バッテリ温度調節ユニット及びバッテリ温度調節装置
【課題】バッテリの効率的な温度調整を可能とする、新しいバッテリ温度調節ユニット及びバッテリ温度調節装置を提供する。
【解決手段】隣り合うバッテリセルの間に介挿可能なバッテリ温度調節ユニットであって、ヒートパイプと、ヒータとを備え、前記温度調節ユニットが前記バッテリセルの間に介挿された際に、前記ヒートパイプと、前記ヒータとが、前記バッテリセルと熱的に接続可能な状態で配置されるように構成され、前記ヒートパイプは、バッテリ冷却時には前記ヒートパイプにより前記バッテリセルの熱が冷却ジャケットに輸送され、前記バッテリセルの冷却を効率的に行い、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱で前記ヒートパイプ内がドライアウトし、ヒータの熱がヒートパイプを通して冷却ジャケットから漏れることを防ぐことを特徴とする、バッテリ温度調節ユニットおよびこれを備えたバッテリ温度調節装置。
【解決手段】隣り合うバッテリセルの間に介挿可能なバッテリ温度調節ユニットであって、ヒートパイプと、ヒータとを備え、前記温度調節ユニットが前記バッテリセルの間に介挿された際に、前記ヒートパイプと、前記ヒータとが、前記バッテリセルと熱的に接続可能な状態で配置されるように構成され、前記ヒートパイプは、バッテリ冷却時には前記ヒートパイプにより前記バッテリセルの熱が冷却ジャケットに輸送され、前記バッテリセルの冷却を効率的に行い、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱で前記ヒートパイプ内がドライアウトし、ヒータの熱がヒートパイプを通して冷却ジャケットから漏れることを防ぐことを特徴とする、バッテリ温度調節ユニットおよびこれを備えたバッテリ温度調節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリ温度調節ユニット及びバッテリ温度調節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年開発が進んでいるハイブリッド自動車や電気自動車では、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池（バッテリ）が搭載されている。
【０００３】
これらの蓄電池には、最適使用温度範囲がある。例えば０℃以下の低温状態においては、放電電圧が低下することなどからバッテリの出力が低下する。また、例えば５０℃以上の高温状態が続く場合は、電池材料が劣化し易くなることなどからバッテリの寿命が短命となる。
【０００４】
この様な問題に対処するために、特許文献１には、エアボックス１０１と、送風機としてのブロアファン１０２と、ブロアファン１０２によって送風されるエアを冷却自在のクーリングユニット１０３と、クーリングユニット１０３を通過したエアを加温可能なサブコンデンサ１０４と、サブコンデンサ１０４を通過したエアを車室内に導く室内用ダクト１０５とを備え、バッテリフレーム１５０にエアを導くべく室内用ダクト１０５から、バッテリダクト１０６を分岐させると共に、室内用ダクト１０５とバッテリダクト１０６との分岐位置に、サブコンデンサ１０４を通過したエアを室内用ダクト１０５側へ又はバッテリダクト１０６側へ切り換え自在かつ切り換え開度調節自在のバッテリドア１０７を設けたことにより、車室内の空調を行うためのエアを利用してバッテリフレーム１５０内のバッテリ１５１を冷却又は加温を可能にした電気自動車の空調装置１００が開示されている（図１５参照）。
【０００５】
また、特許文献２には、キャビンの空調に使用されたエアを、導入用流路を経て電池収納ケース内部に導入し、電池収納ケース内部に収納されている車両推進用の電池の冷却又は暖気を行う様に構成した電動車両搭載電池温度調整装置が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、寒冷時や寒冷地におけるバッテリの温度低下を防止するために、バッテリを断熱材で覆い、これに加えて電気ヒータ等の加熱手段を併用することが記載されている。
【０００７】
特許文献４には、バッテリモジュールにヒートパイプを接触させ、他端をヒートシンクに接続し、バッテリで発生した熱をヒートシンクへ輸送するよう構成されたことを特徴とする電気自動車のバッテリ冷却装置が記載されている。特許文献４に記載のバッテリ冷却装置において、前記ヒートシンクは、内部にパラフィンなどの蓄熱材を包含しているとともに、該蓄熱材内部を貫通する冷却水通路と、該冷却水通路と接続した冷却水配管と電動ポンプとラジエータとを備えており、前記ヒートシンクに伝えられた熱が前記蓄熱材の潜熱に費やされるとともに、冷却水を通して前記ラジエータにより外気へも放出できるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３０５００５１号公報
【特許文献２】特許第３７３３６８２号公報
【特許文献３】特開平１０−３２０２１号公報
【特許文献４】特開平１１−２０４１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１や特許文献２の様に、バッテリに空気を流して温度調節する場合、熱伝導媒体となる空気は、バッテリの収容部材等の周辺部材も加熱又は冷却してしまうため、熱の一部をロスし、バッテリの加温効率等が低下してしまうという問題があった。また、バッテリに空気を流した場合、風上と風下で空気温度に差が生じることから、バッテリ内部での温度差が発生し、例えばバッテリを構成する一部のセルに負荷が集中し、当該セルで障害が発生するという可能性がある。さらに、ヒートパイプで熱源の熱を輸送させて加温する場合には、加温に要する熱量を運ぶために多数のヒートパイプが必要となり、装置重量が増加するという問題もあった。
【００１０】
一方、特許文献３に記載されたバッテリ保温装置を用いて、バッテリを加熱する場合にも、ヒータとの接触部に近い箇所と離れた箇所で温度差が生じるという問題がある。さらに、特許文献４に記載された装置では、ヒートパイプのみで加温・冷却を行っており、加温や冷却の効率に問題があった。
【００１１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、効率的かつ経済的なバッテリの温度調整を可能とする、新しいバッテリ温度調節ユニット及びバッテリ温度調節装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その第１の態様は、隣り合うバッテリセルの間に介挿可能なバッテリ温度調節ユニットであって、前記バッテリセルの冷却用のヒートパイプと、ヒータとを備え、前記温度調節ユニットが前記バッテリセルの間に介挿された際に、前記ヒートパイプと、前記ヒータとが、前記バッテリセルと熱的に接続可能な状態で配置されるように構成され、好ましくは、前記ヒートパイプの限界熱輸送量が、前記ヒートパイプと熱的に接続するバッテリセルの総発熱量以上であり、かつ、前記ヒータの発熱量よりも小さいことにより、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱で前記ヒートパイプがドライアウトすることを特徴とする、バッテリ温度調節ユニットである。
【００１３】
本発明の第２の態様は、前記ヒートパイプの冷却媒体を供給するためのジャケット又は前記ヒートパイプに接続されたフィンを備えるバッテリ温度調節ユニットである。
【００１４】
本発明の第３の態様は、前記ヒートパイプと、前記ヒータとを固定し、これらと熱的に接続された固定手段をさらに備え、かつ、前記温度調節ユニットが前記隣り合うバッテリセルに介挿された際に、前記固定手段が前記隣り合うバッテリセルと熱的に接続可能に構成したことを特徴とするバッテリ温度調節ユニットである。
【００１５】
本発明の第４の態様は、前記バッテリセルが角柱形バッテリセルであり、前記固定手段が、少なくとも２枚の金属製プレートを備え、前記ヒートパイプ及び前記ヒータが前記金属製プレートの間に固定されていることを特徴とするバッテリ温度調節ユニットである。
【００１６】
本発明の第５の態様は、前記バッテリセルが円柱形バッテリセルであり、前記固定手段の両側面に、凹部と係止対が形成され、前記ヒートパイプ及び前記ヒータが前記固定手段に収容され、かつ、前記バッテリセルが前記係止対により、前記凹部に嵌合した状態で固定されるように構成したことを特徴とする、バッテリ温度調節ユニットである。
【００１７】
本発明の第６の態様は、前記ヒータがＰＴＣヒータであるバッテリ温度調節ユニットである。
【００１８】
本発明の第７の態様は、複数のバッテリセルを備えたバッテリの温度を調節するバッテリ温度調節装置であって、隣り合うバッテリセルの間に介挿された温度調節ユニットを備え、前記温度調節ユニットは、前記バッテリセルと熱的に接続された、前記バッテリセルの冷却用のヒートパイプ及びヒータを備え、前記ヒートパイプの限界熱輸送量が、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱でドライアウトするように設定されていることを特徴とする、バッテリ温度調節装置である。
【００１９】
本発明の第８の態様は、前記ヒートパイプに、前記バッテリセルを冷却する冷却手段が熱的に接続されている温度調節装置である。
【００２０】
本発明の第９の態様は、冷却手段に熱的に接続されたヒートパイプを備え、かつヒータを備えないバッテリ冷却ユニットをさらに備え、前記バッテリ冷却ユニットのヒートパイプが、バッテリセルの前記温度調節ユニットとの熱的な接続面とは反対側の面に、熱的に接続されていることを特徴とするバッテリ温度調節装置である。
【００２１】
本発明の第１０の態様は、前記冷却手段が、水冷手段又はフィンを介して熱的に接続された空冷手段であることを特徴とするバッテリ温度調節装置である。
【００２２】
本発明の第１１の態様は、前記ヒータがＰＴＣヒータであるバッテリ温度調節装置である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のバッテリ温度調節ユニットおよびバッテリ温度調節装置によれば、ヒータがバッテリセルの間に介挿されるように構成したので、バッテリの均一な加温を迅速に実現することができる。また、好適な態様においては、バッテリ加温時には、ヒートパイプがドライアウトするように、ヒートパイプの限界熱輸送量が設定されているので、ヒータからの熱を不要にバッテリ外部に輸送することがない。そのため、ヒートパイプに接続される冷却手段を常に作動させていてもバッテリの加温が可能となる。そのため、冷却手段を不要な機構によって制御する必要が無い。
【００２４】
さらに、バッテリ駆動時には、冷却用のヒートパイプを介してバッテリセルの熱が効率的に放散される。
【００２５】
従って、このようなバッテリ冷却温度調節ユニットおよびバッテリ温度調節装置によれば、バッテリの多様な温度調節に対応することができ、効率的かつ経済的なバッテリの温度調整が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明のバッテリ温度調節ユニットをバッテリ要素の間に介挿した状態の斜視図である。
【図２】図２は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解斜視図である。
【図３】図３は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの断面図である。
【図４】図４は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解斜視図である。
【図５】図５は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの断面図である。
【図６】図６は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解斜視図である。
【図７】図７は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの断面図である。
【図８】図８は、本発明のバッテリ温度調節ユニットをバッテリ要素の間に介挿した状態の斜視図である。
【図９】図９は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明のバッテリ温度調節装置の斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明のバッテリ温度調節装置の上面図である。
【図１２】図１２は、本発明のバッテリ温度調節装置が備えるバッテリ冷却ユニットの分解斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明のバッテリ温度調節装置が備えるバッテリ冷却ユニットの断面図である。
【図１４】図１４は、実施例のシミュレーション結果を説明する図である。
【図１５】図１５は、従来技術のバッテリ温度調節システムを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を、実施形態に即して詳細に説明する。なお、図面及びその説明は、本発明の実施形態を示すものであり、本発明を限定するものではない。
【００２８】
［バッテリ温度調節ユニット］
図１は、本発明のバッテリ温度調節ユニットを、バッテリセルの間に介挿した状態の斜視図である。図２は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解図である。図３は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの断面図である。
【００２９】
バッテリ温度調節ユニット１０は、ヒートパイプ１１と、ヒータ１２と、水冷ジャケット１４を備えている。ヒートパイプ１１およびヒータ１２は、バッテリ温度調節ユニット１０がバッテリ要素Ａの間に介挿された際に、隣り合うバッテリ要素Ａを構成する計１０個のバッテリセルａと熱的に接続可能な状態で、バッテリ要素Ａの間に配置される（図１）。なお、本明細書において、バッテリ要素とは、一のバッテリセルからなるか、複数のバッテリセルを並べてなる単位（列）を意味する。
【００３０】
ヒートパイプ１１は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属製または上記金属からなる合金製である密閉されたコンテナの内部に、作動液が減圧状態で封入されてなる。コンテナの形状には、本実施形態の断面略長方形状の他、断面扁平状型、丸形、板状型等がある。ヒートパイプには、コンテナ内面に、金属ワイヤのメッシュやコイル、多孔性金属などによりウィックを形成したものや、コンテナ内面にグルーブ加工（溝加工）をしたものがある。本発明におけるヒートパイプ１１には、コンテナ内面にサーモスタットを導入し、熱輸送したいときに作動液を循環できるような内部構造を設けたものを用いても良い。
【００３１】
また、ヒートパイプ１１の内部には、作動液の流路となる空間が設けられている。この空間に収容された作動液が蒸発（受熱部）・凝縮（放熱部）の相変化と内部移動をすることによって、熱輸送が行われる。作動液としては、特に制限されるものではないが、コンテナ容器の材料に応じて、水、ＨＣＦＣ−２２などのハイドロクロロフルオロカーボン、ＨＦＣＲ１３４ａ、ＨＦＣＲ４０７Ｃ、ＨＦＣＲ４１０Ａ、ＨＦＣ３２などのハイドロフルオロカーボン、ＨＦＯ１２３４ｙｆなどのハイドロフルオロオレフィン、炭酸ガス、アンモニア、およびプロパンなどがあげられる。これらの中でも、性能及び地球環境への影響を考慮すると、水や炭酸ガス及びハイドロフルオロオレフィンなどが好ましい。
【００３２】
ヒータ１２としては、特に制限されるものではないが、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータが好適である。ＰＴＣヒータはヒータ素子をプラスチックフィルム等で密閉した極薄ヒータであるため、バッテリ要素Ａの間に介挿するのに適している。また、バッテリ温度調節ユニット及びバッテリ温度調節装置の小型化や軽量化にも有用である。さらに、ＰＴＣヒータは、ヒータ素材の材料特性から自己温度制御機能を有するため、経済的であり、かつ信頼性が高い。加えて、ＰＴＣヒータは、設定温度まで迅速に到達することから、効率的な加温を達成することができる。
【００３３】
本例において、ヒートパイプ１１と、ヒータ１２は、固定手段１３により固定されている。固定手段１３は、バッテリ要素Ａの間に介挿可能な形状（略長方形状）の金属板１３ａ、１３ｂを備える。金属板１３ａ、１３ｂは、ヒートパイプ１１及びヒータ１２を挟んで固定すると共に、ヒートパイプ１１、ヒータ１２と熱的に接続している。金属板としては、銅、アルミニウムおよびこれらの合金などの熱伝導率の高い金属が好ましい。固定手段１３は、隣り合うバッテリ要素Ａを構成する計１０個のバッテリセルａと熱的に接続している。なお、固定手段１３に接続されるバッテリセルの個数は、本明細書記載の個数に限定されるものではなく、車載されるバッテリの個数や、そのレイアウトにより適宜決定されるものである。
【００３４】
ヒートパイプ１１及びヒータ１２を、金属板１３ａおよび１３ｂへ固定する方法としては、特に制限されないが、半田付、粘着テープによる接着、リベット等による接合、かしめ接合など通常公知の手段を採用することができる。また、金属板１３ａ及び１３ｂの間に複数の支柱を設け、当該支柱の間にヒートパイプを挿通させることにより、ヒートパイプが固定される様に構成しても良い。さらに、必要に応じて、ヒートパイプ１１の外表面と金属板１３ａおよび１３ｂとの接触部分に、隙間を埋めるように熱伝導グリス等の熱伝導部材を塗布しても良い。
【００３５】
金属板１３ａ、１３ｂの端部には、ジャケット１４ａ、１４ｂが接続されている。ジャケット１４ａ、１４ｂには、冷却水等の温度調整媒体が供給される。無論、冷媒が水に限定される必要はない。ヒートパイプ１１は、ジャケット１４ａ、１４ｂと直接接続されても良いし、金属板１３ａ、１３ｂを介して接続されても良い。また、本発明における水冷ジャケット１４には、常に冷却水を循環させていても良い。
【００３６】
次に、バッテリ温度調節ユニット１０を用いたバッテリの温度調整方法について説明する。
【００３７】
まず、バッテリが低温状態の際には、バッテリ要素Ａの間に介挿されたヒータ１２によりバッテリセルａの均一な加温が迅速に行われる。この際に、ヒータ１２から供給される熱量が、ヒートパイプ１１で輸送できる熱量である最大熱輸送量を超えるように、ヒートパイプ１１を設計もしくは選択する。そうすると、ヒータ１２の熱によってヒートパイプ１１がドライアウトするために、ヒータ１２の熱はヒートパイプ１１によって熱輸送されにくくなる。従って、ヒータ１２の熱が、ヒートパイプ１１の端部を介してジャケット１４ａ、１４ｂから拡散されていくのを防止することができ、効率的にバッテリの加温を行うことができる。ヒータ１２の発熱量は、ヒートパイプ１１の最大熱輸送量を超えることが好ましく、特に１１０％以上の高い値とすることが好ましい。
【００３８】
ここで、ヒートパイプの「ドライアウト」について説明する。前述の通り、ヒートパイプの内部には、作動液の流路となる空間が設けられている。そして、この空間に収容された作動液が受熱部（蒸発部）で蒸発し、放熱部（凝縮部）で凝縮することにより、熱輸送が行われる。そのため、ヒートパイプには限界となる熱輸送量が存在し、その限界熱輸送量を超えた熱入力が受熱部からされると、ヒートパイプは蒸発部での作動液の液枯れ現象、いわゆるドライアウトが発生する。この状態になると、ヒートパイプ内で適正な作動液の循環が行われなくなるため、熱輸送が行われなくなる。なお、ヒートパイプの限界熱輸送量の調整は、例えばヒートパイプ内の作動液量の調整などの通常公知の手段により容易に行うことができる。
【００３９】
本発明においては、ヒータ１２からのヒートパイプの限界熱輸送量を超える熱を与えることによって、ヒートパイプ１１がドライアウトする。従って、ヒータ１２の熱が、ヒートパイプ１１を通して水冷ジャケット１４側へと流出するのを防ぐことができる。これによって、ヒータ１２の熱を主としてバッテリセルａの加温に充てることができる。
【００４０】
一方、バッテリの過熱時には、ヒートパイプ１１を介してバッテリセルａを効率的に冷却することができる。すなわち、ヒートパイプ１１と熱的に接続している計１０個のバッテリセルａからの総発熱量（好ましくは最大出力時の総発熱量）が、ヒートパイプの限界熱輸送量以下となるように、ヒートパイプ１１が選択されている。ヒートパイプの限界熱輸送量は、ヒートパイプが熱的に接続するバッテリセルの総発熱量を超えることが好ましい。なお、言うまでもなく、冷却時には、ヒータ１２からの熱供給は停止しているか、遮断されている。したがって、ヒートパイプ１１はドライアウトを起こさず、バッテリセルａの熱を水冷ジャケットへと熱輸することができる。そして、ジャケット１４ａ、１４ｂには、冷却水等の冷却媒体が供給されるため、ヒートパイプ１１を介して輸送されるバッテリセルａの熱を効率的に冷却することができる。なお、前述した通り、冷却水などの媒体は冷却ジャケット中を常に循環していても良い。
【００４１】
本発明におけるバッテリ温度調節ユニットでは、バッテリ加温時にヒータ１２からの熱によってヒートパイプ１１はドライアウトする。しかしながら、ヒータ１２の不具合などでバッテリセルａを十分に加熱できない場合は、冷却ジャケット１４中に温水を流すことによって、ヒートパイプ１１を介してバッテリを補助的に加温することもできる。
【００４２】
次に、本発明のバッテリ温度調節ユニットの別の実施形態を説明する。図４は、本発明のバッテリ温度調節ユニット２０の分解斜視図である。また、図５は、バッテリ温度調節ユニット２０の断面図である。なお、バッテリ温度調節ユニット１０と重複する部材については、共通する符号を付した。
【００４３】
バッテリ温度調節ユニット２０では、ヒートパイプ１１は、フィン１５と熱的に接続している。すなわち、ヒートパイプ１１は、フィン１５を介して、外部雰囲気や空調装置等（空冷手段）と熱交換が可能となっている。
【００４４】
この実施形態では、バッテリが低温状態の際に、バッテリ要素Ａの間に介挿されたヒータ１２によりバッテリセルａの均一な加温が迅速に行われる。この際に、ヒータ１２から供給される熱量は、ヒートパイプの最大熱輸送量を超えるように、ヒートパイプが設計もしくは選択されている。そうすると、ヒートパイプ１１を通してフィン１５から、ヒータ１２の熱の一部が放熱されることがないため、効率的にバッテリの加温を行うことができる。一方、バッテリの過熱時には、ヒータ１２からの熱供給を停止若しくは遮断し、フィン１５に冷却風を流すことにより、ヒートパイプ１１及びフィン１５を介してバッテリセルａの熱が放散される。
【００４５】
また、さらに、フィンからの熱拡散を抑制する熱拡散抑制手段を設けてもよい。熱拡散抑制手段としては、例えば、フィンの周囲の空間、特に上部空間を塞ぐことにより、自然対流を抑止する閉塞手段があげられる。
【００４６】
さらに、本発明の本発明のバッテリ温度調節ユニットは、水冷ジャケット１４とフィン１５を同時に用いても良い。この場合、例えば、バッテリ要素Ａの一方の端部に水冷ジャケットを、他方の端部にフィンを配置する。若しくは、一方の端部に水冷ジャケットとフィンを同時に配置しても良いし、両方の端部に水冷ジャケットとフィンを配置しても良い。これらはすべて、設計変更によって自由に行うことができる。
【００４７】
次に、上記のような角柱状のバッテリセルに代えて、他の形状のバッテリセルを用いる例を図６及び図７を用いて説明する。図６は、本発明のバッテリ温度調節ユニット５０を、円柱状のバッテリセルａの間に介挿した状態の斜視図である。また、図７は、バッテリ温度調節ユニット５０の分解斜視図である。なお、図６及び図７において、バッテリ温度調節ユニット１０と重複する部材については、共通する符号を付した。
【００４８】
バッテリ温度調節ユニット５０の固定手段５３には、ヒートパイプ収容孔５７及びヒータ収容孔５８が設けられており、これらにそれぞれ、ヒートパイプ１１及びヒータ５８が収容される。固定手段５３の両側面には、バッテリセルａの外周形状に合わせて形成された凹部５５と、係止対５６ａ及び５６ｂが形成されている。バッテリセルａは、係止対５６ａ及び５６ｂによって、凹部５５に嵌合した状態で保持される。
【００４９】
固定手段５３の端部には、バッテリ温度調節ユニット１０と同様に、ジャケット１４ａ、１４ｂが接続されている。なお、バッテリ温度調節ユニット２０と同様に、ジャケット１４ａ、１４ｂに代えて、ヒートパイプ１１にフィンを接続する構成としても良いことは言うまでもない。
【００５０】
なお、以上の実施形態では、並列した２本のヒートパイプをバッテリ要素Ａの間に介挿するように構成したが、ヒートパイプの本数は２本に限られず、１本でも良く、３本以上でも良い。配置方法も並列配置に限られるものではない。例えば、図８に示すように、直列に接続した複数のヒートパイプ（ヒートパイプ１１ａ１〜１１ａ４）が、バッテリ要素Ａの間に介挿されるように構成しても良い。また、複数のヒートパイプを用いる場合には、これらは必ずしも同一のヒートパイプでなくても良く、異なる種類のヒートパイプの種々の組合せを選択することができる。具体例を、バッテリ温度調節ユニット１０の変形例であるバッテリ温度調節ユニット１０’（図８及び図９）を前提として説明する。ただし、バッテリ温度調節ユニット１０’と同様のヒートパイプの組合せが、他のバッテリ温度調節ユニット（バッテリ温度調節ユニット２０、５０等）にも適用できることは言うまでもない。
【００５１】
すなわち、少なくとも、ジャケット１４ａ、１４ｂに最も近いヒートパイプ１１ａ１の作動液を、蒸発潜熱の低いものとし、ヒートパイプ１１ａ２〜１１ａ４よりもヒートパイプ１１ａ１をドライアウトし易くする。これにより、例えば、ヒータ１２による加温時に、ヒートパイプをドライアウトさせて、ヒートパイプ１１ａ１の作動を停止すれば、ヒートパイプ１１ａ１端部からの熱の散逸を防止することができる。
【００５２】
［バッテリ温度調節装置］
次に、本発明に係るバッテリ温度調節装置について説明する。本発明に係るバッテリ温度調節装置は、上記のバッテリ温度調節ユニットを備えることを特徴とする。図１０は、本発明のバッテリ温度調節装置１００の実施形態に係る斜視図であり、図１１は、その上面図である。
【００５３】
バッテリ温度調節装置１００は、本発明のバッテリ温度調節ユニット１０と、バッテリ冷却ユニット３０とを備える。なお、バッテリ温度調節ユニット１０は、水冷ジャケット１４を備え、ヒートパイプ１１が冷却手段（水冷手段）と熱的に接続される。バッテリ冷却ユニット３０の構成は、ヒータを備えない以外はバッテリ温度調節ユニット１０の構成と同様となっている（図１２及び図１３参照）。
【００５４】
バッテリ温度調節装置１００において、バッテリ温度調節ユニット１０と、バッテリ冷却ユニット３０は、バッテリ要素Ａのすき間に交互に配置されている。すなわち、バッテリ冷却ユニット３０のヒートパイプ３１が、バッテリセルａの温度調節ユニット１０との熱的な接続面とは反対側の面に、熱的に接続されている。
【００５５】
本発明者等の解析により、冷却についてはバッテリセルの両面から行うことが有効であり、加温についてはバッテリセルの片面からでも十分であることが判明しているので、バッテリ温度調節装置１００を用いることにより、バッテリの加温及び冷却を効率的に行うことを可能にすると共に、装置の軽量化が達成される。
【００５６】
なお、上記バッテリ温度調節装置１００では、バッテリ温度調節ユニット１０とバッテリ冷却ユニット３０が水冷ジャケットを備えているが、水冷ジャケットに替えて、フィンを接続することにより、ヒートパイプ１１及びヒートパイプ３１を冷却手段（外部雰囲気又は空調装置等）に接続する構成としても良い。また、水冷ジャケット又はフィンは、ユニット１０、３０にそれぞれ１つずつ設置することも可能であるが、複数のユニットが１つの水冷ジャケット又はフィンを共有する構成としても良い。
【実施例】
【００５７】
本発明のバッテリ温度調節ユニット１０の実施例を示す。図１に示すバッテリの温度調節ユニット１０は、計１０個（片側５個）のバッテリセルａに、２本のヒートパイプ１１とヒータ１２が固定手段と共に介挿されている。本実施例では、ヒータ１２は３００Ｗの発熱量を有している。このとき、ヒートパイプ１１は、その限界熱輸送量が、バッテリセルの総発熱量よりも若干大きい６０Ｗとなるように設計もしくは選択し、ヒータ１２の近傍に配置すると、加温時にヒータ１２の熱でドライアウトする。
【００５８】
本発明のバッテリ温度調節装置１００による温度調整能力をシミュレーションにより確認した。冷却機能の検証として、バッテリセルの発熱量を５Ｗ／個とし、ヒートパイプの限界熱輸送量を６０Ｗとし、水冷ジャケットに２．５リットル／分の冷却水を流す設計を行った。この場合、バッテリの温度上昇は約１２℃であり、各セル間の温度部分布は０．６℃に抑えることができることが確認された。
【００５９】
また、加温機能の検証として、同様の設計をされたバッテリ温度調整ユニットにおいて、ＰＴＣヒータからバッテリセル１個あたり３０Ｗの加熱をする設計を行った。この場合、初期状態として平均温度−２０℃だったバッテリセルは、加熱開始１２０秒後に５．６℃上昇し、６００秒後には平均温度約０℃に到達することが確認された（図１４）。これらのことから、本発明のバッテリ温度調節ユニットを用いることにより、バッテリの均一な加温および冷却を迅速に実現することができる事が分かる。
【符号の説明】
【００６０】
１０、２０、５０ バッテリ温度調節ユニット
１１ ヒートパイプ
１２ ヒータ
１３、５３ 固定手段
１４ 水冷ジャケット
１５ フィン
３０ バッテリ冷却ユニット
Ａ バッテリ要素
ａ バッテリセル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリ温度調節ユニット及びバッテリ温度調節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年開発が進んでいるハイブリッド自動車や電気自動車では、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池（バッテリ）が搭載されている。
【０００３】
これらの蓄電池には、最適使用温度範囲がある。例えば０℃以下の低温状態においては、放電電圧が低下することなどからバッテリの出力が低下する。また、例えば５０℃以上の高温状態が続く場合は、電池材料が劣化し易くなることなどからバッテリの寿命が短命となる。
【０００４】
この様な問題に対処するために、特許文献１には、エアボックス１０１と、送風機としてのブロアファン１０２と、ブロアファン１０２によって送風されるエアを冷却自在のクーリングユニット１０３と、クーリングユニット１０３を通過したエアを加温可能なサブコンデンサ１０４と、サブコンデンサ１０４を通過したエアを車室内に導く室内用ダクト１０５とを備え、バッテリフレーム１５０にエアを導くべく室内用ダクト１０５から、バッテリダクト１０６を分岐させると共に、室内用ダクト１０５とバッテリダクト１０６との分岐位置に、サブコンデンサ１０４を通過したエアを室内用ダクト１０５側へ又はバッテリダクト１０６側へ切り換え自在かつ切り換え開度調節自在のバッテリドア１０７を設けたことにより、車室内の空調を行うためのエアを利用してバッテリフレーム１５０内のバッテリ１５１を冷却又は加温を可能にした電気自動車の空調装置１００が開示されている（図１５参照）。
【０００５】
また、特許文献２には、キャビンの空調に使用されたエアを、導入用流路を経て電池収納ケース内部に導入し、電池収納ケース内部に収納されている車両推進用の電池の冷却又は暖気を行う様に構成した電動車両搭載電池温度調整装置が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、寒冷時や寒冷地におけるバッテリの温度低下を防止するために、バッテリを断熱材で覆い、これに加えて電気ヒータ等の加熱手段を併用することが記載されている。
【０００７】
特許文献４には、バッテリモジュールにヒートパイプを接触させ、他端をヒートシンクに接続し、バッテリで発生した熱をヒートシンクへ輸送するよう構成されたことを特徴とする電気自動車のバッテリ冷却装置が記載されている。特許文献４に記載のバッテリ冷却装置において、前記ヒートシンクは、内部にパラフィンなどの蓄熱材を包含しているとともに、該蓄熱材内部を貫通する冷却水通路と、該冷却水通路と接続した冷却水配管と電動ポンプとラジエータとを備えており、前記ヒートシンクに伝えられた熱が前記蓄熱材の潜熱に費やされるとともに、冷却水を通して前記ラジエータにより外気へも放出できるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３０５００５１号公報
【特許文献２】特許第３７３３６８２号公報
【特許文献３】特開平１０−３２０２１号公報
【特許文献４】特開平１１−２０４１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１や特許文献２の様に、バッテリに空気を流して温度調節する場合、熱伝導媒体となる空気は、バッテリの収容部材等の周辺部材も加熱又は冷却してしまうため、熱の一部をロスし、バッテリの加温効率等が低下してしまうという問題があった。また、バッテリに空気を流した場合、風上と風下で空気温度に差が生じることから、バッテリ内部での温度差が発生し、例えばバッテリを構成する一部のセルに負荷が集中し、当該セルで障害が発生するという可能性がある。さらに、ヒートパイプで熱源の熱を輸送させて加温する場合には、加温に要する熱量を運ぶために多数のヒートパイプが必要となり、装置重量が増加するという問題もあった。
【００１０】
一方、特許文献３に記載されたバッテリ保温装置を用いて、バッテリを加熱する場合にも、ヒータとの接触部に近い箇所と離れた箇所で温度差が生じるという問題がある。さらに、特許文献４に記載された装置では、ヒートパイプのみで加温・冷却を行っており、加温や冷却の効率に問題があった。
【００１１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、効率的かつ経済的なバッテリの温度調整を可能とする、新しいバッテリ温度調節ユニット及びバッテリ温度調節装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その第１の態様は、隣り合うバッテリセルの間に介挿可能なバッテリ温度調節ユニットであって、前記バッテリセルの冷却用のヒートパイプと、ヒータとを備え、前記温度調節ユニットが前記バッテリセルの間に介挿された際に、前記ヒートパイプと、前記ヒータとが、前記バッテリセルと熱的に接続可能な状態で配置されるように構成され、好ましくは、前記ヒートパイプの限界熱輸送量が、前記ヒートパイプと熱的に接続するバッテリセルの総発熱量以上であり、かつ、前記ヒータの発熱量よりも小さいことにより、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱で前記ヒートパイプがドライアウトすることを特徴とする、バッテリ温度調節ユニットである。
【００１３】
本発明の第２の態様は、前記ヒートパイプの冷却媒体を供給するためのジャケット又は前記ヒートパイプに接続されたフィンを備えるバッテリ温度調節ユニットである。
【００１４】
本発明の第３の態様は、前記ヒートパイプと、前記ヒータとを固定し、これらと熱的に接続された固定手段をさらに備え、かつ、前記温度調節ユニットが前記隣り合うバッテリセルに介挿された際に、前記固定手段が前記隣り合うバッテリセルと熱的に接続可能に構成したことを特徴とするバッテリ温度調節ユニットである。
【００１５】
本発明の第４の態様は、前記バッテリセルが角柱形バッテリセルであり、前記固定手段が、少なくとも２枚の金属製プレートを備え、前記ヒートパイプ及び前記ヒータが前記金属製プレートの間に固定されていることを特徴とするバッテリ温度調節ユニットである。
【００１６】
本発明の第５の態様は、前記バッテリセルが円柱形バッテリセルであり、前記固定手段の両側面に、凹部と係止対が形成され、前記ヒートパイプ及び前記ヒータが前記固定手段に収容され、かつ、前記バッテリセルが前記係止対により、前記凹部に嵌合した状態で固定されるように構成したことを特徴とする、バッテリ温度調節ユニットである。
【００１７】
本発明の第６の態様は、前記ヒータがＰＴＣヒータであるバッテリ温度調節ユニットである。
【００１８】
本発明の第７の態様は、複数のバッテリセルを備えたバッテリの温度を調節するバッテリ温度調節装置であって、隣り合うバッテリセルの間に介挿された温度調節ユニットを備え、前記温度調節ユニットは、前記バッテリセルと熱的に接続された、前記バッテリセルの冷却用のヒートパイプ及びヒータを備え、前記ヒートパイプの限界熱輸送量が、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱でドライアウトするように設定されていることを特徴とする、バッテリ温度調節装置である。
【００１９】
本発明の第８の態様は、前記ヒートパイプに、前記バッテリセルを冷却する冷却手段が熱的に接続されている温度調節装置である。
【００２０】
本発明の第９の態様は、冷却手段に熱的に接続されたヒートパイプを備え、かつヒータを備えないバッテリ冷却ユニットをさらに備え、前記バッテリ冷却ユニットのヒートパイプが、バッテリセルの前記温度調節ユニットとの熱的な接続面とは反対側の面に、熱的に接続されていることを特徴とするバッテリ温度調節装置である。
【００２１】
本発明の第１０の態様は、前記冷却手段が、水冷手段又はフィンを介して熱的に接続された空冷手段であることを特徴とするバッテリ温度調節装置である。
【００２２】
本発明の第１１の態様は、前記ヒータがＰＴＣヒータであるバッテリ温度調節装置である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のバッテリ温度調節ユニットおよびバッテリ温度調節装置によれば、ヒータがバッテリセルの間に介挿されるように構成したので、バッテリの均一な加温を迅速に実現することができる。また、好適な態様においては、バッテリ加温時には、ヒートパイプがドライアウトするように、ヒートパイプの限界熱輸送量が設定されているので、ヒータからの熱を不要にバッテリ外部に輸送することがない。そのため、ヒートパイプに接続される冷却手段を常に作動させていてもバッテリの加温が可能となる。そのため、冷却手段を不要な機構によって制御する必要が無い。
【００２４】
さらに、バッテリ駆動時には、冷却用のヒートパイプを介してバッテリセルの熱が効率的に放散される。
【００２５】
従って、このようなバッテリ冷却温度調節ユニットおよびバッテリ温度調節装置によれば、バッテリの多様な温度調節に対応することができ、効率的かつ経済的なバッテリの温度調整が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明のバッテリ温度調節ユニットをバッテリ要素の間に介挿した状態の斜視図である。
【図２】図２は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解斜視図である。
【図３】図３は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの断面図である。
【図４】図４は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解斜視図である。
【図５】図５は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの断面図である。
【図６】図６は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解斜視図である。
【図７】図７は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの断面図である。
【図８】図８は、本発明のバッテリ温度調節ユニットをバッテリ要素の間に介挿した状態の斜視図である。
【図９】図９は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明のバッテリ温度調節装置の斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明のバッテリ温度調節装置の上面図である。
【図１２】図１２は、本発明のバッテリ温度調節装置が備えるバッテリ冷却ユニットの分解斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明のバッテリ温度調節装置が備えるバッテリ冷却ユニットの断面図である。
【図１４】図１４は、実施例のシミュレーション結果を説明する図である。
【図１５】図１５は、従来技術のバッテリ温度調節システムを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を、実施形態に即して詳細に説明する。なお、図面及びその説明は、本発明の実施形態を示すものであり、本発明を限定するものではない。
【００２８】
［バッテリ温度調節ユニット］
図１は、本発明のバッテリ温度調節ユニットを、バッテリセルの間に介挿した状態の斜視図である。図２は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの分解図である。図３は、本発明のバッテリ温度調節ユニットの断面図である。
【００２９】
バッテリ温度調節ユニット１０は、ヒートパイプ１１と、ヒータ１２と、水冷ジャケット１４を備えている。ヒートパイプ１１およびヒータ１２は、バッテリ温度調節ユニット１０がバッテリ要素Ａの間に介挿された際に、隣り合うバッテリ要素Ａを構成する計１０個のバッテリセルａと熱的に接続可能な状態で、バッテリ要素Ａの間に配置される（図１）。なお、本明細書において、バッテリ要素とは、一のバッテリセルからなるか、複数のバッテリセルを並べてなる単位（列）を意味する。
【００３０】
ヒートパイプ１１は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属製または上記金属からなる合金製である密閉されたコンテナの内部に、作動液が減圧状態で封入されてなる。コンテナの形状には、本実施形態の断面略長方形状の他、断面扁平状型、丸形、板状型等がある。ヒートパイプには、コンテナ内面に、金属ワイヤのメッシュやコイル、多孔性金属などによりウィックを形成したものや、コンテナ内面にグルーブ加工（溝加工）をしたものがある。本発明におけるヒートパイプ１１には、コンテナ内面にサーモスタットを導入し、熱輸送したいときに作動液を循環できるような内部構造を設けたものを用いても良い。
【００３１】
また、ヒートパイプ１１の内部には、作動液の流路となる空間が設けられている。この空間に収容された作動液が蒸発（受熱部）・凝縮（放熱部）の相変化と内部移動をすることによって、熱輸送が行われる。作動液としては、特に制限されるものではないが、コンテナ容器の材料に応じて、水、ＨＣＦＣ−２２などのハイドロクロロフルオロカーボン、ＨＦＣＲ１３４ａ、ＨＦＣＲ４０７Ｃ、ＨＦＣＲ４１０Ａ、ＨＦＣ３２などのハイドロフルオロカーボン、ＨＦＯ１２３４ｙｆなどのハイドロフルオロオレフィン、炭酸ガス、アンモニア、およびプロパンなどがあげられる。これらの中でも、性能及び地球環境への影響を考慮すると、水や炭酸ガス及びハイドロフルオロオレフィンなどが好ましい。
【００３２】
ヒータ１２としては、特に制限されるものではないが、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータが好適である。ＰＴＣヒータはヒータ素子をプラスチックフィルム等で密閉した極薄ヒータであるため、バッテリ要素Ａの間に介挿するのに適している。また、バッテリ温度調節ユニット及びバッテリ温度調節装置の小型化や軽量化にも有用である。さらに、ＰＴＣヒータは、ヒータ素材の材料特性から自己温度制御機能を有するため、経済的であり、かつ信頼性が高い。加えて、ＰＴＣヒータは、設定温度まで迅速に到達することから、効率的な加温を達成することができる。
【００３３】
本例において、ヒートパイプ１１と、ヒータ１２は、固定手段１３により固定されている。固定手段１３は、バッテリ要素Ａの間に介挿可能な形状（略長方形状）の金属板１３ａ、１３ｂを備える。金属板１３ａ、１３ｂは、ヒートパイプ１１及びヒータ１２を挟んで固定すると共に、ヒートパイプ１１、ヒータ１２と熱的に接続している。金属板としては、銅、アルミニウムおよびこれらの合金などの熱伝導率の高い金属が好ましい。固定手段１３は、隣り合うバッテリ要素Ａを構成する計１０個のバッテリセルａと熱的に接続している。なお、固定手段１３に接続されるバッテリセルの個数は、本明細書記載の個数に限定されるものではなく、車載されるバッテリの個数や、そのレイアウトにより適宜決定されるものである。
【００３４】
ヒートパイプ１１及びヒータ１２を、金属板１３ａおよび１３ｂへ固定する方法としては、特に制限されないが、半田付、粘着テープによる接着、リベット等による接合、かしめ接合など通常公知の手段を採用することができる。また、金属板１３ａ及び１３ｂの間に複数の支柱を設け、当該支柱の間にヒートパイプを挿通させることにより、ヒートパイプが固定される様に構成しても良い。さらに、必要に応じて、ヒートパイプ１１の外表面と金属板１３ａおよび１３ｂとの接触部分に、隙間を埋めるように熱伝導グリス等の熱伝導部材を塗布しても良い。
【００３５】
金属板１３ａ、１３ｂの端部には、ジャケット１４ａ、１４ｂが接続されている。ジャケット１４ａ、１４ｂには、冷却水等の温度調整媒体が供給される。無論、冷媒が水に限定される必要はない。ヒートパイプ１１は、ジャケット１４ａ、１４ｂと直接接続されても良いし、金属板１３ａ、１３ｂを介して接続されても良い。また、本発明における水冷ジャケット１４には、常に冷却水を循環させていても良い。
【００３６】
次に、バッテリ温度調節ユニット１０を用いたバッテリの温度調整方法について説明する。
【００３７】
まず、バッテリが低温状態の際には、バッテリ要素Ａの間に介挿されたヒータ１２によりバッテリセルａの均一な加温が迅速に行われる。この際に、ヒータ１２から供給される熱量が、ヒートパイプ１１で輸送できる熱量である最大熱輸送量を超えるように、ヒートパイプ１１を設計もしくは選択する。そうすると、ヒータ１２の熱によってヒートパイプ１１がドライアウトするために、ヒータ１２の熱はヒートパイプ１１によって熱輸送されにくくなる。従って、ヒータ１２の熱が、ヒートパイプ１１の端部を介してジャケット１４ａ、１４ｂから拡散されていくのを防止することができ、効率的にバッテリの加温を行うことができる。ヒータ１２の発熱量は、ヒートパイプ１１の最大熱輸送量を超えることが好ましく、特に１１０％以上の高い値とすることが好ましい。
【００３８】
ここで、ヒートパイプの「ドライアウト」について説明する。前述の通り、ヒートパイプの内部には、作動液の流路となる空間が設けられている。そして、この空間に収容された作動液が受熱部（蒸発部）で蒸発し、放熱部（凝縮部）で凝縮することにより、熱輸送が行われる。そのため、ヒートパイプには限界となる熱輸送量が存在し、その限界熱輸送量を超えた熱入力が受熱部からされると、ヒートパイプは蒸発部での作動液の液枯れ現象、いわゆるドライアウトが発生する。この状態になると、ヒートパイプ内で適正な作動液の循環が行われなくなるため、熱輸送が行われなくなる。なお、ヒートパイプの限界熱輸送量の調整は、例えばヒートパイプ内の作動液量の調整などの通常公知の手段により容易に行うことができる。
【００３９】
本発明においては、ヒータ１２からのヒートパイプの限界熱輸送量を超える熱を与えることによって、ヒートパイプ１１がドライアウトする。従って、ヒータ１２の熱が、ヒートパイプ１１を通して水冷ジャケット１４側へと流出するのを防ぐことができる。これによって、ヒータ１２の熱を主としてバッテリセルａの加温に充てることができる。
【００４０】
一方、バッテリの過熱時には、ヒートパイプ１１を介してバッテリセルａを効率的に冷却することができる。すなわち、ヒートパイプ１１と熱的に接続している計１０個のバッテリセルａからの総発熱量（好ましくは最大出力時の総発熱量）が、ヒートパイプの限界熱輸送量以下となるように、ヒートパイプ１１が選択されている。ヒートパイプの限界熱輸送量は、ヒートパイプが熱的に接続するバッテリセルの総発熱量を超えることが好ましい。なお、言うまでもなく、冷却時には、ヒータ１２からの熱供給は停止しているか、遮断されている。したがって、ヒートパイプ１１はドライアウトを起こさず、バッテリセルａの熱を水冷ジャケットへと熱輸することができる。そして、ジャケット１４ａ、１４ｂには、冷却水等の冷却媒体が供給されるため、ヒートパイプ１１を介して輸送されるバッテリセルａの熱を効率的に冷却することができる。なお、前述した通り、冷却水などの媒体は冷却ジャケット中を常に循環していても良い。
【００４１】
本発明におけるバッテリ温度調節ユニットでは、バッテリ加温時にヒータ１２からの熱によってヒートパイプ１１はドライアウトする。しかしながら、ヒータ１２の不具合などでバッテリセルａを十分に加熱できない場合は、冷却ジャケット１４中に温水を流すことによって、ヒートパイプ１１を介してバッテリを補助的に加温することもできる。
【００４２】
次に、本発明のバッテリ温度調節ユニットの別の実施形態を説明する。図４は、本発明のバッテリ温度調節ユニット２０の分解斜視図である。また、図５は、バッテリ温度調節ユニット２０の断面図である。なお、バッテリ温度調節ユニット１０と重複する部材については、共通する符号を付した。
【００４３】
バッテリ温度調節ユニット２０では、ヒートパイプ１１は、フィン１５と熱的に接続している。すなわち、ヒートパイプ１１は、フィン１５を介して、外部雰囲気や空調装置等（空冷手段）と熱交換が可能となっている。
【００４４】
この実施形態では、バッテリが低温状態の際に、バッテリ要素Ａの間に介挿されたヒータ１２によりバッテリセルａの均一な加温が迅速に行われる。この際に、ヒータ１２から供給される熱量は、ヒートパイプの最大熱輸送量を超えるように、ヒートパイプが設計もしくは選択されている。そうすると、ヒートパイプ１１を通してフィン１５から、ヒータ１２の熱の一部が放熱されることがないため、効率的にバッテリの加温を行うことができる。一方、バッテリの過熱時には、ヒータ１２からの熱供給を停止若しくは遮断し、フィン１５に冷却風を流すことにより、ヒートパイプ１１及びフィン１５を介してバッテリセルａの熱が放散される。
【００４５】
また、さらに、フィンからの熱拡散を抑制する熱拡散抑制手段を設けてもよい。熱拡散抑制手段としては、例えば、フィンの周囲の空間、特に上部空間を塞ぐことにより、自然対流を抑止する閉塞手段があげられる。
【００４６】
さらに、本発明の本発明のバッテリ温度調節ユニットは、水冷ジャケット１４とフィン１５を同時に用いても良い。この場合、例えば、バッテリ要素Ａの一方の端部に水冷ジャケットを、他方の端部にフィンを配置する。若しくは、一方の端部に水冷ジャケットとフィンを同時に配置しても良いし、両方の端部に水冷ジャケットとフィンを配置しても良い。これらはすべて、設計変更によって自由に行うことができる。
【００４７】
次に、上記のような角柱状のバッテリセルに代えて、他の形状のバッテリセルを用いる例を図６及び図７を用いて説明する。図６は、本発明のバッテリ温度調節ユニット５０を、円柱状のバッテリセルａの間に介挿した状態の斜視図である。また、図７は、バッテリ温度調節ユニット５０の分解斜視図である。なお、図６及び図７において、バッテリ温度調節ユニット１０と重複する部材については、共通する符号を付した。
【００４８】
バッテリ温度調節ユニット５０の固定手段５３には、ヒートパイプ収容孔５７及びヒータ収容孔５８が設けられており、これらにそれぞれ、ヒートパイプ１１及びヒータ５８が収容される。固定手段５３の両側面には、バッテリセルａの外周形状に合わせて形成された凹部５５と、係止対５６ａ及び５６ｂが形成されている。バッテリセルａは、係止対５６ａ及び５６ｂによって、凹部５５に嵌合した状態で保持される。
【００４９】
固定手段５３の端部には、バッテリ温度調節ユニット１０と同様に、ジャケット１４ａ、１４ｂが接続されている。なお、バッテリ温度調節ユニット２０と同様に、ジャケット１４ａ、１４ｂに代えて、ヒートパイプ１１にフィンを接続する構成としても良いことは言うまでもない。
【００５０】
なお、以上の実施形態では、並列した２本のヒートパイプをバッテリ要素Ａの間に介挿するように構成したが、ヒートパイプの本数は２本に限られず、１本でも良く、３本以上でも良い。配置方法も並列配置に限られるものではない。例えば、図８に示すように、直列に接続した複数のヒートパイプ（ヒートパイプ１１ａ１〜１１ａ４）が、バッテリ要素Ａの間に介挿されるように構成しても良い。また、複数のヒートパイプを用いる場合には、これらは必ずしも同一のヒートパイプでなくても良く、異なる種類のヒートパイプの種々の組合せを選択することができる。具体例を、バッテリ温度調節ユニット１０の変形例であるバッテリ温度調節ユニット１０’（図８及び図９）を前提として説明する。ただし、バッテリ温度調節ユニット１０’と同様のヒートパイプの組合せが、他のバッテリ温度調節ユニット（バッテリ温度調節ユニット２０、５０等）にも適用できることは言うまでもない。
【００５１】
すなわち、少なくとも、ジャケット１４ａ、１４ｂに最も近いヒートパイプ１１ａ１の作動液を、蒸発潜熱の低いものとし、ヒートパイプ１１ａ２〜１１ａ４よりもヒートパイプ１１ａ１をドライアウトし易くする。これにより、例えば、ヒータ１２による加温時に、ヒートパイプをドライアウトさせて、ヒートパイプ１１ａ１の作動を停止すれば、ヒートパイプ１１ａ１端部からの熱の散逸を防止することができる。
【００５２】
［バッテリ温度調節装置］
次に、本発明に係るバッテリ温度調節装置について説明する。本発明に係るバッテリ温度調節装置は、上記のバッテリ温度調節ユニットを備えることを特徴とする。図１０は、本発明のバッテリ温度調節装置１００の実施形態に係る斜視図であり、図１１は、その上面図である。
【００５３】
バッテリ温度調節装置１００は、本発明のバッテリ温度調節ユニット１０と、バッテリ冷却ユニット３０とを備える。なお、バッテリ温度調節ユニット１０は、水冷ジャケット１４を備え、ヒートパイプ１１が冷却手段（水冷手段）と熱的に接続される。バッテリ冷却ユニット３０の構成は、ヒータを備えない以外はバッテリ温度調節ユニット１０の構成と同様となっている（図１２及び図１３参照）。
【００５４】
バッテリ温度調節装置１００において、バッテリ温度調節ユニット１０と、バッテリ冷却ユニット３０は、バッテリ要素Ａのすき間に交互に配置されている。すなわち、バッテリ冷却ユニット３０のヒートパイプ３１が、バッテリセルａの温度調節ユニット１０との熱的な接続面とは反対側の面に、熱的に接続されている。
【００５５】
本発明者等の解析により、冷却についてはバッテリセルの両面から行うことが有効であり、加温についてはバッテリセルの片面からでも十分であることが判明しているので、バッテリ温度調節装置１００を用いることにより、バッテリの加温及び冷却を効率的に行うことを可能にすると共に、装置の軽量化が達成される。
【００５６】
なお、上記バッテリ温度調節装置１００では、バッテリ温度調節ユニット１０とバッテリ冷却ユニット３０が水冷ジャケットを備えているが、水冷ジャケットに替えて、フィンを接続することにより、ヒートパイプ１１及びヒートパイプ３１を冷却手段（外部雰囲気又は空調装置等）に接続する構成としても良い。また、水冷ジャケット又はフィンは、ユニット１０、３０にそれぞれ１つずつ設置することも可能であるが、複数のユニットが１つの水冷ジャケット又はフィンを共有する構成としても良い。
【実施例】
【００５７】
本発明のバッテリ温度調節ユニット１０の実施例を示す。図１に示すバッテリの温度調節ユニット１０は、計１０個（片側５個）のバッテリセルａに、２本のヒートパイプ１１とヒータ１２が固定手段と共に介挿されている。本実施例では、ヒータ１２は３００Ｗの発熱量を有している。このとき、ヒートパイプ１１は、その限界熱輸送量が、バッテリセルの総発熱量よりも若干大きい６０Ｗとなるように設計もしくは選択し、ヒータ１２の近傍に配置すると、加温時にヒータ１２の熱でドライアウトする。
【００５８】
本発明のバッテリ温度調節装置１００による温度調整能力をシミュレーションにより確認した。冷却機能の検証として、バッテリセルの発熱量を５Ｗ／個とし、ヒートパイプの限界熱輸送量を６０Ｗとし、水冷ジャケットに２．５リットル／分の冷却水を流す設計を行った。この場合、バッテリの温度上昇は約１２℃であり、各セル間の温度部分布は０．６℃に抑えることができることが確認された。
【００５９】
また、加温機能の検証として、同様の設計をされたバッテリ温度調整ユニットにおいて、ＰＴＣヒータからバッテリセル１個あたり３０Ｗの加熱をする設計を行った。この場合、初期状態として平均温度−２０℃だったバッテリセルは、加熱開始１２０秒後に５．６℃上昇し、６００秒後には平均温度約０℃に到達することが確認された（図１４）。これらのことから、本発明のバッテリ温度調節ユニットを用いることにより、バッテリの均一な加温および冷却を迅速に実現することができる事が分かる。
【符号の説明】
【００６０】
１０、２０、５０ バッテリ温度調節ユニット
１１ ヒートパイプ
１２ ヒータ
１３、５３ 固定手段
１４ 水冷ジャケット
１５ フィン
３０ バッテリ冷却ユニット
Ａ バッテリ要素
ａ バッテリセル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣り合うバッテリセルの間に介挿可能なバッテリ温度調節ユニットであって、
前記バッテリセルの冷却用のヒートパイプと、
ヒータとを備え、
前記温度調節ユニットが前記バッテリセルの間に介挿された際に、前記ヒートパイプと、前記ヒータとが、前記バッテリセルと熱的に接続可能な状態で配置されるように構成され、
前記ヒートパイプの限界熱輸送量が、前記ヒートパイプと熱的に接続するバッテリセルの総発熱量以上であり、かつ、前記ヒータの発熱量よりも小さいことにより、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱で前記ヒートパイプがドライアウトすることを特徴とする、バッテリ温度調節ユニット。
【請求項２】
前記ヒートパイプの冷却媒体を供給するためのジャケット及び／又は前記ヒートパイプに接続されたフィンを備える、請求項１記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項３】
前記ヒートパイプと、前記ヒータとを固定し、これらと熱的に接続された固定手段をさらに備え、
かつ、前記温度調節ユニットが前記隣り合うバッテリセルに介挿された際に、前記固定手段が前記隣り合うバッテリセルと熱的に接続可能に構成したことを特徴とする、請求項１又は２に記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項４】
前記バッテリセルが角柱形バッテリセルであり、前記固定手段が、少なくとも２枚の金属製プレートを備え、前記ヒートパイプ及び前記ヒータが前記金属製プレートの間に固定されていることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項５】
前記バッテリセルが円柱形バッテリセルであり、前記固定手段の両側面に、凹部と係止対が形成され、
前記ヒートパイプ及び前記ヒータが前記固定手段に収容され、かつ、前記バッテリセルが前記係止対により、前記凹部に嵌合した状態で固定されるように構成したことを特徴とする、請求項３に記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項６】
前記ヒータがＰＴＣヒータである、請求項１〜５のいずれかに記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項７】
複数のバッテリセルを備えたバッテリの温度を調節するバッテリ温度調節装置であって、
隣り合うバッテリセルの間に介挿された温度調節ユニットを備え、
前記温度調節ユニットは、前記バッテリセルと熱的に接続された、前記バッテリセルの冷却用のヒートパイプ及びヒータを備え、前記ヒートパイプの限界熱輸送量が、前記ヒートパイプと熱的に接続するバッテリセルの総発熱量以上であり、かつ、前記ヒータの発熱量よりも小さいことにより、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱で前記ヒートパイプがドライアウトすることを特徴とする、バッテリ温度調節装置。
【請求項８】
前記ヒートパイプに、前記バッテリセルを冷却する冷却手段が熱的に接続されている、請求項７に記載の温度調節装置。
【請求項９】
冷却手段に熱的に接続されたヒートパイプを備え、かつヒータを備えないバッテリ冷却ユニットをさらに備え、
前記バッテリ冷却ユニットのヒートパイプが、バッテリセルの前記温度調節ユニットとの熱的な接続面とは反対側の面に、熱的に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載のバッテリ温度調節装置。
【請求項１０】
前記冷却手段が、水冷手段又はフィンを介して熱的に接続された空冷手段であることを特徴とする、請求項８又は９に記載のバッテリ温度調節装置。
【請求項１１】
前記ヒータがＰＴＣヒータである、請求項７〜１０のいずれかに記載のバッテリ温度調節装置。
【請求項１】
隣り合うバッテリセルの間に介挿可能なバッテリ温度調節ユニットであって、
前記バッテリセルの冷却用のヒートパイプと、
ヒータとを備え、
前記温度調節ユニットが前記バッテリセルの間に介挿された際に、前記ヒートパイプと、前記ヒータとが、前記バッテリセルと熱的に接続可能な状態で配置されるように構成され、
前記ヒートパイプの限界熱輸送量が、前記ヒートパイプと熱的に接続するバッテリセルの総発熱量以上であり、かつ、前記ヒータの発熱量よりも小さいことにより、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱で前記ヒートパイプがドライアウトすることを特徴とする、バッテリ温度調節ユニット。
【請求項２】
前記ヒートパイプの冷却媒体を供給するためのジャケット及び／又は前記ヒートパイプに接続されたフィンを備える、請求項１記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項３】
前記ヒートパイプと、前記ヒータとを固定し、これらと熱的に接続された固定手段をさらに備え、
かつ、前記温度調節ユニットが前記隣り合うバッテリセルに介挿された際に、前記固定手段が前記隣り合うバッテリセルと熱的に接続可能に構成したことを特徴とする、請求項１又は２に記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項４】
前記バッテリセルが角柱形バッテリセルであり、前記固定手段が、少なくとも２枚の金属製プレートを備え、前記ヒートパイプ及び前記ヒータが前記金属製プレートの間に固定されていることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項５】
前記バッテリセルが円柱形バッテリセルであり、前記固定手段の両側面に、凹部と係止対が形成され、
前記ヒートパイプ及び前記ヒータが前記固定手段に収容され、かつ、前記バッテリセルが前記係止対により、前記凹部に嵌合した状態で固定されるように構成したことを特徴とする、請求項３に記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項６】
前記ヒータがＰＴＣヒータである、請求項１〜５のいずれかに記載のバッテリ温度調節ユニット。
【請求項７】
複数のバッテリセルを備えたバッテリの温度を調節するバッテリ温度調節装置であって、
隣り合うバッテリセルの間に介挿された温度調節ユニットを備え、
前記温度調節ユニットは、前記バッテリセルと熱的に接続された、前記バッテリセルの冷却用のヒートパイプ及びヒータを備え、前記ヒートパイプの限界熱輸送量が、前記ヒートパイプと熱的に接続するバッテリセルの総発熱量以上であり、かつ、前記ヒータの発熱量よりも小さいことにより、バッテリ加温時に前記ヒータからの熱で前記ヒートパイプがドライアウトすることを特徴とする、バッテリ温度調節装置。
【請求項８】
前記ヒートパイプに、前記バッテリセルを冷却する冷却手段が熱的に接続されている、請求項７に記載の温度調節装置。
【請求項９】
冷却手段に熱的に接続されたヒートパイプを備え、かつヒータを備えないバッテリ冷却ユニットをさらに備え、
前記バッテリ冷却ユニットのヒートパイプが、バッテリセルの前記温度調節ユニットとの熱的な接続面とは反対側の面に、熱的に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載のバッテリ温度調節装置。
【請求項１０】
前記冷却手段が、水冷手段又はフィンを介して熱的に接続された空冷手段であることを特徴とする、請求項８又は９に記載のバッテリ温度調節装置。
【請求項１１】
前記ヒータがＰＴＣヒータである、請求項７〜１０のいずれかに記載のバッテリ温度調節装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−７３７２２（Ｐ２０１３−７３７２２Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１０５６１（Ｐ２０１１−２１０５６１）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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