WO2014156802A1 - 電池パック - Google Patents

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英史 大石
加藤 崇行
加藤 裕久
浩生 植田
文彦 石黒
直人 守作
和樹 前田
崇 酒井
慎太郎 渡▲辺▼
山口 敦
祐貴 中條
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株式会社豊田自動織機
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack.
  • the battery heat retention device disclosed in Patent Document 1 includes a main battery having an assembly of a plurality of cells, a seat heater that is heated by energization, and a temperature sensor that detects the temperature of the battery.
  • the seat heaters disposed between the plurality of cells are provided at two locations and are disposed so as to contact all the cells.
  • the seat heater has a built-in heater that generates heat when energized.
  • the seat heater When the temperature detected by the temperature sensor is lower than a certain value, the seat heater is energized by the spare battery, and the main battery is kept warm by the heat of the seat heater. For this reason, the temperature of the main battery is properly maintained, and it is possible to prevent a decrease in battery capacity even in winter.
  • An object of the present invention is to provide a battery pack in which the temperature of the entire battery pack can be uniformly adjusted and the structure can be simplified.
  • One aspect of the battery pack according to the present invention includes a battery module including a plurality of cells, a casing that houses the battery module and is thermally bonded to the battery module, and is thermally bonded to the casing. And a temperature control device that is attached to the housing in a state and varies the temperature of the housing.
  • the battery module can be indirectly temperature-controlled (heated or cooled) via the case by heating or cooling the case with the temperature adjusting device. Therefore, the temperature of the entire battery pack can be adjusted uniformly and the structure can be simplified, rather than directly heating or cooling the battery module with the temperature adjusting device.
  • FIG. 1 is a side view showing an overall configuration of a forklift according to an embodiment of the present invention. It is a perspective view which shows the whole structure of the battery pack in FIG. (A) is a perspective view which shows schematic structure of the battery module of FIG. 2, (b) is a perspective view which shows schematic structure of the cell of Fig.3 (a). (A) is sectional drawing from the X direction in FIG. 2, (b) is sectional drawing from the Y direction in FIG. It is a system block diagram of the temperature control system of the battery pack of FIG.
  • the drive source of the battery forklift 10 in FIG. 1 is a lithium ion battery.
  • the battery forklift 10 includes a battery pack 25 disposed in a storage chamber 13 located below the seat 11.
  • the battery pack 25 also functions as a counterweight for adjusting the balance of the vehicle body 12. Behind the seat 11, a counterweight 16 for adjusting the balance of the vehicle body 12 is provided separately from the battery pack 25.
  • the battery pack 25 includes a lithium ion battery. Since the weight of the lithium ion battery is lighter than that of a lead storage battery having the same capacity, the battery pack 25 may not function as a counterweight for adjusting the balance of the vehicle body 12. Therefore, the battery pack 25 of this embodiment includes a counterweight in addition to the lithium ion battery so as to have the same weight as a battery pack made of a conventional lead storage battery.
  • the battery pack 25 includes a storage container 14 as a housing and a plurality of battery modules 15 stored in the storage container 14. Eight battery modules 15 are accommodated in the storage container 14 in a state of being stacked in two stages.
  • the storage container 14 of the present embodiment is formed of an iron-based metal material having a relatively heavy weight in order to provide a function as a counterweight. Therefore, under the same environmental conditions (temperature, humidity), the thermal conductivity of the storage container 14 is higher than the thermal conductivity of air.
  • the thickness of the side wall 17B, the side wall 17C, and the cover part 18 is thicker than the thickness of the side wall 17D, the side wall 17E, and the bottom plate 17A.
  • a seat heater 23 is attached to the inner wall surface of the lid portion 18.
  • the seat heater 23 corresponds to a temperature adjustment device that varies the temperature of the battery module 15.
  • the seat heater 23 is attached to the lid portion 18 in surface contact. That is, the lid 18 and the seat heater 23 are in a state of being thermally joined, and heat exchange is possible between the lid 18 and the seat heater 23.
  • a heat insulating material 19 covering the entire storage container 14 is provided on the outer periphery of the storage container 14.
  • the heat insulating material 19 prevents the heat in the storage container 14 from leaking to the outside.
  • the heat insulating material 19 is formed of a resin material having excellent heat insulating properties.
  • one temperature detection sensor 24 is attached to each battery module 15.
  • the cell 20 of this embodiment is a square battery.
  • Each cell 20 is joined with a metal heat transfer plate 22 bent in an L shape.
  • the heat transfer plate 22 includes a joining portion 22A having a rectangular flat plate shape, and a rectangular flat plate-shaped sandwiched portion 22C extending in the thickness direction of the joining portion 22A from the first longitudinal end portion 22B of the joining portion 22A. .
  • the joining portions 22A of the heat transfer plates 22 provided between the cells 20 are joined to the front surface of the cells 20 (one of the two surfaces orthogonal to the juxtaposed direction of the plurality of cells 20) and adjacent to each other. It is joined also to the back surface (surface opposite to the front surface) of another cell 20.
  • the sandwiched portion 22 ⁇ / b> C is joined to the side surface of the cell 20 and the side wall of the storage container 14. A portion of the outer surface of each cell 20 where the heat transfer plate 22 is not joined is covered with an insulating resin.
  • the sandwiched portion 22C of the heat transfer plate 22 includes the side wall 17B,
  • the cell 20 is bonded to a surface facing the side wall 17B, that is, a side surface.
  • the sandwiched portion 22C of the heat transfer plate 22 faces the side wall 17C and the side wall 17C of the cell 20, that is, the side surface. To be joined.
  • the controller 28 determines whether the temperature adjustment of the battery module 15 is necessary based on the detection signal from the temperature detection sensor 24. For example, when the temperature Ts detected by the temperature detection sensor 24 is lower than a predetermined value Tm, it is determined that the temperature adjustment of the battery module 15 is necessary, and the controller 28 supplies the power supply 26 to the seat heater 23.
  • the power source 26 is controlled so that power is supplied from the power source 26.
  • the seat heater 23 generates heat.
  • the heat generated in the seat heater 23 is transmitted to the lid portion 18 of the storage container 14 that is thermally joined to the seat heater 23, and part of the heat is transmitted to the air in the storage container 14.
  • the heat transmitted to the lid 18 is transmitted to the battery module 15 via the side walls 17B and 17C, and the battery module 15 is warmed.
  • the heating of the battery module 15 by the seat heater 23 is continued until Ts ⁇ Tm.
  • the storage container 14 is formed from a metal material having good thermal conductivity, it has a function as a heat storage body, and part of the heat transferred to the storage container 14 is temporarily stored in the storage container 14. Heat is stored.
  • the battery forklift 10 has the following advantages. (1)
  • the seat heater 23 and the storage container 14 are thermally bonded, and the battery module 15 and the storage container 14 are thermally bonded. Therefore, the battery module 15 can be indirectly warmed by the seat heater 23 via the storage container 14, and the temperature of all the battery modules 15 thermally joined to the storage container 14 can be adjusted uniformly. Become.
  • the lid portion 18 can absorb more heat generated by the seat heater 23. Therefore, the heat generated by the seat heater 23 can be efficiently transmitted to the storage container 14.
  • the heat insulating material 19 can suppress the heat in the storage container 14 from leaking to the outside. Therefore, the heat generated in the seat heater 23 can be used for adjusting the temperature of the battery module 15 without dissipating the heat to the outside, so that the thermal efficiency can be further improved and the temperature adjustment time of the battery module 15 can be shortened. It is.
  • the battery pack 25 also functions as a counterweight, the balance of the vehicle body can be adjusted even if a lighter lithium ion battery is used as the battery module 15.
  • the storage container 14 is formed of a metal material having a higher thermal conductivity than air.
  • the storage container 14 may be formed using a resin material other than metal, for example.
  • the seat heater 23 is used as the temperature adjusting device, but a Peltier element may be used as the temperature adjusting device instead of the seat heater 23.
  • the Peltier element can be used as a heating source (heating element) or a cooling source (heat absorption element) depending on the direction of the current flowing inside.
  • the Peltier element is used as a heating source, the battery module 15 can be heated by heating the storage container 14 with the Peltier element, and the same effect as the embodiment of the present invention using the seat heater 23 can be used. Can be obtained.
  • the Peltier element is used as a cooling source, the battery module 15 can be cooled by cooling the storage container 14 with the Peltier element.
  • the storage container 14 has a function as a cold storage body, can suppress the temperature rise of the battery module 15, and can cool the whole battery pack uniformly. Further, by using a refrigerator as a temperature control device instead of the seat heater 23, the battery module 15 can be cooled.
  • the storage container 14 also functions as a counterweight, but may not function as a counterweight.
  • the heat transfer plate 22 is joined to each cell 20, but it is sufficient that each cell 20 and the storage container 14 are thermally joined, and the heat transfer plate 22 is not necessary. .
  • one temperature detection sensor 24 is provided for each battery module 15, but a plurality of temperature detection sensors 24 may be provided for each battery module 15.
  • the controller that controls the load 27 and the controller 28 that controls the power source 26 of the seat heater 23 may be a single controller.

Abstract

 電池パックは、複数のセルを含む電池モジュールと、電池モジュールを収容し電池モジュールと熱的に接合された筐体と、筐体に熱的に接合された状態で筐体に取り付けられ筐体の温度を変動させる温度調節装置とを備える。

Description

電池パック
この発明は、電池パックに関する。
 電池パックに関する従来技術としては、例えば、特許文献1に開示されたバッテリ保温装置が存在する。
 特許文献1に開示されたバッテリ保温装置は、複数のセルの集合体を有するメインバッテリと、通電により加熱されるシートヒーターと、バッテリの温度を検出する温度センサとを備えている。複数のセルの間に配置されたシートヒーターは、2箇所に設けられており、全てのセルと接触するように配設されている。シートヒーターには、通電により発熱するヒーターが内蔵されている。
 温度センサで検出された温度が一定値より低い場合には、予備バッテリによりシートヒーターが通電され、シートヒーターの熱によりメインバッテリが保温される。このため、メインバッテリの温度が適正に維持され、冬季などでもバッテリ容量の低下を防止することが可能である。
特開2002-75469号公報
 しかし、特許文献1で開示されたバッテリ保温装置では、シートヒーターは全てのセルと接触するように2箇所に設けられているために、シートヒーターの設置台数が増えると共に、シートヒーターの設置面積が増加する問題がある。また、シートヒーターの熱は、シートヒーターと各セルとの接触部位を介して各セルに直接伝達されるため、各セルはシートヒーターのON/OFFに伴う温度変化の影響を直接受けて、各セル内の温度が均一とならず温度のばらつきが発生する恐れがある。
 本発明の目的は、電池パック全体の温度を均一に調節することができ、且つ構造の簡略化を図ることが可能な電池パックの提供にある。
 本発明に係る電池パックの一態様は、複数のセルを含む電池モジュールと、前記電池モジュールを収容し前記電池モジュールと熱的に接合された筐体と、前記筐体に熱的に接合された状態で前記筐体に取り付けられ前記筐体の温度を変動させる温度調節装置とを備える。
 上記一態様によれば、温度調節装置で筐体を加熱又は冷却することにより、筐体を介して電池モジュールを間接的に温度調節(加熱又は冷却)することが可能である。よって、温度調節装置で電池モジュールを直接加熱又は冷却するよりも、電池パック全体の温度を均一に調節できると共に、構造の簡略化を図ることが可能である。
本発明の実施形態に係るフォークリフトの全体構成を示す側面図である。 図1における電池パックの全体構成を示す斜視図である。 (a)は図2の電池モジュールの概略構成を示す斜視図であり、(b)は図3(a)のセルの概略構成を示す斜視図である。 (a)は図2におけるX方向からの断面図であり、(b)は図2におけるY方向からの断面図である。 図1の電池パックの温度調節システムのシステム構成図である。
 以下、本発明の実施形態に係る電池パックを図1~図5に基づいて説明する。
 図1のバッテリフォークリフト10の駆動源は、リチウムイオン電池である。
 バッテリフォークリフト10は、座席11の下方に位置する収容室13内に配置された電池パック25を備えている。電池パック25は、車体12のバランス調整用のカウンターウェイトとしても機能する。座席11の後方には、車体12のバランス調整用のカウンターウェイト16が電池パック25とは別に設けられている。
 電池パック25は、リチウムイオン電池を備える。リチウムイオン電池の重量は、同じ容量の鉛蓄電池と比べて軽いため、電池パック25は車体12のバランス調整用のカウンターウェイトとして機能できない場合がある。そこで、本実施形態の電池パック25は、従来の鉛蓄電池からなる電池パックと同じ重量になるようにリチウムイオン電池の他にカウンターウェイトを備える。
 図2に示すように、電池パック25は、筐体としての収納容器14と収納容器14内に収納された複数の電池モジュール15とを備えている。8個の電池モジュール15が、2段に積み重ねられた状態で収納容器14内に収容されている。
 収納容器14は、上部に開口を有する箱状の本体部17と、本体部17の開口を覆う蓋部18を備えている。
 本体部17は、矩形状の底板17Aと底板17Aの4辺に立設された矩形状の側壁17B~17Eとで構成されている。以下、底板17Aの長辺部に立設された側壁を17B、17Cとし、底板17Aの短辺部に立設された側壁を17D、17Eとする。
 蓋部18が、本体部17の開口を覆うように設けられることで、収納容器14の内部が密閉されている。
 収納容器14は、空気より高い熱伝導性を有する材料によって形成されている。
 なお、本実施の形態の収納容器14は、カウンターウェイトとしての機能も持たせるため、重量が比較的重い鉄系の金属材料によって形成されている。従って、同一環境条件下(温度、湿度)においては、収納容器14の熱伝導率が空気の熱伝導率より高くなっている。
 また、収納容器14では、側壁17B、側壁17C及び蓋部18の厚さが、側壁17D、側壁17E及び底板17Aの厚さより厚い。
 蓋部18の内壁面には、図4(a)及び図4(b)に示すように、シートヒーター23が取り付けられている。シートヒーター23は電池モジュール15の温度を変動させる温度調節装置に相当する。シートヒーター23は、蓋部18に面接触した状態で取り付けられている。すなわち、蓋部18とシートヒーター23とは熱的に接合された状態にあり、蓋部18とシートヒーター23との間で熱交換可能な状態にある。
 収納容器14の外周には、収納容器14の全体を覆う断熱材19が設けられている。断熱材19によって、収納容器14内の熱が外部に漏れることが抑制されている。断熱材19は、断熱性に優れた樹脂材料により形成されている。
 電池モジュール15は、収納容器14内に収納されており、側壁17B又は側壁17Cに接合される。
 また、電池モジュール15は、図4(a)及び図4(b)に示すように、シートヒーター23と各電池モジュール15とが直接接触しないように、蓋部18との間に空間Kが形成されるように蓋部18から間隔を空けて設けられている。
 電池モジュール15は、図3(a)及び図3(b)に示すように、複数個のセル20の集合体である。複数個のセル20は、構造的に一体に連結されると共に、電気的に直列に連結されている。
 図5に示すように、各電池モジュール15には温度検出センサー24がそれぞれ1個ずつ取り付けられている。
 本実施形態のセル20は、角型電池である。
 各セル20には、L状に折れ曲がった金属製の伝熱プレート22が接合されている。伝熱プレート22は、矩形平板状をなす接合部22Aと、接合部22Aの長手方向第1端部22Bから接合部22Aの厚み方向に延びる矩形平板状の被挟持部22Cとを有している。各セル20間に設けられる伝熱プレート22の接合部22Aは、セル20の正面(複数のセル20の並設方向と直交する2つの面のうちの一方)に接合されるととともに、隣接する別のセル20の背面(正面の反対側の面)にも接合される。被挟持部22Cは、セル20の側面及び収納容器14の側壁に接合される。各セル20の外面において伝熱プレート22が接合されていない部分は、絶縁性の樹脂で覆われている。
 詳述すると、図4(b)に示すように、側壁17Bに隣接して設けられる電池モジュール15(紙面右側の電池モジュール15)では、伝熱プレート22の被挟持部22Cが、側壁17Bと、セル20における側壁17Bに対向する面、すなわち側面とに接合される。また、側壁17Cに隣接して設けられる電池モジュール15(紙面左側の電池モジュール15)では、伝熱プレート22の被挟持部22Cが、側壁17Cと、セル20における側壁17Cに対向する面、すなわち側面とに接合される。
 セル20は、例えば、リチウムイオン電池からなり、常温(20℃)での出力特性が良好な電池である。常温での出力特性が良好である電池とは、出力特性に温度依存性があり、例えば、20℃前後に暖める(暖機する)ことにより、安定した出力特性が得られる電池のことを指している。
 図5は電池パック25の温度調節システムのシステム構成図である。電池パック25の温度調節システムは、電池モジュール15と、電池モジュール15を収納する収納容器14と、電池モジュール15の温度を調節するシートヒーター23と、電池モジュール15の温度を検出する温度検出センサー24とを備えている。また、電池パック25の温度調節システムは、シートヒーター23と接続された電源26と、電池モジュール15の正負の出力端子と接続された負荷27と、温度検出センサー24からの検出信号を受けて電源26を制御するコントローラ28とを備えている。
 コントローラ28は、温度検出センサー24からの検出信号に基づいてシートヒーター23を駆動させる必要があると判断すると、シートヒーター23に電源26から電力が供給されるように電源26を制御する。
 以上の構成を有する電池パック25及び電池パック25の温度調節システムの作用を説明する。
 先ず、コントローラ28は、温度検出センサー24からの検出信号に基づき、電池モジュール15の温度調節が必要かどうかの判断を行う。例えば、温度検出センサー24により検出された温度Tsが、予め定められている所定値Tmより低い場合には、電池モジュール15の温度調節が必要と判断され、コントローラ28は、シートヒーター23に電源26から電力が供給されるように電源26を制御する。その結果、シートヒーター23が発熱する。シートヒーター23で発生した熱は、シートヒーター23と熱的に接合された収納容器14の蓋部18に伝達されるとともに、一部が収納容器14内の空気に伝達される。
 蓋部18に伝達された熱は、側壁17B、17Cを介して電池モジュール15へ伝達され、電池モジュール15が暖められる。このシートヒーター23による電池モジュール15の加熱は、Ts≧Tmとなるまで継続される。
 ところで、収納容器14は、熱伝導性の良好な金属材料から形成されているので、蓄熱体としての機能を有し、収納容器14に伝達した熱の一部は、収納容器14に一時的に蓄熱される。収納容器14への蓄熱量は、収納容器14の熱容量に比例し、収納容器14の熱容量は収納容器14の質量に比例する(熱容量=比熱×質量)。すなわち、収納容器14の体積を増やせば収納容器14の蓄熱量も大きくなる。
 一方、温度検出センサー24により検出された温度Tsが、予め定められている所定値Tmより高い場合には、電池モジュール15の温度調節(暖機)が必要ないと判断され、電池モジュール15の温度調節は行われない。
 本発明の実施形態に係るバッテリフォークリフト10によれば以下の利点を奏する。
 (1)シートヒーター23と収納容器14とは、熱的に接合されていると共に、電池モジュール15と収納容器14とは熱的に接合されている。よって、シートヒーター23により収納容器14を介して電池モジュール15を間接的に暖めることができ、収納容器14に熱的に接合された全ての電池モジュール15の温度を均一に調節することが可能となる。
 (2)収納容器14の蓋部18の厚さを厚くして蓄熱量(熱容量)を大きくしているため、蓋部18は、シートヒーター23で発生した熱をより多く吸熱することができる。したがって、シートヒーター23で発生した熱を効率良く収納容器14へ伝達することができる。
 (3)収納容器14の熱伝導率が、空気の熱伝導率より高いので、シートヒーター23で発生する熱の大部分は、収納容器14を介して電池モジュール15に伝達される。よって、空気を介して(空気の熱伝導を利用して)電池モジュール15を温度調節するよりも効率良く電池モジュール15の温度を調整することが可能となる。
 (4)空間K(空気)を介して電池モジュール15を暖めようとすると、大きなサイズのシートヒーターが必要となる。この点、本実施形態においては、収納容器14と熱的に接合されたシートヒーター23を一台設置するだけでよいので、電池パック25の構造の簡略化とコストダウンを図ることができる。
 (5)収納容器14の外周には、断熱材19が設けられているので、断熱材19によって、収納容器14内の熱が外部に漏れるのを抑制できる。よって、シートヒーター23で発生する熱を外部に放熱させることなく、電池モジュール15の温度調節に利用できるので、熱効率の一層の向上を図れると共に、電池モジュール15の温調時間を短縮することが可能である。
 (6)電池パック25は、カウンターウェイトの機能を兼ねているので、電池モジュール15として軽量化されたリチウムイオン電池を使用しても、車体のバランス調整が可能である。
 (7)側壁17B及び側壁17Cの厚さを、側壁17D及び側壁17Eの厚さより厚くしているため、蓋部18に伝熱されたシートヒーター23からの熱を効率よく、電池モジュール15が接続された側壁17B及び側壁17Cに伝達することができる。
 なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
 本発明の実施形態では、収納容器14は、空気より高い熱伝導率を有する金属材料で形成されている。しかし空気より高い熱伝導率を有する材料であれば、例えば金属以外の樹脂材料を使用して収納容器14を形成しても良い。
 本発明の実施形態では、温度調節装置としてシートヒーター23が使用されているが、シートヒーター23の代わりに温度調節装置としてペルチェ素子を使用しても良い。ペルチェ素子は内部を流れる電流の向きにより、加熱源(発熱体)又は冷却源(吸熱体)として使用できる。ペルチェ素子を加熱源として使用した場合には、ペルチェ素子により収納容器14を加熱することにより電池モジュール15の加熱を行うことができ、シートヒーター23を使用する本発明の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。また、ペルチェ素子を冷却源として使用した場合には、ペルチェ素子で収納容器14を冷却することにより、電池モジュール15の冷却を行うことができる。この場合には、収納容器14は蓄冷体としての機能を有し、電池モジュール15の温度上昇を抑制することができると共に、電池パック全体を均一に冷却することが可能である。また、シートヒーター23に代えて温度調節装置として冷凍機を使用することにより、電池モジュール15の冷却を行うことができる。
 本発明の実施形態では、収納容器14はカウンターウェイトの機能を兼ねているが、カウンターウェイトの機能を兼ねていなくても良い。
 本発明の実施形態では、各セル20に伝熱プレート22が接合されているが、各セル20と収納容器14とが熱的に接合されていれば良く、伝熱プレート22はなくても良い。
 本発明の実施形態においては、電池が角型電池であるが、それ以外の構成(例えば、ラミネート電池、円筒型電池)でも良い。
 本発明の実施形態においては、電池モジュール15に温度検出センサー24が設けられているが、これに限られない。例えば、収納容器14内に温度検出センサーを設けてもよいし、収納容器14の周辺に温度検出センサーを設けてもよい。電池モジュール15に温度検出センサー24を設けない場合は、検出された温度から電池モジュール15の温度を推定する。
 本発明の実施形態においては、各電池モジュール15に温度検出センサー24が1個ずつ設けられているが、各電池モジュール15に複数個の温度検出センサー24を設けても良い。
 本発明の実施形態において、負荷27を制御するコントローラと、シートヒーター23の電源26を制御するコントローラ28とを、単一のコントローラにしても良い。

Claims (4)

  1.  複数のセルを含む電池モジュールと、
     前記電池モジュールを収容し、前記電池モジュールと熱的に接合された筐体と、
     前記筐体に熱的に接合された状態で前記筐体に取り付けられ、前記筐体の温度を変動させる温度調節装置と、
     を備えた、電池パック。
  2.  前記筐体の熱伝導率が、空気の熱伝導率より高い、請求項1に記載の電池パック。
  3.  前記温度調節装置がヒーターを有している、請求項1又は2に記載の電池パック。
  4.  前記筐体が、バッテリフォークリフトに搭載されたカウンターウェイトである、請求項1~3のいずれか一項に記載の電池パック。
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