JP2015201271A - 電池温調システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝達デバイスの熱輸送能力が小さい場合でも、効率よく、かつ、低コストで電池セルの温調を行うことができるとともに、均熱化を図ることのできる電池温調システムを提供する。【解決手段】複数の電池セル１０を所定間隙をもって配列し、電池セル１０に熱的に密着される熱伝達デバイス２０を備え、電池セル１０の間隙に温調用の流体を流すものであり、これにより、熱伝達デバイス２０により各電池セル１０の温度の均一化を図るとともに、各電池セル１０の間隙に温調用の流体を流すことにより、電池セル１０の温調を行うことができ、熱伝達デバイス２０の熱輸送能力が小さい場合でも、効率よく、かつ、低コストで電池セル１０の温調を行うことができるとともに、均熱化を図ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電池温調システムに係り、特に、複数配列された電池セルを効率よく、かつ、低コストで温調するとともに、均熱化を図ることを可能とした電池温調システムに関するものである。

近年、電気自動車やハイブリット自動車などの電気モータの駆動力を利用した自動車が注目されている。このような自動車の電気モータを駆動するための高電圧、高出力の電源として、複数の電池セルを組み合わせた電池モジュールが多く用いられている。

このような電池モジュールは、複数の電池セルの電極ポストをバスバーで接続することにより、各電池セルを直列に接続して使用するものであり、この場合に、複数の電池セルを並べて配置するものであるため、特に、電池モジュールの中央付近に配置された電池セルの温度が高くなるなど、各電池セルごとに温度のばらつきが生じてしまうという問題を有している。

このような電池セルの温度のばらつきを解消する技術として、従来、例えば、複数の電池セルの正極端子および負極端子に、電池セル間に渡って延びるヒートパイプを接続するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

また、このような電池セルの温度のばらつきを解消する他の技術として、従来、例えば、電池モジュールの下部に取り付けられた均熱板にヒートパイプの蒸発部を挿入するとともに、ヒートパイプの凝縮部にフィンなどの放熱部を設けるようにした技術が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。

さらに、このような電池セルの温度のばらつきを解消する技術として、従来、例えば、充電モジュールを、ヒートシンクと、ヒートシンクの上面を覆うファンカバーに装着されるファンと、ヒートシンクの側壁に挿入されヒートシンクの側壁を放熱するヒートパイプとを備えるようにした技術が開示されている（例えば、特許文献３を参照）。

特開２００６−２１０２４５号公報 特開平１０−０５５８２７号公報 特開２０１２−０４９４９７号公報

しかしながら、前記各特許文献に記載の発明においては、電池モジュール全体の温度調節を行うための熱量のすべてを、ヒートパイプを介して輸送する必要があるため、より多くのヒートパイプを設けたり、もしくは、より熱輸送量の大きいヒートパイプが必要となるため、システム全体として高コスト化、大型化してしまうという問題を有している。

本発明は、前記した点に鑑みてなされたものであり、熱伝達デバイスの熱輸送能力が小さい場合でも、効率よく、かつ、低コストで電池セルの温調を行うことができるとともに、均熱化を図ることのできる電池温調システムを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために本発明に係る電池温調システムは、複数の電池セルを所定間隙をもって配列し、前記電池セルに熱的に密着される熱伝達デバイスを備え、前記電池セルの間隙に温調用の流体を流すことを特徴とする。

この構成によれば、電池セルに熱的に密着される熱伝達デバイスを備え、熱伝達デバイスを通る流体を電池セルの間隙に流すようにしているので、熱伝達デバイスにより各電池セルの温度の均一化を図るとともに、熱伝達デバイスを通る流体を各電池セルの間隙に流すことにより、電池セルの温調を行うことができ、熱伝達デバイスに必要とされる熱輸送能力を大きくする必要がないため、効率よく、かつ、低コストで電池セルの温調を行うことができるとともに、均熱化を図ることができる。

また、本発明は、前記構成において、前記熱伝達デバイスが、前記電池セルに対する前記流体の流れの上流に配置されていることを特徴とする。この構成によれば、熱伝達デバイスを流体の上流側に配置するようにしているので、熱伝達デバイスは、電池セルの温調を行った後の流体の温度のばらつきの影響を受けることがなくなるので、熱伝達デバイスによる各電池セルの温度の均一化を安定して行うことができる。

また、本発明は、前記構成において、前記熱伝達デバイスは、均熱化部材を備えていることを特徴とする。この構成によれば、均熱化部材により熱伝達デバイスのより一層の温度の均一化を図ることができるものである。

また、本発明は、前記構成において、前記均熱化部材は、ヒートパイプであることを特徴とする。この構成によれば、ヒートパイプにより熱伝達デバイスのより一層の温度の均一化を図ることができるものである。

また、本発明は、前記構成において、前記熱伝達デバイスは、前記均熱化部材を保持する熱伝達板を備えていることを特徴とする。この構成によれば、熱伝達板により、均熱化部材を保持するとともに、熱伝達板を電池セルに密着させることにより、電池セルの温度を高い方から低い方へと伝達して、電池セルの温度の均一化を図ることができる。

また、本発明は、前記構成において、前記熱伝達デバイスは、前記電池セルの配列領域の一部に配置されていることを特徴とする。この構成によれば、電池セルの配列領域の一部に熱伝達デバイスを配置することにより、電池セルの配列領域の必要な領域における温度の均一化を図ることができる。

また、本発明は、前記構成において、前記均熱化部材は、前記熱伝達デバイスの配置領域より短く形成され、この短く形成された複数の前記均熱化部材を互いに熱的に接合することにより、前記熱伝達デバイスの配置領域の全域に配置されていることを特徴とする。この構成によれば、複数の均熱化部材を互いに熱的に接合することにより、電池セルの配列領域より短い均熱化部材を用いて電池セルの配列領域における温度の均一化を図ることができる。

また、本発明は、前記構成において、前記均熱化部材は、前記熱伝達デバイスの一部の領域に配置されていることを特徴とする。この構成によれば、熱伝達デバイスの一部の領域に均熱化部材を配置することにより、熱伝達デバイスの必要な領域における温度のより一層の均一化を図ることができる。

また、本発明は、前記構成において、前記熱伝達板は、前記電池セルの間隙の少なくとも一部に対応する位置に通風孔を備えていることを特徴とする。この構成によれば、通風孔により、電池セルの間隙部分に適正に流体を流すことができるものである。

また、本発明は、前記構成において、前記熱伝達板の通風孔は、前記電池セルの配列位置に応じて大きさが異なることを特徴とする。この構成によれば、電池セルの配列位置に応じて熱伝達板の通風孔の大きさを任意に設定することにより、各電池セルの間隙部分に流入する流体の量を調整することができるものである。

また、本発明は、前記構成において、前記熱伝達板の通風孔の周囲は、前記熱伝達板の一面側に立設された突部を備えていることを特徴とする。この構成によれば、通風孔の周囲を立設させた突部を備えることにより、熱伝達板の強度を増大させることができる。

また、本発明は、前記構成において、前記突部は、前記電池セルの配列側に立設されており、前記突部は、前記電池セルの配列間隔に形成されていることを特徴とする。この構成によれば、突部の間に電池セルを配置するだけで、電池セルを適正に位置決めして配列することができ、電池セルの組み付け作業を効率よく行うことができる。

また、本発明は、前記構成において、前記熱伝達板に、放熱フィンが設けられていることを特徴とする。この構成によれば、放熱フィンを設けることにより、均熱性や温調効果をさらに高めることが可能となる。

また、本発明は、前記構成において、前記電池セルおよび前記熱伝達デバイスを収容するケース部材を備え、前記ケース部材に、前記流体の流入口および流出口が設けられていることを特徴とする。この構成によれば、流入口および流出口を設けることにより、流体を効率よくケース部材の内部に流入させることができ、内部に収容される電池セルの温調を効率よく行うことができる。

また、本発明は、前記構成において、前記ケース部材と前記熱伝達デバイスとを一体に構成したことを特徴とする。この構成によれば、ケース部材と熱伝達デバイスとをユニット化することができ、これにより、ケース部材に電池セルを収容するだけで、容易に電池温調システムを得ることができる。

本発明によれば、電池セルに熱的に密着される熱伝達デバイスを備え、前記電池セルの間隙に温調用の流体を流すようにしているので、熱伝達デバイスにより各電池セルの温度の均一化を図るとともに、各電池セルの間隙に温調用の流体を流すことにより、電池セルの温調を行うことができ、熱伝達デバイスは、電池セルの温度を低減もしくは上昇させるために必要な全熱量を輸送する必要がなく、電池セルの温度のばらつきを低減させて均一化させるための熱量だけを輸送すればよいため、熱伝達デバイスの熱輸送能力が小さい場合でも、効率よく、かつ、低コストで電池セルを安定して温調することができるとともに、均熱化を図ることができる。

本発明に係る電池温調システムの実施形態を示す概略斜視図である。 本発明に係る電池温調システムの実施形態における熱伝達デバイスを示す分解斜視図である。 本発明に係る電池温調システムの実施形態における図２の下側の熱伝達板を示す概略斜視図である。 本発明に係る電池温調システムの実施形態における熱伝達デバイスを示す概略斜視図である。 本発明に係る電池温調システムの実施形態における熱伝達デバイスを下方からみた概略斜視図である。 本発明に係る電池温調システムの実施形態における熱伝達デバイスをユニット化した場合の例を示す下部ケース部分の概略斜視図である。 本発明に係る電池温調システムにおける放熱フィンを設けた熱伝達板の変形例を示す概略斜視図である。 本発明に係る電池温調システムにおける図７の底面からみた概略斜視図である。 本発明に係る電池温調システムにおける熱伝達板の電池セル側に突部を設けた例を示す概略斜視図である。 本発明に係る電池温調システムにおける図９の熱伝達板を用いて電池セルを配列した例を示す概略斜視図である。

以下、本発明を実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１から図５は、本発明に係る電池温調システムの実施形態を示したものであり、図１は概略斜視図であり、図２は熱伝達デバイスを示す分解斜視図である。図３は下側の熱伝達板を示す概略斜視図であり、図４は上側の熱伝達板を示す概略斜視図である。図５は熱伝達デバイスを下方からみた概略斜視図である。

図１から図５に示すように、本実施形態においては、複数の電池セル１０が所定の間隙をもって配列されている。各電池セル１０の底面には、熱伝達デバイス２０が密着されるように構成されている。熱伝達デバイス２０は、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた材料からなる２つの熱伝達板２２，２２を備えており、各熱伝達板２２には、電池セル１０の間隙部分にそれぞれ開口する複数の通風孔２４が形成されている。通風孔２４は、熱伝達板２２の幅方向に２つずつ形成されるように構成されており、本実施形態においては、熱伝達板２２の長手方向中央付近の４つの通風孔２４は、幅寸法が短く形成されている。なお。本実施形態においては、熱伝達板２２の通風孔２４の周囲には、折り曲げ形成して、熱伝達板２２の一面側に立設した突部２６が形成されている。そのため、本実施形態の熱伝達板２２は、より強度を高めることができるように構成されている。

なお、本実施形態においては、熱伝達板２２の通風孔２４を、各電池セル１０のすべての間隙部分に対応する位置に形成するようにしているが、例えば、各電池セル１０の温度状況に応じて、熱伝達板２２の任意の位置にのみ形成するようにしてもよい。また、各通風孔２４の大きさも任意に設定するようにしてもよい。このように熱伝達板２２の通風孔２４の形成位置または大きさを設定することにより、各電池セル１０の間隙部分に流入する流体としての空気の量を任意に調節することが可能となる。

また、熱伝達板２２の通風孔２４を避けた位置である熱伝達板２２の中央部および両側部には、図２および図３に示すように、各電池セル１０の配列方向に沿って均熱化部材としてのヒートパイプ３０が配置されている。このヒートパイプ３０は、本実施形態においては、電池セル１０の配列方向のほぼ中央部分において、２本のヒートパイプ３０の先端部分を幅方向に重なるように配置して熱的に接合して構成されており、このように、電池セル１０の配列方向の全域の長さより短いヒートパイプ３０を互いに熱的に接合することにより、電池セル１０の配列方向の全域にわたってヒートパイプ３０を配置することができるものである。なお、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、１本のヒートパイプ３０を電池セル１０の配列方向の全域にわたって配置するようにしてもよいし、３本以上のヒートパイプ３０を互いに熱的に接合することにより、電池セル１０の配列方向の全域にわたって配置するようにしてもよい。

このように形成された熱伝達デバイス２０の一方の熱伝達板２２を各電池セル１０の底面に密着させて構成されている。そして、熱伝達板２２が各電池セル１０に密着することにより、熱伝達板２２およびヒートパイプ３０を介して各電池セル１０の温度の高い部分から低い部分に熱が伝達されるものであり、これにより、各電池セル１０の温度を均一にすることができるように構成されている。

なお、熱伝達デバイス２０を構成する熱伝達板２２は、ヒートパイプ３０を保持する補強板としても機能するものであり、１枚の熱伝達板２２により十分に強度を確保することができる場合には、１枚の熱伝達板２２のみで熱伝達デバイス２０を構成するようにしてもよい。さらに、本実施形態においては、熱伝達デバイス２０を、各電池セル１０の全体にわたって設けるようにしているが、例えば、熱伝達デバイス２０を各電池セル１０の一部にのみ密着させるようにしてもよいし、複数の熱伝達デバイス２０を各電池セル１０の複数箇所に密着させるようにしてもよい。

また、本実施形態においては、均熱化部材として、ヒートパイプ３０を用いるようにしているが、これに限定されるものではなく、均熱化部材として、例えば、ベーパーチャンバ、グラファイトシート、水冷あるいはヒートポンプシステムの配管などを用いるようにしてもよい。特に、均熱化部材として、水冷やヒートポンプシステムの配管などを用いた場合は、それ自身が温調機能も併せ持つため、より高性能な温調システムを構築することができる。さらに、本実施形態においては、通風孔２４が形成された熱伝達板２２とヒートパイプ３０とにより熱伝達デバイス２０を構成するようにしたが、例えば、通風孔２４が形成されたベーパーチャンバ、水冷ジャケットまたは冷媒ジャケットにより熱伝達デバイス２０を構成するようにしてもよい。

また、各電池セル１０および熱伝達デバイス２０は、ケース部材としての箱形の上部ケース４０および下部ケース４２に収納されるように構成されている。上部ケース４０の上面には、上部ケース４０の一側に開口する上部通風口４４を備えた上部ダクト４５が設けられており、下部ケース４２の下面には、下部ケース４２の一面側に開口する下部通風口４６を備えた下部ダクト４７が設けられている。そして、本実施形態においては、下部通風口４６が流体としての空気が流入する流入口とされており、上部通風口４４が空気が流出する流出口とされている。ここで、下部ケース４２に収納された熱伝達デバイス２０は、下部ケース４２の底面との間に所定の間隙をもって設置されるものであり、下部ダクト４７は、下部通風口４６から熱伝達デバイス２０と下部ケース４２の底面との間の空間に至るように構成されるものである。また、上部ダクト４５は、上部ケース４０の上面と各電池セル１０の上部との間の空間から上部通風口４４に至るように構成されるものである。

そして、本実施形態においては、下部通風口４６から流入した空気は、下部ダクト４７により各電池セル１０の底面側全域にわたって広がり、熱伝達デバイス２０の各通風孔２４および各電池セル１０の間隙を通って上部ダクト４５を介して、上部通風口４４から上部ケース４０および下部ケース４２の外部に流出するように構成されている。すなわち、本実施形態においては、下部通風口４６が空気の流れの上流側とされるものであり、本実施形態においては、この上流側となる電池セル１０の底面部分に熱伝達デバイス２０を設置するものである。これにより、熱伝達デバイス２０は、下部通風口４６から流入する外部空気の影響を受けることとなり、電池セル１０の温調を行った後の空気の温度のばらつきの影響を受けることがなくなるので、熱伝達デバイス２０による各電池セル１０の温度の均一化を安定して行うことができるものである。

なお、図６に示すように、下部ケース４２の内側に、熱伝達デバイス２０を一体的に固定するようにしてもよい。このように構成することにより、下部ケース４２と熱伝達デバイス２０とをユニット化することができ、これにより、下部ケース４２に電池セル１０を収容するだけで、本発明の電池温調システムを得ることができるものである。また、流体としては、空気に限定されるものではなく、他の気体または液体を用いることも可能である。

次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態においては、各電池セル１０に熱伝達デバイス２０の熱伝達板２２を接するようにしているので、各電池セル１０の温度にばらつきがある場合に、電池セル１０の温度の高い方から低い方へと熱伝達板２２を介して熱伝達が行われる。これにより、各電池セル１０の温度差をなくして、各電池セル１０の温度を均一に保持することができるものである。

一方、下部通風口４６から流入した空気は、下部ダクト４７により各電池セル１０の底面側全域にわたって広がり、熱伝達デバイス２０の各通風孔２４を通って各電池セル１０の間隙に案内される。これにより、各電池セル１０の側面における温調を行うことができ、電池セル１０の温調を行った空気は、上部ダクト４５を介して、上部通風口４４から外部に流出される。この場合に、本実施形態においては、空気の上流側となる電池セル１０の底面部分に熱伝達デバイス２０を設置するものであるため、熱伝達デバイス２０は、下部通風口４６から流入する外部空気の影響を受けることとなり、電池セル１０の温調を行った後の空気の温度のばらつきの影響を受けることがなく、その結果、熱伝達デバイス２０による各電池セル１０の温度の均一化を安定して行うことができる。また、熱伝達デバイス２０は、電池セル１０の温度を低減させるために必要な熱量を輸送する必要がなく、電池セル１０の温度のばらつきを低減させて均一化させるための熱量だけを輸送すればよいため、熱伝達デバイス２０の熱輸送量を大きく確保する必要がない。

以上述べたように、本実施形態においては、熱伝達デバイス２０により各電池セル１０の温度の均一化を図るとともに、下部通風口４６から流入して熱伝達デバイス２０の通風孔２４を通る空気により、各電池セル１０の温調を行うようにしているので、電池セル１０の温度を低減させるために必要な熱量を輸送する必要がなく、電池セル１０の温度のばらつきを低減させて均一化させるための熱量だけを輸送すればよく、熱伝達デバイス２０の熱輸送量を大きく確保する必要がない。その結果、熱伝達デバイス２０の熱輸送能力が小さい場合でも、効率よく、かつ、低コストで電池セル１０を安定して温調することができるとともに、均熱化を図ることができる。

また、熱伝達デバイス２０を空気の上流側に設置するようにしているので、熱伝達デバイス２０は、下部通風口４６から流入する外部空気の影響を受けることとなり、電池セル１０の温調を行った後の空気の温度のばらつきの影響を受けることがなく、その結果、熱伝達デバイス２０による各電池セル１０の温度の均一化を安定して行うことができる。さらに、熱伝達板２２の通風孔２４の大きさを任意に設定することにより、各電池セル１０の間隙部分に流入する空気の量を調整することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能である。例えば、図７および図８に示すように、熱伝達板２２の電池セル１０に密着されない面に、放熱フィン５０を設けるようにしてもよい。このように放熱フィン５０を設けることにより、熱伝達板２２の放熱効果をさらに高めることができるので、均熱性や温調機能をさらに高めることが可能となる。

また、図９および図１０に示すように、熱伝達板２２の通風孔２４の突部２６を電池セル１０側に立設させるとともに、隣接する通風孔２４の各突部２６の間隔を電池セル１０の配置間隔と同一に形成するようにすれば、図１０に示すように、各突部２６の間に電池セル１０を配置するだけで、電池セル１０を適正に位置合わせして配列することができ、電池セル１０の組み付け作業を効率よく行うことが可能となる。

１０ 電池セル
２０ 熱伝達デバイス
２２ 熱伝達板
２４ 通風孔
２６ 突部
３０ ヒートパイプ
４０ 上部ケース
４２ 下部ケース
４４ 上部通風口
４５ 上部ダクト
４６ 下部通風口
４７ 下部ダクト
５０ 放熱フィン

Claims (15)

1. 複数の電池セルを所定間隙をもって配列し、前記電池セルに熱的に密着される熱伝達デバイスを備え、前記電池セルの間隙に温調用の流体を流すことを特徴とする電池温調システム。
2. 前記熱伝達デバイスが、前記電池セルに対する前記流体の流れの上流に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電池温調システム。
3. 前記熱伝達デバイスは、均熱化部材を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池温調システム。
4. 前記均熱化部材は、ヒートパイプであることを特徴とする請求項３に記載の電池温調システム。
5. 前記熱伝達デバイスは、前記均熱化部材を保持する熱伝達板を備えていることを特徴とする請求項４に記載の電池温調システム。
6. 前記熱伝達デバイスは、前記電池セルの配列領域の一部に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電池温調システム。
7. 前記均熱化部材は、前記熱伝達デバイスの配置領域より短く形成され、この短く形成された複数の前記均熱化部材を互いに熱的に接合することにより、前記熱伝達デバイスの配置領域の全域に配置されていることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の電池温調システム。
8. 前記均熱化部材は、前記熱伝達デバイスの一部の領域に配置されていることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の電池温調システム。
9. 前記熱伝達板は、前記電池セルの間隙の少なくとも一部に対応する位置に通風孔を備えていることを特徴とする請求項５に記載の電池温調システム。
10. 前記熱伝達板の通風孔は、前記電池セルの配列位置に応じて大きさが異なることを特徴とする請求項９に記載の電池温調システム。
11. 前記熱伝達板の通風孔の周囲は、前記熱伝達板の一面側に立設された突部を備えていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の電池温調システム。
12. 前記突部は、前記電池セルの配列側に立設されており、前記突部は、前記電池セルの配列間隔に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電池温調システム。
13. 前記熱伝達板に、放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項５、請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載の電池温調システム。
14. 前記電池セルおよび前記熱伝達デバイスを収容するケース部材を備え、前記ケース部材に、前記流体の流入口および流出口が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の電池温調システム。
15. 前記ケース部材と前記熱伝達デバイスとを一体に構成したことを特徴とする請求項１４に記載の電池温調システム。

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