JP2010146883A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成において、蓄電素子の温度調節を行うことができる蓄電装置を提供する。
【解決手段】 蓄電装置（１）は、複数の蓄電素子（１１）を含む蓄電モジュール（１０）と、蓄電モジュールとともにケース（２０，２１，２２）内に収容される第１および第２の液体（３０，４０）と、を有している。第２の液体（４０）は、第１の液体（３０）よりも比重が大きいとともに、温度上昇に応じて気化可能であり、第２の液体が気化したときの気泡の上昇によって、第１の液体に流動力を与えるようにしている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蓄電素子が液体とともにケース内に収容された蓄電装置であって、具体的には、液体を用いて蓄電素子の温度調節を行うことができる蓄電装置に関するものである。

二次電池は充放電によって発熱するため、温度上昇に伴う電池性能の劣化を抑制するためには、二次電池を冷却する必要がある。そこで、二次電池を冷却するための構成が提案されている。

例えば、電池パックに循環通路を接続して、冷却液を電池パックの内部および外部で循環させるようにしたものがある（例えば、特許文献１−４参照）。この構成では、電池パック内の二次電池が発熱したときに、二次電池の熱が冷却液に伝達され、熱を持った冷却液が循環通路を介して電池パックの外部に移動する。そして、この冷却液は、循環通路上に配置されたラジエータ等の熱交換器によって冷却された後に、再度、電池パックに戻るようになっている。

一方、電池パック内において、二次電池を冷却液に漬けておき、冷却液中にガスを供給するようにしているものがある（例えば、特許文献５−６参照）。この構成では、供給されたガスによって冷却液の温度を低下させ、冷却された冷却液によって二次電池を冷却するようにしている。
特開２００３−３４６９２４号公報 特開平０９−１６７６３１号公報 特開２００８−１８１７５６号公報 特開２００６−１２７９２１号公報 特開２００８−１３０４８９号公報 特開２００６−３３１９５６号公報 特開平１１−２６０３１号公報 特開２００８−１０８６４８号公報 特開２００８−２０４７６１号公報

特許文献１−４に記載の構成では、電池パックに対して、循環通路や熱交換器を接続しなければならないため、二次電池を冷却するための構造が複雑になったり、大型化したりしてしまう。同様に、特許文献５−６に記載の構成では、電池パックに対して、ガスを供給するための機構を接続しなければならないため、二次電池を冷却するための構造が複雑になったり、大型化したりしてしまう。

そこで、本発明の目的は、簡易な構成において、蓄電素子の温度調節を行うことができる蓄電装置を提供することにある。

本発明の蓄電装置は、複数の蓄電素子を含む蓄電モジュールと、蓄電モジュールとともにケース内に収容される第１および第２の液体と、を有している。そして、第２の液体は、第１の液体よりも比重が大きいとともに、温度上昇に応じて気化可能であり、第２の液体が気化したときの気泡の上昇動作によって、第１の液体に流動力を与えるようにしている。また、気泡が液化したときの第２の液体の下降動作によって、第１の液体に流動力を与えることができる。

ここで、第１の液体として絶縁油を用い、第２の液体としてフッ素系不活性液体を用いることができる。また、第１の液体の液面をケースの上面から離すことにより、ケース内に気体層を設けることができる。これにより、第２の液体を気化させた場合において、ケースの内圧が過度に上昇してしまうのを抑制することができる。

また、第１の液体は、蓄電モジュールを構成するすべての蓄電素子と接触させておくことができる。これにより、第１の液体を流動させたときに、第１の液体を介した蓄電素子の温度調節を効率良く行うことができる。

さらに、第２の液体の量を、第１の液体の量よりも少なくすることができる。これにより、第２の液体として、フッ素系不活性液体といった高価な材料を用いた場合において、蓄電装置のコストアップを抑制することができる。具体的には、第２の液体を、蓄電モジュールのうち、最も下方に位置する蓄電素子と接触させておくことができる。この場合には、最も下方に位置する蓄電素子が発熱した場合において、この熱を第２の液体に直接伝達させることができる。

本発明では、温度上昇に応じて第２の液体を気化させることにより、気泡の上昇動作を利用して第１の液体を流動させるようにしている。これにより、第１の液体を介した蓄電素子の温度調節を効率良く行うことができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池パック（蓄電装置）の構成について、図１および図２を用いて説明する。図１は、電池パックの構成を示す分解斜視図であり、図２は、電池パックの内部構成を示す断面図である。ここで、図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、Ｚ軸が重力方向に相当する。

本実施例の電池パック１は、車両に搭載することができる。この車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車とは、電池パック１の他に、車両の走行に用いられるエネルギを出力する、内燃機関や燃料電池といった他の動力源を備えた車である。また、電気自動車は、電池パック１の出力だけを用いて走行する車である。本実施例の電池パック１は、放電によって車両の走行に用いられるエネルギを出力したり、車両の制動時に発生する運動エネルギを回生電力として充電したりする。なお、車両の外部から電力を供給することにより、電池パック１を充電することもできる。

電池パック１は、電池モジュール（蓄電モジュール）１０およびパックケース２０を有している。パックケース２０は、電池モジュール１０を収容するための空間を形成する収容部材２１と、収容部材２１の開口部２１ａを塞ぐ蓋部材２２とを有している。蓋部材２２は、収容部材２１にネジ等の締結部材によって固定されたり、溶接によって固定されたりする。そして、パックケース２０の内部は、密閉状態となっている。

収容部材２１および蓋部材２２は、熱伝導性や耐食性等に優れた材料、例えば、アルミニウムや鉄等といった金属で形成することができる。なお、本実施例では、収容部材２１や蓋部材２２の外壁面を平坦な面で構成しているが、これに限るものではない。具体的には、収容部材２１および蓋部材２２のうち少なくとも一方の外壁面に、放熱フィンを設けることができる。これにより、後述するように、放熱フィンを介して、電池パック１の放熱性を向上させることができる。

電池モジュール１０は、複数の単電池（蓄電素子としての二次電池）１１が電気的に直列に接続されたものである。複数の単電池１１は、パックケース２０の内部において、並列に配置されている。二次電池としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることもできる。本実施例では、円筒型の単電池１１を用いているが、角型等の他の形状の単電池を用いることもできる。

各単電池１１は、発電要素（不図示）と、発電要素を密閉状態で収容する電池ケースとを有している。発電要素は、充放電を行うことができる要素であり、例えば、正極素子と、負極素子と、電解液を含むセパレータとで構成することができる。正極素子は、集電板の表面に正極活物質の層を形成したものであり、負極素子は、集電板の表面に負極活物質の層を形成したものである。

各単電池１１の両端には、正極端子１１ａおよび負極端子１１ｂがそれぞれ設けられている。正極端子１１ａは、発電要素の正極素子と電気的および機械的に接続されており、負極端子１１ｂは、発電要素の負極素子と電気的および機械的に接続されている。各単電池１１の正極端子１１ａは、隣り合って配置された他の単電池１１の負極端子１１ｂとバスバー１３を介して電気的に接続されている。これにより、複数の単電池１１は、電気的に直列に接続されることになる。

各単電池１１は、両端側において、一対の支持板１２によって支持されている。これらの支持板１２は、ネジ等の締結部材（不図示）によって、パックケース２０（収容部材２１）に固定されている。なお、本実施例では、２つの支持板１２を用いているが、これらの支持板１２を一体として構成することもできる。また、角型の単電池１１を用いた場合には、例えば、スペーサを挟んだ状態で複数の単電池１１を一方向に並べておき、これらの単電池１１を配列方向の両端からエンドプレートによって挟むことができる。

複数の単電池１１のうち特定（２つ）の単電池１１には、不図示ではあるが、総マイナスケーブルおよび総プラスケーブルが接続されている。これらのケーブルは、電池パック１の外部に配置された機器に接続されている。本実施例の電池パック１を車両に搭載した場合には、上述した機器として、例えば、電池モジュール１０の電圧を昇圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータや、直流電流および交流電流の変換を行うインバータが挙げられる。

一方、パックケース２０の内部には、電池モジュール１０の他に、電池モジュール１０との間で主に熱交換を行うための第１の液体３０および第２の液体４０が収容されている。第１および第２の液体３０，４０は、後述するように、電池モジュール１０（単電池１１）の温度を調節するために用いられる。また、第１および第２の液体３０，４０は、絶縁性および熱伝導性を有している。

パックケース２０内の上部には、図２に示すように、空気層５０が形成されている。すなわち、第１の液体３０の液面３０ａが、蓋部材２２の内壁面から離れており、このスペースに空気が存在している。なお、空気の代わりに、例えば、希ガスといった他の気体を用いることもできる。

第１の液体３０の液面３０ａは、電池モジュール１０よりも上方に位置している。そして、第１の液体３０は、電池モジュール１０を構成するすべての単電池１１と接触しているとともに、収容部材２１の内壁面にも接触している。

第２の液体４０は、第１の液体３０よりも比重が大きくなっている。このため、第１および第２の液体３０，４０をパックケース２０内に充填すると、第２の液体４０がパックケース２０の底面に位置する。すなわち、パックケース２０内には、第１の液体３０で形成された層と、第２の液体４０で形成された層とが存在する。そして、本実施例では、第２の液体４０の層が、電池モジュール１０のうち、最も下方に位置する単電池１１の一部と接触している。また、第２の液体４０は、第１の液体３０よりも沸点が低くなっており、熱を受けることにより、気化しやすくなっている。

第１の液体３０としては、具体的には、絶縁油を用いることができる。以下の表１には、絶縁油の具体例および特性（比重）を示している。表１において、鉱物油としては、車両のＡＴ(Automatic Transmission)に用いられているオイル、より具体的には、トヨタオートフルードＷＳを用いている。なお、絶縁油は、表１に示す物質に限るものではなく、第１の液体３０に要求される機能を有していれば、他の物質であってもよい。

第２の液体４０としては、具体的には、フッ素系不活性液体を用いることができる。以下の表２には、フッ素系不活性液体の具体例および特性（比重および沸点）を示している。なお、フッ素系不活性液体は、表２に示す物質に限るものではなく、第２の液体４０に要求される機能を有していれば、他の物質であってもよい。

次に、本実施例の電池パック１における電池モジュール１０の冷却動作について、図３および図４を用いて説明する。図３および図４は、電池パック１の内部構成を示す概略図であり、図２に対応した図である。

電池モジュール１０における単電池１１は、充放電によって発熱することがある。ここで、電池モジュール１０のうち、最も下方に位置する単電池１１が発熱した場合には、この熱が、第１の液体３０や第２の液体４０に伝達される。また、電池モジュール１０のうち、最も下方に位置する単電池１１を除く他の単電池１１が発熱した場合には、この熱が、第１の液体３０に伝達されるとともに、第１の液体３０を介して第２の液体４０にも伝達される。

第２の液体４０は、上述したように低沸点の液体であるため、発熱状態の単電池１１から熱を受けることにより気化することがある。すなわち、単電池１１からの熱を受けて、第２の液体４０の温度が沸点に到達すると、第２の液体４０が沸騰して、気泡４１が発生する。ここで、第２の液体４０を気化させるようにすることで、単電池１１の熱を気化熱として吸収することができ、単電池１１の温度上昇を抑制することができる。

第２の液体４０の気化によって発生した気泡４１は、図３に示すように、電池パック１の上方に向かって移動する。このとき、気泡４１は第１の液体３０中を移動しながら、空気層５０に到達する。このように気泡４１が移動することにより、第１の液体３０に流動力を発生させることができる。すなわち、パックケース２０内において、第１の液体３０を撹拌することができる。

ここで、本実施例では、気泡４１の発生に伴ってパックケース２０の内圧が過度に上昇してしまうのを抑制するために、パックケース２０内に空気層５０を設けている。すなわち、空気層５０は液体に比べて圧縮性を有しているため、気泡４１の発生に伴う体積膨張を吸収することができる。

なお、パックケース２０内に空気層５０を設けなくてもよい。具体的には、第１の液体３０の液面３０ａを蓋部材２２の内壁面に接触させることができる。ここで、パックケース２０に内圧上昇を緩和させるための機構を設けておくことができる。具体的には、パックケース２０の内圧が増加したときに膨らむとともに、内圧が低下したときに縮むことができる部材を用いることができる。

第１の液体３０は、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１に接触しているため、単電池１１が発熱すると、この熱が第１の液体３０に伝達される。ここで、上述したように第１の液体３０を流動させると、第１の液体３０に伝達された熱をパックケース２０に容易に伝達することができる。そして、パックケース２０を介して、電池パック１の外部に熱を逃がすことができる。

気泡４１が空気層５０に到達すると、パックケース２０を介した放熱によって、気泡４１が液化することになる。すなわち、蓋部材２２の内壁面には、気泡４１の液化によって、第２の液体４０が付着することになる。蓋部材２２に付着した第２の液体４０は、自重によって落下し、第１の液体３０を通過して、収容部材２１の底面に到達する。

ここで、蓋部材２２の外壁面に対して熱交換媒体（気体又は液体）を供給するようにすれば、蓋部材２２を介した放熱を効率良く行うことができ、気泡４１を短時間で液化させることができる。なお、蓋部材２２の外壁面および内壁面のうち、少なくとも一方の面に、放熱用のフィンを設けることもできる。この場合には、蓋部材２２を介した放熱を促進させることができる。

第２の液体４０が第１の液体３０中を通過することにより、第１の液体３０に流動力を与えることができる。これにより、パックケース２０内で第１の液体３０を撹拌させて、第１の液体３０を介した単電池１１の放熱を効率良く行うことができる。そして、パックケース２０内の温度が第２の液体４０の沸点よりも低くなれば、電池パック１は、図４に示す状態から図２に示す状態に戻ることになる。

本実施例によれば、気泡４１の上昇動作や、第２の液体４０の落下動作を利用して、第１の液体３０を撹拌させることができ、従来のように、電池パックに対して循環構造を接続する必要がない。すなわち、本実施例では、パックケース２０内に、第１の液体３０の他に、第２の液体４０を加えるだけであり、電池パック１の構成を簡素化することができる。そして、電池パック１を小型化しつつ、電池モジュール１０の温度調節を効率良く行うことができる。

なお、本実施例では、図２等に示すように、電池モジュール１０を構成する一部の単電池１１に第２の液体４０を接触させているが、接触させなくてもよい。具体的には、第１の液体３０および第２の液体４０の界面を、電池モジュール１０のうち最も下方に位置する単電池１１よりも下方に位置させることができる。この場合において、単電池１１が発熱すると、単電池１１の熱が第１の液体３０を介して第２の液体４０に伝達され、第２の液体４０を気化させることができる。

また、第２の液体４０の量（体積）は、適宜設定することができる。ここで、第２の液体４０として用いられるフッ素系不活性液体は高価であるため、本実施例のように第２の液体４０の界面の位置を設定することにより、コストアップを抑制しつつ、第１の液体３０を効率良く撹拌することができる。

一方、上述した説明は、単電池１１を冷却する場合であるが、本実施例の構成を用いて、単電池１１を温めることもできる。具体的には、ヒータを用いて、第１の液体３０を直接的又は間接的に温めることにより、単電池１１を温めることができる。これにより、環境温度によって単電池１１が過度に冷却されて、電池特性が劣化してしまうのを防止することができる。

ここで、第１の液体３０を直接的に温める手段としては、例えば、パックケース２０内にヒータを配置して、ヒータを第１の液体３０と接触させることができる。また、第１の液体３０を間接的に温める手段としては、例えば、パックケース２０をヒータによって温めるようにし、パックケース２０を介して第１の液体３０を温めることができる。

第１の液体３０を温めれば、この熱を第２の液体４０に伝達させて、第２の液体４０を気化させることができる。そして、第２の液体４０から発生する気泡４１によって第１の液体３０を流動させることができる。このように、温められた第１の液体３０を流動させることにより、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１を効率良く温めることができる。ここで、ヒータを駆動させれば、単電池１１を温めることができ、ヒータの駆動を停止させておけば、単電池１１の冷却を行うことができる。

一方、上述した電池パック１において、第１の液体３０内における気泡４１の量をＸ−Ｙ平面内で異ならせることができる。具体的には、図５に示す仕切り板６０を、第２の液体４０の界面や内部に配置することができる。ここで、図５は、仕切り板６０をパックケース２０内に配置したときの上面図である。

仕切り板６０は、複数の開口部６０ａを有しており、仕切り板６０の外縁部は収容部材２１の内壁面に接触している。開口部６０ａは、第２の液体４０から発生する気泡４１を通過させるために用いられる。また、複数の開口部６０ａのうち、仕切り板６０の中央部（Ｙ方向に関して中央）に位置する開口部６０ａの開口面積が最も大きく、仕切り板６０の外縁に向かって開口部６０ａの開口面積を段階的に小さくしている。図５に示す構成では、Ｘ−Ｙ平面内において、中央部の気泡４１の量が最も大きくなり、外縁部における気泡４１の量が最も小さくなる。

電池モジュール１０において、Ｘ−Ｙ平面内の中央部は、外縁部に比べて放熱性が低くなることがある。そこで、図５に示す仕切り板６０を用いれば、電池モジュール１０における放熱性の違いに応じて気泡４１の量を異ならせることができる。すなわち、気泡４１の量に応じて第１の液体３０の流れを異ならせることができ、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１における温度バラツキを抑制することができる。

上述した説明は、第２の液体４０を気化させる場合であるが、気泡４１を液化させる場合についても適用することができる。具体的には、図５に示した仕切り板６０を第１の液体３０の液面３０ａや空気層５０中に配置することができる。これにより、第１の液体３０中を下降する第２の液体４０の量を、Ｘ−Ｙ平面において異ならせることができる。これにより、第１の液体３０の流れを異ならせることができ、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１における温度バラツキを抑制することができる。

なお、図５に示す仕切り板６０の構成は、Ｙ方向の中央部に位置する開口部６０ａの開口面積を最も大きくしたものであるが、これに限るものではない。すなわち、電池モジュール１０のうち、Ｘ−Ｙ平面内における温度分布に基づいて、複数の開口部６０ａの開口面積を適宜設定することができる。例えば、Ｙ方向に関して、電池モジュール１０の端に位置する単電池１１の温度が高くなりやすければ、この単電池１１に対応した開口部６０ａの開口面積を最も大きくすればよい。

本発明の実施例１である電池パックの構成を示す分解斜視図である。 実施例１である電池パックの内部構成を示す概略図である 第２の液体が気化した状態における電池パックの内部構成を示す概略図である。 第２の液体が液化した状態における電池パックの内部構成を示す概略図である。 実施例１の変形例において、仕切り板の構成を示す正面図である。

符号の説明

１：電池パック（蓄電装置） １０：電池モジュール（蓄電モジュール）
１１：単電池（蓄電素子） １１ａ：正極端子
１１ｂ：負極端子 １２：支持板
１３：バスバー ２０：パックケース
２１：収容部材 ２２：蓋部材
３０：第１の液体 ４０：第２の液体
４１：気泡 ５０：空気層
６０：仕切り板 ６０ａ：開口部

Claims (7)

1. 複数の蓄電素子を含む蓄電モジュールと、
   前記蓄電モジュールとともにケース内に収容される第１および第２の液体と、を有し、
   前記第２の液体は、前記第１の液体よりも比重が大きいとともに、温度上昇に応じて気化可能であり、
   前記第２の液体が気化したときの気泡の上昇によって、前記第１の液体に流動力を与えることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記気泡が液化したときの前記第２の液体の下降によって、前記第１の液体に流動力を与えることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記第１の液体の液面が前記ケースの上面から離れて気体層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記第１の液体は、前記複数の蓄電素子と接触していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電装置。
5. 前記第２の液体の量が、前記第１の液体の量よりも少ないことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の蓄電装置。
6. 前記第２の液体は、前記蓄電モジュールのうち、最も下方に位置する前記蓄電素子と接触していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電装置。
7. 前記第１の液体が絶縁油であり、
   前記第２の液体がフッ素系不活性液体であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の蓄電装置。
   

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