JP7323859B1

JP7323859B1 - 車両用バッテリーユニット

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Publication number: JP7323859B1
Application number: JP2023531671A
Authority: JP
Inventors: 達博久保; 毅河内; 泰則伊藤; 成彦野村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2023-02-10
Publication date: 2023-08-09
Anticipated expiration: 2043-02-10
Also published as: JPWO2023153495A1

Abstract

充放電可能なバッテリーセルが複数積層されたバッテリーセル積層体を内包するバッテリーモジュールと、内部に収容空間が形成されて該収容空間内にバッテリーモジュールを収容する、アッパーケースとロアケースとからなる収容ケースと、ロアケースの底部裏面からバッテリーモジュールを液体冷媒で冷却する冷媒流路であって、流域をロアケースの底部裏面の９０％以上の領域とする板状冷媒流路を、ロアケースの底部との間で所定の流路間隔を保持して形成する流路形成板と、板状冷媒流路の流路幅の９０％以上に亘って液体冷媒を供給する冷媒供給ノズルと、冷媒供給ノズルに液体冷媒を供給する液体冷媒供給ヘッダと、板状冷媒流路から液体冷媒を排出する液体冷媒排出ヘッダとを備える、車両用バッテリーユニットが提供される。

Description

本発明は、車両用バッテリーユニットに関し、詳しくは車両用バッテリーユニットの冷却構造に関するものである。

電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両においては、電動モータに電力を供給するための蓄電装置としてバッテリーユニット（バッテリーパック）が搭載されている。バッテリーユニットは、主としてバッテリーモジュールと、当該バッテリーモジュールを内部に収容する収容ケースとを備えている。バッテリーモジュールは温度が上昇することにより、出力特性が低下するため、収容ケース内でまたは収容ケース外からバッテリーモジュールの冷却が行なわれる。

また近年、車両用バッテリーユニットは、走行距離を延ばすためのバッテリーモジュールの高出力大容量化に伴って大型化する傾向にある。例えば図１に示すように、バッテリーユニット１０が、比較的大きな設置スペースを確保しやすい車両１００の前輪１１２と後輪１１３の間のフロアパネルの下に設置される場合が多い。

バッテリーモジュールを冷却可能に構成されたバッテリーユニットとして、たとえば特許文献１や特許文献２に開示されているバッテリーユニットがある。特許文献１に開示のバッテリーユニット１０は、図２に示すように、アッパーケース（ハウジングカバー）２１とロアケース（ハウジングトレイ）２２からなる収容ケース２０を有する。同文献に記載のバッテリーユニット１０は、この収容ケース２０内で、送風機６１によって吸引した空気を冷却器（図示せず）にて冷却し、送風ダクト６０を通して冷風を吹きかけてバッテリーモジュール１１を冷却するものである。

また、特許文献２に開示のバッテリーユニット１０は、図３に示すように、複数の二次バッテリーセル（以下、単にバッテリーセルともいう）１２が車両横幅方向に積層されたバッテリーモジュール１１が、収容ケース（図示せず）内の車両前後方向に順に配列されている。同文献に記載のバッテリーユニット１０は、収容ケースの底部裏面に配設される液体冷却器５０により各バッテリーモジュール１１を冷却するものである。この液体冷却器５０での冷媒の流れを詳しくみると、まず、冷媒が、集合冷媒往路５４の前端の冷媒供給口５１から集合冷媒往路５４へ供給される。冷媒は、ここから、各バッテリーモジュール１１の直下の各冷媒流路５３へ順次に分岐していき、さらに、集合冷媒復路５５に合流し、集合冷媒復路５５の前端の冷媒排出口５２から排出されるように流れる。

また、特許文献３には、金属板の少なくとも片面に、皮膜層が被覆されている塗装金属板から形成されたパネルであって、表１および図４に示すように、凸部と、平坦部および凹部のいずれか一方とを備えたパネルが開示されている。具体的には、平坦部を備える場合には、図４のＮｏ．５およびＮｏ．７で示すように、凸部の各々の全周囲が平坦部によって囲まれ、かつ、平坦部の各々の全周囲が凸部によって囲まれるものである。また、凹部を備える場合には、図４のＮｏ．６、Ｎｏ．８およびＮｏ．９で示すように、凸部の各々の全周囲が凹部によって囲まれ、かつ、凹部の各々の全周囲が凸部によって囲まれるものである。このようなパネル形状に対し、図５は、エンボス部を有しないＮｏ．１の平板を基準にした曲げ剛性について、また、図６は、同じくＮｏ．１の平板を基準にした捩り剛性について、それぞれＦＥＭ解析した結果を示す図である。図５および図６から、エンボス部を有するパネルは、エンボス部を有しないＮｏ．１の平板より高い剛性を示すが、特にＮｏ．８およびＮｏ．９のチェッカーエンボス（四角錐台の凸部および凹部を有するエンボス）板が圧倒的に高剛性であることが分かる。同文献に記載の発明は、このような簡単な構造で、高剛性化および軽量化を確実に実現することができるパネルを提供することが可能となるとする。また、同文献に記載の発明は、パネルを形成するための素材を特定することで、耐食性および耐傷付き性に優れ、また、更に耐汚染性に優れるパネルを提供することが可能となるとする。

特開２０１９－１８５９７０号公報特開２０２１－１２８８９２号公報国際公開２０１３／０１１８６８号

しかしながら、近年、走行距離を延ばすためにバッテリーモジュールは高出力大容量が求められているところ、これに伴うバッテリーモジュールの充放電過程での発熱量の増大とその除去のための冷却負荷増大の問題に対し、特許文献１のような気体の冷媒を用いる冷却装置では、冷却能力増強に限界がある。

一方、特許文献２のような液体の冷媒を用いる冷却装置の場合は、特許文献１のような気体の冷媒より冷却能力確保の点で有利であるといえる。ただし、特許文献２の冷却装置は、液体冷媒の漏洩による絶縁破壊、短絡などに誘発されて車両火災の原因となり得ることから、特許文献１のような冷却装置の収納ケース内配設と異なり、収容ケース外の底部裏面に配設されている。また、特許文献２の冷却装置では、図２に示すように、バッテリーモジュール１１の直下に液体冷媒の冷媒流路５３を配置するとともに、この冷媒流路５３は集合冷媒往路５４から分岐するものとなっている。このような特許文献２の冷却装置での冷媒流路の配置は、多数のバッテリーモジュール１１を効率よく、しかも各バッテリーモジュール１１間での冷却むらを排して極力均等に冷却するための配置と考えられる。しかし、このような冷却装置での冷媒流路の配置は、バッテリーモジュールのさらなる高出力大容量化を目指してさらに冷却能力の増強をしようとする場合には、さらに次のような問題を有している。

すなわち、バッテリーモジュール数の増大に対応して冷媒流路数も増設する必要があり、これに伴って流路配置が複雑になるという問題がある。たとえば流路の分岐箇所の増大や流路の折り返し配置による伝熱面積の確保が必要となる場合は、流路の液漏れ対策としてのシール部の総延長が増大する問題があり、また、圧力損失（圧損）が増大して冷媒ポンプの増強が必要となるという問題がある。また、限られた収容ケース内へより多くのバッテリーモジュールを収容する場合に、全てのバッテリーモジュールの底面全域に冷媒流路を配置できない場合も起こり得る。そのため、収容ケース底部の熱伝導率は高いほど好ましいところ、実際には収容ケース底部の材質の違いによる熱伝導率の差があり、これが問題となる場合もある。ここで工業用金属材料の熱伝導率を参照すると、銅で３９８Ｗ／ｍＫ、アルミニウムで２３６Ｗ／ｍＫ、鉄で９０．９Ｗ／ｍＫ、ステンレス鋼で８４Ｗ／ｍＫであり、収容ケースの材質の影響も大きいことが分かる。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、車両の走行距離を延ばすためのバッテリーモジュールの高出力大容量化に伴って必要性が高まった冷却能力増強を可能にする、車両用バッテリーユニットを提供することを目的とする。

［１］充放電可能なバッテリーセルが複数積層されたバッテリーセル積層体を内包するバッテリーモジュールと、内部に収容空間が形成されて該収容空間内に前記バッテリーモジュールを収容する、アッパーケースとロアケースとからなる収容ケースと、前記ロアケースの底部裏面から前記バッテリーモジュールを液体冷媒で冷却する冷媒流路であって、流域を前記ロアケースの底部裏面の９０％以上の領域とする板状冷媒流路を、前記ロアケースの底部との間で所定の流路間隔を保持して形成する流路形成板と、前記板状冷媒流路の流路幅の９０％以上に亘って液体冷媒を供給する、スリットノズルまたはフラットノズルからなる冷媒供給ノズルと、前記冷媒供給ノズルに液体冷媒を供給する液体冷媒供給ヘッダと、前記板状冷媒流路から液体冷媒を排出する液体冷媒排出ヘッダとを備え、前記液体冷媒供給ヘッダは、前記ロアケースの縦壁部のうちの前記液体冷媒の上流側の縦壁部の外側に配設され、前記液体冷媒排出ヘッダは、前記ロアケースの縦壁部のうちの前記液体冷媒の下流側の縦壁部の外側に配設され、前記液体冷媒供給ヘッダおよび前記液体冷媒排出ヘッダは、各々のヘッダ壁の一部を前記ロアケースの縦壁部と共通の壁部とすることで前記ロアケースの縦壁部と一体構造をなす、車両用バッテリーユニット。

［２］前記流路形成板は、エンボス加工による四角錐台形の凸部および凹部が、四角錐台底面の四辺を境界にして、交互に複数連続的に接続されて板面をなすチェッカーエンボス板からなる、［１］に記載の車両用バッテリーユニット。

［３］前記液体冷媒供給ヘッダおよび前記液体冷媒排出ヘッダのいずれか一方または双方は、ヘッダ断面の下端位置が、前記ロアケースの縦壁部下端から前記ヘッダ断面の高さ方向内寸の１／２以上の高さ位置である、［１］または［２］に記載の車両用バッテリーユニット。

［４］前記板状冷媒流路は、流路内に所定流路間隔を保持する間隔保持部を有する、［１］～［３］のいずれかに記載の車両用バッテリーユニット。

［５］前記間隔保持部は、前記ロアケースの底部および／または前記流路形成板から流路内に突出するように形成された凸部である、［４］に記載の車両用バッテリーユニット。

［６］前記流路形成板は、前記板状冷媒流路の流路間隔が流路上流側から流路下流側に向けて漸減するように配設される、［１］～［５］のいずれかに記載の車両用バッテリーユニット。

本発明によれば、収容ケースの底部裏面からバッテリーモジュールを冷却する板状冷媒流路を採用することで、車両の走行距離を延ばすためのバッテリーモジュールの高出力大容量化に必要性な冷却能力増強を有利に達成可能な車両用バッテリーユニットを提供することができる。

第１の実施形態に係るバッテリーユニットを搭載した車両を示す図である。従来技術に係る空冷式冷却装置を備えたバッテリーユニットの分解斜視図である。従来技術に係る液冷式冷却装置を備えたバッテリーユニットの分解平面図である。従来技術に係る各種のエンボスパネルを斜視図で示す図である。図４の各種エンボスパネルの曲げ剛性を比較する図である。図４の各種エンボスパネルの捩り剛性を比較する図である。第１の実施形態に係るバッテリーユニットのロアケースと付帯する冷却装置の幅方向２分割部の分解斜視図と、液体冷媒流路の上流側の部分断面拡大図である。図７で示すバッテリーユニットのロアケースにおいて、付帯する冷却装置の液体冷媒流路方向を車両の幅方向に変更した例を斜視図で示す図である。第１の実施形態に対する第１の変形例に係るバッテリーユニットのロアケースと付帯する冷却装置の流路方向縦断面図である。第３の実施形態に係るバッテリーユニットの板状冷媒流路内に具備される間隔保持部（凸部）が、流路形成板の所定位置に配設されている様子を分解斜視図で示す図である。第３の実施形態に係るバッテリーユニットの板状冷媒流路内に具備される間隔保持部（凸部）の配置の一例を示す図である。第３の実施形態に係るバッテリーユニットの板状冷媒流路内に具備される間隔保持部（凸部）の配置の他の例を示す図である。第３の実施形態に係るバッテリーユニットの板状冷媒流路内に具備される間隔保持部（凸部）の配置のさらに他の例を示す図である。第３の実施形態に係るバッテリーユニットの板状冷媒流路内に具備される間隔保持部（凸部）の配置のさらに他の例を示す図である。本発明の効果を確認する数値シミュレーションにおける発明例の冷媒流路パターンを説明する図である。本発明の効果を確認する数値シミュレーションにおける比較例の冷媒流路パターンを説明する図である。本発明の効果を確認する数値シミュレーションにおける他の比較例の冷媒流路パターンを説明する図である。本発明の効果を確認する数値シミュレーションにおける発明例、比較例の流路圧損の計算結果を示す図である。本発明の効果を確認する数値シミュレーションにおける発明例、比較例のパネル熱伝達率の計算結果を示す図である。本発明の効果を確認する数値シミュレーションにおける発明例、比較例の流路壁平均温度の計算結果を示す図である。第２の実施形態に係るバッテリーユニットの流路形成板をなすチェッカーエンボス板の典型例としてＦＥＭ解析に用いたエンボス板の形態を斜視図で示す図である。図１６Ａで示すＦＥＭ解析に用いたエンボス板のＡ－Ａ断面矢視の部分断面図を示す図である。第２の実施形態に係るバッテリーユニットのロアケース底部と流路形成板とで形成される板状冷媒流路の部分断面図と、温度分布のＦＥＭ解析位置を示す図である。図１７Ａの流路厚さ方向のＦＥＭ解析結果である温度分布を示す図である。第４の実施形態に係るバッテリーユニットのロアケースと付帯する冷却装置の流路方向縦断面図である。図１８の板状冷媒流路の出側深さに対する入側深さの流路深さ比による、出側の熱伝達率であるパネル内最高熱伝達率の変化をＦＥＭ解析した結果を示す図である。図１８の板状冷媒流路の出側深さに対する入側深さの流路深さ比による、流路壁内温度差（出側温度－入側温度）の変化をＦＥＭ解析した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。以下に示す実施の形態においては、蓄電装置として、バッテリーモジュールと当該バッテリーモジュールを収容する収容ケースを主として備えたバッテリーユニットを例示して説明を行なう。以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るバッテリーユニットを搭載した車両を示す図である。図１を参照して、バッテリーユニット１０を搭載した車両１００について説明する。

図１に示すように、車両１００は、たとえば電気自動車であり、車両駆動用の原動機として電動機（図示せず）を備えている。車両１００は、車体１１１と、フロアパネル（図示せず）と、前輪１１２と、後輪１１３と、バッテリーユニット１０とを有する。フロアパネルは、車両１００の床面を構成するパネル材である。バッテリーユニット１０は、全体としてフロアパネルの下方に配置される。バッテリーユニット１０は、複数のバッテリーモジュール（図２、図３参照）を電気的に直列に接続することで構成されており、これによりバッテリーユニット１０は、電動機に高出力で電力を供給することができる。

本明細書において単に前後方向との記載は、車両１００における前後方向を意味するものとする。同様に、単に幅方向との記載は、車両１００における幅方向を意味し、単に上下方向との記載は、車両１００における上下方向を意味する。なお、図１において、前方をＦｒ、後方をＢと表示している（図２、図３において同じ）。

図７は、第１の実施形態に係るバッテリーユニットのロアケースと付帯する冷却装置の幅方向２分割部の分解斜視図であり、液体冷媒の上流側供給部分の部分断面拡大図とともに示す図である。図７を参照して、板状冷媒流路３０を有するバッテリーユニット１０の構成について説明する。なお、図７では、液体冷媒が車両の前後方向に流れる例を示しているが、本実施形態に係るバッテリーユニットはこれに限らず、図８に示すように、液体冷媒が車両の幅方向に流れるようにしてもよい。また、図７および図８では、バッテリーユニット１０の全体図、並びに、従来技術を示す図２、図３と同等の構成である、バッテリーセル１２、バッテリーモジュール１１、アッパーケース２１、及び、収容ケース２０については図示を省略している。

本実施形態に係るバッテリーユニット１０は、主要な構成として次のような構成を備える。すなわち、バッテリーユニット１０は、まず、充放電可能なバッテリーセル１２が複数積層されたバッテリーセル積層体を内包するバッテリーモジュール１１を備える。また、バッテリーユニット１０は、内部に収容空間が形成されて該収容空間内にバッテリーモジュール１１を収容する、アッパーケース２１とロアケース２２とからなる収容ケース２０を備える。また、本実施形態に係るバッテリーユニット１０では、ロアケース２２の底部２７の裏面からバッテリーモジュール１１を液体冷媒で冷却する冷媒流路であって、流域をロアケース２２の底部裏面の９０％以上の領域とする板状冷媒流路３０が形成される。バッテリーユニット１０は、この板状冷媒流路３０を、ロアケースの底部との間で所定の流路間隔を保持して形成する流路形成板を備える。また、バッテリーユニット１０は、板状冷媒流路３０の流路幅の９０％以上に亘って液体冷媒を供給する、スリットノズルまたはフラットノズルからなる冷媒供給ノズル４１を備える。さらに、バッテリーユニット１０は、冷媒供給ノズル４１に液体冷媒を供給する液体冷媒供給ヘッダ４０と、板状冷媒流路３０から液体冷媒を排出する液体冷媒排出ヘッダ４５とを備える。なお、ここでは冷媒供給ノズル４１として典型的なスリットノズルまたはフラットノズルを開示しているが、これらに限らず、これらと同等の作用効果が得られる冷媒供給ノズルを用いることもできる。

本実施形態では、収容ケース２０は、図７および図８に示すように、内部に収容空間を形成するケース体からなり、上下方向が厚み方向となり、水平方向に広がる外観を有する。収容ケース２０は、長手形状を有し、当該長手方向は、バッテリーユニット１０が搭載された搭載状態において、車両の前後方向と平行となる。収容ケース２０において、短手方向は、上記搭載状態において、車両の幅方向と平行となる。

本実施形態では、収容ケース２０の内部には、複数のバッテリーセル（二次バッテリーセル）１２が車両横幅方向に積層されたバッテリーモジュール１１（図２、図３参照）が、車両前後方向に順に配列されて収容される。

本実施形態では、収容ケース２０は、アッパーケース２１と、ロアケース２２とを有する（図２参照）。アッパーケース２１は、下方に向けて開口する箱型形状を有してもよく、単に平板状の蓋形状のものでもよい。ロアケース２２は、上方に向けて開口する箱型形状を有する。ロアケース２２は、上記の底部２７と、縦壁部２６とを有する。縦壁部２６は、底部２７の外周縁から上方に向けて延設されている。縦壁部２６は、アッパーケース２１の縦壁部とともに、または単独で、収容ケース２０の側壁をなす。フランジ部２８は、縦壁部２６の上端部から収容ケース２０の外側に広がることにより、フランジ形状をなしている。

本実施形態では、ロアケースのフランジ部２８とアッパーケースのフランジ部とは、互いに上下方向に重ね合わされた状態において、複数の締結部材（図示せず）により締結される（図２、図７参照）。これにより、アッパーケース２１およびロアケース２２は、一体に結合されるとともに、その内部に複数のバッテリーモジュール１１等を収容するための収容空間を形成する。

本実施形態では、バッテリーセル１２（図３参照）に具備される単電池は、たとえば、ニッケル水素電池、またはリチウムイオン電池等の二次電池である。単電池は、たとえば角型形状を有する。なお、単電池は、角型形状に限定されず、円筒型形状であってもよい。二次電池は、液状の電解質を用いるものであってもよいし、固体状の電解質を用いるものであってもよい。

本実施形態では、バッテリーユニット１０は、図７に示すように、ロアケース２２の下部に板状冷媒流路３０およびその付帯構成からなる冷却装置をさらに備える。冷却装置は、バッテリーユニット１０の各々のバッテリーモジュール１１（図２、図３参照）をロアケース２２の底部２７の裏面から板状冷媒流路３０を流れる液体冷媒により冷却する。

本実施形態では、冷却装置は、図７および図８に示すように、液体冷媒導入管４２から供給される液体冷媒を、一旦貯留しながら、流路幅方向に延びる冷媒供給ノズル４１を通して、板状冷媒流路３０に供給する液体冷媒供給ヘッダ４０を、板状冷媒流路３０の上流側に備える。この冷媒供給ノズル４１は、公知のスリットノズルまたはフラットノズルからなり、流路幅方向に延びるノズル構造により、板状冷媒流路の流路幅の、間隔保持部等を除く９０％以上に亘って、均等な流量分布となる液体冷媒を供給する。なお、冷媒供給ノズル４１は、必要に応じて流路の幅方向で複数に分割されていてもよい。また、冷却装置は、板状冷媒流路３０の下流側に、板状冷媒流路３０から排出される液体冷媒を一旦貯留することで、板状冷媒流路３０内の流路幅方向で液体冷媒が均等な流量分布となるようにする液体冷媒排出ヘッダ４５および液体冷媒導出管４７を有する。

本実施形態では、液体冷媒供給ヘッダ４０および液体冷媒排出ヘッダ４５は、図７および図８に示すように、ロアケース２２の縦壁部２６の外側に、各々のヘッダ壁の一部をロアケース２２の縦壁部２６と共通の壁部とすることでロアケース２２の縦壁部２６と一体構造をなす。液体冷媒供給ヘッダ４０および液体冷媒排出ヘッダ４５をロアケース２２の縦壁部２６と一体構造とすることにより、部品点数の削減やバッテリーユニット１０のコンパクト化を図ることができる。また、図７に示す液体冷媒供給ヘッダ４０および液体冷媒排出ヘッダ４５の断面形状を、例えば断面積を変えずに薄くすれば（図８および図９参照）、限られたバッテリーユニット１０の設置スペース内で、バッテリーモジュール１１の収容量を増大させることも可能である。

本実施形態では、板状冷媒流路３０は、後述の、流路間隔を補完的に保持するスペーサーまたは流路壁から突出した凸部などの間隔保持部（図１０、図１１参照）などの配設部を除き、その流域をロアケース２２の底部２７の裏面の９０％以上の領域とする。このような構造の板状冷媒流路３０によれば、全てのバッテリーモジュール１１をその収納ケース内の収容位置にかかわらず均等に冷却することができる。この場合、ロアケース２２の底部２７の面内方向の熱伝導はバッテリーモジュール１１の冷却に殆ど影響しないため、ロアケース２２の底部２７を工業用金属材料の中で比較的熱伝導率が低い鋼板製としても、収容ケース２０内のバッテリーモジュール１１を効率的に冷却できる。このように、板状冷媒流路３０を採用する場合は、ロアケース２２の材料選択の自由度を高めることができる。

本実施形態に係る板状冷媒流路３０に代えて、板状冷媒流路３０を、流路幅方向の所定位置に流路分割部（凸部）を配するなどして細分割し、さらに隣り合う流路間を前後端で連結して、流路方向で折り返す分割板状冷媒流路（図示せず）とすることも考えられる。この場合、冷媒が流路方向で折り返されることから、冷媒の流れにつれて冷媒自体の温度が上昇して流路方向の温度均一性が低下する問題を、隣り合う分割板状冷媒流路間で相殺することができる。すなわち、分割板状冷媒流路の上流側から下流側まで流路位置にかかわらず温度均一性を高めることができ、収容ケース２０内を収容位置にかかわらず均一冷却することができる。また、例えば、幅方向中央部の分割板状冷媒流路を冷媒流路の供給側とし、幅方向両側の分割板状冷媒流路を冷媒の排出側とする場合のように、液体冷媒供給ヘッダ４０および液体冷媒排出ヘッダ４５をバッテリーユニット１０の底面の１辺に揃えることができる。これにより、冷却装置に付帯する冷媒用のポンプやラジエター等への接続を容易にすることができる。

本実施形態では、冷却装置は、図示しない冷媒用のポンプやラジエターに接続される。なお、ここでの液体冷媒は、例えば、水、又は、ＬＬＣ（ＬｏｎｇＬｉｆｅＣｏｏｌａｎｔ）であってよい。ＬＬＣとしては、例えば、グリセリンが５０質量％の水溶液であって、２０℃において、密度：１０７３ｋｇ／ｍ^３、動粘度：４．３２２ｍＰａ・ｓ、比熱：３２９９Ｊ／ｋｇ・Ｋ、熱伝導率：０．３９Ｗ／ｍ・Ｋ、等の特性のものを例示できる。

次に、板状冷媒流路の効果についての数値シミュレーションによる確認試験結果について説明する。

図１２Ａ～図１２Ｃに、冷却面広さを長さ１６７５ｍｍ×幅１１５６ｍｍにそろえた条件での、発明例、比較例の計３つの冷媒流路パターンを示す。すなわち、図１２Ａは、発明例１としての冷媒流域が全幅に及ぶ板状冷媒流路の冷媒流路パターンを示す。また、図１２Ｂは、比較例１としての冷媒流路が全幅横断６０本（２回折り返しの幅３回横断×２０分岐）、幅端部で供給管、排出管接続とする冷媒流路パターン（外取合い）を示す。図１２Ｃは、比較例２としての冷媒流路を２分割して片幅ずつ横断３０本（２回折り返しの幅３回横断×１０分岐）、両側合わせて６０本（２回折り返しの幅３回横断×２０分岐）、幅中央部で供給管、排出管接続とする冷媒流路パターン（内取合い）を示す。

以上のような３つの冷媒流路パターンでの圧損の差異を比較するために、それぞれの圧損に対応する流路長さを求めると次のとおりであり、流路長さでは大きな差はないように見える。
発明例１：１６７５ｍｍ（流路総延長も同じ）
比較例１：１１５６×３往復＝３４６８ｍｍ
（ただし流路総延長は３．４６８×２０分岐＝６９ｍ）
比較例２：１１５６／２×３往復＝１７３４ｍｍ
（ただし流路総延長は１．７３４×２０分岐＝３４ｍ）

しかし、図１３に示すように、同一流量での冷媒流路深さに対する圧損そのものを、発明例、比較例で対比してみると、発明例の方が比較例より、特に冷媒流路深さ（冷媒流路厚さともいう）が２ｍｍ以下で顕著に低くなることが分かる。以上のとおり、図１３から、本発明によれば冷媒ポンプ等の冷却装置の付帯設備能力を低く抑える効果を期待できる。また、流路総延長を対比すれば、本発明では比較例より液密のための流路シール長を飛躍的に短くする効果を期待できる。

次に、発明例、比較例のいずれも、入熱量を６ｋＷとして、抜熱量を冷媒流量２５Ｌ／ｍｉｎによる抜熱のみとして定常計算した。

ここで、仮に比較例の冷媒流路幅を２０ｍｍとすると、伝熱面積は、発明例１を１００％としたとき、比較例１では７２％、比較例２では３６％となる。このような冷媒流路幅条件の場合について、冷媒流路深さに対するパネル熱伝達率を、発明例、比較例で対比した結果を図１４に示す。また、同様の冷媒流路幅条件の場合について、冷媒流路深さに対する冷媒流路壁平均温度を、発明例、比較例で対比した結果を図１５に示す。このような冷媒流路幅条件の場合は、比較例に比べて発明例の方が伝熱面積を大きくとることができることもあり、図１４からは発明例の方がパネル熱伝達率が大きくなることが分かる。また、同様に図１４からは発明例の方が冷媒流路壁平均温度を低く維持できることが分かる。以上のとおり、図１４、図１５から、本発明によれば冷却対象であるバッテリーモジュール１１の温度を低く抑える効果を期待できる。

（第１の変形例）
図９は、第１の実施形態に対する第１の変形例に係るバッテリーユニット１０のロアケース２２と付帯する冷却装置の流路方向縦断面図である。図７、図８および図９を参照して、本変形例に係る液体冷媒供給ヘッダ４０Ａおよび液体冷媒排出ヘッダ４５Ａについて説明する。

図９に示すように、本変形例に係る液体冷媒供給ヘッダ４０Ａおよび／または液体冷媒排出ヘッダ４５Ａは、第１の実施形態と比較した場合に、ヘッダ断面の下端位置が、ロアケース２２の縦壁部２６の下端からヘッダ断面の高さ方向内寸の１／２以上の高さ位置である点で相違する。これは、冷媒流通中にヘッダ内に空気溜りが生じた場合に、ヘッダ内の気泡の平均的な連通距離について考察した結果に基づいて定めたものである。すなわち、気泡の平均的な存在位置をヘッダ断面の図心位置とし、その位置の気泡が他の気泡と連通する平均的な連通距離を、ヘッダ断面の図心位置から端部（下端を含む）までの距離（ヘッダ断面の高さ方向内寸の１／２の高さ相当）としても妥当であると考えた。さらに、気泡がヘッダ断面の下端部に生じたとしても、ヘッダ断面の下端位置が、ロアケースの縦壁部下端からヘッダ断面の高さ方向内寸の１／２以上の高さ位置であれば、気泡の平均的な連通距離を超える為、気泡が板状冷媒流路内の気泡と連通することはないと考えた。このように本変形例に係る実施形態では、板状冷媒流路内に例え気泡が混入したとしても、気泡同士の連通が生じ難く小さな気泡のままで早期に板状冷媒流路内から排出される効果を期待できる。本変形例に係る実施形態では、このような考察に基づいて、ヘッダ断面の下端位置を規定する。その他の構成については、第１の実施形態とほぼ同様である。なお、図７と、図８および図９とでは、液体冷媒供給ヘッダおよび液体冷媒排出ヘッダの断面形状を異にしているが、この点については第１の実施形態で説明したとおりであり、本変形例でも同様である。

以上のように構成される場合であっても、第１の変形例に係るバッテリーユニット１０は、第１の実施形態に係るバッテリーユニット１０とほぼ同様の効果が得られる。

加えて、液体冷媒供給ヘッダ４０Ａおよび／または液体冷媒排出ヘッダ４５Ａが、そのヘッダ断面下端位置を、ロアケース２２の縦壁部２６の下端からヘッダ断面の高さ方向内寸の１／２以上の高さ位置に配設されるようにすることで、気泡等を巻き込むことなく冷媒を板状冷媒流路３０内に完全に充満させることができる。

（第２の実施形態）
図１６Ａは、第２の実施形態に係るバッテリーユニット１０の流路形成板３５Ｃをなすチェッカーエンボス板の典型例としてＦＥＭ解析に用いたエンボス板の形態を斜視図で示す図である。図１６Ｂは、図１６Ａで示すＦＥＭ解析に用いたエンボス板のＡ－Ａ断面矢視の部分断面図を示す図である。また、図１７Ａは、第２の実施形態に係るバッテリーユニット１０のロアケース底部２７と流路形成板３５Ｃとで形成される板状冷媒流路３０Ｃの部分断面図と、温度分布のＦＥＭ解析位置とを示す図である。図１７Ｂは、図１７Ａの流路厚さ方向のＦＥＭ解析結果である温度分布を示す図である。図１６Ａ、図１６Ｂ、図１７Ａ、および図１７Ｂを参照して、第２の実施形態に係るバッテリーユニット１０について説明する。

図１６Ａ、図１６Ｂ、図１７Ａ、および図１７Ｂに示すように、第２の実施形態に係るバッテリーユニット１０は、第１の実施形態に係るバッテリーユニット１０と比較した場合に、流路形成板３５Ｃにチェッカーエンボス板が用いられる点において相違する。その他の構成については、第１の実施形態とほぼ同様である。

ここで、チェッカーエンボス板の効果についての数値シミュレーションによる確認試験結果について説明する。

チェッカーエンボス板の各部寸法は、図１６Ａおよび図１６Ｂに示す記号として定義する。図１６Ａおよび図１６Ｂにおける各部寸法は、凸部の四角錐台頂面と凹部の四角錐台頂面の距離Ｈ、板厚ｔ、凸部および凹部の四角錐台底面の各辺長さＪ、基準面Ｆに対する凸部および凹部の傾斜面部の傾斜角度θ、凹凸の数ｍ、板サイズＬを表す。

図１７Ａで示す板状冷媒流路３０ＣのＦＥＭ解析条件について、まず、流路形成板（チェッカーエンボス板）３５Ｃは、Ｈ＝２ｍｍ、ｔ＝１ｍｍ、Ｊ＝３０ｍｍ、θ＝６０°、ｍ＝３８、Ｌ＝１００ｍｍとした。また、板状冷媒流路３０Ｃは、流路形成板３５Ｃの基準面Ｆとロアケース底部２７との間隔を２ｍｍとして形成されるものとした。

流路内温度分布についてのＦＥＭ解析の境界条件としては、ロアケース底部２７に熱流束１６００Ｗ／ｍ^２を与え、冷却媒体はグリセリン濃度５０質量％のＬＬＣとし、板状冷媒流路３０Ｃの入口での冷却媒体温度を２０℃、冷却媒体の流速を１ｍ／ｓとした。

図１７Ｂに、流路形成板としてチェッカーエンボス板が配設された板状冷媒流路３０Ｃについて、流路厚さ方向の温度分布をＦＥＭ解析した結果を示す。同図から、流路内側に凸のチェッカーエンボス部（ａ部）では、平板の流路形成板３５が配設された場合と比較して、ロアケース底部２７から０．８ｍｍ（平均流路厚の４０％）程度まで冷却能力が上回ることが分かる。また、同図から、流路外側に凸のチェッカーエンボス部（ｂ部）でも、平板の流路形成板３５が配設された場合と比較して、ロアケース底部２７から０．５ｍｍ（平均流路厚の２５％）程度まで冷却能力が上回ることが分かる。このような冷却能力向上効果は、チェッカーエンボス板の凹凸部により冷媒の流れが乱されることで、熱伝達率が高まることによる効果と推測される。

本実施形態に係るバッテリーユニット１０の底面は大面積のパネルからなるため、チェッカーエンボス板からなる流路形成板３５Ｃの面外方向のたわみ量についても、上記の解析条件と同じ条件でＦＥＭ解析を行った。その結果、平板状の流路形成板３５の場合の冷媒の液圧によるたわみを１としたときに、本実施形態に係るバッテリーユニット１０は、流路形成板にチェッカーエンボス板を採用することにより、たわみ比が０．７となり面外変形を改善できることが確認された。これにより、許容されるバッテリーユニット１０の底面の面外変形量に応じて流路形成板３５Ｃの板厚ｔを薄くできることから、装置の軽量化を図ることができる。

本実施形態に係るバッテリーユニット１０の流路形成板３５Ｃをなすチェッカーエンボス板の各部の寸法は、次の範囲であることが好ましい。すなわち、凸部の四角錐台頂面と凹部の四角錐台頂面の距離Ｈは、１ｍｍ～５ｍｍが好ましい。この距離Ｈが１ｍｍ未満では冷媒の上下方向の流れが少なくなるため冷却能力が低くなり、５ｍｍ超では冷媒の断面積が増えて流速が低下して冷却能力が低くなるからである。板厚ｔは、０．３ｍｍ～５ｍｍが好ましい。板厚ｔが０．３ｍｍ未満では板の剛性が低く冷媒の液圧によりたわみが大きくなるからであり、５ｍｍ超ではバッテリーユニットの重量が大きくなりすぎるからである。凸部および凹部の四角錐台底面の各辺長さＪは、５ｍｍ～５０ｍｍが好ましい。各辺長さＪが５ｍｍ未満では冷媒の流れへの抵抗が大きくなり、５０ｍｍ超では冷媒の上下方向の流れが少なくなるため冷却能力が低くなるからである。基準面Ｆに対する凸部及び凹部の傾斜面部の傾斜角度θは、１０°～７５°が好ましい。この傾斜角度θが１０°未満では冷媒の上下方向の流れが少なくなるため冷却能力が低くなり、７５°超では冷媒の流れへの抵抗が大きくなるからである。

本実施形態に係るチェッカーエンボス板において、基材に適用可能な金属板の種類としては、特に限定されるものではなく、例えば、鉄、鉄基合金、アルミニウム、アルミニウム基合金、銅、銅基合金等が挙げられる。また、本実施形態に係るチェッカーエンボス板の基材として、任意に金属板上に塗装した塗装金属板またはめっきしためっき金属板を使用することもできる。これらの金属板の中でも、本実施形態への適用において最も好適なものは、亜鉛系めっき鋼板またはアルミニウム系めっき鋼板である。

以上のように構成される場合であっても、第２の実施形態に係るバッテリーユニット１０は、第１の実施形態に係るバッテリーユニット１０とほぼ同様の効果が得られる。

加えて、チェッカーエンボス板による冷却能力の向上および板面の剛性向上を通して、バッテリーユニット１０の軽量化を図ることができる。

（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態に係るバッテリーユニット１０の板状冷媒流路３０内に具備される間隔保持部（凸部）３６が、流路形成板３５の所定位置に配設されている様子を分解斜視図で示すものである。図１０を参照して、第３の実施形態に係るバッテリーユニット１０について説明する。

図１０に示すように、第３の実施形態に係るバッテリーユニット１０は、第１の実施形態に係るバッテリーユニット１０と比較した場合に、板状冷媒流路３０内に間隔保持部（凸部）３６が設けられている点において相違する。その他の構成については、第１の実施形態とほぼ同様である。また、本実施形態に係る間隔保持部（凸部）３６は、第２の実施形態に係るチェッカーエンボス板の凸部の一部を突出量を増大させて設けるようにしてもよい。

間隔保持部（凸部）３６は、ロアケース２２の底部２７と流路形成板３５との間で形成される板状冷媒流路３０の流路間隔を所定間隔に保持する。間隔保持部（凸部）３６は、樹脂等で形成される部材であって、ロアケース２２の底部２７の裏面および／または流路形成板３５の流路内面に接合される部材でもよい。また、間隔保持部（凸部）３６は、ロアケース２２の底部２７の裏面および／または流路形成板３５の流路内面からプレス成形等による張り出し成形で形成される凸部でもよい。また、図１１Ａ～図１１Ｄに示すように、板状冷媒流路３０の内壁への間隔保持部（凸部）３６の配設については、ロアケース２２の底部２７の裏面および流路形成板３５で形成される板状冷媒流路３０の内壁のいずれか一方または双方に配設することができる。また、図１１Ｃに示すように、間隔保持部（凸部）３６は、ロアケース２２の底部２７の裏面および流路形成板３５で形成される板状冷媒流路３０の内壁の双方に配設される部材または双方から張り出した凸部の組み合わせで形成されるものでもよい。

なお、ここでの間隔保持部（凸部）３６同士の接合、または、間隔保持部（凸部）３６とロアケース２２の底部２７の裏面および／または流路形成板３５の流路内面との接合は、接着または溶接により行われてもよいし、接着と溶接を併用してもよい。また、その接合部の接触面積のうち、接着または溶接がされる面積は、接触面積の全面でもよいし、その一部でもよい。また、ここでの溶接には、スポット溶接、レーザー溶接、プロジェクション溶接等を用いることができる。

このような接着または溶接によらずに、ロアケース２２の底部２７または流路形成板３５の変形抑止構造を、ロアケース２２の底部２７および／または流路形成板３５の、板状冷媒流路３０と反対面側に設けてもよい。

以上のように構成される場合であっても、第３の実施形態に係るバッテリーユニット１０は、第１の実施形態に係るバッテリーユニット１０とほぼ同様の効果が得られる。

加えて、不測の外力等がロアケース２２の底部２７または流路形成板３５に加わっても、ロアケース２２の底部２７または流路形成板３５の変形を防ぎながら板状冷媒流路３０の間隔を有利に保持することができる。

（第４の実施形態）
図１８は、第４の実施形態に係るバッテリーユニット１０のロアケース２２と付帯する冷却装置の流路方向縦断面図である。図１９は、図１８の板状冷媒流路の出側深さに対する入側深さの流路深さ比による、出側の熱伝達率であるパネル内最高熱伝達率の変化をＦＥＭ解析した結果を示す図である。図２０は、同じく流路深さ比による流路壁内温度差（出側温度－入側温度）の変化をＦＥＭ解析した結果を示す図である。図１８～図２０を参照して、第４の実施形態に係るバッテリーユニット１０について説明する。

図１８に示すように、第４の実施形態に係るバッテリーユニット１０は、第１の実施形態の第１の変形例と比較した場合に、板状冷媒流路３０Ｂの流路間隔（流路深さ、または流路厚さともいう）が流路上流側から流路下流側に向けて漸減するように流路形成板３５Ｂが配設される点で相違する。それに伴い、液体媒体供給ヘッダ４０Ｂおよび液体媒体排出ヘッダ４５Ｂの位置、ならびに冷媒供給ノズル４１Ｂのノズル間隔も相違する。その他の構成については、第１の実施形態の第１の変形例とほぼ同様である。

ここで、流路間隔が流路上流側から流路下流側に向けて漸減する板状冷媒流路の効果についての数値シミュレーションによる確認試験結果について説明する。

ＦＥＭ解析条件については、第１の実施形態および第２の実施形態で行ったＦＥＭ解析と同様の条件とした。すなわち、まず、冷却面広さは、長さ１６７５ｍｍ×幅１１５６ｍｍとした。また、流路間隔は、流路の入側と出側の平均が２ｍｍとなるようにするとともに、流路深さ比（入側／出側）が２ｍｍ／２ｍｍの場合を基準にして、２．５ｍｍ／１．５ｍｍ、３ｍｍ／１ｍｍ、および３．５ｍｍ／０．５ｍｍの場合を計算対象とした。その他の境界条件として、ロアケース底部２７に熱流束１６００Ｗ／ｍ^２を与え、冷却媒体はグリセリン濃度５０質量％のＬＬＣとし、板状冷媒流路３０Ｂの入口での冷却媒体温度を２０℃とした。また、板状冷媒流路３０Ｂ内の冷却媒体の平均流速は、各流路深さ比間で一定の１ｍ／ｓとすることとし、そのために流路深さ比毎に流路入口の流量を調整した。

図１９に、板状冷媒流路の出側深さに対する入側深さの流路深さ比による、出側の熱伝達率であるパネル内最高熱伝達率の変化をＦＥＭ解析した結果を示す。同図から、流路の入側と出側の流路深さ（流路厚さ）の比が大きくなるとパネル熱伝達率が上昇していくことが分かる。

図２０には、同じく流路深さ比による流路壁内温度差（出側温度－入側温度）の変化をＦＥＭ解析した結果を示す。同図から、流路の入側と出側の流路深さ（流路厚さ）の比が大きくなると、図１９の効果もあり流路壁内温度差が小さくなっていくことが分かる。ところで、図２０中の流路深さ比（入側／出側）が２ｍｍ／２ｍｍの場合の流路壁内温度差をみると、６℃程度になることが分かる。これは、板状冷媒流路３０内を流れる冷媒が、収容ケース２０内に収容されているバッテリーモジュール１１を冷却しながら流路下流に向けて流れていくうちに、バッテリーからの伝熱により徐々に冷媒自体の温度が上昇していくからである。なお、流速が一定の場合、流路方向で熱伝達率は変化しないため、所定のバッテリー発熱量を伝熱させる場合、ロアケース底面２７と冷媒の温度差は一定となる。そのため、図２０中の流路深さ比（入側／出側）が２ｍｍ／２ｍｍの場合の流路壁内温度差のデータのように、ロアケース底面２７の温度も下流に向けて上昇し、バッテリー側を等温に維持することができない。第４の実施形態では、流路方向に向けて流路間隔を漸減させ、それに伴い冷媒流速を漸増させることで熱伝達係数を漸増させることができるため、所定発熱量に対するロアケース底面と冷媒の温度差を縮小することができる。その結果、冷媒の温度が上昇しても、伝熱に必要な温度差が縮小されることで、流路方向の温度上昇を抑制し、ロアケース底面２７の温度を均一に制御することができる。

以上のように構成される場合であっても、第４の実施形態に係るバッテリーユニット１０は、第１の実施形態の第１の変形例に係るバッテリーユニット１０とほぼ同様の効果が得られる。

加えて、板状冷媒流路３０Ｂ内を流れる冷媒がバッテリーモジュール１１を冷却しながら流れていくうちに徐々に温度上昇していくことと、冷媒流路間隔が漸減することで冷媒流速が漸増して熱伝達率を上昇させることとを相殺させることができる。その結果、板状冷媒流路３０Ｂの上流側から下流側までの流路位置、さらには、収容ケース２０内の収容位置にかかわらず均一冷却することができる。

１０バッテリーユニット（バッテリーパック）
１１バッテリーモジュール
１２バッテリーセル（二次バッテリーセル）
２０収容ケース
２１アッパーケース（ハウジングカバー）
２２ロアケース（ハウジングトレイ）
２６ロアケース縦壁部
２７ロアケース底部（収容ケース底部）
２８ロアケースフランジ部
３０、３０Ｂ、３０Ｃ板状冷媒流路
３５、３５Ｂ流路形成板
３５Ｃ流路形成板（チェッカーエンボス板）
３６間隔保持部（凸部）
４０、４０Ａ、４０Ｂ液体冷媒供給ヘッダ
４１、４１Ｂ冷媒供給ノズル（スリットノズル、フラットノズル）
４２液体冷媒導入管
４５、４５Ａ、４５Ｂ液体冷媒排出ヘッダ
４７液体冷媒導出管
５０液体冷却器
５１冷媒供給口
５２冷媒排出口
５３冷媒流路
５４集合冷媒往路
５５集合冷媒復路
６０送風ダクト
６１送風機
１００車両（電動車両）
１１１車体
１１２前輪
１１３後輪

Claims

充放電可能なバッテリーセルが複数積層されたバッテリーセル積層体を内包するバッテリーモジュールと、
内部に収容空間が形成されて該収容空間内に前記バッテリーモジュールを収容する、アッパーケースとロアケースとからなる収容ケースと、
前記ロアケースの底部裏面から前記バッテリーモジュールを液体冷媒で冷却する冷媒流路であって、流域を前記ロアケースの底部裏面の９０％以上の領域とする板状冷媒流路を、前記ロアケースの底部との間で所定の流路間隔を保持して形成する流路形成板と、
前記板状冷媒流路の流路幅の９０％以上に亘って前記液体冷媒を供給する、スリットノズルまたはフラットノズルからなる冷媒供給ノズルと、
前記冷媒供給ノズルに前記液体冷媒を供給する液体冷媒供給ヘッダと、
前記板状冷媒流路から前記液体冷媒を排出する液体冷媒排出ヘッダと
を備え、
前記液体冷媒供給ヘッダは、前記ロアケースの縦壁部のうちの前記液体冷媒の上流側の縦壁部の外側に配設され、
前記液体冷媒排出ヘッダは、前記ロアケースの縦壁部のうちの前記液体冷媒の下流側の縦壁部の外側に配設され、
前記液体冷媒供給ヘッダおよび前記液体冷媒排出ヘッダは、各々のヘッダ壁の一部を前記ロアケースの縦壁部と共通の壁部とすることで前記ロアケースの縦壁部と一体構造をなす、車両用バッテリーユニット。
前記流路形成板は、エンボス加工による四角錐台形の凸部および凹部が、四角錐台底面の四辺を境界にして、交互に複数連続的に接続されて板面をなすチェッカーエンボス板からなる、請求項１に記載の車両用バッテリーユニット。
前記液体冷媒供給ヘッダおよび前記液体冷媒排出ヘッダのいずれか一方または双方は、ヘッダ断面の下端位置が、前記ロアケースの縦壁部下端から前記ヘッダ断面の高さ方向内寸の１／２以上の高さ位置である、請求項１または請求項２に記載の車両用バッテリーユニット。
前記板状冷媒流路は、前記所定の流路間隔の保持を補完する間隔保持部を有する、請求項１または請求項２に記載の車両用バッテリーユニット。
前記間隔保持部は、前記ロアケースの底部および／または前記流路形成板から流路内に突出するように形成された凸部である、請求項４に記載の車両用バッテリーユニット。
前記流路形成板は、前記板状冷媒流路の流路間隔が流路上流側から流路下流側に向けて漸減するように配設される、請求項１または請求項２に記載の車両用バッテリーユニット。