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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-12
(45)【発行日】2022-12-20
(54)【発明の名称】蓄電装置
(51)【国際特許分類】
H01M 10/6556 20140101AFI20221213BHJP
H01M 10/613 20140101ALI20221213BHJP
H01M 10/625 20140101ALI20221213BHJP
H01M 10/6552 20140101ALI20221213BHJP
H01M 10/6569 20140101ALI20221213BHJP
H01M 50/202 20210101ALI20221213BHJP
【ＦＩ】
H01M10/6556
H01M10/613
H01M10/625
H01M10/6552
H01M10/6569
H01M50/202 401H
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2019143611
(22)【出願日】2019-08-05
(65)【公開番号】P2021026880
(43)【公開日】2021-02-22
【審査請求日】2021-10-20
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小林 正嗣
(72)【発明者】
【氏名】村田 崇
(72)【発明者】
【氏名】小坂 満
【審査官】右田 勝則
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／０８８４７５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０６９８０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１４４８８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０２９５５３５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ １０／６５５６
Ｈ０１Ｍ ５０／２０
Ｈ０１Ｍ １０／６１３
Ｈ０１Ｍ １０／６２５
Ｈ０１Ｍ １０／６５５２
Ｈ０１Ｍ １０／６５６９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
収容ケースと、前記収容ケース内に収容された蓄電モジュールと、
前記収容ケース内に設けられた電子機器と、
前記蓄電モジュールおよび前記電子機器を冷却する冷却装置と、
を備え、
前記冷却装置は、冷媒が流通する冷却管を含み、
前記蓄電モジュールは、第１蓄電ユニットと、第２蓄電ユニットとを含み、
前記冷媒の流路経路は、
冷媒管と、
前記冷媒管から分岐点において分岐すると共に、前記冷媒管よりも前記冷媒の流通方向の下流側に位置する第１冷却管および第２冷却管と、
前記第１冷却管に設けられた第１エクスパンションバルブと、
前記第２冷却管に設けられた第２エクスパンションバルブと、
前記第１冷却管および前記第２冷却管よりも下流側に位置すると共に、前記第１冷却管および前記第２冷却管が接続される合流部とを含み、
前記第１冷却管は、前記第１エクスパンションバルブよりも下流側において前記第１蓄電ユニットを冷却した後に、前記合流部に接続されており、
前記第２冷却管は、前記第２エクスパンションバルブよりも下流側において前記第２蓄電ユニットを冷却した後に、前記合流部に接続されており、
前記冷媒の流路経路において、前記電子機器は、前記蓄電モジュールよりも下流側に配置され、
前記電子機器は、前記合流部に配置され、
前記第１エクスパンションバルブおよび前記第２エクスパンションバルブは前記電子機器の周囲に配置されると共に、
前記第１エクスパンションバルブは、前記収容ケースの壁面および前記電子機器の間に配置されており、
前記第２エクスパンションバルブは、前記蓄電モジュールおよび前記電子機器の間に配置されると共に、前記蓄電モジュールよりも前記電子機器に近い位置に配置された、蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、蓄電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から蓄電装置内の蓄電モジュールを冷却する冷却装置が提案されている。たとえば、特開２０１６－２１９２６０号公報に記載されたバッテリパックは、パックケースと、複数のバッテリモジュールと、冷却ユニットとを備える。
【0003】
バッテリモジュールおよび冷却ユニットは、バッテリケース内に収容されている。冷却ユニットは、パックケース内に冷却風を循環させて、バッテリモジュールを冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１６－２１９２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
蓄電装置内には、電池ＥＣＵなどの電子機器を搭載させることが考えられる。このような電子機器は冷却する必要がある一方で、蓄電モジュールの冷却および電子機器の冷却を両立させる必要がある。
【0006】
本開示は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、蓄電モジュールおよび電子機器のいずれも備えた蓄電装置において、蓄電モジュールおよび電子機器のいずれも良好に冷却することができる蓄電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示に係る蓄電装置は、収容ケースと、前記収容ケース内に収容された蓄電モジュールと、前記収容ケース内に設けられた電子機器と、前記蓄電モジュールおよび前記電子機器を冷却する冷却装置とを備え、前記冷却装置は、冷媒が流通する冷却管を含み、前記冷媒の流路経路において、前記電子機器は、前記蓄電モジュールよりも下流側に配置されている。
【0008】
上記の蓄電装置によれば、蓄電モジュールを電子機器よりも先に冷却する。そして、蓄電モジュールを冷却した後の冷媒に多くの液体状の冷媒を残留させる。電子機器を冷却する際に、当該多くの液体状の冷媒を気体に変換させることで、電子機器を良好に冷却することができる。
【発明の効果】
【0009】
本開示に係る蓄電装置によれば、蓄電モジュールおよび電子機器のいずれも良好に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本実施の形態に係る蓄電装置が搭載された車両１を模式的に示す模式図である。
【図2】車両１の底面を示す底面図である。
【図3】蓄電装置３およびその周囲の構成を模式的に示す平面図である。
【図4】バッテリＥＣＵ４２および冷媒管３８Ｅの配置関係を模式的に示す断面図である。
【図5】冷媒Ｃの温度状態を示すグラフである。
【図6】バッテリＥＣＵ４２および冷媒管３８Ｅの搭載構成の第１変形例を示す模式図である。
【図7】バッテリＥＣＵ４２および冷媒管３８Ｅの搭載構成の第２変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図１から図７を用いて、本実施の形態に係る蓄電装置について説明する。図１から図７に示す構成のうち、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。なお、図２および図３において、「Ｕ」は、上方向、「Ｄ」は下方向、「Ｌ」は左方向、「Ｒ」は右方向を示す。
【0012】
図１は、本実施の形態に係る蓄電装置が搭載された車両１を模式的に示す模式図である。車両１は、車両本体２と、蓄電装置３と、駆動装置４と、燃料タンク５と、ＥＣＵ２０と備える。車両本体２は、車両１の底面を形成するフロアパネル６を含む。車両本体２内には、エンジンコンパートメント８と、車室９とが形成されている。エンジンコンパートメント８は、車室９の前方に形成されている。
【0013】
車室９は、たとえば、搭乗者が搭乗する空間であり、この図１に示す例においてはＥＣＵ２０が車室９内に収容されている。
【0014】
駆動装置４は、エンジン１０と、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２と、ＰＣＵ１１とを含む。ＰＣＵ１１は、たとえば、２つのインバータおよびコンバータを含む。一方のインバータは、回転電機ＭＧ１に電気的に接続されており、他方のインバータは回転電機ＭＧ２に接続されている。コンバータは、蓄電装置３に電気的に接続されている。そして、回転電機ＭＧ２は、主に駆動輪を回転させるモータとして機能しており、回転電機ＭＧ１は、主に、発電機として機能している。エンジン１０は、燃料タンク５から供給される燃料によって駆動し、駆動輪を回転させる駆動力を発生する。ＥＣＵ２０は、ＰＣＵ１１やエンジン１０の駆動を制御する。
【0015】
蓄電装置３および燃料タンク５は、フロアパネル６の下面に設けられている。燃料タンク５は、蓄電装置３の後方側に配置されている。
【0016】
【0017】
蓄電装置３は、収容ケース４０と、蓄電モジュール４１と、バッテリＥＣＵ４２と、ジャンクションボックス４３とを含む。
【0018】
収容ケース４０は、前端面５０と、後端面５１と、側面５２と、側面５３と、傾斜面５４とを含む。図３に示す例においては、側面５２は左側に位置しており、側面５３および傾斜面５４は右側に位置している。なお、傾斜面５４は側面５３の先端部に接続されており、傾斜面５４は前方に向かうにつれて、側面５２に近づくように傾斜している。
【0019】
バッテリＥＣＵ４２およびジャンクションボックス４３は、蓄電モジュール４１の前方に設けられている。
【0020】
バッテリＥＣＵ４２には、信号線などを含む低電圧ケーブル４４が接続されており、低電圧ケーブル４４は、バッテリＥＣＵ４２およびＥＣＵ２０を電気的に接続している。
【0021】
バッテリＥＣＵ４２は、蓄電モジュール４１に設けられた温度センサ、電流センサおよび電圧センサから送信される信号を受信し、たとえば、蓄電モジュール４１のＳＯＣなどを算出する。バッテリＥＣＵ４２は、算出したＳＯＣなどの情報を低電圧ケーブル４４を通して、ＥＣＵ２０に送信している。
【0022】
ジャンクションボックス４３には、高電圧ケーブル４５Ａ，４５Ｂが接続されており、高電圧ケーブル４５Ａ，４５Ｂは、ジャンクションボックス４３およびＰＣＵ１１を電気的に接続している。ジャンクションボックス４３内には、複数のリレーが設けられており、ＰＣＵ１１および蓄電モジュール４１の間の電気的な接続状態を切り替える。具体的には、高電圧ケーブル４５Ａ，４５Ａに設けられたリレーのＯＮ／ＯＦＦを切り替える。低電圧ケーブル４４に印加される電圧は、高電圧ケーブル４５Ａ，４５Ｂに印加される電圧よりも低い。
【0023】
そして、低電圧ケーブル４４および高電圧ケーブル４５Ａ，４５Ｂは、前端面５０から収容ケース４０の外部に引き出されている。
【0024】
車両１は、排気管３０と、冷却回路３１とを含む。排気管３０は、エンジン１０に接続されている。排気管３０内には、エンジン１０から排気される排気ガスが流れる。
【0025】
排気管３０は、傾斜面５４および側面５３の近傍に配置されており、傾斜面５４および側面５３に沿って延びるように形成されている。
【0026】
蓄電モジュール４１は、複数の蓄電ユニット４８Ａ１，４８Ａ２，４８Ｂ１，４８Ｂ２を含み、蓄電ユニット４８Ａ１，４８Ａ２，４８Ｂ１，４８Ｂ２は、車両１の幅方向に間隔をあけて設けられている。
【0027】
なお、各蓄電ユニット４８Ａ１，４８Ａ２，４８Ｂ１，４８Ｂ２は、複数の蓄電セルを含み、各蓄電セルは車両１の前後方向に配列するように配置されている。
【0028】
冷却回路３１は、コンプレッサ３２と、コンデンサ３３と、レシーバタンク３４と、エクスパンションバルブ３６Ａ，３６Ｂと、冷却管３７Ａ，３７Ｂと、複数の冷媒管３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｅとを含み、冷却回路３１内を冷媒Ｃが循環している。
【0029】
コンプレッサ３２およびコンデンサ３３は冷媒管３８Ａによって接続されており、コンデンサ３３およびレシーバタンク３４は、冷媒管３８Ｂによって接続されている。レシーバタンク３４およびエクスパンションバルブ３６Ａ，３６Ｂは、冷媒管３８Ｃによって接続されている。
【0030】
そして、エクスパンションバルブ３６Ａには冷却管３７Ａが接続されており、エクスパンションバルブ３６Ｂには冷却管３７Ｂが接続されている。
【0031】
冷却管３７Ａは、上流管３９Ａ１および下流管３９Ａ２を含む。冷媒Ｃは、冷却管３７Ａ内を流通方向Ｄ１に流れており、下流管３９Ａ２は、上流管３９Ａ１よりも流通方向Ｄ１の下流側に配置されている。上流管３９Ａ１は、蓄電ユニット４８Ａ１の下面に配置されており、下流管３９Ａ２は、蓄電ユニット４８Ａ２の下面に配置されている。
【0032】
冷却管３７Ｂは、上流管３９Ｂ１および下流管３９Ｂ２を含む。冷媒Ｃは、冷却管３７Ｂ内を流通方向Ｄ１に流れており、下流管３９Ｂ２は、上流管３９Ｂ１よりも流通方向Ｄ１の下流側に配置されている。上流管３９Ｂ１は、蓄電ユニット４８Ｂ１の下面に配置されており、下流管３９Ｂ２は、蓄電ユニット４８Ｂ２の下面に配置されている。
【0033】
下流管３９Ａ２と、下流管３９Ｂ２とは、各下流管３９Ａ２および下流管３９Ｂ２の下流端に位置する合流端Ｐ１にて、冷媒管３８Ｅに接続されている。冷媒管３８Ｅは、収容ケース４０内から収容ケース４０の外部に引き出されている。
【0034】
収容ケース４０の前端面５０には、接続パネル５５が取付けられている。接続パネル５５は、基板６０と、複数の筒部６１，６２，６３，６４，６５とを含む。
【0035】
基板６０は前端面５０に固定されており、各筒部６１，６２，６３，６４，６５には貫通孔が形成されている。各筒部６１，６２，６３，６４，６５に形成された貫通孔は、収容ケース４０の内部空間と、収容ケース４０の外部とを連通している。
【0036】
筒部６１には低電圧ケーブル４４が挿入されている。低電圧ケーブル４４は、ＥＣＵ２０に接続されている。筒部６２には、高電圧ケーブル４５Ａが挿入されており、筒部６３には、高電圧ケーブル４５Ｂが挿入されている。筒部６４には、冷媒管３８Ｅが挿入されており、筒部６５には冷媒管３８Ｃが挿入されている。
【0037】
そして、バッテリＥＣＵ４２は、下流管３９Ａ２，３９Ｂ２、合流端Ｐ１および冷媒管３８Ｅの上に配置されている。図４は、バッテリＥＣＵ４２および冷媒管３８Ｅの配置関係を模式的に示す断面図である。この図４に示す例においては、バッテリＥＣＵ４２は、冷媒管３８Ｅの上方に間隔をあけて配置されている。
【0038】
図３を参照して、上記のように構成された蓄電装置３において、冷却回路３１が駆動すると、コンプレッサ３２は、低温低圧であり気体状態の冷媒Ｃを圧縮し、冷媒Ｃは、高温高圧の気体状態となる。
【0039】
コンデンサ３３は、外気と冷媒Ｃとの間で熱交換を行い、冷媒Ｃを冷却する。これにより、冷媒Ｃは、高温高圧の液体状態となる。レシーバタンク３４は、気体を分離して、液体状の冷媒Ｃをエクスパンションバルブ３６Ａ，３６Ｂに供給する。
【0040】
エクスパンションバルブ３６Ａ，３６Ｂは、供給された高温高圧の液体状態の冷媒Ｃを断熱膨張させて、冷媒Ｃを低温低圧の霧状にする。
【0041】
エクスパンションバルブ３６Ａ，３６Ｂにおいて低温低圧状態となった冷媒Ｃは、冷却管３７Ａ，３７Ｂ内を流通方向Ｄ１に流れる。冷却管３７Ａ内を流れる冷媒Ｃは、上流管３９Ａ１を通り、その後、下流管３９Ａ２内を流れる。そして、上流管３９Ａ１内を冷媒Ｃが通ることで、蓄電ユニット４８Ａ１が冷却される。そして、下流管３９Ａ２内を冷媒Ｃが流れることで、蓄電ユニット４８Ａ２が冷却される。その一方で、冷媒Ｃは、上流管３９Ａ１および下流管３９Ａ２を通る過程において、冷媒Ｃの一部は、低温低圧状態の気体となる。ここで、上流管３９Ａ１を通り抜けたときにおいて、霧状（液体状）の冷媒Ｃは、気体状の冷媒Ｃよりも重量％が多い。
【0042】
そして、冷媒Ｃが合流端Ｐ１に到達したときには、冷媒Ｃは、低温低圧の気体状の冷媒Ｃと、低温低圧の霧状の冷媒Ｃとが混合した状態となっており、霧状の冷媒Ｃの重量％の方が気体状の冷媒Ｃの重量％よりも大きい。
【0043】
同様に、冷却管３７Ｂ内を流れる冷媒Ｃは、上流管３９Ｂ１を通り、その後、下流管３９Ｂ２内を流れる。そして、上流管３９Ｂ１内を冷媒Ｃが通ることで、蓄電ユニット４８Ｂ１が冷却される。そして、下流管３９Ｂ２内を冷媒Ｃが流れることで、蓄電ユニット４８Ｂ２が冷却される。その一方で、冷媒Ｃは、上流管３９Ｂ１および下流管３９Ｂ２を通る過程において、冷媒Ｃの一部は、低温低圧状態の気体となる。ここで、上流管３９Ｂ１を通り抜けたときにおいて、霧状（液体状）の冷媒Ｃは、気体状の冷媒Ｃよりも重量％が多い。
【0044】
そして、冷媒Ｃが合流端Ｐ１に到達したときには、冷媒Ｃは、低温低圧の気体状の冷媒Ｃと、低温低圧の霧状の冷媒Ｃとが混合した状態となっており、霧状の冷媒Ｃの重量％の方が気体状の冷媒Ｃの重量％よりも大きい。
【0045】
霧状の冷媒Ｃが気体状の冷媒Ｃになるときの潜熱は、液体状の冷媒Ｃが温度上昇する際に必要な熱量よりも遥かに大きい。
【0046】
バッテリＥＣＵ４２の下方を流れる冷媒Ｃは、液体状の冷媒Ｃの重量％が気体状の冷媒Ｃの重量％よりも大きいため、バッテリＥＣＵ４２を良好に冷却することができる。冷媒管３８Ｅにおいて、バッテリＥＣＵ４２よりも流通方向Ｄ１の下流側に位置する部分において、冷媒Ｃは、低温低圧の気体状になっている。
【0047】
このように、本実施の形態においては、冷媒Ｃが、冷却管３７Ａ，３７Ｂ内を流れる間において、冷媒Ｃが蓄電モジュール４１から吸熱する熱量よりも、バッテリＥＣＵ４２から吸熱する熱量の方が大きくなっている。
【0048】
その一方で、蓄電モジュール４１内の蓄電セルの一部に異常が生じ、一部の蓄電セルの温度が上昇すると、冷却管３７Ａ，３７Ｂ内を流れる霧状の冷媒Ｃが蒸発して、当該異常セルを冷却する。
【0049】
このように、本実施の形態に係る蓄電装置３によれば、通常の状態においては、バッテリＥＣＵ４２を積極的に冷却し、蓄電モジュール４１に異常が生じたときには、蓄電モジュール４１を積極的に冷却することができる。
【0050】
【0051】
温度グラフＴ１は、筒部６５を流れる冷媒Ｃの温度を示す。温度グラフＴ２は、筒部６４を流れる冷媒Ｃの温度を示す。
【0052】
図５に示すように、所定時間経過した後においては、温度グラフＴ２の方が温度グラフＴ１よりも温度が低いことが分かる。このように、液体状（霧状）の冷媒Ｃよりも、気化することで冷媒Ｃの温度は下がり、バッテリＥＣＵ４２も良好に冷却されていることが分かる。
【0053】
上記の実施の形態の形態においては、バッテリＥＣＵ４２および冷媒管３８Ｅなどは間隔をあけて配置しているが、各種構成を採用してもよい。
【0054】
【0055】
図６に示す例においては、冷媒管３８ＥおよびバッテリＥＣＵ４２の間に熱伝導シート７０が配置されている。図７に示す例においては、バッテリＥＣＵ４２にブラケット７１を装着し、このブラケット７１の下面に冷媒管３８Ｅを配置している。
【0056】
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。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、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。
【符号の説明】
【0057】
１ 車両、２ 車両本体、３ 蓄電装置、４ 駆動装置、５ 燃料タンク、６ フロアパネル、８ エンジンコンパートメント、９ 車室、１０ エンジン、３０ 排気管、３１ 冷却回路、３２ コンプレッサ、３３ コンデンサ、３４ レシーバタンク、３６，３６Ａ，３６Ｂ エクスパンションバルブ、３７Ａ，３７Ｂ 冷却管、３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｅ 冷媒管、３９Ａ１，３９Ｂ１ 上流管、３９Ａ２，３９Ｂ２ 下流管、４０ 収容ケース、４１ 蓄電モジュール、４３ ジャンクションボックス、４４ 低電圧ケーブル、４５Ａ，４５Ｂ 高電圧ケーブル、４８Ａ１，４８Ａ２，４８Ｂ１，４８Ｂ２ 蓄電ユニット、５０ 前端面、５１ 後端面、５２，５３ 側面、５４ 傾斜面、５５ 接続パネル、６０ 基板、６１，６２，６３，６４，６５ 筒部、７０ 熱伝導シート、７１ ブラケット、Ｃ 冷媒、Ｄ１ 流通方向、ＥＣＵ 電池、ＥＣＵ４２ バッテリ、ＭＧ１，ＭＧ２ 回転電機、Ｐ１ 合流端、Ｔ１，Ｔ２ 温度グラフ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】