JP2018045891A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、電池スタックの高電圧部への水の付着を防ぎつつ、電池スタックを効果的に冷却できる電池システムを提供する。【解決手段】上面に電極端子２９ａが形成された単電池２９を、厚み方向に複数積層した電池スタック３０と、前記電池スタック３０の下側に配され、前記電池スタック３０を冷却する冷媒が流れる冷却配管３４と、前記電池スタック３０および冷却配管３４を収容するパックケース３２と、を備え、前記冷却配管３４の下方に前記冷却配管３４から落下した凝縮液を貯留する貯留空間４６が形成されている【選択図】図３

Description

本発明は、１以上の電池スタックと、電池スタックを冷却する冷却機構と、を備えた電池システムに関する。

従来から、その一端面に、正極端子および負極端子を有した単電池が知られている。かかる単電池を、複数積層したうえで電気的に接続することで電池スタックが形成される。さらに、１以上の電池スタックをパックケースに収容して、電池パックが構成される。

ここで、単電池は、その充放電の過程で、熱が生じる。かかる熱により単電池の温度が過度に高くなると単電池の劣化が急速に進む。そこで、従来から単電池または電池スタックに接触または近接するように冷却配管を設けるとともに、当該冷却配管に冷媒（例えば水等）を流すことで、単電池を冷却する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、バッテリモジュール（電池スタックに対応）の外側面に、冷却剤導管（冷却配管に対応）を取り付けたバッテリモジュールアセンブリ（電池パックに対応）が開示されている。かかる技術によれば、バッテリモジュールが、外側面から効果的に冷却される。

特開２０１２−５０６１０６号公報

しかし、従来の技術では、冷却配管に付着する凝縮液の処理については、十分に考慮されていなかった。すなわち、冷却配管は、通常、アルミ等、熱伝導に優れた部材で構成される。かかる冷却配管の外表面には、外気温との温度差に起因して、結露が発生する。この結露により生じた凝縮液は、重力により下方へと落下していく。

このとき、結露発生面が、電池スタックの高電圧部（単電池の端子等）より上側に位置したり、高電圧部に近接したりしていると、凝縮液が落下する過程で、当該高電圧部に付着する恐れがあった。また、落下した凝縮液は、パックケースの底面に貯留されることになるが、このパックケースの底面と電池スタックとの間に、十分な間隙が無ければ、貯留された凝縮液が電池スタックに接触することになる。そして、電池スタックの設置姿勢によっては、高電圧部に、凝縮液が付着することがあった。

そこで、本発明では、電池スタックの高電圧部への水の付着を防ぎつつ、電池スタックを効果的に冷却できる電池システムを提供することを目的とする。

本発明の電池システムは、上面に電極端子が形成された単電池を、厚み方向に複数積層した電池スタックと、前記電池スタックの下側に配され、前記電池スタックを冷却する冷媒が流れる冷却配管と、を備え、前記冷却配管の下方に前記冷却配管から落下した凝縮液を貯留する貯留空間が形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、冷却配管が電池スタックの下側に配されているため、冷却配管に付着した凝縮液が落下する過程で、電極端子等に付着することが防止される。また、冷却配管の下側に貯留空間が形成されているため、貯留された凝縮液が、電池スタックに付着することも防止される。そして、結果として、冷却配管に流れる冷媒で、電池スタックを効果的に冷却しつつも、高電圧部への水の付着を防ぐことができる。

本発明の実施形態である電池システムの構成を示す図である。 電池パックの概略平面図である。 図２のＡ−Ａ線での概略断面図である。 図２のＢ−Ｂ線での概略断面図である。 他の電池パックの概略平面図である。 図５のＣ−Ｃ線での概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。この電池システム１０は、動力源の一つとして走行用モータを搭載した電動車両（例えばハイブリッド自動車や電気自動車等）に搭載される。電池システム１０に設けられた電池パック１２は、１以上の電池スタック３０を有しており、この１以上の電池スタック３０は、走行用モータに電力を供給する駆動用バッテリとして機能する。したがって、図１には、図示していないが、電池パック１２は、電気的には、インバータ１１０を介して、図示しない走行用モータと接続されている。

電池システム１０は、電池パック１２と、当該電池パック１２に収容された電池スタック３０を冷却する冷却機構１６と、を備えている。電池パック１２は、既述した通り、駆動用バッテリとして機能する１以上の電池スタック３０をパッケージングしたものである。冷却機構１６は、この１以上の電池スタック３０を冷却する機構である。なお、本実施形態では、この冷却機構１６を用いて、電池スタック３０の他に、インバータ１１０も冷却する。そのため、後述する冷媒通路１８は、インバータ１１０も通過するように配されている。

冷却機構１６は、冷媒通路１８と、第二ラジエータと２０と、ポンプ２２と、を備えている。冷媒通路１８は、電池スタック３０を冷却する冷媒が流れる通路である。冷媒は、気体および液体のいずれでもよいが、本実施形態では、冷媒として水や油等の液体を用いる。冷媒通路１８は、内部に冷媒が流れる管体であれば、その構成は、特に限定されない。冷媒通路１８は、電池パック１２の内部から出て、第二ラジエータ２０、ポンプ２２を経て、電池パック１２の内部に戻るループを形成している。つまり、冷媒通路１８の一部は、電池パック１２の内部に収容されている。以下では、冷媒通路１８のうち、電池パック１２の内部に収容されている箇所は、「冷却配管３４」と呼び、他の箇所と区別する。

第二ラジエータ２０は、電池スタック３０との熱交換により温度上昇した冷媒を冷却する冷却装置である。第二ラジエータ２０の構成は、従来から広く知られているため、ここでの詳説は省略する。なお、ハイブリッド車両には、通常、動力源の一つとしてエンジン１０２と、当該エンジン１０２を冷却するための配管１０４、ポンプ１０６、第一ラジエータ１００等が搭載されている。第二ラジエータ２０は、このエンジン１０２を冷却するための第一ラジエータ１００とは、別個に設けられたラジエータである。ポンプ２２は、冷媒を所定の方向に送り出す。このポンプ２２は、図示しない制御部により駆動制御されている。制御部は、電池スタック３０の温度や、外気温等に基づいて、電池スタック３０の冷却の要否を判断し、冷却が必要な場合には、ポンプ２２を駆動して、冷媒を電池スタック３０に送らせる。

なお、ここで説明した冷却機構１６の構成は一例であり、少なくとも、冷媒が流れる冷媒通路１８を有するのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、冷媒は、自然空冷で冷却できるのであれば、第二ラジエータ２０は、省略されてもよい。また、冷却機構１６は、電池スタック３０のみを冷却し、インバータ１１０は、冷却しない構成でもよい。また、冷媒通路１８は、電池パック１２に対して、冷媒を連続的に供給あるいは排出できるのであれば、必ずしも、ループを形成していなくてもよい。例えば、冷媒通路１８の一端は、排液タンクに、他端は、冷媒供給源に接続された構成でもよい。

次に、電池パック１２の構成について図２〜図４を参照して説明する。図２は、電池パック１２の概略平面図、図３は、図２のＡ−Ａ線での概略断面図である。また、図４は、図２のＢ−Ｂ線での概略断面図である。なお、以下の図面において、Ｘ方向およびＹ方向は、水平方向を示しており、Ｚ方向は、鉛直方向を示している。また、図２では、アッパーカバー３２ｕの図示を省略している。さらに、図３、図４では、見易さのために、電池スタック３０に濃墨ハッチングを、冷却配管３４には、薄墨ハッチングを施している。

電池パック１２は、８つの電池スタック３０を有している。この８つの電池スタック３０は、図示しないバスバを介して、互いに、直列または並列に接続されている。本実施形態では、この電池スタック３０を、４行２列で配置している。

各電池スタック３０は、複数の単電池２９と、複数の樹脂製セパレータ（図示せず）とを交互に積層してなる。単電池２９は、充放電可能な二次電池、例えば、リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池等である。単電池２９は、図４に示す通り、正面視略長方形の扁平な直方体形状となっている。単電池２９の一端面からは、一対の電極端子２９ａが突出している。電池スタック３０は、この電極端子２９ａが鉛直方向上側になるような姿勢で、パックケース３２内に配置されている。積層された単電池２９は、図示しないバスバを介して、互いに、直列または並列に電気的に接続されている。また、電池スタック３０には、さらに、電池スタック３０の状態、例えば、単電池２９の電圧や温度を計測するためのセンサが設けられており、各センサからは、信号線（図示せず）が引き出されている。センサから引き出された信号線は、電子機器３６の一つであるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）に接続される。

なお、以下では、単電池２９のうち、電極端子２９ａの形成面を「上面」と呼び、当該上面との対向面を「底面」と呼ぶ。また、一対の電極端子２９ａの配設方向（図４のＹ方向）を「幅方向」と呼び、上下方向および幅方向に直交する方向（図４のＸ方向）を「厚み方向」と呼ぶ。そして、複数の単電池２９および樹脂製セパレータは、厚み方向に積層されている。

電池パック１２は、さらに、複数の電子機器３６を備えている。電子機器３６としては、例えば、電池スタック３０とパック外部の電子機器との間を電気的に中継するためのジャンクションボックスや、過電流を防止するためのヒューズボックス、各種演算を行うＥＣＵ等が含まれる。ＥＣＵは、例えば、ＣＰＵとメモリとを備えており、電池スタック３０に設けられた電圧センサや温度センサでの検出値に基づいて、電池スタック３０のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の演算等を行う。

複数の電池スタック３０と複数の電子機器３６は、パックケース３２に収容される。パックケース３２は、上面が開口した略箱状のロアケース３２ｌと、当該ロアケース３２ｌの上面を覆うアッパーカバー３２ｕと、に大別される。アッパーカバー３２ｕは、ロアケース３２ｌに対して着脱自在となっている。ロアケース３２ｌおよびアッパーカバー３２ｕは、いずれも、非導電性の硬質材料、例えば、熱可塑性樹脂等からなる。

パックケース３２の内部空間は、主に複数の電子機器３６が配される第一領域Ｅ１と、複数の電池スタック３０が配される第二領域Ｅ２と、に分けることができる。第一領域Ｅ１と第二領域Ｅ２は、Ｘ方向（単電池２９の積層方向）に隣接して設けられている。図３から明らかな通り、第一領域Ｅ１および第二領域Ｅ２の天面レベルは、互いに等しい。一方で、第一領域Ｅ１の底面レベルは、第二領域Ｅ２の底面レベルより高くなっている。換言すれば、パックケース３２の底面には、段差が設けられており、当該パックケース３２を床面に設置したとき、床面と第二領域Ｅ２の底面との間には、空間が形成される。この空間には、他の車載部品、例えば、燃料タンク１１２等が配される。

パックケース３２の内部には、さらに、冷媒通路１８の一部である冷却配管３４も配置されている。この冷却配管３４は、伝熱性の高い材料、例えば、アルミニウム等からなる管体である。冷却配管３４は、図２に示すように、一本の配管から、複数の電池スタック３０の配置に合わせて複数の枝管に枝分かれした後、再び、一本の配管に合流する形状となっている。

ここで、図３から明らかな通り、この冷却配管３４は、少なくとも一部が、宙に浮いた状態でパックケース３２に収容されている。すなわち、ロアケース３２ｌのＹ方向側壁には、係止用切欠が形成されており、この係止用切欠に、冷却配管３４の両端が載置される。そして、これにより、冷却配管３４が、ロアケース３２ｌをＹ方向に横断するように掛け渡される。つまり、本実施形態では、冷却配管３４の両端を、ロアケース３２ｌの側壁で支持している。ただし、必要であれば、ロアケース３２ｌの側壁による支持に替えて、または、加えて、ロアケース３２ｌの底面から立脚する１以上の支持柱６０を設け、当該支持柱６０で冷却配管３４を部分的に支持してもよい。

冷却配管３４の断面形状は、図４に示すとおり、幅方向中央が下方に突出した、つば付帽子のような形状となっている。別の見方をすれば、冷却配管３４の幅方向中央における内寸高さｈ１は、幅方向両端における内寸高さｈ２よりも大きい。かかる形状とするのは、結露により冷却配管３４の表面に付着した凝縮液を、落下しやすくするとともに、単電池２９を効率的に冷却するためであるが、これについては、後述する。

複数の電池スタック３０は、この冷却配管３４の上に載置される。その結果、電池スタック３０を構成する複数の単電池２９の底面は、冷却配管３４に接触する。そして、各単電池２９が、冷却配管３４に流れる冷媒と熱交換することで、各単電池２９が冷却される。

ここで、冷却配管３４の配置レベル（配置高さ）は、第一領域Ｅ１の底面レベルより低い。また、複数の電子機器３６は、第一領域Ｅ１の底面に載置されている。したがって、冷却配管３４の配置レベルは、必ず、複数の電池スタック３０および電子機器３６よりも低くなる。また、冷却配管３４と第二領域Ｅ２の底面との間には、空間が形成されることになる。この空間は、結露により生じた凝縮液が貯留される貯留空間４６となる。

以上の通り、本実施形態では、冷却配管３４の少なくとも一部を、宙に浮いた状態でパックケース３２に収容し、冷却配管３４の下側に、凝縮液を貯留する貯留空間４６を形成している。かかる構成とする理由について詳説する。繰り返し述べている通り、冷却配管３４の内部には、電池スタック３０を冷却するための冷媒が流れる。この冷媒は、通常、冷却配管３４の外部の温度よりも低いため、冷却配管３４の表面には、結露が生じやすい。この結露に起因して冷媒通路１８の表面に付着した凝縮液は、重力により下方に落下する。このとき、結露発生面よりも下側に、電池スタック３０や、電子機器３６があると、落下過程の凝縮液が、当該電池スタック３０の高電圧部（例えば電極端子２９ａや、これらを接続するバスバ等）に付着したり、電子機器３６に付着したりするおそれがある。

本実施形態では、電池スタック３０を、その高電圧部（電極端子２９ａ等）が上になるように配置し、さらに、電池スタック３０の下側に、冷却配管３４を配している。そのため、冷却配管３４の表面に付着した凝縮液が、落下の過程で高電圧部に付着することを効果的に防止できる。また、パックケース３２の底面に段差を設け、電子機器３６を、冷却配管３４よりも高い位置に配置している。その結果、落下過程の凝縮液が、電子機器３６に付着することも防止できる。

また、冷却配管３４の下側には、落下した凝縮液が貯留できる貯留空間４６が形成されている。そのため、多量の凝縮液が発生、落下したとしても、貯留される液体の液面レベルが電池スタック３０や電子機器３６を超えることなく、これらに水分が付着することを防げる。なお、貯留空間４６の底面、すなわち、ロアケース３２ｌの底面には、この貯留された凝縮液を排出するための排出口３３が設けられている。この排出口３３には、排液タンクに接続された排出管（図示せず）が接続されており、貯留された凝縮液は、連続的に、排出される。なお、排出管に替えて、排出口３３に、着脱自在の蓋を装着する構成としてもよい。この場合、定期的に蓋を外して、貯留された凝縮液を排出すればよい。

ここで、ロアケース３２ｌには、貯留空間４６として機能する凹部があり、その関係上、ロアケース３２ｌの底面には、段差が存在する。そのため、底面レベルが高い第一領域Ｅ１の底面と床面との間には空間が形成される。この空間を有効に利用するために、他の車載部品を、当該空間に配置することが望ましい。他の車載部品としては、例えば、燃料タンク１１２等が挙げられる。この場合、燃料タンク１１２は、パックケース３２の形状に合わせた断面略Ｌ字状であることが望ましい。

ここで、既述した通り、また、図４に示す通り、本実施形態では、冷却配管３４は、その底面に下側に向かって突出する凸部３４ａが設けられている。この凸部３４ａがあることで、冷却配管３４は、全体としては、つば付帽子のような形状となっている。かかる形状とするのは、冷却配管３４の表面に付着した凝縮液を下方に落下しやすくするためである。冷却配管３４の底面に、水平に対して傾斜した傾斜面を設けることで、凝縮液がより落下しやすくなる。また、本実施形態では、冷却配管３４の幅方向中央の内寸高さｈ１を、幅方向両端の内寸高さｈ２より大きくしている。その結果、幅方向中央の冷却に寄与する冷媒量が、幅方向端部の冷却に寄与する冷媒量よりも多くなる。ここで、通常、単電池２９は、幅方向両端よりも幅方向中央のほうが高温になりやすい。かかる高温になりやすい幅方向中央の冷却に寄与する冷媒量を多くすることで、単電池２９をより効率的に冷却できる。

ところで、冷却配管３４の表面で結露が生じる原因は、冷却配管３４の内外での温度差が大きいことにある。そこで、本実施形態では、冷媒通路１８のうち、電池パック１２の内側に配される部分（冷却配管３４）だけでなく、電池パック１２の外側に配される部分も高伝熱性材料（例えばアルミニウム等）で構成している。かかる構成とすることで、冷媒通路１８の内部と外気が、高伝熱材料を介して熱交換するため、冷媒通路１８の内外温度差を低減できる。そして、これにより、冷却配管３４における結露の発生を低減できる。

なお、ここまで説明した構成は、一例であり、電極端子２９ａが上になるように電池スタック３０を配するとともに、当該電池スタック３０の下に冷却配管３４を、当該冷却配管３４の下に貯留空間４６を設けるのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、電池スタック３０の配置や個数は、適宜、変更されてもよい。例えば、図２では、電池スタック３０を４行２列配置としているが、図５、図６に示すように、電池スタック３０を２行４列で配置してもよい。この場合、電池スタック３０の配置に合わせて、冷却配管３４の形状も変更すればよい。

また、本実施形態では、冷却配管３４を、幅方向中央が厚い、つば付帽子のような形状としているが、他の形状、例えば、断面略矩形や、断面半円形状等としてもよい。ただし、単電池２９との接触面積を確保する関係上、冷却配管３４は、単電池２９の底面に対応した形状であることが望ましい。したがって、単電池２９の底面が平坦面であれば、冷却配管３４の上面も平坦面であり、単電池２９の底面に凹凸があれば、冷却配管３４の底面にも対応する凹凸があることが望ましい。また、冷却配管３４に付着した凝縮液を効果的に落下させるために、冷却配管３４の底面には、傾斜面または曲面があることが望ましい。

１０ 電池システム、１２ 電池パック、１６ 冷却機構、１８ 冷媒通路、２０ 第二ラジエータ、２２，１０６ ポンプ、２９ 単電池、２９ａ 電極端子、３０ 電池スタック、３２ パックケース、３３ 排出口、３４ 冷却配管、３６ 電子機器、４６ 貯留空間、６０ 支持柱、１００ 第一ラジエータ、１０２ エンジン、１０４ 配管、１１０ インバータ、１１２ 燃料タンク。

Claims (1)

1. 上面に端子が形成された単電池を、厚み方向に複数積層した電池スタックと、
   前記電池スタックの下側に配され、前記電池スタックを冷却する冷媒が流れる冷却配管と、
   を備え、
   前記冷却配管の下方に前記冷却配管から落下した凝縮液を貯留する貯留空間が形成されている、
   ことを特徴とする電池システム。