JP2023150288A - 温調装置及び車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリ及び発熱機器の温度を適切に管理できる対応能力の高い温調装置の提供を目的とする。延いてはエネルギーの効率化に寄与することを目的とする。【解決手段】温調装置は、熱媒体を循環させる温調回路と、熱媒体の温度を測定する第１温度センサと、温調回路に熱的に接続されたバッテリと、バッテリの温度を測定する第２温度センサと、温調回路に熱的に接続された発熱機器と、温調回路の流路を切り替えて、バッテリ、発熱機器の順に熱媒体を循環させる第１温調回路と、発熱機器、バッテリの順に熱媒体を循環させる第２温調回路と、を形成する流路切替装置と、第１温度センサ及び第２温度センサの測定結果に基づいて、流路切替装置を制御し、温調回路を、第１温調回路または第２温調回路に切り替させる制御装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、温調装置及び車両に関するものである。
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する二次電池に関する研究開発が行われている。
下記特許文献１には、バッテリを冷却する第１の冷却水流路と、モータジェネレータ及びインバータを冷却する第２の冷却水流路と、を備え、外気温又はバッテリ水温に応じて、第１の冷却水流路と、第２の冷却水流路とを接続または分離する冷却水流路が開示されている。
特開２０１９－２３０５９号公報
ところで、バッテリと発熱機器（上記モータジェネレータ及びインバータ等）は、管理温度が異なるため、上記のような２つの冷却水流路を有している。また、バッテリは、一般的に上記発熱機器の管理温度よりも低いため、２つの冷却水流路を接続したときは、発熱機器よりも上流側に配置される。しかしながら、近年の全固体電池に代表されるように、バッテリの管理温度が高くなる傾向にあり、バッテリと発熱機器の管理温度が同等または逆転した場合には、上記のような冷却水流路では温度を適切に管理できなくなる虞がある。
本願は上記課題の解決のため、バッテリ及び発熱機器の温度を適切に管理できる対応能力の高い温調装置の提供を目的としたものである。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。
この発明に係る温調装置及び車両は、以下の構成を採用した。
（１）：この発明の一態様に係る温調装置は、熱媒体を循環させる温調回路と、前記熱媒体の温度を測定する第１温度センサと、前記温調回路に熱的に接続されたバッテリと、前記バッテリの温度を測定する第２温度センサと、前記温調回路に熱的に接続された発熱機器と、前記温調回路の流路を切り替えて、前記バッテリ、前記発熱機器の順に前記熱媒体を循環させる第１温調回路と、前記発熱機器、前記バッテリの順に前記熱媒体を循環させる第２温調回路と、を形成する流路切替装置と、前記第１温度センサ及び前記第２温度センサの測定結果に基づいて、前記流路切替装置を制御し、前記温調回路を、前記第１温調回路または前記第２温調回路に切り替させる制御装置と、を備える。
（２）：上記（１）の態様では、前記発熱機器は、前記バッテリより熱容量が小さくてもよい。
（３）：上記（２）の態様では、前記制御装置は、前記第１温度センサの測定結果が第１の閾値以上、且つ、前記第２温度センサの測定結果が前記第１の閾値未満の場合、前記流路切替装置を制御し、前記温調回路を、前記第１温調回路から前記第２温調回路に切り替させてもよい。
（４）：上記（１）～（３）の態様では、前記温調回路に熱的に接続され、前記熱媒体を冷却するラジエータと、前記ラジエータを開閉する開閉装置と、を備えてもよい。
（５）：上記（４）の態様では、前記制御装置は、さらに、前記第１温度センサ及び前記第２温度センサの測定結果に基づいて、前記開閉装置を制御し、前記ラジエータを開閉させてもよい。
（６）：上記（５）の態様では、前記制御装置は、前記第１温度センサの測定結果が第２の閾値以上、または、前記第２温度センサの測定結果が前記第２の閾値以上の場合、前記開閉装置を制御し、前記ラジエータを、閉状態から開状態に切り替させてもよい。
（７）：上記（１）～（６）の態様では、前記発熱機器には、モータを駆動させる駆動装置が含まれてもよい。
（８）：上記（１）～（７）の態様では、前記発熱機器には、外部電源と電気的に接続され、前記バッテリを充電する充電装置が含まれてもよい。
（９）：この発明の一態様に係る車両は、上記（１）～（８）の態様の温調装置を備える。
上記（１）～（９）の態様によれば、熱媒体の温度及びバッテリの温度に基づいて、温調回路におけるバッテリと発熱機器の上流と下流を切り替えることができる。したがって、バッテリ及び発熱機器の温度を適切に管理できる対応能力の高い温調装置の提供できる。
一実施形態に係る温調装置の構成を示す回路図である。 一実施形態に係る温調装置の制御系を示すブロック図である。 一実施形態に係る第１温調回路を説明する図である。 一実施形態に係る第２温調回路を説明する図である。 一実施形態に係る制御装置の制御マップを示す図である。 一実施形態に係る車両の概略構成を示す斜視図である。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態に係る温調装置１の構成を示す回路図である。
温調装置１は、図示しない車両に搭載されている。当該車両は、例えば、駆動源としてモータのみを有する電気自動車であってもよく、モータ及び内燃機関を有するハイブリッド自動車でもよい。
温調装置１は、図１に示すように、熱媒体を循環させる温調回路１０を備えている。温調回路１０には、バッテリ２０が熱的に接続されている。また、温調回路１０には、発熱機器として、駆動装置２１や充電装置２２が熱的に接続されている。
バッテリ２０は、車両の電装系、空調系、駆動系の少なくとも一つに電力を供給する。バッテリ２０は、充放電可能な二次電池である。二次電池としては、充放電時の管理温度範囲が広い全固体電池が好ましい。全固定電池とは、電解液がなく正極と負極の間に固体の電解質が充填された電池である。なお、二次電池としては、電解液を有する既存のリチウムイオン電池等であっても構わない。
駆動装置２１は、バッテリ２０と電気的に接続され、車両のモータ２３（図２，図６参照）を駆動させる。駆動装置２１は、直流電力を交流電力に変換するとともに交流電力を直流電力に変換するインバータ（電力変換装置）を含む。充電装置２２は、バッテリ２０と電気的に接続され、図示しない外部電源と電気的に接続されたときに、バッテリ２０を充電する。充電装置２２は、直流電圧を昇圧又は降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含む。
これら発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）は、バッテリ２０よりも熱容量が小さい。本実施形態では、駆動装置２１、充電装置２２のそれぞれが、バッテリ２０より熱容量が小さい。また、駆動装置２１と充電装置２２の熱容量を合算しても、バッテリ２０より熱容量が小さい。
温調回路１０は、ラジエータ１１と、ポンプ１２と、流路切替装置４０と、を備えている。ラジエータ１１は、温調回路１０に熱的に接続されている。ラジエータ１１は、熱媒体と外気とを熱交換させることで、熱媒体を冷却する。熱媒体は、例えば、水、ラジエータ液、クーラン卜液等である。ポンプ１２は、温調回路１０において、ラジエータ１１の下流側に配置されている。ポンプ１２は、温調回路１０内の熱媒体を循環させる。
温調装置１は、ラジエータ１１を開閉する開閉装置１３を備える。開閉装置１３は、例えば、アクティブグリルシャッターであって、ラジエータ１１に外気を取り入れる通風孔を開閉する。なお、開閉装置１３は、ラジエータ１１を開閉できるシャッター構造があれば、アクティブグリルシャッターに限らない。
また、温調装置１は、複数の温度センサ３０，３１を備えている。温度センサ３０は、温調回路１０におけるバッテリ２０の入口に設置され、熱媒体の温度を測定する。また、温度センサ３１は、バッテリ２０に設置され、バッテリ２０の温度を測定する。
流路切替装置４０は、第１流路切替弁４１及び第１バイパス流路４１ａと、第２流路切替弁４２及び第２バイパス流路４２ａと、第３流路切替弁４３及び第３バイパス流路４３ａと、を備えている。
第１流路切替弁４１は、ポンプ１２の下流側に配置された電動の多方弁（本実施形態では三方弁）である。第１流路切替弁４１は、ポンプ１２から送り出された熱媒体を、バッテリ２０の上流側、または、第１バイパス流路４１ａを介してバッテリの下流側に導く。
第２流路切替弁４２は、駆動装置２１の下流側に配置された電動の多方弁（本実施形態では三方弁）である。第２流路切替弁４２は、駆動装置２１を流通した熱媒体を、ラジエータ１１の上流側、または、第２バイパス流路４２ａを介してバッテリの上流側に導く。
第３流路切替弁４３は、バッテリ２０の下流側且つ第１バイパス流路４１ａの接続位置より上流側に配置された電動の多方弁（本実施形態では三方弁）である。第３流路切替弁４３は、バッテリ２０を流通した熱媒体を、充電装置２２の上流側、または、第３バイパス流路４３ａを介してラジエータ１１の上流側に導く。
次に、上記構成の温調装置１の制御系について説明する。
図２は、一実施形態に係る温調装置１の制御系を示すブロック図である。
図２に示すように、温調装置１は、上述した複数の温度センサ３０，３１、開閉装置１３、及び流路切替装置４０と電気的に接続されると共に、上述したバッテリ２０及び発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）と電気的に接続された制御装置５０を備える。
制御装置５０は、温度センサ３０及び温度センサ３１の測定結果に基づいて、流路切替装置４０を制御し、温調回路１０を、第１温調回路１０Ａまたは第２温調回路１０Ｂに切り替させる。
図３は、一実施形態に係る第１温調回路１０Ａを説明する図である。
図３に示すように、第１温調回路１０Ａとは、ポンプ１２から送り出された熱媒体が、バッテリ２０、充電装置２２、駆動装置２１の順に供給された後、ラジエータ１１に戻る回路をいう。
このとき、第１流路切替弁４１は、ポンプ１２の下流側と、バッテリ２０の上流側とを接続している。また、第２流路切替弁４２は、駆動装置２１の下流側と、ラジエータ１１の上流側とを接続している。また、第３流路切替弁４３は、バッテリ２０の下流側と、充電装置２２の上流側とを接続している。
図４は、一実施形態に係る第２温調回路１０Ｂを説明する図である。
図４に示すように、第２温調回路１０Ｂとは、ポンプ１２から送り出された熱媒体が、充電装置２２、駆動装置２１、バッテリ２０の順に供給された後、ラジエータ１１に戻る回路をいう。
このとき、第１流路切替弁４１は、ポンプ１２の下流側と、充電装置２２の上流側とを接続している。また、第２流路切替弁４２は、駆動装置２１の下流側と、バッテリ２０の上流側とを接続している。また、第３流路切替弁４３は、バッテリ２０の下流側と、ラジエータ１１の上流側とを接続している。
図５は、一実施形態に係る制御装置５０の制御マップを示す図である。
図５に示すように、制御装置５０は、温度センサ３０（バッテリ２０の入口の熱媒体の温度）の測定結果（ＴＷ）が４０℃未満、且つ、温度センサ３１（バッテリ２０自体の温度）の測定結果（Ｔｂａｔｔ）が４０℃未満の場合、流路切替装置４０を制御し、温調回路１０を第１温調回路１０Ａとする。このとき、ラジエータ１１の開閉装置１３（ＡＳＧ）を閉状態（ＣＬＯＳＥ）とする。
この制御によれば、ラジエータ１１で熱媒体を冷却することなく、発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）との熱交換によって加温された熱媒体を低温のバッテリ２０に供給することができる。したがって、バッテリ２０を、低温出力低下状態から、要求出力を出すことができる通常出力状態（例えば４０℃～６０℃）まで加温することができる。
また、制御装置５０は、温度センサ３０（バッテリ２０の入口の熱媒体の温度）の測定結果（ＴＷ）が４０℃以上、且つ、温度センサ３１（バッテリ２０自体の温度）の測定結果（Ｔｂａｔｔ）が４０℃未満の場合、流路切替装置４０を制御し、温調回路１０を、第１温調回路１０Ａ第２温調回路１０Ｂに切り替させる。このとき、ラジエータ１１の開閉装置１３（ＡＳＧ）を開状態（ＯＰＥＮ）とする。
この制御によれば、ラジエータ１１で熱媒体を冷却した熱媒体を、バッテリ２０よりも前に、発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）に供給することができる。バッテリ２０の入口の熱媒体の温度が、バッテリ２０自体の温度より高いということは、発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）がバッテリ２０よりも発熱している状態である。したがって、発熱機器を優先的に冷却し、発熱機器が高温（例えば６０℃以上）となり制御的にＰＳ（Power Save）がかからないようにすることができる。
また、制御装置５０は、温度センサ３１（バッテリ２０自体の温度）の測定結果（Ｔｂａｔｔ）が４０℃以上の場合、流路切替装置４０を制御し、温調回路１０を、第２温調回路１０Ｂから第１温調回路１０Ａに切り替させる。このとき、ラジエータ１１の開閉装置１３（ＡＳＧ）を開状態（ＯＰＥＮ）とする。
この制御によれば、ラジエータ１１で熱媒体を冷却した熱媒体を、発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）よりも前に、バッテリ２０に供給することができる。したがって、バッテリ２０を優先的に冷却し、バッテリ２０が高温（例えば６０℃以上）となり制御的にＰＳ（Power Save）がかからないようにすることができる。
上記構成によれば、熱媒体の温度及びバッテリ２０の温度に基づいて、温調回路１０におけるバッテリ２０と発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）の上流と下流を切り替えて、バッテリ２０及び発熱機器の温度を適切に管理できる。
このように、上述した本実施形態に係る温調装置１によれば、熱媒体を循環させる温調回路１０と、熱媒体の温度を測定する温度センサ３０（第１温度センサ）と、温調回路１０（第２温度センサ）に熱的に接続されたバッテリ２０と、バッテリ２０の温度を測定する温度センサ３１と、温調回路１０に熱的に接続された発熱機器（駆動装置２１、充電装置２２）と、温調回路１０の流路を切り替えて、バッテリ２０、発熱機器の順に熱媒体を循環させる第１温調回路１０Ａと、発熱機器、バッテリ２０の順に熱媒体を循環させる第２温調回路１０Ｂと、を形成する流路切替装置４０と、温度センサ３０及び温度センサ３１の測定結果に基づいて、流路切替装置４０を制御し、温調回路１０を、第１温調回路１０Ａまたは第２温調回路１０Ｂに切り替させる制御装置５０と、を備える。この構成によれば、バッテリ２０及び発熱機器の温度を適切に管理できる対応能力の高い温調装置１が得られる。
また、本実施形態では、発熱機器は、バッテリ２０より熱容量が小さい。この構成によれば、熱媒体の温度と発熱機器の温度に即応性があるため、熱媒体の温度変化（温度センサ３０の測定結果）に基づいて発熱機器の発熱状態を管理することができる。
また、本実施形態では、制御装置５０は、温度センサ３０の測定結果が４０℃以上（第１の閾値以上）、且つ、温度センサ３１の測定結果が４０℃未満（第１の閾値未満）の場合、流路切替装置４０を制御し、温調回路１０を、第１温調回路１０Ａから第２温調回路１０Ｂに切り替させる。この構成によれば、バッテリ２０よりも熱媒体の温度が高くなった場合に、熱容量が大きいバッテリ２０よりも熱容量が小さい発熱機器を優先して冷却することができる。
また、本実施形態では、温調回路１０に熱的に接続され、熱媒体を冷却するラジエータ１１と、ラジエータ１１を開閉する開閉装置１３と、を備える。この構成によれば、開閉装置１３の開閉によって、熱媒体の冷却と保温を切り替えることができる。
また、本実施形態では、制御装置５０は、さらに、温度センサ３０及び温度センサ３１の測定結果に基づいて、開閉装置１３を制御し、ラジエータ１１を開閉させる。この構成によれば、温調回路１０の切り替えとともにラジエータ１１を開閉させ、バッテリ２０及び発熱機器の温度の管理能力を高めることができる。
また、本実施形態では、制御装置５０は、温度センサ３０の測定結果が４０℃以上（第２の閾値以上）、または、温度センサ３１の測定結果が４０℃以上（第２の閾値以上）の場合、開閉装置１３を制御し、ラジエータ１１を、閉状態から開状態に切り替させる。この構成によれば、バッテリ２０及び発熱機器が高温になった場合に、熱媒体を冷却することができる。なお、本実施形態では、温調回路１０が切り替わる温度（第１の閾値）と、ラジエータ１１が開閉する温度（第２の閾値）が４０℃で同じであるが、僅かにずれていても構わない。
また、本実施形態では、発熱機器には、モータ２３を駆動させる駆動装置２１が含まれる。この構成によれば、駆動装置２１の発熱により加熱した熱媒体を介してバッテリ２０を加温することができる。
また、本実施形態では、発熱機器には、外部電源と電気的に接続され、バッテリ２０を充電する充電装置２２が含まれる。この構成によれば、充電装置２２の発熱により加熱した熱媒体を介してバッテリ２０を加温することができる。
図６は、一実施形態に係る車両１００の概略構成を示す斜視図である。
車両１００の車体１０１には、車室１０２の床下部分にバッテリ２０を収容するバッテリケース１０３が搭載されている。車両１００の前部には、モータルーム１０４が設けられている。モータルーム１０４内には、モータ２３、駆動装置２１、分岐ユニット１０６、充電装置２２等が設けられている。
モータ２３の回転駆動力は、シャフ卜１０７に伝達される。シャフ卜１０７の両端部には、車両１００の前輪１０８が接続されている。駆動装置２１は、モータ２３の上側に配置されてモータ２３のケースに直接、締結固定されている。駆動装置２１は、電源ケーブル１１１でバッテリケース１０３のコネクタに電気的に接続されている。また、駆動装置２１は、例えば三相パスバーによりモータ２３に電気的に接続されている。駆動装置２１は、バッテリ２０から供給される電力によりモータ２３を駆動制御する。
分岐ユニット１０６および充電装置２２は、左右に並列して配置されている。分岐ユニット１０６および充電装置２２は、駆動装置２１の上方に配置されている。分岐ユニット１０６および充電装置２２は、駆動装置２１と離間した状態で配置されている。分岐ユニット１０６とバッテリケース１０３とは、両端にコネクタを有するケーブル１１０により電気的に接続されている。
分岐ユニット１０６は、充電装置２２に電気的に接続されている。充電装置２２は、家庭用電源等の一般的な外部電源に接続して、バッテリ２０に対して充電を行う。充電装置２２と分岐ユニット１０６とは、両端にコネクタを有する不図示のケーブルにより電気的に接続されている。
このような車両１００が、上述した温調装置１を備えることで、バッテリ２０及び発熱機器の温度を適切に管理できる。このように、温調装置１がバッテリ２０及び発熱機器の温度を適切に管理することで、電動走行距離の増加、車両効率が向上する。
以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。
例えば、上記実施形態では、温調装置１の温調回路１０から熱媒体専用のヒータ等の加熱部を無くしたが、当該加熱部と、上述した発熱機器の発熱とを併用してもよい。
１ 温調装置
１０ 温調回路
１０Ａ 第１温調回路
１０Ｂ 第２温調回路
１１ ラジエータ
１３ 開閉装置
２０ バッテリ
２１ 駆動装置（発熱機器）
２２ 充電装置（発熱機器）
２３ モータ
３０ 温度センサ（第１温度センサ）
３１ 温度センサ（第２温度センサ）
４０ 流路切替装置
５０ 制御装置
１００ 車両

Claims (9)

  1. 熱媒体を循環させる温調回路と、
    前記熱媒体の温度を測定する第１温度センサと、
    前記温調回路に熱的に接続されたバッテリと、
    前記バッテリの温度を測定する第２温度センサと、
    前記温調回路に熱的に接続された発熱機器と、
    前記温調回路の流路を切り替えて、前記バッテリ、前記発熱機器の順に前記熱媒体を循環させる第１温調回路と、前記発熱機器、前記バッテリの順に前記熱媒体を循環させる第２温調回路と、を形成する流路切替装置と、
    前記第１温度センサ及び前記第２温度センサの測定結果に基づいて、前記流路切替装置を制御し、前記温調回路を、前記第１温調回路または前記第２温調回路に切り替させる制御装置と、を備える、温調装置。
  2. 前記発熱機器は、前記バッテリより熱容量が小さい、請求項１に記載の温調装置。
  3. 前記制御装置は、前記第１温度センサの測定結果が第１の閾値以上、且つ、前記第２温度センサの測定結果が前記第１の閾値未満の場合、前記流路切替装置を制御し、前記温調回路を、前記第１温調回路から前記第２温調回路に切り替させる、請求項２に記載の温調装置。
  4. 前記温調回路に熱的に接続され、前記熱媒体を冷却するラジエータと、
    前記ラジエータを開閉する開閉装置と、を備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の温調装置。
  5. 前記制御装置は、さらに、前記第１温度センサ及び前記第２温度センサの測定結果に基づいて、前記開閉装置を制御し、前記ラジエータを開閉させる、請求項４に記載の温調装置。
  6. 前記制御装置は、前記第１温度センサの測定結果が第２の閾値以上、または、前記第２温度センサの測定結果が前記第２の閾値以上の場合、前記開閉装置を制御し、前記ラジエータを、閉状態から開状態に切り替させる、請求項５に記載の温調装置。
  7. 前記発熱機器には、モータを駆動させる駆動装置が含まれる、請求項１～６のいずれか一項に記載の温調装置。
  8. 前記発熱機器には、外部電源と電気的に接続され、前記バッテリを充電する充電装置が含まれる、請求項１～７のいずれか一項に記載の温調装置。
  9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の温調装置を備える、車両。
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