JP7142063B2 - セル冷却体、蓄電モジュール、及び車両 - Google Patents

セル冷却体、蓄電モジュール、及び車両 Download PDF

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Description

本発明は、セル冷却体、蓄電モジュール、及び車両に関する。
特許文献1には、一方向に配列する複数の蓄電モジュールと、蓄電モジュール同士を接続する導電板とを備え、導電板が一方向に弾性変形可能に形成された蓄電装置が記載されている。特許文献2には、蓄電セルを樹脂材で覆うことによって、衝撃や振動から蓄電セルを保護することが記載されている。特許文献3には、蓄電セルの膨れを吸収する変位吸収部が記載されている。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開2019-216005号公報
[特許文献2] 特開2008-300692号公報
[特許文献3] 特許第6449108号公報
本発明の第1の態様においては、セル冷却体が提供される。セル冷却体は、複数の蓄電セルを収納するセル収納体であって、第1エンドプレート及び第2エンドプレートと、第1エンドプレート及び第2エンドプレートを連結する対向配置された2枚のサイドプレートとを備えるセル収納体を備えてよい。セル冷却体は、絶縁プレートを備えてよい。セル冷却体は、複数の蓄電セルの間に配置される冷却ユニットを備えてよい。冷却ユニットは、厚みが変化可能な冷却プレートと、冷却プレートと一体な枠体とを備えてよい。冷却プレートは、内部空間を持ち、内部空間側に突出する一つ以上の突起を有してよい。
冷却プレートは、枠体に接続される接続部を内部空間の両端に備えてよい。
冷却プレートは、2枚のプレートで構成され、内部空間の両端で接合又は密着していてよい。
冷却プレートは、一体成型され、内部空間の両端が封止されてよい。
冷却プレートは金属で形成されてよい。
冷却プレートは、複数の蓄電セルの積層方向に対向する第1プレート部及び第2プレート部を備えてよい。突起は、第1プレート部及び第2プレート部の少なくとも一方から内部空間に突出していてよい。
突起は、第1プレート部及び第2プレート部から交互に内部空間に突出していてよい。
冷却プレートは、枠体に接続される両端部に、複数の蓄電セルの積層方向に内部空間内を延伸する延伸部を有してよい。
セル冷却体は、セル収納体内に配置され、2枚のサイドプレート間を繋ぐ中間プレートであって、第1エンドプレート及び第2エンドプレートとの間で複数のセル収納空間を形成する中間プレートをさらに備えてよい。
本発明の第2の態様においては、蓄電モジュールが提供される。蓄電モジュールは、上記のセル冷却体を備えてよい。蓄電モジュールは、上記の複数の蓄電セルを備えてよい。
本発明の第3の態様においては、車両が提供される。車両は、上記の蓄電モジュールを備えてよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
蓄電モジュール80の外観を示す斜視図である。 蓄電モジュール80の外観を示す正面図である。 蓄電モジュール80の分解斜視図である。 セルユニット60aの外観を示す斜視図である。 セルユニット60aの分解斜視図である。 冷却ユニット50aの外観を示す斜視図である。 冷却ユニット50aの分解斜視図である。 冷却プレート100の側面図を示す。 冷却プレート100に加わる力を示す。 蓄電モジュール80を備える車両600のブロック構成を示す。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、蓄電モジュール80の外観を示す斜視図である。図2は、蓄電モジュール80の外観を示す正面図である。図3は、蓄電モジュール80の分解斜視図である。
本実施形態において、蓄電モジュール80を説明する場合に、3つの方向D1、D2及びD3を用いる。D1方向、D2方向及びD3方向は互いに直交する方向である。例えば、D1方向は蓄電モジュール80の幅方向であり、D2方向は蓄電モジュール80の奥行き方向であり、D3は蓄電モジュール80の高さ方向である。
蓄電モジュール80は、概ね角筒形状を持つ。蓄電モジュール80は、第1エンドプレート10と、第2エンドプレート20と、サイドプレート31と、サイドプレート32と、中間プレート33と、セルスタック82aと、蓄電セルスタック82bとを備える。
サイドプレート31及びサイドプレート32は、第1エンドプレート10及び第2エンドプレート20を連結する対向配置されている。セルスタック82a及びセルスタック82bは、第1エンドプレート10、第2エンドプレート20、サイドプレート31及びサイドプレート31で囲われる空間内に収納される。第1エンドプレート10及び第2エンドプレート20と、サイドプレート31及びサイドプレート32とは、複数の蓄電セルを収納するセル収納体の少なくとも一部を形成する。
第1エンドプレート10は、ネジ71によってサイドプレート31及びサイドプレート32に取り付けられる。中間プレート33は、ネジ73によってサイドプレート31及びサイドプレート32に取り付けられる。これにより、第2エンドプレート20、中間プレート33、サイドプレート31及びサイドプレート31で囲われる第1セル収納空間が形成される。セルスタック82bは当該第1セル収納空間内に収納される。
第2エンドプレート20は、ネジ72によってサイドプレート31及びサイドプレート32に取り付けられる。これにより、第2エンドプレート20、中間プレート33、サイドプレート31及びサイドプレート31で囲われる第2セル収納空間内に収納される。セルスタック82aは当該第2セル収納空間内に収納される。
このように、中間プレート33は、セル収納体内に配置され、サイドプレート31及びサイドプレート32の間を接続し、第1エンドプレート10及び第2エンドプレート20との間で複数のセル収納空間を形成する。
セルスタック82aは、絶縁プレート90aと、複数のセルユニット60a~60jと、複数の冷却ユニット50a~50iと、絶縁プレート90bとを備える。セルスタック82aは、セルスタック82bと同じ構成を備える。そのため、セルスタック82aの詳細な説明を省略する。
セルスタック82aにおいて、セルユニット60a~j及び冷却ユニット50a~iは、D1方向に沿って絶縁プレート90aと絶縁プレート90bとの間に設けられる。複数のセルユニット60a~j及び冷却ユニット50a~iは、D1方向に沿ってセルユニットと冷却ユニットとが交互に設けられる。具体的には、D1方向に沿って、セルユニット60j,冷却ユニット50i、セルユニット60i、冷却ユニット50h・・・、冷却ユニット50a、セルユニット60aが設けられる。D1方向は、セルスタック82の積層方向である。
図4は、セルユニット60aの外観を示す斜視図である。図5は、セルユニット60aの分解斜視図である。セルユニット60b~jは、セルユニット60aと同じ構成を備える。そのため、セルユニット60b~jの構成については詳細な説明を省略する。
セルユニット60aは、蓄電セル40aと、蓄電セル40bと、枠体62とを備える。蓄電セル40aは、端子45aと、端子46aと、ラミネートフィルム47aとを備える。端子45aは正極端子であり、端子46aは負極端子である。ラミネートフィルム47aは、正極及び負極をセパレータを介して積層した電極積層体及び電解液を内部に収容する。ラミネートフィルム47a内の正極が端子45aに接続され、ラミネートフィルム47a内の負極が端子46aに接続される。
蓄電セル40bは、端子45bと、端子46bと、ラミネートフィルム47bとを備える。端子45bは正極端子であり、端子46bは負極端子である。ラミネートフィルム47bは、正極及び負極をセパレータを介して積層した電極積層体及び電解液を内部に収容する。ラミネートフィルム47b内の正極が端子45bに接続され、ラミネートフィルム47b内の負極が端子46bに接続される。蓄電セル40aはリチウムイオン電池の単電池セルであってよい。
枠体62は、蓄電セル40aと蓄電セル40bとの間に設けられる。蓄電セル40a、枠体62及び蓄電セル40bは、D1方向に設けられる。D1方向は、蓄電セル40a及び蓄電セル40bを含む複数の蓄電セルの積層方向に該当する。セルユニット60aが蓄電モジュール80として組み付けられている場合、枠体62は、蓄電セル40a及び蓄電セル40bと一体となる。枠体62は樹脂で形成されてよい。
枠体62を樹脂で形成することで、蓄電セル40a及び蓄電セル40bを位置ずれを防止することができる。また、枠体62を樹脂で形成することで、成形性が高まるとともに、軽量となる低コストとなる。また、ラミネートフィルム47a及びラミネートフィルム47bは金属層の両面に樹脂層を配置された構成を持つためラミネートフィルムの端面には金属層が露出するが、枠体62を樹脂で形成することで、溶着部の端面の金属層の導通を抑制できる。なお、例えば蓄電セル40aの周部にはラミネートフィルム47aの溶着部が形成される。ラミネートフィルム47aの溶着部は中央部の電極積層体の厚みと比べて薄い。同様に蓄電セル40bにもラミネートフィルム47bの溶着部が形成される。枠体62を設けることで、薄い溶着部の隙間を塞ぐことができるので、蓄電セル40aの溶着部に冷却風が流れにくくなる。
図6は、冷却ユニット50aの外観を示す斜視図である。図7は、冷却ユニット50aの分解斜視図である。冷却ユニット50b~iは、冷却ユニット50aと同じ構成を備える。そのため、冷却ユニット50b~iの構成については詳細な説明を省略する。
冷却ユニット50aは、枠体52aと、枠体52bと、冷却プレート100とを備える。枠体52aは、側枠55aと、側枠56aと、端部枠53aと、端部枠54aとを備える。側枠55aは、D2方向マイナス側に位置する。側枠56aは、D2方向プラス側に位置する。端部枠53aは、D3方向プラス側に位置する。端部枠54aは、D3方向マイナス側に位置する。
枠体52bは、側枠55bと、側枠56bと、端部枠53bと、端部枠54bとを備える。側枠55bは、D2方向プラス側に位置する。側枠56bは、D2方向マイナス側に位置する。端部枠53bは、D3方向プラス側に位置する。端部枠54bは、D3方向マイナス側に位置する。枠体52bは、枠体52aと同じ形状を持つ。
冷却プレート100は、枠体52aと枠体52bとの間に設けられる。冷却ユニット50aが蓄電モジュール80として組み付けられている場合に、枠体52a及び枠体52bは冷却プレート100と一体となる。なお、枠体52a及び枠体52bは樹脂で形成される。枠体52a及び枠体52bは樹脂貼り合わせにより一体化されてよい。枠体52a及び枠体52bはインサートモールドやスナップフィット等によって一体化されてもよい。
側枠55aは凹部57aを有し、側枠56aは凹部58aを有する。同様に、側枠56bは凹部58bを有し、側枠55bも図示されない凹部を有する。側枠55aの凹部57a及び側枠56bの凹部58bによって、冷却ユニット50に冷却風等の冷媒を通流させるための開口51が形成される。同様に、側枠56aの凹部58a及び側枠55bの凹部によって、冷却ユニット50に冷媒を通流させるための他方の開口が形成される。
図8及び図9を更に参照して、冷却プレート100の構造を説明する。図8は、冷却プレート100の側面図を示す。図9の矢印は、蓄電セルの膨張等によって冷却プレート100に加わる力を示す。
冷却プレート100は、接続部160aと、接続部160bと、第1プレート部110と、第2プレート部120とを含む。冷却プレート100は、内部空間130a、内部空間130b及び内部空間130cを持つ。第1プレート部110及び第2プレート部120はD1方向に対向する。内部空間130a~cは、第1プレート部110と第2プレート部120との間に形成される。冷却プレート100は、内部空間130a側に突出する突起151、突起152、突起153、突起154、突起155、突起156及び突起157を備える。内部空間130a~cは冷媒が通流する空間である。
冷却プレート100は弾性を有する。例えば、第1プレート部110及び第2プレート部120は弾性を有する。冷却プレート100は厚みが変化可能である。なお、冷却プレート100の厚みはD1方向の長さである。冷却プレート100にD1方向の力が加わった場合、例えば第1プレート部110及び第2プレート部120が撓むことによって、冷却プレート100の厚みが変化し得る。
蓄電モジュール80を運用すると、セルユニット60a~jが備える蓄電セルは経年的にD1方向に膨張し得る。蓄電セルが膨張すると、冷却プレート100は蓄電セル両側から押圧される。例えば、第1プレート部110はD1マイナス方向に押圧され、第2プレート部120はD1プラス方向に押圧される。冷却プレート100が両側の蓄電セルから押圧された場合、第1プレート部110及び第2プレート部120が内部空間130a側に撓むことによって、蓄電セルの積層方向の荷重を緩和することができる。このように、蓄電セルの積層方向の荷重を冷却ユニット50が緩和することができる。そのため、樹脂材等の別の部材で蓄電セルの膨張を吸収する方式に比べて、蓄電モジュール80の構造体の簡素化が可能となる。
また、冷却プレート100は、内部空間130内に突出する突起151~157を備えるので、フィン効果により冷却性能が向上する。さらに蓄電セルが膨張した場合、突起151~157は対向する冷却プレート100又は第2プレート部120に近接するため、フィン効果が高まり、セル劣化時の冷却性能の低下を抑制することができる。
蓄電セルの膨張が進んだ場合には、突起151~157が対向する冷却プレート100又は第2プレート部120に接触し得る。これにより、冷却プレート100の過度の変形を抑制し、必要最小限の冷却通路面積の確保が可能になる。
冷却プレート100は金属で形成される。冷却プレート100は隣接する蓄電セルの電極積層体を覆うラミネートフィルムに接触し、電極体の膨張を吸収する役割を担う。冷却プレート100を金属製の冷却プレートとすることで、冷却性能と強度を両立することができる。なお、冷却プレート100は、一体成型で形成されており、内部空間の両端は封止されている。例えば、冷却プレート100はアルミ抽出によって一体成型されてよい。冷却プレート100を一体成型で形成することで、冷却プレート100内部の空間寸法が規定されるため、荷重のバラつき、冷却性能のバラつきが抑制できる。なお、冷却プレート100は、2枚のプレートで構成され、内部空間の両端を接合又は密着形成されてよい。例えば、第1プレート部110を含むプレート部材と第2プレート部120を含むプレート部材との貼り合わせによって冷却プレート100を形成してよい。
突起151~157は、第1プレート部110及び第2プレート部120から交互に内部空間に突出している。例えば、突起151~157は、D3マイナス方向において、突起151、突起152、突起153、突起154、突起155、突起156、突起157の順で設けられる。突起151、153、突起155及び突起157は、第1プレート部110から内部空間130aに突出しており、突起152、154及び突起156は第2プレート部120から内部空間に突出している。このように、第1プレート部110及び第2プレート部120のそれぞれが突起を備えるので、蓄電セルの膨張により冷却プレート100が両側から押圧されても、過渡の変形を抑制することができる。また、蓄電セルの膨張によって第1プレート部110及び第2プレート部120が内側に撓んだ場合、同一流量に対する圧力損失は増加するが流速は増加する。したがって、同一流量での冷却性能の低下を抑制できる。
なお、突起151~157が第1プレート部110及び第2プレート部120の少なくとも一方から内部空間に突出していれば、上述した効果と同様の効果が得られる。例えば第1プレート部110に突起を設ける形態を採用した場合、冷却プレートが両側から押圧されても、突起が反対側の第2プレート部120を押圧することにより、冷却通路を確保することができ、冷却プレート自体の過度の変形を抑制することができる。
冷却プレート100は、枠体52a及び枠体52bに接続される接続部160a及び接続部160bを備える。接続部160a及び接続部160bは、内部空間130aの両端に位置する部位である。接続部160aは、少なくとも端部枠53a及び端部枠53bと接触する。接続部160bは、少なくとも端部枠54a及び端部枠54bと接触する。接続部160aはD3プラス方向に突出する突起部165aを頂部に備える。接続部160bはD3マイナス方向に突出する突起部165aを頂部に備える。例えば突起部165bは、端部枠54aの溝部59aで形成される溝に嵌まる。
冷却プレート100が接続部160a及び接続部160bを備えることで、蓄電セルの積層方向の振動入力に対して端部の変形が抑制される。これにより、蓄電セルの全体的な移動が抑制される。特に蓄電セルの積層方向において端部における蓄電セルの変位が抑制されるので、バスバーなどの電気的な接続部の構造信頼性の確保が容易になる。また、第1プレート部110及び第2プレート部120が弾性部材として機能するので、接続部160a及び接続部160bによって端部の積層方向の移動を抑制しつつ、組付け時の積層方向の寸法公差を第1プレート部110及び第2プレート部120で吸収することができる。
冷却プレート100は、枠体52に接続される両端部に、第1プレート部110及び第2プレート部120で形成される内部空間内をD1方向に延伸する延伸部161及び延伸部162を備える。延伸部161及び延伸部162により、蓄電セルの積層方向の振動入力に対して端部の変形をより抑制することができる。また、蓄電セルの全体的な移動をより抑制することができる。
以上に説明した蓄電モジュール80によれば、冷媒通路を確保することが容易になる。例えば、上記の特許文献1に記載の構成では、導電板が弾性変形した場合に冷却通路を確保することが容易でないが、蓄電モジュール80が備える構成によれば、特許文献1に記載の構成に比べて、冷媒通路を確保することが容易になる。また、蓄電モジュール80によれば、冷却プレート100が蓄電セルの膨張を吸収するので、上記の特許文献2及び3に記載の構成のように蓄電セルの膨張を吸収するための構造を別途設ける必要がない。
図10は、蓄電モジュール80を備える車両600のブロック構成を示す。車両600は、例えば電気自動車である。車両600は、蓄電モジュール80と、インバータ610と、制御装置630と、モータ・ジェネレータ620と、車軸650と、車輪640a~dとを備える。車軸650は、車輪640a及び車輪640bに駆動力を伝達する。車軸650には、モータ・ジェネレータ620の出力軸がトルク伝達機構を介して連結されている。
モータ・ジェネレータ620は、車両駆動用の電動機と回生用の発電機とを兼ねる。蓄電モジュール80は、モータ・ジェネレータ620の電源として、インバータ610によってモータ・ジェネレータ620に電力供給を行う。車両600の減速の際には減速エネルギーをモータ・ジェネレータ620が電力に変換し、蓄電モジュール80が、回生された発電電力を蓄電する。制御装置630は、モータ・ジェネレータ620、インバータ610及び蓄電モジュール80を制御する。
なお、車両600は、蓄電モジュール80を備える車両の一例である。車両は、ハイブリッド電気自動車等であってよい。車両は、鞍乗型車両であってよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
10 第1エンドプレート
20 第2エンドプレート
31 サイドプレート
32 サイドプレート
33 中間プレート
40 蓄電セル
45 端子
46 端子
47 ラミネートフィルム
50 冷却ユニット
51 開口
52 枠体
53 端部枠
54 端部枠
55 側枠
56 側枠
57 凹部
58 凹部
59 溝部
60 セルユニット
62 枠体
71 ネジ
72 ネジ
73 ネジ
80 蓄電モジュール
82 セルスタック
90 絶縁プレート
110 第1プレート部
120 第2プレート部
130 内部空間
151 突起
152 突起
153 突起
154 突起
155 突起
156 突起
157 突起
160 接続部
161 延伸部
162 延伸部
165 突起部
600 車両
610 インバータ
620 モータ・ジェネレータ
630 制御装置
640 車輪
650 車軸

Claims (11)

  1. 複数の蓄電セルを収納するセル収納体であって、第1エンドプレート及び第2エンドプレートと、前記第1エンドプレート及び前記第2エンドプレートを連結する対向配置された2枚のサイドプレートとを備えるセル収納体と、
    絶縁プレートと、
    前記複数の蓄電セルの間に配置される冷却ユニットと
    を備え、
    前記冷却ユニットは、
    厚みが変化可能な冷却プレートと、
    前記冷却プレートと一体な枠体と
    を備え、
    前記冷却プレートは、内部空間を持ち、前記内部空間側に突出する一つ以上の突起を有し、
    前記冷却プレートは、前記枠体に接続される両端部に、前記複数の蓄電セルの積層方向に前記内部空間内を延伸する延伸部を有する
    セル冷却体。
  2. 前記冷却プレートは、前記枠体に接続される接続部を前記内部空間の両端に備える
    請求項1に記載のセル冷却体。
  3. 前記接続部は、前記枠体が備える溝に嵌まる突起部を備える
    請求項2に記載のセル冷却体。
  4. 前記冷却プレートは、2枚のプレートで構成され、前記内部空間の両端で接合又は密着している
    請求項1から3のいずれか一項に記載のセル冷却体。
  5. 前記冷却プレートは、一体成型され、前記内部空間の両端が封止される
    請求項1から3のいずれか一項に記載のセル冷却体。
  6. 前記冷却プレートは金属で形成される
    請求項1からのいずれか1項に記載のセル冷却体。
  7. 前記冷却プレートは、前記複数の蓄電セルの積層方向に対向する第1プレート部及び第2プレート部を備え、
    前記突起は、前記第1プレート部及び前記第2プレート部の少なくとも一方から前記内部空間に突出している
    請求項1からのいずれか1項に記載のセル冷却体。
  8. 前記突起は、前記第1プレート部及び前記第2プレート部から交互に前記内部空間に突出している
    請求項に記載のセル冷却体。
  9. 前記セル収納体内に配置され、前記2枚のサイドプレート間を繋ぐ中間プレートであって、前記第1エンドプレート及び前記第2エンドプレートとの間で複数のセル収納空間を形成する中間プレート
    をさらに備える請求項1から8のいずれか一項に記載のセル冷却体。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載のセル冷却体と、
    前記複数の蓄電セルと
    を備える蓄電モジュール。
  11. 請求項10に記載の蓄電モジュール
    を備える車両。
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