JP7452790B2

JP7452790B2 - 車両用充電インレットの冷却装置

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Publication number: JP7452790B2
Application number: JP2020128909A
Authority: JP
Inventors: 一朗寺田; 貴志太田; 卓也對馬; 崇正梶原
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: JP2022025813A

Description

本発明は車両用充電インレットの冷却装置に関する。

近年、環境負荷低減の観点から、車載バッテリの電力により駆動される電動車両の開発が行われている。電動車両のユーザは、車載バッテリの充電の際に充電時間の短い急速充電スタンドを利用できる。急速充電スタンドは、近年、充電時間をより短縮するために、高出力化が進んでいる。

このような急速充電スタンドにおいて、急速充電時に充電電流が所定値以上となり、充電電路における発熱量が許容上限となると予見される場合、安全性の観点から充電制限が実施される。その結果、所望の充電時間及び充電電流値での充電を実施できず、充電時間の短縮を実質的に図れない虞がある。

このような課題に関連した技術として、例えば特許文献１において、充電インレットとバッテリ間の電路（ハーネス）に冷却回路を近接配置することにより当該電路を冷却する技術が知られている。

特開２０１９－１１５２５３号公報

しかしながら、充電実施時に車両側で最も発熱量が大きい箇所は充電インレットにおける端子部分であるため、特許文献１に記載される冷却システムを採用しても確実に充電インレットの発熱を抑制することができない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より確実に充電インレットにおける発熱を抑制し、急速充電中に発生する充電制限の頻度を抑制することができる車両用充電インレットの冷却装置を提供することである。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

本発明の適用例に係る車両用充電インレットの冷却装置は、外部給電装置から供給される電力によって充電されるバッテリの電力により駆動する車両の車両用充電インレットの冷却装置であって、充電時に前記外部給電装置の給電端子と接続する受電端子と、前記受電端子を保持し、前記車両用充電インレットに配設されるハウジングと、冷媒が供給される充電インレット冷却回路と、を含み、前記ハウジングには、前記充電インレット冷却回路の流路が形成されることを特徴とする。
また、本発明の他の適用例に係る車両用充電インレットの冷却装置は、外部給電装置から供給される電力によって充電されるバッテリの電力により駆動する車両の車両用充電インレットの冷却装置であって、充電時に前記外部給電装置の給電端子と接続する受電端子と、前記受電端子を保持し、前記車両用充電インレットに配設されるハウジングと、冷媒が供給される充電インレット冷却回路と、前記受電端子を保持するハウジングに跨って設置される冷却プレートと、を含み、前記冷却プレートの内部に、前記充電インレット冷却回路の流路が形成されることを特徴とする。

上記適用例に係る車両用充電インレットの冷却装置によれば、充電インレットのハウジングに充電インレット冷却回路の冷媒が供給される流路が形成されていることで、外部給電装置の給電端子が充電インレットの受電端子と接続される充電時において、受電端子を保持するハウジングの流路を冷媒が流通し、ハウジングが保持する受電端子を冷却することができる。
また上記他の適用例に係る車両用充電インレットの冷却装置によれば、冷却プレートがハウジングに跨って設置され、冷却プレートに内部流路が形成されていることで、ハウジングが保持する受電端子を冷却することができる。
このように充電時に最も発熱量が大きい充電インレットの端子部分近傍に冷却用の流路を形成することで、より確実に充電インレットにおける発熱を抑制し、急速充電中に発生する充電制限の頻度を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用充電インレットの冷却装置が適用された車両の概略構成図である。本発明の一実施形態に係る車両用充電インレットの冷却装置の冷却回路図である。本実施形態の充電インレットの概略構造を示す斜視図である。（ａ）図３のプラス受電端子の軸を通る面における垂直方向断面図である。（ｂ）図４（ａ）のＡ－Ａ’矢視断面図である。冷却回路の変形例を示す図である。内部流路の第１変形例を示す図４（ｂ）に対応する矢視断面図である。内部流路の第２変形例を示す本実施形態の充電インレットの概略構造を示す斜視図である。（ａ）内部流路の第３変形例を示す断面図である。（ｂ）図８（ａ）のＢ－Ｂ’矢視断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用充電インレットの冷却装置１が適用された車両１０１の概略構成図である。車両１０１は、走行用動力源としてモータ１１を備える電気自動車である。車両１０１には、モータ１１を駆動するための電力が充電された数１００Ｖ系電源である高電圧バッテリ２１（以下、単にバッテリという）が搭載されている。バッテリ２１には直流電力が蓄積されており、不図示のインバータ回路によって交流変換された後、モータ１１に供給される。また減速時や降坂時にはモータ１１を回生駆動させることにより交流電力を発電し、インバータ回路によって整流して直流化し、バッテリ２１に蓄積可能となっている。

車両１０１はまた、充電スタンド等の外部給電装置２０１から供給される電力によってバッテリ２１を充電するための受電回路２２（図１の一点鎖線で囲まれた部分）を備える。受電回路２２は、外部給電装置２０１の給電プラグ２０２と接続可能な車両用充電インレット２３（以下、充電インレットという）、及び、充電インレット２３とバッテリ２１を車体内側で電気的に接続するハーネス２４を備える。

充電インレット２３は、バッテリ２１の充電時に外部給電装置２０１の給電プラグ２０２と嵌合接続する受電端子２３１を備える。本実施形態において、充電インレット２３は、急速充電型の充電スタンドに対応した直流充電タイプであるため、受電端子２３１は、プラス受電端子２３１ａ及びマイナス受電端子２３１ｂ（以下、総称して受電端子２３１という場合がある）を含む。プラス受電端子２３１ａ及びマイナス受電端子２３１ｂは、外部給電装置２０１の給電プラグ２０２のプラス給電端子２０３ａ及びマイナス給電端子２０３ｂとそれぞれ嵌合接続する。

また、車両１０１は、車両１０１に搭載される各種機器を制御するための各種のＶＣＵ３１（Vehicle Control unit）を有する。本実施形態のＶＣＵ３１は、予めインストールされた所定のプログラムに従って動作し後述する冷却回路４１を制御する機能を有する。ＶＣＵ３１は、電子演算装置から構成される制御ユニットであり、車両用充電インレットの冷却装置１の各コンポーネントや各種センサとＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信ネットワーク３２を介して通信可能である。

上述したバッテリ２１及び受電回路２２は、数１００Ｖ系の高電圧コンポーネントであり、その動作時に発熱を生じる。そのため、これら高電圧コンポーネントを冷却するための冷却回路４１が車両１０１に搭載されている。

図２は、本発明の一実施形態に係る車両用充電インレットの冷却装置１の冷却回路４１を示す冷却回路図である。冷却回路４１は、高電圧コンポーネントを冷却するための冷媒が流れる循環回路である。具体的には、冷却回路４１は、冷媒の流れに対して、冷媒と熱交換可能な複数の熱交換器を並列に接続した熱交換器部４２と、高電圧コンポーネントを含む冷却対象部４３と、を直列に接続して循環回路が構成される。本実施形態では冷媒として水を使用している。各熱交換器や高電圧コンポーネント等は、バルブ等の配管接続部材を用いて金属や樹脂の管により形成される流路４４１～４４５により接続される。

熱交換器部４２は、複数の熱交換器として、外気（走行風や不図示のラジエータファンからの風）との熱交換によって冷媒を冷却可能なラジエータ５１と、不図示の冷温媒体との熱交換によって冷媒を冷却可能なチラー５２とを含む。熱交換器部４２は、冷却水の流れに対して、冷却対象部４３で温度が上昇した冷却水が入力される流路４４１から始まり、バルブ５３を介してラジエータ５１へ向かう流路４４２ａと、チラー５２へ向かう流路４４２ｂと、に分岐する。これらの流路４４２ａ、流路４４２ｂはそれぞれラジエータ５１、チラー５２を通過したのちに合流し、熱交換されて温度が下がった冷却水が出力される流路４４３となる。流路４４３は、冷却水を加圧して冷却回路４１内を循環させるポンプ５４を含む。

冷却対象部４３は、冷却対象として、バッテリ２１と充電インレット２３とを含む。冷却対象部４３は、冷却水の流れに対して、冷却水が入力される流路４４３から始まり、バルブ５５を介してバッテリ２１に向かう流路４４４ａと充電インレット２３に向かう流路４４４ｂに分岐する。バッテリ２１へ向かう流路４４４ａは、バッテリ２１を通過して流路４４５ａとなる。

一方、充電インレット２３に向かう流路４４４ｂは、さらにプラス受電端子２３１ａに向かう流路４４４ｃとマイナス受電端子２３１ｂに向かう流路４４４ｄに分岐する。流路４４４ｃ、流路４４４ｄはそれぞれ、プラス受電端子２３１ａ、マイナス受電端子２３１ｂを保持するハウジングを通過して流路４４５ｃ、流路４４５ｄとなったのちに合流して流路４４５ｂとなる。

さらに、バッテリ２１からの流路４４５ａは、受電端子２３１からの流路４４５ｂと合流し、流路４４１となる。

このような構成とすることで、冷却回路４１は、バッテリ２１を冷却するための冷却水が循環するバッテリ冷却回路４５と、バッテリ冷却回路４５に並列に接続されて、分岐した冷却水が充電インレット２３に供給される充電インレット冷却回路４６と、の２つの循環回路が構成される。なお、バッテリ冷却回路４５は、車両１０１の不図示のパワートレイン系の冷却回路とは独立して備えられる既存のものでよい。バッテリ冷却回路４５は、発熱によるバッテリ２１の劣化や動作変動を防止するため、温度上限が例えば６０℃前後とパワートレイン系より低く設定されている。一方、外部給電装置２０１や給電プラグ２０２、及び充電インレット２３は、ユーザが接触可能な部分の表面温度が例えば６０℃以下になるよう外部給電装置２０１または車両１０１側で充電制御が行われる。このように冷却制御の温度範囲が近いため、バッテリ冷却回路４５を循環する冷却水の温度帯で充電インレット２３の冷却も行うことができる。

また、図２に示すように、プラス受電端子２３１ａ及びマイナス受電端子２３１ｂには、それぞれ温度センサ３３ａ、３３ｂが取り付けられている。ＶＣＵ３１は、充電インレット２３と通信してこれら受電端子２３１の温度情報を取得し、後述する冷却制御で使用する。

次に、充電インレット２３の冷却構造を説明する。図３は、充電インレット２３の構造を概略的に示す斜視図である。図４（ａ）は充電インレット２３の設置状態においてプラス受電端子２３１ａのＸ方向の中心軸を通る面における垂直方向断面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ－Ａ’矢視断面図である。以下の説明において、図３及び図４に示すように、充電インレット２３の設置形態において車両内部から車両外部に向かう方向をＸ方向、プラス受電端子２３１ａとマイナス受電端子２３１ｂが配設される方向をＹ方向とする。

充電インレット２３は、外部給電装置２０１の給電プラグ２０２と接続するために、図３に示すように、車両外部に面して配置される給電プラグ接続部２３２を有する。給電プラグ接続部２３２は、充電インレット２３の本体２３３と一体に形成され、蓋２３４と係合可能な、略円筒状をしている。給電プラグ接続部２３２の内周側には、図３及び図４（ａ）に示すように、給電プラグ接続部２３２の円筒部の中心軸（Ｘ方向）と略平行な中心軸を有しＸ方向に延在する略円筒状のプラス端子ハウジング２３５ａ及びマイナス端子ハウジング２３５ｂ（以下、総称して端子ハウジング２３５という場合がある）が配設されている。なお、給電プラグ接続部２３２には、不図示のアース端子及びアース端子ハウジング、信号端子及び信号端子ハウジングも備えられている。これらハウジングは例えば樹脂材料で形成される。

プラス端子ハウジング２３５ａ、マイナス端子ハウジング２３５ｂは、その内部に、Ｘ方向に延在するプラス受電端子２３１ａ、マイナス受電端子２３１ｂをそれぞれ保持する。また、端子ハウジング２３５は、車両内部において、冷却回路４１の流路４４４ｃ、４８ｄとそれぞれ接続している。ここで、充電インレット２３の冷却構造は、本体２３３のＹ方向の中心から両側（プラス受電端子２３１ａ側とマイナス受電端子２３１ｂ側）で冷却構造が同じであるため、以下、プラス受電端子２３１ａ側について説明し、マイナス受電端子２３１ｂ側の説明は省略する。

プラス受電端子２３１ａは、図４（ａ）に示すように、車両外部において給電プラグ２０２のプラス給電端子２０３ａがプラス端子ハウジング２３５ａの内側に挿し込まれることで嵌合するための、給電端子接触部２３１１と、車両内部でハーネス２４ａが加締め圧着される圧着接触部２３１２を有する。このような構成により、プラス受電端子２３１ａは、給電プラグ２０２のプラス給電端子２０３ａを介して外部給電装置２０１と電気的に接続可能である。また、プラス受電端子２３１ａは、ハーネス２４ａを介してバッテリ２１と電気的に接続される。これら各端子は金属等の導電性材料で形成される。

ここで、図４（ａ）に示すように、プラス受電端子２３１ａの圧着接触部２３１２は略円柱形状で、その外周面は、プラス端子ハウジング２３５ａの筒壁の内周面と接触しているが、この接触の面積は大きいほうが望ましい。これにより、プラス端子ハウジング２３５ａとプラス受電端子２３１ａとの熱伝達量が増加し、冷却効果を向上できる。

プラス端子ハウジング２３５ａには、充電インレット冷却回路４６から供給される冷却水が流通する内部流路４９が形成される。具体的には、プラス端子ハウジング２３５ａは、その筒状形状において、Ｘ方向の車両内部の端面に不図示の１対の入力孔及び出力孔が配置され、筒壁内を蛇行往復して入力孔と出力孔を結ぶ中空の内部流路４９を有する。内部流路４９は、入力孔及び出力孔において、不図示のカプラ等の配管接続部品により充電インレット冷却回路４６の流路４４４ｃ及び流路４４５ｃとそれぞれ接続される。その結果、内部流路４９は、受電インレット冷却回路に接続されて冷却水が流通する。

ＶＣＵ３１は、温度センサ３３の温度情報に基づいて、ポンプ５４の駆動及び出力調整を行い、また、バルブ５５を開閉することで適当な流量の冷却水を充電インレット冷却回路４６に循環させて充電インレット２３を冷却する冷却制御を行う機能を有する。外部給電装置２０１によるバッテリ２１の充電中は、通常、車両１０１は停車しモータ１１を停止しているため、ラジエータ５１の熱交換能力は走行時に比べ低下している。そのため、ＶＣＵ３１は、受電端子２３１の温度上昇の程度に合わせて、不図示のラジエータファンを駆動したり、バルブ５３を開閉してより熱交換能力の高いチラー５２に切替え、又は併用することにより、冷却水の温度を下げる制御を行う。

ＶＣＵ３１は、バッテリ２１が外部給電装置２０１から充電される間、受電端子２３１が所定の温度以上になった場合に、上記の冷却制御を行う。具体的には、ＶＣＵ３１が、給電プラグ２０２と充電インレット２３とが嵌合接続されたという検出信号を受け、かつ、温度センサ３３からの温度情報が所定の閾値（例えば６０℃）以上になった場合に、冷却制御を行う。また、ＶＣＵ３１は、より高電圧・高出力の急速充電モードを備える外部給電装置２０１から充電する場合、具体的には、充電インレット２３で接続される通信線端子を介してＶＣＵ３１が急速充電モードでの充電を検出した場合には、検出した時点で冷却制御を開始することもできる。これにより、高電圧コンポーネントの発熱量が増加する急速充電モードにおいてより早く受電端子２３１の冷却が行える。

このように構成された車両用充電インレットの冷却装置１は、充電インレット２３に配設される端子ハウジング２３５に、バッテリ２１の充電時に充電インレット冷却回路４６から供給される冷却水の内部流路４９が形成される。このような構成により、受電端子２３１を保持する端子ハウジング２３５の内部流路４９を冷却水が流通し、端子ハウジング２３５が保持する受電端子２３１を熱伝達又は熱輻射により冷却することができる。このように充電時に最も発熱量が大きい充電インレット２３の受電端子２３１近傍に冷却用の流路を形成することで、より確実に充電インレット２３における発熱を抑制し、急速充電中に発生する充電制限の頻度を抑制することができる。

以上で本発明に係る車両用充電インレットの冷却装置の実施形態についての説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態においては、冷却対象のバッテリ２１と充電インレット２３は並列に冷却回路４１に接続されているが、図５に示す冷却回路の変形例のように、冷却対象のバッテリ２１と充電インレット２３を冷却回路４１１内にて直列に接続し、バッテリ２１を通過した冷却水によって充電インレット２３を冷却してもよい。この場合、並列接続と比較して冷却対象部の入力側のバルブを省略でき、バルブの管理や制御が容易となる。

上記実施形態において、内部流路４９は、図４（ｂ）に示すように、略円形断面を有し、端子ハウジング２３５の側壁内を複数回往復しているが、図６に示す内部流路の第１変形例のように、端子ハウジング２３５の筒壁形状に沿った部分円弧形状を有し、端子ハウジング２３５の筒壁内を１往復する内部流路４９１としてもよい。これにより、冷却水と端子ハウジング２３５の接触面積が増加し、冷却効果をより向上させることができる。

上記実施形態においては、図４（ｂ）に示すように、内部流路４９は、略円形断面を有し、端子ハウジング２３５の筒壁内を複数回往復していたが、図７に示す内部流路の第２変形例のように、アルミ等の高伝熱材料の略直方体形状の冷却プレート５６をプラス端子ハウジング２３５ａ、マイナス端子ハウジング２３５ｂに跨って設置し、冷却プレート５６に内部流路４９２を形成してもよい。この場合、冷却プレート５６の製造加工が容易であるとともに、冷却回路４１の充電インレット２３への配管を減らすことができる。

上記実施形態においては、内部流路４９を、受電端子２３１を保持する端子ハウジング２３５に形成しているが、図８（ａ）（ｂ）に示す内部流路の第３変形例のように、内部流路４９３を、略円筒形で中実な圧着接触部２３１２に形成してもよい。このような場合、内部流路４９３を流れる冷却水としては、絶縁性を有する冷却オイルが用いられる。このように直接端子自体を冷却するため、より冷却効果が向上する。

また、上記実施形態の車両１０１は、走行用動力源としてモータ１１を備える電気自動車であるが、本発明は走行用動力源としてモータとエンジンとを備えるプラグインハイブリッド車（PHV：Plug-in Hybrid Vehicle）にも適用可能である。

１車両用充電インレットの冷却装置
２１バッテリ
２２受電回路
２３充電インレット
２３１ａプラス受電端子
２３１ｂマイナス受電端子
２３２給電プラグ接続部
２３３本体
２３４蓋
２３５ａ、２３５ｂ端子ハウジング
２４、２４ａ、２４ｂハーネス
３１ＶＣＵ
３２ＣＡＮ（通信ネットワーク）
３３ａ、３３ｂ温度センサ
４１冷却回路
４２熱交換器部
４３冷却対象部
４４１～４４５流路
４５バッテリ冷却回路
４６充電インレット冷却回路
４９内部流路
５１ラジエータ
５２チラー
５３、５５バルブ
５４ポンプ
５６冷却プレート
１０１車両
２０１外部給電装置
２０２給電プラグ
２０３ａプラス給電端子
２０３ｂマイナス給電端子

Claims

外部給電装置から供給される電力によって充電されるバッテリの電力により駆動する車両の車両用充電インレットの冷却装置であって、
充電時に前記外部給電装置の給電端子と接続する受電端子と、
前記受電端子を保持し、前記車両用充電インレットに配設されるハウジングと、
冷媒が供給される充電インレット冷却回路と、
を含み、
前記ハウジングには、前記充電インレット冷却回路の流路が形成され、
前記充電インレット冷却回路は、前記バッテリの冷却回路に接続されていることを特徴とする、
車両用充電インレットの冷却装置。
前記受電端子の温度情報を検出する温度センサと、
前記温度センサから前記受電端子の温度情報を取得する制御部と、
を更に備え、
前記制御部は、前記受電端子の温度情報に基づいて、前記充電インレット冷却回路を制御することを特徴とする、
請求項１に記載の車両用充電インレットの冷却装置。
前記流路は、前記ハウジングに設けられた入力孔と出力孔とを結ぶ中空の内部流路であることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の車両用充電インレットの冷却装置。
外部給電装置から供給される電力によって充電されるバッテリの電力により駆動する車両の車両用充電インレットの冷却装置であって、
充電時に前記外部給電装置の給電端子と接続する受電端子と、
前記受電端子を保持し、前記車両用充電インレットに配設されるハウジングと、
冷媒が供給される充電インレット冷却回路と、
前記受電端子の温度情報を検出する温度センサと、
前記温度センサから前記受電端子の温度情報を取得する制御部と、
を含み、
前記ハウジングには、前記充電インレット冷却回路の流路が形成され、
前記制御部は、前記受電端子の温度情報に基づいて、前記冷媒の流量を調整することを特徴とする、
車両用充電インレットの冷却装置。
外部給電装置から供給される電力によって充電されるバッテリの電力により駆動する車両の車両用充電インレットの冷却装置であって、
充電時に前記外部給電装置の給電端子と接続する受電端子と、
前記受電端子を保持し、前記車両用充電インレットに配設されるハウジングと、
冷媒が供給される充電インレット冷却回路と、
前記受電端子の温度情報を検出する温度センサと、
前記温度センサから前記受電端子の温度情報を取得する制御部と、
を含み、
前記ハウジングには、前記充電インレット冷却回路の流路が形成され、
前記制御部は、前記受電端子の温度情報に基づいて、前記冷媒の温度を下げる制御を行うことを特徴とする、
車両用充電インレットの冷却装置。
外部給電装置から供給される電力によって充電されるバッテリの電力により駆動する車両の車両用充電インレットの冷却装置であって、
充電時に前記外部給電装置の給電端子と接続する受電端子と、
前記受電端子を保持し、前記車両用充電インレットに配設されるハウジングと、
冷媒が供給される充電インレット冷却回路と、
を含み、
前記ハウジングには、前記充電インレット冷却回路の流路が形成され、
前記流路は、前記ハウジングに設けられた入力孔と出力孔とを結ぶ中空の内部流路であり、
前記流路の断面形状は略円形であり、
前記流路は前記ハウジング内を複数回往復することを特徴とする、
車両用充電インレットの冷却装置。
外部給電装置から供給される電力によって充電されるバッテリの電力により駆動する車両の車両用充電インレットの冷却装置であって、
充電時に前記外部給電装置の給電端子と接続する受電端子と、
前記受電端子を保持し、前記車両用充電インレットに配設されるハウジングと、
冷媒が供給される充電インレット冷却回路と、
を含み、
前記ハウジングには、前記充電インレット冷却回路の流路が形成され、
前記流路は、前記ハウジングに設けられた入力孔と出力孔とを結ぶ中空の内部流路であり、
前記ハウジングは円筒状であり、
前記流路の断面形状は前記ハウジングの筒壁形状に沿った部分円弧形状であることを特徴とする、
車両用充電インレットの冷却装置。
外部給電装置から供給される電力によって充電されるバッテリの電力により駆動する車両の車両用充電インレットの冷却装置であって、
充電時に前記外部給電装置の給電端子と接続する受電端子と、
前記受電端子を保持し、前記車両用充電インレットに配設されるハウジングと、
冷媒が供給される充電インレット冷却回路と、
前記受電端子を保持するハウジングに跨って設置される冷却プレートと、
を含み、
前記冷却プレートの内部に、前記充電インレット冷却回路の流路が形成されることを特徴とする、
車両用充電インレットの冷却装置。
前記充電インレット冷却回路は、前記バッテリの冷却回路に接続されていることを特徴とする、
請求項８に記載の車両用充電インレットの冷却装置。