JP2018041614A - 電池パック構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電池パック構造において、ブロワを必要とすることなく、電池モジュール３０への結露水の侵入を抑制することである。【解決手段】電池パック構造１０は、複数の電池セルを含む電池モジュール３０と、電池モジュール３０に接続される電気機器１２と、電池モジュール３０及び電気機器１２を内部に収容するパックケース２０とを含む。パックケース２０は、電気機器１２に関して、電池モジュール３０とは空気の経路に関して反対側のみに形成され、パックケース２０の内部と外部とを連通させる呼吸穴１６を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルを含む電池モジュールと、電池モジュールを収容するパックケースとを備える電池パック構造に関する。

電気自動車またはハイブリッド車両のように車両の駆動用の電動モータが搭載される車両では、電動モータに電力を供給するための電池パックも搭載される。電池パックは、電池モジュールを含み、電池モジュールは、複数の電池セルが電気的に接続されることにより形成される。電池モジュールは、電池パックケースとしてのパックケースの内側に配置される。

特許文献１には、冷却風循環方式でパックケース内の電池モジュールを冷却する構成が記載されている。この構成では、電池モジュールの下側に配置した低温部分である熱交換器に対し、空気を通過させてその空気を乾燥させる。乾燥した空気は、ブロワにより電池モジュールの間に送られる。これにより、電池モジュールへの結露水の侵入を防止できるとされている。

特開２０１５−２２２７０１号公報

特許文献１に記載された構成では、パックケース内で冷却風を循環させるためにブロワが必要であり、ブロワに電力を供給するためにブロワ用の電源を確保する必要がある。また、ブロワの駆動によって、ユーザに耳障りな風切音による騒音及び振動が発生する可能性がある。

本発明の目的は、電池パック構造において、ブロワを必要とすることなく、電池モジュールへの結露水の侵入を抑制することである。

本発明に係る電池パック構造は、複数の電池セルを含む電池モジュールと、前記電池モジュールに接続される電気機器と、前記電池モジュール及び前記電気機器を内部に収容するパックケースとを備え、前記パックケースは、前記電気機器に関して、前記電池モジュールとは空気の経路に関して反対側のみに形成され、前記パックケースの内部と外部とを連通させる呼吸穴を含む。

本発明に係る電池パック構造によれば、電気機器の通電により周囲の空気が温度上昇したときに、電気機器に関して電池モジュールとは空気の経路に関して反対側のみに形成された呼吸穴から、温度上昇した空気を排出できる。これにより、水蒸気を含んだ空気も呼吸穴から排出されるので、ブロワを用いることなく、パックケース内の水蒸気を少なくして、結露水が電池モジュールに侵入することを抑制できる。

本発明に係る実施形態の電池パック構造の断面図である。 図１において電気機器が配置された高温エリアから呼吸穴を通じて空気が排出される状態を示す図である。 本発明に係る実施形態の別例の電池パック構造の断面図である。 図３において電気機器が配置された高温エリアから呼吸穴を通じて空気が排出される状態を示す図である。 本発明に係る実施形態の別例の電池パック構造の断面図である。

以下に、本発明に係る電池パック構造の実施形態である電池パックについて詳細に説明する。以下で説明する形状、数量、材質などは説明のための例示であって、電池パックの仕様により変更が可能である。以下では同様の構成には同一の符号を付して説明する。

図１は、実施形態の電池パック１０の断面図である。図２は、図１において電気機器１２が配置された高温エリア１４から呼吸穴１６を通じて空気が排出される状態を示す図である。

電池パック１０は、電池パック１０のケースとしてのパックケース２０、２つの電池モジュール３０、及び電気機器１２を備える。

電池パック１０は、ハイブリッド車両、または電気自動車等の車両に搭載され、車両の動力源である走行用モータ（図示せず）に電力を供給し、走行用モータを駆動するために用いられる。ハイブリッド車両は、走行用モータ及びエンジンの一方または両方を動力源として走行する車両である。電気自動車は、車両の動力源として走行用モータのみを備える。走行用モータは、電動機及び発電機の両方の機能を有するモータジェネレータとすることができる。電池パック１０は、車両の例えば後側に固定される。

図１に示すように、パックケース２０は、上側ケース要素２２と、下側ケース要素２４とを含む。図１、図２の上下方向は実際の上下方向と一致する。

上側ケース要素２２は、天板部２２ａと、周囲の側壁部２２ｂとを含み、下端が開口された箱状である。側壁部２２ｂの下端には全周に沿って外向きのフランジ２２ｃが連結される。

下側ケース要素２４は、例えば上から見た形状が矩形の平板状である。上側ケース要素２２及び下側ケース要素２４は、金属等の板材または、樹脂材料により形成される。下側ケース要素２４は、上側ケース要素２２のフランジ２２ｃの下側に重ね合されて、ボルト及びナット等の締結手段（図示せず）により結合固定される。このとき、フランジ２２ｃと下側ケース要素２４とは、気密にシールされる。このために、例えばフランジ２２ｃと下側ケース要素２４とは、多孔質材料製のシールスポンジ、ゴム等のシール部材を介して結合される。これにより、パックケース２０が形成される。

また、パックケース２０において、一部の側壁部２２ｂには呼吸穴１６が形成され、その呼吸穴１６の開口周辺部には、呼吸穴１６を覆うように呼吸膜１８が取り付けられる。呼吸穴１６及び呼吸膜１８は、パックケース２０の内側から水蒸気を含む空気がパックケース２０の外側に排出されることを可能とする。呼吸穴１６及び呼吸膜１８については後で詳しく説明する。

パックケース２０の内側には、電池モジュール３０及び電気機器１２が配置される。具体的には、パックケース２０の内側において、横方向（図１の左右方向）の一方側（図１の右側）に２つの電池モジュール３０が配置され、横方向の他方側（図１の左側）には、各電池モジュール３０に接続された電気機器１２が配置される。電気機器１２は、通電時に発熱して周囲の空気を温度上昇させる。これによって、パックケース２０の内側において、横方向の一方側には２つの電池モジュール３０を含む領域である活電部密集エリア３２が形成され、横方向の他方側には、電気機器１２を含む領域である高温エリア１４が形成される。

電池モジュール３０は、例えば角型の二次電池である複数の電池セル（図示せず）を有し、複数の電池セルが１列に並んで配置される。各電池セルは、バスバー（図示せず）等により電気的に直列に接続される。

なお、電池モジュール３０は、電気的に並列に接続された複数の電池セルからなる複数の並列接続群を、電気的に直列に接続することにより形成されてもよい。

電池セルは、それぞれリチウムイオン二次電池、またはニッケル水素二次電池などの角型二次電池である。なお、電池セルは、円筒型の二次電池とし、電池モジュールはその電池セルを複数個、直列または並列に接続することにより形成されてもよい。

上記の電池モジュール３０は、パックケース２０の内部に２つが横方向に並んで収容される。電池モジュールの数は限定するものではなく、１つまたは３つ以上とすることができる。

電気機器１２は、例えばジャンクションボックス、またはサービスプラグ、またはその両方が含まれる。ジャンクションボックスは、電池モジュール３０と走行モータ等の電気負荷（図示せず）との間に接続される。ジャンクションボックスは、例えば、一方側ケース要素と他方側ケース要素とが結合されるもので、内部にシステムメインリレー、または制限抵抗、またはその両方が含まれる。システムメインリレーは、両側に接続される２つのバスバーの電気的な接続状態を制御装置（図示せず）からの制御信号に応じて切り替える。

制限抵抗は、電池モジュール３０側のバスバーと、システムメインリレーに接続されたバスバーとの間に接続される。制限抵抗は、システムメインリレーが制御装置からの制御信号によってオンされたときに、電池モジュール３０から流れる電流が過大とならないように制限する大きい電気抵抗を有するものである。電池モジュール３０が充放電するときに、制限抵抗、バスバー、システムメインリレー等の電気部品が通電して発熱する。これによりジャンクションボックスが温度上昇して、ジャンクションボックスの周囲の空気も温度上昇する。

また、電気機器１２の別例であるサービスプラグは、車両点検を行うサービス業者等が感電しないように電池モジュール３０を含む電源回路を手動で遮断するために用いられる。サービスプラグは、電源回路の一部に接続され、ハウジングと、ハウジングに挿抜可能なグリップとを含む。グリップをハウジングに挿入すると電源回路が閉じ、グリップをハウジングから引き離すと電源回路が開く。

このようなサービスプラグでは、ハウジングに設けられたバスバーに、グリップの導電部が圧接されることで電源回路が閉じるので、バスバーの圧接部で電気抵抗が高くなり、通電時の温度上昇が大きい。このような温度上昇により、サービスプラグの周囲の空気の温度が上昇する。このような電気機器１２は、電池モジュール３０の充放電時において、電池モジュール３０の温度よりも温度が上昇する。これによって、電気機器１２が配置される領域である高温エリア１４の温度が、電池モジュール３０が配置される領域である活電部密集エリア３２の温度より高くなる。

さらにパックケース２０において、高温エリア１４の付近には呼吸穴１６が形成される。具体的には、パックケース２０において、電気機器１２に関して電池モジュール３０とは反対側に位置する側壁部２２ｂの上部のみに、呼吸穴１６が形成される。呼吸穴１６は、パックケース２０の内部と外部とを連通させる。呼吸穴１６は、矩形、円形、楕円形等種々の形状を採用できる。呼吸穴１６は、パックケース２０の内部と外部との間で、乾燥空気と水蒸気とを含む空気の移動を可能とする。呼吸穴は、１つに限定するものではなく、まとまって複数個が形成されてもよい。

パックケース２０の側壁部２２ｂのうち、呼吸穴１６の開口周辺部には、呼吸穴１６を外側から覆うように呼吸膜１８が取り付けられる。呼吸膜１８は、呼吸穴１６を通じてパックケース２０の外部から液体状態の水滴が侵入するのを防止する。呼吸膜１８は、水滴は透過しないが、水蒸気及び乾燥空気は透過する特性を持つ。例えば、呼吸膜１８として、通気性を有する防水シートを用いることができる。

また、呼吸膜１８は、電池パック１０が搭載された車両が降雨時に走行する場合において、車両の下側からの水のはねかえりである水はねによる水滴付着及び埃付着が生じることを抑制することが望まれる。この面から呼吸膜１８は、地面等に対し垂直に配置された状態で側壁部２２ｂに取り付けられることが好ましい。

呼吸膜１８は、側壁部２２ｂにおいて、例えば接着剤などによって取り付けることができる。また、呼吸穴１６の開口は密封する必要はなく、例えば、呼吸穴１６の開口の下部は開放されていてもよい。

このような呼吸穴１６及び呼吸膜１８によって、パックケース２０の内側から水蒸気を含む空気がパックケース２０の外側に排出されることを可能とする。また、パックケース２０において、電気機器１２に関して電池モジュール３０とは反対側に位置する側壁部２２ｂのみに呼吸穴１６が形成される。また、電気機器１２には高電流が流れ、通電時にジュール発熱により高温になりやすい。特に電気機器１２がシステムメインリレーまたはサービスプラグである場合には高温になりやすい。これにより、図２に示すように、高温エリア１４の温度が局所的に上昇して、高温エリア１４の圧力が局所的に上昇する。このため、高温エリア１４の圧力と、パックケース２０の外側の低温による低い圧力との圧力差によって、高温エリアの温度上昇した空気が、呼吸穴１６及び呼吸膜１８（図１）を通じてパックケース２０の外側に排出される。したがって、パックケース２０内の水蒸気を含んだ空気も呼吸穴１６から排出されるので、パックケース２０内の水蒸気を少なくして、結露水が電池モジュール３０に侵入することを抑制できる。また、この構成では、ブロワを用いる必要がないため、ブロワの採用による不都合、例えば、ブロワ用の電源が必要になる、風切音による振動及び騒音が発生する等の不都合が生じない。

また、実施形態では、上記のように結露水が電池モジュール３０に侵入するのを抑制できるので、温度、湿度、圧力等の条件が厳しい車外にパックケース２０を配置しやすくなる。また、比較例として、電池モジュール３０へ結露水が侵入した場合でも絶縁抵抗を確保できるように、パックケース２０の体格を大きくすることが考えられるが、実施形態では、パックケース２０の体格を大きくすることなく必要な絶縁抵抗を確保できる。

また、比較例として、パックケースを、内部への水蒸気の侵入を防止できる完全密閉型とすることも考えられる。例えば、完全密閉型では、呼吸穴をなくし、かつ、パックケースの外周部で隙間の外側を全周に沿って覆うようにシール部材を取り付けて完全にシールする。このような比較例では、電池モジュール３０またはパックケースの内部の部品の交換の際に、シール部材をはがす必要があり、パックケースの開放が困難である。また、部品の交換後にパックケースを再度閉じてシール部材を取り付ける作業も困難である。また、パックケースの内部は組立工程時の大気圧を維持しているので、保守点検時の大気圧との間で圧力差があると、パックケースが開きにくかったり、逆に勢いよく開いてしまう可能性があり、パックケースの開放作業が手間である。また、比較例で完全密閉型を採用しても、組み立て工程時の大気に含まれる水蒸気が結露する可能性がある。実施形態では完全密閉型を採用する必要がないので、このような不都合が生じない。

なお、図１、図２の構成のように、呼吸穴１６は、パックケース２０の上部に形成することが好ましいが、上部以外の位置に形成することもできる。また、図１、図２の構成では、呼吸穴１６の開口周辺部に呼吸膜１８を取り付けているが、パックケース２０内への水分の侵入を防止できるのであれば呼吸膜を省略してもよい。

また、図１、図２の構成では、パックケース２０の内部において、電気機器１２と電池モジュール３０とが横方向において異なる位置に配置される場合を説明した。一方、パックケース２０の内部において、電池モジュール３０の上側に電気機器１２が配置されてもよい。この場合も、呼吸穴１６は、パックケース２０において、電気機器１２に関して、電池モジュール３０とは空気の経路に関して反対側のみ、例えば、電気機器１２の上側または横側に形成する。

図３は、実施形態の別例の電池パック１０の断面図である。図４は、図３において電気機器１２が配置された高温エリア１４から呼吸穴１６を通じて空気が排出される状態を示す図である。

図３、図４の構成では、図１、図２に示した構成において、パックケース２０の内側で電気機器１２の下側に冷却機器３４が配置される。冷却機器３４は、熱交換器の一部によって形成される。具体的には、熱交換器は、周囲の空気と熱交換して冷媒を蒸発させ、周囲の空気を温度低下させる蒸発器、内部に低温の冷媒が流れる低温流路部、蒸発器で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮器、及び冷媒を熱交換器内で流すための圧縮機を有する。このとき、冷却機器３４は、熱交換器の蒸発器によって構成される。蒸発器は、電気機器１２の下側に配置され、周囲の空気を温度低下させる。また、蒸発器の下側には、結露水を受けるための容器（図示せず）が固定される。なお、パックケースの下部において、蒸発器の下側に位置する部分に結露水をパックケースの外側に排出させるための排水路を形成することもできる。また、低温流路部が、電池モジュール３０に接触して、熱伝導で電池モジュール３０を温度低下させる。凝縮器及びポンプは、パックケース２０の外側に配置される。これにより、パックケース２０内で、冷却機器３４が配置される領域が低温エリア３６となり、低温エリア３６の上側には、低温エリア３６より高温で電気機器１２が配置される高温エリア１４が配置される。また、パックケース２０において、電気機器１２の横側に呼吸穴１６が形成され、呼吸穴１６の開口周辺部に呼吸膜１８が取り付けられる。また、呼吸穴１６は、電池モジュール３０より冷却機器３４の近くに配置される。これにより、パックケース２０内で、空気の経路に関して、呼吸穴１６に対し高温エリア１４、低温エリア３６、活電部密集エリア３２の順に近くなる。なお、上記の熱交換器の構成は１例であり、これに限定するものではない。上記のように圧縮機を用いる場合には、圧縮機駆動用の電源が必要となるが、ブロワを用いる場合と異なり、風切音による騒音及び振動は生じない。

上記の図３、図４の構成によれば、電気機器１２の通電が停止される車両の放置中に電池モジュール３０への結露水の侵入を抑制できる。具体的には、車両の放置中に冷却機器３４によって周囲の空気の温度が低下し、これに伴って活電部密集エリア３２から外れた低温エリア３６で強制的に結露水が発生する。このとき、車両の放置中では、もともと高温エリア１４では外部から水蒸気が侵入にくく、水蒸気は、パックケース２０内において、図４の一点鎖線αで示す枠内に存在し、横方向において呼吸穴１６に近いほど水蒸気濃度が低下する。そして、その際の水蒸気の移動は、フィックの分子拡散法則に基づいて、水蒸気の濃度差による圧力差によって生じ、この濃度差が大きいほど低温エリア３６での結露速度を高くできる。図４では矢印βに示す方向に水蒸気が冷却機器３４に集まることを模式的に示している。これにより、電池モジュール３０での結露水の発生を防止できるので、電池モジュール３０への結露水の侵入を抑制できる。また、電池モジュール３０が熱交換器の低温流路部との接触による熱伝導で冷却される。このとき、ブロワを用いる場合のような空気の流れ抵抗による損失がないので、電池モジュール３０を効率的に温度低下させることができる。その他の構成及び作用は、図１、図２の構成と同様である。

図５は、実施形態の別例の電池パック１０の断面図である。図５に示す構成では、図３、図４の構成において、パックケース２０の内側で横方向において、電気機器１２（図３）が配置される高温エリアと、電池モジュール３０が配置される活電部密集エリア３２との間に、低温エリア３６が配置される。低温エリア３６には、冷却機器３４（図３）が配置される。そして、パックケース２０において、高温エリア１４の横側である高温エリア１４の付近の上部に呼吸穴１６が形成される。呼吸穴１６の開口周辺部には呼吸膜が取り付けられてもよい。これにより、パックケース２０内で、空気の経路に関して、呼吸穴１６に対し高温エリア１４、低温エリア３６、活電部密集エリア３２の順に近くなる。上記の構成の場合も、図３、図４の構成と同様に、低温エリア３６で強制的に結露水を発生させて、電池モジュール３０への結露水の侵入を抑制できる。その他の構成及び作用は、図１、図２の構成、または図３、図４の構成と同様である。

１０ 電池パック、１２ 電気機器、１４ 高温エリア、１６ 呼吸穴、１８ 呼吸膜、２０ パックケース、２２ 上側ケース要素、２２ａ 天板部、２２ｂ 側壁部、２２ｃ フランジ、２４ 下側ケース要素、３０ 電池モジュール、３２ 活電部密集エリア、３４ 冷却機器、３６ 低温エリア。

Claims (1)

1. 複数の電池セルを含む電池モジュールと、
   前記電池モジュールに接続される電気機器と、
   前記電池モジュール及び前記電気機器を内部に収容するパックケースとを備え、
   前記パックケースは、前記電気機器に関して、前記電池モジュールとは空気の経路に関して反対側のみに形成され、前記パックケースの内部と外部とを連通させる呼吸穴を含む、電池パック構造。

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