JP4353240B2 - 電源システム - Google Patents

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Description

本発明は、電源装置を収納ボックスに収納した電源システムに関し、特に電源装置の温度調節に関するものである。
ハイブリッド自動車、電機自動車、燃料電池自動車などに搭載される車両駆動用の電源は（例えば、二次電池、燃料電池）、適正温度を超えると、電池要素からガスが発生するため、冷却する必要がある。
この種の冷却技術として、図５に示す構成が開示されている（特許文献１参照）。
同図において、組電池１０１は、ボックス１０２の中に収容されており、このボックス１０２の中には冷却液が充填されている。ボックス１０２には、ボックス１０２内に冷却液を流入させるとともに、このボックス１０２内に流入した冷却液を流出させる循環路１０３が設けられている。
循環路１０３には冷却液を強制的に循環させるための循環ポンプ１０４及びボックス１０２内から流出した冷却液を冷却するためのラジエタ１０５が設けられている。
上述の構成によれば、組電池１０１の冷却により温度上昇した冷却液を、ラジエタ１０５を介して冷却し、再びボックス１０２内に送り込むことができる。これにより、組電池１０１を効率よく冷却することができる。
そして、ボックス１０２内を流れる冷却液の流速を速くすることにより、組電池１０１の冷却速度を上げることができる。
特開２００３−３４６９２４号公報 特開平１１−２３８５３０号公報 特許第２７４６７５１号明細書 特開２００６−１２７９２１号公報
しかしながら、冷却液の流速を速くするためには、循環ポンプ１０４の圧力を高める必要があり、ポンプ１０４が大型化するおそれがある。
特に、車両用の組電池では、限られたスペースに複数の電池を並設する必要があるため、隣接する各電池の間隔を狭く設定しなければならない。隣接する各電池の間隔が狭くなると、圧力損失により電池表面を流れる冷却液の流速が低下するため、組電池１０１の冷却が不十分になるおそれがある。したがって、冷却能力を高めるためには、循環ポンプ１０４を大型化して圧力を高める必要がある。
そこで、本願発明は、電源装置との間で熱交換を行なう熱交換流体を有する電源システムを小型化することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、収納ボックスに電源装置を収納した電源システムにおいて、前記収納ボックスには前記電源装置と熱交換を行う第１の熱交換流体が収容されており、該第１の熱交換流体よりも比重の軽い第２の熱交換流体を前記第１の熱交換流体中に導入させ、比重差により前記第１の熱交換流体内から分離した前記第２の熱交換流体を前記第１の熱交換流体内に戻す循環路を有することを特徴とする。
ここで、前記第１の熱交換流体は液体で構成し、前記第２の熱交換流体は液体または気体で構成するのが好ましい。
また、前記循環路に、前記第２の熱交換流体を強制循環させる循環ポンプを設けるとよい。
また、前記循環路を介して前記第１の熱交換流体内に導入される前記第２の熱交換流体を冷却する冷却手段を設けるとよい。
また、前記循環路を介して前記第１の熱交換流体内に導入される前記第２の熱交換流体を加熱する加熱手段を設けるとよい。
前記第２の熱交換流体の資材としては、空気、窒素、ＡＴフルード、シリコンオイルを例示することができる。
本発明によれば、第１の熱交換流体内において比重差により第２の熱交換流体を移動させることにより、第１の熱交換流体を流動させることができる。これにより、第１の熱交換流体中に第２の熱交換流体を導入させるときの流速を従来よりも低く設定した場合であっても、冷却能力の低下を抑制することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
図１は電源装置としての組電池１の斜視図であり、図２は電池システムの円筒型電池の長手方向に直交する方向の断面図であり、図３は電池システムの円筒型電池の長手方向の断面図である。
まず、本実施例の電池システムの概略構成を説明する。本実施例の電池システム４は、組電池１を収容した電池ボックス３内に冷却液（第１の熱交換流体）５１を収容しており、この冷却液５１内に該冷却液５１よりも比重の軽い冷却ガス（第２の熱交換流体）５２を導入し、比重差により分離された冷却ガス５２を冷却器２２で冷却した後に冷却液５１内に戻す循環路２１を有している。
冷却ガス５２を冷却液５１内で浮上させることにより、冷却液５１を攪拌させることができる。この攪拌作用により、各円筒型電池１１の表面を流れる冷却液５１の流速が速くなり、組電池１の冷却速度を上げることができる。
また、冷却ガス５２は冷却液５１内において比重差により自然に浮上するため、冷却ガス５２を冷却液５１内に送り込む循環ポンプ（循環手段）２３の圧力を低く設定することができる。これにより、循環ポンプ２３を小型化することができる。
次に、図１を参照しながら、組電池１の構成を詳細に説明する。組電池１は、対向配置される一対の電池フォルダ１２ａ、ｂの間に複数の円筒型電池１１を平行に差し渡すことにより構成されている。なお、各円筒型電池１１は、リチウムイオン電池によって構成されている。
各円筒型電池１１の一端及び他端にはそれぞれ、外周面にネジ溝部１３ａ、１４ａが形成された正及び負極ネジ軸部１３、１４が設けられている。
電池フォルダ１２ａ、ｂには、各円筒型電池１１の正及び負極ネジ軸部１３、１４を挿入するための挿入穴部１２１ａ、１２１ｂ（１２１ｂは不図示である）がマトリクス状に複数形成されており、取り付け状態において、正及び負極ネジ軸部１３、１４は挿入穴部１１ａ、１１ｂから電池フォルダ１２の外側に突出している。
隣接する各円筒型電池１１は、矢印Ｙ方向において反対方向に配置されており（つまり、正極と負極の向きが矢印Ｙ方向において反対方向に設定されている）、バスバー１５を介して直列に接続されている。
このバスバー１５は、正及び負極ネジ軸部１３、１４に挿入されており、このバスバー１５の上から正及び負極ネジ軸部１３、１４に対して締結ナット１６を締結することにより、各円筒型電池１１を電池フォルダ１２に固定することができる。
次に、図２及び図３を参照しながら、電池システム４（電源システム）の構成を詳細に説明する。
組電池１の電池フォルダ１２ａ、ｂは、電池ボックス３の底面に固定されており、各円筒型電池１１は電池ボックス３の底面に並行な方向（つまり、ＸＹ平面方向）に配置されている。
この電池ボックス３には冷却液５１が収納されており、この冷却液５１内に組電池１は浸水している。冷却液５１の材料としては、熱伝導性が高く、絶縁性に優れたフッ素系不活性液体を例示することができる。
電池ボックス３には、その天井部と冷却液５１との間に空間部３ａが形成されており、この空間部３ａに連通する循環路２１は、組電池１と電池ボックス３の底面との間に延出する延出管部２１´を有している。
この延出管部２１´は、各円筒型電池１１の長手方向中央部の略直下の領域において、Ｘ軸方向（円筒型電池１１の長手方向に直交し、かつ、電池ボックス３の底面に平行な方向）に延びて設けられている。
また、延出管部２１´には、複数の冷媒排出開口部２１´ａが管路方向に並んで形成されており、各冷媒排出開口部２１´ａ及び各円筒型電池１１のピッチは、矢印Ｘ方向（管路方向）において略同じに設定されている。
循環路２１には、冷却ガス５２を延出管部２１´に強制的に送り込むための循環ポンプ２３と、空間部３ａから流入した冷却ガス５２を冷却するための冷却器（冷却手段）２２が設けられている。
冷却ガス５２の材料としては、空気、窒素を例示できる。なお、循環路２１及び循環ポンプ２３により請求項１に記載の導入手段が構成される。
次に、組電池１を冷却する際の電池システム４の冷却動作について説明する。
充放電により発熱した組電池１の温度が、閾値（例えば、６０℃）を超えると、循環ポンプ２３及び冷却器２２が駆動される。なお、組電池１には、温度検出センサが設けられており、この温度検出センサから出力された温度情報に基づき、循環ポンプ２３及び冷却器２２は駆動される。
また、発熱した組電池１を冷却することにより冷却液５１の温度（特に、円筒型電池１１の周辺領域、冷却液５１の上側の領域）は、循環ポンプ２３の駆動前よりも高くなっている。
循環ポンプ２３の圧力作用により延出管部２１´に送り出された冷却ガス５２は、各冷媒排出開口部２１´ａから冷却液５１内に気泡となって排出される。
この気泡状の冷却ガス５２は、比重差により冷却液５１内を浮上し、空間部３ａに到達する。
冷却ガス５２が冷却液５１内を浮上する際に、冷却液５１の熱が冷却ガス５２に伝熱され、冷却液５１を冷却することができる。これにより、組電池１の冷却速度を速くすることができる。
また、冷却液５１内を浮上する冷却ガス５２によって、冷却液５１を攪拌することができる。これにより、各円筒型電池１１の表面を流れる冷却液５１の流速が増し、組電池１の冷却速度を速くすることができる。
また、冷却ガス５２は、比重差により冷却液５１内を浮上するため、冷却ガス５２を浮上させるために循環ポンプ２３の圧力を高める必要がない。これにより、循環ポンプ２３を小型化することができる。
空間部３ａに放出された冷却ガス５２は、循環路２１内に流入し、冷却器２２の冷却作用により冷却された後、循環ポンプ２３により再び冷却液５１中に導入される。
このように、本実施例では、循環路２１の一端が電池ボックス３の空間部３ａに連通し、他端が電池ボックス３内における組電池１の下側の領域に延出しており、循環路２１を閉じた系にすることができる。これにより、循環路２１の外側から異物が進入するのを阻止することが可能となり、冷却液５１及び冷却ガス５２の絶縁性が損なわれるのを防止できる。
(変形例)
冷却ガス５２に変えて冷却液５１よりも比重の軽い冷却液（例えば、ＡＴフルード、シリコンオイル）を使用することができる。
また、電池ボックス３を外側から冷却するラジエタの冷風を冷却液５１内に導く構成にしてもよい。これにより、冷却器２２を省略できるため、コストを削減することができる。
また、延出管部２１´を一本で構成したが、複数本とすることもできる。延出管部２１´を複数とすることにより、冷却液５１内に冷却ガス５２を均等に排出させることができる。これにより、組電池１の冷却速度をさらに向上させることができる。
また、延出管部２１´に形成される各冷媒排出開口部２１´ａのピッチを等間隔に設定したが、組電池１の温度分布に応じて設定してもよい。例えば、組電池１において他の領域よりも温度が高い高温領域が存在する場合には、該高温領域に対して集中的に冷却ガス５２が排出されるように、冷媒排出開口部２１´ａを形成してもよい。
また、温度の高い冷却液５１は上側に移動するため、延出管部２１´を実施例１よりも上側に配置して、上側の冷却液５１を集中的に冷却する構成としてもよい。
本実施例の電池システムの概略構成を説明する。本実施例の電池システム５は、組電池１を収容した電池ボックス３内に熱交換液体（第１の熱交換流体）５３を収容しており、この熱交換液体５３内に該熱交換液体５３よりも比重の軽い熱交換ガス（第２の熱交換流体）５４を導入し、比重差により分離された熱交換ガス５４を冷却又は加熱した後に熱交換液体５３の中に戻す循環路２１を有している。
加熱された熱交換ガス５４を熱交換液体５３内において浮上させることにより、熱交換液体５３を攪拌させることができる。この攪拌作用により、各円筒型電池１１の表面を流れる熱交換液体５３の流速が速くなり、温度が低くなった（例えば−１０℃）組電池１を、速やかに適正温度に昇温させることができる。
また、熱交換ガス５４は熱交換液体５３内において比重差により自然に浮上するため、熱交換ガス５４を熱交換液体５３内に送り込む循環ポンプ２３の圧力を低く設定することができる。これにより、循環ポンプ２３を小型化することができる。
冷却された熱交換ガス５４を熱交換液体５３内に導入した場合には、実施例１と同様の効果を得ることができる。なお、熱交換液体５３として、実施例１の冷却液５１と同じ材料を使用することができる。
また、熱交換ガス５４として、実施例１の冷却ガス５２と同じ材料を使用してもよいし、例えば、ＡＴフルード、シリコンオイルのようにフッ素系不活性液体よりも比重の軽い液体を使用してもよい。
次に、図４を参照して、本実施例の電池システム５の構成を詳細に説明する。ここで、図４は、本実施例の電池システム５の断面図である。ただし、実施例１と同一の構成要素は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
空間部３ａに連通する循環路２１には、冷却器（冷却手段）２２、加熱器（加熱手段）２４及び循環ポンプ２３が設けられている。冷却器２２は空間部３ａから流入する熱交換ガス５４を冷却し、加熱器２４は空間部３ａから流入する熱交換ガス５４を加熱する。
組電池１には温度検出センサ（不図示）が設けられており、この温度検出センサから出力される温度情報に基づき、冷却器２２、加熱器２４及び循環ポンプ２３は駆動される。なお、冷却器２２、加熱器２４及び循環ポンプ２３は、不図示の制御回路によって駆動される。
次に、組電池１を冷却する際の電池システム５の冷却動作について説明する。
制御回路は、温度検出センサから出力される温度情報に基づき、組電池１の温度が適性温度（例えば、−１０℃〜６０℃）に満たないと判定した場合には、加熱器２４及び循環ポンプ２３を駆動する。
循環ポンプ２３の圧力作用により延出管部２１´に送り出された熱交換ガス５４は、各熱交換ガス排出開口部２１´ｂから熱交換液体５３内に気泡となって排出される。
この気泡状の熱交換ガス５４は、比重差により熱交換液体５３内を浮上し、空間部３ａに到達する。
熱交換ガス５４が熱交換液体５３内を浮上する際に、熱交換ガス５４の熱が熱交換液体５３に伝熱され、熱交換液体５３を加熱することができる。これにより、組電池１を速やかに適正温度に昇温させることができる。
また、熱交換液体５３内を浮上する熱交換ガス５４によって、熱交換液体５３を攪拌することができる。これにより、各円筒型電池１１の表面を流れる熱交換液体５３の流速が増し、組電池１の加熱速度を向上させることができる。
また、熱交換液体５３内の熱交換ガス５４は、比重差により熱交換液体５３内を浮上するため、熱交換ガス５４を浮上させるために循環ポンプ２３の圧力を高める必要がない。これにより、循環ポンプ２３を小型化することができる。
空間部３ａに放出された熱交換ガス５４は、循環路２１内に流入し、加熱器２４の加熱作用により加熱された後、循環ポンプ２３により再び熱交換液体５３の中に導入される。
このように、本実施例では、循環路２１の一端が電池ボックス３の空間部３ａに連通し、他端が電池ボックス３内の組電池１の下側の領域に延出しており、循環路２１を閉じた系にすることができる。これにより、循環路２１の外側から熱交換液体５３及び熱交換ガス５４内に異物が進入するのを阻止でき、熱交換液体５３及び熱交換ガス５４の絶縁性が損なわれるのを防止できる。
組電池１の温度が適正温度を超えている場合には、実施例１と同様に、冷却器２２及び循環ポンプ２３が駆動され、組電池１を速やかに冷却することができる。
本実施例では、熱交換液体５３によって冷却された熱交換ガス５４を、加熱器２４で加熱しているが、例えば、車の排ガスや、車内に設けられたエアコンから噴出する温風の一部を熱交換液体５３の中に導入する構成にしてもよい。これにより、加熱器２４を省略できるため、電池システム５のコストを削減することができる。
上述の実施例１及び２では、円筒型電池１１をリチウムイオン電池としたが、他の二次電池（電源装置）、キャパシタ（電源装置）、燃料電池（電源装置）を使用することもできる。
これらの電源装置は、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）におけるモータ駆動用の電源として用いることができる。
組電池の斜視図である。 電池システムの断面図である。 電池システムの平面図である。 実施例２の電池システムの断面図である。 従来の電池システムの概略図である。
符号の説明
１ 組電池
３ 電池ボックス
４ ５ 電池システム
１１ 電池
１２ 電池フォルダ
１３ 正極ネジ軸部
１４ 負極ネジ軸部
１５ バスバー
１６ 締結ナット
２１ 循環路
２１´ 延出管部
２１´ａ 冷媒排出開口部
２１´ｂ 熱交換ガス排出開口部
２２ 冷却器
２３ 循環ポンプ
２４ 加熱器
５１ 冷却液
５２ 冷却ガス
５３ 熱交換流体
５４ 熱交換ガス

Claims (6)

  1. 収納ボックスに電源装置を収納した電源システムにおいて、
    前記収納ボックスには前記電源装置と熱交換を行う第１の熱交換流体が収容されており、該第１の熱交換流体よりも比重の軽い第２の熱交換流体を前記第１の熱交換流体中に導入させ、比重差により前記第１の熱交換流体内から分離した前記第２の熱交換流体を前記第１の熱交換流体内に戻す循環路を有することを特徴とする電源システム。
  2. 前記第１の熱交換流体は液体であり、前記第２の熱交換流体は液体または気体であることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
  3. 前記循環路には、前記第２の熱交換流体を強制循環させる循環ポンプが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源システム。
  4. 前記循環路を介して前記第１の熱交換流体内に導入される前記第２の熱交換流体を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の電源システム。
  5. 前記循環路を介して前記第１の熱交換流体内に導入される前記第２の熱交換流体を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の電源システム。
  6. 前記第２の熱交換流体は、ＡＴフルード又はシリコンオイルであることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の電源システム。
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