JP6751320B2

JP6751320B2 - 車両用電池パック

Info

Publication number: JP6751320B2
Application number: JP2016167044A
Authority: JP
Inventors: 荘田　隆博; 隆博荘田; 加藤　拓也; 拓也加藤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: JP2018037159A

Description

本発明は、車両用電池パックに関する。

電気車両（ＥＶ）、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車両（ＰＨＥＶ）などの車両は、駆動源であるモータを駆動する電力を供給する電源として、例えば電池パックが搭載されている。電池パックは、複数個の電池（二次電池）が収容されており、各電池が直列および／または並列に電気的に接続されている。各電池は、充放電の際に温度が変化し、車両の走行時間に応じて温度が上昇するため、使用可能温度が定められている。従って、各電池に短時間で高い負荷がかかることで使用可能温度を超えた場合には各電池の保存劣化やサイクル劣化が早まることから、使用可能温度内に抑制することを目的として冷却機能を電池パックに持たせる場合がある。例えば、電池を一列配列した複数の電池列の各間に、熱伝導性に優れた集熱板を配置し、各電池から集熱板を介して伝わる熱を、当該集熱板の一端が接する筐体の内部側面から放熱部材を介して放熱させる電池パックが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許第３７６４３３２号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の電池パックでは、各電池から集熱板を介して筐体の内部側面に伝熱していることから、例えば筐体の内部側面近くに配置された電池と内部側面から遠くに配置された電池とで冷却効果に差が生じるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、車両用電池パックに収容される複数個の電池間の冷却効果の差を低減することができる車両用電池パックを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る車両用電池パックは、熱伝導性を有する筐体と、前記筐体の内部空間において鉛直方向と直交する方向に配列される複数個の電池と、熱伝導性および蓄熱性を有する流動性部材とを備え、前記流動性部材は、前記筐体の内部空間を残して収容され、かつ各前記電池の少なくとも一部を覆い、前記筐体は、内部底面から鉛直方向に立設される少なくとも１つの間仕切り壁を有し、前記間仕切り壁は、鉛直方向から見た場合に、隣り合う前記電池の間に配置され、前記間仕切り壁の鉛直方向の高さは、前記筐体が傾斜していない状態で、融解した前記流動性部材の液面レベルより低い、ことを特徴とする。

また、上記車両用電池パックにおいて、前記間仕切り壁は、鉛直方向から見た場合に、前記鉛直方向と直交する方向の両端が前記筐体の内部側面と連結することが好ましい。

また、上記車両用電池パックにおいて、前記流動性部材は、固体と液体とに相変化する潜熱蓄熱材が含まれることが好ましい。

また、上記車両用電池パックにおいて、前記流動性部材は、前記潜熱蓄熱材より熱伝導性が高い熱伝導部材であって、融解した前記潜熱蓄熱材の中を浮遊する熱伝導部材が添加されることが好ましい。

本発明に係る車両用電池パックは、筐体の内部空間において鉛直方向と直交する方向に配列される複数個の電池を備え、熱伝導性および蓄熱性を有する流動性部材が、筐体の内部空間を残して収容され、かつ各電池の少なくとも一部を覆う。これにより、各電池で発生した熱が、熱伝導性および蓄熱性を有する流動性部材に即座に伝わるので、各電池の冷却を一様に行うことができ、複数個の電池間の冷却効果の差を低減することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る車両用電池パックの概略構成を示す平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ断面図である。図３は、実施形態２に係る車両用電池パックの概略構成を示す平面図である。図４は、図３中のＢ−Ｂ断面図である。図５は、変形例に係る車両用電池パックの概略構成を示す断面図である。

以下に、本発明に係る車両用電池パックの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、下記実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、いわゆる当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、下記の実施形態における構成要素は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

［実施形態１］
実施形態１に係る車両用電池パックについて説明する。図１は、実施形態１に係る車両用電池パックの概略構成を示す平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ断面図である。なお、図１（図３も同様）は、筐体の図示しない蓋を取り外して、内部を外部に露出させた状態を示す図である。ここで、以下の説明において、図示のＸ方向は、本実施形態における車両用電池パックの幅方向である。Ｙ方向は、本実施形態における車両用電池パックの奥行き方向であり、幅方向と直交する方向である。Ｚ方向は、本実施形態における車両用電池パックの鉛直方向であり、幅方向および奥行き方向と直交する方向である。

本実施形態に係る車両用電池パック１Ａは、図示しない車両、特に、電気車両（ＥＶ）、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車両（ＰＨＥＶ）などの、駆動源としてモータを用いる車両に搭載され、駆動源に電力を供給する電源となるものである。車両用電池パック１Ａは、図１および図２に示すように、筐体２と、複数個の電池３と、流動性部材４とを含んで構成される。

筐体２は、複数個の電池３および流動性部材４を収容するものである。筐体２は、筐体２の外表面が車両外から取り込まれた外気等と接触可能な場所に設けられている。本実施形態における筐体２は、内部空間２ａを有する箱状に形成されている。筐体２は、熱伝導性を有するものであり、例えば、鉄、銅、アルミニウムなどにより構成されている。なお、筐体２は、図示しない蓋により、内部空間２ａを閉塞する。車両用電池パック１Ａに防水性が要求される場合は、筐体２と蓋との間に防水構造を形成し、内部空間２ａを密閉する。

複数個の電池３は、それぞれが充放電可能な二次電池である。本実施形態では、電池３は、例えば、鉛直方向（Ｚ方向）に延びる円筒型のリチウムイオン電池で構成される。複数個の電池３は、筐体２の内部空間２ａに配列され、かつ筐体２に不図示の保持部材により保持される。本実施形態における複数個の電池３は、筐体２の内部空間２ａにおいて鉛直方向と直交する方向（幅方向（Ｘ方向）または奥行き方向（Ｙ方向））に互いに間隔をあけて千鳥格子状または正方格子状に配列される。なお、複数個の電池３を筐体２に保持する保持部材については、どのような構造、構成であってもよい。

流動性部材４は、熱伝導性および蓄熱性を有する蓄熱材で構成され、例えば潜熱蓄熱材で構成される。潜熱蓄熱材は、物質が固体から液体に相変化（融解）するときに熱を蓄え（蓄熱）、液体から固体に相変化（凝固）するときに熱を放出（放熱）する性質を利用して、蓄熱または放熱するものである。潜熱蓄熱性材としては、例えば、水、パラフィン、脂肪酸、糖アルコール、無機塩水和物、二酸化バナジウム等がある。本実施形態における流動性部材４は、図２に示すように、筐体２の内部空間２ａを残して収容され、かつ各電池３を少なくとも部分的に覆うように貯留される。例えば、流動性部材４は、液体に相変化した状態において、車両が傾斜していない状態で複数個の電池３のすべてを全体的に覆うように貯留されていてもよいし、車両が最大安定傾斜角まで傾斜しても複数個の電池３すべてを少なくとも部分的に覆うように貯留されていてもよい。

上記のように構成される車両用電池パック１Ａでは、各電池３で発生した熱が、熱伝導性および蓄熱性を有する流動性部材４に即座に伝わり、当該流動性部材４に蓄熱される。流動性部材４に蓄えられた熱は、その一部が流動性部材４に接する筐体２の内部底面２ｂおよび内部側面２ｃに伝熱され、筐体２の外表面から外気等に放熱される。車両が低温時には、各電池３で発生した熱は、凝固した状態にある潜熱蓄熱材としての流動性部材４に蓄熱されるが、凝固した潜熱蓄熱材は一般的に熱伝導性が低下するので、流動性部材４から筐体２への伝熱が抑制され、より早く電池３の暖機が可能になる。また、車両の低温時に電池３への回生量が制限されていた場合、当該制限がより早く解除され得る。一方、車両の急加速等で電池３に負荷がかかり電池温度が急に上昇した場合、潜熱蓄熱材としての流動性部材４が相変化（融解）して蓄熱するので、電池３の温度上昇を抑制することが容易となる。

また、上記のように構成される車両用電池パック１Ａでは、潜熱蓄熱材である流動性部材４の相変化温度が、電池３の許容上限温度（例えばリチウムイオン電池の場合には６０℃）より低く設定されることが好ましい。一般的なリチウムイオン電池は、使用可能温度の範囲（例えば３０℃〜５０℃）で使用すると電池出力や電池寿命に対する影響を抑えることが可能であるが、許容上限温度６０℃を超える環境で使用すると劣化が進む。そこで、流動性部材４の相変化温度を、許容上限温度６０℃よりも低い温度、例えば３０℃〜５０℃の範囲で設定する。これにより、電池温度が上昇して流動性部材４の相変化温度付近になると、流動性部材４の相変化（融解）による蓄熱で電池温度の上昇を抑制することができ、電池３を許容上限温度６０℃以下で使用することが可能となるので、温度上昇による劣化の進行を抑制することができる。さらに電池温度が上昇した場合、液体に相変化した流動性部材４が自然対流や車両走行時の揺れ等によって流動し、液温の均一化が急速に進むと共に、筐体２の内部底面２ｂや内部側面２ｃに繰り返し伝熱され、筐体２の外表面から外気等への放熱が促されるので、電池３を継続的に許容上限温度６０℃以下で使用することができ、電池３の劣化の進行を抑制することができる。

また、上記のように構成される車両用電池パック１Ａでは、流動性部材４が筐体２の内部空間２ａを残して収容されていることから、潜熱蓄熱材としての流動性部材４の凝固時の膨張による電池３へのダメージを回避することが可能となる。

以上説明した車両用電池パック１Ａは、筐体２の内部空間２ａにおいて鉛直方向と直交する方向に配列される複数個の電池３を備え、熱伝導性および蓄熱性を有する流動性部材４が、筐体２の内部空間２ａを残して収容され、かつ各電池３の少なくとも一部を覆うものである。これにより、各電池３で発生した熱が、熱伝導性および蓄熱性を有する流動性部材４に即座に伝わるので、複数個の電池３間の冷却効果の差を低減することができる。従来は、各電池３で発生した熱を、熱伝導性に優れた集熱板を介して筐体２の内部側面２ｃに伝熱していたことから、例えば内部側面２ｃ近くに配置された電池３と内部側面２ｃから遠くに配置された電池３とでは冷却効果に差が生じていた。しかしながら、車両用電池パック１Ａは、図２に示すように、各電池３の熱が集熱板を介在することなく流動性部材４に即座に伝熱するので、各電池３の冷却を一様に行うことが可能となる。その結果、各電池３間での熱による劣化の差を解消することができ、劣化が進んだ電池の存在による車両用電池パック１Ａ全体の性能の低下を抑制することが可能となる。

以上説明した車両用電池パック１Ａは、流動性部材４が潜熱蓄熱部材で構成されることから、例えば電池温度が急上昇した場合でも、流動性部材４の相変化による蓄熱で電池３の温度上昇を抑制することが可能となる。

[実施形態２]
次に、実施形態２に係る車両用電池パックについて説明する。図３は、実施形態２に係る車両用電池パックの概略構成を示す平面図である。図４は、図３中のＢ−Ｂ断面図である。

図３、図４に示す実施形態２に係る車両用電池パック１Ｂは、筐体２の内部底面２ｂに複数の間仕切り壁２ｄを有する点が上述の車両用電池パック１Ａと異なる。

筐体２は、内部底面２ｂから鉛直方向に立設される１つまたは複数の間仕切り壁２ｄを有する。本実施形態における複数の間仕切り壁２ｄは、図３および図４に示すように、筐体２の内部底面２ｂから鉛直方向に立設され、鉛直方向から見た場合に、隣り合う電池３の間に配置される。

上記のように構成される車両用電池パック１Ｂでは、融解した流動性部材４が、車両の状態（例えば、傾斜路や登坂路等の走行時および停車時など）によって筐体２の内部底面２ｂ上で偏在しようとも、間仕切り壁２ｄ間に必要最小限の量の流動性部材４を残すことが可能となり、電池３が部分的に流動性部材４に浸かる状態を維持することができる。間仕切り壁２ｄが、融解した流動性部材４の内部底面２ｂ上の移動を制約するため、車両の重量バランスを維持することが容易となる。なお、本実施形態における間仕切り壁２ｄ間には、鉛直方向から見た場合に隣り合う間仕切り壁２ｄ間、および、鉛直方向から見た場合に間仕切り壁２ｄと筐体２の内部側面２ｃとの間を含むものとする。

また、上記のように構成される車両用電池パック１Ｂでは、間仕切り壁２ｄの鉛直方向の高さ（以下、単に「高さ」と呼ぶ。）が、融解した流動性部材４の液面レベルより低くなるように構成されることが好ましい。間仕切り壁２ｄの高さが、融解した流動性部材４の液面レベルより低いことで、間仕切り壁２ｄ間の流動性部材４が隣り合う間仕切り壁２ｄ間の流動性部材４と連通して、流動性部材４の冷却機能を維持することができ、流動性部材４の偏在を防ぐことができる。

以上説明した車両用電池パック１Ｂは、筐体２が、内部底面２ｂから鉛直方向に立設される少なくとも１つの間仕切り壁２ｄを有する。間仕切り壁２ｄは、鉛直方向から見た場合に、隣り合う電池３の間に配置される。これにより、車両の状態にかかわらず、電池３が流動性部材４に浸かる状態を維持することができ、流動性部材４の冷却機能を維持することができる。

［変形例］
上記実施形態１，２の変形例に係る車両用電池パックについて説明する。図５は、変形例に係る車両用電池パックの概略構成を示す断面図である。なお、図５は、実施形態１の変形例に係る車両用電池パックの概略構成を示すものである。

図５に示す変形例に係る車両用電池パック１Ｃは、流動性部材４に熱伝導部材３０が添加される点が上述の車両用電池パック１Ａと異なる。

熱伝導部材３０は、長さが数ｍｍ〜数ｃｍ程度の紐状の熱伝導材で構成される。熱伝導材としては、例えばグラファイト、熱伝導性フィラーを含有する樹脂、銅やアルミニウムなどの金属がある。本実施形態１，２の変形例では、熱伝導部材３０は、潜熱蓄熱材より熱伝導性が高い熱伝導部材であって、融解した潜熱蓄熱材の中を浮遊する熱伝導部材である。そのため、熱伝導部材３０は、融解した流動性部材４である潜熱蓄熱材と比重が同等または当該潜熱蓄熱材より比重が大きいことが好ましい。熱伝導部材３０の比重の調整として、例えば当該熱伝導部材３０の一部または全部を樹脂等でコーティングする方法がある。なお、熱伝導部材３０を樹脂等でコーティングすることで、電池３間の短絡を防止することが可能となる。

上記のように構成される車両用電池パック１Ｃでは、車両の停車後しばらく経過して、流動性部材４の温度が低下する頃には、上述した比重の違いから全ての熱伝導部材３０が筐体２の内部底面２ｂ側に沈殿する。次に、車両の始動時に電池３の暖機が必要になった場合、流動性部材４に浸かっている電池３の周囲に熱伝導部材３０が存在しないので、凝固した流動性部材４により電池３の熱を逃がすことなく、当該電池３の暖機を早めることが可能となる。その後、電池３の暖機が完了して電池３が高温になると、複数の熱伝導部材３０が、融解した流動性部材４の中を自然対流等によって浮遊し、流動性部材４に浸かっている電池３の周囲にも及ぶので、電池３の熱を効率よく流動性部材４に伝熱することが可能となる。

以上説明した車両用電池パック１Ｃは、潜熱蓄熱材より熱伝導性が高い熱伝導部材３０であって、融解した潜熱蓄熱材の中を浮遊する熱伝導部材３０が添加されるので、例えば、電池３が高温になった場合、複数の熱伝導部材３０が、融解した流動性部材４の中を浮遊することで、電池３の熱を効率よく流動性部材４に伝熱することが可能となる。

なお、以上の説明では、電池３は、円筒型のリチウムイオン電池である場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、四角柱型の電池であってもよいし、リチウムイオン電池以外の電池であってもよい。

また、以上の説明では、間仕切り壁２ｄは、鉛直方向から見た場合に、隣り合う電池の間に配置されていれば、図３に示す配置例に限定されるものではない。例えば、間仕切り壁２ｄが、各電池３を囲むように格子状に配置されていてもよい。また、複数の間仕切り壁２ｄは、鉛直方向の上部に厚み方向（幅方向）に貫通する貫通孔が設けられていてもよい。

１Ａ車両用電池パック
２筐体
２ａ内部空間
２ｂ内部底面
２ｃ内部側面
３電池
４流動性部材

Claims

熱伝導性を有する筐体と、
前記筐体の内部空間において鉛直方向と直交する方向に配列される複数個の電池と、
熱伝導性および蓄熱性を有する流動性部材とを備え、
前記流動性部材は、前記筐体の内部空間を残して収容され、かつ各前記電池の少なくとも一部を覆い、
前記筐体は、内部底面から鉛直方向に立設される少なくとも１つの間仕切り壁を有し、
前記間仕切り壁は、鉛直方向から見た場合に、隣り合う前記電池の間に配置され、
前記間仕切り壁の鉛直方向の高さは、前記筐体が傾斜していない状態で、融解した前記流動性部材の液面レベルより低い、
ことを特徴とする車両用電池パック。
前記間仕切り壁は、鉛直方向から見た場合に、前記鉛直方向と直交する方向の両端が前記筐体の内部側面と連結することを特徴とする請求項１に記載の車両用電池パック。
前記流動性部材は、固体と液体とに相変化する潜熱蓄熱材が含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用電池パック。
前記流動性部材は、前記潜熱蓄熱材より熱伝導性が高い熱伝導部材であって、融解した前記潜熱蓄熱材の中を浮遊する熱伝導部材が添加されることを特徴とする請求項３に記載の車両用電池パック。