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JP6256397B2 - 電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、複数の円筒電池を含む電池モジュールが複数収容された電池パックの構造に関する。
多数の電池を直列または並列に接続して組電池としてケーシングに格納した電池パックが電動車両等に利用されている。かかる電池パックは、温度が低くなると、その出力の低下や、充電可能容量の低下等の問題を招く。そこで、従来から、電池パックにヒータを設け、低温時には、当該ヒータで、各電池を加温することが提案されている。
例えば、特許文献１には、複数の円筒電池と、複数の円筒電池を保持する金属製の電池ホルダと、を備えた電池パックにおいて、電池ホルダの側面にヒータを直付けし、電池ホルダを介して円筒電池を加温する技術が開示されている。
また、特許文献２には、複数の円筒電池と、複数の円筒電池を各々収納可能な電池収容空間が個別に区画された電池ホルダと、を備えた電池パックにおいて、各円筒電池の各外周面の一部に発熱面が面接触するように発熱体を配置し、発熱体によって各円筒電池の一部を直接加熱する技術が開示されている。
また、特許文献３には、複数の角型電池を積層した積層電池と、積層電池を収容するとともに積層電池と離間した離間部を有するケーシングと、離間部の外表面上に設けられるヒータとを有し、離間部と電池部との間に介在する空気を介して各角型電池を加温する電池パックが開示されている。
特許５３９２４０７号公報 特開２０１２−２４３５３５号公報 特開２００８−０５３１４９号公報
ところで、近年、電気自動車ではより長い航続距離が求められている。また、ハイブリッド車両でも電動走行距離を長くすることが求められている。電動走行距離を長くするには、より多くの電池を車両に搭載することが必要となるが、電池を搭載可能な車両のスペースは限られていることから、車両のスペースに合わせたケーシングの中に比較的小さな電池モジュールを多数搭載すること等が検討されている。
このように、電池パックの中に多数の電池モジュールを搭載する場合、特許文献１に記載された従来技術のように、電池ホルダにヒータを直付けして電池を加温する場合、あるいは、特許文献２に記載された従来技術のように、ヒータを各円筒電池に接するように取り付けて各円筒電池を加温する場合、数多くのヒータが必要となり、構造、配線等が複雑になってしまうという問題があった。また、特許文献３に記載された従来技術では、ケーシングから突出した空気層を設け、その空気層の外側にヒータを取り付けていることから、電池パックの体格が大きくなってしまい、車両のスペースに収容することが困難になる場合があった。
そこで、本発明は、コンパクトで簡便な構成の電池パックを提供することを目的とする。
本発明の電池パックは、複数の電池モジュールとヒータとを含む電池パックであって、各電池モジュールは、複数の円筒電池と、前記複数の各外面との間で熱移動可能なように前記複数の円筒電池を保持する散熱板と、その中に収容された前記各円筒電池を冷却する冷却空気が導入される第１室と、を有し、前記電池パックは、更に、前記各電池モジュールの外部の空間であって、少なくとも壁の一部が隣接する電池モジュールの各散熱板により形成され、その中に空気層を含む第２室を備え、前記ヒータは、前記散熱板との間に前記空気層を介して前記第２室の中に配置されていることを特徴とする。
これにより、１つのヒータによって複数の電池モジュールを加温することができ、電池パックの構成を簡便にするとともに電池パックをコンパクトにすることができる。
本発明の電池パックにおいて、隣接する電池モジュールは、前記各散熱板の表面が同一平面上となるように配置されていることとしても好適であるし、隣接する電池モジュールの間に、各電池モジュールに冷却空気を導入する空気流路と前記第２室とが配置されていることとしても好適である。
このように、隣接する電池モジュール間の空きスペースにヒータを設置することにより、電池パックの内部のスペースを広く使うことができ、電池パックをコンパクトにすることができる。
本発明の電池パックにおいて、前記電池モジュールは、前記第１室と異なる空間であって、少なくとも壁の一部が、前記散熱板の前記第１室と反対側に配置される底蓋で形成される排煙経路を含み、隣接する電池モジュールは、前記各底蓋が対向するように配置され、前記第２室は、少なくとも壁の一部が前記底蓋により形成され、その中に前記空気層を含むこととしても好適である。
このように、隣接する電池モジュール間の空きスペースにヒータを設置することにより、電池パックの内部のスペースを広く使うことができ、電池パックをコンパクトにすることができる。
本発明は、コンパクトで簡便な構成の電池パックを提供することができるという効果を奏する。
本発明の実施形態における電池パックが電動車両に搭載された状態を示す説明図である。 本発明の実施形態における電池パックの立面図である。 本発明の実施形態における電池パックの平面図である。 本発明の実施形態における電池パックに収納される電池モジュールの分解斜視図である。 本発明の実施形態における電池パックに収納される電池モジュールの横断面である。 本発明の他の実施形態における電池パックに収納される電池モジュールの横断面である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態では、電池パック１０は、図１に示すようにモータジェネレータによって駆動される電動車両１００の前席１０５、後席１０６の下のフロアパネル１０１の下側に取り付けられている。より詳細には、図１に示すように、ケーシング１１の側板１１ｂに取り付けられたブラケット１２によって電動車両１００のフロアパネル１０１の下面に固定され、フロアパネル１０１から吊り下げられている。また、電池パック１０に格納された電池を冷却する冷却空気は、車室１０４内に取り付けられた冷却ファン１０３によって供給される。なお、図１において、紙面の上方向は鉛直上方向、下方向は鉛直下方向、紙面左側は電動車両１００の前方、紙面右側は、電動車両１００の後方を示す。
図２に示すように、本実施形態の電池パック１０は、ケーシング１１の中に電池モジュール２０と棒状ヒータ３５を収容したものである。図２、図３に示すように、電池モジュール２０の側面には電池モジュール２０の中に格納された電池を冷却する冷却空気を流す空気流路２６が形成されている。空気流路２６には接続ダクト８２を介して図１に示す冷却ファン１０３から吐出された冷却空気を空気流路２６に導入する冷却空気ダクト８１が接続されている。図２に示すように、冷却空気ダクト８１は、フロアパネル１０１に設けられた貫通部１０２から、ケーシング１１の上部に設けられた入口ノズル１８を貫通してケーシング１１の中に導入されている。
図２、図３に示すように、冷却ファン１０３から吐出された冷却空気は、冷却空気ダクト８１、接続ダクト８２を通って電池モジュール２０の側面に形成された空気流路２６に流入する。空気流路２６の終端部は閉鎖されているので、空気流路２６に流入した空気は、電池モジュール２０の側面に設けられたスリット２７から電池モジュール２０の内部に流入して電池モジュール２０の内部に収容された電池を冷却し、電池を冷却して温度が上昇した冷却空気は、電池モジュール２０の反対側の側面に設けられたスリット２７から電池モジュール２０の外部に排出される。排出された空気は、電池モジュール２０とケーシング１１との間の空間を流れてケーシング１１の入口ノズル１８、フロアパネル１０１の貫通部１０２と冷却空気ダクト８１との間の隙間から車室１０４の中に戻る。
図４に示すように、電池モジュール２０は、複数の円筒電池２１と、円筒電池２１を保持する散熱板２２と、散熱板２２に保持された円筒電池組の外周を覆う樹脂製のカバー２３と、カバー２３の上側に取り付けられる天井蓋３１と、散熱板２２の下側に取り付けられるトレイ状の底蓋３２と、を含んでいる。円筒電池２１は、充放電可能な二次電池であり、例えば、円筒型のケースに収められたニッケル水素電池、リチウムイオン電池等である。
散熱板２２は、円筒電池２１が差し込まれる多数の貫通孔２２ａが設けられた、例えば、アルミニウム等の金属板である。散熱板２２への円筒電池２１の組み付けは、円筒電池２１を貫通孔２２ａに差し込み、貫通孔２２ａの内面（円筒面）と円筒電池２１の外面（円筒面）との隙間に接着材を充填して貫通孔２２ａに円筒電池２１を固定することによって行う。このように、円筒電池２１を散熱板２２の貫通孔２２ａに組み付けることによって温度の高い円筒電池２１の外面（円筒面）からの熱を熱伝導で散熱板２２に移動させて温度の高い円筒電池２１の温度を低下させると共に、熱伝導により散熱板２２の熱を温度の低い円筒電池２１に移動させて温度の低い円筒電池２１の温度を上昇させる。つまり、各円筒電池２１は各円筒面と散熱板２２との間で熱移動可能なように各貫通孔２２ａによって保持され、散熱板２２によって各円筒電池２１の温度のバラツキが抑制される。このため、散熱板２２は各円筒電池２１の間の熱移動を効率よく行えるように熱伝導率の高いアルミニウム等の金属材料で構成されている。また、散熱板２２の厚さは、貫通孔２２ａの円筒面によって円筒電池２１を保持することができ、熱伝導により効果的に熱移動が行える程度の厚さ、例えば、１０〜２０ｍｍ程度、あるいは、円筒電池２１の長さの１／４程度の厚さである。
樹脂製のカバー２３は、上面２２ｂに各円筒電池２１のプラス側の電極２１ａが突出する穴２３ｃが設けられた天井板２３ａと散熱板２２に組み付けられた複数の円筒電池２１の外周を覆う四角筒２３ｂとから構成されている。図４に示すように、カバー２３を散熱板２２の上に取り付けると、カバー２３の天井板２３ａの穴からは各円筒電池２１のプラス側の電極２１ａが突出する。図４、図５に示すように、カバー２３の穴２３ｃの上側にはいくつかのグループごとに円筒電池２１のプラス側の電極２１ａを接続する複数の正極バスバー２９が取り付けられ、その上に樹脂製の天井蓋３１が取り付けられる。
図４に示すように、カバー２３の側面には、Ｌ字形の上側フランジ２４と下側フランジ２５とが外側に張り出す様に形成されている。上側フランジ２４は、フランジ面が上方向に向かって延び、下側フランジ２５はフランジ面が下方向に向かって延びている。図５に示すように、電池モジュール２０は、カバー２３の左側面に各フランジ２４，２５が形成されているものと、図４に示すモジュールと逆にカバー２３の右側面に各フランジ２４，２５が形成されているものとを左右方向に組み合わせて用いられる。図５に示すように、二種類の電池モジュールの各フランジ２４，２５のフランジ面の間にゴム板等のシール部材２８を挟み、各電池モジュール２０の各散熱板２２の各上面２２ｂまたは各下面２２ｃがそれぞれ同一面となるように、各電池モジュール２０の各フランジ２４，２５のフランジ面を合わせるように組合せると、隣接する２つの電池モジュール２０の間に空気流路２６が形成される。図４に示すように、空気流路２６を形成しているカバー２３の長手方向側面には、円筒電池の冷却空気を導入するスリット２７が形成されている。図４ではカバー２３の左側の面に形成されているスリット２７を図示しているが、カバー２３の各フランジ２４，２５の形成されていない右側の側面にも左側の面と同様のスリット２７が形成されている。カバー２３の右側の側面に形成されたスリット２７は、空気流路２６に面したスリット２７からカバー２３の中に流入して円筒電池２１を冷却した空気をカバー２３から排出するものである。
このように、散熱板２２、円筒電池２１、カバー２３、天井蓋３１が構成されているので、散熱板２２の上面２２ｂとカバー２３と天井蓋３１は、その中に円筒電池２１を収容し、円筒電池２１を冷却する冷却空気が導入される空間である第１室４０を形成する。
図４、図５に示すように、散熱板２２の下面２２ｃの下側には円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂをいくつかのグループ毎に接続する負極バスバーアセンブリ３０が取り付けられる。図５に示すように、負極バスバーアセンブリ３０は、正極バスバー２９と同様の形状の板に円筒電池２１の配置に合わせて穴３０ｃが開けられた負極バスバー３０ａを複数枚並べて樹脂モールドしたものである。負極バスバー３０ａの穴３０ｃには円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂに接する板状の端子３０ｂが形成されている。
正極バスバー２９、負極バスバー３０ａは、それぞれ一つのグループの円筒電池２１のプラス側の電極２１ａ同士、マイナス側の電極２１ｂ同士を接続するもので、この各バスバー２９，３０ａで接続されるグループの円筒電池２１は整列に接続される。そして、正極バスバー２９と負極バスバー３０ａとを接続バスバー（図示せず）で接続することにより、複数の円筒電池２１が並列接続されたグループを直列に接続した組電池が構成される。
図４、図５に示すように、負極バスバーアセンブリ３０の下側には、中央がトレイ状に凹み、底面に補強用の凹凸部３２ａが形成された底蓋３２が取り付けられている。図４に示すように、負極バスバーアセンブリ３０の下側の面の外周部には、樹脂製のリブ３０ｄが突出しており、その先端に底蓋３２の外周部が接するように取り付けられている。底蓋３２は、伝熱性の高いアルミ等の金属製である。
図４に示すように、負極バスバーアセンブリ３０の長手方向の両端部には、略四角の開口３０ｅが設けられている。また、散熱板２２の下面２２ｃの長手方向の両端には開口２２ｅが設けられており、散熱板２２の長手方向の両端面には開口２２ｄが設けられている。散熱板２２の両端面の開口２２ｄと下面２２ｃの開口２２ｅとはＬ字型に曲がった流路で連通するように構成されている。そして、負極バスバーアセンブリ３０が散熱板２２の下面２２ｃに取り付けられると、負極バスバーアセンブリ３０の開口３０ｅは散熱板２２の下面の開口２２ｅと重なる。このため、散熱板２２に負極バスバーアセンブリ３０と底蓋３２を取り付けると、散熱板２２と底蓋３２との間の空間と散熱板２２の端面の開口２２ｄとを連通する流路が構成される。
円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂは、円筒電池２１の内部でガスが発生した場合に、そのガスを外部に放出できるよう、内圧で端面が開くような構造となっている。このため、円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂから放出されたガスは、散熱板２２の下側に形成された空間に流入する。この空間に流入したガスは、散熱板２２と底蓋３２との間を通って電池モジュール２０の両端部に流れ、負極バスバーアセンブリ３０の開口３０ｅ、散熱板２２の開口２２ｅ、開口２２ｄを通って外部に排出される。したがって、散熱板２２と底蓋３２との間の空間は、円筒電池２１からガスが放出された場合、そのガスを排出する排煙経路６０を構成する。
図５に示すように、２つの電池モジュール２０を組み合わせることによって形成される空気流路２６の下側の各散熱板２２の右側端面と左側端面との間には空間が形成されている。この空間の下側の隣接する２つの電池モジュール２０の各負極バスバーアセンブリ３０の各リブ３０ｄの間には平板３３が取り付けられている。また、この空間の電池モジュール２０の両端面にも図示しない平板が取り付けられている。従って、隣接する電池モジュール２０の各カバー２３の側面、各フランジ２５、各散熱板２２の右側面と左側面、平板３３及び、電池モジュール２０の両端面に取り付けられた平板によって空気流路２６の下側の空間が四周を囲まれるので、この空間は閉鎖空間である第２室５０となる。図５に示すように、平板３３の上部には、棒状ヒータ３５を支持するヒータ支持部材３４が取り付けけられており、その上には各電池モジュール２０の各散熱板２２の左側面、右側面との間にそれぞれ空気層が形成されるように棒状ヒータ３５が取り付けられている。このように、第２室５０は、電池モジュール２０の外部の空間であって、隣接する電池モジュール２０の各散熱板２２の左右の側面が閉鎖空間を仕切る壁の一部となっているものである。
図５に示すように、棒状ヒータ３５から放出される熱は、第２室５０の中の空気を加熱し、第２室の空気に対流を発生させる。第２室５０の中の空気は対流によって図５の矢印９１のように移動し、加温された空気は、隣接する電池モジュール２０の各散熱板２２の各側面に接触してそれぞれの表面を加温する。散熱板２２は熱伝導率の高いアルミなどの金属製であるから、散熱板２２の左右の端面への入熱は、散熱板２２の各貫通孔２２ａの表面から各円筒電池２１の各円筒面に移動し、各円筒電池２１を各円筒面から加温する。この際、散熱板２２は、各円筒電池２１の間の熱移動を効率よく行えるので、各円筒電池２１を効率的に加温することができる。また、棒状ヒータ３５と散熱板２２との間には、空気層があり、散熱板２２の各側面は棒状ヒータ３５によって長手方向に均一に加温されるので、電池モジュール２０の各円筒電池２１の温度差が大きくならないように各円筒電池２１を加温することができる。
このように、本実施形態の電池パック１０は、空気流路２６の下側の各散熱板２２間には形成された空間を閉鎖空間とし、その中に棒状ヒータ３５を設置して各電池モジュール２０の各円筒電池２１を加温するので、一つの棒状ヒータ３５で隣接する２つの電池モジュール２０の各円筒電池２１を加温することができるので、少ないヒータによって電池パック１０に格納されている複数の電池モジュール２０の各円筒電池２１を加温することができる。また、隣接する電池モジュール２０の間の空きスペースを閉鎖空間としてその中に棒状ヒータ３５を設置しているので、別途、棒状ヒータ３５を設置するスペースを設ける必要が無く、電池パック１０の内部のスペースを広く使うことができ、電池パック１０をコンパクトにすることができる。また、同一の内容積の電池パック１０により多くの電池或いは電池モジュール２０を搭載することができる。
次に、図６を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図１から図５を参照して説明した実施形態と同様の部材には同様の符号を付して説明は省略する。
図６に示す実施形態は、図４を参照して説明した電池モジュール２０を空気流路２６が形成されるように図５に示す様に横に２つ組み合わせた電池モジュール２０の組みを各電池モジュール２０の排煙経路６０を構成する底蓋３２が対向するように２つ組み合わせたもので、合計４つの電池モジュール２０が一体に組み合されているものである。図６に示すように、各電池モジュール２０の空気流路２６が形成されていない側面には、それぞれ、樹脂性の板３６が取り付けられている。また、各電池モジュール２０の両端面にも図６に示す板３６と同様の板が取り付けられている。従って、４つの電池モジュール２０からなる電池モジュール組みの散熱板２２近傍の外周は、板３６によって四周を囲まれ、閉鎖空間である第２室５０を形成する。図６に示すように、第２室は、板３６と、底蓋３２と、散熱板２２とカバー２３とフランジ２５とによって囲まれる閉鎖空間である。そして、第２室５０内の対向する底蓋３２の間にはシートヒータ３７が配置されており、シートヒータ３７と各底蓋３２との間には空気層が形成されている。
図６に示すように、シートヒータ３７から放出される熱は、第２室５０の中の空気を加熱し、第２室の空気に対流を発生させる。第２室５０の中の空気は対流によって図６の矢印９２のように移動し、加温された空気は、各電池モジュール２０の底蓋３２の外面に接触してそれぞれの表面を加温する。底蓋３２は伝熱性の良い金属等の材料で構成されているので、底蓋３２は排煙経路６０の中の空気を図６の矢印９４のように対流させて、散熱板２２の下面２２ｃ及び円筒電池２１のマイナス側の電極２１ｂを加温し、各円筒電池２１を電極２１ｂ側から加温する。また、各散熱板２２の各側面と空気流路２６との間の空間の空気も図６に示す矢印９３のように対流して各散熱板２２の各側面を加温する。先に説明した実施形態と同様、散熱板２２は熱伝導率の高いアルミなどの金属製であるから、散熱板２２の左右の端面への入熱は、散熱板２２の各貫通孔２２ａの表面から各円筒電池２１の各円筒面に移動し、各円筒電池２１を各円筒面から加温する。このように、シートヒータ３７と散熱板２２との間、及びシートヒータ３７と底蓋３２との間には空気層があり、散熱板２２の各側面及び、底蓋３２は空気層を介してシートヒータ３７によって加温されるので、電池モジュール２０の各円筒電池２１の温度差が大きくならないように各円筒電池２１を加温することができる。
図６に示す実施形態の電池パック１０は、電池モジュール２０を底蓋３２が対向するように４つ配置し、底蓋３２の間にシートヒータ３７を配置しているので、一つのシートヒータ３７によって４つの電池モジュール２０の各円筒電池２１を加温することができるので、少ないヒータによって電池パック１０に格納されている複数の電池モジュール２０の各円筒電池２１を加温することができる。また、先に説明した実施形態と同様、隣接する電池モジュール２０の間の空きスペースを閉鎖空間としてその中にシートヒータ３７を設置しているので、電池パック１０の内部のスペースを広く使うことができ、電池パック１０をコンパクトにすることができる。また、同一の内容積の電池パック１０により多くの電池或いは電池モジュール２０を搭載することができる。
以上の各実施形態では、電池パック１０は電動車両１００の床下に配置されるものとして説明したが、本発明は、このように配置される電池パック１０のみならず、例えば、図１に示す後席１０６の後ろのスペース或いは、ラゲッジスペースに搭載される電池パック１０にも適用できる。また、本発明は、エンジンとモータとによって駆動されるハイブリッド車両等の他の電動車両にも適用することができる。
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲ないし本質から逸脱することない全ての変更及び修正を包含するものである。
１０ 電池パック、１１ ケーシング、１１ｂ 側板、１２ ブラケット、１８ 入口ノズル、２０ 電池モジュール、２１ 円筒電池、２１ａ，２１ｂ 電極、２２ 散熱板、２２ａ 貫通孔、２２ｂ 上面、２２ｃ 下面、２２ｄ，２２ｅ，３０ｅ 開口、２３ カバー、２３ａ 天井板、２３ｂ 四角筒、２３ｃ，３０ｃ 穴、２４ 上側フランジ、２５ 下側フランジ、２６ 空気流路、２７ スリット、２８ シール部材、２９ 正極バスバー、３０ 負極バスバーアセンブリ、３０ａ 負極バスバー、３０ｂ 端子、３０ｄ リブ、３１ 天井蓋、３２ 底蓋、３２ａ 凹凸部、３３ 平板、３４ ヒータ支持部材、３５ 棒状ヒータ、３６ 板、３７ シートヒータ、４０ 第１室、５０ 第２室、６０ 排煙経路、８１ 冷却空気ダクト、８２ 接続ダクト、９１〜９４ 矢印、１００ 電動車両、１０１ フロアパネル、１０２ 貫通部、１０３ 冷却ファン、１０４ 車室、１０５ 前席、１０６ 後席。

Claims (4)

  1. 複数の電池モジュールとヒータとを含む電池パックであって、
    各電池モジュールは、
    複数の円筒電池と、
    前記複数の円筒電池の各外面との間で熱移動可能なように前記複数の円筒電池を保持する散熱板と、
    その中に収容された前記各円筒電池を冷却する冷却空気が導入される第１室と、を有し、
    前記電池パックは、更に、前記各電池モジュールの外部の空間であって、少なくとも壁の一部が隣接する電池モジュールの各散熱板により形成され、その中に空気層を含む第２室を備え、
    前記ヒータは、前記散熱板との間に前記空気層を介して前記第２室の中に配置されている電池パック。
  2. 請求項１に記載の電池パックであって、
    隣接する電池モジュールは、前記各散熱板の表面が同一平面上となるように配置されている電池パック。
  3. 請求項１または２に記載の電池パックであって、
    隣接する電池モジュールの間に、各電池モジュールに冷却空気を導入する空気流路と前記第２室とが配置されている電池パック。
  4. 請求項１に記載の電池パックであって、
    前記電池モジュールは、前記第１室と異なる空間であって、少なくとも壁の一部が、前記散熱板の前記第１室と反対側に配置される底蓋で形成される排煙経路を含み、
    隣接する電池モジュールは、前記各底蓋が対向するように配置され、
    前記第２室は、少なくとも壁の一部が前記底蓋により形成され、その中に前記空気層を含む電池パック。
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