JP5664690B2 - 電池パック - Google Patents

Description

この発明は、電池パックに関する。

電池パックに関する従来技術としては、例えば、特許文献１に開示されたバッテリ保温装置が存在する。
特許文献１に開示されたバッテリ保温装置では、複数のセルの集合体から構成されているメインバッテリに、通電により加熱されるシートヒーターと、バッテリの温度を検出する温度センサとが備えられている。複数のセル間に介装されたシートヒーターは、２箇所に設けられており、全てのセルと接触するように配設されている。シートヒーターには、通電により発熱するヒーターが内蔵されている。
温度センサで検出された温度が一定値より低い場合には、予備バッテリによりシートヒーターが通電され、シートヒーターの熱によりメインバッテリが保温される。このため、メインバッテリの温度が適正に維持され、冬季などでもバッテリ容量の低下を防止することが可能である。

特開２００２−７５４６９号公報

しかし、特許文献１で開示されたバッテリ保温装置では、シートヒーターは全てのセルと接触するように２箇所に設けられているために、シートヒーターの設置台数が増えると共に、シートヒーターの設置面積が増加する問題がある。また、シートヒーターの熱は、各セルとの接触部位を介して各セルに直接伝達されるため、シートヒーターのＯＮ／ＯＦＦに伴う温度変化の影響を直接受けて、各セル内の温度が均一とならず温度のばらつきが発生する恐れがある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、電池パック全体を均一に温度調節できると共に、構造の簡略化を図ることが可能な電池パックの提供にある。

上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、複数のセルからなる電池モジュールと、前記電池モジュールを収容し、前記電池モジュールと熱的に接合された筐体とを備え、前記筐体の内壁面には、前記筐体の温度を変動させる温度調節装置が取り付けられ、前記筐体と前記温度調節装置とは熱的に接合され、前記筐体が断熱材で覆われていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、筐体の内壁面に取り付けられた温度調節装置で筐体を加熱又は冷却することにより、筐体を介して電池モジュールを間接的に温度調節（加熱又は冷却）し、断熱材によって筐体内の熱が外部に漏れることを抑制することが可能である。よって、温度調節装置で電池モジュールを直接加熱又は冷却するよりも、電池パック全体を均一に温度調節できると共に、構造の簡略化を図ることが可能である。

請求項２記載の発明は、複数のセルからなる電池モジュールと、前記電池モジュールを収容し、前記電池モジュールと熱的に接合された筐体とを備え、前記筐体の内壁面には、前記筐体の温度を変動させる温度調節装置が取り付けられ、前記筐体と前記温度調節装置とは熱的に接合され、前記温度調節装置がヒーターを有していることを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、ヒーターで筐体を加熱することにより、電池モジュールを効率的に暖めることが可能である。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の電池パックにおいて、前記筐体が、バッテリフォークリフトに搭載されたカウンターウェイトであることを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、筐体はカウンターウェイトの機能を兼ねており、軽量化された電池を使用しても、車体のバランス調整が可能である。

本発明によれば、電池パック全体を均一に温度調節できると共に、構造の簡略化を図ることが可能である。

本発明の実施形態に係るフォークリフトの全体構成を示す側面図である。 図１における電池パックの全体構成を示す斜視図である。 （ａ）は電池モジュールの概略構成を示す斜視図であり、（ｂ）はセルの概略構成を示す斜視図である。 （ａ）は図２におけるＸ方向からの断面図であり、（ｂ）は図２におけるＹ方向からの断面図である。 本発明の実施形態に係る電池パックの温度調節システムのシステム構成図である。

以下、本発明の実施形態に係る電池パックを図１〜図５に基づいて説明する。
図１のバッテリフォークリフト１０は、リチウムイオン電池を駆動源とする。
バッテリフォークリフト１０は、座席１１の下方に位置する収容室１３内に電池パック２５が配置されている。電池パック２５は、車体１２のバランス調整用のカウンターウェイトとしても機能する。座席１１の後方には、車体１２のバランス調整用のカウンターウェイト１６が電池パック２５とは別に設けられている。

電池パック２５は、リチウムイオン電池を備える。リチウムイオン電池は、同じ容量の鉛蓄電池と比べて重量が軽いため、電池パック２５を車体１２のバランス調整用のカウンターウェイトとして機能させられない場合がある。そこで、本実施形態の電池パック２５は、従来の鉛蓄電池からなる電池パックと同じ重量になるようにリチウムイオン電池の他にカウンターウェイトを備える。
図２に示すように、電池パック２５は、筐体としての収納容器１４と収納容器１４内に収納された複数の電池モジュール１５とを備えている。電池モジュール１５は、８個設けられており、２段に積み重ねられた状態で収納容器１４内に収容されている。
収納容器１４は、上部が開口を有する箱状の本体部１７と、本体部１７の開口を覆う蓋部１８を備えている。
本体部１７は、矩形状の底板１７Ａと底板１７Ａの４辺に立設された矩形状の側壁１７Ｂ〜１７Ｅとで構成されている。以下、底板１７Ａの長辺部に立設された側壁を１７Ｂ、１７Ｃとし、底板１７Ａの短辺部に立設された側壁を１７Ｄ、１７Ｅとする。

蓋部１８が、本体部１７の開口を覆うように設けられることで、収納容器１４の内部が密閉されている。
収納容器１４は、空気より熱伝導性の良好な材料によって形成されている。
なお、本実施の形態の収納容器１４は、カウンターウェイトとしての機能も持たせるため、重量が比較的重い鉄系の金属材料によって形成されている。従って、同一環境条件下（温度、湿度）においては、収納容器１４の熱伝導率が空気の熱伝導率より高くなっている。
また、収納容器１４は、側壁１７Ｂ、側壁１７Ｃ及び蓋部１８の厚さを、側壁１７Ｄ、側壁１７Ｅ及び底板１７Ａの厚さより厚くしている。

蓋部１８の内壁面には、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、シートヒーター２３が取り付けられている。シートヒーター２３は電池モジュール１５の温度を変動させる温度調節装置に相当する。シートヒーター２３は、蓋部１８に面接触した状態で取り付けられている。すなわち、蓋部１８とシートヒーター２３とは熱的に接合された状態にあり、蓋部１８とシートヒーター２３間で熱交換可能な状態にある。
収納容器１４の外周には、収納容器１４の全体を覆う断熱材１９が設けられている。断熱材１９によって、収納容器１４内の熱が外部に漏れることを抑制している。断熱材１９としては、断熱性に優れた樹脂材料により形成されている。

電池モジュール１５は、収納容器１４内に収納されており、側壁１７Ｂ又は側壁１７Ｃに接合される。
また、電池モジュール１５は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、シートヒーター２３と各電池モジュール１５が直接接触しないように、蓋部１８との間に空間Ｋが形成されるように蓋部１８から間隔を空けて設けられている。

電池モジュール１５は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、複数個のセル２０の集合体であり、複数個のセル２０を構造的に一体連結する共に、電気的に直列に連結したものである。
各電池モジュール１５には温度検出センサー２４がそれぞれ１個ずつ取り付けられている。（図５参照）
本実施形態のセル２０は、角型電池である。
セル２０は、複数のセル２０の並設方向の一方面の一部分を除く部分が絶縁性の樹脂で覆われている。セル２０の絶縁性の樹脂で覆われていない部分には、Ｌ状に折れ曲がった金属製の伝熱プレート２２が接合される。
伝熱プレート２２は、矩形平板状をなす接合部２２Ａと、接合部２２Ａの長手方向第１端部２２Ｂから接合部２２Ａの厚み方向に延びる矩形平板状の被挟持部２２Ｃとを有している。
伝熱プレート２２は、接合部２２Ａがセル２０の絶縁性の樹脂で覆われていない部分に接合されるととともに、被挟持部２２Ｃがセル２０及び収納容器１４の側壁に接合される。
詳述すると、図４（ｂ）に示すように、側壁１７Ｂに隣接して設けられる電池モジュール１５（紙面右側の電池モジュール１５）は、伝熱プレート２２の被挟持部２２Ｃが、側壁１７Ｂ及びセル２０における側壁１７Ｂと対向する面に接合され、側壁１７Ｃに隣接して設けられる電池モジュール１５（紙面左側の電池モジュール１５）は、伝熱プレート２２の被挟持部２２Ｃが、側壁１７Ｃ及びセル２０における側壁１７Ｃと対向する面に接合される。

セル２０は、例えば、リチウムイオン電池からなり、常温（２０℃）での出力特性が良好な電池である。常温での出力特性が良好である電池とは、出力特性に温度依存性があり、例えば、２０℃前後に暖める（暖機する）ことにより、安定した出力特性が得られる電池のことを指している。

図５は電池パック２５の温度調節システムのシステム構成図である。電池パック２５の温度調節システムは、電池モジュール１５と、電池モジュール１５を収納する収納容器１４と、電池モジュール１５の温度を調節するシートヒーター２３と、電池モジュール１５の温度を検出する温度検出センサー２４とを備えている。また、電池パック２５の温度調節システムは、シートヒーター２３と接続された電源２６と、電池モジュール１５からの正負の出力端子と接続された負荷２７と、温度検出センサー２４からの検出信号を受けて電源２６を制御するコントローラ２８とを備えている。
コントローラ２８は、温度検出センサー２４からの検出信号に基づいてシートヒーター２３を駆動させる必要があると判断すると、シートヒーター２３に電源２６から電力が供給されるように電源２６を制御する。

以上の構成を有する電池パック２５及び電池パック２５の温度調節システムにつきその作用説明を行う。
先ず、コントローラ２８は、温度検出センサー２４からの検出信号に基づき、電池モジュール１５の温度調節が必要かどうかの判断を行う。例えば、温度検出センサー２４により検出された温度Ｔｓが、予め定められている所定値Ｔｍより低い場合には、電池モジュール１５の温度調節が必要と判断され、コントローラ２８は、シートヒーター２３に電源２６から電力が供給されるように電源２６を制御する。その結果、シートヒーター２３が発熱する。シートヒーター２３で発生した熱は、シートヒーター２３と熱的に接合された収納容器１４の蓋部１８に伝達されるとともに、一部が収納容器１４内の空気に伝達される。
蓋部１８に伝達された熱は、側壁１７Ｂ、１７Ｃを介して電池モジュール１５へ伝達され、電池モジュール１５が暖められる。このシートヒーター２３による電池モジュール１５の加熱は、Ｔｓ≧Ｔｍとなるまで継続される。

ところで、収納容器１４は、熱伝導性の良好な金属材料から形成されているので、蓄熱体としての機能を有し、収納容器１４に伝達した熱の一部は、収納容器１４に一時的に蓄熱される。収納容器１４への蓄熱量は、収納容器１４の熱容量に比例し、収納容器１４の熱容量は収納容器１４の質量に比例する（熱容量＝比熱×質量）。すなわち、収納容器１４の体積を増やせば収納容器１４の蓄熱量も大きくなる。

一方、温度検出センサー２４により検出された温度Ｔｓが、予め定められている所定値Ｔｍより高い場合には、電池モジュール１５の温度調節（暖機）が必要ないと判断され、電池モジュール１５の温度調節は行われない。

本発明の実施形態に係るバッテリフォークリフト１０によれば以下の効果を奏する。
（１）シートヒーター２３と収納容器１４とは、熱的に接合されていると共に、電池モジュール１５と収納容器１４とは熱的に接合されている。よって、シートヒーター２３により収納容器１４を介して電池モジュール１５を間接的に暖めることができ、収納容器１４に熱的に接合された全ての電池モジュール１５を均一に温度調節することが可能となる。
（２）収納容器１４の蓋部１８の厚さを厚くして蓄熱量（熱容量）を大きくしているため、蓋部１８は、シートヒーター２３で発生した熱をより多く吸熱することができる。したがって、シートヒーター２３で発生した熱を効率良く収納容器１４へ伝達することができる。
（３）収納容器１４の熱伝導率が、空気の熱伝導率より高いので、シートヒーター２３で発生する熱の大部分は、収納容器１４を介して電池モジュール１５に伝達される。よって、空気を介して（空気の熱伝導を利用して）電池モジュール１５を温度調節するよりも効率良く電池モジュール１５の温度を調整することが可能となる。
（４）空間Ｋ（空気）を介して電池モジュール１５を暖めようとすると、大きなサイズのシートヒーターが必要となるが、本実施形態においては、収納容器１４と熱的に接合されたシートヒーター２３を一台設置するだけでよく、電池パック２５の構造の簡略化とコストダウンを図れる。
（５）収納容器１４の外周には、断熱材１９が設けられているので、断熱材１９によって、収納容器１４内の熱が外部に漏れるのを抑制できる。よって、シートヒーター２３で発生する熱を外部に放熱させることなく、電池モジュール１５の温度調節に利用できるので、熱効率の一層の向上を図れると共に、電池モジュール１５の温調時間を短縮することが可能である。
（６）電池パック２５は、カウンターウェイトの機能を兼ねているので、電池モジュール１５として軽量化されたリチウムイオン電池を使用しても、車体のバランス調整が可能である。
（７）側壁１７Ｂ及び側壁１７Ｃの厚さを、側壁１７Ｄ及び側壁１７Ｅの厚さより厚くしているため、蓋部１８に伝熱されたシートヒーター２３からの熱を効率よく、電池モジュール１５が接続された側壁１７Ｂ及び側壁１７Ｃに伝達することができる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
○ 本発明の実施形態では、収納容器１４の熱伝導率は、空気より高い熱伝導率の金属材料を使用するとして説明したが、空気より高い熱伝導率であれば、金属以外の樹脂材料を使用しても良い。
○ 本発明の実施形態では、温度調節装置としてシートヒーター２３を使用するとして説明したが、シートヒーター２３の代わりに温度調節装置としてペルチェ素子を使用しても良い。ペルチェ素子は内部を流れる電流の向きにより、加熱源（発熱体）又は冷却源（吸熱体）として使用できる。ペルチェ素子を加熱源として使用した場合には、ペルチェ素子により収納容器１４を加熱することにより電池モジュール１５の加熱を行うことができ、シートヒーター２３を使用する本発明の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。また、ペルチェ素子を冷却源として使用した場合には、ペルチェ素子で収納容器１４を冷却することにより、電池モジュール１５の冷却を行うことができる。この場合には、収納容器１４は蓄冷体としての機能を有し、電池モジュール１５の温度上昇を抑制することができると共に、電池パック全体を均一に冷却することが可能である。また、シートヒーター２３に代えて温度調節装置として冷凍機を使用することにより、電池モジュール１５の冷却を行うことができる。
○ 本発明の実施形態では、収納容器１４はカウンターウェイトの機能を兼ねているとして説明したが、カウンターウェイトの機能を兼ねていなくても良い。
○ 本発明の実施形態では、各セル２０に伝熱プレート２２が接合されているが、各セル２０と収納容器１４とが熱的に接合されていれば良く、伝熱プレート２２はなくても良い。
○ 本発明の実施形態においては、電池を角型電池として説明したが、それ以外の構成（例えば、ラミネート電池、円筒型電池）でも良い。
○ 本発明の実施形態においては、電池モジュール１５に温度検出センサー２４を設けたが、これに限られず、例えば、収納容器１４内に温度検出センサーを設けてもよいし、収納容器１４の周辺に温度検出センサーを設けてもよい。電池モジュール１５に温度検出センサー２４を設けない場合は、検出された温度から電池モジュール１５の温度を推定する。
○ 本発明の実施形態においては、各電池モジュール１５に温度検出センサー２４を１個ずつ設けるとして説明したが、各電池モジュール１５に複数個の温度検出センサー２４を設けても良い。
○ 本発明の実施形態において、負荷２７を制御するコントローラと、シートヒーター２３の電源２６を制御するコントローラ２８とを、一緒にしても良い。

１０ バッテリフォークリフト
１４ 収納容器
１５ 電池モジュール
１７ 本体部
１８ 蓋部
１９ 断熱材
２０ セル
２３ シートヒーター
２４ 温度検出センサー
２５ 電池パック
Ｔｓ 測定値
Ｔｍ 所定値

Claims (3)

1. 複数のセルからなる電池モジュールと、
   前記電池モジュールを収容し、前記電池モジュールと熱的に接合された筐体とを備え、
   前記筐体の内壁面には、前記筐体の温度を変動させる温度調節装置が取り付けられ、
   前記筐体と前記温度調節装置とは熱的に接合され、
   前記筐体が断熱材で覆われていることを特徴とする電池パック。
2. 複数のセルからなる電池モジュールと、
   前記電池モジュールを収容し、前記電池モジュールと熱的に接合された筐体とを備え、
   前記筐体の内壁面には、前記筐体の温度を変動させる温度調節装置が取り付けられ、
   前記筐体と前記温度調節装置とは熱的に接合され、
   前記温度調節装置がヒーターを有していることを特徴とする電池パック。
3. 前記筐体が、バッテリフォークリフトに搭載されたカウンターウェイトであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池パック。

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