JP5384635B2 - 優れた冷却効率の中型又は大型のバッテリーパックケース - Google Patents

Description

本発明は、優れた冷却効率を示す（中型又は大型の）バッテリーパックケースに関し、とりわけ充放電できる複数の積層型バッテリーセル又は単位モジュール（「単位セル」）を有するバッテリーモジュールが取り付けられた中型又は大型バッテリーパックケースに関する。このバッテリーパックケースの上部と下部には、それぞれ反対方向に向いた冷却剤入口部と冷却剤出口部とを備えてなり、前記バッテリーパックケースは冷却剤導入部と冷却剤排出部とを更に備えてなる。単位セルスタックの上面に対向している前記冷却剤導入部の上端内部は、前記冷却剤入口部とは反対の端部から始まる傾斜面が、前記単位セルスタックの上面に対して前記冷却剤入口部の方向に正（＋）の角（Ａ）で傾くように構成されており、前記バッテリーモジュールを含む中型又は大型バッテリーパックケースが取り付けられる機器の内部構造に対応させるために、前記冷却剤入口部が斜面の傾斜角（Ａ）より大きい角（Ｂ）で傾けられ、及び前記冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が２０度〜８０度であるとき、斜面の傾斜角（Ａ）が３度〜８度とされてなる。

発明の背景

最近、充放電できる二次電池がワイヤレス携帯機器用エネルギー源として広く使用されている。又、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン自動車及びディーゼル自動車により生じる大気汚染等の問題を解決するために開発された電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、及びプラグインハイブリッド車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ ＨＥＶ）用電源として著しく注目されている。

小型携帯機器は、各機器には一つ又は数個のバッテリーセルを使用する。一方、車両等の中型又は大型装置では、中型又は大型装置は高出力及び大容量が必要であることから、複数の互いに電気的に接続されたバッテリーセルを備えた中型又は大型バッテリーモジュールを使用する。

望ましくは、中型又は大型バッテリーモジュールは、できるだけ小サイズ及び軽重量で製造される。このため、高集積度で積層でき且つ重量対容量比が小さい、角柱バッテリー又はポーチ状バッテリーを、通常中型又は大型バッテリーモジュールのバッテリーセルとして使用する。とりわけ、現在、被覆部材としてアルミニウム積層シートを使用するポーチ状バッテリーに大きな関心が向けられている。これは、ポーチ状バッテリーが軽量であること、ポーチ状バッテリーの製造コストが低いこと、及びポーチ状バッテリーの形状を改良するのが容易であることによる。

中型又は大型バッテリーモジュールが所定の装置又はデバイスにより必要とされるパワーと容量を提供するためには、中型又は大型バッテリーモジュールが複数のバッテリーセルを互いに直列に電気接続したものであり、且つバッテリーセルが外力に対して安定である構造で構成される必要がある。

又、中型又は大型バッテリーモジュールを構成しているバッテリーセルは、充放電できる二次電池である。その結果、バッテリーの充放電中に高出力、大容量二次電池からは、大量の熱が発生する。もしバッテリーセルの充放電中、バッテリーセルから発生する熱が効果的に除去されない場合には、この熱はバッテリーセル中に蓄積し、その結果バッテリーセルの劣化が加速する。状況によっては、バッテリーセルが発火又は爆発することがある。このため、高出力、大容量バッテリーである車両用バッテリーパックには、バッテリーパックに取り付けたバッテリーセルを冷却するため冷却システムが必要である。

一方、複数のバッテリーセルを備えた中型又は大型バッテリーパックでは、一部のバッテリーセルの性能の劣化がバッテリーパック全体の性能の劣化につながる。性能が均一でなくなる主要因の一つが、冷却がバッテリーセル間で不均一であることによる。このため、冷却剤流路の形状が、冷却剤の流動中、バッテリーセル間で温度偏差を最小限にするように最適化された構造を提供する必要がある。

一部、従来の中型又は大型バッテリーパックは、冷却剤入口部と冷却剤出口部が反対方向に向くよう冷却剤入口部と冷却剤出口部がバッテリーパックケースの上部と下部に配置され、冷却剤入口部からバッテリーモジュールまで延びる流動空間の上面と底面が互いに平行である構造を有するように構成されるバッテリーパックケースを使用する。しかし、この構造において、比較的高流速の冷却剤が冷却剤出口部に隣接したバッテリーセル間に形成された冷却剤流路に導入され、一方、比較的低流速の冷却剤が冷却剤入口部に隣接したバッテリーセル間に形成された冷却剤流路に導入されるので、バッテリーセル間の温度偏差が高い。

これに関連して、韓国特許出願公開第２００６−００３７６００号、第２００６−００３７６０１号及び第２００６−００３７６２７号には、空気誘導面と冷却剤入口部との間の距離が増加とともにバッテリーセルに近くなるように、空気誘導面が、バッテリーセルとは反対側面に対して下方向に傾斜している構造を有するよう構成された中型又は大型バッテリーパックが開示されている。具体的には、空気誘導面は、バッテリーセルとは反対の面に対して１５度〜４５度の角度に傾斜しており、冷却剤入口は並行して形成され、それにより冷却剤の流束が冷却剤出口部に隣接したバッテリーセル間に形成された冷却剤流路に過剰に導入される現象が生じることを抑制している。

しかし、本願発明者達は、冷却剤入口部の傾斜がこのパックケースが取り付けられる機器を考慮して冷却剤入口部とは反対の端部の傾斜より大きく構成されるパックケースを含む、中型又は大型バッテリーパック用のパックケースより高く冷却剤入口部が配置される場合、空気誘導面の傾斜角が上記で示されるように１５度〜４５度のとき、冷却剤の流束が、冷却剤出口部に隣接したバッテリーセル間で形成された冷却剤流路に過剰に導入される現象が生じることを抑制することが出来なく、結果としてバッテリーセル間の温度偏差が増加し、従って、所望のレベルの冷却均一性を得ることはできないことを見出した。

このようなことから、上記で述べられている問題を根本的に解決する技術が非常に必要とされている。

技術的課題

従って、本発明は、上記の問題及び解決すべき他の技術上の問題を解決するためになされた。

中型又は大型バッテリーパックケースについて様々な広範囲にわたって鋭意検討及び実験の結果、本発明者達は、傾斜面が３度〜８度の傾斜角Ａを有し、冷却剤入口部が２０度〜８０度の傾斜角Ｂを有するとき、バッテリーセル間の温度偏差を最小限にでき、その結果としてバッテリーセル間に蓄積する熱が効果的に除去され、従って、バッテリーセルの性能及び寿命が大きく向上することができることを見出した。本発明は、これらの知見に基づき完成したものである。

技術的解決法

本発明の一態様によれば、上記及び他の目的は、充放電できる複数の積層型バッテリーセル又は単位モジュール（「単位セル」）を有するバッテリーモジュールが取り付けられる中型又は大型バッテリーパックケースという付帯条件を伴う。このバッテリーパックケースは、その上部と下部にそれぞれ冷却剤入口部と冷却剤出口部とを備え、前記単位セルを冷却する冷却剤が前記単位セルの積層方向に垂直な方向においてバッテリーモジュールの一方の側から他方の側に流れることができるように、前記冷却剤入口部と前記冷却剤出口部が反対方向に向いており、前記バッテリーパックケースが、前記冷却剤入口部から前記バッテリーモジュールに延びる流動空間（「冷却剤導入部」）及び前記バッテリーモジュールから前記冷却剤出口部に延びる別の流動空間（「冷却剤排出部」）を更に備えており、そして単位セルスタックの上面に対向している前記冷却剤導入部の上端内部が、前記冷却剤入口部とは反対の端部から前記冷却剤入口部に向かって前記単位セルスタックの上面に対して正（＋）の角（Ａ）で傾けられた斜面を有するように構成され、バッテリーモジュールを含め中型又は大型バッテリーパックケースが取り付けられる機器の内部構造に対応して、冷却剤入口部が、前記斜面の傾斜角（Ａ）より大きい角（Ｂ）で傾けられ、前記冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が２０度〜８０度である場合、前記斜面の傾斜角（Ａ）が３度〜８度である。

即ち、本発明による中型又は大型バッテリーパックケースにおいて、冷却剤導入部の上端内部は、冷却剤入口部とは反対の端部から冷却剤入口部に向けて単位セルスタックの上面に対して正（＋）の角（Ａ）で傾けられた斜面を有するよう構成され、及び冷却剤入口部は斜面の傾斜角（Ａ）より大きい角（Ｂ）で傾けられる。その結果、バッテリーパックケースが機器に取り付けられる条件次第で、冷却剤入口部の場所がバッテリーパックケースの場所より高いときでさえ、所望のレベルの冷却効率を容易に達成することができる。

又、本発明で詳しく述べられた実験結果によれば、冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が２０度〜８０度である場合、斜面の傾斜角（Ａ）を３度〜８度に定めるとき、単位セル間で形成された冷却剤流路を介して流れる冷却剤の不均一性を最小限にすることは可能である。それにより単位セルの充放電中に引き起こされる単位セル間の温度偏差を適切な温度レベル以下に下げる。その結果、バッテリーセルの寿命を伸ばし、及びバッテリーセルの操作性能を強化することが可能である。

ここで、「正（＋）の傾斜角（Ａ）で傾く斜面」という表現は、冷却剤入口部とは反対側に配置される冷却剤導入部の上端内部より、冷却剤入口部側に配置される冷却剤導入部の上端内部が高いことを意味する。

又、冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が斜面の傾斜角（Ａ）に移行する部分が、冷却剤入口部が配置されるバッテリーパックケースの端部からバッテリーパックケースの長さの１０％〜６０％に相当する長さに等しい距離である位置に配置されてもよい。前記移行部は角のある構造又は緩やかに曲がった構造を有してもよい。

従来の中型又は大型バッテリーパックケースにおいて、冷却剤入口部が冷却剤導入部の上端内部より大きな角で傾けられる構造が考慮されなかったため、冷却剤入口部の傾斜角が大きい場合、冷却剤の導入方向が大きく影響を受け、従って、冷却効率が減少する。しかし、中型又は大型バッテリーパックが機器に取り付けられる条件によれば、冷却剤入口部の傾斜角が大きい構造を提供する必要がある。本発明は、優れた冷却効率がそのような環境で達成される特別な条件を提供する。

本発明者達によって行われた実験は、冷却剤導入部の上端内部が、冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が２０度〜８０度で、及び斜面の傾斜角（Ａ）が３度〜８度である二段階の傾斜構造を有するとき、単位セル間を流れる冷却剤の温度偏差が減少でき、それにより冷却剤導入部の上端内部が単位セルスタックの上面に並行である、又は冷却剤導入部の上端内部が単一の傾斜構造を有する場合より冷却効果を更に向上することを見出したのである。

また、中型又は大型バッテリーパックが取り付けられる機器の条件に応じて、冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が大きい必要がある場合、上記で示されるように冷却剤導入部の上端内部の特別な構造を介して所望のレベルの冷却効率を効果的に達成することが可能である。

例えば、機器がハイブリッド電気自動車である場合、その中に取り付けられたバッテリーモジュールを有する中型又は大型バッテリーパックケースが様々な位置に設置されるように、冷却剤入口部の傾斜角は車両の内部構造に基づいて変更されてもよい。この場合、当然、単位セル間の温度偏差を最小限化できる本発明に従って、中型又は大型バッテリーパックケースに容易に利用することが可能である。

本発明による中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けられたバッテリーモジュールは、単位セルを所定の間隔で配置して、単位セルの充放電中に単位セルから発生した熱を除去するように、高密度に複数の単位セルを積層することにより製造される。例えば、バッテリーセルを追加部材を使用することなく所定の間隔で配置するようにして、バッテリーセルを順次積層することができる。別法として、バッテリーセルの機械的強度が低いときには、１つ以上のバッテリーセルを所定の装着部材に装着し、複数の装着部材を積層して、バッテリーモジュールを構成する。後者の場合、バッテリーモジュールを、本発明では、「単位モジュール」と称する。

複数の単位モジュールを積層してバッテリーモジュールを構成するとき、冷却剤流路を、バッテリーセル間及び／又は単位モジュール間に形成し、積層したバッテリーセル間に蓄積する熱を効果的に除去する。

冷却剤導入部及び冷却剤排出部は、バッテリーセルの充放電のためにバッテリーセルから発生する熱を効率的に除去する冷却剤を導入及び排出する流動空間である。冷却剤導入部及び冷却剤排出部が、冷却剤導入部と冷却剤排出部が反対方向に向くようにバッテリーパックケースのそれぞれ上部と下部に形成される。場合によっては、冷却剤導入部と冷却剤排出部は、バッテリーパックケースのそれぞれ下部と上部に形成されることがある。

望ましい実施例において、斜面の傾斜角（Ａ）は３度〜５度でもよい。本発明者達によって行われた実験が、斜面の傾斜角（Ａ）が上記で定義された範囲を有するとき、単位セル間の温度偏差を更に減少できることを見出した。

他の望ましい実施例において、冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）は２０度〜５０度でもよい。一般に、冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が減少するにつれて、冷却剤入口部を介して導入される大量の冷却剤が、冷却剤入口部とは反対の端部に配置される冷却剤流路に移動される。しかし、本発明者達によって行われた実験が、斜面の傾斜角（Ａ）が３〜８度である場合、冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が２０度〜５０度のとき、冷却剤の温度偏差が減少できることを判明した。

又、冷却剤導入部の上端内部が、前に示された特定の傾斜構造を有するよう形成される場合に加えて、冷却剤入口部の幅が単位セル間の温度偏差に影響を及ぼす。

即ち、冷却剤入口部の幅が単位セルスタックの長さに相当するバッテリーパックケースの長さの５％〜２５％であるとき、バッテリーパックケースが機器に取り付けられる条件次第で発生する冷却剤の温度偏差がより効率的に減少できる。望ましくは、冷却剤入口部の幅は、単位セルスタックの長さに相当するバッテリーパックケースの長さの１０％〜２０％である。

ここで、冷却剤入口部の幅は一定又は様々である。例えば、冷却剤入口部の幅は、冷却剤がバッテリーパックケースに導入される方向に冷却剤入口部の出発点から端点まで増加される。別法として、冷却剤入口部の幅は、冷却剤がバッテリーパックケースに導入される方向に冷却剤入口部の出発点から端点まで減少してもよい。この時、冷却剤入口部の上記で定義された幅は、平均の幅を意味する。

又、冷却剤入口部は様々に異なる形状を有してもよい。例えば、冷却剤入口部は直線構造又は湾曲した構造を有してもよい。この時、冷却剤入口部の上記で定義された傾斜角（Ｂ）は、冷却剤がバッテリーパックケースに導入される方向における冷却剤入口部の端点の傾斜角を意味する。

冷却剤入口部とは反対の端部は、単位セルスタックの高さの１０％以下の高さだけバッテリーセルスタックの上面から離れていてもよい。この構造において、冷却剤入口部とは反対の端部に到達する冷却剤の量は適切に制限され、従って、単位セルに対する冷却剤のより均一分配を達成することができる。

この場合、冷却剤入口部とは反対の端部が、バッテリースタックの上面から１ｍｍ〜１０ｍｍの高さだけ離れていてもよい。

一方、本発明によるバッテリーパックケースは、冷却効率が非常に重要である構造、即ち、単位セルの積層方向に相当するバッテリーパックケースの長さが、単位セルの横方向に相当するバッテリーパックケースの長さよりも大きい構造がより望ましく使用される。

冷却剤排出部は、単位セルスタックの底面に対して一定の高さを有してもよい。即ち、単位セルスタックの底面に面する冷却剤排出部の下端内部が単位セルスタックの底面に対して一定の高さを有してもよい。しかし、この構造を部分的に修正して冷却剤排出効率を向上させることができることは勿論である。

場合によっては、吹き込みファンを、冷却剤入口部又は冷却材出口部に更に取り付けて、冷却剤がバッテリーモジュールを介して流れた後、冷却剤入口部を介して導入された冷却剤を冷却剤出口部まで移動させ、及びバッテリーパックケースから冷却剤を排出する構造でバッテリーパックケースを構成できる。この構造において、吹き込みファンから発生する冷却剤駆動力により、狭い冷却剤入口を介して導入される冷却剤が、冷却剤の高流速で冷却剤入口部から離れたバッテリーセルに十分に到達し、従って、同一の冷却剤流束の条件で、冷却剤流束の分配が比較的均一となる。

本発明の別の態様によれば、バッテリーモジュールが上記の構造を伴う中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けられる構造を有するよう構成される中型又は大型バッテリーパックが提供される。

本明細書で使用される用語「バッテリーモジュール」とは、２つ以上の充放電バッテリーセル又は単位モジュールが機械的に連結されるとともに、互いに電気的に接続されて高出力、大容量の電気を提供する構造を有するように構成されたバッテリーシステムの構造を含むことを意味する。従って、バッテリーモジュール自体が、単一の装置を構成してもよいし、又は大型装置の一部分を構成してもよい。例えば、複数の小型バッテリーモジュールを、互いに接続して大型バッテリーモジュールを構成してもよい。別法として、少数のバッテリーセルを互いに接続して単位モジュールを構成してもよく、そして複数の単位モジュールを互いに接続してもよい。

一方、この単位モジュールを様々な構造で構成してもよく、望ましい実施例を以下で説明する。

単位モジュールは、複数の円盤状バッテリーセルの各上端及び下端に電極端子を形成したものを、互いに直列に接続した構造を有するように構成される。具体的には、単位モジュールは、バッテリーセルの電極端子間の接合部を曲げた積層構造で配置した２つ以上のバッテリーセルとバッテリーセルの電極端子を除くバッテリーセルの外面を覆うための、バッテリーセルに連結した高強度セルカバーとを備えることができる。

円盤状バッテリーセルは、厚さを小さく、幅と長さを比較的大きくして、バッテリーセルを積層してバッテリーモジュールを構成したときにバッテリーセルの全体のサイズを最小としたバッテリーセルである。望ましい実施例として、バッテリーセルは、樹脂層と金属層を含む積層シートから形成されたバッテリーケースに電極アッセンブリを取り付け、電極端子がバッテリーケースの上端と下端から外側に突き出た構造を有するよう構成された二次電池でよい。具体的には、バッテリーセルは、電極アッセンブリをアルミニウム積層シートから形成したポーチ状バッテリーケースに取り付けた構造を有するように構成されてもよい。上記の構造を有するよう構成された二次電池は、ポーチ状バッテリーセルと称されることがある。

単位モジュールは、２つ以上のバッテリーセルを、合成樹脂又は金属材料製の高強度セルカバーで被覆することにより構成してもよい。高強度セルカバーは、機械的強度が低いバッテリーセルを保護しながら、バッテリーセルの充放電中のバッテリーセルの膨張と収縮の繰り返しによりバッテリーセルが変形するのを抑制することにより、バッテリーセルのシール領域間の分離が防止される。従って、最終的には、より安全性の優れた中型又は大型のバッテリーモジュールを製造することができる。

バッテリーセルを、一つの単位モジュールにおいて互いに直列及び／又は並列に接続する、又は一つの単位モジュールのバッテリーセルを、別の単位モジュールのバッテリーセルに直列及び／又は並列に接続する。望ましい実施例において、バッテリーセルの電極端子を互いに隣接させるようにして、バッテリーセルを縦方向に直列に配置しながら、バッテリーセルの電極端子を互いに連結し、２つ以上のバッテリーセルを積層するように曲げ、そして所定数の積層バッテリーセルをセルカバーで被覆することにより、複数の単位モジュールを製造されてもよい。

電極端子間の連結は、種々の方法、例えば、溶接、はんだ、及び機械的結合で行うことができる。電極端子間の連結を、溶接で行うのが好ましい。

高集積度で積層するとともに、電極端子を互いに接続したバッテリーセル又は単位モジュールを、アッセンブリ型連結構造で互いに連結して矩形バッテリーモジュールを構築するように構成された分離可能な上フレーム部材と下フレーム部材に垂直に取り付ける。

単位モジュール、及び複数の単位モジュールを使用して製造された矩形バッテリーモジュールが韓国特許出願第２００６−４５４４３号及び第２００６−４５４４４号に詳細に開示されている。これらの特許出願は、本出願人の名前で出願されているものであり、引用することにより本明細書の一部とされる。

本発明による中型又は大型バッテリーパックは、好ましくは、バッテリーセルの充放電中、高出力及び大容量を提供するために組み合わせられた複数のバッテリーセルから発生する高温の熱のために、安全性が著しく劣化することがある、電気自動車、ハイブリッド電気自動車及びプラグインハイブリッド電気自動車の電力源として使用される。

本発明の上記及び他の目的、特性及び他の利点を、添付する図面と併せて以下の詳細な説明からより明らかに理解されるであろう。

図１は、バッテリーモジュールが従来の中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けられる構造を有するように構成される中型又は大型バッテリーパックを示す透視図である。 図２は、図１の中型又は大型バッテリーパックの模式的垂直断面図である。 図３は、バッテリーモジュールが別の従来の中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けられる構造を有するように構成される中型又は大型バッテリーパックを模式的に示す垂直断面図である。 図４は、本発明の一つの実施態様によるバッテリーモジュールがバッテリーパックケースに取り付けられる構造を有するよう構成される中型又は大型バッテリーパックを模式的に示す垂直断面図である。 図５は、冷却剤入口部とは反対の端部が、図４の中型又は大型バッテリーパックにおけるバッテリーセルスタックの上面から離れている構造を模式的に示す垂直断面図である。 図６は、図４の中型又は大型バッテリーパックにおける斜面の他の様々な傾斜角Ａに基づくバッテリーセルの温度変化の測定結果を示すグラフである。 図７は、図４の中型又は大型バッテリーパックにおける斜面の他の様々な傾斜角Ａに基づくバッテリーセルの温度変化の測定結果を示すグラフである。 図８は、斜面の傾斜角Ａが図４の中型又は大型バッテリーパックにおいて４度である場合、冷却剤入口部の様々な傾斜角Ｂに基づくバッテリーセルの温度変化の測定結果を示すグラフである。 図９は、斜面の傾斜角Ａが図４の中型又は大型バッテリーパックにおいて８度である場合、冷却剤入口部の様々な傾斜角Ｂに基づくバッテリーセルの温度変化の測定結果を示すグラフである。 図１０は、斜面の傾斜角Ａが図４の中型又は大型バッテリーパックにおいて４度である場合、冷却剤入口部の様々な幅ｄに基づくバッテリーセルの温度変化の測定結果を示すグラフである。 図１１は、斜面の傾斜角Ａが図４の中型又は大型バッテリーパックにおいて８度である場合、冷却剤入口部の様々な幅ｄに基づくバッテリーセルの温度変化の測定結果を示すグラフである。

表１２は、図６から図９までの測定結果を示す表である。

表１３は、図１０と図１１の測定結果を示す表である。

最良の形態

これから、本発明の典型的実施態様を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、注目すべきは、本発明の範囲は説明する実施態様には限定されない。

図１は、バッテリーモジュールが従来の中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けられる構造を有するように構成される中型又は大型バッテリーパックを模式的に示す透視図であり、及び図２は図１の中型又は大型バッテリーパックを模式的に示す垂直断面図である。

これらの図面における中型又は大型バッテリーパック１００は、単位モジュール３０を互いに電気的に接続されるようにして６つの単位モジュール３０が積層される構造を有するように構成されるバッテリーモジュール３２と、バッテリーモジュール３２が取り付けられるバッテリーパックケース７０と、冷却剤入口部１０からバッテリーモジュール３２まで延びている流動空間としての冷却剤導入部４０と、バッテリーモジュール３２から冷却剤出口部２０まで延びている別の流動空間としての冷却剤排出部５０を含む。又、単位モジュール３０の各々は４つのバッテリーセルを含む。

冷却剤入口部１０を介して導入される冷却剤は、冷却剤導入部４０、及びそれぞれの単位モジュール３０の間に形成された冷却剤流路６０を介して流れる。このとき、冷却剤はバッテリーモジュール３０を冷却する。その後、冷却剤は冷却剤排出部５０を介して流れ、次に冷却剤出口部２０を介してバッテリーパックケースから排出される。

冷却剤導入部４０は、単位モジュール３０を積層した方向と平行に形成される。この構造では、比較的高い冷却剤流束が、冷却剤出口部２０に隣接する単位モジュール間に形成された冷却剤流路に導入され、一方、比較的低い冷却剤流束が、冷却剤入口部１０に隣接した単位モジュール間に形成された冷却剤流路に導入され、その結果、単位モジュール３０の冷却が不均一となり、従って、冷却剤出口部２０に隣接した単位モジュールと、冷却剤入口部１０に隣接した単位モジュール間の温度偏差が高い。この現象は、冷却剤が冷却剤出口部２０側に集中する結果、冷却剤入口部１０側の温度が上昇することにより生じる。

図３は、バッテリーモジュールが別の従来の中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けられる構造を有するように構成される中型又は大型バッテリーパックを模式的に示す垂直断面図である。

図３の中型又は大型バッテリーパック２００は、冷却剤排出部２５０及び冷却剤流路６０に関して、図１の中型又は大型バッテリーパック１００と実質的に同一である。しかし、図３の中型又は大型バッテリーパック２００は、冷却剤入口部２１０と冷却剤導入部２４０が、バッテリーパックケース２７０に対して所定の角度で傾斜している、及びバッテリーモジュールは単位モジュールの代わりにバッテリーセル２３０を含む点で、図１の中型又は大型バッテリーパック１００とは異なる。即ち、冷却剤導入部２４０の上端内部２４２が、冷却剤入口部２１０とは反対のバッテリーパックケースの端部に向かって所定の角度で傾斜している。

この構造では、冷却剤入口部２１０に隣接したバッテリーセルを冷却する効率が、図１の中型又は大型バッテリーパック１００と比較して相対的に高いことが知られている。しかし、図４に示されるように、二つの傾斜角ＡとＢが冷却剤入口部３１０とは反対の端部から冷却剤入口部３１０まで与えられ、及び冷却剤入口部３１０の傾斜角Ｂが冷却剤入口部３１０とは反対の端部の傾斜角Ａより大きい場合、機器のバッテリーパックの取付条件に従うと、もし傾斜角Ｂが特定の条件を満たさないなら所望の冷却効率を達成できない。

図４は、バッテリーモジュールが本発明の一の実施態様に従ってバッテリーパックケースに取り付けられる構造を有するよう構成される中型又は大型バッテリーパックを典型的に示す垂直平面図である。

図４において、バッテリーパックケース３７０は、バッテリーセル３３０の積層方向Ｌに相当するバッテリーパックケース３７０の長さが、バッテリーセル３３０の横方向Ｗに相当するバッテリーパックケース３７０の長さよりも大きい構造を有するように構成される。又、冷却剤入口部３１０と冷却剤出口部３２０が、それぞれバッテリーパックケース３７０の上部と下部に、冷却剤が一方の側からバッテリーセル３３０の積層方向Ｌに対して垂直の方向にバッテリーモジュール３３２の反対側に流れることができるように、反対方向に形成される。

冷却剤が冷却剤流路３６０を介して流れることができるように、それぞれのバッテリーセル３３０の間に、小さな冷却剤流路３６０が形成される。従って、冷却剤入口部３１０を介して導入される冷却剤は、冷却剤流路３６０を介して流れ、それによってバッテリーセル３３０から発生した熱は除去される。その後、冷却剤は、冷却剤出口部３２０を介して外部に排出される。

図４のバッテリーパックケース３７０は、図２と３に示されたバッテリーパックケース７０と２７０とは、図４のバッテリーパックケース３７０の冷却剤入口部３１０の傾斜角Ｂが、冷却剤入口部３１０とは反対の端部を起点とした斜面の傾斜角Ａより大きい点で異なる。又、冷却剤入口部３１０の幅ｄが、バッテリーセルスタック３３２、即ち、バッテリーモジュールの長さに相当するバッテリーパックケースの長さｌの約１５％に相当する。

冷却剤入口部３１０を介して導入された冷却剤が、冷却剤入口部３１０の傾斜角Ｂと斜面の傾斜角Ａを有する冷却剤導入部３４０に沿って流れるとき、冷却剤の流れ断面積が、冷却剤入口部３１０の端部３４４からの距離が増加するにつれて斜面の傾斜角Ａにより徐々に減少する。その結果、冷却剤の流速が徐々に増加するが、冷却剤流束が減少する。従って、冷却剤入口部３１０に隣接して配置されるバッテリーセルと冷却剤入口部３１０から離れたバッテリーセル全てが均一に冷却されるとともに、冷却剤は冷却剤入口部３１０から離れたバッテリーセル３３０に到達する。

冷却剤の均一性を増加し、そのため温度偏差を最小化するために、斜面の傾斜角Ａがバッテリーセルスタック３３２の上面に対して約４度、及び冷却剤入口部３１０の傾斜角Ｂがバッテリーセルスタック３３２の上面に対して約２０度になるように、斜面の傾斜角Ａと冷却剤入口部３１０の傾斜角Ｂは、冷却剤導入部３４０の上端内部３４２に提供される。又、冷却剤入口部３１０の幅ｄは、バッテリーパックケース３７０の長さｌの約１０％に相当する。

又、バッテリーパックケース３７０は、冷却剤入口部３１０とは反対の端部の傾斜角Ａが、冷却剤入口部３１０の傾斜角Ｂより小さい二段階傾斜構造を有するように構成されている。その結果、冷却剤が冷却剤出口部２０側に集中する現象を防止でき、従って、冷却剤入口部３１０に隣接して配置されるバッテリーセルの温度の上昇を効果的に防止することができる。

図５は、冷却剤入口部とは反対の端部が、図４の中型又は大型バッテリーパックにおけるバッテリーセルスタックの上面から離れた構造を模式的に示す垂直断面図である。

図５では、冷却剤入口部４１０とは反対の端部が、約１ｍｍの高さｈだけバッテリーセルスタック４３２の上面から離れている。従って、冷却剤入口部の傾斜角Ｂと斜面の傾斜角Ａに沿って通過した冷却剤の制限された量のみが、冷却剤入口４１０とは反対の端部に到達するので、冷却剤入口部４１０とは反対の端部に隣接して配置されたバッテリーセル４３０が過度に冷却されることが防止される。

上記の説明と関連して、図６は、図４の中型又は大型バッテリーパックにおける斜面の様々な傾斜角Ａに基づくバッテリーセルの温度変化の測定結果を示すグラフである。

図４と共に図６に関して、図６は、図４のバッテリーパックケース７０に積層されたバッテリーセル（冷却剤出口部３７０に最も隣接して配置されるバッテリーセルから冷却剤入口部３１０に最も隣接して配置されるバッテリーセルまで）の温度の測定結果を示す。即ち、バッテリーセル番号１は、冷却剤出口部に最も隣接して配置されるバッテリーセルを示し、及びバッテリーセル番号３５は、冷却剤入口部に最も隣接して配置されるバッテリーセルを示す。参考までに、バッテリーセルの相対温度比は各テスト結果間の関連で比較できる相対値として表される。

この温度測定試験は既定の負荷がバッテリーセルに加えられ、及び外部温度が一定の室温に維持された条件下で行われた。又、冷却剤入口部の傾斜角Ｂは標準角として４５度に設定された。この試験結果により、斜面の傾斜角Ａが２．６度の時、バッテリーセル番号２７は９６％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号３５は８４％の相対温度比を有したことが判明した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１２％だった。斜面の傾斜角Ａが４度だったとき、バッテリーセル番号２９は９５％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号１は８５％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１０％だった。斜面の傾斜角Ａが９．３度だったとき、バッテリーセル番号２９は９９％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号１は８２％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１７％だった。結論として、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが４５度で、及び斜面の傾斜角Ａが４度だったとき、バッテリーセル間の温度偏差は１０％で、最小値だった。

図４と共に図７に関して、図７は、図６で示されるように同じ試験条件下で斜面の様々な傾斜角Ａに基づくバッテリーセルの温度測定結果を示すグラフである。この試験結果により、斜面の傾斜角Ａが３度だったとき、バッテリーセル番号２６は９６％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号１は８４．５％の相対温度比を有することが判明した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１１．５％だった。斜面の傾斜角Ａが４度だったとき、図６を参照して以前に述べられたように、バッテリーセル番号２９は９５％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号１は８５％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１０％だった。斜面の傾斜角Ａが５度だったとき、バッテリーセル番号２６は９６％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号１は８４．５％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１１．５％だった。

結論として、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが４５度、及び斜面の傾斜角Ａが４度だったとき、バッテリーセル間の温度偏差は１０％で、最小値だった。又、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが４５度、及び斜面の傾斜角Ａが３度と５度だったとき、バッテリーセル間の温度偏差は１１．５％だった。即ち、図６で示すように、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが４５度、及び斜面の傾斜角Ａが２．６度と９．３度だった場合と比較すると、斜面の傾斜角Ａが４度に近づくにつれ、温度偏差は徐々に減少したことが確認された。従って、望ましくは、斜面の傾斜角Ａは３度〜５度である。

図４と共に図８に関して、図８は、斜面の傾斜角Ａが、図６に示されるように同じ試験条件下で、図６において最小温度偏差を有する４度に設定されたとき、冷却剤入口部の様々な傾斜角Ｂに基づくバッテリーセルの温度の測定結果を示すグラフである。

この試験結果により、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが２０度であったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルが８３％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号２９が９１％の相対温度比を有したことが判明した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差が８％だった。冷却剤入口部の傾斜角Ｂが３０度だったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルが８３％の相対温度比率を有し、及びバッテリーセル番号３１は９２％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は９％だった。冷却剤入口部の傾斜角Ｂが５０度だったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルは８３％の相対温度比を有し、バッテリーセル番号３０は９２％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１０％だった。冷却剤入口部の傾斜角Ｂが６０度だったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルは８３％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号３０は９４．５％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１１．５％だった。結論として、斜面の傾斜角Ａが４度、及び冷却剤入口部の傾斜角Ｂが２０度だったときの温度偏差は、斜面の傾斜角Ａが４度、及び冷却剤入口部の傾斜角Ｂが６０度だったときの温度偏差より小さく、温度偏差は冷却剤入口部の傾斜角Ｂの減少と共に徐々に減少したことが確認された。又、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが６０度だったとき、温度偏差の増加率は狭い範囲内で急増した。従って、冷却剤入口部の傾斜角Ｂは、望ましくは、２０度〜５０度である。

図４と共に図９に関して、図９は、斜面の傾斜角Ａが、図６で示されるように同じ試験条件下で、８度に設定されたとき、冷却剤入口部の様々な傾斜角Ｂに基づくバッテリーセルの温度測定結果を示すグラフである。

この試験結果により、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが３０度だったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルは８１％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号３１は９５％の相対温度比を有したことが判明した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１４％だった。冷却剤入口部の傾斜角Ｂが６０度だったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルは８１％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号２９は９７％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１６％だった。結論として、斜面の傾斜角Ａが８度、及び冷却剤入口部の傾斜角Ｂが３０度だったときの温度偏差は、斜面の傾斜角Ａが８度、及び冷却剤入口部の傾斜角Ｂが６０度だったときの温度偏差より小さいことが確認された。

一方で、図４と共に図１０に関して、図１０は、斜面の傾斜角Ａが、図６で示されるように同じ試験条件下で、４度に設定されたとき、冷却剤入口部の様々な幅ｄに基づくバッテリーセルの温度測定結果を示すグラフである。

この試験結果により、冷却剤入口部の幅ｄがバッテリーパックケースの長さｌの１０％だったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルが８６％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号３０は９３％の相対温度比を有したことが判明した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は７％だった。冷却剤入口部の幅ｄはバッテリーパックケースの長さｌの２０％だったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルは８６％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号２１は９４％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は８％だった。結論として、斜面の傾斜角Ａが４度、及び冷却剤入口部の幅ｄがバッテリーパックケースの長さｌの１０％だったときの温度偏差は、斜面の傾斜角Ａが４度、及び冷却剤入口部の幅ｄがバッテリーパックケースの長さｌの２０％だったときの温度偏差より小さいことが確認された。

図４と共に図１１に関して、図１１は、斜面の傾斜角Ａが、図６に示されるように同じ試験条件下で、８度に設定されたとき、冷却剤入口部の様々な幅ｄに基づくバッテリーセルの温度の測定結果を示すグラフである。

この試験結果により、冷却剤入口部の幅ｄがバッテリーパックケースの長さｌの１０％だったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルは８７％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号３２は９８％の相対温度比を有することが判明した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１１％だった。冷却剤入口部の幅ｄがバッテリーパックケースの長さｌの２０％だったとき、バッテリーセル番号１、即ち、冷却剤入口部とは反対の端部に最も隣接して配置されるバッテリーセルは８７％の相対温度比を有し、及びバッテリーセル番号２５は９７％の相対温度比を有した。即ち、バッテリーセル間の温度偏差は１０％だった。結論として、斜面の傾斜角Ａが８度、及び冷却剤入口部の幅ｄがバッテリーパックケースの長さｌの１０％だったときの温度偏差は、斜面の傾斜角Ａが８度、及び冷却剤入口部の幅ｄがバッテリーパックケースの長さｌの２０％だったときの温度偏差より大きいことが確認された。

従って、斜面の傾斜角Ａが小さい場合に冷却剤入口部の幅ｄがより小さいとき、温度偏差が減少することがわかった。又、斜面の傾斜角Ａが大きい場合に冷却剤入口部の幅ｄがより大きいとき、温度偏差が減少することがわかった。

表１２は、図６〜図９の測定結果を示す表であり、及び表１３は図１０と図１１の測定結果を示す表である。

表１２に関して、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが２０度〜６０度である場合、斜面の傾斜角Ａが４度であるとき、バッテリーセル間の温度偏差が最も小さくなることが分かった。又、斜面の傾斜角Ａが４度である場合、冷却剤入口部の傾斜角Ｂがより小さいとき、バッテリーセル間の温度偏差が最小化されることがわかった。

その結果として、中型又は大型バッテリーパックケースが取り付けられる機器の内部構造の具体的な条件に従って、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが２０度〜６０度に設定されるとき、冷却を均一にするために３度〜５度の範囲内で斜面の傾斜角Ａを選択することが望ましい。

表１３に関して、斜面の傾斜角Ａが小さい場合、冷却剤入口部の幅ｄがより小さいとき、バッテリーセル間の温度偏差が最小化されることが分かった。又、斜面の傾斜角Ａが大きい場合、冷却剤入口部の幅ｄがより大きいとき、バッテリーセル間の温度偏差が最小化されることがわかった。

上記の説明から明らかなように、中型又は大型バッテリーパックケースが、冷却剤入口部の傾斜角Ｂが２０度〜８０度、及び斜面の傾斜角Ａが３度〜８度である構造を有するように構成されるとき、バッテリーセル間で増大する熱を効果的に除去し、及びバッテリーセルの性能及び寿命を大きく向上するためにバッテリーセル間の温度偏差を最小化できる。

本発明の典型的な実施態様を説明の目的で開示したが、当業者には、添付の特許請求の範囲に開示されている本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、種々の修正、追加、及び置換が可能であることは十分理解できるであろう。

Claims (10)

1. 中型又は大型の、バッテリーパックケースであって、
   充放電できる複数の積層型バッテリーセル又は単位モジュール（「単位セル」）を有するバッテリーモジュールが備え付けられてなり、
   前記バッテリーパックケースが、該バッテリーパックケースの上部と下部のそれぞれに冷却剤入口部と冷却剤出口部とを備えてなり、前記冷却剤入口部と前記冷却剤出口部が反対方向に向いており、前記単位セルを冷却する冷却剤が、前記単位セルの積層方向に垂直な方向においてバッテリーモジュールの一方の側から他方の側に流れることができるものであり、
   前記バッテリーパックケースが、前記冷却剤入口部から前記バッテリーモジュールに延びる流動空間（「冷却剤導入部」）と、及び、前記バッテリーモジュールから前記冷却剤出口部まで延びる別の流動空間（「冷却剤排出部」）を更に備えてなり、
   単位セルスタックの上面に面している前記冷却剤導入部の上端内部が、前記冷却剤入口部とは反対の端部から始まる傾斜面が前記単位セルスタックの上面に対して前記冷却剤入口部の方向に正（＋）の角で傾けられて構成されてなり、
   前記冷却剤入口部が、前記バッテリーモジュールを備えてなる前記中型又は大型バッテリーパックケースが備え付けられる機器の内部構造に対応して、前記傾斜面の傾斜角（Ａ）より大きい角（Ｂ）で傾けられてなり、
   前記冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が２０度〜６０度であるとき、前記斜面の傾斜角（Ａ）が３度〜５度である、バッテリーパックケース。
2. 前記冷却剤入口部の傾斜角（Ｂ）が、２０度〜５０度である、請求項１に記載された中型又は大型バッテリーパックケース。
3. 前記冷却剤入口部が、前記単位セルスタックの長さに相当する前記バッテリーパックケースの長さの５％〜２５％に相当する幅を有してなる、請求項１に記載された中型又は大型バッテリーパックケース。
4. 前記冷却剤入口部とは反対の端部が、前記単位セルスタックの高さの１０％以下に相当する高さで、前記バッテリーセルスタックの上面から離れてなる、請求項１に記載された中型又は大型バッテリーパックケース。
5. 前記冷却剤入口部とは反対の端部が、１ｍｍ〜１０ｍｍの高さで、前記バッテリーセルスタックの上面から離れてなる、請求項１に記載された中型又は大型バッテリーパックケース。
6. 前記単位セルの積層方向における前記バッテリーパックケースの長さが、前記単位セルの横方向における前記バッテリーパックケースの長さより大きく、前記バッテリーパックケースが構成されてなる、請求項１に記載された中型又は大型バッテリーパックケース。
7. 前記冷却剤排出部が、前記単位セルスタックの底面に対して均一な高さを有してなる、請求項１に記載された中型又は大型バッテリーパックケース。
8. 吹き込みファンが、前記冷却剤入口部又は前記冷却剤出口部にさらに備え付けられてなり、前記冷却剤が前記バッテリーモジュールを介して流れた後に、前記冷却剤入口部を介して導入された前記冷却剤を、前記冷却剤出口部まで移動させる構造を有してなる、前記バッテリーパックケースが構成されてなる、請求項１に記載された中型又は大型バッテリーパックケース。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載された中型又は大型バッテリーパックケースに備え付けられてなる構造を有してなる、前記バッテリーモジュールが構成されてなる、中型又は大型バッテリーパック。
10. 前記バッテリーパックが、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグインハイブリッド電気自動車の電力源として使用されるものである、請求項９に記載された中型又は大型バッテリーパック。

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