JP5614107B2

JP5614107B2 - 組電池及び車両

Info

Publication number: JP5614107B2
Application number: JP2010127349A
Authority: JP
Inventors: 崇村田; 崇真鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: JP2011253736A

Description

本発明は、複数の単電池を並べた組電池に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車の駆動用又は補助電源として、複数の単電池を直列に接続した組電池が知られている。この種の組電池は、発熱温度が高くなると電池劣化が進行するため、ファンから供給される冷媒により空冷される。具体的には、隣接する単電池の間に冷媒が流れる冷媒通路を形成し、この冷媒通路に冷媒を流すことにより、組電池全体を冷却している。

特許文献１は、電池を定位置に支持するためのプレート部材に複数のリブを形成し、これらのリブを電池に接触させることにより冷媒通路を形成し、冷媒通路の底面に冷却風の流れる方向に沿って凹凸を連続的に形成した組電池を開示する。
特許文献２及び３は、電池自体を冷媒の流れる方向に対して傾斜配置した電池の冷却構造を開示する。

特開２００６−１６２８５号公報特開２００６−２７８３２８号公報特開２００９−５２８６５２号公報

しかしながら、上記構成では、電池の冷却能力が不十分であった。また、冷媒通路に凹凸を形成した場合には、冷媒の圧力損失を考慮する必要がある。そこで、本願発明は、電池を冷却する冷却能力の向上及び冷媒の圧力損失の抑制を両立することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明は、（１）ケースに発電要素を収容した単電池を一方向に並べた電池群と、前記ケースの外面のうち前記一方向に隣接する前記単電池と向きあうケース対向面に沿って配置されることにより、冷媒が流れる冷媒通路を形成する第１の突起部と、前記冷媒通路に配置され、前記冷媒の流れ方向の上流側から下流側に向かって高さが漸増する斜面部を有する第２の突起部と、を備え、前記ケース対向面を含む面内において、前記第２の突起部は前記流れ方向に対して傾きを持って設置され、その設置角度は３０°未満であることを特徴とする組電池。（１）の構成によれば、冷媒が斜面部に接触することにより、第２の突起部の下流側において縦渦を形成することができる。これにより、冷却効率を向上させることができる。

（２）（１）の構成において、前記第２の突起部は、三角柱形状に形成することができる。（２）の構成によれば、（１）の効果を高めることができる。

本発明によれば、電池を冷却する冷却能力の向上及び圧力損失の抑制を両立できる。

組電池の分解斜視図である。組電池の断面図である。第１の突起部及び第２の突起部の斜視図である。第２の突起部のＺ矢視図である。第２の突起部のＸ矢視図である。設置角度と平均熱伝達率との関係を示す相関図である。設置角度と必要冷却性能との関係を示す相関図である。設置角度が０°であるときの冷媒の挙動を模式的に示す模式図である。設置角度が３０°であるときの冷媒の挙動を模式的に示す模式図である。単電池の両端面における熱伝達率と設置角度との関係を示す相関図である。図８の実施例の設置角度と圧力損失との関係を示す相関図である。第１の突起部及び変形例の第２の突起部の斜視図である。第１の突起部及び別の変形例の第２の突起部の斜視図である。別の変形例の組電池の断面図である。

図１及び図２を参照して、本実施形態に係る組電池について説明する。図１は組電池の斜視図である。図２はスペーサ部材をＸ−Ｚ面で切断した断面図である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交する三軸であり、Ｘ軸方向は単電池の積層方向に対応しており、Ｙ軸方向は冷媒が流れる方向に対応している。これらの図において、組電池１は、単電池１１をＸ軸方向に積層した電池モジュール１２Ａと、単電池１１をＸ軸方向に積層した電池モジュール１２Ｂとを含む。電池モジュール１２Ａ及び１２Ｂは、Ｙ軸方向に並んでいる。

単電池１１は、角型の電池ケース１１Ｄの内部に図示しない発電要素を収容したリチウムイオン電池である。発電要素は、電池ケース１１Ｄの内部に巻かれた状態で収納されている。発電要素は、正極体と、負極体と、正極体と負極体との間に配置されたセパレータとで構成される。正極体は、集電体と、集電体の表面に形成された正極層とで構成される。正極層は、正極に応じた活物質や導電剤などを含む層のことである。正極層の活物質として、リチウム−遷移金属複合酸化物を用いることができる。負極体は、集電体と、集電体の表面に形成された負極層とで構成される。負極層は、負極に応じた活物質や導電剤などを含む層のことである。負極層の活物質として、カーボンを用いることができる。また、導電剤として、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、カーボンナノチューブを用いることができる。

単電池１１のＺ軸方向一端面には、突状の正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂが設けられる。これらの正極端子１１Ａ及び負極端子１１ＢはＹ軸方向に並んでいる。Ｘ軸方向に隣接する単電池１１は、互いに正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂの位置が逆である。すなわち、一方の単電池１１の正極端子１１Ａ及び他方の単電池１１の負極端子１１ＢはＸ軸方向において向き合っており、互いに図示しないバスバーにより接続されている。

正極端子１１Ａ及び負極端子１１Ｂの間には、ガス放出弁１１Ｃが形成されている。ガス放出弁１１Ｃは、薄肉に形成された破壊式の弁である。ガス放出弁１１Ｃは、過充電などの際に発生したガスにより電池ケース１１Ｄの内圧が高まると破壊される。これにより、単電池１１の内圧上昇を抑制できる。

Ｘ軸方向に隣接する単電池１１の間には、スペーサ部材１３が介在する。スペーサ部材１３の詳細は、後述する。電池モジュール１２ＡのＸ軸方向の両端部には、一対のエンドプレート１９Ａが位置する。これらのエンドプレート１９Ａは、図示しない拘束バンドにより連結されており、拘束バンドにより互いに接近する方向に加圧されている。

エンドプレート１９ＡのＹ軸方向の一端面には、足部１９０Ａが形成されている。足部１９０Ａは、電池モジュール１２Ｂに対してＹ軸方向に張り出している。足部１９０Ａは、不図示のロアケースに載置される。足部１９０Ａには、貫通穴１９１Ａが形成されている。この貫通穴１９１Ａに不図示の締結ボルトを締結することにより、該ロアケース及び足部１９０Ａを固定することができる。

次に、図１及び図２を参照して、スペーサ部材１３の構成について詳細に説明する。スペーサ部材１３は、Ｘ軸方向に隣接する単電池１１の間に配置される。スペーサ部材１３は、スペーサ本体部１３０を含む。スペーサ本体部１３０は、平板状に形成されている。スペーサ本体部１３０は、樹脂からなる。スペーサ本体部１３０のＹ軸方向の一端面には、足部１３０Ｘが形成されている。足部１３０Ｘは、該ロアケースに載置されている。

スペーサ本体部１３０のＸ軸方向の一端面には複数の第１の突起部１３１が形成されている。これらの第１の突起部１３１はそれぞれ、Ｙ軸方向に延びており、Ｚ軸方向に等間隔に配列されている。スペーサ本体部１３０のＸ軸方向の他端面には第１の突起部１３１が形成されていない。したがって、スペーサ部材１３を挟んだ一方側に位置する単電池１１は、スペーサ本体部１３０における第１の突起部１３１に接触し、他方側に位置する単電池１１は、スペーサ本体部１３０の前記他端面に接触する。以下の説明において、第１の突起部１３１に接して、第２の突起部１３２に接しない単電池１１の外面を、無突起側ケース外面１１Ｄと称し、スペーサ本体部１３０に接する単電池１１の外面を、突起側ケース外面１１Ｅと称するものとする。

第１の突起部１３１が単電池１１の無突起側ケース外面１１Ｄに接触することにより、スペーサ本体部１３０、第１の突起部１３１及び無突起側ケース外面１１Ｄにより囲まれた冷媒通路が形成される。図示しない冷却ファンが作動すると、組電池１のＹ軸方向の一端面に位置する吸気チャンバを介して冷媒通路内に冷媒が流入する。冷媒通路に流入した冷媒は、単電池１１を冷却しながら冷媒通路内をＹ軸方向に流れる。単電池１１の冷却に用いられた冷媒は、組電池１のＹ軸方向の他端面に位置する排気チャンバを介して排出される。

次に、図１乃至図４を参照して、第２の突起部１３２について詳細に説明する。図３は、第１及び第２の突起部の斜視図である。図４は、第２の突起部のＺ矢視図である。図４Ｂは、第２の突起部のＸ矢視図である。前記冷媒通路には、複数の第２の突起部１３２が位置する。これらの第２の突起部１３２は、Ｙ軸方向に並んで形成されている。第２の突起部１３２のＸ軸方向の高さＡは、第１の突起部１３１のＸ軸方向の高さＨよりも小さい。第２の突起部１３２は、三角柱形状であり、スペーサ本体部１３０と一体的に形成されている。ただし、スペーサ本体部１３０と第２の突起部１３２とを別々に形成して、これらを接合したものであってもよい。

第２の突起部１３２は傾斜部１３２Ａを有する。傾斜部１３２Ａは、冷媒が流れる方向の上流側から下流側に向かって漸次Ｘ軸方向の高さが大きくなるように形成されている。傾斜部１３２Ａが設けられることにより、第２の突起部１３２の下流側において冷媒による縦渦が形成され、単電池１１に対する冷却能力を高めることができる。

無突起側ケース外面１１Ｄを含む面内において、第２の突起部１３２は、冷媒が流れるＹ軸方向に対して設置角度αだけ傾斜した方向に配置される。すなわち、Ｘ軸方向視において、傾斜部１３２Ａは、Ｙ軸方向に対して設置角度αだけ傾斜した方向に延びる。

第２の突起部１３２の設置角度αは、３０°未満であることにより、冷却ファンの必要性能の上昇を抑制しながら、熱伝達率を向上させることができる。なお、図２では、設置角度αが０°に設定されている。

次に、実施例を示して本発明について具体的に説明する。図５は、単電池１１を冷却する冷却能力を評価するための平均熱伝達率と第２の突起部１３２の設置角度との相関関係を示す。平均熱伝達率は、突起側ケース外面１１Ｄから放熱される熱の熱伝達率と、無突起側ケース外面１１Ｅから放熱される熱の熱伝達率との平均値を示す。第１の突起部１３１の高さｈは２．３ｍｍに設定し、第２の突起部１３２の高さＡは２ｍｍに設定した。冷媒の速度は、２ｍ/ｓに設定した。

同図を参照して、平均熱伝達率は、設置角度αが３０°未満である場合に、高い値を示すことがわかった。また、平均熱伝達率は、設置角度αが３０°以上である場合に、低下することがわかった。設置角度αが３０°であるときの平均熱伝達率を基準とした場合、設置角度αを９０°に変えることにより、平均熱伝達率は６％悪化した。したがって、設置角度αを３０°未満に設定することにより、平均熱伝達率を高い水準に維持できることがわかった。

図６は、単電池１１を冷却するのに求められる必要冷却性能と第２の突起部の設置角度との相関関係を示す。必要冷却性能は、冷却するのに必要な風量と圧力損失とを乗じた値に基づき評価した。同図において、設置角度αが６０°以下である場合には、設置角度αが大きくなる程、必要冷却性能が増大することがわかった。設置角度αが０°であるときの必要冷却性能を基準とした場合、設置角度αを３０°に変えることにより、必要冷却性能が１８％増大することがわかった。

図５及び図６に示す結果から、設置角度αを３０°未満に設定することにより、熱伝達率を高い水準に維持しながら、必要冷却性能の増大を抑制、つまり、冷却時のコストを削減できることがわかった。

図７Ａは、設置角度αが０°であるときの、冷媒通路を流れる冷媒の挙動を模式的に示す。図７Ｂは、設置角度αが３０°であるときの、冷媒通路を流れる冷媒の挙動を模式的に示す。図７Ａを参照して、設置角度αが０°である場合、冷媒通路を流れる冷媒は、第２の突起部１３２に接触することにより、無突起側ケース外面１１Ｄに沿って縦渦を発生させる。これにより、無突起側ケース外面１１Ｄに沿った領域において、温度境界層が発生しにくくなり、無突起側ケース外面１１Ｄからの放熱が促進される。

図７Ｂを参照して、設置角度αが３０°であるとき、冷媒通路を流れる冷媒は、第２の突起部１３２に接触することにより、スペーサ本体部１３０に沿って縦渦を発生させる。これにより、スペーサ本体部１３０に沿った領域において、温度境界層が発生しにくくなり、突起側ケース外面１１Ｅからの放熱が促進される。

このように、設置角度αを３０°未満の範囲で変化させることにより、無突起側ケース外面１１Ｄ及び突起側ケース外面１１Ｅ間の放熱割合を変化させることができる。例えば、無突起側ケース外面１１Ｄからの放熱を多くする場合には、設置角度αを０°に近づけた値に設定すればよい。突起側ケース外面１１Ｅからの放熱を多くする場合には、設置角度αを３０°に近づけた値に設定すればよい。これにより、組電池の温度管理が容易になる。

次に、図８を参照して、本発明の実施例についてより詳細に説明する。図８は、設置角度αに応じた、無突起側ケース外面１１Ｄの熱伝達率及び突起側ケース外面１１Ｅの熱伝達率を示す。設置角度αを０°、１５°、３０°、６０°、９０°の間で変化させて、無突起側ケース外面１１Ｄの熱伝達率と、突起側ケース外面１１Ｅの熱伝達率とをシミュレーションにより求めた。第１の突起部１３１の高さｈは２．３ｍｍに設定し、第２の突起部１３２の高さＡは２ｍｍに設定した。冷媒の速度は、２ｍ/ｓに設定した。第２の突起部１３２の底面積（スペーサ本体部１３０に接する領域の面積）は、図６の実施例と異なる大きさに設定した。そのため、熱伝達率は、図６の実施例とは異なる値となっている。

設置角度αが３０°未満の場合、設置角度αが大きくなる程、無突起側ケース外面１１Ｄの熱伝達率が減少し、突起側ケース外面１１Ｅの熱伝達率が増大することがわかった。設置角度αが０°であるときの熱伝達率を基準とした場合、設置角度αを３０°に変えることにより、熱伝達率が９.９％増加することがわかった。設置角度αが３０°以上の場合、設置角度αが大きくなる程、突起側ケース外面１１Ｅの熱伝達率が低下することがわかった。設置角度αが３０°以上の場合、設置角度αを大きくしても、無突起側ケース外面１１Ｄの熱伝達率は、殆ど変わらないことがわかった。

図９は、単電池１１を冷却する際の圧力損失と第２の突起部の設置角度との相関関係を示す。第２の突起部１３２は、図８の実施例と同様である。同図において、設置角度αが３０°以下である場合には、設置角度αが大きくなる程、圧力損失が増大することがわかった。

（変形例）
上記実施例から、第２の突起部１３２の設置角度が熱伝達率及び圧力損失に影響を及ぼすパラメータであることが確認されたから、第２の突起部１３２は、三角柱形状以外の他の形状であってもよい。図１０Ａは、第２の突起部の変形例を示す斜視図であり、図３に対応する。第２の突起部２３２は、曲面２３２Ａを有する。第２の突起部２３２の設置角度αは、実施形態の（１）式に従う。図１０Ｂは、第２の突起部の別の変形例を示す斜視図であり、図３に対応する。第２の突起部３３２は、四角柱形状である。第２の突起部３３２の設置角度αは、実施形態の（１）式に従う。

図１１を参照して組電池の変形例について説明する。組電池２００は、複数の単電池２０１を含む。これらの単電池２０１は、Ｙ軸方向に積層されており、直列に接続されている。単電池２０１は、絶縁性の樹脂から形成されたケースを有しており、このケースの内部には発電要素が収容されている。単電池２０１は、ニッケル水素電池であってもよい。単電池２０１のＸ軸方向の端面には、脚部２０１Ａ及び端子電極２０１Ｂが形成されている。脚部２０１ＡはＸ−Ｙ面に沿って延びる。端子電極２０１Ｂは、Ｘ軸方向に突出する。単電池２０１のＹ軸方向の一端面には、複数の第１の突起部２０１Ｃが形成されている。これらの第１の突起部２０１Ｃは、Ｚ軸方向に所定の間隔を隔てて形成されている。Ｚ軸方向に隣接する第１の突起部２０１Ｃの間には、第２の突起部２０１Ｄが形成されている。第２の突起部２０１Ｄは一つであってもよいし、Ｘ軸方向に複数個配列してもよい。第２の突起部２０１Ｄについては、実施形態で記載したように、様々な形状を採用することができる。第１の突起部２０１Ｃは、隣接する単電池２０１の外面に当接する。このように、単電池の間に配置されるスペーサ部材を省略した組電池に対しても本願発明は適用することができる。

１１単電池１２組電池１３スペーサ部材
１３１２０１Ｃ第１の突起部
１３２２３２３３２２０１Ｄ第２の突起部

Claims

ケースに発電要素を収容した単電池を一方向に並べた電池群と、
前記ケースの外面のうち前記一方向に隣接する前記単電池と向きあうケース対向面に沿って配置されることにより、冷媒が流れる冷媒通路を形成する第１の突起部と、
前記冷媒通路に配置され、前記冷媒の流れ方向の上流側から下流側に向かって高さが漸増する斜面部を有する第２の突起部と、を備え、
前記ケース対向面を含む面内において、前記第２の突起部は前記流れ方向に対して傾きを持って設置され、その設置角度は３０°未満であることを特徴とする組電池。
前記第２の突起部は、三角柱形状であることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記一方向に隣接する前記単電池の間に介在するスペーサ部材を有し、
前記第１及び第２の突起部を前記スペーサ部材に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の組電池。
前記単電池はリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項３に記載の組電池。
前記第１及び第２の突起部を前記ケースの外面に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の組電池。
前記単電池はニッケル水素電池であることを特徴とする請求項５に記載の組電池。
請求項１乃至６のうちいずれか一つに記載の組電池を搭載した車両。