JP7395559B2 - ハウジングに組み込まれた温度調整手段を有するバッテリユニット - Google Patents

Description

本発明は、自立型の電気エネルギー源、特に自動車に搭載された電気エネルギー源の分野に関し、バッテリユニットと、少なくとも１つのこのようなユニットを含むハイブリッドまたは電気自動車とを目的とする。

ハイブリッド／電気自動車は、その動作に必要な電気エネルギーを保管可能なバッテリを備える。現在の問題点は、「バッテリパック」とも呼ばれるバッテリユニットの設計を最適化して、それにより寿命（充電／放電）と走行連続動作能力との観点から最高の性能を引き出すことが必要な点にある。これらのバッテリパックの日常的な使用では、充電時間が同様に重要なファクタである。

使用されるバッテリでは、特に、たとえばリチウム－イオンまたはリチウム－ポリマータイプの高密度蓄電池を、理想的には温度１０℃～３０℃で動作させる必要がある。温度が低すぎると連続動作能力に影響し、温度が高すぎるとバッテリの寿命に影響する。したがって、バッテリの温度を最適に調整することが必要である。

車載用途の場合、バッテリを空気により冷却するという解決方法が存在するが、熱交換は依然としてかなり制限される。現在の傾向は、熱伝導流体を用いて熱交換を改善するとともに調整効率を上げることにある。

さらに、これらのバッテリを受容する溝は、車両の一部から直接実現されるか、または、この車両の構造部品に形成された空洞から構成可能である。しかし、上記の解決方法は設置の観点から柔軟性に乏しく、メンテナンスが難しい。このため、自立型で車両構造に組み込まれないバッテリパックという解決方法を優先すべきである。

従来技術には多くの構想が存在する：これらは金属（鋼、アルミニウム等）による解決方法を用いており、バッテリパックの内部に組み立てられ、配置された冷却プレートまで熱伝導流体がホースにより分配され、バッテリのセルまたは素子をまとめたモジュールが冷却プレートの上に配置されている。

その結果、多数の部品の組立から形成されるので構成が複雑化し、製造時には多くの密封接続を実施しなければならず（その老化耐性には問題がありうる）、大型のマルチコンポーネント構造となる。

さらに、バッテリユニットのハウジングは金属（好ましくはアルミニウム）で製造されるので、外部に向けてバッテリパックを断熱不能かつ絶縁不能であり、その上、原価が高く、腐食しやすい。

本発明の目的は、少なくとも上記の主な制限を解消することにある。

このため、本発明は、特にハイブリッドおよび／または電気自動車用のバッテリユニットを目的とし、このユニットは主に、一方では、物理的および／または電気的に複数のブロックまたはモジュールに必要に応じてまとめられた複数のセルまたはバッテリ素子を含み、他方では、前記セルまたは素子を収容かつ囲むハウジングを含み、さらに、熱伝導流体の循環による前記セルまたは素子の温度調整手段を含み、
ハウジングがプラスチック材料で実現され、好ましくはねじ止めにより周辺で組み立てられた、底部および側壁を持つ下部トレイと上部カバーとから構成され、少なくともトレイが、前記トレイの本体内に構造的に組み込まれて好ましくは少なくとも部分的にトレイと一続きで形成された、熱伝導流体の分配／収集手段および循環手段を含むことを特徴とする。

本発明は、限定的ではない例として挙げられ、概略的な添付図面に関して説明された好ましい実施形態に関する以下の説明によって、いっそう理解されるであろう。

本発明によるバッテリユニットを１つの角度からみた斜視図である。 本発明によるバッテリユニットを異なる角度からみた斜視図である。 ハウジングの２つの構成部品の組立前のバッテリユニットを示す図である。 カバーを外したところを示す、図１Ａと同様の斜視図である。 セルまたはバッテリ素子が外され、下部トレイだけを示す、図２と同様の図である。 分配／収集手段内の熱伝導流体の循環フローを概略的に示す、本発明によるバッテリユニットを１つの方向からみた斜視図である。 分配／収集手段内の熱伝導流体の循環フローを概略的に示す、本発明によるバッテリユニットを異なる方向からみた斜視図である。 熱伝導流体の循環を概略的に示す、図１と図４に示したバッテリユニットの部分断面図である。 図１と図４のバッテリユニットを別の面からみた断面図である。 図１に示したバッテリユニットの、はめ込み補強構造との組立前を示す斜視図である。 図１に示したバッテリユニットの、はめ込み構造との組立後を示す斜視図である。 本発明によるバッテリユニットの別の変形実施形態を示す図１Ａと同様の図である。 本発明によるバッテリユニットのまた別の変形実施形態を示す図１Ａと同様の図である。 図８Ｂに示したバッテリユニットのハウジングの一部をなす下部トレイの斜視図である。 図２のバッテリユニットの（分配／収集手段を示す）分解組立斜視図である。

図１、図４、図７、図８は、特にハイブリッドおよび／または電気自動車用のバッテリユニット１を示しており、このユニットは主に、一方では、必要に応じて複数のブロックまたはモジュール２’に物理的および／または電気的にまとめられた複数のセルまたはバッテリ素子２を含み、他方では、前記セルまたは素子２を収容かつ囲むハウジング３を含み、さらに、熱伝導流体の循環による前記セルまたは素子２の温度調整手段４、５を含む。

本発明によれば、ハウジング３はプラスチック材料で製造され、好ましくはねじ止めにより周辺で組み立てられた、底部６’および側壁６’’を持つ下部トレイ６と上部カバー７とから構成され、少なくともトレイ６が、前記トレイ６の本体６’、６’’内に構造的に組み込まれて好ましくは少なくとも部分的にトレイと一続きで形成された、熱伝導流体の分配／収集手段および循環手段４、５を含む。

そのため、ハウジング３は、好ましくはそれぞれがモノブロックまたは一続きである２つのハーフシェルを形成する２つの部分６、７から構成され、これらの部分は、単一の周辺組立エリア３’の位置で互いに密封式に組み立てられる。たった２つの部分のこのような組立により、接合エリアを最小限にしながらバッテリを形成するセル２を収容かつ囲むことができ、得られたハウジング３内にそれらが詰められる。

剛性のプラスチック材料（サーモプラスチック材料、たとえばポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステルなど。この材料は添加剤および／または、ガラスファイバ、カーボンファイバ等のファイバを添加され、または添加されず、補強グリッドを含み、または含まない）からハウジングを製造することによって、（金属製のハウジングに比べて）断熱性が向上すると同時に原価を下げることができ、（多種多様な形状を製造可能であるので）、その組立製造時および２個の各構成部品６、７の製造時にハウジング３の構造自体の中に分配／収集手段５と循環手段４とを組み込むことができる。

有利には、上記手段４、５はトレイ６の本体の壁に部分的かつ周辺的に形成されるだけであり（上記手段は構造を弱体化しない）、トレイ６の本体にこれらの手段を少なくとも部分的に組み込んで並置することによってハウジング３のアセンブリの小型化に貢献する。

ハウジング３、特にトレイ６への上記手段４、５の組み込みによって、管やホースの面倒な設置や密封接続を回避することができ、外部環境に対する上記手段４、５の露出もまた回避される（分配／収集手段５が壁６’’’に並置される）。

カバー７によるトレイ６の密封組立エリア３’は、少なくとも１つの周辺接触連続帯から構成可能であり、この帯は、向かい合った縁のねじ止め、クリップ係止もしくは同等物による加圧接触の結果として形成され、またはハウジング３の２つの構成部分６、７の係合構成を備えた向かい合った縁どうしを材料溶融により接合して得られる。

圧縮パッキンによる密封は、周辺組立エリア３’の接触帯の位置またはこの帯の間で実施されうる。着脱式の組立（ねじ止め、クリップ係止等）を用いることによって、組立後にセル２でテストを実施し、少なくとも１つのモジュール２’を簡単に交換することができる。

液体熱伝導流体と素子またはセル２との直接接触を回避する実施形態によれば、トレイ６は、セルまたは素子２が載せられるその底部６’の位置に、前記セルまたは素子２と接する少なくとも１つの内壁部分８を含み、当該または各内壁部分８が、ハウジング３のトレイ６の壁６’’’と共に、分配／収集手段５に接続される熱伝導流体の密封循環容積９を画定し、この１つまたは複数の内壁部分８が、トレイ６の壁６’’’と一緒に、表面の少なくとも一部、好ましくは大部分が二重壁であるトレイ６の底部６’を形成する。

有利には、図３、図５、図６、図９から特に分かるように、トレイ６の底部６’が、底部６’の構造に組み込まれて１つまたは複数の内壁部分８を介してセルまたは素子２と接する、少なくとも１つの表面延在型の熱伝導流体循環回路４を含む。当該または各回路４が、有利には回路部分９に分割され、その各々が好ましくはモジュール２’に結合されて対応するモジュール２’の下に延在する。さらに、前記または各循環回路４は、分配／収集手段５に好ましくは接続され、この回路は、セルまたは素子２’に接する１つまたは複数の内壁部分８とトレイ６の壁６’’’との間に形成される。

添付図面でも示されているように、分配／収集手段５がトレイ６の側方周囲の少なくとも一部に配置され、かつ前記トレイ６の壁６’’’内および／または外面に形成され、有利にはトレイが長方形であり、ハウジング３にほぼ直方体の形状を与えている。

この場合、分配／収集手段５は、たとえば前記長方形の４辺のうちの３辺に延在可能である。

好ましい１つの実施形態によれば、分配／収集手段５は、少なくとも１つの熱伝導流体供給管５’と、少なくとも１つの熱伝導流体収集排出管５’’とを含む。各管５’、５’’は、有利には個々の接続端部１０、１０’を含み、各管５’、５’’は、トレイ６の壁６’’’を貫通する第２のラインまたは管接合ライン１１により、前記トレイ６の少なくとも底部６’に組み込まれた熱伝導流体循環手段４に接続される。そのため、外部との流体接続のインターフェイス１０、１０’、および１つまたは複数の循環回路４との流体結合が、同様にトレイ６の構造に組み込まれている。

たとえばモジュールまたはブロック２’としてセル２をまとめることに合わせて熱交換面積を分割可能にするとともに、熱伝導流体フローにあらかじめ決められた経路を課すことができるようにするために、好ましくは内壁部分８とトレイ６の壁６’’’との間の底部６’の位置で前記トレイ６の本体６’、６’’に組み込まれた循環手段４は、セルまたは素子２と接する内壁部分８とトレイ６の壁６’’’との間にそれぞれ形成された基本循環の容積９を含み、この基本循環の容積が、すべて流体力学的に、個々に直列でかつ集合的に循環手段４に接続されるか、または個々に並列に循環手段４に接続される。

好ましくは、基本循環の容積９の各々が、Ｕ字形、Ｓ字形または蛇行した全体形状を有し、前記Ｕ字形、Ｓ字形または蛇行の自由端が、直列の配列に従って、それぞれ先行する基本循環の容積９に、または第２のラインもしくは管接合ライン１１によって循環手段４の管５、５’’に、流体力学的に接続される。特にＵ字形の形状は形成しやすく、広幅の分枝が可能になる。しかし、Ｓ字形、Ｚ型または蛇行した形状等の基本循環回路９の他の形状も同様に可能である。

１つの実務的な変形実施形態によれば、Ｕ字形の２個の分枝が互いにほぼ並置され、そのため、各分枝の幅が広く、最大の熱交換面積を提供し、液体熱伝導流体の循環フローを入口から関与する基本容積９の出口に配向することができる（図３および図９参照）。

図５と図１０に例として示した本発明の１つの特徴によれば、分配／収集手段５の供給管５’および収集排出管５’’と、必要に応じて第２のラインまたは管接合ライン１１とが筒状の壁を含み、この壁は、一部がトレイ６の壁６’’’によって、また一部が前記壁６’’’に一体成形されたサーモプラスチック材料１４によって形成され、または、溶接により前記壁６’’’と組み立てられた係合壁部分１４によって形成される。

トレイ６の壁６’’’により形成された部分と、一体成形によりはめ込まれた部分１４との間における前記筒状の壁の配分および切断は、トレイ６の成形金型の可能性と、トレイ６自体の構成の複雑性とに依存する。

壁部分８の材料の種類および厚さならびに素子またはセル２とのそれらの接触面の形態は、これらの素子と液体熱伝導流体との熱交換が最大になるように選択されなければならない。

たとえば図３、図５、図６、図９から明らかになる好ましい１つの構成変形実施形態によれば、当該または各内壁部分８が、トレイ６の対応するへこみまたは凹部１２の位置でトレイ６の底部６’の壁６’’’と密封式に結合されるプレート等のはめ込み部品からなり、当該または各内壁部分８が、高い熱伝導率の材料、特に熱伝導特性を改良した金属材料またはサーモプラスチック材料で製造される。

そのため、トレイ６の本体の壁６’’’およびカバー７の壁は、（たとえば添加剤によって）機械特性および遮断特性を高くしたサーモプラスチック材料で製造可能であり、その一方で、内壁部分８は高い熱移動率を有する。

トレイの底部６’の壁６’’’の各々のへこみは、内壁部分８により閉鎖されるときＵ字形の循環の容積９を構成するように、たとえば、仕切り壁によりその長さの一部分で２つの領域に分割可能である。

トレイ６および、それよりは小さな程度でカバー７は、バッテリモジュール２’を保護しながら収容するのに十分な機械強度を有することが必要であり、このために、たとえば補強溝を含むことができる。

変形実施形態で、または相補的に、より高い強度および剛性に達するために、トレイ６は、当該トレイ６の本体６’、６’’内に組み込まれて、たとえば前記トレイ６の壁６’’’を構成するサーモプラスチック材料により一体成形された補強構造１３（図示せず）、または、たとえば、特に中央および周辺の剛性を提供するフレームタイプであって、前記トレイ６のサーモプラスチック材料の壁６’’’との形状結合により外側で協働する補強構造１３を含むことができる（図７Ａ、図７Ｂ）。

底部６’の剛性を高め、必要に応じて熱伝導流体とセルまたは素子２との間の熱交換領域を増やすために、トレイ６は、底部６’から一続きで（好ましくは対向する２個の側壁６’’の間に）延在する少なくとも１つの分割内壁１５を含むように構成され、この壁が、有利には補強構造１３と協働し、必要に応じて熱伝導流体の循環の容積を組み込み、好ましくはトレイ６の循環手段４の一部をなして分配／収集手段５に流体力学的に接続される（図１Ｃ、図３、図５、図７Ａ）。

補強構造１３は、たとえば、トレイ６を包囲して分配管５’と収集／排出管５’’とを覆いながら保護する周辺側壁１３’を含むことができる。補強構造１３の中央壁１３’’は、中空の分割内壁１５と（相互はめ込みにより）協働し、それによって、トレイ６の中央補強梁を形成する。

さらに、熱伝導流体とセルまたは素子２との間の熱交換面積をもっと増やすために、トレイ６にならって前述のように、カバー７が、前記カバー７の本体に構造的に組み込まれた熱伝導流体の分配／収集手段および循環手段を同様に含むように構成可能である。その場合、有利には、たとえば前記カバー７の内壁部分と外壁との間に形成された、循環の容積を提供する二重壁構造を少なくとも部分的に備えることができ、前記内壁部分が、好ましくはセルまたはバッテリ素子２の上部と接触し、カバーの分配／収集手段が、有利には、トレイ６の分配／収集手段５に流体力学的に接続される。

図８Ａ、図８Ｂおよび図９から明らかになる本発明の付加的な特徴によれば、ハウジング３には、熱伝導流体の管理と関係する１つまたは複数の機能を組み込むことができる。

そのため、熱伝導流体の温度、循環、および／または分配収集の制御手段１６は、構造的に、さらには実質的に、たとえば分配／収集手段５またはトレイ６の側壁６’’の位置でハウジング３内に少なくとも部分的に組み込み可能である。

本発明はまた、上記のような少なくとも１つのバッテリユニット１を含むことを特徴とする、特に電気またはハイブリッドの自動車を目的とする。このバッテリユニット１は、さらに、少なくとも１つの内部温度測定手段、セルまたは素子２の相互電気接続手段、および外部接続手段１７を含み、外部接続手段が、トレイ６の壁６’’’および／もしくはカバー７の壁と共に、またはこれらの壁内に、有利には部分的に形成される。

当然ながら、本発明は、記載および添付図面に図示された実施形態に制限されるものではない。本発明の保護範囲を逸脱することなく、特に各種素子の構成の観点から、または同等技術の代替によって、様々な修正を行うことができる。

Claims (14)

1. ハイブリッドおよび／または電気自動車用のバッテリユニット（１）であって、一方では、物理的および／または電気的に複数のブロックまたはモジュール（２’）にまとめられた複数のセルまたはバッテリ素子（２）を含み、他方では、前記セルまたは素子（２）を収容かつ囲むハウジング（３）を含み、さらに、熱伝導流体の循環による前記セルまたは素子（２）の温度調整手段（４、５）を含むバッテリユニットにおいて、
   ハウジング（３）がプラスチック材料で実現され、ねじ止めにより周辺で組み立てられた、トレイ（６）の本体（６’、６’’）をなす底部（６’）および側壁（６’’）を持つ成形された下部トレイ（６）と上部カバー（７）とから構成され、
   少なくともトレイ（６）が、前記トレイ（６）の本体（６’、６’’）内に構造的に組み込まれて少なくとも部分的にトレイと一続きで形成された、熱伝導流体の分配、収集および循環の手段（４、５）を含み、
   分配および収集の手段（５）が、少なくとも１つの熱伝導流体供給管（５’）と、少なくとも１つの熱伝導流体収集排出管（５’’）とを含み、この分配および収集の手段が、トレイ（６）の側方周囲の少なくとも一部に配置され、かつ前記トレイ（６）の本体（６’、６’’）の壁（６’’’）の外面に形成されており、
   トレイ（６）の底部（６’）が、底部（６’）の構造に組み込まれて１つまたは複数の内壁部分（８）を介してセルまたは素子（２）と接する、少なくとも１つの表面延在型の熱伝導流体循環回路（４）を含み、
   前記または各循環回路（４）が、分配および収集の手段（５）に接続され、セルまたは素子（２’）に接する１つまたは複数の内壁部分（８）とトレイ（６）の底壁（６’’’）との間に形成され、
   壁（８）の前記内壁部分が、高い熱移動率を有することを特徴とするバッテリユニット（１）。
2. トレイ（６）は、セルまたは素子（２）が載せられるその底部（６’）の位置に、前記セルまたは素子（２）と接する少なくとも１つの内壁部分（８）を含み、前記または各内壁部分（８）が、ハウジング（３）のトレイ（６）の壁（６’’’）と共に、分配および収集の手段（５）に接続された熱伝導流体の循環の容積（９）を画定し、この１つまたは複数の内壁部分（８）が、トレイ（６）の壁（６’’’）と一緒に、表面の少なくとも一部、または大部分が二重壁であるトレイ（６）の底部（６’）を形成することを特徴とする請求項１に記載のバッテリユニット。
3. トレイ（６）が長方形であることを特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載のバッテリユニット。
4. 供給管または収集排出管（５’、５’’）の各々が、個々の接続端部（１０、１０’）を含み、トレイ（６）の壁（６’’’）を貫通する第２のラインまたは管接合ライン（１１）により、前記トレイ（６）の少なくとも底部（６’）に組み込まれた熱伝導流体循環手段（４）に接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリユニット。
5. 内壁部分（８）とトレイ（６）の壁（６’’’）との間の底部（６’）の位置で前記トレイ（６）の本体（６’、６’’）に組み込まれた循環手段（４）が、一方ではセルまたは素子（２）と接する内壁部分（８）と他方ではトレイ（６）の壁（６’’’）との間にそれぞれ形成された基本循環の容積（９）を含み、この基本循環の容積が、すべて流体力学的に、個々に直列でかつ集合的に循環手段（４）に接続されるか、または個々に並列に循環手段（４）に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリユニット。
6. 基本循環の容積（９）の各々が、Ｕ字形、Ｓ字形または蛇行した全体形状を有し、前記Ｕ字形、Ｓ字形または蛇行の自由端が、直列の配列に従って、それぞれ先行するおよび次に続く基本循環の容積（９）に、または第２のラインもしくは管接合ライン（１１）によって循環手段（４）の管（５、５’’）に、流体力学的に接続されることを特徴とする請求項５に記載のバッテリユニット。
7. 分配および収集の手段（５）の供給管（５’）および排出管（５’’）と、第２のラインまたは管接合ライン（１１）とが筒状の壁を含み、この壁は、一部がトレイ（６）の壁（６’’’）によって、また一部が前記壁（６’’’）に一体成形されたサーモプラスチック材料（１４）によって形成され、または、溶接により前記壁（６’’’）と組み立てられた相補的な係合壁部分（１４）によって形成されることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載のバッテリユニット。
8. 前記または各内壁部分（８）が、トレイ（６）の対応するへこみまたは凹部（１２）の位置でトレイ（６）の底部（６’）の壁（６’’’）と密封式に結合されるプレートまたははめ込み部品からなり、前記または各内壁部分（８）が、高い熱伝導率の材料、または熱伝導特性を改良した金属材料もしくはサーモプラスチック材料で製造されることを特徴とする請求項２、４から７のいずれか一項に記載のバッテリユニット。
9. トレイ（６）が、当該トレイ（６）の本体（６’、６’’）内に組み込まれた補強構造（１３）を含み、この補強構造は、前記トレイ（６）の壁（６’’’）を構成するサーモプラスチック材料により一体成形されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリユニット。
10. トレイ（６）が、前記トレイ（６）のサーモプラスチック材料の壁（６’’’）との形状結合により外側で協働する補強構造（１３）を含み、この補強構造が、中央および周辺の剛性を提供するフレームタイプであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリユニット。
11. トレイ（６）が、底部（６’）から一続きで延在する少なくとも１つの分割内壁（１５）を含み、この分割内壁が、補強構造（１３）と協働し、熱伝導流体の循環の容積を組み込み、トレイ（６）の循環手段（４）の一部をなして分配および収集の手段（５）に流体力学的に接続されることを特徴とする請求項９または１０に記載のバッテリユニット。
12. カバー（７）が、前記カバー（７）の本体に構造的に組み込まれた熱伝導流体の分配、収集および循環の手段を同様に含み、前記カバー（７）の内壁部分と外壁との間に形成された、循環の容積を提供する二重壁構造を少なくとも部分的に有し、前記内壁部分が、セルまたはバッテリ素子（２）の上部と接触し、カバーの分配収集手段が、トレイ（６）の分配および収集の手段（５）に流体力学的に接続されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のバッテリユニット。
13. 熱伝導流体の温度、循環、および／または分配の制御手段（１６）が、構造的に、分配および収集の手段（５）またはトレイ（６）の側壁（６’’）の位置でハウジング（３）内に少なくとも部分的に組み込まれることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のバッテリユニット。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の少なくとも１つのバッテリユニット（１）を含み、このバッテリユニット（１）が、さらに、少なくとも１つの内部温度測定手段、セルまたは素子（２）の相互電気接続手段、および外部接続手段（１７）を含み、外部接続手段が、トレイ（６）の壁（６’’’）および／もしくはカバー（７）の壁と共に、またはこれらの壁内に、部分的に形成されることを特徴とする、電気またはハイブリッドの自動車。

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