JP2008204762A

JP2008204762A - 電源装置

Info

Publication number: JP2008204762A
Application number: JP2007038880A
Authority: JP
Inventors: Izumi Takahashi; 泉高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-09-04
Also published as: WO2008102683A1; US20090075162A1; CN101558528A; DE112008000007T5

Abstract

【課題】外熱による電源体の温度上昇するのを抑制することを目的とする。
【解決手段】電源体（２２、２３、２４）を収容している第１のケース（３０）内に、気体層を設けるように液状媒体を収容した電源装２置であって、電源体に対する外熱により液状媒体が気化温度を超えて熱せられると、該液状媒体の気化により前記気体層容積を増大させて電源体に対する外熱の熱伝導を低下させることを特徴とする電源装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源体を収容している電源装置に関する。

二次電池は、電池温度の温度上昇に応じて電池劣化が進行するため、速やかに放熱する必要がある。二次電池の放熱を促進する方法として、特許文献１には以下の冷却システムが開示されている。

冷却対象となる組電池と、この組電池が収容されており、内部に冷却液が充填されたボックスと、ボックスより冷却液を導出するとともに、ボックスに冷却液を導入する循環路と、この循環路に設けられ、循環路の冷却液を循環させるポンプと、循環路の冷却液を冷却するラジエタを有している。この種の組電池を電気自動車、ハイブリッド自動車の駆動用又は補助電源として使用する場合には、放熱の良い位置、例えばフロアパネルに組電池は固定される。

上述の構成によれば、車両走行中において、充放電により組電池が発熱した場合には、ラジエタにより冷却された冷却液を用いて組電池を冷却することができる。
特開２００３−３４６９２４号公報

しかしながら、車両をイグニションオフにして、上述の冷却システムが停止する場合には、フロアパネルを介して伝熱される熱により、組電池が加熱されるおそれがある。その結果、組電池の温度が過剰に上昇し、組電池の劣化を促進するおそれがある。

そこで、本願発明は、外熱による電源体の温度上昇を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、電源体を収容している第１のケース内に、気体層を設けるように液状媒体を収容した電源装置であって、前記電源体に対する外熱により前記液状媒体が気化温度を超えて熱せられると、該液状媒体の気化により前記気体層容積を増大させて前記電源体に対する前記外熱の熱伝導を低下させることを特徴とする。

ここで、前記液状媒体は、前記電源体の適正温度範囲における上限温度よりも低い温度で気化する。また、前記第１のケースの外面に放熱フィンを形成するとよい。

前記電源体は、電源部及びこの電源部を冷却する冷却液を第２のケースに収容することにより構成されており、前記第１のケースは、前記第２のケースの外面に接触している。

前記第１のケースは、前記液状媒体を収容する液体収容部と、前記外熱により一旦気化した後に液体に変化した前記液状媒体を前記液体収容部にガイドするガイド面とを有する。

前記電源体の熱を車両外部に放熱するための車両放熱部と前記第２のケースとの間に配置され、電圧の印加に応じて、前記第２のケース及び前記車両放熱部に接触する接触状態と、前記第２のケース及び／又は前記車両放熱部に接触しない非接触状態との間で変形する電気―機械エネルギ変換素子と、前記電気―機械エネルギ変換素子への電圧の印加を制御する制御手段とを有する。

本発明によれば、電源体に対する外熱により液状媒体が気化温度を超えて熱せられると、液状媒体の気化により気体層容積を増大させて電源体に対する外熱の熱伝導を低下させることができるため、外熱による電源体の温度上昇を抑制することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、車両の助手席１１の斜視図である。助手席１１は、座部１２及び背もたれ部１３を有しており、背もたれ部１３の上端にはヘッドレスト１４が着脱可能に取付けられている。

座部１２の下側領域には、車幅方向に対向する一対のシートレール１５が車両の前後方向に延びて設けられている。

このシートレール１５は、フロアパネル（車両放熱部）１６上に固定されるロワーレール１５aと、座部１２の下面に固定され且つそのロワーレール１５aに対してその長手方向に摺動可能とされ且つそれに案内されるアッパーレール１５ｂとからなる。このシートレール１５により、車両の前後方向に助手席１１を位置調整可能としている。

また、一対のシートレール１５間には、フロアパネル１６上に電源装置２が設置されている。この電源装置２は、ハイブリッド自動車の駆動電源として組み込まれている。

次に、図１、図２を参照して、電源装置２の構成を説明する。ここで、図２は、電源装置２の断面図であり、（a）は液状媒体が気化する前の状態を図示しており、（ｂ）は液状媒体の一部が気化した後の状態を図示している。

これらの図において、電源装置２は、複数の円筒型電池２１を並設した組電池（電源部）２２と、この組電池２２を冷却する冷却液２３と、組電池２２及び冷却液２３を収容する電源ケース（第２のケース）２４とを含み、各円筒型電池２１は、リチウムイオン電池により構成されている。

リチウムイオン電池は、電池温度が６０℃を超えると電池劣化が進行し、電池温度が２５℃未満に低下すると十分な電池出力が得られなくなる。したがって、各円筒型電池２１の電池温度は、２５〜６０℃（適正温度範囲）に維持するのが好ましい。なお、各円筒型電池２１をニッケル水素電池で構成してもよい。すなわち、特許請求の範囲に記載の「適正温度範囲」とは、電池劣化の過剰な進行を抑止し、車両要求に対する電池出力を得るのに必要な電池温度範囲を意味しており、電池の種類に応じて適宜変更される。

組電池２２の冷却液２３としては、比熱、熱伝導性と沸点が高く、電源ケース２４、組電池２２を腐食させず、熱分解、空気酸化、電気分解などを受けにくい物質が適している。さらに、電極端子間の短絡を防止するために、電気的絶縁性の液体が望ましい。例えば、フッ素系不活性液体を使用することができる。フッ素系不活性液体としては、スリーエム社製フロリナート、ＮｏｖｅｃＨＦＥ（ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｅｔｈｅｒ）、Ｎｏｖｅｃ１２３０を用いることができる。また、フッ素系不活性液体以外の液体（例えば、シリコンオイル）を用いることもできる。

電源ケース２４は、ケース上壁部２４ａ、ケース側壁部２４ｂ及びケース下壁部２４ｃから構成され、ケース側壁部２４ｂ及びケース下壁部２４ｃは一体形成されており、ケース上壁部２４ａはケース側壁部２４ｂ及びケース下壁部２４ｃとは別体に形成されている。

ケース上壁部２４ａは、電源ケース２４の水平方向外側に向かって下向き傾斜（四角錘形状）に形成されている。

電源ケース２４の外周面（ケース下壁部２４ｃの外周面を除く）には、液状媒体２９を一部に収容した媒体収容ケース（第１のケース）３０が取付けられている。媒体収容ケース３０は、ケース側壁部２４ｂの周囲に形成される第１媒体収容ケース（液体収容部）３０ｂとケース上壁部２４aの周囲に形成される第２媒体収容ケース３０ａとから構成されており、ケース上壁部２４a及びケース側壁部２４ｂに接することにより、電源ケース２４を収容している。なお、第１及び第２媒体収容ケース３０ｂ、３０ａは連通している。

第１媒体収容ケース３０ｂには液状媒体２９が収容されており、液状媒体２９が気化する前の状態において、液状媒体２９は水平方向において組電池２２全体を包囲している（図２（ａ）参照）。

また、第１媒体収容ケース３０ｂの一部（液状媒体２９の液面の上側の領域）と第２媒体収容ケース３０ａとには、空気層（気体層）が形成されている。液状媒体２９は、フッ素系不活性液体であり、大気圧下において液温が５５℃に達すると気化する。

媒体収容ケース３０の容積は、図２（ｂ）に図示するように液状媒体２９の一部が気化するように設定してもよいし、液状媒体２９の全部が気化するように設定してもよい。

第２媒体収容ケース３０ａの電源ケース２４側の壁部は、ケース上壁部２４ａと同様に電源ケース２４の水平方向外側に向かって下向き傾斜に形成されている。つまり、第１媒体収容ケース３０aで気化し、第２媒体収容ケース３０ｂ内で液体に戻った液状媒体２９を、第１媒体収容ケース３０aに向けてガイドするガイド面の役割を第２媒体収容ケース３０ｂの電源ケース２４側の壁部が果たしている。

媒体収容ケース３０の外周面には、複数の放熱フィン３１が設けられている。このように、複数の放熱フィン３１を設けることにより、外気との接触面積を増して電源装置２外への放熱を促進し、一旦気化した液状媒体２９を液体に戻しやすくしている。

媒体収容ケース３０の下面には、電源装置２をフロアパネル１６に固定するためのブラケット２５が設けられており、このブラケット２５によってフロアパネル１６よりも上側の位置に電源装置２は支持される。なお、ブラケット２５の資材としては、樹脂を例示できる。

ケース下壁部２４ｃとフロアパネル１６との間には、圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）２６が設けられており、この圧電素子２６はフロアパネル１６上に固定されている。圧電素子２６としては、導電性高分子、電歪エラストマーを例示できる。

この圧電素子２６の上下方向の両端面（ケース下壁部２４ｃ、フロアパネル１６に接触する面）には、電極部２６aが設けられており、この電極部２６aには、圧電素子２６に電圧を印加するための直流式の素子電源５４が電気的に接続されている（図３参照）。この素子電源５４による圧電素子２６への電圧の印加は、素子電源制御回路５５によって制御される。

素子電源制御回路５５は、図３に図示するように、組電池２２に設けられた温度センサ５６からの出力情報（温度情報）に基づき、電圧の印加を制御する。

素子電源５４から圧電素子２６への電圧の印加がない場合には、図２に図示するように、圧電素子２６及び電源ケース２４は非接触である（以下、「非接触状態」という）。この非接触状態において圧電素子２６に電圧を印加すると、図５に図示するように、圧電素子２６が上下方向に伸長変形することにより、圧電素子２６及び電源ケース２４は接触する（以下、「接触状態」という）。

圧電素子２６には、絶縁フィラー（例えば、窒化アルミ、酸化アルミ）が含まれている。この絶縁フィラーにより圧電素子２６の熱伝導性が向上し、フロアパネル１６への組電池２２の放熱を促進することができる。

次に、組電池２２の冷却方法について、車両をイグニションオフに設定した場合と、イグニションオンに設定した場合とに分けて説明する。

（車両をイグニションオフに設定した場合）
車両をイグニションオフにした状態で、高温環境下に車両を駐車した場合（例えば、直射日光があたる駐車場に車両を駐車した場合）には、フロアパネル１６を介して伝熱する熱によって、組電池２２の温度が適正温度範囲の上限値を超えて加熱されるおそれがある。

ここで、適正温度範囲とは、上述したように、リチウムイオン電池の場合には２５℃〜６０℃である。なお、本実施例では、車両に電源装置２を冷却するためのファン（不図示）が設けられている場合には、車両をイグニションオフに設定することにより、ファンが停止しているものとする（つまり、電源装置２の冷却手段が駆動されていない）。

また、車両をイグニションオフに設定した状態で、低温環境下に車両を駐車した場合（例えば、積雪の多い地域で車両を駐車した場合）には、フロアパネル１６を介して流入する冷気（組電池２２の熱がフロアパネル１６から逃げること）によって、組電池２２の温度が適正温度範囲の下限値未満に低下するおそれがある。

そこで、車両をイグニションオフに設定した場合には、圧電素子２６と電源ケース２４との接触を禁止することにより、フロアパネル１６と電源ケース２４との間に空気層を形成し、この空気層により車両外部の熱や冷気がフロアパネル１６を介して組電池２２に伝わるのを抑制している。

他方、高温環境下に車両を駐車した場合には、車室内の外熱が放熱フィン３１等を介して液状媒体２９に流入し、液状媒体２９の液温が５５℃に達すると、液状媒体２９の一部が気化する（図２（ｂ）参照）。これにより、媒体収容ケース３０内に流入した外熱を気化冷却することができる。

また、液状媒体２９の一部が気化することにより、液状媒体２９の液面が下がり、第１媒体収容ケース３０ｂ内の気体層の体積を増加させることができる。これにより、液状媒体２９が気化する前よりも、電源ケース２４に流入する外熱の熱量を減らすことができ、組電池２２の過剰な温度上昇を防止することができる。

また、第２媒体収容ケース３０ａ内には常に空気層が存在するため、電源装置２の上側から電源ケース２４内に外熱が流入するのを抑制することができる。

気化した液状媒体２９は、その後、車室内の外壁が５５℃を下回ることで、主として放熱フィン３１からの放熱作用により冷却されて液体に戻る。このとき、液体に変化した液状媒体２９は、第２媒体収容ケース３０ａの内周面に形成された傾斜面（ガイド面）３００ａに沿って移動し、第１媒体収容ケース３０ｂに流入する。これにより、液状媒体２９を繰り返し使用することができる。

（車両をイグニションオンに設定した場合）
次に、図４を用いて、車両をイグニションオンに設定した場合の電源装置２の温度調節方法について説明する。ここで、図４は電源装置２の温度調節方法を示すフローチャートである。なお、以下のフローチャートは、素子電源制御回路５５によって実行され、素子電源制御回路５５は温度センサ５６から出力される温度情報を常にモニタしているものとする。また、初期状態において、圧電素子２６は電源ケース２４に対して接触していないものとする。

まず、温度センサ５６からの温度情報に基づき、組電池２２の温度が閾値（６０℃）を超えているかどうかを判別する（ステップＳ１０１）。

そして、組電池２２の温度が６０℃を超えている場合には、圧電素子２６に電圧を印加し、図５に示すように非接触状態に設定されている圧電素子２６を接触状態に変位させる（ステップＳ１０２）。

このとき、液状媒体２９の液温が５５℃に達している場合には、媒体収容ケース３０内における空気層の体積が増すため、組電池２２の熱は、主として圧電素子２６を介してフロアパネル１６に放熱される。

他方、液状媒体２９の液温が５５℃に達していない場合には、組電池２２の熱は、圧電素子２６及び液状媒体２９を介してフロアパネル１６及び放熱フィン３１から放熱される。

組電池２２の温度が６０℃以下に低下した場合には（ステップＳ１０３）、圧電素子２６に対する電圧の印加が停止され、（ステップＳ１０４）、それまで接触状態に設定されていた圧電素子２６が非接触状態に変形する。

上述の温度調節方法によれば、組電池２２を適正温度内に維持することができるため、組電池２２の寿命を長くすることができる。
（変形例）
上述の実施例では、圧電素子２６を用いてフロアパネル１６と電源ケース２４とを接触状態と非接触状態との間で切替えるように制御したが、感熱変形体を使用してもよい。この場合、所定温度（たとえば、６０℃）で変形する感熱変形体を電源ケース２４に固定して、フロアパネル１６には非接触とする。電源ケース２４の温度が６０℃に達すると、変形した感熱変形体がフロアパネル１６に接触し、組電池２２の熱を放熱することができる。

また、媒体収容ケース３０内の圧力を調整する圧力調整部を設けても良い。この圧力調整部によって圧力を調整することにより、組電池２２の種類が変わった際にその組電池２２の適正温度に応じて、液状媒体２９の気化温度を容易に変化させることができる。

また、媒体収容ケース３０に気体放出弁を形成してもよい。この気体放出弁は、媒体収容ケース３０ｂの壁部の厚みを一部薄くした破壊弁としてもよいし、スプリング式の自動復帰弁としてもよい。

破壊弁は、媒体収容ケース３０の内圧が過剰に上昇することにより破壊され、媒体収容ケース３０の内圧を電源装置２外に逃がすことができる。

スプリング式の自動復帰弁は、媒体収容ケース３０の壁部に形成された開口部内に移動可能に可動弁を設け、この可動弁にスプリングを取り付けることにより構成することができる。

媒体収容ケース３０の内圧が上昇すると、この可動弁は、スプリングのバネ力に抗して開口部内から退避し、開口部を介して媒体収容ケース３０内の圧力を逃がすことができる。媒体収容ケース３０内の内圧が低下すると、スプリングのバネ力により可動弁は開口部内に復帰する。これにより、媒体収容ケース３０内の内圧が過剰に上昇するのを防止することができる。

さらに、図６の構成にすることもできる。ここで、図６は変形例１の電源装置２の断面図であり、第１媒体収容ケース３０ｂをケース側壁部２４ｂの外周の一部にのみ形成している。なお、本明細書では、電源ケース２４の外面の一部にのみ媒体収容ケース３０が接触している場合を含めて、媒体収容ケース３０が電源ケース２４を収容しているというものとする。

また、図７の構成にすることもできる。ここで、図７は変形例２の電源装置２の断面図であり、電源ケース２４のケース上壁部２４ａと第２媒体収容ケース３０ａとを非接触にしている。また、第１媒体収容ケース３０ｂは、電源ケース２４のケース側壁部２４ｂ外面全体に接触している。ケース上壁部２４ａには複数の放熱フィン３１が形成されている。

温度の高い外熱は上側に移動するため、ケース上壁部２４ａから流入する外熱が少ない場合にはこのような構成を採用することができる。これにより、組電池２２の冷却が必要な場合に、ケース上壁部２４ａに形成された放熱フィン３１を介して組電池２２の熱を確実に放熱することができる。

また、組電池２２の充放電時の温度分布を予め調べ、温度の高い領域（一つでも複数でもよい）に対応した位置にのみ圧電素子５３を配置することもできる。

また、圧電素子２６を電源ケース２４に固定してもよいし、圧電素子２６とフロアパネル１６との間に中空支持し（つまり、圧電素子２６は電源ケース２４及びフロアパネル１６に接触していない）、放熱時に電源ケース２４及びフロアパネル１６の両方に接触させる構成であってもよい。

また、電源装置５を助手席１１の下部領域に配置したが、座席間の空いたスペースに配置することもできる。

次に、図８を参照しながら、本発明の実施例２を説明する。ここで、図８は実施例２の電源装置の断面図であり、（ａ）は液状媒体２９が気化する前の状態を図示しており、（ｂ）は液状媒体２９の一部が気化した状態を図示している。なお、実施例１と同一の機能を有する部分には同一符号を付している。

媒体収容ケース（第１のケース）３００は、電源ケース２４の外周面の全体を覆うよう取付けられており、媒体収容ケース３００の底部には、液状媒体２９が貯留されている。

気化温度に達する前の液状媒体２９の液面は、ケース下壁部２４ｃと同じ高さに設定されている。この場合、液状媒体２９及びケース下壁部２４ｃが接触しているため、電源ケース２４とフロアパネル１６との間において、液状媒体２９を介しての熱交換が可能である。

他方、図８（ｂ）に図示するように、液状媒体２９の一部が気化して液面が下がった場合には、ケース下壁部２４ｃと液状媒体２９との間に空気層が形成される。このとき、形成された空気層（気体層）によって、電源ケース２４及びフロアパネル１６間における熱交換が抑制される。

次に、組電池２２の冷却方法について、車両のイグニションをオフに設定した場合と、車両のイグニションをオンに設定した場合とに分けて説明する。
（車両のイグニションをオフに設定した場合）
車両のイグニションをオフに設定した状態で、高温環境下に車両を駐車した場合（例えば、直射日光があたる駐車場に車両を駐車した場合）には、フロアパネル１６から流入する外熱によって、媒体収容ケース３００の底部に貯留された液状媒体２９の一部が気化する（図８（ｂ）参照）。

このとき、気化冷却によりフロアパネル１６を介して流入した外熱は冷却され、また、液状媒体２９の液面が下がることによりケース下壁部２４ｃと液状媒体２９との間に空気層が形成され、この空気層によってフロアパネル１６の熱が電源ケース２４に伝熱するのを抑制できる。

（車両のイグニションをオンに設定した場合）
高温環境下に車両を駐車した場合には、車両走行開始時にケース下壁部２４ｃと液状媒体２９との間に空気層が形成されているため、組電池２２の熱をフロアパネル１６に放熱することができない。

しかしながら、車両走行に伴う空冷によりフロアパネル１６の温度は徐々に低下し、気化した液状媒体２９は液体に戻ると考えられる。したがって、車両走行に伴って組電池２２が発熱した場合には、組電池２２の熱を液状媒体２９を介してフロアパネル１６から放熱することができる。

助手席の斜視図である電源装置の断面図である。電池温度に応じて圧電素子に対して電圧を印加するためのブロック図である。電源装置の温度調節方法を示すフローチャートである。圧電素子が接触状態に設定されている場合の電源装置の断面図である。変形例１の電源装置の断面図である。変形例２の電源装置の断面図である。実施例２の電源装置の断面図である。

符号の説明

２電源装置
２１円筒型電池
２２組電池
２３冷却液
２４電源ケース
２５ブラケット
２６圧電素子
２９液状媒体
３０３００媒体収容ケース
３０ａ第２媒体収容ケース
３０ｂ第１媒体収容ケース
３１放熱フィン
３００ａ傾斜面

Claims

電源体を収容している第１のケース内に、気体層を設けるように液状媒体を収容した電源装置であって、前記電源体に対する外熱により前記液状媒体が気化温度を超えて熱せられると、該液状媒体の気化により前記気体層容積を増大させて前記電源体に対する前記外熱の熱伝導を低下させることを特徴とする電源装置。
前記液状媒体は、前記電源体の適正温度範囲における上限温度よりも低い温度で気化することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記第１のケースの外面には、放熱フィンが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
前記第１のケースは、前記液状媒体を収容する液体収容部と、前記外熱により一旦気化した後に液体に変化した前記液状媒体を前記液体収容部にガイドするガイド面とを有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の電源装置。
前記電源体は、電源部及びこの電源部を冷却する冷却液を第２のケースに収容することにより構成されており、
前記第１のケースは、前記第２のケースの外面に接触していることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の電源装置。
前記電源体の熱を車両外部に放熱するための車両放熱部と前記第２のケースとの間に配置され、電圧の印加に応じて、前記第２のケース及び前記車両放熱部に接触する接触状態と、前記第２のケース及び／又は前記車両放熱部に接触しない非接触状態との間で変形する電気―機械エネルギ変換素子と、
前記電気―機械エネルギ変換素子への電圧の印加を制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項５に記載の電源装置。