JPWO2014002806A1 - バッテリの温度制御装置およびバッテリ装置 - Google Patents

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Abstract

本発明のバッテリの温度制御装置は、バッテリの収納空間を有するとともに壁の少なくとも一部に孔を有するハウジングと、ハウジングに取り付けられた熱電モジュールとを含み、熱電モジュールは、複数の熱電素子および複数の熱電素子を挟むように設けられた一対の支持基板から成る熱電部材ならびに支持基板にそれぞれ設けられた熱交換部材を有しており、熱電部材がハウジングの孔を塞ぐとともに、熱交換部材の一方がハウジングの内側に面し、熱交換部材の他方がハウジングの外側に面している。

Description

本発明は、電気自動車またはハイブリッド自動車等に用いられるバッテリの温度制御装置およびバッテリ装置に関する。
近年、電気モーターを動力源とする電気自動車またはハイブリッド自動車の駆動源として、主にリチウムイオン式のバッテリが多用されている。このリチウムイオン式のバッテリは、高容量であるとともに充電特性および放電特性に優れている。ここで、リチウムイオン式のバッテリは、放電時の発熱に対しての温度管理が必要である。具体的には、バッテリの放電特性を良好に保つためには、それぞれのバッテリを最適な温度に保つ必要がある。例えば、自動車用のバッテリを寒冷地で使用する場合には、バッテリを加熱することが必要である。また、自動車用のバッテリを熱帯地で使用する場合には、バッテリを冷却することが必要である。そこで、熱電素子(熱電モジュール)をバッテリに取り付けることによって、バッテリの温度管理を行なうことが検討されている。
このようにバッテリに熱電素子を組み込んだ構成として、特許文献1に記載されているようなバッテリの温度制御装置が知られている。特許文献1に記載されたバッテリの温度制御装置は、バッテリを収容するハウジングと、ハウジングに空気を流入させるための空気流入口と、ハウジングから空気を流出させるための空気流出口と、ハウジングの外壁に取り付けられた熱電素子とを含む。
しかしながら、特許文献1に記載の装置を用いてバッテリの冷却を行なう場合には、熱電素子の冷却効率を向上させることが困難になる場合があった。具体的には、熱電素子は円柱状の部材であって、電流を流すことによって一端の温度が低下し、他端の温度が上昇する。このうち、温度が低下する部分をハウジングの外壁に接触させることによってハウジングを冷却することができる。ここで、より高い冷却効率を得るために熱電素子に流す電流を大きくすると、温度が上昇する部分がさらに高温になってしまい、温度が上昇する部分で生じた熱がハウジングにまで伝わってしまう可能性があった。そして、ハウジングに伝わった熱がバッテリに伝わってしまう可能性があった。その結果、熱電素子の冷却効率が低下してしまう可能性があった。
国際公開第2007/043763号
本発明のバッテリの温度制御装置は、バッテリの収納空間を有するとともに壁の少なくとも一部に孔を有するハウジングと、該ハウジングに取り付けられた熱電モジュールとを含み、該熱電モジュールは、複数の熱電素子および該複数の熱電素子を挟むように設けられた一対の支持基板から成る熱電部材ならびに前記支持基板にそれぞれ設けられた熱交換部材を有しており、前記熱電部材が前記孔を塞ぐとともに、前記熱交換部材の一方が前記ハウジングの内側に面し、前記熱交換部材の他方が前記ハウジングの外側に面していることを特徴とする。
本発明のバッテリの温度制御装置の実施形態の一例を示す模式図である。 図1に示すバッテリの温度制御装置のうち熱電モジュール付近を示す概略断面図である。 図2に示す熱電モジュールを示す概略拡大断面図である。 図3に示す熱電モジュールの一部を分解した概略斜視図である。 本発明のバッテリの温度制御装置の他の例を示す模式図である。 本発明のバッテリの温度制御装置の他の例を示す概略断面図である。 本発明のバッテリの温度制御装置の封止構造の例を示す概略拡大断面図である。 本発明のバッテリの温度制御装置の封止構造の例を示す概略拡大断面図である。 本発明のバッテリの温度制御装置の封止構造の例を示す概略拡大断面図である。 本発明のバッテリの温度制御装置の封止構造の例を示す概略拡大断面図である。 本発明のバッテリの温度制御装置の封止構造の例を示す概略拡大断面図である。
以下、本発明のバッテリの温度制御装置100およびバッテリ装置200の実施形態の一例について図面を参考にして説明する。
図1に示すように、バッテリの温度制御装置100(以下、制御装置100ともいう)は、バッテリ1の収納空間を有するとともに壁の少なくとも一部に孔21を有するハウジング2と、ハウジング2に取り付けられた熱電モジュール3とを含む。図2に示すように、熱電モジュール3は、複数の熱電素子35および複数の熱電素子35を挟むように設けられた一対の支持基板33から成る熱電部材38ならびに支持基板33の外側の主面にそれぞれ設けられた熱交換部材31,32を有している。そして、熱電部材38が、ハウジング2の孔21を塞いでいる。これにより、ハウジング2の内部を密閉された空間にすることができる。熱交換部材31,32の一方はハウジング2の内側に面し、熱交換部材31,32の他方はハウジング2の外側に面している。
ハウジング2は、絶縁層がコーティングされたアルミニウム箔等によって構成されたラミネートタイプのパッケージを用いることができる。アルミニウム箔は、軽量で安価であることから好適に用いられる。ハウジング2としては、あらかじめケース型に構成された部品を組み合わせたものを使用することも可能である。このような部品の材料としては、例えば、アルミニウム等の金属材料等を用いることができる。
なお、対向する一対の支持基板33の内側には絶縁材が充填されてもよい。また、熱電素子35を囲むケースが設けられていてもよい。これらの構成を用いることによって、熱電モジュール3をハウジング2に気密に取り付けやすくすることができる。
そして、熱電モジュール3は冷却側の熱交換部材31および放熱側の熱交換部材32を有していて、冷却側の熱交換部材31および前記放熱側の熱交換部材32のいずれか一方の熱交換部材がハウジング2の内側に面し、他方の熱交換部材がハウジング2の外側に面している。
ここで、ハウジング2の内部を冷却したい場合は、図2において、熱電モジュール3の上側がハウジング2の内側となって、この内側に冷却側の熱交換部材31が配置される。そして、熱電モジュール3の下側がハウジング2の外側となって、この外側に放熱側の熱交換部材32が配置される。反対に、ハウジング2の内部を加熱したい場合は、放熱側の熱交換部材32がハウジング2の内側に面し、冷却側の熱交換部材31がハウジング2の外側に面するように配置される。
冷却側の熱交換部材31および放熱側の熱交換部材32としては、例えば図2に示すようなフィンを用いることができる。具体的には、冷却側の熱交換部材31をハウジング2の壁よりも内側で内方に向かって突出させるように配置するとともに、放熱側の熱交換部材32をハウジング2の壁よりも外側で外方に向かって突出させるように配置する。これにより、効率的な熱交換が可能となる。上記のように設置された熱電モジュール3を用いて、ハウジング2の内側の冷却または加熱を行なうことによって、バッテリ1の温度を調節することができる。
熱電モジュール3について詳細に説明する。図3に示すように、熱電モジュール3は、熱電部材38および熱交換部材31,32を備えている。熱電部材38は、互いに対向するように配置された一対の支持基板33と、一対の支持基板33の対向する内側の主面にそれぞれ設けられた配線導体34と、一対の支持基板33の対向する内側の主面間に配線導体34によって電気的に接続されるように複数配列された熱電素子35とを備えている。図2に示すように、熱電部材38は、ハウジング2の孔21を塞いでいる。
一対の支持基板33(33a,33b)としては、例えば、アルミナフィラーが添加されたエポキシ樹脂板(基板本体)の外側の主面に銅板を貼り合わせた基板を用いることができる。銅板としては、例えば、厚み100〜500μm程度の銅板を用いることができる。この一対の支持基板33(33a,33b)は、平面視したときの寸法が、例えば縦40〜50mm、横20〜40mm、厚さ0.05〜2mmに形成されたものである。なお、支持基板33としては、アルミナまたは窒化アルミニウム等のセラミック材料から成る基板本体の外側の主面に銅等の金属板を貼り合わせた基板を用いることもできる。また、支持基板33としては、銅、銀または銀−パラジウム等の導電性材料から成る基板本体とこの基体本体の内側の主面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナまたは窒化アルミニウム等から成る絶縁層を設けた基板を用いることもできる。
一対の支持基板33(33a,33b)の対向する内側の主面には、それぞれ配線導体34が設けられている。この配線導体34は、例えば、支持基板33の内側の主面に貼り合わされた銅板にエッチング処理を施すことによって、配線パターン状に形成したものである。配線導体34は、隣接するP型熱電素子35aおよびN型熱電素子35bを電気的に直列に接続するように設けられている。配線導体34の材料は、銅に限られない。具体的には、配線導体34の材料として、例えば、銀または銀−パラジウム等を用いることができる。
一対の支持基板33(33a,33b)の対向する内側の主面間には、複数の熱電素子35(P型熱電素子35aおよびN型熱電素子35b)が配列されている。複数の熱電素子35は、配線導体34によって電気的に接続されている。熱電素子35は、電流を流すことによって、両端に温度差が生じる素子である。言い換えると、熱電素子35に電流が流れることによって、熱電素子35の一方の端部の温度が上昇して、他方の端部の温度が低下する。熱電素子35(P型熱電素子35a,N型熱電素子35b)は、A型結晶(AはBiおよび/またはSb、BはTeおよび/またはSe)から成る熱電材料で本体部が形成されている。具体的には、P型熱電素子35aは、例えばBiTe(テルル化ビスマス)とSbTe(テルル化アンチモン)との固溶体から成る熱電材料によって形成されることができる。N型熱電素子35bは、例えばBiTe(テルル化ビスマス)とBiSe(セレン化ビスマス)との固溶体から成る熱電材料によって形成することができる。
ここで、P型熱電素子35aとなる熱電材料は、一度溶融させて固化したBiSbおよびTeから成るP型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させ、例えば直径1〜3mmの断面円形の棒状体としたものである。また、N型熱電素子35bとなる熱電材料は、一度溶融させて固化したBi、TeおよびSeから成るN型の形成材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径1〜3mmの断面円形の棒状体としたものである。
これらの熱電材料の側面にメッキが付着することを防止するレジストをコーティングした後に、ワイヤーソーを用いて例えば0.3〜5mmの幅に切断する。次いで、切断面のみに、例えば電解メッキでNi層を形成し、その上にSn層を形成し、溶解液でレジストを剥離することで、熱電素子35(P型熱電素子35a,N型熱電素子35b)を得ることができる。
なお、熱電素子35(P型熱電素子35a,N型熱電素子35b)の形状は、円柱状、四角柱状または多角柱状でも構わないが、使用時の膨張収縮に伴う応力集中を避けるために、円柱状であるとよい。
この複数の熱電素子35が、図3および図4に示すように、熱電素子35が円柱状の場合には、例えば0.5〜3mmの間隔で縦横の並びに配列される。この間隔は、熱電素子35の直径の0.5〜2倍程度の長さに設定される。そして、熱電素子35(P型熱電素子35a,N型熱電素子35b)は、配線導体34と同様のパターンに塗布されたはんだペーストによって配線導体34と接合され、複数配列された熱電素子35は配線導体34によって電気的に直列に接続される。
そして、一対の支持基板33のそれぞれの外側の主面に、接合材36を介して熱交換部材31,32が取り付けられている。
熱交換部材31,32は、一対の支持基板33の冷却側および放熱側の外側の主面にそれぞれ取り付けられている。熱交換部材31,32の一方がハウジング2の内側に面し、熱交換部材31,32の他方がハウジング2の外側に面している。
本実施形態の制御装置100は、熱交換部材31,32の一方がハウジング2の内側に位置しているとともに、熱交換部材31,32の他方がハウジング2の外側に位置していることによって、ハウジング2の内部の温度管理を容易に行なうことができる。
具体的には、熱交換部材31によってハウジング2の内部を冷却する場合であれば、熱交換部材32は周囲に熱を放熱することになる。このとき、熱交換部材32がハウジング2の外側に位置していることによって、ハウジング2の内部に熱を伝えてしまうことを減少できる。さらに、熱交換部材31がハウジング2の内側に位置していることによって、ハウジング2の内部を効率的に冷却できる。
また、熱交換部材32によってハウジング2の内部を加熱する場合であれば、熱交換部材31は周囲を冷却することになる。このとき、熱交換部材31が、ハウジング2の外側に位置していることによって、ハウジング2の内部を冷却してしまうことを減少できる。さらに、熱交換部材32がハウジング2の内側に位置していることによって、ハウジング2の内部を効率的に加熱できる。
接合材36としては、例えばSn−Bi系はんだ、Sn−Sb系はんだまたはSn−Ag−Cu系はんだ等を用いることができる。
熱交換部材31,32としては、熱伝導率の高い金属材料が用いられる。このような金属材料としては、銅、アルミニウムまたは鉄等が使用される。また、熱交換部材31,32として、窒化珪素等のセラミック材料を使用してもよい。熱交換部材31,32の形状としては、水または有機溶剤等の液体あるいは空気または窒素等の気体との熱伝達を良好に行なうために、表面積が大きい形状であるとよい。このような形状としては、例えば、波上のコルゲート型フィンまたは針状ピンが多く立っている形状等が挙げられる。
図1に戻って、バッテリ装置200は、制御装置100と、ハウジング2の内部に収納されたバッテリ1とを備えている。バッテリ1は、高容量で大出力であるリチウムイオン系の2次電池を用いることができる。リチウムイオンに限定されず、温度制御することによって性能向上が図れる2次電池であれば、いずれのタイプでも使用できる。バッテリ1の形状としては、特に限定されるものではなく、角板形であっても円筒形であってもよい。なお、ハウジング2内に設けられるバッテリ1は、複数設けられていてもよい。
バッテリ1とハウジング2との間に絶縁性を確保できる場合には、ハウジング2とバッテリ1とが接触するように配置することができる。また、ハウジング2の内部に空気の流れを発生させるとともに、この空気の流れを用いてバッテリ1を冷却する場合には、バッテリ1とハウジング2との間に隙間を設けるとよい。バッテリ1とハウジング2との間に隙間を設けることによって、バッテリ1のうち空気の流れに触れることになる部分の表面積を大きく確保することができる。これにより、バッテリ1の温度調整をより効率的に行なうことができる。
制御装置100においては、熱電モジュール3が2個以上設けられているとさらによい。なお、図5では熱電モジュール3が3個設けられている。
また、熱電モジュール3を複数設ける場合には、冷却用の熱電モジュール3と加熱用の熱電モジュール3とを設けることができる。すわわち、制御装置100が、冷却側の熱交換部材31をハウジング2の内側に面するようにして取り付けた熱電モジュール3と、放熱側の熱交換部材32をハウジング2の内側に面するようにして取り付けた熱電モジュール3とを備えていてもよい。
このような構成によれば、バッテリ1を冷却する必要が生じた場合またはバッテリ1を加熱する必要が生じた場合であっても、それぞれの状況に応じた温度調整が可能となる。このとき、冷却用の熱電モジュール3をハウジング2の上側に設置し、加熱用の熱電モジュール3をハウジング2の下側に設置しておくと、ハウジング2の内部に空気の対流が生じやすくなる点でよい。ハウジング2の内部に対流を生じさせることによって、バッテリ1の温度調整をより効率的に行なうことができる。
なお、制御装置100に熱電モジュール3が1個のみ設けられている場合には、空気の対流の観点から、ハウジング2の内部を冷却したいときには冷却用の熱電モジュール3をハウジング2の上側に設置するとよい。また、ハウジング2の内部を加熱したいときには加熱用の熱電モジュール3をハウジング2の下側に設置するとよい。
また、図6に示すように、熱電モジュール3は温度検知機能(サーミスタ37)を有していればさらによい。サーミスタ37で検知された温度情報が外部演算機器(コントロールユニット)に伝達され、温度情報に応じた電気信号が熱電モジュール3に伝達されることによって、熱電モジュール3の駆動が制御される。これにより、熱電モジュール3を細かく制御することができる。
また、温度検知機能としてのサーミスタ37が一対の支持基板33(33a,33b)の対向する内側の主面間に設けられていてもよい。これにより、熱電素子35に電流を流したときに熱電素子35中に生じる温度の偏りを測定することができるので、熱電モジュール3の温度をより細かく制御することができる。
また、図5に示すように、バッテリ1を冷却する環境において熱電モジュール3を構成する放熱側の熱交換部材32がフィンから成るとともに、ハウジング2の外側にフィンに向けて空気を流すための送風機4が設けられているとさらによい。これにより、放熱側の熱交換部材32の放熱の効率を向上させることができる。
さらに、図5に示すように、バッテリの制御装置100におけるハウジング2の内部にバッテリ1が収納されたバッテリ装置において、バッテリ1が複数設けられているとともに、複数のバッテリ1の間に空隙11が設けられているとさらによい。空隙11に空気が流れることによって、バッテリ1のうち空気の流れに触れることになる部分の表面積を大きく確保することができる。これにより、バッテリ1の温度調整をより効率的に行なうことができる。
次に、熱電部材38とハウジング2との封止構造の例について説明する。
<封止構造例1>
図7に示すように、封止構造例1においては、ハウジング2は、孔21に面する凹部22を有している。そして、2つの支持基板33が熱電モジュール3の側面においてガスケット5を挟むとともに、このガスケット5が凹部22に挿入されることによってハウジング2を封止している。これにより、ヒートサイクル下においてモジュール3とハウジング2との間に生じる熱応力をガスケット5によって吸収させることができる。このとき、一対の支持基板33は、熱電素子35を挟む領域の他に、熱電素子35の側方に延び出た延長領域39を有しており、この延長領域39においてガスケット5が挟まれている。延長領域39によってガスケット5を挟むことによって、ガスケット5の側面と熱電モジュール3とを接触させることなく、ガスケット5と熱電モジュール3とを固定することができる。これにより、ガスケット5と熱電モジュール3との間に生じる熱応力を低減することができる。さらに、ガスケット5と熱電素子35との間に空隙があるとよい。これにより、ガスケット5と熱電素子35との間に生じる熱応力をさらに低減できる。ガスケット5の材料としては、熱伝導率がハウジング2および支持基板33よりも小さい材料を用いることができる。このような材料としては、例えば、ポリウレタン等のプラスチック材料が挙げられる。延長領域39は、5mm以上、望ましくは20mm以上、熱電素子35の側方に延び出ているとよい。これにより、ガスケット5を良好に挟むことができる。
<封止構造例2>
また、図8に示すように、封止構造例2においては、ハウジング2の内周面を構成する部分と外周面を構成する部分との間が中空部23である。そして、2つの支持基板33が熱電モジュール3の側面においてガスケット5を挟むとともに、この中空23部にガスケット5が挿入されている。これにより、封止構造1の場合と同様にガスケット5によって熱応力を吸収することができる。さらに、ハウジング2の内周面を構成する部分と外周面を構成する部分との間に中空部23が存在することによって、ハウジング2の断熱性を向上させることができる。
<封止構造例3>
また、図9に示すように、封止構造例3においては、熱電部材38とガスケット5とが接着材6で接着されている。接着材6としては、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂等の樹脂材料を用いることができる。これにより、封止構造1,2の場合と比較して、簡単な構造で封止部材38とガスケット5とを接合することができる。このとき、ハウジング2は、孔21に面する凹部22を有しており、ガスケット5が凹部22に挿入されている。なお、ハウジング2が凹部22を有する代わりに、封止構造例2のように中空部23を有していてもよい。また、ハウジング2が凹部22または中空部23を有しておらず、ハウジング2とガスケット5とが接着剤で固定されていてもよい。
<封止構造例4>
また、図10に示すように、封止構造例4においては、支持基板33が延長領域39を有しているとともに、ハウジング2が孔21に面する凹部22を備えている。そして、この凹部22の内周面に一対の支持基板3の延長領域39の外周面が接するようにして嵌め合わされている。これにより、接着剤を用いて接合する場合と比較して、熱電モジュール3とハウジング2との位置合わせを容易に行なうことができる。
<封止構造例5>
また、図11に示すように、封止構造例5においては、支持基板33が延長領域39を有している。そして、ハウジング2の孔21付近の部分が一対の支持基板3の内側の主面に接するように、一対の支持基板33の間に挿入されている。これにより、接着剤を用いて接合する場合と比較して、熱電モジュール3とハウジング2との位置合わせを容易に行なうことができる。また、ハウジング2と熱電モジュール3の側面とを接触させずに固定することによって、ハウジング2と熱電モジュール3との間に生じる熱応力を低減することができる。さらに、ハウジング2と熱電素子35との間に空隙があるとよい。これにより、ガスケット5と熱電素子35との間に生じる熱応力をさらに低減できる。
1・・・バッテリ
11・・・空隙
2・・・ハウジング
21・・・孔
22・・・凹部
23・・・中空部
3・・・熱電モジュール
31・・・冷却側の熱交換部材
32・・・放熱側の熱交換部材
33・・・支持基板
34・・・配線導体
35・・・熱電素子
35a・・・P型熱電素子
35b・・・N型熱電素子
36・・・接合材
37・・・サーミスタ
38・・・熱電部材
39・・・延長領域
4・・・送風機
5・・・ガスケット
6・・・接着剤
100・・・バッテリの温度制御装置(制御装置)
200・・・バッテリ装置
本発明のバッテリの温度制御装置は、バッテリの収納空間を有するとともに壁の少なくとも一部に孔を有するハウジングと、該ハウジングに取り付けられた熱電モジュールと、該熱電モジュールとともに前記ハウジングを封止するガスケットとを含み、該熱電モジュールは、複数の熱電素子および該複数の熱電素子を挟むように設けられた一対の支持基板から成る熱電部材ならびに前記支持基板にそれぞれ設けられた熱交換部材を有しており、前記熱電部材が前記孔を塞ぐとともに、前記熱交換部材の一方が前記ハウジングの内側に面し、前記熱交換部材の他方が前記ハウジングの外側に面しており、前記ハウジングは前記孔に面する凹部を有しており、前記一対の支持基板が前記ガスケットを挟むとともに、該ガスケットが前記凹部に挿入されていることを特徴とする。

Claims (6)

  1. バッテリの収納空間を有するとともに壁の少なくとも一部に孔を有するハウジングと、該ハウジングに取り付けられた熱電モジュールとを含み、
    該熱電モジュールは、複数の熱電素子および該複数の熱電素子を挟むように設けられた一対の支持基板から成る熱電部材ならびに前記支持基板にそれぞれ設けられた熱交換部材を有しており、前記熱電部材が前記孔を塞ぐとともに、前記熱交換部材の一方が前記ハウジングの内側に面し、前記熱交換部材の他方が前記ハウジングの外側に面していることを特徴とするバッテリの温度制御装置。
  2. 前記熱電モジュールが2個以上設けられていることを特徴とする請求項1に記載のバッテリの温度制御装置。
  3. 前記熱電モジュールは温度検知機能を有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のバッテリの温度制御装置。
  4. 前記熱電モジュールを構成する放熱側の熱交換部材がフィンから成るとともに、前記ハウジングの外側に前記フィンに向けて空気を流すための送風機が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちいずれかに記載のバッテリの温度制御装置。
  5. 請求項1乃至請求項4のうちのいずれかに記載のバッテリの温度制御装置と、前記ハウジングの内部に収納されたバッテリとを含むことを特徴とするバッテリ装置。
  6. 前記バッテリが複数設けられているとともに、複数の前記バッテリの間に空隙が設けられていることを特徴とする請求項5に記載のバッテリ装置。
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