JP2020170721A - バッテリ冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリパックの各電池セルを効率良く冷却することができるバッテリ冷却装置を提供すること。【解決手段】複数の電池セル２１で構成されたバッテリパック２と、電池セル２１の温度を検出する温度センサ２２と、バッテリパック２に空気を送風する、またはバッテリパック２から空気を吸引する冷却ファン３と、少なくとも一部を熱伝導部材で形成され密閉された筐体４と、電池セル２１の温度に基づいて冷却ファン３を作動させる制御部５と、を備え、筐体４は、少なくともバッテリパック２が設置されている面と対向する面が放熱面として熱伝導部材で形成され、冷却ファン３は、筐体４の内側の放熱面に配置されており、かつバッテリパック２が設置されている領域の中央に設置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ冷却装置に関する。
車両等に搭載されるバッテリパックは、複数の電池セルから構成される。バッテリパックは、充放電によって温度が上昇するが、各電池セルでは、温度にばらつきが生じる。
各電池セルの温度のばらつきを無くし、且つバッテリパックを冷却するため、バッテリパックには冷却ファンが設置されている。
特許文献１には、バッテリパックの近傍に冷却ファンを設置し、単位バッテリの温度と、バッテリパック周辺の雰囲気温度とに応じて冷却ファンの風量を調整する技術が開示されている。
特開２０００−０３６３２７号公報
しかしながら、バッテリパックの温度が上昇したときには、バッテリパックの筐体上部の中央部分が最も温度が高くなる。
特許文献１のように、バッテリパックの近傍に設置された冷却ファンでバッテリパックに冷却風を当てるだけでは、各電池セルの温度のばらつきが解消されないため、バッテリパックを効率よく冷却することができない。
そこで、本発明は、バッテリパックの各電池セルを効率良く冷却することができるバッテリ冷却装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するため本発明は、少なくとも一部が熱伝導部材で形成され、密閉された筐体と、前記筐体内に設置され、複数の電池セルで構成されたバッテリパックと、前記電池セルに空気を送風する、または前記バッテリパックから空気を吸引する送風部と、前記電池セルの温度に基づいて前記送風部を作動させる制御部と、を備え、前記筐体は、少なくとも前記複数の電池セルが設置されている面と対向する面が放熱面として熱伝導部材で形成され、前記送風部は、前記筐体の内側の前記放熱面に配置されており、かつ前記複数の電池セルが設置されている領域の中央に設置されているものである。
このように本発明によれば、バッテリパックの各電池セルを効率良く冷却することができるバッテリ冷却装置を提供することができる。
図１は、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置の側面から見た透視図である。 図２は、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置の上面から見た透視図である。 図３は、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置の電池セルを示す側面から見た透視図である。 図４は、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置の電池セルの接続状態を示す側面から見た透視図である。 図５は、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置の電池セルの接続状態を示す上面から見た図である。 図６は、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置の温度分布を示す上面から見た図である。 図７は、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置の温度分布を示す側面から見た図である。 図８は、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置の空気の流れを示す側面から見た図である。 図９は、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置の冷却ファン制御処理の手順を示すフローチャートである。
本発明の一実施の形態に係るバッテリ冷却装置は、少なくとも一部が熱伝導部材で形成され、密閉された筐体と、筐体内に設置され、複数の電池セルで構成されたバッテリパックと、電池セルに空気を送風する、またはバッテリパックから空気を吸引する送風部と、電池セルの温度に基づいて送風部を作動させる制御部と、を備え、筐体は、少なくとも複数の電池セルが設置されている面と対向する面が放熱面として熱伝導部材で形成され、送風部は、筐体の内側の放熱面に配置されており、かつ複数の電池セルが設置されている領域の中央に設置されている。
これにより、バッテリパックの各電池セルを効率良く冷却することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例に係るバッテリ冷却装置について詳細に説明する。
図１において、本発明の一実施例に係るバッテリ冷却装置１は、バッテリパック２と、送風部としての冷却ファン３と、筐体４と、制御部５とを含んで構成される。バッテリ冷却装置１は、車両等に搭載される。
バッテリパック２は、複数の電池セル２１を備えている。電池セル２１には、電池セル２１の温度を検出する温度センサ２２が設けられている。
電池セル２１は、略直方体形状に形成されている。複数の電池セル２１は、長手方向が平行になるように揃えて並べて配置されている。複数の電池セル２１同士の間には、隙間Ｓが介在されている。複数の電池セル２１は、例えば、それぞれ図示しないフレーム部材で上記隙間Ｓを形成した状態で保持されてバッテリパック２を構成している。
冷却ファン３は、バッテリパック２が設置されている面と対向する面に配置されている。すなわち、冷却ファン３は、筐体４内のバッテリパック２の上部に配置されている。冷却ファン３は、筐体４の内面と隙間Ｗを有して配置されている。冷却ファン３は、図２に示すように、バッテリパック２の中央部の上部に配置されている。冷却ファン３としては、例えば軸流ファンやシロッコファンを用いることができる。冷却ファン３は、制御部５により、回転速度や回転方向が制御されるようになっている。
冷却ファン３と筐体４の内面との隙間Ｗは、通気抵抗を極端に増やすことなく、流速を最大に高めるような距離に設定される。隙間Ｗの距離は、例えば、１０mmから５０mm程度が良い。
筐体４は、略直方体形状に形成されている。筐体４は、鉄やアルミなどの熱伝導性の高い材料で形成されている。このため、筐体４のバッテリパック２が設置されている面と対向する面は、放熱面として機能する。筐体４は、例えば上部分と下部分を接合することでバッテリパック２を密閉して包囲するようになっている。筐体４は、少なくとも冷却ファン３と対向する面、すなわち放熱面が熱伝導性の高い材料で形成されていればよい。
制御部５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。
このコンピュータユニットのＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットを制御部５として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、制御部５として機能する。
制御部５の入力ポートには、温度センサ２２、外気温度センサ５１を含む各種センサ類が接続されている。外気温度センサ５１は、筐体４の外部の温度を検出する。制御部５の出力ポートには、冷却ファン３を含む各種制御対象類が接続されている。
図３に示すように、電池セル２１は、長手方向の両端部近傍に、正電極２３と負電極２４の２つの棒状の電極を有している。正電極２３及び負電極２４は、電池セル２１の内部から電池セル２１の上方に長手方向の一方の端部を露出させて設けられている。
電池セル２１の内部において、２つの電極の間には、金属フィルム２５が設けられている。金属フィルム２５には、活性物質が塗布されている。
図４及び図５に示すように、２つの電池セル２１の正電極２３と負電極２４はバスバー２６で接続される。バスバー２６は、アルミや銅などで形成される。
電池セル２１の正電極２３と負電極２４とは、別々の他の電池セル２１の負電極２４と正電極２３にそれぞれ接続される。すなわち、バッテリパック２の複数の電池セル２１は、直列に接続されている。
バッテリパック２を充放電させた場合、正電極２３及び負電極２４やバスバー２６などの金属構造部品の電気抵抗による発熱と、金属フィルム２５による発熱とが発生する。このため、電池セル２１の上面の正電極２３及び負電極２４やバスバー２６に熱が集まる。
複数の電池セル２１を集めたバッテリパック２では、図６に示すように、バッテリパック２の上部の中央に熱が籠る。また、図７に示すように、バッテリパック２の上部になるほど高温になる。
従来は、バッテリパック２の底部から電池セル２１間の隙間Ｓに空気を流して冷却していたため、図７に示す熱の分布の温度の低い方向からの空冷であり、高温の空気が筐体４内に拡散してしまい、冷却効率が悪かった。
本実施例のバッテリ冷却装置１は、冷却ファン３により、バッテリパック２の上部から筐体４の上部の内面に向けて空気を流す。これにより、図８の矢印で示すように、バッテリパック２の上部の高温の空気が、冷却ファン３により流速を増してから、筐体４の上部内面に沿って流れる。広い筐体４の上部内面に沿って流速を増して流れることで、空気から筐体４への熱伝導が大きくなり、効率的に電池セル２１で発生した熱を筐体４の外に逃がすことができる。
また、冷却ファン３の回転を逆にして、筐体４の上面の内側に沿って空気を吸引させ、バッテリパック２の上部に空気を吐き出させるようにしてもよい。
バッテリパック２の上部から空気を吸い込む、または、バッテリパック２の上部に空気を吐き出すことにより、電池セル２１間及びバッテリパック２と筐体４間の隙間に空気を通して循環させることができる。空気の循環により温度の高い電池セル２１は冷却され、温度の低い電池セル２１は加温されて、電池セル２１の温度のばらつきを縮小させることができる。
制御部５は、温度センサ２２の検出する各電池セル２１の温度と、外気温度センサ５１の検出する外気温度と、に基づいて冷却ファン３を作動させるか否かを判定する。
制御部５は、各電池セル２１の温度のうち少なくとも１つの温度が予め設定された第１の判定温度より高い場合、冷却ファン３を作動させる。
このようにすることで、第１の判定温度より温度の高い電池セル２１があると冷却ファン３が作動し、筐体４の内部の空気循環で、筐体４の内面から熱伝達して熱を外部に逃がすことで、電池セル２１の温度を降下させるとともに、各電池セル２１の温度のばらつきを縮小させることができる。
なお、第１の判定温度は、予め実験等により求められ、制御部５のＲＯＭに記憶されている。
制御部５は、各電池セル２１の温度のいずれも第１の判定温度以下であり、且つ、各電池セル２１の温度のうち少なくとも１つの温度が予め設定された第２の判定温度より低く、且つ、各電池セル２１の温度の平均温度が外気温度より低い場合、冷却ファン３を作動させる。
このようにすることで、例えば、深夜に外気温度が−１０℃に下がり、電池セル２１の温度も−１０℃となり、日中の車両の走行開始時には外気温度が上昇して０℃になったが電池セル２１の温度は−５℃であった場合、冷却ファン３により筐体４内の空気を攪拌させて筐体４外部から熱を吸収させ、電池セル２１を加温させることができる。
なお、第２の判定温度は、第１の判定温度より低い温度であり、予め実験等により求められ、制御部５のＲＯＭに記憶されている。
制御部５は、各電池セル２１の温度のいずれも第１の判定温度以下であり、且つ、各電池セル２１の温度のうち少なくとも１つの温度が予め設定された第２の判定温度より低く、且つ、各電池セル２１の温度の平均温度が外気温度以上であり、且つ、各電池セル２１の温度の最高温度と最低温度の差が予め設定された第３の判定温度より大きい場合、冷却ファン３を作動させる。
このようにすることで、例えば、早朝に外気温度が−１０℃まで下がったが、深夜に車両を走行させたため電池セル２１に熱が残り、バッテリパック２の中心部は１０℃、バッテリパック２の端部は０℃であった場合、冷却ファン３により筐体４内の空気を攪拌させて電池セル２１の温度のばらつきを解消するとともに、電池セル２１間の温度差を利用して最低温度の電池セル２１の温度（０℃）を引き上げることができる。
なお、第３の判定温度は、予め実験等により求められ、制御部５のＲＯＭに記憶されている。
制御部５は、各電池セル２１の温度のいずれも第１の判定温度以下であり、且つ、各電池セル２１の温度のいずれも予め設定された第２の判定温度以上である場合、冷却ファン３を停止させる。
制御部５は、各電池セル２１の温度のいずれも第１の判定温度以下であり、且つ、各電池セル２１の温度のうち少なくとも１つの温度が予め設定された第２の判定温度より低く、且つ、各電池セル２１の温度の平均温度が外気温度以上であり、且つ、各電池セル２１の温度の最高温度と最低温度の差が第３の判定温度以下の場合、冷却ファン３を停止させる。
このように、例えば、早朝に外気温度が−１０℃まで下がり、深夜に車両を走行させてから時間が経過していて、既にバッテリパック２の熱が均一化して電池セル２１の温度のばらつきが少ない場合、電池セル２１間の温度差を利用して最低温度の電池セル２１を加温することができない。このような場合に冷却ファン３により筐体４内の空気を攪拌させると、筐体４の外部に放熱する熱の影響で、バッテリパック２の温度が低下するため、冷却ファン３は作動させない。
以上のように構成された本実施例に係るバッテリ冷却装置１による冷却ファン制御処理について、図９を参照して説明する。なお、以下に説明する冷却ファン制御処理は、制御部５が動作を開始すると開始され、予め設定された時間間隔で実行される。また、バッテリパック２は、n個の電池セル２１で構成されている場合を示す。
ステップＳ１において、制御部５は、外気温度センサ５１により外気温度Toutを検出する。
ステップＳ２において、制御部５は、温度センサ２２により各電池セル２１の温度T(k)(k=1,2,...,n)を検出する。
ステップＳ３において、制御部５は、各電池セル２１の温度T(k)(k=1,2,...,n)のうち上述の第１の判定温度より高いT(k)が少なくとも１つあるか否かを判定する。第１の判定温度より高いT(k)が少なくとも１つあると判定した場合、制御部５は、ステップＳ４において、冷却ファン３を作動させて、処理を終了する。
第１の判定温度より高いT(k)が少なくとも１つ無いと判定した場合、制御部５は、ステップＳ５において、各電池セル２１の温度T(k)(k=1,2,...,n)のうち上述の第２の判定温度より低いT(k)が少なくとも１つあるか否かを判定する。第２の判定温度より低いT(k)が少なくとも１つあると判定した場合、制御部５は、各電池セルの温度T(k)(k=1,2,...,n)の平均温度が外気温度Toutより低いか否かを判定する。平均温度が外気温度Toutより低いと判定した場合、制御部５は、ステップＳ４において、冷却ファン３を作動させて、処理を終了する。
平均温度が外気温度Toutより低くないと判定した場合、制御部５は、ステップＳ７において、各電池セル２１の温度T(k)(k=1,2,...,n)のうち最高温度T(k)maxと最低温度T(k)minとの差が上述の第３の判定温度より大きいか否かを判定する。最高温度T(k)maxと最低温度T(k)minとの差が上述の第３の判定温度より大きいと判定した場合、制御部５は、ステップＳ４において、冷却ファン３を作動させて、処理を終了する。
最高温度T(k)maxと最低温度T(k)minとの差が上述の第３の判定温度より大きくないと判定した場合、または、ステップＳ５において第２の判定温度より低いT(k)が１つも無いと判定した場合、制御部５は、ステップＳ８において、冷却ファン３を停止させて、処理を終了する。
このように、上述の実施例では、少なくとも一部を熱伝導部材で形成され密閉された筐体４内に冷却ファン３を配置している。
これにより、冷却ファン３を作動させることにより、筐体４内の空気が熱伝導部材で形成された筐体４に当たり、熱伝導部材と熱交換しながら循環する。このため、電池セル２１の温度のばらつきを縮小させ、バッテリパック２の各電池セル２１を効率良く冷却することができる。
また、電池セル２１間の温度のばらつきを利用して、最低温度の電池セル２１の温度を引き上げることができる。
また、冷却ファン３と筐体４の内面との隙間Ｗは、通気抵抗を極端に増やすことなく、流速を最大に高めるような距離に設定されている。
これにより、冷却ファン３から吐出する気流を筐体４の内面に沿って速い速度で流すことができる。このため、速い気流で筐体４の内部の空気と熱伝導部材の筐体４との熱交換の効率を高めることができ、放熱量を増加させることができる。
また、冷却ファン３は、バッテリパック２の中央部の上部に配置されている。これにより、バッテリパック２で一番熱が籠り電池セル２１の温度が高くなる部分を従来よりも効率的に冷却することができる。なお、冷却ファン３の配置箇所は、バッテリパック２の中央部からずれた位置でもよい。また、冷却ファン３にダクトを取り付ける構成であってもよい。
また、制御部５は、各電池セル２１の温度の平均温度が外気温度以上であり、且つ、各電池セル２１の温度の最高温度と最低温度の差が第３の判定温度より大きい場合、冷却ファン３を作動させる。
これにより、低温環境下でも電池セル２１の温度のばらつきが大きい場合は、冷却ファン３が作動される。このため、低温環境下で、温度が高い電池セル２１の熱を奪い、奪った熱で温度の低い電池セル２１に加温することができる。さらに、外気温度が高いため、外気から吸熱して電池セル２１に加温することができる。
また、電池セル２１の温度のばらつきを縮小させているため、電池セル２１の温度で制約される入出力性能を高めることができる。また、電池セル２１の温度で制約される充電容量を高めることができる。
また、車両の走行中にも冷却ファン３の制御を行なうことで、電池セル２１の過度な温度上昇を抑えることができる。
また、筐体４は密閉されているため、外部から水分や埃の侵入を防止することができる。また、筐体４は密閉されているため、音が外部に漏れないので、冷却ファン３は、騒音を考慮することなく最高吐出量で作動させることができる。
本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
１ バッテリ冷却装置
２ バッテリパック
３ 冷却ファン（送風部）
４ 筐体
５ 制御部
２１ 電池セル
２２ 温度センサ
５１ 外気温度センサ

Claims (3)

  1. 少なくとも一部が熱伝導部材で形成され、密閉された筐体と、
    前記筐体内に設置され、複数の電池セルで構成されたバッテリパックと、
    前記電池セルに空気を送風する、または前記バッテリパックから空気を吸引する送風部と、
    前記電池セルの温度に基づいて前記送風部を作動させる制御部と、を備え、
    前記筐体は、少なくとも前記複数の電池セルが設置されている面と対向する面が放熱面として熱伝導部材で形成され、
    前記送風部は、前記筐体の内側の前記放熱面に配置されており、かつ前記複数の電池セルが設置されている領域の中央に設置されているバッテリ冷却装置。
  2. 前記送風部は、前記放熱面と所定距離だけ離間して設置されている請求項１に記載のバッテリ冷却装置。
  3. 前記複数の電池セルそれぞれの温度を検出する温度センサを備え、
    前記制御部は、前記温度センサで検出された前記複数の電池セルの温度のうち少なくとも一つの前記電池セルの温度が第１の判定温度より高いことを条件に前記送風部を作動させる請求項１または請求項２に記載のバッテリ冷却装置。
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