JP7415411B2 - 車両の電池冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両の電池冷却構造に関する。

モータを駆動源とした電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車においてモータに電力を供給する車両用電源装置が使用されている。
車両用電源装置は、高圧の直流電力をモータに供給することから複数の電池セルを直列に接続した電池モジュールを複数接続して構成された組電池と、電池モジュールに電気的に接続された電装機器と、組電池および電装機器を収容するバッテリーケースとを備えている。
充電あるいは放電に伴い電池セルは熱を生じるため、電池モジュールの冷却を行なう必要がある。
そこで、複数の電池モジュールを一方向に並べて電池モジュール列を構成すると共に、電池モジュール列に沿って延在する冷却風ダクトを設け、冷却風ダクトから電池モジュールに冷却風を供給する電池冷却構造が提供されている（特許文献１、２参照）。
また、上記特許文献１、２には開示されていないが、通常、電装機器は、電池モジュールに隣接して配置されることが多い。

特開２００６－３２４０４１号公報 特開２０１０－１２３２９８号公報

このような場合、車両衝突時に、衝撃荷重がバッテリーケースに入力して内側に変形し、この変形により電池モジュールが変位して電装機器に接触、干渉するおそれがある。
本発明は、冷却風ダクトに着目してなされたものであり、車両衝突時の衝撃荷重から電装機器の保護を図る上で有利な車両の電池冷却構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の電池モジュールが一方向に並べられた電池モジュール列と、前記電池モジュール列に沿って延在し前記電池モジュールに冷却流体を供給する冷却通路と、前記電池モジュールに電気的に接続された電装機器と、前記電池モジュールと前記冷却通路と前記電装機器とを収容するバッテリーケースとを備える車両の電池冷却構造であって、前記電池モジュール列は、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて少なくとも２つ設けられ、前記冷却風ダクトは、前記２つの電池モジュール列の間で前記２つの電池モジュール列のそれぞれに沿って延在する２つの延在部を備え、前記電装機器は、前記２つの延在部の間に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、車両衝突時の衝撃荷重がバッテリーケースに入力して内側に変形し、さらに電池モジュールが内側に変位しても、電装機器の外側に冷却通路の延在部が位置しているので、延在部により衝撃荷重を受け止め、電装機器の保護を図る上で有利となる。
また、本発明は、前記電装機器は、前記電池モジュールを機能させるためのジャンクションボックスおよび前記電池モジュールの出力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータの少なくとも１つを含むことを特徴とする。
上記発明によれば、高電圧が印加される電装機器の保護を図る上で有利となる。
また、本発明は、前記冷却風ダクトの少なくとも前記電装機器側に位置する箇所が絶縁性を有する材料で構成されたことを特徴とする。
上記発明によれば、絶縁性を有する材料で構成された冷却通路部分により電池モジュールと電装機器との電気的な接触を抑制して電装機器の保護を図る上で有利となる。
また、本発明は、前記冷却通路は金属製であることを特徴とする。
上記発明によれば、車両衝突時の衝撃荷重を金属製の冷却通路で受け止め、電池モジュールが電装機器側に接近することを抑制して電装機器の保護を図る上で有利となる。
また、本発明は、前記冷却流体は冷却風であって、前記複数の電池モジュールを冷却した前記冷却風を吸引するファンと、前記ファンから吐出される前記冷却風を冷却し前記冷却通路に導く冷却器とを備え、前記ファンは、前記２つの延在部の間で、かつ、前記バッテリーケースの中央または中央近傍の箇所に配置されていることを特徴とする。
上記発明によれば、バッテリーケース内の各部からファンに向かって流れる冷却風が受ける圧力損失を均一にできるため、バッテリーケース内部での冷却風の循環を円滑に行なえ、冷却効率を高める上で有利となる。

本発明によれば、車両衝突時の衝撃荷重がバッテリーケースに入力して内側に変形し、さらに電池モジュールが内側に変位しても、電装機器の外側に冷却通路の延在部が位置しているので、延在部により衝撃荷重を受け止め、電装機器の保護を図る上で有利となる。

実施の形態に係る車両の電池冷却構造が適用された車両用電源装置の斜視図であり、バッテリーケースのカバーを取り外した状態を示す。 車両用電源装置の平面図である。 図２のＡ－Ａ線断面図である。 図２のＢ１－Ｂ１線断面図である。 図２のＢ２－Ｂ２線断面図である。 図２のＣ－Ｃ線断面図である。 図２のＤ－Ｄ線断面図である。 図２のＥ－Ｅ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本実施の形態の車両の電池冷却構造は車両用電源装置に適用されている。
車両用電源装置は、モータのみを駆動源とする電気自動車、あるいは、ハイブリッド車、あるいは、プラグインハイブリッド車などのモータを駆動源とした電動車に搭載される。
なお、以下の図面において符号ＵＰは車両上方を示し、符号ＦＲは車両前方を示し、符号ＩＮは車幅方向内側を示し、符号ＯＵＴは車幅方向外側を示す。
図１、図２に示すように、車両用電源装置１０は、バッテリーケース１２と、バッテリーケース１２に収容された組電池１４、冷却風ダクト(冷却通路)１６、ファン１８、冷却器２０、接続ダクト２２、ジャンクションボックス２４、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６とを含んで構成されている。

バッテリーケース１２は金属製であり、トレー２８と、カバー３０（図３参照）とを備えている。
バッテリーケース１２は、すなわちトレー２８とカバー３０は、高さと、高さよりも大きい寸法の幅と、幅よりも大きい寸法の長さとを有している。
トレー２８は、平面視長方形の板状の底壁２８０２と、底壁２８０２の周囲から起立する側壁２８０４と、側壁２８０４の上端外周に設けられた環状のトレー側フランジ２８０６とを備えている。
トレー２８は、長手方向を車両前後方向に合致させ、幅方向を車幅方向に合致させて車両の車幅方向の中央に配置され、取り付け部材３２を介して左右のサイドメンバに取着されている。
図３に示すように、カバー３０は、トレー２８の底壁２８０２に対向する上壁３００２と、上壁３００２の周囲から垂設された側壁３００４と、側壁３００４の下端外周に設けられた環状のカバー側フランジ３００６とを備えている。
トレー２８とカバー３０は、トレー側フランジ２８０６とカバー側フランジ３００６とを重ね合わせた状態で不図示の複数のボルトにより締結されている。

図１、図２に示すように、組電池１４は、互いに電気的に接続された複数の電池モジュール３４で構成され、本実施の形態では、平面視した状態で、３つの電池モジュール３４が一方向に並べられた電池モジュール列３６が電池モジュール列３６の長手方向と直交する方向に間隔をおいて２つ設けられている。
本実施の形態では、２つの電池モジュール列３６は、その長手方向をトレー２８の長手方向に合致させ、トレー２８の幅方向の両端寄りの箇所に配置されている。

図２に示すように、各電池モジュール３４は複数の電池セル３８がトレー２８の長手方向に並べられて構成され、それら電池セル３８は不図示のバスバーを介して相互に電気的に接続されている。
電池セル３８は、二次電池で構成されており、二次電池としてリチウムイオン二次電池など従来公知の様々な二次電池が使用可能である。
電池セル３８は、電極体と、該電極体を収容するケースとを備え、薄い矩形板状を呈し、電池セル３８の上端面には端子部が設けられている。

電池モジュール３４は、複数の電池セル３８が高さ方向を上下方向に向け、厚さ方向をトレー２８の長手方向に向けて等間隔をおいて並べられ、位置決めされて不図示のモジュールハウジングに収容され、モジュールハウジングはトレー２８の底壁２８０２に取り付けられている。
モジュールハウジングは枠状を呈し、内部に収容される複数の電池セル３８の縁部を覆うように設けられている。
したがって、複数の電池セル３８の高さ方向の両端に位置する端面と、厚さ方向の両端に位置する側面と、幅方向の両端に位置する端面はバッテリーケース１２の内部に開放され、各電池モジュール３４を構成する電池セル３８の側面間の隙間に冷却風(冷却流体)が流通できるように図られている。

冷却風ダクト１６は、電池モジュール３４に冷却風を供給するものである。
図１、図２、図４から図８に示すように、冷却風ダクト１６は、２つの電池モジュール列３６の間で２つの電池モジュール列３６のそれぞれに沿って直線状に延在する２つの延在部４０を備えている。
２つの電池モジュール列３６は、その長手方向をトレー２８の長手方向に合致させ、トレー２８の幅方向の両端寄りの箇所に配置されていることから、２つの延在部４０の間に、トレー２８の幅方向の中央でトレー２８の長手方向に延在する空間Ｓ１が位置している。
この空間Ｓ１に、ジャンクションボックス２４、ファン１８、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６が配置され、空間Ｓ１の延長上でＤＣ／ＤＣコンバータ２６に間隔をおいて冷却器２０が配置されている。
すなわち、２つの延在部４０の間でトレー２８の長手方向に沿ってジャンクションボックス２４、ファン１８、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６が配置され、詳細にはトレー２８の長手方向の一端にジャンクションボックス２４が配置され、トレー２８の長手方向の他端にＤＣ／ＤＣコンバータ２６と冷却器２０が配置され、トレー２８の中央または中央近傍にファン１８が配置されている。

ジャンクションボックス２４とＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、電池モジュール３４に電気的に接続されて機能するものであり、本実施の形態では、電装機器は、ジャンクションボックス２４とＤＣ／ＤＣコンバータ２６とを含んで構成されている。
ジャンクションボックス２４は、電池モジュール３４に接続されることで電池モジュール３４を機能させるものであり高電圧が印加されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、電池モジュール３４からの出力電圧を変換し、変換後の電圧をインバーターや補機類に供給するものであり高電圧が印加されている。
図３、図７に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、動作に伴い発熱する矩形板状の本体部２６０２を備え、本体部２６０２の下面には、下方に突出する複数の放熱フィン２６０４が設けられている。
本実施の形態では、ジャンクションボックス２４およびＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、２列の電池モジュール列３６の間で電池モジュール列３６の延在方向に間隔をおいて配置され、トレー２８の底壁２８０２に取り付けられている。

図１から図３に示すように、ファン１８は、複数の電池モジュール３４を冷却した冷却風を吸引し、接続ダクト２２を介して冷却器２０に送給するものである。
ファン１８は、トレー２８の底壁２８０２に取り付けられ、２つの延在部４０の間でバッテリーケース１２の中央または中央近傍の箇所に配置されている。
冷却器２０（エバポレータ）は、ファン１８から吐出される冷却風を冷却し冷却風ダクト１６に導くものである。
冷却器２０は、その大部分が金属材料で構成され、冷却器本体２００２と、流入口２００４と、一対の流出口２００６とを備えている。
冷却器本体２００２は、冷却風の冷却を行なう箇所である。
流入口２００４は、冷却器本体２００２の上部に設けられ、ファン１８から吐出される冷却風が接続ダクト２２を介して流入する箇所である。
一対の流出口２００６は、冷却器本体２００２の下部の両側に設けられ冷却器本体２００２で冷却された冷却風が流出する箇所であり、冷却風ダクト１６に接続されている。

接続ダクト２２は、ファン１８と冷却器２０とを接続する箇所であり、図６に示すように、断面がトレー２８の幅方向に横長の矩形状を呈し、図３に示すように、トレー２８の長手方向に延在する横延在部２２０２と上下方向に延在する縦延在部２２０４とを含んで構成されている。
横延在部２２０２の一端はファン１８の吐出口１８０２に接続され、横延在部２２０２は吐出口１８０２からトレー２８の長手方向でＤＣ／ＤＣコンバータ２６の下方で冷却器２０に向かって延在し、横延在部２２０２の上面の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ２６の下面および放熱フィン２６０４を含んで構成されている。
したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、その下面が横延在部２２０２を通過する冷却風により冷却される。
縦延在部２２０４の一端は横延在部２２０２の他端に接続され、冷却器２０とＤＣ／ＤＣコンバータ２６との間で上方に延在し、冷却器２０の流入口２００４に接続され、縦延在部２２０４は絶縁性を有する合成樹脂材料で構成されている。

図１、図２に示すように、冷却風ダクト１６は、延在部４０と、延在部４０の上流端に接続する湾曲部４２とを含んで構成され、冷却器２０の一対の流出口２００６に一対の延在部４０が湾曲部４２を介してそれぞれ接続されている。
図１、図７、図８に示すように、各延在部４０は、断面が上下方向に細長の矩形状を呈しており、延在部４０を構成する壁部のうちトレー幅方向外側に位置する外側壁４００２に、冷却風を吹き出す矩形状の吹き出し開口４００４が延在部４０の延在方向に間隔をおいて複数設けられている。
それら吹き出し開口４００４は、各列を構成する複数の電池モジュール３４のトレー幅方向内側の箇所に対向しており、各モジュールハウジングで支持された複数の電池セル３８のトレー幅方向内側の端面に対向している。
また、図１、図２、図５に示すように、吹き出し開口４００４の周囲の外側壁４００２の箇所には、吹き出し開口４００４の周囲を囲む矩形枠状の発泡ゴムからなるシール材４４が接着されており、このシール材４４は、外側壁４００２と、枠状のモジュールハウジングとの間で押しつぶされることで、吹き出し開口４００４から吹き出される冷却風がモジュールハウジングで支持された隣り合う電池セル３８の厚さＴ方向の両端に位置する側面間の隙間に確実に供給されるように図られている。

本実施の形態では、冷却風ダクト１６は絶縁性を有する合成樹脂材料と、金属材料とで構成されている。
詳細に説明すると、図１に示すように、湾曲部４２と、湾曲部４２に続く延在部４０の一部４０Ａは、合成樹脂材料とを組み合わせて形成され、延在部４０の一部４０Ａを除いた残りの部分４０Ｂは、金属材料で形成されている。
すなわち、湾曲部４２は合成樹脂材料からなる壁部で形成されている。
また、湾曲部４２に続く延在部４０の一部４０Ａのトレー幅方向外側の部分４０Ａ１は金属板を塑性加工した板金製で、トレー幅方向内側の部分４０Ａ２は合成樹脂材料で形成されている。
すなわち、冷却風ダクト１６の少なくともＤＣ／ＤＣコンバータ２６側に位置する箇所は絶縁性を有する合成樹脂材料で構成されている
また、延在部４０の残りの部分４０Ｂは、板金で構成されている。
これは湾曲部４２はその形状からして合成樹脂材料を用いて型成形で形成することがコスト上有利であるためであり、残りの部分４０Ｂは平面を組み合わせた単純な形状であるため、板金を用いて形成することがコスト上有利であるためである。

なお、湾曲部４２および延在部４０を全て合成樹脂材料で構成しても、あるいは、全て板金で構成しても良いことは無論である。
延在部４０を合成樹脂材料で構成すると、あるいは、延在部４０の少なくとも電装機器側に位置する箇所を合成樹脂材料で構成すると、車両衝突時、バッテリーケース１２が車幅方向内側に変形するような衝撃荷重を受けた場合、電池モジュール３４が車幅方向内側へ変位し、これにより延在部４０が変形して電装機器に接近した場合に、電装機器と冷却風ダクト１６との電気的な接触を回避でき、電装機器の保護を図る上で有利となる。
また、延在部４０を板金で構成した場合は、延在部４０の剛性が高められるので、バッテリーケース１２が車幅方向内側に変形するような衝撃荷重を受けた場合、延在部４０が衝撃荷重を受け止めることで、電池モジュール３４の車幅方向内側への変位を抑制し、電装機器の保護を図る上で有利となる。

次に作用効果について説明する。
車両用電源装置１０が稼働し、各電池モジュール３４から出力される電力が車両の駆動用モータに供給され、また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して補機類に供給されると、各電池セル３８およびＤＣ／ＤＣコンバータ２６は発熱する。
あるいは、車両外部の充電装置から各電池モジュール３４の電池セル３８に充電が行われると各電池セル３８が発熱する。
この場合、ファン１８が動作することによりバッテリーケース１２内の空気が吸引され接続ダクト２２を介して冷却器２０に至り、冷却器２０で冷却された空気は、冷却風として冷却風ダクト１６に供給される。
冷却風ダクト１６の一対の延在部４０に供給された冷却風は、延在部４０の吹き出し開口４００４から各電池セル３８の間の隙間に供給される。
冷却風が各電池セル３８の間の隙間を通ることで電池セル３８が冷却される。
電池セル３８を通り抜けた冷却風は、一対の延在部４０の間の空間Ｓ１に至り、やがてファン１８によって吸入され接続ダクト２２を介して冷却器２０に供給される。
この際、接続ダクト２２を流れる冷却風が放熱フィン２６０４に供給されることによってＤＣ／ＤＣコンバータ２６が冷却される。
接続ダクト２２を流れる冷却風は、電池セル３８を冷却した後の冷却風であるため、冷却器２０で冷却された冷却風よりも温度が上昇しているが、電池セル３８の温度よりもＤＣ／ＤＣコンバータ２６の温度の方が高温であるため、このように電池セル３８を冷却した後の冷却風でＤＣ／ＤＣコンバータ２６を冷却することで、冷却効率の向上が図られている。
このように冷却風がバッテリーケース１２内部で循環されることにより電池セル３８およびＤＣ／ＤＣコンバータ２６の冷却がなされる。

本実施の形態によれば、冷却風ダクト１６に２つの電池モジュール列３６の間で２つの電池モジュール列３６のそれぞれに沿って延在する２つの延在部４０を設け、電装機器を、２つの延在部４０の間に配置した。
したがって、衝突時の衝撃荷重がバッテリーケース１２に入力して車幅方向内側に変形し、さらに電池モジュール３４が車幅方向内側に変位しても、電装機器の車幅方向外側に延在部４０が位置しているので、延在部４０により衝撃荷重を受け止め、電装機器の保護を図る上で有利となる。

また、本実施の形態では、電装機器は、電池モジュール３４を機能させるためのジャンクションボックス２４および電池モジュール３４の出力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２６であるため、高電圧が印加される電装機器の保護を図る上で有利となる。

また、本実施の形態では、複数の電池モジュール３４を冷却した冷却風を吸引するファン１８が、平面視した状態で、２つの延在部４０の間で、かつ、バッテリーケース１２の中央または中央近傍の箇所に配置されている。
そのため、ファン１８がバッテリーケース１２の中央から離れた端部に配置されている場合に比較して、バッテリーケース１２内の各部からファン１８に向かって流れる冷却風が受ける圧力損失を均一にできるため、バッテリーケース１２内部での冷却風の循環を円滑に行なえ、冷却効率を高める上で有利となる。

なお、本実施の形態では、平面視した状態で、長手方向と直交する方向に間隔をおいて設けられた２つの電池モジュール列３６の間に延在部４０を設ける構成を説明したが、２つの電池モジュール列３６の間に延在部４０が２つの電池モジュール列３６のそれぞれに沿って設けられていればよく、例えば、バッテリーケース１２上下方向に間隔をおいて設けた２つの電池モジュール列３６の間に延在部４０を設ける構成としてもよい。
また、電池モジュール列３６が２列並べられている場合について説明したが、電池モジュール列３６が３列以上並べられていてもよく、要するに２つの電池モジュール列３６の間で２つの電池モジュール列３６のそれぞれに沿って延在する２つの延在部４０を設け、電装機器を、２つの延在部４０の間に配置すればよい。
また、本実施の形態では、冷却流体が冷却風の場合を説明したが、冷却流体が冷却水の場合にも適用できる。この場合は、冷却通路１６は冷却風ダクトではなく、冷却水路となりファンはポンプとなる。
また、本実施の形態では、電装機器をジャンクションボックス２４とDC/DCコンバータ２６として説明しているが、これに限らず、電池パック内に設置される電装機器であればよく、電流センサ、漏電センサ、BMS（バッテリマネージメントシステム）であってもよい。

１０ 車両用電源装置
１２ バッテリーケース
１６ 冷却風ダクト(冷却通路)
１８ ファン
２０ 冷却器
２４ ジャンクションボックス（電装機器）
２６ ＤＣ／ＤＣコンバータ（電装機器）
３４ 電池モジュール
３６ 電池モジュール列
３８ 電池セル
４０ 延在部

Claims (4)

1. 複数の電池モジュールが一方向に並べられた電池モジュール列と、
   前記電池モジュールに冷却流体を供給する冷却通路と、
   前記電池モジュールに電気的に接続された電装機器と、
   前記電池モジュールと前記冷却通路と前記電装機器とを収容するバッテリーケースとを備える車両の電池冷却構造であって、
   前記電池モジュール列は、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて少なくとも２つ設けられ、
   前記冷却通路は、前記２つの電池モジュール列の間で前記２つの電池モジュール列のそれぞれに沿って延在する２つの延在部を備え、
   前記電装機器は、前記２つの延在部の間に配置され、
   前記冷却流体は、冷却風であって、
   前記複数の電池モジュールを冷却した前記冷却風を吸引するファンと、
   前記ファンから吐出される前記冷却風を冷却し前記冷却通路に導く冷却器と
   を備え、
   前記ファンは、前記２つの延在部の間で、かつ、前記バッテリーケースの中央または中央近傍の箇所に配置されている、
   ことを特徴とする車両の電池冷却構造。
2. 前記電装機器は、前記電池モジュールを機能させるためのジャンクションボックスおよび前記電池モジュールの出力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータの少なくとも１つを含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の車両の電池冷却構造。
3. 前記冷却通路の少なくとも前記電装機器側に位置する箇所が絶縁性を有する材料で構成された、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の車両の電池冷却構造。
4. 前記冷却通路は金属製である、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の車両の電池冷却構造。

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