JP6589092B2 - 蓄電装置の冷却機構 - Google Patents

Description

本開示は蓄電装置の冷却機構に関し、より特定的には、蓄電装置に冷却風を供給するためのダクトが２本設けられた冷却機構に関する。

一般に、たとえば電動車両（ハイブリッド車、電気自動車等）に搭載される蓄電装置には、蓄電装置を冷却するための冷却機構が設けられる。蓄電装置の冷却機構の一つとして、ブロアを駆動することによって冷却風を蓄電装置に供給する空冷式機構が知られている。たとえば特開２０１６−１０７８９４号公報（特許文献１）は、蓄電装置に冷却風を供給するためのダクトが蓄電装置の両側に１本ずつ設けられた構成を開示する。

特開２０１６−１０７８９４号公報

たとえば電動車両では、蓄電装置およびその冷却機構を搭載するためのスペースは限られている。そのため、特許文献１に開示された構成のように２本のダクトが設けられる場合、スペースを有効活用するために、ブロアの上流側のダクトおよびブロアの下流側のダクトのうちの少なくとも一方に折れ曲がり形状を持たせることが多い。

本発明者らは、冷却機構の２本のダクト（のうちの少なくとも一方）において異音が発生する場合があり、それにより車室内のユーザに不快感を与えるおそれがある点に着目した。そして、本発明者らが異音の発生メカニズムを解析した結果（詳細は後述）、ダクト内で生じる圧力損失が異音を引き起こしていることを見出した。上記のようにダクトに折れ曲がり形状を持たせた場合には、圧力損失が大きくなりやすいので異音が発生しやすいと考えられる。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、蓄電装置に冷却風を供給するためのダクトが２本設けられた冷却機構において、異音の発生を防止するための技術を提供することである。

本開示のある局面に従う蓄電装置の冷却機構は、蓄電装置に冷却風を供給する第１および第２の流路を備える。第１の流路は、第１の吸気口および第１の排気口を有する第１のブロアと、第１の吸気口に接続された第１の上流ダクトと、第１の排気口に接続された第１の下流ダクトとを含む。第２の流路は、第２の吸気口および第２の排気口を有する第２のブロアと、第２の吸気口に接続された第２の上流ダクトと、第２の排気口に接続された第２の下流ダクトとを含む。第１の上流ダクトにて生じる圧力損失は、第２の上流ダクトにて生じる圧力損失よりも大きい。第１の下流ダクトにて生じる圧力損失は、第２の下流ダクトにて生じる圧力損失よりも大きい。

本発明者らの解析結果によれば、ブロアの上流側のダクトの圧力損失とブロアの下流側のダクトでの圧力損失との差（圧力損失差）が過度に大きいと、下流のダクト内の冷却風の乱れにより渦が生じ、この渦が異音の発生原因であることが分かった。上記構成によれば、第１の上流ダクトと第１の下流ダクトとの間の圧力損失差、および、第２の上流ダクトと第２の下流ダクトとの間の圧力損失差が小さくなるので、異音の発生を防止することができる。

本開示によれば、蓄電装置に冷却風を供給するためのダクトが２本設けられた冷却機構において、異音の発生を防止することができる。

本実施の形態に係る蓄電装置の冷却機構の全体構成を概略的に示す図である。 比較例に係る冷却機構での圧力損失を説明するための図である。 本実施の形態における絞り部材を説明するための図である。 本実施の形態に係る冷却機構での圧力損失を説明するための図である。 絞り部材の評価試験の結果を説明するための図である。 第１の流路における圧力損失差を低減するための他の構造を説明するための図である。 第１の流路における圧力損失差を低減するためのさらに他の構造を説明するための図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

以下に説明する実施の形態においては、蓄電装置（電池パック）および冷却機構が電動車両に搭載される構成を例に説明する。電動車両とは、ハイブリッド車であってもよいし、電気自動車であってもよいし、燃料自動車であってもよい。しかし、本実施の形態に係る冷却機構の用途は車両用に限定されるべきものではなく、たとえば定置用であってもよい。

［実施の形態］
図１は、本実施の形態に係る電池パックの冷却機構の全体構成を概略的に示す図である。図１では、冷却機構１の構成を理解しやすくするため、冷却機構１の構成要素を分解して示す。電池パック９および冷却機構１は、たとえば電動車両（図示せず）の床下または後部座席後方のラゲッジスペースに搭載可能である。電動車両のたとえば乗車スペースには、吸入口（図示せず）が設けられている。

電池パック（蓄電装置）９は、ニッケル水素電池もしくはリチウムイオン電池などの二次電池（図示せず）により構成される１または複数の組電池を含む。なお、本開示に係る「蓄電装置」は、電気二重層キャパシタなどのキャパシタ（図示せず）を含んで構成されてもよい。

冷却機構１は、電池パック９の図中左側に設けられる冷却風の第１の流路１０と、電池パック９の図中右側に設けられる冷却風の第２の流路２０とを備える。第１の流路１０は、上流ダクト（第１の上流ダクト）１１と、ブロア（第１のブロア）１２と、下流ダクト（第１の下流ダクト）１３とを含む。

ブロア１２は、シロッコファン（図示せず）と、ブロア１２への空気（冷却風）の吸気口（第１の吸気口）１２１と、ブロア１２からの冷却風の排気口（第１の排気口）１２２とを含む。上流ダクト１１は、電動車両に設けられた吸入口（図示せず）とブロア１２の吸気口１２１とを接続する。下流ダクト１３は、ブロア１２の排気口１２２と電池パック９とを接続する。ブロア１２は、電動車両の吸入口から取り込まれる乗車スペース内の上流ダクト１１を介して冷却風を吸入し、吸入した冷却風を吐出し下流ダクト１３を介して電池パック９に供給する。

第２の流路２０は、上流ダクト（第２の上流ダクト）２１と、ブロア（第２のブロア）２２と、下流ダクト（第２の下流ダクト）２３とを含む。第２の流路２０の構成は、第１の流路１０の構成と基本的に同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。なお、以下では、第１の流路１０と第２の流路２０とを特に区別しない場合には「冷却風流路」と称する場合がある。

以上のように２本の冷却風流路を有する電池パックの冷却機構では、搭載スペースを節約するために、ブロアの前後でダクトの直径を変化させたり、ブロアの前後のダクトのうちの一方を屈曲させたりすることが多い。このような構成において、異音が発生する場合があり、車室内のユーザに不快感を与えるおそれがある点に本発明者らは着目した。ここで「異音」とは、より詳細には非定常の空気流れの音であり、たとえばバサバサと聞こえる音えある。本発明者らが異音の発生メカニズムを解析した結果、ダクト内で生じる圧力損失が異音発生の原因であることを見出した。

以下では、まず比較例を用いて異音発生メカニズムについて説明する。なお、比較例に係る冷却機構の各構成要素については、本実施の形態に係る冷却機構１の対応する構成要素の参照符号末尾にＡを付し、その詳細な説明は繰り返さない。第２の流路２０Ａでは異音は発生せず、第１の流路１０Ａにおいてのみ異音が発生する。

図２は、比較例に係る冷却機構での圧力損失を説明するための図である。図２（および後述する図４）において、横軸は、冷却風流路に沿う距離［単位：ｍ］を示す。ブロア１２Ａ，２２Ａの位置をＬ０で表す。図中左側（Ｌ０よりも負側）が冷却風流路の上流側、すなわち上流ダクト１１Ａ，２１Ａが設けられる側である。図中右側（Ｌ０よりも正側）が冷却風流路の下流側、すなわち下流ダクト１３Ａ，２３Ａが設けられる側である。縦軸は、ブロア１２Ａ，２２Ａの位置での圧力を基準値Ｐ０とした場合の冷却風流路内の相対的な圧力［単位：Ｐａ］を示す。

第１の流路１０Ａに沿って、上流ダクト１１Ａ内の圧力を曲線ＩＮ１で表し、下流ダクト１３Ａ内の圧力を曲線ＯＵＴ１で表す（いずれも実線参照）。一方、第２の流路２０Ａに沿って、上流ダクト２１Ａ内の圧力を曲線ＩＮ２で表し、下流ダクト２３Ａ内の圧力を曲線ＯＵＴ２で表す（いずれも１点鎖線参照）。ダクト内の各位置にて生じる圧力損失は、その位置において曲線に引いた接線の傾きにより理解することができる。図２では、ブロア１２Ａと下流ダクト１３Ａとの接続箇所（Ｌ０）での圧力損失を表す接線Ｘが示されている。

比較例では、図２の左上および左下に示すように、上流ダクト１１Ａの流路断面積の方が上流ダクト２１Ａの流路断面積よりも狭い。さらに、上流ダクト２１Ａが直線的に延在する（ほぼストレートである）のに対し、上流ダクト１１Ａは約９０°に屈曲している（カーブしている）。したがって、上流ダクト１１Ａの圧力損失は、上流ダクト２１Ａの圧力損失よりも大きい。このことは、いずれも図示しないが、曲線ＩＮ１の接線と曲線ＩＮ２の接線とを引いた場合に、曲線ＩＮ１の接線の傾きの方が曲線ＩＮ２の接線の傾きよりも大きい（傾きが急である）ことによって理解することができる。その一方で、下流ダクト１３Ａの圧力損失および下流ダクト２３Ａの圧力損失は、いずれも比較的小さい（接線の傾きがいずれも小さい）。

このように、第２の流路２０Ａでは、ブロア２２Ａの上流側（上流ダクト２１）および下流側（下流ダクト２３Ａ）での圧力損失は、いずれも相対的に小さい。これに対し、第１の流路１０Ａにおいては、ブロア１２Ａの上流側（上流ダクト１１Ａ）では相対的に大きい圧力損失が、ブロア１２Ａの下流側（下流ダクト１３Ａ）においては相対的に小さくなる（ブロア１２Ａの前後での接線の傾きの変化量が大きい）。

本発明者らが流体シミュレーションを行った結果、下流ダクト１３Ａの圧力（背圧）が上流ダクト１１Ａの圧力と比べて過度に低いと、下流ダクト１３内の冷却風に乱れが生じ、下流ダクト１３Ａ内に渦が生じることが分かった。この渦が異音の発生原因である。言い換えると、ブロア１２Ａの上流側（上流ダクト１１Ａ）にて生じる圧力損失と、ブロア１２Ａの下流側（下流ダクト１３Ａ）にて生じる圧力損失との差（圧力損失差）ΔＰが所定値よりも大きいと渦が生じ、それにより異音が発生する。

そこで、本実施の形態においては、上流ダクト１１と下流ダクト１３との圧力損失差ΔＰを所定量よりも小さくする。圧力損失差ΔＰを小さくするためには、上流ダクト１１の圧力損失を小さくすることで上流ダクト１１の圧力損失を下流ダクト１３の圧力損失に近づけること、あるいは、下流ダクト１３の圧力損失を大きくすることで下流ダクト１３の圧力損失を上流ダクト１１の圧力損失に近づけることが考えられる。しかし、上流ダクト１１の圧力損失を小さくするためには、たとえば上流ダクト１１の流路断面積を大きくしなればならず、これは冷却機構１の設置スペースには制約があるため難しい。したがって、本実施の形態では、下流ダクト１３の圧力損失をあえて大きくするための構成を採用する。より具体的には、下流ダクト１３の圧力損失を大きくするための絞り部材１４（図３参照）を追加する。

図３は、本実施の形態における絞り部材１４を説明するための図である。図３（Ａ）にはブロア１２と絞り部材１４とを示す。この絞り部材１４により、本実施の形態では、接続箇所付近の流路の直径（内径）が比較例における対応する箇所の直径と比べて、所定値（たとえば１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内の値）だけ小さくなる。

流路の直径（断面積）を小さくするために絞り部材１４に設けられた壁部の高さをＨと表す。また、図３（Ｂ）に示すように、絞り部材１４は、ブロア１２と下流ダクト１３との接続箇所Ｃ近傍の設置位置Ｓに設けられる。

図４は、本実施の形態に係る冷却機構１での圧力損失を説明するための図である。図２と図４とを対比すると、曲線ＩＮ１，ＩＮ２，ＯＵＴ２は同等であり、曲線ＯＵＴ１が互いに異なる。図４では、ブロア１２と下流ダクト１３との接続箇所Ｃでの圧力損失を表す接線Ｙが示されている。

絞り部材１４を設けることにより、下流ダクト１３の圧力損失が大きくなる。そして、接線Ｙの傾きが接線Ｘの傾きよりも大きくなり、曲線ＩＮ１に引いた接線（図示せず）のの傾きに近くなる。このように、ブロア１２の上流側とブロア１２の下流側との圧力損失差ΔＰを小さくすることにより、上述の渦の発生を抑制し、その結果、異音の発生を防止することができる。

絞り部材１４の追加によるブロア１２の下流側での圧力損失の増加量が十分でないと、異音を解消することができない。その一方で、絞り部材１４による圧力損失の増加量が過度に大きいと、その分だけ冷却風量が小さくなるので、電池パック９の冷却性能が不足する可能性がある。したがって、圧力損失の増加量を適正な値にするための絞り部材１４の位置および大きさには、好ましい範囲が存在すると考えられる。本実施の形態では、絞り部材１４の設置位置Ｓおよび高さＨ（図３（Ａ）および図３（Ｂ）参照）をパラメータとして用いて以下の評価試験を行った。

図５は、絞り部材１４の評価試験の結果を説明するための図である。図５において、横軸は、図３（Ｂ）に示したブロア１２Ａと下流ダクト１３Ａとの接続箇所Ｃを基準とする絞り部材１４の設置位置Ｓを示す。図中左側（負側）はブロア１２側であり、図中右側（正側）は下流ダクト１３の下流側である。縦軸は、図３（Ａ）に示す絞り部材１４の高さＨを示す。

異音の発生が確認された条件（設置位置Ｓおよび高さＨの条件）をバツ印（×）で示し、異音が発生しなかった条件を白丸（○）で示す。図５に示した評価試験の結果から、異音が発生する条件と異音が発生しない条件との境界線Ｌを得ることができる。境界線Ｌよりも図中上側（左上側）の条件を選択することにより、異音の発生を防止することができる。

電池パック９の冷却性能を確保するためには、異音の発生を防止しつつも圧力損失の増加量をできるだけ小さくすることが望ましい。つまり、境界線Ｌよりも図中上側であり、かつ境界線Ｌにできるだけ近い条件を選択することで、絞り部材１４の高さＨを可能な限り低くすることが望ましい。境界線Ｌから、ブロア１２の上流側であるほど、すなわちブロア１２のシロッコファン（図示せず）に近いほど、絞り部材１４の高さＨを低くすることが可能であることが分かる。したがって、本実施の形態において、絞り部材１４は、ブロア１２と下流ダクト１３との接続箇所Ｃよりも所定距離（たとえば数１０ｍｍ）だけブロア１２の上流側（ブロア１２の内部）に設置することが望ましい。

以上のように、本実施の形態によれば、第１の流路１０における上流ダクト１１と下流ダクト１３との圧量損失差ΔＰを低減することを目的に、ブロア１２の下流側での圧力損失をあえて大きくするための絞り部材１４が設けられる。これにより、異音の発生を防止することができる。さらに、絞り部材１４の設置位置Ｓおよび高さＨの最適化を図ることにより、異音の発生を防止しつつも電池パック９の冷却性能を確保することができる。

なお、ブロア１２の上流側と下流側との間の圧力損失差ΔＰを低減し、異音の発生を抑制する構造は図３（Ａ）に示した構造（絞り部材１４）に限定されるものではない。

図６は、第１の流路１０における圧力損失差ΔＰを低減するための他の構造を説明するための図である。絞り部材１４を別部品として追加するのに代えて、図６に示すように、ブロア１２にリブ１４１を一体形成してもよい。これにより、部品点数を削減して組み立てコスト等の製造コストを低減することができる。

図７は、第１の流路１０における圧力損失差ΔＰを低減するためのさらに他の構造を説明するための図である。図７に示すように、絞り部材１４またはリブ１４１の設置位置はブロア１２の上流側（ブロア１２内部）に限定されるものではなく、下流ダクト１３に絞り形状１４２を設けることも可能である。

図６または図７に示す構造によっても、図３（Ａ）に示した絞り部材１４と同様に、上流ダクト１１と下流ダクト１３との圧量損失差ΔＰが低減されるので、異音の発生を防止することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 冷却機構、１０，１０Ａ 第１の流路、２０，２０Ａ 第２の流路、１１，１１Ａ，２１Ａ 上流ダクト、１２，１２Ａ，２２Ａ ブロア、１２１，２２１ 吸気口、１２２，２２２ 排気口、１３，１３Ａ，２３Ａ 下流ダクト、１４ 絞り部材、１４１ リブ、１４２ 絞り形状、９ 電池パック。

Claims (1)

1. 蓄電装置の冷却機構であって、
   前記蓄電装置に冷却風を供給する第１および第２の流路を備え、
   前記第１の流路は、第１の吸気口および第１の排気口を有する第１のブロアと、前記第１の吸気口に接続された第１の上流ダクトと、前記第１の排気口に接続された第１の下流ダクトとを含み、
   前記第２の流路は、第２の吸気口および第２の排気口を有する第２のブロアと、前記第２の吸気口に接続された第２の上流ダクトと、前記第２の排気口に接続された第２の下流ダクトとを含み、
   前記第１の上流ダクトにて生じる圧力損失は、前記第２の上流ダクトにて生じる圧力損失よりも大きく、
   前記第１の下流ダクトにて生じる圧力損失は、前記第２の下流ダクトにて生じる圧力損失よりも大きい、蓄電装置の冷却機構。

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