電池モジュール、これを収納する電池箱、及びこれを備える鉄道車両
【課題】
鉄道車両において必要なセル部分とケース部分との高い絶縁性能を保持しつつ、高い冷却性能を有する電池モジュールを提供する。
【解決手段】
電池セル２が複数個並設して収納された電池モジュールにおいて、前記複数のセル２を搭載する台座３と複数の放熱フィン８を有するヒートシンク４を備え、台座３とヒートシンク４との間に絶縁部材５を設けた。
鉄道車両において必要なセル部分とケース部分との高い絶縁性能を保持しつつ、高い冷却性能を有する電池モジュールを提供する。
【解決手段】
電池セル２が複数個並設して収納された電池モジュールにおいて、前記複数のセル２を搭載する台座３と複数の放熱フィン８を有するヒートシンク４を備え、台座３とヒートシンク４との間に絶縁部材５を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池モジュール、その電池モジュールを収納する電池箱、及びその電池箱を備える鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の高出力密度の電池セルを複数個備える二次電池システムは、産業用途に広く用いられている。特に近年ではハイブリッド自動車用の蓄電システムとして、高電圧化、大容量化された二次電池システムが普及し始めている。
【０００３】
鉄道車両の分野においても、省エネルギー化を図るために、ディーゼルエンジンで駆動される発電機と二次電池システムを組み合わせて、モータに電力を供給するハイブリッド鉄道車両の開発が行われている。ハイブリッド鉄道車両では、車両減速時に発生するエネルギーを回生させて二次電池システムに充電させることで、従来のディーゼルエンジンのみで駆動する気動車では不可能だった回生エネルギーの再利用が可能となり、省エネルギー化を実現することができる。
【０００４】
ハイブリッド自動車に搭載される二次電池システムの電圧は２００Ｖ程度、容量は数ｋＷｈ程度であるのに対し、ハイブリッド鉄道車両用の二次電池システムでは通常７５０〜１５００Ｖの電圧、及び数十〜数百ｋＷｈの大容量が必要となる。一方、電池セルの保守点検の容易性、安全性、輸送性などを考慮すると、電池セルは数個〜数十個単位でモジュール化されていることが望ましい。
【０００５】
大容量の電池モジュールにおいては、充放電時に電池セル内部で発生する発熱の密度も大きいため、電池セル及びモジュールの安定動作並びに長期信頼性の確保の観点から電池セルの積極的な冷却が必要となる。そのための手段としては、送風機などを利用して、電池モジュールの周囲空気を積極的にモジュール内部に取り込む通風構造を設けることなどが考えられるが、更なる高出力化に対応するためには、冷却性能を向上することが必要になってくる。
【０００６】
特許文献１では、冷却性能を向上するために、放熱フィンを有するヒートシンクに箱型のセルを密着して取り付け、セルとヒートシンクの間に熱伝導性の絶縁シートを設けて密着させることにより冷却性能を向上した例が見られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−９９４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来構造においては、セルの端面とヒートシンク面との距離が短いため、セルを直列に多数接続したときの高電圧部分とヒートシンクとの間の電気的な絶縁を十分に確保することが困難であった。また、この構造の場合のセルの形状は箱型形状に限定され、多く使われている円筒形状のセルに対応し難いという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、高電圧においてもセルとヒートシンク部分の間の十分な絶縁性能を確保しつつ高い冷却性能を得ることにより、高出力の電池セルに対応した電池モジュール及びこれを収容する電池箱並びにこれを備える鉄道車両を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、円筒形状のセルにも対応可能な高出力に対応した電池モジュール及びこれを収容する電池箱並びにこれを備える鉄道車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の電池モジュールでは、複数の前記電池セルを搭載する熱伝導性を有する非電気絶縁材料の台座と、
放熱フィンを有する非電気絶縁材料の伝熱体により構成されるヒートシンクで、前記伝熱体の上面が前記台座の投影面積より大きな面積を有して前記台座よりも全方向にはみ出し、この伝熱体上面が前記台座を支えるように前記台座の底部側に配置されるヒートシンクと、を備え、
前記台座の底面と前記ヒートシンクの前記伝熱体上面との間に、前記台座の投影面積よりも大きな面積を有して前記台座よりも全方向にはみ出して、前記台座と前記ヒートシンク間の電気絶縁沿面を確保する電気絶縁シートを介在させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
このような構造とすることにより、高電圧においてもセルとヒートシンク部分の間の十分な絶縁性能を確保しつつ、高い冷却性能により高出力のセルに対応することが可能である。
【００１３】
また、このような構造とすることにより、円筒形状等の様々な形状のセルにおいても、高い冷却性能により高出力のセルに対応することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図(図２をB-B線の位置で断面した図)。
【図２】第１実施例に係る電池モジュールを図１の状態と垂直な方向に断面した縦断面図（図１のA-A線の位置で断面した図）。
【図３】第１実施例に係る複数の電池モジュールを収納した電池箱の構成を示す縦断面図。
【図４】第１実施例に係る電池モジュールを電池箱に収容するときの密閉構造を示す図。
【図５】第１実施例に係る電池モジュールの配列状態を示す模式図。
【図６】本発明の第２実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図（図７をD-D線の位置で断面した図）。
【図７】第２実施例に係る電池モジュールを図６の状態と垂直な方向に断面した縦断面図（図６のC-C線の位置で断面した図）。
【図８】第２の実施例に係る電池モジュールのボルトによる接続部の詳細を示す縦断面図。
【図９】本発明の第３実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクと通風路の構造を示す平面図。
【図１０】本発明の第４実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクと通風路の構造を示す平面図。
【図１１】本発明の第５実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向と垂直な方向に断面した縦断面図。
【図１２】本発明の第６実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクの平面図。
【図１３】本発明の第７実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクの構造を示す平面図。
【図１４】本発明の第８実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクの構造を示す平面図。
【図１５】本発明の適用対象となる鉄道車両における電池箱の搭載例を示す模式図。
【図１６】本発明の適用対象となる鉄道車両における電池箱の他の搭載例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を以下、図面に示した実施例を用いて説明する。
【００１６】
図１５及び図１６は、複数の二次電池モジュールを収納した電池箱のハイブリッド型の鉄道車両における搭載例を示す図である。ハイブリッド車両駆動システムとして、電池箱２０、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０２、発電機１０３、コンバータ１０４、インバータ１０５、モータ１０６等を備える。図１５に、電池箱２０を電源車両１００の床下に搭載した例を、図１６に、電池箱２０を電源車両１００内に搭載した例を示す。
【００１７】
図１５、図１６において、電源車両１００において、ディーゼルエンジン１０２で駆動する発電機１０３によって得られた交流電流は、コンバータ１０４によって直流電流に変換される。このコンバータ１０４からの直流電流と電池箱２０からの直流電流は、車両１００に搭載されるインバータ１０５により、車速に応じた周波数の交流電流に変換されてモータ１０６の駆動電力となり、鉄道車両を駆動させる。なお、電池箱２０及び発電機１０３の出力は車両の運転状況等によって適宜制御される。
【００１８】
以下、上記ハイブリッド型車両に搭載される電池モジュールに係る実施例について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は本発明の第１実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図(図２をB-B線の位置で断面した図)、図２は第１実施例に係る電池モジュールを図１の状態と垂直な方向に断面した縦断面図（図１のA-A線の位置で断面した図）、図３は第１実施例に係る複数の電池モジュールを収納した電池箱の構成を示す縦断面図である。
【００２０】
各電池モジュール１は、複数の電池セル（以下、「セル」と称する）２、それらのセルを支持するセル台座３、電池モジュール冷却用のヒートシンク４、第１の絶縁部材５、第２の絶縁部材６、電磁モジュールの上カバー７、ヒートシンク用の複数のフィン８、セル２を上側で固定する固定部材９、電源供給用のバスバー１０および１１、セル２を側面から固定する側面固定部材１２、セル２の緩衝部材１４、電池モジュールの下カバー１５、モジュール構成部品を結合するための固定ねじ部材１６、１７を備える。
【００２１】
電池モジュール１に積載される複数のセル２は、リチウムイオン電池等の二次電池であり、図２に示すように、後述の台座３を介してセルの軸方向と垂直方向に並置される。並置されたセル２は、図５に示すように、隣り合うセル２同士の極性の向きを反対にして、モジュール１内において、バスバー１０及び１１によって各セル２の電極が直列に接続されている。図１では、セル６個でモジュールを構成した例を示しているが、勿論、他の個数でも構わない。
【００２２】
セル２は、筒状を呈して、その外周がシリコーンシート等の緩衝部材１４で覆われて、アルミニウム等の熱伝導率が大きい非電気絶縁性材料でつくられた台座３上に並置されている。
【００２３】
台座３のセル載置側（実施例では上面側）は、セル２の外周形状に合わせた円弧状曲面形状のセル設置溝が並列に形成されている。緩衝部材１４は、充放電時のセル２の膨張、収縮による変形を吸収し、且つセル２と台座３との間の密着性を保持するとともに、セル２間の絶縁を保つ役割がある。緩衝部材１４の素材としては、熱伝導が良い絶縁部材でかつ柔軟性がある素材が望ましい。そのような性質を備えた緩衝部材１４の材料としては、シリコーンシート等を用いる。
【００２４】
台座３のセル２と反対側の平らな面（実施例では下面側）には、ヒートシンク４が設置されている。台座３とヒートシンク４との間には、シリコーンシート等の熱伝導性が良い第１の電気絶縁部材（電気絶縁シート）５が挟み込まれている。
【００２５】
ヒートシンク４を構成する伝熱体の上面が台座３の投影面積より大きな面積を有して台座３よりも全方向にはみ出す。これによりヒートシンクの放熱面積を大きく確保できる。ヒートシンク４は、その上面が台座３を支えるように台座の底部側に配置される。
【００２６】
電気絶縁部材５は、台座３の投影面積よりも大きな面積を有して台座３よりも全方向にはみ出して、台座３とヒートシンク４間の電気絶縁沿面を確保する。
【００２７】
ヒートシンク４は、アルミニウムや銅等の熱伝導率が大きい材料でつくられる。ヒートシンク４は、上部基板となるベースプレート８ａと、その左右両側に形成されるフレーム８ｂと、左右のフレーム８ｂ間でベースプレート８ａの一面に一定間隔を置いて並設された複数のフィン８ｃとよりなり、これらをモールドによる一体成形或いは溶接結合することにより成形される。フィン８ｃ間に冷却用の空気流路８ｄが形成されている。フィン８ｃの長手方向及び空気流路８ｄは、セル２の軸方向と垂直な方向に向けられている。ヒートシンク４は、ベースプレート８ａがセル２の方向（実施例では上側）に向けられ、フィン８ｃの先端側がセル２と反対方向（実施例では下側）に向けられている。フィン８ｃの先端側には、空気流路８ｄを覆うカバープレート１５がベースプレート８ａと対向するよう固定されている。
【００２８】
第１の絶縁部材５は、詳細には、台座３とヒートシンク４のベースプレート８ａとの間に介在している。
【００２９】
セル２の発熱により発生した熱は、緩衝部材１４、台座３、絶縁部材５を通ってヒートシンク４に伝わり、ヒートシンク４からフィン８ｃの間を流れる空気（空気流路８ｄ）に放熱される。ヒートシンク４にフィン８ｃを設けて伝熱面を拡大することにより、高い冷却性能を得ることができる。
【００３０】
セル２の周囲に絶縁材料の緩衝シート１４を設けているが、これだけではセル端面等における高電圧（＋電極側など）の緩衝シート４に覆われていない部分とヒートシンク４間の絶縁を十分に確保できないおそれがある。そこで、本実施例では、セル２の高電圧部分（＋電極側端面など）とヒートシンク４との間の絶縁を保つために、第１の絶縁部材５を設けている。第１の絶縁部材５は、セル２の軸方向及びそれと垂直なセル配列方向のいずれにおいても、セル２及び台座３のいずれよりも外側に張り出すように形成されている。
【００３１】
電池モジュールの組立時等において、モジュールに触れたときに感電するのを防ぐため、ヒートシンク４にはセル２の電圧が直接加わらないようにして、セル２の電池箱収納時には、ヒートシンク４とモジュールを収納する電池箱とが同じ電位（アース）になるようにする。また、図１及び図２に示すように、絶縁部材５をセル２の軸方向長さ及び台座３よりも広い幅にして、台座３より充分に張り出す（はみ出す）ようにすることにより、台座３とヒートシンク４との間の沿面距離を十分に取ることができ、セル２の高電圧部分とヒートシンク部分との絶縁が良好に保たれるようにしてある。絶縁部材５に万一欠陥があった場合にも絶縁破壊が起こらないようにするため、絶縁部材５は複数枚、例えば２枚重ねて使うとよい。絶縁部材５は熱伝導が良く絶縁性に優れた材料が良い。絶縁部材５の材料としては、シリコーンシート、マイカシート、絶縁紙、ポリイミドフィルム等を用いる。
【００３２】
モジュール１の上側には、セル２の上側を固定するセル上側固定部材９が設けられている。セル上側固定部材９も、その一面に各セル２の外周が適合する曲面を有する円弧状曲面溝が形成されている。
【００３３】
モジュール１の上カバー７とセル上側固定部材９との間には、第２の絶縁部材６が挟み込まれている。この第２の絶縁部材６も、セル２の軸方向長さ及びセル上側固定部材９よりも広い幅にしてセル上側固定部材９よりはみ出すようにしている。このような構造により、上カバー７にセルの電圧が直接加わらないようにして、組立時等においてモジュールに触れたときに感電するのを防止している。絶縁を確実にするために、絶縁部材６を２枚重ねて用いると良い。第２の絶縁部材６は、必ずしも高い熱伝導率は必要としない。第２の絶縁部材６の材料としては、シリコーンシート、マイカシート、絶縁紙、ポリイミドフィルム等を用いる。
【００３４】
モジュール１のセル両端の側部には、絶縁性材料で例えばモールド成形などで形成されたセル両端側部を固定する固定部材１２、１３が設けられ、セル２や台座３がセル軸方向に移動するのを防止している。
【００３５】
セル両端側部固定部材１２、１３は、固定ねじ部材１７によりヒートシンク４に固定され、また、固定ねじ部材１６によって上カバー７に接続されている。ねじ締め付けによる上カバー７によって、セル２や台座３をヒートシンク４の側に押しつけるようにしている。
【００３６】
固定部材１２，１３は、セル２に向いた側（内側）に、バスバー１０、１１を受け入れるバスバー収納溝１２ａ，１３ａと、絶縁部材５及び６を受け入れる凹部１２ｂ，１３ｂ及び１２ｃ，１３ｃが形成されている。
【００３７】
図３に上記した複数の前記電池モジュール１を収納する電池箱の構造を示す。図３では、図示簡略化のために電気絶縁部材５、６について１枚構造としているが、既述のように２枚或いはそれ以上としてもよい。
【００３８】
図３では、電池モジュール４個を電池箱２０に収納した例を示しているが、その数は任意であり制限されるものではない。電池箱２０は、ファン２１、入口グリル２２、フィルタ２３、出口グリル２４等を備えている。ファン２１を運転することによって、入口グリル２２、フィルタ２３を通って各モジュール１のヒートシンク４に形成した空気流路８ｄに、モジュール冷却のための空気が供給される。各モジュールを冷却した空気は、出口グリル２４を通って電池箱外に排出される。各モジュールのセル軸方向に垂直な方向の両端には、空気流路８ｄの両端のみを開口させる側板２５、２６を設けることにより、冷却空気がモジュール１のヒートシンク４（フィン８ｃ間）以外に流れないようにして、モジュール１の冷却性能が低下することを防止している。
【００３９】
図３の側板２５、２６の好ましい具体的構造例を、図４に示す。図４では、一つのモジュール１を取り出してその側板２５、２６について断面図により示している。
【００４０】
図４の例では、一方の側板（入口側側板）２５にモジュール１を側板２５、２６間に出し入れするための出入口２５ａを設け、出入口２５ａは、モジュール１をセットした後には、カバープレート２７によって覆われる。
【００４１】
２９はカバープレート２７をヒートシンク４に接続させる接続部材である。カバープレート２７の内面には、Ｏリング用の溝を切っており、そこにＯリング２８をはめ込んでいる。カバープレート２７と側板２５とは、固定ねじ部材３０によって結合されている。
【００４２】
カバープレート２７には、ヒートシンク４の空気流路８ｄ（フィン８ｃ間）の空気取り入れ口２７ａが形成されている。空気取り入れ口２７aは、図４の紙面に垂直方向に空気流路８ｄの並列配置の幅に合わせた横幅を持ったスリット状開口である。
【００４３】
ヒートシンク４の空気流路８ｄの出口部分には、雄型コネクタ部３１を取り付ける。３４は雄型コネクタ３１をヒートシンク４に取り付けるときの補強部材である。コネクタ３１も、空気流路８ｄの並列配置の幅（紙面に垂直方向の幅）に合わせた横幅を有する。したがってコネクタ３１に設けた空気出口３１ａは、空気流路８ｄの出口に対応して紙面に垂直方向に幅広となるスリット形状を呈している。コネクタ３１の周囲にはＯリング用の溝を設けて、Ｏリング３２をはめ込む。出口側の側板２６には雌型コネクタ３３を取り付ける。コネクタ３１はコネクタ３３に嵌合して固定され、Ｏリング３３によって空気がセル部分等に漏れないようにシールされる。
【００４４】
以上のような実施形態の構造によって、高電圧に対する十分な絶縁性能を確保しつつ高い冷却性能が得られるので、高出力のセルに対応することが可能である。また、セル台座３の形状をセルに合わせることにより、円筒形状や様々な形状のセルにおいて高い冷却性能が得られる。また、セル部分を密閉することにより、セル部分に空気が直接触れることがないので、セルに空気中の不純物が付着して劣化の原因となることを防止することができる。
【実施例２】
【００４５】
図６に本発明の第２実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図（図７をD-D線の位置で断面した図）、図７は第２実施例に係る電池モジュールを図６の状態と垂直な方向に断面した縦断面図（図６のC-C線の位置で断面した図）である。図６及び図７において、図１及び図２の第１の実施例と共通の部分は、同一番号としており、以下、第１の実施例と異なる部分について説明する。
【００４６】
図６及び図７において、セル２の周囲には緩衝部材１４を巻き付けてあり、緩衝部材１４の上半分外周に沿わせて固定具１９、２０を、セルの軸方向の両端側に設け、固定具１９、２９を固定ねじ１８によって台座３と固定する。固定具１９、２０は、例えば板ばねのように弾力性のある帯状材料とすることにより、弾性部材１４と合わせて、セル２の充放電時の変形を逃げることができ、セル２に過大な荷重が加わって破壊するのを防止することができる。
【００４７】
台座３は、電池モジュールの下カバー１５、ヒートシンク４、絶縁部材５及び台座３を貫通する連結用ねじ２７によって、ヒートシンク４と一体的に連結される。台座３とヒートシンク４との間の電気的な絶縁を保つために、連結用ねじ２７の周囲は図８の拡大図に示すような構造にする。
【００４８】
図８において、金属製の連結用ねじ２７は、ボルト２７１及びナット２７２から成る。ボルト２７１は、ヒートシンク４及び台座３の貫通穴に、テフロン（デュポン社の登録商標）等の絶縁材料でつくられたスリーブ２７３aおよび２７３bにより覆われるようにして貫通する。スリーブ２７３aのうち下カバー１５より突出した部分、及びスリーブ２７３bのうち台座３より突出した部分には、テフロン（デュポン社の登録商標）等の絶縁材料でつくられたテフロンワッシャ２７４、２７５を嵌め込む。更にテフロン（デュポン社の登録商標）等の絶縁材料でつくられたリング状のスペーサ２７６及び２７７、ワッシャ２７８及び２７９を挟んで、ボルト２７１、ナット２７２により、台座３がヒートシンク４に絶縁部材５、絶縁スリーブ２７３a、２７３b及び絶縁スペーサ２７６，２７７を介して締め付け固定される。以上のような固定構造とすることにより、台座３とヒートシンク４とを金属製のねじによってしっかりと固定しつつ、高電圧における絶縁を保持することが可能である。
【００４９】
以上の構造によって、ヒートシンク４とセル台座３とを絶縁部材５を介して密着させることが可能となり、高電圧に対する十分な絶縁性能を確保しながら高い冷却性能が得られるので、高出力のセルに対応することが可能である。
【実施例３】
【００５０】
図９に本発明の第３実施例における電池モジュールの冷却部であるヒートシンク４０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の構造を示す。図９は、ヒートシンク４０を、セル２と反対側から見たところを示す平面図である。ヒートシンク４０以外の構造は、既述した第１の実施例或いは第２の実施例の構造と共通するので説明は省略する。
【００５１】
ヒートシンク４０に設けた複数のフィン４１は、第１の実施例の配列と垂直の方向に向けて配列されており、それらのフィン４１の空気流路方向の両側にフィン４１と垂直方向に配列された入口側ダクト４４（空気案内通路）及び出口側ダクト（空気案内通路）４５とが設けられている。入口側ダクト４４及び出口側ダクト４５のフィンと反対側の壁面４２及び４３を傾斜させている。この傾斜は、各フィン間の通路に略均一に空気が流れるように配慮したものである。すなわち、入口側ダクト４４については、空気流の慣性により下流側（紙面に向かって右側）ほど流入空気が集まり易いので、上流側（冷却風導入側）から下流側に向けて先細りとなるようにして下流側の通気抵抗を大きくしている。出口側ダクト４５については、上流側から下流側に向けてフィン間から流出する合流冷却風量が増していくので、上流側を先細りとして下流側に向けて次第に広がる風路構造にしている。
【００５２】
本実施例によれば、フィン間の空気流通を略均等化するほかに、ヒートシンクを通過する空気の経路の長さを最も短くできるので、セル２による上流における空気温度の上昇が全くないため、冷却性能が向上する。
【実施例４】
【００５３】
図１０に本発明の第４実施例における電池モジュールの冷却部であるヒートシンク５０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の構造を示す。図１０は、ヒートシンク５０を、セル２と反対側から見たところを示す平面図である。ヒートシンク５０以外の構造は、既述した第１の実施例或いは第２の実施例の構造と共通するので説明は省略する。
【００５４】
ヒートシンク５０に設けた複数のフィン５１は、セル２の配列に対して斜め方向に立体クロスするように配列されている。それらのフィン５１の空気流路方向の両側にフィン５１と垂直方向に配列された入口側ダクト５４及び出口側ダクト５５とが設けられている。入口側ダクト５４及び出口側ダクト５５のフィンと反対側の壁面５２及び５３を、第３実施例と同様に理由で傾斜させている。ヒートシンクの風路入口部は、フィン５１を斜め配列にすることにより、ヒートシンクの二辺に形成されるが、そのうちヒートシンク長手方向の一端側となる一辺には、風路抵抗体５６を設けることによって、もう一辺の入口側ダクト５４にも空気を誘導するようにする。
【００５５】
このような構造とすることにより、ヒートシンクを通過する空気の経路の長さが短くなるので、セル２による上流における空気温度の上昇を小さく押さえることができ、冷却性能を向上することが可能である。
【実施例５】
【００５６】
図１１に本発明の第５実施例における電池モジュールの縦断面（セルの軸方向と垂直な方向の縦断面図）を示す。基本的な構造は第１の実施例と同じであるが、ヒートシンク６０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の下側カバー６１に空気流路入口側ほどフィン８と下側カバー６１との間の間隙が大きくなるような傾斜を設けることにより、上記間隙による通風路６２も確保する。このような構造では、ヒートシンクに入ってきた冷却空気の一部は、フィン８の下側から流入する。そのため、セル２による上流における空気温度の上昇の影響を小さく押さえることができ、冷却性能が向上する。
【実施例６】
【００５７】
図１２に本発明の第６実施例における電池モジュールの冷却部であるヒートシンク７０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の構造を示す。図１２は、ヒートシンク７０を、セル２と反対側から見たところを示す平面図である。ヒートシンク７０以外の構造は、既述した第１の実施例或いは第２の実施例の構造と共通するので説明は省略する。
【００５８】
本実施例のヒートシンク７０では、上流側と下流側とでフィン７１のピッチを変え、上流側よりも下流側のフィンピッチが細かくなるようにしている。このような構造により、下流側の高い冷却能力が必要な部分において冷却能力が高められるので、冷却性能が向上する。
【実施例７】
【００５９】
図１３に本発明の第７実施例における電池モジュールの冷却部であるヒートシンク８０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の構造を示す。図１３は、ヒートシンク８０を、セル２と反対側から見たところを示す平面図である。ヒートシンク８０以外の構造は、既述した第１の実施例或いは第２の実施例の構造と共通するので説明は省略する。
【００６０】
本実施例の電池モジュールのヒートシンク８０では、下流側ほどフィンの枚数が多くなるように、フィンをヒートシンクの中心軸に対して斜め方向で中心軸を基準に対称に配置している。このような構造により、下流側の高い冷却能力が必要な部分において冷却能力が高められるので、冷却性能が向上する。
【実施例８】
【００６１】
図１３に本発明の第８実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図を示す。本実施例では、第２の実施例におけるセル台座３の材質を絶縁性の材料とすることにより、絶縁シート５を不要とした。台座３の材料としては、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等のプラスチック材料を使用すれば良い。本実施例では、第２の実施例より熱抵抗は増加するものの、図６の絶縁部材５や固定ねじ２７の部分の図８に示したような絶縁構造が不要で、構造を簡単にすることができ、組立性やコストに優れる。
【符号の説明】
【００６２】
１…電池モジュール
２…セル
３…セル台座
４…ヒートシンク
５…第１の絶縁材料
６…第２の絶縁材料
７…モジュールカバー
８…フィン
９…セル上部固定部材
１０、１１…バスバー
１２、１３…セル側面固定絶縁部材
１４…緩衝部材
２０…電池箱
２１…ファン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池モジュール、その電池モジュールを収納する電池箱、及びその電池箱を備える鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の高出力密度の電池セルを複数個備える二次電池システムは、産業用途に広く用いられている。特に近年ではハイブリッド自動車用の蓄電システムとして、高電圧化、大容量化された二次電池システムが普及し始めている。
【０００３】
鉄道車両の分野においても、省エネルギー化を図るために、ディーゼルエンジンで駆動される発電機と二次電池システムを組み合わせて、モータに電力を供給するハイブリッド鉄道車両の開発が行われている。ハイブリッド鉄道車両では、車両減速時に発生するエネルギーを回生させて二次電池システムに充電させることで、従来のディーゼルエンジンのみで駆動する気動車では不可能だった回生エネルギーの再利用が可能となり、省エネルギー化を実現することができる。
【０００４】
ハイブリッド自動車に搭載される二次電池システムの電圧は２００Ｖ程度、容量は数ｋＷｈ程度であるのに対し、ハイブリッド鉄道車両用の二次電池システムでは通常７５０〜１５００Ｖの電圧、及び数十〜数百ｋＷｈの大容量が必要となる。一方、電池セルの保守点検の容易性、安全性、輸送性などを考慮すると、電池セルは数個〜数十個単位でモジュール化されていることが望ましい。
【０００５】
大容量の電池モジュールにおいては、充放電時に電池セル内部で発生する発熱の密度も大きいため、電池セル及びモジュールの安定動作並びに長期信頼性の確保の観点から電池セルの積極的な冷却が必要となる。そのための手段としては、送風機などを利用して、電池モジュールの周囲空気を積極的にモジュール内部に取り込む通風構造を設けることなどが考えられるが、更なる高出力化に対応するためには、冷却性能を向上することが必要になってくる。
【０００６】
特許文献１では、冷却性能を向上するために、放熱フィンを有するヒートシンクに箱型のセルを密着して取り付け、セルとヒートシンクの間に熱伝導性の絶縁シートを設けて密着させることにより冷却性能を向上した例が見られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−９９４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来構造においては、セルの端面とヒートシンク面との距離が短いため、セルを直列に多数接続したときの高電圧部分とヒートシンクとの間の電気的な絶縁を十分に確保することが困難であった。また、この構造の場合のセルの形状は箱型形状に限定され、多く使われている円筒形状のセルに対応し難いという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、高電圧においてもセルとヒートシンク部分の間の十分な絶縁性能を確保しつつ高い冷却性能を得ることにより、高出力の電池セルに対応した電池モジュール及びこれを収容する電池箱並びにこれを備える鉄道車両を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、円筒形状のセルにも対応可能な高出力に対応した電池モジュール及びこれを収容する電池箱並びにこれを備える鉄道車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の電池モジュールでは、複数の前記電池セルを搭載する熱伝導性を有する非電気絶縁材料の台座と、
放熱フィンを有する非電気絶縁材料の伝熱体により構成されるヒートシンクで、前記伝熱体の上面が前記台座の投影面積より大きな面積を有して前記台座よりも全方向にはみ出し、この伝熱体上面が前記台座を支えるように前記台座の底部側に配置されるヒートシンクと、を備え、
前記台座の底面と前記ヒートシンクの前記伝熱体上面との間に、前記台座の投影面積よりも大きな面積を有して前記台座よりも全方向にはみ出して、前記台座と前記ヒートシンク間の電気絶縁沿面を確保する電気絶縁シートを介在させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
このような構造とすることにより、高電圧においてもセルとヒートシンク部分の間の十分な絶縁性能を確保しつつ、高い冷却性能により高出力のセルに対応することが可能である。
【００１３】
また、このような構造とすることにより、円筒形状等の様々な形状のセルにおいても、高い冷却性能により高出力のセルに対応することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図(図２をB-B線の位置で断面した図)。
【図２】第１実施例に係る電池モジュールを図１の状態と垂直な方向に断面した縦断面図（図１のA-A線の位置で断面した図）。
【図３】第１実施例に係る複数の電池モジュールを収納した電池箱の構成を示す縦断面図。
【図４】第１実施例に係る電池モジュールを電池箱に収容するときの密閉構造を示す図。
【図５】第１実施例に係る電池モジュールの配列状態を示す模式図。
【図６】本発明の第２実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図（図７をD-D線の位置で断面した図）。
【図７】第２実施例に係る電池モジュールを図６の状態と垂直な方向に断面した縦断面図（図６のC-C線の位置で断面した図）。
【図８】第２の実施例に係る電池モジュールのボルトによる接続部の詳細を示す縦断面図。
【図９】本発明の第３実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクと通風路の構造を示す平面図。
【図１０】本発明の第４実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクと通風路の構造を示す平面図。
【図１１】本発明の第５実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向と垂直な方向に断面した縦断面図。
【図１２】本発明の第６実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクの平面図。
【図１３】本発明の第７実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクの構造を示す平面図。
【図１４】本発明の第８実施例に係る電池モジュールにおけるヒートシンクの構造を示す平面図。
【図１５】本発明の適用対象となる鉄道車両における電池箱の搭載例を示す模式図。
【図１６】本発明の適用対象となる鉄道車両における電池箱の他の搭載例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を以下、図面に示した実施例を用いて説明する。
【００１６】
図１５及び図１６は、複数の二次電池モジュールを収納した電池箱のハイブリッド型の鉄道車両における搭載例を示す図である。ハイブリッド車両駆動システムとして、電池箱２０、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０２、発電機１０３、コンバータ１０４、インバータ１０５、モータ１０６等を備える。図１５に、電池箱２０を電源車両１００の床下に搭載した例を、図１６に、電池箱２０を電源車両１００内に搭載した例を示す。
【００１７】
図１５、図１６において、電源車両１００において、ディーゼルエンジン１０２で駆動する発電機１０３によって得られた交流電流は、コンバータ１０４によって直流電流に変換される。このコンバータ１０４からの直流電流と電池箱２０からの直流電流は、車両１００に搭載されるインバータ１０５により、車速に応じた周波数の交流電流に変換されてモータ１０６の駆動電力となり、鉄道車両を駆動させる。なお、電池箱２０及び発電機１０３の出力は車両の運転状況等によって適宜制御される。
【００１８】
以下、上記ハイブリッド型車両に搭載される電池モジュールに係る実施例について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は本発明の第１実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図(図２をB-B線の位置で断面した図)、図２は第１実施例に係る電池モジュールを図１の状態と垂直な方向に断面した縦断面図（図１のA-A線の位置で断面した図）、図３は第１実施例に係る複数の電池モジュールを収納した電池箱の構成を示す縦断面図である。
【００２０】
各電池モジュール１は、複数の電池セル（以下、「セル」と称する）２、それらのセルを支持するセル台座３、電池モジュール冷却用のヒートシンク４、第１の絶縁部材５、第２の絶縁部材６、電磁モジュールの上カバー７、ヒートシンク用の複数のフィン８、セル２を上側で固定する固定部材９、電源供給用のバスバー１０および１１、セル２を側面から固定する側面固定部材１２、セル２の緩衝部材１４、電池モジュールの下カバー１５、モジュール構成部品を結合するための固定ねじ部材１６、１７を備える。
【００２１】
電池モジュール１に積載される複数のセル２は、リチウムイオン電池等の二次電池であり、図２に示すように、後述の台座３を介してセルの軸方向と垂直方向に並置される。並置されたセル２は、図５に示すように、隣り合うセル２同士の極性の向きを反対にして、モジュール１内において、バスバー１０及び１１によって各セル２の電極が直列に接続されている。図１では、セル６個でモジュールを構成した例を示しているが、勿論、他の個数でも構わない。
【００２２】
セル２は、筒状を呈して、その外周がシリコーンシート等の緩衝部材１４で覆われて、アルミニウム等の熱伝導率が大きい非電気絶縁性材料でつくられた台座３上に並置されている。
【００２３】
台座３のセル載置側（実施例では上面側）は、セル２の外周形状に合わせた円弧状曲面形状のセル設置溝が並列に形成されている。緩衝部材１４は、充放電時のセル２の膨張、収縮による変形を吸収し、且つセル２と台座３との間の密着性を保持するとともに、セル２間の絶縁を保つ役割がある。緩衝部材１４の素材としては、熱伝導が良い絶縁部材でかつ柔軟性がある素材が望ましい。そのような性質を備えた緩衝部材１４の材料としては、シリコーンシート等を用いる。
【００２４】
台座３のセル２と反対側の平らな面（実施例では下面側）には、ヒートシンク４が設置されている。台座３とヒートシンク４との間には、シリコーンシート等の熱伝導性が良い第１の電気絶縁部材（電気絶縁シート）５が挟み込まれている。
【００２５】
ヒートシンク４を構成する伝熱体の上面が台座３の投影面積より大きな面積を有して台座３よりも全方向にはみ出す。これによりヒートシンクの放熱面積を大きく確保できる。ヒートシンク４は、その上面が台座３を支えるように台座の底部側に配置される。
【００２６】
電気絶縁部材５は、台座３の投影面積よりも大きな面積を有して台座３よりも全方向にはみ出して、台座３とヒートシンク４間の電気絶縁沿面を確保する。
【００２７】
ヒートシンク４は、アルミニウムや銅等の熱伝導率が大きい材料でつくられる。ヒートシンク４は、上部基板となるベースプレート８ａと、その左右両側に形成されるフレーム８ｂと、左右のフレーム８ｂ間でベースプレート８ａの一面に一定間隔を置いて並設された複数のフィン８ｃとよりなり、これらをモールドによる一体成形或いは溶接結合することにより成形される。フィン８ｃ間に冷却用の空気流路８ｄが形成されている。フィン８ｃの長手方向及び空気流路８ｄは、セル２の軸方向と垂直な方向に向けられている。ヒートシンク４は、ベースプレート８ａがセル２の方向（実施例では上側）に向けられ、フィン８ｃの先端側がセル２と反対方向（実施例では下側）に向けられている。フィン８ｃの先端側には、空気流路８ｄを覆うカバープレート１５がベースプレート８ａと対向するよう固定されている。
【００２８】
第１の絶縁部材５は、詳細には、台座３とヒートシンク４のベースプレート８ａとの間に介在している。
【００２９】
セル２の発熱により発生した熱は、緩衝部材１４、台座３、絶縁部材５を通ってヒートシンク４に伝わり、ヒートシンク４からフィン８ｃの間を流れる空気（空気流路８ｄ）に放熱される。ヒートシンク４にフィン８ｃを設けて伝熱面を拡大することにより、高い冷却性能を得ることができる。
【００３０】
セル２の周囲に絶縁材料の緩衝シート１４を設けているが、これだけではセル端面等における高電圧（＋電極側など）の緩衝シート４に覆われていない部分とヒートシンク４間の絶縁を十分に確保できないおそれがある。そこで、本実施例では、セル２の高電圧部分（＋電極側端面など）とヒートシンク４との間の絶縁を保つために、第１の絶縁部材５を設けている。第１の絶縁部材５は、セル２の軸方向及びそれと垂直なセル配列方向のいずれにおいても、セル２及び台座３のいずれよりも外側に張り出すように形成されている。
【００３１】
電池モジュールの組立時等において、モジュールに触れたときに感電するのを防ぐため、ヒートシンク４にはセル２の電圧が直接加わらないようにして、セル２の電池箱収納時には、ヒートシンク４とモジュールを収納する電池箱とが同じ電位（アース）になるようにする。また、図１及び図２に示すように、絶縁部材５をセル２の軸方向長さ及び台座３よりも広い幅にして、台座３より充分に張り出す（はみ出す）ようにすることにより、台座３とヒートシンク４との間の沿面距離を十分に取ることができ、セル２の高電圧部分とヒートシンク部分との絶縁が良好に保たれるようにしてある。絶縁部材５に万一欠陥があった場合にも絶縁破壊が起こらないようにするため、絶縁部材５は複数枚、例えば２枚重ねて使うとよい。絶縁部材５は熱伝導が良く絶縁性に優れた材料が良い。絶縁部材５の材料としては、シリコーンシート、マイカシート、絶縁紙、ポリイミドフィルム等を用いる。
【００３２】
モジュール１の上側には、セル２の上側を固定するセル上側固定部材９が設けられている。セル上側固定部材９も、その一面に各セル２の外周が適合する曲面を有する円弧状曲面溝が形成されている。
【００３３】
モジュール１の上カバー７とセル上側固定部材９との間には、第２の絶縁部材６が挟み込まれている。この第２の絶縁部材６も、セル２の軸方向長さ及びセル上側固定部材９よりも広い幅にしてセル上側固定部材９よりはみ出すようにしている。このような構造により、上カバー７にセルの電圧が直接加わらないようにして、組立時等においてモジュールに触れたときに感電するのを防止している。絶縁を確実にするために、絶縁部材６を２枚重ねて用いると良い。第２の絶縁部材６は、必ずしも高い熱伝導率は必要としない。第２の絶縁部材６の材料としては、シリコーンシート、マイカシート、絶縁紙、ポリイミドフィルム等を用いる。
【００３４】
モジュール１のセル両端の側部には、絶縁性材料で例えばモールド成形などで形成されたセル両端側部を固定する固定部材１２、１３が設けられ、セル２や台座３がセル軸方向に移動するのを防止している。
【００３５】
セル両端側部固定部材１２、１３は、固定ねじ部材１７によりヒートシンク４に固定され、また、固定ねじ部材１６によって上カバー７に接続されている。ねじ締め付けによる上カバー７によって、セル２や台座３をヒートシンク４の側に押しつけるようにしている。
【００３６】
固定部材１２，１３は、セル２に向いた側（内側）に、バスバー１０、１１を受け入れるバスバー収納溝１２ａ，１３ａと、絶縁部材５及び６を受け入れる凹部１２ｂ，１３ｂ及び１２ｃ，１３ｃが形成されている。
【００３７】
図３に上記した複数の前記電池モジュール１を収納する電池箱の構造を示す。図３では、図示簡略化のために電気絶縁部材５、６について１枚構造としているが、既述のように２枚或いはそれ以上としてもよい。
【００３８】
図３では、電池モジュール４個を電池箱２０に収納した例を示しているが、その数は任意であり制限されるものではない。電池箱２０は、ファン２１、入口グリル２２、フィルタ２３、出口グリル２４等を備えている。ファン２１を運転することによって、入口グリル２２、フィルタ２３を通って各モジュール１のヒートシンク４に形成した空気流路８ｄに、モジュール冷却のための空気が供給される。各モジュールを冷却した空気は、出口グリル２４を通って電池箱外に排出される。各モジュールのセル軸方向に垂直な方向の両端には、空気流路８ｄの両端のみを開口させる側板２５、２６を設けることにより、冷却空気がモジュール１のヒートシンク４（フィン８ｃ間）以外に流れないようにして、モジュール１の冷却性能が低下することを防止している。
【００３９】
図３の側板２５、２６の好ましい具体的構造例を、図４に示す。図４では、一つのモジュール１を取り出してその側板２５、２６について断面図により示している。
【００４０】
図４の例では、一方の側板（入口側側板）２５にモジュール１を側板２５、２６間に出し入れするための出入口２５ａを設け、出入口２５ａは、モジュール１をセットした後には、カバープレート２７によって覆われる。
【００４１】
２９はカバープレート２７をヒートシンク４に接続させる接続部材である。カバープレート２７の内面には、Ｏリング用の溝を切っており、そこにＯリング２８をはめ込んでいる。カバープレート２７と側板２５とは、固定ねじ部材３０によって結合されている。
【００４２】
カバープレート２７には、ヒートシンク４の空気流路８ｄ（フィン８ｃ間）の空気取り入れ口２７ａが形成されている。空気取り入れ口２７aは、図４の紙面に垂直方向に空気流路８ｄの並列配置の幅に合わせた横幅を持ったスリット状開口である。
【００４３】
ヒートシンク４の空気流路８ｄの出口部分には、雄型コネクタ部３１を取り付ける。３４は雄型コネクタ３１をヒートシンク４に取り付けるときの補強部材である。コネクタ３１も、空気流路８ｄの並列配置の幅（紙面に垂直方向の幅）に合わせた横幅を有する。したがってコネクタ３１に設けた空気出口３１ａは、空気流路８ｄの出口に対応して紙面に垂直方向に幅広となるスリット形状を呈している。コネクタ３１の周囲にはＯリング用の溝を設けて、Ｏリング３２をはめ込む。出口側の側板２６には雌型コネクタ３３を取り付ける。コネクタ３１はコネクタ３３に嵌合して固定され、Ｏリング３３によって空気がセル部分等に漏れないようにシールされる。
【００４４】
以上のような実施形態の構造によって、高電圧に対する十分な絶縁性能を確保しつつ高い冷却性能が得られるので、高出力のセルに対応することが可能である。また、セル台座３の形状をセルに合わせることにより、円筒形状や様々な形状のセルにおいて高い冷却性能が得られる。また、セル部分を密閉することにより、セル部分に空気が直接触れることがないので、セルに空気中の不純物が付着して劣化の原因となることを防止することができる。
【実施例２】
【００４５】
図６に本発明の第２実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図（図７をD-D線の位置で断面した図）、図７は第２実施例に係る電池モジュールを図６の状態と垂直な方向に断面した縦断面図（図６のC-C線の位置で断面した図）である。図６及び図７において、図１及び図２の第１の実施例と共通の部分は、同一番号としており、以下、第１の実施例と異なる部分について説明する。
【００４６】
図６及び図７において、セル２の周囲には緩衝部材１４を巻き付けてあり、緩衝部材１４の上半分外周に沿わせて固定具１９、２０を、セルの軸方向の両端側に設け、固定具１９、２９を固定ねじ１８によって台座３と固定する。固定具１９、２０は、例えば板ばねのように弾力性のある帯状材料とすることにより、弾性部材１４と合わせて、セル２の充放電時の変形を逃げることができ、セル２に過大な荷重が加わって破壊するのを防止することができる。
【００４７】
台座３は、電池モジュールの下カバー１５、ヒートシンク４、絶縁部材５及び台座３を貫通する連結用ねじ２７によって、ヒートシンク４と一体的に連結される。台座３とヒートシンク４との間の電気的な絶縁を保つために、連結用ねじ２７の周囲は図８の拡大図に示すような構造にする。
【００４８】
図８において、金属製の連結用ねじ２７は、ボルト２７１及びナット２７２から成る。ボルト２７１は、ヒートシンク４及び台座３の貫通穴に、テフロン（デュポン社の登録商標）等の絶縁材料でつくられたスリーブ２７３aおよび２７３bにより覆われるようにして貫通する。スリーブ２７３aのうち下カバー１５より突出した部分、及びスリーブ２７３bのうち台座３より突出した部分には、テフロン（デュポン社の登録商標）等の絶縁材料でつくられたテフロンワッシャ２７４、２７５を嵌め込む。更にテフロン（デュポン社の登録商標）等の絶縁材料でつくられたリング状のスペーサ２７６及び２７７、ワッシャ２７８及び２７９を挟んで、ボルト２７１、ナット２７２により、台座３がヒートシンク４に絶縁部材５、絶縁スリーブ２７３a、２７３b及び絶縁スペーサ２７６，２７７を介して締め付け固定される。以上のような固定構造とすることにより、台座３とヒートシンク４とを金属製のねじによってしっかりと固定しつつ、高電圧における絶縁を保持することが可能である。
【００４９】
以上の構造によって、ヒートシンク４とセル台座３とを絶縁部材５を介して密着させることが可能となり、高電圧に対する十分な絶縁性能を確保しながら高い冷却性能が得られるので、高出力のセルに対応することが可能である。
【実施例３】
【００５０】
図９に本発明の第３実施例における電池モジュールの冷却部であるヒートシンク４０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の構造を示す。図９は、ヒートシンク４０を、セル２と反対側から見たところを示す平面図である。ヒートシンク４０以外の構造は、既述した第１の実施例或いは第２の実施例の構造と共通するので説明は省略する。
【００５１】
ヒートシンク４０に設けた複数のフィン４１は、第１の実施例の配列と垂直の方向に向けて配列されており、それらのフィン４１の空気流路方向の両側にフィン４１と垂直方向に配列された入口側ダクト４４（空気案内通路）及び出口側ダクト（空気案内通路）４５とが設けられている。入口側ダクト４４及び出口側ダクト４５のフィンと反対側の壁面４２及び４３を傾斜させている。この傾斜は、各フィン間の通路に略均一に空気が流れるように配慮したものである。すなわち、入口側ダクト４４については、空気流の慣性により下流側（紙面に向かって右側）ほど流入空気が集まり易いので、上流側（冷却風導入側）から下流側に向けて先細りとなるようにして下流側の通気抵抗を大きくしている。出口側ダクト４５については、上流側から下流側に向けてフィン間から流出する合流冷却風量が増していくので、上流側を先細りとして下流側に向けて次第に広がる風路構造にしている。
【００５２】
本実施例によれば、フィン間の空気流通を略均等化するほかに、ヒートシンクを通過する空気の経路の長さを最も短くできるので、セル２による上流における空気温度の上昇が全くないため、冷却性能が向上する。
【実施例４】
【００５３】
図１０に本発明の第４実施例における電池モジュールの冷却部であるヒートシンク５０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の構造を示す。図１０は、ヒートシンク５０を、セル２と反対側から見たところを示す平面図である。ヒートシンク５０以外の構造は、既述した第１の実施例或いは第２の実施例の構造と共通するので説明は省略する。
【００５４】
ヒートシンク５０に設けた複数のフィン５１は、セル２の配列に対して斜め方向に立体クロスするように配列されている。それらのフィン５１の空気流路方向の両側にフィン５１と垂直方向に配列された入口側ダクト５４及び出口側ダクト５５とが設けられている。入口側ダクト５４及び出口側ダクト５５のフィンと反対側の壁面５２及び５３を、第３実施例と同様に理由で傾斜させている。ヒートシンクの風路入口部は、フィン５１を斜め配列にすることにより、ヒートシンクの二辺に形成されるが、そのうちヒートシンク長手方向の一端側となる一辺には、風路抵抗体５６を設けることによって、もう一辺の入口側ダクト５４にも空気を誘導するようにする。
【００５５】
このような構造とすることにより、ヒートシンクを通過する空気の経路の長さが短くなるので、セル２による上流における空気温度の上昇を小さく押さえることができ、冷却性能を向上することが可能である。
【実施例５】
【００５６】
図１１に本発明の第５実施例における電池モジュールの縦断面（セルの軸方向と垂直な方向の縦断面図）を示す。基本的な構造は第１の実施例と同じであるが、ヒートシンク６０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の下側カバー６１に空気流路入口側ほどフィン８と下側カバー６１との間の間隙が大きくなるような傾斜を設けることにより、上記間隙による通風路６２も確保する。このような構造では、ヒートシンクに入ってきた冷却空気の一部は、フィン８の下側から流入する。そのため、セル２による上流における空気温度の上昇の影響を小さく押さえることができ、冷却性能が向上する。
【実施例６】
【００５７】
図１２に本発明の第６実施例における電池モジュールの冷却部であるヒートシンク７０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の構造を示す。図１２は、ヒートシンク７０を、セル２と反対側から見たところを示す平面図である。ヒートシンク７０以外の構造は、既述した第１の実施例或いは第２の実施例の構造と共通するので説明は省略する。
【００５８】
本実施例のヒートシンク７０では、上流側と下流側とでフィン７１のピッチを変え、上流側よりも下流側のフィンピッチが細かくなるようにしている。このような構造により、下流側の高い冷却能力が必要な部分において冷却能力が高められるので、冷却性能が向上する。
【実施例７】
【００５９】
図１３に本発明の第７実施例における電池モジュールの冷却部であるヒートシンク８０（第１の実施例のヒートシンク４に相当）の構造を示す。図１３は、ヒートシンク８０を、セル２と反対側から見たところを示す平面図である。ヒートシンク８０以外の構造は、既述した第１の実施例或いは第２の実施例の構造と共通するので説明は省略する。
【００６０】
本実施例の電池モジュールのヒートシンク８０では、下流側ほどフィンの枚数が多くなるように、フィンをヒートシンクの中心軸に対して斜め方向で中心軸を基準に対称に配置している。このような構造により、下流側の高い冷却能力が必要な部分において冷却能力が高められるので、冷却性能が向上する。
【実施例８】
【００６１】
図１３に本発明の第８実施例に係る電池モジュールのセルの軸方向に沿った縦断面図を示す。本実施例では、第２の実施例におけるセル台座３の材質を絶縁性の材料とすることにより、絶縁シート５を不要とした。台座３の材料としては、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等のプラスチック材料を使用すれば良い。本実施例では、第２の実施例より熱抵抗は増加するものの、図６の絶縁部材５や固定ねじ２７の部分の図８に示したような絶縁構造が不要で、構造を簡単にすることができ、組立性やコストに優れる。
【符号の説明】
【００６２】
１…電池モジュール
２…セル
３…セル台座
４…ヒートシンク
５…第１の絶縁材料
６…第２の絶縁材料
７…モジュールカバー
８…フィン
９…セル上部固定部材
１０、１１…バスバー
１２、１３…セル側面固定絶縁部材
１４…緩衝部材
２０…電池箱
２１…ファン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個並置された直列接続の電池セルを収納する電池モジュールにおいて、
複数の前記電池セルを搭載する熱伝導性を有する非電気絶縁材料の台座と、
放熱フィンを有する非電気絶縁材料の伝熱体により構成されるヒートシンクで、前記伝熱体の上面が前記台座の投影面積より大きな面積を有して前記台座よりも全方向にはみ出し、この伝熱体上面が前記台座を支えるように前記台座の底部側に配置されるヒートシンクと、を備え、
前記台座の底面と前記ヒートシンクの前記伝熱体上面との間に、前記台座の投影面積よりも大きな面積を有して前記台座よりも全方向にはみ出して、前記台座と前記ヒートシンク間の電気絶縁沿面を確保する電気絶縁部材を介在させたことを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、前記電気絶縁部材は、複数枚重ねたものである電池モジュール。
【請求項３】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、複数並置された前記電池セルは、前記台座と前記電池セルの上側に位置する上側固定部材とによって上下方向から挟み付けられて固定されており、前記上側固定部材の上面には、電気絶縁シートを介してモジュールの上カバーが配置されている電池モジュール。
【請求項４】
請求項３記載の電池モジュールにおいて、
前記電池セルは、円筒形状を有し、
前記上側固定部材は、少なくとも２つでそれぞれが帯状部材よりなり、複数並置の前記電池セルの外周に適合する複数の円弧曲面部を有し、それぞれの電池セルのその両端に近い胴体上側の外周を、前記絶縁シートを介して押さえるようにしている電池モジュール。
【請求項５】
請求項４記載の電池モジュールにおいて、帯状の前記上側固定部材を、弾性を有する材質により形成されている電池モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電池モジュールにおいて、前記電池セルの外周が弾力性のある材質の絶縁シートにより覆われている電池モジュール。
【請求項７】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらの複数の放熱フィンが複数の前記電池セルの並び方向に対して垂直方向に向けられて並設され、フィン間に冷却用の空気流路が設けられ、ヒートシンクの空気入口部及び空気出口部の方向が前記空気流路と異なり、前記空気入口部と前記空気流路との間に空気の流れ方向を前記空気流路側に向ける入口側の空気案内路を設け、前記空気流路と前記空気出口部間に空気の流れ方向を前記空気出口部側に向ける出口側の空気案内路を設けたことを特徴とする電池モジュール。
【請求項８】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらの複数の放熱フィンが複数の前記電池セルの並び方向に対して斜め方向に並設され、フィン間に冷却用の空気流路が設けられている電池モジュール。
【請求項９】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらのフィン間に空気流路が設けられ、前記空気流路のうち、ヒートシンク入口の空気流路の高さはフィン高さよりも大きく、出口に近づくに従って空気流路の高さが減少するようにした電池モジュール。
【請求項１０】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらのフィン間に空気流路が設けられ、前記放熱フィンのうち、ヒートシンクの上流側のフィンの枚数を下流側のフィンの枚数よりも少なくした電池モジュール。
【請求項１１】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらのフィン間に空気流路が設けられ、前記放熱フィンは、フィンの並びの中心に対して対称かつ下流側ほどフィンの間隔が小さくなるように斜めに配置されている電池モジュール。
【請求項１２】
複数個並置された直列接続の電池セルを収納する電池モジュールにおいて、
前記複数の電池セルを搭載する絶縁材料の台座と、前記台座の電池セル搭載側と反対側に複数の放熱フィンを有するヒートシンクとを備えたことを特徴とする電池モジュール。
【請求項１３】
複数個並置された直列接続の電池セルを収納する電池モジュールを複数備え、これらの電池モジュールが多段に配置して収容する電池箱において、
前記電池モジュールが請求項１ないし請求項１２のいずれか１項記載の電池モジュールであることを特徴とする電池箱。
【請求項１４】
請求項１３記載の電池箱において、前記電池モジュールを多段配置となるよう支持しつつモジュール多段収容スペースを形成する側板が電池モジュール空気入口側と空気出口側に設けられ、前記側板には、前記各電池モジュールのヒートシンク部分のみに空気が通過するように空気入口および空気出口とがそれぞれ配設され、前記各モジュールと前記側板との間にシール機構が設けられている電池箱。
【請求項１５】
請求項１４記載の電池箱において、前記各電池モジュールの出口部が雄型コネクタ部により構成され、前記側板のうち空気出口側の側板には、各電池モジュールの前記雄型コネクタ部と接続される雌型コネクタ部が設けられ、前記雄型コネクタ部の外周にシールリングが設けられている電池箱。
【請求項１６】
請求項１４又は１５記載の電池箱において、
前記側板のうち空気入口側の側板には、前記電子モジュールの各々を出し入れするための出入口が設けられ、この出入口が前記側板に取り付けたカバープレートにより覆われており、このカバープレートと前記側板との間にシールリングが設けられている電池箱。
【請求項１７】
車両駆動用の内燃機関とモータとを備え、且つ前記内燃機関により発電された電気エネルギーを蓄積し、必要に応じて前記モータに電気エネルギーを供給する二次電池モジュールを収容する電池箱を備えたハイブリッド型鉄道車両において、
前記電池箱は請求項１３から１６のいずれか１項記載の電池箱よりなることを特徴とするハイブリッド型鉄道車両。
【請求項１】
複数個並置された直列接続の電池セルを収納する電池モジュールにおいて、
複数の前記電池セルを搭載する熱伝導性を有する非電気絶縁材料の台座と、
放熱フィンを有する非電気絶縁材料の伝熱体により構成されるヒートシンクで、前記伝熱体の上面が前記台座の投影面積より大きな面積を有して前記台座よりも全方向にはみ出し、この伝熱体上面が前記台座を支えるように前記台座の底部側に配置されるヒートシンクと、を備え、
前記台座の底面と前記ヒートシンクの前記伝熱体上面との間に、前記台座の投影面積よりも大きな面積を有して前記台座よりも全方向にはみ出して、前記台座と前記ヒートシンク間の電気絶縁沿面を確保する電気絶縁部材を介在させたことを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、前記電気絶縁部材は、複数枚重ねたものである電池モジュール。
【請求項３】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、複数並置された前記電池セルは、前記台座と前記電池セルの上側に位置する上側固定部材とによって上下方向から挟み付けられて固定されており、前記上側固定部材の上面には、電気絶縁シートを介してモジュールの上カバーが配置されている電池モジュール。
【請求項４】
請求項３記載の電池モジュールにおいて、
前記電池セルは、円筒形状を有し、
前記上側固定部材は、少なくとも２つでそれぞれが帯状部材よりなり、複数並置の前記電池セルの外周に適合する複数の円弧曲面部を有し、それぞれの電池セルのその両端に近い胴体上側の外周を、前記絶縁シートを介して押さえるようにしている電池モジュール。
【請求項５】
請求項４記載の電池モジュールにおいて、帯状の前記上側固定部材を、弾性を有する材質により形成されている電池モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電池モジュールにおいて、前記電池セルの外周が弾力性のある材質の絶縁シートにより覆われている電池モジュール。
【請求項７】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらの複数の放熱フィンが複数の前記電池セルの並び方向に対して垂直方向に向けられて並設され、フィン間に冷却用の空気流路が設けられ、ヒートシンクの空気入口部及び空気出口部の方向が前記空気流路と異なり、前記空気入口部と前記空気流路との間に空気の流れ方向を前記空気流路側に向ける入口側の空気案内路を設け、前記空気流路と前記空気出口部間に空気の流れ方向を前記空気出口部側に向ける出口側の空気案内路を設けたことを特徴とする電池モジュール。
【請求項８】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらの複数の放熱フィンが複数の前記電池セルの並び方向に対して斜め方向に並設され、フィン間に冷却用の空気流路が設けられている電池モジュール。
【請求項９】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらのフィン間に空気流路が設けられ、前記空気流路のうち、ヒートシンク入口の空気流路の高さはフィン高さよりも大きく、出口に近づくに従って空気流路の高さが減少するようにした電池モジュール。
【請求項１０】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらのフィン間に空気流路が設けられ、前記放熱フィンのうち、ヒートシンクの上流側のフィンの枚数を下流側のフィンの枚数よりも少なくした電池モジュール。
【請求項１１】
請求項１記載の電池モジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、複数の前記放熱フィンを有し、これらのフィン間に空気流路が設けられ、前記放熱フィンは、フィンの並びの中心に対して対称かつ下流側ほどフィンの間隔が小さくなるように斜めに配置されている電池モジュール。
【請求項１２】
複数個並置された直列接続の電池セルを収納する電池モジュールにおいて、
前記複数の電池セルを搭載する絶縁材料の台座と、前記台座の電池セル搭載側と反対側に複数の放熱フィンを有するヒートシンクとを備えたことを特徴とする電池モジュール。
【請求項１３】
複数個並置された直列接続の電池セルを収納する電池モジュールを複数備え、これらの電池モジュールが多段に配置して収容する電池箱において、
前記電池モジュールが請求項１ないし請求項１２のいずれか１項記載の電池モジュールであることを特徴とする電池箱。
【請求項１４】
請求項１３記載の電池箱において、前記電池モジュールを多段配置となるよう支持しつつモジュール多段収容スペースを形成する側板が電池モジュール空気入口側と空気出口側に設けられ、前記側板には、前記各電池モジュールのヒートシンク部分のみに空気が通過するように空気入口および空気出口とがそれぞれ配設され、前記各モジュールと前記側板との間にシール機構が設けられている電池箱。
【請求項１５】
請求項１４記載の電池箱において、前記各電池モジュールの出口部が雄型コネクタ部により構成され、前記側板のうち空気出口側の側板には、各電池モジュールの前記雄型コネクタ部と接続される雌型コネクタ部が設けられ、前記雄型コネクタ部の外周にシールリングが設けられている電池箱。
【請求項１６】
請求項１４又は１５記載の電池箱において、
前記側板のうち空気入口側の側板には、前記電子モジュールの各々を出し入れするための出入口が設けられ、この出入口が前記側板に取り付けたカバープレートにより覆われており、このカバープレートと前記側板との間にシールリングが設けられている電池箱。
【請求項１７】
車両駆動用の内燃機関とモータとを備え、且つ前記内燃機関により発電された電気エネルギーを蓄積し、必要に応じて前記モータに電気エネルギーを供給する二次電池モジュールを収容する電池箱を備えたハイブリッド型鉄道車両において、
前記電池箱は請求項１３から１６のいずれか１項記載の電池箱よりなることを特徴とするハイブリッド型鉄道車両。
【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１６】
【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１６】
【公開番号】特開２０１１−１８７２７５（Ｐ２０１１−１８７２７５Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０３７９（Ｐ２０１０−５０３７９）
【出願日】平成２２年３月８日（２０１０．３．８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月８日（２０１０．３．８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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