JP5741495B2 - 車載電池用冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される電池を冷却する車載電池用冷却器に関する。

例えば、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載される電池を冷却するため、廃熱源の廃熱を利用して電池の冷却を行う冷却システムが知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載の冷却システムにおいては、廃熱源の廃熱を回収する廃熱回収器が廃熱源と熱交換可能に設けられている。廃熱回収器には、廃熱源との熱交換で過熱蒸気となった冷媒を高速で噴射させるエジェクタが接続されている。エジェクタには、エジェクタから流出した冷媒を冷却する放熱器が接続されている。また、エジェクタには、バッテリを冷却する冷却空気を冷却する蒸発器が接続されている。そして、廃熱源の熱交換により過熱蒸気となった冷媒がエジェクタで高速で噴射されると、放熱器に冷媒が供給される。この冷媒は、室内空気又は室外空気によって冷却されることにより、その一部が液状となる。そして、この液状の冷媒は、蒸発器で、蒸発することで、蒸発器の周囲の冷却空気を冷却する。この冷却空気によりバッテリが冷却される。

特開２００４−１３１０３４号公報

ところで、バッテリの冷却に加え、バッテリからの電力での車両の走行距離を伸ばすことが望まれている。そして、走行距離を伸ばすために冷却システムの軽量化が望まれている。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数を減らして軽量化を図ることができる車載電池用冷却器を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、車両に搭載される廃熱源と、前記廃熱源の廃熱と熱交換された廃熱源用冷媒が供給され、前記廃熱を放熱する放熱器と、前記廃熱源の廃熱により熱媒体を蒸発させる蒸気発生器と、前記蒸気発生器で蒸発された気相の熱媒体が供給されるとともに該熱媒体を高速で排出するエジェクタと、前記エジェクタから排出される気相の熱媒体を冷却する凝縮器と、前記凝縮器から排出される液相の熱媒体を蒸発させる蒸発器と、を備え、該蒸発器での前記液相の熱媒体の蒸発に伴う熱移動により前記車両に搭載される電池を冷却するように構成され、前記凝縮器は、凝縮器用冷媒によって冷却され、前記凝縮器用冷媒を前記放熱器で冷却することを特徴とすることを要旨とする。

これによれば、廃熱源を冷却するために車両に搭載された放熱器を用いて凝縮器用冷媒を冷却し、この凝縮器用冷媒で凝縮器を冷却できる。したがって、凝縮器用に別途、冷却器を設ける場合に比べると、車載電池用冷却器の軽量化を図ることができる。

また、前記廃熱源の温度を検出する検出器と、前記廃熱源と前記蒸気発生器との間で前記廃熱源用冷媒を循環させる第１循環路と、前記凝縮器と放熱器との間で凝縮器用冷媒を循環させる第２循環路と、を備え、前記第１循環路と前記第２循環路は切替弁を介して接続されるとともに、前記廃熱源の温度が閾値以上のときには前記切替弁を切り替えることで前記第１循環路を循環する廃熱源用冷媒を前記第２循環路に供給するようにしてもよい。

これによれば、廃熱源の温度が閾値以上の場合のみ、廃熱源用冷媒が放熱器で冷却される。このため、廃熱源の温度が閾値未満の場合には、凝縮器用冷媒のみが放熱器で冷却される。したがって、必要なときのみ廃熱源用冷媒を冷却することで、凝縮器用冷媒を効率よく冷却できる。

また、前記電池はケースに収容されるとともに、前記ケース内に前記蒸発器が配設されていてもよい。
これによれば、蒸発器で液相の熱媒体が蒸発すると、電池を収容しているケース内の熱媒体が冷却される。したがって、電池を効率よく冷却することができる。

本発明によれば、部品点数を減らして軽量化を図ることができる。

実施形態における車載電池用冷却器を模式的に示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図１にしたがって説明する。
図１に示すように、ＰＨＶ(Plug in Hybrid Vehicle)などの車両１０には、電池パック１２が搭載されている。電池パック１２は、電池１４をケース１３に収容することで構成されるとともに、電池パック１２は、車両１０に搭載されるモータ１１への動力源となる。また、車両１０の前方には、廃熱源としてのエンジン１５が搭載されるとともに、エンジン１５の前方には放熱器としてのラジエータ１６が搭載されている。本実施形態の車載電池用冷却器２０は、エンジン１５の廃熱を利用して電池１４の冷却を行う冷却器である。

車両１０には、ポンプＰが搭載されている。ポンプＰの吐出ポート（図示せず）には、第１流路３１を介して蒸気発生器２１の吸熱器２１ａが接続されている。蒸気発生器２１は、吸熱器２１ａに加え放熱器２１ｂを備える。この放熱器２１ｂは、エンジン１５に接続された第１循環路４１上に設けられるとともに、図１の矢印Ｙ１に示すように、第１循環路４１には、廃熱源用冷媒としての第１冷却水が循環するようになっている。そして、エンジン１５を冷却した第１冷却水は、第１循環路４１を循環して放熱器２１ｂで放熱する。よって、ポンプＰから吐出された熱媒体は、蒸気発生器２１の吸熱器２１ａと放熱器２１ｂとの間での熱交換により第１冷却水によって加熱される。そして、蒸気発生器２１での熱交換により、ポンプＰ吐出後の熱媒体は熱を吸収して徐々に蒸発し、蒸発温度で蒸発して気相の熱媒体に相変化する。

蒸気発生器２１の吸熱器２１ａの吐出側には、第２流路３２を介してエジェクタ２２の供給口２２ａが接続されている。蒸気発生器２１は、エジェクタ２２よりも鉛直方向下方に設けられている。エジェクタ２２には、気相の熱媒体をエジェクタ２２内に供給する供給口２２ａに加え、気相の熱媒体をエジェクタ２２外に排出する排出口２２ｂを備える。また、エジェクタ２２において供給口２２ａと排出口２２ｂの間には、エジェクタ２２内に気相の熱媒体を吸引する吸引口２２ｃが形成されている。エジェクタ２２は、蒸気発生器２１で蒸発された気相の熱媒体が供給されるとともに、供給された熱媒体を高速で排出する。

エジェクタ２２の排出口２２ｂには、第３流路３３を介して凝縮器２３の放熱器２３ａが接続されている。凝縮器２３は、放熱器２３ａに加え、吸熱器２３ｂを備える。この吸熱器２３ｂは、ラジエータ１６に接続された第２循環路４２上に設けられるとともに、図１の矢印Ｙ２に示すように、第２循環路４２には、凝縮器用冷媒としての第２冷却水が循環するようになっている。そして、第２循環路４２を循環する第２冷却水はラジエータ１６で放熱し、冷却される。よって、エジェクタ２２の排出口２２ｂから排出された気相の熱媒体は、凝縮器２３の放熱器２３ａと吸熱器２３ｂとの間での熱交換により第２冷却水によって冷却される。そして、凝縮器２３での熱交換により、エジェクタ２２から排出された気相の熱媒体の一部は、液相の熱媒体に相変化する。

凝縮器２３の放熱器２３ａの吐出側には、第４流路３４を介してポンプＰの吸入側ポート（図示せず）が接続されている。また、第４流路３４には、分岐流路３４ａを介して膨張弁２４が接続されている。そして、凝縮器２３の放熱器２３ａから吐出される熱媒体のうち、気相の熱媒体は第４流路３４を介してポンプＰに供給される。一方、液相の熱媒体は分岐流路３４ａを介して膨張弁２４に供給される。

膨張弁２４の吐出側には、第５流路３５を介して蒸発器２５が接続されている。蒸発器２５は、電池パック１２のケース１３内に配設されている。蒸発器２５は、膨張弁２４によって減圧された液相の熱媒体を蒸発させることで、蒸発器２５の周囲の熱媒体を冷却する。すなわち、電池パック１２のケース１３内の空気を冷却する。

蒸発器２５の吐出側には、第６流路３６を介してエジェクタ２２の吸引口２２ｃが接続されている。そして、蒸発器２５で気相の熱媒体に相変化した熱媒体は、吸引口２２ｃからエジェクタ２２内に吸引される。

第１循環路４１と第２循環路４２は、第１分岐路５１及び第２分岐路５２を介して接続されている。第１循環路４１において、第１冷却水の循環方向における放熱器２１ｂより下流側には、第１切替弁６１が設けられている。第１切替弁６１には、第１分岐路５１の一端が接続されるとともに、第１分岐路５１の他端は、第２循環路４２においてラジエータ１６の吸入側に接続されている。第１切替弁６１を切り替えることで、第１冷却水を第１分岐路５１に供給するか、第１冷却水を第１循環路４１で循環させるかを切り替えることができる。第１切替弁６１は、その開度を調整することで、第１分岐路５１に供給される第１冷却水の量を調整することができる。

第２循環路４２において第２冷却水の循環方向におけるラジエータ１６より下流側には、第２切替弁６２が設けられている。第２切替弁６２には、第２分岐路５２の一端が接続されるとともに第２分岐路５２の他端は、第１循環路４１の循環方向における第１切替弁６１の下流側に接続されている。第２切替弁６２を切り替えることで、第２冷却水を第２分岐路５２に供給するか、第２冷却水を第２循環路４２で循環させるかを切り替えることができる。

第１切替弁６１及び第２切替弁６２には、制御部７０が信号接続されている。また、制御部７０には、エンジン１５の温度を検出する検出器としての温度センサ７１が信号接続されている。そして、制御部７０は、温度センサ７１から入力されるエンジン１５の温度情報に基づいて第１切替弁６１及び第２切替弁６２を制御する。以下、制御部７０が行う制御について具体的に説明する。

制御部７０は、第１冷却水を蒸気発生器２１及びラジエータ１６で強制的に冷却する強制冷却モードと、第１冷却水を蒸気発生器２１で冷却する通常冷却モードを切り替えることができる。

強制冷却モードにおいては、制御部７０は、第１循環路４１を循環する第１冷却水の一部が第１分岐路５１に供給されるように第１切替弁６１を切り替えて、第１冷却水を第２循環路４２に供給し、ラジエータ１６で冷却されるようにする。また、制御部７０は、ラジエータ１６を通過した第１冷却水が、第２分岐路５２を介して第１循環路４１に戻されるように第２切替弁６２を切り替える。

通常冷却モードにおいては、制御部７０は、第１冷却水が第１循環路４１を循環するように第１切替弁６１を切り替えるとともに、第２冷却水が第２循環路４２を循環するように第２切替弁６２を切り替える。

次に、本実施形態における車載電池用冷却器２０の作用について説明する。なお、車載電池用冷却器２０は、制御部７０により通常冷却モードに制御されている。
車両１０が駆動されると、制御部７０には、温度センサ７１からエンジン１５の温度情報が入力される。

制御部７０は、エンジン１５の温度が閾値未満の場合には、通常冷却モードを維持する。第１冷却水は第１循環路４１を循環し、第２冷却水は第２循環路４２を循環する。そして、ポンプＰから吐出された熱媒体は、蒸気発生器２１で、エンジン１５の廃熱によって加熱された第１冷却水と熱交換されることで蒸発し、蒸発した気相の熱媒体はエジェクタ２２の供給口２２ａからエジェクタ２２に供給される。エジェクタ２２に供給された熱媒体は、排出口２２ｂから高速で排出され、このとき吸引口２２ｃに負圧が発生する。

エジェクタ２２の排出口２２ｂから排出された（噴射された）熱媒体は、凝縮器２３で第２冷却水と熱交換されることで冷却される。凝縮器２３に供給された熱媒体は、凝縮器２３で冷却されることで、その一部が液相の熱媒体になる。そして、凝縮器２３で冷却された熱媒体のうち、液相の熱媒体は蒸発器２５に供給され、気相の熱媒体は蒸気発生器２１に供給される。蒸発器２５に供給された熱媒体は、蒸発器２５で蒸発されることによって蒸発器２５の周囲の空気、すなわち、電池パック１２のケース１３内の空気を冷却する。蒸発器２５で蒸発された熱媒体は、エジェクタ２２の吸引口２２ｃに発生する負圧によってエジェクタ２２に吸引される。このように熱媒体を循環させることにより、電池１４の冷却が行われる。

制御部７０は、エンジン１５の温度が閾値以上の場合には、強制冷却モードに切り替える。すると、第１冷却水の一部は、第２循環路４２に供給され、残りの第１冷却水は第１循環路４１を循環する。このとき、第２循環路４２に供給される第１冷却水の量は、第１切替弁６１の開度によって調節される。第１切替弁６１の開度は、エンジン１５の温度によって調節される。具体的にいえば、エンジン１５の温度と閾値との差が大きければ、第１切替弁６１の開度を大きくして多量の第１冷却水が第２循環路４２に供給されるようにし、エンジン１５の温度と閾値との差が小さければ、第１切替弁６１の開度を小さくして、少量の第１冷却水が第２循環路４２に供給されるようにする。第２循環路４２に供給された第１冷却水は、ラジエータ１６で冷却されて第１循環路４１に戻される。ラジエータ１６で冷却された第１冷却水が第１循環路４１に戻されることで、第１循環路４１を循環する第１冷却水の温度は低下し、エンジン１５に対する冷却効率が向上される。なお、閾値は、エンジン１５が適切に動作する範囲内の温度から決定される温度である。

したがって、上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）車載電池用冷却器２０において、凝縮器２３は、車両１０に搭載されているラジエータ１６に接続された第２循環路４２上に設けられている。このため、凝縮器２３を冷却する第２冷却水をラジエータ１６で冷却し、この第２冷却水によって凝縮器２３を冷却することができる。したがって、凝縮器２３用に冷却器を設ける場合に比べると、車載電池用冷却器２０の軽量化を図ることができる。その結果として、車載電池用冷却器２０が搭載される車両１０を軽量化でき、電池パック１２による電力での走行距離を伸ばすことができる。

（２）制御部７０は、強制冷却モードと、通常冷却モードを切り替えることができる。そして、制御部７０は、エンジン１５の温度が閾値以上の場合には、強制冷却モードに切り替え、エンジン１５の温度が閾値未満の場合には、通常冷却モードに切り替える。したがって、エンジン１５が過熱されたときのみ第１冷却水をラジエータ１６で冷却することで、エンジン１５を保護できる。また、エンジン１５が過熱されていないときは、凝縮器２３を冷却する第２冷却水だけをラジエータ１６で冷却でき、電池１４を効率よく冷却できる。

（３）蒸発器２５は、電池パック１２のケース１３内に配設されている。このため、蒸発器２５が周囲の空気を冷却したときに、電池パック１２のケース１３内の空気が冷却され、電池１４を効率よく冷却することができる。

（４）蒸気発生器２１は、エジェクタ２２よりも鉛直方向下方に配設されている。このため、蒸気発生器２１から液相の熱媒体がエジェクタ２２内に入り込むことが防止され、エジェクタ２２内に液相の熱媒体が入り込むことによるエジェクタ２２の動作不良の発生が防止される。

（５）車両１０に搭載されている廃熱源（エンジン１５）の廃熱を利用して電池１４を冷却している。車両１０には、多くの廃熱源が搭載されているため、この廃熱源を利用して電池１４を冷却することにより、廃熱を有効活用できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、モータ１１への動力源となる電池１４を冷却したが、補機用の電池を冷却してもよい。

○ 実施形態において、蒸発器２５は電池パック１２のケース１３内に配設したが、電池パック１２のケース１３外に配設してもよい。
○ 実施形態において、蒸気発生器２１はエジェクタ２２よりも鉛直方向下方に配設したが、エジェクタ２２よりも鉛直方向上方に配設してもよい。この場合、エジェクタ２２に液相の熱媒体が流入するのを防止するための逆流防止機構を設けることが望ましい。

○ 実施形態において、第１循環路４１を介してエンジン１５と蒸気発生器２１を接続したが、エンジン１５と蒸気発生器２１を一体化してもよい。この場合、エンジン１５とラジエータ１６が第１循環路４１を介して接続される。

○ 実施形態において、制御部７０は、強制冷却モードにおいて第１冷却水の一部をラジエータ１６に供給したが、第１冷却水の全部をラジエータ１６に供給してもよい。この場合、すべての第１冷却水がラジエータ１６で冷却されるため、エンジン１５に対する冷却効率が向上される。このため、エンジン１５を短時間で冷却することができる。

○ 実施形態において、蒸発器２５により冷却された熱媒体を電池１４に送風する送風機を設けてもよい。
○ 実施形態において、ラジエータ１６は、熱媒体に対する冷却効率を確保できれば、車両１０前方以外に設けられていてもよい。

○ 実施形態において、廃熱源としてエンジン１５を採用したが、発電機、燃料電池、モータなど、車両１０に搭載される廃熱源であれば、他の廃熱源を採用してもよい。
○ 実施形態においてケース１３の内部に空気以外の熱媒体を充填し、この熱媒体によって電池１４を冷却してもよい。

○ 実施形態において、廃熱源用冷媒及び凝縮器用冷媒として、気相の冷媒を用いてもよい。
○ 蒸発器２５は、凝縮器２３よりも鉛直方向下方に設けることが好ましい。これによれば、凝縮器２３通過後の気相の熱媒体は、上昇して蒸気発生器２１に供給され、蒸発器２５には、液相の熱媒体を供給することができる。

○ 凝縮器２３は、エジェクタ２２よりも鉛直方向下方に設けることが好ましい。また、蒸発器２５は、エジェクタ２２よりも鉛直方向下方に設けることが好ましい。これによれば、エジェクタ２２内に液相の熱媒体が入り込むことが抑制される。したがって、エジェクタ２２内に液相の熱媒体が入り込むことによるエジェクタ２２の動作不良の発生が抑制される。また、エジェクタ２２内に液相の熱媒体が流入するのを防止するための逆流防止機構を設けてもよい。

○ エンジン１５，ラジエータ１６、蒸気発生器２１、エジェクタ２２、凝縮器２３、蒸発器２５など、車載電池用冷却器２０を構成する機器は、どのように配置されていてもよい。すなわち、それぞれの機器の位置関係は、図１に示す配置に限定されず、任意の位置に配置することができる。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、以下に追記する。
（イ）前記廃熱源の温度が閾値以上のときには前記切替弁を切り替えることで前記第１循環路を循環する廃熱源用冷媒の一部を前記第２循環路に供給することを特徴とする請求項２に記載の車載電池用冷却器。

（ロ）前記廃熱源の温度が閾値以上のときには前記切替弁を切り替えることで前記第１循環路を循環する廃熱源用冷媒の全部を前記第２循環路に供給することを特徴とする請求項２に記載の車載電池用冷却器。

１０…車両、１３…ケース、１４…電池、１５…廃熱源としてのエンジン、１６…放熱器としてのラジエータ、２０…車載電池用冷却器、２１…蒸気発生器、２２…エジェクタ、２３…凝縮器、２５…蒸発器、４１…第１循環路、４２…第２循環路、６１…第１切替弁、６２…第２切替弁。

Claims (3)

1. 車両に搭載される廃熱源と、
   前記廃熱源の廃熱と熱交換された廃熱源用冷媒が供給され、前記廃熱を放熱する放熱器と、
   前記廃熱源の廃熱により熱媒体を蒸発させる蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器で蒸発された気相の熱媒体が供給されるとともに該熱媒体を高速で排出するエジェクタと、
   前記エジェクタから排出される気相の熱媒体を冷却する凝縮器と、
   前記凝縮器から排出される液相の熱媒体を蒸発させる蒸発器と、を備え、
   該蒸発器での前記液相の熱媒体の蒸発に伴う熱移動により前記車両に搭載される電池を冷却するように構成され、前記凝縮器は、凝縮器用冷媒によって冷却され、前記凝縮器用冷媒を前記放熱器で冷却することを特徴とすることを特徴とする車載電池用冷却器。
2. 前記廃熱源の温度を検出する検出器と、前記廃熱源と前記蒸気発生器との間で前記廃熱源用冷媒を循環させる第１循環路と、前記凝縮器と放熱器との間で凝縮器用冷媒を循環させる第２循環路と、を備え、前記第１循環路と前記第２循環路は切替弁を介して接続されるとともに、前記廃熱源の温度が閾値以上のときには前記切替弁を切り替えることで前記第１循環路を循環する廃熱源用冷媒を前記第２循環路に供給することを特徴とする請求項１に記載の車載電池用冷却器。
3. 前記電池はケースに収容されるとともに、前記ケース内に前記蒸発器が配設されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車載電池用冷却器。