JP2013161710A - 電池モジュールおよび電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】優れた温度調整機能を有する電池モジュールおよび電池パックを提供する。
【解決手段】電池モジュール１０は、複数の電池２０と、電池２０の間に配置される温度調節部材３０を備える。温度調節部材３０はフィン３２を備える。また、温度調節部材３０は、電池２０のそれぞれとフィン３２との間で熱を制御するペルチェモジュール３１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールおよび電池パックに関し、とくに電池の間に熱交換器を備えるものに関する。

複数の電池を備える電池モジュールの温度を調整するための構成として、電池の間に空気を流通させて冷却する構成が知られている。また、電池の間に放熱板を配置し、熱を外側に伝導する構成も知られている。特許文献１には後者の構成の例が記載されている。

特開２０１０−３３８８２号公報

しかしながら、従来の構成では、温度調整機能が十分でないため電池寿命が短くなるという問題があった。たとえば、暑い地域では、空気の流通や放熱板による冷却だけでは冷却能力が不足する。また、空気の流通や放熱板では空気の温度より高い温度に加熱することができない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、より優れた温度調整機能を有する電池モジュールおよび電池パックを提供することを目的とする。

上述の問題を解決するため、この発明に係る電池モジュールは、
少なくとも２つの電池と、
２つの電池の間に配置され、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面と第２面を有する熱電変換素子と、
２つの電池のうち少なくとも一方と熱電変換素子との間に配置され、流入する熱媒体と熱交換を行う熱交換器と
を有し、第１面は、２つの電池の一方と熱的に接続され、第２面は、熱交換器と熱的に接続される。

このような構成によれば、熱電変換素子が、電池と熱交換器との間で能動的かつ双方向に熱を制御する。

熱電変換素子は、第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子とを有し、第１の熱電変換素子の第１面は、２つの電池の一方の電池と熱的に接続され、第１の熱電変換素子の第２面は、熱交換器と熱的に接続され、第２の熱電変換素子の第１面は、２つの電池の他方の電池と熱的に接続され、第２の熱電変換素子の第２面は、熱交換器と熱的に接続されてもよい。

また、この発明に係る電池パックは、上述の電池モジュールと、熱電変換素子の動作を制御する制御装置と、熱媒体を流動させる流体流動装置とを備える。

本発明の電池モジュールおよび電池パックによれば、熱電変換素子によって電池を直接冷却することができるので、より優れた冷却機能を実現できる。また、熱電変換素子によって電池を直接温めることもできるので、より優れた加熱機能を実現できる。

本発明の実施の形態１に係る電池モジュールを含む構成の例を示す図である。 図１の温度調節構造の構成の例を示す図である。 図１の電池モジュールを備える電池パックの模式図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、本発明の実施の形態１に係る電池モジュール１０を含む構成の例を示す。
電池モジュール１０は複数の電池２０を備え、電池２０はそれぞれ２つの電極２１を備える。電池２０は、例えば二次電池であり、図１の例では８つの角型の電池２０が示されているが、電池２０は少なくとも２つであればよい。電池２０は、たとえば一方向に等間隔に配列される。

電池モジュール１０は、温度調節部材３０を備える。温度調節部材３０は、隣り合う２つの電池２０の間に配置される。
また、電池モジュール１０は、電池ケース４０内に配置され、電池ケース４０の外壁と電池モジュール１０との間に熱媒体流入通路５０及び熱媒体流出通路５１が形成される。
電池ケース４０内には流体の熱媒体が封入される。本実施形態では、熱媒体として周知の熱媒体を用いるものとする。たとえば空気であってもよく、または水であってもよい。

電池ケース４０は、熱媒体入口４２および熱媒体出口４３を備える。
熱媒体入口４２から電池ケース４０内に流入した熱媒体は、電池２０の配設方向（矢印Ａ）に延設する熱媒体流入通路５０を流れ、熱媒体流入通路５０から各電池２０の間に設けられた温度調節部材３０内を流れる。
温度調節部材３０内から流出した熱媒体は、電池２０の配設方向（矢印Ａ）に延設する熱媒体流出通路５１を流れて熱媒体出口４３から電池ケース４０外部に排出される。

図２に、温度調節部材３０の構成の例を示す。なお、図２の説明では、図１の８つの電池の内、２つの電池２０ａ、２０ｂを使って説明する。
温度調節部材３０は、２つの電池２０ａ、２０ｂの間に設けられ、２つのペルチェモジュール３１ａ、３１ｂと、これらの間に配置されるフィン３２とを備える。つまり、フィン３２は、電池２０ａとペルチェモジュール３１ｂとの間に設けられるとともに、電池２０ｂとペルチェモジュール３１ａとの間に設けられる。フィン３２は、熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器として機能するものであり、たとえば金属で構成されるか、または金属を含むものが好ましい。

２つのペルチェモジュール３１ａ、３１ｂは、それぞれ電池側電極３３およびフィン側電極３４を備える。また、電池側電極３３およびフィン側電極３４の間に配置される、少なくとも１つのペルチェ素子３５（熱電変換素子）を備える。
ペルチェ素子３５は、通電の極性に応じて放熱と吸熱の相反する作用をする第１面３６と第１面３６と逆の作用をする第２面３７とを備えており、第１面３６と電池側電極３３とが熱的に接続され、第２面３７とフィン側電極３４とが熱的に接続されている。

ペルチェ素子３５は、通電すると第１面３６と第２面３７との間の表面温度に温度差が生じる。この温度差は、ペルチェ素子３５に投入する電気エネルギー量に応じて変化し、投入する電気エネルギー量が大きいほど温度差が大きくなる。一方、温度差は、ペルチェ素子３５の組成によって最大値が定められる。そして、ペルチェ素子３５は、第１面３６と第２面３７の表面温度の差が小さいほど効率良く駆動させることができる。

なお、本実施の形態では、ペルチェモジュール３１ａに設けられる複数のペルチェ素子３５を第１のペルチェ素子３５ａとし、ペルチェモジュール３１ｂに設けられる複数のペルチェ素子３５を第２のペルチェ素子３５ｂとする。
そして、第１のペルチェモジュール３１ａは、電池側電極３３が電池２０ａと接続され、フィン側電極３４がフィン３２と接続される。同様に、第２のペルチェモジュール３１ｂは、電池側電極３３が電池２０ｂと接続され、フィン側電極３４がフィン３２と接続される。

したがって、第１のペルチェ素子３５ａの第１面３６は、電池側電極３３を介して電池２０ａと熱的に接続され、第２のペルチェ素子３５ｂの第１面３６は、電池側電極３３を介して電池２０ｂと熱的に接続される。また、第１のペルチェ素子３５ａの第２面３７および第２のペルチェ素子３５ｂの第２面３７は、フィン側電極３４を介してフィン３２と熱的に接続される。
なお、電池側電極３３と電池２０ａ、２０ｂ及びフィン側電極３４とフィン３２とは、熱的に接続されていればよく、直接接続されていても、間接的に接続されていてもよい。

図３に、上述の電池モジュール１０を収容した電池ケース４０を２つ備える電池パック１１の模式図を示す（実際の構造とは必ずしも一致しない）。電池パック１１は、電池モジュール１０と、電池ケース４０と、電池ケース４０の熱媒体入口４２と熱媒体出口４３とを結ぶ熱媒体通路５２と、熱媒体通路５２に設けられ、電池ケース４０内に熱媒体を循環させるファン６０（流体流動装置）と、熱媒体通路５２に設けられ、電池ケース４０から流出した熱媒体を外気と熱交換させる熱交換器５３と、を備える。なお、図示しないが、電池パック１１はさらにペルチェモジュール３１の動作を制御する制御装置と、ペルチェモジュール３１に電力を供給する電源とを備える。この電源は電池２０であってもよい。

次に、図１の電池モジュール１０および図３の電池パック１１の温度調節動作について説明する。
まず、電池２０を冷却する場合について説明する。まず制御装置が電池モジュール１０を冷却すべきであると決定する（この決定動作は、温度センサ等を用いた周知技術により実現可能である）。この決定に応じ、制御装置は、ペルチェ素子３５の第１面３６が吸熱し、第２面３７が放熱するように通電する。これにより、ペルチェモジュール３１の電池側電極３３が冷却され、電池側電極３３と熱的に接続される電池２０が冷却される。

また、制御装置は、ファン６０を駆動させる。ファン６０が駆動することにより、熱媒体が熱媒体通路５２を介して電池ケース４０内を循環する。
熱媒体入口４２から電池ケース４０内に流入した熱媒体は、熱媒体流入通路５０を流れ、熱媒体流入通路５０から各電池２０の間に設けられた温度調節部材３０のフィン３２に流入する。
フィン３２に流入した熱媒体は、フィン３２を介してフィン側電極３４と熱交換を行い、フィン側電極３４を冷却する。これにより、第１面３６と第２面３７の表面温度の差が小さくなり、ペルチェ素子３５を効率良く駆動させることができる。
フィン側電極３４と熱交換を行って温められた熱媒体は、熱媒体流出通路５１を流れて熱媒体出口４３から電池ケース４０外部に排出され、熱媒体通路５２から熱交換器５３に流入する。
熱交換器５３に流入した熱媒体は、外気と熱交換を行うことで冷やされる。
そして、熱交換器５３で冷やされた熱媒体は、ファン６０により電池ケース４０内に再び流入する。

次に、電池２０を加熱する場合について説明する。まず制御装置が電池モジュール１０を加熱すべきであると決定する（この決定動作は、温度センサ等を用いた周知技術により実現可能である）。この決定に応じ、制御装置は、ペルチェ素子３５の第１面３６が放熱し、第２面３７が吸熱するように通電する。これにより、ペルチェモジュール３１の電池側電極３３が加熱され、電池側電極３３と熱的に接続される電池２０が加熱される。

また、制御装置は、ファン６０を駆動させる。ファン６０が駆動することにより、熱媒体が熱媒体通路５２を介して電池ケース４０内を循環する。
熱媒体入口４２から電池ケース４０内に流入した熱媒体は、熱媒体流入通路５０を流れ、熱媒体流入通路５０から各電池２０の間に設けられた温度調節部材３０のフィン３２に流入する。
フィン３２に流入した熱媒体は、フィン３２を介してフィン側電極３４と熱交換を行い、フィン側電極３４を加熱する。これにより、第１面３６と第２面３７の表面温度の差が小さくなり、ペルチェ素子３５を効率良く駆動させることができる。
フィン側電極３４と熱交換を行って冷却された熱媒体は、熱媒体流出通路５１を流れて熱媒体出口４３から電池ケース４０外部に排出され、熱媒体通路５２から熱交換器５３に流入する。
熱交換器５３に流入した熱媒体は、外気と熱交換を行うことで加熱される。
そして、熱交換器５３で加熱された熱媒体は、ファン６０により電池ケース４０内に再び流入する。

以上のように、実施の形態１に係る電池モジュール１０および電池パック１１によれば、熱電素子によって電池を直接冷却することができるので、より優れた冷却機能を実現できる。また、熱電素子によって電池を直接温めることもできるので、加熱機能を実現できる。結果として、たとえば電池寿命をより長くすることができる。

また、２つのペルチェモジュール３１ａおよび３１ｂにおいて、ペルチェ素子３５の第２面３７を共通のフィン３２で温調しているので、熱電変換効率を高めるための熱交換器の数を減らすことができる。
また、温度調節部材３０（とくにフィン３２）が隣り合う２つの電池２０の間に配置される。このため、温度調節部材３０およびフィン３２を配置するスペースを節約し、電池モジュール１０全体の構成をコンパクト化することができる。

上述の実施の形態１では熱媒体は空気であるが、水であってもよく、他の流体であってもよい。また、電池２０は角型でなくともよく、たとえば円筒型やラミネート型であってもよい。

上述の実施の形態１では、１つの温度調節部材３０が２つのペルチェモジュール３１を含むが、ペルチェモジュール３１は１つであってもよい。たとえば図２において第２のペルチェモジュール３１ｂを省略し、フィン３２と第２の電池２０ｂとが直接接触する構成であってもよい。このような構成であっても、第１の電池２０ａについては第１のペルチェモジュール３１ａを介して優れた温度調節機能を実現しつつ、フィン３２を第１の電池２０ａおよび第２の電池２０ｂに共用としてスペースを節約することができる。

ペルチェモジュール３１の詳細な構成や、ペルチェモジュール３１が他の構造（電池２０およびフィン３２）と接触する部分の構成については、公知の技術を用いて適宜実現することができる。たとえば、ペルチェモジュール３１は特開２０００−５８９３０に記載される構成であってもよい。特開２０００−５８９３０に記載される構成は両面に絶縁薄膜を備えており、この絶縁薄膜を介して片面を電池２０に接触させ、他方の面をフィン３２に接触させることができる。

ペルチェモジュール３１は、少なくとも１つの熱電変換素子（１つの半導体素子）を備えていればよい。

流体流動装置はファン６０でなくポンプ等であってもよい。また、熱媒体は循環させる必要はなく、たとえば空気を用いる場合等には単に外部との間で流動させればよい。
また、熱交換後の熱媒体を電池ケース４０に戻さない場合は、熱交換器５３は不要となるため省略してもよい。また、熱交換器５３は、熱媒体を外気と熱交換させるものに限らず、熱媒体と他の熱媒体とを熱交換させるものであってもよい。

１０ 電池モジュール、１１ 電池パック、２０（２０ａ，２０ｂ） 電池、２１ 電極、３０ 温度調節部材、３１（３１ａ，３１ｂ） ペルチェモジュール（熱電変換素子）、３２ フィン（熱交換器）、３３ 電池側電極、３４ フィン側電極、３５ ペルチェ素子（熱電変換素子）、４０ 電池ケース、４１ 収容室、４２ 熱媒体入口、４３ 熱媒体出口、５２ 熱媒体通路、６０ ファン（流体流動装置）。

Claims (3)

1. 少なくとも２つの電池と、
   前記２つの電池の間に配置され、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面と第２面を有する熱電変換素子と、
   前記２つの電池のうち少なくとも一方と前記熱電変換素子との間に配置され、流入する熱媒体と熱交換を行う熱交換器とを有し、
   前記第１面は、前記２つの電池の一方と熱的に接続され、
   前記第２面は、前記熱交換器と熱的に接続されることを特徴とする
   電池モジュール。
2. 前記熱電変換素子は、第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子とを有し、
   前記第１の熱電変換素子の前記第１面は、前記２つの電池の一方の電池と熱的に接続され、
   前記第１の熱電変換素子の前記第２面は、前記熱交換器と熱的に接続され、
   前記第２の熱電変換素子の前記第１面は、前記２つの電池の他方の電池と熱的に接続され、
   前記第２の熱電変換素子の前記第２面は、前記熱交換器と熱的に接続されることを特徴とする
   請求項１に記載の電池モジュール。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の電池モジュールと、
   前記熱電変換素子の動作を制御する制御装置と、
   前記熱媒体を流動させる流体流動装置と
   を備える、電池パック。

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