JP5655772B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、電池セルを複数内蔵するモジュールと制御機器とを有する電池パックに関する。特に、防水機能を有する車両用の電池パックに関する。

従来、特許文献１に記載の蓄電装置が知られている。これは、複数の蓄電ユニットを備えた構成において、各蓄電ユニットにおける蓄電モジュールの温度調節を効率良く行うために、第１及び第２の蓄電ユニットが並んで配置されている。各蓄電ユニットは、複数の蓄電素子を有する蓄電モジュールと、蓄電素子との間で熱交換を行う熱交換媒体を蓄電モジュールに対して供給する供給ダクトと、蓄電素子との間で熱交換された熱交換媒体を排出させる排出ダクトとを有している。そして、第１及び第２の蓄電ユニットにおける排出ダクトを、隣り合って配置している。

また、従来、特許文献２に記載の蓄電装置が知られている。これは、発熱量の大きい電子部品であるリレーを極めて効率よく冷却すること、およびリレーの冷却が電池の冷却に与える影響を少なくしながら、リレーを効率よく冷却するために、車両用の電源装置は、複数の電池を電池ケースに収納する電池ブロックと、この電池ブロックに収納される電池に接続されてなる電子部品を電子部品ケースに収納している電子部品ブロックとを備える。電子部品ブロックは、電子部品ケースに、電池ブロックの電池電流を遮断するリレーを内蔵している。このリレーが弾性熱伝導シートを介して、電子部品ケースに熱結合状態で配設されると共に、電子部品ケースのリレーとの熱結合部分を金属ケースとしており、リレーの発熱を弾性熱伝導シートを介して金属ケースに伝導して外部に放熱している。

特開２０１０−３３７９９号公報 特開２００９−１８１７３７号公報

プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）および電気自動車（ＥＶ）等の大型の電池パックでは、車両外部に電池パックが露出するため、防水性が要求される。しかし、電池パックが防水構造となると、自然対流が阻害される為、内部のモジュールや制御機器の放熱が不充分になる。

この点に関し、上記特許文献１の技術によると、排気ダクト間に機器類を配置することで、吸気温度への熱影響を回避しているが、機器類の冷却は考慮されていない。また、特許文献２では、機器類の熱を、放熱シートを介してパックケースへ放熱しているが、環境によっては、外部からの熱により、逆にケース内の温度が上昇し、機器類の放熱が不十分になる虞がある。その為、防水性を要求される電池パックにおいても、電池セルを内蔵するモジュールおよび制御機器を効率よく冷却可能な電池パックが要求される。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、ケース内における、電池セルを集合したモジュールと制御機器とを効率よく冷却できる電池パックを提供することにある。

従来技術として列挙された特許文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用することができる。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、複数の電池セル（２１）からなるモジュール（３）と、複数のモジュール（３）を収納するケース（２）と、ケース（２）に設けられた吸気口（４）と、吸気口（４）を介してケース（２）の内部と外部とを連通しケース（２）外部からの冷却風をモジュール（３）の底部に導く吸気チャンバ（５）と、モジュール（３）とケース（２）との間の隙間を通り抜けた冷却風をケース（２）外部に導く排気口（９）と、ケース（２）内に設けられ、モジュール（３）から流れる電流の遮断および供給を行う制御機器（７、８）と、を備え、制御機器（７、８）は、モジュール（３）よりも冷却風の流れの下流側に設置されており、制御機器（７、８）は、モジュール（３）から流れる電流の遮断および供給を行うスイッチが内蔵された機器部（８）と、電池セルの電圧または温度を検出する制御部（７）とから成り、制御部（７）の発熱量が機器部（８）の発熱量より小さい関係にあり、機器部（８）は、制御部（７）の下流側に配置されていることを特徴としている。

この発明によれば、モジュール内の電池セルを冷却しつつ、発熱量が多い制御機器も確実に冷却可能である。また、冷却風で先にモジュールを冷却してから制御機器を冷却するから、電池セルの温度上限を制御機器の温度上限よりも低くすることができる。換言すれば、電池セルに温度の低い冷却風を供給できる為、電池セルの温度を、制御機器よりも低く保てる。
また、機器部よりも発熱量の少ない制御部を機器部の上流側に配置したから、制御部を冷却した冷却風で機器部を冷却することになるから、充分に温度差ΔＴ（温度差ΔＴ＝各制御機器の温度−冷却風温度）を確保することができ、制御部および機器部を確実に冷却できる。
更に、制御部と機器部との関係では、発熱量が制御部のほうが機器部より小さい、（制御部＜機器部）の関係にある。従って、電池パック内に制御部を内蔵し、機器部を制御部の下流側に配置することにより、発熱量の少ない制御部、次に機器部の順に冷却することで、制御部および機器部の両方共に充分に冷却が可能である。

請求項２に記載の発明では、ケース（２）は、吸気口（４）と排気口（９）とを除き、ケース（２）外部とケース（２）内部とを隔離する気密構造を有することを特徴としている。

この発明によれば、電池パックの外部に存在する空気がケース内部に侵入したり、冷却風が電池パックに外部へ漏れたりするのを防止し、かつ電池パックの防水性を確保できる。また、モジュールとケースとの間の隙間を通り抜けた冷却風を、排気チャンバ無くして排気口からケース外部に導くことができるため、ケースが排気チャンバを兼ねることができ、排気チャンバが不要であり、電池パックを小型化することができる。

請求項３に記載の発明では、排気口（９）にファンダクトを介して連通するケース（２）内部に、吸出しファン（１０）を内蔵したことを特徴としている。

この発明によれば、ケースの内部に吸出しファンを内蔵しているから、ケースの外部にファンを設ける場合に比し、圧力損失を低減してケース内部を冷却することができる。

請求項４に記載の発明では、吸気口（４）と排気口（９）とは、ケース（２）の両端部に分離して配置されていることを特徴としている。

この発明によれば、ケースの両端部に吸気口と排気口を分離して配置したから、吸気チャンバから冷却風が漏れた場合も、冷却風が漏れた部分から排気口にショートカットせず、モジュールを確実に冷却することができる。

請求項５に記載の発明では、両端部は、ケース（２）の上側に位置することを特徴としている。

この発明によれば、ケース上側の両端部に吸気口と排気口を分離して配置したから、吸気口および排気口の夫々に接続される車両側の部品となるダクトの設置が容易となる。また、メンテナンスし易い。

なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号ないし説明は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を分かり易く示す一例であり、発明の内容を限定するものではない。

本発明の第１実施形態を示す電池パックの平面図である。 図１の矢印Ｙ２方向から見た電池パックの内部の模式的配置図である。 図１の矢印Ｙ３方向から見た電池パックの内部の吸気チャンバの模式的配置図である。 図１の矢印Ｙ４方向から見た電池パックの内部の模式的配置図である。 図２の矢印Ｙ５方向から見たモジュールの平面図である。 図５のモジュールの底面図である。 図５のモジュールのモジュールカバーを除去した内部模式図である。 図５の矢印Ｙ８方向から見た一部破砕断面図である。 図５の矢印Ｙ９方向から見た側面図である。 上記実施形態において平面方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。 図１０の矢印Ｙ１１方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。 図１０の矢印Ｙ１２方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。 本発明の第２実施形態を示す平面方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。 図１３の矢印Ｙ１４方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。 本発明の第３実施形態を示す平面方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。 図１５の矢印Ｙ１６方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。 図１５の矢印Ｙ１７方向から見た電池パックの内部の模式的配置図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。

各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１ないし図１２を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態を示す電池パックの平面図である。図２は、図１の矢印Ｙ２方向から見た電池パックの内部の模式的配置図である。

電池パック１のケース２内には、複数のモジュール３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）が配置されている。各モジュール３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ内には、図２では図示しない電池セルが直列に集合して配置されている。複数のモジュール３を収納するケース２の平面左隅奥側には吸気口４が設けられている。

そして、この吸気口４を介してケース２の内部と外部とが連通されている。図３は図１の矢印Ｙ３方向から見た電池パックの内部の吸気チャンバの模式的配置図である。この図３を見て判明するように、吸気口４は直接ケース２内に連通せず吸気チャンバ５を介してモジュール３の底に冷却用の空気を供給するようになっている。吸気チャンバ５は、電池パック１の外部からモジュール３の底部へ冷却風を供給する経路を構成するダクトによって形成されている。

図１のケース２の周りを取り巻くように、電池パック１を支持する剛性の高いセンタープレート６が設けられている。このセンタープレート６を介して電池パック１が車両側の図示しないバッテリフレームに支持される。電池パック１の内部にて、モジュール３がセンタープレート６に固定されている（図示せず）。図２において、モジュール３の上部（天方向）には、制御部７と成る電池管理ユニットと、機器部８を成すジャンクションボックスが設けられている。なお、機器部８は、リレー・抵抗・ヒューズ・電流センサ等からなるが、サービスプラグ（Ｓ／Ｐ）を含んでも良い。

このように、モジュール３の冷却風下流側に、制御部７と機器部８とを配置している。また、温度上限は、（モジュール３＜制御部７）の関係にある。つまり、電池セルの集合体であるモジュール３の温度の上限のほうが、制御部７の温度の上限よりも小さい。また、制御部７と機器部８との関係では、制御部７のほうが機器部８より発熱量が小さい、（制御部７＜機器部８）の関係にある。

ケース２外部からの冷却風をモジュール３の底部に導く吸気チャンバ５は、図１の平面部片隅の吸気口４から図３のように、傾斜部５ａを介して空気をケース２内部（チャンバ）の底側に導くダクトによって形成されている。図４は、図１の矢印Ｙ４方向から見た電池パック１の内部の模式的配置図である。図４にて判明するように、右側面の上方左端に排気口９が設けられている。少なくとも吸気口４から、各モジュール３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）同士の相互間、各モジュール３の内部、および、モジュール３とケース２との間の隙間を通り抜けた冷却風は、図２の吸出しファン１０からファンダクト９ａと排気口９とを介してケース２の外部に導かれ排気風として流出する。外装のケース２とモジュール３等との間の隙間が排気チャンバとしての作用をなしている。

この実施形態ではモジュール３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）は４個設けられ、モジュール３の上部には、モジュール３から流れる電流の遮断および供給、電池セルの電圧および温度の検出、電池パックに流れる電流の検出、冷却風の温度検出、モジュール３から流れる電流の遮断制御および供給制御を夫々実行する制御機器７、８が設けられている。そして、制御機器７、８は、モジュール３よりも冷却風の流れの下流側に設置されている。

ケース２は、吸気口４と排気口９とを除き、ケース２外部とケース２内部とを隔離する気密構造である。すなわち、ケース２は吸気口４と排気口９以外は基本的に孔の開いていない鉄板で形成されている。また、配線等の必要で、鉄板に孔を開ける場合は、水分の浸入や風漏れが、できるだけ無いようにシールされている。このように、ケース２が気密されているため、冷却風が電池パック１外から侵入若しくは電池パック１外へ漏れるのを防止することができる。

制御機器７、８は、モジュール３の上方に設けられた制御部７を成す電池管理ユニットと、機器部８を成すジャンクションボックスとから構成されている。機器部８はサービスプラグを含んでいても良い。電池管理ユニット（ＢＭＵ：Battery Management Unit）は、電池状態を監視する監視手段としての機能、ならびに電圧の変化や電圧のばらつき、および電荷の移動量を計算する計算手段としての機能も有する。また、電池管理ユニット４は、入力回路、マイクロコンピュータ、および出力回路を備えている。マイクロコンピュータが有する記憶手段には、電池状態がデータとして随時蓄積されている。蓄積される電池状態のデータは、例えば組電池の電池電圧、充放電電流および温度などである。

ジャンクションボックス（Ｊ／Ｂ）とは、内部に電流線を流れる電流をオンオフするリレーや抵抗類が収納されたものであり、発熱量が大きい。サービスプラグ（Ｓ／Ｐ）とは、外部から確認できるように電流線の回路を非接続状態とする抜き取り式のプラグを有するメンテナンス用のスイッチであり、プラグを抜けば電流が流れない状態を外部から目視できるものである。

排気口９に対応するケース２内部には、吸出しファン１０が設けられている。吸出しファン１０は、電動ファンからなり、シロッコファンを電動機で回転させるものからなる。図１のように、吸気口４と排気口９とをケース２の両端部に分離して配置している。かつ、吸気口４と排気口９とはケース２の平面方向から見て対角線上に分離して配置されている。これにより、吸気口４と排気口９との間の距離を離し、漏れた冷却風のショートカットを防止している。

次に、モジュール３の構成について説明する。モジュール３は図２のように左右２個が２段に積層されている。各モジュール３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの下部には、図２および図４のように吸気チャンバ５の空気排出部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが位置している。この空気排出部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからモジュール３の底部に向けて冷却風が流れる。

図５は、図２の矢印Ｙ５方向から見たモジュール３の平面図である。モジュールケース１５の平面には、多数の空気出口１６となる孔が設けられている。図６はモジュール３の底面図である。モジュールケース１５の底面には、多数の空気入口１７となる孔が設けられている。モジュールケース１５にはモジュールカバー１５ａが被せられている。

図７は、図５の状態から、モジュールケース１５のモジュールカバー１５ａを除去したモジュール３の内部模式図である。図７のように、モジュール３の内部には多数のセル保持部２０と、これらのセル保持部２０相互間に挟持された電池セル（単電池）２１とが設けられている。空気入口１７となる孔から流入する冷却風は、電池セル２１相互間に形成された冷却風通路２２を流れる。

図８は、図５の矢印Ｙ８方向から見た一部破砕断面図である。また、図９は図５の矢印Ｙ９方向から見た側面図である。この図８および図９から判明するようにモジュールケース１５の側面には、側面空気排出口２５が設けられており、図６の空気入口１７からモジュール３の内部に導入された冷却風は、図５の空気出口１６から排出されると同時に、側面空気排出口２５からも排出される。
（作用効果）
上記第１実施形態においては次のような作用効果を奏する。電池パック１は、電池セル２１を集合した複数のモジュール３と、モジュール３を収納するケース２を有する。そして、ケース２には吸気口４を有する。この吸気口４を介してケース２の内部と外部とを連通しケース２外部からの冷却風をモジュール３の底部に導く吸気チャンバ５を有する。

また、少なくともモジュール３とケース２との間の隙間を通り抜けた冷却風を、ケース２外部に導く排気口９を具備している。更に、ケース２内に設けられ、モジュール３から流れる電流の遮断および供給と、電池セル２１の電圧および温度の検出、電池パック１に流れる電流の検出、冷却風の温度検出、モジュール３から流れる電流の遮断制御および供給制御を行う制御機器７、８を備えている。そして、制御機器７、８は、モジュール３よりも冷却風の流れの下流側に設置されている。

これによれば、モジュール３内の電池セル２１を冷却しつつ、発熱量が多い制御機器７、８も確実に冷却可能である。また冷却風で先にモジュール３を冷却してから制御機器７、８を冷却するから、電池セル２１の温度上限よりも制御機器７、８の温度上限の方が高くなるようにすることができる。

そして、制御機器７、８は、制御部７と機器部８とから成り、機器部８は、図２のように、制御部７の冷却風下流側に配置されている。図１０は、この第１実施形態を示す平面方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。また図１１は図１０の矢印Ｙ１１方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。更に、図１２は図１０の矢印Ｙ１２方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。

図１０において、ジャンクションボックスは、機器部８を構成する。機器部８はサービスプラグを含んでいても良い。この機器部８は、制御部７を成す電池管理ユニットの下流側に直列に配置されている。これらの図１０ないし図１２における矢印Ｗは、冷却風の流れを示している。

よって、機器部８よりも発熱量の少ない制御部７を機器部８の上流側に配置することになるので、制御部７を冷却した冷却風で機器部８を冷却することになるから、充分に冷却風との温度差ΔＴ（温度差ΔＴ＝各制御機器温度−冷却風温度）を確保することができ、制御部７および機器部８を確実に冷却できる。

また、モジュール３の下流側に機器部８を配置することで、モジュール３内の電池セル２１を冷却しつつ、発熱が多い機器部８も確実に冷却することが可能となっている。そして、温度上限は、（電池セル２１＜制御部７）の関係にある。つまり、電池セル２１の温度の上限のほうが、制御部７の温度の上限よりも小さい。

また、制御部７と機器部８との関係では、発熱量が制御部７のほうが機器部８より小さい、（制御部７＜機器部８）の関係にある。従って、電池パック１内に制御部７を内蔵し、機器部８を制御部７の下流側に配置することにより、発熱量の少ない制御部７、次に機器部８の順に冷却することで、制御部７および機器部８の両方共に充分に冷却が可能である。

次に、ケース２外部からの冷却風をモジュール３の底部に導く吸気チャンバ５は、片隅の吸気口４から傾斜部５ａ（図３）を介して空気をチャンバの底側に導くダクトによって形成されている。右側面図である図４にて判明するように、右側面の上方左端に排気口９が設けられている。少なくともモジュール３とケース２との間の隙間を通り抜けた冷却風は、排気口９を介してケース２外部に導かれる。これによって、モジュール３から流出した冷却風は、モジュール３の周囲を通り、排気風として流出する。

つまり、外装のケース２とモジュール３との間の隙間が排気チャンバとしての作用をなしている。従って、モジュール３からの排気を導く排気チャンバを特別設ける必要が無い。そして、排気チャンバを不要にできることで電池パック１を小型化することができる。

ケース２は、吸気口４と排気口９とを除き、ケース２外部とケース２内部とを隔離する気密構造である。従って、冷却風が電池パック１の外から侵入、もしくは外へ漏れるのを防止し、かつ電池パック１の防水性を確保できる。

また、ケース２の内部に吸出しファン１０を内蔵しているから、ケース２の外部にファンを設ける場合に比し、圧力損失を低減してケース２内部を冷却することができる。

更に、ケース２の両端部に、吸気口４と排気口９を分離して対角線状に配置したから、吸気チャンバ５から冷却風が漏れた場合も、漏れた部分から排気口５に冷却風がショートカットせず、モジュール３を確実に冷却することができる。次に、吸気口４および排気口９を電池パック１の上部（天側）に配置することで、電池パック１外の車両側吸排気ダクトの配置が容易となり、かつ、メンテナンスし易くなる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以降の各実施形態においては、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成および特徴について説明する。図１３は、本発明の第２実施形態を示す平面方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。また、図１４は図１３の矢印Ｙ１４方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。

図１３において、ジャンクションボックスは、機器部８を構成する。機器部８はサービスプラグを含んでいても良い。この機器部８は、制御部７を成す電池管理ユニットに対して平行に配置されている。そして、冷却風に対して機器部８と制御部７とは並列に配置されている。従って、制御部７および機器部８に個別に冷却風を供給することができる。また、図１３、図１４における矢印Ｗはケース２内の冷却風の流れを示している。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、以降の各実施形態においては、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成および特徴について説明する。図１５は、本発明の第３実施形態を示す平面方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。また、図１６は図１５の矢印Ｙ１６方向から見た電池パック内部の模式的配置図である。更に、図１７は、図１５の矢印Ｙ１７方向から見た電池パックの内部の模式的配置図である。

図１５において、ジャンクションボックスは、機器部８を構成する。機器部８はサービスプラグを含んでいても良い。この機器部８は、制御部７を成す電池管理ユニットと実質左右対称位置に配置されている。そして、中央部に吸込みファン１０が設けられ、冷却風に対して機器部８と制御部７とは並列に配置されている。従って、制御部７および機器部８に個別に冷却風を供給することができる。吸込みファン１０から排気ダクトを介して背面部の排気口９より電池パック１のケース２外部に冷却風が排出される。図１５ないし図１７における矢印は、ケース２内の冷却風の流れを示している。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上述の各実施形態では、吸込みファンに、吸込み方向と排出方向が直交するシロッコファンを使用したが、軸流ファンを用いても良い。

１ 電池パック
２ ケース
３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ） モジュール
４ 吸気口
５ 吸気チャンバ
７ 制御部（電池管理ユニット）
７、８ 制御機器
８ 機器部
９ 排気口
１０ 吸出しファン
２１ 電池セル

Claims (5)

1. 複数の電池セル（２１）からなるモジュール（３）と、
   複数の前記モジュール（３）を収納するケース（２）と、
   前記ケース（２）に設けられた吸気口（４）と、
   前記吸気口（４）を介して前記ケース（２）の内部と外部とを連通し前記ケース（２）外部からの冷却風を前記モジュール（３）に導く吸気チャンバ（５）と、
   前記モジュール（３）と前記ケース（２）との間の隙間を通り抜けた前記冷却風を前記ケース（２）外部に導く排気口（９）と、
   前記ケース（２）内に設けられ、前記モジュール（３）から流れる電流の遮断および供給を行う制御機器（７、８）と、を備え、
   前記制御機器（７、８）は、前記モジュール（３）よりも前記冷却風の流れの下流側に設置されており、
   前記制御機器（７、８）は、前記モジュール（３）から流れる電流の遮断および供給を行うスイッチが内蔵された機器部（８）と、前記電池セルの電圧または温度を検出する制御部（７）とから成り、
   前記制御部（７）の発熱量が前記機器部（８）の発熱量より小さい関係にあり、
   前記機器部（８）は、前記制御部（７）の下流側に配置されていることを特徴とする電池パック。
2. 前記ケース（２）は、前記吸気口（４）と前記排気口（９）とを除き、前記ケース（２）外部と前記ケース（２）内部とを隔離する気密構造を有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記排気口（９）にファンダクトを介して連通する前記ケース（２）内部に、吸出しファン（１０）を内蔵したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電池パック。
4. 前記吸気口（４）と前記排気口（９）とは、前記ケース（２）の両端部に分離して配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電池パック。
5. 前記両端部は、前記ケース（２）の上側に位置することを特徴とする請求項４に記載の電池パック。

Images