JP5741485B2 - バッテリ冷却用ダクト内の埃捕集構造 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ冷却用ダクト内の埃捕集構造に関する。

車両に搭載されるバッテリパックの冷却構造において、ダクトを通じてブロワが冷却空気を吸気しバッテリパックに送るものがある。このようなバッテリパックの冷却構造では、埃を含んだ冷却空気がブロワやバッテリパック内に送られると、埃がブロワやバッテリパック内の単電池に付着し、送風量の低下や単電池間の温度バラツキを生じさせることがある。そして、これによりバッテリパックの冷却性能が低下し、電池寿命が低下するおそれがある。

そこで、従来、ダクト内に埃捕集構造を設けることがある（例えば、特許文献１〜３）。特許文献１では、ダクトの湾曲部の外側内壁に粘着部材が設けられ、該粘着部材により、湾曲部の外側内壁にて遠心分離された埃を捕集する。特許文献２、３では、ダクト内に管路を遮蔽するようにフィルタが設けられ、該フィルタによりダクト内を流通する埃を捕集する。

特開２００７−１８８６４１号公報 特開２００６−０７３２５６号公報 特開２００９−５０７３３７号公報

しかしながら、特許文献１の埃捕集構造では、湾曲部の外側内壁にある粘着部材によって、湾曲部の外側内壁に沿って進む埃は捕集できるが、湾曲部の内側内壁側を進む埃は捕集できない。そのため、特許文献１の埃捕集構造は、埃の捕集効率が悪いという問題がある。また、特許文献１の埃捕集構造では、粘着部材により埃を捕集するため、捕集可能な埃の量が少なく、短期間で埃がオーバーフローしてしまうという問題がある。

特許文献２の埃捕集構造では、フィルタが管路を遮蔽するように設けられているので、フィルタに堆積する埃により、バッテリパックに送られる冷却空気に圧損変動が生じやすい。これにより、特許文献２の埃捕集構造では、バッテリパックの冷却性能が該圧損変動による影響を受けやすいという問題がある。

本発明は、埃の捕集効率を良好に維持しつつ短期間に埃がオーバーフローしてしまうことを防止し、かつフィルタに堆積する埃による圧損変動を抑制するバッテリ冷却用ダクト内の埃捕集構造を提供することを目的とする。

本発明に係るバッテリ冷却用ダクト内の埃捕集構造は、バッテリパックに送られる冷却空気が流通するダクトにおける内壁と、前記内壁に沿って設けられるフィルタであって、前記内壁と共に下流側が前記フィルタにより覆われ上流側は開口する袋状空間を形成し、前記フィルタを通過する冷却空気中の埃を捕集するフィルタとを備え、前記フィルタは、前記ダクト内の冷却空気の流路を、冷却空気が前記袋状空間を進行して前記フィルタを通過する第１流路と、前記ダクト内における前記袋状空間を除く空間を冷却空気が進行し、該冷却空気に前記第１流路側から前記フィルタを通過して埃が濾過された冷却空気が合流する第２流路と、に仕切ることを特徴とする。

本発明では、第１流路に進行する冷却空気中の埃をフィルタにより捕集でき、埃の捕集効率を良好に維持できる。本発明では、フィルタ内部の袋状空間に埃を貯留できるので、短期間に埃がオーバーフローしてしまうことを防止できる。本発明では、フィルタに目詰まりが生じても、冷却空気が第２流路側を流通するので、圧損変動を抑制でき、バッテリパックの冷却性能が圧損変動による影響を受けることを抑制できる。

第１実施形態のバッテリパックの冷却構造を示す斜視図である。 ダクトの内部を示す図である。 第１管部における図２のＡ−Ａ線断面図である。 湾曲第２管部の図２のＢ−Ｂ線断面図である。 湾曲第２管部の下流側における図２のＣ−Ｃ線断面図である。 第３管部における図２のＤ−Ｄ線断面図である。 第２実施形態のダクト内の埃捕集構造を示す図である。 制御部によるダクト内の埃捕集処理を示すフローチャートである。 第３実施形態の埃捕集構造を示す図である。 メモリ内の車速−ブロワ回転数マップを示す図である。 車速−ブロワ回転数マップの更新処理を示すフローチャートである。 作動積算回数ΣＸｎと許容回転数ＵＰとの関係を示す図である。 更新後の車速−ブロワ回転数マップを示す図である。 ブロワの回転数を一定に保つ場合の各指標の経時変化を示す図である。 第３実施形態のブロワ制御における各指標の経時変化を示す図である。

以下、本発明に係る各実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、バッテリパック１の冷却構造２を示す斜視図である。図１において、矢印Ｆｒは車両前方を示し、矢印Ｒｒは車両後方を示す。また、矢印Ｒｈは車両の進行方向Ｆｒに向かって右側を示し、矢印Ｌｈは左側を示し、矢印Ｕｐは車両上方を示す。

車両において、冷却構造２により冷却されるバッテリパック１は、リアシート１０１後方のラゲッジスペース、すなわち車室外に設けられている。バッテリパック１は、電気自動車やハイブリッド電気自動車用のものであるが、他の用途に用いられてもよい。バッテリパック１は、金属製のパックケースと、パックケース内部に収容された複数の単電池からなる組電池とを備える。単電池は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池、あるいはキャパシタであってもよい。

バッテリパック１の冷却構造２は、ダクト３，２２およびブロワ２１を備える。ダクト３は、車室内と車室外とに跨いで延び、ブロワ２１に接続する。ダクト３内には、バッテリパックに送られる冷却空気が流通する。ダクト３の吸入口３１は、車室内におけるリアシート１０１とボディアウタ１０２とのギャップＧに配置される。ブロワ２１は、ダクト３を介して車室内の空気を吸気する。ダクト２２は、ブロワ２１とバッテリパック１とを連通し、ブロワ２１が吐出する冷却空気をバッテリパック１内に送る。ダクト２２によりバッテリパック１内に送られた冷却空気は、単電池間を通って各単電池を冷却した後、バッテリパック１外に排出される。

図２は、ダクト３の内部を示す図である。ダクト３は、吸入口３１を有しボディアウタ１０２に沿って車両後方に延びる第１管部３２と、第１管部３２から右方かつ車両前方側に湾曲する湾曲第２管部３３（湾曲部）と、湾曲第２管部３３から再度右方に湾曲した後、直線状に延びる第３管部３４と、第３管部３４から右方かつ後方に延びてブロワ２１に接続する第４管部３５とを備える。なお、図２中、１０３は、車両から取外し可能なラゲッジトリムである。ラゲッジトリム１０３を車両から取り外すことで、ダクト３が露出する。

従来の冷却構造２では、圧損を抑えるため、ダクト３は、図２にて１点鎖線で示すように、第１管部３２から右方に曲がった後、ブロワ２１まで直線状に延び、第１管部３２とブロワ２１とを最短経路で接続していた。本実施形態では、ダクト３に埃捕集構造４が設けられており、後述するが埃捕集構造４の埃捕集能力をより良好にするため、ダクト３を第１管部３２から車両前方側に湾曲させている。埃捕集構造４は、ダクト３の他、フィルタ５、ベーン６、および蓋７を備える。

フィルタ５は、第３管部３４内において湾曲第２管部３３の外側内壁３３１の下流側の内壁３４１に沿って設けられている。ここで、下流側とは、ダクト３内を流通する冷却空気の下流側を指す。以下においても同様である。フィルタ５は、多数の小孔があるメッシュ状（メッシュフィルタ）である。なお、フィルタ５は、メッシュ状でなくてもよく、フィルタ５を通過する冷却空気中の埃を捕集する機能を有していれば、スポンジ状等、どのような性状、材質からなっていてもよい。

フィルタ５の形状は、内壁３４１側の面と上流側の面とが開いた箱状である。フィルタ５は、第３管部３４の内壁３４１と共に、下流側がフィルタ５により閉じられ、上流側は開口する袋状空間Ｖを形成する。フィルタ５は、湾曲第２管部３３からの冷却空気の流れが集中する冷却空気の流線に沿って設けられている。

フィルタ５は、湾曲第２管部３３の下流側の第３管部３４内の流路を、冷却空気が袋状空間Ｖを進行してフィルタ５を通過することとなる第１流路Ｓ１と、第３管部３４内における袋状空間Ｖを除く空間を冷却空気が進行し、該冷却空気に第１流路Ｓ１側からフィルタ５を通過して埃が濾過された冷却空気が合流する第２流路Ｓ２とに仕切る。

ここで、吸入口３１から吸入され車両後方に進む冷却空気は、湾曲第２管部３３にて進路が右方、かつ車両前方側に曲がる。このため、湾曲第２管部３３にて冷却空気中の埃は、第２管部３３の外側内壁３３１側に遠心分離される。湾曲第２管部３３内を流通する冷却空気の内、遠心分離された埃を含み外側内壁３３１に沿って進む冷却空気は、フィルタ５によって覆われる第１流路Ｓ１内に進行する。そして、該冷却空気は、フィルタ５を通過し、埃がフィルタ５によって捕集されて清浄な空気となった後、第２流路Ｓ２側を進行する冷却空気と合流し、ブロワ２１に吸入される。

一方、湾曲第２管部３３内を流通する冷却空気の内、内側内壁３３２側を進む冷却空気は、内部の埃が遠心分離されており清浄な空気である。該清浄な冷却空気は、フィルタ５が設けられていない第２流路Ｓ２を進み、第１流路Ｓ１側から流入してくる濾過された冷却空気と合流した後、ブロワ２１に吸入される。

フィルタ５の上流側には開口部５１がある。開口部５１を構成するフィルタ５の上流端部の外面には、ベーン６の下流端が固定される。ベーン６は、フィルタ５の上下方向（図２中紙面垂直方向）の幅と同様の幅を有する。ベーン６は、湾曲第２管部３３の外側内壁３３１に沿って進行する冷却空気を第１流路Ｓ１内に案内する。

フィルタ５は、蓋７と一体であり、ダクト３から取り外し自在となっている。第３管部３４において、フィルタ５と対向する部分には開口部３４２が形成されている。開口部３４２の縁にはスリット部３４３が形成されている。蓋７は、開口部３４２を閉塞し、かつスリット部３４３に差し込まれる蓋本体７１と、蓋本体７１の外面側に設けられている取っ手７２と、第３管部３４内に差し込まれる爪部７３とを備える。この蓋７の内壁が、第１流路Ｓ１をフィルタ５と共に形成する第３管部３４の内壁３４１となる。

図３は、第１管部３２における図２のＡ−Ａ線断面図である。第１管部３２の断面の外形は矩形状である。

図４は、湾曲第２管部３３の図２のＢ−Ｂ線断面図である。湾曲第２管部３３の図４中右側である湾曲方向外側の外側内壁３３１は、図４中右側である湾曲方向外側に膨出している。外側内壁３３１は、上下方向中央部が最も湾曲方向外側に膨出している。外側内壁３３１は、上下方向中央部を中心として冷却空気の進行方向に沿って（図４の紙面の手前側及び奥側に）延びる溝状となっている。外側内壁３３１は、湾曲第２管部３３にて遠心分離された埃を、上下方向中央部、すなわち溝の底部分にガイドする埃捕集溝部としての機能を有する。

図５は、湾曲第２管部３３の下流側における図２のＣ−Ｃ線断面図である。ベーン６は、ダクト３の管路内において、上下方向中央側に位置にある。換言すると、ベーン６は、遠心分離された埃が集められる湾曲第２管部３３の外側内壁３３１の底部分（上下方向中央部分）に対向する位置にある。ベーン６は、外側内壁３３１の底部分に集められた埃を含む冷却空気を、フィルタ５によって覆われた第１流路Ｓ１に案内する。

図６は、第３管部３４における図２のＤ−Ｄ線断面図である。フィルタ５は、断面視にて片側が開いた断面視Ｕ字状かつ空気の流通方向（図６の紙面垂直方向）に延びる長手状である。フィルタ５は、端部が蓋７に固定されており、Ｕ字状のフィルタ５の開口部は蓋７にて閉塞される。フィルタ５の下流側（図６の紙面垂直方向手前側）においては、フィルタ５は閉じており、前述したように、フィルタ５は、蓋７との間で下流側が閉じた袋状空間Ｖを形成する。フィルタ５は、第３管部３４内の流路を、袋状空間Ｖを経る第１流路Ｓ１と、第３管部３４内から袋状空間Ｖを除いた領域を含む第２流路Ｓ２とに仕切る。

湾曲第２管部３３の外側内壁３３１の底部分に集められた埃を含んで第１流路Ｓ１に流入した冷却空気は、フィルタ５を通って埃を除去された後、第２流路Ｓ２側に出てブロワ２１に吸引される。

本実施形態では、フィルタ５によりダクト３内の流路が、湾曲第２管部３３の外側内壁３３１に沿って進行する冷却空気が流入する第１流路Ｓ１と、湾曲第２管部３３の内側内壁３３２に沿って進行する冷却空気が流入する第２流路Ｓ２とに仕切られる。従って、本実施形態では、フィルタ５により、第１流路Ｓ１内に進行する冷却空気中の埃を捕集できる。また、本実施形態では、湾曲第２管部３３にて埃を遠心分離し、該遠心分離した埃を第１流路Ｓ１に流通させてフィルタ５にて捕集する。そのため、本実施形態では、ダクト３内の流路を第１、第２流路Ｓ１、Ｓ２に分割していても、ブロワ２１に送る冷却空気中の埃を良好に捕集できる。

本実施形態では、第２流路Ｓ２側にはフィルタが設けられていないので、フィルタ５が目詰まりを起しても、冷却空気は第２流路Ｓ２側を流通する。そのため、本実施形態では、ダクト内の管路を遮蔽するようにフィルタが設けられる場合に比べ、フィルタ５の目詰まりによる圧損影響を抑えることができる。また、本実施形態では、フィルタ５に目詰まりが生じても、冷却空気は第２流路Ｓ２側を流れるので、バッテリパック１が冷却不能となることを防止できる。本実施形態では、フィルタ５内部の袋状空間Ｖに埃を貯留できるので、短期間に埃がオーバーフローしてしまうことを防止できる。本実施形態では、ラゲッジトリム１０３を外すことで、ダクト３からフィルタ５を簡単に外すことができ、フィルタ５を容易に清掃できる。

（第２実施形態）
図７は、ダクト３Ａ内の埃捕集構造４Ａを示す図である。以下、第１実施形態と同様の要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態のダクト３Ａは、吸入口３１を有しボディアウタ１０２に沿って車両後方に延びる第１管部３２と、第１管部３２から右方に曲がった後、ブロワ２１まで直線状に延びる直線管部３６とを備える。ダクト３Ａは、第１実施形態のダクト３と比べ、湾曲部分が無い分、圧損が少ない形状となっている。埃捕集構造４Ａは、ダクト３Ａの他、フィルタ５、ベーン６、蓋７、風向調整弁８、制御部９１、および埃センサ９２を備える。フィルタ５および蓋７は、第１実施形態と同様の構造である。フィルタ５および蓋７は、第１実施形態と同様、ダクト３Ａから取り外し可能となっている。ベーン６は、車両前方側に湾曲している。

風向調整弁８は、フィルタ５の上下方向（図７中紙面垂直方向）の幅と同様の幅を有する板状である。風向調整弁８は、制御部９１による制御の下に駆動するモータ等により駆動される。風向調整弁８は、上流側かつ車両前方側にある支点を中心に回動し、車両後方側に回動することで、冷却風を、フィルタ５を通過することとなる第１流路Ｓ１側に案内する。風向調整弁８は、車両前方側に回動することで、冷却風を、フィルタ５を通過しない第２流路側に案内する。

制御部９１は、ＣＰＵ９１１(Central Processing Unit)およびメモリ９１２を備える。制御部９１は、埃センサ９２からの出力信号に基づいて車室内の空気中の埃量を多いか少ないかを判定し、該判定に基づいて風向調整弁８を制御する。

埃センサ９２は、車室内の空気中の埃の量を検出する。なお、埃センサ９２としてカーテシスイッチを用いてもよい。カーテシスイッチは、車両のドアが開くとＯＮし、閉まるとＯＦＦする。埃センサ９２として、カーテシスイッチを用いる場合、制御部９１は、カーテシスイッチがＯＮすると車室内の空気中の埃の量が多いと判定し、カーテシスイッチがＯＦＦすると車室内の空気中の埃の量が少ないと判定する。

以下、図８のフローチャートを用いて制御部９１によるダクト３内の埃捕集処理を説明する。制御部９１は、埃センサ９２からの出力信号に基づいて、車室内の空気中の埃の量を多いか少ないか判定する（ＳＴＥＳ１）。制御部９１は、車室内の空気中の埃の量が多いと判定する場合（ＳＴＥＳ１：ＹＥＳ）、風向調整弁８を第１流路Ｓ１側に回動し、冷却風を、フィルタ５を通過することとなる第１流路Ｓ１側に案内する（ＳＴＥＳ２）。制御部９１は、車室内の空気中の埃の量が少ないと判定する場合（ＳＴＥＳ１：ＮＯ）、風向調整弁８を第２流路Ｓ２側に回動させ、冷却風を、フィルタ５を通過しない第２流路Ｓ２側に案内する（ＳＴＥＰ３）。

本実施形態では、ダクト３において第１管部３２とブロワ２１との間が直線状となっており、埃を遠心分離した後に該埃を第１流路Ｓ１側に集めて捕集することができない。しかしながら、本実施形態では、車室内の空気中の埃の量が多いと判定する場合、風向調整弁８により、冷却空気を、フィルタ５を通過することとなる第１流路Ｓ１側に案内するので、良好に冷却空気中の埃を捕集できる。

本実施形態では、車室内の空気中に埃が少ないと判定する場合、風向調整弁８により、冷却空気を、フィルタ５を通過しない第２流路Ｓ２側に案内するので、圧損を抑えることができ、圧損による電池寿命への影響を抑えることができる。

（第３実施形態）
図９は、埃捕集構造４Ｂを示す図である。埃捕集構造４Ｂは、第１実施形態のダクト３、フィルタ５等に加え、制御部９１Ｂ、カーテシスイッチ９３、および車速を検出する車速センサ９４を備える。

制御部９１Ｂは、車速センサ９４が検出する車速に対応するブロワ回転数Ａ[ｒｐｍ]を、メモリ９１２内の図１０に示す車速−ブロワ回転数マップから取得し、該ブロワ回転数Ａでブロワ２１を回転させる。ここで、ロードノイズやエンジン音などの騒音は車速と共に大きくなるため、車速が大きいほど、ブロワ２１の回転数を上げてもブロワ２１の駆動により生じる騒音は乗員にとって目立たなくなる。そこで、車速−ブロワ回転数マップでは、車速が大きくなるほど車速に対応するブロワ回転数Ａの値も大きな値に設定されており、本実施形態では、車速が大きくなるほどバッテリパック１をより十分に冷却できるようになっている。

ここで、フィルタ５に埃が堆積すると、フィルタ５は吸音材として機能することとなる。よって、時間を経て、フィルタ５に埃が堆積すれば、騒音レベルを上げることなくさらにブロワ回転数Ａを上げ、バッテリパック１の冷却能力を上げることができる。そこで、制御部９１Ｂは、フィルタ５に一定量の埃が堆積すると推定される予め定められた期間毎に、車速−ブロワ回転数マップを更新し、各車速に対応するブロワ回転数の設定値を必要に応じて上げる処理を行う。以下、図１１のフローチャートを用いて制御部９１Ｂによる車速−ブロワ回転数マップの更新処理を説明する。

前述したように、フィルタ５に埃が堆積すると、フィルタ５は吸音材として機能する。従って、騒音レベルを上げることなくブロワ回転数Ａ[ｒｐｍ]を上げることができるマージンとしての許容回転数ＵＰ[ｒｐｍ]を、フィルタ５に堆積する埃の量に基づいて算出できる。そこで、制御部９１Ｂは、フィルタ５に堆積する埃の量を示す値として、カーテシスイッチ９３の作動積算回数ΣＸｎ（１回ＯＮする毎に１積算する）を用いて許容回転数ＵＰを算出する。

図１２は、作動積算回数ΣＸｎと許容回転数ＵＰとの関係を示す図である。制御部９１Ｂは、以下の（１）式に示すように、カーテシスイッチ９３の作動積算回数ΣＸｎに定数aを乗算することで許容回転数ＵＰ[ｒｐｍ]を算出する（ＳＴＥＳ１０）。なお、フィルタ５に堆積する埃の量をより正確に示す作動積算回数ΣＸｎを用いて許容回転数ＵＰを算出するために、作動積算回数ΣＸｎとして、吸入口３１に最も近いドアのカーテシスイッチ９３の作動積算回数ΣＸｎを用いることが好ましい。
ＵＰ[ｒｐｍ]＝a×ΣＸｎ・・・（１）

図１３は、更新後の車速−ブロワ回転数マップを示す図である。制御部９１Ｂは、以下の（２）式に示すように、車速−ブロワ回転数マップ上の各ブロワ回転数Ａに、それぞれ許容回転数ＵＰを加算し、車速−ブロワ回転数マップを更新する（ＳＴＥＳ２０）。なお、（２）式において、右辺のＡは、更新前のブロワ回転数の値であり、左辺のＡは、更新後のブロワ回転数の値である。制御部９１Ｂは、更新後の車速−ブロワ回転数マップに基づいてブロワ２１を制御する。
Ａ[ｒｐｍ]＝Ａ＋a×ΣＸｎ・・・（２）

以下、本実施形態の効果を簡略に説明する。図１４は、ブロワ２１の回転数を車速にかかわらず一定に保つ比較例におけるバッテリパック１の冷却性能に係わる各指標の経時変化を示す図である。図１４では、経時を示す指標として、カーテシスイッチ９３の作動積算回数ΣＸｎを用いている。図１４中の語句、ＮＶ減衰量、ＮＶ性能におけるＮＶとは、Noise Vibration、すなわち騒音および振動の意味である。

図１４に示すように、ブロワ２１の回転数を車速にかかわらず一定に保つ場合、時間を経ると、フィルタ５への埃の堆積により圧損が増大し、これにより風量が低下する。そのため、バッテリパック１の冷却性能が低下する。

図１５は、車速−ブロワ回転数マップに基づいてブロワ２１を制御する本実施形態における各指標の経時変化を示す図である。本実施形態では、経時によりフィルタ５に埃が堆積し、フィルタ５が吸音材として機能すると、制御部９１Ｂは、車速−ブロワ回転数マップを更新し、マップ中の各ブロワ回転数Ａの設定値を増大させる。これにより、本実施形態では、経時によりフィルタ５に埃が堆積しても、ノイズを増大させることなく風量を増大させることができ、バッテリパック１の冷却性能を良好に維持できる。また、本実施形態では、経時によりフィルタ５に埃が堆積しても、バッテリパック１の冷却性能を良好に維持できるので、フィルタ５をメンテナンスフリーにできる。

１…バッテリパック、３…ダクト、５…フィルタ、Ｓ１…第１流路、Ｓ２…第２流路、Ｖ…袋状空間。

Claims (1)

1. バッテリパックに送られる冷却空気が流通するダクトにおける内壁と、
   前記内壁に沿って設けられるフィルタであって、前記内壁と共に下流側が前記フィルタにより覆われ上流側は開口する袋状空間を形成し、前記フィルタを通過する冷却空気中の埃を捕集するフィルタとを備え、
   前記フィルタは、前記ダクト内の冷却空気の流路を、冷却空気が前記袋状空間を進行して前記フィルタを通過する第１流路と、前記ダクト内における前記袋状空間を除く空間を冷却空気が進行し、該冷却空気に前記第１流路側から前記フィルタを通過して埃が濾過された冷却空気が合流する第２流路と、に仕切る
   ことを特徴とするバッテリ冷却用ダクト内の埃捕集構造。

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