(57)【要約】【課題】結露水を速やかに除去して、結露水による弊害を防止する。種々の温度、湿度環境において安全に使用する。【解決手段】バッテリシステムは、複数の充電できる角形電池１を、平面を対向する状態で積層してなる電池ブロック２と、この電池ブロック２の角形電池１に熱結合してなるヒーター３と、電池ブロック２の角形電池１を冷却する冷却機構２０とを備えている。さらに、バッテリシステムは、角形電池１の対向する積層面に吸水層５を配置しており、この吸水層５が角形電池１の結露水と漏液した電解液のいずれか又は両方を吸収すると共に、吸収した液体をヒーター３で加温して除去している。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の充電できる角形電池(1)が、平面を対向する状態で積層されてなる電池ブロック(2)、(32)と、この電池ブロック(2)、(32)の角形電池(1)に熱結合してなるヒーター(3)、(33)と、前記電池ブロック(2)、(32)の角形電池(1)を冷却する冷却機構(20)、(40)とを備えるバッテリシステムであって、
前記角形電池(1)の対向する積層面に吸水層(5)、(35)を配置しており、この吸水層(5)、(35)が角形電池(1)の結露水と漏液した電解液のいずれか又は両方を吸収すると共に、吸収した液体をヒーター(3)、(33)で加温して除去するようにしてなるバッテリシステム。
【請求項２】
前記電池ブロック(2)が、前記角形電池(1)の積層面に前記ヒーター(3)を挟着しており、ヒーター(3)と角形電池(1)との間に吸水層(5)を設けている請求項１に記載されるバッテリシステム。
【請求項３】
前記ヒーター(3)、(33)がＰＴＣヒーター(3A)、(33A)である請求項１に記載されるバッテリシステム。
【請求項４】
前記吸水層(5)、(35)が、繊維の間に無数の空隙を有する吸水紙または不織布、連続気泡を有するプラスチック発泡体、活性炭、粉末を無数の空隙ができる状態に結合してなる多孔質材のいずれかである請求項１に記載されるバッテリシステム。
【請求項５】
前記ヒーター(33)が電池ブロック(32)の表面に熱結合状態に配置してなる請求項１に記載されるバッテリシステム。
【請求項６】
前記冷却機構(20)、(40)が、前記電池ブロック(2)、(32)の表面に熱結合してなる冷却プレート(41)、または、前記角形電池(1)の間に冷却気体を強制送風する送風機構(22)のいずれかである請求項１に記載されるバッテリシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、ハイブリッド自動車、燃料自動車、電気自動車等の自動車を駆動するモータの電源用に使用されるバッテリシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドカーなどに搭載されるバッテリシステムは、温度上昇する電池を強制的に冷却している。温度上昇が電池の電気特性を低下させるばかりでなく、電池の寿命を短くし、さらに、安全性を阻害する原因となるからである。この弊害を防止するために、電池を空気で冷却するバッテリシステム（特許文献１参照）と、電池を冷却プレートで冷却するバッテリシステム（特許文献２参照）が開発されている。特許文献１のバッテリシステムは、電池に空気を強制送風して冷却する。このバッテリシステムは、空気中の水分が結露して電池に付着する悪影響を防止するために、結露の発生を検出して空気の送風を制御する。
【０００３】
空気に含まれる水分（水蒸気）は、温度と湿度の関係から結露が発生する。図１は、温度に対する飽和水蒸気量を示すグラフである。この図から、空気は温度が低下すると、含有する水分量（水蒸気量）が同じであっても相対湿度が急激に増加することがわかる。たとえば、１５℃の空気は、空気１ｍ３あたりに１２．８ｇの水分を含有できるが、０℃の空気は、空気１ｍ３あたりに含有できる水分量が４．８ｇと約１／３と著しく少なくなる。すなわち、空気は温度が低下すると気体の状態で含むことができる水分量が急激に低下する。このため、空気は温度が低下すると含有できる水分量が減少して相対湿度が高くなり、相対湿度が１００％に達すると結露が発生する。
【特許文献１】特開２００６−２５２８４７号公報
【特許文献２】実用新案登録第２５５９７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
引用文献１のバッテリシステムは、結露が発生すると、電池の温度によってファンの運転をコントロールする。結露が発生して電池の温度が低いとファンの運転を停止し、結露が発生して電池の温度が高いとファンを運転する。結露が発生してファンの運転を停止すると、結露した水分量は増加しないが、結露した水分を気化して乾燥できず、結露された状態が長く続く弊害がある。また、結露した状態で電池の温度が設定温度よりも高いと、ファンを運転するが、この状態では、結露が発生する状態で空気が強制送風されることになるので、次々と供給される空気に含まれる水分が低温に冷却される部位で結露して、一時的に結露が次第に増加する弊害がある。ただ、電池の温度が高くなって、送風される空気温度が高くなると結露は発生しなくなるが、局部的に温度の低い部分があると、この部分で結露が発生するのを防止できない。したがって、特許文献１のバッテリシステムは、電池の結露による弊害を速やかに解消できない欠点がある。
【０００５】
特許文献２のバッテリシステムは、液体を循環させる冷却パイプで冷却プレートを冷却し、この冷却プレートの上に電池を載せて電池を冷却する。冷却プレートは、電池の冷却カロリーを大きくするために低温に冷却される。低温に冷却される冷却プレートは、図１の特性から、空気に含まれる水分量が減少して、表面に結露が発生する。とくに、冷却プレートの表面温度が低くなるほど、表面付近の空気の温度が低下して結露が発生しやすい状態となる。さらに、電池の冷却プレートに直接に接触する部分も低温に冷却されて、結露する。
【０００６】
電池の表面に付着する結露水は、絶縁抵抗を低下させる原因となる。多数の角形電池を積層しているバッテリシステムは、隣接する角形電池の外装缶に電位差が発生する。このため、角形電池の間に浸入する結露水が積層面の絶縁抵抗を低下させると、隣接する角形電池間に漏電電流が流れる。また、電池の表面に付着する結露水は車両のシャーシーアースに対する漏電抵抗を小さくして、電池を漏電させる原因となる。とくに、車両用のバッテリシステムは、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしていることから、高い安全性を実現するために漏電抵抗を大きく保持することが大切である。
【０００７】
本発明は、従来のバッテリシステムの結露水による弊害を防止することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、結露水による弊害を防止すると共に、結露水を速やかに除去できるバッテリシステムを提供することにある。
また、本発明の他の大切な目的は、種々の温度、湿度環境において安全に使用できるバッテリシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００８】
本発明のバッテリシステムは、複数の充電できる角形電池１を、平面を対向する状態で積層してなる電池ブロック２、３２と、この電池ブロック２、３２の角形電池１に熱結合してなるヒーター３、３３と、電池ブロック２、３２の角形電池１を冷却する冷却機構２０、４０とを備えている。さらに、バッテリシステムは、角形電池１の対向する積層面に吸水層５、３５を配置しており、この吸水層５、３５が角形電池１の結露水と漏液した電解液のいずれか又は両方を吸収すると共に、吸収した液体をヒーター３、３３で加温して除去している。
【０００９】
以上のバッテリシステムは、結露水による弊害に防止すると共に、結露水を速やかに除去できる特徴がある。それは、角形電池の積層面に配置している吸水層が、角形電池の表面に付着する結露水を吸収し、さらに、吸水層に吸収された結露水をヒーターが加温して除去するからである。このバッテリシステムは、種々の温度、湿度環境において安全に使用できる特徴も実現する。
【００１０】
本発明のバッテリシステムは、電池ブロック２が、角形電池１の積層面にヒーター３を挟着して、ヒーター３と角形電池１との間に吸水層５を設けることができる。
以上のバッテリシステムは、角形電池の積層面にヒーターを設けているので、ヒーターで吸水層に吸収された結露水をより速やかに除去できる。また、このヒーターは、電池を速やかに加温できることから、寒冷地の極低温環境において、電池の温度を速やかに上昇して電池を効率よく充放電できる特徴も実現する。
【００１１】
本発明のバッテリシステムは、ヒーター３、３３を、ＰＴＣヒーター３Ａ、３３Ａとすることができる。このバッテリシステムは、ＰＴＣヒーターで速やかに設定温度まで加温できるので、吸水層の結露水を速やかに除去でき、また、寒冷地における極低温の電池を速やかに加温できる。
【００１２】
本発明のバッテリシステムは、吸水層５、３５を、繊維の間に無数の空隙を有する吸水紙または不織布、連続気泡を有するプラスチック発泡体、活性炭、粉末を無数の空隙ができる状態に結合してなる多孔質材のいずれかとすることができる。
吸水層を吸収紙や不織布とするバッテリシステムは、吸水層を安価に製作して吸水率を高くできる。また、吸収紙や不織布を吸水層に併用することで、隣接する角形電池を絶縁することもできる。
【００１３】
本発明のバッテリシステムは、ヒーター３３を電池ブロック３２の表面に熱結合状態に配置することができる。このバッテリシステムは、ヒーターの構造を簡単にできる。
【００１４】
本発明のバッテリシステムは、冷却機構２０、４０を、電池ブロック２、３２の表面に熱結合してなる冷却プレート４１、または、角形電池１の間に冷却気体を強制送風する送風機構２２のいずれかとすることができる。冷却気体を冷却プレートとするバッテリシステムは、電池ブロックに熱結合している冷却プレートで各々の角形電池を速やかに冷却できる。とくに、このバッテリシステムは、角形電池の積層面に発生する結露水を吸水層に吸収するので、角形電池の表面に結露する状態で、すなわち冷却プレートの温度を低くして、角形電池を速やかに冷却できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのバッテリシステムを例示するものであって、本発明はバッテリシステムを以下のものに特定しない。
【００１６】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１７】
図２ないし図４は、車両に搭載されて車両を走行させるモータに電力を供給し、さらにエンジンで駆動される発電機で充電される車両用のバッテリシステムを示している。これ等の図に示すバッテリシステムは、複数の充電できる角形電池１を積層している電池ブロック２と、この電池ブロック２の角形電池１に熱結合しているヒーター３と、電池ブロック２の角形電池１を冷却する冷却機構２０とを備える。
【００１８】
電池ブロック２は、複数の角形電池１を、両側の平面を対向する姿勢で積層している。角形電池１は、上面の両端部に正負の電極端子１１を固定している。電池ブロック２は、隣接する角形電池１の電極端子１１を互いに接続して、全ての角形電池１を直列に接続している。ただし、電池ブロックは、角形電池を直列と並列に接続することもできる。角形電池１は、リチウムイオン電池である。ただし、電池は、リチウムイオン電池に代わって、リチウムポリマー電池やニッケル水素電池などの充電できる全ての電池とすることができる。
【００１９】
角形電池１は、外装缶をアルミなどの金属としている。リチウムイオン電池は、外装缶を正負の電極端子１１には接続していないが、外装缶に充填している電解液によって電極端子１１の中間の電位となっている。角形電池１は、外装缶を電極端子１１に接続しているものもある。いずれの角形電池１も、外装缶を金属製とするものは、隣接する角形電池１の外装缶の間に絶縁材４を挟着して絶縁状態で積層する。図２ないし図６に示す角形電池１は、互いに対向する積層面の一方に絶縁材４を積層している。図の絶縁材４は、絶縁シートで、角形電池１の外装缶の表面であって、片側の積層面から両側の側面と底面にかけて被覆する状態で配置している。この構造は、外装缶を金属製とする角形電池１を、確実に絶縁しながら積層できる。ただし、角形電池には、外装缶の表面全体を絶縁シートで被覆しているもの、あるいは外装缶をプラスチックケースとするものも使用できる。これらの角形電池を使用する電池ブロックは、必ずしも隣接する角形電池の間に絶縁材を配置する必要はない。
【００２０】
図２ないし図４の電池ブロック２は、積層している角形電池１の両端面を一対のエンドプレート１２で挟着して、電池１を積層状態に固定している。一対のエンドプレート１２は、連結金具１３で連結されて、複数の角形電池１を積層状態に固定している。
【００２１】
電池ブロック２は、図５の拡大断面図と図６の分解斜視図に示すように、角形電池１の対向する積層面に吸水層５を配置している。これらの図に示す電池ブロック２は、角形電池１の間にＰＴＣヒーター３Ａとセパレータ６と吸水層５とを設けている。これ等の図に示す電池ブロック２は、角形電池１の間にＰＴＣヒーター３Ａを配置し、このＰＴＣヒーター３Ａの両側にセパレータ６を積層し、セパレータ６に吸水層５を設けている。
【００２２】
ＰＴＣヒーター３Ａは、プレート状のヒーターで、角形電池１を設定温度まで加温する。ＰＴＣヒーター３Ａの設定温度は、好ましくは約４０℃に設定される。ただし、ＰＴＣヒーター３Ａは、吸水層５を加温して、ここに吸収された結露水を気化させて速やかに除去し、さらに、寒冷地において極低温に冷却され角形電池１を適温まで加温できるように、たとえば設定温度を３０℃〜７０℃に設定することもできる。
【００２３】
セパレータ６はプラスチック製で、隣接する角形電池１を絶縁すると共に、角形電池１の表面に冷却風路７を設けている。このセパレータ６は、角形電池１との対向面に開口して、複数列の冷却風路７を平行に設けている。図のセパレータ６は、角形電池１の両側に開口するように冷却溝６Ａを設けて、これを冷却風路７としている。さらに、図に示す電池ブロック２は、角形電池１の積層面に配置する絶縁材４の表面であって、冷却風路７と対向する部分に、冷却風路７に沿う縦溝４Ａを設けている。このように、絶縁材４に縦溝４Ａを設ける構造は、冷却風路７と対向する部分における絶縁材４の肉厚を薄くして、冷却風路７に強制送風される冷却気体で、効率よく角形電池１を冷却できる。冷却風路７は、図２の鎖線で示す電池ブロック２の両側に設けられる冷却ダクト２１に連結される。この冷却風路７は、冷却ダクト２１から空気などの冷却気体が強制送風されて、角形電池１を表面から冷却する。さらに、セパレータ６は、冷却風路７の間にスリット６Ｂを設けている。スリット６Ｂは、所定の幅のシート状の吸水層５を配置している。この構造は、冷却風路７に強制送風される冷却空気に冷却されて発生する結露水を、その近傍にあって速やかに吸収することができる。
【００２４】
吸水層５は、繊維の間に無数の空隙を有する吸水紙である。ただし、吸水層５は、繊維の間に無数の空隙を設けた不織布、あるいは連続気泡を有するプラスチック発泡体、あるいはまた、活性炭、さらに、粉末を無数の空隙ができる状態に結合してなる多孔質材等も使用できる。
【００２５】
以上のバッテリシステムの冷却機構２０は、図２の鎖線で示すように隣接する角形電池１の間に設けた冷却風路７に冷却気体を強制送風して角形電池１を冷却する。冷却機構２０は、角形電池１の間の冷却風路７に連結している冷却ダクト２１に強制送風する送風機構２２である冷却ファン２２Ａを備えており、角形電池１の温度が設定温度まで上昇すると、冷却ファン２２Ａを運転して角形電池１を冷却する。冷却ファン２２Ａは、角形電池１の温度が設定温度よりも低くなると運転を停止する。この冷却機構２０は、角形電池１の温度で冷却ファン２２の運転を制御して、角形電池１をあらかじめ設定している温度範囲に制御する。この冷却機構２０は、冷却風路７に強制送風する空気を、車両に搭載している冷房機で強制冷却して強制送風することで、角形電池１により効率よく冷却できる。空気を冷却する冷却器は、エンジンやモータで駆動されて冷媒を加圧するコンプレッサと、このコンプレッサで加圧された冷媒を冷却して液化させるコンデンサーと、このコンデンサーで液化された冷媒を膨張弁を介して供給して、供給される冷媒の気化熱で空気を冷媒するエバポレータとを備えている。
【００２６】
以上の構造のバッテリシステムは、空気などの冷却気体で角形電池１を冷却するが、バッテリシステムの冷却機構４０は、角形電池１を直接に冷却することもできる。図７の断面図に示すバッテリシステムの冷却機構４０は、電池ブロック３２を下面から冷却する冷却プレート４１で角形電池１を冷却する。このバッテリシステムは、冷却プレート４１の上面に電池ブロック３２を固定して、各々の角形電池１を冷却プレート４１に熱結合状態に配置している。すなわち、電池ブロック３２の表面に熱結合するように冷却プレート４１を配置している。図７のバッテリシステムは、電池ブロック３２の下面に冷却機構４０の冷却プレート４１を固定して、角形電池１の外装缶の底面を冷却プレート４１に熱結合状態に密着している。この電池ブロック３２は、角形電池１の外装缶を金属製として、各々の角形電池１を底面から均一に冷却できる。
【００２７】
冷却プレート４１は、内部に冷媒配管４２を配置している。冷媒配管４２は、フレオンや炭酸ガスなどの冷媒が液状で供給され、内部で冷媒を気化させて気化熱で冷却プレート４１を冷却する。この冷却プレート４１は、図示しないが、冷媒配管４２で気化された気体状の冷媒を加圧するコンプレッサと、このコンプレッサで圧縮された冷媒を冷却して液化させる冷却熱交換器と、この冷却熱交換器で液化された冷媒を冷媒配管に供給する膨張弁とを備える冷却装置に連結される。膨張弁を介して供給される液状の冷媒は、冷却プレート４１内の冷媒配管４２で気化され、気化熱で冷却プレート４１を冷却して冷却装置に排出される。したがって、冷媒は冷却プレート４１の冷媒配管４２と冷却装置とに循環して、冷却プレート４１を冷却する。この冷却機構４０は、冷媒の気化熱で冷却プレート４１を低温に冷却するが、冷却プレートは、気化熱によらず冷却することもできる。この冷却プレートは、媒配配管には、低温に冷却されたブラインなどの冷媒を供給して、冷媒の気化熱でなくて、低温の冷媒で直接に冷却プレートを冷却する。
【００２８】
図７のバッテリシステムは、冷却プレート４１で角形電池１を冷却するので、角形電池１の間に冷却風路を設ける必要がない。ただし、バッテリシステムは、冷却風路に強制送風し、さらに、表面に冷却プレートを熱結合状態に配置して、両方で冷却することもできるのは言うまでもない。
【００２９】
図７のバッテリシステムは、角形電池１の間に冷却風路を設けることなく、角形電池１の間に吸水層３５を挟着している。吸水層３５は絶縁材で、隣接する角形電池１を絶縁すると共に、ここに発生する結露水を吸収する。この吸水層３５は、絶縁性の吸収紙、不織布、連続気泡を有するプラスチック発泡体などが使用できる。
【００３０】
さらに、図７のバッテリシステムは、電池ブロック３２の表面にＰＴＣヒーター３３Ａを熱結合状態に固定している。図のバッテリシステムは、冷却プレート４１と電池ブロック３２との間、図にあっては、電池ブロック３２の下面と冷却プレート４１との間にＰＴＣヒーター３３Ａを配置している。ＰＴＣヒーター３３Ａは、角形電池１の外装缶を底面から加温する。このバッテリシステムは、ＰＴＣヒーター３３Ａで加温される外装缶で吸水層３５を加温して、吸水層３５に吸収された結露水を除去する。さらに、ＰＴＣヒーター３３Ａは、極低温に冷却される角形電池１を設定温度まで加温して、効率よく充放電できる状態とする。
【００３１】
以上のバッテリシステムは、角形電池１を加温するヒーター３、３３にＰＴＣヒーター３Ａ、３３Ａを使用する。ＰＴＣヒーター３Ａ、３３Ａは、設定温度に上昇するまでの電気抵抗が極めて小さく、設定温度に加温されて電気抵抗が急激に増加して実質的に電流を遮断する。したがって、ＰＴＣヒーター３Ａ、３３Ａで角形電池１を設定温度に加温するバッテリシステムは、角形電池１を速やかに設定温度に加温できると共に、ヒーター３、３３を設定された温度に制御するために複雑な制御回路を設ける必要がなく、回路構成を簡単にできる。ただ、ＰＴＣヒーターの温度を制御回路で制御することで、より安全に角形電池を設定温度に加温することができる。ただし、本発明のバッテリシステムは、ヒーターを必ずしもＰＴＣヒーターに特定するのではない。ヒーターは、通電して角形電池を加温できるすべのものを使用できるからである。
【００３２】
以上のバッテリシステムは、使用される温度と湿度の外的条件によって、電池ブロック２、３２に結露水が発生すると、この結露水が吸水層５、３５に吸収される。吸水層５、３５に吸収された結露水は、ヒーター３、３３で加温することで速やかに除去される。ヒーター３、３３は、吸水層５、３５を加温して結露水を除去し、また、極低温の角形電池１を設定温度まで加温する。したがって、ヒーター３、３３は、結露水を検出する結露センサ（図示せず）で通電が制御され、さらに、角形電池１の温度を検出する温度センサ（図示せず）で通電が制御される。結露センサは、吸水層５、３５が結露水を吸収したかどうかを検出するセンサ、あるいは温度と湿度から結露の発生を検出するものが使用できる。吸水層５、３５の結露を結露する結露センサは、図示しないが、吸水層５、３５に接近して配設している一対の電極を備える。この結露センサは、吸水層５、３５が結露水を吸収すると、吸収された水分によって一対の電極間の電気抵抗が低下する。したがって、一対の電極間の電気抵抗で吸水層５、３５の結露を検出できる。また、温度と湿度から結露を検出する結露センサは、結露が発生しやすい部分、たとえば、冷却気体で冷却され、あるいは冷却プレート４１で直接に冷却される部分の表面温度を検出し、さらに、この表面温度を検出する部分に接触する空気の温度と相対湿度を検出して、結露の発生を検出できる。それは、図１に示す特性から、空気の温度と相対湿度から、この空気が冷却されて飽和する、すなわち結露する温度が特定されるからである。結露センサが結露を検出する状態で、ヒーター３、３３に通電される。この状態で、ヒーター３、３３は結露水を吸収する吸水層５、３５を加温して、吸収する結露水を速やかに気化して除去する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】温度に対する飽和水蒸気量を示すグラフである。
【図２】本発明の一実施例にかかるバッテリシステムの概略構成図である。
【図３】図２に示すバッテリシステムの電池ブロックの斜視図である。
【図４】図２に示すバッテリシステムの電池ブロックのＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図４に示す電池ブロックの要部拡大断面図である。
【図６】図３に示す電池ブロックの角形電池の積層構造を示す分解斜視図である。
【図７】本発明の他の実施例にかかるバッテリシステムの概略断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…角形電池
２…電池ブロック
３…ヒーター                    ３Ａ…ＰＴＣヒーター
４…絶縁材                      ４Ａ…縦溝
５…吸水層
６…セパレータ                  ６Ａ…冷却溝
６Ｂ…スリット
７…冷却風路
１１…電極端子
１２…エンドプレート
１３…連結金具
２０…冷却機構
２１…冷却ダクト
２２…送風機構                  ２２Ａ…冷却ファン
３２…電池ブロック
３３…ヒーター                  ３３Ａ…ＰＴＣヒーター
３５…吸水層
４０…冷却機構
４１…冷却プレート
４２…冷媒配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010129392.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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