JP2016091604A - 車両用バッテリパック - Google Patents

Abstract

【課題】ヒーター及び冷却通路を有する車両用バッテリパックをコンパクトにするとともに、効率よく加温及び冷却できるようにする。【解決手段】車両用バッテリパック１は、バッテリセル２１と、バッテリセル２１の外部に設けられ、該バッテリセル２１を冷却するための冷却風が流れる冷却通路Ｓとを備えている。冷却通路Ｓの上壁部４１には、バッテリセル２１を加温するためのヒーターＨが埋め込まれている。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される車両用バッテリパックに関し、特に、バッテリセルを加温及び冷却する構造の技術分野に属する。

例えば、電気自動車等は寒冷地で走行することもあるので、走行用モーターに電力を供給するための車両用バッテリパックも低温環境に置かれることがある。この車両用バッテリパックが例えば氷点下まで冷却された場合を想定すると、放電性能が極端に悪化して自動車の走行に影響を与える場合がある。

そこで、例えば特許文献１に開示されているように車両用バッテリパックを加温するためのヒーターを設けることがある。特許文献１では、板材からなる基材上にヒーター線を設けることによってヒーターを構成している。そして、ヒーターは、車両用バッテリパックの上面に配置され、ヒーター線に供給された電力によって発熱して車両用バッテリパックを加温することができるようになっている。

また、車両用バッテリパックは複数のバッテリセルを接続したバッテリモジュールによって多くの蓄電量を確保するようにしているため、充放電時の発熱量が多くなり、冷却構造が必要となる（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２では、バッテリトレーと、バッテリカバーとによって空間が区画形成されており、この空間内にバッテリモジュールが複数個収容されている。バッテリトレーは、アッパープレートとロアプレートとで構成され、それらの間に冷却風が流れる冷却通路が形成されている。そして、ロアプレートを介して冷却風とバッテリモジュールのバッテリセルとが熱交換し、バッテリセルが冷却される。

特開２０１２−２２１７７６号公報 特許第５２７７３６２号公報

上述したように、車両用バッテリパックにはヒーター及び冷却通路の両方が必要となるが、特許文献１のヒーターは車両用バッテリパックの上面に配置され、また、特許文献２の冷却通路は車両用バッテリパックの外部においてその下側に設けられているので、ヒーター及び冷却通路の両方を設けようとすると、車両用バッテリパックが大型化してしまう。

また、ヒーターの熱を効率よく利用したいという要求もあり、また、冷却も効率よく行いたいという要求もある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ヒーター及び冷却通路を有する車両用バッテリパックをコンパクトにするとともに、効率よく加温及び冷却できるようにすることにある。

上記目的を達成するために、本発明では、冷却通路の壁部にヒーターを埋め込むようにした。

第１の発明は、
バッテリセル（２１）と、
上記バッテリセル（２１）の外部に設けられ、該バッテリセル（２１）を冷却するための冷却風が流れる冷却通路（Ｓ）とを備えた車両用バッテリパック（１）において、
上記冷却通路（Ｓ）の壁部（４１）には、上記バッテリセル（２１）を加温するためのヒーター（Ｈ）が埋め込まれていることを特徴とする。

この構成によれば、ヒーターが冷却通路の壁部を利用して配設されるので、ヒーターを外部に別途設ける場合に比べて車両用バッテリパックがコンパクトになる。

そして、バッテリセルが低温状態にあるときには、ヒーターが壁部に埋め込まれているのでヒーターの熱が該壁部を介してバッテリセルに素早く、かつ、効率よく伝達されてバッテリセルが加温される。また、バッテリセルが高温状態にあるときには、冷却通路内の冷却風の冷熱が壁部を介してバッテリセルに素早く、かつ、効率よく伝達してバッテリセルが冷却される。

第２の発明は、第１の発明において、
上記バッテリセル（２１）と、該バッテリセル（２１）に接続される金属製の導電材料からなる接続部材（２３）とを有するバッテリモジュール（２０）を備え、
上記ヒーター（Ｈ）は、上記バッテリモジュール（２０）における上記接続部材（２３）側に設けられることを特徴とする。

この構成によれば、ヒーターの熱が冷却通路の壁部から接続部材に伝達する。接続部材は金属製で熱伝導率が高いので、ヒーターの熱が接続部材を介してバッテリセルに伝達しやすくなる。

第３の発明は、第１または２の発明において、
上記ヒーター（Ｈ）は、上記冷却通路（Ｓ）の壁部（４１）にインサート成形されていることを特徴とする。

この構成によれば、冷却通路の壁部の成形時にヒーターが該壁部に埋め込まれて一体化されるので、ヒーターを壁部に固定するための部材等を設けることなく、ヒーターを所定位置で保持することが可能になる。

第４の発明は、第１から３のいずれか１つの発明において、
上記冷却通路（Ｓ）の壁部（４１）には、上記ヒーター（Ｈ）の熱が伝達する伝熱部材（Ｂ）が埋め込まれていることを特徴とする。

この構成によれば、伝熱部材にヒーターの熱が伝達する。伝熱部材は冷却通路の壁部に埋め込まれているので、伝熱部材の熱が冷却通路の壁部の広い範囲に伝達することになり、複数のバッテリセルを効率よく加温することが可能になる。

第５の発明は、第１から４のいずれか１つの発明において、
上記冷却通路（Ｓ）の内面における上記ヒーター（Ｈ）が埋め込まれた部位は、上記冷却通路（Ｓ）内へ向けて突出していることを特徴とする。

この構成によれば、ヒーターが埋め込まれた部位が冷却通路内へ向けて突出していることでバッテリセルの放熱面積が拡大して冷却効率が向上する。また、冷却通路を流れる冷却風が乱れやすくなるので、冷却風の大部分がバッテリセルと熱交換し易くなり、バッテリセルの冷却性能が高まる。

第１の発明によれば、冷却通路の壁部にヒーターを埋め込んでいるので、ヒーター及び冷却通路を有する車両用バッテリパックをコンパクトにすることができる。さらに、ヒーターの熱及び冷却通路の冷却風の冷熱をバッテリセルに素早く、かつ、効率よく伝達することができるので、バッテリセルを効率よく加温及び冷却できる。

第２の発明によれば、ヒーターをバッテリモジュールにおける接続部材側に設けたので、ヒーターの熱が接続部材を介してバッテリセルに伝達しやすくなり、バッテリセルの加温効率がより一層向上する。

第３の発明によれば、ヒーターを冷却通路の壁部にインサート成形したので、部品点数を増加させることなく、ヒーターを冷却通路の壁部の所定位置で保持することができる。

第４の発明によれば、冷却通路の壁部に伝熱部材を埋め込んだので、複数のバッテリセルを効率よく加温できる。

第５の発明によれば、冷却通路の内面におけるヒーターの埋め込まれた部位が冷却通路内へ向けて突出しているので、放熱面積が拡大するとともに冷却風の流れが乱れやすくなり、冷却風によるバッテリセルの冷却効率を向上できる。

実施形態１に係る車両用バッテリパックの縦断面図である。 実施形態２に係る図１相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用バッテリパック１の縦断面図である。バッテリパック１は、複数のバッテリモジュール２０と、これらバッテリモジュース２０を収容するバッテリケース３０とを備えている。このバッテリパック１は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されて走行用モーターに電力を供給するためのものである。ハイブリッド自動車には、プラグインタイプも含まれる。

バッテリケース３０は、例えば所定方向に長い形状の箱形に構成されている。バッテリモジュール２０は、バッテリケース３０内においてバッテリケース３０の長手方向に並ぶように配置されるとともに、バッテリケース３０の幅方向にも並ぶように配置される。バッテリモジュール２０は１つであってもよいし、複数であってもよい。

バッテリモジュール２０は、複数のバッテリセル２１と、バッテリセル２１を収容するセルケース２２とを有している。バッテリセル２１は、例えば円筒状に形成された二次電池であり、上下方向に延びる姿勢状態でセルケース２２に収容される。セルケース２２は、例えば上下方向に分割された樹脂製部材を組み合わせて構成することができる。セルケース２２内では、バッテリセル２１がバッテリケース３０の長手方向に並ぶように配置されるとともに、バッテリケース３０の幅方向にも並ぶように配置される。

バッテリケース３０は、該バッテリケース３０の長手方向に延びる上壁部３１と、上壁部３１の周縁部から下方へ延びる側壁部３２とを備えており、底部は、別体の底壁部材３４によって覆われるようになっている。底壁部材３４はバッテリケース３０を構成する部材である。

底壁部材３４は、側壁部３２の略下半部を外側から囲むように形成された周壁部３４ａと、周壁部３４ａの下端部に一体成形されて略水平に延びる下板部３４ｂとを備えている。バッテリケース３０の側壁部３２の外面には、上下方向中間部に突出部３２ａが形成されている。この突出部３２ａは、底壁部材３４の周壁部３４ａの上端部に固定されるようになっている。

バッテリケース３０は全体が樹脂材からなる樹脂成形品である。上壁部３１、側壁部３２及び底壁部材３４によって区画形成された空間が、バッテリセル２１を収容するためのバッテリセル収容空間Ｒとなっている。このバッテリセル収容空間Ｒには、外部の空気が出入りしにくくなっている。尚、バッテリケース３０の上壁部３１、側壁部３２及び底壁部材３４は一体成形することができる。

バッテリケース３０には、バッテリセル２１の電極部分（負極部分）に接続されるバスバー２３（接続部材）が収容されている。バスバー２３は、バッテリモジュール２０の一部を構成する部材であり、熱伝導性を有する金属製の導電材料からなる板材、例えば銅板等で構成されている。バスバー２３は、セルケース２２の下面に配置され、該セルケース２２の下面とバッテリケース３０の下板部３４ｂの内面との間で、該下板部３４ｂに沿って延びている。尚、図示しないが、セルケース２２の上側にもバッテリセル２１の電極部分（正極部分）に接続されるバスバーが設けられており、これら上下のバスバー２３によってバッテリセル２１を並列に接続することもできるし、直列に接続することもできる。

バスバー２３の下面には、モジュール側伝熱部材２４が設けられている。モジュール側伝熱部材２４は、熱伝導性が良好な部材として、例えばシリコーン、アルミニウム合金等からなる板材やシート材で構成することができる。バスバー２３とモジュール側伝熱部材２４との間は絶縁されているが、熱の伝達は可能になっている。

尚、モジュール側伝熱部材２４の代わりに、またはモジュール側伝熱部材２４に加えて熱伝導性の良好なゲル状物質（熱伝導ゲル）を設けてもよい。熱伝導ゲルは、従来周知のものなので詳細な説明は省略する。

バッテリケース３０の外部には、冷却通路Ｓが設けられている。この実施形態では、冷却通路Ｓがバッテリケース３０の下側に位置している。冷却通路Ｓは、バッテリセル２１を冷却するための冷却風が流れる通路であり、図１において左右方向に延びている。この冷却通路Ｓには、図示しないが送風装置等によって冷却風が送風される。送風装置は、制御装置（図示せず）によって制御され、例えばバッテリセル２１の温度が所定の高温状態になると作動するように構成されている。尚、冷却風の流れ方向は図１の左側から右側に向かう方向であるが、反対方向に流すこともできる。

冷却通路Ｓは樹脂製の通路構成部材４０の内部に設けられている。通路構成部材４０は、バッテリケース３０の下板部３４ｂの下面に隣接するように配設されたダクト状のものであり、上壁部４１と、上壁部４１から所定の寸法だけ下方に離れて配置された下壁部４２と、側壁部４３とで構成されている。通路構成部材４０の上壁部４１とバッテリケース３０の下板部３４ｂとは重なっている。尚、冷却通路Ｓは、通路構成部材４０の内部に複数設けることもできる。また、通路構成部材４０の上壁部４１を、バッテリケース３０の下板部３４ｂと一体成形してもよい。

この実施形態では、バッテリセル２１を加温するためのヒーターＨが設けられている。ヒーターＨは、冷却通路Ｓの上壁部４１に埋め込まれており、この上壁部４１に沿って延びている。すなわち、冷却通路Ｓの上壁部４１には、バッテリケース３０が載置される部位に、上方へ膨出する膨出部４１ａが設けられている。膨出部４１ａの形成により、冷却通路Ｓの上壁部４１内面は上方へ窪み、この窪んだ部分にヒーターＨが配設される。

ヒーターＨは、例えばアルミニウム合金、ステンレス、銅等からなる板状の金属製導電部材で構成されている。ヒーターＨには、図示しないが、正極側電極部と負極側電極部とが設けられている。ヒーターＨにおける正極側電極部と負極側電極部との間の部分は、平面視で屈曲しながら延びており、広い範囲を均一に加温することができるように構成されている。ヒーターＨは、薄板材をエッチング処理することによって一体成形することができる。尚、薄板材を打ち抜くことによって正極側電極部、負極側電極部及び屈曲部を成形してもよい。薄板材の厚みとしては、例えば０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲に設定することができる。ヒーターＨは制御装置（図示せず）によって制御され、バッテリセル２１が所定の低温状態にあることが検出された場合に、通電されるように構成されている。ヒーターＨは、例えば電熱線等で構成することもできる。

ヒーターＨと、冷却通路Ｓの上壁部４１の内面との間には、ヒーター側伝熱部材ＢがヒーターＨに接近するように設けられている。ヒーター側伝熱部材Ｂは、熱伝導性が良好な部材として、例えばシリコーン、アルミニウム合金等からなる板材やシート材で構成することができる。ヒーターＨとヒーター側伝熱部材Ｂとの間は絶縁されているが、熱の伝達は可能になっている。ヒーター側伝熱部材Ｂは、冷却通路Ｓの上壁部４１においてヒーターＨの埋め込まれた範囲よりも広い範囲に埋め込まれている。

ヒーターＨの下側は、保持部材４４によって保持されている。保持部材４４は、上壁部４１における膨出部４１ａの形成によって窪んだ凹部４１ｂを覆う板状に形成された樹脂材で構成されており、上壁部４１に対して溶着等の手法によって固着されている。保持部材４４の上面には、ヒーターＨが嵌まる溝４４ａが形成されている。この実施形態では、溝４４ａは、冷却風の流れに対して交差する方向に延びているが、これに限らず、例えば冷却風の流れに沿う方向に延びるものであってもよい。溝４４ａの形成により、冷却通路Ｓの内面におけるヒーターＨが埋め込まれた部位は、冷却通路Ｓ内へ向けて突出する突出部４４ｂとなる。突出部４４ｂは、冷却通路Ｓを流れる冷却風の流れと交差する方向に延びており、冷却風の流れ方向に間隔をあけて複数設けられる。また、保持部材４４における冷却風の流れ方向の両端部には下方へ突出する突条部４４ｃがそれぞれ設けられている。さらに、ヒーター側伝熱部材Ｂの上面には、熱伝導性ゲルＡが設けられている。

次に、上記のように構成された車両用バッテリパック１が使用される場合について説明する。バッテリセル２１が温度センサ等によって所定の低温状態であることが検出されると、ヒーターＨに通電される。このとき冷却通路Ｓに送風する送風装置は停止させておき、ヒーターＨの熱が外部に逃げるのを抑制する。

ヒーターＨが発熱すると、ヒーターＨの熱がヒーター側伝熱部材Ｂに伝達する。ヒーター側伝熱部材Ｂに伝達した熱は、熱伝導性ゲルＡ、通路構成部材４０の上壁部４１、バッテリケース３０の下板部３４ｂ、モジュール側伝熱部材２４を介してバスバー２３に伝達する。バスバー２３に伝達した熱は、バッテリセル２１に伝達し、バッテリセル２１を加温する。バスバー２３は金属製の板材であり、バッテリモジュール２０を構成する全てのバッテリセル２１に直接接続されているので、ヒーターＨの熱は効率よく全てのバッテリセル２１に伝達する。

また、ヒーターＨの熱がヒーター側伝熱部材Ｂ及びモジュール側伝熱部材２４に伝達すると、ヒーター側伝熱部材Ｂが通路構成部材４０の上壁部４１の広い範囲を加温し、モジュール側伝熱部材２４がバッテリケース３０の下板部３４ｂの広い範囲を加温する。これにより、通路構成部材４０の上壁部４１の熱、バッテリケース３０の下板部３４ｂの熱がバッテリケース３０の側壁部３２に伝達することによってセルケース２１等に伝達しやすくなり、このことによってもバッテリセル２１が加温される。

このように、バッテリケース３０の下板部３４ｂに隣接する冷却通路Ｓの上壁部４１にヒーターＨを埋め込んでいるので、ヒーターＨの熱が下板部３４ｂを介してバッテリセル収容空間Ｒに素早く、かつ、効率よく伝達してバッテリセル２１が加温される。バッテリセル２１の温度が充放電に問題ない温度まで上昇すると、ヒーターＨへの通電は停止される。

一方、バッテリセル２１が所定の高温状態であることが検出されると、ヒーターＨは停止した状態で、送風装置が作動する。送風装置によって冷却通路Ｓに冷却風が供給されると、冷却風の冷熱が、冷却通路Ｓの上壁部４１のヒーター側伝熱部材Ｂに伝達する。ヒーター側伝熱部材Ｂに伝達した冷熱は、熱伝導性ゲルＡ、通路構成部材４０の上壁部４１、バッテリケース３０の下板部３４ｂ、モジュール側伝熱部材２４を介してバスバー２３に伝達する。バスバー２３に伝達した冷熱は、バッテリセル２１に伝達し、バッテリセル２１を冷却する。これにより、複数のバッテリセル２１が均一に冷却される。

また、冷却通路Ｓに送風された冷却風が流れる際、冷却通路Ｓの上面に、冷却風の流れと交差する方向に延びる突出部４４ｂが設けられているので、特に冷却通路Ｓの上側を流れている冷却風が突出部４４ｂに衝突する。突出部４４ｂに衝突した冷却風には乱流が発生する。この乱流によって冷却通路Ｓを流れている冷却風の流れが上側近傍で乱されることになる。これにより、冷却風の一部分が突出部４４ｂを介してバッテリセル２１と熱交換し易くなり、バッテリセル２１の冷却性能が高まる。

また、突出部４４ｂを冷却通路Ｓの内面に設けたことで、バッテリセル２１の伝熱面積が拡大される。これにより、バッテリセル２１の冷却性能がより一層高まる。

また、冷却通路Ｓの上壁部４１には、重量のあるバッテリセル２１を載置しているが、上壁部４１に一体化した保持部材４４に突出部４４ｂを形成し、この突出部４４ｂをリブとして上壁部４１の強度を高めているので、上壁部４１の厚みをそれほど厚くしなくてもバッテリセル２１を支持することができる。尚、図示しないが、冷却通路Ｓの下壁部４２に突出部を形成してもよい。

以上説明したように、この実施形態に係る車両用バッテリパック１によれば、冷却通路Ｓの上壁部４１にヒーターＨを埋め込んでいるので、ヒーターＨ及び冷却通路Ｓを有する車両用バッテリパック１をコンパクトにすることができる。さらに、ヒーターＨの熱及び冷却通路Ｓの冷却風の冷熱をバッテリセル２１に素早く、かつ、効率よく伝達することができるので、バッテリセル２１を効率よく加温及び冷却できる。

また、ヒーターＨをバッテリモジュール２０におけるバスバー２３側に設けたので、ヒーターＨの熱がバスバー２３を介してバッテリセル２１に伝達しやすくなり、バッテリセル２１の加温効率がより一層向上する。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る車両用バッテリパック１を示すものである。実施形態２の車両用バッテリパック１は、実施形態１のものに対し、ヒーターＨの埋め込み構造が異なるだけであり、他の部分は実施形態１と同じであるため、以下、実施形態１と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略し、実施形態１と異なる部分について詳細に説明する。

実施形態２では、ヒーターＨが冷却通路Ｓの上壁部４１にインサート成形されている。すなわち、例えばヒーターＨを保持する保持部材４９を予め成形しておき、この保持部材４９にヒーターＨを保持させておく。そして、通路構成部材４０を成形するための成形型内に、ヒーターＨを保持した保持部材４９を配置して固定し、その後、該成形型内に溶融樹脂を射出して通路構成部材４０を成形する。これにより、溶融樹脂が保持部材４９に溶着して一体化するとともに通路構成部材４０となるように成形され、ヒーターＨが冷却通路Ｓの上壁部４１に埋め込まれた状態になる。

実施形態２の車両用バッテリパック１の場合も実施形態１と同様に、冷却通路Ｓの上壁部４１にヒーターＨを埋め込んでいるので、ヒーターＨ及び冷却通路Ｓを有する車両用バッテリパック１をコンパクトにすることができる。さらに、ヒーターＨの熱及び冷却通路Ｓの冷却風の冷熱をバッテリセル２１に素早く、かつ、効率よく伝達することができるので、バッテリセル２１を効率よく加温及び冷却できる。

また、図示しないが、実施形態２において冷却通路Ｓの上壁部４１の内面に突出部を形成してもよい。また、図示しないが、ヒーター側伝熱部材を冷却通路Ｓの上壁部４１に埋め込んでもよい。

また、上記実施形態１、２では、冷却通路Ｓをバッテリモジュール２０の下部に設けているが、これに限らず、例えばバッテリモジュール２０の上部や側部に設けてもよい。この場合、ヒーターＨも上部や側部に設けることになる。

上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明に係る車両用バッテリパックは、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等で使用することができる。

１ 車両用バッテリパック
２０ バッテリモジュール
２１ バッテリセル
２３ バスバー（接続部材）
３０ バッテリケース
４０ 通路構成部材
４１ 上壁部
Ｂ ヒーター側伝熱部材
Ｈ ヒーター
Ｓ 冷却通路

Claims (5)

1. バッテリセル（２１）と、
   上記バッテリセル（２１）の外部に設けられ、該バッテリセル（２１）を冷却するための冷却風が流れる冷却通路（Ｓ）とを備えた車両用バッテリパック（１）において、
   上記冷却通路（Ｓ）の壁部（４１）には、上記バッテリセル（２１）を加温するためのヒーター（Ｈ）が埋め込まれていることを特徴とする車両用バッテリパック（１）。
2. 請求項１に記載の車両用バッテリパック（１）において、
   上記バッテリセル（２１）と、該バッテリセル（２１）に接続される金属製の導電材料からなる接続部材（２３）とを有するバッテリモジュール（２０）を備え、
   上記ヒーター（Ｈ）は、上記バッテリモジュール（２０）における上記接続部材（２３）側に設けられることを特徴とする車両用バッテリパック（１）。
3. 請求項１または２に記載の車両用バッテリパック（１）において、
   上記ヒーター（Ｈ）は、上記冷却通路（Ｓ）の壁部（４１）にインサート成形されていることを特徴とする車両用バッテリパック（１）。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の車両用バッテリパック（１）において、
   上記冷却通路（Ｓ）の壁部（４１）には、上記ヒーター（Ｈ）の熱が伝達する伝熱部材（Ｂ）が埋め込まれていることを特徴とする車両用バッテリパック（１）。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の車両用バッテリパック（１）において、
   上記冷却通路（Ｓ）の内面における上記ヒーター（Ｈ）が埋め込まれた部位は、上記冷却通路（Ｓ）内へ向けて突出していることを特徴とする車両用バッテリパック（１）。

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