JP7207350B2 - Boiling cooling device and temperature control method - Google Patents
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Description
本発明は、沸騰冷却装置および温度制御方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ebullient cooling device and a temperature control method.
特許文献1には、冷却対象機器の熱により液相の作動流体を蒸発される蒸発器と、蒸発器よりも上方に配置され、気相の作動流体を凝縮させる凝縮器と、蒸発器で気化された気相の作動流体が凝縮器に流通する蒸気通路と、凝縮器で液化された液相の作動流体が蒸発器に流通する液体通路と、液体通路に設けられたヒータと、を備える沸騰冷却装置が開示されている。
ところで、沸騰冷却装置は車両に搭載され、複数の電池セルからなるバッテリモジュールを冷却対象とすることが可能である。この車両に搭載された沸騰冷却装置では、電池セルと接触する蒸発器内の冷媒液面(液相の作動流体の液面)が所定以上の接触面積となるとなるように、例えば液体通路に設けられた開閉弁を用いて作動流体の循環状態を制御することにより、蒸発器内の冷媒液面を保ち、電池セル間での温度バラツキを抑制できる。これにより、バッテリモジュールの寿命性能向上が期待される。 By the way, the ebullient cooling device is mounted on a vehicle and can cool a battery module composed of a plurality of battery cells. In the ebullient cooling device mounted on the vehicle, for example, a liquid passage is provided with a liquid surface so that the liquid level of the refrigerant in the evaporator (the liquid level of the liquid-phase working fluid) in contact with the battery cell has a contact area greater than or equal to a predetermined level. By controlling the circulation state of the working fluid using the on-off valve, it is possible to maintain the refrigerant liquid level in the evaporator and suppress temperature variations among the battery cells. This is expected to improve the life performance of the battery module.
しかしながら、車両に搭載された沸騰冷却装置では、外気温が低い環境下において、作動流体の循環状態を制御できなくなる虞がある。また、路肩停車時など車体が左右に傾斜した状態では、全ての電池セルと接触するような蒸発器内の冷媒液面とはならず、局所的な過冷却が進み、電池セル間での温度バラツキが発生する。そのため、外気が低温時かつ車体が傾斜時の状態が重なる場合には、電池セルの温度のバラツキが拡大してしまう。 However, the boiling cooling device mounted on the vehicle may not be able to control the circulation state of the working fluid in an environment where the outside air temperature is low. In addition, when the vehicle is tilted to the left or right, such as when the vehicle is stopped on the shoulder, the liquid level of the refrigerant in the evaporator does not contact all the battery cells. Variation occurs. Therefore, when the ambient temperature is low and the vehicle body is tilted, variations in the temperature of the battery cells increase.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、外気が低温時に車体が傾斜した状態であっても、電池セルの温度に大きなバラツキが発生することを抑制することができる沸騰冷却装置および温度制御方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an ebullient cooling device capable of suppressing large variations in the temperature of battery cells even when the outside air is cold and the vehicle body is tilted. and to provide a temperature control method.
本発明は、電池セルの熱を吸熱して液相の作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器よりも上方に配置され、前記蒸発器で気化された気相の作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記蒸発器で気化された気相の作動流体を前記凝縮器に流通させる蒸気通路と、前記凝縮器で液化された液相の作動流体を前記蒸発器に流通させる液体通路と、を有するループ型サーモサイフォンを備え、車両に搭載された複数の前記電池セルからなるバッテリモジュールを冷却対象とし、前記蒸発器と前記凝縮器の間で作動流体を循環させる沸騰冷却装置であって、前記液体通路は、前記車両の車体が傾斜した場合に前記蒸発器との接続口よりも下方に位置する下方路を含み、前記下方路に設けられ、電力の供給を受けることにより発熱して前記下方路内の作動流体を加熱する昇温部と、前記液体通路で前記接続口と前記昇温部との間に設けられた開閉弁と、前記電池セルの温度に基づいて前記開閉弁の開閉および前記昇温部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記車体が傾斜した状態、かつ前記電池セルの温度が前記車両の外気温よりも高い状態である場合に、前記開閉弁を閉じて、前記昇温部によって前記下方路内の液相の作動流体を加熱し蒸発させる制御を実行することを特徴とする。 The present invention includes an evaporator that absorbs heat from a battery cell to evaporate a liquid-phase working fluid, and a condenser that is disposed above the evaporator and condenses the vapor-phase working fluid that has been vaporized by the evaporator. a vapor passage for circulating the vapor-phase working fluid vaporized in the evaporator to the condenser; and a liquid passage for circulating the liquid-phase working fluid liquefied in the condenser to the evaporator. A boiling cooling device for cooling a battery module comprising a plurality of the battery cells mounted on a vehicle and circulating a working fluid between the evaporator and the condenser, wherein the The liquid passage includes a lower passage located below a connection port with the evaporator when the vehicle body of the vehicle is tilted, is provided in the lower passage, and is supplied with electric power to generate heat to generate the lower liquid passage. an on-off valve provided between the connection port and the temperature-increasing portion in the liquid passage; opening and closing of the on-off valve based on the temperature of the battery cell; a control unit that controls the temperature raising unit, wherein the control unit controls the on-off valve when the vehicle body is tilted and the temperature of the battery cell is higher than the outside air temperature of the vehicle. is closed to heat and evaporate the liquid-phase working fluid in the lower passage by the temperature raising unit.
本発明は、電池セルの熱を吸熱して液相の作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器よりも上方に配置され、前記蒸発器で気化された気相の作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記蒸発器で気化された気相の作動流体を前記凝縮器に流通させる蒸気通路と、前記凝縮器で液化された液相の作動流体を前記蒸発器に流通させる液体通路と、を有するループ型サーモサイフォンを備え、車両に搭載された複数の前記電池セルからなるバッテリモジュールを冷却対象とし、前記蒸発器と前記凝縮器の間で作動流体を循環させる沸騰冷却装置における前記電池セルの温度制御方法であって、前記車両の車体が傾斜した状態、かつ前記電池セルの温度が前記車両の外気温よりも高い状態である場合に、前記液体通路のうち、当該車体が傾斜した状態において前記蒸発器との接続口よりも下方に位置する下方路内の液相の作動流体を昇温部によって加熱し蒸発させ、かつ前記接続口と前記昇温部との間の前記液体通路を開閉弁によって閉じるステップを含むことを特徴とする。 The present invention includes an evaporator that absorbs heat from a battery cell to evaporate a liquid-phase working fluid, and a condenser that is disposed above the evaporator and condenses the vapor-phase working fluid that has been vaporized by the evaporator. a vapor passage for circulating the vapor-phase working fluid vaporized in the evaporator to the condenser; and a liquid passage for circulating the liquid-phase working fluid liquefied in the condenser to the evaporator. An ebullient cooling device comprising a loop-type thermosiphon, cooling a battery module composed of a plurality of the battery cells mounted on a vehicle, and circulating a working fluid between the evaporator and the condenser. In the temperature control method, when the body of the vehicle is tilted and the temperature of the battery cell is higher than the outside air temperature of the vehicle, the liquid passage is maintained in the state where the body is tilted. A temperature raising section heats and evaporates a liquid-phase working fluid in a lower passage located below a connection port with the evaporator, and opens and closes the liquid passage between the connection port and the temperature raising section. and closing with a valve.
本発明では、外気が低温時かつ車体が傾斜時、液体通路に設けた開閉弁を閉じて作動流体の循環を止めることに加え、昇温部によって下方路内の作動流体を加熱することにより、下方路内で液相の作動流体を蒸発させるとともに作動流体の温度上昇に伴う気相の作動流体の圧力上昇を生じさせることができる。これにより、車体の傾斜により下方路内に滞留した液相の作動流体を蒸発器側に戻すことができる。そのため、外気が低温時かつ車体が傾斜時であっても、蒸発器内の液相の作動流体の液面を全ての電池セルと接触可能な液面にでき、電池セルの温度バラツキを抑制することができる。 In the present invention, when the outside air is cold and the vehicle body is tilted, the on-off valve provided in the liquid passage is closed to stop the circulation of the working fluid, and in addition, the working fluid in the lower passage is heated by the temperature raising section. It is possible to evaporate the liquid-phase working fluid in the lower passage and cause an increase in the pressure of the vapor-phase working fluid as the temperature of the working fluid rises. As a result, the liquid-phase working fluid that has accumulated in the lower passage due to the inclination of the vehicle body can be returned to the evaporator side. Therefore, even when the outside air is cold and the vehicle body is tilted, the liquid level of the liquid-phase working fluid in the evaporator can be brought into contact with all the battery cells, thereby suppressing the temperature variation of the battery cells. be able to.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態における沸騰冷却装置および温度制御方法について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, a boiling cooling device and a temperature control method according to embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment described below.
図1は、実施形態における沸騰冷却装置の概略構成を示す模式図である。図2は、ループ型サーモサイフォン内を作動流体が循環する通常冷却状態を示す模式図である。なお、図2には、作動流体が循環する際の流れが矢印で示されている。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ebullient cooling device according to an embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing a normal cooling state in which the working fluid circulates inside the loop thermosiphon. In FIG. 2, arrows indicate the flow of the working fluid when it circulates.
沸騰冷却装置1は、複数の電池セル2からなるバッテリモジュール3を冷却対象とするものである。この沸騰冷却装置1は、液相と気相とに相変化する作動流体を利用して熱を輸送するループ型サーモサイフォン10を備える。作動流体は、熱輸送媒体であり、気液変化する際に潜熱を利用して吸熱もしくは放熱するものである。
The
電池セル2は、角型に構成されている。バッテリモジュール3は、複数の電池セル2が積層するように配置された構造を有する。また、バッテリモジュール3は電池セル2の積載方向に延在した長方形状の側面(放熱面)を有する。このバッテリモジュール3は電池パック4内に複数設けられている。つまり、電池パック4内には複数の電池セル2が収容されており、外側に近い位置に配置された電池セル2と、中央部分に近い内側に配置された電池セル2とが含まれる。
The
例えば、電池パック4は、電動車両(EV)やプラグインハイブリッド車両(PHV)に搭載される車載バッテリである。この場合、電池パック4には、走行用モータに供給するための電力が蓄えられている。そして、車両が走行する際に、電池パック4は走行用モータに電力を供給する。また、充電スタンドなどの外部電源から充電する際には、外部電源から車載の電池パック4に電力が供給される。このように、放電時と充電時には、通電に伴ってバッテリモジュール3の各電池セル2で熱が発生する。この電池セル2の熱をループ型サーモサイフォン10によって輸送し放熱する。
For example, the
ループ型サーモサイフォン10は、蒸発器11と、凝縮器12と、気相の作動流体が流通する蒸気通路13と、液相の作動流体が流通する液体通路14と、を備える。ループ型サーモサイフォン10では閉ループ回路内に作動流体が封入されており、蒸発器11と凝縮器12との間で作動流体を循環させることができる。蒸発器11の蒸気出口と凝縮器12の蒸気入口とを繋ぐように蒸気通路13が配管されている。凝縮器12の液体出口と蒸発器11の液体入口とを繋ぐように液体通路14が配管されている。なお、ここで記載する蒸気出口、蒸気入口、液体出口、液体入口は、通常冷却時に作動流体が循環する方向における表現である。
The loop-
蒸発器11は、電池セル2で発生した熱を吸熱して液相の作動流体を蒸発させるものである。蒸発器11の内部には液相の作動流体が供給される。蒸発器11の外表面は電池セル2の表面に接触している。図1に示すように、ループ型サーモサイフォン10では、バッテリモジュール3毎に蒸発器11が設けられている。複数の蒸発器11が並列に接続された冷却回路を構成している。各バッテリモジュール3の側面に接触するようにして各蒸発器11が配置されている。そして、蒸発器11は電池セル2の積層方向に沿って延在し、かつ電池セル2の鉛直方向全域に亘って表面と面接触している。蒸発器11の受熱面は鉛直方向に沿った平面となっている。
The
蒸発器11の内部に供給された液相の作動流体は、電池セル2の熱を受け取って気化する。蒸発器11で液相の作動流体が蒸発する際、蒸発に伴う潜熱の移動により、電池セル2から蒸発器11に熱が移動する。蒸発器11は電池セル2の熱を吸熱して電池セル2を冷却する冷却器として機能する。
The liquid-phase working fluid supplied to the inside of the
蒸発器11の液体入口は、鉛直方向で下方側に設けられている。蒸発器11の蒸気出口は、鉛直方向で上方側に設けられている。鉛直方向と直交する方向(水平方向)では、蒸発器11の液体入口と蒸気出口とは反対側に配置されている。これにより、蒸発器11に供給された液相の作動流体は、電池セル2の熱を受け取り、気化する。蒸発器11内部で気化した蒸気は、鉛直方向で上方に流通して、蒸気出口から蒸気通路13に流出する。そして、電池セル2で生じた熱が気相の作動流体によって凝縮器12に輸送される。電池セル2の熱は凝縮器12で放熱される。
The liquid inlet of the
凝縮器12は、蒸発器11よりも上方に配置され、蒸発器11で気化された気相の作動流体を凝縮させるものである。凝縮器12は電池パック4の外部に配置されるため、凝縮器12付近の配管(蒸気通路13および液体通路14)も電池パック4の外部に配置されている。電池パック4の外部のため、凝縮器12とその付近の配管は外気と熱交換しやすい環境にある。この凝縮器12は作動流体と外部との間で熱交換を行う熱交換器である。例えば、凝縮器12は、空冷式の放熱器であるラジエータにより構成される。ラジエータからなる凝縮器12は、気相の作動流体と車両の外気との間で熱交換を行う。例えば、車両が走行中はラジエータに走行風が当たるため、気相の作動流体を放熱させることができる。
The
また、凝縮器12は、外部から吸熱して、凝縮器12内の作動流体を昇温させる機能を有する。例えば、車両の廃熱等を利用して、その排熱を凝縮器12で吸熱して、凝縮器12内の作動流体に熱を受け渡すことができる。一例として、凝縮器12は、車両の空調装置を循環する冷媒とループ型サーモサイフォン10の作動流体との熱交換を行うコンデンサにより構成される。つまり、凝縮器12は、上述したラジエータとしての機能とコンデンサとしての機能とを兼ね備えた熱交換器により構成され、作動流体の熱を外部に放熱することができるとともに、空調装置の冷媒の熱(車両の廃熱であってもよい)を吸熱することができる。
Further, the
蒸気通路13と液体通路14とは、冷媒通路として環状に形成されている。蒸気通路13は、蒸発器11で気化された気相の作動流体を凝縮器12に流通させる蒸気配管である。液体通路14は、凝縮器12で液化された液相の作動流体を蒸発器11に流通させる液体配管である。
The
蒸気通路13は、下方側の端部が各蒸発器11の蒸気出口に接続されている。この蒸気通路13は、各蒸発器11で気化した気相の作動流体が合流するように複数の流入口が設けられた構造を有する。そして、蒸気通路13は、蒸気が合流した後の配管部分が鉛直方向で上方に向けて延びている。蒸気通路13の上方側の端部は、凝縮器12の蒸気入口に接続されている。蒸気通路13内を凝縮器12に向けて流通する気相の作動流体は、鉛直方向の上方に向けて流れた後、凝縮器12に到達する。
The
液体通路14は、上方側の端部が凝縮器12の液体出口に接続されている。この液体通路14は、凝縮器12で液化した液相の作動流体が自重で鉛直方向の下方に向けて流れるように、上方側の端部から鉛直方向に沿って下方に延在している。また、液体通路14の下側の端部は、各蒸発器11の液体入口に接続されている。液体通路14は、蒸発器11側の下側部分に複数の接続口を有する。液体通路14内を自重により鉛直方向で下方に流れた液相の作動流体は、各接続口から蒸発器11に流入する。
The
この液体通路14のうち、電池パック4の内部に配管された部位である下方路14aが設けられている。下方路14aは、車体が左右に水平状態である場合には、蒸発器11の液体入口と同じ鉛直方向位置となる部分である。つまり、下方路14aは、蒸発器11との接続口が設けられている部位を含んで構成されている。
In this
また、蒸気通路13には、蒸気通路13を開閉する気相側電磁弁15が設けられている。液体通路14には、液体通路14を開閉する液相側電磁弁16が設けられている。さらに、液体通路14には、液体通路14内の作動流体を加熱するヒータ17が設けられている。この気相側電磁弁15と液相側電磁弁16とヒータ17とは、いずれも電子制御装置(以下、ECUという)20によって制御される。なお、ECU20の構成について図3を参照して後述する。
Further, the
気相側電磁弁15は、開いた状態と閉じた状態とに切り替わる開閉弁である。図1に示すように、気相側電磁弁15は電池パック4の内部に設けられている。すなわち、気相側電磁弁15は蒸気通路13のうち電池パック4内に配管された部位に配置されている。例えば、蒸気通路13のうち、各蒸発器11で気化した気相の作動流体が合流する電池パック4の出口付近の通路に、気相側電磁弁15が配置されている。そして、気相側電磁弁15が開いた状態では、蒸発器11の蒸気出口と凝縮器12の蒸気入口との間で作動流体が流通可能となる。一方、気相側電磁弁15が閉じた状態では、蒸発器11の蒸気出口と凝縮器12の蒸気入口との間で作動流体が流通不可となる。
The gas phase
液相側電磁弁16は、開いた状態と閉じた状態とに切り替わる開閉弁である。図1に示すように、この液相側電磁弁16は電池パック4の内部に設けられている。すなわち、液相側電磁弁16は液体通路14のうち電池パック4内に配管された部位に配置されている。例えば、液体通路14のうち電池パック4の入口付近の通路に液相側電磁弁16を配置することができる。さらに、液相側電磁弁16は、電池パック4内の液体通路14のうち、蒸発器11の液体入口とヒータ17の設置箇所との間の通路に配置されている。そして、液相側電磁弁16が開いた状態では、蒸発器11の蒸気出口と凝縮器12の蒸気入口との間で作動流体が流通可能となる。一方、液相側電磁弁16が閉じた状態では、蒸発器11と凝縮器12との間で作動流体が循環不可となる。
The liquid phase
ヒータ17は、電力の供給を受けることにより発熱して液体通路14内の作動流体を加熱する。このヒータ17は液体通路14内の作動流体の温度を昇温させる昇温部である。図1に示すように、ヒータ17は、電池パック4の内部に配置され、液体通路14のうち下方路14aに設けられている。
The
下方路14aは、図1に示すように、液相側電磁弁16の近くの通路、かつ液相側電磁弁16よりも凝縮器12側の通路により構成されている。さらに、下方路14aは、車体が水平方向に対して左右に傾斜した場合に、蒸発器11の液体入口よりも鉛直方向で下方に位置する通路である。そのため、下方路14aに設けられたヒータ17は、下方路14a内に滞留する液相の作動流体の温度を昇温させることができる。
The
例えば、ECU20は温度制御を実行する際、ヒータ17によって液体通路14内に存在する液相の作動流体を沸騰させることができる。あるいは、電池セル2の暖機要求がある場合は、ECU20は、ヒータ17によって液体通路14内に存在する液相の作動流体を昇温させて、電池セル2を暖機することも可能である。
For example, when the
ECU20は、CPUと、各種プログラム等のデータが格納された記憶部と、電池セル2の温度を制御するための各種の演算を行う演算処理部と、を備える。ECU20は、演算処理部として温度制御部21を有する。また、ECU20には各種のセンサからの信号が入力される。温度制御部21は各種センサからの入力信号に基づいて温度制御を実行する。なお、この説明では、電池セル2の温度を「電池温度」と記載する場合がある。
The
図3に示すように、ECU20には、車体の前後左右傾斜を検知する加速度センサ(Gセンサ)31、電池セル2の温度を検出する電池温度センサ32、外気の温度を検出する外気温センサ33等からの信号が入力される。電池温度センサ32は、電池セル2の表面に取り付けられ、電池温度を検出する。
As shown in FIG. 3, the
ECU20は、加速度センサ31により検知した加速度に基づいて、車体が前後に傾斜いた状態であるか、あるいは車体が左右に傾斜した状態であるかを判定することができる。ECU20は加速度センサ31から入力される信号に基づいて車体の傾斜を検知するとともに、車体の傾斜角が許容傾斜角の範囲内であるか否かを判定する。ループ型サーモサイフォン10内に封入されている作動流体の量(冷媒量)は、冷却状態で配管内に気相の作動流体が充満してもバッテリモジュール3の全ての電池セル2を冷却可能な量に設定されている。
Based on the acceleration detected by the
温度制御部21は、電池温度センサ32により検出した電池セル2の温度、および外気温センサ33により検出した外気温に基づいて、気相側電磁弁15および液相側電磁弁16の開閉を制御して、電池セル2の温度を調整する。また、温度制御部21は、所定の条件が成立した場合には、ヒータ17をオンにして、電池セル2の温度を調整する。このように、温度制御部21は、ループ型サーモサイフォン10によって電池セル2の温度を最適な温度に調整する温度制御を実行する。温度制御は、液相側電磁弁16を閉じ、かつヒータ17をオンにして、バッテリモジュール3における複数の電池セル2間での温度のバラツキを抑制する制御(バラツキ抑制温調制御)を含むものである。
The
ECU20は、気相側電磁弁15および液相側電磁弁16の開閉状態を切り替えることにより、ループ型サーモサイフォン10による作動流体の循環状態を制御し、複数の電池セル2間での温度のバラツキを抑制する。ループ型サーモサイフォン10では、放熱側の凝縮器12と吸熱側の蒸発器11との間に温度差があれば、液相の作動流体が蒸発器11で気化し、作動流体を自然循環させることができる。また、気相側電磁弁15と液相側電磁弁16とを閉じて循環を止めた場合であっても、蒸発器11の高温部で作動流体の気化が進み、温度バラツキを収束させることができる。さらに、ヒータ17のオンオフ状態を切り替えることにより、バラツキ抑制調温制御を実行する場合と実行しない場合とを切り替えることができる。
The
また、ECU20は、イグニッションスイッチのオンオフや、電池パック4の充放電時などの判定結果に基づいて、バッテリモジュール3のソーク時であると判断することができるように構成されている。バッテリモジュール3のソーク時とは、車両が走行するための電池セル2からの放電状態、および停車中に外部電源からの充電状態とはならない状況であることを表す。つまり、電池セル2について電力の授受が発生しない状態を、バッテリモジュール3のソーク時と表現することができる。
Further, the
図4は、温度制御フローを示すフローチャートである。図4に示す制御は、ECU20によって繰り返し実行される。
FIG. 4 is a flow chart showing a temperature control flow. The control shown in FIG. 4 is repeatedly executed by the
ECU20は、車体が傾斜しているか否かを判定する(ステップS1)。ステップS1では、加速度センサ31からの信号に基づいて、車体が左側に傾斜した状態、または車体が右側に傾斜した状態であるか否かが判定される。ECU20はステップS1の判定処理によって蒸発器11の向き、電池セル2の温度のバラツキが生じる方向の傾斜を検知する。
The
車体が傾斜している場合(ステップS1:Yes)、ECU20は、ソーク判定がONであるか否かを判定する(ステップS2)。ソーク判定とは、車速が閾値以下、かつ電池発熱量が低く、凝縮器12に冷却要求がない状態のことをいう。電池発熱量は、例えばバッテリモジュール3単位の発熱量である。充電時および放電時にはバッテリモジュール3の発熱量は高く、ソーク時にはバッテリモジュール3の発熱量は低い。また、ECU20は車速センサからの入力信号や、車輪速センサからの入力信号に基づいて車速を検知できる。凝縮器12の冷却要求は、凝縮器12で作動流体の熱を放熱する要求である。このステップS2は、例えば車両が停車中かつ電池セル2が充放電中ではない状態であるか否かが判定される。そのため、ステップS2で肯定的に判定される場合には、車体が左右に傾斜した状態で停車中にバッテリモジュール3での発熱量が低い場合が含まれる。
If the vehicle body is tilted (step S1: Yes), the
ソーク判定がONである場合(ステップS2:Yes)、ECU20は、電池セル2の温度が、外気温とヒス分の温度との和よりも高いか否かを判定する(ステップS3)。ステップS3で用いるヒス分の温度は、予め設定された値である。例えば、気相側電磁弁15および液相側電磁弁16を閉じるのみの循環停止制御では電池セル2の温度バラツキを抑制できないような温度差がヒス分の温度として設定されることが可能である。また、ステップS3では、例えば電池パック4に含まれる全ての電池セル2のなかから決まる最大温度を対象にして、外気温とヒス分の温度との和(比較値)との比較を行う。そして、このステップS3で肯定的に判定される場合は、車体が傾斜したことによる電池セル2の温度差、すなわちバッテリモジュール3での電池セル2の温度のバラツキが拡大することが見込まれる場合である。
When the soak determination is ON (step S2: Yes), the
電池セル2の温度が外気温とヒス分の温度との和よりも高い場合(ステップS3:Yes)、ECU20は、バラツキ抑制温調制御を終了するか否かを判定する(ステップS4)。図4に示す制御フローは繰り返し実行されるため、バラツキ抑制温調制御が開始されていない場合には、このステップS4では否定的に判定されることになる。そして、ステップS4では、蒸発器11に十分な量の冷媒が戻すことができているか否かが判定される。すなわち、このステップS4では、バッテリモジュール3の全体で温度バラツキが解消されているか否かが判定される。
When the temperature of the
バラツキ抑制温調制御を終了しない場合(ステップS4:No)、ECU20は、バラツキ抑制温調制御を実行する(ステップS5)。バラツキ抑制温調制御が開始されていない場合にはステップS5により制御が開始される。一方、バラツキ抑制温調制御が開始されている場合にはステップS5により制御が継続される。
If the variation suppression temperature control is not to be ended (step S4: No), the
このステップS5では、バラツキ抑制制御を開始する際、まず、液相側電磁弁16を閉じ(ステップS5a)、凝縮器12から液体通路14を介して蒸発器11へ還流される作動流体の流れを止める。液相側電磁弁16を閉じた後、ヒータ17をオンにする(ステップS5b)。液相側電磁弁16が閉じた状態でヒータ17をオンにすると、液体通路14内に存在する液相の作動流体を沸騰させることができる(図5参照)。
In this step S5, when starting the variation suppression control, first, the liquid phase
具体的には、車体が傾斜した状態において、蒸発器11の液体入口よりも下方に位置する下方路14aには、蒸発器11へ還流できずに滞留している液相の作動流体が存在する。ステップS5bでは、その下方路14a内に存在する液相の作動流体をヒータ17によって加熱して沸騰させる。ステップS5bを実施すると、下方路14a内の液相の作動流体が蒸発して、ヒータ17が配置されている付近で気相の作動流体の温度が上昇して下方路14a内の気相の作動流体の圧力が上昇する。この際、液相側電磁弁16が閉じているため、液体通路14内での圧力上昇は、液相側電磁弁16よりも蒸発器11側には発生せず、液相側電磁弁16よりも凝縮器12側の通路に拡大する。
Specifically, when the vehicle body is tilted, liquid-phase working fluid that cannot be returned to the
また、凝縮器12の温調をONにする(ステップS5c)。ステップ5cでは、外部から吸熱を行い、凝縮器12内の作動流体に熱を受け渡す。その後、気相側電磁弁15を閉じる(ステップS5d)。ステップS5cを実施後からステップS5dを実施するまでの間、液体通路14内で気相の作動流体が存在する範囲が凝縮器12の付近まで拡大しているため、凝縮器12内の液相の作動流体を、凝縮器12の蒸気入口から蒸気通路13に液相の作動流体を流出させることができる(図6参照)。蒸気通路13は凝縮器12の蒸気入口から下方に延在しているため、その蒸気入口から流出した液相の作動流体は、蒸気通路13から蒸発器11に向けて下方へ流れる。そして、気相側電磁弁15が開いているため、蒸気通路13内の液相の作動流体は、蒸発器11の蒸気出口から蒸発器11の内部に流入する。
Also, the temperature control of the
このように、ステップS5では、液相の作動流体を液体通路14から凝縮器12および蒸気通路13を介して蒸発器11に戻すことができる。また、十分な量の作動流体を蒸発器11に戻すことが完了するまで制御を継続する。このステップS5が実施されると、この制御ルーチンは終了する。なお、ヒータ17と凝縮器12の温調とは同時にONすることも可能である。この場合、ヒータ17のほうが凝縮器12よりも高い温度となるように設定されている。
Thus, in step S5, the liquid phase working fluid can be returned from the
一方、バラツキ抑制温調制御を終了する場合(ステップS4:Yes)、ECU20は、終了処理として、ヒータ17をOFFにし、かつ凝縮器12の温調をOFFにする(ステップS6)。ステップS6では、ヒータ17がONからOFFに切り替わり、コンデンサ温調がONからOFFに切り替わる。このステップS6が実施されると、この制御ルーチンは終了する。
On the other hand, when ending the variation suppression temperature control (step S4: Yes), the
電池セル2の温度が外気温とヒス分の温度との和よりも高くない場合(ステップS3:No)、ECU20は、電池セル2の温度が外気温よりも高いか否かを判定する(ステップS7)。ステップS7では、電池セル2の温度が外気温よりも高いものの、その温度差が小さいか否かが判定される。
When the temperature of the
電池セル2の温度が外気温よりも高い場合(ステップS7:Yes)、ECU20は、気相側電磁弁15と液相側電磁弁16とを両方とも閉じる(ステップS8)。ステップS8では、気相側電磁弁15および液相側電磁弁16を閉じる制御を実行して、蒸発器11と凝縮器12との間での作動流体の循環を止める。ループ型サーモサイフォン10では、循環を止めても、蒸発器11の高温部から作動流体の気化が進み、高温セルの温度を低下させることができるため、複数の電池セル2間での温度バラツキを収束させることができる。そのため、電池温度が外気温よりも高い場合でもその温度差が小さい場合には、温度変化代が小さいため、作動流体の循環を止めるだけで十分と判断できる。そのため、気相側電磁弁15および液相側電磁弁16を閉じるのみの冷却制御によって、電池温度のバラツキを抑制することができる。これにより、バッテリモジュール3のソーク時に局所的に存在する高温セルの温度を下げることができる。このステップS8が実施されると、この制御ルーチンは終了する。
When the temperature of the
車体が傾斜していない場合(ステップS1:No)、ECU20は、気相側電磁弁15と液相側電磁弁16とを両方とも開く(ステップS9)。ステップS9では、気相側電磁弁15および液相側電磁弁16を開く制御を実施して、蒸発器11と凝縮器12との間で作動流体を循環させることによる通常冷却制御(放電時および充電時に実施される冷却制御)を行う。また、ソーク判定がONでない場合(ステップS2:No)、あるいは電池セル2の温度が外気温よりも高くない場合(ステップS7:No)に、この制御ルーチンはステップS9に進む。ステップS9が実施されると、この制御ルーチンは終了する。
If the vehicle body is not tilted (step S1: No), the
ここで、図5~図7を参照して、上述したステップS5のバラツキ抑制温調制御を実行した際のループ型サーモサイフォン10の状態の変化について説明する。図5は、液相側電磁弁を閉じてヒータをオンにした場合を示す模式図である。図6は、図5に示す状態から液相の作動流体が蒸気通路に流入する状態に移行した場合を示す模式図である。図7は、図6に示す状態から液相の作動流体が蒸発器に戻された状態に移行した場合を示す模式図である。
Here, with reference to FIGS. 5 to 7, changes in the state of the
図5に示すように、バラツキ抑制温調制御を開始し、液相側電磁弁16を閉じて、作動流体の循環を止めた状態で、ヒータ17をオンにする。ヒータ17によって下方路14a内に滞留する液相の作動流体が沸騰する。この沸騰により、下方路14a内に気相の作動流体が発生する。
As shown in FIG. 5, the variation suppression temperature control is started, the liquid phase
図6に示すように、バラツキ抑制温調制御を継続すると、ヒータ17によって下方路14a内で発生させた気相の作動流体の温度が上昇する。また、液相側電磁弁16が閉じているので、ヒータ17を用いた気相の作動流体の温度上昇により下方路14a内の圧力が上昇する。そして、その圧力上昇は、下方路14a側の部位から凝縮器12側の部位へと液体通路14の内部で拡大する。そのため、凝縮器12で放熱されることにより液化した液相の作動流体は、液体通路14を下方に流れ難くなり、凝縮器12内に貯留された状態となる。
As shown in FIG. 6, if the variation suppression temperature control is continued, the temperature of the vapor-phase working fluid generated in the
そして、バラツキ抑制温調制御をさらに継続すると、図6に示すように、凝縮器12の蒸気入口から蒸気通路13に液相の作動流体が流出し、液相の作動流体が重力によって蒸気通路13の内部を下方に流通する。また、気相側電磁弁15は開いているため、蒸気通路13を流通する液相の作動流体は、蒸気通路13から蒸発器11の蒸気出口に流入する。つまり、蒸発器11の内部に液相の作動流体を戻すことができる。
Then, if the variation suppression temperature control is further continued, as shown in FIG. flows downward inside the Further, since the vapor phase
そして、図7に示すように、気相側電磁弁15を閉じることによって、作動流体の循環を止めて、作動流体と外気との熱交換を抑制することができる。その際の蒸発器11内の液相の作動流体の液面は、全ての電池セル2に接触することが可能な液面となっている。例えば、図8に示すように、全ての電池セルに液相の作動流体が接触可能な量になっている。この場合には、図9に示すように、電池セル間で温度のバラツキが抑制された状態となる。
Then, as shown in FIG. 7, by closing the gas phase
以上説明した通り、実施形態によれば、外気温が低温の環境下において車体が傾斜する状態であっても、液体通路14に設けた液相側電磁弁16を閉じて作動流体の循環を止めることに加え、ヒータ17によって下方路14a内の作動流体を加熱することにより、下方路14a内で液相の作動流体を蒸発させるとともに作動流体の温度上昇に伴う気相の作動流体の圧力上昇を生じさせることができる。これにより、車体の傾斜により下方路14a内に一時的に滞留した液相の作動流体を、液体通路14、凝縮器12、蒸気通路13を介して蒸発器11に戻すことができる。そのため、外気が低温時かつ車体が傾斜時であっても、蒸発器11内の液相の作動流体の液面を全ての電池セル2と接触可能な液面にでき、電池セル2の温度バラツキが発生することを抑制できる。その結果、電池セル2の劣化を抑制することができ、電池寿命を延ばすことができる。
As described above, according to the embodiment, the liquid phase
また、実施形態によれば、外気が低温時かつ車体傾斜時に、通常の冷却制御や、気相側電磁弁15および液相側電磁弁16を閉じるのみの制御を実行した場合(比較例)よりも、電池セル2の温度のバラツキを抑制することができる。図10~図12には比較例を例示されている。
Further, according to the embodiment, when the outside air is cold and the vehicle body is tilted, normal cooling control and control of only closing the gas phase
比較例として、図10に示すように、バラツキ抑制温調制御を実行しない場合には、蒸発器11内における液相の作動流体の量が不足し、液面が全ての電池セルに接触できない状態となる。例えば、外気が低温時かつ車体が傾斜時に通常の冷却制御を実行した場合(比較例)には、上述した図10に示す液面状態となり、図11に示すように、過冷却が進み、電池セル間で大きな温度バラツキが発生する。また、別の比較例として、外気が低温時かつ車体が傾斜時に、気相側電磁弁15および液相側電磁弁16を閉じるのみの冷却制御を実行した場合には、作動流体の循環が停止して作動流体と外気との熱交換が抑制されるものの、上述した図10に示す液面状態となり、図12に示すように、過冷却を抑制できるものの、バッテリモジュール全体では電池セル間で大きな温度バラツキが発生してしまう。これらの比較例に対して、上述した実施形態によれば、電池セル2の温度のバラツキを抑制することができる。
As a comparative example, as shown in FIG. 10, when variation suppression temperature control is not executed, the amount of liquid-phase working fluid in the
なお、上述した実施形態の変形例として、凝縮器12は、空調装置の冷媒との間で熱交換を行うコンデンサに限らず、車両に搭載された機器を冷却するための冷却液(例えばLLC)との間で熱交換を行う熱交換器によって構成されてもよい。この場合、凝縮器12では、作動流体と冷却液との間で熱交換を行い、冷却液に熱を渡すことによって作動流体が凝縮される。さらに、冷却液の温度を検出する温度センサからの信号がECU20に入力される。
As a modification of the above-described embodiment, the
1 沸騰冷却装置
2 電池セル
3 バッテリモジュール
4 電池パック
10 ループ型サーモサイフォン
11 蒸発器
12 凝縮器
13 蒸気通路
14 液体通路
14a 下方路
15 気相側電磁弁
16 液相側電磁弁
20 電子制御装置(ECU)
21 温度制御部
31 加速度センサ
32 電池温度センサ
33 外気温センサ
1 boiling
21
Claims (2)
前記蒸発器よりも上方に配置され、前記蒸発器で気化された気相の作動流体を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器で気化された気相の作動流体を前記凝縮器に流通させる蒸気通路と、
前記凝縮器で液化された液相の作動流体を前記蒸発器に流通させる液体通路と、
を有するループ型サーモサイフォンを備え、車両に搭載された複数の前記電池セルからなるバッテリモジュールを冷却対象とし、前記蒸発器と前記凝縮器の間で作動流体を循環させる沸騰冷却装置であって、
前記液体通路は、前記車両の車体が傾斜した場合に前記蒸発器との接続口よりも下方に位置する下方路を含み、
前記下方路に設けられ、電力の供給を受けることにより発熱して前記下方路内の作動流体を加熱する昇温部と、
前記液体通路で前記接続口と前記昇温部との間に設けられた開閉弁と、
前記電池セルの温度に基づいて前記開閉弁の開閉および前記昇温部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記車体が傾斜した状態、かつ前記電池セルの温度が前記車両の外気温よりも高い状態である場合に、前記開閉弁を閉じて、前記昇温部によって前記下方路内の液相の作動流体を加熱し蒸発させる制御を実行する
ことを特徴とする沸騰冷却装置。 an evaporator that absorbs heat from the battery cell and evaporates the liquid-phase working fluid;
a condenser disposed above the evaporator for condensing the vapor-phase working fluid vaporized by the evaporator;
a vapor passage for circulating the vapor-phase working fluid vaporized by the evaporator to the condenser;
a liquid passage for circulating the liquid-phase working fluid liquefied in the condenser to the evaporator;
A boiling cooling device for cooling a battery module made up of a plurality of the battery cells mounted on a vehicle and circulating a working fluid between the evaporator and the condenser,
The liquid passage includes a lower passage located below a connection port with the evaporator when the vehicle body of the vehicle is tilted,
a temperature raising unit provided in the lower passage and configured to heat the working fluid in the lower passage by generating heat when supplied with electric power;
an on-off valve provided between the connection port and the temperature raising section in the liquid passage;
a control unit that controls opening and closing of the on-off valve and the temperature raising unit based on the temperature of the battery cell;
with
When the vehicle body is tilted and the temperature of the battery cell is higher than the outside air temperature of the vehicle, the control unit closes the on-off valve to increase the temperature of the lower passage by the temperature raising unit. An ebullient cooling device characterized by executing control to heat and evaporate a liquid-phase working fluid.
前記車両の車体が傾斜した状態、かつ前記電池セルの温度が前記車両の外気温よりも高い状態である場合に、前記液体通路のうち、当該車体が傾斜した状態において前記蒸発器との接続口よりも下方に位置する下方路内の液相の作動流体を昇温部によって加熱し蒸発させ、かつ前記接続口と前記昇温部との間の前記液体通路を開閉弁によって閉じるステップを含む
ことを特徴とする温度制御方法。 an evaporator that absorbs heat from the battery cell to evaporate a liquid-phase working fluid; a condenser that is disposed above the evaporator and condenses the vapor-phase working fluid that has been vaporized by the evaporator; A loop type thermostat having a vapor passage for circulating a vapor-phase working fluid vaporized in an evaporator to the condenser, and a liquid passage for circulating a liquid-phase working fluid liquefied by the condenser to the evaporator. A method for controlling the temperature of the battery cells in an ebullient cooling device having a siphon and cooling a battery module comprising a plurality of the battery cells mounted on a vehicle and circulating a working fluid between the evaporator and the condenser. There is
When the body of the vehicle is tilted and the temperature of the battery cell is higher than the outside air temperature of the vehicle, the liquid passage is connected to the evaporator when the body is tilted. a step of heating and evaporating a liquid-phase working fluid in a lower passage located below the lower passage by a temperature raising section, and closing the liquid passage between the connection port and the temperature raising section by an on-off valve. A temperature control method characterized by:
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