JP2008513949A - バッテリーパック用の冷却装置 - Google Patents

Abstract

電気自動車およびハイブリッド電気自動車の動力源として使用できるバッテリーパック用の冷却装置を開示する。この冷却装置には、電池セルに冷却剤を一定流量で供給することにより、電池セルから発生する熱を効果的に消散させ、冷却工程の際に、電池セル間の温度差を最小に抑える効果がある。これによって、電池セルの性能低下を阻止し、それによって、電池セルの最適温度制御が達成される。また、この冷却装置は、バッテリーパックの側部に配置された単一の冷却剤案内部材を使用しており、バッテリー装置全体のサイズが小さくなる。

Description

発明の分野

本発明は、電気自動車およびハイブリッド電気自動車の動力源として使用できるバッテリーパック用の冷却装置に関し、より詳しくは、冷却剤導入部分および冷却剤排出部分が装置の同じ側に位置し、複数のバッテリーモジュールのそれぞれが独立した冷却剤通路を有し、それによって、冷却剤がバッテリーモジュールの複数の電池セルを一定の流量で通過し、電池セル間の温度変動ならびにバッテリー装置全体のサイズを小さくする、バッテリーパック温度を制御するためのバッテリーパック冷却装置に関する。

発明の背景

化石燃料、例えばガソリンおよびディーゼル、を燃焼する車両の大きな問題の一つは大気汚染である。そのような問題を解決するために、車両の動力源として再充電可能な二次電池を使用する技術に関心が集まっている。従って、二次電池だけで作動し得る電気自動車（以下、ＥＶともいう。）および二次電池および内燃機関の両端を使用するハイブリッド電気自動車（以下、ＨＥＶともいう。）が開発され、その一部は市販されている。ＥＶおよびＨＥＶの動力源として使用できる二次電池の代表的な例は、ニッケル−金属ハイブリッド（以下、Ｎｉ−ＭＨともいう。）電池であるが、最近ではリチウム−イオン電池も試験されている。

ＥＶおよびＨＥＶの動力源として二次電池を使用するには、その二次電池は高い出力および容量を有する必要がある。この必要条件を満たすための従来の構造を考慮すると、複数の小型二次電池（電池セル）を直列または並列に相互接続してバッテリーモジュールを構成し、次いで、複数のバッテリーモジュールを直列または並列に相互接続して単一のバッテリーパックを構成する。

しかしながら、出力および容量が高い二次電池には、その充電／放電モードで大量の熱を発生するという問題がある。充電／放電モードで発生する電池セルの熱を効率的に除去しないと、その熱が蓄積し、電池セルの劣化を引き起こす。そのような理由から、出力および容量が高いバッテリーパックには冷却装置を備える必要がある。

先行技術のバッテリーパック冷却装置の例として、米国特許第５，５８９，２９０号および韓国特許公開第２００４−４５９３７号を挙げることができる。ここで、バッテリーパック冷却用の従来装置の原理を、図１を参照しながら説明する。

図１に示すように、参照番号１０で示す従来のバッテリーパック冷却装置は、複数のバッテリーを有するバッテリーパック２０、バッテリーパック２０の下側末端表面に配置された冷却剤導入部分３０、およびバッテリーパック２０の上側末端表面に配置された冷却剤排出部分４０から構成される。バッテリーパック２０は、相互に電気的に接続された複数のバッテリーモジュール５０からなる。また、バッテリーモジュール５０のそれぞれは、相互に電気的に接続された複数の電池セル６０からなる。各バッテリーモジュール５０の電池セル６０は、隣接する電池セル６０の接触区域には僅かな隙間が設けられており、この隙間は、導入部分３０を経由して導入された冷却剤が、これらの隙間を通って移動する間に、電池セル６０から発生した熱を消散させるのに使用される。その後、使用済みの冷却剤は、バッテリーパック２０の最上部に設けられた排出部分４０を経由して排出される。

しかし、上記の、図１に示すような構造を有するバッテリーパック冷却装置１０には、次のような幾つかの問題がある。

第一に、従来のバッテリーパック冷却装置１０の場合、導入部分３０を通して導入した冷却剤を、それぞれのバッテリーモジュール５０の中に均一に配分するのが困難である。このために、電池セル６０間の温度差が大きくなる。最近の調査により、電池セル６０間に生じる大きな温度差が、バッテリーパック２０の全体的な性能を損なう主なファクターであることが確認された。

第二に、冷却剤導入部分３０および冷却剤排出部分４０がバッテリーパック２０の上側および下側に独立して配置されているので、バッテリーパック２０の上側および下側に、２個の冷却剤案内部材をそれぞれ配置する必要がある。これは、冷却剤案内部材を設置するための空間を二倍にするので、バッテリー装置全体のサイズが大きくなり、好ましくない。

これらの理由から、現在市販されているバッテリーパック冷却装置のほとんどは、電池セルの最適な温度管理が不可能であり、全体的なバッテリー装置のサイズが大きくなるのが難点である。
米国特許第５，５８９，２９０号 韓国特許公開第２００４−４５９３７号

発明の概要

従って、本発明は、上記の問題および他の、解決策が待たれている従来の技術的問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、冷却剤を電池セルに一定の流量で供給することにより、電池セルから発生する熱を効果的に除去でき、冷却工程中に電池セル間の温度差を最小に抑えることができ、それによって、電池セルの性能低下を抑え、電池セルの最適温度制御を達成できる、バッテリーパックの冷却装置を提供することである。

本発明の別の目的は、バッテリー装置全体のサイズ低下を達成しながら、所望の冷却操作を行うことができる、バッテリーパック冷却装置を提供することである。

本発明の一態様により、上記の目的および他の目的は、バッテリーパック用冷却装置であって、
冷却剤導入部分および冷却剤排出部分が、前記バッテリーパックの同じ側に位置し、前記冷却剤導入部分および前記冷却剤排出部分のそれぞれが、その内部で、複数の冷却剤通路に分割されており、その冷却剤導入部分を通過した冷却剤が、バッテリーモジュールのそれぞれに案内されて前記バッテリーモジュールを冷却し、続いて、前記冷却剤排出部分を経由して排出される冷却装置を提供することにより、達成することができる。

上記のように、バッテリーパックは、相互に電気的に接続された複数のバッテリーモジュールからなり、各バッテリーモジュールは、相互に電気的に接続された複数の小型電池、すなわち電池セルからなる。所望の出力および容量、好ましくは、高電力で高出力の電池を得るには、バッテリーモジュール、より具体的には電池セルを直列または並列に電気的に接続する必要がある。電池セルは、特に制限されるものではなく、様々な再充電可能なバッテリーから自由に選択することができる。例えば、本発明で使用するそのような電池セルは、カソード、アノード、セパレータ、および電解質が、密封された容器中に、充電／放電可能な様式で収容された二次電池である。好ましくは、本発明の電池セルの例としては、リチウムイオン二次電池、リチウムイオン重合体二次電池、またはニッケル金属ハイブリッド電池が挙げられる。

電池セルは、隣接する電池セル間の接触区域に、冷却剤の移動に使用するための僅かな隙間を設ける。場合により、電池セルは、予め決められた等間隔または異なった間隔で相互に分離して配置し、冷却剤の効果的な移動を確保することができる。冷却剤がこの隙間を通って移動する間に、冷却剤が電池セルから発生した熱を消散させるように作用する。

本発明で使用する冷却剤は、様々な冷却流体から、特に制限されることなく、自由に選択することができる。好ましくは、冷却剤は、空気および水から選択し、より好ましくは空気である。例えば、冷却剤が空気である場合、冷却剤は、別の装置、例えばファンにより、本発明の冷却装置の冷却剤導入部分中に強制的に導入される。

本発明のバッテリーパック冷却装置には、冷却剤導入部分および冷却剤排出部分の両方がバッテリーパックの同じ側に形成されるので、バッテリー装置全体のサイズを小さくする効果がある。また、バッテリーモジュールのそれぞれが冷却剤通路の特定の１個と関連しているので、バッテリーモジュールが独立して冷却され、冷却剤は、それぞれの通路を一定の流量で移動でき、冷却工程中の電池セル間の温度差を小さくすることができる。

冷却剤通路は、様々な方法を使用してバッテリーモジュールと１対１の割合で関連付けることができる。好ましい実施態様においては、冷却剤導入部分は、その内部に複数の仕切を備え、それらの仕切は、バッテリーモジュールのそれぞれを、隣接する他のバッテリーモジュールから分離するように作用するので、冷却剤は、それぞれのバッテリーモジュール中に導入され、バッテリーモジュールを通って循環する間にバッテリーモジュールを冷却し、続いてそれぞれのバッテリーモジュールから排出される。好ましくは、冷却剤排出部分にも仕切を設ける。代表的な配置では、バッテリーモジュールの冷却剤通路を互いに分離するのに使用される仕切は、冷却剤導入部分に形成された入口またはその入口に近い所から、冷却剤排出部分に形成された出口またはその出口に近い所に伸びている。

冷却剤導入部分および冷却剤排出部分の両方を、冷却剤案内部材中に設けることができ、冷却剤案内部材をバッテリーパックの上側または下側、もしくは横側に配置することができる。場合により、バッテリーモジュールが冷却剤案内部材の上側または下側にそれぞれ位置するように、冷却剤案内部材をバッテリーパックの中央に配置することもできる。好ましくは、冷却剤案内部材は、バッテリーパックの上側または下側に配置する。

好ましい実施態様においては、冷却剤導入部分および冷却剤排出部分の両方が、バッテリーパックの上側に配置されており、冷却剤導入部分の入口を通過した冷却剤が、先ずバッテリーパックの第一側壁の方向に移動し、第一側壁に沿って下方に移動し、次いで、隣接する電池セル間に限定された隙間を通過することにより、バッテリーパックの第一側壁と反対側の第二側壁に向かって移動し、第二側壁に沿って上方に移動し、最後に、冷却剤排出部分の出口を経由して排出されるように、冷却剤通路が配置される。

好ましくは、本発明のバッテリーパック冷却装置は、電気自動車またはハイブリッド電気自動車、特にハイブリッド電気自動車の動力源としてバッテリー装置中に使用できる。

本発明の上記の、および他の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。

好ましい実施態様の詳細な説明

以下に、本発明の一実施態様によるバッテリーパック冷却装置を、添付の図面を参照しながら説明する。下記の説明は、本発明を容易に理解するためであって、本発明の範囲を制限するものではない。

図２は、本発明のバッテリーパック冷却装置の、部分的に切り取って内部を示す図である。図２に関して、バッテリーパック冷却装置１００は、相互に電気的に接続された複数のバッテリーモジュール２００、２１０、２２０、および２３０からなるバッテリーパック３００、およびバッテリーパック３００の上側末端表面に配置された冷却剤案内部材５００を包含する。バッテリーモジュール２００、２１０、２２０、および２３０のそれぞれは、相互に電気的に接続された複数の電池セル４００を包含する。

冷却剤案内部材５００は、冷却剤導入部分５１０および冷却剤排出部分５２０を包含する。本発明では、冷却剤導入部分５１０および冷却剤排出部分５２０の両方がバッテリーパック３００の上部に配置されている。導入部分５１０は、外部の冷却剤供給装置（図示せず）から供給される冷却剤を、冷却装置１００の密封された内側空間中に導入するための入口５１２、および導入部分５１０を、バッテリーモジュール２００、２１０、２２０、および２３０にそれぞれ伸びる複数の冷却剤通路に分割する複数の仕切５１４を包含する。排出部分５２０は、排出部分５２０を複数の冷却剤通路に分割する複数の仕切５２４、および出口５２２を包含し、その冷却剤通路に沿って、それぞれのバッテリーモジュール２００、２１０、２２０、および２３０を通過した、比較的高い温度の冷却剤が移動し、出口５２２が、高温の冷却剤を冷却装置１００の外側に排出する。

冷却装置１００は、入口５１２および出口５２２を除いて、ケース６００により気密に収容されているので、冷却剤は、漏れる危険性なく、通路に沿ってのみ移動する。

上記の構造により、入口５１２を経由して導入された後、冷却剤は、仕切５１４により分割された、予め決められた通路に沿って移動するので、冷却剤は、それぞれの通路毎に一定の流量を有する。すなわち、一番目のバッテリーモジュール２００に伸びる通路ＦＣ１を通過する冷却剤の流量、二番目のバッテリーモジュール２１０に伸びる通路ＦＣ２を通過する冷却剤の流量、三番目のバッテリーモジュール２２０に伸びる通路ＦＣ３を通過する冷却剤の流量、および四番目のバッテリーモジュール２３０に伸びる通路ＦＣ４を通過する冷却剤の流量は、相互に等しい。導入部分５１０の仕切５１４は、第一側壁１１０に沿って下方に、バッテリーパック３００の下側末端表面に伸びる。従って、入口５１２を経由して導入された後、冷却剤は、第一側壁１１０の方向に移動し、続いて、隣接する電池セル４００間に限定された隙間を通過し、第一側壁１１０と反対側の第二側壁１２０に向かって移動する。ここで、各バッテリーモジュール２００、２１０、２２０、および２３０は相互に隔離されているので、冷却剤が第一側壁１１０から第二側壁１２０に移動する時に、バッテリーモジュールの特定の１個、例えばバッテリーモジュール２００、を冷却するのに使用される冷却剤が、他のバッテリーモジュール、例えばバッテリーモジュール２１０に侵入する危険性は無い。冷却剤が第一側壁１１０から第二側壁１２０に移動するにつれて、電池セル４００から発生した熱は冷却剤に伝達される。

第二側壁１２０に到達した後、冷却剤は、仕切５２４により分割されたそれぞれの通路に沿って、上方に向かい、排出部分５２０の中に移動し、出口５２２を経由して装置１００の外側に排出される。冷却剤が第二側壁１２０に沿って上方に移動する時、電池セル４００を通過する冷却剤の流量に変化は無い。この理由から、排出部分５２０の仕切５２４は、第二側壁１２０にのみ形成することが考えられる。

図３は、本発明の別の実施態様による冷却剤案内部材の構造を例示する。

図３に示すように、本発明の別の実施態様による冷却剤案内部材７００は、冷却剤導入部分７１０および冷却剤排出部分７２０を包含し、図２の冷却剤通路とほぼ同じ冷却剤通路を有するが、仕切７１４および７２４の形状が異なっている。具体的には、導入部分７１０の仕切７１４は、導入部分７１０の入口（図示せず）に伸び、第一側壁１１０に向かって僅かに傾斜している。また、排出部分７２０の仕切７２４は、排出部分７２０の出口（図示せず）に伸び、第二側壁１２０に向かって僅かに傾斜している。

上記の説明から、冷却剤案内部材の様々な設計を使用者、本発明の原理を実現できることを理解すべきであり、それらの全てが本発明の範囲内に入る。

図４および５は、図３の冷却剤案内部材をバッテリーパックの上部または底部に配置する、異なるバッテリー装置を例示する。

図４に関して、隣接するバッテリーモジュール２００、２１０、２２０、および２３０間にセパレータ部材８００を挿入する。セパレータ部材８００は、ケースカバー６１０と緊密に接触するように、バッテリーパック３００の対向する側部表面から突き出ている。これによって、図４に示すバッテリー装置の場合、仕切７１４および７２４がバッテリーパック３００の側部表面に伸びている必要は無い。

図５に関して、冷却剤案内部材７００は、バッテリーパック３００の底部に取り付けられている。この場合、冷却剤は図２の冷却剤と逆に移動する。

上記の説明から明らかな様に、本発明のバッテリーパック冷却装置には、下記の効果を奏する。

第一に、本発明のバッテリーパック冷却装置は、それぞれの電池セルに冷却剤を一定流量で供給し、それによって、電池セルから発生する熱を効果的に消散させるように設計されている。また、本発明は、冷却工程の際に、電池セル間の温度差を最小に抑えることができる。これによって、電池セルの性能低下を阻止し、それによって、電池セルの最適温度制御が可能になる。さらに、本発明は、バッテリーパックの上側または下側に配置されたただ１個の冷却剤案内部材を使用しており、バッテリー装置全体のサイズが小さくなる。

本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲および精神から離れることなく、様々な修正、追加および置き換えが可能である。

従来のバッテリーパック冷却装置の、部分的に切り取って内部を示す図である。 本発明の好ましい実施態様によるバッテリーパック冷却装置の図である。 本発明のバッテリーパック冷却装置に使用する、本発明の別の実施態様による冷却剤案内部材を例示する透視図である。 バッテリーパックの上部に取り付けた、本発明のバッテリーパック冷却装置の分解組立透視図である。 バッテリーパックの底部に取り付けた、本発明のバッテリーパック冷却装置の分解組立透視図である。

符号の説明

１００ バッテリーパック冷却装置
２００ バッテリーモジュール
３００ バッテリーパック
４００ 電池セル
５００、７００ 冷却剤案内部材
６００ ケース

Claims (9)

1. バッテリーパック用冷却装置であって、
   冷却剤導入部分および冷却剤排出部分が、前記バッテリーパックの同じ側に位置し、
   前記冷却剤導入部分および前記冷却剤排出部分のそれぞれが、その内部で、複数の冷却剤通路に分割されており、その冷却剤導入部分を通過した冷却剤が、バッテリーモジュールのそれぞれに案内されて前記バッテリーモジュールを冷却し、続いて、前記冷却剤排出部分を経由して排出される、冷却装置。
2. 前記バッテリーモジュールのそれぞれが複数の電池セルからなり、前記電池セルが、リチウムイオン二次電池、リチウムイオン重合体二次電池、またはニッケル金属ハイブリッド電池である、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷却剤が空気である、請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記冷却剤導入部分が内部に複数の仕切を備え、その仕切は、前記バッテリーモジュールのそれぞれを、隣接する他のバッテリーモジュールから分離するように作用することにより、前記冷却剤が、それぞれの前記バッテリーモジュール中に導入されてバッテリーモジュールを通って循環する間に、前記バッテリーモジュールを冷却し、続いて、それぞれの前記バッテリーモジュールから排出される、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記仕切が、前記冷却剤排出部分にも設けられている、請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記冷却剤導入部分および前記冷却剤排出部分の両方が、冷却剤案内部材中に設けられており、前記冷却剤案内部材が、前記バッテリーパックの上側または下側に配置されている、請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記冷却剤案内部材が前記バッテリーパックの上側に配置されており、前記冷却剤導入部分に形成された入口を通過した前記冷却剤が、先ず前記バッテリーパックの第一側壁の方向に移動し、前記第一側壁に沿って下方に移動し、次いで、前記隣接する電池セル間に設けられた隙間を通過することにより、前記バッテリーパックの、前記第一側壁と反対側の第二側壁に向かって移動し、前記第二側壁に沿って上方に移動し、最後に、前記冷却剤排出部分に形成された出口を経由して排出されるように、前記冷却剤通路が配置されている、請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記冷却装置が、電気自動車またはハイブリッド電気自動車の動力源として作用するバッテリー装置中に使用される、請求項１に記載の冷却装置。
9. 前記冷却装置が、ハイブリッド電気自動車の動力源として作用するバッテリー装置中に使用される、請求項８に記載の冷却装置。

Images