JP6929623B2

JP6929623B2 - 車両用電池パック

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Publication number: JP6929623B2
Application number: JP2016166961A
Authority: JP
Inventors: 荘田　隆博; 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: JP2018037157A

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、車両の走行時間や走行状態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、各電池に短時間で重い負荷がかかることで使用可能温度を超えた場合には充放電制限を設けることとなるため、使用可能温度を超えることを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、特許文献１〜３参照）。

特開２００６−１２４７１号公報特開２００６−２１０３５９号公報特開２００６−１９６４７１号公報

上記従来の電池パックでは、筐体に収容された複数の電池の配置位置の違いにより冷却効果に差ができ、各電池間で劣化の進み具合に違いが生じて、劣化が進んだ電池の存在により電池パック全体の性能が低下するという問題がある。

本発明は、電池パックに収容される複数個の電池を均一に冷却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幅方向に配列される複数個の電池と、前記鉛直方向から見た場合に、前記幅方向に間隔をあけて複数配置され、それぞれが前記幅方向と直交する奥行き方向に沿って形成され、少なくとも前記幅方向に隣り合う前記電池の外側面に接触する熱伝導部材と、熱伝導性および蓄熱性を有し、前記複数個の電池と鉛直方向に対向する前記筐体の内部底面に貯留する流動性部材とを備え、前記流動性部材は、潜熱蓄熱材または顕熱蓄熱材のうち、固−液相変化するものであり、前記流動性部材は、前記筐体が傾斜していない状態で、前記複数個の電池に対して鉛直方向に前記内部空間を介して対向し、前記熱伝導部材は、各前記電池の外側面と接触する接触部から前記鉛直方向に向かって延設された延設部が前記電池の鉛直方向下にある前記流動性部材に浸かることを特徴とする。

また、上記車両用電池パックにおいて、前記筐体は、前記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、隣り合う前記延設部の間に配置さ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、前記熱伝導部材は、前記延設部が前記筐体の内部底面と接触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、前記熱伝導部材は、各前記電池の外側面と接触する接触部から前記鉛直方向に向かって延設された延設部が前記筐体の内部底面と接触することが好ましい。

本発明に係る車両用電池パックは、複数個の電池の配列方向に沿って配置され、少なくとも各電池の外側面に接触する熱伝導部材と、熱伝導性および蓄熱性を有し、複数個の電池と鉛直方向に対向する筐体の内部底面に貯留する流動性部材とを備え、熱伝導部材が、各電池の外側面と接触する接触部から鉛直方向に向かって延設された延設部が流動性部材に浸かる。これにより、車両用電池パックは、各電池で生じた熱を、各電池との接触部から鉛直方向に向かって延設された熱伝導部材を介して、複数個の電池と鉛直方向に対向する筐体の内部底面に貯留する流動性部材に伝熱することができ、電池パックに収容される複数個の電池を均一に冷却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縦断面図である。図４は、実施形態３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５は、図４中のＢ−Ｂ´断面図である。図６は、実施形態４に係る車両用電池パックの概略構成を示す縦断面図である。

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１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１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、熱伝導部材４と、流動性部材５とを含んで構成される。

筐体２は、複数個の電池３、熱伝導部材４および流動性部材５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などの外部の熱媒体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が閉塞される。なお、車両用電池パック１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が形成され、内部空間２ａが密閉される。

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り、筐体２の内部空間２ａに配列され、筐体２に保持される。本実施形態における複数個の電池３は、それぞれが鉛直方向（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、図１に示すように、筐体２の内部空間２ａにおいて幅方向（Ｘ方向）（または奥行き方向（Ｙ方向））に千鳥格子状に配列されている。

熱伝導部材４は、熱伝導性を有する熱伝導材料で構成される。熱伝導材料としては、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。本実施形態における熱伝導部材４は、シート状のグラファイトで構成される。熱伝導部材４は、複数個の電池３の配列方向に沿って配置され、複数個の電池３の各外側面３ａに接触して各電池３と熱的に接続される。ここで、熱伝導部材４が各電池３と熱的に接続されるとは、各電池３と接触することで熱伝導部材４と各電池３との間で熱の授受が可能な場合、絶縁体等を介して熱伝導部材４と各電池３との間で熱の授受が可能な場合が含まれる。熱伝導部材４は、図１に示すように、鉛直方向から見た場合に、幅方向（Ｘ方向）に配列される各電池３の外側面３ａに沿って波状に形成され、奥行き方向（Ｙ方向）に電池３が隣り合う場合には、隣り合う電池３に挟まれて形成される。熱伝導部材４は、図２に示すように、電池３の外側面３ａと接触する接触部４ａと、当該接触部４ａから鉛直方向に向かって延設された延設部４ｂとを有し、当該延設部４ｂが流動性部材５に浸かり、流動性部材５と熱的に接続される。ここで、熱伝導部材４が流動性部材５と熱的に接続されるとは、延設部４ｂが流動性部材５に浸かることで熱伝導部材４と流動性部材５との間で熱の授受が可能な場合である。

流動性部材５は、流動性、熱伝導性および蓄熱性を有する液体で構成される。流動性、熱伝導性および蓄熱性を有する液体としては、例えば、水、シリコンオイルなどの油、エチレングリコール、グリセリン、アセトン、ブライン等がある。本実施形態における流動性部材５は、複数個の電池３と鉛直方向に対向する筐体２の内部底面２ｂに貯留する。流動性部材５は、熱伝導部材４の延設部４ｂが部分的に浸かるように、筐体２の内部底面２ｂ上に満たされている。

上記のように構成される車両用電池パック１では、各電池３で発生した熱は、各電池３の外側面３ａから接触部４ａを介して熱伝導部材４に伝わる。熱伝導部材４に伝わった熱は、当該熱伝導部材４の鉛直方向に延在する延設部４ｂに移動し、当該延設部４ｂから流動性部材５に伝わり、当該流動性部材５に蓄熱される。流動性部材５に蓄えられた熱は、その一部が流動性部材５に接する筐体２の内部底面２ｂや内部側面２ｃに伝熱され、筐体２の外表面から外気などの熱媒体に放熱される。

また、上記のように構成される車両用電池パック１では、流動性部材５が流動性、熱伝導性および蓄熱性を有することから、自然対流や車両走行時の揺れ等による乱流によって流動性部材５の温度の均一化が急速に進むと共に、流動性部材５に接する筐体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の外表面から外気などの熱媒体に放熱される。

また、上記のように構成される車両用電池パック１では、車両の走行当初は、複数個の電池３と流動性部材５との温度差がないため熱の移動は発生しないが、電池温度が上昇すると、電池３で発生した熱は、上述のように熱伝導部材４から流動性部材５に伝わる。電池３は、熱伝導部材４から流動性部材５に熱を奪われ続けることで温度上昇が緩やかになる。また、電池３に短時間で高負荷がかかり電池温度が上昇したときでも、車両の走行による揺れ等により流動性部材５から筐体２の内部側面２ｃ等に繰り返し伝熱され、筐体２の外表面から外気などの熱媒体に放熱されることで、電池３の温度上昇が緩やかになり、電池温度が適正範囲に保持される時間が長くなる。

また、上記のように構成される車両用電池パック１では、車両の冷間時において、流動性部材５に蓄えられていた熱が、延設部４ｂを介して熱伝導部材４に伝わり、各電池３との各接触部４ａを介して各電池３に伝わる。

以上説明した車両用電池パック１は、熱伝導性を有する筐体２と、筐体２の内部空間２ａにおいて鉛直方向と直交する幅方向に配列される複数個の電池３と、複数個の電池３の配列方向に沿って配置され、少なくとも各電池３の外側面３ａに接触する熱伝導部材４と、熱伝導性および蓄熱性を有し、複数個の電池３と鉛直方向に対向する筐体２の内部底面２ｂに貯留する流動性部材５とを備える。熱伝導部材４は、各電池３の外側面３ａと接触する接触部４ａから鉛直方向に向かって延設された延設部４ｂが流動性部材５に浸かる。これにより、各電池３で発生した熱が、熱伝導部材４の接触部４ａから鉛直方向に向かって延設された延設部４ｂを経由して流動性部材５に伝わるので、筐体２に収容された複数個の電池３を、その配置位置にかかわらず、均一に冷却することができる。従来は、各電池３で発生した熱を、複数個の電池３の配列方向（幅方向）に沿って延設された熱伝導部材から筐体２の内部側面２ｃに伝えていたことから、例えば筐体２の内部側面２ｃ側に配置されていた電池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が、図２に示すように、熱伝導部材４を介して各電池３の鉛直方向下にある流動性部材５に伝熱することが可能となるので、各電池３を均一に冷却することが可能となる。その結果、各電池３の劣化が略等しく進むようになり、劣化が進んだ電池の存在による電池パック全体の性能の低下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縦断面図である。

図３に示す実施形態２に係る車両用電池パック１０は、熱伝導部材４０の延設部４０ｂの鉛直方向の端部が上述の車両用電池パック１と異なる。なお、以下の説明において、上述した実施形態１および本実施形態と共通する構成については同一の符号を付して、その説明を省略する。実施形態３、実施形態４も同様である。

熱伝導部材４０は、上述した熱伝導部材４に対して、延設部４０ｂが部分的に流動性部材５に浸かると共に、延設部４０ｂの鉛直方向の端部４０ｃが筐体２の内部底面２ｂと接触する点が異なる。本実施形態における熱伝導部材４０は、延設部４０ｂの鉛直方向の端部４０ｃがＬ字形状を有し、端部４０ｃの鉛直方向に向く面が筐体２の内部底面２ｂに対して面接触する。

上記のように構成される車両用電池パック１０では、各電池３から熱伝導部材４０に伝わった熱は、延設部４０ｂに移動し、端部４０ｃと面接触する筐体２の内部底面２ｂに伝熱され、筐体２の外表面から外気などの熱媒体に放熱される。さらに、延設部４０ｂに移動した熱の一部は、当該延設部４０ｂが浸かっている流動性部材５に伝わる。

以上説明した車両用電池パック１０は、熱伝導部材４０は、延設部４０ｂが筐体２の内部底面２ｂと接触する。これにより、熱伝導部材４０に伝わった熱が延設部４０ｂに移動し、端部４０ｃと面接触する筐体２の内部底面２ｂに伝熱され、筐体２の外表面から外気などの熱媒体に放熱されるので、各電池３で発生した熱を確実に冷却することができる。したがって、各電池３が確実に冷却されることで、各電池３の劣化が略等しく進むようになり、劣化が進んだ電池の存在による電池パック全体の性能の低下を抑制することが可能となる。

[実施形態３]
次に、実施形態３に係る車両用電池パックについて説明する。図４は、実施形態３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５は、図４中のＢ−Ｂ´断面図である。なお、図４は、筐体２０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。

図４、図５に示す実施形態３に係る車両用電池パック１１は、筐体２０の内部底面２０ｂに複数の間仕切り壁２１を有する点が上述の車両用電池パック１と異なる。

筐体２０は、上述した筐体２に対して、内部底面２０ｂに１つまたは複数の間仕切り壁２１が立設されている点が異なる。本実施形態における複数の間仕切り壁２１は、筐体２０の内部底面２０ｂから鉛直方向に立設され、鉛直方向から見た場合に、隣り合う延設部４ｂ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１１では、車両の状態（傾斜路、登坂路等の走行時および停止時など）によって流動性部材５が筐体２０の内部底面２０ｂ上で偏在しようとも、間仕切り壁間に必要最小限の流動性部材５を残すことが可能となり、延設部４ｂが部分的に流動性部材５に浸かる状態を維持することができる。なお、間仕切り壁間には、鉛直方向から見た場合に隣り合う間仕切り壁２１間、および、鉛直方向から見た場合に間仕切り壁２１と筐体２０の内部側面２０ｃとの間を含むものとする。間仕切り壁２１は、流動性部材５の内部底面２０ｂ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。

上記のように構成される車両用電池パック１１では、複数の間仕切り壁２１は、車両の状態を考慮して、その鉛直方向の高さ（以下、単に「高さ」と呼ぶ。）が、筐体２０の内部底面２０ｂに貯留する流動性部材５の液面レベルよりも低くなるように構成されることが好ましい。複数の間仕切り壁２１は、例えば、車両が水平状態にあるときに、その高さが流動性部材５の液面レベルより低いことで、流動性部材５による均熱効果が維持され、かつ流動性部材５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１１は、筐体２０が、内部底面２０ｂ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２１を有する。間仕切り壁２１は、鉛直方向から見た場合に、隣り合う延設部４ｂの間に配置される。これにより、車両の状態にかかわらず、少なからず延設部４ｂが流動性部材５に浸かる状態を維持することができ、熱伝導部材４および流動性部材５による均熱効果を維持することができる。

[実施形態４]
次に、実施形態４に係る車両用電池パックについて説明する。図６は、実施形態４に係る車両用電池パックの概略構成を示す縦断面図である。

図６に示す実施形態４に係る車両用電池パック１２は、筐体２０の内部底面２０ｂに複数の間仕切り壁２１を有する点と、熱伝導部材４０の延設部４０ｂの鉛直方向の端部が内部底面２０ｂに接触する点が上述の車両用電池パック１と異なる。

熱伝導部材４０は、上述した熱伝導部材４に対して、延設部４０ｂが部分的に流動性部材５に浸かると共に、延設部４０ｂの鉛直方向の端部４０ｃが筐体２の内部底面２０ｂと接触する点が異なる。本実施形態における熱伝導部材４０は、延設部４０ｂの鉛直方向の端部４０ｃがＬ字形状を有し、端部４０ｃの鉛直方向に向く面が筐体２０の内部底面２０ｂに対して面接触する。

筐体２０は、上述した筐体２に対して、内部底面２０ｂに１つまたは複数の間仕切り壁２１が立設されている点が異なる。本実施形態における複数の間仕切り壁２１は、筐体２０の内部底面２０ｂから鉛直方向に立設され、鉛直方向から見た場合に、隣り合う延設部４０ｂの間に配置される

車両用電池パック１２は、熱伝導部材４０が、延設部４０ｂが筐体２０の内部底面２０ｂと接触する。そして、筐体２０が、内部底面２０ｂ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２１を有し、間仕切り壁２１が、鉛直方向から見た場合に、隣り合う延設部４０ｂの間に配置される。これにより、各電池３で発生した熱を確実に冷却することができると共に、車両の状態にかかわらず、少なからず延設部４０ｂが流動性部材５に浸かる状態を維持することができ、熱伝導部材４０および流動性部材５による均熱効果を維持することができる。

［変形例］
なお、以上の説明では、流動性部材５は、熱伝導性および蓄熱性を有する材料で構成され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く、潜熱蓄熱材または顕熱蓄熱材のいずれか一方であってもよいし、流動性液体に潜熱蓄熱材または顕熱蓄熱材が混ざり合ったものであってもよい。例えば、流動性部材５が潜熱蓄熱材である場合、車両の急加速や急減速等で電池３に負荷がかかって電池温度が急に上昇しても、潜熱蓄熱材として流動性部材５が相変化して蓄熱するので、電池３の温度上昇を抑制することが可能となる。また、車両用電池パック１２の低温時には、固体化した潜熱蓄熱材の熱伝導性が低下するので、電池３で発生した熱が熱伝導部材４および流動性部材５を介して筐体２に伝熱することを抑制することができ、電池３の暖機が可能になる。また、電池３への回生量の制限が行われていた場合には、当該制限がより早く解除され得る。

また、潜熱蓄熱材としての流動性部材５の相変化温度を電池３の許容上限温度より低く設定することで、所定値を超えて温度が上昇した場合には、潜熱蓄熱材としての流動性部材５を液化させ、液化した潜熱蓄熱材が流動することで、流動性部材５から筐体２，２０への伝熱が促進され、電池３の温度上昇をより防ぐことが可能である。

一般的なリチウムイオン電池は、環境温度が３０℃〜５０℃の範囲で使用する場合、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、６０℃を超える環境で使用すると劣化が進む。そこで、上記潜熱蓄熱材の固−液相変化温度を、例えば３０℃〜５０℃程度に設定することが好ましい。この条件では、電池温度の上昇過程で上記相変化温度付近になると潜熱により温度上昇を抑制することが可能であり、さらに電池温度が上昇すると、潜熱蓄熱材が液化することで流動し、筐体２への積極的な伝熱が可能となる。流動性部材５は、潜熱蓄熱材の固−液相変化する温度が電池３の使用温度に合わせて設定されることが好ましい。

また、以上の説明では、車両用電池パック１は、筐体２の内部底面２ｂに流動性部材５を貯留する構成であったが、これに限定されるものではなく、流動性部材５が貯留しておらず、熱伝導部材４の延設部４ｂの端部が内部底面２ｂに接触する構成であってもよい。

また、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、熱伝導部材４は、図１および図４に示すように、千鳥格子状に配列された複数個の電池３の間を外側面３ａに接触しながら縫うように配置されているが、これに限定されるものではない。

また、以上の説明では、複数の間仕切り壁２１は、図５、図６に示すように、延設部４ｂ，４０ｂを幅方向から挟むように配置されていてもよい。また、複数の間仕切り壁２１は、鉛直方向の高さがすべて同じ高さであってもよいし、異なる高さであってもよい。また、複数の間仕切り壁２１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。

また、以上の説明では、延設部４０ｂの端部４０ｃは、Ｌ字形状を有するとしたが、筐体２，２０の内部底面２ｂ，２０ｂに接触するものであれば、どのような形状であってもよい。また、内部底面２ｂ，２０ｂから鉛直方向に立設する立設部（不図示）を設け、当該立設部と延設部４０ｂを幅方向で重ね合わせるように接触させる構成であってもよい。

１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
３ａ外側面
４熱伝導部材
４ａ接触部
５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幅方向に配列される複数個の電池と、
前記鉛直方向から見た場合に、前記幅方向に間隔をあけて複数配置され、それぞれが前記幅方向と直交する奥行き方向に沿って形成され、少なくとも前記幅方向に隣り合う前記電池の外側面に接触する熱伝導部材と、
熱伝導性および蓄熱性を有し、前記複数個の電池と鉛直方向に対向する前記筐体の内部底面に貯留する流動性部材とを備え、
前記流動性部材は、潜熱蓄熱材または顕熱蓄熱材のうち、固−液相変化するものであり、
前記流動性部材は、前記筐体が傾斜していない状態で、前記複数個の電池に対して鉛直方向に前記内部空間を介して対向し、
前記熱伝導部材は、各前記電池の外側面と接触する接触部から前記鉛直方向に向かって延設された延設部が前記電池の鉛直方向下にある前記流動性部材に浸かることを特徴とする車両用電池パック。
前記筐体は、前記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、隣り合う前記延設部の間に配置され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。
前記熱伝導部材は、前記延設部が前記筐体の内部底面と接触す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。
前記熱伝導部材は、各前記電池の外側面と接触する接触部から前記鉛直方向に向かって延設された延設部が前記筐体の内部底面と接触することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電池パック。