JP2010186681A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒の流通抵抗の増大を抑制しつつ、各電池モジュールに対する均一な冷却を実現することのできる組電池を提供する。
【解決手段】供給通路５から略直角方向に冷却通路９（Ａ）〜９（Ｆ）を分岐させ、冷却通路９（Ａ）〜９（Ｆ）を通して各列の電池モジュール２を空気によって冷却する。供給通路５の上流側で空気の流入しにくい冷却通路９（Ａ）を、下流側で空気の流入し易い冷却通路９（Ｆ）よりも電池モジュール２上の冷却効率の良い部位に臨ませる。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の電池モジュールから成り、電気自動車の電源等として用いられる組電池に関するものである。

この種の組電池として、筐体内に、複数の電池モジュールと、その電池モジュールを冷却するための冷却通路が設けられたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の組電池は、筐体の内部に、複数の電池モジュールがマトリクス状に配置され、電池モジュールの各列に冷却通路が設けられるとともに、各冷却通路に並列に冷媒を供給するための冷媒供給通路が設けられている。冷媒供給通路に導入される冷媒が略直角方向に向きを変えて各冷却通路に供給される場合、冷媒供給通路の下流側の冷却通路は上流側の冷却通路よりも冷媒が流入し易くなり、各冷却通路の流量にばらつきが生じ易くなるが、この組電池においては、冷媒供給通路の断面積を上流側から下流側にかけて漸減させることにより、各冷却通路の冷媒の通過流量をできる限り均一にしている。

特開２００６−２９４３３６号公報

しかし、この従来の組電池においては、冷媒供給通路の断面積を変化させることによって筐体内の各電池モジュールに対する冷媒の供給流量を均一にするようにしているため、筐体内の冷媒の流通抵抗が全体として高くなり易く、冷媒を供給するためのファン等の供給装置の大容量化を余儀なくされる。

そこでこの発明は、冷媒の流通抵抗の増大を抑制しつつ、各電池モジュールに対する均一な冷却を実現することのできる組電池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、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２）が複数列に配置され、この各列の電池モジュールの外面に臨むように並列に複数の冷却通路（例えば、後述の実施形態における冷却通路９）が設けられるとともに、この各冷却通路に略直角方向から冷媒を分流させる冷媒供給通路（例えば、後述の実施形態における供給通路５）が設けられている組電池であって、前記冷媒供給通路の上流側に接続される冷却通路を、下流側に接続される冷却通路よりも電池モジュール上の冷却効率の良い部位に臨ませたことを特徴とする。
この場合、冷媒供給通路の上流側に接続される冷却通路には下流側に接続される冷却通路よりも冷媒の供給量が少なくなるが、上流側に接続される冷却通路では、下流側に接続される冷却通路よりも電池モジュール上の冷却効率の良い部位で冷媒に接触するため、冷媒の供給量の少ない分が冷却効率によって補われる。

請求項２に記載の発明は、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２０２）が直列に配置され、この各電池モジュールの外面に臨むように冷却通路（例えば、後述の実施形態におけるメイン通路２１およびバイパス通路２４，２５）が設けられている組電池であって、前記冷却通路の下流側に位置される電池モジュールの冷却面（例えば、後述の実施形態における側部冷却面２７）を、上流側に位置される電池モジュールの冷却面よりも電池モジュール上における冷却効率の良い部位に設定したことを特徴とする。
この場合、冷却通路の下流側に配置される電池モジュールには、上流側の電池モジュールとの熱交換で昇温した冷媒が供給されるようになるが、下流側の電池モジュールでは、上流側の電池モジュールよりも冷却面が冷却効率の良い部位に設定されているため、冷媒の昇温分が冷却効率によって補われる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の組電池において、下流側の電池モジュールに流れ込む冷媒の流量を、上流側の電池モジュールに流れ込む冷媒の流量よりも大流量になるように設定したことを特徴とする。
これにより、冷却通路の下流側に位置される電池モジュールでは冷却効率の良い部位に設定された冷却面上を大流量の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２に記載の組電池において、下流側の電池モジュールに流れ込む冷媒の流速を、上流側の電池モジュールに流れ込む冷媒の流速よりも速くなるように設定したことを特徴とする。
これにより、冷却通路の下流側に位置される電池モジュールでは冷却効率の良い部位に設定された冷却面上を速い流速で冷媒が流れるようになる。

請求項１に記載の発明によれば、冷媒供給通路の上流側に接続される冷却通路を、下流側に接続される冷却通路よりも電池モジュール上の冷却効率の良い部位に臨ませることで、冷媒の供給量の少ない分を冷却効率によって補えるようにしたため、冷媒の流通抵抗の増大を抑制しつつ、各電池モジュールを均一に冷却することが可能になる。したがって、この発明によれば、ファン等の冷媒供給装置の大容量化を回避しつつ、各電池モジュールの均一な冷却を実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、冷却通路の下流側に位置される電池モジュールの冷却面を、上流側に位置される電池モジュールの冷却面よりも電池モジュール上における冷却効率の良い部位に設定することで、上流側での冷媒の昇温分を冷却効率によって補えるようにしたため、冷媒の流通抵抗の増大を抑制しつつ、各電池モジュールを均一に冷却することが可能になる。したがって、この発明によれば、ファン等の冷媒供給装置の大容量化を回避しつつ、各電池モジュールの均一な冷却を実現することができる。

請求項３に記載の発明によれば、冷却通路の下流側に位置される電池モジュールでは冷却効率の良い部位に設定された冷却面上を大流量の冷媒が流れるため、各電池モジュールをより均一に冷却することができる。

請求項４に記載の発明によれば、冷却通路の下流側に位置される電池モジュールでは冷却効率の良い部位に設定された冷却面上を速い流速で冷媒が流れるため、各電池モジュールをより均一に冷却することができる。

この発明の第１の実施形態の組電池の概略構成を示す斜視図である。 この発明の第１の実施形態の組電池で用いられる電池ホルダーの斜視図である。 この発明の第１の実施形態で用いられる電池ホルダーに電池モジュールを取り付けた斜視図である。 この発明の第１の実施形態の組電池の模式的な側面図である。 この発明の第２の実施形態の組電池で用いられる電池ホルダーの斜視図である。 この発明の第３の実施形態の組電池の概略構成を示す斜視図である。 この発明の第３の実施形態の組電池の概略構成を示す斜視図である。 この発明の第３の実施形態の組電池の概略構成を示す斜視図である。 この発明の第４の実施形態の組電池の上部壁を示す斜視図である。 この発明の第５の実施形態の組電池で用いる電池ユニットの側面図である。 この発明の第５の実施形態の組電池の模式的な側面図である。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
最初に、図１〜図４に示す第１の実施形態について説明する。
図１は、この実施形態の組電池１の概略的な全体構成を示すものであり、この組電池１は、例えば、ハイブリッド車を含む電気自動車の駆動電源等に用いられる。組電池１は、図示しない筐体の内部に、直列に並べられた複数組の電池モジュール２…が複数列に配置されている。各電池モジュール２は、図中上下方向に長尺な角型の電池本体２ａの上部に二つの電極端子２ｂ，２ｃを備えている。各列の電池モジュール２は、隣接する二つの電池ホルダー３，３の間に挟み込まれて保持されている。電池ホルダー３は各列の電池モジュール２…を保持した状態で連続して重ねられ、それによって隣接する電池モジュール２…の列の間隔が一定に維持されている。なお、図１に示すように、複数の電池ホルダー３…を連続して重ねて構成されたブロックをホルダーブロック４と呼ぶものとする。また、以下では、説明の都合上、各電池ホルダー３上で電池モジュール２…が並ぶ方向を列方向と呼ぶものとする。

ホルダーブロック４の列方向の一端には、電池モジュール２…を冷却するための空気（冷媒）が導入される供給通路５（冷媒供給通路）が設けられ、列方向の他端には電池モジュール２…の冷却を終えた空気を排出する排出通路６（冷媒排出通路）が設けられている。供給通路５に導入される空気と排出通路６から排出される空気は、図１中では、矢印で示すように手前側から奥側に向かって流れる。以下では、各通路５，６についての上流側とは矢印の付根部方向のことを意味し、下流側とは矢印の先端部方向のことを意味するものとする。

図２は、電池ホルダー３の単体を示すものであり、図３は、その電池ホルダー３に一つの電池モジュール２を取り付けた状態を示すものである。
これらの図に示すように、電池ホルダー３は、電池モジュール２…の列方向に沿って延出するベース壁７と、このベース壁７の板厚方向の前後に突出して設けられ、ベース壁７の前後でそれぞれ複数の電池モジュール２…の周囲を保持する支持枠８とを備えている。なお、ホルダーブロック４の端部に位置される電池ホルダー３は、ベース壁７の前後の片側にのみ支持枠８が設けられている。また、各電池ホルダー３の支持枠８は、図３に示すように電池モジュール２…のほぼ半分の領域の周囲を保持し、隣接する電池ホルダー３との協働によって電極端子２ｂ，２ｃ部分を除く周囲のほぼ全域を完全に包囲する。

ところで、各電池ホルダー３には、電池モジュール２…の列方向の一端から他端側に向かって導通するように冷却通路９が形成されている。この冷却通路９は、各電池ホルダー３のベース壁７に列方向に沿うように形成された溝部９ａと、各側部の支持枠８に形成されたスリット部９ｂと、から成り、各電池ホルダー３に支持された電池モジュール２…の前後の側面に対して溝部９ａが臨むようになっている。したがって、ホルダーブロック４上の冷却通路９…は各電池モジュール２の前後の側面に臨んで設けられている。
また、ホルダーブロック４上の各冷却通路９は供給通路５に並列に接続され、供給通路５に導入された冷却用の空気が冷却通路９で略直角方向に分流するようになっている。

ここで、ホルダーブロック４上の複数の冷却通路９…はすべて同サイズ同形状に形成されているが、各冷却通路９の高さ位置はすべてが同じではなく、供給通路５の最も上流側に接続される２つの冷却通路９（Ａ），９（Ａ）は電池モジュール２の高さ方向のほぼ中央部に配置され、供給通路５の最も下流側に接続される２つの冷却通路９（Ｆ），９（Ｆ）は電池モジュール２の上端部に近接した高さ位置に配置されている。そして、供給通路５の上流側から下流側に向かう中間領域の隣接する２つずつの冷却通路９（Ｂ），９（Ｂ）〜９（Ｅ），９（Ｅ）は、冷却通路９（Ａ），９（Ａ）の高さ位置から冷却通路９（Ｆ），９（Ｆ）の高さ位置に向かって段階的に高さが変化するように配置されている。

図４は、供給通路５の最も上流側に接続される冷却通路９（Ａ）と、最も下流側に接続される冷却通路９（Ｆ）の位置を併せて記載したホルダーブロック４の側面（端部の電池ホルダー３を取り外した状態での側面）を示すものである。
同図の右側に示すように、電池ホルダー３に保持される各電池モジュール２は、上端の電極端子２ｂ，２ｃ部分を除いて考えた場合、高さ方向の中央部が最も冷却効率が高く（発熱し易く）、端部に向かうにしたがって次第に冷却効率が低く（発熱しにくく）なっている。
すなわち、各電池モジュール２は内部の電極部分で発熱が起こるが、この実施形態のように電極の延出方向に長いタイプの電池モジュール２においては、高さ方向の中間領域で電極部分の熱が最もこもり易く、その結果、電池モジュール２の外表面では中央部が最も高温となり易い。したがって、冷却効率は高さ方向の中央部が最も高く、端部に向かうにしたがって次第に低くなる。

また、この組電池１においては、供給通路５と排出通路６のいずれか一方に図示しない送風ファン（冷媒供給装置）が接続され、図示しないコントローラによる制御によって送風ファンが駆動されるようになっている。

以上の構成において、送風ファンが駆動されて供給通路５に冷却用の空気が導入されると、その空気は略直角方向に分流し、ホルダーブロック４の各冷却通路９（Ａ）〜９（Ｆ）を通過して排出通路６に排出される。
このとき、冷却通路９（Ａ）〜９（Ｆ）は、供給通路５の下流側にあるものほど供給通路５からの冷却用の空気の流入が容易になるため、供給通路５の下流側にあるものほど空気の通過量が多くなり、上流側にあるものほど空気の通過量が少なくなる傾向となる。
しかし、この組電池１においては、各冷却通路９（Ａ）〜９（Ｆ）が供給通路５の上流側にあるものほど電池モジュール２上の冷却効率の良い部位（中央側）に臨んで配置されているため、通過する冷却用の空気の少ない分を冷却効率によって補い、ホルダーブロック４内の全電池モジュール２…を均一に冷却することができる。

そして、この組電池１においては、供給通路５や各冷却通路５の空気の通過抵抗を部分的に変化させて空気の流量を制御するものではないため、冷却用の空気の流通抵抗の増大を抑制することができる。したがって、この組電池１を採用した場合には、送風ファンの大容量化の回避と、それによる消費電力の低減を図りつつ、各電池モジュール２を均一に効率良く冷却することができる。

図５は、以上で説明した第１の実施形態を改良した第２の実施形態の組電池１０１の電池ホルダー１０３を示す。
この第２の実施形態で用いる電池ホルダー１０３は、各冷却通路１０９の断面積が列方向に亘って均一ではなく、冷却通路１０９の下流側に向かうにしたがって断面積が次第に小さくなるように設定されている。このため、各冷却通路１０９を通過する冷却用の空気の流速は下流側に向かうにつれて増大する。なお、この実施形態の場合も、第１の実施形態と同様に、各冷却通路１０９は供給通路の下流側に接続されるものほど電池モジュールの上端部側に配置されている。

各列の電池モジュールは冷却通路１０９に沿って直列に配置されるため、冷却通路１０９の下流側に配置される電池モジュールは上流側の電池モジュールの熱の影響を受け易くなる。
しかし、この実施形態においては、冷却通路１０９の断面積が下流側に向かうにしたがって小さくなり、冷却用の空気の流速が増大するように設定されているため、上流側の電池モジュールの熱の影響分を冷却用の空気の流速によって補うことができる。
したがって、この実施形態の組電池１０１においては、各列毎の電池モジュールについてもほぼ均一に冷却することができる。

つづいて、図６〜図８に示すこの発明の第３の実施形態について説明する。
図６は、この実施形態の組電池２０１の全体の概略構成を示すものである。この組電池２０１は、角型の複数の電池モジュール２０２が上下を電池ホルダー２０３…に保持された状態で直列に並べられている。各電池モジュール２０２は、列方向と交差する方向にプラス極とマイナス極の電極端子２０２ｂ，２０２ｃが並ぶように配置され、各電池モジュール２０２の電極端子２０２ｂ，２０２ｃがそれぞれ列方向に二列に並んで配置されている。なお、以下では、説明の都合上、電池モジュール２０２の電極端子２０２ｂ，２０２ｃの配置される側の面を正面、それと逆側の面を裏面、電池ホルダー２０３…によって保持される側の面を上部側側面と下部側側面と呼ぶものとする。

電池ホルダー２０３…に保持された電池モジュール２０２の正面側と裏面側には電池モジュール２０２…の列方向に沿うように側部壁２０が配置され、この各側部壁２０と電池モジュール２０２…の間には、冷却用の空気を電池モジュール２０２の列方向に沿って流すメイン通路２１（冷却通路）が設けられている。なお、図６においては、電池モジュール２０２の正面側のメイン通路２１のみを示している。

電池モジュール２０２の上方側の電池ホルダー２０３…の上面と、下方側の電池ホルダー２０３…の下面には、それぞれ電池モジュール２０２…の列方向に沿う長尺な上部壁２２と下部壁２３とが重合状態で取り付けられている。上部壁２２と下部壁２３には、電池モジュール２０２…の列方向に沿う溝２２ａ，２３ａが形成され、この溝２２ａ，２３ａが電池ホルダー２０３との間で列方向に沿うバイパス通路２４，２５（冷却通路）を構成している。

図７，図８は、側部壁２０と上部壁２２および下部壁２３を取り去った組電池２０１を正面側と裏面側からそれぞれ見た図である。
これらの図に示すように、上部側と下部側の各隣接する電池ホルダー２０３，２０３の間には、電池モジュール２０２…の列方向と直交する方向に延びる隙間２６が設けられ、この隙間２６によって露出する各電池モジュール２０２の側面が電池モジュール２０２の側部冷却面２７（冷却面）とされている。各隙間２６は、電池ホルダー２０３の上下に上部壁２２と下部壁２３が取り付けられたときに、バイパス通路２４，２５に導入された冷却用の空気を各電池モジュール２０２の側部冷却面２７に沿わせて各電池モジュール２０２の正面側に誘導する。

ここで、上部壁２２と下部壁２３の各バイパス通路２４，２５に臨む隙間２６と、隙間２６によって露出する各電池モジュール２０２の側部冷却面２７は、バイパス通路２４，２５の下流側のものほど上流側のものよりも電池モジュール２０２の中心側に寄って配置されている。電池モジュール２０２の側部冷却面２７は中心側ほど冷却効率が良く、しかも、隙間２６が中心側にあるほど電池モジュール２０２の正面側に流れ込む空気が電極端子２０２ｂ，２０２ｃに当たり易くなる。したがって、この組電池２０１においては、バイパス通路２４，２５の下流側に位置されるものほど、上流側のものよりも電池モジュール２０２上の冷却効率の良い部位に供給空気が誘導される。
なお、各電池モジュール２０２は、発熱する内部の電極が電池モジュール２０２の中心部に沿って配置されているため、電池モジュール２０２の外表面では内部の電極に沿う中心部分が最も高温となり易く、端部に向かうほど低温となり易い。このため、冷却効率は中心付近が最も高くなり、端部に向かうにしたがって次第に低くなる。

また、この実施形態の場合、各バイパス通路２４，２５に臨む隙間２６の間隔はバイパス通路２４，２５の下流側に位置されるものほど、上流側のものよりも広くなるように設定されている。したがって、隙間２６に導入される空気の流量は下流側のものほど上流側のものよりも多くなる。

以上のように、この実施形態の組電池２０１においては、バイパス通路２４，２５の下流側に位置される電池モジュール２０２の側部冷却面２７が、上流側に位置される電池モジュール２０２の側部冷却面２７よりも電池モジュール２０２上における冷却効率の良い部位に設定されているため、メイン通路２１やバイパス通路２４の上流側で電池モジュール２０２との熱交換によって空気が昇温される分を冷却効率の良さによって補い、すべての電池モジュール２０２を均一に冷却することができる。
したがって、この組電池２０１の場合も、送風ファンの大容量化の回避と、それによる消費電力の低減を図りつつ、各電池モジュール２０２を均一に効率良く冷却することができる。

さらに、この組電池２０１においては、電池モジュール２０２の側部冷却面２７が下流側ほど冷却効率の良い部位に設定されることに加え、側部冷却面２７に臨む隙間２６の間隔が下流側ほど広く設定されて側部冷却面２７を流れる空気の流量が増大するようになっているため、各電池モジュール２０２をより均一に冷却することができる。

また、この実施形態の組電池２０１では、各電池モジュール２０２の側部冷却面２７を通過した空気が、隙間２６の形成位置に対応する位置で電極端子２０２ｂ，２０２ｃのあるメイン通路２１に合流する構成とされているため、下流側の電池モジュール２０２をより効率良く冷却することができる。

図９は、第３の実施形態を改良した第４の実施形態の上部壁３２２を示すものである。
この実施形態は、上部壁３２２と下部壁（図示せず）に形成するバイパス通路３２４の断面積を下流側に向けて縮小させ、バイパス通路３２４を流れる空気の流速を下流側ほど速くなるようにしている。
この場合、下流側ほど空気の流速が速くなることから下流側の電池モジュールをより効率良く冷却し、電池モジュールの冷却のさらなる均一化を図ることができる。

次に、図１０，図１１に示すこの発明の第５の実施形態について説明する。
図１０は、電池モジュール２を電極端子２ｂ，２ｃ部分まで含めて考えたときの電池モジュール２の温度分布を示すものである。
電池モジュール２では、通常、電極端子２ｂ，２ｃ部分が最も高温になるため、同図に示すように電極端子２ｂ，２ｃが上部に配置される場合には、上部領域が最も高温になり、中間領域から下部領域に向かうにつれて次第に温度が低下する。

この実施形態の組電池４０１の場合、図１１に示すように、直列に配置された複数の電池モジュール２…の側面に沿って設けられる冷却通路４０９は、上流側が電池モジュール２の下部領域に位置され、下流側が電池モジュール２の上部領域に位置されるように斜めに傾斜して形成されている。

この組電池４０１においては、上流側の電池モジュール２の熱の影響を受ける冷却通路４０９の下流側が、冷却効率の良い電池モジュール２のより上部領域側に位置されるため、全電池モジュール２…を均一に冷却することができる。
この場合も、冷却通路４０９の下流側の断面積を次第に縮小させて流速を高めることにより、下流側の冷却効率をより高めることができる。

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。

１，１０１，２０１，４０１…組電池
２，２０２…電池モジュール
５…供給通路（冷媒供給通路）
９，１０９，４０９…冷却通路
２１…メイン通路（冷却通路）
２４，２５…バイパス通路（冷却通路）
２７…側部冷却面（冷却面）

Claims (4)

1. 電池モジュールが複数列に配置され、この各列の電池モジュールの外面に臨むように並列に複数の冷却通路が設けられるとともに、この各冷却通路に略直角方向から冷媒を分流させる冷媒供給通路が設けられている組電池であって、
   前記冷媒供給通路の上流側に接続される冷却通路を、下流側に接続される冷却通路よりも電池モジュール上の冷却効率の良い部位に臨ませたことを特徴とする組電池。
2. 複数の電池モジュールが直列に配置され、この各電池モジュールの外面に臨むように冷却通路が設けられている組電池であって、
   前記冷却通路の下流側に位置される電池モジュールの冷却面を、上流側に位置される電池モジュールの冷却面よりも電池モジュール上における冷却効率の良い部位に設定したことを特徴とする組電池。
3. 下流側の電池モジュールに流れ込む冷媒の流量を、上流側の電池モジュールに流れ込む冷媒の流量よりも大流量になるように設定したことを特徴とする請求項２に記載の組電池。
4. 下流側の電池モジュールに流れ込む冷媒の流速を、上流側の電池モジュールに流れ込む冷媒の流速よりも速くなるように設定したことを特徴とする請求項２に記載の組電池。

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