JP2005019231A - バッテリパックの冷却構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のバッテリパックのそれぞれに対応するブロアを用いて、バッテリパックを均一にかつ効率的に冷却する。
【解決手段】バッテリモジュール2000は、4個のバッテリパック2200と、各バッテリパック2200に冷却空気を送込む4台のブロア2600と、バッテリパック2200を収納するバッテリユニットケース2114と、ブロア2600を収納する冷却ユニットケース2514とを含む。冷却ユニットケース2514は吸気口2510,2512が、バッテリユニットケースは排気口2102,2104,2106がそれぞれ設けられ、両ケースはチャンバの機能を有する。冷却空気は、吸気口2510,2512から冷却ユニットケース2514内に導入され、バッテリパック2600との間で熱交換された後に、排気口2102,2104,2106から排出される。
【選択図】 図3

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される電気機器に関し、特に、電気自動車(EV)やハイブリッド車(HV)等に用いられる二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
電動機により車両の駆動力を得る、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車は、二次電池を搭載している。電気自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動する。ハイブリッド自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、電動機によりエンジンをアシストして車両を駆動したりする。燃料電池車は、燃料電池による電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、この燃料電池による電力に加えて二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したりする。
【0003】
これらの二次電池は、高電圧高出力を必要とするため、現状では、1.2V程度の単電池(電池セル)を6個程度直列に接続した電池モジュールを、30個程度直列に接続して電池パックを形成している。電気自動車、ハイブリッド自動車などにおいては、内燃機関のみを車両の駆動源としていた従来の車両に搭載されていなかったこのよう二次電池を搭載しなければならない。車両においては、車室空間および荷室空間の有効的利用、衝突事故時の安全性確保の点などから、車両に搭載される電気機器の中では容積が大きい二次電池の搭載位置を検討する必要がある。この検討においては、この二次電池の大きさ(高さ、車両の幅方向の長さ、車両の前後方向の長さ)を考慮する必要があったり、二次電池の冷却を考慮する必要があったりする。以下においては、この二次電池をバッテリと記載する場合がある。
【0004】
特開2002−313440号公報(特許文献1)は、バッテリケース内のバッテリセルの冷却効率の向上を図る電気自動車のバッテリ冷却装置を開示する。このバッテリ冷却装置は、複数個のバッテリセルを収容するバッテリケース内を隔壁によって、最上流部に空気取入口を備えて複数個のバッテリセルを収容した上流側バッテリセル室と、最下流部に空気排出口を備えて複数個のバッテリセルを収容した下流側バッテリセル室と、に並列に隣接して隔成するとともに、上流側バッテリセル室の最下流部に、空気取入口から流入した空気流を縮流する縮流部を設け、上流側バッテリセル室と下流側バッテリセル室との間には、縮流部に連設配置した冷却ファンを備えて、冷却ファン後流の冷却風の速度成分を静圧に変換する容積の大きな静圧チャンバを設けるとともに、静圧チャンバと下流側バッテリセル室とを連通して静圧チャンバ内から下流側バッテリセル室に冷却風を供給する連通口を設ける。
【0005】
特許文献1に開示されたバッテリ冷却装置によれば、冷却ファンによって空気取入口から上流側バッテリセル室に空気が流入すると、上流側バッテリセル室の最下流部に設けた縮流部により冷却ファンの直前で空気流が縮流されて、冷却風の流速低下を縮流部のオリフィス効果によって低減することができ、上流側バッテリセル室内で冷却風が滞留するのを防止して上流側バッテリセル室に収容したバッテリセルの個々に冷却風を行き渡らせることができる。静圧チャンバでは冷却ファンのアウトレット直後で急激に管路面積が拡大しているため、静圧チャンバで冷却ファンにより送風される冷却風の速度成分が静圧に変換されて、静圧チャンバ内から連通口を介して下流側バッテリセル室に冷却風が供給され、下流側バッテリセル室ではその最上流側の連通口部分と最下流側の空気排出口部分との圧力差が略一定に確保されて、下流側バッテリセル室に収容したバッテリセルの個々に均等な冷却風量、風速の冷却風を供給することができる。その結果、バッテリケース内の全てのバッテリセルを均等に冷却することができて、バッテリセルの冷却効率を一段と高めることができる。
【0006】
また、図20に、実用化されているHV小型車における二次電池の冷却構造を示す。図20に示すように、多数のバッテリセルから構成される二次電池パックは、吸気ダクト、ブロアおよび中間ダクトを介して冷却風が供給され、中間ダクトに接続されたケース内に収納された多数のバッテリセルを冷却して、排気ダクトから車室内外へ排出される。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−313440号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1に開示された冷却装置では、バッテリケース内にそれぞれ30個程度のバッテリセルから構成される上流側バッテリセル室および下流側バッテリセル室とを設け、上流側バッテリセル室に設けられた空気取入口から冷却空気を冷却ファンにて吸込み、吸込んだ冷却空気は上流側バッテリセル室に収納されたバッテリセルを冷却した後、下流側バッテリセル室に収納されたバッテリセルを冷却して、下流側バッテリセル室に設けられた空気排出口から排出される。このため、下流側のバッテリセル室には、上流側のバッテリセル室に収納されたバッテリセルを冷却した後の冷却空気が供給されるため、上流側のバッテリセル室と下流側のバッテリセル室とで供給される冷却空気の温度が異なる(上流側で熱交換されている分だけ下流側の方が温度が高い)。そのため、バッテリセルに温度分布が発生する。
【0009】
また、必要な電池の容量に応じて、図20に示す冷却構造が複数個併設される。このような場合、以下のような問題点が生じる。
【0010】
複数個併設された二次電池パック間において風量が不均一になり、バッテリパック間およびバッテリセル間において温度の不均一が発生する。これは、複数個併設されるバッテリパックのそれぞれにおいては、車両の搭載位置と冷却風の吸気位置および排気位置とから、吸気ダクトおよび排気ダクトの長さも形状も異なるものとなる。そのため、それぞれのバッテリパックの吸気ダクトおよび排気ダクトの圧力損失が異なり、風量が不均一になる。
【0011】
さらに、図20に示す冷却構造を車両に実際に搭載する場合には、吸気ダクトも排気ダクトも、それぞれのバッテリパックごとに、その断面積が急拡大および急縮小させたり、急激に曲げたりして、車両の限られた空間に配置される。このため、バッテリパック毎に異なる、断面積の急拡大および急縮小、急激な曲がりは、バッテリパック毎に異なる大きさの圧力損失を生じさせるので、バッテリパック毎に圧力損失が異なり、風量が不均一になる。特に局所的に冷却風の風量が極端に少なくなると、異常な温度上昇を招き、バッテリパック全体の寿命を短くしかねない。さらに、このような断面積の急拡大および急縮小、急激な曲がりは、流れの乱れを生じさせて、騒音を発生させることになる。
【0012】
このような問題を解決するために、バッテリパック毎に冷却用のブロアを設けてそれぞれの圧力損失に対応させてブロアを制御するのは困難である。また、複数のバッテリパックを全て同じような直管の吸気ダクトおよび排気ダクトで構成して、ブロアを同じ条件で運転するとなると、同じ容積のユニットが複数個必要となるので、車載空間の限られた車両においてはその実現が困難である。
【0013】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、複数のバッテリパックのそれぞれに対応するブロアを用いて、バッテリパックを均一にかつ効率的に冷却することができる、バッテリパックの冷却構造を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
第1の発明に係るバッテリパックの冷却構造は、複数のバッテリパックと、各バッテリパックに対応して、バッテリパックに冷却媒体を導入するための導入手段と、複数のバッテリパックおよび複数の導入手段を収納するケースとを含む。このケースには、冷却媒体の吸気口と排気口とが設けられ、ケース内には冷却媒体が吸気口から導入され、バッテリパックとの間で熱交換された冷却媒体が排気口からケース外に導出されるものである。バッテリパックとは、バッテリを構成する最小の単電池(電池セル)であっても、この単電池を6個程度直列に接続した電池群であっても、この電池群をさらに多数直列に接続したものであってもよい。すなわち、本発明においては、最小単位である1個の単電池(電池セル)も、この単電池を複数接続した電池群をも含んで、この冷却構造の適用が可能であることを示すものである。
【0015】
第1の発明によると、ケース内に、複数のバッテリパックと、各バッテリパックに対応して、そのバッテリパックに冷却媒体を導入するための導入手段であるブロアが収納される。すなわち、同じ数のバッテリパックとブロアとが対応付けされて収納される。ケースには、冷却媒体の吸気口と排気口とが設けられる。ブロアは、吸気口から導入された冷却媒体が満たされている。ブロアには、吸気ダクトが設けられていない。ブロアは、ケース内の冷却媒体を吸込んで、バッテリパックに送込む。このため、ブロアによる冷却媒体の吸込み時において、冷却媒体が吸気ダクトを流れる際の管路抵抗に伴う圧力損失を生じない。バッテリパックとの間で熱交換された冷却媒体は、ケース内に排出される。ケース内に排出された冷却媒体は排気口からケース外に導出される。ケースには、排気ダクトが設けられていない。このため、ブロアによる熱交換された冷却媒体の送出し時において、冷却媒体が吸気ダクトを流れる際の管路抵抗に伴う圧力損失を生じない。また、たとえば1台のブロアで吸気ダクトを分岐させて4個のバッテリパックを冷却すると、管路抵抗の差により圧力損失の差が発生し流量の差を生じて冷却が不均一になる。第1の発明においては、各バッテリパックに対応するようにブロアが設置されるので、そのような不均一な冷却になることもない。その結果、複数のバッテリパックのそれぞれに対応するブロアを用いて、バッテリパックを均一にかつ効率的に冷却することができる、バッテリパックの冷却構造を提供することができる。
【0016】
第2の発明に係るバッテリパックの冷却構造においては、第1の発明の構成に加えて、ケースに、吸気口から導入された冷却媒体と、バッテリパックとの間で熱交換された冷却媒体とを仕切る仕切り板がさらに設けられたものである。
【0017】
第2の発明によると、仕切り板により吸気口から導入された冷却媒体と、バッテリパックとの間で熱交換された冷却媒体とを区別して、吸気口から導入された冷却媒体をブロアを用いてバッテリパックに流すことができ、熱交換された後の冷却媒体がバッテリパックに流されることがない。
【0018】
第3の発明に係るバッテリパックの冷却構造においては、第2の発明の構成に加えて、仕切板により仕切られたケースの中で、吸気口のある側のケースにより吸気チャンバが形成され、排気口がある側のケースにより排気チャンバが形成されるものである。
【0019】
第3の発明によると、ブロアが冷却媒体を吸引してバッテリパックに送込む際に、吸気チャンバがあるので閉塞状態にならず、十分な流量の冷却媒体をバッテリパックに供給できる。また、排気チャンバがあるので、バッテリパックからの熱交換された後の冷却媒体の送出しが閉塞状態にならず、十分な流量の冷却媒体をバッテリパックに供給できる。
【0020】
第4の発明に係るバッテリパックの冷却構造は、複数のバッテリパックと、各バッテリパックに対応して、バッテリパックに冷却媒体を導入するための導入手段と、複数のバッテリパックを収納する第1のケースと、複数の導入手段を収納する第2のケースと、第1のケースと第2のケースとを連通させる連通手段とを含む。この第1のケースには、冷却媒体の吸気口が、この第2のケースには排気口がそれぞれ設けられる。冷却媒体が吸気口から第1のケース内に導入され、バッテリパックとの間で熱交換された冷却媒体が排気口から第2のケース外に導出されるものである。
【0021】
第4の発明によると、第1のケース内に複数のバッテリパックが、第2のケース内に各バッテリパックに対応して冷却媒体を導入するための導入手段であるブロアが収納される。すなわち、同じ数のバッテリパックとブロアとが対応付けされて、それぞれのケースに収納される。第1のケースには冷却媒体の吸気口が、第2のケースにはバッテリパックとの間で熱交換された後の冷却媒体の排気口がそれぞれ設けられる。連通手段により、第1のケースに収納されたブロアから第2のケースに収納されたバッテリパックに冷却媒体を流通させることができる。ブロアが収納された第1のケースには、吸気口から導入された冷却媒体が満たされている。ブロアには、吸気ダクトが設けられていない。ブロアは、第1のケース内の冷却媒体を吸込んで、連通手段を介して、第2のケースに収納されたバッテリパックに送込む。このため、第1のケースにおいて、ブロアによる冷却媒体の吸込み時に、冷却媒体が吸気ダクトを流れる際の管路抵抗に伴う圧力損失を生じない。バッテリパックとの間で熱交換された冷却媒体は、第2のケース内に排出される。第2のケース内に排出された冷却媒体は排気口からケース外に導出される。第2のケースには、排気ダクトが設けられていない。このため、ブロアによる熱交換された冷却媒体の送出し時において、冷却媒体が吸気ダクトを流れる際の管路抵抗に伴う圧力損失を生じない。各バッテリパックに対応するようにブロアが設置されるので、バッテリパックごとに不均一な冷却になることもない。その結果、複数のバッテリパックのそれぞれに対応するブロアを用いて、バッテリパックを均一にかつ効率的に冷却することができる、バッテリパックの冷却構造を提供することができる。
【0022】
第5の発明に係るバッテリパックの冷却構造においては、第4の発明の構成に加えて、第1のケースにより吸気チャンバが形成され、第2のケースにより排気チャンバが形成されるものである。
【0023】
第5の発明によると、ブロアが冷却媒体を吸引してバッテリパックに送込む際に、第1のケースにより形成される吸気チャンバがあるので閉塞状態にならず、十分な流量の冷却媒体をバッテリパックに供給できる。また、第2のケースにより形成される排気チャンバがあるので、バッテリパックからの熱交換された後の冷却媒体の送出しが閉塞状態にならず、十分な流量の冷却媒体をバッテリパックに供給できる。
【0024】
第6の発明に係るバッテリパックの冷却構造においては、第1〜5のいずれかの発明の構成に加えて、バッテリパックは、導入された冷却媒体をケース内に排出する排出部を有するものである。
【0025】
第6の発明によると、バッテリパックに設けられた排出部からケースまたは第2のケースに、バッテリパックとの間で熱交換された後の冷却媒体が排出され、排気口からケース外に導出される。
【0026】
第7の発明に係るバッテリパックの冷却構造においては、第1〜6のいずれかの発明の構成に加えて、冷却媒体は空気であって、導入手段はブロアであるものである。
【0027】
第7の発明によると、均一かつ効率的に冷却できる、空冷のバッテリパックを実現できる。
【0028】
第8の発明に係るバッテリパックの冷却構造においては、第7の発明の構成に加えて、ケースの形状は、ブロアの能力および台数ならびにバッテリパックの個数に基づいて、予め定められる条件を満足するように算出されるものである。
【0029】
第8の発明によると、ブロアの能力および台数ならびにバッテリパックの個数に基づいて、予め定められる条件を満足するようにケースの形状が算出され、均一かつ効率的に冷却できる、空冷のバッテリパックを提供できる。
【0030】
第9の発明に係るバッテリパックの冷却構造においては、第8の発明の構成に加えて、予め定められた条件は、ブロアにより冷却媒体を流通させる際の圧力損失が予め定められた値より小さくなるという条件であるものである。
【0031】
第9の発明によると、圧力損失が小さく、流量が大きい、冷却システムを構築できるので、効率的に冷却できる、空冷のバッテリパックを実現できる。
【0032】
第10の発明に係るバッテリパックの冷却構造においては、第8の発明の構成に加えて、予め定められた条件は、複数のブロア間における冷却媒体を導入する能力の差が予め定められた値より小さくなるという条件であるものである。
【0033】
第10の発明によると、冷却媒体を導入する能力の差が小さく、流量の差が小さい、冷却システムを構築できるので、均一に冷却できる、空冷のバッテリパックを実現できる。
【0034】
第11の発明に係るバッテリパックの冷却構造は、第1〜10のいずれかの発明の構成に加えて、HV車両、EV車両およびFCEV車両のいずれかに搭載されることを特徴とするものである。
【0035】
第11の発明によると、HV車両(ハイブリッド自動車)、EV車両(電気自動車)およびFCEV車両(燃料電池車)に好適な、冷却構造を提供できる。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【0037】
図1および図2を参照して、本発明の実施の形態に係るバッテリパックの冷却構造が車両に搭載される状態について説明する。なお、以下に示す実施の形態では、バスなどの大型車両であってFCEVに本実施の形態に係るバッテリパックの冷却構造を適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用に限定されるものではない。
【0038】
図1および図2に示すように、本実施の形態においては、車両100の後部に、燃料電池モジュール1000とバッテリモジュール2000とが搭載されている。バッテリモジュール2000は、所定の容量のバッテリパックがバッテリパックケースに収納されたバッテリユニット2100と、そのバッテリユニット2100に冷却媒体である空気を送込む冷却ユニット2500とから構成される。詳細については後述するが、冷却ユニット2500は、上方から冷却空気を吸込んで、側方に配置されたバッテリモジュール2000に送込み、バッテリモジュール2000の車両の前方側に設けられた排気口から、冷却空気が排出される。
【0039】
図3および図4を参照して、バッテリモジュール2000の内部構造について説明する。図3に、バッテリモジュール2000の斜視図であって、その内部構造を表わした図を、図4に、バッテリモジュール2000の斜視図であって、その部品に展開した図を示す。
【0040】
図3および図4に示すように、このバッテリモジュール2000は、バッテリユニット2100と冷却ユニット2500とが車両の幅方向に併設される。図3は車両の前方側から見た図であって、図4は車両の後方側から見た図である。
【0041】
バッテリユニット2100は、バッテリユニットケース2114内に4個のバッテリパック2200(車両前方下側のバッテリパック2201、車両後方下側のバッテリパック2202、車両前方上側のバッテリパック2203、車両後方上側のバッテリパック2204)が収納されている。
【0042】
車両前方下側のバッテリパック2201および車両後方下側のバッテリパック2202は、下段ラック2301に収納され、車両前方上側のバッテリパック2203および車両後方上側のバッテリパック2204は、上段ラック2302に収納され、上段ラック2302にバッテリパックケース天板2303が設けられている。
【0043】
また、バッテリユニット2100の、冷却ユニット2500の反対側の側面には、バッテリパックケース側板2304が、冷却ユニット2500の側の側面には、バッテリパックケース側板2305が設けられている。バッテリパックケース側板2305には、バッテリパック側中間ダクト2410(バッテリパック2201に対応するバッテリパック側第1中間ダクト2411、バッテリパック2202に対応するバッテリパック側第2中間ダクト2412、バッテリパック2203に対応するバッテリパック側第3中間ダクト2413、バッテリパック2204に対応するバッテリパック側第4中間ダクト2414)を貫通させるための4つの穴が設けられている。
【0044】
バッテリユニットケース2114は、車両前方側の側面の上側に、第1排気口2102、第2排気口2104および第3排気口2106が設けられている。第1バッテリパック2201、第2バッテリパック2202、第3バッテリパック2203および第4バッテリパック2204にて、熱交換が行なわれた冷却空気がこの第1排気口2102、第2排気口2104および第3排気口2106からバッテリユニット2100の外部に排出される。
【0045】
冷却ユニット2500は、冷却ユニットケース2514内に4個のバッテリパックに対応する4個のブロア2600(第1バッテリパック2201に対応する第1ブロア2601、第2バッテリパック2202に対応する第2ブロア2602、第3バッテリパック2203に対応する第3ブロア2603、第4バッテリパック2204に対応する第4ブロア2604)が収納されている。
【0046】
4個のブロア2600のそれぞれには、4個のバッテリパック2200それぞれに対応して、ブロア側中間ダクト2610(第1ブロア2601にはブロア側第1中間ダクト2611、第2ブロア2602にはブロア側第2中間ダクト2612、第3ブロア2603にはブロア側第3中間ダクト2613、第4ブロア2604にはブロア側第4中間ダクト2614)が接続されている。
【0047】
また、冷却ユニット2500の、バッテリユニット2100の側の側面には、冷却ユニットケース側板2516が設けられている。冷却ユニットケース側板2516には、ブロア側中間ダクト2610(バッテリパック2201に対応するブロア側第1中間ダクト2611、バッテリパック2202に対応するブロア側第2中間ダクト2612、バッテリパック2203に対応するブロア側第3中間ダクト2613、バッテリパック2204に対応するブロア側第4中間ダクト2614)を貫通させるための4つの穴が設けられている。
【0048】
バッテリユニット2100と冷却ユニット2500とが車両の幅方向に併設して配置され、バッテリパックケース側板2305と冷却ユニットケース側板2516とが隣接する。このとき、バッテリパック側中間ダクト2410とブロア側中間ダクト2610とがそれぞれ対応して接続される。すなわち、第1バッテリパック2201に対応する、バッテリパック側第1中間ダクト2411とブロア側第1中間ダクト2611とが、第2バッテリパック2202に対応する、バッテリパック側第2中間ダクト2412とブロア側第2中間ダクト2612とが、第3バッテリパック2203に対応する、バッテリパック側第3中間ダクト2413とブロア側第3中間ダクト2613とが、第4バッテリパック2204に対応する、バッテリパック側第4中間ダクト2414とブロア側第4中間ダクト2614とが、それぞれ接続される。
【0049】
冷却ユニットケース天板2515には、冷却空気を冷却ユニットケース2500内に導入するための、第1吸気口2510、第2吸気口2512が設けられている。第1吸気口2510、第2吸気口2512に取りつけられたダクトはその直径が大きく、長さが短く、管路抵抗は非常に小さいものである。
【0050】
冷却ユニット2500の容積は、4個のブロア2600を収め、かつ、残りの容積で十分な吸気側チャンバの機能を発現するような大きさに設計されている。この容積に余裕がないと、吸気側チャンバの機能を発現しないで、ブロア2600により冷却空気を十分に吸込めない。
【0051】
バッテリユニット2100の容積は、4個のバッテリパック2200を収め、かつ、残りの容積で十分な排気側チャンバの機能を発現するような大きさに設計されている。この容積に余裕がないと、排気側チャンバの機能を発現しないで、ブロア2600により冷却空気を十分に送込めない。
【0052】
なお、上述した説明では、バッテリユニット2100と冷却ユニット2500とをそれぞれ別々のケースで実現したが、1つのケースで実現して、バッテリパックケース側板2305および冷却ユニットケース側板2516の代わりに、仕切り板を設けるようにして、ブロア2600がバッテリパック2200と熱交換した後の冷却空気を吸込まないようにしてもよい。
【0053】
図5に、第1バッテリパック2201および第2バッテリパック2202を、下段ラック2301に収納した状態を示す。バッテリユニットケース2114の車両前方側の上側に、第1排気口2102、第2排気口2104および第3排気口2106が設けられている。
【0054】
図6に、第1バッテリパック2201およびバッテリパック2202に加えて、第3バッテリパック2203および第4バッテリパック2204を、上段ラック2302に収納した状態を示す。冷却ユニット2500側に、4個のバッテリユニット側中間ダクト2410(バッテリパック2201に対応するバッテリパック側第1中間ダクト2411、バッテリパック2202に対応するバッテリパック側第2中間ダクト2412、バッテリパック2203に対応するバッテリパック側第3中間ダクト2413、バッテリパック2204に対応するバッテリパック側第4中間ダクト2414)が設けられている。
【0055】
図7に、上段ラック2302にバッテリパックケース天板2303を設けた、バッテリユニット2100を示す。図7に示すように、バッテリユニット2100は、直方体の形状を有し、冷却ユニット2500側の側面に4個のバッテリユニット側中間ダクト2410が突出して設けらてれいる。
【0056】
図8に、図7とは別の角度から見たバッテリユニット2100を示す。図8に示すように、バッテリユニット2100の車両前方側の側面には、第1排気口2102、第2排気口2104および第3排気口2106が開口している。これら第1排気口2102、第2排気口2104および第3排気口2106には、特にダクト等の管路抵抗になるような部材は取り付けられない。
【0057】
図9に、冷却ユニット2500の冷却ユニットケース天板2515を取り付ける前の状態を示す。上段の第3ブロア2603と第4ブロア2604とが見えている。図10に、図9の拡大図を示す。図9に示すように、第1ブロア2601にはブロア側第1中間ダクト2611が、第2ブロア2602にはブロア側第2中間ダクト2612が、第3ブロア2603にはブロア側第3中間ダクト2613が、第4ブロア2604にはブロア側第4中間ダクト2614がそれぞれ接続されている。図9に示すように、第1ブロア2601、第2ブロア2602、第3ブロア2603および第4ブロア2604のいずれの吸込み口にも吸気ダクトが設けられていない。
【0058】
以上のような構造を有する、本実施の形態に係るバッテリパックの冷却構造におけるバッテリパックの冷却状態について説明する。主として図3を参照して説明する。
【0059】
大型のバス等の車両100の後部に設けられたバッテリモジュール2000においては、冷却ユニット2500からバッテリユニット2100に冷却空気が送込まれる。送込まれた冷却空気は、バッテリユニット2100内に収納されたバッテリパックとの間で熱交換して、車両前方側に設けられた排気口から、熱交換された冷却空気が排気される。さらに、これを詳しく説明する。
【0060】
図3に示すように、冷却ユニット2100は、その冷却ユニットケース2514内に4個のバッテリパックに対応する4個のブロア2600が収納される。また、冷却ユニット2100は、管路抵抗にならない程度の第1吸気口2510および第2吸気口2512を有する。さらに、冷却ユニット2100は、吸気チャンバとしての容積を有する。
【0061】
一方、バッテリユニット2100は、そのバッテリユニットケース2114内に4個のバッテリパック2200が収納される。第1バッテリパック2201には、第1ブロア2601により冷却空気が送り込まれ、第2バッテリパック2202には、第2ブロア2602により冷却空気が送り込まれ、第3バッテリパック2203には、第3ブロア2603により冷却空気が送り込まれ、第4バッテリパック2204には、第4ブロア2604により冷却空気が送り込まれる。送込まれた冷却空気によりバッテリパック2200が冷却される。
【0062】
第1ブロア2511は、管路抵抗の影響を受けることなく(第1ブロア2601の吸込口にダクトがない)、吸気チャンバとして機能する冷却ユニットケース2514内の冷却空気を吸込んで、ブロア側第1中間ダクト2611およびバッテリパック側第1中間ダクト2411を介して、第1バッテリパック2201に冷却空気を送込む。第1バッテリパック2201に送込まれた冷却空気により第1バッテリパック2201が冷却される。
【0063】
この第1ブロアによる第1バッテリパック2201の冷却とは独立して、第2ブロア2512は、管路抵抗の影響を受けることなく(第2ブロア2602の吸込口にダクトがない)、吸気チャンバとして機能する冷却ユニットケース2514内の冷却空気を吸込んで、ブロア側第2中間ダクト2612およびバッテリパック側第2中間ダクト2412を介して、第2バッテリパック2202に冷却空気を送込む。第2バッテリパック2202に送込まれた冷却空気により第2バッテリパック2202が冷却される。
【0064】
これらの第1ブロアによる第1バッテリパック2201の冷却および第2ブロアによる第2バッテリパック2202の冷却とは独立して、第3ブロア2513は、管路抵抗の影響を受けることなく(第3ブロア2603の吸込口にダクトがない)、吸気チャンバとして機能する冷却ユニットケース2514内の冷却空気を吸込んで、ブロア側第3中間ダクト2613およびバッテリパック側第3中間ダクト2413を介して、第3バッテリパック2203に冷却空気を送込む。第3バッテリパック2203に送込まれた冷却空気により第3バッテリパック2203が冷却される。
【0065】
これらの第1ブロアによる第1バッテリパック2201の冷却、第2ブロアによる第2バッテリパック2202の冷却および第3ブロアによる第3バッテリパック2203の冷却とは独立して、第4ブロア2514は、管路抵抗の影響を受けることなく(第4ブロア2604の吸込口にダクトがない)、吸気チャンバとして機能する冷却ユニットケース2514内の冷却空気を吸込んで、ブロア側第4中間ダクト2614およびバッテリパック側第4中間ダクト2414を介して、第4バッテリパック2204に冷却空気を送込む。第4バッテリパック2204に送込まれた冷却空気により第4バッテリパック2204が冷却される。
【0066】
このように4台のブロア2600が作動しても、冷却ユニットケース2514の容積が大きく、吸気チャンバとして機能するため、互いが干渉しあうこともない。
【0067】
以下、このチャンバの機能についてさらに詳しく説明する。
[1:複数個のバッテリパックへの冷却空気流量の不均一解消]
図11および図12に従来の冷却構造を示す。これは、4個のバッテリパックを4個のブロアで冷却するものである。条件として、ダクトの直径は同じで、吸排気位置は1ヶ所ずつとして、ダクトの曲部における圧力損失の影響は無視する、ただし、バッテリパックの数は4個であって、ブロアの数も4個であるが、吸気口は1ヶ所であるので、それぞれのバッテリパックへつながる吸気ダクトの経路長が異なる。4個のバッテリパックの中の2個のバッテリパックの間の冷却流量の不均一について考察する。
【0068】
ダクト(管路)における圧力損失は一般的に以下の式(1)で表わされる。
【0069】
【数1】
Figure 2005019231
【0070】
ここで、ΔPは圧力損失、λが管摩擦係数、lが管路長さ、deqが管内等価直径、ρが冷却空気の比重、vが流速である。
【0071】
管路長がlの管路の圧力損失ΔPは、式(2)で、管路長がlの管路の圧力損失ΔPは、式(3)で、それぞれ表わされる。
【0072】
【数2】
Figure 2005019231
【0073】
【数3】
Figure 2005019231
【0074】
一般に、圧力損失と流量との間には、Rを管路抵抗、Qを流量として、式(4)で表わされる関係が成立する。
【0075】
【数4】
Figure 2005019231
【0076】
式(1)を式(4)に変形すると、v=Q/断面積であるので、式(5)が導かれる。
【0077】
【数5】
Figure 2005019231
【0078】
図11を図13のように簡略化する。管路要素が並列に並んだ場合には、各要素部分毎の圧力損失は、各部を流れる流量Qiについて、Riを管路抵抗として、式(6)で表わされる。
【0079】
【数6】
Figure 2005019231
【0080】
管路要素が並んだ場合には、各部分の入口と出口との圧力損失が同じになる。すなわち、各部分での圧力損失が同じになる(式(7)、式(8))。
【0081】
【数7】
Figure 2005019231
【0082】
【数8】
Figure 2005019231
【0083】
なお、各部分の流量の総和が全流量である(式9)。
【0084】
【数9】
Figure 2005019231
【0085】
ここで、ダクトの直径は同じで、吸排気口は1ヶ所ずつで、ダクトの曲部における圧力損失の影響を無視して、ダクトの冷却経路長さが異なる(lの管路とlの管路とであって、l=αl:α>1)として、式(5)、式(7)および式(8)に基づいて、
【0086】
【数10】
Figure 2005019231
【0087】
【数11】
Figure 2005019231
【0088】
式(10)と式(11)とから、
【0089】
【数12】
Figure 2005019231
【0090】
このように、経路1(lの管路)と経路2(lの管路)とで、冷却空気の流量に差が発生することがわかる。この冷却空気の流量の差によりバッテリパックの冷却むらが発生していた。
【0091】
これに対して、図14に示す本実施の形態に係る冷却構造においては、従来構造のような吸排気ダクトをなくして、ブロア2600を、冷却ユニットケース2514に収納し、バッテリパック2200をバッテリユニットケース2114に収納した。これらの冷却ユニットケース2514およびバッテリユニットケース2114は、それぞれ吸気チャンバおよび排気チャンバとして機能する。
【0092】
すなわち、ブロア2600の吸気口においては開放系からの吸込みと同じか類似する状態に、バッテリパックの排気口において開放系への排気と同じか類似する状態にできる。このため、大幅な圧力損失の低減と、その低減に伴う冷却空気の流量の増大化、圧力損失の差がなくなり、それに伴う冷却空気の流量の均一化やブロアの寿命の均一化および長寿命化が可能になる。
【0093】
式(1)において、図14の場合には、管内等価直径deqが極端に大きくなったものとして考えることができるので、図13におけるPinとPoutとの差である圧力損失が吸排気ダクトがない分だけ小さくなる。すなわち式(7)より、式(13)、式(14)のようになる。
【0094】
【数13】
Figure 2005019231
【0095】
【数14】
Figure 2005019231
【0096】
ここで、ΔPBBは、ブロアとバッテリパックとの圧力損失、ΔPは、図13の吸気ダクト経路1に相当する部分の圧力損失、ΔPは、図13の排気ダクト経路1に相当する部分の圧力損失、ΔPは、図13の吸気ダクト経路2に相当する部分の圧力損失、ΔPは、図13の排気ダクト経路2に相当する部分の圧力損失である。図13における管内等価直径deq<<図14における管内等価直径deqであるので、式(13)において
【0097】
【数15】
Figure 2005019231
【0098】
【数16】
Figure 2005019231
【0099】
式(14)において
【0100】
【数17】
Figure 2005019231
【0101】
【数18】
Figure 2005019231
【0102】
式(15)〜式(18)における左辺は図14における圧力損失、右辺は図13における圧力損失である。式(15)〜式(18)は、l〜lに差があっても、図13における管内等価直径deq<<図14における管内等価直径deqであるので、式(19)のようになると考えてよい。
【0103】
【数19】
Figure 2005019231
【0104】
つまり図14における経路3、経路4(図13における経路1、経路2に相当)の吸排気ダクト部分の圧力損失はほとんど無視できると考えてよい。よって、図14の圧力損失は、
【0105】
【数20】
Figure 2005019231
【0106】
【数21】
Figure 2005019231
【0107】
式(20)および式(21)より、Qを図14の経路3の流量として、Qを図14の経路4の流量として、
【0108】
【数22】
Figure 2005019231
【0109】
となる。
以上のように、ブロア2600とバッテリパック2200とを、ともにそれぞれのケース(チャンバ)に収納することにより、大幅な圧力損失の低減と、圧力損失の均一化が図られ、その結果、流量の均一化を実現できる。
【0110】
[2:冷却風の騒音の低減化]
図15に示すように、吸排気ダクトを用いると、1)ダクトの曲部は乱流が発生しやすく騒音の原因の1つとなる、2)管路の長さによっては、ブロアの羽根回転風切り音が、ダクト内を伝播して吸気口周辺に騒音が広がる。吸排気ダクトが付いていると、上記[1]で説明したように、その分の圧力損失が上昇する。ここで、Ptを全圧、ΔPを静圧(圧力損失)、Pdを動圧、ζを損失係数とすると、式(23)になる。
【0111】
【数23】
Figure 2005019231
【0112】
【数24】
Figure 2005019231
【0113】
ブロアの理論動力Ladは、式(25)で表わされる。
【0114】
【数25】
Figure 2005019231
【0115】
ダクトが付いている従来の構造では式(26)に、チャンバとした本実施の形態の構造では式(27)になる。
【0116】
【数26】
Figure 2005019231
【0117】
【数27】
Figure 2005019231
【0118】
式(24)より式(26)および式(27)は、式(28)になる。
【0119】
【数28】
Figure 2005019231
【0120】
よって、必要量の流量を確保するためには、Ladダクト≒Ladチャンバでなくてはならないので、ブロアモータの回転数を上昇させる必要がある。回転数が上昇すると、ブロア羽根の風切り音が増大し、騒音が発生する。
【0121】
なお、式(24)に関して、以下の式(29)において流量Qが変化しないのであれば、流速vが変化しないので、動圧(Pt−Ps)は変化しない。
【0122】
【数29】
Figure 2005019231
【0123】
ここで、Cはピトー係数、Ptは排気口全圧、Psは排気口静圧、vは流速である。この場合において、ダクトにより静圧Psは大きくなるので、全圧Ptはそれに伴い大きくなってしまう。
【0124】
図16に、本実施の形態に係る冷却構造を示す。1)直接ブロア吸込み口に向かって指向性のないかつ速度分布がない均一な流れとなり、周囲の空気をまんべんなく吸込むことができる。2)これにより、吸込む面積が広がっていくので、吸気口から離れたところでは流速が急に小さくなる。以上により乱流が生じにくい流れになり局部的な圧力差を生じなくなるので、気流による騒音が低減される。また、冷却ユニットケースに収納されている各ブロアは、圧力損失の低い環境で使用されるので、低回転で運転できるため、低騒音とすることができる。
【0125】
[3:周辺部品の配置制約の緩和もしくはダクト断面積の減少]
図17(A)〜(C)に従来の冷却構造を、図17(D)に本実施の形態に係る冷却構造を示す。図17(B)に示すようにダクトに干渉する部品を配置しなければならない場合、その部品がダクトに干渉しないような場所に移すように設計するか、または図17(C)に示すようにダクトの断面積を削減して、部品を配置することになる。図17(C)に示すようにダクトの断面積を削減すると、圧力損失が大きくなる。
【0126】
図17(D)に示すように、部品を冷却ユニットケース2514やバッテリユニットケース2114内にであるチャンバ内に収めて配置することができる。この場合であっても、冷却空気はこの部品の影響を受けることが少ない。
【0127】
[4:ブロア寿命の低下防止と寿命の均一化]
従来の冷却構造のブロアでは、式(29)により回転数が高い場合の頻度が多くなるので、ブラシ摩耗等による劣化が促進される。このため、ブロアの寿命が本実施の形態における冷却構造のブロアの場合よりも短くなる。
【0128】
また、従来の冷却構造のブロアでは、式(12)、式(23)、式(25)により、経路1のブロアと経路2のブロアとでは運転状態に差が出る。一方、本実施の形態に係る冷却構造のブロアでは、式(22)、式(23)、式(25)により、経路3のブロアと経路4のブロアとでは運転状態がほとんど同じになるので、各ブロアの寿命が均一化される。
【0129】
このように、本実施の形態に係る冷却構造のブロアでは、長寿命化と寿命の均一化が図れる。
【0130】
[5:車両内のバッテリモジュールの配置]
本実施の形態に係る冷却構造によると、バッテリパックからの冷却空気の排出口が地上から高い位置にあるので、塵埃や水の侵入を防ぐことができる。塵埃が侵入するとバッテリパックのバッテリセル間の冷却通路を塞いでしまう。水の侵入は、ブロアの電気回路における漏電の可能性が出てくる。
【0131】
また、本実施の形態に係る冷却構造によると、バッテリモジュールを車両の後方に配置するので、車両のフロアパネル下にバッテリモジュールを配置する場合に比べて、車両の低床化を実現しやすい。
【0132】
<その他の実施の形態>
図18および図19にその他の実施の形態に係る冷却構造を示す。図18は、バッテリモジュールを側方から見た図であって、図19は、図18のA視である。
【0133】
バッテリパックのアッパーケースをなくして、そのようなバッテリパックを4個併設した。ブロアとしてクロスフローファンを用い、樹脂化したロアケースを用いた。このため、アッパーケースがないので、さらに圧力損失が低減できて、クロスフローファンを用いたので、バッテリパックの温度のばらつきが低減して、ロアケースの樹脂化により軽量化が実現できた。なお、樹脂化しても、電磁シールドは筐体全体で確保することとした。なお、ブロアは、クロスフローファンに限定されるものではない。ただし、クロスフローファンであると、一度に広範囲に送風が可能であるので、バッテリセルの温度のばらつきを低減しやすくなる点で、クロスフローファンが好ましい。
【0134】
以上のようにして、本実施の形態に係るバッテリパックの冷却構造によると、バッテリパックケース内に4個のバッテリパックが、冷却ユニットケース内に4台のブロアが収納される。冷却ユニットケースには冷却空気の吸気口が、バッテリパックケースにはバッテリパックとの間で熱交換された後の冷却空気の排気口がそれぞれ設けられる。ブロアが収納された冷却ユニットケースには、吸気口から導入された冷却空気が満たされている。ブロアには、吸気ダクトが設けられていない。ブロアは、冷却ユニットケース内の冷却空気を吸込んで、冷却空気をバッテリパックに送込む。冷却ユニットケースにおいて、ブロアによる冷却空気の吸込み時に、冷却空気が吸気ダクトを流れる際の管路抵抗に伴う圧力損失を生じない。バッテリパックとの間で熱交換された冷却空気は、バッテリパックケース内に排出される。このバッテリパックケースには、排気ダクトが設けられていない。このため、ブロアによる熱交換された冷却空気の送出し時において、冷却空気が吸気ダクトを流れる際の管路抵抗に伴う圧力損失を生じない。各バッテリパックに対応するようにブロアが設置されるので、バッテリパックごとに不均一な冷却になることもない。その結果、複数のバッテリパックのそれぞれに対応するブロアを用いて、バッテリパックを均一にかつ効率的に冷却することができる、バッテリパックの冷却構造を提供することができる。
【0135】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るバッテリパックの冷却構造の大型バスへの適用例を示す図である。
【図2】図1の部分拡大図である。
【図3】本発明の実施の形態に係るバッテリパックの冷却構造の全体斜視図である。
【図4】本発明の実施の形態に係るバッテリパックの冷却構造の部品構成を示す斜視図である。
【図5】下段バッテリパック装填後のバッテリユニットの斜視図である。
【図6】上下段バッテリパック装填後のバッテリユニットの斜視図である。
【図7】組立後のバッテリユニットの斜視図(その1)である。
【図8】組立後のバッテリユニットの斜視図(その2)である。
【図9】冷却ユニットの斜視図である。
【図10】図9の部分拡大図である。
【図11】本実施の形態に係る冷却構造との比較されるべき従来の冷却構造を示す図(その1)である。
【図12】図11の分岐配管を示す図である。
【図13】図11を簡略化した図である。
【図14】図11と比較されるべき本実施の形態に係る冷却構造を示す図である。
【図15】本実施の形態に係る冷却構造との比較されるべき従来の冷却構造を示す図(その2)である。
【図16】図15と比較されるべき本実施の形態に係る冷却構造を示す図である。
【図17】本実施の形態に係る冷却構造における周辺部品の配置を示す図である。
【図18】本発明の他の実施の形態に係る冷却構造を示す図である。
【図19】図18の部分拡大図である。
【図20】従来の冷却構造を示す図である。
【符号の説明】
100 車両、1000 燃料電池モジュール、2000 バッテリモジュール、2100 バッテリユニット、2102 第1排気口、2104 第2排気口、2106 第3排気口、2114 バッテリユニットケース、2200 バッテリパック、2201 第1バッテリパック、2202 第2バッテリパック、2203 第3バッテリパック、2204 第4バッテリパック、2301 下段ラック、2302 上段ラック、2303 バッテリパックケース天板、2304,2305 バッテリパックケース側板、2410 バッテリパック側中間ダクト、2401 バッテリパック側第1中間ダクト、2402 バッテリパック側第2中間ダクト、2403 バッテリパック側第3中間ダクト、2404バッテリパック側第4中間ダクト、2500 冷却ユニット、2510 第1吸気口、2512 第2吸気口、2514 冷却ユニットケース、2515 冷却ユニットケース天板、2516 冷却ユニットケース側板、2600 ブロア、2601 第1ブロア、2602 第2ブロア、2603 第3ブロア、2604 第4ブロア、2610 ブロア側中間ダクト、2611 ブロア側第1中間ダクト、2612 ブロア側第2中間ダクト、2613 ブロア側第3中間ダクト、2614 ブロア側第4中間ダクト。

Claims (11)

  1. バッテリパックの冷却構造は、
    複数のバッテリパックと、
    各前記バッテリパックに対応して、前記バッテリパックに冷却媒体を導入するための導入手段と、
    前記複数のバッテリパックおよび前記複数の導入手段を収納するケースとを含み、
    前記ケースには、前記冷却媒体の吸気口と排気口とが設けられ、前記ケース内には前記冷却媒体が前記吸気口から導入され、前記バッテリパックとの間で熱交換された冷却媒体が前記排気口から前記ケース外に導出される、バッテリパックの冷却構造。
  2. 前記バッテリパックの冷却構造においては、
    前記ケースに、前記吸気口から導入された冷却媒体と、前記バッテリパックとの間で熱交換された冷却媒体とを仕切る仕切り板がさらに設けられた、請求項1に記載のバッテリパックの冷却構造。
  3. 前記仕切板により仕切られたケースの中で、吸気口のある側のケースにより吸気チャンバが形成され、排気口がある側のケースにより排気チャンバが形成される、請求項2に記載のバッテリパックの冷却構造。
  4. バッテリパックの冷却構造は、
    複数のバッテリパックと、
    各前記バッテリパックに対応して、前記バッテリパックに冷却媒体を導入するための導入手段と、
    複数の前記バッテリパックを収納する第1のケースと、
    前記複数の導入手段を収納する第2のケースと、
    前記第1のケースと前記第2のケースとを連通させる連通手段とを含み、
    前記第1のケースには、前記冷却媒体の吸気口が、前記第2のケースには排気口がそれぞれ設けられ、前記冷却媒体が前記吸気口から前記第1のケース内に導入され、前記バッテリパックとの間で熱交換された冷却媒体が前記排気口から前記第2のケース外に導出される、バッテリパックの冷却構造。
  5. 前記第1のケースにより吸気チャンバが形成され、前記第2のケースにより排気チャンバが形成される、請求項4に記載のバッテリパックの冷却構造。
  6. 前記バッテリパックは、導入された冷却媒体を前記ケース内に排出する排出部を有する、請求項1〜5のいずれかに記載のバッテリパックの冷却構造。
  7. 前記冷却媒体は空気であって、導入手段はブロアである、請求項1〜6のいずれかに記載のバッテリパックの冷却構造。
  8. 前記ケースの形状は、ブロアの能力および台数ならびにバッテリパックの個数に基づいて、予め定められる条件を満足するように算出される、請求項7に記載のバッテリパックの冷却構造。
  9. 前記予め定められた条件は、前記ブロアにより冷却媒体を流通させる際の圧力損失が予め定められた値より小さくなるという条件である、請求項8に記載のバッテリパックの冷却構造。
  10. 前記予め定められた条件は、前記複数のブロア間における冷却媒体を導入する能力の差が予め定められた値より小さくなるという条件である、請求項8に記載のバッテリパックの冷却構造。
  11. 前記バッテリパックの冷却構造は、HV車両、EV車両およびFCEV車両のいずれかに搭載されることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載のバッテリパックの冷却構造。
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