JP6650608B2 - 車両用電池冷却装置および電池モジュール - Google Patents

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Description

本開示は、車両用電池冷却装置および電池モジュールに関する。
ハイブリッド車や電気自動車には、駆動源であるモータに電力を供給する電池モジュールが搭載される。電池モジュールは、複数の素電池からなる電池パックを備える。電池パックに設けられている素電池は、例えば短絡などにより熱暴走（異常温度上昇）する場合がある。
熱暴走した素電池を冷却する技術として、ケース内に納めた素電池から発生する燃焼ガスに曝される箇所に、所定のバルブから不燃性の冷媒を噴射するバッテリ装置（電池モジュール）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−２３８６５４号公報
特許文献１に係るバッテリ装置では、熱暴走した素電池が冷媒を噴射するバルブから離れた位置にある場合、ケース内に冷媒を噴射しても十分に冷却できない可能性がある。熱暴走した素電池の位置を検出し、冷媒の噴射位置や方向を変える構成にすることも考えられるが、この場合には構成が複雑化する可能性がある。
本開示はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池パック内の素電池が熱暴走した場合に、簡単な構成で電池パック全体を均一に冷却可能な車両用電池冷却装置を提供することにある。
上記課題を解決する本開示のある態様は、複数の素電池を備える電池パックを冷却する車両用電池冷却装置である。この車両用電池冷却装置は、電池パックを冷やす冷却液が入れられたケースと、ケース内を通り、冷却液を冷やす冷媒が流される配管と、配管に設けられて、電池パックの温度に応じて冷媒をケース内に放出する制御弁と、を備える。
本開示によれば、電池パック内の素電池が熱暴走した場合に、簡単な構成で電池パック全体を均一に冷却可能な車両用電池冷却装置を提供できる。
本開示の実施例に係る電池モジュールを示す図である。 本開示の実施例に係る冷却装置の斜視図である。 本開示の実施例に係る冷却装置の分解図である。 本開示の実施例に係る配管の経路を示す概略図である。 本開示の実施例に係る電池モジュールの構成を示すブロック図である。 本開示の実施例に係る電池モジュールが実行する冷却処理のフローチャートを示す図である。
以下の実施例では、同一の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面では、説明の便宜のため、構成要素の一部を適宜省略する。
本開示の実施例を具体的に説明する前に、概要を説明する。実施例は、車両に搭載されている電池パックを冷却する車両用電池冷却装置に関する。この車両用電池冷却装置は、電池パックが載せられるケースと、ケース内を通る配管とを備える。ケースには、電池パックを冷やす冷却液が入れられる。配管には、冷却液を冷やす冷媒が流される。ケース内の配管には制御弁が設けられている。電池パックを構成する複数の素電池のいずれかが短絡などにより熱暴走した場合、制御弁が開いてケース内（冷却液中）に冷媒を放出する。冷媒は、低圧状態から大気放出されることにより極低温（−２０℃以下）となり、その冷媒が冷却液中に広がるとケース全体の温度が下がる。これにより、電池パックの全体を均一に冷やすことが可能になり、熱暴走した素電池もその位置に関わらず冷却できる。以下、実施例を具体的に説明する。
図１は、本開示の実施例に係る電池モジュール１００の斜視図である。電池モジュール１００は、電池パック１０および車両用電池冷却装置２０を備える。以下では、車両用電池冷却装置２０を、単に冷却装置２０とよぶ。電池パック１０は、互いに接続された複数の素電池１２を備え、不図示の車両の駆動モータに給電する。素電池１２は、リチウムイオン二次電池であり、アルミニウム合金により形成された筐体１４に収納されている。電池パック１０は、冷却装置２０の上面に載せられ、底面側から各素電池１２が冷却される。
図２は本開示の実施例に係る冷却装置２０の斜視図であり、図３はその分解図である。冷却装置２０は、ケース２２、カバー２４、配管２６、Ｏリング２８、制御弁３４、攪拌機３６を備える。ケース２２は、樹脂材料により上面が開口とされた箱型に形成されており、冷却液３０が入れられる。冷却液３０は、エチレングリコールを含む不凍液である。カバー２４は、樹脂材料によりケース２２の開口と同一形状に形成され、ケース２２の開口を覆って固定される。Ｏリング２８は、ケース２２とカバー２４との間に挟み込まれて、冷却液３０が入れられる空間を封止する。
配管２６は、ケース２２の内部を通り、冷却液３０を冷やす冷媒が流される。冷媒の一例は、ＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ Ｆｌｕｏｒｏ Ｃａｒｂｏｎ）である。配管２６は、側面の配管口３２を通ってケース２２の内部に導かれ、ケース２２の内部で往復してから、配管口３２を通って外部に導き出される。配管口３２は、不図示のシール材により封止される。制御弁３４は、ケース２２の内部を通る配管２６に設けられる。
制御弁３４は、ソレノイドによりプランジャを動かしてバルブを開閉する電動二方弁であり、電池パック１０の温度に応じて開弁して冷媒をケース２２の内部に放出する。冷媒は、配管２６内での低圧状態から大気放出されることにより極低温（−２０℃以下）となる。放出された冷媒が冷却液３０の中に広がると、ケース２２全体の温度が低下して、電池パック１０を均一に冷却できる。なお、制御弁３４の位置は、ケース２２の内部であれば限定されない。また、ケース２２には、不図示の圧力制御弁が設けられている。圧力制御弁は、制御弁３４が冷媒を放出した場合に開弁し、内部の気体を外部に放出して内部の圧力を一定に保つ。
攪拌機３６は、回転羽根を備える攪拌ファンであり、ケース２２の内部に設けられて冷却液３０を攪拌する。攪拌機３６の攪拌により、ケース２２の内部における冷却液３０の温度差が小さくなる。また、制御弁３４から冷媒が放出された場合、ケース２２における冷媒の広がりを加速させる。これにより、短時間でケース２２全体の温度が低下する。攪拌機３６として電動ウォーターポンプを用いてもよい。この場合にも同様の効果が得られる。制御弁３４および攪拌機３６は、配管口３２を通る配線により接続される後述の冷却制御部により制御されて動作する。
図４は、本開示の実施例に係る配管２６の経路を示す概略図である。配管２６の経路には、コンプレッサ３８、コンデンサ４０、膨張弁４２が設けられている。コンプレッサ３８は、冷却装置２０を通って電池パック１０の熱を吸熱した冷媒（ガス冷媒）を圧縮する。圧縮されて高圧ガスとなった冷媒は、コンデンサ４０において不図示の送風機により冷却され、液化する。液化した冷媒は、膨張弁４２の微小なノズル穴から冷却装置２０の内部の配管２６内に噴射され、低温低圧の気液混合状態となって冷却装置２０の内部を通りながら、冷却液３０を介して電池パック１０を含む周囲の熱を吸熱する。冷却液を介して電池パック１０を冷却した冷媒は、冷却装置２０から再びコンプレッサ３８に向かって流れる。
図５は、本開示の実施例に係る電池モジュール１００の構成を示すブロック図である。本明細書のブロック図で示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラムなどによって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
電池パック１０は、温度検出部４４、電池制御部４６を備える。温度検出部４４は、従来公知の技術により電池パック１０の温度を検出する。電池制御部４６は、電池パック１０から駆動モータを含む各部への電力供給を制御する。電池制御部４６は、電池パック１０の温度が第１温度を超えた場合、各部への電力供給を遮断して電池パック１０を停止させる。第１温度は、電池パック１０の内部の素電池１２に異常が生じたと判断する閾値であり、予め設定される。
冷却装置２０は、制御弁３４および攪拌機３６を制御する冷却制御部４８を備える。冷却制御部４８は、電池制御部４６により停止されて所定時間が経過した後の電池パック１０の温度が第２温度を超えた場合に、制御弁３４を開弁するとともに攪拌機３６を駆動させる。第２温度は、電池パック１０のいずれかの素電池１２に熱暴走が生じたと判断する閾値であり、第１温度以上の値に予め設定される。
図６は、本開示の実施例に係る電池モジュール１００が実行する冷却処理のフローチャートを示す図である。電池モジュール１００は、図６に示す冷却処理を所定の周期で繰り返し実行する。
まず、温度検出部４４が電池パック１０の温度を検出する（Ｓ１１）。次に、電池制御部４６が、電池パック１０の温度と上述の第１温度とを比較する（Ｓ１２）。電池パック１０の温度が第１温度以上だった場合（Ｓ１２のＹ）、電池パック１０の内部の素電池１２に異常が生じた可能性があるため、電池制御部４６は各部への電力供給を遮断して電池パック１０を停止状態とする（Ｓ１３）。電池パック１０の温度が第１温度未満だった場合（Ｓ１２のＮ）、電池パック１０の内部の素電池１２は正常に動作していると判断して処理を終了する。
電池パック１０を停止させた場合、停止してから所定時間が経過した後に、温度検出部４４が再び電池パック１０の温度を検出する（Ｓ１４）。次に、冷却制御部４８が、電池パック１０の温度と上述の第２温度とを比較する（Ｓ１５）。停止後に所定時間が経過したにも関わらず、電池パック１０の温度が下がらず、さらに上昇して第２温度以上となった場合（Ｓ１５のＹ）、いずれかの素電池１２において短絡などによる熱暴走が生じた可能性があるので、冷却制御部４８は制御弁３４を開弁する（Ｓ１６）。また、冷却制御部４８は攪拌機３６を駆動させる（Ｓ１７）。制御弁３４が開弁すると、配管２６の内部より低圧となっているケース２２の内部に冷媒が噴出し、ケース２２の内部に冷媒が広がる。また、攪拌機３６が駆動し、ケース２２の全体に冷媒が一気に拡散する。これにより、ケース２２全体の温度が低下し、電池パック１０を均一に冷却できる。
電池パック１０を停止して所定時間が経過した後に温度が第２温度未満となった場合（Ｓ１５のＮ）、素電池１２の熱暴走は生じていないものとして、冷媒を放出せずに処理を終了する。一度冷媒が放出された冷却装置２０は、継続して使用できなくなるので交換が必要となる。電池パック１０の停止後に温度が低下した場合には、冷媒を放出しない処理とすることで、不必要に冷却装置２０を交換するのを回避できる。なお、電池パック１０の温度が第１温度以上となった場合、車室内に設けられているディスプレイやスピーカなどを通じて、運転者に電池の異常を報知してもよい。これにより、運転者に迅速な対応を促すことができる。
本開示の実施例によれば、電池パック１０内の素電池が熱暴走した場合に、簡単な構成で電池パック１０を均一に冷却できる。電池パック１０の全体を冷却可能であり、熱暴走した素電池１２をその位置に関わらずより確実に冷却できる。
以上、本開示を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
例えば、冷却装置２０には、制御弁３４および攪拌機３６の少なくとも一方を複数設けてもよい。この場合、制御弁３４を開放したときに、短時間でケース２２の全体の温度を下げることができる。また、温度検出部４４は、複数の素電池１２の温度を個々に検出してもよい。この場合、素電池１２の異常をより精度良く検出できる。さらに、実施例では、制御弁３４を開弁した場合に攪拌機３６を駆動させたが、これに限るものではなく、攪拌機３６を常時駆動させてもよい。この場合、ケース２２の全体が均一な温度に保たれるので、電池パック１０の冷却性能が向上する。
本開示の一態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様は、複数の素電池１２を備える電池パック１０を冷却する車両用電池冷却装置２０である。車両用電池冷却装置２０は、電池パック１０を冷やす冷却液３０が入れられたケース２２と、ケース２２内を通り、冷却液３０を冷やす冷媒が流される配管２６と、配管２６に設けられて、電池パック１０の温度に応じて冷媒をケース２２内に放出する制御弁３４と、を備える。
この態様によれば、電池パック１０の温度に応じて制御弁３４が開弁すると、冷却液３０より温度が低い冷媒が拡散してケース２２全体の温度が下がる。これにより、素電池１２の熱暴走といった異常が生じた電池パック１０の全体を均一に冷やすことができる。
冷却液３０を攪拌する攪拌機３６を備えてもよい。この場合、制御弁３４から放出された冷媒が短時間で冷却液３０の中に広がるので、電池パック１０をより短時間で冷却できる。
制御弁３４を制御する冷却制御部４８を備えてもよい。冷却制御部４８は、素電池の異常を検知して動作を停止した電池パック１０が所定の温度に達した場合に、制御弁３４を開放させてもよい。この場合、不必要に制御弁３４を開放して冷媒を放出するのを抑制できる。
本開示の別の態様は、車両用電池冷却装置２０と、当該車両用電池冷却装置２０に搭載された、複数の素電池１２を備える電池パック１０と、を備える電池モジュール１００である。この態様によれば、素電池１２の熱暴走といった異常が生じた場合に、電池パック１０の全体を均一に冷却できるので、素電池１２からの燃焼ガスの噴射や発火といった不具合の発生を抑制できる。
１０ 電池パック、 １２ 素電池、 ２０ 車両用電池冷却装置、 ２２ ケース、 ２６ 配管、 ３０ 冷却液、 ３４ 制御弁、 ３６ 攪拌機、４８ 冷却制御部、 １００ 電池モジュール。
本開示によれば、電池パック内の素電池が熱暴走した場合に、簡単な構成で電池パック全体を均一に冷却可能な車両用電池冷却装置を提供できる。

Claims (4)

  1. 複数の素電池を備える電池パックを冷却する車両用電池冷却装置であって、
    電池パックを冷やす冷却液が入れられたケースと、
    前記ケース内を通り、前記冷却液を冷やす冷媒が流される配管と、
    前記配管に設けられて、電池パックの温度に応じて前記冷媒を前記ケース内に放出する制御弁と、
    を備えることを特徴とする車両用電池冷却装置。
  2. 前記冷却液を攪拌する攪拌機を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用電池冷却装置。
  3. 前記制御弁を制御する冷却制御部を備え、
    前記冷却制御部は、素電池の異常を検知して動作を停止した電池パックが所定の温度に達した場合に、前記制御弁を開放させることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用電池冷却装置。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載の車両用電池冷却装置と、
    当該車両用電池冷却装置に搭載された、複数の素電池を備える電池パックと、
    を備えることを特徴とする電池モジュール。
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