JP2010211963A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構成でありながら、蓄電素子の放熱を効率良く行うことができる蓄電装置を提供する。
【解決手段】 蓄電装置（１）は、複数の蓄電素子（２１）と、複数の蓄電素子を密閉状態で収容するケース（１０）と、蓄電素子の外面と接触し、蓄電素子からの熱を受けて蒸発可能な液状の冷媒を吸収した吸収シート（２３）と、を有する。吸収シートは、毛細管現象を用いることにより、ケース内に充填された冷媒（４０）を吸収シート内に吸収することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電素子の放熱を行わせる構造を備えた蓄電装置に関するものである。

特許文献１に記載のバッテリ冷却構造では、単電池に冷媒（液体）を接触させておき、単電池が発熱したときには、冷媒を蒸発させることにより、単電池を冷却するようにしている。そして、冷媒の蒸気は、凝縮器で冷却されることにより、液化して単電池が収容されたスペースに戻るようになっている。

一方、特許文献２に記載の集合電池では、隣り合って配置された２つの単電池の間に、樹脂で形成された断熱部材を配置することにより、一方の単電池で発生した熱が他方の単電池に伝達されるのを抑制するようにしている。また、断熱部材に溝を形成することにより、単電池の冷却に用いられる空気を移動させるための通路（空間）を形成している。

特開平１１−１３５１６０号公報（段落００４３−００４５、図１） 特開２００４−３６２８７９号公報（段落００１０，００１３、図１）

特許文献１に記載のバッテリ冷却構造では、単電池の全面に冷媒を接触させるようにしているため、冷媒の使用量が多くなってしまう。特に、高価な冷媒を用いる場合には、冷却構造のコストが高くなってしまう。

一方、特許文献２に記載の構成において、断熱部材の溝によって形成された通路では、単電池の放熱を効率良く行うことができる。しかしながら、断熱部材のうち、溝が形成されていない部分は、単電池に接触しており、単電池で発生した熱を逃がすためのスペースが形成されていない。このため、単電池および断熱部材が互いに接触している領域では、単電池の放熱を効率良く行うことができないおそれがある。

そこで、本発明の目的は、簡素な構成で、蓄電素子の放熱を効率良く行うことができる蓄電装置を提供することにある。

本発明である蓄電装置は、複数の蓄電素子と、複数の蓄電素子を密閉状態で収容するケースと、蓄電素子の外面と接触し、蓄電素子からの熱を受けて蒸発可能な液状の冷媒を吸収した吸収シートと、を有する。

ここで、吸収シートは、毛細管現象を用いることにより、ケース内に充填された冷媒を吸収シート内に吸収することができる。吸収シートは、毛細管現象を発生させることができる構造を有していればよく、具体的には、吸収シートを多孔質体で構成することができる。また、吸収シートを繊維で形成すれば、吸収シートに毛細管現象を発生させたり、安価に製造したりすることができる。

複数の蓄電素子は、吸収シートおよびスペーサを挟んだ状態で所定方向に並んで配置することができる。ここで、隣り合って配置された２つの蓄電素子の間には、吸収シートおよびスペーサが所定方向に並んで配置される。スペーサは、吸収シートのうち、蓄電素子との接触面とは所定方向で反対側の面と接触している。しかも、スペーサは、吸収シートとの接触面上において、吸収シートからの冷媒の蒸気をケース側に向かって移動させるためのスペースを形成する。ここで、略鉛直方向に延びる複数の突起部をスペーサに設けることにより、上記スペースを形成することができる。

複数の蓄電素子を所定方向に並べて配置した構成において、所定方向から見たときに、蓄電素子の外形に沿った形状に吸収シートを形成することができる。また、所定方向で隣り合う蓄電素子を互いに近づけるための拘束力を、複数の蓄電素子に対して作用させる拘束構造を設けることができる。これにより、吸収シートを蓄電素子に密接させることができ、蓄電素子で発生した熱を吸収シートに容易に伝達させて、吸収シート内の冷媒を容易に蒸発させることができる。ここで、蓄電素子を収容するケースを用いて上記拘束力を発生させたり、拘束力を発生させるための専用の部材を設けたりすることができる。

ケースの上面において、ケースの外壁面からケースの外側に向かって突出し、蓄電装置の外部から供給された冷却用の媒体と接触する放熱フィンを設けることができる。これにより、放熱フィンを介してケースを冷却することができ、吸収シートから蒸発した冷媒の蒸気を、ケースとの間で熱交換させて液化させることができる。すなわち、冷媒の蒸気を液化させて、吸収シートに再び吸収させることができる。

本発明では、蓄電素子が充放電等によって発熱すると、この熱によって、吸収シート中の冷媒を蒸発させることができる。そして、冷媒の気化熱によって、蓄電素子からの熱を吸収することができ、蓄電素子の温度上昇を抑制することができる。また、吸収シートに冷媒を吸収させただけであるため、冷媒の量を低減させることができる。

本発明の実施例１である電池パックの内部構成を示す縦断面図である。 実施例１である電池パックの内部構成を示す横断面図である。 実施例１において、単電池の放熱過程を説明する図である。 実施例１の変形例である電池モジュールの一部の構成を示す図である。 実施例１の他の変形例において、円筒形の単電池の外観図である。 円筒形の単電池を複数備えた構成を示す側面図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池パック（蓄電装置）について、図１および図２を用いて説明する。ここで、図１は、電池パックの内部構成を示す縦断面図であり、図２は、電池パックの内部構成を示す横断面図である。図１および図２において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、Ｚ軸は、鉛直方向に相当する軸である。

本実施例の電池パック１は、車両に搭載されており、この車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車とは、車両を走行させるための動力源として、電池パック１の他に、内燃機関又は燃料電池を備えた車両である。また、電気自動車とは、車両の動力源として、電池パック１だけを用いた車両である。電池パック１を用いれば、車両の制動時に発生する運動エネルギを回生電力として蓄えたり、車両の外部から供給された電力を蓄えたりすることができる。

電池パック１は、パックケース１０と、パックケース１０内に収容された電池モジュール２０とを有している。パックケース１０の内部は、密閉状態となっている。また、パックケース１０の上面には、パックケース１０の外側に向かって突出した複数の放熱フィン１１が設けられている。各放熱フィン１１は、Ｘ方向に延びており、複数の放熱フィン１１は、Ｙ方向で並んで配置されている。

放熱フィン１１には、ファン５０から供給された空気が接触するようになっている。具体的には、ファン５０に接続されたダクトの一部がパックケース１０の上面に沿って配置されており、このダクトの内部に放熱フィン１１が位置するようになっている。これにより、ファン５０からの空気を放熱フィン１１に効率良く接触させることができる。放熱フィン１１に供給される空気としては、例えば、車室内の空気を用いることができる。車室とは、乗員の乗車するスペースである。

なお、本実施例では、放熱フィン１１に空気を接触させるようにしているが、これに限るものではない。すなわち、後述するように、放熱フィン１１を冷却させることができればよく、具体的には、空気以外の成分を有する気体を用いたり、液体を用いたりすることができる。また、放熱フィン１１の形状は、本実施例で説明した形状に限るものではなく、適宜設定することができる。すなわち、放熱フィン１１を形成することにより、パックケース１０の外壁面において、空気との接触面積を増やすことができればよい。

電池モジュール２０は、Ｘ方向で並んで配置された複数の単電池（蓄電素子）２１を有しており、隣り合って配置された２つの単電池２１の間には、スペーサ２２が位置している。単電池２１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることもできる。なお、電池モジュール２０を構成する単電池２１の数は、電池モジュール２０に持たせる出力性能に基づいて、適宜設定することができる。

スペーサ２２は、樹脂といった絶縁性を有する材料で形成されており、複数の突起部２２ａを有している。各突起部２２ａは、Ｚ方向において、スペーサ２２の一端から他端に向かって延びている。また、複数の突起部２２ａは、Ｙ方向で並んで配置されている。各突起部２２ａの先端は、吸収シート２３に接触しており、スペーサ２２および吸収シート２３の間には、Ｚ方向に延びるスペースが形成されている。また、スペーサ２２のうち、複数の突起部２２ａが形成された面（Ｙ−Ｚ平面）とは反対側の面は、略平坦な面で構成されており、単電池２１の側面（Ｙ−Ｚ平面）に接触している。

単電池２１の上面には、正極端子２１ａおよび負極端子２１ｂが設けられている。単電池２１は、発電要素と、発電要素を収容する電池ケースとで構成されている。発電要素は、充放電を行うことができる要素であり、具体的には、正極素子と、負極素子と、正極素子および負極素子の間に位置する電解質とで構成されている。正極端子２１ａは、発電要素の正極素子と電気的に接続され、負極端子２１ｂは、発電要素の負極素子と電気的に接続されている。

各単電池２１の正極端子２１ａは、隣り合って配置された他の単電池２１の負極端子２１ｂと、バスバー（不図示）を介して電気的に接続されている。そして、電池モジュール２０を構成する複数の単電池２１は、電気的に直列に接続されている。

電池モジュール２０のうち、Ｘ方向における両端は、パックケース１０の内壁面に接触している。具体的には、電池モジュール２０のうち、Ｘ方向における一端に位置する単電池２１がパックケース１０に接触しているとともに、Ｘ方向における他端に位置するスペーサ２２がパックケース１０に接触している。そして、パックケース１０は、電池モジュール２０に対して、図１の矢印Ｆで示す拘束力を与えている。これにより、単電池２１の２つの側面（Ｙ−Ｚ平面）に対してスペーサ２２や吸収シート２３が密接したり、スペーサ２２および吸収シート２３が互いに密接したりする。

なお、本実施例では、パックケース１０を用いて、電池モジュール２０に拘束力Ｆを与えているが、これに限るものではなく、電池モジュール２０に対して拘束力Ｆを与えることができる構造であればよい。例えば、電池モジュール２０におけるＸ方向の両端に一対のエンドプレートを配置しておき、これらのエンドプレートをＸ方向に延びるロッドで連結することができる。このような構造であっても、電池モジュール２０に対して拘束力Ｆを与えることができる。一方、電池モジュール２０に対して拘束力Ｆを与えない構造であってもよいが、吸収シート２３は、例えば、接着剤等を用いて、単電池２１に接触させておくことが好ましい。

パックケース１０の側面には、安全弁３０が設けられている。安全弁３０は、単電池２１からガスが発生した場合において、このガスをパックケース１０の外部に排出させるために設けられている。ここで、単電池２１を過充電等すると、単電池２１内の発電要素からガスが発生するおそれがある。このため、単電池２１の電池ケースには、発電要素から発生したガスを電池ケースの外部に排出させるための安全弁（不図示）が設けられている。

単電池２１からのガスの排出によって、パックケース１０の内圧が安全弁３０の作動圧に到達すると、安全弁３０が閉じ状態から開き状態に切り替わる。そして、安全弁３０を通過したガスは、パックケース１０の外壁面に接続された排気ダクト３１に沿って移動して、車外に排出されるようになっている。

安全弁３０や、電池ケースに設けられる安全弁としては、破壊型の弁、又は復帰型の弁を用いることができる。破壊型の弁とは、塑性変形によって閉じ状態から開き状態に不可逆的に変化する弁である。また、復帰型の弁とは、パックケース１０の内圧の変化に応じて、閉じ状態および開き状態の間で可逆的に変化することができる弁である。

単電池２１およびスペーサ２２の間に配置された吸収シート２３は、パルプ繊維およびバインダの混合物を射出成形することにより、シート状に形成されている。この射出成形によって、吸収シート２３の限界面圧（許容面圧）を大きくすることができ、単電池２１およびスペーサ２２から拘束力Ｆを受けても変形しにくくすることができる。また、吸収シート２３は、Ｘ方向から見たときに、単電池２１やスペーサ２２と略等しい大きさを有している。なお、Ｙ−Ｚ平面内での吸収シート２３の大きさ（形状）や、吸収シート２３の厚さ（Ｘ方向の長さ）は、適宜設定することができる。

一方、パックケース１０の内部には、液状の冷媒４０が収容されており、冷媒４０は、図１に示すように、電池モジュール１０の下部と接触している。言い換えれば、冷媒４０の液面４０ａは、電池モジュール１０の上面よりも低い位置となっており、冷媒４０は、単電池２１、スペーサ２２および吸収シート２３のそれぞれの一部と接触している。冷媒４０は、絶縁性を有する液体であり、例えば、パーフロロカーボンやフッ素系不活性液体を用いることができる。フッ素系不活性液体としては、例えば、スリーエム社製のノベックＨＦＥ（Hydro Fluoro Ether）やフロリナートがある。

吸収シート２３は、繊維で構成されており、多孔質体となっている。このため、冷媒４０は、毛細管現象によって吸収シート２３に吸い上げられ、吸収シート２３の内部全体において、冷媒４０が保持されている。ここで、冷媒４０の量は、電池モジュール２０に含まれる複数の吸収シート２３に冷媒４０を吸収させることができる量であればよい。

本実施例の電池パック１において、単電池２１が充放電等によって発熱すると、この熱は、発熱状態の単電池２１と接触する吸収シート２３に伝達される。ここで、図３に示すように、吸収シート２３に吸収された冷媒４０は、単電池２１からの熱を受けることにより、蒸発するようになっている。このように、冷媒４０を蒸発させることにより、単電池２１で発生した熱を冷媒４０の気化熱として吸収することができ、単電池２１の温度上昇を抑制することができる。

本実施例において、冷媒４０としては、単電池２１からの熱を受けて蒸発しやすい液体を用いており、冷媒４０の沸点を、冷媒４０を蒸発させようとする温度に設定することができる。この設定温度に基づいて、冷媒４０の具体的な材料を決定することができる。

吸収シート２３中の冷媒４０が単電池２１からの熱を受けて蒸発すると、冷媒４０の蒸気は、スペーサ２２の突起部２２ａに沿って上方に移動する。上述したように、スペーサ２２および吸収シート２３の間には、突起部２２ａによって、Ｚ方向に延びるスペースＳが形成されている。このため、冷媒４０の蒸気は、スペースＳに沿って上方に移動することになる。なお、電池モジュール２０の下部では、冷媒４０が単電池２１と直接、接触しているため、この冷媒４０は、単電池２１からの熱を受けて蒸発することになる。

ここで、本実施例では、スペーサ２２に対して、Ｚ方向に延びる突起部２２ａを形成しているが、これに限るものではない。すなわち、スペーサ２２および吸収シート２３の間に、冷媒４０の蒸気を上方に向かって移動させるためのスペースが形成されていればよく、突起部２２ａの形状は、適宜設定することができる。例えば、突起部２２ａを円柱状に形成しておき、これらの突起部２２ａをＹ−Ｚ平面内でマトリクス状に配置することができる。

冷媒４０の蒸気がパックケース１０の上面に到達すると、蒸気の熱がパックケース１０に伝達される。これにより、冷媒４０の蒸気は、温度の低下に応じて、液化する。液体となった冷媒４０は、重力の作用によって、パックケース１０の底面に向かって落下し、パックケース１０の底面に溜まることになる。本実施例では、パックケース１０の上面に設けられた放熱フィン１１に対して、ファン５０からの空気を供給することにより、パックケース１０の上面を積極的に冷やしている。このため、パックケース１０の上面に到達して冷媒４０の蒸気を容易に液化させることができる。

本実施例では、単電池２１の側面（Ｙ−Ｚ平面）に吸収シート２３を接触させただけの簡素な構成において、単電池２１の側面からの放熱を効率良く行うことができる。すなわち、吸収シート２３を用いることにより、冷媒４０を単電池２１の側面全体に行き渡らせることができ、単電池２１の側面全体で冷媒４０を蒸発させることができる。ここで、特許文献２に記載の構成のように、スペーサ２２の突起部２２ａを単電池２１の側面に接触させてしまうと、この接触領域において、単電池２１の放熱効率が低下してしまう。本実施例では、突起部２２ａおよび単電池２１の間にも、冷媒４０を含んだ吸収シート２３が位置しているため、冷媒４０を蒸発させて単電池２１の温度上昇を抑制することができる。

また、本実施例では、吸収シート２３が毛細管現象によって冷媒４０を吸い上げることができるため、単電池２１の全面を冷媒４０に接触させておく必要はない。言い換えれば、特許文献１に記載の構成のように、冷媒４０の液面４０ａを、電池モジュール２０の上面よりも上方に位置させる必要がない。これにより、冷媒４０の量を低減することができるとともに、パックケース１０内に冷媒４０を容易に充填することができる。ここで、冷媒４０として、高価な材料を用いる場合には、冷媒４０の量を低減することにより、電池パック１のコストダウンを図ることができる。

さらに、吸収シート２３は、パルプ繊維で構成されているため、吸収シート２３を用いることによるコストアップを抑制することができる。また、パルプ繊維で構成された吸収シート２３を用いることにより、電池モジュール２０を構成する単電池２１およびスペーサ２２に対して、安定した状態で拘束力Ｆを作用させることができる。

なお、本実施例では、単電池２１およびスペーサ２２の間に、パルプ繊維で形成された吸収シート２３を挟んでいるが、これに限るものではない。すなわち、吸収シート２３としては、毛細管現象によって冷媒４０を吸い上げて保持できるものであればよく、多孔質体で構成されていればよい。具体的には、パルプ繊維以外の繊維（天然繊維や化学繊維）を用いて、吸収シート２３を構成することができる。

また、本実施例では、パックケース１０の下部において、吸収シート２３に吸収される余剰の冷媒４０を収容しているが、この余剰の冷媒４０を省略することもできる。すなわち、吸収シート２３に冷媒４０を吸収させておくだけでもよい。この場合であっても、単電池２１からの熱によって、吸収シート２３中の冷媒４０を蒸発させて、単電池２１の温度上昇を抑制することができる。また、本実施例では、電池モジュール２０を構成する、すべての単電池２１に対して吸収シート２３を接触させているが、少なくとも１つの単電池２１に吸収シート２３を接触させるだけでもよい。

さらに、本実施例では、単電池２１における一方の側面（Ｙ−Ｚ平面）にのみ、吸収シート２３を接触させているが、これに限るものではない。例えば、図４に示すように、単電池２１における２つの側面（Ｙ−Ｚ平面）に対して、吸収シート２３を接触させることもできる。ここで、図４は、本実施例の変形例である電池モジュール２０における一部の構成を示す図であり、本実施例で説明した部材と同一の機能を有する部材については、同一符号を用いている。図４に示す構成では、スペーサ２２に対してＸ方向の両側に吸収シート２３が位置することになるため、これらの吸収シート２３と対向する２つの面（Ｙ−Ｚ平面）に突起部２２ａが形成されている。

また、本実施例では、Ｘ方向で隣り合う２つの単電池２１の間に、スペーサ２２および吸収シート２３を配置しているが、これに限るものではない。具体的には、スペーサ２２を省略し、Ｘ方向で隣り合う２つの単電池２１の間に、吸収シート２３だけを配置することもできる。この場合には、吸収シート２３が２つの単電池２１の側面（Ｙ−Ｚ平面）に接触することになる。このような構成であっても、吸収シート２３に吸収された冷媒４０が、単電池２１からの熱を受けて蒸発することにより、単電池２１の温度上昇を抑制することができる。

また、本実施例では、単電池２１における特定の側面（Ｙ−Ｚ平面）に吸収シート２３を接触させているが、これに限るものではなく、吸収シート２３は、単電池２１の外面のうち、任意の領域に接触していればよい。吸収シート２３を単電池２１の外面に接触させておけば、単電池２１からの熱によって、吸収シート２３に吸収された冷媒４０を蒸発させて、単電池２１の温度上昇を抑制することができる。

ここで、本実施例では、角形の単電池２１を用いているが、円筒形といった他の形状の単電池２１を用いることもできる。円筒形の単電池２１を用いた場合には、例えば、図５に示すように、単電池２１の外周面に対して、冷媒４０を吸収した吸収シート２３を接触させることができる。

そして、図６に示すように、吸収シート２３を備えた単電池２１を一方向に並べて配置するとともに、冷媒４０の層をパックケース１０の底面に沿って位置させることができる。ここで、図５および図６において、本実施例で説明した部材と同一の機能を有する部材については、同一符号を用いている。また、複数の単電池２１は、支持部材によって支持させておくことができる。この支持部材として、例えば、各単電池２１の両端側を支持する一対の支持プレート（不図示）を用いることができる。

図６に示す構成では、各吸収シート２３が毛細管現象によって冷媒４０を吸い上げることにより、吸収シート２３内で冷媒４０を保持することができる。これにより、単電池２１が発熱したときには、吸収シート２３内の冷媒４０を蒸発させることにより、単電池２１の温度上昇を抑制することができる。

１：電池パック（蓄電装置） １０：パックケース
１１：放熱フィン ２０：電池モジュール
２１：単電池（蓄電素子） ２１ａ：正極端子
２１ｂ：負極端子 ２２：スペーサ
２２ａ：突起部 ２３：吸収シート
３０：安全弁 ３１：排気ダクト
４０：冷媒（液体） ５０：ファン

Claims (8)

1. 複数の蓄電素子と、
   前記複数の蓄電素子を密閉状態で収容するケースと、
   前記蓄電素子の外面と接触し、前記蓄電素子からの熱を受けて蒸発可能な液状の冷媒を吸収した吸収シートと、
   を有することを特徴とする蓄電装置。
2. 前記吸収シートは、毛細管現象を用いることにより、前記ケース内に充填された前記冷媒を前記吸収シート内に吸収することを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記吸収シートが繊維で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記複数の蓄電素子は、前記吸収シートおよびスペーサを挟んだ状態で所定方向に並んで配置されており、
   前記スペーサは、前記吸収シートのうち、前記蓄電素子との接触面とは前記所定方向で反対側の面と接触しているとともに、前記吸収シートとの接触面上において、前記吸収シートからの前記冷媒の蒸気を前記ケース側に向かって移動させるためのスペースを形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電装置。
5. 前記スペーサは、略鉛直方向に延び、前記スペースを形成するための複数の突起部を有することを特徴とする請求項４に記載の蓄電装置。
6. 前記吸収シートは、前記所定方向から見たときに、前記蓄電素子の外形に沿った形状に形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の蓄電装置。
7. 前記所定方向で隣り合う前記蓄電素子を互いに近づけるための拘束力を、前記複数の蓄電素子に対して作用させる拘束構造を有することを特徴とする請求項４から６のいずれか１つに記載の蓄電装置。
8. 前記ケースの上面は、前記ケースの外壁面から前記ケースの外側に向かって突出し、前記蓄電装置の外部から供給された冷却用の媒体と接触する放熱フィンを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の蓄電装置。
   

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