JP2012190760A

JP2012190760A - 電池モジュール

Info

Publication number: JP2012190760A
Application number: JP2011055662A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Aizawa; 真一会沢; Hisaya Yokomachi; 尚也横町
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2012-10-04
Also published as: WO2012124446A1

Abstract

【課題】装置を大型化せずに、熱電変換素子を単に密閉ケースの外面に取り付けた場合に比べて、密閉ケース内の気体全体の温度を短時間で目的の温度に調整して、密閉ケース内に収容された複数の電池の加温及び冷却を調整可能にする。
【解決手段】電池モジュール１０は密閉ケース１１内に複数の二次電池１２が収容されている。密閉ケース１１の外面を内方に窪ませることにより熱媒通路１５が形成され、通電の極性に応じて放熱と吸熱の相反する作用をする第１の面と、第２の面とを有する熱電変換素子１６の一方の面が熱媒通路１５を形成する密閉ケース１１の外面に取り付けられている。熱媒通路１５は溝で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールに係り、詳しくはケース内に収容された複数の電池の加温及び冷却を調整可能な電池モジュールに関する。

近年、二次電池の大電流充電・放電及び大容量化が要求されるようになり、ニッケル水素電池を始めとする高エネルギー密度二次電池の開発が活発に行われている。しかし、大電流での充・放電は電池内部の大きな発熱を伴い、また限られたスペースに多数の電池を収容することから電池温度が上昇し、電池性能の劣化を促進してしまうという問題がある。また、二次電池によっては環境温度が低いと機能しない状態になり、寒冷地では加熱が必要になる。

そのため、従来、蓄電池（二次電池）の昇温を十分に抑制することができ、加温（加熱）にも好適な蓄電池の温度調節装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の温度調節装置は、通電の極性に応じて放熱と吸熱の相反する作用をする第１の面と、第２の面とを持った熱電変換デバイス（熱電変換素子）を備え、第１の面を１つ又は複数の蓄電池と熱結合するとともに、第２の面をその面の熱作用を促進する熱作用促進媒体と熱結合した。

具体的には、底部に熱電変換デバイスの第１の面を上向きに取り付けられたケースに蓄電池が収容されている。そして、図６に示すように、熱電変換デバイス５１は、蓄電池５２の表面に接触した金属板５３に第１の面が接触する状態で、かつ熱作用促進媒体としての流体を循環させて使用するポンプ室５４内に設けられている。ポンプ５５は熱電変換デバイス５１の第２の面が露出したポンプ室５４に羽根５５ａが配置されている。羽根５５ａはポンプ室５４の背部に続く吸入口５５ｂの中心にある軸受部５５ｃに支軸５６によって回転できるように支持され、羽根部に磁石５５ｅが埋設され、吸入口５５ｂの外回りに配したステータ５７からの作用で回転駆動されるようになっている。吐出口５５ｄはポンプ室５４の外周部に接線方向に突出している。なお、金属板５３及びポンプ室５４の周囲は図示しないが断熱材で覆われている。

また、特許文献１には、熱電変換デバイス５１の第１の面と蓄電池５２との熱結合の方法として、蓄電池５２の表面に接触した金属板５３を介して行う方法ではなく、熱電変換デバイス５１の第１の面と蓄電池５２の表面とを直接接触させて行う方法、あるいは蓄電池５２の表面を循環される流体を介して行う方法も提案されている。

特開２００３−７３５６号公報

ところが、熱電変換デバイス５１の第１の面と蓄電池５２との熱結合を金属板５３を介して行う方法では、熱電変換デバイス５１の第１の面と接触していない部分の金属板５３の表面から熱が蓄電池５２以外に伝達されるのを抑制するため断熱材で被覆する等の手段が必要になる。また、全ての蓄電池５２に熱電変換デバイス５１の第１の面を接触させる方法では熱電変換デバイス５１として大きな面積のものが必要となり、コストが高くなる。また、蓄電池５２の表面を循環される流体を介して行う方法では、熱電変換デバイス５１の熱作用促進媒体を循環させる手段の他に、熱電変換デバイス５１の第１の面と蓄電池５２との熱結合を行う流体を循環させる手段も必要となり、装置がより複雑になるとともにコストも高くなる。

また、特許文献１のように熱電変換デバイス５１を、熱作用促進媒体としての流体を循環させて使用するポンプ室５４内に設ける構成では、装置が大型化して設置スペースの確保の点から設置箇所の自由度が小さくなるという問題がある。

本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は装置を大型化せずに、熱電変換素子を単に密閉ケースの外面に取り付けた場合に比べて、密閉ケース内の気体全体の温度を短時間で目的の温度に調整して、密閉ケース内に収容された複数の電池の加温及び冷却を調整可能な電池モジュールを提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、密閉ケース内に複数の電池が収容された電池モジュールである。そして、前記密閉ケースの外面を内方に窪ませることにより熱媒通路が形成され、通電の極性に応じて放熱と吸熱の相反する作用をする第１の面と、第２の面とを有する熱電変換素子の一方の面が前記熱媒通路を形成する前記密閉ケースの外面に取り付けられている。ここで、「熱媒」とは熱の伝達を行う流体を意味する。

この発明の電池モジュールは、熱電変換素子が直流電源に接続されて使用され、直流電源から供給される直流の流れる方向を切り換えることにより、密閉ケースに取り付けられた熱電変換素子の一方の面が放熱状態と吸熱状態とに切り換えられる。一方の面が放熱状態になると密閉ケース内の気体が加熱され、一方の面が吸熱状態になると密閉ケース内の気体が冷却される。密閉ケース内に収容された複数の電池は、密閉ケース内の気体を介して目的の温度範囲に調整される。熱電変換素子の一方の面が放熱状態のときは他方の面を冷却することにより一方の面での放熱が効率良く行われ、熱電変換素子の一方の面が吸熱状態のときは他方の面の放熱を促進させることにより他方の面での吸熱が効率良く行われる。熱電変換素子の他方の面の冷却及び放熱は、他方の面から熱が伝達される温度の熱媒を接触させることで行われ、例えば、熱媒としての気体（空気）を熱媒通路に供給することで行われる。熱電変換素子が単に密閉ケースの外面に取り付けられた構成では、熱電変換素子の他方の面に熱媒を効率良く供給し難い。しかし、熱電変換素子が熱媒通路に取り付けられている場合は、熱電変換素子の他方の面に熱媒が簡単に効率良く供給される。したがって、装置を大型化せずに、熱電変換素子を単に密閉ケースの外面に取り付けた場合に比べて、密閉ケース内の気体全体の温度を短時間で目的の温度に調整して、密閉ケース内収容された複数の電池の加温及び冷却を調整することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記熱媒通路は溝である。この発明では、熱媒通路が孔で構成された場合に比べて形成が容易になる。また、熱電変換素子の取り付けも容易になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記熱媒通路は前記密閉ケースの中央に設けられている。ここで、「密閉ケースの中央」とは厳密に中央を意味するのではなく、中央及び中央付近を意味する。また、幅方向、上下方向、前後方向の少なくともいずれか一つの方向において中央又は中央付近であればよい。密閉ケース内の気体は熱電変換素子によって加熱または冷却されるが、密閉ケース内では対流が起こり難く、熱電変換素子の一方の面が取り付けられた密閉ケースの面に接触している気体に伝達された熱が熱伝導により熱電変換素子から遠い位置の気体へと順に伝達される。したがって、熱媒通路が密閉ケースの中央に設けられているこの発明では、熱媒通路が密閉ケースの一方に片寄って設けられた場合に比べて、密閉ケース内の気体全体が短時間で目的の温度に達する。

本発明によれば、装置を大型化せずに、熱電変換素子を単に密閉ケースの外面に取り付けた場合に比べて、密閉ケース内の気体全体の温度を短時間で目的の温度に調整して、密閉ケース内に収容された複数の電池の加温及び冷却を調整可能な電池モジュールを提供することができる。

（ａ）は一実施形態の電池モジュールの概略斜視図、（ｂ）は蓋を取り外した状態で開口側から見た概略図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線における概略断面図。電池モジュールの使用状態を示す概略平面図。（ａ），（ｂ）は熱媒通路の構成が異なる別の実施形態の電池モジュールの概略図。別の実施形態の電池モジュールの概略図。（ａ）は別の実施形態の電池モジュールの平断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図。従来技術の蓄電池の温度調節装置の部分断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、電池モジュール１０は、密閉ケース１１内に複数の電池としての二次電池１２が収容されている。図１（ａ）に示すように、密閉ケース１１は、ケース本体１１ａの外形が略直方体状に形成され、その開口部が蓋体１１ｂにより密閉状態で覆われている。ケース本体１１ａ及び蓋体１１ｂは絶縁性及び断熱性を有する材質、例えば、樹脂で形成されている。図１（ｂ），（ｃ）に示すように、ケース本体１１ａの蓋体１１ｂと対向する面にはシール部材１３が固定され、図１（ａ）に示すように、蓋体１１ｂがケース本体１１ａに対してねじ１４で固定された状態で密閉ケース１１内の密閉状態を保つようになっている。なお、図１（ｃ）では二次電池１２の断面を示すハッチングの図示を省略している。

密閉ケース１１の外面を内方に窪ませることにより熱媒通路１５が形成されている。熱媒通路１５は密閉ケース１１の幅方向（図１（ａ）の左右方向）における中央に設けられている。この実施形態では、熱媒通路１５は上方及び前後が開放された断面矩形状の溝で形成されている。熱媒通路１５には熱電変換素子１６が取り付けられている。熱電変換素子１６は通電の極性に応じて放熱と吸熱の相反する作用をする第１の面と、第２の面とを有し、一方の面としての第１の面が溝の側面を形成する密閉ケース１１の外面に取り付けられている。

熱電変換素子１６としてはペルチェ素子が使用されている。ペルチェ素子は、例えば、複数のＰ型半導体と複数のＮ型半導体とが電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された状態でセラミックスよりなる電気的絶縁性の伝熱板の間に配設し、樹脂封着材などで封止して一体化されている。

二次電池１２には円筒形電池が使用されており、図１（ｃ）に示すように、密閉ケース１１内には複数の二次電池１２が互いに隙間を有する状態で等間隔に配列されている。密閉ケース１１内には位置決め部材１７が設けられ、二次電池１２は位置決め部材１７で位置決めされた状態で収容されている。円筒型の二次電池１２としては、例えば、ニッケル水素電池、リチウム電池、ニッケルカドミウム電池等が挙げられる。

次に前記のように構成された電池モジュール１０の作用を説明する。
図２に示すように、電池モジュール１０は、熱電変換素子１６が配線１８及び切換えスイッチ１９を介して直流電源２０に接続された状態で、かつブロア２１により外気が熱媒通路１５に向けて吹き付けられる状態で使用される。切換えスイッチ１９及びブロア２１は制御装置２２により制御される。なお、制御装置２２は電池モジュール１０の近傍の温度を検出する図示しないセンサの検出信号に基づいて、密閉ケース１１内を加熱すべきか冷却すべきかを判断して切換えスイッチ１９を制御する。また、電池モジュール１０は、図示しないが電力を供給すべき電機機器に配線を介して電力を供給する。

電池モジュール１０が使用される場合、急速充電時や急速放電時に二次電池１２の発熱が大きくなる。そのため、寒冷地や冬季の低温時等のように環境温度が二次電池１２の駆動に支障を来すほど低い場合を除き、切換えスイッチ１９は熱電変換素子１６に対して、熱電変換素子１６の密閉ケース１１に対して取り付けられた一方の面が吸熱する状態になるように直流電力を供給する状態に保持される。その結果、密閉ケース１１の熱電変換素子１６が取り付けられた部分が強制冷却されて密閉ケース１１内の空気も強制冷却される。

熱電変換素子１６の密閉ケース１１に取り付けられた面と反対側の面は放熱状態に保持され、その放熱が効率良く行われれば吸熱側の面の吸熱も効率良く行われる。熱電変換素子１６が設けられている熱媒通路１５にはブロア２１から外気が吹き付けられるため、外気が熱電変換素子１６の放熱面に接触しながら熱媒通路１５を流れるようになる。その結果、熱電変換素子１６の放熱面は常に新たな外気と接触する状態になって放熱面の放熱が効率良く行われ、吸熱側の面の吸熱も効率良く行われて密閉ケース１１内の空気が冷却され、冷却された空気によって二次電池１２が冷却されて所定の温度以上に上がらないように温度が調整される。

一方、電池モジュール１０の使用環境温度が二次電池１２の駆動に支障を来すほど低い場合は、切換えスイッチ１９は熱電変換素子１６に対して、熱電変換素子１６の密閉ケース１１に対して取り付けられた一方の面が放熱する状態になるように直流電力を供給する状態に切り換えられる。その結果、密閉ケース１１の熱電変換素子１６が取り付けられた部分が強制加熱されて密閉ケース１１内の空気も強制加熱される。このとき、熱電変換素子１６の熱媒通路１５に面した他方の面は吸熱状態になるが、吸熱される熱媒通路１５内の外気はブロア２１の作用によって絶えず新たな外気と入れ替わるため、吸熱面の吸熱作用が効率良く行われて一方の面の放熱作用も効率良く行われる。そして、密閉ケース１１内の空気が加熱され、加熱された空気によって二次電池１２が加温されて駆動に適した温度範囲に調整される。

熱電変換素子１６が単に密閉ケース１１の外面に取り付けられた構成では、ブロア２１等の送風手段で熱媒としての外気を熱電変換素子１６に向かって送風しても、熱電変換素子１６の他方の面に効率良く供給し難い。そのため、熱電変換素子１６の取り付けられた部分の外側にガイド部を突設したり、特許文献１の装置のように熱電変換素子１６を覆うポンプ室を設けてポンプを用いて熱媒を循環したりする必要がある。しかし、熱電変換素子１６が熱媒通路１５に取り付けられている場合は、熱電変換素子１６の他方の面に熱媒が簡単に効率良く供給される。そのため、熱電変換素子１６を単に密閉ケース１１の外面に取り付けた場合に比べて、装置を大型化しなくても密閉ケース１１内の気体全体の温度が短時間で目的の温度に調整される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）電池モジュール１０は密閉ケース１１内に複数の電池（二次電池１２）が収容され、密閉ケース１１の外面を内方に窪ませることにより熱媒通路１５が形成され、通電の極性に応じて放熱と吸熱の相反する作用をする第１の面と、第２の面とを有する熱電変換素子１６の一方の面が熱媒通路１５を形成する密閉ケース１１の外面に取り付けられている。したがって、装置を大型化せずに、熱電変換素子１６を単に密閉ケース１１の外面に取り付けた場合に比べて、密閉ケース１１内の気体全体の温度を短時間で目的の温度に調整して、密閉ケース１１内に収容された複数の二次電池１２の加温及び冷却を調整することができる。

（２）熱媒通路１５として溝が形成されている。したがって、熱媒通路１５が孔で構成された場合に比べて形成が容易になる。また、熱電変換素子１６の取り付けも容易になる。

（３）熱媒通路１５は密閉ケース１１の中央に設けられている。密閉ケース１１内の気体は熱電変換素子１６によって加熱または冷却されるが、密閉ケース１１内では対流が起こり難く、熱電変換素子１６の一方の面が取り付けられた密閉ケース１１の面に接触している気体に伝達された熱が熱伝導により熱電変換素子１６から遠い位置の気体へと順に伝達される。したがって、熱媒通路１５が密閉ケース１１の中央に設けられていることにより、熱媒通路１５が密閉ケース１１の一方に片寄って設けられた場合に比べて、密閉ケース１１内の気体全体が短時間で目的の温度に達する。

（４）熱電変換素子１６は熱媒通路１５を構成する溝の両壁面にそれぞれ取り付けられているため、同じ面積の熱電変換素子１６を片側の壁面に取り付けた場合に比べて短時間で密閉ケース１１内の気体全体が目的の温度に達する。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 熱電変換素子１６は密閉ケース１１の外面に取り付けられる面が二次電池１２の軸方向と平行に配置される構成に限らず、図３（ａ）に示すように、二次電池１２の軸方向と直交する方向配置されてもよい。この場合、同じ大きさの熱電変換素子１６を取り付けるためには熱媒通路１５を構成する溝の幅が広くなり、熱電変換素子１６の取り付け作業が容易になる。

○ 熱媒通路１５は溝に限らず、図３（ｂ）に示すように孔であってもよい。
○ 熱媒通路１５は、二次電池１２の軸方向と直交する方向に延びるように設けられた構成に限らず、図４に示すように二次電池１２の軸方向と平行に延びるように設けられた構成としてもよい。この場合、熱媒通路１５が、二次電池１２の軸方向と直交する方向に延びるように設けられた構成に比べて、密閉ケース１１の大きさがほとんど同じでも密閉ケース１１内に収容できる二次電池１２の数を増やすことができる。

○ 電池モジュール１０は、密閉ケース１１内に収容された全ての二次電池１２が並列に接続されて共通のプラス端子及びマイナス端子に接続された構成、全ての二次電池１２が直列に接続された構成、あるいは図５（ａ），（ｂ）に示すように、直列に接続された複数の二次電池１２の組が並列に接続された構成のいずれであってもよい。

○ 熱媒通路１５が密閉ケース１１の中央に設けられているとは、厳密な意味での中央に限らず、中央付近に設けられている場合も含む。例えば、二次電池１２が碁盤目状に配置される場合、二次電池１２の列及び行を構成する二次電池１２の数がそれぞれ奇数の場合、熱媒通路１５の位置は厳密には中央ではなく中央寄りあるいは中央付近になる。また、二次電池１２の列あるいは行を構成する二次電池１２の数が偶数の場合でも、熱媒通路１５を挟んで両側に配置される二次電池１２の数が同じではなく、異なる位置に熱媒通路１５を設けてもよい。例えば、一列を構成する二次電池１２の数が１０個の場合、熱媒通路１５を挟んで一方の側に４個の二次電池１２が配置され、他方の側に６個の二次電池１２が配置されるようにしてもよい。

○ 熱媒通路１５を構成する溝の形状は断面矩形状に限らず、例えば、Ｖ字状や台形状にしてもよい。
○ 熱媒通路１５は断面積が一定ではなく、入口側（気体の流入側）の断面積が熱電変換素子１６の取り付け部の断面積より大きく形成されていてもよい。この場合、ブロア２１（送風手段）によって熱媒通路１５に向かって送られる外気が効率良く熱電変換素子１６の部分に送られる。また、熱媒通路１５の断面積が入口側から熱電変換素子１６の取り付け部に向かって次第に小さくなるように形成されていてもよい。この場合、ブロア２１（送風手段）によって熱媒通路１５に向かって送られる外気がより効率良く熱電変換素子１６の部分に送られる。

○ 電池モジュール１０は、二次電池１２が縦の状態で収容された構成に限らず、図５（ａ），（ｂ）に示すように横の状態で収容された構成でもよい。
○ 二次電池１２は円筒形電池に限らず、角形電池であってもよい。

○ 電池は二次電池に限らず、燃料電池に適用してもよい。
○ 密閉ケース１１は、熱電変換素子１６が取り付けられる部分が金属製で他の部分が絶縁材（断熱材）で形成された構成としてもよい。この場合、密閉ケース１１全体が絶縁材（断熱材）で形成された構成に比べて、熱電変換素子１６と密閉ケース１１内の気体との熱交換が効率良く行われる。

○ 熱媒通路１５は外気に対して開放されていなくてもよい。例えば、第一実施形態において、熱媒通路１５の上方をカバーで覆うとともに前後に冷却水回路を接続し、熱媒通路１５に冷却水を流通させるようにしてもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１に記載の発明において、前記熱媒通路は孔である。
（２）請求項１〜請求項３及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明において、前記熱媒通路は、入口の断面積が前記熱電変換素子の取り付け部の断面積より大きく形成されている。

（３）請求項１〜請求項３及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか１項に記載の発明において、前記密閉ケースは、前記熱電変換素子が取り付けられる部分が金属製で他の部分が絶縁材で形成されている。

１０…電池モジュール、１１…密閉ケース、１２…電池としての二次電池、１５…熱媒通路、１６…熱電変換素子。

Claims

密閉ケース内に複数の電池が収容された電池モジュールであって、前記密閉ケースの外面を内方に窪ませることにより熱媒通路が形成され、通電の極性に応じて放熱と吸熱の相反する作用をする第１の面と、第２の面とを有する熱電変換素子の一方の面が前記熱媒通路を形成する前記密閉ケースの外面に取り付けられていることを特徴とする電池モジュール。
前記熱媒通路は溝である請求項１に記載の電池モジュール。
前記熱媒通路は前記密閉ケースの中央に設けられている請求項１又は請求項２に記載の電池モジュール。