JP6466049B2

JP6466049B2 - 冷却システムを有するバッテリパック

Info

Publication number: JP6466049B2
Application number: JP2012250122A
Authority: JP
Inventors: 宋子文; 偕洵豪
Original assignee: 高達能源科技股▲分▼有限公司
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2032-11-14
Also published as: CN103700904B; JP2014099312A; CN103700904A

Description

本発明は、バッテリパックに関し、特に、バッテリパックの熱を排出する放熱システムを有し、電気自動車など大きな電力が必要な装置へ適用する、冷却システムを有するバッテリパックに関する。

電気自動車は、電動駆動車両とも呼ばれ、１つ以上の電動モータを駆動システムの移動車両として使用する。電気自動車は、ガソリンなどの石油を燃やして得られるエネルギを利用して移動する交通手段と異なり、推進力に電気を利用するため、廃ガスが発生することを防ぐとともに騒音を小さくすることができる。
過去数十年の間に、石油エネルギを利用した交通手段が環境に与える悪影響から、電気を利用した交通手段が注目されている。電気自動車が利用する電気は、多くのエネルギ源（例えば、化石燃料、原子力、潮汐エネルギ、ソーラエネルギ、風力又はそれらの組合せからなる再生エネルギ）を利用して発生させることができる。

現在、電気自動車又はハイブリッド電気自動車は次第に普及している。現在の電気自動車（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ：ＥＶ）及びハイブリッド電気自動車（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ：ＨＥＶ）の大部分は、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）二次電池を電源として使用しており、近年ではリチウムイオン二次電池も使用され始めている。
これらの二次電池は、高出力及び高容量でなければならないため、小型二次電池（バッテリユニット）は、直列接続又は並列接続により互いに接続されてバッテリモジュールに形成されているものがほとんどである。またバッテリモジュールは、直列接続方式又は並列接続方式によりそれぞれ互いに接続されて１つのバッテリパックに形成されているものがほとんどである。

しかし高出力、高容量のバッテリパックを充放電させると非常に多くの熱が発生することがある。もし充放電による熱を効果的に放出させることができない場合、バッテリユニットの電気が速やかに使い果たされてしまう。そのため、放熱システムを有するバッテリパックが求められていた。

ハイブリッド電気自動車がバッテリパックによりモータを駆動する場合、放熱は非常に重要である。もし放熱が十分でない場合、バッテリユニットから発生される熱により、バッテリユニットの温度が変化し、バッテリユニットの内部温度が上昇して最悪の場合、爆発することもある。

ハイブリッド電気自動車のバッテリモジュールは、高電流により充放電を行い、充電式電池の内部反応により発生する熱により機能が低下する虞があった。

図１を参照する。図１に示すように、特許文献１の充電式バッテリモジュール１０は、複数のバッテリユニット１１と、ハウジング１２と、を含む。ハウジング１２には、バッテリユニット１１と、ハウジング１２内の温度を制御する冷却剤（矢印で示す）とが収納される。バッテリユニット１１は、注入される冷却剤に対して所定角度で傾けられた状態でハウジング１２中に配置される。
バッテリユニット１１は、所定の間隔でハウジング１２中に配列されてセル直列接続１３が形成される。ハウジング１２には、バッテリユニット１１の温度を調整する空気を流入させる入口１４が一側に設けられ、バッテリユニット１１の傍を通った空気を排出させる出口１５が他側に設けられている。しかし、バッテリユニット１１の間隔が小さくなりすぎて冷却剤が循環しなくなることを防ぐために、充電式バッテリモジュール１０の寸法が制限を受けるため小型化させることはできなかった。

図２を参照する。図２に示すように、特許文献２のバッテリは、冷却バッテリパックの空気を流すために用いる、空気入口部分に取り付けられたダブル濾過装置を有する。ダブル濾過装置は、大きめの気孔を有するプレフィルタと、小さめの気孔を有する中置濾過装置（ｍｅｄｉｕｍｆｉｌｔｅｒ）と、を含む。前置濾過装置は、頻繁に置き換えられるが、中置濾過装置はあまり置き換えられない。空気の流動方向から見た場合、プレフィルタが中置濾過装置の前に設置されているため、空気の埃を取り除いてバッテリパックの放熱効率を高めることができる。しかしこの構造の場合、バッテリパックの寸法を小型化することができなかった。

そのため、小型で高効率の放熱システムを有し、内部構造の強度が高いバッテリパックが求められていた。

米国特許第７７９５８４５号明細書米国特許出願公開第２００７／０１９６７２８号明細書

本発明の目的は、バッテリパックの熱を排出する放熱システムを有し、電気自動車など大きな電力が必要な装置へ適用する冷却システムを有するバッテリパックを提供することにある。

上記課題を解決するために、複数のバッテリユニット、複数の熱伝導棒、ハウジング及び固定ユニットを備えた冷却システムを有するバッテリパックであって、前記バッテリユニットは、直列接続方式又は並列接続方式によりそれぞれ互いに接続されるとともに、向きが並列に配置されて電力供給を行い、前記熱伝導棒は、多数の側壁と両端部とを有して複数のバッテリユニットの相互の間に配置され、前記側壁が前記バッテリユニットに直接接触して前記バッテリユニットから前記両端部へ熱が伝わり、前記固定ユニットは、並列に配置された前記バッテリユニット及び前記熱伝導棒を固定し、熱伝導性材料からなる前記ハウジングは、前記固定ユニットに固定された前記バッテリユニット及び前記熱伝導棒を収納するとともに、前記熱伝導棒の端部から前記ハウジングの外部環境へ熱を排出させ、前記熱伝導棒は、前記ねじが螺入するために中空状であり、前記熱伝導棒は、前記熱伝導性材料である金属又は合金からなり、前記熱伝導棒は、両端部にねじが螺入されて前記ハウジングに固定されて、前記ハウジングの内部支持構造となり、前記熱伝導棒は、前記固定ユニットの配置のため中央部より小さな断面部分を両端部に有し、前記複数の熱伝導棒の両端部のみが前記固定ユニットの中に挿入され、前記複数の熱伝導棒の中央部分は前記固定ユニットの中に挿入されず、熱伝導棒の熱は前記ねじ又は前記ハウジングに接触された前記熱伝導棒を通じて前記ハウジングの外部へ熱を伝えることを特徴とする冷却システムを有するバッテリパックが提供される。

前記固定ユニットは、絶縁体からなることが好ましい。

前記絶縁体はプラスチックであることが好ましい。

前記熱伝導棒は、前記平面上へ前記バッテリユニットを固定する固定ユニットを有することが好ましい。

前記固定ユニットは、熱伝導性材料からなることが好ましい。

前記バッテリユニットは充電式バッテリであることが好ましい。

前記ハウジング及び前記熱伝導棒は、熱伝導性材料からなることが好ましい。

前記熱伝導性材料は、金属又は合金であることが好ましい。

前記熱伝導棒は中空状であることが好ましい。

前記熱伝導棒の中空部分の一端から他端へ冷却液を流して熱伝導を高速化する循環系統をさらに含むことが好ましい。

前記冷却液は、水、エタノール、エチレングリコール又はオイルであることが好ましい。

前記側壁の数は、前記熱伝導棒に周設される前記バッテリユニットの数に等しいことが好ましい。

前記側壁の形状は、前記熱伝導棒に接触される前記バッテリユニットの形状に一致することが好ましい。

従来の放熱構造を有するバッテリパックを示す模式図である。従来の放熱構造を有するバッテリパックを示す模式図である。本発明の第１実施形態に係るバッテリパックのハウジングを示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係るハウジングがない状態のバッテリパックを示す分解斜視図である。本発明の第１実施形態に係る熱伝導棒を示す模式図である。本発明の第２実施形態に係る概念図である。本発明の第３実施形態に係るバッテリパック中の熱伝導棒を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係るバッテリパック中の他の熱伝導棒を示す断面図である。固定ユニットを含む熱伝導棒を示す模式図である。

（第１実施形態）
図３〜図５を参照する。図３は、本発明の第１実施形態に係るバッテリパックのハウジングを示す斜視図である。図４は、本発明の第１実施形態に係るハウジングがない状態のバッテリパックを示す分解斜視図である。図５は、本発明の第１実施形態に係る熱伝導棒を示す模式図である。図３〜図５に示すように、ハウジング１０３上には複数のねじ１０３１が設けられる。ねじ１０３１の機能については以下詳説する。

図４を参照する。図４に示すように、バッテリパック１００は、複数のバッテリユニット１０１と、複数の熱伝導棒１０２と、２つの固定ユニット１０４と、を有する。バッテリユニット１０１のそれぞれは、互いに直列接続されるか並列接続されて平面上に配置され電気供給の基本ユニットを構成する。
熱伝導棒１０２について容易に理解できるように、以下図５に基づいて説明する。熱伝導棒１０２は、４つの側壁１０２５及び両端部１０２１を有する。図４及び図５に示すように、熱伝導棒１０２は、バッテリユニット１０１中に配置され、側壁１０２５とバッテリユニット１０１とが実質接触される。即ち、各側壁１０２５は、バッテリユニット１０１と接触され、第１実施形態の熱伝導棒１０２は、４つのバッテリユニット１０１により囲まれる。熱伝導棒１０２の熱は、両端部１０２１からバッテリユニット１０１の外部へ伝えられる。

ハウジング１０３は、バッテリユニット１０１及び熱伝導棒１０２を収納するために用い、熱伝導棒１０２の端部１０２１から外部環境へ熱を排出する。熱伝導棒１０２の端部１０２１は、ねじ１０３１が熱伝導棒１０２のねじ孔１０２２に螺入されてハウジング１０３と接続され、熱伝導棒１０２がハウジング１０３の内部支持構造として用いることにより、ハウジング１０３が外力により捻れたり変形したりすることを防ぐことができる。

ここで本発明の精神に基づき、注意すべき点を以下説明する。まず、熱伝導棒１０２は、端部１０２１だけによりハウジング１０３に接続される訳ではなく、バッテリパック１００が単層である場合、両端部１０２１をハウジング１０３へそれぞれ螺入させてもよい。言い換えると、ハウジング１０３が単層のバッテリパック１００に収納される方式のみに限定される訳ではなく、多層のバッテリパック１００を積層させてもよい。
固定ユニット１０４は、バッテリユニット１０１と熱伝導棒１０２とを固定して平面上に配置するために用いる。第１実施形態のバッテリユニット１０１には、一次電池が用いられているが、勿論、充電式電池を用いてもよい。熱伝導棒１０２は、熱伝導性材料からなってもよい。熱伝導性材料は、一般に金属又は合金であり、第１実施形態ではアルミニウムが使用されている。ハウジング１０３は、熱伝導棒１０２と同様、熱伝導性材料からなってもよい。また、この熱伝導性材料は、熱伝導棒１０２と同様にアルミニウムであってもよい。

固定ユニット１０４は、絶縁体である。第１実施形態の絶縁体はプラスチックからなる。プラスチックを使用する目的は、バッテリユニット１０１に漏電が発生したり、直列接続／並列接続されたニッケル片（ｎｉｃｋｅｌｐｌａｔｅ）とハウジング１０３との間にショートが発生したりすることを防ぐことにある。

（第２実施形態）
第１実施形態の熱伝導棒１０２は、中実部材であり、ネジを螺入するねじ孔が両端部１０２１に設けられているが、勿論、中空状にしてもよい。

図６を参照する。図６は、本発明の第２実施形態に係る概念図である。図６に示すように、第２実施形態は、第１実施形態と略同じであるが、熱伝導棒１０２が中空状である点で異なる。第２実施形態の熱伝導棒１０２は、中に貫設されたチャネル１０２６（点線で表示する）を有する。
ポンプ１０２７及び２本のパイプ１０２８，１０２９により循環系統が形成される。この循環系統は、熱伝導棒１０２のチャネル１０２６の一端部１０２１から他端部へ冷却液を流して熱伝導を高速化させる。第２実施形態では水が冷却液として用いられ、その循環方向は図６の矢印方向である。しかし他の実施形態では、エタノール、エチレングリコール又はオイルを冷却液として用いてもよい。

本発明の精神に基づき、熱伝導棒１０２は、必ずしも循環系統に接続する必要はない。本実施形態の熱伝導棒１０２は、循環系統に接続されるが、第１実施形態と同様に、ねじ１０３１を介してハウジング１０３に接続され、ハウジング１０３を内部から十分に支持してもよい。

（第３実施形態）
図７及び図８を参照する。図７は、本発明の第３実施形態に係るバッテリパック中の熱伝導棒を示す断面図である。図８は、本発明の第３実施形態に係るバッテリパック中の他の熱伝導棒を示す断面図である。図７及び図８に示すように、第３実施形態の側壁１０２５の数は、第１実施形態の熱伝導棒１０２に周設されたバッテリユニット１０１の数に等しい。側壁１０２５の形状は、バッテリユニット１０１が熱伝導棒１０２に接触する箇所の形状と一致する。

類似の機能を有する部分には同一の符号が付してあり、ここでは詳しく述べない。図７は、本発明の第３実施形態に係るバッテリパック中の熱伝導棒を示す断面図である。図７に示すように、第３実施形態の熱伝導棒１０２は、正方形の断面を有する第１実施形態の熱伝導棒１０２と異なり、六角形の断面を有して６つのバッテリユニット１０１と接触される。熱伝導棒１０２は、バッテリユニット１０１の熱をバッテリユニット１０１から効果的に排出させるために用いる。
熱伝導棒１０２の断面形状は、熱伝導棒１０２に周設されたバッテリユニット１０１の数に応じて決定されるが、側壁の数は、第３実施形態に示すように、熱伝導棒１０２に周設されたバッテリユニット１０１の数だけに限定される訳ではない。例えば、バッテリユニット１０１が積層されている場合、２つ又は３つ以上のバッテリユニット１０１を同一の側壁１０２５に接触させてもよい。

図８を参照する。図８は、本発明の第３実施形態に係るバッテリパック中の他の熱伝導棒を示す断面図である。図８に示すように、熱伝導棒１０２は、側壁１０２５を内側に凹んだ円弧状に形成することにより、これが覆うバッテリユニット１０１との接触面積を大きくして放熱効果を向上させてもよい。

ここで上述の実施形態中の固定ユニット１０４と熱伝導棒１０２とは、それぞれ独立した構成要素であるが、勿論、図９に示すように１つに一体化させてもよい。また熱伝導棒１０２は、バッテリユニット１０１を平面上に固定させる固定ユニット１０４を含んでもよい。さらに固定ユニット１０４は、熱伝導棒１０２と同様に熱伝導性材料からなってもよい。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１０充電式バッテリモジュール
１１バッテリユニット
１２ハウジング
１３セル直列接続
１４入口
１５出口
１００バッテリパック
１０１バッテリユニット
１０２熱伝導棒
１０３ハウジング
１０４固定ユニット
１０２１端部
１０２２ねじ孔
１０２５側壁
１０２６チャネル
１０２７ポンプ
１０２８パイプ
１０２９パイプ
１０３１ねじ

Claims

複数のバッテリユニット、複数の熱伝導棒、ハウジング及び固定ユニットを備えた冷却システムを有するバッテリパックであって、
前記バッテリユニットは、直列接続方式又は並列接続方式によりそれぞれ互いに接続されるとともに、向きが並列に配置されて電力供給を行い、
前記熱伝導棒は、多数の側壁と両端部とを有して複数のバッテリユニットの相互の間に配置され、前記側壁が前記バッテリユニットに直接接触して前記バッテリユニットから前記両端部へ熱が伝わり、
前記固定ユニットは、並列に配置された前記バッテリユニット及び前記熱伝導棒を固定し、
熱伝導性材料からなる前記ハウジングは、前記固定ユニットに固定された前記バッテリユニット及び前記熱伝導棒を収納するとともに、前記熱伝導棒の端部から前記ハウジングの外部環境へ熱を排出させ、
前記熱伝導棒は、前記ねじが螺入するために中空状であり、
前記熱伝導棒は、熱伝導性材料である金属又は合金からなり、
前記熱伝導棒は、両端部にねじが螺入されて前記ハウジングに固定されて、前記ハウジングの内部支持構造となり、
前記熱伝導棒は、前記固定ユニットの配置のため中央部より小さな断面部分を両端部に有し、前記複数の熱伝導棒の両端部のみが前記固定ユニットの中に挿入され、前記複数の熱伝導棒の中央部分は前記固定ユニットの中に挿入されず、
前記熱伝導棒の熱は前記ねじ又は前記ハウジングに接触された前記熱伝導棒を通じて前記ハウジングの外部へ熱を伝えることを特徴とする、
冷却システムを有するバッテリパック。
前記固定ユニットは、絶縁体からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システムを有するバッテリパック。
前記絶縁体はプラスチックであることを特徴とする、請求項２に記載の冷却システムを有するバッテリパック。
前記バッテリユニットは充電式電池であることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システムを有するバッテリパック。
前記側壁の数は、前記熱伝導棒に周設される前記バッテリユニットの数に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の冷却システムを有するバッテリパック。
前記側壁の形状は、前記熱伝導棒に接触される前記バッテリユニットの形状に一致することを特徴とする、請求項１に記載の冷却システムを有するバッテリパック。