JP2014229560A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】密閉された内部空間に複数の単位電池が収納されており、収納された単位電池を効率よく冷却することができる電池パックを提供する。
【解決手段】ケース１２には、内部空間１３とケース１２の外方の外部空間とを連通する挿通孔１７が形成されており、その挿通孔１７にモータ２１の回転軸２１ａが挿通して配置されている。モータ２１はケース１２の内部空間１３に配置された内部ファン２３を駆動するので、内部ファン２３によって内部空間１３の空気を循環させて、各セル１１を冷却することができる。さらに回転軸２１ａは、挿通孔１７を挿通して配置されているので、ケース１２から外部に突出している回転軸２１ａに外部ファン２２を設けることができる。これによって１つのモータ２１によって、ケース１２の内側だけでなく外側にもファンを設けてケース１２の外側からも冷却することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、単位電池を複数接続し、ケース内に収納している電池パックに関する。

従来、電池パックの冷却構造として、冷凍サイクルを構成する熱交換器を閉塞したケース内部にセルおよび送風機とともに収納し、冷凍サイクルの冷凍能力により温度調整される上記熱交換器によってケース内部の温度管理を行うものが知られている。

この方式は、冷凍サイクルを必要としているため高価で構造が複雑である。つまり、冷凍サイクルを用いると、システム全体のコストが高くなり、製品化あるいは販売上の支障となる。また、冷媒配管の出入りがあり、密閉性確保のために、特別な構造や処置が必要となり、更に、コストアップを伴う結果となった。

このため、特許文献１のように、電池パック内に外部から空気を流入させるものが用いられている。特許文献１は、複数の蓄電ユニットを備え、各蓄電ユニットの温度調整を効率良く行うために、各蓄電ユニットが間隔をあけて並んで配置されている。そして冷却する際に、外部から吸気された空気を蓄電ユニット間の隙間に流し、吸気された空気を再び外部に排出している。

特開２００３−００００００号公報

前述の特許文献１に記載の技術では、蓄電ユニットを外部の空気で冷却する方式であるので、ラゲージなど空調されていない場所から吸気すると冷却性能が低下するという問題がある。そこで車室から吸気することも考えられるが、吸気通路を伝わって送風機の騒音が車室に伝播するという問題がある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、密閉された内部空間に複数の単位電池が収納されており、収納された単位電池を効率よく冷却することができる電池パックを提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、複数の単位電池（１１）を内部空間（１３）に収納するケース（１２）と、内部空間に配置される駆動用のモータ（２１）、および内部空間に配置されモータによって駆動される内部ファン（２３）を備える送風機（２０）と、を含む。そしてケースには、内部空間とケースの外方の外部空間とを連通し、モータが有する回転軸（２１ａ）が挿通して配置される挿通孔（１７）が形成されていることを特徴とする。

このような本発明に従えば、ケースには、内部空間とケースの外方の外部空間とを連通する挿通孔が形成されており、その挿通孔にモータの回転軸が挿通して配置されている。モータはケースの内部空間に配置された内部ファンを駆動するので、内部ファンによって内部空間の空気を循環させて、各単位電池を冷却することができる。また内部ファンとモータとはケース内に配置されているので、内部ファンとモータとから発生する騒音がケースの外方に漏れることをケースによって抑制することができる。

さらに回転軸は、挿通孔を挿通して配置されているので、ケースから外部に突出している回転軸に外部ファンを設ける構成を採用することができる。外部ファンを設ける構成を採用すると、外部ファンと内部ファンとを同時に回転させることができる。外部ファンを回転させることによって、ケースの外表面に空気を流すことができる。これによって１つのモータによって、ケースの内側だけでなく外側にもファンを設けてケースの外側からも冷却することができる。

単位電池の搭載条件によっては冷却は、（Ｉ）内部ファンのみで十分の場合と、（ＩＩ）内部ファンおよび外部ファンの両方が必要な場合とがある。本発明のように予めモータの回転軸をケースの挿通孔に挿通させておけば、前述の（Ｉ）の場合、挿通孔に蓋をすれば密閉でき、（ＩＩ）の場合、外部ファンを取り付けるのみで（ＩＩ）の構成を実現することができる。したがって（Ｉ）（ＩＩ）を個別でそれぞれ専用設計する場合と比較して設計が容易となる。

なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態の電池パック１０を示す側面図である。 外部ファン２２を装着した電池パック１０を示す側面図である。 カバー１６を示す側面図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図３を用いて説明する。電池パック１０は、図１および図２に示すように、単位電池であるセル１１をケース１２の内部空間１３内に複数収納して構成されている。電池パック１０は、内燃機関と電池駆動モータとを組み合わせて走行駆動源とする周知のハイブリッド自動車に用いられ、走行用モータの駆動電源等となる。セル１１は、たとえばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池および有機ラジカル電池である。またセル１１は、ケース１２内に収納された状態で自動車の座席下、ラゲージ内の空間、および運転席と助手席の間の空間などに配置されている。

ケース１２は、セル１１を密閉して包囲する箱型の形状を有するアルミニウム板または鉄板の成型品である。図１および図２では理解を容易にするために、図１および図２のケース１２の右方の側面を除く部分の厚みを省略して示している。またケース１２の内面または外面に放熱面積を大きくするために凹凸が形成されていることが好ましい。

ケース１２内は、密閉されている。このため、埃等の侵入を防止し、かつ、ケース１２内の結露を防止できる。ケース１２は、圧力弁１９（リリーフバルブ）を介して、ケース１２内部で発生したガス等を外部に排出するようにしている。

複数のセル１１は、ケース１２の内部空間１３に間隔をあけて並んで配置されている。隣接するセル１１の側面間には隙間が設けられている。セル１１の側面は、セル１１から内部空間１３へ熱を放散させる放熱手段として機能する。

以下、セル１１が配列されておりケース１２が延びる方向を左右方向Ｘ（図１における左右方向）と称する。左右方向Ｘに直交し、セル１１の側面に沿った方向を上下方向Ｚ（図１における上下方向Ｚ）と称する。左右方向Ｘおよび上下方向Ｚに垂直な方向を前後方向Ｙ（図１の紙面に垂直な方向）と称する。

複数のセル１１は、図１に示すように側方に見てケース１２の左右方向Ｘおよび上下方向Ｚの中央に位置し、複数のセル１１の周囲には空気が流れる空気通路が形成されている。複数のセル１１の上方には左右方向Ｘに延びる空気通路が形成されている。複数のセル１１の左方には、上下方向Ｚに延びる空気通路が形成されている。また複数のセル１１の下方には、左右方向Ｘに延びる空気通路が形成されている。そして複数のセル１１の右方には、送風機２０が配置されている。

隣接するセル１１の側面間には、アルミニウム製の放熱プレート１４が設けられる。放熱プレート１４には、セル１１の表面から熱が伝達される。平板状の放熱プレート１４の一部は、セル１１の下方の空気通路内まで延長されている。下方の空気通路内で、放熱プレート１４が効率よく下方の空気通路を流れる空気と熱交換するように、放熱プレート１４の一部が波状に屈曲された屈曲放熱部１４ａを形成している。屈曲放熱部１４ａは、放熱プレート１４の一部をプレスで波状に成型加工したものである。この屈曲放熱部１４ａの周囲を空気が流れ、放熱プレート１４が冷却され、ひいては、放熱プレート１４が密接したセル１１が冷却される。

セル１１の放熱手段の他の一つは、セル１１に接続され放熱のために湾曲した放熱用の湾曲バスバー１５である。湾曲バスバー１５は、導電性の金属板から成り、隣接するセル１１同士を電気的に接続するものである。隣接するセル１１は、湾曲バスバー１５によって直列に接続され、複数のセル１１は順次、湾曲バスバー１５によって直列に接続されている。この接続のために通常必要な長さを超える長さを持つように湾曲バスバー１５は、山型に大きく湾曲して形成されている。そして湾曲バスバー１５の上部には、放熱性能を向上するためにフィン１５ａを形成されている。湾曲バスバー１５にフィン１５ａを形成するためには、湾曲バスバー１５を構成する銅部材を鍛造したり切り起こしたりして形成することができる。また、湾曲バスバー１５に別体のフィン１５ａを接合（溶接）してもよい。

ケース１２内には、送風機２０が配置されている。この送風機２０は、たとえばシロッコファンおよび軸流ファンで形成することができる。送風機２０にて、ケース１２内の空気を、ケース１２の内面およびセル１１の周囲を通過するように循環させる。具体的には、送風機２０はケース１２内の右方側の下部に位置する。そして送風機２０は、下方から空気を吸い込み、上下方向Ｚに延びるファンスクロール２０ａを通過後、セル１１の上方の空気通路に向けて、ファンスクロール２０ａの出口から左方に向けて吹き出す。これによって図１にて矢印で示すように、湾曲バスバー１５に吹き出された空気は、複数のセル１１の周囲を逆時計回りに空気が循環する。これによって循環する空気と、放熱プレート１４および湾曲バスバー１５などが熱交換し、セル１１が冷却される。そして熱交換した空気は、ケース１２の内壁全面から外部に放熱される。送風機２０は、ケース１２の外部に流体となる空気を漏らすことなく内部空間１３にて循環させる。そのためケース１２には、流体の入口および出口を有しない。

送風機２０は、制御装置（図示せず）によって制御される。制御装置は、セル１１の温度に基づいて、送風機２０の回転数を制御する。セル１１は、電池パック１０から電流が取り出される出力時および電池パック１０が充電される入力時に自己発熱する。このセル１１の自己発熱により、セル１１の温度を上げるときは、送風機２０から第１風量が送風機２０から流れるように送風機２０が運転されるか、または、送風機２０が停止される。

一方、セル１１を冷却してセル１１の温度を下げるときは、第１風量よりも風量が多い第２風量が送風機２０から流れるように送風機２０が運転される。第２風量は、乱流効果を発揮させるために、予め実験（シュミレーションを含む）で定めた所定風量以上の風量である。

送風機２０の風量が少ないと、一部のセル１１にしか風が当たらなかったり、風の分布が不均一に成ったりする。風量を大きくしていくと、風がケース１２内のいろいろな部分に当たり、乱流と成って、均一にセル１１の群を冷却出来るようになる。これを本発明では乱流効果と称することにする。更に、送風量を上げてもよいが、送風機２０の電力消費量が増加する。従って、セル１１の群を均一に冷却するために、予め乱流効果が発揮される最低風量を実験により求めておく。

ケース１２の上方には、ケース１２の上面を覆うカバー１６が設けられている。カバー１６は、図３に示すように、左右方向Ｘに延びる複数の内部通路１６ａを内部に有し、放熱性に優れる材料、たとえばアルミニウムからなる。カバー１６の上面には、放熱性能を向上するため複数のフィン１６ｂ（図３では図示せず）が設けられている。フィン１６ｂによってカバー１６の上面の表面積をたとえば３倍に増加させることができる。

内部通路１６ａは、図３に示すように、左右方向Ｘに延び、前後方向Ｙに間隔を開けて複数設けられる。前後方向Ｙに隣接する内部通路１６ａは、上下方向Ｚに延びる仕切り１６ｃによって分断されている。カバー１６の左方側には、カバー１６内の全ての内部通路１６ａと連通し、外部の空間と連通する開口部１６ｄが設けられる。またカバー１６の右方側の端部では、内部通路１６ａの右方側の端部が開口している。

カバー１６は、仕切り１６ｃを有するので、セル１１から空気を介してケース１２の上面に伝わった熱は、仕切り１６ｃを通過してカバー１６の上方の面およびフィン１６ｂから外部に放熱される。

次に、送風機２０の具体的な構成に関して説明する。送風機２０は、内部空間１３に配置される駆動用のモータ２１、および内部空間１３に配置されモータ２１によって駆動される内部ファン２３を備える。またケース１２には、内部空間１３とケース１２の外方の外部空間とを連通し、モータ２１が有する回転軸２１ａが挿通して配置される挿通孔１７が形成されている。挿通孔１７は、本実施形態ではケース１２の右方側の壁部に、左右方向Ｘに貫通するように形成されている。

モータ２１は、左右方向Ｘの両方に回転軸２１ａが突出している。したがってモータ２１の左右方向Ｘの両側の突出している回転軸２１ａに、それぞれファンを搭載することが可能となる。図１に示す状態では、左方側に突出している軸には、内部ファン２３が設けられている。そして右方側に突出している軸は、挿通孔１７を挿通しケース１２の外部に突出している。そして突出している部分が、キャップ２４によって外部から覆われている。挿通孔１７は、回転軸２１ａの回転を阻害しないように、隙間をあけて回転軸２１ａを支持している。または挿通孔１７にベアリング（図示せず）を設け、ベアリングを介して回転軸２１ａを支持してもよい。

キャップ２４は、蓋であって、回転軸２１ａと挿通孔１７との隙間をケース１２の外方から塞ぐための部材である。またキャップ２４は、回転軸２１ａの回転を阻害しないように回転軸２１ａと間隔を開けて設けられる。またキャップ２４の内部にベアリング（図示せず）を設けて、回転軸２１ａの端部を支持してもよい。キャップ２４によって、挿通孔１７と回転軸２１ａとの間から空気が漏れることを防ぎ、ケース１２の密閉化を保持している。

図２に示す状態では、左方側に突出している軸には、キャップ２４ではなく外部ファン２２が設けられている。したがって用途に応じて、キャップ２４と搭載する場合と、外部ファン２２を搭載する場合とを使い分けることができる。またケース１２の右方側の壁部を覆うように、板状のカバーケース２５が設けられる。カバーケース２５は、ケース１２の右方側の壁部から左右方向Ｘに間隔をあけた位置であって、カバー１６の内部通路１６ａと連通するように配置されている。またカバー１６の開口部１６ｄには、ダクト１８の一端部が連結されている。ダクト１８の他端部は、車室内に連通している。したがって本実施形態では、ケース１２の上方には車室が位置している。

外部ファン２２は、ケース１２の外方に設けられ、モータ２１が駆動すると回転軸２１ａと一体になって回転する。外部ファン２２で導かれる風は、ケース１２の外表面の少なくとも一部を流れる。本実施形態では、ケース１２の上面と側面とを外部ファン２２によって導かれる空気が流れる。外部ファン２２が回転すると車室内の空気をダクト１８を介して吸い込み、吸い込んだ空気がカバー１６の開口部１６ｄを経て、内部通路１６ａを通過する。そして、外部ファン２２から、カバー１６を通過した空気を外部に空気を吹き出すことができる。これによって空調されている車室内の空気を用いてカバー１６の放熱を促進することができる。

また回転軸２１ａには、前述のように内部ファン２３も搭載されている。したがって、外部ファン２２による外部のカバー１６の冷却とともに、内部ファン２３による内部空間１３の冷却もすることができる。

以上説明したように本実施形態のケース１２には、内部空間１３とケース１２の外方の外部空間とを連通する挿通孔１７が形成されており、その挿通孔１７にモータ２１の回転軸２１ａが挿通して配置されている。モータ２１はケース１２の内部空間１３に配置された内部ファン２３を駆動するので、内部ファン２３によって内部空間１３の空気を循環させて、各セル１１（単位電池）を冷却することができる。また内部ファン２３とモータ２１とはケース１２内に配置されているので、内部ファン２３とモータ２１とから発生する騒音がケース１２の外方に漏れることをケース１２によって抑制することができる。

さらに回転軸２１ａは、挿通孔１７を挿通して配置されているので、ケース１２から外部に突出している回転軸２１ａに外部ファン２２を設ける構成を採用することができる（図２参照）。外部ファン２２を搭載する構成を採用すると、外部ファン２２と内部ファン２３とを同時に回転させることができる。外部ファン２２を回転させることによって、ケース１２の外表面に空気を流すことができる。これによって１つのモータ２１によって、ケース１２の内側だけでなく外側にもファンを設けてケース１２の外側からも冷却することができる。

セル１１の搭載条件によっては冷却は、（Ｉ）内部ファン２３のみで十分の場合と、（ＩＩ）内部ファン２３および外部ファン２２の両方が必要な場合とがある。本実施形態のように予めモータ２１の回転軸２１ａをケース１２の挿通孔１７に挿通させておけば、前述の（Ｉ）の場合、挿通孔１７にキャップ２４をすれば密閉でき、（ＩＩ）の場合、外部ファン２２を取り付けるのみで（ＩＩ）の構成を実現することができる。したがって（Ｉ）および（ＩＩ）を個別でそれぞれ専用設計する場合と比較して設計が容易となる。換言すると、（Ｉ）および（ＩＩ）の構成を共通仕様にすることができるので、汎用性を向上することができる。これによって製造コストを低減することができる。

また本実施形態では、電池パック１０が車両に搭載された搭載状態において、ケース１２の上方には車室が位置しており、モータ２１および内部ファン２３は、ケース１２内の下部に配置されている。このようにモータ２１がケース１２内の下部に配置されているので、外部ファン２２もケース１２外の下部に配置されることになる。図２に示すように、開口部１６ｄにダクト１８を設けた場合には、ダクト１８は上方の車室内に連通している。したがって電池パック１０で発生した音が、ダクト１８を介して車室に伝わるおそれがある。しかし下部に外部ファン２２が位置しているので、外部ファン２２から車室までの距離を、外部ファン２２が上方に位置している場合に比べて大きくすることができる。したがって外部ファン２２からの音の減衰を促進して、騒音が車室に伝わることを抑制することができる。

さらに本実施形態では、ダクト１８はカバー１６およびカバーケース２５を介して外部ファン２２に連通している。したがってカバー１６およびカバーケース２５によっても騒音が減衰するので、さらに騒音が車室に伝わることを抑制することができる。

さらに本実施形態では、外部ファン２２の上流に熱交換器として機能するカバー１６を設けている。カバー１６の内部通路１６ａに外部ファン２２によって冷却風を誘引することで、ケース１２の冷却性能を向上させると共に、さらに上流の車室内への音を遮蔽することができる。

また本実施形態では、ケース１２はセル１１および内部空間１３を密閉して包囲している。そして内部ファン２３は、ケース１２内に配置されている。この内部ファン２３にて、ケース１２内の流体を、ケース１２の内面およびセル１１の周囲を通過するように循環させ、ケース１２の内壁から外部に放熱させる。そのためケース１２内を循環する流体がケース１２内部のセル１１の周りを流動し、セル１１から内部空間１３へ熱が伝達される。この熱がケース１２の内壁全面に伝わり、このケース１２の内壁全面から外部に放熱させることによりセル１１を冷却することができる。

さらに本実施形態では、挿通孔１７はキャップ２４または外部ファン２２によって塞がれているので、ケース１２内は密閉されている。これによって内部ファン２３は、ケース１２の外部に流体を漏らすことなく循環させることができる。したがってケース１２からの騒音や煙等が、意図しない外部に発生するのを防止することができる。また、ケース１２内に塵埃が侵入することがない。更に、ケース１２内部で結露することがない。

さらに本実施形態では、内部ファン２３は常設であるが、必要に応じて外部ファン２２を搭載することができる。したがって、冷却能力が必要な場合は、外部ファン２２を設けることができる。たとえば電池パック１０が高温になりやすいラゲージに搭載された場合には、外部ファン２２を設け、開口部１６ｄに車室内に連通するダクト１８を設けることが好ましい。これによってケース１２の内部を内部ファン２３によって強制対流熱伝達によって冷却し、外部ファン２２によってケース１２の外表面を通過する空気によって、外部のカバー１６の内部通路１６ａを外部ファン２２によって強制対流熱伝達によって冷却することができる。

また外部環境が車室内や車室に近い場合などは、外部環境が高温になりにくいので、外部ファン２２を設けずに用いることができる。これによってケース１２の内部を内部ファン２３によって強制対流熱伝達によって冷却し、外部のカバー１６の仕切り１６ｃおよびフィンよる自然対流熱伝達（図１および図２に上方への矢印）および放射伝熱によって冷却することができる。したがって電池パック１０を車室内近傍に搭載した場合と、ラゲージに搭載した場合とを共用の仕様にできる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、複数のセル１１は側面を互いに対向させて並べて配置しているが、このような並列の配列に限るものではない。セル１１の配列は、ケース１２の内部の風を強制循環させ、複数のセル１１を均一に冷却することができる配列であれば、複数列であってもよく、千鳥状に配置してもよい。

前述の第１実施形態では、ケース１２の側面および下面は平坦状であるが、ケース１２の側面および下面に放射性能を向上させるためのフィンおよび凹凸を設けても良い。

前述の第１実施形態では、電池パック１０は、車両に搭載されるが、車両に限るものではなく、他の移動手段、たとえば航空機および船舶などに搭載してもよい。また移動手段でなく、他の装置に搭載してもよい。

前述の第１実施形態では、内部通路１６ａを有するカバー１６はケース１２に一体に設けられているが、カバー１６を用いる構成に限るものではない。たとえばカバー１６を用いず、ケース１２の上面にフィンを設けてもよい。このような場合は、送風機２０をたとえば上方に設けて、外部ファン２２によって直接ケース１２の上面を冷却してもよい。換言すると、モータ２１の位置はケース１２内の下部に限るものではなく、ケース１２の上方であってもよい。このような場合には、外部ファン２２の位置と車室内とができるだけ遠くなるように、ケース１２の姿勢を考慮すると好ましい。

また前述の第１実施形態では、外部ファン２２の空気通路には、冷却対象物が配置されていないが、このような構成に限るものではない。たとえば外部ファン２２の空気通路に、制御装置やＤＣ−ＤＣコンバータなどの冷却対象物を配置してもよい。これによってセル１１だけでなく、他の装置も冷却することができる。

１０…電池パック １１…セル（単位電池） １２…ケース
１３…内部空間 １４…放熱プレート １４ａ…屈曲放熱部
１５…湾曲バスバー １６…カバー １６ａ…内部通路
１６ｃ…仕切り １６ｄ…開口部 １７…挿通孔
１８…ダクト ２０…送風機 ２０ａ…ファンスクロール
２１…モータ ２１ａ…回転軸 ２２…外部ファン
２３…内部ファン ２４…キャップ ２５…カバーケース

Claims (4)

1. 複数の単位電池（１１）を内部空間（１３）に収納するケース（１２）と、
   前記内部空間に配置される駆動用のモータ（２１）、および前記内部空間に配置され前記モータによって駆動される内部ファン（２３）を備える送風機（２０）と、を含み、
   前記ケースには、前記内部空間と前記ケースの外方の外部空間とを連通し、前記モータが有する回転軸（２１ａ）が挿通して配置される挿通孔（１７）が形成されていることを特徴とする電池パック。
2. 前記回転軸と前記挿通孔との隙間を前記ケースの外方から塞ぐ蓋をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記送風機は、前記ケースの外方に設けられ、前記回転軸によって駆動される外部ファンをさらに備え、
   前記外部ファンで導かれる風は、前記ケースの外表面の少なくとも一部を流れることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
4. 前記電池パックが車両に搭載された搭載状態において、前記ケースの上方には車室が位置しており、
   前記モータおよび前記内部ファンは、前記ケース内の下部に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電池パック。

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