JP4811240B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本願発明は、放熱部に電源ユニットの熱を伝熱する伝熱部を備えた電源装置に関する。

ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車の駆動用又は補助電源として使用される二次電池や燃料電池は、低温化すると端子電圧や電気容量が低下し、高温化すると電解液が分解して、ガス放出による内圧上昇が起こり電池寿命の低下を招くという難点がある。

電源を適正な温度環境下に維持する方法として、以下の方法が開示されている。
実開平０２−３３４９２号公報（特許文献１）には、電池駆動型電子装置の放熱器が開示されている。この電池駆動型電子装置の放熱器は、発熱部から放熱された熱を電池に伝達する伝熱部と、この伝熱部及び電池の間に配置される形状記憶部材とを有しており、この形状記憶部材は、所定の変態温度以上において電池を伝熱部から隔離させ、変態温度未満において電池と伝熱部とを接触させるよう変位する。

これにより、変態温度未満の低温状態において、発熱部から伝達される熱によって電池を活性化することができる。また、変態温度以上の高温状態において、発熱部からの熱伝達が絶たれて、過熱による電池の特性劣化を防止することができる。

また、別の従来例として、特開２００２−１２４２２４号公報（特許文献２）には、金属放熱体を有する電池パックが開示されている。この電池パックは、電池ケースの側面に感熱変形体が固定配置され、電池の温度が上昇して所定の温度を超えたときには、感熱変形体が変形して金属放熱体と接触するように構成されている。

これにより、所定の温度以下において感熱変形体と金属放熱体とを非接触とすることができるため、過熱された金属放熱体の熱が電池に伝熱されるのを防止できる。
実開平０２−３３４９２号公報 特開２００２−１２４２４４号公報

しかしながら、形状記憶部材、感熱変形体（以下、「形状記憶部材等」という）が熱変形するときの変態温度は形状記憶部材等の材料によって異なる。

また、適切な環境温度は電源の種類によって異なり、例えば、リチウムイオン二次電池では、適正温度が１０〜６０℃であり、電解質として固体高分子質を使用した燃料電池では、適正温度が常温〜約１００℃である（東京ガス：なるほど！燃料電池／作動温度による特徴の違い[平成１８年９月２７日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｔｏｋｙｏ−ｇａｓ.ｃｏ.ｊｐ／ｐｅｆｃ／ｗｈａｔ−ｆｃ＿３２.ｈｔｍｌ＞参照）。

したがって、従来技術では、電源の種類に応じて感熱変形体の材料を変更しなければならないため、材料選択の手間がかかり、コストが増大するおそれがある。

そこで、本願発明は、電源ユニットの熱を放熱部に放熱する伝熱部を備えた電源装置を、低コストで提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明は、電源ユニットと、放熱部に前記電源ユニットの熱を伝熱する、圧電素子からなる伝熱部と、前記伝熱部への電圧の印加を制御する制御手段とを有し、前記伝熱部は、前記電源ユニットと前記放熱部との間に配置され、前記電圧の印加に応じて、前記電源ユニット及び前記放熱部に接触する接触状態と、前記電源ユニット及び／又は前記放熱部に接触しない非接触状態との間で変位することを特徴とする。

ここで、前記制御手段に、前記電源ユニットの温度に応じて、電圧の印加を制御させるとよい。具体的には、前記電源ユニットの温度が閾値以下である場合には、前記電圧の印加を制御して、前記伝熱部を前記非接触状態に変位させるとよい。

また、前記電源ユニットを、前記放熱部から離間させて保持する保持部を設けるとよい。
また、前記電源ユニットの温度を検出する温度検出手段を設け、前記制御手段に、前記温度検出手段の検出結果に基づき、前記電圧の印加を制御させるとよい。

また、前記温度検出手段に、前記電源ユニットの温度に基づき前記電源ユニットに冷媒を供給する冷媒供給手段に対して、温度情報を出力させるとよい。

前記伝熱部に、絶縁フィラーを含ませるとよい。また、前記放熱部を、車両のボディーにするとよい。前記伝熱部に印加される電圧を生成する伝熱電源部を設け、前記伝熱電源部を、前記電源ユニットから独立して設けるとよい。

本願発明によれば、電源ユニットの適正な温度条件が異なる場合であっても、材料を変えずに同じ構成で電源ユニットの放熱状態を制御することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の電源装置が適用された車両の助手席１１の斜視図である。助手席１１は、座部１２及び背もたれ部１３を有しており、背もたれ部１３の上端にはヘッドレスト１４が着脱可能に取付けられている。

座部１２の下側領域には、車幅方向に対向する一対のシートレール１５が車両の前後方向に延びて設けられている。

このシートレール１５は、フロアパネル（放熱部）１６上に固定されるロワーレール１５aと、座部１２の下面に固定され且つそのロワーレール１５aに対してその長手方向に摺動可能とされ且つそれに案内されるアッパーレール１５ｂとからなる。このシートレール１５により、車両の前後方向に助手席１１を位置調整可能としている。

また、一対のシートレール１５の間には、フロアパネル１６上に電源装置５が配置されている。

次に、図１、図２及び図３を参照して、電源装置５の構成を説明する。ここで、図２は、電源装置５の断面図であり、（a）が放熱状態、（ｂ）が断熱状態を表しており、フロアパネル１６は圧電素子５３との接触面を含む一部のみを図示している。図３は電源装置５のブロック図であり、実線の矢印は信号の流れる向きを表しており、破線の矢印は機械的な動きを表している。

なお、この断熱状態には、圧電素子５３及び電源ユニット５１間に形成された空気層を介して、僅かに熱交換が行なわれることも含むものとする。また、断熱状態の場合であっても、ブラケット（保持部）５２を介して、多少の熱交換が行なわれる。

これらの図において、電源ユニット５１は、ハイブリッド車のメインバッテリとして組み込まれたニッケル金属水素（ＮｉＭＨ）電池であり、複数の電池セルを直列接続することにより構成されている。

電源ユニット５１は、箱型の電池パック５１aによって覆われており、この電池パック５１aの下面から電源ユニット５１の下側領域に延びるブラケット５２によって電源ユニット５１は支持されている（図２参照）。

ブラケット５２の下端部には、不図示のフランジがフロアパネル１６の平面方向に延びて設けられており、このフランジには不図示の締結ボルトを締結するためのネジ穴部が形成されている。

このネジ穴部に対向するフロアパネル１６の領域にもネジ穴部が形成されており、これらのネジ穴部に締結ボルトを締結することにより、フロアパネル１６はブラケット５２に固定される。

ブラケット５２を設けることにより、電源ユニット５１及びフロアパネル１６を確実に離間させることができる。また、フロアパネル１６は鋼で構成されているため、電源ユニット５１の熱を効率良く放熱することができる。ブラケット５２の材料としては、ステンレス、アルミニウムを例示できる。

電源ユニット５１とフロアパネル１６との間には、圧電素子（電気―機械エネルギ変換素子）５３が設けられており、この圧電素子５３はフロアパネル１６上に固定されている。圧電素子５３としては、導電性高分子、電歪エラストマーを例示できる。

この圧電素子５３の上下方向の両端面（電源ユニット５１、フロアパネル１６に接触する面）には、電極部５３aが設けられており、この電極部５３aには、直流式の素子電源（伝熱電源部）５４が機械的及び電気的に接続されている。なお、この素子電源５４は、常にオン状態に設定されており、車両走行中はもちろんのこと、車両停止中であっても、圧電素子５３に電圧を印加することができる。

圧電素子５３は、素子電源５４から電圧が印加される前の状態において、電源ユニット５１及びフロアパネル１６の両方に接触している（以下、「接触状態」という）。この接触状態において素子電源５４から電圧が印加された圧電素子５３は、フロアパネル１６に接触した状態で上下方向に圧縮変位して、電源ユニット５１に対する接触が絶たれる（以下、「非接触状態」という）。

このように、圧電素子５３を接触状態と非接触状態との間で変位させることにより、フロアパネル１６及び電源ユニット５１間の熱交換を許可又は禁止することができる。圧電素子５３には、絶縁フィラー（例えば、窒化アルミ、酸化アルミ）が含まれている。この絶縁フィラーにより圧電素子５３の熱伝達特性が向上し、電源ユニット５１の冷却を速やかに行なうことができる。

素子電源制御回路（制御手段）５５は、電池ユニット５１に設けられた温度センサ（温度検出手段）５６に対して電気的に接続されており、この温度センサ５６から出力される温度情報に基づき、素子電源５４による電圧の印加を制御する。

このように本実施例では、温度センサ５６を用いて電源ユニット５１の温度を直接検出し、この検出結果に基づき、電源ユニット５１の放熱を制御しているため、感熱変形体を使用している従来技術よりも、電源ユニット５１の温度制御を正確に行なうことができる。

この温度センサ５６は、冷却ファン駆動回路６１にも電気的に接続されており、この冷却ファン駆動回路６１は、温度センサ５６から出力された温度情報に基づき、ファン用モータ６２を駆動する。ファン用モータ６２が駆動されると、冷却ファン６３が回転して冷却風が発生し、この冷却風により電池ユニット５１を冷却することができる。

なお、このファン用モータ６２に駆動エネルギを供給する不図示の駆動電源は、車両の停止状態においてオフに設定されている。

このように冷却ファン６３及び圧電素子５３の駆動タイミングを決定する温度情報を温度センサ５６から得ることができるため、圧電素子５３の駆動用に別体で温度センサを設ける必要がなくなり、コストを削減することができる。

次に、図４を用いて、電源装置５が断熱及び放熱するときの動作について説明する。ここで、図４は電源装置５が断熱及び放熱するときの動作手順を示したフローチャートである。

なお、初期状態において、圧電素子５３は電源ユニット５１に対して非接触状態、つまり、断熱状態に設定されているものとする。

まず、素子電源制御回路５５は、温度センサ５６からの温度情報に基づき、電源ユニット５１の温度が閾値（６０℃）を超えているかどうかを判別する（ステップＳ１０１）。

閾値を６０℃に設定したのは、リチウムイオン電池を６０℃以上の温度環境下で放置すると、ガスの発生により内圧が上昇するおそれがあるからである。

そして、電源ユニット５１の温度が６０℃を超えている場合には、素子電源５４を駆動して圧電素子５３に電圧を印加し、それまで非接触状態に設定されていた圧電素子５３を接触状態に変位させる（ステップＳ１０２）。

これにより、電源ユニット５１の熱が圧電素子５３を介してフロアパネル１６に放熱され、電源ユニット５１の温度を下げることが可能となり、電源ユニット５１の温度上昇による特性の劣化を抑制することができる。

また、素子電源５４は、車両の駆動電源（つまり電源ユニット５１）から独立して設けられているため、エンジンを停止した駐車状態において、日光の熱により電源ユニット５１の温度が６０℃以上に昇温した場合であっても、接触状態に変位した圧電素子５３を介して電源ユニット５１の熱を放熱することができる。

ここで、閾値は、電源ユニット５１の種類に応じて、適宜変更することができる。例えば、電源ユニット５１として電解質材料に固体高分子質を用いた燃料電池を使用した場合には、閾値を約１００℃に設定するとよい。

このように、本実施例によれば、閾値を変えるという簡単な方法で、適正温度が異なる複数の電源を適正な環境温度下で使用することができる。すなわち、従来技術のように、電源の適正温度に応じて伝熱体（感熱変形体）の材料を変更する必要がなくなるため、材料選択の手間やコストを削減することができる。

放熱作用により電源ユニット５１の温度が６０℃以下に低下した場合には（ステップＳ１０３）、素子電源５４による電圧の印加を停止して、（ステップＳ１０４）、それまで接触状態に設定されていた圧電素子５３を非接触状態に変位させる。

ここで、寒冷地に車両を停止して、フロアパネル１６の温度が冷気等により低温化（例えば、−１０℃）した場合には、圧電素子５３と電源ユニット５１との間に形成される空気層により、フロアパネル１６から電源ユニット５１に冷気が伝熱されるのを抑制できる。

これにより、充放電の際に電池ユニット５１に発生した熱が圧電素子５３を介してフロアパネル１６に伝熱されるのを抑制でき、電池ユニット５１の温度を速やかに最適な温度（約３０℃）に昇温させることができる。
（変形例）
圧電素子５３の外周面を圧電素子５３よりも熱伝達率の高い伝熱部材（例えば、ステンレス、銅）で覆ってもよい。これにより、圧電素子５３の熱伝達特性を向上させることができる。

また、電池ユニット５１の充放電時の温度分布を予め測定しておき、他の領域よりも温度が高くなる高温領域（一つでも複数でもよい）にのみ圧電素子５３を配置することもできる。これにより、圧電素子５３の製造に必要な資材の量を減らすことが可能となり、コストを削減できる。

また、温度センサ５６を省略することもできる。この場合、例えば、圧電素子５３の変位制御と暖房の駆動とを連動させ、圧電素子５３を、暖房を駆動してから所定時間だけ非接触状態に変位させ、所定時間経過後に接触状態へ変位させてもよい。また、エンジンを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出センサ（不図示）からの温度情報に基づき、圧電素子５３の変位を制御してもよい。

また、圧電素子５３を電池ユニット５１に固定して、フロアパネル１６に接触させたり、非接触としたりする構成であってもよい。また、圧電素子５３を、電源ユニット５１とフロアパネル１６との間に中空支持し（つまり、圧電素子５３は電源ユニット５１及びフロアパネル１６に接触していない）、放熱状態において電圧を印加して電源ユニット５１及びフロアパネル１６の両方に接触させる構成であってもよい。

また、電源装置５を助手席１１の下部領域に配置したが、座席間の空いたスペースに配置することもできる。

電源ユニットをリチウムイオン電池で構成したが、本願発明は、その他の二次電池、燃料電池、電気二重層キャパシタに適用することもできる。

本発明の電源装置が適用された車両の助手席の斜視図である。 電源装置の断面図であり、（a）が放熱状態、（ｂ）が断熱状態を表している。 電源装置のブロック図である。 電源装置が断熱及び放熱するときの動作手順を示したフローチャートである。

符号の説明

５ 電源装置
１１ 助手席
１２ 座部
１３ 背もたれ部
１４ ヘッドレスト
１５ シートレール
１５ａ ロワーレール
１５ｂ アッパーレール
１６ フロアパネル
５１ 電源ユニット
５１ａ 電池パック
５２ ブラケット
５３ 圧電素子
５４ 素子電源
５５ 素子電源制御回路
５６ 温度センサ
６１ 冷却ファン駆動回路
６２ ファン用モータ
６３ 冷却ファン

Claims (9)

1. 電源ユニットと、
   放熱部に前記電源ユニットの熱を伝熱する、圧電素子からなる伝熱部と、
   前記伝熱部への電圧の印加を制御する制御手段とを有し、
   前記伝熱部は、前記電源ユニットと前記放熱部との間に配置され、前記電圧の印加に応じて、前記電源ユニット及び前記放熱部に接触する接触状態と、前記電源ユニット及び／又は前記放熱部に接触しない非接触状態との間で変位することを特徴とする電源装置。
   
2. 前記制御手段は、前記電源ユニットの温度に応じて、電圧の印加を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御手段は、前記電源ユニットの温度が閾値以下である場合には、前記電圧の印加を制御して、前記伝熱部を前記非接触状態に変位させることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記電源ユニットを、前記放熱部から離間させて保持する保持部を有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の電源装置。
5. 前記電源ユニットの温度を検出する温度検出手段を有し、
   前記制御手段は、前記温度検出手段の検出結果に基づき、前記電圧の印加を制御することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の電源装置。
6. 前記温度検出手段は、前記電源ユニットの温度に基づき前記電源ユニットに冷媒を供給する冷媒供給手段に対して、温度情報を出力することを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
7. 前記伝熱部は、絶縁フィラーを含むことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一つに記載の電源装置。
8. 前記放熱部は、車両のボディーであることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一つに記載の電源装置。
9. 前記伝熱部に印加される電圧を生成する伝熱電源部を有し、
   前記伝熱電源部は、前記電源ユニットから独立していることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一つに記載の電源装置。