JP7354065B2

JP7354065B2 - 電池冷却構造

Info

Publication number: JP7354065B2
Application number: JP2020123561A
Authority: JP
Inventors: 理生鈴森; 雄介鈴木
Original assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2023-10-02
Anticipated expiration: 2040-07-20
Also published as: JP2022020196A

Description

本発明は、複数の電池セルを組み合わせて構成された電池の冷却構造に関する。

複数の電池セルを一括して冷却するために、冷媒流路を備えた冷却器と複数の電池セルとの間に熱伝導体を挟んで組み合わされた電池冷却構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の電池冷却構造の場合、熱伝導体は、ゲル状の物質により構成されている。そのため、電池セルの外形寸法にバラツキがあっても、冷却器と電池セルとの間に挟まれた熱伝導体が両者の隙間内で流動することにより、上記バラツキを吸収して、電池セルと冷却器との間に上記バラツキによる空隙が生じないようにして、各電池セル間の冷却性能にムラが生じないようにしている。結果として、各電池セル間に寿命のバラツキが生じないようにしている。

上記電池冷却構造の場合、冷却器は、内部に冷媒流路を形成するため、その表面が凹凸面となっている。そのため、冷却器と電池セルとの間に挟まれた熱伝導体は、主に冷却器の凸部表面と電池セルとの間に滞留し、冷却器の凸部表面と電池セルとの間の押圧力により押し出された熱伝導体が凹部内にも部分的に滞留する。

特開２０２０－５３１４８号公報

上記熱伝導体は、電池セルの外形寸法のバラツキを吸収しているため、凹部内に滞留する熱伝導体の量にはバラツキが生じる。そのため、冷却器の部位毎に凹部内に滞留する熱伝導体の量に違いがあり、各電池セルの冷却性能にムラが生じる。

本発明の課題は、冷却器と電池セルとの間に熱伝導体を挟んで電池セルを冷却する電池冷却構造において、冷却器の凹凸面の凹部内に熱伝導体を優先的に充填し、凹部内の充填後に余る熱伝導体を凹部外に押し出すことにある。それにより、凹部内外両方に熱伝導体を充填させて電池セルの部位毎に冷却性能のムラが生じないようにすることにある。

本発明の第１発明は、複数の電池セルを組み合わせて一つの電池が構成された電池モジュールにおける電池冷却構造であって、前記各電池セルを冷却するための冷媒を通す冷媒流路を備え、該冷媒流路形成に伴い表面に凹凸面が形成された冷却器と、該冷却器の凹凸面及び前記各電池セルに挟まれて配置され、熱伝導性を有する熱伝導体とを備え、前記熱伝導体は、前記冷却器と前記電池セルとに挟まれて押圧されることにより押圧面の形状に馴染んで弾性変形可能に構成されており、前記冷却器の凹凸面及び前記電池セルの前記凹凸面に対する対向面に挟まれる平板状の平板部と、該平板部と一体に形成され、且つ前記冷却器の凹凸面における凹部に対応させて形成され、該凹部内空間を満たす体積を有する突起部とを備える。

第１発明において、冷却器は、各電池セルの底面又は側面に沿って配置されるか、互いに隣接する電池セル同士間に挟まれて配置される。また、冷却器は、それらの配置場所の複数箇所にそれぞれ配置されてもよい。また、冷却器の凹凸面は、凹部が冷媒流路に沿って細長く延びる溝状のものか、凹部が円形の容器状のものかのいずれか、若しくは両方が混在するものである。

本発明の第２発明は、上記第１発明において、前記突起部は、前記平板部の表裏両側に分けて形成されている。

第２発明において、平板部の表裏両側に分けて形成される各突起部は、両者の体積が互いに同じとされるか、異なるものとされる。

本発明の第３発明は、上記第１又は第２発明において、前記突起部は、前記冷却器に対向する端部が球面又は尖頭形状とされている。

本発明の第４発明は、上記第１～第３発明のいずれかにおいて、前記平板部の前記冷却器側面及び前記電池セル側面の少なくともいずれか一方には、前記突起部の前記平板部からの立ち上がり縁部と前記平板部の外縁端部とを繋いで空気抜きを成す溝が形成されている。

第４発明において、溝が形成される平板部の外縁端部の位置は特定位置に限定されず、平板部の外縁端部のうちどこに形成されてもよい。また、溝は一つの突起部に対して複数本形成されてもよい。

本発明の第５発明は、上記第２発明において、前記冷却器の前記凹部は、前記熱伝導体の平板部に対向する面における形状が円形とされており、前記突起部は、前記平板部の表裏両側を合わせた全体形状が球形状とされている。

本発明の第６発明は、上記第４発明において、前記突起部の前記冷却器側面及び前記電池セル側面の少なくともいずれか一方には、前記溝に連通する空間を形成する切欠が形成されている。

本発明の第７発明は、上記第４又は第６発明において、前記溝は、前記突起部から離れるほど溝深さが深くなるように溝底が傾斜面にて形成されている。

本発明によれば、冷却器の凹凸面の凹部内に熱伝導体を優先的に充填し、凹部内の充填後に余る熱伝導体を凹部外に押し出すことにより、凹部内外両方に熱伝導体を充填させて電池セルの部位毎に冷却性能のムラが生じないようにすることができる。

本発明の第１実施形態を示す主要部の分解斜視図である。上記第１実施形態の主要部の拡大側面図である。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面矢視図であり、熱伝導体が押し潰される前の状態を示す。図３と同様の断面図であり、熱伝導体が押し潰された状態を示す。上記第１実施形態における熱伝導体の突起部周りの拡大斜視図である。本発明の第２実施形態における図３に対応する断面図である。上記第２実施形態における図４に対応する断面図である。本発明の第３実施形態における図３、６に対応する部分断面図である。

＜第１実施形態の全体構成＞
図１、２は第１実施形態の主要部を示す。この実施形態は、電気自動車に用いられる電池モジュールの冷却構造である。図１、２においてＸ、Ｙ、Ｚの矢印で示すように、電池モジュールの各方向は、Ｘ方向（若しくはＸ１、Ｘ２側）、Ｙ方向（若しくはＹ１、Ｙ２側）、Ｚ方向（若しくはＺ１、Ｚ２側）として説明する。ここでは、Ｚ方向は重力方向とされている。なお、これらの方向に関しては、図３以降の図においても同様である。

図１、２のように、電池モジュールは、複数の電池セル４を直列接続して組み合わせて成る。ここでは電池セル４を６個だけ示すが、必要数だけ組み合わされる。各電池セル４の側部（Ｘ１側）には、各電池セル４をまとめて冷却するための冷却器１が配置されている。電池モジュールは、各電池セル４と冷却器１との間に熱伝導体２を挟んだ状態で保持枠３等により一体化される。一体化に際しては、各電池セル４の側部（Ｘ２側）が保持枠３により押圧される。従って、熱伝導体２は、各電池セル４及び冷却器１に挟まれて、その押圧力をＸ方向に受ける。

＜冷却器の構成＞
図１、３、４のように、冷却器１は、２枚の鋼板１ａ、１ｂの周縁部が溶接接合されて成り、２枚の鋼板１ａ、１ｂ間に冷媒流路１２が形成されている。ここでは、冷媒流路１２への冷媒の出入口の図示は省略している。鋼板１ａの冷媒流路１２を形成する領域の一部には、複数の凹部１１ａが形成されて凹凸面１１が形成されて成る。各凹部１１ａは、鋼板１ａが円形スポット状に鋼板１ｂに向けて窪まされて、各凹部１１ａの底部が鋼板１ｂに溶接接合されている。各凹部１１ａは、Ｙ方向に沿ってＺ方向に２列で並べて複数個配置されている。そして、Ｚ方向に配置された２列の凹部１１ａは、互いにＹ方向に位置ずれして千鳥配置されている。このように凹部１１ａが形成されることにより、冷媒流路１２を流れる冷媒の圧力を受けて鋼板１ａ、１ｂ間の隙間が拡がるように変形することが防止されている。冷媒流路１２は、各凹部１１ａの間に形成されている。

＜熱伝導体の構成＞
図１～５のように、熱伝導体２は、平板状の平板部２１の表裏両側（Ｘ１側及びＸ２側）に複数個の突起部２２が突出して形成されている。平板部２１は、冷却器１の凹凸面１１及び各電池セル４の冷却器１に対向するＸ１側面（対向面）に挟まれて形成されている。一方、各突起部２２は、熱伝導体２が電池セル４と冷却器１との間に挟まれて配置されたとき、冷却器１の凹部１１ａに対応して位置するように配置されている。図３のように、突起部２２は、平板部２１の表裏両側の突起部２２を合わせた全体形状が球形状とされている。突起部２２は、その球の径が凹部１１ａの円の径に対して僅かに小さく、且つ凹部１１ａの窪み深さに対して球の径が大きくされている。そして、突起部２２の球は、凹部１１ａ内の空間を満たす体積とされている。実際には、製造ばらつきを考慮して、球の体積は、凹部１１ａ内の容積よりも僅かに大きくされている。熱伝導体２は、熱伝導性を有し、且つ弾性変形可能な素材にて形成されており、例えば炭素や金属を含む軟質樹脂により形成されている。

図１～３、５のように、平板部２１には、各突起部２２の平板部２１からの立ち上がり縁部２２ａと平板部２１の外縁端部２１ａとを繋ぐように溝２３が形成されている。各溝２３は、平板部２１の表裏両側（Ｘ１側及びＸ２側）の各突起部２２に対応して形成されている。また、各溝２３は、Ｚ１側に配置された突起部２２に対応してはＺ１側に延び、Ｚ２側に配置された突起部２２に対応してはＺ２側に延びて形成されている。図３、５のように、各溝２３は、突起部２２から離れるほど溝深さが深くなるように溝底が傾斜面にて形成されている。

図３、５のように、各突起部２２の冷却器１側面及び各電池セル４側面には、溝２３に対応して切欠２４が形成されている。切欠２４は、溝２３に連通する空間を形成している。

＜第１実施形態の作用、効果＞
各電池セル４が電池モジュールとして組み立てられる際には、図３のように、熱伝導体２の各突起部２２が冷却器１の凹部１１ａに対応した位置に配置される。この状態で、保持枠３と冷却器１は、その間に、熱伝導体２及び各電池セル４を挟んで、Ｘ方向に押圧力を加えて固定される。その結果、図４のように、熱伝導体２が冷却器１と各電池セル４とにより押圧される。この押圧により、熱伝導体２は、冷却器１及び各電池セル４の押圧面の形状に馴染むように弾性変形されて押し潰される。そのため、冷却器１の凹部１１ａ内は、熱伝導体２の突起部２２により充填される。また、凹部１１ａの外側は、凹部１１ａ内を充填して余った突起部２２及び平板部２１により充填される。このとき、冷却器１及び各電池セル４の表面と熱伝導体２の表面との間に空気層ができないようにされている。即ち、冷却器１及び各電池セル４の表面と熱伝導体２の表面との間の空気は、切欠２４及び溝２３を通じて平板部２１の外縁端部２１ａから大気中に放出される。そのため、各電池セル４のＸ１側面は、熱伝導体２を介して冷却器１に密着され、各電池セル４で発生する熱が冷却器１により効率的に放熱される。しかも、各電池セル４がムラなく冷却される。

上述のように、冷却器１の凹部１１ａは、熱伝導体２の平板部２１に対向する面における形状が円形とされている。また、突起部２２は、球形状とされている。しかも、凹部１１ａの円の径に対して突起部２２の球の径が僅かに小さく、且つ凹部１１ａの窪み深さに対して球の径が大きくされている。そのため、突起部２２と凹部１１ａの位置ずれがない場合、突起部２２は、僅かに変形するのみで凹部１１ａ内を充填させることができる。従って、熱伝導体２の弾性係数の設定等の設計自由度を高めることができる。

上述のように、溝２３は、突起部２２から離れるに従って溝深さが深くなるように、溝２３の底面が傾斜されている。そのため、平板部２１が冷却器１と各電池セル４に挟まれて押圧されるとき、最終的に溝２３に集められた空気は、突起部２２に近い側から離れた側に順次押し出される。従って、溝２３内の空気は、より確実に放出される。

突起部２２は、平板部２１において、凹部１１ａを備える冷却器１側（Ｘ１側）のみに形成してもよいが、平板部２１の表裏両側（Ｘ１側及びＸ２側）に均等に設けられている。仮に突起部２２が各電池セル４側（Ｘ２側）にない場合、熱伝導体２の平板部２１に対する各電池セル４の当接位置によって、また、各電池セル４の当接角度によって、冷却器１に対する熱伝導体２の突起部２２の押圧方向が不安定となる。第１実施形態では、平板部２１の各電池セル４側（Ｘ２側）の突起部２２が各電池セル４により確実に押圧される。そのため、平板部２１の冷却器１側（Ｘ１側）の突起部２２は突出方向に安定して押され、突起部２２の位置に対して凹部１１ａの位置が多少ずれても突起部２２が凹部１１ａ内に充填される可能性が高くなる。

＜第２実施形態＞
図６、７は、第２実施形態を示す。第２実施形態が第１実施形態に対して特徴とする点は、平板部２１に溝２３を設けない点、並びに突起部２２に切欠２４を設けない点である。その他の構成は、両者同一であり、同一部分についての再度の説明は省略する。

第２実施形態では、溝２３及び切欠２４を設けないため、熱伝導体２が各電池セル４と冷却器１との間に挟まれて弾性変形する際に熱伝導体２の表裏両側に空気層が残る可能性がある。しかし、熱伝導体２の弾性係数を比較的小さくし、熱伝導体２の変形が突起部２２の中心部から平板部２１側へ順次行われるような形状とすることにより、上記空気層ができ難くすることができる。

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態を示す。第３実施形態が第２実施形態（図６、７参照）に対して特徴とする点は、突起部２２の冷却器１側（Ｘ１側）部を尖頭形状の尖頭形状部２２ｂとした点である。その他の構成は、両者同一であり、同一部分についての再度の説明は省略する。

突起部２２の冷却器１側（Ｘ１側）部が尖頭形状部２２ｂとされているため、突起部２２と凹部１１ａの間に位置ずれがあっても、突起部２２の冷却器１に対向する尖頭形状部２２ｂは凹部１１ａ内に入る確率が高く、突起部２２は押圧されることにより凹部１１ａ内形状に馴染んで変形して凹部１１ａ内を充填することができる。

＜その他の実施形態＞
以上、特定の実施形態について説明したが、本発明は、それらの外観、構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、上記実施形態では、電気自動車用電池に適用した例を示したが、家庭電力供給用電池、自動車以外の乗物用電池等に適用してもよい。また、上記実施形態では、各電池セルは、直列接続されて一つの電池モジュールとされたが、各電池セルが並列接続されるもの、若しくは直並列が組み合わされるものとされてもよい。また、上記実施形態では、溝２３及び切欠２４を熱伝導体２の平板部２１の表裏両側に形成したが、いずれか一方のみに形成してもよい。

＜各発明に対応する上記実施形態の作用効果＞
最後に上述の「課題を解決するための手段」における第１発明以降の各発明に対応する上記実施形態の作用効果を付記しておく。

第１発明によれば、電池セルが電池として組み付けられるとき、熱伝導体の突起部が冷却器の凹部に入って電池セルからの圧力によって押し潰されて凹部の形状に沿って変形される。このとき、熱伝導体の突起部は、冷却器の凹部内の空間全体に充填される。凹部内を充填して突起部がなお余る場合、その余りは平坦部を端部側に押し出して移動する。そのため、凹部内外両方に熱伝導体を充填させて電池セルの部位毎に冷却性能のムラが生じないようにすることができる。また、熱伝導体は、平板部に突起部を備えたシート状となり、ゲル状の熱伝導体に比べて電池組立時の取り扱いが容易であり、生産性を高めることができる。

平板部の電池セル側に突起がない場合、熱伝導体の平板部に対する電池セルの当接位置によって、また、電池セルの当接角度によって、冷却器に対する熱伝導体の突起部の押圧方向が不安定となる。第２発明によれば、平板部の電池セル側の突起部が電池セルにより確実に押圧される。そのため、平板部の冷却器側の突起部は突出方向に安定して押され、突起部の突出方向に対して凹部の正面方向が多少位置ずれしていても突起部が凹部内に充填される可能性が高くなる。

第３発明によれば、上記のように突起部と凹部の間に位置ずれがあっても、突起部の端部が球面又は尖頭形状とされているため、突起部の冷却器に対向する端部は凹部内に入る確率が高く、突起部は押圧されることにより凹部内形状に馴染んで変形して凹部内を充填することができる。

第４発明によれば、凹部内へ熱伝導体の突起部が充填される際、凹部から排出される空気が溝を通って外部に抜け易くなる。そのため、突起部の凹部内への充填が安定して行われる。また、突起部が電池セルによって押圧される際、熱伝導体の平坦部と電池セルとの間の空気が溝を通って外部に抜け易くなる。従って、熱伝導体と冷却器又は電池セルとの間に空気層が残留することが抑制され、電池セルの放熱性が良くなる。

第５発明によれば、例えば、上記のような突起部と凹部の位置ずれがなく、凹部の円の径に対して突起部の球の径が僅かに小さく、且つ凹部の窪み深さに対して球の径が大きくされると、突起部は、僅かに変形するのみで凹部を充填させることができ、熱伝導体の弾性係数の設定等の設計自由度を高めることができる。

第６発明によれば、突起部が電池セルに押圧されて凹部内で変形しても切欠部により凹部内の空間と溝の連通状態が維持され易い。そのため、凹部内の空気が溝を通って外部に抜け易くなり、熱伝導体の凹部内への充填が安定して行われる。

第７発明によれば、溝は、突起部から離れるに従って溝深さが深くなるように、溝の底面が傾斜されている。そのため、熱伝導体の平板部が冷却器と各電池セルに挟まれて押圧されるとき、最終的に溝に集められた空気は、突起部に近い側から離れた側に順次押し出される。従って、溝内の空気は、より確実に放出される。

１冷却器
１ａ、１ｂ鋼板
１１凹凸面
１１ａ凹部
１２冷媒流路
２熱伝導体
２１平板部
２１ａ外縁端部
２２突起部
２２ａ立ち上がり縁部
２２ｂ尖頭形状部
２３溝
２４切欠
３保持枠
４電池セル

Claims

複数の電池セルを組み合わせて一つの電池が構成された電池モジュールにおける電池冷却構造であって、
前記各電池セルを冷却するための冷媒を通す冷媒流路を備え、該冷媒流路形成に伴い表面に凹凸面が形成された冷却器と、
該冷却器の凹凸面及び前記各電池セルに挟まれて配置され、熱伝導性を有する熱伝導体と
を備え、
前記熱伝導体は、
前記冷却器と前記電池セルとに挟まれて押圧されることにより押圧面の形状に馴染んで弾性変形可能に構成されており、
前記冷却器の凹凸面及び前記電池セルの前記凹凸面に対する対向面に挟まれる平板状の平板部と、
該平板部と一体に形成され、且つ前記冷却器の凹凸面における凹部に対応させて形成され、該凹部内空間を満たす体積を有する突起部と
を備える電池冷却構造。
請求項１において、
前記突起部は、前記平板部の表裏両側に分けて形成されている
電池冷却構造。
請求項１又は２において、
前記突起部は、前記冷却器に対向する端部が球面又は尖頭形状とされている
電池冷却構造。
請求項１～３のいずれかにおいて、
前記平板部の前記冷却器側面及び前記電池セル側面の少なくともいずれか一方には、前記突起部の前記平板部からの立ち上がり縁部と前記平板部の外縁端部とを繋いで空気抜きを成す溝が形成されている
電池冷却構造。
請求項２において、
前記冷却器の前記凹部は、前記熱伝導体の平板部に対向する面における形状が円形とされており、
前記突起部は、前記平板部の表裏両側を合わせた全体形状が球形状とされている
電池冷却構造。
請求項４において、
前記突起部の前記冷却器側面及び前記電池セル側面の少なくともいずれか一方には、前記溝に連通する空間を形成する切欠が形成されている
電池冷却構造。
請求項４又は６において、
前記溝は、前記突起部から離れるほど溝深さが深くなるように溝底が傾斜面にて形成されている
電池冷却構造。