JP5018119B2 - 蓄電ユニット - Google Patents

Description

本発明は、蓄電素子により電力を蓄える蓄電ユニットに関するものである。

近年、環境への配慮や燃費向上のためにハイブリッド車が市販されている。これは、自動車（以下、車両という）をエンジンだけでなくモータによっても駆動するので、効率が向上し、低燃費化を実現できる。このハイブリッド車にはモータを駆動するために大電力を扱う蓄電ユニットが必要となる。蓄電ユニットはモータを駆動するだけでなく、制動時の回生エネルギーを蓄える動作を行っている。これにより、制動エネルギーを有効利用できるので、低燃費が可能となる。

このような動作により、蓄電ユニットは車両の使用中に何度も短時間に充放電を繰り返すことになる。その結果、特に電力を蓄える蓄電素子（二次電池やキャパシタ等）の内部抵抗に起因した発熱が起こるが、これをそのまま放置すると、蓄電素子が劣化していき寿命が短くなる。そのため、信頼性が低減する。そこで、蓄電素子の冷却を行う蓄電ユニットが、例えば特許文献１に提案されている。図７はこのような蓄電ユニットの分解斜視図である。

図７において、電力を蓄える蓄電素子には例えば二次電池からなる単電池１０１を用いる。これを複数個（図７では６個）接続して電池モジュール１０３を構成する。さらに、必要な電力を賄うために電池モジュール１０３を複数列、複数段に積層して電池モジュール群１０５を形成する。電池モジュール群１０５はケース本体１０７に固定される。また、電池モジュール１０３の端部に形成されたネジ穴付きの端子１０９にバスバー１１１をネジ１１３で固定することにより、電池モジュール１０３の間を電気的に接続する。さらに、ケース本体１０７には電池モジュール群１０５を冷却するファン１１５が取り付けられている。ケース本体１０７にフタ１１７を固定することで、蓄電ユニットが完成する。

このような蓄電ユニットは車両使用時にファン１１５を動作させることにより、電池モジュール群１０５を冷却することができるので、高信頼性が得られる。
特許第３６８１０５１号公報

上記の蓄電ユニットによると、確かに車両使用時にファン１１５で電池モジュール群１０５を冷却することにより高信頼性が得られるのであるが、問題となるのはファン１１５で電池モジュール群１０５に送風しても、各単電池１０１が同様に冷却されるとは限らない点である。すなわち、ファン１１５に近い単電池１０１は効率的に冷却されるが、ファン１１５から遠い単電池１０１は冷却風の当たり方が悪くなる上に、ファン１１５に近い単電池１０１で暖められた風が当たるため、冷却効率が低下する。その結果、各単電池１０１の冷却程度にバラツキが生じるため劣化進行（寿命）もばらつく。従って、前記従来構成では冷却しない構成に比べると信頼性が得られるものの、各単電池１０１の劣化バラツキの観点からは信頼性が不十分であるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、冷却バラツキを低減し、高信頼性が得られる蓄電ユニットを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄電ユニットは、複数の蓄電素子を電気的に接続するとともに、高熱伝導性絶縁樹脂から形成される上ケースおよび下ケースで前記蓄電素子の両端を機械的に保持した構成を有する複数の蓄電素子ブロックと、前記複数の蓄電素子ブロックを電気的に接続する外部バスバーと、前記下ケースに接触し、前記複数の蓄電素子ブロックを固定する金属製の台座と、前記複数の蓄電素子ブロックを覆うように前記台座に固定されるカバーとからなり、前記台座において、前記蓄電素子ブロックを固定する面の反対の面に複数のフィンを設け、前記台座の側面に外部へ突出した段差を設け、この段差にフィンが設けられ、この段差の上面に前記カバーの端部が当接したものである。

本発明の蓄電ユニットによれば、複数の蓄電素子が発生した熱は、それぞれ熱伝導性が良好な絶縁ケースを介して、熱容量の大きい金属製の台座に伝達されるので、複数の蓄電素子全体が熱結合された状態となり、均一に放熱されることになる。さらに、カバーを設けているので、蓄電ユニット外部からの風が各蓄電素子に当たることによる放熱不均一性を低減している。これらの結果、各蓄電素子の冷却バラツキを極めて低減できるので、熱による劣化進行が同等になり、高信頼な蓄電ユニットを実現できるという効果が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における蓄電ユニットの概略分解斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１における蓄電ユニットの一部断面図である。

図１において、蓄電素子１１は急速充放電が可能で大容量の電気二重層キャパシタを用いている。しかし、電気二重層キャパシタの定格電圧は約２．２Ｖと低いので、車両用モータの駆動等に必要な高電圧を得るために複数の蓄電素子１１を電気的に接続している。この際、蓄電素子１１はケース１３により既定の数量毎（本実施の形態１では１０個毎）を機械的に保持した蓄電素子ブロック１５を複数個用いている。

ケース１３は上ケース１７と下ケース１９から構成され、これらに蓄電素子１１の両端を挿入することで１０個の蓄電素子１１を保持している。上ケース１７と下ケース１９は複数の固定棒２１と固定ネジ（図示せず）で機械的に接続されている。また、上ケース１７と下ケース１９はいずれも高熱伝導性絶縁樹脂を射出成型することにより形成されている。なお、高熱伝導性絶縁樹脂として、例えばセラミックス製のフィラを含有するポリフェニレンサルファイトが適用できる。これにより、セラミックス製のフィラが熱伝導性を向上させるとともに、構成材料が全て絶縁材料であるため、高絶縁性も確保できる。さらに、高耐熱性材料なので、温度に対する高信頼性も得られる。

ケース１３の蓄電素子１１を保持する部分と、蓄電素子１１との隙間には、例えばシリコン系の高熱伝導性樹脂（図示せず）を介在させている。具体的には高熱伝導性樹脂をケース１３の蓄電素子保持部分に注入し、そこに蓄電素子１１を挿入後、硬化させることで、前記隙間に介在させている。これにより、蓄電素子１１からの熱を効率的にケース１３に伝達できる。

上ケース１７の上面には蓄電素子１１の電圧検出回路や電圧バランス回路等（いずれも図示せず）が構成された回路基板２３が配されている。回路基板２３は各蓄電素子１１の電極間を接続するバスバー（図示せず）に設けた端子２５を回路基板２３にハンダ付けすることで電気的、機械的に接続されている。

下ケース１９には側面４ヶ所に固定部２９が一体形成されている。固定部２９には下ケースネジ穴（図示せず）が設けてあり、ここに下ケース固定ネジ３１を締め込むことにより、蓄電素子ブロック１５を台座３３に固定している。この際、下ケース１９と台座３３との接触面に高熱伝導性ペースト３４を介在させている。具体的には、下ケース１９の底面全部に高熱伝導性ペースト３４を塗布し、この状態で下ケース固定ネジ３１を締め込んでいる。これにより、下ケース１９の熱を効率的に台座３３に伝達させることができる。なお、高熱伝導性ペースト３４に替えて、例えば金属やカーボン等の良熱伝導性材料をゴム等の弾性体に含有させた高熱伝導性弾性体や、高熱伝導性樹脂をシート状に加工した高熱伝導性シート等を用いてもよい。

図１では２個の蓄電素子ブロック１５しか示していないが、全ての蓄電素子ブロック１５を台座３３に固定すると、隣の蓄電素子ブロック１５との間を電気的に接続するために、外部バスバー３５を外部バスバーネジ３７で固定する。これにより、全ての蓄電素子１１が電気的に接続されることになる。なお、外部バスバー３５には大電流が流れるので、比抵抗が小さい銅製とし、さらに厚さを約１ｍｍとすることで、外部バスバー３５の内部抵抗を下げ発熱を低減している。また、外部バスバー３５には屈曲部３９が設けられている。これにより、熱膨張や振動等により外部バスバー３５に印加される応力を緩和し、高信頼性を得ている。

台座３３は熱伝導が良好で軽量なアルミニウム製であり、ここに全ての蓄電素子ブロック１５を配置するので大面積となり、熱容量が極めて大きくなる。その結果、全ての蓄電素子ブロック１５の熱が均一に台座３３に伝達し、蓄電素子１１の冷却バラツキを低減することができる。

さらに、台座３３において、蓄電素子ブロック１５を固定する面の反対側の面に複数のフィン４１を設けている。本実施の形態１ではフィン４１を台座３３と一体で形成している。また、フィン４１は、台座３３を介して少なくとも複数の蓄電素子ブロック１５の各底面と対向する位置に配している。これらにより、台座３３に伝達した熱はフィン４１を介して放熱され、さらに各蓄電素子ブロック１５の真下にフィン４１が配置されることになるので、効率的に放熱される。なお、フィン４１の底面など、フィン４１に有効に冷却風が到達できる位置にファン（図示せず）を設けてもよい。この場合、フィン４１からの放熱がさらに効率的になり、迅速に蓄電素子ブロック１５を冷却することができる。

台座３３には複数の蓄電素子ブロック１５を全て覆うように樹脂製のカバー４３が被せられ、カバー４３と台座３３に設けたカバーネジ穴４５を介して台座３３にカバーネジ（図示せず）で固定される。ここで、図１においてフィン４１は台座３３より奥行き方向が長くなるように形成しているので、台座３３とフィン４１の間には段差４６が設けられることになる。この段差４６にカバー４３の底部が当接することにより、カバー４３がフィン４１を塞がないように構成している。その結果、フィン４１による冷却効率がカバー４３により損なわれることがなくなる。

カバー４３には蓄電ユニットと外部との電力のやり取りを行うための電力端子４７が設けられている。電力端子４７は電力ケーブル（図示せず）により、蓄電素子ブロック１５と接続されている。

このように、台座３３にカバー４３を設けることで、蓄電ユニットの外部からの風が各蓄電素子１１に直接当たることがなくなるため、それによる放熱不均一性を低減することができる。また、外部からの埃や排ガス中の微粒子等が蓄電素子ブロック１５に付着することによる短絡等の可能性を低減できるので、さらなる高信頼性が得られる。

さらに、図１の構成ではカバー４３を台座３３に被せる際に、両者の嵌合部（台座３３の側面でカバーネジ穴４５の上部）に例えばＯリングからなる密閉材４９を設けているので、蓄電ユニットの外部からの風がカバー４３と台座３３の隙間を介して内部に侵入する可能性を低減できる。従って、風による冷却バラツキがさらに低減可能となる。また、台座３３とカバー４３で囲まれる空間は密閉されるので、そこに乾燥空気を封入している。これにより、周囲温度が低下しても蓄電ユニット内部で結露することがないので、さらなる高信頼性を得ることができる。なお、乾燥空気としては露点が−４０℃のものを用いている。この温度は蓄電ユニットの保存最低温度である。従って、保存最低温度までは結露することはなく、さらにそれ以下に温度が下がっても露点が−４０℃の空気に含まれる水蒸気絶対量は極めて微量であるので、結露はほとんど発生しない。

このように構成された蓄電ユニットにおける図１の細点線部分での断面図を図２に示す。なお、図２はカバー４３も含む断面図である。

まず、図１において見えない部分の構成について説明する。蓄電素子１１は例えば直径３０ｍｍの円柱形状をしており、その両端に電極５１が設けられている。図２における蓄電素子１１の下端面の電極は蓄電素子１１の円柱本体と一体化した構成を有する。この下端面の電極にバスバー５３を溶接することにより、隣の蓄電素子１１と電気的に接続されている。

一方、蓄電素子１１の上端面には、上端面より突出した電極５１が形成されている。ここにもバスバー５３を溶接することにより、隣の蓄電素子１１と電気的に接続されている。蓄電素子１１の上端面側のバスバー５３には回路基板２３と電気的に接続するための端子２５が一体で形成されている。

また、前記したように、ケース１３の蓄電素子保持部分と蓄電素子１１の隙間には高熱伝導性樹脂５５が介在している。

次に、図２の断面図を用いて、蓄電素子１１の放熱について説明する。蓄電ユニットに対する充放電を繰り返すことで、蓄電素子１１が発熱すると、その熱は図２の太矢印に示すように下ケース１９、高熱伝導性ペースト３４を介して台座３３に伝達する。この際、下ケース１９は高熱伝導性絶縁樹脂からなるので、蓄電素子１１の熱を効率的に台座３３に伝達できる。なお、蓄電素子１１の下端面における下ケース１９の厚さが薄いほど良好な熱伝導が得られるが、薄すぎると、蓄電素子１１の下端面の電極電圧が数１００Ｖに達することによる蓄電素子１１の下端面の電極とアルミニウム製の台座３３との間の短絡可能性が高くなる。そこで、絶縁耐力を得るために蓄電素子１１の下端面における下ケース１９の厚さは数ｍｍとしている。

台座３３に伝達した熱は図２の下方向、および左右方向に伝達するとともに、フィン４１にも伝達する。フィン４１は表面積が大きいので、ここで良好な放熱が得られる。

以上の構成により、蓄電素子１１に外部からの風が当たることがなく、蓄電素子１１の下部が熱結合されることにより均一に放熱されるので、冷却バラツキが低減でき高信頼な蓄電ユニットを実現できた。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における蓄電ユニットの概略分解斜視図である。図４は、本発明の実施の形態２における蓄電ユニットの一部断面図である。なお、図３の構成において、図１と同じものには同じ番号を付して詳細な説明を省略する。

本実施の形態２の特徴は以下の通りである。
１）上ケース１７の上面の一部分、すなわち図３において回路基板２３の長手方向両側部分に、例えば金属やカーボン等の良熱伝導性材料をゴム等の弾性体に含有させた構成の高熱伝導性弾性体５７を配した。
２）カバー４３を台座３３に被せた時、高熱伝導性弾性体５７を介して上ケース１７の上面の少なくとも一部とカバー４３が当接する構成とした。

このような構成の詳細を以下に説明する。

高熱伝導性弾性体５７の上面は回路基板２３に実装された最も背の高い部品よりも上側になるようにしている。これにより、カバー４３を被せた時に高熱伝導性弾性体５７がカバー４３と当接するので、回路基板２３の実装部品とカバー４３が当接することによる実装部品や回路基板への応力印加を回避している。さらに、蓄電素子ブロック１５が高熱伝導性弾性体５７を介してカバー４３によっても固定されるので、図３の上下方向の振動に対しても確実な保持が可能となる上、高熱伝導性弾性体５７が振動を吸収し、蓄電素子１１への振動の影響を低減することができる。なお、図３の構成では高熱伝導性弾性体５７を回路基板２３の長手方向両側に配しているが、上ケース１７の上面に回路基板２３が配されない構成であれば、上面全部に高熱伝導性弾性体５７を配してもよい。

カバー４３はケース１３と同様に高熱伝導性絶縁樹脂を射出成型することにより構成している。これにより、上ケース１７からの熱をカバー４３から放熱することができる。なお、カバー４３の材質は蓄電ユニットの扱う電圧がそれほど高くなければ短絡可能性が低くなるので、台座３３と同様にアルミニウム製としてもよい。この場合、高熱伝導性絶縁樹脂よりも放熱性が優れる上、台座３３と同じ金属であるので熱膨張によるカバー４３への応力印加を回避できる。

このように構成された蓄電ユニットにおける図３の細点線部分での断面図を図４に示す。なお、図４はカバー４３も含む断面図である。

図４において、蓄電素子１１の下部から下ケース１９、台座３３への放熱は実施の形態１と全く同じである。本実施の形態２においては、さらに上ケース１７からカバー４３への放熱も行われるので、この部分について説明する。

蓄電素子１１の上部における熱は図４の斜め上方向の太矢印に示すように、上ケース１７から高熱伝導性弾性体２７を介してカバー４３に伝達する。上ケース１７とカバー４３は同じ材質であるので熱伝導が良好となり、効率的にカバー４３に伝熱することができる。

このように、本実施の形態２の構成においては、蓄電素子１１の下部からだけではなく、上部からも放熱することが可能となるので、迅速に放熱することができる上、蓄電素子１１の全体が熱結合された状態となり、冷却バラツキをさらに低減することができる。

以上の構成により、蓄電素子１１の全体が熱結合されるので、さらなる冷却バラツキの低減が可能となり、高信頼な蓄電ユニットを実現できた。

なお、本実施の形態２では上ケース１７とカバー４３の間に高熱伝導性弾性体５７を介在させる構成としたが、これは上ケース１７の上面の一部分である回路基板２３の長手方向両側部分の高さを回路基板２３に実装した最も背の高い回路部品よりも高くして、上ケース１７とカバー４３が直接当接する構成としてもよい。これによっても、回路部品がカバー４３に当接しなくなるので回路部品や回路基板２３へのカバー４３による応力を回避することができ高信頼性が得られる。さらに、高熱伝導性弾性体５７が不要になるので構成が簡単になる特長があるものの、振動の影響を吸収することができないので、蓄電ユニットを使用する振動環境等により高熱伝導性弾性体５７を使用するか否かを決定すればよい。なお、上ケース１７の上面に回路基板２３が配されない構成であれば、上面全部がカバー４３に当接するようにしてもよい。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における蓄電ユニットの概略分解斜視図である。図６は、本発明の実施の形態３における蓄電ユニットの一部断面図である。なお、図５の構成において、図３と同じものには同じ番号を付して詳細な説明を省略する。但し、蓄電素子ブロック１５の詳細構成は実施の形態２と全く同じであるので、蓄電素子ブロック１５の詳細構成における番号は付さない。

本実施の形態３の特徴は、台座３３に冷却水路６１を設けた構成としたことである。この冷却水路６１に不凍液からなる冷却水を流すことで、さらなる冷却の効率化が図れる。冷却水路６１は台座３３に内蔵されており、複数の蓄電素子ブロック１５の底面と対向する位置に配している。すなわち、各蓄電素子ブロック１５の底面の真下の延長上に冷却水路６１が配置されるように構成している。なお、冷却水路６１の配置は少なくとも各蓄電素子ブロック１５の底面の真下の延長上に配置すればよいが、本実施の形態３においては、さらに冷却効率を向上するために、各蓄電素子１１の底部の真下の延長上に冷却水路６１を配している。その結果、蓄電素子ブロック１５には２列に蓄電素子１１が配置されているので、各蓄電素子ブロック１５の底面には２つの冷却水路６１が配置されることになる。

冷却水路６１は図５の細点線で示すように、冷却水入口６３から冷却水出口６５までつづら折れ状に配置されている。このような形状の冷却水路６１を台座３３に内蔵するように形成するために、台座３３を継目６７で上下に分割する構造とした。従って、台座３３の上側と下側のそれぞれに断面が半円状の冷却水路６１を形成し、両者を重ね合わせてネジ（図示せず）により固定することで冷却水路６１が完成する。

次に、図５の細点線部分の断面図を図６に示す。図６においても図２と同様にカバー４３を含む断面図を示している。図６より明らかなように、各蓄電素子１１の底部の真下の延長上に冷却水路６１が配置されている。従って、蓄電素子１１と冷却水路６１の距離が、蓄電素子１１とフィン４１の距離よりも短いので、図６の太矢印で示すように極めて効率的に蓄電素子１１の熱を吸収でき、冷却バラツキを低減しつつ、さらに迅速に冷却することが可能となる。

なお、蓄電ユニットに要求される電力仕様によっては発熱量があまり大きくなく、冷却水路６１による冷却だけでも十分に冷却バラツキ低減が可能な場合があるが、この時はフィン４１を廃してもよい。

また、台座３３を２分割して冷却水路６１を形成するのではなく、台座３３の底部に冷却水路６１としての冷却管を溶接等により取り付ける構造としてもよい。この場合、構造が簡単になるが、フィン４１も設ける場合は冷却管部分を避けるように配置する必要があるため、フィン４１の数が少なくなる。従って、発熱量に応じて適宜冷却管の位置やフィン４１の有無、数量等を決定すればよい。

以上の構成により、熱結合された蓄電素子１１の熱を冷却水によりさらに効率的に吸収できるので、冷却バラツキが低減でき、かつ迅速な冷却ができる高信頼な蓄電ユニットを実現できた。

なお、実施の形態１〜３では蓄電素子１１として電気二重層キャパシタを用いたが、これは電気化学キャパシタや、発熱が問題となる二次電池等でもよい。

また、実施の形態１〜３で述べた蓄電ユニットはハイブリッド車用に限らず、アイドリングストップ、電動パワーステアリング、電動過給器等の各システムのように蓄電素子１１の充放電が短時間に繰り返される車両用補助電源等にも適用可能である。さらに、車両用に限らず非常用電源等にも適用できる。

本発明にかかる蓄電ユニットは各蓄電素子の冷却バラツキを低減でき、高信頼性が得られるので、特に車両用補助電源や非常用電源に用いられる蓄電ユニット等として有用である。

本発明の実施の形態１における蓄電ユニットの概略分解斜視図 本発明の実施の形態１における蓄電ユニットの一部断面図 本発明の実施の形態２における蓄電ユニットの概略分解斜視図 本発明の実施の形態２における蓄電ユニットの一部断面図 本発明の実施の形態３における蓄電ユニットの概略分解斜視図 本発明の実施の形態３における蓄電ユニットの一部断面図 従来の蓄電ユニットの分解斜視図

符号の説明

１１ 蓄電素子
１３ ケース
１５ 蓄電素子ブロック
３３ 台座
３４ 高熱伝導性ペースト
４１ フィン
４３ カバー
４９ 密閉材
５５ 高熱伝導性樹脂
５７ 高熱伝導性弾性体
６１ 冷却水路

Claims (11)

1. 複数の蓄電素子を電気的に接続するとともに、高熱伝導性絶縁樹脂から形成される上ケースおよび下ケースで前記蓄電素子の両端を機械的に保持した構成を有する複数の蓄電素子ブロックと、
   前記複数の蓄電素子ブロックを電気的に接続する外部バスバーと、
   前記下ケースに接触し、前記複数の蓄電素子ブロックを固定する金属製の台座と、
   前記複数の蓄電素子ブロックを覆うように前記台座に固定されるカバーとからなり、前記台座において、前記蓄電素子ブロックを固定する面の反対の面に複数のフィンを設け、前記台座の側面に外部へ突出した段差を設け、この段差にフィンが設けられ、この段差の上面に前記カバーの端部が当接した蓄電ユニット。
2. 前記上ケースおよび下ケースの前記蓄電素子を保持する部分と、前記蓄電素子との隙間に、高熱伝導性樹脂を介在させた請求項１に記載の蓄電ユニット。
3. 前記フィンは、前記台座を介して少なくとも前記複数の蓄電素子ブロックの底面と対向する位置に配した請求項１に記載の蓄電ユニット。
4. 前記フィンへの冷却風到達可能位置にファンを設けた請求項１に記載の蓄電ユニット。
5. 前記下ケースと前記台座との接触面に高熱伝導性弾性体、高熱伝導性ペースト、または高熱伝導性シートを介在させた請求項１に記載の蓄電ユニット。
6. 前記上ケースの上面の少なくとも一部が前記カバーと当接する請求項１に記載の蓄電ユニット。
7. 前記上ケースの上面の少なくとも一部と前記カバーとの間に高熱伝導性弾性体を配し、前記上ケースの上面の少なくとも一部と前記カバーは前記高熱伝導性弾性体を介して当接する請求項１に記載の蓄電ユニット。
8. 前記台座に冷却水路を設けた請求項１に記載の蓄電ユニット。
9. 前記冷却水路は、少なくとも前記複数の蓄電素子ブロックの底面と対向する位置に配した請求項８に記載の蓄電ユニット。
10. 前記台座と前記カバーの嵌合部に密閉材を設けた請求項１に記載の蓄電ユニット。
11. 前記台座と前記カバーで囲まれる空間には乾燥空気を封入した請求項１０に記載の蓄電ユニット。

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