JP2015103428A - 車両用電池パックの冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルの積層方向端部側から冷却空気を供給する場合と比較して、ケーシング内における冷却空気の流路長さを、各電池セル間で均一化する。その際に、車両の後部座席の居住性の低下を抑える。
【解決手段】電池パック１２は、電池セル３２の積層方向を車両幅方向に合わせるようにして、車室の後部座席２６下に配置される。吸気ダクト１６は、後部座席フロア２２の、車両幅方向中央部に形成されたフロアトンネル２４上に配置される。電池スタック３０には、電池セル３２の積層方向中央部に、ケーシング２０内に取り込まれた冷却空気を電池スタック３０の底面に送り込むガイド部材４８を有するガイドスペーサ２８が挟み込まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電池パックの冷却システムに関し、特に、車両の後部座席下に配置された電池パックに冷却空気を送り込んで冷却する冷却システムに関する。

電気自動車やハイブリッド車両には、直流電源となる電池パックが搭載されている。電池パックは、電池セル（単電池）を積層してこれらを直列接続した電池スタックと、電池スタックを収容する筐体のケーシングを備える。電池パックは、電池セルの積層方向が長手方向となるような、略直方体形状となっている。

近年、電池パックの高容量化が求められており、これに伴って電池パックの体積は大きくなる。その一方で、居住空間を確保するように、電池パックの小型化や配置の工夫が求められている。このような要求のもと、電池パックは、例えば車室の後部座席下に配置される。

また、特許文献１に示すように、電池パックには、冷却機構が取り付けられている。例えば、冷却機構は、車室内から冷却空気を取り込んで送り出す送風器と、送風器からケーシング内に冷却空気を導く吸気ダクトを備える。ケーシングとこれに収容された電池スタックとの間、及び、電池スタックの隣接する電池セル間には間隙が設けられており、ケーシング内に導入された冷却空気は、これらの間隙に流通される。

ケーシング内部では、冷却空気と一緒に取り込まれた水などの液体が電池スタックに掛かることを防ぐためや、空気が暖められたときに生じる上昇気流との干渉を防ぐために、ケーシングの底面から天井面に向かうように、冷却空気の気流が形成される。

例えば、ケーシングの長手方向の側面下部から、冷却空気が導入される。導入された冷却空気は、ケーシングの底面を伝うように流れ、その後、隣り合う電池セル間の間隙を通過するようにして、ケーシングの底面から天井面側に流れる。

特開平６−１５０９６３号公報

ところで、ケーシングの長手方向（電池セルの積層方向）側面から冷却空気を導入する場合、冷却空気が導入される側の電池セルと、それとは対向する側の電池セルとで、ケーシングの底面を流れる冷却空気の流路長さが異なる。当該底面を流れる過程で、冷却空気は電池セルに暖められることから、この流路長さが長くなるほど、下流側の空気が上流側の空気の影響を受けて、電池セルに対する冷却効率は低下することになる。このように、ケーシング内の流路長さの偏りが、各電池セルの冷却効率の偏りに繋がる。

ケーシング内の流路長さの均一化を図るため、冷却空気の供給方法を、側面供給から前面供給に変更することが考えられる。例えば、図６に示すように、車室内の空気を送り込む吸気ダクト１００を電池パック１０２よりも車両前方側、つまり後部座席フロア（床面）に配置するとともに、吸気ダクト１００の形状を、電池パック１０２側に向かって末広がりとなるように形成する。しかし、このようにすると、吸気ダクト１００は後部座席フロアの大部分を占めるようになり、その結果、後部座席フロアの大部分が嵩上げされることになる。この結果、後部座席１０４の座面と床面との間隔が詰まり、居住性が低下するという、別の問題が生じるおそれがある。

本発明に係る、車両用電池パックの冷却システムは、電池パックを備える。当該電池パックは、複数の電池セルが積層された電池スタックと、前記電池スタックを収容する筐体のケーシングと、前記電池スタック底面から各電池セル間へ冷却空気を供給する冷却通路とを備え、車室の後部座席下に、前記電池セルの積層方向を車両幅方向に合わせるようにして配置される。また、上記システムは、後部座席フロアに設けられ、前記ケーシング内に冷却空気を送り込む吸気ダクトと、冷却空気を前記吸気ダクトに送る送風器と、を備える。前記吸気ダクトは、後部座席フロアの、車両幅方向中央部に形成されたフロアトンネル上に配置される。前記電池スタックには、前記電池セルの積層方向中央部に、前記ケーシング内に取り込まれた冷却空気を前記電池スタック底面に送り込むガイド部材を有するスペーサが挟み込まれている。

本発明によれば、車両の後部座席の居住性の低下を抑えつつ、各電池セルに対するケーシング内の流路長さの均一化を図ることが可能となる。

本実施形態に係る車両用電池パックの冷却システムを例示する図である。 図１の車両用電池パックの冷却システムを、車室内に配置した状態を例示する図である。 電池スタックの構成を例示する斜視図である。 冷却空気の流れを説明する側面断面図である。 冷却空気の流れを説明する正面断面図である。 冷却空気を前面供給にした場合の冷却システムの一例を示す図である。

図１及び図２に、本実施形態に係る車両用電池パックの冷却システム１０を例示する。冷却システム１０は、電池パック１２、送風器１４、及び吸気ダクト１６を備える。図１では、冷却システム１０の各構成が分離された状態で示されている。図２では、各構成が接続された状態の冷却システム１０が、車室内の配置関係と併せて示されている。

送風器１４は、車室内から取り込んだ冷却空気を吸気ダクト１６に送る送風手段である。送風器１４は、ファンまたはブロアであってよい。送風器１４は、例えば車室の前部座席間に設けられた、センターコンソール１８の下部に設けられる。また、送風器１４は、車室内の空気を取り込む代わりに、車外の空気（外気）を取り込むようにしてもよい。

吸気ダクト１６は、電池パック１２のケーシング２０内に冷却空気を送り込む（導く）導管部材である。吸気ダクト１６は、送風器１４及びケーシング２０に接続される。また、吸気ダクト１６は、後部座席フロア（床面）２２の、車両幅中央部に形成されたフロアトンネル２４上に配置される。

フロアトンネル２４は、フロアパネルの車両幅中央部に、車両幅方向とは直交する車両長さ方向に沿って設けられた隆起部分であって、その下部に排気管等が通されている。フロアトンネル２４は、左右の後部座席２６Ａ，２６Ｂの間に設けられるように形成されており、またフロアトンネル２４が配置される箇所はフロア面が隆起していることから、後部座席２６Ａ，２６Ｂの乗員の足置きスペースとしては通常は使用されない。

本実施形態では、後部座席フロア２２のうち、後部座席２６Ａ，２６Ｂの乗員の足置きスペースとしては通常使用されないフロアトンネル２４上に、吸気ダクト１６を設けている。このように吸気ダクト１６を配置することで、後部座席の居住性の低下を抑えることが可能となる。

なお、フロアトンネル２４とセンターコンソール１８は、車両長さ方向に沿った軸上に設けられている。センターコンソール１８内に送風器１４を配置し、またフロアトンネル２４上に吸気ダクト１６を設けることで、電池パック１２まで直線的な、つまり圧力損失の少ない流路を形成することができる。

吸気ダクト１６は、フロアトンネルからはみ出すことの無いように、フロアトンネル２４上に配置されていることが好適である。例えば、吸気ダクト１６の幅Ｗ１は、フロアトンネル２４の幅Ｗ２以下となることが好適である。

また、吸気ダクト１６は、冷却空気が流れる上流側と下流側とで、断面形状が異なるように形成されていてもよい。例えば、上流側は幅広で高さの低い、断面が扁平な矩形形状であって、下流側は相対的に幅が狭く高い、断面が甲高の矩形形状であってよい。また、両者の断面積は、同一であってよい。

扁平な矩形形状とすることで、フロアトンネル２４部分の嵩上げ高を低くすることができる。このことから、吸気ダクト１６の全長の大部分を、扁平な矩形形状に形成することが好適である。例えば、吸気ダクト１６の全長の６０％以上８０％以下を、扁平な矩形形状に形成してよい。また、ケーシング２０に接続される下流側を甲高な矩形形状とすることで、後述するガイドスペーサ２８を薄く形成することができる。

電池パック１２は、電池スタック３０及びケーシング２０を備える。電池パック１２は、車室の後部座席２６下に配置される。この配置に際して、電池パック１２の長手方向を、後部座席２６の長手方向に合わせるようにして、電池パック１２を配置する。つまり、後述する電池セル３２の積層方向を、車両幅方向に合わせるようにして、電池パック１２が配置される。このように、電池パック１２の長手方向を車両幅方向に沿って配置し、また、吸気ダクト１６を、車両長さ方向に沿って配置することで、電池セル３２の積層方向に対して垂直に冷却空気が導入される。

ケーシング２０は、電池スタック３０を収容する筐体である。ケーシング２０は、電池スタック３０を衝撃等から保護するための保護部材であって、例えばアルミ等の高剛性材料から構成される。

ケーシング２０は、電池スタック３０の形状に合わせて形成されており、例えば電池スタック３０よりも一回り大きい略直方体形状となるように形成されている。このようにすることで、電池スタック３０とケーシング２０の内面との間に空隙が形成され、この空隙に冷却空気を流すことができる。

ケーシング２０には、吸気ダクト１６の下流端と接続して冷却空気を取り込む取り込み口３３が形成されている。取り込み口３３は、ケーシング２０の前部座席側、つまり後部座席フロア２２に面する側面３５の、車両幅方向中央部に設けられていてよい。また、ケーシング２０には、電池スタック冷却後の排気を排出する排出口３６が形成されていてもよい。

図３に、電池スタック３０を例示する。電池スタック３０は、複数の電池セル３２が積層されて構成されている。電池スタック３０は、電池セル３２の他、通風用スペーサ３４、エンドプレート３７、拘束バンド３８及びガイドスペーサ２８を備える。電池セル３２、通風用スペーサ３４、及びガイドスペーサ２８の積層体の両端をエンドプレート３７Ａ，３７Ｂで挟み込むとともに、エンドプレート３７Ａ，３７Ｂに拘束バンド３８を架け渡して固定することで、電池スタック３０の積層体が固定される。また、エンドプレート３７に設けられた締結部４６によって、電池スタック３０がケーシング２０に固定される。

電池セル３２は、例えば角型の単電池から構成される。電池セル３２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの、二次電池であってよい。電池セル３２は、正極４０Ａ及び負極４０Ｂが設けられ、隣り合う電池セル３２の正極４０Ａと負極４０Ｂが、図示しないバスバーなどの接続部材によって接続される。このようにして、積層された全ての電池セル３２が直列に接続される。

通風用スペーサ３４は、電池スタック３０の底面から各電池セル３２間へ冷却空気を供給するための冷却通路を形成する。通風用スペーサ３４は、隣り合う電池セル３２間に挟まれる様にして配置される。通風用スペーサ３４の位置ずれ防止のため、その鉛直方向上下に、拘束バンド３８の通し穴４４を形成してもよい。

通風用スペーサ３４の、電池セル３２と対向する面には、冷却空気を通すための溝４２が形成されている。溝４２は、ケーシング２０の底面側から天井面側まで直線状に形成された縦溝であってよい。溝４２は、電池セル３２と対向する両面に設けられていてもよく、また片面に設けられていてもよい。通風用スペーサ３４は、絶縁部材から形成され、例えば樹脂から形成される。なお、電池セル３２が樹脂カバーによって覆われる場合、通風用スペーサ３４に代えて、この樹脂カバーに溝４２を形成するようにしてもよい。

ガイドスペーサ２８は、ケーシング２０側面から取り込まれた冷却空気を、電池スタック３０の底面に送り込む。ガイドスペーサ２８は、電池スタック３０の、電池セル３２積層方向中央部に挟み込まれる。例えば、電池スタック３０が、２０個の電池セル３２から構成される場合、ガイドスペーサ２８は、１０個目の電池セル３２と１１個目の電池セル３２との間に挟みこまれる。ガイドスペーサ２８は、通風用スペーサ３４と同様に、樹脂等の絶縁材料から形成されてよい。また、通風用スペーサ３４と同様に、拘束バンド３８の通し穴４４を形成してもよい。

ガイドスペーサ２８は、電池セル３２と対向する面に、ガイド部材４８が形成されている。ガイド部材４８は、略Ｊ字型の板部材であってよく、図４に示すように、ケーシング２０の取り込み口３３に対向するように流入開口が設けられるとともに、そこから湾曲してケーシング２０の底面に向かうように延設される。ガイド部材４８は、複数設けられてよい。また、ガイド部材４８は、電池セル３２と対向する両面に設けられていてよい。

ガイド部材４８を設けることで、吸気ダクト１６から送り込まれた冷却空気が、ケーシング２０の底面方向に導かれる。さらに図５に示すように、ガイドスペーサ２８は電池スタック３０の積層方向中央部に設けられており、ガイドスペーサ２８から送り出された冷却空気は、積層方向両端に分かれるようにして、ケーシング２０の底面５０を伝うように流れる。さらに冷却空気は電池スタック３０の底面から電池セル３２間の通風用スペーサ３４を経由してケーシング２０の天井側に向かって流れる。これによって電池セル３２が冷却される。

ガイドスペーサ２８を電池スタック３０の積層方向中央部に設けることで、各電池セル３２に到達するまでにケーシング２０内を流れる流路長さが、各電池セル３２間で、従来（積層方向端部からの供給）よりも均一化される。これにより、各電池セル３２間の冷却効率の偏りが解消される。

なお、図３に示すように、ガイドスペーサ２８に、ケーシング２０に電池スタック３０を固定させるための、締結部４６を設けてもよい。このようにすることで、両端のエンドプレート３７Ａ，３７Ｂのみにてケーシング２０への固定を行っていた場合と比較して、電池スタック３０とケーシング２０との相対振動が抑制される。

１０ 冷却システム、１２ 電池パック、１４ 送風器、１６ 吸気ダクト、２０ ケーシング、２８ ガイドスペーサ、３０ 電池スタック、３２ 電池セル。

Claims (1)

1. 複数の電池セルが積層された電池スタックと、前記電池スタックを収容する筐体のケーシングと、前記電池スタック底面から各電池セル間へ冷却空気を供給する冷却通路と、を備え、車室の後部座席下に、前記電池セルの積層方向を車両幅方向に合わせるようにして配置される、電池パックと、
   後部座席フロアに設けられ、前記ケーシング内に冷却空気を送り込む、吸気ダクトと、
   冷却空気を前記吸気ダクトに送る送風器と、
   を備え、
   前記吸気ダクトは、後部座席フロアの、車両幅方向中央部に形成されたフロアトンネル上に配置され、
   前記電池スタックには、前記電池セルの積層方向中央部に、前記ケーシング内に取り込まれた冷却空気を前記電池スタック底面に送り込むガイド部材を有するスペーサが挟み込まれていることを特徴とする、車両用電池パックの冷却システム。

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