JP2011165361A - 蓄電モジュール及びハイブリッド型作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄電モジュールの寿命を延ばすために、複数の蓄電セルを均等に冷却することが望まれる。さらに、蓄電モジュールの軽量化のために、蓄電セルの冷却機構を軽量化することが望ましい。
【解決手段】 少なくとも４枚の板状の蓄電セルが積層されている。相互に隣り合う２つの蓄電セルの間のうち、少なくとも３箇所に伝熱板が配置されている。伝熱板は、蓄電セルの縁よりも外側まで広がり、積層方向に関して最も外側に配置された伝熱板が、内側に配置された伝熱板よりも薄い。押さえ機構が、蓄電セルと伝熱板との積層体に、積層方向の圧縮力を加える。
【選択図】 図１−１

Description

本発明は、複数の蓄電セルが積層された蓄電モジュール、及びそれを用いたハイブリッド型作業機械に関する。

充電可能な二次電池やキャパシタ等の蓄電セルを用いたハイブリッド型作業機械の開発が進められている。ハイブリッド型作業機械に採用される蓄電セルとして、蓄電要素をフィルムで包み込んだ扁平状（板状）の蓄電セル（バッテリパック）が提案されている。正電極端子及び負電極端子が、蓄電セルの外周部から導出される。

複数の蓄電セルを積み重ねて、正電極端子、及び負電極端子に設けられた貫通孔にタイロッドを通すことにより、複数の蓄電セルが電気的に接続された蓄電モジュールが得られる（特許文献１）。積層された蓄電セルで発生した熱を外部に放熱する種々の構成が提案されている（特許文献２）。

米国特許公開公報２００７／０２０７３４９ Ａ１ 特開平８−１１１２４４号公報

充放電によって蓄電セルが発熱し、温度上昇が規格範囲を越えると、蓄電セルの性能劣化が速まる。複数の蓄電セルを含む蓄電モジュールの寿命は、最も劣化の速い蓄電セルに律速される。蓄電モジュールの寿命を延ばすために、複数の蓄電セルを均等に冷却することが望まれる。さらに、蓄電モジュールの軽量化のために、蓄電セルの冷却機構を軽量化することが望ましい。

本発明の一観点によると、
積層された少なくとも４枚の板状の蓄電セルと、
相互に隣り合う２つの前記蓄電セルの間のうち、少なくとも３箇所に配置され、前記蓄電セルの縁よりも外側まで広がる伝熱板であって、積層方向に関して最も外側に配置された伝熱板が、内側に配置された伝熱板よりも薄い前記伝熱板と、
前記蓄電セルと前記伝熱板との積層体に、積層方向の圧縮力を加える押さえ機構と
を有する蓄電モジュールが提供される。

最も外側に配置された伝熱板を薄くすることにより、部品コストの低減、及び軽量化を図ることができる。なお、最も外側の伝熱板を薄くしても、蓄電モジュールの温度上昇に起因する寿命の劣化はほとんどない。

実施例１による蓄電モジュールの断面図である。 実施例１による蓄電モジュールの断面図である。 （２Ａ）は、評価実験で用いた装置の断面図であり、（２Ｂ）は、その伝熱板の平面図である。 （３Ａ）は、装置Ａ及び装置Ｂの伝熱板の温度の測定結果を示すグラフであり、（３Ｂ）は、装置Ｃの伝熱板の温度の測定結果を示すグラフである。 （４Ａ）は、装置Ａ及び装置Ｂの伝熱板のｘ方向の温度分布を示すグラフであり、（４Ｂ）は、装置Ａ及び装置Ｂの伝熱板のｙ方向の温度分布を示すグラフである。 実施例２による蓄電モジュールの断面図である。 実施例３による蓄電モジュールの断面図である。 実施例４による蓄電モジュールの断面図である。 実施例５及びその変形例による蓄電モジュールの壁板の断面図である。 実施例６によるハイブリッド型作業機械の概略図である。

図１Ａに、実施例１による蓄電モジュールの断面図を示す。板状の複数の蓄電セル２０が、その厚さ方向に積層されている。蓄電セル２０の厚さ方向（積層方向）をｚ軸方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ｚ方向に隣り合う蓄電セル２０の間に、それぞれ伝熱板２５が配置されている。ｚ方向に関して最も外側の伝熱板２５は、内側の伝熱板２５よりも薄い。以下、ｚ方向に関して最も外側の伝熱板２５を「薄い伝熱板」２５Ｂといい、内側の伝熱板２５を「厚い伝熱板」２５Ａということとする。

蓄電セル２０の各々は、二次電池または電気二重層キャパシタ等の扁平状の蓄電要素を、一対のラミネートフィルムで挟み込んで封止したものである。蓄電セル２０の各々の厚さは、例えば４〜６ｍｍである。伝熱板２５には、例えばアルミニウムが用いられる。伝熱板２５は、蓄電セル２０の縁よりも外側まで広がっている。例えば、厚い伝熱板２５Ａの厚さは２ｍｍであり、薄い伝熱板２５Ｂの厚さは１ｍｍである。

押さえ機構３０が、蓄電セル２０と伝熱板２５とからなる積層体に、積層方向（ｚ方向）の圧縮力を加えている。押さえ機構３０は、一対の押さえ板３１と、４本のタイロッド３３とを含む。押さえ板３１は、蓄電セル２０と伝熱板２５とからなる積層体の両端に配置されている。タイロッド３３が、一方の押さえ板３１から他方の押さえ板３１まで貫通し、一対の押さえ板３１に、両者の間隔が狭まる向きの力を加える。

壁板１１及び１２が、蓄電セル２０と伝熱板２５との積層体を、ｙ方向に挟む。壁板１１、１２は、ｙ軸に垂直な姿勢で配置され、押さえ板３１にボルトで固定されている。壁板１１、１２は、伝熱板２５の端面において、伝熱板２５に熱的に結合している。例えば、壁板１１、１２と伝熱板２５とを直接接触させてもよいし、両者を熱伝導性接着剤で固定してもよいし、両者の間に伝熱ゴムシートを挟んでもよい。

図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図を示す。図１Ｂの一点鎖線１Ａ−１Ａにおける断面図が図１Ａに相当する。

蓄電セル２０のラミネートフィルムは、ほぼ正方形または長方形の平面形状を有する。伝熱板２５は、ラミネートフィルムの縁よりも外側まで広がっている。ラミネートフィルムのｙ軸に平行な一対の縁から、相互に反対向きに一対の電極端子２１が導出されている。電極端子２１には、例えばアルミニウムが用いられる。電極端子２１は、伝熱板２５の縁を越えて、伝熱板２５と重ならない位置まで延びている。

蓄電セル２０及び伝熱板２５からなる積層体の両側に、壁板１３、１４がｘ軸に垂直な姿勢で配置されている。ｙ軸に垂直な壁板１１、１２が、壁板１３、１４にボルトで固定されている。図１Ａに示した一対の押さえ板３１、壁板１１、１２、及び図１Ｂに示した壁板１３、１４が、堅牢な平行六面体構造の筐体を構成している。

タイロッド３３は、伝熱板２５及び電極端子２１と空間的に干渉しない位置に配置されている。

壁板１３、１４に、それぞれ窓１３Ａ、１４Ａが形成されている。この窓１３Ａ、１４Ａに、それぞれ強制空冷装置２８、２９が取り付けられている。強制空冷装置２８、２９の各々は、例えばモータで回転するファンを含む。一方の窓１３Ａを通して筐体内に外気が取り入れられ、他方の窓１４Ａを通して、筐体内の空気が排出される。筐体内に取り込まれた空気は、図１Ａに示した蓄電セル２０の縁よりも外側まで広がっている伝熱板２５の間の空間を通過する際に伝熱板を冷却する。

図１Ｃに、図１Ａ及び図１Ｂの一点鎖線１Ｃ−１Ｃにおける断面図を示す。図１Ｃの一点鎖線１Ａ−１Ａ、１Ｂ−１Ｂにおける断面図が、それぞれ図１Ａ、図１Ｂに相当する。積層された複数の蓄電セル２０が、電極端子２１によって直列接続されている。窓１３Ａは、例えばｚ方向に並んで２つ配置されている。同様に、窓１４Ａも、例えばｚ方向に並んで２つ配置されている。壁板１３、１４は、押さえ板３１にボルトで固定されている。

蓄電セル２０の冷却性能について、評価実験を行った。

図２Ａに、評価実験で用いた積層体の断面図を示す。伝熱板４０の一方の表面に板状のヒータ４１の一方の面を対向させて、両者を熱的に結合させた。ヒータ４１の他方の面は、発泡スチロールの断熱カバー４２で覆った。伝熱板４０、ヒータ４１、及び断熱カバー４２を１つの単位構造とし、各々の単位構造の伝熱板４０を下に向けて、８個の単位構造を断熱材４５の上に積層した。積層方向下向きをｚ軸の正の向きとするｘｙｚ直交座標系を定義する。

図１Ａ及び図１Ｃに示した実施例の構造では、１枚の伝熱板２５に、その両側の蓄電セル２０から熱が流入する。図２Ａに示した評価実験用の装置では、１枚の伝熱板４０に、その片側のヒータ４１のみから熱が流入する。ただし、伝熱板４０の厚さは、その平面視における寸法に比べて十分薄いため、面内方向の熱伝導のみを考慮すればよい。従って、図２Ａに示した評価実験用装置の伝熱板４０の面内温度分布は、実施例１による蓄電モジュールの伝熱板２０の面内温度分布を近似していると考えることができる。

図２Ｂに、１枚の伝熱板４０の平面図を示す。伝熱板４０の中心の（ｘ，ｙ）座標を、（０，０）とする。伝熱板４０は、断熱カバー４２の縁よりも外側まで、ｘ軸の正負、及びｙ軸の正負の４方向に広がった露出部分４０Ｂを含む。断熱カバー４２の平面形状は、ｘ＝ｘ１、ｘ＝−ｘ１、ｙ＝ｙ１、及びｙ＝−ｙ１の４本の直線で囲まれた長方形である。伝熱板４０の平面形状は、ｘ＝ｘ２、ｘ＝−ｘ２、ｙ＝ｙ２、及びｙ＝−ｙ２の４本の直線で囲まれた長方形である。

ヒータ４１で発生した熱は、ヒータ４１に接する伝熱板４０に伝達され、さらに露出部分４０Ｂまで伝わる。評価実験用の装置に、ｘ軸の正の方向から負の方向に向かって、冷却用の空気を流した。この空気の流れによって、露出部分４０Ｂが冷却される。

３個の評価実験用装置Ａ、Ｂ、Ｃを作製し、評価を行った。装置Ａでは、８枚の伝熱板４０の厚さを全て１ｍｍにした。装置Ｂでは、８枚の伝熱板４０の厚さを全て２ｍｍにした。装置Ｃでは、最も外側の伝熱板４０の厚さを１ｍｍとし、内側の６枚の伝熱板４０の厚さを２ｍｍとした。

図３Ａに、装置Ａ及び装置Ｂの伝熱板４０の各々の中心点（ｘ，ｙ）＝（０，０）の温度の測定結果を示す。図３Ｂに、装置Ｃの伝熱板４０の各々の中心点（ｘ，ｙ）＝（０，０）の温度の測定結果を示す。横軸は、伝熱板４０に、上から順番に１から８までの通し番号を付したときの通し番号を表し、縦軸は温度を単位「℃」で表す。装置Ａ、Ｂ、Ｃの評価時には、ヒータ４１からの発熱量、及び冷却用ガスの流速を同一にした。

図３Ａに示すように、伝熱板４０を厚くすると、冷却効率が向上していることがわかる。図３Ａに示した装置Ｂの測定結果と、図３Ｂに示した装置Ｃの測定結果とを比較すると、装置Ｃの方が、伝熱板間で温度のばらつきが小さいことがわかる。特に、装置Ｂの場合には、上方（通し番号が小さい方）の伝熱板４０の温度が、内部の伝熱板４０に比べて大きく低下している。装置Ｃでは、この低下量が小さい。なお、装置Ｃの伝熱板の温度の平均値が、装置Ｂの伝熱板の温度の平均値よりも低くなっている。これは、測定時の気温の差に起因するものと考えられる。装置Ｂと装置Ｃとの伝熱板の温度を比較する際には、温度の絶対値ではなく、伝熱板間の温度のばらつきに着目すべきである。

図４Ａに、装置Ａと装置Ｂとの通し番号５の伝熱板のｙ＝０の位置におけるｘ方向の温度分布の測定結果を示す。冷却用ガスの流れの上流側の端部の温度が最も低く、下流に向かって温度が上昇する。伝熱板４０のほぼ中心において温度が最高になり、下流に向かって温度が徐々に低下する。いずれの位置においても、伝熱板４０の厚さが２ｍｍの装置Ｂの方が、温度が低いことがわかる。

図４Ｂに、装置Ａと装置Ｂとの通し番号５の伝熱板のｘ＝０の位置におけるｙ方向の温度分布の測定結果を示す。ｙ方向の中心において、温度が最も高くなり、両端に向かって温度が低下している。

図４Ａ及び図４Ｂに示した中心部で高温になるという温度分布の傾向は、装置Ｃにおいても同様であると考えられる。

図４Ｂに示したように、外周部（ｙ＝±ｙ２の位置）の温度は、伝熱板の厚さが１ｍｍの場合と２ｍｍの場合とで、ほとんど差がない。すなわち、冷却用の空気の流れに直接接触している部分の温度は、伝熱板の厚さにほとんど依存しない。伝熱板の厚さを１ｍｍにすると、厚さを２ｍｍにした場合に比べて、伝熱板の中心点から外周部に向かう温度の低下量が少なくなる。中心点の温度が相対的に高くなり難い伝熱板、例えば積層方向に関して両端の伝熱板においては、中心点から外周部に向かう温度の低下量が少なくてもよいため、他の伝熱板より薄くすることが可能である。

図３Ａ及び図３Ｂに示した測定結果からわかるように、積層方向に関して最も外側の伝熱板４０を、内部の伝熱板４０より薄くすることにより、伝熱板４０の間の温度のばらつきを低減させることができる。また、積層方向の中央近傍の伝熱板４０の温度は、最も外側の伝熱板４０を薄くしてもほとんど変わらないことがわかる。このため、図１Ａ〜図１Ｃに示した実施例１による蓄電モジュールと、全ての伝熱板２５の厚さを２ｍｍにした蓄電モジュールとを比較すると、積層方向の中央近傍の蓄電セル２０の温度はほとんど同一になる。また、両端近傍の蓄電セル２０の温度は、実施例１の方が高くなるが、中央近傍の蓄電セル２０の温度より高くなることはない。

蓄電モジュールの寿命は、最も温度が高くなる蓄電セル２０の寿命に依存する。このため、実施例１による蓄電モジュールの寿命は、全ての伝熱板２５の厚さを２ｍｍにした蓄電モジュールの寿命とほぼ同等であると考えられる。実施例１による蓄電モジュールでは、積層方向の両端に薄い伝熱板２５Ｂを用いているため、材料コストの低減、及び軽量化を図り、かつ寿命の劣化を抑制することができる。

図１Ａ〜図１Ｃでは、１１枚の蓄電セル２０と、１枚の伝熱板２５を積層したが、少なくとも４枚の蓄電セル２０と、３枚の伝熱板２５とを交互に積層してもよい。この場合も、中央の伝熱板２５を相対的に厚くし、外側の伝熱板２５を相対的に薄くすればよい。

図５に、実施例２による蓄電モジュールの断面図を示す。以下、図１Ａに示した実施例１による蓄電モジュールとの相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。

実施例１による蓄電モジュールでは、蓄電セル２０と伝熱板２５とが交互に積層されていた。実施例２による蓄電モジュールでは、複数の蓄電セル２０に対して１枚の伝熱板２５が配置される。一例として、１０枚の蓄電セル２０に通し番号を付したとき、２番目と３番目との間、５番目と６番目との間、及び８番目と９番目との間に、伝熱板２５が挿入されている。実施例２においても、積層方向に関して両端の伝熱板２５Ｂの厚さが、中央の伝熱板２５Ａの厚さよりも薄い。

伝熱板２５の挿入箇所は、必要とされる冷却性能に応じて決定すればよい。両端の伝熱板２５Ｂを薄くすることにより、材料コストの低減、及び軽量化を図り、かつ寿命の劣化を抑制することができる。

図６に、実施例３による蓄電モジュールの断面図を示す。以下、図１Ａに示した実施例１による蓄電モジュールとの相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。

実施例３による蓄電モジュールでは、蓄電セル２０の２枚おきに１枚の伝熱板２５が挿入されている。図６は、合計５枚の伝熱板２５が配置されている場合を示している。中央の伝熱板２５Ａが最も厚く、最も外側の伝熱板２５Ｂが最も薄い。中央の伝熱板２５Ａと外側の伝熱板２５Ｂとの間の伝熱板２５Ｃは、中央の伝熱板２５Ａより薄く、外側の伝熱板２５Ｂより厚い。例えば、中央の伝熱板２５Ａの厚さが２ｍｍ、最も外側の伝熱板２５Ｂの厚さが１ｍｍ、他の２枚の伝熱板２５Ｃの厚さが１．５ｍｍである。

所望の冷却性能が得られるという条件で、伝熱板２５Ｃを中央の伝熱板２５Ａより薄くすることにより、材料コストの低減、及び軽量化を図り、かつ寿命の劣化を抑制することができる。

なお、図６では、蓄電セル２０の２枚おきに１枚の伝熱板２５を挿入したが、蓄電セル２０と伝熱板２５とを１枚ずつ交互に積層してもよい。また、厚さの異なる３種類の伝熱板２５を用いたが、蓄電セル２０の積層数が多い場合には、４種類以上の厚さの伝熱板を用いてもよい。

図７に、実施例４による蓄電モジュールの断面図を示す。以下、図１Ａに示した実施例１による蓄電モジュールとの相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。

図７に示した例では、１１枚の蓄電セル２０が積層されている。蓄電セル２０に通し番号を付したとき、３番目と４番目との間、５番目と６番目との間、６番目と７番目との間、及び８番目と９番目との間に、伝熱板２５が挿入されている。合計４枚の伝熱板２５の厚さは、全て等しい。積層方向の中央における伝熱板２５の分布密度が、端部における伝熱板２５の分布密度よりも高い。例えば、最も外側に配置される伝熱板２５よりも外側の蓄電セル２０の個数が、２枚の伝熱板２５に挟まれる蓄電セル２０の個数よりも多い。また、最も外側の伝熱板２５と、それよりも１つ内側の伝熱板２５との間の蓄電セル２０の個数が、より内側の２枚の伝熱板２５の間の蓄電セル２０の個数よりも多い。

図３Ａに示したように、端部近傍の伝熱板２５は、内側の伝熱板２５よりも温度が低い。このため、端部の伝熱板２５の分布密度を低くしても、十分な冷却性能が得られる場合がある。

端部近傍において伝熱板２５の分布密度を低くすることにより、材料コストの低減、及び軽量化を図ることができる。また、全ての伝熱板２５の厚さが同一であるため、部品の種類を少なくすることができる。

図８Ａ及び図８Ｂを参照して実施例５による蓄電モジュールについて説明する。以下、図１Ａに示した実施例１による蓄電モジュールとの相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例５では、壁板１１、１２に、冷媒流路が形成されている。

図８Ａに、実施例５による蓄電モジュールに用いられる壁板１１に形成された冷媒流路１７の形状を示す。冷媒流路１７は、導入路１７Ａ、複数の主経路１７Ｂ、及び排出路１７Ｃを含む。導入路１７Ａ及び排出路１７Ｃの各々は、ｚ方向に平行な１つの端面からｘ方向に沿って壁板１１の内部に延びる。主経路１７Ｂの各々は、導入路１７Ａからｚ方向に延在し、排出路１７Ｃまで至る。導入路１７Ａ、主経路１７Ｂ、及び排出路１７Ｃは、例えば壁板１１の内部に配置され、表面に平行な方向に延在する細長い穴で構成される。導入路１７Ａ及び導入路１７Ｃは、ｙｚ面に平行な端面からドリルで穴開け加工することにより形成される。主経路１７Ｂは、ｘｙ面に平行な端面からドリルで穴開け加工した後、開口部を埋込プラグ１７Ｄで埋め込むことにより形成される。なお、壁板１１に冷媒が通る配管を密着させてもよい。

図８Ｂに、冷媒流路１７の他の例を示す。図８Ａに示した例では、導入路１７Ａから排出路１７Ｃに至る主経路１７Ｂが複数本配置されていた。図８Ｂに示した例では、主経路１７Ｂが、幅の広い１つの面状の流路で構成される。この壁板１１は、１枚の金属板に、冷媒流路１７に対応する凹部を形成した後、凹部を他の金属板で塞ぎ、２枚の金属板の外周を溶接することにより形成される。冷媒流路１７に水等の冷媒を流すことにより、冷却効率を高めることができる。

図９に、実施例６によるハイブリッド型作業機械の概略平面図を示す。旋回体７０に、旋回軸受け７３を介して、走行装置７１が取り付けられている。旋回体７０に、エンジン７４、油圧ポンプ７５、電動モータ７６、油タンク７７、冷却ファン７８、座席７９、蓄電モジュール８０、及び電動発電機８３が搭載されている。エンジン７４は、燃料の燃焼により動力を発生する。エンジン７４、油圧ポンプ７５、及び電動発電機８３が、トルク伝達機構８１を介して相互にトルクの送受を行う。油圧ポンプ７５は、ブーム８２等の油圧シリンダに圧油を供給する。

電動発電機８３は、エンジン７４の動力によって駆動され、発電を行う（発電運転）。発電された電力は、蓄電モジュール８０に供給され、蓄電モジュール８０が充電される。また、電動発電機８３は、蓄電モジュール８０からの電力によって駆動され、エンジン７４をアシストするための動力を発生する（アシスト運転）。油タンク７７は、油圧回路の油を貯蔵する。冷却ファン７８は、油圧回路の油温の上昇を抑制する。操作者は、座席７９に着座して、ハイブリッド型作業機械を操作する。

蓄電モジュール８０には、上記実施例１〜５による蓄電モジュールが用いられる。蓄電モジュール８０から供給される電力によって、旋回モータ７６が駆動される。旋回モータ７６は、旋回体７０を旋回させる。また、旋回モータ７６は、運動エネルギを電気エネルギに変換することによって回生電力を発生する。発生した回生電力によって、蓄電モジュール８０が充電される。

蓄電モジュール８０に、上記実施例１〜５による蓄電モジュールが用いられているため、寿命の劣化を防止しつつ、かつ部品コストの低減、及び軽量化を図ることが可能になる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１１、１２、１３、１４ 壁板
１３Ａ、１４Ａ 窓
２０ 蓄電セル
２１ 電極端子
２５ 伝熱板
２５Ａ 厚い伝熱板
２５Ｂ 薄い伝熱板
２８、２９ 強制空冷装置
３０ 押さえ機構
３１ 押さえ板
３３ タイロッド
４１ ヒータ
４２ 断熱カバー
４５ 断熱材

Claims (4)

1. 積層された少なくとも４枚の板状の蓄電セルと、
   相互に隣り合う２つの前記蓄電セルの間のうち、少なくとも３箇所に配置され、前記蓄電セルの縁よりも外側まで広がる伝熱板であって、積層方向に関して最も外側に配置された伝熱板が、内側に配置された伝熱板よりも薄い前記伝熱板と、
   前記蓄電セルと前記伝熱板との積層体に、積層方向の圧縮力を加える押さえ機構と
   を有する蓄電モジュール。
2. さらに、
   前記伝熱板に、該伝熱板の端面において熱的に結合するヒートシンクを有する請求項１に記載の蓄電モジュール。
3. さらに、前記蓄電セルの縁よりも外側に広がる前記伝熱板の間の空間に、冷却用の気体を流す強制空冷装置を有する請求項１または２に記載の蓄電モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電モジュールと、
   前記蓄電モジュールから供給される電力で駆動されるとともに、運動エネルギを電気エネルギに変換することによって回生電力を発生し、前記蓄電モジュールを充電するモータと
   を有するハイブリッド型作業機械。

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