JP7329453B2 - 車両用バッテリ冷却装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両のバッテリ冷却装置に関し、特に車両駆動用バッテリの空冷冷却装置に関する。
駆動源の一部又は全部としてモータを使用するハイブリッド車両や電気自動車では、モータは、バッテリから供給される電力によって駆動され、車両を走行させる。バッテリは、車両の走行条件や環境条件によって発熱するため、バッテリの温度上昇による性能の低下及び劣化の進行を防止するためにバッテリを冷却する装置等が必要となる。
バッテリの冷却方式としては空冷式と水冷式が存在する。このうち、従来の空冷式のバッテリ冷却装置として、車室内の空気を利用してバッテリを冷却し、冷却後の排風を再度、車室に循環させる構成が知られている。
例えば特許文献１には、ハイブリッド車両に搭載された、バッテリを収容する電池パックを冷却する冷却システムにおいて、エンジンの冷却水温を検出する温度センサと、車室と蓄電装置に連通するダクトと、ダクトに設けられ、車室内の空気を蓄電装置に送るブロワと、リヤガラス近傍に設けられ、蓄電装置を冷却した後の空気を車室内に戻すための連通口と、制御装置とを備える構成が開示されている。この構成においては、車室内の空気が吸気ダクトを介して電池パックに送られ、バッテリとの間で熱交換を行うことによって、バッテリが冷却される。そして、熱交換後の空気は、電池パックの後方のラゲッジルームに排出され、ラゲッジルームからパッケージトレイに設けられた連通口を介して、再び車室内に戻される。
特開２０１９－１０８０１９号公報
特許文献１に記載の冷却システムのように、バッテリを冷却した後の空気を車室に戻す構成においては、バッテリで発生した熱が車室内に移動することになる。その結果、車室内の温度が局所的に上昇するため、車室内の冷房の効率が低下するとともに、例えば後部座席に座っている乗員に温風による不快感をもたらすなど、空調性能の商品性を低下させるという問題が生じる。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、空冷式のバッテリ冷却装置において、車室内の空調性能を悪化させることなく、バッテリを効率よく冷却することができるバッテリ冷却装置を提供することを目的とする。
この目的を達成するために、本発明の請求項１に係る発明は、車両用バッテリ冷却装置であって、駆動用のバッテリ２が搭載された車両において、バッテリ２を収容するバッテリ収容部（実施形態における（以下、本項において同じ）バッテリカプセル３）と、車両の外部の空気を外気として導入する外気導入用通路４と、外気導入用通路４に導入された空気を冷却する熱交換器５と、熱交換器５と車室１０に連通し、熱交換器５で冷却された空気を車室１０に供給するための第１の空調用通路６と、熱交換器５とバッテリ収容部に連通し、熱交換器５で冷却された空気をバッテリ収容部に供給するための第２の空調用通路７と、車室１０内の空気を車両の外部へ排出する第１の排出用通路８と、バッテリ収容部内の空気を車両の外部へ排出する第２の排出用通路９と、車室１０と外気導入用通路４に連通し、車室１０内の空気を外気導入用通路４に内気として循環させるための第１の循環用通路１１と、バッテリ収容部と外気導入用通路４に連通し、バッテリ収容部内の空気を外気導入用通路４に内気として循環させるための第２の循環用通路１２と、を備えることを特徴とする。
この車両用バッテリ冷却装置によれば、車両の外部の空気は、外気導入用通路に導入され、熱交換器によって冷却された後、第１及び第２の空調用通路をそれぞれ介して車室とバッテリ収容部に互いに独立して供給される。これにより、車室内の冷房とバッテリの冷却を独立して効率よく行うことができる。
また、バッテリがバッテリ収容部内に収容されているとともに、車室内の空気を排出する通路と、バッテリ収容部内の空気を排出する通路が別個に設けられているため、バッテリと熱交換を行った後の排風が車室内に直接、流入することを防止することができ、車室内の空調性能が悪化することを防止できる。
また、車室内及びバッテリ収容部内の空気を、第１及び第２の循環用通路をそれぞれ介して外気導入用通路に戻して循環させる、いわゆる内気循環が可能となり、車室内の冷房及びバッテリの冷却を効率よく行うことができる。
また、車室内の空気を循環させる第１の循環用通路と、バッテリ収容部内の空気を循環させる第２の循環用通路が別個に設けられているため、バッテリ収容部を通過した後の排風を、車室内を通過させることなく外気導入用通路に戻して循環させることができる。これにより、バッテリと熱交換を行った後の排風により車室内の空調性能が悪化することを防止できる。
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の車両用バッテリ冷却装置において、外気導入用通路４の第１及び第２の循環用通路１１，１２との接続部に設けられ、外気導入用通路４を開閉することにより、熱交換器５に外気を導入する外気導入モードと、熱交換器に内気を循環させる内気循環モードとを切り替えるモード切替弁（切替弁１３）と、熱交換器５の下流側に設けられ、第１の空調用通路６及び第２の空調用通路７のそれぞれに流れる空気の量を調整する流量調整手段（流量調整弁１４，ＥＣＵ１７）と、をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、モード切替弁により外気導入モードと内気循環モードを切り替えることで、車室内の冷房、及びバッテリの冷却を効率よく行うことができる。また、流量調整手段により車室とバッテリ収容部に流れる空気の量を調整するので、例えばバッテリの冷却が不要な場合は車室内への流量を増やすことで冷房の効率を上げるなど、バッテリ及び車室の温度状況に応じた効率的な流量調整が可能となる。
本発明の請求項３に係る発明は、請求項２に記載の車両用バッテリ冷却装置において、バッテリ２の温度を検出するバッテリ温度センサ１５をさらに備え、流量調整手段は、バッテリ温度センサ１５により検出されたバッテリ２の温度ＴＢＡＴＴに応じて、第１の空調用通路６及び第２の空調用通路７のそれぞれに流れる空気の量を可変に調整する（図５、図６）ことを特徴とする。
この構成によれば、流量調整手段は、バッテリ温度に基づき、車室とバッテリ収容部に流れる空気の量を可変に調整するので、必要に応じてバッテリの冷却と車室の冷房のいずれかを優先して行うなど、温度状況に応じたより効率的な流量調整が可能となる。
本発明の請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の車両用バッテリ冷却装置において、バッテリ収容部が、車室１０内に配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、例えば車室内の空調として暖房を行うような寒冷時の使用において、バッテリ２の排熱を空調性能に加えることができるので、暖房性能の向上に寄与することができる。
本発明の一実施形態に係る車両用バッテリ冷却装置を模式的に示す図である。 外気導入モードにおける空気の流れを示す図である。 内気循環モードにおける空気の流れを示す図である。 図１の車両用バッテリ冷却装置における流量調整手段を示すブロック図である。 流量調整手段による流量調整の制御処理を示すフローチャートである。 バッテリ温度に応じて流量調整弁の開度を設定するためのマップである。 流量調整弁のバッテリ側開度が全開状態のときの空気の流れを示す図である。 流量調整弁のバッテリ側開度が全閉状態のときの空気の流れを示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る車両用バッテリ冷却装置を模式的に示している。車両用バッテリ冷却装置１は、駆動源としてモータ及び内燃機関（いずれも図示せず）を用いるハイブリッド車両に適用され、モータに電力を供給するバッテリ２を冷却するとともに、車室内の冷房を行う空調装置としても機能する。
この車両用バッテリ冷却装置１において、バッテリ２は、バッテリ２の周囲を囲うバッテリカプセル３内に収容されており、バッテリカプセル３は車室１０内に配置されている。バッテリカプセル３は、例えば板状、布状又はシート状の断熱材で構成することで断熱性を持たせることが可能であるが、これに限定されない。
車両用バッテリ冷却装置１は、車両の外部に連通し、車両の外部の空気を外気として導入する外気導入用通路４と、外気導入用通路４に導入された空気を冷却する熱交換器５を備える。また、外気導入用通路４には、空気を車室１０側へ送るための送風機１６が設けられている。
熱交換器５は、図示しない冷媒用流路と接続されており、冷媒を蒸発させることによって、導入された空気を冷却する。熱交換器５には、車室１０に連通し、冷却された空気を車室１０に供給するための第１の空調用通路６と、バッテリカプセル３に連通し、冷却された空気をバッテリカプセル３に供給するための第２の空調用通路７とが接続されている。
車室１０には、車室１０内の空気を車両外部に排出するための第１の排出用通路８と、車室１０内の空気を外気導入用通路４に戻すための第１の循環用通路１１が接続されている。また、バッテリカプセル３には、バッテリカプセル３内の空気を車両外部に排出するための第２の排出用通路９と、バッテリカプセル３内の空気を外気導入用通路４に戻すための第２の循環用通路１２が接続されている。
外気導入用通路４には、第１及び第２の循環用通路１１，１２との接続部に、外気導入用通路４と第１及び第２の循環用通路１１，１２の開閉を同時に切り替える切換弁１３が設けられている。切替弁１３が外気導入用通路４を開くとともに第１及び第２の循環用通路１１，１２を閉じる位置にあるとき、車両用バッテリ冷却装置１は、外気を導入すると同時に同量の空気を車両外部に排出する外気導入モードで作動する。また、切替弁１３が外気導入用通路４を閉じるとともに第１及び第２の循環用通路１１，１２を開く位置にあるとき、車両用バッテリ冷却装置１は、外気の導入及び車両外部への空気の排出を停止して内気を循環させる内気循環モードで作動する。外気導入モードと内気循環モードは、例えば、車両の運転席付近に設けられたコントロールパネルを操作すること等により、乗員の意思によって任意に切り替えられる。
図２は、外気導入モードにおける空気の流れを示す図である。切替弁１３が外気導入用通路４を開いて第１及び第２の循環用通路１１，１２を閉じる位置にあるとき、外気が外気導入用通路４に導入される。導入された外気は、熱交換器５を通過する際に冷却される。冷却された空気は、その一部が第１の空調用通路６を通って車室１０に供給されることで、車室１０内の冷房を行うとともに、残りの一部が必要に応じ第２の空調用通路７を通ってバッテリカプセル３に供給されることで、バッテリ２の冷却を行う。また、第１の空調用通路６及び第２の空調用通路７の流量の調整は、熱交換器５の下流側に設けられた流量調整弁１４の開度を変更することによって行われる。この流量調整の制御については後述する。
車室１０内に供給された空気は、その後、第１の排出用通路８を介して車両外部に排出される。また、バッテリカプセル３に供給された空気は、その後、第２の排出用通路９を介して車両外部に排出される。
このように、外気導入モードにおいては、熱交換器５によって冷却された空気が、第１及び第２の空調用通路６，７をそれぞれ介して車室１０とバッテリカプセル３に互いに独立して供給される。したがって、車室１０の冷房とバッテリ２の冷却を独立して効率よく行うことができる。また、バッテリ２がバッテリカプセル３に収容されているとともに、車室１０内の空気を排出する第１の排出用通路８と、バッテリカプセル３内の空気を排出する第２の排出用通路９が別個に設けられているため、バッテリ２と熱交換された後の高温の排風が車室内に直接、流入することを防止することができ、車室１０内の空調性能が悪化することを防止できるとともに、温風等により乗員に不快感を与えることも防止することができる。
図３は、内気循環モードにおける空気の流れを示す図である。切替弁１３が外気導入用通路４を閉じるとともに第１及び第２の循環用通路１１，１２を開く位置にあるとき、外気の導入が停止され、それに伴い車両外部への空気の排出も停止する。内気循環モードにおいては、熱交換器５によって冷却された空気が流量調整弁１４によって車室１０とバッテリカプセル３に振り分けられる点は外気導入モードと同様であり、その後、車室１０内の空気は第１の循環用通路１１を介して戻され、バッテリカプセル３内の空気は第２の循環用通路１２を介して戻される。戻された空気は熱交換器５で冷却され、車室１０とバッテリカプセル３に再度、供給される。
このように、内気循環モードにおいても、熱交換器５によって冷却された空気が第１及び第２の空調用通路６，７をそれぞれ介して車室１０とバッテリカプセル３に互いに独立して供給されるので、車室１０の冷房とバッテリ２の冷却を独立して効率よく行うことができる。また、車室１０内の空気を循環させる第１の循環用通路１１と、バッテリカプセル３内の空気を循環させる第２の循環用通路１２が別個に設けられているため、バッテリと熱交換された後の高温の排風が車室内に直接、流入することを防止することができ、車室１０内の空調性能が悪化することを防止できるとともに、温風等により乗員に不快感を与えることも防止することができる。
次に、図４から図６を参照して、流量調整弁１４を用いた流量調整制御について説明する。図４に示すように、本実施形態では、バッテリ２の温度（バッテリ温度）ＴＢＡＴＴを検出するバッテリ温度センサ１５が設けられており、その検出信号は、ＥＣＵ１７（電子制御ユニット）に逐次、出力される。
ＥＣＵ１７は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ１７は、バッテリ温度センサ１５による検出信号に応じて、流量調整弁１４の開度（以下、調整弁開度という）ＶＯＦを変更することによって、第１の空調用通路６と第２の空調用通路７の流量の割合を変化させる。なお、調整弁開度ＶＯＦは、流量調整弁１４のバッテリ側（第２の空調用通路側）の開度を表す。例えば、ＶＯＦ＝０％は、バッテリ側（第２の空調用通路側）の開度が０％（全閉）であって、車室側（第１の空調用通路側）の開度が１００％（全開）であることを意味し、ＶＯＦ＝１００％は、バッテリ側の開度が１００％（全開）であって、車室側の開度が０％（全閉）であることを意味する。
図５は、流量調整弁１４による流量調整の制御処理を示すフローチャートである。本処理は、車両用バッテリ冷却装置１の作動中、例えば所定の周期で繰り返し実行される。まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、検出されたバッテリ温度ＴＢＡＴＴが、所定の第１しきい値温度ＴＴＨＲ１を超えているか否かを判別する。第１しきい値温度ＴＴＨＲ１は、例えば、バッテリ温度ＴＢＡＴＴがその温度を超えている場合にバッテリを急速に冷却する必要があるような温度に設定される。したがって、ステップ１の答えがＹＥＳの場合、バッテリ２が急速な冷却を必要とする高温状態にあると判定し、調整弁開度ＶＯＦを１００％に設定することによってバッテリ側を全開状態に制御し（ステップ２）、本処理を終了する。ステップ１の答えがＮＯの場合、次のステップ３へと進む。
ステップ３では、バッテリ温度ＴＢＡＴＴが、所定の第２しきい値温度ＴＴＨＲ２よりも低いか否かを判別する。第２しきい値温度ＴＴＨＲ２は、第１しきい値温度ＴＴＨＲ１よりも低い温度であって、バッテリ温度ＴＢＡＴＴがその温度よりも低い場合、バッテリ２が十分に冷えていて、冷却の必要がないような温度に設定される。したがって、ステップ３の答えがＹＥＳの場合、バッテリ２が低温状態にあり、冷却の必要がないと判定し、調整弁開度ＶＯＦを０％に設定することによって、バッテリ側を全閉状態に制御し（ステップ４）、本処理を終了する。
ステップ３の答えがＮＯの場合、すなわちバッテリ温度ＴＢＡＴＴが第１しきい値温度ＴＴＨＲ１以下であって第２しきい値温度ＴＴＨＲ２以上である場合には、図６に示すマップを検索することによって、バッテリ温度ＴＢＡＴＴに応じて調整弁開度ＶＯＦを設定し（ステップ５）、本処理を終了する。
このマップでは、調整弁開度ＶＯＦは、バッテリ温度ＴＢＡＴＴが第２しきい値温度ＴＴＨＲ２以上から第１しきい値温度ＴＴＨＲ１以下の範囲において、０％から１００％まで線形に増加するように設定されている。なお、調整弁開度ＶＯＦの設定はこれに限定されず、例えばバッテリ温度ＴＢＡＴＴに応じて調整弁開度ＶＯＦが非線形に変化するように制御してもよい。
図７は、内気循環モードにおいて、調整弁開度ＶＯＦを１００％に制御した場合の空気の流れを示す。この場合、熱交換器５によって冷却された空気の全量がバッテリカプセル３に送られるので、バッテリ２をより短時間で効率よく冷却することができる。
図８は、内気循環モードにおいて、調整弁開度ＶＯＦを０％に制御した場合の空気の流れを示す。この場合、熱交換器５によって冷却された空気の全量が車室１０に送られるので、車室１０の冷房を効率よく行うことができる。
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、バッテリカプセルを車室内に配置したが、車室の外部にバッテリカプセルを配置することも可能である。また、バッテリカプセルは、断熱性を持たなくてもよく、その場合、バッテリカプセルを車室内に配置することで、車室内の空調として暖房を行うような寒冷時の使用において、バッテリの排熱を空調性能に加えることができるので、暖房性能の向上に寄与することができる。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
１ 車両用バッテリ冷却装置
２ バッテリ
３ バッテリカプセル（バッテリ収容部）
４ 外気導入用通路
５ 熱交換器
６ 第１の空調用通路
７ 第２の空調用通路
８ 第１の排出用通路
９ 第２の排出用通路
１０ 車室
１１ 第１の循環用通路
１２ 第２の循環用通路
１３ 切替弁（モード切替弁）
１４ 流量調整弁（流量調整手段）
１５ バッテリ温度センサ
１７ ＥＣＵ（流量調整手段）
ＴＢＡＴＴ バッテリ温度
ＴＴＨＲ１ 第１しきい値温度
ＴＴＨＲ２ 第２しきい値温度
ＶＯＦ 調整弁開度

Claims (4)

  1. 駆動用のバッテリが搭載された車両において、
    前記バッテリを収容するバッテリ収容部と、
    前記車両の外部の空気を外気として導入する外気導入用通路と、
    前記外気導入用通路に導入された空気を冷却する熱交換器と、
    前記熱交換器と車室に連通し、前記熱交換器で冷却された空気を前記車室に供給するための第１の空調用通路と、
    前記熱交換器と前記バッテリ収容部に連通し、前記熱交換器で冷却された空気を前記バッテリ収容部に供給するための第２の空調用通路と、
    前記車室内の空気を前記車両の外部へ排出する第１の排出用通路と、
    前記バッテリ収容部内の空気を前記車両の外部へ排出する第２の排出用通路と、
    前記車室と前記外気導入用通路に連通し、前記車室内の空気を前記外気導入用通路に内気として循環させるための第１の循環用通路と、
    前記バッテリ収容部と前記外気導入用通路に連通し、前記バッテリ収容部内の空気を前記外気導入用通路に内気として循環させるための第２の循環用通路と、
    を備えることを特徴とする車両用バッテリ冷却装置。
  2. 前記外気導入用通路の前記第１及び第２の循環用通路との接続部に設けられ、前記外気導入用通路を開閉することにより、前記熱交換器に外気を導入する外気導入モードと、前記熱交換器に内気を循環させる内気循環モードとを切り替えるモード切替弁と、
    前記熱交換器の下流側に設けられ、前記第１の空調用通路及び前記第２の空調用通路のそれぞれに流れる空気の量を調整する流量調整手段と、
    をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の車両用バッテリ冷却装置。
  3. 前記バッテリの温度を検出するバッテリ温度センサをさらに備え、
    前記流量調整手段は、前記バッテリ温度センサにより検出された前記バッテリの温度に応じて、前記第１の空調用通路及び前記第２の空調用通路のそれぞれに流れる空気の量を可変に調整することを特徴とする、請求項２に記載の車両用バッテリ冷却装置。
  4. 前記バッテリ収容部が、前記車室内に配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用バッテリ冷却装置。
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