JP5876268B2

JP5876268B2 - 車両

Info

Publication number: JP5876268B2
Application number: JP2011237074A
Authority: JP
Inventors: 崇村田; 康光大見
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: WO2013061132A2; WO2013061132A3; EP2771925B1; JP2013097891A; CN104025335A; US20140356666A1; EP2771925A2; CN104025335B; US10069179B2

Description

本発明は、バッテリケース内の温度を調整する技術に関する。

近年、地球環境を意識した車両として、車両走行用の電動モータを搭載した電気自動車、ハイブリッド自動車などが注目され、実用化されている。電動モータは、充放電可能な複数の単電池を有するバッテリから出力される電力により駆動する。

バッテリは、高温環境では劣化が進み寿命が短くなる。このことから様々な熱対策が施されている。

特許文献１は、バッテリケース内の温度が車外の温度よりも高い場合には、ファンを駆動することにより車外の空気をバッテリケース内に導き、車外の温度がバッテリケース内の温度よりも高い場合には、ファンを駆動することにより吸気された空気を、エバポレータコイルを通過させて冷却してからバッテリケース内に導く冷却構造を備えた車両を開示する。

特開２００５−０９３４３４号公報

しかしながら、上述の特許文献１では、バッテリを冷却するためにファンを駆動する必要があるため、エネルギー消費量が大きくなる。また、車外の温度がバッテリケース内の温度よりも高い場合には、エアコン冷媒を用いて空気を冷却する必要があるため、現実的には、車両停車中のバッテリの温度上昇を抑制することができない。

そこで、本願発明は、バッテリ冷却に用いられるエネルギー消費量の増大を抑制することを目的とする。

本願第１の発明である車両は、車両を走行させるための動力を発生するモータに作動電力を供給するバッテリと、バッテリを収容するバッテリケースと、熱輸送デバイスと、を有する。バッテリケースは、金属からなる第１の層と、第１の層よりもバッテリに近接した領域に位置する断熱材からなる第２の層と、第２の層よりもバッテリに近接した領域に位置する相変化蓄熱材からなる第３の層と、を有する。熱輸送デバイスは、バッテリケースの内部に配置される第１の熱交換器と、バッテリケースの外部であって、車両の放熱部に配置され、第１の熱交換器よりも上方に位置する第２の熱交換器と、第１及び第２の熱交換器の間で冷媒を循環させる循環経路と、を備える。循環経路は、第１の熱交換器においてバッテリケースの内部の空気と熱交換を行うことにより液相状態から気相状態に変化した冷媒を、第２の熱交換器に移送するための第１の接続管と、第２の熱交換器において車両の放熱部と熱交換を行うことにより気相状態から液相状態に変化した冷媒を第１の熱交換器に移送するための第２の接続管と、を有する。第１及び第２の接続管はそれぞれ、上下方向に延びる縦管を有し、冷媒は、第１及び第２の接続管を介して、第１及び第２の熱交換器の間を自然循環する。
本願第２の発明である車両は、車両を走行させるための動力を発生するモータに作動電力を供給するバッテリと、バッテリを収容するバッテリケースと、熱輸送デバイスと、を有する。バッテリケースは、金属からなる第１の層と、第１の層よりもバッテリに近接した領域に位置する断熱材からなる第２の層と、第２の層よりもバッテリに近接した領域に位置する相変化蓄熱材からなる第３の層と、を有する。熱輸送デバイスは、バッテリケースの内部に配置される第１の熱交換器と、バッテリケースの外部であって、車両の内外において空気を導く通気管に配置される第２の熱交換器と、第１及び第２の熱交換器の間で冷媒を循環させる循環経路と、を備える。通気管は、上下方向に延びる直管形状部と、上下方向に対して傾斜した傾斜管形状部と、を有する。第２の熱交換器は、傾斜管形状部において、通気管の内部に入射する直射日光により照射される照射領域を避けた非照射領域に配置される。

本願第１及び第２の発明において、バッテリは、複数の単電池が配列された電池群であってもよい。これにより、複数の単電池からなる電池群を過熱から保護することができる。

本願第１及び第２の発明によれば、バッテリの冷却に用いられるエネルギー消費量の増大を抑制した車両を提供することができる。

本願第１及び第２の発明によれば、バッテリケース及び熱輸送デバイスによる相乗効果により、バッテリの温度上昇をさらに効果的に抑制することができる。

本願第２の発明において、循環経路は、第１の熱交換器においてバッテリケースの内部の空気と熱交換を行うことにより液相状態から気相状態に変化した冷媒を、第２の熱交換器に移送するための第１の接続管と、第２の熱交換器において通気管と熱交換を行うことにより気相状態から液相状態に変化した冷媒を第１の熱交換器に移送するための第２の接続管と、を有していてもよい。

本願第２の発明において、第２の熱交換器は、第１の熱交換器よりも上方に位置し、第１及び第２の接続管はそれぞれ、上下方向に延びる縦管を有し、冷媒は、第１及び第２の接続管を介して、第１及び第２の熱交換器の間を自然循環する。これによれば、冷媒を移送するためのポンプ及び電源などが不要となるため、熱輸送デバイスの作動に用いられるエネルギー消費量の増大を抑制することができる。

本願第１の発明において、車両の放熱部は、車両の内外において空気を導く通気管であってもよい。これによれば、簡易な構成で、第２の熱交換器において発生した熱を車外に対して放熱することができる。

本願第２の発明によれば、直射日光によって第２の熱交換器が加熱されることが防止されるため、第２の熱交換器における熱交換率を高めることができる。

通気管には、空気の通過を許容する開き位置と、空気の通過を抑制する閉じ位置との間で動作する開閉弁を設けることができる。

ここで、開閉弁を駆動する駆動部を有し、駆動部は、車外の温度がバッテリの入出力特性に基づき設定される閾値よりも低い場合には、開閉弁を閉じ位置に動作させ、車外の温度が閾値以上である場合には、開閉弁を開き位置に動作させるとよい。これによれば、極低温時におけるバッテリの出力低下を抑制できる。

本発明によれば、バッテリ冷却に用いられるエネルギー消費量の増大を抑制することができる。

車両の一部におけるハード構成を示すブロック図である。第１、第２実施形態のバッテリパックを示す斜視図である。第１、第２実施形態のバッテリパックの断面図である。第２実施形態のバッテリパックおよび熱輸送デバイスを備えるバッテリ冷却システムの一例を模式的に示した模式図である。第２実施形態のバッテリパック及び熱輸送デバイスを搭載した車両の概略図である。第２実施形態の車両の一部分を透過した斜視図である。比較例の単電池の時間経過に伴う温度変化を示したグラフである。実施例の単電池の時間経過に伴う温度変化を示したグラフである。比較例及び実施例のバッテリ寿命を比較したグラフである。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である車両の一部におけるハード構成を示すブロック図である。同図において、点線の矢印は信号の流れる方向を示している。車両２００は、バッテリの出力を用いてモータを駆動する駆動経路とエンジンによる駆動経路とを有し、車両外部の外部電源を用いてバッテリを充電可能なプラグインハイブリッド車両である。ただし、車両２００は、車両外部の外部電源を用いてバッテリを充電可能であって、当該エンジンを省略した電気車両であってもよい。また、車両２００は、車両外部の外部電源を用いたバッテリの充電が不可能なハイブリッド車両であってもよい。

同図を参照して、車両２００は、バッテリ１１と、平滑用コンデンサＣ１、Ｃ２と、電圧コンバータ３２と、インバータ３３と、モータジェネレータＭＧ１と、モータジェネレータＭＧ２と、動力分割プラネタリーギヤＰ１と、リダクションプラネタリーギヤＰ２と、減速機Ｄと、エンジン３４と、リレー３１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、補機バッテリ４２と、エアコン４３と、吸気ファン４４と、外気温度センサ４５と、ＥＣＵ５０と、監視ユニット５１と、充電器６１と、インレット６２とを含む。

車両２００は、さらに、電源ラインＰＬ１と、接地ラインＳＬとを含む。バッテリ１１は、リレー３１を構成するシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｐを介して、電圧コンバータ３２に接続されている。バッテリ１１のプラス端子には、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇが接続され、バッテリ１１のマイナス端子には、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂが接続されている。また、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐおよびプリチャージ抵抗３１Ａは、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂに対して並列に接続されている。

これらのシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｐは、コイルに対して通電したときに接点が閉じるリレーである。ＳＭＲがオンとは通電状態を意味し、ＳＭＲがオフとは非通電状態を意味する。

ＥＣＵ５０は、電流遮断時、すなわちイグニッションスイッチがＯＦＦ位置になるときには、全てのシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｐをオフする。すなわち、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｐのコイルに対する励磁電流をオフにする。なお、イグニッションスイッチは、ＯＦＦ位置→ＯＮ位置の順に切り替わる。

ＥＣＵ５０は、車両２００全体の制御を司る。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＭＰＵであってもよいし、これらのＣＰＵなどにおいて実行される処理の少なくとも一部を回路的に実行するＡＳＩＣ回路を含んでも良い。また、ＣＰＵなどの個数は、単数であってもよいし、或いは複数であってもよい。したがって、例えば、電圧コンバータ３２を制御するＣＰＵと、吸気ファン４４の駆動を制御するＣＰＵとが異なっていても良い。ＥＣＵ５０は、補機バッテリ４２から電力が供給されることにより、起動する。

ハイブリッドシステム起動時（メイン電源接続時）、すなわち、たとえば運転者がブレーキペダルを踏み込んでプッシュ式のスタートスイッチを押し込むと、ＥＣＵ５０は、最初にシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオンにする。次に、ＥＣＵ５０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンしてプリチャージを実行する。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｐにはプリチャージ抵抗３１Ａが接続されている。このため、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンしてもインバータ３３への入力電圧は緩やかに上昇し、突入電流の発生を防止できる。

イグニッションスイッチがＯＮ位置からＯＦＦ位置に切り替わると、ＥＣＵ５０は、先ずシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂをオフし、続いてシステムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフする。これにより、バッテリ１１とインバータ３３との間の電気的な接続が遮断され、電源遮断状態となる。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐは、ＥＣＵ５０から与えられる制御信号に応じて導通／非導通状態が制御される。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬ間に接続され、ライン間電圧を平滑化する。また、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬ間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、エアコン４３とが並列に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、バッテリ１１から供給される電力を降圧して、補機バッテリ４２を充電したり、或いは吸気ファン４４に電力を供給する。また、エアコン４３は、バッテリ１１から電力の供給を受けることにより動作する。

電圧コンバータ３２は、コンデンサＣ１の端子間電圧を昇圧する。コンデンサＣ２は、電圧コンバータ３２によって昇圧された電圧を平滑化する。インバータ３３は、電圧コンバータ３２から与えられる直流電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭＧ２に出力する。リダクションプラネタリーギヤＰ２は、モータジェネレータＭＧ２で得られた動力を減速機Ｄに伝達して、車両２００を駆動する。動力分割プラネタリーギヤＰ１は、エンジン３４で得られた動力を二経路に分割し、一方は減速機Ｄを介して車輪に伝達され、他方はモータジェネレータＭＧ１を駆動して発電を行う。

このモータジェネレータＭＧ１において発電された電力は、モータジェネレータＭＧ２の駆動に用いられることでエンジン３４を補助する。また、リダクションプラネタリーギヤＰ２は、車両減速時に、減速機Ｄを介して伝達される動力をモータジェネレータＭＧ２に伝達し、モータジェネレータＭＧ２を発電機として駆動する。このモータジェネレータＭＧ２で得られた電力は、インバータ３３において三相交流から直流電圧に変換され、電圧コンバータ３２に伝達される。このとき、ＥＣＵ５０は、電圧コンバータ３２が降圧回路として動作するように制御する。電圧コンバータ３２で降圧された電力は、バッテリ１１に蓄電される。

監視ユニット５１は、バッテリ１１の電圧、電流及び温度に関する情報を取得する。監視ユニット５１は、バッテリ１１とともにユニット化されている。監視ユニット５１は、バッテリ１１から取得した情報をＥＣＵ５０に対して出力する。ＥＣＵ５０は、監視ユニット５１から取得した情報に基づき、バッテリ１１の充放電を制御したり、或いはエアコン４３と、吸気ファン４４の駆動を制御する。

ここで、吸気ファン４４は、回転動作に応じて車室内の空気をバッテリ１１に対して供給する。すなわち、ＥＣＵ５０は、車両２００のイグニッションスイッチがオンされた状態で、バッテリ１１の温度が所定値よりも高いと判定した場合には、吸気ファン４４を作動させる。これにより、バッテリ１１を保護することができる。ここで、所定値は、バッテリ１１の劣化の促進を抑制する観点から適宜定めることができる。所定値は、例えば、４５℃であってもよい。また、ＥＣＵ５０は、車室内の温度がバッテリ１１の温度よりも高い場合には、エアコン４３を作動させて、吸気ファン４４によって吸気される車室内の空気の温度を下げる処理を行っても良い。吸気ファン４４は、シロッコ式のファン、クロスフロー式のファンであってもよい。

充電器６１は、リレー３１を介して、バッテリ１１に接続されている。リレー３１が開いた状態である場合には、バッテリ１１が、電圧コンバータ３２、充電器６１等から電気的に遮断される。リレー３１が閉じた状態である場合には、バッテリ１１が、電圧コンバータ３２、充電器６１等と電気的に接続される。

ＥＣＵ５０は、車両外部の商用電源からバッテリ１１の充電が行われるときに、充電器６１を駆動するための駆動信号を生成して出力する。インレット６２は、車両２００の側部に設けられていても良い。インレット６２には、車両２００と外部電源とを連結する充電ケーブルのコネクタが接続される。なお、本願発明は、インレット６２及びコネクタを接続しない非接触充電に適用することもできる。なお、ＥＣＵ５０は、充電器６１によりバッテリ１１を充電する際（つまり、車両２００を停車した状態で充電を行う際）に、エアコン４３を駆動しない。

次に、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照しながら、バッテリを有するバッテリパックについて詳細に説明する。図２（Ａ）は、本実施形態のバッテリパックの斜視図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のバッテリパックをＡ−Ａ´面で切断した断面図であり、ケース壁部の断面を拡大して図示する。これらの図において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに異なる直交する三軸である。

バッテリパック１は、バッテリ１１及びバッテリ１１を収容するバッテリケース１０を含む。バッテリパック１は、例えば、車両後方のラゲージルームに設置することができる。バッテリ１１は、Ｘ軸方向に並ぶ電池群を有し、これらの電池群はそれぞれ単電池１１ＡをＹ軸方向に配列することにより構成されている。Ｙ軸方向に隣接する単電池１１Ａの間には、空気を導通させるための隙間、つまり、冷却経路が形成されている。

バッテリ１１のＺ軸方向の端部側には、各単電池１１Ａを電気的に直列に接続するための複数のバスバーを保持したバスバーモジュール１２が位置する。ただし、電池群の中に電気的に並列に接続された単電池１１Ａが含まれていてもよい。また、電池群は、一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。バスバーモジュール１２により各バスバーがユニット化されるため、バスバーの取り付け作業を簡素化することができる。

単電池１１Ａ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、或いはキャパシタであってもよい。単電池１１Ａは、単一の電池セル、或いは複数の電池セルを接続した電池モジュールであってもよい。ここで、電池セルとは、充放電可能な最小単位の要素を意味する。

単電池１１Ａは、Ｘ軸方向において向き合う一対の外面と、Ｙ軸方向において向き合う一対の外面と、Ｚ軸方向において向き合う一対の外面とを有するいわゆる角型電池である。ただし、単電池１１Ａは、円筒型形状の電池であってもよい。

バッテリ１１は、Ｘ軸方向の一端部に吸気チャンバ１３Ａを有し、Ｘ軸方向の他端部に排気チャンバ１３Ｂを有する。ただし、バッテリ１１は、Ｚ軸方向の一端部に吸気チャンバ１３Ａを有し、Ｚ軸方向の他端部に排気チャンバ１３Ｂを有していてもよい。吸気チャンバ１３Ａは、図示しない吸気経路を介して車室内に連通している。

吸気経路には、図１に示す吸気ファン４４が設けられている。吸気ファン４４が作動すると、吸気経路を介して車室内の空気が吸気チャンバ１３Ａに吸気される。吸気チャンバ１３Ａに吸気された空気は、隣接する単電池１１Ａの間に形成された冷却経路を移動しながら各単電池１１Ａを冷却して、排気チャンバ１３Ｂに排気される。

一方、車両２００のイグニッションスイッチがオフされた状態では、車室内の空気を吸気することによるバッテリ１１の冷却制御は行われない。車両２００は、通常、寿命期間中において走行状態よりも走行していない停車状態（つまり、車両２００のイグニッションスイッチがオフされた状態）のほうが長いため、停車状態であってもバッテリ１１の温度管理を行うことは非常に重要である。特に、停車状態にある車両２００の周辺環境が高温である場合には、外気により車室内の温度が上がり、バッテリ１１の温度も上昇するため、バッテリ１１の劣化が促進される。以下、バッテリ１１の温度上昇を抑制する構造を備えたバッテリケース１０について、詳細に説明する。

バッテリケース１０は、一対のアッパーケース１０１及びロアケース１０２を含む。アッパーケース１０１の下端部には、Ｘ−Ｙ面方向に延在するアッパー側フランジ１０１Ａが形成されている。ロアケース１０２の上端部には、Ｘ−Ｙ面方向に延在するロア側フランジ１０２Ａが形成されている。アッパー側フランジ１０１Ａ及びロア側フランジ１０２ＡはＺ軸方向において互いに向き合っており、締結部材１４が締結されることにより連結されている。これにより、バッテリケース１０の内部は、車両２００の外部に対して遮断された密閉構造となる。

バッテリケース１０は、ケースの外側から内側に向かって順に金属材１０Ａ（第１の層に相当する）、断熱材１０Ｂ（第２の層に相当する）、相変化蓄熱材１０Ｃ（第３の層に相当する）が配列された構造である。金属材１０Ａは、例えば亜鉛メッキ鋼板であってもよい。断熱材１０Ｂは、例えば独立発砲ＰＰであってもよい。相変化蓄熱材１０Ｃは、融点以下において周囲の温度に同調し、周囲の温度が融点に達すると溶融を開始して、固体と液体とが共存する状態が一定時間継続する。そして、相変化蓄熱材１０Ｃは、固体と液体とが共存する状態では周囲の温度に同調せずに融点と同一の温度を維持し、完全に液体になると周囲の温度に同調して温度上昇を開始する。

例えば、相変化蓄熱材１０Ｃの融点が２６℃である場合、相変化蓄熱材１０Ｃは、周囲の温度が２６℃以上になっても、完全に溶融するまでは温度上昇することなく、周囲の熱を吸収する。相変化蓄熱材１０Ｃは、例えば、酢酸ナトリウム三水和物などが内部に封入された軟質容器であってもよい。ただし、相変化蓄熱材１０Ｃには、２６℃を融点とする素材のほか、バッテリ１１を外熱（バッテリケース１０内の空気などによる外熱）から保護するのに適した融点を有する他の素材を用いることもできる。ここで、バッテリ１１を外熱から保護するのに適した融点は、バッテリ１１を構成する単電池１１Ａの種類などに応じて異なる。

金属材１０Ａは、バッテリ１１から放出される電磁波を吸収する。これにより、バッテリ１１から放出された電磁波がノイズとなって、通信障害を引き起こすことが防止される。ここで、通信障害とは、車両２００に設けられたアンテナが受信するＴＶ等のオーディオ機器の受信信号等に対して、ノイズが入り込むことである。また、金属材１０Ａは、外部からの衝撃から単電池１１Ａを保護するために、最外層に配置される。

断熱材１０Ｂは、外気と相変化蓄熱材１０Ｃとの熱交換を防止するため（換言すると、相変化蓄熱材１０Ｃをバッテリケース１０の内部の空気とのみ熱交換させるため）に備えられる。したがって、断熱材１０Ｂは、金属材１０Ａと相変化蓄熱材１０Ｃとの間に配置される。

次に、金属材１０Ａ、断熱材１０Ｂ及び相変化蓄熱材１０Ｃが、バッテリケース１０の外側から内側に向かってこの順序で配列されることによる効果について詳細に説明する。バッテリケース１０の外部の温度が、バッテリケース１０の内部の温度よりも高い場合、バッテリケース１０の外部の空気によって最外層に位置する金属材１０Ａが加熱される。金属材１０Ａと相変化蓄熱材１０Ｃとの間には、断熱材１０Ｂが位置するため、金属材１０Ａの熱が相変化蓄熱材１０Ｃに伝熱することを抑制できる。これにより、バッテリ１１は、車両外部の外熱から保護される。

一方、車両２００のイグニッションスイッチがオフされた状態で、車両２００の周辺環境の温度が高くなると、外熱により車室内の温度が上昇するとともに、車室内に連通するバッテリケース１０の内部の温度も上昇する。バッテリケース１０の内部の温度がさらに上昇し、相変化蓄熱材１０Ｃの融点に達すると、相変化蓄熱材１０Ｃは、融点と同一の温度を維持しながら、バッテリケース１０の内部の熱を吸収する。これにより、バッテリ１１の温度上昇を抑制することができる。

以上説明したように、金属材１０Ａ、断熱材１０Ｂ及び相変化蓄熱材１０Ｃが、バッテリケース１０の外側から内側に向かってこの順序で配列されることにより、バッテリ１１を外熱から保護することができる。しかも、バッテリ１１を外熱から保護するために、エアコン４３、吸気ファン４４を駆動する必要がないため、消費電力の削減とバッテリ１１の保護とを両立することができる。

なお、本発明において、金属材１０Ａと相変化蓄熱材１０Ｃとの間に断熱材１０Ｂ以外の他の板状部材が含まれていても良い。

（第２実施形態）
本実施形態は、実施形態１の構成に加えて、バッテリケース１０の内部の温度上昇をさらに効果的に抑制する熱輸送デバイスを備える。

図３は、バッテリパック１および冷却機構を備えるバッテリ冷却システムの一例を示す模式図であり、図４は、当該バッテリ冷却システムが搭載された車両の模式図である。なお、第１実施形態と同一の機能を有する要素には、同一符合を付している。バッテリ冷却システム１００は、バッテリパック１と、バッテリパック１を冷却する機構である熱輸送デバイス２とを有する。熱輸送デバイス２は、通気管２１、パック内熱交換器２２Ａ（第１の熱交換器に相当する）、パック外熱交換機２２Ｂ（第２の熱交換器に相当する）及び冷却ファン２３を有する。

通気管２１は、車両２００の下部に吸気口２１Ａ、車両２００の上部に排気口２１Ｂを有し、地表面に対して略垂直方向に設置される。図５に図示するように、吸気口２１Ａは、リア側のホイールハウス内の上部、排気口２１ＢはＣピラーの上部付近に設けられていてもよい。また通気管２１は、排気口２１Ｂとパック外熱交換機２２Ｂとの間に、開閉弁２１Ｃを有する。開閉弁２１Ｃは、通気管２１の内部と外気と間の通気を許可する開き位置と、通気管２１の内部と外気と間の通気を抑制する閉じ位置との間で切り替わる。開閉弁２１Ｃは、基本的には、開き位置に位置する。開閉弁２１Ｃを作動させる作動方法については、後述する。

パック内熱交換器２２Ａは、バッテリケース１０の内部に位置する。パック内熱交換器２２Ａの内部には、上下方向に延びる複数の管路２２１Ａが形成されており、これらの管路２２１Ａは、ハッチングで示す液冷媒で満たされている。ここで、液冷媒は、４０〜６０℃の温度で沸騰する低沸騰剤（剤料）であってもよい。管路２２１Ａは、熱伝導率の高いアルミニウムなどの金属であってもよい。

パック内熱交換器２２Ａは、第１の接続管２２Ｃ及び第２の接続管２２Ｄを介して、パック外熱交換器２２Ｂに対して接続されている。なお、第１の接続管２２Ｃ及び第２の接続管２２Ｄにより、循環経路が形成される。第１の接続管２２Ｃは、上下方向に延びる縦管２２１Ｃと、縦管２２１Ｃの下端部から水平方向に延びる下側横管２２２Ｃと、縦管２２１Ｃの上端部から水平方向に延びる上側横管２２３Ｃとを有する。第１の接続管２２Ｃは、熱伝導率の高いアルミニウムなどの金属であってもよい。

下側横管２２２Ｃは、バッテリケース１０の第１の開口部１０Ｄを通って、パック内熱交換器２２Ａに接続されている。下側横管２２２Ｃと第１の開口部１０Ｄとの間には、図示しないシール材が設けられている。シール材は、ゴムであってもよい。下側横管２２２Ｃと第１の開口部１０Ｄとの間に、シール材が設けられることにより、バッテリケース１０の密閉状態が維持される。縦管２２１Ｃの一部及び下側横管２２２Ｃの全部は、ハッチングで示す液相状態の低沸騰剤で満たされている。縦管２２１Ｃの残部及び上側横管２２３Ｃの全部は、バッテリ１１との熱交換により、液相状態から気相状態に変化した低沸騰剤で満たされている。

第２の接続管２２Ｄは、上下方向に延びる縦管２２１Ｄと、縦管２２１Ｄの下端部から水平方向に延びる下側横管２２２Ｄと、縦管２２１Ｄの上端部から水平方向に延びる上側横管２２３Ｄと、を有する。下側横管２２２Ｄは、バッテリケース１０の第２の開口部１０Ｅを通って、パック内熱交換器２２Ａに接続されている。下側横管２２２Ｄと第２の開口部１０Ｅとの間には、図示しないシール材が設けられている。シール材は、ゴムであってもよい。下側横管２２２Ｄと第２の開口部１０Ｅとの間に、シール材が設けられることにより、バッテリケース１０の密閉状態が維持される。第２の接続管２２Ｄは、全てがハッチングで示す液相状態の低沸騰剤で満たされている。

パック外熱交換器２２Ｂは、パック内熱交換器２２Ａよりも地表面を基準として上方に配置される。パック外熱交換器２２Ｂは、通気管２１の曲げ部２１Ｄ（車両の放熱部及び傾斜管形状部に相当する）の内部に延出している。したがって、パック外熱交換器２２Ｂは、排気口２１Ｂから視認できない位置、つまり、排気口２１Ｂから通気管２１内に入射する直射日光により照射される照射領域を避けた非照射領域に配置される。これにより、パック外熱交換器２２Ｂが直射日光により温められることを防止できる。

パック外熱交換器２２Ｂの内部には、上下方向に延びる複数の管路２２１Ｂが形成されている。管路２２１Ｂは、熱伝導率の高いアルミニウムなどの金属であってもよい。これらの管路２２１Ｂのうち、第１の接続管２２Ｃに接続された上側の領域には、第１の接続管２２Ｃから流入した気相状態の低沸騰剤が充満しており、第２の接続管２２Ｄに接続された下側の領域には、気相状態から液相状態に変化した低沸騰剤が満たされている。

熱輸送デバイス２による熱交換作用を高めるために、バッテリケース１０の内部に冷却ファン２３を配置してもよい。冷却ファン２３は、バッテリケース１０内で循環流を起こすファンであり、パック内熱交換器２２Ａで冷却された空気をバッテリ１１に送り、またバッテリ１１を冷却することにより熱せられた空気をパック内熱交換器２２Ａに送る循環流Ｗ１を起こす。冷却ファン２３は、図１に図示する補機バッテリ４２から電力を供給することにより作動させてもよい。また、図１に図示するＥＣＵ５０が、冷却ファン２３の駆動を制御してもよい。

ここで、炎天下に停車されることにより車室内の温度が高くなっている状況下で、バッテリ１１を冷却する方法として、図１に図示するエアコン４３を作動することにより車室内の温度を低下させ、温度低下した車室内の空気を、吸気ファン４４を作動させることにより、バッテリ１１に供給する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、エアコン４３を作動させるエネルギーと、吸気ファン４４を作動させるエネルギーとが必要となるため、エネルギー消費量が大きくなる。これに対して、本実施形態では、冷却ファン２３を作動させるだけで、バッテリ１１を冷却できるため、相対的にはエネルギー消費量を少なくすることができる。

また、エアコン４３を作動させるためには、バッテリ１１からエアコン４３に対して電力を供給する必要があるため、放電に伴いバッテリ１１が発熱する。これに対して、本実施形態では、補機バッテリ４２から供給される電力により冷却ファン２３が駆動されるため、放電によるバッテリ１１の発熱を考慮する必要がない。これにより、バッテリ１１の使用頻度が減るため、バッテリ１１の寿命低下を抑制できる。

さらに、本実施形態では、バッテリケース１０が第１実施形態で説明した複層構造を備えることにより、バッテリ１１が外熱から十分に保護されている。そのため、冷却能力の向上を図るために、冷却ファン２３を高速で駆動する必要がない。したがって、冷却ファン２３の作動電力を少なくすることができる。

次に、図３を参照しながら、熱輸送デバイス２の動作について説明する。初期状態において、車両２００のイグニッションスイッチがオフされた状態で、高温環境下に車両２００が停車されることにより、バッテリ１１の温度が高くなっているものとする。バッテリ１１の温度がさらに上昇すると、パック内熱交換器２２Ａの管路２２１Ａ内で、低沸騰剤が沸騰して、液相状態から気相状態に変化する。

この際、気化熱によってパック内熱交換器２２Ａの周辺空気が冷やされ、冷やされた空気が循環流Ｗ１によってバッテリ１１に送られる。バッテリ１１は、この冷却された空気により冷却される。バッテリ１１と熱交換を行うことにより温度上昇した空気は、循環流Ｗ１によりパック内熱交換器２２Ａに送られる。

一方、パック内熱交換器２２Ａの管路２２１Ａ内で発生した気相状態の低沸騰剤は、液相状態の低沸騰剤との比重差により、上側に移動し、第１の接続管２２Ｃを通って、パック外熱交換器２２Ｂの管路２２１Ｂに流入する。

通気管２１内では、車両２００が放置中である場合、車室内や車両ボディからの外熱によって通気管２１内の空気が温められ、通気管２１の下部に負圧が働く（つまり、いわゆる煙突効果が働く）。これにより、車両２００の下側から上側に向かって空気流Ｗ２が発生する。パック外熱交換器２２Ｂ内に移動した気相状態の低沸騰剤は、この空気流Ｗ２により冷却されて液相状態に戻る。

液相状態に戻った低沸騰剤は、自重により第２の接続管２２Ｄの内部を降下して、パック内熱交換器２２Ａの管路２２１Ａに流入する。管路２２１Ａに流入した液相状態の低沸騰剤は、バッテリ１１を冷却することにより温度上昇した空気と熱交換を行うことにより、気相状態に変化する。

このように、本実施形態では、熱輸送デバイス２が、上下方向に延びる縦管２２１Ｃ及び縦管２２１Ｄをそれぞれ有する第１の接続管２２Ｃ及び第２の接続管２２Ｄを備えることにより、パック内熱交換器２２Ａとパック外熱交換器２２Ｂとの間で、低沸騰剤を自然循環させることができる。熱輸送デバイス２として低沸騰剤を送液するためのポンプ、或いはポンプを駆動する電源などが不要となるため、エネルギー消費量を抑制しながら、バッテリケース１０内の熱を通気管２１に排熱することができる。

また、通気管２１に排熱された熱は、上述したいわゆる煙突効果により、自然に車外に排気される。熱輸送デバイス２として通気管２１に排熱された熱を車外に逃がすための送風部、送風部を駆動する電源などが不要となるため、エネルギー消費量を抑制することができる。

本実施形態は、車両走行中は主として車室内の空気を吸気することによりバッテリ１１を冷却し、車両停車中はバッテリケース１０の複層構造及び熱輸送デバイス２によりバッテリ１１を冷却することを基本思想としているが、これに限るものではない。

例えば、車室内の空気を吸気してバッテリ１１を冷却する冷却経路を省略することもできる。車両走行中は、ベンチュリ効果により、通気管２１の下部が吸気、上部が排気となる空気流が発生するため、パック外熱交換器２２Ｂから通気管２１に排熱された熱を車外に自然に逃がすことができる。したがって、車両走行中であっても、バッテリケース１０の複層構造及び熱輸送デバイス２によりバッテリ１１を効率的に冷却することができる。

ここで、バッテリ１１は、温度が低くなると、入出力特性が低下する。したがって、外気が氷点下などの極低温である場合、開閉弁２１Ｃが開き位置に位置すると、バッテリ１１の温度が外気により奪われ、バッテリ１１の出力が低下する。この出力低下を防止するため、外気温度が例えば１０℃（閾値）未満の場合には、開閉弁２１Ｃを閉じ位置に動作させ、外気への放熱を抑制する。なお、開閉弁２１Ｃは、吸気口２２Ａに設置されていてもよいし、或いは吸気口２１Ａ及び排気口２１Ｂの両方に設置されてもよい。

ここで、開閉弁２１Ｃは、図示しない駆動モータによって駆動してもよい。この場合、開閉弁２１Ｃを駆動する駆動部は、当該駆動モータと、図１に示すＥＣＵ５０、当該駆動モータに駆動電力を供給する補機バッテリ４２及び車室外温度センサ４５と、が協同することにより実現してもよい。すなわち、ＥＣＵ５０は、車室外温度センサ４５が取得した温度情報に基づき、外気温度が１０℃よりも低いと判定した場合には、当該駆動モータに駆動信号を出力して、開閉弁２１Ｃを開き位置から閉じ位置に動作させる。

本実施形態では、通気管２１の曲げ部２１Ｄにパック外熱交換器２２Ｂを設置したが、他の位置に設置することもできる。当該他の位置は、排気口２１Ｂから通気管２１内に入射する直射日光により照射される照射領域を避けた非照射領域であればいかなる位置であってもよい。例えば、通気管２１の途中に曲げ部を設けて、この曲げ部の下方の直管形状部にパック外熱交換器２２Ｂを設置してもよい。

次に、実施例を示して、本実施形態の効果について詳細に説明する。図６（Ａ）は、比較例の単電池の時間経過に伴う温度変化を示しており、図６（Ｂ）は実施例の単電池の時間経過に伴う温度変化を示している。比較例では、バッテリケースを亜鉛メッキ鋼板のみで構成したバッテリパックをプラグインハイブリッド車両に搭載して、バッテリに含まれる単電池の時間経過に伴う温度変化を測定した。また、比較例では、熱輸送デバイス２を省略した。

実施例では、実施形態２の構成、つまり、バッテリパック１及び熱輸送デバイス２をプラグインハイブリッド自動車に搭載して、バッテリに含まれる単電池１１Ａの時間経過に伴う温度変化を測定した。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において、「放置」は、車両のイグニッションスイッチをオフした状態でプラグインハイブリッド車両を停車させた時間帯を示している。したがって、放置の時間帯は、図１に図示する吸気ファン４４を用いた冷却が停止している。「走行」は、図１に図示するエンジン３４のみを駆動したり、モータジェネレータＭＧ２のみを駆動したり、エンジン３４及びモータジェネレータＭＧ２の双方を駆動したりすることによりプラグインハイブリッド車両が実際に走行している時間帯を示している。「充電」は、図１に図示するインレット６２に外部電源から延びる充電ケーブルのコネクタを接続することにより、プラグインハイブリッド車両を充電している時間帯を示している。実験結果を同一基準で比較するために、実験日及び実験場所を同じにして、実施例及び比較例それぞれの単電池の温度を測定した。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）を比較参照して、比較例では、放置中にバッテリケースの内部の温度が相変化蓄熱材１０Ｃの融点を超えて上昇する時間帯があったが、実施例では、常時バッテリケースの内部の温度を相変化蓄熱材１０Ｃの融点若しくは融点以下の温度に抑えることができた。その結果、実施例は、比較例よりも単電池の温度上昇を約５℃抑えることができるということがわかった。つまり、本実施例によれば、特に放置中にバッテリの温度上昇を効果的に抑制できるということがわかった。

比較例のバッテリパックと、実施例のバッテリパックとの寿命差について図７を参照しつつ説明する。比較例では、平均電池温度が高いためバッテリの寿命が約６．２５年と試算されるが、実施例では、平均電池温度が相対的に低くなるためバッテリの寿命が約８年（試算値）となる。これらの結果から、実施形態２の効果が実証された。

（変形例１）
上述の実施形態では、パック内熱交換器２２Ａとパック外熱交換器２２Ｂとの間を循環する低沸騰剤を、液相状態と固相状態とに基づく比重差などにより、自然循環させたが、本発明は必ずしもこれに限るものではない。例えば、ポンプなどの送液手段を用いて、冷媒を強制的に循環する方法であってもよい。この場合、パック外熱交換器２２Ｂは、必ずしもパック内熱交換器２２Ａよりも上方に設置する必要はなく、また、冷媒は常時液相状態を保つものを使用してもよい。この種の冷媒として、例えば、フロリナートを用いることができる。これにより、車両の設計の自由度を高めることができる。なお、バッテリ１１は、バッテリケース１０の複層構造により温度上昇が抑制されているため、ポンプなどの送液手段に用いられる電力は少なくてもよい。例えば、ポンプなどを間欠的に駆動したり、或いは冷媒をゆっくりと循環させることにより、消費電力を抑えることもできる。

１バッテリパック２熱輸送デバイス１０バッテリケース
１０Ａ金属材１０Ｂ断熱材１０Ｃ相変化蓄熱材
１１Ａ単電池２１通気管２１Ａ吸気口２１Ｂ排気口
２１Ｃ開閉弁２２Ａパック内熱交換器２２Ｂパック外熱交換器
２３冷却ファン１００バッテリ冷却システム２００車両

Claims

車両を走行させるための動力を発生するモータに作動電力を供給するバッテリと、
前記バッテリを収容するバッテリケースであって、金属からなる第１の層と、前記第１の層よりも前記バッテリに近接した領域に位置する断熱材からなる第２の層と、前記第２の層よりも前記バッテリに近接した領域に位置する相変化蓄熱材からなる第３の層と、を有するバッテリケースと、
前記バッテリケースの内部に配置される第１の熱交換器と、前記バッテリケースの外部であって、前記車両の放熱部に配置され、前記第１の熱交換器よりも上方に位置する第２の熱交換器と、前記第１及び第２の熱交換器の間で冷媒を循環させる循環経路と、を備える熱輸送デバイスと、を有し、
前記循環経路は、
前記第１の熱交換器において前記バッテリケースの内部の空気と熱交換を行うことにより液相状態から気相状態に変化した前記冷媒を、前記第２の熱交換器に移送するための第１の接続管と、
前記第２の熱交換器において前記車両の放熱部と熱交換を行うことにより気相状態から液相状態に変化した前記冷媒を前記第１の熱交換器に移送するための第２の接続管と、を有し、
前記第１及び第２の接続管はそれぞれ、上下方向に延びる縦管を有し、
前記冷媒は、前記第１及び第２の接続管を介して、前記第１及び第２の熱交換器の間を自然循環することを特徴とする車両。
車両を走行させるための動力を発生するモータに作動電力を供給するバッテリと、
前記バッテリを収容するバッテリケースであって、金属からなる第１の層と、前記第１の層よりも前記バッテリに近接した領域に位置する断熱材からなる第２の層と、前記第２の層よりも前記バッテリに近接した領域に位置する相変化蓄熱材からなる第３の層と、を有するバッテリケースと、
前記バッテリケースの内部に配置される第１の熱交換器と、前記バッテリケースの外部であって、前記車両の内外において空気を導く通気管に配置される第２の熱交換器と、前記第１及び第２の熱交換器の間で冷媒を循環させる循環経路と、を備える熱輸送デバイスと、を有し、
前記通気管は、上下方向に延びる直管形状部と、上下方向に対して傾斜した傾斜管形状部と、を有し、
前記第２の熱交換器は、前記傾斜管形状部において、前記通気管の内部に入射する直射日光により照射される照射領域を避けた非照射領域に配置されることを特徴とする車両。
前記バッテリは、複数の単電池が配列された電池群であることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両。
前記循環経路は、
前記第１の熱交換器において前記バッテリケースの内部の空気と熱交換を行うことにより液相状態から気相状態に変化した前記冷媒を、前記第２の熱交換器に移送するための第１の接続管と、
前記第２の熱交換器において前記通気管と熱交換を行うことにより気相状態から液相状態に変化した前記冷媒を前記第１の熱交換器に移送するための第２の接続管と、を有することを特徴とする請求項２に記載の車両。
前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器よりも上方に位置し、
前記第１及び第２の接続管はそれぞれ、上下方向に延びる縦管を有し、
前記冷媒は、前記第１及び第２の接続管を介して、前記第１及び第２の熱交換器の間を自然循環することを特徴とする請求項４に記載の車両。
前記車両の放熱部は、前記車両の内外において空気を導く通気管であることを特徴とする請求項１に記載の車両。
前記通気管には、空気の通過を許容する開き位置と、空気の通過を抑制する閉じ位置との間で動作する開閉弁が配置されていることを特徴とする請求項２又は６に記載の車両。
前記開閉弁を駆動する駆動部を有し、
前記駆動部は、車外の温度が前記バッテリの入出力特性に基づき設定される閾値よりも低い場合には、前記開閉弁を前記閉じ位置に動作させ、車外の温度が前記閾値以上である場合には、前記開閉弁を前記開き位置に動作させることを特徴とする請求項７に記載の車両。