JP2014194906A - バッテリモジュールの冷却構造及びバッテリパックの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリモジュールの全長に亘って均一に冷却するバッテリモジュールの冷却構造を提供する。
【解決手段】複数の電池セルが直列に接続して円筒形容器１１内に収納されたバッテリモジュール１０の円筒形容器１１の外周に螺旋状に巻き回された冷媒通路管１６を備え、冷媒通路管１６は上流側から下流側に移行するに従って冷媒通路管間のピッチＰが漸次減少する。下流側では上流側で電池セルを冷却して冷却水の温度が上昇するが、冷媒通路管間のピッチＰが減少して冷媒通路管１６の巻回密度が密になり円筒形容器１１内に収容された各電池セル全体が均一に冷却される。
【選択図】図４

Description

本発明は、バッテリモジュールの冷却構造及び複数のバッテリモジュールを収納したバッテリパックの冷却構造に関し、特に棒状のバッテリモジュールを均一に冷却するバッテリモジュールの冷却構造及びバッテリパックの冷却構造に関する。

近年、エンジンとモータジェネレータを走行駆動源とするハイブリッド車やモータジェネレータを走行駆動源とする電気自動車が実用化されている。このような走行駆動用のモータジェネレータを備えた車両においては充放電可能な大容量の２次電池が搭載される。

一般に車両駆動用の２次電池は、必要な電力容量が得られるようにリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の電池セルを複数接続して構成された集合型２次電池が多く採用される。

リチウムイオン電池やニッケル水素電池では充放電の度に反応熱やジュール熱が発生するため高温になりやすい。このようにリチウムイオン電池やニッケル水素電池が高温になると、放電率が高くなったり電極が劣化して性能が低下する。

この二次電池の冷却方法の一例として、複数の電池セルを直列に接続して棒状のバッテリモジュールを構成し、冷却風入口及び冷却風出口を有する筒状のバッテリケース内に、多数のバッテリモジュールを平行に配置し、前端の冷却風入口から後端の冷却風出口に向けて冷却風を流すことで各バッテリモジュールを冷却する。

しかし、多数のバッテリモジュールが配置され、前端側から後端側に冷却風が流れるため、前端側のバッテリモジュールは低温の冷却風に接触して効率的に冷却されるが、下流側となる後端側のバッテリモジュールは前端側のバッテリモジュールを冷却して温度が上昇した冷却風に接触するために冷却され難くなり、冷却効果が低下する。このように、冷却効果の差によって個々のバッテリモジュールの温度にばらつきが発生すると、電力容量が減少したり耐久性が低下する。

この対策として、特許文献１のバッテリの冷却構造がある。特許文献１に開示されるバッテリの冷却構造の概略を、図５に示す断面図を参照して説明する。

冷却風入口１０８及び冷却風出口１０９を有する角筒状のバッテリケース１０５内に、多数の棒状のバッテリモジュール１０１を交互に間隔を有して平行に配置し、冷却風入口１０８から導入される冷却風Ｆでバッテリモジュール１０１を冷却するものであって、バッテリケース１０５の上面及び下面を区画する導風板１０６及び１０７の内面に冷却風Ｆの流れを下流側中央部に偏向させる冷却風案内溝１０６ａと１０７ａを設ける。

この導風板１０６に設けた冷却風案内溝１０６ａで冷却風Ｆの流れをバッテリケース１０５の下流側中央部に向けて偏向させると共に、導風板１０７に設けた冷却風案内溝１０７ａによって下流中央部に偏向することで、バッテリケース１０５の下流側中央部に配置されているために冷却効率が低いバッテリモジュール１０１を積極的に冷却し、バッテリケース５内に配置された多数のバッテリモジュール１０１の温度を均一化する。

特開２００５−１８３３４３号公報

上記特許文献１によると、多数のバッテリモジュールが平行配置されたバッテリケース内の冷却風の流れを、導風板に設けた冷却風案内溝で下流側中央部に向けて偏向することで下流側中央部に配置されるバッテリモジュールの冷却効果が向上する。

しかし、冷却風入口からバッテリケース内に導入される冷却風の流れにより多数配置された各バッテリモジュールを均一に冷却することは極めて困難であり、各バッテリモジュールの温度にばらつきが生じる。また、棒状の各バッテリモジュールにおける長さ方向の各部においても冷却風により均一に冷却することは困難であり、各バッテリモジュールの長さ方向においても温度にばらつきが発生する。

この個々のバッテリモジュールの温度にばらつきがあると共に、各バッテリモジュールの長さ方向においても温度にばらつきがあると、電力容量が減少したり耐久性が低下する要因となる。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、本発明の第１の目的はバッテリモジュールの長さ方向に亘って均一に冷却するバッテリモジュールの冷却構造を提供することにある。

第２の目的は、複数のバッテリモジュールを均一に、かつ各バッテリモジュールを長さ方向に亘って均一に冷却するバッテリパックの冷却構造を提供することにある。

前記第１の目的を達成する請求項１に記載のバッテリモジュールの冷却構造は、直列に接続された複数の電池セルを円筒形容器内に収納して構成されたバッテリモジュールの冷却構造において、前記円筒形容器の外周に螺旋状に巻き回されて上流側から供給される冷却液を下流側から排出する冷媒通路管を備え、該冷媒通路管は上流側から下流側に移行するに従って長さ方向に隣接する冷媒通路管間のピッチが漸次減少することを特徴とする。

これによると、上流側では冷却液が円筒形容器の周りを冷媒通路管に誘導されて螺旋状に流れて円筒形容器内の電池セルを効率的に冷却する一方、下流側では上流側で電池セルを冷却することで冷却液の温度が上昇して冷却効率が低下するが、冷媒通路管間のピッチが漸次減少することで冷媒通路管の巻回密度が密になり積極的に円筒形容器内の電池セルが冷却されて円筒形容器にその長さ方向に亘って収容される各電池セルの温度差が抑制される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のバッテリモジュールの冷却構造において、前記円筒形容器は、該円筒形状容器の外周に上流側から下流側に移行するに従って溝間のピッチが漸次減少する螺旋状に連続する断面円弧状の螺旋状溝が形成され、前記冷媒通路管は、前記螺旋状溝に沿って嵌合して螺旋状に巻き回されたことを特徴とする。

これによると、円筒形容器の外周に形成された断面円弧状の螺旋状溝に冷媒通路管を嵌合して巻き回することで、円筒形容器と冷媒通路管との熱伝達経路となる接触面積が確保されて冷媒通路管と円筒形容器との間の熱伝達効率が確保されると共に、円筒形容器に冷媒通路管が安定した状態で保持される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のバッテリモジュールの冷却構造において、前記冷媒通路管は、上流側及び下流側が放熱器に連結し、放熱器で冷却された冷却液が冷媒通路管に供給され、バッテリモジュールを冷却して加温された冷却液が前記放熱器に戻る冷媒液循環経路を備えたことを特徴とする。

これによると、円筒形容器に巻き回された冷媒通路管の上流側及び下流側が放熱器に連結し、放熱器で冷却された冷却液を冷媒通路管に供給し、バッテリモジュールを冷却して加温された冷却液が放熱器に戻る冷媒液循環経路を備えることで安定的にバッテモジュールの冷却が得られる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のバッテリモジュールの冷却構造において、前記放熱器と冷媒通路管の上流側との間に冷媒ポンプが介在することを特徴とする。これによると、冷媒ポンプにより冷却液を冷媒液循環経路を積極的に循環させることで安定的にバッテモジュールの冷却が得られる。

前記第２の目的を達成する請求項５に記載のバッテリパックの冷却構造は、複数の電池セルが直列に接続して円筒形容器内に収納して構成されたバッテリモジュールが複数配列して収納されたバッテリパックの冷却構造において、前記各バッテリモジュールの円筒形容器の外周に上流側から下流側に移行するに従って長さ方向に隣接する冷媒通路管間のピッチが漸次減少する螺旋状に巻き回されて上流側から供給される冷却液を下流側から排出する冷媒通路管を備え、放熱器から分岐管を介して前記各冷媒通路管の上流側に連通し、各冷媒通路管の下流側が集合管を介して集結して前記放熱器に連通し、前記放熱器で冷却された冷却液が分岐管を介して前記各冷媒通路管に分配供給され、各バッテリモジュールを冷却して加温された冷却液が集合管を介して集合して前記放熱器に戻る冷媒液循環経路を備えたことを特徴とする。

これによると、放熱器で冷却された冷却液が分岐管から各バッテリジェネレータの冷媒通路管に分配供給することで各バッテリモジュールの均一な冷却が得られ、かつ各バッテリモジュールにおいて冷却液が上流側で円筒形容器の周りを冷媒通路管に誘導されて螺旋状に流れて円筒形容器内の電池セルを効率的に冷却する一方、下流側では冷媒通路管間のピッチが漸次減少することで冷媒通路管の巻回密度が密になり積極的に円筒形容器内の電池セルが冷却されて円筒形容器に収容される各電池セルの温度差が抑制される。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のバッテリパックの冷却構造において、前記円筒形容器は、該円筒形容器の外周に上流側から下流側に移行するに従って溝間のピッチが漸次減少する螺旋状に連続する断面円弧状の螺旋状溝が形成され、前記冷媒通路管は、前記螺旋状溝に沿って嵌合して螺旋状に巻き回されたことを特徴とする。

これによると、円筒形容器の外周に形成された断面円弧状の螺旋状溝に冷媒通路管を嵌合して巻き回することで、円筒形容器と冷媒通路管との熱伝達経路となる接触面積が確保されて冷媒通路管と円筒形容器との間の熱伝達効率が確保される。

請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載のバッテリパックの冷却構造において、前記放熱器と分岐管との間に冷媒ポンプが介在することを特徴とする。これによると、冷媒ポンプにより圧送して分岐管により各冷媒通路管に均一に分配されると共に冷媒液循環経路を積極的に循環させることで安定的に各バッテモジュールの冷却が得られる。

本発明によると、複数の電池セルを円筒形容器内に収納して構成されたバッテリモジュールにおいて、円筒形容器の外周に冷媒通路管を上流側から下流側に移行するに従って長さ方向のピッチが漸次減少する螺旋状に巻き回することで、上流側では冷却液が円筒形容器の周りを冷媒通路管に誘導されて螺旋状に流れて円筒形器内の電池セルを効率的に冷却する一方、下流側では冷媒通路管の巻回密度が密になり積極的に円筒形容器内の電池セルが冷却されて円筒形容器に収容される各電気セルの温度差が抑制される。

実施の形態に係るバッテリパックの概要を示す一部破断斜視図である。 バッテリパックの冷却回路図である。 バッテリモジュールの円筒形容器の説明図である。 バッテリモジュールの円筒形容器の説明図である。 従来のバッテリの冷却構造の説明図である。

以下、本発明の一実施の形態を図１乃至図４に基づいて説明する。

図１はバッテリパックの概要を示す一部破断斜視図、図２はバッテリパックの冷却回路図、図３及び図４はバッテリモジュールの円筒形容器の説明図である。

図１に示すように、バッテリパック１は、概略薄箱状であって略矩形の底部３と、対向する両側面を構成する略矩形の第１プレート４及び第２プレート５と、第１プレート４及び第２プレート５の両端間に接続する第３プレート６及び第４プレート７とを備えるバッテリケース２を有する。バッテリケース２の上部には、平板状のカバー８が覆設される。

バッテリケース２内に、複数、本実施の形態では１０本のバッテリモジュール１０が、それぞれ長さ方向の一方端である上端１０ａを第1プレート４側に、下端１０ｂを第２プレート５側として第１プレート４と第２プレート５の間に掛け渡された状態で、第３プレート６と第４プレート７との間に亘って配列される。バッテリモジュール１０は、例えばリチウムイオン電池或いはニッケル水素電池よりなる円柱状の電池セルが複数個、例えば１０個の電池セルが直列に接続して円筒形容器１１内に収納して構成され、円筒形容器１１の外周に冷媒通路管１６が巻回されて構成される。

バッテリケース２内に配列された各バッテリモジュール１０は、冷媒通路管１６に供給される冷媒液となる冷却水によって冷却される。

図２に冷却回路２０を示す。放熱器２１及び冷媒ポンプ２２を備え、各バッテリモジュール１０の冷媒通路管１６の流出口１６ｂが集合管２３を介して集合し、排出管２４によって放熱器２１の取入口２１ａに連結する。放熱器２１の出口２１ｂが供給管２５を経由して冷媒ポンプ２２の吸込口２２ａ側に接続され、冷媒ポンプ２２の吐出口２２ｂが分岐管２６を介して各バッテリモジュール１０の冷媒通路管１６の流入口１６ａに接続される。

これにより放熱器２１によって冷却された冷却水が供給管２５を介して冷媒ポンプ２２に供給され、冷媒ポンプ２２によって送出された冷却水が分岐管２６によって均等に分配されて各バッテリモジュール１０の冷媒通路管１６に供給され、更に、各バッテリモジュール１０を冷却して加温された冷却水が集合管２３によって集合して、排出管２４を介して放熱器２１に戻る冷媒液循環経路が形成される。

各バッテリモジュール１０の電池セルを収容する円筒形容器１１を、図３及び図４を参照して説明する。

円筒形容器１１は、熱伝導性に優れた熱伝導率が強化された樹脂またはアルミニウム、銅、等によって構成され、図３に示すように直列に接続された複数個の電池セルを収容する円筒状の筒部１２と、筒部１２の上端１２ａ近傍に第１フランジ１３が形成され、下端１２ｂの近傍に第２フランジ１４が形成される。これら第１フランジ１３及び第２フランジ１４がそれぞれバッテリケース２の第１プレート４及び第２プレート５に形成された保持部に係合してバッテリケース２内に装着される。

第１フランジ１３と第２フランジ１４との間における筒部１２の外周に、上流側となる第１フランジ１３側から下流側となる第２フランジ１４側に亘って螺旋状に連続する断面円弧状の螺旋状溝１５が形成される。

この螺旋状溝１５は、上流側の第１フランジ１３側から下流側の第２フランジ１４側に移行するに従って長さ方向に隣接する溝間のピッチＰが漸次小さくなるように形成される。即ち、螺旋状溝１５の密度が上流側の第１フランジ１３側では粗に形成され、下流側の第２フランジ１４側に移行するに従って次第に密になるように形成される。

この円筒形容器１１は、例えば、予め生産性に優れた射出成型等の成形加工が容易な複数、例えば分割線ＰＬにおいて２個に分割可能な断面円弧状の半割形状体１１Ａと１１Ｂに分割形成し、互いに接合して形成することで、容易かつ安価に製造できる。

このように形成された円筒形容器１１の螺旋状溝１５に沿って、図４に示すように螺旋状溝１５に嵌装して冷媒通路管１６を巻き付けると共に、上流側端となる冷媒通路管１６の流入口１６ａを第１フランジ１３に形成された貫通穴から突出し、下流側端となる流出口１６ｂを第２フランジ１４に形成された貫通穴から突出する。

この螺旋状溝１５に沿って巻き付けられた冷媒通路管１６は、螺旋状溝１５に嵌合して円筒形容器１１に位置決めされると共に安定した状態に保持され、かつ上流側となる第１フランジ１３側から下流側となる第２フランジ１４側に移行するに従って長さ方向に隣接する冷媒通路管１６間のピッチＰが漸次減少されて小さくなる。即ち、冷媒通路管１６の巻回密度が上流側では粗に形成され、下流側に移行するに従って次第に密になるように形成される。

更に、円筒形容器１１の外周に形成された断面円弧状の螺旋状溝１５に冷媒通路管１６を嵌合して巻き回することで、円筒形容器１１と冷媒通路管１６との熱伝達経路となる接触面積が確保されて冷媒通路管１６と円筒形容器１１との間の熱伝達効率が確保されと共に、円筒形容器１１の外周に冷媒通路管１６が安定した状態で保持される。

この冷媒通路管１６は、円筒形容器１１の外周に巻き付けが容易な比較的柔軟でかつ円筒形容器１１に対する熱伝導性に優れたアルミニウム、銅、熱伝導率が強化された樹脂製の管材が好ましい。

次に、上記構成を備えたバッテリモジュール及びバッテリパックの冷却作用を説明する。

車両の走行に伴って、モータジェネレータをモータとして駆動すると、各バッテリモジュール１０が放電し、またモータジェネレータをジェネレータとして駆動すると各バッテリモジュール１０が充電され、何れの場合にも各バッテリモジュール１０が発熱して容量や耐久性が低下するため、放熱器２１で冷却された冷却水を冷媒ポンプ２２によって分岐管２６から各バッテリモジュール１０の冷媒通路管１６の流入口１６ａに分配供給することで各バッテリモジュール１０の冷却が図られる。

各バッテリモジュール１０の冷媒通路管１６の流入口１６に供給された冷却水は、円筒形容器１１の外周に螺旋状に巻き回された冷媒通路管６を介して円筒形容器１１の上流側となる第１フランジ１３側から下流側の第２フランジ１４側に至る円筒形容器１１の長さ方向に亘って冷却する。

ここで、冷却水が上流側で円筒形容器１１の周りを冷媒通路管１６に誘導されて螺旋状に流れて円筒形容器１１内の電池セルが効率的に冷却される一方、下流側では上流側で電池セルを冷却して冷却水の温度が上昇して冷却水による冷却効率が低下するが、冷媒通路管１６間のピッチＰが漸次減少して冷媒通路管１６の巻回密度が密になり積極的に円筒形容器１１内の電池セルが冷却されて、上端１１ａ側から下端１１ｂ側の長さ方向に亘って円筒形容器１１に収容された各電池セル全体が均一に冷却され、円筒形容器１１に収容される各電池セルの温度差、即ち各電池セルの温度のばらつきが抑制される。

各バッテリモジュール１０を冷却して加温された冷却水は集合管２３によって集合して、排出管２４を介して放熱器２１に戻る。

従って、本実施の形態によると、放熱器２１によって冷却された冷却水を冷媒ポンプ２２から分岐管２６によって各バッテリモジュール１０の冷媒通路管１６に均等に分配供給することで各バッテリモジュール１０間の冷却温度差が抑制される。更に、各バッテリモジュール１０において円筒形容器１１の周りを上流側から下流側に移行するに従って漸次長さ方向のピッチＰが減少して巻回密度が密になる螺旋状に巻回された冷媒通路管１６に誘導されて流れる冷却水によって冷却することで上端１１ａ側から下端側１１ｂに至る長さ方向に亘って円筒形容器１１に収容された各電池セル全体が均一に冷却され、円筒形容器１１に収容される各電池セルの温度のばらつきが抑制される。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施の形態では各バッテリモジュール１０の円筒形容器１１の外周に単一の冷媒通路管１６を上流側から下流側に移行するに従って漸次長さ方向のピッチＰが減少する螺旋状に巻回した場合を例に説明したが、円筒形容器の外周に複数の冷媒通路管を上流側から下流側に移行するに従って漸次長さ方向のピッチが減少する螺旋状に巻回して構成することができる。

１ バッテリパック
１０ バッテリモジュール
１０ａ 上端
１０ｂ 下端
１１ 円筒形容器
１２ 筒部
１５ 螺旋状溝
１６ 冷媒通路管
１６ａ 流入口（上流側）
１６ｂ 流出口（下流側）
２０ 冷却回路
２１ 放熱器
２２ 冷媒ポンプ
２３ 集合管
２４ 排出管
２５ 供給管
２６ 分岐管

Claims (7)

1. 直列に接続された複数の電池セルを円筒形容器内に収納して構成されたバッテリモジュールの冷却構造において、
   前記円筒形容器の外周に螺旋状に巻き回されて上流側から供給される冷却液を下流側から排出する冷媒通路管を備え、該冷媒通路管は上流側から下流側に移行するに従って長さ方向に隣接する冷媒通路管間のピッチが漸次減少することを特徴とするバッテリモジュールの冷却構造。
2. 前記円筒形容器は、
   該円筒形容器の外周に上流側から下流側に移行するに従って溝間のピッチが漸次減少する螺旋状に連続する断面円弧状の螺旋状溝が形成され、
   前記冷媒通路管は、
   前記螺旋状溝に沿って嵌合して螺旋状に巻き回されたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリモジュールの冷却構造。
3. 前記冷媒通路管は、
   上流側及び下流側が放熱器に連結し、放熱器で冷却された冷却液が冷媒通路管に供給され、バッテリモジュールを冷却して加温された冷却液が前記放熱器に戻る冷媒液循環経路を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリモジュールの冷却構造。
4. 前記放熱器と冷媒通路管の上流側との間に冷媒ポンプが介在することを特徴とする請求項３に記載のバッテリモジュールの冷却構造。
5. 複数の電池セルが直列に接続して円筒形容器内に収納して構成されたバッテリモジュールが複数配列して収納されたバッテリパックの冷却構造において、
   前記各バッテリモジュールの円筒形容器の外周に上流側から下流側に移行するに従って長さ方向に隣接する冷媒通路管間のピッチが漸次減少する螺旋状に巻き回されて上流側から供給される冷却液を下流側から排出する冷媒通路管を備え、
   放熱器から分岐管を介して前記各冷媒通路管の上流側に連通し、各冷媒通路管の下流側が集合管を介して集結して前記放熱器に連通し、
   前記放熱器で冷却された冷却液が分岐管を介して前記各冷媒通路管に分配供給され、各バッテリモジュールを冷却して加温された冷却液が集合管を介して集合して前記放熱器に戻る冷媒液循環経路を備えたことを特徴とするバッテリパックの冷却構造。
6. 前記円筒形容器は、
   該円筒形容器の外周に上流側から下流側に移行するに従って溝間のピッチが漸次減少する螺旋状に連続する断面円弧状の螺旋状溝が形成され、
   前記冷媒通路管は、
   前記螺旋状溝に沿って嵌合して螺旋状に巻き回されたことを特徴とする請求項５に記載のバッテリパックの冷却構造。
7. 前記放熱器と分岐管との間に冷媒ポンプが介在することを特徴とする請求項５または６に記載バッテリパックの冷却構造。

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