特許 6520068 バッテリーパックの冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6520068

(24)【登録日】2019年5月10日

(45)【発行日】2019年5月29日

(54)【発明の名称】バッテリーパックの冷却装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/6568 20140101AFI20190520BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20190520BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20190520BHJP

   H01M 10/6557 20140101ALI20190520BHJP

   H01M 10/6551 20140101ALI20190520BHJP

   H01M 2/10 20060101ALI20190520BHJP

   H01M 10/633 20140101ALI20190520BHJP

   H01M 10/652 20140101ALI20190520BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/6568

   H01M10/613

   H01M10/625

   H01M10/6557

   H01M10/6551

   H01M2/10 S

   H01M10/633

   H01M10/652

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-236382(P2014-236382)

(22)【出願日】2014年11月21日

(65)【公開番号】特開2016-100193(P2016-100193A)

(43)【公開日】2016年5月30日

【審査請求日】2017年10月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100127111

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 修一

(74)【代理人】

【識別番号】100067873

【弁理士】

【氏名又は名称】樺山 亨

(74)【代理人】

【識別番号】100090103

【弁理士】

【氏名又は名称】本多 章悟

(72)【発明者】

【氏名】谷山 晃一

【審査官】 坂東 博司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１２０８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５１８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００２７８８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−０７３８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５５７４３０９（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１３−１８７１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２０６９５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第５７３１５６８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １０／６５６８

Ｈ０１Ｍ ２／１０

Ｈ０１Ｍ １０／６１３

Ｈ０１Ｍ １０／６２５

Ｈ０１Ｍ １０／６３３

Ｈ０１Ｍ １０／６５２

Ｈ０１Ｍ １０／６５５１

Ｈ０１Ｍ １０／６５５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部を冷却水が流れる冷却路と、
前記冷却路内で冷却水を循環させるポンプと、
前記冷却路と連通し、複数のセルが並んで配置されたバッテリーパック内の、隣り合うセル間において当該セルの互いに対向する各表面に接触し、かつ前記セルの下部から上部に向かって上り傾斜した傾斜路と、
前記冷却路内の圧力を冷却路外に排出する弁と、
前記冷却路と連通する冷却水溜まり部を有し、
前記冷却路は、前記傾斜路の下端と連通して前記傾斜路に対して冷却水を供給する第１の経路と、前記傾斜路の上端と連通して前記傾斜路を通過した冷却水を回収する第２の経路を有し、
前記冷却水溜まり部は、前記第１の経路の上流側における前記第１の経路と前記第２の経路との間で前記第１の経路と前記第２の経路とに接続されて配置されると共に、前記セルの下部と上部の間に位置する略中央部よりも上方側に配置され、
前記弁は、前記第２の経路または前記冷却水溜まり部の上面に配置されているバッテリーパックの冷却装置。

【請求項2】

請求項１記載のバッテリーパックの冷却装置において、
前記弁は、前記バッテリーパックの外側に配置されているバッテリーパックの冷却装置。

【請求項3】

請求項１又は２記載のバッテリーパックの冷却装置において、
前記傾斜路と前記セルの各表面に接続され、前記傾斜路と前記セルの各表面との接触領域と異なる部位に配置されたフィンを有するバッテリーパックの冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バッテリーパックの冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電動駆動源として電動モータを備えた車両あるいは電動モータと内燃機関の双方を備えた車両には、電動モータの電源部となる高電圧で大容量のバッテリーパックが搭載されている。バッテリーパックは複数のセルを隣接配置されていて、充電及び放電などによって各セルが発熱する。車両には、各セルを冷却することでバッテリーパックの温度上昇を抑制する冷却装置が搭載されている。冷却装置としては、空冷式と水冷式とがある。水冷式の冷却装置としては、冷却液が流れる冷却路を各セルの間に配置し、駆動源となるポンプを作動させることで冷却路内の冷却液を循環させるものである（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−６２２０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水冷式の冷却装置の場合、バッテリーパック（セル）の熱は、冷却路を介して冷却水に伝わるが、冷却水が沸点以上の温度になって気化すると、気泡が発生するとともに冷却路内の管内圧力が高まり、冷却路に対して過度な耐圧性が要求されることになる。また、ポンプが使用不能となった場合においても、冷却路内の管内圧力の上昇は安全上抑制するのが望ましい。
本発明は、冷却装置の冷却路内の管内圧力の上昇を抑制することを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記目的を達成するため、本発明に係るバッテリーパックの冷却装置は、内部を冷却水が流れる冷却路と、冷却路内で冷却水を循環させるポンプと、冷却路と連通し、複数のセルが並んで配置されたバッテリーパック内の、隣り合うセル間において当該セルの互いに対向する各表面に接触し、かつセルの下部から上部に向かって上り傾斜した傾斜路と、冷却路内の圧力を冷却路外に排出する弁と、冷却路と連通する冷却水溜まり部を有し、冷却路は、傾斜路の下端と連通して傾斜路に対して冷却水を供給する第１の経路と、傾斜路の上端と連通して傾斜路を通過した冷却水を回収する第２の経路を有し、冷却水溜まり部は、第１の経路の上流側における第１の経路と第２の経路との間で第１の経路と第２の経路とに接続されて配置されると共に、セルの下部と上部の間に位置する略中央部よりも上方側に配置され、弁は、第２の経路または冷却水溜まり部の上面に配置されていることを特徴としている。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、内部を冷却水が流れる冷却路と連通し、複数のセルが並んで配置されたバッテリーパック内の、隣り合うセル間において当該セルの互いに対向する各表面に接触し、かつセルの下部から上部に向かって上り傾斜した傾斜路と、傾斜路の傾斜上方側に連通する冷却路側に配置され、冷却路内の圧力を冷却路外に排出する弁を有するので、ポンプが停止した場合でも、冷却路で発生した気泡が傾斜路に沿って発生する冷却水の自然対流によって上昇して弁から排出されるため、冷却路内の管内圧力の上昇を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明に係るバッテリーパックの冷却装置を備えた車両の概略構成図。

【図2】本発明に係るバッテリーパックの冷却装置の概略構成を説明する平面視図。

【図3】本発明の第１の実施形態の要部構成を説明する側面図。

【図4】傾斜路の構成と配置を説明する拡大図。

【図5】傾斜路の構成と配置を平面視した拡大図。

【図6】傾斜路の構成と配置を側面視した拡大図。

【図7】本発明の第２の実施形態の要部となるフィンを備えた傾斜路の構成と配置を説明する拡大図。

【図8】本発明の第２の実施形態の要部となるフィンを備えた傾斜路の構成と配置を側面視した拡大図。

【図9】弁の配置を変更したバッテリーパックの冷却装置の変形例を示す概略構成図。

【図10】別な冷却装置と接続したバッテリーパックの冷却装置の変形例を示す概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。各実施形態及び変形例等において、同一部材、同一の機能を有する部材には、同一の符号を付し、重複説明は省略する。
図１において、符号１で示す車両は、電源部となるバッテリーパック２からインバータ３を介して駆動部となる電動モータ４に電力を供給し、電動モータ４を回転させることで車輪５を回転駆動して走行するものである。車両１としては、電動モータ４を備えた電動車両あるいは、電動モータ４と内燃機関の双方を備えたハイブリットタイプの車両の何れであってもよい。本実施形態において、車両１は、電動モータ４で駆動輪となる後輪５Ｂ（車輪５）を回転駆動しているが、前輪５Ａ（車輪５）を回転駆動する車両であってもよい。

【0009】

バッテリーパック２は、車両１の車室内６に設けられたフロア７の下方に配置された遮蔽板８の上に配設されている。バッテリーパック２は、図２に示すように、そのケーシング２Ａの内部に、矢印Ｙで示す車両幅方向に並んで配置された複数のセル２０を１つのモジュールとし、この車両幅方向Ｙと、矢印Ｘで示す車両前後方向に、モジュールを複数並べて備えた電源ユニットとして構成されている。バッテリーパック２は、各モジュールの＋端子と−端子とを、それぞれ同極同士を直列に連結して高電圧を出力可能とされている。各セルは、例えばリチウムイオン電池などの２次電池であって、充電時と放電時において発熱する。この発熱がセル２０の許容限界を終えると、高温、例えば３００度以上に発熱することがある。

【0010】

（第１の実施形態）
車両１は、このようなバッテリーパック２（セル２０）の温度を適正範囲に維持するために、冷却装置１０を備えている。冷却装置１０は、図２、図３に示すように、内部を冷却水１１が流れる冷却路１２と、冷却路１２内で冷却水１１を循環させるポンプ１３と、冷却路１２に設けられ、冷却路１３内の圧力を冷却路外に排出する弁１４と、冷却路１２と連通する冷却水溜まり部１５を備えている。冷却路１２は、複数のセル２０・・が並んで配置されたバッテリーパック２内の、隣り合うセル間に配置された傾斜路１２１を有している。各セル間に配置される傾斜路１２１の構成は同一構成であるので、以下１つのモジュールに対応した傾斜路１２１と冷却路１２の構成について説明する。

【0011】

冷却路１２は、金属製で四角形の中空の管部材で形成されている。このため、管部材の表面には、絶縁処理を施している。冷却路１２は、金属製の管部材ではなく、樹脂製の管部材であってもよい。冷却路１２は、傾斜路１２１に対して冷却水１１を供給する第１の経路となる供給路１２２と、傾斜路１２１を通過した冷却水を回収する第２の経路となる回収路１２３を備えている。供給路１２２は、図３、図４、図６に示すようにセル２０の下部２０ｃよりも下方に配置され、回収路１２３は、セル２０の上部２０ｄよりも下方で、セル２０の中央部２０ｅよりも上方に配置されている。供給路１２２は、傾斜路１２１の一方の端部となる下端１２１ｃと接続し、回収路１２３は、傾斜路１２１の他方の端部となる上端１２１ｄと接続されている。すなわち、冷却装置１０は、傾斜路１２１の下端１２１ｃと連通する第１の経路となる供給路１２２と、傾斜路１２１の上端１２１ｄと連通する第２の経路となる回収路１２３とを備えている。

【0012】

図２、図３に示すように、ポンプ１３は、流体ポンプであって、ケーシング２Ａ（バッテリーパック２）の外側において供給路１２２に配置されている。冷却装置１０は、冷却路１２内の冷却水１１の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ１７を備えている。温度センサ１７は、制御部６０と信号線を介して接続されている。制御部６０は、コンピュータであって、温度センサ１７で検知した温度情報が入力される。制御部６０は、温度センサ１７からの温度情報に基づき、ポンプ１７の駆動を制御する。制御部６０は、冷却路１２内の冷却水１１の温度が所定温度以上になると、冷却水１１が冷却路１２内を循環するようにポンプ１３を駆動し、所定温度よりも低い場合には、ポンプ１３の駆動を停止する。

【0013】

傾斜路１２１は、図４、図５に示すように、内部に複数のセル２０を備えたモジュールのケース７０を下方から上方に向かって上り傾斜して貫通し、ケース７０の外部にその両端部である下端１２１ｃと上端１２１ｄを突出させている。図５に示すように、傾斜路１２１の、各セル２０との対向面１２１ａ、１２１ｂは、各セル２０の互いに対向する各表面２０ａ、２０ｂに、それぞれ熱導電性の高い接着剤によって接着されて接触（密着）している。傾斜路１２１は、図４に示すように、各セル２０の下部２０ｃから上部２０ｄに向かって上り傾斜し、セル２０の下部２０ｃと上部２０ｄの間に位置する中央部２０ｅを通過するように、各セル２０の間に配置されている。
冷却水溜まり部１５は、少なくとも冷却路１２内を流れる冷却水１１の全容量よりも大きな容量のタンクで構成されていて、冷却水１１が貯められている。冷却水溜まり部１５は、ポンプ１３よりも上流側の供給路１２２と回収路１２３との間で、供給路１２２と回収路１２３に接続されて配置されている。

【0014】

このような構成の冷却装置１０では、図３に示すように、冷却水１１の温度が所定温度以上になるとポンプ１３が駆動し、冷却水１１がポンプ１３の吐出口側に連結された供給路１２２から傾斜路１２１を通り、ポンプ１３の吸引口に冷却水溜まり部１５を介して接続された回収路１２３へと流れて冷却路１２内を循環する。
セル２０で発熱した熱は、図４〜図６に示すように、各セル２０の表面２０ａ、２０ｂから傾斜路１２１の対向面１２１ａ、１２１ｂを介して冷却水１１に伝えられる。これによりセル２０が冷却され、結果としてバッテリーパック２が冷却されて、温度上昇が抑制される。このため、回収路１２３内の冷却水１１の温度は、供給路１２２内の冷却水１１の温度よりも温度が高く、双方の温度差により冷却路１２内に自然対流が発生する。冷却水１１は、セル２０からの熱によって加熱され、発熱量によっては沸点を超えることがある。冷却水１１は沸点を超えると、気化されて蒸気となって冷却水１１中に気泡１６が発生する。
弁１４は、所定の圧力となると開弁するリリーフ弁（圧力調整弁）であって、ケーシング２Ａ（バッテリーパック２）の外側において傾斜路１２１の傾斜上方側に連通する回収路１２３（冷却路１２）に配置されている。弁１４は、冷却路１２内の管内圧力が大気圧＋αの所定の圧力になると開弁するように設定されている。弁１４は、冷却路１２の最も高い位置となる回収路１２３の上面１２３ａに設けられている。

【0015】

冷却路１２内で発生した気泡１６は、供給路１２２と回収路１２３との高低差と冷却水１１の温度差によって傾斜路１２１を通って回収路１２３の上面１２３ａ側に溜まるため、冷却路１２の管内圧力が所定の圧力になると、弁１４によって冷却路１２（回収路１２３）内から排出される。この時、弁１４は、バッテリーパック２のケーシング２Ａの外側に配置されているので、弁１４から排出された気泡１６（蒸気）がケーシング２Ａ内に溜まることがない。このため、弁１４より排出された気泡１６（蒸気）によってバッテリーパック２の内部が加熱されることを防止することができる。

【0016】

このような本実施形態に係る冷却装置１０の構成によると、冷却装置１０の冷却路１２内の管内圧力の上昇を抑制することができ、冷却路１２やポンプ１３に対して過度な耐圧性能を設定しなくて済む。また、冷却水１１の供給路１２２と冷却水１１の回収路１２３とは、供給路１２２に対して回収路１２３が車両上方に位置する位置関係とされている。そして、傾斜路１２１は、供給路１２２にその下端１２１ａが接続され、回収路１２３にその上端１２１ｂが接続されている。このため、ポンプ１３が故障などによって駆動しない場合でも、冷却路１２内の管内圧力が所定の圧力になると回収路１２３から弁１４を介して過度な圧力が排出される。過度な圧力が弁１４から排出されると、冷却路１２内において、供給路１２２と回収路１２３側で圧力差がさらに生じ、冷却路１２内に自然対流がより強く発生する。このため、供給路１２内で発生した気泡１６は、冷却水１１の自然対流によって回収路１２３へと搬送され、弁１４から排出される。よって、ポンプ１３が作動しない場合でも、冷却路１２内の管内圧力の上昇をより安定して抑制することができる。
傾斜路１２１は、互いに対向するセル２０、２０間に配置されているので、セル間スペーサーとしても機能する。よって、１つのセル２０が過度に発熱して場合でも、それに隣接する他のセル２０の温度上昇を抑制することができる。傾斜路１２１は、隣接する各セル２０の中心部２０ｅを通るように設置しているので、セル２０の発熱温度の高い部分に冷却水１１が案内されて、冷却水１１へ伝わる熱量が多く、冷却効率を高められる。

【0017】

本実施形態において、冷却水溜まり部１５は、セル２０の下部２０ｃと上部２０ｄの間に位置する略中央部２０ｅよりも車両上方側に配置している。このため、ポンプ１３が停止中に、管内圧力が所定の圧力となると弁１４から気泡１６や蒸気が冷却路１２の外部に排出されて冷却路１２内の冷却水１１の量が少なくなると、冷却水溜まり部１５内の冷却水１１が供給路１２２に自重で落下する。よって、ポンプ１３停止中であっても、冷却水１１を供給路１２２側に供給することができるので、冷却水不足による各セル２０の冷却不良を抑制することができ、結果として管内圧力の上昇を抑制することにつながる。

【0018】

（第２の実施形態）
本実施形態に係る冷却装置１０Ａは、図７に示すように、傾斜路１２１と各セル２０の各表面２０ａ、２０ｂとに接続され、破線で示す傾斜路１２１の対向面１２１ａ、１２１ｂとセルの各表面２０ａ、２０ｂとの接触領域Ｚと異なる部位に配置されたフィン１２７を有している。フィン１２７は、図８に示すように、断面Ｕ字形状の金属部材で構成されている。フィン１２７は、図７に示すように、傾斜路１２１の上面１２１ｅと各表面２０ａ、２０ｂ、及び傾斜路１２１の下面１２１ｆと各表面２０ａ、２０ｂとにそれぞれ個別に密着するように接着されて接合されている。
このようにフィン１２７を備えていると、各セル２０から傾斜路１２１への受熱面積が、フィン１２７がない構成に比べて大きくなる。このため、傾斜路１２１内の冷却水１１に対して効率的に熱を伝えることができ、セル２０の温度上昇をより安定して抑制することができる。

【0019】

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、第１及び第２の実施形態において、弁１４は、冷却路１２の最上位に配置された回収路１２３の上面１２３ａに設けたが、図９に示すように冷却水溜まり部１５の上部１５ａに、上面１２３ａよりも車両上方へと突出する空間部２８を形成し、当該空間部２８の上部２８ａに弁１４を設けてもよい。この場合、冷却路１２内の気泡１６は、冷却水１１の流れによって冷却水溜まり部１５内へと運ばれて空間部２８内に溜まるので、この溜まった気泡１６を弁１４から排出することで、管内圧力の上昇を抑制することができる。

【0020】

車両１には、図１０に示すように、バッテリーパック２の冷却装置１０とは個別にインバータ３や電動モータ４などの駆動系１０４を冷却する水冷式の駆動冷却装置１００を備えているものがある。駆動冷却装置１００は、冷却水を駆動系１０４に供給する供給路１０１と、駆動系１０４で熱交換された冷却水を回収する回収路１０２と、冷却水を供給路１０１、駆動系１０４、回収路１０２内で循環移動させる駆動用の冷却ポンプ１０３を備えている。このような駆動冷却装置１００を備えている場合、冷却水溜まり部１５に供給路１０１と回収路１０２とを接続することで、駆動冷却装置１００側の冷却水をバッテリーパック２の冷却装置１０の冷却水として利用することができ、冷却装置１０側の冷却水不足を補うことができるので好ましい。
００２０ 本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0021】

１・・・車両、２・・・バッテリーパック、４・・・駆動部、１０、１０Ａ・・・冷却装置、１１・・・冷却水、１２・・・冷却路、１３・・・ポンプ、１４・・・弁、１５・・・冷却水溜まり部、２０・・・複数のセル、２０ａ、２０ｂ・・・セルの表面、２０ｃ・・・セルの下部、２０ｄ・・・セルの上部、２０ｅ・・・セルの略中央部、１２１・・・傾斜路、１２１ａ・・・傾斜路の下端、１２１ｂ・・・傾斜路の傾斜上方側（傾斜路の上端）、１２２・・・第１の経路、１２３・・・第２の経路、Ｚ・・・接触領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】