JP4790975B2 - バッテリ冷却システムおよびそれを備えた電源装置ならびに電動車両 - Google Patents

Description

この発明は、バッテリ冷却システム、特に電動四輪車（電気自動車）や電動二輪車（電動スクータを含む）等の各種電動車両の電源装置を構成する多数のバッテリを均一に冷却するシステム、およびそのバッテリ冷却システムを備えた電源装置、ならびにその電源装置を搭載した電動車両に関する。

近年、ガソリンエンジンを駆動源とする自動車の有害な排気ガスや騒音等の環境問題への対応として、四輪車および二輪車を問わず電動車両の研究・開発が盛んに行われ、既に実用の段階に入っている。電動車両は、従来のガソリンエンジンを駆動源とする自動車と同様に、緩衝装置を介して車体に懸架された走行輪を備えており、その走行輪が電動モータを駆動源とする動力伝達装置により回転駆動される。その電動モータは、電源装置から電力を供給される。

このような電動車両には、特にその電源装置の高出力・高性能化、軽量化、コンパクト化等の要求が厳しい。なかでも電動二輪車の電源装置には、ニッケル−水素バッテリ、ニッケル・カドミウムバッテリ、あるいはリチウムイオンバッテリなどの高性能のバッテリが要求されている。またそれらのバッテリとして複数のセルを直列に接続して１つの電池モジュールを形成し、その電池モジュールを複数個直列に又はその直列に接続した電池モジュールを群として並列に接続し、特定のケース内に収容して供給電力を増強した電源装置を構成している。以下、このような電源装置に使用されるセルあるいは電池モジュール等を単にバッテリと記す。

ところで、このような電源装置には次のような欠陥がある。このような電源装置はその種類に関係なく、バッテリの放電時（電源の使用時）または充電時に熱を発生する。また、電源装置を構成する多数のバッテリそれぞれの発熱量は等しくても、その充放電時においてはバッテリ同士の間には大きな温度差が生じ易い。例えば、電源装置の中心部に位置するバッテリは外壁面側に位置するバッテリよりも熱を持ち易く、同様に電源装置の上面側に位置するバッテリは下面側に位置するバッテリよりも熱を持ち易い。その結果複数のバッテリ間にはかなりの温度差を生じる。

かかる温度差は、バッテリの放電状態あるいは充電状態を不均一なものにする。すなわち、バッテリ同士間の温度差は、電源装置の性能低下の原因となる。そのため、この電源装置の性能に悪影響を及ぼす温度差の発生を防ぐために、電源装置を構成する各バッテリの温度上昇を抑えるとともに、その温度を均一化することが必要であり、そのための技術も従来から種々開発されている。例えば、外気による冷却風を可能な限り均等に各バッテリに導くべく、複雑な通気経路と吸排気口を設ける等の手段が講じられている。

そのような従来技術として、例えば特許文献１に記載されている電池温度調整装置がある。それは、ハニカム構造の電池保持器の各電池保持室に細長い形状の電池モジュール（直列に接続された複数のバッテリからなる）を保持し、その電池保持室の内壁と電池モジュールとの隙間を外気取り入れ口から流入する冷却風のメイン通路とし、電池保持室を形成する二重構造の縦隔壁内の隙間を長手方向の中央部までバイパス通路とする。そして、メイン通路を通過する冷却風が電池との熱交換を経るうちに温度が上昇するので、バイパス通路を通して中央部より下流側のバッテリに熱交換前の空気を供給して、各電池モジュールのバッテリ間の温度差を低減するようにしている。

また、特許文献２には、両端開口が側板によって閉塞される中空状のバッテリ収納部材内に、２個のバッテリを端子側を向かい合わせた状態で配置し、このバッテリ収納部材を6個並列に連結固定してバッテリフレームを構成し、そのバッテリフレームの上部に設けた開口部は、下方に向けて突出するリブを備えたカバーによって閉塞し、そのリブがバッテリフレーム内のバッテリ収納空間を二分するようにしたバッテリ固定構造が開示されている。そして、その二分されたバッテリ収納空間に対し、送風用ファンと熱交換器を設けた空調ユニットによって、冷却空気を循環させて空調を効率よく行ってバッテリを冷却するバッテリ空調方法も開示されている。

さらに、特許文献３には、走行ハンドルとシートとの間に低床のフートボードを設け、そのフートボードの下側にバッテリ収納室を形成し、そのバッテリ収納室内にバッテリを搭載した電動二輪車のバッテリ冷却構造が開示されている。そのバッテリ収納室の前輪用可動フェンダ側の上部に走行風をバッテリ室内に導入する開口を形成し、バッテリ収納室の後部に設けた排気口に冷却ファンを配設している。そして、バッテリを充電する時には、その冷却ファンによりバッテリが充電開始上限温度以下になるまで冷却することも記載されている。

さらにまた、特許文献４には、直方体のバッテリフレームに複数のバッテリを収納したバッテリ装置において、そのバッテリフレームの前部に第１の冷却ファンを設け、後部上面に第２の冷却ファンを設け、その第１，第２の冷却ファンは何れも車体前方から空気を取り込んでバッテリフレームに収納されたバッテリ間に形成された通路に送り込み、バッテリを冷却した冷却風はバッテリフレームの外周側面に設けられた排風口から外部に放出されるようにし、バッテリ装置（電源装置）を構成する各バッテリを均一に冷却することが開示されている。

特開平１０−２５２４６６号公報 特開平１１−６７１７８号公報 特開平１１−２５５１６５号公報 特開２００３−２２７３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている電池温度調整装置では、電池保持器内に冷却風のメイン通路とバイパス通路とを形成する必要があるため、電池保持器の容積が電池収納容積よりかなり大きくなり、電源装置としての電池保持器の設置スペースが大きくなると云う問題がある。また、電池保持器内の各電池モジュールを構成するバッテリ間の温度差を低減することはできるが、細長い形状の各電池モジュールを構成するバッテリの長手方向の位置による冷却効果の差は残るため、すべてのバッテリを均一の温度に冷却することはできない。

また、特許文献２に記載されている装置およびバッテリ空調方法では、バッテリフレームに冷却空気を循環させる通路を形成するため大型化し、且つ空調ユニットを使用するためコスト高になる。しかも冷却空気を循環させるだけでは、その循環通路に沿って配置された各バッテリの温度を均一に冷却することはできず、冷却空気の上流側と下流側ではかなりの温度差が生じてしまうという問題がある。
特許文献３に記載されたバッテリ冷却構造は、比較的コンパクトにできるが、バッテリ収納室内の走行風あるいは冷却ファンによって吸引される冷却風が流入する側と排出される側では、排出される側の方が冷却風の温度が高くなるため、やはりバッテリ収納室内の各バッテリを均一に冷却することはできない。

さらに、特許文献４に記載された装置では、バッテリフレームの前部と後部の２ヶ所に車体の前方から空気をとり込む冷却ファンを設置するため、その設置スペースが必要になり、レイアウトの制約も大きくなる。また、両冷却ファンによるバッテリフレーム内での送風路が共通であり、互いに反対方向から冷却風を送り込み、バッテリフレームの外周側面の排気口から外部に放出するため、冷却効果はかなり均一化されるが、冷却風の一部が通路内で衝突して円滑に流れなくなると冷却が効率が低下することや、２個の冷却ファンの駆動による騒音の増加なども想定される。

このように、従来の電動車両等におけるバッテリ冷却装置あるいは冷却方法では、電源装置を構成する多数のバッテリを効率よく均一に冷却することが難しく、且つその冷却機構が複雑化して大型になったり、コスト高になったりするという問題があった。
この発明は、このような従来の電源装置におけるバッテリ冷却機構あるいは冷却方法による種々の問題を解決するためになされたものであり、電源装置におけるバッテリの出力能力を最大限に発揮させるために、その各バッテリを効率よく均一に冷却して、充放電時にバッテリ間の温度差をなくすことができるようにし、しかもその構造の簡易化およびコンパクト化と低価格化を図ることを目的とする。
そして、そのようなバッテリ冷却システムとそれを備えた電源装置ならびにその電源装置を搭載した電動車両を提供することも目的とする。

この発明によるバッテリ冷却システムは上記の目的を達成するため、複数のバッテリを隣接する各バッテリの周囲に間隔を設けてケース内に収容した電源ユニットと、その電源ユニットのケースに設けた通気孔に接続され、そのケース内へ空気を送り込む第１の送風動作用の冷却ファンとそのケース内から空気を吸い出す第２の送風動作用の冷却ファンとからなる冷却ファンとを備えている。
そして、上記ケースの上記通気孔を設けた面とは異なる面に吸排気孔を設けるとともに、このケース内の異なる位置に複数の温度センサを配設する。
さらに、その複数の温度センサによる検出温度の情報に基いて、上記冷却ファンの送風動作を、上記第１の送風動作用の冷却ファンによる送風動作から第２の送風動作用の冷却ファンによる送風動作へ、または上記第２の送風動作用の冷却ファンによる送風動作から第１の送風動作用の冷却ファンによる送風動作へ自動的に切り替える冷却ファン駆動制御手段を設けたものである。

また、その冷却ファン駆動制御手段がさらに、上記冷却ファンの送風動作を、所定時間間隔で上記第１の送風動作用の冷却ファンによる送風動作から第２の送風動作用の冷却ファンによる送風動作へ、または上記第２の送風動作用の冷却ファンによる送風動作から第１の送風動作用の冷却ファンによる送風動作へ自動的に切り替える機能も有するようにするとなおよい。

これらのバッテリ冷却システムにおいて、上記ケースの一端面上部に上記通気孔を設け、そのケースの下面に上記吸排気孔を複数設けるとよい。
この発明による電源装置は、上述したいずれかのバッテリ冷却システムを備えていることを特徴とする。
この発明による電動車両は、上記電源装置を搭載したことを特徴とする。

この発明によるバッテリ冷却システムによれば、電源ユニットを構成する各バッテリを充放電時に冷却する際に、ケース内の異なる位置に配置した複数の温度センサの情報に基づいて、電源ユニット内に空気を送り込む第１の送風動作用冷却ファンによる送風動作と、ケース内から空気を吸い出す第２の送風動作用の冷却ファンによる送風動作とを自動的に切り替えて、各バッテリを効率よく均一に冷却して、バッテリ間の温度差を殆どなくすことができ、バッテリの出力能力を最大限に発揮させることができる。しかも、構造が簡単で安価に実施でき、コンパクト化と低価格化を図ることもできる。
そして、そのバッテリ冷却システムを備えた充放電効率のよい電源装置、ならびにその電源装置を搭載した電源利用効率のよい電動車両を実現することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、この発明の一実施形態を示すバッテリ冷却システムを備えた電源装置を搭載した電動二輪車の側面図、図２はその電動二輪車を後輪を除いて後側から見た概略図である。
まず、この図１と図２によって、この発明を実施した電動二輪車の概要を説明する。
この電動二輪車は電動車両の一種であり、ニッケル−水素電池をセルとする複数の筒型電池モジュールから成るバッテリによる電源ユニットと、そのバッテリの冷却システムを備えた電源装置を搭載している。

図１及び図２に示すように、この電動二輪車１は、従来のガソリンエンジン駆動によるオートバイ等の二輪車と同様に、車体２の前後に、メインフレーム３に懸架された前輪４と後輪５を備え、車体２の中央のやや後部に運転者が着座する座席シート７がある。また前輪4はハンドル６によって操舵され、後輪５はエンジンではなく、走行用電動モータ８によって動力伝達装置９を介して回転駆動される。
さらに、ハンドル６の中央部に設けられた表示パネル１６には、走行速度やバッテリ残存容量計等を示す表示計や、搭載機器を操作する各種スイッチ等が設けられ、表示パネル１６の下方の車体２には、主電源をオンオフするメインスイッチ（キースイッチ）１５が設けられている。

また、座席シート７の下部には、この電動二輪車１に搭載された走行用電動モータ８と各種機器及び各種センサー等の作動を制御するＣＰＵを中心とする制御装置１０を備えている。
メインフレーム３上の車体２の前後方向の中間部の低くなった部分に、後述する複数のバッテリ及び複数の温度センサを収納した電源ユニット２０からなる電源装置１１を搭載している。また、車体２の進行方向の後方部に、冷却ファン１３を収納した冷却ユニット１２を配設し、空気ダクト１４によって電源ユニット２０と接続している。

電源装置１１は、走行用電動モータ８に電力を供給し、その走行用電動モータ８によって電気エネルギーを機械運動に変換し、変速機を有する動力伝達装置９を介して効率良く後輪５を回転駆動する。この電源装置１１の両側方には、図２に示すように充電器１７とモータ駆動回路１８が配置されており、その充電器１７及びモータ駆動回路１８の下部には放熱板１９を備えており、この放熱板１９により充電器１７及びモータ駆動回路１８が動作するときに発生する熱を外部に放出するようにしている。

電源装置１１は、その詳細は後述するが、複数のバッテリ同士を電力の伝達ロスを防ぐケーブルを用いて直列に接続し、その複数個直列に接続したバッテリ群を更に並列に接続して電源ユニット２０内に収納し、その電源ユニット２０をアルミダイカストのメインフレーム３の二股部３ａに固定している。
電源装置１１の下面は、メインフレーム３に取付けられたアンダーカバー２９によって隙間をあけて覆われている。
制御装置１０は、例えばハンドル６に設けたアクセルグリップ（図示せず）の操作によるアクセル開度情報や各種搭載機器に配置された各種センサからの検出信号などに基づいて、ＣＰＵのメモリに格納されたプログラムにしたがって処理し、走行用電動モータ８や電源ユニット２０内の複数のバッテリの温度の均一化などの制御を行なう。

図３及び図４は、上述した電動二輪車１に搭載した電源装置１１を構成する電源ユニット２０と冷却ユニット１２とを空気ダクト１４を介して接続したバッテリ冷却システムの側面図と平面図である。図５はその電源ユニット２０内の多数のバッテリの配置例を示す横断面図である。

電源ユニット２０は、そのケース２１内の上部に多数の通気孔２２ａを有する仕切板２２が設けられており、その上側に空気流通路となる空間が形成されている。その仕切板２２の下側には、複数（多数）のバッテリ２３を電動二輪車の進行方向に平行に複数段に重ねて、前方から見たとき図５に示すように千鳥状になるように、各段のバッテリ２３の横方向の位置を交互にずらして収納している。このように千鳥状に積み重ねて収納した多数のバッテリ２３間を冷却風が通過し易くするために、各バッテリ２３の外周に複数の弾性リング２４を装着している。この弾性リング２４は、各バッテリ間に間隔を設けるスペーサとしての役目と、車体の振動を吸収してバッテリ同士がぶつかり合って破損するのを防止する役目とを果たす。

この電源ユニット２０のケース２１内には、バッテリ２３の温度を検出するために複数の温度センサ２５ａ〜２５ｅが配置されている。この温度センサは、理想的には各バッテリ２３の電池セル毎に設置するか、あるいは図６に示すように複数の電池セル２３ａを直列に接続した電池モジュールをバッテリ２３とした場合、その発生電圧Ａ，Ｂが均一になるようにするため、少なくともその前端部と中間部と後端部に設置するのが望ましい。
しかし、製造コストおよび配線の簡略化等を勘案して、図５に示す例では、ケース２１内に収納した多数のバッテリ２３の横方向の中央部で且つ積み重ねたバッテリ２３の上段部（２５ａ）、中段部（２５ｂ）、下段部（２５ｃ）、及び横方向で最も離れた２ヶ所（２５ｄ，２５ｅ）の計５ヶ所に設置している。括弧内の符号はそこに設置されている温度センサの符号である。なお、両側部の２個の温度センサ２５ｄ，２５ｅを省略して、上、中、下の３個の温度センサ２５ａ〜２５ｃだけを設けるようにしてもよい。

要は、製造コストと各バッテリ２３の温度を均一化するための後述する冷却ユニット１２による冷却能力に対応して温度センサの設置数を決めれば良い。この温度センサ２５ａ〜２５ｅとしては、サーミスタや熱電対など、温度情報を電気信号として検出できるものを使用する。
図３に示すように、この電源ユニット２０のケース２１の長手方向の両端部には、伝熱性のよい樹脂で作られたバッテリ端部の絶縁板３８が設けられている。
また、ケース２１の底部は、図３及び図５に示すように、上下方向に若干間隔をあけて平行に設けられた２枚の気液分離プレート２６，２７によって形成されている。この２枚の気液分離プレート２６，２７には、互いにその平面上の位置を前後左右方向のいずれにもずらした位置に、吸排気孔２６ａ，２７ａが複数（多数）形成されている。

この吸排気孔２６ａ，２７ａを通して、外気が冷却風としてケース２１内に吸入され、あるいは図３に示す通気孔２１ａからケース２１に送り込まれた冷却風がバッテリ２３を冷却した後排気される。
そして、気液分離プレート２６，２７の吸排気孔２６ａと２７ａは平面方向の位置がずれていて、上下方向に重なる部分がないので、車両の走行時に水滴等が外側の気液分離プレート２７の吸排気孔２７ａから侵入しても、内側の気液分離プレート２６に当たって落下し、吸排気孔２６ａを通してケース２１内のバッテリ２３の収容部に侵入するのは防止される。

この実施形態では、図３に示すように電源ユニット２０のケース２１内の仕切板２２の上面に、冷却ユニット１２の冷却ファン１３を駆動制御するための冷却ファン駆動制御手段を構成する回路基板３０を設置している。この回路基板３０の詳細については後述するが、バッテリ電圧から回路駆動用電圧を作り出すためのＤＣ／ＤＣコンバータ３１等の放熱が必要なデバイスも設けられている。このＤＣ／ＤＣコンバータ３１等は、ケース２１内の空気流通路となる空間に配置されているため、その各素子のヒートシンクを冷却風が通過することによって強制的に冷却され、ヒートシンクの効率向上と電源装置１１の小型化を実現している。

電源ユニット２０のケース２１の両側面には、図５に示すように略水平方向に張り出した一対の取付用ブラケット２８を固設している。各取付用ブラケット２８の下面に位置決め用の突起２８ａが設けられており、電源ユニット２０の電動二輪車への搭載時には、図４に示すように、この一対の取付用ブラケット２８を電動二輪車のアルミダイカストによるメインフレーム３のＵ字状の二股部３ａ上に載せ、その二股部３ａに設けられた凹部（図示していない）に突起２８ａを嵌入させて位置決めし、図示していない止めねじあるいは締め付け部材などによって固定する。

この電源ユニット２０のケース２１にはまた、図３に示すように、電動二輪車の進行方向の後端面の中央上部に通気孔２１ａが形成されており、そこに冷却ユニット１２から延びる空気ダクト１４の先端が接続され、仕切板２２の上部の空間を空気ダクト１４を介して冷却ユニット１２に連通させる。空気ダクト１４の途中には、取付位置の誤差や電源ユニット２０と冷却ユニット１２との相対位置変動を吸収するための蛇腹部１４ａが設けられている。
その冷却ユニット１２内には、電源ユニット２０のケース２１へ空気を送り込む第１の送風動作と、ケース２１内から空気を吸い出す第２の送風動作とが可能な冷却ファン１３が内蔵されている。この実施形態においては、冷却ユニット１２をガソリンエンジン車のエアクリーナのカバーを利用してその中に収納した。

この実施形態では、この冷却ファン１３を、図７及び図８に示すように第１の送風動作を行なう送出用ファン１３Ａと第２の送風動作を行なう吸引用ファン１３Ｂとを支持部材４０にねじ止め固定して構成している。
その送出用ファン１３Ａと吸引用ファン１３Ｂは、いずれも図９に示すような外観を呈する同じファンであり、内部にファンモータとそれによって回転される円筒状回転翼（シロッコファン）を設けており、その回転翼の接線方向に送風口１３ａを、図９では見えない方の円形面に回転羽根の基部に沿って円形あるいはリング形の吸気口１３ｂ（図８に破線で示す）を有している。

そして、ファンモータに通電されて駆動されると、そのファンモータによって回転翼が回転され、吸気口１３ｂから軸方向に外気を吸入して、送風口１３ａから放射方向にその空気を送出する。
この送出用ファン１３Ａと吸引用ファン１３Ｂを、その吸気口１３ｂを有する面を互いに向かい合わせて、送出用ファン１３Ａは送風口１３ａを空気ダクト１４の接続部の方向（図７では左方）に向け、吸引用ファン１３Ｂは送風口１３ａを下方に向けて、それぞれ支持部材４０に固着している。その支持部材４０には、送出用ファン１３Ａと吸引用ファン１３Ｂの各吸気口１３ｂを連通させるための開口４０ａ（図７及び図８に破線で示す）が形成されている。

さらに、この支持部材４０の周囲と冷却ユニット１２のカバー１２ａの内面との間に隔壁４１を設け、冷却ユニット１２内の主室４２Ａから密閉隔離した副室４２Ｂを設け、その副室４２Ｂ内に吸引用ファン１３Ｂが配置されるようにしている。この副室４２Ｂは、冷却ユニット１２のカバー１２ａの下部に形成された空気口１２ｂによって外部に連通している。
送出用ファン１３Ａの配線４５と吸引用ファン１３Ｂの配線４６はまとめて、図示していない冷却ユニット１２側のコネクタと外部コード及び電源ユニット２０側のコネクタを介して、図３に示した回路基板３０に接続される。配線４５，４６はいずれも２線の給電用の配線コードである。

このように構成した冷却ユニット１２において、冷却ファン１３の送出用ファン１３Ａによる第１の送風動作時の空気の流れを白抜き矢印で、吸引用ファン１３Ｂによる第２の送風動作時の空気の流れを斜線入り矢印で図７及び図８に示し、その各動作を説明する。
冷却ファン１３の送出用ファン１３Ａが駆動されると、その吸気口１３ｂから空気を吸い込むため、図８に示す空気口１２ｂから外気が白抜き矢印で示すように、副室４２Ｂから吸引用ファン１３Ｂの送風口１３ａに入り、その内部を通って吸気口１３ｂおよび支持部材４０の開口４０ａを経て、送出用ファン１３Ａに吸い込まれ、その送風口１３ａから主室４２Ａ内に送出される。その送出された空気が図３及び図４に示した空気ダクト１４を通して電源ユニット２０のケース２１の上部空間に送り込まれる。
その冷却風は、仕切板２２の通気孔２２ａを通してバッテリ収容部へ流入し、図５に示した各バッテリ２３間の隙間を通して全体に広がって各バッテリ２３を冷却しながら下方へ流れ、気液分離プレート２６，２７の吸排気孔２６ａ，２７ａから外部へ排出される。

一方、吸引用ファン１３Ｂが駆動された場合は、その吸気口１３ｂから空気を吸い込むため、図７に示す主室４２Ａ内の空気が、斜線入リ矢印で示すように送出用ファン１３Ａの送風口１３ａからその内部を通って吸気口１３ｂおよび支持部材４０の開口４０ａを経て、吸引用ファン１３Ｂに吸い込まれ、その送風口１３ａから副室４２Ｂに送出され、図８に示す空気口１２ｂから外部に放出される。
冷却ユニット１２内の主室４２Ａの空気が吸引用ファン１３Ｂによって吸い込まれると、図３および図４に示した空気ダクト１４を介して電源ユニット２０のケース２１内の空気が吸い出され、それに伴なって、気液分離プレート２６，２７の吸排気孔２６ａ，２７ａから外気がケース２１内に流入して、冷却風となって各バッテリ２３間の隙間を流れるため、各バッテリ２３が冷却される。

空気を送出するか又は吸い込むファンは、一般的に回転する翼のピッチが固定されており、その風量はファンモータへの印加電圧および静圧等の状況によって異なる。このようなファンは通常は一方向に回転するものであり、１個のファンで空気を送出及び吸入する機能は有しない。この実施形態では、冷却ファン１３を上述のように同じファンを２個使用して、その一方を送出用ファン１３Ａとして、他方を吸引用ファン１３Ｂとして組み合わせて構成した。そのため市販の安価なファンを使用できるため、製造コストを抑えることができる。

なお、電源ユニット２０のケース２１を空気ダクト１４と連通させる通気孔２１ａと、外気と連通させる吸排気孔２６ａ，２７ａは、ケース２１の異なる面に設ければよいが、好ましくは反対側の面あるいはなるべく離れた位置に設けるとよい。しかし、図示の位置に限るものではなく、通気孔２１ａをケース２１の上面に設けてもよいし、通気孔２１ａをケース２１の後端面中央下部に設け、吸排気孔をケース２１の上面に設けてもよい。あるいは、空気ダクト１４と連通させる通気孔を、ケース２１の前端面あるいは後端面の上部又は下部に設け、吸排気孔をケース２１の反対側の端面の下部又は上部（通気孔と反対）に設けてもよい。

また、図示の実施形態では、電源ユニット２０と冷却ユニット１２が空気ダクト１４を介して接続されているが、必ずしも空気ダクト１４を介する必要は無く、電動車両のレイアウト上の空間如何により両者を直接接続してもよい。さらに、冷却ユニット１２は電源ユニット２０の後方に限らず、側方あるいは前方に配置してもよい。要するに搭載する電動車両に適したレイアウトに基づいて、電源ユニット２０と冷却ユニット１２を適宜配置して接続すればよい。

ここで、電源ユニット２０内に設けた回路基板３０における冷却ファン駆動制御手段として機能する部分の構成例を、図１０によって説明する。
図１０においては、外部コードの図示は省略し、冷却ユニット１２側のコネクタと電源ユニット２０側のコネクタをまとめてコネクタ３７として示している。
回路基板３０内には、マイクロコンピュータ（以下「ＣＰＵ」と略称する）を主体とする制御回路３２とタイマ３３、スイッチング用のトランジスタ３４と、そのトランジスタ３４によって通電が制御されるリレーコイルＬｙおよび切替接点Ｓｙとからなるリレー３５と、トランジスタ３４のエミッタ・コレクタ間に接続され、リレーコイルＬｙがオフした時に発生する逆電圧を吸収するダイオード３６とが設けられている。

制御回路３２には、図５に示した５個の温度センサ２５a〜２５ｅによる温度検出信号が入力され、それぞれ内部のＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換され、ＣＰＵに入力される。また、タイマ３３により所定時間経過する毎に発生する信号も入力される。このタイマ３３は分かりやすいように別に設けているが、制御回路３２内に持っていてもよい。通常はＣＰＵがその駆動用クロックパルスをカウントすることによってタイマの機能を兼ねることができる。

バッテリ２３の電圧を図３に示したＤＣ／ＤＣコンバータ３１で電圧変換して得た直流１２Ｖを、リレー３５の切替接点Ｓｙの可動接点ｃとリレーコイルＬｙの一端に印加し、そのリレーコイルＬｙの他端をトランジスタ３４のコレクタ・エミッタ間を通して接地している。そのトランジスタ３４のベースを制御回路３２の出力端子Ｏｓに接続し、その出力信号がローレベル“Ｌ”のときはトランジスタ３４がオフで、リレー３５は励磁されず、切替接点Ｓｙが図１０に示すように固定接点ａ側に切り替わっている。
したがって、このときには配線４５を通して送出用ファン１３Ａに通電し、そのファンモータを駆動するので、冷却ユニット１２の冷却ファン１３は、電源ユニット２０のケース２１内に冷却風を送り込む第１の送風動作を行なう。

制御回路３２の出力信号がハイレベル“Ｈ”になると、トランジスタ３４がオンになってリレー３５を励磁するので、その切替接点Ｓｙが固定接点ｂ側に切り替わり、配線４６を通して吸引用ファン１３Ｂに通電し、そのファンモータを駆動するので、冷却ユニット１２の冷却ファン１３は、電源ユニット２０のケース２１内の空気を吸引する第２の送風動作を行なう。

この実施形態では、温度センサ２５ａ〜２５ｅによる検出温度の差、あるいはタイマ３３による所定時間間隔で、冷却ファン１３の駆動とその動作状態を制御するための冷却ファン駆動制御手段を構成する回路基板３０を電源ユニット２０のケース２１内に設けたが、この冷却ファン駆動制御手段の機能も図１に示した制御装置１０に持たせるようにしてもよい。

次に、以上説明したこの発明によるバッテリ冷却システムによる、電源ユニット２０に収容されたバッテリ２３の放電時（使用時）の冷却方法について説明する。
一般にバッテリの放電時には、その温度が２０℃乃至３０℃の範囲で、且つ複数のバッテリからなる電源ユニットの各バッテリ間に温度差がないことが、最も出力能力を高くすることができて理想的であると言われている。しかし、外気温度は春夏秋冬で著しく差があることと、放電開始時（スタート時）には各バッテリ間に殆ど温度差がなくても、スタート後は次第に積み重ねた多数のバッテリのうち上部もしくは中心部にあるものほど熱を持ち易く、その出力能力にバラツキを生じ易い。

この発明によるバッテリ冷却システムは、このような積み重ねた多数のバッテリの温度差を極力小さくして、各バッテリの出力能力を均一にし、電源装置の電源ユニット全体として最大限の出力を発揮できるようにするものである。
以下に、具体的なバッテリ冷却方法について実施例１〜３として説明する。

〔実施例１〕
まず、その冷却方法の実施例１を説明する。図１１はこのバッテリ冷却方法の実施例１を実施する際の制御回路３２による処理のフローチャートである。その図１１と次の実施例２のフローチャートである図１２において、各ステップを「Ｓ」と略記している。

電動二輪車１の車体２に備えられた図２に示したメインスイッチ１５がＯＮになると、電源装置１１を構成するニッケル−水素電池からなるバッテリ２３を収容した電源ユニット２０内の回路基板３０のＤＣ／ＤＣコンバータ３１が起動して、図１０に示した制御回路３２およびリレー３５等に所定の直流電圧を印加する。
それによって、制御回路３２が図１１の処理をスタートする。そして、ステップ１で電源ＯＮになった直後は、ステップ２で冷却ファン１３に「吸引」動作をさせる。
すなわち、制御回路３２は出力端子Ｏｓをハイレベル“Ｈ”にする。そのためトランジスタ３４がＯＮになり、リレー３５が励磁されてその切替接点Ｓｙが固定接点ｂ側に切り替わり、配線４６を通して冷却ファン１３の吸引用ファン１３Ｂに通電してそれを回転駆動する。

それによって、図３および図５に示した電源ユニット２０の下部に設けられた気液分離プレート２６，２７の吸排気孔２６ａ，２７ａからケース２１内へ外気を吸入し、それがバッテリ２３の隙間、回路基板３０のある空間、及び空気ダクト１４を経由して冷却ユニット１２に流れ込み、冷却ファン１３（この場合吸引用ファン１３Ｂによって第２の送風動作を行なう）によって吸入されて、外部へ排出される。この動作を「吸引」という。
このようにして、電源ユニット２０内の複数のバッテリ２３の周囲に滞留していた温度の高い空気を排出し、ケース２１内に吸入されて冷却ユニット１２に吸引されて流れる外気が冷却風となって、バッテリ２３の隙間を流れる際に各バッテリ２３をその熱を奪って冷却する。

このように、スタート当初に冷却ファン１３に吸引動作を行なわせる理由は、一般に積み重ねたバッテリ２３は、その放電開始後は上部にあるものほど温度が高くなる傾向がある。従ってスタート当初から電源ユニット２０の上部へ冷却風を送り込むと、温度が高くなりやすい上部のバッテリ２３の熱で流入した冷却風が温まって下部に流れることになり、下部に位置するバッテリ２３の温度を高める傾向があるため好ましくないからである。

スタートした後は、ステップ３で図１０に示した各温度センサ２５ａ〜２５ｅによる検出温度の最高値と最低値の温度差（電池温度差）を検知し、それが所定値（この例では３℃）以上か否かを判断する。電池温度差が３℃以上でなければステップ２へ戻って「吸引」動作を継続する。
電池温度差が３℃以上の場合は、ステップ４で最上部の温度センサと最下部の温度センサによる検出温度、すなわち上部電池温度と下部電池温度とを比較する。その結果、上部電池温度が下部電池温度より高いときは、ステップＳ５へ進んで、冷却ファン１３を「送出」動作に切換える。すなわち、制御回路３２が出力端子Ｏｓをローレベル“Ｌ”にする。それによって、トランジスタ３４がＯＦＦになり、リレー３５が非励磁になってその切替接点Ｓｙが固定接点ａ側に切り替わり、配線４５を通して冷却ファン１３の送出用ファン１３Ａに通電してそれを回転駆動する。

すると、図３に示した冷却ユニット１２が冷却ファン１３（この場合送出用ファン１３Ａによって第１の送風動作を行なう）によって外気を吸入して空気ダクト１４を介して電源ユニット２０のケース２１の上部に冷却風を送り込む。その冷却風がケース２１内の上部から下部に向って、各バッテリ２３間の隙間を流れながら各バッテリの熱を奪って冷却し、ケース２１の下部に設けられた気液分離プレート２６，２７の吸排気孔２６ａ，２７ａを通して外部へ排出される。この動作を「送出」という。
ステップ４の判断で、上部電池温度が下部電池温度より高くない（等しいか低い）ときには、ステップ６へ進んで「吸引」動作を継続する。

その後、ステップ７で電源がＯＦＦになったか否かをチェックし、電源ＯＦＦになれば処理を終了し、冷却ユニット１２の動作も停止するが、そうでなければステップ３に戻って、電池温度差が３℃以上か否かの判断をし、上述の動作を繰り返す。
すなわち、この実施例１では、電池温度差が３℃以上でなければ、吸引動作を継続し、３℃以上のときは、上部電池温度と下部電池温度のどちらが高いかによって「送出」動作か「吸引」動作かを選択する。

上記温度差の所定値は、この実施例で使用するニッケル−水素電池からなる電源ユニット２０の場合であり、３℃程度としたが、これに限るものではない。極力電池間に温度差がないのが理想であるが、温度差が生じた場合でも、それを内部の温度差で５℃程度に押さえるため、バッテリの表面温度と内部温度の伝達時間を考慮すると３℃程度にすればよいことになる。

この実施例１は、図３に示した回路基板３０における図１０に示した冷却ファン駆動制御手段として機能する部分の動作により、制御回路３２が電源ユニット２０内の所定値以上の温度差を検知すると、上部電池温度と下部電池温度の高低関係に応じて冷却風の方向を切り替えることを特徴としており、ニツケル−水素電池によるバッテリについては上記の通りである。しかし、その温度差の所定値は、使用する電池の種類や容量等によって、また電源装置の容量、冷却風の通路や風量などによって異なり、一概に規定することはできない。とはいえ、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池、鉛電池の場合であっても、概ねその所定値を３℃程度とし、温度差が３℃以上になったことを検知した時に冷却風の向きを切り替えることによって良い結果を得ている。

電源ユニット２０内の複数のバッテリ２３は、図５に示したように千鳥状に複数段に亘って弾性リング２４を介して配置されており、空気ダクト１４から送り込まれた冷却風はその隙間を通過してバッテリ２３を冷却するが、回路基板３０に設けられた制御回路３２及びＤＣ／ＤＣコンバータ３１も冷却し、気液分離プレート２６，２７の吸排気孔２６ａ，２７ａを通過して外部に強制的に排出される。
その間、複数のバッテリ２３の間を通過する冷却風は、各バッテリ２３から熱を吸収すると共に、その熱の一部をアルミニウム等の熱伝導性の良好な軽合金からなるケース２１の周壁に伝熱させ、そのケース２１の周壁に伝熱させた熱はさらにアルミニウムダイカストで製造されたメインフレーム３との固定部分を通じて伝熱させ、外部に放熱される。

すなわち、電源ユニット２０のケース２１及びメインフレーム３は、バッテリ２３の放熱媒体としての機能を有するものでもある。また、電源ユニット２０内に収容されたバッテリ２３の両端部に設けた絶縁板３８は、電気絶縁性が良く且つ熱伝導性の良い樹脂（例えば、シリコン系樹脂またはポリウレタン系樹脂）で形成されているので、各バッテリ２３の両端から熱を電源ユニット２０のケース２１の周壁に伝熱させることができ、冷却風によって冷却し難い部分の熱を放熱することができる。

〔実施例２〕
次に、この発明によるバッテリ冷却方法の実施例２について、図１２に示すフローチャートによって説明する。この実施例２では、実施例１において説明したバッテリを使用する電源装置において、回路基板３０の冷却ファン駆動制御手段として機能する部分に設けたタイマ３３を使用し、所定時間間隔で冷却ファン１３を第１の送風動作と第２の送風動作の一方から他方へ自動的に切り替え運転し、電源ユニット２０内の冷却風の流通方向を切り換えることを特徴としている。

図１２に示す処理をスタートすると、ステップ１１で電源ＯＮになった直後は、ステップ１２で実施例１の場合と同様に冷却ファン１３に「吸引」動作をさせる。それによって、電源ユニット２０内の複数のバッテリ２３の周囲に滞留していた温度の高い空気を排出し、ケース２１内に吸入されて冷却ユニット１２に吸引されて流れる外気が冷却風となって、バッテリ２３の隙間を流れる際に各バッテリ２３の熱を奪って冷却する。
その後、ステップ１３でタイマ３３による所定時間、例えば５分経過すると冷却ファン１３による空気流通方向を切り替えて（最初は「吸引」動作から「送出」動作に切り替える）ステップ１４へ進む。

ステップ１４では、実施例１の場合と同様に、図１０に示した各温度センサ２５ａ〜２５ｅによる検出温度の最高値と最低値の温度差（電池温度差）を検知し、それが所定値（この例では３℃）以上か否かを判断する。電池温度差が３℃以上でなければステップ１３へ戻って、所定時間経過すると冷却ファン１３による空気流通方向を切り替えて、再びステップ１４の判断を行なう。
ステップ１４で電池温度差が３℃以上のときは、ステップ１５へ進んで、実施例１のステップ４と同様に、上部電池温度と下部電池温度を比較し、上部電池温度が下部電池温度より高ければ、ステップ１６で冷却ファン１３に「送出」動作させ、上部電池温度が下部電池温度より高くなければ、ステップ１７で冷却ファン１３に「吸引」動作をさせる。

その後、ステップ１８で、上部電池温度と下部電池温度との差が１℃以内か否かを判断する。その結果１℃以内でなければステップ１５に戻り、上部電池温度と下部電池温度の高低によって、「送出」と「吸引」を選択して冷却ファン１３を動作させることを繰り返す。その結果、上部電池温度と下部電池温度との差が１℃以内になると、ステップ１９で電源ＯＦＦであれば処理を終了するが、そうでなければステップ２０で現在「吸引」動作中か否かを判断する。

そして、「吸引」動作中であればステップ２１で「送出」動作に、「吸引」動作中でなければステップ２２で「吸引」動作にそれぞれ切り替えた後、ステップ１３へ戻って、所定時間（この例では５分）ごとの動作切り替えを行なう。
このように、この実施例では、単に温度差だけでなはく、上下の温度差を検出して、それが略等しくなったら、所定時間間隔で空気の流通方向を切り替えるようにしている。
その理由は、「吸引」又は「送出」動作の一方だけを長く継続したり、温度差による動作切り替えだけを実施していると、やがて上部電池と下部電池の温度差が大きくなる。それは、ケース２１内の中心付近の空気が入れ替わりにくくなるためである。

〔実施例３〕
これは、上述した実施例２の変形であるが、使用するバッテリの容量が比較的小さい場合には、電源ユニット２０内に温度センサを設けることなく、電源ユニット２０と冷却ユニット１２とを接続し、回路基板３０内に有するタイマ３３の指令に基づいて、制御回路３２の制御によって所定時間間隔で冷却ファン１３を送出用ファン１３Ａと吸引用ファン１３Ｂを交互に切り替え運転させ、電源ユニット２０内の冷却風の向きを反転させ、「吸引」動作と「送出」動作を交互に行なわせることによっても、各バッテリを略均一に冷却することができる。

この実施例は、実施例1で説明した電源ユニット２０を構成するバッテリ２３の電池モジュールの数が２分の1の場合、所定時間を５分として定め、タイマ３３の指令に基づいて冷却ファン１３を５分ごとに切り替え運転することによって、電源ユニット２０内のバッテリ２３の温度差を３℃以内に調整することができた。

以上の実施例１〜３では、電源ユニット２０のバッテリ２３を放電させて、図１及び図２に示した電動二輪車１の走行用電動モータ８を駆動して走行する場合におけるバッテリ冷却方法について説明した。しかし、この電動二輪車１の不使用時に、図２に示した充電器１７を商用電源に接続して、その充電器１７によって電源ユニット２０のバッテリ２３を充電する際にも、同様に冷却ユニット１２の冷却ファン１３を駆動し、その第１の送風動作と第２の送風動作を、検出温度差が所定値以上になったとき又は所定時間間隔で、あるいはその両方によって自動的に切り替え、電源ユニット２０における冷却風の流通方向を反転させて、各バッテリ２３を均一に冷却するのが望ましい。

上述したこの発明の実施形態は、電動二輪車に搭載した電源装置のバッテリ冷却システムであるが、この発明によるバッテリ冷却システムは、電動二輪車に限らず、電動スクータ、四輪の電気自動車、電動三輪車、電動カート、電動バス、電動トラック、バッテリ電源の電車、電動車椅子、その他の各種電動車両の電源装置にも同様に適用できる。それ以外の据え置き型のバッテリ電源装置、例えば各種補助電源装置、照明用電源装置、産業用電源装置などにも応用できる。

この発明によるバッテリ冷却システムを電動車両の電源装置に適用した場合の特徴としては次のようなことが挙げられる。
（１）電動車両に搭載された、複数のバッテリおよび複数の温度センサを収容した電源装置に冷却ファンを収容した冷却ユニットを接続し、バッテリの充放電時にその冷却ファンを駆動し、電源装置の電源ユニット内に冷却風を流通させてその各バッテリを冷却する。そして、複数の温度センサの検出信号に基づいて各バッテリの温度差が所定の温度差以上になったことを、冷却ファン駆動制御手段が検知した時、冷却ファンの空気送出動作（第１の送風動作）と空気吸入動作（第２の送風動作）を自動的に切り替え制御し、電源ユニット内を流通する冷却風の方向を反転させる。それによって、電源ユニット内の各バッテリを均一に効率よく冷却することができる。

（２）上記電源装置と冷却ユニットとの接続には、電動車両の種類により、必要に応じて空気ダクトを使用することにより、搭載車両の空間如何により冷却ユニットを電源装置の長手方向に拘らず、電源装置の横方向など任意の位置に配置できる。
（３）上記の構成において、電源装置のバッテリとして筒型電池モジュールを使用した場合、その各電池モジュールの長手方向を車両の進行方向と平行に配置し、且つ各電池モジュールをその軸方向から見たときに千鳥状配置とし、電池搭載体積が極小になるように配置するとともに、弾性リングなどによって各電池モジュール間に隙間を作り、その隙間に冷却風を流通させるようにする。

（４）上記冷却ファン駆動制御手段にタイマ機能を持たせ、所定の時間間隔で冷却ファンの空気送出動作（第１の送風動作）と空気吸入動作（第２の送風動作）を自動的に切り替え制御するようにしても、電源ユニット内の各バッテリを略均一に冷却することが可能である。
さらに、上記各温度センサによる検出温度の差が上記所定値より小さい第２の所定値以下になったことを検知したときにも、冷却ファンの動作を切り替え運転して、冷却風の方向を反転させてもよい。

（６）少ない車載スペースの中で、ガソリンエンジン車のエアクリーナケースを利用して冷却ユニットの冷却ファンを搭載することができ、それによって、電源装置の搭載スペースを大きくとることができる。
電動車両以外の電源装置にこの発明によるバッテリ冷却システムを適用する場合にも、これらの特徴の大部分は活かされる。

この発明によるバッテリ冷却システムは、電動スクータを含む電動二輪車をはじめ、電気自動車、電動カート、電動車椅子、その他の各種電動車両の電源装置に適用できる。また、それ以外の据え置き型のバッテリ電源装置、例えば各種補助電源装置、照明用電源装置、産業用電源装置などにも応用できる。
そして、それらの電源装置の充電時又は放電時に電源装置を構成するバッテリを冷却するための冷却風の方向を自動的に反転させて、各バッテリを効率よく均一に冷却して、バッテリ間の温度差を殆どなくすることができ、バッテリの出力能力を最大限に発揮させることができる。しかも、構造が簡単で安価に実施できる。
また、充放電効率のよい電源装置ならびにその電源利用効率のよい電動車両を実現することができる。

この発明の一実施形態を示すバッテリ冷却システムを備えた電源装置を搭載した電動二輪車の側面図である。 その電動二輪車を後輪を除いて後側から見た概略図である。 そのバッテリ冷却システムを備えた電源装置だけを示す側面図である。 同じくその平面図である。 その電源ユニット内の多数のバッテリの配置例を示す横断面図である。 バッテリの構成例を示す説明図である。 図３，図４に示した冷却ユニットの冷却ファン収納部の平断面図である。 同じくその冷却ファン収納部の側断面図である。 同じくその冷却ファンを構成する１個のファンの斜視図である。

冷却ファン駆動制御手段の構成例を示す回路図である。 バッテリ冷却方法の実施例１を実効する際の図１０に示した制御回路による処理のフロー図である。 バッテリ冷却方法の実施例２を実効する際の図１０に示した制御回路による処理のフロー図である。

符号の説明

１：電動二輪車 ２：車体 ３：メインフレーム ３ａ：二股部 ４：前輪 ５：後輪 ６：ハンドル ７：座席シート ８：走行用電動モータ ９：動力伝達装置 １０：制御装置 １１：電源装置 １２：冷却ユニット １２ａ：カバー １２ｂ：空気口 １３：冷却ファン １３Ａ：送出用ファン １３Ｂ：吸引用ファン １４：空気ダクト １５：メインスイッチ（キースイッチ） １６：表示パネル １７：充電器 １８：モータ駆動回路 １９：放熱板 ２０：電源ユニット ２１：ケース ２１ａ：通気孔 ２２：仕切板 ２２ａ：通気孔 ２３：バッテリ ２４：弾性リング ２５ａ〜２５ｅ：温度センサ ２６，２７：気液分離プレート ２６ａ，２７ａ：吸排気孔 ２８：取付用ブラケット ２９：アンダーカバー ３０：回路基板 ３１：ＤＣ／ＤＣコンバータ ３２：制御回路 ３３：タイマ ３４：トランジスタ ３５：リレー ３６：ダイオード ３７：コネクタ ３８：絶縁板 ４０：支持部材 ４０ａ：開口 ４１：隔壁 ４２Ａ：主室 ４２Ｂ：副室 ４５，４６：配線

Claims (5)

1. 複数のバッテリを隣接する各バッテリの周囲に間隔を設けてケース内に収容した電源ユニットと、該電源ユニットの前記ケースに設けた通気孔に接続され、該ケース内へ空気を送り込む第１の送風動作用の冷却ファンと該ケース内から空気を吸い出す第２の送風動作用の冷却ファンとからなる冷却ファンとを備え、
   前記ケースの前記通気孔を設けた面とは異なる面に吸排気孔を設けるとともに、該ケース内の異なる位置に複数の温度センサを配設し、その複数の温度センサによる検出温度の情報に基いて、前記冷却ファンの送風動作を、前記第１の送風動作用の冷却ファンによる送風動作から前記第２の送風動作用の冷却ファンによる送風動作へ、または前記第２の送風動作用の冷却ファンによる送風動作から前記第１の送風動作用の冷却ファンによる送風動作へ自動的に切り替える冷却ファン駆動制御手段を設けたことを特徴とするバッテリ冷却システム。
2. 請求項１記載のバッテリ冷却システムにおいて、前記冷却ファン駆動制御手段が、前記冷却ファンの送風動作を所定時間間隔で、前記第１の送風動作用の冷却ファンによる送風動作から前記第２の送風動作用の冷却ファンによる送風動作へ、または前記第２の送風動作用の冷却ファンによる送風動作から前記第１の送風動作用の冷却ファンによる送風動作へ自動的に切り替える機能も有することを特徴とするバッテリ冷却システム。
3. 請求項１又は２に記載のバッテリ冷却システムにおいて、前記ケースの一端面上部に前記通気孔を設け、該ケースの下面に前記吸排気孔を複数設けたことを特徴とするバッテリ冷却システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のバッテリ冷却システムを備えた電源装置。
5. 請求項４記載の電源装置を搭載した電動車両。

Images