JP2011096478A - 電源装置及びこれを備える車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構造であらゆる構成の電源装置に使用でき、且つ、電源装置内の電池の温度ばらつきΔＴを小さくして、寿命を長くでき、性能を十分引き出すことのできる電源装置を提供することである。
【解決手段】複数の電池２０を積層してなる電池モジュール３と、電池２０を冷却する冷却機構とを備えた電源装置であって、電池２０から放出される熱を断熱する断熱部材７０電池モジュール表面の一部に配設して、電源装置内の電池の温度ばらつきΔＴを小さくする。
【選択図】図５

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ト自動車、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電源装置を構成する電池の温度均一化に関する。
車両用の電源装置は、大電流での充放電を繰り返すため、複数の電池が積層した構造をしており、車両の走行により電池は発熱して温度上昇する。この電池を発熱したままで放置すると、電池が劣化して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、電源装置内に冷却構造を設け、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が、各々の電池を均一に冷却することが難しい。なぜなら、冷却風の流入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、流入口付近と比べて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るために、各電池間に温度差が生じてしまうからである。このため、電池の個数が増加する程、電池の冷却がさらに難しくなり温度差は拡大する。また、冷却能力を上げるために、冷却機構に熱容量の大きい冷媒ガスや冷媒流体を用いる程、この温度差は拡大する。
冷却のばらつきは冷却不十分な電池の劣化を進行させるために、特定の電池の寿命を短くしてしまう。さらに、このばらつきは使用度によってさらに大きくなるので、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。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。
また、電池の温度が高くなると、送風ファンの供給電力を大きくして冷却気体の風量を増加させる。
これら冷却風の流れ方向や流量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に記載された電源装置では、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、変更部材を配置する上流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、この電池冷却構造は、電池を多数接続した構造には適さない。これを解決するために多数の変更部材を配置すれば、各変更部材による圧力損失が大きくなることに加え、変更部材の配置や形状等の最適設計が極めて難しくなるので問題である。
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出力低下するため、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。
さらに、冷却機構では、電池の冷却要求に合わせて風量を変化させているので、変更部材による渦流領域の位置や状態が変化してしまうという欠点がある。
本発明は、簡単な構造であらゆる構成の電源装置に使用でき、且つ、電源装置内の温度ばらつきΔＴを小さくして、寿命を長くし、性能を十分引き出すことの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、複数の電池を積層してなる電池モジュールと、電池を冷却する冷却機構とを備えた電源装置であって、電池から放出される熱を断熱する断熱部材を電池モジュール表面の一部に配設している。
本願請求項２の発明によれば、断熱部材は、電池に接触させて配設している。
本願請求項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は、冷却機構の動作によって発生する冷媒が出入りする流入口と排出口とを有しており、流入口の近くに位置する電池に断熱部材を配設している。
本願請求項４の発明によれば、電池の間に配置されるセパレータと、電池モジュールの両端に配置されるエンドプレートとを設け、セパレータ及びエンドプレートは、流入口から流入した冷媒が通る冷却通路を有しており、断熱部材は、冷却通路の一部を塞いでいる。
本願請求項５の発明によれば、断熱部材を複数の電池に跨るように配設し、流入口から離れるにつれて、電池と断熱部材との接触面積を小さく或いは均一としている。
本願請求項６の発明によれば、エンドプレートと電池モジュールとを狭着して固定するための連結具とを設け、断熱部材をエンドプレートもしくは連結具に固定している。
本願請求項７の発明によれば、エンドプレートと電池モジュールとを狭着して固定するための連結具とを設け、断熱部材をエンドプレート及び連結具に固定している。
本願請求項８の発明によれば、断熱部材とエンドプレートもしくは連結具との固定は、嵌合構造で固定している。
本願請求項９の発明によれば、断熱部材とエンドプレート及び連結具との固定は、嵌合構造で固定している。
本願請求項１０の発明によれば、請求項１から９を備える車両としている。
請求項１の発明によれば、断熱部材を電池モジュール表面の一部に配設しているので、例えば、冷却機構により電池温度が相対的に低くなる電池付近に断熱部材を配設することで、電池からの発熱が電池モジュール外に放出されるのを断熱し、電池温度を引き上げることができる。つまり、電池が発熱した熱により電池自体が保温される状態となるため、電源装置内の電池温度のばらつきを低減することができる。また、電池の発熱を電池の保温に有効活用しているため、電池を温めるためのコストが軽減できる。さらに、断熱部材の大きさや配置箇所、冷却機構の種類を特定しないので、どんな構成の電源装置にも簡単に配設することができる。
請求項２の発明によれば、断熱部材を電池に接触させて配設することで、電池と断熱部材との間に隙間がなくなり、熱の放出を最小にすることができるので、より一層上記の効果が期待できる。また、断熱部材を配設することで、電池が冷えすぎる箇所への冷却機構の働きを抑制できるので、電池が冷えすぎるのを防止することができる。
請求項３の発明によれば、冷媒の流入口付近に位置する電池に断熱部材を配設することで、通常、流出口付近と比べて温度が相対的に低くなる流入口付近の電池の温度を引き上げることができる。断熱部材が電池の発熱が電池モジュール外へ放出するのを防止し、電源装置内の電池温度のばらつきを小さくすることができる。また、流入口付近では複数の電池の温度が相対的に低い状態となるので、断熱部材を流入口付近にまとめて設けることができる利点がある。
請求項４の発明によれば、セパレータとエンドプレートの冷却通路の一部を断熱部材が塞ぐことで、電池の温度が相対的に低くなる各電池の断熱要求に応じた断熱をすることができ、電池の温度ばらつきを最小にして均一化することができる。また、断熱部材で冷却通路を塞ぐことにより、冷媒が冷却通路に流入するのを防止し、電池の温度が低くならないようにすることができる。さらに、断熱部材で冷却通路を塞ぐことにより、形状の異なるセパレータやエンドプレートを加工する必要がなく、部品の共通化をはかって、コストダウンや工程数が大幅に低減することができる。
請求項５の発明によれば、断熱部材を複数の電池に跨るように配設し、流入口から離れるにつれて、電池と断熱部材との接触面積を小さく或いは均一とすることで、断熱や冷却の度合いを変更することができる。接触面積を大きくすれば、エンドプレートやセパレータの冷却通路を多く塞ぐことができるので、流入口付近に位置する電池の断熱効果を更に高めることができる。一方で、接触面積を小さくすれば、流入口から離れたところに位置する電池のエンドプレートやセパレータの冷却通路を少ししか塞がないので、断熱の効果を低くして、より電池温度のばらつきを低減できる。また、断熱部材を複数の電池に跨るように配設することで、電池温度ばらつき低減に必要な断熱部材を同じ仕様の構造体で製造でき、且つ、取付け作業も簡単にできるという利点がある。
請求項６の発明によれば、断熱部材をエンドプレートもしくは連結具に固定しているので、断熱部材を固定するための新たな部品の追加を必要としない。また、連結具は積層する複数の電池と面しているので、断熱部材の配置場所や形状を限定することなく配設することができる。
請求項７の発明によれば、断熱部材をエンドプレート及び連結具に固定することで、請求項６と同様の効果が期待できる。また、断熱部材の固定箇所が増え、より強固に安定して断熱部材を固定することができる。
請求項８の発明によれば、断熱部材とエンドプレートもしくは連結具との固定を、嵌合構造で固定することで、断熱部材を電池モジュールに簡単に取付けることができ、ネジ止め構造等の固定よりも部品コストや工程数の低減をはかることができる。また、嵌合構造では、固定部分をフラットな形状とすることができるので、冷却風等が流入する際の圧力損失を低減できる。
請求項９の発明によれば、断熱部材とエンドプレート及び連結具との固定を、嵌合構造で固定することで、請求項８と同様の効果が期待できる。また、嵌合構造の箇所を多く設けることで、より強固に安定して断熱部材を固定することができる。
請求項１０の発明によれば、請求項１から９を備える車両とすることで、簡単な構成で、電池モジュール内の電池温度のばらつきΔＴを小さくすることができ、寿命を長くする電池モジュールを提供することができる。また、請求項１から９を備える車両は、設計変更に柔軟に対応できるので、機種変更を短いスパンで行う車両用において好適に使用することができる。
本発明の電源装置をＨＶに搭載する図である。 本発明の電源装置をＥＶに搭載する図である。 本発明の電源装置のバッテリーを収納する収納ケース外観斜視図である。 収納ケースに収納するバッテリーの内部構造上面図である。 １つの電池モジュールに断熱部材を固定した外観斜視図である。 １つのエンドプレートを拡大した外観斜視図である。 図６におけるＢ部の拡大図である。 電池モジュールに固定する断熱部材を拡大した外観斜視図である。 図５におけるＡ部の拡大図である。
以下、本発明の実施形態を図１乃至図９に基づいて詳細に説明する。
本発明の電源装置は、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、あるいは、モータのみで走行する電気自動車等に搭載され、電源として使用される。この電源装置を自動車に搭載する例を図１乃至図２に基づいて、詳細に説明する。
まず、図１に、エンジン８０とモータ８１の両方で走行するハイブリッドカー（車両ＨＶ）に電源装置１を搭載する例を示す。この図に示す電源装置１を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン８０及び走行用のモータ８１と、モータ８１に電力を供給するバッテリー２とを備えた電源装置１と、電源装置１の電池２０を充電する発電機８２とを備えている。電源装置１は、ＤＣ／ＡＣインバータ８３を介してモータ８１と発電機８２に接続している。車両ＨＶは、電源装置１のバッテリー２を充放電しながらモータ８１とエンジン８０の両方で走行する。モータ８１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８１は、電源装置１から電力が供給されて駆動する。発電機８２は、エンジン８０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１の電池１０を充電する。
次に、図２に、モータ８１のみで走行する電気自動車（車両ＥＶ）に電源装置１を搭載する例を示す。この図に示す電源装置１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８１と、このモータ８１に電力を供給する電源装置１と、この電源装置１の電池３を充電する発電機８２とを備えている。モータ８１は、電源装置１から電力が供給されて駆動する。発電機８２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１の電池２０を充電する。
以上の車両に搭載される本発明の電源装置１の実施形態を、以下、図３乃至図９に基づいて、詳細に説明する。
図３に示す外観斜視図は、車両等に搭載される電源装置１に関し、後述する電池モジュール３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）で構成されるバッテリー２を収納している収納ケース４である。この収納ケース４は、コの字状の上ケース５、コの字状の下ケース６、両側の四角形の側面ケース７、８からなる筺体構造であり、これらの収納ケース４は、アルミ等の金属材から形成されている。収納ケース４の下ケース６には、電池モジュール３が収納され、この下ケース６を上ケース５が覆被しており、収納ケース４内の電池モジュール３を外部からの衝撃や圧力から保護している。
また、図３で示すように、収納ケース４の一方の側面ケース７の中央に、後述する電池モジュール３(３ａ、３ｃ)に連通する流入口１０を１つ設け、この流入口１０から冷却機構（図示しない）の動作によって発生する冷却風（冷媒）を収納ケース３内に流入させている。
そして、この流入口１０を間に挟むようにして、一方の側面ケース７の両端には、後述する電池モジュール３(３a、３c)に連通する排出口１１をそれぞれ設け、この排出口１１から冷却風を収納ケース４外に排出させている。
一方で、他方の側面ケース８には、一方の側面ケース７と同様の位置に流入口１０と排出口１１とを設けている。さらに、収納ケース４の下ケース６には、側面ケース７、８の流入口１０と排出口１１に連通する位置に、側面ケース７、８と同様の流入口１０と排出口１１とを設けている。
流入口１０より収納ケース４内に流入した冷却風は、発熱する電池２０周囲を循環して電池を冷却した後、排出口１１より収納ケース４外へ排出される。この電源装置１では、１つの流入口１０の開口面積と、２つの排出口１１の開口面積をたした開口面積とが等しく、流入口１０と排出口１１に送風される冷却風の流量も等しい。第１実施形態では、電池１０を冷却する冷却機構として、強制送風冷却機構（送風機等）の空冷式を用い、流入口１０から排出口１１に向けて冷却風を強制送風している。
ただし、冷却機構は実施形態の空冷式に限定せず、例えば、強制吸風冷却機構や水冷式、冷媒式等のあらゆる冷却機構を用いることもできる。また、本発明の電源装置は、実施形態で備える流入口や排出口等の冷却構造に限定せず、あらゆる冷却構造を備える電源装置に対応することができる。
次に、収納ケース４の上ケース５を取り外し、収納ケース４を上方から見たときの下ケース６の内部構造上面図を図４に示す。
収納ケース４内では、図４に示すように、４つの電池モジュール３(３a、３b、３c、３d)のブロックに分かれて２行２列で平行に配列しており、この収納ケース４内で積層する合計７２個の角型電池２０をすべて直列接続している。こうして、電源装置１は出力電圧を高くできる高出力バッテリー２となり、車両への電力供給をおこなう電源となる。ただし、電池モジュールは複数の角型電池を並列に接続、或いは、直列と並列で接続することもできるし、1つの電池で構成しても良い。また、収納ケース内の電池モジュールの数は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２０が直列に接続してなる電源装置１は、大電流で充放電を繰り返すため、角型電池２０は発熱し温度上昇する。この角型電池２０を発熱したままで放置すると、角型電池２０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２０を冷却する必要がある。このため、図４に示す電源装置１は、角型電池２０を冷却するための冷却構造を備えている。以下に、本実施例の冷却構造を説明する。
まず、収納ケース４内で積層された複数の角型電池２０同士の隙間と、電池２０とエンドプレート５０間の隙間に各々の冷却風通路４２、５５を設け、この冷却風通路４２、５５を冷却風が通過することにより、発熱する角型電池２０が冷却される。次に、収納ケース４内に冷却風が流れる通路を３つ設け、まず１つの通路は、電池冷却前の冷却風が流れる流入通路１２であり、この流入通路１２は、流入口１０に連通するとともに、積層する複数の角型電池２０の側面２１に面し、電池モジュール３(３ａと３ｃ)(３ｂと３ｄ)間に挟まれる位置に設けられている。
残りの２つは、電池冷却後の冷却風が流れる排出通路１３であり、この排出通路１３は、排出口１１に連通するとともに、積層する複数の角型電池２０の片側面２１に面し、電池モジュール３と下ケース６との間の位置に設けられている。そして、排出通路１３と流入通路１２はそれぞれ平行となるように設けられており、排出通路１３は、流入通路１２から電池モジュール３を介した位置にあり、各々の冷却風通路４２、５５に通じている。
つまりは、収納ケース４内を流れる冷却風は、流入口１０から入り、流入通路１２を通過すると同時に各々の冷却風通路４２、５５へ流入し、冷却風通路４２、５５に面する角型電池２０を効率良く冷却した後、各々の冷却風通路４２、５５から排出された冷却風が排出通路１３を通過し、排出口１１から収納ケース４外へ排出される。この収納ケース４内の冷却風が流れる経路を、図４にて矢印で示す。ただし、図示しないが、冷却風通路、流入通路、排出通路や流入口、排出口の配置箇所や配置数は、利用する電源装置の構成に適応した配置箇所や配置数、形状等に変更することができる。
この収納ケース４のうち、１つの電池モジュール３ａに関する外観斜視図を図５に示す。図５の電池モジュール３ａでは、角型電池２０の向く方向を揃えて１８個の角型電池２０が直列に接続した構成をしている。この電池モジュール３ａは、正負の電極端子２３、２４を有する角型電池２０と、セパレータ４０を介して複数の角型電池２０が積層した電池ブロック３０（３０ａ）と、この電池ブロック３０（３０ａ）の両端にそれぞれ配置したエンドプレート５０と、この一対のエンドプレート５０に連結され、電池ブロック３０（３０ａ）を拘束する連結具６０と、１つのエンドプレート５０と２本の連結具６０とに固定する断熱部材７０とを備えている。
この電池モジュール３ａに使用する電池は、扁平状の角形電池２０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２０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２１幅を薄くした角型の外形をしている。さらに、この角型電池２０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８１を駆動する電源に適している。ただし、角型電池には、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２０は、上面２２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２３、２４を装着し、これら電極端子２３、２４はボルトの形状で、ナット２６をねじ込むためのボルト溝を設けている。さらに、角型電池２０の上面２２の中央にはガス排出弁２５を、負の電極端子２４とガス排出弁２５の中間に電解液の注入口(図示せず)を設けた構造をしている。
複数の角型電池２０の外装缶は金属製で、セパレータ４０を介して絶縁して積層され、電池ブロック３０ａとなる。電池ブロック３０ａでは、積層する角型電池２０の正負の電極端子２３、２４を、角型電池２０の上面２２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２０は、左右を反転、すなわち表裏を裏返し、隣接する正負の電極端子２３、２４同士をバスバー２７で接続させて、複数の角型電池２０を直列に電気接続している。バスバー２７は、隣接する正負の電極端子２３，２４を跨ぐように接触させて装着し、ナット２６を電極端子のボルト溝にねじ込んで固定している。隣接する正負の電極端子２３、２４は、バスバー２７を通じて通電している。
セパレータ４０はプラスチック等の絶縁材からなり、隣接する角型電池２０同士を絶縁している。角型電池２０との対向面４１は、対向する角型電池２０の面とほぼ等しい大きさの外形をしているが、側面幅は角型電池２０の側面２１幅よりも薄くしている。セパレータ４０は、角型電池２０間に冷却風通路４２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４０には、冷却構造として、対向面４１に凹凸加工がされた冷却風通路４２を３本設けている。ただし、冷却風通路４２は、３本に限らず、多くしても少なくしても良い。この冷却風通路４２を冷却風が通過して発熱する角型電池２０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。
また、セパレータ４０は、対抗面４１に垂直な姿勢の上面４４と底面４５とを設けた外形をしており、隣接する電池２０の位置ずれを防止する位置決めの役割も果たしている。ただし、電池の外装缶を絶縁材に変更し、セパレータを介さずに積層して電池モジュールとすることもできる。
積層した電池ブロック３０ａの拘束は、電池ブロック３０ａの両端にそれぞれ設けたエンドプレート５０に連結具６０を両側面から連結し、ボルト６２で角型電池２０の積層方向を強く締結して行う。
エンドプレート５０はアルミ等の金属材からできており、角型電池２０とほぼ同じ大きさの外形をしている。ただし、エンドプレートは樹脂材等に変更することもできる。エンドプレート５０で、電池２０と隣接しない非接触面５１には、非接触面５１の四隅に連結具６０を連結する凹み部５２があり、その凹み部５２の中心には、ネジ穴５３を設けている。非接触面５１に凹み部５２を設けることにより、非接触面５１に突出ができるのを防止し、連結具６０を連結してもエンドプレート５０の非接触面５１をフラットな構造のままにすることができる。
さらに、エンドプレート５０はセパレータ４０と同様に、角型電池２０間に冷却風通路５５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２０と隣接する接触面２６に凹凸加工がされた冷却風通路２７を３本設け、ここを冷却風が通過して発熱する角型電池２０を効率良く冷却している。ただし、冷却通路５５は、多くすることも少なくすることもできる。この冷却により、積層する角型電池２０の劣化が抑制でき、性能を安定させている。
連結具６０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６１を形成している。また、折曲部６１には、その中央にネジ穴が設けられている。連結具６０は、エンドプレート５０と接続した電池ブロック３０ａで積層する角型電池２０の両側面２１の上下に、それぞれ連結具６０が平行に位置するように配置し、連結具６０の折曲部６１とエンドプレート５０の凹み部５２を連結した連結部６３のネジ穴５３に、ボルト６２をねじ込んで螺着する方法で拘束する。非接触面５１では、連結具６０を連結する箇所に凹み部５２を設けているので、連結具６０が上下ずれすることを防止することができる。ただし、電池ブロックを拘束する連結具は、配置箇所や連結具の数、材質を変更することもできるし、連結方法を螺着以外に変更しても良い。
図４に示すように、冷却機構の動作によって発生した冷却風は流入口１０から入り、流入通路１２を通過して各々の冷却風通路４２、５５へ流入するが、流入する冷却風の流量は、流入口１０に近い程多く、流入口１０から離れる程少なくなる。そのため、本実施例の構造では、流入口１０付近に配置された角型電池２０が、冷却されやすく過冷却状態となり、流入口１０から離れたところに配置された角型電池２０は、冷却されにくく加熱状態となるため、収納ケース４内の角型電池２０に温度ばらつきΔＴが生じる。ΔＴは、収納ケース４内の角型電池２０の一番温度の高い角型電池２０から一番温度の低い角型電池２０を引いた、角形電池２０の温度差である。このように、電池モジュール内の電池の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、本発明の実施例では、図５で示すように、過冷却状態となる流入口１０付近の角型電池２０の温度を上昇させるために、電池モジュール３(３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ)表面の一部に断熱部材７０を固定している。断熱部材７０を電池モジュール３(３ａ、３ｃ）に固定する例を、図６乃至図９に基づいて、以下で詳細に説明する。
まず、図６に、断熱部材７０を固定するエンドプレート５０の拡大外観斜視図を示し、図７に、断熱部材７０をエンドプレート５０に固定した固定部７８(図６のＢ)の拡大図を示す。エンドプレート５０は、両側面５６に、断熱部材７０を固定するための受入部５７を２個ずつ設けており、この受入部５７は、凹み部５２より少し内側に位置している。受入部５７の形状は凹み形状で、エンドプレート側面５６から凹みの奥へいくに従って、末広がりとなる嵌合構造をしており、受入部５７に設ける凹みは、エンドプレート５０の非接触面５１に跨っている。このため、非接触面５１に対して垂直な方向からエンドプレート５０の受入部５７を見ると、三角形の頂点を切り落とした外形(図示せず)をしている。受入部５７を嵌合構造の形状にすることにより、断熱部材７０をエンドプレート５０に強固に固定し、衝撃等ではずれにくくすることができる。本実施例のエンドプレート５０は、左右対称の形状をしており、部品の共通化をはかることができる。ただし、断熱部材の固定は嵌合構造以外の方法で固定しても良いし、嵌合構造の設ける箇所や数、形状等は特に限定しない。
次に、図８に、エンドプレート５０に固定する断熱部材７０の拡大外観斜視図を示す。図８の断熱部材７０は、板状の形状をした長方形で、厚みを薄くしている。この断熱部材７０は、ＡＢＳ樹脂等の樹脂材で、金属等に比べて断熱効果が高く、且つ、他の部品とショートする恐れがなく安全に使用できる。また、樹脂材の断熱部材７０は、加工を容易にすることができる。ただし、用いるバッテリーの構成等により、断熱部材の材質を変更することもできる。
また、断熱部材７０を電池モジュール３に固定するときに、電池ブロック３０側を向く面を裏面７２、裏面７２と反対の面を表面７３としている。断熱部材７０の裏面７３のうち、エンドプレート５０の受入部５７に挿入する差込部７４をそれぞれ設けている。この差込部７４は、エンドプレート５０に設けた受入部５７に嵌合する位置に、受入部５７の凹みと嵌合する形状に差込部７４を突出させている。この差込部７４は、断熱部材７０の一部を加工して製造しているため、断熱部材７０と差込部７４が一体化した外形をしている。
さらに、断熱部材７０は、２本の連結具６０へひっかけて固定するためのＬ字状のつめ部７５を２個が形成されており、断熱部材７０が衝撃等によりばたついたりはずれたりするのを防止している。このつめ部７５は、断熱部材７０の後端にそれぞれ設けられ、差込部７４の反対側に位置している。つめ部７５は差込部７４と同様に、断熱部材７０の一部を加工して製造しているため、断熱部材７０と一体化した外形をしている。
さらにまた、断熱部材７０は、断熱部材７０の一部を切り取った切欠部７６を設けている。この切欠部７６の形状は、断熱部材７０と接触させる角型電池２０の冷却状態で決定する。角型電池２０の冷却が大きい箇所では、切欠部７６を小さくして接触面積を大きくし、角型電池２０の冷却が小さい箇所では、切欠部７６を大きくして接触面積を小さくしている。切欠部を設けることにより、電池の温度が相対的に低くなる各電池の断熱要求に応じた断熱をすることができ、電池の温度ばらつきを最小にして均一化することができる。また、断熱部材で切欠部を設けていないところでは、冷却通路を塞いで冷却風が流入しないようにできるため、形状のことなるセパレータやエンドプレートを加工する必要がなく、部品の共通化をはかって、コストダウンや工程数の大幅な低減が可能となる。さらに、切欠部の大きさを調整することによって、断熱や冷却の度合いを変更することができる。
そして、切欠部７６を設けることによって生じる断熱部材７０の強度の低下を防止するために、断熱部材７０には切欠部７９を繋ぐ支柱７７を設けている。この支柱７７によって、支柱７７両側には第１の切欠部７６ａと第２の切欠部７６ｂが形成される。支柱７７は、電池側面２１幅よりも横幅を小さくした細長い板状の外形としており、図９に示すように、支柱７７は、エンドプレート５０から６個目の角型電池２０の側面２１と接触している。
第１の切欠部７６ａは、エンドプレート５０と、エンドプレート５６に隣接する電池２０との境界線を頂点し、この頂点から５個目の電池２０の側面２１の中間点までを高さとする二等辺三角形の形状をしている。二等辺三角形の頂点は、丸い曲線を描いている。さらに、第１の切欠部７６ａは、二等辺三角形の底面を支柱７７まで平行移動して設けている。第２の切欠部７６ｂは、断熱部材７０の端部が円弧状になるように切り欠けしている。本実施例の断熱部材７０は、対称性のある外形をしているので、流入口１０から流入する冷却風が、断熱部材７０によって乱流や渦をまくことなく、スムーズに流入することができる。
断熱部材７０の取り付け方法を図９に基づき、以下に説明する。
図９は、断熱部材７０を電池モジュール３(３ａ、３ｃ)に固定している部分(図５のＡ)の拡大図である。電池モジュール３への断熱部材７０の取り付けは、まず、断熱部材７０の差込部７４をエンドプレート５０の非接触面２１側からエンドプレート５０の受入部５７に嵌合させて圧入し、さらに、断熱部材７０に設けた２個のつめ部７５を２本の連結具６０にそれぞれ引っ掛けて固定している。この時、断熱部材２０の一部は、上下の連結具６０と電池側面２１との間で挟持されている。従って、上下左右の振動、衝撃が強く加わっても、差込部７４、つめ部７５が外れることがなく、断熱部材７０を強固に固定できる。また、断熱部材７０をエンドプレート５０及び連結具６０に固定することにより、新たに部品を追加することなく取り付けることができる。また、固定方法を嵌合構造とすることで、簡単に取り付けることができ、部品コストや工程数を低減することができる。
断熱部材７０は、電池側面２１で上下平行に横架する２本の連結具６０にほぼ隣接して配置している。また、断熱部材７０の裏面７２は、エンドプレート５０と電池２０が積層する方向に沿う形で配設し、断熱部材７０の裏面７２をエンドプレート側面５６と電池側面２１とに接触させている。このため、断熱部材７０は、連結具６０よりも角型電池２０に接近している。断熱部材７０を電池側面２１と接触させて隙間なく配設することにより、角型電池２０から発熱した熱が電池モジュール３(３ａ、３ｃ)外へ放熱するのを断熱部材７０が遮断し、セパレータ４０やエンドプレート５０の冷却風通路４２、５５に熱がこもって角型電池２０が保温されるので、電池温度を引き上げることができる。これにより、電源装置内の電池温度のばらつきを低減することができる。また、電池の発熱を電池の保温に有効活用しているため、電池を温めるためのコストがかからない。さらに、冷却風の流入を遮断して冷却風通路４２、５５へ流入する冷却風の流入量を減少させることができるので、流入口１０付近の電池２０が過冷却状態になるのを防止することができる。ただし、断熱部材は電池と接触させずに固定することもできる。
角型電池２０の積層方向に対する断熱部材７０の長さは、電池モジュール３の約１／３（エンドプレート５０の側面５６幅と角型電池６個半の側面２１幅を合計した長さ）、としている。断熱部材２０を電池モジュール３に装着した状態において、断熱部材２０は、連結具６０よりも内側に位置しているので、断熱部材７０を装着しても流入通路１２の幅が狭まることがなく、流入通路１２での圧力損失低下を防止している。
本実施例の電源装置１において、角型電池２０が過冷却となるのは、流入口１０付近にある角型電池２０で、流入口１０から遠ざかるにつれて角型電池２０の温度は上昇する。そのため、断熱部材７０を流入口１０付近に配設し、流入口１０から離れるにつれて小さくなるような切欠部７６を設けている。この切欠部７６は、断熱部材７０と電池２０との接触面積を調整し、流入口１０付近にある角型電池２０と流入口１０から遠ざかる角型電池２０との温度ばらつきを低減している。
具体的には、エンドプレート５０と隣接する角型電池２０は、流量の多い冷たい冷却風に冷却されることと、冷えたアルミのエンドプレート５０に熱が奪われることが原因で著しく過冷却状態となるため、エンドプレート５０に隣接する角型電池２０に対しては、切欠部７６を少しだけ設けて断熱効果を高くした状態にしている。そして、流入口１０付近のエンドプレート５０から離れるにつれて温度上昇するので、それに合わせて切欠部７６の開口面積を少しずつ大きくしている。従って、エンドプレート５０から離れるにつれて角型電池２０の温度差は小さくなり、本実施例では、エンドプレート５０から５個目あたりの電池から、ほとんど温度差がなくなってくる。よって、断熱部材７０の切欠部７６の面積、つまり、断熱部材７０と角型電池２０との接触面積は、エンドプレート５０から５個目の電池２０より７個目の電池２０までの間でほとんど変化させていない。
また、エンドプレート５０はアルミで冷えやすいので、エンドプレート５０と接触する断熱部材７０には切欠部７６を設けず、流入口１０から流入する冷却風が当たらないようにしている。これは、冷却風によりエンドプレート５０が冷え、エンドプレート５０と隣接する電池２０の温度を低下させてしまうのを防止するためである。
本実施例において断熱部材７０は、電池側面２１の片側、つまり、電池モジュール３が流入通路１２と面する側のみに配設している(図４参照)。これは、断熱部材７０が角型電池２０の発熱を断熱する役割だけでなく、流入口１０から流入する冷却風の流量を減少させる役割も兼ね備えているためである。ただし、断熱部材を配設する箇所や枚数、形状や材質、固定箇所は本実施例のものに限定せず、あらゆる種類の断熱部材をあらゆる構成のバッテリーに用いることができる。また、その固定方法やどの部品へ固定するのかも本実施例のものに限定しない。例えば、断熱部材を電池モジュールの両側面に配設、断熱部材をエンドプレートや連結具以外に固定する方法、断熱部材の固定方法を螺着等他の固定方法に変更、断熱部材の形状の変更等は、特に限定しない。
本発明の実施例では、電池モジュール３(３ａ、３ｃ)の構成を示す図である図５及び図９に基づいて説明している。収納ケース内に収められている他の電池モジュール３(３ｂ、３ｄ)に関しては、断熱部材の配設箇所を変更すれば良い。まず、図５及び図９で電池モジュール３(３ａ、３ｃ)に固定している断熱部材７０の表面７３と裏面７２とをひっくり返し、断熱部材７０の差込部７３を、図５及び図９で断熱部材７０を固定していないエンドプレート５０の受入部５７へ圧入する。エンドプレート５０も断熱部材７０も対称性があるので、簡単に変更することができる。本発明では、断熱部材７０を固定するまでの電池モジュール３(３ａ，３ｂ、３ｃ、３ｄ)をすべて同じ構造とすることができるため、生産性が良く、量産に適している。以上から、本発明の構造は、設計変更が必要な場合には、柔軟に対応できる。
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。また、車載用以外の電源装置としても、好適に利用できる。
１…電源装置
２…バッテリー
３…電池モジュール
３ａ…第１の電池モジュール
３ｂ…第２の電池モジュール
３ｃ…第３の電池モジュール
３ｄ…第４の電池モジュール
４…収納ケース
５…上ケース
６…下ケース
７…一方の側面ケース
８…他方の側面ケース

１０…流入口
１１…排出口
１２…流入通路
１３…排出通路

２０…角型電池
２１…側面
２２…上面
２３…正の電極端子
２４…負の電極端子
２５…ガス排出弁
２６…ナット
２７…バスバー

３０…電池ブロック
３０ａ…第１の電池ブロック
３０ｂ…第２の電池ブロック ３０ｃ…第３の電池ブロック
３０ｄ…第４の電池ブロック

４０…セパレータ
４１…対向面
４２…冷却風通路
４４…上面
４５…底面

５０…エンドプレート
５１…非接触面
５２…凹み部
５３…ネジ穴
５４…接触面
５５…冷却風通路
５６…側面
５７…受入部

６０…連結具
６１…折曲部
６２…ボルト
６３…連結部

７０…断熱部材
７２…裏面
７３…表面
７４…差込部
７５…つめ部
７６…切欠部
７６ａ…第１の切欠部
７６ｂ…第２の切欠部
７７…支柱
７８…固定部

８０…エンジン
８１…モータ
８２…発電機
８３…ＤＣ／ＡＣインバータ

Claims (10)

  1. 複数の電池を積層してなる電池モジュールと、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、
    前記電池から放出される熱を断熱する断熱部材を前記電池モジュール表面の一部に配設することを特徴とする電源装置。
  2. 前記断熱部材は、前記電池に接触させて配設していることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
  3. 前記電池モジュールを収納している収納ケースは、前記冷却機構の動作によって発生する冷媒が出入りする流入口と排出口とを有しており、
    前記流入口の近くに位置する前記電池に前記断熱部材を配設していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電源装置。
  4. 前記電池の間に配置されるセパレータと、前記電池モジュールの両端に配置されるエンドプレートとを設け、前記セパレータ及び前記エンドプレートは、前記流入口から流入した冷媒が通る冷却通路を有しており、前記断熱部材は、前記冷却通路の一部を塞いでいることを特徴とする請求項３記載の電源装置。
  5. 前記断熱部材を複数の前記電池に跨るように配設し、前記流入口から離れるにつれて、前記電池と前記断熱部材との接触面積を小さく或いは均一とすることを特徴とする請求項３記載の電源装置。
  6. 前記エンドプレートと前記電池モジュールとを狭着して固定するための連結具とを設け、前記断熱部材を前記エンドプレートもしくは前記連結具に固定することを特徴とする請求項４記載の電源装置。
  7. 前記エンドプレートと前記電池モジュールとを狭着して固定するための連結具とを設け、前記断熱部材を前記エンドプレート及び前記連結具に固定することを特徴とする請求項４記載の電源装置。
  8. 前記断熱部材と前記エンドプレートもしくは前記連結具との固定は、嵌合構造で固定していることを特徴とする請求項６または請求項７記載の電源装置。
  9. 前記断熱部材と前記エンドプレート及び前記連結具との固定は、嵌合構造で固定していることを特徴とする請求項６または請求項７記載の電源装置。
  10. 請求項１から９に記載の電源装置を備える車両。
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