JP6794781B2

JP6794781B2 - バッテリモジュール

Info

Publication number: JP6794781B2
Application number: JP2016213266A
Authority: JP
Inventors: 伸恭錦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-10-31
Also published as: JP2018073669A

Description

本発明は、プレートと、プレート上に隙間を空けて積層するように固定された複数のバッテリセルとを備えるバッテリモジュールに関する。

従来から、電気自動車、ハイブリッド車両、鉄道車両等では、車両の駆動源として回転電機が用いられ、回転電機の電力源として、車両には複数のバッテリセルを備えるバッテリモジュール（バッテリスタック又は組電池）が、ケース等に収容されたバッテリパックとして搭載されている。

バッテリモジュールの冷却方法としては、バッテリモジュールの上下又は側面に給気チャンバ及び排気チャンバを設け、給気チャンバから供給された冷却風を、バッテリセル間に設けられた冷却通路を通過させ、バッテリセルを冷却した後の排気を排気チャンバから排出することにより、個々のバッテリセルを冷却する方式が知られている。

特許文献１には、複数の電池セルを収容する電池室と、冷却空気室と、冷却空気室へ大気圧以上の静圧で冷却空気を供給するファンとから構成され、電池室の底部の電池セル間の間隔に対応する位置に空気導入孔が設けられた電池パックが開示されている。特許文献１には、ファンが大気圧以上の静圧で冷却空気を供給することで、各空気導入孔から電池室へ流入する冷却空気の風量が等しくなり、電池セルを均一に冷却できると記載されている。

特許文献２には、電池モジュールの上部冷媒流路および下部冷媒流路と、電池モジュールの一方の側部に沿って設けられた内部吸気ダクトと、電池モジュールの他方の側部に沿って設けられた内部排気ダクトとを備え、少なくともいずれか一方のダクト内には、冷媒の流れを電池セルの積層方向に対して略直交する方向に向けて整流するための冷媒整流手段が設けられた電池パックが開示されている。特許文献２には、当該冷媒整流手段を設けることで冷媒流れの乱れが解消され、その結果、電池モジュール全体に対して均一に冷媒を供給できると記載されている。

特開２０１１−１３８７３０号公報特開２００６−２８６５１９号公報

バッテリパック及びその冷却システムの低背化を目的として、バッテリセルの積層方向の側面又は積層方向と直交する側面から冷却風を導入し、バッテリモジュールの上下又は側面に設けた吸気チャンバ内において冷却風を水平方向に流して、冷却風が複数のバッテリセルに均等に分配されるよう構成されたバッテリパックが知られている。しかしながら、上記構成を有するバッテリパックにおいては、バッテリセルの吸気チャンバ側から放出された熱が吸気チャンバに伝わることにより、吸気チャンバ内を流れる冷却風の温度上昇が避けられない。例えば、吸気チャンバ内において冷却風がバッテリセルの積層方向に沿って流れる構成を有するバッテリパックでは、バッテリセルの放熱により冷却風の下流側の温度が上昇することにより、冷却風の下流側に配置されたバッテリセルの冷却効率が低下して、バッテリセル間で冷却効率の不均衡が生じ、その結果、バッテリモジュールの冷却性能が低下することが考えられる。

本発明の目的は、プレート上に隙間を空けて積層するように固定された複数のバッテリセルを備え、冷却風がバッテリセル間を通過してバッテリセルを冷却するバッテリモジュールにおいて、バッテリセルからの放熱による冷却風の温度上昇を低減することで冷却効率を向上できるバッテリモジュールを提供することである。

本発明は、プレートと、前記プレート上に隙間を空けて積層するように固定された複数のバッテリセルと、を備えるバッテリモジュールであって、前記プレートには、前記隙間に対向して冷却溝が前記バッテリセル間ごとに設けられ、前記プレートの下面には、前記冷却溝に対して開口する冷却風導入路が前記バッテリセル間ごとに設けられ、前記プレートの下面側には、前記プレートを挟んで前記バッテリセルと対向するプレート下方空間が前記冷却風導入路間に形成され、前記バッテリセルを冷却する冷却風が、前記冷却風導入路から流入し、前記冷却溝を通って前記バッテリセル間に導かれる、バッテリモジュールに関する。

本発明によれば、冷却風が、バッテリセル間ごとに設けられた冷却風導入路により当該バッテリセル間に導かれることにより、バッテリセルの底面からの放熱量に対して冷却風が受け取る熱量を低減し、冷却風の温度上昇を抑制することで、バッテリモジュールの冷却効率を向上できる。

本発明に係る実施形態のバッテリモジュールの一例を示す斜視図である。図１に示すバッテリモジュールに備えられたプレートの構造を示す斜視図である。図１のプレートをＡ−Ａ線で断面した部分断面図である。吸気ダクト（ａ）及び吸気チャンバ（ｂ）の構造の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係るバッテリモジュール１０の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示すバッテリモジュール１０に備えられたプレート２０の構造を示す斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａ線の部分断面図である。バッテリモジュール１０は、プレート２０と、プレート２０上に隙間１４を空けて積層するように固定された複数のバッテリセル１２とを備える。以下、バッテリセル１２を積層した方向を「積層方向」、重力方向を「高さ方向」、積層方向と高さ方向に直交する方向を「幅方向」と記載する。

バッテリモジュール１０は、車両の客室下又は荷室下等に形成される収容スペースに、ケース等に収容されたバッテリパックとして配置される。収容スペースは、例えば、客室の床面に設けられたシート、コンソール、フロアケース、フロアカーペット、又は、荷室の床面に設けられたデッキケース等の、車両の内装部材下に形成される。バッテリモジュール１０は、車両駆動用の電動機に電力を供給し、また、回生制動などによって電動機で発電された電力により充電される。

本実施形態に係るバッテリモジュール１０は、プレート２０と積層された複数のバッテリセル１２とで構成される略直方体の形状を有しており、バッテリセル１２の積層方向はバッテリモジュール１０の長手方向と一致している。複数のバッテリセル１２は、例えばバスバー等によって電気的に接続されている。バッテリセル１２は平板状の略直方体の形状を有する。バッテリセル１２は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池であってよい。

本実施形態に係るバッテリモジュール１０では、プレート２０上に、複数のバッテリセル１２が隙間１４を空けて固定される。本実施形態では、図２に示す取付点１６の位置においてネジ止めすることにより、バッテリセル１２がプレート２０上に固定されるが、バッテリセル１２をプレート２０上に固定する手段について制限はなく、ボルト、接着剤等の公知の固定手段であってもよい。後述するように、隣接するバッテリセル１２間に設けられた隙間１４を冷却風が通過することにより、バッテリセル１２が冷却される。

本実施形態に係るバッテリモジュール１０において、プレート２０には、隙間１４に対向する冷却溝２６がバッテリセル１２間ごとに設けられる。冷却溝２６はプレート２０を貫通して、冷却溝２６に対向するバッテリセル１２間の隙間１４と後述する冷却風導入路２４とを連通している。冷却溝２６の形状等は、冷却風導入路２４の形状、冷却風の所望の風量等によって適宜決定すればよい。

図２及び図３に示すように、本実施形態に係るバッテリモジュール１０では、プレート２０の下面２２に、冷却溝２６に対して開口する冷却風導入路２４が設けられる。冷却風導入路２４は、プレート２０に沿って幅方向に延びる中空形状の部材であって、内周面の上部の一部が冷却溝２６に対して開口している。冷却風導入路２４には、幅方向（冷却風導入路２４の長手方向）の端部の少なくとも一方から冷却風が流入する。

図１〜図３において、本実施形態のバッテリモジュール１０における冷却風の流れを矢印で示す。冷却風は、バッテリモジュール１０の幅方向の側面から冷却風導入路２４内に流入し、冷却風導入路２４内を幅方向に向かった後、冷却溝２６を通ってバッテリセル１２間に導かれる。バッテリセル１２間に導かれた冷却風は、バッテリセル１２間の隙間１４を通過する間、バッテリセル１２を冷却する。なお、バッテリセル１２間に導かれる冷却風が十分なバッテリセル１２の冷却能力を保持するように、後述する送風機等によって、バッテリセル１２間に導かれる冷却風の風量が調整される。

このように、本実施形態に係るバッテリモジュール１０では、バッテリセル１２をプレート２０上に固定する一方、バッテリセル１２間を通過する冷却風を、バッテリセル１２間ごとにプレート２０の下面２２に設けた専用の冷却風導入路２４によって、バッテリモジュール１０の外部から直接導いている。そのため、冷却風はバッテリセル１２間に導かれるまでの間にバッテリセル１２が放出した熱を直接受け取らない。また、プレート２０の下面２２側には、積層方向における冷却風導入路２４間であって、プレート２０を挟んでバッテリセル１２と対向するプレート下方空間２８が形成される。よって、本実施形態に係るバッテリモジュール１０では、バッテリセル１２の下面から放出した熱量は、プレート２０からプレート下方空間２８に放熱がなされる。これにより、冷却風がバッテリモジュール１０に流入してからバッテリセル１２間に導かれるまでの間に、バッテリセル１２の放熱に由来し、冷却風が受け取る熱の熱量が大幅に低下する。冷却風がバッテリセル１２から受け取る熱量が大幅に低下するので、冷却風の温度上昇が低減し、バッテリセル１２の冷却効率の低下が抑制される。

また、本実施形態に係るバッテリモジュール１０では、バッテリセル１２間毎に専用の冷却風導入路２４を設けることにより、積層方向において冷却風の温度が均一化される。よって、バッテリモジュール１０の上下又は側面に設けた吸気チャンバ内を積層方向に沿って冷却風を流す構成を有するバッテリモジュール１０と比較して、バッテリセル１２を冷却する冷却風の温度が積層方向の位置で異なる事態が殆ど生じず、冷却風の積層方向における温度の均一化を達成できるため、バッテリモジュール１０における積層方向の冷却効率が向上される。

図２に示すプレート２０は、図１においてバッテリセル１２間に相当する積層方向の位置ごとに２つの冷却溝２６及び２つの冷却風導入路２４をそれぞれ設けた構成を有する。１つのバッテリセル１２に対して２つの冷却溝２６及び２つの冷却風導入路２４を設けることにより、バッテリセル１２の幅方向の長さと同程度の長さを有する１つの冷却風導入路２４のみを設ける場合と比較して、冷却風が冷却風導入路２４内を通過する長さが短いために、冷却風が受け取る熱量が低減され、冷却風の温度上昇がより一層抑制される。バッテリモジュール１０は、バッテリセル１２の幅方向の長さと同程度の長さを有する１つの冷却風導入路２４のみを備えてもよい。

本実施形態に係るバッテリモジュール１０を構成するプレート２０は、例えば、樹脂等の材料を用いて、押出成形、インジェクション成形等を行うことにより製造すればよい。バッテリセル１２間ごとに２つの冷却溝２６及び２つの冷却風導入路２４を設けた図２に示すプレート２０は、例えば、幅方向の長さがプレート２０の略半分である第１プレート３０を作製する工程、第１プレート３０と対称的な形状を有する第２プレート３２を作製する工程、並びに、溶着等の公知の方法により、仕切板３４に第１プレート３０と第２プレート３２とを接合させて図２に示すプレート２０を作製する工程を経ることによって、製造することができる。

図４の（ａ）に、冷却風導入路２４へ冷却風を導く吸気ダクト４０の一例を示す。吸気ダクト４０は、バッテリモジュール１０の外部からの冷却風を冷却風導入路２４に送出する機能を有する。図４の（ａ）に示すように、吸気ダクト４０は、バッテリモジュール１０の幅方向の側面よりも外側に設けられるため、バッテリセル１２からの放熱が熱伝導により直接吸気ダクト４０に伝わることはない。冷却風導入路２４と吸気ダクト４０とをシールスポンジ等の断熱性部材を介して接続することにより、熱伝導による吸気ダクト４０の受熱をより一層低減できる。吸気ダクト４０に代えて、図４の（ｂ）に示す吸気チャンバ４２を使用してもよい。吸気チャンバ４２は、より多くの冷却風導入路２４へと冷却風を導入する。吸気ダクト４０又は吸気チャンバ４２の上流側には、車室内の空気を冷却風として吸気機構に送り込む送風機が設けられる。送風機としては、例えば、吐出型のファン又はブロア等が挙げられる。

バッテリモジュール１０は、バッテリセル１２からプレート２０へと伝わった熱を、より多く、冷却風導入路２４以外の空間に放出する構成を有することが好適である。例えば、プレート２０の形状に関して、冷却風導入路２４を設けない部分の高さ方向の厚さがより薄く、冷却風導入路２４を設ける部分の高さ方向の厚さがより厚くなるように、プレート２０を形成してもよい。これにより、バッテリセル１２の底面からプレート下方空間２８へと放出される熱量が増加する一方、バッテリセル１２の底面からプレート２０に伝えられた熱が冷却風導入路２４に伝わり難くなるため、冷却風の温度上昇を更に抑制することができる。

また、プレート２０の幅方向の端部のうち冷却風導入路２４を設けていない部分において、バッテリモジュール１０外部に向かう方向に突出するフィンを形成してもよい。このように形成されたフィンは、バッテリモジュール１０外部の空気にさらされて、プレート２０内の熱を放出する。これにより、冷却風導入路２４以外のプレート２０の領域からの放熱量が増加し、冷却風導入路２４に伝わる熱量が相対的に減少するため、冷却風の温度上昇を更に抑制することができる。

バッテリモジュール１０は、送風機を設けて、プレート下方空間２８の空気とバッテリモジュール１０の外部の新鮮な空気との交換を容易にする構成を有してもよい。これにより、プレート２０の下面２２からの放熱効率がより一層向上し、バッテリセル１２から冷却風導入路２４に伝わる熱量が減少するため、冷却風の温度上昇を更に抑制することができる。

本実施形態に係るバッテリモジュール１０において、プレート２０が設けられた下面２２以外の上面及び側面の構成は特に制限されないが、バッテリセル１２間を通過する冷却風の整流の観点から、バッテリモジュール１０の上面及び側面を覆うケースを設け、さらに、バッテリモジュール１０の上面側に、バッテリセル１２間を通過した冷却風を導いて車室内等へと排出する排気部材を設けることが好ましい。この場合、図２に示すプレート２０がケースの底部を構成してもよい。

上記排気部材としては、例えば、バッテリセル１２間ごとに排気溝と排気導出路とを設けた、本実施形態に係るプレート２０と対応する構成を有する排気側プレートであってもよい。このような排気側プレートは、バッテリセル１２の上面等から受け取る熱量を低減でき、また、バッテリセル１２間から排出された排気が再度バッテリセル１２間に流入することを回避できるため、好ましい。また、バッテリモジュール１０の上面とケースの上部とで囲まれた空間により形成される排気チャンバ、及び、排気チャンバ内の排気を外部へと導く排気ダクトで構成される排気部材を設けてもよい。排気チャンバ及び排気ダクトで構成された排気部材は、圧力損失低減の観点から好ましい。

１０バッテリモジュール、１２バッテリセル、１４隙間、１６取付点、２０プレート、２２下面、２４冷却風導入路、２６冷却溝、２８プレート下方空間、３０第１プレート、３２第２プレート、３４仕切板、４０吸気ダクト、４２吸気チャンバ。

Claims

プレートと、前記プレート上に隙間を空けて積層するように固定された複数のバッテリセルと、を備えるバッテリモジュールであって、
前記プレートには、前記隙間に対向して冷却溝が前記バッテリセル間ごとに設けられ、
前記プレートの下面には、前記冷却溝に対して開口する冷却風導入路が前記バッテリセル間ごとに設けられ、
前記プレートの下面側には、前記プレートを挟んで前記バッテリセルと対向するプレート下方空間が前記冷却風導入路間に形成され、
前記バッテリセルを冷却する冷却風が、前記冷却風導入路から流入し、前記冷却溝を通って前記バッテリセル間に導かれる、
バッテリモジュール。