JP4376162B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、主として、ハイブリッド自動車や電気自動車、あるいは燃料電池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。
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、大出力用の電源装置は、複数の電池を直列に連結した電池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、100A以上と極めて大きな電流が流れる。さらに、短時間で急速に充電するときにも大きな電流が流れる。
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。とくに、多数の電池モジュールを、縦横の行と列に並べてホルダーケースに入れている電源装置は、各々の電池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するからである。
電池モジュールを2段に収納するホルダーケースに空気を送風して冷却する電源装置は開発されている(特許文献1参照)。
特開2002−050412号公報
特許文献1の電源装置は、図1に示すように、上下2段に収納している電池モジュール21の区画室24を直列に連結し、上段の区画室24Aから下段の区画室24Bに空気を送風して電池モジュール21を冷却する。この構造の電源装置は、ホルダーケース22の上下の厚さを低くできる。しかしながら、上段の区画室24Aを通過した空気を下段の区画室24Bに送風するので、上下の電池モジュール21を均一な温度に冷却するのが難しい。下段の電池モジュール21は、上段の電池モジュール21で加温された空気で冷却されるからである。
上下の電池モジュールを均一に冷却できない欠点は、図2に示すように、上段の区画室34Aと下段の区画室34Bとの間にダクト33を設けて解消できる。この電源装置は、中間のダクト33に空気を排気できるので、上段の区画室34Aと下段の区画室34Bを並列に連結できる。このため、上段の区画室34Aを通過した空気を下段の区画室34Bに送風する必要がない。上段と下段の区画室34に独立して空気を送風できる。このため、上段と下段の区画室34に収納する電池モジュール31を均一に冷却できる。しかしながら、この構造の電源装置は、中間にダクト33を設けるので、ホルダーケース32の上下の厚さが高くなって外形が大きくなる欠点がある。
したがって、従来の電源装置は、ホルダーケースを低くして小さくすると電池モジュールを均一に冷却できず、また電池モジュールを均一に冷却しようとするとホルダーケースが大きくなり、小さいホルダーケースで電池モジュールを均一に冷却できない欠点があった。
本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、小さいホルダーケースとしながら、電池モジュールを均一に冷却できる電源装置を提供することにある。
本発明の電源装置は、複数の電池モジュール1を同一面内に平行な姿勢で配設している第1段の電池群11と、複数の電池モジュール1を同一面内に平行な姿勢で配設している第2段の電池群12と、第1段の電池群11と第2段の電池群12とを積層する状態で収納しているホルダーケース2と、ホルダーケース2の内部に空気を送風して電池モジュール1を冷却する冷却機構3とを備える。ホルダーケース2は、第1段の電池群11と第2段の電池群12の電池モジュール1を収納する区画室4を備え、この区画室4に、電池モジュール1表面に冷却隙間5を設けて電池モジュール1を収納している。さらに、ホルダーケース2は、第1段の電池群11の電池モジュール1の間に、第2段の電池群12の電池モジュール1が位置するように区画室4を配置して、各々の区画室4に第1段の電池群11と第2段の電池群12の電池モジュール1を収納している。さらにまた、ホルダーケース2は、第1段の電池群11の区画室4の間に、第2段の電池群12の区画室4の冷却隙間5をホルダーケース2の外部に連結する第1のスリット6Aを設け、第2段の電池群12の区画室4の間には、第1段の電池群11の区画室4の冷却隙間5をホルダーケース2の外部に連結する第2のスリット6Bを配設している。電源装置は、冷却機構3で送風される空気を、区画室4の冷却隙間5とスリット6に送風して、区画室4に収納している電池モジュール1を冷却する。
本発明の電源装置は、区画室4を円柱状として、第1段の電池群11の各々の区画室4の中心軸を含む第1の面Pと、第2段の電池群12の各々の区画室4の中心軸を含む第2の面Qとの間隔を、区画室4の直径に等しく、あるいは直径よりも小さくする。
本発明の電源装置は、ホルダーケース2が、スリット6の開口位置の対向位置に外部開口7を設けることができる。
本発明の電源装置は、ホルダーケース2の第1段の電池群11側の表面に流入路8を、第2段の電池群12側の表面に排出路9を設けることができる。この電源装置は、第1段の電池群11の区画室4を、外部開口7を介して流入路8に、第2のスリット6Bを介して排出路9に連結すると共に、第2段の電池群12の区画室4を、第1のスリット6Aを介して流入路8に、外部開口7を介して排出路9に連結することができる。
本発明の電源装置は、ホルダーケースを小さくしながら、各々の電池モジュールを均一に冷却できる特徴がある。それは、第1段の電池群の電池モジュールの間に第2段の電池群の電池モジュールを配設して、第1段の電池群と第2段の電池群の電池モジュールを千鳥に配設すると共に、各々の電池モジュールを収納する区画室に連結して、区画室の間にスリットを設けているからである。この構造のホルダーケースは、スリットを介して区画室に送風して、第1段の電池群と第2段の電池群の区画室を並列に連結して送風できる。このため、第1段の電池群の電池モジュールを冷却した空気を第2段の電池群の電池モジュールに送風することなく、第1段の電池群と第2段の電池群の電池モジュールに加温されない空気を供給して、全ての電池モジュールを均等に冷却できる。また、第1段の電池群と第2段の電池群の電池モジュールにスリットを介して送風するので、従来のホルダーケースのように、第1段の電池群と第2段の電池群の間に送風のためのダクトを設ける必要がなく、上下の幅、すなわちホルダーケースの厚さを薄くできる特徴も実現できる。したがって、本発明の電源装置は、ホルダーケースを薄くコンパクトにしながら、全ての電池モジュールを均一に冷却できるという、正に理想的な特徴を実現する。
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。
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」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。
図3ないし図7に示す電源装置は、複数本の電池モジュール1と、この電池モジュール1を内蔵しているホルダーケース2と、ホルダーケース2の電池モジュール1を冷却する冷却機構3とを備える。ホルダーケース2は、電池モジュール1を内部に2段に並べて収納しており、内部を通過する空気で電池モジュール1を冷却する。
電池モジュール1は、複数の二次電池10を直線状に接続している。電池モジュール1は、たとえば、5又は6本の二次電池10を、直線状に直列に連結している。ただし、電池モジュールは、4本以下の、あるいは7本以上の二次電池を直列に設定した構成とすることもできる。図の電池モジュール1は、円筒型電池の二次電池10を直線状に連結して全体の形状を円柱状としている。ただし、本発明の電源装置は、電池モジュールを必ずしも円柱状としない。角型の二次電池からなる電池モジュールは四角柱状となる。電池モジュール1は、両端に、正極端子と負極端子からなる電極端子13を連結している。
電池モジュール1の二次電池10は、ニッケル−水素電池である。ただ、電池モジュールの二次電池は、リチウムイオン二次電池やニッケル−カドミウム電池とすることもできる。
電池モジュールは、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、電池モジュールの表面に軸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。
ホルダーケース2は、第1段の電池群11と第2段の電池群12とを積層する状態で収納している。第1段の電池群11は、複数の電池モジュール1を同一面内に平行な姿勢で配設している。第2段の電池群12も、複数の電池モジュール1を同一面内に平行な姿勢で配設している。図に示すホルダーケース2は、第1段の電池群11に8本の電池モジュール1を、第2段の電池群12に8本の電池モジュール1を同一面に並べている。第1段の電池群と第2段の電池群は、7本以下、あるいは9本以上の電池モジュールを同一面に並べることができる。ホルダーケース2は、第1段の電池群11と第2段の電池群12の電池モジュール1を収納するための区画室4を備える。各々の電池モジュール1は、各々の区画室4に配設される。すなわち、ひとつの区画室4にはひとつの電池モジュール1を収納している。
区画室4は、図5の拡大断面図に示すように、電池モジュール1表面に冷却隙間5を設ける状態で電池モジュール1を収納する。この区画室4は、内形を電池モジュール1の外形よりも大きくして、区画室4の内面と電池モジュール1表面との間に冷却隙間5を設けている。図のホルダーケース2は、電池モジュール1と区画室4を円柱状とし、区画室4の内径を電池モジュール1の外径よりも大きくして、区画室4の内面と電池モジュール1表面との間に冷却隙間5を設けている。円柱状の電池モジュール1と区画室4は、電池モジュール1と区画室4の中心線が一致するように、すなわち電池モジュール1を区画室4の中心に配設して、電池モジュール1の全周に同じ隙間の冷却隙間5を設けることができる。ただ、電池モジュールは、必ずしも区画室の中心に配設する必要はなく、たとえば、電池モジュールの中心軸を区画室の中心軸に対して風下側にずらせて偏心して配置することもできる。ホルダーケース2は、冷却隙間5の風速を、風上側で遅く、風下側で速くして、電池モジュール1の全周を均一に冷却できる。風下側は風上側よりも空気温度が高くなるが、風速が風上側よりも速くなって冷却効果が高くなるからである。
ホルダーケース2は、電池モジュール1の両端を支持し、かつ中間の複数カ所を支持して、区画室4に配設する。図6と図7のホルダーケース2は、電池モジュール1の両端を支持する嵌着凹部14を設けている。電池モジュール1は、嵌着凹部14に両端を案内して、ホルダーケース2の定位置に配置される。さらに、図示しないが、ホルダーケースは、区画室の内面に支持リブを突出して設け、あるいは電池モジュールの二次電池連結部をリング状に突出させて、この突出リングを区画室の内面に当接させて、電池モジュールの中間を区画室で支持する。支持リブのあるホルダーケースは、電池モジュールの二次電池連結部に支持リブを接触させて、長い電池モジュールを区画室内の定位置に配置する。支持リブや突出リングは、区画室に送風される空気の流れを阻害しないように、空気の流動方向、すなわち、電池モジュールの中心軸に直交する方向に伸びて設けられる。また、二次電池の連結部を支持リブや突出リングで支持する構造は、発熱の少ない部分を支持するので、電池モジュールの発熱を有効に放熱しながら、区画室の定位置にしっかりと支持できる。
ホルダーケース2は、図3と図5の断面図に示すように、第1段の電池群11の電池モジュール1の間に、第2段の電池群12の電池モジュール1が位置するように区画室4を配置して、各々の区画室4に第1段の電池群11と第2段の電池群12の電池モジュール1を収納する。図3と図5の電源装置は、第1段の電池群11と第2段の電池群12の電池モジュール1を千鳥に配設して、第1段の電池群11の電池モジュール1の間に第2段の電池群12の電池モジュール1を配設している。図の電源装置は、第1段の電池群11の電池モジュール1の中央に、第2段の電池群12の電池モジュール1を配設している。この電源装置は、第1段の電池群11と第2段の電池群12の電池モジュール1を理想的な状態で均一に冷却できる。とくに、図において、電池モジュール1の左右を均一に冷却できる。ただし、本発明の電源装置は、第1段の電池群と第2段の電池群の電池モジュールを互いにその中間に配設するが、必ずしも正確に中央に配設する必要はない。
また、ホルダーケース2は、第1段の電池群11の区画室4の間に、第2段の電池群12の区画室4の冷却隙間5をホルダーケース2の外部に連結する第1のスリット6Aを設けて、第2段の電池群12の区画室4の間には、第1段の電池群11の区画室4の冷却隙間5をホルダーケース2の外部に連結する第2のスリット6Bを設けている。スリット6は、ここに送風する空気を、冷却隙間5に送風させる。したがって、スリット6は冷却隙間5と同じ隙間とし、あるいは冷却隙間5よりも広く形成する。スリットの幅を冷却隙間の間隔の2倍とするホルダーケースは、スリットと冷却隙間に同じ流速で空気を送風できる。スリットに送風される空気が、冷却隙間で電池モジュールの両側に2分岐して送風されるからである。スリット6と冷却隙間5とを同じ隙間とするホルダーケース2は、スリット6の流速が冷却隙間5の2倍となる。また、スリットの幅を、冷却隙間の2倍以上として、スリットの流速を遅く、いいかえると、スリットを通過する空気の圧力損失を少なくできる。
スリット6は、円柱状の区画室4の半径方向を向くように連結される。図に示すホルダーケース2は、第1段の電池群11の電池モジュール1と第2段の電池群12の電池モジュール1を互いに中央に配置し、さらに、横に隣接する電池モジュール1の間に、円柱状区画室4の接線方向に平行なスリット6を設けている。このホルダーケース2は、スリット6を区画室4に半径方向に連結する。このホルダーケース2は、スリット6から冷却隙間5に流入される空気を、電池モジュール1の両側に均等に2分岐して送風できる。また、電池モジュール1の両側に分岐して送風される空気を、同じように集合して送風できる。ただ、本発明のホルダーケースは、スリットを必ずしも区画室に半径方向に連結する必要はなく、半径方向から傾斜する姿勢で連結することもできる。
図のホルダーケース2は、円柱状の電池モジュール1を円柱状の区画室4に収納している。このホルダーケース2は、第1段の電池群11の電池モジュール1の谷間に第2段の電池群12の電池モジュール1を配設して、第1段の電池群11の各々の区画室4の中心軸を含む第1の面Pと、第2段の電池群12の各々の区画室4の中心軸を含む第2の面Qとの間隔(W)を区画室4の直径(D)に等しくしている。この構造のホルダーケース2は、図において上下方向の厚さを特に薄くできる。さらに、図示しないが、ホルダーケースは、第1段の電池群の電池モジュールの谷間に侵入するように第2段の電池群の電池モジュールを配設することもできる。このホルダーケースは、第1の面と第2の面との間隔を区画室の直径よりも小さくして、さらに薄くすることができる。ただし、ホルダーケースは、第1の面と第2の面との間隔を区画室の直径よりも大きくすることもできる。
ホルダーケース2は、区画室4に空気を送風するために、スリット6と外部開口7を設けている。外部開口7は、電池モジュール1の軸方向に伸びて開口している。外部開口7は、スリット6の開口位置の対向位置に設けている。スリット6と外部開口7を対向位置に配置している冷却隙間5は、ここに送風される空気を、電池モジュール1の両側に均等に分配して送風できる。ただ、スリットと外部開口とは必ずしも対向位置に配置する必要はない。それは、スリットと外部開口とを対向位置からずらせて配置しても、スリットや外部開口を冷却隙間に連結する方向を変更して、電池モジュールを均一に冷却するように送風できるからである。
図3のホルダーケース2は、鎖線で示すように、図において上段に配置される第1段の電池群11側の表面に流入路8を、第2段の電池群12側の表面に排出路9を設けている。上段に配置される第1段の電池群11の区画室4は、外部開口7を介して流入路8に、第2のスリット6Bを介して排出路9に連結している。下段に配置される第2段の電池群12の区画室4は、第1のスリット6Aを介して流入路8に、外部開口7を介して排出路9に連結している。流入路8に供給される空気は、外部開口7を介して第1段の電池群11の区画室4に流入され、第1のスリット6Aを介して第2段の電池群12の区画室4に流入される。区画室4に流入された空気は、区画室4の冷却隙間5を通過して排出路9に排気されるが、第1段の電池群11の区画室4の空気は第2のスリット6Bを介して排出路9に、第2段の電池群12の区画室4の空気は外部開口7を介して排出路9に排出される。すなわち、第1段の電池群11の区画室4と第2段の電池群12の区画室4に送風される空気は、外部開口7とスリット6を通過するタイミングは逆になるが、外部開口7と冷却隙間5とスリット6の3カ所を通過して流入路8から排出路9に排出される。このため、スリット6と外部開口7と冷却隙間5とを同じ条件として、区画室4に収納する電池モジュール1を等しく冷却できる。
図6のホルダーケース2は、上下の蓋ケース2Aと、蓋ケース2Aの間に配設される中間ケース2Bとを備える。蓋ケース2Aと中間ケース2Bは、プラスチック等の絶縁材を成形して製作される。
中間ケース2Bは、両面に区画室4の半分を設けている。中間ケース2Bの上下に設けている区画室4の半分は、互いに千鳥の区画室4を配設するように、上の区画室4の下半分の間に下の区画室4の上半分を、下の区画室4の上半分の間に上の区画室4の下半分を設けている。さらに、中間ケース2Bは、両面に設けている区画室4の間にスリット6を設けている。スリット6は、上の区画室4の下半分の間と、下の区画室4の上半分の間に設けている。下の区画室4の間に設けているスリット6は、上の区画室4の底に連結している。上の区画室4の間に設けているスリット6は、下の区画室4の頂上部分に連結している。さらに、中間ケース2Bは、電池モジュール1の端部を入れて、電池モジュール1を定位置に配置する嵌着凹部14を側壁の上下に設けている。
上下の蓋ケース2Aは、内側面に区画室4の半分を成形して設けている。上の蓋ケース2Aは下面に、下の蓋ケース2Aは上面に区画室4の半分を設けている。さらに、上の蓋ケース2Aは区画室4の頂上部分に沿って軸方向に伸びる外部開口7を開口している。下の蓋ケース2Aは、区画室4の底に沿って軸方向に伸びる外部開口7を設けている。また、上下の蓋ケース2Aは、区画室4の間に谷間を設けて、谷底に連結して、区画室4の間にスリット6を設けている。さらに、上下の蓋ケース2Aは、電池モジュール1の端部を入れて、電池モジュール1を定位置に配置する嵌着凹部14を側壁の内面に設けている。
中間ケース2Bの両面に上下の蓋ケース2Aを連結すると、中間ケース2Bと蓋ケース2Aに設けている半分の区画室4は互いに一致して閉鎖構造の区画室4となる。この区画室4に、電池モジュール1が収納される。また、中間ケース2Bと蓋ケース2Aのスリット6も一致して、区画室4を外部に連結する。さらに、中間ケース2Bと蓋ケース2Aの嵌着凹部14は、ここに電池モジュール1の端部を入れて、電池モジュール1をホルダーケース2の定位置に収納する。
図3の電源装置は、排出路9に冷却機構3であるファン3Aを連結している。このファン3Aは排出路9の空気を吸入して強制的に外部に排気して、ホルダーケース2に強制送風する。ただ、ファンは、吸入路に連結することもできる。吸入路に連結されるファンは、空気をホルダーケースに供給して強制冷却する。さらに、図の電源装置は、上方に流入路8を設けて下方に排出路9を設けているが、車両に搭載される状態では、上下を逆にすることもできる。また、垂直に立てる姿勢で搭載することもできる。
従来の電源装置の一例を示す断面斜視図である。 従来の電源装置の他の一例を示す概略断面図である。 本発明の一実施例にかかる電源装置の概略断面図である。 図3に示す電源装置の平面図である。 図3に示す電源装置の拡大断面図である。 本発明の一実施例にかかる電源装置の分解斜視図である。 電源装置の上の蓋ケースを外した斜視図である。
1…電池モジュール
2…ホルダーケース 2A…蓋ケース 2B…中間ケース
3…冷却機構 3A…ファン
4…区画室
5…冷却隙間
6…スリット 6A…第1のスリット 6B…第2のスリット
7…外部開口
8…流入路
9…排出路
10…二次電池
11…第1段の電池群
12…第2段の電池群
13…電極端子
14…嵌着凹部
21…電池モジュール
22…ホルダーケース
24…区画室 24A…上段の区画室 24B…下段の区画室
31…電池モジュール
32…ホルダーケース
33…ダクト
34…区画室 34A…上段の区画室 34B…下段の区画室
P…第1の面
Q…第2の面

Claims (3)

  1. 複数の電池モジュール(1)を同一面内に平行な姿勢で配設している第1段の電池群(11)と、複数の電池モジュール(1)を同一面内に平行な姿勢で配設している第2段の電池群(12)と、第1段の電池群(11)と第2段の電池群(12)とを積層する状態で収納しているホルダーケース(2)と、ホルダーケース(2)の内部に空気を送風して電池モジュール(1)を冷却する冷却機構(3)とを備える電源装置であって、
    ホルダーケース(2)は、第1段の電池群(11)と第2段の電池群(12)の電池モジュール(1)を収納する区画室(4)を備え、この区画室(4)に、電池モジュール(1)表面に冷却隙間(5)を設けて電池モジュール(1)を収納しており、
    さらにホルダーケース(2)は、第1段の電池群(11)の電池モジュール(1)の間に、第2段の電池群(12)の電池モジュール(1)が位置するように区画室(4)を配置して、各々の区画室(4)に第1段の電池群(11)と第2段の電池群(12)の電池モジュール(1)を収納しており、
    さらにまた、ホルダーケース(2)は、第1段の電池群(11)の区画室(4)の間に、第2段の電池群(12)の区画室(4)の冷却隙間(5)をホルダーケース(2)の外部に連結する第1のスリット(6A)を設け、第2段の電池群(12)の区画室(4)の間には、第1段の電池群(11)の区画室(4)の冷却隙間(5)をホルダーケース(2)の外部に連結する第2のスリット(6B)を配設しており、
    前記区画室(4)が円柱状で、第1段の電池群(11)の各々の区画室(4)の中心軸を含む第1の面(P)と、第2段の電池群(12)の各々の区画室(4)の中心軸を含む第2の面(Q)との間隔(W)が、区画室(4)の直径(D)に等しく、あるいは直径(D)よりも小さくしており、
    冷却機構(3)で送風される空気を、区画室(4)の冷却隙間(5)とスリット(6)に送風して、区画室(4)に収納している電池モジュール(1)を冷却するようにしてなる電源装置。
  2. ホルダーケース(2)が、スリット(6)の開口位置の対向位置に外部開口(7)を設けている請求項1に記載される電源装置。
  3. ホルダーケース(2)の第1段の電池群(11)側の表面に流入路(8)を、第2段の電池群(12)側の表面に排出路(9)を設けており、
    第1段の電池群(11)の区画室(4)は外部開口(7)を介して流入路(8)に、第2のスリット(6B)を介して排出路(9)に連結しており、
    第2段の電池群(12)の区画室(4)は、第1のスリット(6A)を介して流入路(8)に、外部開口(7)を介して排出路(9)に連結している請求項1に記載される電源装置。
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