JP7107119B2 - 電池ユニット - Google Patents

Description

この明細書における開示は、電池ユニットに関する。

特許文献１には、所定の積層方向に並ぶ複数の電池セルと、電池セルを冷却する冷却器と、を備える電池ユニットが開示されている。この冷却器は、複数の電池セルに跨って延びる冷媒流路を有し、積層方向に並ぶ順に複数の電池セルと冷媒を熱交換させる構造である。

特開２０１７－０１０９４４号公報

しかしながら、上記冷媒は、冷媒流路を流れながら複数の電池セルと順に熱交換するにつれて温度上昇していく。そのため、積層方向の奥側つまり冷媒流路の下流に位置する電池セルであるほど、冷却器への放熱量が少なくなり、熱劣化が進行しやすくなる。その結果、複数の電池セル間で生じる寿命ばらつきが大きくなり、冷媒流路の上流に位置する電池セルがそれほど劣化していないにも拘らず、下流に位置する電池セルの劣化進行のせいで、電池ユニット全体としての寿命が短くなってしまう。

開示される目的は、電池セル間の寿命ばらつき抑制を図った電池ユニットを提供することである。

上記目的を達成するため、開示された１つの態様は、所定の積層方向に並ぶ複数の電池セル（１０、１０Ａ、１０Ｂ）と、複数の電池セルに跨って延び、電池セルと熱交換する冷媒が流れる冷媒流路（２１１、２１２、２１３）を有した冷却器（２０、２０Ａ）と、を備え、冷媒流路は、積層方向に並ぶ順に複数の電池セルと熱交換するように冷媒を流す往路（２１１）と、往路とは逆の順に複数の電池セルと熱交換するように冷媒を流す復路（２１２）と、を有し、さらに、往路への流入接続部、および、復路からの流出接続部を覆う防水カバー（５１）を備え、防水カバーは、流入接続部および流出接続部を左右方向から覆う側面部（５１ａ）と、流入接続部および流出接続部を上方から覆う上面部（５１ｂ）とを有し、冷却器は、積層方向に直交する方向における電池セルの両側に備えられており、複数の電池セルは、電池モジュール（１０Ｍ）として一体化されており、電池モジュールは、積層方向に直交する方向に複数並べて配置されており、積層方向に直交する方向に隣り合う電池セルは、互いの電池セルの間に配置された冷却器を共用しており、複数の電池モジュールは、積層方向の奥側と手前側の両端に配置されたエンドプレート（５０）を有し、防水カバーは、隣り合う電池モジュールの２つのエンドプレートを連結している電池ユニットとされる。

ここに開示された電池ユニットによると、冷媒流路は往路と復路を有する。そのため、各々の電池セルは、往路を流れる冷媒と復路を流れる冷媒との両方によって冷却されることになる。

ここで、往路の上流から復路の下流にかけて冷媒が流れるにつれて、電池セルで加熱される冷媒の温度は徐々に上昇していく。そして、往路の上流に位置する電池セルであるほど、復路に対しては下流に位置することとなるので、往路を流れる冷媒への放熱量が多くなる一方で、復路を流れる冷媒への放熱量が少なくなる。また、往路の下流に位置する電池セルであるほど、復路に対しては上流に位置することとなるので、往路を流れる冷媒への放熱量が少なくなる一方で、復路を流れる冷媒への放熱量が多くなる。

したがって、積層方向の手前側に位置する電池セルと、奥側に位置する電池セルとで、往路および復路へのトータルの放熱量が均一化され、熱劣化による寿命ばらつきが抑制される。これにより、電池セル間の寿命ばらつき抑制が図られる。

尚、上記括弧内の参照番号は、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、技術的範囲を何ら制限するものではない。

第１実施形態に係る電池ユニットの斜視図である。 図１に示す電池ユニットの分解斜視図である。 図１に示す電池モジュールの側面図である。 図１に示す冷却器の側面図である。 第２実施形態に係る電池ユニットの斜視図である。 第３実施形態に係る電池ユニットの斜視図である。 第４実施形態に係る電池ユニットの分解上面図である。 第４実施形態に係る電池ユニットの上面図である。 第４実施形態に係る電池ユニットの分解斜視図である。 他の実施形態に係る電池セルの斜視図である。 他の実施形態に係る電池セルの斜視図である。

以下、本開示の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。

（第１実施形態）
図１および図２に示す電池ユニットは、車両に搭載されたものである。電池ユニットは、例えば、電池に充電された電力によって駆動されるモータと内燃機関とを組み合わせて走行駆動源とするハイブリッド自動車、モータを走行駆動源とする電気自動車等に用いられる。図１中の手前、奥、左右、上下を示す矢印は、車両に搭載された状態における電池ユニットの向きを示す。電池ユニットは、図示しない筐体および送風機と、複数の電池セル１０と、冷却器２０と、セル間プレート３０と、熱伝導材４０と、を備える。

電池セル１０は、直方体ケースに、負極材料、正極材料およびセパレータ等を収容して構成された、二次電池である。電池セル１０は、正極材料にリチウムを含む酸化物が用いられたリチウムイオン電池である。電池セル１０が有する負極端子１０Ｌおよび正極端子１０Ｈは、直方体ケースの同一面上に配置されている。電池セル１０への充電および放電は、図示しない電子部品によって制御される。

複数の電池セル１０は、負極端子１０Ｌおよび正極端子１０Ｈが上側となる向きに、筐体の内部に収容され、所定の積層方向に並べられている。この積層方向における手前側と奥側は、図１中の矢印に示される手前側と奥側である。積層方向は、重力方向（上下方向）に対して垂直な方向（水平方向）である。隣り合う２つの電池セル１０における異極端子間は、図示しないバスバによって電気的に接続されている。つまり、複数の電池セル１０は、直列接続されている。

隣り合う２つの電池セル１０の間には、セル間プレート３０が配置されている。そして、セル間プレート３０を介在させた状態の複数の電池セル１０には、図示しない拘束部材により、積層方向への拘束力が付与されている。これにより、複数の電池セル１０は、電池モジュール１０Ｍとして一体化されている（図３参照）。

筐体は、複数の電池セル１０が挿入される開口部を有した本体と、その開口部を覆って密閉する蓋体と、を有する密閉構造である。送風機は、筐体内部の空気を循環させる。筐体は金属製であり、筐体内部の空気は、筐体を通じて、電池モジュール外部の空気へ放熱する。

冷却器２０は、筐体内部に収容されて複数の電池セル１０を冷却するものであり、冷媒配管２１と、冷媒配管２１を保持する保持部材２２とを有する。冷却器２０は、積層方向に直交する方向（左右方向）における電池セル１０の両側の各々に備えられている。換言すれば、１対の冷却器２０が、電池セル１０の左右両側から電池セル１０を挟み込むように配置されている。

冷媒配管２１は、複数の電池セル１０に跨って延びる形状であり、冷媒配管２１の内部通路である冷媒流路２１１、２１２、２１３には、電池セル１０と熱交換する冷媒が流れる。冷媒には、液相の流体が用いられている。冷媒の具体例としては、車両に搭載されたラジエータにより外気と熱交換する冷却水や、車両に搭載された冷凍サイクルにより冷却された冷却水等が挙げられる。

冷媒流路２１１、２１２、２１３は、往路２１１、復路２１２および折返路２１３を有する。往路２１１は、積層方向の手前側から奥側へと冷媒を流通させ、積層方向における手前側から奥側への順に、複数の電池セル１０と冷媒を熱交換させる。復路２１２は、積層方向の奥側から手前側へと冷媒を流通させ、積層方向における奥側から手前側への順に、複数の電池セル１０と冷媒を熱交換させる。

折返路２１３は、往路２１１の下流端と復路２１２の上流短とを接続する、上下方向に延びる流路である。要するに、往路２１１を流通した冷媒は、折返路２１３により流通方向を１８０度折り返されて復路２１２へ流入する。また、往路２１１は復路２１２の上方に位置する。その結果、往路２１１は、任意の電池セル１０が有する正極端子１０Ｈまたは負極端子１０Ｌに対して、復路２１２より近い位置に配置されることとなる。

保持部材２２は、金属製の熱伝導材であり、冷媒配管２１を保持するとともに、冷媒配管２１と接触して、電池セル１０で生じた熱を冷媒配管２１へ伝える。保持部材２２は、電池モジュール１０Ｍの左右方向の側面に沿って板状に拡がる形状である。電池モジュール１０Ｍと保持部材２２との間には、熱伝導材４０が介在している。したがって、電池セル１０で生じた熱は、熱伝導材４０、保持部材２２および冷媒配管２１を順に伝わって、冷媒へと放熱される。

冷媒配管２１のうち保持部材２２から露出する上流端部は、図示しない流入配管が接続される流入接続部２１ａとして機能する。冷媒配管２１のうち保持部材２２から露出する下流端部は、図示しない流出配管が接続される流出接続部２１ｂとして機能する。これにより、図１中の袋矢印に示すように、流入配管から冷媒配管２１へ流入した冷媒は、電池セル１０と熱交換した後に、流出配管へと流出される。

電池セル１０の左側に配置された冷却器２０の冷媒流路と、右側に配置された冷却器２０の冷媒流路とは、並列に接続されており、各々の冷媒流路を流通する冷媒の流量は同一である。

図４の上段は冷却器２０の側面図であり、図４の下段は、冷媒流路の位置に対する冷媒の温度分布を示す。図中の符号Ｌ１は、往路２１１における温度分布であって、流入接続部２１ａからの距離と冷媒温度との関係を示す。図中の符号Ｌ２は、復路２１２における温度分布であって、流出接続部２１ｂからの距離と冷媒温度との関係を示す。これらの温度分布にて示されるように、冷媒流路２１１、２１２、２１３へ流入した時点での冷媒の温度（流入温度Ｔｉｎ）は、流通長に比例して上昇して流出温度Ｔｏｕｔに達する。

以下、上述した構成を備えることによる電池ユニットの効果について説明する。

電池ユニットには電池セル１０を冷却する冷却器２０が備えられ、その冷却器２０が有する冷媒流路は、積層方向に並ぶ順に複数の電池セル１０と熱交換する往路２１１と、往路２１１とは逆の順に複数の電池セル１０と熱交換する復路２１２と、を有する。そのため、各々の電池セル１０は、往路２１１と復路２１２の両方で冷却されることになる。

冷媒は、冷媒流路２１１、２１２、２１３を流れるにつれて、電池セル１０によって加熱されていき、冷媒温度は徐々に上昇していく（図４参照）。そして、往路２１１の上流に位置する電池セル１０であるほど、復路２１２に対しては下流に位置することとなるので、往路２１１を流れる冷媒への放熱量が多くなる一方で、復路２１２を流れる冷媒への放熱量が少なくなる。また、往路２１１の下流に位置する電池セル１０であるほど、復路２１２に対しては上流に位置することとなるので、往路２１１を流れる冷媒への放熱量が少なくなる一方で、復路２１２を流れる冷媒への放熱量が多くなる。

例えば、積層方向において図４の符号Ａに示す位置の電池セル１０については、往路２１１の冷媒温度が低いものの、復路２１２の冷媒温度が高く、その温度差ΔＴＡは大きい。一方、積層方向において図４の符号Ｂに示す位置の電池セル１０については、往路２１１の冷媒温度が高いものの、復路２１２の冷媒温度が低く、その温度差ΔＴＢは小さい。このように、積層方向の位置によって往路２１１と復路２１２との温度差は異なるものの、その平均温度Ｔａｖｅは殆ど同じである。

したがって、積層方向の手前側に位置する電池セル１０と、奥側に位置する電池セル１０とで、往路２１１および復路２１２へのトータルの放熱量が均一化され、熱劣化による寿命ばらつきが抑制される。これにより、電池セル１０間の寿命ばらつき抑制が図られる。

さらに本実施形態では、往路２１１は、任意の電池セル１０が有する正極端子１０Ｈまたは負極端子１０Ｌに対して、復路２１２より近い位置に配置されている。これによる技術的意義について以下に説明する。

１つの電池セル１０における温度分布については、正極端子１０Ｈおよび負極端子１０Ｌに近い部分が高温になりやすい。そのため、復路２１２より低温の往路２１１が、正極端子１０Ｈまたは負極端子１０Ｌの近くの部分、つまり電池セル１０の高温部分に配置されている本実施形態によれば、電池セル１０から冷媒への放熱量を増大でき、冷却器２０の冷却能力を向上できる。

さらに本実施形態では、冷却器２０は、積層方向に直交する方向つまり左右方向における電池セル１０の両側に備えられている。そのため、電池セル１０の片側から冷却する場合に比べて、電池セル１０から冷媒への放熱量を増大できる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、１つの電池モジュール１０Ｍが筐体内部に収容されている。これに対し本実施形態では、図５に示すように、複数（２つ）の電池モジュール１０Ｍが筐体内部に収容されている。複数の電池モジュール１０Ｍは、直列に電気接続されている。

複数の電池モジュール１０Ｍは、積層方向に直交する方向（左右方向）に並べて配置されている。左右方向に隣り合う電池セル１０は、互いの電池セル１０の間に配置された冷却器２０Ａを共用している。つまり、共用される冷却器２０Ａは、左右方向の両面が、熱伝導材４０に接触して電池セル１０と熱交換するのに対し、共用されていない冷却器２０は、左右方向の一方の側面が熱伝導材４０に接触するものの、他方の側面は筐体内部の空気に解放されている。

複数（３つ）の冷却器２０、２０Ａの冷媒流路のそれぞれは、並列に接続されている。但し、共用される冷却器（共用冷却器２０Ａ）の冷媒配管２１は、共用されていない冷却器（非共用冷却器２０）の冷媒配管２１よりも大きい。したがって、共用冷却器２０Ａを流れる冷媒の流量は、非共用冷却器２０を流れる冷媒の流量に比べて多い。

以上により、本実施形態によれば、積層方向に直交する方向（左右方向）に隣り合う電池セル１０は、互いの電池セル１０の間に配置された冷却器２０Ａを共用している。そのため、共用している分だけ、冷却器の数を減らすことができ、部品点数の削減を図ることができる。

さらに本実施形態では、共用冷却器２０Ａを流れる冷媒の流量は、非共用冷却器２０を流れる冷媒の流量に比べて多い。そのため、任意の電池セル１０において、共用冷却器２０Ａへの放熱量が、非共用冷却器２０への放熱量より少なくなることを抑制でき、任意の電池セル１０の中における温度むらを抑制できる。

（第３実施形態）
上記第２実施形態では、左右方向に隣り合う電池セル１０は、互いの電池セル１０の間に配置された冷却器（共用冷却器２０Ａ）を共用している。これに対し本実施形態では、図６に示すように、共用冷却器２０Ａを廃止して、複数（２つ）の電池モジュール１０Ｍの各々が、左右両側に冷却器２０を備えている。複数（４つ）の冷却器２０の冷媒流路のそれぞれは、並列に接続されており、各々の冷媒流路を流通する冷媒の流量は同一である。

（第４実施形態）
本実施形態に係る電池モジュール１０Ｍは、図７、図８および図９に示すように、エンドプレート５０および防水カバー５１を備える。エンドプレート５０は、積層方向の奥側と手前側の両端に配置されている。図７～図９では、セル間プレート３０の図示が省略されている。積層方向の両端に配置されたエンドプレート５０には、拘束部材６０が取り付けられている。拘束部材６０がエンドプレート５０を積層方向へ挟み付ける拘束力を付与することで、複数の電池セル１０およびエンドプレート５０は、電池モジュール１０Ｍとして一体化されている。

防水カバー５１は、流入接続部２１ａと流入配管２３との接続部、および流出接続部２１ｂと流出配管（図示せず）との接続部を覆う。なお、流入接続部２１ａおよび流出接続部２１ｂが金属製であるのに対し、流入配管２３および流出配管が可撓性を有するゴム製または樹脂製である。流入接続部２１ａおよび流出接続部２１ｂと、流入配管２３および流出配管とは、バンド２３ａで締結されている。このように、バンド２３ａ締結されている部分が、上記接続部として防水カバー５１で覆われている。防水カバー５１は、接続部を左右方向から覆う側面部５１ａと、接続部を上方から覆う上面部５１ｂとを有する。

また、防水カバー５１は、左右方向に隣り合うエンドプレート５０を連結している。つまり、隣り合う電池モジュール１０Ｍが備えるエンドプレート５０の各々を、防水カバー５１は一体化させている。

以上により、本実施形態によれば、冷却器２０、２０Ａの接続部を覆う防水カバー５１を備えるので、接続部から冷媒が噴出するように漏れ出た場合であっても、その噴出した冷媒が正極端子１０Ｈおよび負極端子１０Ｌに付着するおそれを低減できる。よって、電池セル１０の短絡のおそれを低減できる。

（他の実施形態）
以上、本開示の複数の実施形態について説明したが、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。そして、複数の実施形態及び変形例に記述された構成同士の明示されていない組み合わせも、以下の説明によって開示されているものとする。

・上記各実施形態に係る電池セル１０は、正極端子１０Ｈおよび負極端子１０Ｌを、直方体ケースの同一面に配置した構造である。これに対し、図１０に示すように、電池セル１０Ａは、直方体ケースの異なる面に両端子を配置した構造であってもよい。或いは、図１１に示すように、電池セル１０Ｂは、負極材料、正極材料およびセパレータ等を収容するケースを円筒形状とした構造であってもよい。

・上記各実施形態に係る冷却器２０、２０Ａは、電池セル１０の左側および右側に配置されているが、電池セル１０の下側や上側に配置されていてもよい。特に、電池セル１０の下側に冷却器２０、２０Ａが配置されている場合には、冷却器２０、２０Ａが損傷して冷媒配管２１から冷媒が漏れ出たとしても、その冷媒が正極端子１０Ｈや負極端子１０Ｌに付着しにくくなる。よって、冷媒漏出に起因した電池セル１０の短絡のおそれを低減できる。

・上記各実施形態に係る冷却器２０、２０Ａは、冷媒配管２１を保持部材２２に保持させた構造である。これに対し、積層方向に延びる凹凸を有する凹凸板部材と、平板形状の平板部材とを張り合わせて、凹凸板部材と平板部材との間に形成される凹凸状の通路を、冷媒流路２１１、２１２、２１３とした構造であってもよい。

・上記各実施形態に係る往路２１１は、正極端子１０Ｈまたは負極端子１０Ｌに対して、復路２１２より近い位置に配置されている。これに対し、往路２１１と復路２１２の位置を入れ替えて、復路２１２を端子の近くに配置させてもよい。

・上記各実施形態に係る冷却器２０、２０Ａは、積層方向に直交する方向（左右方向）における電池セル１０の両側に備えられている。これに対し、上下方向における電池セル１０の両側に備えられていてもよい。或いは、片側だけに冷却器２０が備えられていてもよい。

・上記第２実施形態では、共用冷却器２０Ａの冷媒流量は、非共用冷却器２０よりも多くなるように構成されている。これに対し、共用冷却器２０Ａの冷媒流量は、非共用冷却器２０と同一となるように構成されていてもよい。

・上記各実施形態では、往路２１１および復路２１２は、積層方向に直線状に延びる形状であるが、上下方向に蛇行しながら積層方向に延びる形状であってもよい。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 電池セル、 １０Ｈ、１０Ｌ 端子、 １０Ｍ 電池モジュール、 ２０、２０Ａ 冷却器、 ２１１ 往路（冷媒流路）、 ２１２ 復路（冷媒流路）。

Claims (3)

1. 所定の積層方向に並ぶ複数の電池セル（１０、１０Ａ、１０Ｂ）と、
   複数の前記電池セルに跨って延び、前記電池セルと熱交換する冷媒が流れる冷媒流路（２１１、２１２、２１３）を有した冷却器（２０、２０Ａ）と、を備え、
   前記冷媒流路は、
   前記積層方向に並ぶ順に複数の前記電池セルと熱交換するように前記冷媒を流す往路（２１１）と、
   前記往路とは逆の順に複数の前記電池セルと熱交換するように前記冷媒を流す復路（２１２）と、を有し、
   さらに、前記往路への流入接続部、および、前記復路からの流出接続部を覆う防水カバー（５１）を備え、
   前記防水カバーは、
   前記流入接続部および前記流出接続部を左右方向から覆う側面部（５１ａ）と、
   前記流入接続部および前記流出接続部を上方から覆う上面部（５１ｂ）とを有し、
   前記冷却器は、前記積層方向に直交する方向における前記電池セルの両側に備えられており、
   複数の前記電池セルは、電池モジュール（１０Ｍ）として一体化されており、
   前記電池モジュールは、前記積層方向に直交する方向に複数並べて配置されており、
   前記積層方向に直交する方向に隣り合う前記電池セルは、互いの前記電池セルの間に配置された前記冷却器を共用しており、
   複数の前記電池モジュールは、積層方向の奥側と手前側の両端に配置されたエンドプレート（５０）を有し、
   前記防水カバーは、隣り合う前記電池モジュールの２つの前記エンドプレートを連結している電池ユニット。
2. 前記往路は、任意の前記電池セルが有する端子（１０Ｈ、１０Ｌ）に対して、前記復路より近い位置に配置されている請求項１に記載の電池ユニット。
3. 複数の前記冷却器のうち共用される前記冷却器（２０Ａ）を流れる前記冷媒の流量は、共用されていない前記冷却器（２０）を流れる前記冷媒の流量に比べて多い請求項１または２に記載の電池ユニット。

Images