JP5747996B2 - 優れた冷却効率を有する電池パック - Google Patents

Description

本発明は、高い冷却効率を示す電池パックに関し、より詳細には、２列以上に配置された電池モジュールを含む電池パックに関する。この電池モジュールの各々は、直立方式または上下反転方式でスタックされた、複数の電池セルまたは各々が２つ以上の電池セルを搭載するユニットモジュールを含み、電池モジュールは、パックケース内に個別に搭載され、パックケースには、電池セルを冷却するための冷却剤が電池セルまたはユニットモジュールのスタックされた方向に垂直な方向に電池モジュールの一方の側から他方の側へと流れるように、冷却剤注入ポートおよび冷却剤排出ポートがパックケースの上方部および下方部のところに設けられ、パックケースには、冷却剤注入ポートから電池モジュールへと延びる流れスペース（「冷却剤導入部」）、および電池モジュールから冷却剤排出ポートへと延びる流れスペース（「冷却剤放出部」）がさらに設けられ、冷却剤注入ポートは、それぞれのパックケースに接続されるように冷却剤導入ダクトから分岐する一方で、冷却剤排出ポートは、冷却剤放出ダクトに接続されるようにそれぞれのパックケースから延びる。

近年、充電および放電することができる二次電池が、無線モバイルデバイス用のエネルギー源として広く使用されてきている。また、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン自動車およびディーゼル自動車によって引き起こされる大気汚染などの問題を解決するために開発されてきている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、およびプラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ ＨＥＶ）用の電源として大きく注目を集めている。

小型のモバイルデバイスは、デバイス毎に１つまたは複数の電池セルを使用する。一方で、自動車などの中型または大型のデバイスは、大電力および大容量が中型または大型デバイスにとって必要であるという理由で、相互に電気的に接続された複数の電池セルを有する電池パックを使用する。

好ましくは、電池パックは、可能な限り小さなサイズおよび軽い重量を有するように製造される。この理由のために、高集積度でスタックすることができ、小さな重量対容量比を有するプリズマチック電池またはパウチ型電池が、電池パックの電池セルとして通常使用される。特に、パウチ型電池が軽量であり、パウチ型電池の製造コストが低く、かつパウチ型電池の形状を変更することが容易であるという理由で、シーズ部材としてアルミニウム積層シートを使用するかかるパウチ型電池に多くの関心が現在集中している。

電池パックが特定の装置またはデバイスによって必要とされる電力および容量を与えるために、複数の電池セルが相互に直列に電気的に接続され、電池セルが外力に対して安定である構造を有するように構成されることが、中型または大型の電池モジュールにとって必要である。これに加えて、電池パックが装置またはデバイスに搭載されたときに、装置またはデバイスのデッドスペースが最小になるように、特定の装置またはデバイスのスペースを有効に利用するように構成することが、電池パックにとって必要である。

また、中型または大型の電池モジュールを構成する電池セルは、充電および放電することができる二次電池である。したがって、大量の熱が、電池の充電および放電中に、大電力、大容量の二次電池から発生される。ユニットセルの充電および放電中に、ユニットセルから発生する熱が、効果的に取り除かれない場合には、熱がそれぞれのユニットセル内に蓄積し、ユニットセルの劣化が加速されるという結果をともなう。周囲の状況によっては、ユニットセルが発火するまたは爆発することがある。この理由のために、冷却システムが、電池パック中に搭載された電池セルを冷却するために、大電力大容量電池である自動車用の電池パックにおいて必要である。

複数の電池セルを含む電池パックでは、一方においては、一部の電池セルの性能の劣化が、電池パック全体の性能の劣化をもたらす。性能の不均一性を引き起こす主な要因の１つは、電池セル間の冷却の不均一性である。この理由のために、流路の形状を最適にする構造を提供することが必要であり、これによって、冷却剤の流動中、電池セル間の温度ばらつきを最小にする。

したがって、上記の問題を基本的に解決するための技術に対する高い必要性がある。

ＰＣＴ国際出願番号ＰＣＴ／ＫＲ２００４／００３３１２号

それゆえ、本発明は、上記の問題およびまだ解決されていない他の技術的な問題を解決するために行われた。

電池パックについての様々な広範囲にわたる徹底的な研究および実験の結果として、本出願の発明者らは、特定の構造を有する電池パックを開発し、この電池パックが高い冷却効率および高いスペース効率を示すことを見出している。本発明は、これらの知見に基づいて完成されている。

本発明の一態様によれば、上記の目的および他の目的は、２列以上に配置された電池モジュールを含む電池パックの提供によって実現することが可能である。電池モジュールの各々は、直立方式または上下反転方式でスタックされた、複数の電池セルまたは各々が２つ以上の電池セルを搭載するユニットモジュールを含み、電池モジュールは、パックケース内に個別に搭載され、パックケースには、電池セルを冷却するための冷却剤が電池セルまたはユニットモジュールのスタックされた方向に垂直な方向に電池モジュールの一方の側から他方の側へと流れるように、冷却剤注入ポートおよび冷却剤排出ポートがパックケースの上方部および下方部のところに設けられ、パックケースには、冷却剤注入ポートから電池モジュールへと延びる流れスペース（「冷却剤導入部」）、および電池モジュールから冷却剤排出ポートへと延びる流れスペース（「冷却剤放出部」）がさらに設けられ、冷却剤注入ポートは、それぞれのパックケースに接続されるように冷却剤導入ダクトから分岐する一方で、冷却剤排出ポートは、冷却剤放出ダクトに接続されるようにそれぞれのパックケースから延びる。

概して、冷却効率のばらつきは、冷却剤注入ポートのところに位置する電池セルまたはユニットモジュールと冷却剤注入ポートに対して反対の電池パックのところに位置する電池セルまたはユニットモジュールとの間の冷却効率の相違に起因して電池パック内に発生することがある。冷却効率のばらつきは、スタックされた方向での電池セルまたはユニットモジュールの長さが増加するにつれて、すなわち、冷却剤導入部内の冷却剤の流れ距離が増加するにつれて増加することがある。

また、電池パックの一端が電池パックの同じ体積範囲内で必要以上に長くなる場合には、電池パックが搭載されるデバイスのスペース効率は、低下することがある。

本発明による電池パック内では、電池モジュールは２列以上に配置可能である。したがって、この電池パックは、電池モジュールを１列に配置した電池パックよりもさらに小型の構造を有し、これによってデッドスペースを減少させ、したがって、スペース効率を最大にする。また、電池モジュール間の温度ばらつきは、ほとんどない。

ユニットモジュールの各々は、電極端子が相互に直列に接続される２つ以上の電池セルと、電池セルの電極端子を除く電池セルの外側を覆うように連結された一対のモジュール筐体と、を含む構造を有するように構成されうる。

モジュール筐体は、低い機械的な強度を有する電池セルを保護しながら、電池セルの充電および放電中に電池セルの繰り返しの膨張変化および収縮変化を抑制し、これによって電池セルの封止した領域間の分離を防止する。

モジュール筐体の構造は、電池セルがモジュール筐体内に搭載される限りは特に制限されない。非限定的な一例では、モジュール筐体は、電池セルスタックの外形形状に対応する内部構造を有することができる。特に、モジュール筐体は、追加の固定部材を使用せずにアセンブリタイプの固定方式で相互に連結されてもよい。

好ましい例では、ユニットモジュールの各々は、２つの電池セルが金属材料で作られたモジュール筐体内に搭載される構造を有するように構成されうる。

電池セルは、二次電池が電池モジュールを構築するためにスタックされるときに、二次電池の全体のサイズが最小になるように、薄い厚さならびに比較的大きな幅および長さを有する二次電池である。好ましい例では、各電池セルは、電極アセンブリが樹脂層および金属層を含む積層シートから作られた電池ケース内に搭載され、電極端子が電池ケースの上端部および下端部から突き出した構造を有するように構成された二次電池であってもよい。具体的には、各電池セルは、電極アセンブリがアルミニウム積層シートから作られたパウチ型電池ケース内に搭載される構造を有するように構成されてもよい。上に述べた構成を有する二次電池は、パウチ型電池セルと呼ばれることがある。

パウチ型電池セルのセルケースは、様々な構造を有するように構成されうる。例えば、パウチ型電池セルのケースは、電極アセンブリが２つのユニット部材の上部内側表面および／または下部内側表面のところに形成された受け部内で受けられ、上部接触領域および下部接触領域が封止される構造を有するように構成されてもよい。上記の構成を有するパウチ型電池セルは、ＰＣＴ国際出願番号ＰＣＴ／ＫＲ２００４／００３３１２号に開示されており、これは本特許出願の出願人の名で出願されている。上記の特許出願の開示は、本明細書中で十分に説明されるかのように、引用によって本明細書に援用される。

電極アセンブリは、カソードおよびアノードを含み、これによって電池の充電および放電が可能である。電極アセンブリは、カソードおよびアノードがスタックされると同時に、セパレータがカソードとアノードとの間にそれぞれ配置される構造を有するように構成されうる。例えば、電極アセンブリは、ジェリーロール（ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ）型構造、スタック型構造、またはスタック／フォールド（ｓｔａｃｋｅｄ／ｆｏｌｄｅｄ）型構造を有するように構成されてもよい。電極アセンブリのカソードおよびアノードは、カソードの電極タブおよびアノードの電極タブが電池から外に向かって直接突き出すように構成されうる。あるいは、電極アセンブリのカソードおよびアノードは、カソードの電極タブおよびアノードの電極タブが追加のリード線に接続され、リード線が電池から外に向かって突き出すように構成されてもよい。

電池セルは、１つの電池モジュール内で相互に直列におよび／または並列に接続されてもよく、あるいは１つの電池モジュールの電池セルは、別の電池モジュールの電池セルに直列におよび／または並列に接続されてもよい。好ましい例では、複数のユニットモジュールは、電池セルの電極端子が相互に連続して隣接するように電池セルが長手方向に直列に配置される状態で電池セルの電極端子を相互に連結し、電池セルがスタックされるように２つ以上の電池セルを折り曲げ、モジュール筐体を使用して所定の数のスタックした電池セルを覆うことによって製造されてもよい。

電極端子間の連結は、溶接、はんだ付け、および機械的な連結などの様々な方式で実現されてもよい。好ましくは、電極端子間の連結は、溶接によって実現される。

電池セルの外側端部の封止部分のうちの側面封止部分は、モジュール筐体の内側形状とほぼ一致するように曲げられてもよい。結果として、スペース利用が向上し、それゆえ、小型の電池モジュールを製造することが可能である。

電極端子が上に説明したように電池セルの上端部および下端部から外に向かって突き出す構造では、奇数個の電池セルが相互に直列に接続される場合には、電極端子が各ユニットモジュール内で電池セルの反対の端部のところに位置し、後続のプロセスが容易に実行されないという結果をともなう。この理由のために、偶数個の電池セルを相互に直列に接続することが好ましい。また、３つ以上の電池セルがユニットモジュールを構成する場合では、最外部の電池セルを除く他の電池セルは、モジュール筐体に直接固定されず、電池セルが振動に起因する問題を引き起こしうるという結果をともなう。

また、モジュール筐体には、モジュール筐体がスタックされたときに流路を提供するために、モジュール筐体の外側端部に、突起部が設けられることができる。ユニットモジュールがスタックされたときに、突起部は、突起部間に冷却剤が流れる流路を形成するために相互に接触する。

別の好ましい例では、電極が外に向かって突き出す電池セルの部分に対応するモジュール筐体の部分は、電極が外に向かって突き出す電池セルの部分を固定するために、モジュール筐体の残りの部分よりも低くしてもよい。

電池セルが充電および放電することができる二次電池である限り、電池セルは特に制約されない。好ましくは、電池セルは、リチウム二次電池であり、その各々が重量に対する大きな電力または容量比を有する。

好ましくは、電池モジュールは、電池セルまたはユニットモジュールのスタックされた方向に２列以上に配置される。

概して、冷却剤は、電池セルまたはユニットモジュールのスタックされた方向に導入され、電池セルまたはユニットモジュールの間を通過し、その後放出される。電池モジュールが上に説明したように電池セルまたはユニットモジュールのスタックされた方向に２列以上に配置されるときには、したがって、冷却剤導入部の長さは減少し、これによって冷却効率を向上させ、同じ電池モジュールの電池セルまたはユニットモジュール間の温度ばらつきを小さくする。

本発明によれば、冷却剤注入ポートは、冷却剤が冷却剤導入ダクト中を流れる方向に対して６０から１２０度の角度で冷却剤導入ダクトから分岐することができる。

冷却剤注入ポートが上記の角度範囲内で冷却剤導入ダクトから分岐するように構成されるときには、小型の電池パックを構成することが可能である。この理由のために、冷却剤注入ポートは、冷却剤が冷却剤導入ダクト中を流れる方向に対して９０度の角度で冷却剤導入ダクトから好ましくは分岐する。

冷却剤放出ダクトは、冷却剤放出ダクトが上方に延びるように冷却剤排出ポートが相互に接続される場所に形成されてもよい。

冷却剤放出ダクトが上方に延びる場合では、冷却剤放出ダクトは、電池モジュールの側面に沿って形成されてもよく、これによって、電池パックの全体的なスペース効率を向上させる。これに対して、冷却剤放出ダクトが下方に延びる場合では、電池パックは、冷却剤放出ダクトの長さだけ下方に突き出し、これは好ましくない。冷却剤放出ダクトが電池セルのスタックされた方向に延びる場合においてさえ、電池パック突起部は、冷却剤放出ダクトの長さだけ電池セルのスタックされた方向に延び、これもやはり好ましくない。

駆動力を発生する吸引ファンは、それぞれの冷却剤排出ポート内に搭載されてもよく、その駆動力によって、冷却剤注入ポートを介して導入された冷却剤が電池モジュールを通りかつ冷却剤排出ポートを介して放出されてもよい。

吹付ファンがそれぞれの冷却剤注入ポート内に搭載される場合には、ファンの大きな駆動騒音が、電池パックが据え付けられるデバイス内に発生されることがある。駆動力が、上に説明したように吸引ファンによって発生される場合では、その一方で、冷却剤が冷却剤導入ダクト中を流れる方向に対して所定の角度で冷却剤注入ポートが冷却剤導入ダクトから分岐するときでさえ、一様な流量の冷却剤が、それぞれの電池モジュールに供給される。

好ましい例では、吸引ファンは、外力が電池パックの横方向に電池パックに加えられるときに、電池モジュールへの衝撃を最小にするために電池モジュールの上端部よりも高い位置のところに搭載されてもよい。

すなわち、吸引ファンは、電池モジュールアセンブリの上端部よりも高い位置のところに搭載され、それゆえ、電池モジュールアセンブリへの衝撃は、外力が電池パックの横方向に電池パックに加えられるときに最小にされ、これによって電池パックの安全性を確保する。

また、吸引ファンは、電池モジュールアセンブリの側面に沿って冷却剤排出ポートから上方に延びる冷却剤放出ダクトに接続される。したがって、冷却剤が冷却剤導入部中へと導入され、電池モジュールを通り、冷却剤排出ポートを介して放出される速度は、増加し、これによって、電池セルまたはユニットモジュールの冷却効率を向上させる。

冷却剤導入部の上端部内側は、冷却剤導入部が冷却剤注入ポートに対して反対のパックケースの端部から冷却剤注入ポートへと広がるように、電池セルスタックまたはユニットモジュールスタックの頂部に対して傾斜した傾斜面を有することができる。

冷却剤導入部の上端部内側が電池セルスタックまたはユニットモジュールスタックの頂部に平行である場合では、冷却剤注入ポートに隣接する流路における冷却剤の流量は、大きく減少し、電池セルまたはユニットモジュール間の温度ばらつきが大きくなるという結果をともなう。

一方で、冷却剤導入部の上端部内側が上に説明したような傾斜面を有する場合では、電池セルまたはユニットモジュール間のかかる温度ばらつきを小さくすることが可能であり、これによって、電池パックの性能が低下することを防止する。

好ましい例では、傾斜面の各々は、３から８度の傾斜角を有することができる。

傾斜面の各々が３度よりも小さな傾斜角を有する場合には、電池セルまたはユニットモジュール間の温度ばらつきを効果的に小さくすることは、不可能である。これに対して、傾斜面の各々が８度よりも大きな傾斜角を有する場合には、冷却剤注入ポートの各々の高さは増加し、小型の電池パックを製造することが不可能であるという結果をともなう。これに加えて、冷却剤注入ポートの各々の断面積が増加するにつれて、冷却剤の速度が、遅くなることがあり、これは好ましくない。

また、冷却剤注入ポートの各々が冷却剤導入部の各々の上端部内側の角度よりも大きな角度で傾斜する場合では、電池セルまたはユニットモジュール間の上記の温度ばらつきをさらに小さくすることが可能である。好ましくは、冷却剤注入ポートは、２０から８０度の角度で傾けられる。

冷却剤注入ポートの各々の幅は、冷却剤導入部の上端部内側が前述したような特定の傾斜した構造を有するように構成される場合を除いて、ユニットセル間の温度ばらつきに大きく影響を及ぼす。

冷却剤注入ポートの各々がユニットセルスタックの長さに対応する電池パックケースの長さの５から２５％に等しい幅を有するときには、それゆえ、デバイス据え付け条件に応じて引き起こされる冷却剤の温度ばらつきをより効果的に小さくすることが可能である。好ましくは、冷却剤注入ポートの各々は、ユニットセルスタックの長さに対応する電池パックケースの長さの１０から２０％に等しい幅を有する。

冷却剤注入ポートに対して反対の電池パックケースの端部は、ユニットセルスタックの高さの１０％以下に等しい高さだけ、ユニットセルスタックの頂部から離間されてもよい。この構造は、冷却剤注入ポートに対して反対の電池パックケースの端部に到達する冷却剤の量を適切に制限し、これによってユニットセルへの冷却剤の一様な分配をさらに向上させる。

この場合では、冷却剤注入ポートに対して反対の電池パックケースの端部は、１から１０ｍｍの高さだけユニットセルスタックの頂部から離間されてもよい。

冷却剤放出部は、ユニットセルスタックの底部に対して同じ高さを有することができる。すなわち、ユニットセルスタックの底部に面する冷却剤放出部の底部は、ユニットセルスタックの底部と同じ高さを有することができる。あるいは、冷却剤放出部の各々の構造は、冷却剤放出効率を向上させるために部分的に変更されてもよい。

本発明の別の態様によれば、電源として上に述べた構成を有する電池パックを使用し、限定された据え付けスペースを有し、頻繁な振動および強い衝撃に曝される自動車が提供される。

好ましい例では、自動車は、大電力および大容量を必要とする電気自動車、ハイブリッド電気自動車、またはプラグインハイブリッド電気自動車であってもよい。

当然のことながら、自動車の電源として使用する電池パックは、所望の電力および容量に基づいて組み合わせられ、製造されてもよい。

この場合では、自動車は、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、またはプラグインハイブリッド電気自動車であってもよく、電池パックが、自動車のトランクの下端部または自動車の後部座席とトランクとの間に据え付けられる。

自動車の電源として電池パックを使用する電気自動車、ハイブリッド電気自動車、またはプラグインハイブリッド電気自動車は、本発明に関係する当業者にはよく知られており、それゆえ、その詳細な説明は省略される。

本発明の上記ならびに他の目的、特徴、および他の利点は、添付した図面とともに下記の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。

本発明の一実施形態による電池パックを示す斜視図である。 図１の電池パックの構造を示す概略図である。 図１の電池モジュールがパックケース内に搭載されている構造を典型的に示す垂直断面図である。 図１の電池パック内のそれぞれの電池モジュールのユニットモジュール間の温度ばらつきの測定結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態によるユニットモジュールにおいて使用されるモジュール筐体を示す斜視図である。 本発明の実施形態によるユニットモジュールにおいて使用されるモジュール筐体の連結構造を示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるユニットモジュールを示す斜視図である。

ここで、本発明の好ましい実施形態が、添付した図面を参照して詳細に説明される。しかしながら、本発明の範囲は、図示した実施形態によって限定されないことに留意すべきである。

図１は、本発明の一実施形態による電池パックを典型的に示す斜視図であり、図２は、図１の電池パックの構造を典型的に示す概略図であり、図３は、本発明の実施形態による電池パックを典型的に示す垂直側面断面図である。

これらの図面を参照すると、電池パック１００は、冷却剤導入ダクト１８０、冷却剤注入ポート１１０、電池モジュール１９１および１９２、ならびに冷却剤排出ポート１２０を含む。

冷却剤注入ポート１１０は、それぞれの電池モジュール１９１および１９２に対応するように冷却剤導入ダクト１８０から分岐し、その結果、冷却剤注入ポート１１０がそれぞれの電池モジュール１９１および１９２に接続される。具体的には、それぞれの冷却剤注入ポート１１１および１１２は、冷却剤注入ポート１１０がそれぞれの電池モジュール１９１および１９２に接続されるように、冷却剤が冷却剤導入ダクト１８０中を流れる方向に対して約９０度の角度で冷却剤導入ダクト１８０から分岐する。

電池モジュール１９１および１９２の各々は、直立方式または上下反転方式でスタックされた複数のユニットモジュール１３０を含む。電池モジュール１９１および１９２は、ユニットモジュール１３０のスタックされた方向に２列に配置される。電池モジュール１９１および１９２は、それぞれ、パックケース１７１および１７２に搭載される。冷却剤注入ポート１１０および冷却剤排出ポート１２０は、パックケース１７１および１７２の上方部および下方部のところに形成され、その結果、電池セルを冷却する冷却剤が、ユニットモジュール１３０のスタックされた方向に対して垂直な方向に電池モジュール１９１および１９２の一方の側から他方の側へと流れる。また、冷却剤注入ポート１１１および１１２から電池モジュール１９１および１９２へと広がる流れスペースである冷却剤導入部１４０と、電池モジュール１９１および１９２から冷却剤排出ポート１２０へと広がる流れスペースである冷却剤放出部１５０とは、パックケース１７１および１７２のところに形成される。

冷却剤排出ポート１２０は、冷却剤排出ポート１２０が冷却剤放出ダクト１２１に接続されるように、それぞれのパックケースから延びる。冷却剤排出ポート１２０中には、吸引ファン（図示せず）が、駆動力を発生するために搭載され、この駆動力によって、冷却剤注入ポート１１１および１１２を介して導入された冷却剤は、電池モジュールを通り、冷却剤排出ポート１２０を介して放出される。

電池モジュール１９１および１９２は、より詳細に説明される。冷却剤注入ポート１１０および冷却剤排出ポート１２０は、冷却剤がユニットモジュール１３０のスタックされた方向Ｌに対して垂直な方向に電池セルスタック１３２の一方の側から他方の側へと流れるように、反対の方向に電池モジュール１９１および１９２のパックケース１７０の上方部および下方部のところに形成される。

それぞれのユニットモジュール１３０の間には、冷却剤が通って流れる小さな流路１６０が画定される。したがって、冷却剤注入ポート１１０を介して導入された冷却剤は、流路１６０を通って流れる。この時に、冷却剤は、ユニットモジュール１３０から発生された熱を取り去る。その後で、冷却剤は、冷却剤排出ポート１２０を介してパックケースの外へ放出される。

それぞれのパックケース１７０に対する冷却剤注入ポート１１０の傾斜角Ｂは、それぞれの冷却剤注入ポート１１０に対して反対のパックケース１７０の端部から始まる傾斜面の傾斜角Ａよりも大きい。

冷却剤注入ポート１１０を介して導入された冷却剤が、冷却剤注入ポート１１０の傾斜角Ｂおよび傾斜面の傾斜角Ａを有する冷却剤導入部１４０に沿って流れるときには、冷却剤の流れ断面積は、冷却剤注入ポート１１０の端部からの距離の増加にしたがって傾斜面の傾斜角Ａによって徐々に減少する。結果として、冷却剤の流速は徐々に増加するが、冷却剤の流量は減少し、これゆえ、冷却剤注入ポート１１０に隣接する電池セル１３０および冷却剤注入ポート１１０から遠くの電池セル１３０は、冷却剤が冷却剤注入ポート１１０から遠くの電池セル１３０に到達する限り、一様に冷却される。

冷却剤の一様性を向上させ、したがって温度ばらつきを最小にするために、傾斜面の傾斜角Ａおよび冷却剤注入ポート１１０の傾斜角Ｂは、傾斜面の傾斜角Ａが電池セルスタック１３２の頂部に対して約４度であり、冷却剤注入ポート１１０の傾斜角Ｂが電池セルスタック１３２の頂部に対して約２０度であるように、それぞれの冷却剤導入部１４０の上端部内側１４２に形成される。また、冷却剤注入ポートの各々は、電池パックケース１７０の各々の長さｌの約１５％に等しい幅ｄを有する。

また、電池パックケース１７０は、冷却剤注入ポート１１０に対して反対の電池パックケース１７０の傾斜角Ａが冷却剤注入ポート１１０の傾斜角Ｂよりも小さい２つの傾斜した構造を有する。したがって、冷却剤が冷却剤排出ポート１２０まで必要以上に流れる現象の発生を防止することが可能であり、これによって、冷却剤注入ポート１１０に隣接する電池セルの温度の上昇を効果的に防止する。

冷却剤注入ポートに対して反対の電池パックケースの端部は、約１ｍｍの高さｈだけ電池セルスタック１３２の頂部から間隔を空けられる。したがって、冷却剤注入ポート１１０の傾斜角Ｂおよび傾斜面の傾斜角Ａを通過した限られた量の冷却剤だけが、冷却剤注入ポート１１０に対して反対の電池パックケースの端部まで到達し、これによって冷却剤注入ポート１１０に対して反対の電池パックケースの端部に隣接する電池セル１３０の過冷却を防止する。

上記の構造では、電池パックは、電池パックが特定の方向にわずかに突き出している小型の構造を有するように構成され、これによって、高いスペース効率を与える。また、電池モジュール１９１および１９２が２列に分岐される場合でさえ、電池モジュール１９１および１９２間の温度ばらつきは、ほとんどない。

図４は、図１の電池パックにおいて、２列に配置されているそれぞれの電池モジュールのユニットモジュール間の温度ばらつきの測定結果を示すグラフである。

図２とともに図４を参照すると、図４は、冷却剤排出ポート１２０に隣接する電池セルから冷却剤注入ポート１１０に隣接する電池セルまでの図２のパックケース１７１および１７２内にスタックされた電池セルの温度の測定結果を示す。すなわち、電池セル番号１は、対応する冷却剤排出ポート１２０に隣接するパックケース１７１内の電池セルを示し、電池セル番号１２は、冷却剤注入ポート１１１に隣接するパックケース１７１内の電池セルを示す。また、電池セル番号１３は、対応する冷却剤排出ポート１２０に隣接するパックケース１７２内の電池セルを示し、電池セル番号２４は、冷却剤注入ポート１１２に隣接するパックケース１７２内の電池セルを示す。

温度測定実験は、所定の負荷が電池セルに与えられ、外部温度を室温に維持された条件下で行われた。また、温度測定実験は、冷却剤注入ポート１１１および１１２の傾斜角Ｂが標準角度として２０度に設定され、それぞれの冷却剤導入部の上端部内側１４２の傾斜角が標準角度として４度に設定された条件下で行われた。それぞれの温度測定実験は、注入ポートおよび排出ポートの最大高さが１８ｍｍ〜１５ｍｍ（ｉ１８ｏ１５）、１８ｍｍ〜２０ｍｍ（ｉ１８ｏ２０）、および２０ｍｍ〜２５ｍｍ（ｉ２０ｏ２５）であった条件下で、１時間当たり８０立方メートル（ＣＭＨ、ｍ^３／ｈ）の空気流量で行われた。測定結果は、８０ＣＭＨ ｉ１８ｏ１５の場合では、電池モジュールの各々における電池セル間の温度ばらつきは、約２．５℃であったが、電池モジュール間の温度ばらつきは、ほとんどなかった。また、８０ＣＭＨ ｉ１８ｏ２０および８０ＣＭＨ ｉ２０ｏ２５の場合では、電池モジュールの各々における電池セル間の温度ばらつきは、約１．５℃であったが、電池モジュール間の温度ばらつきは、ほとんどなかった。

上記の構造では、スタックした方向における電池セルの長さは、電池セルが１列に配置される構造と比較して、比較的短い。したがって、冷却剤流れ距離間の差異は小さくなり、それゆえ、電池モジュール間の温度ばらつきが小さくなる。また、電池モジュール間の温度ばらつきが小さくなり、それゆえ、電池パックの全体的な温度ばらつきが小さくなる。

図５は、本発明の一実施形態によるユニットモジュールにおいて使用するモジュール筐体を典型的に示す斜視図である。

図５を参照すると、電池セルスタック５００の外側を完全に覆うように構成された一対の高強度モジュール筐体２００が示される。モジュール筐体２００は、低い機械的強度を有する電池セルを保護しながら、電池セルの充電および放電中の電池セルの繰り返し膨張変化および収縮変化を抑制し、これによって、電池セルの封止した領域間の分離を防止する。モジュール筐体２００は、左筐体２１１および右筐体２１２を含む。左筐体２１１および右筐体２１２は、追加の固定部材を用いずに相互に連結されてもよい。モジュール筐体２００の各々の一方の側の中間のところには、ケーブルを介して外部コネクタ（図示せず）に接続されるサーミスタ（図示せず）が取り付けられる。

図６は、モジュール筐体の連結構造を示す部分拡大図である。

図６を参照すると、モジュール筐体２１１および２１２は、垂直断面内で相互に対応するベント構造（ｂｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）２２１ａ、２２２ａ、２２１ｂ、および２２２ｂを有するように構成され、その結果、モジュール筐体２１１および２１２が相互に面するように、モジュール筐体２１１および２１２が相互に接触する状態に、モジュール筐体２１１および２１２が押されるときに、モジュール筐体２１１および２１２は、弾性的連結部を介して相互に係合される。ベント構造は、四角形の構造または円形の構造であってもよい。したがって、モジュール筐体２１１および２１２間の強い機械的な連結は、追加の連結部材を与えずにまたは処理プロセスを実行せずに実現される。この単純で容易な連結構造は、大量生産に好ましくは適用される。

図７は、本発明の一実施形態によるユニットモジュールを示す斜視図である。

図７を参照すると、一対のモジュール筐体２００は、電池セル５００の低い機械的な特性を補完するために、重なる方式で折り曲げられた電池パックスタック１００の外側に搭載される。電池セルの一方の側の電極端子５２０は、溶接によって相互に連結され、その結果、電池セルの電極端子５２０が、「コ」字形状に曲げられ、電池セルの他方の側の電極端子５２０は、電池セルの他方の側の電極端子５２０が、その反対側にスタックされた他の電池モジュールに連結されるように外に向けて曲げられる。

モジュール筐体２００は、電池セルスタックの電極端子を除く電池セルスタックの外側全体を覆うように相互に連結された一対の高強度金属シートで作られる。モジュール筐体の左端部および右端部に隣接するモジュール筐体２００の側面のところには、モジュールを容易に固定するために段差部２４０が形成される。モジュール筐体２００の上端部および下端部のところには、同じ機能を有する段差部２５０が形成される。また、長手方向固定部２６０は、モジュールを容易に固定するためにモジュール筐体２００の上端部および下端部のところに形成される。モジュール筐体２００の外側のところには、横方向に相互に間隔を空けて設けられる直線的な突起物が形成される。中央の突起物のところには、サーミスタが搭載される窪み２３３が形成される。上端部および下端部の直線的な突起物のところには、反対の形状を有するように構成される突起物２３１および２３２が形成される。

本発明の好ましい実施形態が説明目的のために開示されてきているが、様々な変更形態、追加形態および置換形態は、添付の特許請求の範囲に開示される本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに可能であることを、当業者なら認識するであろう。

上記の説明から明らかなように、本発明による電池パックは、２列以上に配置された電池モジュールを含む。したがって、スペースをより効率的に利用することが可能であり、これによって、電池パックが自動車に据え付けられる場合では、自動車内のデッドスペースを最小にする。

また、本発明による電池パックが、電池モジュールを個別に冷却する構造を有する限りでは、電池モジュールの各々の電池セル間の温度ばらつきは、ほとんどない状態に維持される。

１１０ 冷却剤注入ポート
１１１ 冷却剤注入ポート
１１２ 冷却剤注入ポート
１２０ 冷却剤排出ポート
１２１ 冷却剤放出ダクト
１３０ ユニットモジュール
１３２ 電池セルスタック
１４０ 冷却剤導入部
１４２ 上端部内側
１５０ 冷却剤放出部
１６０ 流路
１７０ 電池パックケース
１７１ パックケース
１７２ パックケース
１８０ 冷却剤導入ダクト
１９１ 電池モジュール
１９２ 電池モジュール
２００ モジュール筐体
２１１ 左筐体
２１２ 右筐体
２２２ａ ベント構造
２２２ｂ ベント構造
２２２ｃ ベント構造
２２２ｄ ベント構造
２３１ 突起物
２３２ 突起物
２４０ 段差部
２６０ 長手方向固定部
３００ モジュラカソードアセンブリ
５００ 電池セルスタック
５２０ 電極端子
Ａ 傾斜角
Ｂ 傾斜角
Ｌ スタックされた方向
ｄ 冷却剤注入ポートの幅
ｈ 高さ
１ 電池パックケースの長さ

Claims (13)

1. ２列以上に配置された電池モジュールを備えている電池パックであって、前記電池モジュールの各々は、直立方式または上下反転方式でスタックされた、複数の電池セルまたは複数のユニットモジュール各々がその内部に搭載された２つ以上の電池セルを有するユニットモジュールを備え、
   前記電池モジュールは、パックケース内に個別に搭載され、
   前記パックケースには、前記電池セルを冷却するための冷却剤が前記電池セルまたは前記ユニットモジュールのスタックされた方向に対して垂直な方向に前記電池モジュールの一方の側から他方の側へと流れるように、冷却剤注入ポートが前記パックケースの上方部のところに設けられると共に冷却剤排出ポートが前記パックケースの下方部のところに設けられ、
   前記パックケースには、前記冷却剤注入ポートから前記電池モジュールへと延びる流れスペース（「冷却剤導入部」）、および前記電池モジュールから前記冷却剤排出ポートへと延びる流れスペース（「冷却剤放出部」）がさらに設けられ、
   前記冷却剤注入ポートは、前記パックケースのそれぞれに接続されるように冷却剤導入ダクトから分岐する一方で、前記冷却剤排出ポートは、冷却剤放出ダクトに接続されるように前記それぞれのパックケースから延び、
   前記電池モジュールが、前記電池セルまたは前記ユニットモジュールのスタックされた方向に対して並列に配置され、
   前記冷却剤注入ポートは、前記冷却剤が前記冷却剤導入ダクト中を流れる方向に対して６０から１２０度の角度で前記冷却剤導入ダクトから分岐し、
   前記冷却剤放出ダクトは、前記冷却剤放出ダクトが上方に延びるように前記冷却剤排出ポートが相互に接続される場所に形成される、電池パック。
2. 前記ユニットモジュールの各々は、電極端子が相互に直列に接続される２つ以上の電池セルと、前記電池セルの前記電極端子を除く前記電池セルの外側を覆うように連結された一対のモジュール筐体と、を備えている構造を有するように構成されている、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記ユニットモジュールの各々は、２つの電池セルが金属材料で作られた前記モジュール筐体内に搭載される構造を有するように構成されている、請求項２に記載の電池パック。
4. 前記冷却剤注入ポートは、前記冷却剤が前記冷却剤導入ダクト中を流れる前記方向に対して９０度の角度で前記冷却剤導入ダクトから分岐する、請求項１に記載の電池パック。
5. 駆動力を発生する吸引ファンは、前記冷却剤排出ポート内に搭載されており、その駆動力によって、前記冷却剤注入ポートを介して導入された前記冷却剤が、前記電池モジュールを通りかつ前記冷却剤排出ポートを介して放出される、請求項１に記載の電池パック。
6. 前記冷却剤導入部の上端部内側は、前記冷却剤導入部が前記冷却剤注入ポートに対して反対の前記パックケースの端部から前記冷却剤注入ポートへと広がるように、前記電池セルのスタックまたは前記ユニットモジュールのスタックの頂部に対して傾斜した傾斜面を有する、請求項１に記載の電池パック。
7. 前記傾斜面の各々が、３から８度の傾斜角を有する、請求項６に記載の電池パック。
8. 前記冷却剤注入ポートの各々が、前記電池セルのスタックまたは前記ユニットモジュールのスタックの長さに対応する前記パックケースの長さの５から２５％に等しい幅を有する、請求項１に記載の電池パック。
9. 前記冷却剤注入ポートに対して反対の前記パックケースの前記端部が、前記電池セルのスタックまたは前記ユニットモジュールのスタックの高さの１０％以下に等しい高さだけ前記電池セルのスタックまたは前記ユニットモジュールのスタックの前記頂部から離間される、請求項６に記載の電池パック。
10. 前記冷却剤注入ポートに対して反対の前記パックケースの前記端部が、１から１０ｍｍの高さだけ前記電池セルのスタックまたは前記ユニットモジュールのスタックの前記頂部から離間される、請求項９に記載の電池パック。
11. 前記冷却剤放出部が、前記電池セルのスタックまたは前記ユニットモジュールのスタックの底部に対して同じ高さを有する、請求項１に記載の電池パック。
12. 電源として請求項１に記載の電池パックを備えている、自動車。
13. 電気自動車、ハイブリッド電気自動車、またはプラグインハイブリッド電気自動車である、請求項１２に記載の自動車。

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