JP2012195313A - 車両用の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各々の電池を効率よく均一に冷却して電池の温度差を小さくして温度差による電池の劣化を有効に防止する。
【解決手段】車両用の電源装置は、車両を走行させるモータに電力を供給する電池３と、この電池３を冷却する冷却機構２とを備える。複数の電池３を互いに積層状態に配置されてなる電池ブロック７と、隣接する電池３の対向面３Ａに挟まれて接触する電池３を絶縁して冷却する絶縁冷却スペーサ４とを備える。絶縁冷却スペーサ４は水密構造の冷却液通路１０を備えており、この冷却液通路１０は冷却機構２に連結されて、冷却機構２から供給される冷却液で絶縁冷却スペーサ４が冷却されており、電池ブロック７の両端に端面プレート８を配置し、この一対の端面プレート８は、固定バー９に連結されて電池ブロック７を挟着している。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてハイブリッドカー等の電動車両に搭載されて、車両を走行させるモータに電力を供給する車両用の電源装置に関し、とくに電池を強制冷却する車両用の電源装置に関する。

車両用の電源装置は、多数の素電池を直列に接続して出力電圧を高く、出力電力を大きくしている。この電源装置は、大電流で充放電されるので電池の温度が上昇する。また、極めて高温な環境でも使用されることから、電池を強制的に冷却する必要がある。現在のハイブリッドカーに搭載される電源装置は、電池に冷却用の空気をファンで強制的に送風して冷却している。この構造の電源装置は、空気を介して電池を冷却するので、電池温度が異常に上昇したときに速やかに冷却するのが難しい。また、熱容量の小さい空気を送風して冷却するので、多数の電池を均一な温度に冷却するのが難しい。この欠点を解消する電源装置として、電池ケースの周囲に冷却通路を設け、この冷却通路に不凍液を流して冷却する構造の車両用の電源装置が開発されている。（特許文献１参照）
特開平６−１９９１３９号公報

特許文献１に記載する電源装置は、多数の電池を、温度むらができないように均一に冷却できない欠点がある。車両用の電源装置の組電池は、多数の電池を直列に接続している。この電源装置は、電池の温度差が電気特性のアンバランスの原因となる。電気特性のアンバランスは電池の寿命を短くする。それは、温度によって充放電の効率が変化して容量をアンバランスとし、さらに、容量がアンバランスになって小さくなった電池が加速して劣化されるからである。劣化して容量の減少した電池は、過充電と過放電になりやすく、この状態によって劣化が加速される。電池が過充電と過放電でより劣化が進むからである。このため、多数の電池を備える車両用の電源装置は、各々の電池の温度差をいかに小さくできるかが極めて大切である。とくに、温度差によって電池の寿命が著しく短くなる。

さらに、車両用の電源装置は、多数の電池を接近してケースに収納することから、いずれかの電池が熱暴走すると、この熱暴走が隣の電池に誘発されやすい。熱暴走して高温に加熱された電池が、輻射熱や熱伝導で隣の電池を加熱するからである。とくに、電池をリチウムイオン二次電池とする電源装置は、熱暴走によって電池の温度が極めて高くなることから、熱暴走の誘発を阻止することが大切である。電池の間にプラスチック製の隔壁を設ける構造は、隔壁で輻射熱を遮断できる。ただ、熱暴走した電池の温度が極めて高温になると、プラスチック製の隔壁は電池の熱で損傷される。このため、プラスチック製の隔壁によっては、全ての熱暴走の誘発を確実に阻止するのが難しい。

本発明は、さらにこのような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、各々の電池を効率よく均一に冷却して電池の温度差を小さくして温度差による電池の劣化を有効に防止できる車両用の電源装置を提供することにある。

さらに、本発明の他の大切な目的は、電池の熱暴走の誘発を確実に防止して安全性を向上できる車両用の電源装置を提供することにある。

本発明の車両用の電源装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
車両用の電源装置は、車両を走行させるモータに電力を供給する電池と、この電池を冷却する冷却機構とを備える。複数の電池を互いに積層状態に配置されてなる電池ブロックと、隣接する電池の対向面に挟まれて接触する電池を絶縁して冷却する絶縁冷却スペーサとを備えている。絶縁冷却スペーサは水密構造の冷却液通路を備え、この冷却液通路は冷却機構に連結されて、冷却機構から供給される冷却液で絶縁冷却スペーサが冷却されており、電池ブロックの両端に端面プレートを配置し、この一対の端面プレートは、固定バーに連結されて電池ブロックを挟着している。

本発明の請求項２の車両用の電源装置は、冷却液通路の一部に、湾曲した通路が形成されている。
本発明の請求項３の車両用の電源装置は、端面プレートと固定バーとは連結部材で連結されている。
本発明の請求項４の車両用の電源装置は、端面プレートに、複数の凹部が形成されている。

本発明の車両用の電源装置は、組電池を構成する多数の角型電池を極めて効率よく均一に冷却して電池の温度差を小さくできる。このため、電池の温度差による劣化を少なくして寿命を長くできる。車両用の電源装置において、電池の寿命を長くすることは極めて大切である。それは、車両を走行させる組電池は、大きな出力が要求されることから、極めて大型で高価であるからである。本発明は、積層している複数の角型電池の間に、隣接する角型電池を絶縁しながら冷却する絶縁冷却スペーサを挟んでおり、この絶縁冷却スペーサには冷却液通路を設けて、これを冷却機構に連結している。冷却機構が冷却液通路に冷却液を供給して絶縁冷却スペーサが冷却される。冷却された絶縁冷却スペーサは角型電池の対向面を冷却する。本発明は、角型電池を積層してその間に冷却液で冷却される絶縁冷却スペーサを挟む独特の構造で、各々の電池を効率よく冷却する特徴を実現する。とくに、隣接する角型電池の対向面の間に絶縁冷却スペーサを配設するので、多数の電池を積層して大きな組電池としながら、最も冷却が難しい組電池の内部の熱を効率よく放熱して、多数の角型電池を均一な温度に冷却できる。また、絶縁冷却スペーサが、空気に比較して大きい比熱と熱容量の冷却液で効率よく冷却され、さらに絶縁冷却スペーサが隣接する角型電池の間に挟まれることから、絶縁冷却スペーサと角型電池とを広い面積に接触させて理想的な熱結合状態に配置できる。このため、絶縁冷却スペーサは、角型電池の隙間に空気を送風する構造とは比較にならないほどに効率よく、また角型電池の内部まで均一に冷却する。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、組電池を構成する角型電池の熱暴走の誘発を有効に防止して安全性を向上できる特徴も実現する。それは、積層している角型電池の間に、絶縁しながら冷却する絶縁冷却スペーサを挟んで、絶縁冷却スペーサでもって、隣接する角型電池を絶縁、冷却状態で隔離しているからである。この冷却構造は、いずれかの角型電池が熱暴走して高温に加熱されても、絶縁冷却スペーサの冷却液通路に供給される比熱の大きな冷却液が効率よく冷却して、熱暴走の誘発を防止する。とくに、角型電池の隙間には、絶縁冷却スペーサを配設して、角型電池を強制的に冷却することから、空気で冷却するように隙間を設ける必要がない。角型電池の隙間には、絶縁冷却スペーサを隙間なく密着して配置できる。この構造は、熱暴走した角型電池の熱が輻射熱で隣の角型電池を加熱することがない。熱暴走した角型電池は、熱伝導によって隣の角型電池を加熱する。ただ、本発明の電源装置は、角型電池の間には、比熱と熱容量が大きい冷却液を冷却液通路に供給している絶縁冷却スペーサを配置する。この絶縁冷却スペーサは、冷却液通路に供給している冷却液が熱暴走した電池の熱を吸収し、これを外部の冷却機構で効率よく冷却する。このため、電池の熱暴走が隣の電池の熱暴走を誘発することがない。

本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 図１に示す車両用の電源装置の組電池の斜視図である。 図２に示す組電池の分解斜視図である。 角型電池と絶縁冷却スペーサの積層構造を示す一部拡大断面図である。 絶縁冷却スペーサの斜視図である。 絶縁冷却スペーサの他の一例を示す拡大断面図である。 絶縁冷却スペーサの他の一例を示す拡大断面図である。 絶縁冷却スペーサの他の一例を示す斜視図である。 図８に示す絶縁冷却スペーサの拡大断面図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は車両用の電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１の概略図に示す車両用の電源装置は、主として、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、モータのみで走行する電気自動車などの電動車両の電源に最適である。ただし、ハイブリッドカーや電気自動車以外の車両に使用され、また電動車両以外の大出力が要求される用途にも使用できる。

図に示す電源装置は、車両を走行させるモータに電力を供給する組電池１と、この組電池１を冷却する冷却機構２とを備える。

図２と図３は、組電池１を示す。これ等の図の組電池１は、所定の隙間で互いに積層状態に配置している複数の角型電池３と、この角型電池３の隙間に挟まれて隣接する角型電池３を絶縁して冷却する絶縁冷却スペーサ４とを備える。

角型電池３は、リチウムイオン二次電池である。ただし、角型電池は、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の充電できる他の電池、さらには燃料電池とすることもできる。角型電池３は、アルミニウムやアルミニウム合金からなる金属製の外装缶３ａを有する。金属製の外装缶３ａは、正極又は負極の電極に接続され、あるいは接続されない。正極又は負極に接続される外装缶は、正極又は負極と同じ電位となり、正負の電極に接続されない外装缶は、正負の電極の中間電位となる。金属製の外装缶３ａからなる角型電池３を積層して直列に接続している組電池１は、隣接する外装缶３ａに電位差ができる。したがって、組電池１は、隣接する角型電池３を絶縁して積層している。図４に示す角型電池３は、表面に絶縁被膜６を設けている。絶縁被膜６は、プラスチック製の収縮チューブや絶縁塗料で設けられる。本発明の電源装置は、隣接する角型電池３を絶縁冷却スペーサ４で絶縁して積層するので、外装缶３ａの表面をかならずしも絶縁する必要はない。ただ、外装缶３ａの表面を絶縁している角型電池３が、間に挟まれる絶縁冷却スペーサ４で絶縁される構造は、隣接する角型電池３を理想的な状態で絶縁できる。

図の角型電池３は、幅よりも薄い薄型の角型電池３である。薄型の角型電池３は、内容積に対して対向面３Ａの面積を大きくして、絶縁冷却スペーサ４との接触面積を大きくで
きる。このため、絶縁冷却スペーサ４で効率よく冷却できる。さらに、図の角型電池３は、上端面に正負の電極端子５を突出させている。隣接して配列される角型電池３は、図示しないが、正負の電極端子５に、金属板からなるバスバーを接続して、互いに直列に接続される。

組電池１は、複数の角型電池３を間に隙間ができるように積層して電池ブロック７としている。この電池ブロック７は、角型電池３の間の隙間に絶縁冷却スペーサ４を挟んでいる。絶縁冷却スペーサ４は、隣接する角型電池３の対向面３Ａに挟着されて、隣接する角型電池３を絶縁状態に分離しながら冷却する。角型電池３を積層している電池ブロック７は、両端の端面プレート８に挟着して固定される。一対の端面プレート８は、固定バー９に連結されて電池ブロック７を固定している。

絶縁冷却スペーサ４は、水密構造の冷却液通路１０を備えている。この冷却液通路１０は冷却機構２に連結される。冷却機構２は、絶縁冷却スペーサ４の冷却液通路１０に冷却液を循環して、絶縁冷却スペーサ４を冷却する。角型電池３の間に挟まれて冷却液で冷却される絶縁冷却スペーサ４は、角型電池３の対向面３Ａを冷却する。

絶縁冷却スペーサ４を図５に示している。この絶縁冷却スペーサ４は、対向する角型電池３の隙間に挟まれる絶縁スペーサ１１と、この絶縁スペーサ１１に設けた収納部１２に配置している冷却パイプ１３とからなり、冷却パイプ１３で絶縁スペーサ１１に冷却液通路１０を設けている。絶縁スペーサ１１は、絶縁特性と熱伝導特性に優れた材質、たとえばグラファイト系のプラスチック成形品である。プラスチック製の絶縁スペーサ１１は、冷却パイプ１３をインサート成形して冷却液通路１０を設けることができる。ただ、絶縁スペーサ１１を冷却パイプ１３の収納部１２のある形状に成形して、この収納部１２に冷却パイプ１３を入れて製造することもできる。

冷却パイプ１３は、薄く押し潰された形状の金属パイプである。金属パイプは熱伝導性に優れることから、冷却液で角型電池３を効率よく冷却する。とくに、銅やアルミニウム等の金属は、優れた熱伝導特性があって、冷却パイプ１３で角型電池３を効率よく冷却できる。冷却パイプ１３の冷却液通路１０が角型電池３を冷却する部分の拡大断面図を図４に示す。この図の絶縁冷却スペーサ４は、冷却パイプ１３の表面を絶縁層１４で被覆している。この絶縁冷却スペーサ４は、絶縁層１４で金属パイプの表面を絶縁するので、金属パイプを角型電池３の外装缶３ａから絶縁する。

さらに、図４に示す絶縁冷却スペーサ４は、冷却パイプ１３を絶縁スペーサ１１よりも厚くしている。この絶縁冷却スペーサ４は、冷却パイプ１３を絶縁スペーサ１１の表面から突出させて、角型電池３の対向面３Ａに密着できる。この構造は、冷却パイプ１３の表面を理想的な熱結合状態で角型電池３の表面に密着できる。このため、冷却パイプ１３が効率よく角型電池３の対向面３Ａを冷却する。

図６の絶縁冷却スペーサ４は、冷却パイプ１３を絶縁スペーサ１１と同一平面とする。この絶縁冷却スペーサ４は、冷却パイプ１３と絶縁スペーサ１１の両方を角型電池３の対向する表面に密着できる。この構造は、角型電池３の対向面３Ａを広い面積で絶縁冷却スペーサ４に密着できる。このため、電池ブロック７を端面プレート８で強く押圧して、しっかりと固定できる。

図７の絶縁冷却スペーサ４は、冷却パイプ１３を絶縁スペーサ１１よりも薄くしている。この絶縁冷却スペーサ４は、絶縁スペーサ１１を冷却パイプ１３から突出させて角型電池３の対向面３Ａに密着する。この構造は、外装缶３ａの内圧が高くなって膨れても、これが強く冷却パイプ１３に押圧されない。このため、冷却パイプ１３に金属パイプを使用
しながら、金属パイプが外装缶３ａに電気的に接触されるのを防止して安全性を向上できる。

図８と図９の絶縁冷却スペーサ４は、中間に金属板１５を内蔵している。この金属板１５に冷却パイプ１３が接触している。金属板１５と冷却パイプ１３は表面を絶縁している。この絶縁冷却スペーサ４は、冷却パイプ１３で金属板１５を冷却する。冷却された金属板１５は、冷却パイプ１３と一緒に、すなわち金属板１５と冷却パイプ１３の両方で角型電池３の対向面３Ａを冷却する。

これ等の図に示す絶縁冷却スペーサ４は、積層している２枚の金属板１５をシーム溶接して、内部に水密構造の冷却液通路１０を設けている冷却プレート１６とする。この冷却プレート１６は、平らな金属板１５を平行にシーム溶接し、シーム溶接した間に加圧空気を圧入し、空気の圧力で金属板１５を膨れるように変形して冷却液通路１０を設ける。冷却液通路１０を設けた冷却プレート１６は、表面を絶縁層１４で絶縁する。

図１の装置の冷却機構２は、循環ポンプ２１と放熱器２２と、循環ポンプ２１と放熱器２２のファン２３の運転を制御する制御回路２０とを備える。循環ポンプ２１は、冷却液を、絶縁冷却スペーサ４の冷却液通路１０と放熱器２２に循環させる。制御回路２０は、角型電池３の温度を温度センサ２４で検出して、電池温度が設定温度よりも高くなると循環ポンプ２１を運転する。また、制御回路２０は、冷却液の温度を温度センサ２５で検出し、冷却液の温度が設定値よりも高くなると放熱器２２のファン２３を運転する。さらに、制御回路２０は、複数の角型電池３の温度を検出して、電池の温度差が設定された温度差よりも大きくなると、循環ポンプ２１を運転して電池の温度差を少なくすることもできる。循環ポンプ２１で冷却液通路１０に循環される冷却液は、絶縁油又は不凍液である。絶縁油には、シリコンオイル等が使用できる。

冷却液には冷媒も使用できる。冷却液を冷媒とする冷却機構２を図１０に示す。この冷却機構２は、気化した冷媒を加圧するコンプレッサ２６と、このコンプレッサ２６で加圧された冷媒を冷却して液化させる凝縮器２７と、この凝縮器２７で液化された冷媒を絶縁冷却スペーサ４の冷却液通路１０に供給する膨張装置２８とを備える。膨張装置２８は、例えば、膨張弁もしくはキャピラリーチューブ等である。この冷却機構２は、膨張装置２８から供給される液化された冷媒を冷却液通路１０の内部で気化して、冷媒の気化熱で絶縁冷却スペーサ４を冷却する。この冷却機構２は、絶縁冷却スペーサ４を低温に冷却して角型電池３を極めて効率よく冷却できる。コンプレッサ２６は、モータで運転され、あるいはハイブリッドカーにおいてはエンジンやモータで運転される。エンジンで運転されるコンプレッサは、電磁クラッチを介してエンジンに連結される。この冷却機構２は、コンプレッサ２６の運転が制御回路２０で制御される。この冷却機構２は、冷媒をコンプレッサ２６→凝縮器２７→膨張装置２８→絶縁冷却スペーサ４の冷却液通路１０→コンプレッサ２６に循環して、絶縁冷却スペーサ４を冷却する。コンプレッサ２６の運転は、電池の温度を検出する制御回路２０で制御され、電池の温度が設定温度よりも高くなるとコンプレッサ２６を運転して電池を冷却する。

制御回路２０は、電池の温度のみでなく、電池の発熱量を検出して、放熱器２２のファン２３やコンプレッサ２６の運転を制御することもできる。電池の発熱量は電池の充電電流や放熱電流から検出する。電池の発熱量が設定値よりも小さい状態では、ファン２３やコンプレッサ２６の運転を停止し、設定値よりも大きくなるとファン２３やコンプレッサ２６を運転して電池を冷却する。

また、制御回路２０は、電池の温度と発熱量の両方を検出し、ファン２３とコンプレッサ２６の運転を制御することもできる。この制御回路２０は、電池の温度が設定温度より
も高くなり、あるいは発熱量が設定値よりも大きい状態において、ファン２３やコンプレッサ２６を運転して電池を冷却する。この制御回路２０は、電池の温度と発熱量の両方でファン２３とコンプレッサ２６の運転を制御するので、電池の温度上昇を制限しながら、電池を効率よく冷却できる。

１…組電池
２…冷却機構
３…角型電池 ３Ａ…対向面
３ａ…外装缶
４…絶縁冷却スペーサ
５…電極端子
６…絶縁被膜
７…電池ブロック
８…端面プレート
９…固定バー
１０…冷却液通路
１１…絶縁スペーサ
１２…収納部
１３…冷却パイプ
１４…絶縁層
１５…金属板
１６…冷却プレート
２０…制御回路
２１…循環ポンプ
２２…放熱器
２３…ファン
２４…温度センサ
２５…温度センサ
２６…コンプレッサ
２７…凝縮器
２８…膨張装置

Claims (4)

1. 車両を走行させるモータに電力を供給する電池と、この電池を冷却する冷却機構とを備える車両用の電源装置であって、
   複数の電池を互いに積層状態に配置されてなる電池ブロックと、隣接する電池の対向面に挟まれて接触する電池を絶縁して冷却する絶縁冷却スペーサとを備え、
   前記絶縁冷却スペーサは水密構造の冷却液通路を備えており、この冷却液通路は前記冷却機構に連結されて、冷却機構から供給される冷却液で絶縁冷却スペーサが冷却されており、
   前記電池ブロックの両端に端面プレートを配置し、この一対の端面プレートは、固定バーに連結されて電池ブロックを挟着してなる車両用の電源装置。
2. 前記冷却液通路の一部に、湾曲した通路が形成されている請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 前記端面プレートと前記固定バーとは連結部材で連結されている請求項１に記載される車両用の電源装置。
4. 前記端面プレートに、複数の凹部が形成されている請求項１に記載される車両用の電源装置。

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