JP2016178063A - 電池パック - Google Patents

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Abstract

【課題】電池パック内の電池を均一に加温する【解決手段】複数の円筒電池２１と、円筒電池２１を保持する散熱板２２と、その中に収容された各円筒電池２１を冷却する冷却空気が導入される第１室４０と、第１室４０と異なる空間であって、少なくとも壁の一部が散熱板２２で形成され、その中に空気層を含む第２室５０と、を有する電池モジュール２０と、第２室５０の空気層に対流を発生させるように散熱板２２との間に空気層を介して配置される棒状ヒータ３３とを備える。【選択図】図４

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の構造に関する。
多数の電池を直列または並列に接続して組電池としてケーシングに格納した電池パックが電動車両等に利用されている。かかる電池パックは、温度が低くなると、その出力の低下や、充電可能容量の低下等の問題を招く。そこで、従来から、電池パックにヒータを設け、低温時には、当該ヒータで、各電池を加温することが提案されている。
例えば、特許文献１には、複数の円筒電池と、複数の円筒電池を保持する金属製の電池ホルダと、を備えた電池パックにおいて、電池ホルダの側面にヒータを直付けし、電池ホルダを介して円筒電池を加温する技術が開示されている。
また、特許文献２には、複数の円筒電池と、複数の円筒電池を各々収納可能な電池収容空間が個別に区画された電池ホルダと、を備えた電池パックにおいて、各円筒電池の各外周面の一部に発熱面が面接触するように発熱体を配置し、発熱体によって各円筒電池の一部を直接加熱する技術が開示されている。
また、特許文献３には、複数の角型電池を積層した積層電池と、積層電池を収容するとともに積層電池と離間した離間部を有するケーシングと、離間部の外表面上に設けられるヒータとを有し、離間部と電池部との間に介在する空気を介して各角型電池を加温する電池パックが開示されている。
特許５３９２４０７号公報 特開２０１２−２４３５３５号公報 特開２００８−０５３１４９号公報
ところで、複数の電池を直列または並列に接続した組電池では、各電池の温度に差があると各電池の充放電特性が不均一となって特定の電池の残存容量が大きく低下してしまい、特定の電池の劣化が進んでしまう場合がある。このため、複数の電池により構成された組電池では、各電池の温度を均一に保つことが重要となってくる。
しかし、特許文献１に記載された従来技術のように、電池ホルダにヒータを直付けした場合には、電池ホルダのヒータと接触している部分が局部的に加温されるため、電池ホルダを介して加温される各電池間に温度差が発生してしまい、各電池の温度を均一に加温することが難しい。また、特許文献２に記載された従来技術のように、各円筒電池の外周の一部に発熱体の発熱面を面接触させる方法では、発熱面の接触する部分と発熱面の接触しない部分とで温度差が発生し、各円筒電池において電池内温度差が発生してしまい、各電池を均一に加温することが難しい。更に、特許文献３に記載された従来技術では、ケーシング中の積層電池を支持する設置部の下側には空隙を設けることができないので、この部分をヒータによって加温することができず、積層電池を均一に加温することが難しい。このように、特許文献１から３に記載された従来技術では、電池パック内の電池を均一に加温することが難しいという問題があった。
そこで、本発明は、電池パック内の電池を均一に加温することを目的とする。
本発明の電池パックは、複数の円筒電池と、前記複数の円筒電池を保持する散熱板と、その中に収容された前記各円筒電池を冷却する冷却空気が導入される第１室と、前記第１室と異なる空間であって、少なくとも壁の一部が前記散熱板で形成され、その中に空気層を含む第２室と、を有する電池モジュールと、前記第２室の前記空気層に対流を発生させるように前記散熱板との間に前記空気層を介して配置されるヒータと、を備えることを特徴とする。
この構成により、本発明は、ヒータによって散熱板周辺の空気を加温し、加温空気の対流によって散熱板と散熱板に保持された複数の円筒電池を加温するので、散熱板や各円筒電池が局部的に加温されることがなく、電池パック内の円筒電池を均一に加温することができる。
本発明の電池パックにおいて、前記第２室の壁の他の一部は、前記散熱板との間に前記空気層を介して配置される伝熱性の高い底蓋で形成され、前記ヒータは、前記底蓋に取り付けられていることとしても好適である。
この構成は、ヒータによって伝熱性の高い底蓋を加熱することにより底蓋と散熱板とで仕切られる第２室の空気層を均一に加温でき、電池パック内の円筒電池を均一に加温することができる。
本発明の電池パックにおいて、前記第２室は、前記円筒電池から放出されたガスを排出する排煙経路であることとしても好適である。
この構成により、電池パックの内部空間を有効に利用することができ、電池パックをコンパクトにすることができる。
本発明の電池パックにおいて、前記電池モジュールは、前記第２室が前記第１室の鉛直下方となるように配置され、前記ヒータが前記散熱板の鉛直下方向に配置されていることとしても好適である。
この構成は、第２室の空気層を鉛直下方向から加熱するので、上側の散熱板の周辺に加温された空気が集まり、電池パック内の円筒電池を均一に加温することができる。
本発明は、電池パック内の電池を均一に加温できるという効果を奏する。
本発明の実施形態における電池パックが電動車両に搭載された状態を示す説明図である。 本発明の実施形態における電池パックの立面図である。 本発明の実施形態における電池パックの平面図である。 本発明の実施形態における電池パックの横断面図である。 本発明の実施形態における電池パックに収納される電池モジュールの分解斜視図である。 平板ヒータを用いた本発明の他の実施形態における電池パックの横断面図である。 電池モジュール下部とケーシングとの間に空間を形成するスカートを取り付けた本発明の他の実施形態における電池パックの横断面図である。 ヒータを底蓋の内側に取り付けた本発明の他の実施形態における電池パックの横断面図である。
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。以下の実施形態では、電池パック１０は、図１に示すようにモータジェネレータによって駆動される電動車両１００の前席１０５近傍のフロアパネル１０１の下側に取り付けられている。より詳細には、図２に示すように、ケーシング１１は、側板１１ｂに取り付けられたブラケット１２によって電動車両１００のフロアパネル１０１の下面２２Ｃにボルト１３ａ、ナット１３ｂで固定され、フロアパネル１０１から吊り下げられている。また、電池パック１０に格納された電池を冷却する冷却空気は、車室１０４内に取り付けられた冷却ファン１０３によって供給される。なお、図１において、紙面の上方向は鉛直上方向、下方向は鉛直下方向、紙面左側は電動車両１００の前方、紙面右側は、電動車両１００の後方を示す。
図２に示すように、本実施形態の電池パック１０は、ケーシング１１の中に電池モジュール２０と棒状ヒータ３３を収容したものである。電池モジュール２０は、複数の円筒電池２１と、円筒電池２１を保持する散熱板２２と、散熱板２２に保持された円筒電池組の外周を覆う樹脂製のカバー２３と、カバー２３の上側に取り付けられる天井蓋３１と、散熱板２２の下側に取り付けられるトレイ状の底蓋３２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。
散熱板２２の長手方向の両端の下側角部には樹脂で構成されたＬ字型の絶縁体１４が取り付けられている。絶縁体１４の端面にはＬ字型のブラケット１５の一面がボルト１６ａとナット１６ｂとで固定されており、このブラケット１５の他の面は、ケーシング１１の底板１１ａの内面にボルト１７ａとナット１７ｂとで固定されている。このように、円筒電池２１を保持する散熱板２２は、ケーシング１１の底板１１ａの内面に固定されている。
図２に示すように、電池モジュール２０に形成された空気流路２６の解放端には接続ダクト８２を介して図１に示す冷却ファン１０３から吐出された冷却空気を空気流路２６に導入する冷却空気ダクト８１が接続されている。図２に示すように、冷却空気ダクト８１は、フロアパネル１０１に設けられた貫通部１０２から、ケーシング１１の上部に設けられた入口ノズル１８を貫通してケーシング１１の中に導入されている。
図２、図３に示すように、冷却ファン１０３から吐出された冷却空気は、冷却空気ダクト８１、接続ダクト８２を通って電池モジュール２０の左側面に形成された空気流路２６に流入する。空気流路２６の端部は閉鎖されているので、空気流路２６に流入した空気は、図３に示すように、カバー２３の左側面に設けられたスリット２７からカバー２３の内部に流入してカバー２３内部に収容された各円筒電池２１を冷却する。各円筒電池２１を冷却して温度が上昇した冷却空気は、カバー２３の右側面に設けられたスリット２７から電池モジュール２０の外部に排出される。図２に示すように、排出された空気は、電池モジュール２０とケーシング１１との間の空間を流れてケーシング１１の入口ノズル１８、フロアパネル１０１の貫通部１０２と冷却空気ダクト８１との間の隙間から車室１０４の中に戻る。
以下、図４、図５を参照してケーシング１１に収容される電池モジュール２０の構成の詳細について説明する。図５に示すように、散熱板２２は、円筒電池２１が差し込まれる多数の貫通孔２２ａが設けられた、例えば、アルミニウム等の金属板である。散熱板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）との隙間に接着材を充填して貫通孔２２ａに円筒電池２１を固定することによって行う。このように、円筒電池２１を散熱板２２の貫通孔２２ａに組み付けることによって温度の高い円筒電池２１の外面（円筒面）からの熱を熱伝導で散熱板２２に移動させて温度の高い円筒電池２１の温度を低下させると共に、熱伝導により散熱板２２の熱を温度の低い円筒電池２１に移動させて温度の低い円筒電池２１の温度を上昇させる。つまり、各円筒電池２１は各円筒面と散熱板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、散熱板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、散熱板２２は各円筒電池２１の間の熱移動を効率よく行えるように熱伝導率の高いアルミニウム等の金属材料で構成されている。また、散熱板２２の厚さは、貫通孔２２ａの円筒面によって円筒電池２１を保持することができ、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、上面２２ｂに各円筒電池２１のプラス側の電極２１ａが突出する穴２３ｃが設けられた天井板２３ａと散熱板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。図４に示すように、カバー２３を散熱板２２の上に取り付けると、カバー２３の天井板２３ａの穴２３Ｃからは各円筒電池２１のプラス側の電極２１ａが突出する。図４、図５に示すように、カバー２３の穴２３ｃの上側にはいくつかのグループごとに円筒電池２１のプラス側の電極２１ａを接続する複数の正極バスバー２９が取り付けられ、その上に樹脂製の天井蓋３１が取り付けられる。
図４、図５に示すように、カバー２３の側面には、Ｌ字形の上側フランジ２４と下側フランジ２５とが外側に張り出す様に形成されている。上側フランジ２４は、フランジ面が上方向に向かって延び、下側フランジ２５はフランジ面が下方向に向かって延びている。図４に示すように、各フランジ２４，２５のフランジ面には蓋板２８が取り付けられ、各フランジ２４，２５と蓋板２８とによって四角い空気流路２６が形成される。図２、図５に示すように、空気流路２６を形成しているカバー２３の長手方向側面には、円筒電池２１の冷却空気を導入するスリット２７が形成されている。図２、図５ではカバー２３の左側の面に形成されているスリット２７を図示しているが、図３に示すように、カバー２３の右側の側面にも左側の面と同様のスリット２７が形成されている。先に述べたように、カバー２３の右側の側面に形成されたスリット２７は、円筒電池２１を冷却した空気をカバー２３の中から排出するものである。
このように、散熱板２２、円筒電池２１、カバー２３、天井蓋３１が構成されているので、散熱板２２の上面２２ｂとカバー２３と天井蓋３１は、その中に円筒電池２１を収容し、円筒電池２１を冷却する冷却空気が導入される空間である第１室４０を構成する。また、散熱板２２の上面２２ｂは第１室４０を仕切る壁の一部である。
図４、図５に示すように、散熱板２２の下面２２ｃの下側には円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂをいくつかのグループ毎に接続する負極バスバーアセンブリ３０が取り付けられる。図５に示すように、負極バスバーアセンブリ３０は、正極バスバー２９と同様の形状の板に円筒電池２１の配置に合わせて穴３０ｃが開けられた負極バスバー３０ａを複数枚並べて樹脂モールドしたものである。負極バスバー３０ａの穴３０ｃには円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂに接する板状の端子３０ｂが形成されている。
正極バスバー２９、負極バスバー３０ａは、それぞれ一つのグループの円筒電池２１のプラス側の電極２１ａ同士、マイナス側の電極２１ｂ同士を接続するもので、この各バスバー２９，３０ａで接続されるグループの円筒電池２１は整列に接続される。そして、正極バスバー２９と負極バスバー３０ａとを接続バスバー（図示せず）で接続することにより、複数の円筒電池２１が並列接続されたグループを直列に接続した組電池が構成される。
図４、図５に示すように、負極バスバーアセンブリ３０の下側には、中央がトレイ状に凹み、底面に補強用の凹凸部３２ａが形成された底蓋３２が取り付けられている。図４に示すように、負極バスバーアセンブリ３０の下側の面の外周部には、樹脂製のリブ３０ｄが突出しており、その先端に底蓋３２の外周部が接するように取り付けられている。底蓋３２は、伝熱性の高いアルミ等の金属製である。
このように、散熱板２２と円筒電池２１と負極バスバーアセンブリ３０と底蓋３２とが構成されているので、散熱板２２の下面２２ｃと、円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂと、負極バスバーアセンブリ３０のリブ３０ｄと、底蓋３２とはその中に空気層を含む一つの空間である第２室５０を形成する。また、散熱板２２の下面２２ｃは、第２室５０を仕切る壁の一部である。
図５に示すように、負極バスバーアセンブリ３０の長手方向の両端部には、略四角の開口３０ｅが設けられている。また、散熱板２２の下面２２ｃの長手方向の両端には開口２２ｅが設けられており、散熱板２２の長手方向の両端面には開口２２ｄが設けられている。散熱板２２の両端面の開口２２ｄと下面２２ｃの開口２２ｅとはＬ字型に曲がった流路で連通するように構成されている。そして、負極バスバーアセンブリ３０が散熱板２２の下面２２ｃに取り付けられると、負極バスバーアセンブリ３０の開口３０ｅは散熱板２２の下面２２Ｃの開口２２ｅと重なる。このため、散熱板２２に負極バスバーアセンブリ３０と底蓋３２を取り付けると、第２室５０と散熱板２２の端面の開口２２ｄとを連通する流路が構成される。
円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂは、円筒電池２１の内部でガスが発生した場合に、そのガスを外部に放出できるよう、内圧で端面が開くような構造となっている。このため、円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂから放出されたガスは、散熱板２２の下側に形成された第２室５０の中に流入する。第２室５０に流入したガスは、第２室５０の中を通って電池モジュール２０の両端部に流れ、負極バスバーアセンブリ３０の開口３０ｅ、散熱板２２の開口２２ｅ、開口２２ｄを通って外部に排出される。したがって、第２室５０は、円筒電池２１からガスが放出された場合、そのガスを排出する排煙経路を構成する。
図４に示すように、内側に凹んだ底蓋３２の幅方向中央の凹凸部３２ａの外表面には、電池モジュール２０を加温する棒状ヒータ３３が取り付けられている。棒状ヒータ３３から放出される熱は、底蓋３２の外表面から底蓋３２を加熱する。底蓋３２は金属等の伝熱性の良い材料で構成されているので、棒状ヒータ３３の熱によって底蓋３２の全体の温度が上昇する。温度の上昇した底蓋３２は、底蓋３２と散熱板２２の下面２２ｃとの間の第２室５０の中の空気を鉛直下方向から加熱するので、第２室５０の中の空気が対流によって図４の矢印９１のように移動し、空気が加温される。加温された空気は、散熱板２２の下面２２ｃ及び円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂの各表面に接触してそれぞれの表面を加温する。つまり、加温された空気によって散熱板２２の下面２２ｃ及び円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂの全面が加温される。各円筒電池２１のマイナス側の各電極２１ｂに接する空気の温度は略均一であるから、空気から各円筒電池２１への入熱も略均一になる。このため、各円筒電池２１は下側から均一に加温される。また、先に述べたように、散熱板２２は熱伝導率の高いアルミなどの金属製であるから、散熱板２２の下面２２ｃへの入熱は、散熱板２２の各貫通孔２２ａの表面から各円筒電池２１の各円筒面に移動し、各円筒電池２１を各円筒面から加温する。この際、散熱板２２は、各円筒電池２１の間の熱移動を効率よく行えるので、各円筒電池２１を均一に加温することができる。
このように、本実施形態の電池パック１０は、底蓋３２の中央に設けた棒状ヒータ３３によって、底蓋３２と散熱板２２との間の空気を対流させて、底蓋３２と各円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂを加温するので、小さな棒状ヒータ３３を用いて各円筒電池２１を均一に加温することができる。これにより、電池パック１０をコンパクトにすることができる。
また、本実施形態の電池パック１０は、円筒電池２１からガスが放出された場合、そのガスを排出する排煙経路を構成する第２室５０の空気層を介して各円筒電池２１を加温するように構成しているので、棒状ヒータ３３と円筒電池２１或いは散熱板２２との間に別途空気層を設ける必要がなく、電池パック１０をコンパクトにすることができる。
次に、図６を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図５を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図６に示す実施形態は、図１から図５を参照して説明した実施形態の棒状ヒータ３３を平板状のシートヒータ３４としたものである。
図６に示すように、本実施形態の電池パック１０は、底蓋３２の下側の外面にシートヒータ３４を取り付けたものである。シートヒータ３４は底蓋３２の下側の面全体を均一に加熱することができるので、先に図１から図５を参照して説明した実施形態よりもより均一に底蓋３２を加熱することができる。これによって、散熱板２２と底蓋３２との間の空気層の中により均一な空気の対流を発生させることができるので、更に、均一に電池モジュール２０の各円筒電池２１を加温することができる。
次に、図７を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図５を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図７に示す実施形態は、図１から図５を参照して説明した実施形態の底蓋３２とケーシング１１の底板１１ａとの間の空間を略閉鎖空間である第３室６０とする四角い環状形のスカート３５を設けたものである。図７に示すように、スカート３５の左側の上端は、カバー２３の下側フランジ２５に接続されており、スカート３５の右側の上端はカバー２３の右側の側面のリブ３０ｄに接続されている。また各下端はケーシング１１の底板１１ａに接続されている。電池モジュール２０の長手方向の両端面も同様にカバー２３或いは散熱板２２の両端部とケーシング１１の底板１１ａとを接続する板が設けられている。電池モジュール２０の左下側の板と右下側の板及び両端下側の各板は四角い環状形となるように互いに接続されている。
スカート３５と底蓋３２とケーシング１１の底板１１ａとによって囲まれる第３室６０は、略閉鎖された空間となっているので、棒状ヒータ３３の熱が底蓋３２の下側からケーシング１１の他の部分に逃げることを抑制すると共に、棒状ヒータ３３の熱によってその中の空気を対流させて底蓋３２を均一に加温することができる。これにより、本実施形態の電池パック１０は、各円筒電池２１を加温するためのエネルギを少なくすることができると共に、電池モジュール２０の各円筒電池２１をより均一に加温することができる。
次に、図８を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図５を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図８に示す実施形態は、図６を参照して説明した実施形態のシートヒータ３４を散熱板２２と底蓋３２との間の第２室５０の中に配置したものである。図８に示すように、シートヒータ３４は、第２室５０の中であって、散熱板２２の下面２２ｃ及び各円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂから離間して配置されている。シートヒータ３４は、第２室５０の中の空気に矢印９１で示すような対流を発生させ、この対流によって散熱板２２及び各円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂを加温する。本実施形態では、シートヒータ３４の大きさは、各円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂの範囲をカバーするものであるから各円筒電池２１を均一に加温することができる。
以上説明したように、各実施形態は、電池パック１０内の各円筒電池２１を均一に加温することができるという効果を奏するものである。
なお、以上の各実施形態では、電池パック１０は電動車両１００の床下に配置されるものとして説明したが、本発明は、このように配置される電池パック１０のみならず、例えば、図１に示す後席１０６の後ろのスペース或いは、ラゲッジスペースに搭載される電池パック１０にも適用できる。また、本発明は、エンジンとモータとによって駆動されるハイブリッド車両等の他の電動車両にも適用することができる。
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲ないし本質から逸脱することない全ての変更及び修正を包含するものである。
１０ 電池パック、１１ ケーシング、１１ａ 底板、１１ｂ 側板、１２，１５ ブラケット、 １３ａ，１６ａ，１７ａ ボルト、１３ｂ，１６ｂ，１７ｂ ナット、１４ 絶縁体、１５ ブラケット、１８ 入口ノズル、２０ 電池モジュール、２１ 円筒電池、２１ａ，２１ｂ 電極、２２ 散熱板、２２ａ 貫通孔、２２ｂ 上面、２２ｃ 下面、２２ｄ，２２ｅ，３０ｅ 開口、２３ カバー、２３ａ 天井板、２３ｂ 四角筒、２３ｃ，３０ｃ 穴、２４ 上側フランジ、２５ 下側フランジ、２６ 空気流路、２７ スリット、２８ 蓋板、２９ 正極バスバー、３０ 負極バスバーアセンブリ、３０ａ 負極バスバー、３０ｂ 端子、３０ｄ リブ、３１ 天井蓋、３２ 底蓋、３２ａ 凹凸部、３３ 棒状ヒータ、３４ シートヒータ、３５ スカート、４０ 第１室、５０ 第２室、６０ 第３室、８１ 冷却空気ダクト、８２ 接続ダクト、９１ 矢印、１００ 電動車両、１０１ フロアパネル、１０２ 貫通部、１０３ 冷却ファン、１０４ 車室、１０５ 前席、１０６ 後席。

Claims (4)

  1. 電池パックであって、
    複数の円筒電池と、
    前記複数の円筒電池を保持する散熱板と、
    その中に収容された前記各円筒電池を冷却する冷却空気が導入される第１室と、
    前記第１室と異なる空間であって、少なくとも壁の一部が前記散熱板で形成され、その中に空気層を含む第２室と、を有する電池モジュールと、
    前記第２室の空気層に対流を発生させるように前記散熱板との間に前記空気層を介して配置されるヒータと、を備える電池パック。
  2. 請求項１に記載の電池パックであって、
    前記第２室の壁の他の一部は、前記散熱板との間に前記空気層を介して配置される伝熱性の高い底蓋で形成され、
    前記ヒータは、前記底蓋に取り付けられている電池パック。
  3. 請求項１または２に記載の電池パックであって、
    前記第２室は、前記円筒電池から放出されたガスを排出する排煙経路である電池パック。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電池パックであって、
    前記電池モジュールは、前記第２室が前記第１室の鉛直下方となるように配置され、
    前記ヒータが前記散熱板の鉛直下方向に配置されている電池パック。
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