JP7779195B2 - 電池冷却システム - Google Patents

Description

本開示は、複数の電池を冷却する電池冷却システムに関する。

特開２０２０－１８４４２７号公報（特許文献１）には、複数の電池モジュールを冷却する電池冷却システムが開示されている。この電池冷却システムに搭載される冷凍サイクルは、複数の電池モジュールをそれぞれ冷却するために、凝縮器から供給される冷媒を複数の分岐流路に分岐し、複数の分岐流路の各々に膨張弁および蒸発器を配置し、各蒸発器で各電流モジュールを冷却するように構成されている。

特開２０２０－１８４４２７号公報

特開２０２０－１８４４２７号公報に開示された電池冷却システムのように複数の分岐流路の各々に膨張弁および蒸発器が配置される冷凍サイクルの構成において、複数の電池モジュールを均等に冷却するためには、複数の分岐流路にそれぞれ分配される冷媒量を等しくすることが望ましい。そのためには、複数の分岐流路内の冷媒を液状態（サブクール状態）に維持しておくことが望まれる。しかしながら、各電池モジュールの温度、凝縮器の周囲の外気温度の影響によって、複数の分岐流路内の冷媒が必ずしも液状態にならない可能性がある。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、複数の分岐流路の各々に膨張弁等の減圧装置および蒸発器が配置される冷凍サイクルを備える電池冷却システムにおいて、複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持し易くすることである。

（第１項） 本開示による電池冷却システムは、電池を冷却する。この電池冷却システムは、冷媒が循環する回路を形成する冷凍サイクルと、制御回路とを備える。冷凍サイクルは、圧縮機と、凝縮器と、複数の電池にそれぞれ対応して配置される複数の蒸発器と、圧縮機の吐出口と凝縮器の一方端とに接続される第１流路と、凝縮器の他方端に接続される第２流路と、第２流路と複数の蒸発器の一方端とをそれぞれ接続する複数の分岐流路と、複数の分岐流路にそれぞれ配置される複数の減圧装置と、複数の蒸発器の他方端と圧縮機の吸入口とを接続する第３流路とを備える。凝縮器は、圧縮機から供給される冷媒と、凝縮器の周囲に存在する冷却流体との間で熱交換を行なう。電池冷却システムは、冷却流体の温度を検出する第１温度検出部と、電池の温度を検出する第２温度検出部とをさらに備える。制御回路は、冷却流体の温度と、電池の温度とに基づいて、複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持可能な圧縮機の目標回転速度を決定し、圧縮機の回転速度を目標回転速度に制御する。

上記（１）の構成によれば、圧縮機の回転速度が、冷却流体の温度と複数の電池の温度とに基づいて複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持可能な回転速度に制御される。そのため、複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持し易くすることができる。

（第２項） 第１項に記載の電池冷却システムにおいて、制御回路は、冷却流体の温度と、電池の温度と、複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持可能な圧縮機の目標回転速度との対応関係を規定したデータを予め記憶し、データを参照して第１、第２温度検出部の検出結果に対応する目標回転速度を決定し、圧縮機の回転速度を目標回転速度に制御する。

（第３項） 第２項に記載の電池冷却システムにおいて、データ内の目標回転速度は、複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持可能な範囲で圧縮機の消費電力が小さくなるように規定されている。

（第４項） 第３項に記載の電池冷却システムにおいて、データ内の目標回転速度は、冷却流体の温度が低いほど、低くなるように規定されている。

（第５項） 第３項に記載の電池冷却システムにおいて、データ内の目標回転速度は、複数の電池の温度が高いほど、低くなるように規定されている。

（第６項） 第２～５項のいずれかに記載の電池冷却システムにおいて、データは、冷却流体の温度と、複数の電池の温度と、冷却流体の流量と、目標回転速度との対応関係を規定する。制御回路は、データを参照して、第１、第２温度検出部の検出結果、および冷却流体の流量に対応する目標回転速度を決定し、圧縮機の回転速度を目標回転速度に制御する。

本開示によれば、複数の分岐流路の各々に減圧装置および蒸発器が配置される冷凍サイクルを備える電池冷却システムにおいて、複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持し易くすることができる。

電池冷却システムの全体構成を示す図である。 複数の分岐流路および複数の減圧装置の配置例を示す図である。 外気温Ｔｏｕｔと、分岐流路内の冷媒が液状態となるコンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐとの対応関係を模式的に示す図である。 電池温度Ｔｂａｔと、分岐流路内の冷媒が液状態となるコンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐとの対応関係を模式的に示す図である。 電池温度Ｔｂａｔおよび外気温Ｔｏｕｔと、目標回転速度Ｎｔａｇとの対応関係を示すマップデータを模式的に示す図である。 制御回路の処理手順の一例を示すフローチャートである。

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返さない。

（電池冷却システム１の全体構成）
図１は、本実施の形態による電池冷却システム１の全体構成を示す図である。電池冷却システム１は、たとえば車両に搭載されている。

電池冷却システム１は、複数の電池モジュール２と、冷凍サイクル１０と、温度センサ５０，６０と、制御回路１００とを備えている。電池冷却システム１は、冷凍サイクル１０を用いて複数の電池モジュール２を冷却する。

各電池モジュール２は、図示しない電池セルが複数接続されることにより構成されている。複数の電池モジュール２は、たとえば、図示しないハウジング内に収容されることにより、１つの電池パックとしてパッケージ化されている。

（冷凍サイクル１０の構成）
冷凍サイクル１０は、冷媒が循環する回路を形成する。冷凍サイクル１０は、圧縮機（コンプレッサ）１１と、凝縮器（コンデンサ）１２と、複数の減圧装置１４と、複数の蒸発器１５と、流路３１，３２，３５と、複数の分岐流路３３と、複数の分岐流路３４とを備える。

圧縮機１１は、流路３５から吸入される冷媒ガスを圧縮して流路３１へ吐出する。圧縮機１１の作動量（回転速度など）は、制御回路１００からの指令信号に従って制御される。

流路３１は、圧縮機１１の吐出口と凝縮器１２の入口とを接続する。

凝縮器１２は、圧縮機１１から供給されて凝縮器１２の内部を流れる冷媒（以下「内部冷媒」ともいう）と、凝縮器１２の周囲に存在する冷却流体（以下「外部流体」ともいう）との間で熱交換を行なう。

流路３２は、凝縮器１２の出口と接続点Ｎ１とを接続する。流路３２は、接続点Ｎ１において複数の分岐流路３３に分岐される。複数の分岐流路３３は、接続点Ｎ１と複数の蒸発器１５の入口とをそれぞれ接続する。

複数の減圧装置１４は、複数の分岐流路３３上にそれぞれ設けられる膨張弁（絞り弁）である。複数の減圧装置１４は、たとえば安価な固定オリフィスによって構成される。

図２は、複数の分岐流路３３および複数の減圧装置１４の配置例を示す図である。図２に示すように、接続点Ｎ１と各分岐流路３３との間には、接続点Ｎ１と各分岐流路３３とを接続する主管３３ｍが配置されている。流路３２からの冷媒は、接続点Ｎ１において主管３３ｍに供給され、主管３３ｍから各分岐流路３３に分配される。

図１に戻って、複数の蒸発器１５は、複数の電池モジュール２にそれぞれ対応して配置され、内部を流れる冷媒と複数の電池モジュール２との間でそれぞれ熱交換を行なう。複数の蒸発器１５は同じ形状を有する。したがって、複数の蒸発器１５の流路断面積は互いに同じである。

複数の分岐流路３４は、複数の蒸発器１５の出口と接続点Ｎ２とをそれぞれ接続する。複数の分岐流路３４は、接続点Ｎ２において流路３５に合流される。流路３５は、接続点Ｎ２と圧縮機１１の吸入口とを接続する。

温度センサ５０は、凝縮器１２において内部冷媒と熱交換を行なう外部流体の温度を検出する。なお、以下では、凝縮器１２の外部流体が凝縮器１２の周囲に存在する外気であることを想定して、温度センサ５０が、凝縮器１２の周囲の外気温Ｔｏｕｔを検出するものとして説明する。なお、凝縮器１２の外部流体は、外気（気体）であることに限定されず、内部冷媒とは別の液冷媒であってもよい。

温度センサ６０は、複数の電池モジュール２の温度を検出する。なお、温度センサ６０は、複数の電池モジュール２の温度をそれぞれ検出するようにしてもよいし、複数の電池モジュール２のうちの一部（たとえば温度が高くなり易い位置に配置されるモジュール）の温度を検出するようにしてもよい。以下では、温度センサ６０が、複数の電池モジュール２の代表的な温度（たとえば最も高い温度）を電池温度Ｔｂａｔを検出するものとして説明する。

制御回路１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ（記憶装置）、入出力バッファ等を含み（いずれも図示せず）、温度センサ５０，６０の検出結果などに応じて、冷凍サイクル１０における圧縮機１１の作動を制御する。なお、この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

（冷却運転）
圧縮機１１が作動されると、圧縮機１１で圧縮された高温高圧のガス冷媒が、凝縮器１２に送られ、凝縮器１２によって凝縮される。凝縮器１２により凝縮された高温高圧の液冷媒は、流路３２に供給され、流路３２から複数の分岐流路３３にそれぞれ分配される。

複数の分岐流路３３にそれぞれ分配された冷媒は、複数の減圧装置１４によって減圧された後、複数の蒸発器１５に送られる。複数の蒸発器１５に送られた低圧の冷媒は、複数の蒸発器１５において複数の電池モジュール２との間で熱交換を行って蒸発して、低圧のガス冷媒になる。これにより、複数の電池モジュール２が冷却される。複数の蒸発器１５で蒸発した低圧のガス冷媒は、接続点Ｎ２において流路３５に合流され、流路３５を通って再び圧縮機１１に吸入される。

上記のような冷却運転中において、複数の電池モジュール２を均等に冷却するためには、複数の分岐流路３４にそれぞれ分配される冷媒量を等しくすることが望ましい。そのためには、複数の分岐流路３３内の冷媒を液状態（サブクール状態）に維持しておくことが望まれる。

しかしながら、電池温度Ｔｂａｔ、外気温Ｔｏｕｔの影響によって、複数の分岐流路３３内の冷媒が必ずしも液状態（サブクール状態）にならない可能性がある。その対策として、圧縮機１１の回転速度（以下「コンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐ」ともいう）を過剰に高い値にすると、圧縮機１１の消費電力が不必要に大きくなってしまうことが懸念される。

そこで、本実施の形態においては、外気温Ｔｏｕｔおよび電池温度Ｔｂａｔと、複数の分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持可能なコンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐとの対応関係を規定したデータが実験等によって予め求められて、制御回路１００のメモリに予め記憶されている。そして、制御回路１００は、温度センサ５０，６０の検出結果（外気温Ｔｏｕｔおよび電池温度Ｔｂａｔ）と、メモリに記憶された上記データとを用いて、分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持しつつ圧縮機１１の消費電力が極力小さくなるように、圧縮機１１の回転速度（コンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐ）を制御する。

図３は、外気温Ｔｏｕｔと、分岐流路３３内の冷媒が液状態となるコンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐとの対応関係を模式的に示す図である。図３において、実線で示される境界よりもコンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐが高い領域が、分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持可能な領域である。制御回路１００は、コンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐを、図３に示す境界よりも高い領域であって、かつ、極力小さい値となるように制御する。これにより、分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持しつつ、圧縮機１１の消費電力を極力小さい値にすることができる。

図４は、電池温度Ｔｂａｔと、分岐流路３３内の冷媒が液状態となるコンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐとの対応関係を模式的に示す図である。図４において、実線で示される境界よりもコンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐが高い領域が、分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持可能な領域である。制御回路１００は、コンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐを、図４に示す境界よりも高い領域であって、かつ、極力小さい値となるように制御する。これにより、分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持しつつ、圧縮機１１の消費電力を極力小さい値にすることができる。

図３および図４に示すような特性があることに鑑み、電池温度Ｔｂａｔおよび外気温Ｔｏｕｔと、分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持可能なコンプレッサ回転速度Ｎｃｏｍｐの最小値（以下「目標回転速度Ｎｔａｇ」ともいう）との対応関係を規定したデータが、マップとして制御回路１００のメモリに記憶されている。

図５は、電池温度Ｔｂａｔおよび外気温Ｔｏｕｔと、目標回転速度Ｎｔａｇとの対応関係を示すマップデータを模式的に示す図である。このマップデータにおいては、図５に示すように、電池温度Ｔｂａｔおよび外気温Ｔｏｕｔをパラメータとして、目標回転速度Ｎｔａｇが予め設定されている。

上述の図３に示す特性に鑑み、このマップデータ内の目標回転速度Ｎｔａｇは、外気温Ｔｏｕｔが低いほど、低くなるように規定されている。また、上述の図４に示す特性に鑑み、このマップデータ内の目標回転速度Ｎｔａｇは、電池温度Ｔｂａｔが高いほど、低くなるように規定されている。

制御回路１００は、図５に示すマップデータを参照して、温度センサ５０，６０の検出結果（外気温Ｔｏｕｔおよび電池温度Ｔｂａｔ）に対応する目標回転速度Ｎｔａｇを決定し、圧縮機１１の回転速度を目標回転速度Ｎｔａｇに制御する。

（フローチャート）
図６は、制御回路１００の処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、所定周期で繰り返し実行される。

制御回路１００は、温度センサ５０，６０によって検出された外気温Ｔｏｕｔおよび電池温度Ｔｂａｔを取得する（ステップＳ１０）。

次いで、制御回路１００は、メモリに予め記憶されている上述の図５に示すマップデータを参照して、ステップＳ１０で取得された外気温Ｔｏｕｔおよび電池温度Ｔｂａｔに対応する目標回転速度Ｎｔａｇを決定する（ステップＳ２０）。

次いで、制御回路１００は、コンプレッサ回転速度ＮｃｏｍｐがステップＳ２０で決定された目標回転速度Ｎｔａｇとなるように、圧縮機１１を制御する（ステップＳ３０）。

以上のように、本実施の形態による制御回路１００は、外気温Ｔｏｕｔおよび電池温度Ｔｂａｔと、複数の分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持可能な圧縮機１１の目標回転速度Ｎｔａｇとの対応関係を規定したマップデータを予め記憶し、このマップデータを参照して温度センサ５０，６０の検出結果（外気温Ｔｏｕｔおよび電池温度Ｔｂａｔ）に対応する目標回転速度Ｎｔａｇを決定し、圧縮機１１の回転速度を目標回転速度Ｎｔａｇに制御する。これにより、複数の分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持しておくことができるため、複数の分岐流路３３にそれぞれ分配される冷媒量を等しくすることができる。

さらに、マップデータ内の目標回転速度Ｎｔａｇは、複数の分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持可能な範囲で、圧縮機１１の回転速度が小さくなるように規定されている。より具体的には、マップデータ内の目標回転速度Ｎｔａｇは、外気温Ｔｏｕｔが低いほど、低くなるように規定されている。また、マップデータ内の目標回転速度Ｎｔａｇは、電池温度Ｔｂａｔが高いほど、低くなるように規定されている。そのため、複数の分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持しつつ、圧縮機１１の消費電力を極力小さくすることができる。

［変形例］
凝縮器１２の熱交換効率を上げるための送風ファンが凝縮器１２の近傍に設けられている場合、複数の分岐流路３３内の冷媒の状態は、外気温Ｔｏｕｔおよび電池温度Ｔｂａｔに加えて、送風ファンの作動量（凝縮器１２に当接する外部流体の流量）の影響も受ける。

そのため、マップデータにおいて、外気温Ｔｏｕｔと、電池温度Ｔｂａｔと、外部流体の流量と、目標回転速度Ｎｔａｇとの対応関係を規定しておくようにしてもよい。そして、制御回路１００が、マップデータを参照して、外気温Ｔｏｕｔと、電池温度Ｔｂａｔと、外部流体の流量（たとえば送風ファンの作動量）とに対応する目標回転速度Ｎｔａｇを決定し、圧縮機１１の回転速度を目標回転速度Ｎｔａｇに制御するようにしてもよい。これにより、より適切に、複数の分岐流路３３内の冷媒を液状態に維持しつつ、圧縮機１１の消費電力を極力小さくすることができる。外部流体の流量は、上記の送風ファンの作動量の他、車速やグリルシャッターの開口状態も加味して導くことができる。

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。本開示の範囲は上記した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 電池冷却システム、２ 電池モジュール、１０ 冷凍サイクル、１１ 圧縮機、１２ 凝縮器、１４ 減圧装置、１５ 蒸発器、３１，３２，３５ 流路、３３，３４ 分岐流路、３３ｍ 主管、５０，６０ 温度センサ、１００ 制御回路、Ｎ１，Ｎ２ 接続点。

Claims (6)

1. 電池を冷却する電池冷却システムであって、
   冷媒が循環する回路を形成する冷凍サイクルと、
   制御回路とを備え、
   前記冷凍サイクルは、
   圧縮機と、
   凝縮器と、
   複数の前記電池にそれぞれ対応して配置される複数の蒸発器と、
   前記圧縮機の吐出口と前記凝縮器の一方端とに接続される第１流路と、
   前記凝縮器の他方端に接続される第２流路と、
   前記第２流路と前記複数の蒸発器の一方端とをそれぞれ接続する複数の分岐流路と、
   前記複数の分岐流路にそれぞれ配置される複数の減圧装置と、
   前記複数の蒸発器の他方端と前記圧縮機の吸入口とを接続する第３流路とを備え、
   前記凝縮器は、前記圧縮機から供給される冷媒と、前記凝縮器の周囲に存在する冷却流体との間で熱交換を行ない、
   前記冷凍サイクルにおける前記圧縮機から前記複数の減圧装置の各々までの流路は、減圧装置が存在しない流路であり、
   前記電池冷却システムは、
   前記冷却流体の温度を検出する第１温度検出部と、
   前記電池の温度を検出する第２温度検出部とをさらに備え、
   前記制御回路は、
   前記冷却流体の温度と、前記電池の温度とに基づいて、前記複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持可能な前記圧縮機の目標回転速度を決定し、前記圧縮機の回転速度を前記目標回転速度に制御する、電池冷却システム。
2. 前記制御回路は、
   前記冷却流体の温度と、前記電池の温度と、前記複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持可能な前記圧縮機の目標回転速度との対応関係を規定したデータを予め記憶し、
   前記データを参照して前記第１、第２温度検出部の検出結果に対応する目標回転速度を決定し、前記圧縮機の回転速度を前記目標回転速度に制御する、請求項１に記載の電池冷却システム。
3. 前記データ内の目標回転速度は、前記複数の分岐流路内の冷媒を液状態に維持可能な範囲で前記圧縮機の消費電力が小さくなるように規定されている、請求項２に記載の電池冷却システム。
4. 前記データ内の目標回転速度は、前記冷却流体の温度が低いほど、低くなるように規定されている、請求項３に記載の電池冷却システム。
5. 前記データ内の目標回転速度は、前記電池の温度が高いほど、低くなるように規定されている、請求項３に記載の電池冷却システム。
6. 前記データは、前記冷却流体の温度と、前記電池の温度と、前記冷却流体の流量と、前記目標回転速度との対応関係を規定し、
   前記制御回路は、前記データを参照して、前記第１、第２温度検出部の検出結果、および前記冷却流体の流量に対応する目標回転速度を決定し、前記圧縮機の回転速度を前記目標回転速度に制御する、請求項２～５のいずれかに記載の電池冷却システム。