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JP5250099B2 - 電気自動車用ｕタイプバッテリーパック - Google Patents

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Description

本発明は、電気自動車用バッテリーパックに関するものであって、さらに詳しくは、冷媒の流入方向と排出方向とが反対である冷却流路を有するＵタイプバッテリーパックに関する。
電気自動車とは、自動車の駆動エネルギーを既存の自動車のように化石燃料の燃焼からではなく電気エネルギーから得る自動車をいう。電気自動車は、排気ガスが全くなく、騷音が非常に小さいという長所があるにもかかわらず、バッテリーの重い重量、充電にかかる時間などの問題のため実用化できなかったが、最近公害問題の深刻化、化石燃料の枯渇などの問題が提起されてからその開発が加速化している。特に、電気自動車が実用化されるためには、電気自動車の燃料供給源であるバッテリーパックが軽量化・小型化されると同時に、充電時間が短縮されなければならないので、前記バッテリーパックに対する研究が活発になされている。
前記バッテリーパックは直列に接続された複数個の電池セルを含んでおり、前記バッテリーパックの充電と放電とが行なわれれば、前記電池セルに熱が発生する。前記電池セルに発生した熱をそのまま放置する場合前記電池セルの寿命を短縮させることになるので、通常前記バッテリーパックには前記電池セルで発生する熱を冷却させるための冷却流路が含まれる。
前記バッテリーパックは前記冷却流路の形態に従ってＺタイプとＵタイプとに分けられる。前記Ｚタイプにおいては、冷媒である空気が前記冷却流路に流入する方向と前記冷却流路から排出される方向とが同一であり、前記Ｕタイプにおいては、冷媒である空気が前記冷却流路に流入する方向と前記冷却流路から排出される方向とが互いに反対である。以下、Ｕタイプバッテリーパックの一般的な構成を図１及び図２を参照しながら説明する。図１は一般的なＵタイプバッテリーパックを示す斜視図であり、図２は図１のＡ‐Ａ’による断面図である。
前記Ｕタイプバッテリーパック１０は、直列に接続されるように配列された複数個の電池セル２０と、前記電池セル２０に結合された冷却流路３０、４０とを含み、前記冷却流路３０、４０は、前記電池セル２０の上端に結合された第１冷却流路３０と前記電池セル２０の下端に結合された第２冷却流路４０とを含む。
前記第１冷却流路３０の一側面３２は冷媒が流入できるように開放されており、前記第１冷却流路３０の下面の中で前記電池セル２０が結合されていない部位には流入した冷媒が前記電池セル２０が位置している方向に排出できるように複数個のスリット３４が形成される。
前記第２冷却流路４０の上面の中で前記電池セル２０が結合されていない部位には前記第１冷却流路３０から排出された冷媒が流入するための複数個のスリット４４が形成され、前記第２冷却流路４０の一側面４２は前記スリット４４を通じて流入した冷媒が外部に排出できるように開放されている。
前記側面３２を通じて流入した冷媒は、前記スリット３４、前記電池セル２０間の空間及び前記スリット４４を順次経由して前記側面４２を通じて外部に排出され、その過程において前記冷媒は前記電池セル２０から熱を吸収することになるので、前記電池セル２０が冷却できる。
しかし、前述のような構造の一般的なＵタイプバッテリーパック１０によれば、電池セル２０間の温度偏差が非常に大きくなることから電池セル２０間の寿命差が大きくなる問題が発生する。そして、バッテリーパックに含まれた一部電池セルの寿命が尽きた場合バッテリーパックの全体を交替しなければならないので、寿命の尽きた一部電池セルのために寿命が尽きていない他の電池セルも使用できなくなる問題が発生する。従って、このような問題点を解決するために、電池セル２０間の温度偏差を減らすための研究が必要となる。
本発明は、前述のような問題点を解決するためのものであって、電池セルの温度分布をより均一に維持することができる電気自動車用Ｕタイプバッテリーパックを提供することを目的としている。
前述のような目的を達成するために本発明は、電気自動車用バッテリーパックであって、第１冷却流路と、第２冷却流路とを有してなる冷却構造を備えてなり、とりわけ、第１冷却流路を通じて流入した冷媒が電池セルを冷却させた後第２冷却流路を通じて排出される冷却構造を備えてなり、
前記冷却構造は、冷媒の流入方向と排出方向とが互いに反対であるＵ字型構造であり、第１冷却流路の入口と第２冷却流路の出口とは、入口流量及び出口流量に対して以下の式を満たす。
Figure 0005250099
 〔前記式において、Ｃは、０.８から１.２である。〕
望ましくは、前記電池セルは、板状型電池セルであり、電池セルは電池セル同士の間に前記冷媒が流れるように相互離隔して設けられる。
望ましくは、前記冷媒は、空気である。
望ましくは、前記入口を通じて冷媒を前記冷却構造に供給する駆動力は前記入口に設けられた送風ファンによって提供される。
望ましくは、前記出口流量は、前記入口流量の５０％から９９％である。
また、本発明によるバッテリーパックの前記入口と出口の横断面は四角形状であり、前記入口の幅と出口の幅は同一であることが望ましい。
同時に、前記Ｃは、０.８５から１.１５であることが望ましい。
一般的なＵタイプバッテリーパックを示す斜視図である。 図１のＡ‐Ａ’による断面図である。 本発明による電気自動車用Ｕタイプバッテリーパックの一実施例を示す断面図である。 バッテリーパックに含まれた電池セルの温度分布を示すコンピュータシミュレーションの結果である。 バッテリーパックに含まれた電池セルの温度分布を示すコンピュータシミュレーションの結果である。 バッテリーパックに含まれた電池セルの温度分布を示すコンピュータシミュレーションの結果である。 Ｃ値による電池セルの温度偏差を示すグラフである。
以下、本発明による電気自動車用Ｕタイプバッテリーパックの望ましい実施例を図面を参照しながら詳しく説明する。
図３は、本発明による電気自動車用Ｕタイプバッテリーパックの一実施例を示す断面図である。
本発明によるＵタイプバッテリーパック１００は、複数個の電池セル１１０と、前記電池セル１１０の一端に結合される第１冷却流路１３０と、前記電池セル１１０の他端に結合される第２冷却流路１５０とを含む。
前記電池セル１１０は、板状型電池セルであって、複数個の電池セル１１０が直列に接続されるように配列され、前記電池セル１１０の列数は１個または複数個形成できる。前記電池セル１１０に充電された電圧は電気自動車の駆動に使用され、前記電池セル１１０が放電されれば前記電池セル１１０は再度充電される。このように前記電池セル１１０は充電と放電を繰り返すことになり、その過程で前記電池セル１１０には熱が発生することになる。前記熱は冷媒、例えば空気によって冷却される。前記電池セル１１０は電池セル１１０同士の間に冷媒が流れるように相互所定間隔離隔して設けられる。
前記第１冷却流路１３０の一側面は、外部から前記電池セル１１０を冷却させるための冷媒が流入できるように開放面１３２として形成され、前記第１冷却流路１３０の下面の中で前記電池セル１１０が結合されていない部位には、流入した冷媒が前記電池セル１１０が位置している方向に排出できるように複数個のスリット１３４が形成される。前記開放面１３２に流入した冷媒は前記複数個のスリット１３４を通じて前記電池セル１１０同士間の空間に流入して前記電池セル１１０を冷却させる。
前記第２冷却流路１５０の上面の中で前記電池セル１１０が結合されていない部位には、前記電池セル１１０同士間の空間を経由した冷媒が流入するための複数個のスリット１５４が形成され、前記第２冷却流路１５０の一側面は前記スリット１５４を通じて流入した冷媒が外部に排出できるように開放面１５２として形成される。このとき、前記冷媒の排出方向は前記冷媒が前記第１冷却流路１３０に流入する方向とは反対である。
前記第１、２冷却流路１３０、１５０は、その長手方向に沿って一定の幅と高さとを有し、前記幅は電池セル１１０が置かれた空間の幅と概ね同一である。
前記電池セル１１０間の温度偏差は、前記開放面１３２を通じて前記第１冷却流路１３０に流入する冷媒の流量に対する前記開放面１５２を通じて前記第２冷却流路１５０から排出される冷媒の流量の比と、前記開放面１３２の入口面積に対する前記開放面１５２の出口面積の比と、によって定めることができる。本発明者の実験によれば、前記温度偏差は第１、２冷却流路１３０、１５０の幅とはそれほど関係がなかった。
一方、入口と出口は四角形状であり、前記入口の幅と出口の幅は同一であることが望ましい。この場合には、前記開放面１３２を通じて前記第１冷却流路１３０に流入する冷媒の流量に対する前記開放面１５２を通じて前記第２冷却流路１５０から排出される冷媒の流量の比が設定されれば、前記開放面１３２の高さ（Ｈ１）に対する前記開放面１５２の高さ（Ｈ２）の比を調節することで、前記電池セル１１０間の温度偏差を最小化することができる。
前記開放面１３２の入口面積に対する前記開放面１５２の出口面積の比が以下の数式１を満たす場合、前記電池セル１１０間の温度偏差を最小化することができる。以下の数式１において、出口流量とは、前記開放面１５２を通じて前記第２冷却流路１５０から排出される冷媒の流量を意味し、入口流量とは、前記開放面１３２を通じて前記第１冷却流路１３０に流入する冷媒の流量を意味する。
電池セル１１０間の温度偏差は５℃以下、さらに望ましくは３℃以下であることが良い。前記温度偏差が５℃を超えない場合には、長い時間が経過した後にも電池セル１１０の機能退化が比較的均一であると言えるが、前記温度偏差が５℃を超える場合には、時間が経つにつれて電池セル１１０の機能退化の偏差が大きくなって全体バッテリーパックの性能が下がるだけでなく、バッテリーパックの使用環境とパターンとによって温度偏差がさらに大きくなり得ることから、一部の電池セル１１０が動作温度範囲を外れる確率が高くなるので、安全性も問題になり得る。
下記の数式１において、Ｃは定数であって、０.８から１.２の値を有し、望ましくは０.８５から１.１５の値を有する。また、下記の数式１において、第１冷却流路１３０の断面積はその長手方向に沿って一定であり、第２冷却流路１５０の断面積はその長手方向に沿って一定である。
Figure 0005250099
入口と出口との幅が同一であり、入口と出口との形状が四角形であれば、言い換えれば、開放面１３２の幅と開放面１５２の幅とが同一であり、入口と出口との形状が四角形であれば、前記数式１は以下のようになる。
Figure 0005250099
前記式において、出口の高さとは前記開放面１５２の高さ（Ｈ２）を意味し、入口の高さとは前記開放面１３２の高さ（Ｈ１）を意味する。
一方、冷却構造上冷媒流出によって、冷媒の出口流量が冷媒の入口流量より少ない場合がある。この場合、前記出口流量は前記入口流量の５０％から９９％である。
また、前記冷媒は、第１冷却流路１３０の入口に設けられた送風ファン（図示せず）によって第１冷却流路１３０に流入する。送風ファンは、冷媒が第１冷却流路１３０に流入するようにする駆動力を提供する。
本発明者は、前記バッテリーパック１００に含まれた電池セル１１０の温度を測定するコンピュータシミュレーションを行い、その結果を図４から図６に示した。図４から図６において、横軸は電池セル１１０の番号を示し、縦軸は各電池セル１１０の平均温度を示す。電池セル１１０の番号は、図３において右側に行くほど大きくなるように設定された。図４及び図５に示す結果は、３０℃の外気温度下で３６個の電池セル１１０を含むバッテリーパック１００に４０Ａの負荷をかけて導出したものであり、図６に示す結果は、同一条件下で４４個の電池セル１１０を含むバッテリーパック１００に対するものである。
図４において、グラフＡは、出口流量／入口流量の値が０.７９０であり、出口面積／入口面積の値が１.４３である場合である。この場合、数式１から導出されたＣ値は０.８１であって、０.８から１.２の範囲内に存在する。前記グラフＡから、電池セル１１０の最大温度と最小温度との差、すなわち温度偏差が約３.５℃であって非常に小さいことがわかる。
グラフＢは、出口流量／入口流量の値が０.７７０であり、出口面積／入口面積の値が１.１１である場合である。この場合、数式１から導出されたＣ値は１.００であって、０.８から１.２の範囲内に存在する。前記グラフＢから、電池セル１１０の最大温度と最小温度との差、すなわち温度偏差が約１.６℃であって非常に小さいことがわかる。
グラフＣは、出口流量／入口流量の値が０.７９８であり、出口面積／入口面積の値が１.０９である場合である。この場合、数式１から導出されたＣ値は１.０８であって、０.８から１.２の範囲内に存在する。前記グラフＣから、電池セル１１０の最大温度と最小温度との差、すなわち温度偏差が約１.８℃であって非常に小さいことがわかる。
グラフＤは、出口流量／入口流量の値が０.７４５であり、出口面積／入口面積の値が０.９である場合である。この場合、数式１から導出されたＣ値は１.１８であって、０.８から１.２の範囲内に存在する。前記グラフＤから、電池セル１１０の最大温度と最小温度との差、すなわち温度偏差が約４℃であって非常に小さいことがわかる。
図５において、グラフ５０２は、出口流量／入口流量の値が０.７であり、出口面積／入口面積の値が１.２５である場合のグラフである。このような場合、数式１から導出されたＣ値は０.７８であって、０.８から１.２の範囲内に存在しない。前記グラフ５０２から、電池セル１１０の温度偏差が約１０℃であって非常に大きいことが分かる。
図５において、グラフ５０６は、出口流量／入口流量の値が０.７であり、出口面積／入口面積の値が０.８である場合のグラフである。このような場合、数式１から導出されたＣ値は１.２１であって、０.８から１.２の範囲内に存在しない。前記グラフ５０６から、電池セル１１０の温度偏差が約７℃であって非常に大きいことが分かる。
図６において、グラフ６０２は、出口流量／入口流量の値が０.７６５であり、出口面積／入口面積の値が０.８７５である場合のグラフである。このような場合、数式１から導出されたＣ値は１.２７であって、０.８から１.２の範囲内に存在しない。前記グラフ６０２から、電池セル１１０の温度偏差が約１０℃であって非常に大きいことが分かる。
一方、図７は、Ｃ値による前記各実施例の電池セルの温度偏差を示すグラフである。Ｃが０.８以上１.２以下である場合には、電池セルの温度偏差が約５℃以下であって大きくないが、Ｃが０.８未満であるか、１.２を超えれば、温度偏差が急激に大きくなることが分かる。
本発明によれば、電池セル間の温度偏差が非常に小さくなることからバッテリーパックの寿命が延びる効果を奏する。また、冷却流路の入口面積に対する出口面積の比が数式によって定量的に算出できることからバッテリーパックの設計が非常に容易になる効果を奏する。

Claims (5)

  1. 電気自動車用バッテリーパックであって、
    所定の間隔で配置された複数の板状型電池セルと、
    隣接する電池セル同士の間に介在され両端が開放されているスリット冷却流路と、
    前記電池セルの配列方向に沿って断面積が一定である冷媒流動空間を規定し、前記スリット冷却流路の一端及び他端とそれぞれ連通されてなる、第１冷却流路と、第２冷却流路とを有してなるＵ字型冷却構造とを備えてなり、
    前記冷媒が、前記第１冷却流路、各々のスリット冷却流路、及び前記第２冷却流路を通じて移動しながら前記電池セルを冷却するとき、
    前記第１冷却流路の入口と、前記第２冷却流路の出口とが、入口流量及び出口流量に対して以下の式を満たすことを特徴とする、電気自動車用バッテリーパック。
    Figure 0005250099
     〔前記数式において、Ｃは、０.８から１.２である。〕
  2. 前記冷却構造における冷媒流出によって、前記出口流量が、前記入口流量の７０％から８０％であることを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車用バッテリーパック。
  3. 前記冷媒が空気であることを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車用バッテリーパック。
  4. 前記入口を通じて、前記冷媒を前記冷却構造に供給する駆動力が、前記入口に設けられた送風ファンによって提供されることを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車用バッテリーパック。
  5. 前記式において、Ｃが０.８５から１.１５であることを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車用バッテリーパック。
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