JP2019016564A

JP2019016564A - 電源装置

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Publication number: JP2019016564A
Application number: JP2017134920A
Authority: JP
Inventors: 光博三浦; Mitsuhiro Miura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2037-07-10
Also published as: CN109245191A; EP3429022B1; CN109245191B; JP6787263B2; US20190014690A1; EP3429022A1; US10660237B2

Abstract

【課題】発熱量の大きい電圧変換回路を電池セルと一つの収容空間内に収容して電源装置の小型化を図りたい。【解決手段】電源装置は、電池セルと、電池セルに接続される電圧変換回路と、電池セルを熱伝達可能に固定する第１筐体と、電圧変換回路を熱伝達可能に固定する第２筐体と、第１筐体と第２筐体の合わせ面に介在し、第１筐体の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導層とを備え、第１筐体と第２筐体によって形成された内部空間に電池セルと電圧変換回路が収容されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電源装置に関する。

近時、車両を走行させるモータに電力を供給するための電源装置が開発されている。例えば、特許文献１に記載の電源装置では、複数の電池セルを収容する電池ケースと、電池の充放電制御に用いられる電子部品を収容する電子部品ケースとを別々に設けて連結している。この電源装置では、電子部品から発生する熱を、熱伝導シートを介して積極的に電子部品ケースに移すことにより電子部品の放熱を図っている。

特開２００９−１８１７３７号公報

電源装置の小型化、低コスト化が望まれている。そこで、電池セルと電子部品のそれぞれを別々のケースに分けて収容するのではなく、一体化されたケースに纏めて収容したい。特に、電池セルからの電力を効率的に利用することを考えると、電圧変換回路を電池セルと纏めて収容したい。しかし、発熱量の大きい電圧変換回路を電池セルと一つの収容空間内に収容すると、電圧変換回路から発生した熱が電池セルに伝わってしまい、電池セルの性能維持に悪影響を与えてしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、電圧変換回路を電池セルと一つの収容空間内に収容して小型化を図ると共に、電圧変換回路から生じた熱が電池セル側へ伝わりにくい構造を実現した電源装置を提供するものである。

本発明の第１の態様における電源装置は、電池セルと、電池セルに接続される電圧変換回路と、電池セルを熱伝達可能に固定する第１筐体と、電圧変換回路を熱伝達可能に固定する第２筐体と、第１筐体と第２筐体の合わせ面に介在し、第１筐体の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導層とを備え、第１筐体と第２筐体によって形成された内部空間に電池セルと電圧変換回路が収容されている。

このような構造を採用すれば、電圧変換回路で発生した熱が第１筐体から放散されやすく、同時にその熱は低熱伝導層に阻まれて第２筐体には伝わりにくい。したがって、電池セルを低温に保ってその性能を十分に発揮させることができる。

また、上記の電源装置において低熱伝導層は、第１筐体および第２筐体のいずれかの表面のうち、合わせ面と合わせ面以外の少なくとも一部の面を覆うように設けられていると良い。低熱伝導層として空気への熱伝達率が比較的高い素材を用いれば、筐体からの熱放散を促進させる効果も期待できる。

また、第１筐体および第２筐体のうち低熱伝導層が設けられた筐体に放熱フィンを設けて、当該放熱フィンを覆うように低熱伝導層を設けると良い。このように構成すれば、更に熱放散の特性を向上させることができる。また、低熱伝導層を皮膜として形成すれば、熱の遮断の効果を維持しつつ、合わせ面近傍の小型化を図ることができる。

また、電圧変換回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路、ＤＣ／ＡＣインバータ回路およびＡＣ／ＡＣインバータ回路の少なくともいずれかを含むように構成すると良い。これらの回路は発生する熱が多く、上記の構造により多大な効果が期待できる。

本発明により、電圧変換回路を電池セルと一つの収容空間内に収容して小型化を図ると共に、電圧変換回路から生じた熱が電池セル側へ伝わりにくい構造を実現した電源装置を提供することができる。

本実施形態に係る電源装置の分解斜視図である。電源装置の断面図と一部分の拡大図である。他の実施形態に係る電源装置の断面図である。更に他の実施形態に係る電源装置の断面図である。更に他の実施形態に係る電源装置の断面図である。更に他の実施形態に係る電源装置の断面図である。低熱伝導膜の形成方法を説明する説明図である。低熱伝導膜の他の形成方法を説明する説明図である。低熱伝導シートの貼着方法を説明する説明図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る電源装置１００の分解斜視図である。電源装置１００は、上面が解放された箱状のケースである第１筐体と、下面が解放された箱状のケースである第２筐体１２０とが上下に組み合わされて、全体として一つの電源として機能する。なお、本実施形態においては、図示するように、水平面をｘｙ平面で表し、ｚ軸プラス方向を鉛直軸上向きとする。以降の図においても、この座標系を示すことにより、その向きを表す。

第１筐体１１０は、例えばアルミニウムを素材として、ダイカストやプレスによって形成される。第１筐体１１０の内部空間は、電池セル１３０を収容する空間として利用される。電池セル１３０は、例えばリチウムイオン電池であり、複数の電池セルが連結されたブロック電池セルであっても良い。

第２筐体１２０は、例えばアルミニウムを素材として、ダイカストやプレスによって形成される。第２筐体１２０は、上面に放熱フィン１２１を有する。放熱フィン１２１は、第２筐体１２０と一体的に設けられても良いし、別体で形成されて第２筐体１２０に固定されても良い。第２筐体１２０の内部空間は、電圧変換回路１４０を収容する収容空間として利用される。電圧変換回路１４０は、電池セル１３０の出力電圧を調整して、予め定められた一定の電圧に変換して出力するための回路である。電源装置１００は、この調整された電圧によって外部機器に電力を供給する装置である。

バスパー１５０は、電池セル１３０と電圧変換回路１４０とを接続する導体である。第１筐体１１０と第２筐体１２０が破線の両矢印に沿って重ね合わされて一体化されると、バスパー１５０は、電圧変換回路１４０と接続され電池セル１３０の電力は、バスパー１５０を介して電圧変換回路１４０へ供給される。

図２は、電源装置１００の断面図と一部分の拡大図である。具体的には、図１において一点鎖線で示すラインに沿って第１筐体１１０と第２筐体１２０（放熱フィン１２１を含む）を切断した様子と、合わせ面近傍を拡大した様子を示す。

第１筐体１１０は、底面を形成する底板部１１２、外周面を形成する胴部１１３、第２筐体１２０との合わせ面として機能する鍔部１１４を有する。第１筐体１１０の内部空間は、底板部１１２と胴部１１３に囲まれた空間である。ここに収容された電池セル１３０は、固定部１３３によって底板部１１２に固定されている。固定部１３３は、電池セル１３０で生じた熱を第１筐体１１０へ逃がす熱伝達機能を有する。すなわち、固定部１３３は、例えば銅などの熱伝達性に優れた素材で形成された固定具である。したがって、第１筐体１１０は、電池セル１３０で生じた熱を、固定部１３３を介して外気に放散させる機能を担う。鍔部１１４は、第２筐体１２０の内部空間と連通する開口部の外縁であり、胴部１１３の端部から底板部１１２と平行に内側へ若干張り出した形状を成す。

第２筐体１２０は、放熱フィン１２１の他に、上面を形成する天板部１２２、外周面を形成する胴部１２３、第１筐体１１０との合せ面として機能する鍔部１２４を有する。第２筐体１２０の内部空間は、天板部１２２と胴部１２３に囲まれた空間である。ここに収容された電圧変換回路１４０は、基板部１４１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４２、固定部１４３を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４２は、基板部１４１に実装されており、基板部１４１は、固定部１４３によって天板部１２２に固定されている。固定部１４３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４２で生じた熱を第２筐体１２０へ逃がす熱伝達機能を有する。すなわち、固定部１４３は、例えば銅などの熱伝達性に優れた素材で形成された固定具である。したがって、第２筐体１２０と、第２筐体１２０に一体的に設けられた放熱フィン１２１とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４２で生じた熱を、固定部１４３を介して外気に放散させる機能を担う。鍔部１２４は、第１筐体１１０の内部空間と連通する開口部の外縁であり、胴部１２３の端部から天板部１２２と平行に外側へ若干張り出した形状を成す。

第２筐体１２０のうち、内部空間に面する内面以外の表面には、皮膜としての低熱伝導膜１９０がコーティングされている。低熱伝導膜１９０は、接する空気へ熱を伝える熱伝達率は比較的大きいが、材質内部での熱移動のしやすさとしての熱伝導率は小さい素材によって形成される。特にここでは、第１筐体１１０の素材であるアルミニウムより熱伝導率が小さい素材が採用される。例えば、ポリイミドやポリイミドアミドが用いられる。

第１筐体１１０の鍔部１１４と、第２筐体１２０の鍔部１２４は、部分拡大図に示すように、鍔部１２４に設けられた低熱伝導膜１９０を挟み込んで、互いに重ね合わされて固定される。これにより、第１筐体１１０と第２筐体１２０は一体化されて、内部に一つの収容空間を形成する。このように一体化された筐体は、熱移動の観点からは、挟み込まれた低熱伝導膜１９０によって第１筐体１１０側と第２筐体１２０側とで分離されており、第２筐体１２０側の熱は、第１筐体１１０側へ伝わりにくい。すなわち、第２筐体１２０の素材の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導膜１９０を第１筐体１１０と第２筐体１２０の合わせ面に介在させることにより、第２筐体１２０側の熱を第１筐体１１０側へ伝わりにくくしている。

同時に、第２筐体１２０の胴部１２３の表面および放熱フィン１２１の表面にも低熱伝導膜１９０をコーティングしているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４２で発生した熱は、これらの表面から外気中へ効果的に放散する。したがって、第１筐体１１０側へはより伝わりにくくなる。すなわち、電池セル１３０と電圧変換回路１４０とを一つの内部空間に収めつつ、電圧変換回路１４０で生じた熱が電池セル１３０に伝達しにくい構造とすることができるので、電源装置１００を全体として小型化することができる。

なお、低熱伝導膜１９０の膜厚は、低熱伝導膜１９０の熱伝導率や、電圧変換回路１４０の発熱量、放熱フィン１２１を含めた第２筐体１２０全体の熱容量および単位時間当たりの放熱量等を考慮して決定されると良い。例えば、電池セル１３０の上限許容温度が６０℃であれば、電圧変換回路１４０の使用状態において低熱伝導膜１９０の鍔部１２４との接触面が６０℃に到達しないように膜厚を決定すれば良い。

図３は、他の実施形態に係る電源装置２００の断面図である。電源装置２００は、電源装置１００と、筐体の構造が若干異なる。他の要素は同様なので、その説明を省略する。

電源装置２００は、第１筐体２１０が箱状のケースとして内部空間を形成し、第２筐体２２０は、第１筐体２１０の開口部を覆う蓋形状である。電源装置１００と同様に、電池セル１３０は第１筐体２１０に固定され、電圧変換回路１４０は第２筐体２２０に固定されているが、電池セル１３０も電圧変換回路１４０も、実質的には第２筐体２２０に収容されている。

このように、第１筐体２１０と第２筐体２２０の合わせ面に低熱伝導膜２９０が介在していると、電圧変換回路１４０で発生した熱が両筐体を伝って電池セル１３０を加熱することを抑制できる。すなわち、電圧変換回路１４０で発生した熱は、第２筐体２２０側で効果的に放散されると共に、合わせ面に介在する低熱伝導膜２９０で効果的に遮断される。したがって、電源装置１００と同様に、電源装置２００も全体として小型化することができる。

図４は、更に他の実施形態に係る電源装置３００の断面図である。電源装置３００は、電源装置１００と筐体の構造は同様であるが、低熱伝導層を膜状ではなくシート状にした点で電源装置１００と異なる。他の要素は同様なので、その説明を省略する。

電源装置１００では、第２筐体１２０のうち、内部空間に面する内面以外の表面に低熱伝導膜１９０をコーティングしたが、電源装置３００は、第２筐体１２０にコーティングを施すかわりに、第１筐体１１０と第２筐体２２０の合わせ面に、低熱伝導シート３９０を介在させている。低熱伝導シート３９０は、低熱伝導膜１９０と同様に、第１筐体１１０の素材であるアルミニウムより熱伝導率が小さい素材が採用される。例えば、ポリイミドやポリイミドアミドをシート状に成形したものが用いられる。

このように、第１筐体１１０と第２筐体１２０の合わせ面に低熱伝導シート３９０が介在していると、電圧変換回路１４０で発生した熱が両筐体を伝って電池セル１３０を加熱することを抑制できる。すなわち、電圧変換回路１４０で発生した熱は、第２筐体１２０側で効果的に放散されると共に、合わせ面に介在する低熱伝導シート３９０で効果的に遮断される。したがって、電源装置１００と同様に、電源装置３００も全体として小型化することができる。なお、放熱フィン１２１等に熱伝達率が比較的大きい素材をコーティングしても良い。この場合、低熱伝導シート３９０と同じ素材でなくても構わない。

図５は、更に他の実施形態に係る電源装置４００の断面図である。電源装置４００は、電源装置１００と、筐体の構造が若干異なる。他の要素は同様なので、その説明を省略する。

電源装置４００は、第１筐体４１０も第２筐体４２０も、上述のような鍔部を有さない。第１筐体４１０は胴部４１３の上端部近傍を、第２筐体４２０は胴部４２３の下端部近傍をそれぞれ合わせ面とし、その間に低熱伝導膜４９０が介在している。低熱伝導膜４９０は、電源装置１００と同様に、第２筐体４２０のうち内部空間に面する内面以外の表面にコーティングされている。

このように第１筐体４１０と第２筐体４２０の合わせ面に低熱伝導膜４９０が介在しても、電圧変換回路１４０で発生した熱が両筐体を伝って電池セル１３０を加熱することを抑制できる。すなわち、電圧変換回路１４０で発生した熱は、第２筐体４２０側で効果的に放散されると共に、合わせ面に介在する低熱伝導膜４９０で効果的に遮断される。したがって、電源装置１００と同様に、電源装置４００も全体として小型化することができる。なお、低熱伝導膜４９０に代えて、電源装置３００のように合わせ面に低熱伝導シートが介在する構成であっても構わない。

図６は、更に他の実施形態に係る電源装置５００の断面図である。電源装置５００は、電源装置１００と、筐体の構造が若干異なる。他の要素は同様なので、その説明を省略する。

電源装置５００は、電源装置１００の第２筐体１２０と同様に、放熱フィン５２１を有し、低熱伝導膜５９２がコーティングされた第２筐体５２０を備えるが、電源装置１００の第１筐体１１０と異なり、放熱フィン５２１を有し、低熱伝導膜５９１がコーティングされた第１筐体５１０を備える。低熱伝導膜５１２は、第１筐体５１０のうち内部空間に面する内面以外の表面にコーティングされている。

このように、第１筐体５１０側の放熱性能を高めれば、電池セル１３０が高温になってもその熱を第１筐体５１０側で十分放散することができる。したがって、合わせ面に介在する低熱伝導膜の機能も併せて、上述の例とは逆に電池セル１３０から発生した熱が電圧変換回路１４０側へ伝達することも低減することができる。

なお、第１筐体５１０と第２筐体５２０の合わせ面には、第１筐体５１０側の低熱伝導膜５９１と、第２筐体５２０側の低熱伝導膜５９２の二層が介在するが、いずれか一方の面にのみ低熱伝導膜がコーティングされていても良い。また、いずれの筐体にも低熱伝導膜がコーティングされず、電源装置３００のように合わせ面に低熱伝導シートが介在する構成であっても構わない。

次に、低熱伝導膜および低熱伝導シートの形成方法の例を説明する。図７は、電源装置１００における第２筐体１２０に低熱伝導膜１９０を形成する方法を説明する説明図である。

作業領域の上方には噴射ノズル７００が設けられている。また、作業領域の床面には、作業台７１０が設けられている。第２筐体１２０は、作業台７１０に立設された複数の支持ピン７１１に載置される。

噴射ノズル７００は、例えばポリイミドアミドを主成分とする噴霧液７９１を第２筐体１２０へ向けて噴射する。このとき、第２筐体１２０は、ほぼ中空に支持された状態であるので、噴霧液７９１は霧状になって鍔部１２４の裏側にも回り込む。したがって、噴霧液７９１は、第２筐体１２０のうち実質的に内部空間に面する内面以外の表面に付着する。その後乾燥すれば、第２筐体１２０は、低熱伝導膜１９０がコーティングされた状態に仕上がる。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、電源装置１００における第２筐体１２０に低熱伝導膜１９０を形成する他の方法を説明する説明図である。本方法は、いわゆるディッピングによるコーティング方法である。

図８（ａ）に示すように、浸漬槽８００には、例えばポリイミドアミドを主成分とする塗料液８１０が満たされている。そこへ、第２筐体１２０を、放熱フィン１２１を下方に向け、鍔部１２４が液面と一致するまで浸す。

その後、図８（ｂ）に示すように、今度は第２筐体１２０を、放熱フィン１２１を上方に向け、鍔部１２４が液面と一致するまで浸す。この２段階の工程により、第２筐体１２０のうち内部空間に面する内面以外の表面に塗料液８１０を付着させることができる。その後乾燥すれば、第２筐体１２０は、低熱伝導膜１９０がコーティングされた状態に仕上がる。

図９（ａ）から図９（ｃ）は、電源装置１００における第２筐体１２０に、低熱伝導シートを貼り付ける貼着方法を説明する説明図である。まず、第一工程として図９（ａ）に示すように、第２筐体１２０の形状に沿った下金型９１０と上金型９２０に、それぞれ第１低熱伝導シート９９４と第２低熱伝導シート９９５を設置する。第１低熱伝導シート９９４は、下金型９１０のキャビティーに対して十分な大きさを有し、キャビティーを覆うように設置される。

次に、第二工程として図９（ｂ）に示すように、下金型９１０に設けられた吸気管９１１により真空引きを行い、第１低熱伝導シート９９４を下金型９１０の形状に密着させる。そして、第三工程として図９（ｃ）に示すように、第２筐体１２０を上金型９２０に設置して、上金型９２０を下金型９１０へ向けて移動させ、第２筐体１２０と第１低熱伝導シート９９４とを密着させる。

これらの工程を経て、第２筐体１２０は、第１低熱伝導シート９９４と第２低熱伝導シート９９５が第２筐体１２０のうち内部空間に面する内面以外の表面に密着した状態で金型から取り出される。なお、それぞれの低熱伝導シートの表面には接着剤が塗布されても良い。また、第２筐体１２０は、ダイカスト後の余熱状態で上金型９２０に設置されても良い。接着剤や余熱を利用すれば、低熱伝導シートの密着性を高めることができる。

なお、図７から図９を用いて説明した低熱伝導膜および低熱伝導シートの形成方法は、図３から図６を用いて説明した各筐体に対しても適宜適用し得る。もちろん、低熱伝導膜および低熱伝導シートの形成方法は、他の方法であっても構わない。

１００電源装置、１１０第１筐体、１１２底板部、１１３胴部、１１４鍔部、１２０第２筐体、１２１放熱フィン、１２２天板部、１２３胴部、１２４鍔部、１３０電池セル、１３３固定部、１４０電圧変換回路、１４１基板部、１４２ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４３固定部、１５０バスパー、１９０低熱伝導膜、２００電源装置、２１０第１筐体、２２０第２筐体、２９０低熱伝導膜、３００電源装置、３９０低熱伝導シート、４００電源装置、４１０第１筐体、４２０第２筐体、４９０低熱伝導膜、５００電源装置、５１０第１筐体、５１１放熱フィン、５２０第２筐体、５９０低熱伝導膜、７００噴射ノズル、７１０作業台、７１１支持ピン、７９１噴霧液、８００浸漬槽、８１０塗料液、９１０下金型、９１１吸気管、９２０上金型、９９４第１低熱伝導シート、９９５第２低熱伝導シート

Claims

電池セルと、
前記電池セルに接続される電圧変換回路と、
前記電池セルを熱伝達可能に固定する第１筐体と、
前記電圧変換回路を熱伝達可能に固定する第２筐体と、
前記第１筐体と前記第２筐体の合わせ面に介在し、前記第１筐体の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導層と
を備え、前記第１筐体と前記第２筐体によって形成された内部空間に前記電池セルと前記電圧変換回路が収容された電源装置。
前記低熱伝導層は、前記第１筐体および前記第２筐体のいずれかの表面のうち、前記合わせ面と前記合わせ面以外の少なくとも一部の面を覆うように設けられている請求項１に記載の電源装置。
前記第１筐体および前記第２筐体のうち前記低熱伝導層が設けられた筐体は、放熱フィンを有し、前記低熱伝導層は、前記放熱フィンを覆うように設けられている請求項２に記載の電源装置。
前記低熱伝導層は、皮膜である請求項１から３のいずれか１項に記載の電源装置。
前記電圧変換回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路、ＤＣ／ＡＣインバータ回路およびＡＣ／ＡＣインバータ回路の少なくともいずれかを含む請求項１から４のいずれか１項に記載の電源装置。