JP4640348B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、電源装置の冷却制御に関する。

電源装置内の電池セルやキャパシタなどの蓄電体は、充放電する際に熱を発生するので、電源装置に設けられた冷却装置により蓄電体を冷却して電源装置全体の温度制御を行い、蓄電体の安定化、高寿命化、及び供給電力の安定化を図っている。

電源装置（蓄電体）を冷却する方法としては、気体冷却と液体冷却とがあり、気体又は液体の冷却媒体に伝達された蓄電体からの熱が電源装置を構成するケースに伝達され、電源装置外部に排熱される。気体冷却は、液体冷却に比べて冷却媒体としての取り扱いが容易である反面、液体冷却よりも熱伝達率が低い。一方、液体冷却は、冷却液を電源装置から漏らさないための封止機構が必要になるなど、冷却媒体として取り扱いが難しい反面、気体よりも熱伝達率が高いため、冷却効率に優れている。

近年、二次電池や電気二重層キャパシタ（コンデンサ）といった電源装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車のバッテリとして用いられ、省スペース化のために複数の蓄電体を密集させて配置し、高出力化を図っている。このため、密集した蓄電体内側の熱を蓄電体外周部から効率よく排熱するために、熱伝導率の高い液体冷却を採用するケースが多い。

液体冷却による電源装置は、電源装置を構成するケース内に冷却液を満たし、冷却液が満たされたケース内に複数の蓄電体を配置しており、蓋部材により冷却液と複数の蓄電体から構成される蓄電モジュールとを密閉している。そして、蓄電体が充放電により発熱すると、その熱が冷却液に伝達され、さらに冷却液からケースに熱が伝達されて電源装置外部に排熱される。このとき冷却液は、気体と同様に密閉されたケース内を対流（自然対流）する。この対流の作用と冷却液自体の熱伝達率とにより、蓄電体からの熱が装置外に排熱される。

したがって、冷却液の対流が促進されれば、蓄電体を効率よく冷却することができ、特許文献１では、攪拌機で冷却液を攪拌し、冷却液を強制的に対流させる技術が提案されている。
特許第２９５９２９８号公報（段落００１６、図３等参照） 特開２００５−１４１９２９号公報 特開平６−８４５４４号公報

しかしながら、上記特許文献１では、冷却液を強制的に攪拌しているものの、局所的な攪拌のため、複数の蓄電体各々を十分に冷却することができず、各蓄電体に接する冷却液の温度にバラツキが生じてしまう。

すなわち、複数の蓄電体において冷却液による冷却作用が強い部分と弱い部分とができることになり、冷却作用が蓄電体間において相違すると、蓄電体の充放電の劣化速度が蓄電体間で相違するため、電源装置全体としての充放電の性能が安定せず、さらには寿命が短くなってしまう問題が生じる。

そこで、本発明は、電源装置内の冷却液の温度のバラツキを抑制した電源装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点としての電源装置は、冷却液を収容したケース内部に蓄電体が配置された電源装置に、冷却液を振動させる、振動を生成する振動体を設けたことを特徴とする。

また、上記振動体を、ケースの外周面又は内周面に設けたり、ケース内部に複数配置された蓄電体間に設けることができる。

また、上記振動体を、ケース内部の隅部、蓄電体間を電気的に接続する連結部材、蓄電体を保持する保持部材、複数の蓄電体を１つの蓄電モジュールとして構成するための拘束部材に設けることができ、蓄電体に直接設けてもよい。

さらに、本発明の他の観点としての電源装置は、冷却液を収容したケース内部に蓄電体が配置された電源装置に、冷却液を振動させる、振動を生成する振動体と該振動体からの振動が伝達される振動板とを備える振動手段を設けたことを特徴とする。

また、上記振動体として、超音波振動子を用いることが可能である。

本発明によれば、電源装置内における冷却液の温度のバラツキを抑制することが可能となり、安定性の高い電源装置を提供することが可能となる。

（実施例１）
図１は、本発明に係る実施例１における電源装置の分解斜視図であり、図２は電源装置の外観図である。本実施例の電源装置１００は、複数の蓄電体１をモジュール化した蓄電モジュール１０と、蓄電モジュール１０を収容するケース２０と、ケース２０内に充填される冷却媒体３０と、ケース２０の上方から蓄電モジュール１０及び冷却媒体３０を密閉するための蓋部材４０と、冷却媒体を振動させるための振動体５０とで構成される。本実施例の冷却媒体３０は、冷却オイル等の冷却液を使用し、液体冷却により蓄電体１（蓄電モジュール１０）を冷却する。

蓄電体１は、正極用の電極体と負極用の電極体とが電解質層を介して積層された電池セル（単電池）や電気二重層キャパシタ（コンデンサ）であり、１つ又は複数の積層構造を有する。また、図１では、蓄電体１として円筒型で形成された円筒型単電池を例示しているが、方形などの他の形状であってもよい。

蓄電モジュール１０は、蓄電体１を複数並列配置した組電池としてモジュール化したもので、円筒型の長さ方向における両側から蓄電体１を挟み込むように複数の蓄電体１を保持部材１１ａ、１１ｂと、複数の蓄電体１間を電気的に直列又は並列に接続するための連結部材としてのバスバー１２を備え、バスバー１２を介して保持部材１１ａ又は１１ｂに蓄電体１をナット１３ａ、１３ｂで固定している。蓄電体１の長さ方向端部にはボルト部が設けられ、バスバー１２を介してとナット１３ａ、１３ｂと係合するように構成されている。そして、後述のように、蓄電モジュール１０は、ケース２０内部に充填された冷却媒体３０に浸漬されて、ケース２０に収容される。

ケース２０は、外周部に放熱フィン２１が複数設けられ、内部に蓄電モジュール１０を収容し、かつ冷却媒体３０として冷却液が充填される。このため、ケース２０の内部には、冷却液を封止するためのシールが施され、冷却液が漏れないように構成されている。冷却液として、例えば、ＡＴフルード、シリコンオイルやスリーエム社製のフロリナート、Ｎｏｖｅｃ ＨＦＥ(hydrofluoroether)、Ｎｏｖｅｃ１２３０などのフッ素系不活性液体を用いることができる。冷却液は、ケース２０内部に空気等の気体が混入しないようにケース２０に満杯に充填される。

蓋部材４０は、ケース２０の上方から蓄電モジュール１０及び冷却媒体３０を密閉し、ケース２０に固定される。ケース２０及び蓋部材４０は、アルミニウムや銅の金属（合金）で形成される。なお、ケース２０及び蓋部材４０の形状は、円筒状（円状）若しくは方形状に形成することができる。

振動体５０は、超音波（高周波）振動子や水晶振動子、圧電素子などの振動子（電歪振動子、磁歪振動子）を用いることができ、振動の方向は、屈曲振動の音叉型振動子、厚みすべり振動のＡＴ振動子、弾性表面波振動のＳＡＷ共振子などを用いることで、任意の振動方向とすることができる。そして、本実施例の振動体５０は、ケース２０の外面（放熱フィン２１の間のケース２０の本体部分）や蓋部材４０の外面に設けられる。なお、圧電効果による振動子の他に、モータ等により物体を機械的に振動させて振動を発生させる装置を用いることも可能である。

このように構成された電源装置１００は、ケース２０に収容された蓄電モジュール１０の正極端子及び負極端子を介して充放電可能に構成され、電源装置として機能する。

図３は、蓄電体１が充放電により発熱し、冷却液（冷却媒体３０）が温められた際の冷却液の流動を説明するための図であり、図３（ａ）に示すように、冷却液は、温度上昇による自然対流により、ケース２０内を流動する。通常、温められた冷却液は、ケース２０の上方に向かって流動してケース２０の上面側に達し、ケース２０の上面側で冷却された冷却液は、ケース２０の中心から外側に向かって流動し、その後、蓄電モジュール１０の外周をケース２０に沿って下向きに流動する。このように、蓄電体１による冷却液の加熱、ケース２０による冷却液の冷却により、冷却液がケース２０内を対流する。

そして、本実施例では、ケース２０内を自然対流する冷却液に対して振動体５０により振動を与える。図３（ｂ）に示すにように、温度センサ６１でケース２０に充填された冷却液の上方における温度と下方における温度を検出し、温度制御部６０により、例えば、冷却液上方の温度と下方との温度差を検出する。温度制御部６０では、温度差が２℃〜５℃となった場合に振動体５０を駆動（電圧を印加）し、振動体５０を振動させる。

振動体５０の振動は、ケース２０を介して冷却液に振動波として伝達され、振動体５０が設けられたケース２０の付近を中心に波紋状に広がりながら冷却液を攪拌するように冷却液を流動させる。

このように本実施例の電源装置１００は、振動体５０の振動により冷却液を攪拌するように当該冷却液の流動を促進し、冷却液全体の温度分布のバラツキを抑制することが可能となり、電源装置１００内の冷却液の温度を均一にすることが可能となる。このため、複数の蓄電体において冷却液による冷却作用が強い部分と弱い部分とができず、冷却作用が蓄電体間において相違しないため、蓄電体の充放電の劣化速度が蓄電体全体で一様となり、安定した電源装置を提供することが可能となる。

（実施例２）
図４は、本発明に係る実施例２における電源装置の断面を示す図であり、本実施例では、上記実施例１の振動体５０がケース２０の外面に設けられているのに対し、振動体５０をケース２０の内面、すなわち、振動体５０が蓄電モジュール１０とともに冷却液に浸漬するように設けられている。

図４（ａ）に示すように、振動体５０が直接冷却液を振動させるため、振動体５０の振動による冷却液の流動がより促進されることになる。また、図４（ｂ）に示すように、振動体５０をケース２０の内部の隅部（角部）に設けてもよい。すなわち、蓄電体１に近い冷却液は、蓄電体１から伝達される熱によりケース２０の上方への流動性が高いが、ケース２０の内部の隅部の冷却液は、蓄電体１から遠い箇所に位置するため、流動性が低い。このため、振動体５０をケース２０の内部の隅部に配置することで、冷却液全体の流動を促し、電源装置１００内の冷却液の温度をより均一にすることが可能となる。

（実施例３）
図５は、本発明に係る実施例３における電源装置の断面を示す図であり、本実施例では、蓄電モジュール１０における蓄電体１間に振動体５０を設けている。蓄電体１間を流動する冷却液は、蓄電モジュール１０の外周に位置する冷却液よりも多くの熱量が蓄電体１から伝達されるので、蓄電体１間の冷却液の流動を振動体５０により促進する。

特に、本実施例では、振動体５０に振動板５１を設け、振動板５１の振動による冷却液の流動を行っている。振動板５１は、図５（ａ）に示すように、冷却液が対流によりケース２０の上方に流動する方向に延びる板状の部材であり、この振動板５１の一端部に振動体５０が設けられている。

したがって、本実施例では、蓄電モジュール１０を構成する蓄電体１間の冷却液の流動が促進され、各蓄電体１の周囲の冷却液の温度分布のバラツキを抑制することが可能となり、電源装置１００内の冷却液の温度を均一にすることが可能となる。また、振動体５０に振動板５１を設けることで、振動体５０の振動を冷却液の広範囲に渡って伝達することができ、冷却液をより流動させることが可能となる。

なお、図５では、振動体５０が振動板５１のケース２０下方向端部に設けられているが、これは、冷却液が対流によりケース２０の上方に流動する方向に振動板５１の振動を伝達することで、冷却液の対流の手助けし、冷却液の流動を促進させている。なお、振動体５０は、振動板５１の両端部に設けてもよい。

図５（ｂ）は、方形状の蓄電体１で構成された蓄電モジュール１０の一例であり、図５（ａ）と同様に、蓄電体１間に振動板５１が設けられた振動体５０が配設されている。図５（ａ）と同様に各蓄電体１の周囲の冷却液の温度分布のバラツキを抑制することが可能となる。

（実施例４）
図６及び図７は、本発明に係る実施例４における電源装置の蓄電モジュール及びバスバーを示す図であり、図６（ａ）に示すように、振動体５０を蓄電モジュール１０（保持部材１１ａ、１１ｂ）や蓄電体１に直接配置することも可能であり、また、図６（ｂ）に示すように、バスバー１２に振動体５０を配置することも可能である。

図７（ａ）は、放形状の蓄電体１により構成された蓄電モジュール１０であり、この場合、複数の蓄電体１を蓄電モジュール１０として構成するための拘束部材（エンドプレート１４、拘束バー１５等）に設けている。また、図７（ｂ）に示すように、バスバー１６にも振動体５０を配置することが可能である。

本実施例では、蓄電体１に直接、若しくは蓄電体１に近い位置に振動体５０は配置することで、蓄電体１に比較的近い位置の冷却液の流動を促進することが可能となり、蓄電体１の周囲の冷却液の温度分布のバラツキを抑制することが可能となる。

以上、上記実施例において、振動体５０は、電源装置１００のケース２０内に複数配置される場合などは、冷却液に流動方向に適した振動をする振動子を各振動体に適用することが可能である。例えば、図４（ａ）において、ＳＡＷ共振子による弾性表面波の振動面を冷却液の流動方向に向けて配置することで、冷却液に伝達される振動波の方向と冷却液の流動の方向とを同じ方向とし、冷却液の流動をより促進させることが可能である。また、図４（ｂ）に示すように、冷却液の流動性が低いケース２０の内部の隅部では、厚みすべり振動のＡＴ振動子を用い、隅部周囲の冷却液の流動性と攪拌性を高めることが可能である。なお、振動体５０の電源を、蓄電体１から供給するように構成することも可能である。この場合、ケース２０外部の電源と振動体５０とを接続する必要がなく、部品点数の低減とともに、冷却液の液漏れ等を防止するシール機構を設ける必要がない。

また、上記振動体は、複数の振動体を組み合わせて構成することが可能である。具体的には、２つの振動体を組み合わせて配置し、振動体の振動波の位相を異ならせて各振動体を駆動させることで、２つの振動波からなる合成振動波を発生させることが可能である。したがって、各振動体に対する駆動制御（電圧制御）の他に、各振動体の振動周波数を印バターなどで制御する振動周波数制御を行うことで、冷却液の流動を制御することが可能である。上記実施例３において振動体５０を振動板５１の両端部に２つ設ける際、各振動体５０の振動位相を異ならせることで、振動板５１を振幅の大きい振動させたり、逆に、振幅が小さくなるように振動させることが可能である。

また、上記実施例において、振動板５１の表面に柔軟性を有するフィンを設け、振動板５１の振動に対してフィンが冷却液を攪拌するように動くように構成し、振動体５０の振動による冷却液の流動の促進をさらに高めることが可能である。

また、上記実施例は、電池セルや電気二重層キャパシタ（コンデンサ）などの蓄電体を一例に説明したが、例えば、燃料電池にも適用することが可能である。

本発明に係る実施例１における電源装置の分解斜視図である。 本発明に係る実施例１における電源装置の外観斜視図である。 本発明に係る実施例１における電源装置内の冷却媒体の流動を説明するための図である。 本発明に係る実施例２における電源装置内の冷却媒体の流動を説明するための図である。 本発明に係る実施例３における電源装置内の冷却媒体の流動を説明するための図である。 本発明に係る実施例４における電源装置の蓄電モジュールを示す図である。 本発明に係る実施例４における電源装置の蓄電モジュールを示す図である。

符号の説明

１ 蓄電体
１０ 蓄電モジュール
１１ａ、１１ｂ 保持部材
１２ バスバー
２０ ケース
３０ 冷却媒体（冷却液）
４０ 蓋部材
５０ 振動体
５１ 振動板

Claims (11)

1. 冷却液を収容したケース内部に蓄電体が配置された電源装置であって、
   前記冷却液を振動させる、振動を生成する振動体を設けたことを特徴とする電源装置。
2. 前記振動体を、前記ケースの外周面又は内周面に設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記振動体を、複数配置された前記蓄電体間に設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. 前記振動体を、前記ケース内部の隅部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
5. 前記振動体を、前記蓄電体間を電気的に接続する連結部材に設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
6. 前記振動体を、前記蓄電体を保持する保持部材に設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
7. 前記振動体を、複数の蓄電体を１つの蓄電モジュールとして構成するための拘束部材に設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
8. 前記振動体を、前記蓄電体に直接設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
9. 冷却液を収容したケース内部に蓄電体が配置された電源装置であって、
   前記冷却液を振動させる、振動を生成する振動体と該振動体からの振動が伝達される振動板とを備える振動手段を設けたことを特徴とする電源装置。
10. 前記振動体は、前記振動板の両端部に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の電源装置。
11. 前記振動体は、超音波振動子であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の電源装置。
    

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