(57)【要約】【課題】本明細書は、車載電池の加温装置において、熱媒体を適切な量に管理しつつ、熱媒体を温めるヒータが熱媒体の液面から露出することを防止する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する車載電池の加温装置３は、車載電池の側面に取り付けられており、内部に液体の熱媒体１２が蓄えられている熱媒タンク３３を備えている。また、加温装置３は、熱媒タンク３３の底３３ｃの車両前後方向中央に設けられているヒータ８を備えている。そして、加温装置３は、熱媒タンク３３の底３３ｃで熱媒体１２に沈んでおり、車両の傾斜に応じて車両前後方向に移動可能な液位上昇材９を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車載電池の側面に取り付けられており、内部に液体の熱媒体が蓄えられている熱媒タンクと、
前記熱媒タンクの底の車両前後方向中央に設けられているヒータと、
前記熱媒タンクの底で前記熱媒体に沈んでおり、車両の傾斜に応じて車両前後方向に移動可能な液位上昇材と、
を備えていることを特徴とする車載電池の加温装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、車載電池の加温装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車等の電動車両には、リチウムイオン電池等といった高容量の電池が搭載される。この電池により走行用モータに電力が供給される。特許文献１には、高容量の電池を得るために、複数の電池を積層した電池モジュールが開示されている。
【０００３】
電池を使用するのに適切な温度範囲がある。そこで、電池の温度が過度に上昇したときには電池を冷却したり、また、寒冷地における使用前など、電池の温度が低すぎる場合には電池を加温したりする装置が望まれる。特許文献１の電池モジュールには、電池を冷却するための冷却プレートが積層した電池の外側面に接するように備えられている。
【０００４】
特許文献２には、電池を適切な温度まで温める技術が開示されている。特許文献２に開示される電池モジュールはケースに収容されており、ケース内面と電池モジュールの間を熱媒体が通過する。熱媒体はポンプにより循環しており、その循環経路上には放熱器が設けられている。また、ケース内部には熱媒体を加熱するヒータが備えられている。放熱器とヒータにより温度調整された熱媒体により電池モジュールが温められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７１０２９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１２０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本明細書では、電池の加温装置に着目する。なお、熱媒体で電池を加温する装置は、熱媒体の温度を電池温度よりも下げれば冷却装置としても機能する。従って、本明細書が開示する加温装置は、冷却装置を兼ねるものであってもよい。逆にいえば、車載電池の冷却装置が本明細書が開示する加温装置を兼ねていてもよい。
【０００７】
車載電池の加温装置の一態様として、電池の外側面に熱媒タンクを取り付けることが考えられる。熱媒タンクに液体の熱媒体を蓄え、ヒータによりその熱媒体を温め、その熱媒体によって電池を温める。ヒータは熱媒タンクの底に備えられる。
【０００８】
一方、車両は路面状況に応じて走行姿勢が傾斜する場合（例えば坂道を走行する場合）がある。車両が傾斜した場合、加温装置も傾斜する。即ち、熱媒体の液面が熱媒タンクに対して相対的に傾斜する。熱媒タンクに蓄えられた熱媒体の量が少ない場合、ヒータが熱媒体の液面から露出する場合がある。熱媒体の液面から露出したヒータは、オーバーヒートする虞がある。
【０００９】
本明細書が開示する技術は、路面の傾斜に応じで熱媒タンクが傾斜するという車載装置特有の上記課題に鑑みて創作された。その目的は、車載電池の加温装置において、熱媒体の量が少ない場合でも熱媒体を温めるヒータが熱媒体の液面から露出することを防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
車載電池を温める際に熱媒タンクに大量の熱媒体を蓄積できないことがある。例えば、熱媒体の潜熱を利用して車載電池を温める場合である。熱媒タンクにおいて、熱媒体の蓄熱には、液体の熱媒体が液相から気相へ相転移する際に吸収する潜熱を利用する方式がある。ヒータの出力に対して熱媒体の量が多いと相転移（即ち気化）が生じ難くなる。それゆえ、熱媒タンクの内部に大量の熱媒体を蓄積することは好ましくない。あるいは、潜熱を利用した冷却器の蒸発器を加温装置に利用する場合である。蒸発器（熱媒タンク）に大量の熱媒体を供給することは好ましくないので、冷却の結果、蒸発器に残った少量の液体の熱媒体を利用して車載電池を温めたい場合がある。
【００１１】
上記の場合、車両が坂道を走行する際、熱媒体の液面が傾斜してヒータがその液面から露出する虞がある。そこで発明者は、熱媒タンクに熱媒体とは異なる物体を沈めることで、熱媒体の液位を上昇させることを着想した。ただし、車両の傾斜により、沈めたはずの物体が液面から露出しては意味がない。そこで、物体をタンクに固定せず、自由に移動可能にしておく。そうすると、沈めた物体が車両の傾斜に応じてタンク底の低い側へ移動する。こうして、車両が傾斜しても常に物体は熱媒体の中に沈んでいることになり、高い液面が保持される。上記の構造により、熱媒体の量を増やすことなく、また、車両の傾斜に関わらず、熱媒体の液面からヒータが露出することを防止することができる。
【００１２】
本明細書が開示する車載電池の加温装置の一態様は次の通りである。加温装置は、車載電池の側面に取り付けられており、内部に液体の熱媒体が蓄えられている熱媒タンクを備えている。また、加温装置は、熱媒タンクの底の車両前後方向中央に設けられているヒータを備えている。そして、加温装置は、熱媒タンクの底で熱媒体に沈んでおり、車両の傾斜に応じて車両前後方向に移動可能な液位上昇材を備えている。
【００１３】
前述したように、上記の構成により、熱媒体が少ない場合に車両が傾斜してもヒータが液面から露出することを防止することができる。なお、ヒータを熱媒タンクの底の車両前後方向の中央に設置するのは、車両の前傾と後傾の両方の場合でヒータが液面から露出し難くくなるのが前後方向の中央だからである。
【００１４】
液位上昇材は、加温装置の傾斜に伴い熱媒体内を移動し易い固体の物体が好ましい。例えば、円柱や球といった底面との間の摩擦が少ない形状の固形物を採用することが好ましい。また、液位上昇材の材料は、熱媒体に浸食されない材料で作られるとよい。例えば、金属材料やセラミックスを採用することが好ましい。
【００１５】
熱媒体を凝縮器との間で循環させ、冷却と加温の双方に使えるようにすることも好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本明細書が開示する技術によれば、車載電池の加温装置において、熱媒体を適切な量に管理しつつ、車両が傾斜しても熱媒体を温めるヒータが熱媒体の液面から露出することを防止することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例の車載電池の温度調節装置（加温装置）のブロック図である。
【図２】電池と熱媒タンクのアセンブリの斜視図である。
【図３】図２のIII−III線における断面図である。
【図４】図３のIV−IV線における断面図である。
【図５】電動車両が傾斜した場合の熱媒タンクを示す図である。
【図６】電動車両が傾斜した場合の比較例の熱媒タンクを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面を参照して実施例の車載電池の加温装置を説明する。実施例の加温装置は、電池を温めるだけでなく、冷却することもできるので、厳密には、温度調節装置である。以下、電池の冷却機能と加温機能を備えた温度調節装置１００を説明する。なお、冷却機能については概説するに留め、加温機能に関わる構造を詳しく説明する。
【００１９】
図１に車載電池２の温度調節装置１００（加温装置）のブロック図を示す。符号２００は、車載電池２と温度調節装置１００を備えた電動車両を示している。車載電池２は、小型のリチウムイオン電池を積層し、電気的に直列に接続した構造を有する。リチウムイオン電池は化学反応を利用した化学電池である。化学電池には、使用に適した温度範囲がある。化学反応を長時間に亘り使っていると温度が過度に上昇し、適切な温度範囲を超える場合がある。一方、寒冷地などでは起動前、あるいは起動直後は使用に適した温度範囲を下回っていることがある。それゆえ、電動車両２００は温度調節装置１００を備える。
【００２０】
図１に示すように、温度調節装置１００は、蒸発器３と凝縮器５と供給管６と排出管７により構成されている。蒸発器３は、車載電池２に接するように取り付けられている。蒸発器３には、供給管６と排出管７が接続されている。供給管６の他端は、凝縮器５に接続されている。同様に排出管７の他端は凝縮器５に接続されている。凝縮器５は蒸発器３よりも車両高さ方向において高い位置に配置されている。
【００２１】
温度調節装置１００の冷却機能を概説する。図１の太線矢印が熱媒体の流れを示している。電池２を冷却する場合、蒸発器３では、熱媒体が圧力の低い熱媒タンク（後述）に送られ、気化する。熱媒体が気化するときに吸収する熱で隣接する車載電池２が冷却される。気化した熱媒体は、凝縮器５で冷やされ、液体に戻る。蒸発器３は、車両高さ方向において凝縮器５よりも低い位置に配置されている。よって、液体に戻った熱媒体は、供給管６を通って、重力の作用により凝縮器５から蒸発器３へと流れる。そして、再び熱媒体は、蒸発器３で気化する。即ち、熱媒体は、蒸発器３と凝縮器５の間を自然に循環する。
【００２２】
図２を参照して、蒸発器３及び車載電池２について説明する。以下、加熱機能に着目して説明する。図２に車載電池２に取り付けられている蒸発器３の斜視図を示す。図２には、座標系が示されている。この座標系では、「Ｘ軸」が、電動車両２００の前後方向に対応しており、「Ｚ軸」が電動車両２００の高さ方向に対応しており、「Ｙ軸」が電動車両２００の幅方向に対応している。Ｘ軸の正方向が車両前方（前進方向）となり、負方向が車両後方（後進方向）となる。図２に示す蒸発器３及び車載電池２を車両高さ方向（Ｚ軸方向）から見た模式図が、図１に示す図となる。後述する蒸発器３の熱媒タンク３３は、その長手方向が車両前後方向と平行になるように配置されている。別言すれば、蒸発器３を通過する熱媒体は車両前後方向に流れる。以下、本明細書では適時図中に示す座標系を用いて、実施例の構成を説明する。
【００２３】
蒸発器３は、車両幅方向（Ｙ軸方向）に薄く、車両前後方向（Ｘ軸方向）に長い扁平な直方体形状をしている熱媒タンク３３と、熱媒タンク３３の車両前後方向の両端に位置する供給タンク３１及び排出タンク３２により構成されている。供給タンク３１及び排出タンク３２の形状は、車両高さ方向（Ｚ軸方向）に延びる円柱である。供給タンク３１は熱媒タンク３３に対して、Ｘ軸負方向、即ち車両後方に位置しており、排出タンク３２は、熱媒タンク３３に対して、Ｘ軸正方向、即ち車両前方に位置している。供給タンク３１には供給管６が接続されており、排出タンク３２には排出管７が接続されている。供給管６から供給される熱媒体は、供給タンク３１、熱媒タンク３２、排出タンク３２を経由して排出管７から排出される。蒸発器３の内部での熱媒体の状態については後に説明する。
【００２４】
車載電池２は、小型の二次電池２１（リチウムイオン電池）を複数積層することで構成されている。二次電池２１は外形が扁平な直方体であり、その幅広な側面が対向するように車両前後方向（Ｘ軸方向）に積層されている。二次電池２１の電極端子２２は車両高さ方向（Ｚ軸方向）に延出している。二次電池２１の電極端子２２はバスバ（不図示）により直列に接続されている。車載電池２は、二次電池２１を直列に接続することで構成された高電圧で高容量の二次電池モジュールである。
【００２５】
熱媒タンク３３は、車載電池２の車両幅方向の側面２ａに取り付けられている。即ち、熱媒タンク３３の車両幅方向（Ｙ軸方向）の幅広の側面３３ａは、車載電池２の側面２ａと接している。温度調節装置１００が加温装置として機能する場合、熱媒タンク３３内の熱媒体の熱が、熱媒タンク３３の側面３３ａから車載電池２の側面２ａへと伝達され、車載電池２が温められる。
【００２６】
図３、４を参照して、蒸発器３の説明をする。図３は、図２のIII−III線における断面図である。図２のIII−III線は、供給管６及び排出管７の横断面の中心を通る断面を表す。図４は、図３のIV−IV線における断面図である。図３に示すように、供給タンク３１と排出タンク３２と熱媒タンク３３は、その内部が空洞になっている。供給管６は、供給タンク３１の円柱の側面に接続されている。供給管６の流路は、供給タンク３１の内部の空洞３１ｂと連通している。排出管７は、排出タンク３２の円柱の上方の端面に接続されている。排出管７の流路は、排出タンク３２の内部の空洞３２ｂと連通している。供給タンク３１の熱媒タンク３３側に位置する円柱の側面には、圧力弁３１ａが設けられている。圧力弁３１ａは、車両高さ方向における上方に位置している。排出タンク３２の熱媒タンク３３側に位置する円柱の側面にも、圧力弁３２ａが設けられている。圧力弁３２ａも、車両高さ方向における上方に位置している。
【００２７】
温度調節装置１００が冷却装置として機能する場合、図３に示すように、熱媒体１２は、供給管６から供給タンク３１の空洞３１ｂに供給される。供給タンク３１の内圧が所定の高さになると圧力弁３１ａが開き、供給タンク３１から熱媒タンク３３へ熱媒体１２が放出される。熱媒タンク３３の内圧は供給タンク３１の内圧よりも低い。それゆえ、熱媒体１２は熱媒タンク３３内で膨張して気化する。このときの気化熱で車載電池２が冷却される。気化した熱媒体は圧力弁３２ａを通じて排出タンク３２へと移動し、その後、排出管７を通じて凝縮器５に戻る。なお、圧力弁３２ａは、気体が排出タンク３２から熱媒タンク３３への逆流しないための逆止弁であり、圧力弁３２ａが開く閾値圧は、圧力弁３１ａが開く閾値圧よりも顕著に低い。気化した熱媒体の一部は熱媒タンク３３の中で液体へ戻り、熱媒タンク３３の底に溜まる。なお、熱媒体１２は、代替フロンなど、沸点が低く、冷却に適した液体が採用される。
【００２８】
車載電池２を温める場合には、後述するように、熱媒タンク３３に残った熱媒体１２をヒータ８により加熱することで、車載電池２を温める。熱媒タンク３３は、車載電池２を冷却するときに冷たい熱媒体を気化させるタンクである。車載電池２を温めるのは、温度調節装置１００が冷却器として動作した後に熱媒タンク３３に残留した熱媒体を用いることになる。それゆえ、熱媒タンク３３にはその容積と比較して比較的少ない量の液体しか残らない。以下、温度調節装置１００が熱媒タンク３３に残った少ない量の熱媒体を使って車載電池２を温める仕組みを説明する。
【００２９】
熱媒タンク３３の底３３ｃの車両前後方向（Ｘ軸方向）における中央には窪み３３ｄが設けられている。その窪み３３ｄにヒータ８が収容されている。そして、窪み３３ｄの開口及びヒータ８を覆うように、円弧カバー３４が設けられている。円弧カバー３４の熱媒タンク３３の厚み方向（Ｙ軸方向）から見た断面形状は、熱媒タンク３３の高さ方向（Ｚ方向）に突出するように湾曲した円弧形状である。円弧形状にすることにより、後述する液位上昇材９が円弧カバー３４の上に留まることが防止される。また、円弧カバー３４には、複数の貫通孔３４ａが設けられている。貫通孔３４ａにより、熱媒体１２は貫通孔３４ａを通り、ヒータ８に接触することができる。図３の紙面下側に描かれている電動車両２００の模式図に示すように、図３の熱媒体１２の様子は、電動車両２００の走行姿勢が水平である場合の液面を表している。熱媒体１２の液面１２ａは、車両前後方向に対して平行である。
【００３０】
熱媒タンク３３には、複数の液位上昇材９が収容されている。液位上昇材９は金属製の球である。液位上昇材９に用いられる金属としては、例えばステンレスが採用される。ステンレスを採用することで、熱媒体１２による腐食が防止される。また、後述するように、液位上昇材９は電動車両２００の傾斜に応じて低い方へ移動する。液位上昇材９を球にすることにより、液位上昇材９と熱媒タンク３３の底３３ｃとの間の摩擦が少なくなり、液位上昇材９が熱媒タンク３３の底３３ｃをスムーズに移動することができる。
【００３１】
また、液位上昇材９の比重は、熱媒体１２より大きい。したがって、液位上昇材９は、常に熱媒タンク３３の底３３ｃに沈んでいる。また、図４に示すように、液位上昇材９の直径Ｒ２は、円弧カバー３４の貫通孔３４ａの直径Ｒ１よりも大きくなっている。よって、液位上昇材９が円弧カバー３４を超えて窪み３３ｄに進入することは無い。
【００３２】
蒸発器３に蓄えられる熱媒体１２には、ヒータ８が発生する熱が蓄えられる。熱媒タンク３３の熱媒体１２は、ヒータ８により加熱され、液体から気体へと相転移する。なお、熱媒タンク３３と供給タンク３１との間は圧力弁３１ａが設けられており、熱媒タンク３３と排出タンク３２の間にも圧力弁３２ａが設けられている。車載電池２を温める場合、圧力弁３１ａと圧力弁３２ａが開かない圧力レベルで熱媒体１２の気化が行われる。
【００３３】
ヒータ８が発生する熱は、この相転移に必要な熱（潜熱）として熱媒体１２に蓄えられる。気体に相転移した熱媒体１２の熱により車載電池２が温められる。気体の熱媒体１２が熱を放出すると、液体へ戻る。潜熱を利用することで、熱媒体１２の温度が一定に保たれる。即ち、一定の温度に保たれる蒸発器３により車載電池２を安定して温めることができる。
【００３４】
液位上昇材９により、熱媒タンク３３に蓄えられる熱媒体１２の液位は、複数の液位上昇材９の総体積の分だけ上昇する。即ち、熱媒体１２の量を増やすことなく、熱媒体１２の液位を上昇させることができる。熱媒体１２の液位を上昇させる効果について、次に説明する。
【００３５】
図５、図６を参照して、車両が傾斜した場合のヒータと熱媒体の液位との関係について比較例と比べつつ説明する。図５は、電動車両２００が角度Ｄ１で傾斜した場合の実施例の蒸発器３の様子を表す図である。図５は、図３と同様の方向から見た断面図である。具体的には、蒸発器３の排出タンク３２の側が下がっている状態、即ち車両前進方向（Ｘ軸正方向）が水平面から下がっている状態である。つまり、紙面下側の模式図に示すように、電動車両２００が、傾斜角度Ｄ１の坂道を下っている状態である。図５に示す熱媒タンク３３に蓄えられている熱媒体１２の量は、図３に示す熱媒体１２の量と同じである。一方、図６は、電動車両２００が図５と同じ角度Ｄ１で傾斜した場合の蒸発器３の様子を表す比較例の図である。図６に示す比較例は、液位上昇材９が無い以外は、図５に示す実施例と同様である。比較例において、熱媒タンク３３に蓄えられる熱媒体１１２の量は、図５に示す熱媒体１２の量と同じである。
【００３６】
図５に示すように、電動車両２００が角度Ｄ１で傾斜した場合、液位上昇材９は熱媒体１２と共に、排出タンク３２の位置する側（車両前方）に向かって車両前後方向に移動する。液位上昇材９が熱媒体１２と共に移動するため、傾斜後も熱媒体１２の液位は液位上昇材９の総体積の分だけ上昇する。図５に示すように、熱媒体１２の液位が上昇することで、ヒータ８が熱媒体１２の液面１２ａから露出することが防止される。一方、図６の比較例に示すように、液位上昇材９が無い場合、熱媒体１１２の液位は、図５の実施例と比較して低くなる。液位が低いため、図６に示すように、ヒータ８は、熱媒体１１２の液面１１２ａから露出する虞がある。即ち、液位上昇材９を備えることにより、少ない熱媒体１２の量でもその液位を上昇させ、ヒータ８の熱媒体１２の液面１２ａからの露出を防ぐことができる。ヒータ８が熱媒体１２の液面１２ａから露出することによるヒータ８のオーバーヒートを防止することができる。
【００３７】
なお、電動車両２００が図５とは逆側に傾斜している場合、即ち、坂道を登っている状態でも同様の効果を得ることができる。電動車両２００が坂道を登っている状態とは、蒸発器３の排出タンク３２の側が上がっている状態、即ち車両前進方向（Ｘ軸正方向）が水平面から上がっている状態のことである。ヒータ８は、熱媒タンク３３の車両前後方向における中央に設けられているため、車両前後方向の前方／後方のどちら側に傾いても、ヒータ８が熱媒体１２の液面１２ａから露出することが防止される。
【００３８】
以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。液位上昇材の形状は、実施例の形状には限らない。例えば、熱媒タンクの幅方向（車両幅方向）に伸びる円柱形状であってもよい。円柱の方が同じ直径の球に比べて体積が大きくなるので、少ない個数で熱媒体の液位を上昇させることができる。また、液位上昇材は、固体であればよく、金属に限られない。液位上昇材は、金属の代わりにセラミックス製であってもよい。
【００３９】
また、電動車両は、車両の幅方向にも傾く場合がある。本明細書で開示する技術は、熱媒タンクの扁平な直方体形状の幅広の側面が車両幅方向に沿うように、蒸発器が配置される場合でも有効である。また、実施例では、熱媒体は蒸発器と凝縮器の間を、自然に循環させていたが、蒸発器と凝縮器の間にポンプを備えても良い。ポンプを備えることにより、熱媒体を確実に循環させることができる。
【００４０】
実施例の熱媒タンク３３とその内部に残っている液体の熱媒体１２、ヒータ８、及び、液位上昇材９が、加温装置の一例に相当する。
【００４１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４２】
２：車載電池
３：加温装置
５：凝縮器
６：供給管
７：排出管
８：ヒータ
９：液位上昇材
１２：熱媒体
１２ａ：液面
２１：二次電池
３１：供給タンク
３２：排出タンク
３３：冷媒タンク
３３ｃ：熱媒タンクの底
３４：円弧カバー
３４ａ：貫通孔
２００：電動車両
Ｄ１：傾斜角度
Ｒ１：貫通孔の直径
Ｒ２：液位上昇材の直径
【図１】
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【図２】
2015213037.tif 000004
【図３】
2015213037.tif 000005
【図４】
2015213037.tif 000006
【図５】
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【図６】
2015213037.tif 000008