JP2010244978A

JP2010244978A - 熱交換媒体および蓄電装置

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Publication number: JP2010244978A
Application number: JP2009095087A
Authority: JP
Inventors: Takashi Murata; 崇村田; Takaaki Kano; 孝明狩野; Shingo Uemura; 慎午植村; Koji Inada; 弘二稲田; Tatsuya Matsuda; 達哉松田
Original assignee: Lion Corp; Toyota Motor Corp; Tsuchiya KK
Current assignee: Lion Corp; Toyota Motor Corp; Tsuchiya KK
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-28
Also published as: WO2010116234A1; EP2417668A1; KR20110132587A; CN102388500A; US20120026690A1

Abstract

【課題】主に、流動性および絶縁性に優れた熱交換媒体を提供する。
【解決手段】蓄電素子（１１）とともにケース（２０）内に収容され、蓄電素子との間で熱交換を行うための液状の熱交換媒体（４０）であって、熱交換媒体は、炭素数が６〜８個の脂肪酸と２−エチルヘキサノールとのエステル化合物であって、カプリル酸２−エチルヘキシルを９０体積％以上含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電素子との間で熱交換を行うための液状の熱交換媒体と、この熱交換媒体を用いた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ことがあり、温度上昇によって二次電池の特性が劣化してしまうことがある。そこで、二次電池の温度上昇を抑制するために、二次電池に冷媒（液体）を接触させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２）。

特許文献１に記載の組電池では、組電池を収容するケースに注入口および排出口を設けておき、注入口を介してケース内に冷媒を供給するとともに、排出口を介してケース外に冷媒を排出させている。そして、冷媒として、絶縁油や流動パラフィンを用いている。

また、特許文献２に記載の収容装置では、電池収容室の内部に二次電池とともに冷却液を収容している。そして、冷却液として、エチレングリコールを用いている。

特開２００１−０６０４６６号公報（段落００２０−００２２）特開２００８−１６３４６号公報（段落００１８）

二次電池に液体を接触させる構成において、液体に要求される性能としては、熱伝達率が高いこと、電気的な絶縁性を有すること、二次電池を劣化させないこと等が挙げられる。ここで、特許文献１，２に記載の液体では、上述した性能に関して不十分となるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、主に、流動性および絶縁性に優れた熱交換媒体と、この熱交換媒体を用いた蓄電装置を提供することにある。

本発明は、蓄電素子とともにケース内に収容され、蓄電素子との間で熱交換を行うための液状の熱交換媒体であって、熱交換媒体は、炭素数が６〜８個の脂肪酸と２−エチルヘキサノールとのエステル化合物であって、カプリル酸２−エチルヘキシルを９０体積％以上含むことを特徴とする。具体的には、熱交換媒体を、カプリル酸２−エチルヘキシルだけで構成したり、カプリル酸２−エチルヘキシルと、カプリル酸以外の脂肪酸（炭素数が６〜７個）および２-エチルヘキサノールのエステル化合物との混合物で構成したりすることができる。

ここで、熱交換媒体には、硫黄成分を含ませないことが好ましい。これにより、硫黄成分によって、蓄電素子等が腐食してしまうおそれを回避することができる。

本発明の熱交換媒体は、蓄電素子とともにケース内に収容することにより、蓄電装置として利用することができる。ここで、熱交換媒体に対して流動力を与えるファンをケース内に配置しておけば、ファンの駆動力を用いて熱交換媒体を効率良く流動させることができる。また、ファンの駆動によって、熱交換媒体を層流の状態で蓄電素子に送り出せば、蓄電素子における部分的な温度バラツキを抑制することができる。

本発明によれば、蓄電素子との間で熱交換を行う液状の熱交換媒体として、炭素数が６〜８個の脂肪酸および２−エチルヘキサノールからなるエステル化合物（カプリル酸２−エチルヘキシルを９０体積％以上含有）を用いることにより、熱交換媒体の絶縁性および流動性を向上させることができる。熱交換媒体の絶縁性を向上させることにより、蓄電装置を取り扱う際の安全性を向上させることができる。また、熱交換媒体の流動性を向上させることにより、熱交換媒体を用いた蓄電素子の温度調節を効率良く行うことができる。

本発明の実施形態１である電池パックの構成を示す分解斜視図である。実施形態１の電池パックにおける一部の内部構成を示す図である。実施形態１の電池パックにおいて、熱交換媒体の主な流れを示す図である。実施形態１の電池パックにおいて、熱交換媒体の流動方向を示す図である。熱交換媒体の温度と動粘度との関係を示す図である。環境温度と、電池モジュールにおける温度バラツキとの関係を示す図である。

本発明の実施形態１である電池パック（蓄電装置）の構成について、図１を用いて説明する。ここで、図１は、本実施形態の電池パックの構成を示す分解斜視図である。

本実施形態の電池パック１は、車両に搭載されている。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。本実施形態の電池パック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１０と、パックケース２０と、撹拌ユニット３０とを有している。パックケース２０は、電池モジュール１０および撹拌ユニット３０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。これにより、パックケース２０の内部は、密閉状態となる。

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、後述する熱交換媒体４０の熱伝導率と同等又はこれよりも高い熱伝導率を有する材料で形成することができる。具体的には、収容部材２１や蓋部材２２を、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、本実施形態では、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、複数の放熱フィンを設けることができる。これにより、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。

パックケース２０の内部には、電池モジュール１０および撹拌ユニット３０の他に、電池モジュール１０との間で熱交換を行うための液状の熱交換媒体４０が収容されている。熱交換媒体４０の具体的な成分については、後述する。

熱交換媒体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。ここで、パックケース２０の内部に収容される熱交換媒体４０の量は、適宜設定することができる。具体的には、熱交換媒体４０の液面を蓋部材２２に接触させてもよいし、熱交換媒体４０の液面が蓋部材２２から離れていてもよい。ここで、電池モジュール１０の全面に熱交換媒体４０を接触させておくことが好ましい。

次に、電池モジュール１０の構成について説明する。

電池モジュール１０は、複数の単電池（二次電池、蓄電素子）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。さらに、本実施形態では、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、電極素子（正極素子および負極素子）およびセパレータ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、一対の板状の支持部材１２によって支持されている。これらの支持部材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。また、各支持部材１２の端面（外縁部）は、収容部材２１の底面および側面に接触するようになっている。

なお、本実施形態では、２つの支持部材１２を用いているが、これらの支持部材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、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、正極用および負極用のケーブル（不図示）が接続されており、これらのケーブルは、パックケース２０の外部に配置された機器に接続されている。この機器としては、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ある。

電池モジュール１０の角部には、撹拌ユニット３０が配置されている。撹拌ユニット３０の両端は、一対の支持部材１２と同一面内に位置するように配置されている。図２を用いて、撹拌ユニット３０の具体的な構成について説明する。ここで、図２は、電池パック１の内部における一部の構成を示す概略図である。

撹拌ユニット３０は、ファン（クロスフローファン）３１と、ファン３１の回転軸３１ａを回転可能に支持する一対の軸受け３２と、軸受け３２を支持する支持板３３とを有している。ファン３１は、単電池１１と略平行となるように配置されている。また、ファン３１は、回転軸３１ａの外周面において、複数の羽根３１ｂを有している。複数の羽根３１ｂは、回転軸３１ａの周方向において等間隔に配置されており、各羽根３１ｂは、曲面を持った形状に形成されている。ファン３１の回転軸方向における各羽根３１ｂの長さは、一対の支持部材１２の間隔と略等しくなっている。

回転軸３１ａにはモータ（不図示）が接続されており、ファン３１は、モータからの駆動力を受けることによって回転する。支持板３３の一部３３ａは、ファン３１の外周に沿った形状に形成されており、ファン３１の回転に応じて熱交換媒体４０をスムーズに移動させるようにしている。

ファン３１と電池モジュール１０（単電池１１）との間には、互いに接続された第１の仕切り部材３４ａおよび第２の仕切り部材３４ｂが配置されている。第１の仕切り部材３４ａは、図２に示すように、電池モジュール１０のうち最も下方に位置する単電池１１とパックケース２０（収容部材２１）の底面との間に配置されている。また、第２の仕切り部材３４ｂは、電池モジュール１０に沿って重力方向（図２の上下方向）に延びており、第２の仕切り部材３４ｂの先端が電池モジュール１０の上部に位置している。第１および第２の仕切り部材３４ａ，３４ｂの幅は、一対の支持部材１２の間隔と等しくなっている。

次に、上述した電池パック１において、ファン３１の駆動に伴う熱交換媒体４０の流れについて、図３および図４を用いながら説明する。

モータの駆動力を受けてファン３１が回転すると、ファン３１から熱交換媒体４０が送り出される。ファン３１から送り出された熱交換媒体４０は、第１の仕切り部材３４ａと収容部材２１の底面との間を通過して、電池モジュール１０の側に移動する。ここで、ファン３１における複数の羽根３１ｂは、回転軸３１ａの長手方向に延びているため、ファン３１から送り出される熱交換媒体４０は、羽根３１ｂの長さを有する層流を形成する。

ファン３１から送り出された熱交換媒体４０は、図３の矢印で示すように、電池モジュール１０の周囲を辿るように進んで、ファン３１に戻るようになっている。ここで、図３の矢印で示す流れは、熱交換媒体４０の主な流れを示すものであり、この流れとは異なる流れも存在する。なお、図３では、第１の仕切り部材３４ａを省略している。

本実施形態において、電池モジュール１０（最も外側に位置する単電池１１）とパックケース２０の内壁面との間の距離（最短距離）は、隣り合う単電池１１の間における距離（最短距離）よりも長くなっている。このように設定することで、ファン３１から送り出される熱交換媒体４０を、電池モジュール１０の周囲に沿って移動させることができる。そして、電池モジュール１０の周囲において、熱交換媒体４０の主な流れを発生させることにより、隣り合う単電池１１の間にも熱交換媒体４０の二次的な流れを発生させることができる。具体的には、図４に示すように、電池モジュール１０の下方から上方に向かって、隣り合う単電池１１の間を通過する熱交換媒体４０の流れを発生させることができる。

単電池１１は充放電によって発熱することがあるが、単電池１１に熱交換媒体４０を接触させることにより、単電池１１および熱交換媒体４０の間で熱交換が行われ、単電池１１の熱が熱交換媒体４０に伝達される。熱を持った熱交換媒体４０は、上述したようにパックケース２０の内部で流動し、パックケース２０の内壁面に接触することにより、パックケース２０に熱を伝達することができる。そして、パックケース２０に伝達された熱は、大気中に放出される。これにより、電池パック１（単電池１１）の放熱（冷却）を行うことができる。

一方、熱交換媒体４０を温めるようにすれば、温められた熱交換媒体４０が単電池１１と熱交換を行うことにより、単電池１１に熱を伝達することができる。これにより、単電池１１を温めることができる。単電池１１を温めることは、環境温度によって単電池１１の温度が過度に低下してしまったときに有効である。

ここで、熱交換媒体４０を温める場合としては、熱交換媒体４０を直接的又は間接的に温めることができる。熱交換媒体４０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、ヒータを熱交換媒体４０と接触させることができる。また、熱交換媒体４０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を介して熱交換媒体４０を温めることができる。

本実施形態では、ファン３１から送り出された熱交換媒体４０が、層流の状態で単電池１１に接触するようになっている。ここで、熱交換媒体４０の層流の幅は、単電池１１の長手方向における長さと略等しくなっているため、熱交換媒体４０は、単電池１１における概ね全体の領域との間で熱交換を行うことができる。これにより、単電池１１における部分的な温度のバラツキを抑制することができる。また、図４に示すように、電池モジュール１０を構成するすべての単電池１１に対して熱交換媒体４０を接触させることにより、すべての単電池１１との間で熱交換を行うことができる。これにより、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１における温度のバラツキを抑制することができる。

なお、本実施形態では、パックケース２０の内部に撹拌ユニット３０を配置しているが、撹拌ユニット３０を配置しなくてもよい。また、ファン３１として、クロスフローファンを用いているが、熱交換媒体４０を流動させる力を発生させるものであれば、いかなる構成であってもよい。さらに、本実施形態では、撹拌ユニット３０をパックケース２０の底面に沿って配置しているが、これに限るものではない。すなわち、電池モジュール１０の周囲で熱交換媒体４０を流動させることができれば、撹拌ユニット３０の位置は適宜設定することができる。例えば、撹拌ユニット３０をパックケース２０の上面に沿って配置することもできる。

次に、熱交換媒体４０の具体的な成分について、説明する。

熱交換媒体４０としては、炭素数が６〜８個の脂肪酸および２−エチルヘキサノールからなるエステル化合物を用いている。このエステル化合物には、カプリル酸２−エチルヘキシルが９０体積％以上含まれている。ここで、熱交換媒体４０をカプリル酸２−エチルヘキシルだけで構成してもよいし、カプリル酸以外の他の脂肪酸（炭素数が６〜７個）を用いたエステル化合物が１０体積％以下含まれていてもよい。

炭素数が６〜８個（Ｒ^１の炭素数が５〜７個）の脂肪酸としては、例えば、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸が挙げられる。これらの脂肪酸は、１種類（カプリル酸）を単独で用いることもできるし、２種類（カプリル酸を含む）以上を混合して用いることもできる。

ここで、熱交換媒体（エステル化合物）４０の絶縁性を確保する点に関して、脂肪酸の炭素数は６個以上であることが好ましい。また、パックケース２０内における熱交換媒体４０の流動性を確保する点に関して、脂肪酸の炭素数は８個以下であることが好ましい。ここで、エステル化合物の動粘度が低くなるほど、熱交換媒体４０の流動性を向上させることができる。一方、２−エチルヘキサノールを用いることにより、熱交換媒体４０に対して、低温での流動性および電気的絶縁性に関して優れた特性を持たせることができる。

上述した炭素数が６〜８個の脂肪酸および２−エチルヘキサノールのエステル化合物としては、例えば、カプリル酸２−エチルヘキシル、カプロン酸２−エチルヘキシルが挙げられる。そして、これらのエステル化合物を、１種類（カプリル酸２−エチルヘキシル）だけ用いたり、２種類（カプリル酸２−エチルヘキシルを含む）以上を混合して用いたりすることができる。

熱交換媒体４０として用いられるエステル化合物は、種々のエステル化法を用いて製造することができる。例えば、炭素数が６〜８個の脂肪酸と２−エチルヘキサノールとを酸またはアルカリの存在下で反応させてエステル化させる方法がある。また、炭素数が６〜８個の脂肪酸エステル化合物と２−エチルヘキサノールとを酸またはアルカリの存在下で反応させてエステル交換させることもできる。

また、エステル化合物を用いた場合には、２０℃のプラントル数が８〜４００００であることが好ましい。これにより、熱交換媒体４０の熱伝達率を向上させることができ、熱交換媒体４０を用いて電池モジュール１０の温度調節を効率良く行うことができる。

上述したように、熱交換媒体４０としてエステル化合物を用いると、優れた絶縁性を得ることができ、高電圧を発生させる電池モジュール１０に好適に用いることができる。また、エステル化合物は、２００ｐｐｍ以下の水分が加わっても、エステル分子が水分子を内包するため、体積抵抗率が変化しにくい。

さらに、エステル化合物を用いれば、熱交換媒体４０に硫黄成分を含ませないようにすることもできる。例えば、炭素数が６〜８個の脂肪酸および２−エチルヘキサノールをエステル化させるときの触媒として、硫黄を含有していないものを用いることができる。これにより、硫黄を含む鉱物油を用いた場合に比べて、電池モジュール１０の一部が硫黄によって腐食してしまうおそれを回避することができる。例えば、バスバー１３や単電池１１の電極端子１１ａ，１１ｂを銅で形成した場合において、これらの部材が硫黄によって腐食してしまうおそれを回避することができる。

以下の表１は、熱交換媒体４０としてカプリル酸２−エチルヘキシルだけを用いたときの実施例１と、熱交換媒体４０として鉱物油を用いたときの比較例とに関して、熱交換媒体４０の温度に対する動粘度を示している。鉱物油としては、ＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid；トヨタオートフルードＷＳ）を用いている。

表２には、カプリル酸２−エチルヘキシル、鉱物油およびシリコンオイルの体積抵抗率を示している。

表２に示すように、カプリル酸２−エチルヘキシルは、鉱物油やシリコンオイルと同等の体積抵抗率を有している。このため、高電圧を発生する電池モジュール１０に接触する熱交換媒体４０として好適に用いることができる。

一方、図５には、熱交換媒体４０として、鉱物油およびカプリル酸２−エチルヘキシルを用いた場合において、熱交換媒体４０の温度および動粘度の関係を示している。

図５に示すように、カプリル酸２−エチルヘキシルを用いた場合には、熱交換媒体４０の温度が変化しても、動粘度は変化し難くなっている。一方、鉱物油は、０℃よりも低くなるほど、動粘度は増加している。このため、本実施形態の電池パック１が、０℃よりも低い環境で使用される場合には、熱交換媒体４０としてカプリル酸２−エチルヘキシルを用いることが好ましい。

図６には、熱交換媒体４０として、鉱物油およびカプリル酸２−エチルヘキシルを用いた場合において、環境温度と、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との関係を示している。ここで、温度バラツキ（ΔＴ）とは、電池パック１内のファン３１を所定時間駆動した後において、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１のうち、最も高い温度を示す単電池１１と、最も低い温度を示す単電池１１との温度差を表している。また、環境温度とは、電池パック１の周辺温度を表している。

図６に示すように、カプリル酸２−エチルヘキシルを用いた場合には、鉱物油を用いた場合に比べて、電池モジュール１０における温度バラツキを抑制することができる。そして、温度バラツキを抑制することにより、複数の単電池１１における性能劣化のバラツキを抑制することができる。これにより、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１をバランス良く使用することができ、電池モジュール１０の充放電を効率良く行うことができる。

また、熱交換媒体４０としてカプリル酸２−エチルヘキシルを用いると、熱交換媒体４０に単電池１１の電解液が漏れて、電解液の濃度が２０［ｖｏｌ％］以上となっても、この液体の体積抵抗率を１．０Ｅ＋０５［Ω・ｃｍ］以上とすることができる。また、カプリル酸２−エチルヘキシルは、単電池１１の電解液によって分解されることもない。ここで、単電池１１が過度に発熱すると、単電池１１（電池ケース）からガスが排出され、このガスと共に発電要素の電解液が漏れてしまうおそれがある。電解液としては、例えば、ＤＭＣ（ジメチルカーボネート）や、ＥＭＣ（エチルメチルカーボネート）が用いられている。

そこで、単電池１１から電解液が漏れたときでも、熱交換媒体４０の絶縁性を確保しておくことが好ましい。上述したように、熱交換媒体４０としてカプリル酸２−エチルヘキシルを用いれば、熱交換媒体４０の体積抵抗率が大幅に低下してしまうのを抑制することができる。

一方、パックケース２０の材料や、電池パック１が搭載される車両ボディの材料として、樹脂材料やゴム材料が用いられることがある。樹脂材料としては、例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＡ６（ポリアミド６）、ＰＡ６６（ポリアミド６６）が用いられる。また、ゴム材料は、例えば、シール性を持たせるために用いられ、ＮＢＲ（アクリロニトリルブタジエンゴム）、バイトン（登録商標）、ポリウレタンが用いられる。

ここで、熱交換媒体４０としてカプリル酸２−エチルヘキシルを用いると、上述した樹脂材料やゴム材料に対する悪影響を抑制することができる。具体的には、７０℃のエステル化合物（カプリル酸２−エチルヘキシル）に樹脂材料を２週間浸したら、樹脂材料の体積変化率および重量変化率が０．５％以下であった。また、７０℃のエステル化合物（カプリル酸２−エチルヘキシル）にゴム材料を２週間浸したら、ゴム材料の体積変化率および重量変化率が２０％以下であった。このように、熱交換媒体４０としてカプリル酸２−エチルヘキシルを用いると、電池パック１や電池パック１が搭載される車両ボディに対して悪影響を与えてしまうおそれを回避することができる。

１：電池パック（蓄電装置）１０：電池モジュール
１１：単電池（蓄電素子）１１ａ：正極端子
１１ｂ：負極端子１２：支持部材
１３：バスバー２０：パックケース
２１：収容部材２２：蓋部材
３０：撹拌ユニット３１：ファン
４０：熱交換媒体（エステル化合物）

Claims

蓄電素子とともにケース内に収容され、前記蓄電素子との間で熱交換を行うための液状の熱交換媒体であって、
前記熱交換媒体は、炭素数が６〜８個の脂肪酸と２−エチルヘキサノールとのエステル化合物であって、カプリル酸２−エチルヘキシルを９０体積％以上含むことを特徴とする熱交換媒体。
前記熱交換媒体は、硫黄成分を含まないことを特徴とする請求項１に記載の熱交換媒体。
請求項１又は２に記載の熱交換媒体を備えたことを特徴とする蓄電装置。
前記ケース内に配置され、前記熱交換媒体に対して流動力を与えるファンを有することを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
前記ファンは、前記熱交換媒体を層流の状態で前記蓄電素子に送り出すことを特徴とする請求項４に記載の蓄電装置。