JP2009059473A - 電池格納ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】筐体内の電池モジュールの冷却効率を高め、ユニット全体の小型化を図ることのできる電池格納ユニットを提供する。
【解決手段】複数の電池モジュール３を筐体２内に並列に配列し、筐体２内の隣接する電池モジュール３の軸方向の端部の電極端子５同士をバスバー１２を介して直列に接続する。電池モジュール３は保持部材１０を介して筐体２内にマトリクス状に配置し、電池モジュール３の周囲に第２冷媒流路１１を形成する。筐体２内の電池モジュール３の軸方向の端部に臨む領域に、電池モジュール３の電極端子５とバスバー１２の並びに沿わせて直線的に冷却空気を流す第１冷媒流路１９を設ける。第２冷媒流路１１の冷却空気は第１冷媒流路１９の流れによって引き込む。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の電池モジュールが筐体内に並列に配置され、電気自動車等の電源として用いられる電池格納ユニットに関するものである。

電気自動車の駆動電源として、略円柱状の複数の電池モジュールを筐体内に並列に配置するとともに、隣接する内部の電池モジュール同士を、導電部材を介して直列に接続した電池格納ユニットが知られている。

この種の電池格納ユニットにおいては、電気の充放電によって各電池モジュールが熱を発するため、電池モジュールの性能を有効利用するためには電池モジュールを効率良く冷却する必要がある。
このため、これに対処する電池格納ユニットとして、筐体に冷媒の導入口と排出口を設け、導入口から取り入れた空気等の冷媒を各電池モジュールの外周面に当て、外周面を通して電池モジュール全体を冷却するものが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１３４８５３号公報

しかし、この従来の電池格納ユニットは、筐体内の電池モジュールのうちの主に外周面を冷媒によって冷却するものであるため、各電池モジュールに対する冷却効率の点では未だ充分とは言えず、各電池モジュールを充分に冷却するためには、大流量の冷媒を各電池モジュールの外周面に誘導しなければならない。このため、この従来の電池格納ユニットにおいては、筐体内で隣接する電池モジュール間に充分な間隔をあけて、断面積の大きい冷媒流路を形成しなければならず、ユニット全体の大型化を避けることができない。

そこで、この発明は、筐体内の電池モジュールの冷却効率を高め、ユニット全体の小型化を図ることのできる電池格納ユニットを提供しようとするものである。

上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、略円柱状の複数の電池モジュール（例えば、後述の実施形態における電池モジュール３）が筐体（例えば、後述の実施形態における筐体２）内に並列に配列され、前記筐体内の隣接する電池モジュールの軸方向の端部の電極端子（例えば、後述の実施形態における電極端子５）同士が導電部材（例えば、後述の実施形態におけるバスバー１２）を介して直列に接続された電池格納ユニットであって、前記複数の電池モジュールが保持部材（例えば、後述の実施形態における保持部材１０）を介して前記筐体内にマトリクス状に設設され、前記筐体内の複数の電池モジュールの軸方向の端部に臨む領域に、前記電池モジュールの電極端子と導電部材の並びに沿わせて直線的に冷媒を流す第１冷媒流路（例えば、後述の実施形態における第１冷媒流路１９）が設けられ、前記筐体内の前記隣接する電池モジュール間の、同電池モジュールの軸方向に沿う隙間によって前記第１冷媒流路方向に冷媒を流す第２冷媒流路（例えば、後述の実施形態における第２冷媒流路１１）が形成されていることを特徴とする。
これにより、第１冷媒流路に導入された冷媒は、筐体内において各電池モジュールの軸方向の端部の電極端子と導電部材の並びに沿って直線的に流れ、このとき、各電池モジュールの電極端子と導電部材を冷却する。また、このとき第１冷媒流路内の冷媒の流れによって隣接する電池モジュール間の第２冷媒流路に冷媒の流れが誘発され、その誘発された冷媒の流れによって各電池モジュールの外周面が冷却される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電池格納ユニットにおいて、前記筐体の前記電池モジュールの軸方向の一端側に臨む領域に前記第１冷媒流路が設けられるとともに、前記筐体の前記電池モジュールの軸方向の他端側に臨む領域に前記第２冷媒流路に連通する冷媒取り入れ口（例えば、後述の実施形態における取り入れ口２１）が設けられていることを特徴とする。
これにより、筐体の冷媒取り入れ口から導入された冷媒は第２冷媒流路を通って第１冷媒流路側に流れ、その間に各電池モジュールの外周面を冷却する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電池格納ユニットにおいて、前記第１冷媒流路は、前記筐体の前記電池モジュールの軸方向の一端側に臨む領域と他端側に臨む領域にそれぞれ設けられていることを特徴とする。
これにより、各電池モジュールの軸方向の両側の電極端子と導電部材は、夫々が臨む第１冷媒流路を流れる冷媒によって冷却される。また、第２冷媒流路においては電池モジュールの軸方向の中心側から両側の第１冷媒流路に向かって冷媒が流れるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池格納ユニットにおいて、前記筐体の第１冷媒流路内には、冷媒の流速を局部的に高める増速部（例えば、後述の実施形態における突起部２０）が設けられていることを特徴とする。
これにより、第１冷媒流路に冷媒が流れると、増速部が冷媒の流速を局部的に高め、このとき増速部の近傍に発生する負圧が第１冷媒流路内に乱流を生じさせる。そして、乱流は第２冷媒流路の冷媒の流れを呼び込むことになる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電池格納ユニットにおいて、前記増速部は、前記電池モジュールの軸方向に沿う向きから前記導電部材に対面するように、前記筐体に形成された突起部（例えば、後述の実施形態における突起部２０）によって構成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、各電池モジュールの電極端子と導電部材の並びに沿って直線的に流れる第１冷媒流路の冷媒によって、電池モジュール内部からの放熱量の多い電極端子と導電部材を効率的に冷却することができ、しかも、第１冷媒流路の冷媒の流れによって誘発される第２冷媒流路の冷媒の流れによって各電池モジュールの外周面を冷却することができるため、筐体内の電池モジュールのより効率的な冷却が可能になり、その結果、ユニット全体を小型化することが可能になる。

請求項２に記載の発明によれば、筐体の電池モジュールの軸方向の一端側に臨む領域に第１冷媒流路が設けられ、筐体の電池モジュールの軸方向の他端側に臨む領域に冷媒取り入れ口が設けられるため、極めて簡単な構造でありながら、第２冷媒流路に確実に冷媒を流すことかできる。したがって、この発明の採用により、ユニットのさらなる小型化と製品コストの低減を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、筐体内の電池モジュールの軸方向の一端側に臨む領域と他端側に臨む領域に夫々第１冷媒流路が設けられているため、放熱量の多い各電池モジュールの両側の電極端子と導電部材をより効率良く冷却することができる。

請求項４に記載の発明によれば、第１冷媒流路内に設けられた増速部によって第２冷媒流路に効率良く冷媒の流れを生じさせることができるため、各電池モジュールの外周面に対する冷却効率をより高めることが可能になる。

請求項５に記載の発明によれば、筐体に設けた突起部によって増速部が形成されているため、構造の簡素化によって製品コストの低減を図ることができる。

以下、この発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態の説明においては、同一部分に同一符号を付し、重複する部分の説明を省略するものとする。
最初に、図１〜図３に示すこの発明の第１の実施形態について説明する。
この実施形態の電池格納ユニット１は、ハイブリッド車を含む電気自動車の駆動電源として用いられるものであり、略直方体状の金属製の筐体２の内部に、複数の電池モジュール３…が並列に配列されて収容されている。電池モジュール３は、図３に示すように、モジュール本体４が円柱状に形成され、そのモジュール本体４の軸方向の両端面に正，負の電極端子５の各一方が設けられている。なお、この明細書において、電池モジュールとは、複数の単電池を直列に接続して円柱状に形成したもののほか、円柱状の単電池単体の場合も含むものとする。

筐体２は、相反する両側の端部に開口が設けられた角筒状の筐体本体６と、筐体本体６の両側の開口を閉塞する第１カバー７および第２カバー８を備え、両カバー７，８が筐体本体６にボルト結合等によって一体に結合されている。
ここで、説明の都合上、筐体本体６の両側の開口を結ぶ方向を「開口方向」と呼ぶものとすると、筐体本体６の内壁には、開口方向に沿う複数の支持壁９…が一体に形成され、その各支持壁９によって電池モジュール３が支持されるようになっている。

電池モジュール３…は、各モジュール３の軸方向を筐体本体６の開口方向に沿わせるようにして筐体本体６内に並列に配列され、図２に示すように、開口方向から見たときに全体が縦横に規則正しく整列するようにマトリクス状に配置されている。この実施形態の例の場合、電池モジュール３…は２段８列に配置されている。そして、各段と各列の隣接する電池モジュール３，３の間には、筐体本体６の開口方向に沿う保持部材１０が介装されている。したがって、図２に示すように筐体本体６の内側には、複数の電池モジュール３…が前述した複数の支持壁９…と保持部材１０…とともに碁盤目状に配置されている。
ここで、各支持壁９と保持部材１０の電池モジュール３の外周面と接触する面は、同モジュール３の外周面に沿う円弧状に形成されており、各電池モジュール３の周囲は保持部材１０や支持壁９によって軸方向に延出する４つの空間に画成されている。この画成された複数の空間は後述する第２冷媒流路１１を構成するようになっている。

また、前述のようにして筐体本体６の内側に配置される電池モジュール３…は、隣接するもの同士の正極と負極が逆向きになるようにセットされ、隣接する電極端子５，５が導電部材であるバスバー１２によって適宜連結されている。このバスバー１２による電極端子５，５の連結は、筐体本体６内の総ての電池モジュール３…が直列接続されるようにして行われている。

バスバー１２は、導電性の金属板によって断面ハット状に形成され、中央の段差状の屈曲凸部１３を挟む両側の縁部が夫々電極端子５の端面にねじ１４によって結合されている。なお、バスバー１２は、屈曲凸部１３が電池モジュール３の軸方向外側に突出する向きにおいて各電極端子５に結合されている。

一方、第１カバー７は、筐体本体６の端面の形状に対応する天井壁７ａと、筐体本体６の周壁に対応する側壁７ｂ…を有しており、第１カバー７の延出幅の短い一方の側壁７と、それに対向する他方の側壁７ｂには、冷却空気（冷却媒体）の導入口１５と排出口１６が夫々形成されている。この第１カバー７の排出口１６には吸引ダクト１７が接続され、その吸引ダクト１７には、筐体２内から空気を吸引するための吸引ファン１８が接続されている。導入口１５と排出口１６は各側壁７ｂ，７ｂの対向位置に設けられており、吸引ファン１８による空気の吸引が開始されると、導入口１５から吸い入れられた空気が筐体２内を排出口１６に向かって直線的に進み、排出口１６と吸引ダクト１７を通して吸引ファン１８に吸い込まれるようになっている。導入口１５と排出口１６を直線的に結ぶ第１カバー７内のこの流路は、この発明における第１冷媒流路１９を構成している。この第１冷媒流路１９は、筐体本体６に配置された複数の電池モジュール３…の軸方向の一端側の電極端子５とバスバー１２に臨んでいる。

また、第１カバー７の天井壁７ａには、第１冷媒流路１９に臨む複数の突起部２０…が形成されている。この突起部２０は、天井壁７ａのうちの、第１冷媒流路１９に臨む各バスバー１２に対向して設けられ、各突起部２０の頂部がバスバー１２の屈曲凸部１３と対面し、対面した両者の間の隙間によって第１冷媒流路１９を通過する冷却空気の流れを部分的に絞るようになっている。なお、この実施形態の場合、突起部２０が冷却空気の速度を速める増速部を構成している。

また、第２カバー８は、第１カバー７と同様に、筐体本体６の端面の形状に対応する天井壁８ａと、筐体本体６の周壁に対応する４面の側壁８ｂ…を有しており、側壁８ｂ…のうちの１つには冷却空気を外部から取り入れるための取り入れ口２１（冷媒取り入れ口）が形成されている。この取り入れ口２１から取り入れられた空気は、筐体本体６内の電池モジュール３…の軸方向に沿う各第２冷媒流路１１…を通って第１冷媒流路１９に吸い入れられる。

以上の構成において、電池格納ユニット１の使用時に吸引ファン１８が駆動されると、筐体２の導入口１５から取り入れられた冷却空気が第１冷媒流路１９を直線的に進んで吸引ダクト１７に吸い入れられるとともに、第１冷媒流路１９を流れる冷却空気の流れによって第２冷媒流路１１の一端側に負圧が生じ、その負圧によって取り入れ口２１から取り入れられた冷却空気が第２冷媒流路１１を通って第１冷媒流路１９に引き込まれる。このとき、第１冷媒流路１９を直線的に流れる冷却空気によって各電池モジュール３の一端側の電極端子５とバスバー１２が冷却されるとともに、第２冷媒流路１１を流れる冷却空気によって各電池モジュール３の外周面が冷却される。

この電池格納ユニット１は、第１冷媒流路１９を流れる冷却空気が、筐体２内において電池モジュール３…の電極端子５…とバスバー１２…の並びに沿って直線的に流れるため、各電池モジュール３の発熱部に熱伝導性の高い材料を介して直結されている電極端子５とバスバー１２を大流量の冷却空気によって効率良く冷却することができる。また、第1冷媒流路１９に比較すれば小流量ながら、各電池モジュール３の外周面には、第２冷媒流路１１を通して冷却空気が流れるため、筐体２の内部に熱がこもるのを確実に防止することができる。
したがって、この電池格納ユニット１においては、電池モジュール３…の外周域に大断面積の冷媒流路を設けることなく、筐体２内の電池モジュール３…を効率良く冷却することができるため、充分な冷却性能を確保しつつユニット全体の小型化を図ることができる。

ところで、図４は、この実施形態のように電極端子５の冷却を行う場合と、電極端子５の冷却を行わない場合の電池モジュール３の中心部の温度変化の様子を調べた結果を示すものであり、同図からも明らかなように、電極端子５の冷却を行う場合には早期に電池モジュール３の中心部の温度を低下させることができる。
また、図５は、電極端子５の冷却を行う場合において、第１冷媒流路と第２冷媒流路への冷媒の分配量と、冷却能力との関係を、端子締結部寸法つまり電極端子５のサイズ毎に比較した結果を示すものである。同図からも明らかなように、電極端子５の冷却を行う場合には、第２冷媒流路に対し第１冷媒流路への分配量の方が大きく、また端子締結部寸法が大きな電極端子５において冷却能力を高くすることができる。
したがって、この実施形態のように、第１冷媒流路１９に臨むバスバー１２に屈曲凸部１３を設けてサイズを大きくすることは、電池モジュール３に対する冷却効率を高めるうえで有利となる。

また、この実施形態の電池格納ユニット１は、筐体２の第１カバー７に、バスバー１２の頂部に対向する突起部２０が設けられ、第１冷媒流路１９内を通過する冷却空気の流れがこの突起部２０によって作られるバスバー１２との隙間によって絞られるようになっているため、その絞り部分の周囲に発生する乱流によって第２冷媒流路１１内の冷却空気を第１冷媒流路１９側に効率良く引き込むことができる。したがって、隣接する電池モジュール３，３間の隙間を充分に狭めることができるため、ユニット全体の小型化を図るうえで有利となる。特に、この実施形態の構造の場合、第１カバー７に突起部２０を形成しただけの簡素な構造であるため、製品コストが高騰するを抑制することができる。

また、この電池格納ユニット１では、筐体２内の電池モジュール３…の軸方向の一側に臨む領域にのみ第１冷媒流路１９を設け、筐体２の他端側には取り入れ口２１のみを設けた構造を採用しているため、電池モジュール３…に対する充分な冷却性能を確保しつつ、ユニット全体の小型化と製品コストの削減を図ることができる。

ただし、第１冷媒流路１９は、筐体２内の電池モジュール３…の軸方向の両側に設けることも可能である。

図６は、筐体２内の電池モジュール３…の軸方向の両側に第１冷媒流路１９を設けたこの発明の第２の実施形態を示すものである。
この実施形態の電池格納ユニット１０１は、第２カバー８の側壁８ｂにも第１カバーと同様の導入口１５Ａと排出口１６Ａが設けられ、電池モジュール３…の軸方向の他端の電極端子５…とバスバー１２…の並びに沿うよう第１冷媒流路１９が形成されており、排出口１６Ａは吸引ダクト１７Ａを介して吸引ファン１８に接続されている。また、第２カバー８の天井壁８ａには、電池モジュール３…の軸方向の他端のバスバー１２…の各屈曲凸部１３に対向するように突起部２０Ａ…が形成され、突起部２０Ａとバスバー１２…の間の隙間によって絞り作用が得られるようになっている。

この電池格納ユニット１０１の場合、吸引ファン１８が作動すると、筐体２内の２つの第１冷媒流路１９，１９に冷却空気が流れ、この各第１冷媒流路１９の冷却空気の流れによって第２冷媒流路の両端部に負圧が生じ、その負圧によって第２冷媒流路１１…の軸方向の中心側から冷却空気が両側の第１冷媒流路１９，１９に吸い入れられる。そして、この第２冷媒流路１１…から各第１冷媒流路１９への冷却空気の流れは、第１冷媒流路１９の突起部２０，２０Ａの周辺に生じる乱流によって促進される。

したがって、この電池格納ユニット１０１においては、筐体２内の電池モジュール３…の軸方向の両側の電極端子５…とバスバー１２…が、夫々両側に配置されている第１冷媒流路１９，１９によって直接的に冷却されるため、各電池モジュール３をより効率良く冷却することができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、上記の実施形態においては、第１カバー７や第２カバー８にバスバー１２に対向する突起部２０を形成して増速部としたが、図７に示す第３の実施形態の電池格納ユニット２０１ように、第１カバーや第２カバーに所定隙間をもって相互に対向する一対の突起部３０ａ，３０ｂを設け、その対を成す突起部３０ａ，３０ｂによって増速部を構成するようにしても良い。また、上記の各実施形態においては、第１冷媒流路１９の排出口１６に吸引ファン１８を接続したが、第１冷媒流路１９の導入口１５に冷却空気の圧送装置を接続するようにしても良い。

この発明の第１の実施形態を示す図２のＡ−Ａ断面に対応する断面図。 同実施形態を示すもので、第２カバーを取り去った電池格納ユニットの端面図。 同実施形態を示す電池モジュールの斜視図。 電極端子で冷却を行う場合と、行わない場合の電池モジュールの中心部での温度変化の様子を調べた特性図。 端子締結部のサイズおよび冷媒の流路と冷却能力の関係を調べた特性図。 この発明の第２の実施形態を示す縦断面図。 この発明の第３の実施形態を示す図２に対応の端面図。

符号の説明

１，１０１，２０１…電池格納ユニット
２…筐体
３…電池モジュール
５…電極端子
１０…保持部材
１１…第２冷媒流路
１２…バスバー（導電部材）
１９…第１冷媒流路
２０，２０Ａ…突起部（増速部）
２１…取り入れ口（冷媒取り入れ口）
３０ａ，３０ｂ…突起部（増速部）

Claims (5)

1. 略円柱状の複数の電池モジュールが筐体内に並列に配列され、前記筐体内の隣接する電池モジュールの軸方向の端部の電極端子同士が導電部材を介して直列に接続された電池格納ユニットであって、
   前記複数の電池モジュールが保持部材を介して前記筐体内にマトリクス状に設設され、
   前記筐体内の複数の電池モジュールの軸方向の端部に臨む領域に、前記電池モジュールの電極端子と導電部材の並びに沿わせて直線的に冷媒を流す第１冷媒流路が設けられ、
   前記筐体内の前記隣接する電池モジュール間の、同電池モジュールの軸方向に沿う隙間によって前記第１冷媒流路方向に冷媒を流す第２冷媒流路が形成されていることを特徴とする電池格納ユニット。
2. 前記筐体の前記電池モジュールの軸方向の一端側に臨む領域に前記第１冷媒流路が設けられるとともに、
   前記筐体の前記電池モジュールの軸方向の他端側に臨む領域に前記第２冷媒流路に連通する冷媒取り入れ口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電池格納ユニット。
3. 前記第１冷媒流路は、前記筐体の前記電池モジュールの軸方向の一端側に臨む領域と他端側に臨む領域にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電池格納ユニット。
4. 前記筐体の第１冷媒流路内には、冷媒の流速を局部的に高める増速部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池格納ユニット。
5. 前記増速部は、前記電池モジュールの軸方向に沿う向きから前記導電部材に対面するように、前記筐体に形成された突起部によって構成されていることを特徴とする請求項４に記載の電池格納ユニット。

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