JP6115558B2 - 電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、電池パックの構造に関する。
ハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両用の電源として多数の円筒型電池を接続して組電池とし、これをケースに収めた電池パックが用いられている。このような組電池では、各円筒型電池の温度に差があると電池の充放電特性が不均一となって特定の電池の残存容量が大きく低下し、電池の劣化が進んでしまう場合がある。このため、電池パックではケースに格納した多数の円筒電池の温度を均一に保つことが重要となってくる。
車両に搭載される電池パックの周囲温度は外気温の変化や車両の発生する熱の影響を受け、例えば、車両への搭載位置によっては電池パックの一方の面の温度が他の面の温度よりも上昇してしまう場合がある。そこで、車両からの温度が伝達される面に断熱層を配置して電池パック内の温度を均一に保持する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、近年、複数の円筒電池を散熱板と呼ばれる熱抵抗の小さい金属板に嵌めこんで組電池とする方法が提案されている。散熱板を用いた組電池では、熱抵抗の小さい散熱板が各円筒電池間の熱移動を容易にすることから、各円筒電池間の温度差を小さくできる（例えば、特許文献２参照）。
特開２００８−１４０６３０号公報 特開２０１４−９３２７５号公報
ところで、車両に搭載された電池パックの周囲温度は全方位で変化するため、特許文献１に記載されたように一方の面のみに断熱層を配置しても電池パックへの外部からの流入熱量、或いは電池パックから外部へ放出熱量を効果的に抑制することができず、電池パック内の温度均一化を実現できない場合がある。また、特許文献２に記載されたような散熱板を用いた組電池では、特許文献１のように熱影響を受ける面のみに断熱層を配置しても外部からの熱影響によって熱抵抗の小さい散熱板に温度のバラツキが発生する場合がある。この場合には、散熱板の温度のバラツキにより各円筒電池の温度にバラツキが発生してしまう場合がある。また、外部からの熱影響をより厳しく遮断するために、電池パックの全周に厚い断熱層を配置してしまうと電池パックの体格が大きくなってしまうという問題があった。
そこで、本発明は、散熱板を用いた電池パックにおいて、体格が大きくなることを抑制しつつ、各電池の温度を均一化することを目的とする。
本発明の電池パックは、複数の円筒電池と、前記各円筒電池の各円筒面との間で熱移動可能なように前記各円筒電池の各円筒面を保持する散熱板と、前記円筒電池と前記散熱板とを収容するように前記散熱板が内部に固定されるケーシングと、を備える電池パックであって、前記散熱板は、前記ケーシングの第１内面に沿って固定され、前記ケーシングの前記第１内面の反対側の第１外面と外気との熱伝達率が前記ケーシングの他の外面と外気との間の熱伝達率よりも低いことを特徴とする。
本発明の電池パックにおいて、前記ケーシングの外表面から離間して前記ケーシングの周囲を囲むカバーを備え、前記ケーシングの前記第１内面の反対側の第１外面と前記第１外面に対向する前記カバーの第１内面との離間距離が前記ケーシングの他の外面と前記他の外面に対向する前記カバーの他の内面との離間距離よりも大きいこととしても項好適である。
本発明の電池パックにおいて、前記ケーシングは、冷却空気を前記円筒電池に吹出す冷却空気ダクトを収容し、前記冷却空気ダクトは、前記ケーシングの第２内面に沿って固定され、前記ケーシングの前記第２内面の反対側の第２外面と外気との熱伝達率が前記ケーシングの前記第１外面以外の他の外面と外気との間の熱伝達率よりも低いこととしても好適である。
本発明の電池パックにおいて、前記ケーシングの外表面から離間して前記ケーシングの周囲を囲むカバーを備え、前記ケーシングの前記第２内面の反対側の第２外面と前記第２外面に対向する前記カバーの第２内面との離間距離が前記ケーシングの前記第１外面以外の他の外面と該他の外面に対向する前記カバーの前記第１内面以外の他の内面との離間距離よりも大きいこと、としても好適である。
本発明は、散熱板を用いた電池パックにおいて、体格が大きくなることを抑制しつつ、各電池の温度を均一化することができるという効果を奏する。
本発明の実施形態における電池パックが車両に搭載された状態を示す説明図である。 本発明の実施形態における電池パックの立面図である。 本発明の実施形態における電池パックの平面図である。 本発明の他の実施形態における電池パックの立面図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の電池パック１０は、電動車両１００の前輪１０２と後輪１０３との間のフロア板１０５の下面、より詳しくは、車室１０４に配置された前席シート１０６近傍のフロア板１０５の下側に吊り下げられている。
図２に示すように、本実施形態の電池パック１０は、複数の円筒電池１１と、円筒電池１１を保持する散熱板１２と、円筒電池１１と散熱板１２とを収容するケーシング３０と、ケーシング３０の表面から離間してケーシング３０の周囲を囲むカバー４０とを備えている。図２、図３に示すように、ケーシング３０と、カバー４０との間には、空気層５１〜５６が形成される。円筒電池１１は、充放電可能な二次電池であり、例えば、円筒型のケースに収められたニッケル水素電池、リチウムイオン電池等である。
図２に示すように、各円筒電池１１の上部、下部にはそれぞれプラス或いはマイナスの電極が配置され、上部の各電極間、下部の各電極間は図示しない導体で接続されている。導体の上部、下部には、それぞれ図２に示す上部蓋２０、下部蓋２１が取り付けられている。また、ケーシング３０は、円筒電池１１と散熱板１２とを内部に収容する金属製の略直方体の箱であり、図２、図３に示す様に、底板３１、天井板３４、各側板３２，３３，３５，３６とで構成されている。図２に示すように、ケーシング３０は、側板３２，３３に取り付けられたブラケット２２によってフロア板１０５の下面にボルト２３、ナット２４で固定されている。
図３に示すように、散熱板１２は、円筒電池１１が差し込まれる多数の貫通孔１３が設けられた、例えば、アルミニウム等の金属板である。散熱板１２への円筒電池１１の組み付けは、円筒電池１１を貫通孔１３に差し込み、貫通孔１３の内面（円筒面）と円筒電池１１の外面（円筒面）との隙間に接着材を充填して貫通孔１３に円筒電池１１を固定することによって行う。このように、円筒電池１１の散熱板１２の貫通孔１３に組み付けることによって温度の高い円筒電池１１の外面（円筒面）からの熱を熱伝導で散熱板１２に移動させて温度の高い円筒電池１１の温度を低下させると共に、熱伝導により散熱板１２の熱を温度の低い円筒電池１１に移動させて温度の低い円筒電池１１の温度を上昇させる。つまり、各円筒電池１１は各円筒面と散熱板１２との間で熱移動可能なように各貫通孔１３によって保持され、散熱板１２によって各円筒電池１１の温度のバラツキが抑制される。このため、散熱板１２は散熱板１２を介して各円筒電池１１の間の熱移動を効率よく行えるように熱伝導率の高いアルミニウム等の金属材料で構成されている。また、散熱板１２の厚さは、貫通孔１３の円筒面によって円筒電池１１を保持することができ、熱伝導により効果的に熱移動が行える程度の厚さ、例えば、１０〜２０ｍｍ程度、あるいは、円筒電池１１の長さの１／４程度の厚さである。
図２、図３に示すように、散熱板１２の長手方向の両端の下側角部には樹脂で構成されたＬ字型の絶縁体１４が取り付けられている。絶縁体１４の端面にはＬ字型のブラケット１５の一面がボルト１６とナット１７とで固定されており、このブラケット１５の他の面は、ケーシング３０の底板３１の内面にボルト１８とナット１９とで固定されている。このように、円筒電池１１が固定された散熱板１２は、ケーシング３０の底板３１の内面に近接して固定されている。また、円筒電池１１とケーシング３０の天井板３４、各側板３２，３３，３５，３６との間には空間が設けられている。図２に示すように、側板３３の内面近傍には、円筒電池１１を冷却する冷却空気を吹出す冷却空気ダクト６０が取り付けられている。冷却空気ダクト６０から図２、３に示す矢印のように吹き出した冷却空気は、円筒電池１１の間及び円筒電池１１と底板３１，各側板３２，３３，３５，３６、天井板３４との間を流れて円筒電池１１を冷却し、図示しない空気排出口から外部に排出される。
図２、図３に示すように、カバー４０もケーシング３０と同様、略直方体の金属製もしくは樹脂製の箱であり、ケーシング３０の底板３１、天井板３４，各側板３２，３３，３５，３６に対向する底板４１、天井板４４、各側板４２，４３，４５，４６によって構成されている。カバー４０は図示しない接続板でケーシング３０に固定されている。図２に示すように、ケーシング３０の底板３１との外面とカバー４０の底板４１の内面との間の間隔は離間距離Ｄ１であり、ケーシング３０の側板３２の外面とカバー４０の側板４２の内面との間の間隔は離間距離Ｄ２であり、ケーシング３０の側板３３の外面とカバー４０の側板４３の内面との間の間隔は離間距離Ｄ３であり、ケーシング３０の天井板３４外面とカバー４０の天井板４４の内面との間の間隔は離間距離Ｄ４である。また、図３に示すように、ケーシング３０の側板３５の外面とカバー４０の側板４５の内面との間の間隔は、離間距離Ｄ５であり、ケーシング３０の側板３６の外面とカバー４０の側板４６の内面との間の間隔は離間距離Ｄ６である。
本実施形態の電池パック１０では、上記の離間距離Ｄ１は、他の離間距離Ｄ２〜Ｄ６よりも大きい。つまり、散熱板１２が固定されるケーシング３０の底板３１に対向するカバー４０の底板４１との離間距離Ｄ１は、ケーシング３０の各側板３２，３３，３５，３６、天井板３４に対向するカバー４０の各側板４２，４３，４５，４６、天井板４４との各離間距離Ｄ２〜Ｄ６よりも大きくなっている。また、離間距離Ｄ３は、離間距離Ｄ２，Ｄ４〜Ｄ５よりも大きく、離間距離Ｄ１よりも小さい。つまり、冷却空気ダクト６０が取り付けられているケーシング３０の側板３３に対向するカバー４０の側板４３との離間距離Ｄ３は、ケーシング３０の各側板３２，３５，３６、天井板３４に対向するカバー４０の各側板４２，４５，４６、天井板４４との各離間距離Ｄ２、Ｄ４〜Ｄ６よりも大きくなっている。なお、本実施形態では離間距離Ｄ３は離間距離Ｄ１よりも小さい。ケーシング３０の各板３１〜３６と、カバー４０の各板４１〜４６との間の空間には空気が満たされており、離間距離Ｄ１〜Ｄ６は、それぞれ空気層５１〜５６の厚さＤ１〜Ｄ６でもある。従って、本実施形態の電池パック１０では、空気層５１の厚さＤ１が他の空気層５２〜５６の厚さＤ２〜Ｄ６よりも厚くなっている。つまり、散熱板１２が固定され、散熱板１２が近接しているケーシング３０の底板３１に対向するカバー４０の底板４１との空気層５１の厚さＤ１は、ケーシング３０の各側板３２，３３，３５，３６、天井板３４に対向するカバー４０の各側板４２，４３，４５，４６、天井板４４との間の各空気層５２〜５６の厚さＤ２〜Ｄ６よりも厚くなっている。また、空気層５３の厚さＤ３は、空気層５２，５４〜５６の各厚さＤ２，Ｄ４〜Ｄ６よりも厚く、空気層５１の厚さＤ１よりも薄い。つまり、冷却空気ダクト６０が取り付けられ、冷却空気ダクト６０に近接しているケーシング３０の側板３３に対向するカバー４０の側板４３との間の空気層５３の厚さＤ３は、ケーシング３０の各側板３２，３５，３６、天井板３４に対向するカバー４０の各側板４２，４５，４６、天井板４４との各空気層５２，５４〜５６の各厚さＤ２、Ｄ４〜Ｄ６よりも厚くなっている。なお、本実施形態では空気層５３の厚さＤ３は空気層５１の厚さＤ１よりも薄い。
図１に示す様に、電池パック１０の配置されている電動車両１００のフロア板１０５の下面は車室１０４の外部であり、電動車両１００の周囲温度の影響や電動車両１００に搭載されたエンジン１０１、電動機１０７、電力変換器１０８等から発生される熱の影響を受ける。例えば、図示しないラジェータの排気等が回り込むことによって周囲から加熱されるような場合がある。また、冬季には温度の低下した外気により電池パック１０の熱が放散される場合がある。そして、電池パック１０の周囲温度の変化は、電池パック１０の全方位で発生する。このような電池パック１０の周囲温度の変化がケーシング３０の内部に伝達されると熱伝導率が高い金属材料で構成されている散熱板１２の温度が変化してしまい、これによって散熱板１２に固定されている円筒電池１１の温度が上昇、低下したり円筒電池１１の温度にバラツキが発生したりする場合がある。
そこで、本実施形態の電池パック１０では、中間に空気層５１〜５６が形成される二重ケーシング５０の中に円筒電池１１と散熱板１２とを収容し、電池パック１０の全方位の周囲温度の変化がケーシング３０に伝達されることを抑制し、二重ケーシング５０の内部の温度の均一化を図っている。次に、本実施形態の電池パック１０では、散熱板１２が取り付けられ、散熱板１２に近接している底板３１とそれに対向するカバー４０の底板４１との間の離間距離Ｄ１を大きくして空気層５１の厚さを厚くし、外部から散熱板１２の取り付けられる底板３１への熱伝達率を低くし、熱伝達をより抑制する。これにより、電池パック１０の全周においてケーシング３０とカバー４０との間の離間距離、即ち、空気層の厚さを厚くして全方位の周囲温度の変化に対応するのではなく、円筒電池１１の温度に対して影響の大きい散熱板１２に近接する底板３１とカバー４０の底板４１との間の離間距離Ｄ１だけを大きくしてこの部分の熱伝達率のみを低くし、電池パック１０の体格が大きくなることを抑制しつつ、散熱板１２の温度変化或いは散熱板１２の温度のバラツキをより効果的に抑制することができる。更に、散熱板１２に固定されている円筒電池１１の温度変化或いは円筒電池１１の温度のバラツキを抑制して各円筒電池１１の温度の均一化を図ることができる。
また、本実施形態の電池パック１０では、冷却空気ダクト６０が近接しているケーシング３０の側板３３に対向するカバー４０の側板４３との間の離間距離Ｄ３（空気層５３の厚さＤ３）を厚くし、電池パック１０の周囲温度の変化により冷却空気ダクト６０及び冷却空気ダクト６０から吹き出す空気温度の変化を抑制する。これにより、電池パック１０の体格が大きくなることを抑制しつつ、電池パック１０の周囲温度に拘わらず円筒電池１１の冷却効果を担保することができると共に、冷却空気の温度変化によって円筒電池１１の温度変化或いは温度のバラツキをより効果的に抑制することができる。
以上述べたように、本実施形態の電池パック１０は、電池パック１０の体格が大きくなることを抑制しつつ、電池パック１０のケーシング３０の内部温度及び、ケーシング３０に収納された円筒電池１１の温度を均一化することができる。
以下、図４を参照しながら他の実施形態の電池パック７０について説明する。先に図１から図３を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。先に説明した実施形態の電池パック１０は、ケーシング３０の底板３１に散熱板１２が取り付けられたものとして説明したが、図４に示すように散熱板１２をケーシング３０の側板３５、３６に沿って取り付けるようにしてもよい。
図４は、複数の円筒電池１１を固定した散熱板１２をそれぞれ側板３５，３６に取り付けたものである。図４に示す様に、本実施形態の電池パック７０では、散熱板１２が固定され、散熱板１２が近接するケーシング３０の側板３５，３６に対向するカバー４０の側板４５，４６との間の離間距離Ｄ１（空気層５５，５６の厚さＤ１）が、ケーシング３０の底板３１、天井板３４に対向するカバー４０の底板４１、天井板４４との間の離間距離Ｄ７，Ｄ８（空気層５１，５４の厚さＤ７，Ｄ８）よりも大きくなっている。本実施形態の電池パック６０は、先に説明した実施形態同様、散熱板１２に近接した各側板３５，３６に対向するカバー４０の各側板４５，４６との間の離間距離Ｄ１（空気層５５，５６の厚さＤ１）を他の空気層５１，５４の厚さよりも厚くし、外部から散熱板１２に近接する各側板３５，３６への熱伝達率のみを低くしてこの部分の熱伝達をより抑制する。これにより、先に説明した実施形態と同様、電池パック７０の体格が大きくなることを抑制しつつ、各円筒電池１１の温度の均一化を図ることができる。
以上説明した実施形態では、ケーシング３０の各板３１〜３６とカバー４０の各板４１〜４６との間にはそれぞれ空気層５１〜５６が形成されることとして説明したが、散熱板１２が内部に固定されているケーシング３０の底板３１の外側の外気との間の熱伝達率がケーシング３０の他の板３２〜３６の外面と外気との間の熱伝達率よりも低くなれば、ケーシング３０の各板３１〜３６とカバー４０の各板４１〜４６との間に空気層に代わって、例えば、断熱材等を配置し、散熱板１２が内部に固定されているケーシング３０の底板３１の外側の断熱材の厚さをケーシング３０の他の板３２〜３６の外面の断熱材の厚さよりも厚くするようにしてもよい。また、各空気層５１〜５６の中で空気が対流して熱伝達率が大きくならないように、ケーシング３０の各板３１〜３６とカバー４０の各板４１〜４６との間の対流を抑止するような板を入れるようにしてもよい。
また、以上説明した実施形態では、ケーシング３０の各板３１〜３６、カバー４０の各板４１〜４６は、図２〜図４に示すような平板状であるして説明したが、各板３１〜３６,４１〜４６は、例えば、補強用のリブ等を備える波板或いは折板であってもよい。この場合、各板３１〜３６と各板４１〜４６との間の離間距離Ｄ１〜Ｄ６は、各板３１〜３６,４１〜４６の間の平均離間距離としてもよい。更に、以上説明した実施形態では、カバー４０はケーシング３０に取り付けられていることとして説明したが、カバー４０は、電動車両１００に固定されていてもよい。この場合、例えば、円筒電池１１と散熱板１２とを収容したケーシング３０を電動車両１００に取り付けた後、外部からケーシング３０を覆うようにカバー４０を取り付けて電動車両１００に固定するようにしてもよい。
１０，７０ 電池パック、１１ 円筒電池、１２ 散熱板、１３ 貫通孔、１４ 絶縁体、１５，２２ ブラケット、１６，１８，２３ ボルト、１７，１９，２４ ナット、２０ 上部蓋、２１ 下部蓋、３０ ケーシング、３１，４１ 底板、３２，３３，３５，３６４２，４３，４５，４６ 側板、３４，４４ 天井板、４０ カバー、５１〜５６ 空気層、６０ 冷却空気ダクト、１００ 電動車両、１０１ エンジン、１０２ 前輪、１０３ 後輪、１０４ 車室、１０５ フロア板、１０６ 前席シート、１０７ 電動機、１０８ 電力変換器。

Claims (3)

  1. 複数の円筒電池と、
    前記各円筒電池の各円筒面との間で熱移動可能なように前記各円筒電池の各円筒面を保持する散熱板と、
    前記円筒電池と前記散熱板とを収容するように前記散熱板が内部に固定されるケーシングと、
    前記ケーシングの外表面から離間して前記ケーシングの周囲を囲むカバーと、
    を備える電池パックであって、
    前記散熱板は、前記ケーシングの第１内面に沿って固定され、
    前記ケーシングの前記第１内面の反対側の第１外面と前記第１外面に対向する前記カバーの第１内面との離間距離が前記ケーシングの他の外面と前記他の外面に対向する前記カバーの他の内面との離間距離よりも大きいことにより、前記ケーシングの前記第１外面と外気との熱伝達率が前記ケーシングの前記他の外面と外気との間の熱伝達率よりも低くなっている電池パック。
  2. 複数の円筒電池と、
    前記各円筒電池の各円筒面との間で熱移動可能なように前記各円筒電池の各円筒面を保持する散熱板と、
    前記円筒電池と前記散熱板とを収容するように前記散熱板が内部に固定されるケーシングと、
    を備える電池パックであって、
    前記ケーシングは、冷却空気を前記円筒電池に吹出す冷却空気ダクトを収容し、
    前記散熱板は、前記ケーシングの第１内面に沿って固定され、
    前記冷却空気ダクトは、前記ケーシングの第２内面に沿って固定され、
    前記ケーシングの前記第１内面の反対側の第１外面と外気との熱伝達率が前記ケーシングの他の外面と外気との間の熱伝達率よりも低く、
    前記ケーシングの前記第２内面の反対側の第２外面と外気との熱伝達率が前記ケーシングの前記第１外面以外の他の外面と外気との間の熱伝達率よりも低い電池パック。
  3. 請求項２に記載の電池パックであって、
    前記ケーシングの外表面から離間して前記ケーシングの周囲を囲むカバーを備え、
    前記ケーシングの前記第２内面の反対側の第２外面と前記第２外面に対向する前記カバーの第２内面との離間距離が前記ケーシングの前記第１外面以外の他の外面と該他の外面に対向する前記カバーの前記第１内面以外の他の内面との離間距離よりも大きいこと、
    を特徴とする電池パック。
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