JP6756278B2

JP6756278B2 - バッテリ冷却システム

Info

Publication number: JP6756278B2
Application number: JP2017021285A
Authority: JP
Inventors: 一眞淺倉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: JP2018127087A

Description

本発明は、バッテリモジュールと冷却器とを備えるバッテリ冷却システムに関する。

従来から、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車両（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車両（ＰＨＶ）、鉄道車両等では、車両の駆動源として回転電機が用いられ、回転電機の電力源として、車両には複数のバッテリセルを備えるバッテリモジュール（バッテリスタックまたは組電池）が、ケース等に収容されたバッテリパックとして搭載されている。

バッテリモジュールの冷却方法としては、バッテリモジュールの上下または側面に給気チャンバおよび排気チャンバを設け、給気チャンバから供給された冷却風（空気）を、バッテリセル間に設けられた冷却通路に通過させ、バッテリセルを冷却した後の排気を排気チャンバから排出することにより、個々のバッテリセルを冷却する方式が知られている。

ＰＨＶおよびＥＶ等の車両では、回転電機のみでの高速走行や走行距離の延長が求められており、バッテリの負荷および出力継続時間が増加する傾向にある。従来の熱伝導のみを利用した冷却風による冷却システムに対して、バッテリ温度制御をより一層効率化できるシステムとして、熱伝導に加えて冷媒の気化熱（潜熱）を利用して冷却する冷却器（熱交換器）を用いたシステムがある。

特許文献１には、複数のバッテリを収容するバッテリパック筐体と、複数のバッテリの下面と下側バッテリパック筐体パネルの上面との間に置かれ、冷却剤を含む冷却剤チャネルと一体にされる複数の変形可能な冷却導管と、冷却剤の特性を監視するセンサーと、センサーに結合されたセンサー監視サブシステムとを備え、複数の変形可能な冷却導管の変形をセンサーによって監視された特性により検出するバッテリパック損傷検出システムが開示されている。特許文献１には、液体冷却剤、即ち熱移動媒質が、複数の変形可能な冷却導管を通して圧送され、複数の導管の中の冷却剤の流れを制御すること、および／または、冷却剤から別の温度制御システムへの熱移動を制御することにより、複数のセルが好ましい動作範囲に維持されるように、複数のセルの温度が制御されると記載されている。

特開２０１５−１１９６２６号公報

冷却器の内部に、冷媒を通過させる冷却流路をバッテリモジュールと接する冷却面に沿って複数並べることにより、冷却器に供給する冷媒の流量あたりの冷却効率が向上する。一方、例えば一部のバッテリセルで発熱量が急増した場合等に、冷媒の消費量が局所的に大きくなり、冷却流路を通過する途中で全ての冷媒が蒸発する場合がある（ドライアウト）。ドライアウトが生じると、その位置より下流の冷却流路では液体冷媒が存在しないために冷却性能は著しく低下する。特にＰＨＶおよびＥＶ等の車両におけるバッテリモジュールの冷却手段として冷却器を使用する場合、バッテリモジュールと接する冷却面のあらゆる位置で安定して冷却することが求められるが、冷却流路に流す冷媒は気相および液相の２つの相を有するため、冷媒の流量を制御することで、ドライアウトの発生を抑制し、安定した冷却性能を冷却器に付与することは困難であった。

本発明の目的は、複数のバッテリセルが積層されてなるバッテリモジュールと、バッテリモジュールの底面または側面に配置された冷却器とを備え、冷却器の内部には、冷却器のバッテリモジュールに接する面に沿って冷却流路が配列されているバッテリ冷却システムにおいて、冷却流路を通過する途中で全ての冷媒が蒸発するドライアウトの発生を抑制し、バッテリモジュールを冷却する冷却器の安定性が向上したバッテリ冷却システムを提供することである。

本発明に係るバッテリ冷却システムは、複数のバッテリセルが積層されてなるバッテリモジュールと、前記バッテリモジュールの底面または側面に配置された冷却器とを備えるバッテリ冷却システムであって、前記冷却器は、前記バッテリセルを冷却させる液体冷媒が前記バッテリセルの積層方向に沿って流れる複数の冷却流路を内部に有し、前記複数の冷却流路は、前記バッテリモジュールに当接する第一列を構成する第一冷却流路と、前記バッテリモジュールに当接せずに前記第一列に積層されて前記第一列に当接する第二列を構成する第二冷却流路と、を含み、前記バッテリセルの積層方向に直交する方向で切った前記第一冷却流路の断面積が前記第二冷却流路の断面積よりも小さい、ことを特徴とする。

本発明によれば、第一列を構成する第一冷却流路および第二列を構成する第二冷却流路のそれぞれにおいて液体冷媒が冷却器を冷却するため、バッテリモジュールを冷却する冷却器における冷媒のドライアウトの発生を抑制することができる。さらに、第一列を構成する第一冷却流路においてドライアウトが発生した場合であっても、第二列を構成する第二冷却流路により冷却器全体としての冷却能力の低下が抑制されるため、冷却器の安定性が向上したバッテリ冷却システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係るバッテリ冷却システムの一例を示す。冷却器を含む冷媒分配構造の一例を示す。本発明の実施形態に係るバッテリ冷却システムの他の例を示す。本発明の実施形態に係るバッテリ冷却システムの他の例を示す。第２の実施形態に係るバッテリ冷却システム５０の一例を示す。従来のバッテリ冷却システムの一例を示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るバッテリ冷却システム１０の一例を示す斜視図である。バッテリ冷却システム１０は、複数のバッテリセル１４が積層されたバッテリモジュール１２と、バッテリモジュール１２の底面に配置された冷却器２０とを備える。以下、バッテリセル１４を積層した方向を「積層方向」、積層方向と重力方向に直交する方向を「幅方向」と記載する。

バッテリモジュール１２は、車両の客室下または荷室下等に形成される収容スペースに、ケース等に収容されたバッテリパックとして配置される。収容スペースは、例えば、客室の床面に設けられたシート、コンソール、フロアケース、フロアカーペット、または、荷室の床面に設けられたデッキケース等の、車両の内装部材下に形成される。バッテリモジュール１２は、車両駆動用の電動機に電力を供給し、また、回生制動などによって電動機で発電された電力により充電される。

バッテリモジュール１２は、積層された複数の、平板状の略直方体の形状を有するバッテリセル１４で構成される略直方体の形状を有しており、バッテリセル１４の積層方向はバッテリモジュール１２の長手方向を形成している。複数のバッテリセル１４は、例えばバスバー等によって電気的に接続されている。バッテリセル１４は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池であってよい。積層された複数のバッテリセル１４は、例えば、ネジ止め、ボルト、接着剤等の公知の固定手段によって、冷却器２０上に固定される。

図１に示すバッテリ冷却システム１０では、複数のバッテリセル１４は隙間なく積層される。本実施形態のバッテリ冷却システム１０では、後述するように、バッテリセル１４の底面に配置された冷却器２０によってバッテリセル１４が冷却される。そのため、隣り合うバッテリセル１４間に設けた隙間に冷却風を通過させることでバッテリセル１４を冷却する冷却システムと異なり、冷却器２０が十分な冷却性能を有する限り、複数のバッテリセル１４を隙間を空けて積層する必要は無い。本実施形態のバッテリ冷却システム１０では、複数のバッテリセル１４を隙間なく積層することにより、バッテリモジュール１２が占める空間あたりのバッテリモジュール１２の出力量を増やすことができる。

図１に示す冷却器２０は、積層方向に沿って延びる複数の冷却流路２２を内部に有し、複数の冷却流路２２は、バッテリモジュール１２の底面に当接する第一列２４と、第一列２４に当接する第二列２６とを構成する。以下、第一列２４を構成する冷却流路２２を「近冷却路２２ａ」といい、第二列２６を構成する冷却流路２２を「遠冷却路２２ｂ」という。また、近冷却路２２ａと遠冷却路２２ｂとを区別しない場合は、単に「冷却流路２２」という。

図１に示す冷却器２０では、第一列２４を構成する近冷却路２２ａは、幅方向に間隔をあけて互いに平行に並んで配置されており、遠冷却路２２ｂも同様に、幅方向に間隔をあけて互いに平行に並んで配置されている。第一列２４および第二列２６は、上下方向に間隔をあけて互いに平行に配置されている。したがって、冷却器２０の積層方向に垂直な横断面は、積層方向にわたり同じ断面形状を有する。

本実施形態に係るバッテリモジュール１２と冷却器２０とを備えるバッテリ冷却システム１０は、冷凍サイクルを実現する冷媒循環装置の一部を構成する。当該冷媒循環装置としては、例えば、ガスまたは液体の冷媒が循環する環状配管に、液体冷媒をガス冷媒として被冷却物であるバッテリモジュール１２から熱を吸収する熱交換器である冷却器２０、ガス冷媒を圧縮する圧縮機、ガス冷媒を圧縮して放熱させ液体冷媒とする凝縮器、および、液体冷媒を細孔に通過させて減圧および流量制御を行う膨張弁を、この順で配置した冷媒循環装置が挙げられる。

図２に、本実施形態に係る冷却器２０を含み、本実施形態に係る冷却器２０に冷媒を分配する冷媒分配構造の一例を示す。図２では、冷却流路２２の上流側開口端が入口側チャンバ２８に接続し、冷却流路２２の下流側開口端が出口側チャンバ３０に接続する。入口側チャンバ２８は、例えば、冷媒循環装置の膨張弁（図示せず）等と連通する配管３２に接続している。出口側チャンバ３０は、例えば、冷媒循環装置の圧縮機（図示せず）等と連通する配管３２に接続している。膨張弁を通過した低温・低圧の液体冷媒は、入口側チャンバ２８に送り込まれた後、冷却器２０内部の冷却流路２２を積層方向に沿って流れる。液体冷媒の一部は、冷却流路２２を流れる間に冷却器２０からの熱を吸収して気化する。気化したガス冷媒および冷却流路２２で消費されなかった液体冷媒は、出口側チャンバ３０を経由して、配管３２を通じて圧縮機等に送られる。

このように、冷媒が積層方向に沿って冷却流路２２を流れる間に冷却器２０が冷却され、冷却された冷却器２０が近接するバッテリセル１４から生じた熱を吸収することにより、バッテリセル１４は冷却される。冷却流路２２内を流れる冷媒の流量は、冷媒循環装置の膨張弁および圧縮機等によって、バッテリセル１４の冷却機能が発揮される範囲に制御される。

本実施形態に係るバッテリ冷却システム１０に用いられる冷却器２０の機能、特に、冷却流路２２が第一列２４と第二列２６を含む複数列を構成することの利点について、図１に示す本実施形態のバッテリ冷却システム１０と、図６に示す従来のバッテリ冷却システム６０の一例とを対比しながら説明する。なお、バッテリ冷却システム６０につき、バッテリ冷却システム１０と同等の機能を有する部材には同一の符号を付している。

図６に示す従来のバッテリ冷却システム６０は、複数のバッテリセル１４が積層されたバッテリモジュール１２と、バッテリモジュール１２の底面に配置された冷却器６２とを備える。冷却器６２は、積層方向に沿って延びる複数の冷却流路２２を内部に有する熱交換器であって、冷却流路２２はバッテリモジュール１２の底面に当接する一列のみを構成する。以下、従来の冷却器６２が有する冷却流路２２を「冷却流路２２ｃ」という。

バッテリ冷却システム６０において、一部のバッテリセル１４で異常な発熱が生じて、冷媒の消費量が局所的に大きくなることで、一部の冷却流路２２ｃの流路途中でドライアウトが発生することがある。ドライアウトが発生した冷却流路２２ｃの内部には液体冷媒が存在しないため、当該冷却流路２２ｃのドライアウトの発生位置より下流側では冷却機能が著しく低下する。この冷却機能の低下は、当初隣接する冷却流路２２ｃによって補われるが、当該隣接する冷却流路２２ｃでの冷媒消費量が増加し、ドライアウト発生の可能性も増加することになる。また、複数の冷却流路２２ｃでドライアウトが発生した場合などでは、隣接する冷却流路２２ｃでは冷却機能を補いきれず、バッテリセル１４の冷却が不十分となる事態も考えられる。

冷却流路２２ｃ内を流れる冷媒の流量は、冷却流路２２ｃにおけるドライアウトの発生を防止し、冷却器６２が十分なバッテリセル１４の冷却能力を保持するように、制御される。例えば、バッテリモジュール１２の温度を測定し、測定されたバッテリ温度に基づいて、冷却器６２内を流れる冷媒の流量を制御する手法がある。しかしながら、冷却器６２に通過させる流体は、比重の大きく異なる気相および液相の２相を含むことから、複数の流路に均等に冷媒を配分することは難しく、液体冷媒の流量が少なく、ドライアウトが生じやすい冷却流路２２ｃが出現するおそれがある。ましてや、ドライアウトが発生した冷却流路２２ｃに対して冷媒の流量を選択的に増加させるような制御を行うことは非常に困難である。また、バッテリの冷却と車室内の空調とで冷媒を共用する場合、ユーザの操作による車室内空調への出力に優先的に冷媒が配分されるため、バッテリモジュール１２の冷却に要する冷媒流量を十分に確保できないことも考えられる。

本発明者らは、バッテリモジュール１２の底面に当接する第一列２４と、第一列２４に当接する第二列２６とを構成する複数の冷却流路２２を内部に有する本実施形態に係る冷却器２０が、冷却流路２２におけるドライアウトの発生を抑制できることを見出した。本実施形態に係る冷却器２０では、第一列２４を構成する近冷却路２２ａと、第二列２６を構成する遠冷却路２２ｂのそれぞれで液体冷媒が冷却器２０を冷却するため、例えば一部のバッテリセル１４に異常発熱等が起きた場合であっても、一列の冷却流路２２ｃのみを有する冷却器６２に比べて、第一列２４でのドライアウトの発生を抑えることができる。また、仮に近冷却路２２ａの一部でドライアウトが発生したとしても、そのドライアウトが発生した近冷却路２２ａを取り囲むように配置された遠冷却路２２ｂにより冷却器２０が冷却されているため、ドライアウト発生地点より下流側にあるバッテリセル１４に対する冷却能力の低下を抑制することができる。

図１に示す冷却器２０では、同じ矩形状の流路断面を有する複数の近冷却路２２ａによって第一列２４が構成され、また、同じ矩形状の流路断面を有する複数の遠冷却路２２ｂによって第二列２６が構成されている。複数の近冷却路２２ａおよび複数の遠冷却路２２ｂによって第一列２４および第二列２６のそれぞれを構成することで、幅広の単一流路のみで各列を構成する場合と比較して、冷却流路２２の内周面の表面積の総量が増えて、冷却器２０に供給する冷媒の単位流量あたりの冷却効率を向上させることができる。冷却流路２２の数、位置、形状および断面積は、図１に示す態様に限定されるものではなく、冷却器２０に対して要求されるバッテリセル１４の冷却性能、冷媒の種類、冷却器２０を構成する材料等に応じて適宜変更すればよい。また、本実施形態に係るバッテリ冷却システムでは、冷却流路が複数列を構成する冷却器をバッテリモジュールの側面に配置してもよく、複数の冷却器をバッテリモジュールの底面または側面に配置してもよい。

冷却器２０は、伝熱性の高い材料、例えば、アルミニウム、スチール等の金属材料等で構成されてよい。冷却器２０を製造するには、押出成形、インジェクション成形等の公知の方法で当該材料を成形すればよい。冷媒としては、電気的絶縁性を有し、バッテリモジュール１２の作動温度範囲で使用できる公知の液体冷媒を用いればよい。

図３は、本実施形態に係るバッテリ冷却システム１０のうち、冷却流路２２の断面形状が異なる冷却器４０を用いた他の例を示す斜視図である。図３に示す冷却器４０では、第一列２４を構成する近冷却路２２ａの断面積が、第二列２６を構成する遠冷却路２２ｂの断面積よりも小さい。すると、遠冷却路２２ｂに対して、近冷却路２２ａの内周面の表面積が大きくなり、また、近冷却路２２ａを通過する冷媒の流速および流量が増加する。よって、図３に示す冷却器４０では、バッテリモジュール１２に近接する第一列２４を構成する近冷却路２２ａが、第二列２６を構成する遠冷却路２２ｂに対して相対的に高い冷却性能を有するため、冷却器４０に供給する冷媒の単位流量あたりの冷却効率を向上させることができる。また、近冷却路２２ａでの冷却効率向上に伴い、ドライアウト発生の可能性が高まるとも考えられるが、第一列２４に当接する第二列２６でも冷却が行われるため、近冷却路２２ａでのドライアウトが生じにくくなり、また、ドライアウトが発生した場合であっても、冷却器４０全体としての冷却能力の低下を抑制できると考えられる。

図４は、本実施形態のバッテリ冷却システム１０の他の例を示す。図４では、図１で示した部材と同等の機能を有する部材に同一の符号を付している。図４（ａ）は、バッテリ冷却システム１０を上方から見た図であり、冷媒の流れを矢印および破線で示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）で示すバッテリモジュール１２ａおよび１２ｂのＡ−Ａ線での部分断面図である。

図４に示すバッテリ冷却システム１０では、複数のバッテリモジュール１２を備え、バッテリモジュール１２ａの底面に冷却流路２２が複数列を構成する冷却器２０が配置され、バッテリモジュール１２ｂの底面に一列の冷却流路２２のみを内部に有する従来の冷却器６２が配置されている。また、冷却器２０と冷却器６２とが直列接続された直列冷却回路を構成し、冷却器２０は冷却器６２に対して上流側に配置されている。従来、複数のバッテリモジュール１２を単一の冷媒循環装置で冷却する場合、冷媒流量の制御が比較的容易であり、バッテリモジュール１２毎の冷媒総量の均一性も容易に担保できることから、各冷却器６２は通常直列に接続されていた。しかしながら、複数の冷却器６２を直列で接続した直列冷却回路において、最初に冷媒が流れる冷却器６２でドライアウトが生じると、２番目以降の冷却器６２で冷却を行うことができなくなる。

それに対して、図４に示すように、少なくとも最初に冷媒が供給されるバッテリモジュール１２ａを、冷却流路２２が複数列を構成する冷却器２０を用いて冷却することで、ドライアウトの発生を抑制できる。また、冷却器２０の第一列２４でドライアウトが発生したとしても、冷却器２０の第二列２６ではドライアウトが発生しない可能性が高いため、当該第二列２６の冷却流路２２を通過して出口側チャンバ３０で集められた液体冷媒を、配管３２および入口側チャンバ２８を介して再度冷却器６２に供給できる。これにより、図４に示すバッテリ冷却システム１０では、冷却器６２によるバッテリモジュール１２ｂの冷却機能を担保することができる。

なお、図４に示すバッテリ冷却システム１０では、冷却流路２２が複数列を構成する冷却器２０がバッテリモジュール１２ａのみに配置されているが、バッテリモジュール１２ｂにも冷却器２０を配置させた冷却システムはより好ましい。バッテリモジュール１２ｂを冷却する冷却器におけるドライアウトの発生を抑制し、また、ドライアウトが発生してもバッテリモジュール１２ｂに対する冷却能力の低下を抑制できるためである。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係るバッテリ冷却システム５０の一例を示す斜視図であり、図１等で示した部材と同等の機能を有する部材に同一の符号を付している。図５に示す冷却器５２は、積層方向に沿って延びる複数の冷却流路２２を内部に有するとともに、積層方向に沿って延びる貫通孔の両開口端が閉塞されてなる複数の中空管５４を内部に有する。冷却器５２では、バッテリモジュール１２の底面に当接する第一列５６が、幅方向両端にある中空管５４と、中空管５４に挟まれるように配置されている複数の冷却流路２２とによって構成されている。また、第一列５６に当接する第二列５８が、中空管５４によって構成されている。第一列５６を構成する冷却流路２２および中空管５４は、幅方向に間隔をあけて互いに平行に並び、第二列５８を構成する中空管５４も、幅方向に間隔をあけて互いに平行に並んでいる。また、第一列５６および第二列５８は、上下方向に間隔をあけて互いに平行に配置されている。したがって、冷却器５２の積層方向に垂直な横断面は、積層方向にわたり同じ断面形状を有する。

図５に示す冷却器５２の内部にある両端が閉塞された中空管５４は、断熱層として機能する。したがって、冷却器５２のバッテリモジュール１２の底面に当接する第一列５６のみに冷却流路２２を配置し、さらに冷却流路２２の左右および下方を両端が閉塞された中空管５４で取り囲むことで、バッテリモジュール１２の底面以外からの熱の吸収による冷媒の消費を抑えることができる。これにより、バッテリモジュール１２の冷却性能を向上させ、冷却器５２に供給する冷媒の流量あたりの効率が高いバッテリモジュール１２の冷却を実現できる。

１０，５０，６０バッテリ冷却システム、１２，１２ａ，１２ｂバッテリモジュール、１４バッテリセル、２０，４０，５２，６２冷却器、２２，２２ｃ冷却流路、２２ａ近冷却路、２２ｂ遠冷却路、２４，５６第一列、２６，５８第二列、２８入口側チャンバ、３０出口側チャンバ、３２配管、５４中空管。

Claims

複数のバッテリセルが積層されてなるバッテリモジュールと、前記バッテリモジュールの底面または側面に配置された冷却器とを備えるバッテリ冷却システムであって、
前記冷却器は、前記バッテリセルを冷却させる液体冷媒が前記バッテリセルの積層方向に沿って流れる複数の冷却流路を内部に有し、
前記複数の冷却流路は、前記バッテリモジュールに当接する第一列を構成する第一冷却流路と、前記バッテリモジュールに当接せずに前記第一列に積層されて前記第一列に当接する第二列を構成する第二冷却流路と、を含み、
前記バッテリセルの積層方向に直交する方向で切った前記第一冷却流路の断面積が前記第二冷却流路の断面積よりも小さい、
ことを特徴とするバッテリ冷却システム。