JP2014216298A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池の温度上昇の低減および均一化を促進する。【解決手段】本発明による電池モジュールは、複数の電池、および、複数の電池が配列されるプレート面と冷媒が流れる冷媒流路とを有する満液式冷却プレートを備える電池モジュールであって、冷媒流路は、複数の電池の配列方向に沿った一端側から他端側に向かって延在する第１の往路流路および第２の往路流路と、他端側から一端側に向かって延在して第１の復路流路および第２の復路流路と、一端側に設けられた冷媒入口および冷媒出口とを有し、第１の往路流路および第２の往路流路と第１の復路流路および第２の復路流路のうちのいずれか２つの流路の流速が他の２つの流路の流速よりも速くなるように、流路の断面積または流路の流量が設定され、流速が速い流路が冷却プレートの中央部に配置されていることを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、複数の充放電可能な単電池を接続して構成される電池モジュールに関する。

ハイブリッド自動車、電気自動車等に電源装置として搭載される電池モジュールは、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池等の複数の単電池を接続することによって構成される。電池モジュールの充放電電流は一般的に大きく、各単電池の発熱量も大きくなり、その結果、単電池自体の温度上昇も大きくなる。単電池の温度上昇は電池寿命の観点からできるだけ小さくする方が望ましく、速やかに冷却する必要がある。

これら複数の単電池を速やかに冷却する方法として、液体冷媒を用いる方法がある。例えば、冷媒の流路を有する冷却プレートの一面に絶縁シートを介して複数の電池を冷却可能に結合配列し、冷却プレートに冷媒を供給して電池を冷却する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。あるいは、隔壁を有するものとして冷媒流路を積層フィルムで形成して製造が容易で軽量な薄型流路成型体による冷却方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−６２１３０号公報 特開２００４−２０７４５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている冷媒通路のように、断面が一定で一直線状に延在する冷媒通路の場合、冷媒通路内における冷媒の流れが一様であり、熱伝達が小さく、また、冷却プレートの冷媒の流れ方向に温度分布が形成され易く、電池モジュール内の各単電池の温度均一性を十分に確保することは困難であった。

請求項１の発明による電池モジュールは、複数の電池、および、複数の電池が配列されるプレート面と冷媒が流れる冷媒流路とを有する満液式冷却プレートを備える電池モジュールであって、冷媒流路は、複数の電池の配列方向に沿った一端側から他端側に向かって延在する第１の往路流路および第２の往路流路と、他端側から一端側に向かって延在して第１の復路流路および第２の復路流路と、一端側に設けられた冷媒入口および冷媒出口とを有し、第１の往路流路および第２の往路流路と第１の復路流路および第２の復路流路のうちのいずれか２つの流路の流速が他の２つの流路の流速よりも速くなるように、流路の断面積または流路の流量が設定され、流速が速い流路が冷却プレートの中央部に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、電池の温度上昇の低減および均一化を促進できる。

電池モジュールの外観を示す模式的な斜視図である。 電池モジュールの冷却構造を示す模式的な斜視図である。 上部カバーおよび側板を取り外した電池モジュールの模式的な側面図である。 冷却プレートの単体の模式的な斜視図である。 第１の実施の形態の冷却プレートの断面図である。 第２の実施の形態の冷却プレートの断面図である。 第３の実施の形態の冷却プレートの断面図である。 第４の実施の形態の冷却プレートの断面図である。 第５の実施の形態の電池モジュールの冷却構造を示す模式的な斜視図である。 第６の実施の形態の電池モジュールの冷却構造を示す模式的な正面図である。 第６の実施の形態の電池モジュールの冷却構造を示す模式的な側面図である。 比較例１の模式的な構造を示す断面図である。 比較例２の模式的な構造を示す断面図である。 ３次元熱解析の結果を示すグラフである。

−−−第１の実施の形態−−−
図１〜５を参照して、本発明による電池モジュールの第１の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態の電池モジュール１００の外観を示す模式的な斜視図である。図２は、電池モジュール１００の冷却構造を示す模式的な斜視図である。図３は、上部カバー４１および側板４２を取り外した電池モジュール１００の模式的な側面図である。

電池モジュール１００は、図３に示すように、たとえば同じ厚さの樹脂製のスペーサ１６を複数の角形単電池１０の間に設けて積層された電池群を有している。角形単電池１０の積層方向（配列方向）を、以下単に、配列方向とも呼ぶ。この配列方向は、たとえば、図３における図示左右方向である。電池モジュール１００の配列方向の両側は、一対のエンドプレート１７で覆われている。電池モジュール１００の下部は、冷却プレート１で覆われており、電池モジュール１００の上部は、上部カバー４１で覆われている。そして、電池モジュール１００の横幅方向両側は、一対の側板４２で覆われている。

これらの冷却プレート１と、一対のエンドプレート１７と、上部カバー４１と、一対の側板４２は、４本の結合部材４３によって一体に結合されている。結合部材４３は、一対のエンドプレート１７、１７の間に亘って配列方向に延在する長さを有している。

上部カバー４１は、配列方向に沿って延在するガス排出通路５１を有している。ガス排出通路５１は、各角形単電池１０の後述する排出弁１５に連通しており、電池異常時にガス排出弁１５から排出されたガスを流入させて、ガス排出パイプ５２から系外に放出するように構成されている。電池モジュール１００の下部には、上述したように冷却プレート１が設けられており、電池モジュール１００の横幅方向両端部は、一対の側板４２で挟持されて密閉されている。

それぞれの角型単電池１０は、冷却プレート１に熱伝導率の良い、たとえば１Ｗ（ｍ・Ｋ）以上で耐電圧が高い、たとえば主成分がエポキシ樹脂から成る接着剤１８により熱的に接触している。これにより、角型単電池１０と冷却プレート１の熱的接触が良好になり、万が一、角型単電池１０が短絡した場合でもモジュール１００の信頼性を向上できる。また、接着剤の代わりに耐電圧が高い熱伝導プラスチックあるいは熱伝導シートを介して角型電池を熱的に接触する構造でも同様な効果がある。

また、それぞれの角型単電池１０は、上述したように、スペーサ１６を介して互いに同じ距離、すなわちスペーサ１６の厚さ分だけ離間している。そのため、それぞれの角形単電池１０では、スペーサ１６を介して向き合う面からも放熱される。したがって、後述する冷却プレート１による冷却とともに、さらにそれぞれの角形単電池１０を均一に冷却できる。

図２に示すように、入口冷媒６は、冷却プレート１に設けられた冷媒入口４に流入し、冷却プレート１内に設けられた冷媒流路を流れ、角形単電池１０の底面を冷却しながら最終的には冷却プレート１に設けられた冷媒出口５から出口冷媒７として流出する。角形単電池１０は、配列方向に沿った厚さが薄くなるように扁平した略直方体形状を呈する充放電可能な二次電池であり、それぞれ正極と負極となる一対の外部端子１４、１４を有する。そして、角形単電池１０の上面中央には電池容器内の圧力が所定以上になった場合に開裂して電池容器内のガスを外部に排出するガス排出弁１５が設けられている。以下の説明では、角形単電池１０の面の名称に関し、外部端子１４、１４ガス排出弁１５が設けられた面を上面と呼び、上面と対向する反対側の面を底面と呼ぶ。また、配列方向に垂直な幅の広い一対の面をそれぞれ幅広面と呼ぶ。

図４は、冷却プレート１の単体の模式的な斜視図である。冷却プレート１は満液式冷却プレートであり、上板８と容器９とを有する。上板８の上面には、冷媒入口４と冷媒出口５とが設けられている。冷却プレート１の上板８は、たとえば熱伝導率が良いアルミダイキャスト、アルミニウム、マグネシウム等の金属により形成されている。角形単電池１０との電気絶縁性が問題となる場合は、耐電圧が高いプラスチック、たとえばポリエステル、ポリエチレン等を用いてもよい。容器９も同様に、熱伝導率が良いアルミダイキャスト、アルミニウム、マグネシウム等の金属及び耐電圧が高いプラスチック、たとえばポリエステル、ポリエチレン等を用いてもよい。

上板８と容器９が金属同士の場合、たとえばアルミダイカストの場合には、それぞれを溶接により接合してもよく、真空炉ロウ付け等で接合してもよい。上板８が金属で、容器８が樹脂の場合には、接合面に適当なシール部材、たとえばテフロン（登録商標）製のパッキン等を設けてカシメることも可能である。上板８及び容器９の両方がプラスチックの場合には、接着剤等で接着してもよい。

図５は、本実施の形態の冷却プレート１の断面図であり、冷媒の流れを示す模式的な図である。本実施の形態の冷却プレート１は、容器９の内部が複数の隔壁１１によって仕切られている。隔壁１１同士の間の空間、および容器９の内側の側壁と隔壁１１との間の空間は、冷媒が流れる流路部１０１，１０２である。

図５における冷却プレート１の平面視において、図示上下方向が角形単電池１０の配設方向である。説明の便宜上、冷却プレート１の配列方向に沿った両端、すなわち図５における冷却プレート１の上端および下端のうち、冷媒入口４および冷媒出口５が設けられている図示下端を、以下単に、冷却プレート１の一端と呼び、図示上端を、以下単に、冷却プレート１の他端と呼ぶ。なお、冷却プレート１上の位置を表す場合には、単に、一端側や他端側と呼ぶことがある。

また、説明の便宜上、以下の説明では、図５における冷却プレート１の図示左右方向の中央側に位置する流路部１０１等に関する部位、部材等の名称の前に、中央、中央側、中心、中心側または内側との呼び名を付して説明する。同様に、図５における冷却プレート１の図示左右方向の外側に位置する流路部１０２等に関する部位、部材等の名称の前に、外側との呼び名を付して説明する。

本実施の形態では、入口冷媒６が容器９の底面に対して略垂直に流入するように、管状の冷媒入口４が上板８の上面に対して略垂直に立設されている。冷媒出口５についても同様である。

流路部１０１は、上述したように冷却プレート１の中央側に設けられた冷媒の流路であり、冷媒が一端側から他端側に向かって流れる内側往路流路１０１Ａと、冷媒が他端側から一端側に向かって流れる内側復路流路１０１Ｂとを有する。また、流路部１０１は、内側往路流路１０１Ａと内側復路流路１０１Ｂとを他端側で連通する内側連通部１０１Ｃを有する。以下の説明では、流路部１０１を内側流路１０１とも呼ぶ。

流路部１０２は、上述したように冷却プレート１の外側に設けられた冷媒の流路であり、冷媒が一端側から他端側に向かって流れる外側往路流路１０２Ａと、冷媒が他端側から一端側に向かって流れる外側復路流路１０２Ｂとを有する。また、流路部１０２は、外側往路流路１０２Ａと外側復路流路１０２Ｂとを他端側で連通する外側連通部１０２Ｃを有する。以下の説明では、流路部１０２を外側流路１０２とも呼ぶ。

本実施の形態の隔壁１１は、内側往路流路１０１Ａと外側往路流路１０２Ａとを隔てる往路隔壁１１ａと、内側往路流路１０１Ａと内側復路流路１０１Ｂとを隔てる中央隔壁１１ｂと、内側復路流路１０１Ｂと外側復路流路１０２Ｂとを隔てる復路隔壁１１ｃとを有する。往路隔壁１１ａおよび復路隔壁１１ｃは、配列方向の一端側および他端側の端部が容器９の一端側および他端側の内壁面と離間している。中央隔壁１１ｂは、配列方向の一端側の端部が容器９の一端側の内壁面と当接し、他端側の端部が容器９の他端側の内壁面と離間している。

本実施の形態の冷却プレート１では、各隔壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対する冷媒入口４および冷媒出口５の位置を偏心させて、互いの位置関係を調整することによって、中内側往路流路１０１Ａと外側往路流路１０２Ａの冷媒流量を変えることができる。これにより、冷却プレート１の構造を簡略化でき、コストダウンを図れる。

冷媒（入口冷媒６）は、図５に示すように、冷媒入口４から冷却プレート１の容器９の底面に垂直に流入され、往路隔壁１１ａにより流れを２分され、内側往路流路１０１Ａを流れる冷媒６ａと、外側往路流路１０２Ａを流れる冷媒６ｂに分れる。両冷媒６ａ，６ｂは、角形単電池１０の配列方向、すなわち冷媒の流れ方向に延在する往路隔壁１１ａおよび中央隔壁１１ｂの長手方向に向かって流れ、容器９の他端側で流れの向きを反転する。

すなわち、冷媒６ａは、内側連通部１０１Ｃを通って流れの向きを反転し、内側復路流路１０１Ｂを流れる。内側復路流路１０１Ｂを流れる冷媒７ａは、冷媒出口５に向かって流れる。一方、冷媒６ｂは、外側連通部１０２Ｃを通って流れの向きを反転し、外側復路流路１０２Ｂを流れる。外側復路流路１０２Ｂを流れる冷媒７ｂは、冷媒出口５に向かって流れる。冷媒７ａと冷媒７ｂは合流して冷媒出口５から排出される。

なお、本実施の形態では、冷却プレート１の内面の高さ（仮にｈとする）、すなわち容器９の底面と上板８との対向面同士の離間距離が任意の位置で一定である。そして、本実施の形態では、往路隔壁１１ａの他端側の端部と容器９の他端側の内壁面と離間の離間距離Ｄｂを外側往路流路１０２Ａの流路幅Ｗよりも短くしている。したがって、往路隔壁１１ａの他端側の端部、容器９の他端側の内壁面、容器９の底面および上板８で形成された部位である、外側往路流路１０２Ａの出口における流路の断面積Ｄｂ×ｈは、外側往路流路１０２Ａの流路断面積Ｗ×ｈよりも小さい。

そのため、外側連通部１０２Ｃにおける冷媒６ｂの流速は、外側往路流路１０２Ａを流れる冷媒６ｂの流速よりも速い。このように、外側連通部１０２Ｃにおける冷媒６ｂの流速を上げることで、隔壁１が設けられていない内側連通部１０１Ｃと外側連通部１０２Ｃとの間で、内側往路流路１０１Ａを流れてきた冷媒６ａと外側往路流路１０２Ａを流れてきた冷媒６ｂとの混ざりを抑制している。

なお、本実施の形態では、中央隔壁１１ｂの他端側の端部と容器９の他端側の内壁面との離間距離Ｄａを、往路隔壁１１ａの他端側の端部と容器９の他端側の内壁面と離間の離間距離Ｄｂよりも長くしている。この隔壁１１ａ，１１ｂの他端側の端部の突出量の差によって、内側連通部１０１Ｃおよび外側連通部１０２Ｃを構成している。

内側流路１０１と外側流路１０２とにおける冷媒の温度は、冷媒入口４付近が最も低い。冷媒は、充放電により発熱している複数個の角形単電池１０の熱を、角形単電池１０の底面部および冷却プレート１の上板８を介して冷却し、吸熱しながら冷媒出口５に向かって流れ、徐々に温度が上昇する。

本実施の形態では、中央隔壁１１ｂは、内側往路流路１０１Ａを流れる冷媒６ａと、内側復路流路１０１Ｂを流れる冷媒７ａとの間で中央隔壁１１ｂを介した熱交換ができるように構成されている。これにより、冷媒７ａが温度の低い冷媒６ａと熱交換することによって、冷媒の温度上昇を小さくすることができる。なお、本実施の形態では、たとえば、中央隔壁１１ｂを熱伝導率が高い金属や樹脂などで構成している。容器９が金属製である場合には、容器９と同じ材料で形成された中央隔壁１１ｂを溶接やロウ付け等で容器９に固定してもよい。なお、隔壁１１を介して隣り合う流路同士での少量の冷媒の混ざり合いは、冷却プレート１の冷却能力に影響を与えない範囲で許容される。したがって、隔壁１１と、容器９や上板８との間に僅かな隙間があっても上記の範囲内で許容される。

角形単電池１０は、横幅方向両端よりも中心部のほうが高温になる。本実施の形態では、冷却プレート１の中央部分の内側流路１０１の冷媒流量を冷却プレート１の外側部分の外側流路１０２の冷媒流量よりも多くすることで内側流路１０１における冷媒の流速を外側流路１０２における冷媒の流速よりも速くしている。なお、冷媒の流速を速くすることで、角形単電池１０から冷媒への熱伝達率が向上する。これにより、冷却プレート１上の複数の角形単電池１０の高温部分をより低温の冷媒でより効率的に冷却できるので、角形電池１０を効率的に冷却できる。

なお、流量の大小の調節は、上述したように、冷媒入口４および冷媒出口５の配設位置を往路隔壁１１ａおよび復路隔壁１１ｃに対して、中央隔壁１１ｂ側に偏心させることによって容易に調節できる。図５において、δａは、往路隔壁１１ａに対する冷媒入口４の偏心量を表し、δｂは、復路隔壁１１ｃに対する冷媒出口５の偏心量を表す。

さらに、各隔壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃの板厚、すなわち図５における図示左右方向の厚さを適宜設定することで、冷却プレート１へ垂直方向に作用する荷重に対する強度部材を兼ねることができ、電池モジュール１００の信頼性を向上できる効果もある。

このように、本実施の形態では、冷却プレート１の中心部分と外側部分に別々の流路１０１，１０２を設け、中心部分の冷媒流量と外側部分の冷媒流量を調節できるように構成している。そして、冷却プレート１の中央部分の内側流路１０１の冷媒流量を冷却プレート１の外側部分の外側流路１０２の冷媒流量よりも多くすることで内側流路１０１における冷媒の流速を外側流路１０２における冷媒の流速よりも速くしている。これにより、冷却プレート１の中心部分を効果的に冷却できるとともに、効果的に冷却プレート１の表面温度を均一にできるので、冷却プレート１と熱的に接触している複数の角型単電池１０の温度を均一にすることが可能となる。したがって、角形単電池１０での充放電による各電池での温度上昇の低減および均一化を促進し、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキを低減するとともに、信頼性の高いコンパクトな電池モジュール１００を提供できる。

また、冷却プレート１の中心部分の温度上昇した冷媒７ａと温度が最も低い入口冷媒６ａと熱交換できるように隔壁１１ｂを構成している。これにより、冷却プレート１の中心部分をさらに効果的に冷却することができるとともに、さらに効果的に冷却プレート１の表面温度を均一にできるので、冷却プレート１と熱的に接触している複数の角型単電池１０の温度をより一層均一にすることが可能となる。したがって、角形単電池１０での充放電による各電池での温度上昇の低減および均一化をさらに促進し、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキをより低減するとともに、信頼性のより高いコンパクトな電池モジュール１００を提供できる。

−−−第２の実施の形態−−−
図６を参照して、本発明による電池モジュールの第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、本実施の形態では、冷却プレート１の中央部分の内側流路１０１の流路幅を冷却プレート１の外側部分の外側流路１０２の流路幅よりも狭くすることで内側流路１０１における冷媒の流速を外側流路１０２における冷媒の流速よりも速くしている点で、第１の実施の形態と異なる。

図６は、本実施の形態の冷却プレート１の断面図であり、冷媒の流れを示す模式的な図である。本実施の形態では、上述したように、冷却プレート１の中央部分の内側流路１０１の流路幅Ｗ１が冷却プレート１の外側部分の外側流路１０２の流路幅Ｗ２よりも狭くなるように各隔壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃを配設している。そのため、内側流路１０１の流路断面積Ｗ１×ｈは、外側流路１０２の流路断面積Ｗ２×ｈよりも狭い。そして、内側往路流路１０１Ａと外側往路流路１０２Ａの冷媒流量とが略同じ流量になるように、各隔壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対する冷媒入口４および冷媒出口５の位置を適宜設定している。これにより、上述したように、内側流路１０１における冷媒の流速は、外側流路１０２における冷媒の流速よりも速い。また、これにより、冷却プレート１の構造を簡略化でき、コストダウンを図れる。なお、第１の実施の形態で述べたように、冷媒の流速を速くすることで、角形単電池１０から冷媒への熱伝達率が向上する。

本実施の形態では、冷却プレート１の中心部分と外側部分に別々の流路１０１，１０２を設け、中心部分の冷媒流量と外側部分の冷媒流量をほぼ同じにし、中心部分の冷媒流速が外側部分の冷媒流速より速くなるように構成している。これにより、冷却プレート１の中心部分での熱伝達率が向上し、中心部分の温度上昇した冷媒７ａと、温度が最も低い入口冷媒６ａとがより高効率に熱交換できるので、冷却プレート１の中心部分をより効果的に冷却できる。そのため、より効果的に冷却プレート１の表面温度を均一にでき、冷却プレートと熱的に接触している複数の角型単電池の温度をより均一にすることが可能となる。したがって、角形単電池１０での充放電による各電池での温度上昇の低減および均一化を促進し、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキを低減するとともに、信頼性の高いコンパクトな電池モジュール１００を提供できる。

−−−第３の実施の形態−−−
図７を参照して、本発明による電池モジュールの第３の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１および第２の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１および第２の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、隔壁１１によって内側流路１０１と外側流路１０２とを完全に分離した点で、第１および第２の実施の形態と異なる。

図７は、本実施の形態の冷却プレート１の断面図であり、冷媒の流れを示す模式的な図である。本実施の形態では、内側流路１０１と外側流路１０２とで、冷媒の流れの方向が異なっている。具体的には、内側流路１０１では、冷媒は図示時計方向に回るように流れ、外側流路１０２では、冷媒は図示反時計方向に回るように流れる。すなわち、内側流路１０１は、中央隔壁１１ｂを挟んで図示左側が内側往路流路１０１Ａであり、図示右側が内側復路流路１０１Ｂである。外側流路１０２は、内側流路１０１の図示右側が外側往路流路１０２Ａであり、図示左側が外側復路流路１０２Ｂである。

本実施の形態の隔壁１１は、中央隔壁１１ｂと、外側隔壁１１ｈとを有する。外側隔壁１１ｈは、内側流路１０１と外側流路１０２とを隔てる隔壁であり、第１外側隔壁１１ｆと、第２外側隔壁１１ｇと、連通部隔壁１１ｄとを有する。第１外側隔壁１１ｆは、内側復路流路１０１Ｂと外側往路流路１０２Ａとを隔てる隔壁であり、配列方向に沿って延在し、一端側の端部が容器９の一端側の内壁面と当接し、他端側の端部が容器９の他端側の内壁面と離間している。

第２外側隔壁１１ｇは、内側往路流路１０１Ａと外側復路流路１０２Ｂとを隔てる隔壁であり、配列方向に沿って延在し、一端側の端部が容器９の一端側の内壁面と当接し、他端側の端部が容器９の他端側の内壁面と離間している。連通部隔壁１１ｄは、内側連通部１０１Ｃと外側連通部１０２Ｃとを隔てる隔壁であり、図示左右方向に延在して、両端が第１外側隔壁１１ｆおよび第２外側隔壁１１ｇの他端側の端部と接続されている。

このように、本実施の形態では、内側流路１０１と外側流路１０２とが隔壁１１（より具体的には、外側隔壁１１ｈ）によって完全に分離されている。そのため、冷媒入口４および冷媒出口５は、内側流路１０１と外側流路１０２とにそれぞれ個別に設けられている。以下の説明では、内側流路１０１の冷媒入口４および冷媒出口５については、符号にそれぞれ「ａ」の添え字を付して表す。同様に、内側流路１０１の冷媒入口４および冷媒出口５については、符号にそれぞれ「ｂ」の添え字を付して表す。このように、冷媒入口４および冷媒出口５は、内側流路１０１と外側流路１０２とにそれぞれ個別に設けたことで、内側流路１０１および外側流路１０２の流量が安定するので、冷却プレート１の冷却性能が安定し、電池モジュール１００の信頼性が向上する。

本実施の形態では、内側流路１０１と外側流路１０２の冷媒流量を別々に設定できるので、冷却プレート１の中央部分を効果的に冷却することが可能である。特に内側流路１０１と外側流路１０２とで同じ冷媒流量に設定した場合には、内側流路１０１の流路幅Ｗ１を外側流路１０２の流路幅Ｗ２より小さくすることで、内側流路１０１の冷媒流速を上げて、冷却プレート１の中心部分の熱伝達率を向上できる。また、内側流路１０１と外側流路１０２とを隔壁１１によって完全に分離したことで、内側流路１０１および外側流路１０２の流量がより安定するので、冷却プレート１の冷却性能が安定し、電池モジュール１００の信頼性が向上する。

さらに、最も温度が低い入口冷媒６ａ，６ｂと、角形単電池１０の熱負荷を受けて温度上昇した出口冷媒７ａ，７ｂとの間で隔壁１１ｂ，１１ｈを介して熱交換できるので、冷却プレート１の表面温度を均一にでき、冷却プレート１と熱的に接触している複数の角型単電池１０の温度をより一層均一にすることが可能となる。

−−−第４の実施の形態−−−
図８を参照して、本発明による電池モジュールの第４の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１〜第３の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１〜第３の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、内側に互いに隣接して配設された２つの流路がともに往路流路であり、外側に配設された２つの流路が共に復路流路である点で、第１〜第３の実施の形態と異なる。

図８は、本実施の形態の冷却プレート１の断面図であり、冷媒の流れを示す模式的な図である。本実施の形態では、流路部１０４を備えている。流路部１０４は、一端側に設けられた冷媒入口４から、後述する中央隔壁１２１の一方側の端部までの往路流路１４０と、中央隔壁１２の一方側の端部以降の流路である第１流路１４１および第２流路１４２とを有する。第１流路１４１は、中央隔壁１２の図示右側の流路であり、第１往路流路１４１Ａと、第１連通部１４１Ｃと、第１復路流路１４１Ｂとを有する。第２流路１４２は、中央隔壁１２の図示左側の流路であり、第２往路流路１４２Ａと、第２連通部１４２Ｃと、第２復路流路１４２Ｂとを有する。

本実施の形態の隔壁１２は、中央で配列方向に向かって延在する中央隔壁１２１と、図８においてコの字状を呈する外側隔壁１２２とを備えている。中央隔壁１２１は、他端側の端部が容器９の他端側の内壁面と当接し、一端側の端部が冷媒入口４よりも所定の距離だけ他端側に離れた位置に設けられている。この所定の距離は、たとえば次のようにして設定されている。すなわち、入口冷媒６は、冷媒入口４から容器９の底面に対して垂直に流入するため、冷媒入口４の近傍では、その流れが乱れている。そこで、本実施の形態では、容器９に流入した入口冷媒６の流れの乱れがある程度落ち着くのに必要な距離だけ中央隔壁１２１の一端側の端部を冷媒入口４よりも離間させることで、中央隔壁１２１で二分される冷媒６ａ，６ｂの流量の偏りを抑制している。

外側隔壁１２２は、往路流路１４０および第１往路流路１４１Ａと、第１復路流路１４１Ｂと隔てる第１隔壁１２２ａと、往路流路１４０および第２往路流路１４２Ａと、第２復路流路１４２Ｂとを隔てる第２隔壁１２２ｂと、第１隔壁１２２ａおよび第２隔壁１２２ｂの一端側の端部同士と接続する一端側隔壁１２２ｃとを有する。

本実施の形態では、冷却プレート１に設けられた冷媒入口４から流入した入口冷媒６が中央隔壁１２１により冷媒６ａと冷媒６ｂに二分されて、第１往路流路１４１Ａまたは第２往路流路１４２Ａを流れる。冷媒６ａは、第１連通部１４１Ｃおよび第１復路流路１４１Ｂを流れる出口冷媒７ａとなる。冷媒６ｂは、第２連通部１４２Ｃおよび第２復路流路１４２Ｂを流れる出口冷媒７ｂとなる。出口冷媒７ａと出口冷媒７ｂとは最終的には合流して冷媒出口５から流出する。このように、冷却プレート１に設けられた１つの冷媒入口４から流入した入口冷媒６が中央隔壁１２１により冷媒６ａと冷媒６ｂに二分されるように構成したので、冷媒入口４を第１往路流路１４１Ａおよび第２往路流路１４２Ａにそれぞれ設けた場合と比べて、冷却プレート１の製造コストを低減できる。

本実施の形態では、第１往路流路１４１Ａおよび第２往路流路１４２Ａの流路幅Ｗ１を第１復路流路１４１Ｂおよび第２復路流路１４２Ｂの流路幅Ｗ２より狭くすることで、第１往路流路１４１Ａおよび第２往路流路１４２Ａの冷媒流速を増速できる。これにより、冷却プレート１の中央部分の熱伝達率を向上できる。さらに温度の最も低い入口冷媒６と角形単電池１０の熱負荷を受けて温度上昇した出口冷媒７ａおよび出口冷媒７ｂが、隔壁１２２ａ，１２２ｂおよび１２２ｃを介して熱交換できるので、出口冷媒７ａ，７ｂの温度上昇を抑制できる。

本実施の形態では、冷却プレート１の中心部分と外側部分に別々の流路１４１Ａ，１４２Ａおよび１４１Ｂ，１４２Ｂを設け、中心部分の冷媒流速を外側部分の冷媒流速より速くしているので中心部分での熱伝達率が向上する。これにより、冷却プレート１の中心部分を効果的に冷却できるとともに、効果的に冷却プレート１の表面温度を均一にできるので、冷却プレート１と熱的に接触している複数の角型単電池１０の温度を均一にすることが可能となる。したがって、角形単電池１０での充放電による各電池での温度上昇の低減および均一化を促進し、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキを低減するとともに、信頼性の高いコンパクトな電池モジュール１００を提供できる。

また、本実施の形態では、外側隔壁１２２を介して隣接する流路間で熱交換できるように外側隔壁１２２を構成した。これにより、外側部分の温度上昇した冷媒７ａ，７ｂと、温度が最も低い入口冷媒６とが熱交換できるので、より高効率に熱交換でき、冷却プレート１の中心部分をより効果的に冷却することができるとともに、より効果的に冷却プレート１の表面温度を均一にでき、冷却プレー１トと熱的に接触している複数の角型単電池の温度をより均一にすることが可能となる。したがって、角形単電池１０での充放電による各電池での温度上昇の低減および均一化をさらに促進し、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキをより低減するとともに、信頼性のより高いコンパクトな電池モジュール１００を提供できる。

−−−第５の実施の形態−−−
図９を参照して、本発明による電池モジュールの第５の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１〜第４の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１〜第４の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、冷却プレート１の上板８だけではなく、容器９にも複数の角形単電池１０を熱的に接触させて配設した点で、第１〜第４の実施の形態と異なる。

図９は、本実施の形態の電池モジュール１００の冷却構造を示す模式的な斜視図である。図９に示すように、本実施の形態の電池モジュール１００では、冷却プレート１の上板８、および、容器９の底面に複数の角形単電池１０を熱的に接触させて配設している。なお、本実施の形態では、冷却プレート１は、上述した各実施の形態１〜４のいずれかの冷却プレート１と同じである。

本実施の形態によれば、コンパクトなモジュール構造でより多くの角形単電池１０を搭載できる。そして、本実施の形態によれば、冷却プレート１が上述した各実施の形態１〜４のいずれかの冷却プレート１と同じであるので、角形単電池１０の冷却性能に関しても同様な効果があり、より角形単電池１０の実装密度の高いコンパクトな電池モジュール１００を提供できる。

−−−第６の実施の形態−−−
図１０，１１を参照して、本発明による電池モジュールの第６の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１〜第５の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１〜第５の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、２つの冷却プレート１の間に角形単電池１０の幅広面を当接させて積層した点で、第１〜第５の実施の形態と異なる。

図１０は、本実施の形態の電池モジュール１００の冷却構造を示す模式的な正面図であり、図１１は、電池モジュール１００の冷却構造を示す模式的な側面図である。図１０，１１に示すように、本実施の形態の電池モジュール１００では、幅広面同士を当接させて３つの角形単電池１０を積層している。そしてこの角形単電池１０の積層体を２組並列に配設し、積層方向に沿った両端にある角形単電池１０の幅広面を２つの冷却プレート１で挟持している。すなわち、本実施の形態では、冷却プレート１の長手方向の２箇所に角形単電池１０の積層体を２つ並列に配設して、合計６つの角形単電池１０を２つの冷却プレート１で冷却している。

したがって、本実施の形態では、冷却プレート１と角形単電池１０の接触面積が大きくなり、さらに二つの冷却プレート１を用いて冷却するので、より効率的に角形単電池１０を冷却でき、よい低い温度に角形単電池１０を維持できる。また、本実施の形態では、幅広面と冷却プレート１とが接触することで、さらに角型単電池１０の温度分布を均一にできる。

なお、本実施の形態では、積層体の中間に位置する角形単電池１０が、両隣の角形単電池１０のケースを介して熱を冷却プレート１に逃がすように構成されているが、この中間に位置する角形単電池１０が両隣の角形単電池１０に比べて冷却不足になるとは考えにくい。すなわち、本実施の形態では、積層数が３であり、冷却プレート１に直接接触していない角形単電池１０の数が１であること、角形単電池１０同士が面積の広い幅広面で当接していることなどから、積層体の中間に位置する角形単電池１０についても十分に冷却される。

−−−本発明による冷却プレート１の冷却性能について−−−
図１２および図１３は、本実施の形態の冷却プレート１との比較例１および比較例２の模式的な構造を示す断面図である。図１２に示した比較例１である冷却プレート１Ａは、熱伝導率の良いアルミ製のプレート材１ａに金属製のＳ字型パイプ２０をたとえば圧入して構成される。入口冷媒６は角形単電池１０の熱負荷を受けながらＳ字型伝熱管２０内を流れ温度上昇しながら出口冷媒７として流出する。プレート材１ａはＳ字型伝熱管２０を流れる冷媒により間接的に熱伝導により冷却され、プレート材１ａの表面に熱的に接触した角形単電池１０の底面を冷却する構造となっている（図示せず）。

図１３に示した比較例２である冷却プレート１Ｂも同様な構成であるが、伝熱管２０はＵ字型をしており、プレート材１ｂとの接触面積を増やし、入口冷媒６を２箇所設け、プレート材１ｂの中央部分を効果的に冷却し、出口冷媒７の２箇所から流出できる構造となっている。

本発明における実施の形態の効果を以下の解析により示す。解析には汎用の熱流体ソフトを用い、適当な充放電パターンでの３次元熱解析の結果である。なお、図１２に示した比較例１および図１３に示した比較例２のプレート材１ａ及びプレート材１ｂは、板厚１３ｍｍ、幅１２５ｍｍ、長さ３８０ｍｍのアルミ製であり、伝熱管２０は、外径φ１０ｍｍ（内径φ８ｍｍ）の寸法で、ステンレス製ある。本発明における実施の形態の例としては、第２の実施の形態で図６に示した冷却プレート１について３次元熱解析を行った。ここで、第２の実施の形態の冷却プレート１の寸法は、上板厚さ２ｍｍ、流路高さ３ｍｍ、流路幅Ｗ１＝２６．５ｍｍ、流路幅Ｗ２＝３１．５ｍｍとし、外径寸法は、幅１２５ｍｍ、長さ３８０ｍｍと各比較例１，２と同じとした。なお、冷却プレート１の材質はステンレス製として、性能の比較検討を行った。

冷媒（エチレングリコール５０％水溶液）の流量は、３リッタ／分とし、冷媒の入口温度は２０℃として解析を行った。充放電による角形単電池１０の総発熱量は、冷却プレート１の上板に一様に約２００Ｗの入熱があるものとして設定した。

図１４は、３次元熱解析の結果を示すグラフである。グラフの横軸は、第２の実施の形態の冷却プレート１と、従来例１および従来例２を示す。ここで、冷却プレートの温度ばらつきとは、冷却プレート表面（角型単電池１０と熱的に接触する冷却プレートの表面部分）での表面最高温度と表面最低温度の温度差を示している。図１４から分かるように、第２の実施の形態の冷却プレート１では、比較例１，２の冷却プレートより温度ばらつき及び表面最低温度が低くなる。

−−−変形例−−−
（１） 上述の説明では、各隔壁１１，１２を容器９に設けるように構成したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、各隔壁１１，１２を容器９ではなく、上板８に設けてもよい。また、少なくとも任意の１の隔壁１１，１２を容器９に設け、他を上板８に設けてもよい。

（２） 上述した第２の実施の形態では、冷媒出口５が一箇所であったが、本発明はこれに限定されない。たとえば、内側復路流路１０１Ｂの一端側近傍と、外側復路流路１０２Ｂの一端側近傍とにそれぞれ冷媒出口５を設けてもよい。また，同様に、上述した第４の実施の形態では、冷媒出口５が一箇所であったが、本発明はこれに限定されない。たとえば、第１復路流路１４１Ｂの一端側近傍と、第２復路流路１４２Ｂの一端側近傍とにそれぞれ冷媒出口５を設けてもよい。

（３） 上述の説明では、冷却プレート１には、配列方向に沿った流路が４本設けられているが、本発明はこれに限定されない。冷却プレート１の中心を外側よりも冷やすことができ、隔壁を介した熱交換が可能であれば、たとえば、冷却プレート１には、配列方向に沿った流路が５本以上設けられていてもよい。
（４） 上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態のものに何ら限定されず、複数の電池、および、複数の電池が配列されるプレート面と冷媒が流れる冷媒流路とを有する満液式冷却プレートを備える電池モジュールであって、冷媒流路は、複数の電池の配列方向に沿った一端側から他端側に向かって延在する第１の往路流路および第２の往路流路と、他端側から一端側に向かって延在して第１の復路流路および第２の復路流路と、一端側に設けられた冷媒入口および冷媒出口とを有し、第１の往路流路および第２の往路流路と第１の復路流路および第２の復路流路のうちのいずれか２つの流路の流速が他の２つの流路の流速よりも速くなるように、流路の断面積または流路の流量が設定され、流速が速い流路が冷却プレートの中央部に配置されていることを特徴とする各種構造の電池モジュールを含むものである。

１ 冷却プレート、４ 冷媒入口、５ 冷媒出口、８ 上板、９ 容器、１０ 角形単電池、１１，１２ 隔壁、１１ａ 往路隔壁、１１ｂ 中央隔壁、１１ｃ 復路隔壁、１１ｄ 連通部隔壁、１１ｆ 第１外側隔壁、１１ｇ 第２外側隔壁、１１ｈ 外側隔壁、１００ 電池モジュール、１０１ 流路部（内側流路）、１０１Ａ 内側往路流路、１０１Ｂ 内側復路流路、１０１Ｃ 内側連通部、１０２Ｃ 外側連通部、１０２ 流路部（外側流路）、１０２Ａ 外側往路流路、１０２Ｂ 外側復路流路、１０４ 流路部、１２１ 中央隔壁、１２２ 外側隔壁、１２２ａ 第１隔壁、１２２ｂ 第２隔壁、１２２ｃ 一端側隔壁、１４０ 往路流路、１４１ 第１流路、１４１Ａ 第１往路流路、１４１Ｂ 第１復路流路、１４１Ｃ 第１連通部、１４２ 第２流路

Claims (8)

1. 複数の電池、および、前記複数の電池が配列されるプレート面と冷媒が流れる冷媒流路とを有する満液式冷却プレートを備える電池モジュールであって、
   前記冷媒流路は、前記複数の電池の配列方向に沿った一端側から他端側に向かって延在する第１の往路流路および第２の往路流路と、前記他端側から前記一端側に向かって延在して第１の復路流路および第２の復路流路と、
   前記一端側に設けられた冷媒入口および冷媒出口とを有し、
   前記第１の往路流路および前記第２の往路流路と前記第１の復路流路および前記第２の復路流路のうちのいずれか２つの流路の流速が他の２つの流路の流速よりも速くなるように、流路の断面積または流路の流量が設定され、流速が速い流路が冷却プレートの中央部に配置されていることを特徴とする電池モジュール。
2. 請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第１の往路流路および前記第１の復路流路は、互いに隣接して前記中央部側に配置され、
   前記第１の往路流路と前記第１の復路流路とを隔てる中央隔壁と、
   前記第１の往路流路と前記第２の往路流路とを隔てる往路隔壁と、
   前記第１の復路流路と前記第２の復路流路とを隔てる復路隔壁とをさらに備えることを特徴とする電池モジュール。
3. 請求項２に記載の電池モジュールにおいて、
   前記冷媒入口は、配設数が１であり、前記第１の往路流路の流量が前記第２の往路流路の流量よりも多くなるように前記往路隔壁に対して偏心した位置に設けられていることを特徴とする電池モジュール。
4. 請求項２に記載の電池モジュールにおいて、
   前記冷媒入口および前記冷媒出口は、配設数がそれぞれ１であり、
   前記第１の往路流路の断面積は、前記第２の往路流路の断面積よりも狭いことを特徴とする電池モジュール。
5. 請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第１の往路流路および前記第１の復路流路は、互いに隣接して前記中央部側に配置され、
   前記第１の往路流路と前記第１の復路流路とを隔てる中央隔壁と、
   前記第１の往路流路および前記第１の復路流路と、前記第２の往路流路および前記第２の復路流路とを隔てる外側隔壁とをさらに備えることを特徴とする電池モジュール。
6. 請求項５に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第１の往路流路および前記第２の往路流路には、前記冷媒入口がそれぞれ設けられ、
   前記第１の復路流路および前記第２の復路流路には、前記冷媒出口がそれぞれ設けられ、
   前記第１の往路流路の断面積は、前記第２の往路流路の断面積よりも狭く、
   前記第１の復路流路の断面積は、前記第２の復路流路の断面積よりも狭いことを特徴とする電池モジュール。
7. 請求項１に記載の電池モジュールにおいて、
   前記第１および第２の往路流路は、互いに隣接して前記中央部側に配置され、
   前記第１の往路流路と前記第２の往路流路とを隔てる中央隔壁と、
   前記第１の往路流路と前記第１の復路流路とを隔てる第１の外側隔壁と、
   前記第２の往路流路と前記第２の復路流路とを隔てる第２の外側隔壁とをさらに備えることを特徴とする電池モジュール。
8. 請求項７に記載の電池モジュールにおいて、
   前記冷媒入口は、配設数が１であることを特徴とする電池モジュール。

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