JP5450043B2 - バッテリー温調システム用の熱交換器とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド電気自動車に装備されるバッテリー温調システム用の熱交換器及びその製造方法に関する。

電気自動車（Electrical Vehicle 以下、「ＥＶ」）やハイブリッド電気自動車（Hybrid
Electrical Vehicle以下、「ＨＥＶ」）に装備される走行用のバッテリーは、急速充電時に大電流が流れてバッテリー自体が発熱するため、一般的に冷却装置が付帯されている。

ところで、走行用のバッテリーは、走行距離延長の要請や、充電時間の短縮化の要請により、単位時間当たりの充電量は増える傾向にある。そのため、充電時のバッテリーからの発熱量が増加し、充電効率が低下したりバッテリーの寿命が短縮化されてしまうので、冷却装置には冷却性能の確保及び向上が求められている。

この種のバッテリーの冷却装置として、水冷式と空冷式のものが知られているところ、バッテリーとの単位時間当たり熱交換量を大きくとれる観点から、水冷式温調システムへの関心が高まっている（水冷式のものとして、後記特許文献１のもの参照）。

また、走行用のバッテリーとして、リチウム系、ニッケル水素系、ナトリウム硫黄蓄電池等が開発されているが、これらのバッテリーは、従来の内燃機関用バッテリーとは異なり、例えば１００Ｖ仕様や３５０Ｖ仕様のように、高電圧を発生させる必要がある。そこで、モジュールと呼ばれる各電池を、電気的に直列に繋ぐことで高電圧化を実現している。

特開平７−１０５９８８号公報

ところで、モジュールの構造は、放熱性を確保するために金属ケースが用いられており、この金属ケースの内部に、セルと呼ばれる電池としての最小単位を、複数備えて構成されている。これらのセルは、充放電や劣化等によりセル自体が不均一に膨張或いは収縮するため、金属ケースの厚みは、セルの寸法変化に追従できるように形成されている。このため、モジュールを冷却する熱交換器は、金属ケースが寸法変化しないように構成された側面において、効率的に熱交換するように構成する必要がある。

一般に、車両は空間が狭いため、多数のモジュールは、車両ごとのレイアウトに応じて、適宜の姿勢で設置され、モジュールの積層段数も様々となり得る。このようなモジュールの設置状況に対し、用いられる熱交換器は、とりわけモジュールの積層段数に応じた寸法とする必要がある。

そこで本発明は、この種のバッテリー温調システム用の熱交換器において、効率的に熱交換することができる構造を備え、しかも、モジュールの積層段数に応じた寸法に形成することの可能なＥＶやＨＥＶ用のバッテリー温調システム用熱交換器及びその製造方法を提供するものである。

本願第１請求項に記載した発明は、実施例で用いた符号を付して記すと、複数のモジュールからなる車載用バッテリーを温度調節するバッテリー温調システムに用いられ、前記モジュールと熱交換する熱交換器において、
この熱交換器６は、前記複数のモジュールＢ，Ｂの側面に対向配置されるものであって、
液体の熱媒体４０が通流する複数の流路６３，６３と、
隣接する前記流路の間に設けられ、隣接する流路内の熱媒体４０の通流を遮断する部位であって、当該隣接する流路の一方と他方とが分断可能に設けられる切断可能部（仕切部６４，６４）と、
前記流路の熱媒体流路方向の両端に設けられたヘッダ部６２，６２と、を備え、
前記複数のモジュールＢ，Ｂの側面において対向配置される前記流路６３，６３及び当該モジュールＢ，Ｂは、当該流路６３，６３の幅方向と前記複数のモジュールＢ，Ｂの重ね合わせ方向とが一致するように設けられているバッテリー温調システム用の熱交換器である。

本願第２請求項に記載した発明は、請求項１の発明において、熱交換器６は、２枚のプレート部材６１，６１を貼り合せて形成されるバッテリー温調システム用の熱交換器である。

本願第３請求項に記載した発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記流路６３の幅６３ｗと前記切断可能部の幅との寸法の和が、前記モジュールＢの厚み寸法と略等しいバッテリー温調システム用の熱交換器である。

本願第４請求項に記載した発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載した発明において、前記流路に対向する前記ヘッダ部には、各流路への熱媒体４０の流量を調整する流量調整板９が設けられているバッテリー温調システム用の熱交換器である。

本願第５請求項に記載した発明は、複数のモジュールからなる車載用バッテリーを温度調節するバッテリー温調システムに用いられる熱交換器の製造方法において、
この熱交換器６は、前記複数のモジュールＢ，Ｂの側面に対向配置されるものであって、
液体の熱媒体４０が通流する複数の流路６３，６３と、
隣接する前記流路の間に設けられ、隣接する流路内の熱媒体４０の通流を遮断する部位であって、当該隣接する流路の一方と他方とが分断可能に設けられる切断可能部（仕切部６４，６４）と、
前記流路の熱媒体流路方向の両端に設けられたヘッダ部６２，６２と、を備え、
前記熱交換器６の前記流路の幅方向と前記複数のモジュールの重ね合わせ方向とを一致させ、前記複数のモジュールＢ，Ｂの厚み寸法に合わせて前記熱交換器の前記切断可能部を切断して、前記複数のモジュールの側面に配置される熱交換器を形成するバッテリー温調システムに用いられる熱交換器の製造方法である。

一般にモジュールは、充放電により厚さ方向に拡縮するので、モジュールの厚さ方向に熱交換器を配置するのは好ましくない。この点、本願第１請求項に記載した発明によれば、熱交換器は、複数のモジュールの側面に対向配置されるので、モジュールの充放電による拡縮があっても、モジュールを拘束することがないので、モジュールに不具合を生ぜしめることがない。更に、隣接する前記流路の間に切断可能部が設けられるので、モジュールの積層寸法に合わせた部位で熱交換器を切断することができ、レイアウトに応じた熱交換器を容易に得ることができる。

また、モジュールの積層寸法に合わせた部位で熱交換器を切断して、レイアウトに応じた熱交換器を得ることができるので、別途、モジュールの積層段数に合せた専用の型や生産治具を用意する必要がなく、従って生産コストを低減することができる。

本願第２請求項に記載した発明によれば、熱交換器は、２枚のプレート部材を貼り合せて形成されるので、部品点数を少なくして、生産コストを低減することができる。

本願第３請求項に記載した発明によれば、流路の幅と前記切断可能部の幅との寸法の和が、前記モジュールの厚み寸法と略等しいので、モジュールの積層寸法に合せた熱交換器を得ることができて、最適化を図ることができる。

本願第４請求項に記載した発明によれば、流路に対向する前記ヘッダ部には、各流路への熱媒体の流量を調整する流量調整板が設けられているので、熱交換器を流れる熱媒体の流量を調節でき、効率的に複数のモジュールを温調することができる。

本願第５請求項に記載した発明によれば、熱交換器の流路の幅方向と複数のモジュールの重ね合わせ方向とを一致させ、複数のモジュールの厚み寸法に合わせて熱交換器の切断可能部を切断して、複数のモジュールの側面に配置される熱交換器を形成するので、モジュールの積層寸法に適合する適切な大きさの熱交換器を容易に得ることができる。

また、モジュールの積層段数に合せた専用の型や生産治具を用意する必要がなく、生産コストを低減することができるものである。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。まず、本発明が実施されているバッテリー温調システムについて図１を参照して説明すると、この図１に示すバッテリー温調システムの全体構成図において、第１熱交換ユニット１と、第２熱交換ユニット２０とから構成される。第１熱交換ユニット１は、配管３内に液状の熱媒体４０を充填しこの熱媒体でモジュール（バッテリー）Ｂと熱交換する第１熱交換部２を備える。第２熱交換ユニット２０は、第１熱交換部２で熱交換した熱媒体４０を放熱或いは放冷する第２熱交換部２１を備える。尚、熱媒体４０は、例えば水や不凍液が用いられるが、これらに特に限定されるものではない。

前記第１熱交換ユニット１は、第１熱交換部２の下流側に設けられる熱媒体貯留部４と、この熱媒体貯留部４の熱媒体４０を配管内３で循環させるポンプ５と、を備える。

このバッテリー温調システムにおいて、図示を省略したバッテリー充電用スタンド等により、バッテリーの急速充電が行われる。即ち、短時間で行われるバッテリーの急速充電は、車両停止の際、行われるものであって、バッテリーの温度が急上昇するが、車両走行時の回生発電によるバッテリー充電の場合は、所謂緩慢充電であり、これに伴いバッテリーの温度が上昇しても、その温度上昇はバッテリーに不具合を生じさせる程度のものではない。

そして、バッテリーの充電時とりわけ急速充電時には、前記ポンプ５を作動して熱媒体を配管３内で循環させ、これにより、第１熱交換部２において熱媒体４０によりモジュールＢとの熱交換がなされる。

前記第２熱交換ユニット２０は、前述したように第２熱交換部２１を備えるものであって、冷媒を圧縮する圧縮機２２と、圧縮機２２で圧縮された冷媒を冷却する凝縮器２３と、凝縮器２３で冷却された冷媒を減圧して膨張させる減圧器２４ａと、減圧器２４ａで減圧された冷媒を蒸発する蒸発器２５とを備えている。尚、圧縮機２２は、図示を省略したモータによって駆動される。また、前記第２熱交換ユニットに用いられる冷媒としては、フロンや二酸化炭素、ハイドロカーボン等が適宜利用される。

図１において、符号２６は切替弁であり、この切替弁２６の切替えによって、第２熱交換部２１において温調を行うこともできる。従って、この温調により、第１熱交換部２においてモジュールＢの温調も行うことができるので、バッテリー温度を適宜一定状態にして、バッテリーの充放電効率を高めることが可能となる。

例えば、圧縮機２２から吐出され凝縮器２３を経由した冷媒を、切替弁２６により第２熱交換部２１へ流れるようにすれば、冷媒は第２熱交換部２１の上流の減圧器２４ｂで減圧され、第２熱交換部２１で蒸発するとともに熱交換ユニット１を冷却し、圧縮機２２へ戻すことができる。更に、圧縮機２２からの冷媒の吐出量や、第２熱交換部２１の上流の減圧器２４ｂの設定条件を適宜変更することによって、第２熱交換部２１での第１熱交換ユニット１の冷却量を制御することができる。

また、必要に応じて、圧縮機２２から吐出され凝縮器２３を経由した冷媒を切替弁２６により、第２熱交換部２１と、蒸発器２５との両方に分配してもよい。尚、図１に示すバッテリー温調システムにおいて、熱媒体貯留部４は上方が開口している例を示しているところ、これは装置の概念構成を示すものであり、これに限らず熱媒体貯留部４の上方を閉塞して、所謂クローズドサーキット（閉回路）を形成することができることはいうまでもない。

この例の第１熱交換部２は、図２及び図３に示すように、モジュールＢを縦にして所定数並べた１ブロックごとに、熱交換器６をその上部に配置して構成している。

熱交換器６は、本例の場合、後述（図５）するように、同一構造のアルミ製プレート６１，６１を用い、一方のプレート６１を、天地を逆にして他方のプレート６１にろう付けして形成される。この熱交換器６は、左右一対のヘッダ部６２，６２と、これらのヘッダ部６２，６２間に設けられる複数の流路６３，６３と、流路６３，６３間に設けられる仕切部６４，６４を備えている。この例では、熱媒体４０には水溶液が用いられており、バッテリーの急速充電時には、この熱媒体（水溶液）は、図２に矢印にて示すように、一方のヘッダ部６２から流路６３，６３を経由して他方のヘッダ部６２へ流れるように構成されている。

図４は、本例の熱交換器６を示す図であって、ヘッダ部６２，６２には出入口キャップ等のアセンブリ７が装着される。入口側は、通孔７２を備えた入口キャップ７１と、配管７３の先端部を収納するラッパ状キャップ７４、ゴムリング７５及びクリップ７６を備え、反対側のヘッダ部６２には封止キャップ７７を装着する。これらを備えることにより、前述したように、一方のヘッダ部６２に流入した熱媒体４０は、複数の流路６３，６３を経由して他方のヘッダ部６２へ流れる。

熱交換器６を構成するアルミ製プレート６１は、図５に示すように、プレス形成されるものであって、プレート２枚重ね合わせて形成されるヘッダ部６２の構成部位たる溝部６２０，６２０と、これらの溝部６２０，６２０間に設けられて複数の流路６３，６３を構成する部位たる溝部６３０，６３０と、これらの溝部６３０，６３０間に設けられて仕切部６４，６４を構成する部位たる突条部６４０，６４０を備えている。

前記アルミ製プレート６１は、２枚重ね合わせられる面にろう材をクラッドし、炉内ろう付けされて、図６及び図７に示すように、本例の熱交換器６が形成される。尚、前述した入口キャップ７１と封止キャップ７７はアルミ合金よりなり、ろう付けの際、同時にろう付けされる。

また、本例の熱交換器６は、図８に示すように、所定間隔で適宜複数（この例では１０流路）の流路６３，６３及び仕切部６４，６４を予め形成しておくものであり、適用するモジュールＢの個数に対応させて、所定の仕切部６４の箇所で切断して用いる。この仕切部６４は、各隣接する流路６３，６３の間に位置して文字通り仕切りをなし、この部位で切断しても隣接する流路６３，６３に何等の消長も来たさない。即ち、この仕切部６４は、本発明に係る熱交換器６の切断可能部を構成する。

また、本例の場合、熱交換器６とモジュールＢとの熱交換効率を向上させるため、図９に示すように、熱交換器６の流路６３とモジュールＢとの間に、熱伝導シート８を装着している。この熱伝導シート８は、所謂ゲルシートと呼ばれているシートであって、本例では、厚さ２ｍｍ、熱伝導率６．５Ｗ／ｍＫのものを使用している。尚、Ｂ_１はモジュールＢの本体、Ｂ_２はモジュールＢの鍔部である。モジュールＢの本体Ｂ_１と、モジュールＢの鍔部Ｂ_２との段差は３ｍｍ、流路６３と仕切部６４との段差は１ｍｍである。

上述したように、本発明の熱交換器６においては、適用するモジュールＢの個数に対応させて、所定の仕切部６４の箇所で切断して用いるので、一つの流路６３の幅６３ｗと一つの前記切断可能部（仕切部６４）の幅６４ｗとの寸法の和を、一つのモジュールＢの厚み寸法Ｂｗと略等しく形成している。

このように、流路６３の幅６３ｗと前記切断可能部（仕切部６４）の幅６４ｗとの寸法の和が、モジュールＢの厚み寸法Ｂｗと略等しく形成されるので、本例の熱交換器６においては、熱交換器の流路６３の幅方向と複数のモジュールＢ，Ｂの重ね合わせ方向とを一致させて、この複数のモジュールの厚み寸法（積層寸法）に合わせて熱交換器６の前記切断可能部（仕切部６４）を切断すれば、用いられるモジュールＢ，Ｂの厚さに適合する熱交換器６を得ることができる。そして、この熱交換器６をモジュールＢ，Ｂの側面に配置することにより、本例の第１熱交換部２が構成されることになる。

図１０は、本例の熱交換器６に流量調整板９を用いたものである。即ち、流量調整板９は、ヘッダ部６２に挿入されて、例えばろう付けの際に固着されるものであり、ヘッダ部６２の流路６３，６３に適合するように、順次大きさの異なる孔部９１，９１を形成してなるものである。このような流量調整板９を用いると、流路６３，６３を流れる熱媒体４０の流量を流路ごとに調整することができ、効率的に複数のモジュールを温調することが可能となるものである。

また、本発明に係るバッテリー温調システムの熱交換器は、前記各例のほか、本発明の目的に沿って適宜改変することができるものである。尚、上述した例では、モジュールを複数縦方向に並べて、その上部に熱交換器を配置したが、モジュールを複数重ね置きして（積み上げて）、その側面に対向配置することもできるものである。

本発明は、ＥＶやＨＥＶ用のバッテリー温調システムの液体使用熱交換器及びその製造方法に好適である。

本発明が用いられるバッテリー温調システムを示す全体構成図である。 本例のバッテリー温調システムにおける第１熱交換部を示し、ここに本発明に係る熱交換器が用いられている状態を示す図である。 図２に示す第１熱交換部の一部を拡大して示す構成図である。 本発明に係る熱交換器を示す図である。 熱交換器を構成するプレートの斜視図である。 本発明に係る熱交換器を示す斜視図である。 本発明に係る熱交換器に係り、一部破断して示す斜視図である。 本発明に係る熱交換器を示す斜視図である。 本発明に係る熱交換器を示す図であって、（１）は熱伝導シートとモジュールを併せて示す斜視図、（２）は熱伝導シートとモジュールを重ね合わせて示す図である。 本発明に係る熱交換器に係り、流量調整板を用いた例を示す斜視図である。

１ 第１熱交換ユニット
２ 第１熱交換部
２０ 第２熱交換ユニット
２１ 第２熱交換部
２２ 圧縮機
２３ 凝縮器
２４ａ 減圧器
２４ｂ 減圧器
２５ 蒸発器
２６ 切替弁
３ 配管
４ 熱媒体貯留部
４０ 熱媒体
５ ポンプ
６ 熱交換器
６１ アルミ製プレート
６２ ヘッダ部
６２０ 溝部
６３ 流路
６３０ 溝部
６４ 仕切部
６４０ 突条部
７ アセンブリ
７１ 入口キャップ
７２ 通孔
７３ 配管
７４ ラッパ状キャップ
７５ ゴムリング
７６ クリップ
７７ 封止キャップ
８ 熱伝導シート
９ 流量調整板
９１ 孔部
Ｂ モジュール
Ｂ_１ モジュールの本体
Ｂ_２ モジュールの鍔部

Claims (5)

1. 複数のモジュールからなる車載用バッテリーを温度調節するバッテリー温調システムに用いられ、前記モジュールと熱交換する熱交換器において、
   この熱交換器は、前記複数のモジュールの側面に対向配置されるものであって、
   液体の熱媒体が通流する複数の流路と、
   隣接する前記流路の間に設けられ、隣接する流路内の熱媒体の通流を遮断する部位であって、当該隣接する流路の一方と他方とが分断可能に設けられる切断可能部と、
   前記流路の熱媒体流路方向の両端に設けられたヘッダ部と、
   を備え、
   前記複数のモジュールの側面において対向配置される前記流路及び当該モジュールは、当該流路の幅方向と前記複数のモジュールの重ね合わせ方向とが一致するように設けられていることを特徴とするバッテリー温調システム用の熱交換器。
2. 請求項１記載の熱交換器は、２枚のプレート部材を貼り合せて形成されることを特徴とするバッテリー温調システム用の熱交換器。
3. 請求項１又は２記載の熱交換器において、前記流路の幅と前記切断可能部の幅との寸法の和が、前記モジュールの厚み寸法と略等しいものであることを特徴とするバッテリー温調システム用の熱交換器。
4. 前記流路に対向する前記ヘッダ部には、各流路への熱媒体の流量を調整する流量調整板が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載のバッテリー温調システム用の熱交換器。
5. 複数のモジュールからなる車載用バッテリーを温度調節するバッテリー温調システムに用いられる熱交換器の製造方法において、
   この熱交換器は、前記複数のモジュールの側面に対向配置されるものであって、
   液体の熱媒体が通流する複数の流路と、
   隣接する前記流路の間に設けられ、隣接する流路内の熱媒体の通流を遮断する部位であって、当該隣接する流路の一方と他方とが分断可能に設けられる切断可能部と、
   前記流路の熱媒体流路方向の両端に設けられたヘッダ部と、を備え、
   前記熱交換器の前記流路の幅方向と前記複数のモジュールの重ね合わせ方向とを一致させ、前記複数のモジュールの厚み寸法に合わせて前記熱交換器の前記切断可能部を切断して、前記複数のモジュールの側面に配置される熱交換器を形成することを特徴とするバッテリー温調システムに用いられる熱交換器の製造方法。
   

Images