JP2005011787A - 流体冷却式電池パックシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】 流体冷却式電池パックシステムにおいて、電池モジュール間の隙間ばらつきを考慮した場合でも、電池パック内の電池温度ばらつきを許容温度範囲内に抑える。
【解決手段】 複数の電池が個々に結合されてなる１つのモジュールが連結されて前記電池パックケース内に配置された複数の電池モジュール３であって、個々の電池モジュールは、少なくとも互いに連結される方向の表面に複数の凸部３１と凹部３２を有し、互いに対向する凸部を当接して連結された際に、冷媒が流れる冷媒流路５として機能する複数の電池モジュールを備え、冷媒流路を介して冷媒が流れた際に、電池モジュール間の冷媒流路の目標幅からの製造偏差による、複数の電池モジュールのそれぞれにおける目標温度からの温度偏差が所定の範囲内に入るように、冷媒流路の目標幅を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の電池モジュールを直列または並列に結合した電池パックの冷却技術に関し、特に、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）や電気自動車（ＰＥＶ）に搭載される二次電池の冷却技術に関する。
二次電池には、鉛−酸バッテリやニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）バッテリ、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）バッテリ、リチウムイオンバッテリ等がある。これらのバッテリは、電力が消耗されると、外部電源に接続して所定の電流を流すことにより充電することができるという性質がある。かかる性質を利用して、これらのバッテリは、従来より各種の機器に使用されている。たとえば、バッテリは、エンジンの点火プラグへの電力供給を行うために、従来より車両にも搭載されていた。
最近では、電気自動車（ＰＥＶ）や、エンジンと電動機を備えたいわゆるハイブリッド車両（ＨＥＶ）において、電動機を駆動する際の主電源として、その高いエネルギー密度（すなわち、コンパクトにエネルギーを蓄積できる）と高い出力密度の点から、Ｎｉ−ＭＨバッテリが主に使用されている。かかるＰＥＶやＨＥＶでは、電動機に対して十分な出力を供給できるように、単電池を複数個組み合わして１つの電池モジュールを構成し、その電池モジュールを複数個直列または並列に結合したものを１つの電池パックとして用いられる。
このように複数の電池モジュールが結合されて、ＰＥＶやＨＥＶに搭載されるＮｉ−ＭＨバッテリでは、車両走行中に、車両の制動および加速等により大きな充電および放電電流が繰り返し流れ、Ｎｉ−ＭＨバッテリの内部抵抗によるＩ2Ｒ損がバッテリの発熱の要因となる。
また、Ｎｉ−ＭＨバッテリは、重量が大きな鉛−酸バッテリに比べて、コンパクトにエネルギーを蓄積できるという高いエネルギー密度ゆえに、複数の電池モジュールがコンパクトに結合できるため、その構成上、放熱が鉛−酸バッテリよりも困難なものとなる。
上記問題を解決するために、各電池モジュール間の隙間に空気等の冷媒を強制的に送り込んで電池冷却を行う方法が知られている。この場合、各電池モジュール間の隙間を狭くして冷媒の流速を高めることにより、冷却性能を向上させることができる。
たとえば、各電池モジュール間の隙間を必要以上に狭くすると、流体抵抗の増加により逆に流量が減少し、冷却性能が悪化することに着目して、冷却設計における最適隙間寸法を決定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第５８７９８３１号明細書
しかしながら、この方法により決定された隙間寸法は、その加工精度が無視できない程度の狭い隙間になることが多く、このような場合は、隙間寸法のばらつきにより電池パック内に冷却ばらつきが発生するという問題がある。
また、冷却ばらつきにより電池容量のばらつきが生じ、電池の使用領域が制限されるようになり、最悪の場合は、車両が路上で停止する等の重大故障につながる可能性もある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池モジュール間の隙間ばらつきを考慮した場合でも、電池パック内の電池温度ばらつきを許容温度範囲内に抑えることが可能な流体冷却式電池パックシステムを提供することにある。
前記の目的を達成するため、本発明に係る流体冷却式電池パックシステムは、少なくとも１つの冷媒入口および少なくとも１つの冷媒出口を有する電池パックケースと、前記電池パックケース内に配置される電池パックであって、前記電池パックは少なくとも１つの単電池を有する複数の電池モジュールを電気的に直列または並列に接続して構成され、各々の電池モジュールに対し隣接する電池モジュールもしくは隣接する電池パック構造体との間に、前記冷媒入口から前記冷媒出口へと冷媒が通る冷媒流路を設けた電池パックと、前記冷媒を、前記電池パックケースの前記冷媒入口に取り込み、前記冷媒流路を介して流し、前記冷媒出口から排出する冷媒搬送装置とを備え、前記冷媒流路を介して前記冷媒が流れた際に、前記冷媒流路の目標幅からの製造公差による前記複数の電池モジュール間の温度偏差が所定範囲内に入るように、且つ全ての前記電池モジュールの温度が所定温度以下になるように、前記冷媒流路の前記目標幅を設定することを特徴とする。
前記流体冷却式電池パックシステムにおいて、前記冷媒流路が、前記複数の電池モジュール間の前記温度偏差が前記所定範囲内に入る限界の流体抵抗値またはそれより小さい流体抵抗値を有するように、前記冷媒流路の前記目標幅を設定することが好ましい。
また、前記流体冷却式電池パックシステムにおいて、前記複数の電池モジュールにおける電槽材料および電池入出力条件の少なくとも１つを加味して、前記冷媒流路の前記目標幅を設定することが好ましい。この場合、前記電槽材料は樹脂材料等である。
また、前記流体冷却式電池パックシステムにおいて、前記電池パックケース内に配置される前記複数の電池モジュールの対向面間に挟み込まれる金属製もしくは樹脂製のスペーサを備え、前記スペーサにより形成される各電池モジュール間の隙間で前記冷媒流路を形成することが好ましい。
また、前記流体冷却式電池パックシステムにおいて、前記電池パックケース内に配置される前記複数の電池モジュールは、各々の電池モジュールをある間隔に保持するように構成された電池ホルダを有し、前記電池ホルダにより形成される各電池モジュール間の隙間で前記冷媒流路を形成することが好ましい。
また、前記流体冷却式電池パックシステムにおいて、前記電池パックケース内に配置される前記複数の電池モジュールは、各々の電池モジュールの対向面に複数の凹部と凸部を有し、互いに対向する前記凸部を当接して連結された際に、前記凹部により形成される各電池モジュール間の隙間で前記冷媒流路を形成することが好ましい。
また、前記流体冷却式電池パックシステムにおいて、前記複数の電池モジュールのそれぞれにおける前記複数の凸部および前記凹部はそれぞれ、前記冷媒の流れ方向に並行に延伸して、前記電池モジュール間に複数の流体流路を形成することが好ましい。
または、前記複数の電池モジュールのそれぞれにおける前記複数の凸部は、個々の電池モジュールが互いに連結される方向の前記表面に所定の間隔で点在して形成されることが好ましい。
前記流体冷却式電池パックシステムは、前記電池パックケース内に、前記複数の電池モジュールの上部に位置する上側冷媒室と、前記複数の電池モジュールの下部に位置する下側冷媒室とを有することが好ましい。
また、前記上側冷媒室と前記下側冷媒室との間の圧力差により、前記冷媒流路を介して前記冷媒を流すことが好ましい。
また、前記流体冷却式電池パックシステムは、高負荷要求時に前記複数の電池モジュールの最高温度が５５℃以下であり、且つ前記複数の電池モジュール間の温度偏差が１０℃以下になるように、前記冷媒流路の前記目標幅を設定するのが好ましい。
前記流体冷却式電池パックシステムにおいて、前記冷媒は、電気的に絶縁性のあるガス状冷媒であることが好ましい。
この場合、前記ガス状冷媒は空気であることが好ましい。
または、前記冷媒は、電気的に絶縁性のある液状冷媒であることが好ましい。
前記流体冷却式電池パックシステムにおいて、前記冷媒搬送装置は冷却ファンを備えることが好ましい。
この場合、前記冷却ファンは前記冷媒入口に配置され、前記電池パックケース内に外気を供給することが好ましい。
または、前記冷却ファンは前記冷媒出口に配置され、前記電池パックケース内に外気を吸引することが好ましい。
上記構成によれば、製造時における冷媒流路の幅ばらつきである電池モジュール間もしくは電池パック構造体との間の隙間ばらつきを考慮した場合でも、電池パック内の電池温度ばらつきを許容温度範囲内に抑えることができ、電池間の容量ばらつきに対して有利となり、電池性能を十分に利用することが可能になる。
また、冷媒流路幅の寸法公差を考慮した設計が可能となるので、製造コスト等を極力抑えることができる。
さらに、予め、電池モジュールにおける電槽材料や電池入出力条件等に基づいて、各電池間の内圧差および電槽膨張量を推定し、それらを考慮した冷媒流路の寸法設計を行うことで、製造時の加工精度だけでなく、電池パック構成後の実使用時における各種ばらつきに対しても有効な設計が可能となる。
本発明の流体冷却式電池パックシステムによれば、製造時における冷媒流路の幅ばらつきである電池モジュール間もしくは電池パック構造体との間の隙間ばらつきを考慮した場合でも、電池パック内の電池温度ばらつきを許容温度範囲内に抑えることができ、電池間の容量ばらつきに対して有利となり、電池性能を十分に利用することが可能になる。
また、冷媒流路幅の寸法公差を考慮した設計が可能となるので、製造コスト等を極力抑えることができる。
さらに、予め、電池モジュールにおける電槽材料や電池入出力条件等に基づいて、各電池間の内圧差および電槽膨張量を推定し、それらを考慮した冷媒流路の寸法設計を行うことで、製造時の加工精度だけでなく、電池パック構成後の実使用時における各種ばらつきに対しても有効な設計が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による流体冷却式電池パックシステムの構成を部分的に示す概略斜視図（ａ）およびＡ−Ａ’方向断面図（ｂ）である。なお、図１（ａ）において、流体冷却式電池パックシステムの構成要素を明瞭に示すため、部材３（電池パックケース）を透明なものとして描いている。
図１において、１は本実施形態による流体冷却式電池パックシステムである。２は、直列に接続された多数のＮｉ−ＭＨ単電池を内部に含む電池モジュールであり、この電池モジュール２が多数電気的に直列に接続されて電池パックを構成している。必要なＮｉ−ＭＨ単電池の数は、ＨＥＶ／ＰＥＶに搭載される電動機に対して所定の出力を得ることができるように決定される。
電池モジュール２は、互いに連結される方向の表面に、複数の凸部２１と複数の凹部２２を有しており、電池モジュール２同士で互いに対向する凸部を当接して連結される。この凸部２１同士が当接して連結されると、電池モジュール２間の凹部２２により冷却スリット５（冷媒流路）が形成される。
３は、多数の電池モジュールが連結された電池パックを収容すると共に、その電池パックを強制的に冷却する機能を有する電池パックケースである。電池パックケース３には、冷媒として外気を取り込むための吸入口３１（冷媒入口）が上部表面に設けられ、また内部の空気を排出するための排出口３２（冷媒出口）が下部表面に設けられている。
また、電池パックケース３の吸入口３１付近には冷却ファン４が取り付けられている。冷却ファン４により吸入口３１から強制的に取り込まれた外気は、図１（ｂ）に示すように、電池モジュール２の上部に位置する上側空気室６（上側冷媒室）に入り、電池モジュール間に形成された冷却スリット５を介して流れ、電池モジュール２の下部に位置する下側空気室７（下側冷媒室）に入り、電池パックケース３の排出口３２から排出される。すなわち、上側空気室６と下側空気室７との間に圧力差が生じることにより、冷却スリット5内を空気が流れて、電池モジュール２が冷却されることになる。
次に、電池モジュール間の冷却スリットの形成方法について説明する。
図２は、電池モジュールの組立方法を示す斜視図（ａ）および部分拡大図（ｂ）である。
図２において、電池モジュール２は、互いに連結される方向の表面に、空気の流れ方向Ａに並行に連続した凸部２１と凹部２２を備えている。１つの電池モジュール２が、既に組み上がった別の電池モジュール２’に連結される際には、電池モジュール２の凸部２１と、電池モジュール２’の対向する凸部２１’とが当接するように連結される。凸部２１の突出量ｌは凹部２２の陥没量に等しく、したがって、電池モジュール２間に形成される冷却スリット５の幅Ｗは２ｌとなる。
なお、本実施形態において、凸部２１の突出量ｌの設計目標値に対する製造公差を±０．０５ｍｍに設定しているので、冷却スリット幅Ｗの製造公差は±０．１ｍｍとなる。
次に、このような製造公差を有する冷却スリット５の冷却性能について説明する。
図３は、電池モジュール２の冷却スリット幅の設計目標値に対する熱伝達率および通風抵抗の曲線を示すグラフである。図３において、電池モジュール２の冷却性能を熱伝達率で表している。
曲線ＨＴｃは、冷却スリット幅の製造公差がゼロ、すなわち冷却スリット幅が設計目標値である場合の熱伝達率を表し、曲線ＨＴｍａｘは、冷却スリット幅の製造公差が最大、すなわち冷却スリット幅が設計目標値＋０．１ｍｍである場合の熱伝達率を表し、また曲線ＨＴｍｉｎは、冷却スリット幅の製造公差が最小、すなわち冷却スリット幅が設計目標値−０．１ｍｍである場合の熱伝達率を表している。
曲線ＨＴｃが示すように、冷却スリット幅が小さくなるにつれて、空気の流速が高くなるので熱伝達率が増大、すなわち冷却性能が向上するが、冷却スリット幅を小さくし過ぎると、曲線ＦＲで示す通風抵抗が増大して熱伝達率が減少、すなわち冷却性能が低下する。
また、曲線ＨＴｍａｘおよび曲線ＨＴｍｉｎが示すように、冷却スリット幅が小さくなるにつれて、製造公差の影響を大きく受けるようになり、冷却性能のばらつき範囲が大きくなる。
ここで、上記従来例によれば、通風抵抗を考慮して最適な冷却スリット幅を決定するものであり、すなわち曲線ＨＴｃがピークとなる冷却スリット幅１．０ｍｍを最適とするものである。しかしながら、冷却スリット幅の目標値が１．０ｍｍで、製造公差が±０．１ｍｍの精度で加工された場合を想定すると、曲線ＨＴｍａｘおよび曲線ＨＴｍｉｎが示すように、冷却性能のばらつき範囲が広く、これにより電池モジュールの温度ばらつきが生じることになる。
これに対して本実施形態では、図３に示すように、冷却性能（熱伝達率）の目標を３０Ｗ／（ｍ2・Ｋ）以上、すなわち高負荷時の電池温度を５５℃以下に設定し、且つ冷却ばらつき（ＨＴｍａｘとＨＴｍｉｎの差）の目標を４Ｗ／（ｍ2・Ｋ）以下、すなわち高負荷時の電池温度ばらつきを１０℃以下に設定することにより、冷却スリット幅の設計目標値が１．６ｍｍから１．９ｍｍの範囲内であれば、冷却スリット幅が±０．１ｍｍの精度で加工されたとしても、冷却性能への影響を十分小さく抑えることができ、電池モジュールの温度ばらつきの問題を解消することができる。
なお、上記高負荷時の電池温度５５℃以下とは、電池が定格性能の８０％以上を発揮できるための温度であり、また上記高負荷時の電池温度ばらつき１０℃以下とは、電池パックとして最適な性能を発揮できるための温度範囲を意味する。
また、本実施形態においては、冷却スリット幅の設計目標値を上記１．６ｍｍから１．９ｍｍの範囲内の１．８ｍｍに設定した。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態による電池モジュールの組立方法を示す斜視図（ａ）および部分拡大図（ｂ）である。
図４において、電池モジュール４０は、互いに連結される方向の表面に、所定の間隔で点在した凸部４１を備えており、凸部４１以外の残りの表面が凹部４２となる。１つの電池モジュール４０が、既に組み上がった別の電池モジュール４０’に連結される際には、電池モジュール４０の凸部４１と、電池モジュール４０’の対向する凸部４１’とが当接するように連結される。
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態による電池モジュールの組立方法を示す斜視図である。
図５において、本システムは、電池モジュール４０の互いに連結される対向面間に金属製もしくは樹脂製の波板状のスペーサ４３を備えており、このスペーサ４３と電池モジュール４０の隙間により冷媒流路が形成される。
なお、スペーサ４３の形状は波板状に限定されず、電池モジュール４０間に冷媒流路が形成されるものであれば良い。
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態による電池モジュールの組立方法を示す斜視図である。
図６において、電池モジュール４０は円筒状の単電池を６個連結して構成され、各々の電池モジュール４０は電池ホルダ４４により保持されると共に、電池モジュール４０間の位置決めが行われる。電池ホルダ４４によって画定された電池モジュール４０間の隙間、および／または電池ホルダ４４の上面および下面と電池モジュール４０間の隙間により冷媒流路が形成される。
なお、本実施形態では、円筒状の電池モジュール用電池ホルダの一例を示したが、電池モジュールを保持して冷媒流路を画定するものであれば、電池モジュールの形状により種々の電池ホルダまたは電池パック構造体を使用することができる。
（他の実施形態）
本発明の他の実施形態として、Ｎｉ−ＭＨバッテリの電槽材料に樹脂等を採用した場合、電池モジュール内の各電池間に内圧差により電槽膨張が発生し、冷却スリット幅にばらつきが生じる可能性がある。そこで、上記実施形態に加えて、予め電槽材料や電池入出力条件等から内圧差および電槽膨張率を推定し、それらを冷却スリット幅の設定に盛り込むこともできる。この構成によれば、製造時の加工精度だけでなく、電池パック構成後の実使用時における各種ばらつきに対しても有効な設計が可能となる。
なお、本発明の実施の形態において、冷却ファン４を電池パックケース３の吸入口３１付近に取り付ける構成としたが、本発明はこの構成に限定されず、たとえば冷却ファン４を排出口３２付近に取り付け、冷却ファン４により排出口３２から強制的に空気を排出することで、上側空気室６と下側空気室７との間に圧力差を発生させて、冷却スリット５内に空気流を作り出すことも、また吸入口３１と排出口３２の両方に冷却ファン４を取り付けることも可能である。
また、本発明の実施の形態において、電池パックケース３の上部表面に外気の吸入口３１を設け、下部表面に電池パック内の空気の排出口３２を設けて、上下方向の空気流で電池モジュールの冷却を行う構成としたが、電池パックケース３の側面に吸入口および排出口を設けるような構成とすることもできる。
また、本発明の実施の形態において、冷却ファン４を用いて、空気により電池モジュール２を冷却する構成としたが、空気以外のガス状冷媒や、液状冷媒を用いて、他の冷媒搬送装置により電池モジュール２を冷却する構成とすることもできる。
本発明の流体冷却式電池パックシステムは、製造時における冷媒流路の幅ばらつきである電池モジュール間もしくは電池パック構造体との間の隙間ばらつきを考慮した場合でも、電池パック内の電池温度ばらつきを許容温度範囲内に抑えることができ、電池間の容量ばらつきに対して有利となり、電池性能を十分に利用することが可能になるという利点を有し、電気自動車（ＰＥＶ）やハイブリッド車両（ＨＥＶ）に適用できる。
本発明の第１の実施形態による流体冷却式電池パックシステムの構成を部分的に示す概略斜視図 本発明の第１の実施形態による電池モジュールの構造を示す斜視図 電池モジュールの冷却スリット幅に対する熱伝達率および通風抵抗の関係を示すグラフ 本発明の第２の実施形態による電池モジュールの構造を示す斜視図 本発明の第３の実施形態による電池モジュールの構造を示す斜視図 本発明の第４の実施形態による電池モジュールの構造を示す斜視図
符号の説明
１ 電池パックシステム
２ 電池モジュール
２１ 凸部
２２ 凹部
３ 電池パックケース
３１ 吸入口（冷媒入口）
３２ 排出口（冷媒出口）
４ 冷却ファン（冷媒搬送装置）
５ 冷却スリット（冷媒流路）
６ 上側空気室（上側冷媒室）
７ 下側空気室（下側冷媒室）
４０ 電池モジュール
４１ 凸部
４２ 凹部
４３ スペーサ
４４ 電池ホルダ
５０ 冷却スリット（冷媒流路）

Claims (6)

  1. 少なくとも１つの冷媒入口および少なくとも１つの冷媒出口を有する電池パックケースと、
    前記電池パックケース内に配置される電池パックであって、前記電池パックは少なくとも１つの単電池を有する複数の電池モジュールを電気的に直列または並列に接続して構成され、各々の電池モジュールに対し隣接する電池モジュールもしくは隣接する電池パック構造体との間に、前記冷媒入口から前記冷媒出口へと冷媒が通る冷媒流路を設けた電池パックと、
    前記冷媒を、前記電池パックケースの前記冷媒入口に取り込み、前記冷媒流路を介して流し、前記冷媒出口から排出する冷媒搬送装置とを備え、
    前記冷媒流路を介して前記冷媒が流れた際に、前記冷媒流路の目標幅からの製造公差による前記複数の電池モジュール間の温度偏差が所定範囲内に入るように、且つ全ての前記電池モジュールの温度が所定温度以下になるように、前記冷媒流路の前記目標幅を設定する流体冷却式電池パックシステムであって、
    前記冷媒は、電気的に絶縁性のあるガス状冷媒であることを特徴とする流体冷却式電池パックシステム。
  2. 少なくとも１つの冷媒入口および少なくとも１つの冷媒出口を有する電池パックケースと、
    前記電池パックケース内に配置される電池パックであって、前記電池パックは少なくとも１つの単電池を有する複数の電池モジュールを電気的に直列または並列に接続して構成され、各々の電池モジュールに対し隣接する電池モジュールもしくは隣接する電池パック構造体との間に、前記冷媒入口から前記冷媒出口へと冷媒が通る冷媒流路を設けた電池パックと、
    前記冷媒を、前記電池パックケースの前記冷媒入口に取り込み、前記冷媒流路を介して流し、前記冷媒出口から排出する冷媒搬送装置とを備え、
    前記冷媒流路を介して前記冷媒が流れた際に、前記冷媒流路の目標幅からの製造公差による前記複数の電池モジュール間の温度偏差が所定範囲内に入るように、且つ全ての前記電池モジュールの温度が所定温度以下になるように、前記冷媒流路の前記目標幅を設定する流体冷却式電池パックシステムであって、
    前記冷媒は、電気的に絶縁性のある液状冷媒であることを特徴とする流体冷却式電池パックシステム。
  3. 前記ガス状冷媒は空気である請求項１記載の流体冷却式電池パックシステム。
  4. 前記冷媒搬送装置は冷却ファンを備える請求項３記載の流体冷却式電池パックシステム。
  5. 前記冷却ファンは前記冷媒入口に配置され、前記電池パックケース内に外気を供給する請求項４記載の流体冷却式電池パックシステム。
  6. 前記冷却ファンは前記冷媒出口に配置され、前記電池パックケース内に外気を吸引する請求項４記載の流体冷却式電池パックシステム。
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