JP2006092805A - バッテリ冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】走行風によりバッテリを効率的に冷却することが可能なバッテリ冷却システムを提供する。
【解決手段】バッテリ冷却システム４０は、車輌の走行に伴って発生する走行風を利用してバッテリを冷却するシステムであり、車輌の床下に設けられ、バッテリ３０を収容可能なように車内側に凹んだ凹状の収容部４１ａと、バッテリ３０より走行方向上流側に設けられ、当該収容部４１内に走行風を導入するためのバッフル４２と、を備え、バッテリ３０は、当該バッテリ３０の底面が収容部４１の周囲における車輌の底面１ａより高くなるように、収容部４１内に収容されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、車輌の走行に伴って発生する走行風を利用してバッテリを冷却するバッテリ冷却システムに関する。

走行用電源としてのバッテリを搭載した、例えば電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、燃料電池自動車（ＦＣＶ）等の車輌において当該バッテリを冷却する方法として、その車輌の走行に伴って発生する走行風を冷却媒体として利用することが考えられる。

しかしながら、バッテリのサイズや搭載位置等の制約条件により、走行風をバッテリに効率的に当てることが出来ず、バッテリの温度上昇を十分に抑制することが出来ないという問題があった。

本発明は、走行風によりバッテリを効率的に冷却することが可能なバッテリ冷却システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、車輌の走行に伴って発生する走行風を利用してバッテリを冷却するバッテリ冷却システムであって、前記車輌の床下に設けられ、前記バッテリを収容可能なように車内側に凹んだ凹状の収容部と、前記バッテリより走行方向上流側に設けられ、当該収容部内に走行風を導入可能な導入手段と、を備え、前記バッテリは、前記バッテリの底面が前記収容部周囲における前記車輌の底面より高く又は実質的に同一の高さとなるように、前記収容部内に収容されているバッテリ冷却システムが提供される。

本発明では、車輌の床下に車内側に凹んだ収容部を設けると共に、バッテリより走行方向上流側に導入手段を設け、バッテリの底面が収容部周囲の車輌底面より高く又は実質的に同一の高さとなるようにバッテリを収容部に収容する。

導入手段をバッテリより走行方向上流側に設けることにより、収容部にバッテリを収容しても、床下を流れる走行風をバッテリに効率的に当てることが可能となる。また、収容部周囲における車輌底面よりバッテリ底面が高く又は実質的に同一の高さとなるように、バッテリを収容部内に収容することにより、車輌走行時のバッテリの通気抵抗を抑制出来ると共に、例えば車輌底面が地面に摺接したような場合にもバッテリを適切に保護することが出来る。

発明の実施の形態

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

先ず、本発明の実施形態においてバッテリを構成する薄型電池（ラミネート電池）について説明する。図１は本発明の実施形態における薄型電池の全体の平面図、図２は図１のII-II線に沿った断面図である。図１及び図２は一つの薄型電池１０（単位電池）を示し、この薄型電池１０を複数積層することにより所望の電圧、容量のバッテリが構成される。

本発明の実施形態に係る薄型電池１０は、積層可能な平板状のリチウムイオン二次電池であり、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質と、から構成されており、例えば１０ｍｍ以下の総厚を有する。このうちの正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解質を特に発電要素１０８と称する。

発電要素１０８を構成する正極板１０１は、正極端子１０４まで延びている正極側集電体１０１ａと、正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃと、を有している。

この正極板１０１の正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔である。

正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃは、例えば、ＬｉＮｉＯ_２等のリチウム・ニッケル系複合酸化物、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のリチウム・マンガン系複合酸化物、又は、ＬｉＣｏＯ_２等のリチウム・コバルト系複合酸化物等や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリフッ化エチレンの水性ディスパージョン等の結着剤と、を混合させたものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。

発電要素１０８を構成する負極板１０３は、負極端子１０５まで延びている負極側集電体１０３ａと、当該負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃと、を有している。

この負極板１０３の負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔である。

負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。

特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。

発電要素１０８のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。

なお、本発明のセパレータ１０２は、ポリオレフィン等の単層膜のみに限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものを用いることも出来る。このようにセパレータ１０２を複層化することで、過電流防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することが出来る。

以上の発電要素１０８は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが交互に積層されている。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属箔製の負極端子１０５にそれぞれ接続されている。

なお、発電要素１０８の正極板１０１、セパレータ１０２、及び、負極板１０３は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、１枚の正極板１０１、３枚のセパレータ１０２、及び、１枚の負極板１０３でも発電要素１０８を構成することが出来、必要に応じて正極板、セパレータ及び負極板の枚数を選択して構成することが出来る。

正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることが出来る。また、負極端子１０５としては、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることが出来る。

発電要素１０８は、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７に収容されて封止されている。本実施形態における上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は、何れも特に図示しないが、薄型電池１０の内側から外側に向かって、例えばポリエチレンやポリプロピレン等の耐電解液及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている内側層と、例えばアルミニウム等の金属箔から構成されている中間層と、例えばポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムから構成されている外側層と、の三層構造から成る樹脂−金属薄膜ラミネート材で構成されている。

これら外装部材１０６、１０７によって、上述の発電要素１０８、正極端子１０４の一部及び負極端子１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）やホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ_４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、外装部材１０６、１０７により形成される空間を吸引して真空状態として、外装部材１０６、１０７をその外周縁に沿って熱プレスにより熱融着して封止する。

有機液体溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等のエステル系溶媒を挙げることが出来るが、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他の混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。

以上のような構成の薄型電池１０を用いたバッテリ３０について以下に説明する。

図３は本発明の実施形態におけるバッテリを示す斜視図、図４は図３のIV-IV線に沿った断面図である。

本発明の実施形態におけるバッテリ３０は、図３及び図４に示すように、６つのサブアッセンブリ２０を積層すると共にこれらサブアッセンブリ２０同士を外部接続用電極端子３３、３４により電気的に接続することにより構成されている。なお、図４の断面図では、バッテリ３０を構成する６つのサブアッセンブリ２０のうちの２つのサブアッセンブリ２０しか図示していない。

このバッテリ３０を構成するサブアッセンブリ２０について説明すると、各サブアッセンブリ２０は、上述した薄型電池１０を８個有しており、図３及び図４に示すように、薄型電池１０の裏側主面同士を重ね合わせて積層された２つの薄型電池１０の組み合わせを４列並べることにより、薄型電池１０が２段４列に配列されて構成されている。これら８個の薄型電池１０は各電極端子１０４、１０５同士が直接溶接される等して電気的に並列接続されている。

このように２段４列に配置された８個の薄型電池１０は、サブアッセンブリ用カバー２１の内部に収容されている。そして、図３に示すように、このサブアッセンブリ用カバー２１の両端部から、サブアッセンブリ用正極端子２２及びサブアッセンブリ用負極端子２３がそれぞれ導出している。サブアッセンブリ用正極端子２２には、サブアッセンブリ２０を構成する８個の薄型電池１０の各正極端子１０４が電気的に接続されている。同様に、サブアッセンブリ用負極端子２３には、サブアッセンブリ２０を構成する８個の薄型電池１０の各負極端子１０５が電気的に接続されている。

以上のような構成のサブアッセンブリ２０を６個有するバッテリ３０では、図３に示すように、各サブアッセンブリ２０の端子２２、２３がそれぞれ同一方向を向くように積層されている。即ち、ｍ段目に位置するサブアッセンブリ２０の端子２２、２３と、ｍ＋１段目に位置するサブアッセンブリ２０の端子２２、２３とが同一方向に向くような姿勢で、ｍ段目のサブアッセンブリ２０の上に、ｍ＋１段目のサブアッセンブリ２０が積層されている（但し、ｍは自然数）。

このように積層された6個のサブアッセンブリ２０は、その両側面部で平板状の連結部材３１により連結されている。この連結部材３１には複数の貫通孔が形成されており、この貫通孔を介して固定用ネジ３２が各サブアッセンブリ２０に締結されることにより、各サブアッセンブリ２０が連結部材３１に固定されている。この連結部材３１に形成された複数の貫通孔は、サブアッセンブリ２０の厚さより大きなピッチ間隔で形成されており、図３に示すように、連結部材３１により連結された各サブアッセンブリ２０同士の間には、例えば３ｍｍ程度の間隔の隙間Ｗが形成されている。

そして、同一方向を向いた全てのサブアッセンブリ用正極端子２２が外部接続用正極端子３３に電気的に接続されていると共に、同一方向を向いた全てのサブアッセンブリ用負極端子２３が外部接続用負極端子３４に電気的に接続されており、バッテリ３０を外部と電気的に接続することが可能となっている。

外部接続用電極端子３３、３４は、略矩形の平板形状を有しており、サブアッセンブリ用電極端子２２、２３を挿入或いは圧入可能な直径を有する複数の端子挿入用孔が加工されている。この端子挿入孔は、前記連結部材３１に形成された貫通孔のピッチと実質的に等しいピッチで加工されている。さらに、各外部接続用電極端子３３、３４には、電気絶縁性に優れた材料から成る絶縁カバー３５、３６が設けられており、これにより当該外部接続用電極端子３３、３４の端子挿入孔に挿入された全てのサブアッセンブリ用電極端子２２、２３を覆うことによりバッテリ３０の外部への露出を防止することが可能となっている。なお、図３において絶縁カバー３５、３６は二点鎖線にて示す。

以下に、上述のバッテリ３０を冷却するためのバッテリ冷却システム４０について説明する。

図５は本発明の実施形態に係るバッテリ冷却システムを搭載した車輌を示す側面図、図６は図５のVI部を拡大した、本実施形態に係るバッテリ冷却システムを示す断面模式図、図７は本発明の実施形態において一体化されたバッテリを示す断面図である。

上述のバッテリ３０は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、燃料電池自動車（ＦＣＶ）等の車輌１の走行用電源として用いられ、本発明の実施形態に係るバッテリ冷却システム４０は、車輌１の走行に伴って発生する走行風を冷却媒体として利用することによりバッテリ３０を冷却することが可能なシステムである。

このバッテリ冷却システム４０は、図５及び図６に示すように、２つのバッテリ３０を収容するための収容部４１と、当該収容部４１内に走行風を導入するためのバッフル４２と、を備えている。

バッテリ冷却システム４０の収容部４１は、車輌１のフロアパネルを車内側に凹ますことにより凹状に形成されており、車輌１の走行方向に沿って並べた２つのバッテリ３０を収容可能な大きさを有している。そして、各バッテリ３０が支持部材（不図示）を介してフロアパネルに支持される等して、バッテリ３０の底面が当該収容部４１周囲の車輌１の底面１ａに対して相対的に高くなるように、収容部４１内に２つのバッテリ３０が収容されている。なお、バッテリ３０の底面が収容部４１周囲の車輌１の底面１ａと実質的に同一となるように、収容部４１内に２つのバッテリ３０を収容しても良い。

このように、収容部４１の周囲における車輌１の底面１ａよりバッテリ３０の底面を高く又は実質的に同一の高さとするようにバッテリ３０を収容部４１内に収容することにより、車輌１の走行時のバッテリ３０の通気抵抗を抑制出来ると共に、例えば車輌１の底面１ａが地面に摺接したような場合にもバッテリ３０を適切に保護することが出来る。また、車輌１の床下にバッテリ３０を収容することにより、車内スペースを有効に活用することが出来る。

各バッテリ３０は、各薄型電池１０の主面が車輌１の走行方向に対して実質的に平行となるような姿勢、即ち、各薄型電池１０が横向きとなる姿勢で収容部４１内に収容されており、図３に示す矢印方向から走行風を取り込むことが可能となっている。ここで、上述のように、バッテリ３０の各サブアッセンブリ２０同士の間には、所定の間隔の隙間Ｗが形成されているので、収容部４１内に取り込まれた走行風は、図４に示すように、各サブアッセンブリ２０同士の間に入り込むことが出来、各薄型電池１０を効率的に冷却することが可能となっている。

また、この収容部４１では、図６に示すように、当該収容部４１を形成する壁面のうちの上流側の壁面４１ａが傾斜して形成されている。表１に示すように、この壁面４１ａの傾斜角αを約３０°〜４５°とすると走行風を効率的に取り入れることが出来、当該傾斜角を約４５°とすると走行風を最も多く取り込むことが出来る。なお、表１において、「取り込んだ走行風」とは、バッテリ３０に形成された隙間Ｗに取り込まれた走行風の強さを示す。また、表１において、車輌１の走行に伴って発生する走行風自体の強さは約１１．５［ｍ／ｓ］である。

バッテリ冷却システム４０のバッフル４２は、図６に示すように、走行方向上流側から下流側に向かって鋭角に伸びている上流側斜面４２ａを持つ邪魔板であり、収容部４１においてバッテリ３０より走行方向上流側に位置するように車輌１のフロアパネル等に取り付けられている。そして、このバッフル４２の上流側斜面４２ａにより、車輌１の走行に伴って発生し床下を流れる走行風を、凹状に形成された容部４１内に取り込むことが可能となっている。

収容部４１内への走行風の取込率を向上させるために、ファン等を用いて走行風を強制的に取り込む方法も考えられるが、本実施形態に係るバッテリ冷却システム４０では、バッフル４２により走行風の取込率を向上させるので、当該システムの簡素化を図ることが可能となっている。

なお、このバッフル３２は、収容部４１周囲における車輌１の底面１ａより低くなるように取り付けられても良く、或いは、車輌１の底面１ａより高くなるように取り付けられても良い。バッフル３２を底面１ａより低く取り付けた場合には、より多くの走行風を収容部４１内に取り込むことが可能になる反面、例えば車輌１の底面１ａが地面に摺接したような場合にバッフル３２を適切に保護し得ない。これに対し、バッフル３２を車輌１の底面１ａより高く取り付けた場合には、バッフル３２を適切に保護し得る反面、走行風の取込率が減少する。

さらに、本実施形態に係るバッテリ冷却システム４０では、図７に示すように、上流側のバッテリ３０に形成された各隙間Ｗ１と、下流側のバッテリ３０に形成された各隙間Ｗ２とが直接連通しするように、２つのバッテリ３０同士が一体化されている。これにより、上流側のバッテリ３０に流れ込んだ走行風を、外部に発散させることなく、下流側のバッテリ３０に流すことが可能となっている。

図８（Ａ）〜（Ｅ）はバッテリを車輌の床下に収容する各タイプのバッテリ冷却システムを示す断面模式図であり、図８（Ｂ）はバッテリ３０を収容部４１に収容しただけのタイプ１のシステムを示し、図８（Ｃ）はタイプ１にバッフル４２を追加したタイプ２のシステムを示し、図８（Ｄ）はタイプ２に収容部４１の下流側壁面を傾斜させたタイプ３のシステムを示し、図８（Ｅ）はタイプ４のシステムとしてバッテリを一体化した本実施形態に係るバッテリ冷却システムを示し、図８（Ａ）に参考として収容部４１を設けずに床下にバッテリを搭載したタイプ０のシステムを示す。

以上に説明した実施形態に係るバッテリ冷却システム４０の効果について説明すると、表２に示すように、単にフロアパネル１ａに凹状の収容部４１を形成したのみ（図８（Ｂ）に示すタイプ１）では当該収容部４１への走行風の流れ込みが殆どないが、バッフル４２を設ける（図８（Ｃ）〜（Ｅ）に示すタイプ２〜４）ことにより走行風の取込率が向上する。なお、収容部４１の下流側壁面の傾斜の有無は、表１のタイプ２及び３より分かるように、走行風の取込率に殆ど影響を与えない。

また、本実施形態のように上流側と下流側のバッテリ３０を一体化する（図８（Ｅ）に示すタイプ４）ことにより走行風の取込率が大幅に向上し、収容部４１を設けずに直接走行風を当てる理想的な状態（図８（Ａ）に示すタイプ０）に近づけることが出来る。因みに、収容部４１を設けないタイプ０のシステムは、例えば車輌１の底面１ａが地面に摺接したような場合にバッテリ３０を全く保護し得ないため採用できない。なお、表２において、「取り込んだ走行風」とは、バッテリ３０に形成された隙間Ｗ１、Ｗ２に取り込まれた走行風の強さを示す。また、表２において、車輌１の走行に伴って発生する走行風自体の強さは約５．０［ｍ／ｓ］である。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、一つのバッテリを構成する薄型電池の数や接続方法、及び、車輌に搭載されるバッテリの数や接続方法等は、上述の実施形態に説明した数や接続方法等に限定されず、所望する電圧や容量に応じて適宜設定することが出来る。

図１は、本発明の実施形態における薄型電池の全体の平面図である。 図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。 図３は、本発明の実施形態におけるバッテリの示す斜視図である。 図４は、図３のIV-IV線に沿った断面図である。 図５は、本発明の実施形態に係るバッテリ冷却システムを搭載した車輌を示す側面図である。 図６は、図５のVI部を拡大した、本実施形態に係るバッテリ冷却システムを示す断面模式図である。 図７は、本発明の実施形態において一体化されたバッテリを示す断面図である。 図８（Ａ）〜（Ｅ）は、バッテリを車輌床下に収容する各タイプのバッテリ冷却システムを示す断面模式図である。

符号の説明

１…車輌
１ａ…底面
１０…薄型電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ、１０１ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ、１０３ｃ…負極層
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６…上部外装部材
１０７…下部外装部材
１０８…発電要素
２０…サブアッセンブリ
２１…サブアッセンブリ用カバー
２２、２３…サブアッセンブリ用電極端子
３０…バッテリ
３１…連結部材
３２…固定用ネジ
３３、３４…外部接続用電極端子
３５、３６…絶縁カバー
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２…隙間
４０…バッテリ冷却システム
４１…収納部
４１ａ…上流側壁面
４２…バッフル
４２ａ…上流側斜面

Claims (5)

1. 車輌の走行に伴って発生する走行風を利用してバッテリを冷却するバッテリ冷却システムであって、
   前記車輌の床下に設けられ、前記バッテリを収容可能なように車内側に凹んだ凹状の収容部と、
   前記バッテリより走行方向上流側に設けられ、当該収容部内に走行風を導入可能な導入手段と、を備え、
   前記バッテリは、前記バッテリの底面が前記収容部周囲における前記車輌の底面より高く又は実質的に同一の高さとなるように、前記収容部内に収容されているバッテリ冷却システム。
2. 前記バッテリは、相互に電気的に接続された複数の平板状の薄型電池を有し、
   前記バッテリは、前記各薄型電池の主面が前記車輌の走行方向に対して実質的に平行となるような姿勢で、前記収容部内に収容されている請求項１記載のバッテリ冷却システム。
3. 前記バッテリが有する前記複数の薄型電池は、前記各薄型電池の少なくとも一方の主面と当該主面に隣接する他の薄型電池との間に所定間隔の隙間を形成しながら、相互に積層されている請求項２記載のバッテリ冷却システム。
4. ２以上のバッテリを備え、
   前記２以上のバッテリ同士は、一方のバッテリに形成された前記隙間と他方のバッテリに形成された前記隙間とが直接連通するように一体化されている請求項３記載のバッテリ冷却システム。
5. 前記導入手段はバッフルを含む請求項１〜４の何れかに記載のバッテリ冷却システム。
   
   

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