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JP2013203190A - バッテリの温度調節装置 - Google Patents

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JP2013203190A
JP2013203190A JP2012073508A JP2012073508A JP2013203190A JP 2013203190 A JP2013203190 A JP 2013203190A JP 2012073508 A JP2012073508 A JP 2012073508A JP 2012073508 A JP2012073508 A JP 2012073508A JP 2013203190 A JP2013203190 A JP 2013203190A
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Seiji Inoue
誠司 井上
Masayuki Takeuchi
雅之 竹内
Hideaki Okawa
英晃 大川
Takashi Yamanaka
隆 山中
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Abstract

【課題】冷凍サイクルを通した温度調節風を循環流路又は外気導入流路でバッテリに導き、高効率で極寒状態でもバッテリ加熱が可能なバッテリの温度調節装置を提供する。
【解決手段】内気を循環させる循環モードと外気を取り入れて循環させる外気モードとをダンパ6によって切り替え可能な循環ダクト33の途中にケース30を設け、ケース30内には冷凍サイクル2の蒸発器21と凝縮器22を、車両の走行用モータ駆動用のバッテリ1を挟んで内蔵させ、バッテリ1の冷却時には、外気と循環空気の温度の低い方がバッテリ1に供給されるようにダンパ6を切り替え、バッテリ1の暖房時には、冷凍サイクル2の冷媒の流路を切り替えるか、或いは循環ダクト33内の循環空気の流れの向きを変更することによってバッテリ1に温風を供給してバッテリ1を加熱するバッテリの温度調節装置である。
【選択図】図3

Description

本発明は、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車(以後これらをまとめてEVと記す)に搭載されたバッテリの温度調節装置に関する。バッテリの温度調節装置は、温度調節された空気にてバッテリの加熱、冷却を行う装置である。
エンジンだけを動力源とする車両に搭載されるバッテリは、エンジン始動、電気補機の駆動に使用されるだけであるので、容量は比較的小さい。これに対して、EVに搭載されるバッテリは、走行用モータに長時間に渡って電力を供給するので、電圧が高く、容量も大きい。そして、EVに搭載されるバッテリは、充電時やモータに電力を供給する放電時に流れる電流で発熱を生じて高温となることがあるので、高温による性能低下や劣化を避けるために冷却が必要である。一方、EVに搭載されるバッテリは、低温状態では入出力の性能が発揮できないので、性能を発揮できるように加熱することも必要である。特に、外気温度が非常に低い時(例えば、−20°C以下の時)は、加熱してバッテリの性能を引き出すことが望まれている。
更に、消費エネルギ低減の要求や環境保護の要求のために、EVはエンジンを稼動させずにバッテリだけで走行する距離をできるだけ延ばすことへの機運が高まっている。これらの要求に対応するための従来技術として、特許文献1や特許文献2のような技術が知られている。
特許文献1の技術は、バッテリの温度調整用に設けられた冷凍サイクルにより冷却、加熱された温度調節風を用いてバッテリを冷却、加熱しており、冷凍サイクルの本質的な性能の高さ(動作係数COPの高さ)から高効率な冷却加熱を可能にするものである。また、特許文献2の技術は、温度調節風を循環させることにより、外気温の影響を受けずにバッテリを加熱することが出来る技術である。
しかしながら、特許文献1の技術では、蒸発器および凝縮器の少なくとも1つが外気と連通しているために、外気温度が非常に低い時は冷凍サイクル(ヒートポンプ)の作動が不可能になるという課題が残っている。また、特許文献2の技術では、冷凍サイクルを持たずに電気ヒーターのみでの加熱(冷却は単純な空冷)なので効率が低く、消費エネルギの増大やバッテリだけでの走行距離が大幅に短くなるという課題を持っている。
特開2011−178270号公報
特開2009−272112号公報
本発明は、上記問題に鑑み、冷凍サイクルを使用して温度調節風をバッテリに導くと共に、温度調節風の流路を循環流路と外気循環流路に切り換え可能とし、高効率で極寒状態でもバッテリ加熱を可能としたバッテリの温度調節装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明のバッテリの温度調節装置は、車両の走行用モータ駆動用のバッテリ1の温度調節装置10であって、ケース30、ダクト33、送風機5を備え、内部を空気が流れる通風経路3と、ダクト33に接続する第1と第2の外気連通ダクト31,32と、第1と第2の外気連通ダクト31,32のダクト33への接続点に設けられ、通風経路3を内気循環経路と外気を取り入れて循環後に排出する外気循環経路の何れかに切り替えるダンパ6と、ケース30内に蒸発器21と凝縮器22を備え、冷媒により蒸発器21を高温にし、凝縮器22を低温にする冷凍サイクル2とを備え、バッテリ1を凝縮器21と蒸発器22の間のケース30内に配置して、バッテリ1の加熱が必要な時には空気を凝縮器21側からバッテリ1に向けて流し、バッテリ1の冷却が必要な時には空気を蒸発器22側からバッテリ1に向けて流すようにしたことを特徴とするものである。
これにより、冷凍サイクルを使用して温度調節が可能な温度調節風を作り、これをバッテリに導くことにより、バッテリの置かれた環境に応じて、バッテリの加熱及び冷却の両方が可能であり、バッテリを高効率で使用することが可能となる。
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。
本発明のバッテリの温度調節装置の車両における設置位置の一例を示す説明図である。 バッテリの温度調節装置の第1の実施例の構成を示す構成図である。 図2に示したバッテリの温度調節装置におけるバッテリ加熱時の空気の流れを示すものであり、(a)は循環ダクト内の内気を循環させて加熱を行う時の空気の流れを示す動作説明図、(b)は外気を取り入れて加熱を行う時の空気の流れを示す動作説明図である。 バッテリの温度調節装置の第2の実施例の構成とバッテリの加熱/冷却動作を示すものであり、(a)はバッテリ加熱時の四方弁の動作と内気と外気の流れを示す構成図であり、(b)はバッテリ冷却時の四方弁の動作と内気と外気の流れを示す部分構成図である。 バッテリの温度調節装置の第3の実施例の構成とバッテリの加熱/冷却動作を示すものであり、(a)はバッテリ加熱時の内気と外気の流れを示す構成図であり、(b)はバッテリ冷却時の内気と外気の流れを示す構成図である。 図4(a)、(b)に示した冷凍サイクルの四方弁を二方弁と三方弁の組み合わせで置き換えた実施例を示すものであり、(a)はバッテリ加熱時の二方弁と三方弁の動作を示す冷凍サイクルの動作図、(b)はバッテリ冷却時の二方弁と三方弁の動作を示す冷凍サイクルの動作図である。 本発明のバッテリの温度調節装置の冷凍サイクルで加熱又は冷却するバッテリに放熱フィンを取り付けた変形実施例の部分構成図である。 本発明のバッテリの温度調節装置の冷凍サイクルの通風経路を断熱材で覆った変形実施例の部分構成図である。
以下、図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態を実施例に基いて説明する。各実施例においては、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
図1は、本発明のバッテリの温度調節装置10の、車両9における設置位置の一例を示すものである。車両9には通常、車室8内の温度を調節するためのエアコンユニット7がエンジンルーム等に設けられている。エアコンユニット7は、外気Aや室内8を循環した循環空気Cを装置本体内に取り込み、図示しないクーラユニットやヒーターユニットを通すことによって温度調節した冷風CAや温風WAを室内8に吹き出すように動作する。
車両9がEVである場合は、図示しない走行用モータに電力供給するための高電圧バッテリ1(以後単にバッテリ1と記す)が搭載されている。EV用のバッテリ1は大容量でサイズが大きいために、車両9のトランクルームのような車両の後部に搭載されることが多い。従って、バッテリの温度調節装置10はエアコンユニット7とは別の位置に搭載される。本発明のバッテリの温度調節装置10は、このバッテリ1の温度を調節するものであり、バッテリ1を内蔵する通風経路3と通風経路3内を流れる空気の温度を変更する冷凍サイクル2とを備える。本発明のバッテリの温度調節装置10は、バッテリ1の搭載位置によってその設置位置が変わる。
図2は、図1に示したバッテリの温度調節装置10の第1の実施例の構成を示すものである。第1の実施例のバッテリの温度調節装置10にある通風経路3は、バッテリ1を収容するケース30と、ケース30の入口と出口を結ぶダクト33とを備える。ダクト33には第1の外気連通ダクト31と第2の外気連通ダクト32が隣接して接続しており、第1と第2の外気連通ダクト31,32のダクト33への接続点にダンパ6が設けられている。ダンパ6は実線で示す位置と破線で示す位置の2つの位置を取ることができる。ダンパ6が実線位置にある時は、第1と第2の外気連通ダクト31,32はダクト33に連通せず、内気循環経路が形成される。一方、ダンパ6が破線位置にある時はダクト33が二分割され、ダクト33の分割点の一方が第1の外気連通ダクト31を通じて外気に連通し、他方が第2の外気連通ダクト32を通じて外気に連通して外気循環経路が形成される。
ダクト33の内部の所定位置には、モータ50とブレード51を備えた送風機5が設けられている。第1の実施例の送風機5はダクト33内の空気を一方向に送るものであり、逆転して空気を反対方向に送ることはできない。通風経路3の外部には、第1の温度センサとして外気温度を測定する外気温度センサ41が設けられており、ダクト33内のケース30から空気が出てくる部分には、第2の温度センサとして循環気温度センサ42が設けられている。外気温度センサ41の設置位置は外気温度が測定できる場所ならどこでも良いが、第1の外気連通ダクト31の上流側が望ましい。
バッテリの温度調節装置10には更に制御装置4が設けられている。外気温度センサ41の温度検出値と循環気温度センサ42の温度検出値は制御装置4に入力される。また、制御装置4はダンパ6の位置の切り替えと、送風機5のモータ50の回転を制御する。制御装置4は、外気温度センサ41の温度検出値と循環気温度センサ42の温度検出値とを比較して、ダンパ6を切り替えると共に、送風機5のモータ50の回転を制御する。
冷凍サイクル2は、凝縮器21、蒸発器22、コンプレッサ23及び膨張弁24を備えており、これらを接続する冷媒の流路を冷媒が循環する。凝縮器21と蒸発器22はケース30の内部に設けられており、凝縮器21と蒸発器22の間にバッテリ1が収容されている。第1の実施例ではバッテリ1は複数のセルを備えているが、バッテリ1は一体型の場合もある。凝縮器21にはコンプレッサ23で圧縮された高温高圧の冷媒(気体)が流入するので、凝縮器21は高温になる。また、蒸発器22では膨張弁24からの低温低圧の冷媒(液体)が流入するので、蒸発器22は低温になる。冷凍サイクル2は以上のような部材を備えているので、循環気温度センサ42は、蒸発器22の下流側の空気の温度を検出することになる。冷凍サイクル2もこの制御装置4か、あるいは図示しない制御装置に接続され、凝縮器21或いは蒸発器22を通過してバッテリ1に向かう空気が所定温度になるように制御される。
ここで、図3(a)、(b)を用いて、図2に示した第1の実施例のバッテリの温度調節装置10におけるバッテリ1の加熱動作を説明する。図3(a)は、外気温度センサ41で検出した外気温度の方が、循環気温度センサ42で検出した内気の温度よりも低い場合を示している。この時は、制御装置4により、ダンパ6が第1と第2の外気連通ダクト31,32を閉じる位置に制御される。この状態では蒸発器22を通過した空気は凝縮器21の上流に循環する(これを循環モードと記す)。
冷凍サイクル2が作動すると、凝縮器21は高温になり、蒸発器22は低温になる。この状態で送風機5を作動させると、凝縮器21を通過して加熱された空気が実線で示すように移動し、バッテリ1の近傍や間隙を通過するので、バッテリ1が加熱される。バッテリ1を通過した空気は蒸発器22を通過し、循環ダクト33を通って凝縮器21に戻る。この場合、外界とは熱の授受がないので、バッテリ1はコンプレッサ動力として投入されるエネルギ分だけ加熱される。外界と熱の授受がないことから、この循環モードはどのような外気温度の状態でも作動可能である。
一方、外気温度センサ41で測定した温度が、循環気温度センサ42で測定した温度より高い場合は、制御装置4により、ダンパ6が第1と第2の外気連通ダクト31,32が循環ダクト33に接続され、循環ダクト33が二分割される。ダンパ6により、凝縮器21側の循環ダクト33は第1の外気連通ダクト31を通じて外気に連通し、蒸発器22側の循環ダクト33は第2の外気連通ダクト32を通じて外気に連通する。
冷凍サイクル2が作動すると、凝縮器21は高温になり、蒸発器22は低温になる。この状態で送風機5を作動させると、第1の外気連通ダクト31を通じて取り込まれた空気が、破線で示すように移動し、凝縮器21を通過して加熱される。加熱された空気はバッテリ1の近傍や間隙を通過するので、バッテリ1が加熱される。バッテリ1を通過した空気は蒸発器22を通過し、第2の外気連通ダクト32を通って外部に排出される。(これを外気モードと記す)。この場合、蒸発器22の下流の空気より、外部から取り入れた外気の方が暖かいので冷凍サイクル2は外気から熱をくみ上げたことになり、エネルギー効率が向上する、すなわち前述の動作係数COPが向上する。
このように、冷凍サイクル2を備え、循環モードと外気モードを切り替えられる通風経路3の設置により、外気温が低い場合には循環モードで、通常外気温時は外気モードでバッテリ1を加熱することができ、バッテリ1の温度調節を高効率で行うことができる。また、冷凍サイクル2の動作を停止させて、通風経路3を外気モードとすれば、外気によるバッテリ1の冷却を行うことができ、夏期などのバッテリ冷却が必要なときにも最低限の冷却が可能となる。
図4(a)、(b)は、第2の実施例のバッテリの温度調節装置10Aの構成とバッテリ1の加熱/冷却動作を示すものである。第2の実施例のバッテリの温度調節装置10Aが第1の実施例のバッテリの温度調節装置10と異なる点は、冷凍サイクル2のコンプレッサ23の冷媒の吐出側に流路切替動作が可能な四方弁25を設けた点である。四方弁25が図4(a)に示す状態にある時は、コンプレッサ23から吐出された冷媒は凝縮器21に入力され、蒸発器22から出た冷媒がコンプレッサ23に入力される。この時のバッテリの温度調節装置10Aの動作は第1の実施例のバッテリの温度調節装置10の動作と全く同じである。従って、ダンパ6が実線位置にある時は循環モードであり、ダンパ6が破線位置にある時は外気モードとなる。
一方、図4(a)の状態にある四方弁25を90°回転させると図4(b)に示すようになる。四方弁25が図4(b)に示す状態にある時は、コンプレッサ23から吐出された冷媒は蒸発器22に入力され、凝縮器21から出た冷媒がコンプレッサ23に入力される。即ち、凝縮器21と蒸発器22の機能が逆転し、凝縮器21が蒸発器となり、蒸発器22が凝縮器となる。図4(b)に示す状態では、冷凍サイクル2が作動すると、蒸発器22(機能は蒸発器)が高温になり、凝縮器21(機能は蒸発器)は低温になる。
この状態で送風機5を作動させると、低温になった凝縮器21(機能は蒸発器)を通る空気を冷却でき、バッテリ1を冷却することが可能になる。第2の実施例のバッテリの温度調節装置10Aにおいても、ダンパ6の切り替えにより、前述の循環モードと外気モードとを切り替えることができる。図4(b)に実線で示す空気の流れが循環モードにおける空気の流れを示しており、破線で示す空気の流れが外気モードにおける空気の流れを示している。第2の実施例のバッテリの温度調節装置10Aでは、バッテリを外気温以下に冷却することができる。
図5は第3の実施例のバッテリの温度調節装置10Bの構成とバッテリの加熱/冷却動作を示すものである。第3の実施例のバッテリの温度調節装置10Bが第1の実施例のバッテリの温度調節装置10と異なる点は、送風機5を逆転運転可能な軸流ファン53にした点である。軸流ファン53はモータ50の回転軸52の先端部分に取り付けられており、正転及び逆転が可能である。図5(a)は軸流ファン53を正転させた状態を示しており、このとき、ケース30内を流れる空気は凝縮器21側から蒸発器22側に流れる。この時のバッテリの温度調節装置10Bの動作は第1の実施例のバッテリの温度調節装置10の動作と全く同じである。従って、ダンパ6が実線位置にある時は循環モードであり、ダンパ6が破線位置にある時は外気モードとなる。
一方、軸流ファン53を逆転させると、図5(b)に示すように、ケース30内を流れる空気は蒸発器22側から凝縮器21側に流れる。従って、低温状態の蒸発器22を通る空気を冷却でき、バッテリ1を冷却することが可能になる。第3の実施例のバッテリの温度調節装置10Bにおいても、ダンパ6の切り替えにより、前述の循環モードと外気モードとを切り替えることができる。図5(b)に実線で示す空気の流れが循環モードにおける空気の流れを示しており、破線で示す空気の流れが外気モードにおける空気の流れを示している。第3の実施例のバッテリの温度調節装置10Bでも、バッテリを外気温以下に冷却することができる。
なお、第3の実施例のバッテリの温度調節装置10Bでは、反転可能な送風機5として軸流ファン53を用いているが、他の反転可能な送風機の使用も可能である。また、反転不可能な送風機でも、循環ダクト33内で向きを反転できるようにしたり、循環ダクト33を送風機部分だけ2系統のダクトとし、それぞれのダクトないに向きの異なる送風機を設置してダクトを切り替えるようにしても良い。
図6(a)、(b)は、図4(a)、(b)に示した冷凍サイクル2の四方弁25を、二方弁26と三方弁27,28の組み合わせで置き換えた第2の実施例の変形実施例を示すものである。変形実施例には、冷凍サイクル2の構成のみを示してある。変形実施例では、冷凍サイクル2のコンプレッサ23に2系統のバイパス流路BP1、BP2を設けている。バイパス流路BP1には、図4に示した制御装置によって開閉(ON/OFF)される二方弁26を設ける。バイパス流路BP2はその接続部にそれぞれ三方弁27,28を設ける。三方弁27,28は、制御装置により流路「白」−「白」が連通するか、流路「黒」−「黒」が連通するものとする。
図6(a)に示す状態は、二方弁26が閉(OFF)状態であり、三方弁27,28は、流路「白」−「白」が連通している状態である。コンプレッサ23から吐出された冷媒は凝縮器21に入力され、蒸発器22から出た冷媒がコンプレッサ23に入力される。この時の冷凍サイクル2の動作は、図4(a)に示した冷凍サイクル2の動作と全く同じである。図6(b)に示す状態は、二方弁26が開(ON)状態であり、三方弁27,28は、流路「黒」−「黒」が連通している状態である。コンプレッサ23から吐出された冷媒は蒸発器22に入力され、凝縮器21から出た冷媒がコンプレッサ23に入力される。この時の冷凍サイクル2の動作は、図4(b)に示した冷凍サイクル2の動作と全く同じである。
図7は、本発明のバッテリの温度調節装置10、10A,10Bの冷凍サイクル2を用いて加熱又は冷却するバッテリ1に放熱フィン11を取り付けた変形実施例を示すものである。個々のバッテリ1の間にフィン11などの伝熱促進構造を持たせると、バッテリ1との熱の授受が促進される。また、図示はしないが、バッテリ1に特に加熱や冷却を重点的に行いたい部位がある場合は、その部分を凝縮器や蒸発器と熱的に接触させることも可能である。
図8は、本発明のバッテリの温度調節装置10、10A,10Bの冷凍サイクル2の通風経路3を断熱材35で覆った変形実施例を示すものである。通風経路3の全部あるいは一部を外部と断熱させると、これまで述べた効果がより一層大きなものとなる。
更に、第1および第2の外気連通ダクト31,32の両方あるいは片方を、車室8内の空間と連通させることも可能である。この場合は、車室8内の熱エネルギを利用することが可能になる。
更に、前述の実施例におけるセンサ41と42を、温度と湿度が測定可能なもの(一体型でも別体でも良い)とし、温度及び湿度から制御装置4によって算出されるエンタルピーの大小により循環モードと外気モードを切り替えることが可能である。エンタルピーの大小により循環モードと外気モードを切り替えるようにすれば、一層高効率なシステムにすることができる。
1 バッテリ
2 冷凍サイクル
3 通風経路
6 ダンパ
10,10A,10B バッテリの温度調節装置
21 凝縮器
22 蒸発器
30 ケース
33 循環ダクト
41,42 温度センサ

Claims (8)

  1. 車両の走行用モータに電力供給するバッテリ(1)の温度調節装置(10)であって、
    ケース(30)、ダクト(33)、送風機(5)を備え、内部を空気が流れる通風経路(3)と、
    前記ダクト(33)に接続する第1と第2の外気連通ダクト(31,32)と、
    前記第1と第2の外気連通ダクト(31,32)の前記ダクト(33)への接続点に設けられ、前記通風経路(3)を内気循環経路と外気を取り入れて循環後に排出する外気循環経路の何れかに切り替えるダンパ(6)と、
    前記ケース(30)内に凝縮器(21)と蒸発器(22)を備え、冷媒により前記凝縮器(21)を高温にし、前記蒸発器(22)を低温にする冷凍サイクル(2)とを備え、
    前記バッテリ(1)を前記凝縮器(21)と前記蒸発器(22)の間の前記ケース(30)内に配置して、前記バッテリ(1)の加熱が必要な時には空気を前記凝縮器(21)側から前記バッテリ(1)に向けて流し、前記バッテリ(1)の冷却が必要な時には空気を前記蒸発器(22)側から前記バッテリ(1)に向けて流すようにしたことを特徴とするバッテリの温度調節装置。
  2. 外気温度を検出する第1の温度センサ(41)と、
    前記蒸発器(22)の下流側の空気の温度を検出する第2の温度センサ(42)と、
    前記第1と第2の温度センサ(41,42)の温度検出値を比較して前記ダンパ(6)を切り替える制御装置(4)とを更に備え、
    前記制御装置(4)は、前記バッテリ(1)の冷却が必要な時に、前記第1の温度センサ(41)の検出値が前記第2の温度センサ(42)の検出値より高い場合には、前記通風経路(3)を内気循環経路とし、前記第1の温度センサ(41)の検出値が前記第2の温度センサ(42)の検出値より低い場合には、前記通風経路(3)を外気循環経路とすることを特徴とする請求項1に記載のバッテリの温度調節装置。
  3. 前記制御装置(4)は、前記バッテリ(1)の加熱が必要な時に、前記第1の温度センサ(41)の検出値が前記第2の温度センサ(42)の検出値より高い場合には、前記通風経路(3)を外気循環経路とし、前記第1の温度センサ(41)の検出値が前記第2の温度センサ(42)の検出値より低い場合には、前記通風経路(3)を内気循環経路とすることを特徴とする請求項2に記載のバッテリの温度調節装置。
  4. 前記送風機(5)は逆転運転可能であり、前記通風経路(3)を流れる空気の流れを逆転することができることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のバッテリの温度調節装置。
  5. 前記送風機(5)により前記通風経路(3)を流れる空気の流れは常に一方向であり、前記冷凍サイクル(2)を流れる冷媒の向きを逆にすることにより、前記凝縮器(21)と前記蒸発器(22)の機能を入れ替えることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のバッテリの温度調節装置。
  6. 前記冷凍サイクル(2)の冷媒の流路に四方弁(25)が設けられており、前記四方弁(25)の流路切替動作によって前記冷凍サイクル(2)を流れる冷媒の向きが逆になることを特徴とする請求項5に記載のバッテリの温度調節装置。
  7. 前記冷凍サイクル(2)の冷媒流路に二方弁(26)と2つの三方弁(27,28)が設けられており、前記二方弁(26)と2つの三方弁(27,28)の流路切替動作によって前記冷凍サイクル(2)を流れる冷媒の向きが逆になることを特徴とする請求項5に記載のバッテリの温度調節装置。
  8. 前記通風経路(3)の全部又は一部が断熱材(35)で覆われていることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載のバッテリの温度調節装置。
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