JP4367497B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源ケース内に電源要素及び該電源要素を冷却する冷却液を収容した電源装置に関する。

ハイブリッド自動車、電機自動車、燃料電池自動車などに搭載される車両駆動用の電源は（例えば、二次電池、燃料電池）、適正温度を超えると、電池要素からガスが発生するため、発熱時に速やかに冷却する必要がある
冷却液の冷却技術として、単電池を複数収容した箱型容器内に冷却液を充填し、この箱型容器の外周部近傍に設けられた攪拌機を用いて冷却液を攪拌する方法が知られている（特許文献１参照）。

また、鉛蓄電池が組み込まれた電池容器内に充填された冷却液を、強制ポンプによって容器内外に循環させる方法も知られている（特許文献２参照）
また、断熱ハウジングとこの断熱ハウジングの内部に配置され空気によって貫流される冷却器を含み、この冷却器は複数のプレート状の冷却要素を平行に配置することによって形成され、これらの平行な冷却要素間における空間内に冷却すべきバッテリセルを配置した冷却装置が知られている（特許文献３参照）
また、円筒型電池の外周面と面接触するケースを用いてその円筒型電池を保持し、このケース内部を通過するように設けられた通路に冷却用液体を流すことによって円筒型電池を冷却する円筒型電池の冷却方法が知られている（特許文献４参照）。

また、断熱容器内に複数の単電池と電気絶縁性の液体を収容し、ポンプを用いて断熱容器の内外で冷却液を循環させる電池モジュールが知られている（特許文献５参照）。

また、電池を収容する密閉容器内部に、電気絶縁性を有する冷却液を充填するとともに、密閉容器内に冷却液を冷却する冷却媒体が流れる冷却管を配置した電池冷却装置が知られている（特許文献６参照）
特許第２９５９２９８号 特開２００５−１９１３４号公報 特許第２７７５６００号公報 特開平９−２６６０１６号公報 国際公開第９８／３２１８６号パンフレット 特開平１１−３０７１３９号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、攪拌機が箱型容器の外周部近傍に設けられているため、攪拌箇所が制限され、冷却液全体の温度を均一化することができない。このため、攪拌機から離れるにしたがい単電池の冷却が不十分になる恐れがある。

攪拌部材を複数設けた場合であっても、攪拌部材が設けられていない箇所では攪拌が不十分となり、また、攪拌部材の増加によりコストが増大する。

また、冷却液を強制循環させる方法では、電池容器の外側に循環路及び強制循環ポンプを設ける必要があるため、装置全体が大型化するおそれがある。

そこで、本願発明は、冷却液の温度分布のバラツキを抑制することができる電源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、本願発明の電源装置は、電源ケース内に電源要素及び該電
源要素を冷却する冷却液を収容した電源装置であって、前記冷却液内に配置される無端ベ
ルトと、前記無端ベルトを無端回動させる回転手段とを有することを特徴とする電源装置。

ここで、前記無端ベルトの内側の領域に、前記電源要素を配置するとよい。また、前記無端ベルトに、複数の攪拌部を設けるとよい。

前記冷却液の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に基づき、
前記回転手段による前記無端ベルトの回転を制御する回転制御手段とを有することを特徴
とする。

前記電源要素は、複数の電源体から構成することができる。この場合、支持部材に各前
記電源体を並設することにより前記電源要素を構成し、前記回転手段の回転軸の軸受部を
前記支持部材に形成するとよい。

前記回転軸を前記電源ケースの外側から回転させる磁気モータを設けるとよい。

本願発明によれば、無端ベルトを冷却液の中で無端回動することにより冷却液を攪拌しているため、冷却液の温度分布のバラツキを抑制することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１及び図２を参照しながら、本願発明の概略構成を説明する。ここで、図１は、本発明の実施例である電源装置１のＹＺ平面方向（電池長手方向）の断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ´の断面図である。

本願発明の電源装置１は、冷却液が充填された電池パック（電源ケース）１１と、冷却液内に配置される組電池（電源要素）１２と、冷却液内においてこの組電池１２を包囲するように配置された無端ベルト１３とを有する。なお、図１では無端ベルト１３を省略して図示している。

無端ベルト１３の４隅にはそれぞれ、回転軸１４ａ〜ｄ周りに回転するベルト駆動ローラ（回転手段）１７ａ〜ｄが加圧接触しており、このベルト駆動ローラ１７ａ〜ｄを回転させることにより、無端ベルト１３を無端回動することができる。

無端ベルト１３を無端回動することにより、電池パック１１内の冷却液が攪拌され、
冷却液の温度を均一化（温度分布のバラツキを抑制）することができる。これにより、組電池１２の寿命を延ばすことができる。

また、組電池１２全体を包囲するように、無端ベルト１３を配置することにより、冷却液全体を攪拌することができる。冷却液全体を攪拌するために、攪拌機を複数配置する必要がなくなるため、コストを削減することができる。

また、攪拌手段（無端ベルト１３）を冷却液内に配置しているため、循環ポンプで冷却液を循環させる構成よりも、電源装置１を小型化することができる。

次に、図１〜図５を用いて電源装置１の構成を詳細に説明する。ここで、図３は図１のＢ−Ｂ´断面図であり、図４は回転軸１４ａを回転させる回転駆動部の断面図である。図５は無端ベルトの回転を制御する回転制御部（回転制御手段）のブロック図であり、実線は機械的な接続、破線は電気的な接続を示している。

組電池１２は、図１に図示するように、対向配置される一対の電池フォルダ（支持部材）１２１、１２２の間に複数の円筒型電池（円筒型の電源体）１２３を並設することにより構成されている。

各円筒型電池１２３の一端及び他端にはそれぞれ、ネジ軸部１２３ａ、１２３ｂを設けている。電池フォルダ１２１、１２２には、各円筒型電池１２３のネジ軸部１２３ａ、１２３ｂを挿入するための挿入穴部（不図示）をマトリクス状に複数形成しており、円筒型電池１２３の組立状態において、ネジ軸部１２３ａ、１２３ｂは、各挿入穴部から電池フォルダ１２１、１２２の外側に突出している。なお、電池フォルダ１２１、１２２は、絶縁樹脂により構成されている。

複数の円筒型電池１２３を集めて電池集合体とすることにより、各円筒型電池１２３の発熱温度にバラツキが生じる場合がある。例えば、中心側に配置される円筒型電池１２３は、外側に配置される円筒型電池１２３よりも発熱温度が高くなり、早く劣化する場合がある。したがって、冷却液を強制的に攪拌させることにより、各円筒型電池１２３の温度のバラツキを速やかに抑制する必要がある。

図３に図示するように、電池フォルダ１２１の四隅近傍には、切欠部１２１ａ〜ｄを形成しており、各切欠部１２１ａ〜ｄには、ハッチングで示す軸受部１８ａ〜ｄを設けている。

各軸受部１８ａ〜ｄにはそれぞれ、Ｒ形状の軸受面１８１ａ〜ｄを形成しており、各軸受面１８１ａ〜ｄはそれぞれ、回転軸１４ａ〜ｄを回転可能に支持している。

このように、電池フォルダ１２１に軸受部を設けることにより、独立した軸受け部材が不要となり、組電池１２の設置やモータ１５の位置決めを容易化することができる。なお、電池フォルダ１２２は電池フォルダ１２１と同じ構成である。

バスバー１２４は、隣接する各円筒型電池１２３を直列に接続している。このバスバー１２４は、ネジ軸部１２３ａ、１２３ｂに挿入されており、このバスバー１２４の上から締結ナット１２６を締結することにより、各円筒型電池１２３を電池フォルダ１２１、１２２に固定することができる。

次に、電池パック１１の構成を詳細に説明する。図２に示すように、電池パック１１の外周面には、冷却液を介して伝熱される組電池１２の熱を放熱するための放熱フィン１９と、電池パック１１を助手席下部のフロアパネル２２に固定するための取付ブラケット２１を形成している。なお、放熱フィン１９は複数設けてもよい。

この取付ブラケット２１には、上下方向に延びる開口部２１ａを形成しており、この開口部２１ａには、フロアパネル２２側から締結ボルト２３を挿入している。

締結ボルト２３の先端部は、取付ブラケット２１から突出しており、車室内側から締結ナット２４を締結することにより、電源装置１をフロアパネル２２に固定することができる。なお、電池パック１１は、金属、樹脂などにより構成することができる。

電池パック１１の内周面には、第１温度センサ６１及び第２温度センサ６２を設けており、第１温度センサ６１を組電池１２よりも上側に配置し、第２温度センサ６２を組電池１２よりも下側に配置している。ここで、組電池１２を冷却することにより加熱された冷却液は、その周囲にある冷却液との比重差により、自然に上昇する。

したがって、組電池１２の上側及び下側にそれぞれ温度センサ６１、６２を配置することにより、冷却液内の温度のバラツキを正確に測定することができる。

図５に図示するように、第１及び第２の温度センサ６１、６２は、電池ＥＣＵ６３に対して電気的に接続されている。

電池ＥＣＵ６３は、第１及び第２の温度センサ６１、６２から出力された温度情報に基づき、冷却液の温度差が５℃以上ある場合には、モータ電源６４のスイッチをオンに設定し、冷却液の温度差が５℃未満である場合には、モータ電源６４のスイッチをオフに設定する。

次に、無端ベルト１３の構成を詳細に説明する。無端ベルト１３は、その内側の面が各円筒型電池１２３の長手方向の面に対向し、冷却液内において組電池１２を包囲している。

無端ベルト１３の外側の面には、ベルトの厚み方向に延びる複数の攪拌フィン(攪拌部)１３ａを所定ピッチで設けている。攪拌フィン１３ａを設けることにより、冷却液の攪拌を促進することができる。なお、無端ベルト１３の表面に凹凸を形成することにより、攪拌部とすることもできる。

また、無端ベルト１３の四隅には、無端ベルト１３の内側方向からベルト駆動ローラ１７ａ〜ｄを加圧接触させている。各ベルト駆動ローラ（回転手段）１７ａ〜ｄは筒状に形成されており、内径部に回転軸（回転手段）１４ａ〜ｄを有しており、各回転軸１４ａ〜ｄと一体になって回転する。

電池パック１１の内壁部には、図１において左右一対のラジアル軸受部２６ｂ〜ｄが設けられており、各一対のラジアル軸受部２６ｂ〜ｄはそれぞれ、回転軸１４ｂ〜ｄを回転可能に支持している。

次に、図１及び図４を参照しながら、回転軸１４ａを回転させるための構成について説明する。

回転軸１４ａの軸方向上には、ラジアル軸受部２６ｂ〜ｄと同じ構成のラジアル軸受部２６ａを電池パック１１の内壁部に設けており、このラジアル軸受部２６ａは、回転軸１４ａを回転可能に支持している。

さらに、電池パック１１の壁部には、電池パック１１の厚みよりも大きな寸法（Ｙ軸方向の寸法）の収容空間を形成した回転板収容部２７を設けており、回転板収容部２７及び電池パック１１の壁部の境界には、オイルシール３１を介在させている。

このオイルシール３１により、電池パック１１内の冷却液を確実に封止することができる。

回転板収容部２７は、上下方向の断面がハット形状の隔壁２８により二室に分割されており、図中右側に形成される第１の回転板収容部２７ａには、回転軸１４ａの他端部が延出しており、図中左側に形成される第２の回転板収容部２７ｂには、モータ（回転手段）１５の出力軸１５ａが延出している。

回転軸１４ａの他端部には、有底筒状の回転板３２を固定し、回転板３２の内周面には、Ｎ極を外側に有するマグネット４１ａ及びＳ極を外側に有するマグネット４１ｂを周方向に交互に複数取付けている。

モータ１５の出力軸１５ａの先端部には、円板形状の磁石取付板３３を固定しており、この磁石取付板３３の周面には、Ｎ極を外側に有するマグネット４２ａ及びＳ極を外側に有するマグネット４２ｂを周方向に交互に複数取付けている。

モータ１５の出力軸１５ａが回転すると、マグネット４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂの磁気作用により、回転軸１４ａが回転する。なお、モータ１５、出力軸１５ａ、磁石取付板３３、マグネット４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、回転板３２により、請求項６に記載の磁気モータが構成される。

このように磁気モータを用いて、無端ベルト１３を回転させることにより、冷却液を電池パック１１内に封止した状態で攪拌することができる。

ここで、電池パック１１内に充填された冷却液は、比熱、熱伝導性と沸点が高く、電源電池パック１１、組電池１２を腐食させず、熱分解、空気酸化、電気分解などを受けにくい物質が適している。さらに、電極端子間の短絡を防止するために、電気的絶縁性の液体が望ましい。

具体的には、冷却液としてフッ素系不活性液体を使用することができる。フッ素系不活性液体としては、スリーエム社製フロリナート、Ｎｏｖｅｃ ＨＦＥ（hydrofluoroether）、Ｎovec１２３０を用いることができる。また、フッ素系不活性液体以外の液体（例えば、シリコンオイル）を用いることもできる。

次に、図５及び図６を参照しながら、モータ１５の制御方法について説明する。ここで、
図６は無端ベルト１３の回転駆動方法を示すフローチャートである。なお、このフローチャートは電池ＥＣＵ（回転制御手段）６３によって実行される。

まず、第１及び第２の温度センサ６１、６２から出力される温度情報を比較して（ステップＳ１０１）、冷却液の温度差が５℃以上であるかどうかを判定する（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０２において温度差が５℃以上であると判定された場合には、さらにモータ電源６４のスイッチがオンに設定されているかどうかを判定し（ステップＳ１０３）、スイッチがオンに設定されていない場合には、スイッチをオンに切替える（ステップＳ１０４）。

モータ電源６４のスイッチがオンに切り替ると、モータ１５の出力軸１５ａが回転し、磁石取付板３３及び回転板３２に取付けられたマグネット４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂの磁気作用により、回転軸１４ａが回転する。

図２に図示するように、回転軸１４ａの回転動作に応じて、ベルト駆動ローラ１７ａに加圧接触した無端ベルト１３が、時計回り反対方向（矢印Ｇ方向）に回転する。これにより、電池パック１１の内周壁に沿って、冷却液を移動させることが可能となり、冷却液の温度を均一化することができる。

また、冷却液を強制的に攪拌することにより、各円筒型電池１２３の温度のバラツキが速やかに抑制され、かつ、円筒型電池１２３の最高温度を下げることができるため、組電池１２の寿命を延ばすことができる。

なお、ステップＳ１０３においてモータ１５が駆動中であると判定された場合及びステップＳ１０４においてモータ電源６４のスイッチをオンに切替えた場合には、ステップＳ１０１に戻る。

ステップＳ１０２において温度差が５℃未満であると判定された場合には、さらにモータ電源６４のスイッチがオンになっているかどうかを判定し（ステップＳ１０５）、スイッチがオンに設定されている場合には、スイッチをオフに切替えて、モータ１５の駆動を停止する（ステップＳ１０６）。なお、ステップＳ１０５においてモータ１５が駆動中でないと判定された場合及びステップＳ１０６においてモータ電源６４のスイッチをオンに切替えた場合には、ステップＳ１０１に戻る。

図７を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。ここで、図７は、実施例２の電源装置１´の断面図である。

組電池１２は、円筒型電池１２３をＺ軸方向（上下方向）に８列、Ｘ軸方向（水平方向）に４行配列することにより構成される。

第１無端ベルト１３１及び第２無端ベルト１３２はそれぞれ、左側４列の円筒型電池１２３及び右側４列の円筒型電池１２３を包囲している。

第１及び第２無端ベルト１３１、１３２はそれぞれ、第１モータ及び第２モータ（実施例１のモータ１５に対応するモータで、図７では不図示としている）によって独立駆動される。

第１モータ及び第２モータは駆動方向がそれぞれ反対方向に設定されている。第１モータを駆動することにより第１無端ベルト１３１は時計周り反対方向に無端回動し、第２モータを駆動することにより第２無端ベルト１３２は時計周り方向に無端回動する。これにより、冷却液を矢印Ｈ方向に流動させることができる。

上述の構成によれば、発熱の大きい組電池１２の中心に位置する円筒型電池１２３（右側から４列目及び５列目に配置される円筒型電池１２３）近傍の冷却液を確実に攪拌することができる。これにより、円筒型電池１２３の最高温度を下げるとともに、各円筒型電池１２３の温度のバラツキを抑制することができる。

また、無端ベルトを二つ設けることにより攪拌力が増し、各円筒型電池１２３の温度分布のバラツキを実施例１の構成よりも抑制することができる。

（他の実施例）
無端ベルト１３の配置は、組電池１２の発熱分布に応じて適宜変更することができ、一部の円筒型電池１２３（例えば、１行目及び２行目の円筒型電池１２３）の周囲を包囲する構成にしてもよい。この場合、無端ベルト１３の配置は、回転軸１４の位置を変えることにより、容易に変更することができる。

上述の実施例では、組電池１２を冷却する冷却液の温度に基づき、無端ベルト１３を駆動したが、エンジンの冷却に用いられる冷却液の温度を検出する温度検出センサの検出結果に基づき、駆動してもよい。

無端ベルト１３の張力を調整するテンションローラを設けてもよい。

実施例２では、第１及び第２無端ベルト１３１、１３２を駆動するモータをそれぞれ独立に設けたが、一つのモータで得られる駆動力を伝達機構で二分割することにより、第１及び第２無端ベルト１３１、１３２を無端回動してもよい。これにより、モータ数を削減して、低コスト化することができる。

上述の実施例では、電源装置１を助手席下部のフロアパネル２２上に設置したが、運転席と助手席との間、後部トランクルームの下部などに配置してもよい。

また、本願発明は、電気二重層キャパシタ（電源要素）や燃料電池（電源要素）にも適用することができる。この電気二重層キャパシタは、複数の正極及び負極を、セパレータを介在させて交互に重ね合わせたものである。そして、この電気二重層キャパシタにおいては、例えば、集電体としてアルミ箔、正極活物質及び負極活物質として活性炭、セパレータとしてポリエチレンからなる多孔質膜を用いることができる。

また、本願発明は、角型電池にも適用することができる。

また、複数の電源装置１を車両の前後方向に並設することもできる。

上述の電源装置は、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）におけるモータ駆動用の電源として用いることができる。

本発明の実施例である電源装置１のＹＺ平面方向（電池長手方向）の断面図である。 図１のＡ−Ａ´の断面図である。 図１のＢ−Ｂ´断面図である。 回転軸を回転させる回転駆動部の断面図である。 無端ベルトの回転を制御する回転制御部（回転制御手段）のブロック図である。 無端ベルトの回転駆動方法を示すフローチャートである。 実施例２の電源装置１´の断面図である。

符号の説明

１ １´ 電源装置
１１ 電池パック
１２ 組電池
１３ １３１ １３２ 無端ベルト
１３ａ 攪拌フィン
１４ 回転軸
１５ モータ
１７ ベルト駆動ローラ
１８ 軸受部
１９ 放熱フィン
２１ 取付ブラケット
２２ フロアパネル
６１ 第１温度センサ
６２ 第２温度センサ
６３ 電池ＥＣＵ
６４ モータ電源
１２１ １２２ 電池フォルダ
１２３ 円筒型電池
１２４ バスバー

Claims (7)

1. 電源ケース内に電源要素及び該電源要素を冷却する冷却液を収容した電源装置であって、
   前記冷却液内に配置される無端ベルトと、
   前記無端ベルトを無端回動させる回転手段とを有することを特徴とする電源装置。
2. 前記無端ベルトの内側の領域に、前記電源要素を配置したことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記無端ベルトに、複数の攪拌部を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記冷却液の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段の検出結果に基づき、前記回転手段による前記無端ベルトの回転を制御する回転制御手段とを有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の電源装置。
5. 前記電源要素は、複数の電源体からなることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の電源装置。
6. 支持部材に各前記電源体を並設することにより前記電源要素を構成し、
   前記回転手段の回転軸の軸受部を前記支持部材に形成したことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の電源装置。
7. 前記回転軸を前記電源ケースの外側から回転させる磁気モータを有することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一つに記載の電源装置。