JP2014127262A - Battery pack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池パックの内部に配置される単電池間の温度バラツキを抑制する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for suppressing temperature variation between single cells arranged inside a battery pack.
ハイブリッド自動車、電気自動車などには、車両用走行用モータに供給される作動電力を蓄電する蓄電装置が搭載されている。この種の蓄電装置として、組電池と、組電池を収容するケースと、ケースの内外において冷却用空気を導通させる導通経路とを有する電池パックが知られている(例えば、特許文献1参照)。 A hybrid vehicle, an electric vehicle, or the like is equipped with a power storage device that stores operating power supplied to a vehicle driving motor. As this type of power storage device, a battery pack having an assembled battery, a case for housing the assembled battery, and a conduction path for conducting cooling air inside and outside the case is known (see, for example, Patent Document 1).
また、特許文献2は、複数の単位モジュールと、前記複数の単位モジュールを収容するケースとを有する電池モジュールにおいて、前記ケースの内壁面と前記単位モジュールの成形体との隙間からなり、前記流体供給口と前記流体排出口とを連通する流路を有し、かつ前記流体供給口側における前記流路の断面積が、前記流体排出口側における前記流路の断面積よりも大きい電池モジュールを開示する。 Further, Patent Document 2 is a battery module having a plurality of unit modules and a case for housing the plurality of unit modules, and includes a gap between an inner wall surface of the case and a molded body of the unit module, and the fluid supply Disclosed is a battery module having a flow path communicating with an opening and the fluid discharge port, and wherein a cross-sectional area of the flow path on the fluid supply port side is larger than a cross-sectional area of the flow path on the fluid discharge port side To do.
また、電池パックの別の構成として、流入口が一つ、排出口が二つ設けられた電池パックが考えられる。 As another configuration of the battery pack, a battery pack provided with one inflow port and two discharge ports can be considered.
ところで、電池パックの冷却構造を検討する際に、単位モジュール間の温度バラツキを考慮する必要がある。単位モジュール間の温度バラツキが大きくなると、より温度の高い単位モジュールが早期に劣化して、電池パックの寿命が短くなる。 By the way, when examining the cooling structure of the battery pack, it is necessary to consider the temperature variation between the unit modules. When the temperature variation between the unit modules increases, the unit module having a higher temperature deteriorates earlier, and the life of the battery pack is shortened.
上記したように、電池パックには種々の冷却構造が考えられ、冷却構造が変われば冷却風の挙動も変化する。そのため、単位モジュール間の温度バラツキを抑制するためには、各々の冷却構造に応じた適切な構成を考える必要がある。 As described above, various cooling structures are conceivable for the battery pack, and the behavior of the cooling air changes as the cooling structure changes. Therefore, in order to suppress temperature variation between unit modules, it is necessary to consider an appropriate configuration according to each cooling structure.
そこで、本願発明は、流入口が一つ、排出口が二つ設けられた電池パックにおいて、単電池間の温度バラツキを抑制することを第1の目的とする。また、本願発明は、単電池間を流れる空気の圧力損失を抑制することを第2の目的とする。 Accordingly, a first object of the present invention is to suppress temperature variations between single cells in a battery pack provided with one inlet and two outlets. Moreover, this invention makes it the 2nd objective to suppress the pressure loss of the air which flows between cell cells.
上記第1の目的を達成するために、本願発明に係る電池パックは、(1)複数の単電池が積層され、積層方向に隣接する前記単電池の間に空気を導通させるための導通経路が形成された電池モジュールと、前記電池モジュールを収容するケースと、を有する電池パックにおいて、前記ケースの内部には、前記導通経路に空気を流入させるための流入経路が前記積層方向に延びて形成されており、前記ケースの内部には、前記導通経路から流出する空気を前記ケースの外部に排出するための排出経路が前記積層方向に延びて形成されており、前記流入経路における空気流入口は、前記流入経路の一端部のみに形成されており、前記排出経路における空気排出口は、前記排出経路の両端部のみに形成されており、前記空気流入口の開口面積は、前記空気排出口の開口面積よりも大きいことを特徴とする。 In order to achieve the first object, the battery pack according to the present invention includes (1) a plurality of unit cells stacked, and a conduction path for conducting air between the unit cells adjacent in the stacking direction. In the battery pack having the formed battery module and a case for accommodating the battery module, an inflow path for allowing air to flow into the conduction path extends in the stacking direction inside the case. And a discharge path for discharging the air flowing out from the conduction path to the outside of the case extends in the stacking direction inside the case, and the air inlet in the inflow path is It is formed only at one end of the inflow path, the air discharge port in the discharge path is formed only at both ends of the discharge path, and the opening area of the air inlet is It is larger than the opening area of the air outlet.
(2)上記第1の構成において、二つの前記空気排出口の開口面積を互いに同じに設定することができる。(2)の構成によれば、流路設計を簡素化することができる。 (2) In the first configuration, the opening areas of the two air discharge ports can be set to be the same. According to the configuration of (2), the flow path design can be simplified.
(3)上記(1)又は(2)の構成において、前記空気流入口の開口面積をA、前記空気排出口の開口面積をBとしたときに、下記(1)式を満足させるとよい。
31/29≦A/B≦34/26・・・・・・・・・(1)
(3) In the above configuration (1) or (2), when the opening area of the air inlet is A and the opening area of the air outlet is B, the following expression (1) is preferably satisfied.
31/29 ≦ A / B ≦ 34/26 (1)
(3)の構成によれば、単電池間の温度バラツキの抑制と、熱交換媒体として導入される空気の圧力損失の抑制とを両立することができる。 According to the configuration of (3), it is possible to achieve both suppression of temperature variation between single cells and suppression of pressure loss of air introduced as a heat exchange medium.
本発明によれば、空気流入口が一つ、空気排出口が二つ設けられた電池パックにおいて、単電池間の温度バラツキを効果的に抑制することができる。 According to the present invention, in a battery pack provided with one air inlet and two air outlets, it is possible to effectively suppress temperature variations between single cells.
図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る電池パックについて説明する。図1は電池パックの分解斜視図である。図2は、電池パックを単電池の積層方向に対して直交する方向に切断した概略断面図である。図3は、電池パックをX−Z面で切断した概略断面図である。X軸、Y軸及びZ軸は互いに異なる直交する三軸である。以下の説明において、X軸方向を+X軸方向、X軸方向に対する反対方向を−X軸方向、Y軸方向を+Y軸方向、Y軸方向に対する反対方向を−Y軸方向、Z軸方向を+Z軸方向、Z軸方向に対する反対方向を−Z軸方向と定義する。ただし、+X軸方向及び−X軸方向を特に区別する必要がない場合には、これらを纏めてX軸方向と表記する。+Y軸方向及び−Y軸方向を特に区別する必要がない場合には、これらを纏めてY軸方向と表記する。+Z軸方向及び−Z軸方向を特に区別する必要がない場合には、これらを纏めてZ軸方向と表記する。 A battery pack according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an exploded perspective view of the battery pack. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the battery pack cut in a direction orthogonal to the stacking direction of the unit cells. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the battery pack taken along the XZ plane. The X axis, the Y axis, and the Z axis are three orthogonal axes different from each other. In the following description, the X-axis direction is the + X-axis direction, the opposite direction to the X-axis direction is the -X-axis direction, the Y-axis direction is the + Y-axis direction, the opposite direction to the Y-axis direction is the -Y-axis direction, and the Z-axis direction is + Z The direction opposite to the axial direction and the Z-axis direction is defined as the −Z-axis direction. However, when there is no need to particularly distinguish the + X-axis direction and the −X-axis direction, these are collectively referred to as the X-axis direction. When there is no need to particularly distinguish the + Y axis direction and the −Y axis direction, these are collectively referred to as the Y axis direction. When there is no need to particularly distinguish the + Z-axis direction and the −Z-axis direction, these are collectively referred to as the Z-axis direction.
図1乃至図3を参照して、電池パック1は、電池モジュール10、アッパーケース20、ロアケース30、機器カバーケース40、吸気ダクト50、第1の排気ダクト60、第2の排気ダクト70、ブロワ80を含む。電池パック1は、車両走行用モータに供給される電力を蓄電する蓄電装置に用いることができる。電池モジュール10は、X軸方向に積層された複数の単電池11と、これらの単電池11を挟む位置に配置されるエンドプレート12と、これらのエンドプレート12を繋ぐ拘束ロッド13とを含む。単電池11は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池、或いはキャパシタであってもよい。
1 to 3, the
単電池11の+Z軸方向の端部には、電解液を単電池11の内部に注液するための注液口11aが形成されている。図2に図示するように、単電池11の+Y軸方向の端部には、凸状の正極部11b(又は負極部11c)が形成されており、単電池11の−Y軸方向の端部には、凸状の負極部11c(又は正極部11b)が形成されている。
At the end of the
X軸方向に隣接する一方の単電池11の正極部11bと他方の単電池11の負極部11cとは、図示しないバスバーにより直列に接続されている。これにより、エネルギ出力の高い電池パック1が得られる。ただし、隣接する単電池11は並列に接続されていてもよい。この場合、電池パック1の蓄電容量が高められる。
The
単電池11のX軸方向の端面には、複数の凸状のリブが形成されており、これらのリブはZ軸方向に延びている。電池パック1の組み立て状態において、これらのリブが隣接する単電池11の外面に接触することにより、空気を導通させるための導通経路14(図3参照)が形成される。ここで、導通経路14に空気を流すことにより、各単電池11を冷却したり、或いは加熱することができる。各単電池11が冷却されることにより、各単電池11の劣化を抑制することができる。各単電池11が加熱されることにより、極低温状態にある各単電池11の入出力特性を改善することができる。なお、導通経路14は、隣接する単電池11の間にリブ付きのスペーサ部材を介在させることにより、形成してもよい。
A plurality of convex ribs are formed on the end surface of the
拘束ロッド13は、一対のエンドプレート12に対して締結固定されている。これにより、一対のエンドプレート12が互いに接近する方向に引っ張られ、複数の単電池11を拘束することができる。その結果、単電池11の位置ずれを抑制したり、単電池11の性能低下を抑制することができる。
The
図2を参照して、アッパーケース20は、頂面部21と、アッパー段差形状部22と、アッパーフランジ部23とを有する。頂面部21は、単電池11から+Z軸方向に離隔した位置に設けられている。アッパー段差形状部22は頂面部21のY軸方向両端部に形成されており、その曲げ部は単電池11の上面(+Z軸方向の端面)に対してシール部材を介して接触している。これら頂面部21、アッパー段差形状部22及び単電池11の上面によって囲まれた空間により、空気を導通経路14に導入するための吸気チャンバ(流入経路に相当する)24が形成される。
Referring to FIG. 2,
ロアケース30は、底面部31と、ロア段差形状部32と、ロアフランジ33とを有する。底面部31は、単電池11から−Z軸方向に離隔した位置に設けられている。ロア段差形状部32は底面部31のY軸方向両端部に形成されており、その曲げ部は電池モジュール10の下面(−Z軸方向の端面)に対してボルト締結されている。これらの底面部31、ロア段差形状部32及び単電池11の下面によって囲まれた空間により、導通経路14から流出する空気をロアケース30の外部に排出するための排気チャンバ(排出経路に相当する)34が形成される。
The
再び図1を参照して、機器カバーケース40は、アッパーケース20の−X軸方向の端部に取り付けられている。取り付け方法は、締結手段、溶接手段であってもよい。アッパーケース20とエンドプレート12との間には閉塞板40a(図3参照)が設けられており、この閉塞板40aによって吸気チャンバ24の一端が塞がれる。したがって、吸気チャンバ24に導入された空気は、閉塞板40aによって流路が塞がれ、各導通経路14の内部に流入する。
Referring to FIG. 1 again, the
吸気ダクト50は、吸気チャンバ24の+X軸方向の端部に接続されている。この吸気ダクト50側の吸気チャンバ24の開口部(図3に図示する空気流入口24a)を−X軸方向から視た時の開口面積が、特許請求の範囲に記載の「空気流入口の開口面積A」に相当する。ブロワ80は、吸気ダクト50の+X軸方向の端部に形成されたダクト接続口52に対して接続されている。ブロワ80が作動することにより、空気が吸気され、この吸気された空気が吸気チャンバ24の内部に取り込まれる。なお、ブロワ80はファンを内蔵しており、ファンはシロッコ式、プロペラ式、或いはクロスフロー式のファンであってもよい。
The
第1の排気ダクト60は、排気チャンバ34の−X軸方向の端部に接続されている。この第1の排気ダクト60側の排気チャンバ34の開口部(図3に図示する第1の空気排出口34a)を+X軸方向から視た時の開口面積が、特許請求の範囲に記載の「空気排出口の開口面積B」に相当する。第2の排気ダクト70は、排気チャンバ34の+X軸方向の端部に接続されている。この第2の排気ダクト70側の排気チャンバ34の開口部(図3に図示する第2の空気排出口34b)を−X軸方向から視た時の開口面積が、特許請求の範囲に記載の「空気排出口の開口面積B」に相当する。このように、本実施形態のバッテリパック1には、空気流入口が一つ、空気排出口が二つ設けられている。第1の空気排出口34a及び第2の空気排出口34bの開口面積は、好ましくは同じである。第1の空気排出口34a及び第2の空気排出口34bの開口面積を同じにすることにより、温度バラツキの抑制及び圧力損失の抑制を考慮した設計が容易となる。
The
図4は、図3に対応しており、参考例1に係る電池パックの断面図である。上記実施形態と同一の機能を有する要素には同一符号を付している。参考例1に係る電池パック100は、第1の空気排出口34aが閉塞されている点で、上記実施形態1の構成と相違する。つまり、電池パック100は、空気流入口及び空気排出口がそれぞれ一つずつ設けられており、冷却経路がいわゆるU字状に形成されている。ここで、本参考例1の空気流入口24aの開口面積をA´、空気排出口34bの開口面積をB´としたときに、冷却風の偏り抑制と圧力損失の低減(つまり、風量確保)とを効果的に実現し得る開口面積比A´/B´は28/32であった。
FIG. 4 corresponds to FIG. 3 and is a cross-sectional view of the battery pack according to Reference Example 1. Elements having the same functions as those in the above embodiment are given the same reference numerals. The
一方、本実施形態1の空気流入口24aの開口面積をA、第1の空気排出口34aの開口面積をB、第2の空気排出口34bの開口面積をBとしたときに、上記参考例1と開口面積比を同じ、つまり、開口面積比A/Bを28/32に設定して(以下、この開口面積比で構成された電池パックを参考例2という)、電池パック1における冷却風の偏り及び圧力損失を計測したところ、これらの計測値が参考例の計測値よりも増大した。
On the other hand, when the opening area of the
下記表1は、参考例1及び参考例2の流量バラツキを示しており、縦軸が流量バラツキ、横軸が導通経路14の番号を示している。
表1を参照して、参考例1では流量バラツキのマイナス側の最大値が僅か−7.2%であったのに対して、参考例2では流量バラツキのマイナス側の最大値が−18.8%に拡大した。 Referring to Table 1, in Reference Example 1, the maximum value on the negative side of the flow rate variation was only −7.2%, whereas in Reference Example 2, the maximum value on the negative side of the flow rate variation was −18. It expanded to 8%.
表2は、導通経路14毎に静圧値を測定した静圧分布データであり、参考例1のような片側排気の構成と、参考例2のような両側排気の構成との静圧分布を比較している。
表2を参照して、両側排気の構成は、片側排気の構成よりも、排気チャンバ内の静圧
分布の偏りが緩和され、奥側(流路番号の大きい側、−X軸方向側)により多くの空気
を供給できることがわかった。
Referring to Table 2, the configuration of the double-sided exhaust is less biased in the static pressure distribution in the exhaust chamber than the one-sided exhaust configuration, and the back side (the side with the larger flow path number, the −X-axis direction side) It turns out that a lot of air can be supplied.
本発明者等は、両側排気の上記課題を鋭意検討し、A及びBの開口面積比をA>Bに設定することにより、冷却風の偏りを小さくできることを知見した。また、本発明者等は、A及びBの開口面積比を31/29≦A/B≦34/26に設定することにより、冷却風の偏り抑制と圧力損失の抑制とを両立できることを知見した。 The inventors of the present invention diligently studied the above-described problem of both-side exhaust, and found that the bias of the cooling air can be reduced by setting the opening area ratio of A and B to A> B. Further, the present inventors have found that by setting the opening area ratio of A and B to 31/29 ≦ A / B ≦ 34/26, it is possible to achieve both suppression of uneven cooling air and suppression of pressure loss. .
A及びBの開口面積比を上記所定範囲に制限した理由について、実施例を示して詳細に説明する。下記の表3は、CFD(computational fluid dynamics:計算流体力学)解析によるシミュレーション結果であり、横軸がA及びBの開口面積比であり、左側縦軸が風量バラツキであり、右側縦軸が圧力損失である。表4は、シミュレーションの評価結果を示している。ブロワ80の風量は80m3/hに設定した。なお、空気流入口24aの開口面積は、吸気チャンバ24のZ軸方向の高さを変えることにより、調節することができる。また、第1の空気排出口34a及び第2の空気排出口34bの開口面積は、排気チャンバ34のZ軸方向の高さを変えることにより、調節することができる。
The reason why the ratio of the opening area of A and B is limited to the predetermined range will be described in detail with reference to examples. Table 3 below shows simulation results by CFD (computational fluid dynamics) analysis. The horizontal axis is the opening area ratio of A and B, the left vertical axis is the air flow variation, and the right vertical axis is the pressure. It is a loss. Table 4 shows the evaluation results of the simulation. The air volume of the
風量バラツキについては、11%以上を×、11%未満〜10%超を○、10%以下を◎と評価した。圧力損失については、68Pa以下を○、68Pa超を△と評価した。本願発明は、風量バラツキの抑制を第1の目的としている。そのため、風量バラツキの評価が◎又は○で、圧力損失の評価が○である場合には総合評価を◎とし、風量バラツキの評価が◎又は○で、圧力損失の評価が△である場合には総合評価を○とし、風量バラツキの評価が×である場合には圧力損失の評価に拘わらず総合評価を×とした。
表3を参照して、A及びBの開口面積比をA>Bに設定することにより、風量バラツキが11%未満に抑制され、風量バラツキの評価が○又は◎になった。A及びBの開口面積比を31/29≦A/B≦34/26に設定することにより、風量バラツキが10%以下に抑制され、風量バラツキの評価が◎になるとともに、圧力損失が68Pa以下に抑制され、圧力損失の評価が○になった。 With reference to Table 3, by setting the opening area ratio of A and B to A> B, the air flow variation was suppressed to less than 11%, and the air flow variation was evaluated as “◯” or “◎”. By setting the opening area ratio of A and B to 31/29 ≦ A / B ≦ 34/26, the air flow variation is suppressed to 10% or less, the air flow variation is evaluated as ◎, and the pressure loss is 68 Pa or less. The pressure loss was evaluated as “good”.
以上説明したように、A及びBの開口面積比をA>Bに設定することにより、冷却風の偏りが緩和され、単電池11間の温度バラツキが効果的に抑制できることがわかった。また、A及びBの面積比を31/29≦A/B≦34/26に設定することにより、冷却風のバラツキの抑制と圧力損失の抑制とを両立できることがわかった。
As described above, it was found that by setting the opening area ratio of A and B to A> B, the unevenness of the cooling air is alleviated and the temperature variation between the
(変形例1)
上述の実施形態では、第1の空気排出口34a及び第2の空気排出口34bの開口面積が同じであるが、本発明はこれに限られるものではなく、これらの開口面積を互いに異ならせてもよい。この構成であっても、第1の空気排出口34a及び第2の空気排出口34bそれぞれの開口面積を空気流入口24aの開口面積よりも小さくすることにより、冷却風のバラツキを抑制することができる。
(Modification 1)
In the above-described embodiment, the opening areas of the
(変形例2)
上述の実施形態では、吸気チャンバ24を上側、排気チャンバ34を下側に形成したが、本発明はこれに限るものではなく、図5に図示するように、吸気チャンバ24を下側、排気チャンバ34を上側に形成してもよい。
(Modification 2)
In the above embodiment, the
1…電池パック 10…電池モジュール 11…単電池 14…導通経路
20…アッパーケース 24…吸気チャンバ 24a…空気流入口
30…ロアケース 34…排気チャンバ 34a…第1の空気排出口
34b…第2の空気排出口 60…第1の排気ダクト60
70…第2の排気ダクト 80…ブロワ
DESCRIPTION OF
70 ...
Claims (4)
前記電池モジュールを収容するケースと、を有する電池パックにおいて、
前記ケースの内部には、前記導通経路に空気を流入させるための流入経路が前記積層方向に延びて形成されており、
前記ケースの内部には、前記導通経路から流出する空気を前記ケースの外部に排出するための排出経路が前記積層方向に延びて形成されており、
前記流入経路における空気流入口は、前記流入経路の一端部のみに形成されており、
前記排出経路における空気排出口は、前記排出経路の両端部のみに形成されており、
前記空気流入口の開口面積は、前記空気排出口の開口面積よりも大きいことを特徴とする電池パック。 A battery module in which a plurality of unit cells are stacked, and a conduction path for conducting air between the unit cells adjacent in the stacking direction is formed;
In a battery pack having a case for housing the battery module,
Inside the case, an inflow path for allowing air to flow into the conduction path is formed extending in the stacking direction,
Inside the case, a discharge path for discharging air flowing out from the conduction path to the outside of the case is formed extending in the stacking direction,
The air inlet in the inflow path is formed only at one end of the inflow path,
The air discharge port in the discharge path is formed only at both ends of the discharge path,
The battery pack, wherein an opening area of the air inlet is larger than an opening area of the air outlet.
31/29≦A/B≦34/26・・・・・・・・・(1) The battery pack according to claim 1 or 2, wherein when the opening area of the air inlet is A and the opening area of the air outlet is B, the following expression (1) is satisfied.
31/29 ≦ A / B ≦ 34/26 (1)
前記電池パックに蓄電された電力によって動作する車両走行用モータと、
を有する車両。 The battery pack according to any one of claims 1 to 3,
A vehicle travel motor that operates with electric power stored in the battery pack;
Vehicle with.
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