JP2013069471A - 電源装置の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電池モジュールが複数並んで構成される電源装置全体を効率的に冷却する。
【解決手段】本発明の電源装置の冷却構造は、複数の蓄電要素が配置される蓄電モジュールを、所定方向に複数並べて配置した蓄電ユニットと、所定方向の中央部位に設けられ、蓄電ユニットに供給される冷却媒体の導入孔と、を含む。そして、中央部位に位置する蓄電モジュールの蓄電要素の配列数を、端部位に位置する蓄電モジュールの蓄電要素の配列数よりも少なくすることで、導入孔から供給される蓄電ユニットの中央部位の冷却効率を向上させつつ中央部位での発熱量を抑制し、電源装置全体を効率よく冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置の冷却構造に関する。

電気自動車やハイブリッド車に搭載される電池パックは、ファン等の冷却装置によって冷却され、電池パック内部の温度上昇を抑制している。

例えば、ファンから送り込まれる空気等の冷却媒体が電池パック内を流通して電池モジュールと接触し、電池モジュールとの熱交換により温められた空気が電池パック外に排出されることで、電池パック内部が冷却される。

特開２０１１−０４４２７５号公報 特許第０４２８５４０５号公報 特開２００３−２５７３９０号公報 特開２０００−２４３４６０号公報 特開２００４−０８０９８９号公報 特開２０１０−２２５４７２号公報

一定の方向に複数の電池モジュールを並べて積層した電池パックは、積層方向における中央部位の電池モジュールの温度が高く、中央部位から積層方向の端部位に向かって温度が低くなる傾向にあるため、積層方向中央部位の電池モジュールと端部位の電池モジュールとの間で冷却効率が相違してしまい、電池パック全体を効率的に冷却することが難しい。

本発明は、電池モジュールが複数並んで構成される電源装置全体を効率的に冷却することができる電源装置の冷却構造を提供することを目的とする。

本発明の電源装置の冷却構造は、複数の蓄電要素が配置される蓄電モジュールが所定方向に複数並べて配置された蓄電ユニットの中央部位に冷却媒体の導入孔を設け、中央部位に位置する蓄電モジュールの蓄電要素の配列数を、端部位に位置する蓄電モジュールの蓄電要素の配列数よりも少なくしたので、導入孔から供給される電源装置（蓄電ユニット）の中央部位の冷却効率を向上させつつ、当該中央部位での発熱量を抑制（低減）することができ、電源装置全体を効率よく冷却できる。

また、冷却媒体の排出孔から遠くに位置する蓄電モジュールの蓄電要素の配列数を、排出孔の近くに位置する蓄電モジュールの蓄電要素の配列数よりも少なくすることで、熱がこもり易い排出孔から遠い位置に対する蓄電モジュールの発熱量を抑制することができる。

また、導入孔と連通して導入孔から供給される冷却媒体を蓄電ユニットの並ぶ方向に導く第１流路に、排出孔から遠くに位置する蓄電モジュールに供給される冷却媒体の流量を、排出孔の近くに位置する蓄電モジュールに供給される冷却媒体の流量よりも多くすることで、熱がこもり易い排出孔から遠い位置に対する蓄電モジュールの冷却効率を向上させることができる。

また、冷却媒体を蓄電ユニットに供給する冷却装置を導入孔に近接するように設けることで、冷却媒体が蓄電ユニットに導かれるまでの距離を低減でき、冷却効率を向上させることができるとともに、冷却装置からの冷却媒体を導入孔に導くダクト等の部品を不要となり、電源装置の小型化を図ることができる。

本発明によれば、電池モジュールが複数並んで構成される電源装置全体を効率的に冷却することができる。

電源装置の概略平面図である。 （ａ）は図１の電源装置を構成する各電池モジュールの電池配列数を示す概略図であり、（ｂ）は電源装置（電池ユニット）の各部位に配置される電池モジュールの電池配列数の関係を示すグラフである。 電源装置の各部位の温度と電池モジュールの電池配列数（一定、変更）との関係を示すグラフである。 電池モジュールの電池配列数を電源装置の各部位で相違させた場合の各部位での温度を示すグラフである。 図１の変形例１を示す図である。 図１の変形例２を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１から図６は、実施例１を示す図である。図１は、電源装置１の概略平面図である。

電源装置１は、複数の電池モジュール２１が一定の方向に並んで積層配置された電池ユニット（蓄電ユニット）２０を備える。電池ユニット２０は、電源装置１に設けられた供給口（導入孔）１１から流入する冷却風（冷却媒体）によって冷却され、電池ユニット２０の周囲又は電池モジュール２１間を流通した冷却風が、排出口（排出孔）１２から電源装置１の外部に排気される冷却構造を有している。

図中のＸ方向は、複数の電池モジュール２１が並んで積層配置される方向（電池ユニット２０の長尺方向）であり、Ｙ方向はＸ方向に直交する方向である。

電源装置１内に冷却風を供給する冷却装置３０は、供給口１１に接続される吸気ダクト２に設けられる。冷却装置３０として、例えば、不図示の駆動モータによって回転する１つ又は複数の羽根部を備えたファンを用いることができ、駆動モータに供給される電力供給量に応じた回転数（回転速度）で回転し、冷却風を供給口１１を介して電源装置１内に供給する。

電源装置１の冷却制御は、不図示のコントローラによって制御することができ、冷却装置３０と接続するコントローラが、冷却装置３０の回転駆動を制御して電源装置１の冷却制御を遂行する。例えば、電池ユニット２０に設置された１つ又は複数の温度センサによって検出される温度に基づいて、冷却装置３０の回転駆動を制御して電源装置１に供給する冷却風を制御することができる。

本実施例の電源装置１（電池ユニット２０）は、Ｘ方向に長尺状に形成されている。供給口１１は、電源装置１の中央部位（複数の電池モジュール２１が積層される方向の中央付近）に設けられる。

図１の例では、複数の電池モジュール２１で構成された電池ユニット２０を収容するケース部材におけるＸ方向に略平行な第１側壁部（Ｙ方向側壁部）であって、Ｘ方向における電池ユニット２０の中央部位に相当する位置に供給口１１が形成される。

排出口１２は、Ｙ方向に略平行なケース部材の第２側壁部（電源装置１のＸ方向側壁部）に形成される。排出口１２は、供給口１１に対して電池ユニット２０を隔てたＹ方向側壁部側に位置している。また、排出口１２には排気ダクト３を接続できる。

また、電池ユニット２０のＹ方向の両側面には、第１流路１３及び第２流路１４がそれぞれ形成されている。

第１流路１３は、供給口１１と連通し、供給口１１から供給される冷却風を電池ユニット２０の長尺方向に導く流路である。第１流路１３は、供給口１１が設けられる電源装置１のケース壁部と長尺状の電池ユニット２０とによって形成される。流路１３は、電池ユニット２０の長尺方向と同じ又は長い冷却風の流通空間であり、電池ユニット２０の長尺方向中央部位に設けられた供給口１１から長尺方向左右に延び、電池ユニット２０の長尺方向端部まで冷却媒体を流通させる冷却経路である。

第２流路１４は、排出口１２と連通し、供給口１１又は第１流路１３からＹ方向に電池ユニット２０の周囲又は電池モジュール２１間を流通した冷却風を、排出口１２に導く流路である。第２流路１４は、電池ユニット２０を隔てて供給口１１が設けられる電源装置１のケース壁部（第１側壁部）と反対側に位置するＹ方向側壁部と長尺状の電池ユニット２０とによって形成される。流路１４は、電池ユニット２０の長尺方向と同じ又は長い冷却風の流通空間であり、電池ユニット２０の長尺方向に延び、端部が排出口１２と連通した冷却経路である。

本実施例の電源装置１は、供給口１１と連通する第１流路１３と、排出口１２と連通する第２流路とが電池ユニット２０のＹ方向の両側面にそれぞれ形成され、供給口１１から導入された冷却風は、流路１３によって電池ユニット２０の長尺方向の端部まで広がるように流通しつつ、供給口１１又は第１流路１３からＹ方向に電池ユニット２０の周囲又は電池モジュール２１間を流通した冷却風が流路１４を介して排出口１２から電源装置１外に排出される。

次に、本実施例の電池ユニット２０について詳細に説明する。電池モジュール２１は、複数の単電池２２が配置されたバッテリモジュールである。図２（ａ）の右側に示すように、電池モジュール２１は、並んで配置されるＸ方向に直交するＹ方向に複数の単電池２２が配置され、これら単電池２２が電気的に接続されて１つの電池モジュール２１が構成される。

単電池２２は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池や電気二重層キャパシタ（コンデンサ）であり、蓄電容量及びＹ方向の長さが一定に形成された矩形状又は円筒状の蓄電要素である。このため、電池モジュール２１のＹ方向の長さは、単電池２２の配列数に依存し、図１及び図２（ａ）の例のように、電池モジュール２１のＹ方向の長さは、単電池２２の配列数で表すことができる。

本実施例の電池ユニット２０は、Ｘ方向に並んで配置される電池モジュールの単電池２２の配列数（電池配列数）が、電池ユニット２０の中央部位と端部位とで異なるようにしている。

具体的には、Ｘ方向において電池ユニット２０の中央部位に位置する電池モジュール２１の電池配列数が、端部位に位置する電池モジュール２１の電池配列数よりも少ないように、電池ユニット２０を構成している。つまり、電池モジュール２１の電池配列数を端部位から中央部位に向かうに従い、電池モジュール２１の電池配列数が少なくなるように電池ユニット２０を構成する。

図２（ａ）に示すように、電池ユニット２０を構成するＸ方向に並んで配置される電池モジュール２１において、中央部位に位置する電池モジュール２１ａの電池配列数Ｈ３は、端部位に位置する電池モジュール２１ｂ（電池モジュール２１ｃ）の電池配列数Ｈ１（Ｈ５）よりも少ない。

また、端部位に位置する電池モジュール２１ｂと中央部位に位置する電池モジュール２１ａとの間に位置する電池モジュール２１ｄの電池配列数Ｈ２は、電池配列数Ｈ３＜Ｈ２＜Ｈ１の関係を維持する電池配列数となる。端部位に位置する電池モジュール２１ｃと中央部位に位置する電池モジュール２１ａとの間に位置する電池モジュール２１ｅの電池配列数Ｈ４も同様に、電池配列数Ｈ３＜Ｈ４＜Ｈ５の関係を維持する電池配列数となる。

図２（ｂ）は、Ｘ方向に並んで配置される複数の電池モジュール２１の各部位における電池配列数の関係をグラフにした一例である。電池ユニット２０のＸ方向両側のそれぞれの端部位に位置する電池モジュール２１ｂ、２１ｃの電池配列数が多く、端部位から中央部位にいくに従い、電池配列数が少なくなる。図２（ｂ）の例では、電池ユニット２０の中央部位に位置する電池モジュール２１ａの電池配列数Ｈ３が最も少ない電池配列数となっている。

また、上述したように電池モジュール２１のＹ方向の長さは、単電池２２の配列数に依存するので、図１及び図２（ｂ）に示すように、各電池モジュール２１のＹ方向の長さは、端部位から中央部位に向かうに従って短くなり、第１流路１３は、電池モジュール２１のＹ方向の長さに応じて、端部位から中央部位にかけてＹ方向に階段状に傾斜するように形成されている。

図３は、電源装置１（電池ユニット２０）のＸ方向における各部位の温度と電池モジュール２１の電池配列数との関係を示すグラフである。

図３に示すように、同じ電池配列数（同じ蓄電容量）の電池モジュール２１が並んで配置されてＸ方向に長尺状に形成された電池ユニット２０は、中央部位の温度が高く、中央部位から長尺方向の両端部に向かって温度が低くなる。一方、中央部位に位置する電池モジュール２１ａの電池配列数を、端部位に位置する電池モジュール２１ｂ、２１ｃの電池配列数よりも少なくした本実施例では、中央部位に位置する電池モジュール２１ａの蓄電容量の応じた発熱量を、端部位に位置する電池モジュール２１ｂ、２１ｃの発熱量よりも低減させることができ、電源装置１全体の発熱量が電池モジュール２１の並ぶ方向で不均一となることを抑制することができる。

また、中央部位に位置する電池モジュール２１ａに対応する位置に冷却風の供給口１１を設けているので、端部位に比べて中央部位の冷却が効率よく行われる。

したがって、複数の蓄電要素が配置される電池モジュール２１が所定方向に複数並べて配置された電池ユニット２０の中央部位における冷却を、端部位に位置する電池モジュール２１よりも優先的に行いつつ、中央部位での発熱量を抑制（低減）することができるので、電源装置全体を効率よく冷却できる。

また、本実施例の電源装置１は、発熱量又は冷却特性がそれぞれ異なる電池モジュールを複数組み合わせ、例えば、端部位に配置される電池モジュールよりも発熱量の低い電池モジュールを中央部位に配置し、電池ユニット２０の中央部位の温度上昇を抑制するよりも、コストを低く抑えることができる。すなわち、発熱量又は冷却特性がそれぞれ異なる複数の電池モジュールが必要になると、その分コストが嵩んでしまうが、本実施例では、電池モジュールを構成する単電池の電池配列数を変更するだけなので、コストを低く抑えることができる。

図４は、中央部位に位置する電池モジュール２１の電池配列数を、端部位に位置する電池モジュールの電池配列数よりも少なくした電池ユニット２０の各部位の温度を示すグラフである。図４に示すように、冷却装置３０から冷却媒体が送風される前と送風された後の各温度は、どちらとも複数の電池モジュール２１が並ぶ方向の冷却効率の不均一性を抑制することが、電源装置全体の冷却効率が向上していることが把握できる。

さらに本実施例では、排出口１２からＸ方向において遠くに位置する電池モジュール２１ｃの電池配列数Ｈ５が、排出口１２の近くに位置する電池モジュール２１ｂの電池配列数Ｈ１よりも少なく構成している（Ｈ１＞Ｈ５＞Ｈ３）。同様に、排出口１２からＸ方向において遠くに位置する電池モジュール２１ｅの電池配列数Ｈ４が、排出口１２の近くに位置する電池モジュール２１ｄの電池配列数Ｈ２よりも少なく構成している（Ｈ２＞Ｈ４＞Ｈ３）。

図３に示すように、電池モジュール２０の図示右端側方向に向かって排出口１２から遠い部位の温度は、電池モジュール２０の図示左端側方向に向かって排出口１２から近い部位の温度よりも高いので、排出口１２から遠い部位に位置する電池モジュール２１ｃ、２１ｅの発熱量を、排出口１２から近い部位に位置する電池モジュール２１ｂ、２１ｄの発熱量よりも低くするために、排出口１２から遠い部位に位置する電池モジュールの電池配列数を、排出口１２から近い部位に位置する電池モジュールの電池配列数よりも少なく構成し、電源装置１全体の発熱量が電池モジュール２１の並ぶ方向で不均一となることをさらに抑制している。

また、排出口１２から遠い部位の電池モジュール２１に対する冷却風の流通量を、排出口１２から近い部位の電池モジュール２１に対する冷却風の流通量よりも大きくなるようにし、温度が高い部位（温度が高くなり易い部位）に対して効率的な冷却を行うこともできる。

図５は、図１に示した電源装置１の第１変形例を示す図である。例えば、図５に示すように、流路１３に、電池ユニット２０の長尺方向、すなわち複数の電池モジュール２１が並ぶ方向（Ｘ方向）において排出口１１から遠くに位置する電池モジュール２１に供給される冷却風の流量を、排出口１１の近くに位置する電池モジュール２１に供給される冷却風の流量よりも多くする流量規制手段を設けることができる。

流量規制手段は、複数の電池モジュール２１が並ぶ方向に流れる冷却風の流量を、第１流路の各位置で相違させる機能を持ち、例えば、仕切り弁（gate valve）や蝶形弁（butterfly valve)等のバルブ１８を第１流路の所定の位置（長尺状の電池ユニット２０に対する所定の位置）に複数設けることができる。

本実施例の流量規制手段の具体的な機能は、複数の電池モジュール２１を複数並べて長尺状に形成された電池ユニット２０に対し、供給口１１から導入される冷却風の長尺方向における任意の部位での流量を規定する吸気口としての役割を担う。つまり、所定の各部位に開口面積を異なる吸気口が流量規制手段によって形成され、流路１３をＸ方向に流れる冷却風の流量を電池ユニット２０の長尺方向の部位に応じて相違させることができる。

なお、本実施例では、流路１３のＸ方向に所定の間隔で複数のバルブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが設けられ、各バルブ１８の開度（冷却媒体が流通する開口面積）は、予め決められた値に固定的に設定される。また、バルブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ及び１８ｄそれぞれの開度は、互いに異なるように設定される。

このように、排出口１２から遠い部位に対する冷却風の流通量が排出口１２から近い部位に対応する流通量よりも大きくなるように、例えば、排出口１２から遠い部位に対応する吸気口（１８ｃ、１８ｄ）の開口面積を、排出口１２から近い部位に対応する吸気口（１８ａ、１８ｂ）の開口面積よりも大きくなるように設定し、電池ユニット２０のＸ方向において温度が高い部位（温度が高くなり易い部位）に効率的な冷却（局所的に冷却風の流通量を増やして所望の部位に対する冷却効率を高める）を行うことができる。

なお、本実施例の電源装置１は、例えば、供給口１１から外気を取り込んで排出口１６から車両外部に排気する開循環型の冷却構造や、閉循環型の冷却構造（供給口１１から導入された冷却媒体が電源装置１内を流通して排出口１６から電源装置１外に排出し、排出口１６から流出した冷却媒体が所定の冷却装置により冷やされて供給口１１に循環される、冷却媒体が外部と隔離されて閉循環する冷却構造）を適用することができる。なお、開循環型の冷却構造である場合、外気（空気）が冷却媒体であり、閉循環型の冷却構造の場合、気体又は液体の冷却媒体を用いることができる。

図６は、図１に示した電源装置１の第２変形例を示す図である。図６の例では吸気ダクト２を設けずに、供給口１１に対して冷却装置３０を近接して配置している。このように、冷却風を電池ユニット２０に供給する冷却装置３０を供給口１１に近接するように設けることで、冷却風が電池ユニット２０に導かれるまでの距離を低減して冷却効率を向上させることができるとともに、冷却装置３０からの冷却風を供給口１１に導く吸気ダクト等の部品を削減でき、電源装置１の小型化を図ることができる。

また、電池モジュール２１のＹ方向の長さが、端部位から中央部位に向かうに従って短くなっており、第１流路１３が端部位から中央部位にかけてＹ方向に階段状に傾斜するように形成されているので、電源装置１の中央部位は端部位よりもＹ方向に凹んでいる。このため、中央部位の凹位置に形成されている供給口１１に冷却装置３０を近接して設けることで、電源装置１をＹ方向において小型化できる。

１ 電源装置
２ 吸気ダクト
３ 排気ダクト
１１ 供給口（導入孔）
１２ 排出口（排出孔）
１３ 第１流路
１４ 第２流路
１８ 流量規制手段
２０ 電池ユニット
２１ 電池モジュール
２２ 単電池
３０ 冷却装置

Claims (4)

1. 電源装置の冷却構造であって、
   複数の蓄電要素が配置される蓄電モジュールを、所定方向に複数並べて配置した蓄電ユニットと、
   前記所定方向の中央部位に設けられ、前記蓄電ユニットに供給される冷却媒体の導入孔と、を含み、
   前記中央部位に位置する前記蓄電モジュールの蓄電要素の配列数が、端部位に位置する前記蓄電モジュールの蓄電要素の配列数よりも少ないことを特徴とする電源装置の冷却構造。
2. 前記冷却媒体の排出孔をさらに含み、
   前記所定方向において前記排出孔から遠くに位置する前記蓄電モジュールの蓄電要素の配列数が、前記排出孔の近くに位置する前記蓄電モジュールの蓄電要素の配列数よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載の電源装置の冷却構造。
3. 前記蓄電ユニットの両側に設けられる第１流路及び第２流路をさらに含み、
   前記第１流路は、前記挿入孔と連通して前記導入孔から供給される前記冷却媒体を前記蓄電ユニットの前記並ぶ方向に導き、
   前記第２流路は、前記並ぶ方向の流路端が前記排出孔と連通して前記蓄電モジュール間を流通した前記冷却媒体を前記排出孔に導き、
   前記第１流路には、前記並ぶ方向において前記排出孔から遠くに位置する前記蓄電モジュールに供給される前記冷却媒体の流量を、前記排出孔の近くに位置する前記蓄電モジュールに供給する前記冷却媒体の流量よりも多くする流量規制手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置の冷却構造。
4. 前記導入孔に、前記冷却媒体を前記蓄電ユニットに供給する冷却装置を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電源装置の冷却構造。

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