JP2012226955A - 電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な電池を冷却または加温するための構造を提供する。
【解決手段】電池ユニット２００は、電池１２、および電池１２と熱交換する液状の熱交換媒体１５０を収容する収容部１１０と、熱交換媒体１５０を加熱または冷却するペルチェ素子３０とを備える。電池ユニット２００は、収容部１１０に配置され、一方の面に熱交換媒体１５０が接触し、他方の面にペルチェ素子３０が接触する伝熱板１２０をさらに備える。収容部１１０は、収容部１１０を貫通する開口１１２ａを有し、伝熱板１２０は、開口１１２ａを閉塞している。ペルチェ素子３０の少なくとも一部分は、開口１１２ａ内に配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、電池ユニットの冷却または加温の構造に関する。

リチウムイオン二次電池などの電池は、高温下または低温下で充電または放電する場合に、電池の特性に悪影響を与える場合がある。そこで、電池は適宜冷却または加温されることが好ましい。特許文献１には、絶縁オイル中にバッテリを配置し、冷媒の気化熱で冷却されたエバポレータにより絶縁オイルを介してバッテリを冷却し、冷媒の凝縮熱で発熱したエバポレータにより絶縁オイルを介してバッテリを加温する電源装置が開示されている。
特許文献１ 特開２００９−３７９３４号公報
特許文献２ 特開２００９−２８９６６８号公報
特許文献３ 特開２００６−３３１９５６号公報

従来の電源装置における電池を冷却または加温するための構造は、複雑であり、大型化になりやすい。そこで、本発明は、小型化が可能な電池を冷却または加温するための構造を提供する。

本発明の第１の態様においては、電池ユニットは、第１の電池、および第１の電池と熱交換する液状の熱交換媒体を収容する収容部と、熱交換媒体を加熱または冷却する第１のペルチェ素子とを備える。

上記電池ユニットは、収容部に配置され、一方の面に熱交換媒体が接触し、他方の面に第１のペルチェ素子が接触する伝熱板をさらに備えてもよい。収容部は、収容部を貫通する第１の開口を有し、伝熱板は、第１の開口を閉塞してもよい。伝熱板は、収容部の内部に設けられ、収容部の内側から第１の開口を閉塞してもよい。第１のペルチェ素子の少なくとも一部分は、第１の開口内に配置されてもよい。

上記電池ユニットは、第１のペルチェ素子の伝熱板と反対側の面に接触するヒートシンクをさらに備えてもよい。収容部のヒートシンクと接触する面と第１のペルチェ素子のヒートシンクと接触する面とは、略同一平面上に設けられてもよい。

上記電池ユニットは、第２の電池と、熱交換媒体を加熱または冷却する第２のペルチェ素子とをさらに備え、伝熱板は、他方の面に第２のペルチェ素子がさらに接触し、収容部は、第２の電池を収容するとともに、収容部を貫通する第２の開口を有し、伝熱板は、第２の開口を閉塞し、第２のペルチェ素子の少なくとも一部分は、第２の開口内に配置されてもよい。

上記電池ユニットは、伝熱板の一方の面から第１の電池と第２の電池との間に収容部の上面に向かって延伸する補助伝熱板をさらに備えてもよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。 本実施形態に係る電池ユニットの斜視図である。 ヒートシンクを取り外した状態の電池ユニットを裏面側から見た斜視図である。 電池ユニットのＸＺ平面の断面図である。 収容部の底部および天井部のそれぞれに複数のペルチェ素子が配置された電池ユニットのＸＺ平面の断面図である。 収容部の側壁部に複数のペルチェ素子が配置された電池ユニットのＸＺ平面の断面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。特許請求の範囲または実施形態における「電池ユニット」および「電池」は、セル電池、複数のセル電池を有する電池ブロック、複数の電池ブロックを有する電池モジュールのいずれかを示す用語として用いられる。また、「電池ユニット」は、電池自体に加え、複数の電池を相互に固定または保持する部材、または電池を制御するための回路もしくは電池の状態を検出するための回路が設けられた基板を有する構造の名称としても用いられる。

図１は、本実施形態に係る電池モジュール１００の斜視図である。電池モジュール１００は、複数の電池ブロック１０および回路基板２０を有する。複数の電池ブロック１０は、それぞれ直列に接続されている。電池ブロック１０は、複数の電池１２、一対の支持板１４、および一対の電極板１６を含む。

複数の電池１２は、円筒型電池であり、例えば１８６５０型リチウムイオン二次電池セルである。複数の電池１２は同一方向（Ｘ方向）に沿って略平行に配置されている。また、複数の電池１２は、Ｘ方向に略垂直な面において千鳥状に配置されている。１つの電池ブロック１０に含まれる電池１２は、一対の電極板１６を介して並列に接続されている。また、複数の電池ブロック１０は、Ｘ方向と略垂直な方向（Ｙ方向）に沿って一列に配列されており、直列に接続されている。

一対の支持板１４は、千鳥状に配置された複数の貫通孔を含み、複数の貫通孔に複数の電池１２がそれぞれ挿入されることにより、複数の電池１２を支持している。一対の電極板１６のそれぞれは、複数の電池１２のそれぞれの一方の電極と電気的に接続されている。複数の電池１２のそれぞれの電極は、例えば、超音波溶接、パルス溶接などの溶接によりそれぞれの電極板１６に接合されている。電極板１６は、直列接続の対象となる隣接した電池ブロック側の周縁部に、複数の電池１２側とは反対側に向かって屈曲した屈曲部１６ａを有する。屈曲部１６ａは、直列接続の対象となる電池ブロック１０の電極板１６が有する屈曲部１６ａと面接触している。これにより、隣接した電池ブロック１０同士が直列に接続される。

回路基板２０は、一列に配置された複数の電池ブロック１０の上方に配置され、複数の電池ブロック１０を制御する制御回路を有する。

図２は、本実施形態に係る電池ユニット２００の斜視図である。電池ユニット２００は、複数の電池モジュール１００、収容部１１０、およびヒートシンク１３０を備える。収容部１１０は、複数の電池モジュール１００、および複数の電池モジュール１００と熱交換する液状の熱交換媒体を収容する。熱交換媒体は、電気的に絶縁性の液状の媒体であり、例えばシリコンオイル、またはハイドロフルオロエーテルである。収容部１１０は、外部との熱を遮断する断熱構造を有する。複数の電池モジュール１００は、直列に接続されており、両端の電池モジュールの一方の電極は、それぞれ外部出力端子１０２に接続されている。ヒートシンク１３０は、収容部１１０の底部の下面に設けられている。このように構成された電池ユニット２００において、熱交換媒体の温度が調整されることで、複数の電池モジュール１００の温度が調整される。

図３は、ヒートシンク１３０を取り外した状態の電池ユニット２００を裏面側から見た斜視図である。収容部１１０は、収容部１１０を貫通する複数の開口１１２ａを有する。本実施形態における収容部１１０は、複数の電池モジュール１００のそれぞれに沿って底部１１２を貫通する複数の開口１１２ａを有する。本実施形態における複数の開口１１２ａのそれぞれは、複数の電池モジュール１００のそれぞれの下方に配置されている。電池ユニット２００は、収容部１１０内の熱交換媒体を加熱または冷却する複数のペルチェ素子３０を備える。複数のペルチェ素子３０は、複数の開口１１２ａ内に複数の電池モジュール１００のそれぞれに沿って配置されている。電池ユニット２００は、収容部１１０の底部１１２に配置された伝熱板１２０をさらに備える。伝熱板１２０は、収容部１１０の内部に設けられており、収容部１１０の内側から複数の開口１１２ａを閉塞している。

ここで、ペルチェ素子３０は、直流電流を流すことによって一方の面から他方の面に熱を移動させる効果のある熱電変換デバイスであり、対象物を冷却または加熱できる半導体素子である。ペルチェ素子３０は、Ｎ型半導体素子と、Ｐ型半導体素子と、Ｎ型半導体素子およびＰ型半導体素子の一方を直列に接続する導電板と、導電板の上に設けられた冷却または加熱面板と、Ｎ型半導体素子およびＰ型半導体素子の他方に設けられた加熱または冷却面板とを有する。ペルチェ素子３０が有する一対の電極の極性を反転制御させることで、ペルチェ素子３０の一方の面を冷却および加熱させることができる。

図４は、図２に示す電池ユニット２００のＸＺ平面の断面図である。収容部１１０の内部には、熱交換媒体１５０が充満されており、複数の電池モジュール１００が、熱交換媒体１５０に漬かっている。収容部１１０は、天井部１１４を有し、天井部１１４により収容部１１０の上面は密閉されている。伝熱板１２０は、収容部１１０の底部１１２の上面に、複数の開口１１２ａを閉塞するように配置されている。伝熱板１２０は、一方の面に熱交換媒体１５０が接触し、他方の面に複数のペルチェ素子３０が接触している。収容部１１０は、内部にさらに複数の補助伝熱板１２２を収容している。複数の補助伝熱板１２２のそれぞれは、伝熱板１２０の一方の面から複数の電池モジュール１００の間に収容部１１０の上面に向かって延伸している。ヒートシンク１３０は、複数のペルチェ素子３０の伝熱板１２０と反対側の面に接触している。

さらに、収容部１１０内には熱交換媒体１５０の温度を検出する温度センサが設けられている。また、回路基板２０は、温度センサから熱交換媒体１５０の温度を示す温度データを取得し、取得した温度データに基づいて複数のペルチェ素子３０を制御する制御回路を有してもよい。

このように構成された電池ユニット２００において、ペルチェ素子３０に流れる電流が制御されることで、伝熱板１２０および補助伝熱板１２２を介して熱交換媒体１５０の温度が調整される。これにより、複数の電池モジュール１００の温度が、予め定められた温度範囲内、例えば２０℃から５０℃、より好ましくは２０℃から４０℃以内に制御される。ペルチェ素子３０の一方の面が加熱されると、ペルチェ素子３０の熱は、伝熱板１２０および補助伝熱板１２２を介して熱交換媒体１５０に伝達され、熱交換媒体１５０が加熱される。これにより、複数の電池モジュール１００が加熱される。一方、ペルチェ素子３０の一方の面が冷却されると、つまり、熱交換媒体１５０の熱が伝熱板１２０および補助伝熱板１２２を介してペルチェ素子３０の一方の面に吸収されると、熱交換媒体１５０が冷却される。これにより、複数の電池モジュール１００が冷却される。なお、ペルチェ素子３０の一方の面が冷却されると、ペルチェ素子３０の他方の面の温度が上昇する。そこで、ペルチェ素子３０の他方の面に発生した熱は、ヒートシンク１３０を介して外部に放熱させる。

なお、複数の電池モジュール１００の温度にばらつきが生じている場合には、温度の調整が必要な電池モジュール１００の直下に配置されたペルチェ素子３０を個別に温度制御してもよい。これにより、温度の調整が必要な電池モジュール１００の温度を個別に制御させることができる。

また、ヒートシンク１３０は、空調装置からダクトを介して供給される冷却風により冷却されてもよい。これにより、ペルチェ素子３０の他方の面の温度を効率的に冷却できる。

さらに、収容部１１０のヒートシンク１３０と接触する面と複数のペルチェ素子３０のヒートシンク１３０と接触する面とは、略同一平面上に設けられてもよい。つまり、底部１１２の下面と複数のペルチェ素子３０の下面とは、略同一平面上に設けられてもよい。このように設けることで、ヒートシンク１３０を底部１１２の下面に安定させて固定しやすくなる。さらに、複数のペルチェ素子３０の他方の面とヒートシンク１３０の上面とを密着させやすくなる。本実施形態では、底部１１２は、ペルチェ素子３０よりも薄い。したがって、複数のペルチェ素子３０のそれぞれが接触している伝熱板１２０のそれぞれの部分を、熱交換媒体１５０に接触する面側に突出させている。これにより、底部１１２の下面と複数のペルチェ素子３０の下面とを、略同一平面上にしている。なお、底部１１２が、ペルチェ素子３０と同一の厚さの場合には、伝熱板１２０は平板でもよい。さらに、底部１１２が、ペルチェ素子３０よりも厚い場合には、複数のペルチェ素子３０のそれぞれが配置される伝熱板１２０のそれぞれの部分を、複数のペルチェ素子３０に接触する面側に突出させてもよい。

また、複数のペルチェ素子３０を防水構造にすることで、複数のペルチェ素子３０は収容部１１０の底部１１２の上面に配置されてもよい。複数のペルチェ素子３０は、天井部１１４に配置されてもよい。複数のペルチェ素子３０は、底部１１２および天井部１１４のそれぞれに配置されてもよい。複数のペルチェ素子３０は、収容部１１０の側壁部に配置されてもよい。さらに、複数のペルチェ素子３０と伝熱板１２０との間、または複数のペルチェ素子３０とヒートシンク１３０との間には、熱拡散シートなどの中間部材が配置されてもよい。

図５は、複数のペルチェ素子３０が収容部１１０の底部１１２および天井部１１４のそれぞれに配置された電池ユニット２００のＸＺ平面の断面図である。底部１１２に配置された複数のペルチェ素子３０が熱交換媒体１５０を加熱し、天井部１１４に配置された複数のペルチェ素子３０が熱交換媒体１５０を冷却してもよい。熱交換媒体１５０の加熱および冷却を実行するペルチェ素子３０を切り替えることで、熱交換媒体１５０の対流が促進される。よって、熱交換媒体１５０の加熱および冷却が効率的に実行される。

図６は、複数のペルチェ素子３０が収容部１１０の側壁部１１６に配置された電池ユニット２００のＸＺ平面の断面図である。側壁部１１６に設けられた伝熱板１２０は、底部１１２および天井部１１４に沿って延伸していてもよい。これにより、ペルチェ素子３０からの熱を熱交換媒体１５０の全体に伝達されやすくなる。また、ヒートシンク１３０が備える複数のフィンのそれぞれの間に形成される溝は、底部１１２側から天井部１１４側に向かって、つまりＺ方向に沿って形成されてもよい。このように形成されることで、複数のフィンのそれぞれの間に形成される溝がＹ方向に沿って形成される場合よりも、冷却風が効率的にヒートシンク１３０に供給される。よって、ヒートシンク１３０の冷却効率を向上できる。

以上の通り、本実施形態によれば、複数の電池モジュール１００の温度を、複数のペルチェ素子３０による熱交換媒体１５０の温度の調整により実行することで、電池ユニット２００の冷却または加温の構造を簡略化でき、電池ユニット２００を小型化できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 電池ブロック
１２ 電池
３０ ペルチェ素子
１００ 電池モジュール
１１０ 収容部
１１２ 底部
１１２ａ 開口
１２０ 伝熱板
１２２ 補助伝熱板
１３０ ヒートシンク
１５０ 熱交換媒体
２００ 電池ユニット

Claims (8)

1. 第１の電池、および前記第１の電池と熱交換する液状の熱交換媒体を収容する収容部と、
   前記熱交換媒体を加熱または冷却する第１のペルチェ素子と
   を備える電池ユニット。
2. 前記収容部に配置され、一方の面に前記熱交換媒体が接触し、他方の面に前記第１のペルチェ素子が接触する伝熱板をさらに備える請求項１に記載の電池ユニット。
3. 前記収容部は、前記収容部を貫通する第１の開口を有し、
   前記伝熱板は、前記第１の開口を閉塞する請求項２に記載の電池ユニット。
4. 前記伝熱板は、前記収容部の内部に設けられ、前記収容部の内側から前記第１の開口を閉塞し、
   前記第１のペルチェ素子の少なくとも一部分は、前記第１の開口内に配置されている請求項３に記載の電池ユニット。
5. 前記第１のペルチェ素子の前記伝熱板と反対側の面に接触するヒートシンクをさらに備える請求項２から請求項４のいずれか1つに記載の電池ユニット。
6. 前記収容部の前記ヒートシンクと接触する面と前記第１のペルチェ素子の前記ヒートシンクと接触する面とは、略同一平面上に設けられている請求項５に記載の電池ユニット。
7. 第２の電池と、
   前記熱交換媒体を加熱または冷却する第２のペルチェ素子と
   をさらに備え、
   前記伝熱板は、前記他方の面に前記第２のペルチェ素子がさらに接触し、
   前記収容部は、前記第２の電池を収容するとともに、前記収容部を貫通する第２の開口を有し、
   前記伝熱板は、第２の開口を閉塞し、
   前記第２のペルチェ素子の少なくとも一部分は、前記第２の開口内に配置されている請求項２から請求項６のいずれか１つに記載の電池ユニット。
8. 前記伝熱板の前記一方の面から前記第１の電池と前記第２の電池との間に前記収容部の上面に向かって延伸する補助伝熱板をさらに備える請求項７に記載の電池ユニット。

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