JP7138595B2 - 車両用バッテリーの冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、本発明は電気自動車などの車両用のバッテリーを、熱媒体を用いて冷却する冷却システムに関する。

バッテリーは充電時に発熱する。とりわけ、電気自動車などの車両用のバッテリーを急速充電するときには、バッテリーの発熱は大きい。バッテリーが高温となった状態で充電を継続すると、バッテリーの劣化が促進されて充電容量が低下し、電気自動車の走行可能距離が短くなってしまう。この問題を解決するために、バッテリーを、熱媒体（冷媒、クーラント等）を用いて冷却することが行われている。（例えば特許文献１を参照）

電気自動車では、一度の充電で長距離走行ができること、かつ短時間で急速充電を完了できることが望まれている。このような要求を満足するため、多数のバッテリーモジュールからなるバッテリーが車両に搭載される。このような多数のバッテリーモジュール間の性能差（発熱による劣化度合いの差も含む）は小さいことが望ましく、バッテリーモジュール間の温度差がなるべく小さくなるような設計的工夫が望まれている。そのような設計的工夫は、低コストで実現でき、かつ、製造ないし組み立てが容易であることが望ましい。

特開２０１２－１９０６７５号公報

本発明は、車両用のバッテリーの冷却システムに設けられる複数の熱交換部材の冷却性能を均一化できる技術を提供するものである。

本発明の一実施形態によれば、車両用のバッテリーの冷却システムであって、
主熱媒体供給ラインと、主熱媒体回収ラインと、主熱媒体供給ラインと主熱媒体回収ラインとの間に並列に設けられ、各々が主熱媒体供給ラインと主熱媒体回収ラインとを接続する複数の接続ラインと、複数の接続ラインの各々に設けられた複数の熱交換部材であって、各々が熱媒体流入部と熱媒体流出部とを有し、各熱交換部材の内部を流れる熱媒体とバッテリーとの間で熱交換を行う、互いに実質的に同じ形状を有する複数の熱交換部材と、各々の熱交換部材の熱媒体流入部と熱媒体流出部との間の圧力差を均等化するための複数の固定絞りと、を備え、複数の固定絞りは、複数の固定絞りが無いと仮定した場合において圧力差が最も小さい接続ラインを除いた残りの接続ラインに少なくとも設けられている、冷却システムが提供される。

上記実施形態によれば、車両用のバッテリーの冷却システムに設けられる複数の熱交換部材の冷却性能を均一化することができる。

一実施形態に係る車両用バッテリーの冷却システムの配管系統図である。 他の実施形態に係る車両用バッテリーの冷却システムの配管系統図である。 熱交換部材の構成の一例を示す分解斜視図である。 固定絞りが内蔵されたクイックコネクタの軸方向断面図である。 固定絞りおよびクイックコネクタの組立てについて説明する図である。

図１に示すように、車両用バッテリーの冷却システムは、熱媒体の循環経路（図示せず）の一部として構成され、主熱媒体供給ライン１０と、主熱媒体回収ライン２０とを備える。循環経路は、熱媒体を送出するポンプと、熱媒体を冷却する冷却部とを有する（いずれも図示せず）。また、熱媒体が冷媒である場合、冷却部の下流側とバッテリー冷却システムとの間に膨張装置が設けられる。Ｎ個の（Ｎは２以上の自然数である）接続ライン３０が、主熱媒体供給ライン１０と主熱媒体回収ライン２０との間に並列に設けられている。図１の実施形態では、７つの接続ライン３０が個設けられている。本明細書においては、Ｎ個の接続ライン３０を互いに区別するため、「接続ライン３０」を「接続ライン３０_１～３０_Ｎ」と表記することもある。

各接続ライン３０は、主熱媒体供給ライン１０と主熱媒体回収ライン２０とを接続している。複数の接続ライン３０の各々には、１つずつ熱交換部材４０が介設されている。本明細書においては、Ｎ個の熱交換部材４０を互いに区別するため、「熱交換部材４０」を「熱交換部材４０_１～４０_Ｎ」と表記することもある。

各熱交換部材４０は熱媒体流入部と熱媒体流出部とを有する。熱交換部材４０は、その外壁を介して、その内部を流れる熱媒体とバッテリーまたはバッテリーモジュール（図示せず）との間で熱交換が行われるように構成されている。

複数の熱交換部材４０は互いに同じ形状寸法を有している。つまり、各熱交換部材４０は、熱媒体流入部と熱媒体流出部との間に同じ圧力差が与えられた場合に、熱媒体流入部と熱媒体流出部との間を同じ流量で熱媒体が流れるように構成されている。複数の熱交換部材４０を同じ形状寸法とすることにより、複数の熱交換部材４０を備える冷却システムの製造コストを低く抑えることができる。

主熱媒体供給ライン１０には、接続ライン３０の数と同じ数（Ｎ個）の接続点１２が、熱媒体の流れ方向に沿って互いに間隔を空けて設けられている。主熱媒体回収ラインには、接続ライン３０の数と同じ数（Ｎ個）の接続点２２が熱媒体の流れ方向に沿って互いに間隔を空けて設けられている。Ｎ個の接続点１２（２２）を互いに区別するため、「接続点１２（２２）」を「接続点１２_１～１２_Ｎ（２２_１～２２_Ｎ）」と表記することもある。

各接続ライン３０は、主熱媒体供給ライン１０における熱媒体の流れ方向に関して上流側からｉ番目（ｉは１以上Ｎ以下の自然数である）の接続点１２_ｉと、主熱媒体回収ライン２０における熱媒体の流れ方向に関して下流側からｉ番目の接続点２２_ｉとを接続している。ｉ番目の接続点１２_ｉとｉ番目の接続点２２_ｉとを接続している接続ラインをｉ番目の接続ライン３０_iとも呼ぶこととする。

Ｎ番目の接続ライン３０_Ｎを除く残りの接続ライン３０_１～３０_Ｎ－１の各々に、１つずつ固定絞り５０が設けられている。Ｎ－１個の固定絞り５０を互いに区別するため、「固定絞り５０」を「固定絞り５０_１～５０_Ｎ－１」とも呼ぶこととする。Ｎ－１個の固定絞り５０_１～５０_Ｎ－１の仕様は、固定絞り５０_１～５０_Ｎ－１を通過する熱媒体に互いに異なる圧力損失が生じるように互いに異なっており、これによりＮ個の熱交換部材４０_１～４０_Ｎにおける熱媒体流入部と熱媒体流出部との間の圧力差が同じになっている。

図１に示した主熱媒体供給ライン１０、主熱媒体回収ライン２０および接続ライン３０の接続関係を採用した場合、固定絞り５０が無ければ、配管抵抗による圧力損失のため、先に定義したｉ値が小さい接続ライン３０_ｉほど、対応する接続点１２_ｉ，２２_ｉ間の圧力差が大きくなる。また、接続点１２_ｉ，２２_ｉ間の圧力差がより大きい接続ライン３０_ｉに設けられている熱交換部材４０の熱媒体流入部と熱媒体流出部との間の圧力差もより大きい。

従って、ｉ値が小さい接続ライン３０_ｉほど、そこに設けられている固定絞り５０（５０_ｉ）を通過するときの圧力損失が大きくなるようにすることにより、Ｎ個の接続ライン３０_１～３０_Ｎ間での熱媒体の流量を揃えることができる。

固定絞り５０は、熱媒体が循環経路を循環する過程で相変化しないクーラントである場合、図１に示すように、各接続ライン３０の熱交換部材４０よりも上流側に設けることが好ましい。熱交換部材４０を固定絞り５０の下流側、すなわち固定絞り５０によって熱媒体の圧力が減圧された経路に配置することにより、耐圧性の低い熱交換部材４０を採用することができる。

熱媒体が循環経路を循環する過程で相変化する冷媒である場合、図２に示すように、固定絞り５０を、各接続ライン３０の熱交換部材４０よりも下流側に設けることが好ましい。この配置によれば、固定絞り５０の上流側は下流側よりも冷媒の液相が多いので、バッテリーモジュールから吸熱した後でも冷媒に液相が残りやすく温度が変化しないから、均一な冷却能力を発揮できる。

複数の接続ライン３０のうちの一部の接続ライン３０において固定絞り５０を熱交換部材４０よりも上流側に設け、残りの接続ライン３０において固定絞り５０を熱交換部材４０よりも下流側に設けてもよい。しかしながら、製造管理を容易にするため、上流側、下流側のいずれかに統一した方が好ましい。

熱交換部材４０の構成の一例を図３を参照して説明する。熱交換部材４０は、トッププレート４１と、ベースプレート４２と、ガスケット４３と、複合相変化材料４４と、コネクタパイプ４６，４７とを有する。ベースプレート４２には複合相変化材料４４を収容するための凹部４５が形成されている。ガスケット４３、複合相変化材料４４およびコネクタパイプ４６，４７をトッププレート４１とベースプレート４２との間に配置した状態で、トッププレート４１とベースプレート４２とをろう付け等の接合技術を用いて接合することにより、熱交換部材４０を形成することができる。熱交換部材４０の内部には、コネクタパイプ４６，４７の一方と他方とを流体連通させる蛇行状の熱媒体通路が形成される。コネクタパイプ４６，４７の一方が熱交換部材４０の熱媒体流入部となり、他方が熱媒体流出部となる。なお、図３に示した構成は、本件出願人の関連企業であるヴァレオシステムテルミクの先行出願に係る特許公開公報、特開２０１６－０４０７７０号に開示された公知の構成であり、詳細については当該公報を参照されたい。

熱交換部材４０の構成は図３に示すものに限定されるものではない。例えば熱交換部材４０を、ガスケット４３および複合相変化材料４４を用いることなく、トッププレート４１、ベースプレート４２およびコネクタパイプ４６，４７から構成してもよい。これにより、熱交換部材４０の熱媒体通路を、必要最小限の部品で構成することができる。

一実施形態において、複数のバッテリーモジュールにより車両用バッテリーが構成される。各バッテリーモジュールは、熱交換部材４０のトッププレート４１と概ね同じ平面形状（例えば矩形）を有し、トッププレート４１上に熱的に結合されつつ載置される。

上記図１および図２に示す実施形態によれば、各熱交換部材４０を流れる熱媒体の流量を均一化することができるため、各熱交換部材４０の冷却性能を均一化することができる。また、これにより、各熱交換部材４０を流れる熱媒体の流速も均一化できる。このことにより、車両用バッテリーを構成する複数のバッテリーモジュールの温度を均一化することができ、複数のバッテリーモジュールの寿命を均一化することができる。

なお、他の実施形態において、隣接する複数例えば２つの熱交換部材４０を跨ぐように、バッテリーモジュールが熱交換部材４０のトッププレート４１上に載置されていてもよい。この場合、バッテリーモジュールは、図１および図２の左右方向に延びている。なお、この場合、１つのバッテリーモジュールの部位毎の温度のばらつきを低減することができる。

次に、図４および図５を参照して、固定絞り５０の設置の一実施形態について説明する。固定絞り５０は、接続ライン３０と熱交換部材４０とを連結するクイックコネクタ６０に設けられている。

クイックコネクタ６０は、第１係合要素６１と第２係合要素６２とを有する。第１係合要素６１は、例えば 主熱媒体供給ライン１０または主熱媒体回収ライン２０から分岐する管路（これは接続ライン３０の一部を成す）に連結されている。

第２係合要素６２は、例えば熱交換部材４０のコネクタパイプ４６（または４７）からなる。コネクタパイプ４６には溝４６ｒ（または４７ｒ）が形成されている。第１係合要素６１は、溝４６ｒと（スナップフィットにより）係合する爪６５からなるリテーナーを備えている。第１係合要素６１は、第２係合要素６２の少なくとも先端側の部分を収容することができる。

第２係合要素６２を構成するパイプにビード（パイプ外周面に形成されたリング状の張り出し部）が設けられていてもよく、その場合は、第１係合要素６１のリテーナーもビードに適合するように構成される。

第２係合要素６２の先端部には固定絞り５０（オリフィス）が装着されている。固定絞り５０の中央部に貫通孔が設けられており、この貫通孔が熱媒体流路となる。貫通孔は、直径Ｄおよび長さ（軸方向長さ）Ｌを有している。固定絞り５０は、弾性力を有することが好ましい。また、固定絞り５０は、熱媒体の使用温度範囲において熱媒体、あるいは熱媒体の添加物と化学的に反応しないか反応が少ない材料を用いて形成される。

熱媒体がクーラントである場合、固定絞り５０の材料として、例えばシリコンゴム、エチレンプロピレンゴムなどが用いられる。

熱媒体が冷媒である場合、冷媒を循環するために圧縮機が利用され、この圧縮機の内部部品の摩耗を保護するために潤滑オイルが用いられる。この場合、固定絞り５０の材料として、例えばシリコンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴムなどが用いられる。このような材料を用いることにより、冷媒とともに配管経路内を循環する潤滑オイルと化学的な反応が進行することがなく、長期間にわたり固定絞りの機能を発揮することができる。

第１係合要素６１の内周面に形成された円周溝に、円環状のシール部材６３（Ｏリング）が保持されている。図４に示したように第２係合要素６２が第１係合要素６１内に収容されているときに、シール部材６３は、第２係合要素６２（コネクタパイプ４６，４７）の外周面に接触して、第１係合要素６１と第２係合要素６２との間をシールする。

第１係合要素６１と第２係合要素６２とを係合させる前に、まず、固定絞り５０の小径部を第２係合要素６２の先端部に挿入する（図５の矢印Ｉを参照）。次いで、第２係合要素６２が第１係合要素６１に差し込まれるように、第２係合要素６２を移動させてゆく（図５の矢印IIを参照）。そうすることにより、溝４６ｒ（４７ｒ）に爪６５が係合（スナップフィット）し、これにより、第１係合要素６１と第２係合要素６２とが、容易には分離できないように係合する。

このとき、固定絞り５０の端面が第１係合要素６１の内部に形成された円環状のストッパ６４に接触するか、あるいは小さな隙間を空けて近接する。これにより、固定絞り５０が第２係合要素６２から抜け出すことを防止することができる。つまり、固定絞り５０は、クイックコネクタ６０の第２係合要素６２に装着された状態で第１係合要素６１と第２係合要素６２とを係合させることによって、第１係合要素６１と第２係合要素６２との間で保持されることになる。

固定絞り５０の貫通孔の直径Ｄおよび長さＬの少なくとも一方を変更することにより、固定絞り５０を通過する熱媒体の圧力降下の度合いを変化させることができる。直径Ｄは、第２係合要素６２（例えばコネクタパイプ４６，４７）の内径よりも小さい範囲内で自由に変更することができる。また、長さＬは、固定絞り５０を第２係合要素６２に挿入可能な範囲内で、自由に変更することができる。

図４および図５に示した実施形態によれば、固定絞り５０の形状だけを変更することにより、第１係合要素６１と第２係合要素６２の形状を変更することなく、クイックコネクタ６０内における圧力損失を調整することができ、これにより、各熱交換部材４０の熱媒体流入部と熱媒体流出部との間の圧力差を均等化することができる。

図４および図５に示した実施形態によれば、１つの冷却システムに含まれるクイックコネクタ６０の全てを同一の仕様とすることも可能となるため、バッテリー冷却システムの部品の標準化を行う上で有益である。なお、固定絞り５０は回転対称の単純な形状で構わないため、複数種類の固定絞り５０を用意することによる冷却システムのコスト上昇を低く抑えることができる。

上記実施形態では、ｉ値が最大である（ｉ＝Ｎ）の接続ライン３０_Ｎ、つまり両端の圧力差が最小の接続ライン３０_Ｎには固定絞り５０を設けていないが、設けても構わない。その場合、圧力損失が最も小さくなるように構成された固定絞り５０（５０_Ｎ）が接続ライン３０_Ｎに設けられる。具体的には例えば、クイックコネクタ６０の内部構造上の理由（例えば隙間を埋めるため、あるいは安定した係合を確保するため等の理由）により固定絞り５０を設けることが必須である場合が想定され、この場合にはｉ値が最大である（ｉ＝Ｎ）の接続ライン３０_Ｎにも固定絞り５０を設けてもよい。

熱媒体はクーラントであってもよく、冷媒であってもよい。なお、本明細書において用語「クーラント」とは、本質的な相変化を伴うことなく熱を冷却対象物から奪うことにより冷却対象物を冷却する液体を意味している。具体的には、クーラントとして、自動車のエンジン冷却水に用いられるような不凍成分（凝固点を低下させる成分）を含む水が例示される。また、用語「冷媒」とは、冷凍サイクルで用いられる熱媒体であって、液相から気相への相変化時の気化熱に相当する熱を冷却対象物から奪うことにより冷却対象物を冷却する流体を意味している。具体的には、冷媒として、車両用空気調和装置用の冷媒、例えば従来から広く用いられているＨＦＣ－１３４ａ、近年のＥＵ規制に対応したＨＦＯ－１２３４ｙｆ等を用いることができる。

１０ 主熱媒体供給ライン
２０ 主熱媒体回収ライン
３０（３０_１～３０_Ｎ） 接続ライン
４０（４０_１～４０_Ｎ） 熱交換部材
５０ （５０_１～５０_Ｎ－１）固定絞り
６０ クイックコネクタ
６１ 第１係合要素
６２ 第２係合要素
Ｄ 固定絞りの流路径
Ｌ 固定絞りの流路長さ

Claims (6)

1. 車両用のバッテリーの冷却システムであって、
   主熱媒体供給ライン（１０）と、
   主熱媒体回収ライン（２０）と、
   前記主熱媒体供給ライン（１０）と前記主熱媒体回収ライン（２０）との間に並列に設けられ、各々が前記主熱媒体供給ライン（１０）と前記主熱媒体回収ライン（２０）とを接続する複数の接続ライン（３０_１～３０_Ｎ）と、
   前記複数の接続ライン（３０）の各々に設けられた複数の熱交換部材（４０_１～４０_Ｎ）であって、各々が熱媒体流入部と熱媒体流出部とを有し、前記各熱交換部材（４０_１～４０_Ｎ）の内部を流れる熱媒体と前記バッテリーとの間で熱交換を行う、互いに実質的に同じ形状を有する複数の熱交換部材（４０_１～４０_Ｎ）と、
   各々の熱交換部材の前記熱媒体流入部と前記熱媒体流出部との間の圧力差を均等化するための複数の固定絞り（５０_１～５０_Ｎ－１）と、
   を備え、
   前記複数の固定絞り（５０_１～５０_Ｎ－１）は、前記複数の固定絞り（５０_１～５０_Ｎ－１）が無いと仮定した場合において前記圧力差が最も小さい接続ライン（３０_Ｎ）を除いた残りの接続ライン（３０_１～３０_Ｎ－１）に設けられており、
   前記圧力差が最も小さい接続ライン（３０ _Ｎ ）には前記固定絞りが設けられていない、冷却システム。
2. 前記複数の固定絞り（５０_１～５０_Ｎ－１）の流路径（Ｄ）および流路長さ（Ｌ）のうちの少なくとも一方が互いに異なる、請求項１記載の冷却システム。
3. 前記複数の熱交換部材（４０_１～４０_Ｎ）と前記複数の接続ライン（３０_１～３０_Ｎ）とをそれぞれ連結する複数のクイックコネクタ（６０）をさらに備え、前記各クイックコネクタ（６０）は互いに係合する第１係合要素（６１）と第２係合要素（６２）とを有し、前記各固定絞り（５０_１～５０_Ｎ－１）は、前記各クイックコネクタ（６０）の前記第２係合要素（６２）に装着された状態で前記第１係合要素（６１）と前記第２係合要素（６２）とを係合させることによって、前記第１係合要素（６１）と前記第２係合要素（６２）との間で保持されるように構成されている、請求項１または２記載の冷却システム。
4. 前記主熱媒体供給ライン（１０）における熱媒体の流れ方向に沿って互いに間隔を空けてＮ個（Ｎは２以上の自然数である）の接続点（１２_１～１２_Ｎ）が前記主熱媒体供給ライン（１０）に設けられ、
   前記主熱媒体回収ライン（２０）における熱媒体の流れ方向に沿って互いに間隔を空けてＮ個の接続点（２２_１～２２_Ｎ）が前記主熱媒体回収ライン（２０）に設けられ、 前記複数の接続ライン（３０_１～３０_Ｎ）はＮ個あり、前記複数の接続ライン（３０_１～３０_Ｎ）は、前記主熱媒体供給ライン（１０）における熱媒体の流れ方向に関して上流側からｉ番目（ｉは１以上Ｎ以下の自然数である）の接続点（１２_１～１２_Ｎ）と、前記主熱媒体回収ライン（２０）における熱媒体の流れ方向に関して下流側からｉ番目の接続点（２２_１～２２_Ｎ）とを接続し、ｉ番目の前記接続点（１２_ｉ）とｉ番目の前記接続点（２２_ｉ）とを接続する前記接続ライン（３０）をｉ番目の接続ライン（３０_ｉ）と呼び、そこに設けられた前記固定絞り（５０）をｉ番目の固定絞り（５０_ｉ）と呼ぶこととしたとき、ｉ値がより小さい前記固定絞りの流路径（Ｄ）がより小さいか、またはｉ値がより小さい前記固定絞りの流路長さ（Ｌ）がより長い、請求項２、あるいは請求項２に従属する請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記熱媒体は冷却水またはクーラントである、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の冷却システム。
6. 前記熱媒体は冷媒である、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の冷却システム。

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