特開 2025-5968 車載電池の冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025005968

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】車載電池の冷却装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/6569 20140101AFI20250109BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20250109BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20250109BHJP

   H01M 10/6556 20140101ALI20250109BHJP

   H01M 10/633 20140101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

H01M10/6569

H01M10/613

H01M10/625

H01M10/6556

H01M10/633

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023106447

(22)【出願日】2023-06-28

(71)【出願人】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】楢原 和晃

【テーマコード（参考）】

5H031

【Ｆターム（参考）】

5H031AA09

5H031KK08

(57)【要約】

【課題】液体状態の冷媒が第１コンプレッサに流入するのを抑制する。
【解決手段】冷媒と電池セル７１とを熱交換させる熱交換器２と、熱交換器２から流出した冷媒を加圧する第１コンプレッサ３と、第１コンプレッサ３で加圧された冷媒を冷却して凝縮させるコンデンサ４と、冷媒が通る冷媒経路１０におけるコンデンサ４と熱交換器２との間に設けられ、冷媒を脈動させる冷媒脈動装置と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体の冷媒を気体へと相変化させる際の吸熱反応により電池を冷却する、車載電池の冷却装置であって、
前記冷媒と前記電池とを熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器から流出した前記冷媒を加圧する加圧器と、
前記加圧器で加圧された前記冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器と、
前記冷媒が通る冷媒経路における前記凝縮器と前記熱交換器との間に設けられ、前記冷媒を脈動させる冷媒脈動装置と、を備えることを特徴とする車載電池の冷却装置。

【請求項2】

請求項１に記載の車載電池の冷却装置において、
前記冷媒脈動装置を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、前記加圧器に流入する前記冷媒の一部が液体であるときには、前記冷媒脈動装置により前記冷媒を脈動させることを特徴とする車載電池の冷却装置。

【請求項3】

請求項２に記載の車載電池の冷却装置において、
前記冷媒経路における前記凝縮器と前記冷媒脈動装置との間に設けられ、前記凝縮器で凝縮された冷媒の圧力を低下させる膨張弁を備え、
前記冷媒脈動装置は、前記膨張弁を通過した前記冷媒の圧力を調整することで該冷媒を脈動させる圧力調整器で構成されていることを特徴とする車載電池の冷却装置。

【請求項4】

請求項２に記載の車載電池の冷却装置において、
前記冷媒脈動装置は、前記凝縮器で凝縮された冷媒の圧力を低下させる膨張弁を有し、
前記コントローラは、前記膨張弁の開閉動作により前記冷媒を脈動させることを特徴とする車載電池の冷却装置。

【請求項5】

請求項３又は４に記載の車載電池の冷却装置において、
前記熱交換器から流出しかつ前記加圧器に流入する前の前記冷媒と、前記凝縮器から流出しかつ前記膨張弁を通過する前の前記冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器を備えることを特徴とする車載電池の冷却装置。

【請求項6】

請求項１～４のいずれか１つに記載の車載電池の冷却装置において、
前記熱交換器は、前記冷媒が通る配管を有し、
前記配管は、前記冷媒との接触面積を増加させるための面積拡大部を有することを特徴とする車載電池の冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

ここに開示された技術は、車載電池の冷却装置に関する技術分野に属する。

【背景技術】

【0002】

従来より、車両に搭載された電池と冷媒とを熱交換することで電池を冷却する冷却装置が知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、電池セルを温調する温調用流体（冷媒）が流れる温調プレートと、温調用流体を圧送するポンプと、ポンプと温調プレートの流入口との間の流体循環管路に配設され、温調用流体に脈動を生成する脈動生成機構と、を備え、温調用流体に空気が含まれているときに、脈動生成機構を稼働させ、温調用流体の流れに変化を加える、冷却装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１９１２０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、電池の冷却装置には、液体の冷媒が気体に相変化する際の吸熱反応により電池を冷却するものがある。このような冷却装置では、電池と熱交換して気化した冷媒は、加圧器により加圧された後、冷やされて凝縮される。このとき、加圧器に液体状態の冷媒が流入してしまうと、加圧器の劣化を促進するおそれがある。

【0006】

ここに開示された技術は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、液体の冷媒が気体に相変化する際の吸熱反応により電池を冷却する冷却装置において、液体状態の冷媒が加圧器に流入するのを抑制することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するために、ここに開示された技術の第１の態様では、液体の冷媒を気体へと相変化させる際の吸熱反応により電池を冷却する、車載電池の冷却装置を対象として、前記冷媒と前記電池とを熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器から流出した前記冷媒を加圧する加圧器と、前記加圧器で加圧された前記冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器と、前記冷媒が通る冷媒経路における前記凝縮器と前記熱交換器との間に設けられ、前記冷媒を脈動させる冷媒脈動装置と、を備える、という構成とした。

【0008】

この構成によると、冷媒脈動装置により冷媒が脈動されると、冷媒が攪拌されるため、熱交換器内において冷媒全体が万遍なく電池と熱交換される。これにより、冷媒全体が熱交換器内において温められるため、冷媒全体が気化しやすくなる。したがって、液体状態の冷媒が加圧器に流入するのを抑制することができる。

【0009】

ここに開示された技術の第２の態様では、前記第１の態様において、前記冷媒脈動装置を制御するコントローラを備え、前記コントローラは、前記加圧器に流入する前記冷媒の一部が液体であるときには、前記冷媒脈動装置により前記冷媒を脈動させる。

【0010】

この構成によると、常時冷媒脈動装置を作動させるときと比較して、冷媒脈動装置の負荷を低減することができる。これにより、冷媒の脈動を適切に行うことができ、液体状態の冷媒が加圧器に流入するのをより適切に抑制することができる。

【0011】

ここに開示された技術の第３の態様では、前記第２の態様において、前記冷媒経路における前記凝縮器と前記冷媒脈動装置との間に設けられ、前記凝縮器で凝縮された冷媒の圧力を低下させる膨張弁を備え、前記冷媒脈動装置は、前記膨張弁を通過した前記冷媒の圧力を調整することで該冷媒を脈動させる圧力調整器で構成されている。

【0012】

この構成によると、膨張弁の開度を調整することで熱交換器に流入させる冷媒の流量を調整できる。また、冷媒の量が増えたとしても圧力調整器により冷媒を脈動させることで冷媒を電池と万遍なく熱交換させることができる。これにより、液体状態の冷媒が加圧器に流入するのをより適切に抑制することができる。

【0013】

ここに開示された技術の第４の態様では、前記第２の態様において、前記冷媒脈動装置は、前記凝縮器で凝縮された冷媒の圧力を低下させる膨張弁を有し、前記コントローラは、前記膨張弁の開閉動作により前記冷媒を脈動させる。

【0014】

この構成によると、熱交換器に流入させる冷媒の流量の調整と冷媒の脈動とを１つの装置で実現することができる。このため、液体状態の冷媒が加圧器に流入するのを抑制しつつ、冷却装置をコンパクトな構成とすることができる。

【0015】

ここに開示された技術の第５の態様では、前記第３又は第４の態様において、前記熱交換器から流出しかつ前記加圧器に流入する前の前記冷媒と、前記凝縮器から流出しかつ前記膨張弁を通過する前の前記冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器を備える。

【0016】

この構成によると、凝縮器から流出しかつ膨張弁を通過する前の冷媒は、加圧器により加圧されたものであるため、凝縮器で冷却されていたとしても、熱交換器から流出しかつ加圧器で加圧される前の冷媒と比較すると高温である。このため、熱交換器から流出した冷媒の一部が液体であったとしても、液体状態の冷媒を冷媒熱交換器により温めることで気化させることができる。これにより、液体状態の冷媒が加圧器に流入するのをより効果的に抑制することができる。

【0017】

ここに開示された技術の第６の態様では、前記第１～第４の態様のいずれか１つにおいて、前記熱交換器は、前記冷媒が通る配管を有し、前記配管は、前記冷媒との接触面積を増加させるための面積拡大部を有する。

【0018】

この構成によると、冷媒と電池との熱交換が促進されるため、冷媒全体を適切に気化させることができる。また、例えば、面積拡大部を配管内に突出する突起で形成したときには、脈動する冷媒が突起と干渉することで乱流状態になる。これにより、冷媒が攪拌されやすくなるため、冷媒全体が気化しやすくなる。したがって、液体状態の冷媒が加圧器に流入するのをより効果的に抑制することができる。

【発明の効果】

【0019】

以上説明したように、ここに開示された技術によると、液体状態の冷媒が加圧器に流入するのを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、実施形態１に係る冷却装置を有する車両の構成図である。

【図2】図２は、熱交換器の配置を示す平面図である。

【図3】図３は、熱交換器の配管を示す断面図である。

【図4】図４は、第２コンプレッサ概略断面図である。

【図5】図５は、冷却装置の制御系を示すブロック図である。

【図6】図６は、冷却装置おける冷媒経路の位置と冷媒温度との関係を示すグラフである。

【図7】図７は、第２コンプレッサを制御する際のコントローラの処理動作を示すフローチャートである。

【図8】図８は、脈動の振幅及び周波数と冷却能力との関係を示すグラフである。

【図9】図９は、電池温度、冷媒の過熱度、及び熱交換器内の冷媒の流用の関係を示すタイムチャートである。

【図10】図１０は、熱交換器の配管の変形例１を示す断面図である。

【図11】図１１は、熱交換器の配管の変形例２を示す断面図である。

【図12】図１２は、実施形態２に係る冷却装置を有する車両の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0022】

（実施形態１）
〈冷却装置の全体構成〉
図１は、本実施形態１に係る冷却装置１を有する車両１００を示す。車両１００は、電気自動車やハイブリッド自動車などの電力で走行可能な自動車の車両である。

【0023】

車両１００は、電力が蓄積された電池モジュール７０を有する。電池モジュール７０は、矩形箱状の電池セル７１（図２参照）が複数積層されて構成されている。電池モジュール７０は、車両１００のフロアパネルの下側に配置されている。車両１００は、駆動源としての電動モータ（図示省略）を備えていて、電池モジュール７０に蓄積された電力により前記電動モータを回転駆動させることで車輪１０１を回転させて走行する。電池セル７１は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池で構成されている。

【0024】

冷却装置１は、液体の冷媒を気体へと相変化させる際の吸熱反応により電池モジュール７０の電池セル７１をそれぞれ冷却する。冷媒は、例えばＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）系冷媒であって、具体的にはＲ１２３４ｙｆである。

【0025】

冷却装置１は、冷媒と電池セル７１とを熱交換させる熱交換器２と、熱交換器２から流出した冷媒を加圧する第１コンプレッサ３と、第１コンプレッサ３で加圧された冷媒を冷却して凝縮させるコンデンサ４と、熱交換器２、第１コンプレッサ３、及びコンデンサ４を互いに接続して環状に形成された冷媒経路１０と、を有する。また、冷却装置１は、コンデンサ４で凝縮された冷媒の圧力を低下させる膨張弁５と、熱交換器２内の冷媒を脈動させる第２コンプレッサ６とを有する。第２コンプレッサ６は、冷媒脈動装置に相当する。

【0026】

図２及び図３に示すように、熱交換器２は、電池モジュール７０の下面に配置される冷却プレート２１と、冷却プレート２１と電池モジュール７０との間に配置された熱伝導シート２２と、を有する。図２では、１つの電池モジュール７０のみを示しているが、実際には、電池モジュール７０は複数設けられており、電池モジュール７０の数に応じて冷却プレート２１及び熱伝導シート２２が設けられている。また、電池モジュール７０を構成する電池セル７１の数は、図２では１０個であるが、１１個以上であってもよいし、９個未満であってもよい。

【0027】

冷却プレート２１は、矩形板状をなしていて、その長辺が電池セル７１の積層方向に延びている。冷却プレート２１の短辺の長さは、電池セル７１の底面における長手方向の幅よりも小さい。冷却プレート２１は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属で形成されている。

【0028】

図３に示すように、冷却プレート２１内には、長辺方向に延びる複数の配管２３を有する。各配管２３は、冷媒がそれぞれ流通する経路である。各配管２３の一端部は冷媒の流入口となっており、各配管２３の他端部は冷媒の流出口となっている。各配管２３内には、配管２３の長手方向に延びる突出部２３ａが複数形成されている。突出部２３ａは、冷媒との接触面積を増加させるための面積拡大部に相当する。尚、図３では、突出部２３ａは、配管２３の上面と底面にのみ形成されているが、配管２３の側面にも形成してよい。

【0029】

熱伝導シート２２は、電池モジュール７０を構成する複数の電池セル７１の底面を全て覆うように広がっている。熱伝導シート２２の長手方向の長さは、電池モジュール７０の長手方向の長さと同等であり、熱伝導シート２２の短手方向の長さは、電池モジュール７０の底面における積層方向と直交する方向の幅よりも僅かに大きい。熱伝導シート２２があることで、冷却プレート２１の短辺の長さが、電池セル７１の底面における長手方向の幅よりも小さかったとしても、各電池セル７１全体から冷却プレート２１に熱を伝導させることができる。

【0030】

熱伝導シート２２を介して冷却プレート２１に伝達された熱は、冷却プレート２１全体に広がって、各配管２３内の冷媒と熱交換する。このため、各配管２３内で冷媒が気化していて、気化した冷媒が配管２３の上側部分に位置していたとしても、電池セル７１と配管２３内に残った液体の冷媒とが熱交換することができる。

【0031】

第１コンプレッサ３は、電池セル７１と熱交換した後の冷媒を加圧する。第１コンプレッサ３は、例えばスクロール式のコンプレッサであって、回転数を調整することで流出する冷媒の圧力を調整することができる。第１コンプレッサ３で冷媒が加圧されるときには、冷媒の温度が上昇する。第１コンプレッサ３で加圧された冷媒は、液化せずに気体のまま流出する。

【0032】

コンデンサ４は、車両１００の前側部分に配置されている。コンデンサ４の車両後側には、電動ファン４１が設けられている。コンデンサ４は、車両１００の走行時には、走行風により冷媒を冷却する一方で、車両１００の停車時には、電動ファン４１の回転により引き込まれた空気により冷媒を冷却する。コンデンサ４では、冷媒は、圧力が低下することなく、温度が低下することで凝縮して液化する。

【0033】

コンデンサ４の下流側には、レシーバタンク４２が設けられている。レシーバタンク４２は、コンデンサ４により液化した冷媒を一時的に貯留する。レシーバタンク４２は、冷媒経路１０と接続されている。コンデンサ４により液化した冷媒がレシーバタンク４２に流入すると、流入した冷媒の量に相当するだけの量の冷媒が、レシーバタンク４２から冷媒経路１０に流出する。

【0034】

冷媒経路１０は、主に液体状態の冷媒が通る液体冷媒経路１１と、主に気体状態の冷媒が通る気体冷媒経路１２と、を有する。液体冷媒経路１１は、コンデンサ４から熱交換器２の流入口までの経路である。気体冷媒経路１２は、熱交換器２の流出口からコンデンサ４までの経路である。前述の第１コンプレッサ３は、気体冷媒経路１２の途中に設けられている。

【0035】

膨張弁５は、液体冷媒経路１１の途中に設けられている。膨張弁５は、液体冷媒経路１１内の冷媒の圧力を低下させる。膨張弁５を通過した冷媒は、減圧されたことにより温度が低下する。また、膨張弁５により圧力が低下することで、飽和温度（沸点に相当）が低下するため、熱交換器２の配管２３内で気化しやすくなる。また、膨張弁５により圧力が低下することで、配管２３内での冷媒の流れが緩やかになるため、配管２３内の冷媒が電池セル７１と万遍なく熱交換する。

【0036】

膨張弁５はまた、熱交換器２に流入させる冷媒の流量を調整するためにも利用される。具体的には、膨張弁５の開度が大きいほど熱交換器２に流入する冷媒の流量が大きくなる一方で、膨張弁５の開度が小さいほど熱交換器２に流入する冷媒の流量が小さくなる。

【0037】

第２コンプレッサ６は、膨張弁５を通過した冷媒の圧力を調整することで該冷媒を脈動させる。第２コンプレッサ６は、図４に示すようなスクロール式のコンプレッサで構成されている。第２コンプレッサ６は、回転数を調整して流出する冷媒の流量を増減させることで、冷媒の圧力を調整する。詳しくは、第２コンプレッサ６は、回転数を高くして冷媒の流量を増加させることと、回転数を低くして冷媒の流量を減少させることとを交互に繰り返すことで、冷媒を脈動させる。尚、冷媒は、第２コンプレッサ６が稼働していない状態でも第２コンプレッサ６を通過することができる。例えば、第２コンプレッサ６の上流と下流とを接続するバイパス経路を有していてもよい。

【0038】

冷却装置１は、気体冷媒経路１２のうち、熱交換器２から第１コンプレッサ３までの部分を流通する冷媒と、液体冷媒経路１１のうち、コンデンサ４から膨張弁５までの部分を流通する冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器８を有する。つまり、冷媒熱交換器８は、熱交換器２から流出しかつ第１コンプレッサ３に流入する前の冷媒（以下、高圧冷媒という）と、コンデンサ４から流出しかつ膨張弁５を通過する前の冷媒（以下、低圧冷媒という）とを熱交換させる。高圧冷媒は、第１コンプレッサ３により加圧された状態であるため、飽和温度が高い。一方で、低圧冷媒は、膨張弁５により圧力がかなり低下した状態であるため、飽和温度が低い。このため、高圧冷媒は、コンデンサ４により凝縮して液化していたとしても、低圧冷媒と比較すると高温である。したがって、冷媒熱交換器８は、低圧冷媒を高圧冷媒により加熱する。尚、冷媒熱交換器８は、公知のものを採用することができるため、その構成について詳細な説明は省略する。

【0039】

〈冷却装置の制御システム〉
次に、冷却装置１の制御システムについて説明する。

【0040】

図５に示すように、車両１００は、主に電池モジュール７０の充放電制御及び熱交換器２における冷媒の流量制御を行うコントローラであるＢＥＣＭ（Battery Energy Control Module）８１を有する。ＢＥＣＭ８１は、ＣＰＵを有する１つ以上のプロセッサ８１ａと、ＲＯＭやＲＡＭで構成されかつ各種プログラムを記憶するメモリ８１ｂと、を備える。メモリ８１ｂは、例えば不揮発性メモリである。

【0041】

ＢＥＣＭ８１は、電池セル７１の温度を検出する電池温度センサＳＷ１、第１コンプレッサ３に流入する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサＳＷ２、第１コンプレッサ３で加圧されかつ膨張弁５で減圧される前の冷媒の圧力を検出する第１冷媒圧力センサＳＷ３、及び膨張弁５で減圧されかつ第１コンプレッサ３で加圧される前の冷媒の圧力を検出する第２冷媒圧力センサＳＷ４からの検出結果が入力される。電池温度センサＳＷ１は、例えば、電池モジュール７０における冷媒の流出口の近傍に配置されている。冷媒温度センサＳＷ２及び第２冷媒圧力センサＳＷ４は、気体冷媒経路１２における冷媒熱交換器８よりも下流でかつ第１コンプレッサ３よりも上流の位置に配置されている。第１冷媒圧力センサＳＷ３は、気体冷媒経路１２における第１コンプレッサ３よりも下流でかつコンデンサ４よりも上流の位置に配置されている。尚、電池温度センサＳＷ１は、複数設けられていてもよく、例えば、電池モジュール７０における冷媒の流出口の近傍に加えて、平面視で電池モジュール７０の中央にも配置されていてもよい。

【0042】

ＢＥＣＭ８１は、各センサＳＷ１～ＳＷ４からの信号に基づいて膨張弁５を制御する。具体的には、ＢＥＣＭ８１は、膨張弁５の開度を制御する。ＢＥＣＭ８１は、熱交換器２に流入させる冷媒の流量を増加させるときには、膨張弁５の開度を現在の開度よりも大きくする一方で、熱交換器２に流入させる冷媒の流量を減少させるときには、膨張弁５の開度を現在の開度よりも小さくする。

【0043】

また、ＢＥＣＭ８１は、各センサＳＷ１～ＳＷ４からの信号に基づいて第２コンプレッサ６を制御する。ＢＥＣＭ８１は、第２コンプレッサ６の回転数を制御する。ＢＥＣＭ８１は、第２コンプレッサ６の回転数を増減させて、熱交換器２に流入する冷媒を脈動させる。ＢＥＣＭ８１は、熱交換器２に流入する冷媒の圧力（流量）の時間平均は、膨張弁５を通過したときの冷媒の圧力（流量）になるように、第２コンプレッサ６を制御する。ＢＥＣＭ８１は、脈動の振幅を大きくするときには、増減させる回転数の最大値及び最小値を大きくする。ＢＥＣＭ８１は、脈動の周波数を大きくするときには、回転数を増減させて周期を短くする。

【0044】

ＢＥＣＭ８１が行う制御は、メモリ８１ｂにプログラムとして記憶されている。ＢＥＣＭ８１は、コントローラの一例である。

【0045】

車両１００は、車両１００の動力系統全体の制御を行うコントローラであるＰＣＭ（Powertrain Control Module）８０を有する。ＰＣＭ８０は、ＣＰＵを有する１つ以上のプロセッサ８０ａと、ＲＯＭやＲＡＭを有しかつ各種プログラムを記憶するメモリ８０ｂと、を備える。メモリ８０ｂは、例えば不揮発性メモリである。

【0046】

ＰＣＭ８０は、外気温度を検出する外気温度センサＳＷ５の検出結果が入力される。外気温度センサＳＷ５は、コンデンサ４の車両前側に位置している。外気温度センサＳＷ５の検出結果は、電動ファン４１により引き込む空気の温度に相当する。ＰＣＭ８０はまた、ＢＥＣＭ８１を介して、各センサＳＷ１～ＳＷ４の検出結果を取得する。

【0047】

ＰＣＭ８０は、各センサＳＷ１～ＳＷ４からの信号に基づいて、電動ファン４１及び第１コンプレッサ３を制御する。ＰＣＭ６０は、電池温度センサＳＷ１の検出結果から目標冷却能力を設定して、設定した目標冷却能力に基づいて第１コンプレッサ３の回転数を設定する。ＰＣＭ６０は、第１冷媒圧力センサＳＷ３及び外気温度センサＳＷ５の各検出結果に基づいて、電動ファン４１の回転数を設定する。

【0048】

ＰＣＭ８０が行う制御は、メモリ８０ｂにプログラムとして記憶されている。

【0049】

〈冷媒経路の各位置における冷媒の状態〉
図６は、冷媒経路１０の各位置における冷媒温度を模式的に示す。図６は、液体冷媒経路１１におけるレシーバタンク４２の下流でかつ冷媒熱交換器８の上流の位置から、気体冷媒経路１２における冷媒熱交換器８の下流でかつ第１コンプレッサ３の上流の位置までの冷媒温度の変化を示す。また、図６では、第２コンプレッサ６が稼働していない状態での冷媒温度の変化を示す。

【0050】

まず、実線の温度変化に注目する。冷媒は、液体冷媒経路１１における冷媒熱交換器８よりも上流では前記高圧冷媒の状態であるため、液化されていても温度が比較的高い。冷媒は、冷媒熱交換器８を通過すると、気体冷媒経路１２を通る前記低圧冷媒と熱交換して、温度が低下する。次に、冷媒が膨張弁５を通過すると、冷媒は断熱膨張により温度が大きく低下する。そして、冷媒が熱交換器２の配管２３に入ると、冷媒は、温度が少し上昇して、気化する。冷媒は、気化するときの吸熱反応により電池セル７１を冷却する。冷媒は、熱交換器２の配管２３を流通している間は気化し続けるため、温度は飽和温度に維持される。この例では、熱交換器２の流出口では、冷媒は、完全に気化せずに、一部が液体の状態で残っている。このため、熱交換器２から流出した冷媒の温度は飽和温度のままである。その後、冷媒が冷媒熱交換器８に流入すると、冷媒は、液体冷媒経路１１を通る前記高圧冷媒と熱交換する。この熱交換により、冷媒が完全に気化する。冷媒が完全に気化することで、冷媒は飽和温度よりも高温になる。

【0051】

このように、熱交換器２では冷媒の一部が液体で残り、冷媒熱交換器８で完全に気化すると、熱交換器２の配管２３を通過している間は、冷媒が常に吸熱反応するため、効率的に電池セル７１を冷却することができる。また、第１コンプレッサ３には液体の冷媒がほとんど流入しないため、第１コンプレッサ３の劣化を抑制することができる。

【0052】

ここで、熱交換器２への冷媒の流量が少ないと、図６に一点鎖線で示すように、熱交換器２の途中で冷媒が完全に気化してしまい、熱交換器２の配管２３内の冷媒温度が上昇する。熱交換器２の途中で冷媒が完全に気化してしまうと、特に、冷却プレート２１における流出口近傍に位置する電池セル７１が冷却されにくくなって、電池セル７１の温度が上昇する。

【0053】

ＢＥＣＭ８１は、電池セル７１の温度が上昇して、所定温度ＴＣ以上になったことを電池温度センサＳＷ１から取得したときには、膨張弁５を制御して、冷媒の流量を増大させる。しかしながら、冷媒の流量が多くなると、図６に二点鎖線で示すように、冷媒熱交換器８を通過した後でも液体の冷媒が残ってしまうおそれがある。液体の冷媒が残ってしまうと、液体の冷媒が第１コンプレッサ３に流入してしまい、第１コンプレッサ３の劣化を促進してしまうおそれがある。

【0054】

そこで、本実施形態では、ＢＥＣＭ８１は、第１コンプレッサ３に流入する冷媒の一部が液体であるときには、第２コンプレッサ６により熱交換器２に流入する冷媒を脈動させるようにした。

【0055】

〈第２コンプレッサの制御〉
図７は、ＢＥＣＭ８１により第２コンプレッサ６を制御するフローチャートを示す。

【0056】

まず、ステップＳ１において、ＢＥＣＭ８１は、各センサＳＷ１～ＳＷ４の検出結果を読み込む。

【0057】

次に、ステップＳ２において、電池温度ＴＢが所定温度ＴＣ以上であるか否かを判定する。ＢＥＣＭ８１は、電池温度ＴＢが所定温度ＴＣ以上であるＹＥＳのときには、ステップＳ３に進む。一方で、ＢＥＣＭ８１は、電池温度ＴＢが所定温度ＴＣ未満であるＮＯのときには、リターンする。

【0058】

前記ステップＳ３では、ＢＥＣＭ８１は、冷媒の流量を増加させる。ＢＥＣＭ８１は、膨張弁５の開度を大きくすることで冷媒の流量を増加させる。

【0059】

次に、ステップＳ４において、ＢＥＣＭ８１は、第１コンプレッサ３に流入する冷媒の一部が液体であるか否かを判定する。ＢＥＣＭ８１は、冷媒熱交換器８と第１コンプレッサ３との間の気体冷媒経路１２において冷媒が全て気化していると推定されるときには、第１コンプレッサ３に流入する冷媒が全て気体であると判定する一方で、前記気体冷媒経路１２に液体状態の冷媒が残っていると推定されるときには、第１コンプレッサ３に流入する冷媒の一部が液体であると判定する。ＢＥＣＭ８１は、冷媒温度センサＳＷ２及び第２冷媒圧力センサＳＷ４の検出結果に基づいて、前記気体冷媒経路１２の冷媒が全て気化しているか否かを推定する。具体的には、第２冷媒圧力センサＳＷ４の検出結果から、前記気体冷媒経路１２における平均圧力を算出する。次に、ＢＥＣＭ８１は、該平均圧力における冷媒の飽和温度を算出する。ＢＥＣＭ８１は、予めメモリ８１ｂに冷媒についての蒸気圧曲線（例えば、Ｒ１２３４ｙｆの蒸気圧曲線）を記憶しておき、該蒸気圧曲線を読み込んで飽和温度を算出する。次いで、ＢＥＣＭ８１は、冷媒温度センサＳＷ２の検出結果と飽和温度とを比較する。そして、ＢＥＣＭ８１は、冷媒温度センサＳＷ２が検出した冷媒温度が飽和温度よりも高いときには、前記気体冷媒経路１２の冷媒が全て気化していると推定する一方で、該冷媒温度が飽和温度以下であるときには、前記気体冷媒経路１２に液体状態の冷媒が残っていると推定する。

【0060】

前記ステップＳ４において、ＢＥＣＭ８１は、第１コンプレッサ３に流入する冷媒が全て気体であるＹＥＳのときにはリターンする。一方で、ＢＥＣＭ８１は、第１コンプレッサ３に流入する冷媒の一部が液体であるＮＯのときにはステップＳ５に進む。

【0061】

前記ステップＳ５において、ＢＥＣＭ８１は、第２コンプレッサ６による脈動を強化する。ＢＥＣＭ８１は、第２コンプレッサ６の回転数を調整して、脈動の振幅及び周波数の少なくとも一方を増加させる。ステップＳ５の後は前記ステップＳ４に戻る。尚、ここでいう「脈動を強化」には、冷媒を脈動させていない状態から脈動させるときも含む。

【0062】

図８には、脈動の振幅及び周波数と冷却能力との関係を示す。図８中の周波数高の曲線は、３つの曲線の中では最も周波数が高く、周波数低の曲線は、３つ曲線の中では最も周波数が低い。周波数中の曲線は、周波数高と周波数低との中間の周波数の曲線である。図８に示すように、脈動の振幅及び周波数を大きくすると、冷却能力が向上する。これは、熱交換器２の配管２３内に乱流が生じて、冷媒が攪拌されることで、冷媒が万遍なく熱交換するためである。特に、本実施形態では、前述したように、配管２３内に突出部２３ａが形成されているため、突出部２３ａにより障害物となって乱流が形成されやすく、さらに突出部２３ａにより表面積が拡大しているため、熱交換が進みやすい。これにより、配管２３内での冷媒の気化が促進されて、熱交換器２から流出する冷媒に含まれる液体状態の冷媒の量が減少する。この結果、第１コンプレッサ３に液体状態の冷媒が流入するのを抑制することができる。

【0063】

図９は、電池温度、冷媒熱交換器８と第１コンプレッサ３との間の気体冷媒経路１２における冷媒の過熱度、及び熱交換器２内の冷媒の流量の関係を示す。冷媒の過熱度は、冷媒の温度と飽和温度との差分であり、過熱度が０より大きければ、冷媒が全て気化していることを意味し、過熱度が０であれば、冷媒の一部が液体の状態であることを意味する。

【0064】

まず、初期状態では、電池セル７１は十分に冷却されており、冷媒は全て気化して過熱度が０よりも大きくなっている。また、初期状態では、第２コンプレッサ６は作動していない。

【0065】

この初期状態から、時刻ｔ１において、電池温度が上昇したとする。このとき、冷媒は、熱交換器２から流出する前に全て気化されて電池セル７１の熱により加熱されるため、冷媒の過熱度は上昇する。

【0066】

時刻ｔ２において、電池温度が所定温度Ｔ_Ｃ以上になると、冷媒流量が増大される。これにより、電池温度の上昇が抑えられ、過熱度が低下する。

【0067】

そして、時刻ｔ３において、過熱度が０になると、第２コンプレッサ６が作動して、熱交換器２内の冷媒が脈動される。これにより、熱交換器２内の冷媒の流量が増減する。

【0068】

ここで、現在の振幅及び周波数では、十分な冷却能力とはならず、冷媒の一部が液体のまま、つまり、過熱度が０のままであったとする。このときには、時刻ｔ４において、脈動が強化される。ここでは、脈動の振幅が増大される。これにより、冷却能力が向上すると、電池温度が低下し、冷媒が全て気化することで冷媒の過熱度が上昇する。

【0069】

時刻ｔ５以降は、脈動の振幅が一定の状態となって、熱交換器２から流出する液体の冷媒の流量もほぼ一定になるため、冷媒の過熱度は、冷媒熱交換器８で上昇する分のみとなりほぼ一定となる。

【0070】

〈実施形態１の効果〉
したがって、本実施形態１では、冷媒と電池セル７１とを熱交換させる熱交換器２と、熱交換器２から流出した冷媒を加圧する第１コンプレッサ３と、第１コンプレッサ３で加圧された冷媒を冷却して凝縮させるコンデンサ４と、冷媒が通る冷媒経路１０におけるコンデンサ４と熱交換器２との間に設けられ、冷媒を脈動させる第２コンプレッサ６と、を備える。第２コンプレッサ６により冷媒が脈動されると、冷媒が攪拌されるため、熱交換器２内において冷媒全体が万遍なく電池セル７１と熱交換される。これにより、冷媒全体が熱交換器２内において温められるため、冷媒全体が気化しやすくなる。したがって、液体状態の冷媒が第１コンプレッサ３に流入するのを抑制することができる。

【0071】

特に、本実施形態１では、第２コンプレッサ６を制御するＢＥＣＭ８１を備え、ＢＥＣＭ８１は、第１コンプレッサ３に流入する冷媒の一部が液体であるときには、第２コンプレッサ６により冷媒を脈動させる。これにより、必要なときに第２コンプレッサ６を稼働させればよいため、第２コンプレッサ６を常時稼働させる場合と比較すると、第２コンプレッサ６の負荷を低減することができる。この結果、冷媒の脈動を適切に行うことができ、液体状態の冷媒が第１コンプレッサ３に流入するのをより適切に抑制することができる。

【0072】

また、本実施形態１では、ＢＥＣＭ８１は、第２コンプレッサ６を作動させた後であっても、第１コンプレッサ３に流入する冷媒の一部が液体であるときには、脈動の振幅及び周波数の少なくとも一方を大きくする。これにより、冷却能力が向上して、冷媒全体が気化しやすくなる。この結果、液体状態の冷媒が第１コンプレッサ３に流入するのをより適切に抑制することができる。

【0073】

また、本実施形態１では、冷媒経路１０におけるコンデンサ４と第２コンプレッサ６との間に設けられ、コンデンサ４で凝縮された冷媒の圧力を低下させる膨張弁５を備え、第２コンプレッサ６は、膨張弁５を通過した冷媒の圧力を調整することで該冷媒を脈動させる。これにより、膨張弁５の開度を調整することで熱交換器２に流入させる冷媒の量を調整できる。また、冷媒の量が増えたとしても第２コンプレッサ６により冷媒を脈動させることで冷媒を電池セル７１と万遍なく熱交換させることができる。これにより、液体状態の冷媒が第１コンプレッサ３に流入するのをより適切に抑制することができる。

【0074】

また、本実施形態１では、熱交換器２から流出しかつ第１コンプレッサ３に流入する前の冷媒と、コンデンサ４から流出しかつ膨張弁５を通過する前の冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器８を備える。これにより、熱交換器２から流出した冷媒の一部が液体であったとしても、液体状態の冷媒を冷媒熱交換器８により温めることで気化させることができる。これにより、液体状態の冷媒が第１コンプレッサ３に流入するのをより効果的に抑制することができる。

【0075】

また、本実施形態１では、熱交換器２は、冷媒が通る配管２３を有し、配管２３は、冷媒との接触面積を増加させるための突出部２３ａを有する。これにより、冷媒と電池セル７１との熱交換が促進されるため、冷媒全体を適切に気化させることができる。また、脈動する冷媒が突出部２３ａと干渉することで乱流状態になる。この結果、冷媒が攪拌されやすくなるため、冷媒全体が気化しやすくなる。したがって、液体状態の冷媒が第１コンプレッサ３に流入するのをより効果的に抑制することができる。

【0076】

また、本実施形態１では、第２コンプレッサ６は、膨張弁５の下流でかつ熱交換器２の上流に配置されている。これにより、第２コンプレッサ６は、低圧の冷媒に対して脈動を加えることができるため、第２コンプレッサ６の負荷を低減することができる。

【0077】

（実施形態１の変形例１）
図１０は実施形態１の変形例１を示し、この変形例では、冷却プレート２１の配管２２３の構造が異なる。具体的には、この変形例１では、突出部に代えて、配管２２３の外側に向かって凹みかつ配管２２３の長手方向に延びる凹部２２３ａが複数形成されている。この凹部２２３ａが形成されることで、配管２２３の壁面と冷媒との接触面積を拡大させることができる。このことから、凹部２２３ａは、面積拡大部に相当する。

【0078】

この変形例１であっても、凹部２２３ａが形成されていることで、冷媒と電池セル７１との熱交換が促進されるため、冷媒全体を適切に気化させることができる。また、脈動する冷媒が凹部２２３ａによってかき乱されて乱流状態になる。この結果、冷媒が攪拌されやすくなるため、冷媒全体が気化しやすくなる。したがって、液体状態の冷媒が第１コンプレッサ３に流入するのをより効果的に抑制することができる。

【0079】

（実施形態１の変形例２）
図１１は実施形態１の変形例２を示し、この変形例では、冷却プレート２１の配管３２３の構造が異なる。具体的には、この変形例２では、突出部に代えて、配管３２３の外側に向かって凹みかつ配管３２３の長手方向と直交する方向に延びる溝部３２３ａが、配管３２３の長手方向全体に亘って複数形成されている。この溝部３２３ａが形成されることで、配管３２３の壁面と冷媒との接触面積を拡大させることができる。このことから、溝部３２３ａは、面積拡大部に相当する。

【0080】

この変形例２であっても、溝部３２３ａが形成されていることで、冷媒と電池セル７１との熱交換が促進されるため、冷媒全体を適切に気化させることができる。また、脈動する冷媒が溝部３２３ａによってかき乱されて乱流状態になる。この結果、冷媒が攪拌されやすくなるため、冷媒全体が気化しやすくなる。したがって、液体状態の冷媒が第１コンプレッサ３に流入するのをより効果的に抑制することができる。

【0081】

（実施形態２）
以下、実施形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明において前記実施形態１と共通の部分については、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

【0082】

図１２は、本実施形態２に係る冷却装置２０１を備える車両１００を示す。本実施形態２では、第２コンプレッサ６が設けられていない点で、前述の実施形態１とは異なる。本実施形態２では、膨張弁５の開度を調整することによって、冷媒を脈動させる。つまり、ＢＥＣＭ８１は、膨張弁５の開度を大きくすることと、膨張弁５の開度を小さくすることとを交互に繰り返すことで、冷媒を脈動させる。ＢＥＣＭ８１は、熱交換器２に供給する冷媒の平均圧力（平均流量）については、目標とする圧力（流量）になるように、膨張弁５を開閉制御する。

【0083】

この実施形態２の構成でも、冷媒が攪拌されるため、熱交換器２内において冷媒全体が万遍なく電池セル７１と熱交換される。これにより、冷媒全体が熱交換器２内において温められるため、冷媒全体が気化しやすくなる。したがって、液体状態の冷媒が第１コンプレッサ３に流入するのを抑制することができる。

【0084】

また、実施形態２では、熱交換器２に流入させる冷媒の流量の調整と冷媒の脈動とを１つの装置で実現することができるため、冷却装置２０１をコンパクトな構成とすることができる。

【0085】

（その他の実施形態）
ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

【0086】

前述の実施形態１及び２では、ＢＥＣＭ８１は、第１コンプレッサ３に流入する冷媒の一部が液体であるときに、熱交換器２に流入する冷媒を脈動させるようにした。これに限らず、ＢＥＣＭ８１は、熱交換器２に流入する冷媒を常に脈動させるようにしてもよい。この場合、ＢＥＣＭ８１は、通常は比較的小さな振幅でかつ比較的低い周波数で冷媒を脈動させておき、第１コンプレッサ３に流入する冷媒の一部が液体であると判定されるときに、脈動の振幅及び周波数の少なくとも一方を大きくする。

【0087】

また、前述の実施形態１及び２では、冷媒熱交換器８が設けられていたが、冷媒熱交換器８は省略してもよい。

【0088】

また、前述の実施形態１及び２では、面積拡大部として、突出部２３ａ、凹部２２３ａ、及び溝部３２３ａを設けていた。これに限らず、面積拡大部は、フィンのようなものを配管内に設ける構造でもよいし、配管の壁面を粗くする構造でもよい。

【0089】

前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

【0090】

ここに開示された技術は、液体の冷媒を気体へと相変化させる際の吸熱反応により電池を冷却する、車載電池の冷却装置のエンジン制御装置として有用である。

【符号の説明】

【0091】

２ 熱交換器
３ 第１コンプレッサ
４ コンデンサ
５ 膨張弁（冷媒脈動装置）
６ 第２コンプレッサ（冷媒脈動装置）
８ 冷媒熱交換器
１０ 冷媒経路
２１ 冷却プレート
２２ 熱伝導シート
２３ 配管
２３ａ 突出部（面積拡大部）
２２３ 配管
２２３ａ 凹部（面積拡大部）
３２３ 配管
３２３ａ 溝部（面積拡大部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】