JP2016025024A

JP2016025024A - 電池の冷却装置

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Publication number: JP2016025024A
Application number: JP2014149689A
Authority: JP
Inventors: 宗光王; Munemitsu O; 哲嗣浮田; Tetsutsugu Ukita
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-02-08
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: JP6331017B2

Abstract

【課題】電池の熱暴走時の安全性を向上させる。【解決手段】電池パック２の内部に収容された電池モジュール４を冷却する電池の冷却装置であって、電池パック２の下部に設けられ当該電池パック２内に空気を導入する導入口６と、電池パック２の上部に設けられ当該電池パック２内から空気を排出する排気口７と、導入口６を開閉する吸気弁１２と、排気口７を開閉する排気弁１３と、吸気弁１２および排気弁１３の開閉状態を制御するセルマネジメントユニット２０と、電池モジュール４の熱暴走を検出する温度センサ２１と、を備え、セルマネジメントユニット２０は、温度センサ２１により電池モジュール４の熱暴走が検出された際に、吸気弁１２を閉じて導入口６を閉口させるとともに、排気弁１３を開いて排気口７を開口させた後、所定時間Ｔlopが経過してから吸気弁１２を開いて導入口６を開口させる。【選択図】図１

Description

本発明は、電池パック内に空気を通過させて電池パック内の電池を冷却する電池の冷却装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車等のように高容量高出力の電池を搭載した車両において、当該電池を温調する電池温調装置を備えたものがある。電池温調装置としては、例えば複数の電池を収納した電池パック内に外気等の空気を通過させて冷却する空冷式の冷却装置が知られている。
例えば特許文献１には、電池パック（バッテリボックス）に空気の導入口と排気口とを設け、ファンによって空気を導入口に強制的に導入して、電池パック内の電池（バッテリ）を冷却し、排気口から空気を排出する構造の冷却装置が開示されている。

特開２００８−２５４６２７号公報

上記特許文献１のように、電池パック内に空気を導入して電池の冷却を行う車両において、導入口及び排気口の少なくともいずれか一方に開閉弁を備え、電池の温度低下時には開閉弁を閉弁しておき、電池の温度上昇時に開閉弁を開弁するとともにファンを作動して空気を導入し電池パック内の電池を冷却するものがある。
しかしながら、上記のように開閉弁及びファンを備えた冷却装置では、電池の熱暴走により電池から可燃ガスが発生した場合、電池パック内に可燃ガスが充満しているときに、電池を冷却すべく開閉弁を開弁するとともに冷却ファンを作動させると、電池パック内への多量な空気の供給によって急激な発火燃焼を引き起こす虞がある。

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、熱暴走時に電池を冷却する際の安全性を向上させる電池の冷却装置を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１の電池の冷却装置は、電池パックの内部に収容された電池を冷却する電池の冷却装置であって、前記電池パックの下部に設けられ当該電池パック内に空気を導入する導入口と、前記電池パックの上部に設けられ当該電池パック内から空気を排出する排気口と、前記導入口を開閉する第１の開閉手段と、前記排気口を開閉する第２の開閉手段と、前記第１および第２の開閉手段の開閉状態を制御する制御手段と、前記電池の熱暴走を検出する熱暴走検出器と、を備え、前記制御手段は、前記熱暴走検出器により前記電池の熱暴走が検出された際に、前記第１の開閉手段を閉じて前記導入口を閉口させるとともに、前記第２の開閉手段を開いて前記排気口を開口させた後、所定時間が経過してから前記第１の開閉手段を開いて前記導入口を開口させることを特徴とする。

また、請求項２の電池の冷却装置は、請求項１において、前記電池パックは複数の前記電池を収容し、前記熱暴走検出器は、複数の前記電池毎に熱暴走を検出し、前記制御手段は、更に、前記熱暴走が検出された前記電池の個数が増加するに伴って、前記所定時間を増加させることを特徴とする。
また、請求項３の電池の冷却装置は、請求項１または２において、前記熱暴走検出器は、前記電池の温度に基づいて前記熱暴走を検出することを特徴とする。

また、請求項４の電池の冷却装置は、請求項１または２において、前記熱暴走検出器は、前記電池の電圧に基づいて前記熱暴走を検出することを特徴とする。
また、請求項５の電池の冷却装置は、請求項１から４のいずれか１項において、前記電池の下部には、電池パック内の空気を流す流通路が形成されており、前記導入口は、前記電池の下方に配置されていることを特徴とする。

請求項１の電池の冷却装置によれば、電池が熱暴走した際に、電池から可燃性ガスが発生したとしても、電池パックの上部に設けられた排気口が開口するので、排気口から可燃性ガスが排出される。このとき、電池パックの下部に設けられた導入口は閉口するので、電池パック内に多量の空気が導入されることが防止される。したがって、熱暴走した電池から発生した可燃性ガスが多量に電池パックに充満した状態で排気口が開口したとしても、電池パック内での可燃性ガスの発火燃焼を防止して、安全性を向上させることができる。

そして、所定時間が経過して電池パック内の可燃性ガス濃度が低下した時点で、吸気口を開口させることで、電池パック内での可燃性ガスの発火燃焼を防止した上で、電池の冷却を推進させることができ、更なる熱暴走を抑制することができる。
請求項２の電池の冷却装置によれば、熱暴走している電池の個数が増加するに伴って所定時間を増加させることで、熱暴走している電池の個数が多くとも電池パック内の可燃性ガスを十分に排出させてから導入口を開口させることができ、電池パック内の可燃性ガスの発火燃焼を防止して安全性を向上させることができる。

請求項３の電池の冷却装置によれば、電池の温度に基づいて、熱暴走しているか否かを判別することができ、第１の開閉手段及び第２の開閉手段の作動制御により電池パック内での可燃性ガスの発火燃焼を防止した上で、電池を冷却して更なる熱暴走を抑制することができる。
請求項４の電池の冷却装置によれば、電池の電圧に基づいて、熱暴走しているか否かを判別することができ、第１の開閉手段及び第２の開閉手段の作動制御により電池パック内での可燃性ガスの発火燃焼を防止した上で、電池を冷却して更なる熱暴走を抑制することができる。

請求項５の電池の冷却装置によれば、導入口から電池パック内に入ってきた外気が排気口に向かって流れる際に確実に電池の下部に当たるので、電池を効率よく冷却することができる。

本発明の一実施形態に係る電池の冷却装置の概略構成図である。本実施形態における導入口の位置を示す電池パックの下面図である。本実施形態における排気口の位置を示す電池パックの上面図である。本実施形態における熱暴走時の冷却装置の作動要領を示すフローチャートである。吸気弁開タイミングの設定要領を説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電池の冷却装置の概略構成図である。図２は、本実施形態における導入口の位置を示す電池パックの下面図である。図３は、本実施形態における排気口の位置を示す電池パックの上面図である。
本実施形態の電池の冷却装置１は、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のように、走行駆動用モータへ電力を出力する電池を搭載した車両に適用される。

図１〜３に示すように、車両に搭載された電池パック２は、ケース３内に複数の電池モジュール４が並んで収容されている。本実施形態では、電池パック２内に４つの電池モジュール４が収容されている。なお、電池モジュール４は、複数の電池セル４ａを並べて構成されている。
電池パック２では、隣り合う電池モジュール４が離間して配置され、電池モジュール４の間及び電池モジュール４の上部及び下部に空気の流通路５が形成されている。そして、電池パック２の上部と下部には、電池パック２内に外部から空気（外気）を導入するための導入口６と電池パック２内の空気を外部に排出するための排気口７とが設けられている。

図２に示すように、導入口６は、電池パック２のケース３下面に複数設けられ、それぞれ各電池モジュール４の下方の位置で各電池モジュール４と上下方向で重なるように配置されている。本実施形態では、導入口６は、各電池モジュール４に対して等間隔をおいて夫々２個ずつ設けられ、電池パック２に計８個備えられている。
一方、図３に示すように、排気口７は、電池パック２のケース３上面に複数設けられ、隣合う電池モジュール４の間の流通路５の位置に合わせて夫々配置されている。本実施形態では、排気口７は、電池パック２の略中央部に一列に並んで計３個備えられている。なお、排気口７の開口面積は、導入口６の開口面積より大きく設定されている。

また、電池パック２には、導入口６を開閉する吸気弁１２（第１の開閉手段）が導入口６毎に設けられるとともに、排気口７を開閉する排気弁１３（第２の開閉手段）が排気口７毎に設けられている。
吸気弁１２及び排気弁１３の両方を開弁すると、暖められた電池パック２内の空気は流通路５を上方に移動して排気口７から排出され、導入口６からは外気が電池パック２内に流入される。即ち、導入口６から導入された外気が、高温となった電池モジュール４と熱交換して排気口７から排出され、電池モジュール４を冷却することができる。なお、このとき導入口６を電池モジュール４の下方に配置しているので、導入口６から排気口７に向かって流れる空気は、必ず電池モジュール４の下部に当たることとなる。そのため、電池パック２内に導入された外気は流通路５だけでなく電池モジュール４の各電池セル４ａ間の隙間を下方から上方に流れて確実かつ効率よく電池モジュール４を冷却することができる。

吸気弁１２及び排気弁１３は、車両に搭載に搭載されたセルマネジメントユニット２０（制御手段）により作動制御される。
また、電池パック２内の各電池モジュール４には、夫々の電池モジュール４の温度を検出する温度センサ２１（熱暴走検出器）が設けられている。
セルマネジメントユニット２０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びタイマ等を含んで構成され、各温度センサ２１から電池モジュール４の温度を入力して、吸気弁１２及び排気弁１３を作動制御する。

セルマネジメントユニット２０は、車両電源オフ時に全ての電池モジュール４の温度が許容範囲内である場合には、吸気弁１２及び排気弁１３を閉弁する。
図４は、本実施形態のセルマネジメントユニット２０において実行される熱暴走時の冷却装置１の作動要領を示すフローチャートである。図５は、吸気弁１２の開弁タイミングの設定要領を説明するためのグラフである。

本制御は、車両電源オン時に繰り返し実行される。
始めにステップＳ１０では、通常冷却を行う。通常冷却は、電池モジュール４の温度が許容範囲の上限値より低い温度で電池パック２内の温度が適宜設定された所定温度Ｔ1以上となると、上記のように吸気弁１２及び排気弁１３を開弁し、電池パック２内に外気通過させて電池パック２内、すなわち電池モジュール４を冷却する制御である。なお、電池モジュール４の温度が上記所定温度Ｔ1未満である場合には、吸気弁１２及び排気弁１３を閉弁させる。そして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、熱暴走セルがあるか否かを判別する。複数の電池モジュール４のうち、少なくとも１つの電池モジュール４で熱暴走がある場合には、ステップＳ３０に進む。全ての電池モジュール４で熱暴走がない場合には、ステップＳ２０に戻る。熱暴走があるか否かは、電池モジュール４の温度センサ２１から入力した電池モジュール４の温度Ｔcが、あらかじめ設定された所定温度Ｔ2より高い場合に、熱暴走ありと判定すればよい。所定温度Ｔ2は、熱暴走時に到達する電池モジュール４の温度に設定すればよい。なお、電池モジュール４の温度Ｔcの代わりに、各電池モジュール４の電圧Ｖcを検出する電圧センサ２２（熱暴走検出器）を設け、少なくとも１つの電池モジュール４で電圧センサ２２により検出した電圧Ｖcが急激に大きく変動した場合に熱暴走ありと判定してもよい。

ステップＳ３０では、吸気弁１２を閉弁、及び排気弁１３を開弁にする。そして、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、ステップ３０において排気弁１３を開弁してからの経過時間Ｔhopを計測し、当該経過時間Ｔhopが、あらかじめ設定された吸気弁開タイミングＴlop（所定時間）を過ぎたか否かを判別する。排気弁１３を開弁してからの経過時間Ｔhopが、吸気弁開タイミングＴlopを過ぎている場合には、ステップＳ５０に進む。経過時間Ｔhopが、吸気弁開弁タイミングＴlopを過ぎていない場合には、ステップＳ４０に戻る。

なお、図５は、本実施形態の電池パック２内に電池モジュール４からの可燃ガスが充満している状態から、吸気弁１２を閉弁した状態で排気弁１３を開弁したときの、電池パック２内の可燃性ガス濃度の推移を示している。図５に示すように、吸気弁１２が閉弁していても排気弁１３を開弁することで、電池パック２内の可燃性ガス濃度が緩やかに低下する。そして、排気弁１３を開弁してから、電池パック２内の可燃性ガス濃度が可燃濃度（発火燃焼する濃度）の下限値を下回る経過時間をあらかじめ計算あるいは実験等で確認しておき、当該経過時間を吸気弁開タイミングＴlopとすればよい。

ステップＳ５０では、吸気弁１２を開弁する。そして、本ルーチンを終了する。
以上のように制御することで、本実施形態では、電池モジュール４の熱暴走時には吸気弁１２を閉弁した状態で排気弁１３を開弁する。これにより、熱暴走した電池モジュール４から可燃性ガスが発生したとしても、電池パック２の上部に設けられた排気口７から可燃性ガスが排出される。このとき、吸気弁１２は閉弁するので、電池パック２内への多量の空気の流入が抑えられ、電池パック２内の可燃性ガスが発火燃焼することを防止することができ、安全性を向上させることができる。

そして、吸気弁１２が閉弁しても排気弁１３が開弁しているので、電池パック２内の可燃性ガス濃度が徐々に低下し、可燃濃度の下限値よりも低下する経過時間である吸気弁開タイミングＴlopを経過してから、吸気弁１２が開弁するので、可燃性ガスの発火燃焼を防止した上で、吸気弁１２の開弁後に電池モジュール４の冷却が推進され、更なる熱暴走を抑制することができる。

また、本実施形態では、冷却ファンを用いずに吸気弁１２及び排気弁１３を開弁することで電池モジュール４が冷却されるので、電力消費を抑えるとともに、熱暴走により電池パック２からの出力が低下していても、吸気弁１２及び排気弁１３が一度開弁してしまえば、冷却が可能となる。
なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、吸気弁開タイミングＴlopを電池パック２に対応した１つの設定値としているが複数設けてもよい。具体的には、ステップＳ２０において、電池モジュール４が熱暴走しているか判定する際に、熱暴走している電池モジュール４の個数を判定し、当該個数に応じて吸気弁開タイミングＴlopを変更すればよい。熱暴走している電池モジュール４の個数が多い場合には、可燃性ガスの発生量が多いことが予想されるので、排気弁１３を開弁してからの経過時間を多くしなければ、電池パック２内の可燃性ガス濃度が可燃濃度の下限値を下回らない虞がある。したがって、熱暴走している電池モジュール４の個数が多いほど、吸気弁開タイミングＴlopを遅く、即ち排気弁１３を開弁してから吸気弁１２を開弁させるまでの時間を増加させるように設定すればよい。

これにより、熱暴走している電池モジュール４の個数が多くとも、電池パック２内の可燃性ガス濃度が可燃濃度の下限値を下回った状態で吸気弁１２を開弁させることができ、吸気弁１２の開弁時における可燃性ガスの発火燃焼を防止して、安全性を向上させることができる。また、熱暴走している電池モジュール４の個数が少ない場合に吸気弁開タイミングＴlopを極力早く設定することができ、熱暴走をより速やかに抑制することができる。

また、電池パック２へ導入する空気を外気だけでなく、車両の空調装置によって冷却した空気を導入してもよい。また、電池パック２の形状や配置等の各種構造を適宜変更してもよい。本願発明は、走行駆動用モータへの電力供給用以外の電池でも適用可能であり、各種車両に搭載した電池や、その他の用途のものであっても、電池を内部に収容した電池パックに対して広く適用することができる。

１冷却装置
２電池パック
４電池モジュール（電池）
５流通路
６導入口
７排気口
１２吸気弁（第１の開閉手段）
１３排気弁（第２の開閉手段）
２０セルマネジメントユニット（制御手段）
２１温度センサ（熱暴走検出器）
２２電圧センサ（熱暴走検出器）

Claims

電池パックの内部に収容された電池を冷却する電池の冷却装置であって、
前記電池パックの下部に設けられ当該電池パック内に空気を導入する導入口と、
前記電池パックの上部に設けられ当該電池パック内から空気を排出する排気口と、
前記導入口を開閉する第１の開閉手段と、
前記排気口を開閉する第２の開閉手段と、
前記第１および第２の開閉手段の開閉状態を制御する制御手段と、
前記電池の熱暴走を検出する熱暴走検出器と、を備え、
前記制御手段は、前記熱暴走検出器により前記電池の熱暴走が検出された際に、前記第１の開閉手段を閉じて前記導入口を閉口させるとともに、前記第２の開閉手段を開いて前記排気口を開口させた後、所定時間が経過してから前記第１の開閉手段を開いて前記導入口を開口させる
ことを特徴とする電池の冷却装置。
前記電池パックは複数の前記電池を収容し、
前記熱暴走検出器は、複数の前記電池毎に熱暴走を検出し、
前記制御手段は、更に、前記熱暴走が検出された前記電池の個数が増加するに伴って、前記所定時間を増加させることを特徴とする請求項１に記載の電池の冷却装置。
前記熱暴走検出器は、前記電池の温度に基づいて前記熱暴走を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の電池の冷却装置。
前記熱暴走検出器は、前記電池の電圧に基づいて前記熱暴走を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の電池の冷却装置。
前記電池の下部には、電池パック内の空気を流す流通路が形成されており、前記導入口は、前記電池の下方に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電池の冷却装置。