JP7115327B2 - 電池ケース - Google Patents

Description

本発明は、電池ケースに関する。

ハイブリッド自動車、電気自動車等の電動駆動用バッテリー装置が知られている（例えば特許文献１参照）。また、複数のバッテリーセルを備えるバッテリーモジュールが知られている。さらに、バッテリーモジュールの下面とバッテリーモジュールを収容するバッテリーケースの底板の上面との間に冷却器を配したバッテリー用冷却装置が知られている（以上、例えば特許文献２参照）。以下、バッテリーを電池と称する。

特開２０１８－１４７６０７号公報 特開２０１８－１６３７４１号公報

ところで、上述した電池用冷却装置を車体の床下に設けた場合、路面からの輻射熱が冷却器に伝わって冷却器の冷却性能が低下する可能性がある。冷却器の冷却性能が低下すると、電池セルが十分に冷却されなくなるおそれがある。

そこで、本発明では、輻射熱の影響を抑えつつ電池セルを冷却する電池ケースを提供する。

本発明に係る電池ケースは、電池セルを載置する熱伝導性を有する上板と前記上板を基準として輻射熱の発生面側に設けられる下板との間に配置される中板と、前記上板と前記中板の間に配置され、冷媒が流通し、内部を波状の第１部材で補強した第１中空部材と、前記下板と前記中板の間に配置され、空気層を含み、内部を波状の第２部材で補強した第２中空部材と、を含んでいる。

本発明によれば、輻射熱の影響を抑えつつ電池セルを冷却することができる。

図１は電池ケース及び電池ケースの車両に対する位置を説明するための図である。 図２は第１実施形態に係る電池モジュール及びロアプレートのＡ－Ａ断面図の一例である。 図３は第１実施形態に係る冷媒の循環経路の一例を説明するための図である。 図４は比較例に係る電池モジュール及びロアプレートのＡ－Ａ断面図の一例である。 図５は実施形態の利点を説明するためのグラフである。 図６は第２実施形態に係る電池モジュール及びロアプレートのＡ－Ａ断面図の一例である。 図７は第２実施形態に係る冷媒の循環経路の一例を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。尚、図中の同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は電池ケース１００及び電池ケース１００の車両１０に対する位置を説明するための図である。図１において、Ｘ軸は車両１０の車幅方向を表している。Ｙ軸は車両１０の前後方向を表している。Ｚ軸は車両１０の高さ方向を表している。車両１０としては、例えば電気自動車やハイブリッド車などがある。図１の上段に示すように、車両１０は車体１１と前輪１２と後輪１３と電池ケース１００を備えている。前輪１２は車体１１の前後方向の中央よりも前方に設けられている。後輪１３は車体１１の前後方向の中央よりも後方に設けられている。

電池ケース１００は車体１１の一部を構成するフロアパネルの床下に配置され、車外に露出した状態で固定される。電池ケース１００の形状は、車体１１の床下の形状に応じた形状にすることができる。図１の下段に示すように、電池ケース１００の幅方向が車両１０の車幅方向に対応する。電池ケース１００の長さ方向が車両１０の前後方向に対応する。電池ケース１００の高さ方向が車両１０の高さ方向に対応する。車両１０は電池ケース１００に収容された電池モジュール２０に蓄えられた電力を使って走行する。

電池ケース１００はサイドカバー１０１，１０２とフロントカバー１０３とリアカバー１０４とロアプレート１０５を備えている。ロアプレート１０５の周囲にサイドカバー１０１，１０２とフロントカバー１０３とリアカバー１０４が設けられている。サイドカバー１０１，１０２は電池ケース１００の側壁に相当する。サイドカバー１０１，１０２はいずれも車両１０の前後方向に延伸して設けられている。フロントカバー１０３は電池ケース１００の前壁に相当する。リアカバー１０４は電池ケース１００の後壁に相当する。フロントカバー１０３及びリアカバー１０４はいずれも車両１０の車幅方向に延伸して設けられている。尚、詳細は後述するが、フロントカバー１０３の下方には冷媒が流通するための複数の第１貫通孔１０３ａが設けられている。図示しないが、リアカバー１０４の下方にも同様に冷媒を流通するための複数の第２貫通孔が設けられている。

また、電池ケース１００は、車両１０の車幅方向に延伸する８本のリインフォース１０７ａと車両１０の前後方向に延伸する１本のリインフォース１０７ｂを備えている。リインフォース１０７ａ，１０７ｂは電池ケース１００を補強する部材である。リインフォース１０７ａ，１０７ｂはロアプレート１０５の上に設けられている。例えば、サイドカバー１０１と２本のリインフォース１０７ａと１本のリインフォース１０７ｂとロアプレート１０５によって形成された１つの収容スペースに１つの電池モジュール２０が収容される。図示しないが、残りの収容スペースのそれぞれにも同様に電池モジュール２０が収容される。電池モジュール２０は複数の電池セル２１を含んでいる。電池セル２１としては、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池といった二次電池がある。

次に、図２を参照して、図１に示す電池ケース１００の一部をＺ軸方向に切断したＡ－Ａ断面を説明する。

図２は第１実施形態に係る電池モジュール２０及びロアプレート１０５のＡ－Ａ断面図の一例である。電池モジュール２０は複数の電池セル２１と複数のスペーサ２２がＸ軸方向に積層して構成される。複数の電池セル２１は１個ずつ向きを反転させながら配列される。一の電池セル２１の正極端子と隣接する別の電池セル２１の負極端子はバスバー２３によって電気的に接続されている。したがって、複数の電池セル２１は電気的に直列に接続されている。尚、複数の電池セル２１の接続形態は電気的に並列であってもよい。

図２に示すように、電池モジュール２０はロアプレート１０５の上面に載置される。ロアプレート１０５は、電池モジュール２０側から路面側に向かって順に、上板としてのアルミニウム板（以下、単にアルミ板という）１０５ａ、及び下板としての鉄板１０５ｂを含んでいる。本実施形態では、路面が輻射熱の発生面に相当する。アルミ板１０５ａの上面に電池モジュール２０が載置される。すなわち、アルミ板１０５ａの上面に複数の電池セル２１が載置される。

尚、本実施形態では、電池ケース１００の軽量化の観点からアルミ板１０５ａを上板の一例として説明しているが、上板が熱伝導性を有していれば、アルミ板１０５ａに限定されない。例えば、アルミニウムを含む合金板といった金属板を上板として採用してもよい。また、第１実施形態では、路面からの輻射熱に対する電池ケース１００の耐熱性を確保する観点と後述する路面からの負荷に対する電池ケース１００の剛性（強度）を確保する観点から鉄板１０５ｂを下板の一例として説明している。しかしながら、下板が耐熱性及び剛性を有していれば、鉄板１０５ｂに限定されない。例えば、鉄を含む合金板といった金属板を下板として採用してもよい。尚、路面からの負荷は、例えば路面の凹凸や路面上の硬質物（例えば小石など）といった、悪路走行時のいわゆる路面入力を表している。

また、ロアプレート１０５は、中板としての隔離板１０５ｃ、第１中空部材としての上層中空板１０５ｄ、及び第２中空部材としての下層中空板１０５ｅを含んでいる。隔離板１０５ｃはアルミ板１０５ａと鉄板１０５ｂとの間に配置されている。隔離板１０５ｃはアルミニウムなどの金属で構成されていてもよいし、ポリウレタンやポリスチレン、ポリプロピレンといった樹脂で構成されていてもよい。

上層中空板１０５ｄはアルミ板１０５ａと隔離板１０５ｃとの間に配置されている。下層中空板１０５ｅは鉄板１０５ｂと隔離板１０５ｃとの間に配置されている。したがって、隔離板１０５ｃは上層中空板１０５ｄと下層中空板１０５ｅを隔離する。上層中空板１０５ｄはアルミ板１０５ａ及び隔離板１０５ｃのそれぞれと接着剤で接続されている。下層中空板１０５ｅは鉄板１０５ｂと隔離板１０５ｃのそれぞれと接着剤で接続されている。

上層中空板１０５ｄ及び下層中空板１０５ｅはいずれもポリプロピレンといった樹脂で構成されている。上層中空板１０５ｄ及び下層中空板１０５ｅの厚さは同じであってもよいし、異なっていてもよい。上層中空板１０５ｄ及び下層中空板１０５ｅはいずれも内部を波状（具体的には台形波状）の中芯部材１０５ｗで補強した中空構造を採用している。したがって、後述する発泡樹脂で構成されたコア材と同等の剛性を上層中空板１０５ｄ及び下層中空板１０５ｅにより実現することができる。

上層中空板１０５ｄの内部に存在する複数の中空部分１０５ｓには冷媒が流通する。すなわち、上層中空板１０５ｄの複数の中空部分１０５ｓのそれぞれが冷媒の流路になる。冷媒は不凍液を含む冷却水であってもよいし、冷却ガスであってもよい。冷媒は車両１０の前方から車両１０の後方に流通する。すなわち、図２において、冷媒は紙面手前から紙面奥に向けて流通する。冷媒は電池セル２１の発熱をアルミ板１０５ａを介して冷却する。尚、冷媒が冷却水である場合には、複数の中空部分１０５ｓを冷却水で満たすことが望ましい。複数の中空部分１０５ｓを冷却水で満たすことにより、冷却水とアルミ板１０５ａが接触して冷却水とアルミ板１０５ａとの間で熱の交換が行われる。これにより、冷却水は電池セル２１の発熱をアルミ板１０５ａを介して冷却することができる。一方、第１実施形態では、下層中空板１０５ｅの内部に存在する複数の中空部分１０５ｔへの冷媒の流通が遮断されている。これにより、下層中空板１０５ｅの内部は空気層を含むことになる。第１実施形態においては、下層中空板１０５ｅが内部に空気層を含むため、路面からの輻射熱が空気層により遮熱され、上層中空板１０５ｄを流通する冷媒の冷却性能の低下が抑制される。

隔離板１０５ｃ、上層中空板１０５ｄ、及び下層中空板１０５ｅはアルミ板１０５ａと鉄板１０５ｂで挟まれている。すなわち、ロアプレート１０５はアルミ板１０５ａと鉄板１０５ｂで隔離板１０５ｃ、上層中空板１０５ｄ、及び下層中空板１０５ｅを挟んだサンドイッチ構造を採用している。ロアプレート１０５がこのようなサンドイッチ構造を採用することで、電池ケース１００の高剛性と軽量化と耐熱性が確保されている。

次に、図３を参照して、電池ケース１００のロアプレート１０５内を流通する冷媒の循環経路について説明する。

図３は第１実施形態に係る冷媒の循環経路の一例を説明するための図である。図示しないが、フロントカバー１０３の内部には上述した複数の第１貫通孔が設けられている。これら複数の第１貫通孔は上層中空板１０５ｄが有する複数の中空部分１０５ｓの車両前方側とそれぞれ連通する。同様に、リアカバー１０４の内部にも上述した複数の第２貫通孔が設けられている。これら複数の第２貫通孔は上層中空板１０５ｄが有する複数の中空部分１０５ｓの車両後方側とそれぞれ連通する。

フロントカバー１０３の車両前方側には４つのマニホールド４１，４２，４３，４４が配置される。マニホールド４１，４２，４３，４４はいずれも内部で１つの入口流路が複数の出口流路に分岐している。これら複数の出口流路がフロントカバー１０３に設けられた上述した複数の第１貫通孔とそれぞれ連通する。一方、マニホールド４１，４２，４３，４４の各入口流路は入口配管５０と接続される。より詳しくは、入口配管５０は１つの流入口５１と複数の流出口５２，５３，５４，５５を含み、複数の流出口５２，５３，５４，５５がマニホールド４１，４２，４３，４４の各入口流路と連通する。そして、入口配管５０の流入口５１がポンプ６１と接続される。尚、ポンプ６１は第１冷媒通路９１を介してチラー６２と接続される。

リアカバー１０４の車両後方側には４つのマニホールド７１，７２，７３，７４が配置される。マニホールド７１，７２，７３，７４はいずれも内部で複数の入口流路が１つの出口流路に合流している。これら複数の入口流路はリアカバー１０４に設けられた上述した複数の第２貫通孔とそれぞれ連通する。一方、マニホールド７１，７２，７３，７４の各出口流路は出口配管８０と接続される。より詳しくは、出口配管８０は複数の流入口８１，８２，８３，８４と１つの流出口８５を含み、複数の流入口８１，８２，８３，８４がマニホールド７１，７２，７３，７４の各出口流路と連通する。そして、出口配管８０の流出口８５が第２冷媒通路９２を介してチラー６２と接続される。

これにより、チラー６２から流出した冷媒は第１冷媒通路９１を介してポンプ６１に流入する。ポンプ６１に流入した冷媒は入口配管５０を介してマニホールド４１，４２，４３，４４に圧送される。この結果、マニホールド４１，４２，４３，４４の各入口流路に冷媒が流入する。マニホールド４１，４２，４３，４４はそれぞれ自身の入口流路に流入した冷媒を複数の出口流路から流出する。これにより、冷媒はフロントカバー１０３に設けられた複数の第１貫通孔を通過して、上層中空板１０５ｄの中空部分１０５ｓに流入する。上層中空板１０５ｄの中空部分１０５ｓに流入した冷媒は車両１０の前方から後方に向けて流通する。この過程で、電池ケース１００に搭載された複数の電池セル２１は冷媒により冷却される。一方で、冷媒は複数の電池セル２１の熱を吸収する。

電池セル２１の熱を吸収した冷媒はリアカバー１０４に設けられた複数の第２貫通孔を通過し、マニホールド７１，７２，７３，７４を介して出口配管８０の流入口８１，８２，８３，８４に流入する。出口配管８０の流入口８１，８２，８３，８４に流入した冷媒は合流して出口配管８０の流出口８５から流出し、第２冷媒通路９２を介してチラー６２に流入する。チラー６２は流入した冷媒を冷却し、第１冷媒通路９１に送出する。このように、冷媒が電池ケース１００内を循環することによって複数の電池セル２１が連続的に冷却される。

続いて、図４及び図５を参照して、本実施形態の利点を比較例と対比して説明する。

図４は比較例に係る電池モジュール２０及びロアプレート２０５のＡ－Ａ断面図の一例である。図５は実施形態の利点を説明するためのグラフである。図４に示すように、電池モジュール２０はロアプレート２０５の上面に載置される。ロアプレート２０５は、電池モジュール２０側から路面側に向かって順に、多穴アルミ板２０５ａ、発泡樹脂で構成されたコア材２０５ｆ及び鉄板２０５ｂを含んでいる。多穴アルミ板２０５ａの上面に電池モジュール２０が載置される。すなわち、多穴アルミ板２０５ａの上面に複数の電池セル２１が載置される。コア材２０５ｆは多穴アルミ板２０５ａ及び鉄板２０５ｂのそれぞれと接着剤で接着されている。

多穴アルミ板２０５ａは内部に複数の冷媒路２０５ｓを備えている。複数の冷媒路２０５ｓのそれぞれに冷媒が流通する。本実施形態と同様に、冷媒は車両１０の前方から車両１０の後方に流通する。すなわち、図４において、冷媒は紙面手前から紙面奥に向けて流通する。この結果、冷媒は電池セル２１の発熱を多穴アルミ板２０５ａを介して冷却することができる。

鉄板２０５ｂは、本実施形態と同様に、剛性と耐熱性を確保している。このように、比較例に係るロアプレート２０５も冷媒により電池セル２１の発熱を冷却することができ、また、剛性と耐熱性を確保することができる。しかしながら、多穴アルミ板２０５ａは、中実アルミ板に複数の冷媒路２０５ｓを設ける加工を行って製造する必要があるため、図５に示すように、中実アルミ板に複数の冷媒路２０５ｓを設ける加工を行わないで済む実施形態に係るアルミ板１０５ａと比較すると、コスト（例えば１ｋｇ当たりの単価など）が増大する可能性がある。すなわち、本実施形態に係るアルミ板１０５ａを電池ケース１００に採用できれば、多穴アルミ板２０５ａを採用する場合に比べて電池ケース１００の製作コストを抑えることができる。

また、コア材２０５ｆは発泡樹脂で構成されるため鉄板２０５ｂを通過した熱の多穴アルミ板２０５ａへの伝導を遮熱できるが、本実施形態に係る空気層ほど遮熱できないと想定される。したがって、本実施形態に係る下層中空板１０５ｅを電池ケース１００に採用できれば、冷媒への遮熱性を高めることができる。

以上、第１実施形態によれば、電池ケース１００は隔離板１０５ｃと上層中空板１０５ｄと下層中空板１０５ｅを含んでいる。隔離板１０５ｃは電池セル２１を載置する熱伝導性を有するアルミ板１０５ａとアルミ板１０５ａの路面側に設けられる鉄板１０５ｂとの間に配置されている。上層中空板１０５ｄはアルミ板１０５ａと隔離板１０５ｃの間に配置され、冷媒が流通する。下層中空板１０５ｅは鉄板１０５ｂと隔離板１０５ｃの間に配置され、空気層を含んでいる。これにより、路面からの輻射熱の影響を抑えつつ、電池セル２１を冷却することができる。

（第２実施形態）
続いて、図６及び図７を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図６は第２実施形態に係る電池モジュール２０及びロアプレート１０５のＡ－Ａ断面図の一例である。図７は第２実施形態に係る冷媒の循環経路の一例を説明するための図である。

図６に示すように、第２実施形態に係るロアプレート１０５の構成は第１実施形態に係るロアプレート１０５の構成と基本的に同様である。第２実施形態では、下層中空板１０５ｅの厚さを第１実施形態と比べて厚くして下層中空板１０５ｅの中空部分１０５ｔの断面積を拡大し、下層中空板１０５ｅの中空部分１０５ｔの一部に冷媒が流通する点で第１実施形態と相違する。中空部分１０５ｔの一部に流通する冷媒は上層中空板１０５ｄの中空部分１０５ｓを流通し終えた冷媒であるが、詳細については後述する。このような構成によっても、下層中空板１０５ｅが内部に空気層を含むため、路面からの輻射熱が空気層により遮熱され、上層中空板１０５ｄを流通する冷媒の冷却性能の低下が抑制される。

上述したように、下層中空板１０５ｅの中空部分１０５ｔの一部に冷媒を流通する場合、図７に示すように、リアカバー１０４の車両後方側に上層中空板１０５ｄを流通し終えた冷媒を下層中空板１０５ｅに戻して流通させる小型の折り返し流路９５を設けることにより実現することができる。したがって、上層中空板１０５ｄと下層中空板１０５ｅの冷媒の流通量は基本的に同量である。しかしながら、下層中空板１０５ｅ内で冷媒の一部が蒸発し、上層中空板１０５ｄと下層中空板１０５ｅの冷媒の流通量が変化しても、下層中空板１０５ｅが内部に空気層を含んでいれば、流通量は異なっていてもよい。一方で、第２実施形態の場合、図７に示すように、４つのマニホールド４１，４２，４３，４４のそれぞれの下段に４つのマニホールド７１，７２，７３，７４が配置される。これにより、冷媒は以下のように電池ケース１００を循環する。

具体的には、図７に示すように、チラー６２から流出した冷媒は第１冷媒通路９１を介してポンプ６１に流入する。ポンプ６１に流入した冷媒は入口配管５０を介してマニホールド４１，４２，４３，４４に圧送される。この結果、マニホールド４１，４２，４３，４４の各入口流路に冷媒が流入する。マニホールド４１，４２，４３，４４はそれぞれ自身の入口流路に流入した冷媒を複数の出口流路から流出する。これにより、冷媒はフロントカバー１０３の上段に設けられた複数の第１貫通孔を通過して、上層中空板１０５ｄの中空部分１０５ｓに流入する。上層中空板１０５ｄの中空部分１０５ｓに流入した冷媒は車両１０の前方から後方に向けて流通する。この過程で、電池ケース１００に搭載された複数の電池セル２１は冷媒により冷却される。一方で、冷媒は複数の電池セル２１の熱を吸収する。

電池セル２１の熱を吸収した冷媒はリアカバー１０４の上段に設けられた複数の第２貫通孔を通過し、折り返し流路９５を介して、リアカバー１０４の下段に設けられた複数の第２貫通孔を通過し、下層中空板１０５ｅの中空部分１０５ｔに流入する。下層中空板１０５ｅの中空部分１０５ｔに流入した冷媒は車両１０の後方から前方に向けて流通する。これにより、冷媒はフロントカバー１０３の下段に設けられた複数の第１貫通孔を通過して、マニホールド７１，７２，７３，７４を介して出口配管８０の流入口８１，８２，８３，８４に流入する。

出口配管８０の流入口８１，８２，８３，８４に流入した冷媒は出口配管８０の内部で合流して出口配管８０の流出口８５から流出し、第２冷媒通路９２を介してチラー６２に流入する。チラー６２は流入した冷媒を冷却し、第１冷媒通路９１に送出する。このように、冷媒が電池ケース１００内を循環することによって複数の電池セル２１が連続的に冷却される。

以上、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、路面からの輻射熱の影響を抑えつつ、電池セル２１を冷却することができる。特に、第２実施形態によれば、マニホールド７１，７２，７３，７４及び出口配管８０を車両１０の後方に設けないでよいため、第１実施形態と比べて、車両１０の後方に余剰スペースが生じる。これにより、電池ケース１００を車両１０の後方に伸長し、電池モジュール２０の搭載量を増加することができ、結果的に、航続距離を増やすことができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、第２実施形態では、マニホールド７１，７２，７３，７４及び出口配管８０を車両１０の前方に設けたが、マニホールド４１，４２，４３，４４及び入口配管５０を車両１０の後方に設け、車両１０の前方に余剰スペースを形成してもよい。

１０ 車両
２０ 電池モジュール
２１ 電池セル
１００ 電池ケース
１０５ ロアプレート
１０５ａ アルミ板
１０５ｂ 鉄板
１０５ｃ 隔離板
１０５ｄ 上層中空板
１０５ｅ 下層中空板
１０５ｓ，１０５ｔ 中空部分

Claims (1)

1. 電池セルを載置する熱伝導性を有する上板と前記上板を基準として輻射熱の発生面側に設けられる下板との間に配置される中板と、
   前記上板と前記中板の間に配置され、冷媒が流通し、内部を波状の第１部材で補強した第１中空部材と、
   前記下板と前記中板の間に配置され、空気層を含み、内部を波状の第２部材で補強した第２中空部材と、
   を含む電池ケース。

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