JP5938115B2 - バッテリーモジュール、バッテリー温度管理システム、および、該システムを備える車両 - Google Patents

バッテリーモジュール、バッテリー温度管理システム、および、該システムを備える車両 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
この出願は、以下の出願の優先権と利益を主張する。
1)2010年12月29日に中華人民共和国国家知識産権局(SIPO)に出願された中国特許出願第201020691717.2号;および、
2)2010年12月31日に中華人民共和国国家知識産権局(SIPO)に出願された中国特許出願第201020697948.4号。
上記の列挙された特許出願は、それらの全体において参照することにより本願に組み入れられる。
本開示は、パワーバッテリーの分野に関し、特に、バッテリーモジュール、バッテリー温度管理システム、および、該システムを備える車両に関する。
この節における記述は、本開示に関連する背景情報を単に与えるに過ぎず、従来技術を構成してもしなくてもよい。
地球上のエネルギー資源が使い果たされるのに伴って、また環境保護に対する重要性が高まるにつれて、電気自動車(EV)とハイブリッド電気自動車(HEV)が、僅かな排ガスや少ないエネルギー消費量などの利点に起因して、非常に注目されてきた。近年、EVとHEVの研究や売買に相次いで投資する会社や研究機関がますます多くなってきた。電気自動車やハイブリッド電気自動車の研究のなかで、パワーバッテリー技術が新たなエネルギー車両の開発を制限する場合がある重要な要素のうちの1つであることが分かってきた。
EV、HEVまたは同様の車両においては、通常、高出力要件を満たすために、高電力を伴うリチウムイオンバッテリーがパワーバッテリーとして使用される場合がある。車両のパワーバッテリーは高い放電速度を有するため、リチウムイオンバッテリーは急速放電プロセスにおいて多量の熱を生成しうる。温度が上昇すると、リチウムイオンバッテリーが著しく不均一な状態で稼動する場合があり、それ故、バッテリーの寿命に直接に影響を及ぼすとともに、安全上の重大な潜在的問題をもたらすことがある。したがって、リチウムイオンバッテリーが好ましい温度状態で稼動するようにするため、リチウムイオンバッテリーに対する優れた放熱が必要とされる。
また、EV、HEVまたは同様の車両において、パワーバッテリーは、エネルギー蓄積装置として重要な役割を果たすため、パワーバッテリーの性能は車両全体の性能に大きな影響を及ぼす。パワーバッテリーは、通常、直列に、並列に、或いは、直列かつ並列に接続される複数の単一セルにより形成される。現在、単一セルは、低温で例えば−20℃を下回る温度で、或いは、高温で例えば45℃を超える温度で、正常に作動しない場合があり、したがってパワーバッテリーを使用する車両が正常に駆動しない場合がある。
以上に鑑み、本開示は、従来技術に存在する問題のうちの少なくとも1つを解決することに向けられる。したがって、バッテリーモジュールが正常に作動することを確実にするべく、バッテリーモジュールを均一に冷却または加熱できるバッテリー温度管理システムを提供する必要がある。また、均一に冷却または加熱されうるとともに、温度一貫性を有しうるバッテリーモジュールを提供する必要もある。更に、前記バッテリーモジュールを備える車両を提供する必要がありうる。
本開示の一態様によれば、バッテリー温度管理システムを提供できる。バッテリー温度管理システムは、バッテリーモジュールと、冷却剤循環回路を介してバッテリーモジュールに接続される熱交換器と、冷媒循環回路を介して熱交換器に接続される温度制御装置とを備え、冷却剤循環回路内の冷却剤および冷媒循環回路内の冷媒は、熱交換器を介して互いに熱を交換し、冷却剤がバッテリーモジュールを通じて流れる際にバッテリーモジュールが冷却剤によって冷却または加熱される。
本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムによれば、バッテリーモジュールを冷却または加熱するための媒体として空気ではなく冷却剤が使用され、それにより、バッテリーモジュールが効果的に冷却または加熱される。また、冷却剤が循環的に流れることができるため、空気を介した熱交換に比べると、バッテリーモジュールを効率的に冷却または加熱でき、それによりバッテリーモジュールが温度一貫性を伴って常に正常な状態で作動することができる。
本開示の他の態様によれば、バッテリーモジュールを提供できる。バッテリーモジュールは、冷却プレートと該冷却プレート上に間隔を隔てて設けられる複数のセパレータプレートとを有する下側シェル体と、複数のセパレータプレートの上部と密閉接続される上側カバーと、複数のセパレータプレートの最前面および最後面とそれぞれ密閉接続されるフロントカバープレートおよびバックカバープレートとを備え、冷却プレート、上側カバー、フロントカバープレート、バックカバープレートおよび複数のセパレータプレートが、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部に受け入れるための複数の別個の密閉空間を形成するように密閉接続され、主流チャネルが上側カバーおよび冷却プレートのそれぞれの内部に形成され、主流チャネルと流体連通する分岐流チャネルがセパレータプレートのそれぞれの内部に形成される。
本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールによれば、冷却プレート、上側カバー、フロントカバープレート、バックカバープレートおよび複数のセパレータプレートが、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部に受け入れるための複数の別個の密閉空間を形成するように密閉接続され、主流チャネルが上側カバーおよび冷却プレートの内部に形成され、主流チャネルと流体連通する分岐流チャネルがセパレータプレートのそれぞれの内部に形成される。したがって、主流チャネル内へ流入する冷却剤は、分岐流チャネルのそれぞれへ流入することができ、その後、主流チャネル内へ流入でき、それにより複数の別個の密閉空間内のバッテリーコアと電解質を効果的にかつ均一に冷却または加熱できる。したがって、バッテリーモジュール内の温度一貫性が確保されうる。
本開示の更なる他の態様によれば、バッテリー温度管理システムを備える車両も提供することができる。
本開示の実施形態の更なる態様と利点が、部分的に以下の説明において与えられ、部分的に以下の説明から明らかになり、或いは、本開示の実施形態の実施から分かる。
本開示のこれらの態様および他の態様並びに利点は、図面と併せて解釈される以下の説明から明らかになり、更に容易に理解されるようになる。
本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムの概略図 本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムの制御原理図 本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールの斜視図 本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールの下側シェル体の斜視図 本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールの上側カバーの斜視図 本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールの断面図
当業者であれば分かるように、本開示は、その思想または本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具現化されてもよい。したがって、ここに開示される実施形態は、あらゆる点で例示的と見なされ、限定的に見なされない。同一または類似する要素、および、同一または類似する機能を有する要素が、説明の全体に亘って同様の参照符号により示される。
以下、図面を参照して、本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムについて説明する。
図1に示されるように、本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムは、バッテリーモジュール1と、熱交換器21と、冷却機能を有するとともに選択的に加熱機能を有する温度制御装置3とを備えうる。或る実施形態において、バッテリー温度システムは、バッテリーモジュールと空調システムの両方を有する車両(図示せず)に設けられてもよい。もしくは、車両の空調システムが温度制御装置3として使用されてもよい。
1つの実施形態では、冷却機能のみを有する温度制御装置3が典型的に例示される。しかしながら、温度制御装置3は、バッテリーモジュールを加熱するために使用されうる加熱機能を伴って構成されてもよいことに留意すべきである。また、温度制御装置3は、状況が必要としうるときには、加熱冷却機能を伴って構成されてもよい。図1に示されるように、熱交換器21は、冷却剤循環回路22を介してバッテリーモジュール1と接続され、温度制御装置3は、冷媒循環回路23を介して熱交換器21と接続される。冷却剤循環回路22内の冷却剤は、バッテリーモジュール1と熱交換器21を通じて流れ、その冷却剤がバッテリーモジュール1を通じて流れる際にバッテリーモジュール1が冷却剤によって冷却される。冷媒循環回路23内の冷媒は、温度制御装置3と熱交換器21を通じて流れ、温度制御装置3を通じて流れる際に冷却される。冷却剤循環回路22内の冷却剤および冷媒循環回路23内の冷媒は、熱交換器21を介して互いに熱を交換する。したがって、冷却剤は、バッテリーモジュール1を通じて流れてバッテリーモジュール1を冷却した後、熱交換器21を通じて流れて、熱交換器21を介して冷媒と熱を交換することにより、冷却された冷却剤となり、その後、冷却された冷却剤は、バッテリーモジュール1を繰り返し冷却するためにバッテリーモジュール1を通じて再び流れる。
或る実施形態において、温度制御装置3は、車両内の冷却機能を有する従来の車載温度制御装置であってもよく、それにより車両内のその場の装置を効果的に利用しうる。また、車載空調装置は優れた冷却効果を有し、そのためパワーバッテリーの冷却効率を効果的に高める。1つの実施形態において、温度制御装置3は、蒸発器33、圧縮器32、および、圧縮器32と接続される凝縮器31を備える空調システムであってもよい。放熱を促進させるために凝縮器ファン311が凝縮器31に設けられてもよい。凝縮器31は、冷媒循環回路23と接続される冷媒入口312および冷媒出口313をそれぞれ有する。冷媒循環回路23内の冷媒は、熱交換器21を通じて流れて冷却剤と熱を交換することにより高温冷媒となり、その高温冷媒は、冷媒入口312を介して凝縮器31内に流入して放熱後に低温冷媒となり、その後、低温冷媒は元の熱交換器21へと流入する。圧縮器32は、凝縮器31と流体連通する冷媒循環回路23中に設けられる。圧縮器32は、凝縮器31および熱交換器21を通じて冷媒が流通するように或いは冷媒が流通しないようにON/OFFされるように構成される。圧縮器32は、給電されてもよく、また、圧縮器32がONされるときに冷媒の流速の調整に加えて冷媒が循環的に流れることができるようにしてもよい。高温高圧の液体冷媒になるように気体冷媒が圧縮器32によって圧縮されてもよく、その後、その液体冷媒が、圧縮器32から凝縮器31内へと流入して、放熱後に常温高圧の液体冷媒になってもよい。温度制御装置3の部材、温度制御装置の配置および機能は、当該技術分野において良く知られており、趣旨を明確にするために、ここではその詳細な説明が省略される。
循環ポンプ221が冷却剤循環回路22に設けられてもよく、循環ポンプ221は、バッテリーモジュール1および熱交換器21を通じて冷却剤が流通するように或いは冷却剤が流通しないようにON/OFFされてもよい。循環ポンプ221は、冷却剤循環回路22内で冷却剤を圧送するとともに、冷却剤がバッテリーモジュール1および熱交換器21を通じて循環的に流れうるようにするために使用されてもよい。冷却剤がバッテリーモジュール1内へ流入すると、その冷却剤は、バッテリーモジュール1内で生み出される熱を取り除いて、加熱された冷却剤になり、その加熱された冷却剤は、熱交換器21内へ流入して、冷媒循環回路23内の冷媒と熱を交換することにより冷却された冷却剤になり、その後、その冷却された冷却剤が元のバッテリーモジュール1へと流入し、それによりバッテリーモジュール1を効果的に冷却する。循環ポンプ221は、電力によって駆動されてもよく、循環ポンプ221がONにされているときに冷却剤の流速を調整してもよい。
1つの実施形態では、図2に示されるように、バッテリー温度管理システムが、バッテリーモジュール1からの温度信号に基づいて圧縮器32と循環ポンプ221をON/OFFするための制御ユニット41を更に含む。1つの実施形態では、制御ユニット41が更に凝縮器ファン311をON/OFFするように構成される。
冷媒循環回路23は、第1の分岐部231、即ち蒸発器分岐部と、第2の分岐部232とを含んでもよい。蒸発器33は、車両のキャビンを冷却するために第1の分岐部231に配置され、熱交換器21は、冷媒と冷却剤との間で熱を交換するために第2の分岐部232に配置される。第1の分岐部231には、蒸発器31を通じた冷媒の流れを制御するための蒸発器コントローラ(図示せず)が更に設けられてもよい。また、冷媒循環回路23には、熱交換器21を通じた冷媒の流れを制御するための電磁弁34が更に設けられてもよく、制御ユニット41は、蒸発器コントローラと電磁弁34をON/OFF切り換えするべく制御するように構成されてもよい。
1つの実施形態において、制御ユニット41は、入力冷却剤温度信号を制御ユニット41へ与えるためにバッテリーモジュール1の冷却剤入力に配置される第1の温度センサ43と、出力冷却剤温度信号を制御ユニット41へ与えるためにバッテリーモジュール1の冷却剤出力に配置される第2の温度センサ44とを備える。制御ユニット41は、バッテリーモジュール1の状態を監視するために、EVまたはHEVにおける従来のバッテリー管理システム(BMS)として実装されてもよい。制御ユニット41は、循環ポンプ221、圧縮器23、電磁弁34および凝縮器ファン311のそれぞれと電気的に接続されうる。バッテリーモジュール1の温度が第1の所定値よりも高いと、制御ユニット41は、循環ポンプ221と温度制御装置3をONにするための命令を出力する。
電磁弁34は、冷媒が熱交換器21を通じて流れるようにするために、または、冷媒が熱交換器21を通じて流れないようにするために、第2の分岐部232に配置されてもよい。バッテリーモジュール1を冷却する必要がない場合には、電磁弁34がOFFに切り換えられる。蒸発器コントローラは、冷媒が蒸発器31を通じて流れるようにするために、または、冷媒が蒸発器31を通じて流れないようにするために、第1の分岐部231に配置されてもよい。車両のキャビンを冷却する必要がない場合には、蒸発器コントローラがOFFに切り換えられる。
1つの実施形態において、熱交換器21は、バッテリーモジュール1を冷却または加熱するべく冷媒と冷却剤との間で熱を交換するための冷媒−冷却剤熱交換器である。1つの実施形態では、図1に示されるように、冷却剤循環回路22が破線により示され、冷媒循環回路23が実線により示され、冷却剤と冷媒の流動方向が矢印により示される。なお、冷却剤と冷媒が循環的に流れるのであれば、冷却剤と冷媒の流動方向は特に限定されない。冷却剤循環回路22と冷媒循環回路23とは別個に配置されて互いに連通されず、冷却剤循環回路22および冷媒循環回路23は熱交換器21を介して互いに熱を交換する。冷却剤循環回路22は、熱交換器21を通じて流れる冷却剤を供給するとともにバッテリーモジュール1を通じた流れにおいて冷却剤を案内するために熱交換器21と接続される。冷媒循環回路23の第2の分岐部232は、熱交換器21を通じて流れる冷媒を供給するとともに凝縮器31を通じた流れにおいて冷媒を案内するために熱交換器21と接続される。
熱交換器21は、当業者に良く知られる熱交換機能を有する熱交換器であってもよい。冷却剤は、従来の冷却剤、例えば、水、エチレングリコール、または、これらの組み合わせであってもよく、或いは、特定の阻害剤を含む特定の冷却剤であってもよい。なお、冷却剤は、適した熱伝達性を有する任意の液体冷却剤であってもよい。冷媒は、車両の空調システムで使用される任意の従来の冷媒、例えばフロンであってもよい。
極低温、例えば−20℃よりも低い温度でバッテリーモジュール1が正常に作動しないためにEVまたはHEVが動作しないという事実を回避するべく、バッテリーモジュール1を加熱するための加熱装置が必要とされる場合がある。1つの実施形態では、温度制御装置3が冷却機能のみを有し、バッテリー温度管理システムが、熱交換器21に配置される加熱装置5を更に備えてもよく、冷却剤循環回路22内の冷却剤が加熱されるべく加熱装置5を通じて流れ、加熱装置5をON/OFF制御するために制御ユニット41が加熱装置5と電気的に接続される。加熱装置5は、加熱配線または正温度係数(PTC)加熱プレートを含んでもよい。
或る実施形態において、バッテリーモジュール1は、EV車両またはHEV車両を駆動させるための冷却チャネルを有する任意のパワーバッテリーモジュールであってもよい。
特に、バッテリーモジュール1は、電力によって車両を駆動させるのに十分なエネルギーを蓄えてもよい。
1つの実施形態では、図3〜6に示されるように、バッテリーモジュール1が、冷却プレート110と冷却プレート110上に間隔を隔てて設けられる複数のセパレータプレート111とを有する下側シェル体11と、複数のセパレータプレート111の上部と密閉接続される上側カバー12と、複数のセパレータプレート111の最前面および最後面とそれぞれ密閉接続されるフロントカバープレート13およびバックカバープレート14とを備え、冷却プレート110、上側カバー12、フロントカバープレート13、バックカバープレート14および複数のセパレータプレート111が、バッテリーコアおよび電解質(図示せず)をそれぞれ内部に受け入れるための複数の別個の密閉空間113を形成するように密閉接続され、主流チャネル1101,121が上側カバー12および冷却プレート110の内部に形成され、主流チャネル1101,121と流体連通する分岐流チャネル1111がセパレータプレート111のそれぞれの内部に形成される。したがって、主流チャネル121内へ流入する冷却剤は、分岐流チャネル1111のそれぞれへ流入することができ、その後に主流チャネル1101内へ流入でき、それにより複数の別個の密閉空間113内のバッテリーコアと電解質を効果的にかつ均一に冷却または加熱する。このため、バッテリーモジュール1の温度一貫性が確保されうる。
図4に示されるように、下側シェル体11は、冷却プレート110と、冷却プレート110上に間隔を隔てて設けられる複数のセパレータプレート111とを含み、隣接する2つのセパレータプレート111の間に空間112が形成され、冷却プレート110、上側カバー12、フロントカバープレート13、バックカバープレート14および複数のセパレータプレート111が、複数の別個の密閉空間113を形成するように密閉接続される。図4に示されるように、容易な組み付けのために冷却プレート110上にセパレータプレート111が垂直に設けられてもよい。1つの実施形態では、冷却プレート110と複数のセパレータプレート111とが一体に形成され、このため冷却プレート110や複数のセパレータプレート111などの機械加工と組み付けが容易になる。他の実施形態では、複数のセパレータプレート111が別個に形成されてもよい。
1つの実施形態において、複数のセパレータプレート111は、冷却プレート110の最も外側に設けられる第1の外側プレート111および第2の外側プレート111と、その第1および第2の外側プレート111間の少なくとも1つの中間プレート111とを備え、外側プレート111は中間プレート111の厚さよりも大きい厚さを有する。このため、バッテリーモジュール1の全体の強度を高めることができる。図4に示されるように、1つの実施形態では、冷却プレート110が、6つの空間112を形成する7枚のセパレータプレート111を備え、これにより6つの別個の密閉空間113を形成するように6つの空間112が密閉され、また2枚の外側セパレータプレート111は5枚の中間プレート111よりも厚い。
上側カバー12は、複数のセパレータプレート111の上部と密閉接続される。上側カバー12と複数のセパレータプレート111との間の確実な接続を確保するため、1つの実施形態では、図4に示されるように、溝119がセパレータプレート111に形成され、その溝119と嵌合される突起(図示せず)が上側カバー12に形成される。上側カバー12と複数のセパレータプレート111との間の溝119に突起を接続することにより、上側カバー12と複数のセパレータプレート111とが安定して接続される。他の実施形態では、図5に示されるように、上側カバー12に溝123が形成されてもよく、その溝123と嵌合されるように突起(図示せず)がセパレータプレート111に形成されてもよく、それによって上側カバー12と複数のセパレータプレート111とが安定して接続される。
図4〜6に示されるように、1つの実施形態では、冷却プレート110が主出口チャネル1101を含み、この主出口チャネル1101の一端には冷却剤出口115が形成され、上側カバー12は、主入口チャネル121を含むとともに、冷却剤出口115の端部から離れて面する主入口チャネル121の側に冷却剤入口125を含み、各セパレータプレート111は、主入口チャネル121および主出口チャネル1101と接続される分岐流チャネル1111を含み、冷却剤入口125および冷却剤出口115はそれぞれ冷却剤循環回路22と接続される。このため、冷却剤の循環を円滑にできる。1つの実施形態において、冷却剤入口125の断面積は、冷却剤出口115の断面積よりも約10〜20%小さい。バッテリー温度管理システムが複数のバッテリーモジュール1を含む場合には、後続のバッテリーモジュールの冷却剤入口125を先行するバッテリーモジュールの冷却剤出口115と溶接することにより、隣接するバッテリーモジュール1が接続されてもよい。冷却剤入口125の断面積が冷却剤出口115の断面積よりも小さいため、冷却剤入口125と冷却剤出口115との溶接は更に容易になりうる。他の実施形態では、冷却プレート110が主入口チャネル121を含んでもよく、上側カバー12が主出口チャネル1101を含んでもよく、また、代わりに、冷却剤出口115の断面積が冷却剤入口125の断面積より小さくてもよい。
1つの実施形態では、冷却剤入口125と冷却剤出口115が、それぞれリング溝1251,1151を含む。リング溝1251,1151は、隣接するバッテリーモジュール1が互いに接続されるときにバッテリーモジュール1間の密閉接続を確保するためのシールリングを含む。したがって、冷却剤は、複数のバッテリーモジュール1内を循環的に流れることができる。
図3と図6に示されるように、1つの実施形態では、フロントカバープレート13が複数のセパレータプレート111の最前面と密閉接続される。バックカバープレート14は、複数のセパレータプレート111の最後面と密閉接続される。冷却プレート110、上側カバー12、フロントカバープレート13、バックカバープレート14および複数のセパレータプレート111は、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部で受け入れるための複数の別個の密閉空間113を形成するように密閉接続される。バッテリーコアと電解質が複数の別個の密閉空間113内で受け入れられるため、単一セルを受け入れるためのハウジングは不要であり、コンパクトな空間を有することに加えて材料を節約できる。他の実施形態では、バッテリーコアと電解質を有する単一セル全体を受け入れるための別個の密閉空間113が使用されてもよく、それにより単一セルの取り付けを円滑にできる。
或る実施形態では、空間112をそれぞれ密閉するために複数のフロントおよびバックカバープレート13,14が存在する。図3と図4に示されるように、隣接する2つのセパレータプレート111は、各フロントカバープレート13を受け入れるための一対の溝114を含み、それによって、隣接する2つのセパレータプレート111と各フロントカバープレート13を密閉接続できるようになっている。同様に、各バックカバープレート14は、隣接する2つのセパレータプレート111の一対の溝114内にそれぞれ配置されてもよく、それにより、空間112を形成するために隣接する2つのセパレータプレート111と各バックカバープレート14が密閉接続されてもよい。他の実施形態において、フロントおよびバックカバープレート13,14は、それぞれ、複数のセパレータプレート111の前側および後側を密閉するために単一のプレートであってもよい。
図3に示されるように、このように形成される別個の密閉空間113内にバッテリーコア(図示せず)と電解質が受け入れられる。各バッテリーコアは、密閉空間113から延出されて柔軟な金属プレート116を使用して直列に、並列に、或いは、直列かつ並列に接続される一対の電極端子118を備え、それによりバッテリーコアを直列に、並列に、或いは、直列かつ並列に接続できる。1つの実施形態では、電極端子118がフロントカバープレート13で密閉されてフロントカバープレート13から絶縁される。
1つの実施形態において、バッテリーモジュール1は、上側カバー12および下側シェル体11と固定されるようにフロントカバープレート13の前側に設けられるフロントパネル15を更に備える。また、上側カバー12および下側シェル体11と固定されるようにバックパネル(図示せず)がバックカバープレート14の後側に設けられてもよく、また、最も外側の金属プレート1161,1162のそれぞれを導出させるために、一対の開口151,152がフロントパネル15の側面にそれぞれ設けられる。図3に示されるように、1つの実施形態では、6つのバッテリーコアと電解質が、6つの別個の密閉空間113内に受け入れられ、6つの電極端子118が6つのバッテリーコアから延出されて金属プレート116により直列に接続され、また、最も外側の金属プレート1161,1162が、外部負荷、例えば電気デバイスまたは電気充電器と接続されるようにフロントパネル15の開口151,152を通過する。
1つの実施形態において、上側カバー12および下側シェル体1には、それらの縁部にボルト穴122,117がそれぞれ形成され、そのボルト穴122,117のそれぞれに対応するボルト穴153がフロントパネル15に形成されてもよい。したがって、フロントパネル15を、上側カバー12および下側シェル体11と固定するためにボルトが使用されてもよい。同様に、バックパネルがボルトを介して上側カバー12および下側シェル体11に固定されてもよい。
或る実施形態において、フロントカバープレート13、バックカバープレート14、上側カバー12および下側シェル体11は、熱伝導性の材料から形成され、それにより冷却剤と電解質との間で熱を効果的に伝達してもよい。1つの実施形態において、上側カバー12および下側シェル体11は、特定の強度を有する材料、例えばアルミニウム合金から形成されてもよい。上側カバー12と下側シェル体11は金属延伸によって形成されてもよく、その後に機械加工によって上側カバー12と下側シェル体11にチャネルが形成されてもよく、最終的に、フロントカバープレート13およびバックカバープレート14が、下側シェル体11および上側カバー12のそれぞれと、溶接、例えば半田付け或いはレーザ溶接により接続されてもよい。フロントパネル15とバックパネルは、支持およびシールの役目を果たしてもよいが、それらのパネルは、熱を伝達する必要がなくてもよく、射出成形によりポリ(フェニレン酸化物)(PPO)などのプラスチックから形成されてもよい。
図6に示されるように、冷却剤は、上側カバー12の冷却剤入口125からバッテリーモジュール1内へ流入して、主入口チャネル121から分岐流チャネル1111へ流れ込み、その後に主出口チャネル1101内へ流れ、最終的に、冷却剤出口115からバッテリーモジュール1の外側へ流出しうる。バッテリーコアと電解質を有する別個の密閉空間113が分岐流チャネル1111の間に形成され、それにより密閉空間113内のバッテリーコアおよび電解質を均一に冷却または加熱できる。したがって、バッテリーモジュール1の部材の温度一貫性が確保されるとともに、熱が迅速に伝達されうる。
或る実施形態において、主入口チャネル121と主出口チャネル1101は、分岐流チャネル1111の断面積よりも大きい断面積を有する。1つの実施形態において、主入口チャネル121と主出口チャネル1101の断面積は、分岐流チャネル1111の総断面積の約0.5〜2倍であってもよい。図6に示されるように、主入口チャネル121と主出口チャネル1101の断面積は、7つの分岐流チャネル1111の総断面積の2倍であってよい。
或る実施形態では、分岐流チャネル1111の寸法が互いに同一であり、それにより、分岐流チャネル1111を通じた冷却剤の流れを同一にすることができ、密閉空間113内の電解質を均一に冷却または加熱できる。1つの実施形態では、分岐流チャネル1111の幅が2mm以上であってもよく、それにより大きな流動抵抗の発生が回避されうる。
本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールによれば、冷却プレート110、上側カバー12、フロントカバープレート13、バックカバープレート14および複数のセパレータプレート111が、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部で受け入れるための複数の別個の密閉空間113を形成するように密閉接続され、主流チャネル1101,121が上側カバー12および冷却プレート110の内部に形成され、主流チャネル1101,121と流体連通する分岐流チャネル1111がセパレータプレート111のそれぞれの内部に形成される。したがって、主流チャネル121内へ流入する冷却剤は、分岐流チャネル1111のそれぞれへ流入することができ、その後に主流チャネル1101内へ流入でき、それにより複数の別個の密閉空間113内のバッテリーコアと電解質を効果的にかつ均一に冷却または加熱しうる。このため、バッテリーモジュール1の温度一貫性が確保されうる。
本開示の一実施形態によれば、分岐流チャネル1111内の冷却剤の熱がセパレータプレート111を通じて電解質へ伝達されてもよく、それにより接触熱抵抗を小さくしてもよい。また、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部で受け入れるための複数の別個の密閉空間113を形成するために複数のセパレータプレート111が設けられるとともに、分岐流チャネル1111がセパレータプレート111のそれぞれの内部に形成されるため、熱伝達接触面積を大きくできるとともに、熱伝達効率を高くでき、このためバッテリーモジュール1の温度一貫性を確保できる。更に、バッテリーモジュール1内の冷却剤を再循環できるとともに、前述したバッテリー温度管理システムを使用して冷却剤の流速を調整できるため、エネルギー消費量を減らせるとともに、ノイズを低減できる。また、バッテリーコア及び電解質は複数の別個の密閉空間113内で受け入れられるが、単一セルのためのハウジングは複数の別個の密閉空間113内で受け入れられないため、従来のバッテリーモジュールを受け入れるためのハウジングと、単一セルを受け入れるために従来使用されるハウジングとが一体形成されてもよく、それによりコンパクトな構造に加えて材料とスペースを節約できる。
或る実施形態において、バッテリー温度管理システムは、バッテリー冷却モード、バッテリー加熱モードまたはバッテリー温度平均化制御モードで稼動するように、制御ユニット41によって制御されてもよい。バッテリー冷却モードでは、バッテリーモジュール1の温度が第1の所定値よりも高いと、制御ユニット41が、循環ポンプ221、電磁弁34および圧縮器32をONにし、その結果、バッテリーモジュール1が冷却剤によって冷却される。バッテリー加熱モードでは、バッテリーモジュール1の温度が第1の所定値よりも低い第2の所定値を下回ると、制御ユニット41が、循環ポンプ221および加熱装置5をONにし、その結果、バッテリーモジュール1が冷却剤によって加熱される。バッテリー温度平均化制御モードでは、第1の温度センサ43と第2の温度センサ44との間の温度差が第3の所定値よりも大きいと、循環ポンプ221の回転速度が制御ユニット41により制御され、それにより冷却剤の流速を制御しおよび/または電磁弁34をON/OFFして、その温度差を減少させる。以下、バッテリー冷却モード、バッテリー温度平均化制御モード、復水回避モードおよびバッテリー加熱モードについて説明する。
バッテリー冷却モード
高率放電中にバッテリーモジュール1により車両が駆動されると、バッテリーモジュール1の温度が連続的に上昇する。バッテリーモジュール1の温度が第1の所定値よりも高く、そのバッテリーモジュール1の温度を測定する図2に示された温度センサ42から制御ユニット(BMS)41が温度信号を受けると、冷却剤を冷却剤循環回路22へ圧送するために制御ユニット41が循環ポンプ221をONにし、冷却剤がバッテリーモジュール1を通じて流れる際にバッテリーモジュール1の熱が冷却剤へ伝達され、冷却剤が熱交換器21を通じて流れる際に冷却剤の熱が冷媒へ伝達され、その後、冷却剤は元のバッテリーモジュール1へと流入する。同時に、制御ユニット41は、圧縮器32と凝縮器ファン311をONにすると同時に、電磁弁34と蒸発器コントローラをONに切り換え、冷媒が蒸発器33および熱交換器21を通じて流れる。冷媒は、熱交換器21を通じて流れる際に冷却剤の熱を吸収し、その後、放熱のために元の凝縮器31へ流入する。凝縮器ファン311の作用を受けて、冷媒の熱は、冷媒が冷却されるように効果的に放散されうる。バッテリーモジュール1を冷却する必要がある一方で、車両のキャビンも冷却する必要がある場合には、車両のキャビンとバッテリーモジュール1を同時に冷却するために、制御ユニット41が、電磁弁34と蒸発器コントローラをONに切り換えるとともに圧縮器32をONにしてもよい。バッテリーモジュール1のみを冷却する必要があり、車両のキャビンを冷却する必要がない場合には、蒸発器コントローラがOFFに切り換えられてもよい。
バッテリー温度平均化制御モード
単一セルの一貫性、特に温度一貫性は、バッテリーモジュール1の最も重要な性能のうちの1つである。単一セルの温度差が大きいと、高温の単一セルが急速に劣化または破損する場合がある。
第1の温度センサ43からの入力冷却剤温度信号と第2の温度センサ44からの出力冷却剤温度信号との間の温度差が第3の所定値よりも大きいと、循環ポンプ221の回転速度が制御ユニット41により制御され、それにより、冷却剤の流速が制御され、および/または、電磁弁34がON/OFFされて、異なる各単一セル間の温度差がそれぞれ減少されうる。
復水回避モード
バッテリーモジュール1と冷却剤との間の温度差が大きいと、バッテリーモジュール1内で復水が生じる場合があり、それによってバッテリーモジュール1の作動効率と寿命に影響が及ぶ。復水を回避するため、温度センサ42からの温度信号と第1の温度センサ43からの入力冷却剤温度信号との間の温度差が第4の所定値よりも大きいと、圧縮器32の回転速度、凝縮器ファン311の回転速度、および、電磁弁34の切り換え状態が制御ユニット41により制御されて、冷媒の温度が冷却剤の温度を調整するために制御され、および/または、冷却剤を加熱するために加熱装置5が制御され、それによりバッテリーモジュール1と冷却剤との間の温度差を減少させる。
バッテリー加熱モード
バッテリーモジュール1の温度が第2の所定値よりも低いと、制御ユニット41は、温度センサ42から温度信号を受けた後、循環ポンプ221と加熱装置5をONにし、その結果、冷却剤がバッテリーモジュール1を通じて流れる際にバッテリーモジュール1が冷却剤によって加熱される。他の実施形態では、温度制御装置3が加熱機能も有しており、バッテリー温度管理システムに加熱装置5を設ける必要がない場合に、バッテリーモジュール1の温度が第2の所定値よりも低いと、制御ユニット41が循環ポンプ221と圧縮器32をONにし、その結果、冷却剤がバッテリーモジュール1を通じて流れる際にバッテリーモジュール1が冷却剤によって加熱される。
本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムによれば、バッテリーモジュールを冷却または加熱するための媒体として空気ではなく冷却剤が使用され、そのためバッテリーモジュールが効果的に冷却または加熱される。また、冷却剤が循環的に流れうるため、空気冷却と比べると、バッテリーモジュールを効果的に冷却しうるとともに、冷却効果を更に良好にでき、それによって、バッテリーモジュールが常に正常に作動でき、バッテリーモジュールの温度一貫性が確保されうる。
また、本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムは、バッテリーモジュールと温度制御装置とを有する車両に搭載され、その温度制御装置は従来の車載温度制御装置であってもよく、それによって車両内の空間が効果的に利用される。そのうえ、車載空調装置は優れた冷却効果または加熱効果を有しており、このためバッテリーモジュールの冷却速度および/または加熱速度が効果的に高められる。
本開示の一実施形態によれば、制御ユニットが、バッテリーモジュールの温度を監視するためのバッテリー管理システム(BMS)であってもよいため、バッテリーモジュールの温度が第1の所定値よりも高いときのみ、温度制御装置が制御ユニットによりONにされてもよく、それにより車両のエネルギー消費量が効果的に節約される。
本開示の一実施形態によれば、バッテリーモジュールの温度を測定するための温度センサからの温度信号と第1の温度センサからの入力冷却剤温度信号との間の温度差を監視することにより、バッテリーモジュールと冷却剤との間の大きな温度差により引き起こされるバッテリーモジュール内の復水を回避できるとともに、バッテリーモジュールの温度一貫性およびバッテリーモジュールの正確な温度制御が確保され、したがってバッテリーモジュールの寿命が効果的に延びる。
本開示の一実施形態によれば、温度制御装置が冷却機能のみを有する場合には、バッテリー温度管理システムが熱交換器内に加熱装置を更に備えることにより、冷却剤が加熱装置を通じて流れる際に冷却剤を加熱してもよく、それによってバッテリーモジュールを効果的に加熱してもよい。このようにすると、バッテリーモジュールが極めて低温の環境で正常に作動できるとともに、バッテリーモジュールの温度一貫性も確保できる。
本開示の一実施形態によれば、前述したバッテリー温度管理システムを備える車両が提供されてもよい。
説明的な実施形態を示して述べてきたが、当業者であれば分かるように、本開示の思想と原理から逸脱することなく、これらの実施形態において変更、置換および改良がなされうる。そのような変更、置換および改良の全ては、特許請求の範囲内およびそれらの均等物内に入る。

Claims (9)

  1. 冷却プレートと、該冷却プレート上に間隔を隔てて設けられる複数のセパレータプレートとを有する下側シェル体と、
    前記複数のセパレータプレートの上部と密閉接続される上側カバーと、
    前記複数のセパレータプレートの最前面および最後面とそれぞれ密閉接続されるフロントカバープレートおよびバックカバープレートとを備え、前記冷却プレート、前記上側カバー、前記フロントカバープレート、前記バックカバープレートおよび前記複数のセパレータプレートが、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部に受け入れるための複数の別個の密閉空間を形成するように密閉接続され、
    主流チャネルが前記上側カバーおよび前記冷却プレートのそれぞれの内部に形成され、前記主流チャネルと流体連通する分岐流チャネルが前記セパレータプレートのそれぞれの内部に形成される、バッテリーモジュール。
  2. 前記冷却プレートが主出口チャネルを含み、該主出口チャネルの一端には冷却剤出口が形成され、前記上側カバーは、主入口チャネルを含むとともに、前記冷却剤出口の端部から離れて面する前記主入口チャネルの側に冷却剤入口を含み、
    前記各セパレータプレートは、前記主入口チャネルおよび前記主出口チャネルと接続される分岐チャネルを含む、請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記冷却剤入口の断面積が前記冷却剤出口の断面積よりも約10〜20%小さい、請求項2に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記各密閉空間内に受け入れられる複数のバッテリーコアを更に備え、前記各バッテリーコアが前記密閉空間から延出される一対の電極端子を備え、該電極端子は、金属プレートを介して直列に、並列に、或いは、直列かつ並列に接続される、請求項1〜3いずれか1項に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記フロントカバープレートの前側に設けられて前記上側カバーおよび前記下側シェル体に固定されるフロントパネルと、前記バックカバープレートの後側に設けられて前記上側カバーおよび前記下側シェル体に固定されるバックパネルとを更に備え、最も外側の前記金属プレートを導出させるために一対の電極導出開口が前記フロントパネルに設けられる、請求項4に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記複数のセパレータプレートは、
    前記冷却プレートの最も外側の側面に設けられる第1の外側プレートおよび第2の外側プレートと、
    前記第1および第2の外側プレート間の少なくとも1つの中間プレートとを備え、前記外側プレートが前記中間プレートの厚さよりも大きい厚さを有する、請求項1〜5いずれか1項に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記フロントカバープレート、前記バックカバープレート、前記上側カバーおよび前記下側シェル体が、熱伝導性の材料から形成される、請求項1〜6いずれか1項に記載のバッテリーモジュール。
  8. 請求項1〜7いずれか1項に記載のバッテリーモジュールと、
    冷却剤循環回路を介して前記バッテリーモジュールと接続される熱交換器と、
    冷媒循環回路を介して前記熱交換器と接続される温度制御装置とを備え、
    前記冷却剤循環回路内の冷却剤および前記冷媒循環回路内の冷媒は、前記熱交換器を介して互いに熱を交換し、前記冷却剤が前記バッテリーモジュールを通じて流れる際に、前記バッテリーモジュールが前記冷却剤によって冷却または加熱される、バッテリー温度管理システム。
  9. 請求項8に記載のバッテリー温度管理システムを備える車両。
JP2015005283A 2010-12-29 2015-01-14 バッテリーモジュール、バッテリー温度管理システム、および、該システムを備える車両 Active JP5938115B2 (ja)

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