JPWO2014010252A1 - バッテリー加熱装置 - Google Patents

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Abstract

複数の電池モジュールを有するバッテリーを加熱するバッテリー加熱装置であって、電気絶縁性基材と、電気絶縁性基材上に配置されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体と、高分子抵抗体上に延在するように互いに平行に配置され、高分子抵抗体に給電する一対の電極とを有する抵抗体シートと、抵抗体シートに貼着された均熱板とにより構成される面状発熱体を備え、均熱板が、抵抗体シートの長さの２倍以上の長さを有する。

Description

本発明は、例えば寒冷地における自動車等のバッテリーを加熱するバッテリー加熱装置に関する。
従来、例えば自動車に搭載されたバッテリーは、−３０℃以下となるような環境においては、バッテリー液が凍結する場合がある。バッテリー液が凍結しない場合においてもバッテリーの電気容量の著しい低下によって、エンジンが始動できなくなる可能性が高くなる。そのため、バッテリー自体をバッテリー加熱装置のような補助熱源によって加熱することにより、バッテリーの能力低下を防止することが考えられている。
この種のバッテリー加熱装置としては、例えば、図７および図８に示す面状発熱体が知られている（例えば、特許文献１参照）。図７に示すように、従来の面状発熱体１１１は、放熱板１０１と、リード線１０５により互いに電気的に接続された２つのディスク状の発熱体１０２と、リード線１０５に対して給電可能に接続されたリード線１０３と、放熱板１０１を電極として放熱板１０１に電気的に接続されたリード線１０４とを備えている。発熱体１０２としては、セラミックＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）発熱体が用いられており、例えば、ディスク状に形成されている。
このような構成の従来の面状発熱体１１１は、図８に示すように、バッテリー１１３の相対向する両側面にそれぞれ配置されるとともに、バッテリー１１３と面状発熱体１１１が断熱材１１２により覆われている。また、リード線１０３、１０４はバッテリー１１３に電気的に接続されており、それぞれの面状発熱体１１１は、バッテリー１１３を電源としてバッテリー１１３を加熱する。
特開平９−１９０８４１号公報
近年では省エネやＣＯ２削減への対応のため、エンジンとモーターとを組み合わせたハイブリット車やモーターのみを動力源とする電気自動車等への関心が高まっている。これらの自動車に搭載されるバッテリーは、モーターを駆動するために電気容量の大容量化が必要となる。そのため、バッテリーの形態も数個の電池セルを直列に接続した電池モジュールを１ユニットとしてケースに収容した電池ユニットを、さらに多数個直列に接続（必要に応じてさらに並列接続）することで、高電圧で大容量のバッテリーを実現している。
このように高容量化されたバッテリーにおいても、従来のバッテリーと同様に厳しい低温環境下では電気容量の低下が課題となり、特許文献１に開示されているような手段でバッテリーを加熱することが考えられている。
しかしながら、特許文献１の面状発熱体１１１のように放熱板１０１に一対のセラミックＰＴＣ発熱体１０２を配置した構成では、放熱板１０１の発熱体１０２近傍と周辺部とでは温度差が発生しやすい。特に、ＰＴＣ発熱体としてセラミックＰＴＣ発熱体１０２を採用した構成では、セラミックの特性上、発熱体自体を大型化することが難しい。そのため、ハイブリット車や電気自動車等で使用される多層ユニット構造の電池ユニットを複数備える構成のバッテリーを加熱する場合、各電池ユニット間で温度差が発生するため、バッテリー全体としての電気容量の回復が不十分となる場合がある。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の電池モジュールを有するバッテリーを加熱するバッテリー加熱装置において、容易な構成で実用上支障のない範囲に加熱ムラを抑制し得るバッテリー加熱装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のバッテリー加熱装置は、複数の電池モジュールを有するバッテリーを加熱するバッテリー加熱装置であって、電気絶縁性基材と、電気絶縁性基材上に配置されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体と、高分子抵抗体上に延在するように互いに平行に配置され、高分子抵抗体に給電する一対の電極とを有する抵抗体シートと、抵抗体シートに貼着された均熱板とにより構成される面状発熱体を備え、均熱板が、抵抗体シートの長さの２倍以上の長さを有する、ことを特徴としたものである。
本発明によれば、複数の電池モジュールを有するバッテリーを加熱するバッテリー加熱装置において、容易な構成で実用上支障のない範囲に加熱ムラを抑制することができる。
本発明の実施の形態（実施例１）におけるバッテリー加熱装置（面状発熱体）の構成を示す平面図 実施の形態のバッテリー加熱装置をバッテリーに装着した状態の斜視図 本発明の実施例２にかかるバッテリー加熱装置の構成を示す平面図 本発明に対する比較例１にかかるバッテリー加熱装置の構成を示す平面図 本発明に対する比較例２にかかるバッテリー加熱装置の構成を示す平面図 実施例１、比較例１、比較例２の面状加熱体の温度分布を示すグラフ 従来の面状発熱体の平面図 従来の面状発熱体の側面図
第１の発明のバッテリー加熱装置は、複数の電池モジュールを有するバッテリーを加熱するバッテリー加熱装置であって、電気絶縁性基材と、電気絶縁性基材上に配置されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体と、高分子抵抗体上に延在するように互いに平行に配置され、高分子抵抗体に給電する一対の電極とを有する抵抗体シートと、抵抗体シートに貼着された均熱板とにより構成される面状発熱体を備え、均熱板が、抵抗体シートの長さの２倍以上の長さを有する、ものである。
このような構成によれば、抵抗体シートの高分子抵抗体上に延在する一対の電極間に局所的な発熱集中（ホットライン）が生じることを抑制でき、広範囲に渡って実用上支障がない状態に温度分布を均一化してバッテリーを加熱することができ、加熱ムラを抑制できる。また、抵抗体シートの高分子抵抗体での発熱が均熱板によって高分子抵抗体の周囲に拡散されるため、高分子抵抗体の発熱部分の安定温度を低くでき、安全性が向上する。それとともに、発熱部分の安定温度を低く保つことにより高分子抵抗体の抵抗値を低く維持することができるため、面状発熱体の高出力化を図ることができる。
第２の発明は、第１の発明のバッテリー加熱装置において、抵抗体シートにおいて、一対の電極により挟まれた領域が発熱部であり、電極延在方向に対して直交する方向の均熱板の長さが、電極延在方向に対して直交する方向の発熱部の長さの２倍以上である、ようにしたものである。
抵抗体シートは、電極延在方向に長く形成される方が電極対の数を少なくすることができ、比較的簡単な構成とすることができるため、抵抗体シートとしては電極延在方向に長く形成されるものが多い。そのため、電極延在方向に対して直交する方向に均熱板の長さを発熱部よりも大きく形成することにより、均熱板を電極延在方向に大きく形成する場合よりも均熱板の放熱面積を大きく形成することができる。したがって、高分子抵抗体の発熱部の安定温度をより低くでき、安全性を向上することができるととともに、面状発熱体の高出力化を図ることができる。
第３の発明は、第１又は第２の発明のバッテリー加熱装置において、抵抗体シートにおいて、一対の電極により挟まれた領域が発熱部であり、電極延在方向の均熱板の長さが、電極延在方向の発熱部の長さの２倍以上である、ようにしたものである。
このような構成では、電圧の印加される電極間方向と垂直な方向である電極延在方向に均熱板が延長して形成されているため、一対の電極間において発熱集中（ホットライン：電圧印加方向の温度不均一により生じる発熱集中）を効果的に抑制でき、信頼性を高めることができる。
第４の発明は、第１から３の発明のバッテリー加熱装置において、抵抗体シートの発熱部の中央部と均熱板の中央部は、電極延在方向に対して直交する方向および電極延在方向の少なくとも一方において一致させて配置されている、ものである。
このような構成によれば、均熱板において長さが延長されている方向の中央部が抵抗体シートの発熱部の中央部と一致させて配置されるため、高分子抵抗体の発熱をより均一に均熱板へ伝熱できる。よって、面状発熱体において、温度分布を安定させて加熱ムラを低減できる。
第５の発明は、第１から３の発明のバッテリー加熱装置において、抵抗体シートの電極に給電用リード線を接続する接続部を設け、抵抗体シートにおいて、接続部が形成された端部が均熱板の端部近傍に配置されている、ものである。
このような構成によれば、給電用リード線の配線処理を容易に行うことができ、簡単な構成にて加熱ムラを抑制できるバッテリー加熱装置を実現できる。
第６の発明は、第１から４の発明のバッテリー加熱装置において、面状発熱体は、バッテリーの被加熱面の距離が４ｍｍ以下となるようにバッテリーに配置される、ものである。
このような構成によれば、バッテリーの被加熱面と面状発熱体との隙間を小さくすることにより、隙間から外部に暖められた空気が漏れるのを抑制して、バッテリーの被加熱面に熱量を集中させることができ、効率的にバッテリーを加熱することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施例の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態）
本発明の実施の形態に係るバッテリー加熱装置を図１および図２を参照して説明する。
図１は、本実施の形態のバッテリー加熱装置の平面図であり、電気絶縁性基材４ｂの一部を破断した状態を示している。図２は、バッテリー１５にバッテリー加熱装置を装着した状態を示す斜視図である。なお、図２のバッテリー加熱装置は、図１に示すバッテリー加熱装置より、抵抗体シート５ａの電極延在方向にさらに延長した均熱板９ａを備えた構成について示している。図２において、図１の構成のバッテリー加熱装置を配置させてもよい。
図１に示すように、バッテリー加熱装置である面状発熱体１ａは、抵抗体シート５ａとアルミニウム等の熱伝導性の良好な材料により形成された均熱板９ａとを備えている。
抵抗体シート５ａは、高分子抵抗体２ａと、高分子抵抗体２ａ上に配置された一対の電極線３ａ、３ｂと、高分子抵抗体２ａと電極線３ａ、３ｂとを両側から挟み込むように覆う電気絶縁性基材４ａ、４ｂとを備える。
高分子抵抗体２ａは、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を有する材料により形成され、例えば樹脂と導電性カーボンとを混練してフィルム状に形成される。高分子抵抗体２ａは、温度が上昇すると高分子抵抗体２ａの抵抗値が上昇し、温度が下降すると抵抗値も下降し、所定の温度で安定化するような自己温度調節機能を有している。
電極線３ａ、３ｂは、高分子抵抗体２ａ上において、同じ方向に延在するように形成されている。すなわち、一対の電極線３ａ、３ｂは所定の間隔１０をあけて互いに平行に高分子抵抗体２ａの表面に配置されている。電極線３ａ、３ｂとしては、例えば、銅撚り線が用いられている。なお、以降の説明では、高分子抵抗体２ａの表面において、電極線３ａ、３ｂが延在して形成されている方向（すなわち、図１の上下方向）を電極延在方向としている。
電気絶縁性基材４ａ、４ｂは、例えば、ポリエチレンテレフタレート等の材料により形成される。電気絶縁性基材４ａ、４ｂと高分子抵抗体２ａとの接合面にホットメルト材を塗布した状態にて、熱プレスあるいは熱ラミネート加工を行うことにより、電気絶縁性基材４ａ、４ｂが高分子抵抗体２ａおよび電極線３ａ、３ｂに接着加工（熱圧着加工）されている。
また、図１に示すように、抵抗体シート５ａにおいて電極線３ａ、３ｂの電極延在方向の一方の端部（図１の下方側端部）には、給電用端子である接続部７ａ、７ｂが設けられている。抵抗体シート５ａにおけるこの一方の端部近傍には、高分子抵抗体２ａが存在せず、さらに電極線３ａ、３ｂのそれぞれの端部が露出するように電気絶縁性基材４ａ、４ｂに切り欠きが形成されている。それぞれの接続部７ａ、７ｂは、給電用リード線６ａと、半田付け、スポット溶接あるいはスリーブ端子によるカシメ等により電気的、物理的に接続されている。
また、抵抗体シート５ａの片面には均熱板９ａが両面テープなどの接着手段を用いて貼着されている。均熱板９ａは、熱伝導性の高い材料によりシート状に形成されていることが望ましく、本実施の形態では、均熱板９ａは、例えば、厚み０．５ｍｍのアルミニウム製のものを用いている。
抵抗体シート５ａの高分子抵抗体２ａは、電極線３ａ，３ｂの間に電圧が印加されることにより発熱する機能を有している。抵抗体シート５ａにおいて、電極線３ａ、３ｂの間隔１０と電極線３ａ、３ｂの電極延在方向に対して直交する方向の両端とで区画される矩形部分（領域）を、高分子抵抗体２ａとして特に発熱に寄与する部分として「発熱部８ａ」と呼ぶ。
図１に示すように、均熱板９ａは、電極延在方向には抵抗体シート５ａの長さと略一致し、電極線３ａ、３ｂ間方向（電極間方向：すなわち、電極延在方向に直交する方向であり、図１の左右方向）には抵抗体シート５ａの長さよりも延長した長さに形成されている。具体的には、電極間方向において、均熱板９ａは、抵抗体シート５ａの発熱部８ａの長さの３倍の長さを有している。すなわち、発熱部８ａに対する均熱板９ａの電極間方向の長さ比は３であり、面積比は３．４となっている。なお、図１に示すように、面状発熱体１ａにおいて、電極線３ａ、３ｂよりも外側の領域（すなわち、左右両端側の領域）が、高分子抵抗体１ａによる発熱が行われない非発熱領域１２ａ、１２ｂとなっている。
なお、高分子抵抗体２ａは単なるフィルムだけでなく、補強のために不織布などの補強材を貼着する形態、高分子抵抗体２ａのフィルムの中に不織布などの補強材を埋設した形態、あるいは不織布などの補強材に樹脂と導電性カーボンを混練した材料を含浸させた形態でもよい。
また、電極線３ａ、３ｂは、高分子抵抗体２ａとの密着性をより強固にするために、銅撚り線でなく、高分子抵抗体２ａと同一材料または近似した組成材料を被覆した被覆線でもよい。また、面状発熱体１ａが可撓性をそれほど必要としない箇所に使用される場合には、銅単線や銅平線でもよい。電極線の素材としても、銅以外の他の金属線を用いてもよい。
また、本実施の形態では、電気絶縁性基材４ａ、４ｂとして同一の電気絶縁性基材を使用しているが、必要に応じて互いに厚みの異なる電気絶縁性基材を用いてもよく、電気絶縁性基材の材質も機能の維持が可能な他の材質を用いても良い。
また、均熱板９ａは、より均熱性を高めるために銅を用いてもよく、また厚みについても剛性を持たせるためにより厚くしてもよいし、コスト低減のために薄くしてもよい。
また、抵抗体シート５ａを取り付ける際の目印として均熱板９ａには切り欠きや印、穴などを任意に配置しても良い。
図２は、バッテリー１５に面状発熱体１ａを装着した状態を示す斜視図である。被加熱物であるバッテリー１５は複数の電池セルを直列接続した電池モジュール１４を複数積層して構成されている。そのバッテリー１５の一つの面（被加熱面）に対向して面状発熱体１ａが支持部材１６により支持され、バッテリー１５の被加熱面と面状発熱体１ａとの間に３ｍｍの隙間を設けた状態にて固定されている。支持部材１６と面状発熱体１ａは、締結手段や固定手段を用いて互いに固定されていればよく、例えば均熱板９ａの抵抗体シート５ａの無い箇所に貫通穴などを配置してボルト・ナットなどで締め付けるようにしてもよい。
面状発熱体１ａは、抵抗体シート５ａよりも均熱板９ａが電池モジュール１４側に位置するように装着される。したがって、バッテリー１５および面状発熱体１ａが車両に搭載された状態において、車両の振動により均熱板９ａがたわんでも抵抗体シート５ａが電池モジュール１４に接触することがなく、抵抗体シート５ａの絶縁性等、抵抗体シート５ａの性能に影響することが防止される。
バッテリー１５には、温度検出手段（温度検出部：図示せず）が装備され、面状発熱体１ａへの電力供給は、温度検出手段の温度情報を受けて、制御手段（制御部）１７で制御される。すなわち、制御手段１７は、予め設定された温度条件と検出された温度情報とに基づいて、面状発熱体１ａへの通電のＯＮ／ＯＦＦを制御する。なお、このように制御手段が用いられる場合に代えて、使用者の意思により、面状発熱体１ａへの通電のＯＮ／ＯＦＦが選択されるようにしてもよい。
以上のように構成された本実施の形態の面状発熱体の動作、作用を以下に説明する。
制御手段１７は温度検出手段（図示せず）により検出されたバッテリー１５の温度が予め設定された温度条件以下になると面状発熱体１ａへの通電を開始し、バッテリー１５が所定の温度に達すると面状発熱体１ａへの通電を遮断する。
面状発熱体１ａへの通電が開始されると、高分子抵抗体２ａの電極線３ａ、３ｂ間の発熱部８ａにて発熱が開始される。発熱部８ａにて発熱された熱は、均熱板９ａに伝わり、均熱板９ａにて熱分布が均一化されるとともに、隙間を介してバッテリー１５の被加熱面に伝熱される。
ここで、高分子抵抗体２ａは、ＰＴＣ特性を有しているので、面状発熱体１ａへの通電後、ある程度の時間経過すると、温度上昇に伴い抵抗値が増大するため発熱量が低下し、発熱と放熱が釣り合う安定温度に維持される。すなわち、高分子抵抗体２ａは、放熱量に依存して安定温度が決定されることになり、放熱量を大きくできる構造であれば、高分子抵抗体２ａの発熱量を大きくすることができる。本実施の形態の面状発熱体１ａでは、加熱ムラの抑制に加えて、放熱量を大きくすべく、抵抗体シート５ａの発熱部８ａよりも大きな長さを有する均熱板９ａを用いている。
本発明の面状発熱体におけるこのような効果を確認するため、本発明の実施例にかかる面状発熱体１ａ（実施例１：図１参照）、１ｂ（実施例２：図３参照）と、比較例にかかる面状発熱体１ｃ（比較例１：図４参照）、１ｄ（比較例２：図５参照）とを作成して、それぞれの面状発熱体の性能の比較を行った。
図１および図３〜５に示す面状発熱体１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、異なる形状および大きさの均熱板９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに、同一形状および大きさの抵抗体シート５ａを貼着して構成している。
図１に示すように、抵抗体シート５ａは、一対の電極線３ａ、３ｂの間隔１０を５０ｍｍ、電極延在方向の長さ寸法を２００ｍｍ、抵抗体シート５ａ単体において（すなわち、均熱板が貼着されていない状態において）抵抗体温度２０℃にて４０Ｗの出力を得られるサンプルを用いた。なお、図１および図３に示す実施例１、２の面状発熱体１ａ、１ｂでは、電気絶縁性基材４ｂの一部を仮想的に破断して高分子抵抗体２ａを露出した状態を示している。図４および図５に示す比較例１、２の面状発熱体１ｃ、１ｄでは、電気絶縁性基材４ｂの一部を仮想的に破断し、さらに高分子抵抗体２ａと電気絶縁性基材４ａの一部を仮想的に破断して均熱板９ｃ、９ｄを露出した状態を示している。
均熱板９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、厚み０．５ｍｍで材質Ａ５０５２（ＪＩＳ規格）の板材を使用した。
図１に示す実施例１の面状発熱体１ａでは、均熱板９ａは、電極延在方向には抵抗体シート５ａの長さと略同寸法に形成されている（製作上の余裕しろや製作誤差程度の長さの相違が存在することを許容する意味での同寸法の状態）。これに対して、電極線３ａ、３ｂ間方向（電極延在方向に直交する方向）には、均熱板９ａの長さを延長して非発熱領域１２ａ，１２ｂを設けている。具体的には、発熱部８ａに対する均熱板９ａの電極間方向の長さ比を３として形成し、発熱部８ａに対する均熱板９ａの面積比は約３．４としている。
図３に示す実施例２の面状発熱体１ｂでは、均熱板９ｂは、電極間方向には抵抗体シート５ａの長さと略同寸法に形成されている（製作上の余裕しろや製作誤差程度の長さの相違が存在することを許容する意味での同寸法の状態）。電極延在方向には均熱板９ｂの長さを延長して非発熱領域１２ｃ、１２ｄを設けている。具体的には、発熱部８ａに対する均熱板９ｂの電極延在方向の長さ比を２として形成し、発熱部８ａに対する均熱板９ｂの面積比は約２．６としている。
図４に示す比較例１の面状発熱体１ｃでは、均熱板９ｃは、電極延在方向および電極線３ａ、３ｂ間方向ともに抵抗体シート５ａと略同寸法に形成し、発熱部８ａに対する均熱板９ｃの面積比は約１．５としている。
図５に示す比較例２の面状発熱体１ｄでは、均熱板９ｄは、電極延在方向および電極線３ａ、３ｂ間方向ともに発熱部８ａと略同寸法に形成し、発熱部８ａに対する均熱板９ｄの面積比は約１．０としている。
測定環境温度は−２０℃一定で、被加熱物のバッテリー１５を配置しない状態で中空に面状発熱体を浮かし、５分間通電した時の出力の測定結果を表１に示す。なお、表１の出力結果としては、図５の比較例２の面状発熱体１ｄの出力を１００％とした場合の比率（出力比）として示している。また、出力測定時におけるそれぞれの面状発熱体の温度分布（図１、図４、図５のＸ−Ｘ’断面の温度分布）を図６に示す。なお、図６では、縦軸に温度、横軸に断面方向の位置を示している。
Figure 2014010252
表１に示されるように、発熱部に対する均熱板の面積比を大きくすればするほど出力比が大きく（すなわち、発熱量が大きく）なっていくという結果が得られた。高分子抵抗体２ａは、ＰＴＣ特性を有しているので、高分子抵抗体２ａの発熱部８ａの熱が均熱板により拡散されることにより、抵抗体シートの安定温度が低下する。したがって、図６からも明らかなように、発熱部に対する均熱板の面積比が大きいほど放熱量（熱の拡散量）が増大して安定温度が低下するため、抵抗体シートの出力（発熱量）を増大させることができる。
図６に示すように、図４に示す比較例１の面状発熱体１ｃおよび図５に示す比較例２の面状発熱体１ｄでは、安定温度における最高温度がほぼ同じになっている。これに対して、図１に示す実施例１の面状発熱体１ａでは、均熱板９ａの非発熱領域１２ａ、１２ｂに抵抗体シート５ａの熱が伝熱されて拡散されるため、安定温度の最高温度が低下していることがわかる。このように安定温度の最高温度を低下させることにより、過度の温度上昇や局所的な温度集中が発生することを防止して、加熱ムラを解消して、バッテリー１５に対する加熱における信頼性を向上させることができる。なお、図６では、図３に示す実施例２の面状発熱体１ｂの安定温度を示していないが、実施例２の面状発熱体１ｂの安定温度の温度分布は、図４に示す比較例１の面状発熱体１ｃの温度より若干低い温度分布となる。
また、出力測定の結果、図３に示す実施例２の面状発熱体１ｂは、図５に示す比較例２の面状発熱体１ｄに対して、１５０％（１．５倍）の出力を得ることができた。また、図１に示す実施例１の面状発熱体１ａは、図５に示す比較例２の面状発熱体１ｄに対して、１７０％（１．７倍）の出力を得ることができた。特に、一の方向において、均熱板の長さが抵抗体シートの長さの２倍以上あれば、比較例１、２に対して十分に高い出力を得ることができることがわかる。また、このような構成によれば、高出力を簡便な構成で得ることができるため、所望の出力を得るのに必要な抵抗体シートの面積を小さくすることができ、低コスト化にも優れる。
また、図１および図３に示す実施例１、２の面状発熱体１ａ、１ｂは、発熱部８ａの中央部と均熱板９ａ、９ｂの中央部を電極延在方向と電極延在方向に対して直交する方向の少なくとも一方において略一致（製作上の都合などによる多少の位置ずれを許容するような一致状態）させている。前述したように、均熱板による放熱を効率よく行うことにより高出力を得ることができるため、均熱板は発熱部の無い部位を抵抗体シートの両側に設けることにより効率的な放熱が行え、さらに出力を高めることができる。
次に、図１の実施例１の面状発熱体１ａと、図３の実施例２の面状発熱体１ｂとの比較を行う。高分子抵抗体２ａ自体は、電極間方向よりも電極延在方向の方が長く形成されており、図１に示す実施例１の面状発熱体１ａでは、均熱板９ａを電極間方向に延長させることにより伝熱・放熱効果を向上させている。特に、発熱部８ａ（発熱する部分）に近い領域に、大きな面積の非発熱領域１２ａ、１２ｂ（放熱する部分）を配置できるため、高い放熱効果を得ることができ、安定温度を低く保ちながら高い出力を得ることができる。また、一対の電極線３ａ、３ｂの間隔１０を拡大する限度があるため、電極間方向において面状発熱体の長さを拡大する場合には、さらに複数の電極線対を設ける必要が生じる。しかしながら、実施例１のように電極間方向において均熱板の長さが延長されていることにより、電極線対を追加的に設けることなく、電極間方向における面状発熱体１ａの加熱面積を拡大できる。
図３に示す実施例２の面状発熱体１ｂは、均熱板９ｂを電極間方向よりも電極延在方向に長くすることにより、ＰＴＣ特性を有する面状発熱体の固有の課題であるホットライン（電圧印加方向（電極間方向）の温度不均一による発熱集中という不具合）の発生を抑制している。特に、一対の電極線３ａ、３ｂの外側に均熱板９ｂを配置していないことは、電極線３ａ、３ｂ間の領域（発熱部８ａ）における電極間方向の温度分布の均一性を高めることにつながる。また、均熱板９ｂを電極延在方向に延長して電極延在方向に非発熱領域１２ｃ，１２ｄを設けていることにより、放熱効果を高めることができ、高い出力を得ることができる。このような構成を採用していることにより、電極間方向の温度均一性を高めてホットライン現象の発生を抑制することができ、信頼性を高めることができる。なお、ホットラインは温度不均一が原因となって発生し、電極間距離が長いほど発生しやすくなるため、電極間距離は短く設計することが好ましい。
図２に示すように、面状発熱体１ａは、支持部材１６によってバッテリー１５との間に例えば３ｍｍの隙間を設けて固定され、面状発熱体１ａによりバッテリー１５の一面（被加熱面）をほぼ覆う構造となっている。このような構成では、面状発熱体１ａによってバッテリー１５と面状発熱体１ａとの隙間の空気が暖められ、その隙間の空気を介してバッテリー１５が暖められる。バッテリー１５と面状発熱体１ａの隙間を３ｍｍと狭く形成しているので、隙間から外部に流出する空気は少ない。本発明者らは鋭意研究の結果、バッテリー１５の被加熱面と面状発熱体１ａの隙間が４ｍｍ以下程度であれば自然対流による空気の流出（隙間外への流出）が少なく、効率的にバッテリー１５を暖められることがわかった。
すなわち、バッテリー１５の被加熱面との間の隙間が４ｍｍ以下となるように均熱板９ａを配置することにより、均熱板９ａは面状発熱体１ａの熱を伝熱する機能だけでなく、バッテリー１５と面状発熱体１ａの隙間の暖めた空気を逃がさない流出防止機能も具備することになる。
また、図２に示すように、均熱板９ａは、電極延在方向および電極間方向ともに２倍以上大きく形成しても良い。この構成の場合、放熱効率を向上させるために、抵抗体シート５ａは均熱板９ａの略中心に配置することが好ましい。
実施例１、２の均熱板９ａ、９ｂは平板で例示したが、本発明の効果を得るには発熱部８ａと均熱板９ａ、９ｂの面積比を保てばよく、均熱板９ａ、９ｂと抵抗体シート５ａが折り曲げ形態を有してもよく、また切り欠きを配置しても良い。
また、抵抗体シートは、接続部７ａ、７ｂが形成された端部を均熱板の端部に位置するように配置して、接続部に接続される給電用リード線６ａの配線処理を行い易くする構成としても良い。
さらに、上述の実施の形態では、面状発熱体１ａは支持部材１６を介してバッテリー１５に装着する構成としたが、面状発熱体を合成樹脂等からなる絶縁性の蓋体に装着し、蓋体によりバッテリーを覆って蓋体をバッテリー側に固定する構成としてもよい。面状発熱体は、蓋体と均熱板との間に抵抗体シートが位置するように装着することにより、抵抗体シートとバッテリーケース等の蓋体外側の部材との接触を防止し、抵抗体シートの信頼性を向上させることができる。
本発明の実施の形態によれば、抵抗体材料を調整しないような場合であっても、均熱板の寸法の調整を行うことで面状発熱体の出力量を調整することができる。特に、電極延在方向に対して、どの方向に均熱板の長さを延長するかにより、ＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体の特徴に応じた面状発熱体を提供することができる。よって、効率的にバッテリーを暖められるだけでなく、安定温度を低くすることができるため、信頼性を高めることができる。さらに所望の出力を得るのに必要な抵抗体シートの面積を抑えることができるため、材料コストにも優れた面状発熱体を簡便に提供することができる。
なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
２０１２年７月１３日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２０１２−１５７１８５号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
以上のように、本発明にかかる面状発熱体は、ＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体を用いた面状発熱体の発熱量を均熱板の形状・大きさで調整できるため、面状発熱体の単位面積当たりの発熱量の向上が図れるとともに、安定温度を下げることができる。そのため、過度温度上昇の心配の無い安全で信頼性の高い面状発熱体が提供でき、寒冷地向けのハイブリット車や電気自動車等のバッテリー加熱は勿論のこと、その他の加熱用ヒータとして幅広く適用することができる。
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 面状発熱体
２ａ 高分子抵抗体
３ａ、３ｂ 電極線
４ａ、４ｂ 電気絶縁性基材
５ａ 抵抗体シート
６ａ 給電用リード線
７ａ、７ｂ 接続部
８ａ 発熱部
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 均熱板
１２ａ〜１２ｄ 均熱板の非発熱領域
１４ 電池モジュール
１５ バッテリー
１６ 支持部材
１７ 制御手段

Claims (6)

  1. 複数の電池モジュールを有するバッテリーを加熱するバッテリー加熱装置であって、
    電気絶縁性基材と、電気絶縁性基材上に配置されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体と、高分子抵抗体上に延在するように互いに平行に配置され、高分子抵抗体に給電する一対の電極とを有する抵抗体シートと、
    抵抗体シートに貼着された均熱板とにより構成される面状発熱体を備え、
    均熱板が、抵抗体シートの長さの２倍以上の長さを有する、バッテリー加熱装置。
  2. 抵抗体シートにおいて、一対の電極により挟まれた領域が発熱部であり、
    電極延在方向に対して直交する方向の均熱板の長さが、電極延在方向に対して直交する方向の発熱部の長さの２倍以上である、請求項１に記載のバッテリー加熱装置。
  3. 抵抗体シートにおいて、一対の電極により挟まれた領域が発熱部であり、
    電極延在方向の均熱板の長さが、電極延在方向の発熱部の長さの２倍以上である、請求項１または２に記載のバッテリー加熱装置。
  4. 抵抗体シートの発熱部の中央部と均熱板の中央部は、電極延在方向に対して直交する方向および電極延在方向の少なくとも一方において一致させて配置されている、請求項１から３のいずれか１つに記載のバッテリー加熱装置。
  5. 抵抗体シートの電極に給電用リード線を接続する接続部を設け、抵抗体シートにおいて、接続部が形成された端部が均熱板の端部近傍に配置されている、請求項１から３のいずれか１つに記載のバッテリー加熱装置。
  6. 面状発熱体は、バッテリーの被加熱面の距離が４ｍｍ以下となるようにバッテリーに配置される、請求項１から４のいずれか１つに記載のバッテリー加熱装置。
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