JP2017097964A - バッテリ冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】吸気口が設けられている面と排気口が設けられている面とが対向している空冷式電池パックと、冷却風を吸気チャンバに供給する送風機とを備えるバッテリ冷却システムでは、電池スタック内部を流れる冷却風量が電池モジュールの積層方向で偏り、電池スタック内部の温度分布にバラつきが生じるおそれがある。
【解決手段】排気チャンバ２６に、冷却風が排気チャンバ２６からケース２０の外部へ流出する通気部３０を設ける。排気チャンバ２６内部の圧力を低減することにより、電池スタック１４の内部を流れる冷却風量の偏りを緩和し、電池スタック１４の内部の温度分布を均一化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ冷却システムに関する。

従来から、電気自動車やハイブリッド車両では、車両の駆動源として回転電機が用いられている。回転電機の電力源として、車両には電池パックが搭載されている。電池パックは、複数の電池モジュールを積層してこれらを直列接続した電池スタック（モジュール）と、電池スタックを収容しているケースを備える。電池スタック及び電池パックは、電池モジュールの積層方向が長手方向となるような、略直方体の形状となっている。

電池スタックは、冷却装置により冷却される。例えば特許文献１には、バッテリ本体がバッテリケースに収容されたバッテリパックとともに、収容スペースに収容された車両用バッテリの冷却装置であって、送風機と、吸気ダクトと、吸気ダクトから分岐される分岐ダクトとを備え、バッテリを冷却するとともに、収容スペースを換気、冷却する冷却装置が記載されている。

電池スタックにおいては、隣り合う電池モジュール間には間隙が設けられている。この間隙の一方の端部が吸気チャンバと連通し、他方の端部が排気チャンバと連通して、この間隙を冷却通路１８として冷却風が流れることにより、電池モジュールの温度が低下する。

特開２０１５−４８００９号公報

ところで、空冷式電池パックにおいて、電池スタックに冷却風を流す方法としては、吸気チャンバの吸気口と排気チャンバの排気口との位置関係に基づいて、大きく分けて２種類の方法がある。Ｚターン方式と呼ばれる方法では、吸気口が設けられている電池パックの面と、排気口が設けられている電池パックの面とが対向している。Ｕターン方式と呼ばれる方法では、吸気口と排気口とが電池パックの同じ側の面に設けられている。

Ｚターン方式では、吸気口と排気口とが電池パックの対向する面に設けられているため、Ｕターン方式と比較して、ダクト及び送風機等の部品の配置自由度が高く、電池パック及び冷却装置等のコンパクトな配置が可能になる利点を有する。一方、Ｚターン方式では、冷却風の風向により、電池スタック内部を流れる冷却風量が電池モジュールの積層方向で偏り、電池スタック内部の温度分布にバラつきが生じるおそれがある。

本発明は、複数の電池モジュールが積層してなり、前記電池モジュールの間に冷却風が通過する冷却通路が設けられている電池スタックと、前記電池スタックを収容するケースと、吸気チャンバと、排気チャンバと、を有し、前記吸気チャンバ及び前記排気チャンバは前記電池スタックを挟むように配置しており、前記吸気チャンバ及び前記排気チャンバのそれぞれが前記冷却通路の両端と連通している、電池パックと、冷却風を前記吸気チャンバに供給する送風機と、を備えるバッテリ冷却システムに関する。当該バッテリ冷却システムは、冷却風が前記吸気チャンバへ流入する吸気口が、前記電池パックの第１の面に設けられ、冷却風が前記排気チャンバから流出する排気口が、前記電池パックの前記第１の面と対向する第２の面に設けられ、前記排気チャンバには、冷却風が前記排気チャンバから前記ケースの外部へ流出する通気部が設けられている。

本発明によれば、吸気口と排気口とが電池パックの対向する面に設けられているＺターン方式の電池パックにおいて、排気チャンバの冷却風の一部を通気部から流出させて排気チャンバ内部の圧力を低減することにより、電池スタック内部を流れる冷却風量の電池モジュールの積層方向における偏りを緩和し、電池スタック内部の温度分布を均一化することが可能となる。

本実施形態に係るバッテリ冷却システムの一例を示す図である。 本実施形態に係るバッテリ冷却システムを構成する電池パックの一例を示す図である。 本実施形態に係るバッテリ冷却システムを構成するケースに用いる部材の一例を示す図である。 従来のバッテリ冷却システムの一例を示す図である。

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に、本実施形態に係るバッテリ冷却システム１０（以下単に「冷却システム１０」ともいう）の一例を示す。本実施形態に係る冷却システム１０は、冷却対象である電池パック１２と、送風機５０とを備える。電池パック１２は、電池スタック１４と、電池スタック１４を収容するケース２０と、吸気チャンバ２２と、排気チャンバ２６とを有する。なお、図１〜図４では、ｘ軸を電池モジュール１６の積層方向（電池スタック１４の長手方向）に規定し、ｚ軸を重力方向に規定し、ｙ軸をｘ軸及びｚ軸のそれぞれと直交する方向に規定する。

冷却システム１０は、車両の客室下又は荷室下等に形成される収容スペースに配置される。収容スペースは、例えば、客室の床面に設けられたシート、コンソール、フロアケース、フロアカーペット、又は、荷室の床面に設けられたデッキケース等の、車両の内装部材下に形成される。

電池スタック１４は、複数の電池モジュール１６が積層された略直方体形状に形成されており、電池モジュール１６の積層方向が電池スタック１４の長手方向と一致している。複数の電池モジュール１６は、例えばバスパー等によって電気的に直列に接続されている。電池モジュール１６は平板状の略直方体の形状を有する。隣り合う電池モジュール１６の間にはスペーサ（図示しない）等が配置され、これにより設けられる電池モジュール１６間の間隙が、冷却風が通過する冷却通路１８となる。冷却通路１８は、例えば管状であってもよい。電池モジュール１６は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池であってよい。

ケース２０は、電池スタック１４の全体を覆うようにして、電池スタック１４を収容する。また、電池スタック１４に隣接し、電池スタック１４及びケース２０によって取り囲まれた空間として、吸気チャンバ２２及び排気チャンバ２６は形成される。

吸気チャンバ２２及び排気チャンバ２６は、互いによって電池スタック１４を挟むように配置している。また、吸気チャンバ２２及び排気チャンバ２６は、電池モジュール１６の積層方向（ｘ軸）を含む面と隣接することで、それぞれが電池モジュール１６間に形成されている冷却通路１８の両端と連通している。

図１に示す冷却システム１０では、吸気チャンバ２２は、電池スタック１４の下面に隣接して設けられ、電池スタック１４の下面以外はケース２０によって取り囲まれている。排気チャンバ２６は電池スタック１４の上面に隣接して設けられ、電池スタック１４の上面以外はケース２０によって取り囲まれている。

図１における矢印は、電池パック１２の内部を流れる冷却風の流れを示す。冷却風は吸気チャンバ２２から冷却通路１８を通って排気チャンバ２６に至る流路を流れ、冷却通路１８を冷却風が通る間に電池モジュール１６が冷却される。なお、冷却通路１８を通過した後の冷却風を「排気」ともいう。

吸気チャンバ２２及び排気チャンバ２６の配置は、上記の要件を満たす限り限定されないが、図１に示すように、吸気チャンバ２２が電池スタック１４の下面に隣接し、排気チャンバ２６が電池スタック１４の上面に隣接していることが好適である。冷却風と一緒に吸気チャンバ２２に取り込まれた水などの液体又は砂泥などの異物が電池スタック１４を汚損することを防ぎ、また、冷却通路１８において冷却風が暖められて生じる上昇気流の干渉を防ぐためである。

吸気チャンバ２２には吸気口２４が設けられており、冷却風は、吸気口２４を通って吸気チャンバ２２へと流入する。本実施形態では、Ｚターン方式を採用しており、吸気口２４は、吸気チャンバ２２を取り囲んでいるケース２０の側面に設けられる。図１では、吸気口２４は、電池モジュール１６の積層方向であるｘ軸と交わる面の一方（第１の面３２）に形成されていることが好ましい。

送風機５０は、吸気口２４を介して吸気チャンバ２２と連通している。送風機５０は、吐出型のファン又はブロアから構成され、電池パック１２の外部から外気を取り込み、これを冷却風として吸気チャンバ２２に供給する。送風機５０には、外気を送風機５０に導く吸気ダクト（図示しない）が接続されている。場合により、吸気口２４と送風機５０とを接続する吸気ダクトを設けてもよい。

排気チャンバ２６には排気口２８が設けられており、冷却風は、排気口２８を通って排気チャンバ２６から流出する。排気口２８は、排気チャンバ２６を取り囲んでいるケース２０の吸気口２４が設けられる側面と対向する側面に設けられる。図１では、排気口２８は、電池パック１２において、電池モジュール１６の積層方向であるｘ軸と交わる面であって、第１の面３２と対向する面（第２の面３４）に形成されている。

排気ダクト６０は、排気口２８に接続し、排気口２８を介して排気チャンバ２６と連通している。排気ダクト６０によって、排気は排気チャンバ２６からケース２０の外部へと導かれる。

電池パック１２において、吸気口２４が設けられている第１の面３２及び排気口２８が設けられている第２の面３４としては、互いに対向している限り、いずれの位置に配置されていてもよい。図１に示すように、電池パック１２において、電池モジュール１６の積層方向であるｘ軸と交わる２つの面が第１の面３２及び第２の面３４となることが好適である。電池パック１２、送風機５０及び排気ダクト６０等を含む冷却システム１０の低背化及びコンパクトな配置が可能になるためである。

本実施形態の冷却システム１０では、排気チャンバ２６に通気部３０が設けられており、排気チャンバ２６内の排気の一部は、通気部３０を通って排気チャンバ２６からケース２０の外部へと流出する。本実施形態の冷却システム１０では、冷却風を吸気チャンバ２２に供給する吐出型の送風機５０を備えるため、排気チャンバ２６の内圧がケース２０の外部の圧力よりも高くなる。これにより、排気チャンバ２６内の排気が通気部３０を通ってケース２０の外部へと流出する。

通気部３０は、排気チャンバ２６において、排気口２８が設けられている排気の下流端よりも上流側（図１ではｘ軸の負の方向）に設けられる。通気部３０の個数、サイズ及び形状は、電池スタック１４の構成、送風機５０の送風能力等に応じて、適宜変更可能である。通気部３０は、排気チャンバ２６とケース２０とを連通する限りいずれの形状であってもよく、例えば、ケース２０に形成された開口部であってもよく、両端が排気チャンバ２６及びケース２０の外部のそれぞれと連通した管状体であってもよい。複数の通気部３０が排気チャンバ２６に設けられていてもよく、電池モジュール１６の積層方向に沿って長尺な通気部３０であってもよく、これらの複合であってもよい。

図４に、従来のＺターン方式の冷却システム７０を示す。図４において、冷却風の流れを矢印で示し、図１と共通する部材については同じ符号を付す。図４に示す従来の冷却システム７０では、通気部３０が設けられておらず、排気チャンバ２６からの排気は排気口２８を通してのみ排出される。

図４では、電池パック１２において、吸気口２４が設けられている第１の面３２と、排気口２８が設けられている第２の面３４が対向している。これにより、図４に示すように、冷却風及び排気は吸気チャンバ２２及び排気チャンバ２６のいずれにおいても、第１の面３２側から第２の面３４側に向かう向き（ｘ軸の正方向）に流れる。このように、Ｚターン方式では、吸気チャンバ２２と排気チャンバ２６とで、冷却風の上流側と下流側とが一致している。

ここで、吸気チャンバ２２では、冷却風が送風機５０から吸気口２４を通して供給されるため、下流側（ｘ軸の正方向）に向かうに従って圧力が上昇する。一方、排気チャンバ２６では、ケース２０外部に近い排気口２８側、即ち、下流側（ｘ軸の正方向）に向かうに従って内部の圧力が低下する。Ｚターン方式では、図１及び図４に示す通り、吸気チャンバ２２と排気チャンバ２６とで冷却風の風向は一致する。そのため、吸気チャンバ２２と排気チャンバ２６との間の圧力差は、上流端（吸気口２４側）が最も小さく、下流側（ｘ軸の正方向）に向かうに従って大きくなり、下流端（排気口２８側）で最大となると考えられる。

図４に示すように、冷却通路１８の両端は吸気チャンバ２２及び排気チャンバ２６のそれぞれと連通しており、冷却通路１８を流れる冷却風量は両チャンバ間の圧力差に比例する。そのため、冷却通路１８を流れる冷却風量は、電池モジュール１６の積層方向で偏り、ｘ軸の正方向に向かうにつれて多くなる傾向にある。このように電池スタック１４内部の位置によって冷却通路１８を流れる冷却風量が偏ると、電池スタック１４内部の温度分布にバラつきが生じるおそれがある。

本実施形態の冷却システム１０では、従来のＺターン方式の冷却システム７０に対して、排気チャンバ２６内の排気が、排気口２８からのみならず、排気チャンバ２６に設けられている通気部３０を通じてケース２０の外部へと排出される。これにより、排気チャンバ２６の内圧が下げられ、両チャンバ間の圧力差のｘ軸方向の偏りが緩和される。その結果、冷却通路１８を流れる冷却風量のｘ軸方向の偏りを抑制し、電池スタック１４内の温度分布をより均一化できる。

また、本実施形態の冷却システム１０は、排気チャンバ２６に通気部３０が設けられていることにより、通気部３０が設けられていない場合と比較して、排気チャンバ２６の上流側の圧力を低下させ、排気チャンバ２６を流れる排気の圧力損失を低減することができる。その結果、同じ送風能力を有する送風機５０であっても、排気チャンバ２６を流れる排気の風量、ひいては、電池スタック１４の内部を通過する冷却風の総量が増大する。そのため、本実施形態の冷却システム１０は、電池スタック１４の全体的な冷却効率の改善を図ることができるという利点も有する。

両チャンバ間の圧力差の偏りを緩和する観点及び圧力損失を低減する観点から、通気部３０は、排気チャンバ２６において、上流端と下流端との中間部よりも上流側、更には、第１の面３２の近傍に設けられていることが好ましい。また、複数の通気部３０が、電池モジュール１６の積層方向に沿って１つ又は複数の列を成していることが好ましく、中でも、冷却通路１８が設けられた電池モジュール１６の間に対して少なくとも１つの通気部３０が設けられている場合、特に好ましい。

図２に、本実施形態に係る電池パック１２の具体的な構成の一例を示す。図２は、電池モジュール１６の積層方向（ｘ軸）に垂直な平面の断面図である。図２において、矢印及び記号は電池パック１２内部における冷却風の流れを示している。

図２に示す電池パック１２では、ケース２０として排気チャンバ２６を取り囲む部分が、板状の下側部材３６と上側部材３８とを重ねて構成された構造を有している。下側部材３６は、排気チャンバ２６の側面を囲む一方、排気チャンバ２６の上部に広い開口を設けた構造を有する。上側部材３８は、下側部材３６の開口の全体を覆うように排気チャンバ２６の上面を囲むとともに、下側部材３６との間に、排気チャンバ２６とケース２０の外部とを連通する空間を形成するような構造を有している。図２では、下側部材３６と上側部材３８とで形成された空間が通気部３０となって、排気の一部が排気チャンバ２６からケース２０の外部へと排出される。

図３に、図２に示す下側部材３６及び上側部材３８のより具体的な構造の一例を示す。図３における矢印は冷却風の流れを示している。ケース２０が図２及び図３に示すような構造を備えることにより、排気チャンバ２６が電池スタック１４の上面に隣接して設けられた場合に、電池パック１２に水が掛かっても、排気チャンバ２６の内部の被水を防ぐことができる。

１０ 冷却システム、１２ 電池パック、１４ 電池スタック、１６ 電池モジュール、１８ 冷却通路、２０ ケース、２２ 吸気チャンバ、２４ 吸気口、２６ 排気チャンバ、２８ 排気口、３０ 通気部、３２ 第１の面、３４ 第２の面、５０ 送風機、６０ 排気ダクト。

Claims (1)

1. 複数の電池モジュールが積層してなり、前記電池モジュールの間に冷却風が通過する冷却通路が設けられている電池スタックと、前記電池スタックを収容するケースと、吸気チャンバと、排気チャンバと、を有し、前記吸気チャンバ及び前記排気チャンバは前記電池スタックを挟むように配置しており、前記吸気チャンバ及び前記排気チャンバのそれぞれが前記冷却通路の両端と連通している、電池パックと、
   冷却風を前記吸気チャンバに供給する送風機と、
   を備えるバッテリ冷却システムであって、
   冷却風が前記吸気チャンバへ流入する吸気口が、前記電池パックの第１の面に設けられ、
   冷却風が前記排気チャンバから流出する排気口が、前記電池パックの前記第１の面と対向する第２の面に設けられ、
   前記排気チャンバには、冷却風が前記排気チャンバから前記ケースの外部へ流出する通気部が設けられている、
   バッテリ冷却システム。