JP5025039B2

JP5025039B2 - バッテリ温調装置

Info

Publication number: JP5025039B2
Application number: JP19271099A
Authority: JP
Inventors: 祐一坂上; 啓仁松井; 貞久鬼丸; 完福田; 逸作山田; 準奥田
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: JP2001023703A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバッテリ温調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車やハイブリッド車が省エネ、環境への配慮などから注目されている。電気自動車やハイブリッド車はバッテリを多数搭載し動力源としているので、バッテリの性能は重要である。バッテリがその性能を十分に発揮し維持するにはバッテリを適正な温度に温調することが必要である。特に、バッテリが充電時や放電時に多くの熱を発生し高温になることがあるため、冷却を行うことが必要になる。
【０００３】
バッテリの温調は、従来は自然空冷によっていたが十分ではなく、特開平７−６７９６号公報には、バッテリを格納するケースの底壁およびバッテリ間の仕切り壁を中空構造にして通風路を形成し、ここに冷媒配管を挿通するとともに、送風ファンにより空気流を形成して、バッテリを冷却するようにしたものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特開平７−６７９６号公報の技術では、ケースの底壁や仕切り壁が中空構造であり、また、冷却能力を上げるのに、バッテリを囲む壁全体に冷媒配管を挿通し、また送風ファンを用いているから、構成が複雑で、大型化するのは否めない。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、温調効率がよく、しかも簡単な構成でコンパクトなバッテリ温調装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、バッテリを冷却するバッテリ温調装置において、バッテリの保持を、バッテリを載置する第１の伝熱板と、該伝熱板に立設しバッテリの側面に密着する第２の伝熱板と、第１の伝熱板の下面に密着せしめた管路とを有するバッテリ保持フレームにより行う。かつ、断熱材で構成された密閉ケースにより、バッテリ保持フレームをバッテリを保持した状態で格納する。流通手段により、上記管路内に管壁を介して上記伝熱板と熱交換する熱輸送物質を流通せしめる。そして、上記バッテリ保持フレームを、上記第１の伝熱板の上面に上記第２の伝熱板を配置して両者が熱的に接続される構成とするとともに、上記バッテリと上記第２の伝熱板を交互に配置して積層し、上記バッテリの両側面に上記第２の伝熱板を密接させ、
上記流通手段は、熱輸送物質である冷媒を高温高圧にするコンプレッサと、高温高圧冷媒を液化せしめるコンデンサと、液化冷媒を膨張せしめて温度を下げる膨張弁とを具備し、上記管路とともに冷凍サイクルを形成してなり、上記膨張弁の設置部を上記密閉ケース内に配するとともに、上記冷媒が流通する冷媒配管内の圧力を検出する圧力検出手段を、上記密閉ケース内に位置する冷媒配管に設置した。
【０００７】
熱輸送物質は、管路の管壁、伝熱板を介してバッテリと熱交換し、バッテリを温調する。この時、バッテリから管路への伝熱は、熱伝導の悪い空気を介さずに伝熱板における伝導のみで行われる。しかもバッテリ保持フレームそのものが密閉ケースにより断熱されているから、ケース外雰囲気温度の影響を受けない。したがって、効率よくバッテリを温調することができる。
【０００８】
また、第１の伝熱板の下面に密着した管路自身がバッテリ保持フレーム全体の強度を高めており、また、ケース壁内部に通風路や送風ファンを設けないので、全体構成を簡単にかつコンパクトにすることができる。
そして、冷凍サイクルによって得られる低温の冷媒によりバッテリから発生する多量の熱を効率よく除去することができる。また、密閉ケース内は、バッテリ冷却中は比較的低温になるので、膨張弁における熱的ロスを抑えることができる。さらに、外気が低温になっても密閉ケース内の温度は外気にくらべると比較的高い。したがって、密閉ケース内におかれた圧力検出手段の検出圧力から冷媒配管内の冷媒抜けの有無を適正に判断することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明では、上記バッテリと上記第２の伝熱板の対向面を密着させる部材を配置した。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（基本形態）
図１，図２に本発明の基本形態であり、車両用に適用したバッテリ温調装置の基本構成を示す。バッテリ温調装置はバッテリ１を温調するための冷凍サイクルを備えており、コンプレッサ２１、コンデンサ２２、レシーバ２３、膨張弁２４ａ、バッテリ保持フレームたるバッテリ冷却器３ａを備え、これらはこの順に冷媒配管４により接続されている。
【００２０】
コンプレッサ２１はエンジン７１によりベルト７２駆動されて作動し、気化冷媒を圧縮し高温高圧にする。コンデンサ２２は高温高圧冷媒の熱を車両前方から供給される外気に放熱し高温高圧冷媒を液化する。レシーバ２３は気液分離するとともに余剰の液化冷媒を貯留する。膨張弁２４ａは液化冷媒を減圧し低温低圧にする。これらコンプレッサ２１、コンデンサ２２、レシーバ２３、膨張弁２４ａは流通手段２を構成し、膨張弁２４ａからの低温低圧冷媒がバッテリ冷却器３ａにおいてバッテリ１の冷却に供される。
【００２１】
また、コンプレッサ２１、コンデンサ２２、レシーバ２３は、車室７３内を冷房するエアコンと兼用で、冷媒配管４は途中で分岐し、膨張弁２４ａおよびバッテリ冷却器３ａと並列に別の膨張弁２４ｂおよびエバポレータ３ｂが設けてある。
【００２２】
また、冷媒配管４には２つの電磁弁５ａ，５ｂが設けられ、電磁弁５ａはバッテリ冷却器３ａへの冷媒の流れを許容または禁止し、電磁弁５ｂはエバポレータ３ｂへの冷媒の流れを許容または禁止する。電磁弁５ａ，５ｂは図略のＥＣＵにより制御され、電磁弁５ａ，５ｂの開閉切り換えにより、バッテリ冷却器３ａ、エバポレータ３ｂのいずれか一方または両方に低温低圧の液化冷媒が流通するようになっている。
【００２４】
エバポレータ３ｂは車室７３内に開口するダクト７４内に設けてある。ダクト７４には上流側に送風用のブロワファン７５が設けられ、エバポレータ３ｂに放熱した空気を車室７３内に供給するようになっている。ブロワファン７５が取り込む空気はダンパ７６の切り換えにより内気か外気かに選択される。
【００２５】
バッテリ冷却器３ａはバッテリ１を格納する密閉ケース６にバッテリ１とともに格納されている。ケース６は蓋をしたとき密閉状態となる構成のもので、バッテリ冷却器３ａへの冷媒の往復は、ケース６の外壁面に付設した冷媒配管４のジョイント部４３を介して行われ、ジョイント部４３から、バッテリ冷却器３ａに冷媒を供給する往路配管４１と、バッテリ冷却器３ａから冷媒を回収する復路配管４２とが伸び、ケース６壁を貫通している。ケース６は断熱材により構成してあり、密閉構造としたことと相まってケース６内の断熱性を高めている。
【００２６】
バッテリ冷却器３ａは２種類のアルミニウム製の部材３１，３２によりバッテリ１を保持する。第１の部材３１はケース６の平面形状よりも一回り小さい長方形の板状部材で水平に設置される。第２の部材３２は略部材３１と等幅のもので、断面Ｌ字に加工されている。第２の部材３２は複数用いられ、その第２の伝熱板である長辺部３２１が、第１の伝熱板である部材３１の上面に、衝立状に間隔をおいて立設する。部材３１と部材３２とは、部材３１の表面に部材３２の短辺部３２２がロウ付けされて一体化している。以下、部材３１は伝熱基板といい、部材３２の長辺部３２１は伝熱フィンという。
【００２７】
伝熱フィン３２１の形状および配置間隔はバッテリ１の形状に合わせてあり、相隣れる２枚の伝熱フィン３２１間に１つずつバッテリ１が配置され、バッテリ１の底面が部材３２の短辺部３２２と当接し、バッテリ１の側面１０１が伝熱フィン３２１と当接する。これら伝熱フィン３２１とバッテリ１の外周を囲み２つのコ字状のステー３４が設けてある。両ステー３４の端部３４１はＬ字に屈曲し、それぞれ他方のステー３４の端部３４１と互いに対向している。対向する１対の端部３４１にボルト３５を挿通しボルト３５とナット３６とを螺結することにより、バッテリ１をバッテリ冷却器３ａに固定するとともに、バッテリ１と伝熱フィン３２１との対向面同志を互いに密着せしめて伝熱性を高めている。なお、バッテリ１と伝熱フィン３２１との対向面には伝熱グリスを塗布し、さらに伝熱性を高めるのもよい。また、伝熱フィン３２１に絶縁コーティングを形成し、バッテリ１が複数箇所で液漏れを生じたとき、良電導性である伝熱フィン３２１を介して生じる短絡に対する耐性を高めるのもよい。
【００２８】
伝熱基板３１の下方には、６本のフィンチューブ３３１，３３２が配設してある。フィンチューブ３３１，３３２は断面が矩形の管状部材で、その上面が伝熱基板３１の下面にロウ付けしてある。フィンチューブ３３１，３３２の内周面からは多数のフィンが突出し受熱面積を広げてある。なお、フィンチューブ３３１，３３２と伝熱基板３１との密着が十分であれば、フィンチューブ３３１，３３２、伝熱基板３１をそれぞれケース６に固定するのでもよい。フィンチューブ３３１，３３２は等間隔に伝熱フィン３２１を交叉する方向に互いに平行に取り回してあり、バッテリ１の下方に均等に配置される。相隣れるフィンチューブ３３１とフィンチューブ３３２とはそれぞれ一方の端部にてターンパイプ３３３により繋いであり、これらはロウ付けにより一体化している。これら２本のフィンチューブ３３１，３３２およびターンパイプ３３３を１組として１本のＵ字状の熱交換用の管路３３が形成される。
【００２９】
この３組の管路３３はそれぞれ一端が共通の往路配管４１と接続され、往路配管４１を介して膨張弁２４ａに通じている。また、他端が共通の復路配管４２と接続され、復路配管４２を介してコンプレッサ２１に通じている。すなわち、膨張弁２４ａからの低温低圧冷媒は、往路配管４１から３つの管路３３に分流し、再び復路配管４２で合流するようになっている。
【００３０】
本バッテリ温調装置の作動を説明する。バッテリ１を冷却するには電磁弁５ａを「開」にして、冷媒がコンプレッサ２１からコンデンサ２２〜レシーバ２３〜膨張弁２４ａ〜バッテリ冷却器３ａを経て再びコンプレッサ２１に戻る冷媒回路を開く。これにより、バッテリ冷却器３ａのフィンチューブ３３１，３３２内を低温低圧の液化冷媒が図２中、矢印にて示すように流通する。液化冷媒は、伝熱基板３１、フィンチューブ３３１，３３２壁を介して、または、伝熱フィン３２１、伝熱基板３１、フィンチューブ３３１，３３２壁を介してバッテリ１が発生する熱を受熱し、バッテリ１を冷却する。この時、バッテリ１からフィンチューブ３３１，３３２への伝熱は、伝熱フィン３２１、伝熱基板３１における伝導のみで行われる。しかもバッテリ冷却器３ａそのものがケース６により断熱され、さらにケース６とバッテリ冷却器３ａとの間に空隙６０１を設けてケース６壁からバッテリ冷却器３ａへの熱の移動を規制している。したがって、効率よくバッテリ１を冷却することができる。
【００３１】
また、熱交換用の管路３３をＵ字状に形成することで、隣接するフィンチューブ３３１とフィンチューブ３３２とで冷媒の流れ方向が逆になり、往路配管４１に近い上流部と復路配管４２に近い下流部とが近接し、往路配管４１、復路配管４２のいずれからも離れている中流部同志が近接する。冷媒は熱交換を行いながら管路３３内を流れ、冷媒の熱交換能力は管路３３の下流にいくにしたがって低下するので、往路配管４１、復路配管４２に近い部分での熱交換能力と、往路配管４１、復路配管４２から離れた部分での熱交換能力とが略等しくなる。これにより、いずれのバッテリ１においても均等に冷却をすることができ、冷却不足や過冷却を防止することができる。
【００３２】
しかも、伝熱基板３１の下面に密着した管路３３自身が伝熱基板３１に梁を入れるかたちで補強しバッテリ冷却器３ａ全体の強度を高めており、また、ケース壁を中空構造とせず送風ファンも設けないので、全体構成を簡単にかつコンパクトにすることができる。
【００３３】
なお、バッテリ冷却器は、バッテリを載置する第１の伝熱板と、伝熱板に立設しバッテリの側面に密着する第２の伝熱板と、第１の伝熱板の下面に密着せしめた熱交換配管とを具備する構成であればよく、図３にバッテリ冷却器の変形例を示す。図中、図１の構成のものと同じ番号を付した部分は実質的に同じ作動をするので、図１の構成のものとの相違点を中心に説明する。部材３７は長方形のアルミニウム板を断面コ字形に屈曲したもので、対向する２つの長辺部３７１を有しており、伝熱フィンである長辺部３７１および短辺部３７２で挟まれる空間はバッテリ１の形状に合わせてある。部材３７は、長辺部３７１の対向間隔と同じ間隔で伝熱基板３１の表面に配置し、短辺部３７２が伝熱基板３１にロウ付けしてある。２つの長辺部３７１の間にバッテリ１が配設される。
【００３４】
この構成のバッテリ冷却器は実質的に図１のものと同じ形状となるが、各伝熱部材３７に２つずつ伝熱フィン３７１が形成されているから、部品数を約半分にすることができる。
【００３５】
また、図１、図３に示したバッテリ冷却器は伝熱基板と伝熱フィンとを別体としているが、一体の構成としてもよい。図４にかかるバッテリ冷却器の例を示す。部材３８は、第１の伝熱板たる底板３８１と天板３８２との間に、これらを結合して複数の第２の伝熱板たる縦壁３８３が形成されたもので、縦壁３８３は互いに平行に配置してある。この一体部材３８は例えば断面梯子状の金型にて押出成形により一時に製作できる。構造が頑丈で部品数をさらに減じることができる。バッテリ１は底板３８１と天板３８２と縦壁３８３とで画成される空間に嵌設される。
【００３６】
（実施形態）
図５に本発明の実施形態になるバッテリ温調装置の構成を示す。図中、図１と同じ番号を付した部分は実質的に基本形態と同じ作動をするので、基本形態との相違点を中心に説明する。膨張弁２４ａは冷媒配管４のケース６内取り回し部分に設置してある。また、冷媒配管４のケース６内取り回し部分には、また、冷媒配管４の、バッテリ冷却器３ａの直下流位置に圧力センサ８が設けてあり、コンプレッサ２１の始動前に、すなわちバッテリ１冷却開始前に、ＥＣＵにおいて圧力センサ８の検出信号から冷媒配管４内の圧力を測定し、圧力値が予め設定した下限値を下回っていれば冷媒抜けと判断するようになっている。
【００３７】
冷媒は膨張弁２４ａにおいて低温低圧となったときに膨張弁２４ａの設置雰囲気から吸熱し熱的なロスを生じるが、このロスは膨張弁２４ａの設置雰囲気温度が高いほど大きい。本実施形態において膨張弁２４ａが置かれるケース６内は断熱されており、バッテリ１冷却中はケース６外温度よりも低い温度で推移するから、膨張弁２４ａにおける熱的ロスを小さく抑えることができる。
【００３８】
また、圧力センサ８により得られた圧力値が下限値以下でも、極寒地等において外気が大きく低下した時、その温度によっては冷媒の飽和蒸気圧が大気圧以下になる場合があり、その場合は通常、冷媒抜けとは判断できない。本実施形態において圧力センサ８が置かれるケース６内は、断熱されており、またバッテリ１の発熱もあり、コンプレッサ２１始動前はケース６外よりも比較的温度が高く、圧力センサ８により適正に冷媒抜けを検出することができる。
【００３９】
なお、上記実施形態において冷凍サイクルはバッテリ専用としてもよい。
【００４０】
また、熱交換用の管路はＵ字状に形成しているが、要求される熱交換能力の均一性によっては、ストレート管の一端を往路配管に接続し他端を復路配管に接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の基本構成となるバッテリ温調装置の全体構成図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。
【図２】基本構成のバッテリ温調装置を構成するバッテリ冷却器の下面図である。
【図３】基本構成のバッテリ温調装置を構成するバッテリ冷却器の変形例を示す図である。
【図４】基本構成のバッテリ温調装置を構成するバッテリ冷却器の別の変形例を示す図である。
【図５】本発明のバッテリ温調装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１バッテリ
２流通手段
２１コンプレッサ
２２コンデンサ
２３レシーバ
２４ａ，２４ｂ膨張弁
３ａバッテリ冷却器（バッテリ保持フレーム）
３１，３８１伝熱基板（第１の伝熱板）
３２１，３７１，３８３伝熱フィン（第２の伝熱板）
３３管路
３３１，３３２フィンチューブ
３３３ターンパイプ
３ｂエバポレータ
４冷媒配管
５ａ，５ｂ電磁弁
６ケース
８圧力センサ

Claims

バッテリを冷却するバッテリ温調装置において、バッテリを載置する第１の伝熱板と、該伝熱板に立設しバッテリの側面に密着する第２の伝熱板と、第１の伝熱板の下面に密着せしめた管路とを有するバッテリ保持フレームを具備し、かつ、断熱材で構成され、バッテリ保持フレームをバッテリを保持した状態で格納する密閉ケースと、上記管路内に管壁を介して上記伝熱板と熱交換する熱輸送物質を流通せしめる流通手段とを具備し、
上記バッテリ保持フレームを、上記第１の伝熱板の上面に上記第２の伝熱板を配置して両者が熱的に接続される構成とするとともに、上記バッテリと上記第２の伝熱板を交互に配置して積層し、上記バッテリの両側面に上記第２の伝熱板を密接させ、
上記流通手段は、熱輸送物質である冷媒を高温高圧にするコンプレッサと、高温高圧冷媒を液化せしめるコンデンサと、液化冷媒を膨張せしめて温度を下げる膨張弁とを具備し、上記管路とともに冷凍サイクルを形成してなり、上記膨張弁の設置部を上記密閉ケース内に配するとともに、上記冷媒が流通する冷媒配管内の圧力を検出する圧力検出手段を、上記密閉ケース内に位置する冷媒配管に設置したことを特徴とするバッテリ温調装置。
請求項１記載のバッテリ温調装置において、上記バッテリと上記第２の伝熱板の対向面を密着させる部材を配置したバッテリ温調装置。