JP4826214B2 - 駆動システム - Google Patents

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Description

本発明は、駆動システムに関する。
例えば、ハイブリッド車両は、駆動源であるモータおよびモータに電力を供給するための二次電池を有する（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１８５８３１号公報
しかし、モータと二次電池は別体であり、それぞれのスペースを用意する必要があるため、デッドスペースが大きく、搭載性に問題を有している。
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な搭載性を有する駆動システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明は、
外部に面する外側ハウジングと、
駆動源であるモータと、
前記モータのロータを収容する円筒状のロータハウジングと、
前記外側ハウジングと前記ロータハウジングとの間に配置され、前記モータに電力を供給するための二次電池と、を有し、
前記二次電池は、積層される複数の単電池を有し、
前記単電池は、電解質と、前記電解質の一方の面に配置される正極電極と、前記電解質の他方の面に配置される負極電極と、を有し、位置合せされた隙間を有する開環状に前記ロータハウジングの周囲に順次積層されることによって直列接続されている
ことを特徴とする駆動システム。
本発明によれば、二次電池を外側ハウジングとロータハウジングとの間に配置することにより、モータと二次電池は、一体化されており、それぞれのスペースを用意する必要はないため、デッドスペースが小さい。また、二次電池は、ロータハウジングの周囲に開環状に順次積層されることによって直列接続される複数の単電池を有するため、コンパクト化が容易である。したがって、搭載性の自由度が大きい。つまり、良好な搭載性を有する駆動システムを提供することが可能である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、実施の形態１に係る駆動システムを説明するための断面図、図２は、図１に示される駆動システムが適用される動力発生装置を説明するための側面図である。
駆動システム１００は、モータ１１０、二次電池１２０、モータコントローラおよび電池冷却手段を有し、動力発生装置１０のトランスミッション部２０に配置（内蔵）される。動力発生装置１０は、例えば、ハイブリッド車両のエンジンである。
モータ１１０は、ロータ１１２、およびロータ１１２を収容する円筒状のロータハウジング１１４を有する。ロータハウジング１１４は、磁界発生用巻線が配置される。
二次電池１２０は、モータ１１０に電力を供給するために使用され、外部に面する円筒状の外側ハウジング１１６に隣接して配置され、略円筒状形状を有する。
モータコントローラは、ロータハウジング１１４の外周に隣接して配置されるインバータケース１７０を有する。インバータケース１７０は、円筒状であり、ＳｉＣスイッチング素子を有するインバータ１７２が配置される。インバータ１７２は、二次電池１２０から出力される直流を、交流に変換し、モータ１１０を駆動するために使用される。
ＳｉＣスイッチング素子は、大電流での駆動が可能であり、高速応答性を有するため、好ましい。例えば、ＳｉＣスイッチング素子として、ＩＧＢＴ（縁ゲートバイポーラトランジスタ：ＩＮＥＲＴＥＤ ＧＡＴＥ ＢＩＰＯＬＡＲ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）や、ＦＥＴ（電解効果トランジスタ：ＦＩＥＬＤ ＥＦＦＥＣＴ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）が利用可能である。
電池冷却手段は、二次電池１２０とインバータケース１７０（インバータ１７２）との間に配置される冷却ジャケット１８０を有する。冷却ジャケット１８０は、良好な熱伝導率を有する材料から形成される円筒状部材であり、冷却媒体が流通する経路１８２を有する。経路１８２は、外部の冷却媒体配管系（不図示）に連結されている。冷却媒体は、気体あるいは液体からなる。気体は、例えば、圧縮空気である。液体は、例えば、油、エチレングリコールなどの不凍液や、水である。
モータ１１０、インバータ１７２および二次電池１２０の許容温度範囲を考慮し、電池冷却手段は、例えば、二次電池１２０の温度を、５０℃〜１００℃に維持し、モータ１１０およびインバータ１７２の温度を、１２０℃以下に制御する。
図３は、図１に示される駆動システムが有する二次電池を説明するための断面図、図４は、図３に示される二次電池が有する単電池を説明するための側面図である。
二次電池１２０は、積層される複数の単電池１３０を有する。単電池１３０における正極電極および負極電極が配置されている部位は、曲率を有する。これは、振動および熱応力緩和に関し、好ましい。
単電池１３０は、直列接続されることで組み電池を構成しており、供給可能な電圧を上昇させている。これは、モータのサイズは、コイル巻線が支配的であり、同出力のモータを想定した場合、駆動用電圧が高いほど電流値が小さくなり、モータ内のコイル巻線が細くすることができるため、好ましい。
単電池１３０は、３層以上かつ４００層以下に積重ねられている。二次電池１２０の出力密度は、３ｋＷ／Ｌ以上であり、二次電池１２０の出力／容量比は、３０（１／ｈ）以上であることが好ましい。
単電池１３０は、リチウムイオン電池であり、正極活物質層および電子伝導層を含んでいる正極電極１３２、電解質１３４、および負極活物質層および電子伝導層を含んでいる負極電極１３８を有する。電解質１３４は、ゲル状電解質あるいは固体電解質からなる。
なお、正極活物質層、負極活物質層、電解質１３４、および電子伝導層から構成される電極１ペアの厚みは、５０μｍ以下が好ましい。
単電池１３０は、電解質１３４に正極電極１３２および負極電極１３８を、インクジェット方式で塗布することで形成される。すなわち、単電池１３０は、インクジェットプリンタを用いて画像を印刷するのと同様に、正極電極１３２および負極電極１３を構成する各層の形成に必要な材料を、基材としての電解質１３に向かって、ノズルから選択的に吐出させ、電解質１３に隣接する層から、順番に形成される。単電池１３０の形成方法は、インクジェット方式の塗布に特に限定されず、真空蒸着法などの積層法を適用することも可能である。
電解質１３４は、好ましくは、融解温度１００℃以上の耐熱高分子材料を含んでいるイオン電解質、あるいはＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）系高分子材料を含んでいるイオン電解質からなる。耐熱高分子材料は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）が好ましい。
正極活物質層は、正極活物質，電子伝導性を高めるための導電助剤、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩、バインダ、高分子ゲル電解質などを含んでいる。正極活物質は、例えば、リチウム−遷移金属複合酸化物である。
負極活物質層は、負極活物質、電子伝導性を高めるための導電助剤、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩、バインダ、高分子ゲル電解質（ポリマーマトリックス、電解液など）などを含んでいる。負極活物質は、例えば、カーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物である。
電子伝導層は、イオンを遮断する機能を有し、例えば、金属、導電性ポリマー、導電性ゴムなどを含んでいる。
以上のように、実施の形態１に係る駆動システム１００においては、モータ１１０、二次電池１２０、インバータ１７２および電池冷却手段が、一体化されており、それぞれのスペースを用意する必要はないため、デッドスペースが小さい。また、二次電池１２０は、積層される複数の単電池１３０を有するため、コンパクト化が容易である。したがって、搭載性の自由度が大きい。つまり、良好な搭載性を有する駆動システムを提供することが可能である。
また、モータ１１０と二次電池１２０とを接続するための強電ケーブルが不要であり、強電ケーブルよる出力損失が低減される。さらに、単電池１３０の積層数を変更することで、電圧を調整することが可能であり、要求最大電圧が異なる多様なモータに、容易に適用可能である。
なお、駆動システム１００は、動力発生装置１０のトランスミッション部２０に隣接して、配置することも可能である。
インバータ１７２は、必要に応じ、別体とすることも可能である。この場合、電池冷却手段（冷却ジャケット）は、二次電池１２０とロータハウジング１１４との間に配置される。
電池冷却手段の冷却ジャケット１８０は、二次電池１２０の外周に隣接して配置することも可能である。
冷却媒体が流通する経路１８２は、ロータハウジング１１４と外側ハウジング１１６との間に形成される隙間、例えば、二次電池１２０とインバータケース１７０との間に形成される隙間を、利用することも可能である。電池冷却手段を、必要に応じ、別体としたり、省略したりすることも可能である。
図５は、実施の形態２に係る二次電池を説明するための断面図、図６は、図５に示される二次電池が有する単電池を説明するための側面図である。なお、以下において、実施の形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を適宜省略する。
実施の形態２は、単電池２３０および二次電池２２０の構造に関し、実施の形態１と概して異なっている。
単電池２３０は、正極電極２３２、電解質２３４および負極電極２３８を有する。電解質２３４は、長尺であり、イオンを通さない不導化処理が施されている加工部２３５および未加工部２３６を有する。加工部２３５は、所定の間隔で、複数配置されている。
不導化処理は、例えば、セパレータとゲル状の電解質からなゲル電解質を用いる場合、当該加工部分にゲルを添加しない、もしくはセパレータの当該加工部分にゲル電解質をはじくような処理を加えることから、構成される。また、固体高分子電解質を用いる場合、加熱処理により、分子構造に影響を与えてイオン導電性を低下させることから構成することも可能である。
正極電極２３２および負極電極２３８は、電解質２３４の一方および他方の面に、例えば、塗布によって、複数配置される。正極電極２３２および負極電極２３８は、未加工部２３６に配置され、位置合せされている。つまり、電解質２３４は、複数の単電池２３０で共有されている。
二次電池２２０は、複数の正極電極２３２および負極電極２３８が配置される電解質２３４を、冷却ジャケットに巻くことで、形成される。つまり、単電池２３０の積層が容易である。
未加工部２３６の長さ、つまり、正極電極２３２（負極電極２３８）の長さと、加工部２３５の長さとの合計値は、冷却ジャケットの外径長と略一致されている。したがって、内側の単電池２３０の正極電極２３２は、隣接する外側の単電池２３０の負極電極２３８と重なることになる。なお、正極電極２３２と負極電極２３８の接触を良くし、抵抗の増加を防ぐため、１周巻く毎に、正極電極２３２と負極電極２３８とが重なる面に、集電箔２４０が配置される。集電箔２４０は、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、導電性ポリマー、導電性ゴムなどから構成される。
また、巻き数（積層数）によって、二次電池２２０の厚みが増加し、最下層の径と最上位の径が大きく異なり、正極電極２３２と負極電極２３８との重なりに不都合が生じる場合、塗布幅つまり未加工部２３６の幅を変更することで、対処することが可能である。
以上のように、実施の形態２は、単電池２３０を容易に積層することが可能である。
図７は、実施の形態３に係る二次電池を説明するための分解図、図８〜１０は、図７に示される二次電池の形成方法を説明するための断面図であり、第１〜３コンポーネントを、示している。
実施の形態３は、単電池３３０および二次電池３２０の構造に関し、実施の形態１と概して異なっている。
二次電池３２０は、単電池３３０および集電箔３４０を有する。集電箔３４０は、最上位の単電池３３０Ａの正極電極３３２の上方、最下位の単電池３３０Ｃの負極電極３３８の下方、および、中間位の単電池３３０Ｂにおける隣接する正極電極３３２および負極電極３３８の間に、配置される。単電池３３０Ａ，３３０Ｂ，３３０Ｃは、直列に接続され、必要とされる電圧が確保される。なお、符号３３４は、電解質である。
二次電池３２０は、例えば、３つのコンポーネント３２１，３２２，３２３を利用して、形成される。
第１コンポーネント３２１は、集電箔３４０と、集電箔３４０の一方の面に配置される正極電極３３２とを有する。第２コンポーネント３２２は、集電箔３４０と、集電箔３４０の一方および他方の面に配置されるおよび正極電極３３２および負極電極３３８とを有する。第３コンポーネント３２３は、集電箔３４０と、集電箔３４０の一方の面に配置される負極電極３３８とを有する。正極電極３３２および負極電極３３８は、例えば、塗布によって、集電箔３４０上に配置される。
第３コンポーネント３２３は、最下位に配置される。第３コンポーネント３２３の集電箔３４０は、外側に面し、二次電池３２０の最下層を形成する。第３コンポーネント３２３の負極電極３３８の上方には、電解質３３４が配置される。
電解質３３４の上方には、第２コンポーネント３２２が配置される。第２コンポーネント３２２の正極電極３３２は、電解質３３４に面する。そして、第２コンポーネント３２２の負極電極３３８の上方には、電解質３３４が配置される。
第２コンポーネント３２２と電解質３３４との積層が、必要に応じて、所定回数繰り返される。これにより、集電箔３４０が、単電池３３０の間に配置されることになる。その後、電解質３３４の上方に、第１コンポーネント３２１が配置される。第１コンポーネント３２１の正極電極３３２は、電解質３３４に面する。第１コンポーネント３２１の集電箔３４０は、外側に面し、二次電池３２０の最上層を形成する。
以上のように、実施の形態３は、集電箔３４０を単電池３３０の間に容易に配置することが可能である。
図１１は、実施の形態４に係る駆動システムを説明するための断面図である。
実施の形態４は、電池冷却手段の構成に関し、実施の形態１と概して異なっている。詳述すると、電池冷却手段は、冷却ジャケット４８０および遮熱層４８６を有する。
冷却ジャケット４８０は、インバータケース４７０の周囲に隣接して配置される。遮熱層４８６は、冷却ジャケット４８０と二次電池４２０の間に配置され、冷却ジャケット４８０を覆っている。
遮熱層４８６は、インバータケース４７０を形成する材料より、熱伝導率が小さい材料から形成され、インバータケース側から二次電池側に向う熱伝導を抑制する。したがって、二次電池１２０の温度を、５０℃〜１００℃に維持し、かつモータ４１０およびインバータ４７２の温度を、１２０℃以下に制御することが容易となる。
なお、符号４１２，４１４，４１６，４８２は、ロータ、ロータハウジング、外側ハウジングおよび経路を示している。
以上のように、実施の形態４は、二次電池４２０の温度を、容易に管理することが可能である。
図１２は、実施の形態５に係る駆動システムを説明するための断面図である。
実施の形態５は、電池冷却手段の構成に関し、実施の形態１と概して異なっている。詳述すると、電池冷却手段は、内層経路５８２および外層経路５８４を有する２層構造の冷却ジャケット５８０を有する。
内層経路５８２は、インバータケース５７０に面する内側層に配置される。外層経路５８４は、二次電池５２０に面する外側層に配置される。
冷却ジャケット５８０は、外部の冷却媒体配管系（不図示）に連結されている。冷却媒体は、外層経路５８４を経由して内層経路５８２に導入されることで、二次電池５２０を冷却後、インバータ５７２（インバータケース５７０）を冷却する。つまり、冷却媒体は、二次電池５２０を最初に冷却するため、二次電池５２０の低温に保持すことが容易である。
一方、冷却媒体は、二次電池５２０を冷却することで、温度が上昇する。しかし、二次電池１２０の温度目標は、５０℃〜１００℃であるが、インバータ５７２およびモータ５１０の温度目標は、１２０℃以下である。したがって、二次電池５２０を冷却後の冷却媒体を、インバータ５７２およびモータ５１０の冷却に利用することが可能である。
なお、符号５１２，５１４および５１６は、ロータ、ロータハウジングおよび外側ハウジングを示している。
以上のように、実施の形態５は、二次電池５２０、インバータ５７２およびモータ５１０を、効率よく冷却することが可能である。
なお、インバータ５７２を別体とする場合、電池冷却手段（冷却ジャケット）は、二次電池５２０とロータハウジング２１４との間に配置され、二次電池５２０を冷却後、モータ５１０（ロータハウジング５１４）を冷却することとなる。
また、冷却媒体は、ハイブリッド車両のラジエータによって冷却されたエンジン冷却水を利用することが可能である。例えば、冷却ジャケット５８０をエンジン冷却水循環系に連結し、エンジン冷却水を、外層経路５８４を経由して内層経路５８２に導入後、エンジンの冷却ジャケットに戻すことで、二次電池５２０、インバータ５７２およびモータ５１０を、冷却することが可能である。
図１３は、実施の形態６に係る駆動システム６００を説明するための概念図である。
実施の形態６は、外部電源６９０をさらに有する点で、実施の形態１と概して異なっている。
外部電源６９０は、大容量の２次電池であり、昇圧回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）６９２を経由し、インバータ６７２に接続される。外部電源６９０は、二次電池５２０を補助するために使用される。
したがって、外部電源６９０と、モータ６１０に一体化される二次電池６２０との間で、必要な機能を適宜分割することで、多様なシステムを構築することが容易である。例えば、外部電源６９０を、低負荷時に利用し、二次電池６２０は、瞬間的な高負荷時に利用することが可能である。
昇圧回路６９２は、外部電源６９０とインバータ６７２とを接続するケーブル６９４の容量を下げ、ケーブル６９４の取り回しを有利とするため、好ましいが、適宜省略することも可能である。
以上のように、実施の形態６は、外部電源６９０をさらに有するため、システム構築の自由度が大きい。
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
例えば、２次電池は、直列接続された複数の単電池と、並列接続された複数の単電池とが組み合わされた複合組電池から構成することも可能である。また、実施の形態６を、実施の形態１〜５に適宜組み合わせることも可能である。
実施の形態１に係る駆動システムを説明するための断面図である。 図１に示される駆動システムが適用される動力発生装置を説明するための側面図である。 図１に示される駆動システムが有する二次電池を説明するための断面図である。 図３に示される二次電池が有する単電池を説明するための側面図である。 実施の形態２に係る二次電池を説明するための断面図である。 図２に示される二次電池が有する単電池を説明するための側面図である。 実施の形態３に係る二次電池を説明するための分解図である。 図７に示される二次電池の形成方法を説明するための断面図であり、第１コンポーネントを、示している。 図７に示される二次電池の形成方法を説明するための断面図であり、第２コンポーネントを、示している。 図７に示される二次電池の形成方法を説明するための断面図であり、第３コンポーネントを、示している。 実施の形態４に係る駆動システムを説明するための断面図である。 実施の形態５に係る駆動システムを説明するための断面図である。 実施の形態６に係る駆動システムを説明するための概念図である。
符号の説明
１０・・動力発生装置、
２０・・トランスミッション部、
１００・・駆動システム、
１１０・・モータ、
１１２・・ロータ、
１１４・・ロータハウジング、
１１６・・外側ハウジング、
１２０・・二次電池、
１３０・・単電池、
１３２・・正極電極、
１３４・・電解質、
１３８・・負極電極、
１７０・・インバータケース、
１７２・・インバータ、
１８０・・冷却ジャケット、
１８２・・経路、
２２０・・二次電池、
２３０・・単電池、
２３２・・正極電極、
２３４・・電解質、
２３５・・加工部、
２３６・・未加工部、
２３８・・負極電極、
２４０・・集電箔、
３２０・・二次電池、
３２１・・第１コンポーネント、
３２２・・第２コンポーネント、
３２３・・第３コンポーネント、
３３０，３３０Ａ，３３０Ｂ，３３０Ｃ・・単電池、
３３２・・正極電極、
３３４・・電解質、
３３８・・負極電極、
３４０・・集電箔、
４１０・・モータ、
４１２・・ロータ、
４１４・・ロータハウジング、
４１６・・外側ハウジング、
４２０・・二次電池、
４７０・・インバータケース、
４７２・・インバータ、
４８０・・冷却ジャケット、
４８２・・経路、
４８６・・遮熱層、
５１０・・モータ、
５１２・・ロータ、
５１４・・ロータハウジング、
５１６・・外側ハウジング、
５２０・・二次電池、
５７０・・インバータケース、
５７２・・インバータ、
５８０・・冷却ジャケット、
５８２・・内層経路、
５８４・・外層経路、
６００・・駆動システム、
６１０・・モータ、
６２０・・二次電池、
６７２・・インバータ、
６９０・・外部電源、
６９２・・昇圧回路、
６９４・・ケーブル。

Claims (7)

  1. 外部に面する外側ハウジングと、
    駆動源であるモータと、
    前記モータのロータを収容する円筒状のロータハウジングと、
    前記外側ハウジングと前記ロータハウジングとの間に配置され、前記モータに電力を供給するための二次電池と、を有し、
    前記二次電池は、積層される複数の単電池を有し、
    前記単電池は、電解質と、前記電解質の一方の面に配置される正極電極と、前記電解質の他方の面に配置される負極電極と、を有し、位置合せされた隙間を有する開環状に前記ロータハウジングの周囲に順次積層されることによって直列接続されている
    ことを特徴とする駆動システム。
  2. 前記電解質は、複数の単電池によって共有されており、イオンを通さない不導化処理が施されている加工部と、当該加工部に隣接しかつ前記正極電極および前記負極電極が配置されて前記単電池を形成する未加工部と、を複数有し、
    前記単電池は、前記電解質を前記ロータハウジングの周囲を取り囲むように複数回巻くことにより積層されており、
    前記電解質の前記加工部は、前記単電池の前記隙間に位置している
    ことを特徴とする請求項１に記載の駆動システム。
  3. 前記モータに隣接して配置されるモータコントローラを、さらに有し、
    前記モータコントローラは、前記二次電池と前記ロータハウジングの間に配置されるインバータを含んでいることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の駆動システム。
  4. 前記二次電池を冷却するための電池冷却手段を、さらに有し、
    前記電池冷却手段は、前記二次電池と前記ロータハウジングの間に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の駆動システム。
  5. 前記電池冷却手段は、気体あるいは液体からなる冷却媒体が流通する経路を有し、
    前記経路は、二次電池側に配置される内層経路と、ロータハウジング側に配置される外層経路とを有し、
    前記冷却媒体は、前記外層経路を経由して前記内層経路に導入されることで、前記二次電池を冷却後、前記ロータハウジングを冷却することを特徴とする請求項４に記載の駆動システム。
  6. 前記二次電池を冷却するための電池冷却手段を、さらに有し、
    前記電池冷却手段は、前記インバータと前記二次電池の間に配置されることを特徴とする請求項３に記載の駆動システム。
  7. 前記電池冷却手段は、気体あるいは液体からなる冷却媒体が流通する経路を有し、
    前記経路は、二次電池側に配置される内層経路と、インバータ側に配置される外層経路とを有し、
    前記冷却媒体は、前記外層経路を経由して前記内層経路に導入されることで、前記二次電池を冷却後、前記インバータを冷却することを特徴とする請求項６に記載の駆動システム。
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