JP2008130330A - バッテリボックスの冷却構造及びバッテリボックスの組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スペース効率良く且つ電池モジュールを効率良く均一に冷却可能なバッテリボックスの冷却構造を提供することである。
【解決手段】 複数の電池セルを直列に接続して構成する電池モジュールと、該電池モジュールを複数層平行に積層して構成すると共に冷却媒体を吸気及び排気するための吸気口及び排気口を備えるバッテリボックスの冷却構造であって、前記電池モジュールの各々に対して吸気部及び排気部を画成し、前記複数の電池モジュール間に冷却媒体の流れを誘導する誘導部材を具備し、前記誘導部材は各々の電池モジュールに対して新規な冷却媒体を並列に供給するように構成されていることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本願発明は、バッテリボックスの冷却構造及びバッテリボックスの組み立て方法に関する。

ハイブリッド車両等に搭載される電池、例えばニッケル水素電池（ＮｉＭＨ電池）に関しては、その温度をある範囲内に維持できれば十分な寿命の確保を達成でき、また効率の良い充放電を実現できることが、原理的、試験的、経験的に知られている。

このような温度管理を実現するには電池の冷却が必要であり、更には電池の冷却に適する電池の収納及び積載構造が必要である。また、ハイブリッド車両、電気車両には一般に複数の電池が搭載されるが、電池間の温度差を極力押さえて均一化することが必要である。

電池間の温度ばらつきが大きいと、温度管理が困難であるばかりでなく、電池の充放電の効率の低下を招く等の弊害を生じる可能性がある。高温の電池と低温の電池では、内部抵抗や化学反応に差が生じ、電池間で性能が異なってしまうからである。

ハイブリッド車両、電気車両等に搭載されたバッテリー式電源装置の各電池セルをなるべく均一に冷却するようにした構造が、例えば特開平１０−２５５８５９号公報に開示されている。

この公開公報に開示された電池アセンブリは、上流側に配置された電池モジュールに冷却媒体を接触させることなく下流側に導き、下流側の電池モジュールに接触させるバイパスダクトを設けたことが特徴である。

特開２００４−３１２４８号公報は、一列の電池モジュールそれぞれに対してその上下スペースに吸気部及び排気部を設けて、全ての電池セルに新鮮な冷却媒体を供給する冷却構造を有する電源装置を開示している。
特開平１０−２５５８５９号公報 特開２００４−３１２４８号公報 特許第３５５７１１７号公報

特許文献１記載の電池アセンブリでは、複数段に積層した電池モジュールの間に上流側の電池モジュールに冷却媒体を接触させることなく、新鮮な冷却媒体を下流側の電池モジュールに導くバイパスダクトを設けているため、スペース効率が悪いという問題があるとともに、下流側の電池モジュールを冷却する冷却媒体は新鮮な冷却媒体と上流側の電池モジュールを冷却した媒体との混合媒体であるため、全ての電池モジュールを均一に冷却するのが困難であるという問題がある。

特許文献２記載の電源装置では、全ての電池セルに新鮮な冷却媒体を供給することができるが、一列の電池モジュールそれぞれに対してその上下スペースに吸気部及び排気部を必要としたため、スペース効率が悪く、電源装置が大型化するという問題がある。

また、強引に給排気をあわせるような設計であるため、吸気及び排気のスペース分散化を引き起こし、結果として電池ボックス前後のダクトスペースを必要とするため、スペース効率の悪化に繋がっている。

搭載車両においては、限られたスペースに吸気、排気場所を設定する必要があり、ダクト部も含めたスペース効率を向上させることが課題である。さらに、導風板を電池モジュールと一体化せずに、電池ボックス構成部品で形成していたため、導風板のための別体部品を必要とし、コスト高に繋がる。

また、電池セルの冷却向上のため、流速を稼ぐためには流路の薄型化が必要だが、電池ボックスとしての一体成型品では寸法管理が難しく、交差分寸法がばらつくことにより、結果として冷却ばらつきが発生する。

よって、本発明の目的は、全ての電池セルに新鮮な冷却媒体を供給でき、しかもスペース効率の良い電源装置の冷却構造を提供することである。

請求項１記載の発明によると、複数の電池セルを直列に接続して構成する電池モジュールと、該電池モジュールを複数層平行に積層して構成すると共に冷却媒体を吸気及び排気するための吸気口及び排気口を備えるバッテリボックスの冷却構造であって、前記電池モジュールの各々に対して吸気部及び排気部を画成し、前記複数の電池モジュール間に冷却媒体の流れを誘導する誘導部材を具備し、前記誘導部材は各々の電池モジュールに対して新規な冷却媒体を並列に供給するように構成されていることを特徴とするバッテリボックスの冷却構造が提供される。

請求項２記載の発明によると、請求項１記載の発明において、前記誘導部材は前記各電池モジュールの外周を囲むように構成され、前記各吸気部は前記バッテリボックスの前記吸気口側に開口し、前記各排気部は前記バッテリボックスの前記排気口側に開口し、前記各電池モジュールの前記吸気部及び前記排気部の集合箇所は複数段配列された前記電池モジュール間以外に配置されることを特徴とするバッテリボックスの冷却構造が提供される。

請求項３記載の発明によると、請求項１又は２記載の発明において、前記誘導部材は２個一組の前記電池モジュールの周囲を所定の間隔をもって覆う複数の導風板から構成され、各導風板により前記吸気部及び排気部を構成することを特徴とするバッテリボックスの冷却構造が提供される。

請求項４記載の発明によると、請求項３記載の発明において、前記各導風板は前記各電池モジュールの軸方向に離間して、該電池モジュールの外周に当接する複数の環状隔壁を有していることを特徴とするバッテリボックスの冷却構造が提供される。

請求項５記載の発明によると、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記バッテリボックスの前記吸気口側に配置される前記電池モジュール用の前記吸気部の開口面積は、前記バッテリボックスの前記排気口側に配置される前記電池モジュール用の前記吸気部の開口面積より小さいことを特徴とするバッテリボックスの冷却構造が提供される。

請求項６記載の発明によると、請求項１〜５のいずれかの記載の発明において、前記複数の電池モジュールは千鳥状に配置されることを特徴とするバッテリボックスの冷却構造が提供される。

請求項７記載の発明によると、複数の電池セルを直列に接続してなる電池モジュールの周囲を吸気口及び排気口を有する導風板で所定の間隔を持って覆って電池パックを製造し、該電池パックを隣接する電池パックの前記導風板を部分的に接触させてバッテリボックス内に複数個平行に配置することを特徴とするバッテリボックスの組み立て方法が提供される。

請求項８記載の発明によると、請求項７記載の発明において、前記電池パックを複数段に積層するステップを更に具備したことを特徴とするバッテリボックスの組み立て方法が提供される。

請求項１記載の発明によると、全ての電池モジュールに対して新鮮な冷却媒体を並列に供給できるため、冷却効率を向上できるとともに全ての電池モジュールを均一に冷却することができる。

請求項２記載の発明によると、各電池モジュールの吸気部及び排気部の集合箇所は複数段配列された電池モジュール間以外に配置されているため、スペース効率を向上することができる。

請求項３記載の発明によると、誘導部材を２個一組の電池モジュールの周囲を所定の間隔をもって覆う複数の導風板から構成し、電池モジュールと導風板が一体化された電池パック化しているため、冷却媒体の流路の寸法管理が容易であり、各電池セルの温度ばらつきを低減できる。

また、電池パック化しているため、組み付け工数を削減でき、電池パック単体での絶縁が確保できるため、従来電池モジュールで必要とされた絶縁チューブを不要とすることができる。

請求項４記載の発明によると、複数の環状隔壁により各電池モジュールに供給する冷却媒体の通路を軸方向に分割しているため、全ての電池セルに新鮮な冷却媒体を均一に供給することができ、電池セルの温度ばらつきを低減することができる。

請求項５記載の発明によると、吸気部の開口面積を上流側より下流側を大きくしたため、全ての電池モジュールに均一に新鮮な冷却媒体を供給することができ、電池セルの温度ばらつきを低減することができる。

請求項６記載の発明によると、複数の電池モジュールを千鳥状に配置したため、スペース効率を向上することができる。

請求項７記載の発明によると、電池モジュールと導風板を一体化して電池パックとし、これをバッテリボックス内に複数個平行に配置することによりバッテリボックスを組み立てるため、組み立て効率を格段に向上することができる。

請求項８記載の発明によると、電池パックを縦方向に複数段積み上げるステップを具備したため、大電力の電源装置を効率良く組み立てることができる。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて、詳細に説明する。図１を参照すると、電池アセンブリ２の斜視図が示されている。電池アセンブリ２は２個の電池モジュール４を平行に並べ、接続導体１０で直列に接続したものである。

各電池モジュール４は、６個の円筒状の電池セル６を有する。電池セル６は、例えばＮｉＭＨ電池から構成され、互いに機械的に連結されるとともに、電気的に直列接続されている。

電池セル６同士の接続部分及び電池モジュール４の両端には、ゴムリング８がはめ込まれている。ゴムリング８は、各電池セル６に伝わる振動を抑制する機能を有している。各電池モジュール４の表面は絶縁チューブで被覆されている。

図２は本発明第１実施形態の導風板（誘導部材）１４の展開斜視図を示している。導風板１４は、例えば樹脂のモールド成形から形成され、断面概略Ｓ字形状の中央導風板１６と、中央導風板１６にヒンジ接続された断面概略半円形状の一対の端部導風板１８，２２から構成される。

電池アセンブリ２は２個の電池モジュール４を直列接続しているため、各電池モジュール４の左端から突出した端子１２ａ，１２ｂの極性は相違する。端部導風板１８はヒンジ２０で中央導風板１６に回動可能に接続され、端部導風板２２はヒンジ２４で中央導風板１６に回動可能に接続されている。

断面Ｓ字形状の中央導風板１６は、断面半円形状の２個の導風板１６ａ，１６ｂの一方を他方に対して１８０度反転して接続したものである。図２において、導風板１６ａと端部導風板１８は外表面が見えており、導風板１６ｂと端部導風板２２は内面が見えている。

中央導風板１６の一端部（左端部）には２個の穴２６ａ，２６ｂを有する端子ホルダ２６が一体的に形成されている。中央導風板１６の他方の端部（右端部）には電池アセンブリ２の接続導体１０をカバーするカバー２８が一体的に形成されている。

端部導風板１８には複数の係合突起２１が一体的に形成されており、端部導風板２２にも複数の係合突起２５が一体的に形成されている。これらの係合突起２１，２５は中央導風板１６に形成された図示しない係合穴に係合することにより、２本の円筒形状が形成される。

内面が見えている導風板１６ｂ，２２には複数の環状リブ（環状隔壁）３０が形成されている。これらの環状リブ３０は、導風板１４内に図１に示す電池アセンブリ２が収納されたとき、各電池モジュール４の外周に当接し、後で説明する冷却媒体の通路を軸方向に分離する。外側表面が見えている導風板１６ａ，１８の内面にも同様な環状リブが形成されている。

図２に示す導風板１４内に、図１に示す電池アセンブリ２を収納し、係合突起２１，２５を中央導風板１６に形成した図示しない係合穴に係合して導風板１４を組み立てると、図３に示す電池パック３２となる。

図４を参照すると、本発明第１実施形態のバッテリー式電源装置３４の分解斜視図が示されている。バッテリボックス（ハウジング）３６内に複数の電池パック３２が積み上げられるようにして収容されている。

この実施形態においては、電池パック３２が横方向に３列並べられ、各列において電池パック３２が３段積みにされている。３８は複数の穴４０を有する絶縁部材から形成された端子板であり、端子板３８の穴４０中にバスバーが挿入されて電池パック３２の端子１２ａ，１２ｂに接続される。

４２は冷却媒体を案内する上部ガイド板であり、部材４８を介して横方向に伸長する押さえ部材４６に取り付けられている。押さえ部材４６が支持ブラケット５０に固定されることにより、３段積みにされた電池パック３２の上端部が押さえ部材４６に押さえられ、ガイド板４２が冷却媒体を案内する所定位置に配置される。４４は冷却媒体を案内する下部ガイド板である。

図５は図４の中央の列の概略断面図であるが、導風板の構造が図２に示した導風板１４と相違する。すなわち、図５においては、逆Ｓ字形状の導風板１４ａとＳ字形状の導風板１４ｂを組み合わせて冷却媒体を並列に各電池モジュール４に誘導している。ここで、冷却媒体は一般的に空気である。

図６は図４に示した実施形態に対応する電池パック３２を３段積みにした場合の模式的断面図を示している。３６´はバッテリボックス（ハウジング）であり、吸気口５２と排気口５４を有している。排気口５４の下流側にはファン５７が配置されており、このファン５７で冷却媒体としてのエアを吸引することにより、矢印５３，５５で示す方向の気流が発生し、各電池モジュール４を強制空冷する。

各電池パック３２の導風板１４は互いにオフセットした２個の吸気部（吸気口）５６と２個の排気部（排気口）５８を有している。本実施形態によると、導風板１４は各々の電池モジュール４に対して新鮮なエアを並列に供給することができる。

すなわち、導風板１４の一つの吸気部５６から吸引されたエアは一つの電池モジュール４の周りに気流を作って、電池モジュール４と熱交換してこれを冷却したのち、排気部５８から排気され、更にはバッテリボックス３６´の排気口５４から排気される。

全ての電池モジュール４にはバッテリボックス３６´の吸気口５２から供給された新鮮なエアが供給され、各電池モジュール４と熱交換したのち他の電池モジュール４に供給されることなくバッテリボックス３６´の排気口５４から排気される。これにより、各電池モジュール４を効率良く冷却することができる。

さらに、本実施形態では、抵抗等に起因する気流のロスを考慮して、排気口５４に近い電池パック３２の吸気部５６の開口面積を吸気口５２に近い電池パック３２の吸気部５６の開口面積よりも大きく形成している。これにより、各電池モジュール４を温度むらなく均一に冷却することができる。

電池パック３２の導風板１４は、電池モジュール４を所定のギャップをもって覆っている。この所定のギャップは好ましくは約１ｍｍ〜約２ｍｍ、さらに好ましくは約１．５ｍｍ程度である。

本実施形態では、電池モジュール４は千鳥状に配置されている。これにより、冷却性能を確保しながらスペース効率を向上することができる。各電池モジュール４の吸気部５６の集合箇所（図でバッテリボックス３６´内の右側のスペース）及び排気部５８の集合箇所（図でバッテリボックス３６´内の左側のスペース）は複数段配列された電池モジュール４の間には配置されていない。

図７を参照すると、図６の７−７線拡大断面図が示されている。電池モジュール４の軸方向に離間して導風板１４と一体的に形成された環状リブ（環状隔壁）３０が電池モジュール４の外周に当接している。

よって、環状リブ３０で電池モジュール４の軸方向において気流を分離することができるため、各電池セル６に気流を均一に当てることができ、各電池セル６を均一に冷却することができる。

図８を参照すると、本発明第２実施形態のバッテリー式電源装置６０の斜視図が示されている。本実施形態は電池モジュール４を上下に２段配列した実施形態である。すなわち、バッテリボックス（ハウジング）６２内に電池パック３２を横方向に平行に並べて構成している。

６４は端子板であり、端子板６４に形成した穴から各電池モジュール４の端子が露出している。冷却媒体たるエアは上方から吸引され、排気口６６から排気される。本実施形態でも、排気口６６近傍に図示しない吸引ファンが設けられている。

図９は図８の実施形態の概略断面図である。本実施形態においても、誘導板１４は各々の電池モジュール４に対して新鮮なエアを並列に供給する。よって、各電池モジュール４を効率良く均一に冷却することができる。

図１０を参照すると、電池モジュール４を４段配列した場合の電源装置６８の模式図が示されている。すなわち、中央のエア供給路７２を挟んでそれぞれ上下に電池パック３２が複数列配置されている。

矢印７０で示すようにエア供給路７２に供給されたエアは、上下の電池パック３２にそれぞれ供給され、各電池モジュール４を冷却したのち矢印７３，７５に示すようにそれぞれ電源装置６８の上下から排出される。

本実施形態においても、導風板１４により各々の電池モジュール４に対して新鮮なエアを並列に供給することができるため、各電池モジュール４を効率良く冷却することができる。

また本実施形態においても、排気口に近い側に配置された電池パック３２の吸気部の開口面積を、吸気口に近い側に配置された電池パック３２の吸気部の開口面積よりも大きく形成したので、各電池モジュール４に均一にエアを供給して、これを均一に冷却することができる。

次に、図１１を参照して上述した電池パック３２を使用した電源装置の組み立て方法について説明する。まず、図１１（Ａ）に示すように、複数の電池セル６を直列に接続してなる電池モジュール４の周囲を吸気口（吸気部）５６及び排気口（排気部）５８を有する導風板１４で所定のギャップをもって覆って電池パック３２を製造する。

この電池パック３２を、図１１（Ｂ）に示すように、吸気口７８及び排気口８０を有するバッテリボックス（ハウジング）７６内に隣接する電池パック３２の導風板１４を部分的に接触させて横方向に複数個平行に配置することにより、バッテリー式電源装置７４を簡単に組み立てることができる。さらに、縦方向に電池パック３２を複数段積み上げることにより、より大電力の電源装置を簡単に組み立てることができる。

図１２（Ａ）参照すると、本発明第２実施形態の電池パック８２の断面図が示されている。この電池パック８２は平行に配置されてリブ８６で結合された二つの筒状導風板８４内にそれぞれ電池モジュール４を収納して構成される。

この実施形態の電池パック８２を使用したバッテリー式電源装置及びその組み立て方法を図１２を参照して説明する。まず、図１２（Ａ）に示すように、複数の電池セル６を直列に接続してなる電池モジュール４の周囲を吸気口（吸気部）８８及び排気口（排気部）９０を有する導風板８４で所定のギャップをもって覆って電池パック８２を製造する。

このようにして製造された電池パック８２を、図１２（Ｂ）に示すように、吸気口７８及び排気口８０を有するバッテリボックス（ハウジング）７６内にまず横方向に複数個平行に配置する。

次いで、１段目の電池パック８２の上に丁度導風板８４がぴったり重なりあうように所定幅ずらして別の電池パック８２を搭載する。このように、電池パック８２を横方向及び縦方向に並べることにより、バッテリー式電源装置９４を簡単に組み立てることができる。

図１３は電池パック９６が１個の電池モジュール４を有する場合の電源装置及びその組み立て方法を説明する図である。まず、図１３（Ａ）に示すように、電池モジュール４の周囲を所定のギャップをもって吸気部８８及び排気部９０を有する導風板８４で覆って電池パック９６を製造する。

この電池パック９６を、図１３（Ｂ）に示すように、バッテリボックス（ハウジング）７６内に横方向に複数個並べ、さらに各電池パック９６の導風板８４が丁度重なり合うように、横方向に僅かばかりずらして他の電池パック９６を積み上げることにより、バッテリー式電源装置９８を容易に組み立てることができる。

図１４を参照すると、電池モジュール４を格子状に配列した実施形態の概略断面図が示されている。本実施形態では、図５に示したのと同様な概略逆Ｓ字形状の導風板１４ａとＳ字形状の導風板１４ｂを使用して冷却媒体であるエアを各電池モジュール４に誘導する。

このように電池モジュール４を格子状に配列した場合にも、各電池モジュール４に対して新鮮な冷却媒体を並列に供給することができ、冷却効率を向上できるとともに、冷却の均一化を達成することができる。

電池アセンブリの外観斜視図である。 導風板の展開斜視図である。 第１実施形態の電池パックの外観斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかるバッテリー式電源装置の分解斜視図である。 図４に示した実施の１部変形例の概略断面図である。 図４に示した実施形態の作用を説明するためのその一部を変更した模式的断面図である。 図６の７−７線拡大断面図である。 本発明第２実施形態のバッテリー式電源装置の外観斜視図である。 図８に示した実施形態の作用を説明するための模式的断面図である。 本発明第３実施形態の模式的断面図である。 第１実施形態の電池パックを使用した電源装置の組み立て方法を説明する図である。 本発明第２実施形態の電池パックを使用した電源装置の組み立て方法を説明する図である。 第３実施形態の電池パックを使用した電源装置の組み立て方法を説明する図である。 電池モジュールを格子状配列した実施形態の概略断面図である。

符号の説明

２ 電池アセンブリ
４ 電池モジュール
６ 電池セル
１４ 導風板（誘導部材）
１６ 中央導風板
１８，２２ 端部導風板
２０，２４ ヒンジ
３０ 環状リブ（環状隔壁）
３２ 電池パック
３４ バッテリー式電源装置
３６，３６´ バッテリボックス（ハウジング）
４２ 上部ガイド
４４ 下部ガイド
５２ 吸気口
５４ 排気口
５６ 吸気部
５８ 排気部
８２ 電池パック
８４ 導風板
９６ 電池パック

Claims (8)

1. 複数の電池セルを直列に接続して構成する電池モジュールと、該電池モジュールを複数層平行に積層して構成すると共に冷却媒体を吸気及び排気するための吸気口及び排気口を備えるバッテリボックスの冷却構造であって、
   前記電池モジュールの各々に対して吸気部及び排気部を画成し、前記複数の電池モジュール間に冷却媒体の流れを誘導する誘導部材を具備し、
   前記誘導部材は各々の電池モジュールに対して新規な冷却媒体を並列に供給するように構成されていることを特徴とするバッテリボックスの冷却構造。
2. 前記誘導部材は前記各電池モジュールの外周を囲むように構成され、
   前記各吸気部は前記バッテリボックスの前記吸気口側に開口し、
   前記各排気部は前記バッテリボックスの前記排気口側に開口し、
   前記各電池モジュールの前記吸気部及び前記排気部の集合箇所は複数段配列された前記電池モジュール間以外に配置されることを特徴とする請求項１記載のバッテリボックスの冷却構造。
3. 前記誘導部材は２個一組の前記電池モジュールの周囲を所定の間隔をもって覆う複数の導風板から構成され、各導風板により前記吸気部及び排気部を構成することを特徴とする請求項１又は２記載のバッテリボックスの冷却構造。
4. 前記各導風板は前記各電池モジュールの軸方向に離間して、該電池モジュールの外周に当接する複数の環状隔壁を有していることを特徴とする請求項３記載のバッテリボックスの冷却構造。
5. 前記バッテリボックスの前記吸気口側に配置される前記電池モジュール用の前記吸気部の開口面積は、前記バッテリボックスの前記排気口側に配置される前記電池モジュール用の前記吸気部の開口面積より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバッテリボックスの冷却構造。
6. 前記複数の電池モジュールは千鳥状に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のバッテリボックスの冷却構造。
7. 複数の電池セルを直列に接続してなる電池モジュールの周囲を吸気口及び排気口を有する導風板で所定の間隔を持って覆って電池パックを製造し、
   該電池パックを隣接する電池パックの前記導風板を部分的に接触させてバッテリボックス内に複数個平行に配置することを特徴とするバッテリボックスの組み立て方法。
8. 前記電池パックを複数段に積層するステップを更に具備したことを特徴とする請求項７記載のバッテリボックスの組み立て方法。