JP5876057B2 - 車両用バッテリコンパートメント - Google Patents

Description

本発明は、電動パワートレーンを備えた車両の給電に関し、より詳細には、そのパワートレーンに対する電気エネルギーの供給を行うバッテリコンパートメントに関する。

電動パワートレーンを備えた車両は、その電気エネルギーをバッテリから得る。その電気エネルギーがバッテリから放出される際およびバッテリに貯蔵される際には、それに伴って発熱化学反応過程が起こり、バッテリモジュールの温度が上昇する。しかるに、バッテリモジュールの動作は温度に対して非常に敏感であり、そのため、温度は所定の動作範囲内の目標温度近傍に保つ必要がある。そうすることにより、温度が低すぎる場合の容量損失や、温度が高すぎる場合の寿命の低下など、バッテリ性能の減退を防ぐ。

そのため、バッテリモジュールは目標温度にできるだけ近い温度に保つ必要がある。また、バッテリコンパートメントは、多数のモジュールを含むことも、スタックによって異なる数のモジュールを含むこともある。そのため、モジュール間の温度勾配をできるだけ小さくすることも必要となり、ある１つまたは複数のモジュールが他のモジュールよりも苛酷な動作状態にならず、その性能および／または寿命が低下することを防ぐ。

特許文献１は、コンパートメントの入口から取り入れた空気の流れが出口に向かって流通し、バッテリモジュールを強制対流によって冷却するバッテリコンパートメントを提案している。冷却されるモジュールは、コンパートメントの入口から出口に至る少なくとも１つの流路がモジュールのスタック列の間に形成されるように構成され、その流路の幅は流動方向に沿ってＶ字を描くように狭まっていく。そのため、空気は、その流路に沿って流通するとともに、流路を流通する流れの一部をそらせるデフレクタの存在により、モジュールの間を流通する。この流路の幅が徐々に狭まっていくことで、コンパートメント内を流体が流通するにつれて流体の流れを加速させることができ、出口の方に位置するモジュールと、流体入口付近に位置するモジュールによって熱せられた空気の流れとの熱交換容量をそれによって高めることができる。しかし、このようなシステムでは、コンパートメント内のモジュールの冷却について十分な均一化を得ることはできない。

仏国特許第２８７６２２３号明細書

本発明の目的の１つは、とりわけ上述の欠点のすべてまたは一部に対処し、所定の動作温度範囲内の目標温度近傍でバッテリコンパートメントのすべてのモジュールを均一に冷却する改良型のバッテリコンパートメントを提案することにある。

そこで、本発明は、第１の壁に冷却流体の入口を備え、第２の壁にその流体の少なくとも１つの出口を備える電動車両のバッテリコンパートメントであって、導入流体の主流路沿いに少なくとも１つの列をなすように形作られたバッテリモジュールスタックを収容しており、主流路沿いの各モジュールスタックはそれに続くスタックとの間を副流路によって隔てられ、その副流路の幅はそれぞれの副流路でほぼ一定の流体流量が得られるように可変的である、バッテリコンパートメントを提案する。

こうしたコンパートメントは、それぞれのモジュールスタックの間でほぼ一定の流束の流体の流通を可能にするものであり、それによってモジュールスタックの均一な冷却が得られ、バッテリ性能の向上と寿命の増大がもたらされる。

本発明のそれ以外の有利な特徴によれば、
− ｉ番目の副流路の幅は、ｉ番目の副流路と主流路の交点から流体の入口までの距離Ｄｉに応じて変化することができ、それによって副流路間の均一な流体の分布が得られ、特に長いコンパートメントの場合などに均一な冷却を得ることが可能になる。
− ｉ番目の副流路の幅は、あらかじめ決められた係数ａに距離Ｄｉを掛け合わせ、それに流体入口が形成されたコンパートメント壁と第１のスタックとの間に位置する０番目の副流路を表わす幅Ｌ０を加えたものに等しい値とすることができる。
− ｉ番目の副流路の幅は、その流路の周りに位置するスタック内にあるモジュールの数に応じて変化することができ、それによって副流路間の均一な流体の分布を得ることができて、特にスタック内のモジュールの数、したがって排出すべき熱量が変化するコンパートメントの場合などに均一な冷却を得ることが可能となる。
− ｉ番目の副流路の幅は、あらかじめ決められた係数ｂに、そのｉ番目の副流路３０ｉ沿いのスタック内のモジュールの数Ｎｉを掛け合わせ、それに流体入口が形成されたコンパートメント壁と第１のスタックとの間に位置する０番目の副流路の幅Ｌ０を加えた値とすることができる。
− 副流路の幅は、ｉ番目の副流路と主流路の交点に位置する第１の端部から第２の端部に至るまで、横断方向軸Ｔに沿って減少するようにして、その流路を流通する流体の加速を生じるようにすることができ、それによって、とりわけ副流路が長い場合などに、その流路に面するモジュールの壁の均一な冷却を得ることが可能となる。
− コンパートメントが備えるスタック列は１つだけであることができ、その場合、主流路は、そのスタック列と、第１の壁および第２の壁をつなぐコンパートメントの側方壁のうちの１つとの間に位置し、それによって、冷却の均一性がきわめて高い非常にコンパクトなコンパートメントを設計することが可能となる。
− コンパートメントは、少なくとも２つのスタック列と、その２つの列の間に位置する少なくとも１つの主流路とを備えることができる。
− 主流路は、入口を通る長手方向軸にほぼ沿って延びることができ、それによって、モジュールスタックの間を流通する冷却流体の流れを対称形にすることができる。
− 主流路の幅は、流体入口と出口の間に延びるその長さにわたって減少するようにして、その流路を流通する流体の加速を生じるようにすることができ、それによって、とりわけ副流路が長い場合などに、その流路に面するモジュールの壁の均一な冷却を得ることが可能となる。
− 少なくとも１つの出口は、流体の入口７を通る長手方向軸Ｌとは異なる長手方向軸上に位置することができ、それによって、冷却流体の横断方向Ｔの流通を円滑にし、さらに冷却流体が副流路をとる傾向が強まるようにして、冷却の有効性および均一性を高める。

本発明は、このコンパートメントを装備した電気車両および電気車両のためのこのコンパートメントの利用にも関する。

本発明については、非限定的なものとして取り上げて添付の図によって示す１つの実施形態に関する詳細な説明を読むことによってよりよい理解が得られよう。

本発明によるバッテリコンパートメントの上方から見た斜視図である。 この同じコンパートメントのＬ−Ｖ平面における断面図である。 ４つの単位セルからなるモジュールのＬ−Ｖ平面における断面図である。 コンパートメント内のモジュールスタックの構成および配置の詳細を示す開放状態のコンパートメントの上面図である。

以下の説明では、非制限的なものとして、諸図に示すＬ、Ｖ、Ｔの直三面体に従って長手方向、垂直方向および横断方向をとる。

図１には、電気車両やハイブリッド車両（図示せず）のような、電動パワートレーンを備えた車両に給電を行うためのバッテリコンパートメント１が、上方から見た斜視図として示されている。このコンパートメント１は、長手方向軸Ｌに沿って延びる２列のスタックであって、短いスタック２Ｃと長いスタック２Ｌとを備え、空気などの冷却流体の主流路２０を形成する２列のスタックを備える。

この主流路２０における流体の流れの流動方向を、この長手方向軸Ｌの向きとして採用する。主流路２０は、コンパートメント１の筐体に形成された流体入口７と流体出口８とをつなぐ。流体の入口７は、冷却流体の流れを得られるように、自動車車両の換気・空調装置（英語でいう「ＨＶＡＣ」）などの通風装置と接続するように適合される。流体出口８は、コンパートメントから流体の流れを吸い出すために流体排出装置と接続することができる。

各スタック２Ｃ、２Ｌは、垂直軸Ｖ方向に伸びたモジュール３の積重からなり、押え板４によって互いに支えられる。スタック２を形成するモジュール３は、互いに電気的に接続されてバッテリを形成する。

コンパートメント１のＬ−Ｖ平面における断面の詳細を示した図２で図解したように、コンパートメント１は、４つのモジュール３を積重した低いスタック２Ｃと、８つのモジュール３を積重した高いスタック２Ｌの２種類のスタックを備える。コンパートメント１は、２Ｃ、２Ｌのスタックを合計１０個備えており、そのうちの２つは、流体の出口８に近い位置のコンパートメント端部にあって主流路２０の両側に配置された高いスタック２Ｌであり、８つのスタックは、流体の入口７と高いスタック２Ｌの間にあって主流路２０に沿ってその両側に配置された低いスタック２Ｃである。

スペース上の制約や、電気出力または電圧などの性能要件によっては、とりわけモジュールの数についてスタック内における別のモジュール構成が企図され得ることは言うまでもない。

図３には、ケースＲ内に保持されて、その中で互いに電気的に接続された単位セル６によって構成されるモジュール３をＬ−Ｖ平面における断面によって示す。単位セル６は、充電および放電のサイクルの際にバッテリから排出しなければならない熱を発生させる発熱化学反応が起こる源である。高いエネルギー密度が得られるように、それらセル６は互いに密着されており、熱は伝導によって少しずつセル６からセル６に移動し、ケースＲの壁へと至る。ケースＲの壁はそうして単位セル６から放出される熱を受け取り、その熱は主として対流によって排出される。熱は、例えば、空気のような冷却流体が壁上を流通することなどによって排出される。

単位セル６の数は、所望のバッテリがどのような特徴を有するかによって変わり得るものであり、図３に示すように４つであり得る。

図４は、本発明によるモジュール３のスタック２Ｃ、２Ｌの具体的な構成であって、モジュール３の冷却を改善することができる構成を、開放状態のコンパートメント１の上面図によって詳細に示している。

冷却流体は、コンパートメント１の筐体に形成された流体の入口７から流体出口８の方へと、主流路２０を通って流動し、それにより、主流路２０に面したモジュール３の壁を冷却する。流体が出口８に至るまでのコンパートメント１内における行程は比較的長いため、出口８あたりに位置するモジュール３のスタック２Ｃ、２Ｌに対しては、流体はその排熱能力を失う可能性がある。そこで、主流路２０の幅２０Ｌがその行程に沿って変化することで、上流から下流に向けて流れの速さが加速するようにする。すなわち、幅２０Ｌは出口８に近づくにつれて狭まる。したがって、上から見ると、主流路２０はＬ−Ｔ平面内でＶ字を形成する。

モジュール３のスタック２Ｃ、２Ｌの間に横断方向Ｔに延びる「副」流路３０と呼ぶ流路が形成される。それにより、流体は、主流路２０に面した壁よりも広い面積を有するモジュール３の別の壁の少なくとも１つに沿って流通することができる。

主流路２０沿いを通るとき、流体の一部は副流路３０に入り込む。

本発明によれば、副流路３０の幅３０Ｌは主流路２０に沿って可変的である。

第１の実施形態によれば、副流路３０の幅３０Ｌはコンパートメント１の流体出口８に向かうにつれて広くなる。そのため、ｉ番目の副流路３０ｉの幅３０Ｌｉは、そのｉ番目の副流路３０ｉと主流路２０の交点からコンパートメント１の流体の入口７までの距離Ｄｉに依る。すなわち、その距離Ｄｉが大きくなれば、ｉ番目の副流路３０の幅３０Ｌｉは広がる。

副流路３０の幅３０Ｌｉは、係数ａに距離Ｄｉを掛け合わせ、それに流体入口７が形成されたコンパートメントの壁と第１のスタック２Ｃ、２Ｌとの間に位置する０番目の副流路の幅Ｌ０を加えたものに等しい場合のとおりである。

定数ａおよびＬ０は、例えば、各副流路における流束測定値がほぼ等しくなるようにそれら定数を決めるなどの方法で、設計の際に予め定める。

スタックの寸法が変化するバッテリコンパートメント１に特に適合した第２の実施形態によれば、副流路の幅３０Ｌはスタック２Ｃ、２Ｌのモジュール３の数によって変化する。より具体的には、図２および３に示す実施形態では、高いスタック２Ｌと低いスタック２Ｃを隔てる副流路３０の幅３０Ｌは、連続する２つの低いスタック２Ｃを隔てる副流路３０の幅３０Ｌよりもさらに広い。そのため、冷却流体の流束は、スタック２Ｃ、２Ｌのモジュール３によって生み出される熱量であって、スタック２Ｃ、２Ｌ当たりのモジュール３の数が増えるのに伴って大きくなる熱量に適合したものとなる。

Ｎｉをｉ番目のスタック２Ｃ、２Ｌにあるモジュール３の数であるとすると、その副流路３０ｉの幅３０Ｌｉは、係数ｂに、そのｉ番目の副流路３０ｉ沿いのスタック内のモジュール３の数Ｎｉを掛け合わせ、それに流体入口７が形成されたコンパートメントの壁と第１のスタック２Ｃ、２Ｌとの間に位置する０番目の副流路の幅Ｌ０を加えたものに等しい場合のとおりである。

定数ｂおよびＬ０は、例えば、各副流路における流束測定値がほぼ等しくなるようにそれら定数を決めるなどの方法で、設計の際に予め定められる。

第３の実施形態によれば、副流路３０の幅３０Ｌは、第１の実施形態でその幅が変化するように同時に変化し、また第２の実施形態でその幅が変化するように同時に変化する。

変形形態（図示せず）として、副流路３０の幅３０Ｌは、主流路２０の幅２０Ｌが長手方向軸Ｌ沿いに狭まっていくのと同じようにして横断方向軸Ｔ沿いに変化することで、副流路３０で冷却流体の流れが加速されるようにすることができる。したがって、上から見ると、副流路３０はＬ−Ｔ平面内でＶ字を形成する。この幅３０Ｌの狭まり方は、副流路３０と主流路２０の交点に位置する第１の端部から副流路の第２の端部に至るまで直線的であることができる。この変形形態は、副流路３０が長い場合に冷却効率を高めるものである。

ここまで、２列のスタック２Ｃ、２Ｌを包含するコンパートメントを取り上げて説明したが、本発明は、１列だけを包含するコンパートメントにも適用することができる。

その場合、コンパートメント１は１列だけのスタック２Ｃ、２Ｌを備え、主流路２０は、前記列と、流体入口７および出口８がそれぞれ形成された第１の側および第２の側をつなぐコンパートメント１の側方壁との間のほぼ長手方向の軸Ｌに沿って延びる。

当然のことながら、本発明は、少なくとも２つの主流路２０によって隔てられた少なくとも３列のスタック２Ｃ、２Ｌを持つコンパートメントにも適用することができる。大型のコンパートメントに適合されて、これにより、流体の流通容量を増加することができる。

もう１つの変形形態（図示せず）によれば、コンパートメントは少なくとも第２の流体出口を備えることができる。好ましくは、それらの出口は、流体入口を通る長手方向軸Ｌ上には形成されない。そのため、主流路内を流通する導入流体は、主流路の端部でコンパートメントの壁に突き当たる。２つの流体出口を副流路の下流側端部近傍に設けることにより、冷却流体の横断方向Ｔの流通を円滑にする。それにより、冷却流体が副流路を通る傾向が強まり、それによって冷却の有効性および均一性が高まる。

すべてのこうした配置によって、モジュールのスタック列の間で可能な限り均一な流体の流量を得られる。

Claims (8)

1. 第１の壁に冷却流体の入口（７）を備え、第２の壁にその流体の少なくとも１つの出口（８）を備える電動車両のバッテリコンパートメント（１）であって、導入流体の主流路（２０）沿いに少なくとも１つの列をなすように形作られたバッテリモジュール（３）のスタック（２Ｃ、２Ｌ）を収容しており、主流路（２０）沿いの各モジュール（３）のスタック（２Ｃ、２Ｌ）が、それに続くスタックとの間を副流路（３０）によって隔てられている、電動車両のバッテリコンパートメント（１）において、副流路の幅（３０Ｌ）が、ａがゼロ以外の係数であり、Ｄは副流路と主流路の交点から流体の入口（７）までの距離であり、Ｌは流体の入口（７）が形成されたコンパートメントの壁と第１のスタックとの間に位置する副流路の幅である式、ａ・Ｄ＋Ｌに等しく、それによって副流路（３０）のそれぞれでほぼ一定の流体の流束が得られるようにすることを特徴とする電動車両のバッテリコンパートメント（１）。
2. 副流路（３０）の幅（３０Ｌ）が副流路（３０）と主流路（２０）の交点に位置する第１の端部から副流路の第２の端部に至るまで、横断方向軸（Ｔ）沿いに狭まって、副流路（３０）を流通する流体の加速を生じることを特徴とする、請求項１に記載の電動車両のバッテリコンパートメント（１）。
3. １つだけのスタック列と、第１の壁および第２の壁をつなぐコンパートメント（１）の側方壁のうちの１つとの間に位置する主流路（２０）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の電動車両のバッテリコンパートメント（１）。
4. 少なくとも２つのスタック（２Ｃ、２Ｌ）列と、その２つの列の間に位置する少なくとも１つの主流路（２０）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の電動車両のバッテリコンパートメント（１）。
5. 主流路（２０）が、入口（７）を通る長手方向軸（Ｌ）にほぼ沿って延びることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の電動車両のバッテリコンパートメント（１）。
6. 主流路（２０）の幅（２０Ｌ）が流体の入口（７）と出口（８）の間に延びる主流路（２０）の全長にわたって狭まって、主流路（２０）を流通する流体の加速を生じることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動車両のバッテリコンパートメント（１）。
7. 流体の入口（７）を通る長手方向軸（Ｌ）とは異なる長手方向軸上に少なくとも１つの出口（８）が位置することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の電動車両のバッテリコンパートメント（１）。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリコンパートメントを備えることを特徴とする電動パワートレーン式自動車車両。

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