する。

基準値Cの値は、少なくとも冷媒の温度に応じて設定される。温度が低下するにつれて動粘度が上昇する特性を持つ冷媒（例えばエンジン冷却水）においては、図３(A)に示すように、温度が低いほど基準値Cを高く設定すればよい。反対に、温度が低下するにつれて動粘度が下降する特性を持つ冷媒（例えばフッ素系不活性ガス）においては、図３(B)に示すように、温度が低いほど基準値Cを低く設定すればよい。このように、冷媒の温度と基準値Cとの関係は、その冷媒の温度と動粘度との関係に対応させて設定することが好ましい。

なお、基準値Cの値として、ポンプ４の吐出圧P_Pに応じて補正された値を用いてもよい。例えば、吐出圧P_Pが高いほど基準値Cの値を上昇させ、吐出圧P_Pが低いほど基準値Cの値を下降させてもよい。吐出圧P_Pに応じた圧力損失を基準値Cの値に反映させることで、冷媒漏れの検出精度がさらに向上する。

制御装置１０は、入口温T₁と出口温T₂とを平均することで冷媒の温度Bを算出し、この温度Bに基づいて基準値Cを設定する。なお、冷媒の温度Bの算出手法はこれに限定されない。例えば、入口温T₁を冷媒の温度Bとしてもよいし、出口温T₂を冷媒の温度Bとしてもよく、入口温T₁と出口温T₂とに基づいて冷媒の温度Bを推定してもよい。あるいは、入口センサー５や出口センサー６とは別に、バッテリー１の温度を検出するセンサーを設け、その温度に基づいて冷媒の温度Bを算出してもよい。

制御装置１０は、冷媒が漏出していると判断したときに、入口圧P₁と出口圧P₂とを比較することで漏出箇所を特定する。入口圧P₁が出口圧P₂よりも高い場合、制御装置１０はバッテリー１のケース２内で冷媒が漏水していると判断する。反対に、入口圧P₁が出口圧P₂よりも低い場合には、バッテリー１のケース２外で冷媒が漏水していると判断する。これらの判断結果は、各種ランプ１１〜１４の点灯状態に反映される。

前者の場合、制御装置１０はケース内水漏れランプ１１とハザードランプ１３とを点灯させて、判断結果を乗員に報知，警告する。このとき、車載スピーカーで車両を停車させることを促す音声案内を実施してもよい。また、車両の高電圧系回路を遮断する操作（例えばメインスイッチのOFF操作，イグニッションスイッチのOFF操作など）を促してもよい。さらに、停車した車両の後方に三角表示板（停止表示板）を設置することを促してもよい。

後者の場合、制御装置１０はケース外水漏れランプ１２とハザードランプ１３とスリップ注意ランプ１４とを点灯させて、判断結果を乗員に報知，警告する。このとき、車載スピーカーで車両を停車させることを促す音声案内を実施してもよい。また、車両ディーラーや近所の整備工場に連絡するよう、注意を喚起してもよい。さらに、停車した車両の後方に三角表示板（停止表示板）を設置することを促してもよい。

［３．フローチャート］
図４は、制御装置１０で実施される制御の流れを説明するためのフローチャートである。ステップＡ１では、ポンプ４が作動中であるか否かが判定される。ポンプ４が作動していない場合、入口圧P₁，出口圧P₂がラジエーター３のキャップ圧よりも低くなり、適切な漏水判断が難しいことから本フローの制御を終了する。ポンプ４が作動中である場合にはステップＡ２に進む。

ステップＡ２では、入口センサー５及び出口センサー６で検出された入口圧P₁，入口温T₁，出口圧P₂，出口温T₂の各情報が制御装置１０に入力される。また、ステップＡ３では、制御装置１０が入口圧P₁と出口圧P₂との差圧Aを算出し、ステップＡ４では、入口温T₁と出口温T₂との平均値となる温度Bを算出する。ステップＡ５では、温度Bに基づいて制御装置１０が基準値C を設定する。

続くステップＡ６では、差圧の絶対値|A|が基準値Cよりも大きいか否かが判定される。この条件が不成立の場合にはステップＡ８に進み、冷媒が漏出していないと判断する。一方、ステップＡ６の条件が成立した場合には、少なくとも冷媒が漏出していると判断する。また、冷媒の漏出箇所を特定するためにステップＡ７に進み、入口圧P₁が出口圧P₂よりも高いか否かが判定される。

ステップＡ７においてP₁>P₂が成立する場合には、ステップＡ９に進み、バッテリー１のケース２内で冷媒が漏出していると判断する。続くステップＡ１０において制御装置１０は、ケース内水漏れランプ１１とハザードランプ１３とを点灯制御し、ケース２内での冷媒の水漏れが検知されたことを乗員に報知，警告する。一方、P₁>P₂が成立しない場合（P₁<P₂である場合）にはステップＡ１１に進み、バッテリー１のケース２外で冷媒が漏出していると判断する。続くステップＡ１２において、制御装置１０は、ケース外水漏れランプ１２とハザードランプ１３とスリップ注意ランプ１４とを点灯制御し、ケース２外での冷媒の水漏れが検知されたことを乗員に報知，警告する。

［４．作用，効果］
（１）上記のバッテリー冷却装置では、バッテリー１の入口圧P₁と出口圧P₂との差圧Aが算出されるとともに、冷媒の温度に応じて基準値Cが設定される。差圧の絶対値|A|と基準値Cとの大小関係を比較することで、冷媒の漏出を迅速かつ精度よく判定することができる。基準値Cの値が冷媒の温度に応じた可変値であることから、温度が動粘度に与える影響を考慮して、冷媒漏れの有無を判断することができる。したがって、冷媒の漏出検知精度を向上させることができる。

なお、基準値Cの値は、冷媒の温度Bだけでなくポンプ４の吐出圧P_Pを考慮して設定することも可能である。例えば、ポンプ４の吐出圧P_Pが高いほど、基準値Cの値を上昇させることが考えられる。このように、ポンプ４の吐出圧P_Pに応じて基準値Cの値を補正した場合には、吐出圧P_Pに応じた圧力損失を基準値Cの値に反映させることができ、冷媒漏れの検出精度をさらに向上させることができる。

（２）上記のバッテリー冷却装置では、冷媒としてエンジン冷却水が使用される。また、図３(A)に示すように、基準値Cの値は冷媒の温度が低いほど高く設定される。このような設定により、エンジン冷却水の温度の高低にかかわらず、漏水の有無を精度よく検知することができ、車両の保全性や安全性をさらに向上させることができる。

（３）上記のバッテリー冷却装置では、冷媒の入口圧P₁が出口圧P₂よりも高い場合に、バッテリー１のケース２の内部で冷媒が漏出していると判定される。これにより、ケース２内での漏水を迅速かつ精度よく検出することができ、バッテリー１の短絡や漏電などの発生を未然に防ぎやすくすることができる。

（４）上記のバッテリー冷却装置では、冷媒の入口圧P₁が出口圧P₂よりも低い場合に、バッテリー１のケース２の外部で冷媒が漏出していると判定される。これにより、ケース２外での漏水を迅速かつ精度よく検出することができ、冷媒不足によるバッテリー１の温度上昇を防ぎやすくすることができる。また、車両の外部に漏れた冷媒によるスリップの発生を防止することができる。

（５）上記のバッテリー冷却装置では、冷媒の入口圧P₁及び入口温T₁が単一の入口センサー５で検出されるとともに、冷媒の出口圧P₂及び出口温T₂が単一の出口センサー６で検出されている。このように、圧力と温度とを同じ位置で検出することで、冷媒の動粘度を精度よく把握することができ、基準値Cの設定精度を高めることができる。したがって、冷媒漏れの判定精度を改善することができる。また、装置構成を簡素化することができ、製造にかかるコストを削減することができる。

（６）上記のバッテリー冷却装置では、ポンプ４が作動中であることを条件として冷媒漏れの有無が判断される。これにより、バッテリー冷却装置が作動していない状態における、漏水の誤検出を防止することができる。したがって、冷媒漏れの検出精度をさらに向上させることができる。

［５．変形例］
上記の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、本実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

例えば、上述の実施形態では、エンジン冷却水が冷媒として使用されたバッテリー冷却装置を例示したが、冷媒の種類はこれに限定されない。例えば、フッ素系不活性ガス，二酸化炭素，アンモニア，水などを冷媒として使用してもよい。少なくとも、冷媒の温度に応じて設定される基準値Cと冷媒の入口圧P₁及び出口圧P₂の差圧Aとを比較することで、冷媒漏れを精度よく検出することができ、上述の実施形態と同様の効果を奏しうる。

１ バッテリー ２ ケース
３ ラジエーター（熱交換器） ４ ポンプ
５ 入口センサー ６ 出口センサー
７ ヒーターユニット ８ クーラーユニット
９ バルブ １０ 制御装置
１１ ケース内水漏れランプ １２ ケース外水漏れランプ
１３ ハザードランプ １４ スリップ注意ランプ
１５ 循環経路 １６ 第一経路
１７ 第二経路 P₁ 入口圧
P₂ 出口圧 T₁ 入口温
T₂ 出口温 A 差圧
B 温度 C 基準値

Claims (6)

1. 車両に搭載されるバッテリーと熱交換器との間に冷媒を循環させることで前記バッテリーを冷却するバッテリー冷却装置であって、
   前記バッテリーに流入する前記冷媒の入口圧を検出する入口圧センサーと、
   前記バッテリーから流出する前記冷媒の出口圧を検出する出口圧センサーと、
   前記冷媒の温度を検出する温度センサーと、
   前記入口圧と前記出口圧との差圧を算出するとともに、前記温度に応じて設定される基準値よりも前記差圧の絶対値が大きい場合に前記冷媒が漏出していると判定する制御装置と、
   を備えることを特徴とする、バッテリー冷却装置。
2. 前記冷媒がエンジン冷却水であり、前記温度が低いほど前記基準値が高く設定される
   ことを特徴とする、請求項１記載のバッテリー冷却装置。
3. 前記入口圧が前記出口圧よりも高い場合に、前記バッテリーのケース内で前記冷媒が漏出していると判定される
   ことを特徴とする、請求項１または２記載のバッテリー冷却装置。
4. 前記入口圧が前記出口圧よりも低い場合に、前記バッテリーのケース外で前記冷媒が漏出していると判定される
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリー冷却装置。
5. 前記温度センサーが、前記入口圧センサーと前記出口圧センサーとの各々に内蔵され、
   前記制御装置が、前記冷媒の入口温と出口温との平均値に応じて前記基準値を設定する
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリー冷却装置。
6. 前記制御装置が、前記冷媒を循環させるポンプが作動中であることを条件として前記冷媒が漏出しているか否かを判定する
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリー冷却装置。
   

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