JP7471882B2 - 電池装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電池装置に関する。

従来、複数の電池モジュールと、複数の電池モジュールを冷却する空気流を生成するファンと、を備えた電池装置が、知られている。

特開２０１１－１７５８９６号公報

この種の電池装置では、例えば、安全性と冷却性とを両立して確保できるような、より不都合の少ない新規な構成が得られれば、有益である。

実施形態の電池装置は、例えば、第一筐体と、電池モジュールと、ヒートシンクと、ファンと、ダクトと、備える。第一筐体には、上下方向に延びた空気通路と、空気通路の左右両側に設けられるとともにそれぞれに上下方向に並んで複数の棚部が設けられ互いに外部に対して密閉された一対の電池室と、電池室と空気通路とを仕切り各棚部と空気通路とを連通する複数の通気口が設けられた一対の仕切壁と、電池室および空気通路と前後方向に並んだ電気室と、電気室と電池室および空気通路とを隔離する隔壁と、が設けられる。複数の電池モジュールは、電池室における各棚部に収容される。ヒートシンクは、複数の電池モジュールを冷却する。ファンは、空気通路の端部に設けられ、通気口を経由して各棚部内に収容された電池モジュールを冷却する空気流を生成する。ダクトは、ファンのケーブルを収容可能な収容室が設けられ、当該収容室と電池室とを隔離する。

図１は、実施形態の電池装置の例示的かつ模式的な斜視図である。 図２は、実施形態の電池装置の電池モジュールの例示的かつ模式的な斜視図である。 図３は、実施形態の電池装置の一部の例示的かつ模式的な側面図であって、サイドカバーが取り外された状態の図である。 図４は、実施形態の電池装置の電池室における一部の例示的かつ模式的なＹＺ断面図である。 図５は、実施形態の電池装置の下端部における一部の例示的かつ模式的なＸＹ断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および効果は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

なお、本明細書では、序数は、部品や、部材、部位、位置、方向等を区別するためだけに用いられており、順番や優先度を示すものではない。

［実施形態］
図１は、実施形態の電池装置１の斜視図である。図１に示されるように、電池装置１は、例えば、筐体２や、筐体２内の電池室１１に収容された複数の電池モジュール３（図２参照）、筐体２内の電気室１２に収容された複数の電気機器４等を備えている。本実施形態では、例えば、複数の電池モジュール３が電池室１１における各棚部１０（図３参照）に設置され、これら複数の電池モジュール３が直列あるいは並列に接続されることによって電池装置１が構成されている。筐体２は、第一筐体の一例である。

電池装置１は、種々の装置や、機械、設備等に設置され、それら種々の装置や、機械、設備等の電源として使用される。例えば、電池装置１は、鉄道車両に搭載され、当該鉄道車両の電源として使用されうる。また、鉄道車両には、複数の本実施形態で示される電池装置１を、直列あるいは並列に接続したセットを搭載することもできる。電池装置１は、鉄道車両用蓄電池装置等とも称される。

なお、以下の説明では、便宜上、互いに直交する三方向が定義されている。Ｘ方向は、筐体２の奥行方向（前後方向）に沿うとともに、電池モジュール３の幅方向（短手方向）に沿う。Ｙ方向は、筐体２の幅方向（左右方向）に沿うとともに、電池モジュール３の長手方向に沿う。Ｚ方向は、筐体２の高さ方向（上下方向）に沿うとともに、電池モジュール３の高さ方向に沿う。

また、以下の説明では、便宜上、Ｘ方向は前方と称され、Ｘ方向の反対方向は後方と称され、Ｙ方向は右方と称され、Ｙ方向の反対方向は左方と称され、Ｚ方向は上方と称され、Ｚ方向の反対方向は下方と称される場合がある。

図１に示されるように、筐体２は、Ｙ方向に短い直方体状の箱型に構成されている。筐体２は、底壁２ａや、天壁２ｂ、前壁２ｃ、左壁２ｄ、後壁２ｅ、右壁２ｆ、隔壁２ｇ、棚壁２ｈ（図３参照）、仕切壁２ｉ（図４参照）等の複数の壁部を有している。前壁２ｃ、左壁２ｄ、後壁２ｅ、および右壁２ｆは、側壁や、周壁等とも称される。

底壁２ａおよび天壁２ｂは、いずれも、Ｚ方向と直交する方向（ＸＹ平面）に沿って延びており、Ｚ方向に間隔をあけて互いに平行に設けられている。底壁２ａは、筐体２の下端部を構成し、天壁２ｂは、筐体２の上端部を構成している。底壁２ａは、下壁等とも称され、天壁２ｂは、上壁等とも称される。

左壁２ｄおよび右壁２ｆは、いずれも、Ｙ方向と直交する方向（ＸＺ平面）に沿って延びており、Ｙ方向に間隔をあけて互いに平行に設けられている。右壁２ｆは、底壁２ａおよび天壁２ｂのＹ方向の端部の間に亘り、左壁２ｄは、底壁２ａおよび天壁２ｂのＹ方向の反対方向の端部の間に亘っている。左壁２ｄは、筐体２の左端部を構成し、右壁２ｆは、筐体２の右端部を構成している。

また、左壁２ｄおよび右壁２ｆには、それぞれ、圧力開放弁５が設けられている。圧力開放弁５は、左壁２ｄおよび右壁２ｆのＺ方向の上端部に配置され、筐体２内の電池室１１に臨んでいる。圧力開放弁５は、電池室１１内の圧力が閾値よりも高くなった場合に開放され、当該電池室１１内の圧力を低下させる。

前壁２ｃおよび後壁２ｅは、いずれも、Ｘ方向と直交する方向（ＹＺ平面）に沿って延びており、Ｘ方向に間隔をあけて互いに平行に設けられている。前壁２ｃは、底壁２ａおよび天壁２ｂのＸ方向の端部の間に亘り、後壁２ｅは、底壁２ａおよび天壁２ｂのＸ方向の反対方向の端部の間に亘っている。前壁２ｃは、筐体２の前端部を構成し、後壁２ｅは、筐体２の後端部を構成している。

隔壁２ｇ（図５参照）は、前壁２ｃと後壁２ｅとの間に位置され、左壁２ｄと右壁２ｆとの間および底壁２ａと天壁２ｂとの間に亘っている。隔壁２ｇは、前壁２ｃおよび後壁２ｅと平行である。隔壁２ｇは、筐体２内をＸ方向に複数の空間としての電池室１１および電気室１２に仕切っている。また、隔壁２ｇは、電気室１２と電池室１１および後述する空気通路１３（図４参照）とを隔離している。

仕切壁２ｉは、いずれも、左壁２ｄと右壁２ｆとの間に位置され、上述した隔壁２ｇと後壁２ｅとの間および底壁２ａと天壁２ｂとの間に亘っている。筐体２には、一対の仕切壁２ｉがＹ方向に間隔をあけて互いに平行に設けられている。一対の仕切壁２ｉの間には、後述する空気通路１３が設けられている。仕切壁２ｉは、筐体２内をＹ方向に複数の空間としての一対の電池室１１および空気通路１３に仕切っている。

棚壁２ｈは、いずれも、底壁２ａと天壁２ｂとの間に位置され、仕切壁２ｉと左壁２ｄとの間および仕切壁２ｉと右壁２ｆとの間に亘るように延びている。筐体２には、複数の棚壁２ｈがＺ方向に間隔をあけて互いに平行に設けられている。棚壁２ｈは、電池室１１内をそれぞれＺ方向に複数の空間としての棚部１０に仕切っている。棚壁２ｈは、例えば、筐体２にＹ方向に沿ってスライド可能、すなわち引き出し可能に支持されうる。

また、各棚部１０には、例えば、それぞれ六つの電池モジュール３（図３参照）がＸ方向に並んだ状態で収容されている。言い換えると、棚壁２ｈは、それぞれＸ方向に並ぶ六つの電池モジュール３を含むモジュール列を支持している。モジュール列は、モジュール群等とも称される。

図１に示されるように、筐体２は、例えば、ベース１５や、フロントカバー１６、サイドカバー１７，１８等の複数の部品（分割体）の組み合わせによって構成されている。ベース１５、フロントカバー１６、およびサイドカバー１７，１８は、それぞれ、合成樹脂材料や金属材料等によって作られる。

ベース１５は、底壁２ａや、天壁２ｂ、後壁２ｅ、隔壁２ｇ、棚壁２ｈ、仕切壁２ｉ等を有している。フロントカバー１６は、前壁２ｃ等を有している。また、サイドカバー１７は、左壁２ｄ等を有し、サイドカバー１８は、右壁２ｆ等を有している。フロントカバー１６およびサイドカバー１７，１８は、例えば、ベース１５に対して電気室１２および電池室１１を外側から覆った状態で、ネジ等の結合具やクランプ材等によって結合されている。

また、ベース１５とサイドカバー１７，１８との間や、ベース１５とフロントカバー１６との間等には、それぞれ不図示のシール部材が設けられている。シール部材は、例えば、電池室１１や電気室１２の縁部に沿った枠状のパッキン（ガスケット）等である。シール部材によって、電池室１１や電気室１２の周囲から気体や液体等が漏れるのが抑制される。言い換えると、電池室１１および電気室１２は、それぞれ筐体２の外部に対して密閉されている。

図２は、電池装置１の電池モジュール３の斜視図である。図２に示されるように、電池モジュール３は、例えば、筐体７や、筐体７内に収容された複数の電池セル６、複数の電池セル６とバスバー等を介して電気的に接続された出力端子部８等を有している。複数の電池セル６の電力、すなわち電池モジュール３の電力は、出力端子部８と電気的に接続されたケーブル９を介して、外部に取り出される。筐体７は、第二筐体の一例である。

電池セル６は、例えば、リチウムイオン二次電池等で構成されうる。なお、電池セル６は、ニッケル水素電池や、ニッケルカドミウム電池等、他の二次電池であってもよい。リチウムイオン二次電池は、非水電解質二次電池の一種であり、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う。電池セル６は、所謂角型缶タイプのものであり、缶セル等とも称される。

複数の電池セル６は、例えば、筐体７内に縦置きの姿勢、言い換えるとそれぞれの端子面がＺ方向を向いた姿勢で収容されている。また、複数の電池セル６は、例えば、筐体７内において、Ｘ方向やＹ方向に複数列に並べられている。

筐体７は、例えば、Ｘ方向に短い直方体状の箱型に構成されている。筐体７は、底壁７ａや、天壁７ｂ、一対の端壁７ｃ，７ｅ、一対の側壁７ｄ，７ｆ等の複数の壁部を有している。底壁７ａは、下壁等とも称され、天壁７ｂは、上壁等とも称される。また、端壁７ｃ，７ｅおよび側壁７ｄ，７ｆは、周壁等とも称される。

底壁７ａおよび天壁７ｂは、いずれも、Ｚ方向と直交する方向（ＸＹ平面）に沿って延びており、Ｚ方向に間隔をあけて互いに平行に設けられている。底壁７ａは、筐体７の下端部を構成し、天壁７ｂは、筐体７の上端部を構成している。底壁７ａは、電池セル６のそれぞれの下面を支持し、当該下面と直接的にまたは熱伝導グリス等を介して間接的に熱的に接続されている。

一対の端壁７ｃ，７ｅは、いずれも、Ｙ方向と直交する方向（ＸＺ平面）に沿って延びており、Ｙ方向に間隔をあけて互いに平行に設けられている。端壁７ｅは、筐体７のＹ方向の端部を構成し、端壁７ｃは、筐体７のＹ方向の反対方向の端部を構成している。端壁７ｃ，７ｅは、電池セル６のそれぞれの短側面または長側面を覆っている。

一対の側壁７ｄ，７ｆは、いずれも、Ｘ方向と直交する方向（ＹＺ平面）に沿って延びており、Ｘ方向に間隔をあけて互いに平行に設けられている。側壁７ｆは、筐体７のＸ方向の端部を構成し、側壁７ｄは、筐体７のＸ方向の反対方向の端部を構成している。側壁７ｄ，７ｆは、電池セル６のそれぞれの長側面または短側面を覆っている。

また、筐体７は、例えば、ケース２５や、トップカバー２６等の複数の部品（分割体）の組み合わせによって構成されている。ケース２５およびトップカバー２６は、それぞれ、合成樹脂材料や金属材料等によって作られる。

ケース２５は、例えば、底壁７ａや、一対の端壁７ｃ，７ｅ、一対の側壁７ｄ，７ｆ等を有している。また、トップカバー２６は、例えば、天壁７ｂ等を有している。トップカバー２６は、ケース２５に対して電池セル６の収容室をＺ方向から覆った状態で、ネジ等の結合具２８やスナップフィット等によって結合されている。

図３は、電池装置１の一部の側面図であって、サイドカバー１７が取り外された状態の図である。図３に示されるように、筐体２の電池室１１における各棚部１０には、それぞれヒートシンク２０が設けられている。ヒートシンク２０は、例えば、冷却プレート２１と、接続配管２２と、を有している。

冷却プレート２１は、例えば、筐体２の棚壁２ｈに沿って延びた四角形状の板状に構成されている。冷却プレート２１は、各棚部１０内において、棚壁２ｈとＸ方向に並んだ六つの電池モジュール３を含むモジュール列との間に介在されている。言い換えると、冷却プレート２１は、電池モジュール３のそれぞれの底壁７ａと熱的に接続された状態に設けられている。

冷却プレート２１の内部には、電池モジュール３を冷却する冷却水等の流体が流れる流路が設けられている。流路は、接続配管２２と接続されるとともに、複数の電池モジュール３と熱交換が行われるように冷却プレート２１の内部をＸ方向およびＹ方向に蛇行しながら延びている。本実施形態では、例えば、複数の接続配管２２によって、Ｚ方向に並んだ複数の冷却プレート２１の各流路が、直列や、並列、あるいは直列と並列との組み合わせ等によって接続されている。

また、冷却プレート２１と電池モジュール３の底壁７ａとの間には、それぞれ、不図示の熱伝導層が設けられている。熱伝導層は、例えば、熱伝導グリスや、熱伝導シート等である。熱伝導層によって、冷却プレート２１と底壁７ａとの間の熱伝達性が向上し、ひいてはヒートシンク２０による底壁７ａ、すなわち複数の電池セル６の冷却効果をより高めることができる。

図４は、電池装置１の電池室１１における一部のＹＺ断面図である。図４に示されるように、電池室１１のＹ方向の略中央部には、Ｚ方向に沿って延びる空気通路１３が設けられている。空気通路１３は、上述した一対の仕切壁２ｉの間に設けられており、各棚部１０とＹ方向に並んでいる。

空気通路１３のＺ方向の上端部は、筐体２の天壁２ｂに臨んでいる。一方、空気通路１３の下端部は、後述するファン３０（図５参照）に臨んでいる。本実施形態では、例えば、溶接等によって仕切壁２ｉの上端部が天壁２ｂと接合されるとともに、仕切壁２ｉの下端部が底壁２ａもしくは最も下段の棚壁２ｈと接合されている。下端部は、端部の一例であり、天壁２ｂは、外壁の一例である。

また、仕切壁２ｉには、それぞれ複数の通気口２ｋが設けられている。通気口２ｋは、仕切壁２ｉをＹ方向に貫通した貫通孔であり、空気通路１３と電池室１１の各棚部１０とを連通している。通気口２ｋは、例えば、Ｘ方向に並んだ六つの電池モジュール３を含むモジュール列と重なるようにＸ方向に細長く延びている。

本実施形態では、例えば、ファン３０から吐出された空気流Ｗは、左壁２ｄおよび右壁２ｆと棚壁２ｈとの間の隙間１４を経由して、電池室１１の各棚部１０へと供給される。そして、空気流Ｗは、各棚部１０内をＹ方向に横断するように通過し、通気口２ｋから空気通路１３を経由してファン３０へと戻る。

ここで、各棚部１０の空間には、電池モジュール３の筐体７のうちヒートシンク２０と面した底壁７ａ以外の天壁７ｂや、端壁７ｃ，７ｅ、側壁７ｄ，７ｆ等が面している。よって、空気流Ｗは、各棚部１０を通過する過程で底壁７ａ以外の天壁７ｂや、端壁７ｃ，７ｅ、側壁７ｄ，７ｆ等と熱交換を行うことによって、電池モジュール３の冷却効果をより高めることができる。

このように、本実施形態では、電池室１１内を循環（旋回）するように流れる空気流Ｗによる冷却とヒートシンク２０による冷却とによって、一対の電池室１１のそれぞれに収容された複数の電池モジュール３の温度上昇をより効果的に抑制できるよう構成されている。

図５は、電池装置１の下端部における一部のＸＹ断面図である。図５に示されるように、上述した空気通路１３の下端部には、ファン３０が接続されている。本実施形態では、例えば、筐体２には、Ｘ方向に並んで複数のファン３０が設けられている。複数のファン３０は、それぞれ、空気通路１３と面している。

ファン３０は、例えば、Ｚ方向に沿って延びる回転中心Ａｘ回りに回転可能な遠心ファンまたは軸流ファンである。ファン３０は、環状開口内のブレードの回転中心Ａｘ回りの回転により、上述した電池室１１内を循環（旋回）するように流れる空気流Ｗを生成する。ファン３０のＹ方向に沿った幅は、空気通路１３すなわち一対の仕切壁２ｉの間の間隔と略同じか僅かに狭い。言い換えると、ファン３０は、一対の仕切壁２ｉの間に収容されうる。

また、ファン３０のＹ方向には、ダクト４０が隣接して設けられている。ダクト４０は、Ｘ方向に沿って延びており、筐体２の隔壁２ｇと接合されている。ダクト４０の内部には、ファン３０のケーブル等を収容可能な収容室４１が設けられている。ファン３０のケーブルは、収容室４１から隔壁２ｇに設けられた不図示の貫通孔を経由して、電気室１２内の電気機器４等と接続されている。

なお、ファン３０やダクト４０等は、例えば、筐体２の底壁２ａと最も下段の棚壁２ｈとの間のスペース等に収容されうる。ファン３０は、棚壁２ｈからＺ方向に露出するとともに一対の仕切壁２ｉによってＹ方向の両側から覆われた状態に設けられうる。ダクト４０は、棚壁２ｈからＺ方向に露出する天壁等を有し、当該天壁が電池室１１と収容室４１とを隔離している。

以上のように、本実施形態では、電池装置１は、それぞれにＺ方向に並んで複数の棚部１０が設けられ互いに外部に対して密閉された一対の電池室１１と、電池室１１と空気通路１３とを仕切り各棚部１０と空気通路１３とを連通する複数の通気口２ｋが設けられた一対の仕切壁２ｉと、電池室１１および空気通路１３とＸ方向に並んだ電気室１２と、電気室１２と電池室１１および空気通路１３とを隔離する隔壁２ｇと、が設けられた筐体２（第一筐体）と、電池室１１における各棚部１０に収容された複数の電池モジュール３と、複数の電池モジュール３を冷却するヒートシンク２０と、空気通路１３の下端部（端部）に設けられ、通気口２ｋを経由して各棚部１０内に収容された電池モジュール３を冷却する空気流Ｗを生成するファン３０と、ファン３０のケーブルを収容可能な収容室４１が設けられ、当該収容室４１と電池室１１とを隔離するダクト４０と、を備える。

このような構成によれば、例えば、筐体２内において、複数の電池モジュール３を電気室１２に収容される電気機器４やダクト４０に収容されるファン３０のケーブル等に対して隔離することができるため、電池装置１の安全性がより高まりやすい。また、例えば、ヒートシンク２０による冷却とファン３０の空気流Ｗによる冷却とによって、一対の電池室１１に配置された複数の電池モジュール３の温度上昇をより効果的に抑制することができる。よって、例えば、従来では背反であった安全性と冷却性とを両立して確保できる電池装置１を得ることができる。

また、本実施形態では、電池モジュール３は、それぞれ、複数の電池セル６と、複数の電池セル６と熱的に接続された底壁７ａを含む筐体７（第二筐体）と、を有し、ヒートシンク２０は、電池モジュール３のそれぞれの底壁７ａと熱的に接続された状態に設けられている。

このような構成によれば、例えば、ヒートシンク２０と電池モジュール３のそれぞれの底壁７ａとの熱交換によって、複数の電池セル６をより効率的に冷却することができる。また、例えば、ファン３０からの空気流Ｗによって、電池モジュール３の底壁７ａ以外の天壁７ｂや、端壁７ｃ，７ｅ、側壁７ｄ，７ｆ等を冷却することによって、複数の電池セル６の温度上昇をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、ヒートシンク２０は、底壁７ａとの熱交換によって複数の電池セル６を冷却する流体が流れる流路が設けられた冷却プレート２１を有している。

このような構成によれば、例えば、冷却プレート２１による水冷式もしくは液冷式のヒートシンク２０によって、複数の電池モジュール３の温度上昇をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、仕切壁２ｉは、筐体２の天壁２ｂ（外壁）と接合され、ダクト４０は、隔壁２ｇと接合されている。

このような構成によれば、例えば、仕切壁２ｉおよび隔壁２ｇによって、筐体２の剛性や強度を高めることができ、ひいては筐体２内に複数の電池モジュール３が高密度に配置された場合にも耐久性や安全性を確保することができる。

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、形式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

１…電池装置、２…筐体（第一筐体）、２ｂ…天壁（外壁）、２ｇ…隔壁、２ｉ…仕切壁、２ｋ…通気口、３…電池モジュール、６…電池セル、７…筐体（第二筐体）、７ａ…底壁、１０…棚部、１１…電池室、１２…電気室、１３…空気通路、２０…ヒートシンク、２１…冷却プレート、３０…ファン、４０…ダクト、４１…収容室、Ｗ…空気流、Ｘ…前後方向、Ｙ…左右方向、Ｚ…上下方向。

Claims (4)

1. 上下方向に延びた空気通路と、前記空気通路の左右両側に設けられるとともにそれぞれに前記上下方向に並んで複数の棚部が設けられ互いに外部に対して密閉された一対の電池室と、前記電池室と前記空気通路とを仕切り前記各棚部と前記空気通路とを連通する複数の通気口が設けられた一対の仕切壁と、前記電池室および前記空気通路と前後方向に並んだ電気室と、前記電気室と前記電池室および前記空気通路とを隔離する隔壁と、が設けられた第一筐体と、
   前記電池室における前記各棚部に収容された複数の電池モジュールと、
   前記複数の電池モジュールを冷却するヒートシンクと、
   前記空気通路の端部に設けられ、前記通気口を経由して前記各棚部内に収容された前記電池モジュールを冷却する空気流を生成するファンと、
   前記ファンのケーブルを収容可能な収容室が設けられ、当該収容室と前記電池室とを隔離するダクトと、
   を備えた、電池装置。
2. 前記電池モジュールは、それぞれ、複数の電池セルと、前記複数の電池セルと熱的に接続された底壁を含む第二筐体と、を有し、
   前記ヒートシンクは、前記電池モジュールのそれぞれの前記底壁と熱的に接続された状態に設けられた、請求項１に記載の電池装置。
3. 前記ヒートシンクは、前記底壁との熱交換によって前記複数の電池セルを冷却する流体が流れる流路が設けられた冷却プレートを有した、請求項２に記載の電池装置。
4. 前記仕切壁は、前記第一筐体の外壁と接合され、
   前記ダクトは、前記隔壁と接合された、請求項１～３のうちいずれか一つに記載の電池装置。

Images