JP2012195209A - 電池温調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒の流路に沿って配した複数の電池についてその温度の均等化を図ることができる電池温調装置を提供する。
【解決手段】電池温調装置１０は、内部に熱媒流路が形成された複数のケース３１と、熱媒流路内に配置された電池３２とを備える。複数のケース３１は、熱媒流路同士が繋がるように配置され、熱媒の流れ方向におけるケース３１間に熱媒の温度を調整する熱電変換ユニット２０が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池温調装置に関するものである。

特許文献１に開示された蓄電器の冷却構造は、所定個数の蓄電素子が接続された蓄電器を収納する筐体と、筐体の一端に設けられた冷媒導入口と、他端に設けられた冷媒排出口とを連通し、蓄電器を冷却する冷媒流路と、を備えている。筐体を支え、内部に冷媒が流通可能な支柱と、少なくとも蓄電器を冷却する冷媒の一部を通し、冷媒流路の途中に冷媒の噴出口を有し、支柱の内部に設けた支柱内側の冷媒バイパスと、を備えている。支柱の外壁面を蓄電素子の外周に合わせた波形状に設けている。これにより蓄電器の容量や出力が低下することがなく、さらに蓄電器を収納する筐体の強度を確保できる。

特開２００４−３１７１６号公報

ところで、内部に電池が収納された筐体の冷媒導入口から冷媒を導入して電池と熱交換して筐体の冷媒排出口から排出する際の熱媒を電池に対して一方向に流す場合において上流と下流で温度差がついてしまうのを防止するためには冷媒バイパスを有する構成（支柱）が必要となり構造の複雑化を招いてしまう。

本発明の目的は、熱媒の流路に沿って配した複数の電池についてその温度の均等化を図ることができる電池温調装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、内部に熱媒流路が形成された複数のケースと、前記熱媒流路内に配置された電池とを備える電池温調装置において、前記複数のケースは、前記熱媒流路同士が繋がるように配置され、前記熱媒の流れ方向における前記ケース間に前記熱媒の温度を調整する温調機器を配置したことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、複数のケースは、内部に熱媒流路が形成され、熱媒流路内に電池が配置される。複数のケースは、熱媒流路同士が繋がるように配置され、熱媒の流れ方向におけるケース間に熱媒の温度を調整する温調機器が配置される。これにより、熱媒の流路に沿って配した複数の電池についてその温度の均等化を図ることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電池温調装置において、前記ケース間に配置された温調機器と該温調機器の前記熱媒の流れ方向の下流側に配置された前記ケースとの組合せを複数有し、前記熱媒の流れ方向の下流側の前記温調機器ほど熱交換能力が高いことを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、電池の温度の均等化を図る上で好ましいものとなる。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の電池温調装置において、前記温調機器は、内部に連結流路が形成された連結体と、熱電変換モジュールと、該熱電変換モジュールの一方の面に熱的に結合した熱伝導部材とを備え、前記熱伝導部材は前記連結流路内に配置されてなることを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、個別の制御が可能となり、制御が容易となる。
請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載の電池温調装置において、前記温調機器は、内部に熱交換媒体が流通する熱交換媒体通路が形成された熱交換器であることを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、容易に熱媒の流路に沿って配した複数の電池についてその温度の均等化を図ることができる。
請求項５に記載のように、請求項４に記載の電池温調装置において、前記熱交換器の前記熱交換媒体通路の流出口と前記ケースの熱媒通路の流入口を連結する配管を備えるようにしてもよい。

本発明によれば、熱媒の流路に沿って配した複数の電池についてその温度の均等化を図ることができる。

第１の実施形態における電池温調装置の斜視図。 電池温調装置の平面図。 第２の実施形態における電池温調装置を模式的に示す平面図および温度分布図。 第３の実施形態における電池温調装置を模式的に示す平面図および温度分布図。 別例の電池温調装置を模式的に示す平面図および温度分布図。 比較のための電池温調装置の平面図および温度分布図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を、走行用電池を搭載した車両（自動車）に具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。

なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。
図１，２に示すように、電池温調装置１０は、複数個の熱電変換ユニット２０と、複数個の電池モジュール３０を備えている。図１，２において熱電変換ユニット２０が９個、電池モジュール３０も９個用いている。熱電変換ユニット２０がＸ方向に３個、Ｙ方向に３個並べて配置されている。Ｙ方向が電池モジュール３０の円筒形電池３２の冷却または加熱のための熱媒（空気）の流れる方向であり、各熱電変換ユニット２０における空気の流れの下流側にはそれぞれ電池モジュール３０が配置されている。

図１に示すように、熱電変換ユニット２０は、ケース２１と、ペルチェモジュールＭｐと、熱伝導部材としてのアルミ製の第１のフィン２５と、アルミ製の第２のフィン２６を備えている。ペルチェモジュールＭｐは、熱電変換素子としてのペルチェ素子２２と、セラミック板２３，２４と備えている。ケース２１の内部に、少なくとも第１のフィン２５が配置されている。

ペルチェ素子２２の一方の面（下面）にはセラミック板２３が配置され、ペルチェ素子２２とセラミック板２３とは熱的に結合している。セラミック板２３の下面には第１のフィン２５が設けられている。第１のフィン２５は、複数の長方形の板により構成され、各板が一定の距離をおいて離間した状態で平行に配置されている。セラミック板２３と第１のフィン２５とは熱的に結合している。第１のフィン２５には板の延設方向（図１のＹ方向）に空気が送られる。

ペルチェ素子２２の他方の面（上面）にはセラミック板２４が配置され、ペルチェ素子２２とセラミック板２４とは熱的に結合している。セラミック板２４の上面には第２のフィン２６が設けられている。第２のフィン２６は、複数の長方形の板により構成され、各板が一定の距離をおいて離間した状態で平行に配置されている。セラミック板２４と第２のフィン２６とは熱的に結合している。第２のフィン２６には板の延設方向（図１のＸ方向）に空気が送られる。

第１のフィン２５への空気の送風方向（図１のＹ方向）と第２のフィン２６への空気の送風方向（図１のＸ方向）とは交差（直交）している。図２に示すように、第２のフィン２６を通る熱媒（空気）のダクト２８がＸ方向に並んだ熱電変換ユニット２０同士、および、Ｙ方向に並んだ熱電変換ユニット２０同士を１本でつないでいる。なお、図１においてはダクト２８を省略している。

そして、ペルチェ素子２２に第１の方向に電流を流すと、セラミック板２３および第１のフィン２５が吸熱部材となるとともにセラミック板２４および第２のフィン２６が発熱部材となる。この通電に伴い第１のフィン２５を通過する熱媒としての空気が冷却されて下流の電池モジュール３０に送られる。一方、ペルチェ素子２２に流す電流の向きを逆にした第２の方向に電流を流すと、セラミック板２３および第１のフィン２５が発熱部材となるとともにセラミック板２４および第２のフィン２６が吸熱部材となる。この通電に伴い第１のフィン２５を通過する熱媒としての空気が加熱されて下流の電池モジュール３０に送られる。

このようにして、熱電変換ユニット２０（ペルチェ素子２２）にフィン２５，２６が設けられ、フィン２５，２６を通過する熱媒（空気）とフィン２５，２６との間で熱交換が行われるようになっている。つまり、熱電変換ユニット２０は、内部に連結流路が形成された連結体としてのケース２１と、熱電変換モジュールとしてのペルチェモジュールＭｐと、ペルチェモジュールＭｐの一方の面に熱的に結合した熱伝導部材としての第１のフィン２５とを備え、第１のフィン２５は連結流路内に配置されている。

電池モジュール３０は、ケース３１が四角箱型をなしている。ケース３１の内部を空気が通過するように対向する側壁には開口部が形成されている。ケース３１の内部には複数本の円筒形電池３２が立設された状態で固定されている。ケース３１の内部において円筒形電池３２の間を空気が流れる。ケース３１の内部には熱電変換ユニット２０を通過した空気（冷風または温風）が図１においてＹ方向に供給され、この空気（冷風または温風）により円筒形電池３２が冷却または加熱される。

なお、図１に示すように、ケース３１内において円筒形電池３２が貫通する状態で複数枚のプレート３３が配置されており、このプレート３３により熱伝導面積を大きくしている。

このようにして電池モジュール３０は、内部に円筒形電池３２が収納され、熱電変換ユニット２０におけるペルチェモジュールＭｐに設けた第１のフィン２５を通過した熱媒（空気）と円筒形電池３２の間で熱交換が行われるようになっている。つまり、複数のケース３１は、内部に熱媒流路が形成され、熱媒流路内に電池３２が配置されている。

四角箱型の電池モジュール３０は、図１においてはＸ方向に３つ並べて配置されているとともにＹ方向に３つ並べて配置されている。即ち、複数のケース３１は、熱媒流路同士が繋がるように配置される。

そして、Ｙ方向に並べられた電池モジュール３０において各電池モジュール３０の上流側には熱電変換ユニット２０がそれぞれ設置されている。つまり、熱媒の流れ方向におけるケース３１間に熱媒の温度を調整する温調機器としての熱電変換ユニット２０が配置されている。

このようにして、熱媒（空気）の流れによりその流路に沿って配置した電池モジュール３０（複数の円筒形電池３２）が温調される。
また、熱媒である空気の流れの途中には、空気の温度を調整する温調機器としての熱電変換ユニット２０が配置されている。即ち、Ｙ方向の空気の流れにおいて、最上流の熱電変換ユニット２０に加えて、その直ぐ下流の電池モジュール３０と当該電池モジュール３０の下流における最も下流側の電池モジュール３０との間において熱電変換ユニット２０が配置されている。また、温調機器としての熱電変換ユニット２０は、熱媒としての空気の流れの途中に複数配置され、流れの下流側ほど熱交換能力が大きい。

次に、このように構成した電池温調装置１０の作用を説明する。
まず、電池モジュール３０の円筒形電池３２を冷却する場合について説明する。
熱電変換ユニット２０においてペルチェ素子２２が通電される。ペルチェ素子２２の通電に伴い第１のフィン２５が冷却されるとともに第２のフィン２６が加熱される。

空気が熱電変換ユニット２０において図１のＹ方向に送られてくる。そして、熱電変換ユニット２０において空気と第１のフィン２５との間で熱交換が行われて、空気が冷やされて下流側の電池モジュール３０に送られる。

また、熱電変換ユニット２０において図１のＸ方向に空気が送られてくる。そして、熱電変換ユニット２０において空気と第２のフィン２６との間で熱交換が行われて、高温となった熱媒（空気等）が通過していく。

熱電変換ユニット２０において冷却された空気は電池モジュール３０において円筒形電池３２の間を流れて円筒形電池３２と熱交換されて円筒形電池３２が冷却される。
ここで、Ｙ方向に空気が送られて各電池モジュール３０の円筒形電池３２を冷却する際に、熱電変換ユニット２０が熱媒としての空気の流れの途中に複数配置されているので、円筒形電池３２の温度変化、および、温度ばらつきが抑えられる。温度ばらつきが抑えられると、円筒形電池３２の寿命のばらつきや電圧のばらつきが抑えられる。

次に、電池モジュール３０の円筒形電池３２を加熱する場合について説明する。
熱電変換ユニット２０においてペルチェ素子２２が逆向きに通電される。ペルチェ素子２２の通電に伴い第１のフィン２５が加熱されるとともに第２のフィン２６が冷却される。

空気が熱電変換ユニット２０において図１のＹ方向に送られてくる。そして、熱電変換ユニット２０において空気と第１のフィン２５との間で熱交換が行われて、空気が加熱されて下流側の電池モジュール３０に送られる。

また、熱電変換ユニット２０において図１のＸ方向に空気が送られてくる。そして、熱電変換ユニット２０において空気と第２のフィン２６との間で熱交換が行われて、低温となった空気が通過していく。

熱電変換ユニット２０において加熱された空気は電池モジュール３０において円筒形電池３２の間を流れて円筒形電池３２と熱交換されて円筒形電池３２が加熱される。
ここで、Ｙ方向に空気が送られて各電池モジュール３０の円筒形電池３２を加熱する際に、熱電変換ユニット２０が熱媒としての空気の流れの途中に複数配置されているので、円筒形電池３２の温度変化、および、温度ばらつきが抑えられる。温度ばらつきが抑えられると、円筒形電池３２の寿命のばらつきや電圧のばらつきが抑えられる。

以上のごとく本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電池温調装置１０は、内部に熱媒流路が形成された複数のケース３１と、熱媒流路内に配置された電池３２とを備える。複数のケース３１は、熱媒流路同士が繋がるように配置され、熱媒の流れ方向におけるケース３１間に熱媒の温度を調整する温調機器としての熱電変換ユニット２０を配置した。これにより、熱媒の流路に沿って配した複数の電池モジュール３０（複数の円筒形電池３２）についてその温度の均等化を図ることができる。つまり、円筒形電池３２の温度変化・温度ばらつきを抑えることができる。温度ばらつきを抑えることで、円筒形電池３２の寿命のばらつきや電圧のばらつきを抑えることができる。

（２）ケース３１間に配置された熱電変換ユニット２０と該熱電変換ユニット２０の熱媒の流れ方向の下流側に配置されたケース３１との組合せを複数有し、熱媒の流れ方向の下流側の熱電変換ユニット２０ほど熱交換能力が高い。これにより、電池の温度の均等化を図る上で好ましいものとなる。

（３）熱電変換ユニット２０は、内部に連結流路が形成された連結体としてのケース２１と、熱電変換モジュールとしてのペルチェモジュールＭｐと、ペルチェモジュールＭｐの一方の面に熱的に結合した熱伝導部材としての第１のフィン２５とを備え、第１のフィン２５は連結流路内に配置されてなる。これにより、個別の制御が可能となり、制御が容易となる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

第１の実施形態では、熱電変換ユニット２０を用いたが、図３に示すように、本実施形態では温調機器として、内部に熱交換媒体が流通する熱交換媒体通路Ｐが形成された熱交換器４０，４１を用いている。即ち、隔壁により区画された流体と熱媒との間で熱交換することにより熱媒の温度を調整する構成である。二種類の熱媒として、空気と冷却液（ＬＬＣ等）を用いている。

ケース５０内において四角箱形の電池５１，５２，５３がＹ方向に３つ並んで配置されている。ケース５０においてはＹ方向に延びる一対の側壁５０ａ，５０ｂが形成され、一方の側壁５０ａにおけるＹ方向の一方の端部には空気供給口５５が設けられるとともに側壁５０ａにおけるＹ方向の他方の端部には空気排出口５６が設けられている。空気供給口５５から空気が供給されケース５０内をＹ方向に流れて空気排出口５６から排出される。

ケース５０内においてＹ方向での電池５１と電池５２との間には熱交換器４０が配置されている。また、ケース５０内においてＹ方向での電池５２と電池５３との間には熱交換器４１が配置されている。

熱交換器４０および熱交換器４１は、上述したように隔壁により区画された熱媒と空気との間で熱交換することにより空気の温度を低下または上昇させる構成となっている。
Ｙ方向における温度分布としては、図３の下部に示すように、ケース５０に供給された空気は電池５３を冷却することにより上昇し、熱交換器４１と熱交換することにより低下する。この空気は電池５２を冷却することにより上昇し、熱交換器４０と熱交換することにより低下する。この空気は電池５３を冷却することにより上昇してケース５０の外部に排出される。

これにより、各電池５１，５２，５３の温度は一定以下に抑えられる。
比較例としての図６においてはケース５０内においてＹ方向、即ち、空気の流れの途中に熱交換器がない場合を示す。

図６においては、ケース５０の内部に電池５１，５２，５３が収納され、ケース５０の空気導入口から空気を導入して電池５１，５２，５３と熱交換してケース５０の空気排出口から排出する。このようにして空気を電池５１，５２，５３に対して一方向に流す。このとき、上流と下流で温度差がついてしまう。つまり、図６の場合、熱媒をワンパスでケース５０内を流す場合、上流と下流で温度差がついてしまう。

このように温調する対象の電池５１，５２，５３を直列に並べると、どうしても上流と下流で温度差ができ電池の容量や電圧、内部抵抗にばらつきができてしまう。
これに対し、図３に示す本実施形態においては、空気流路の途中に設けた熱交換器４０，４１により、容易に熱媒の流路に沿って配した複数の電池５１，５２，５３についてその温度の均等化を図ることができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を、第２の実施形態との相違点を中心に説明する。

図３に示した第２の実施形態に対し本実施形態では図４に示すように熱媒の経路を１つにしている。つまり、温調機器としての熱交換器４０，４１において熱交換のために流す流体（隔壁により区画された流体）と熱媒とは同一流体である。

本実施形態においては熱交換器４０の熱交換媒体通路Ｐの流出口Ｐ１とケース５０の熱媒通路の流入口としての空気供給口５５を連結する配管６０を備える。
そして、ケース５０の外部から空気を熱交換器４０および熱交換器４１に供給する。熱交換器４０から出た空気および熱交換器４１から出た空気は集合した後に電池５３の上流側に供給される。この空気は電池５３→熱交換器４１→電池５２→熱交換器４０→電池５１を通過して、ケース５０の外部に排出される。ケース５０の外部において空気が冷却されて再び上述したように熱交換器４０および熱交換器４１に供給される。

これにより、熱媒を温調（例えば冷却）する。
このように本実施形態においては、熱媒の経路を１つにすることで、部品点数の削減を図ることができる。即ち、１つの系でよいので構造の簡素化を図ることができる。

なお、熱媒は限定されず、空気でも液体、例えば冷却液（ＬＬＣ等）でもよい。
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。
・図５に示すように、熱媒の流し方を工夫することで、温度分布を減らすようにしてもよい。

図５において、ケース５０内に配した３つの電池５１，５２，５３の温度について、電池５１が最も高温になりやすく、電池５２が次に高温になりやすく、電池５３が最も高温になりにくいものとする。これにより、熱媒温度が、電池５１で最も高く、電池５２で次に高く、電池５３で最も低くなる。この場合、熱交換器４０→熱交換器４１→電池５３の上流→電池５３→熱交換器４１→電池５２→熱交換器４０→電池５１の順に熱媒を流す。

このようにしても、１系統にできるので、部品点数の削減になる。
・温調対象の電池は、電池単体でもモジュール化されたものでもよい。
・図３において二種類の熱媒の経路、相、種類は図３を用いて説明したものと異なっていてもよい。

・上記実施形態では走行用電池を搭載した車両に具体化したが、これに限ることなく、例えば家庭用の電池温調装置に具体化してもよい。

１０…電池温調装置、２０…熱電変換ユニット、２１…ケース、２２…ペルチェ素子、２５…第１のフィン、３０…電池モジュール、３１…ケース、３２…電池、４０…熱交換器、４１…熱交換器、５１…電池、５２…電池、５３…電池、５５…空気供給口、６０…配管、Ｍｐ…ペルチェモジュール、Ｐ…熱交換媒体通路、Ｐ１…流出口。

Claims (5)

1. 内部に熱媒流路が形成された複数のケースと、前記熱媒流路内に配置された電池とを備える電池温調装置において、
   前記複数のケースは、前記熱媒流路同士が繋がるように配置され、
   前記熱媒の流れ方向における前記ケース間に前記熱媒の温度を調整する温調機器を配置したことを特徴とする電池温調装置。
2. 前記ケース間に配置された温調機器と該温調機器の前記熱媒の流れ方向の下流側に配置された前記ケースとの組合せを複数有し、前記熱媒の流れ方向の下流側の前記温調機器ほど熱交換能力が高いことを特徴とする請求項１に記載の電池温調装置。
3. 前記温調機器は、内部に連結流路が形成された連結体と、熱電変換モジュールと、該熱電変換モジュールの一方の面に熱的に結合した熱伝導部材とを備え、前記熱伝導部材は前記連結流路内に配置されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の電池温調装置。
4. 前記温調機器は、内部に熱交換媒体が流通する熱交換媒体通路が形成された熱交換器であることを特徴とする請求項１または２に記載の電池温調装置。
5. 前記熱交換器の前記熱交換媒体通路の流出口と前記ケースの熱媒通路の流入口を連結する配管を備えることを特徴とする請求項４に記載の電池温調装置。

Images