JP2016219260A - 車両用バッテリパック - Google Patents

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Abstract

【課題】車体フロアの設計の自由度を高めるとともに、冷却風の流れを単純なものとして圧力損失を抑制する。【解決手段】バッテリパック１は、長辺が車両の前後方向Ｌに沿って搭載される。パックケース２内に箱形のバッテリモジュール３が２段の平積み形式で並べられ、各々の端子１１が前後方向Ｌを向いている。前端部に、ジャンクションボックス２１と冷却ユニット１５が幅方向Ｗに並んで配置される。冷却風は、パックケース２の外周に沿って流れるとともに、前後のバッテリモジュール３の間の間隙１２，１３を通って幅方向Ｗに流れる。ジャンクションボックス２１は、流れの最下流となる位置にあり、バッテリモジュール３を冷却した後の冷却風によって冷却される。【選択図】図１

Description

この発明は、電気自動車やハイブリッド自動車などにおける車両用バッテリパックの改良に関する。
車両の駆動には大容量の二次電池が必要であることから、車両用バッテリパックとして、特許文献１や特許文献２に開示されているように、偏平な箱形をなすバッテリモジュールをパックケース内に複数収容した構成のものが知られている。
ここで、特許文献１では、一部のバッテリモジュールが平積み形式（バッテリモジュールの主面がパックケースの底面に実質的に平行となる配置形式。横置き形式ともいう。）でパックケース内に配置される一方で、残りの多数のバッテリモジュールは、縦置き形式（バッテリモジュールの主面がパックケースの底面に実質的に垂直となる配置形式）でもって一列のスタックとして配列された構成となっている。また特許文献２では、全てのバッテリモジュールが縦置き形式でもってパックケース内に配置され、２列のスタックとして配列された構成となっている。
特開２０１３−１７１６６２号公報 特開２０１５−２６４２８号公報
上記のようにバッテリモジュールを縦置き形式としてパックケース内に配列した車両用バッテリパックにあっては、縦置き形式に配置されたバッテリモジュールの高さ寸法によってバッテリパックの上下方向寸法が実質的に定まることから、車高の高い比較的大型の車両でないと搭載が困難となりやすい。つまり、車体フロアにおける高さ方向の設計の自由度が制約される。
また特許文献１では、一部のバッテリモジュールを平積み形式に配置しているが、各バッテリモジュールの長辺が車両の幅方向（進行方向と直交する方向）に沿っており、各バッテリモジュールの端子も同じく車両の幅方向に向かっているため、バッテリパックの車両幅方向に沿った寸法の制約を受けやすい。そのため、例えば小型車に適用しようとすると、バッテリパック内に収容できるバッテリモジュールの個数が少なくなりやすい。
さらに、バッテリパック内にバッテリモジュールを密に収容すると、何らかの熱対策つまりバッテリモジュールに対する冷却機構が必要となるが、特許文献１では、車両前側となるパックケースの前端部からパックケースの後部へ向かってバッテリパックの中央を通る冷却通路を、左右のバッテリモジュールの間に構成し、この冷却通路を通って後部へ向かった冷却風をさらに左右に分流させて前端部の冷却ファンへと戻す構成となっている。そのため、バッテリパックの車両幅方向の寸法がさらに拡大しやすくなるとともに、流れが複雑であることから冷却ファンの圧力損失が比較的大きい。
この発明に係る車両用バッテリパックは、
長辺が車両進行方向に沿った姿勢で車両に搭載される略長方形状をなすパックケースの内部に、偏平な箱形をなす複数のバッテリモジュールが平積み形式で収容されるとともに、個々のバッテリモジュールの短辺側に設けられた端子がパックケースの長手方向を向くように各バッテリモジュールが配置されており、
上記パックケースの長手方向の一方の端部に、パックケース内で冷却風を循環させる冷却ユニットと、複数のリレーを格納したジャンクションボックスと、がパックケースの幅方向に並んで配置されており、
上記冷却ユニットは、パックケースの外周に沿って冷却風を送るように構成され、この冷却風の最下流にジャンクションボックスが位置している、ことを特徴としている。
このような構成では、偏平な箱形のバッテリモジュールを平積み形式に配置してあるので、積み重ねる段数の設定などで高さを容易に変更でき、バッテリパックの上下方向の設計の自由度が高くなる。そして、バッテリモジュールの短辺に位置する端子がパックケースの長手方向に向かっているため、車両幅方向に並べるバッテリモジュールの数が同じであれば、パックケースの車両幅方向の寸法が小さくなる。つまり、バッテリパックを車両進行方向に沿って細長い構成とすることが容易となる。
冷却ユニットによって送られる冷却風は、基本的にパックケースの外周に沿って循環する。そして一部が分流して、前後に隣り合ったバッテリモジュールの間をバッテリパックの幅方向に流れる。パックケースの長手方向に向かって配置された端子のために、幅方向に沿って冷却風が流れる流路となる間隙が確保されるので、冷却風の流れが円滑に得られ、圧力損失が抑制される。バッテリモジュールを冷却して温度上昇した冷却風が冷却ユニットに戻る直前でジャンクションボックスの周囲を流れ、バッテリモジュールよりも高温となるジャンクションボックスを冷却する。
この発明によれば、バッテリパックの上下方向の設計の自由度ひいては車体フロアの上下方向の設計の自由度が高くなるとともに、車両幅方向の寸法の制約が低減し、比較的小さい車両への搭載に適したものとなる。また、比較的小容量の冷却ユニットでもって効果的な冷却が可能となる。
この発明に係るバッテリパックをパックケースアッパを取り外した状態で示す斜視図。 図１とは反対側から示す斜視図。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。 パックケース内の冷却風の流れを示す平面図。
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図４は、この発明に係るバッテリパック１の一実施例を示している。このバッテリパック１は、比較的小型の電気自動車に適用されるもので、略長方形状をなすパックケース２内に複数のバッテリモジュール３が収容されて構成されている。
パックケース２は、図１に示すように、下半部を構成するパックケースロア２Ａと、上半部を構成するパックケースアッパ２Ｂと、に２分割して構成されており、それぞれ、十分な剛性を有するように例えばアルミニウム合金などの金属材料を用いて皿状に一体に鋳造されている。これらのパックケースロア２Ａおよびパックケースアッパ２Ｂは、周囲のフランジ４，５を互いに突き合わせた上で図示せぬボルトを締結することによって、一体に組み立てられる。
パックケース２は、平面視において細長い長方形をなすが、その長辺が車両進行方向に沿った姿勢で図示せぬ車両に搭載される。例えば、車体フロアの中央部に車両前後方向に沿って設けられるフロアトンネル部に沿った形でもって、車両フロアの下面側に取り付けられる。
ここで、以下の説明の便宜のために、図１に付記したように、細長いパックケース２の長辺に沿った方向を「前後方向Ｌ」と、細長いパックケース２の短辺に沿った方向を「幅方向Ｗ」と、これらと直交する方向を「上下方向Ｈ」と、それぞれ定義し、以下の説明では、極力これらの用語を用いることとする。「前後方向Ｌ」は、「車両進行方向」、「車両の前後方向」、「パックケース２の長手方向」と実質的に同義であり、「幅方向Ｗ」は、「車両の幅方向」、「パックケース２の幅方向」と実質的に同義である。「上下方向Ｈ」は、「高さ方向」と同義である。また、図１の左側が車両の前方、図１の右側が車両の後方、となるので、パックケース２の前・後についても、図１の左側を「前」、図１の右側を「後」とする。
従って、パックケース２は、前後方向Ｌの寸法が幅方向Ｗの寸法よりも小さく、かつ上下方向Ｈの寸法が幅方向Ｗの寸法よりも小さな、偏平な略長方形状をなしている。
バッテリモジュール３は、一対の主面（最も面積の大きな面）が長方形をなす偏平な箱形に構成されており、平積み形式（バッテリモジュール３の主面がパックケース２の底面に実質的に平行となる配置形式。横置き形式ともいう。）でもってパックケース２内に並べられている。詳しくは、幅方向Ｗに２個のバッテリモジュール３が並べられているとともに、前後方向Ｌに３個のバッテリモジュール３が並べられており、かつ上下方向Ｈには、複数段、例えば２段にバッテリモジュール３が積層されている。つまり、上下２段に積層されたバッテリモジュール３のスタックが、平面視では、２×３の形で計６箇所に配置されており、計１２個のバッテリモジュール３がパックケース２内に収容されている。ここでは、各々のスタックを特定するために、各スタックに、便宜上、Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２、の符号を付す。スタックＡ１，Ａ２は、パックケース２内の位置として相対的に最も前側に位置するものであり、車両の右側寄りがスタックＡ１、左側寄りがスタックＡ２である。スタックＣ１，Ｃ２は、パックケース２内の最も後側に位置し、右側寄りがスタックＣ１、左側寄りがスタックＣ２となる。スタックＢ１，Ｂ２は、前後方向Ｌの中間に位置し、右側寄りがスタックＢ１、左側寄りがスタックＢ２となる。
なお、各スタックの上下方向Ｈの積層段数は、車体フロアの形状などから定まる任意の数に各スタック毎に設定することが可能であり、これによって、パックケースアッパ２Ｂの上面の凹凸形状や高さひいては車両フロアの設計の自由度が高く得られる。
バッテリモジュール３は、金属製のケース内に複数の単電池を収容したものであり、偏平な長方形をなすケースの短辺側の側面に正負の端子１１がそれぞれ矩形の突起状に突出して設けられている。モジュール３に収容される単電池としては、図示しないが、例えば、シート状の正極および負極をセパレータを介して交互に多数積層してなる電極積層体を、ラミネートフィルムからなる可撓性を有する外装体の内部に電解液とともに収容した偏平なリチウムイオン電池が用いられている。複数の偏平な単電池は、バッテリモジュール３の厚さ方向つまり図１では上下方向Ｈに積層されている。
パックケース２内において、各バッテリモジュール３は、いずれもバッテリモジュール３の長辺が前後方向Ｌに沿った向きでもって配置されており、幅方向Ｗに隣り合う２つのスタックないしバッテリモジュール３は、殆ど隙間のない形に互いに近接している。つまり、２つのスタックＡ１，Ａ２は長辺となる側面同士が互いに隣接しており、同様に、２つのスタックＢ１，Ｂ２も長辺となる側面同士が互いに隣接し、２つのスタックＣ１，Ｃ２も長辺となる側面同士が互いに隣接している。各スタックは、図示せぬブラケットを介してパックケースロア２Ａに固定支持されている。
各バッテリモジュール３の端子１１は、上述したようにバッテリモジュール３の短辺側の側面に設けられているので、各バッテリモジュール３は、いずれも、端子１１がパックケース２の前後方向Ｌを向いた姿勢となっている。より具体的には、図４に示すように、スタックＡ１，Ａ２における４つのバッテリモジュール３は、端子１１を備えた短辺側の側面が後方を向いた向きに配置され、スタックＢ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２における８つのバッテリモジュール３は、端子１１を備えた短辺側の側面が前方を向いた向きに配置されている。
前後方向Ｌに隣り合う２つのスタックないしバッテリモジュール３の間、つまり、スタックＡ１，Ａ２とスタックＢ１，Ｂ２との間ならびにスタックＢ１，Ｂ２とスタックＣ１，Ｃ２との間には、それぞれ、端子１１に対するバスバーやハーネス（いずれも図示せず）の接続作業に必要な間隙１２，１３が幅方向Ｗに沿って連続した通路状に形成されている。換言すれば、スタックＡ１，Ａ２とスタックＢ１，Ｂ２は、前後方向Ｌに適宜な間隔をもって互いに離れて配置され、同様に、スタックＢ１，Ｂ２とスタックＣ１，Ｃ２は、前後方向Ｌに適宜な間隔をもって互いに離れて配置されている。
後側に位置するスタックＣ１，Ｃ２は、パックケース２の後端に比較的近接している。これに対し、前側のスタックＡ１，Ａ２は、パックケース２の前端から前後方向Ｌに離れて位置しており、両者間の空間に、パックケース２内で冷却風を循環させる冷却ユニット１５と、複数のリレーを内部に格納したジャンクションボックス２１と、が収容されている。これらの冷却ユニット１５およびジャンクションボックス２１は、パックケース２の幅方向Ｗに並んで配置されており、右側つまりスタックＡ１の側にジャンクションボックス２１が位置し、左側つまりスタックＡ２の側に冷却ユニット１５が位置している。換言すれば、パックケース２の前側の端部に冷却ユニット１５およびジャンクションボックス２１が配置され、これらよりも後側の空間にバッテリモジュール３のスタックＡ１〜Ｃ２が配置されている。
冷却ユニット１５は、円筒形の多翼ファン１６を電動モータ１７によって回転駆動することで遠心方向への送風を行ういわゆるシロッコファン形式のものであり、前後方向Ｌに沿って細長く延びた矩形の吸入口１８が、幅方向Ｗの一方へ向かって開口している。詳しくは、吸入口１８は、ジャンクションボックス２１の側へ向かって開口しており、特に、冷却ユニット１５の高い位置に設けられている。この吸入口１８の背部には、外部から冷媒が供給されるエバポレータ１９が設けられており、パックケース２内で循環する冷却風の冷却を行っている。
冷却ユニット１５の吐出部２０には、さらに送風ダクト２５が接続されている。送風ダクト２５は、パックケース２の一方の長辺に沿って前後方向Ｌに直線的に延びており、スタックＡ２，Ｂ２，Ｃ２の側面に向かってそれぞれ開口する吹出口２６を３箇所に備えている。
ジャンクションボックス２１は、偏平な箱形のケース内に多数のリレーやフューズを格納したものであり、図３に示すように、その上下方向Ｈの寸法は冷却ユニット１５の上下方向Ｈの寸法に比較して小さい。従って、冷却ユニット１５の吸入口１８は、ジャンクションボックス２１に比較して相対的に高い位置に開口しており、ジャンクションボックス２１に向かって開口しているものの、ジャンクションボックス２１に覆われることはない。一実施例では、ジャンクションボックス２１の上面２１ａよりも吸入口１８の下縁が高い位置にある。
また、パックケースロア２Ａの前端部には、一対の側壁７，８（図３参照）を互いに連結するように幅方向Ｗに沿って直線状に延びた補強バー３１が設けられている。この補強バー３１は、両端部がパックケースロア２Ａのフランジ４にそれぞれ図示せぬブラケットを介して固定支持されている。そして、この補強バー３１は、図３に示すように、ジャンクションボックス２１の上方を横切って配置されている。つまり、ジャンクションボックス２１は、その前後方向Ｌの一端部が補強バー３１の下方に入り込んだ形に配置されている。なお、冷却ユニット１５の吸入口１８は、補強バー３１よりも上方で開口している。
上記のように構成された実施例のバッテリパック１においては、車両進行方向（前後方向Ｌ）に沿って細長いパックケース２内に、平積み形式でバッテリモジュール３を収容し、かつ端子１１を前後方向Ｌに向けた配置としたことにより、上下方向Ｈの寸法の設計の自由度が高く得られるとともに、幅方向Ｗの寸法を小さくすることができ、例えば車体フロアの床面積が限られている小型の車両への搭載が容易となる。
また、冷却ユニット１５によって供給される冷却風は、図４に矢印で示すように、基本的にパックケース２の外周に沿って流れるとともに、スタックＡ１，Ａ２とスタックＢ１，Ｂ２との間の間隙１２およびスタックＢ１，Ｂ２とスタックＣ１，Ｃ２との間の間隙１３を通って幅方向Ｗに流れる。なお、パックケースロア２Ａの側壁７とスタックＡ１，Ｂ１，Ｃ１との間には、図示せぬハーネス類の配置のために適宜な間隙が保たれており、これによって前後方向Ｌに直線的に連続した流路が構成されている。従って、パックケース２内での冷却風の流れが単純であり、流れに伴う圧力損失が比較的小さくなることから、小型つまり小容量の冷却ユニット１５でもって十分な冷却が可能となる。これにより、例えば、冷却に伴う騒音の低減、消費電力の抑制、などが図れる。
幅方向Ｗに沿った流路を構成するスタック間の前後方向Ｌの間隙１２，１３は、上述したように、端子１１の接続作業に必要な空間を兼ねており、従って、バッテリパック１の小型化と冷却風流路の確保との両立の上で有利である。
ここで、バッテリモジュール３とともに発熱部位であるジャンクションボックス２１は、パックケース２内での冷却風の流れの最下流、換言すれば、冷却ユニット１５の吸入口１８の直前に位置している。ジャンクションボックス２１は、一般にバッテリモジュール３よりも高温となるので、バッテリモジュール３周囲を通過してある程度温度上昇した冷却風であっても、バッテリモジュール３との温度差を比較的大きく確保できることから、冷却風による効果的な冷却作用が得られる。従って、ジャンクションボックス２１を冷却風の流れの最下流に配置することで、限られた容量の冷却風によりバッテリモジュール３とジャンクションボックス２１との双方を効果的に冷却することができる。また、冷却ユニット１５の吸入口１８は、ジャンクションボックス２１よりも相対的に高い位置に開口しており、多翼ファン１６による冷却ユニット１５への吸入を阻害しない。冷却風は、図３に矢印で示すように、ジャンクションボックス２１の上面２１ａに沿って流れ、ジャンクションボックス２１を冷却する。冷却ユニット１５に戻ってきた高温の空気は、エバポレータ１９における冷媒との熱交換により冷却された上で、再度、バッテリモジュール３へ向けて送り出される。
なお、図示例は、パックケース２の長辺に沿った送風ダクト２５を具備しているが、この送風ダクト２５を省略することも可能である。この場合、パックケースロア２Ａの側壁８とスタックＡ２，Ｂ２，Ｃ２との間に、やはり図示せぬハーネス類の配置のために間隙が確保されるため、この間隙が前後方向Ｌに直線的に延びた流路となり、図４の矢印と全く同様に冷却風が循環する。
さらに、上記実施例では、ジャンクションボックス２１の上方を横切って補強バー３１が設けられており、この補強バー３１がパックケースロア２Ａの左右のフランジ４に連結されているので、車両の衝突などによりバッテリパック１に上方から外力が作用した場合に、大電流が流れるジャンクションボックス２１を確実に保護することができる。
また上記実施例のバッテリパック１においては、前端部にジャンクションボックス２１と冷却ユニット１５とが配置されているため、車両搭載状態では、車体の運転席前方の空間（内燃機関式自動車のエンジンルームに相当する空間）に最も近い位置にジャンクションボックス２１および冷却ユニット１５が位置することとなる。ジャンクションボックス２１に接続されるコントローラや冷却ユニット１５に接続される空調システムは、一般に上記の運転席前方の空間に配置されるので、これらとの接続を最短距離で行うことができる。
１…バッテリパック
２…パックケース
２Ａ…パックケースロア
２Ｂ…パックケースアッパ
３…バッテリモジュール
１１…端子
１２，１３…間隙
１５…冷却ユニット
１８…吸入口
１９…エバポレータ
２１…ジャンクションボックス
３１…補強バー

Claims (5)

  1. 長辺が車両進行方向に沿った姿勢で車両に搭載される略長方形状をなすパックケースの内部に、偏平な箱形をなす複数のバッテリモジュールが平積み形式で収容されるとともに、個々のバッテリモジュールの短辺側に設けられた端子がパックケースの長手方向を向くように各バッテリモジュールが配置されており、
    上記パックケースの長手方向の一方の端部に、パックケース内で冷却風を循環させる冷却ユニットと、複数のリレーを格納したジャンクションボックスと、がパックケースの幅方向に並んで配置されており、
    上記冷却ユニットは、パックケースの外周に沿って冷却風を送るように構成され、この冷却風の最下流にジャンクションボックスが位置している、ことを特徴とする車両用バッテリパック。
  2. 上記冷却ユニットは、パックケースの外部から冷媒が供給されるエバポレータを備えている、ことを特徴とする請求項１に記載の車両用バッテリパック。
  3. 上記冷却ユニットは、隣接するジャンクションボックスの側に向かって開口する吸入口を有し、この吸入口は、ジャンクションボックスに比較して相対的に高い位置に設けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用バッテリパック。
  4. 上記冷却ユニットおよびジャンクションボックスが車両進行方向の前側の端部に位置する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の車両用バッテリパック。
  5. 上記ジャンクションボックスが位置するパックケースの長手方向の一端部に、パックケースの幅方向に延びて該パックケースの一対の側壁を互いに連結する補強バーを備えており、
    この補強バーは、上記ジャンクションボックスの上方を横切っている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の車両用バッテリパック。
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