JP4043167B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、ハイブリッド自動車や電気自動車等の自動車を駆動するモーターの電源用に使用される大電流用の電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車走行用のモーターを駆動する電源に使用される大電流用の電源装置は、複数の電池を直列に連結した電源モジュールをさらに直列に接続して出力電圧を高くしている。駆動モーターの出力を大きくするためである。この種の用途に使用される電源装置は、極めて大きな電流が流れる。たとえば、ハイブリッド自動車等では、スタートするときや加速するときに、電池の出力で自動車を加速するので、極めて大きな電流が流れる。さらに、短時間で急速充電するときにも大きな電流が流れる。
【０００３】
大電流を流して使用される電源装置は、電池の温度が上昇したときに、強制的に冷却する必要がある。複数本の電源モジュールを、複数列に横に並べてホルダーケースに入れている電源装置は、各々の電源モジュールを均等に冷却することが大切である。冷却される電池の温度にむらができると、温度が高くなる電池の性能が低下しやすいからである。
【０００４】
ホルダーケースに複数の電源モジュールを収納して、各々の電源モジュールをより均等に冷却する構造は、たとえば、特開平１０−２７００９５号公報に記載される。この公報に記載される電源装置は、図１の断面図に示すように、ホルダーケース２２の下部を空気の流入口２３として上部を排出口２４とし、下部の流入口２３から上部の排出口２４に空気を流動させて、内部に収納している電源モジュール２１を冷却する。ホルダーケース２２の内部には、電源モジュール２１の表面に流す空気の流速を調整するための冷却調整フィン２５を配設している。
【０００５】
この構造のホルダーケース２２は、上部に配設される電源モジュール２１の表面を流れる空気の流速を、下部の電源モジュール２１の表面を流れる空気の流速よりも速くしている。上部と下部の電源モジュール２１の表面を流れる空気の流速を同じにすると、下部の電源モジュール２１の表面を通過する空気温度が低いために、下部の電源モジュール２１が上部よりも効果的に冷却されて、上部と下部で電源モジュール２１に温度差ができるからである。
【０００６】
冷却調整フィン２５は、上部の電源モジュール２１の表面の空気の流速を下部よりも速くするために、冷却調整フィン２５と電源モジュール２１との間の空気の流動隙間を、上方に向かって次第に狭くしている。流動隙間が狭くなると、空気の流速は速くなるからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この構造の電源装置は、下部の電源モジュールを冷たい空気で冷却し、上部の電源モジュールを速い流速で冷却して、上下の電源モジュールをより均一な環境で冷却する。しかしながら、この構造では、ホルダーケースに収納している電源モジュールの全面を均一に効率よく冷却することが難しい。図において、電源モジュールの左右の両側面は、高速流動する空気で効率よく冷却できるが、上下面においては空気を高速流動できず、この領域で電源モジュールを効率よく冷却できない。ハイブリッド自動車や電気自動車に使用される電源装置は、数百Ａ以上と、極めて大電流で充放電する必要があるので、電源モジュールは極めて太いものとなる。太い電源モジュールは、全面を均一に冷却することが大切であって、局部的に充分に冷却されない領域ができると、電池温度が局部的に高くなって劣化の原因となる。
【０００８】
本発明は、このような従来の電源装置の欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の大切な目的は、太い電源モジュールの全面を均一に冷却して電源モジュールの局部加熱に起因する電池性能の低下を有効に防止できる電源装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電源装置は、複数の二次電池又はスーパーキャパシタを直線状に接続してなる複数本の電源モジュール１と、この電源モジュール１を内部に平行に複数列に並べて収納しており、かつ、内部を通過する空気で収納している電源モジュール１を冷却するホルダーケース２と、ホルダーケース２に空気を強制的に供給して送風するファン９とを備え、ホルダーケース２は、両面の表面プレート２ａと、両面の表面プレート２ａの周囲に設けている周壁２ｃとを備える箱形で、表面プレート２ａと平行な面内に、複数列に電源モジュール１を横に並べて収納しており、さらに、ホルダーケース２は、一端部に空気の流入口１３を開口しており、この流入口１３から流入する空気を、ホルダーケース２の内部で、表面プレート２ａと平行な方向に流動させて、電源モジュール１を冷却して外部に排出する位置に排気口１４を開口しており、ホルダーケース２の表面プレート２ａは、空気の流動方向に離して、複数の排気口１４を開口しており、ホルダーケース２の内部を通過する空気を、複数の排気口１４に分流して排気するとともに、空気の下流側に開口している排気口１４を、上流側の排気口１４よりも大きくしている。この電源装置は、下流側を通過する空気の流速を速くできるので、冷却効果が低下する下流側を効率よく冷却して、全体の電源モジュール１をより均一に冷却できる。
【００１０】
本発明の電源装置は、好ましくは、排気口１４をスリット状とする。さらに、本発明の電源装置は、好ましくは、排気口１４を電源モジュール１の間に開口する。
【００１１】
さらに、本発明の電源装置は、好ましくは、表面プレート２ａに溝型の谷部１７を設ける。谷部１７は、電源モジュール１の間に、電源モジュール１の方向に延長して溝形に成形する。谷部１７を有する表面プレート２ａは、空気を停滞させることなく、電源モジュール１の表面に沿って高速に流動できるので、電源モジュール１を効率よく冷却できる。さらに、好ましくは、この谷部１７の底部にスリット状の排気口１４を開口する。
【００１２】
さらに、本発明の電源装置は、好ましくは、ホルダーケース２に２段に並べて電源モジュール１を収納し、流入口１３を周壁２ｃに開口して、この流入口１３から２段の電源モジュール１の間に空気を供給し、両側の表面プレート２ａに排気口１４を開口して、この排気口１４からホルダーケース２内を流動した空気を排出する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。
【００１４】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１５】
図２の斜視図と図３の断面図に示す電源装置は、複数本の電源モジュール１と、この電源モジュール１を内部に収納しているホルダーケース２を備える。図３の電源装置は、ホルダーケース２に、電源モジュール１を冷却するファン９を連結している。ファン９は、ホルダーケース２の内部に強制的に空気を供給して、電源モジュール１を冷却する。これ等の図に示すホルダーケース２は、表面プレート２ａと平行な面内に、複数列に電源モジュール１を横に並べて収納している。
【００１６】
電源モジュール１は、複数の二次電池、あるいは静電容量の大きなスーパーキャバシタを直線状に接続したもので、電源モジュール１は、たとえば、６本の二次電池６を、直線状に直列に連結している。スーパーキャバシタを使用する電源モジュールは、複数のスーパーキャバシタを並列または直列に接続している。ただし、電源モジュールは、１本の二次電池やスーパーキャバシタで構成することもできる。図４に示す電源モジュール１は、円筒型の二次電池６を皿状接続体７で直線状に連結している。電源モジュール１の両端には、正極端子５Ａと負極端子５Ｂからなる電極端子５を連結している。
【００１７】
皿状接続体７が二次電池６を直線状に連結する構造を、図４と図５に示している。この構造の電源モジュール１は、皿状接続体７の円盤部７Ａを、円筒型の二次電池６の正極に溶接して接続している。皿状接続体７の円盤部７Ａは、二次電池６の正極に溶接するプロジェクション７ａを設けている。皿状接続体７のプロジェクション７ａが正極に溶接されるとき、プロジェクション７ａの上面に溶接用電極棒が押圧される。皿状接続体７と二次電池６とのショートを阻止するために、皿状接続体７と二次電池６との間に、リング状に絶縁体８が挟着される。
【００１８】
さらに、皿状接続体７は、フランジ部７Ｂの内側に二次電池６を挿入して、フランジ部７Ｂを二次電池６の負極である外装缶６Ａに溶接する。フランジ部７Ｂも、円盤部７Ａと同じように、内面に設けたプロジェクション７ａを外装缶６Ａに溶接する。このとき、フランジ部７Ｂには、プロジェクション７ａの外側に溶接用電極棒が押圧される。
【００１９】
直列に連結される二次電池は、図示しないが、皿状接続体を使用することなく、Ｕ曲したリード板の対向面を互いに溶接して連結することもできる。この電源モジュールは、二次電池を放電させる方向に、大電流をパルス通電して、Ｕ曲したリード板の対向面を溶着する。さらに、電源モジュールは、二次電池の＋−の電極の間に金属板を挟着する状態で、二次電池を放電させる方向に大電流パルス通電処理をして、金属板を二次電池の電極に溶着することもできる。
【００２０】
さらにまた、二次電池の間に金属板を挟着することなく、二次電池の＋−の電極を直接に溶着することもできる。この二次電池は、正極端子である封口板の上部表面に円錐状の突起を設け、この突起を隣接する二次電池の負極端子に大電流パルス通電して溶接する。
【００２１】
複数の二次電池６が互いに直列に連結された電源モジュール１は、二次電池６の正極側には正極端子５Ａを接続し、負極側には負極端子５Ｂを接続する。
【００２２】
電源モジュール１の二次電池６は、ニッケル−水素電池である。ただ、電源モジュール１の二次電池６は、ニッケル−カドミウム電池やリチウムイオン二次電池等を使用することもできる。
【００２３】
電源モジュールは、図示しないが、各二次電池の表面に温度センサーを固定している。温度センサーは、電池温度を検出できる素子である。この温度センサーには、好ましくは、電池温度で電気抵抗が変化するにＰＴＣが使用される。各二次電池の表面に固定される温度センサーは、センサーリードを介して直列に、直線状に連結されて、電源モジュールの表面に縦方向に延長して固定される。温度センサーとセンサーリードは、表面を被覆する熱収縮チューブ等で二次電池の表面に固定される。
【００２４】
ホルダーケース２は、図２と図３に示すように、両面の表面プレート２ａと、両面の表面プレート２ａの周囲に設けている周壁２ｃとを備える箱形で、表面プレート２ａと平行な面内に、複数列に電源モジュール１を横に並べて収納している。図のホルダーケース２は、表面プレート２ａが方形状で、その周囲に４面の周壁２ｃを設けている。さらに、図３のホルダーケース２は、内部に２段６列に電源モジュール１を収納している。
【００２５】
ホルダーケース２は、上下に配設している一対の蓋ケース２Ａと、蓋ケース２Ａの間に配設される中間ケース２Ｂとからなる。各々の蓋ケース２Ａは、表面プレート２ａに周壁２ｃの一部を一体成形しており、中間ケース２Ｂは、周囲に周壁２ｃの一部を一体成形している。図のホルダーケース２は、周壁２ｃの中間部分を中間ケース２Ｂに連結して、周壁２ｃの両側部分を蓋ケース２Ａに連結している。蓋ケース２Ａと中間ケース２Ｂは、全体をプラスチックで成形しており、これ等を連結してホルダーケース２を組み立てている。
【００２６】
ホルダーケース２は、電源モジュール１を挟着して定位置に保持するために、蓋ケース２Ａと中間ケース２Ｂの両方に保持リブ１０を一体成形して設けている。保持リブ１０は、内部を通過する空気の流動を阻害しないように、電源モジュール１と直交する方向に延長して設けられ、かつ、表面プレート２ａに直交する姿勢で内部に設けている。保持リブ１０は、電源モジュール１の両端部と中間部とを挟着して定位置に保持する。保持リブ１０は、電源モジュール１を嵌入するための凹部を設けて、ここに電源モジュール１を配設している。図２のホルダーケース２は、スリット状の排気口１４の間に保持リブ１０を設けている。蓋ケース２Ａと中間ケース２Ｂに一体成形している保持リブ１０は、蓋ケース２Ａと中間ケース２Ｂとを連結する状態で、互いに当接し、凹部に電源モジュール１を嵌入して、挟着して定位置に保持する。
【００２７】
図３に示すホルダーケース２は、２段に配設している電源モジュール１を均一に冷却するために、２段に配設している電源モジュール１の間に拡散プレート１１を配設している。拡散プレート１１は、保持リブ１０に連結されて、中間ケース２Ｂに一体成形して設けられる。拡散プレート１１は、横に隣接する電源モジュール１の間に配設される。したがって、拡散プレート１１は、４本の電源モジュール１の中央に位置して配設される。拡散プレート１１は、横断面の形状を十字状として、電源モジュール１の縦方向に延長して、いいかえると、電源モジュール１と平行な姿勢で配設される。拡散プレート１１は中間ケース２Ｂに一体成形して設けられる。拡散プレート１１は、一定の間隔で設けている複数の保持リブ１０を介して中間ケース２Ｂに連結される。拡散プレート１１は、周囲に配設される４本の電源モジュール１の隙間に向かって延長される十字状で、２段に配設している電源モジュール１の間を通過する空気を、矢印で示すように、分流、拡散させて電源モジュール１の全体を均一に冷却する。十字状の拡散プレート１１は、電源モジュール１表面との間に空気を通過できる隙間を設けている。
【００２８】
ホルダーケース２は、内蔵している電源モジュール１を均一に冷却するために、図３において左端に流入口１３を開口し、この流入口１３から流入する空気を、ホルダーケース２の内部で、表面プレート２ａと平行な方向に流動させて、電源モジュール１を冷却して外部に排出する位置に排気口１４を開口している。図３のホルダーケース２は、左端部に流入させる空気を、左から右に向かって流動させるので、ホルダーケース２の中央部から右部に排気口１４を開口している。流入口１３は、両面の表面プレート２ａを連結している周壁２ｃに開口している。この流入口１３から流入される空気は、２段の電源モジュール１の間に流入される。ここに流入される空気は、２段に配設している電源モジュール１の間を通過して、表面プレート２ａと平行な方向に左から右に流動する。排気口１４は、両側の表面プレート２ａの中央部から右部に開口されて、２段の電源モジュール１の間を流動する空気の一部を外部に排気する。
【００２９】
ホルダーケース２は、空気の流動方向に離して、表面プレート２ａに複数の排気口１４を開口している。図のホルダーケース２は、流動する空気の下流側、図において右側に開口している排気口１４を、図において左側に配設している上流側の排気口１４よりも大きくしている。図の排気口１４は、スリットの幅を広くして、開口面積を大きくしている。多数の貫通孔を集合して開口している排気口は、貫通孔の数を多くして、開口面積を実質的に大きくすることもできる。
【００３０】
この構造のホルダーケース２は、大きく開口している下流側の排気口１４から、より多量の空気を排気する。排気口１４から排出される空気は、隣接して横に並べている電源モジュール１の間を通過して外部に排気される。したがって、この構造のホルダーケース２は、下流側に配設している電源モジュール１の間を通過する空気の流速を速くして、より効率よく冷却できる。このため、空気の温度が高くなって、冷却効果が低下する下流側において、電源モジュール１を効率よく冷却して、全体の電源モジュール１をより均一に冷却できる。
【００３１】
ただし、本発明の電源装置は、必ずしも下流側の排気口を上流側よりも大きくする必要はない。それは、２段に離して配設している電源モジュール１の間に、充分に多量の空気を流動させることにより、空気温度をほとんど上昇させることなく、表面プレートと平行に空気をホルダーケースの内部で流動できるからである。このホルダーケースは、同じ大きさの排気口を表面プレートに開口して、内部の電源モジュールをほぼ均一に冷却できる。それは、内部を通過する空気温度がほぼ等しく、排気口からほぼ等しい空気を外部に排気できるからである。このホルダーケースは、横に隣接して配設している電源モジュールの間に、ほぼ等しい流速でほぼ等しい温度の空気を流動できる。したがって、全体の電源モジュールを均一に冷却できる。さらに、この構造のホルダーケースは、２段に配設している電源モジュールの間に多量の空気を流動させて、電源モジュールをより効率よく冷却できる特長がある。２段の電源モジュールの間に多量の空気を流動させるホルダーケースは、拡散プレートを省略する。このホルダーケースは、横に隣接している電源モジュールの全ての間に排気口を開口し、排気口から外部に排気する空気を、全ての電源モジュールの間に流動させて、全ての電源モジュールを均一に冷却できる。
【００３２】
図２と図３に示すホルダーケース２の表面プレート２ａは、隣接して横に並べている電源モジュール１の間を電源モジュール１の方向に延長して溝形に成形して谷部１７を設けている。ここに谷部１７を設けている表面プレート２ａは、表面プレート２ａを電源モジュール１の表面に沿わせることができる。この形状は、空気を停滞させることなく、電源モジュール１の表面に沿って高速に流動させて効率よく冷却できる。
【００３３】
さらに、表面プレート２ａは、谷部１７の底部に、スリット状の排気口１４を開口している。さらに、図の排気口１４は、谷部１７の底部に対称な位置には配設されず、流動する空気の上流側に多少偏在して開口している。この形状の排気口１４は、よりスムーズに空気を排気できる特長がある。
【００３４】
以上の実施例の電源装置は、ホルダーケース２の左端に開口した流入口１３にファン９を連結して、このファン９からホルダーケース２の内部に冷却空気を強制的に供給して電源モジュール１を冷却している。ただ、本発明の電源装置は、冷却空気をファンで強制的に吸引して、ホルダーケースに送風することもできる。この電源装置は、たとえば、表面プレートの表面に空気の排出ダクトを設けて、この排出ダクトにファンを連結して冷却空気を強制的に排気する。この電源装置は、表面プレートの排気口から排出される空気を排出ダクトで一緒にして排気する。この電源装置も、流入口からホルダーケース内に流入される冷却空気を、電源モジュールの間を通過させて排気口から外部に排気して、全体の電源モジュールを冷却できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の電源装置は、太い電源モジュールであっても、全面を均一に、しかも効率よく冷却できる特長がある。それは、本発明の電源装置が、両面の表面プレートと、両面の表面プレートの周囲に設けている周壁とを備える箱形のホルダーケースの内部に、表面プレートと平行な面内に、複数列に並べて複数本の電源モジュール収納しており、ホルダーケースの一端部に開口した流入口から流入する空気を表面プレートと平行な方向に流動させると共に、ホルダーケース内を通過する空気を、空気の流動方向に離して表面プレートに開口した複数の排気口に分流して排気しているからである。この構造の電源装置は、図３の矢印で示すように、ホルダーケースに収納している電源モジュールの全面を、高速流動する空気で効率よく冷却できる。したがって、太い電源モジュールの全面を均一に冷却して、電源モジュールの局部加熱に起因する電池性能の低下を有効に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電源装置の断面図
【図２】本発明の実施例の電源装置の斜視図
【図３】図２に示す電源装置の断面図
【図４】図２に示す電源装置に内蔵される電源モジュールの側面図
【図５】図４に示す電源モジュールの分解断面図
【符号の説明】
１…電源モジュール
２…ホルダーケース ２Ａ…蓋ケース ２Ｂ…中間ケース
２ａ…表面プレート ２ｃ…周壁
５…電極端子 ５Ａ…正極端子 ５Ｂ…負極端子
６…二次電池 ６Ａ…外装缶
７…皿状接続体 ７Ａ…円盤部 ７Ｂ…フランジ部
７ａ…プロジェクション
８…絶縁体
９…ファン
１０…保持リブ
１１…拡散プレート
１３…流入口
１４…排気口
１７…谷部
２１…電源モジュール
２２…ホルダーケース
２３…流入口
２４…排出口
２５…冷却調整フィン

Claims (5)

1. 複数の二次電池又はスーパーキャパシタを直線状に接続してなる複数本の電源モジュール(1)と、この電源モジュール(1)を内部に平行に複数列に並べて収納しており、かつ、内部を通過する空気で収納している電源モジュール(1)を冷却するホルダーケース(2)と、ホルダーケース(2)に空気を強制的に供給して送風するファン(9)とを備え、
   ホルダーケース (2) は、両面の表面プレート (2a) と、両面の表面プレート (2a) の周囲に設けている周壁 (2c) とを備える箱形で、表面プレート (2a) と平行な面内に、複数列に電源モジュール (1) を横に並べて収納しており、
   さらに、ホルダーケース (2) は、一端部に空気の流入口 (13) を開口しており、この流入口 (13) から流入する空気を、ホルダーケース (2) の内部で、表面プレート (2a) と平行な方向に流動させて、電源モジュール (1) を冷却して外部に排出する位置に排気口 (14) を開口しており、
   ホルダーケース (2) の表面プレート (2a) は、空気の流動方向に離して、複数の排気口 (14) を開口しており、ホルダーケース (2) の内部を通過する空気を、複数の排気口 (14) に分流して排気するとともに、空気の下流側に開口している排気口 (14) を、上流側の排気口 (14) よりも大きくしていることを特徴とする電源装置。
2. 排気口(14)がスリット状である請求項１に記載の電源装置。
3. 排気口(14)を、電源モジュール(1)の間に開口している請求項１に記載の電源装置。
4. 表面プレート(2a)が、電源モジュール(1)の間に、電源モジュール(1)の方向に延長して溝形に成形している谷部(17)を有し、この谷部(17)の底部にスリット状の排気口(14)を開口している請求項１に記載の電源装置。
5. ホルダーケース(2)に２段に並べて電源モジュール(1)を収納しており、流入口(13)を周壁(2c)に開口して、この流入口(13)から２段の電源モジュール(1)の間に空気を供給し、さらに、両側の表面プレート(2a)に排気口(14)を開口している請求項１に記載の電源装置。

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