JP5122464B2 - 車両用バッテリパックの冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車およびハイブリッド電気自動車の電力源として用いられる車両用バッテリパックの冷却システムに関する。より詳しくは、本発明の車両用バッテリパックの冷却システムは、車両のキャビンから分離されているバッテリパックの周辺領域において車両の内部に存在している空気を、バッテリパックを冷却するための空気（冷媒）として用いるとともに、空気を導入するための吸気ダクトを有しておらず、バッテリパックを通過して加熱された空気は車両の内部空間に接続された排気ダクトを介して排出され、バッテリパックの周辺領域へと空気が再び循環する可能性が低くなるように構成され、これにより車両の外にある空気を冷却用空気として用いるときに生じる問題およびキャビン内の空気を冷却用空気として用いるときに生じる問題を同時に解決し、バッテリパックをコンパクトな構造で製造するようになっている。

ガソリンおよびディーゼル油のような化石燃料を使用する車両から生じる最大の問題の一つは大気汚染の発生である。充電および放電が可能な二次電池を車両の電力源として用いる技術は、上述した問題を解決するための１つの方法としてかなりの注目を集めてきた。その結果、電池のみを用いて作動する電気自動車（ＥＶ）および電池と従来のエンジンとを組み合わせて用いるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が開発されてきた。電気自動車およびハイブリッド電気自動車のいくつかは、現在、商業的に用いられている。電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の動力源として、主にニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）二次電池が用いられてきた。しかしながら、近年は、リチウムイオン二次電池の使用が試みられている。

電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の電力源として用いられる二次電池には、高い出力および大きな電気容量が求められる。このため、複数の小さな寸法の二次電池（ユニットセル）を互いに直列にあるいは並列に接続して電池モジュールを構成するとともに、複数の電池モジュールを並列にあるいは直列に接続してバッテリパックを構成している。

しかしながら、そのような出力が高く大きな電気容量の二次電池においては、ユニットセルの充電および放電の間にユニットセルから大量の熱が発生する。ユニットセルの充電および放電の間にユニットセルから発生した熱が効果的に取り除かれないと、ユニットセルの内部に熱が蓄積し、その結果としてユニットセルが劣化する。したがって、出力が高く電気容量が大きい二次電池である車両用バッテリパックには、冷却システムを設ける必要がある。

一般的に、車両用バッテリパックの冷却システムは、冷媒として空気を用いる空冷構造として構成される。この空冷構造においては、バッテリパックを冷却するために車両の外部あるいは内部の空気を導入し、そして車両の外部に排出する。したがって、冷却システムの効率を改善する様々な技術が開発されてきた。

例えば、韓国特許公開２００１−５７６２８号公報に開示されている車両用バッテリパックの冷却システムは、車両の外部あるいは内部の空気を冷媒として用いるときに、その空気の湿度および温度を制御するためのヒータおよびエバポレータを備えている。また、韓国特許公開２００５−７０７２６号公報に開示されている車両用バッテリパックの冷却システムにおいては、吸気ポートおよび排気ポートにそれぞれ冷却ファンが配設されて、冷却効率を改善するようになっている。さらにまた、韓国特許公開２００５−４１３２３号公報に開示されている車両用バッテリパックの冷却システムにおいては、空気供給路の面積を可変として冷却効率を改善するようになっている。

上述した開示のものは、バッテリパックの冷却効率を改善するという利点を有している。冷媒としての空気が車両の外部から供給されるからである。しかしながら、空気の湿度および温度を制御するための補助的な装置を設ける必要があるため、冷却システムの寸法が増大する。また、バッテリパックを通過して加熱された空気を車両の外部に排出するため、冷却システムの寸法はさらに増大する。

他の例として、日本特許公開２００４−１６８３号公報に開示されている車両用バッテリパックの冷却システムにおいては、空気を導入するための吸気ダクトが、車両の後部座席の背後に配置されているトランクのカバーシートの上側部分に延びている。また、日本特許公開２００５−７１７５９号公報に開示されている車両用バッテリパックの冷却システムにおいては、吸気ダクトが車両のキャビンへと延びている。これらの開示のものは、車両の中に存在してその温度および湿度が特定のレベルに維持されている空気を用いるため、上述した韓国特許公開公報に開示されているものが必要とする補助的な装置を必要としないという利点を有している。

しかしながら、キャビンあるいはキャビンに隣接している領域内の空気を使用するために、キャビンあるいはキャビンに隣接している領域に吸気ダクトが延びていると、冷却システムの作動によって生じる騒音がキャビンに伝わる。さらに（バッテリパックの異常動作に起因して生じる火災あるいは爆発を含む）様々な原因によって車両火災が生じたときに、炎あるいは有毒ガスが吸気ダクトを介してキャビンに逆流することがあり得る。また、バッテリパックを通過して加熱された空気は車両の外部に排出される。その結果、日本の特許公開公報のものも、上述した通りの同じ問題を有している。

一方、車両用バッテリパックは、車両の限られた領域内に装着しなければならない。したがって、車両用バッテリパックをコンパクトな構造で製作することが好ましい。ユニットセルを一つずつ積層することによって構成される車両用バッテリパックの寸法は、電池モジュールの寸法、およびこのバッテリパックの外側表面を覆う冷却システムの寸法に応じて定まる。このケースに関連し、上述した従来技術は、基本的に、車両あるいはキャビンの外側からバッテリパックに空気を導入するための吸気ダクトと、バッテリパックを通過して加熱された空気を車両の外部に排出するための排気ダクトとを備えている。これらのダクトは、予め定められた寸法を有している。したがって、これらのダクトは、同一条件の電池モジュールの冷却システムに基づいてバッテリパックの寸法を決定するときに、主要なファクタとしての役割をはたす。
韓国特許公開２００１−５７６２８号公報 韓国特許公開２００５−７０７２６号公報 韓国特許公開２００５−４１３２３号公報 特開２００４−１６８３号公報 特開２００５−７１７５９号公報

したがって、本発明は、上述した問題およびまだ解決されていない他の技術的な問題を解決するためになされたものである。

上述した問題を解決するための大量かつ集中的な様々な研究および実験の結果として、本願の発明者らが見出したところによれば、バッテリパックの周辺領域に存在している空気を冷媒として用いるとともにバッテリパックを通過して加熱された空気を車両の内部空間に放出するように冷却システムを構成すると、バッテリパックの周辺領域に空気が再び循環する可能性は低く、車両の内部に存在している空気を用いると外部の空気を用いるときよりも温度および湿度の制御がより容易であり、キャビンの内部の空気を用いるときに生じる問題であるノイズの発生および火災の間に発生する炎および有毒ガスの逆流を回避することができ、バッテリパックに空気を導入するための吸気ダクトを設けることなしにバッテリパックの冷却効率を増大させることが可能である。本発明は、上述した発見に基づいて完成されたものである。

前述した目的および他の目的は、本発明の車両用バッテリパックの冷却システムを提供することによって達成することができるが、この冷却システムは、バッテリパックを冷却する空気のような冷媒を予め定められた領域からバッテリパックに導入するための吸気ダクトを備えておらず、車両のキャビンから分離されたバッテリパックの周辺領域において車両の内部に存在している空気がバッテリパックに直接的に導入され、バッテリパックを通過して加熱された空気は車両の内部空間に接続された排気ダクトを介して排出され、バッテリパックの周辺領域に空気が再び循環する可能性が低くなるように構成されている。

吸気ダクトは、本発明の冷却システムには必要ではないが、パイプ状に形付けられた部材であって、バッテリパックと、車両の外側あるいは内側において空気の流れを案内するための特定領域との間に接続される。したがって、上述した「予め定められた領域」は、車両の外側あるいは内側における特定の領域を意味する。一方、本発明によると、バッテリパックの周辺領域に存在している空気は冷媒として用いられ、かつこの空気はバッテリパックに直接導入される。その結果、バッテリパックの冷却は、上述した吸気ダクト（空気を導入するためにパイプ状に形付けられた部材）を用いることなく達成される。

本発明の好ましい実施形態において、この冷却システムは、ユニットセルを含むバッテリパックの外側表面を取り囲むための閉じた型式のハウジングと、ユニットセルに対応する領域においてハウジングに形成され複数の吸気ポートと、吸気ポートの反対側の領域においてハウジングに接続された排気ダクトと、この排気ダクトに装着された冷却ファンとを備える。

上述した構造においては、ハウジング内部の気圧は冷却ファンの動作に起因して低下する。したがって、バッテリパックの周辺領域に存在している空気は、低下した気圧を補償するために吸気ポートを介してハウジング内に導入される。吸気ポートは、貫通孔の形態でハウジングに形成される。その結果、従来技術には必要な吸気ダクトは必要ではなく、したがってこのバッテリパックはコンパクトな構造で製造することができる。

バッテリパックは、安全性および運転効率のような車両の様々な要因を考慮して、キャビンから分離された特定領域に装着される。例えば、バッテリパックは、車両の後部に配置されたトランク内に装着することができる。車両のデザインにより、バッテリパックを装着するためのバッテリパック装着領域は完全に分離された構造として構成することができるが、そこにおいてはキャビンからの空気の流れが完全に遮断されあるいは部分的に分離された構造であり、少量の空気が流れることになる。実験の結果、本願の発明者が確認したことは、バッテリパックを装着する空間が車両のキャビンから完全に分離されていても、車両の構造に起因して、バッテリパック装着空間の内側と外側との間で特定の量の空気が流れており、この空気の流れでもバッテリパックを冷却するには充分である。特に、バッテリパック周辺領域の空気の流れは、冷却ファンによって実行される空気の強制的な排出の結果としてさらに増大する。

本発明によると、バッテリパックを通過して加熱された空気は車両の内部空間に放出されるが、バッテリパックの周辺領域に空気が再び循環する可能性は低い。典型的な例では、車両の内部空間は、車両のインナパネルとアウタパネルとの間に画成される空間とすることができる。一般的に、パネルは、機械的な強度をもたらす車両のフレーム上において車両の内側および外側部分に取付けられ、それによって車両は所定の形状に形成されている。その結果として、車両のインナパネルとアウタパネルとの間に特有の空間が画成される。この特有の空間は、車両の両方の側部、前部および後部にもたらされる。また、この特有の空間は、車両の外部あるいはまた内部と直接的にあるいは間接的に連通している。

本発明の好ましい実施形態において、排気ダクトは、車両のインナパネルとアウタネルとの間に接続される。したがって、バッテリパックを通過して加熱された空気は上述した空間内に排出され、いくつかの空気は車両から完全に排出され、かつ残りの空気は車両内に再び循環する。車両の内部に再び循環する空気は、その空間を通過するときに再び冷却される。したがって、確認されたところによると、バッテリパックの周辺領域に戻った空気は冷却のために適した条件を有している。

本発明のバッテリパックは、機械的に接続されるとともに様々な形で互いに電気的に接続されたユニットセルを含む電池モジュールによって構成することができる。好ましい実施形態では、バッテリパックは、１つ若しくは複数の板状に形作られたユニットセルを一つのカートリッジに組み付けるとともに、複数のカートリッジを連続的に積層して構成した電池モジュールから製造することができる。そのような電池モジュールの典型的な例は、本件特許出願の出願人の名において出願された韓国の特許出願２００４−１１１６９９号に開示されている。なお、上述した特許出願における開示は、この参照によってあたかも完全に記載されているかのように本願明細書に組み込まれるものとする。

ユニットセルは、そのユニットセルを充電しかつ放電できる限りにおいて特に制限されない。例えば各ユニットセルは、容器内に装着されたカソード、アノード、セパレータおよび電解質を含むとともに、各ユニットセルを充電しかつ放電させることができる構造に密封された二次電池である。好ましくは、ユニットセルは、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池、あるいはニッケル水素電池とすることができる。

本発明の前述した目的および他の目的、特徴およびその他の利点は、添付の図面とともになされる以下の詳細な説明からより明確に理解される。

ここで、本発明の好ましい実施形態につき、添付の図面を参照することによって詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲が例示された実施形態に限定されないことは留意されなければならない。

図１は、車両の内部構造を部分的に破断して示す典型図であり、バッテリパックは本発明の一実施形態にしたがって装着されている。

図１を参照すると、バッテリパック１１は、車両２０のキャビン２２から分離された車両２０のトランク２１内に装着されている。その結果、バッテリパック１１が作動している間に発生するノイズはキャビン２２には伝達されない。さらにまた、様々な原因に起因してトランク２１内に生じた火災あるいは爆発によって発生する有毒ガスおよび炎は、キャビン２２へと逆流することができない。

バッテリパック１１は、ユニットセルおよび作動回路ユニットを有している。バッテリパック１１の外側表面は、排気ダクト１２および冷却ファン１３を有した冷却システム１０によって覆われている。バッテリパック１１を冷却するための空気は、バッテリパック１１の周辺を流れている空気である。このため、この冷却システムは吸気ダクトを必要としない。そのような周囲の空気は、ユニットセルが装着されている冷却システム１０の領域に形成された複数の吸気ポート１４を介して冷却システム１０に導入される。空気の導入を駆動する力は冷却ファン１３が発生させている。

排気ダクト１２は、吸気ポート１４の反対側に配設されている。この排気ダクト１２は、車両２０のアウタパネル２３とインナパネル２４との間に画成された空間に接続されている。その結果、バッテリパック１１を取り囲んでいる空気は、ユニットセルを冷却するべく冷却ファン１３の駆動力により吸気ポート１４を介して冷却システム１０に導入され、次いでアウタパネル２３とインナパネル２４との間に画成されている空間内へと排気ダクト１２を介して排出される。加熱されてアウタパネル２３とインナパネル２４との間に画成されている空間内に排出された空気のいくらかは、車両の外側に排出される。加熱されてアウタパネル２３とインナパネル２４との間に画成されている空間内に排出された空気の残りの部分は、冷却されてトランク２１内に導入される。

図２および図３は、本発明の好ましい実施形態における車両用バッテリパックの冷却システムを示す典型的な斜視図である。

図２および図３を参照すると、この冷却システム１００は、バッテリパック（図示せず）の外側表面を覆うハウジング２００、冷却ファン３００、および排気ダクト４００を備えている。ハウジング２００は、吸気ポート２１０が形成されているその前面、および一対の排気ポート４１０が接続されているその後面を除いて閉じている。

各吸気ポート２１０は、バッテリパックの板状に形付けられている各ユニットセルに対応してスリットの形に構成されている。この実施形態においては、複数の吸気ポート２１０が各ユニットセルに対応させて設けられている。その結果、空気は各ユニットセルの吸気ポート２１０から導入されてほぼ直線状にバッテリパックを通過するから、この冷却システムの冷却効率はきわめて高い。また、各吸気ポート２１０の上側部分がスカート構造に構成されているので、異物の導入が防止される。その結果、図２中の矢印で示されているように、空気はわずかに上方に向かいながら吸気ポート２１０に導入される。異物の導入を完全に防止するために、スカート構造に加えて、不織布から製造されたフィルタを、好ましくは吸気ポート２１０の背後に設けることができる。各吸気ポート２１０は一般的には貫通孔の形に形成される。バッテリパックを取り囲んでいる空気は吸気ポート２１０を介して直接的に導入されるので、追加的な補助吸気ダクトは必要ではない。

好ましくは、バッテリパックは、車両のトランクあるいは車両の後部座席の後側に装着することができる。車両のロワプレートは、一般的に、車両の構造強度を増すために湾曲した構造に構成される。その結果、図２に示したように、バッテリパックのベースプレート５００は、車両のロワプレートの湾曲構造に対応させて湾曲した構造に構成され、バッテリパックを安定させて装着し、かつバッテリパックの装着高さを低減させることができるようになっている。図２に示したように、ハウジング２００の下端部２０２は、バッテリパックのベースプレート５００に連結されているが、これもまた湾曲構造に構成されている。その結果、冷却システム１００の装着高さはさらに低減している。好ましくは、ベースプレート５００は絶縁材料から製造され、したがってバッテリパックと車両との短絡の可能性が減少する。

ハウジング２００の吸気ポート２１０とは反対側の後面には２つの排気孔２２０が形成され、排気ダクト４００の排気ポート４１０に接続されている。図３は、ハウジング２００の排気孔２２０に排気ダクト４００の排気ポート４１０を接続するプロセスを示している。

冷却ファン３００は、排気ダクト４００上に装着されて駆動力をもたらし、それによってバッテリパックを取り囲んでいる空気は吸気ポート２１０からバッテリパック内に導入され、バッテリパックを冷却し、かつ排気ダクト４００を介してバッテリパックから排出される。排気ダクト４００は、図１に示したように、車両のアウタパネルとインナパネルとの間に画成されている空間に接続されている。

バッテリパックの構造について、以下にさらに説明する。

バッテリパックの右側には、バッテリパックから電力を取り出しあるいはバッテリパックからの電力の取り出しを中断するための、接続モジュール６００が配置されている。バッテリパックの左側には、バッテリパックの温度およびユニットセルの電圧を監視するための、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）モジュール７００が配置されている。接続モジュール６００およびＢＭＳモジュール７００が、ユニットセルから成る電池モジュールの対向する両側面に配置されているので、ユニットセルを冷却するための空気流路は最小距離の直線状に形成され、かつバッテリパックの全高は大幅に低くなっている。

ＢＭＳモジュール７００は、車両のオペレーションシステムに対して監視情報を伝達する役割を果たしている。場合によっては、ＢＭＳモジュール７００が監視情報に基づいてバッテリパックの作動を制御するように、ＢＭＳモジュール７００を構成することができる。その結果、ユニットセルの温度を制御する冷却ファン３００は、その作動がＢＭＳ７００によって自動的に制御されるように構成することができる。

本発明の好ましい実施形態を説明のために開示してきたが、添付の請求の範囲に開示されている本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、様々な変更、追加および置き換えをなし得ることは当業者の理解するところである。

上述の説明から明らかなように、本発明によるバッテリパック冷却システムは、車両の内部に存在している空気を用いるものである。その結果、温度および湿度の制御は外気を用いる場合よりも容易であり、キャビン内の空気を用いるときに生じる問題であるノイズの発生および火災の間に発生する炎および有毒ガスの逆流が防止される。さらにまた、バッテリパックに空気を導入するための吸気ダクトを設けることなくバッテリパックの冷却効率を増大することが可能である。

本発明による冷却システムは、電気自動車およびハイブリッド電気自動車のような様々な種類の車両のバッテリパックに適用することができる。特に、本発明による冷却システムは、好ましくは、ハイブリッド電気自動車のためのバッテリパックに適用することができる。

本発明の一実施形態におけるバッテリパックが装着された車両の内部構造を示す要部を破断した典型図。 本発明の好ましい実施形態における車両用バッテリパックの冷却システムを示す典型的な斜視図。 本発明の好ましい実施形態における車両用バッテリパックの冷却システムを示す典型的な斜視図。

Claims (10)

1. 車両用バッテリパックの冷却システムであって、
   車両のキャビンから分離されているバッテリパックの周辺領域において前記車両の内部に存在している空気を、吸気ダクトを通過させることなく直接的に前記バッテリパックに導入するとともに、前記バッテリパックを通過して加熱された空気を前記車両の内部空間に接続された排気ダクトを介して排出し、前記バッテリパックの周辺領域へと空気が再び循環する可能性が低くなるように構成されてなり、
   前記冷却システムが、
   ユニットセルを含む前記バッテリパックの外側表面を取り囲む閉じた型式のハウジングと、
   前記ユニットセルに対応する領域において前記ハウジングに形成された複数の吸気ポートと、
   前記吸気ポートの反対側の領域において前記ハウジングに接続された排気ダクトと、及び
   前記排気ダクトに装着された冷却ファンとを備えてなることを特徴とする、冷却システム。
2. 前記バッテリパックが、前記車両の後部に配置されたトランク内に装着されていることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記排気ダクトが接続されている前記車両の内部空間が、前記車両のインナパネルとアウタパネルとの間に画成された空間であることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
4. 前記バッテリパックが、板状に形付けられた１つ若しくは複数のユニットセルを一つのカートリッジとして構成するとともに、複数のカートリッジを連続させて積層した電池モジュールから製造されていることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
5. 前記ユニットセルが、板状に形作られたリチウムイオン二次電池、板状に形作られたリチウムイオンポリマ二次電池、或いは板状に形作られたニッケル水素電池であることを特徴とする、請求項４に記載の冷却システム。
6. 前記吸気ポートが、前記バッテリパックの板状に形作られた前記ユニットセルに合わせてそれぞれスリット形に構成され、かつ
   前記吸気ポートが、前記ユニットセルのそれぞれに対応させて配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
7. 前記吸気ポートがそれぞれその上側部分がスカート構造に構成され、それによって異物の導入を防止していることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
8. 前記ハウジングの下端部が、前記バッテリパックのうち前記車両の湾曲しているロワプレートに合わせた形状を有しているベースプレートと同じ形状に湾曲していることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
9. 前記バッテリパックが、前記バッテリパックから電力を取り出し又は前記バッテリパックからの電力の取り出しを中断するための接続モジュールがその右側に設けられており、かつ前記バッテリパックが、前記バッテリパックの温度および前記ユニットセルの電圧を監視する電池管理システム（ＢＭＳ）モジュールがその左側に設けられており、これにより、前記ユニットセルを冷却するための空気流路が最小距離の直線状に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
10. 前記冷却ファンが、前記ＢＭＳモジュールによって自動制御されることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。

Images