JP2018060594A - 電池モジュール - Google Patents

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慎也 本川
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啓介 清水
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和貴 清水
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大貴 山本
Hirotaka Yamamoto
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Abstract

【課題】電池モジュールにおいて、限られた電池の搭載スペースについて、複数の電池を最密に配置しながら、冷却効率を高めることである。【解決手段】電池モジュール１０は、断面が円形の電池２０の直径をＤとして、互いに隣接する電池２０の間の配列ピッチがＤとなる最密配置で、予め冷却面１４が定められた電池の搭載スペース１２に配置される複数の電池２０について、冷却面１４に垂直な方向に沿ってピッチＤで複数の電池２０を配列して電池列２１，２２とし、冷却面１４に平行な方向に沿ってピッチ（３1/2）×（Ｄ／２）で隣接する電池列２１，２２を配列して構成される。電池モジュールとして複数の電池２０を金属製の電池ケースに収容したものを、熱伝導性弾性体を介して冷却面１４に配置することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールに関する。
限られたスペースの中に円筒型の電池を複数配列する方法として、整列配置と千鳥配置が知られている。特許文献１には、冷却風の通流方向（Ｙ方向）および通流方向とは直交する方向（Ｚ方向）に対して、電池をそれぞれ整列状態で配列するものを整列配置と呼び、これに対し、隣接する電池同士を（Ｙ方向）と（Ｚ方向）に対して、それぞれ（１／２）ピッチずらして配置するものを千鳥配置と呼んでいる。
電池の直径をＤとすると、互いに隣接する電池の間のピッチは、整列配置ではＤと（２1/2）Ｄが混在するが、千鳥配置では全てＤとなるので、限られたスペースの中に最密に配置するには千鳥配置が適している。
特開２００１−２９７８０１号公報
限られた電池の搭載スペースについて、複数の電池を最密に配置しながら、冷却効率を高めることができる電池モジュールが望まれる。
本発明に係る電池モジュールは、断面が円形の電池の直径をＤとして、互いに隣接する電池の間の配列ピッチがＤとなる最密配置で、予め冷却面が定められた電池の搭載スペースに配置される複数の電池について、冷却面に垂直な方向に沿ってピッチＤで複数の電池を配列して電池列とし、冷却面に平行な方向に沿ってピッチ（３1/2）×（Ｄ／２）で隣接する電池列を配列して構成される。
前記構成の電池モジュールによれば、限られた電池の搭載スペースについて、複数の電池を最密に配置しながら、冷却効率を高めることができる。
車両に本発明に係る実施の形態の電池モジュールが搭載される例を示す図である。 断面が円形の電池の最密配置と整列配置を示す図である。図２（ａ）は最密配置を示す図で、（ｂ）は整列配置を示す図である。（ｃ）は最密配置における寸法関係を示す図である。 本発明に係る実施の形態の電池モジュールの作用を示す図である。ここでは最密配置の冷却面に対する２つの設置法の比較を示す。図３（ａ）は図１の設置法における熱流の流れを示す図で、（ｂ）はもう１つの設置法における熱流の流れを示す図である。 図３を裏付ける温度分布シミュレーションの結果を示す図である。図４（ａ）は図３（ａ）に関する温度分布シミュレーションの結果を示す図で、図４（ｂ）は図３（ｂ）に関する温度分布シミュレーションの結果を示す図である。 本発明に係る実施の形態の電池モジュールを冷却面に取り付ける例を（ａ）〜（ｄ）として示す図である。なお、図５（ｅ）は（ｄ）に直交する方向から見た断面図である。
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下で述べる電池の個数等は説明のための例示であって、電池モジュールの仕様等に応じ適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、車両８に搭載される電池モジュール１０を示す図である。図１（ａ）は車両８における搭載状況を示す図であり、（ｂ）は電池モジュール１０の拡大図である。車両８において電池モジュールを搭載できるスペースの位置や大きさは車両を構成する他の要素の配置等の兼ね合いで制約を受ける。図１の例では、座席シートの下部で、車軸等を避けた空間が電池モジュール１０の搭載スペース１２として指定され、さらに、冷却面１４が車両の床側の１つの面として指定される。
図１において、直交する３方向を示した。Ｘ方向は車両８の前方側から後方側に向かう方向であり、車両８が走行するときの走行風の流れる方向である。Ｙ方向は車両８の車幅方向であり、Ｚ方向は走行面から上方の方向であり、重力方向と逆方向である。
電池モジュール１０は、複数の電池２０で構成される。限られた搭載スペース１２の中で要求される電池容量等を満たすように、複数の電池２０は、搭載スペース１２に最密に配置される。電池２０は、断面が円形の円筒型電池である。電池２０は、リチウムイオン電池である。これ以外に、ニッケル水素電池、各種のアルカリ電池であってもよい。図１の例では、円筒形の軸方向をＹ方向に平行である。これは例示であって、搭載スペース１２の形状や冷却面１４の面形状、走行風の利用有無等によって、円筒形の軸方向をＹ方向に平行以外の方向としてもよい。
図１（ｂ）は、複数の電池２０を最密配置した断面図である。断面が円形の電池２０の最密配置は千鳥配置と呼ばれ、互いに隣接する電池２０の間の隙間を最小にするため、互いに隣接する電池２０の間の配列ピッチが全てＤである。図１（ｂ）の例では、１つの電池２０の中心位置をＯとし、この電池に接する６つの電池２０のそれぞれの中心位置をそれぞれａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆとすると、Ｏ−ａ，Ｏ−ｂ，Ｏ−ｃ，Ｏ−ｄ，Ｏ−ｅ，Ｏ−ｆの間隔はすべてＤである。
電池モジュール１０において最密配置された複数の電池２０は、冷却面１４が指定されると、図１（ｂ）に示すように設置される。すなわち、冷却面１４に垂直なＺ方向に沿ってピッチＤで複数の電池２０を配列して電池列２１，２２とし、冷却面１４に平行なＸ方向に沿ってピッチ（３1/2）×（Ｄ／２）で隣接する電池列２１，２２を配列する。ここでは、Ｚ方向に沿って５つの電池２０が配列されるものを電池列２１とし、４つの電池２０が配列されるものを電池列２２とした。
この構成の作用効果について、図２から図４を用いて説明する。図２は、千鳥配置と整列配置の比較と、千鳥配置における寸法関係を示す図である。図２（ａ）は、図１の構成の電池モジュール１０の一部で、千鳥配置において、５列の電池列で２３個の電池２０を抜き出した図である。図２（ｃ）はその中で隣接する４つの電池２０を抜き出して寸法関係を示す図で、斜線を付した三角形において、頂角が３０度と６０度の直角三角形となる。この直角三角形の直角を挟む２辺のうち、Ｘ方向に平行な辺の長さは、｛３1/2×（Ｄ／２）｝となる。したがって、Ｘ方向に沿って並ぶ電池列２１，２２の間のＸ方向の間隔は、（３1/2）×（Ｄ／２）となる。
この結果を図２（ａ）に示した。２３個の電池２０は、Ｘ方向に［２｛（Ｄ／２）＋（３1/2）Ｄ｝］、Ｚ方向に５Ｄの矩形枠の中に最密に収容される。矩形枠のＸ方向の寸法は約４．４４Ｄであるので、矩形枠の面積は約２２．２Ｄ2である。千鳥配置の単位面積当たりの収容率は、約｛２３／２２．２Ｄ2｝で、約（１．０４／Ｄ2）である。
図２（ｂ）は整列配置で電池２０を配列した図である。整列配置では、Ｘ方向にもＺ方向にも配列ピッチＤで複数の電池２０が配列される。そのため、隣接する電池２０の間の配列ピッチがＤと（２1/2）Ｄの２種類が混在する。図１（ｂ）の例では、１つの電池２０の中心位置をＯとし、この電池に接する６つの電池２０のそれぞれの中心位置をそれぞれｇ，ｈ，ｉ，ｊ，ｋ，ｌとすると、Ｏ−ｇ，Ｏ−ｈ，Ｏ−ｊ，Ｏ−ｋの間隔はＤで、Ｏ−ｉ，Ｏ−ｌの間隔は（２1/2）Ｄである。そのために、隣接する電池２０の間の隙間が最小にならない。
図２（ｂ）に示すように２０個の電池２０は、Ｘ方向に４Ｄ、Ｚ方向に５Ｄの矩形枠の中に収容される。矩形枠の面積は２０Ｄ2である。整列配置の単位面積当たりの収容率は、｛２０／２０Ｄ2｝＝（１／Ｄ2）である。これを図２（ａ）の千鳥配置の千鳥配置の単位面積当たりの収容率の約（１．０４／Ｄ2）と比較すると、同じ搭載スペースにおいて、千鳥配置の方が整列配置に比べ、約４％多い数の電池２０を配置できる。
千鳥配置で配置された複数の電池２０を冷却面１４に設置するには、図１（ｂ）、図２（ａ）の他にもう１つの設置方法がある。図１（ｂ）、図２（ａ）では、隣接する電池２０の間隔はＤである方向を冷却面１４に垂直としたが、もう１つの設置方法では、隣接する電池２０の間隔はＤである方向を冷却面１４に平行とする。
図３は、この２つの設置方法のそれぞれについて、熱流の流れの相違を比較した図である。図３（ａ）は、隣接する電池２０の間隔がＤとなる方向を冷却面１４に垂直とした設置法で、図１（ｂ）、図２（ａ）で述べた設置法である。（ｂ）は、隣接する電池２０の間隔がＤとなる方向を冷却面１４に平行とした設置法である。図３（ｂ）の設置方法においては、Ｘ方向に沿って隣接する電池２０の間隔はＤであるが、Ｚ方向に沿って隣接する電池列２１，２２の間隔は（３1/2）×（Ｄ／２）となる。
冷却面１４は、熱流のシンクとして働き、電池２０の外筒の熱伝導率は隙間空間の空気の熱伝導率よりも高いので、熱流は＋Ｚ側から各電池２０の外筒の外周面を伝って冷却面１４に向かって流れるものとする。
図３（ａ）における熱流３０は、隣接する電池２０の外筒の外周面における接触点（１），（２），（３），（４），（５），（６），（７），（８）の間で電池２０の外周面を伝って流れる。各接触点の間の電池２０の外周面の長さは、図２（ｃ）を参照すると、｛（６０度／３６０度）×πＤ｝＝｛（π／６）Ｄ｝である。接触点の数＝８である。したがって、熱流３０の熱伝達経路の長さは、｛（π／６）Ｄ｝×（８−１）＝｛（７π／６）Ｄ｝である。
図３（ｂ）における熱流３１は、電池２０の接触点（１），（２），（３），（４），（５），（６），（７），（８），（９）の間で電池２０の外周面を伝って流れる。各接触点の間の電池２０の外周面の長さは｛（π／６）Ｄ｝で、接触点の数＝９である。したがって、熱流３１の熱伝達経路の長さは、｛（π／６）Ｄ｝×（９−１）＝｛（８π／６）Ｄ｝である。これを図３（ａ）の熱流３０の熱伝達経路の長さ｛（７π／６）Ｄ｝と比較すると、図３（ａ）の設置法における熱流３０の熱伝達経路の方が約（１／８）×１００％＝約１２．５％短い。
図４は、図３を裏付ける温度分布シミュレーションの結果を示す図である。図４（ａ）は図３（ａ）に関する温度分布シミュレーションの結果を示す図で、図４（ｂ）は図３（ｂ）に関する温度分布シミュレーションの結果を示す図である。図４（ａ），（ｂ）において、熱流束（単位Ｗ）を同一条件とし、冷却面１４は同じ温度とした。シミュレーションの結果は、各図において、等温度線で示した。図４の左側に温度軸が示され、段階Ｉが最も低温側で、段階Ｖが最も高温側である。図４（ａ）では段階Ｖの領域がなく、段階ＩＶが最も高温側領域である。これに対し、図４（ｂ）では、段階Ｖの領域が現われる。
これらのことから、最密配置である千鳥配置において、冷却面１４に垂直なＺ方向に沿ってピッチＤで複数の電池２０を配列して電池列２１，２２とし、冷却面１４に平行なＸ方向に沿ってピッチ（３1/2）×（Ｄ／２）で隣接する電池列２１，２２を配列する設置法が好ましい。この設置法を用いることで、限られた搭載スペース１２について、複数の電池２０を最密に配置しながら、冷却効率を高める電池モジュールとすることができる。
図５は、電池モジュールを冷却面に取り付ける例を示す図である。ここでは、図２（ａ）で説明した２３個の電池２０で構成される電池モジュールを例として説明する。
図５（ａ）は、図２（ａ）で説明した２３個の電池２０を１つの電池ケース４０に収納した電池モジュール１６を冷却材１５の１つの面である冷却面１４に直接的に配置する例を示す図である。冷却材１５は金属板等を用いることができる。例えば、車両に搭載する場合、車体フレーム等を冷却材１５とすることができる。
電池ケース４０は、耐熱性のある材料で構成される。ここでは、金属製の電池ケース４０を用いる。金属製としては、アルミニウム製またはアルミニウム合金製とすることがよい。電池モジュール１６を冷却面１４に取り付けるには、適当な締結材を用いることができる。締結材としては、ボルト等の締結具の他、ロー付等の接着手段を用いることができる。
図５（ｂ）は、電池ケース４０と冷却面１４の間に、熱伝導性弾性体５０を配置する例である。電池ケース４０の外周面、冷却面１４には凹凸があり、このために接触熱抵抗が高くなる。熱伝導性弾性体５０はこの凹凸を吸収して接触熱抵抗を低減し、電池ケース４０の発熱を冷却材１５に効率よく伝達する。かかる熱伝導性弾性体５０として、グラファイトシートを用いることができる。
図５（ｃ）は、冷却材として冷媒６４が流通する熱交換器６０を用いる場合に、熱交換器６０の冷媒通路６２に冷却フィン６６を設ける例を示す図である。冷却フィン６６の根元は、冷却面１４となる壁面の冷媒通路６２の側に取り付けられる。冷媒６４としては、冷却水、空気等を用いることができる。空気を用いる場合、車両の走行風を利用することも可能である。
電池モジュール１６は、冷却フィン６６が設けられる位置に対応する冷却面１４の位置に配置される。電池モジュール１６は熱伝導性弾性体５０を介して冷却面１４に配置される。場合により、熱伝導性弾性体５０を省略して図５（ａ）のように冷却面１４に直接的に電池モジュール１６を配置してもよい。
図５（ｄ）は、冷却フィン４４を一体として備える電池ケース４２を用いる電池モジュール１８を示す図である。電池ケース４２の冷却フィン４４は、熱交換器６０の冷却面１４を含む壁面を通り、熱交換器６０の冷媒通路６２の中に突き出す。図５（ｅ）は、冷媒６４の流れる方向であるＸ方向に垂直な断面図である。
上記構成によれば、電池２０を空気等の冷媒で直接的に強制冷却するのではなく、冷却面１４に対して熱流を流すようにして、冷却箇所を少なくして間接的に電池を冷却する。その際に、熱伝達経路が短くなる設置法を取ることで、冷却効率を向上できる。これによって、電池モジュール１０の冷却回路を簡素化できる。
上記では、車両に搭載される電池モジュールを述べたが、これは限られた搭載スペースと定められた冷却面の説明のための例示であって、車両以外の装置、機器、施設等に設置される電池モジュールであってもよい。
上記では、電池モジュールは、複数の電池で構成されるものとしたが、電池とは、単電池、複数の単電池をまとめた電池体、複数の電池体をまとめた電池ブロックを広く指す。
上記では、冷却面１４をＸ方向である車両の走行風に平行な方向としたが、これは説明のための例示であって、搭載対象の構造に応じてこれ以外の方向に沿った冷却面であってもよい。なお、上記では、＋Ｚ方向から熱流が流れるものとして説明したが、一般的に言えば、冷却面１４に向かって熱流が流れる。
１０，１６，１８ 電池モジュール、１２ （電池の）搭載スペース、１４ 冷却面、１５ 冷却材、２０ 電池、２１，２２ 電池列、３１ 熱流、４０，４２ 電池ケース、４４，６６ 冷却フィン、５０ 熱伝導性弾性体、６０ 熱交換器、６２ 冷媒通路、６４ 冷媒。

Claims (5)

  1. 断面が円形の電池の直径をＤとして、互いに隣接する前記電池の間の配列ピッチがＤとなる最密配置で、予め冷却面が定められた電池の搭載スペースに配置される複数の前記電池について、
    前記冷却面に垂直な方向に沿って前記ピッチＤで複数の前記電池を配列して電池列とし、
    前記冷却面に平行な方向に沿ってピッチ（３1/2）×（Ｄ／２）で隣接する前記電池列を配列して構成される、電池モジュール。
  2. 前記最密配置された複数の前記電池は金属製ケースの内部に収納される、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記金属製ケースと前記冷却面との間に熱伝導性弾性体が配置される、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記金属製ケースは、前記冷却面に接続される放熱フィンを有する、請求項２に記載の電池モジュール。
  5. 前記冷却面は、冷媒が流通する熱交換器の壁面であり、
    前記金属製ケースの前記放熱フィンは、前記熱交換器の壁面を通り冷媒通路に突き出ている、請求項４に記載の電池モジュール。
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