JP5077163B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電素子の温度が低下してしまうのを抑制することができる蓄電装置に関するものである。

二次電池の温度が低下してしまうと、二次電池の充放電に関する性能が低下してしまうことがある。そこで、二次電池の温度が低下してしまうのを抑制するためには、二次電池を温める必要がある。

特許文献１に記載のバッテリ装置では、二次電池を保持するケースの表面に加温プレートを配置することにより、二次電池を温めるようにしている。ここで、加温プレートは、絶縁基板と、絶縁基板の表面に固定された複数のヒータとで構成されている。

また、特許文献２では、複数の単電池の底面に沿って加熱装置を配置することにより、各単電池を温めるようにしている。ここで、加熱装置は、電熱線と、電熱線を挟むように配置された絶縁性板材とで構成されている。さらに、特許文献３では、隣り合って配置された単電池の間にヒータを配置して、単電池を温めるようにしている。
特開２００３−２２３９３８号公報（段落００１５−００１６、図２） 特開２００３−２３４１３１号公報（段落００１３、図２） 特開平１１−２１４０４８号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載の構成では、二次電池を効率良く温めることができない。

具体的には、特許文献１に記載の構成では、ヒータで発生した熱が、絶縁基板およびケースを介して二次電池に伝達するようになっているため、ヒータの熱を二次電池に効率良く伝達することができない。また、特許文献２に記載の構成では、単電池の底面に、言い換えれば、単電池の長手方向における一端面に、加熱装置を配置しているため、単電池の長手方向における他端面に、加熱装置の熱が伝わりにくくなってしまう。一方、特許文献３に記載の構成では、隣り合って配置された単電池の間における絶縁については、何ら考慮されていない。

そこで、本発明の目的は、隣り合って配置された蓄電素子間の絶縁を確保しつつ、蓄電素子を効率良く温めることができる蓄電装置を提供することにある。

本発明である蓄電装置は、所定方向に並んで配置された複数の蓄電素子と、所定方向で隣り合う蓄電素子の間にそれぞれ配置され、通電によって発熱する発熱素子をそれぞれ含む複数の絶縁部材と、を有する。各絶縁部材に対しては、この絶縁部材のうち、隣り合って配置された蓄電素子の間から突出した領域において、この絶縁部材の発熱素子と他の絶縁部材の発熱素子とを電気的に接続するためのコネクタが設けられている。

コネクタは、絶縁部材のうち、蓄電素子で挟まれる２つの面に設けることができる。これにより、隣り合って配置された絶縁部材における発熱素子を、コネクタを介して電気的に接続することができる。

発熱素子は、所定方向から見たときに、蓄電素子と重なる領域内に配置することができる。また、所定方向で隣り合う蓄電素子の間において、絶縁部材と重ねて配置される金属板を設けることができる。これにより、発熱素子で発生した熱を、金属板を介して蓄電素子に効率良く伝達することができる。

発熱素子への通電を制御するコントローラを設ければ、発熱素子への通電を自動的に行わせることができる。具体的には、蓄電素子の温度を検出するための温度センサを設けておき、コントローラは、温度センサの出力に基づいて、発熱素子への通電を制御することができる。発熱素子としては、絶縁部材の内部に配置され、通電によって発熱する電熱線を用いることができる。一方、本発明の蓄電装置では、複数の蓄電素子を互いに近づける方向の力を与えた状態で、複数の蓄電素子を支持する支持構造を用いることができる。

本発明によれば、隣り合う蓄電素子の間に発熱素子を配置しているため、発熱素子で発生させた熱を蓄電素子に効率良く伝達することができる。また、絶縁部材を用いているため、蓄電素子の間における導通を阻止することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池モジュール（蓄電装置）について、図１および図２を用いて説明する。ここで、図１は、電池モジュールの構成を示す上面図である。図２は、電池モジュールの一部の構成を示す外観斜視図である。図１および図２において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、Ｚ軸は、重力方向に相当する軸である。なお、他の図面においても同様である。

本実施例の電池モジュール１０は、パックケース（不図示）に収容されるようになっている。これにより、電池パックが構成される。電池パックは、車両に搭載することができる。具体的には、電池パック（電池モジュール１０）の出力を用いることにより、車両を走行させるためのエネルギを発生させることができる。この車両としては、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は、動力源としての電池パックに加えて、内燃機関や燃料電池といった他の動力源も備えた車である。また、電気自動車は、電池パックの出力だけを用いて走行する車である。本実施例における電池パックは、放電によって車両の走行に用いられるエネルギを出力したり、車両の制動時に発生する運動エネルギを回生電力として充電したりする。なお、車両の外部からの電力供給を受けて充電を行うこともできる。

電池モジュール１０は、一方向（Ｘ方向）に並んで配置された複数の単電池（蓄電素子）２０を有している。単電池２０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、蓄電素子としての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。単電池２０は、発電要素と、発電要素を収容する電池ケースとで構成されている。ここで、発電要素とは、充放電を行うことができる要素であり、公知の構成を適宜用いることができる。具体的には、正極素子および負極素子の間に、電解液を含むセパレータを挟むことにより、発電要素を構成することができる。また、電池ケースは、金属で形成されている。

各単電池２０の上面には、正極端子２１および負極端子２２が設けられている。そして、単電池２０の正極端子２１は、他の単電池２０の負極端子２２とバスバー４０を介して電気的に接続されている。また、単電池２０の負極端子２２は、他の単電池２０の正極端子２１とバスバー４０を介して電気的に接続されている。これにより、電池モジュール１０を構成する複数の単電池２０は、電気的に直列に接続される。

隣り合って配置された単電池２０の間には、ヒータ３０が配置されている。ヒータ３０は、単電池２０を温めるために用いられている。ヒータ３０の具体的な構成については、後述する。

電池モジュール１０の両端には、一対のエンドプレート５０が配置されている。一対のエンドプレート５０には、拘束バンド６０が固定されている。拘束バンド６０は、単電池２０の配列方向（Ｘ方向）に延びており、両端部において、一対のエンドプレート５０に固定されている。図１に示す構成では、電池モジュール１０の上面に２つの拘束バンド６０を配置しているが、電池モジュール１０の下面にも２つの拘束バンド（不図示）が配置されている。

拘束バンド６０をエンドプレート５０に固定することにより、電池モジュール１０を構成する複数の単電池２０に対して、図１の矢印Ｆで示す力を作用させることができる。この力Ｆは、複数の単電池２０を挟んで支持するための力となる。これにより、各単電池２０は、隣り合って配置されたヒータ３０に接触することになる。ここで、電池モジュール１０の両端に位置する２つの単電池２０は、エンドプレート５０にも接触する。

なお、本実施例では、２つの拘束バンド６０を用いているが、この構成に限るものではない。すなわち、複数の単電池２０に対して、力Ｆを作用させる構成であれば、いかなる構成であってもよい。具体的には、拘束バンド６０の数や形状等を適宜設定することができる。また、本実施例では、エンドプレート５０および拘束バンド６０が、本発明の支持構造を構成している。

次に、ヒータ３０の構成について、図３を用いながら説明する。ここで、図３は、ヒータ３０の外観斜視図である。

ヒータ３０は、絶縁性を有する材料で形成された絶縁板３０ａと、絶縁板３０ａの内部に埋め込まれた電熱線（発熱素子）３０ｂとで構成されている。絶縁板３０ａは、隣り合って配置された単電池２０の間における導通を阻止するために用いられる。すなわち、本実施例のように、単電池２０の外装を構成する電池ケースが金属で形成されている場合には、２つの単電池２０の間を電気的に絶縁の状態としておく必要がある。ここで、ヒータ３０は、Ｘ方向と直交する２つの平面部において、ヒータ３０を挟む２つの単電池２０と接触している。ヒータ３０の絶縁板３０ａは、例えば、樹脂で形成することができる。

ヒータ３０としては、例えば、プリント基板を用いることができる。すなわち、樹脂で形成された基板に、電熱線３０ｂを構成するパターンを形成することができる。そして、電熱線３０ｂのパターンを、樹脂の基板によって挟むようにすれば、本実施例のヒータ３０を構成することができる。ここで、電熱線３０ｂは、単電池２０と対向する領域内に配置することが好ましい。言い換えれば、Ｘ方向から見たときに、絶縁板３０ａのうち、単電池２０と重なる領域内に、電熱線３０ｂを配置することが好ましい。これにより、電熱線３０ｂで発生した熱を、単電池２０に効率良く伝達することができる。

また、各ヒータ３０の両面には、第１コネクタ３１および第２コネクタ３２が配置されている。ここで、電熱線３０ｂの一端は、第１コネクタ３１に電気的および機械的に接続されており、電熱線３０ｂの他端は、第２コネクタ３２に電気的および機械的に接続されている。このため、第１コネクタ３１および第２コネクタ３２に電源を接続すれば、電熱線３０ｂに通電を行うことができ、電熱線３０ｂを発熱させることができる。

なお、図３では、１つの電熱線３０ｂを用いているが、これに限るものではない。すなわち、複数の電熱線３０ｂを用いることもできる。また、電熱線３０ｂの配置は、図３に示す構成に限るものではなく、適宜設定することができる。さらに、ヒータ３０としては、通電によって発熱するものであればよく、いかなる構成であってもよい。具体的には、半導体素子やＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)素子を用いることができる。

ヒータ３０の一部は、図１および図２に示すように、隣り合って配置された単電池２０の間から突出している。すなわち、ヒータ３０のＹ方向の長さは、単電池２０のＹ方向の長さよりも長くなっている。そして、ヒータ３０のうち、単電池２０から突出した領域に、第１コネクタ３１および第２コネクタ３２が位置している。このため、ヒータ３０の長さは、単電池２０の長さに対して、少なくともコネクタ３１，３２の配置スペースの分だけ長くなっている。

なお、本実施例では、すべてのヒータ３０を、単電池２０に対して同一方向に突出させているが、これに限るものではない。ヒータ３０の一部を突出させる方向は適宜設定することができる。すなわち、ヒータ３０に対して、コネクタ３１，３２を配置するための領域を確保できればよい。例えば、電池モジュール１０の上面又は下面において、ヒータ３０の一部を突出させることができる。また、ヒータ３０の一部を突出させる方向を、複数の方向とすることもできる。すなわち、少なくとも２つのヒータ３０の突出方向を、互いに異ならせることができる。この場合には、互いに接続されるコネクタ３１，３２を有する２つのヒータ３０は、同一方向に突出していることが好ましい。

第１コネクタ３１および第２コネクタ３２は、Ｘ方向で見たときに、互いに重なる位置に配置されている。各単電池２０は、２つのヒータ３０で挟まれており、一方のヒータ３０に設けられた第１コネクタ３１は、他方のヒータ３０に設けられた第２コネクタ３２と電気的および機械的に接続される。すなわち、第１コネクタ３１および第２コネクタ３２は、互いに接続可能なメスコネクタおよびオスコネクタで構成されている。

そして、電池モジュール１０の両端に位置する２つのヒータ３０には、図１に示すように、配線７０を介して電源８０が接続されている。また、配線７０には、複数のヒータ３０への通電を切り替えるためのスイッチ９０が配置されている。複数のヒータ３０は、コネクタ３１，３２を介して接続されているため、スイッチ９０がオン状態になっていると、電源８０の電力が配線７０を介して複数のヒータ３０に供給される。これにより、複数のヒータ３０が発熱することになる。一方、スイッチ９０がオフ状態になっていれば、複数のヒータ３０への通電が禁止される。

本実施例では、電源８０として、電池モジュール１０とは異なる電源を用いている。例えば、電源８０として、車両に搭載される補機バッテリ（不図示）を用いることができる。なお、電源８０として、電池モジュール１０を用いることもできる。電池モジュール１０の出力を用いる場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータによって、電池モジュール１０の電圧値を低電圧の値に変換してから、ヒータ３０に供給することができる。

次に、本実施例における回路構成について、図４を用いて説明する。

温度センサ１００は、電池モジュール１０の温度を検出するためのセンサである。温度センサ１００は、例えば、電池モジュール１０における特定の単電池２０と接触させて配置することができる。なお、温度センサ１００の数は、適宜設定することができる。すなわち、電池モジュール１０を構成する、すべての単電池２０の温度を検出する場合には、すべての単電池２０に対して温度センサ１００を配置することができる。また、電池モジュール１０の充放電に関する性能を判別する上で、特定の単電池２０の温度を検出しておけばよい場合には、この特定の単電池２０に対して温度センサ１００を配置するだけでもよい。これにより、温度センサ１００の数を減らすことができる。

コントローラ１０１は、温度センサ１００の出力に基づいて、ヒータ３０に対する通電を制御する。具体的には、温度センサ１００によって検出された温度が所定値よりも低い場合には、コントローラ１０１は、スイッチ９０をオフ状態からオン状態に切り替えることにより、ヒータ３０への通電を開始させる。上記所定値は、単電池２０の温度および性能の関係に基づいて、適宜設定することができ、例えば、０℃とすることができる。

一方、温度センサ１００によって、単電池２０の温度上昇が検出された場合には、コントローラ１０１は、スイッチ９０をオン状態からオフ状態に切り替えることにより、ヒータ３０への通電を停止させる。ここで、ヒータ３０への通電を停止させるときの単電池２０の温度は適宜設定することができる。なお、コントローラ１０１は、電池モジュール１０とともに、電池パック内に配置することができる。

本実施例によれば、ヒータ３０を発熱させることにより、単電池２０を温めることができる。しかも、ヒータ３０は、単電池２０における最も大きな側面に接触しているため、ヒータ３０で発生した熱を、単電池２０に対して効率良く伝達することができる。また、各単電池２０は、ヒータ３０で挟まれているため、単電池２０を両側から温めることができる。

そして、本実施例では、単電池２０の全体において、温度のバラツキを抑制することができる。ここで、引用文献１，２に記載の構成では、単電池の一部を温める構成であるため、単電池内において温度分布のバラツキが生じてしまう。すなわち、単電池のうち、ヒータに近い側の領域は、ヒータから離れた側の領域よりも温度が高くなってしまうことがある。このように単電池内において温度分布のバラツキが生じてしまうと、単電池の十分な性能が得られなくなってしまう。そこで、本実施例のように、単電池２０内における温度分布のバラツキを抑制することで、単電池２０の性能が劣化してしまうのを抑制することができる。

また、電熱線３０ｂは、絶縁板３０ａの内部に埋め込まれた状態となっているため、絶縁板３０ａの外部に電熱線３０ｂを配置する場合に比べて、電池モジュール１０を小型化することができる。ここで、特許文献１に記載のバッテリ装置では、二次電池の外部にヒータを配置しているため、ヒータを配置するためのスペースを確保しなければならず、バッテリ装置が大型化してしまう。

さらに、本実施例では、単電池２０およびヒータ３０を交互に配置して、電池モジュール１０を構成する際に、隣り合って配置された２つのヒータ３０を、第１コネクタ３１および第２コネクタ３２を介して接続するだけでよい。すなわち、ヒータ３０を配置する際に、第１コネクタ３１および第２コネクタ３２を接続することができるため、電池モジュール１０の製造工程が複雑になることもない。また、コネクタ３１，３２同士を接続させる構成とすることにより、ワイヤーハーネスといった配線が不要になる。

なお、本実施例では、ヒータ３０が２つの単電池２０で挟まれた構成において、ヒータ３０における２つの側面を単電池２０に接触させているが、これに限るものではない。例えば、図５に示すように、ヒータ３０を、電熱線３０ｂを備えた絶縁板３０ａと、金属板３０ｃとを貼り合わせて構成することができる。ここで、絶縁板３０ａおよび金属板３０ｃは、略等しい大きさに形成されている。

本実施例のヒータ３０は、上述したように、電熱線３０ｂを樹脂の基板で挟んだ構成としているが、図５に示す構成では、電熱線３０ｂを樹脂の基板および金属の基板（金属板３０ｃ）で挟んだ構成としている。図５に示す構成では、２つの単電池２０のうち、一方の単電池２０が絶縁板３０ａに接触するとともに、他方の単電池２０が金属板３０ｃに接触する。なお、金属板３０ｃは、アルミニウムや銅といった金属で形成することができる。

図５に示す構成では、金属板３０ｃを用いているため、電熱線３０ｂで発生した熱を単電池２０に効率良く伝達することができる。また、金属板３０ｃは、単電池２０の側面全体と接触しているため、電熱線３０ｂで発生した熱を単電池２０の側面全体に効率良く広げることができる。すなわち、金属板３０ｃは、絶縁板３０ａよりも熱伝導率が高いため、電熱線３０ｂで発生させた熱を単電池２０の全体に効率良く伝達させることができる。また、電熱線３０ｂの熱を金属板３０ｃによって拡散させることができるため、電熱線３０ｂの配置領域を低減させることもできる。ここで、第２コネクタ３２は、金属板３０ｃを貫通して、絶縁板３０ａ内に設けられた電熱線３０ｂの一端に接続されている。

また、上述したように、絶縁板３０ａの一部が単電池２０から突出するようになっているため、金属板３０ｃの一部も単電池２０から突出することになる。このため、金属板３０ｃのうち、単電池２０から突出した領域を、冷やすようにすれば、単電池２０を冷却することもできる。すなわち、金属板３０ｃの一部を冷やせば、金属板３０ｃの全体を容易に冷やすことができるため、金属板３０ｃと接触する単電池２０を冷やすことができる。ここで、金属板３０ｃの一部に対して、冷却用の気体や液体を接触させれば、金属板３０ｃを冷やすことができる。

なお、図５に示す構成では、絶縁板３０ａおよび金属板３０ｃを略等しい大きさに形成しているが、これに限るものではない。具体的には、金属板３０ｃの大きさ（Ｙ−Ｚ平面内の面積）を、絶縁板３０ａの大きさ（Ｙ−Ｚ平面内の面積）よりも小さくしたり、金属板３０ｃの厚さ（Ｘ方向の長さ）を、絶縁板３０ａの厚さ（Ｘ方向の長さ）よりも薄くしたりすることができる。

一方、本実施例では、絶縁板３０ａを平板状に形成しているが、これに限るものではない。例えば、図６に示すように、絶縁板３０ａにおける一方の面に、複数の突起部３０ａ１を形成することができる。ここで、絶縁板３０ａにおける一方の面は、複数の突起部３０ａ１が形成された領域と、突起部３０ａ１が形成されていない領域とを有している。そして、突起部３０ａ１が形成されていない領域には、本実施例で説明したコネクタ３１，３２が設けられている。なお、コネクタ３１，３２を避けた領域のすべてに、突起部３０ａ１を形成することもできる。

各突起部３０ａ１は、一方向に延びており、等間隔で配置されている。各突起部３０ａ１の先端は、単電池２０の側面に接触するようになっている。また、絶縁板３０ａのうち、突起部３０ａ１が形成された面とは反対側の面（平坦面）も、単電池２０の側面に接触するようになっている。ここで、絶縁板３０ａの内部には、本実施例と同様に、電熱線３０ｂが配置されており、電熱線３０ｂの両端には、第１コネクタ３１および第２コネクタ３２が接続されている。

突起部３０ａ１が単電池２０の側面に接触することにより、単電池２０および絶縁板３０ａの間には、スペースＳが形成される。このスペースＳにおいて、冷却用の気体又は液体を移動させるようにすれば、単電池２０を冷却することができる。また、絶縁板３０ａ内に設けられた電熱線３０ｂに電気を流せば、単電池２０を温めることができる。なお、突起部３０ａ１の数や形状は適宜設定することができる。すなわち、突起部３０ａ１によって、単電池２０の表面に空間Ｓを形成することができればよい。

一方、本実施例の構成に加えて、エンドプレート５０の内部に電熱線３０ｂを配置することもできる。この場合には、Ｙ方向におけるエンドプレート５０の長さを、Ｙ方向における単電池２０の長さよりも長くしておき、エンドプレート５０のうち、単電池２０から突出した領域に、第１コネクタ３１および第２コネクタ３２を設けることができる。これにより、エンドプレート５０と接触する単電池２０を温めることができる。

また、本実施例では、すべての絶縁板３０ａの内部に、電熱線３０ｂを設けているが、これに限るものではない。すなわち、複数の絶縁板３０ａのうち、特定の絶縁板３０ａの内部にのみ、電熱線３０ｂを配置することができる。例えば、温度の低下しやすい単電池２０と接触する絶縁板３０ａの内部に電熱線３０ｂを配置することができる。この場合には、電熱線３０ｂを備えた絶縁板３０ａだけを、コネクタ３１，３２を介して接続すればよい。

本発明の実施例１である電池モジュールの上面図である。 実施例１である電池モジュールの一部の構成を示す外観斜視図である。 実施例１におけるヒータの構成を示す外観斜視図である。 実施例１において、ヒータの通電制御に関する回路構成を示すブロック図である。 実施例１の変形例であるヒータの構成を示す外観斜視図である。 実施例１の他の変形例であるヒータの構成を示す外観斜視図である。

符号の説明

１０：電池モジュール（蓄電装置） ２０：単電池（蓄電素子）
２１：正極端子 ２２：負極端子
３０：ヒータ ３０ａ：絶縁板
３０ｂ：電熱線（発熱素子） ３０ｃ：金属板
３１：第１コネクタ ３２：第２コネクタ
４０：バスバー ５０：エンドプレート（支持構造）
６０：拘束バンド（支持構造） ７０：配線
８０：電源 ９０：スイッチ
１００：温度センサ １０１：コントローラ

Claims (7)

1. 所定方向に並んで配置された複数の蓄電素子と、
   前記所定方向で隣り合う前記蓄電素子の間にそれぞれ配置され、通電によって発熱する発熱素子をそれぞれ含む複数の絶縁部材と、を有し、
   前記各絶縁部材は、この絶縁部材のうち、隣り合って配置された前記蓄電素子の間から突出した領域において、この絶縁部材の前記発熱素子と他の前記絶縁部材の前記発熱素子とを電気的に接続するためのコネクタを有することを特徴とする蓄電装置。
2. 前記コネクタは、前記絶縁部材のうち、前記蓄電素子で挟まれる２つの面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記発熱素子は、前記所定方向から見たときに、前記蓄電素子と重なる領域内に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記所定方向で隣り合う前記蓄電素子の間において、前記絶縁部材と重ねて配置される金属板を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電装置。
5. 前記発熱素子への通電を制御するコントローラを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の蓄電装置。
6. 前記発熱素子は、前記絶縁部材の内部に配置され、通電によって発熱する電熱線であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電装置。
7. 前記複数の蓄電素子を互いに近づける方向の力を与えた状態で、前記複数の蓄電素子を支持する支持構造を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の蓄電装置。

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