JP2008311130A - 電源装置及びその冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却媒体と電池の熱的接触を緊密にし、複数の電池に冷却媒体を均一に分配するようにして、電池の充放電による温度上昇の均一化、電池間の充放電量と電池寿命のバラツキの低減、及び、振動や物理的な負荷の低減を図り、信頼性の高い電池パック構造を提供する。
【解決手段】複数の円筒形電池を直列に接続した電池ユニットを、半円筒状の電気絶縁材を介して配置し、電池ユニットと電気絶縁部材に適当な隙間を設けて、隙間に冷却媒体が流れる電池外周と同心円状の流路を構成し、電池ユニットの両端にプレートを設けてプレート同士を締付ける構造とした電源装置構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池を接続して構成される電源装置に関するものであり、特にその冷却手段に関するものである。

電源装置の性能を左右する要因の１つとして、電源装置を構成する複数の電池それぞれを均一な温度に冷却することが重要である。しかし、これを達成するためには、冷却媒体を均一な流量で、複数の電池に分配する必要がある。
また、一般的にこのような電源装置においては、少なくとも１つ以上の電池が電気的に直列配置され電池ユニットを構成し、この電池ユニットが、電池の軸方向に並列に配置される。

このような構造に配置された電源装置では、電池の軸方向に対して平行に冷却媒体を供給する構造（特許文献１参照）、あるいは、冷却媒体を電池の軸方向に直交させて供給する構造（特許文献２参照）、等によって電池の充放電による温度上昇を抑えている。また、電池の冷却性能を確保するために、電池保持部材の中に主冷却流路とともに、副冷却流路を設けた構造が示されている。
このような電源装置は、例えば、道路や鉄道を走行する自動車、機関車、等の車両で使用される。
特開平１０−３９５０号公報 特開２００５−１８３３４３号公報

しかしながら、上記従来技術は、電源装置を構成する電池ユニットそれぞれに均一な流量で冷却媒体を供給する構造や、電池ユニットの保持構造に関してまだまだ十分とはいえなかった。
本発明の目的は、上記の問題を改善し、比較的簡単な電源装置構造により冷却媒体と個々の電池又は電池ユニットとの熱的接触を緊密にし、電源装置を構成する複数の電池ユニット又は電池単体それぞれに冷却媒体を均一に分配することによって、電池の充放電による各電池の温度若しくは温度上昇の均一化を行い、電池間での充放電量のバラツキ及び電池寿命のバラツキを低減すると共に、電池ユニットに生じる振動及び物理的な負荷を低減し、信頼性の高い電源装置を提供するものである。

上記の目的を達成するため、本発明は、複数の円筒形電池を直列に接続した電池ユニットを、連続した半円筒状の電気絶縁材を介して配置し、電池ユニットと電気絶縁部材に適当な隙間を設けて、前記隙間に電池外周と同心円状の冷却流路を構成し、構成された冷却流路に冷却媒体が流れる構造としたものである。そして、電池ユニットの両端にプレートを設けてプレート同士を締付ける構造としたものである。

本発明によれば、比較的簡単な構造で、冷却媒体と電池の熱的接触を緊密にでき、複数の電池に冷却媒体を均一に分配することができる。従って、充放電による各電池の温度の均一化若しくは温度上昇の均一化が可能となり、電池間における充放電量のバラツキ及び電池寿命のバラツキを低減し、電池ユニットに生じる振動及び物理的な負荷を低減し、信頼性の高い電源装置を提供できる。

本発明の電源装置は、少なくとも１つ以上の円筒形電池を直列接続した電池ユニットと、電池ユニットを複数個を電気的に接続するバスバーと、電気絶縁部材に半円筒状の溝を設け、複数の電気絶縁部材によって、溝内に電池ユニットの円筒状の側面を挟み込むようにしてを保持する電気絶縁部材と、電気絶縁部材の溝内に取り付けられ、電気絶縁部材と電池ユニット間に所定の隙間を設け、隙間に冷却媒体が流れる電池外周と同心円状の流路を構成する所定数のスペーサと、電池ユニットの両端に設けられ、それ同士を締付けることにより、電池ユニットを固定するプレートとを備えたものである。

本発明の電源装置は、さらに、スペーサが弾性支持体であり、プレートに具備された剛性の大きい金属同士を締付けることにより、電池ユニットを固定したものである。
本発明の電源装置は、また、スペーサを電池ユニットの円筒軸方向に平行して設けたものである。
本発明の電源装置は、さらにまた、スペーサを電池ユニットの軸方向に並行に少なくとも１つ以上分割して設けたものである。

また、本発明の電源装置は、さらに、同心円状の流路に、電池ユニットの円周方向に連続した凸部を少なくとも１つ以上設けたものである。
さらにまた、本発明の電源装置は、複数の電池ユニットが千鳥配列に設置されているものである。
また本発明の電源装置は、電池ユニットを冷却するための流体の入口ダクトを設け、入口ダクトの流路断面積が流れ方向に縮小しているものである。

図１は、本発明の一実施例による電源装置の構造を示す図である。１は電池ユニット、２は複数の電池ユニット１を電気的に接続するバスバー、３は電気絶縁部材、４は冷却流路、５はプレート、６はボルト穴、９０は冷却媒体の流れる方向を示す矢印である。
電池ユニット１は、それぞれ、１つの円筒形の電池若しくは２つ以上の円筒形の電池が電気的に直列に接続された構成である。また、電池ユニット１を構成する電池は、円筒形の電池であり、例えば、充放電可能な２次電池である。
電源装置は、例えば、鉄道車両用や自動車用の電源として使用される。

図１において、電池ユニット１は、バスバー２により電気的に接続され、電源装置を構成している。例えば、電池ユニット１は、一方の電池ユニットの正極と他方の電池ユニットの負極とが電気的に接続される。また、電池ユニット１は、それぞれ、千鳥状に配置されている。
電池ユニット１は、電気絶縁部材３の半円筒状の溝に、スペーサ（後述する）を介して設置する。スペーサは、電池ユニット１の外周と電気絶縁部材３に設けられた半円筒状の溝の間に、円周方向に均一な隙間ができるように電池ユニット１を保持する。この隙間が同心円状の冷却流路４を構成する。電気絶縁部材３は、例えば、プラスチック製である。

また、電気絶縁部材３の上下には、電池ユニット１を挟み込みながら固定するための電気絶縁部材３と同形状の半円筒断面（半円筒状の溝）を有するプレート５が上下にある。プレート５は、例えば、プラスチック製で、例えば電気絶縁部材３と同材質のプラスチック製である。
さらに、プレート５にはボルト穴６が設けられ、突き通しボルト等で電池ユニット１と電気絶縁部材３を固定する。

なお、矢印９０は、冷却媒体の流れ方向を示したもので、冷却媒体は、電池ユニット１の軸方向と並行して流れる。この場合、冷却流路４は、一種の多孔板での孔様な作用を流体力学的に行うため、流れの整流効果を有する。
電源装置の入口での、冷却媒体の動圧と冷却流路４で発生する圧力損失を適当に設計することによって、個々の電池ユニット１に分配される流量を均一化できる。

従って、冷却媒体が、複数の電池ユニット１（本実施例の場合には、１７個の電池ユニット）それぞれに設けられた冷却流路４に、それぞれ均一な流量で流入し、かつ、電池ユニット１と電気絶縁部材３の間に形成される間隙（即ち、電池ユニット１の半径方向の距離）、若しくは、電池ユニット１とプレート５の間に形成される間隙（即ち、電池ユニット１の半径方向の距離）が数ｍｍ程度と小さいため、熱の移動距離が短く、冷却媒体と電池の熱伝達が効率的に行なわれる。このため、電源装置において、充放電による各電池の温度の均一化、若しくは温度上昇の均一化が可能となる。

次に、図７によって、電気絶縁部材３（図１参照）の概略形状について説明する。図７は、本発明の電気絶縁部材３の形状の一実施例を説明するための図である。３１は電気絶縁部材、４１〜４５は、電池ユニット１を設置するための溝である。電池ユニット１は、溝４１〜４５に平行に連続して取り付けられたスペーサ８１〜８８によって保持され、溝４１〜４５にそれぞれ１つずつ設置される。なお、図７において、電池ユニットの極性（正極及び負極）によって、両端部では、中央部と形状が異なるが、図７では、煩雑になるため省略した。

上記のように、実施例１によれば、電源装置は、比較的簡単な構造で、冷却媒体と電池の緊密な熱的接触ができ、複数の電池それぞれに冷却媒体を均一に分配できる。従って、電源装置において、充放電による電池の温度の均一化、若しくは温度上昇の均一化が可能で、電池間の充放電量のバラツキ低減及び電池寿命のバラツキ低減ができる。

図２は、本発明の一実施例による電源装置の構造を示す図である。図１と同様の構造であるが、簡略化して示してある。
図２の電源装置において、電池ユニット１は、電気絶縁部材３に設けられた円筒軸方向に連続した半円筒状の溝４０（図７の溝４１〜４５を参照）を介して設置される。ただし、電池ユニット１それぞれの円筒面の外周と、半円筒状の溝４０の間には、適当なサイズのスペーサ８を取り付けることによって、円周方向に均一な隙間が保持されている。スペーサ８は、例えば、弾性支持体である。
同様に、電気絶縁部材３の上下には電池ユニット１を挟み込みながら固定するための電気絶縁部材３と同形状の半円筒断面を有するプレート５が上下にある。プレート５は、例えば、電気絶縁部材３と同材質のプラスチック製の部材である。
図２に示すように、電池ユニット１は等間隔に千鳥状に配置される。

図２の実施例の場合、スペーサ８は、電池ユニット１の円周方向にそれぞれ３箇所設置されているが、電池ユニット１を堅牢に保持したい場合はさらにその個数を増やしても良い。
また図２のように、適当なスペーサ８を設けることによって、円周方向に均一な隙間が保持されている。このスペーサ８は弾性体が好ましく、例えば、天然ゴムより経年劣化の少ない合成ゴム（シリコン、ネオプレン等）がより好ましい。
また、スペーサ８は、図２では、断面形状が均一な正円であるが、電池ユニット１を保持するための断面の形状は、正円ではなくても良いし、変形や冷却媒体の流れを勘案したものであれば、どんな形状でも良い。

また図２において、さらに、上下のプレート５の剛性をさらに上げるために、例えば金属製の補強プレート７が設けられている。この補強プレート７により、電気絶縁部材３、上下のプレート５及び電池ユニット１は、スペーサ８を介して堅牢に保持される。
図３に、図２の便宜的な斜視図を示す。スペーサ８は、複数個、電池ユニットの軸方向に平行に連続して設けられ、電池ユニット１の半径方向と軸方向の動きを抑制できる構造となっている。
なお、図３は、２本の円筒形の電池１０１と１０２が電気的に直列に接続されて１つの電池ユニット１を構成している。

従って、図２の実施例によれば比較的簡単な構造で、実施例１と同様に、冷却媒体と電池の緊密な熱的接触ができ、かつ、複数の電池に冷却媒体を均一に分配することができる。これにより、電源装置において、充放電による各電池で温度の均一化、若しくは温度上昇の均一化が可能となり、電池間の充放電量のバラツキ低減、及び、電池寿命のバラツキの低減ができる。また更に、電源装置に生じる振動の低減、及び物理的な負荷の低減ができ、信頼性の高い電源装置を提供できる。
また、電気絶縁部材３の両端に金属性の放熱フィン等を設置して、電源装置の両端からの放熱を促進し、電源装置両端での電池の温度上昇を低減することも可能である。

図４は、本発明の一実施例を示す図である。図４は、電源装置を上方から見た図である。電池１０１と電池１０２は、アダプタ１３を介して電池ユニット１を構成している。なお、電池１０１、アダプタ１３、及び電池１０２とは、タンデム溶接等の手段で溶接されている。
従って、図４の実施例では、スペーサ８’が、アダプタ１３により２分割されており、その他は前述の実施例１若しくは実施例２と同様に構成されている。

図４において、電源装置の両端には、入口ダクト１２と出口ダクト１４が設けられ、入口ダクト１２内には電池の電圧監視する電池制御装置１１が具備されている。９は冷却媒体の流れ方向（入口）、１０は冷却媒体の流れ方向（出口）を示している。ブロワーなどにより吐出された冷却媒体は、入口ダクト１２内で分散し、複数の冷却流路４を通過しながら、電池ユニット１（電池１０１、１０２）をそれぞれ冷却した後、出口ダクト１４で集合して電源装置から放出される。

従って、図４の実施例によれば比較的簡単な構造で、実施例１若しくは実施例２と同様に、冷却媒体と電池の熱的接触を緊密にし、複数の電池に冷却媒体を均一に分配することができる。これにより、電源装置において、充放電による各電池での温度の均一化、若しくは温度上昇の均一化が可能で、電池間の充放電量のバラツキを低減し、かつ電池寿命のバラツキを低減することができる。更に、各電池に対応して弾性支持体のスペーサが存在するので、電源装置に生じる振動、及び物理的な負荷をより低減し、信頼性の高い電源装置を提供できる。

図５は、本発明の一実施例を示す図である。図５は、電源装置を上方から見た図である。電池１０１と電池１０２はアダプタ１３を介してタンデム溶接されて電池ユニット１を構成している。そして更に、電池１０１の中央部分に、電池の円周方向にリング状に連続した凸部１５が設けられている。同様に、電池１０２の中央部分に、電池の円周方向にリング状に連続した凸部１６が設けられている。
このように、本実施例におけるスペーサ８’’は、２つの凸部１５、１６と、１つアダプタ１３により４分割されており、その他は前述の実施例と同様に構成されている。

図５において、電源装置の両端には、入口ダクト１２と出口ダクト１４が設けられ、入口ダクト１２内には電幻想地の電圧監視する電池制御装置１１が具備されている。９は冷却媒体の流れ方向（入口）、１０は冷却媒体の流れ方向（出口）を示している。ブロワーなどにより吐出された冷却媒体は、入口ダクト１２内で分散し、複数の冷却流路４を通過しながら、電池ユニット１の上流側の電池１０１中央部の凸部１５で流速が増速する。これによって冷却媒体の乱流が促進され、さらに電池１０１の下流側を冷却して、アダプタ１３に向かう。
アダプタ１３でも流れの乱流が促進され、電池１０２の上流側を冷却する。そして、次に凸部１６で流速が増速する。これによって冷却媒体の乱流が促進され、さらに電池１０２の下流側を冷却した後、出口ダクト１４で集合して電源装置から放出される。

この様に、第１の凸部１５、アダプタ１３及び第２の凸部１６は複数の乱流促進体の役目を果たしており、隙間の小さい数ｍｍ程度の冷却流路に設けることによって、平滑な電池モジュールに比べて、伝熱性能をより向上できる。このことにより、一般的に電池の軸方向（本実施例の場合は冷却媒体の流れ方向と一致している）に発生する温度上昇を低減できる。

従って、図５の実施例によれば比較的簡単な構造で、上述の実施例と同様に、冷却媒体と電池の熱的接触をより緊密にし、複数の電池に冷却媒体を均一に分配することができる。これにより、電源装置において、充放電による各電池で温度の均一化、若しくは温度上昇の均一化が可能で、電池間の充放電量のバラツキを低減し、かつ電池寿命のバラツキを低減することができる。また、各電池に対応して分割して弾性支持体が存在するので、電源装置に生じる振動、及び物理的な負荷をより低減し、信頼性の高い電源装置を提供できる。

図６は、本発明の第５の実施例を示す図である。図６は、電源装置を上方から見た図である。電池１０１と電池１０２はアダプタ１３を介してタンデム溶接されて電池ユニット１を構成している。
スペーサ８’はアダプタ１３により２分割されており、その他は前述の図４の実施例と同様に構成されている。電源装置の一方には入口ダクト２０が設けられ、９は冷却媒体の流れ方向（入口）、１０は冷却媒体の流れ方向（出口）を示している。ブロワーなどにより吐出された冷却媒体は、入口ダクト１２内で流路断面積が流れ方向に縮小しているため、静圧分布の均一化が可能となる。従って、上述した実施例３、実施例４に比べて、より均一な流量で複数の冷却流路４に導入される。そして、複数の冷却流路４を通過しながら、電池ユニット１（電池１０１、１０２）をそれぞれ冷却した後、電源装置から放出される。

従って、図６の実施例によれば、比較的簡単な構造で、上述の実施例と同様に、冷却媒体と電池の熱的接触をより緊密にし、複数の電池に冷却媒体をより均一に分配することができるこれにより、電源装置において、充放電による各電池で温度の均一化、若しくは温度上昇の均一化が可能で、電池間の充放電量のバラツキを低減し、かつ電池寿命のバラツキを低減することができる。また、各電池に対応して弾性支持体が存在するので、電源装置に生じる振動、及び物理的な負荷をより低減し、信頼性の高い電源装置を提供できる。

上述の実施例では、電池ユニットは等間隔で千鳥状に配設される。しかし、等間隔である必要は無く、一定の規則配列の所定間隔で配設されても良い。また、電池が円筒状でない場合には、その断面形状に適合させて、電気絶縁部材の溝の形状を変更すれば良い。
また千鳥状である必要も無く、逆千鳥状でも良い。

本発明の一実施例の電源装置の構造を説明するための図。 本発明の一実施例の電源装置の構造を説明するための図。 本発明の一実施例の電源装置の構造を説明するための図。 本発明の一実施例の電源装置の構造を説明するための図。 本発明の一実施例の電源装置の構造を説明するための図。 本発明の一実施例の電源装置の構造を説明するための図。 本発明の一実施例の電気絶縁部材を説明するための図。

符号の説明

１：電池ユニット、 ２：バスバー、 ３：電気絶縁部材、 ４：冷却流路、 ５：プレート、 ６：ボルト穴、 ７：補強プレート、 ８，８’，８’’：スペーサ、 ９：冷却媒体の流れ方向（入口）、 １０：冷却媒体の流れ方向（出口）、 １１：電源制御装置、 １２：入口ダクト、 １３：アダプタ、 １４：出口ダクト、 ３１：電気絶縁部材、 ４１〜４５：溝、 ８１〜８８：スペーサ、 ９０：冷却媒体の流れる方向を示す矢印、 １０１，１０２：電池。

Claims (7)

1. 少なくとも１つ以上の円筒形電池を直列接続した電池ユニットと、
   前記電池ユニットを複数個を電気的に接続するバスバーと、
   電気絶縁部材に半円筒状の溝を設け、複数の電気絶縁部材によって、溝内に前記電池ユニットの円筒状の側面を挟み込むようにしてを保持する電気絶縁部材と、
   前記電気絶縁部材の溝内に取り付けられ、前記電気絶縁部材と前記電池ユニット間に所定の隙間を設け、前記隙間に冷却媒体が流れる電池外周と同心円状の流路を構成する所定数のスペーサと、
   前記電池ユニットの両端に設けられ、それ同士を締付けることにより、前記電池ユニットを固定するプレートとを備えたことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１記載の電源装置において、前記スペーサは、弾性支持体であり、前記プレートに具備された剛性の大きい金属同士を締付けることにより、電池ユニットを固定したことを特徴とする電源装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の電源装置において、前記スペーサを前記電池ユニットの円筒軸方向に平行して設けたことを特徴とする電源装置。
4. 請求項３記載の電源装置において、前記スペーサを前記電池ユニットの軸方向に並行に少なくとも１つ以上分割して設けたことを特徴とする電源装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の電源装置において、前記同心円状の流路に、前記電池ユニットの円周方向に連続した凸部を少なくとも１つ以上設けたことを特徴とする電源装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の電源装置において、前記複数の電池ユニットが千鳥配列に設置されていることを特徴とする電源装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の電源装置において、前記電池ユニットを冷却するための流体の入口ダクトを設け、前記入口ダクトの流路断面積が流れ方向に縮小していることを特徴とする電源装置。

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