JP5648583B2

JP5648583B2 - 電池システム及び電気自動車

Info

Publication number: JP5648583B2
Application number: JP2011117867A
Authority: JP
Inventors: 誠次郎矢島
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: JP2012248363A

Description

本発明は、電池システム及び電気自動車（ＥＶとも称する）に係り、特に３分で電池容量の５０％程度を充電する、いわゆる超急速充電にも対応可能な冷却構造を備えた電池システム、及び、この電池システムを搭載した電気自動車に関する。

既に実用化されている電気自動車の充電方法には、主に次の２つの方法がある。
（１）家庭などで時間（８−２０時間）をかけて行う普通充電方法
（２）共用場所などで急速充電器（３０分で電池容量の８０％を充電）を用いる急速充電方法

しかしながら、３分程度で済むガソリン車の給油時間に比べ、従来の急速充電方法の３０分では充電時間が長すぎるという声が多い。

そのため、出願人は、充電器に内蔵された蓄電池に、夜間蓄えた電力を別の特殊な電池で吸上げ、ＥＶに一気に放出することで、ガソリンスタンドでの給油やコンビニエンスストアでの簡単な買い物に要すると考えられる３分で電池容量の５０％、５分では７０％を充電できる、いわゆる超急速充電器を開発している。

しかしながら、従来の急速充電の１０倍近い速さで超急速充電するには、大電流で充電する必要があり、そのため、電池に大きな熱（出力Ｗ＝電流Ａの二乗×抵抗）が発生するので、ＥＶ側も超急速充電器に対応した仕様にする必要がある。

従来の車載モジュールの一例を側面から見た断面図を図１に、平面図を図２に示す。図において、１〜１２、１.１〜１２.１は電池セル、１３は、該電池セルの側面及び下面を覆う電気絶縁材、１４は、各電池セルへの通電用のバスバー、１６は電池箱、１８は電池箱台である。ここでは、例えば２つの電池セル１と１.１、２と２.１、・・・、１２と１２.１が互いに並列に接続され、互いに並列接続された、例えば１２組の電池セル１と１.１、・・・、１２と１２.１が直列に接続されている。

従来の電池冷却構造としては、例えば特許文献１や２に、冷却ファンを用いて熱伝達により放熱する空冷式が、特許文献３に、電池に液体の熱媒体を循環させて熱交換器により放熱する液冷式が記載されている。更に、特許文献４には、バッテリ温度の変動を小さくするために、バッテリに蓄熱材と放熱フィンとを固定することが記載されている。

特開平１０−６４５９８号公報特開２００４−４８９８１号公報特開２０１０−２１２０９９号公報特開２００６−２１３２１０号公報

しかしながら、いずれも、超急速充電に対応するには冷却能力が不足しており、大型化する必要があるが、特にサイズに余裕がないＥＶには搭載が困難であった。

更に、図１及び図２に示したように、電池セルの側面及び下面を電気絶縁材１３で覆うため、放熱が妨げられるという問題もあった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、電気自動車に搭載可能な小型のサイズでありながら、超急速充電にも対応可能な、冷却能力の大きい電池システムを実現することを第一の課題とする。

本発明は、又、超急速充電にも対応可能な電池システムを搭載した電気自動車を提供することを第二の課題とする。

本発明は、電池セルと、該電池セルの少なくとも一面に密着可能な蓄冷材と、前記電池セル非冷却時は、該蓄冷材を前記電池セルから離し、前記電池セル冷却時は、該蓄冷材を前記電池セルに密着させる駆動手段と、を備えた電池システムであって、前記電池セル非冷却時に電池セルと蓄冷材の間に挿入され、前記電池セル冷却時に抜き取られる断熱シートを備えたことを特徴とする電池システムにより、前記第一の課題を解決したものである。

ここで、前記蓄冷材を、潜熱を利用して冷却固化して用いる潜熱蓄冷材とすることができる。

又、前記電池セルと蓄冷材の間に、熱伝導性の高い電気絶縁材を配設することができる。

又、前記電池セルを冷却するための冷却ファンを備えることができる。

又、前記蓄冷材を冷却媒体を用いて冷却するための冷却パネルを備えることができる。

又、前記冷却パネルに循環される冷却媒体を冷却するための冷凍機を備えることができる。

本発明は、又、前記電池システムを搭載したことを特徴とする電気自動車により、前記第二の課題を解決したものである。

ここで、前記冷凍機を、車両エアコン内蔵の冷凍機とすることができる。

本発明によれば、蓄冷材（特に、潜熱を利用して冷却固化して用いる潜熱蓄冷材が好ましい）を用いることにより、電気自動車に搭載可能な小型のサイズでありながら、超急速充電にも対応可能な、冷却能力の大きい電池システムを実現できる。従って、超急速充電にも対応可能な電池システムを搭載した電気自動車を提供することができる。

従来の車載モジュールの一例の構成を示す、側面から見た断面図同じく平面図本発明の実施形態における電池セル非冷却時を示す断面図同じく電池セル冷却時を示す断面図同じく冷却系統を示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の実施形態である電池システムの電池ユニット２１は、図３（電池セル非冷却時）及び図４（電池セル冷却時）に示す如く、電池セル１〜３と、該電池セル１〜３の側面に配設された従来と同様の電気絶縁材１３と、前記電池セル１〜３の上面に配設された従来と同様のバスバー１４と、前記電池セル１〜３の底面に配設された熱伝導性の高い高熱伝導性電気絶縁材２０と、従来と同様の、例えばプラスチック製の電池箱１６と、例えばアルミニウム製の電池箱台１８と、図４に示す如く、前記高熱伝導性電気絶縁材２０及び電池箱台１８を介して、前記電池セル１〜３の底面に密着可能な蓄冷材２２と、該蓄冷材２２を冷却するための冷却パネル２４と、前記蓄冷材２２及び冷却パネル２４が載置された上下可動台２６と、該上下可動台２６を駆動するための上下可動台駆動装置２８と、図３に示す電池セル非冷却時には前記電池箱台１８と蓄冷材２２の間に挿入され、図４に示す電池セル冷却時には巻取装置３２により巻き取られて蓄冷材２２を電池箱台１８に直接接触させる断熱シート（又はパネル）３０と、前記電池箱１６の内部を、必要に応じて空気で冷却するための冷却ファン３４とを備えている。

なお、図３、図４では電池セル１〜３のみが図示されているが、実際には図２の従来例と同様に、例えば１２組の電池セルが設けられている。

前記電池箱台１８の材質は、軽量で放熱性が高いアルミニウム製とすることが好ましいが、他の材質であってもよい。

前記高熱伝導性電気絶縁材２０としては、優れた熱伝導性と電気絶縁性が特徴の特殊シリコーンラバー、例えば、サンゴバン株式会社製のＰrotectＩＯＮ⁺ＤＰＬ１．３Ｄual Ｐurpose Ｌayerを用いることができる。なお、この高熱伝導性電気絶縁材２０の代わりに、側面と同様の電気絶縁材１３を電池セル１〜３の底面にも配設することもできる。

前記蓄冷材２２としては、例えば、融解熱（潜熱）を利用して冷却固化して用いる、不凍液・ゲル化剤などを密閉した保冷剤アイスノン（登録商標）のような市販されている潜熱蓄冷材を用いることができる。

この蓄冷材２２は、電池ユニット２１から着脱自在とし、急速充電時に充電装置側から電池ユニット２１に挿入して温度上昇を抑えることができる。更に、蓄冷材２２をＥＶ外で冷却、保管して繰り返し使用することもできる。又、蓄冷材２２と冷却パネル２４を一体化してもよい。

前記冷却パネル２４には、図５に示す如く、例えば、前記電池ユニット２１だけでなく外部電源４０が接続可能な副モータ４２で駆動される冷凍機４６からの冷却配管４８が接続されている。図において、５０は主モータ、５２はインバータである。

本実施形態において、電池セル非冷却時には、図３に示す如く、例えば手動スイッチ（図示省略）により、又は、充電プラグ（図示省略）の取り外し等、非充電操作と連動して操作される上下可動台駆動装置２８により上下可動台２６を下げて、電池箱台１８と蓄冷材２２の間に空間を形成するとともに、必要に応じて、その間に、例えばプラスチック製の断熱シート３０を挿入して、通常の動作状態とすることができる。このようにして、蓄冷材２２により電池セル１〜３が冷え過ぎるのを防止することができる。このとき、冷却ファン３４は必要に応じてオンオフすることができる。なお、断熱シート３０は省略することも可能である。

一方、超急速充電時など電池セルの冷却が必要なときには、図４に示す如く、手動スイッチにより、又は、充電プラグの挿入等、充電操作と連動して操作される巻取装置３２により断熱シート３０を巻き取るとともに、同じく充電操作と連動して操作される上下可動台駆動装置２８により上下可動台２６を上方に押し上げて、蓄冷材２２を電池箱台１８に密着させる。

これにより、超急速充電時に電池セル１〜３に発生する高熱は、高熱伝導性電気絶縁材２０、電池箱台１８を介して蓄冷材２２に伝達され、吸収される。更に、蓄冷材２２は、冷却パネル２４により冷却される。

本実施形態においては、外部電源４０が接続可能な、主モータ５０とは別の副モータ４２により駆動される冷凍機４６により冷却パネル２４を冷却するようにしているので、外部電源４０を用いて、例えば駐車時（停止時）や充電時でも冷却パネル２４を冷却したり、夜間電力等を利用して、車載状態のまま、又は車から取外して車外で蓄冷材２２を予め冷凍しておくことができ、冷却効率を高めることが可能である。

又、冷却パネル２４の冷却に車両エアコン４４に内蔵の冷凍機（図示せず）を使うことも可能で、前記冷凍機４６と併設してもよい。更に、車両エアコン４４に内蔵の冷凍機を外部電源４０により駆動し、冷却パネル２４を冷却してもよい。この場合も、駐車時や充電時でも冷却パネル２４を冷却して、蓄冷材２２を冷凍しておくことができ、夜間電力で冷凍することも可能である。

本実施形態においては、電池セル１〜３と蓄冷材２２の間に高熱伝導性電気絶縁材２０を設けているので、電池セル１〜３に発生する熱を効率良く除去することができる。なお、代わりに通常の電気絶縁材１３を用いることも可能である。

前記実施形態においては、電池ユニット２１の底面に配設した上下可動台２６により、蓄冷材２２を上下動するようにしていたが、蓄冷材２２と電池セル１〜３を密着させる構成は、これに限定されず、例えば電池箱台１８側を上下動させたり、断熱シート３０の巻取装置３２を利用して、断熱シート３０の抜き取りと同時に蓄冷材２２が電池箱台１８の直下に挿入されるようにし、上下可動台２６で密着させるように構成しても良い。密着させる面も底面に限定されない。

また、前記実施形態においては、蓄冷材２２が電池セル１〜３の底面にのみ設けられていたが、蓄冷材２２を底面以外の面にも設けて、更に冷却能力を高めることも可能である。

更に、前記実施形態においては、本発明が電気自動車の車載電池システムに適用されていたが、本発明の適用対象は電気自動車に限定されない。又、超急速充電を行わない電池システムにも適用可能である。

１〜１２、１.１〜１２.１…電池セル
１３…電気絶縁材
１４…バスバー
１６…電池箱
１８…電池箱台
２０…高熱伝導性電気絶縁材
２１…電池ユニット
２２…蓄冷材
２４…冷却パネル
２６…上下可動台
２８…上下可動台駆動装置
３０…断熱シート
３２…巻取装置
３４…冷却ファン
４０…外部電源
４２…副モータ
４４…車両エアコン
４６…冷凍機
４８…冷却配管
５０…主モータ
５２…インバータ

Claims

電池セルと、
該電池セルの少なくとも一面に密着可能な蓄冷材と、
前記電池セル非冷却時は、該蓄冷材を前記電池セルから離し、前記電池セル冷却時は、該蓄冷材を前記電池セルに密着させる駆動手段と、
を備えた電池システムであって、
前記電池セル非冷却時に電池セルと蓄冷材の間に挿入され、前記電池セル冷却時に抜き取られる断熱シートを備えたことを特徴とする電池システム。
前記蓄冷材が、潜熱を利用して冷却固化して用いる潜熱蓄冷材であることを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
前記電池セルと蓄冷材の間に、熱伝導性の高い電気絶縁材が配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池システム。
前記電池セルを冷却するための冷却ファンを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電池システム。
前記蓄冷材を冷却媒体を用いて冷却するための冷却パネルを備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電池システム。
前記冷却パネルに循環される冷却媒体を冷却するための冷凍機を備えたことを特徴とする請求項５に記載の電池システム。
請求項１乃至６のいずれかに記載の電池システムを搭載したことを特徴とする電気自動車。
前記冷凍機が、車両エアコン内蔵の冷凍機であることを特徴とする請求項６に記載の電池システムを搭載した電気自動車。