JP2016178050A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】電池モジュール内の電池を間接的に加温させるに当たり、その加温効率を従来よりも向上させる。【解決手段】電池モジュール２０は、水平方向に連結されて一対となり、一対の電池モジュール２０，２０間には、カバー２３の側面に設けられた供給スリット２７ａに連通する送風ダクト２６が形成される。ヒータ４２は、送風ダクト２６の下部であって電池ホルダ２２に接するようにして設けられる。ヒータ４２の熱が電池ホルダ２２を介して複数の円筒電池２１に伝達されるとともに、ヒータ４２によりその上部にある送風ダクト２６内の空気が加温されて当該加温された空気が複数の円筒電池２１に供給される。【選択図】図６

Description

本発明は、複数の円筒電池を含む電池モジュールを有する電池パックに関する。

多数の電池を直列または並列に接続させた電池パックが電動車両の電源として利用されている。電池の温度が低いと、充放電可能容量の低下を招く。そこで従来から、電池パックにヒータを設け、電池温度が低いときに当該ヒータで各電池を加温させる技術が知られている。

例えば特許文献１では、可撓性のシートヒータを波形に曲げて円筒電池間に挿入させ、このシートヒータによって直接各電池を加温させている。また特許文献２では、複数の電池を保持する金属製のホルダにヒータを直付けして、ホルダを介してヒータの熱を各電池に伝達させている。さらに特許文献３では、電池を収容するケースの底面に凹みを設けて空隙を形成するとともに、ケース底板からヒータを外付けしている。ヒータの熱は、ケース底板および空隙を介して各電池に伝達される。

特開２０１２−２４３５３５号公報 特許第５３９２４０７号公報 特開２００８−５３１４９号公報

ところで、シートヒータにより直接各電池を加温させる場合、各電池がシートヒータに囲まれるので、電池の高温時に熱がこもって放熱が困難になるおそれがある。

電池ホルダやケーシングにヒータを取り付けて間接的に電池を加温する場合、加温手段の構造は電池からの放熱を妨げるようなものとはならないが、加温時の熱の利用効率の点で改善の余地がある。すなわち、電池ホルダにヒータを直付けする場合、ヒータの面のうち、電池ホルダに接していない面からの熱は外部に放出されてしまい、その分電池の加温効率は低くなる。また、ケーシング底板にヒータを外付けする場合、ヒータ→底板→電池との熱の伝達経路の他に、ヒータ→底板→側面板→外気と熱が逃げる経路が形成され、その分電池の加温効率は低くなる。

そこで、本発明は、電池を間接的に加温させるに当たり、その加温効率を従来よりも向上させることの可能な、電池パックを提供することを目的とする。

本発明は、複数の電池モジュールとヒータとを含む電池パックに関するものである。各電池モジュールは、複数の円筒電池と、前記複数の円筒電池を立設状態でその下部側を保持する熱伝導性部材からなる電池ホルダと、前記複数の円筒電池の上部側を覆うように被さり前記電池ホルダとともに前記複数の円筒電池を収容するカバーと、を備える。前記電池モジュールは、水平方向に連結されて一対となり、前記一対の電池モジュール間には、前記カバー側面に設けられた開口に連通する送風ダクトが形成され、前記ヒータは、前記送風ダクトの下部であって前記電池ホルダに接するようにして設けられる。前記ヒータの熱が前記電池ホルダを介して前記複数の円筒電池に伝達されるとともに、前記ヒータによりその上部にある前記送風ダクト内の空気が加温されて当該加温された空気が前記複数の円筒電池に供給される。

本発明によれば、電池を間接的に加温させるに当たり、その加温効率を従来よりも向上させることが可能となる。

本実施形態に係る電池パックが搭載された電動車両の構成を示す模式図である。 本実施形態に係る電池パックの側面断面図である。 本実施形態に係る電池パックの平面断面図である。 本実施形態に係る電池モジュールの組立斜視図である。 本実施形態に係る電池モジュールの組立後の斜視図である。 本実施形態に係る電池モジュールの側面断面図である。 図６の一部拡大図である。 本実施形態に係る電池モジュールの別例の側面断面図である。

＜電池パックの構成＞
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の電池パック１０は、電動車両１００のフロアパネル１１０下部に配置されている。

なお、以下の説明およびこれに対応する図では、電動車両１００の前進方向を前とし、後退方向を後とする。また、この前後方向（車両長さ方向）に対する幅方向（車幅方向）を左右方向とする。さらに、鉛直方向の上下方向を単に上方向及び下方向と呼ぶ。

電池パック１０は、モータジェネレータ１０４に駆動電力を供給する複数の電池モジュール２０とこれを収容するケーシング１１で構成されている。電池モジュール２０の構成については後段で詳細に説明する。

ケーシング１１の上面は、フロアパネル１１０の凹凸形状に合わせた形状となっている。具体的には、前席シート１０６の下側と後席シート１０７の下側に位置するケーシング１１の上面は上に凸となっており、後席シート１０７の足元（リアフロア）に位置するケーシング１１の上面は下に凸（凹部）となっている。

図１，２に示すように、ケーシング１１の中には、電動車両１００の前後方向に電池モジュール２０が長手方向に３列に並べて搭載され、図３に示すように、電動車両１００の幅方向（左右方向）には、電池モジュール２０が幅方向に６列に並べて搭載されている。

ケーシング１１の前側部分（前席シート１０６の下側）と後側部分（後席シート１０７の下側）は中央部分と比較して高く形成されており、図１、図２に示すように、電池モジュール２０は上下二段に搭載される。相対的に高さの低い中央部分（リアフロア下側）では電池モジュール２０は一段搭載となっている。

したがって、本実施形態の電動車両１００の電池パック１０の下段には、長手方向３列×幅６列＝１８個、上段には、長手方向２列×幅６列＝１２個、合計３０個の電池モジュール２０が搭載されている。ただし、当然ながら、こうした電池モジュール２０の個数や配置は、適宜、変更されてもよい。

図１から図３に示すように、ケーシング１１に整列して搭載された各電池モジュール２０の間には、電池パック１０の内部に導入された冷却空気を各電池モジュール２０に分配する分配ダクト５０が配置されている。分配ダクト５０の上流端は、センターコンソール１０８から車室内の空気（冷却空気）を取り込む冷却ブロワ３９と連結される。分配ダクト５０は適宜分岐され、それぞれの下流端は、各電池モジュール２０の送風ダクト２６に連結される。

電池モジュール２０は、水平方向（左右方向）に連結されて一対となっており、一対の電池モジュール２０，２０の間には、送風ダクト２６が形成される。図３に示す例では、水平方向のうち左右方向に３対の電池モジュール２０が並べられており、送風ダクト２６は、左右方向に３か所ずつ配置される。

送風ダクト２６に送られた冷却空気は、後述するように、カバー２３の供給スリット２７ａから各電池モジュール２０内に供給される。さらに各電池モジュール２０内に供給された冷却空気は、カバー２３の排出スリット２７ｂから電池モジュール２０外に排出される。

＜電池モジュールの構成＞
次に、図４から図７を参照して各電池モジュール２０の構造について説明する。図４に示す様に、電池モジュール２０は、複数の円筒電池２１と、複数の円筒電池２１を保持する電池ホルダ２２と、樹脂製のカバー２３とを含んでいる。円筒電池２１は、充放電可能な二次電池であり、例えば、円筒型のケースに収められたニッケル水素電池、リチウムイオン電池等である。

電池ホルダ２２は、複数の円筒電池２１それぞれを起立保持する板部材である。電池ホルダ２２は、複数の円筒電池２１を立設状態でその下部側を保持する。具体的には、電池ホルダ２２には、円筒電池２１の下部が差し込まれる多数の貫通孔２２ａが形成されている。電池ホルダ２２への円筒電池２１の組み付けは、円筒電池２１を貫通孔２２ａに差し込み、貫通孔２２ａの内面（円筒面）と円筒電池２１の外面（円筒面）との隙間に接着剤を充填して貫通孔２２ａに円筒電池２１を固定することによって行う。これにより、電池ホルダ２２は、複数の円筒電池２１の全てに、接触、または、近接することができる。

また、電池ホルダ２２は、散熱板としての機能を備えている。円筒電池２１を電池ホルダ２２の貫通孔２２ａに組み付けることによって、温度の高い一部の円筒電池２１の熱が電池ホルダ２２に伝達され、当該温度の高い一部の円筒電池２１の温度が低下する。また、電池ホルダ２２の熱を温度の低い一部の円筒電池２１に伝達させてその円筒電池２１の温度を上昇させる。

つまり、各円筒電池２１は、各円筒電池２１と電池ホルダ２２との間で熱移動可能なように各貫通孔２２ａによって保持されており、電池ホルダ２２によって各円筒電池２１の温度のバラツキが抑制される。このため、電池ホルダ２２は、各円筒電池２１の間の熱移動を効率よく行えるような熱伝導性の部材から構成され、例えばアルミニウム等の金属材料で構成される。また、電池ホルダ２２の厚さは、貫通孔２２ａの円筒面によって円筒電池２１の下部側を保持することができ、また、熱伝導により効果的に熱移動が行える程度の厚さ、例えば、１０〜２０ｍｍ程度、あるいは、円筒電池２１の長さの１／４程度の厚さである。

樹脂製のカバー２３は、複数の円筒電池２１の上部側を覆うように被さり、電池ホルダ２２とともに複数の円筒電池２１を収容する。カバー２３には、上面に各円筒電池２１の各電極が突出する穴が設けられた天井板２３ａと、電池ホルダ２２に組み付けられた複数の円筒電池２１の外周を覆う四角筒２３ｂとから構成されている。このカバー２３を電池ホルダ２２の上に取り付けると図５に示すように、カバー２３の天井板２３ａの穴からは各円筒電池２１の電極が突出する。

四角筒２３ｂの幅方向両面には、複数のスリット（開口）が切り込まれている。両側面の一方のスリットは供給スリット２７ａであり、他方のスリットは排出スリット２７ｂである。供給スリット２７ａは送風ダクト２６と連通しており、供給スリット２７ａを介して送風ダクト２６の冷却空気がカバー２３内部に取り込まれる。また排出スリット２７ｂから、カバー２３内にある冷却後の空気が排出される。供給スリット２７ａ及び排出スリット２７ｂは、電池モジュール２０の長手方向（前後方向）に沿ってカバー２３の側面（四角筒２３ｂの幅方向側面）に複数切り込まれている。

図６に示すように、供給スリット２７ａの開口位置は、排出スリット２７ｂの開口位置よりも鉛直方向上側となるように、供給スリット２７ａ及び排出スリット２７ｂが形成されている。このような位置関係を採ることで、後述する円筒電池２１の加温の際に、カバー２３内の暖気が排出スリット２７ｂから逃げ難くなる。

図４に戻り、供給スリット２７ａは、電池モジュール２０の長手方向（前後方向）両端側の開口面積が、長手方向中央部分の開口面積よりも大きくなるように形成されている。例えば供給スリット２７ａの上下方向幅を、中央から両端に向かうに従って大きくなるように形成する。このような形状を備えることで、後述する円筒電池２１の加温の際に、相対的に低温となり易い長手方向両端側の円筒電池２１に、相対的に多くの暖気を供給することが可能となる。

四角筒２３ｂの幅方向片面のうち、供給スリット２７ａが形成された側面の上側と下側には、それぞれ断面略Ｌ字型の上側フランジ２４及び下側フランジ２５が形成されている。このフランジ２４，２５は、供給スリット２７ａ側にのみ設けられてよい。例えば、図４，５の図示例では、左側側面に上側及び下側フランジ２４，２５が形成され、図示されていない右側側面には上側及び下側フランジ２４，２５は形成されない。

上側フランジ２４は、水平方向に延びた後、鉛直上方向に向かって延び、下側フランジ２５は、水平方向に延びた後、鉛直下方向に向かって延びる。詳細は後述するが、図６のように、電池モジュール２０，２０を水平方向に一対に組み合わせる際に、各モジュールの上側フランジ２４，２４同士、及び、下側フランジ２５，２５同士が当接されて、送風ダクト２６が形成される。

カバー２３の天井板２３ａの上側には各円筒電池２１の上側の電極（正極）を接続する正極バスバー２９が取り付けられ、その上に樹脂製の蓋３１が取り付けられる。また、電池ホルダ２２の下側には、円筒電池２１の下側の電極（負極）を接続するための負極バスバーモジュール３４が取り付けられる。

負極バスバーモジュール３４は、各円筒電池２１の負極に接触する金属バスバー３６と、当該金属バスバー３６を保持する樹脂板３８と、からなる。樹脂板３８のうち、各円筒電池２１に対応する位置には、貫通孔が形成されており、円筒電池２１の負極が下方に露出できるようになっている。

負極バスバーモジュール３４の下方には、排気室カバー３２が配されている。排気室カバー３２は、下方に向かって凹んだ略皿形となっている。排気室カバー３２の周縁近傍は、樹脂板３８に固着されており、電池ホルダ２２との間には、閉鎖空間である排気室３３が形成される。樹脂板３８には、この排気室３３と外部空間とを連通する開口（図示せず）が形成されている。円筒電池２１の異常反応によりガスが生じた場合、当該ガスは、この排気室３３に放出され、その後、この排気室３３から開口を通って外部に放出されるようになっている。

図６に示すように、右側の電池モジュール２０は、カバー２３の左側面に上側及び下側フランジ２４，２５が形成されている。一方、左側の電池モジュール２０は、カバー右側側面に上側及び下側フランジ２４，２５が形成されている。左右２つの電池モジュール２０，２０は、各フランジ２４，２５の垂直面を合わせるように組みつけられる。各フランジ２４，２５の各垂直面間には、ゴムやスポンジ等の弾性シール部材２８が挟み込まれている。このように、２つの電池モジュール２０，２０を各フランジ２４，２５の垂直面を合わせるように組みつけることで、断面矩形の送風ダクト２６が形成される。上述したように、送風ダクト２６には、冷却ブロワ３９及び分配ダクト５０を介して、車室内の空気が送られる。

なお、送風ダクト２６は、電池モジュール２０の高さ方向略中央に形成されており、送風ダクト２６の上方、および、下方には、二つの電池モジュール２０で囲まれた間隙が形成されることになる。このうち、送風ダクト２６の下方に形成される下側間隙４０は、図６に示す通り、電池ホルダ２２の外表面と、下側フランジ２５の外表面とで囲まれる。また、電池モジュール２０の前後端（長手方向両端）には、樹脂等からなるブラケット（図示せず）が配されており、当該下側間隙４０の前後端は、当該ブラケットにより閉鎖されている。したがって、この下側間隙４０は、下方のみが開口した空間である。

ところで、こうした電池パック１０は、屋外で使用されることも多く、環境温度によっては、低温になることがある。電池パック１０、ひいては、当該電池パック１０に設けられた円筒電池２１は、過度に温度が低くなると、充放電可能容量の低下等の問題を招く。そこで、本実施形態では、電池パック１０に、円筒電池２１を加温するためのヒータ４２を設けている。これについて、図６，７を参照して説明する。

本実施形態では、円筒電池２１を加温するヒータ４２を、送風ダクト２６の下部である下側間隙４０に配している。より具体的には、ヒータ４２は、電池ホルダ２２の外表面に接するようにして、下側間隙４０に設けられる。

ヒータ４２は、下側間隙４０に収容可能な体格であればよく、また電池ホルダ２２に接するような形状を備えていればよい。図６に示す例では、２つの電池ホルダ２２，２２のそれぞれにヒータ４２を設けている。これに代えて、２つの電池ホルダ２２，２２に接触する単一のヒータ４２を設けてもよい。ヒータ４２は、例えば、電熱線のような発熱体から構成される。

このように、本実施形態に係る電池パック１０では、従来デッドスペースとなっていた下側間隙４０にヒータ４２を配置することで、電池パック１０の体積を増やすことなく円筒電池２１の加温が可能となる。

＜円筒電池の加温＞
図７を用いて、本実施形態に係る電池パック１０の加温プロセスを説明する。図７には、送風ダクト２６及びその下側間隙４０周辺の拡大図が示されている。ヒータ４２の電源をオンにして昇温させると、ヒータ４２の熱は熱伝導性部材である電池ホルダ２２を介して各円筒電池２１に伝達される。また、ヒータ４２周辺の暖気は、上昇して送風ダクト２６の下側フランジ２５を加温する。またヒータ４２からの輻射が下側フランジ２５を加温する。これにより送風ダクト２６が温められ、また送風ダクト２６内の空気が加温される。送風ダクト２６内の暖気はカバー２３の供給スリット２７ａからカバー２３内に供給され、当該カバー２３内の各円筒電池２１を加温する。なお、円筒電池２１の加温時には冷却ブロワ３９は停止状態であり、送風ダクト２６内の暖気は主に温度差に基づく自然対流によってカバー２３内に供給される。

このように、本実施形態に係る電池パック１０では、電池ホルダ２２を介した熱伝達に加えて、ヒータ４２周辺の暖気や輻射を利用して送風ダクト２６内の空気を温め、これを円筒電池２１に供給している。このようにすることで、ヒータ４２にて生じた熱を効率良く円筒電池２１に伝達することが可能となる。

＜本実施形態に係る電池モジュールの別例＞
上述した実施形態では、電池モジュール２０，２０を一対に組み立てた例を示したが、この例に限らない。例えば、電池パック１０の配置スペースや要求される電池容量によっては、電池モジュール２０が、単一で配置される場合もある。この場合には、カバー２３に形成される上側及び下側フランジ２４，２５の形状を変更したり、電池モジュール２０に隣接する他部材を配置したりする等して、電池ホルダ２２に隣接する間隙を形成し、この間隙にヒータ４２を配置することが望ましい。

例えば、図８に示すように、カバー２３の側面から突出するフランジ４３の垂直面を、電池ホルダ２２の下端高さまで延ばすことで、電池ホルダ２２に隣接し、下方に開口する下側間隙４０を形成し、当該下側間隙４０にヒータ４２を設けるようにしてもよい。なお、上述した実施形態と同様に、ヒータ４２は電池ホルダ２２に接するように設けられる。

１０ 電池パック、２０ 電池モジュール、２１ 円筒電池、２２ 電池ホルダ、２３ カバー、２４ 上側フランジ、２５ 下側フランジ、２６ 送風ダクト、２７ａ 供給スリット、２７ｂ 排出スリット、３９ 冷却ブロワ、４０ 下側間隙、４２ ヒータ。

Claims (1)

1. 複数の電池モジュールとヒータとを含む電池パックであって、
   各電池モジュールは、
   複数の円筒電池と、
   前記複数の円筒電池を立設状態でその下部側を保持する熱伝導性部材からなる電池ホルダと、
   前記複数の円筒電池の上部側を覆うように被さり前記電池ホルダとともに前記複数の円筒電池を収容するカバーと、
   を備え、
   前記電池モジュールは、水平方向に連結されて一対となり、
   前記一対の電池モジュール間には、前記カバー側面に設けられた開口に連通する送風ダクトが形成され、
   前記ヒータは、前記送風ダクトの下部であって前記電池ホルダに接するようにして設けられ、
   前記ヒータの熱が前記電池ホルダを介して前記複数の円筒電池に伝達されるとともに、前記ヒータによりその上部にある前記送風ダクト内の空気が加温されて当該加温された空気が前記複数の円筒電池に供給されることを特徴とする、電池パック。
   

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