JP5024353B2

JP5024353B2 - 電気機器の冷却システム

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Publication number: JP5024353B2
Application number: JP2009249223A
Authority: JP
Inventors: 晃山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: CN102598396A; EP2494647B1; CN102598396B; US20120216999A1; WO2011051790A1; US8720625B2; JP2011093427A; EP2494647A1

Description

この発明は、電気機器の冷却システムに関し、より特定的には、車両に搭載される電気機器の冷却システムに関するものである。

従来、電気機器の冷却構造は、たとえば特開２００８−６２７８１号公報（特許文献１）、および特開２００８−６２７８０号公報（特許文献２）に開示されている。

特開２００８−６２７８１号公報特開２００８−６２７８０号公報

特許文献１では、シートの後方のフロアの下方に配置された電源ユニットを、下側バッテリモジュールと上側のＤＣＤＣコンバータおよびモータ駆動用インバータとで構成し、車体前方から後方に流れる冷却空気は上下に分かれて下側のバッテリモジュールと、上側のＤＣＤＣコンバータおよびモータ駆動用インバータとをパラレルに冷却することが可能となる車両における電気機器の冷却構造が開示されている。これにより、電源ユニット全体を小型化するとともに、バッテリモジュール、ＤＣＤＣコンバータおよびモータ駆動用インバータのすべてに熱交換前の低温の冷却空気を作用させて冷却効果を高めることができ、また、冷却空気の圧損を低減することができるので、冷却空気の合流部の下流に配置される冷却ファンに小型で安価なものを使用することができる技術が開示されている。

特許文献２では、シートの後方のフロアの下方に配置された電源ユニットのうち、バッテリモジュールを下部に配置するとともに、その上部にＤＣＤＣコンバータおよびモータ駆動用インバータを車幅方向に配置したので、車体前方から後方に流れる冷却空気は上下に分かれて下側のバッテリモジュールと、上側のＤＣＤＣコンバータおよびモータ駆動用インバータとをパラレルに冷却することが可能となる車両における電気機器の冷却構造が開示されている。これにより、冷却空気の通路を単純化して電源ユニット全体を小型化し、車体への搭載性を高めることができるだけでなく、バッテリモジュール、ＤＣＤＣコンバータおよびモータ駆動用インバータのすべてに熱交換前の低温の冷却空気を作用させて冷却効果を高めることができる構成が開示されている。

従来の技術では、コンバータを冷却した高温の空気がさらにコンバータを冷却するために用いられる可能性があり、ＤＣＤＣコンバータを効率的に冷却することができないという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、コンバータを効率的に冷却することが可能な電気機器の冷却システムを提供することを目的とする。

この発明に従った電気機器の冷却システムは、車両に搭載された電気機器の冷却システムであって、下側電池と、下側電池の上に設けられた上側電池と、下側電池の上に設けられ、下側電池および上側電池に入出力される電力の電圧を変換するコンバータとを備え、
下側電池、上側電池およびコンバータは冷媒によって冷却され、コンバータの冷媒吸入口は上側電池および下側電池の少なくともいずれかの冷媒排出口に近接して設けられる。
シャシはサスペンションを保持する一対のサスタワーを有し、サスタワー間に上側電池および下側電池が配置される。この場合、サスタワー間の狭い空間を有効に利用することができる。また、重量物である上側電池および下側電池をサスタワー間、すなわち車軸上に搭載することで車両の運動性能を悪化させることがない。
サスタワーは鉛直方向に対して傾斜した側面を有し、サスタワーの側面と冷媒排出口が対面しており、冷媒排出口の冷媒排出方向にサスタワーの側面が配置されて排出された風がガイドされており、側面と下側電池の冷媒排出口との距離は、側面とコンバータの冷媒吸入口との距離よりも小さい。この場合、上側に近づくに従って冷媒通路が広くなるため、温度が上昇した冷媒が上側へ移動しやすくなる。

このように構成された電気機器の冷却システムでは、電池を冷却した冷媒が冷媒排出口から排出され、この冷媒を冷媒吸入口から吸入してコンバータを冷却することができる。その結果、コンバータを効率的に冷却することができる。

好ましくは、電気機器の冷却システムは、コンバータと上側電池との間に設けられた冷媒通路をさらに備える。この場合、電池およびコンバータを均一に冷却することができる。

好ましくは、コンバータの排気ダクトが下側電池および上側電池の少なくとも一方を周回するように配策されている。この場合、コンバータの排気を電池が吸入することを防止することができるとともに、電池を衝撃（衝突）から保護することができる。

好ましくは、電気機器の冷却システムは、コンバータを冷却するために下側電池上に設けられる送風装置を備え、シャシには車両前後方向に延びるトンネルが設けられ、トンネルに近い側にコンバータが設けられ、トンネルから遠い側に送風装置が設けられる。この場合、コンバータからトンネルまでの距離が近くなり、コンバータからトンネルを経由して他の部分へ送電する際の電線を短くすることができる。その結果、電力の損失を最小限として車両の燃費を向上させることができる。

この発明に従えば、コンバータを効率的に冷却することができる。

この発明の実施の形態１に従った車両に搭載される電気機器の冷却システムの平面図である。図１中の矢印ＩＩで示す方向から見た、車両に搭載される電気機器の冷却システムの側面図である。図１中の矢印ＩＩＩで示す方向から見た、車両に搭載される電気機器の冷却システムの背面図である。図１から３で示す電気機器の冷却システムにおける冷媒の流れを示す図である。別の局面に従った電気機器の冷却システムにおける冷媒の流れを示す図である。さらに別の局面に従った電気機器の冷却システムにおける冷媒の流れを示す図である。この発明の実施の形態２に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの平面図である。図７で示す実施の形態２に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの制御を示すフローチャートである。この発明の実施の形態３に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの平面図である。図９で示す実施の形態３に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの制御を示すフローチャートである。この発明の実施の形態４に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの平面図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った車両に搭載される電気機器の冷却システムの平面図である。図２は、図１中の矢印ＩＩで示す方向から見た、車両に搭載される電気機器の冷却システムの側面図である。図３は、図１中の矢印ＩＩＩで示す方向から見た、車両に搭載される電気機器の冷却システムの背面図である。図１を参照して、電気機器の冷却システム１は、上側電池２０と、上側電池２０に隣接して設けられるＤＣＤＣコンバータ１１０とを有する。ＤＣＤＣ(Direct Current/Direct Current)コンバータ１１０および上側電池２０は、ともに車両のサスタワー３１０間に配置されている。すなわち、一対のサスタワー３１０間を結ぶ直線上に上側電池２０が配置されている。ＤＣＤＣコンバータ１１０および上側電池２０はケース３に収納される。上側電池２０を冷却するためのファン２１が上側電池２０に隣接して設けられる。また、下側電池を冷却するためのファン１１が設けられる。ＤＣＤＣコンバータ１１０を冷却するためのファン１１１がＤＣＤＣコンバータ１１０にレイン接続して設けられる。

パッケージトレイ２２５に接続される送風通路２２０の出口はリヤエアコンユニット２１０となっており、リヤエアコンユニット２１０からダクト２３０を経由して冷媒としての空気がファン１１，２１に送られる。

ＤＣＤＣコンバータ１１０を冷却した後の高温の空気が排気ダクト１２０を通じて排出される。ＤＣＤＣコンバータ１１０の排気は排気領域１２５へ向かって流れる。

ＤＣＤＣコンバータ１１０の温度に関する信号ＳＤがＥＣＵ（電子制御ユニット）２５０へ送られる。ＥＣＵ２５０は、リヤエアコンユニット２１０へ信号ＳＡを与えることができる。また、ＥＣＵ２５０はファン１１，２１に信号ＳＦを送ることができる。

図２を参照して、フロアパネル２上にケース３が設けられている。ケース３はフロアパネル２に固定されている。ケース３は下側電池１０および上側電池２０を収納している。下側電池１０の冷媒排出口１２、および、上側電池２０の冷媒排出口２２と近接するように、ＤＣＤＣコンバータ１１０用の冷媒吸入口１１２，１１３が設けられている。図２では、冷媒排出口１２，２２は、それぞれ横長の矩形状であるが、これに限られず、さまざまな形状の冷媒排出口１２，２２を設けてもよい。

また、冷媒排出口１２，２２と、冷媒吸入口１１２，１１３とを直接ダクトで接続してもよい。

図３を参照して、フロアパネル２の両側に一対のサスタワー３１０が設けられている。サスタワー３１０は、サスペンションを支持するシャシ３２０およびフロアパネル２の一部分であり、上側に突出する形状とされている。サスタワー３１０はサスペンション支持部であり、一対のサスタワー３１０がタワーバーにより接続されていてもよい。

サスタワー３１０の側面３１１は矢印４１で示す鉛直方向に対して傾斜しており、サスタワー３１０間の距離は、フロアパネル２から上方向にいくに従って大きくなっている。フロアパネル２上では、下側電池１０および上側電池２０が積層されている。上側電池２０と同じ位置にＤＣＤＣコンバータ１１０が配置されている。下側電池１０は下側電池１０と同じ高さに配置されたファン１１により送風されて冷却される。上側電池２０は、上側電池２０と同じ高さに設けられたファン２１からの送風により冷却される。ＤＣＤＣコンバータ１１０は、ＤＣＤＣコンバータ１１０と同じ高さに設けられたファン１１１からの送風により冷却される。

ケース３と、側面３１１との間の距離は、フロアパネル２から遠ざかるに従って、すなわち上側にいくに従って大きくなる。具体的には、下側電池１０の冷媒排出口１２と側面３１１との距離Ｗ１は、ＤＣＤＣコンバータ１１０の冷媒吸入口１１２，１１３と側面３１１との間の距離Ｗ２よりも小さい。また、フロアパネル２の下側のシャシ３２０にはトンネル３２１が設けられており、トンネル３２１に近い側にＤＣＤＣコンバータ１１０が設けられ、遠い側にファン１１１が設けられている。下側電池１０、上側電池２０およびＤＣＤＣコンバータ１１０は、トンネル３２１に対して左右のいずれか側にオフセットして配置されている。

トンネル３２１内では、ＤＣＤＣコンバータ１１０と、エンジンコンパートメント内のインバータとを接続するための配線３３３が設けられている。ＤＣＤＣコンバータ１１０をトンネル３２１に近い側に設けることで、配線３３３とＤＣＤＣコンバータ１１０との間の電線の長さを短くすることができ、トンネル３２１とＤＣＤＣコンバータ１１０との間への送電のロスを低下させることができる。

ラゲージトリム４０で囲まれた３５０空間、すなわち、車室内とラゲージとの間の３５０空間に上側電池２０、下側電池１０、ＤＣＤＣコンバータ１１０が配置される。ラゲージを最大限拡張する構成として、電池パックとしての上側電池２０および下側電池１０を２段構成としている。そして、ＤＣＤＣコンバータ１１０は、上側電池２０と同じ高さに設けられ、ＤＣＤＣコンバータ１１０の冷却は、電池の排気を利用する。冷媒排出口２１，２２の近傍にＤＣＤＣコンバータ１１０の冷媒吸入口１１２，１１３を設定し、安定して温度の低い吸気温度が得られる。これにより、ＤＣＤＣコンバータ１１０のファン１１１およびヒートシンクの小型化が可能となる。

さらに、サスタワー３１０側へ排出された電池からの排気は、矢印３０２で示すようにサスタワー３１０の側面３１１にガイドされて冷媒吸入口１１２，１１３側へ導入される。これにより安定して電池からの排気を冷媒吸入口１１２，１１３に供給することができる。

図４は、図１から３で示す電気機器の冷却システムにおける冷媒の流れを示す図である。図４を参照して、ファン１１，２１により、冷媒は下側電池１０および上側電池２０へ送られる。そして冷媒は下側電池１０用の冷媒排出口１２および上側電池２０の冷媒排出口２２から排出されて合流し、ＤＣＤＣコンバータ１１０用の冷媒吸入口１１２，１１３からファン１１１へ送られる。そしてファン１１１によって冷媒はＤＣＤＣコンバータ１１０へ供給されてＤＣＤＣコンバータ１１０が冷却される。

図５は、別の局面に従った電気機器の冷却システムにおける冷媒の流れを示す図である。図５を参照して、別の冷却システム１では、下側電池用のファン１１によって冷媒が下側電池１０へ供給される。下側電池１０用の冷媒排出口１２から排出された冷媒は二手に分かれてファン１１１とファン２１へ供給される。そして、ＤＣＤＣコンバータ１１０用の冷媒吸入口１１２，１１３へ導入された冷媒はファン１１１によりＤＣＤＣコンバータ１１０へ送られてＤＣＤＣコンバータ１１０を冷却する。また、ファン２１へ送られた冷媒は上側電池２０へ送られて上側電池２０を冷却する。

図６は、さらに別の局面に従った電気機器の冷却システムにおける冷媒の流れを示す図である。図６を参照して、ファン１１により冷媒が下側電池１０へ送られ、下側電池１０が冷却される。その後冷媒は下側電池１０の冷媒排出口１２から排出されて上側電池２０用のファン２１へ送られる。そしてファン２１が冷媒を上側電池２０へ送り冷媒が上側電池２０を冷却する。そして上側電池２０の冷媒排出口２２から排出された冷媒は、ＤＣＤＣコンバータ１１０の冷媒吸入口１１２，１１３へ供給されてその後ファン１１１へ送られる。ファン１１１は冷媒をＤＣＤＣコンバータ１１０へ供給してＤＣＤＣコンバータ１１０を冷却する。

すなわち、この発明に従った電気機器の冷却システム１は、下側電池１０と、下側電池１０の上に設けられた上側電池２０と、下側電池１０の上に設けられ、下側電池１０および上側電池２０に入出力される電力の電圧を変換するコンバータとしてのＤＣＤＣコンバータ１１０とを備える。下側電池１０、上側電池２０およびＤＣＤＣコンバータ１１０は冷媒によって冷却される。ＤＣＤＣコンバータ１１０の冷媒吸入口１１２，１１３は、上側電池２０および下側電池１０のいずれかの冷媒排出口２２，１２に近接して設けられる。

ＤＣＤＣコンバータ１１０の排気ダクト１２０が上側電池２０および下側電池１０の少なくとも一方を周回するように配策されている。

上側電池２０および下側電池１０を搭載するためのシャシ３２０をさらに備え、ＤＣＤＣコンバータ１１０を冷却する冷却装置としてのファン１１１がシャシ３２０上に設けられる。シャシ３２０には、車両の前後方向に延びるトンネル３２１が設けられる。トンネル３２１に近い側にＤＣＤＣコンバータ１１０が設けられ、遠い側にファン１１１が設けられる。またシャシ３２０は、サスペンションを支持する一対の後輪用のサスタワー３１０を有し、そのサスタワー３１０間に上側電池２０および下側電池１０が設けられている。

サスタワー３１０は鉛直方向に対して傾斜した側面３１１を有し、側面３１１と、下側電池１０の冷媒排出口１２との距離Ｗ１は、ＤＣＤＣコンバータ１１０の冷媒吸入口１１２，１１３と側面３１１との間の距離Ｗ２よりも小さい。

このように構成された電気機器の冷却システム１では、ＤＣＤＣコンバータ１１０の冷媒吸入口１１２，１１３は、下側電池１０の冷媒排出口１２および上側電池２０の冷媒排出口２２近傍に配置されているため、電池の排気によりＤＣＤＣコンバータ１１０を冷却することができるため、ＤＣＤＣコンバータ１１０を効率よく冷却することができる。また、下側電池１０の上の空間にＤＣＤＣコンバータ１１０および上側電池２０を配置するため、装置全体の小型化が可能となる。

さらに、ＤＣＤＣコンバータ１１０の排気ダクト１２０が下側電池１０および上側電池２０の少なくとも一方を周回するように配索されているため、ＤＣＤＣコンバータ１１０の排気を電池が吸入することを防止するとともに、下側電池１０および上側電池２０を衝撃から保護することができる。

また、図３で示すように、トンネル３２１に近い側にＤＣＤＣコンバータ１１０が設けられ、遠い側にファン１１１が設けられるため、ＤＣＤＣコンバータ１１０とトンネル３２１内の配線３３３との距離を短くすることができる。その結果、配線３３３とＤＣＤＣコンバータ１１０間での電力損失を減らすことができる。

また一対のサスタワー３１０間に下側電池１０および上側電池２０が設けられる。サスタワー３１０間では、他の部分に比べて幅が小さくなり、この部分は、デッドスペースになりがちである。しかしながら、このデッドスペースに下側電池１０および上側電池２０を設けることで、デッドスペースを有効に活用することができる。

また、サスタワー３１０間に重量物である下側電池１０および上側電池２０を搭載することで、車両のオーバーハングに上側電池２０および下側電池１０を搭載した場合に比べて車両の運動性能を妨げることがない。

またサスタワー３１０間は通常強度の高い領域であるため、上側電池２０および下側電池１０を衝撃から保護することができる。

（実施の形態２）
図７は、この発明の実施の形態２に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの平面図である。図７を参照して、実施の形態２では、ＤＣＤＣコンバータ１１０の高温の排熱が吸気側に回り込まないようにするために、ＤＣＤＣコンバータ１１０の熱状態に応じ、上側電池２０および下側電池１０を冷却するための排気の圧力を上げる制御を導入する。また、電池の排気圧力が上昇することでＤＣＤＣコンバータ１１０の吸気圧損も低減でき、ＤＣＤＣコンバータ１１０用のファン１１１を小型化することができる。

図８は、図７で示す実施の形態２に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの制御を示すフローチャートである。実施の形態２に従ったシステムの制御フローについて説明する。図８を参照して、ＤＣＤＣコンバータ１１０の温度に関する信号ＳＤがＥＣＵ２５０へ送られる。ＥＣＵ２５０は、ＤＣＤＣコンバータ１１０が高温かどうかを判断する。この判断のために信号ＳＤがＤＣＤＣコンバータ１１０からＥＣＵ２５０へ送られる（ステップＳ１００１）。

ＤＣＤＣコンバータ１１０が高温でないと判断すれば（ステップＳ１００１中の「ＮＯ」）再度、ＤＣＤＣコンバータ１１０の温度を判断するためにステップＳ１００１へ戻る。ＤＣＤＣコンバータ１１０の温度が高温であれが（図８ステップＳ１００１中の「ＹＥＳ」）、ＥＣＵ２５０は、ファン１１，２１の駆動力を向上させるように信号ＳＦをファン１１，２１に送る。これにより、ファン１１，２１による駆動力が大きくなり、その結果、矢印３０２で示す電池からの排気量が多くなる（ステップＳ１００２）。この排気をファン１１１が吸込むことで、ＤＣＤＣコンバータ１１０を確実に冷却することができる。

なお、ファン１１，２１の駆動力を上げない場合には、排気ダクト１２０からの排気が矢印３０５で示す方向に回り込み、この排気をファン１１１が吸入する可能性がある。このような現象を防止するとともに、吸気の圧損抵抗を低減するために、電池冷却用のファン１１，２１の駆動力を向上させる。これにより、図７で示すような矢印３０５の排気の回り込みを防ぐことができる。

（実施の形態３）
図９は、この発明の実施の形態３に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの平面図である。図１０は、図９で示す実施の形態３に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの制御を示すフローチャートである。図９および図１０を参照して、ＤＣＤＣコンバータ１１０の内部温度が高い場合、吸気温度を低減するために、リヤエアコンユニット２１０を駆動させ、リヤエアコンユニット２１０から供給される冷たい空気（冷媒）をファン１１，２１で下側電池１０および上側電池２０に導入する。

具体的には、図１０で示すフローチャートにおいて、ＤＣＤＣコンバータが高温かどうかをＥＣＵ２５０が判断する（ステップＳ１０１１）。ＤＣＤＣコンバータ１１０の温度が高温でなければ、再度ステップＳ１０１１に戻る。ＤＣＤＣコンバータ１１０の温度が高温であれば（ステップＳ１０１１の「ＹＥＳ」）、ＥＣＵ２５０は、リヤエアコンユニット２１０に対して、信号ＳＡを送る。この信号を受けたリヤエアコンユニット２１０は駆動して、冷たい空気をファン１１，２１へ送る（ステップＳ１０１２）。これにより、冷たい空気がＤＣＤＣコンバータ１１０へ導入されてＤＣＤＣコンバータ１１０の冷却速度を向上させることができる。その結果、冷却用のファン１１，２１，１１１、ＤＣＤＣコンバータのヒートシンクおよびＤＣＤＣコンバータ１１０の内部素子の小型化を図ることができる。

（実施の形態４）
図１１は、この発明の実施の形態４に従った、車両に搭載される電気機器の冷却システムの平面図である。図１１を参照して、この発明の実施の形態４に従って電気機器の冷却システムでは、ＤＣＤＣコンバータ１１０と上側電池２０との間に冷媒通路２７１が設けられ、ＤＣＤＣコンバータ１１０を冷却するファン１１１からＤＣＤＣコンバータ１１０周囲に積極的に冷媒を矢印２７０で示す方向に流す経路を構成する。これにより、電池への熱害を抑制すると同時に、ＤＣＤＣコンバータ１１０の内部の基板部品の発熱を抑制することが可能となる。すなわち、ＤＣＤＣコンバータ１１０と上側電池２０の間に空間を設け、そこに冷却風を導入することで、電池の温度上昇および上下段の電池温度のばらつきを低減することが可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１電気機器の冷却システム、２フロアパネル、３ケース、１０下側電池、１１，２１，１１１ファン、１２，２２冷媒排出口、２０上側電池、４０ラゲージトリム、１１０ＤＣＤＣコンバータ、１１２，１１３冷媒吸入口、１２０排気ダクト、１２５排気領域、２１０リヤエアコンユニット、２２０送風通路、２２５パッケージトレイ、２３０ダクト、２７１冷媒通路、３１０サスタワー、３１１側面、３２０シャシ、３２１トンネル、３３３配線。

Claims

車両に搭載された電気機器の冷却システムであって、
下側電池と、
前記下側電池の上に設けられた上側電池と、
前記下側電池の上に設けられ、前記下側電池および前記上側電池に入出力される電力の電圧を変換するコンバータとを備え、
前記下側電池、前記上側電池および前記コンバータは冷媒によって冷却され、
前記コンバータの冷媒吸入口は前記上側電池および下側電池の少なくともいずれかの冷媒排出口に近接して設けられ、
前記下側電池および前記上側電池を搭載するためのシャシを備え、
前記シャシはサスペンションを保持する一対のサスタワーを有し、前記サスタワー間に前記上側電池および下側電池が配置され、
前記サスタワーは鉛直方向に対して傾斜した側面を有し、前記サスタワーの側面と前記冷媒排出口が対面しており、前記冷媒排出口の冷媒排出方向に前記サスタワーの側面が配置されて排出された風がガイドされており、前記側面と前記下側電池の冷媒排出口との距離は、前記側面と前記コンバータの冷媒吸入口との距離よりも小さい、電気機器の冷却システム。
前記コンバータと前記上側電池との間に設けられた冷媒通路をさらに備えた、請求項１に記載の電気機器の冷却システム。
前記コンバータの排気ダクトが前記下側電池および前記上側電池の少なくとも一方を周回するように配策されている、請求項１または２に記載の電気機器の冷却システム。
前記コンバータを冷却するために前記下側電池上に設けられる送風装置を備え、
前記シャシには車両前後方向に延びるトンネルが設けられ、
前記トンネルに近い側に前記コンバータが設けられ、前記トンネルから遠い側に送風装置が設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気機器の冷却システム。