JP2014504438A - パワーバッテリパック冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
クーラントを供給する流路を均一且つ良好に分布するようにした単純な構造を使用し、電気自動車におけるパワーバッテリパックの効率的かつ効果的な冷却を提供する。
【解決手段】熱交換装置は、中をクーラントが流れるダクトを有する冷却ダクトプレートのアレイと、クーラントの方向転換を促進し、このアレイ全体をクーラントが流れる経路を提供する、フロントカバー及びバックカバー並びにそれらのフロントラバーシート及びバックラバーシートとからなる。バッテリパックの個々のセルは、これらのダクト間の空間に嵌合され、新規導電性クリップシステムによって直列接続され、包括的で、良好に分布したコンパクトな冷却経路がバッテリパック内に存在可能な構造を形成する。このパワーバッテリパック冷却装置の概念及び構造は、コンパクト且つ軽量なバッテリパックを必要とするその他の将来的な実施及び用途、又は空間的制約下で効果的な冷却システムを必要とする用途にも適用可能である。
【選択図】図１７

Description

イントロダクション
化石燃料の供給は徐々に尽きようとしており、ガソリンの燃焼は多大な環境汚染を引き起こしている。電気自動車（ＥＶ）は将来の輸送手段であるが、そのバッテリには、走行距離が短い、耐用年数が短い、コストが高い等、重大な欠点がいくつかあり、消費者の乗り換えの広がりを妨げている。連続的な充放電中にバッテリの温度を調節することは大きな課題である。

ＥＶで使用されるほとんどのリチウムイオンバッテリに関して、温度の仕様は通常以下の通りである。
動作温度：−２０℃〜６０℃
充電温度：０℃〜４５℃
保存温度：−１０℃〜４５℃

これらのリチウムイオンバッテリは、２０〜２５℃で定格出力になり、その出力は１０℃上昇する毎に約１０％低下する。

冬場は、温度が０℃を下回り易く、充電が困難であったり完全に不可能であったりする。
他の季節は、連続的な高電流充／放電下、バッテリ動作温度は６０℃に達し易く、放電が困難になる。また、温度が高いほど、バッテリの劣化、耐用年数の短縮を引き起こし易く、安全上、問題のある可能性がある。

リチウムイオン電池の固有の特性は、巧妙に適応し且つ巧妙に設計されたバッテリ温度管理及び制御システムを必要とする。

以下の段落では、単純化のため、「冷却」という言葉は、冷却であろうと加熱であろうと、熱交換を表し、「クーラント」という言葉は、冷却用であろうと加熱用であろうと、バッテリセルの熱交換用の不凍性、不燃性、非腐食性及び抗真菌性を有する液体を表す。

既存のバッテリパックの欠点
現在のバッテリパックは、多数のバッテリモジュールを接続することによって構成され、各モジュールは、隣り合わせで接続された数個のセルから構成される。その結果、各モジュールの中央のセルほど熱の流通が疎外され、熱交換がより困難になる。

現在のバッテリ冷却法は、通常、バッテリモジュールを、クーラントループによって冷却される１つのヒートシンク（金属平板）上に嵌合させること又は取付けることから構成される。各モジュールの一部のみが冷却効果を受けるため、冷却効率が低く、有効性に乏しいことが欠点である。また、ヒートシンクはクーラントループのために一般的に厚みと重量がある。その結果、温度がモジュール毎、セル毎に異なる。同じセルの内部でさえ、異なる領域は温度が異なる。複数のシートシンクが各セルを冷却するために使用される場合、バッテリパックは非現実的な重量と体積を有することとなる。

バッテリパックの耐久性及び有効性には、バッテリパックにおける各セルの調和及び統一性が非常に重要である。セルが製造されてバッテリパックに組み立てられると、セルの調和及び統一性に影響を及ぼすことが出来る要素は各セルの温度だけとなる。温度変化はセルの内部抵抗に影響を及ぼす可能性があり、同様に内部抵抗の変化は温度変化率に影響を及ぼす可能性がある。セル間の温度勾配の存在によって、セルの経年劣化率は異なり、その結果、寿命がより短くなるセルもある。全てのセルは協働するよう連結しているため、１つのセルに不具合があれば、バッテリパック全体の動作が低下する。

ＥＶに使用されるバッテリパックは、空間及び重量に制約されるため、バッテリパック用の冷却システムは、コンパクト且つ軽量でなければならないが、電力及びエネルギー容量要件を満たさなくてはならない。

よりコンパクトで軽量且つ長持ちするパワーバッテリパック解決法
上述の見解に基づき、本発明者は、ＥＶの要件に合う独特のバッテリパック冷却装置を研究し、発明に至った。以下の設計は、ＥＶでの適用を意図し、ＥＶにおける実際の適用の概念実証である。以下の設計は、その他の用途における新規の概念、原理、及び構造に関して請求の範囲を制限したり請求の範囲に影響を及ぼしたりするものではない。

以下の図面は本明細書の一部を形成するものである。
大型の積層バッテリセル（１００Ａｈ、３．７Ｖ）である。 ２Ｓセル（直列接続された２つのバッテリセル）である。 小クリップである。 大クリップである。 エンドクリップである。 冷却ダクトプレートである。 冷却ダクトエンドプレートである。 冷却グリッドアレイである。 フロントラバーシートである。 フロントカバーである。 フロントラバーシート付きフロントカバーである。 バックラバーシートである。 バックカバーである。 バックラバーシート付きバックカバーである。 ボトムプレートである。 サイドプレートである。 空のバッテリボックスである。 多数の２Ｓセルを有するバッテリボックスである。 図１８の詳細図Ｃである。 図１８の詳細図Ｄである。 トップカバーである。 バッテリパックボックスである。 フロー方向図である。 フロントラバーシート付きの冷却グリッドアレイ正面図である。 図２４の詳細図Ａ及びＣである。 バックラバーシート付きの冷却グリッドアレイの背面図である。 図２６の詳細図Ａである。 フロント及びバックラバーシートの切欠き空間を有する冷却グリッドアレイ上面図である。 フロントラバーシートの切欠き空間におけるクーラントフロー方向を示す図２８の正面図Ｂである。 バックラバーシートの切欠き空間におけるクーラントフロー方向を示す図２８の背面図Ｃである。 ボトムフローダクト層におけるクーラントフロー方向を示す図２８の詳細図Ｄ及びＥである。

バッテリセルのタイプとセルの仕様に関して、本発明者は積層セルを選択した。円筒形セルに比べて、積層セルは内部抵抗が低く、充放電中に発生する熱が低く、エネルギー／電力密度が高い。積層セルのフラットな形状とより広く露出した表面積のため、熱交換の実行がより容易である。

本発明者は、８６個の大型の積層セル（図１に示すように、１００Ａｈ、３．７Ｖ）を有するようにバッテリパックを設計した。バッテリセルは、以下に概説する、空間制約下で導電性をもたらす新規のクリップシステムによって接続される。

２つのセルは、小クリップ（図３）によって、端子の一方が他方のセルの反対の端子に接続された状態で、面同士を対向させて直列接続される（図２）。これが２Ｓセルとなる。２Ｓセルの両側は熱交換用の冷却ダクトプレート（図１８）に接触することになる。

２Ｓセルは、各２Ｓセルの端子を同一の向きにした状態で、直列接続される。大クリップ（図４）は、２つの２Ｓセルが所定の位置に挿入されるとこの２つの２Ｓセル間に位置する冷却ダクトプレート（図１８の詳細Ｄ）を跨いで、各２Ｓセル間の端子同士を接続する。

エンドクリップ（図５）は、主電源ケーブルへの接続のため、最初の２Ｓセルの最初のセルの正端子（図２０）、及び最後の２Ｓセルの最後のセルの負端子で使用される。

これによって、１２０〜１５０ｋｍ（日常の都市通勤者の９０％）の電気的駆動用のみの電圧（３２０Ｖ）及びエネルギー容量（３２ｋＷｈ）が達成される。

バッテリパックボックスのコストを下げるために、可能であれば、ボックス構造プレートには、押出アルミニウム合金構造体が使用される。

図６は冷却ダクトプレートを示す。分割された中空のフローダクトはクーラントが通過するため、且つ、２Ｓセルと熱交換を行うためのものである。

冷却ダクトプレートの両端は、冷却ダクトエンドプレートの切欠き溝（図７）に挿入され、外側表面が面一となる。摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）により漏洩防止接合を行い、１列に並べられて冷却ダクトエンドプレートに取付けられた図８に示すような、一様で規則的な構造体である、多数の冷却ダクトプレートにから構成された冷却グリッドアレイを形成する。また、冷却ダクトプレートは、バッテリセルを支持し、バッテリセルをその位置に維持し、その形状を維持する。

フロントラバーシート（図９）を、フロントカバー（図１０）の凹部に嵌合させる。ラバーシートが位置する側から見た最終的な形状を図１１に示す。

バックラバーシート（図１２）を、バックカバー（図１３）の凹部に嵌合させる。ラバーシートが位置する側から見た最終的な形状を図１４に示す。

フロント及びバックラバーシートの切欠パターンは若干異なる。フロントラバーシートは、左右に狭幅の切欠（左右狭幅切欠は異なるレイアウトを有する）を有し、それ以外の部分に広幅の切欠を有する。狭幅切欠は、横方向に２つのフローダクトに開口し（１×２又は２×２形状）、広幅切欠は４つのフローダクトに開口する（１×４形状）（図２４及び図２５）。狭幅切欠は、２つの形状、即ち、大きい狭幅切欠及び小さい狭幅切欠として存在する（図２５）。大きい狭幅切欠は、４つのフローダクトに開口することが出来（２×２形状）、小さい狭幅切欠は２つのフローダクトに開口することが出来る（１×２形状）。バックラバーシートは、全体に広幅の切欠のみを有する（図２６及び図２７）。この切欠の配置によってクーラントフローの方向変化が容易になる（図２８乃至図３１）。ラバーシートは、フローダクト間の空間を密閉する機能も有する。

冷却グリッドアレイと、特殊な切欠パターンを有するフロントラバーシート付きフロントカバーと、特殊な切欠パターンを有するバックラバーシート付きバックカバーとを有する、本装置の新規の構造は、本装置をコンパクト且つ軽量に維持すると同時に、クーラントが、本装置全体の均一且つ効果的な冷却をもたらす経路を流れ得るようにするものである。

摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）、又はその他の任意の適当な接続方法を、以下の接続に使用することが出来る。
―フロントカバーとフロント冷却ダクトエンドプレート（漏洩防止接合でなくてはならない）
―バックカバーとバック冷却ダクトエンドプレート（漏洩防止接合でなくてはならない）
―ボトムプレート（図１５）とフロント及びバック冷却ダクトエンドプレート
―２つのサイドプレート（図１６）とフロント及びバック冷却ダクトエンドプレート及びボトムプレート

最終的な空のバッテリボックスの構造を図１７に示す。

２Ｓセルが冷却ダクトプレート間の空間に挿入された後（図１８）、必要な絶縁シート及びスペーサの設置及び小クリップ、大クリップ、及びエンドクリップの接続によって（上述のように）、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）接続部及びケーブルを設置することが出来る。

トップカバー（図２１）は、ＢＭＳを収容可能な溝を有する。また、トップカバーは、ＢＭＳ用の１２Ｖ ＤＣ接続部、主電源ソケット及び、２つのＣａｎ−ｂｕｓ２．０端子等、様々なソケットを備える。また、トップカバーは、クーラント導入口及び排出口にクイックリリースクーラント接続部を備えることも出来る。これら全てによって、任意のＥＶとのプラグ・アンド・プレイオペレーションが容易になる。

トップカバーと締結部材によって固定されたバッテリボックスの間のトップラバーシール（図１８）によって、バッテリパックボックス全体（図２２）が、ＥＶでの使用に適した、ＩＰ６５等級の筐体となる。

図２３は、バッテリパックにおける冷却グリッドアレイにおけるクーラントのフローの概略を示す。単純化のため、１つの円筒形管状構造によって、２つのフローダクトの経路を表す。フローダクトの位置を、図２４乃至図２７に示す。フロント及びバックカバーの両方を夫々のラバーシートに接続することによって、クーラントのフローは、ラバーシート切欠空間で方向を変えることが出来る。フロントラバーシートが如何にしてフロー方向を変えることが出来るかを図２９に示し、バックラバーシートが如何にしてフロー方向を変化させることが出来るかを図３０に示す。図３１は、ボトムフローダクト層におけるフロー方向を示す。

結論
本装置は、単純な設計で、均一、効果的且つ効率的にクーラントを個々のセルに運ぶことが出来、バッテリの寿命を延ばし、その安全性を高める。

約１３ｋｇのクーラントを含むバッテリパック（図２２）の総重量は、約３５０ｋｇである。
その寸法は、Ｌ（長さ）＝１０３１ｍｍ、Ｗ（幅）＝５０９ｍｍ、Ｈ（高さ）＝４４５ｍｍである。

このバッテリパックは、軽量だが強度があり、電圧３２０Ｖ、エネルギー容量３２ｋＷｈ、エネルギー重量比約９１Ｗｈ／ｋｇ、エネルギー体積比約１３７Ｗｈ／Ｌである。これらの仕様は、ほとんどのＥＶでの使用における要件を満たすことが出来る。

考え得る将来の実施例
今日のＥＶバッテリパックは、様々な形状で様々な自動車メーカーによって製造されている。この結果、スケールメリットの欠如、及び異なる自動車メーカーの自動車間のバッテリの互換性が無いことにより、コストがより高くなる。

バッテリパックが規格化されれば、異なる車両に適合するよう容易に適応することが出来るだろう。場合によっては、ステートグリッド（ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｇｒｉｄ）は、自動車メーカー自体よりも規格化されたバッテリパックを製造ですることが出来、様々な形で得られる利益が存在する。

バッテリパックを製造、充電及びメンテナンスするための施設を集中化させることで、スケールメリットがもたらされ、消費者及び製造者双方にとってコスト削減になる。バッテリパックは、オフピークの時間帯にパワーステーション（ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ）で充電し、燃料キオスク（ｐｅｔｒｏｌ ｋｉｏｓｋ）に供給することが出来る。燃料を補充する代わりに、消費者は、燃料キオスクでバッテリを交換し、空になったバッテリは、ステートグリッドによって回収され充電されるよう置いていくだけでよい。これによって、ＥＶの走行距離を延長することも出来る。

フル充電されたバッテリパックを燃料キオスクに供給する中央充電施設によって、政府は様々な場所に充電ステーションを建設するための出費が必要なくなり、大幅な経費削減となる。また、消費者は、自身の車両のバッテリの有用性及びメンテナンスに関しては、ステートグリッドが対処してくれるので、心配する必要がない。

この取り組みによって、ＥＶの価格は劇的に下がり、市場の拡大を促進する。自動車メーカーは規格化されたバッテリパックを収容可能な未来の自動車を設計するだけでよい。

このパワーバッテリパック冷却装置の概念及び構造は、コンパクト且つ軽量のバッテリパックを必要とするその他の将来的な実施例及び用途、又は空間的制約下で効果的な冷却システムを必要とする用途にも適用可能である。

独占的な所有権又は特権を請求する本発明の内容は、特許請求の範囲に記載する通りである。

Claims (2)

1. 熱交換が行われる冷却グリッドアレイと、
   切欠によって形成された空間を通ってクーラントのフロー及び方向転換を容易にするフロントラバーシートが取付けられた（クーラントが冷却装置に流入及び冷却装置から流出出来るようにする冷却導入口及び排出口を有する）フロントカバーと、
   切欠によって形成された空間を通ってクーラントのフロー及び方向転換を容易にするバックラバーシートが取付けられたバックカバーと、を備えるパワーバッテリパック冷却装置。
2. 冷却ダクトプレートを介して２つの２Ｓセル間に導電性を与える大クリップと、
   ２つのバッテリセル間の１つの２Ｓセル内に導電性を与える小クリップと、
   主電源ケーブルの接続のために最初の２Ｓセルの正端子及び最後の２Ｓセルの負端子に取付けられるエンドクリップと、を備えるバッテリセル間における導電性のためのクリップシステム。

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