JP7045729B2 - 電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、電池システムに関し、具体的には、電気車両に適用される電池システムに関する。
人々の環境意識の高まりに伴い、充電式電池を用いて電気をエネルギー源として走行することで、大気汚染物質や温室効果ガスを排出しない電気自動車（electric vehicles、略称：ＥＶｓ）が開発されると共に世間の注目を集めている。
なお、電気自動車は、走行時に電気自動車内に搭載された充電式電池が連続的に放電して熱が発生するので、充電式電池の放電で生じた熱を効率よく発散することが課題になる。
特許文献１には、電気自動車用の水冷式電池モジュール９が記載されている。
図５を参照して特許文献１に記載された従来の水冷式電池モジュール９について説明する。ここで、図５は特許文献１に記載された従来の水冷式電池モジュール９の構造が示される分解斜視図である。
図５に示されるように、従来の水冷式電池モジュール９は、それぞれ並列している複数の電池モジュール９１と、それぞれ隣り合ういずれか２つの電池モジュール９１の間に配置されている複数の放熱フィン９２と、各放熱フィン９２と連接するように配置されていると共に内に冷却液体を循環する液体冷却板９３と、それぞれ放熱フィン９２と電池モジュール９１との間に配置されている複数の第１の熱伝導体９４１、及び、各放熱フィン９２と液体冷却板９３との間に配置されている第２の熱伝導体９４２を有している熱伝導体モジュール９４と、を備えている。
各電池モジュール９１は、複数の電池９１１と、それそれ該複数の電池９１１の電極と接続されている複数の組電池用バスバー９１２と、を備えている。ここで、各組電池用バスバー９１２は、例えば、溶接やねじ込み接続を介して対応する電池９１１の電極と電気的に接続されている。
また、図５に示されるように、熱伝導体モジュール９４の第１の熱伝導体９４１は、対応する電池モジュール９１における複数の組電池用バスバー９１、及び、対応する放熱フィン９２に当接するように配置されている一方、熱伝導体モジュール９４の第２の熱伝導体９４２は、両面がそれぞれ各放熱フィン９２の底部にある接触部(図示せず) 、及び、液体冷却板９３と接触するように配置されている。
以下、特許文献１に記載された従来の水冷式電池モジュール９における、電池モジュール９１により生じた熱の排出について説明する。
まず、該電池モジュール９１における複数の電池９１１が放電して生じた熱は、熱伝導体モジュール９４の第１の熱伝導体９４１を介して、放熱フィン９２に伝送する。
次に、各放熱フィン９２に伝わった熱は、熱伝導体モジュール９４の第２の熱伝導体９４２を介して、液体冷却板９３まで伝送する。
そして、液体冷却板９３に伝わった熱は、液体冷却板９３内に循環している冷却液体を介して該水冷式電池モジュール９の外部に伝送する。
したがって、従来の水冷式電池モジュール９は、それぞれ放熱フィン９２と電池モジュール９１との間には液体冷却板を設置することなく、熱を伝送する機能を有する第１の熱伝導体９４１及び第２の熱伝導体９４２を設置することによって、従来の水冷式電池モジュール９が作動時に生じた熱を排出することができる。
そのため、従来の水冷式電池モジュール９は、放熱フィン９２と電池モジュール９１との間に更なる液体冷却板を設置せずに、比較的安価な第１の熱伝導体９４１及び第２の熱伝導体９４２を設置するだけで電池モジュール９１の放熱を図っているので、コストを削減することができる。
特許文献２には、液体浸漬冷却される電子装置用の回路板アセンブリが記載されている。ここで、該電子装置は、例えば、コンピュータであり、且つ、該回路板アセンブリは、該コンピュータに対応するマザーボードである。
該回路板アセンブリは、回路基板と、該回路基板の上に搭載された複数の発熱電子部品と、該複数の発熱電子部品を冷却するための冷却液と、該冷却液を流動するためのポンプと、を備えている。なお、該発熱電子部品は、例えばプロセッサ、メモリー、グラフィックコントローラ、電源などである。
このような回路板アセンブリによって、電子装置が作動している場合に、冷却液の流動で複数の発熱電子部品からの熱を電子装置の外部に排出することができる。
中国実用新案公告第２０７５４２３５８号明細書 米国特許第７４１４８４５Ｂ２号明細書
しかしながら、特許文献１に記載された電気自動車用の水冷式電池モジュールは、熱伝導体モジュールを用いて電池の放電による熱を液体冷却板に伝送して、そして液体冷却板によって水冷式電池モジュールの外部に排出することができるが、電気自動車の航続距離を延長するために、該水冷式電池モジュールにおいてより数多くの電池を設置すると、水冷式電池モジュールに係る放熱の効率を向上することが要求されるので、熱伝導体モジュールを作成する材料として熱伝導能力がより高いものを使う必要性がある。
そこで、熱伝導能力に優れた熱伝導体モジュールに変えると、電気自動車の製造コストが高くなるという欠点がある。
さらに、特許文献２に記載された回路板アセンブリは、冷却液が電子装置の回路基板にある複数の発熱電子部品へ直接に接触して冷却を行なうことができるが、電子装置において電子部品または冷却液に関する情報を把握することができない。
そのため、上記した電気自動車用の水冷式電池モジュール、及び、液体浸漬冷却される電子装置用の回路板アセンブリは、設置及び機能の多様性において尚も改善の余地がある。
よって、本発明は上記問題点に鑑みて、上記欠点を解決できる電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明は以下の電池システムを提供する。
即ち、電気車両に適用され、所定の熱管理流体を用いて熱管理を行なうことができ、且つ、少なくとも１つの電池モジュールと、管理モジュールと、を備えている電池システムであって、
前記電池モジュールは、互いに並列している複数の電池セルと、前記複数の電池セル及び前記熱管理流体を収容している収容空間を画成しているケーシングと、を備えており、且つ、前記熱管理流体が前記収容空間を通って流れることにより、前記収容空間内にある前記複数の電池セルに対して熱管理を行なうことができ、
前記管理モジュールは、前記熱管理流体が流れることができるように、前記電池モジュールの前記収容空間と連通しており、且つ、前記熱管理流体に浸されていて前記電池セル及び前記熱管理流体に関する情報を感知することができる少なくとも１つの感知ユニットを備えている電池システムを提供する。
上記構成により、本発明に係る電池システムは、電池モジュール及び管理モジュールが互いに連通して、熱管理流体が電池モジュールにも管理モジュールにも流動することができることによって、管理モジュールの感知ユニットが熱管理流体に関する情報(例えば、温度や圧力や流量など)を感知及び収集することができる。
これによって、本発明の電池システムを電気車両に搭載した場合、電池システムに関連する状態を使用者がはっきり把握することができ、よってより優れた安全性を得ることができる。
本発明に係る第１の実施形態の電池システムの構成が示される模式図である。 該第１の実施形態における管理モジュールが示される模式図である。 本発明に係る第２の実施形態の電池システムの構成が示される模式図である。 本発明に係る第３の実施形態の電池システムの構成が示される模式図である。 特許文献１に記載された従来の水冷式電池モジュールの構成が示される分解斜視図である。
本発明に係る電池システム１は、主に電気車両に適用することができ、所定の熱管理流体を用いて電気車両の動力源、すなわち、電池に対して熱管理を行なうことができる。
以下、本発明に係る電池システム１について図面を参照しながら説明する。
図１及び図２を参照して本発明に係る電池システム１の第１の実施形態を説明する。ここで、図１は本発明に係る電池システム１の第１の実施形態の構成が示される模式図であり、また、図２は該第１の実施形態における管理モジュール２００が示される模式図である。
図１に示されるように、本発明に係る第１の実施形態の電池システム１は、少なくとも１つの電池モジュール１００と、管理モジュール２００と、を備えている。
電池モジュール１００は、図１に示されるように、互いに並列している複数の電池セル１０１と、複数の電池セル１０１及び熱管理流体を収容している収容空間１０３を画成しているケーシング１０２と、を備えており、且つ、熱管理流体が収容空間１０３を通って流れることにより、収容空間１０３内にある複数の電池セル１０１に対して熱管理を行なうことができる。
また、各電池セル１０１は、図１に示されるように、両端にそれぞれ第１の端子１１及び第２の端子１２を有している。
なお、該熱管理流体は、例えば、ミネラルオイル（mineral oil）、シリコンオイル（silicone oil）、エステルベースオイル（ester-based oil）、或いは、工業用流体（engineered fluid）であることができる。なお、本実施形態では、該熱管理流体は、工業用流体であるが、ここでそれに限定されず、複数の電池セル１０１に対して冷却を実行することができる流体を選定すればよい。
本実施形態において、電池モジュール１００は、図１に示されるように、各電池セル１０１の第１の端子１１と電気的に接続していて、各電池セル１０１の第１の端子１１同士を電気的に接続している第１の接続ユニット１３と、各電池セル１０１の第２の端子１２と電気的に接続していて、各電池セル１０１の第２の端子１２同士を電気的に接続している第２の接続ユニット１４と、を更に備えている。
ここで、第１の接続ユニット１３及び第２の接続ユニット１４に関する詳細な内容は、すでに本発明者が出願した特開２０１７－１７４７９２号明細書に開示されたので、更なる詳細な記載がなくても、同業者であれば、上記の明細書に基づいて利用できると考える。
本実施形態の電池システム１は、図１に示されるように、電池モジュール１００を複数備えている。また、該複数の電池モジュール１００は、互いに積み重ねられている上、すべての収容空間１０３が互いに連通するように配置されて、熱管理流体がすべての電池モジュール１００に触れるようにケーシング１０２の収容空間１０３を通って流れることができると共に、すべての複数の電池セル１０１がそれぞれの第１の接続ユニット１３及び第２の接続ユニット１４を介して互いに電気的に接続されている。具体的に、該複数の電池モジュール１００は、図１に示されるように、互いに連接している組み立てブロックのように、組電池に形成されている。
また、第１の接続ユニット１３は、それぞれ対応する電池モジュール１００における各電池セル１０１の第１の端子１１に接続されている複数の第１の接続部１３１を有している。一方、第２の接続ユニット１４は、それぞれ対応する電池モジュール１００における各電池セル１０１の第２の端子１２に接続されている複数の第２の接続部１４１を有している。
管理モジュール２００は、図１及び図２に示されるように、熱管理流体が流れることができるように、電池モジュール１００の収容空間１０３と連通しており、且つ、ハウシング２０１と、第１の回路基板２０３と、熱管理流体に浸されていて電池セル１０１及び熱管理流体に関する情報を取得することができる少なくとも１つの感知ユニット３００と、を備えている。
ハウシング２０１は、収容空間１０３における複数の電池モジュール１００のうちの先頭の１つまたは末尾の１つが位置する側と連通していると共に、熱管理流体が流れることができる内室２０２を画成している。
本実施形態では、図１に示されるように、ハウシング２０１の内室２０２は、収容空間１０３における複数の電池モジュール１００のうちの先頭の１つが位置する側と連通されていて、内室２０２における熱管理流体が先頭の電池モジュール１００の収容空間１０３へ流れ得る。
第１の回路基板２０３は、内室２０２の内に配置されて熱管理流体に浸されていると共に、感知ユニット３００が感知した情報を受信且つ管理する機能を有している。
本実施形態において、感知ユニット３００は、図１及び図２に示されるように、第１の回路基板２０３に取り付けられている接続センサ３０１と流量センサ３０２、及び、それぞれ対応する電池モジュール１００の収容空間１０３内に配置されている複数の感圧センサ３０３と複数の温度センサ３０４、を有している。
接続センサ３０１は、先頭の電池モジュール１００におけるいずれか２つの第１の接続部１３１と電気的に接続されていて２つの第１の接続部１３１の間の電気抵抗を測定することで、熱管理流体の汚染や熱管理流体の化学的変化をも確認することができる。なお、接続センサ３０１と２つの第１の接続部１３１との電気的接続は、図１において点線で表されている。
流量センサ３０２は、熱管理流体の流量を感知することで、熱管理流体を流すポンプ（図示せず）が正常に作動していることを確認することができるものである。
複数の感圧センサ３０３は、収容空間１０３内にある熱管理流体の液圧を感知することができ、且つ、第１の回路基板２０３と電気的に接続されていて第１の回路基板２０３に液圧に関するデータを通信することができる。なお、本実施形態では、複数の感圧センサ３０３は、いずれもＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサである。
複数の温度センサ３０４は、収容空間１０３内にある熱管理流体の温度を感知することができ、且つ、第１の回路基板２０３と電気的に接続されていて第１の回路基板２０３に温度に関するデータを通信することができる。
ここで、上記した各センサ３０１、３０２、３０３、３０４は、いずれか２つの第１の接続部１３１の間の電気抵抗の測定や、熱管理流体の流量や液圧や温度の感知を行なうことによって、各電池モジュール１００における複数の電池セル１０１の状態や、熱管理流体の状態を把握することを目的とするものである。
さらに、各センサ３０１、３０２、３０３、３０４は、熱管理流体に浸されているが、これは冷却のためではなく、上述のように電池セル１０１の状態や、熱管理流体の状態を把握するためである。
本実施形態では、図１に示されるように、複数の電池モジュール１００において、すべての電池セル１０１の電気的接続（第１の接続ユニット１３と第２の接続ユニット１４とを介した接続）、及び、接続センサ３０１と２つの第１の接続部１３１との電気的接続により、本実施形態の電池システム１において更なる熱が発生する。それに伴い、当該電気的接続に起因する熱は、電池システム１に温度の上昇をもたらすため、電池モジュール１００に悪影響を及ぼす恐れがある。それだけではなく、当該電気的接続にヒューズ素子が含まれる場合には、温度が上がるとヒューズ素子に対しても悪影響を与える可能性がある。
よって、本実施形態の電池システム１は、従来に比べて、熱管理流体を用いて電池モジュール１００における複数の電池セル１０１に対して冷却を実行するのみならず、上記した電気的接続（すなわち、すべての複数の電池セル１０１の電気的接続、及び、接続センサ３０１と２つの第１の接続部１３１との電気的接続）箇所をも熱管理流体に浸すことによって、当該電気的接続箇所に対しても冷却を実行することができ、これにより、上記した悪影響を解消すると同時に、複数の電池セル１０１の放電効率を更に向上させて消費電力の削減を図ることができる。
図３を参照して本発明に係る電池システム１の第２の実施形態を説明する。ここで、図３は本発明に係る第２の実施形態の電池システム１の構成が示される模式図である。
本発明に係る電池システム１の第２の実施形態は、第１の実施形態と多くの構成が共通する。本実施形態では、管理モジュール２００は、図３に示されるように、それぞれ対応する電池モジュール１００の収容空間１０３内に配置されている感知ユニット３００を複数備えている。
各感知ユニット３００は、図３に示されるように、収容空間１０３内においてケーシング１０２に配置されている第２の回路基板３０５、及び、それぞれ第２の回路基板３０５に設けられている接続センサ３０１と流量センサ３０２と感圧センサ３０３と温度センサ３０４と無線送信装置３０６、を有している。
接続センサ３０１は、対応する電池モジュール１００におけるいずれか２つの第１の接続部１３１と電気的に接続されていて２つの第１の接続部１３１の間の電気抵抗を測定することができる。ここで、接続センサ３０１と２つの第１の接続部１３１との電気的接続は、図３において点線で表されている。
流量センサ３０２は、対応する収容空間１０３内にある熱管理流体の流量を感知することができる。
感圧センサ３０３は、対応する収容空間１０３内にある熱管理流体の液圧を感知することができる。本実施形態では、第１の実施形態と同じく複数の感圧センサ３０３は、いずれもＭＥＭＳセンサである。
温度センサ３０４は、対応する収容空間１０３内にある熱管理流体の温度を感知することができる。
無線送信装置３０６は、当該第２の回路基板３０５上に取り付けられている接続センサ３０１と流量センサ３０２と感圧センサ３０３と温度センサ３０４とが感知した情報に関するデータを送信することができる。
ここで、管理モジュール２００は、図３に示されるように、第１の回路基板２０３上に設けられていると共に、感知ユニット３００の無線送信装置３０６から送信されたデータを受信することができる無線受信装置２０４を更に具えている。
図４を参照して本発明に係る電池システム１の第３の実施形態を説明する。ここで、図４は本発明に係る第３の実施形態の電池システム１の構成が示される模式図である。
本発明に係る電池システム１の第３の実施形態は、第２の実施形態と多くの構成が共通する。本実施形態では、図４に示されるように、無線送信装置３０６及び無線受信装置２０４が含まれずに、第２の回路基板３０５は、第１の回路基板２０３と電気的に接続されていて、接続センサ３０１と流量センサ３０２と感圧センサ３０３と温度センサ３０４とが感知した情報に関するデータを第１の回路基板２０３に送信することができるものである。
総括すると、本発明に係る電池システム１は、電池モジュール１００及び管理モジュール２００が互いに連通して、複数の電池セル１０１及び感知ユニット３００が熱管理流体に浸されると共に、熱管理流体を電池モジュール１００においても管理モジュール２００においても流動できるようにすることによって、電池モジュール１００における複数の電池セル１０１に対して冷却を実行することができるのみならず、感知ユニット３００により、例えば、温度や圧力や流量などの熱管理流体または複数の電池セル１０１に関する情報をも直接に感知及び収集することができる。
よって、本発明の電池システム１を例えば電気車両に搭載すれば、電気車両の使用者は、電池システム１に関連する状態をはっきり把握することができるようになり、より優れた安全性を得ることができる。
上記においては、本発明の全体的な理解を促すべく、多くの具体的な詳細が示された。しかしながら、当業者であれば、一またはそれ以上の他の実施形態が具体的な詳細を示さなくとも実施され得ることが明らかである。
以上、本発明の好ましい実施形態及び変化例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、最も広い解釈の精神および範囲内に含まれる様々な構成として、全ての修飾および均等な構成を包含するものとする。
本発明の電池システムは、例えば電気車両の安全性を一層向上させることに有用である。そのため、産業上の利用可能性がある。
９ 水冷式電池モジュール
９１ 電池モジュール
９１１ 電池
９１２ 組電池用バスバー
９２ 放熱フィン
９３ 液体冷却板
９４ 熱伝導体モジュール
９４１ 第１の熱伝導体
９４２ 第２の熱伝導体
１ 電池システム
１００ 電池モジュール
１０１ 電池セル
１０２ ケーシング
１０３ 収容空間
１１ 第１の端子
１２ 第２の端子
１３ 第１の接続ユニット
１３１ 第１の接続部
１４ 第２の接続ユニット
２００ 管理モジュール
２０１ ハウシング
２０２ 内室
２０３ 第１の回路基板
２０４ 無線受信装置
３００ 感知ユニット
３０１ 接続センサ
３０２ 流量センサ
３０３ 感圧センサ
３０４ 温度センサ
３０５ 第２の回路基
３０６ 無線送信装置

Claims (7)

  1. 電気車両に適用され、所定の熱管理流体を用いて熱管理を行なうことができ、且つ、複数の電池モジュールと、管理モジュールと、を備えている電池システムであって、
    各前記電池モジュールは、互いに並列していて且つそれぞれが両端にそれぞれ第１の端子及び第２の端子を有している複数の電池セルと、前記複数の電池セル及び前記熱管理流体を収容している収容空間を画成しているケーシングと、各前記電池セルの前記第１の端子を電気的に接続している第１の接続ユニットと、各前記電池セルの前記第２の端子を電気的に接続している第２の接続ユニットと、を備えており、且つ、前記熱管理流体が前記収容空間を通って流れることにより、前記収容空間内にある前記複数の電池セルに対して熱管理を行なうことができ、
    該複数の前記電池モジュールは、互いに積み重ねられている上、すべての前記収容空間が互いに連通するように配置されていると共に、すべての前記複数の電池セルがそれぞれの前記第１の接続ユニット及び前記第２の接続ユニットを介して互いに電気的に接続されており、
    前記管理モジュールは、前記熱管理流体が流れることができるように、前記電池モジュールの前記収容空間と連通しており、且つ、前記熱管理流体に浸されていて前記電池セル及び前記熱管理流体に関する情報を感知することができる少なくとも１つの感知ユニットを備えていて、
    前記熱管理流体は、すべての前記電池モジュールにおける前記ケーシングの前記収容空間を通って流れることができ、
    前記管理モジュールは、ハウシングと、第１の回路基板と、を具えており、
    前記ハウシングは、前記収容空間における前記複数の電池モジュールのうちの先頭の１つまたは末尾の１つが位置する側と連通していると共に、前記熱管理流体が流れることができる内室を画成しており、
    前記第１の回路基板は、前記熱管理流体に浸されるように前記内室内に配置されていると共に、前記感知ユニットが感知した情報を受信且つ管理する機能を有している、
    ことを特徴とする電池システム。
  2. 前記ハウシングの前記内室は、前記収容空間における前記複数の電池モジュールのうちの先頭の１つが位置する側と連通されていて、前記内室における前記熱管理流体が前記先頭の電池モジュールの前記収容空間へ流れ得る、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
  3. 各前記第１の接続ユニットは、それぞれ対応する前記電池モジュールにおける各前記電池セルの前記第１の端子に接続されている複数の第１の接続部を有しており、
    前記感知ユニットは、前記第１の回路基板に取り付けられている接続センサと流量センサ、及び、それぞれ対応する前記電池モジュールの前記収容空間内に配置されている複数の感圧センサと複数の温度センサ、を有しており、
    前記接続センサは、前記先頭の１つの電池モジュールにおけるいずれか２つの前記第１の接続部と電気的に接続されていて前記２つの第１の接続部の間の電気抵抗を測定することができ、
    前記流量センサは、前記熱管理流体の流量を感知することができ、
    前記感圧センサは、前記収容空間内にある前記熱管理流体の液圧を感知することができ、且つ、前記第１の回路基板と電気的に接続されていて前記第１の回路基板と前記液圧に関するデータを通信することができ、
    前記温度センサは、前記収容空間内にある前記熱管理流体の温度を感知することができ、且つ、前記第１の回路基板と電気的に接続されていて前記第１の回路基板と前記温度に関するデータを通信することができる、
    ことを特徴とする請求項２に記載の電池システム。
  4. 各前記第１の接続ユニットは、それぞれ対応する前記電池モジュールにおける各前記電池セルの前記第１の端子に接続されている複数の第１の接続部を有しており、
    前記管理モジュールは、前記感知ユニットを複数備えており、
    各前記感知ユニットは、対応する前記電池モジュールの前記収容空間内に配置されており、且つ、第２の回路基板、及び、それぞれ前記第２の回路基板に設けられている接続センサと流量センサと感圧センサと温度センサ、を有しており、
    前記接続センサは、対応する前記電池モジュールにおけるいずれか２つの前記第１の接続部と電気的に接続されていて前記２つの第１の接続部の間の電気抵抗を測定することができ、
    前記流量センサは、対応する前記収容空間内にある前記熱管理流体の流量を感知することができ、
    前記感圧センサは、対応する前記収容空間内にある前記熱管理流体の液圧を感知することができ、
    前記温度センサは、対応する前記収容空間内にある前記熱管理流体の温度を感知することができる、
    ことを特徴とする請求項２に記載の電池システム。
  5. 各前記感知ユニットは、対応する前記第２の回路基板に取り付けられていると共に、前記対応する前記第２の回路基板上に取り付けられている前記接続センサと前記流量センサと前記感圧センサと前記温度センサとが感知した情報に関するデータを送信することができる無線送信装置を更に有しており、
    前記管理モジュールは、前記第１の回路基板に設けられていると共に、前記無線送信装置から送信された前記データを受信することができる無線受信装置を更に具えている、
    ことを特徴とする請求項４に記載の電池システム。
  6. 前記第２の回路基板は、前記第１の回路基板と電気的に接続されていて、前記接続センサと前記流量センサと前記感圧センサと前記温度センサとが感知した情報に関するデータを前記第１の回路基板に送信することができるものである、
    ことを特徴とする請求項４に記載の電池システム。
  7. 前記感圧センサは、いずれもＭＥＭＳセンサである、
    ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電池システム。
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