JP2019126206A - 車両用電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】車両用電池パック内の多数の電池モジュールの温度を均一にすることができる車両用電池パックを提供する。【解決手段】車両用電池パックは、複数の電池モジュールに連環され、電池セルの端子あるいはモジュール端子に接続される通常冷却配管と、複数の電池モジュールのそれぞれを囲むように配置され、通常冷却配管から分岐するとともに、通常冷却配管に合流する複数のバイパス冷却配管と、複数のバイパス冷却配管のそれぞれに設けられ、複数のバイパス冷却配管に流れる冷媒の流量を制御可能な複数の制御バルブと、複数の電池モジュールのそれぞれに設けられ、複数の電池モジュールのそれぞれの温度を計測可能な複数の温度センサと、複数の温度センサにおいて計測された温度に基づいて複数の電池モジュールの温度が均一となるように複数の制御バルブを個別に制御可能なコントローラと、を備える。【選択図】 図２

Description

本開示は、車両用電池パックに関する。

特許文献１には、電気自動車用の熱管理システムが開示されている。かかる熱管理システムは、電気自動車パワートレインに結合されて、電気自動車パワートレインの電気モータに電力を供給する電気エネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）と、ＥＳＳに熱的に連通する冷却液ループ内に冷却液を含んだ冷却システムであって、該冷却システムはさらに、冷却液ループを通して冷却液を圧送する冷却液ポンプを含んだ冷却システムと、該冷却システムに結合した温度制御システムであって、冷却システムは、温度制御システムの制御下にある温度システムと、を具備する。
そして、温度制御システムはさらに、自動車状態モニタであって、該自動車状態モニタは、電気自動車が稼動中であるとき第１状態信号を出力し、電気自動車が停止中であるとき第２状態信号を出力する自動車状態モニタと、ＥＳＳに熱的に連通した少なくとも１つの温度センサであって、該少なくとも１つの温度センサはＥＳＳ温度を監視している少なくとも１つの温度センサと、ＥＳＳ温度をプリセット温度と比較する比較器回路であって、該比較器回路は、ＥＳＳ温度がプリセット温度より低いときに第１信号を出力し、ＥＳＳ温度がプリセット温度より高いときに第２信号を出力する比較器回路と、冷却システムに結合した冷却システムコントローラであって、該冷却システムコントローラは、自動車状態モニタが第２状態信号を出力するとき、冷却システムに制御信号を出力するよう構成され、冷却システムコントローラはさらに、比較器回路から第１および第２信号を受信するよう構成され、制御信号は、冷却システムコントローラが第２信号を受信したとき、冷却液ポンプを起動させ、制御信号は、冷却システムコントローラが第１信号を受信したとき、冷却液ポンプを停止させる冷却システムコントローラと、を具備している。
上述した電気自動車用の熱管理システムでは、冷却システムコントローラは、ＥＳＳ温度がプリセット温度よりも高いときに冷却液ポンプを起動させ、ＥＳＳ温度がプリセット温度よりも低いときに冷却液ポンプを停止させる。

特開２０１０−２００６０５号公報

車両用電池パックでは、大型のケースに複数の電池モジュールを搭載するために内部で温度バラツキが生じる。複数の電池モジュールにおいて部分的に使用上限温度に達すると電池性能を十分に発揮することができないため、複数の電池モジュールの温度を均一にすることが望まれている。
しかしながら、特許文献１が開示する電気自動車用の熱管理システムでは、ＥＳＳ（車両用電池パック内の複数の電池モジュール）において温度を均一にすることができない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、車両用電池パック内の複数の電池モジュールにおいて温度を均一にすることができる車両用電池パックを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る車両用電池パックは、複数の電池モジュールがそれぞれ電池セルの端子が上下方向に整列するように積層された複数の電池セルで構成され、大型のケースに収容される車両用電池パックであって、前記複数の電池モジュールに連環され、前記電池モジュールを構成する少なくとも一つの電池セルの端子あるいはモジュール端子に接続される通常冷却配管と、前記複数の電池モジュールのそれぞれを囲むように配置され、前記通常冷却配管からそれぞれ分岐するとともに、前記通常冷却配管にそれぞれ合流する複数のバイパス冷却配管と、前記複数のバイパス冷却配管のそれぞれに設けられ、前記複数のバイパス冷却配管に流れる冷媒の流量を制御可能な複数の制御バルブと、前記複数の電池モジュールのそれぞれに設けられ、前記複数の電池モジュールのそれぞれの温度を計測可能な複数の温度センサと、前記複数の温度センサにおいて計測された温度に基づいて前記複数の電池モジュールの温度が均一となるように前記複数の制御バルブを個別に制御可能なコントローラと、を備える。

上記（１）の構成によれば、コントローラが複数の温度センサにおいて計測された温度に基づいて複数の電池モジュールの温度が均一となるように複数の制御バルブを個別に制御する。これにより、車両用電池パック内の複数の電池モジュールにおいて温度を均一にすることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記複数の電池モジュールは、前記電池セルの端子が相互に対向するように配置される。
上記（２）の構成によれば、複数の電池モジュールは、電池セルの端子が相互に対向するように配置されるので、通常冷却配管を整然と配管することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記通常冷却配管は、前記電池セルの端子が相互に対向するように配置された前記複数の電池モジュールの間に配置される。
上記（３）の構成によれば、通常冷却配管は、電池セルの端子が相互に対向するように配置された複数の電池モジュールの間に配置されるので、通常冷却配管内に冷媒を効率的に流すことができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）から（３）の何れか一つの構成において、前記コントローラは、前記通常冷却配管に接続された冷却機及びポンプに冷媒の供給を指示可能な通常冷却制御部と、前記複数の温度センサにおいて計測された温度に基づいて前記複数の電池モジュールの温度が均一となるように前記複数の制御バルブを個別に制御可能なバイパス冷却制御部と、を含む。
上記（４）の構成によれば、コントローラにおいて、通常冷却制御部が通常冷却配管に接続された冷却機及びポンプに冷媒の供給を指示し、バイパス冷却制御部が複数の温度センサにおいて計測された温度に基づいて複数の電池モジュールの温度が均一となるように複数の制御バルブを個別に制御する。これにより、車両用電池パック内の複数の電池モジュールを効率的に冷却することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、車両用電池パック内の複数の電池モジュールにおいて温度を均一にすることができる。

本発明の一実施形態に係る車両用電池パックの構成を概略的に示す斜視図である。 図１に示した車両用電池パックの構成を概略的に示すブロック図である。 図２に示したコントローラの制御の一例を示す図である。 図２に示したコントローラの制御の他の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１の構成を概略的に示す斜視図である。図２は、図１に示した車両用電池パック１の構成を概略的に示すブロック図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１は、複数（多数）の電池モジュール２がそれぞれ電池セル２１の端子２１１，２１２が上下方向に整列するように積層された複数（多数）の電池セル２１で構成され、大型のケース４に収容される。このように、複数の電池モジュール２のそれぞれが複数の電池セル２１で構成されるのは、一つの電池セル２１の電圧が小さいためであり、通常、複数（多数）の電池セル２１を直列に接続して電池モジュール２を構成し、更に複数（多数）の電池モジュール２を直列に接続して車両用電池パック１を構成し、電気自動車（図示せず）の走行に必要な電力を得ている。また、このように、電池セル２１の端子２１１，２１２が上下方向に整列するように複数（多数）の電池セル２１を積層するのは、複数の電池セル２１の端子２１１，２１２を集約することができ、複数の電池セル２１を直列に接続するのに効率的で都合が良いためである。

図１に示すように、例えば、複数の電池モジュール２は、それぞれ電池モジュール２ごとにモジュールケース３に収容される。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１では、複数の電池モジュール２は、電池セル２１の端子２１１，２１２が相互に対向するように配置される。このように、電池モジュール２は、電池セル２１の端子２１１，２１２が相互に対向するように配置されるのは、電池セル２１の端子２１１，２１２を集約するためである。

また、図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１は、電池モジュール２と熱交換可能な冷却配管５（通常冷却配管５）を備えている。通常冷却配管５には、車両用電池パック１の外部に設置された冷却機７１及びポンプ７２が接続され、通常冷却配管５には、冷却機７１及びポンプ７２から冷媒（冷媒液）が供給される。

通常冷却配管５は、複数の電池モジュール２に連環され、電池モジュール２を構成する少なくとも一つの電池セル２１の端子２１１，２１２あるいはモジュール端子に接続される。このように、通常冷却配管５が複数の電池モジュール２に連環されるのは、複数の電池の全てを冷却するためであり、通常冷却配管５が電池モジュール２を構成する少なくとも一つの電池セル２１の端子２１１，２１２あるいはモジュール端子に接続されるのは、電池セル２１の端子２１１，２１２の熱伝導率が大きいために効率的な冷却ができるからである。

また、図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１では、通常冷却配管５は、電池セル２１の端子２１１，２１２あるいはモジュール端子が相互に対向するように配置された複数の電池モジュール２の間に配置される。
このようにすれば、通常冷却配管５は、電池セル２１の端子２１１，２１２あるいはモジュール端子が相互に対向するように配置された複数の電池モジュール２の間に配置されるので、通常冷却配管５の内部に冷媒を効率的に流すことができる。

また、本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１は、更に、複数のバイパス冷却配管６、複数の制御バルブ６１、複数の温度センサ６２及びコントローラ８を備える。

複数のバイパス冷却配管６は、複数の電池のそれぞれを囲むように配置され、通常冷却配管５からそれぞれ分岐するとともに、通常冷却配管５にそれぞれ合流する。

複数の制御バルブ６１は、複数のバイパス冷却配管６のそれぞれに設けられ、複数のバイパス冷却配管６に流れる冷媒の流量を制御可能である。

複数の温度センサ６２は、複数の電池モジュール２のそれぞれに設けられ、複数の電池モジュール２のそれぞれの温度を計測可能である。

コントローラ８は、複数の温度センサ６２において計測された温度に基づいて複数の電池モジュール２の温度が均一となるように複数の制御バルブ６１を個別に制御可能である。

上述した本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１によれば、コントローラ８が複数の温度センサ６２において計測された温度に基づいて複数の電池モジュール２の温度が均一となるように複数の制御バルブ６１を個別に制御する。これにより、車両用電池パック１の内部の複数の電池モジュール２において温度を均一にすることができる。

上述した本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１において、コントローラ８は、通常冷却制御部（図示せず）とバイパス冷却制御部（図示せず）とを含む。通常冷却制御部は、通常冷却配管５に接続された冷却機７１及びポンプ７２に冷媒（冷媒液）の供給を指示可能である。バイパス冷却制御部は、複数の温度センサ６２において計測された温度に基づいて複数の電池モジュール２の温度が均一となるように複数の制御バルブ６１を個別に制御可能である。

上述した本発明の一実施形態に係る車両用電池パックによれば、コントローラ８において、通常冷却制御部が通常冷却配管５に接続された冷却機７１及びポンプ７２に冷媒の供給を指示し、バイパス冷却制御部が複数の温度センサ６２において計測された温度に基づいて複数の電池モジュール２の温度が均一となるように複数の制御バルブ６１を個別に制御する。これにより、車両用電池パック内の複数の電池モジュール２を効率的に冷却することができる。

図３は、図２に示したコントローラ８の制御の一例を説明するためのフローチャートである。
図３に示すように、上述した本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１では、まず、複数の温度センサ６２のそれぞれが複数の電池モジュール２のそれぞれの温度の計測を開始する（ステップＳ１１）。全ての電池モジュール２の温度を計測すると、全ての電池モジュール２の温度のうち最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘと予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１とを比較する（ステップＳ１２）。最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘが予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１以上（Ｔｍａｘ≧Ｘ１）の場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）に電池モジュール２の冷却を開始する（ステップＳ１３）。具体的には、通常冷却制御部が冷却機７１及びポンプ７２に冷媒の供給を指示する。これにより、冷却機７１及びポンプ７２の運転を開始し、冷媒を通常冷却配管５に供給し、冷媒を通常冷却配管５に循環させる。この結果、通常冷却配管５に接続された複数の電池モジュール２の電池セル２１の端子２１１，２１２が冷却され、該電池セル２１が構成する複数の電池モジュール２も冷却される。

また、電池モジュール２の冷却を開始すると、つぎに、全ての電池モジュール２の温度Ｔと予め設定された全体冷却開始温度Ｘ２とを比較する（ステップＳ１４）。電池モジュール２の温度Ｔが予め設定された全体冷却開始温度Ｘ２以上の場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）に当該電池モジュール２を囲むように配置されたバイパス冷却配管６に設けられた制御バルブ６１を開放する（ステップＳ１５）。具体的には、バイパス冷却制御部が電池モジュール２の温度Ｔが予め設定された全体冷却開始温度Ｘ２以上の場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）に当該電池モジュール２を囲むように配置されたバイパス冷却配管６に設けられた制御バルブ６１を開放する（ステップＳ１５）。すると、通常冷却配管５から制御バルブ６１が開放されたバイパス冷却配管６に冷媒が供給され、冷媒が制御バルブ６１が開放されたバイパス冷却配管６を循環する。これにより、当該バイパス冷却配管６が囲む電池モジュール２が冷却される。

一方、電池モジュール２の温度Ｔが予め設定された全体冷却開始温度Ｘ２未満の場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）に当該電池モジュール２を囲むように配置されたバイパス冷却配管６に設けられた制御バルブ６１を閉鎖する（ステップＳ１６）。具体的には、バイパス冷却制御部が電池モジュール２の温度Ｔが予め設定された全体冷却開始温度Ｘ２未満の場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）に当該電池モジュール２を囲むように配置されたバイパス冷却配管６に設けられた制御バルブ６１を閉鎖する（ステップＳ１６）。すると、通常冷却配管５から制御バルブ６１が閉鎖されたバイパス冷却配管６への冷媒の供給が停止される。

他方、最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘが予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１未満（Ｔｍａｘ＜Ｘ１）の場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）に電池モジュール２の冷却を停止する（ステップＳ１７）。具体的には、通常冷却制御部が冷却機７１及びポンプ７２に冷媒の供給停止を指示する。これにより、最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘが予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１未満（Ｔｍａｘ＜Ｘ１）の場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）に電池モジュール２の冷却を停止する（ステップＳ１７）。

上述した本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１では、最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘが予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１以上の場合に熱伝導率が大きい電池セル２１の端子２１１，２１２を介して電池モジュール２が冷却されるので、電池モジュール２を効率的に冷却することができる。

また、電池モジュール２の温度Ｔが予め設定された全体冷却開始温度Ｘ２以上の場合に複数の電池モジュール２の温度が均一となるように複数の制御バルブ６１を個別に制御するので、電池モジュール２全体を個別に冷却することができる。

図４は、図２に示したコントローラ８の制御の他の一例を説明するためのフローチャートである。
図４に示すように、上述した本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１では、まず、複数の温度センサ６２のそれぞれが複数の電池モジュール２のそれぞれの温度の計測を開始する（ステップＳ２１）。全ての電池モジュール２の温度を計測すると、全ての電池モジュール２の温度のうち最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘと予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１とを比較する（ステップＳ２２）。最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘが予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１以上の場合（Ｔｍａｘ≧Ｘ１）場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）に電池モジュール２の冷却を開始する（ステップＳ２３）。具体的には、通常冷却制御部が冷却機７１及びポンプ７２に冷媒の供給を指示する。これにより、冷却機７１及びポンプ７２の運転を開始し、冷媒を通常冷却配管５に供給し、冷媒を通常冷却配管５に循環させる。この結果、通常冷却配管５に接続された複数の電池モジュール２の電池セル２１の端子２１１，２１２が冷却され、該電池セル２１が構成する複数の電池モジュール２も冷却される。

また、電池モジュール２の冷却を開始すると、つぎに、電池モジュール２の平均温度と電池モジュール２の温度との差分と、予め設定された全体冷却開始温度差Ｘ３とを比較する（ステップＳ２４）。電池モジュール２の平均温度と電池モジュール２温度との差分が予め設定された全体冷却開始温度差Ｘ３以上の場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）に当該電池モジュール２を囲むように配置されたバイパス冷却配管６に設けられた制御バルブ６１を開放する（ステップＳ２５）。具体的には、バイパス冷却制御部が電池モジュール２の平均温度と電池モジュール２温度との差分が予め設定された全体冷却開始温度差Ｘ３以上の場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）に当該電池モジュール２を囲むように配置されたバイパス冷却配管６に設けられた制御バルブ６１を開放する（ステップＳ２５）。すると、通常冷却配管５から制御バルブ６１が開放されたバイパス冷却配管６に冷媒が供給され、冷媒が制御バルブ６１が開放されたバイパス冷却配管６を循環する。これにより、当該バイパス冷却配管６が囲む電池モジュール２が冷却される。

一方、電池モジュール２の平均温度と電池モジュール２温度との差分が予め設定された全体冷却開始温度差Ｘ３未満の場合（ステップＳ２４：Ｎｏ）に当該電池モジュール２を囲むように配置されたバイパス冷却配管６に設けられた制御バルブ６１を閉鎖する（ステップＳ２６）。具体的には、バイパス冷却制御部が電池モジュール２の平均温度と電池モジュール２温度との差分が予め設定された全体冷却開始温度差Ｘ３未満の場合（ステップＳ２４：Ｎｏ）に当該電池モジュール２を囲むように配置されたバイパス冷却配管６に設けられた制御バルブ６１を閉鎖する（ステップＳ２６）。すると、通常冷却配管５から制御バルブ６１が閉鎖されたバイパス冷却配管６への冷媒の供給が停止される。

他方、最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘが予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１未満（Ｔｍａｘ＜Ｘ１）の場合（ステップＳ２２：Ｎｏ）に電池モジュール２の冷却を停止する（ステップＳ２７）。具体的には、通常冷却制御部が冷却機７１及びポンプ７２に冷媒の供給停止を指示する。これにより、最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘが予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１未満（Ｔｍａｘ＜Ｘ１）の場合（ステップＳ２２：Ｎｏ）に電池モジュール２の冷却を停止する（ステップＳ２７）。

上述した本発明の一実施形態に係る車両用電池パック１では、最も温度の高い電池モジュール２の温度Ｔｍａｘが予め設定された端子冷却開始温度Ｘ１以上の場合に熱伝導率が大きい電池セル２１の端子２１１，２１２を介して電池モジュール２が冷却されるので、電池モジュール２を効率的に冷却することができる。

また、電池モジュール２の平均温度と電池モジュール２温度との差分が予め設定された全体冷却開始温度差Ｘ３以上の場合に複数の電池モジュール２の温度が均一となるように複数の制御バルブ６１を個別に制御するので、電池モジュール２全体を個別に冷却することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ 車両用電池パック
２ 電池モジュール
２１ 電池セル
２１１，２１２ 端子
３ モジュールケース
４ ケース
５ 冷却配管（通常冷却配管）
６ バイパス冷却配管
６１ 制御バルブ
６２ 温度センサ
７１ 冷却機
７２ ポンプ
８ コントローラ

Claims (4)

1. 複数の電池モジュールがそれぞれ電池セルの端子が上下方向に整列するように積層された複数の電池セルで構成され、大型のケースに収容される車両用電池パックであって、
   前記複数の電池モジュールに連環され、前記電池モジュールを構成する少なくとも一つの電池セルの端子あるいはモジュール端子に接続される通常冷却配管と、
   前記複数の電池モジュールのそれぞれを囲むように配置され、前記通常冷却配管からそれぞれ分岐するとともに、前記通常冷却配管にそれぞれ合流する複数のバイパス冷却配管と、
   前記複数のバイパス冷却配管のそれぞれに設けられ、前記複数のバイパス冷却配管に流れる冷媒の流量を制御可能な複数の制御バルブと、
   前記複数の電池モジュールのそれぞれに設けられ、前記複数の電池モジュールのそれぞれの温度を計測可能な複数の温度センサと、
   前記複数の温度センサにおいて計測された温度に基づいて前記複数の電池モジュールの温度が均一となるように前記複数の制御バルブを個別に制御可能なコントローラと、
   を備えることを特徴とする車両用電池パック。
2. 前記複数の電池モジュールは、前記電池セルの端子が相互に対向するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用電池パック。
3. 前記通常冷却配管は、前記電池セルの端子が相互に対向するように配置された前記複数の電池モジュールの間に配置されることを特徴とする請求項２に記載の車両用電池パック。
4. 前記コントローラは、
   前記通常冷却配管に接続された冷却機及びポンプに冷媒の供給を指示可能な通常冷却制御部と、
   前記複数の温度センサにおいて計測された温度に基づいて前記複数の電池モジュールの温度が均一となるように前記複数の制御バルブを個別に制御可能なバイパス冷却制御部と、
   を含むことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の車両用電池パック。

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