JP2015120505A - 電気自動車またはハイブリッド車の電池の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車またはハイブリッド車の分野において、充電または放電時に熱くなる電気エネルギー蓄電池を冷却することが必要である。【解決手段】蓄電池の液体冷却回路であって、蓄電池を冷却するための要素２に接続された、熱伝達流体を循環させるためのメインループ６と、空調システム１３の放熱器３および／または熱交換４によって熱伝達流体を冷却するように、空気冷却放熱器３にメインループ６を接続する第１のバイパス８と、自動車に装備された空調システム１３に接続されるように構成された熱交換器４にメインループ６を接続する第２のバイパス９とを備える液体冷却回路に関する。メインループ６は、第１のプログレッシブ三方弁１１によって第１のバイパス８に接続され、メインループ６は、第２のプログレッシブ三方弁１２によって第２のバイパス９に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池など、容量および耐用寿命が熱調整の品質に関係する、電気自動車またはハイブリッド車の電池の冷却に関する。

電気自動車またはハイブリッド車の分野において、充電または放電時に熱くなる電気エネルギー蓄電池を冷却することが必要である。

この冷却は、熱伝導で電池を冷却するように、１つ以上の電池または電池の構成セルと接触状態にある中空冷却プレートを通って流れる熱伝達液によって行われる。

熱伝達液は、例えば、外気によって冷却される放熱器で冷却されることで、電池で発生した熱が、液体冷却回路によって外部に放出される。

また、熱伝達液は、熱伝達液／冷却剤タイプの交換器を通って流れることによって冷却されてもよく、交換器は、車両の主要空調ループに接続され、主要空調ループの冷却剤のすべてまたは一部が交換器を通って流れる。

しかしながら、これらの冷却モードは精度および効率性に欠けるため、熱伝達液は、十分な精度で設定点温度に常に保たれるわけではない。

本発明の目的は、車両の電池を冷却するための新規な高精度の機構を提案することである。

この目的を達成するために、本発明の主題は、電気タイプまたはハイブリッドタイプの自動車の蓄電池の液体冷却回路であって、蓄電池を冷却するための要素に接続された、熱伝達流体を循環するためのメインループと、空気冷却放熱器および／または熱交換器によって熱伝達流体を冷却するように、自動車に装備された空調システムに接続されるように構成された少なくとも１つの空気冷却放熱器および／または少なくとも１つの熱交換器にメインループを接続する少なくとも１つのバイパスとを備え、バイパスはそれぞれ、熱伝達流体の温度に依存してバイパスのそれぞれの流量を制御する流量コントローラによってメインループに接続されることを特徴とする回路である。

交換器または放熱器が、電池の熱制約に対して熱伝達流体の過度の冷却力を供給すれば、この機構により、流れの一部のみをこの交換器またはこの放熱器に向け、流れの他の部分をそらすことが可能になる。このように、電池を冷却するための熱伝達流体の温度は、所望の限界温度を下回らず、この流体は、電池を冷却するための機構を通って、連続的かつ安定して流れる。

また、本発明は、各流量コントローラが、熱伝達流体の温度を測定するためのセンサに接続された制御ユニットによって制御されるプログレッシブ三方弁である、上述した回路に関する。

また、本発明は、メインループを空気冷却放熱器に接続する第１のバイパスと、メインループを熱交換器に接続する第２のバイパスとを備え、第１のバイパスおよび第２のバイパスは、熱伝達流体の温度に依存して流量を制御する流量コントローラによってメインループにそれぞれ接続される回路に関する。

また、本発明は、空調システムに接続されるように構成された熱交換器が、空調システムにおける流体用の蒸発器である回路に関する。

好ましくは、空調システムは、空調システムにおける流体用の蒸発器である熱交換器を備える。

また、本発明は、上述したような回路に関し、制御ユニットは、システムの冷却力を増減するために、自動車の前記空調システムを制御するための手段を備える。

本発明の変形実施形態によれば、空調システムは、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を備えるメインループを備える。圧縮機は、膨張弁を通って流れる前に凝縮器を通った後、再び圧縮機に達する前に蒸発器を通過するように、冷却流体をメインループに流す。このように、空調システムのこのメインループにおいて、冷却剤流体は、凝縮器で熱を放出し、凝縮器で熱を取り込む熱力学サイクルを行う。

好ましくは、空調システムのメインループは、凝縮器の出口および圧縮機の入口に接続された別のバイパスループによって熱交換器に接続される。このバイパスループは、好ましくは、空調システムのメインループに戻るために熱交換器を通って流れ、圧縮機の入口で再注入される前に冷却剤流体が通過する膨張弁を備える。

本発明の１つの変形実施形態によれば、空調システムは、膨張弁および蒸発器を通る冷却剤流体の流れを許容または防止するための流量コントローラを備えうる。

さらに、本発明の別の変形実施形態によれば、空調システムのメインループを熱交換器に接続するバイパスループは、膨張弁および交換器を通る冷却剤流体の通過を許容または防止するための流量コントローラを備えうる。

好ましくは、第１および第２のバイパスは、メインループに沿って順に配設される。このように、流量コントローラは、熱伝達流体が放熱器および交換器において連続して冷却されるように作動される。

好ましくは、流量コントローラは、前記流量の漸進的制御を可能にする。

また、本発明は、上述したような電気タイプまたはハイブリッドタイプの自動車の蓄電池の液体冷却回路を制御する方法であって、液体冷却回路は、
−自動車に装備された空調システムに接続されるように構成された熱交換器と、
−熱伝達流体の温度を測定するためのセンサと、外気温を測定するためのセンサとに接続され、メモリ手段を備える制御ユニットと、
を備え、以下のステップが連続して実行され、すなわち、
（ａ）設定点値と呼ばれる温度値およびしきい値と呼ばれる別の温度値がメモリ手段に格納され、
（ｂ）熱伝達流体の温度および外気温がセンサによって測定され、
（ｃ）熱伝達流体の温度および設定点値は、制御ユニットによって比較され、例えば、３℃〜５℃の温度値は、好ましくは、この比較が実行される前に設定点値に加算または設定点値から減算され、
ｄ．１）熱伝達流体の温度が設定点値より高ければ、外気温およびしきい値は、制御ユニットによって比較され、例えば、３℃〜５℃の温度値は、好ましくは、この比較が実行される前にしきい値に加算または設定点値から減算され、
ｄ．２）外気温が前記しきい値より低ければ、制御ユニットは、
−放熱器の流量コントローラが完全に開かれれば、熱交換器の流量コントローラの開口が漸進的に増大され、
−放熱器の流量コントローラが完全に開かれなければ、好ましくは、熱交換器の流量コントローラが完全に閉じられれば、放熱器の流量コントローラの開口が漸進的に増大され、
ｄ．３）外気温がしきい値以上であれば、制御ユニットは、熱交換器の流量コントローラの開口を漸進的に増大し、放熱器の流量コントローラを閉じ、
ｅ．１）熱伝達流体の温度が設定点より低ければ、制御ユニットは、
−熱交換器の流量コントローラが完全に閉じられ、放熱器の流量コントローラが開かれれば、放熱器の流量コントローラの開口を漸進的に低減させ、
−熱交換器の流量コントローラが開かれれば、熱交換器の流量コントローラの開口を漸進的に低減させることを特徴とする方法に関する。

好ましくは、冷却要求がさらに高まると、制御ユニットは、熱伝達流体を冷却して設定点に達することができるように、空調システムに冷却力を高めさせる。

本発明は、以下においてさらに深く理解され、他の特徴および利点は、添付の単一の図面を参照しながら例示的に与えられ、非限定的な実施例によって提示され、本発明および実施方法の説明の理解を補い、必要に応じて、本発明の規定に寄与する助けとなりうる実施形態を備える以下の詳細な記載を読むことで明らかになる。

本発明による電気タイプまたはハイブリッドタイプの自動車の蓄電池の液体冷却回路を示す概略図。

図１に示され、参照番号１を有する本発明による回路は、熱伝達流体が流れる複数の冷却プレート２によって蓄電池(図示せず)を冷却する。これらの冷却プレート２は、伝導によって蓄電池または蓄電池のセルを冷却するために、蓄電池またはセルと接触状態にある。

この熱伝達流体は、外気流によって冷却される放熱器３によって、および／または、自動車に装備された空調システム１３の回路によって冷却される熱交換器４によって、外部条件に応じて、設定点値と呼ばれる値を有する温度に冷却によって維持される。

実際の冷却回路は、熱伝達流体が冷却プレート２を通って流れるようにするためのポンプ７を備えるメインループ６を備える。このメインループ６は、第１のバイパスループ８によって放熱器３に接続される一方で、第２のバイパスループ９によって熱交換器４に接続される。

この回路は、メインループ６と第１のバイパスループ８とを連通状態にする第１のプログレッシブ三方弁１１を備える。この弁１１が完全に開かれると、メインループ６を流れる熱伝達流体のすべてが、第１のバイパス８を通って流れることで、熱伝達流体は放熱器３において冷却される。一方、この弁１１が完全に閉じられると、熱伝達流体は第１のバイパスループ８を通って流れなくなる。

この回路は、メインループ６と第２のバイパスループ９とを連通状態にする第２のプログレッシブ三方弁１２を備える。この第２の弁１２が完全に開かれると、メインループ６を流れる熱伝達流体のすべては、第２のバイパス９を通って流れることで、熱伝達流体は熱交換器４において冷却される。一方、この第２の弁１２が完全に閉じられると、熱伝達流体は第２のバイパス９を通って流れなくなる。

このように、第１の弁１１は、放熱器３を通る熱伝達流体の流れを制御するための弁であり、第２の弁１２は、熱交換器４を通る熱伝達流体の流れを制御可能にする弁である。

図１から分かるように、熱伝達流体／冷却剤タイプのものであり、第２のバイパス９に接続された熱交換器４もまた、自動車に装備された空調システム１３に接続される。このように、熱交換器４により、空調システム１３によって生成された冷気によって熱伝達流体を冷却可能である。

この空調システム１３は、膨張弁１８と蒸発器１９を通過した後に圧縮機１６に再度達する前に、凝縮器１７を通過するように、このループ１４を通って冷却剤流体を流すようにする圧縮機１６を備えるメインループ１４を備える。このメインループにおいて、冷却剤流体は、凝縮器１７で熱を放出して蒸発器１９で熱を取り込む熱力学サイクルを行う。

このメインループ１４は、凝縮器１７の出口および圧縮機１６の入口に接続される別のバイパスループ２１によって熱交換器４に接続される。このバイパスループ２１は、メインループに戻るために熱交換器４を通って流れ、圧縮機１６の入口に再注入される前に冷却剤流体が通過する膨張弁２２を備える。

さらに、空調システム１３は、冷却剤流体が膨張弁１８および蒸発器１９を通る流れを許容または防止するための弁２３を備える。このバイパスループ２１は、膨張弁２２および交換器４を通る冷却剤流体の通過を許容または防止するための弁２４を備える。

このように、空調システム１３の動作時、このシステム１３の冷却剤流体のすべてまたは一部は、蓄電池を冷却するための回路１を流れる熱伝達流体を冷却するように、熱交換器４の方へそらされうる。

制御ユニット（図示せず）は、異なるセンサによって回路１およびシステム１３に接続され、また、熱伝達流体を冷却して設定点温度に熱伝達流体を保つようにプログレッシブ三方弁１１および１２を制御するために、プログレッシブ三方弁１１および１２に接続される。

さらに、放熱器３および凝縮器１７は、矢印２７で表される冷却空気の流れにさらされ、これにより、最初に、放熱器３は、この放熱器３を通って流れる熱伝達流体を冷却し、次に、凝縮器１７は、空調システム１３の冷却流体から熱を放出しうる。

図１から分かるように、第１のバイパス８および第２のバイパス９は、メインループ６に沿って順に配設される。弁１１および１２は、熱伝達流体が放熱器３および交換器４に冷却されるように作動されうる。

液体冷却回路１を制御するための方法は、特に、蓄電池の冷却要求に依存して、弁１１、１２を開閉する選択を含む。

このように、蓄電池の冷却要求が比較的低く、外気温が十分に冷たいとき、熱交換器４の弁１２は、熱伝達流体が熱交換器４を通って流れることができないように閉じられ、放熱器３の弁１１は、熱伝達流体を設定点温度に保つために、ある程度開かれる。

この制御は、制御ユニット（図示せず）によって実行され、制御ユニットは、熱伝達流体の温度を測定するためのセンサに接続され、測定温度が設定点値より高ければ、弁１１の開口を増大させ、測定温度が設定点温度より低い場合、この開口を低減させる。

一方、冷却要求が高い場合、すなわち、放熱器３の弁１１が完全に開かれているが、熱伝達流体の温度が設定点温度より高いままである場合、熱交換器４に関連する弁１２は、放熱器３によって冷却された熱伝達流体のすべてまたは一部が熱交換器４を通過するように開くように作動される。

この場合、空調システム１３は、熱伝達流体の冷却のすべてまたは一部を実行するように始動される。詳細には、空調システム１３は、乗員室の温度を下げたい車両乗員室の乗員によって予め始動されてもよい。そうでなければ、空調システム１３は、冷却剤流体が熱交換器４を通って効率的に流れるようにするために、弁２３および２４を制御する制御ユニット（図示せず）によって動作状態になる。

次に、熱伝達流体は、熱交換器４を通って流れる空調システム１３の冷却剤流体によって熱交換器４において冷却されることで、熱伝達流体が設定点温度で保たれるように冷却力を著しく増大させることが可能になる。

次に、放熱器３のプログレッシブ弁１１は、完全に開かれ、熱交換器４のプログレッシブ弁１２は、熱伝達流体が設定点温度に保たれるように熱伝達流体の温度に対して従動される。

この構成において、特に、外部温度が放熱器３に流入する熱伝達流体の温度より高ければ、すなわち、動作条件により、放熱器３が熱伝達流体を冷却できない場合、放熱器３の弁１１の開口を低減し、または閉じることも可能である。

冷却要求がさらに高まると、制御ユニット（図示せず）は、熱伝達流体を冷却して設定点温度に達することができるように、冷却力を高めるように空調システム１３を制御する。

このように、この状況において、熱交換器４の弁１２は、熱伝達流体の流れのすべてが熱交換器４を通過するように完全に開かれ、制御ユニットによる空調システム１３の制御は、熱伝達流体の温度に対して従動される。

図１に示す実施例において、回路１は、制御ユニットによって制御される２つのプログレッシブ三方弁１１、１２によってそれぞれ供給される２つの別々のバイパス８、９を備えるが、より単純な解決策が本発明の範囲内において考えられてもよい。

このように、プログレッシブ三方弁１１および１２の一方および／または他方は、サーモスタットタイプなどの１つ以上の流量コントローラによって置き換えられてもよい。このようなコントローラにより、関連するヒートセンサを有する専用の制御ユニットを提供することなく、熱伝達流体の温度が増加する場合、各バイパスを通る流量を漸進的に増加させることができ、およびその逆も同様である。

また、回路の構成は、例えば、熱伝達流体／空気タイプの熱交換器および熱伝達流体／冷却剤タイプの熱交換器のそれぞれのための２つの別々のバイパスではなく、熱伝達流体／空気タイプの熱交換器と熱伝達流体／冷却剤タイプの熱交換器との間で熱伝達流体の流れを分配するための単一のプログレッシブバイパスを提供することによって単純化されうる。この単一のバイパスは、流体の温度に依存して２つの回路の間に流れの分配を制御するためのコントローラによってメインループに接続される。

Claims (8)

1. 電気タイプまたはハイブリッドタイプの自動車の蓄電池の液体冷却回路であって、
   前記蓄電池を冷却するための要素（２）に接続された、熱伝達流体を循環させるためのメインループ（６）と、
   空気冷却放熱器（３）および／または熱交換器（４）によって前記熱伝達流体を冷却するように、前記自動車に装備された空調システム（１３）に接続されるように構成された少なくとも１つの前記空気冷却放熱器（３）および／または少なくとも１つの前記熱交換器（４）に前記メインループ（６）を接続する少なくとも１つのバイパス（８、９）と、
   を備え、前記バイパス（８、９）はそれぞれ、前記熱伝達流体の温度に依存して前記バイパス（８、９）のそれぞれの流量を制御する流量コントローラ（１１、１２）によって前記メインループ（６）に接続されることを特徴とする回路。
2. 前記流量コントローラ（１１、１２）はそれぞれ、前記熱伝達流体の温度を測定するためのセンサに接続された制御ユニットによって制御されるプログレッシブ三方弁であることを特徴とする、請求項１に記載の回路。
3. 前記制御ユニットは、前記システム（１３）の冷却力を増減するために、前記自動車の前記空調システム（１３）を制御するための手段を備えることを特徴とする、請求項２に記載の回路。
4. 前記メインループ（６）を前記空気冷却放熱器（３）に接続する第１のバイパス（８）と、前記メインループ（６）を前記熱交換器（４）に接続する第２のバイパス（９）とを備え、前記第１のバイパス（８）および前記第２のバイパス（９）は、前記熱伝達流体の温度に依存して流量を制御する前記流量コントローラ（１１、１２）によって前記メインループ（６）にそれぞれ接続されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の回路。
5. 前記空調システム（１３）に接続されるように構成された前記熱交換器（４）は、前記空調システム（１３）における流体用の蒸発器であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の回路。
6. 前記空調システム（１３）は、前記空調システム（１３）における流体用の蒸発器である熱交換器（１９）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の回路。
7. 前記流量コントローラ（１１、１２）は、前記流量の漸進的制御を可能にすることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の回路。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の電気タイプまたはハイブリッドタイプの自動車の蓄電池の液体冷却回路を制御する方法であって、前記液体冷却回路は、
   −自動車に装備された空調システム（１３）に接続されるように構成された熱交換器（４）と、
   −前記熱伝達流体の温度を測定するためのセンサと、外気温を測定するためのセンサとに接続され、メモリ手段を備える制御ユニットと、
   を備え、以下のステップが連続して実行され、すなわち、
   （ａ）設定点値と呼ばれる温度値およびしきい値と呼ばれる別の温度値がメモリ手段に格納され、
   （ｂ）前記熱伝達流体の温度および前記外気温が前記センサによって測定され、
   （ｃ）前記熱伝達流体の温度および前記設定点値は、前記制御ユニットによって比較され、
   ｄ．１）前記熱伝達流体の温度が前記設定点値より高ければ、前記外気温および前記しきい値は、前記制御ユニットによって比較され、
   ｄ．２）前記外気温が前記しきい値より低ければ、前記制御ユニットは、
   −前記放熱器（３）の前記流量コントローラ（１１）が完全に開かれれば、前記熱交換器（４）の前記流量コントローラ（１２）の開口が漸進的に増大され、
   −前記放熱器の前記流量コントローラが完全に開かれなければ、前記放熱器（３）の前記流量コントローラ（１１）の開口が漸進的に増大され、
   ｄ．３）前記外気温が前記しきい値以上であれば、前記制御ユニットは、前記熱交換器（４）の前記流量コントローラ（１２）の開口を漸進的に増大させ、前記放熱器（３）の前記流量コントローラ（１１）を閉じ、
   ｅ．１）前記熱伝達流体の温度が前記設定点より低ければ、前記制御ユニットは、
   −前記熱交換器（４）の前記流量コントローラ（１２）が完全に閉じられ、前記放熱器（３）の前記流量コントローラ（１１）が開かれれば、前記放熱器（３）の前記流量コントローラ（１１）の開口を漸進的に低減させ、
   −前記熱交換器（４）の前記流量コントローラ（１２）が開かれれば、前記熱交換器（４）の前記流量コントローラ（１２）の開口を漸進的に低減させることを特徴とする方法。

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