JP2015056218A - 蓄電装置の温度調節構造 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも２つ以上の蓄電スタックで構成される蓄電装置の温度調節構造において、蓄電スタック間で異なる寸法公差や組み付け公差を吸収しつつ、蓄電装置の小型化及び部品点数の削減を図る。【解決手段】蓄電装置の温度調節構造は、少なくとも２つの蓄電スタックと、蓄電素子間に蓄電素子と共に積層された状態で配置される熱伝達部材と、蓄電スタック間に形成される熱交換媒体が流通する流通経路と、を有する。熱伝達部材は、流通経路に配置される熱伝達フィンを介して第１蓄電スタックに対応する第１熱伝達部及び第２蓄電スタックに対応する第２熱伝達部が、第１蓄電スタック及び第２蓄電スタックを跨いて一体に形成されているとともに、熱伝達フィンは、第１熱伝達部及び第２熱伝達部が相互に積層方向又は／及び積層方向に直交する方向へ移動することを許容する形状に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の蓄電素子で構成される蓄電スタックを少なくとも２つ以上配置した蓄電装置の温度調節構造に関する。

特許文献１記載の電池パックは、複数の電池セルを積層した電池スタックが２つ並んで配置されている。このとき、電池スタック間及び電池パックの左右側面に形成される冷却経路に冷却風を流して各電池スタックを冷却している。

特開２０１３−０５８３７３号公報 特開２０１２−１３４１０１号公報

特許文献１の冷却構造は、電池セル間に冷却風を流通させており、電池セル間に冷却経路が形成されているので、積層方向における電池スタックの大型化を招いてしまう。そこで、特許文献２では、電池セル間に冷却プレートを配置し、電池スタック周囲の冷却経路に突出する冷却プレート端部に冷却風を当てることで、電池スタックを冷却して積層方向の大型化を抑制する冷却構造を提案している。

しかしながら、積層方向に長尺状の電池スタックを複数並べて配置した電池パックにおいて、各電池スタックに冷却プレートを設けると部品点数が増加してしまう。このため、並んで配置される各電池スタックの冷却プレートを一体化することが考えられるが、例えば、各電池スタックは、それぞれにおいて積層方向の長さにバラツキが生じる。したがって、電池スタック間で異なる寸法公差や組み付け公差によるバラツキに対して冷却プレートが追従できない問題があった。

そこで、本発明は、複数の蓄電素子で構成される蓄電スタックを少なくとも２つ以上並べて配置した蓄電装置において、蓄電スタック間で異なる寸法公差や組み付け公差を吸収しつつ、部品点数の削減及び蓄電装置の小型化を図ることができる温度調節構造を提供することにある。

本発明の蓄電装置の温度調節構造は、所定の方向に積層配置された複数の蓄電素子で構成され、積層方向に直交する方向に並んで配置される少なくとも２つの蓄電スタックと、蓄電素子間に蓄電素子と共に積層された状態で配置される熱伝達部材と、積層方向に直交する方向に並んで配置される蓄電スタック間に形成され、熱交換媒体が流通する流通経路と、を有する。

熱伝達部材は、第１蓄電スタックの第１蓄電素子に接触する第１熱伝達部と、第１蓄電スタック及び第２蓄電スタックが並ぶ方向において第１蓄電素子と隣り合う第２蓄電スタックの第２蓄電素子と接触する第２熱伝達部と、流通経路に配置され、熱交換媒体と熱交換を行う熱伝達フィンと、を備えている。そして、第１熱伝達部及び第２熱伝達部は、熱伝達フィンを介して第１蓄電スタック及び第２蓄電スタックを跨いて一体に形成されているとともに、熱伝達フィンは、第１熱伝達部及び第２熱伝達部が相互に積層方向又は／及び積層方向に直交する方向へ移動することを許容する形状に形成されている。

実施例１において、温度調節構造を備えた電池パックの概略平面図である。 実施例１において、熱伝達部材の概略斜視図である。 実施例１において、熱伝達部材の熱伝達フィンの変形と電池スタック間の公差吸収を説明するための図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１から図３は、本発明の実施例を示す図である。図１は、温度調節構造を備えた電池パックの一例を示す概略平面図である。図１等において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸である。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の関係は、他の図面においても同様である。本実施例では、鉛直方向に相当する軸をＺ軸としている。

電池パック１は、車両に搭載することができる。電池パック１は、車両のフロアパネル（ボディ）に固定され、例えば、車室内のフロントシートやリアシート等のシート下のスペース、フロントシートのシート間のスペース、リアシート後方に位置するラゲッジスペースなどに、配置することができる。

電池パック１は、車両の走行に用いられるエネルギを出力する。車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車とは、車両を走行させるための動力源として、電池パック１に加えて、燃料電池や内燃機関といった他の動力源を備えた車両である。電気自動車は、車両の動力源として、電池パック１だけを備えた車両である。

電池パック１は、不図示のモータ・ジェネレータに接続されている。モータ・ジェネレータは、電池パック１からの電力を受けることにより、車両を走行させるための運動エネルギを生成することができる。モータ・ジェネレータは、車輪に接続されており、モータ・ジェネレータによって生成された運動エネルギは、車輪に伝達される。車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換する。モータ・ジェネレータによって生成された電気エネルギは、電池パック１に蓄えることができる。

電池パック１およびモータ・ジェネレータの間の電流経路には、ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータを配置することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータを用いれば、電池パック１０の出力電圧を昇圧して、モータ・ジェネレータに供給したり、モータ・ジェネレータからの電圧を降圧して電池パック１に供給したりすることができる。また、インバータを用いれば、電池パック１から出力された直流電力を交流電力に変換でき、モータ・ジェネレータとして、交流モータを用いることができる。

本実施例の電池パック１（蓄電装置に相当する）は、複数の単電池１１がＸ方向に並んで積層された複数の電池スタック１０を含んで構成されている。図１の例では、２つの電池スタック１０Ａ，１０ＢがＹ方向に並んで配置されており、一点鎖線で示すケース内に、電池スタック１０Ａ，１０Ｂが収容されている。

図１に示すように、電池スタック１０Ａは、複数の単電池１１を有しており、複数の単電池１１は、Ｘ方向に並んでいる。単電池１１は、本発明の蓄電素子に相当する。複数の単電池１１は、バスバーによって電気的に直列に接続されている。なお、電池スタック１０Ａには、電気的に並列に接続された複数の単電池１１が含まれていてもよい。

単電池１１としては、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を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることもできる。なお、本実施例では、複数の単電池１１が一方向に並んでいるが、これに限るものではない。具体的には、２つ以上の単電池によって１つの電池モジュールを構成し、複数の電池モジュールをＸ方向に並べることができる。１つの電池モジュールに含まれる複数の単電池は、電気的に直列に接続することができる。

電池スタック１０Ｂも、電池スタック１０Ａと同様に構成されている。電池スタック１０Ａ，１０Ｂが、電気的に直列又は並列に接続されて電池パック１が構成される。

複数の単電池１１が並んで配置される積層方向（Ｘ方向）の電池スタック１０Ａ，１０Ｂの両端には、一対のエンドプレート１０１が配置されている。一対のエンドプレート１０１は、電池スタック１０Ａ，１０Ｂを構成する複数の単電池１１を挟んでおり、各電池スタック１０Ａ，１０Ｂそれぞれの複数の単電池１１に対して拘束力を与えるために用いられる。拘束力とは、Ｘ方向において、単電池１１を挟む力である。単電池１１に拘束力を与えることにより、単電池１１の膨張を抑制することができ、単電池１１の入出力特性が劣化するのを抑制することができる。

具体的には、Ｘ方向に延びる拘束ロッド１０２の両端が、固定部１０３を介して一対のエンドプレート１０１に接続されている。これにより、一対のエンドプレート１０１は、複数の単電池１１に対して拘束力を与えることができる。拘束ロッド１０２は、電池スタック１０Ａ，１０Ｂの上面及び下面に配置されている。

ここで、本実施例では、Ｙ方向に並んで配置される２つの電池スタック１０Ａ，１０Ｂを、１つのエンドプレートでＸ方向端部方向から同時に拘束している。図１に示すように、エンドプレート１０１は、Ｙ方向に並んで配置される電池スタック１０Ａの左側側面から電池スタック１０Ｂの右側側面までを覆い、Ｙ方向に長尺状に形成されている。

なお、図１の例において、一対のエンドプレート１０１は、各電池スタック１０Ａ，１０Ｂそれぞれに対応する拘束ロッド１０２が配置されているが、同時複数の電池スタックを拘束できるように、拘束ロッド１０２を配置する位置及び数は、適宜設定することができる。

また、２つの電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、Ｘ方向（積層方向）に直交するＹ方向において所定の間隔離間して配置されており、熱交換媒体が流通する流通経路Ｓ３が形成されている。本実施例の電池パック１は、電池スタック１０Ａの左側側面とケースとで形成される流通経路Ｓ１、電池スタック１０Ｂの右側側面とケースとで形成される流通経路Ｓ２、及び電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の流通経路Ｓ３を有している。

熱交換媒体は、単電池１１の温度調節用の空気であり、単電池１１の外面及び後述する熱伝達部材２００に接触する。空気は、単電池１１や熱伝達部材２００に接触して熱交換を行う。例えば、単電池１１が充放電等によって発熱しているときには、冷却用の空気を単電池１１に接触させることにより、単電池１１の温度上昇を抑制することができる。また、単電池１１が過度に冷却されているときには、加温用の空気を単電池１１に接触させることにより、単電池１１の温度低下を抑制することができる。

温度調節用の空気として車室内の空気を用いることができる。車室内の空気は、車両に搭載された空調装置等によって単電池１１の温度調節に適した温度となっている。したがって、車室内の空気を単電池１１に供給すれば、単電池１１の温度調節を行うことができる。単電池１１の温度を調節することにより、単電池１０の入出力特性が劣化してしまうのを抑制することができる。

電池パック１には、不図示のブロアを接続することができ、ブロアで電池パック１内に温度調節用の空気を供給することができる。ブロアから電池パック１内に供給された空気は、例えば、電池スタック１０Ａ，１０ＢのＺ方向下面から上面に向かって流通通路Ｓ１からＳ３を介して流れ、上面に流れ出た空気が電池パック１に形成された排気口から電池パック１外に排気される。なお、温度調節用の空気の流れは、電池スタック１０Ａ，１０ＢのＺ方向上面から下面に向かって流れるように構成することもできる。

本実施例は、隣り合って配置される２つの単電池１１の間が、後述する熱伝達部材２００によって塞がれおり、温度調節用の空気が流通するスペースが設けられていない。本実施例の電池スタック１０Ａ，１０Ｂを構成する各単電池１１は、配置方向において熱伝達部材２００を介して密接して配置されている。なお、単電池１１同士を電気的に絶縁するために、隣り合って配置される２つの単電池１１の間に絶縁部材を設けることもできる。また、熱伝達部材を樹脂等の絶縁材で形成することで、積層方向に隣り合う単電池１１間を絶縁することができる。

Ｘ方向に並んで配置される単電池１１間には、熱伝達部材２００が設けられている。熱伝達部材２００は、単電池１１間に単電池１１と共にＸ方向に積層された状態で配置される。図２は、熱伝達部材２００の概略斜視図である。

図２に示すように、熱伝達部材２００は、全体が平面形状のプレート部材であり、例えば、冷却プレートである。熱伝達部材２００は、単電池１１のＸ方向端面、すなわち、積層方向において隣り合う他の単電池１１と向かい合う面１１ａと接触している。熱伝達部材２００は、電池スタック１０Ａの単電池１１の面１１ａと接触する第１熱伝達部２０１と、電池スタック１０Ｂの単電池１１の面１１ａと接触する第２熱伝達部２０２と、Ｙ方向において流通経路Ｓ３に配置され、温度調節用の空気と熱交換を行う熱伝達フィン２０３と、を備えている。

図２に示すように、本実施例の単電池１１は、Ｙ方向に長尺の矩形状に形成されており、Ｚ方向に所定の高さを有している。隣り合う他の単電池１１と向かい合う面１１ａは、Ｙ方向に延び、Ｚ方向に平行な単電池１１の腹面である。

第１熱伝達部２０１は、電池スタック１０ＡのＹ方向において、単電池１１の腹面１１ａと接触する領域２０１ａから流通経路Ｓ１に突出して配置される延設部２０１ｂが設けられている。延設部２０１ｂは、フィン形状に形成されている。同様に、第２熱伝達部２０２は、電池スタック１０ＢのＹ方向において、単電池１１の腹面１１ａと接触する領域２０２ａから流通経路Ｓ３に突出して配置される延設部２０２ｂが設けられている。延設部２０２ｂも、フィン形状に形成されている。流通経路Ｓ３の熱伝達フィン２０３及び流通経路Ｓ１，Ｓ２の熱伝達フィンは、Ｚ方向上下に延びている。

各電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、Ｙ方向において単電池１１の腹面１１ａの両側に熱伝達フィンが設けられ、流通経路Ｓ１からＳ３をＺ方向上下に流通する温度調節用の空気が両側の熱伝達フィンとの間で熱交換を行い、単電池１１の温度調節が行われる。

熱伝達部材２００は、第１熱伝達部２０１及び第２熱伝達部２０２が熱伝達フィン２０３を介して電池スタック１０Ａ，１０Ｂを跨いてＹ方向において一体に形成されているとともに、第１熱伝達部２０１及び第２熱伝達部２０２の間に位置する熱伝達フィン２０３は、第１熱伝達部２０１及び第２熱伝達部２０２が相互に単電池１１の積層方向又は／及び単電池１１の積層方向（Ｘ方向）に直交するＹ方向へ移動することを許容する形状に形成されている。熱伝達フィン２０３は、例えば、一枚のプレートの一部をＹ方向において山折りと谷折りを連続して形成して蛇腹状とすることができる。このように構成することで、温度調節用の空気との接触面積を確保しつつ、第１熱伝達部２０１及び第２熱伝達部２０２が相互にＸ方向及びＹ方向へ移動することができる。

本実施例では、図１に示すように、複数の単電池１１がＸ方向において同時に拘束された同じ電池スタック１０Ａ，１０ＢがＹ方向に並んで配置され、各電池スタックを構成する単電池１１の位置及び単電池１１間の位置は、Ｙ方向において略平行となっている。したがって、第１熱伝達部２０１及び第２熱伝達部２０２は、電池スタック１０Ａが及び電池スタック１０Ｂが並ぶ方向において互いに隣り合う各単電池１１と接触しており、Ｙ方向において略同一平面内に位置している。

しかしながら、電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、積層配置される各単電池１１の製造誤差や充放電による膨張等によって、積層方向の長さにバラツキが生じる。また、電池スタック１０Ａ，１０ＢをＹ方向に並べて一対のエンドプレート１０１で同時に拘束する際、組み付け誤差が生じ、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間のＹ方向の離間距離にバラツキが生じる。

このようなＸ方向及びＹ方向のバラツキによって、Ｙ方向に略平行となっている各電池スタックを構成するそれぞれの単電池１１の位置及び単電池１１間の位置、すなわち、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間に跨って配置される熱伝達部材２００の配設位置が、Ｘ方向又はＹ方向にズレてしまう。

これに対し、本実施例の熱伝達フィン２０３は、蛇腹形状に形成されているので、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間で異なる寸法公差や電池スタック１０Ａ，１０Ｂの組み付け公差を吸収しつつ、部品点数の削減及び電池パック１の小型化を実現することができる。

図３は、熱伝達部材２００の熱伝達フィン２０３の変形と電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間の公差吸収を説明するための図である。図３（ａ）に示すように、電池スタック１０Ａ，１０Ｂの積層方向（Ｘ方向）において長さのバラツキが生じると、蛇腹状の熱伝達フィン２０３は、山折り及び谷折り間の間隔が広がる又は縮まるように変形し、第１熱伝達部２０１及び第２熱伝達部２０２が、電池スタック１０Ａが及び電池スタック１０Ｂが並ぶ方向においてＸ方向にズレることを許容する。

同様に、図３（ｂ）に示すように、電池スタック１０Ａ，１０Ｂが並ぶ方向（Ｙ方向）において組み付け誤差が生じると、蛇腹状の熱伝達フィン２０３は、山折り及び谷折り間の間隔がＹ方向に広がる（縮まる）ように変形し、第１熱伝達部２０１及び第２熱伝達部２０２間の距離が長くなる（狭くなる）ことを許容する。

このように本実施例の温度調節構造は、熱伝達部材２００が、電池スタック１０Ａ，１０Ｂを構成する単電池１１間に単電池１１と共に積層された状態で配置されるとともに、積層方向に直交する方向に並んで配置される電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間を跨いで一体的に構成されている。そして、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間に設けられる流通経路Ｓ３に配置される熱伝達フィン２０３は、第１熱伝達部２０１及び第２熱伝達部２０２が相互に単電池１１の積層方向又は／及び積層方向に直交する方向への移動を許容するように、蛇腹形状に形成されている。

このため、電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間で異なる寸法公差や電池スタック１０Ａ，１０Ｂの組み付け公差を吸収しつつ、熱伝達部材２００を各電池スタックに個別に設けるよりも部品点数を削減でき、かつ冷却性能を維持しつつ電池パック１の小型化することができる。

また、他の観点では、電池スタック１０Ａ，１０ＢをＹ方向に並べて１つのエンドプレート１０１で同時に拘束する場合、部品点数をさらに削減することができる。つまり、熱伝達部材２００によって電池スタック１０Ａ，１０Ｂ間で異なる寸法公差や電池スタック１０Ａ，１０Ｂの組み付け公差を吸収するので、電池スタック１０Ａ，１０ＢをＹ方向に並べて１つのエンドプレート１０１で同時に拘束することが実現でき、冷却性能を維持しつつ、部品点数の削減及び電池パック１の小型化を図ることができるようになる。

なお、熱伝達フィン２０３は、衝撃吸収部として機能することができ、例えば、電池パックに加わる外力を緩和し、電池スタック１０Ａ，１０Ｂが互いに衝突することを抑制することができる。また、熱伝達フィン２０３のフィンの数を調節することで、冷却性能を容易に調節することができる。

また、上記説明では、Ｙ方向に並んで配置される２つの電池スタック１０Ａ，１０Ｂを、１つのエンドプレートでＸ方向端部方向から同時に拘束する態様を一例に説明したが、例えば、電池スタック１０Ａ，１０Ｂそれぞれを、独立した個別の一対のエンドプレートで拘束して構成し、電池スタック１０Ａ，１０ＢをＹ方向に並べて配置して電池パック１を構成する場合であっても、同様の効果を得ることができる。

また、３つ以上の電池スタックをＹ方向に並べて電池パック１を構成することもできる。この場合、熱伝達部材２００は、単電池１１の腹面１１ａに接触する熱伝達部間毎に熱伝達フィン２０３が複数設けられるように構成することができ、冷却性能を維持しつつ部品点数をより削減することができる。また、３つ以上の電池スタックそれぞれを、１つのエンドプレートでＸ方向端部方向から同時に拘束してもよい。

また、第１熱伝達部２０１の領域２０１ａ、第２熱伝達部２０２の領域２０２ａは、単電池１１の腹面１１ａのＺ方向高さと同じ高さ又は、Ｚ方向上面又は下面に突出する大きさに形成することができる。Ｚ方向上面又は下面に突出する領域２０１ａ、領域２０２ａの端部が温度調節用の空気と接触し、冷却性能をより向上させることができる。

１：電池パック
１０Ａ，１０Ｂ：電池スタック
１１：単電池
１０１：エンドプレート
１０２：拘束ロッド
１０３：固定部
２００：熱伝達部材
２０１，２０２：熱伝達部
２０３：熱伝達フィン

Claims (1)

1. 所定の方向に積層配置された複数の蓄電素子で構成され、積層方向に直交する方向に並んで配置される少なくとも２つの蓄電スタックと、
   前記蓄電素子間に前記蓄電素子と共に積層された状態で配置される熱伝達部材と、
   積層方向に直交する方向に並んで配置される蓄電スタック間に形成され、熱交換媒体が流通する流通経路と、を有し
   前記熱伝達部材は、
   第１蓄電スタックの第１蓄電素子に接触する第１熱伝達部と、
   前記第１蓄電スタック及び第２蓄電スタックが並ぶ方向において第１蓄電素子と隣り合う第２蓄電スタックの第２蓄電素子と接触する第２熱伝達部と、
   前記流通経路に配置され、前記熱交換媒体と熱交換を行う熱伝達フィンと、を備えており、
   前記第１熱伝達部及び第２熱伝達部は、前記熱伝達フィンを介して前記第１蓄電スタック及び第２蓄電スタックを跨いて一体に形成されているとともに、前記熱伝達フィンは、前記第１熱伝達部及び第２熱伝達部が相互に前記積層方向又は／及び前記積層方向に直交する方向へ移動することを許容する形状に形成されていることを特徴とする蓄電装置の温度調節構造。
   

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