JP2008192382A - 電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷却液の温度分布のバラツキを抑制可能な機能を備えた電源装置を低コストで提供する。
【解決手段】 電源ケース11内に電源体12及びこの電源体12を冷却する冷却液を収容した電源装置1であって、前記冷却液を攪拌する複数の攪拌部材13a〜eと、駆動モータ15の駆動力を各前記攪拌部材に伝達する伝達機構21a〜iとを有することを特徴とする。伝達機構としては、歯車、ベルト、チェーンを例示できる。
【選択図】図2

Description

本発明は、電源ケース内に電源体及び該電源体を冷却する冷却液を収容した電源装置に関し、特に冷却液の攪拌方法に関する。
ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車などに搭載される車両用の電源装置として、複数の電源要素を配列した電源体を冷却液内に浸漬させた電源装置が知られている。
この種の電源体では、充放電の際に発熱して、各電源要素の温度にバラツキが生じる場合がある。例えば、複数の筒型電源を一対の支持部材間に並設した組電池では、中心部の筒型電源ほど温度が高くなり、劣化速度が速くなる傾向がある。このように一部の筒型電源が劣化した場合には、組電池全体を交換しなければならない。
したがって、電源装置の寿命を長くするためには、電源体の冷却により不均一になった冷却液の温度を均一化して、各電源要素の温度のバラツキを抑制する必要がある。
冷却液の温度を均一化する方法として、特許文献1には以下の構成が開示されている。この特許文献1では、単電池を複数収容した箱型容器内に冷却液を充填し、この箱型容器の外周部近傍に攪拌部材を設けるとともに、攪拌部材の下端部に設けられたフィンを冷却液に延出して、攪拌部材を回転させることにより冷却液を攪拌している(特許文献1参照)。
また、別の従来例として、電池容器内に充填された鉛蓄電池を冷却する冷却液を、強制ポンプによって容器内外で循環させる方法が知られている(特許文献2参照)
特開平6−124733号公報 特開2003−346924号公報 特開2001−60466号公報 特開平10−199497号公報 特開2005−19134号公報
しかしながら、特許文献1の構成では、攪拌部材が箱型容器の外周部近傍に設けられているため、攪拌位置が制限され、冷却液全体の温度を均一化することができない。このため、攪拌部材から離れるにしたがい単電池の冷却が不十分になる。
また、攪拌部材を複数設けた場合には、攪拌部材の数に応じて駆動モータが必要となるため、コストが増大する。
また、冷却液を強制循環させる方法では、電池容器の内周壁部近傍の冷却液が停滞して、冷却液全体の温度を均一化することができない。
そこで、本願発明は、電源装置のコスト削減と、攪拌位置の自由度の向上を図りながら、冷却液の温度分布のバラツキを抑制することを目的とする。
上記課題を解決するために、本願発明の電源装置は、電源ケース内に電源体及びこの電源体を冷却する冷却液を収容した電源装置であって、前記冷却液を攪拌する複数の攪拌部材と、駆動モータの駆動力を各前記攪拌部材に伝達する伝達機構とを有することを特徴とする。
ここで、前記複数の攪拌部材は、前記電源ケースの中央に配置される第1の攪拌部材と、前記電源ケースの隅に配置される第2の攪拌部材とを含む。また、前記伝達機構は、それぞれ前記第1及び第2の攪拌部材の回転軸に取付けられ、互いに係合する歯車を含む。前記第1及び第2の攪拌部材は、前記伝達機構の一部を兼ねる、互いに係合する歯車である。
前記電源体を前記電源ケースの上壁部に固定し、前記複数の攪拌部材を前記電源体の下方に配置してもよい。
前記複数の攪拌部材は、複数の回転軸とこれらの各回転軸に形成された攪拌フィンとを含み、前記伝達機構は、前記複数の回転軸を接続するベルト又はチェーンである。前記電源体は、一対の支持部材間に複数の筒型電源を並設することにより構成されており、各前記回転軸を各前記筒型電源に対して平行に配置する。
複数の回転軸のうち少なくとも一つの回転軸の軸受け部を、前記支持部材に形成することもできる。
本願発明によれば、駆動モータの駆動力を伝達機構を介して伝達することにより、複数の攪拌部材を駆動しているため、攪拌位置の自由度が増し、駆動モータの削減による低コスト化を図ることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
(電源装置1の概要)
図1は、電源ケース内の冷却液を攪拌する攪拌機構の斜視図であり、点線は電源ケースの輪郭を示している。図2は、図1のA−A´断面図であり、大攪拌板13a、伝達ギアなどを投影して図示している。
本願発明の電源装置1は、車両のフロアパネルなどに固定され、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などの駆動用又は補助電源として使用される。
この電源装置1は、冷却液を充填した電源ケース11と、この冷却液内に浸漬した組電池12とを有し、冷却液内において複数の攪拌板13a〜eを回転させることにより、組電池12の冷却により不均一となった冷却液の温度を均一化している(温度のバラツキを抑制している)。
大攪拌板13aは電源ケース11の中央に配置され、小攪拌板13b〜eは電源ケース11の四隅近傍に配置されている。これにより、特許文献2の強制循環方式において冷却液の停滞しやすかった領域、即ち、電源ケース11の内周壁近傍の領域の冷却液を確実に攪拌することができる。
さらに、モータ15の出力を後述する伝達機構を介して伝達することにより、複数の攪拌板13a〜eを回転駆動している。これにより、モータ15数を削減により低コスト化することができる。
このような作用効果を奏する電源装置1の各部の構成について詳細に説明する。
組電池12は、図2に図示するように、対向配置される一対の電池フォルダ(支持部材)121、122間に複数の円筒型電池(筒型電源)123を並設することにより構成されており、電源ケース11の上壁部11aに固定されている。
各円筒型電池123の一端及び他端にはそれぞれ、ネジ軸部123a、123bが形成されている。電池フォルダ121、122には、各円筒型電池123のネジ軸部123a、123bを挿入するための挿入穴部(不図示)がマトリクス状に形成されており、ネジ軸部123a、123bは、各挿入穴部から電池フォルダ121、122の外側に突出している。なお、電池フォルダ121、122は、絶縁樹脂により構成されている。
隣接する各円筒型電池123は、バスバー124を介して直列に接続されている。
電池フォルダ121、122にはそれぞれ、上下方向に延びるフォルダ貫通穴121a、122aが形成されており、これらのフォルダ貫通穴121a、122aには、電源ケース11の外側から組電池12を吊り持ち支持するための組電池固定ボルト127が挿入されている。
この組電池固定ボルト127の先端部は、電池フォルダ121、122の下端面から突出し、そこに組電池固定ナット128を締結することにより、電源ケース11の上壁部11aに組電池12を固定することができる。
組電池固定ボルト127及び組電池固定ナット128の締結状態において、攪拌板13a〜eの上方に組電池12は配置される。これにより、攪拌板13a〜e及び組電池12の干渉を防止することができる。また、攪拌板13a〜eの攪拌作用により、温度の低い下側の冷却液を確実に上側に移動させることができる。
電源ケース11の外周壁部(下壁部11cを除く)には、電源装置1の放熱を促進する放熱フィン111が多数形成されている。電源ケース11の材料としては、金属材料、樹脂を例示できる。
電源ケース11内には、組電池12を冷却するための冷却液が充填されている。ここで、冷却液としては、比熱、熱伝導性と沸点が高く、電源ケース11、組電池12を腐食させず、熱分解、空気酸化、電気分解などを受けにくい物質が適している。さらに、電極端子間の短絡を防止するために、電気的絶縁性の液体が望ましい。例えば、フッ素系不活性液体を使用することができる。フッ素系不活性液体としては、スリーエム社製フロリナート、Novec HFE(hydrofluoroether)、Novec1230を用いることができる。また、フッ素系不活性液体以外の液体(例えば、シリコンオイル)を用いることもできる。
電源ケース11の側壁部11bには、冷却液内に突出する第1温度センサ61及び第2温度センサ62が設けられており、第1温度センサ61は組電池12よりも上側に配置され、第2温度センサ62は組電池12よりも下側に配置されている。
ここで、組電池12を冷却した冷却液は、液体の温度が上昇して、比重差により電源ケース11内を上側に移動する。したがって、組電池12の上側及び下側にそれぞれ温度センサ61、62を配置することにより、冷却液全体の温度のバラツキを正確に測定することができる。
第1及び第2の温度センサ61、62は、電池ECU63に対して電気的に接続されている。モータの駆動を制御する制御回路のブロック図である図3に図示するように、電池ECU63は、第1及び第2の温度センサ61、62から出力された温度情報に基づき、冷却液の温度差が5℃以上ある場合には、モータ電源64のスイッチをオンに設定し、冷却液の温度差が5℃未満である場合には、モータ電源64のスイッチをオフに設定する。モータ15の詳細については、後述する。
電源ケース11の側壁部11bと上壁部11aとの間には、オイルシール31を介在させている。このオイルシール31により、電源ケース11内の冷却液を確実に封止することができる。
次に、図1及び図2を参照しながら、冷却液を攪拌する複数の攪拌部材の構成を詳細に説明する。電源ケース11の中央には、上下方向に延びるセンター回転軸14aが配置されており、このセンター回転軸14aの下端部は、電源ケース11の底部に固定されたラジアル式のセンター軸受け部18aに回転可能に支持されている。
センター回転軸14aの先端部には、冷却液を攪拌するための大攪拌板(第1の攪拌部材)13aが取付けられている。また、大攪拌板13a及びセンター軸受け部18aの間には、大攪拌板13aよりも径寸法(水平方向の寸法)が小さく設定された、センター伝達ギア(平歯車)21aが取付けられている。
電源ケース11の四隅近傍には、上下方向に延びる第1〜4のコーナ回転軸14b〜e
が配置されており、各第1〜4のコーナ回転軸14b〜eの下端部は、電源ケース11の底部に固定されたラジアル式の第1〜4コーナ軸受け部18b〜eに回転可能に支持されている。なお、第2及び第3のコーナ軸受け部18c、18dは、不図示である。
第1のコーナ回転軸14bの先端部には、冷却液を攪拌するための第1の小攪拌板(第2の攪拌部材)13bが取付けられており、第1の小攪拌板13b及び第1のコーナ軸受け部18bの間には、第1のコーナ伝達ギア21bが取付けられている。この第1のコーナ伝達ギア21bは、下段側の伝達ギア(傘歯車)21b及び上段側の伝達ギア(平歯車)21bからなる二段式ギアである。
第2〜第4のコーナ回転軸14c〜eの先端部にはそれぞれ、冷却液を攪拌するための第2〜第4の小攪拌板(第2の攪拌部材)13c〜eが取付けられている。また、第2〜第4の小攪拌板13c〜e及び第2〜第4のコーナ軸受け部18c〜eの間にはそれぞれ、第2〜第4の伝達ギア(平歯車)21c〜eが取付けられている。なお、第2及び第3の伝達ギア21c、21dは、不図示である。
第1のコーナ回転軸14bの上段側の伝達ギア21bは、第1の中間伝達ギア(平歯車)21fに係合しており、この第1の中間伝達ギア21fは、センター回転軸14aのセンター伝達ギア21aに係合している。第1の中間伝達ギア21fは、第1の中間伝達ギア回転軸14fの上端部に固定され、この第1の中間伝達ギア回転軸14fの下端部は、電源ケース11の底部に設けられた第1の中間軸受け部18fに回転可能に支持されている。
第2〜第4のコーナ伝達ギア21c〜eはそれぞれ、第2〜第4の中間伝達ギア(平歯車)21g〜iに係合しており、これらの第2〜第4の中間伝達ギア(平歯車)21g〜iはセンター回転軸14aのセンター伝達ギア21aに係合している。
第2〜第4の中間伝達ギア21g〜iはそれぞれ、第2〜第4の中間伝達ギア回転軸14g〜iの上端部に固定され、これらの第2〜第4の中間伝達ギア回転軸14g〜iの下端部はそれぞれ、第2〜第4の中間軸受け部18g〜iに回転可能に支持されている。なお、第2及び第3の中間軸受け部18h、18iは不図示である。
モータ15は、電源ケース11の外側に配置されており、モータ15の出力軸15aは、電源ケース11の壁部に設けられた回転板収容部27内に延出している。
図4を参照しながら、回転板収容部27の構成について説明する。ここで、図4は回転板収容部の断面図である。回転板収容部27は、電源ケース11の厚みよりも大きな寸法(Y軸方向の寸法)の収容空間を有している。
この収容空間は、ハット形状の隔壁28により左右二室に区画されている。出力軸15aの同軸上には、隔壁28を介して、歯車回転軸71が設けられている、この歯車回転軸71の先端部には、出力歯車(傘歯車)71a(図2参照)が取付けられている、この出力歯車71aは、第1のコーナ回転軸14bの下側の伝達ギア21bに係合している。
歯車回転軸71の基端部には、有底筒状の回転板32が取り付けられており、回転板32の内周面には、N極を外側に有するマグネット41a及びS極を外側に有するマグネット41bが周方向に交互に取付けられている。
なお、歯車回転軸71の軸受け部(不図示)は、回転板収容部27の右側の区室に設けられている。
モータ15の出力軸15aの先端部には、円板形状の磁石取付板33が取付けられており、この磁石取付板33の周面には、N極を外側に有するマグネット42a及びS極を外側に有するマグネット42bが周方向に交互に取付けられている。
上述の構成によれば、マグネット41a、41b、42a、42bの磁気作用により、モータ15の出力軸15aの回転動作に応じて歯車回転軸71を回転させることができる。
次に、図3及び図5を参照しながら、モータ15の制御方法について説明する。ここで、
図5はモータ15の駆動方法を示すフローチャートであり、このフローチャートは電池ECU63によって実行される。
まず、第1及び第2の温度センサ61、62から出力される温度情報を比較して(ステップS101)、冷却液の温度差が5℃以上あるかどうかを判定する(ステップS102)。ステップS102において温度差が5℃以上であると判定された場合には、さらにモータ電源64のスイッチがオンに設定されているかどうかを判定し(ステップS103)、スイッチがオンに設定されていない場合には、スイッチをオンに切替える(ステップS104)。
モータ電源64のスイッチがオンに切り替ると、モータ15の出力軸15aの回転動作に応じて、マグネット41a、41b、42a、42bの磁気作用により、歯車回転軸71が回転する。この歯車回転軸71の回転力は、第1のコーナ伝達ギア21b→第1の中間伝達ギア21f→センター伝達ギア21a→第2〜第4の中間伝達ギア21g、21h、21i→第2〜第4のコーナ伝達ギア21c、21d、21eの順序に伝達され、各攪拌板13a〜eを回転させることができる。攪拌板13a〜eの攪拌作用により、下側の冷たい冷却液が上側の暖かい冷却液に混ざり、冷却液の温度を均一化することができる。
また、電源ケース11の四隅近傍に配置された第1〜第4の攪拌板13b〜eを回転させることにより、特許文献2の強制循環方式において冷却液の停滞しやすかった領域、即ち、電源ケース11の内周壁近傍の領域の冷却液を確実に攪拌することができる。
また、伝達機構の構成を変えることにより、攪拌板13a〜eの位置変更を容易に行うことができ、電源ケース11の設計の自由度を高めることができる。
また、一つのモータ15を用いて、複数の攪拌板13a〜eを回転駆動できるため、モータ数の削減により低コスト化をはかることができる。さらに、電源ケース11の外側から磁気力により、歯車回転軸71を回転させているため、電源ケース11内に冷却液を確実に封止することができる。
図6及び図7を参照しながら、実施例2の電源装置101について説明する。ここで、図6は、電源ケース内の冷却液を攪拌する攪拌部材の斜視図であり、点線は電源ケースの輪郭を示している。図7は、図6のA−A´断面図であり、大平歯車131aを投影して図示している。ただし、実施例1と同一の構成要素については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
電源ケース11の中央には、上下方向に延びるセンター回転軸141aが配置されており、このセンター回転軸141aの下端部は、電源ケース11の底部に固定されたラジアル式のセンター軸受け部181aに回転可能に支持されている。
センター回転軸141aの先端部には、大平歯車131aが取付けられており、この大平歯車131aの上面には、複数の攪拌フィン132aが形成されている。なお、これらの大平歯車131a及び攪拌フィン132aにより、特許請求の範囲に記載の第1の攪拌部材が構成される。
電源ケース11の四隅近傍には、上下方向に延びる第1〜4のコーナ回転軸141b〜eが配置されており、各第1〜4のコーナ回転軸141b〜eはそれぞれ、電源ケース11の底部に固定されたラジアル式の第1〜4コーナ軸受け部181b〜eに回転可能に支持されている。なお、第2及び第3のコーナ軸受け部181c、181dは、不図示である。
第1のコーナ回転軸141bの先端部には、下段側の傘歯車131b及び上段側の第1の小平歯車131bからなる二段ギア131bが取付けられている。上段側の第1の小平歯車131bの上面には、複数の攪拌フィン132bが形成されており、下段側の傘歯車131bには、出力歯車71aが係合している。なお、第1の小平歯車131b及び攪拌フィン132bにより、特許請求の範囲に記載の第2の攪拌部材が構成される。
第2〜第4のコーナ回転軸141c〜eの先端部にはそれぞれ、第2〜第4の小平歯車131c〜eが取付けられており、各第2〜第4の小平歯車131c〜eの上面にはそれぞれ、複数の攪拌フィン132c〜eが形成されている。なお、第2の小平歯車131c及び攪拌フィン132c、第3の小平歯車131d及び攪拌フィン132d、第4の小平歯車131e及び攪拌フィン132eはそれぞれ、特許請求の範囲に記載の第2の攪拌部材を構成している。
第1のコーナ回転軸141bの上段側の第1の小平歯車131bは、センター回転軸141aの大平歯車131aに係合しており、大平歯車131aは、さらに第2〜第4の小平歯車131c〜eに係合している。
本実施例によれば、実施例1と同様の効果を得ることができる。また、大平歯車131a及び小平歯車131b〜eを、冷却液を攪拌する攪拌部材のみならず、モータ15の駆動力を伝達する伝達機構としても利用している。これにより、部品点数の削減による電源装置101の低コスト化をはかることができる。
図8を参照しながら、実施例3の電源装置201について説明する。ここで、図8(a)は電源装置201の断面図であり、タイミングベルトの位置関係を明確にするために、円筒型電池123及び電池フォルダ121(122)を投影して点線で図示している。図8(b)は攪拌部材の拡大図である。なお、実施例1と同一の構成要素については、詳細な説明を省略する。
円筒型電池123の長手方向視において、一対のフィン回転軸71、72は、組電池12の外側において電源ケース11の隅に配置されており、円筒型電池123に対して平行な方向に延びている。
各フィン回転軸71、72の両端部は、それぞれ電源ケース11の側壁部11bに設けられた不図示の軸受部に回転可能に支持されている。
このフィン回転軸71の外周面には、ベルトローラ211の内周面が固定されており、このベルトローラ211の長手方向寸法は、フィン回転軸71よりも短く設定されている。
ベルトローラ211、212の外周面には、ローラの長手方向に延びる攪拌フィン215が周方向に複数形成されている。
このように攪拌フィン215を有するフィン回転軸71、72を電源ケース11の隅に配置することにより、電源ケース11の隅の冷却液を確実に攪拌することができる。また、フィン回転軸71、72を円筒型電池123に対して平行に配置することにより、攪拌フィン215の回転動作に応じて移動する冷却液を、各円筒型電池123の周りに直接供給できるようにしている(電池フォルダ121、122に妨げられないようにしている)。これにより、各円筒型電池123近傍の冷却液を確実に攪拌することができる。
ベルトローラ211の一端部には、タイミングベルト213の裏面側に形成された不図示のベルト凹凸部に係合するローラ凹凸部211aが形成されている。なお、フィン回転軸72は、フィン回転軸71と同じ構成である。
一対のフィン回転軸71、72のローラ凹凸部211aには、タイミングベルト213が掛け回されており、このタイミングベルト213は、組電池12の外側、つまり、電池フォルダ121と電源ケース11の側壁部11bとの間に配置されている。
フィン回転軸71は実施例1の歯車回転軸71に対応しており、回転板収容部27の右側の区室に挿入され、モータ15によって回転駆動される。本実施例によれば実施例1と同様の効果を得ることができる。さらに、伝達機構としてタイミングベルトを使用しているため、実施例1及び2の構成よりも、モータ15で得られた駆動力の伝達が容易になる。
ここで、図9に示すように、電池フォルダ121、122の内側の領域に、フィン回転軸72を配置することもできる。この場合、フィン回転軸72を回転可能に支持する軸受け部75を電池フォルダ121、122に形成することができる。これにより、軸受け部材を別に設ける必要がなくなる。
また、組電池12の発熱分布を調べて、他の領域よりも発熱が大きい領域にベルトローラを配置してもよい。これにより、温度の高い領域の冷却液を確実に攪拌することができる。例えば、組電池12のうち真中に位置する円筒型電池123の発熱が大きい場合には、真中の円筒型電池123に隣接する位置にフィン回転軸72を配置することができる。この場合、上述したように、フィン回転軸72の軸受け部を電池フォルダ121、122に形成するとよい。
(他の実施例)
実施例3では、ベルト部材を使用したが、フィン回転軸71、72に取り付けられたスプロケットにチェーンを掛け回すことにより、伝達機構としてもよい。
上述の各実施例では、電源体として、円筒型電池を複数並設した組電池を使用したが、複数の電源要素を積層した角型電源体や、電気二重層キャパシタにも本発明は適用することができる。この電気二重層キャパシタは、複数の正極及び負極を、セパレータを介在させて交互に重ね合わせたものである。さらに、燃料電池を冷却する冷却液の攪拌構造にも本願発明は応用することができる。
また、第2の温度センサ62による検出温度が第1の温度センサ61による検出温度よりも高い場合には、モータ電源64をオフにして、攪拌動作を禁止してもよい。この場合、冷却液を攪拌すると、組電池12近傍の冷却液の温度が高くなるからである。
電源ケース内の冷却液を攪拌する複数の攪拌部材の斜視図である。 図1のA−A´断面に対応した電源装置の断面図である。 モータの駆動を制御する制御回路のブロック図である。 回転板収容部の断面図である。 モータの駆動方法を示すフローチャートである。 実施例2の複数の攪拌部材の斜視図である。 図6のA−A´断面に対応した電源装置の断面図である。 (a)は実施例3の電源装置の断面図であり、(b)は攪拌部材の拡大図である。 一対の電池フォルダ間にフィン回転軸を配置した組電池の断面図である。
符号の説明
1 101 201 電源装置
11 電源ケース
12 組電池
13a〜e 攪拌板
14a〜i 回転軸
15 モータ
18a〜i 軸受け部
21a〜i 伝達ギア
75 軸受け部
12、122 電池フォルダ

Claims (8)

  1. 電源ケース内に電源体及びこの電源体を冷却する冷却液を収容した電源装置であって、
    前記冷却液を攪拌する複数の攪拌部材と、
    駆動モータの駆動力を各前記攪拌部材に伝達する伝達機構とを有することを特徴とする電源装置。
  2. 前記複数の攪拌部材は、前記電源ケースの中央に配置される第1の攪拌部材と、前記電源ケースの隅に配置される第2の攪拌部材とを含むことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記伝達機構は、それぞれ前記第1及び第2の攪拌部材の回転軸に取付けられ、互いに係合する歯車を含むことを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
  4. 前記第1及び第2の攪拌部材は、前記伝達機構の一部を兼ねる、互いに係合する歯車であることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
  5. 前記電源体を前記電源ケースの上壁部に固定し、前記複数の攪拌部材を前記電源体の下方に配置したことを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか一つに記載の電源装置。
  6. 前記複数の攪拌部材は、複数の回転軸とこれらの各回転軸に形成された攪拌フィンとを含み、
    前記伝達機構は、前記複数の回転軸を接続するベルト又はチェーンであることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
  7. 前記電源体は、一対の支持部材間に複数の筒型電源を並設することにより構成されており、各前記回転軸を各前記筒型電源に対して平行に配置したことを特徴とする請求項6に記載の電源装置。
  8. 前記複数の回転軸のうち少なくとも一つの回転軸の軸受け部を、前記支持部材に形成したことを特徴とする請求項7に記載の電源装置。
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