JP6162140B2

JP6162140B2 - 車載用電池システム

Info

Publication number: JP6162140B2
Application number: JP2014544248A
Authority: JP
Inventors: 大隅　信幸; 信幸大隅; 中島　薫; 薫中島; 昭伸常定; 坂田　英樹; 英樹坂田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: JPWO2014068895A1; WO2014068895A1

Description

本発明は、車載用電池システムに関する。

一般に、内燃機関を駆動源とする車両には、スタータモータ等の各種電気負荷へ電力供給する鉛蓄電池が搭載されている。鉛蓄電池は、ニッケル蓄電池やリチウムイオン蓄電池等の高出力、高エネルギ密度の高性能蓄電池に比べて安価であるものの、頻繁な充放電に対する耐久性が低い。特にアイドルストップ機能を備える車両では、鉛蓄電池が頻繁に放電されることとなり早期劣化が懸念される。また、車両の回生エネルギによりオルタネータを発電させて充電する場合、鉛蓄電池が頻繁に充電されることになるため、早期劣化がより一層懸念される。これらの懸念に対し、鉛蓄電池を高性能蓄電池に置き換えるだけでは、大幅なコストアップを招く。

これに対し、オルタネータ等の発電機と、発電機で発生した電力を充電可能な鉛蓄電池と、鉛蓄電池に対して電気的に並列接続され、発電機で発生した電力を充電可能であり、かつ、鉛蓄電池に比べて出力密度又はエネルギ密度の高い第２蓄電池と、を備えた車載電池装置が知られている（特許文献１参照）。このように、鉛蓄電池に加えて高性能蓄電池である第２蓄電池を備えることで、鉛蓄電池の劣化抑制とコストダウンとの両立を図ることができる。すなわち、例えばアイドルストップ中における電気負荷への電力供給や回生充電は、高性能蓄電池が優先的に実施することで、鉛蓄電池の劣化軽減を図ることができる。一方、車両を駐車する場合等、長時間に亘って要求される電力供給は、安価な鉛蓄電池が優先的に実施することで、高性能蓄電池を小容量化してコストアップ抑制を図ることができる。

特開２０１１−１７６９５８号公報

本発明者らは、鋭意研究の結果、鉛蓄電池と補助電源としての蓄電部とを備える従来の車載用電池システムには、蓄電部の充放電効率の向上を図る上で改善の余地があることを見出した。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、車載用電池システムにおける蓄電部の充放電効率の向上を図る技術を提供することにある。

本発明のある態様は、車載用電池システムである。当該車載用電池システムは、鉛蓄電池、及び前記鉛蓄電池を収容する第１筐体を含む第１蓄電モジュールと、前記第１蓄電モジュールに隣接して配置され、前記鉛蓄電池よりエネルギ密度が高い蓄電部、及び前記蓄電部を収容する第２筐体を含む第２蓄電モジュールと、を備える。前記第２筐体は、前記第１蓄電モジュール側に配置される第１部分と、前記第１部分よりも前記第１蓄電モジュールから遠い側に配置される第２部分とを有する。前記第１部分は、前記第２部分に比べて熱伝導性が高い材料で構成される。

本発明によれば、車載用電池システムにおける蓄電部の充放電効率の向上を図る技術を提供することができる。

実施形態１に係る車載用電池システムを模式的に示す斜視図である。第２蓄電モジュールを模式的に示す斜視図である。実施形態１に係る車載用電池システムを含む電気ブロック図である。図３におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。実施形態２に係る車載用電池システムの第２蓄電モジュールを模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施形態１）
まず、本実施形態を具体的に説明する前に、基礎となった知見を説明する。本発明者は、鉛蓄電池と、高性能蓄電池を有する蓄電部とを備える車載用電池システムにおいて、蓄電部を、鉛蓄電池とともに車両のエンジンルーム内に設置することに思い至った。蓄電部をエンジンルーム内に配置することで、例えば蓄電部を車両の居住スペースに設置した場合に起こる、居住スペースの狭小化や、発電機であるオルタネータあるいは鉛蓄電池との配線接続の複雑化を抑制することができる。また、この構成により、蓄電部をオルタネータの傍に配置して配線を比較的短くすることができるため、配線抵抗による電気的なロスを軽減することができる。しかしながら、エンジンルーム内は比較的高温な環境であるため、蓄電部をエンジンルーム内に配置した場合、蓄電部の温度が上昇し、蓄電部の充放電効率が低下するおそれがある。特に、エンジンルームに蓄電部が配置される構成では、仮に送風ファンによって蓄電部に冷却用の風を送っても、冷却用の風が高温であるため、効率よく蓄電部を冷却することができないおそれがある。本出願人は、このような知見をもとに、本実施形態に係る車載用電池システムを開発するに至った。

図１は、実施形態１に係る車載用電池システムを模式的に示す斜視図である。図２は、第２蓄電モジュールを模式的に示す斜視図である。図３は、実施形態１に係る車載用電池システムを含む電気ブロック図である。図４は、図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、図２及び図４では、一部の配線の図示を省略し、第２蓄電モジュールの内部構造を破線で図示している。また、図４では、蓄電部を構成する蓄電池の内部構造の図示は省略している。

実施形態１に係る車載用電池システムは、内燃機関を駆動源とする車両に搭載される電池システムである。当該車両は、停止すると内燃機関が自動的に停止し、ブレーキペダルを離すなどの発進動作を行うと内燃機関が再始動するアイドリングストップ機能を有することが好ましい。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る車載用電池システム１は、第１蓄電モジュール１０と、第２蓄電モジュール２０と、を備える。第１蓄電モジュール１０は、鉛蓄電池１２（図３参照）、及び鉛蓄電池１２を収容する第１筐体１４を含む。鉛蓄電池１２は、周知の鉛蓄電池のセルがケースに収容された従来公知の鉛蓄電池であり、その構造は特に限定されない。具体的には、鉛蓄電池１２を構成する単セルでは、負極活物質として鉛、正極活物質として二酸化鉛が用いられ、電解液として硫酸が用いられる。鉛蓄電池１２は、複数の当該単セルを電気的に直列接続することで構成される。

第２蓄電モジュール２０は、鉛蓄電池１２よりエネルギ密度（Ｗｈ／ｋｇ）が高い蓄電部２２、及び蓄電部２２を収容する第２筐体２４を含む。蓄電部２２のようなエネルギ密度の高い電池は、相対的に見て小さな筐体に高いエネルギを蓄電することになる。そのため、エネルギ密度の低い電池と比べて放熱性が低いという特徴がある。

蓄電部２２は、例えばリチウムイオン蓄電池や水素電池等で構成されている。例えば、蓄電部２２を構成する蓄電池がリチウムイオン蓄電池である場合、蓄電池は周知のリチウムイオン蓄電池のセル構造であればよく、特に限定されない。例えば、リチウムイオン蓄電池を構成する単セルでは、正極活物質としてコバルト酸リチウムなどのリチウム金属酸化物、負極活物質としてカーボンなどの炭素材料が用いられ、電解液として炭酸エチレン、炭酸プロピレンなどの有機電解液が用いられる。リチウムイオン蓄電池は、複数の当該単セルを電気的に直列接続することで構成される。本実施形態の蓄電部２２は、１０個の円筒形の蓄電池２３で構成されている。なお、蓄電池２３の個数や形状、配置は特に限定されない。例えば、蓄電池２３の形状は角形であってもよい。

各蓄電池２３は、配線２６により互いに電気的に直列接続されて、第２筐体２４内に収容されている。第２筐体２４の上部において配線２６の一部が露出して、負極端子２８ａを形成している。また、第２筐体２４の上部において配線２６の一部が露出して、正極端子２８ｂを形成している。第２筐体２４の周縁部には、ねじ等の締結部材（図示せず）が挿通される貫通孔３０が設けられている。この貫通孔３０に締結部材が挿通されることで、第２蓄電モジュール２０が第１蓄電モジュール１０に固定される。なお、第１蓄電モジュール１０と第２蓄電モジュール２０の固定方法は、特にこれに限定されない。

図３に示すように、車載用電池システム１の鉛蓄電池１２及び蓄電部２２は、回生エネルギを電力に変換するオルタネータ２３０（発電部）、スタータモータ２４０及び車両側電装ユニット２５０に対して電気的に並列に接続されている。この他、車載用電池システム１は、電圧検出回路１２２、ＣＰＵ１２４及び制御回路１２６を有する。第１蓄電モジュール１０、第２蓄電モジュール２０及びオルタネータ２３０は、車両のエンジンルーム１０２内に配置されている。電圧検出回路１２２は、蓄電部２２の電圧を検出する。ＣＰＵ１２４は、電圧検出回路１２２によって検出された電圧や、車両の運転状況に応じて、制御回路１２６にスイッチ類（スイッチ９０、９２）のオンオフを指示する。制御回路１２６は、ＣＰＵ２４１からの指示に従って、スイッチ類のオンオフを実行する。例えば、電圧検出回路１２２、ＣＰＵ１２４及び制御回路１２６は、第２蓄電モジュール２０に組み込まれている。

スイッチ９０は、蓄電部２２と車両側電装ユニット２５０との間の分岐点Ａ１と、鉛蓄電池１２とオルタネータ２３０との間の分岐点Ａ２との間に設置されており、スイッチ９０のオンオフにより、蓄電部２２とオルタネータ２３０との間の通電、遮断が切り替えられる。スイッチ９２は、分岐点Ａ１と蓄電部２２との間に設けられており、スイッチ９２のオンオフにより、蓄電部２２とスイッチ９０及び車両側電装ユニット２５０との間の通電、遮断が切り替えられる。

オルタネータ２３０は、クランク軸の回転エネルギを電力に変換する。スタータモータ２４０は、内燃機関の始動時にクランク軸を回転させるモータである。スタータモータ２４０は、分岐点Ａ２とオルタネータ２３０との間の分岐点Ａ３に接続されている。分岐点Ａ３とスタータモータ２４０との間にスイッチ９４が設けられている。スイッチ９４のオンオフにより、鉛蓄電池１２若しくは蓄電部２２からスタータモータ２４０への通電、遮断が切り替えられる。スイッチ９４のオンオフは図示しないＥＣＵによって制御される。

車両側電装ユニット２５０は、ナビゲーションシステムやオーディオ機器などのように、供給電力の電圧が安定していることが要求される電気負荷やヘッドライト、ワイパ、空調装置の送風ファンなどの一般的な電気負荷である。

（回生充電時）
車両の減速時に生じる回生エネルギにより、鉛蓄電池１２及び蓄電部２２を充電する場合には、スイッチ９０がオンにされる。鉛蓄電池１２は回生エネルギが生じている間、逐次充電が行われ、満充電に近い状態に保たれる。一方、電圧検出回路１２２によって検出された蓄電部２２の電圧が所定の下限電圧より低くなっている場合にスイッチ９２がオンにされ、スイッチ９２がオンにされている間に蓄電部２２が充電される。なお、回生エネルギによる充電動作時には、スイッチ９４はオフにされ、スタータモータ２４０は放充電回路から切り離される。

（通常放電時）
上述した回生エネルギによる充電動作時以外のエンジン運転時には、スイッチ９０、スイッチ９４がともにオフにされる。一方、電圧検出回路１２２によって検出された蓄電部２２の電圧が所定の下限電圧以上である場合には、スイッチ９２がオンにされ、蓄電部２２の電力が車両側電装ユニット１５０に供給される。

（アイドルストップ時およびスタータモータ作動時）
エンジンが自動停止されたアイドルストップ時及びエンジンが始動する際のスタータモータ作動時では、スイッチ９４がオンにされ、スイッチ９０がオフにされる。また、スイッチ９２はオンにされる。これにより、蓄電部２２及び車両側電装ユニット２５０はオルタネータ２３０及びスタータモータ２４０から切り離され、蓄電部２２からスタータモータ２４０への放電が生じることが防止される。この状態で、電圧検出回路１２２によって検出された蓄電部２２の電圧が所定の下限電圧以上である場合には、スイッチ９２がオンにされ、蓄電部２２の電力が車両側電装ユニット２５０に供給される。

続いて、第２蓄電モジュール２０の第２筐体２４の構造について詳細に説明する。図１，２及び４に示すように、第２蓄電モジュール２０は、第１蓄電モジュール１０に隣接して配置されている。そして、第２蓄電モジュール２０の第２筐体２４は、第１蓄電モジュール１０側に配置される第１部分２４ａと、第１部分２４ａよりも第１蓄電モジュール１０から遠い側に配置される第２部分２４ｂとを有する。本実施形態では、第１部分２４ａ及び第２部分２４ｂは、それぞれ扁平な直方体形状であり、互いの主表面が当接するように配置されて第２筐体２４が形成されている。したがって、第２筐体２４は扁平な直方体形状を有し、その一方の主表面と側面の一部が第１部分２４ａで構成され、他方の主表面と側面の残部が第２部分２４ｂで構成される。

第２部分２４ｂと接する側の第１部分２４ａの主表面には、蓄電部２２を構成する蓄電池２３に応じた数の凹部３２ａが設けられている。また、第１部分２４ａと接する側の第２部分２４ｂの主表面には、蓄電池２３に応じた数の凹部３２ｂが設けられている。凹部３２ａ及び凹部３２ｂは、第１部分２４ａと第２部分２４ｂとが当接した状態で互いに対向するように配置されており、凹部３２ａ及び凹部３２ｂによって蓄電池２３の収容空間が形成される。

第２筐体２４の第１部分２４ａは、第２部分２４ｂに比べて熱伝導性が高い材料で構成される。すなわち、第１部分２４ａは第２部分２４ｂに比べて放熱性が高く、第２部分２４ｂは第１部分２４ａに比べて断熱性が高い。第２部分２４ｂを構成する材料としては、ポリカーボネート、ポリプロピレン、フェノール樹脂等が挙げられる。

第１部分２４ａを構成する材料としては、例えば樹脂に熱伝導率の高いフィラーを充填したものを用いることができる。このような材料としては、例えば上述した第２部分２４ｂの構成材料である樹脂に銅やアルミニウム等の金属フィラーを充填したもの等が挙げられる。なお、第１部分２４ａを構成する材料は、鉛蓄電池１２と蓄電部２２との間の絶縁を確保できる材料であることが好ましい。また、熱伝導率は、レーザーフラッシュ法等の従来公知の方法によって測定することができる。

本実施形態では、蓄電部２２よりも第１蓄電モジュール１０に近い側に放熱性の高い第１部分２４ａが配置され、蓄電部２２よりも第１蓄電モジュール１０から遠い側に断熱性の高い第２部分２４ｂが配置されている。

このように、第１蓄電モジュール１０に近い側に配置される第１部分２４ａの放熱性を、第１蓄電モジュール１０から遠い側に配置される第２部分２４ｂの放熱性よりも高くすることで、蓄電部２２の充放電によって発生する熱を、第１部分２４ａを介して第１蓄電モジュール１０に効率よく伝達させることができる。第１蓄電モジュール１０は熱容量が比較的大きい。そのため、放熱性の高い第１部分２４ａを第１蓄電モジュール１０側に配置して、第１蓄電モジュール１０を蓄電部２２の冷却に利用することで、第２蓄電モジュール２０の冷却効率を高めることができる。

一方、第１蓄電モジュール１０から遠い側に配置される第２部分２４ｂの断熱性を、第１蓄電モジュール１０に近い側に配置される第１部分２４ａの断熱性よりも高くすることで、外部環境から蓄電部２２への伝熱を抑制することができる。特に、車載用電池システム１をエンジンルーム１０２内に配置した場合、エンジンルーム１０２内は比較的高温である。そのため、断熱性の高い第２部分２４ｂを第１蓄電モジュール１０から遠い側、すなわちエンジンルーム１０２の雰囲気側に配置することで、蓄電部２２の温度上昇を抑制することができる。

第１部分２４ａは、少なくとも一部が第１蓄電モジュール１０と直に接することが好ましい。本実施形態の第２蓄電モジュール２０では、第１部分２４ａで構成される第２筐体２４の一方の主表面全体が第１蓄電モジュール１０と直に接している。第１部分２４ａが第１蓄電モジュール１０に直に接することで、蓄電部２２で発生した熱を第１蓄電モジュール１０により伝達させやすくすることができる。また、本実施形態の車載用電池システム１では、第１蓄電モジュール１０が直方体形状であり、第１蓄電モジュール１０の一方の主表面全体に、第２筐体２４の主表面全体が接している。すなわち、第１蓄電モジュール１０の主表面の面積と第２筐体２４の主表面の面積とが一致している。これにより、蓄電部２２の冷却媒体としての第１蓄電モジュール１０の利用効率を高めることができる。

なお、第１部分２４ａは、少なくとも一部が第１蓄電モジュール１０と、第２部分２４ｂよりも熱伝導性の高い他の部材を介して接してもよい。この場合にも、蓄電部２２と第２筐体２４とが空間を隔てて配置されている場合や、第２筐体２４の表面全体が第２部分２４ｂで構成されている場合に比べて、蓄電部２２の熱を第１蓄電モジュール１０に伝達させやすくすることができる。

第２筐体２４の表面のうち、第１蓄電モジュール１０と接する領域には凹凸が設けられていることが好ましい。第２筐体２４の表面に凹凸を設けることで、第１蓄電モジュール１０と第２筐体２４との接触面積を大きくすることができる。その結果、蓄電部２２の冷却効率をより高めることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る車載用電池システム１において、第２蓄電モジュール２０は、第１部分２４ａと、第２部分２４ｂとを含む第２筐体２４を有する。第１部分２４ａは第１蓄電モジュール１０側に配置され、第２部分２４ｂは第１部分２４ａよりも第１蓄電モジュール１０から遠い側に配置される。そして、第１部分２４ａは、第２部分２４ｂに比べて熱伝導性が高い材料で構成されている。すなわち、第２筐体２４の第１蓄電モジュール１０と接触する面が放熱性の高い第１部分２４ａで構成され、第２筐体２４の第１蓄電モジュール１０と接触しない面の少なくとも一部が断熱性の高い第２部分２４ｂで構成されている。

これにより、熱容量の大きい第１蓄電モジュール１０を、第２蓄電モジュール２０の蓄電部２２の冷却に効率よく利用することができる。そのため、蓄電部２２の温度上昇を抑制して蓄電部２２の充放電効率を高めることができる。また、車載用電池システム１を、エンジンルーム１０２等の高温環境下に置いた場合であっても、外部から第２蓄電モジュール２０の内部への伝熱を抑制することができる。そのため、温度上昇による蓄電部２２の充放電性能の低下を抑制することができる。そして、これらの結果、車載用電池システム１の充放電性能の安定化を図ることができる。また、車載用電池システム１を使用可能な温度範囲を拡大できるため、車載用電池システム１の設置自由度を高めることができる。また、第１蓄電モジュール１０、第２蓄電モジュール２０及びオルタネータ２３０がエンジンルーム１０２内に配置されているため、例えば第２蓄電モジュール２０がエンジンルーム１０２外に配置される構成に比べて、各部を接続する配線の短縮化を図ることができる。これにより、配線抵抗による電気的なロスを軽減することができる。

（実施形態２）
実施形態２に係る車載用電池システムは、第２筐体の第１部分及び第２部分の形状が異なる点を除き、実施形態１に係る車載用電池システムの構成と共通する。以下、実施形態２に係る車載用電池システムについて実施形態１と異なる構成を中心に説明する。

図５は、実施形態２に係る車載用電池システムの第２蓄電モジュールを模式的に示す断面図である。なお、図５では、一部の配線の図示を省略し、第２蓄電モジュールの内部構造を破線で図示している。また、蓄電部を構成する蓄電池の内部構造の図示は省略している。

本実施形態に係る車載用電池システム１において、第２蓄電モジュール２０の第２筐体２４は、第１蓄電モジュール１０側に配置される第１部分２４ａと、第１部分２４ａよりも第１蓄電モジュール１０から遠い側に配置される第２部分２４ｂとを含む。本実施形態では、第２部分２４ｂが扁平な直方体形状である平板部２４ｂ１と、平板部２４ｂ１の一方の主表面の周縁部から、主表面に対して垂直な方向に突出する枠部２４ｂ２とを有する。平板部２４ｂ１の一方の主表面の中央部と、枠部２４ｂ２の内周面とで、第１部分２４ａの収容空間３４が形成される。第１部分２４ａは、第２部分２４ｂよりも一回り小さい扁平な直方体形状であり、第２部分２４ｂの収容空間３４に収容される。収容空間３４に収容された状態で、第１部分２４ａの側面と枠部２４ｂ２の内周面とが当接する。

したがって、第２筐体２４は、扁平な直方体形状を有し、その一方の主表面と側面が第２部分２４ｂで構成される。また、他方の主表面の周縁部が第２部分２４ｂで構成され、残りの部分が第１部分２４ａで構成される。そして、第２蓄電モジュール２０は、第１部分２４ａが露出する側の第２筐体２４の主表面が第１蓄電モジュール１０側を向くように配置される（図１参照）。したがって、本実施形態の第２蓄電モジュール２０では、第２筐体２４の表面は、第１蓄電モジュール１０と接する領域を除いて、第２部分２４ｂで構成されている。言い換えれば、第２筐体２４は、外部の雰囲気に曝される表面全体が第２部分２４ｂで構成されている。

これにより、第２筐体２４の側面の一部が第１部分２４ａで構成される実施形態１に比べて、外部から蓄電部２２への熱の伝達をより一層抑制することができる。そのため、蓄電部２２の充放電性能の低下をより抑制することができ、車載用電池システム１の充放電性能のさらなる安定化を図ることができる。

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。また、上述した各実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の範囲に含まれうる。

上述の各実施形態では、蓄電部２２は蓄電池２３を有するが、特にこれに限定されない。例えば、蓄電部２２は、電気二重層コンデンサ等のコンデンサ（キャパシタ）であってもよい。また、上述の各実施形態の車載用電池システム１は、発電部としてのオルタネータ２３０を構成に含んでいないが、特にこれに限定されない。例えば、車載用電池システム１は、オルタネータ２３０を構成として備えてもよい。

１車載用電池システム、１０第１蓄電モジュール、１２鉛蓄電池、１４第１筐体、２０第２蓄電モジュール、２２蓄電部、２４第２筐体、２４ａ第１部分、２４ｂ第２部分。

Claims

鉛蓄電池、及び前記鉛蓄電池を収容する第１筐体を含む第１蓄電モジュールと、
前記第１蓄電モジュールに隣接して配置され、前記鉛蓄電池よりエネルギ密度が高い蓄電部、及び前記蓄電部を収容する第２筐体を含む第２蓄電モジュールと、
を備え、
前記第２筐体は、前記第１蓄電モジュール側に配置される第１部分と、前記第１部分よりも前記第１蓄電モジュールから遠い側に配置される第２部分とを有し、
前記第１部分は、前記第２部分に比べて熱伝導性が高い材料で構成されることを特徴とする車載用電池システム。
前記第１部分は、少なくとも一部が前記第１蓄電モジュールと直に又は前記第２部分よりも熱伝導性の高い他の部材を介して接する請求項１に記載の車載用電池システム。
前記第２筐体の表面は、前記第１蓄電モジュールと直に又は前記他の部材を介して接する領域を除いて、前記第２部分で構成される請求項２に記載の車載用電池システム。
前記鉛蓄電池及び前記蓄電部は、回生エネルギを電力に変換する発電部に対して電気的に並列に接続される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車載用電池システム。
回生エネルギを電力に変換し、前記鉛蓄電池と前記蓄電部を充電する前記発電部を備える請求項４に記載の車載用電池システム。
前記第１蓄電モジュール、前記第２蓄電モジュール及び前記発電部は、車両のエンジンルーム内に配置される請求項４又は５に記載の車載用電池システム。