JP2006192969A - Power supply device for vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として、ハイブリッド自動車、燃料自動車、電気自動車等の自動車を駆動するモーターの電源用に使用される大電流用の電源装置に関する。 The present invention mainly relates to a high-current power supply device used for powering a motor that drives a vehicle such as a hybrid vehicle, a fuel vehicle, and an electric vehicle.
自動車を走行させるモーターを駆動する電源に使用される大電流、大出力用の電源装置は、複数の電池を直列に連結した電源モジュールをさらに直列に接続して出力電圧を高くしている。駆動モーターの出力を大きくするためである。この種の用途に使用される電源装置は、大きな電流で充放電される。たとえば、ハイブリッド自動車等では、スタートするときや加速するときに、電池でモーターを駆動して自動車を加速するので、100A以上と極めて大きな電流が流れる。さらに、急ブレーキをかけて回生制動するときは大きな電流で充電される。 A high-current, high-output power supply device used as a power supply for driving a motor for driving an automobile further increases the output voltage by connecting a power supply module in which a plurality of batteries are connected in series. This is to increase the output of the drive motor. A power supply device used for this type of application is charged and discharged with a large current. For example, in a hybrid vehicle or the like, when starting or accelerating, a motor is driven by a battery to accelerate the vehicle, so that a very large current of 100 A or more flows. Furthermore, when regenerative braking is performed with sudden braking, the battery is charged with a large current.
大電流を流して使用される電源装置は、電池の温度が上昇するので強制的に冷却する必要がある。とくに、多数の電源モジュールを、横に並べてホルダーケースに入れている電源装置は、各々の電源モジュールをできるかぎり速やかに冷却することが大切である。電池モジュールの温度が高くなると、電池の性能が低下するからである。電池モジュールの温度が設定温度よりも高くなると、車外の空気を強制送風して冷却できる。しかしながら、この構造は、外気温度が高いときに、電池モジュールを速やかに冷却できない。 A power supply device used by passing a large current needs to be forcibly cooled because the temperature of the battery rises. In particular, in a power supply apparatus in which a large number of power supply modules are placed side by side in a holder case, it is important to cool each power supply module as quickly as possible. This is because the battery performance decreases as the temperature of the battery module increases. When the temperature of the battery module becomes higher than the set temperature, air outside the vehicle can be forcibly blown and cooled. However, this structure cannot quickly cool the battery module when the outside air temperature is high.
この弊害を防止する冷却機構を備える車両用の電源装置は開発されている。(特許文献1参照)
この公報に記載される電源装置は、車両の空調用の冷凍サイクルから供給される冷媒を気化させて強制冷却されるエバポレータである空気冷却用熱交換器を冷却機構とする。空気冷却用熱交換器は空気を強制冷却し、冷却された空気で電池モジュールを冷却する。この冷却機構は、低温に強制冷却された空気を電池モジュールに送風して、電池モジュールを速やかに冷却できる。しかしながら、この図に示す構造の冷却機構は、エバポレータの空気冷却用熱交換器で冷却された空気でもって効率よく電池モジュールを冷却できない。それは、空気冷却用熱交換器で冷却された空気の温度が、電池モジュールに供給されるダクトを通過するときに上昇して熱損失が大きくなるからである。空気は、空気冷却用熱交換器を通過する極めて短い時間に冷却される一方、ダクト内を通過するときに簡単に温度が上昇する性質がある。また、空気冷却用熱交換器を通過して冷却された空気をダクトを介して電池モジュールに強制送風するので、全ての電池モジュールに同じ温度の冷却空気を均一に送風するのが難しく、電池モジュールに温度差ができる欠点もある。 The power supply device described in this publication uses an air cooling heat exchanger, which is an evaporator forcibly cooled by vaporizing a refrigerant supplied from a refrigeration cycle for air conditioning of a vehicle, as a cooling mechanism. The air cooling heat exchanger forcibly cools the air and cools the battery module with the cooled air. This cooling mechanism can quickly cool the battery module by blowing air that is forcibly cooled to a low temperature to the battery module. However, the cooling mechanism having the structure shown in this figure cannot efficiently cool the battery module with the air cooled by the air-cooling heat exchanger of the evaporator. This is because the temperature of the air cooled by the air-cooling heat exchanger rises when passing through the duct supplied to the battery module and heat loss increases. While air is cooled in a very short time passing through an air cooling heat exchanger, the temperature easily rises when passing through the duct. In addition, since the air cooled through the air cooling heat exchanger is forcibly blown to the battery module through the duct, it is difficult to uniformly blow the cooling air of the same temperature to all the battery modules. There is also a drawback that a temperature difference can occur.
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、冷媒の気化熱を利用して、熱損失を小さくしながら、電池モジュールを速やかに効率よく、しかも均一に冷却できる車両用の電源装置を提供することにある。 The present invention has been developed for the purpose of solving such drawbacks. An important object of the present invention is to provide a power supply device for a vehicle that can quickly and efficiently cool a battery module uniformly while using heat of vaporization of a refrigerant to reduce heat loss.
本発明の車両用の電源装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。車両用の電源装置は、複数本の電池1と、この電池1を収納する電池ケース2と、この電池ケース2内の電池1に空気を強制送風して冷却する冷却機構3とを備える。冷却機構3は、冷媒の気化熱で電池1に送風する空気を冷却する空気冷却用熱交換器4と、この空気冷却用熱交換器4に冷媒を供給する冷凍サイクル5と、空気冷却用熱交換器4に空気を通過させて電池1に送風する送風機6とを備えている。空気冷却用熱交換器4は、電池ケース2内にあって電池1の下に配設されている。電源装置は、空気冷却用熱交換器4の下から上に通過する空気を電池1に強制送風して、電池1を冷却する。
The vehicle power supply device of the present invention has the following configuration in order to achieve the above-described object. The power supply device for a vehicle includes a plurality of
空気冷却用熱交換器4は、冷媒を通過させる導管18を複数の金属板19に貫通させて、金属板19を垂直姿勢で配設して、金属板19の間を通過する空気を上方の電池1に送風することができる。
The heat exchanger 4 for cooling air passes through a plurality of
電池ケース2は、底板21を空気の供給ダクト24として、天板22を空気の排出ダクト25とすることができる。
The
冷凍サイクル5は、冷媒を加圧するコンプレッサー7と、このコンプレッサー7で加圧された冷媒を冷却して液化させる凝縮器8と、この凝縮器8と空気冷却用熱交換器4との間に接続している膨張弁9とを備えて、膨張弁9を通過した冷媒を空気冷却用熱交換器4に供給し、空気冷却用熱交換器4で気化された冷媒をコンプレッサー7が吸入して、凝縮器8に圧送することができる。
The refrigeration cycle 5 is connected between a compressor 7 for pressurizing the refrigerant, a
さらに、本発明の車両用の電源装置は、車両冷房用の冷凍サイクル5から空気冷却用熱交換器4に冷媒を供給することができる。
Furthermore, the power supply device for a vehicle of the present invention can supply a refrigerant from the refrigeration cycle 5 for cooling the vehicle to the
本発明の車両用の電源装置は、冷媒の気化熱を利用して、熱損失を小さくしながら、内蔵される電池を速やかに効率よく、しかも均一に冷却できる特長がある。それは、本発明の電源装置が、電池ケースに収納された複数本の電池に空気を強制送風して冷却する冷却機構を備えており、この冷却機構が、冷凍サイクルから供給される冷媒の気化熱で電池に送風する空気を冷却する空気冷却用熱交換器を電池ケース内に備えると共に、送風機で空気冷却用熱交換器に通過させた空気を電池に強制送風して電池を冷却しているからである。この構造の電源装置は、空気冷却用熱交換器に通過させて冷却された空気を直接に電池に強制送風するので、熱損失を小さくしながら、内蔵される電池に冷却空気を送風して、全ての電池を効率よく、しかも均一に冷却できる特長が実現できる。 The power supply device for a vehicle according to the present invention has an advantage that a built-in battery can be cooled quickly and efficiently and uniformly while using heat of vaporization of the refrigerant to reduce heat loss. The power supply device of the present invention includes a cooling mechanism that cools a plurality of batteries housed in a battery case by forcing air to cool, and this cooling mechanism is the heat of vaporization of the refrigerant supplied from the refrigeration cycle. In the battery case, an air cooling heat exchanger that cools the air that is blown to the battery is provided in the battery case, and the air that has been passed through the air cooling heat exchanger by the blower is forcibly blown to the battery to cool the battery. It is. The power supply device of this structure forcibly blows air that has been cooled by passing it through an air cooling heat exchanger directly to the battery, so cooling air is blown to the built-in battery while reducing heat loss, Features that can cool all batteries efficiently and uniformly can be realized.
とくに、本発明の請求項5の車両用の電源装置は、車両冷房用の冷凍サイクルから空気冷却用熱交換器に冷媒を供給するので、車両冷房用の冷凍サイクルを電池の冷却機構に併用して、製造コストを低減できる。 In particular, the power supply device for a vehicle according to claim 5 of the present invention supplies the refrigerant from the refrigeration cycle for cooling the vehicle to the heat exchanger for cooling the air. Therefore, the refrigeration cycle for cooling the vehicle is used together with the cooling mechanism for the battery. Manufacturing costs can be reduced.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the following embodiment exemplifies a power supply device for a vehicle for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention does not specify the power supply device as follows.
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。 Further, in this specification, in order to facilitate understanding of the scope of claims, numbers corresponding to the members shown in the examples are indicated in the “claims” and “means for solving problems” sections. It is added to the members. However, the members shown in the claims are not limited to the members in the embodiments.
図1に示す車両用の電源装置は、複数本の電池1と、この電池1を収納している電池ケース2と、この電池ケース2内の電池1に空気を強制送風して冷却する冷却機構3とを備える。冷却機構3は、冷媒の気化熱で電池1に送風する空気を冷却する空気冷却用熱交換器4と、この空気冷却用熱交換器4に冷媒を供給する冷凍サイクル5と、空気冷却用熱交換器4に空気を通過させて電池1に送風する送風機6とを備えている。
The vehicle power supply device shown in FIG. 1 includes a plurality of
冷凍サイクル5は、気化された冷媒を加圧するコンプレッサー7と、このコンプレッサー7で加圧された冷媒を冷却して液化させる凝縮器8と、この凝縮器8と空気冷却用熱交換器4との間に接続している膨張弁9とを備える。膨張弁9は、加圧・冷却して液化された冷媒を空気冷却用熱交換器4の内部で断熱膨張させて、空気冷却用熱交換器4を冷媒の気化熱で強制的に冷却する。膨張弁9は、空気冷却用熱交換器4の排出側の温度を設定温度とするように、開度を調整して、空気冷却用熱交換器4の内部で、供給される冷媒を完全に気化させて排出する。
The refrigeration cycle 5 includes a compressor 7 that pressurizes the vaporized refrigerant, a
以上の冷凍サイクル5は、以下のようにして空気冷却用熱交換器4を強制冷却する。コンプレッサー7は、空気冷却用熱交換器4で気化された冷媒を加圧して凝縮器8に供給する。凝縮器8は、熱交換器で冷媒を冷却して液化させる。凝縮器8は、外気で強制冷却されるので、ファン10で外気を強制送風している。凝縮器8で液化された冷媒は、膨張弁9を通過して空気冷却用熱交換器4に供給される。膨張弁9は、液化された冷媒を空気冷却用熱交換器4の内部で断熱膨張させる。断熱膨張する冷媒は、空気冷却用熱交換器4の内部で周囲から気化熱を奪って気化される。このため、空気冷却用熱交換器4は、冷媒の気化熱で低温に冷却される。空気冷却用熱交換器4の内部で気化して排出される冷媒は、コンプレッサー7で再び凝縮器8に循環される。
The above refrigeration cycle 5 forcibly cools the air
図1の電源装置は、車両冷房用の冷凍サイクル5で空気冷却用熱交換器4に冷媒を供給している。この図の冷凍サイクル5は、凝縮器8の排出側に、電池1を冷却する空気冷却用熱交換器4と、車内を冷房するエバポレータ13とを、それぞれ開閉弁11、12を介して連結している。開閉弁11、12の開閉は制御回路14にコントロールされる。制御回路14は、電池1を冷却するときに、空気冷却用熱交換器4に連結している開閉弁11を開き、車内を冷房するときに、エバポレータ13に連結している開閉弁12を開く。開閉弁11、12が開かれると、空気冷却用熱交換器4やエバポレータ13に冷媒が供給されて冷却される。コンプレッサー7はモーター15で駆動される。モーター15は、DC/ACコンバータ16を介して電池1から供給される電力で駆動される。制御回路14は、DC/ACコンバータ16を制御してモーター15の回転速度をコントロールする。制御回路14は、コンプレッサー7が多量の冷媒を供給する必要があるときにモーター15の回転速度を速くする。たとえば、車内の冷房熱量を大きく、あるいは電池1の冷却熱量を大きくするとき、制御回路14はDC/ACコンバータ16をコントロールしてモーター15の回転速度を速くする。反対に冷房熱量が少なく、あるいは電池1の冷却熱量が小さいとき、モーター15の回転速度を遅くする。コンプレッサー7は、エンジン17で駆動することもできる。エンジンで駆動されるコンプレッサーは、図示しないが、電磁クラッチとプーリーとベルトを介してエンジンのクランクプーリに連結される。電磁クラッチのオンオフを制御回路でコントロールして、コンプレッサーの回転をコントロールする。
The power supply device of FIG. 1 supplies the refrigerant to the air
図2ないし図5は、電池1と空気冷却用熱交換器4を電池ケース2に配設する構造を示す。これ等の図に示す電池ケース2は、上面の天板22と下面の底板21の間に電池1と空気冷却用熱交換器4とを配設している。空気冷却用熱交換器4は電池1の下に、言い替えると空気冷却用熱交換器4の上に電池1を配設している。
2 to 5 show a structure in which the
この図の電池ケース2は、底板21及び天板22と、電池1を定位置に配置する電池ホルダー20とを備える。さらに、電池ケース2は、図3の鎖線で示すように、側板23で周囲を閉塞している。底板21は、内部を中空状として、内部に空気の供給ダクト24を設けている。天板22も内部を中空状として、内部に空気の排出ダクト25を設けている。底板21は、内部の供給ダクト24に連結して、図3において右側の端部を開口している。端部の開口部は、図1に示すように送風機6の吐出側に連結されて、送風機6から供給される空気を底板21から空気冷却用熱交換器4に供給する。底板21は、上に配置している空気冷却用熱交換器4に供給ダクト24から空気を供給するために、上面を開口して、開口部に空気冷却用熱交換器4を配設している。天板22は、内部の排気ダクトに連結して右端を開口している。開口部は、図1に示すように送風機6の吸入側に連結している。また、天板22は下面を開口している。天板22の下面の開口部は、電池ホルダー20の空気ダクト26に連結している。この構造の電池ケース2は、送風機6から吐き出される空気を、底板21の供給ダクト24から空気冷却用熱交換器4に供給し、空気冷却用熱交換器4で冷却された空気を電池ホルダー20に通過させて電池1を連結し、電池ホルダー20から天板22の排気ダクトを通過させて送風機6に循環させる。
The
電池ホルダー20は、上下2段に複数の電池1を平行に並べて収納する収納室27を設けている。下段の収納室27は、断面形状を逆U字状の溝形として、下方を開口している。下段の収納室27は、上部の内面と電池表面との間に空気ダクト26を設けている。上段の収納室27は、電池1の外形よりも内形を大きくする円柱状として、収納する電池1との間に空気を通過させる空気ダクト26を設けている。下段の収納室27の上端部と、上段の収納室27の下端部とを、スリット状の空気ダクト26で連結している。さらに、上段の収納室27の上端部もスリット状の空気ダクト26で、天板22下面の開口に連結している。この形状の電池ホルダー20は、空気冷却用熱交換器4で冷却された空気を、下段の収納室27から上段の収納室27に送風して、上段と下段の電池1を冷却する。上段の収納室27は、収納している電池1の全周に狭い空気ダクト26を設けている。下段の収納室27は、電池1の上半分に狭い空気ダクト26を設けている。狭い空気ダクト26は空気の流速が速く、空気が効果的に電池1を冷却する。図に示すように、上段の電池1の全周を高速流動する空気で冷却し、下段の電池1の半周を高速流動する空気で冷却する構造は、上下の電池1を均一な温度に冷却できる特徴がある。それは、下段の収納室27の電池1は、低い温度の空気で効果的に冷却され、上段の収納室27の電池1は、高速流動する空気でもって広い面積を冷却するからである。
The
電池1と収納室27との間に一定の隙間を設けた空気ダクト26とするために、電池1の表面にリング状に凸条(図示せず)を突出して設けている。この凸条を収納室27の内面に当接させて、電池1と収納室27との間に一定の隙間の空気ダクト26を設けている。ただし、収納室の内面に突出部を設け、この突出部を電池の表面に当接して、電池と収納室との間に一定の隙間を設けることもできる。
In order to form an
図の電源装置は、電池1を円筒型電池とするが、電池1は角形電池とすることもできる。電池1は、複数の素電池を直列に直線状に連結して電池モジュールとする状態で、電池ホルダー20に収納される。電池モジュールは、たとえば、5〜6本の二次電池を、直線状に直列に連結したものである。ただし、電源モジュールは、1本の二次電池で構成することもできる。電源モジュールは、図示しないが、円筒型電池を金属板からなる皿状接続体を介して直線状に連結して、全体の形状を細長い円柱状として電池ホルダーに平行な姿勢で収納される。皿状接続体は、二次電池の電極にスポット溶接されて、対向する二次電池を直列に直線状に連結する。
In the illustrated power supply apparatus, the
ただし、本発明の電源装置は、電池ケース2に電池1を収納する構造を図に示す形態には特定しない。電池ケースには、全ての電池を同一面に、すなわち1段に並べて収納し、あるいは3段以上に積層する構造で収納することもできる。
However, the power supply device of the present invention does not specify the structure in which the
空気冷却用熱交換器4は、電池ケース2内にあって電池1の下に配設される。空気冷却用熱交換器4に下から上に空気を通過させて冷却する。空気冷却用熱交換器4で冷却された空気は、上に配設される電池1に強制送風されて、電池1を冷却する。空気冷却用熱交換器4は、冷媒を通過させる導管18を複数の金属板19に貫通させている。金属板19を垂直姿勢に配設して、金属板19の間を通過する空気を上方の電池1に送風する。図の空気冷却用熱交換器4は、複数枚の金属板19を、一定の間隔で、電池1と平行で垂直な姿勢に配設している。空気は、金属板19の間を通過して、金属板19で冷却される。金属板19は、導管18内を通過する冷媒で冷却される。
The air
空気冷却用熱交換器4は、導管18に連結する金属板19の枚数と間隔を調整して、電池1の温度むらを解消することができる。たとえば、図に示す配列において、中央部分の電池温度が両側部分の電池温度よりも高くなる場合、中央部分の電池1に送風する金属板19の間隔を狭くして枚数を多くし、両側部分の電池1に送風する金属板19の間隔を広くして枚数を少なくする。枚数が多く間隔の狭い金属板19は、通過する空気の冷却効果が高く、通過する空気をより低温に冷却する。反対に、枚数が少なくて間隔の広い金属板19は、通過する空気の冷却能力が小さく、通過する空気の温度が高くなる。このため、中央部分の電池1は、両側部分の電池1よりも低温の空気で効果的に冷却され、両側部分の電池1温度と等しくなる。また、電池1の局部が高温になる場合は、高温になる部分を冷却する空気の通過領域において金属板19の枚数を多くする。多数の金属板19は、空気をより低温に冷却する。このため、電池1の冷却効率が高く、温度の高い部分を低温に冷却して、温度を均一化することができる。
The air
空気冷却用熱交換器4の金属板19を貫通する複数本の導管18は、図示しないが、互いに並列に連結され、あるいは並列と直列に連結されて、冷凍サイクル5に連結される。すなわち、導管18は、一端をコンプレッサー7の吸入側に、他端を膨張弁9と開閉弁11を介して凝縮器8に連結して、凝縮器8から液化された冷媒が供給され、供給された冷媒を導管18の内部で気化させ、気化した冷媒をコンプレッサー7に吸入させる。
Although not shown, the plurality of
空気冷却用熱交換器4の導管18は銅パイプで製作され、金属板19はアルミニウム板で製作される。ただし、空気冷却用熱交換器は、導管をアルミニウムパイプで製作し、金属板を銅板で製作することもできる。さらに、空気冷却用熱交換器は、導管をアルミニウムパイプで製作し、金属板をアルミ板で製作することもできる。この空気冷却用熱交換器は、リサイクル性に優れ、有効に再利用できる特長がある。さらにまた、空気冷却用熱交換器は、導管を銅パイプで製作し、金属板を銅板で製作することもできる。この空気冷却用熱交換器は、熱伝導に優れ、効率よく熱交換できる特長がある。さらに、導管と金属板は、どちらか一方あるいは両方をアルミニウムや銅以外の金属で製作することもできる。
The
以上の電池ケース2は、天板22と底板21と側板23を連結して組み立てられて、内部に電池1と空気冷却用熱交換器4を収納する。
The
1…電池
2…電池ケース
3…冷却機構
4…空気冷却用熱交換器
5…冷凍サイクル
6…送風機
7…コンプレッサー
8…凝縮器
9…膨張弁
10…ファン
11…開閉弁
12…開閉弁
13…エバポレータ
14…制御回路
15…モーター
16…DC/ACコンバータ
17…エンジン
18…導管
19…金属板
20…電池ホルダー
21…底板
22…天板
23…側板
24…供給ダクト
25…排出ダクト
26…空気ダクト
27…収納室
DESCRIPTION OF
Claims (5)
冷却機構(3)が、冷媒の気化熱で電池(1)に送風する空気を冷却する空気冷却用熱交換器(4)と、この空気冷却用熱交換器(4)に冷媒を供給する冷凍サイクル(5)と、空気冷却用熱交換器(4)に空気を通過させて電池(1)に送風する送風機(6)とを備えており、
空気冷却用熱交換器(4)が、電池ケース(2)内にあって電池(1)の下に配設され、空気冷却用熱交換器(4)に下から上に通過する空気を、電池(1)に強制送風して、電池(1)を冷却するようにしてなる車両用の電源装置。 Multiple batteries (1), a battery case (2) that houses the batteries (1), and a cooling mechanism (3) that cools the batteries (1) in the battery case (2) by forcibly blowing air A power supply device comprising:
The cooling mechanism (3) is an air-cooling heat exchanger (4) that cools the air sent to the battery (1) with the heat of vaporization of the refrigerant, and a refrigeration supplying the refrigerant to the air-cooling heat exchanger (4). A cycle (5) and a blower (6) for passing air through the air cooling heat exchanger (4) and blowing air to the battery (1),
An air cooling heat exchanger (4) is disposed in the battery case (2) and under the battery (1), and air passing from the bottom to the air cooling heat exchanger (4) A power supply device for a vehicle configured to cool the battery (1) by forcibly blowing air to the battery (1).
The power supply device for vehicles described in Claim 1 which supplies a refrigerant | coolant to the heat exchanger (4) for air cooling from the refrigerating cycle (5) for vehicle cooling.
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