JP7155168B2 - 電源装置及び電源装置を備える電動車両 - Google Patents

電源装置及び電源装置を備える電動車両 Download PDF

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Description

本発明は、複数の電池セルを冷却プレートに熱結合して冷却する電源装置及びこの電源装置を備える電動車両に関する。
ハイブリッドカーや電気自動車等の車両に搭載されて、走行モータに電力を供給する大電力の電源装置は、充放電の電流が大きく、また種々の外的条件で使用されることから、電池ユニットを構成する電池セルの温度が上昇することがある。電池セルの温度上昇は、電池セルの寿命を低下させる原因となる。電池セルの温度上昇を抑制するための冷却機構を備えた電源装置が開発されている。（特許文献１参照）
特許文献１に記載する電源装置は、複数の電池セルを冷却プレートに熱結合して、電池セルの熱エネルギーを冷却プレートに伝熱して放熱する。冷却プレートは、冷媒通路を循環する冷媒を介して強制的に冷却されて、電池セルから伝導される熱エネルギーを放熱する。冷媒には水や不凍液などの冷却水が使用され、これを外部で冷却して冷却プレートを冷却する。
特開２０１２－９４３７６号公報
冷却プレートに熱結合して電池セルの熱エネルギーを放熱する電源装置は、冷却プレートを循環する冷媒で冷却し、冷却された冷却プレートで電池セルを冷却する。この構造の電源装置は、正常な使用状態において、発熱する電池セルを冷却して各々の電池セルを好ましい温度範囲に維持できる。ただ、この電源装置は、冷却プレートに冷媒を循環していない状態、たとえば、車両の停車時などの電源装置が起動されていない状態において、電池セルの熱暴走の連鎖を効果的に阻止することができない。
本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の目的の一つは、電源装置が起動されていない状態においても熱暴走の連鎖を効果的に阻止して、高い安全性を保障できる技術を提供することにある。
本発明のある態様の電源装置は、複数の電池セル１と、各々の電池セル１に熱結合してなる冷媒通路８を設けてなる冷却プレート３と、冷却プレート３の冷媒通路８に冷媒を循環する循環器９とを備えている。冷却プレート３は、片面を電池セル１に熱結合しており、冷媒通路８は、冷媒の流入側と排出側とに連結してなる縦冷媒通路８Ａと、縦冷媒通路８Ａを並列に連結してなる横冷媒通路８Ｂとを備え、縦冷媒通路と横冷媒通路は碁盤格子状に連結されてなり、冷却プレート３が、縦冷媒通路８Ａと横冷媒通路８Ｂの両方に冷媒を流して冷却する構造としている。
本発明の他の態様の電源装置は、複数の電池セル１と、各々の電池セル１に熱結合してなる冷媒通路８を設けてなる冷却プレート３と、冷却プレート３の冷媒通路８に冷媒を循環する循環器９とを備えている。冷却プレート３は、少なくとも片面を電池セル１に熱結合しており、冷媒通路８は、電池セル１との熱結合部分に突出部３７、３８を設けており、突出部３７、３８の表面に沿って冷媒を流して冷却する構造としている。
本発明の他の態様の電源装置は、複数の電池セル１と、各々の電池セル１に熱結合してなる冷媒通路８を設けてなる冷却プレート３と、冷却プレート３の冷媒通路８に冷媒を循環する循環器９とを備えている。冷却プレート３は、少なくとも片面を電池セル１に熱結合しており、冷媒通路８は、電池セル１との熱結合部分に傾斜面３９を設けており、傾斜面３９に沿って冷媒を流して冷却する構造としている。
さらに、以上の態様の構成を備えた電源装置を装備してなる電動車両は、電源装置１００と、電源装置１００から電力供給される走行用のモータ９３と、電源装置１００及びモータ９３を搭載してなる車両本体９０と、モータ９３で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。
以上のある態様の電源装置は、電源装置が起動されていない状態において、何れかの電池セルが熱暴走しても、熱暴走の連鎖を確実に阻止して高い安全性を確保できる特徴がある。それは、以上の電源装置が、電池セルに熱結合している冷却プレートに設けている冷媒通路に、冷媒の流入側と排出側とに連結してなる縦冷媒通路に加えて、縦冷媒通路を並列に連結する横冷媒通路を設けて、縦冷媒通路と横冷媒通路の両方に冷媒を流して冷却プレートを冷却するからである。とくに、以上の電源装置は、電池を充放電しない状態、車両に搭載される電源装置にあっては、車両を走行させない状態で電池セルが熱暴走しても、熱暴走の連鎖を効果的に阻止できる特徴がある。それは、以上の電源装置が、冷却プレートの内部に縦冷媒通路に横冷媒通路を設けているので、何れかの電池セルが熱暴走して異常に温度が高くなると、熱暴走した電池セルが冷却プレートを局部的に加熱し、加熱された冷媒が縦冷媒通路あるいは横冷媒通路に流れて自己循環するからである。とくに、加熱部分で冷媒が沸騰して気化すると、大きな気化熱で冷却プレートが冷却され、さらに気化した冷媒の体積が１０００倍にも膨張して加熱部分から速やかに押し出される。熱部分から押し出された冷媒は、沸点よりも低い領域に流れて液化して放熱する。液化された冷媒は加熱部分に環流して加熱部分を再び冷却する。この状態で、自己循環する冷媒は、熱暴走した電池セルの熱結合している加熱部分を気化熱で冷却し、さらに加熱部分の熱を加熱部分から離れた領域で放熱して液化し、気化と液化を繰り返して自己循環しながら熱暴走の連鎖を防止する。
さらに、以上の他の態様の電源装置は、電源装置が起動されていない状態において、何れかの電池セルが熱暴走しても、熱暴走の連鎖を確実に阻止して高い安全性を確保できる特徴がある。それは、電池セルに熱結合している冷却プレートに設けている冷媒通路が、電池セルとの熱結合部分に突出部又は傾斜面を設けており、突出部の表面に沿って、あるいは傾斜面に沿って冷媒を流して冷却するからである。とくに、以上の電源装置は、電池を充放電しない状態、車両に搭載される電源装置にあっては、車両を走行させない状態で電池セルが熱暴走しても、熱暴走の連鎖を効果的に阻止できる特徴がある。それは、冷却プレートの内部に設けた冷媒通路に突出部又は傾斜面を設けているので、何れかの電池セルが熱暴走して異常に温度が高くなると、熱暴走した電池セルが冷却プレートを局部的に加熱し、加熱された冷媒が突出部の表面又は傾斜面に沿って流動することにより、冷媒通路の内部において自己循環するからである。
本発明の一実施の形態にかかる電源装置の概略斜視図である。 図１に示す電源装置の電池ユニットの一例を示す斜視図である。 図２に示す電池ユニットの分解斜視図である。 冷却プレートと循環器の一例を示す水平断面図である。 熱暴走した電池セルに熱結合している冷却プレートの拡大縦断面図である。 冷却プレートの他の一例を示す拡大縦断面図である。 冷却プレートの他の一例を示す拡大縦断面図である。 冷却プレートの他の一例を示す拡大縦断面図である。 冷却プレートの他の一例を示す拡大縦断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる電源装置の概略構成図である。 本発明の他の実施の形態にかかる電源装置の概略断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる電源装置の概略斜視図である。 本発明の他の実施の形態にかかる電源装置の概略正面図である。 冷却プレートの連結端とクーラントパイプとの連結構造を示す拡大断面図である。 エンジンとモータで走行するハイブリッド自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。
まず、本発明の一つの着目点について説明する。冷却プレートに熱結合して電池セルの熱エネルギーを放熱する電源装置は、冷却プレートを循環する冷媒で冷却し、冷却された冷却プレートで電池セルを冷却する。とくに、多数の電池セルを冷却プレートに熱結合して冷却する電源装置は、電池セルの熱エネルギーを効率よく放熱できると共に、大容量、大出力の電源装置として多用されることから、電池セルにも高性能なリチウムイオン二次電池などが使用される。この種の電池セルは、熱暴走すると異常な高温となるので、熱暴走の連鎖を阻止することは、安全性を確保することから極めて大切である。とくに、この電源装置は、冷却プレートに冷媒を循環していない状態、たとえば、車両の停車時などの電源装置が起動されていない状態において、電池セルの熱暴走の連鎖を阻止することは極めて大切である。この状態において、循環ポンプで冷媒が強制的に冷却プレートに循環されず、熱暴走した電池の熱エネルギーを循環する冷媒では冷却できないからである。電池セルの熱暴走は、電源装置の使用状態には特定されず、電池セルが充放電されない状態での発生をも皆無にはできない。
隣接する電池セルを冷却プレートに熱結合している電源装置は、電池セルの熱エネルギーを冷却プレートに伝導して放熱するが、冷却プレートには隣接する電池セルを熱結合しているので、熱暴走した電池セルの熱エネルギーが冷却プレートを介して隣接する電池セルに伝導されるが、この熱伝導経路は、隣接する電池セルの熱暴走の連鎖する原因となる。とくに、冷却プレートに冷媒を循環していない状態、すなわち電源装置を充放電していない状態で、いずれかの電池セルが熱暴走すると、冷却プレートは冷媒で強制冷却されないので、熱暴走した電池セルの熱エネルギーが隣接する電池セルに伝導されて熱暴走を連鎖する確率が高くなる。以上の実情に鑑みて、電源装置は、電源装置が起動されていない状態においても熱暴走の連鎖を効果的に阻止して、高い安全性を保障することが重要である。
本発明のある態様の電源装置は、以下の構成により特定されてもよい。電源装置は、複数の電池セル１と、各々の電池セル１に熱結合してなる冷媒通路８を設けてなる冷却プレート３と、冷却プレート３の冷媒通路８に冷媒を循環する循環器９とを備えている。冷却プレート３は、少なくとも片面を電池セル１に熱結合しており、冷媒通路８は、冷媒の流入側と排出側とに連結してなる縦冷媒通路８Ａと、縦冷媒通路８Ａを並列に連結してなる横冷媒通路８Ｂとを備え、冷却プレート３が、縦冷媒通路８Ａと横冷媒通路８Ｂの両方に冷媒を流して冷却する構造としている。
電源装置は、縦冷媒通路８Ａと横冷媒通路８Ｂとを碁盤格子状に連結する構成としてもよい。
本発明の他の態様の電源装置は、複数の電池セル１と、各々の電池セル１に熱結合してなる冷媒通路８を設けてなる冷却プレート３と、冷却プレート３の冷媒通路８に冷媒を循環する循環器９とを備えている。冷却プレート３は、少なくとも片面を電池セル１に熱結合しており、冷媒通路８は、電池セル１との熱結合部分に突出部３７、３８を設けており、この突出部３７、３８の表面に沿って冷媒を流して冷却する構造としている。
本発明の他の態様の電源装置は、複数の電池セル１と、各々の電池セル１に熱結合してなる冷媒通路８を設けてなる冷却プレート３と、冷却プレート３の冷媒通路８に冷媒を循環する循環器９とを備えている。冷却プレート３は、少なくとも片面を電池セル１に熱結合しており、冷媒通路８は、電池セル１との熱結合部分に傾斜面３９を設けており、この傾斜面３９に沿って冷媒を流して冷却する構造としている。
電源装置は、電池セル１を角形電池セルとし、角形電池セルの底面１Ａと側面１Ｂの何れか又は両方を冷却プレート３に熱結合状態に固定する構成としてもよい。
さらに、ある態様にかかる電源装置を装備してなる電動車両によれば、電源装置１００と、電源装置１００から電力供給される走行用のモータ９３と、電源装置１００及びモータ９３を搭載してなる車両本体９０と、モータ９３で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施形態１）
図１の概略構成図に示す電源装置１００は、複数の電池セル１からなる電池ユニット２と、この電池ユニット２の各々の電池セル１に熱結合状態に固定されて電池セル１の熱エネルギーを放熱する冷却プレート３とを備える。
（電池ユニット２）
電池ユニット２は、図２及び図３に示すように、複数の電池セル１を積層してなる電池積層体７の両端面にエンドプレート４を配置して、一対のエンドプレート４を連結具５で連結している。連結具５は、両端をエンドプレート４に固定して、積層している電池セル１を押圧状態に固定している。図の電池セル１は角形電池である。電池積層体７は、間に絶縁材のセパレータ６を挟んで角形電池の電池セル１を厚さ方向に積層している。電池セル１は、リチウムイオン二次電池である。ただし、電池セルは、リチウムイオン二次電池には特定されず、ニッケル水電池セルなどの充電できる全ての電池とすることができる。
（電池セル１）
電池セル１は、正負の電極板を積層している電極体（図示せず）を外装缶に収納して電解液を充填して気密に密閉している。外装缶は、開口部を封口板で気密に閉塞している。外装缶は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属板を深絞り加工したもので、封口板は正負の電極端子１１を絶縁して固定している。金属製の外装缶は熱伝導がよく、電池ユニット２の底面２Ａ又は側面２Ｂを熱結合面として冷却プレート３の表面に熱結合状態に固定している。
（セパレータ６）
セパレータ６は、プラスチック等の絶縁材で成形しており、互いに積層される電池セル１同士を絶縁状態に積層している。このセパレータ６は、各々の電池セル１の間に挟着されて、隣接する電池セル１を絶縁する。電池ユニット２は、積層している電池セル１の電極端子１１にバスバー１２を固定して、バスバー１２でもって電池セル１を直列に接続し、あるいは複数の電池セル１を並列に接続したものを直列に接続している。電池ユニット２は、電池セル１を互いに直列に接続して出力電圧を高くして出力を大きくでき、隣接する電池セル１を並列に接続して、充放電の電流を大きくできる。
電源装置１００は、電池ユニット２の底面２Ａ又は側面２Ｂの何れか又は両方に冷却プレート３を配置して、冷却プレート３の熱エネルギーを放熱して電池ユニット２の温度上昇を制限する。図１に示す電源装置１００は、電池ユニット２の底面２Ａに冷却プレート３を配置している。電源装置は、電池ユニットの間に垂直姿勢の冷却プレートを配置し、また、電池ユニットの間と底面の両方に冷却プレートを配置して、電池セルの熱エネルギーを放熱することもできる。図１の電源装置は、電池セル１を正立して上面に電極端子１１を配置するが、電池セルを横倒しに配置し、あるいは上下反転して配置して、電池ユニットの底面や電池ユニットの間に冷却プレートを配置することもできる。
（冷却プレート３）
冷却プレート３は、各々の電池セル１の底面１Ａや側面１Ｂに熱結合状態に固定されて、各電池セル１の熱エネルギーを放熱する。冷却プレート３は、図４に示すように、内部に設けた冷媒通路８に冷媒を循環させて強制的に冷却される。冷媒には冷却水が使用される。冷却水は凍結温度を低くするために、アルコールなどを混合している不凍液が使用される。ただし、冷媒には、電池セル１の発熱温度で気化する他の液体も使用できる。冷却プレート３は、内部に冷媒を循環させる冷媒通路８を設けている。
図４は、内部に設けた冷媒通路８を示す冷却プレート３の水平断面図であって、電池セル１の外形を鎖線で示している。この図の冷媒通路８は、冷媒の流入側と排出側とに連結している複数の縦冷媒通路８Ａと、隣接する縦冷媒通路８Ａを並列に連結している横冷媒通路８Ｂとを備える。この冷却プレート３は、冷媒通路８の流入側に流入される冷媒を、縦冷媒通路８Ａを通過して排出側に流して排出する。この冷媒通路８は、冷媒を縦冷媒通路８Ａのみに流すことなく、縦冷媒通路８Ａに流れる冷媒を、横冷媒通路８Ｂを介して隣の縦冷媒通路８Ａに流すことができる。
横冷媒通路８Ｂは、特定の電池セル１が異常に温度上昇した状態、たとえば、特定の電池セル１が熱暴走して電池セル１の温度が数１００℃以上と極めて高くなる状態で、冷媒を速やかに流動させて、温度上昇した電池セル１の熱エネルギーを効率よく放熱する。冷却プレート３において、このことは極めて大切である。特定の電池セル１が熱暴走して隣の電池セル１を加熱することが、多数の電池セル１の熱暴走の連鎖の原因となるからである。多数の電池セル１に熱暴走が連鎖されると、発生する熱エネルギーが極めて増大する。この弊害は、熱暴走した電池セル１が瞬時的に発生する熱エネルギーを、冷却プレート３で効率よく放熱して防止できる。熱暴走した電池セル１が瞬時的に発生する過大な熱エネルギーを冷却プレート３で効率よく放熱するには、冷媒を速やかに流動させることが大切である。冷却プレート３が冷媒で強制冷却されるからである。とくに、循環ポンプ２１が停止される状態で電池セル１が熱暴走して瞬時的に発生する熱エネルギーを効率よく放熱することが大切である。循環ポンプ２１が停止される状態で、冷媒が強制的に循環されないからである。
横冷媒通路８Ｂを設けた冷却プレート３は、冷媒が強制的に循環される状態のみでなく、循環ポンプ２１が停止して冷媒が強制的に循環されない状態において、熱暴走して異常に温度上昇した電池セル１の熱エネルギーを放熱して熱暴走の連鎖を防止する。冷却プレート３は、異常な高温になった電池セル１の熱エネルギーで冷媒を自己循環させて冷却する。とくに、熱暴走した電池セル１の熱エネルギーが大きく、冷媒が沸騰すると、沸騰する冷媒の大きな気化熱により、熱暴走した電池セル１の熱エネルギーを効率よく吸収する。熱暴走して温度上昇した電池セル１の温度が数百℃と高温になると、冷媒が沸騰する。冷媒に使用される冷却水の気化熱は、約５４０ｃａｌ／ｇと極めて大きく、水温を１０℃上昇させる熱エネルギーの５４倍もの熱エネルギーを吸収するので、沸騰する冷媒が大きな熱エネルギーを吸収して、熱暴走した電池セル１を冷却する。
電池セル１の熱暴走は極めて低い確率で発生する。したがって、複数の電池セル１が自己発熱して同時に熱暴走することはない。冷却プレート３は、熱暴走した特定の電池セル１が瞬時的に発生する熱エネルギーのみを速やかに放熱することで十分である。また、冷媒が沸騰する気化熱による冷却プレート３の強制冷却は、冷却プレート３の局部を速やかに放熱できることで十分であって、内部に循環される冷媒のように連続的に冷却プレート３を設定温度に冷却する必要はない。
沸騰する気化熱で冷却プレート３を局部的に冷却した冷媒は、気体となって膨張し、加熱部分を中心として横冷媒通路８Ｂと縦冷媒通路８Ａとに循環して加熱部分から周囲に押し出される。沸騰して気化した冷媒の体積は、大気圧において１２００倍にも増大するからである。図５は、熱暴走した電池セル１に熱結合している冷却プレート３の拡大縦断面図である。実線は横冷媒通路８Ｂを、鎖線は縦冷媒通路８Ａを示している。この図は、上面に電池セル１を熱結合している冷却プレート３の加熱部分の断面を示している。図５において、冷却プレート３の加熱部分は、上から熱エネルギーが伝導されて、上部が下部よりも高温に加熱される。電池セル１が熱暴走して数百℃以上に加熱されると、冷媒通路８の内面に触れる冷媒は沸騰して気化する。沸騰する冷媒は気化熱で冷却プレート３を強制冷却する。沸騰して気化された冷媒は膨張し、縦冷媒通路８Ａにおいては矢印Ａで示すように加熱部分から両側に押し出され、横冷媒通路８Ｂにおいては紙面に直交する方向に移動する。加熱部分から周囲に移動する冷媒は、加熱部分から離れた領域に送られて冷却プレート３で冷却され、冷媒の沸点よりも低温になる領域で液化される。熱暴走は瞬時的に大きな熱エネルギーを発生するが、充放電が停止されている状態では、外部からエネルギーが供給されるわけではないので、熱暴走によって発生する熱エネルギーの総量は、熱暴走している電池の残容量によって決まる。そのため、熱暴走によって発生する熱エネルギーを沸騰する冷媒の大きな気化熱に吸収させることができれば、例えば、電源装置が起動されていない状態のような、ポンプを作動させることができない場合であっても、隣接する電池セルの熱暴走の連鎖を防止することができる。上記構成によると、熱暴走した電池セル１は、冷却プレート３の加熱部分を瞬時的に加熱するが、この熱エネルギーは沸騰する冷媒の大きな気化熱に吸収される。具体的には、冷却プレート３は、熱暴走した電池セル１に熱結合している加熱部分の温度が異常に高くなると、沸騰する冷媒の気化熱で冷却される。また、熱暴走は冷却プレート３を局部的に加熱するので、加熱部分から離れた領域において冷却プレート３の温度上昇は加熱部分よりも低くなる。とくに、沸騰する冷媒の大きな気化熱で加熱部分を強制冷却する冷却プレート３は、加熱部分から離れた領域の温度上昇が小さい。したがって、加熱部分で沸騰し、気化膨張して周囲に押し出される気化された冷媒は、加熱部分から離れた領域で冷媒の沸点よりも低温に冷却されて液化する。液化した冷媒は、体積が減少して冷媒通路８の底面を矢印Ｂで示す方向に流れて加熱部分に向かって環流する。加熱部分と加熱部分から離れた領域とを循環する冷媒は、加熱部分で沸騰し、加熱部分から離れた領域で液化されて、冷却プレート３の内部を自己循環して、加熱部分を冷却する。自己循環して加熱部分を冷却する冷媒は、気化熱で加熱部分を冷却し、加熱部分から離れた領域においては、冷却プレート３に冷却されて液化する。冷媒が自己循環して電池セル１を強制冷却する冷却プレート３は、循環ポンプ２１で冷媒が強制的に循環させることができない状態においても、熱暴走に起因する瞬時的かつ局部的に発生する大きな熱エネルギーを速やかに冷却プレート３の周囲に伝導して、熱暴走の連鎖を効果的に防止する。
加熱部分にある冷媒通路８の内面の温度が、その下部においても冷媒の沸点よりも高温であると、冷媒は加熱部分に液化された状態では環流されない。ただ、加熱部分で沸騰して気化、膨張した冷媒は、加熱部分から離れた領域では液化されるので、加熱部分に向かって環流する液化された冷媒は、環流する途中で再び沸騰して気化熱で冷却プレート３を冷却する。この冷媒は、加熱部分に液化された状態で環流しないので、加熱部分を気化熱で冷却することはないが、加熱部分に環流される途中で沸騰して冷却プレート３を気化熱で冷却するので、加熱部分の近傍において冷媒の気化熱で冷却プレート３を冷却する。したがって、この状態にある冷却プレート３は、加熱部分が冷媒の気化熱で冷却されないとしても、加熱部分の近傍を気化熱で冷却する。加熱部分の近傍が冷却される冷却プレート３は、冷却部分が加熱部分の熱エネルギーを吸収して加熱部分の温度を低下させる。したがって、加熱部分に液化された冷媒が環流されないとしても、沸騰する冷媒の気化熱で加熱部分の温度を低くして熱暴走の連鎖は防止される。
加熱部分において、冷媒通路８の下部が冷媒の沸点よりも低温であると、冷却プレート３の低温部分で液化されて発熱部分に環流される。加熱部分に環流された液化された冷媒は、再び沸騰して気化熱で冷却プレート３の加熱部分を冷却し、気化された周囲に押し出される。冷却プレート３の加熱部分において、冷媒通路８の下部の温度が冷媒の沸点よりも高いと、冷媒は液化された状態で加熱部分に環流されない。ただ、この状態においても、気化された冷媒は、加熱部分から離れた領域に流動し、この領域で冷却されて液化する。液化した冷媒は、冷媒通路８の下部を加熱部分に向かって流れるが、加熱部分の下部が沸点よりも高温であると、環流する途中で再び沸騰して気化熱で冷却プレート３を冷却する。環流する途中で沸騰する冷媒は、気化熱で加熱部分に接近する領域で冷却プレート３を冷却する。
以上のように、縦冷媒通路８Ａと横冷媒通路８Ｂとを自己循環する冷媒は、気化と液化を繰り返し、冷却プレート３の加熱部分では沸騰して気化熱を吸収し、加熱部分から離れた領域では液化して気化熱を放出する。加熱部分で沸騰する冷媒は冷却プレート３から熱エネルギーを吸収して冷却プレート３を冷却し、加熱部分から離れた領域で液化する冷媒は、気化熱を放出して吸収した熱エネルギーを冷却プレート３に伝える。この冷却プレート３は、縦冷媒通路８Ａと横冷媒通路８Ｂの両方で冷媒を速やかに自己循環させることで、加熱部分の熱エネルギーを速やかに周囲に伝えて放熱する。
冷媒通路８は、循環ポンプ２１と放熱器２２とに連結されて、冷媒の循環路２０を閉ループとしている。したがって、冷媒が加熱部分で沸騰すると、閉ループ内の内圧は上昇する。沸騰する冷媒の沸点は内圧が上昇すると高くなる。たとえば、冷却水の沸点は１気圧において１００℃であるが、２気圧になると１２０℃に上昇する。閉ループ内で冷媒が沸騰すると、冷媒通路８の内圧が上昇して冷媒の沸点も上昇する。冷却水の沸点は、内圧が高くなるに従って上昇するが、閉ループの冷媒通路８内の冷媒は、加熱部分から離れた領域で沸点よりも低温に冷却されて液化するので、冷媒が沸騰して内圧が上昇し、液化して内圧が低下する。とくに、冷媒通路８の内圧が高くなると沸点が高くなって冷媒は沸騰し難くなるので、沸騰した冷媒は加熱部分から移動して冷却されることで液化しやすくなる。冷媒通路８において、冷媒は加熱部分で沸騰し、加熱部分から移動して液化されるので、冷媒通路８内の圧力は、一部で冷媒が沸騰し、かつ他の部分で液化して平衡状態となる。冷却プレート３と循環ポンプ２１と放熱器２２とは閉ループに連結されるので、冷媒は加熱部分で沸騰して熱エネルギーを吸収し、また、加熱部分から離れた状態では沸点よりも低温に冷媒されて液化しながら閉ループ内を自己循環する。沸騰と液化を繰り返しながら自己循環する冷媒は、加熱部分の熱エネルギーを離れた領域に拡散して、加熱部分を効率よく冷却し、さらに冷媒が沸騰して膨張することで、効率よく自己循環して加熱部分を冷却する。
図５の拡大縦断面図に示す冷却プレート３は、金属製のプレート部３０の内部に横断面形状を円形とする冷媒通路８を設けている。この冷却プレート３は、冷媒通路８の間において上下の両面を上下連結部３２で連結する形状となる。上下連結部３２は隣接する冷媒通路８の間にあって、電池セル１から伝導される熱エネルギーを下面に伝導する。上下連結部３２の上面が熱暴走した電池セル１に加熱されると、熱エネルギーは上から下に伝導される。上下連結部３２は両側を隣接する冷媒通路８に露出させて冷媒に接触している。図５に示すように、冷媒通路８の内面に触れて沸騰したガス状の冷媒が上部を通過して加熱部分から押し出され、加熱部分から離れた部分で冷却して液化された冷媒が下部に向かって環流している。加熱部分において、上下連結部３２の下部の露出面は、液化された冷媒に触れて冷媒を加熱して沸騰させる。したがって、加熱部分に環流される冷媒は、上下連結部３２の露出面で冷媒を加熱して沸騰し、冷却水の気化熱で冷却される。
図６の拡大縦断面図に示す冷却プレート３は、プレート部３０の内部に横断面形状を四角形とする冷媒通路８を設けている。この冷却プレート３は、冷媒通路８の間において上下の両面を上下連結部３２で連結する形状となる。上下連結部３２は隣接する冷媒通路８の間にあって、電池セル１から伝導される熱エネルギーを下面に伝導する。上下連結部３２の上面が熱暴走した電池セル１に加熱されると、熱エネルギーは上から下に伝導される。上下連結部３２は、両側を隣接する冷媒通路８に露出させて冷媒に接触させている。図６の冷却プレート３は、冷媒通路８の内面の上部は沸騰して気化した冷媒に接触し、下部は液化された冷媒に接触している。加熱部分において、上下連結部３２の下部表面は、液化された冷媒に接触して冷媒を加熱して沸騰させる。したがって、加熱部分に環流される冷媒は、上下連結部３２の冷媒通路８の露出面で冷媒を加熱して沸騰し、冷却水の気化熱で冷却される。
図７の拡大断面図に示す冷却プレート３は、電池セル１の表面に熱結合状態に接触する冷却突出部３５を設けている。冷却突出部３５は、電池セル１を載せる表面側に突出して設けられて、隣接する電池セル１の間に配置される。冷却突出部３５は、両面を電池セル１の表面に熱結合状態に接触させて、内部の中空部３６を冷媒通路８に連結している。冷却突出部３５は、中空部３６の内面を冷媒通路８の冷媒で冷却し、表面に接触する電池セル１を冷却する。さらに、冷却突出部３５の中空部３６は、熱暴走した電池セル１に加熱されて沸騰したガス状の冷媒のガスだまりとしても機能する。図において冷却突出部３５の上面には、同じ厚さのセパレータ６が配設されて、セパレータ６の間に電池セル１が配置される。
さらに、図８と図９に示す冷却プレート３は、冷媒通路８の上面であって、電池セル１との熱結合部分に突出部３７、３８を設けている。図８の冷却プレート３は、冷媒通路８の上面から下方に向かって突出する複数列の突出部３７を設けている。図の突出部３７は、電池セル１の幅方向に伸びる板状としており、複数列の突出部３７を互いに平行な姿勢で設けている。このように複数列の突出部３７を設ける構造は、突出部全体の表面積を広くすることで、冷媒との接触面積を広くする冷却フィンとして効率よく冷却しながら、その表面に沿って冷媒を流動させることができる。図８に示す突出部３７は、電池セル１の幅方向に伸びる形状としているが、突出部は電池セルの厚さ方向に伸びる形状として、幅方向に並べて設けることもできる。
図９に示す冷却プレート３は、冷媒通路８の上面から下方に向かって突出する山形の突出部３８を設けている。図の突出部３８は、電池セル１の幅方向に伸びる凸条であって、下方に向かって次第に幅が狭くなる形状として、その表面を傾斜面３９としている。この形状の突出部３８は、傾斜面３９に沿って冷媒を流動させることで、冷媒通路８内において効果的に自己環流できる。図９に示す突出部３８は、電池セル１の幅方向に伸びる形状としているが、突出部は電池セルの厚さ方向に伸びる形状とすることもできる。電池セルの厚さ方向に伸びる山形の突出部は、複数個を幅方向に並べて設けることができる。この構造は、電池セルの幅方向に伸びる冷媒通路を複数の突出部で複数の領域に区画しながら、各々の領域おいて傾斜面に沿って流動する冷媒によって自己環流を促進できる。また、電池セルの厚さ方向に伸びる山形の突出部は、電池セルの幅方向の中央部から両側部に向かって傾斜する形状として設けることもできる。この突出部は、電池セルの幅方向の中央部から傾斜面に沿って両側部に向かって流動する冷媒によって自己環流を促進できる。
以上のように、図８及び図９の冷却プレート３は、冷媒通路８の上面から下方に向かって突出する突出部３７、３８を冷媒に浸漬する状態で配置することで効率よく冷却することができる。とくに、冷媒通路８内の冷媒が気化して発生したガスが冷媒通路８の上面と冷媒の液面との間にガス層を形成する状態となっても、冷媒通路８に設けられた突出部３７、３８や傾斜面３９の下部を冷媒に接触させることで冷却効率が低下するのを防止して効率よく冷却できる。
また、図９に示す例では、冷却通路８の上面から下方に向かって突出する突出部３８の表面に傾斜面３９を設けているが、冷却通路は、図示しないが、上下連結部の表面を傾斜面として、この傾斜面に沿って冷媒を流動させて自己環流を促進することもできる。なお、本明細書において、傾斜面とは、湾曲面も含む広い意味で使用する。
図１０の電源装置２００は、複数の冷却プレート３を平行に並べて、各々の冷却プレート３の冷媒通路８を連結している。図示しないが、各々の冷却プレート３の上には電池ユニットが熱結合状態に載せられて、電池ユニットの電池セルを強制的に冷却している。隣接する冷却プレート３は、図１０の鎖線で示すように、縦横に伸びる冷媒通路８で格子状に連結している。この電源装置は、何れかの冷却プレート３に熱結合している特定の電池セルが熱暴走して発熱すると、発熱した電池セルが冷媒通路８の冷媒を加熱して気化する。気化された冷媒は膨張して冷媒通路８に強制的に流動される。冷却プレート３内に流動される気化された冷媒は、熱暴走していない電池セルに熱結合している他の部分で冷却されて液化される。液化された冷媒は冷媒通路に循環されて、熱暴走した電池セル近傍の電池セルを冷却して熱暴走の誘発を防止する。
図１１の電源装置３００は、隣接する冷却プレート３を連結している循環路２０に放熱器２６を設けている。放熱器２６は、循環される冷媒を冷却して各々の冷却プレート３に循環させる。この電源装置３００は、特定の電池セル１が熱暴走して発熱し、発熱する電池セル１が特定の冷却プレート３を加熱し、加熱された冷却プレート３の冷媒が加熱されても、隣接する冷却プレート３には、放熱器２６で冷却して循環される。したがって、熱暴走して電池セル１に熱結合している冷却プレート３から他の冷却プレート３に循環される冷媒の温度を低くして循環できる。図１１に示す電源装置３００は、循環路２０の外周面に、外側方向に突出する放熱器２６を設けている。ただ、電源装置は、循環路の内周面に、内側方向に突出する放熱器を設けることもできる。
図１２の電源装置４００は冷却プレート３を垂直姿勢に配置し、図１３の電源装置５００は冷却プレート３を傾斜する姿勢に配置する。図１２の電源装置４００は、垂直姿勢に配置する冷却プレート３に熱結合している各々の電池セル１の側面１Ｂを冷却プレート３の上下方向に伸びるように配置している。図１３の電源装置５００は、冷却プレート３に熱結合している各々の電池セル１の底面１Ａが、冷却プレート３の傾斜方向に伸びるように配置している。これ等の電源装置４００、５００は、冷媒の一部が沸騰して気化された状態で、冷却プレート３の下部に液化された冷媒が溜まるので、液化された冷媒が熱暴走した電池セル１の熱エネルギーをより効率よく吸収できる。冷却プレート３の下部に溜まる液化された冷媒は、冷却プレート３を介して熱暴走した電池セル１に熱結合されるからである。
冷却プレート３は、その内部に、縦冷媒通路８Ａと横冷媒通路８Ｂとしてステンレス製の金属パイプ３１を埋設している。金属パイプ３１は両端部をプレート部３０から突出して連結端３１Ａとしている。この冷却プレート３は、ステンレスパイプに循環される冷媒でプレート部３０を冷却する。プレート部３０は電池ユニット２に熱結合状態に配置されて電池セル１を冷却する。このように、冷媒を循環させる金属パイプ３１を内蔵する冷却プレート３は、内部での液漏れを確実に阻止できる。また、金属パイプ３１をプレート部３０に埋設している冷却プレート３は、金属パイプ３１とプレート部３０と熱伝導に優れ、金属パイプ３１に循環される冷媒で効率よくプレート部３０を冷却して、電池セル１を効率よく冷却できる。また、金属を板状に成形しているプレート部３０は熱容量を大きく、電池セル１の発熱を効率よく吸収して電池セル１の温度上昇を制限できる。また、冷媒の循環を停止した後も、電池セル１を冷却することができる。ただ、本発明は、冷却プレート３の構造を以上の構造には特定しない。冷却プレートは、たとえば、金属板の表面に金属パイプを固定する構造、あるいは２枚の金属板の間に金属パイプを配置する構造など、冷媒を循環して表面を冷却できる全ての構造とすることができる。
（循環器９）
以上の電源装置は、図１と図４に示すように、冷却プレート３の冷媒通路８に冷媒を循環する循環器９を備えている。循環器９は、冷媒を冷媒通路８に強制的に流動させる循環ポンプ２１と、循環する冷媒を放熱して冷却する放熱器２２とを備えている。冷却プレート３は、図１と図４に示すように、クーラントパイプ３３を介して循環器９に連結される。クーラントパイプ３３は金属パイプである。ただ、クーラントパイプは、必ずしも金属パイプとする必要はなく、ゴム状弾性体のホース等、冷媒を循環できる全てのものが使用できる。したがって、この明細書において「パイプ」はホースを含む広い意味に使用する。
図１４は、冷却プレート３に設けた連結端３１Ａとクーラントパイプ３３との連結構造を示す断面図である。この図の連結構造は、連結端３１Ａにクーラントパイプ３３を挿入し、連結端３１Ａとクーラントパイプ３３との間にＯリング３４を配置して、水密構造に連結している。この連結構造は、クーラントパイプ３３を金属パイプとしてより確実に水密構造に連結端３１Ａに連結できる。Ｏリング３４を定位置に配置するために、クーラントパイプ３３の外側面にリング溝を設け、あるいは連結端３１Ａの内面にリング溝を設け、このリング溝にＯリング３４を配置して、位置ずれしない構造にできる。この連結構造は、クーラントパイプ３３を挿入して簡単に連結端３１Ａに連結できる。また、クーラントパイプ３３を引き抜いて簡単に外すこともできる。冷媒は、冷媒のように高圧に加圧されないので、以上の図に示す連結構造で簡単に脱着できる。
放熱器２２は循環される液状の冷媒を冷却する。図１と図４の放熱器２２は、熱交換器２３とファン２４とを備え、ファン２４で強制送風して熱交換器２３に循環される冷媒を冷却する。ファン２４と循環ポンプ２１の運転は、電池温度を検出する制御回路２５でコントロールされる。制御回路２５は温度センサ（図示せず）で電池温度を検出して循環ポンプ２１とファン２４の運転を制御して、冷却プレート３の冷却状態を制御する。電池温度が設定温度よりも高くなると、制御回路２５は循環ポンプ２１とファン２４を運転する。循環ポンプ２１が運転されると、冷媒が冷却プレート３に循環される。電池温度が設定温度よりも低くなると、制御回路２５は循環ポンプ２１とファン２４の運転を停止する。この状態で冷媒は冷却プレート３に循環されず、冷却プレート３は強制的に冷却されない状態となる。制御回路２５は、循環ポンプ２１を運転する設定温度を記憶しており、この設定温度で循環ポンプ２１の運転をコントロールして、電池温度を設定範囲に制御する。
（ハイブリッド自動車用電源装置）
図１５は、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置１００を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン９６及び走行用のモータ９３と、モータ９３に電力を供給する電源装置１００と、電源装置１００の電池を充電する発電機９４と、エンジン９６、モータ９３、電源装置１００、及び発電機９４を搭載してなる車両本体９０と、エンジン９６又はモータ９３で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。電源装置１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。車両ＨＶは、電源装置１００の電池を充放電しながらモータ９３とエンジン９６の両方で走行する。モータ９３は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両ＨＶを走行させる。モータ９３は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、エンジン９６で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置１００の電池を充電する。
（電気自動車用電源装置）
また、図１６は、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置１００を搭載した車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ９３と、このモータ９３に電力を供給する電源装置１００と、この電源装置１００の電池を充電する発電機９４と、モータ９３、電源装置１００、及び発電機９４を搭載してなる車両本体９０と、モータ９３で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。電源装置１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。モータ９３は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置１００の電池を充電する。
本発明の電源装置は、ハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、電気自動車等の自動車を駆動するモータの電源として好適に利用できる。
１００、２００、３００、４００、５００…電源装置１…電池セル１Ａ…底面１Ｂ…側面２…電池ユニット２Ａ…底面２Ｂ…側面３…冷却プレート４…エンドプレート５…連結具６…セパレータ７…電池積層体８…冷媒通路８Ａ…縦冷媒通路８Ｂ…横冷媒通路９…循環器１１…電極端子１２…バスバー２０…循環路２１…循環ポンプ２２…放熱器２３…熱交換器２４…ファン２５…制御回路２６…放熱器３０…プレート部３１…金属パイプ３１Ａ…連結端３２…上下連結部３３…クーラントパイプ３４…Ｏリング３５…冷却突出部３６…中空部３７…突出部３８…突出部３９…傾斜面９０…車両本体９３…モータ９４…発電機９５…ＤＣ／ＡＣインバータ９６…エンジン９７…車輪ＨＶ…車両ＥＶ…車両

Claims (5)

  1. 複数の電池セルと、
    各々の電池セルに熱結合してなる冷媒通路を設けてなる冷却プレートと、
    前記冷却プレートの冷媒通路に冷媒を循環する循環器と、を備える電源装置であって、
    前記冷却プレートは、少なくとも片面を前記電池セルに熱結合しており、
    前記冷媒通路は、
    冷媒の流入側と排出側とに連結してなる縦冷媒通路と、前記縦冷媒通路を並列に連結してなる横冷媒通路とを備え、
    前記縦冷媒通路と前記横冷媒通路は碁盤格子状に連結されてなり、
    前記冷却プレートが、
    前記縦冷媒通路と前記横冷媒通路の両方に冷媒を流して冷却する構造としてなることを特徴とする電源装置。
  2. 請求項１に記載される電源装置であって、
    前記冷媒通路は、前記電池セルとの熱結合部分に突出部を設けてなり、
    前記突出部の表面に沿って冷媒を流して冷却する構造としてなることを特徴とする電源装置。
  3. 請求項１に記載される電源装置であって、
    前記冷媒通路は、前記電池セルとの熱結合部分に傾斜面を設けてなり、
    前記傾斜面に沿って冷媒を流して冷却する構造としてなることを特徴とする電源装置。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載される電源装置であって、
    前記電池セルが角形電池セルで、
    角形電池セルの底面と側面の何れか又は両方が前記冷却プレートに熱結合状態に固定されてなることを特徴とする電源装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の電源装置を装備する電動車両であって、
    前記電源装置と、該電源装置から電力供給される走行用のモータと、
    前記電源装置及び前記モータを搭載してなる車両本体と、
    前記モータで駆動されて前記車両本体を走行させる車輪とを備えることを特徴とする電動車両。
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