JP6931626B2 - 車両用電池の冷却構造 - Google Patents
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Description
本発明は、車両用電池の冷却構造に関し、特に、冷却水循環管路の下方に冷却水貯留チャンバを配設して熱容量を増大させ、熱交換効率を向上させることで、電池セルが連鎖的に発煙することを防止する車両用電池の冷却構造に関する。
従来の電池冷却構造１００として、図５に示す冷却構造が知られている。図５は、従来の電池冷却構造１００を示す側面断面図である。
図５に示す如く、電池冷却構造１００は、主に、空調装置１０１からの冷却風を、車両を駆動するための電力を蓄えるバッテリユニット１０２に導く冷風ダクト１０３と、バッテリユニット１０２を冷却するための冷却水ＣＷが循環される冷却水循環パイプ１０４と、冷却水タンク１０５内の冷却水ＣＷと空調装置１０１の冷凍サイクルの冷媒との熱交換を行う熱交換器１０６と、冷却水循環パイプ１０４に設けられ冷却水ＣＷを循環させる冷却水ポンプ１０７と、を備えている。
電池冷却構造１００は、バッテリユニット１０２のバッテリパック１０２Ａの充電時に自動的または操作スイッチの操作に応じて、バッテリパック１０２Ａの強冷却モードを有している。そして、強冷却モードでは、冷風ダクト１０３内を流れる冷却風にて冷却されると共に、冷却水ポンプ１０７を稼動させ、冷却水循環パイプ１０４内を流れる冷却水ＣＷも用いて、バッテリパック１０２Ａを冷却することができる（例えば、特許文献１参照。）。
上述したように、電池冷却構造１００では、熱交換効率を向上させるため、冷却風を冷風ダクト１０３へと流し冷却する第１の冷却系統と、冷却水ＣＷを冷却水循環パイプ１０４へと流し冷却する第２の冷却系統と、の２つの冷却系統を、適宜、用いて、バッテリユニット１０２を冷却することができる。
そして、バッテリパック１０２Ａの充電時等、バッテリパック１０２Ａが、正常に稼働している状態においては、上記２つの冷却系統を同時に用いることで、適正にバッテリパック１０２Ａを冷却することができる。しかしながら、バッテリパック１０２Ａが異常発熱し、発煙した際には、上記２つの冷却系統では、冷却対応することが出来ず、隣接するバッテリパック１０２Ａが連鎖的に発煙する恐れがあるという問題がある。
冷却水ＣＷを用いた第２の冷却系統は、冷却風を用いた第１の冷却系統よりも冷却効率に優れるが、電池冷却構造１００では、第２の冷却系統は第１の冷却系統と併用することが前提であり、冷却水循環パイプ１０４の配管径も小さく、また、バッテリパック１０２Ａと冷却水循環パイプ１０４との対向面積も小さい。そのため、バッテリパック１０２Ａが異常発熱した際には、熱容量が小さく、熱交換効率が悪いため、隣接するバッテリパック１０２Ａが連鎖的に発煙することを防止し難いという問題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、冷却水循環管路の下方に冷却水貯留チャンバを配設して熱容量を増大させ、熱交換効率を向上させることで、電池セルが連鎖的に発煙することを防止する車両用電池の冷却構造に関する。
本発明の車両用電池の冷却構造では、複数の電池セルが一方向に配列された電池モジュールと、前記電池モジュールを冷却する冷却水を循環させる冷却水循環管路と、前記冷却水循環管路と連結し、前記電池モジュールの下面と対向して配設されると共に、前記電池モジュールの下面に固定された伝熱シートと接触した状態にて配設される冷却水貯留部と、前記電池モジュールの下方にて、前記冷却水貯留部の下面と接触した状態にて配設される非循環式の冷却水貯留チャンバと、を備えることを特徴とする。
また、本発明の車両用電池の冷却構造では、前記冷却水貯留部は、前記冷却水循環管路よりも広い管路断面を有し、前記冷却水貯留チャンバは、車両の底板部の上面に配設されていることを特徴とする。
また、本発明の車両用電池の冷却構造では、前記冷却水貯留部と前記冷却水貯留チャンバとは一体型温調筐体として形成され、前記一体型温調筐体は、前記伝熱シートと接触する第１の金属プレートと、前記底板部と接触する第２の金属プレートと、前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートにて形成される内部空間を前記冷却水貯留部としての上方空間と前記冷却水貯留チャンバとしての下方空間へと区画する第３の金属プレートと、を有し、前記第１の金属プレート、前記第２の金属プレート及び前記第３の金属プレートは、アルミニウムから成ることを特徴とする。
また、本発明の車両用電池の冷却構造では、前記一体型温調筐体の下方の前記底板部には、前記車両の外部へと突出する冷却フィンが形成されていることを特徴とする。
また、本発明の車両用電池の冷却構造では、前記一体型温調筐体と前記底板部との間には、前記一体型温調筐体の外周縁部に沿って環状の絶縁性台座が配設されていることを特徴とする。
本発明の車両用電池の冷却構造では、複数の電池セルが一方向に配列された電池モジュールと、電池モジュールの下面と対向して配設される冷却水循環管路と、電池モジュールの下方にて、冷却水循環管路の下面と接触した状態にて配設される非循環式の冷却水貯留チャンバと、を備えている。この構造により、電池モジュール下方での熱容量が増大し、熱交換効率が向上することで、電池セルが異常発熱した際に、隣接する電池セルが連鎖的に異常発熱し、発煙することを防止することができる。
また、本発明の車両用電池の冷却構造では、冷却水循環管路には、冷却水循環管路を流れる冷却水が一時的に貯留される冷却水貯留部を有し、冷却水貯留部は、伝熱シートと接触した状態にて電池モジュールの下面に配設されると共に、冷却水貯留チャンバは、車両の底板部の上面に配設されている。この構造により、電池セルが異常発熱した際に、電池セルにて発生した熱を素早く車外へ排出することで、隣接する電池セルが、上記熱に起因して連鎖的に発煙することを防止することができる。
また、本発明の車両用電池の冷却構造では、冷却水貯留部と冷却水貯留チャンバとは一体型温調筐体として形成され、一体型温調筐体を構成する３枚の金属プレートとして、熱伝導率に優れたアルミニウムが用いられている。この構造により、電池セルが異常発熱した際には、一体型温調筐体としての熱容量を増大させ、熱交換効率を向上させることができる。
また、本発明の車両用電池の冷却構造では、一体型温調筐体の下方の車両の底板部には、車両の外部へと突出する冷却フィンが形成されている。この構造により、底板部での熱交換効率が向上され、電池セルにて異常発熱が発生した際に、素早く車両外部へと排熱することができる。
また、本発明の車両用電池の冷却構造では、一体型温調筐体と底板部との間には、一体型温調筐体の外周縁部に沿って環状の絶縁性台座が配設されている。この構造により、一体型温調筐体は、絶縁性台座からの反力を受け、車両用電池側へと向けて反った形状となり、一体型温調筐体と車両用電池との接触面積を増大させ、冷却効率を向上させることができる。
以下、本発明の一実施形態に係る車両用電池の冷却構造を図面に基づき詳細に説明する。尚、本実施形態の説明の際には、同一の部材には原則として同一の符番を用い、繰り返しの説明は省略する。
図１は、本実施形態の車両用電池１０の冷却構造１２を備えた車両１１を説明する概略図である。図２（Ａ）は、本実施形態の車両用電池１０の冷却構造１２を説明する分解斜視図である。図２（Ｂ）は、本実施形態の車両用電池１０の冷却構造１２を説明する断面斜視図である。図３（Ａ）は、本実施形態の車両用電池１０の冷却構造１２を説明する斜視図である。図３（Ｂ）は、本実施形態の車両用電池１０の冷却構造１２を説明する断面図である。図４は、本実施形態の車両用電池１０の冷却構造１２の変形例を説明する断面図である。
自動車や電車等の車両１１には、モータや様々の電装部品に電力を供給するための車両用電池１０が搭載されている。車両１１として自動車の場合には、近年、ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等が普及しており、これらの車両１１にも、高い蓄電機能を有した車両用電池１０が搭載されている。
図１に示す如く、車両用電池１０は、例えば、車両１１の後方のリアフロア下方の収納スペースに配設され、車両用電池１０は、その長手方向が、車両１１の車幅方向（紙面左右方向）と一致するように配設されている。そして、車両用電池１０の下面には、車両用電池１０を冷却する水冷式の一体型温調筐体１３（以下、「温調筐体１３」と呼ぶ。）が配設されている。尚、車両用電池１０は、リアフロア下方に配設される場合に限定されるものではなく、車両１１の前方側の運転席や助手席が配設されるフロントフロア等の下方に配設される場合でも良い。
詳細は後述するが、温調筐体１３は、３枚の金属プレート２１、２２、２３（図２（Ａ）参照）を積層して形成され、温調筐体１３の内部空間は、上下方向に２つの内部空間へと区画されている。そして、温調筐体１３の上方側内部空間は、車両１１内を循環する冷却水が、その流れの中にて一時的に充填される冷却水貯留部３５（図３（Ｂ）参照）として用いられる。一方、温調筐体１３の下方側内部空間は、非循環式の閉空間であり、一度充填された冷却水が滞留し続ける冷却水貯留チャンバ３６（図３（Ｂ）参照）として用いられる。
温調筐体１３の冷却水貯留部３５には、車両１１内にて冷却水を循環させる冷却水循環管路１４が連結し、両部材にて冷却水の循環管路を形成している。冷却水循環管路１４は、例えば、車両１１のラジエータ１５と連結し、冷却水貯留部３５にて車両用電池１０と熱交換して温められた冷却水は、ラジエータ１５を通過する車外空気と熱交換することで冷却され、再び、冷却水貯留部３５へと送られる。つまり、冷却水は、熱交換を繰り返しながら、冷却水ポンプ１６を介して温調筐体１３、冷却水循環管路１４及びラジエータ１５間を循環することで、水冷式の車両用電池１０の冷却構造１２を実現している。
図２（Ａ）に示す如く、温調筐体１３は、絞り加工された３枚の金属プレート２１、２２、２３から形成されている。金属プレート２１、２２、２３としては、車両用電池１０（図３（Ａ）参照）の冷却効率や車両１１の軽量化等を考慮し、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウムが用いられる。また、金属プレート２１、２２、２３としては、車両用電池１０との対向領域を出来る限り確保するように、車両用電池１０の底面形状に合わせて略長方形形状の板材が用いられる。
図２（Ｂ）に示す如く、金属プレート２１、２２、２３には、それぞれ外周縁部に沿って環状の連結用の固定領域２１Ａ、２２Ａ、２３Ａが形成され、その固定領域２１Ａ、２２Ａ、２３Ａを位置合わせし、ボルト締結等により固定することで、温調筐体１３が形成される。
温調筐体１３の上面側には平坦領域Ｓ１が形成され、平坦領域Ｓ１は、車両用電池１０の底面に貼り付けられた伝熱シート３４（図３（Ｂ）参照）と接触する領域であり、その接触領域を増大させることで、熱交換効率を向上させることができる。一方、温調筐体１３の下面側にも平坦領域Ｓ２が形成され、平坦領域Ｓ２は、車両１１の底板部３１（図３（Ｂ）参照）と接触する領域であり、その接触領域を増大させることで、熱交換効率を向上させることができる。
図３（Ａ）に示す如く、車両用電池１０の冷却構造１２は、主に、車両用電池１０と、車両用電池１０の下面に配設される温調筐体１３と、温調筐体１３と連結する冷却水循環管路１４と、を備えている。
車両用電池１０は、主に、収納箱体３８（図３（Ｂ）参照）と、収納箱体３８内に収納される複数の電池セル３２が直列接続されて構成される電池モジュール３３と、を有している。電池セル３２は、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池である。個々の電池セル３２は、例えば、扁平な直方体形状であり、車両１１の車幅方向（紙面左右方向）に沿って、その前後に絶縁層３９（図３（Ｂ）参照）を挟みながら等間隔に配列されている。
絶縁層３９は、互いに隣接する電池セル３２を電気的に絶縁するための部材である。更には、絶縁層３９は、伝熱性の悪い材料、例えば、多孔性の発泡樹脂から形成され、１つの電池セル３２が異常発熱した際に、その熱が隣接した電池セル３２に伝わり難い構造を実現している。
図３（Ｂ）では、図３（Ａ）に示す車両用電池１０の冷却構造１２のＡ−Ａ線方向の断面を示している。上述したように、車両用電池１０は、車両１１の後方のリアフロア下方の収納スペースに配設されている。車両１１の底板部３１は、板金からなるフロアパネルであり、温調筐体１３の平坦領域Ｓ２が底板部３１と接触するように、温調筐体１３は、底板部３１の上面にボルト締結により固定されている。そして、温調筐体１３の上面には、その下面に伝熱シート３４が貼り合された車両用電池１０が配設され、温調筐体１３の平坦領域Ｓ１が、伝熱シート３４と接触している。
温調筐体１３は、絞り加工された３枚の金属プレート２１、２２、２３から形成され、金属プレート２１、２３にて温調筐体１３の外形を形成し、金属プレート２２にて、その内部空間を上下方向に２つの内部空間へと区分している。そして、温調筐体１３の上方側内部空間は、車両用電池１０を冷却するための冷却水を貯留する冷却水貯留部３５として用いられる。一方、温調筐体１３の下方側内部空間は、個々の電池セル３２が異常発熱した際に、発生した熱を車両１１の外部へと排出するための冷却水を滞留し続ける冷却水貯留チャンバ３６として用いられる。
冷却水貯留部３５は、車両１１内にて冷却水を循環させる冷却水循環管路１４と連結し、冷却水循環管路１４の一部として機能している。そして、冷却水貯留部３５は、冷却水循環管路１４よりも広い管路断面を有し、冷却水循環管路１４内を流れる冷却水が、その流れの中にて一時的に冷却水貯留部３５に貯留される。図３（Ａ）に示すように、冷却水貯留部３５の平坦領域Ｓ１は、車両用電池１０の下面よりも若干狭いが、ほぼ同等の面積を有し、冷却水循環管路１４は、平坦領域Ｓ１の長手方向（紙面左右方向）両端側にて冷却水貯留部３５と連結している。
この構造により、冷却水貯留部３５の冷却水は、冷却水循環管路１４内よりもゆっくりと流れながら、伝熱シート３４を介して電池モジュール３３と熱交換を行い、車両用電池１０を冷却する。そして、冷却水循環管路１４の間に冷却水貯留部３５を配設することで、冷却水貯留部３５の平坦領域Ｓ１により、車両用電池１０の下面との広い対向領域を確保することで、熱容量も増大し、優れた冷却性能を有する車両用電池１０の冷却構造１２を実現している。
冷却水貯留チャンバ３６は、非循環式の閉空間であり、一度充填された冷却水が滞留し続ける構造となっている。冷却水としては、例えば、年間を通して凍結しない不凍液が用いられる。図示したように、冷却水貯留部３５内の冷却水と冷却水貯留チャンバ３６内の冷却水とは、金属プレート２２にて分離されているが、上述したように、金属プレート２２は伝熱性に優れた材料から成ることで、温調筐体１３は、その全体としての熱容量が増大し、熱交換効率が向上される。
冷却水貯留チャンバ３６内の冷却水は、主に、電池モジュール３３内の個々の電池セル３２が異常発熱した際に、熱交換し、その発生した熱を車外へと排出することを目的としている。そして、電池セル３２は、その前後側面では絶縁層３９と接触し、その下側面では熱交換効率に優れた温調筐体１３と接触している。
この構造により、異常発熱した電池セル３２では、主に、熱容量の大きい温調筐体１３と熱交換が行われ、隣接する電池セル３２へと発生した熱が伝わり難くなる。更に、上述したように、隣接する電池セル３２との間には絶縁層３９が配設されることでも、隣接する電池セル３２へと発生した熱が伝わり難くなる。そして、異常発熱した電池セル３２と隣接する正常な電池セル３２では、上記熱に起因して連鎖的に発煙することが防止される。
また、図３（Ｂ）に示す如く、温調筐体１３と車両１１の底板部３１との間には、温調筐体１３の外周縁部に沿って絶縁性台座３７が配設されている。絶縁性台座３７は、例えば、温調筐体１３の外周縁部に沿って環状に形成されている。そして、温調筐体１３の固定領域２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ及びその周辺領域が、下方から絶縁性台座３７により支持されている。
この構造により、温調筐体１３は、絶縁性台座３７からの反力を受け、車両用電池１０側へと向けて反った形状となり、温調筐体１３の平坦領域Ｓ１が、車両用電池１０の下面の伝熱シート３４へ押し付けられた状態となり、平坦領域Ｓ１と伝熱シート３４との接触領域を増大させ、冷却効率を向上させることができる。また、温調筐体１３が、車両用電池１０側へと向けて反った形状となることで、経年劣化により伝熱シート３４と温調筐体１３との間に隙間が発生し難くなり、冷却効率が悪化することが防止される。
図４に示す如く、温調筐体１３が配設される領域の車両１１の底板部３１には、車外側へと突出する冷却フィン４１が形成されている場合でも良い。温調筐体１３の平坦領域Ｓ２は、車両１１の底板部３１と接触し、冷却水貯留チャンバ３６内の冷却水は、底板部３１を介して車外の空気と熱交換することで、電池セル３２が異常発熱した際に、発生した熱を車両１１の外部へと排出し易くなる。
図示していないが、複数の冷却フィン４１は、車両１１の車幅方向において、一定間隔にて配設されることで、車外の空気との接触面積が増大し、底板部３１での冷却効率を向上させることができる。そして、個々の冷却フィン４１は板状体であり、車両１１の前方から後方へと向けて延在することで、車両１１の下面での空力特性を悪化させることを防止できる。
尚、本実施形態では、車両用電池１０の下面に一体型の温調筐体１３を配設し、車両用電池１０の一部が異常発熱した際には、温調筐体１３の冷却水貯留チャンバ３６により熱容量を増大させ、熱交換効率を向上させることで、電池セル３２が連鎖的に発煙することを防止する場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、冷却水循環管路１４と冷却水貯留チャンバとを個別に形成し、車両１１の底板部３１の上面に上記冷却水貯留チャンバを配設し、その冷却水貯留チャンバの上面に接触するように冷却水循環管路１４を配設し、冷却水循環管路１４の上面に車両用電池１０を配設する冷却構造においても、上述した効果と同様な効果を得ることができる。
また、冷却水循環管路１４は、温調筐体１３の冷却水貯留部３５と連結すると共に、車両１１のラジエータ１５と連結し、冷却水循環管路１４内を流れる冷却水は、ラジエータ１５にて熱交換して冷却される場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、冷却水循環管路１４は、温調筐体１３の冷却水貯留部３５と連結すると共に、車両１１の車両用空調装置のヒートコアと連結する場合でも良い。この場合でも、冷却水循環管路１４内を流れる冷却水は、ヒートコアにて車外空気と熱交換して冷却される場合でも良い。また、冷却水循環管路１４内を流れる冷却水が、車両１１内に配設された、冷却器、圧縮機、凝縮器および膨張手段が冷媒配管を介して連結された冷凍サイクルを介して冷却される場合でも良い。これらの場合においても、上述した効果と同様な効果を得ることができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲にて種々の変更が可能である。
１０ 車両用電池
１１ 車両
１２ 冷却構造
１３ 一体型温調筐体
１４ 冷却水循環管路
２１、２２、２３ 金属プレート
３１ 底板部
３２ 電池セル
３３ 電池モジュール
３４ 伝熱シート
３５ 冷却水貯留部
３６ 冷却水貯留チャンバ
３７ 絶縁性台座
３８ 収納箱体
３９ 絶縁層
４１ 冷却フィン
１１ 車両
１２ 冷却構造
１３ 一体型温調筐体
１４ 冷却水循環管路
２１、２２、２３ 金属プレート
３１ 底板部
３２ 電池セル
３３ 電池モジュール
３４ 伝熱シート
３５ 冷却水貯留部
３６ 冷却水貯留チャンバ
３７ 絶縁性台座
３８ 収納箱体
３９ 絶縁層
４１ 冷却フィン
Claims (5)
- 複数の電池セルが一方向に配列された電池モジュールと、
前記電池モジュールを冷却する冷却水を循環させる冷却水循環管路と、
前記冷却水循環管路と連結し、前記電池モジュールの下面と対向して配設されると共に、前記電池モジュールの下面に固定された伝熱シートと接触した状態にて配設される冷却水貯留部と、
前記電池モジュールの下方にて、前記冷却水貯留部の下面と接触した状態にて配設される非循環式の冷却水貯留チャンバと、を備えることを特徴とする車両用電池の冷却構造。 - 前記冷却水貯留部は、前記冷却水循環管路よりも広い管路断面を有し、
前記冷却水貯留チャンバは、車両の底板部の上面に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用電池の冷却構造。 - 前記冷却水貯留部と前記冷却水貯留チャンバとは一体型温調筐体として形成され、
前記一体型温調筐体は、前記伝熱シートと接触する第１の金属プレートと、前記底板部と接触する第２の金属プレートと、前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートにて形成される内部空間を前記冷却水貯留部としての上方空間と前記冷却水貯留チャンバとしての下方空間へと区画する第３の金属プレートと、を有し、
前記第１の金属プレート、前記第２の金属プレート及び前記第３の金属プレートは、アルミニウムから成ることを特徴とする請求項２に記載の車両用電池の冷却構造。 - 前記一体型温調筐体の下方の前記底板部には、前記車両の外部へと突出する冷却フィンが形成されていることを特徴とする請求項３に記載の車両用電池の冷却構造。
- 前記一体型温調筐体と前記底板部との間には、前記一体型温調筐体の外周縁部に沿って環状の絶縁性台座が配設されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の車両用電池の冷却構造。
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