JP5201296B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の円筒形状の単電池を接続した組電池を有する電源装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車の駆動用又は補助電源として、複数の単電池を接続した組電池が用いられる。単電池は、温度上昇により劣化するため、隣接する単電池の間に形成された冷却通路に冷媒を流すことにより、冷却する必要がある。また、単電池には、過充電又は過放電などの電池異常の際に発生するガスを単電池の外部に放出するためのガス放出弁が設けられている。

特許文献１は、冷却風路を形成するケース内に複数の電池を並列させて収容配置した組電池において、ケース内に、冷却風路と電池の異常時に電池から放出されるガスを排出するガス排出通路とを互いに区画して形成したことを特徴とする組電池を開示する。

特開２００４−１４４２１号公報 特開２００６−３１８８２０号公報 特開２００９−１１７２６４号公報 特開２０００−０２１４５６号公報

しかしながら、上述の構成ではガス排出通路を形成する側壁部により電池が保持されているため、側壁部に挟まれた空間が断熱層となり、電池の熱を逃がしにくい構造となっている。このため、単電池間における温度バラツキが生じ、電池寿命の低下を招いていた。ここで、温度バラツキを抑制するために、単電池間の熱伝導を許容する熱伝導部材を別体で設ける方法が考えられるが、この方法では部品点数の増加によりコストが高くなる。そこで、本願発明は、部品点数の増加を抑制しながら、単電池間における温度バラツキ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、本発明に係る電源装置は、（１）ケース内に複数の円筒形状の単電池を、該単電池の径方向に配列した組電池を有する電源装置において、前記複数の単電池を前記径方向から保持するとともに、前記ケースの内部空間を、冷媒が流れる冷却路と、前記単電池から排出されるガスが流れるガス排出路とに区画する保持部材を有し、
前記保持部材は、前記単電池の熱を伝熱する中実の板材であり、前記複数の単電池は、第１の単電池と、この第１の単電池よりも前記冷却路の下流に位置する第２の単電池とを含み、前記第１の単電池は、前記第２の単電池よりも前記保持部材に保持される面積が大きく、冷媒に接触する面積が小さいことを特徴とする。（１）の構成によれば、冷却路の上流に位置する第１の単電池の過冷却が抑制され、冷却路の下流に位置する第２の単電池の冷却不足が解消される。

（２）上記（１）の構成において、前記単電池は、長手方向の一端部にガス放出弁を備えており、前記保持部材は、該単電池の長手方向の中心部よりも前記ガス放出弁に近い側に位置する。アレニウスの法則によれば、単電池の劣化速度は温度が高くなるほど増速するため、（２）の構成を採用することにより十分な冷却面積を確保することができる。

（３）上記（１）〜（２）の構成において、前記保持部材は、金属からなる。（３）の構成によれば、保持部材による散熱効果が高まり、単電池間における温度バラツキを効果的に抑制することができる。

（４）上記（１）〜（３）の構成において、前記複数の単電池は、並列に接続されている。単電池を並列接続することによる温度バラツキの拡大を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、部品点数の増加を抑制しながら、単電池間における温度バラツキを抑制することができる。

電源装置の分解斜視図である。 電源装置をＡ−Ａ断面で切断した断面図である。 電源装置をＢ−Ｂ断面で切断した断面図であり、一部の単電池を透視して図示する。 並列回路の回路図である。 変形例１に係る電源装置の断面図である。 変形例１に係る別の電源装置の断面図である。 変形例３に係る電源装置の分解斜視図である。

（実施形態１）
図面を参照しながら、本実施形態に係る電源装置について説明する。図１は、電源装置の分解斜視図である。図２は、電源装置をＡ−Ａ断面で切断した断面図である。図３は、電源装置をＢ−Ｂ断面で切断した断面図であり、一部の要素を投影して図示する。電源装置１は、組電池１０、ケース２０、保持部材３０及びバスバ４０を含む。組電池１０は、複数の単電池１１を含む。単電池１１は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池であってもよい。単電池１１は、円筒形状に形成されており、長手方向の一端部に正極端子１２及びガス放出弁１４、長手方向の他端部に負極端子１３（図２参照）を備える。複数の単電池１１は、長手方向の端部が揃った状態で単電池１１の径方向に配列されている。

複数の単電池１１は、バスバ４０により並列に接続されている。なお、図１では負極端子１３に接続されるバスバ４０のみを図示し、正極端子１２に接続されるバスバについては省略している。バスバ４０には、各単電池１１の各負極端子１３がそれぞれ溶接される複数の溶接部４１が形成されている。溶接部４１は、Ｘ軸方向に弾性変形可能に構成されている。これにより、各単電池１１の寸法誤差を吸収することができる。

保持部材３０は、各単電池１１をそれぞれ保持するための複数の開口部３０１を備え、各単電池１１における径方向の外面を保持する。保持部材３０は、中実の板状部材であり、温度の高い単電池１１の熱を温度の低い他の単電池１１に伝熱する散熱機能を有する。これにより、単電池１１間における温度バラツキを抑制することができる。また、保持部材３０に対して単電池１１を保持する保持機能と散熱機能とを持たせることにより、部品点数の削減による低コスト化を図ることができる。すなわち、単電池１１の熱を散熱するための散熱部材を別に設ける必要がないため、コストを削減することができる。

ここで、保持部材３０は、金属であってもよい。保持部材３０を金属で構成することにより、散熱効果を高めることができ、単電池１１間における温度バラツキを効果的に抑制することができる。金属は、アルミニウム、銅、鉄であってもよい。アルミニウムは熱伝導率が非常に高いため、保持部材３０をアルミニウムで構成することにより、単電池１１間における温度バラツキをより効果的に抑制することができる。アルミニウムは重量が軽いため、保持部材３０をアルミニウムで構成することにより、電源装置１を軽量化することができる。アルミニウムはコストが安いため、保持部材３０をアルミニウムで構成することにより、電源装置１を低コスト化することができる。

ここで、単電池１１を並列接続した場合、直列接続した場合よりも単電池１１間における温度差が拡大しやすい傾向がある。この点について図４を用いて詳細に説明する。図４は、内部抵抗Ｒ１の第１の単電池１１１と内部抵抗Ｒ２の第２の単電池１１２とをそれぞれ並列に接続した回路図である。第１の単電池１１１の電流値をＩ１、第２の単電池１１２の電流値をＩ２とする。電池の内部抵抗は、電池の温度が高くなると低下する。したがって、例えば、第１の単電池１１１の温度が第２の単電池１１２の温度よりも高くなると、第１の単電池１１１の内部抵抗Ｒ１が、第２の単電池１１２の内部抵抗Ｒ２よりも低くなり、反対に第１の単電池１１１の電流値Ｉ１が、第２の単電池１１２の電流値Ｉ２よりも高くなる。ここで、発熱量は、電流値の２乗に内部抵抗を乗じることにより算出されるため、第１の単電池１１１は、第２の単電池１１２よりも発熱量が大きくなり、第１の単電池１１１及び第２の単電池１１２の温度差がさらに拡大する。本実施形態の構成によれば、単電池１１を並列接続することによる温度バラツキの拡大を効果的に抑制することができる。

電源装置１の説明に戻る。ケース２０は、ケース本体２１、蓋体２２を備える。ケース本体２１は、有底筒状に形成されており、下端部に脚部２１１を備える。脚部２１１には、電源装置１を固定するための締結孔部２１１Ａが形成されている。電源装置１は、車両のフロアパネルに固定してもよい。ケース２０の内面には、保持部材３０を組み込むための一対の組み込みガイド部２１２が形成されている。組み込みガイド部２１２は、上下方向に延びている。保持部材３０を一対の組み込みガイド部２１２に沿ってスライドさせることにより、ケース本体２１の内部に組電池１０を収容することができる。ケース本体２１のＹ軸方向の一端面には、単電池１１の長手方向（Ｘ軸方向）に延びる冷媒流入口２１Ａが形成されており、Ｙ軸方向の他端面には、単電池１の長手方向に延びる冷媒排出口２１Ｂが形成されている。冷媒流入口２１Ａ及び冷媒排出口２１Ｂはそれぞれ、電源装置１の高さ方向（Ｚ軸方向）に所定の間隔を隔てて複数形成されている。冷媒流入口２１Ａには、図示しない吸気ダクトが接続されており、ブロアが作動することにより吸吸気ダクト及び冷媒流入口２１Ａを介してケース２０内に冷媒としての空気が導入される。

保持部材３０の上端面（Ｚ軸方向の端面）には、排煙ダクト接続口２２１に連通するガスガイド部３１が形成されている。図２を参照して、保持部材３０は、ケース２０との接触面に薄肉のシール材３０Ａを備えており、単電池１１との接触面に薄肉のシール材３０Ｂを備えている。シール材３０Ａ、３０Ｂは樹脂、ゴムであってもよい。このようにケース２０の内面及び単電池１１の外面に保持部材３０が密着することにより、ケース２０の内部を二つの区室に区分けすることができる。ここで、単電池１１の正極端子１２が位置する側の区室をガス排出路２０Ａ、負極端子１３が位置する側の区室を冷却路２０Ｂと定義する。なお、シール材３０Ａ、３０Ｂは薄肉に形成されているため、保持部材３０の散熱機能は損なわれない。

単電池１１が過充電又は過放電になると、電解液が電気分解することによりガスが発生する。ガスがさらに発生すると、単電池１１の内圧がガス放出弁１４の作動圧に達して、ガス放出弁１４からガス排出路２０Ａに対してガスが排出される。ガス排出路２０Ａに排出されたガスは、ガス排出路２０Ａの内部を上側に移動し、ガスガイド部３１から排煙ダクト５０に排気される。排煙ダクト５０に排気されたガスは、車室外に排出される。なお、図１では、排煙ダクト５０を省略している。

図３を参照して、冷媒流入口２１Ａは、単電池１１の長手方向における寸法が冷媒排出口２１Ｂよりも小さく設定されており、保持部材３０における冷却路２０Ｂに面する側の端部がテーパー状に形成されている。つまり、冷媒流入口２１Ａから冷媒排出口２１Ｂに近づくほど、保持部材３０により保持される単電池１１の面積は小さくなり、冷媒に接触する面積は大きくなる。換言すると、冷却路２０Ｂの上流に位置する単電池１１（第１の単電池）は、冷却路２０Ｂの下流に位置する単電池１１（第２の単電池）よりも保持部材３０に保持される面積が大きく、冷媒に接触する面積が小さい。

ここで、冷媒流入口２１Ａから流入した冷媒は、冷媒排出口２１Ｂに近づくほど温度が高くなり、冷却能力が低下する。そこで、冷媒路２０Ｂのより下流に位置する単電池１１ほど、冷媒に接触する面積を増加させることにより、冷却効率のバラツキを抑制することができる。すなわち、冷媒流入口２１Ａのより近接した領域に位置する単電池１１の過冷却が抑制され、冷媒排出口２１Ｂのより近接した領域に位置する単電池１１の冷却不足が解消される。

図３に図示する一点鎖線は、単電池１１の長手方向の中心位置を示している。保持部材３０は、この中心位置よりもガス放出弁１４に近い側に配置するのが好ましい。アレニウスの法則によれば、単電池１１の劣化速度は温度が高くなるほど増速するため、十分な冷却面積を確保することにより、単電池１１の劣化を抑制することができる。

（変形例１）
上述の実施形態では、保持部材３０における冷却路２０Ｂに面する側の端部をテーパー状に形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、電源装置の冷却条件に応じて、他の構成を採用してもよい。当該他の構成の一例を図５及び図６に図示する。図５を参照して、冷媒流入口２１Ａの近傍に位置する単電池１１の近くに熱源がある場合には、この単電池１１が冷却されにくくなる。この場合、保持部材３０における冷却路２０Ｂに面する側の端部をＹ軸方向に延びる形状に形成することにより、単電池１１間における温度バラツキを抑制してもよい。図６を参照して、保持部材３０における冷却路２０Ｂに面する側の端部を曲線にしてもよい。

（変形例２）
上述の実施形態では、単電池１１の正極端子１２側にガス放出弁１４を形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、単電池１１の負極端子１３側にガス放出弁１４を形成してもよい。この場合、図３に図示する構成において、単電池１１を逆向きに設置することにより、負極端子１３をガス排出路２０Ａ側に、正極端子１２を冷却路２０Ｂ側に配置するとよい。この構成であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（変形例３）
上述の実施形態では、単電池１１を並列に接続したが、本発明はこれに限られるものではなく、図７に図示するように直列に接続してもよい。図７は、図１に対応する変形例３の電源装置の分解斜視図である。上記実施形態と同一の構成要素には、同一符合を付している。

複数の単電池１１は、正極端子１２及び負極端子１３が交互に反対となるように配列されており、一方の単電池１１に形成されるガス放出弁１４は正極端子１２側に形成されており、他方の単電池１１に形成されるガス放出弁１４は負極端子１３側に形成されている。これにより、全ての単電池１１のガス放出弁１４が、ガス排出路２０Ａに面する側に配置される。バスバ４００は、矩形状に形成されており、バスバ保持部材４０１に保持されている。バスバ保持部材４０１は、絶縁性の樹脂で構成されており、隣接するバスバ４００の間には当該絶縁性の樹脂が介在している。これにより、単電池１１の短絡が抑制される。バスバ４００は、隣り合う単電池１１の正極端子１２及び負極端子１３を接続する。接続方法は溶接であってもよい。本変形例の構成であっても、単電池１１間における温度バラツキを効果的に抑制することができる。

１ 電源装置 １０ 組電池 １１ 単電池 １２ 正極端子 １３ 負極端子１４ ガス放出弁 ２０ ケース ２０Ａ ガス排出路 ２０Ｂ 冷却路
２１ ケース本体 ２１Ａ 冷媒流入口 ２１Ｂ 冷媒排出口 ２２ 蓋体
３０ 保持部材 ３０Ａ、３０Ｂ シール材 ３０１ 開口部 ４０ バスバ

Claims (4)

1. ケース内に複数の円筒形状の単電池を、該単電池の径方向に配列した組電池を有する電源装置において、
   前記複数の単電池を前記径方向から保持するとともに、前記ケースの内部空間を、冷媒が流れる冷却路と、前記単電池から排出されるガスが流れるガス排出路とに区画する保持部材を有し、
   前記保持部材は、前記単電池の熱を伝熱する中実の板材であり、
   前記複数の単電池は、第１の単電池と、この第１の単電池よりも前記冷却路の下流に位置する第２の単電池とを含み、
   前記第１の単電池は、前記第２の単電池よりも前記保持部材に保持される面積が大きく、冷媒に接触する面積が小さいことを特徴とする電源装置。
2. 前記単電池は、長手方向の一端部にガス放出弁を備えており、
   前記保持部材は、該単電池の長手方向の中心部よりも前記ガス放出弁に近い側に位置することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記保持部材は、金属からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記複数の単電池は、並列に接続されてい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。

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