JP5547918B2 - 電気自動車、燃料電池車、またはハイブリッド車のバッテリー装置 - Google Patents

電気自動車、燃料電池車、またはハイブリッド車のバッテリー装置 Download PDF

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Description

本発明は、電気自動車、燃料電池車、またはハイブリッド車のバッテリー装置に関する。
このようなバッテリー装置は、セルハウジングに収容され、重合セルとされる、複数のバッテリーセルを備えている。
内燃機関のみのエンジンの使用により、環境が二酸化炭素で汚染される事態が生じることから、人や物の輸送用の車両は、電気駆動を原動力とする方向にますます発達し、少なくとも部分的には内燃機関エンジンを代替している。本発明は、電気自動車、燃料電池車またはハイブリッド車におけるバッテリー装置に関する。このようなバッテリー装置では、生産前の外部が閉じられたバッテリーセルは、高電圧バッテリーに組み入れられ(通常いわゆる“マイルド”ハイブリッド用は130ボルト、“フル”ハイブリッド用は360ボルト)、共通の外部ハウジングと一体化される。バッテリーセルは、それぞれ別々に製造され、確実に電気的に絶縁するために、外部がプラスチックで覆われた金属ハウジングを備えている。一般にバッテリーセルは、充電や放電の過程で熱を生じることのないニッケル水素またはリチウムイオンバッテリーセルである。しかし、これらのバッテリーセルの温度は、セルの寿命を短くしないように、55℃から80℃を超えてはならない。セル間の温度分布が均一でない場合にも、バッテリーセルの寿命は短縮され、したがって全体のアセンブリの寿命も短縮される。そのため、セル間の温度差が±2〜5Kを超えないことが重要であり、±2〜3Kの範囲であることが望ましい。セルは、電気的に直列に接続されているので、1つのセルに欠陥があると、バッテリー装置の全体が完全な不良品となってしまう。能動的流体冷却システムにより、バッテリー装置を一定温度に保持する方法に関しては、既に検討されている。
本発明は、簡単で場所を取らず、かつ高い費用効果をもって製造しうる、能動冷却バッテリー装置を提供するものである。さらに本発明は、バッテリー・アセンブリの寿命を、10年以上に亘って保証することを目的としている。
また本発明は、徐々に蓄積された300〜1500ワットの部分的に生じるエネルギーを、バッテリー装置の体積を増大させることなく、効果的に取り除くことを目的としている。
この目的は、セルハウジングの表面と平面的に当接する少なくとも1つの冷却フィンにより、冒頭で述べた種類のバッテリー装置で達成され、この冷却フィンは、少なくとも断面において間隔を有する2つの壁を備えている。間隔のおかれた領域、すなわち間隔のおかれた壁を有する領域は、バッテリーセルの熱エネルギーを除去する冷媒が通過する流路となっている。本発明のバッテリー装置では、バッテリー装置の一部ではないパイプが、熱を取り除くため、成形されてフィンになる薄い金属板にハンダ付けされ、冷却フィン自体は、冷媒を通過させる流路を形成するようになっている。このことは冷却フィンが2つの壁を有し、壁は、1つまたは複数の流路用に、一部のみにおいて間隔を有していることにより達成される。
本発明では、冷却フィンは、費用を要することなく、バッテリーセルを取付ける機能も有する。特に、構成および製造が非常に複雑であり個々のセルが装入される取付け用のラックを、所望によりなくすことができる。さらに、流路壁が同時にセルハウジングに接するフィン壁でもあるため、本発明によると、フィンから冷媒への直接的な熱移動が可能となる。
好ましい実施形態では、冷却フィンはセルハウジングに広範囲に亘って押し付けられている。これは、セルを遊びのない状態で取り付けるためであり、さらに、セルハウジングと冷却フィンの間に絶縁空気ギャップを存在させないためである。
冷却フィンは、圧入により、少なくとも1つのセルハウジングの周囲と係合させることが望ましい。
冷却フィンが、バッテリーセルの縦軸方向にセルハウジングの周囲と90°以上接していると、熱移動とセルの取付けにとって有利である。
さらに、セルハウジングの外表面の少なくとも40%が、1つまたは複数の冷却フィンに接触することができる。
バッテリーセルが、セルハウジングの外部の周囲セクションに対向して保持される複数の冷却フィンまたは冷却フィンセクションの間にクランプすることにより、個々のバッテリーセルの設置は最適となる。
セルハウジングは特に円筒形である。冷却フィンは、1つのまたは異なる列のセルに沿って蛇腹状に広がっている。この配置は、セルの縦軸方向から見たものである。
1枚または複数の冷却フィンは、特に2枚の不定形の金属板から形成される。
これらの金属板は、接合、溶接、ハンダ付けなどの物質結合や成形によって、互いに接合させることができる。流路部分の結合が耐圧性を有していることは、当然重要である。
1つの金属板のみに1つの窪みを形成して流路を形成することにより、簡単に生産することができる。他の金属板はそれゆえ、流路の部分が深く加工されたり、変形されたりする必要がない。
対応するセルの領域から可能な限り多くのエネルギーを除去し得るようにするため、流路はセルの縦方向(特に交互に上、下)に広がる。
冷却フィンは、自身と関連するセルハウジングにおける対応するセクションと接するように、少なくとも列をなすバッテリーセルの複数のセルハウジングを包囲し、かつ曲げられていることが望ましい。
増大する熱移動に備えて、冷却フィンは、セルハウジングの−面上に互いに並んで延びる2つ以上の流路セクションすなわち流路を有する。2つの流路セクションは、供給と帰還のライン間にのみ設けられる。それに対して、もしフィンの表面の大部分に、セクションが互いに入り混じる蛇腹状の流路セクション、または複数の流路が設けられていると、フィンは外形がパイプで覆われる形になる。
本発明では、固定手段(特にクランププラグ)を設けることもある。これらは、対応する冷却フィンまたはフィンセクションを互いに固定する。これらの固定手段は、非常に簡単、かつ高い費用対効果をもって製造することができ、その取り付けも簡単である。これらの固定手段も、セルハウジングに直接に当接していなくてもよい。むしろ、固定手段は、冷却フィンまたはフィンセクションの位置の固定に寄与し、それによりバッテリーセル上における冷却フィンを留める効果を確実にするおよび/またはその効果を間接的に発揮させるようにすることが望ましい。
留め具はさらに、バッテリーハウジングの中で支持体として役立つ。留め具の高さにより、バッテリーの底とハウジングの底面との間の規定された距離が確保される。これらの距離または隙間は、いわゆる「バースト間」として必要とされる。
フィンの壁の厚さは、通常0.1〜2.5mmであり、0.5〜1.5mmが望ましい。
本発明の装置では、冷媒として例えば1234YFまたはその他の冷却剤、例えば水―グリコール混合物、R134a、CO2その他の流体を使用することができる。
本発明の装置は、自身の冷却回路を有するか、または例えば内燃機関エンジンの冷却回路に対してのように、車の冷却回路に接続することができる。
フィンは、アルミニウム、銅、または好ましい実施形態では60W/m/K〜400W/m/Kの高い熱伝導性を有する別の物質から成る。
本発明のバッテリー装置の第1の実施形態の全体的な概略図。 図1記載のバッテリー装置の側面図。 図1記載のバッテリー装置の平面図。 図1記載のバッテリー装置の横断面図。 セルが隣接する列と並立している、図1記載のバッテリー装置の2つの隣接するセルハウジングの縦断面図。 図5で縁取られXで示された部分を拡大した詳細図。 本発明のバッテリー装置の第2の実施形態の全体的な斜視図。 本発明によるバッテリー装置の別の実施形態の全体的な概略図。 図8記載のバッテリー装置の側面図。 図8記載のバッテリー装置の縦断面図。 図8記載のバッテリー装置の横断平面図。
本発明の上記した以外の特徴と利点は、関連する下記の説明と添付の図面により明らかになると思う。
図1は、能動的冷却システムを有する電気自動車、燃料電池車またはハイブリッド車のバッテリー装置を示す。この装置はプラスチックから成っていることが望ましい外部ハウジング(図示せず)を備えている。複数のバッテリーセル10が、外部ハウジングに収容され、高電圧電池より正確には高電圧蓄電池が作られるように直列に接続されている。個々のバッテリーセル10は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、またはその種の電池であり、セルハウジング12で覆われている閉じられたユニットの中に入れられている。セルハウジング12の外形は、円筒形が望ましい。上面にはポール14が設けられている。
図1に示すセルスタックのバッテリーセル10は、平行の3列に平行に配列され、密度を高く詰められるように、中央の列は外側の2列と半分の長さ分ずらされている。図1はバッテリー製造者から提供され得る円筒形バッテリーを示す。言うまでもなく、形状の異なるバッテリーも他の製造者により製造されている。図8で示す例からは、例における冷却の原理が、異なる形状のバッテリー(例えば直方体)にも適用できることが分かる。
図示のバッテリー装置は、能動的な冷却デバイスより正確には冷却回路を備えている。冷却デバイスは、複数のいわゆる冷却フィン16を備えている。これらの冷却フィン16は、2つの壁になるように設計されている。
図3と図6に示すように、フィン16は外壁18と内壁20を有し、大きな表面となるように設計され、実質的に互いに平行であり、さらに大きな表面の領域にわたって互いに直接に接している。外壁18は、内壁20と同じかそれよりかなり小さな面積を有する。
図示の実施例では、冷却フィン16はバッテリーセル列10ごと(図3は3列を示す)に備え付けられている。これらの冷却フィン16は、正面から見ると蛇腹状にセルハウジング12に沿って、部分的に、1つのセルハウジング12から隣接するセルハウジングの間の、セルハウジング12間の中間の空間に広がっている。冷却フィン16は、バッテリーセル10のそれぞれの列の端22でU字型に曲げられている。対応する曲げられた端には、符号24を付けてある。
冷却フィン16の2つのセクションまたはアームはこのように形成される。1つのアームが、セルハウジング12の外側に接し、他のアームは、いわゆる内側に接する。内側は、隣接するセル列を指し示す面であり、関連するセルハウジング12の対応する面に位置している。
その代わりに、内側と外側の冷却フィン16に関して、対応する切換えパイプの湾曲部24を有する端22で互いに結合されると言うこともできる。これらの結合は、接合、溶接、ハンダ付けなどの物質結合、または対応する機械的結合(例えばねじ継ぎ、ロッキングリング)による。それにより、冷媒の前方への流れと逆行する流れの両方が、バッテリーセル列の片面に位置する。
冷却フィン16はこれにより、列をなすセルの位置を定め、保持する。
冷却フィン16は、表面の大部分または表面全体がセルハウジング12に接するように、より厳密にいえばセルハウジング12に押し付けられるように設置されるのが望ましい。
冷却フィン16はそのうえ、圧入によってセルハウジング12の周囲と密接することが望ましい。
図3に示すように、冷却フィン16は、バッテリーセル10の縦軸26の方向から見て、90°以上の角度で、セルハウジング12の周辺の各面に接する。全体では、セルハウジング12の外部の周囲面の少なくとも40%が、1つの冷却フィン16によって覆われ、かつそれに接触している。
冷却フィン16の外壁18と内壁20の両方とも、互いに平面的に当接し、かつ物質結合により、互いに結合している。しかし両方の壁18,20は、壁18,20の間に、バッテリーから熱エネルギーを取り除くための冷媒が通過する少なくとも1つの流路28が形成されるように、断面として間隔がおかれている。
これらの流路28は、図2に示す装置の側面図に明瞭に示されている。
図1は、冷却回路上で個々の接続を可能にするために、流路28の注入管30が冷却フィンの1つのアームに、排出管32が別のアームに取付けられていることを示している。
図示の実施形態では、1つの流路28のみが、側面図では実際に凹凸状または蛇腹状で上方と下方に延び、セクションにおいては、それぞれの関連するバッテリーセル10の縦軸26と平行になっている。短い接続セクション34は、上方と下方に向かう流路28の連結部36と結合する。
接続セクション34(バッテリー全体にわたって横方向の流路)を、バッテリーセルの上方または下方に、場所を取らないようにして配置することができる。このようにすると、冷媒の流路がバッテリー間に存在しなくなり、バッテリーを互いにより密接させて配置することができるので有利である。
流路28は、冷却フィンの端部の湾曲部24において、バッテリーセル列の他の面上に延びている(図3参照)。
好ましい実施形態では、冷却フィン16は、壁18,20を形成する2つの不定形の金属板から形成されているが、これが唯一の可能な態様ではない。
外壁18のみに、流路28を形成するための窪みを設けることが望ましい。
図2と図4に示すように、各バッテリーセル10は、上方と下方に延びる連結部36と片面上で結合され、隣接するセル10の間においては、共通の連結部36となっている(図4参照)。
固定手段38が、対向する冷却フィン16とフィンセクション(この場合には冷却フィンのアーム)の位置を定めるために設けられている(図1と図3参照)。これらの固定手段38は、プラスチック製で、製造が非常に容易であり、上および/または下からアセンブリに取付けられるようになっている。固定手段38は、冷却フィン16またはフィンセクションにのみ作用して側面に予張力を与えるようになっており、これにより冷却フィン16は、関連するバッテリーセル10に対して予張力を与えて圧接している。固定手段は、クランププラグが望ましい。
バッテリーセル10に接する冷却フィン16に予張力を与えるために、他の手段を採用することもできる。例えばバッテリーコンテナの中、またはカバーやベースプレートとともに作用する固定要素、および/または張力要素のような異なる機能を有するものとすることができる。
冷却フィン16の2つの壁の形状は、図5と図6でよりよく示されている。中に、例えば接着剤、ハンダ、密閉剤を充填しうる空隙42が形成されるように、流路28の脇に、小さな隆起40を、設けることもできる。
ギャップ42は、生産上、耐久性、その他の理由から、両方の金属板の全面が互いに当接しないで、重要な部分のみが当接するようにすることができる。すなわち、ギャップ42が、ハンダや接着剤の残り部分などの受容のために存在するのではないようにすることもある。
図7の実施形態は、前記で詳述したものと実質的に対応しているので、以下でそれらの差異についてのみ述べる。
詳しく見ると、図7の実施形態では、自身のアームの間に、列のバッテリーセル10を保持する湾曲した冷却フィン16は存在しないことが分かる。そうではなく、バッテリーセルの列ごとに、対応するそれぞれのセルハウジング12の外周面に接し、かつ自身の間にあるセル10を保持する、2つの冷却フィン16が設けられている。
横方向の流路をバッテリーセルの上方と下方に配置すると、側面の空間が空くので、バッテリーパックをより小さなものとすることができる。
流路28は、冷却フィン16の外周面のほぼ全体にわたって延び、実質的に水平を向くセクションは、重なり合っている、すなわち蛇腹状をなしている。流路28を他の形態とすることも当然考えられる。例えば、冷却フィン16ごとに1つの流路が他の流路の上になるように、複数の流路を設けることも可能である。
作動中はバッテリーセル10が熱くなり、生成した熱エネルギーの大部分が、セルハウジング12からそれに接する冷却フィン16へ伝えられ、流路28を流れる冷媒により、放熱される。
図8の実施形態のバッテリーセルは、直方体(直角平行六面体)である。この形態の直方体の縦方向の各側面には、蛇腹状の流路28を備える冷却フィン16を有することが望ましい。
注入管と排出菅30,32は、関連する冷却フィン16の同じ側面で終端している。
図8〜図11の実施形態では、バッテリーセル10は、円筒形ではなく、直方体(直角平行六面体)である。それぞれの縦方向の側面には、壁18,20の間に1つまたは複数の流路を有する冷却フィン16が設けられている。同様の機能を有する部分やセクションには、前記と同じ符号を付してある。この実施形態は、バッテリーセルスタックの設計幅が最小であるという特徴を有する。これに代わり、バッテリーセル列の両面上の冷却フィン16を互いに結合したり、一体化したりすることも可能である。
10 バッテリーセル
12 セルハウジング
14 ポール
16 冷却フィン
18 外壁
20 内壁
22 −端
24 湾曲部
26 縦軸
28 流路
30 注入管
32 排出管
36 連結部
38 固定手段
40 小さな隆起
42 空隙

Claims (13)

  1. 個々にセルハウジング12によって外側が閉じられ、セルスタックに組み込まれ、前記セルハウジング12に少なくとも1つの冷却フィン16が面的に当接する複数のバッテリーセル10を有し、前記冷却フィン16は、断面において間隔を有する少なくとも2つの壁18,20を有するように設計され、間隔のおかれた領域は前記バッテリーセル10から熱エネルギーを取り除くための冷媒を通過させる流路28を形成しており、
    前記流路28は、それぞれの関連するバッテリーセル10の縦方向の上下に延びており、
    それぞれの冷却フィン16は、注入管および排出管を備え、前記注入管および排出管は、前記冷却フィン16の同じ側面で終端している、電気自動車、燃料電池車、またはハイブリッド車のバッテリー装置。
  2. 前記冷却フィン16は、前記セルハウジング12に押し付けられることを特徴とする、請求項1に記載のバッテリー装置。
  3. 前記冷却フィン16は、少なくとも1つのセルハウジング12の周囲を圧入により抱え込んでいることを特徴とする、請求項1または2に記載のバッテリー装置。
  4. 前記バッテリーセル10は縦軸26を有し、前記冷却フィン16は前記縦軸26の方向に関し、90°以上に亘って前記セルハウジング12に接していることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のバッテリー装置。
  5. 前記セルハウジング12の外周面の少なくとも40%が、少なくとも1つの前記冷却フィン16に接触していることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のバッテリー装置。
  6. 前記バッテリーセル10は、前記セルハウジング12の外周セクションに対向する前記冷却フィン16または冷却フィンセクションのいずれかの間にはめ込まれていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のバッテリー装置。
  7. 前記セルハウジング12が円筒形であり、前記冷却フィン16は1列または複数の列のセル10に沿って蛇腹状で広がっていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載のバッテリー装置。
  8. 前記冷却フィン16は、2枚の金属板から形成されていることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載のバッテリー装置。
  9. 前記金属板は、物質結合または成形によって、互いに結合されていることを特徴とする、請求項8に記載のバッテリー装置。
  10. 前記流路28の形成のための窪みが、前記金属板の1つのみに形成されていることを特徴とする、請求項8または9に記載のバッテリー装置。
  11. 冷却フィン16は、少なくとも列をなすバッテリーセル10の複数のセルハウジング12を保持し、関連するセルハウジング12の対応するセクションに接するように曲げられていることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載のバッテリー装置。
  12. 冷却フィン16は、セルハウジング12の一面に、並列する2つ以上の流路セクション、または複数の流路28,28’を有することを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載のバッテリー装置。
  13. 対向する冷却フィン16またはフィンセクションの相互の位置を固定するための固定手段を特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載のバッテリー装置。
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