JP5456371B2 - 車両用のバッテリシステム及びこのバッテリシステムを搭載する車両 - Google Patents

車両用のバッテリシステム及びこのバッテリシステムを搭載する車両 Download PDF

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Description

本発明は、複数の電池セルをセパレータを介して積層している車両用のバッテリシステムと、このバッテリシステムを搭載してなる車両に関する。
多数の電池セルを積層してなる車両用のバッテリシステムは、充放電する電流で発熱する。とくに、車両用のバッテリシステムは、充放電の電流が極めて大きいことから発熱量も大きくなる。発熱による温度上昇は、電池の電気特性を低下させる原因となる。温度上昇を少なくするために、積層する電池セルの間に冷却隙間を設けて、この冷却隙間に冷却気体を強制送風している。このバッテリシステムは、冷却気体で電池セルを冷却して温度上昇を少なくできるが、全ての電池セルの温度を均一にはできず、各々の電池セルに温度差ができる。とくに、積層する電池セルの個数が増加すると、すべての電池セルを均一な温度として、すなわち温度差を小さくしながら冷却するのが難しくなる。
多数の電池セルを積層して出力電圧を高くしている車両用のバッテリシステムは、電池セルの温度差をできる限り小さくすることが極めて大切である。それは、電池セルの温度差が電池セルの電気特性をアンバランスとして残容量を不均一にし、特定の電池セルの寿命を短くするからである。電池は温度によって電気特性が変化するので、温度差のある電池セルは同じ電流で充放電しても残容量に差ができる。残容量に差ができると、残容量が小さくなる電池セルは過放電されやすく、また残容量が大きくなる電池は過充電されやすくなる。特定の電池セルが過充電や過放電になると、劣化が加速されて、バッテリシステム全体としての寿命を短くする。とくに、車両用のバッテリシステムは、ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、あるいは電気自動車のように、多数の電池を積層して、大電流で充放電する用途に使用されることから、製造コストが極めて高価になるので、いかにして寿命を長くするかが大切である。とくに、多数の電池を使用する車両用のバッテリシステムになるほど製造コストが高くなるので、寿命を長くすることが要求される。ところが、多数の電池を積層するほど、車両用のバッテリシステムは温度差が大きくなって寿命が短くなる特性がある。
複数の電池セルを積層して、電池セルの間に冷却気体を強制送風して冷却する構造のバッテリシステムにおいて、電池セルの温度差を少なくする構造は開発されている(特許文献1参照)。
特許文献1のバッテリシステムは、図1の断面図に示すように、電池セル101と電池セル101の間に冷却隙間103を設けて、電池ブロック110の両側に供給ダクト106と排出ダクト107とを設けている。この車両用のバッテリシステムは、供給ダクト106から冷却隙間103に冷却気体を強制送風して、排出ダクト107から排出して、電池セル101を冷却する。このバッテリシステムは、供給ダクト106の風上側にある電池セル101が風下側の電池セル101よりも効率よく冷却される。このため、風上側の電池セル101の温度が低く、風下側の電池セル101の温度が高くなって温度差ができる。図1のバッテリシステムは、この弊害を防止するために、供給ダクト106の風上側に冷却風流れ変更部材108を配置している。冷却風流れ変更部材108は、供給ダクト106に突出するように設けられて、風上側の電池セル101の間の冷却隙間104に流入される冷却気体の流量を減少して電池セル101の温度低下を防止する。
特開2007−250515号公報
図1のバッテリシステムは、冷却風流れ変更部材108でその風下側の電池セル101の温度をコントロールするので、電池セル101の温度を全体的にコントロールして均等化するのが難しい欠点がある。また、多数の領域の電池セルの温度差をコントロールするために多数の冷却風流れ変更部材を冷却気体の流れ方向に離して設けると、圧損が大きくなるばかりでなく、各々の冷却風流れ変更部材が互いに影響して、相対位置や形状の最適設計が極めて難しくなる欠点がある。
本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、簡単な構造で電池セル全体の温度分布をコントロールして、各々の電池セルの温度差を小さくして寿命を長くできる車両用のバッテリシステムとこのバッテリシステムを搭載する車両を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
本発明の請求項1の車両用のバッテリシステムは、複数の電池セル1を積層状態に配置してなる電池ブロック10と、この電池ブロック10を構成する各々の電池セル1に熱結合状態に配置してなる冷却プレート7、37、47と、この冷却プレート7、37、47を強制冷却する冷却機構9とを備えている。車両用のバッテリシステムは、電池セル1と冷却プレート7、37、47との間に、電池セル1から冷却プレート7、37、47への熱伝導を制限する第1の断熱層8、38、48を設けている。車両用のバッテリシステムは、各々の電池セル1と冷却プレート7、37、47との間に設けている第1の断熱層8、38、48の面積を、積層方向に配置している電池セル1によって異なるようにしており、第1の断熱層8、38、48の面積の相違でもって、電池セル1から冷却プレート7、37、47に熱伝導される熱エネルギをコントロールして、各々の電池セル1の温度差を少なくしている。具体的には、各々の電池セル1は、第1の断熱層8、38、48と熱的に接触する断熱面を有し、複数の断熱面は、冷却プレート7、37、47と対向する電池セル1の一面の少なくとも一部であって、前記電池セル1の中央部分に位置する面を含むと共に、電池セル1の積層方向において、中央に位置する電池セル1に対応する断熱面は、端部に位置する電池セル1に対応する断熱面と比較して、面積が小さくなるように構成される。
以上の車両用のバッテリシステムは、極めて簡単な構造としながら電池セル全体の温度分布をコントロールすることで、各々の電池セルの温度差を小さくして寿命を長くできる特徴がある。それは、冷却プレートと各々の電池セルとの間に設けている第1の断熱層の面積を調整して、冷却プレートが各々の電池セルから吸収する熱エネルギを最適値にコントロールできるからである。すなわち、冷却プレートとの間に広い第1の断熱層を設けている電池セルは冷却プレートに吸収される熱エネルギが少なく、狭い第1の断熱層を介して冷却プレートに接触する電池セルは冷却プレートに吸収される熱エネルギが大きくなる。したがって、温度が上昇する傾向にある中央部に積層される電池セルは狭い面積の第1の断熱層を介して冷却プレートに接触し、両端部にあって温度が低くなる電池セルは広い面積の第1の断熱層を介して冷却プレートに接触する構造として、全ての電池セルの温度差をより少なくできる。
本発明の車両用のバッテリシステムは、第1の断熱層8、38、48が、電池セル1の積層方向に伸びると共に、該積層方向に対して垂直な方向の横幅を有する形状であって、積層方向における位置に応じて、前記横幅の寸法が変化する形状であります。また、各々の電池セル1の断熱面は、積層方向における長さが一定であり、各々の断熱面の面積は、第1の断熱層8、38、48の横幅の変化に応じて決まることを特徴とすることができる。
この構造は、冷却プレートの表面に積層方向に伸びる第1の断熱層を設けて電池セルの温度差を少なくできる。
本発明の車両用のバッテリシステムは、第1の断熱層8を、プラスチックシートと断熱塗膜のいずれかとすることができる。
第1の断熱層をプラスチックシートとするバッテリシステムは、プラスチックシートを冷却プレートと電池セルとの間に挟着して、第1の断熱層を設けることができる。このため、プラスチックシートの形状を調整して電池セルの温度差を少なくできる。また、第1の断熱層を断熱塗膜とするバッテリシステムは、冷却プレートの表面に断熱塗料を塗布することで、第1の断熱層を簡単に設けることができる。
本発明の車両用のバッテリシステムは、冷却プレート37が、電池ブロック10との対向面に凹部36を有して、この凹部36に断熱材38Aを充填して、電池ブロック10の対向面を平面状とすることができる。
このバッテリシステムの冷却プレートは、電池セルを冷却する冷却面と、第1の断熱層の両方を各々の電池セルに密着できる。このため、冷却プレートで電池セルを効率よく冷却しながら、第1の断熱層で電池セルから吸収する熱エネルギを正確にコントロールできる。とくに、電池セルの外周面に密着する第1の断熱層は、電池セルから吸収する熱エネルギを正確にコントロールして、温度差を少なくできる。第1の断熱層が電池セルの外周面に密着することで電池セルから熱伝達で吸収する熱エネルギを正確にコントロールできるからである。
本発明の車両用のバッテリシステムは、冷却プレート47は、電池ブロック10との対向面に設けてなる、電池セル1に接触しない非接触凹部46を備え、第1の断熱層48は、非接触凹部46内の空間に位置する空気層とすることができる。
この構造は、断熱材を使用することなく、冷却プレートと電池セルとの間に第1の断熱層を設けることができる。
本発明の車両用のバッテリシステムは、冷却プレート7、37、47が、冷却液を通過させる冷媒配管20を備えて、冷却機構9が、冷媒配管20に冷却液を供給して冷却プレート7、37、47を冷却することができる。
このバッテリシステムは、冷媒配管に供給される冷却液でもって冷却プレートを効率よく速やかに冷却できる。
本発明の車両用のバッテリシステムは、冷却機構9から冷媒配管20に供給される冷却液を、冷媒配管20の内部で気化する気化熱で冷却プレート7、37、47を冷却する冷媒とすることができる。
このバッテリシステムは、冷媒の大きな気化熱で冷却プレートを速やかに冷却できるので、電池セルの温度を速やかに低下できる。
本発明の車両用のバッテリシステムは、複数の電池セル1を冷却隙間53を設けて積層してなる電池ブロック50と、この電池ブロック50の冷却隙間53に強制送風して電池セル1を冷却する強制送風機59と、電池ブロック50を収納してなる外装ケース70とを備えることができるこの構造は、外装ケース70の一部に第2の断熱層58、68を設けて、外装ケース70に収納してなる電池セル1の温度差を少なくしている。
このバッテリシステムは、外装ケースの一部に第2の断熱層を設けるという極めて簡単な構造で、冷却されやすい電池セルの温度低下を抑制して、電池セル全体の温度分布をコントロールして、各々の電池セルの温度差を小さくして寿命を長くできる特徴がある。とくに、この構造は、電池温度が低くなる電池セルの外側にある外装ケースの一部に第2の断熱層を設けるという極めて簡単な構造で、温度が低くなる電池セルの放熱を少なくして温度差を少なくできる。さらに、このバッテリシステムは、温度が低くなる電池セルの外側を第2の断熱層で断熱するので、車両が極低温な環境におかれる状態においても、特定の電池セルの温度が異常に低下して電気特性が低下するのを有効に防止できる。
本発明の車両用のバッテリシステムは、外装ケース70が、電池ブロック50の両端部との対向面の外面又は内面に第2の断熱層58、68を設けることができる。
このバッテリシステムは、両端部にあって片面から効率よく冷却される電池セルの温度低下を効果的に防止して、電池セルの温度差を少なくできる。
本発明の車両は、請求項1ないし9のいずれかに記載の車両用のバッテリシステムを搭載している。
この車両は、簡単な構造で各々の電池セルの温度差を小さくして寿命を長くできるバッテリシステムを搭載しているので、製造コストを低減しながら、長期間にわたって、安心して使用できる特徴がある。
従来のバッテリシステムの水平断面図である。 本発明の一実施例にかかる車両用のバッテリシステムを搭載する車両の概略図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用のバッテリシステムを搭載する車両の概略図である。 本発明の第1の実施例にかかる車両用のバッテリシステムの概略構成図である。 図4に示す車両用のバッテリシステムの一部拡大垂直縦断面図である。 図4に示す車両用のバッテリシステムの垂直横断面図である。 図4に示す車両用のバッテリシステムの分解斜視図である。 図7に示す車両用のバッテリシステムの冷却プレートの平面図である。 冷却プレートと第1の断熱層の他の一例を示す分解斜視図である。 冷却プレートと第1の断熱層の他の一例を示す分解斜視図である。 冷却プレートの冷却パイプの配管の一例を示す断面図である。 本発明の第2の実施例にかかる車両用のバッテリシステムの斜視図である。 図12に示す車両用のバッテリシステムの底面斜視図である。 図12に示す車両用のバッテリシステムの内部構造を示す斜視図である。 図10に示す車両用のバッテリシステムの水平断面図である。 図14に示す車両用のバッテリシステムの電池ブロックの分解斜視図である。 電池セルとセパレータの積層構造を示す分解斜視図である。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用のバッテリシステム及びこのバッテリシステムを搭載する車両を例示するものであって、本発明はバッテリシステムと車両を以下のものに特定しない。
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
本発明の車両用のバッテリシステムは、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー等の車両に搭載され、あるいは、モータのみで走行する電気自動車などの電動車両に搭載されて、電源として使用される。
図2は、本発明の車両用のバッテリシステムを搭載する車両であって、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーの一例を示している。この図のハイブリッドカーは、車両を走行させるエンジン96及び走行用のモータ93と、モータ93に電力を供給するバッテリシステム91、92と、バッテリシステム91、92の電池を充電する発電機94とを備えている。バッテリシステム91、92は、DC/ACインバータ95を介してモータ93と発電機94に接続している。ハイブリッドカーは、バッテリシステム91、92の電池を充放電しながらモータ93とエンジン96の両方で走行する。モータ93は、エンジン効率の悪い領域、たとえば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ93は、バッテリシステム91、92から電力が供給されて駆動する。発電機94は、エンジン96で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、バッテリシステム91、92の電池を充電する。
さらに、図3は、本発明の車両用のバッテリシステムを搭載する車両であって、モータのみで走行する電気自動車の一例を示している。この図に示す電気自動車は、車両を走行させる走行用のモータ93と、このモータ93に電力を供給するバッテリシステム91、92と、このバッテリシステム91、92の電池を充電する発電機94とを備えている。モータ93は、バッテリシステム91、92から電力が供給されて駆動する。発電機94は、車両を回生制動する時のエネルギーで駆動されて、バッテリシステム91、92の電池を充電する。
以上の車両に搭載される本発明の車両用のバッテリシステムを以下に示す。図4ないし図11は、本発明の第1の実施例の車両用のバッテリシステム91を示し、図12ないし図17は、本発明の第2の実施例の車両用のバッテリシステム92を示している。
第1の実施例のバッテリシステム91は、図4ないし図7に示すように、複数の角形電池からなる電池セル1を積層している電池ブロック10と、電池ブロック10を構成する電池セル1に熱結合状態に配置している冷却プレート7と、この冷却プレート7を冷却する冷却機構9とを備える。
電池ブロック10は、積層している電池セル1の間にセパレータ2を挟着している。この電池ブロック10は、電池セル1の外装缶を金属製として、プラスチック製のセパレータ2で絶縁して積層できる。セパレータ2は、両面を電池セル1に嵌着できる形状として、隣接する電池セル1の位置ずれを阻止して積層できる。電池ブロックは、電池セルの外装缶をプラスチック等の絶縁材として、セパレータを挟着することなく積層状態に固定することもできる。
角形電池の電池セル1は、リチウムイオン二次電池である。ただし、電池セルは、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の他の全ての二次電池とすることもできる。図の電池セル1は、所定の厚さを有する四角形で、上面の両端部には正負の電極端子13を突出して設けており、上面の中央部には安全弁の開口部14を設けている。積層される電池セル1は、隣接する正負の電極端子13をバスバー(図示せず)で連結して互いに直列に接続している。隣接する電池セル1を互いに直列に接続するバッテリシステムは、出力電圧を高くして出力を大きくできる。ただし、バッテリシステムは、隣接する電池セルを並列に接続することもできる。
電池ブロック10は、両端にエンドプレート4を設けて、一対のエンドプレート4を連結材5で連結して、積層している電池セル1を固定している。エンドプレート4は、電池セル1の外形にほぼ等しい外形の四角形としている。連結材5は、図4に示すように、両端を内側に折曲して折曲片5Aをエンドプレート4に止ネジ6で固定している。
図のエンドプレート10は、外側に補強リブ4Aを一体的に成形して設けて補強している。さらに、エンドプレート4の外側面には、連結材5の折曲片5Aを連結する連結孔(図示せず)を設けている。図7のエンドプレート10は、両側の四隅部に4個の連結孔を設けている。連結孔は雌ネジ穴である。このエンドプレート4は、連結材5を貫通する止ネジ6を雌ネジ穴にねじ込んで連結材5を固定することができる。
冷却プレート7は、電池セル1を冷却するために、電池ブロック10を構成する各々の電池セル1の外周面である底面に熱結合状態に固定している。隣接する電池セル1を直列に接続しているバッテリシステムは、隣接する電池セル1に電位差がある。したがって、電池セル1が冷却プレート7に電気接続されるとショートして大きなショート電流が流れる。この弊害を防止するために、冷却プレート7と電池ブロック10の間には、図5の一部拡大図に示すように、絶縁層18を設けている。絶縁層18は、電池セル1と冷却プレート7とを絶縁しながら、電池セル1と冷却プレート7との間で効率よく熱伝導させる層である。この絶縁層18には、優れた絶縁特性を実現しながら、電池セル1と冷却プレート7との間に効率よく熱伝導する特性の材質、たとえば、シリコン樹脂シート、熱伝導の優れたフィラーを充填しているプラスチックシート、マイカなどが使用される。さらに、絶縁層18と電池セル1との間に、また、絶縁層18と冷却プレート7との間に、シリコンオイル等の熱伝導ペースト19を塗布して、より効率よく熱伝導できる構造にできる。
冷却プレート7は、全ての電池セル1を同じようには冷却しない。冷却プレート7が電池セル1から吸収する熱エネルギを調整して、電池セル1の温度差を少なくするためである。冷却プレート7は、温度が高くなる電池セル、例えば中央部の電池セルを効率よく冷却して、温度が低くなる領域、例えば両端部の電池セルの冷却を少なくして、電池セルの温度差を少なくする。このことを実現するために、冷却プレート7と電池セル1との間に、電池セル1から冷却プレート7への熱伝導を制限する第1の断熱層8を設けている。第1の断熱層8の面積は、積層方向に配置している電池セル1によって異なり、第1の断熱層8の面積の相違で、電池セル1から冷却プレート7に熱伝導される熱エネルギをコントロールして、電池セル1の温度差を少なくしている。
図7と図8のバッテリシステムは、各々の電池セル1と冷却プレート7との間に設けている第1の断熱層8の面積を、積層方向に配置している電池セル1によって異なるようにして、第1の断熱層8の面積の相違でもって、電池セル1から冷却プレート7に熱伝導される熱エネルギをコントロールして、電池セル1の温度差を少なくしている。図7と図8の冷却プレート7は、電池セル1の積層方向に伸びる第1の断熱層8を設けて、この第1の断熱層8の横幅を電池セル1の積層方向で異なるようにして、電池セル1が冷却プレート7に接触する冷却面7Xの面積が異なるようにしている。
冷却プレート7は、電池ブロック10との対向面に、プラスチックシートや断熱塗膜を設けて第1の断熱層8としている。プラスチックシートや断熱塗膜は、金属に比較して熱伝導率が小さく、冷却プレート7と電池セル1とを断熱する。さらに、図9に示す冷却プレート37は、電池ブロック10との対向面に凹部36を設けている。この凹部36は、内形を、第1の断熱層38の外形に等しく、あるいはこれよりもわずかに大きくして、深さを第1の断熱層38の膜厚に等しくしている。凹部36に断熱材38Aが充填されて、冷却プレート37に第1の断熱層38を設けている。この冷却プレート37は、電池セル1に接触する冷却面37Xと第1の断熱層38の両方を電池セル1の底面に密着できる。冷却面37Xと第1の断熱層38の表面を同一平面として電池ブロック10の対向面を平面状にできるからである。
さらに、冷却プレート47は、図10に示すように、電池ブロック10との対向面に、電池セル1に接触しない非接触凹部46を設けて第1の断熱層48とすることができる。電池セル1に接触しない非接触凹部46は、熱伝導によって熱エネルギで伝達されず、電池セル1に接触する冷却面47Xよりも熱エネルギの伝達量が少ない断熱層となる。したがって、非接触凹部46は、第1の断熱層48となって、電池セル1の熱エネルギの伝達を制限する。この冷却プレート47は、電池セル1に接触する冷却面47Xで電池セル1を冷却し、非接触凹部46の第1の断熱層48では電池セル1の熱エネルギの伝達を制限する。この構造の冷却プレート47は、非接触凹部46を深くして電池セル1から冷却プレート7への伝達熱エネルギを少なくできる。
電池セル1の積層方向に伸びる第1の断熱層8、38、48の外形、すなわち、各々の電池セル1が第1の断熱層8、38、48を介して冷却プレート7、37、47に接触する接触面積は、電池セル1の温度分布から特定される。すなわち、第1の断熱層8、38、48を設けない構造で温度が高くなる電池セル1は、第1の断熱層8、38、48との接触面積を小さくし、温度が低くなる電池セル1は、第1の断熱層8、38、48との接触面積を大きくする。図7ないし図10のバッテリシステムは、中央部に積層している電池セル1の温度が両端部よりも高くなるのを防止するために、第1の断熱層8、38、48の横幅を中央部で狭く、両端部で広くしている。このバッテリシステムは、冷却プレート7、37、47でもって、中央部の電池セル1を両端部よりも効率よく冷却して、中央部の電池セル1の温度上昇を少なくできる。したがって、温度が高くなる電池セル1の温度を低くして、各々の電池セル1の温度差を少なくできる。第1の断熱層8、38、48は、温度差が少なくなるように、電池セル1から冷却プレート7、37、47に熱伝達される熱エネルギをコントロールするので、電池セル1の温度分布を考慮して最適値に設定される。
さらに、図示しないが、各々の電池セルの間に冷却隙間を設けて、この冷却隙間に冷却気体を強制送風して電池セルを冷却するバッテリシステムにおいては、風上側の電池ブロックの温度が低く、風下側の電池ブロックの温度が高くなる。したがって、このバッテリシステムは、風上側の電池セルに接触する冷却プレートに設けている第1の断熱層の面積を大きくし、風下側の電池セルに接触する冷却プレートに設けている第1の断熱層の面積を小さくして、風上側と風下側の電池セルの温度差を少なくする。
さらにまた、各々の電池セルの間に冷却隙間を設けてなる2組の電池ブロックを風上側と風下側とに配置して、各電池ブロックの冷却隙間に冷却気体を強制送風して各々の電池セルを冷却するバッテリシステムにおいては、風上側の電池ブロックの温度が低く、風下側の電池ブロックの温度が高くなる。したがって、このバッテリシステムは、風上側の電池ブロックに熱結合している冷却プレートに設けている第1の断熱層の接触面積を大きくし、風下側の電池ブロックに熱結合している冷却プレートに設けている第1の断熱層の接触面積を小さくして、風上側と風下側の電池ブロック、正確には電池ブロックを構成する電池セルの温度差を少なくする。
電池セル1を冷却する冷却プレート7、37、47は、冷却液を通過させる冷媒配管20を内部に設けている。この冷媒配管20に冷却機構9から冷却液が供給されて冷却プレート7、37、47は冷却される。冷却プレート7、37、47は、冷却機構9から供給される冷却液を、冷媒配管20の内部で気化する気化熱で冷却プレート7、37、47を冷却する冷媒として、冷却プレート7、37、47をより効率よく冷却できる。
図5と図6は、冷却プレート7の断面図である。この冷却プレート7は、上面板7Aと底板7Bを周囲で連結して内部を閉鎖室22としている。この閉鎖室22に、熱交換器として、冷却液である液化された冷媒を循環させる銅やアルミなどの冷媒配管20の冷却パイプ21を内蔵している。冷却パイプ21は、冷却プレート7の上面板7Aに密着するように固定されて上面板7Aを冷却し、底板7Bとの間には断熱材23を配設して、底板7Bとの間を断熱している。
冷却プレート7は、供給される液状の冷媒を冷却パイプ21の内部で気化させて、気化熱で上面板7Aを冷却する。図7と図11に示す冷却パイプ21は、冷却プレート7の内部に配管されてなる互いに直列に接続されてなる4列の平行パイプ21Aからなり、流入側の平行パイプ21Aaに接近して排出側の平行パイプ21Abを配管している。この図の冷却プレート7は、4列の平行パイプ21Aを直列に連結して冷却パイプ21とするが、冷却プレートは、2〜3列の平行パイプを直列に連結することも、5列以上の平行パイプを直列に連結することもできる。
図の冷却プレート7は、流入側の平行パイプ21Aaから供給される冷媒を、排出側の平行パイプ21Abから外部に排出する。流入側の平行パイプ21Aaは、液化された冷媒が供給されるので、十分な量の冷媒が供給され、冷媒の気化熱で十分に冷却される。これに対して、排出側の平行パイプ21Abは、冷却パイプ21の内部に気化されながら送られてくる冷媒が供給されるので、ほとんどの冷媒が気化されて、液化された冷媒量が少なくなることがある。
とくに、冷却パイプの排出側の温度を検出して開度を調整する流量調整弁からなる膨張弁に比較して、所定の長さの細管からなるキャピラリーチューブ24Aの膨張弁24は、冷却プレート7の温度に関係なく、冷却パイプ21に供給される冷媒の流量がほぼ一定となる。この冷却プレート7の温度が相当に高温になると、冷媒が排出側の平行パイプ21Abに移送される途中で気化されて、排出側で液状の冷媒量が少なくなることがある。この状態になると、排出側の平行パイプ21Abの内部で気化される冷媒量が少なくなって、排出側の平行パイプ21Abによる冷却カロリーが少なくなる。冷媒の気化熱が冷却カロリーとなるからである。ところが、排出側の平行パイプ21Abの近傍に流入側の平行パイプ21Aaを配管する冷却プレート7は、流入側の平行パイプ21Aaの冷却カロリーが大きく、仮に排出側の平行パイプ21Abの冷却カロリーが少なくなっても、流入側の平行パイプ21Aaの冷却カロリーが大きく、両方で均一に冷却できる。
冷却パイプ21は、開閉弁27を介して冷却プレート7を冷却する冷却機構9に連結される。図4の冷却機構9は、冷却プレート7から排出される気体状の冷媒を加圧するコンプレッサ26と、このコンプレッサ26で加圧された冷媒を冷却して液化させるコンデンサ25と、このコンデンサ25で液化された液体を蓄えるレシーバータンク28と、このレシーバータンク28の冷媒を冷却プレート7に供給する流量調整弁又はキャピラリーチューブ24Aからなる膨張弁24とを備える。この冷却機構9は、膨張弁24から供給される冷媒を冷却プレート7の内部で気化させて、冷媒の気化熱で冷却プレート7を冷却する。
図4の膨張弁24は、冷媒の流量を絞る細い管からなるキャピラリーチューブ24Aで、冷却パイプ21に供給する冷媒量を制限して冷媒を断熱膨張させる。キャピラリーチューブ24Aの膨張弁24は、冷媒の供給量を、冷却プレート7の冷却パイプ21で、冷媒を完全に気化させてガスの状態で排出する量に制限する。コンデンサ25は、コンプレッサ26から供給される気体状の冷媒を冷却して液化させる。コンデンサ25は、冷媒の熱を放熱して液化させるので、車両に設けたラジエータの前に配設される。コンプレッサ26は、車両のエンジンで駆動され、あるいはモータに駆動されて、冷却パイプ21から排出される気体状の冷媒を加圧してコンデンサ25に供給する。この冷却機構9は、コンプレッサ26で加圧された冷媒をコンデンサ25で冷却して液化し、液化された冷媒をレシーバータンク28に蓄え、レシーバータンク28の冷媒を冷却プレート7に供給し、冷却プレート7の冷却パイプ21の内部で冷媒を気化させて気化熱で冷却プレート7の上面板7Aを冷却する。
以上の冷却機構として、車両に搭載している車内冷房用のコンプレッサとコンデンサとレシーバータンクをバッテリシステムの冷却機構に併用することができる。この構造は、電池ブロックを冷却するために専用の冷却機構を設けることなく、車両に搭載するバッテリシステムの電池ブロックを効率よく冷却できる。とくに、電池ブロックを冷却するための冷却カロリーは、車両の冷房に要する冷却カロリーに比較して極めて小さい。このため、車両の冷房用の冷却機構を電池ブロックの冷却に併用しても、車両の冷房能力をほとんど低下させることなく、電池ブロックを効果的に冷却できる。
以上の冷却機構9は、開閉弁27を開閉して、冷却プレート7の冷却状態をコントロールする。冷却機構9は、電池ブロック10の温度を検出する電池温度センサ(図示せず)と、冷却プレート7の温度を検出する電池温度センサ(図示せず)を備えて、これらの温度センサで検出される検出温度で開閉弁27を制御して冷却プレート7の冷却状態をコントロールすることができる。開閉弁27が開弁されると、レシーバータンク28の冷媒が膨張弁24を介して冷却プレート7に供給される。冷却プレート7に供給された冷媒は、内部で気化されて気化熱で冷却プレート7を冷却する。冷却プレート7を冷却して気化された冷媒は、コンプレッサ26に吸入されて、コンデンサ25からレシーバータンク28に循環される。開閉弁27が閉弁されると、冷媒が冷却プレート7に循環されず、冷却プレート7は非冷却状態となる。
以上の第1の実施例のバッテリシステムは、冷却プレート7、37、47で電池セル1を冷却するが、このバッテリシステムは、電池セルの間に配置しているセパレータで電池セルの表面に冷却隙間を設け、この冷却隙間に冷却気体を強制送風して、電池セルを冷却プレートと冷却気体の両方で冷却することもできる。
さらに、第2の実施例のバッテリシステム92は、図12ないし図16に示すように、複数の角形電池からなる電池セル1を冷却隙間53を設けて積層してなる電池ブロック50と、この電池ブロック50の冷却隙間53に強制送風して電池セル1を冷却する強制送風機59と、電池ブロック50を収納してなる外装ケース70とを備えている。
電池ブロック50は、積層している電池セル1の間にセパレータ52を挟着している。このセパレータ52は、電池セル1との間に冷却隙間53ができる形状としている。さらに、図16と図17のセパレータ52は、両面に電池セル1を嵌着構造で連結している。電池セル1に嵌着構造で連結されるセパレータ52を介して、隣接する電池セル1の位置ずれを阻止して積層している。
セパレータ52は、プラスチック等の絶縁材で製作して、隣接する電池セル1を絶縁している。セパレータ52は、図17に示すように、電池セル1を冷却するために、電池セル1との間に、空気などの冷却気体を通過させる冷却隙間53を設けている。図のセパレータ52は、電池セル1との対向面に、両側縁まで延びる溝52Aを設けて、電池セル1との間に冷却隙間53を設けている。図のセパレータ52は、複数の溝52Aを、互いに平行に所定の間隔で設けている。図のセパレータ52は、両面に溝52Aを設けており、互いに隣接する電池セル1とセパレータ52との間に冷却隙間53を設けている。この構造は、セパレータ52の両側に形成される冷却隙間53で、両側の電池セル1を効果的に冷却できる特長がある。ただ、セパレータは、片面にのみ溝を設けて、電池セルとセパレータとの間に冷却隙間を設けることもできる。図の冷却隙間53は、電池ブロック3の左右に開口するように水平方向に設けている。さらに、図のセパレータ52は、両側に切欠部52Bを設けている。このセパレータ52は、両側に設けた切欠部52Bにおいて、隣接する電池セル1の対向面の間隔を広くして、冷却気体の通過抵抗を少なくできる。このため、冷却気体を切欠部52Bからセパレータ52と電池セル1との間の冷却隙間53にスムーズに送風して、電池セル1を効果的に冷却できる。以上のように、冷却隙間53に強制送風される空気は、電池セル1の外装缶を直接に効率よく冷却する。この構造は、電池セル1の熱暴走を有効に阻止しながら、電池セル1を効率よく冷却できる特徴がある。
電池ブロック3は、両端にエンドプレート54を設けて、一対のエンドプレート54を連結材55で連結して、積層している電池セル1とセパレータ52とを挟着する状態に固定している。エンドプレート54は、電池セル1の外形にほぼ等しい外形の四角形としている。連結材55は、図16に示すように、両端を内側に折曲して折曲片55Aをエンドプレート54に止ネジ56で固定している。
図16のエンドプレート54は、本体部54Aの外側に金属プレート54Bを積層して補強している。エンドプレート54の本体部54Aは、プラスチックや金属で製作される。ただし、エンドプレートは、全体を金属で製作し、あるいはプラスチックで製作することもできる。図のエンドプレート54は、金属プレート54Bの外側表面の四隅部に4個のねじ穴54aを設けている。連結材55は、折曲片55Aを貫通する止ネジ56をねじ穴54aにねじ込んで、エンドプレート54に固定される。止ネジ56は、金属プレート54Bの内面、又は本体部の内面に固定しているナット(図示せず)にねじ込まれて、連結材55をエンドプレート54に固定している。
外装ケース70は、電池ブロック50を収納して定位置に固定している。図14と図15のバッテリシステムは、電池ブロック50を2列に分離して配列しており、2列の電池ブロック50の間と外側に送風ダクト65を設けている。図に示す送風ダクト65は、2列の電池ブロック50の間に設けた中間ダクト66と、2列に分離された電池ブロック50の外側に設けた外側ダクト67とからなり、中間ダクト66と外側ダクト67との間に複数の冷却隙間53を並列に連結している。図14と図15のバッテリシステムは、4組の電池ブロック50からなり、これら4個の電池ブロック50を、2行2列に配列している。各行を構成する2個の電池ブロック50は、2列に平行に並べて、中間に中間ダクト66を、外側に外側ダクト67を設けている。さらに、図に示すバッテリシステムは、互いに平行に2列に並べた2個ずつの電池ブロック50を2行に分離して配置している。すなわち、互いに隣接する行を構成する2個ずつの電池ブロック50の間に中間遮断壁69を配置して、各行の電池ブロック50の中間と外側に設けられる送風ダクト65同士を遮断している。したがって、このバッテリシステムは、図12と図15に示すように、外装ケース70の両端から、各行の電池ブロック50に別々に冷却気体を供給し、冷却隙間53に強制送風した冷却気体を、外装ケース70の両端から別々に排出している。図のバッテリシステムは、中間ダクト66と外側ダクト67に、冷却気体を逆方向に強制送風して、電池セル1を冷却している。
このバッテリシステムは、強制送風機構59でもって、図12と図15の矢印で示すように、中間ダクト66から外側ダクト67に向けて冷却気体を強制送風し、あるいは、図示しないが、外側ダクト67から中間ダクト66に向けて冷却気体を強制送風する。中間ダクト66から外側ダクト67に強制送風される冷却気体は、中間ダクト66から分岐されて、各々の冷却隙間53に送風されて電池セル1を冷却する。電池セル1を冷却した冷却気体は、外側ダクト67に集合して排気される。また、外側ダクト67から中間ダクト66に向けて強制送風される冷却気体は、外側ダクト67から分岐して各々の冷却隙間53に強制送風されて電池セル1を冷却する。冷却隙間53を通過して電池セル1を冷却した冷却気体は、中間ダクト66に集合されて外部に排気される。
図に示す外装ケース70は、下ケース71と、上ケース72と、これらのケースの両端に連結している端面プレート73とを備えている。上ケース72と下ケース71は、外側に突出する鍔部74を有し、この鍔部74をボルト75とナット76で固定している。図の外装ケース70は、鍔部74を電池ブロック50の側面に配置している。外装ケース70は、エンドプレート54を下ケース71に止ネジ77で固定して、電池ブロック50を定位置に固定している。止ネジ77は、下ケース71を貫通してエンドプレート54のネジ孔(図示せず)にねじ込まれて、電池ブロック50を外装ケース70に固定する。
端面プレート73は、下ケース71と上ケース72の両端に連結されて外装ケース70の両端を閉塞している。端面プレート73は、中間ダクト66に連結される連結ダクト78と、外側ダクト67に連結される連結ダクト79とを、外側に突出するように設けている。この連結ダクト78、79は、強制送風機構59に連結され、あるいはバッテリシステムから冷却気体を排気する外部排気ダクト(図示せず)に連結される。これらの端面プレート73は、ネジ止めして、電池ブロック50のエンドプレート54に連結している。ただ、端面プレートは、ネジ止め以外の連結構造で電池ブロックに連結し、あるいは、外装ケースに固定することもできる。
さらに、図に示すバッテリシステムは、外装ケース70の一部に第2の断熱層58、68を設けて、外装ケース70に収納してなる電池セル1の温度差を少なくしている。多数の電池セル1を積層してなる電池ブロック50は、中央部の電池セル1の温度が高くなりやすく、両端部の電池セル1の温度が低くなりやすい。とくに、電池ブロック50の両端部に配置される電池セル1は、両端に積層されるエンドプレート54を介して効果的に放熱されて温度が低下しやすくなる。したがって、電池ブロック50の両端部と対向する部分に第2の断熱層58、68を設けることで、片面側から効率よく冷却される電池セル1の温度低下を効果的に防止して、電池セル1の温度差を少なくしている。
図12ないし図15の外装ケース70は、電池ブロック50の両端部と対向する部分に第2の断熱層58、68を設けている。図のバッテリシステムは、4組の電池ブロック50からなり、2個の電池ブロック50を直線状に配置すると共に、直線状に配置された2個の電池ブロック50を2列に平行に並べて外装ケース70に収納している。図に示す外装ケース70は、直線状に配置された2個の電池ブロック50の両端と対向する両端面に第2の断熱層58を設けて、直線状に配置された2個の電池ブロック50の中間部分と対向する位置に第2の断熱層68を設けている
図12ないし図15の外装ケース70は、直線状に配置された電池ブロック10の外側の端部に対向する端面である端面プレート73の外面に第2の断熱層58を設けている。図に示す外装ケース70は、端面プレート73の外側面に、板状の断熱材58Aを貼着して第2の断熱層58を設けている。図に示す端面プレート73は、連結ダクト78、79の間に断熱材58Aを固定して、第2の断熱層58を設けている。端面プレート73に設けられる第2の断熱層58は、端面プレート73の内面と対向する電池ブロック50端部が片面から効率よく放熱されて冷却されるのを抑制し、この部分の電池セル1の温度低下を効果的に防止して電池セル1の温度差を少なくする。
さらに、図13の外装ケース70は、直線状に配置された電池ブロック10の内側の端部、すなわち中間部分と対向する部分である下ケース71の外面に第2の断熱層68を設けている。図に示す外装ケース70は、下ケース71の底面の中央部に、帯状の断熱材68Aを貼着して第2の断熱層68を設けている。帯状の断熱材68Aは、外装ケース70に収納される電池ブロック50のエンドプレート54と平行な姿勢で固定している。下ケース71の底面の中央部に設けられる第2の断熱層68は、下ケース71の中央部の内面と対向する電池ブロック50端部が片面から効率よく放熱されて冷却されるのを抑制し、この部分の電池セル1の温度低下を効果的に防止して電池セル1の温度差を少なくする。図に示す外装ケースは、下ケースの底面に第2の断熱層を設けているが、第2の断熱層は、下ケースの側面まで延長して設けることも、上ケースに設けることもできる。
以上の外装ケース70は、電池ブロック50の両端部との対向面の外面に第2の断熱層58、68を設けている。この構造は、外装ケース70の外面に断熱材58A、68Aを固定して、簡単に第2の断熱層58、68を設けることができる。ただ、外装ケースは、電池ブロックの両端部との対向面の内面に第2の断熱層を設けることもできる。この外装ケースは、端面プレートの内面、あるいは下ケースや上ケースの内面に断熱材を固定して第2の断熱層を設けることができる。この構造は、電池ブロックの両端部に、直接に第2の断熱層を接触できるので、より効果的に断熱できる特徴がある。
以上のバッテリシステムは、2列に並列に配置してなる2個の電池ブロック50を、2行に分離して、全体で2行2列に配置しているが、バッテリシステムは、2列に並列に配置してなる2個の電池ブロックのみで構成すること、すなわち1行2列に配置することもできる。このバッテリシステムは、中間ダクトと外側ダクトからなる送風ダクトに、冷却気体を逆方向に強制送風して電池セルを冷却することも、同じ方向に強制送風して電池セルを冷却することもできる。さらに、2行2列に配置される4個の電池ブロックは、各行の電池ブロックの間と送風ダクトの間に中間遮断壁を配置することなく、列方向に隣接する2個の電池ブロックを直線状に連結すると共に、これらの電池ブロックを2列平行に並べて、中間と外側に送風ダクトを設けることもできる。このバッテリシステムは、2行2列に配置される電池ブロックの中間に設ける中間ダクトと外側に設ける外側ダクトのいずれか一方のダクトから冷却気体を供給して冷却隙間に強制送風し、他方のダクトから排出する。このバッテリシステムも、中間ダクトと外側ダクトからなる送風ダクトに、冷却気体を逆方向に強制送風して電池セルを冷却することも、同じ方向に強制送風して電池セルを冷却することもできる。
互いに平行に配列される2列の電池ブロック50の間に設けられる送風ダクト65の面積は、2列の電池ブロック50の外側に設けられる送風ダクト65の面積の2倍とする。それは、2列の電池ブロック50の中間に設けた中間ダクト66に強制送風される冷却気体を2分岐して、両側に設けた外側ダクト67に送風して排気し、あるいは、両側に設けたふたつの外側ダクト67に強制送風される冷却気体を、中間に設けた中間ダクト66に送風して排気するからである。すなわち、図15に示すバッテリシステムにおいて、中間ダクト66は、両側の外側ダクト67の2倍の冷却気体を送風するので、その断面積を2倍として圧力損失を小さくする。図15のバッテリシステムは、中間ダクト66の断面積を大きくするために、中間ダクト66の横幅を外側ダクト67の横幅の2倍としている。
以上のバッテリシステムは、電池ブロック50を互いに平行に2列に配列しており、2列に配列される電池ブロック50の中間と外側に送風ダクト65を設けている。ただ、バッテリシステムは、1列の電池ブロックで構成することもできる。このバッテリシステムは、図示しないが、1列の電池ブロックの両側に送風ダクトを設けて、一方の送風ダクトから他方の送風ダクトに強制送風し、各々の冷却隙間に冷却気体を送風して電池セルを冷却することができる。このバッテリシステムは、電池ブロックの両側に設けられる送風ダクトに送風される冷却気体の流量が等しくなるので、各々の送風ダクトの断面積を等しく、すなわち、横幅を等しくする。このバッテリシステムも、電池ブロックの両側に設けた送風ダクトに、冷却気体を逆方向に強制送風して電池セルを冷却することも、同じ方向に強制送風して電池セルを冷却することもできる。
以上の実施例において、第1の実施例のバッテリシステム91は、冷却プレート7に第1の断熱層8を設け、第2の実施例のバッテリシステム92は、外装ケース70に第2の断熱層58、68を設けて電池セル1の温度差を少なくしている。ただし、本発明の車両用のバッテリシステムは、冷却プレートに第1の断熱層を設けると共に、外装ケースの一部に第2の断熱層を設けて電池セルの温度差をより少なくすることもできる。
1…電池セル
2…セパレータ
4…エンドプレート 4A…補強リブ
5…連結材 5A…折曲片
6…止ネジ
7…冷却プレート 7X…冷却面
7A…上面板
7B…底板
8…第1の断熱層
9…冷却機構
10…電池ブロック
13…電極端子
14…開口部
18…絶縁層
19…熱伝導ペースト
20…冷媒配管
21…冷却パイプ 21A…平行パイプ
21Aa…流入側の平行パイプ
21Ab…排出側の平行パイプ
22…閉鎖室
23…断熱材
24…膨張弁 24A…キャピラリーチューブ
25…コンデンサ
26…コンプレッサ
27…開閉弁
28…レシーバータンク
36…凹部
37…冷却プレート 37X…冷却面
38…第1の断熱材 38A…断熱材
46…非接触凹部
47…冷却プレート 47X…冷却面
48…第1の断熱材
50…電池ブロック
52…セパレータ 52A…溝
52B…切欠部
53…冷却隙間
54…エンドプレート 54A…本体部
54B…金属プレート
54a…ねじ穴
55…連結具 55A…折曲片
56…止ネジ
58…第2の断熱層 58A…断熱材
59…強制送風機
65…送風ダクト
66…中間ダクト
67…外側ダクト
68…第2の断熱層 68A…断熱材
69…中間遮断壁
70…外装ケース
71…下ケース
72…上ケース
73…端面プレート
74…鍔部
75…ボルト
76…ナット
77…止ネジ
78…連結ダクト
79…連結ダクト
91…バッテリシステム
92…バッテリシステム
93…モータ
94…発電機
95…インバータ
96…エンジン
101…電池セル
103…冷却隙間
106…供給ダクト
107…排出ダクト
108…冷却風流れ変更部材
110…電池ブロック

Claims (10)

  1. 複数の電池セル(1)を積層状態に配置してなる電池ブロック(10)と、この電池ブロック(10)を構成する各々の電池セル(1)に熱結合状態に配置してなる冷却プレート(7)、(37)、(47)と、この冷却プレート(7)、(37)、(47)を強制冷却する冷却機構(9)と
    前記電池ブロック(10)と前記冷却プレート(7)、(37)、(47)の間に配置される少なくとも一つの第1の断熱層(8)、(38)、(48)と、
    を備える車両用のバッテリシステムであって、
    各々の電池セル(1)は、前記第1の断熱層(8)、(38)、(48)と熱的に接触する断熱面を有し、
    該複数の断熱面は、前記冷却プレート(7)、(37)、(47)と対向する前記電池セル(1)の一面の少なくとも一部であって、前記電池セル(1)の中央部分に位置する面を含むと共に、
    前記電池セル(1)の積層方向において、中央に位置する電池セル(1)に対応する断熱面は、端部に位置する電池セル(1)に対応する断熱面と比較して、面積が小さいことを特徴とする車両用のバッテリシステム。
  2. 前記第1の断熱層(8)、(38)、(48)は、前記複数の電池セル(1)の積層方向に伸びると共に、該積層方向に対して垂直な方向の横幅を有する形状であって、積層方向における位置に応じて、前記横幅の寸法が変化する形状であり、
    各々の電池セル(1)の前記断熱面は、積層方向における長さが一定であり、
    各々の断熱面の面積は、前記第1の断熱層(8)、(38)、(48)の横幅の変化に応じて決まることを特徴とする請求項1に記載される車両用のバッテリシステム。
  3. 前記第1の断熱層(8)が、プラスチックシートと断熱塗膜のいずれかである請求項1に記載される車両用のバッテリシステム。
  4. 前記冷却プレート(37)が、電池ブロック(10)との対向面に凹部(36)を有し、この凹部(36)に断熱材(38A)が充填されて、電池ブロック(10)の対向面を平面状としてなる請求項1に記載されるバッテリシステム。
  5. 記冷却プレート(47)は、電池ブロック(10)との対向面に設けてなる、電池セル(1)に
    接触しない非接触凹部(46)を有し、
    前記第1の断熱層(48)は、前記非接触凹部(46)内の空間に位置する空気層からなることを特徴とする請求項1に記載される車両用のバッテリシステム。
  6. 前記冷却プレート(7)、(37)、(47)が、冷却液を通過させる冷媒配管(20)を有し、前記冷却機構(9)が、冷媒配管(20)に冷却液を供給して冷却プレート(7)、(37)、(47)を冷却する請求項1に記載される車両用のバッテリシステム。
  7. 前記冷却機構(9)から冷媒配管(20)に供給される冷却液が、前記冷媒配管(20)の内部で気化する気化熱で冷却プレート(7)、(37)、(47)を冷却する冷媒である請求項6に記載される車両用のバッテリシステム。
  8. 前記電池ブロック(50)は、電池ブロックを構成する複数の電池セルの間に冷却隙間(53)を設け、
    さらに、前記冷却隙間(53)に強制送風して前記電池セル(1)を冷却する強制送風機(59)と、
    前記電池ブロック(50)を収納してなる外装ケース(70)とを備え
    前記外装ケース(70)の一部に第2の断熱層(58)、(68)を設けて、外装ケース(70)に収納してなる電池セル(1)の温度差を少なくしてなることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の車両用のバッテリシステム。
  9. 前記外装ケース(70)が、電池ブロック(50)の両端部との対向面の外面又は内面に第2の断熱層(58)、(68)を設けてなる請求項8に記載される車両用のバッテリシステム。
  10. 請求項1ないし9のいずれかに記載の車両用のバッテリシステムを搭載してなる車両。
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