JP6830525B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、電池パックに関し、複数の電池セルが収納された電池パックに適用して好適なものである。

従来、自動車等においては、複数の電池セルが配列された電池モジュールが搭載されている。実用的には、電池モジュールを単体で用いることもあれば、複数の電池モジュールが収納された電池パックを用いることもある。

そしてこのような電池パック（または電池モジュール）には、複数の電池セルを確実に拘束することの他に、電池セルを冷却するための機構が求められ、このような機構として例えば、冷媒を誘導する冷媒通路（ダクト）が設けられる。例えば特許文献１には、より不都合の少ない構成の電池モジュールとして、ダクトを構成する開口部が設けられた壁部と開口部を覆う覆部とを有する筐体、を備えた電池モジュールが開示されている。

特開２０１６−１８１５０４号公報

しかし、特許文献１に開示された電池モジュールの場合、ダクトを構成するための部品と複数の電池セルを拘束するための部品とが別々の部品で構成されることから、部品代や組立費用が嵩んでしまう。また、これらの部品を単に一体化しようとしても、複雑な筐体設計が必要になるため製造コストが嵩んでしまう。そしてこれらの課題は、電池モジュールや電池パックの価格が下がらない一因となっていた。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、ダクトの構成及び電池セルの拘束という機能を併せ持ちながら製造コストを低減可能な電池パックを提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、複数の電池モジュールが上部ケース及び下部ケースによって収納された、以下のような電池パックが提供される。すなわち、当該電池パックにおいて、電池モジュールは、電池セルがセルホルダによって保持された複数の電池ユニットが積層されたユニット群と、電池ユニットの積層方向に中空に形成され、ユニット群を側面から拘束するサイドプレートと、を備え、さらに、サイドプレートの中空部分は、電池セルを冷却する冷媒を誘導するダクト部であることを特徴とする。

このような電池パックによれば、簡易な構造の上記サイドプレートによって、ダクトを構成するための部品と電池セルを拘束するための部品とが一体化されることから、ダクトの構成と電池セルの拘束という二つの機能を備えながらも、製造コストを低減することができる。

本発明によれば、ダクトの構成及び電池セルの拘束という機能を併せ持ちながら製造コストを低減可能な電池パックを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る電池パックの内部構造の一例を示す図である。 図１に例示した電池パックの外観の一例を示す図である。 電池モジュールの構造例を示す図である。 サイドプレートの構造例を示す図である。 電池ユニット群の構造例を示す図である。 セルホルダの構造例を示す図である。 電池パックの断面を説明するための図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。本発明に係る電池パックは、例えば電気自動車の電動機駆動システムにおける車搭電源装置に適用されて好適なものである。なお、上記電気自動車の概念には、内燃機関であるエンジンと電動機とを車両の駆動源として備えたハイブリッド電気自動車、及び電動機を車両の唯一の駆動源とする純正電気自動車等が含まれる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る電池パックの内部構造の一例を示す図であり、図２は、図１に例示した電池パックの外観を示す図である。

まず、図２を参照して電池パック１を外観から説明する。図２によれば、電池パック１は、上部ケース３と下部ケース４とが蓋合わせで閉じられ（固定され）、その内部に複数の電池モジュール２（個別には電池モジュール２Ａ，２Ｂ）が収納された構造とされる。そして電池モジュール２Ａ，２Ｂは、ナット等の固定部品５によって上部ケース３及び下部ケース４に固定される（詳細は図７を参照しながら後述する）。

また、図２に示したように、電池パック１には、上部ケース３と下部ケース４とが接合されたときにケース内部から外部に開口した開口部３Ａが設けられている。開口部３Ａは、上部ケース３及び下部ケース４の少なくとも一方によって形成されればよい。具体的には例えば、上部ケース３の側面に略矩形の穴が設けられて開口部３Ａが形成されてもよいし、上部ケース３及び下部ケース４の側面に切り欠きを付ける等して、両ケースを閉じた場合に開口部３Ａが形成されるようにしてもよい。

次に、図１を参照して、電池パック１の内部構造を説明する。図１には、上部ケース３を外した電池パック１が示されている。図１によれば、電池パック１のケース内部には、２つの電池モジュール２（２Ａ，２Ｂ）が、それぞれのサイドプレート２３が電池パック１の中央側で対向するように並列に配置されている。そして、各サイドプレート２３の一端には、連結部材４１が配置されている。連結部材４１は、上部ケース３又は下部ケース４に備えられる部材であって、各サイドプレート２３におけるダクト部２３１Ｂの穴部２３１Ｃ（図４参照）と開口部３Ａとを連通し、冷媒経路として機能する。

ここで、電池モジュール２の構造について詳しく説明する。

図３は、電池モジュールの構造例を示す図である。図１及び図３に示したように、電池モジュール２（２Ａ，２Ｂ）は、電池セル２１１がセルホルダ２１２によって保持された複数の電池ユニットが積層された電池ユニット群２１と、電池ユニット群２１を電池ユニットの積層方向から拘束するエンドプレート２２と、電池ユニットの積層方向に延びた板面状の部材によって電池ユニット群２１を側面から拘束するサイドプレート２３と、を備えて構成される。サイドプレート２３は、固定部品２４（例えばボルト）によってエンドプレート２２に固定されることで、電池ユニット群２１を拘束する。なお、本発明に係る電池パック１は、エンドプレート２２への固定によってサイドプレート２３が間接的に電池ユニット群２１を拘束する構造に限定されるものではなく、他にも例えば、サイドプレート２３が側面から直接的に電池ユニット群２１を拘束する構造であってもよい。

このような電池モジュール２のうち、まず、サイドプレート２３について詳述する。図４は、サイドプレートの構造例を示す図である。サイドプレート２３は、鉄等の熱伝導率の高い材料を用いて一体成型された板金部品であるプレート部材２３１と、プレート部材２３１に溶接された固定部材２３２とを備えている。このうちプレート部材２３１は、図４に示したように、電池ユニット群２１の電池ユニットの積層方向に延びた板面状のサイドプレート部２３１Ａと、電池ユニットの積層方向に絞り加工等によって中空部分が形成されたダクト部２３１Ｂとを有している。ダクト部２３１Ｂの少なくとも一端には、冷媒が出入りする穴部２３１Ｃが中空部分から連続して形成される。なお、サイドプレート２３のプレート部材２３１について、上記のようなサイドプレート部２３１Ａ及びダクト部２３１Ｂを有するように成型（例えば絞り加工）することは、技術的に大きな困難を伴うものではなく、構造設計も比較的容易といえる。

なお、サイドプレート部２３１Ａは、電池ユニット群２１に積層された複数の電池ユニットを拘束できる程度に長いことが好ましい。このようなサイドプレート部２３１Ａがプレート部材２３１に設けられることによって、サイドプレート２３は、電池ユニット群２１に積層された複数の電池ユニット（電池セル２１１及びセルホルダ２１２）を拘束する機能を発揮することができる。また、サイドプレート２３によって電池ユニットが拘束されることにより、電池モジュール２全体の強度を高めることに期待できる。

また、図４に例示したように、ダクト部２３１Ｂは、中空に形成され（例えばその断面は矩形形状とする）、かつ、少なくとも一方の端部に、冷媒が出入りする穴部２３１Ｃを中空部分から連続して有するように形成されることで、電池セル２１１を冷却するための冷媒を誘導する冷媒経路（冷媒を出し入れ可能な冷媒通路（ダクト））を確保している。なお、本例において、ダクト部２３１Ｂにおける中空部分の断面形状は、完全な直角を有する厳密な矩形形状でなくてもよく、略矩形形状でもよい。このようなダクト部２３１Ｂがプレート部材２３１に設けられることによって、サイドプレート２３は、ダクト部２３１Ｂに冷媒を誘導したときに、サイドプレート２３が拘束する電池ユニット群２１の電池セル２１１を冷却する機能を発揮することができる。

なお、図４には図示していないが、サイドプレート２３は、ダクト部２３１Ｂからセルホルダ２１２の側面に設けられた開口部２１２Ａ（図６参照）に向けて、冷媒による冷却風を供給できるように、サイドプレート部２３１Ａに開口部を設けることができる。このようにすることで、ダクト部２３１Ｂに誘導した冷媒による冷却風をセルホルダ２１２に供給することができるため、電池セル２１１に対する冷却機能をさらに効率的にする効果が期待できる。また更に、サイドプレート２３は、セルホルダ２１２の底面に設けられた開口部２１２Ｂ（図６参照）から排出された冷却風をダクト部２３１Ｂに回収できるような経路を設けるようにしてもよい。このようにすることで、セルホルダ２１２の内部を通過することによって電池セル２１１を冷却した冷却風をダクト部２３１Ｂに回収することができるため、冷媒の循環を容易にすることができる。

また、固定部材２３２は、サイドプレート２３を上部ケース３に固定するための部材であって、具体的には例えば、ピンや溶接ボルト等が用いられる。例えば後述する図７では、固定部材２３２によってサイドプレート２３が上部ケース３に固定されている様子が示される。

次に、電池ユニット群２１について詳述する。図５は、電池ユニット群の構造例を示す図である。図５に示したように、電池ユニット群２１では、電池セル２１１とセルホルダ２１２とが交互に配置されており、隣り合う電池セル２１１とセルホルダ２１２とを１組の電池ユニットとしてみれば、複数の電池ユニットが積層された構造となっている。なお本例では、電池セル２１１とセルホルダ２１２は固着されず、エンドプレート２２やサイドプレート２３によって複数の電池ユニットが拘束される。このような電池ユニット群２１によれば、故障等が発生した際に、個々の電池セル２１１やセルホルダ２１２の取り換えを容易に行うことができる。

図６は、セルホルダの構造例を示す図である。図６に示したように、セルホルダ２１２は、サイドプレート２３で拘束される側の側面に開口部２１２Ａが設けられ、下部ケース４の側の底面に開口部２１２Ｂが設けられ、内部に開口部２１２Ａと開口部２１２Ｂとを繋ぐ通風部２１２Ｃが設けられている。

このような構成を備えることによってセルホルダ２１２は、サイドプレート２３のダクト部２３１Ｂから供給される冷却風を開口部２１２Ａから取り入れ、通風部２１２Ｃを経由して開口部２１２Ｂから排出することができる。そしてセルホルダ２１２の内部を冷却風が通過すると隣接する電池セル２１１で発生した熱が冷却されることから、電池セル２１１を冷却することができる。なお、セルホルダ２１２における冷却風の吸排気の方向は逆であってもよい。また、図６に示した各部の構造は一例であって、例えば、セルホルダ２１２において、より多くの開口部や通風路が設けられてもよい。

ここまで、本実施の形態に係る電池パック１の各構成について説明してきた。以下では、このような各構成による電池パック１の全体的な特徴について説明する。

まず、図１を参照して説明したように、電池パック１のケース内部には、２つの電池モジュール２（２Ａ，２Ｂ）が、それぞれのサイドプレート２３が電池パック１の中央側で対向するように並列に配置され、連結部材４１が各サイドプレート２３のダクト部２３１Ｂ（より詳しくは穴部２３１Ｃ）と開口部３Ａとを連通するように配置されている。

電池パック１は、このような配置とすることで、各サイドプレート２３のダクト部２３１Ｂが連結部材４１を介して開口部３Ａから電池パック１の外部に繋がるため、冷媒の供給や冷却風の吸排気をまとめて行うことができる。すなわち、外部への開口部をそれぞれの電池モジュール２のダクト部２３１Ｂごとに用意することなく、１か所にまとめることができるため、設計を容易にし、製造コストを低減することができる。

ここで一例として、本実施の形態に係る電池パック１は、ダクト部２３１Ｂの開口部分（穴部２３１Ｃ）と開口部３Ａとを略同じ高さになるよう配置することができる（図２も参照）。このような配置にした場合、連結部材４１は比較的単純な形状（例えば高低差のない筒状）でよくなるため、設計面での負担をさらに抑制することができ、製造コストをより低減する効果が得られる。さらに、ダクト部２３１Ｂから連結部材４１を経由して開口部３Ａに至るまでの冷媒経路について高低差をなくすことができるため、冷媒を吸排気させるための構造を単純化することができる。

また、別の一例として、本実施の形態に係る電池パック１は、ダクト部２３１Ｂの開口部分（穴部２３１Ｃ）と開口部３Ａとを異なる高さになるよう配置してもよい。このような配置にした場合、連結部材４１は両者の高低差を解消する形状としなければならず、略同じ高さとして前例と比べて製造コストは嵩むものの、顧客からの要望や設計上の要望等に柔軟に対応可能な電池パック１を実現することができる。言い換えれば、連結部材４１の形状を変更することによって、ダクト部２３１Ｂの開口部分（穴部２３１Ｃ）とは異なる高さに開口部３Ａが設けられた筐体（上部ケース３，下部ケース４）であっても、筐体の内部に電池モジュール２を収納した電池パック１を実現することができ、電池パック１の形状の多様性を広げることができる。

次に、電池パック１の断面に注目してその特徴を説明する。図７は、電池パックの断面を説明するための図である。図７は、図２に例示した電池パック１について、電池モジュール２Ａ，２Ｂそれぞれの電池セル２１１を横断する方向による断面の概略図である。図７に示したように、電池パック１において、電池モジュール２Ａ，２Ｂは、上部ケース３及び下部ケース４によって形成される筐体内部に配置されている。

図７によれば、電池パック１は、並列された電池モジュール２Ａ，２Ｂにおいて各サイドプレート２３のダクト部２３１Ｂを平面合わせの態様で隣り合うようにしている。このような構成とすることによって、２つのダクト部２３１Ｂを１つの太い冷媒通路とみなすことができ、電池パック１における電池セル２１１の冷却効率を高めることができる。

なお、本実施の形態に係る電池パック１において、ダクト部２３１Ｂは図示した形状に限定されず、他の派生的な形状であってもよい。具体的には例えば、ダクト部２３１Ｂの断面を台形形状としてもよい。また例えば、開口部３Ａから離れた側（奥側）ほど、ダクト部２３１Ｂの断面を絞る（小さくする）ようにしてもよい。断面の絞り方は、上下の少なくとも一方を絞るものでもよく、左右の少なくとも一方を絞るものでもよく、またはその組み合わせであってもよい。何れにしても、ダクト部２３１Ｂの断面形状が奥側にいくほど絞られた場合には、冷媒の流速を得やすくなることが知られており、その結果、冷媒の循環を容易にしたり、冷却効率を向上させたりする効果が得られる。ただし、ダクト部２３１Ｂにこれらの派生的な形状を採用する場合でも、前段落で述べた冷却効果の向上を図るために、並列される電池モジュール２Ａ，２Ｂのダクト部２３１Ｂが対向して配置され、かつその少なくとも一部が平面合わせとされることが好ましい。

また、図７を詳しく参照すると、電池パック１は、天面側においては、上部ケース３を挟んでサイドプレート２３の固定部材２３２（例えば溶接ボルト）が固定部品５（例えばナット）で締められることによって、各電池モジュール２Ａ，２Ｂが上部ケース３に固定されている。また、底面側においては、下部ケース４の固定部材４２が固定部品５で締められることによって、各電池モジュール２Ａ，２Ｂが下部ケース４に固定されている。

このような構造を採用することで、本実施の形態に係る電池パック１では、電池パック１の外周において両ケース（上部ケース３，下部ケース４）が接合されるだけでなく、電池パック１内の中央付近に配置されるサイドプレート２３の上下において、固定部品５によって電池モジュール２を両ケース（上部ケース３，下部ケース４）に固定することができ、サイドプレート２３（及びその周辺部品）が柱の役割を果たすことができる。かくして、このような電池パック１は、両ケースの接合部分でしか固定できない場合に比べて、ねじり剛性を格段に高めることができ、電池パック１全体の剛性を高めることができる。

以上に説明してきたように、本実施の形態に係る電池パック１によれば、電池モジュール２が備えるサイドプレート２３において、電池セル２１１を拘束するためのサイドプレート部２３１Ａと電池セル２１１を冷却するためのダクト部２３１Ｂとが一体化した部品として形成され、かつ、当該部品（プレート部材２３１、サイドプレート２３）を比較的単純な構造で設計可能することができる。その結果、本実施の形態に係る電池パック１は、電池セル２１１の冷却と冷却用ダクトの構成という二つの機能を実現可能にするとともに、サイドプレート２３の組み立て費用が抑制されることで電池モジュール２の製造コストを低減し、ひいては電池パック１の製造コストを低減することができる。

なお、本実施の形態に係る電池パック１は、図１に例示したように、２つの電池モジュール２Ａ，２Ｂだけが収納されるものに限定されず、より多くの電池モジュール２が収納されてもよい。具体的には例えば、上部ケース３及び下部ケース４による収納空間において、サイドプレート２３が対向するように対に配置される電池モジュール２Ａ，２Ｂを組として、複数組の電池モジュール２を水平方向または垂直方向に並べてもよい。このとき、連結部材４１は各組の電池モジュール２のサイドプレート２３に連通するように構成されることが好ましい。

また、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、前述したダクト部２３１Ｂの断面形状の変形例（台形形状、奥側にいくほど絞った形状）のように、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。すなわち、電池モジュール２が備えるサイドプレート２３において、電池セル２１１を拘束するためのサイドプレート部２３１Ａと電池セル２１１を冷却するためのダクト部２３１Ｂとが一体化した部品として形成される点を維持しながら、上記実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 電池パック
２（２Ａ，２Ｂ） 電池モジュール
２１ 電池ユニット群
２１１ 電池セル
２１２ セルホルダ
２１２Ａ，２１２Ｂ 開口部
２１２Ｃ 通風部
２２ エンドプレート
２３ サイドプレート
２３１ プレート部材
２３１Ａ サイドプレート部
２３１Ｂ ダクト部
２３１Ｃ 穴部
２３２ 固定部材
２４ 固定部品
３ 上部ケース
３Ａ 開口部
４ 下部ケース
４１ 連結部材
４２ 固定部材
５ 固定部品

Claims (8)

1. 複数の電池モジュールが上部ケース及び下部ケースによって収納された電池パックであって、
   前記電池モジュールは、
   電池セルがセルホルダによって保持された複数の電池ユニットが積層された電池ユニット群と、
   前記電池ユニットの積層方向に延びた板面状の部材によって前記電池ユニット群を側面から拘束するサイドプレートと、
   を備え、
   前記サイドプレートは、前記板面状の部材の一体成型によって、前記電池ユニットの積層方向に、前記電池セルを冷却する冷媒を誘導する中空のダクト部を有し、
   前記上部ケースと前記下部ケースとが接合されたときに、前記サイドプレートの上部が前記上部ケースに固定され、前記サイドプレートの下部が前記下部ケースに固定され、
   前記ダクト部は、前記サイドプレートの前記上部ケースとの固定部分と、前記サイドプレートの前記下部ケースとの固定部分との間に形成され、
   前記複数の電池モジュールは、２つの前記電池モジュールを組としてそれぞれの前記サイドプレートが有する前記ダクト部が前記電池パックの中央側で少なくとも一部が平面合せの態様で対向するように並列に配置されている
   ことを特徴とする電池パック。
2. 前記サイドプレートの前記ダクト部は、少なくとも一方の端部に、冷媒が出入りする穴部を中空部分から連続して有し、
   前記上部ケースと前記下部ケースとが接合されたときに、該上部ケース及び該下部ケースの少なくとも一方によって、外部に開口した開口部が形成され、
   前記上部ケース又は前記下部ケースは、前記組として並列に配置された前記複数の電池モジュールにおける前記サイドプレートの前記穴部と前記開口部とを連通する連結部材を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記ダクト部は、中空部分の断面が略矩形に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
4. 前記穴部と前記開口部とが略同じ高さになるように配置される
   ことを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
5. 前記穴部と前記開口部とが異なる高さになるように配置される
   ことを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
6. 前記ダクト部における中空部分の断面積は前記穴部から離れるほど小さくなる
   ことを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
7. 前記セルホルダは、内部に通風可能な経路を有し、該経路の少なくとも一端は前記サイドプレートのダクト部に接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
8. 前記電池モジュールは、前記電池ユニットの積層方向から前記電池ユニット群を拘束するエンドプレートをさらに備え、
   前記サイドプレートが前記エンドプレートに固定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。

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