JPWO2019230325A1 - バッテリパック - Google Patents

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Abstract

バッテリパック（１）は、複数のセルを積層することで構成されるセル積層体（２０）を有するバッテリモジュール（１０）と、バッテリモジュール（１０）を冷却する冷却機構（９０）と、を備える。冷却機構（９０）は、液状媒体（Ｗ）が通過する冷媒流路（９１）であり、セル積層体（２０）及び冷媒流路（９１）は、ボトムプレート（６０）を挟んで配置される。ボトムプレート（６０）の下面（６０ａ）には、複数の凸部（６１）が設けられ、複数の凸部（６１）は、セルの積層方向に沿って千鳥状に配置されている。

Description

本発明は、電動車両などに搭載されるバッテリパックに関する。
従来より電動車両などにはバッテリパックが搭載されている。バッテリパックは、複数のセルを積層することで構成されるセル積層体を備える。セルは高温状態になると劣化しやすいため冷却する必要がある。例えば、特許文献１では、内部に冷媒が供給される冷却プレート上にバッテリモジュールを設置している。
日本国特開２０１３−１２２８１８号公報
しかしながら、特許文献１では、空冷式の冷却プレートを用いているためさほど高い冷却効率は望めない。冷却効率の点では水冷式の方が優れているが、水冷式においてもバッテリモジュールの冷却効率をより高める必要がある。
本発明は、バッテリモジュールの冷却性能を向上させたバッテリパックを提供する。
本発明は、
複数のセルを積層することで構成されるセル積層体を有するバッテリモジュールと、
前記バッテリモジュールを冷却する冷却機構と、を備えるバッテリパックであって、
前記冷却機構は、液状媒体が通過する冷媒流路であり、
前記セル積層体及び前記冷媒流路は、隔壁部を挟んで配置され、
前記隔壁部の冷媒流路形成面には、複数の凸部が設けられ、
該複数の凸部は、前記セルの積層方向に沿って千鳥状に配置されている、バッテリパック。
本発明によれば、冷媒流路に複数の凸部がセルの積層方向に沿って千鳥状に配置されているので、液状冷媒の流れが凸部により阻害されて乱流となり、隔壁部を介して行われる液状媒体とバッテリモジュールとの熱交換の効率が高められるため、バッテリモジュールの冷却性能が向上する。
第１実施形態のバッテリパックの断面図である。 図１に示すバッテリパックのバッテリモジュールを斜め上方から見た斜視図である。 図１に示すバッテリパックのバッテリモジュールを斜め下方から見た分解斜視図である。 図３に示す冷媒流路形成面の拡大図である。 図４に示す冷媒流路における液状冷媒の流れ方についての説明図である。 図１の部分拡大図である。 第２実施形態のバッテリパックの要部断面図である。
以下、本発明のバッテリパックの各実施形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
［第１実施形態］
＜バッテリパック＞
本発明の第１実施形態のバッテリパック１は、図１に示すように、バッテリモジュール１０と、バッテリモジュール１０を収容するバッテリケース８０と、バッテリモジュール１０を冷却する冷却機構９０と、を備える。
＜バッテリケース＞
バッテリケース８０は、内部にモジュール収容部８１ａが形成されたケース本体８１と、該ケース本体８１の開口部８１ｂを封止するケースカバー８２と、を備える。バッテリモジュール１０とバッテリケース８０の底板８３との間には、冷却機構９０が設けられている。なお、本実施形態では、バッテリケース８０の内部に１つのバッテリモジュール１０が配置されているが、バッテリモジュール１０は２つ以上であってもよい。
＜バッテリモジュール＞
バッテリモジュール１０は、図２及び図３に示すように、前後方向に複数のセル２１を積層して構成され、前面、後面、左面、右面、上面、及び下面を有するセル積層体２０と、セル積層体２０の前面及び後面に配置される一対のエンドプレート３０と、一対のエンドプレート３０を連結するサイドプレート５０と、セル積層体２０の下面に配置される隔壁部としてのボトムプレート６０と、を備える。サイドプレート５０は、セル積層体２０の右面に配置される右サイドプレート５０Ｒと、セル積層体２０の左面に配置される左サイドプレート５０Ｌと、を備える。
なお、本明細書等では説明を簡単且つ明確にするためにセル２１の積層方向を前後方向と定義し、セル２１の積層方向に直交する方向を左右方向及び上下方向と定義したものであり、バッテリモジュール１０が搭載される製品の前後方向等とは無関係である。即ち、バッテリモジュール１０が車両に搭載される場合、セル２１の積層方向は、車両の前後方向に一致してもよく、車両の上下方向、左右方向であってもよく、これらの方向から傾斜した方向であってもよい。図面には、バッテリモジュール１０の前方をＦｒ、後方をＲｒ、左側をＬ、右側をＲ、上方をＵ、下方をＤ、として示す。
（セル積層体）
セル積層体２０は、複数のセル２１と絶縁部材（図示省略）とを前後方向に交互に積層して構成される。セル積層体２０の前面及び後面には、それぞれ一対のエンドプレート３０が配置され、セル積層体２０の下面には、ボトムプレート６０が配置される。また、セル積層体２０の左面及び右面には、それぞれ僅かな隙間を介した絶縁状態で右サイドプレート５０Ｒ及び左サイドプレート５０Ｌが配置される。
セル２１は、温度変化や経年劣化によって膨張することが知られている。セル２１は、前後方向の長さよりも上下方向の長さが長く、上下方向の長さよりも左右方向の長さが長い直方体形状を有する。そのため、セル２１は前面及び後面の面積が、左面、右面、上面及び下面の面積よりもはるかに大きく、セル２１の前面及び後面で、その左右方向中央部及び上下方向中央部が膨張しやすい。
（エンドプレート）
一対のエンドプレート３０は、それぞれセル積層体２０の前面及び後面に当接し、セル積層体２０のセル積層方向の荷重を受け止める。セル積層体２０のセル積層方向の荷重は、主に温度変化や経年劣化によるセル２１の膨張に起因するものであり、上述したように、セル２１の前面及び後面では、その左右方向中央部及び上下方向中央部が膨張しやすいため、エンドプレート３０の左右方向中央部及び上下方向中央部に大きな荷重が入力される。
エンドプレート３０は、アルミ押出材を用いて形成されている。エンドプレート３０は、セル積層体２０からセル積層方向の大きな荷重を受けるため、セル積層体２０と当接する内方の面が平坦であるのに対し、セル積層体２０と当接しない外方の面は外方に膨出した形状となっている。各エンドプレート３０の左右両端近傍には、左サイドプレート５０Ｌ及び右サイドプレート５０Ｒを締着するためのボルトＢ１が取り付けられる複数（この例では３つ）のねじ孔（図示省略）が設けられている。
（サイドプレート）
左サイドプレート５０Ｌ及び右サイドプレート５０Ｒは、金属板材をプレス加工して形成されており、セル積層体２０の左面又は右面に沿うサイドプレート本体５１と、サイドプレート本体５１の前端から前側のエンドプレート３０の前面に沿って互いに近づく方向に延びる前フランジ部５２Ｆと、サイドプレート本体５１の後端から後側のエンドプレート３０の後面に沿って互いに近づく方向に延びる後フランジ部５２Ｒと、サイドプレート本体５１の上端からセル積層体２０の上面に沿って互いに近づく方向に延びる上フランジ部５３と、サイドプレート本体５１の下端からボトムプレート６０の下面６０ａに沿って互いに近づく方向に延びる下フランジ部５４と、を備える。
前フランジ部５２Ｆ及び後フランジ部５２Ｒには、前側のエンドプレート３０又は後側のエンドプレート３０にボルトＢ１を介して締結される複数の締結部５２ａが設けられる。締結部５２ａは、ボルトＢ１が挿通される丸孔を有し、該丸孔に挿通したボルトＢ１を前側のエンドプレート３０又は後側のエンドプレート３０のねじ孔にねじ込むことで、前フランジ部５２Ｆ及び後フランジ部５２Ｒが前側のエンドプレート３０又は後側のエンドプレート３０に締結される。これにより、セル積層体２０及び一対のエンドプレート３０は、左サイドプレート５０Ｌ及び右サイドプレート５０Ｒの前フランジ部５２Ｆ及び後フランジ部５２Ｒによってセル積層方向に保持される。
上フランジ部５３と下フランジ部５４は、セル積層体２０の左端部及び右端部においてセル積層体２０及びボトムプレート６０を上下方向から挟持している。上フランジ部５３は、前後方向に並ぶ複数の弾性片５３ａにより構成されており、弾性片５３ａの個数及び位置は、前後方向に積層されるセル２１の個数及び位置に対応している。
下フランジ部５４には、ボトムプレート６０にボルトＢ２を介して締結される複数の締結部５４ａが設けられる。これにより、サイドプレート５０を構成する左サイドプレート５０Ｌ、右サイドプレート５０Ｒ及びボトムプレート６０が一体的に連結される。
（ボトムプレート）
ボトムプレート６０は、アルミダイキャストにより製造され、セル積層体２０及びエンドプレート３０の下面に沿って延びる平面視長方形を有する。ボトムプレート６０の周縁部６２には、ボルトＢ２が取り付けられる複数のねじ孔６２ａが設けられている。ボトムプレート６０が固定されるケース本体８１の底板８３には、ボトムプレート６０のねじ孔６２ａと重なる位置に、ボトムプレート６０のねじ孔と同数の貫通孔８３ｃが設けられている。
＜冷却機構＞
冷却機構９０は、図１及び図３に示すように、液状媒体Ｗが通過する冷媒流路９１であって、冷媒流路９１は、ボトムプレート６０の下面６０ａとバッテリケース８０を構成する底板８３の上面８３ｂとによって形成される。すなわち、ボトムプレート６０は、冷却機構９０としての冷媒流路９１の一部を構成する。冷媒流路９１は、ボトムプレート６０の下面６０ａに周縁部６２を除く大部分に亘って形成された凹部が、バッテリケース８０の底板８３によって封止されることで構成される。底板８３とボトムプレート６０との間には、冷媒流路９１を囲むように全周に亘って両者間をシールするシール部材（図示省略）が設けられる。
バッテリケース８０の底板８３の前後方向（セル２１の積層方向）の一端部（前部）には、冷媒流路９１への液状媒体Ｗの流入口となる冷媒入口部８４が設けられている。底板８３の前後方向の他端部（後部）には、冷媒流路９１からの液状媒体Ｗの流出口となる冷媒出口部８５が設けられている。したがって、冷媒は、冷媒入口部８４から冷媒出口部８５に向かって前後方向（セル２１の積層方向）に流れる。
図４に示すように、ボトムプレート６０の下面６０ａ、すなわち冷媒流路形成面には、冷媒流路９１内に突出する複数の凸部６１が設けられている。複数の凸部６１は、セル２１の積層方向（前後方向）及びそれと直交する方向（左右方向）に沿って千鳥状に配置されている。各凸部６１は底面を正方形とする四角錐であり、２本の対角線６１ａ、６１ｂのうちの１本の対角線６１ａがセル２１の積層方向となるように配置されている。
このように構成されたバッテリパック１は、サイドプレート５０、ボトムプレート６０及びバッテリケース８０の底板８３を互いに位置合わせした後、底板８３の各貫通孔８３ｃにボルトＢ２を下方から挿入し、ボトムプレート６０のねじ孔６２ａにボルトＢ２を締め込むことにより、サイドプレート５０、ボトムプレート６０及び底板８３がボルトＢ２で共締めされた状態で一体的に接合される。そして、互いに接合されたボトムプレート６０と底板８３とにより液状媒体Ｗが流れる冷媒流路９１が形成される。本実施形態では、ボトムプレート６０が、セル積層体２０と冷媒流路９１とを隔てる隔壁部として機能し、バッテリモジュール１０がボトムプレート６０を介して液状媒体Ｗで冷却される。
また、バッテリパック１では、バッテリモジュール１０の構成要素であるボトムプレート６０が冷媒流路９１の一部を構成するので、部品点数の増加を抑えながら、バッテリモジュール１０を液状媒体Ｗで効率良く冷却することができる。また、ボトムプレート６０の下面６０ａに複数の凸部６１が設けられているので、液状媒体Ｗとボトムプレート６０との接触面積が増大し、冷却性能がより向上する。
また、複数の凸部６１が、セル２１の積層方向及びそれと直交する方向に沿って千鳥状に配置されていることより、液状媒体Ｗが乱流となって冷媒流路９１を流れるので、液状媒体Ｗとボトムプレート６０との熱交換効率が高められ、冷却性能がより向上する。
また、各凸部６１が底面を正方形とする四角錐であり、２本の対角線６１ａ、６１ｂのうちの１本の対角線６１ａがセル２１の積層方向となるように配置されていることにより、図５に示すように、冷媒のセル２１の積層方向への流れＦ１を適度に阻害し、それと交差する方向への流れＦ２を生じさせて、乱流を生じさせやすくできるので、冷却性能がより向上する。
また、ボトムプレート６０の上面６０ｂ、すなわちセル積層体２０の下面との対向面には、図６に示すように、複数の凸部６１に対応する複数の凹部６３が設けられている。このように、アルミダイキャストにより製造されるボトムプレート６０の下面６０ａに複数の凸部６１を形成し、上面６０ｂに複数の凸部６１に対応する凹部６３を形成することで、ボトムプレート６０の成型時におけるアルミ流体の流れが良好になり、成型性が向上する。
セル積層体２０の下面とボトムプレート６０の上面６０ｂとの間には、伝熱シート１１０が設けられている。セル積層体２０の下面と複数の凹部６３が形成されたボトムプレート６０の上面６０ｂとの間には空気層ができやすいが、伝熱シート１１０が設けられていることで空気層を無くし、熱伝導性を向上できる。
＜第２実施形態＞
以下、第１実施形態と同一又は機能的に共通する構成要素については、同一符号を付し、その説明を適宜省略する。
第２実施形態のバッテリパック２においては、図６に示すように、バッテリモジュール１０を収容するバッテリケース８０の底板８３の下面８３ａに、冷却機構９０としての冷媒流路９１が設けられている。詳細には、底板８３には、底板８３の下面８３ａに凹部８６が設けられ、凹部８６はカバー部材１００で封止され、バッテリケース８０の凹部８６とカバー部材１００とにより冷媒流路９１が形成されている。底板８３の下面８３ａ、すなわち冷媒流路形成面には、冷媒流路９１内に突出する複数の凸部６１が設けられている。
複数の凸部６１は、第１実施形態と同様に、セル２１の積層方向（前後方向）及びそれと直交する方向（左右方向）に沿って千鳥状に配置され、さらに各凸部６１は底面を正方形とする四角錐であり、２本の対角線６１ａ、６１ｂのうちの１本の対角線６１ａがセル２１の積層方向となるように配置されている。
なお、バッテリケース８０の底板８３は、アルミダイキャストにより製造されることが好ましい。底板８３がアルミダイキャストにより製造されることで、凹凸形状の形成が容易である。凹部８６に複数の凸部６１を形成し、凹部８６をカバー部材１００で封止することで容易に冷媒流路９１を形成できる。本実施形態では、ボトムプレート６０及びバッテリケース８０の底板８３が、セル積層体２０と冷媒流路９１とを隔てる隔壁部として機能し、バッテリモジュール１０がボトムプレート６０及び底板８３を介して液状媒体Ｗで冷却される。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
例えば、上記実施形態では、複数の凸部６１が、セル２１の積層方向及びそれと直交する方向に沿って千鳥状に配置されているが、複数の凸部６１は、少なくともセル２１の積層方向に沿って千鳥状に配置されていればよい。
また、上記実施形態における各凸部６１は底面を正方形とする四角錐であるが、底面を長方形とする四角錐であってもよい。また、四角錐に限らず、円錐、三角錐、或いは五角錐以上の多角錘であってもよい。
また、上記実施形態では、各凸部６１の２本の対角線６１ａ、６１ｂのうちの１本の対角線６１ａがセル２１の積層方向と一致するように配置されているが、当該対角線６１ａがセル２１の積層方向に対して交差するように配置されてもよい。
また、本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。
（１） 複数のセル（セル２１）を積層することで構成されるセル積層体（セル積層体２０）を有するバッテリモジュール（バッテリモジュール１０）と、
前記バッテリモジュールを冷却する冷却機構（冷却機構９０）と、を備えるバッテリパック（バッテリパック１、２）であって、
前記冷却機構は、液状媒体（液状媒体Ｗ）が通過する冷媒流路（冷媒流路９１）であり、
前記セル積層体及び前記冷媒流路は、隔壁部（ボトムプレート６０、底板８３）を挟んで配置され、
前記隔壁部の冷媒流路形成面（下面６０ａ、下面８３ａ）には、複数の凸部（凸部６１）が設けられ、
該複数の凸部は、前記セルの積層方向に沿って千鳥状に配置されている、バッテリパック。
（１）によれば、複数の凸部が、セルの積層方向に沿って千鳥状に配置されていることより、液状冷媒が乱流となって冷媒流路を流れるので、隔壁部を介して行われる液状媒体とバッテリモジュールとの熱交換の効率が高められ、バッテリモジュールの冷却性能が向上する。
（２） （１）に記載のバッテリパックであって、
該複数の凸部は、前記積層方向に直交する方向にも千鳥状に配置されている、バッテリパック。
（２）によれば、乱流がより生じやすくなるので、冷却性能がさらに向上する。
（３） （１）又は（２）に記載のバッテリパックであって、
各凸部は角錐である、バッテリパック。
（３）によれば、各凸部が円錐である場合と比較して乱流が生じやすいので、冷却性能がさらに向上する。
（４） （３）に記載のバッテリパックであって、
各凸部は底面を正方形とする四角錐であり、２本の対角線（対角線６１ａ、６１ｂ）のうち１本が前記積層方向となるように配置されている、バッテリパック。
（４）によれば、液状媒体がセルの積層方向と直交する方向に流れやすくなるため、乱流が生じやすい。
（５） （１）〜（４）のいずれか１に記載のバッテリパックであって、
前記隔壁部の前記セル積層体との対向面には、前記複数の凸部に対応する複数の凹部が設けられており、
前記隔壁部は、アルミダイキャストにより製造されている、バッテリパック。
（５）によれば、アルミダイキャストにより製造される隔壁部の一方の面（冷媒流路形成面）に複数の凸部を形成し、他方の面（セル積層体との対向面）に凹部を形成することで、隔壁部の成型時におけるアルミ流体の流れが良好になり、成型性が向上する。
（６） （５）に記載のバッテリパックであって、
前記セル積層体の底面と前記対向面との間には、伝熱シート（伝熱シート１１０）が設けられている、バッテリパック。
（６）によれば、セル積層体と隔壁部との熱伝導性が向上する。
（７） （５）又は（６）に記載のバッテリパックであって、
前記隔壁部は、前記バッテリモジュールのボトムプレート（ボトムプレート６０）であり、
前記ボトムプレートの下面（下面６０ａ）に、凹部が設けられ、
該凹部は、前記バッテリモジュールを収容するバッテリケース（バッテリケース８０）の底部（底板８３）で封止され、
前記バッテリケースの前記凹部と前記バッテリケースの前記底部とにより前記冷媒流路が形成されている、バッテリパック。
（７）によれば、ボトムプレートの下面に設けられた凹部に複数の凸部を形成し、凹部をバッテリケースの底部で封止することで容易に冷媒流路を形成できる。
（８） （５）又は（６）に記載のバッテリパックであって、
前記隔壁部は、前記バッテリモジュールを収容するバッテリケース（バッテリケース８０）の底部（底板８３）であり、
前記底部の下面（下面８３ａ）に、凹部（凹部８６）が設けられ、
該凹部は、カバー部材（カバー部材１００）で封止され、
前記バッテリケースの前記凹部と該カバー部材とにより前記冷媒流路が形成されている、バッテリパック。
（８）によれば、バッテリケースの底部に設けられた凹部に複数の凸部を形成し、凹部をカバー部材で封止することで容易に冷媒流路を形成できる。
なお、本出願は、２０１８年５月３１日出願の日本特許出願（特願２０１８−１０５４２６）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
１、２ バッテリパック
１０ バッテリモジュール
２１ セル
２０ セル積層体
６０ ボトムプレート（隔壁部）
６０ａ 下面（冷媒流路形成面）
６１ 凸部
６１ａ、６１ｂ 対角線
８０ バッテリケース
８３ 底板（底部、隔壁部）
８３ａ 下面（冷媒流路形成面）
８６ 凹部
９０ 冷却機構
９１ 冷媒流路
１００ カバー部材
１１０ 伝熱シート
Ｗ 液状媒体

Claims (8)

  1. 複数のセルを積層することで構成されるセル積層体を有するバッテリモジュールと、
    前記バッテリモジュールを冷却する冷却機構と、を備えるバッテリパックであって、
    前記冷却機構は、液状媒体が通過する冷媒流路であり、
    前記セル積層体及び前記冷媒流路は、隔壁部を挟んで配置され、
    前記隔壁部の冷媒流路形成面には、複数の凸部が設けられ、
    該複数の凸部は、前記セルの積層方向に沿って千鳥状に配置されている、バッテリパック。
  2. 請求項１に記載のバッテリパックであって、
    該複数の凸部は、前記積層方向に直交する方向にも千鳥状に配置されている、バッテリパック。
  3. 請求項１又は２に記載のバッテリパックであって、
    各凸部は角錐である、バッテリパック。
  4. 請求項３に記載のバッテリパックであって、
    各凸部は底面を正方形とする四角錐であり、２本の対角線のうち１本が前記積層方向となるように配置されている、バッテリパック。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリパックであって、
    前記隔壁部の前記セル積層体との対向面には、前記複数の凸部に対応する複数の凹部が設けられており、
    前記隔壁部は、アルミダイキャストにより製造されている、バッテリパック。
  6. 請求項５に記載のバッテリパックであって、
    前記セル積層体の底面と前記対向面との間には、伝熱シートが設けられている、バッテリパック。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリパックであって、
    前記隔壁部は、前記バッテリモジュールのボトムプレートであり、
    前記ボトムプレートの下面に、凹部が設けられ、
    該凹部は、前記バッテリモジュールを収容するバッテリケースの底部で封止され、
    前記バッテリケースの前記凹部と前記バッテリケースの前記底部とにより前記冷媒流路が形成されている、バッテリパック。
  8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリパックであって、
    前記隔壁部は、前記バッテリモジュールを収容するバッテリケースの底部であり、
    前記底部の下面に、凹部が設けられ、
    該凹部は、カバー部材で封止され、
    前記バッテリケースの前記凹部と前記カバー部材とにより前記冷媒流路が形成されている、バッテリパック。
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