JP2013062023A - バッテリパック - Google Patents

Abstract

【課題】複数のバッテリセルを効率良く、均一に冷却する。
【解決手段】
ケース本体２内には、複数のバッテリセル３が収納されると共に、バッテリセル３の作動温度、又は、その近傍に沸点を有する絶縁性冷却液としてハイドロフルオロエーテル４が、冷却液非充填空間１０が生ずるように充填されており、バッテリセル３は、直方体状に形成されてなると共に、図示されない電極側がケースの底部側に位置するよう配設される一方、ケース本体２の頂面には、ケース本体２内部に突出するよう複数のフィン５ａを有してなるヒートシンク５が設けられ、フィン５ａの立設側と反対側には、フィン５ａの長手軸方向に沿って空気の流通を可能とする通孔６ａが複数設けられてなる空冷用コンデンサ６が設けられたものとなっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のバッテリセルが収納されてなるバッテリパックに係り、特に、電気自動車やハイブリット車などに用いられるバッテリパックの温度特性の改善等を図ったものに関する。

電気自動車やハイブリット車などに用いられるバッテリパックは、最小電圧発生単位となるバッテリセルを複数直列接続して所望の出力電圧が得られるよう構成されたものであるが、各々のバッテリセル自体、発熱源となるため、バッテリパック内における温度上昇を如何に抑圧するかが、バッテリパックの動作特性の向上を図る上で重要である。
図９には、このようなバッテリパックの冷却方法として最も一般的な従来例が示されており、以下、同図を参照しつつ従来の冷却方法について説明する。

まず、図９は、バッテリパック５０の側面側からの模式図であり、この例では、６個のバッテリセル５１が直列接続されて収納されたものとなっている。
そして、バッテリパック５０のケース本体５２の上面側の適宜な部位には、外部からの送風空気を内部へ流入させるための流入口５２ａが開口される一方、ケース本体５２の底面側においては、流入口５２ａが設けられた部位と反対側の部位に、内部の空気を流出させるための流出口５２ｂが開口されたものとなっている。

かかる構成においては、例えば、車両の空調装置におけるブロア（図示せず）の送風空気の一部を分岐させて、流入口５２ａからケース本体５２内部へ送風させる方法などが採られる。これによって、流入口５２ａから導入された送風空気をケース本体５２内部を通過させて流出口５２ｂから排出させて、各バッテリセル５１を空冷し、その温度上昇を抑えるようにすることが行われる。
この種のバッテリパックの冷却方法としては、例えば、特許文献１等に開示されたものがある。

特開２００１−２３７００号公報（第２−４頁、図１−図７）

しかしながら、上述の従来構成にあっては、流入口５２ａから導入された送風空気は、バッテリセル５１の並びに沿って流入口５２ａに近いバッテリセル５１から順に当たるようになっているため、流出口５２ｂに近いバッテリセル５１に近づくにしたがって送風空気は、その速度が低下すると共に、徐々に温度も上昇するため、バッテリセル５１の空冷状態に不均一さが生じてしまい、出力電圧特性に不安定さ等を招くという問題がある。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、複数のバッテリセルを効率良く、均一に冷却することができるバッテリパックを提供するものである。
本発明の他の目的は、地球環境に対して十分配慮したバッテリパックを提供することにある。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るバッテリパックは、
複数のバッテリセルがケース内に収納されてなるバッテリパックであって、
前記バッテリセルは、直方体状に形成されてなり、前記ケースには、絶縁性冷却液としてハイドロフルオロエーテルが充填されてなるものである。
かかる構成において、絶縁性冷却液は、バッテリセルの作動温度、又は、その近傍に沸点を有するものとする一方、バッテリセルは、電極側がケースの底部側に位置するよう配設されてなるものとすると好適である。

本発明によれば、バッテリセルの作動温度近傍に沸点を有する絶縁性冷却液にバッテリセルを浸し、しかも、高温となる電極が確実に絶縁性冷却液中となるような構成とすることにより、従来と異なり、複数のバッテリセルに対してほぼ均一に冷却ができ、バッテリセルをほぼ均一の温度に維持することができる。
特に、ヒータを内部に設けることにより、冬場での使用を可能とすることができ、外気温度に関係なくバッテリセルの温度をほぼ一定に保持でき、バッテリパックの動作特性の向上に寄与することができるという効果を奏するものである。
また、バッテリセルが直方体状であるため、バッテリセルを効率良く配置することができ、従来に比してバッテリパックの小型化が容易となる。

本発明の実施の形態のバッテリパックの第１の構成例における分解状態における全体斜視図を模式的に示した模式図である。 本発明の実施の形態のバッテリパックの第１の構成例における縦断面を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態のバッテリパックの第２の構成例における縦断面を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態のバッテリパックの第３の構成例における縦断面を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態のバッテリパックの第４の構成例における縦断面を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態のバッテリパックの第５の構成例における縦断面を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態のバッテリパックの第６の構成例における縦断面を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態のバッテリパックの第７の構成例における縦断面を模式的に示す模式図である。 従来の構成例を模式的に示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図８を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態におけるバッテリパックの第１の構成例について、図１及び図２を参照しつつ説明する。
ここで、図１は、特に、第１の構成例におけるバッテリパック１の分解状態における全体斜視図を模式的に示したものである。

まず、本発明の実施の形態におけるバッテリパック１は、ケース本体２内に複数のバッテリセル３が収納されると共に、ケース本体２内には、適宜な量の絶縁性冷却液４が充填されたものとなっている。
さらに、ケース本体２の頂面には、複数のフィン５ａを有してなるヒートシンク５が、ケース本体２内に複数のフィンが臨むようにして設けられ、頂面部分がヒートシンク５によって閉鎖されたものとなっている。

そして、ヒートシンク５には、いわゆる背合わせ状に空冷用コンデンサ６が設けられたものとなっている。
バッテリパック１の近傍には、空冷用コンデンサ６へ冷却用の空気を導くためのガイドダクト７が設けられており、その導入口７ａ近傍に設けられた送風用ブロア８から送風空気がガイドダクト７を介して空冷用コンデンサ６へ導入できるようになっている。

以下、かかる構成について、より具体的に説明すれば、まず、本発明の実施の形態においては、バッテリセル３は、その長手軸方向の面が平行するようにしてケース本体２に複数収納されたものとなっており（図１参照）、ケース本体２の底部側において、隣接するバッテリセル３の電極（図示せず）がコネクタ９によって相互に接続されて、直列接続状態とされて、バッテリパック１全体として所望する電圧が得られるように構成されたものとなっている（図２参照）。

ケース本体２内には、複数のバッテリセル３が収納されると共に、絶縁性冷却液４が、複数のバッテリセル３が占有する体積を差し引いたケース本体２内の残りの領域の大凡７〜８割程度を占めるように充填されており、残りの３〜２割の領域は、絶縁性冷却液４が充填されていない冷却液非充填空間１０が画成されたものとなっている（図２参照）。なお、冷却液非充填空間１０は、大気圧よりも低い気圧、例えば、大凡０．７気圧前後に設定されている。これは、後述するように絶縁性冷却液４が気化した場合に冷却液非充填空間１０の圧が上昇するため、その上昇分程度を予め低い気圧にしておき、上昇した際にほぼ大気圧程度とするためである。

絶縁性冷却液４は、バッテリセル３の作動温度付近に沸点を有するものが用いられている。バッテリセル３の作動温度は、バッテリセルの種類や出力容量などによっても異なるが、例えば、リチウムを用いたものである場合には、大凡３５℃〜４５℃程度に維持されるのが望ましく、この範囲を超えて温度が上昇するに従い、電気的特性の低下を招くだけでなく、品質の劣化を生ずることもある。

したがって、バッテリセル３がリチウムを用いたものである場合には、大凡３５℃〜４５℃の範囲に沸点を有する絶縁性冷却液４を用いるのが好適である。
なお、この絶縁性冷却液４の沸点は、絶縁性冷却液４の使用状態における沸点であることが必要である。すなわち、本発明の実施の形態においては、先に述べたように、絶縁性冷却液４は、冷却液非充填空間１０の圧力が大凡０．７気圧とされたケース本体２内に充填されるので、かかる気圧下で所望する沸点、すなわち、本発明の実施の形態においては、大凡３５℃〜４５℃の範囲に沸点を有するものを選択する必要がある。
このような絶縁性冷却液４としては、具体的には、例えば、フッ素系のハイドロフルオロエーテル（以下「ＨＦＥ」と称する）が、環境や安全性の観点から好適である。
ＨＦＥは、例えば、この種の同様な冷媒として用いられるフロリナート（登録商標）と比較すると、単位重量当たりの蒸発潜熱は凡そ１．５倍あり、しかも、、オゾン破壊係数はゼロで、地球温暖化係数もフロリナート（登録商標）に比して低く、地球環境に対して十分配慮された物質であるので、絶縁性冷却液４としては極めて好適である。
また、絶縁性冷却液４の絶縁耐力としては、体積抵抗率で１０^８Ω・ｃｍ以上あることが望ましいが、ＨＦＥの体積抵抗率は、大凡２×１０^１１Ω・ｃｍ程あり、十分な絶縁耐力が確保できる点で有効である。

また、こケース本体２内の適宜な部位には、例えば、ニクロム線ヒータなどの発熱素子１１が収納されており、この発熱素子１１には、外部で通電が行われるようになっている（図２参照）。
これは、冬場などに外気温が低く、バッテリセル３の温度も下がり、動作効率の低下が予想される場合に、発熱素子１１を発熱させて絶縁性冷却液４を温めることでバッテリセル３を温めて、バッテリセル３をその作動に適した温度にすることができるようにするためのものである。
なお、発熱素子１１の発熱容量は、絶縁性冷却液４の容量などによって適宜に選定されるべきものであり、特定の値に限定される必要はないものである。

一方、ケース本体２の頂面、すなわち、複数のバッテリセル３がコネクタ９によって直列接続される側が位置する底部側とは反対側の面は、開口面となっており、この面は、ヒートシンク５によって閉鎖されたものとなっている（図１及び図２参照）。

ヒートシンク５は、複数のフィン５ａが同一の平面上に互いに平行となるように立設されてなると共に、複数のフィン５ａが形成された面と反対側の面には、背合わせに空冷用コンデンサ６が設けられたものとなっている（図１参照）。
かかるヒートシンク５は、複数のフィン５ａがケース本体２内に位置するようにしてケース本体２の頂面の開口面を閉鎖するように取り付けられたものとなっている（図２参照）。

空冷用コンデンサ６は、フィン５ａの長手軸方向に沿う通孔６ａが複数並列するように設けられてなるもので、本発明の実施の形態においては、通孔６ａの長手軸方向に直交する面の断面が三角形をなすものとなっている（図１参照）。
なお、通孔６ａの断面は、上述のように三角形に限定されるものではなく、他の形状であっても勿論良いものである。

本発明の実施の形態におけるガイドダクト７は、空冷用コンデンサ６の各通孔６ａの開口部分に臨むことができるように幅広の出口開口（図示せず）を有すると共に、送風用ブロア８の送風空気を導入する導入口７ａとを有してなり、全体外観形状が大凡扇型に形成されてなるものである。
かかるガイドダクト７は、図示されない出口開口が空冷用コンデンサ６の通孔６ａの一方の端部近傍において、通孔６ａ端面に正対するように設けられるものとなっている。

なお、かかるガイドダクト７の形状等は、あくまでも一例であり、勿論これに限定されるものではない。
一方、送風用ブロア８は、例えば、車両用空調装置のものと兼用であっても、また、専用であってもいずれでも良く、いずれかに限定される必要はない。

次に、かかる構成における絶縁性冷却液４による冷却作用について説明する。
まず、バッテリセル３の温度が絶縁性冷却液４の沸点、換言すれば、バッテリセル３の作動温度を下回る状態にあっては、絶縁性冷却液４は沸騰することなく液体の状態のままであり、バッテリセル３自体も作動温度を下回るため、その電気的特性に何ら影響は及ばない。
一方、バッテリパック１の雰囲気温度の上昇や長時間の使用等に起因してバッテリセル３の温度が上昇し、絶縁性冷却液４の沸点を超える状態となると、絶縁性冷却液４が沸騰し始めると共に気化し、それによってバッテリセル３の熱が奪われるため、バッテリセル３の温度上昇は抑圧され作動温度付近に維持されることとなる。

また、冷却液非充填空間１０は、絶縁性冷却液４が気化した気体に満たされることとなるが、フィン５ａ近傍の気体はフィン５ａによって冷却されるため液化し、再び絶縁性冷却液４となってバッテリセル３の冷却に供されることとなる。
なお、図２において符号１２は絶縁性冷却液４が沸騰し気化する際に生ずる気泡を示し、符号１３は、気体から再び液化した際の滴を示している。
なお、本発明の実施の形態において、バッテリセル３は、その全体外観形状が直方体形状とされているが、このような形状とすることで、例えば、円柱状とした場合等に比して、無駄な空間の発生を極力抑えてケース本体２内に配設でき、そのため、絶縁性冷却液４の所要量が少なくて済むものとなっている。

次に、第２の構成例について、図３を参照しつつ説明する。
なお、図１又は図２に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第２の構成例におけるバッテリパック１−１〜１−３は、ケース本体２内に収納されるバッテリセル３を２個とした点が図１及び図２に示された第１の構成例と異なるもので、他の構成は基本的に図１及び図２に示された第１の構成例と同一である。

この第２の構成例の場合、バッテリパック１−１〜１−３内においてバッテリセル３が直列接続されて設けられる点は、先の第１の構成例と同一であるが、さらに、複数のバッテリパック１−１〜１−３自体も直列接続されて所望の電圧が得られるように用いられるものである。図３においては、３つのバッテリパック１−１〜１−３が示されているが、バッテリパック１−１〜１−３の直列数は、この例に限定されるものでは無いことは勿論である。
なお、図３においては、発熱素子１１（図２参照）の図示を省略しているが、各バッテリパック１−１〜１−３には、ケース本体２内に第１の構成例同様、図２に示されたと同様の発熱素子１１が収納されているものとする。

次に、第３の構成例について、図４を参照しつつ説明する。
なお、図１、図２、又は、図３に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第３の構成例は、冷却液非充填空間１０に充満する気体、すなわち、絶縁性冷却液４の気化によって生じた気体の冷却を、先に説明したヒートシンク５及び空冷用コンデンサ６（図２参照）に代えて、冷却管１４と冷却器１５を用いる構成としたものである。

バッテリパック１Ａは、図２に示されたヒートシンク５及び空冷用コンデンサ６を有しない点を除けば、その内部の構成は、基本的には図３に示された構成例と同一である。
すなわち、ケース本体２の側面には、冷却管１４の２つの開口端が、ケース本体２内の冷却液非充填空間１０に連通するように接続されたものとなっている。
冷却管１４は、その一部が冷却器１５によって冷却されるよう配設されたものとなっている。
冷却器１５は、例えば、車両用空調装置のエバポレータ（図示せず）を流用するようにしても良いし、また、専用のものを設けるようにしてもいずれでも良く、また、その冷却方式は、特定のものに限定される必要は無いものである。

かかる構成において、冷却液非充填空間１０に充満する絶縁性冷却液４の気化によって発生した気体は、冷却管１４内も満たすこととなるが、冷却器１５に位置する部分において冷却され、凝縮して液体、すなわち、絶縁性冷却液４に戻り、冷却管１４を介してケース本体２内へ戻ることが可能となっている。
なお、図４においては、図３に示された構成例同様、発熱素子１１（図２参照）の図示を省略しているが、バッテリパック１Ａには、ケース本体２内に第１の構成例同様、発熱素子１１が収納されているものとする。

次に、第４の構成例について、図５を参照しつつ説明する。
なお、図１、図２、又は、図４に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第４の構成例は、図４に示された第３の構成例を基本として、これを実際の車両１０１に適用した場合の概略構成例を示したものである。
この第４の構成例においては、４つのバッテリパック１−１〜１−４が直列接続されて用いられるものとなっている。

そして、冷却器として、車両用空調装置のエバポレータ１６が用いられた構成となっている。
また、４つのバッテリパック１−１〜１−４の内、エバポレータ１６に最も近い位置に設けられたバッテリパック１−１に冷却管１４が接続される一方、各バッテリパック１−１〜１−４間は、２つの補助管１７によって相互に連通されたものとなっている。ここで、各バッテリパック１−１〜１−４間にそれぞれ配される２つの補助管１７の内、一方は、冷却液非充填空間１０の位置で、他方は、絶縁性冷却液４中の位置で、それぞれ連通するように接続されたものとなっている。

これによって、バッテリパック１−１のみならず、バッテリパック１−２〜１−４の各々の冷却液非充填空間１０が相互に冷却管１４と連通されて、先に図４の構成例で説明したように冷却液非充填空間１０における絶縁性冷却液４が気化して生じた気体の凝縮、液化が可能になっている。
なお、バッテリパック１−１〜１−４は、４つに限定されるものでは無いことは勿論である。

次に、第５の構成例について、図６を参照しつつ説明する。
なお、図１又は図２に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第５の構成例は、バッテリパック１Ｂ内において、発熱素子としてＰＴＣヒータ１８を用いたものである。
ＰＴＣヒータ１８は、樹脂ケースに封入されたプレート状のセラミックス素子であり、経時変化が小さく、火災等の心配がなく、安全性が高く好適である。
この第５の構成例においては、ケース本体２の底部、すなわち、バッテリセル３のコネクタ９が位置せしめられる側に設けられたものとなっている。
かかる構成は、特に、寒冷地における絶縁性冷却液４の凍結を防ぐものとして有効である。

次に、第６の構成例について、図７を参照しつつ説明する。
なお、図１又は図２に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第６の構成例におけるバッテリパック１Ｃは、絶縁性冷却液４を吸収、担持せしめる担体１９をバッテリセル３間やケース本体２とバッテリセル３間に充填した構成としたものである。
すなわち、この図７に示された例においては、担体１９は、バッテリセル３間、及び、ケース本体２とバッテリセル３間に、バッテリセル３間の空間、ケース本体２とバッテリセル３間の空間をほぼ埋め尽くすように充填されている。
このような担体１９は、具体的には、多孔質のもの、例えば、スポンジなどが好適である。

そして、担体１９には、絶縁性冷却液４が十分に吸収せしめられる一方、担体１９とケース本体２の底部との間に生ずる空間は絶縁性冷却液４で満たされたものとなっている。
かかる構成においては、絶縁性冷却液４の必要量を、図１に示された構成例に比して少なくできる利点がある。

次に、第７の構成例について、図８を参照しつつ説明する。
なお、図１、図２、又は、図７に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第７の構成例におけるバッテリパック１Ｄは、先に図７に示された第６の構成例を基本として、気化した絶縁性冷却液４を高圧化して冷却するための高圧室２０を設けたものである。
すなわち、この第７の構成例においては、ケース本体２において、空冷用コンデンサ６の下面側（バッテリセル３が位置する側）に高圧室２０が形成されており、この高圧室２０の下面側（空冷用コンデンサ６が位置する側と反対側）において、先の図７に示された第６の構成例同様にしてバッテリセル３や担体１９等が配設された構成となっている。

高圧室２０には、圧縮ポンプ２１が配設されており、本発明の実施の形態においては、その吸入口２１ａが、ケース本体２のバッテリセル３が配設された側の空間、すなわち、冷却液非充填空間１０に開口する一方、吐出口２１ｂが、高圧室２０内となるように配設されたものとなっている。
また、高圧室２０には、バッテリセル３が配置された側の空間に臨む適宜な部位に膨張弁２２が設けられている。

かかる構成においては、冷却液非充填空間１０における絶縁性冷却液４の気化したものは、圧縮ポンプ２１によって吸入、圧縮されて高圧室２０に放出され、高圧室２０は高圧状態とされる。
そして、高圧室２０のフィン５ａ近傍の気体はフィン５ａによって冷却されるため液化し、膨張弁２２を介して冷却液非充填空間１０へ放出され、担体１９に落下して、担体１９に浸透してゆくこととなる。

１…バッテリパック
１Ａ…バッテリパック（第３の構成例）
１Ｂ…バッテリパック（第５の構成例）
１Ｃ…バッテリパック（第６の構成例）
３…バッテリセル
４…絶縁性冷却液
５…ヒートシンク
６…空冷用コンデンサ
１９…担体

Claims (7)

1. 複数のバッテリセルがケース内に収納されてなるバッテリパックであって、
   前記バッテリセルは、直方体状に形成されてなり、前記ケースには、絶縁性冷却液としてハイドロフルオロエーテルが充填されてなることを特徴とするバッテリパック。
2. 絶縁性冷却液は、バッテリセルの作動温度、又は、その近傍に沸点を有するものであることを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
3. ケースの頂面には、ケース内部に突出するよう複数のフィンが立設されてなるヒートシンクが設けられると共に、前記フィンの立設面と反対側には、前記フィンの長手軸方向に沿って空気の流通を可能とする通孔が複数設けられてなる空冷用コンデンサが設けられてなることを特徴とする請求項２記載のバッテリパック。
4. ケースには、中空状に形成され、前記ケース外部の冷却器によって一部が冷却される冷却管の双方の開口端が、前記ケース内に画成された冷却液非充填空間に開口するように接続されてなることを特徴とする請求項２記載のバッテリパック。
5. 絶縁性冷却液の充填域の一部に、前記絶縁性冷却液を浸含させた多孔質性担体を充填してなることを特徴とする請求項３又は請求項４記載のバッテリパック。
6. 絶縁性冷却液中に、外部からの電源電圧の印加により発熱する発熱素子が配設されてなることを特徴とする請求項３、請求項４、又は、請求項５いずれか記載のバッテリパック。
7. バッテリセルは、電極側がケースの底部側に位置するよう配設されてなるこをと特徴とする請求項１乃至請求項６いずれか記載のバッテリパック。

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