JP4960373B2 - バッテリパック用の熱放散装置及びそれを使用したバッテリパック - Google Patents

Description

本発明は、熱放散装置に、特にバッテリパック用の熱放散装置及びそれを使用したバッテリパックに関する。

現在、バッテリパックは電気自動車などのさまざまな分野で広く使用されている。環境保護及び省エネルギーの意識が高まっているので、電気自動車の発展により多くの注意が払われている。そのような状況下で、電気自動車の心臓部であるバッテリパックは、電気自動車の研究での重要なポイントになってきている。

バッテリパックは、複数の電池をさまざまなやり方で直列又は並列に接続し、次に接続した電池を留め付けて固定することによって形成されてもよい。電池は、Ｎｉ−Ｃｄ電池、Ｎｉ−ＭＨ電池などの従来のアルカリ二次電池、又はリチウムイオン電池でよい。

たとえば、中国実用新案登録第２４５０７８５Ｙ号は、主として端板、プレス板及び絶縁仕切り板を有する、矩形の密封電池の締め付け及び組み付け用の構造体であって、電池及び絶縁仕切り板を交互に配置し、それによってバッテリパックを形成しており、絶縁仕切り板をバッテリパックの両端部の外側に配置し、端板をそこに配置し、２枚のプレス板をそれぞれバッテリパックの２側部に置いて、２枚の端板の取り付け位置で締め付け、次にバッテリパック全体を密接に固定し、電池を接続部品で互いに接続するようにした構造体を開示している。

バッテリパックは高い動作電流を有するので、それは動作中に大量の熱を発生することがある。しかしながら、従来のバッテリパックでは、バッテリパックによって発生した熱を急速かつ効率的に放散させることができなかったので、それにより、バッテリパックの電気化学特性が低下し、バッテリの発熱、発火及び爆発などの何らかの事故が発生することさえあるであろう。

本発明の目的は、電池によって発生した熱を急速かつ効率的に放散させることができ、それにより、発生した熱を急速かつ効率的に放散させることができなかった従来のバッテリパックの不利点を克服できるようにする、バッテリパック用の熱放散装置を提供することである。

本発明の別の目的は、上記熱放散装置を使用したバッテリパックを提供することである。

本発明の一態様によれば、バッテリパック用の熱放散装置は、
集熱チャネルを内部に有する集熱板と、
熱放散チャネルを内部に有する熱放散板と、
ポンプと
を備え、
集熱チャネルの一方のポートが熱放散チャネルの一方のポートと連通し、集熱チャネルの他方のポートは、ポンプの液体出口と連通し、ポンプの液体入口は、熱放散チャネルの他方のポートと連通している。

本発明の別の態様によれば、バッテリパックは、直列又は並列に接続された複数の電池を備え、さらに、
集熱チャネルを内部に有する複数の集熱板と、
熱放散チャネルを内部に有する熱放散板と、
ポンプと
を有する熱放散装置であって、
電池は、２枚の隣接した集熱板間に配置され、
集熱チャネルの一方のポートが熱放散チャネルの一方のポートと連通し、集熱チャネルの他方のポートは、ポンプの液体出口と連通し、ポンプの液体入口は、熱放散チャネルの他方のポートと連通しており、
且つ集熱板内の集熱チャネルは、直列又は並列に連通している、熱放散装置を備える。

熱放散装置の動作中、電池によって発生した熱を集熱板内に集めて、ポンプによって集熱チャネル内へ送り込まれた冷却液によって吸収することができ、熱を運ぶ冷却液は、熱放散チャネルに流れ込み、熱は熱放散板を通して外部に放散され、次に冷却液は、ポンプによって熱放散チャネルから集熱チャネル内へ繰り返して送り込まれ、それにより、電池によって発生した熱を急速かつ効率的に放散させることができる。

以下に、本発明によるバッテリパック用の熱放散装置及びそれを使用したバッテリパックを、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、バッテリパック用の本熱放散装置は、集熱チャネル１１を有する集熱板１と、熱放散チャネル１２を有する熱放散板２と、ポンプ３とを備え、集熱チャネル１１の一方のポートが熱放散チャネル１２の一方のポートと連通し、集熱チャネル１１の他方のポートは、ポンプ３の液体出口と連通し、ポンプ３の液体入口は、熱放散チャネル１２の他方のポートと連通している。

集熱チャネル１１及び熱放散チャネル１２は、冷却液を内部に収容してもよい。冷却液は、冷却用のさまざまな既知の液体でよく、好ましくは水である。集熱チャネル１１の一方のポートが、パイプを使用して熱放散チャネル１２の一方のポートと連通してもよく、集熱チャネル１１の他方のポートは、パイプを使用してポンプ３の液体出口と連通してもよく、ポンプ３の液体入口は、パイプを使用して熱放散チャネル１２の他方のポートと連通してもよい。パイプは、以下の２つの方法、すなわち（１）集熱チャネル、熱放散チャネル及びポンプのポートにねじ山を付け、パイプの端部に、ねじ山を有するコネクタを設け、コネクタをポートに接続する方法、及び（２）パイプの端部をポートに挿入し、次にシーリングバインダで密封する方法であって、この場合、ポート及びパイプの断面は、円形、矩形又は多角形などのいずれの形状でもよい、方法によって、集熱チャネル、熱放散チャネル及びポンプのポートに接続されることができる。

本発明の熱放散装置の動作中、冷却液はポンプ３によって集熱チャネル１１内へ送り込まれ、集熱板１内の熱を吸収し、次に、熱を運んでいる冷却液は、熱放散チャネル１２に流れ込み、熱は熱放散板２から放散され、次に冷却液は、ポンプによって熱放散チャネル１２から集熱チャネル１１内へ繰り返して送り込まれ、それにより、電池によって発生した熱は、冷却液の循環中に急速かつ効率的に放散されることができる。

本発明は、集熱板１をいずれかの特定の材料に制限する意図はない。好ましくは、集熱板は、アルミニウム合金又は銅合金などの優れた熱伝導率を有する材料で形成されることができる。また、集熱板１の数を具体的に制限することはなく、実際には増減させてもよい。図１に示すように、３枚の集熱板１、すなわち上部集熱板、中間集熱板及び底部集熱板がある。多数の集熱板１がある場合、その集熱板内の集熱チャネル１１は、並列又は直列に、好ましくは（図１〜図４に示すように）並列に互いに連通してもよく、これにより、熱を外部へより効率的に伝えることができる。

好適な一実施形態によれば、集熱板１の表面上に突出部１７及び／又は溝１８が設けられる。好ましくは、多数の集熱板１があり、突出部１７及び／又は溝１８は、２枚の隣接した集熱板の互いに向き合う表面上に設けられる。突出部１７及び／又は溝１８は、２枚の隣接した集熱板の互いに向き合う表面の一方に、又は好ましくはその両方に配置される。突出部１７及び／又は溝１８は、２枚の隣接した集熱板の互いに向き合う表面の一方に、又は好ましくはその両方に設けられることができる。図１に示すように、３枚の集熱板１、すなわち上部集熱板、中間集熱板及び底部集熱板があり、突出部は、上部及び底部集熱板１１の、中間集熱板と向き合う表面上と、中間集熱板の両表面上とに設けられる。

図１に示すように、突出部１７は、集熱板１の表面上に設けられ、好ましくは、長手方向に平行に配置された複数の突出部がある。熱放散装置を、表面に溝を有する電池を備えるバッテリパック用に使用する場合、突出部は各電池の溝とはまり合うことができる。

図４に示すように、溝１８は、集熱板１の表面上に設けられ、好ましくは、長手方向に平行に配置された複数の溝がある。熱放散装置を、円筒形電池を備えるバッテリパック用に使用する場合、突出部は円筒形電池の表面とはまり合うことができる。

本熱放散装置の動作中、上記実施形態は、電池によって発生した熱を効率的に伝達するために十分な接触面積を集熱板及び電池間に与えるだけでなく、電池の組み付け時の位置決め精度及び固定強度も与えることができ、その結果、熱放散装置を使用したバッテリパックの安全特性及び熱放散特性の両方を改善することができる。

本発明によれば、熱放散板２は、良好な熱伝導率を有するさまざまな材料で、制限するわけではないが、例えばアルミニウム合金及び銅合金で形成されることができる。図５は、熱放散板の下面の構造を示す。図５に示すように、ヒートシンク１３が、熱放散板２の下面上に設けられ、それにより、熱放散板２の熱放散面積を増加させて、熱放散効率を高めることができる。本発明によれば、ヒートシンク１３の数及び取り付け方は、実際的に多様でよい。たとえば、図５に示すように、ヒートシンク１３は、熱放散板２の下面上に長手方向に配置されてもよい。本発明によれば、熱放散板の数は具体的には制限されない。図１〜図４に示すように、１枚の熱放散板２がある。複数の熱放散板２がある場合、板２内の熱放散チャネル１２は並列又は直列に、好ましくは並列に接続されてもよい。

ポンプ３は、さまざまな従来型サーキュラーポンプでよく、本実施形態ではそれらは具体的に制限されない。

図３に示すように、本熱放散装置は、温度センサ６及び電子制御ユニット（ＥＣＵ）をさらに備えてもよい。ＥＣＵ７は、Ａ／Ｄ変換器、プログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）及び周波数変換器を有する。温度センサ６は、集熱板１に取り付けられ、Ａ／Ｄ変換器は、温度センサ６及びプログラマブルコントローラに電気的に接続され、さらに周波数変換器は、ポンプ３及びプログラマブルコントローラに電気的に接続される。本発明は、温度センサ６をいずれかの特定の形式に制限する意図はない、すなわち、それは、赤外線測温体などのさまざまな従来型温度センサであってよい。温度センサ６は、接着性シリカゲルなどの接着剤によって集熱板１上に付着されてもよい。複数枚の集熱板がある場合、各集熱板に１つの温度センサを取り付ける。ＥＣＵ７のＰＬＣは、温度の信号に応じてポンプの回転速度をプログラムするために使用される。

温度センサ６は、集熱板１の温度を検出して、その温度検出値をＥＣＵ７のＡ／Ｄ変換器に送り、そこで、その値はアナログ信号からデジタル信号に変換され、次にＰＬＣに送られる。ＰＬＣは、所定プログラムに従って命令を送る。命令に従って、周波数変換器は、対応速度で回転するようにポンプ３を制御する。ポンプ３の回転速度は、集熱板１の温度によって決まる。温度が高く、より多くの熱がバッテリパックによって発生することを表すとき、ポンプ３はより高速で回転し、それにより、熱を急速に運び去り、バッテリパックの安全性を保証することができる。温度が低く、より少ない熱がバッテリパックによって発生することを表すとき、ポンプ３はより低速で回転するか、停止することもあり、それにより、エネルギーを節約できるようにする。

図６及び図７に示すように、本バッテリパックは、直列又は並列に接続された複数の電池４を備え、さらに、集熱板１、熱放散板２及びポンプ３を有する熱放散装置を備える。集熱板１の数は複数であり、電池４は２枚の集熱板１の間に配置される。集熱板１はそれぞれ集熱チャネル１１を内部に有し、熱放散板２は、熱放散チャネル１２を有する。集熱チャネル１１の一方のポートが熱放散チャネル１２の一方のポートと連通し、集熱チャネル１１の他方のポートは、ポンプ３の液体出口と連通し、ポンプ３の液体入口は、熱放散チャネル１２の他方のポートと連通している。集熱板１内の集熱チャネル１１は、直列又は並列に連通している。

集熱板１からの熱、すなわち、電池４によって発生した熱をより効率的に運び去るために、集熱チャネル１１は好ましくは並列に接続される。集熱板１、熱放散板２、ポンプ３、集熱チャネル１１及び熱放散チャネル１２は以上に詳細に説明されており、ここではさらなる詳細を省く。

図６に示すように、電池を接続するために従来使用されている接続部品１４によって複数の電池４を直列又は並列に接続することができる。

図６に示すように、本バッテリパックは支持フレーム８をさらに備え、その上に集熱板１及び熱放散板２をいずれかの既知の手段によって取り付けてもよい。たとえば、本発明の一実施形態では、集熱板１及び支持フレーム８がそれぞれ貫通穴を有し、ボルト５を設けて貫通穴に挿通し、ナットによって固定する。ボルト５は好ましくは段付きボルトである。本実施形態では、各電池４は、段付きボルトによって接続された２枚の隣接した集熱板間に位置付けられ、それにより、電池は、いずれの圧力応力も伴わないで２枚の板の間に安定的に取り付けられることができ、それにより、振とうの場合などの外力の衝撃による電池のずれを防止することができ、バッテリパック内の短絡を回避することができ、したがって、バッテリパックの機械的安全性が向上する。

好ましくは、集熱板１と電池４との間の接触面を熱伝導性接着剤で覆ってもよく、これは、板及び電池間の接続強度を高め、それにより、本バッテリパックの機械的安全特性を改善するだけでなく、電池によって発生した熱を集熱板に伝導し、それにより、熱放散効率を増すことができる。いずれの既知の熱伝導性接着剤を使用してもよく、好ましくは熱伝導性シリカゲルを熱伝導性接着剤として使用する。

図１０に示すように、支持フレーム８は、３本の平行ビーム１５と、ビーム１５間の２つの固定溝１６とを有してもよい。熱放散板２を固定溝１６によって支持フレーム８上に取り付けることができ、次に集熱板１を熱放散板２上に取り付ける。

本発明によれば、さまざまな種類の電池をバッテリパック内に使用することができ、制限するわけではないが、たとえばＮｉ−Ｃｄ、Ｎｉ−Ｚｎ及びＮｉ−ＭＨ電池などのアルカリ二次電池及びリチウムイオン電池がある。

本発明は、電池をいずれかの特定の数又は量に制限する意図はない。すなわち、電池の数は、実際的に増減させることができる。対応の集熱板の数も増減させることができる。図７及び図８に示すように、２層に分割された８個の電池と、６枚の集熱板と、２枚の熱放散板とがある。図９に示すように、２層に分割された４０個の電池と、６枚の集熱板と、２枚の熱放散板とがある。

本発明は、電池をいずれかの特定の形状に制限する意図はない。電池を図７に示すような六角形結合体、図８に示すような矩形単一体、又は図９に示すような円筒形単一体として形づくることができる。

本発明の一実施形態によれば、図７に示すように、電池４は、その表面上に溝を有し、集熱板１は、電池４と接触する表面上に、溝とはまり合う突出部１７を有する。突出部は、同一電池４と接触する２枚の隣接した集熱板の対向面のいずれか一方又は両方に、好ましくは対向面の両方に形成されてもよい。

本発明の別の実施形態によれば、図９に示すように、電池４は円筒形単一電池であり、底部集熱板１は、円筒形電池の表面とはまり合う溝１８を有する。溝１８は、同一電池４と接触する２枚の隣接した集熱板の対向面のいずれか一方又は両方に、好ましくは対向面の両方に形成されてもよい。

上記２つの実施形態では、電池によって発生した熱を伝達するために十分な接触面積が集熱板１及び電池４間にあり、また同時に、電池の組み付け中の位置決め精度及び固定強度を高めることができる。

図７〜図９に示すように、本熱放散装置は、ＥＣＵ７及び複数の温度センサ６をさらに有してもよい。ＥＣＵ７は、Ａ／Ｄ変換器、プログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）及び周波数変換器を有する。温度センサ６は、各電池４又は集熱板１に取り付けられる。Ａ／Ｄ変換器は、温度センサ６及びプログラマブルコントローラに電気的に接続され、周波数変換器は、ポンプ３及びプログラマブルコントローラに電気的に接続される。本発明は、温度センサ６をいずれかの特定の形式に制限する意図はない、すなわち、それは、赤外線測温体などのさまざまな従来型温度センサでよい。温度センサ６は好ましくは、接着性シリカゲルなどの接着剤によって各電池上に付着される。温度センサ及びＥＣＵの動作原理は以上に詳細に説明されており、ここではさらなる詳細を省く。

以下に、図７に示すバッテリパックに関して、本発明のバッテリパックの組み付け手順を説明する。
１．２枚の熱放散板２をそれぞれ支持フレーム８の固定溝１６内に入れて、６本のボルト５（段付きボルト）をビームの貫通穴に挿通して、段付きボルトの第１段によって２枚の底部集熱板１をそれぞれ２枚の熱放散板２上に取り付け、次に、第１ナットを段付きボルトに締め付けることによってそれらを固定し、
２．底部集熱板１の上面を伝導性シリカゲルで覆い、それぞれに１つの温度センサ６（赤外線側温体）を熱伝導性シリカゲルによって付着させた４個の電池４を底部集熱板１の上に、その上の突出部１７と整合させて載置し、電池４の表面を熱伝導性シリカゲルで覆い、２枚の集熱板２を電池４の上に、電池４の溝と整合させて載置し、次に、第２ナットを段付きボルトに締め付け、
３．上記ステップ２を繰り返して、それぞれに１つの温度センサ６（赤外線側温体）を熱伝導性シリカゲルによって付着させた第２層の電池を載置し、別の２枚の集熱板を第２電池層の上に載置し、第３ナットを段付きボルトに締め付け、
４．ねじ山付き端部を有する断熱パイプを使用して、集熱チャネル１１の一方のポートを熱放散チャネル１２の一方の端部と連通させ、集熱チャネル１１の別のポートをポンプ３の出口と連通させ、熱放散チャネル１２の別のポートをポンプの入口と連通させるようにし、集熱チャネル、ポンプ及び熱放散チャネルはすべて、それらのポートにねじ山を有しており、
５．温度センサを信号線によってＥＣＵ７の入力ポートに接続し、
６．ＥＣＵ７の出力ポートを信号線によってポンプ３に接続し、
７．すべての電池４を接続部品１４で互いに接続し、それにより、バッテリパックを形成する。

本発明によるバッテリパック用の熱放散装置を概略的に示す斜視図である。 本発明によるバッテリパック用の熱放散装置を示す断面図である。 本発明によるバッテリパック用の別の熱放散装置を示す断面図である。 本発明によるバッテリパック用のさらに別の熱放散装置を示す断面図である。 本発明によるバッテリパック用の熱放散装置の熱放散板を概略的に示す斜視図である。 本発明によるバッテリパックを概略的に示す斜視図である。 本発明によるバッテリパックを示す断面図である。 本発明による別のバッテリパックを示す断面図である。 本発明によるさらに別のバッテリパックを示す断面図である。 支持フレームの構造を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 集熱板
２ 熱放散板
３ ポンプ
４ 電池
５ ボルト
６ 温度センサ
７ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
８ 支持フレーム
１１ 集熱チャネル
１２ 熱放散チャネル
１３ ヒートシンク
１４ 接続部品
１５ ビーム
１６ 保持スロット
１７ 突出部
１８ 溝

Claims (6)

1. 直列又は並列に接続された複数の電池（４）、支持フレーム（８）及び熱放散装置を備えるバッテリパックであって、
   該熱放散装置が
   集熱チャネル（１１）を内部に有する複数の集熱板（１）と、
   熱放散チャネル（１２）を内部に有する熱放散板（２）と、
   ポンプ（３）と
   を備え、
   支持フレーム（８）上に集熱板（１）及び熱放散板（２）が取り付けられ、且つ、集熱板（１）が熱放散板（２）の上方に配置され、
   電池（４）は、２枚の隣接した集熱板（１）間に配置され、
   集熱チャネル（１１）の一方のポートが熱放散チャネル（１２）の一方のポートと連通し、集熱チャネル（１１）の他方のポートは、ポンプ（３）の液体出口と連通し、ポンプ（３）の液体入口は、熱放散チャネル（１２）の他方のポートと連通しており、
   集熱板（１）内の集熱チャネル（１１）は、直列又は並列に連通している、バッテリパック。
2. 集熱チャネル（１１）及び熱放散チャネル（１２）は、冷却液を内部に収容している、請求項１に記載のバッテリパック。
3. 集熱板（１）及び電池（４）間の接触面を熱伝導性接着剤で覆ってなる、請求項１に記載のバッテリパック。
4. 電池（４）は、その表面上に溝を有し、
   集熱板（１）は、電池（４）と接触する表面上に、溝とはまり合う突出部（１７）を有する、請求項１に記載のバッテリパック。
5. 電池（４）は、円筒形電池であり、
   集熱板（１）は、電池（４）と接触するそれらの表面上に、円筒形電池の表面とはまり合う溝（１８）を有する、請求項１に記載のバッテリパック。
6. 熱放散装置が、
   各電池（４）又は各集熱板（１）にそれぞれ取り付けられた複数の温度センサ（６）と、
   Ａ／Ｄ変換器、プログラマブルコントローラ及び周波数変換器を有するＥＣＵ（７）とをさらに備え、
   Ａ／Ｄ変換器は、各温度センサ（６）及びプログラマブルコントローラに電気的に接続され、周波数変換器は、ポンプ（３）及びプログラマブルコントローラに電気的に接続される、請求項１に記載のバッテリパック。

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