JP5104570B2

JP5104570B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP5104570B2
Application number: JP2008154238A
Authority: JP
Inventors: 崇村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-06-12
Also published as: JP2009301834A

Description

本発明を複数の蓄電素子を有する蓄電装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などの駆動用または補助電源として、複数の二次電池を接続した蓄電装置が知られている。二次電池は、充放電の際に発熱して、所定温度を超えると電池劣化が進行する。したがって、冷却構造を備えた蓄電装置が提案されている。

この種の蓄電装置として、複数の蓄電素子を並設した第１の蓄電群と、この第１の蓄電群に隣接配置され、複数の蓄電素子を並設した第２の蓄電群と、第１の蓄電群が位置する側から第２の蓄電群が位置する側に冷却用の空気を供給する冷却手段とを有する蓄電装置が提案されている。冷却手段により供給された空気は、第１の蓄電群の各蓄電素子を冷却した後に、第２の蓄電群の各蓄電素子を冷却する。
特開２００６−１０７７７４号公報特開２００３−３０８８８８号公報特開２００５−１８３３４３号公報

しかしながら、上述の構成では、第２に蓄電群の各蓄電素子を冷却する空気の温度が高
いため、第１の蓄電群と第２の蓄電群との温度差が拡大するおそれがある。

すなわち、第１の蓄電群に流入した空気は、第１の蓄電群を構成する各蓄電素子の外面全体を冷却する。そのため、第１の蓄電群を冷却した空気の温度が高くなり、この温度上昇した空気により第２の蓄電群の各蓄電素子が冷却されるため、第１の蓄電群と第２の蓄電群との温度差を十分に抑制することができない。

そこで、本願発明は、蓄電素子間の温度差を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明の蓄電装置は、一端側に空気流入口、他端側に空気排出口を有する収容部と、前記収容部に収容され、複数の第１の蓄電素子を並設した第１の蓄電群と、前記収容部における前記第１の蓄電群よりも前記空気排出口に近い領域に収容され、複数の第２の蓄電素子を前記並設方向に並設した第２の蓄電群であって、前記並設方向に配置される前記第１の蓄電素子間の中間部に対応した位置に前記各第２の蓄電素子が配置された第２の蓄電群と、前記収容部に隣接配置され、前記並設方向に冷却用の空気が流れる空気通路と、それぞれが前記並設方向に直交する方向視で前記各第１の蓄電素子と重なる位置に配置され、前記収容部の外壁を兼ねるとともに前記空気通路を形成する複数の第１の通路板と、前記第１の通路板における前記並設方向の両端部から、前記第１の蓄電群に向かってそれぞれ延びる延出部を備え、前記空気通路から、前記並設方向に対向する一対の前記延出部の隙間によって形成される前記空気流入口を介して前記収容部に流入する空気が、前記第１の通路板と前記第１の蓄電素子の外面との間に入り込むことを前記延出部により抑制する風向制御部と、を有することを特徴とする。

ここで、前記空気通路は、第１の通路板により形成されており、前記収容部の外壁を兼ねている。これにより、部品点数の削減を図ることができる。

前記風光制御部は、前記第１の通路板に形成され、前記第１の蓄電素子に向かって前記並設方向に直交する方向に延びる一対の延出部を有している。これにより、第１の通路板及び第１の蓄電素子の間に冷却用の空気が流入するのを、効果的に抑制することができる。

前記延出部は、前記第１の蓄電素子に対して非接触とするのが好ましい。これにより、第１の蓄電素子から延出部への伝熱を抑制できる。そのため、空気通路を流れる空気の温度上昇を抑制できる。

隣接する前記第１の蓄電素子の中間部に対応した位置に、前記第２の蓄電素子を配置することができる。これにより、第２の蓄電素子の全体に冷却用の空気を供給することができる。

前記第２の蓄電素子の周方向に沿って形成される冷却通路を形成するための第２の通路板を設けることができる。これにより、第２の蓄電素子の外面全体をより確実に冷却することができる。また、前記第２の通路板は、前記収容部の外壁を兼ねている。これにより、部品点数を削減することができる。

前記第２の通路板は、前記第２の蓄電素子の外周の一部に沿って設けられている。外周の一部とすることにより、第２の通路板の体積が減少し、コストを削減することができる。

前記第１の蓄電素子及び前記第２の蓄電素子は、円筒型形状にすることができる。上記蓄電装置は、車両に搭載することができる。

本発明によれば、蓄電素子間の温度差を効果的に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。ここで、図１は蓄電装置の平面図であり、図２は蓄電装置の斜視図である。

（実施例１）
これらの図において、蓄電装置１は、第１の蓄電群１１、第２の蓄電群１２、第３の蓄電群１３及び第４の蓄電群１４を含む。第１の蓄電群１１は、蓄電素子としての第１の円筒型電池３１をＹ軸方向に複数並設することにより構成される。第２の蓄電群１２は、蓄電素子としての第２の円筒型電池３２をＹ軸方向に複数並設することにより構成される。第３の蓄電群１３は、蓄電素子としての第３の円筒型電池３３をＹ軸方向に複数並設することにより構成される。第４の蓄電群１４は、蓄電素子としての第４の円筒型電池３４をＹ軸方向に複数並設することにより構成される。

第１の蓄電群１１と第３の蓄電群１３との間には、冷却用の空気が移動する空気通路２１が形成されている。空気通路２１は、Ｙ軸方向に延びている。空気通路２１は、複数の小通路板２２をＹ軸方向に並設することにより構成される。小通路板２２は、Ｘ−Ｙ面に平行の面を有しており、これらの面に沿って空気は進む。なお、本明細書では、これらの小通路板２２をＹ軸方向に並設したものを通路板２３と定義する。

小通路板２２のＹ軸方向の両端部には、Ｚ軸方向に延びる延出部（風光制御部）２２Ａが形成されている。延出部２２Ａは、第１の円筒型電池３１に対して非接触であり、延出部２２Ａの先端部と円筒型電池３１の外面との間隔は微小である。これにより、空気通路２１から流入した空気が、小通路板２２及び第１の円筒型電池３１の間に流入するのを阻止できる。詳細については、後述する。

小通路板２２は、第１の蓄電群１１の各第１の円筒型電池３１に隣接して設けられており、Ｚ軸方向視において、各第１の円筒型電池３１の外面の一部を覆っている。Ｙ軸方向に隣接する小通路板２２の間には、隙間（空気流入口）２３Ａが形成されている。この隙間２３Ａが空気の流入口となる。同様に、小通路板２２は、第３の蓄電群１３の各第３の円筒型電池３３に隣接して設けられており、Ｚ軸方向視において、各第３の円筒型電池３３の外面の一部を覆っている。Ｙ軸方向に隣接する小通路板２２の間には、隙間２３Ａが形成されている。この隙間２３Ａが空気の流入口となる。

第１の蓄電群１１及び第２の蓄電群１２を挟んだ空気通路２１の反対側には、排気通路２４Ａが形成されている。第３の蓄電群１３及び第４の蓄電群１４を挟んだ空気通路２１の反対側には、排気通路２４Ｂが形成されている。

冷却通路板（第２の通路板）２５Ａは、第２の蓄電群１２と排気通路２４Ａとの間に設けられている。冷却通路板２５Ａは、第２の蓄電群１２を構成する各第２の円筒型電池３２の外周に沿って配置され、各第２の円筒型電池３２との間に冷却用の通路２６Ａを形成する。冷却通路板２５ＡのＺ軸方向の端部には、Ｘ軸方向に延びる空気排出口２５１Ａが形成される。通路板２３と冷却通路板２５Ａとの間に形成された空間が第１の蓄電群１１及び第２の蓄電群１２を収容する蓄電群収容部（収容部）１８Ａとなる。

冷却通路板２５Ｂは、第４の蓄電群１４と排気通路２４Ｂとの間に設けられている。冷却通路板２５Ｂは、第４の蓄電群１４を構成する各第４の円筒型電池３４の外周に沿って配置され、各第４の円筒型電池３４との間に冷却用の通路２６Ｂを形成する。冷却通路板２５ＢのＺ軸方向の端部には、Ｘ軸方向に延びる空気排出口２５１Ｂが形成される。通路板２３と冷却通路板２５Ｂとの間に形成された空間が第３の蓄電群１３及び第４の蓄電群１４を収容する蓄電群収容部（収容部）１８Ｂとなる。

空気通路２１の始端部には、冷却用のファン１９が配置されている。ファン１９には、シロッコ式のファン、クロスフロー型のファン、プラペレ式のファンなどを用いることができる。

上述の構成において、ファン１９が作動すると、冷却用の空気が空気通路２１に流入する。空気通路２１内の空気は、Ｙ軸方向に進む。この際、空気通路２１内の空気は、通路板２３の隙間２３Ａから蓄電群収容部１８Ａ、１８Ｂに流入する。

蓄電群収容部１８Ａに流入した空気は、第１の蓄電群１１を構成する各第１の円筒型電池３１の外面に沿って移動する。ただし、小通路板２２及び第１の円筒型電池３１の間に形成された空間には、冷却用の空気が流入しない（電池冷却にほとんど寄与しないような僅かな流入は除く）。つまり、蓄電群収容部１８Ａに流入した空気は、第１の円筒型電池３１の外面の一部のみを冷却する。

第１の円筒型電池３１を冷却した空気は、さらに下流に移動して、第２の蓄電群１２の各第２の円筒型電池３２を冷却する。第２の蓄電群１２を冷却した空気は、冷媒通路板２５Ａの空気排出口２５１Ａから排気通路２４Ａに排気される。

このように、本実施例によれば、第１の円筒型電池３１の外面の一部のみを冷却した空気を用いて、第２の円筒型電池３２を冷却することができる。これにより、第１の円筒型電池３１の外面全体を冷却した後に、第２の円筒型電池３２を冷却する冷却方式よりも、より温度の低い空気（より温度上昇の少ない空気）を用いて第２の円筒型電池３２を冷却することができる。そのため、第１の円筒型電池３１及び第２の円筒型電池３２の温度差をより効果的に抑制することができる。

蓄電群収容部１８Ｂに流入した空気は、第３の蓄電群１３を構成する各第３の円筒型電池３３の外面に沿って移動する。ただし、小通路２２及び第３の円筒型電池３３の間に形成された空間には、冷却用の空気が流入しない（電池冷却にほとんど寄与しないような僅かな流入は除く）。つまり、蓄電群収容部１８Ｂに流入した空気は、第３の円筒型電池３３の外面の一部のみを冷却する。

第３の円筒型電池３３を冷却した空気は、さらに下流に移動して、第４の蓄電群１４の各第４の円筒型電池３４を冷却する。第４の蓄電群１４を冷却した空気は、冷媒通路板２５Ｂの空気排出口２５１Ｂから排気通路２４Ｂに排気される。

このように、本実施例によれば、第３の円筒型電池３３の外面の一部のみを冷却した空気を用いて、第４の円筒型電池３４を冷却することができる。これにより、第３の円筒型電池３３の外面全体を冷却した後に、第４の円筒型電池３４を冷却する冷却方式よりも、より温度の低い空気（より温度上昇の少ない空気）を用いて第４の円筒型電池３４を冷却することができる。そのため、第３の円筒型電池３３及び第４の円筒型電池３４の温度差をより効果的に抑制することができる。

図３を参照しながら、本発明の実施例について、より詳細に説明する。図３は、第１の蓄電群１１及び第２の蓄電群１２の冷却構造を部分的に拡大した拡大図である。図４乃至図７は、本実施例の比較例であり、冷却構造の概略図である。

図３に図示するように、小通路板２２は、Ｙ−Ｚ面方向の断面がコの字形状であり、第１の円筒型電池３１に対して非接触である。これにより、第１の円筒型電池３１と小通路板２２との間に空気層が形成され、第１の円筒型電池３１から小通路板２２に第１の円筒型電池３１の熱が伝熱するのを抑制することができる。したがって、小通路板２２から空気通路２１への伝熱を抑制することができる。これにより、空気通路２１内の空気が蓄電群１１〜１４（特に下流側に位置する円筒型電池３１、３２）を冷却する前に温度上昇するのを抑制できる。

図示する構成では、第１の円筒型電池３１に対する冷却用の空気の接触面積をＳ１、第２の円筒型電池３２に対する冷却用の空気の接触面積をＳ２としたときに、Ｓ１がＳ２の約６０％の面積となるように小通路板２２の寸法を設定している。また、第３の円筒型電池３３に対する冷却用の空気の接触面積をＳ３、第４の円筒型電池３４に対する冷却用の空気の接触面積をＳ４としたときに、Ｓ３がＳ４の約６０％の面積となるように小通路板２２の寸法を設定している（なお、第１の円筒型電池３１、第２の円筒型電池３２、第３の円筒型電池３３及び第４の円筒型電池３４は、全て同じサイズに設定されている）。

具体的には、小通路板２２のＹ軸方向の寸法は、第１の円筒型電池３１及び第３の円筒型電池３３の直径と同じに設定されている。また、小通路板２２の延出部２２ＡのＺ軸方向の寸法は、第１の円筒型電池３１及び第３の円筒型電池３３の直径の１／３に設定されている。本発明者等の実験によれば、寸法比率を上述の値に設定することにより、第１の円筒型電池３１及び第２の円筒型電池３２の温度差を０．４℃に抑えることができた。同様に、第３の円筒型電池３３及び第４の円筒型電池３４の温度差を０．４℃に抑えることができた。

第２の円筒型電池３２は、隣接する第１の円筒型電池３１の中間部に対応した位置に配置されている。すなわち、隣接する第１の円筒型電池３１の中間部と第２の円筒型電池３２の径方向の中心部とが、Ｙ軸方向において、同じ位置に設定されている。上述の構成によれば、隣接する第１の円筒型電池３１の間を流れる空気を、第２の円筒型電池３２に確実に接触させることができ、第２の円筒型電池３２の全体を効率良く冷却することができる。

さらに、第２の円筒型電池３２に接触した空気は、第１の円筒型電池３１及び第２の円筒型電池３２の間に形成された空間を通って下流に進むため、冷却用の通路２６Ａを短くしても、第２の円筒型電池３２の全体を冷却することができる。これにより、冷却通路板２５Ａの総体積を減らして、コストを削減することができる。以下、比較例を示して、本実施例の効果をより詳細に説明する。

図４に図示する構成において、第１の蓄電群１１１と第２の蓄電群１１２が並設されている。第１の蓄電群１１１は、複数の第１の円筒型電池１２１をＹ軸方向に並設することにより構成されている。第２の蓄電群１１２は、複数の第２の円筒型電池１２２をＹ軸方向に並設することにより構成されている。

第１の円筒型電池１２１の外面全体に沿って、冷却用の第１の冷却通路１３１が形成されている。第２の円筒型電池１２２の外面全体に沿って、冷却用の第２の冷却通路１３２が形成されている。第１の冷却通路１３１及び第２の冷却通路１３２は、第１の円筒型電池１２１及び第２の円筒型電池１２２の周りに充填された樹脂内に形成されている。なお、樹脂はハッチングにより図示している。第２の冷却通路１３２には、流入路１３２Ａが形成されており、この流入路１３２Ａは、隣接する第１の円筒型電池１２１の間を通って、Ｚ軸方向に延びている。

これらの第１の冷却通路１３１及び第２の冷却通路１３２には、不図示の送風機から冷却用の空気が供給される。第１の冷却通路１３１に流入した冷却風は、第１の円筒型電池１２１の外周に沿って進み、第１の円筒型電池１２１全体を冷却する。流入路１３２Ａから第２の冷却通路１３２に流入した空気は、第２の円筒型電池１２２の外周に沿って進み、第２の円筒型電池１２２全体を冷却する。

しかしながら、図４に図示する構成では、流入路１３２Ａの風路が細くて長いため、圧力損失が大きく、送風機のコストが増大する。これに対して、本実施例の構成は、冷却用の通路２６Ａに達するまでの空気の流路が広いため、圧力損失を少なくすることができる。

また、図４に図示する構成では、第１の冷却通路１３１及び第２の冷却通路１３２を仕切るために、これらの周りを樹脂で覆っており、隣接する第１の円筒型電池１２１の間隔、隣接する第２の円筒型電池１２２の間隔を小さくするのが困難である。

これに対して、本実施例の構成では、隣接する円筒型電池３１、３２の間のスペースを冷却用の通路として活用しているため、隣接する円筒型電池３１、３２の間隔を図４に図示する構成よりも小さくすることができる。これにより、蓄電装置１を小型化することができる。

さらに、第１の冷却通路１３１及び第２の冷却通路１３２の周りの樹脂が不要となるため、コストを削減することができる。

図５に図示する構成では、小通路板２２の代わりに接触部材７１を配置している。接触部材７１は、第１の円筒型電池３１の外面に接触している。他の構成は、本実施例と同様である。この構成では、第１の円筒型電池３１の熱が接触部材７１に伝熱して、空気通路２１を流れる空気の温度が上昇する。

これに対して、本実施例の構成では、小通路板２２と第１の円筒型電池３１との間に空気層が形成されており、この空気層における空気の移動が少ないため、第１の円筒型電池３１の熱を小通路板２２に伝熱しにくくすることができる。これにより、空気通路２１を流れる空気の温度上昇を抑制することができる。

また、図５に図示する構成よりも、小通路板２２の肉厚を薄くできるため、コストを削減することができる。

ただし、接触部材７１を熱伝導率の低い材料で構成することにより、空気通路２１に対する伝熱を抑制することができる。この場合、より効果的に第１の円筒型電池３１の外面の一部に冷却用の空気が接触するのを防止できる。

図６に図示する構成では、小通路板２２の代わりに三角柱形状の突起部材７２を配置している。突起部材７２は、第１の円筒型電池３１から離間した位置に配置される。他の構成は、本実施例と同様である。この構成では、空気通路２１を流れる空気が突起部材７２に接触して、空気抵抗が大きくなるため、蓄電群収容部１８Ａに空気が入りにくくなる。

これに対して、本実施例の構成では、空気の流れる方向に沿ってフラットに小通路板２２が配置されるため、図６に図示する構成よりも、蓄電群収容部１８Ａに対して空気が流入しやすくなる。

また、図６に図示する構成では、突起部材７２と第１の円筒型電池３１との間に流入した空気が第１の円筒型電池３１に接触して温度上昇する。さらに、この温度上昇した空気が突起部材７２に接触して、突起部材７２の温度が上昇する。さらにまた、温度上昇した突起部材７２の熱が、空気通路２１を流れる空気に伝熱する。

これに対して、本実施例では、延出部２２Ａを設けることにより、小通路板２２と第１の円筒型電池３１との間に空気が流入するのを防止することができる。これにより、小通路板２２と第１の円筒型電池３１との間の空間における空気の移動を少なくできるため、小通路板２２の温度上昇を抑制できる。

図７に図示する構成では、小通路板２２の代わりに平板７３を配置している。平板７３は、フラットな形状である。平板７３は、第１の円筒型電池３１から離間した位置に配置される。他の構成は、本実施例と同様である。この構成では、平板７３と第１の円筒型電池３１との間に流入した空気が第１の円筒型電池３１に接触して温度上昇する。さらに、この温度上昇した空気が平板７３に接触して、平板７３の温度が上昇する。さらにまた、温度上昇した平板７３の熱が、空気通路２１を流れる空気に伝熱する。

本発明は、角型電池にも適用することができる。また、本願発明は、キャパシタにも適用することができる。キャパシタは、活性炭と電解液との界面に発生する電気二重層を動作原理とした電気二重層キャパシタのことである。固体として活性炭、液体として電解液（希硫酸水溶液）を用いて、これを接触させるとその界面にプラス、マイナスの電極が極めて短い間隔を隔てて相対的に分布する。イオン性溶液中に一対の電極を浸して電気分解が起こらない程度に電圧を負荷させると、それぞれの電極の表面にイオンが吸着され、プラスとマイナスの電気が蓄えられる（充電）。外部に電気を放出すると、正負のイオンが電極から離れて中和状態に戻る。

蓄電装置の平面図である。蓄電装置の斜視図である。冷却構造の部分拡大図である。比較例の冷却構造の部分拡大図である。比較例の冷却構造の部分拡大図である。比較例の冷却構造の部分拡大図である。比較例の冷却構造の部分拡大図である。

符号の説明

１蓄電装置
１１第１の蓄電群
１２第２の蓄電群
１８Ａ蓄電群収容部
２２Ａ延出部
２３Ａ空気流入口
３１第１の円筒型電池
３２第２の円筒型電池
２５１Ａ空気排出口

Claims

一端側に空気流入口、他端側に空気排出口を有する収容部と、
前記収容部に収容され、複数の第１の蓄電素子を並設した第１の蓄電群と、
前記収容部における前記第１の蓄電群よりも前記空気排出口に近い領域に収容され、複数の第２の蓄電素子を前記並設方向に並設した第２の蓄電群であって、前記並設方向に配置される前記第１の蓄電素子間の中間部に対応した位置に前記各第２の蓄電素子が配置された第２の蓄電群と、
前記収容部に隣接配置され、前記並設方向に冷却用の空気が流れる空気通路と、
それぞれが前記並設方向に直交する方向視で前記各第１の蓄電素子と重なる位置に配置され、前記収容部の外壁を兼ねるとともに前記空気通路を形成する複数の第１の通路板と、
前記第１の通路板における前記並設方向の両端部から前記第１の蓄電群に向かってそれぞれ延びる延出部を備え、前記空気通路から、前記並設方向に対向する一対の前記延出部の隙間によって形成される前記空気流入口を介して前記収容部に流入する空気が、前記第１の通路板と前記第１の蓄電素子の外面との間に入り込むことを前記延出部により抑制する風向制御部と、
を有することを特徴とする蓄電装置。
前記延出部は、前記第１の通路板の両端部から、前記並設方向に直交する方向に延びる一対の延出部であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
前記延出部は、前記第１の蓄電素子に対して非接触であることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電装置。
前記第２の蓄電素子の周方向に沿って形成される冷却通路を形成するための第２の通路板を有し、
前記第２の通路板は、前記収容部の外壁を兼ね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蓄電装置。
前記第２の通路板は、前記第２の蓄電素子の外周の一部に沿って設けられていることを特徴とする請求項４に記載の蓄電装置。
前記第１の蓄電素子及び前記第２の蓄電素子は、円筒型形状であり、前記空気流入口を介して前記収容部に流入する空気は、並設された前記第１の蓄電素子間を通って、前記第１の蓄電素子間の中間部に対応する位置にある前記第２の蓄電素子に当たり、当該空気の進路は分岐し、
一方の空気の進路は、前記並設方向に並設された２つの前記第１の蓄電素子のうちの一方の前記第１の蓄電素子と、前記第２の蓄電素子との間を通り、他方の空気の進路は、前記並設方向に並設された２つの前記第１の蓄電素子のうちの他方の前記第１の蓄電素子と、前記第２の蓄電素子との間を通り、
各空気の進路は、前記各第１の蓄電素子と前記第２の蓄電素子との間を通った後、それぞれ前記第２の蓄電素子の外周面に沿って前記空気排出口側に進んで前記空気排出口に至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蓄電装置。
請求項１乃至６のうちいずれか一つに記載の蓄電装置を搭載した車両。