JP2013120827A - 蓄電モジュールの温度調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電モジュールの温度調整装置の組み立て性を向上する。
【解決手段】本発明は、電荷を蓄えることが可能なキャパシタ１が複数積層されてなるキャパシタモジュール１の温度を調整する温度調整装置１００であって、隣り合う一対のキャパシタ１の間に挟持され、弾性体で形成されてキャパシタ１の膨縮に応じて変形可能な熱交換パック２０を備え、熱交換パック２０は、キャパシタ１との間で熱交換を行う流体を内部に供給するための供給口２１と外部へ排出するための排出口２６とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電荷を蓄えることが可能な蓄電モジュールの温度を調整する温度調整装置に関するものである。

従来から、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電セルが積層された蓄電モジュールが用いられている。このような蓄電モジュールでは、その性能を維持するために、蓄電セルが充放電する際に発する熱を外部に放出する必要がある。

特許文献１には、可撓性積層シートが袋状に形成されてなるソフトケースを備えるキャパシタセルと、キャパシタセルのソフトケース端部に形成された放熱フィンが嵌められるスリットを有する弾性樹脂材の伝熱枠とを備えるキャパシタモジュールが開示されている。このキャパシタモジュールでは、伝熱枠と、伝熱枠に嵌められたキャパシタセルが積層して収容される放熱ハードケースとを介して、キャパシタセルが充放電する際に発した熱を外部に放出している。

特開２００３−２７２９７４号公報

しかしながら、特許文献１のキャパシタモジュールでは、キャパシタセルが多数積層されて形成されており、キャパシタセルの放熱フィンを弾性樹脂材からなる伝熱枠のスリットに一つ一つ嵌める作業が煩雑であった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、蓄電モジュールの温度調整装置の組み立て性を向上することを目的とする。

本発明は、電荷を蓄えることが可能な蓄電セルが複数積層されてなる蓄電モジュールの温度を調整する温度調整装置であって、隣り合う一対の前記蓄電セルの間に挟持され、弾性体で形成されて前記蓄電セルの膨縮に応じて変形可能な熱交換パックを備え、前記熱交換パックは、前記蓄電セルとの間で熱交換を行う流体を内部に供給するための供給口と外部へ排出するための排出口とを有することを特徴とする。

本発明では、弾性体で形成されて流体の供給口と排出口とを有する熱交換パックが一対の蓄電セルの間に挟持される。よって、蓄電セルと熱交換パックとを交互に積層し、後から熱交換パック内に流体を供給することで、蓄電モジュールの温度調整装置を組み立てることができる。したがって、蓄電モジュールの温度調整装置の組み立て性を向上することができる。

本発明の実施の形態に係る蓄電モジュールの温度調整装置の斜視図である。 図１における平面図である。 図１における側面図である。 図３におけるＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態に係る蓄電モジュールの温度調整装置の流体回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る蓄電モジュールの温度調整装置１００について説明する。

まず、図１を参照して、温度調整装置１００によって温度が調整される蓄電モジュールとしてのキャパシタモジュール１０について説明する。

キャパシタモジュール１０は、図１に示すように、蓄電セルとしての電気二重層キャパシタ（以下、単に「キャパシタ」と称する。）１が複数積層されて構成されるものである。キャパシタ１に代えて、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などの化学電池を蓄電セルとして用いてもよい。

キャパシタモジュール１０は、直列に接続されることで電圧が高められ、並列に接続されることで容量が増やされる。例えば、キャパシタモジュール１０の電圧を数百ボルトまで高めたい場合には、単体では数ボルトの電圧であるキャパシタ１が、直列に数十個接続されて用いられる。

キャパシタ１は、矩形の袋状に形成されるソフトケース２と、ソフトケース２の上端部から外部に引き出されて露出する一対の電極端子３とを備える。

ソフトケース２は、対向して設けられる一対の可撓性積層シートであるラミネートフィルムが袋状に貼り合わされて形成される。ラミネートフィルムは、金属の層と、金属の層を被覆する樹脂の層とを備える多層構造のフィルム材である。ソフトケース２に代えて、樹脂や金属などによって形成されるハードケースを用いてもよい。

ソフトケース２の内部には、正極集電極及び負極集電極と、正極集電極と負極集電極との間に介在され両者を隔離するセパレータとが順に複数積層されて形成された積層体である蓄電部（図示省略）が収容される。ソフトケース２は、内部に電解液が充填されて密封される。つまり、ソフトケース２には、セパレータを介して交互に積層された複数の正極集電極と負極集電極とが、電解液とともに収容される。キャパシタ１は、正極集電極と負極集電極との間に充填された電解液のイオンが電気二重層を構成し、電極端子３を介して充放電可能に電荷を蓄えるものである。

ソフトケース２の外周は矩形に形成される。ソフトケース２は、矩形に形成されて内部に蓄電部が収容される収容部２ａと、収容部２ａの外周にて一対のラミネートフィルムが接着されて形成されるフランジ部２ｂとを有する。

電極端子３は、ソフトケース２の同一の辺から引き出される一対の矩形の金属板である。一方の電極端子３は、蓄電部の正極集電極に接続され、他方の電極端子３は、蓄電部の負極集電極に接続される。電極端子３は、ソフトケース２におけるラミネートフィルムの合わせ面を貫通して外部に突出する。

電極端子３は、隣り合うキャパシタ１間で溶接されることによって連結される。これにより、隣り合うキャパシタ１が、直列に接続されることとなる。溶接に代えて、電極端子３どうしをボルト締結などによって連結してもよい。

次に、図１から図５を参照して、温度調整装置１００の熱交換パック２０について説明する。

温度調整装置１００は、隣り合う一対のキャパシタ１の間に挟持され、弾性体で形成されてキャパシタ１の膨縮に応じて変形可能な熱交換パック２０を備える。温度調整装置１００は、熱交換パック２０に給排される流体によってキャパシタ１を冷却し、その性能を維持可能な適正な温度に調整するものである。

熱交換パック２０に供給される流体としては、例えばフッ素系不活性液体のような熱伝導率が高く絶縁性を有するとともに比重がそれほど高くない液体を用いることが望ましい。このような液体を用いた場合には、万が一、熱交換パック２０から流体が漏出した場合にも、安全性が確保される。

熱交換パック２０は、弾性体によって袋状に形成される。熱交換パック２０は、キャパシタ１の充放電に伴う膨縮に応じて変形し、この変形によって内部の流体が給排されるものである。熱交換パック２０は、隣り合う一対のキャパシタ１の各々の収容部２ａと当接する一対の当接面２０ａを有する。

当接面２０ａは、略矩形に形成され、収容部２ａと比較してひとまわり大きく形成される。これにより、当接面２０ａが収容部２ａの全面に当接することが可能となる。

熱交換パック２０は、キャパシタ１との間で熱交換を行う流体を内部に供給するための供給口２１と、内部の流体を外部へ排出するための排出口２６とを有する。

供給口２１は、熱交換パック２０の下端の側部に開口して形成される。供給口２１は、後述する供給側連結通路３１に連結され、他のキャパシタ１の供給口２１と連通する。供給口２１には、図４に示すように、熱交換パック２０の内部に流体が供給される方向の流れのみを許容する第一逆止弁２２が設けられる。

熱交換パック２０を挟む一対のキャパシタ１が収縮すると、熱交換パック２０は変形して容積が増加する。第一逆止弁２２は、熱交換パック２０の容積が増加した場合に、熱交換パック２０内の圧力よりも供給側連結通路３１内の流体の圧力が大きくなることによって開状態となる。これにより、第一逆止弁２２を通じて、供給口２１から熱交換パック２０内に流体が供給されることとなる。

排出口２６は、供給口２１と比較して高い位置に設けられる。具体的には、排出口２６は、熱交換パック２０の上端の側部に開口して形成される。排出口２６は、後述する排出側連結通路３２に連結され、他のキャパシタ１の排出口２６と連通する。排出口２６には、図４に示すように、熱交換パック２０の内部の流体が外部に排出される方向の流れのみを許容する第二逆止弁２７が設けられる。

熱交換パック２０を挟む一対のキャパシタ１が膨張すると、熱交換パック２０は変形して容積が減少する。第二逆止弁２７は、熱交換パック２０の容積が減少した場合に、熱交換パック２０内の流体の圧力が排出側連結通路３２内の流体の圧力よりも大きくなることによって開状態となる。これにより、第二逆止弁２７を通じて、排出口２６から排出側連結通路３２に流体が排出されることとなる。

このように、温度調整装置１００は、一対のキャパシタ１の間に挟持されて流体の供給口２１と排出口２６とを有する熱交換パック２０を備える。よって、キャパシタ１と熱交換パック２０とを交互に積層し、後から熱交換パック２０内に流体を供給することで、温度調整装置１００を組み立てることができる。したがって、温度調整装置１００の組み立て性を向上することができる。

図４に示すように、供給口２１と排出口２６とは、当接面２０ａにおける対角線上の頂点に各々設けられる。熱交換パック２０の底部２０ｂは、供給口２１から徐々に高くなるように傾斜して形成される。つまり、熱交換パック２０の底部２０ｂは、供給口２１を下端として傾斜して形成される。一方、熱交換パック２０の頂部２０ｃは、排出口２６に向かって徐々に高くなるように傾斜して形成される。つまり、熱交換パック２０の頂部２０ｃは、排出口２６を上端として傾斜して形成される。

これにより、熱交換パック２０の下端の供給口２１から供給された流体が、熱交換パック２０内を流れて上端の排出口２６から排出されることとなる。よって、熱交換パック２０内に空気が進入した場合にも、進入した空気は熱交換パック２０内を満たす液体中を上昇して排出口２６から排出されるため、熱交換パック２０内にエアだまりが形成されることを防止できる。

また、熱交換パック２０内に供給された流体は、供給口２１から徐々に高くなる底部２０ｂに沿って流れ、排出口に向かって徐々に高くなる頂部２０ｃに沿って流れることとなる。よって、熱交換パック２０内の中央近傍の流体のみが流れて端部の流体が流れずに滞留することを防止できる。

また、キャパシタ１との熱交換によって温められた流体は、その温度差によって熱交換パック２０内を上昇する。そのため、温められた流体から先に排出側連結通路３２に排出されることとなる。よって、キャパシタ１との熱交換によって温められた流体が熱交換パック２０内に滞留することを防止できる。よって、熱交換パック２０内に常に冷却された流体を供給可能であるため、キャパシタ１の冷却効率を向上できる。

図５に示すように、キャパシタ１は、間に熱交換パック２０を挟みながら積層されてハードケース４０内に収容される。この状態で、熱交換パック２０に流体が供給されると、熱交換パック２０が膨張し、キャパシタ１に与圧がかけられる。これにより、キャパシタ１は、適正な圧力で圧縮され、その性能を維持することが可能となる。

温度調整装置１００を組み立てる際には、空の状態のままの熱交換パック２０をキャパシタ１間に積層してハードケース４０内に収容する。そして、キャパシタモジュール１０がハードケース４０に収容された状態で、熱交換パック２０内に流体を供給する。このように、熱交換パック２０が収縮した状態のまま組み立てることで、キャパシタモジュール１０のハードケース４０内への収容を容易にできる。

次に、図５を参照して、温度調整装置１００の流体回路について説明する。

温度調整装置１００は、熱交換パック２０の供給口２１どうしを連結する供給側連結通路３１と、熱交換パック２０の排出口２６どうしを連結する排出側連結通路３２と、流体循環通路３０内の流体に与圧をかけるアキュムレータ３５と、流体循環通路３０に設けられ、流体循環通路３０内を流れる流体を冷却するラジエータ３９とを備える。

供給側連結通路３１は、積層されたキャパシタ１の各々の間に挟持された熱交換パック２０の全ての供給口２１を連通する管状の通路である。供給側連結通路３１は、弾性材によって形成される。

排出側連結通路３２は、積層されたキャパシタ１の各々の間に挟持された熱交換パック２０の全ての排出口２６を連通する管状の通路である。排出側連結通路３２は、弾性材によって形成される。排出側連結通路３２は、供給側連結通路３１と連通して、流体が循環可能な流体循環通路３０を構成する。

アキュムレータ３５は、内部を液体室３７と気体室３８とに区画するダイヤフラム３６を備える。液体室３７は、流体循環通路３０に連結される。気体室３８は、車両の空気圧源からの圧縮空気が貯留されたエアリザーバタンク３４に連結される。アキュムレータ３５は、気体室３８内部の空気圧によって、液体室３７を介して流体循環通路３０を流れる流体に与圧をかけるものである。

アキュムレータ３５によって流体循環通路３０内の流体に付与される圧力は、キャパシタ１が性能を維持するのに適正な圧力に設定される。これにより、付勢部材などの他の部材を用いてキャパシタ１に与圧をかける必要がないため、キャパシタモジュール１０の小型軽量化が可能となる。

アキュムレータ３５によって流体循環通路３０内の流体に圧力がかけられることで、熱交換パック２０の当接面２０ａがキャパシタ１の収容部２ａに押し付けられ、熱交換パック２０とキャパシタ１とを密着させることができる。これにより、熱交換パック２０とキャパシタ１との間での伝熱効率を向上できる。

アキュムレータ３５は、キャパシタ１の膨縮に伴い流体循環通路３０内の流体の圧力が変動した場合に、その変動を吸収する。即ち、アキュムレータ３５が設けられることによって、キャパシタ１の充放電に伴う膨縮が許容される。

なお、蓄電セルとしてリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などの化学電池を用いた場合には、蓄電セルに与圧をかける必要はない。そのため、蓄電セルが化学電池である場合には、アキュムレータ３５によって流体循環通路３０内の流体に付与される圧力は、蓄電セルをハードケース４０内に保持可能な圧力に設定される。

ラジエータ３９は、流体循環通路３０を流れる流体と熱交換を行い、冷却するものである。ラジエータ３９には、各熱交換パック２０から排出された流体が、排出側連結通路３２を介して供給される。ラジエータ３９によって冷却された流体は、供給側連結通路３１を介して各熱交換パック２０に供給される。

なお、始動直後でキャパシタモジュール１０が冷えている場合には、キャパシタ１を、その性能を維持可能な適正な温度まで温める必要がある。この場合、ラジエータ３９に代えて、流体循環通路３０を流れる流体を温めるヒータを設けてもよい。ヒータによって温められた流体が熱交換パック２０内に供給されることで、キャパシタ１を温めることが可能である。また、ラジエータ３９とヒータとを共に設けて、流体循環通路３０内の流体を所望の温度に調整可能なようにしてもよい。

次に、主に図５を参照して、温度調整装置１００の作用について説明する。

キャパシタ１が膨縮せず大きさが変化しない場合には、流体循環通路３０を流れる流体の圧力と、熱交換パック２０内の流体の圧力とが等しい。この状態では、流体循環通路３０内の流体の流れは、停止したままである。このとき、熱交換パック２０の第一逆止弁２２と第二逆止弁２７とは、ともに閉状態を維持する。

この状態から、キャパシタ１が充放電によって膨張すると、キャパシタ１に挟まれた熱交換パック２０は、圧縮されて容積が縮小される。これにより、熱交換パック２０内の流体の圧力が大きくなる。熱交換パック２０内の流体の圧力が排出側連結通路３２内の流体の圧力よりも大きくなると、熱交換パック２０の第二逆止弁２７が開状態となる。これにより、熱交換パック２０内の流体が排出口２６から排出側連結通路３２へ排出される。

このとき、第一逆止弁２２は、熱交換パック２０内の流体の圧力が供給側連結通路３１内の流体の圧力よりも大きいため、閉状態を維持する。よって、供給側連結通路３１内の流体は、熱交換パック２０内へ供給されない。

一方、キャパシタ１が充放電によって収縮すると、キャパシタ１に挟まれた熱交換パック２０の容積は拡大される。これにより、熱交換パック２０内の流体の圧力が小さくなる。熱交換パック２０内の流体の圧力が供給側連結通路３１内の流体の圧力よりも小さくなると、熱交換パック２０の第一逆止弁２２が開状態となる。これにより、供給側連結通路３１内の流体が供給口２１から熱交換パック２０内へ供給される。

このとき、第二逆止弁２７は、熱交換パック２０内の流体の圧力が排出側連結通路３２内の流体の圧力よりも大きいため、閉状態を維持する。よって、熱交換パック２０内の流体は、排出側連結通路３２内に排出されない。

以上のように、温度調整装置１００では、キャパシタ１の膨縮に伴って熱交換パック２０の容積が拡縮される。このように、熱交換パック２０は、自らが容積の拡大と縮小とを繰り返すことで、そのポンプ作用によって流体を給排する。よって、流体を循環させるために流体圧ポンプなどを用いる必要がない。したがって、流体を循環させるために他の動力を用いる必要がないため、構造をシンプルにでき、消費エネルギを減少させることができる。

また、熱交換パック２０の供給口２１には第一逆止弁２２が設けられ、排出口２６には第二逆止弁２７が設けられる。これにより、流体の流れが一方向となり、キャパシタ１との熱交換によって温められた流体が逆流して熱交換パック２０に流入することが防止される。

排出側連結通路３２に排出された流体は、ラジエータ３９にて冷却されて供給側連結通路３１へと導かれ、再び熱交換パック２０へと供給される。このように、流体循環通路３０は閉回路であるため、内部を流れる流体の量を少なくすることができる。よって、温度調整装置１００の小型軽量化が可能である。

以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

弾性体で形成されて流体の供給口２１と排出口２６とを有する熱交換パック２０が一対のキャパシタ１の間に挟持される。よって、キャパシタ１と熱交換パック２０とを交互に積層し、後から熱交換パック２０内に流体を供給することで、温度調整装置１００を組み立てることができる。したがって、温度調整装置１００の組み立て性を向上することができる。

また、温度調整装置１００では、キャパシタ１の膨縮に伴って熱交換パック２０の容積が拡縮される。このように、熱交換パック２０は、自らが容積の拡大と縮小とを繰り返すことで、そのポンプ作用によって流体を給排する。よって、流体を循環させるために流体圧ポンプなどを用いる必要がない。したがって、流体を循環させるために他の動力を用いる必要がないため、構造をシンプルにでき、消費エネルギを減少させることができる。

また、熱交換パック２０内の流体の圧力によって、キャパシタ１に与圧をかけることができる。よって、キャパシタ１が、その性能を維持することが可能となるとともに、付勢部材などの他の部材を用いてキャパシタ１に与圧をかける必要がないため、キャパシタモジュール１０の小型軽量化が可能となる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記の実施の形態では、熱交換パック２０のポンプ作用によって流体を給排する構成であるが、流体の流量を増加させたい場合には、流体圧ポンプを設けて積極的に流体を流すようにしてもよい。この場合、流体圧ポンプが流体を吐出する方向によって流体の流れる方向が一方向となるため、第一逆止弁２２と第二逆止弁２７とを設ける必要はない。

１００ 温度調整装置
１ キャパシタ（蓄電セル）
１０ キャパシタモジュール（蓄電モジュール）
２０ 熱交換パック
２０ａ 当接面
２０ｂ 底部
２０ｃ 頂部
２１ 供給口
２２ 第一逆止弁
２６ 排出口
２７ 第二逆止弁
３１ 供給側連結通路
３２ 排出側連結通路
３５ アキュムレータ
３９ ラジエータ

Claims (7)

1. 電荷を蓄えることが可能な蓄電セルが複数積層されてなる蓄電モジュールの温度を調整する温度調整装置であって、
   隣り合う一対の前記蓄電セルの間に挟持され、弾性体で形成されて前記蓄電セルの膨縮に応じて変形可能な熱交換パックを備え、
   前記熱交換パックは、前記蓄電セルとの間で熱交換を行う流体を内部に供給するための供給口と外部へ排出するための排出口とを有することを特徴とする蓄電モジュールの温度調整装置。
2. 前記供給口に設けられ、前記熱交換パックの内部に流体が供給される方向の流れのみを許容する第一逆止弁と、
   前記排出口に設けられ、前記熱交換パックの内部の流体が外部に排出される方向の流れのみを許容する第二逆止弁と、を更に備え、
   前記熱交換パックには、前記蓄電セルの膨縮に伴う当該熱交換パックの変形によって流体が給排されることを特長とする請求項１に記載の蓄電モジュールの温度調整装置。
3. 前記排出口は、前記供給口と比較して高い位置に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電モジュールの温度調整装置。
4. 前記熱交換パックは、前記蓄電セルと当接する当接面が略矩形に形成され、
   前記供給口と前記排出口とは、前記当接面における対角線上の頂点に各々設けられることを特長とする請求項１から３のいずれか一つに記載の蓄電モジュールの温度調整装置。
5. 前記熱交換パックの底部は、前記供給口から徐々に高くなるように傾斜して形成され、
   前記熱交換パックの頂部は、前記排出口に向かって徐々に高くなるように傾斜して形成されることを特長とする請求項４に記載の蓄電モジュールの温度調整装置。
6. 前記熱交換パックの前記供給口どうしを連結する供給側連結通路と、
   前記熱交換パックの前記排出口どうしを連結し、前記供給側連結通路と連通して流体が循環可能な流体循環通路を構成する排出側連結通路と、
   前記流体循環通路内の流体に与圧をかけるアキュムレータと、を更に備えることを特長とする請求項１から５のいずれか一つに記載の蓄電モジュールの温度調整装置。
7. 前記流体循環通路に設けられ、当該流体循環通路内を流れる流体を冷却するラジエータを更に備えることを特長とする請求項６に記載の蓄電モジュールの温度調整装置。