JPWO2017002325A1

JPWO2017002325A1 - 電源装置

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Publication number: JPWO2017002325A1
Application number: JP2017526165A
Authority: JP
Inventors: 小村　哲司; 哲司小村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2036-06-21
Also published as: JP6500988B2; WO2017002325A1

Abstract

隣接する組電池と冷媒との接触を防止するために、電源装置は、複数の組電池（２）と各々の組電池（２）を冷却するための複数の冷却機構とを備える。各々の冷却機構は、対応する組電池（２）に熱的接触する載置面を有する第１プレート（３０）と、載置面の反対側の面に固定される第２プレート（３１）と、第１プレート（３０）と第２プレート（３１）の間に形成される冷却流路（３４）と、冷却流路（３４）を封止するために第１プレート（３０）と第２プレート（３１）の間に配置されるシール部（３２）と、を含んでいる。第１プレート（３０）は、シール部（３２）が配置される領域を囲う側壁（３３）を有している。側壁（３３）の先端は、載置面に対して垂直な方向において、シール部（３２）の位置よりも対応する組電池（２）から遠ざかる位置まで延在している。

Description

本発明は、冷却機構を有する電源装置に関する。

近年、推進用の電源装置を使用する電気自動車が普及している。電気自動車は、様々な構成が知られており、例えば、駆動用のモータを搭載する車両（ＢＥＶ：Battery Electric Vehicle）や、モータに加えてエンジンを搭載しているハイブリッドカー（ＨＥＶ：Hybrid electric Vehicle）などがある。これらの電気自動車に搭載される電源装置では、複数の電池セルが用いられる。各々の電池セルは、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の充放電が可能な二次電池である。

典型的な電気自動車用の電源装置は、複数の電池セルからなる複数の組電池を備えている。複数の電池セルを集合化して組電池を形成することで、電源装置の組立性を向上させることができる。組電池の電池セルの数は、組立性や作業性等を考慮して適宜決められる。

この分野において、複数の電池セルを冷却するための技術は重要である。例えば、高温の状態で充放電されると、電池セルは電池特性が著しく劣化することが知られている。このような問題に鑑みて、下記の特許文献１に記載の通り、冷却機構を有する電源装置が提案されている。

下記特許文献１に開示されている電源装置は、組電池と、冷却機構を備えている。組電池は、集合化された複数の電池セルを含んでいる。冷却機構は、組電池を載置するためのプレートと、熱交換用の冷却パイプを含んでいる。電池セルの温度が上昇すると、電池セルの熱がプレートに伝わる。冷却パイプの内部を流れる冷媒を介して、プレートと冷却パイプの熱交換が行われる。以上の構成により、特許文献１の電源装置は、複数の電池セルを冷却することができるようになっている。

特開２０１２−２２７１４８号公報

電気自動車では、走行に伴う強い衝撃や振動が電源装置に加わる。特許文献１の電源装置に強い衝撃や振動が加わると、冷却パイプが破損するおそれがある。冷却パイプ内の水圧のため、破損した箇所から冷媒が吹き出す。冷媒が組電池に接触すると、組電池が短絡するおそれがある。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、冷媒の吹き出しに起因する組電池の短絡を防止する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源装置は、複数の組電池と各々の組電池を冷却するための複数の冷却機構とを備える。各々の冷却機構は、対応する組電池に熱的接触する載置面を有する第１プレートと、前記載置面の反対側の面に固定される第２プレートと、前記第１プレートと前記第２プレートの間に形成される冷却流路と、前記冷却流路を封止するために前記第１プレートと前記第２プレートの間に配置されるシール部と、を含んでいる。前記第１プレートは、前記シール部が配置される領域を囲う側壁を有している。前記側壁の先端は、前記載置面に対して垂直な方向において、前記シール部の位置よりも前記対応する組電池から遠ざかる位置まで延在している。

本発明のある態様の構成によれば、シール部の位置を冷媒が吹き出すおそれのある箇所として特定することができる。シール部から吹き出す冷媒は、側壁を含む第１プレートによってさえぎられる。特に、隣接する組電池とシール部との間に位置する側壁を備えることで、隣接する組電池と冷媒との接触を防止することができるようになっている。

本発明の実施形態における電源装置の斜視図である。図１の冷却機構の構造を説明するための分解斜視図である。図１の組電池の一例を示す斜視図である。図３の組電池の分解斜視図である。図１の組電池の他の一例を示す分解斜視図である。図１の組電池の他の一例を示す分解斜視図である。図２の冷却機構の断面を示す電源装置の断面図である。図２の冷却機構の変形例を示す電源装置の断面図である。図２の冷却機構の他の変形例を示す電源装置の断面図である。図９の冷却機構の分解斜視図である。

図１および図２に示すように、本発明のある態様の電源装置１は、複数の組電池２と、複数の冷却機構３とを備える。複数の冷却機構３は、フレーム４の上に配置される。複数の組電池２は、それぞれの冷却機構３の上に配置される。フレーム４には、電源装置１の外装ケースや車体フレームが含まれる。また、複数の組電池２は、マトリックス状に並んでいる。このような効率的な配置により、電源装置１の大型化が抑制される。

図１および図２には、組電池２が模式的に図示されており、図３から図６に示すように様々な形態をとり得る。一方で、これらの組電池２は、熱交換するための冷却面を共通して有している。組電池２の冷却面は、冷却機構３に熱的に接触している。組電池２と冷却機構３の間の熱交換が組電池の冷却面において行われる。なお、組電池２と冷却機構３の間に絶縁性の熱伝導部材を配置してもよい。具体的には、シートやゲルなどの熱伝導部材が知られている。

図３および図４に示すある態様の組電池２は、電池積層体２０Ａと、締結部２５Ａと、を有している。電池積層体２０Ａは、複数の電池セルと、複数の絶縁スペーサ２４Ａを含んでいる。各々の電池セルは、扁平な直方体形状の外装体２２Ａと、外装体２２Ａの一面に設けられる出力端子を有する角形電池２１Ａである。角形電池２１Ａの外装体２２Ａは、金属で形成され、電位を有している。結露水等による短絡を防止するために、外装体２２Ａの表面を絶縁性のシュリンクチューブ等の絶縁層で覆ってもよい。互いの外装体２２Ａの幅広面が対向するように、複数の角形電池２１Ａは一方向に積層される。各々の絶縁スペーサ２４Ａは、隣接する角形電池２１Ａの間に介在し、隣接する角形電池２１Ａの外装体２２Ａ同士の接触を防止している。締結部２５Ａは、一対のエンドプレート２６Ａと、複数の拘束部材２７Ａと、を含んでいる。一対のエンドプレート２６Ａは、積層方向における電池積層体２０Ａのそれぞれの端面に配置される。各々の拘束部材２７Ａは、一対のエンドプレート２６Ａに固定され、電池積層体２０Ａの積層方向に延在している。

上述の構成によると、複数の外装体２２Ａが組電池２の冷却面に形成される。従って、組電池２の冷却面において行われる組電池２と冷却機構３の間の熱交換により、各々の電池セルを冷却することができる。

図５に示すある態様の組電池２は、複数の電池セルと、複数の電池セルを保持する直方体形状の保持部２３Ｂと、電池セルを接続するための一対の接続部２４Ｂを有している。各々の電池セルは、円筒形状の外装体２２Ｂと、外装体２２Ｂの軸方向のそれぞれの端面に設けられる出力端子を有する円筒形電池２１Ｂである。円筒形電池２１Ｂの外装体２２Ｂは、金属で形成され、電位を有している。結露水等による短絡を防止するために、外装体２２Ｂの表面を絶縁性のシュリンクチューブ等の絶縁層で覆ってもよい。保持部２３Ｂは、複数の貫通孔を有する絶縁部材である。複数の円筒形電池２１Ｂは、保持部２３Ｂのそれぞれの貫通孔に挿通される。保持部２３Ｂは、両端の出力端子を露出させた状態でそれぞれの円筒形電池２１Ｂを保持している。

各々の接続部２４Ｂは、複数の円筒形電池２１Ｂの出力端子を接続するための導電プレート２５Ｂと、導電プレート２５Ｂを保持するためのバスバーホルダ２６Ｂと、バスバーホルダ２６Ｂに嵌合するカバープレート２７Ｂを含んでいる。バスバーホルダ２６Ｂは、各々の円筒形電池２１Ｂに対応する複数の貫通孔を有している。バスバーホルダ２６Ｂの複数の貫通孔に複数の円筒形電池２１Ｂを挿入するように、バスバーホルダ２６Ｂが保持部２３Ｂの端部に連結される。バスバーホルダ２６Ｂとカバープレート２７Ｂは、導電プレート２５Ｂを収納するための収容空間を区画している。導電プレート２５Ｂを複数の円筒形電池２１Ｂの出力端子に接続した後、収容空間に樹脂（図示せず）が充填される。収容空間に充填される樹脂は、熱伝導性および絶縁性を有している。また、収容空間に充填される樹脂は、複数の円筒形電池２１Ｂおよびカバープレート２７Ｂに熱的に接触している。

上述の構成によると、一方のカバープレート２７Ｂが組電池２の冷却面に位置する。上述の通り、収容空間に充填される樹脂を介して、複数の円筒形電池２１Ｂの熱はカバープレート２７Ｂに伝わる。従って、組電池２の冷却面において行われる組電池２と冷却機構３の間の熱交換により、各々の電池セルを冷却することができる。

図６に示すある態様の組電池２は、電池積層体２０Ｃと、締結部２５Ｃと、を有している。電池積層体２０Ｃは、複数の電池セルと、複数の伝熱板２３Ｃと、複数の枠体２４Ｃと、を含んでいる。各々の電池セルは、扁平なシート形状の外装体２２Ｃを有するパウチ電池２１Ｃである。パウチ電池２１Ｃの外装体２２Ｃは、ラミネートフィルムで形成されている。ラミネートフィルムは、樹脂層と金属層を組み合わせた複合材料であり、絶縁性を有している。発電要素をラミネートフィルムで包んだ後、ラミネートフィルムの周縁部分を熱溶着する。このようにして、封止部２８Ｃが外装体２２Ｃの周縁に形成される。また、発電要素を収容するための収容部２９Ｃが外装体２２Ｃの中央に形成される。

複数の枠体２４Ｃは、一方向に積層されている。一つの伝熱板２３Ｃを挾持する一対のパウチ電池２１Ｃが、隣接する枠体２４Ｃの間に配置される。各々の枠体２４Ｃは中央に開口が形成されている。これにより、一対の枠体２４Ｃが外装体２２Ｃの収容部２９Ｃを避けて封止部２８Ｃを挾持する。伝熱板２３Ｃは、一対のパウチ電池２１Ｃの収容部２９Ｃと当接している。つまり、各々の伝熱板２３Ｃは、対応する一対のパウチ電池２１Ｃに熱的に接触している。

締結部２５Ｃは、一対のエンドプレート２６Ｃと、一対の拘束部材２７Ｃとを含んでいる。一対のエンドプレート２６Ｃは、電池積層体２０Ｃの積層方向におけるそれぞれの端部に配置される。各々の拘束部材２７Ｃは、一対のエンドプレート２６Ｃに固定される。図５の組電池２の拘束部材２７Ｃは、金属板で形成されている。各々の伝熱板２３Ｃは、一方の拘束部材２７Ｃに熱的に接触するように、断面がＬ字の形状に成形されている。

上述の構成によると、一方の拘束部材２７Ｃが組電池２の冷却面に位置する。上述の通り、各々の伝熱板２３Ｃを介して、複数のパウチ電池２１Ｃの熱は拘束部材２７Ｃに伝わる。従って、組電池２の冷却面において行われる組電池２と冷却機構３の間の熱交換により、各々の電池セルを冷却することができる。

次に、図７から図１０に基づいて、いくつかの変形例を含む冷却機構３について説明する。図７から図１０に示す冷却機構３はいずれも、第１プレート３０と、第２プレート３１と、シール部３２と、を含んでいる。第１プレート３０は、組電池２を載置するための金属板である。組電池２は、第１プレート３０に固定してもよい。固定する手段としては、ボルトやナットなどの螺合部材などがある。第１プレート３０は、組電池２が載置される載置面と、載置面の反対側に位置する冷却流路３４を形成するための流路形成面を有している。また、第１プレート３０は、載置面の反対側の面から突出する側壁３３を有している。

第２プレート３１は、第１プレート３０の載置面の反対側の面に固定される。第１プレート３０と第２プレート３１は、内側に冷却流路３４が形成されるように、流路形成面に隣接する領域において当接している。シール部３２は、第１プレート３０と第２プレート３１が当接している領域に設けられ、冷却流路３４を封止している。

なお、図７に示すように、第１プレート３０とフレーム４を固定するための貫通孔を側壁３３に設けてもよい。側壁３３の貫通孔は、フレーム４に向かって延在している。螺合部材３９Ａが側壁３３の貫通孔に挿通され、第１プレート３０とフレーム４を固定する。上述の構成によると、第２プレート３１は、第１プレート３０に固定されることで、フレーム４に間接的に固定される。これにより、車両の振動等が電源装置に加わった場合であっても、シール部３２に対する負荷集中が抑制される。なお、上述の冷却機構３の固定構造は、一例に過ぎない。充分な強度が期待できるような場合には、冷却機構３の固定構造が上述の構成とは異なる構成であってもよい。

また、流入口と流出口となる一対の配管３５が、冷却流路３４のそれぞれの端部に取り付けられている。一対の配管３５は、第２プレート３１の底面から下方へ突出している。それぞれの配管３５に接続されるホース（図示せず）を介して、冷却流路３４が外部のポンプ（図示せず）に接続される。なお、一対の配管３５は、必ずしも第２プレート３１の底面に設ける必要はない。

図７に示すように、ある態様の冷却機構３では、第２プレート３１は、第１プレート３０に向かって突出する壁部３７Ａを有している。壁部３７Ａは、第２プレート３１上に環状に設けられている。壁部３７Ａが第１プレート３０に固定されることで、壁部３７Ａが流路形成面の領域を囲む。壁部３７Ａは、第１プレート３０にロウ付けされる。具体的には、第１プレート３０や第２プレート３１よりも融点の低い合金が、第１プレート３０と第２プレート３１の壁部３７Ａの間に配置される。合金を溶かすことで第１プレート３０および壁部３７Ａを接合することができる。

これにより、第１プレート３０と第２プレート３１との境界にシール部３２が形成される。シール部３２は、冷却流路３４を封止している。融点の低い合金で形成されるシール部３２の剛性は、第１プレート３０や第２プレート３１と比較して小さい。以上の構成によると、シール部３２の位置を冷媒が吹き出す可能性のある箇所として特定することができる。

図８に示すように、ある態様の冷却機構３では、第２プレート３１は、第１プレート３０に向かって突出する壁部３７Ｂを有している。壁部３７Ｂは、第２プレート３１上に環状に設けられている。また、壁部３７Ｂは、挿通孔を有するフランジ部３８Ｂを含んでいる。フランジ部３８Ｂの挿通孔に挿通されるボルト等の螺合部材３９Ｂを介して、第１プレート３０と第２プレート３１が固定される。壁部３７Ｂが第１プレート３０に固定されることで、壁部３７Ｂが流路形成面の領域を囲む。また、弾性部材が第１プレート３０と第２プレート３１の壁部３７Ｂの間に配置される。第１プレート３０および第２プレート３１は螺合部材３９Ｂを介して固定されることで、弾性部材が第１プレート３０と第２プレート３１の壁部３７Ｂにより挾持される。

これにより、第１プレート３０と第２プレート３１との境界にシール部３２が形成される。シール部３２は、冷却流路３４を封止している。弾性部材で構成されるシール部３２の剛性は、第１プレート３０や第２プレート３１と比較して小さい。以上の構成によると、シール部３２の位置を冷媒が吹き出す可能性のある箇所として特定することができる。なお、弾性部材としては、Oリング等の樹脂部材がある。

図９および図１０に示すように、ある態様の冷却機構３では、第１プレート３０は、第２プレート３１に向かって突出する内周壁３７Ｃを有している。内周壁３７Ｃは、環状に設けられた壁であり、側壁３３の内側に設けられている。内周壁３７Ｃは、側壁３３と同一面から突出している。内周壁３７Ｃの高さは、側壁３３の高さよりも小さい。内周壁３７Ｃが第２プレート３１に固定されることで、内周壁３７Ｃが流路形成面の領域を囲む。内周壁３７Ｃは、第２プレートにロウ付けされる。具体的には、第１プレート３０および第２プレート３１よりも融点の低い合金が、第１プレート３０の内周壁３７Ｃと第２プレート３１の間に配置される。合金を溶かすことで第１プレート３０および内周壁３７Ｃを接合することができる。

図７から図１０に示すいずれの態様の冷却機構３においても、側壁３３の先端は、シール部３２が設けられる位置よりも下方に延在している。なお、側壁３３の先端は、第１プレート３０に固定されている第２プレート３１よりも下方に延在するように構成してもよい。

上述の構成によると、シール部３２からそれぞれの組電池２を結ぶ直線の方向において、側壁３３を含む第１プレート３０がシール部３２と対応する組電池２の間に介在する。そのため、シール部３２の位置から冷媒が吹き出したとしても、第１プレート３０が組電池２と冷媒との接触を防止するようになっている。

加えて、図７および図８の構成によると、シール部３２が側壁の先端よりも組電池２に近い位置に設けられるため、この構成の冷却機構３は、シール部３２が確実に第１プレート３０によって覆われるという利点がある。一方、図９および図１０の構成によると、第２プレート３１の形状を平板状とすることができるため、冷却機構３の製造コストが図７の冷却機構３と比べて安くなるという利点がある。

また、図７から図１０に示すように、冷却機構３は、側壁３３と第２プレート３１の間に設けられる漏水排出経路３６を有していてもよい。図７から図１０に例示する冷却機構３は、第２プレート３１の寸法が第１プレート３０よりも小さい。そのため、第２プレート３１は、側壁３３に囲われる領域の内側に配置される。この構成によると、第１プレート３０の側壁３３と第２プレート３１の間には空隙が形成される。この空隙は、シール部３２が設けられる空間と連通されており、漏水排出経路３６として機能する。

上述の構成によると、第１プレート３０によって遮られた冷媒は、漏水排出経路３６を通じて冷却機構３の外部へ速やかに排出される。なお、漏水排出経路３６の排出側の経路は、第１プレート３０の載置面に対して垂直な方向に延在するように構成することが好ましい。この構成によると、大量の冷媒が漏れ出した場合であっても、漏水排出経路３６から排出される冷媒は組電池２から離間する方向に誘導される。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各々の構成要素や各々の処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１電源装置、２組電池、３冷却機構、４フレーム、２０Ａ電池積層体、２１Ａ角形電池、２２Ａ外装体、２４Ａ絶縁スペーサ、２５Ａ締結部、２６Ａエンドプレート、２７Ａ拘束部材、２１Ｂ円筒形電池、２２Ｂ外装体、２３Ｂ保持部、２４Ｂ接続部、２５Ｂ導電プレート、２６Ｂバスバーホルダ、２７Ｂカバープレート、２０Ｃ電池積層体、２１Ｃパウチ電池、２２Ｃ外装体、２３Ｃ伝熱板、２４Ｃ枠体、２５Ｃ締結部、２６Ｃエンドプレート、２７Ｃ拘束部材、２８Ｃ封止部、２９Ｃ収容部、３０第１プレート、３１第２プレート、３２シール部、３３側壁、３４冷却流路、３５配管、３６漏水排出経路、３７Ａ壁部、３９Ａ螺合部材、３７Ｂ壁部、３８Ｂフランジ部、３９Ｂ螺合部材、３７Ｃ内周壁

Claims

複数の組電池と各々の組電池を冷却するための複数の冷却機構とを備える電源装置において、
各々の冷却機構は、対応する組電池に熱的接触する載置面を有する第１プレートと、前記載置面の反対側の面に固定される第２プレートと、前記第１プレートと前記第２プレートの間に形成される冷却流路と、前記冷却流路を封止するために前記第１プレートと前記第２プレートの間に配置されるシール部と、を含む冷却機構であって、
前記第１プレートが、前記シール部が配置される領域を囲う側壁を有し、かつ、前記側壁の先端が、前記載置面に対して垂直な方向において、前記シール部の位置よりも前記対応する組電池から遠ざかる位置まで延在していることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
前記側壁の先端が、前記載置面に対して垂直な方向において、前記第２プレートの位置よりも前記対応する組電池から遠ざかる位置まで延在していることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
各々の冷却機構は、さらに、前記側壁と前記第２プレートの間に形成される漏水排出経路を有しており、前記漏水排出経路が、前記載置面に対して垂直方向に延在していることを特徴とする電源装置。
請求項１から３のいずれかに記載の電源装置において、
前記シール部が、前記第１プレートと前記第２プレートを接合する合金であることを特徴とする電源装置。
請求項１から３のいずれかに記載の電源装置において、
前記シール部が、前記第１プレートと前記第２プレートの間に介在される弾性部材であることを特徴とする電源装置。