以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの構成を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。
以下においては、2つの電池スタックが上下2段でケーシング内に収容固定されている車載電池パックについて説明するが、本発明は1つの電池スタックがケーシング内に収容固定された車載電池パックに適用されてもよい。
図1は、本発明の一実施形態である車載電池パック(以下、単に「電池パック」という。)10の断面図である。図1には、電池パック10における電池セルの積層方向(紙面奥行方向)が車両の幅方向に沿って搭載されたときの車両上下方向および車両前後方向が矢印で示されている。また、図2には、車両の上方向および右方向が矢印で示されている。
電池パック10は、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されて、走行用動力を出力するモータに電力供給する電源として用いることができる。また、電池パック10は、車両後部に設けられるラゲージルーム(またはトランクルーム)と車室内の後部シートとの間に設置されてもよい。
電池パック10は、上下2段に配置された電池スタック12,14と、電池スタック12,14を収容するケーシング50とを備える。電池スタック12,14は、同一の構成を有する。そのため、下記では、下段に配置された電池スタック12を例に説明し、上段の電池スタック14についての詳細な説明を省略する。
図2に示すように、電池スタック12は、多数の電池セル18が一方向に積層されて構成されている。本実施形態では、電池セル18は、例えば、扁平角形のリチウムイオン電池が好適に用いられる。以下において、電池セル18が積層される方向を積層方向Xという。
図1及び図2に示すように、各電池セル18間には、スペーサ部材20が挟まれた状態で設けられている。スペーサ部材20は、例えば、絶縁性の樹脂部材によって好適に形成される。スペーサ部材20は、各電池セル18間を電気的に絶縁するとともに、各電池セル18間に冷却流路22(図5参照)を形成するものである。また、電池スタック12の両側面には、スペーサ部材20の冷却通路22から冷却空気を排気するための排気口または開口が形成されている。
図1に示すように、スペーサ部材20の上部および下部には、それぞれ、一対のバンド挿通部(突部)24が突出して一体に形成されている。バンド挿通部24は、スペーサ部材20の一部分を構成する。一対のバンド挿通部24は、所定間隔をおいて設けられている。また、バンド挿通部24の内部には、拘束バンド30を挿通するための空間が形成されている。
図2に示すように、電池スタック12の積層方向Xの両端には、例えば金属板等で形成された一対のエンドプレート26が配置されている。各エンドプレート26は、その下部に、略L字状に曲がって形成された2つの取付部27を有する。取付部27には、ボルト挿通孔が形成されている。
拘束バンド30は、例えば、長尺帯状をなす金属板で構成される。拘束バンド30は、スペーサ部材20を間に挟んだ状態で積層された多数の電池セル18を一対のエンドプレート26で押圧または拘束して一体化するものである。拘束バンド30は、スペーサ部材20の上部および下部に形成されたバンド挿通部24を貫いて挿通され、両端部がエンドプレート26に例えば溶接等によって固定される。これにより、電池パック10が一体の構造物として構成される。
電池スタック12の上面には、複数(本実施形態では3つ)の温度センサS1,S2が配置されている。温度センサS1,S2は、電池スタック12の最高温度および最低温度を検出するために設けられている。より詳しくは、温度センサS1は、電池スタック12の積層方向中央領域に位置する電池セル18の温度を検出する。また、2つの温度センサS2は、電池スタック12の積層方向両端部に位置する電池セル18の温度を検出する。温度センサS1,S2によって検出された温度は、後述する機器42に含まれる制御装置へ送信され、電池スタック12の昇温や冷却の判定に用いられる。
電池スタック12の上方には、機器設置プレート32が配置されている。機器設置プレート32の長手方向(積層方向X)の両端は、エンドプレート26の上部にそれぞれ固定されている。これにより、機器設置プレート32の上面には、機器42が例えばねじ留め等によって設置されている。機器42としては、電池スタック12の電圧を検出する電圧センサ、電池スタック12の電流を検出する電流センサ、これらセンサおよび温度センサS1,S2からの情報に基づき電池スタック12の状態を監視および制御する制御装置等がある。
次に、電池スタック12,14を収容するケーシング50について説明する。図1に示すように、ケーシング50は、電池スタック12,14の車両前後方向両側に電池セル18の積層方向Xに沿って配置される一対の側壁52a,52b、両側壁52a,52bの下部に固定される底部54、および、両側壁52a,52bの上部に固定される天井部56を含む。
図1に示すように、一対の側壁52a,52bは、例えばアルミニウム合金等の金属材料からなる中空構造の板材によって構成されて、強度および剛性が確保されている。これにより、車両前後方向に対向する側壁52a,52bに車両衝突による衝突外力が作用した場合でも、側壁52a,52bが変形しにくく、内部に収容された電池スタック12,14を有効に保護することができる。また、底部54および天井部54も、例えばアルミニウム合金等の金属材料で形成されている。
両側壁52a,52bのうち車両後方側に位置する側壁52bの外面には、ヒータ80が設置されている。ヒータ80は、1枚のシート状の加熱部材によって構成される。また、ヒータ80は、車両後方側から見て側壁52bよりも少し小さめの長方形状に形成されている。ヒータは、温度センサS1,S2によって検出される電池スタック12の温度が所定の下限温度よりも低い場合に作動して、ケーシング50の側壁52b等を介して電池スタック12を昇温させる機能を有する。ヒータ80は、例えば、図示しない押さえ部材を介して側壁52bにネジ留め固定されるか、または、接着固定されてもよい。なお、ヒータ80は、上下に分割された2枚のシート状の加熱部材で構成され、独立してオンオフ制御可能に構成されてもよい。
図2に示すように、ケーシング50は、電池スタック12,14の積層方向Xの両端に対向する一対の端壁58a,58bをさらに含む。両端壁58a,58bは、下部と上部が底部54及び天井部56に固定されるとともに、車両前後方向の端縁部が両側壁52a,52bに固定されている。このようにしてケーシング50は、一対の側壁52a,52b、底部54、天井部56及び一対の端壁58a,58bによって、略直方体状の筐体として構成される。
また、ケーシング50の端壁58a,58bは、ケーシング50の内側に突出する底端部フレーム60および上側端部フレーム62を有する。底端部フレーム60には、下段の電池スタック12の両端部がエンドプレート26の取付部27を介して固定されている。上側端部フレーム62には、上段の電池スタック14の両端部がエンドプレート26の取付部27を介して固定されている。
ケーシング50は、図1及び図2に示すように、電池スタック12,14の積層方向中央に対応する位置に、底中央フレーム64及び上側中央フレーム66を有する。底中央フレーム64及び上側中央フレーム66の両端部は、一対の側壁52a,52bの内壁にそれぞれ固定されている。このように底中央フレーム64及び上側中央フレーム66によって一対の側壁52a,52bが連結されることで、ケーシング50の強度が向上する。ここで、底中央フレーム64は、底端部フレーム60とともに、下段の電池スタック12についての底部54を構成する。また、上側中央フレーム66は、上側端部フレーム62とともに、上段の電池スタック14についての底部を構成する。
次に、図1及び図2に加えて、図3ないし図6を参照して、本実施形態の電池パック10における吸気トレイについて説明する。図3は、電池パック10に含まれる下側吸気トレイ70aを示す斜視図である。図4は、電池パック10に含まれる上側吸気トレイ70bを示す斜視図である。また、図5は、電池パック10を電池スタック12,14のスペーサ部材20の位置で切断した断面を示す図である。さらに、図6は、図1中のB−B断面図である。
まず、下側吸気トレイ70aについて説明する。図1に示すように、下側吸気トレイ70aは、下段の電池スタック12とケーシング50の底部54との間に配置されている。下側吸気トレイ70aは、図3に示すように、矩形筒状をなすダクト部72と、ダクト部72の両側に設けられた一対の支持部74と、ダクト部72及び支持部74と一体に形成されている流路形成部76と、流路形成部76と一体に形成されている波板部(介在部材)78とを有する。下側吸気トレイ70aは、例えば樹脂材料によって形成することができる。また、波板部78の上面および端面には、弾性を有する伝熱部材82が配置されている。
ダクト部72は、電池スタック12の積層方向Xの中央に対応して設けられている。ダクト部72は、電池パック10が組み立てられたとき、図5に示すように、一方の側壁である前側壁52aから車両前方側に突出して配置され、ダクト部材68の下端部が接続される。これにより、電池パック10の外側から冷却空気が電池パック10内に送り込まれて、下段の電池スタック12に供給される。
支持部74は、ダクト部72の両側にあって流路形成部76と一体に形成されている。支持部74は、直方体状に形成され、上方に突出している。支持部74は、図2に示すように、その下面が底中央フレーム64上に載って支持されている。支持部74の上面は、図1及び図2に示すように、電池スタック12の積層方向中央領域であって車両前方側の下面に当接している。これにより、支持部74は、両端部のエンドプレート26が底端部フレーム60に固定された電池スタック12の中央領域を押し上げるように突っ張った状態で支持する着座部となっている。
図3に示すように、下側吸気トレイ70aの流路形成部76は、電池スタック12の積層方向Xに沿って略長方形状に延伸している。流路形成部76の上面には、ダクト部72から送り込まれた冷却空気を積層方向両側へ分岐させて流すための溝77が形成されている。
流路形成部76は、図1に示すように、電池スタック12の下面から突出する一対のバンド挿通部24の間の空間の下方を閉じるように配置される。これにより、電池スタック12の下面と、一対のバンド挿通部24と、流路形成部76とによって、吸気チャンバ25が区画形成される。
図3に示すように、流路形成部76の両端下面には、位置決めピン71が下方に突出して形成されている。位置決めピン71は、下側吸気トレイ70aがケーシング50の底部54に組付けられるとき、底端部フレーム60に形成された位置決め孔(図示せず)に挿入される。これにより、下側吸気トレイ70aが正確に位置決めされて組み付けられる。その後、下段の電池スタック12が下側吸気トレイ70a上に載置されて両端が底端部フレーム60に固定されると、下側吸気トレイ70aは電池スタック12と底部54とに挟持されて固定される。
図5に示すように、ダクト部72から送り込まれた冷却空気は、吸気チャンバ25を介して各電池セル18間にあるスペーサ部材20よって形成された冷却流路22を略T字状に流れる。これにより、電池スタック12を構成する各電池セル18が所定の上限温度を超えないように冷却される。そして、冷却空気は、電池スタック12の車両前後方向の側面から排気され、ケーシング50に設けられた隙間や開口を介して電池パック10外に放出される。
図3を再び参照すると、流路形成部76と一体に形成されている波板部78は、電池スタック12の積層方向Xに沿って延伸して形成され、電池スタック12と略同じ長さを有している。波板部78は、図6に示すように、略台形状の凸状屈曲部79a,79b,79cが連続する波板形状に形成されている。このように波板部78を形成することで、樹脂材料の使用量を低減しながら波板部78の強度を増すことができる。ただし、波板部78に代えて、所定の強度が確保できる厚みを有する平板部等を介在部材としてもよい。
図6に示すように、波板部78を構成する凸状屈曲部のうち、電池スタック12の積層方向中央領域に位置する複数の凸状屈曲部79aは、その下面が底中央フレーム64上に載って支持されている。そして、これらの凸状屈曲部79aの上面は、電池スタック12の積層方向中央領域であって車両後方側の下面に当接している。これにより、凸状屈曲部79aは、電池スタック12の積層方向中央領域を押し上げた状態で支持する着座部となっている。底中央フレーム64に載っている凸状屈曲部79aの間に位置する凸状屈曲部79bもまた、その上面が電池スタック12の下面に当接している。これに対し、凸状屈曲部79aよりも電池スタック12の積層方向端部側に位置する凸状屈曲部79cは、電池スタック12の下面に対して隙間を空けて離間している。
このように波板部78が電池スタック12の積層方向中央領域を支持する着座部を有することで、電池スタック12は、上述した下側吸気ダクト70aの支持部74と共に波板部78の凸状屈曲部79aによって、両端部のエンドプレート26が底端部フレーム60に固定された電池スタック12の中央領域を押し上げるように突っ張った状態で支持される。ここで、支持部74は電池スタック12の下面のうち車両前方側の端部に当接しており、波板部78の凸状屈曲部79aは車両後方側の端部に当接している。このように積層方向Xと直交する方向に間隔を空けて配置された支持部74および凸状屈曲部79aによって電池スタック12が支持されることで、電池スタック12が、積層方向Xを中心として電池スタック12が回転する方向であるねじれ方向に変位するのを効果的に抑制することができる。
また、図1に示すように、波板部78は、電池スタック12の下面とケーシング50の底部54との間であって、かつ、電池スタック12の下面から突出する車両後方側のバンド挿通部24とケーシング50の後側壁52bとの間に介在して配置された介在部材となっている。このように波板部78が介在されていることで、電池スタック12の積層方向中央領域が車両前後方向に撓んだり振動したりするのを効果的に抑制できる。したがって、電池スタック12の両端にエンドプレート26の取付部27を介して衝突外力が加わった場合でも、電池スタック12がケーシング50の後側壁52bに衝突干渉するのを抑制できる。
さらに、図1に示すように、波板部78の車両後方側の端部は、電池スタック12の側面よりもケーシング50の後側壁52bに近接して配置されている。具体的には、波板部78と後側壁52bとの間の隙間は例えば2mmに設定され、電池スタック12と後側壁52bとの間の隙間は例えば7mmに設定されている。このように波板部78を電池スタック12よりも後側壁52bに近接して配置したことで、衝突外力がケーシング50の後側壁52bに加わったとき、衝突外力の少なくとも一部は波板部78や電池スタック12のバンド挿通部24によって受け止められて軽減される。したがって、ケーシング50の後側壁52bが電池スタック12にぶつかって電池セル18が破損するのを抑制できる。
なお、図5に示すように、電池スタック12,14の積層方向中央領域の上方に弾性部材38を設けて、弾性部材38によって機器設置プレート32を介して各電池スタック12,14の積層方向中央領域域が下向きに押圧されるようにしてもよい。この構成によれば、電池スタック12,14の積層方向中央領域が上下両方から押圧支持されるため、電池スタック12,14の共振周波数が増加することによって車両振動に対する共振を効果的に抑制することができる。
図3に示すように、下側吸気トレイ70aの波板部78には、弾性を有する伝熱部材82が2箇所に配置されている。伝熱部材82は、波板部78において、着座部となる凸状屈曲部79aよりも両端部側に位置する凸状屈曲部79cの上面および端面に例えば接着等によって固定されている。
より詳しくは、伝熱部材82は、図6に示すように、下側吸気トレイ70bが電池パック10に組付けられた状態で、電池スタック12の積層方向Xに関して温度センサS1,S2と着座部となる凸状屈曲部79aとの間に対応する位置に設けられる。また、伝熱部材82は、図1に示すように、電池スタック12の下面と波板部78の上面との間、および、波板部78の側面とヒータ80が設置された側壁52bの内面との間に、密接した状態で設けられる。弾性を有する伝熱部材82には、例えば、EPDM系スポンジ(熱伝導率=0.36W/mK)を好適に用いることができる。
このように伝熱部材82を設けたことで、ヒータ80から側壁52b、伝熱部材82、波板部78、伝熱部材82、電池スタック12の順で熱が伝わり易くなり、伝熱部材82に対応する位置での電池スタック12の昇温を効率良く行うことができる。
図1及び図2に示すように、上側吸気トレイ70bは、上段の電池スタック14に冷却空気を供給するための吸気部材である。上側吸気トレイ70bは、積層方向両端が電池スタック14のエンドプレート26と上側端部フレーム62とに挟持されて固定され、積層方向中央領域では電池スタック14と上側中央フレーム66との間に支持部74及び波板部78の凸状屈曲部79aが挟持されて固定される。
図4に示すように、上側吸気トレイ70bの波板部76にも、下側吸気トレイ70aと同様に伝熱部材82が設けられている。上側吸気トレイ70bのダクト部72は、図5に示すように、電池パック10においてケーシング50の前側壁52aの内側に位置し、ダクト部材68の上端部がケーシング50に挿入されて連結される点で、下側吸気トレイ70aと相違する。上側吸気トレイ70bの他の構成は、上述した下側吸気トレイ70aと同様であるため、同一構成には同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
図7(a)は電池スタック12が高温になったときの電池セル18の温度分布を示すグラフであり、図7(b)は電池スタック12が低温になったときの電池セル18の温度分布を示すグラフである。図7に示す2つのグラフでは、横軸が電池セル18の番号を表し、縦軸がセル温度を表している。ここでは、電池スタック12が42個の電池セル18で構成される場合を例示する。
図7(a)に示すように、電池スタック12が例えば充放電すること等によって高温になった場合、電池スタック12の積層方向Xの中央に位置する第21番や第22番の電池セル18が最も高温となり、そこから電池スタック12の両端側へ行くにしたがって電池セル18の温度が低くなり、両端部に位置する第1番目および第42番目の電池セル18が最も低い温度になる。これには、積層方向中央では熱が籠り易く、端部に行くほど熱が逃げやすいことによる。この場合には、積層方向Xの中央領域に配置した温度センサS1によって電池スタック12の最高温度を検出でき、積層方向Xの端部に配置した温度センサS2によって電池スタック12の最低温度を検出できる。
一方、図7(b)に示すように、電池パック10を搭載した車両が例えば−25℃以下の極低温環境下に置かれていることで電池スタック12が低温になった場合には、車体からケーシング50を介して冷却(熱引き)される積層方向端部の第1番目および第42番目の電池セル18が最も低温になり易く、積層方向中央領域に位置する電池セル18が最も高温になり易い。したがって、この場合には、積層方向端部に配置した温度センサS2によって電池スタック18の最低温度を検出でき、積層方向中央領域に配置した温度センサS1によって電池スタック12の最高温度を検出できる。
図8(a)はヒータ使用時で伝熱部材が無い場合における電池セル18の温度分布を示すグラフであり、図8(b)は本実施形態の電池パック10におけるヒータ使用時の電池セル18の温度分布を示すグラフである。これらのグラフの横軸および縦軸は、図7に示したグラフと同様に、電池セル番号およびセル温度を表している。
図8(a)に示すように、ヒータ80を作動して電池スタック12を昇温させる場合であって伝熱部材が無い場合には、ヒータ80の熱が金属製のケーシング50および電池スタック12の金属製のエンドプレート26(図2参照)に迅速に伝わって、積層方向端部に位置する第1番目および第42番目の電池セル18が最も高温になる。また、電池スタック12の積層方向中央領域では、ケーシング50の底部54を構成する底中央フレーム64から波板部78の凸状屈曲部79a,79bを介してヒータ80の熱が伝わることで、比較的昇温され易い。
他方、波板部78の凸状屈曲部79cは、金属製の底部54に接触しておらず、かつ、電池スタック12の下面からも離間している。したがって、この場合には、図8(a)中の2つの長円84,86で囲んだ第5〜12番目の電池セル18や第31〜38番目の電池セル18にはヒータ80の熱が伝わりにくく、電池スタック12が最も低温となる恐れがある。そうすると、温度センサS1で電池スタックの最高温度は検出できても、温度センサS2では電池スタック12の最低温度を検出できない状態になり、電池スタック12の放電開始等のタイミングを適切に判断することができない。
これに対し、本実施形態の電池バック10では、上記第5〜12番目の電池セル18および第31〜38番目の電池セル18に相当する位置に伝熱部材82は配置されている。そのため、ヒータ80の熱が、側壁52b→伝熱部材82→波板部78の凸状屈曲部79c→伝熱部材82→電池スタック12の第5〜12番目および第31〜38番目の電池セル18に効率良く伝わって昇温する。その結果、図8(b)中の長円88,90で囲んだ領域で示されるように、これらの電池セル18の温度が、積層方向中央に位置する第21番目の電池セル18よりも高温となり、上記第21番目の電池セル18が電池スタック12における最低温度になる。よって、本実地形態の電池パック10によれば、ヒータ80を作動させて電池スタック12を昇温させる場合に、積層方向中央領域に配置した温度センサS1によって電池スタック12の最低温度を正確に検出することができる。
なお、本発明は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびそれと均等な範囲内において、種々の変更や改良が可能である。
例えば、上記においては電池スタック12,14の下面から突出した突部が一方のバンド挿通部24である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、樹脂製のスペーサ部材20から突出する他の突部であってもよい。
また、上記においては介在部材となる波板部78が吸気ダクト70a,70bと一体に形成されている例について説明したが、介在部材は吸気ダクト70a,70bとは別の部材として形成されてもよい。