JP2013084475A - 電池用温調機構 - Google Patents

Abstract

【課題】液漏れによる電池の性能低下を防ぐことができ、かつ、電池の温度調節を効率よく行うことができる電池用温調機構を提供すること。
【解決手段】電池用温調機構３０は、液体が流通する流通路３１と、この流通路３１に設けられるペルチェ素子３２と、流通路３１内の液体と流通路３１外の気体とを熱交換させる熱交換部３３と、二次電池２２に向けて送風する第１送風機３４とから構成されている。熱交換部３３は、第１送風機３４による送風方向において二次電池２２よりも上流側で二次電池２２から離間して配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、１又は複数の電池の温度調節を行う電池用温調機構に関する。

近年、二次電池（電池）の大電流での充電及び放電や二次電池の大容量化が要求されるようになっている。しかし、大電流での充電及び放電は二次電池内部の大きな発熱を伴うことから二次電池の温度が上昇し、二次電池の性能の劣化を促進してしまう。また、二次電池によっては環境温度が低いと放電性能が低下する。このため、二次電池を規定温度に温度調節（以下、「温調」という）することが必要である。二次電池の温調を行うものとして、例えば、熱電セル（ペルチェ素子）を採用した温度制御モジュールが挙げられる（特許文献１参照）。

この温度制御モジュールにおいて、バッテリユニット（二次電池）はケーシングによって区画されたコンパートメント内に設置されるとともに、ケーシングには熱電セルが設けられている。熱電セルは、第１の面がコンパートメントの内部を流れる第１の流体と接触しうるようにコンパートメントの境界領域に設置されている。また、熱電セルは、第２の面がケーシングの外部を流れる第２の流体と接触しうるように設置されている。バッテリユニットに温調作用を及ぼす流体は、第１の流体であり、第１の流体としては、液体又は空気（気体）が用いられる。また、ケーシングには、熱電セルによって加熱又は冷却された第１の流体をバッテリユニットに移送する移送装置が設けられている。そして、加熱又は冷却された第１の流体は、移送装置によってバッテリユニットに移送され、第１の流体によってバッテリユニットの温調が行われる。

特開２００９−３０２０５４号公報

ところが、気体は、熱伝導率が悪いため、第１の流体として、気体を採用してバッテリユニットの温調を行うと、バッテリユニットの温調効率が悪い。また、第１の流体として液体を採用してバッテリユニットの温調を行うと、液漏れにより、バッテリユニットの性能低下を招くおそれがある。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、液漏れによる電池の性能低下を防ぐことができ、かつ、電池の温度調節を効率よく行うことができる電池用温調機構を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、１又は複数の電池の温度調節を行う電池用温調機構であって、液体が流通する流通路と、前記流通路に設けられ、前記流通路を流通する液体を加熱又は冷却する熱電変換素子と、前記流通路での液体の流通方向における前記熱電変換素子の下流側に設けられ、前記熱電変換素子によって加熱又は冷却された後の液体と流通路外の気体とを熱交換させる熱交換部と、前記電池に向けて送風する送風機と、を備え、前記熱交換部が、前記送風機による送風方向において前記電池よりも上流側で前記電池から離間して設けられているものである。

これによれば、流通路を流通する液体は、熱電変換素子によって加熱又は冷却され、熱交換部では加熱又は冷却された液体と流通路外の気体との熱交換が行われる。そして、熱交換部での熱交換により加熱又は冷却された気体は、送風機により電池に向けて送風される。よって、電池の温度調節（加熱又は冷却）は、気体によって行われ、しかも、熱交換部は送風機による送風方向において電池の上流側で電池から離間して設けられているため、流通路からの液漏れがあっても電池が液体によって濡れることが防止される。その結果として液漏れによる電池の性能低下を防ぐことができる。さらに、熱電変換素子による吸熱及び放熱は液体に対して行われる。液体は、気体に比べて熱伝導率が高いため、熱電変換素子による液体に対する吸熱及び放熱は、気体に比べて効率よく行われる。そして、この液体に対して気体との熱交換が行われ、その気体が、熱電変換素子に向けて送られるため、電池の温度調節を効率よく行うことができる。

また、前記電池は複数並設され、上下方向に沿って前記送風機、前記熱交換部、及び前記電池が配設され、前記熱交換部の下側で、かつ、電池の上側に受け皿を配設してもよい。

これによれば、各電池間の温度差を少なくすることができる。例えば、送風機を電池の側方（上下方向と直交する方向）に設けた場合、送風方向における下流側に配設される電池に温調作用を及ぼす気体は、送風方向における上流側に配設される電池に対して温調作用を及ぼしたあとの気体となるため、下流側に配設される電池に対して与えることのできる温調作用が低くなる。このため、送風方向の上流側に配設される電池と、下流側に配設される電池との間に温度差が生じやすくなる。しかし、本発明のように、複数の電池に対して上側から送風を行うことにより、送風方向に沿った上流側と下流側にずれた位置に電池が配設されることがなくなり、気体による温調作用のばらつきがなくなる結果、各電池を温度調節する気体の温度差が小さくなる。したがって、各電池間の温度差を小さくすることができる。また、万一、流通路から液体が漏れたとしても、受け皿に受け止められるため、電池が液体によって濡れることが防止される。この結果、液漏れによる電池の性能低下を防ぐことができる。

また、前記受け皿は、水平面に対して斜状に設けられていてもよい。
これによれば、万一、流通路から液体が漏れたとしても、受け皿に受け止められる液体は、受け皿の傾斜にしたがって流れる。このため、容易に液体を受け皿から排出することができる。

本発明によれば、液漏れによる電池の性能低下を防ぐことができ、かつ、電池の温度調節を効率よく行うことができる。

第１の実施形態における電池モジュールの概略平面図。 第１の実施形態における熱交換部の平面図。 第２の実施形態における電池モジュールの概略側面図。 第２の実施形態における熱交換部及び受け皿の斜視図。

（第１の実施形態）
以下、本発明の電池用温調機構を具体化した第１の実施形態について図１及び図２にしたがって説明する。

図１に示すように、本実施形態における電池用温調機構３０は、電池パック２０に設けられるとともに、電池用温調機構３０と電池パック２０とから電池モジュール１０が構成されている。なお、電池用温調機構３０と電池パック２０は一平面上に並設され、電池用温調機構３０と電池パック２０の間に上下関係は存在しない。

まず、電池パック２０について説明する。電池パック２０は、電池としての二次電池２２を直方体形状のケース２１に複数収容することにより構成されている。本実施形態の二次電池２２は、円筒型電池とされるとともに、ケース２１内に等間隔おきに並設されている。ケース２１の一側壁（図１では左側の側壁）には、ケース２１の外部とケース２１の内部を連通させる流入口２１ａが形成されるとともに、この一側壁に対向する他側壁（図１では右側の側壁）には、ケース２１の内部とケース２１の外部を連通させる流出口２１ｂが形成されている。

次に、電池パック２０に設けられる電池用温調機構３０について説明する。電池用温調機構３０は、液体が流通する流通路３１と、この流通路３１に設けられる熱電変換素子としてのペルチェ素子３２と、流通路３１に設けられる熱交換部３３と、二次電池２２に向けて送風する送風機としての第１送風機３４と、から構成されている。なお、電池用温調機構３０においては、流通路３１と、ペルチェ素子３２と、熱交換部３３と、第１送風機３４には、上下関係がなく、全て一平面上に並設されている。

流通路３１は、環状に形成されるとともに、電池パック２０から離間した位置に配置されている。この流通路３１には、ポンプ３５が設けられるとともに、ポンプ３５が駆動することで熱媒体となり得る液体（例えば、冷却水や有機溶媒）が矢印Ｙに示す方向に流通する。

流通路３１において、ケース２１の流入口２１ａと対向する位置には、熱交換部３３が設けられている。熱交換部３３は、流通路３１での液体の流通方向におけるペルチェ素子３２の下流側に設けられている。図２に示すように、熱交換部３３は、蛇行した流通路３１の一部と、その一部の外面に接合された多数のフィン３１ａとから構成されている。そして、熱交換部３３では、流通路３１外の気体と、流通路３１内の液体との熱交換が促進される。

図１に示すように、流通路３１の外面には、ペルチェ素子３２が複数（図では１個のみ図示）接合されている。ペルチェ素子３２は、通電の極性に応じて放熱と吸熱の相反する作用を行う第１面３２ａ及び第２面３２ｂを有している。ペルチェ素子３２は、第１面３２ａが流通路３１の外面に密着した状態で固定されているとともに、第２面３２ｂは流通路３１外の気体に対して露出している。ペルチェ素子３２には図示しない配線及び切換えスイッチを介して直流電源が接続されている。切換えスイッチは図示しない制御装置により制御される。

第１送風機３４は、電池パック２０と第１送風機３４とで熱交換部３３を挟むように配設されている。すなわち、第１送風機３４による送風方向（図中左から右側に向かう方向）において第１送風機３４は二次電池２２より上流側に配設され、第１送風機３４と二次電池２２の間に熱交換部３３が配設されている。換言すれば、熱交換部３３は、第１送風機３４による送風方向において二次電池２２よりも上流側で二次電池２２から離間して配設されている。また、ペルチェ素子３２の第２面３２ｂと対向する位置には、第２送風機３６が配設され、この第２送風機３６は、ペルチェ素子３２の第２面３２ｂに対して送風を行う。

次に、本実施形態における電池用温調機構３０の作用について説明する。
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２２の発熱が特に大きくなる。このため、寒冷地や冬季の低温時等のように環境温度が二次電池２２の駆動に支障を来すほど低いときを除き、制御装置により切換えスイッチがペルチェ素子３２の第１面３２ａが吸熱側となるように切り換えられる。また、環境温度が二次電池２２の駆動に支障を来すほど低いときは、制御装置により切換えスイッチが、ペルチェ素子３２の第１面３２ａが放熱側となるように切り換えられる。そして、ペルチェ素子３２の第１面３２ａが吸熱を行うと流通路３１を介して流通路３１内の液体が冷却される。一方、第１面３２ａが放熱を行うと流通路３１を介して流通路３１内の液体が加熱される。すなわち、ペルチェ素子３２により流通路３１を流通する液体が加熱又は冷却される。

ペルチェ素子３２により加熱又は冷却された液体は、ポンプ３５の駆動によって流通路３１内を流れ、熱交換部３３での熱交換により流通路３１外の気体を加熱又は冷却する。これにより、加熱又は冷却後の液体と流通路３１外の気体とが熱交換される。

そして、熱交換部３３で熱交換した気体は、第１送風機３４により二次電池２２に向けて送風され、流入口２１ａからケース２１内に流入する。その結果、ケース２１内では、流入した気体により二次電池２２の温度調節（加熱又は冷却）が行われる。二次電池２２の温度調節をしたあとの気体は、流出口２１ｂからケース２１外に流出する。

なお、ペルチェ素子３２の駆動に伴い、第２送風機３６は第２面３２ｂに送風を行う。これにより、第２面３２ｂの吸熱（又は放熱）が促進される。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）電池用温調機構３０において、二次電池２２から離間した流通路３１を流通する液体は、ペルチェ素子３２によって加熱又は冷却され、さらに、熱交換部３３での熱交換により加熱又は冷却された気体は、第１送風機３４により二次電池２２に向けて送風される。そして、送風された気体により二次電池２２の温度調節（加熱又は冷却）が行われる。よって、二次電池２２の温度調節（加熱又は冷却）は、気体によって行われ、しかも、流通路３１及び熱交換部３３は二次電池２２から離れているため、流通路３１からの液漏れがあっても二次電池２２が液体によって濡れることが防止される。このため、液漏れによる二次電池２２の性能低下を防ぐことができる。また、液体は、気体に比べて熱伝導率が高いため、ペルチェ素子３２による液体に対する吸熱及び放熱は、気体に比べて効率よく行われる。そして、この液体に対して気体との熱交換が行われ、その気体で二次電池２２の温調を行うため、二次電池２２の温度調節を効率よく行うことができる。

（２）特に、本実施形態では、熱交換部３３では、流通路３１を蛇行するように形成することにより、熱交換部３３での液体と気体との熱交換面積を増加させている。このため、液体と気体との更なる熱交換効率の向上が図られている。

（３）ペルチェ素子３２は、第１面３２ａと第２面３２ｂの温度差が小さいことが望ましく、第１面３２ａと第２面３２ｂの温度差が大きいと、熱電変換の効率が低下する。本実施形態では、ペルチェ素子３２の第１面３２ａにより液体を加熱又は冷却している。液体は気体に比べて熱伝導率が高いため、第１面３２ａは液体と効率よく熱交換される。このため、第１面３２ａと第２面３２ｂの温度差が小さくなる。したがって、ペルチェ素子３２の熱電変換の効率が低下しにくい。

（４）ペルチェ素子３２の第２面３２ｂに対して送風を行う第２送風機３６を設けている。このため、第２面３２ｂの吸熱または放熱が促進され、第１面３２ａと第２面３２ｂの温度差を更に小さくすることができる。

（５）ペルチェ素子３２の第１面３２ａの吸熱及び放熱を液体に対して行い、その液体を熱交換部３３に搬送することで、流通路３１外の気体を加熱又は冷却している。液体は、気体に比べて熱が拡散しにくいため、ペルチェ素子３２によって行われた吸熱及び放熱による熱輸送距離を伸ばすことができ、流通路３１の配管自由度、ひいては電池用温調機構３０の搭載自由度が向上される。

（第２の実施形態）
次に本発明の電池用温調機構を具体化した第２の実施形態を図３及び図４にしたがって説明する。以下に説明する実施形態において、すでに説明した実施形態と同一構成については同一符号を付すなどしてその重複する説明を省略又は簡略する。

図３に示すように、本実施形態において、複数の二次電池２２は、ケース５２内の底壁上に立設されている。詳細には、複数の二次電池２２は、底壁上に等間隔おきに並設されている。そして、本実施形態では、二次電池２２はその軸方向が、上下方向に延びるようにケース５２内に収容されている。

ケース５２の一側壁（図３では左側の側壁）には第１挿通孔５２ａが形成されているとともに、ケース５２において一側壁と対向する他側壁（図３では右側の側壁）には第２挿通孔５２ｂが形成されている。第１及び第２挿通孔５２ａ，５２ｂは、ともに二次電池２２よりも上側に形成されている。そして、第１及び第２挿通孔５２ａ，５２ｂには、電池用温調機構４１の流通路５３が挿通されるとともに、流通路５３の一部がケース５２内に引き込まれている。ケース５２内において二次電池２２の上側には流通路５３に設けられた熱交換部５４が配設されている。熱交換部５４は、第１の実施形態と同様に、流通路５３の一部と、フィン３１ａから構成されるとともに、その流通路５３の一部は、水平面（ケース５２の底壁）に対して斜状に延びている。詳細には、流通路５３の一部は、第１挿通孔５２ａから第２挿通孔５２ｂに向かって上側から下側に向かって下り傾斜している。

ケース５２内において熱交換部５４の上側には、二次電池２２に送風を行う送風機５５が配設されている。さらに、熱交換部５４の下側で、かつ、二次電池２２の上側には、受け皿５６が配設されている。したがって、本実施形態では、ケース５２内において上下方向に沿って送風機５５、熱交換部５４、受け皿５６及び複数の二次電池２２が配設されている。

図４に示すように、受け皿５６は断面コ字状をなしており、開口部が上側になるように熱交換部５４に沿って配設されている。また、受け皿５６は流通路５３に対して一定間隔を空けて配設されるとともに、水平面に対して斜状に配設されている。詳細には、受け皿５６は、第１挿通孔５２ａから第２挿通孔５２ｂに向かって下り傾斜している。また、フィン３１ａは、熱交換部５４における液体の流通方向での下流側、言い換えると、熱交換部５４の傾斜の下側ほど形成量が多くなっている。

したがって、上記実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１）〜（５）に加えて、以下のような効果を得ることができる。
（６）ケース５２内において上下方向に沿って送風機５５、熱交換部５４、受け皿５６及び複数の二次電池２２を配設している。このため、複数の二次電池２２に対して上側から送風を行うことができる。したがって、送風機５５の送風方向に沿った上流側と下流側にずれた位置に二次電池２２が配設されることがなくなり、気体による温調作用のばらつきがなくなる結果、各二次電池２２を温度調節する気体の温度差が少なくなる。したがって、各二次電池２２間の温度差を小さくすることができる。また、万一、流通路５３から液体が漏れたとしても、受け皿５６に受け止められるため、二次電池２２が液体によって濡れることが防止される。この結果、液漏れによる二次電池２２の性能低下を防ぐことができる。

（７）さらに、熱交換部５４における傾斜の下側ほどフィン３１ａの形成量を増やしている。すなわち、熱交換部５４における傾斜の下側ほど流通路５３外の気体に対する熱交換面積が増加している。熱交換部５４における傾斜の下側は、上側の部分に比べて送風機５５から離間しているため、空気との熱交換効率は上側の部分に比べて低くなっている。このため、熱交換部５４における傾斜の下側ほどフィン３１ａを多く形成し、熱交換面積を増加させることにより熱交換部５４における傾斜の上側と下側の熱交換効率の均一化が図られる。このため、熱交換部５４を水平面に対して斜状に配設したとしても、各二次電池２２間の温度差を小さくすることができる。

（８）また、本実施形態では、受け皿５６は水平面に対して斜状に設けられている。このため、受け皿５６に受け止められる液体は、受け皿５６の傾斜にしたがって流れ、容易に液体を受け皿５６から排出することができる。

なお、上記各実施形態は、以下のように変更してもよい。
○ 第１及び第２の実施形態において、電池として一次電池を採用しても良い。
○ 第１の実施形態において、電池用温調機構３０は複数の二次電池２２の温度調節を行うように構成したが、１（単数）の二次電池２２の温度調節を行うように構成してもよい。

○ 第１及び第２の実施形態において熱交換部３３，５４のフィン３１ａの形状は、螺旋形状や、四角環状など、他の形状であってもよい。
○ 第１及び第２の実施形態において、二次電池２２の形状は、角型電池やラミネート型電池であってもよい。

○ 第１及び第２の実施形態において、ペルチェ素子３２の第２面３２ｂを液体により加熱又は冷却してもよい。この場合、第２面３２ｂに液体の流通する流通路を接合するとともに、該流通路に液体を流通させることにより液体により第２面３２ｂを加熱又は冷却する。

○ 第２の実施形態において、受け皿５６を水平面と平行に設けてもよい。
○ 第２の実施形態において、熱交換部３３，５４を水平面と平行に設けてもよい。
○ 第２の実施形態において、受け皿５６及び熱交換部３３，５４をともに水平面と平行に設けてもよい。

○ 第２の実施形態において、熱交換部５４における下側の部分に形成されるフィン３１ａの大きさや、フィン３１ａの形状を変更することにより、熱交換部５４における下側の部分の熱交換面積を増加させてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、以下に追記する。
（イ）前記熱交換部は水平面に対して斜状に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の電池用温調機構。

（ロ）前記熱交換部は下側における傾斜の下側ほど熱交換面積を増加させたことを特徴と技術的思想（イ）に記載の電池用温調機構。

２２…電池としての二次電池、３０，４１…電池用温調機構、３１，５３…流通路、３２…熱電変換素子としてのペルチェ素子、３３，５４…熱交換部、３４…送風機としての第１送風機、５５…送風機。

Claims (3)

1. １又は複数の電池の温度調節を行う電池用温調機構であって、
   液体が流通する流通路と、
   前記流通路に設けられ、前記流通路を流通する液体を加熱又は冷却する熱電変換素子と、
   前記流通路での液体の流通方向における前記熱電変換素子の下流側に設けられ、前記熱電変換素子によって加熱又は冷却された後の液体と流通路外の気体とを熱交換させる熱交換部と、
   前記電池に向けて送風する送風機と、を備え、
   前記熱交換部が、前記送風機による送風方向において前記電池よりも上流側で前記電池から離間して設けられていることを特徴とする電池用温調機構。
2. 前記電池は複数並設され、上下方向に沿って前記送風機、前記熱交換部、及び前記電池が配設され、前記熱交換部の下側で、かつ、電池の上側に受け皿を配設したことを特徴とする請求項１に記載の電池用温調機構。
3. 前記受け皿は、水平面に対して斜状に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電池用温調機構。

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