(57)【要約】【課題】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、しかも均一に冷却する。【解決手段】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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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)とを備える電源装置であって、
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。
【請求項２】
空気冷却用熱交換器(4)が、冷媒を通過させる導管(18)を複数の金属板(19)に貫通させており、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)に送風する請求項１に記載される車両用の電源装置。
【請求項３】
電池ケース(2)の底板(21)を空気の供給ダクト(24)とし、天板(22)を空気の排出ダクト(25)としている請求項１に記載される車両用の電源装置。
【請求項４】
冷凍サイクル(5)が、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、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)に圧送するようにしている請求項１に記載される車両用の電源装置。
【請求項５】
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)に冷媒を供給する請求項１に記載される車両用の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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）
【特許文献１】特開２００２−３１３４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。
【図２】電池ケースの一例を示す分解斜視図である。
【図３】図２に示す電池ケースの斜視図である。
【図４】図３に示す電池ケースの側面図である。
【図５】図３に示す電池ケースの正面図である。
【符号の説明】
【００３２】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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