JP6220549B2 - バッテリ温度調整ユニット及びそれを用いてなるバッテリモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリを収納するモジュールケースの内部の空気を温度調整して循環する構成のバッテリ温度調整ユニットに関する。
電気自動車やハイブリッドカーには車両走行用の電力を貯えるバッテリが搭載されている。バッテリモジュールとしては、車室内空調を行なう冷凍サイクルを利用して、バッテリを冷却可能とした構成が知られている。例えば特許文献１及び２に開示されているバッテリモジュールは、冷凍サイクルの熱交換器を通過することによって冷却された空気を送風手段にてバッテリに送るものである。また、特許文献３に開示されているバッテリモジュールは、バッテリをモジュールケースの内部に配置するとともに、そのモジュールケースに冷凍サイクルの冷媒を流通する熱交換器を設けてなるものである。特に、同文献の図１２及び図１４には、熱交換器で冷却したモジュールケースの内部の空気をバッテリに供給する構成が開示されている。
これらの従来技術からも解るように、冷却した空気を以ってバッテリを冷却する構成としては、（Ａ）外部から吸入した空気を冷却してバッテリに送り、外部に排出する構成と、（Ｂ）バッテリを収納するモジュールケースの内部の空気を冷却して循環する構成とが知られている。ここで、構成（Ａ）のように外部から吸入した空気を利用すると、埃や水分も吸入するおそれがある。バッテリが精密な電子部品であることを考慮すると、構成（Ａ）は適切とはいえない。この点、構成（Ｂ）は、バッテリを収納するモジュールケースの内部の空気を循環するので、埃や水分を吸入するおそれがない。つまり、空気を冷却する熱交換器をバッテリケースの内部に配置して構成（Ｂ）のようにバッテリを冷却すれば、外部から飛来する埃や水分からバッテリを隔離することができるという利点がある。
特開２００６−１４３１８３号公報 特開２００７−１８５９９７号公報 国際公開第２００８／０１８３７４号パンフレット
ところで、バッテリを均一に冷却するためには、バッテリに対して大量の空気を供給することが望ましい。電気自動車やハイブリッドカーの走行用電力を貯えるバッテリは、バッテリセルと呼ばれる単電池が多数配置されてなるものであり、例えば規則的な間隔を設けて配置されるなど、複雑な表面形状を有している。このようなバッテリに対しては、表面に空気が滞留して冷却不足となる部位が残らないように、十分な量の空気を供給することが必要である。
すると、バッテリを収納するモジュールケースの内部に、熱交換器及び送風手段を備えたバッテリ温度調整ユニットを配置し、そのユニットにてモジュールケースの内部の空気を大量に循環し、且つ冷却できるように構成するとよいと考えられる。しかしながら、送風手段によって移動する空気のすべてが熱交換器を通過する構成とすると、熱交換器の通気抵抗により、空気の循環が満足に得られない場合が考えられる。また、空気の循環を向上するべく送風手段の能力を引き上げると、送風手段のコストの上昇につながるという事情もある。
尚、バッテリは、その能力を適切に得るために加熱される場合もある。熱交換器としては、空気を冷却してバッテリを冷却する冷却用熱交換器の他、空気を過熱してバッテリを加熱する加熱用熱交換器や、流通する媒体の温度によって冷却と加熱とを切換える汎用タイプの熱交換器が考えられる。熱交換器の通気抵抗の問題は、いずれの熱交換器にも共通に存在する。
本願発明者は、構成（Ｂ）を採用するバッテリモジュールの技術分野において、現状の電気自動車やハイブリッドカーにおけるバッテリを温度調整するために求められる熱交換器の能力と、バッテリに供給すべき空気の量との関係を踏まえた上で、より優れたバッテリ温度調整ユニットを得るべく設計と検証を繰り返すことにより、本発明を達成した次第である。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、適度に温度調整された空気を効率よくバッテリに供給できるバッテリ温度調整ユニットを提供することである。
本願第１請求項に記載した発明は、バッテリ（２）を収納するモジュールケース（１０）の内部に設けられる当該モジュールケース（１０）とは別製のユニット（１００）であって、
このユニット（１００）は、吸込み口（１１１）及び吹出し口（１１２）を有するユニットケース（１１０）と、前記ユニットケース（１１０）の内部に配置された熱交換器（１２０）及び送風手段（１３０）とを備え、
前記モジュールケース（１０）の内部の空気は、前記送風手段（１３０）により前記吸込み口（１１１）から吸込まれるとともに前記吹出し口（１１２）から吹出されて、前記モジュールケース（１０）の内部を循環し、
前記吹出し口（１１２）から吹出される空気は、前記熱交換器（１２０）を通過した空気と、前記熱交換器（１２０）を通過していない空気とを含み、かつ、これらの空気は、外部から取り入れることなく前記モジュールケース（１０）の内部を循環する空気のみで構成され、
前記熱交換器（１２０）は、前記送風手段（１３０）よりも前記吸込み口（１１１）側に配置されており、
前記ユニットケース（１１０）は、前記熱交換器（１２０）と前記送風手段（１３０）との間の部位に第２の吸込み口（１１３）を設けてなり、
前記第２の吸込み口（１１３）は、前記モジュールケース（１０）の内部に面していることを特徴とするバッテリ温度調整ユニット（１００）である。
本願第２請求項に記載した発明は、バッテリ（２）を収納するモジュールケース（１０）の内部に設けられる当該モジュールケース（１０）とは別製のユニット（１００）であって、
このユニット（１００）は、吸込み口（１１１）及び吹出し口（１１２）を有するユニットケース（１１０）と、前記ユニットケース（１１０）の内部に配置された熱交換器（１２０）及び送風手段（１３０）とを備え、
前記モジュールケース（１０）の内部の空気は、前記送風手段（１３０）により前記吸込み口（１１１）から吸込まれるとともに前記吹出し口（１１２）から吹出されて、前記モジュールケース（１０）の内部を循環し、
前記吹出し口（１１２）から吹出される空気は、前記熱交換器（１２０）を通過した空気と、前記熱交換器（１２０）を通過していない空気とを含み、かつ、これらの空気は、外部から取り入れることなく前記モジュールケース（１０）の内部を循環する空気のみで構成され、
前記熱交換器（１２０）は、前記送風手段（１３０）よりも前記吸込み口（１１１）側に配置されており、
前記熱交換器（１２０）の側部には、当該熱交換器（１２０）を迂回するバイパス路（１１４）が設けられているバッテリ温度調整ユニット（１００）である。
本発明によれば、適度に温度調整された空気を効率よくバッテリに供給できるバッテリ温度調整ユニットを得ることができる。以下に、その考え方を説明する。
バッテリ温度調整ユニットは、ユニットケースの内部に熱交換器及び送風手段を配置してなるものである。モジュールケースの内部の空気は送風手段によって循環され、熱交換器によって温度が調整される。
ここで、熱交換器による空気の温度調整の効率を考慮すると、ユニットケースの吹出し口から吹出される空気は、全て熱交換器を通過していることが望ましい。しかし、熱交換器を小型化された高性能のものとすると、空気が通過できる面積が小さくなるため、その熱交換器は通気抵抗が大きくなるという事情がある。その結果、ユニットケースの吹出し口から吹出される空気の量が減少し、大量の空気を供給することができない。言い換えると、モジュールケースの内部を循環する空気の速度を上げることができない。また、通気抵抗を小さくするために空気が通過できる面積を大きくすると、その熱交換器は大型化してしまう。バッテリ温度調整ユニットの大型化という問題が生じる。
結論としては、小型化された高性能の熱交換器を用いると同時に、送風手段の性能を十分に活用するべくユニットケースの構造を工夫することにより、ユニットケースの吹出し口から吹出される空気の量を調整するとよい。
本発明は、吹出し口から吹出される空気に、熱交換器を通過した空気と、熱交換器を通過していない空気とが含まれるように、ユニットケースに工夫を施してなるものである。このような構成によると、送風手段の性能に対して、熱交換器による空気の温度調整と、空気によるバッテリの温度調整とをバランスよく確保することができる。
このように、吹出し口から吹き出す空気に熱交換器を通過していない空気が含まれるようにしたことで、モジュールケースの内部の空気を合理的に循環することができる。その結果、バッテリの温度調整の効率が確実に向上する。本発明の構成が極めて有効であることは、本願発明者の試作実験によっても確認されている。
本発明によれば、適度に温度調整された空気を効率よくバッテリに供給できるバッテリ温度調整ユニットを得ることができる。
本発明の第１実施例に係り、バッテリモジュールを示す説明図である。図中の白矢印はモジュールケースの内部の空気が流れる方向を示している。 本発明の第１実施例に係り、バッテリ温度調整ユニットの側面を示す説明図である。 本発明の第１実施例に係り、バッテリ温度調整ユニットの側面断面を示す説明図である。 本発明の第１実施例に係り、バッテリ温度調整ユニット（ヒーターを装着した状態）の側面断面を示す説明図である。 本発明の第２実施例に係り、バッテリ温度調整ユニットの側面断面を示す説明図である。 本発明の第３実施例に係り、バッテリ温度調整ユニットの側面断面を示す説明図である。
以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１に示すバッテリモジュール１は、電気自動車やハイブリッドカーのバッテリ２を冷却するものである。このバッテリモジュール１は、バッテリ２を収納するモジュールケース１０と、モジュールケース１０の内部に設けられたバッテリ温度調整ユニット１００とを備えている。図２及び図３に示すように、バッテリ温度調整ユニット１００は、熱交換器１２０及び送風手段１３０をユニットケース１１０の内部に配置してなるものであり、モジュールケース１０の内部に例えばねじ止めなどの手段により固定されている。ユニットケース１１０は、吸込み口１１１及び吹出し口１１２を有するダクト構造の部材である。送風手段１３０によりユニットケース１１０の吸込み口１１１から吸込まれたモジュールケース１０の内部の空気は、熱交換器１２０を通過して冷却され、ユニットケース１１０の吹出し口１１２から吹出される。そして、ユニットケース１１０の吹出し口１１２から吹出された空気は、バッテリ２を冷却し、再び吸込み口１１１から吸込まれる。このように、モジュールケース１０の内部の空気は、送風手段１３０により吸込み口１１１から吸込まれるとともに吹出し口１１２から吹出されて、モジュールケース１０の内部を循環する。
バッテリ２は、複数のバッテリセルを所定の支持体に保持してなるものである。モジュールケース１０の内部の空気が各バッテリセルの表面や間を通過することにより冷却される。
モジュールケース１０の具体的構成は、特に限定はしないが、本例の場合、上部開口型の第１モジュールケース部材１１と、その蓋となる第２モジュールケース部材１２と、中板となる第３モジュールケース部材１３とを組付けてなるものである。バッテリモジュール１は、第１モジュールケース部材１１にバッテリ温度調整ユニット１００を配置し、第１モジュールケース部材１１に第３モジュールケース部材１３を組付け、第３モジュールケース部材１３にバッテリ１０を載置し、第１モジュールケース部材１１に第２モジュールケース部材１２を組付けて構成されている。第３モジュールケース部材１３の要所には、ユニットケース１１０の吹出し口１１２と接続される第１連通孔１３ａと、バッテリ２側の空気をバッテリ温度調整ユニット１００側に導く第２連通孔１３ｂとが設けられている。
本例のユニットケース１１０は、吸込み口１１１側に熱交換器１２０が配置されるとともに吹出し口１１２側に送風手段１３０が配置されたものである。つまり、熱交換器１２０は、送風手段１３０よりも吸込み口１１１側に配置されている。このように送風手段１３０の上流側に熱交換器１２０を配置することで、送風手段１３０が空気を吸込むときに、静圧の低下が一律に熱交換器１２０に作用し、空気が均一に熱交換器１２０を通過する。これにより、通気抵抗の上昇を抑制することができる。また、熱交換器１２０と送風手段１３０との間の部位には、第２の吸込み口１１３が設けられている。第２の吸込み口１１３から吸込まれる空気は、熱交換器１２０を通過せずに吹出し口１１２から吹出される。
送風手段１３０は、所定の形状のファンと、そのファンを駆動するモータとを備えている。ファンとしては、比較的低い静圧の範囲に適した多翼送風機として、シロッコファンを採用している。
熱交換器１２０は、車室内空調を行なう冷凍サイクルの冷媒の一部を流通するものである。冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒の熱を車外の空気に放熱して冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を断熱膨張する膨張装置と、断熱膨張された冷媒と車室内の空気との間で熱の交換を行う空調用蒸発器とを備えている。冷媒は、圧縮機、凝縮器、膨張装置、空調用蒸発器、圧縮機の順に流れる。さらに、この冷凍サイクルは、膨張装置から空調用蒸発器に流れる冷媒の一部を熱交換器１２０へ流すことのできる冷媒分岐部と、熱交換器１２０に冷媒を送るか否かを制御する制御弁とを備えている。必要に応じて制御弁を駆動することにより、空調用蒸発器に流れる冷媒の一部が迂回して熱交換器１２０を流通し、圧縮機に戻る構成となっている。
この熱交換器１２０は、互いに平行に配置された複数のチューブと、複数のチューブの間に設けられた複数のコルゲートフィンと、複数のチューブの端部がそれぞれ接続された一対のヘッダと、一対のヘッダに設けられた入口配管継手及び出口配管継手とを備えている。冷凍サイクルの冷媒を流通する配管１２１は、各配管継手（図示せず）にそれぞれ接続されている。モジュールケース１０の内部の空気は、複数のチューブ及び複数のコルゲートフィンを介して、熱交換器１２０を流通する冷媒により冷却される。
尚、モジュールケース１０としては、断熱性及び密閉性に優れたものが望ましい。各モジュールケース部材１１，１２，１３は、シール部材を介して組付けるように構成してもよい。また、配管１２１を挿通する孔部や、バッテリ２や送風手段１３０の電気配線を挿通する孔部には、グロメット等の密閉手段を設けるとよい。更に、モジュールケース１０の要所には、気圧の変化に応じてモジュールケース１０の内部圧力を調整するための通気孔を設けてもよい。その場合、通気孔には埃の浸入を防止するフィルタを設けるとよい。
さて、本例のユニットケース１１０は、前述したように第２の吸込み口１１３から空気を吸込むことにより、吹出し口１１２から吹出される空気に熱交換器１２０を通過していない空気が含まれるように構成されている。
このような構成によると、熱交換器１２０による空気の冷却と、吹出し口１１２から吹出される空気によるバッテリ２の冷却とをバランスよく確保することができ、バッテリ２の冷却効率を確実に向上することができる。
第２の吸込み口１１３の数、形状、大きさ、及び位置等は、バッテリ２の冷却効率を考慮して適宜に設定する。図例したユニットケース１１０は、熱交換器１２０と送風手段１３０との間の部位に、円形又は略円形を呈する第２の吸込み口１１３を所定の間隔で設けてなるものである。
本願発明者は、吹出し口１１２から吹出される空気に含まれる熱交換器１２０を通過していない空気の割合（第２の吸込み口１１３から吸込んだ空気の割合）について、実験検証を行なった。吹出し口１１２から吹出される空気の量を１００−２００［ｍ３／ｈ］としたとき、その割合の実用的な範囲は１０−５０[パーセント］であり、より好ましくは１５−３０[パーセント］であった。
熱交換器１２０を通過していない空気の割合がこの範囲よりも小さいと、熱交換器１２０の通気抵抗により、バッテリ２に供給する空気の量を満足に確保することが難しくなる。仮に、バッテリ２に供給する空気の量を満足に確保するために送風手段１３０の性能を向上すると、熱交換器１２０を通過する空気の量が必要以上に増加するうえに、送風手段１３０のコストも上昇する。また、熱交換器１２０を通過していない空気の割合がこの範囲よりも大きいと、熱交換器１２０を通過する空気の量が減り、熱交換器１２０による空気の冷却が十分に行えなくなる。この点、本例のバッテリ温度調整ユニット１００は、電気自動車やハイブリッドカーのバッテリ２を冷却する場合における望ましい設計条件として、吹出し口１１２から吹出される空気に含まれる熱交換器１２０を通過していない空気の割合を、検証に基づいて好適な値に特定してなるものである。すなわち、使用する熱交換器１２０及び送風手段１３０の双方の性能を十分に利用するべく、極めて合理的に構成されたものとなっている。
以上説明したように、本例のバッテリ温度調整ユニット１００は、熱交換器１２０を通過した空気と、熱交換器１２０を通過していない空気とが吹出し口１１２から吹出されるものであり、適度に冷却された空気をバッテリ２にバランスよく供給できるものである。尚、本例における各部の構成は、特許請求の範囲に記載した技術的範囲において適宜に設計変更が可能であり、図例説明したものに限定されないことは勿論である。
例えば、図４に示すように、ユニットケース１１０に電気ヒーター１４０を設け、電気ヒーター１４０にてモジュールケース１０の内部の空気を加熱し、その空気を介してバッテリ２を加熱するように構成することも可能である。寒冷地では、バッテリ２の安定した放電／蓄電能力を得るために加熱を要する場合があり、ユニットケース１１０に対してこのような電気ヒーター１４０を着脱可能とすれば、より汎用性に優れたバッテリ温度調整ユニット１００を得ることができる。
また、熱交換器１２０については、車室内空調を行なう冷凍サイクルの冷媒の一部を利用する構成を説明したが、車室内空調とは別途にバッテリ冷却用の冷凍サイクルを設けて、その冷凍サイクルの冷媒を利用するように構成することも可能である。
尚、本例の場合、熱交換器１２０としては、空気を冷却してバッテリを冷却する冷却用熱交換器を採用したが、或いは、空気を過熱してバッテリを加熱する加熱用熱交換器や、流通する媒体の温度によって冷却と加熱とを切換える汎用タイプの熱交換器を採用することも可能である。
次に、本発明の第２実施例を図５に基づいて説明する。本例の場合、ユニットケース１１０は、吸込み口１１１側に熱交換器１２０が配置されるとともに吹出し口１１２側に送風手段１３０が配置されたものであり、且つ、吸込み口１１１から吸込まれた空気の一部が熱交換器１２０の側部を通過するよう構成されたものである。熱交換器１２０の側部にはバイパス路１１４が設けられており、吸込み口１１１から吸込まれた空気の一部がそのバイパス路１１４を通過して熱交換器１２０を迂回する構成となっている。
このように、吸込み口１１１から吸込まれた空気の一部が熱交換器１２０を迂回して通過するバイパス路１１４を設けることにより、吹出し口１１２から吹出される空気に熱交換器１２０を通過していない空気が含まれるように構成することも可能である。また、本例のユニットケース１１０に対し、第１実施例で説明した第２の吸込み口１１３を適宜に設けてもよい。バイパス路１１４と第２の吸込み口１１３とを組合せることにより、ユニットケース１１０の設計の自由度を向上することも可能である。
次に、本発明の第３実施例を図６に基づいて説明する。本例の場合、ユニットケース１１０は、吸込み口１１１側に送風手段１３０が配置されるとともに吹出し口１１２側に熱交換器１２０が配置されたものであり、且つ、送風手段１３０から吹出し口１１２に向う空気の一部が熱交換器１２０の側部を通過するように構成されたものである。熱交換器１２０の側部にはユニットケース１１０との間にバイパス路１１５が設けられており、空気の一部がそのバイパス路１１５を通過する構成となっている。
このように、吸込み口１１１側に送風手段１３０が配置されるとともに吹出し口１１２側に熱交換器１２０が配置されたユニットケース１１０は、熱交換器１２０とユニットケース１１０との間にバイパス路１１５を設けることにより、吹出し口１１２から吹出される空気に熱交換器１２０を通過していない空気が含まれるように構成するとよい。
本発明は、電気自動車やハイブリッドカーに搭載されるバッテリ温度調整ユニット、及びそれを備えたバッテリモジュールとして、好適に利用することが可能である。
１ バッテリモジュール
２ バッテリ
１０ モジュールケース
１１ 第１モジュールケース部材
１２ 第２モジュールケース部材
１３ 第３モジュールケース部材
１３ａ 第１連通孔
１３ｂ 第２連通孔
１００ バッテリ温度調整ユニット
１１０ ユニットケース
１１１ 吸込み口
１１２ 吹出し口
１１３ 第２の吸込み口
１１４ バイパス路
１１５ バイパス路
１２０ 熱交換器
１２１ 配管
１３０ 送風手段
１４０ 電気ヒーター

Claims (2)

  1. 車両走行用のバッテリ（２）を収納するモジュールケース（１０）の内部に設けられる当該モジュールケース（１０）とは別製のユニット（１００）であって、
    このユニット（１００）は、吸込み口（１１１）及び吹出し口（１１２）を有するユニットケース（１１０）と、前記ユニットケース（１１０）の内部に配置された熱交換器（１２０）及び送風手段（１３０）とを備え、
    前記モジュールケース（１０）の内部の空気は、前記送風手段（１３０）により前記吸込み口（１１１）から吸込まれるとともに前記吹出し口（１１２）から吹出されて、前記モジュールケース（１０）の内部を循環し、
    前記吹出し口（１１２）から吹出される空気は、前記熱交換器（１２０）を通過した空気と、前記熱交換器（１２０）を通過していない空気とを含み、かつ、これらの空気は、外部から取り入れることなく前記モジュールケース（１０）の内部を循環する空気のみで構成され、
    前記熱交換器（１２０）は、前記送風手段（１３０）よりも前記吸込み口（１１１）側に配置されており、
    前記ユニットケース（１１０）は、前記熱交換器（１２０）と前記送風手段（１３０）との間の部位に第２の吸込み口（１１３）を設けてなり、
    前記第２の吸込み口（１１３）は、前記モジュールケース（１０）の内部に面していることを特徴とする車両走行用のバッテリ温度調整ユニット（１００）。
  2. 車両走行用のバッテリ（２）を収納するモジュールケース（１０）の内部に設けられる当該モジュールケース（１０）とは別製のユニット（１００）であって、
    このユニット（１００）は、吸込み口（１１１）及び吹出し口（１１２）を有するユニットケース（１１０）と、前記ユニットケース（１１０）の内部に配置された熱交換器（１２０）及び送風手段（１３０）とを備え、
    前記モジュールケース（１０）の内部の空気は、前記送風手段（１３０）により前記吸込み口（１１１）から吸込まれるとともに前記吹出し口（１１２）から吹出されて、前記モジュールケース（１０）の内部を循環し、
    前記吹出し口（１１２）から吹出される空気は、前記熱交換器（１２０）を通過した空気と、前記熱交換器（１２０）を通過していない空気とを含み、かつ、これらの空気は、外部から取り入れることなく前記モジュールケース（１０）の内部を循環する空気のみで構成され、
    前記熱交換器（１２０）は、前記送風手段（１３０）よりも前記吸込み口（１１１）側に配置されており、
    前記熱交換器（１２０）の側部には、当該熱交換器（１２０）を迂回するバイパス路（１１４）が設けられていることを特徴とする車両走行用のバッテリ温度調整ユニット（１００）。
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