JP5145663B2 - 2次電池通気流路及び2次電池温度調整装置 - Google Patents

2次電池通気流路及び2次電池温度調整装置 Download PDF

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本発明は、モータジェネレータによって駆動される車両に搭載される2次電池通気流路及び2次電池温度調整装置の構造に関する。
ハイブリッド車両等のモータジェネレータから得られる駆動力を車両の推進力として利用する車両には、充放電可能な走行用の2次電池、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池など、が搭載されており、この2次電池に蓄えられた電力をインバータ回路で駆動用電力に変換して取り出して上記のモータジェネレータを駆動したり、逆に発電電力を2次電池に充電したりするようになっている。このような、2次電池は内部抵抗を有しているため、充放電に際しては発熱をともなう。そのため、2次電池の充放電が繰り返されるにしたがって2次電池の温度は上昇する。このような2次電池の温度上昇を防止するために、2次電池を冷却して2次電池の保護が図られている(例えば、特許文献1参照)。
一方、冬季などに2次電池の温度が低温状態となってしまうことがある。一般的に、2次電池が低温状態にある場合、常温時と比べて、電池内部の活性化レベルが低下すると考えられ、同一出力の場合でも2次電池の電圧低下が大きくなる。このため、連続出力可能時間も短くなり電池から取り出せる電力量が著しく低下する。このように、2次電池の温度が低温状態になった場合には、2次電池の冷却空気入口に設置したヒータによって吸気温度を上げて2次電池を加温し、2次電池が通常の性能を発揮できるようにする方法(例えば、特許文献2参照)が提案されている。また、自動車を使用しない場合等において、2次電池の電池収容ケースの上面に2次電池内に組み込まれた各電池モジュールが低温になることを防止するために、2次電池のケース上面にシートヒータを設けることも提案されている。このシートヒータは2次電池の収容ケース全体を加熱することによって電池全体を加熱する(例えば、特許文献3参照)。
特開2005−71759号公報 特開平10−12287号公報 特開2001−167803号公報
しかし、特許文献1に開示されたような従来技術では2次電池の温度の低下による電圧の低下の問題を解決することはできない。一方、特許文献2に開示された従来技術では2次電池の温度低下の問題は解決できるが、2次電池の冷却流路中にヒータを設置していることから、吸込み空気の加温が必要ない場合でも吸込み空気がヒータを通過し、流路の圧力損失が増大する。このため2次電池の加温装置を装備すると通気ファンの必要駆動力や回転数が大きくなり騒音が増加するという問題があった。特に、2次電池の冷却用空気は車室内から取り込んでいることから通気ファンが大きくなり車室内の騒音が増加するという問題があった。また、特許文献2に開示された従来技術では、2次電池の加温のための制御装置が複雑となってしまうという問題があった。また、特許文献3に開示されている従来技術では、2次電池の外面から2次電池の収容ケース全体を加熱し、各電池モジュールを直接加温しないので、加温効率が悪くなるという問題があった。
本発明は、通気流路の圧力損失の増加を抑えつつ2次電池の効率的な加温が可能な2次電池通気流路を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、通気流路の騒音の車室内への伝搬を低減することである。また、本発明の他の目的は、簡便な制御によって2次電池の温度制御が可能な2次電池温度制御装置を提供することある。
本発明に係る2次電池通気流路は、2次電池に空気を通気する通気ファンと、前記通気ファンに吸込み空気を導く吸込み流路と、前記通気ファンの吐出空気を前記2次電池に導く接続流路と、を含む2次電池通気流路であって、前記吸込み流路及び前記接続流路又はいずれか一方の曲がり部内壁沿って取り付けられた多孔質表面を持つ面状のセラミックス製ヒータ、を有することを特徴とする。また、前記セラミックス製ヒータは、表面が多孔質のセラミックスである絶縁層の表面に吸音特性を持つキャビティを有し、前記絶縁層内部の前記キャビティの周囲に発熱抵抗体が埋め込まれていること、としても好適である。
本発明に係る2次電池温度調整装置は、2次電池に空気を通気する通気ファンと、前記通気ファンに吸込み空気を導く吸込み流路と、前記通気ファンの吐出空気を前記2次電池に導く接続流路と、前記2次電池の温度を検出する2次電池温度検出手段と、前記2次電池温度が所定の温度よりも低い際に、前記2次電池に流入する空気を加温する空気加温手段と、を備えた車両駆動用2次電池の温度調整を行う2次電池温度調整装置において、前記空気加温手段は、前記吸込み流路及び前記接続流路又はいずれか一方の面に沿って取り付けられた多孔質表面を持つ面状のセラミックス製自己温度制御性ヒータであること、を特徴とする。また、前記セラミックス製自己温度制御性ヒータは、前記通気ファンから発生する騒音が直接ぶつかる前記吸込み流路及び前記接続流路又はいずれか一方の曲がり部内面に取り付けられていること、としても好適であるし、前記セラミックス製自己温度制御性ヒータは、表面が多孔質のセラミックスである絶縁層の表面に吸音特性を持つキャビティを有し、前記絶縁層内部の前記キャビティの周囲に発熱抵抗体が埋め込まれていることとしても好適である。
本発明は、通気流路の圧力損失の増加を抑えつつ2次電池の効率的な加温が可能な2次電池通気流路を提供することができるという効果を奏する。また、本発明は、通気流路の騒音の車室内への伝搬を低減することができるという他の効果を奏する。また、本発明は、簡便な制御によって2次電池の温度制御が可能な2次電池温度制御装置を提供するができるという他の効果を奏する。
本発明の好適な実施形態について図1〜3を参照しながら説明する。図1は本実施形態の2次電池通気流路を搭載した車両の側断面図であり、図2は前記2次電池通気流路の形状を示した図であり、図3は通気ファンの周りの通気流路の拡大図である。図1に示すように、車両駆動用の2次電池16は車両10のリアシート12後方のトランク床板14の下に搭載されている。2次電池16は、必要な電力容量(電圧値)が得られるように、単電池(たとえば出力電圧が1.2Vのバッテリセル)を複数(たとえば6個)接続して一体的に連結して構成されたバッテリモジュール20を所定の個数だけ直列に接続して、200V〜300Vの高電圧の出力を有するように構成されている。
これらの各バッテリモジュール20の間には冷却用空気流路が形成されている。図2に示すように、2次電池16の冷却用空気は、リアシート12の脇に設けられた空気取り入れ口13から吸込み流路である吸込み管路22を通って通気ファン26に吸い込まれ、通気ファン26によって加圧された後、通気ファン26と2次電池16とを接続する接続流路である接続管路23を通って2次電池の上部に設けられた2次電池冷却空気取り入れ口38から2次電池16の上部に供給される。2次電池の内部に通気された冷却空気は、2次電池の上部の上部通風路28からバッテリモジュール20の隙間を流れてバッテリモジュール20を冷却し、2次電池16下部の下部通風路29を通って2次電池冷却空気排気口39から排気流路である排気管路24に排気され、排気管路24から車両10の側面に取り付けられた排気口25から車外に排出される。通気ファン26はモータ27によって駆動される遠心式のファンあるいはブロワであるが、軸流式のファンあるいはブロワであってもよい。
図2に示すように、車両10の車室内に取り付けられたリアシート12の脇に設けられた空気取り入れ口13は縦に細長い形状となっている。そして、吸込み管路22は、この縦に細長い空気取り入れ口13から通気ファンの円形断面の吸込み口に向かってダクトの断面形状が変化すると共に、空気取り入れ口13よりも下にあるファンに向かって複雑に折れ曲がっている。吸込み管路22の四角断面の曲がり部には四角環断面のセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)31が取付けられている。また、吸込み管路22は略水平の四角断面部から通気ファンの円形断面の吸込み口にダクト形状を合わせながら下向きに90度曲がる部分を有している。この部分の上部壁内面には、半円筒形状のセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)32が取り付けられている。通気ファン26はスクロール形のケーシングを有しており、このケーシングの一端の略正方形、あるいは少し縦長の長方形の空気吐出口から空気が接続管路23に吐出される。2次電池上部通風路28は横に細長い長方形断面であり、2次電池冷却空気取り入れ口38も同様に横に長い長方形断面形状となっている。接続管路23は上記の略正方形、あるいは少し縦長の長方形の通気ファン26の空気吐出口と横に長い長方形断面形状の2次電池冷却空気取り入れ口38を接続するように、空気の流れ方向に向かって、徐々に横方向に広がりつつ高さ方向が短くなっていくような形状となっている。この接続管路23の中間には広がり形状と同様に断面が変形していく四角環断面のセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)33が取り付けられている。また、2次電池下部通風路29も上部通風路28と同様に、横に長い長方形断面形状であり、排気管路24はこの横に長い長方形断面形状の2次電池冷却空気排気口39から排気口25の略正方形形状に向かって、接続管路23とは逆に、空気の流れ方向に向かって、徐々に横方向に狭くなりつつ高さ方向が長くなっていくような形状となっている。このような複雑な管路形状となっているのは、空気取り入れ口13から排気口25に向かって、流路断面を空気取り入れ口13の配置、通気ファン26の吸込み、吐出形状、2次電池冷却空気取り入れ口38、2次電池冷却空気排気口39、排気口25のそれぞれの断面形状に合わせて、管路形状を変化させていくことが必要であること、また、ぞれぞれの配置の位置関係に基づいて管路を引き回していくことが必要となるためである。
図3に通気ファンの周囲の管路形状の拡大図を示す。先に説明したように、吸込み管路22の四角断面の曲がり部の各壁面と、略水平の四角断面部から通気ファンの円形断面の吸込み口にダクト形状を合わせながら下向きに90度曲がる部分の上部壁内面と、接続管路23の中間の広がり形状部分とには、それぞれセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)31,32,33が取付けられている。図4に示すように、各セラミックス製ヒータ31,32,33はそれぞれ樹脂性の吸込み管路22、接続管路23の壁面に沿って取り付けられている。また、各ヒータは左右に2分割され各管路22,23に組み込まれている。そして各管路の壁には給電用の電線37が貫通している。このようなヒータ31,32,33の構造によって管路の断面積の減少が少なく、圧力損失の増加が少なくなるようになっている。
また、各セラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)31,32,33の空気に触れる内面側には四角いキャビティ34が形成されており、このキャビティ34によってヒータ31,32,33と空気との接触面積を拡大すると共に、空気の流れを乱して、ヒータ31,32,33との熱伝達率を上昇させる。更に、この空気の乱れによって壁面付近で加温された空気が管路22,23の中央部の空気と混合されるようになっている。このように、壁面に沿った面状のヒータであっても、効率的に2次電池に通気される空気を加温することができると共に、空気抵抗の増加が少なくなるような構造としている。キャビティの形状は吸音特性があれば四角に限らず円形など他の形状であってもよいし、球面状の窪みとしてもよい。
図5にセラミックス製ヒータ31,32,33の拡大断面を示す。図5に示すように、ヒータ31,32,33は表面が多孔質のセラミックスである絶縁層36の表面に、先に説明したキャビティ34を有し、絶縁層36の内部のキャビティ34の周囲には抵抗体35がサーペンタイン形状に埋め込まれている。抵抗体35の両端には電線37が取り付けられ、抵抗体35に加熱用の電気が供給されるようになっている。抵抗体35に通電されると抵抗体35は発熱し、その熱は表面あるいはキャビティ34の面に接触する空気に伝達され、空気を加熱する。また、キャビティ34は絶縁層36を貫通している孔となっていてもよい。セラミックス製の絶縁層36は表面が多孔質であることから吸音効果を有し、更にキャビティ34によって作られる凹凸によっても吸音効果を奏する。更に、セラミックスは硬質のアルミナセラミックス等で構成することができ、これによって、本実施形態の2次電池通気流路は通気流路中にヒータ31,32,33から異物が飛散して、2次電池に入り込み動作不良を引き起こすことが無くなる。また、たとえセラミックスの異物が飛散しても、絶縁材質であることらか、2次電池の内部に電気的故障を起こすことが無いという効果を奏する。
図3の実線の矢印で示すように、冷却空気は吸込み管路22から通気ファン26を経て接続管路23に流れていく。一方、通気ファン26は内部に取り付けられているファンロータ26aが回転することによって騒音を発生する。図3の波線矢印に示すように、発生した騒音は、通気ファン26の吸込み口から吸込み管路22の方向に向かって上向きに放射される。そして吸込み管路22の曲がり部22bにぶつかる。この曲がり部22bには、吸込み管路22bの壁面形状に沿ったセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)32が取り付けられている。先に説明したように、このヒータ32は表面の多孔質とキャビティ34によって吸音性があることから、通気ファン26から発生された騒音の一部はこのヒータ32によって吸音される。吸音されなかった騒音はヒータ32及び吸込み管路22の内面で反射され、吸込み管路22に沿って上流側に伝播されていく。そして上流側の四角断面流路の曲がり部22aにぶつかる。この曲がり部22aには壁面の全周にセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)31が取り付けられており、騒音は、このヒータ31の表面とキャビティ34によって吸収される。この2つのヒータ31,32の吸音特性によって、騒音は吸込み管路22の中で吸音されて減衰する。これによって本実施形態の2次電池通気流路は車室内への騒音の伝搬の低減を図ることが出来る。各セラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)31は半円筒形状に限らず、通気ファン26から発生した騒音が直接ぶつかる壁面に取り付けられていれば、平面形状でも管路全周に渡って取り付けられていてもよい。また、通気ファン26から発生する騒音の周波数に合わせて、その取り付け位置やキャビティ34の大きさ、ピッチなどを変更しても好適である。例えば、ファンの高周波騒音に対応するためにキャビティ34の口径あるいは深さを小さくしたり、低周波騒音に対応するためにヒータ31,32の厚みを厚くすると共にキャビティ34の深さを深くしたり、これらを組み合わせたりすることも好適である。また、ヒータ31,32それぞれを高周波騒音の吸収に適した形状と低周波騒音の吸収に適した形状としても好適である。
また、図3に示すように、通気ファン26は流れの下流に向かっても騒音を発生する。通気ファン26の下流に接続された接続管路23の内部には、先に吸込み管路22において述べたのと同様のセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)33が取り付けられ、通気ファン26から放射された騒音を吸収できるようになっている。また、ヒータ33は通気ファン26の空気吐出口から2次電池の冷却空気取り入れ口38に向けて接続管路23が広がっている部分に取り付けられ、ヒータ33によって加温された壁面付近の空気と中央部を流れる空気とが混合して2次電池に流入するようになっている。このような構成とすることによって、本実施形態の2次電池通気流路は、通気ファン26の流れの下流に向かって放射された騒音が排気管路24や2次電池16から車室内に伝搬されることを低減することができると共に、通気ファン26の流れの下流に向かって放射された騒音が排気管路24や2次電池16の内部における振動を発生させたりすることを低減することができるという効果を奏する。また、流路抵抗の増加を抑えながら2次電池16への通気を加温することができるという効果を奏する。
図6に樹脂性の吸込み管路22、接続管路23にヒータ31,32,33が取り付けられた他の実施形態の断面を示している。この実施形態では、吸込み管路22、接続管路23を溝型の形状として、内部に取り付けられたセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)31,32,33によって流路壁を形成し、樹脂性の、吸込み管路22、接続管路23の壁が無い面には吸音材40を取り付けて、より吸音効果を高めたものである。
次に、図7,8を参照しながら2次電池温度制御装置の実施形態について説明する。図7はこの2次電池温度制御装置の系統構成を示している。図2の2次電池通気流路は先に述べた2次電池通気流路を模式的に示したものある。図2に示すように、車室内の空気吸い込み口13から吸込まれた空気は屈曲した吸い込み管路22によって通気ファン26に供給される。通気ファン26は吸気を圧縮して通気ファン吐出から接続管路23を通して2次電池16に通気して2次電池を冷却、加温した後、排気管路24から外気に排気される。吸込み管路22の曲がり部にはセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)31,32が取り付けられ、また接続管路23にもセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)33が取り付けられている。各ヒータ31,32,33には電源を入り切りするリレー51,52,53が接続され、各リレー51,52,53は制御部60に接続されている。また、通気ファン26も制御部60に接続され、制御部60の指令によって制御される。更に、接続管路23のヒータ33の下流には2次電池16に流入する空気温度を測定する温度センサ41が取り付けられ、2次電池16にはその温度を測定する温度センサ43が取り付けられている。各温度センサ41,43はそれぞれ制御部60に接続されている。この制御部60は、内部にCPUとデータ又はプログラムの記憶領域とを持ち、ソフトウェアによって制御を行うものであってもよいし、電気回路によって構成されているものであってもよい。
上記の2次電池温度制御装置に用いられているヒータ31,32,33はセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)であり、その温度と電気抵抗の関係は図8に示すようなものとなっている。このように温度が上昇すると抵抗値が上がってくることから、温度が低い時には大きな電流が流れてヒータ31,32,33は急速に温度上昇してくる。そして、ヒータの温度が上昇してくると、今度は抵抗値が大きくなってくることから電流が小さくなってくる。そして、電流が流れだしてから所定の時間が経過すると、ヒータ31,32,33の温度は温度と電流がバランスしたある一定温度を保つようになる。このような自己温度制御性を持っていることから、ヒータによる空気温度の制御において、ヒータへの電流を制御しなくとも、電源の入り切りのみで、空気の温度を所定の温度に保持することができる。
以下、2次電池温度制御装置の実施形態の動作について説明する。制御部60は2次電池温度センサ43の温度信号データを取得し、その温度が所定の温度、例えば5℃等、よりも低いかどうかを判断する。そして、制御部60は、2次電池の温度が上記の所定の温度よりも低い場合には、リレー51,52,53をオンとする指令を出力する。これによって各ヒータ31,32,33への通電が開始されヒータ31,32,33の温度が上昇を開始する。制御部60は各ヒータ31,32,33が自己温度制御特性によって平衡温度となるまでの時間が経過すると、通気ファン26、モータ27に駆動指令を出力する。通気ファン26、モータ27はこの指令によって回転を開始し、空気加温しながら2次電池16に通気する。この際、図7の波線矢印で示した通気ファン26から発生する騒音は、各ヒータ31,32,33によって吸音される。制御部60はヒータ33の出口の温度センサ41によって加温後の空気温度が所定の制限範囲に入っているかどうかを監視する。そして空気温度が高くなりすぎているような場合は、リレー51,52,53に対してヒータ31,32,33への電流をオフとする指令を出力する。また、制御部60は温度センサ43からの温度信号によって2次電池16の温度を監視し、2次電池16の温度が所定の温度まで上昇したと判断した場合には、リレー51,52,53に対してヒータ31,32,33への電流をオフとする指令を出力する。そして、2次電池の温度が所定の温度、例えば40℃よりも低い場合には、一端通気ファン26、モータ27を停止する。
上記の実施形態では、制御部60によって3つのヒータ31,32,33を共にオン、オフすることによって2次電池の加温を行うこととしたが、2次電池の温度によっては、3つのヒータ31,32,33のうちのいずれか1つ又は2つをオン、オフ制御してもよい。2次電池の温度が先の例の5℃よりも高いが加温をして早く2次電池の出力を上げようというような場合には、1又は2のヒータをオン、オフ制御してもよい。あるいは、制御部60が各ヒータ31,32,33への印加電圧を下げて、2次電池の温度が過剰に上昇しないようにしても好適である。逆に、2次電池の温度が先の例の5℃よりも、低いような場合には、制御部60は各ヒータ31,32,33への印加電圧を上げて、早く温度上昇させるようにしても好適である。
制御部60は2次電池温度センサ43の検出温度信号データ取得し、その温度が所定の温度、例えば40℃等、よりも高いかどうかを判断する。そして所定の温度よりも2次電池16の温度が高くなっている場合には、通気ファン26、モータ27を起動して
2次電池16への通風、冷却を行う。
このように、本実施形態の2次電池温度制御装置は簡便な制御によって2次電池16の加温及び冷却を行うことができるという効果を奏する。
本発明に係る実施形態の2次電池通気流路を搭載した車両の側断面図である。 本発明に係る実施形態の2次電池通気流路を示す斜視図である。 本発明に係る実施形態の2次電池通気流路における通気ファン周りの拡大斜視図である。 本発明に係る実施形態の2次電池通気流路の断面の実施形態を示す説明図である。 本発明に係る他の実施形態の2次電池通気流路に用いられるセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)の構成図である。 本発明に係る実施形態の2次電池通気流路の他の断面の実施形態を示す説明図である。 本発明に係る実施形態の2次電池温度制御装置の制御系統を示す説明図である。 本発明に係る実施形態に用いられるセラミックス製自己温度制御性ヒータ(PTCヒータ)の温度と抵抗値の関係を表すグラフである。
符号の説明
10 車両、12 リアシート、13 空気取り入れ口、14 トランク床板、16 2次電池、20 バッテリモジュール、22 吸込み管路、22a,22b 曲がり部、23 接続管路、24 排気管路、25 排気口、26 通気ファン、26a ファンロータ、27 モータ、28 2次電池上部通風路、29 2次電池下部通風路、31,32,33 ヒータ、34 キャビティ、35 抵抗体、36 絶縁層、37 電線、38 2次電池冷却空気取り入れ口、39 2次電池冷却空気排気口、40 吸音材、2次電池入口空気温度センサ、43 2次電池温度センサ、51,52,53 リレー、60 制御部。

Claims (5)

  1. 2次電池に空気を通気する通気ファンと、
    前記通気ファンに吸込み空気を導く吸込み流路と、
    前記通気ファンの吐出空気を前記2次電池に導く接続流路と、
    を含む2次電池通気流路であって、
    前記吸込み流路及び前記接続流路又はいずれか一方の曲がり部内壁沿って取り付けられ多孔質表面を持つ面状のセラミックス製ヒータ、
    を有することを特徴とする2次電池通気流路。
  2. 請求項1に記載の2次電池通気流路であって、
    前記セラミックス製ヒータは、
    表面が多孔質のセラミックスである絶縁層の表面に吸音特性を持つキャビティを有し、前記絶縁層内部の前記キャビティの周囲に発熱抵抗体が埋め込まれていること、
    を特徴とする2次電池通気流路。
  3. 2次電池に空気を通気する通気ファンと、
    前記通気ファンに吸込み空気を導く吸込み流路と、
    前記通気ファンの吐出空気を前記2次電池に導く接続流路と、
    前記2次電池の温度を検出する2次電池温度検出手段と、前記2次電池温度が所定の温度よりも低い際に、前記2次電池に流入する空気を加温する空気加温手段と、を備えた車両駆動用2次電池の温度調整を行う2次電池温度調整装置において、
    前記空気加温手段は、前記吸込み流路及び前記接続流路又はいずれか一方の内面に沿って取り付けられた多孔質表面を持つ面状のセラミックス製自己温度制御性ヒータであること、
    を特徴とする2次電池温度調整装置。
  4. 請求項3に記載の2次電池温度調整装置であって、
    前記セラミックス製自己温度制御性ヒータは、前記通気ファンから発生する騒音が直接ぶつかる前記吸込み流路及び前記接続流路又はいずれか一方の曲がり部内面に取り付けられていること、
    を特徴とする2次電池温度調整装置。
  5. 請求項3又は4に記載の2次電池温度調整装置であって、
    前記セラミックス製自己温度制御性ヒータは、表面が多孔質のセラミックスである絶縁層の表面に吸音特性を持つキャビティを有し、前記絶縁層内部の前記キャビティの周囲に発熱抵抗体が埋め込まれていること、
    を特徴とする2次電池温度調整装置。
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