JP5072852B2 - 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、
ヒートパイプと、
底部集熱板及び上方集熱板を有し、その両方に穴を形成した集熱板と
を備え、ヒートパイプの２端部が、それぞれ底部集熱板及び上方集熱板の穴に挿入される。

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有し、さらに、
ヒートパイプと、
底部集熱板及び上方集熱板を有し、その両方に穴を形成し、且つそれらの間に電池を配置した集熱板と
を備える熱放散装置であって、ヒートパイプの２端部が、それぞれ底部集熱板及び上方集熱板の穴に挿入される、熱放散装置を有する。

本発明による熱放散装置を使用したバッテリパックの動作中、電池によって発生した熱は上方集熱板に集められ、次に底部集熱板に、それに挿入されたヒートパイプを介して伝達され、最終的に底部集熱板によって外部に放散されるので、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、バッテリパック用の熱放散装置、及び本発明による熱放散装置を使用したバッテリパッケージを、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、ヒートパイプ１と集熱板２とを備え、集熱板２は、底部集熱板１１及び上方集熱板１２を有し、その各々に穴１３が形成されており、ヒートパイプ１の一端部が底部集熱板１１の穴１３に挿入され、他端部は上方集熱板１２の穴１３に挿入されている。

本熱放散装置によれば、ヒートパイプ１は、熱伝導率が高い要素である。ヒートパイプは主に、液体を内部に収容してパイプの内壁に沿って軸方向に延在する毛管コアを有する閉鎖中空管として構成される。パイプの内部は予め真空にされ、それにより、パイプ内には、液体と平衡状態にある飽和蒸気だけが入っている。ヒートパイプの一端部を高温位置に置き、他端部を低温位置に置く場合、一端部（高温端部）の液体が急速に蒸発して、高温端部での飽和蒸気圧力が他端部（低温端部）のものより高くなる。そして、飽和蒸気は高温端部から低温端部へ流れ、低温端部で凝縮し、気化熱を放出又は放散する。また次に、凝縮液は、毛管作用によって高温端部に戻る。熱は高温端部から低温端部へ繰り返し伝えられることができるので、ヒートパイプを優れた熱伝導体として使用することができる。

本発明は、ヒートパイプ１をいずれかの特定の形状に制限する意図はない。本発明の一実施形態によれば、図１に示すように、ヒートパイプ１をＵ字形ヒートパイプとして設計して、その一端部を底部集熱板１１の穴に挿入し、他端部を上方集熱板１２の穴に挿入するようにしてもよい。本実施形態では、熱を上方集熱板１２から底部集熱板１１に伝達するためにＵ字形ヒートパイプが使用されるので、熱が急速かつ効率的に伝達される一方で、熱放散装置のサイズを縮小させることができる。

本発明は、ヒートパイプ１の断面をいずれかの特定の形状に制限する意図はない。本発明の一実施形態によれば、ヒートパイプ１の断面は矩形でよく、この時、ヒートパイプの端部を保持する穴１３の断面も矩形でよい。本実施形態では、ヒートパイプの断面は矩形であるので、バッテリパックによって発生した熱を伝達するのに十分な接触面積がヒートパイプ１及び集熱板２間に存在するという前提に基づいて、集熱板２の厚さを最小にすることができ、それにより、熱放散装置、及びそれを使用したバッテリパックの全体寸法を減少させ、またバッテリパックのエネルギー密度を増加させることができる。

本発明によれば、ヒートパイプ１の数は特に制限されることはなく、実際には増減させてもよい。しかしながら、各上方集熱板１２用に少なくとも１本のヒートパイプ１を設けるべきである。バッテリパックによって発生する熱の量が少ない場合、各上方集熱板１２用に１本のヒートパイプ１だけを設けてもよいが、熱量が多い場合、２本以上のヒートパイプ１を設けてもよい。もちろん、使用するヒートパイプの数が多ければ、熱放散装置はそれだけより複雑かつ高価になるであろう。当業者には、実際に適当な本数のヒートパイプを選択することは明らかである。

本発明は、集熱板２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２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。集熱板２は、底部集熱板１１及び上方集熱板１２を有する。本発明では、上方集熱板１２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が、複数であることが好ましい。図１に示すように、２枚の上方集熱板１２がある。

本発明は、集熱板２内の穴１３をいずれかの特定サイズに制限する意図はない。好ましくは、穴１３の断面は、ヒートパイプ１の断面にぴったり合うか、それよりわずかに大きい。穴に挿入する前にヒートパイプ１の端部を熱伝導性シリカゲルで覆い、それにより、その間の接続強度を高めるようにしてもよい。

本発明によれば、穴１３の数は具体的には制限されない。好ましくは、各上方集熱板１２内の穴１３の数は、それ用に設けられたヒートパイプ１の数に等しく、また、底部集熱板１１内の穴１３の数は、熱放散装置内に使用されるヒートパイプ１の総数に等しい。底部集熱板１１内に複数の穴がある場合、これらの穴を互いに平行に設計してもよい。好ましくは、これらの穴は、底部集熱板１１の底面を基準にして同一高さ又は異なった高さで、好ましくは同一高さで、平行に配置されてもよい。

好適な一実施形態によれば、底部集熱板１１の上面上、及び上方集熱板１２の表面上に突出部１８及び／又は溝１９が設けられる。突出部１８及び／又は溝１９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。突出部１８及び／又は溝１９は、各集熱板の片面又は両面に設けられることができる。たとえば、図１及び図２に示すように、突出部は、底部集熱板１１の上面上、上方集熱板１２の底面上、及び中間の上方集熱板１２の両面上に設けられる。

図１及び図２に示すように、底部集熱板１１の上面及び上方集熱板１２の表面上に突出部１８がある。突出部１８の数は好ましくは複数であり、これらの突出部１８は好ましくは、長手方向に平行に配置される。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３に示すように、底部集熱板１１の上面及び上方集熱板１２の表面上に溝１９がある。溝１９の数は好ましくは複数であり、これらの溝は好ましくは、長手方向に平行に配置される。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。

本発明の熱放散装置によれば、ヒートシンク１４又は熱放散板３である熱放散構造体を底部集熱板の下面の下に設けてもよい。

ヒートシンク１４は、底部集熱板１１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。ヒートシンク１４の数及び取り付け方は、実際的に多様でよい。たとえば、ヒートシンク１４は、底部集熱板１１の下面上に長手方向に配置されてもよい。

熱放散板３を底部集熱板１１の下に設けてもよく、熱放散板３の上面は、底部集熱板１１の下面に緊密に接触し、それにより、熱を底部集熱板１１から熱放散板３に効率的に伝達することができる。

本発明によれば、熱放散板３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４に示すように、ヒートシンク１４は、熱放散板３の下面上に設けられ、それにより、熱放散板３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１４の数及び取り付け方は、実際的に多様でよい。たとえば、図４に示すように、ヒートシンク１４は、熱放散板３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ることはなく、底部集熱板の数と同じでよい。

図５及び図６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と、ヒートパイプ１及び集熱板２を有する熱放散装置とを備える。集熱板２は、底部集熱板１１及び上方集熱板１２を含み、電池４は、底部集熱板１１及び上方集熱板１２間に設けられる。底部集熱板１１及び上方集熱板１２はそれぞれ穴１３を内部に有し、ヒートパイプ１の２端部が、それぞれ底部集熱板１１及び上方集熱板１２の穴１３に挿入されている。

複数の上方集熱板１２があるとき、電池４は底部集熱板１１及び隣接の上方集熱板１２間、及び２枚の隣接した上方集熱板１２間に配置される。すなわち、電池は、それぞれ２枚の隣接した集熱板間に配置される。

ヒートパイプ、集熱板及び板に形成された穴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５に示すように、従来のバッテリパックで使用されている接続部品１５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５に示すように、本バッテリパックは支持フレーム５をさらに備え、その上に集熱板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２及び支持フレーム５がそれぞれ貫通穴を有し、ボルト６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６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、電池４と上方集熱板及び底部集熱板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９に示すように、支持フレーム５は、３本の平行ビーム１６と、ビーム１６間の２つの固定溝１７とを有してもよい。図６及び図７に示すように、熱放散板３は、底部集熱板１１の下面の下に設けられる。熱放散板３を固定溝１７によって支持フレーム５上に取り付けることができ、次に底部集熱板１１を熱放散板３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、電池及び集熱板をいずれかの特定の数又は量に制限する意図はない。図６及び図７に示すように、２層に分割された８個の電池と、３層に分割された６枚の集熱板（１層をなす２枚の底部集熱板、及び２層に分割された４枚の上方集熱板）と、２枚の熱放散板とがある。図８に示すように、２層に分割された４０個の電池と、３層に分割された６枚の集熱板（１層をなす２枚の底部集熱板、及び２層に分割された４枚の上方集熱板）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６に示すような六角形結合体、図７に示すような矩形単一体、又は図８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６に示すように、電池４は、その表面上に溝を有し、底部集熱板１１及び上方集熱板１２は、電池４と接触する表面上に、溝とはまり合う突出部１８を有する。突出部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。

本発明の別の実施形態によれば、図８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１１及び上方集熱板１２は、円筒形電池の表面とはまり合う溝１９を有する。溝１９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２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。

以下に、図６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３をそれぞれ支持フレーム８の固定溝１７内に入れて、６本のボルト５（段付きボルト）をビーム１６の穴に挿通して、段付きボルトの第１段によって２枚の底部集熱板１１をそれぞれ２枚の熱放散板３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１１の上面を伝導性シリカゲルで覆い、４個の電池４を底部集熱板１１の上に、その上の突出部１８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枚の上方集熱板１２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、第２層の電池を載置し、上方集熱板を第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．上方集熱板及び底部集熱板間の距離に基づいて適当な長さのヒートパイプを選択し、そのヒートパイプをＵ字形に曲げ、
５．Ｕ字形ヒートパイプの２端部の表面を熱伝導性シリカゲルで覆い、シリカゲルが硬化する前に、両端部を上方集熱板及び底部集熱板内の対応する穴へ所定深さに挿入し、
６．ステップ４及び５を繰り返して、シリカゲルで覆ったヒートパイプを他の上方集熱板及び底部集熱板内の対応する穴に挿入して、すべてのヒートパイプを互いに邪魔しないように維持し、
７．すべてのヒートパイプが組み付けられるまで、ステップ６を繰り返し、
８．すべての電池４を接続部品１５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熱放散装置に使用される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 ヒートパイプ
２ 集熱板
３ 熱放散板
４ 電池
５ 支持フレーム
６ ボルト
１１ 底部集熱板
１２ 上方集熱板
１３ 穴
１４ ヒートシンク
１５ 接続部品
１６ ビーム
１７ 保持スロット
１８ 突出部
１９ 溝

Claims (6)

1. 直列又は並列に接続された複数の電池（４）及び熱放散装置を備えるバッテリパックであって、
   該熱放射装置が
   ヒートパイプ（１）と、
   底部集熱板（１１）及び上方集熱板（１２）を有し、その両方に穴（１３）を形成し、且つその間に電池（４）を配置した集熱板（２）と、
   底部集熱板（１）の下面の下に設けられた、ヒートシンク（１４）又は熱放散板（３）である熱放散構造体と
   を備え、
   上方集熱板（１２）の数は複数であり、各上方集熱板（１２）は少なくとも１つの穴を有し、
   電池（４）は、底部集熱板（１１）と１つの隣接した上方集熱板（１２）との間、及び２つの隣接した上方集熱板（１２）の間に配置され、
   底部集熱板（１１）には複数の穴が設けられており、
   ヒートパイプ（１）はＵ字形であり、各Ｕ字形ヒートパイプの一端部が、底部集熱板（１１）の１つの穴に挿入され、他端部は、上方集熱板（１２）の１つの穴に挿入される、バッテリパック。
2. 底部集熱板（１１）内の穴の数は、Ｕ字形ヒートパイプ（１）の数と同一であり、
   底部集熱板（１１）内の穴は、互いに平行である、請求項１に記載のバッテリパック。
3. 集熱板（２）を固定する支持フレーム（５）をさらに備える、請求項１に記載のバッテリパック。
4. 電池（４）と底部集熱板及び上方集熱板との間の接触面が、熱伝導性接着剤で覆われている、請求項１に記載のバッテリパック。
5. 電池（４）は、その表面上に溝を有し、
   底部集熱板及び上方集熱板は、電池（４）と接触するそれらの表面上に、溝とはまり合う突出部（１８）を有する、請求項１に記載のバッテリパック。
6. 電池（４）は、円筒形電池であり、
   底部集熱板及び上方集熱板は、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（１９）を有する、請求項１に記載のバッテリパック。

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