JP2011044275A - 電源装置及びそれを用いた車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】あらゆる構成のバッテリモジュールに使用でき、且つ、バッテリモジュール内で最も高い温度の電池と最も低い温度の電池の、電池間の温度ばらつきΔTを小さくできる電源装置を提供することである。
【解決手段】電源装置38は、正負の電極端子21、22を有する複数の角形電池18と、この複数の角形電池18を積層して電気接続した電池モジュール17と、角形電池18を冷却する冷却機構とを備えている。そして、電池モジュール17は、発熱量もしくは冷却特性の異なる複数の角形電池18を組み合わせて積層している。
【選択図】図2

Description

本発明は、複数の電池を積層した電池モジュール及びこれを備える車両に関し、主としてハイブリッド自動車、燃料自動車、電気自動車を駆動するモータの電源用に使用されるバッテリモジュールを構成する電池の温度制御に関する。
ハイブリッドカーや電気自動車等の車両を走行させるモータを駆動する電源に使用される大電流、大出力のバッテリモジュールは、出力電圧を大きくするため、複数の電池を積層して直列に接続している。このバッテリモジュールでは、大電流で充放電が繰り返されるため、電池は温度上昇し、発熱する。この電池を発熱したままで放置すると、電池は劣化し性能が低下してしまうため、電池を冷却する必要がある。この電池冷却方法の一つに、バッテリモジュール内に冷却機構を設け、そこへ冷却風を送風して電池を冷やす方法が開発されている。
しかし、車両用のバッテリモジュールでは、複数の電池が積層した構造をしており、この複数の電池を均一に冷却することが難しい。なぜなら、冷却風の送風口付近にある電池は、冷たくて流量の多い冷却風に冷却されるため、過冷却になりやすいが、その一方で、そこから最も離れた位置にある電池は、送風口付近と比べ流量の少ない冷却風に冷却されるため、電池が冷却されにくくなる現象が起き、各電池間に温度差が生じてしまうからである。冷却能力を上げるために、熱容量の大きい冷媒ガスや冷媒流体を用いた冷却機構である程、この温度差は拡大する。このように、冷却にばらつきが発生すると、冷却不十分な電池の劣化が進行し、複数の電池の性能にもばらつきが発生する。このばらつきは使用によってさらに大きくなり、バッテリモジュールの充放電できる容量が減少するとともに、過放電や過充電され易い状態となって劣化がさらに促進し、バッテリモジュールの全体の寿命を短くする原因となる。
このことから、車両用のバッテリモジュールにおいて、特定の電池の劣化はバッテリモジュール全体の問題であり、全体の性能を低下させている。特定の電池が使えない状態になると、複数の電池で直列に接続されているバッテリモジュールは、使用できなくなる。上記の理由から、車両用のバッテリモジュールは、電池の温度を設定温度よりも低くすることも重要であるが、各電池の温度制御を行い、積層する複数の電池を均一に冷却して、各電池間の温度差をいかに最小化できるかがさらに重要となる。
従来において、電池を均一に冷却する方法として、吸気チャンバ上流に配置された機器ボックスがあり、この機器ボックスの壁面で吸気チャンバと面している面に、様々な加工を施した電池冷却構造が考えられている。この電池冷却構造として、例えば、特許文献1に記載された電池冷却構造が開発されている。
具体的には、まず、機器ボックスの壁面で吸気チャンバと面している面に、突出部を有する部材或いは凹部を設けて、冷却風の流れを組電池から遠ざかる方向に変化させ、上流にある冷却風通路に流入する冷却風を減少、下流にある冷却風通路に流入する冷却風を増大させることで、バッテリモジュール内に流れる冷却風の流量を均一化し、温度差を低減している電池冷却構造がある。
次に、機器ボックスの壁面において冷却風流れ方向を変化させる変更部材を、可変可能なモータで駆動するものに変更し、冷却要求に応じて冷却風の流量を調節し、温度差を低減している電池冷却構造がある。これら冷却風の流れ方向を変更する冷却構造においては、冷却風通路の経路を限定しないため、冷却風を横流し式にも、縦流し式にも流せる冷却風通路を設けることができる。
特開2007−250515号公報
特許文献1に記載されたバッテリモジュールでは、吸気チャンバの上流に位置する機器ボックスに変更部材を設け、冷却風の流れを変更し、流量を均一化することで温度ばらつきを低減しているが、この変更部材は、加工や取り付けの工程を要するため生産性が悪く、さらに材料費、加工費、組立費がかかるため、製造コストが高くなる問題点がある。また、この電池冷却構造では、変更部材を配置した箇所のみで冷却風の流れ方向を変化させているので、吸気チャンバの下流にいくほど冷却風の流れの変化は乏しくなり、バッテリモジュール内の流量を均一化する効果が薄れるといった欠点がある。このため、この電池冷却構造では、吸気チャンバ及び排気チャンバの通路が長くなる電池冷却構造には適さず、温度ばらつきを低減するには、変更部材と電池との距離を考慮しなければならない。
また、機器ボックスの壁面において冷却風の流れ方向を変化させる変更部材を、可変可能なモータで駆動するものに変更し、冷却要求に応じて冷媒風の流量を調節して温度差を低減している電池冷却構造があるが、この電池冷却構造は、上記の問題点や欠点に加え、モータの故障等により、冷却風の流れ方向や流量を調節できなくなる危険性がある。モータがうまく作動しなくなり、変更部材が機器ボックス内に収納されたままの状態になると、吸気チャンバの上流に位置する電池が過冷却状態となり劣化するため、バッテリモジュール全体に悪影響を及ぼす問題が生じる。
本発明は、あらゆる構成のバッテリモジュールに使用でき、且つ、バッテリモジュール内で最も高い温度の電池と最も低い温度の電池の、電池間の温度ばらつきΔTを小さくできる電源装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本願請求項1の発明の電源装置は、正負の電極端子を有する複数の電池と、この複数の電池を積層して電気接続した電池モジュールと、前記電池を冷却する冷却機構とを備えた電源装置であって、前記電池モジュールは、発熱量もしくは冷却特性の異なる複数の前記電池を組み合わせて積層している。
本願請求項2の発明によれば、正負の電極端子を有する複数の電池と、この複数の電池を積層して電気接続した電池モジュールと、前記電池を冷却する冷却機構とを備えた電源装置であって、前記電池モジュールは、発熱量及び冷却特性の異なる複数の前記電池を組み合わせて積層している。
本願請求項3の発明によれば、前記電池モジュールを収納している収納ケースに、前記冷却機構の動作によって発生する冷却風が出入りする流入口と排出口とを設け、前記流入口付近に配置される前記電池を、前記流入口付近以外に配置される電池に比べて発熱量の大きい電池としている。
本願請求項4の発明によれば、前記電池モジュールを収納している収納ケースに、前記冷却機構の動作によって発生する冷却風が出入りする流入口と排出口とを設け、前記流入口付近から離れたところに配置される前記電池を、前記流入口付近に配置される電池に比べて冷却特性の大きい電池としている。
本願請求項5の発明によれば、前記電池モジュールを収納している収納ケースに、前記冷却機構の動作によって発生する冷却風が出入りする流入口と排出口とを設け、前記流入口付近に配置される前記電池を、前記流入口付近以外に配置される電池に比べて発熱量の大きい電池とし、前記流入口付近から離れたところに配置される前記電池を、前記流入口付近に配置される電池に比べて冷却特性の大きい電池としている。
本願請求項6の発明によれば、前記流入口の開口面積と前記排出口の開口面積とを等しくしている。
本願請求項7の発明によれば、記電池ブロックを多行多列に配置した構成からなり、正負の前記電池をすべて直列に電気接続している。
本願請求項8の発明によれば、請求項1から7に記載の電源装置を備える車両としている。
請求項1の発明によれば、電源装置は、発熱量もしくは冷却特性の異なる複数の電池を組み合わせて積層した電池モジュールと冷却機構とを備えているので、電池モジュールの電池において、過冷却が生じている電池を、ピンポイントでその過冷却を抑制することができ、逆に、過熱が生じている電池を、ピンポイントでその過熱を抑制することができる。よって、積層する複数の電池を均一に冷却することができ、各電池間の温度ばらつきΔTを低減することができる。ΔTが小さくなる程、電池の劣化を小さく抑制できるので、電池の性能が悪化するのを防止できる。その結果、電源装置の充放電できる容量を保つことができるので、電源装置全体の寿命を長くする効果が期待できる。
例えば、電池が過冷却となる位置には、冷却特性の小さいもしくは発熱量の大きい電池を配置し、電池が過熱となる位置には、冷却特性の大きいもしくは発熱量の小さい電池を配置すれば良く、電池の配置箇所が特定されないので、あらゆる構成の電源装置において利用でき、冷却機構の種類や能力、電池の積層数や積層構造、使用環境下等が特定されないという大きな利点がある。また、予め電源装置の電池の温度分布を調査し、この温度分布がフラットとなるように、最適な電池を製造して適所に配置すれば良いだけなので、従来の電池冷却方法よりも容易な方法で電池を冷却することができ、且つ、材料費や加工費の大幅なコストダウンと、工程数の減少から時間の短縮をはかることができ、生産性が良くなる。さらに、この電池冷却方法は、従来の電源装置の構成や電池冷却構造をそのまま維持して有効活用することもでき、その場合、電源装置の電池を変更するだけで良いので、生産途中でも対応できるという利点がある。さらにまた、上記以外にも特性の異なる多種多様な電池を製造することができるし、その電池の製造方法も多岐にわたって考えられるため、より低コストでΔTを最小にできる可能性がある。また、電池特有の性質、熱伝導等も利用して積層することができる利点がある。
請求項2の発明によれば、電源装置は、発熱量及び冷却特性の異なる複数の電池を組み合わせて積層した電池モジュールと冷却機構とを備えているので、上記の効果同様、各電池間の温度ばらつきΔTを、容易に、且つ、低コストで低減できる効果がある。特に、温度分布より過冷却状態や加熱状態になると判断された箇所に、最適な電池を組み合わせて配置することにより、容易に、且つ、低コストで各電池間の温度ばらつきΔTを低減することができ、また、生産性も良くなる。
請求項3の発明によれば、電池モジュールを収納している収納ケースに、冷却機構の動作によって発生する冷却風が出入りする流入口と排出口とを設け、流入口付近に配置される電池を、流入口付近以外に配置される電池に比べて発熱量の大きい電池としている。通常、流入口付近に配置される電池は、冷たくて流量の多い冷却風に冷却されるため過冷却状態になりやすいが、流入口付近に配置される電池を、流入口付近以外に配置される電池に比べて発熱量の大きい電池としているので、過冷却状態の電池の温度を相対的に引き上げることができ、収納ケース内の電池の温度ばらつきΔTを低減することができる。また、発熱量の大きい電池とそれ以外の電池との境界線では、熱伝導による温度均一化効果が期待でき、緩やかなカーブを描く電池の温度分布曲線を、よりフラットに近づけることができ、一層ΔTの低減をはかることができる利点もある。
請求項4の発明によれば、電池モジュールを収納している収納ケースに、冷却機構の動作によって発生する冷却風が出入りする流入口と排出口とを設け、流入口付近から離れたところに配置される電池を、流入口付近に配置される電池に比べて冷却特性の大きい電池としている。通常、流入口付近から離れたところに配置される電池は、流入口に比べて流量の少ない冷却風に冷却されるため過熱状態になりやすいが、流入口付近から離れたところに配置される電池を、流入口付近に配置される電池に比べて冷却特性の大きい電池としているので、過熱状態となる流入口付近から離れた電池の温度を相対的に引き下げることができ、収納ケース内の電池の温度ばらつきΔTを低減することができる。また、冷却特性の大きい電池とそれ以外の電池との境界線では、熱伝導による温度均一化効果が期待でき、緩やかなカーブを描く電池の温度分布曲線を、よりフラットに近づけることができ、一層ΔTの低減をはかることができる利点もある。さらに、この電池冷却方法は、冷却機構から離れた位置にある、冷却困難な加熱状態の電池を確実に冷却でき、ΔTを低減することができる効果がある。
請求項5の発明によれば、電池モジュールを収納している収納ケースに、冷却機構の動作によって発生する冷却風が出入りする流入口と排出口とを設け、流入口付近に配置される電池を、流入口付近以外に配置される電池に比べて発熱量の大きい電池とし、流入口付近から離れたところに配置される電池を、前記流入口付近に配置される電池に比べて冷却特性の大きい電池としているので、流入口付近にある過冷却状態の電池の温度を相対的に引き上げることができ、且つ、加熱状態となる流入口から最も離れた電池の温度を相対的に引き下げることができ、ΔTを最小にする効果が期待できる。
請求項6の発明によれば、流入口の開口面積と排出口の開口面積とを等しくしているので、流入口から流入する冷却風の流量を一定にすれば、冷却能力も等しくなる。よって、流入口や排出口の配置箇所や配置数が違う冷却構造でも、全流入口の開口面積と全排出口の開口面積と流入口から流入する冷却風の流量さえ等しくすれば、同等の冷却ができるため、電池の温度ばらつきΔTをより低減することができる効果がある。
請求項7の発明によれば、電源装置は、電池ブロックを多行多列に配置した構成からなり、電池をすべて直列に電気接続している。電池ブロックを多行多列で配置して構成しているので、この行と列の隙間に、電池を冷却する冷却風が流れる通路を設けるスペースができ、効率良く電池を冷却することができる。さらに、電池ブロックに何か問題があったときには、すべての電池ブロックを分解する必要がなく、問題の電池ブロックだけを分解するだけで良くなる。また、電池をすべて直列に電気接続しているので、電源装置は出力電圧を高くできる高出力バッテリとなり、車両への電力供給をおこなう電源とすることができる。
請求項8の発明によれば、上記の電源装置を備えた車両に利用できるので、車両本体の寿命を長くすることができ、さらに、コストダウンをはかることができる。
本発明の電源装置の電池モジュール収納ケースの外観斜視図である。 本発明の第1実施例の電源装置の収納ケース内部構造を示す上面図である。 図2の一部拡大模式図である。 本発明の電池モジュールの外観斜視図である。 図3の外観側面図である。 本発明の第2実施例の電源装置の収納ケース内部構造を示す上面図である。 本発明の第3実施例の電源装置の収納ケース内部構造を示す上面図である。 本発明の第4実施例の電源装置の収納ケース内部構造を示す上面図である。 本発明の第5実施例の電源装置の収納ケース内部構造を示す上面図である。 本発明の第6実施例の電源装置の収納ケース内部構造を示す上面図である。 ハイブリッドカーに電源装置を搭載する図である。 電気自動車に電源装置を搭載する図である。
以下、本発明の第1実施形態を図1乃至図5に基づいて詳細に説明する。本発明の電源装置38は、後述する車両に搭載され、車両を走行させるモータ34に電力を供給する電源に使用される。
まず、図1に示す外観斜視図は、車両に搭載される電源装置38に関し、後述する電池モジュール17(17A、17B、17C、17D)を収納している収納ケース10である。この収納ケース10は、コの字状の上ケース11、コの字状の下ケース12、両側の四角形の側面ケース13A、13Bからなる筺体構造であり、それらのケースは、アルミ等の金属材から形成されている。収納ケース10の下ケース12には、電池モジュール17が収納され、この下ケース12を上ケース11が覆被しており、収納ケース10内の電池モジュール17を外部からの衝撃や圧力から守っている。また、収納ケース10の一方の側面ケース13Aには、冷却機構の動作によって発生する冷却風を収納ケース10内に流入させる、後述する電池モジュール17に連通する流入口14を2つ、両端にそれぞれ設けている。この2つの流入口14に挟まれるようにしてその中央に、電池モジュール17に連通し、冷却風を収納ケース10外に排出させる排出口15を1つ設けている。一方、他方の側面ケース13Bにおいても、一方の側面ケース13Aと同様の流入口14と排出口15とを設けている。
冷却機構の動作により発生した冷却風は、流入口14より収納ケース10内に流入し、発熱する電池を冷却後、排出口15より排出する。この電源装置38では、全流入口14の開口面積と全排出口15の開口面積が等しく、流入口14と排出口15に送風される冷却風の流量も等しい。第1実施例では、電池を冷却する冷却機構として、強制送風冷却機構の空冷式を用い、流入口14から排出口15に向けて冷却風を強制送風している。ただし、冷却機構は空冷式に限らず、例えば、強制吸風冷却機構や水冷式、冷媒式等の冷却機構を用いることもできる。
次に、収納ケース10の上ケース11を取り外し、上から見たときの収納ケース10の内部構造上面図を図2に示し、図2における囲み部分Pの一部拡大模式図を図3に示す。収納ケース10内では、図2に示すように、4つの電池モジュール17A、17B、17C、17Dが2行2列で平行に配列し、この収納ケース10内で積層する合計72個の角型電池18をすべて直列に接続している。このため、電源装置38は出力電圧を高くできる高出力バッテリとなり、車両への電力供給をおこなう電源となっている。ただし、電池モジュール17は複数の角型電池18を並列に接続、或いは、直列と並列で接続することもできる。また、収納ケース10内の電池モジュール17の数は1つであっても良いし、いくつであっても良い。複数の角型電池18が直列に接続してなる電源装置38は、大電流で充放電を繰り返すため、角型電池18は温度上昇し、発熱する。この角型電池18を発熱したままで放置すると、角型電池18の劣化が進行して性能が低下してしまうために、角型電池18を冷却する必要がある。このため、図2に示す電源装置38は、角型電池18を冷却するための冷却構造を備えている。以下に、第1実施例の冷却構造を説明する。
まず、収納ケース10内で積層された複数の角型電池18同士の隙間に、各々の冷却風通路16を設け、この冷却風通路16を冷却風が通過することにより、発熱する角型電池18が冷却される。次に、収納ケース10内に冷却風が流れる通路を3つ設け、まず1つの通路は、電池冷却後の冷却風が流れる排出通路15Aであり、この排出通路15Aは、排出口15に連通するとともに、積層する複数の角型電池18の両側面20に面し、電池モジュール17間に挟まれる位置に設けられている。残りの2つは、電池冷却前の冷却風が流れる流入通路14Aであり、この流入通路14Aは、流入口14に連通するとともに、積層する複数の角型電池18の片側面20に面し、電池モジュール17と収納ケース10との間の位置に設けられている。そして、排出通路15Aと流入通路14Aはそれぞれ平行となるように設けられており、流入通路14Aは、排出通路15Aから電池モジュール17を介した位置にあり、各々の冷却風通路16に通じている。
つまりは、収納ケース10内を流れる冷却風は、流入口14から入り、流入通路14Aを通過すると同時に各々の冷却風通路16へ流入し、冷却風通路16に面する角型電池18を効率良く冷却した後、各々の冷却風通路16から排出された冷却風が排出通路15Aを通過し、排出口15から収納ケース10外へ排出される。この収納ケース10内の冷却風が流れる経路を、図2及び図3にて矢印で示す。ただし、図示しないが、冷却風通路16、流入通路14A、排出通路15Aは、図2に示す横方向に設けることもできるし、縦方向に設けることもできる。さらに、流入口14や排出口15の配置箇所や配置数は、利用する電源装置38の構成に適応した配置箇所や配置数に変更することができる。
この収納ケースのうち、1つの電池モジュール17に関する外観図を図4、図5に示す。図4には、電池モジュールの外観斜視図を、図5には電池モジュール17の外観側面図を示す。図4の電池モジュール17では、角型電池18の向く方向を揃えて18個の角型電池18が直列に接続した構成をしている。この電池モジュール17は、正負の電極端子21,22を有する角型電池18と、セパレータ25を介して複数の角型電池18が積層した電池ブロック27と、この電池ブロック27の両端にそれぞれ配置したエンドプレート28と、この一対のエンドプレート28に連結され、電池ブロック27を拘束する連結具33を備えている。
この電池モジュール17に使用する電池は、扁平状の角形電池18であり、各面の端部を面取りしている。角型電池は、円筒の電池よりも、単位体積当たりのエネルギー密度を高くすることができるため、省スペース小型化が求められる車両において、好ましい。また、角型電池18は、複数の角型電池を積層するのに都合が良いように、側面を薄くした角型の外形をしている。さらに、この角型電池18は、リチウムイオン二次電池で、重量と容積に対する容量が大きく、車両を走行させるモータ34を駆動する電源に適している。ただし、角型電池18には、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池、燃料電池等を使用することもできる。
角型電池18は、上面19の両端から少し内側に電極端面を有し、この電極端面に正負の電極端子21、22を装着し、さらに、上面19の中央にはガス排出弁23を、負の電極端子22とガス排出弁23の中間に電解液の注入口24を設けた構造をしている。
正の電極端子21は、アルミニウム板をコの字形状に形成し、角型電池18の上面19から挟み込むように電極端面に装着している。
負の電極端子22は、銅板をL字形状に形成し、一方の折曲面を角型電池18の上面19に、他方の折曲面を角型電池の積層方向を向く一面側に位置するよう装着している。
複数の角型電池18は、セパレータ25を介して絶縁して積層され、電池ブロック27となる。図4、5で示すように、電池ブロック27は、積層する角型電池18の正負の電極端子21、22を、角型電池18の上面19において、点対称になる位置に設けて積層している。積層する角型電池18は、左右を反転、すなわち表裏を裏返し、正負の電極端子21、22を直接当接させて、複数の角型電池18を容易に直列接続するのを可能にしている。
セパレータ25は絶縁材からなり、隣接する角型電池同士を絶縁している。角型電池18との対向面26は、角型電池の一面及び他面とほぼ等しい大きさの外形をしているが、側面25A幅は角型電池18の側面幅20よりも薄くしている。セパレータ25は、隣接する角型電池18との対向面26の右端上部と左端上部にそれぞれ切欠部を設けてあり、隣接する角型電池18の正負の電極端子21、22が直列に接続するのを妨げないようにしている。ただし、セパレータ25は、対向面26に一つの切欠部だけを設けることもできる。セパレータ25は、角型電池18間に冷却風通路16を形成するスペーサとして機能している。そのため、セパレータ25には、冷却構造として、対向面26に凹凸加工がされた冷却風流路部26Aを複数設けている。この冷却風流路部26Aは、電池モジュール17において冷却風通路16となり、ここを冷却風が通過して発熱する角型電池18を効率良く冷却している。この冷却により、積層する角型電池の劣化が抑制でき、性能を安定させている。
積層した電池ブロック27の拘束は、電池ブロック27の両端にそれぞれ設けたエンドプレート28に連結具33を両側面から連結し、連結ネジ32で角型電池18の積層方向を強く締結して行う。エンドプレート28は樹脂材、或いはアルミ材からできており、角型電池18の形状より少し大きい。エンドプレート28で、電池と隣接しない非接触面30には、非接触面30の四隅に連結具33を連結する凹み部30Aがあり、その凹み部30Aの中心には、ネジ穴を設けている。さらに、エンドプレート28はセパレータ25と同様に、角型電池18間に冷却風通路16を形成するスペーサとしても機能している。冷却構造として、角型電池18と隣接する接触面29に凹凸加工がされた冷却風流路部29Aを複数設け、この冷却風流路部29Aは、電池モジュール17において冷却風通路16となり、ここを冷却風が通過して発熱する角型電池18を効率良く冷却している。この冷却により、積層する角型電池18の劣化が抑制でき、性能を安定させている。
連結具33は、細長い板状の金属材からなり、両端には直角に折曲加工された折曲部33Aを形成している。また、折曲部33Aには、ネジ穴が設けられている。電池ブロック27とエンドプレート28を接続し、積層する角型電池18の両側面20の上下に、それぞれ連結具33が平行に位置するように配置し、連結具33の折曲部と33A、エンドプレート28の凹み部30Aを連結した連結部34のネジ穴に、連結ネジ32をねじ込み、螺着して拘束する。ただし、電池ブロック27を拘束する連結具33は、配置箇所や連結具の数を変更することもできる。
さらにまた、連結具33により強く拘束できる電池モジュール17では、当接する正負の電極端子21、22の折曲面間に、電圧検出リード線を挟み込むこともできる。
本発明の第1実施例では、冷却風は流入口14から入り、電池モジュール17の流入通路14Aを通過して各々の冷却風通路16へ流入するが、流入する冷却風の流量は、流入口14に近い程多く、流入口14から離れる程少なくなる。そのため、流入口14付近に配置された角型電池18は、冷却されやすいため過冷却状態となり、流入口14から離れたところ配置された角型電池18は、冷却されにくいため加熱状態となるため、収納ケース10内の角型電池18に温度ばらつきΔTが生じる。ΔTは、収納ケース10内の角型電池18の一番温度の高い角型電池18から一番温度の低い角型電池18を引いた電池の温度差である。このように、冷却にばらつきが発生すると、複数の電池の性能にもばらつきが発生し、このばらつきは使用によってさらに大きくなり、電源装置の充放電できる容量が減少するとともに、過放電や過充電され易い状態となって、電池の劣化がさらに促進し、電源装置全体の寿命を短くする原因となる。
温度ばらつきΔTが大きいということは、ある特定の電池だけが著しく劣化してしまうことを示している。このことから、車両用の電源装置において、特定の電池の劣化は電源装置全体の問題であり、全体の性能を低下させている。特定の電池が使えない状態になると、複数の電池で直列に接続されている電源装置は、使用できなくなる。上記の理由から、車両用の電源装置は、電池の温度を設定温度よりも低くすることも重要であるが、各電池の温度制御を行い、積層する複数の電池を均一に冷却して、各電池間の温度差ΔTをいかに最小化できるかがさらに重要となる。
そこで、本発明の第1実施例では、過冷却状態となる流入口14付近の角型電池18の温度を上昇させるために、発熱量の異なる電池18A、18Bを積層した構成の電池モジュール17A(電池ブロック27A)、17B(電池ブロック27B)、17C(電池ブロック27C)、17D(電池ブロック27D)とし、流入口14付近には発熱量の大きい電池18Aを配置し、流入口14付近以外には、流入口14付近の電池に比べて発熱量の小さい電池18Bを配置している。具体的には、図2に示す電池モジュール17Aで積層する角型電池18のうち、流入口14に最も近い3個の連続した角型電池18A(斜線の電池)を、流入口14付近以外に配置した角型電池18Bよりも発熱量の大きい電池としている。電池モジュール17B、17C、17Dにおいても、電池モジュール17Aと同様に電池を配置するので、電源装置38は、12個の発熱量の大きい電池18Aと、この電池18Aに比べ発熱量の小さい電池18Bの60個の角型電池18が直列に電気接続している。
上記の電池配置により、過冷却状態となる流入口14付近の電池の温度を相対的に引き上げることができるので、収納ケース10内の電池の温度ばらつきΔTを低減(従来と比べて20〜30%低減)することができる。また、発熱量の大きい電池18Aとそれ以外の電池18Bとの境界線では、熱伝導による温度均一化効果が期待でき、緩やかなカーブを描く電池の温度分布曲線を、よりフラットに近づけることができ、一層ΔTの低減をはかることができる利点もある。ただし、変更する電池の配置箇所や配置数は、冷却機構と電池の位置関係や冷却能力の分布等に基づいて決めるので、予め電池の温度分布を調べて、過冷却状態になる電池を予め特定しておき、温度分布がその逆分布となるように、この特定した電池を発熱量の大きい電池に変更して、温度ばらつきΔTが最小となるように調整することもできる。
異なる発熱量の電池を製造する方法としては、角型電池内に異物を混入させ、内部抵抗を変化させる方法を用いる。この方法では、異物の大きさの大小により内部抵抗が変化するので、要求する発熱量の電池を簡単に製造することができる。また、従来の電池を改良することを考えると、発熱量の大きい電池の製造は、従来の電池の内部に異物を混入させるだけでよいので、発熱量の小さい電池を製造するよりも容易に製造できる。ただし、異なる発熱量の電池を製造する方法は前述の方法に特定せず、他にも様々な方法で製造できる。
また、図示しないが、発熱量を小さくする電池を製造した場合には、電池モジュールの流入口から最も離れたところに、発熱量の小さい電池を配置し、それ以外に、流入口付近よりも発熱量の大きい電池を配置して、電源装置内の温度ばらつきΔTを低減することもできる。さらにまた、図示しないが、発熱量の大きい電池を流入口付近に配置し、発熱量の小さい電池を流入口から最も離れたところに配置し、それ以外のところには、2つの電池とは異なる発熱量の電池を配置して、電源装置内の温度ばらつきΔTを低減することもできる。さらにまた、電池を連続して隣接させて配置するのではなく、冷却要求に応じて電池を離間して配置し、電池の熱伝導を利用して、隣接する電池を間接的に冷却及び加熱し、電源装置内の温度ばらつきΔTを低減することも期待できる。このように、発熱量の異なる電池の組み合わせや配置は、多数考えられる。
第1実施例では、電池以外は従来の構造を維持することができ、従来に使用していた材料や生産設備、技術等を有効活用することができ、コストの増加がほとんどない。また、従来技術のように、冷却構造として、機器ボックスの壁面に冷却風変更部材や凹部を設ける加工が必要なく、従来に比べ、材料費や加工費の大幅なコストダウンと、工程数の減少から時間の短縮をはかることができ、生産性が良くなる。さらに、従来技術のように、駆動式のモータが壊れて使えなくなり、冷却機能が働かなくなるといった危険性もない。さらにまた、変更部材により冷却風の流れを変更した従来技術では、吸入通路の上流から下流に流れるにつれて、冷却風の流れが緩やかになってしまい、電池を均一に冷却する効果が薄くなってしまうといった問題や、吸気通路や排出通路の長い冷却機構を備えた電源装置には不向きな冷却方法であるといった問題があったが、本発明の第1実施例では、変更する電池の箇所を特定しないので、過冷却が生じている箇所をピンポイントで加熱することができるという大きな利点がある。よって、電池の温度分布が予めわかれば、その温度分布に基づいて必要な電池を配置すれば良いので、冷却機構の能力や配置、電池の積層数や積層構造、使用環境下等に応じて適応できる。
また、収納ケースの両側面に流入口と排出口をそれぞれ設けることにより、低い冷却能力で電源装置全体が冷却できるため、冷却機構は熱容量の小さい冷媒ガスや冷媒流体を用いれば良い。熱容量の小さい冷媒ガスや冷媒流体を用いる冷却機構程、電源装置内の温度ばらつきΔTは小さくなるので、電源装置内全体をより均一な温度にできる。
また、電源装置となる4つの電池モジュールはすべて、発熱量の異なる電池の組み合わせを同じくして積層した構成の電池モジュールとしている。よって、この電池モジュールは、同じ製造ラインで効率良く生産でき、且つ、電池モジュールを接続して電源装置にする組み立ても容易にできる。さらに、この電源装置は、電池モジュールの配置や冷却構造の位置がすべて左右対称な構造をしているため、他の接続部品と接続する際に、方向を気にせずに接続できる。
次に、本発明の第2実施形態を図6に基づいて以下に説明する。尚、第1実施形態と同一部品については、同一番号を付して説明を省略する。この第2実施例における収納ケース10の内部構造上面図を図6に示す。
図6に示す第2実施例は、第1実施例の図2において、電源装置38の収納ケース10に設けた排出口15と流入口14との配置を反対にした電源装置38で、全流入口14の開口面積と全排出口15の開口面積を、第1実施例の電源装置と等しくしている。全流入口と全排出口の面積が等しければ、収納ケース内を流れる冷却風の流量が等しくなるため、電池を冷却する冷却能力も等しくなる。このため、全流入口の開口面積と全排出口の開口面積さえ等しくすれば、その配置箇所や配置数は変更が可能となるので、電池モジュールの構成や電池モジュールの電気接続構造に最適な冷却構造ができる。このことから、図6の電源装置は、第1実施例の電源装置と同じ効果が期待でき、収納ケース内の温度ばらつきΔTを同等に低減することができる。
次に、本発明の第3実施形態を図7に基づいて以下に説明する。尚、第1実施形態と同一部品については、同一番号を付して説明を省略する。この第3実施例における収納ケース10の内部構造上面図を図7に示す。
第3実施例では、収納ケース10の一方の側面ケース13Aにのみ、流入口14と排出口15を設け(第1実施例と同じ位置)、他方の側面ケース13Bには冷却構造を何も設けない電源装置38としている。第3実施例では、流入口14から最も離れた位置にある電池までの距離が、第1実施例と比べて約2倍離れており、第1実施例の流入口14から最も離れた位置にある電池を冷却する冷却風の流量が少量となるため、そこに配置される電池はより加熱状態となる。
この加熱状態の電池を冷却するために、冷却機構から送る冷却風を強くして冷却能力を上げることが考えられるが、そうすれば、流入口付近の電池がより過冷却状態となってしまい、更に温度ばらつきΔTが大きくなるため問題である。
この問題を解決するために、第3実施例では、流入口14付近に配置する発熱量の大きい電池18Aの配置数を、第1実施例のときよりも増加させている。具体的には、電池モジュール17E(電池ブロック27E)の流入口14付近に、発熱量の大きい電池18Aを連続して6個配置し(斜線の電池)、それ以外のところに、流入口14付近の電池18Aと比べて発熱量の小さい電池18Bを配置している。電池モジュール17H(電池ブロック27H)においても、電池モジュール17Eと同様に電池を配置する。そうすることにより、流入口から最も離れた位置にある電池までの距離が離れても、収納ケース内の温度ばらつきΔTが低減でき、温度を均一化する効果が期待できる。また、電池モジュール17F(電池ブロック27F)と17G(電池ブロック27G)は、電池モジュール17E、17Hの流入口14付近の電池と比べて発熱量の小さい電池18B、即ち、一種類だけを積層して構成されているので、簡単に製造することができ、生産性が良い。さらにまた、収納ケース10の他方の側面ケース13Bに冷却構造を設けないことにより、収納ケースの他方の側面ケース13Bがフラットな構造となり、省スペース化がはかれ、車両等に搭載するのに好適な形態となる。さらにまた、この構造で使用する冷却機構は、実施例1で2つ使用するのに対して、1つだけで良いという利点があり、冷却機構の設置スペースを設けなくて良いので、省スペース化に貢献する。
次に、本発明の第4実施形態を図8に基づいて以下に説明する。尚、第1実施形態と同一部品については、同一番号を付して説明を省略する。この第4実施例における収納ケース10の内部構造上面図を図8に示す。
第4実施例では、第3実施例で収納ケース10の一方の側面ケース13Aに設けた排出口15をなくし、他方の側面ケース13Bの中央(第1実施例と同じ位置)に、排出口15を設けている。角型電池18A、18Bの配置箇所は、第3実施例と同様の配置とする。第4実施例では、第3実施例の効果に加え、以下の効果が期待できる。
排出通路において、各々の冷却風通路から排出通路にかけて流れる冷却風は、流入口に近い程冷たく、流入口から遠ざかる程暖かい。実施例3のように流入口と同じ側面に排出口を設けると、冷たい冷却風は短時間で収納ケース外へ排出され、暖かい冷却風は長時間かけて収納ケース外へ排出されるため、冷却効率が悪い。そこで、実施例4のように、流入口とは違う他方の側面に排出口を設けることにより、冷たい冷却風は長時間かけて収納ケース外へ排出され、暖かい冷却風は短時間で収納ケース外へ排出されるようになり、実施例3に比べて冷却効率が良くなるといった利点がある。
次に、本発明の第5実施形態を図9に基づいて以下に説明する。尚、第1実施形態と同一部品については、同一番号を付して説明を省略する。
第5実施例の冷却構造は、電池の配置以外は第1実施例と同じ冷却構造を設けており、収納ケース10の内部構造上面図を図9に示す。第1実施例でも述べたが、冷却風は流入口から入り、電池モジュールの流入通路を通過して各々の冷却風通路へ流入するが、流入する冷却風の流量は、流入口に近い程多く、流入口から離れる程少なくなる。そのため、流入口付近に配置された角型電池は、冷却されやすいため過冷却状態となり、流入口から離れたところ配置された角型電池は、冷却されにくいため加熱状態となるため、収納ケース内の電池に温度ばらつきΔTが生じる。
そこで、本発明の第5実施例では、加熱状態となる流入口14から最も離れた位置にある角型電池18の温度を減少させるために、冷却特性の異なる電池18C、18Dを積層した構成の電池モジュール、とし、流入口14から最も離れた位置には冷却特性の大きい電池18Cを配置し、この電池に比べて冷却特性の小さい電池18Dを、それ以外に配置している。冷却特性の大きい電池というのは、冷却されやすい電池で、冷却特性の小さい電池というのは、冷却されにくい電池である。具体的には、図9に示す電池モジュール17I(電池ブロック27I)で積層する電池のうち、流入口14から最も離れた3個の連続した角型電池18C(斜線の電池)を、流入口14から最も離れたところ以外に配置した角型電池18Dよりも冷却特性の大きい電池としている。電池モジュール17J(電池ブロック27J)、17K(電池ブロック27K)、17L(電池ブロック27L)においても、電池モジュール17Iと同様に電池を配置するので、電源装置38は、12個の冷却特性の大きい電池18Cと、この電池18Cに比べ冷却特性の小さい電池18Dの60個の角型電池18が直列に電気接続している。
上記の電池配置により、加熱状態となる流入口14から最も離れた角型電池18の温度を相対的に引き下げることができるので、収納ケース内の電池の温度ばらつきΔTを低減(従来と比べて20〜30%低減)することができる。また、冷却特性の大きい電池18Cとそれ以外の電池18Dとの境界線では、熱伝導による温度均一化効果が期待でき、緩やかなカーブを描く電池の温度分布曲線を、よりフラットに近づけることができ、一層ΔTの低減をはかることができる利点もある。ただし、変更する電池の数や位置は、冷却機構と電池の位置関係や冷却能力の分布等に基づいて決めるので、予め電池の温度分布を調べて、加熱状態になる電池を予め特定しておき、温度分布がよりフラットになるように、この特定した電池を冷却特性の大きい電池に変更して、温度ばらつきΔTが最小となるように調整することもできる。この方法は、冷却機構から離れた位置にある、冷却困難な加熱状態の電池を確実に冷却でき、ΔTを低減することができる。
冷却特性の異なる電池の製造方法としては、角型電池の積層方向の電池の厚さを変更し、冷却風と接触する表面積の大きさを変える方法があり、要求する冷却特性の電池を製造することができる。冷却特性の大きい電池を製造するには、電池の厚さを厚くすれば良いし、冷却特性の小さい電池を製造するには、電池の厚さを薄くすれば良いが、電池の厚さを薄くするのには限界があるので、冷却特性の大きい電池の方が容易に製造できる。ただし、冷却特性の異なる電池の製造方法は前述の方法に特定せず、他にも様々な方法で製造できる。
また、図示しないが、冷却特性の小さい電池を製造し、電池モジュールの流入口付近に配置し、それ以外に、流入口付近よりも冷却特性の大きい電池を配置して、電源装置内の温度ばらつきΔTを低減することもできる。さらにまた、図示しないが、冷却特性の小さい電池を流入口付近に配置し、冷却特性の大きい電池を流入口から最も離れたところに配置し、それ以外のところには、2つの電池とは異なる冷却特性の電池を配置して、電源装置内の温度ばらつきΔTを低減することもできる。さらにまた、電池を連続して隣接させて配置するのではなく、冷却要求に応じて電池を離間して配置し、電池の熱伝導を利用して、隣接する電池を間接的に冷却及び加熱し、収納ケース内の電池の温度ばらつきΔTを低減することも期待できる。このように、発熱量の異なる電池の組み合わせは、多数考えられる。
次に、本発明の第6実施形態を図10に基づいて以下に説明する。尚、第1実施形態と同一部品については、同一番号を付して説明を省略する。第6実施例における収納ケース10の内部構造上面図を図10に示す。
第6実施例は、第1実施例と第5実施例とを組み合わせて積層した電源装置である。第1実施例と同様に、過冷却状態となる流入口14付近の角型電池の温度を上昇させるために、流入口14付近には発熱量の大きい電池18Aを配置し、且つ、第5実施例と同様に、加熱状態となる流入口14から最も離れた位置にある角型電池18の温度を減少させるために、流入口14から最も離れた位置には冷却特性の大きい電池18Cを配置している。具体的には、図10に示す電池モジュール17M(電池ブロック27M)で積層する電池のうち、流入口14に最も近い3個の連続した電池18A(斜線の電池)を、流入口14付近以外に配置した電池18E、18Cよりも発熱量の大きい電池とし、流入口14から最も離れた3個の連続した電池18C(斜線の電池)を、流入口14から最も離れたところ以外に配置した電池18A、18Eよりも冷却特性の大きい電池としている。また、その間に挟まれた電池18Eは、流入口14付近に配置した電池18Aよりも発熱量の小さい電池、或いは、流入口14から最も離れたところに配置した電池18Cよりも冷却特性の小さい電池としている。電池モジュール17N(電池ブロック27N)、17P(電池ブロック27P)、17R(電池ブロック27R)においても、電池モジュール17Mと同様に電池を配置している。
上記の電池配置により、過冷却状態となる流入口14付近の電池の温度を相対的に引き上げることができ、加熱状態となる流入口14から最も離れた電池の温度を相対的に引き下げることができるので、収納ケース内10の電池の温度ばらつきΔTを低減(従来と比べて20〜30%低減)することができる。さらに、発熱量の大きい電池18Aとそれ以外の電池18E、冷却特性の大きい電池18Cとそれ以外の電池18Eとの境界線では、熱伝導による温度均一化効果が期待でき、緩やかなカーブを描く電池の温度分布曲線を、よりフラットに近づけることができ、一層ΔTの低減をはかることができる利点もある。ただし、変更する電池の配置箇所や配置数は、冷却機構と電池の位置関係や冷却能力の分布等に基づいて決めるので、予め電池の温度分布を調べて、過冷却状態になる電池を予め特定しておき、温度分布がその逆分布となるように、この特定した電池を発熱量の大きい電池に変更して、温度ばらつきΔTが最小となるように調整することもできる
前述で、第1実施例では、発熱量の大きい電池を容易に製造できる利点があり、第5実施例では、冷却特性の大きい電池を容易に製造できる利点があると述べた。この発熱量の異なる電池と冷却特性の異なる電池とを組み合わせて積層した電源装置は、より簡単に、より低コストで、収納ケース内の電池の温度均一化に必要な電池を製造することができ、ΔTを最小にする効果が期待できる。このように、電池の製造方法は無限に考えられるので、収納ケース内の構造によって電池の製造方法や組み合わせ、配置を考慮し、一番効果的にΔTを最小にでき、且つ、低コストで生産性の良い電源装置とすることができる。
図11に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカー(車両HV)に前述した電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両HVは、車両HVを走行させるエンジン37及び走行用のモータ34と、モータ34に電力を供給する電池モジュール17を備えた電源装置38と、電源装置38の電池を充電する発電機35とを備えている。電源装置38は、DC/ACインバータ36を介してモータ34と発電機35に接続している。車両HVは、電源装置38の電池モジュール17を充放電しながらモータ34とエンジン37の両方で走行する。モータ34は、エンジン効率の悪い領域、たとえば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ34は、電源装置38から電力が供給されて駆動する。発電機35は、エンジン37で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置38の電池を充電する。
また図12に、モータのみで走行する電気自動車(車両EV)に前述した電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電池モジュール17を搭載した車両EVは、車両EVを走行させる走行用のモータ34と、このモータ34に電力を供給する電源装置38と、この電源装置38の電池を充電する発電機35とを備えている。モータ34は、電源装置38から電力が供給されて駆動する。発電機35は、車両EVを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置38の電池を充電する。
本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両用電源装置として好適に利用できる電源装置である。また車載用以外の電池冷却機構としても、好適に利用できる。
10…収納ケース
11…上ケース
12…下ケース
13…側面ケース
13A…一方の側面ケース
13B…他方の側面ケース
14…流入口
14A…流入通路
15…排出口
15A…排出通路
16…冷却風通路
17…電池モジュール
17A…電池モジュール
17B…電池モジュール
17C…電池モジュール
17D…電池モジュール
17E…電池モジュール
17F…電池モジュール
17G…電池モジュール
17H…電池モジュール
17I…電池モジュール
17J…電池モジュール
17K…電池モジュール
17L…電池モジュール
17M…電池モジュール
17N…電池モジュール
17P…電池モジュール
17R…電池モジュール
18…角型電池
18A…発熱量の大きい電池
18B…発熱量の小さい電池
18C…冷却特性の大きい電池
18D…冷却特性の小さい電池
18E…18B或いは18Dの電池
19…上面
20…側面
21…正の電極端子
22…負の電極端子
23…ガス排出口
24…注入口
25…セパレータ
25A…側面
26…対抗面
26A…冷却風流路部
27…電池ブロック
17A…電池ブロック
17B…電池ブロック
17C…電池ブロック
17D…電池ブロック
17E…電池ブロック
17F…電池ブロック
17G…電池ブロック
17H…電池ブロック
17I…電池ブロック
17J…電池ブロック
17K…電池ブロック
17L…電池ブロック
17M…電池ブロック
17N…電池ブロック
17P…電池ブロック
17R…電池ブロック
28…エンドプレート
29…接触面
29A…冷却風流路部
30…非接触面
30A…凹み部
31…側面
32…連結ネジ
33…連結具
33A…折曲部
34…連結部
34…モータ
35…発電機
36…DC/ACインバータ
37…エンジン
38…電源装置

Claims (8)

  1. 正負の電極端子を有する複数の電池と、この複数の電池を積層して電気接続した電池モジュールと、前記電池を冷却する冷却機構とを備えた電源装置であって、
    前記電池モジュールは、発熱量もしくは冷却特性の異なる複数の前記電池を組み合わせて積層していることを特徴とする電源装置。
  2. 正負の電極端子を有する複数の電池と、この複数の電池を積層して電気接続した電池モジュールと、前記電池を冷却する冷却機構とを備えた電源装置であって、
    前記電池モジュールは、発熱量及び冷却特性の異なる複数の前記電池を組み合わせて積層していることを特徴とする電源装置。
  3. 前記電池モジュールを収納している収納ケースに、前記冷却機構の動作によって発生する冷却風が出入りする流入口と排出口とを設け、前記流入口付近に配置される前記電池を、前記流入口付近以外に配置される電池に比べて発熱量の大きい電池としたことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  4. 前記電池モジュールを収納している収納ケースに、前記冷却機構の動作によって発生する冷却風が出入りする流入口と排出口とを設け、前記流入口付近から離れたところに配置される前記電池を、前記流入口付近に配置される電池に比べて冷却特性の大きい電池としたことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  5. 前記電池モジュールを収納している収納ケースに、前記冷却機構の動作によって発生する冷却風が出入りする流入口と排出口とを設け、前記流入口付近に配置される前記電池を、前記流入口付近以外に配置される電池に比べて発熱量の大きい電池とし、前記流入口付近から離れたところに配置される前記電池を、前記流入口付近に配置される電池に比べて冷却特性の大きい電池としたことを特徴とする請求項2記載の電源装置。
  6. 前記流入口の開口面積と前記排出口の開口面積とを等しくしたことを特徴とする請求項3乃至5に記載の電源装置。
  7. 前記電池ブロックを多行多列に配置した構成からなり、正負の前記電池をすべて直列に電気接続することを特徴とする請求項1乃至6記載の電源装置。
  8. 請求項1から7に記載の電源装置を備える車両。
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