JP2022094824A - 電池冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性冷媒によって冷却器を介して電池積層体を間接的に冷却する電池冷却システムにおいて、冷媒の漏水と導電率上昇とを検知可能とする。【解決手段】電池パック１において、電池冷却システム１０の電極式導電率センサ２６は、絶縁性冷媒の導電率に応じた電流を出力する。第１導電率検出回路２８は、電極式導電率センサの出力電流に対応する冷媒のインピーダンス値が第１インピーダンス閾値以下の場合はローレベル電圧を出力し、第１インピーダンス閾値よりも大きい場合はハイレベル電圧を出力する。第２導電率検出回路３０は、当該インピーダンス値が第２インピーダンス閾値以下の場合はローレベル電圧を出力し、第２インピーダンス閾値よりも大きい場合はハイレベル電圧を出力する。第１インピーダンス閾値は、非劣化時における冷媒のインピーダンス値よりも大きく、第２インピーダンス閾値は、非劣化時における冷媒のインピーダンス値よりも小さい。【選択図】図１

Description

この発明は、電気絶縁性冷媒を利用した水冷式の電池冷却システムに関する。

特許文献１には、純水タンクと、純水タンクに設けられた水位検知スイッチ及び導電率式水状態検知センサと、を備える燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、純水タンクの水位が設定通りになっているか否かを簡単に検定可能とするために、上記の水状態検知センサを利用して純水タンクの貯水水位が予め設定した水位を超えたか否かが判定される。

特開２００５－３１０６１５号公報

一方、複数の電池セルを積層してなる電池積層体とともに電池パック内に配置された電池冷却システムでは、内部を絶縁性冷媒が流通する冷却器を介して電池積層体を間接的に冷却する構成が採用される場合がある。このように間接的に電池積層体を冷却する方式であっても、仮に電池パックで絶縁性冷媒の漏水が生じた場合には、電池積層体の正負の出力端子が被水するおそれがある。そして、被水した際の絶縁性冷媒の導電率が高いと（絶縁性能が低下していると）、正負の出力端子間で絶縁性冷媒を介して電流が流れてしまうおそれがある。

上述の間接冷却方式の電池冷却システムにおいて、絶縁性能が低下した絶縁性冷媒の被水に起因して正負の出力端子間で絶縁性冷媒を介して電流が流れてしまうことをより確実に回避するためには、絶縁性冷媒の漏水検知とともに、漏水検知前に導電率上昇を検知できることが望ましい。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部を絶縁性冷媒が流通する冷却器を介して電池積層体を間接的に冷却する構成を備え、かつ、電池パック内に配置された電池冷却システムにおいて、絶縁性冷媒の漏水検知とともに、絶縁性冷媒の導電率上昇の検知をも可能とすることにある。

本発明に係る電池冷却システムは、複数の電池セルを積層してなる電池積層体とともに電池パック内に収容されている。電池冷却システムは、冷却器と、リザーブタンクと、電極式導電率センサと、第１導電率検出回路と、第２導電率検出回路とを備えている。
冷却器は、その内部を絶縁性冷媒が流通し、電池積層体と熱交換可能に構成されている。
リザーブタンクは、絶縁性冷媒を貯留する。
電極式導電率センサは、リザーブタンク内の絶縁性冷媒に浸される検出部を有し、電圧が印加された時に絶縁性冷媒の導電率に応じた電流を出力する。
第１導電率検出回路は、電極式導電率センサに電気的に接続され、電極式導電率センサの出力電流に対応する絶縁性冷媒のインピーダンス値が第１インピーダンス閾値以下の場合にはローレベル電圧を出力し、インピーダンス値が第１インピーダンス閾値よりも大きい場合にはハイレベル電圧を出力するように構成されている。
第２導電率検出回路は、電極式導電率センサに電気的に接続され、インピーダンス値が第２インピーダンス閾値以下の場合にはローレベル電圧を出力し、インピーダンス値が第２インピーダンス閾値よりも大きい場合にはハイレベル電圧を出力するように構成されている。
第１インピーダンス閾値は、非劣化時における絶縁性冷媒のインピーダンス値よりも大きく、第２インピーダンス閾値は、非劣化時における絶縁性冷媒のインピーダンス値よりも小さい。

本発明に係る電池冷却システムによれば、絶縁性冷媒の非劣化時には、第１導電率検出回路はローレベル電圧を出力し、第２導電率検出回路はハイレベル電圧を出力する。一方、漏水発生時（より詳細には、リザーブタンクの水位が低下して検出部が冷媒に浸されなくなったためにインピーダンス値が増大した場合）には、第１導電率検出回路及び第２導電率検出回路はそれぞれハイレベル電圧を出力する。また、導電率上昇の発生時には、第１導電率検出回路はローレベル電圧を出力し、第２導電率検出回路はローレベル電圧を出力する。このように、電池冷却システムによれば、第１及び第２導電率検出回路の出力の組み合わせを利用して、漏水検知だけでなく導電率上昇検知をも行うことが可能となる。

実施の形態に係る電池冷却システムの構成の一例を示す模式図である。 電池セルに対する冷却器の配置の一例を示す模式図である。 図１に示す電極式導電率センサの検出部の構成を示す断面図である。 絶縁性冷媒のインピーダンスと温度との関係を表したグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．電池冷却システムの構成例
図１は、実施の形態に係る電池冷却システム１０の構成の一例を示す模式図である。図１に示す電池冷却システム１０は、複数の電池セル３（図２参照）を積層してなる電池積層体を冷却するように構成されている。電池冷却システム１０は、電池積層体とともに電池パック１（の筐体）内に収容されている。すなわち、電池冷却システム１０は、完全密閉型の冷却システムである。電池セル３は蓄電池である。電池積層体は、電池モジュール又は電池スタックとも呼ばれる。電池パック１は、電動車両に搭載され、車両走行用の電動モータに電力を供給する。

電池冷却システム１０は、絶縁性冷媒を循環させる冷媒循環回路１２を備えている。絶縁性冷媒は、絶縁性能の高い（すなわち、高抵抗の）冷却液であり、例えば、絶縁ＬＬＣ（ロング・ライフ・クーラント）である。冷媒循環回路１２には、リザーブタンク１４、冷却器１６、ポンプ１８、熱交換器２０、及びイオン交換器２２が、一例としてこの順で配置されている。

リザーブタンク１４には、冷媒循環回路１２内を循環する絶縁性冷媒（以下、単に「冷媒」とも称する）が貯留されている。リザーブタンク１４の上面に設けられた注水口は、注水時を除き、キャップ１４ａによって閉じられている。すなわち、リザーブタンク１４は完全密閉型である。符号１４ｂは、冷媒の液面を示している。

ポンプ１８は、例えば電動式である。ポンプ１８が作動すると、リザーブタンク１４内の冷媒が冷却器１６に供給される。電池パック１は、電池積層体の充放電及び電池冷却システム１０の制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ）２を備えている。ポンプ１８の制御は、ＥＣＵ２によって行われる。

図２は、電池セル３に対する冷却器１６の配置の一例を示す模式図である。上述の電池積層体は、図２の紙面奥行方向に積層された複数の電池セル３によって構成されている。各電池セル３は、正極端子３ａ及び負極端子３ｂを備えている。冷却器１６の内部には、上記の絶縁性冷媒が流れる冷媒流路１６ａが形成されている。より詳細には、冷却器１６は、冷媒流路１６ａが図２の紙面奥行方向（すなわち、電池セル３の積層方向）に沿って延びるように配置されている。冷却器１６は、電気絶縁性を有する熱伝導材（例えば、樹脂）２４を介して各電池セル３（すなわち、電池積層体）と接触している。このため、冷却器１６は、熱伝導材２４を介して電池積層体と熱交換可能である。

熱交換器２０は、例えば、空冷のラジエータであり、冷媒循環回路１２を流れる冷媒を冷却する。イオン交換器２２は、イオン交換によって冷媒内の不純物イオンを取り除く機能を有している。このため、冷媒循環回路１２を流れる冷媒をイオン交換器２２に導入して冷媒から不純物イオンを除去することにより、冷媒の絶縁性能を維持することが可能となる。なお、電池冷却システム１０は、必ずしもイオン交換器２２を備えていなくてもよい。

図１、２に示す構成を有する電池冷却システム１０によれば、電池積層体（複数の電池セル３）において生じた熱は、（熱伝導材２４及び）冷却器１６を介して冷媒に放熱される。換言すると、電池積層体（複数の電池セル３）が冷却器１６（及び熱伝導材２４）を介して冷媒によって間接的に冷却される。

また、冷媒循環回路１２を流れる絶縁性冷媒の導電率を取得するために、電池冷却システム１０は、電極式導電率センサ２６と、第１導電率検出回路２８と、第２導電率検出回路３０とを備えている。図１に示すように、電極式導電率センサ２６は、その先端に位置する検出部３２がリザーブタンク１４内の冷媒に浸されるようにリザーブタンク１４に設置されている。

図３は、図１に示す電極式導電率センサ２６の検出部３２の構成を示す断面図である。電極式導電率センサ（以下、単に「電極式センサ」とも称する）２６は、上述のように、リザーブタンク１４内の冷媒に浸される検出部３２を有する。検出部３２は、正電極３４とグランド導体（グランドとして機能する導体）３６とを備えている。図３に示すように、グランド導体３６は、内部空間３８を介して（換言すると、所定距離を置きつつ）正電極３４を覆うように形成されている。グランド導体３６には、内部空間３８を外部と連通させる複数の開口４０が形成されている。このため、検出部３２がリザーブタンク１４内の冷媒中に挿入された状態では、内部空間３８は冷媒によって満たされる。

正電極３４の先端は、内部空間３８内に突出している。このため、内部空間３８が冷媒によって満たされていると、正電極３４の先端が冷媒と接触することになる。電極式センサ２６を利用して冷媒の導電率を検出する期間中は、正電極３４とグランド導体３６との間には、所定の電圧が常時印加されている。正電極３４が冷媒と接触している状態でこのように電圧が印加されると、正電極３４とグランド導体３６とが冷媒を介して導通する。すなわち、正電極３４とグランド導体３６との間で電流が流れる。この電流は、絶縁性冷媒の導電率が高いほど大きくなる。冷媒の導電率は、冷媒のインピーダンスと反比例する。したがって、この電流は、冷媒のインピーダンスが低いほど大きくなる。

上述のように、電極式センサ２６は、電圧が印加された時に絶縁性冷媒の導電率に応じた電流を出力する。電極式センサ２６は、第１導電率検出回路２８及び第２導電率検出回路３０のそれぞれと電気的に接続されている。このため、電極式センサ２６内で生じた電流は、第１導電率検出回路２８及び第２導電率検出回路３０のそれぞれに入力される。そして、第１導電率検出回路２８及び第２導電率検出回路３０の出力信号は、ＥＣＵ２に入力される。なお、これらの導電率検出回路２８、３０は、ＥＣＵ２内に組み込まれていてもよい。

２．絶縁性冷媒の漏水検知及び導電率上昇検知
図４は、絶縁性冷媒のインピーダンスと温度との関係を表したグラフである。電池冷却システム１０を長期間使用すると、冷媒循環回路１２内の配管等から不純物イオンが冷媒中に溶出する。その結果、冷媒の導電率が上昇する（冷媒のインピーダンスが低下する）。換言すると、冷媒が劣化する。図１に示すシステム構成例では、そのような不純物イオンを取り除くイオン交換器２２を備えているので、不純物イオンに起因する導電率の上昇が抑制される。しかしながら、イオン交換器２２を備えていても、その性能が低下した場合には、導電率が上昇する。

図４中に太い実線で示す波形は、非劣化時（新品時）の冷媒に対応している。付け加えると、冷媒のインピーダンスは、温度依存性を有しており、冷媒温度が高くなるにつれて低くなる（導電率としては高くなる）。

次に、冷媒循環回路１２（例えば冷却器１６）において冷媒の漏れ（漏水）が発生すると、リザーブタンク１４の水位が低下する。水位低下に伴って電極式センサ２６の内部空間３８から冷媒が流出すると、正電極３４とグランド導体３６との間のインピーダンスは、図４中に破線で示すように過大となる（すなわち、正電極３４とグランド導体３６とが絶縁状態となる）。

次に、図４中に細い実線で示す波形は、漏水は生じていないが上述の劣化が生じている時の冷媒に対応している。劣化により導電率が上昇すると、インピーダンスが低下する。劣化時の波形（細い実線）は、非劣化時の波形（太い実線）に対してインピーダンス低下側にシフトする。

本実施形態の電池冷却システム１０では、上述の漏水検知と導電率上昇検知とを可能とするために、第１及び第２導電率検出回路２８、３０は、以下に説明されるように構成されている。

具体的には、漏水検知のために、第１導電率検出回路２８は、回路基板を有し、電極式センサ２６の出力電流に対応する冷媒のインピーダンス値Ｒが第１インピーダンス閾値Ｒ１以下の場合にはローレベル電圧を出力し、一方、インピーダンス値Ｒが第１インピーダンス閾値Ｒ１よりも大きい場合にはハイレベル電圧を出力するように構成されている。第１導電率検出回路２８では、このような出力特性を実現するための回路定数の１つとして、第１インピーダンス閾値Ｒ１が用いられている。第１インピーダンス閾値Ｒ１は、図４に示すように、非劣化時のインピーダンス（太い実線）と漏水発生時のインピーダンス（破線）との間に位置するように設定されている。

一方、導電率上昇検知のために、第２導電率検出回路３０は、回路基板を有し、インピーダンス値Ｒが第２インピーダンス閾値Ｒ２以下の場合にはローレベル電圧を出力し、一方、インピーダンス値Ｒが第２インピーダンス閾値Ｒ２よりも大きい場合にはハイレベル電圧を出力するように構成されている。第２導電率検出回路３０では、このような出力特性を実現するための回路定数の１つとして、第２インピーダンス閾値Ｒ２が用いられている。第２インピーダンス閾値Ｒ２は、図４に示すように、非劣化時のインピーダンス（太い実線）と、あるレベルで冷媒が劣化している時のインピーダンス（細い実線）との間に位置するように設定されている。

付け加えると、導電率上昇検知のための第２インピーダンス閾値Ｒ２は、電池パック１内で（例えば、冷却器１６から）漏水が生じたとしても、すぐに電池積層体の正負の出力端子間で冷媒を介した漏電が生じないように電圧（電位差）、絶縁距離、及び冷媒の接液面積を考慮して余裕を持たせて決定されている。ここでいう電圧は、正負の出力端子間の電圧である。絶縁距離は、当該正負の出力端子間の距離である。接液面積は、当該正負の出力端子において互いに対向し合うそれぞれの出力端子の表面の面積である。

また、ＥＣＵ２は、第１及び第２導電率検出回路２８、３０の出力を常時受け取っている。そして、ＥＣＵ２は、漏水発生時又は導電率上昇の発生時に第１及び第２導電率検出回路２８、３０の出力を受け取った時に、異常発生を示す情報を電動車両側に送信するように構成されている。

３．効果
以上説明した電池冷却システム１０によれば、冷媒の非劣化時には、第１導電率検出回路２８はローレベル電圧を出力し、第２導電率検出回路３０はハイレベル電圧を出力する。一方、漏水発生時（より詳細には、リザーブタンク１４の水位が低下して検出部３２が冷媒に浸されなくなったためにインピーダンス値Ｒが増大した場合）には、第１導電率検出回路２８及び第２導電率検出回路３０はそれぞれハイレベル電圧を出力する。また、導電率上昇の発生時には、第１導電率検出回路２８はローレベル電圧を出力し、第２導電率検出回路３０はローレベル電圧を出力する。このように、電池冷却システム１０によれば、第１及び第２導電率検出回路２８、３０の出力の組み合わせを利用して、漏水検知と導電率上昇検知とを行うことが可能となる。

付け加えると、漏水検知とは別に導電率上昇検知が可能となることにより、漏水検知機能によって実際に漏水が検知される前に、絶縁性能が低下した冷媒によって電池積層体の正負の出力端子が被水することを回避できるようになる。このため、間接冷却方式の電池冷却システム１０において、絶縁性能が低下した冷媒の被水に起因して正負の出力端子間で冷媒を介して電流が流れてしまうことをより確実に回避できるようになる。

また、導電率上昇の検知を行えるようになることにより、次のような効果が得られる。すなわち、イオン交換器２２を備える図１に示すシステム構成の例では、導電率上昇の検知により、イオン交換器２２の性能低下が生じていること（すなわち、イオン交換器２２の寿命）を把握可能となる。また、イオン交換器２２を備えないシステム構成の例では、導電率上昇の検知により、絶縁性冷媒の交換タイミングを把握可能となる。したがって、車両のサービス性を向上でき、また、イオン交換器２２又は絶縁性冷媒の交換時期を最適化できる。そして、このように導電率上昇の検知を受けてイオン交換器２２又は絶縁性冷媒の交換を行うことによって絶縁性冷媒の絶縁性能を維持しておくことにより、導電率上昇（すなわち、劣化）の生じた冷媒を使用しながら電池パック１内で漏水が生じる事態を回避できる。このため、導電率が上昇した冷媒によって電池積層体の正負の出力端子が被水して漏電が生じることを防止できるので、安全性を向上できる。

１ 電池パック
２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３ 電池セル
１０ 電池冷却システム
１２ 冷媒循環回路
１４ リザーブタンク
１６ 冷却器
２４ 熱伝導材
２６ 電極式導電率センサ
２８ 第１導電率検出回路
３０ 第２導電率検出回路
３２ 電極式導電率センサの検出部
３４ 正電極
３６ グランド導体
３８ 電極式導電率センサの内部空間

Claims (1)

1. 複数の電池セルを積層してなる電池積層体とともに電池パック内に収容された電池冷却システムであって、
   内部を絶縁性冷媒が流通し、前記電池積層体と熱交換可能に構成された冷却器と、
   前記絶縁性冷媒を貯留するリザーブタンクと、
   前記リザーブタンク内の前記絶縁性冷媒に浸される検出部を有し、電圧が印加された時に前記絶縁性冷媒の導電率に応じた電流を出力する電極式導電率センサと、
   前記電極式導電率センサに電気的に接続され、前記電極式導電率センサの出力電流に対応する前記絶縁性冷媒のインピーダンス値が第１インピーダンス閾値以下の場合にはローレベル電圧を出力し、前記インピーダンス値が前記第１インピーダンス閾値よりも大きい場合にはハイレベル電圧を出力するように構成された第１導電率検出回路と、
   前記電極式導電率センサに電気的に接続され、前記インピーダンス値が第２インピーダンス閾値以下の場合にはローレベル電圧を出力し、前記インピーダンス値が前記第２インピーダンス閾値よりも大きい場合にはハイレベル電圧を出力するように構成された第２導電率検出回路と、
   を備え、
   前記第１インピーダンス閾値は、非劣化時における前記絶縁性冷媒のインピーダンス値よりも大きく、前記第２インピーダンス閾値は、前記非劣化時における前記絶縁性冷媒のインピーダンス値よりも小さい
   ことを特徴とする電池冷却システム。

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