JP7608877B2

JP7608877B2 - 電池の冷却装置

Info

Publication number: JP7608877B2
Application number: JP2021035853A
Authority: JP
Inventors: 孝佳田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2025-01-07
Anticipated expiration: 2041-03-05
Also published as: JP2022135796A

Description

本開示は、電池の冷却装置に関する。

特許文献１では、液体が流路内を流れる際に流路壁間の摩擦によって調整弁または制御弁等に用いられる樹脂製のダイヤフラム弁等の絶縁部が帯電することによって絶縁破壊されることを防止する技術が記載されている。この技術では、ダイヤフラムの腹部近傍に導電性部材を、液体流路の流路側に貫通させて配置することによって液体に接触させ、かつ導電製部材および流路が形成されたボディ本体を介してアースに電気的に接続することによって、ダイヤフラム等の絶縁部が帯電することを抑制する。

特開２００７－７８０１９号公報

近年、リチウムイオン電池では、小型化を図るため、リチウムイオン電池を冷却する冷却器に集電板としての機能を兼ねさせる構造が検討されている。この冷却器に集電板としての機能を兼ねさせる構造では、冷却液が流れる冷却器の一部が高電圧な高電圧部となり、安全性を確保するため、絶縁部材を介して、冷却器と、高電圧部以外の絶縁部として機能する冷却配管と、を遮断する必要がある。

しかしながら、上述した特許文献１の絶縁部材に電荷が帯電することを抑制する技術であっても、冷却液が冷却配管を流れる際の摩擦によって冷却配管に帯電が発生することで、局所的に耐電圧を超過し、冷却配管が絶縁破壊される可能性があるうえ、冷却配管が高電圧部と接している場合、アースを介して短絡する可能性がある。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却器と、冷却配管と、を接続する場合であっても、冷却配管が絶縁破壊されることを防止することができる電池の冷却装置を提供することを目的とする。

本開示に係る電池の冷却装置は、複数の電池セルが積層された電池モジュールを有する電池の冷却装置であって、前記電池モジュールと導通可能な導電性部材を用いて形成され、内部に冷媒が循環する流路を有する冷却器と、前記冷却器に前記冷媒を供給する冷却配管と、絶縁部材を用いて形成され、前記冷却配管と前記冷却器とを接続するコネクタ部と、前記コネクタ部が前記冷却器と接続する接続箇所から所定の距離を離した前記冷却配管の位置に電気的に接続されたアース線と、を備える。

本開示によれば、コネクタ部を介して冷却器および冷却配管を接続し、かつ、コネクタ部が冷却器と接続する接続箇所から所定の距離を離した冷却配管の位置に電気的に接続されたアース線を設けたので、冷却器と、冷却配管と、を接続する場合であっても、冷却配管が絶縁破壊されることを防止することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る電池が搭載される車両の概略構成を示す模式図である。図２は、電池の概略構成を示す斜視図である。図３は、図２の矢視Ａから見た冷却配管と冷却器の要部の側面図である。図４は、実施の形態２に係る冷却配管と冷却器の要部の側面図である。図５は、実施の形態３に係る冷却配管と冷却器の要部の側面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施の形態における電池の冷却装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態により本開示が限定されるものでない。また、以下において、同一の部分には同一の符号を付して説明する。

（実施の形態１）
〔車両の概略構成〕
図１は、実施の形態１に係る電池が搭載される車両の概略構成を示す模式図である。図１に示す車両１は、モータ等を動力源とする電動車両（ＥＶ）またはプラグインハイブリッド車両（ＰＨＶ）等が想定される。

車両１は、モータ２と、パワーコントロールユニット３（以下、「ＰＣＵ３」という）と、電池４と、冷却配管５と、電動ポンプ６と、熱交換器７と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）８と、を備える。

モータ２は、電池４の電力により走行用の動力を出力する。モータ２は、ＰＣＵ３を介して電池４と電気的に接続されている。車両１では、モータ２から出力された動力が動力伝達装置を介して駆動輪へ伝達される。

ＰＣＵ３は、モータ２を駆動制御する。ＰＣＵ３は、少なくとも、モータ２を駆動するインバータと、昇圧コンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータと、を含んで構成されている。例えば、ＰＣＵ３は、インバータが電池４の直流電力を交流電力に変換してモータ２に供給する。

電池４は、モータ２に供給するための電力を蓄える。具体的には、電池４は、外部電源から供給された電力を充電可能な蓄電装置である。電池４は、車両１に設けられた充電口（図示せず）を介して外部の充電設備の充電プラグと電気的に接続され、充電設備から供給される電力を充電する。電池４は、複数の平面セルが鉛直方向に積層された電池モジュールと、電池モジュールを冷却する冷却器と、を用いて構成される。なお、電池４の詳細な構成は、後述する。

冷却配管５は、流路上に電池４、電動ポンプ６および熱交換器７が接続され、電池４を冷却する冷媒が循環する。ここで、冷媒には、空気、水、鉱物油、合成油、シリコンオイル、フッ素オイル、絶縁性冷媒（例えばＲ１３４ａ等の代替フロン系冷媒）および絶縁油のいずれかが用いられる。実施の形態１では、冷媒として水を用いた場合について説明する。また、冷却配管５は、非導電材料等を用いて構成される。具体的には、冷却配管５は、ゴムまたは樹脂等を用いて構成される。

電動ポンプ６は、ＥＣＵ８の制御のもと、冷却配管５内の冷媒を循環させる。具体的には、電動ポンプ６は、リザーブタンク内に貯留された冷媒を吸入し、吐出口から冷媒を冷却配管５に向けて吐出する。電動ポンプ６によって吐出された冷媒は、電動ポンプ６の吐出圧によって冷却配管５、電池４および熱交換器７を介して循環する。

熱交換器７は、ＥＣＵ８の制御のもと、冷却配管５内を循環する冷媒との間で熱交換を行うことによって冷媒から放熱させる。熱交換器７は、例えばラジエータおよび電動ファン等を用いて構成される。

ＥＣＵ８は、電動ポンプ６および熱交換器７の駆動を制御する。ＥＣＵ８は、メモリと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェアを有するプロセッサを用いて構成される。

〔電池の詳細な構成〕
次に、電池４の詳細な構成について説明する。図２は、電池の概略構成を示す斜視図である。

図２に示すように、電池４は、複数の電池セル４１０が積層された電池モジュール４１と、電池モジュール４１の上下両面に接続され、電池モジュール４１を冷却する平板状の冷却器４２と、を備える。具体的には、図２に示すように、電池４は、冷却器４２、電池モジュール４１および冷却器４２の順に積層されて構成されている。なお、図２に示す電池４は、電池モジュール４１が１つであるが、電池モジュール４１を積層する数は、電池モジュール４１の上下面を冷却器４２によって挟み込んで積層することができれば、適宜変更することができる。さらに、冷却器４２の数は、電池モジュール４１を挟み込んで積層することができればよく、電池モジュール４１を積層する数に合わせて適宜変更することができる。

電池モジュール４１は、平板状の電池セル４１０が鉛直方向に沿って複数積層されて構成される。電池セル４１０は、バイポーラ構造およびモノポーラ構造の一方を用いて構成される。さらに、図２では、電池セル４１０を４層積層して電池４を構成しているが、電池セル４１０を積層する数を適宜変更することができる。

冷却器４２は、冷却配管５と接続され、冷却配管５を介して電動ポンプ６からの冷媒Ｗａが供給されるインレット部４２１と、冷却配管５と接続され、冷媒Ｗａを冷却配管５へ流出するアウトレット部４２２と、を有する。冷却器４２は、内部に形成された流路内を冷媒Ｗａが循環することによって電池モジュール４１を冷却する。冷却器４２は、導電性部材、例えばアルミニウム等を用いて構成される。さらに、電池４の上下に位置する冷却器４２は、電池モジュール４１と電気的に導通することによって電池４の電極（集電板）として機能する。これにより、電池４に対して電力を取り出すための端子を設ける必要がないため、電池４の小型化を図ることができる。なお、実施の形態１では、冷却配管５、電動ポンプ６、熱交換器７および冷却器４２が電池４の冷却装置として機能する。

〔冷却配管と冷却器との接続〕
次に、冷却配管５と冷却器４２との接続方法について詳細に説明する。図３は、図２の矢視Ａから見た冷却配管５と冷却器４２の要部の側面図である。なお、図３では、冷却配管５と冷却器４２のインレット部４２１との接続について詳細に説明するが、冷却配管５と冷却器４２のアウトレット部４２２でも同様の方法によって接続される。

図３に示すように、冷却器４２のインレット部４２１は、コネクタ部５１を介して冷却配管５に接続される。コネクタ部５１は、絶縁部材、例えばゴムや樹脂等で形成され、筒状をなす。さらに、冷却配管５には、コネクタ部５１がインレット部４２１と接続する接続側の端部４２１ａから所定の距離Ｄ１離れた位置に、アースに接地されたアース線５２が電気的に接続されている。なお、アースは、車両１と導通している。

ここで、所定の距離Ｄ１とは、電池４の電圧が４００ｖの場合において、ＪＩＳＣ０６６４による汚損度３の環境下における０．８ｍｍの最小空間距離、最小沿面距離５．６ｍｍのとき、コネクタ部５１の接続側（インレット部４２１の端部４２１ａ側）から冷却配管５に向けて５．６ｍｍまでの位置である。即ち、アース線５２は、コネクタ部５１と冷却配管５とを合わせた距離が高圧部として機能する冷却器４２（インレット部４２１）から５．６ｍｍ以上離した位置に電気的に接続される。

これにより、電池４は、電池モジュール４１と冷却器４２との導通状態を遮断することができるうえ、冷却配管５が帯電した場合であっても、絶縁部として機能する冷却配管５が絶縁破壊させることを防止することができる。

以上説明した実施の形態１では、コネクタ部５１を介して冷却配管５と冷却器４２とを接続し、コネクタ部５１が冷却器４２と接続する接続箇所から所定の距離を離した冷却配管５の位置に電気的に接続されたアース線５２を設けたので、冷却配管５が絶縁破壊されることを防止することができる。

なお、実施の形態１では、冷却器４２のインレット部４２１と冷却配管５との間にコネクタ部５１を設けていたが、冷却器４２のアウトレット部４２２と冷却配管５との間にコネクタ部５１を設け、所定の距離だけ離れた位置にアース線５２を電気的に接続してもよい。

また、実施の形態１では、冷却配管５を非導電性部材によって形成していたが、これに限定されることなく、例えば導電部材によって形成し、冷却配管５の表面、および冷却液が流れる流路内の内壁に、絶縁部材を塗布する絶縁処理またはアルマイト処理等を行い、絶縁皮膜を施すことによって絶縁部として機能するように構成してもよい。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。図４は、実施の形態２に係る冷却配管と冷却器の要部の側面図である。

図４に示すように、実施の形態１の冷却配管５およびコネクタ部５１に換えて、冷却配管５Ａおよびコネクタ部５１Ａを備える。

冷却配管５Ａは、導電性部材を用いて構成される。冷却配管５Ａは、例えば、アルミニウムおよびアルミニウム合金等を用いて構成される。さらに、冷却配管５Ａは、アース線５２が電気的に接続される。

コネクタ部５１Ａは、冷媒Ｗａが流れる流路方向（長手方向）において所定の長さＤ２を有する。具体的には、コネクタ部５１Ａの長さＤ２は、ＪＩＳＣ０６６４による汚損度３の環境下において０．８ｍｍの最小空間距離、最小沿面距離５．６ｍｍのとき、５．６ｍｍである。コネクタ部５１Ａは、絶縁部材、例えばゴムや樹脂等で形成され、筒状をなす。

以上説明した実施の形態２によれば、所定の長さＤ２を有するコネクタ部５１Ａを介して冷却器４２と冷却配管５Ａとを接続することによって、絶縁破壊の可能性がある絶縁物の使用箇所を少なくすることができるうえ、絶縁材として機能するコネクタ部５１Ａと接続する面積を大きくすることができるため、実施の形態１と比して冷却配管５Ａに絶縁破壊が生じることをより防止することができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。図５は、実施の形態３に係る冷却配管と冷却器の要部の側面図である。

図５に示すように、冷却配管５には、実施の形態１の構成に加えて、ＳＷ１と、コンデンサＣ１と、ＳＷ２と、電力ヒューズＲ１と、が電気的に接続される。

冷却配管５は、ＳＷ１およびコンデンサＣ１を介してアースに電気的に接続される。コンデンサＣ１の容量は、帯電による絶縁破壊が発生しない容量が用いられる。さらに、冷却配管５は、コンデンサＣ１と並列に電力ヒューズＲ１（抵抗）がスイッチＳＷ２を介してアースに電気的に接続される。電力ヒューズＲ１の容量は、コンデンサＣ１の電荷放電時に切断しない容量であり、かつ、短絡時のみ切断する容量が用いられる。ＳＷ１およびＳＷ２は、ＥＣＵ８の制御のもと、オンオフ動作を行う。これにより、コンデンサＣ１に帯電する電荷が電力ヒューズＲ１を介して定期的に放電される。

以上説明した実施の形態３によれば、コンデンサＣ１および電力ヒューズＲ１の少なくとも一方を介して冷却配管５に電気的にアースを接続することによって、アースの位置が高電圧部として機能する冷却器４２との絶縁に必要な距離を確保できない場合であっても、冷却配管５に絶縁破壊が生じることを防止することができる。

さらに、実施の形態３によれば、ＥＣＵ８がコンデンサＣ１からの放電時にスイッチＳＷ１を介して冷却配管５から電気的に遮断させるので、冷却器４２に帯電する電荷を定期的に排出することができる。

（その他の実施の形態）
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施の形態に限定されるものではない。したがって、添付のクレームおよびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１車両
２モータ
３ＰＣＵ
４電池
５，５Ａ冷却配管
６電動ポンプ
７熱交換器
８ＥＣＵ
４１電池モジュール
４２冷却器
５１，５１Ａコネクタ部
５２アース線
４１０電池セル
４２１インレット部
４２１ａ端部
４２２アウトレット部
Ｃ１コンデンサ
Ｒ１電力ヒューズ
ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ
Ｗａ冷媒

Claims

複数の電池セルが積層された電池モジュールを有する電池の冷却装置であって、
前記電池モジュールと導通可能な導電性部材を用いて形成され、内部に冷媒が循環する流路を有する冷却器と、
前記冷却器に前記冷媒を供給する冷却配管と、
絶縁部材を用いて形成され、前記冷却配管と前記冷却器とを接続するコネクタ部と、
前記コネクタ部が前記冷却器と接続する接続箇所から所定の距離を離した前記冷却配管の位置に電気的に接続されたアース線と、
を備える、
電池の冷却装置。