JP2008204761A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却液の自然対流を促進可能な電源装置を低コストで提供することを目的とする。
【解決手段】電池ケース２１に組電池２２及び該電源体を冷却する冷却液２３を収容した電源装置１１であって、高伝熱部２５ｂと、この高伝熱部２５ｂよりも熱伝導率の低い低伝熱部２５aとを有する冷却液接触面を有し、低伝熱部２５aを高伝熱部２５ｂよりも下方に形成したことを特徴とする。ここで、冷却液接触面は電池ケース１１の高さ方向に対して傾斜しており、この傾斜面に沿って移動する冷却液の自然対流を促進する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、電源ケースに電源体及びこの電源体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、電気自動車などに搭載される車両用の電源装置として、複数の電源要素を配列した電源体を冷却液内に浸漬させた電源装置が知られている。

この種の電源体では、充放電の際に発熱して、各電源要素の温度にバラツキが生じる場合がある。例えば、複数の筒型電源を一対の支持部材間に支持した組電池では、中心部の筒型電源ほど温度が高くなり、劣化速度が速くなる傾向がある。このように一部の筒型電源が劣化した場合には、組電池全体を交換しなければならない。

したがって、電源装置の寿命を長くするためには、電源体の冷却により不均一になった冷却液の温度を均一化して、各電源要素の温度のバラツキを抑制する必要がある。冷却液の温度を均一化する方法として、特許文献１には以下の構成が開示されている。

ハウジング内部に複数の角型の単位電池を一定の間隔で配置し、ハウジングの内側表面に複数の突起部を一定の間隔で形成している。ハウジングには、冷媒を流入させる流入口と流入した冷媒を流出させる流出口とが形成されている。

そして、流入口から流入した冷媒は、ハウジング内壁に形成された突起部に衝突し、冷媒の流れに流動と乱流が発生し、電池モジュール全体における局部的な熱不均衡を解消することができるとされている。
特開２００６−２７８３３２号公報 特開２００６−２７８３２８号公報

しかしながら、上述の構成では、冷媒をハウジング内外で流入及び流出させるためにポンプなどの冷媒導入手段が必要となるため、コスト高となる。

他方、冷媒は温度が高くなると比重が軽くなりハウジング内を自然に上昇する。したがって、ポンプなどの冷媒導入手段を省略した場合であっても、自然上昇した冷媒が突起部に衝突することにより、冷媒を自然対流させることができる。

しかしながら、電源冷却に伴う自然対流のみでは、攪拌効果が低いため、高出力の車両用電源の温度のバラツキを十分に抑制することができない。

そこで、本願発明は、冷却液の自然対流を促進可能な電源装置を低コストで提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明は、電源ケースに電源体及び該電源体を冷却する冷却液を収容した電源装置であって、第１の領域と、この第１の領域よりも熱伝導率の低い第２の領域とを有する冷却液接触面を有し、前記第２の領域を前記第１の領域よりも鉛直方向の下方側に形成したことを特徴とする。

ここで、前記冷却液接触面は、前記電源体の鉛直方向上方側に形成するのが好ましい。また、前記冷却液接触面は、鉛直方向に対して傾斜させるのが好ましい。

前記電源体は、複数の電源要素を配列した電源モジュールであり、前記第２の領域における前記第１の領域側の端部とは反対側の端部を、前記電源モジュールの中心に対応した位置に配置するとよい。

前記冷却液接触面は、前記第２の領域に接触して自然対流する冷却液をガイドするガイド面を兼ねている。

前記第１の領域は、アルミ、銅、鉄、マグネシウム及びアルミナからなる群より選択される金属材料及び／又は金属酸化物により形成され、前記第２の領域は、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、フッ素樹脂からなる群より選択される高分子材料及び／又は石英ガラスにより形成することができる。

本発明によれば、冷却液接触面に沿って下方よりも上方の冷却液の温度が低い状態をつくりだすことができるため、冷却液の自然対流を促進できる。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、本実施例の電源装置の断面図であり、Ｙ軸は円筒型電池の長手方向を示しており、Ｚ軸は電源ケースの高さ方向を示している。図２は電源ケースのケース上壁部を電源ケースの内側から見たときの平面図である。図３は組電池の斜視図である。なお、電源装置１１は、電気自動車、ハイブリッド自動車などの駆動用又は補助電源として使用される。

本願発明の電源装置１１は、電池ケース（電源ケース）２１と、この電池ケース２１内に充填された冷却液２３と、この冷却液２３内に浸漬された組電池（電源体、電源モジュール）２２とから構成される。組電池２２は、複数の円筒型電池（電源要素）１２１を配列した電池集合体である。

電池ケース２１のケース上壁部２１ａの内壁部には、三角柱の突起部２５が形成されており、この突起部２５は電池ケース２１下側の黒色で示す低伝熱部（第２の領域）２５ａと上側の斜線で示す高伝熱部（第１の領域）２５ｂとから構成されており、低伝熱部２５ａは高伝熱部２５ｂよりも熱伝導率の低い材料で形成されている。

上述の構成によれば、低伝熱部２５ａでの伝熱量よりも高伝熱部２５ｂでの伝熱量のほうが大きくなるため、突起部２５の外周面に沿って、下側よりも上側の冷却液２３の温度が低い状態を作り出すことができる。これにより、突起部２５の外周面に沿って上側に移動する冷却液２３の自然対流が促進され、冷却液２３の攪拌効果を高めることができる。

次に、電源装置１１の構成を詳細に説明する。図３に示すように、組電池２２は、一対の電池フォルダ１２２、１２３間に複数の円筒型電池１２１をマトリクス状に並設することにより構成される。なお、各円筒型電池１２１は、リチウムイオン電池であるが、ニッケル水素電池を使用することもできる。

各円筒型電池１２１の一端及び他端にはそれぞれ、外周面にネジ溝部１３１ａ、１４１ａが形成された正及び負極ネジ軸部１３１、１４１が設けられている。

電池フォルダ１２２、１２３には、各円筒型電池１２１の正及び負極ネジ軸部１３１、１４１を挿入するための挿入穴部１２２ａ、１２３ａ（１２３ａは不図示である）がマトリクス状に複数形成されており、取り付け状態において、正及び負極ネジ軸部１３１、１４１は挿入穴部１２２ａ、１２３ａから各電池フォルダ１２２、１２３の外側に突出している。

隣接する各円筒型電池１２１は、導電板としてバスバー１５１を介して直列に接続されている。

このバスバー１５１に形成された穴部には、正及び負極ネジ軸部１３１、１４１が挿入されており、バスバー１５１の板厚方向から正及び負極ネジ軸部１３１、１４１に対して締結ナット１６１を締結することにより、各円筒型電池１２１を電池フォルダ１２２、１２３に固定することができる。組電池２２は、電池ケース２１のケース底壁部２１ｃに固定されている。

図１に示すように、電池ケース２１は、ケース上壁部２１ａ、ケース側壁部２１ｂ及びケース底壁部２１ｃから構成されており、ケース側壁部２１ｂ及びケース底壁部２１ｃは一体形成されており、ケース上壁部２１ａは、ケース側壁部２１ｂ及びケース底壁部２１ｃとは別体に形成されている。ケース上壁部２１ａ及びケース側壁部２１ｂの間には電池ケース２１内に冷却液２３を封止するためのオイルシール３１を介在させている。

図２に図示するように、ケース上壁部２１ａのケース内側の面には、三角柱の突起部２５が形成されている。なお、ケース上壁部２１ａの縁と突起部２５との間に形成されたスペースは、ケース側壁部２１ｂの上端面にケース上壁部２１ａを取付けるための取り付け面２１１ａである。

突起部２５は、図１に図示するように、ＸＹ平面の断面形状を台形とする高伝熱部２５ｂ（斜線で示す）とこの高伝熱部２５ｂの下端部に取り付けられた三角柱形状の低伝熱部２５ａ（黒色で示す）とから構成されており、低伝熱部２５ａは高伝熱部２５ｂよりも熱伝導率の低い材料で形成されている。なお、低伝熱部２５ａ及び高伝熱部２５ｂの冷却液２３に接触している面が、特許請求の範囲に記載の冷却液接触面である。

低伝熱部２５ａの資材としては、樹脂、石英ガラスを例示できる。樹脂としては、冷却液２３であるフッ素不活性液体に対して化学反応の起こりにくい、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、フッ素樹脂を例示できる。また、石英ガラスを使用する場合には、車両の振動により割れなどの不具合が発生しないように、機械的強度を向上させる必要がある。

また、高伝熱部２５ｂの資材としては、アルミ、銅、鉄、マグネシウム、アルミナからなる群より選択される金属材料及び／又は金属酸化物を例示できる。なお、突起部２５を有するケース上壁部２１ａは、射出成型により成型することができる。

突起部２５の冷却液接触面の角度は、図１に図示するように電池ケース２１の内周壁部に沿って冷却液２３が自然対流するように設定されていればよく、電池の仕様などに応じて適宜変更することができる。

図１において、一点破線で示すＺ−Ｚ´は、組電池２２の水平方向中心に対応した位置を示しており、突起部２５の頂部は、組電池２２の水平方向中心に対応した位置に設けられている。

電池ケース２１の外周面には、多数の放熱フィン３２が形成されている。これにより、電池ケース２１の外気との接触面積が増し、放熱効果を高めることができる。

ケース側壁部２１ｂには、電源装置１１をフロアパネル４１に固定するためのブラケット４２が設けられている。ここで、ブラケット４２は電池ケース２１の一部を用いて形成してもよいし、別体で形成してもよい。

フロアパネル４１及びブラケット４２にはそれぞれ、上下方向に延びる貫通穴４１ａ、４２ａが形成されており、これらの貫通穴４１ａ、４２ａには、フロアパネル４１の下側から締結ボルト４３が挿通されている。この締結ボルト４３に対してフロアパネル４１の上側から締結ナット４４を締結することにより、電源装置１１をフロアパネル４１に固定することができる。

組電池２２の冷却液２３としては、比熱、熱伝導性と沸点が高く、電池ケース２１、組電池２２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。例えば、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１を用いて、電池ケース２１内における冷却液２３の挙動（流動）を説明する。なお、矢印Ｉは冷却液２３の対流方向を示している。

充放電により発熱した組電池２２を冷却することにより温度上昇した冷却液２３は、比重差により電池ケース２１内を上側に移動する。突起部２５に接触した冷却液２３は、電池ケース２１の水平方向外側に移動しながら、突起部２５の斜面（冷却液接触面）に沿って上側に移動する。つまり、突起部２５の斜面にガイドさせながら、冷却液２３を水平方向に移動させ、冷却液２３の自然対流を促進している
このとき、低伝熱部２５ａに接触した冷却液２３よりも、高伝熱部２５ｂに接触した冷却液２３のほうが、放熱量が多くなる。したがって、突起部２５の冷却液接触面に沿って、上側の冷却液２３よりも下側の冷却液２３の液温が低い状態をつくりだすことができる。

これにより、低伝熱部２５ａ及び高伝熱部２５ｂを設けなかった場合よりも、突起部２５の冷却液接触面における冷却液２３の自然対流を促進することができる。

高伝熱部２５ｂに沿って移動する冷却液２３は、徐々に冷却され、ケース側壁部２１ｂに沿って下方に流動し、組電池２２の中心線Ｚ−Ｚ´に対して左側及び右側の領域においてそれぞれ反時計周り及び時計周り方向の自然対流が生じる。

本実施例では、低伝熱部２５ａ及び高伝熱部２５ｂにより生じた冷却液の温度差により、冷却液２３の自然対流を促進しているため、単なる突起部を設けた場合よりも、冷却液２３の温度のバラツキを抑制することができる。これにより、組電池２２の寿命を長くすることができる。

また、冷却液を対流させるためのポンプなどの循環手段を無くすことができるため、電源装置１１のコストを削減できる。

ここで、組電池２２では、真中の円筒型電池１２１ほど充放電時における発熱温度が高くなり、冷却液２３の水平方向の温度分布もこれにしたがうものと考えられる。したがって、低伝熱部２５ａを組電池２２の真中に対応した位置に配置することにより、低伝熱部２５ａ及び高伝熱部２５ｂにおける冷却液２３の温度差を、冷却液の温度が均一な場合よりも大きくすることができる。これにより、冷却液２３の自然対流をさらに促進することができる。

次に、低伝熱部２５ａ及び高伝熱部２５ｂの変形例を説明する。

図４及び図５は、低伝熱部２５ａ及び高伝熱部２５ｂの変形例の示した図である。なお、実施例１と同一の機能を有する部分には同一符号を付している。

図４（ａ）の突起部２５は、実施例１の突起部２５と同じ形状（つまり、三角柱形状）に形成されているが、低伝熱部２５ａを突起の頂部を含む一部の冷却液接触面にのみ形成している。これにより、実施例１と同様の効果を得ることができる。

また、図４（ｂ）では、ケース上壁部２１ａのケース内側の面を実施例１の突起部２５と同じ形状（つまり、三角柱形状）に形成し、そこに低伝熱部２５ａ及び高伝熱部２５ｂからなる板材２５を取付けている。これにより、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図４（ｃ）では、突起部２５をケース側壁部２１ｂに取付けている。突起部２５の水平方向の端面は、ケース側壁部２１ｂの内周面に接触している。電源ケース２１のケース側壁部２１ｂには、壁部の厚み方向に延びる貫通孔２１２ｂが形成されており、この貫通孔２１２ｂを介して電源ケース２１の外側から固定ボルト５１を締結することにより、突起部２５をケース側壁部２１ｂに固定することができる。

突起部２５の上端面は、ケース上壁部２１ａのケース内側の面に接触しているが、固定はされていない。

図５（ａ）〜（ｃ）は突起部２５の形状の変形例であり、一点破線は各突起部２５の中心線Ｔを示しており、中心線Ｔは組電池２２の中心部を通っている。

図５（ａ）では、突起部２５の形状を半球としている。突起部２５を半球に形成することにより、冷却液２３を水平方向に放射状に流動させることができる。すなわち、実施例１とは異なり、円筒型電池１２１の長手方向にも冷却液２３を流動させることができる。

図５（ｂ）では、突起部２５の形状を立方体としている。これにより、電池ケース２１の高さ方向に延びる冷却液接触面に沿って、上側よりも下側の冷却液２３の温度が高い状態を作り出すことができる。突起部２５の形状を立方体とした場合には、冷却液接触面に接触した冷却液２３を水平方向にガイドできないため、突起部２５を水平方向に複数設けて自然対流を促進するとよい。

図５（ｃ）では、突起部２５の形状を円錐としている。これにより、突起部２５の形状が半球の場合と同じ効果を得ることができる。なお、図示はしていないが、突起部２５をピラミッド形状などの多角錐とすることもできる。

図６及び図７を参照しながら、本発明の電源装置の実施例２を説明する。ここで図６は、電源装置の断面図であり、Ｙ軸方向が円筒型電池の長手方向を示しており、Ｚ軸方向が電源ケースの高さ方向を示している。図７は、電池ケース２１のケース上壁部２１ａをケース内側方向から見たときの、平面図である。なお、実施例１と同一の機能を有する部分には、同一符号を付している。

図７に図示するように、ケース上壁部２１ａのケース内側の面には、中心線Ｚ−Ｚ´を挟んで対称な位置に同一形状及び同一寸法の突起部２５が形成されている。突起部２５は、全体形状が三角柱であり、ＸＹ平面の断面形状を台形とする高伝熱部２５ｂ（斜線で示した領域）とこの高伝熱部２５ｂの下端部に取り付けられた三角柱形状の低伝熱部２５ａ（黒色で示した領域）とから構成される。低伝熱部２５ａは高伝熱部２５ｂよりも熱伝導率の低い材料で形成されている。具体的な材料は、実施例１に例示したので、説明を省略する。

また、突起部２５とケース上壁部２１ａのＸ軸方向端部との間には、一対の斜壁部２１１ｂが形成されており、これらの斜壁部２１１ｂは、ケース上壁部２１ａの一部を用いて形成されている。

各斜壁部２１１ｂの斜面は、組電池２２に対向配置されており、突起部の斜面に沿って流動する冷却液２３を、電池ケース２１内の下方にガイドしている。

次に、図６を用いて、電池ケース２１内における冷却液２３の挙動（流動）を説明する。なお、矢印Ｉは冷却液２３の対流方向を示している。

充放電により発熱した組電池２２を冷却することにより温度上昇した冷却液２３は、比重差により電池ケース２１内を上側に移動する。突起部２５に接触した冷却液２３は、電池ケース２１の水平方向外側に流動しながら、突起部２５の冷却液接触面に沿って上側に移動する（自然対流する）。

このとき、低伝熱部２５ａに接触した冷却液２３よりも、高伝熱部２５ｂに接触した冷却液２３のほうが、放熱量が多くなるため、突起部２５の冷却液接触面に沿って、上側よりも下側の冷却液２３の液温が低い状態をつくりだすことができる。

これにより、低伝熱部２５ａ及び高伝熱部２５ｂを設けなかった場合よりも、突起部２５の冷却液接触面における冷却液２３の自然対流を促進することができる。

ここで、一対の突起部２５間の領域では、一方の突起部２５にガイドされた冷却液２３と他方の突起部２５にガイドされた冷却液２３とが衝突して、冷却液２３が矢印で示すように円弧状に自然対流する。これにより、組電池１２の中心付近から上昇した冷却液２３を左右両側に振り分けて、各突起部２５に向かわせることができる。その結果、冷却液２３の自然対流を促進することができる。

また、斜壁部２１１ｂの斜面に沿って冷却液２３をケース側壁部２１ｂに向けてガイドしているため、ケース側壁部２１ｂからの冷却液２３の放熱を促進することができる。さらに、斜壁部２１１ｂの斜面は、ケース側壁部２１ｂに向かって下方に傾斜しているため、電池ケース２１の内壁に沿って自然対流させることができる。これにより、冷却液２３の攪拌効果を高めることができる。

上述の各実施例では、円筒型電池１２１を配列した組電池２２を使用したが、複数の電源要素を積層した角型電源（電源体）や、電気二重層キャパシタ（電源体）を使用することもできる。

電源装置の断面図である。 ケース上壁部の平面図である。 組電池の斜視図である。 高伝熱部及び低伝熱部の変形例の概略図である。 高伝熱部及び低伝熱部の変形例の概略図である。 実施例２の電源装置の断面図である。 実施例２のケース上壁部の平面図である。

符号の説明

１１ 電源装置
２１ 電池ケース
２１ａ ケース上壁部
２１ｂ ケース側壁部
２１ｃ ケース底壁部
２２ 組電池
２３ 冷却液
２５ 突起部
２５ａ 低伝熱部
２５ｂ 高伝熱部
３１ オイルシール
３２ 放熱フィン
４２ ブラケット
４１ａ、４２ａ 貫通穴
４３ 締結ボルト
４４ 締結ナット

Claims (6)

1. 電源ケースに電源体及び該電源体を冷却する冷却液を収容した電源装置であって、
   第１の領域と、この第１の領域よりも熱伝導率の低い第２の領域とを有する冷却液接触面を有し、前記第２の領域を前記第１の領域よりも鉛直方向の下方側に形成したことを特徴とする電源装置。
2. 前記冷却液接触面を、前記電源体の鉛直方向上方側に形成したことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記冷却液接触面は、鉛直方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記電源体は、複数の電源要素を配列した電源モジュールであり、
   前記第２の領域における前記第１の領域側の端部とは反対側の端部を、前記電源モジュールの中心に対応した位置に配置したことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記冷却液接触面は、前記第２の領域に接触して自然対流する冷却液をガイドするガイド面を形成してい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. 前記第１の領域は、アルミ、銅、鉄、マグネシウム及びアルミナからなる群より選択される金属材料及び／又は金属酸化物により形成され、前記第２の領域は、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、フッ素樹脂からなる群より選択される高分子材料及び／又は石英ガラスにより形成されている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。