JP2014179194A - 温度調節装置及びそれを備えたバッテリ - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでバッテリの温度調節を可能とする温度調節装置を提供する。
【解決手段】複数のバッテリセルを備えたバッテリ用の温度調節装置であって、前記バッテリセルの間に、前記バッテリセルと熱的に接続するように配置される介挿部と、前記バッテリセルの間から突出するように配置される突出部とをそれぞれ有する、少なくとも二つの介挿部材と、前記突出部の少なくとも二つに、これら少なくとも二つの突出部に熱的に接続された状態で接合された熱輸送部材とを備えたことを特徴とする温度調節装置。
【選択図】図１−１

Description

本発明は、例えばリチウムイオン二次電池等のバッテリセルを集合させてモジュールを構成したものに好適な温度調節装置およびそれを備えたバッテリに関する。

リチウムイオン電池などの二次電池を高出力で放電させると発熱量が増加するが、そうした場合、運転許容温度範囲内で運転させるために、電池の冷却が必要となる。また、多数の単電池（バッテリセル）を電気的に直並列で接続してモジュールを構成した二次電池では、各単電池の定格容量に対する放電電気量の割合を一致させるため、モジュール内の温度分布を均一にする必要がある。

このように、二次電池を冷却し均一な温度分布とするために、ヒートパイプなどの均熱手段でモジュール内の温度分布を均一化しモジュール外の放熱板によってヒートパイプを冷却させるものが提案されている。例えば、特許文献１に記載の発明では、円筒型のヒートパイプをバッテリ本体内の鉛直方向に複数配設し、それぞれのヒートパイプの一端をバッテリ本体の外部に突出させ、更にその突出部分のヒートパイプへ放熱板を取り付けることで、バッテリ本体内のヒートパイプの熱が放熱板に伝達して外部に放熱されて均熱化されている。

特開平７−４５３１０号公報

特許文献１に記載の技術では、ヒートパイプをバッテリセルの側面に取り付けているため、セルの側面の位置が揃わないと熱接触が不良となることがある。また、セルとヒートパイプとの接触面積を大きくするためには、扁平状（板状）のヒートパイプを用いなければならず、コストがかかるという問題点がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、低コストでバッテリの温度調節を可能とする温度調節装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、以下の構成を採用した。
［温度調節装置］
構成１：
複数のバッテリセルを備えたバッテリ用の温度調節装置であって、前記バッテリセルの間に、前記バッテリセルと熱的に接続するように配置される介挿部と、前記バッテリセルの間から突出するように配置される突出部とをそれぞれ有する、少なくとも二つの介挿部材と、前記突出部の少なくとも二つに、これら少なくとも二つの突出部に熱的に接続された状態で接合された熱輸送部材とを備えたことを特徴とする温度調節装置。
構成２：
前記介挿部材が金属製である前記温度調節装置。
構成３：
前記熱輸送部材がヒートパイプによって構成されている前記温度調節装置。
構成４：
前記熱輸送部材が、ヒートパイプを熱輸送経路に沿って複数本接続することによって構成されている前記温度調節装置。
構成５：
前記熱輸送部材に加熱手段及び／又は冷却手段が熱的に接続されている前記温度調節装置。
［温度調節装置付バッテリ］
前記いずれかに記載の温度調節装置を備えた温度調節装置付バッテリ。

本発明によれば、低コストで、バッテリの温度調節が可能となる。

図１は、本発明の温度調節装置を備えたバッテリ（温度調節装置付バッテリ）の形態例を示す斜視図（図１（ａ））及び部分分解図（図１（ｂ））である。 図２は、介挿部材の形態例を示す斜視図である。 図３は、熱輸送部材の構成態様を示す図である。 図４は、本発明の温度調節装置を備えたバッテリ（温度調節装置付バッテリ）の別の形態例を示す斜視図である。

以下、本発明を、実施形態に即して詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は、本発明の温度調節装置を備えたバッテリの斜視図（図１（ａ））及び部分分解図（図１（ｂ））である。図２は、図１の温度調節装置において用いられている介挿部材の斜視図である。

温度調節装置付バッテリ１は、並べて配置された複数のバッテリセルａと温度調節装置１０とを備えている。本実施形態においてバッテリセルａは、それぞれ角柱状となっている。

温度調節装置１０は、介挿部材１１と、熱輸送部材１２とを備えている。介挿部材１１は、各バッテリセルａの間に配置される介挿部１１ａと、各バッテリセルａの間から突出する様に構成された突出部１１ｂとからなっている。

本例において、介挿部１１ａは、平板状となっており、バッテリセルａの側面と密着して配置することが可能になっている。突出部１１ｂには、挿通孔１１ｂａ及びその周囲に形成されたフランジ（バーリング）１１ｂｂとを有している。フランジ１１ｂｂを有することにより、後述する熱輸送部材との接触面積が大きくなり、熱輸送効率が向上する。介挿部材１１の材質は、熱輸送効率に優れるものであれば特に制限は無いが、耐荷重性を考慮すると、金属製である事が好ましい。金属としては、アルミニウム、銅、鉄等種々の金属を用いることが可能であるが、装置を軽量化する観点から、アルミニウムの使用が好ましい。また、介挿部材１１には、絶縁性を付与することが好ましく、この目的のために樹脂等の絶縁性物質により被覆することが好ましい。樹脂としては、絶縁性を有するものであれば特に制限はないが、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を好適なものとしてあげることができる。介挿部材の構成としては、図２のようなものに制限されるものではなく、種々の形状のものを使用することが可能である。

熱輸送部材１２は、突出部１１ｂに設けられた挿通孔１１ｂａに挿通されることにより、各介挿部材１１に熱的に接続した状態で接続されている。熱輸送部材１２と挿通孔１１ｂａとの十分な接続を実現するために、適宜サーマルシート等の熱伝導性部材を挿通孔１１ｂａと熱輸送部材１２の間に介挿しても良い。また、熱輸送部材１２と挿通孔１１ｂａとを物理的に固着する必要は必ずしも無いが、これらを半田等により固着する事も可能である。熱輸送部材１２としては、熱輸送能力に優れる部材であれば特に制限は無いが、ヒートパイプを用いることが特に好ましい。熱輸送部材１２には、例えばその端部１２ａに、温度調節機構として、ヒータ等の加熱機構及び／又はフィン等の冷却機構を熱接続することができる。本例では、熱輸送部材１２の端部１２ａにヒータ等の温度調節機構を熱的に接続することを想定しているが、例えば、熱輸送部材１２の端部１２ａに温風以外の加熱機構（例えば、電気ヒータ等）を熱接続すると共に、他端にフィンを設ける等種々の構成が可能である。このような場合、他端に設けられたフィンはバッテリの熱を放出するためのみに使用してもよく、車室内空調システム等により供給される温風がフィンにさらされる様にして、温風以外の加熱機構及び温風による複合的な加熱が行われる様に構成しても良い。なお、バッテリ内の温度分布を均一化する目的のみで熱輸送部材１２を使用する場合には、熱輸送部材１２に温度調節機構を必ずしも接続しなくてもよい。

ヒートパイプは、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属製または上記金属からなる合金製である密閉されたコンテナの内部に、作動液が減圧状態で封入されてなる。コンテナの形状には、本実施形態の断面略長方形状の他、断面扁平状型、丸形、板状型等がある。ヒートパイプには、コンテナ内面に、金属ワイヤのメッシュやコイル、多孔性金属などによりウィックを形成したものや、コンテナ内面にグルーブ加工（溝加工）をしたものがある。また、ヒートパイプの内部には、作動液の流路となる空間が設けられている。この空間に収容された作動液が蒸発（受熱部）・凝縮（放熱部）の相変化と内部移動をすることによって、熱輸送が行われる。作動液としては、特に制限されるものではないが、水、ＨＣＦＣ−２２などのハイドロクロロフルオロカーボン、ＨＦＣＲ１３４ａ、ＨＦＣＲ４０７Ｃ、ＨＦＣＲ４１０Ａ、ＨＦＣ３２などのハイドロフルオロカーボン、ＨＦＯ１２３４ｙｆなどのハイドロフルオロオレフィン、炭酸ガス、アンモニア、およびプロパンなどがあげられる。これらの中でも、性能及び地球環境への影響を考慮すると、水や炭酸ガス、ハイドロフルオロオレフィンなどが好ましい。

熱輸送部材１２として、ヒートパイプを用いる場合、図３に示すように、複数のヒートパイプを、熱輸送方向Ａに沿って接続することが好ましい。

図３に示す例では、熱輸送方向Ａに沿って複数（本例では計４本）のヒートパイプ３を熱接続しているので、１本の長尺のヒートパイプを使用して熱輸送する場合と比較して、ヒートパイプの凍結による熱輸送効率の低下を防止することができる。すなわち、短尺のヒートパイプの場合は、たとえ作動液が凍結するような状況（例えば、水を作動液として使用温度が０℃以下となる状況）においてもコンテナやウィック部分で熱伝導がなされるため、加熱により作動液の凍結を防ぐことが可能である。また、短尺のヒートパイプが複数熱接続されていることにより、熱源から遠いヒートパイプも作動させることが可能となり、長距離の熱輸送が可能になる。この効果は、未凍結のヒートパイプだけでなく、すでに凍結してしまっている熱輸送経路に対しても有効であり、短尺のヒートパイプがコンテナやウィック部分の熱伝導で解凍され、機能を回復することで熱輸送方向にある次のヒートパイプに良好に熱を伝えることが可能となり、順次ヒートパイプの機能が回復して行くことで、最終的には経路全体で良好な熱輸送が回復される。なお、この様な凍結の問題を考慮すると、各ヒートパイプの長さは、好ましくは５０ｃｍ以下、特に好ましくは４０ｃｍ以下、更に好ましくは３０ｃｍ以下の長さが好ましい。

温度調節機構として、冷却機構（例えば、水冷機構の一部としての水冷ジャケットやフィン等）をヒートパイプに接続する場合には、図３（ｂ）に示すように、熱輸送経路の一端を構成するヒートパイプ３ａの長さを最長、他端を構成し、最も冷却機構に近いヒートパイプ３ｄの長さを最短に設定すると共に、中間部を構成するヒートパイプについて、当該一端側から他端側に沿って見た場合に、隣接するヒートパイプの長さが同じであるか、少なくとも一部のヒートパイプが順次短くなるように設定することが好ましい。なお、図３（ｂ）に示す例では、ヒートパイプの長さは、３ａ＞３ｂ＞３ｃ＞３ｄの順となっている。ヒートパイプは、長さが短くなるほど熱輸送効率に優れている。一方、冷却機構に近づくにつれて、熱輸送経路を移動する総熱量は増大するため、このような構成を採用することにより、効率的な熱輸送を行うことができる。

なお、上記例では、ヒートパイプの作動液が同一の場合を想定して説明したが、異なる作動液のヒートパイプを組み合わせて使用しても良い。

なお、上記例においては、バッテリセルとして角柱形のバッテリセルの場合を例示したが、本発明においてバッテリセルの形状はこのような角柱形に制限されるものではない。具体的には、例えば、図４に示した様な円柱状バッテリセルに適応することも可能である。

図４に示した温度調節装置１０’は、介挿部材１１’と、熱輸送部材１２とを備えている。介挿部材１１’は、各バッテリセルａの間に配置される介挿部１１’ａと、各バッテリセルａの間から突出する様に構成された突出部１１’ｂとからなっている。本例において、介挿部１１’ａの両側面には、バッテリセルａの形状に併せて凹部１１’ａ１及び１１’ａ２を有する。これらの凹部１１’ａ１及び１１’ａ２により、介挿部材１１’と、バッテリセルａの側面と密着して配置することが可能になる。突出部１１’ｂには、挿通孔１１’ｂａ及びその周囲に形成されたフランジ（バーリング）１１’ｂｂとを有している。

１ 温度調節装置付バッテリ
１０ 温度調節装置
１１ 介挿部材
１１ａ 介挿部
１１ｂ 突出部
１１ｂａ 挿通孔
１１ｂｂ フランジ
１２ 熱輸送部材

Claims (6)

1. 複数のバッテリセルを備えたバッテリ用の温度調節装置であって、
   前記バッテリセルの間に、前記バッテリセルと熱的に接続するように配置される介挿部と、前記バッテリセルの間から突出するように配置される突出部とをそれぞれ有する、少なくとも二つの介挿部材と、
   前記突出部の少なくとも二つに、これら少なくとも二つの突出部に熱的に接続された状態で接合された熱輸送部材とを備えたことを特徴とする温度調節装置。
2. 前記介挿部材が金属製である、請求項１記載の温度調節装置。
3. 前記熱輸送部材がヒートパイプによって構成されている、請求項１又は２に記載の温度調節装置。
4. 前記熱輸送部材が、ヒートパイプを熱輸送経路に沿って複数本接続することによって構成されている請求項３に記載の温度調節装置。
5. 前記熱輸送部材に加熱手段及び／又は冷却手段が熱的に接続されている、請求項１〜４いずれかに記載の温度調節装置。
6. 請求項１〜５いずれかに記載の温度調節装置を備えた温度調節装置付バッテリ。