JP5893133B2 - 電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、複数の充放電可能な単電池を接続して構成される電池モジュールに関する。
ハイブリッド自動車、電気自動車等に電源装置として搭載される電池モジュールは、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池等の複数の単電池を接続することによって構成されている。電池モジュールの充放電電流は一般的に大きく、各単電池の発熱量も大きくなり、その結果、単電池自体の温度上昇も大きくなる。単電池の温度上昇は電池寿命の観点からできるだけ小さくする方が望ましく、速やかに冷却する必要がある。
これら複数の単電池を速やかに冷却する方法として、液体冷媒を用いる方法がある。例えば、冷媒の流路を有する冷却プレートの一面に絶縁シートを介して複数の単電池を冷却可能に結合配列し、冷却プレートに冷媒を供給して各単電池を冷却する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。あるいは、隔壁を有するものとして冷媒流路を積層フィルムで形成して製造が容易で軽量な薄型流路成型体による冷却方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献１に記載されている冷媒通路のように、断面が一定で一直線状に延在する冷媒通路の場合、冷媒通路内における冷媒の流れが一様であり、熱伝達が小さく、また、冷却プレートの冷媒の流れ方向に温度分布が形成され易く、電池モジュール内における各単電池の温度均一性を十分に確保することは困難であった。
本発明の目的は、上記従来技術を改善し、比較的簡単な構造の冷媒流路により冷媒と冷却プレートとの熱伝導を良好にし、冷却プレートの温度分布をより均一にして、複数の単電池の温度を均一にすることで単電池での充放電による各電池での温度上昇の低減及び均一化を促進し、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキを低減するとともに、信頼性の高いコンパクトな電池モジュールを提供するものである。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げる。
複数の電池が配列されるプレート面を有する冷却プレートと、冷却プレートの内部に形成されて冷媒が流通可能な流路部とを有する電池モジュールであって、冷却プレートの一端の略中心部分に冷媒の入口を設け、電池の配列方向に延在する第１流路部、第２流路部、第３流路部及び第４流路部を設け、第１流路部と第２流路部における冷媒の流れの向きを折り返す第１連通部、第２流路郡と第３流路部における冷媒の流れの向きを折り返す第２連通部、第３流路部と第４流路部における冷媒の流れの向きを折り返す第３連通部を設け、第１流路部と第２流路部の冷媒同士が第１隔壁部を介して向流で流れ、第２流路部と第３流路部の冷媒同士が第２隔壁部を介して向流で流れ、第１連通部と第３連通部の冷媒同士が第３隔壁部を介して向流で流れ、第４流路部と第１流路部の冷媒同士が第４隔壁部を介して向流で流れ、冷却プレートの略最外部から冷媒の入口の流れ方向と反対方向から流出する冷媒の出口を設けたことを特徴としている。
複数の電池が配列されるプレート面を有する冷却プレートと、冷却プレートの内部に形成されて冷媒が流通可能な流路部とを有する電池モジュールであって、冷却プレートの一端の略中心部分に冷媒の入口を設け、電池の配列方向に延在する第１流路部、第２流路部、第３流路部及び第４流路部を設け、第１流路部と第２流路部における冷媒の流れの向きを折り返す第１連通部、第２流路郡と第３流路部における冷媒の流れの向きを折り返す第２連通部、第３流路部と第４流路部における冷媒の流れの向きを折り返す第３連通部を設け、第１流路部と第２流路部の冷媒同士が第１隔壁部を介して向流で流れ、第２流路部と第３流路部の冷媒同士が第２隔壁部を介して向流で流れ、第１連通部と第３連通部の冷媒同士が第３隔壁部を介して向流で流れ、第４流路部と第１流路部の冷媒同士が第４隔壁部を介して向流で流れ、冷却プレートの略最外部から冷媒の入口の流れ方向と反対方向から流出する冷媒の出口を設けたことを特徴としている。
本発明によれば、第１流路部、第２流路部、第３流路部及び第４流路部が電池の配列方向に延在しており、第１流路部と第２流路部における冷媒の流れの向きを折り返す第１連通部、第２流路部と第３流路部における冷媒の流れの向きを折り返す第２連通部、第３流路部と第４流路部における冷媒の流れの向きを折り返す第３連通部を設けているので、第１流路部と第２流路部の冷媒同士が第１隔壁部を介して熱交換することができ、第２流路部と第３流路部の冷媒同士が第２隔壁部を介して熱交換することができ、第１連通部と第３連通部の冷媒同士が第３隔壁部を介して熱交換することができ、第４流路部と第１流路部の冷媒同士が第４隔壁部を介して熱交換することができる。
したがって、例えば冷媒が第１流路部から第２流路部に流れる場合に、上流側である第１流路部よりも下流側である第２流路部の方が冷媒の温度が高くなるが、第１流路部と第２流路部とが間に第１隔壁部を介して互いに配列方向に延在しているので、冷媒の温度が低い第１流路部の上流部分と冷媒の温度が高い第２流路部の下流部分とを対向させることができ、第１隔壁部を介した熱交換により第２流路部の下流部分を流れる冷媒の温度上昇を小さくすることができる。
以上の冷媒同士の隔壁部を介した熱交換は、冷媒出口まで繰り返し行われる。従って、冷却プレートのプレート面の温度分布を調整して、プレート面に配列されている電池の温度を均一にすることができる。従って、単電池での充放電による各電池での温度上昇の低減及び均一化を促進し、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキを低減するとともに、信頼性の高いコンパクトな電池モジュールを提供できる。尚、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
次に、本実施の形態について図面を用いて以下に説明する。
図１は、本実施の形態に係わる電池モジュールの冷却構造を示す斜視図、図２は、本実施の形態に係わる冷却プレートの斜視図、図３は、本実施の形態に係わる冷却プレートの内部の斜視図、図４は、実施例１に係わる冷却プレートの断面図である。
電池モジュール１００は、図１に示すように、複数の単電池１０と、これら複数の単電池１０が配列される冷却プレート（第１の冷却プレート）１を有している。単電池１０は、例えばリチウムイオン二次電池などの充放電可能な二次電池である。単電池１０は、いわゆる角形の単電池であり、扁平箱形の電池容器１１を有している。電池容器１１は、横長矩形の底面部と、底面部の一対の長辺でそれぞれ折曲されて対峙する一対の幅広面部と、底面部の一対の短辺でそれぞれ折曲されて対峙する一対の幅狭面部とを有する電池缶１２と、電池缶１２の上部開口を閉塞して電池缶１２にレーザ溶接される蓋体１３とによって構成されている。
蓋体１３は、電池缶１２の底面部と略同一の横長矩形を有しており、長辺方向両側にはそれぞれ正極と負極となる一対の外部端子１４、１４が設けられている。そして、蓋体１３の長辺方向中央位置には、電池容器１１内の圧力が所定値以上となった場合に開裂して電池容器１１内のガスを外部に排出するガス排出弁１５が設けられている。例えば図１に示す例では５個の単電池１０が、互いに隣り合う幅広面部同士が対向する姿勢状態に配列されて、冷却プレート１のプレート面１ａから起立し、電池缶の底面部が冷却プレート１のプレート面１ａに熱伝導可能な結合状態で装着されている。
冷却プレート１は、所定の厚さを有する平盤形状を有している。プレート面１ａは、単電池１０の横幅以上の横幅で単電池１０の配列方向（Ｙ方向）に延在する平面視略矩形の平面形状を有している。冷却プレート１の内部には、図３に示すように、冷媒を流通可能な流路部２が設けられている。そして、冷却プレート１の端面部７Ｂには、流路部２に冷媒を流入するための冷媒入口４と、流路部を通過した冷媒を流出させるための冷媒出口５が設けられている。冷媒入口４は、端面部７Ｂの横幅方向（Ｘ方向）中央寄り位置に配置されており、冷媒出口５は、端面部７Ｂの横幅方向外側寄り位置に配置されている。流路部２は、冷却プレート１の冷媒入口４から流入した冷媒を通過させて、冷却プレート１の冷媒出口５から流出させるように流路が形成されている。
冷却プレート１は、図２に示すように、容器部７と上板部６によって構成されている。上板部６は、例えば熱伝導率が良いアルミダイキャスト、アルミニウム、マグネシウム等の金属により形成されている。単電池１０との電気絶縁性が問題となる場合は、上板部６の材料に、耐電圧が高いプラスチック例えばポリエステル、ポリエチレン等を用いることが可能である。容器部７も同様に、熱伝導率が良いアルミダイキャスト、アルミニウム、マグネシウム等の金属及び耐電圧が高いプラスチック例えばポリエステル、ポリエチレン等を用いることができる。上板部６と容器部７が金属同士の場合、例えばアルミダイカストの場合はそれぞれ溶接により接合が可能であるが、真空炉ロウ付け等でも接合ができる。上板部６がプラスチックで、容器部７が金属の場合は、接合面に適当なシール部材、例えばテフロン（登録商標）などのパッキン等が設けられる。上板部６及び容器部７の両方がプラスチックの場合は、接着剤等を利用して互いに接着してもよい。
容器部７は、図３に示すように、平面視略矩形の下板７Ａの各端辺に沿って端面部７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅが周状に連続して立設された所定深さを有する浅皿形状を有している。上板部６は、容器部７の上部を閉塞する矩形の平板形状を有している。
流路部２は、隔壁部３によって容器部７の内部を仕切ることによって形成されている。隔壁部３は、第１隔壁部３Ａ、第２隔壁部３Ｂ、第３隔壁部３Ｃ、第４隔壁部３Ｄを有している。第１隔壁部３Ａ、第２隔壁部３Ｂ、第３隔壁部３Ｃ、第４隔壁部３Ｄは、所定の板厚を有する板状部材からなり、容器部７の下板７Ａに下端が固定されて、上端が上板部６の下面に当接される高さを有している。流路部２は、断面が矩形の流路を形成する。
このように、容器部７の内部を隔壁部３によって仕切ることによって流路部２を形成するので、従来のようにパイプを曲げて形成するよりも簡単に形成することができ、また冷媒漏れが発生する可能性も低くすることができる。
流路部２は、複数の電池１０の配列方向（Ｙ方向）に沿って延在する第１流路部２Ａと、第１流路部２Ａに対して複数の電池１０の横幅方向（Ｘ方向）一方側で第１流路部２Ａとの間に第１隔壁部３Ａを介して平行に配列方向に延在する第２流路部２Ｃと、第１流路部２Ａの配列方向一方側の端部と第２流路部２Ｃの配列方向一方側の端部との間を連通して第１流路部２Ａと第２流路部２Ｂにおける冷媒の流れの向きを折り返す第１連通部２Ｂとを有する。
それから、第２流路部２Ｃに対して横幅方向一方側で第２流路部２Ｃとの間に第２隔壁部３Ｂを介して平行に配列方向に延在する第３流路部２Ｅと、第２流路部２Ｃの配列方向他方側の端部と第３流路部２Ｅの配列方向他方側の端部との間を連通して第２流路部２Ｃと第３流路部２Ｅにおける冷媒の流れの向きを折り返す第２連通部２Ｄとを有する。
そして、第１流路部２Ａに対して横幅方向他方側で第１流路部２Ａとの間に第３隔壁部３Ｄを介して平行に配列方向に延在する第４流路部２Ｇと、第１連通部２Ｂに対して配列方向一方側で第１連通部２Ｂとの間に第４隔壁部３Ｃを介して横幅方向に延在して第３流路部２Ｅの配列方向一方側の端部と第４流路部２Ｇの配列方向一方側の端部との間を連通して第３流路部２Ｅと第４流路部２Ｇにおける冷媒の流れの向きを折り返す第３連通部２Ｆとを有する。
（実施例１）
図４は、実施例１に係わる冷却プレートの断面図であり、冷媒の流れを示す便宜的な図である。
図４は、実施例１に係わる冷却プレートの断面図であり、冷媒の流れを示す便宜的な図である。
冷媒は、図４に示すように、冷媒入口４から冷却プレート１の流路部２内に流入され、流路幅Ｗ１の第１流路部２Ａを配列方向一方側に向かって直進する。そして、流路幅Ｗ２の第１連通部２Ｂで偏向されて流れの向きを折り返し、流路幅Ｗ３の第２流路部２Ｃを配列方向他方側に向かって直進する。それから、流路幅Ｗ４の第２連通部２Ｄで偏向されて流れの向きを折り返し、流路幅Ｗ５の第３流路部２Ｅを配列方向一方側に向かって直進し、流路幅Ｗ６の第３連通部２Ｆで偏向されて流れの向きを折り返し、流路幅Ｗ７の第４流路部２Ｇを配列方向他方側に向かって直進して冷媒出口５から排出される。
したがって、流れを形で表すと略Ｌ字型の冷媒流路が連続している構造となっている。実施例１では、流路幅Ｗ１からＷ７は互いに同じ大きさに設定されている。したがって、流路部２内において、冷媒の流速の増減はなく、第１流路部２Ａから第４流路部２Ｇまでのすべての流路において平均流速は同じとなっている。
流路部２内における冷媒の温度は、冷媒入口４付近が最も低い温度となる。冷媒は、図１で示した充放電により発熱している５個の単電池１０の熱を、単電池１０の底面部及び冷却プレート１の上板部６を介して冷却し、吸熱しながら冷媒出口５に向かって流れ、徐々に温度上昇する。
実施例１では、第１流路部２Ａと第２流路部２Ｃとが間に第１隔壁部３Ａを介して互いに平行に配列方向に沿って延在しており、第１流路部２Ａの配列方向一方側の端部と第２流路部２Ｃの配列方向一方側の端部との間が第１連通部２Ｂによって連通されて第１流路部２Ａと第２流路部２Ｃにおける冷媒の流れの向きを折り返すようになっている。
冷媒は、上流側である第１流路部２Ａよりも下流側である第２流路部２Ｃの方が冷媒の温度が高くなるが、第１流路部２Ａと第２流路部２Ｃとが間に第１隔壁部３Ａを介して互いに配列方向に延在しており、第１流路部２Ａを流れる冷媒の向きと第２流路部２Ｃを流れる冷媒の向きを互いに反対の向きにしている。したがって、冷媒の温度が低い第１流路部２Ａの上流部分と冷媒の温度が高い第２流路部２Ｃの下流部分とを対向させることができ、第１流路部２Ａを流れる冷媒と第２流路部２Ｃを流れる冷媒との間で第１隔壁部３Ａを介して熱交換することができ、かかる熱交換を第１流路部２Ａと第２流路部２Ｃの配列方向に亘って行うことができる。したがって、第２流路部２Ｃの下流部分を流れる冷媒の温度上昇を小さくすることができる。
同様に、第２流路部２Ｃと第３流路部２Ｅとが間に第２隔壁部３Ｂを介して配列方向に沿って延在しており、第２流路部２Ｃの配列方向他方側の端部と第３流路部２Ｅの配列方向他方側の端部との間が第２連通部２Ｄによって連通されて第２流路部２Ｃと第３流路部２Ｅにおける冷媒の流れの向きを折り返すようになっている。したがって、第２流路部２Ｃを流れる冷媒の向きと第３流路部２Ｅを流れる冷媒の向きを互いに反対の向きにして、冷媒の温度が低い第２流路部２Ｃの上流部分と冷媒の温度が高い第３流路部２Ｅの下流部分とを対向させることができ、第２流路部２Ｃを流れる冷媒と第３流路部２Ｅを流れる冷媒との間で第２隔壁部３Ｂを介して熱交換することができ、かかる熱交換を第２流路部２Ｃと第３流路部２Ｅの配列方向に亘って行うことができる。したがって、第３流路部２Ｅの下流部分を流れる冷媒の温度上昇を小さくすることができる。
そして、第１連通部２Ｂと第３連通部２Ｆとが間に第３隔壁部３Ｃを介して平行に横幅方向（Ｘ方向）に沿って延在しており、第１連通部２Ｂを流れる冷媒の向きと第３連通部２Ｆを流れる冷媒の向きを互いに反対の向きにしているので、冷媒の温度が低い第１連通部２Ｂの上流部分と冷媒の温度が高い第３連通部２Ｆの下流部分とを対向させることができる。したがって、第１連通部２Ｂを流れる冷媒と第３連通部２Ｆを流れる冷媒との間で第３隔壁部３Ｃを介して熱交換することができ、かかる熱交換を第１連通部２Ｂと第３連通部２Ｆの横幅方向に亘って行うことができる。したがって、第３連通部２Ｆの下流部分を流れる冷媒の温度上昇を小さくすることができる。
第４流路部２Ｇは、間に第４隔壁部３Ｄを介して第１流路部２Ａに沿って平行に配列方向に延在しており、第４流路部２Ｇの配列方向一方側の端部は、第３流路部２Ｅの配列方向一方側の端部との間が第３連通部２Ｆによって連通されて第３流路部２Ｅと第４流路部２Ｇにおける冷媒の流れの向きを折り返すようになっている。そして、第１流路部２Ａと第４流路部２Ｇとが間に第４隔壁部３Ｄを介して互いに平行に配列方向に沿って延在している。したがって、第１流路部２Ａを流れる冷媒の向きと第４流路部２Ｇを流れる冷媒の向きを互いに反対の向きにして、冷媒の温度が低い第１流路部２Ａの上流部分と冷媒の温度が高い第４流路部２Ｇの下流部分とを対向させることができる。したがって、第１流路部２Ａを流れる冷媒と第４流路部２Ｇを流れる冷媒との間で第４隔壁部３Ｄを介して熱交換することができ、かかる熱交換を第１流路部２Ａと第４流路部２Ｇの配列方向に亘って行うことができる。したがって、第４流路部２Ｇの下流部分を流れる冷媒の温度上昇を小さくすることができる。
実施例１では、温度の低い冷媒と温度が高い冷媒がすべての隔壁部３Ａ〜３Ｄを介して熱交換する構造になっているので、冷媒の温度上昇を小さくすることができる。したがって、流路部２内における冷媒の温度上昇を小さくし、冷却プレート１のプレート面１ａにおける温度分布のばらつきを少なくし、より均一なものにすることができる。
単電池１０は、横幅方向両端部よりも中心部の方が高温になるので、冷却プレート１は、入口冷媒２を冷却プレート１の横幅方向略中央寄り位置に配置して、第１流路部２Ａ及び第２流路部２Ｃを、単電池１０の配列方向に沿って延在するように配置する構成を有することで、これらの複数の単電池１０の高温部分を、より低温の冷媒で冷却することができ、効率的に冷却することができる。
冷却プレート１は、端面部７Ｂの横幅方向略中央寄り部分から冷媒が流入し、隔壁部３を介して熱交換しながら冷却プレート１の中心部分を通過して冷媒入口４の流れ方向と反対方向に流出する構造となっている。したがって、冷却プレート１の中心部分を効果的に冷却することができ、また、冷却プレート１の端部も隔壁部３Ｂ、３Ｄを介して温度の低い中心部の冷媒と熱交換できる。したがって、冷却プレート１の表面温度をより均一化でき、冷却プレート１と熱的に接触している複数の単電池１０の温度を均一にすることが可能となる。これにより、単電池１０での充放電による各電池での温度上昇の低減及び均一化を促進し、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキを低減するとともに、信頼性の高いコンパクトな電池モジュール構造を提供できる。
尚、実施例１では、冷却プレート１に角形の単電池１０を垂直に設置したモジュール構造を示したが、この構造に限定されるものではなく、本構造の冷却プレートを介して円筒形の単電池あるいは他の形状の電池を熱的に接触できるあらゆる構造に適用可能である。
例えば、図１３に示すように、冷却プレート１の上に角形の単電池１０を寝かせて配置し、幅広面が冷却プレート１のプレート面１ａに熱的に接触する構造としてもよく、これによれば、電池モジュール１００の高さを低くすることができ、コンパクト化を図ることができるという効果がある。
（実施例２）
図５は、実施例２に係わる冷却プレートの断面図であり、冷媒の流れを示す便宜的な図である。
図５は、実施例２に係わる冷却プレートの断面図であり、冷媒の流れを示す便宜的な図である。
実施例２において特徴的なことは、流路部２の流路途中に流路断面積が狭い狭隘部分を設けて、かかる狭隘部分での冷媒の流れを増速させるとともに狭隘部分を通過した後に減速させて、流路部２を流れる冷媒にその速さを繰り返し増減させる変化を与える構成としたことである。
実施例２は、基本的な構成は実施例１と共通しているが、実施例１の構成と比較して、第１連通部２Ｂ、第２連通部２Ｄ、第３連通部２Ｆの各流路幅Ｗ２、Ｗ４、Ｗ６が、第１流路部２Ａ、第２流路部２Ｃ、第３流路部２Ｅ、第４流路部２Ｇの流路幅Ｗ１、Ｗ３、Ｗ５、Ｗ７よりも小さくなっており、流路幅Ｗ２、流路幅Ｗ４及び流路幅Ｗ６の場所で流路断面積が狭い狭隘部分が形成されて、かかる狭隘部分を冷媒が通過する際に流れが増速し、通過後に減速する構造になっている。
冷媒は、流れの増速・減速を繰り返しながら、冷却プレート１全体を流れ方向に沿って冷却し、冷媒出口５から排出される。本実施例では、流路幅が狭い狭隘部分（Ｗ２，Ｗ４及びＷ６）で冷媒の流速が増速することによって流路部２内での熱伝達が向上し、冷却性能が向上する。尚、その他の流路幅Ｗ１、Ｗ３、Ｗ５及びＷ７は、実施例１と同様に、互いに同じ大きさである。
例えば、第１連通部２Ｂなどの冷媒の流れが反転する箇所は、冷媒が滞留するデッドスペースになり、冷却プレート１にピンポイントで温度が高くなる熱溜まり（ホットスポット）が発生して、冷却プレート１と熱的に接触している複数の単電池１０の温度均一化が阻害される可能性がある。
これに対して、本実施例では、第１連通部２Ｂ、第２連通部２Ｄ、第３連通部２Ｆの各流路幅Ｗ２、Ｗ４、Ｗ６を第１流路部２Ａ、第２流路部２Ｃ、第３流路部２Ｅ、第４流路部２Ｇの流路幅Ｗ１、Ｗ３、Ｗ５、Ｗ７よりも小さくすることによって、流路部２内で冷媒の流速を増減させて、冷却プレート１に冷媒の滞留による熱溜まりが発生するのを防いでいる。したがって、冷却プレート１と熱的に接触している複数の単電池１０の温度均一化を図ることができる。
本実施例は、流路部２内で冷媒の流れの増速及び減速を交互に行える構造を採用することで、流路部２内での熱伝達を向上することができる。これにより、さらに効果的に冷却プレート１の表面温度を均一化でき、冷却プレート１と熱的に接触している複数の単電池１０の温度をより均一にすることが可能となる。したがって、単電池１０での充放電による各電池での温度上昇のさらなる低減及び均一化を促進し、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキをより低減するとともに、信頼性の高いコンパクトな電池モジュール構造を提供できる。
（実施例３）
図６は、実施例３に係わる冷却プレートの断面図であり、冷媒の流れを示す便宜的な図である。
図６は、実施例３に係わる冷却プレートの断面図であり、冷媒の流れを示す便宜的な図である。
実施例３において特徴的なことは、上記した実施例２の構成に加えて、流路部２の流路断面積を上流側よりも下流側を狭くして、流路部２の下流側の流れを増速させる構成としたことである。
実施例３は、基本的な構成は実施例２と共通しているが、実施例２の構成と比較して、第１流路部２Ａの流路幅Ｗ１が、第２流路部２Ｃの流路幅Ｗ３及び第３流路部２Ｅの流路幅Ｗ５よりも大きく、第４流路部２Ｇの流路幅Ｗ７が、第２流路部２Ｃの流路幅Ｗ３及び第３流路部２Ｅの流路幅Ｗ５より小さい構成を有している。
本実施例によれば、冷媒の温度が最も高い冷媒出口５側の第４流路部２Ｇでの流速を増速して、冷媒の温度が最も低い冷媒入口４側の第１流路部２Ａとの熱伝達率を向上させ、冷媒出口５における冷媒の温度をより低くすることができる。従って、実施例２で説明した効果に加えて、さらに冷却プレート１の表面温度を均一化でき、冷却プレートと熱的に接触している複数の単電池１０の温度をより均一にすることが可能となる効果がある。
本発明の効果を以下の解析により示す。予め設定された充放電パターンを行い、その３次元熱解析を行った。解析には、汎用の熱流体ソフトを用いた。
冷却プレート１は、図４、図５及び図６に示す実施例１〜３の各構造のものを用意した。冷却プレート１の材質は、耐食アルミ製であり、冷却プレート１の大きさは、横幅（Ｘ方向）１２０ｍｍ、長さ（Ｙ方向）約２００ｍｍとし、冷却プレート１の上板部６及び隔壁部３の厚みはそれぞれ３ｍｍとした。そして、流路高さは、６ｍｍとし、実施例１での流路幅Ｗ１からＷ７は、２７ｍｍに設定し、実施例２の流路幅Ｗ２、Ｗ４、Ｗ６は、２０ｍｍに設定した。実施例３の流路幅Ｗ１は、３２ｍｍ、流路幅Ｗ７は、２２ｍｍに設定し、その他の流路幅は、実施例２と同じ条件で、比較検討を行った。
冷媒（エチレングリコール５０％水溶液）の流量は、３リッター／分、冷媒の入口温度は２０℃で解析を行った。発熱量は、冷却プレート１の上板部６に一様に約２００Ｗの入熱を設定した。
その結果を図７に示す。横軸は実施例１〜３を示す。ここで、冷却プレート１の温度ばらつきとは、プレート面１ａ（単電池１０と熱的に接触する冷却プレート１の表面部分）での表面最高温度（Ｔｍａｘ）と表面最低温度（Ｔｍｉｎ）の温度差（ΔＴ）を示している。
図７から、本発明の実施の形態、すなわち流れの減速・増速を繰り返しながら冷却プレート１内を流れ方向に冷却する冷媒流路構造（実施例２及び実施例３）は、単純な一定の流路幅で流路部２を構成した実施例１よりも、冷却プレート１の温度ばらつき及び表面最低温度が低くなることが示されている。従って、本解析結果は、流路部２内に冷媒の流れを増速及び減速を交互に行えるように流路幅を変更して、流れが一様に発達することを抑制することによって、冷却プレート１の熱伝達を向上することができることを示している。
これにより、冷却プレート１の流れ方向の温度分布の均一化が促進され、冷却プレート１に熱的に接触している複数の単電池１０の温度を均一にすることができる。したがって、単電池１０での充放電による各電池での温度上昇の低減及び均一化を促進することができ、電池間の充放電量・電池寿命のバラツキを低減するとともに、信頼性の高いコンパクトな電池モジュール構造を提供できる効果がある。
（実施例４）
図８は、実施例４による電池モジュールの側面図を示したものである。
図８は、実施例４による電池モジュールの側面図を示したものである。
実施例４では、冷却プレート１に複数の単電池１０が接着剤１８により熱的に接触している構成を有している。接着剤１８は、熱伝導率の良い、例えば１Ｗ（ｍ・Ｋ）以上で耐電圧が高い、主成分がエポキシ樹脂から成るものを用いている。実施例４によれば、単電池１０と冷却プレート１との熱的接触が良好になり、単電池１０が短絡した場合でもモジュール１００の信頼性を向上できる。また、接着剤１８の代わりに、耐電圧が高い熱伝導プラスチックを介して単電池１０を熱的に接触する構造としても同様な効果があり、今までの実施の効果に加えてより信頼性を向上できる効果がある。
（実施例５）
図９は、実施例５による電池モジュールの側面図を示したものである。
図９は、実施例５による電池モジュールの側面図を示したものである。
実施例５は、複数の単電池１０の温度をより均一するために、単電池１０からの自然放熱の状態を各単電池１０の間で同じにする構造を示している。実施例５では、実施例４の構成に加えて、各単電池１０の間に例えば同じ厚さの樹脂性のスペーサ１６を介在させている。そして、各単電池１０とスペーサ１６によって形成された電池群を、配列方向両側から挟持して固縛するための、例えば金属製の一対のエンドプレート１７、１７が設けられている。従って、本実施例では単電池１０の発熱量のうち、自然放熱による条件も同じにすることができ、上記した各実施例に加えて、複数の単電池１０の温度を、より均一化できる効果がある。
（実施例６）
図１０は、実施例６による電池モジュールを示した斜視図である。
図１０は、実施例６による電池モジュールを示した斜視図である。
実施例６は、基本的な構成は実施例１と同様であるが、さらに各単電池１０の両端に、一対の第２の冷却プレート２１が設けられており、各単電池１０の幅狭面部と熱的に接触している構成を有している。第２の冷却プレート２１は、その下端が冷却プレート１のプレート面１ａにも熱的に接触しており、単電池１０の蓋体１３とほぼ同じ高さを有している。第２の冷却プレート２１は、例えばアルミニウム合金などの熱伝導性の高い金属材料等からなる、所定の厚みを有する板状部材によって構成されている。
実施例６では、冷却プレート１からの熱伝導で各第２の冷却プレート２１が冷却され、各第２の冷却プレート２１により各単電池１０を間接的に冷却している。そして、実施例５と同様に、スペーサ１６とエンドプレート１７を設けて、熱的接触条件をさらに良好にすることができる。従って、上記した各実施例の効果に加えて、複数の単電池１０の温度をさらに均一化できる効果がある。
（実施例７）
図１１Ａは、実施例７による電池モジュールを示した斜視図、図１１Ｂは、第２の冷却プレートの断面図である。
図１１Ａは、実施例７による電池モジュールを示した斜視図、図１１Ｂは、第２の冷却プレートの断面図である。
本実施例において特徴的なことは、実施例６における一対の第２の冷却プレート２１に、冷却プレート１と同様に冷媒が流通される流路部２を設けた構成としたことである。
第２の冷却プレート２１は、端面部７Ｂの電池高さ方向上部寄り位置に冷媒入口２２が設けられ、電池高さ方向中央寄り位置に冷媒出口２３が設けられている。冷媒入口２２は、第４流路部２Ｇに連通し、冷媒出口２３は、第１流路部２Ａに連通している。流路部２は、第４流路部２Ｇが電池高さ方向上側に配置され、第３流路部２Ｅが電池高さ方向下側（冷却プレート２１側）に配置されている。
冷媒は、冷媒入口２２から第２の冷却プレート２１の流路部２内に流入され、第４流路部２Ｇを配列方向一方側に向かって直進する。そして、第３連通部２Ｆで偏向されて流れの向きを折り返し、第３流路部２Ｅを配列方向他方側に向かって直進する。
それから、第２連通部２Ｄで偏向されて流れの向きを折り返し、第２流路部２Ｃを配列方向一方側に向かって直進し、第１連通部２Ｂで偏向されて流れの向きを折り返し、第１流路部２Ａを配列方向他方側に向かって直進して冷媒出口２３から排出される。
流路部２は、第１連通部２Ｂ、第２連通部２Ｄ、第３連通部２Ｆの各流路幅Ｗ２、Ｗ４、Ｗ６が、第１流路部２Ａ、第２流路部２Ｃ、第３流路部２Ｅ、第４流路部２Ｇの流路幅Ｗ１、Ｗ３、Ｗ５、Ｗ７よりも小さくなっており、流路幅Ｗ２、流路幅Ｗ４及び流路幅Ｗ６の場所で流路断面積が狭い狭隘部分が形成されて、かかる狭隘部分を冷媒が通過する際に流れが増速し、通過後に減速する構造になっている。
冷媒は、流れの増速・減速を繰り返しながら、冷却プレート１全体を流れ方向に沿って冷却し、冷媒出口２３から排出される。本実施例では、流路幅が狭い狭隘部分（Ｗ２，Ｗ４及びＷ６）で冷媒の流速が増速することによって流路部２内での熱伝達が向上し、冷却性能が向上する。尚、その他の流路幅Ｗ１、Ｗ３、Ｗ５及びＷ７は、互いに同じ大きさである。
実施例７によれば、冷却プレート１の冷媒と同じ温度の冷媒を、第２の冷却プレート２１の冷媒入口２２に導入でき、各単電池１０の両側面を冷却することができる。従って、上記した各実施例の効果に加えて、単電池１０の温度をより低くできるとともに、各単電池１０の温度を均一にできる効果がある。
単電池１０は、電池缶１２の底面部側よりも蓋体１３側の方が高温となる。実施例７では、端面部７Ｂの高さ方向上部寄り位置に設けられた冷媒入口２２から流路部２内に冷媒を流入させ、高さ方向中央寄り位置に設けられた冷媒出口２３から排出させているので、単電池１０を効率的に冷却することができる。
（実施例８）
図１２は、実施例８による電池モジュールの外観を示す斜視図である。
図１２は、実施例８による電池モジュールの外観を示す斜視図である。
電池モジュール１００は、複数の単電池１０の間にスペーサ１６を設けて積層された電池群を有している（図９を参照）。電池モジュール１００の配列方向両側は、一対のエンドプレート１７で覆われている。電池モジュール１００の下部は、冷却プレート１で覆われており、電池モジュール１００の上部は、上部カバー４１で覆われている。そして、電池モジュール１００の横幅方向両側は、一対の側板４２で覆われている。
これらの冷却プレート１と、一対のエンドプレート１７と、上部カバー４１と、一対の側板４２は、４本の結合部材４３によって一体に結合されている。結合部材４３は、一対のエンドプレート１７、１７の間に亘って配列方向に延在する長さを有している。
上部カバー４１は、配列方向に沿って延在するガス排出通路５１を有している。ガス排出通路５１は、各単電池１０のガス排出弁１５に連通しており、電池異常時にガス排出弁１５から排出されたガスを流入させて、ガス排出パイプ５２から系外に放出するようになっている。電池モジュール１００の下部には、冷却プレート１が設けられており、電池モジュール１００の横幅方向両端部は、一対の側板４２で挟持されて密閉されている。
実施例８によれば、冷媒の流れは上記した各実施例と同様であり、電池の冷却性能に関しても同様な効果があり、よりコンパクトで安全な電池モジュールを提供できる効果がある。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１ 冷却プレート
１ａ プレート面
２ 流路部
３ 隔壁部
４ 冷媒入口
５ 冷媒出口
６ 上板部
７ 容器部
８ 端板
９ 隔壁
１０ 単電池
１２ エポキシ樹脂
１６ スペーサ
１７ エンドプレート
１００ 電池モジュール
１ａ プレート面
２ 流路部
３ 隔壁部
４ 冷媒入口
５ 冷媒出口
６ 上板部
７ 容器部
８ 端板
９ 隔壁
１０ 単電池
１２ エポキシ樹脂
１６ スペーサ
１７ エンドプレート
１００ 電池モジュール
Claims (8)
- 複数の電池と、該複数の電池が配列されるプレート面を有する冷却プレートと、該冷却プレートの内部に形成されて冷媒を流通可能な流路部と、を有する電池モジュールであって、前記冷却プレートの一端の略中心部分に前記冷媒の入口を設け、前記複数の電池の配列方向に延在する第１流路部、第２流路部、第３流路部及び第４流路部を有し、前記第１流路部と前記第２流路部における前記冷媒の流れの向きを折り返す第１連通部、前記第２流路部と前記第３流路部における前記冷媒の流れの向きを折り返す第２連通部、前記第３流路部と前記第４流路部における前記冷媒の流れの向きを折り返す第３連通部を有し、前記第１流路部と前記第２流路部の前記冷媒が第１隔壁部を介して向流で流れ、前記第２流路部と前記第３流路部の前記冷媒が第２隔壁部を介して向流で流れ、前記第１連通部と前記第３連通部の前記冷媒が第３隔壁部を介して向流で流れ、前記第４流路部と前記第１流路部の前記冷媒が第４隔壁部を介して向流で流れ、前記冷却プレートの略最外部から前記冷媒の入口の流れ方向と反対方向から流出する前記冷媒の出口を設け、
前記第１連通部は、前記第１流路部及び第２流路部よりも断面積が小さく、
前記第２連通部は、前記第２流路部及び第３流路部よりも断面積が小さく、
前記第３連通部は、前記第３流路部及び第４流路部よりも断面積が小さいことを特徴とする電池モジュール。 - 前記第１流路部は、前記第２流路部よりも断面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記第３流路部は、前記第４流路部よりも断面積が大きいことを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
- 前記複数の電池は、横長矩形の底面部と、底面部の一対の長辺でそれぞれ折曲されて対峙する一対の幅広面部と、底面部の一対の短辺でそれぞれ折曲されて対峙する一対の幅狭面部を有する電池缶と、電池缶の上部開口を閉塞する蓋体とを有する扁平箱形の電池容器を有し、
前記冷却プレートは、前記電池缶の底面部と、幅広面部と、幅狭面部の少なくともいずれか一つに前記プレート面が熱伝導可能な結合状態で装着されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電池モジュール。 - 前記複数の電池は、前記電池容器の底面部が同一平面上に配置され、かつ、互いに隣り合う電池の幅広面同士が対向する姿勢状態に並べられ、
前記冷却プレートは、前記電池容器の底面部に前記プレート面が熱伝導可能な結合状態で装着される第１の冷却プレートを有することを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。 - 前記冷却プレートは、前記電池容器の一対の幅狭面部にそれぞれ前記プレート面が熱伝導可能な結合状態で装着される一対の第２の冷却プレートを有することを特徴とする請求項５に記載の電池モジュール。
- 前記第２の冷却プレートは、前記第１流路部、前記第２流路部、前記第３流路部、前記第４流路部、前記第１連通部、前記第２連通部、前記第３連通部を有しており、前記第４流路部が電池高さ方向上側に配置され、前記第３流路部が電池高さ方向下側に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の電池モジュール。
- 前記第２の冷却プレートは、該第２の冷却プレートの配列方向他方側の端面部でかつ電池高さ方向上部寄り位置に前記冷媒が流入する冷媒入口が設けられ、前記第２の冷却プレートの配列方向他方側の端面部でかつ電池高さ方向中央寄り位置に前記冷媒が流出する冷媒出口が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の電池モジュール。
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