JP6129329B2 - 蓄電装置 - Google Patents
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Description
蓄電装置は、充電または放電の際に熱が発生するが、多数の二次電池セルを備えているため、二次電池セル間に温度差が生じる。二次電池セル間の温度差は、電池の性能や損傷に影響するため、できるだけ温度差が生じないような冷却構造を採用する必要がある。
蓄電ケースには、一側部に冷却風導入口が、反対側の側部に冷却風導出口が形成され、蓄電ケース内部に、複数の蓄電モジュールが収容されている。蓄電ケースの冷却風導入口と最上流側の蓄電モジュールとの間に、複数本のスリットが設けられた冷却風制御板が設けられている。
この冷却構造では、冷却風制御板の複数のスリットの周縁部で冷却風に渦線が生じることにより、密・疎の不規則な冷却風の流れが発生し、流れの強さ、速さ等が時間に伴って変化する。このため、時間経過と共に、大局的に、平均的な冷却が行われると記載されている(例えば、特許文献1参照)。
このため、蓄電モジュール内部に、二次電池セルが複数段に亘って配列されているような場合には、内部側の二次電池セルと外面側の二次電池セルとの間には大きな温度差が生じてしまう。
本発明の第2の態様によると、第1の態様において、蓄電モジュールケース内に配列された蓄電素子の段数は、各段に配列された蓄電素子の個数よりも小さいことが好ましい。
本発明の第3の態様によると、第2の態様において、冷媒流通制御機構は、蓄電モジュールケースと蓄電ケースとの間に配置されている板状部材とすることができる。
本発明の第4の態様によると、第2の記載の態様において、冷媒流通制御機構は、蓄電ケースの外側に配置されている板状部材とすることができる。
本発明の第5の態様によると、第3または4の態様において、冷媒流通制御機構の流通開口部は、(i)冷媒流通制御機構が冷媒導入口の外側に配置されている場合は、流入口の数よりも多く、各流通開口部の面積は、流入口の面積より小さい、(ii)冷媒流通制御機構が冷媒導出口の外側に配置されている場合は、流出口の数よりも多く、各流通開口部の面積は、流出口の面積より小さい、上記(i)または(ii)を満足することが好ましい。
本発明の第6の態様によると、第2の態様において、冷媒流通制御機構は、蓄電ケースに形成することができる。
本発明の第7の態様によると、第1の態様において、蓄電素子は、円筒形二次電池セルとすることができる。
本発明の第8の態様によると、第7の態様において、流通開口部は、1つの段に配列された複数の前記蓄電素子のそれぞれに対応して、少なくとも1つ配置されるように形成されているようにすることが好ましい。
本発明の第9の態様によると、第7の態様において、各流通開口部は、1つの段に配列された複数個の蓄電素子に跨って形成することができる。
本発明の第10の態様によると、第1の態様において、蓄電ケース内に前記蓄電モジュールが複数設けられ、冷媒流通制御機構は複数の蓄電モジュールのそれぞれに対して設けられ、少なくとも1つの冷媒流通制御機構の流通開口部は、形状、面積、配置の少なくとも1つが、他の冷媒流通制御機構の流通開口部とは異なるようにしてもよい。
本発明の第11の態様によると、第10の態様において、蓄電ケースは、冷媒の取入口または取出口を有し、取入口側または取出し口側に近い位置に収容された冷媒流通制御機構の流通開口部の合計面積が、取入口側または取出し口側から遠い位置に収容された冷媒流通制御機構の流通開口部の合計面積よりも小さくすることが好ましい。
[蓄電装置全体構成]
以下、この発明の蓄電装置の一実施形態を図面と共に説明する。
本実施の形態に係る蓄電装置は、電動車両、例えば電気自動車の電動機駆動システムにおける車載電源装置に適用されるものである。この電気自動車の概念には、内燃機関であるエンジンと電動機とを車両の駆動源として備えたハイブリッド電気自動車、および電動機を車両の唯一の駆動源とする純正電気自動車等が含まれる。
先ず、図1〜4を用いて蓄電装置の全体構成について説明する。
図1は、本発明に係る蓄電装置の一実施の形態の外観斜視図であり、図2は図1に図示された蓄電装置の分解斜視図であり、図3は図2に図示された蓄電装置の一部を背面側から観た分解斜視図であり、図4は図2に図示された蓄電装置において、蓄電モジュールを取り外した状態の分解斜視図である。
蓄電装置1は、例えば、リチウムイオンバッテリ装置であり、蓄電ケース2内に、リチウムイオン等の複数の二次電池セル101(図8参照:蓄電素子)を備えた複数の蓄電モジュール40が収容されている。
蓄電ケース2は、大きな直方体の左側に小さな直方体が連結された形状を有している。
なお、以下の説明において、前後方向、左右方向、上下方向を図1、図2に図示する方向として説明する。
サイドカバー12は、メインケース11の側壁31に対向して配置され、メインケース11の前部側の開口を閉じる。側壁31は、後部壁を構成し、サイドカバー12は前部壁を構成する。アンダーカバー13はメインケース11の下部開口を閉じ、トップカバー14はメインケース11の上部開口を閉じる。サイドカバー12、アンダーカバー13、トップカバー14のそれぞれは、メインケース11にボルト等の締結部材により固定され、内部に電子部品を収容するための空間を形成する。
蓄電モジュール収容エリア2Aには、複数個(本実施形態では3個)の蓄電モジュール40A〜40Cが配置される。各蓄電モジュール40A〜40Cは、直方体のブロック形状を有しており、本実施の形態では、メインケース11内で長手方向が上下方向に延在し、互いに隣接して並列に配置されて収容され、制御ユニット収容エリア2Bから離反する方向、すなわち図2の右方向に向かって蓄電モジュール40A、40B、40Cの順番に並べて配置されている。
サイドカバー12には、各蓄電モジュール40の冷媒導入口116に対向して吸気口(流入口)22が設けられている。また、メインケース11の側壁31には、各蓄電モジュール40A〜40Cの冷媒導出口118に対向して排気口(流出口)32が設けられている。
図2、図4には図示されてはいないが、サイドカバー12と各蓄電モジュール40A〜40Cとの間には、後述するように、空気等の冷媒の流通を制御する冷媒制御機構、すなわち、アタッチメント150(図5参照)が配置されている。
各蓄電モジュール40A〜40Cには、長手(上下)方向両側に分かれた部位に、図6の模式図に示すように、正極端子41A〜41Cと負極端子42A〜42Cが設けられている。
蓄電モジュール40Aと蓄電モジュール40Bとの間、もしくは蓄電モジュール40Bと蓄電モジュール40との間は、SD(サービスディスコネクト)スイッチ53によって両者間を電気的に接続または遮断できるようなっている。SDスイッチ53は、蓄電装置1の保守、点検の時の安全性を確保するために設けられた安全装置であり、スイッチとヒューズとを電気的に直列に接続した電気回路から構成され、サービスマンによって保守、点検時に操作される。
蓄電モジュール40は、図7(a)に示すように、蓄電モジュールケース、すなわち、保持ケース111内に複数の二次電池セル101を保持した構成を有しており、本実施の形態では、後述するように、前後3段に二次電池セル101が配列されている。保持ケース111は、図7(b)に示すように、六面体形状を有している。保持ケース111は、上下方向に離間して対向する上面部112と下面部113、左右方向に離間して対向し上面部112と下面部113の各短部間に亘る一対の縦壁面部114を有する。また、保持ケース111は、例えば、樹脂により形成されており、前後方向に離反して対向し上面部112、下面部113、一対の縦壁面部114の各長辺部間に亘る一対の前端面部115aと後端面部115b(図9参照)を有する。
図7(b)は、冷媒導入口116と冷媒導出口118との位置関係を示すための模式図である。空気等の冷媒が冷媒導入口116から保持ケース111内に流入し、保持ケース111内を前後方向に亘って流通し、後部側の冷媒導出口118から流出される。
本一実施の形態において、蓄電モジュール40Aと蓄電モジュール40Bは、14個の二次電池セル101を有する構成であり、蓄電モジュール40Cは12個の電池セル有する構成となっている。
蓄電モジュール40Aと蓄電モジュール40Bの内部には、14個の二次電池セル101が配列されている。各二次電池セル101の正極および負極は、隣接する二次電池セル101の反対極性の負極および正極に導電部材191(図7(a)参照)により接続され、14個すべてが直列に接続されている。蓄電モジュール40Cは、図示はしないが、同様に、内部に配列された12個すべてが直列に接続されている。蓄電モジュール40A〜40Cそれぞれの最初の二次電池セル101と最後の二次電池セル101にそれぞれ外部引出し端子が接続されて、図5および図6に示す正極端子41A〜41Cと負極端子42A〜42Cに接続されている。
保持ケース111内で上下方向に並置された複数の二次電池セル101は、その中心軸が保持ケース111の左右に延在するようにケース111内に配置されている。
二次電池セル101は、複数個×複数段(本実施形態では5個×4個×5個の3段)に配列されている。すなわち、蓄電モジュール40A〜40Cは、保持ケース111内に、それぞれ、複数の二次電池セル101が配列されて構成される二次電池セル配列体103が、複数段に積層配置されている構成を有している。図8では、蓄電モジュール40Aまたは40Bの場合で図示されているが、蓄電モジュール40Cの場合には、例えば、4個×3段または5個×4個×3個の3段とされる。
後部保持枠部材121、中保持枠部材131の中保持枠131Rおよび131F、中保持枠部材132の中保持枠132Rおよび132F、前部保持枠141には、二次電池セル101の円筒部を嵌合する半円形の凹部137が設けられている。
アタッチメント150は、金属製、樹脂製、またはゴム製の板状部材である。図9に示すように、アタッチメント150には、冷媒導入口116に対応する位置に、複数の流通開口部151が形成されている。より詳細には、アタッチメント150は、冷媒導入口116の上下方向に配置した冷媒導入口116の面積より小さい複数の冷媒導入口116を有する。
上述したアタッチメント、すなわち、冷媒流通制御機構について詳細に説明する。
図9は、本発明の蓄電装置の一実施の形態を示す模式的断面図である。
蓄電装置1の蓄電ケース2内には、蓄電モジュール40が収容され、蓄電モジュール40の保持ケース111内には、複数個の二次電池セル101により構成された二次電池セル配列体103が複数段に収容されている。各二次電池セル101は、同じ段の隣接する二次電池セル101および隣接する段の二次電池セル配列体103の二次電池セル101と隙間を存して配置されている。
流通開口部151は、二次電池セル103Fに配列された5個の二次電池セル101に対応して5個、形成されている。すなわち、1個の二次電池セル101に対して1個の流通開口部151が配置されている。アタッチメント150は、保持ケース111への嵌めこみ、保持ケース111またはサイドカバー12の一方または両方に接着などにより固定することができる。
図10(a)、図10(b)は、それぞれ、アタッチメントの変形例を示す図である。
図10(a)に図示されたアタッチメント150Aは、流通開口部151Aを、上下方向に長い矩形形状としたものである。この変形例においては、各流通開口部151Aは、二次電池セル配列体103Fを構成する5個の二次電池セル101のすべて跨って配置されている。
また、図10(b)に図示されたアタッチメント150Bは、楕円形の流通開口部151Bを多数有するものである。図示の例では、流通開口部151Bは、2個と1個とを、上下方向に交互に配置されている。しかし、すべて同数としてもよい。
図10(a)、図10(b)に図示されたアタッチメント150A、150Bの流通開口部151A、151Bの形状、配列、面積は、単なる一例に過ぎない。流通開口部151の形状は、円形、六角形、八角形としたり、異なる形状の組み合わせとしたりすることができる。また、その配列や、ピッチ、面積なども適宜、選択することができる。
要は、流通開口部151は、
(i)アタッチメント150が冷媒導入口116側に配置されている場合は、冷媒導入口116の数よりも多い数を有し、各流通開口部151の面積が冷媒導入口116の面積より小さい、
(ii)アタッチメント150が冷媒導出口118側に配置されている場合は、冷媒導出口118の数よりも多い数を有し、各流通開口部151の面積が冷媒導出口118の面積より小さい、
のいずれかを満足すればよい。
(1)蓄電モジュール40の冷媒導入口116または冷媒導出口118の外側に、冷媒導入口116または冷媒導出口118より小さい面積を有する複数の流通開口部151を有するアタッチメント150を配設した。
空気等の冷媒は、アタッチメント150の流通開口部151でほぼ均等に配分され、多段に配列された各二次電池セル配列体103を構成する二次電池セル101のそれぞれを、それら温度が均等になるように冷却する。よって、二次電池セル101間の温度差が小さくなり、電池の性能を維持することが容易となる。
図11は、本発明の蓄電装置の実施形態2を示す要部分解斜視図である。
実施形態2の蓄電装置1は、実施形態1のアタッチメント150を省略し、蓄電ケース2の側壁31に冷媒流通制御機構として機能する開口150Cを設ける点に特徴を有する。
蓄電モジュール40A〜40Cの冷媒導出口118のそれぞれに対応して、蓄電ケース2の側壁31には、3箇所に冷媒流通制御機構150Cが設けられている。
各冷媒流通制御機構150Cは、冷媒導出口118より面積が小さい、複数の流通開口部151Cにより構成されている。
また、実施形態1と同様、冷媒流通制御機構150Cに形成される流通開口部151Cの形状、面積は、実施形態1と同様、適宜、変更することができる。
図12は、本発明の蓄電装置の実施形態3を示す要部分解斜視図であり、蓄電モジュール40A〜40Cと、蓄電モジュール40A〜40Cに固定される各アタッチメント150D〜150Fとの対応関係を示している。
各蓄電モジュール40A〜40Cの冷媒導入口116および/または冷媒導出口118に対応して、アタッチメント150D〜150Fが取り付けられる。アタッチメント150D〜150Fのそれぞれには、流通開口部151Dが形成されている。アタッチメント150D〜150Fに形成された流通開口部151Dの数は、アタッチメント150Dが最も番多く、アタッチメント150Eが次に多く、アタッチメント150Fが最も少ない。換言すれば、アタッチメント150D〜150Fに形成された流通開口部151Dの合計面積は、アタッチメント150D、150E、150Fの順に少なくなっている。すなわち、アタッチメント150D〜150Fの流通開口部151Dを通過する冷媒の流量は、アタッチメント150D、150E、150Fの順に小さくなる。
(4)蓄電モジュール40A〜40Cに取り付けられるアタッチメント150D〜150Fの流通開口部151Dの合計面積を異なるものとした。このため、蓄電モジュール40A〜40Cが配置される周囲の温度やダクトの位置等に応じて、アタッチメント150D〜150Fを介して蓄電モジュール40A〜40C内に流入する冷媒の流量を調整し、蓄電モジュール40A〜40C内の二次電池セル101の温度差を小さくすることができる。すなわち、異なる蓄電モジュール40内の二次電池セル101に対しても二次電池セル101の温度差を小さくすることが可能となる。
図13は、本発明の蓄電装置の実施形態4を示す模式的断面図である。
実施形態4は、アタッチメント150が蓄電ケース2のサイドカバー12の外側に配置されている点に特徴を有する。
蓄電装置1の蓄電ケース2内には、蓄電モジュール40が収容され、蓄電モジュール40の保持ケース111内には、複数個の二次電池セル101により構成された二次電池セル配列体103が複数段に収容されている。各二次電池セル101は、同じ段の隣接する二次電池セル101および隣接する段の二次電池セル配列体103の二次電池セル101と隙間を存して配置されている。
2 蓄電ケース
22 吸気口(流入口)
32 排気口(流出口)
40、40A、40B、40C 蓄電モジュール
101 二次電池セル(蓄電素子)
111 保持ケース(蓄電モジュールケース)
116 冷媒導入口
118 冷媒導出口
150、150A〜150F アタッチメント(冷媒流通制御機構)
151、151A〜151D 流通開口部
Claims (11)
- 蓄電モジュールケースと、前記蓄電モジュールケース内に複数段に配列され、且つ、各段に複数個が配列された複数の蓄電素子とを備え、前記蓄電モジュールケースにおける前記蓄電素子の長手方向に沿う一対の側部の一方に冷媒導入口が形成され、前記一対の側部の他方に冷媒導出口が形成された蓄電モジュールと、
前記蓄電モジュールを収容し、前記冷媒導入口に連通する流入口および前記冷媒導出口に連通する流出口を有する蓄電ケースと、
前記蓄電モジュールケースにおける前記冷媒導入口が形成された前記一対の側部の一方の外側または前記冷媒導出口が形成された前記一対の側部の他方の外側の少なくとも一方に配置された冷媒流通制御機構と、を備え、
前記冷媒流通制御機構は、
(i)前記冷媒流通制御機構が前記冷媒導入口の外側に配置されている場合は、前記冷媒導入口の数よりも多い数の流通開口部を有し、前記各流通開口部の面積は、前記冷媒導入口の面積より小さい、
(ii)前記冷媒流通制御機構が前記冷媒導出口の外側に配置されている場合は、前記冷媒導出口の数よりも多い数の流通開口部を有し、前記各流通開口部の面積は、前記冷媒導出口の面積より小さい、
上記(i)または(ii)を満足する、蓄電装置。 - 請求項1に記載の蓄電装置において、
前記蓄電モジュールケース内に配列された蓄電素子の段数は、各段に配列された蓄電素子の個数よりも小さい、蓄電装置。 - 請求項2に記載の蓄電装置において、
前記冷媒流通制御機構は、前記蓄電モジュールケースと前記蓄電ケースとの間に配置されている板状部材である、蓄電装置。 - 請求項2に記載の蓄電装置において、
前記冷媒流通制御機構は、前記蓄電ケースの外側に配置されている板状部材である、蓄電装置。 - 請求項3または4に記載の蓄電装置において、
前記冷媒流通制御機構の前記流通開口部は、
(i)前記冷媒流通制御機構が前記冷媒導入口の外側に配置されている場合は、前記流入口の数よりも多く、前記各流通開口部の面積は、前記流入口の面積より小さい、
(ii)前記冷媒流通制御機構が前記冷媒導出口の外側に配置されている場合は、前記流出口の数よりも多く、前記各流通開口部の面積は、前記流出口の面積より小さい、
上記(i)または(ii)を満足する、蓄電装置。 - 請求項2に記載の蓄電装置において、
前記冷媒流通制御機構は、前記蓄電ケースに形成されている、蓄電装置。 - 請求項1に記載の蓄電装置において、
前記蓄電素子は、円筒形二次電池セルである、蓄電装置。 - 請求項7に記載の蓄電装置において、
前記流通開口部は、前記1つの段に配列された複数の前記蓄電素子のそれぞれに対応して、少なくとも1つ配置されるように形成されている、蓄電装置。 - 請求項7に記載の蓄電装置において、
前記各流通開口部は、1つの段に配列された複数個の前記蓄電素子に跨って形成されている、蓄電装置。 - 請求項1に記載の蓄電装置において、
前記蓄電ケース内に前記蓄電モジュールが複数設けられ、前記冷媒流通制御機構は前記複数の蓄電モジュールのそれぞれに対して設けられ、
少なくとも1つの前記冷媒流通制御機構の前記流通開口部は、形状、面積、配置の少なくとも1つが、他の前記冷媒流通制御機構の前記流通開口部とは異なる、蓄電装置。 - 請求項10に記載の蓄電装置において、
前記蓄電ケースは、冷媒の取入口または取出口を有し、
前記取入口側または前記取出し口側に近い位置に収容された前記冷媒流通制御機構の前記流通開口部の合計面積は、前記取入口側または前記取出し口側から遠い位置に収容された前記冷媒流通制御機構の前記流通開口部の合計面積よりも小さい、蓄電装置。
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