JP2009512983A - バッテリーパックの冷却装置 - Google Patents

Abstract

バッテリーパックの冷却装置。車両に搭載されたバッテリーパックを冷却するための冷却装置であって、該バッテリーパックが、該車両の、交互の谷及び峰を包含するコルゲート構造に構築された内部の下側末端部に取り付けられており、該バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールが、各バッテリーモジュールを構成する単位電池が、該車両の該コルゲート状下側末端部の上に垂直に取り付けられるように配置され、該冷却装置が、該バッテリーパックの外側表面を密封状態で取り囲むハウジングの下側末端部材に形成された冷却剤入口及び冷却剤出口を備えてなる、冷却装置を開示する。

Description

発明の分野

技術分野
本発明は、車両に搭載されたバッテリーパックを冷却するための冷却装置に、より詳しくは、車両に搭載されたバッテリーパックを冷却するための冷却装置であって、該バッテリーパックが、該車両の、交互の谷及び峰を包含するコルゲート構造に構築された内部の下側末端部に取り付けられており、該バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールが、各バッテリーモジュールを構成する単位電池が、該車両の該コルゲート状下側末端部の上に垂直に取り付けられるように配置され、該冷却装置が、該バッテリーパックの外側表面を密封状態で取り囲むハウジングの下側末端部材に形成された冷却剤入口及び冷却剤出口を備えてなる、冷却装置に関する。

背景技術
化石燃料、例えばガソリンおよびディーゼル油、を使用する車両により引き起こされる最も大きな問題の一つは大気汚染である。上記の問題を解決する方法の一つとして、車両の動力源として充電及び放電可能な二次バッテリーを使用する技術に非常に大きな関心が集まっている。そのため、バッテリーだけを使用して作動する電気自動車(EV)、およびバッテリーと従来のエンジンを併用するハイブリッド電気自動車(HEV)が開発されている。現在、電気自動車及びハイブリッド電気自動車の一部は、商業的に使用されている。電気自動車(EV)およびハイブリッド電気自動車(HEV)の動力源としては、ニッケル−金属水素化物（Ｎｉ−ＭＨ）二次バッテリーが主として使用されている。しかし、最近ではリチウム−イオン二次バッテリーの使用が試みられている。

そのような二次バッテリーを電気自動車(EV)およびハイブリッド電気自動車(HEV)の動力源として使用するには、高出力及び大容量が必要である。このために、複数の小型二次バッテリー（単位電池）を互いに直列または並列に接続してバッテリーモジュールを構築し、複数のバッテリーモジュールを互いに並列または直列に接続してバッテリーパックを構築する。

しかし、そのような高出力及び大容量二次バッテリーでは、単位電池の充電及び放電の際に大量の熱が単位電池から発生する。充電及び放電の際に単位電池から発生する熱が効果的に除去されない場合、熱が単位電池中に蓄積する結果、その単位電池が損なわれる。従って、高出力及び大容量二次バッテリーであるバッテリーパックを冷却するための冷却装置を備えることが必要である。

バッテリーパックを冷却するために一般的に使用される冷却装置の原理を、図1を参照しながら説明する。

図1に関して、バッテリーパック冷却装置１は、複数のバッテリーを備えてなるバッテリーパック２、バッテリーパック２の下側末端表面に取り付けた冷却剤入口部分３、及びバッテリーパック２の上側末端表面に取り付けた冷却剤出口部分４を包含する。バッテリーパック２は、複数のバッテリーモジュール５を備えてなる。各バッテリーモジュール５は、互いに電気的に接続された複数の単位電池６を備えてなる。各バッテリーモジュール５の単位電池間には小さな隙間が形成されており、その隙間を通って冷却剤が流れる。従って、冷却剤入口部分３を通して導入された冷却剤は、これらの隙間を通って流れ、単位電池６から発生した熱を除去し、次いで、バッテリーパック２の上側末端表面に取り付けた冷却剤出口部分４を通って排出される。

しかし、図１に示すように構築されたバッテリーパック冷却装置１には、下記の問題がある。

第一に、冷却剤入口部分３及び冷却剤出口部分４は、バッテリーパック２の下側末端表面及び上側末端表面にそれぞれ取り付けてあるので、そのような冷却剤を案内する部材をバッテリーパック２の下側末端表面及び上側末端表面に設置するための空間を設ける必要がある。その結果、バッテリー装置の全体的なサイズが増加し、好ましくない。

第二に、冷却剤入口部分３を通して導入された冷却剤をそれぞれのバッテリーモジュール５に均等に供給することは困難であり、従って、単位電池６間の温度差が大きく増大することがある。最近の調査により、単位電池６間の大きな温度差は、バッテリーパック２の性能を大きく低下させる主要なファクターの一つであることが分かっている。

上記の問題、特にバッテリー装置の大きさ、を解決するために、冷却装置の冷却剤入口及び冷却剤出口をバッテリー装置の片側に設け、バッテリー装置の体積を低下させる技術が提案されており、これは、未審査の公開日本国特許出願第2004-152769号、第2004-087368号、及び第2004-001683号に開示されている。しかし、車両の構造を利用して冷却装置の冷却剤入口及び冷却剤出口をバッテリー装置の片側に設け、バッテリー装置の体積を最少に抑える技術は、これまで提案されていない。

また、未審査の公開日本国特許出願第2004-152769号に開示されているように、バッテリーパック中に簡単な仕切を取り付け、冷却剤の通過を案内し、それによって、単位電池間の温度差を低減させることができる。しかし、これらの仕切は、単位電池間の温度差を効果的に低減させることができず、さらに、これらの仕切のために、冷却剤を供給できない場合もある。

発明の開示
従って、本発明は、上記の問題および他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。

特に、本発明の目的は、車両の構造を利用して形成された冷却剤入口及び冷却剤出口を包含するバッテリーパック冷却装置を提供することであり、それによって、該バッテリーパック冷却装置を車両に安定して取り付けることができ、車両の内部空間を効率的に利用し、バッテリー装置の体積を最少に抑えることができる。

本発明の別の目的は、冷却剤を一様に供給するための仕切をバッテリーパックに取り付け、それによって、バッテリーから発生する熱を効果的に除去し、冷却工程中の単位電池間の温度差を最少に抑える、バッテリーパック冷却装置を提供することである。

技術的解決策
本発明により、上記及び他の目的は、車両に搭載されたバッテリーパックを冷却するための冷却装置であって、該バッテリーパックが、該車両の、交互の谷及び峰を包含するコルゲート構造に構築された内部の下側末端部に取り付けられており、該バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールが、各バッテリーモジュールを構成する単位電池が、該車両の該コルゲート状下側末端部の上に垂直に取り付けられるように配置され、該冷却装置が、該バッテリーパックの外側表面を密封状態で取り囲むハウジングの下側末端部材に形成された冷却剤入口及び冷却剤出口を備えてなる、冷却装置を提供することにより、達成することができる。

本発明の冷却装置では、車両の内部構造が、冷却装置の一部、すなわち冷却剤入口及び冷却剤出口、として使用される。従って、バッテリーパックの全サイズが大きく低下し、バッテリーパックを車両に安定して取り付けることができる。

本発明では、「車両の内部下側末端」の表現は、車両のフレームを構成する車両フレームの内部にある下側末端を意味する。幾何学的構造の観点から、谷及び峰を備えてなるコルゲート構造により、車両の板形状の下側末端と比較して、車両運転中に車両に作用する外部の力に対する車両の強度が増加する。

上記のように、バッテリーモジュールは、バッテリーモジュールが、車両のコルゲート状下側末端上に垂直に取り付けられるように、配置される。バッテリーモジュールは、バッテリーモジュールの縦方向が、峰（谷）の縦方向に対して直角になるように配置され、従って、それぞれのバッテリーモジュールの下側末端表面が、コルゲート状下側末端の隣接する峰と連続的に接触する。その結果、バッテリーモジュールの下側末端と、車両の、バッテリーモジュールが取り付けられている内部下側末端との間に予め決められた隙間が形成される。これらの隙間は、冷却剤入口及び冷却剤出口を構成する。

バッテリーモジュールは、車両の下側末端上に直接配置することができる。しかし、バッテリーモジュールは、車両の下側末端に対応する構造に構築された下側末端部材上に配置するのが好ましい。具体的には、冷却装置のハウジングを、ハウジングの上側末端部材及び側方部材が、バッテリーモジュールの上部及び側部を取り囲み、ハウジングの下側末端部材が、バッテリーモジュールの下側末端を取り囲み、ハウジングの下側末端部材が、車両の内部下側末端のコルゲート状構造と同じ隙間を有する、構造に構築する。従って、ハウジングの下側末端部材は、車両のコルゲート状下側末端に対応する、谷及び峰を備えてなるコルゲート状構造に構築する。下側末端部材のこの構造により、バッテリーパックを車両に、より安定して、確実に取り付けることができる。

バッテリーモジュールを下側末端部材に上に取り付ける場合、それぞれのバッテリーモジュールの下側末端表面は、下側末端部材の峰と接触するが、それぞれのバッテリーモジュールの下側末端表面は、下側末端部材の谷とは接触しない。その結果、バッテリーモジュールと下側末端部材との間に隙間が形成される。冷却剤入口及び冷却剤出口は、このコルゲート状構造により形成される。

また、上記の構造のため、冷却剤入口及び冷却剤出口は、冷却剤入口と冷却剤出口との間に位置する峰により互いに分離され、冷却剤入口及び冷却剤出口は、谷に沿って予め決められた間隔で配置されたバッテリーモジュール間に形成された隙間を経由して互いに接続される。

下側末端部材の峰は、峰の上側末端が平らになる構造に構築し、それによって、バッテリーモジュールを安定して平らな峰上に取り付け、この平らな峰により、冷却剤入口及び冷却剤出口を互いに信頼性良く分離できるようにするのが好ましい。

好ましくは、冷却装置は、冷却剤入口を通して冷却装置中に導入された冷却剤が、少なくとも一回垂直に上昇し、次いで冷却剤出口に向かって下降することができるように、バッテリーモジュール間に形成された隙間の中に取り付けた、冷却剤の通過を案内するための仕切を備えてなる。

好ましくは、導入された冷却剤が冷却剤出口に直接流れるのを阻止できる予め決められた位置で、ハウジングの下側末端部材および／または上側末端部材上に仕切を取り付ける。また、ハウジングの下側末端部材の峰に沿って、バッテリーモジュールの縦方向に対して直角の方向で、仕切を取り付けるのも好ましい。状況に応じて、2個以上の仕切を、ハウジングの上側末端部材及び下側末端部材に交互に取り付けることもできる。この場合、冷却剤は、交互の仕切により、バッテリーモジュールの上側及び下側部分を通して交互に流れる。これによって、冷却効果がさらに向上する。

さらに、各仕切は、冷却剤を導入した直後に、冷却剤出口に隣接して配置された単位電池に冷却剤の一部が流れることができるように、小さな直径を有する複数の通し穴を有することができる。これらの通し穴は、通し穴の内径が、各仕切の上部から下部に向かって減少するように構築する。これによって、可能な大量の冷却剤をバッテリーモジュールの上部を通って流すことができる。

本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、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。

発明の様式
ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。

図２は、本発明の好ましい実施態様による冷却装置を備えたバッテリーパックを例示する透視図であり、そこでは、冷却装置のハウジングを部分的に取り除いて、バッテリーモジュールの配置及び冷却剤の通過を典型的に示す。

図2に関して、バッテリーモジュール200は、谷112及び峰113を備えてなる下側末端部材111上に、バッテリーモジュール200の縦方向（Ｙ軸方向）が、下側末端部材111の谷112および／または峰113の縦方向（Ｘ軸方向）に対して直角になるように配置されている。特に、バッテリーモジュール200は、下側末端部材111の構造的特徴のために、バッテリーモジュール200が峰113にのみ接触するように配置される。

バッテリーモジュール200は、ハウジングの下側末端部材111の峰113と接触している状態で、谷112から離れているので、冷却装置中に冷却剤入口120及び冷却剤出口130がが形成される。また、バッテリーモジュール200は、峰113に沿って互いに予め決められた間隔を置いて配置されているので、バッテリーモジュール200同士の間に隙間201が形成される。

冷却剤入口120及び冷却剤出口130は、冷却剤入口120と冷却剤出口130との間に位置する峰113により互いに分離されている。また、冷却剤入口120及び冷却剤出口130は、互いに平行に配置されており、冷却剤入口120及び冷却剤出口130は、バッテリーモジュール200間に形成された隙間201を経由して互いに接続されている。

この図では、冷却剤の流れを破線の矢印で示す。冷却剤入口120を通して導入された冷却剤は、冷却剤入口120側で、隙間201を通して垂直に上昇し、ハウジングの上側末端部材（図には示していない）に沿って冷却剤出口130側に向かって流れ、冷却剤出口130側で隙間201を通って垂直に下降し、冷却剤出口130を通って排出される。この時、冷却剤の通路は、冷却装置のハウジング110及び冷却装置中に取り付けた仕切（図には示していない）により限定される。

図３は、図２の線Ａ−Ａに沿って見た、垂直断面図である。

図3に関して、本発明のバッテリーパック100は、バッテリーモジュール200、及びバッテリーモジュール200の外側表面を取り囲むハウジング、及びハウジング110の下側末端部材111に形成された冷却剤入口120及び冷却剤出口130を備えてなる冷却装置100を包含する。

冷却装置100は、冷却剤を案内し、バッテリーモジュール200同士の間に形成された隙間201（図2参照）を通して流し、従って、冷却剤入口120を通して導入された冷却剤が、冷却剤出口130側に直接流れるのを阻止するための仕切140をさらに備えてなる。

仕切140は、冷却剤が冷却剤入口120から冷却剤出口130に直接流れるのを阻止するのに役立つ。この目的には、仕切140を下側末端部材111の峰113上に連続的に取り付け、仕切140をバッテリーモジュール200の縦方向に対して直角方向に配置する。

各仕切140には、小さな内径を有する複数の通し穴142を備え、それらの穴を通して冷却剤の一部が冷却剤入口120から冷却剤出口130に直接流れ込み、それによって、冷却剤出口130に隣接して配置された、バッテリーモジュール200を通過してきた、温度上昇した冷却剤により効果的に冷却されていないバッテリーモジュールを冷却する。通し穴142は、通し穴の内径が各仕切140の上部から下部に向かって減少し、従って、バッテリーモジュール200の上部を通って可能な大量の冷却剤が流れるように構築される。

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及び精神から離れることなく、様々な修正、追加及び置き換えが可能である。

産業上の利用可能性
上記の説明から明らかなように、本発明により、本発明の冷却装置は、車両の構造を利用して形成された冷却剤入口及び冷却剤出口を包含する。そのため、冷却装置を車両に安定して取り付け、車両の内側空間を効率的に活用し、バッテリー装置の体積を最少に抑えることができる。

さらに、本発明の冷却装置は、バッテリーパックに取り付けた、冷却剤を一様に供給するための仕切を包含する。それによって、バッテリーから発生した熱が効果的に除去され、冷却工程の際の単位電池間の温度差が最少に抑えられる。

図１は、従来の冷却装置を例示する透視図である。 図２は、本発明の好ましい実施態様による冷却装置を備えたバッテリーパックを例示する透視図であり、冷却装置のハウジングを部分的に取り除いて、バッテリーモジュールの配置及び冷却剤の通過を典型的に示す。 図３は、図２の線Ａ−Ａに沿って見た、垂直断面図である。＜図面の主要参照番号の説明＞100 冷却装置 200 バッテリーモジュール111 下側末端部材 120 冷却剤入口130 冷却剤出口 140 仕切

Claims (9)

1. 車両に搭載されたバッテリーパックを冷却するための冷却装置であって、
   前記バッテリーパックが、前記車両の、交互の谷及び峰を包含するコルゲート構造に構築された内部の下側末端部に取り付けられており、
   前記バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールが、各バッテリーモジュールを構成する単位電池が、前記車両の前記コルゲート状下側末端部の上に垂直に取り付けられるように配置され、
   前記冷却装置が、前記バッテリーパックの外側表面を密封状態で取り囲むハウジングの下側末端部材に形成された冷却剤入口及び冷却剤出口を備えてなる、冷却装置。
2. 前記ハウジングの前記下側末端部材が、前記車両の前記コルゲート状下側末端に対応する構造に構築されてなる、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷却剤入口及び前記冷却剤出口が、前記ハウジングの前記下側末端部材の前記コルゲート状構造により形成されてなる、請求項２１に記載の冷却装置。
4. 前記冷却剤入口を通して前記冷却装置中に導入された前記冷却剤が、少なくとも一回垂直に上昇し、次いで前記冷却剤出口に向かって下降することができるように、前記バッテリーモジュール間に取り付けた、冷却剤の通過を案内するための仕切を備えてなる、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記仕切が、大量の冷却剤が前記冷却剤入口から前記冷却剤出口に直接流れるのを阻止できる予め決められた位置で、前記ハウジングの前記下側末端部材上に取り付けられてなる、請求項４に記載の冷却装置。
6. 2個以上の仕切が、前記ハウジングの前記上側末端部材及び前記下側末端部材に交互に取り付けられてなる、請求項４に記載の冷却装置。
7. 前記仕切が、前記冷却剤入口と前記冷却剤出口との間で、前記バッテリーモジュールに対して直角の方向で配置されてなる、請求項４に記載の冷却装置。
8. 各仕切が、小さな直径を有する複数の通し穴を有する、請求項５〜７のいずれか一項に記載の冷却装置。
9. 前記通し穴が、前記通し穴の内径が各仕切の上部から下部に向かって減少するように構築されてなる、請求項８に記載の冷却装置。

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