JP2017097986A - バッテリ冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の直方体状のバッテリを含む構成において、複数のバッテリを効果的に冷却することである。【解決手段】バッテリ冷却構造は、複数のバッテリが直線状の第１方向に並んで配置されているバッテリ組と、複数のバッテリの間に形成された内部流路と、複数の内部流路に接続された吸気チャンバとを含む。各バッテリは、直方体状のバッテリ本体において、第１方向に対し直交する第２方向の両端部に配置された正極端子及び負極端子とを有する。バッテリ組は、隣り合うバッテリの端子がバスバーで接続される。吸気チャンバは、バッテリとは反対側端の内側面において、バッテリ組の第２方向両端部と対面する部分に中央部と対面する部分より外側に凹む凹部を有する。吸気チャンバのうち、各凹部で挟まれた部分は、冷却風の下流側に向かうほどバッテリ組に近づくように傾斜する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のバッテリが並んで配置されているバッテリ組と、複数のバッテリの間に形成された内部流路と、複数の内部流路に接続され冷却風が流れる吸気チャンバとを備えるバッテリ冷却構造に関する。

従来から電気自動車またはハイブリッド車両、鉄道車両等の電動モータを有する車両には、電源としてのバッテリが搭載されている。

特許文献１には、複数の円筒形状のバッテリを寝かせた状態で並べて台座に載せ、その下側に複数のフィンを有するヒートシンクを配置し、隣り合うフィンの間の流路に入口側ダクトから冷却風を供給する構成が記載されている（特許文献１の図９等）。入口側ダクトは、バッテリと反対側端の内面が上流側から下流側に向かうほど、フィンまでの距離が小さくなるように傾斜している。特許文献１では、この構成により、フィンの間の空気流通が略均等化すると記載されている。

特許文献２には、隣り合う直方体状のバッテリにバスバーが接続され、そのバスバーの表面に、塗装または陽極酸化被膜の形成による表面処理、または粗面化加工の少なくとも一方を施す構成が記載されている。特許文献２には、この構成によって高温になりやすいバスバーの放射放熱量を増大させ、バッテリを冷却して温度上昇を抑制できると記載されている。

特開２０１１−１８７２７５号公報 特開２０１２−２２８９５号公報

特許文献１に記載された構成において、円筒形状のバッテリの代わりに直方体状のバッテリを配置する構成では、バッテリの一端面の両端部にバスバー及び電極端子が配置される。そして、バッテリの充電または放電のときに、バスバー及び電極端子が通電によって発熱する。このとき、バッテリの下側を流れる冷却風が、バッテリの両端部と中央部との下側で同じように流れると、バスバー及び電極端子を効率よく冷却できない。これにより、バスバー及び電極端子からバッテリ本体への受熱によってバッテリが劣化する可能性がある。

特許文献２に記載された構成では、高温になりやすいバスバーでの発熱を抑制するために、バスバーに特別な加工または処理を施す必要がある。

本発明の目的は、複数の直方体状のバッテリを含むバッテリ冷却構造において、複数のバッテリを効果的に冷却することである。

本発明に係るバッテリ冷却構造は、複数のバッテリが直線状の第１方向に並んで配置されているバッテリ組と、前記複数のバッテリの間に形成された内部流路と、複数の前記内部流路に接続され冷却風が前記第１方向一方側から他方側に流れる吸気チャンバとを備える。前記複数のバッテリのそれぞれは、直方体状のバッテリ本体と、前記バッテリ本体において、前記第１方向に対し直交する第２方向の両端部に配置され、前記バッテリ本体からの入出力電流がそれぞれ通電される正極端子及び負極端子とを有する。前記バッテリ組は、隣り合う前記バッテリのうち、一方の前記バッテリの前記正極端子と他方の前記バッテリの前記負極端子とがバスバーで接続されている。前記吸気チャンバは、前記バッテリとは反対側端の内側面において、前記バッテリ組の前記第２方向両端部と対面する部分に、前記第２方向中央部と対面する部分より外側に凹む凹部を有する。前記吸気チャンバのうち、それぞれの前記凹部で挟まれた部分は、冷却風の下流側に向かうほど前記バッテリ組に近づくように傾斜している。

本発明に係るバッテリ冷却構造によれば、複数の直方体状のバッテリを含む構成において、複数のバッテリを効果的に冷却できる。

本発明に係る実施形態のバッテリ冷却構造の断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１からバッテリ組を取り出して示す斜視図である。 図１から傾斜板を取り出して示す斜視図（ａ）と、傾斜板を（ａ）の矢印α方向に見た図（ｂ）である。 本発明に係る実施形態の別例のバッテリ冷却構造を示している図２に対応する図である。 本発明に係る実施形態の別例のバッテリ冷却構造を示している図１に対応する図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施形態につき、詳細に説明する。以下で説明する数量、形状、材料などは説明のための例示であって、バッテリ冷却構造の仕様により変更が可能である。以下では、同様の構成には同一の符号を付して説明する。以下では、バッテリ冷却構造が車両に搭載される場合を説明するが、バッテリ冷却構造は、地面または建物の内部に固定された構造としてもよい。

図１は、実施形態のバッテリ冷却構造１０の断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。なお、図１は、図２のＢ−Ｂ断面を示す図である。バッテリ冷却構造１０は、バッテリ組１２と、複数の内部流路２０と、バッテリ組１２を収容する組ケース３０と、組ケース３０に接続された吸気ダクト５０と、冷却ファン５２とを備える。バッテリ冷却構造１０は、電気自動車またはハイブリッド車両などの走行用電動モータ（図示せず）を有する自動車の後席下側付近に配置される。図１では左右方向が車両の左右方向と一致する。図２では左右方向が車両の前後方向と一致する。図１，２の上下方向は、車両にバッテリ冷却構造１０が配置されるときの上下方向である。

バッテリ組１２は、バッテリパックまたはバッテリモジュールと呼ばれるものであり、例えば、放電によって走行用電動モータに電力を供給する。走行用電動モータは、回転によって車両の車輪（図示せず）を駆動する。走行用電動モータは、車両の制動時に発電機として機能して、発電した電力をバッテリ組１２に充電する構成としてもよい。

図３は、図１からバッテリ組１２を取り出して示す斜視図である。バッテリ組１２は、電気的に直列に接続された複数のバッテリ１３を含む。複数のバッテリ１３は、直線状の第１方向である縦方向Ｙに、隙間をあけて並んで配置される。バッテリ１３は、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池などである。それぞれのバッテリ１３は、バッテリ本体１４と、正極端子１５及び負極端子１６とを有する。図１から図３では、バッテリ組１２の横方向をＸで示し、縦方向をＹで示し、Ｘ、Ｙに対し直交する高さ方向をＺで示している。横方向Ｘ、縦方向Ｙ、高さ方向Ｚは、それぞれ車両にバッテリ組１２が配置された状態で、車両の前後方向、左右方向、上下方向と略一致する。

バッテリ本体１４は、アルミニウムなどの金属または樹脂により形成された扁平直方体状のバッテリケース１４ａと、バッテリケース１４ａ内に収容された電解液（図示せず）及び電極体（図示せず）とを有する。バッテリケース１４ａは、矩形筒状部分の上端開口が蓋１４ｂで塞がれ、下端開口が底板（図示せず）で塞がれる。電極体は、正極板及び負極板がセパレータを介して渦巻き状に巻回される。蓋１４ｂの上面の横方向Ｘ両端部には、高さ方向Ｚに柱状に突出するように、正極端子１５及び負極端子１６が配置される。横方向Ｘは、第１方向である縦方向Ｙに対し直交する第２方向である。正極端子１５及び負極端子１６は、それぞれ電極体の正極及び負極に接続され、使用時にバッテリ本体１４からの入出力電流が通電される。

複数の内部流路２０は、隣り合うバッテリ１３の間に形成される。各内部流路２０では後述する冷却風が下側から上側に流れる。複数の内部流路２０において、冷却風の流れ方向上流端には、後述する吸気チャンバ３６（図１、図２）が接続される。

そして、図３に示すように、隣り合う２つのバッテリ１３のうち、一方のバッテリ１３の負極端子１６と他方のバッテリ１３の正極端子１５とがバスバー２２で接続される。また、他方のバッテリ１３の負極端子１６と、この他方のバッテリ１３に対し一方のバッテリ１３とは反対側に隣り合う別のバッテリ１３の正極端子１５とが、別のバスバー２２で接続される。そして、すべてのバッテリ１３でこれが繰り返されて、複数のバッテリ１３が電気的に直列に接続される。これにより、バッテリ組１２が形成される。

また、バッテリ組１２の縦方向Ｙの一端（図１、図３の左端）に配置される１つのバッテリ１３の正極端子１５には、正極側の出力端子２３が接続される。バッテリ組１２の縦方向他端（図１の右端）に配置される１つのバッテリ１３の負極端子には、負極側の出力端子（図示せず）が接続される。正極側及び負極側の出力端子２３は、バッテリ組１２に充放電するために、外部の機器または部品に接続される。

図１、図２に戻って、組ケース３０は、上側ケース３１と下側ケース３３とを結合して形成される。上側ケース３１は、バッテリ組１２の上面と横方向Ｘ及び縦方向Ｙの側面とを覆うように形成される。バッテリ組１２の上面と、上側ケース３１の上端を形成する天板部３１ａとの間には、排気チャンバ３２が形成される。排気チャンバ３２は、複数の内部流路２０を上方に通過した冷却風を合流させて組ケース３０の外側に排出する。排気チャンバ３２の出口３２ａは、上側ケース３１の上端部の長手方向他端（図１の右端）、すなわちバッテリ組１２に対し後述する吸気ファン４２とは反対側に形成される。

下側ケース３３は、下端が底板部３３ａで塞がれた断面台形の箱形状を有する。図２に示すように、下側ケース３３の上端部で横方向Ｘの外側に伸びる部分と、上側ケース３１の下端部で横方向Ｘの外側に伸びる部分とがボルト（図示せず）などにより結合される。

バッテリ組１２は、下側ケース３３の上端部で横方向Ｘの外側に伸びる部分と、上側ケース３１の上端部とで挟まれている。

また、下側ケース３３の縦方向Ｙの一端部（図１の左端部）には、吸気ダクト５０が接続される。この吸気ダクト５０の上流端には、冷却ファン５２が接続される。冷却ファン５２の図示しない入口は、車両の車室内空間に接続される。冷却ファン５２が駆動することにより、下側ケース３３には、冷却ファン５２側から吸気ダクト５０を通じて冷却風が供給される。上側ケース３１及び下側ケース３３は、金属または樹脂製の板材により形成される。上側ケース３１及び下側ケース３３は、金属製の板材により形成されて、バッテリ組１２と接触する部分に絶縁シート等の絶縁性の部材が配置されてもよい。

下側ケース３３の底面には傾斜板３７が固定される。図４は、図１から傾斜板３７を取り出して示す斜視図（ａ）と、傾斜板３７を（ａ）の矢印α方向に見た図（ｂ）である。傾斜板３７は、横方向（図４（ｂ）の左右方向）中央部の中央板部３８と、横方向両端部の２つの外側板部３９とを、三角板部４０により連結することにより形成される。中央板部３８は、図４（ｂ）に示すように、中央板部３８に対し直交する方向（図４（ａ）の矢印α方向）に沿って上側から下側に見た場合に、冷却風の流れ方向上流側（図４（ｂ）の下側）で下流側（図４（ｂ）の上側）より幅が狭くなる台形の板状である。傾斜板３７は、絶縁性を有する樹脂により一体成形される。

そして、図１に示すように、傾斜板３７は、中央板部３８が高さ方向Ｚに対し傾斜した状態で、下側ケース３３の底板部３３ａ上に固定される。このとき、中央板部３８は、冷却風の上流側（図１の左側）で下流側（図１の右側）より位置が低くなるように傾斜する。傾斜板３７は、下側ケース３３の内側において、冷却風の流れ方向上流側端部若しくは流れ方向中間部から下流側端にわたって配置される。そして、例えば、下側ケース３３の内側において下側ケース３３の底板部３３ａの上面のうち、冷却風の上流側部分で傾斜板３７から外れた部分及び傾斜板３７の上面と、バッテリ組１２の下面とで囲まれる空間により吸気空間である吸気チャンバ３６が形成される。傾斜板３７を下側ケース３３内の冷却風の流れ方向上流側端から下流側端にわたって配置する場合には、下側ケース３３内で、傾斜板３７の上面とバッテリ組１２の下面とで囲まれる空間により吸気チャンバ３６が形成される。吸気チャンバ３６は、冷却ファン５２から冷却風が供給された場合に、複数の内部流路２０に冷却風を分流させる。

吸気チャンバ３６の内側では、冷却風が縦方向Ｙの一方側（図１の左側）から他方側（図１の右側）に流れる。図示の例において、傾斜板３７のうち、２つの外側板部３９の下面が下側ケース３３の底板部３３ａの上面に固定されてもよい。また傾斜板３７の下流側端は、傾斜板３７の下側面と下側ケース３３の底板部３３ａの上面との間にスペーサまたはリブを固定することにより、下側ケース３３に固定されてもよい。さらに傾斜板３７の下流側端は、バッテリ組１２を下側から支持している部材に固定してもよい。なお、バッテリ組１２の下側と傾斜板３７とにより形成される吸気チャンバ３６のＹ方向の他方側端部は閉じていてもよいし、傾斜板３７の下方側空間と連通していてもよい。

傾斜板３７が上記のように配置されるので、吸気チャンバ３６の底部は、吸気チャンバ３６のうち、バッテリ１３とは反対側端に位置する。吸気チャンバ３６の傾斜板３７が配置される部分において、バッテリ組１２の横方向Ｘの両端部と対面する部分には、バッテリ組１２の横方向Ｘの中央部と対面する部分より外側（図１、図２の下側）に凹む凹部４１が形成される。したがって、傾斜板３７の中央板部３８の上面は、吸気チャンバ３６のうち、それぞれの凹部４１で挟まれた部分に相当する。中央板部３８の上面は、下流側端で、バッテリ組１２の下面との間に隙間が形成される構成としてもよい。

それぞれの凹部４１において、バッテリ組１２と対面する部分である底面は、高さ方向Ｚに対し傾斜せず、下側ケース３３の底板部３３ａの上面に沿っている。

上記のバッテリ冷却構造１０によれば、冷却ファン５２の駆動によって、冷却ファン５２から吸気チャンバ３６に冷却風が供給され、この冷却風がバッテリ組１２の複数の内部流路２０に流れる。そして、内部流路２０から排気チャンバ３２を通じて、外部に冷却風が排出される。図２では、丸の内側にＸを付した部分により、紙面の表側から裏側に向かって冷却風が流れることを示している。

このとき、各バッテリ１３の横方向Ｘ両端部の上端に正極端子１５、負極端子１６、及びバスバー２２が配置されるので、バッテリ組１２の充電時または放電時に、これらの端子１５，１６及びバスバー２２が通電によって温度上昇しやすい。一方、図２に示すように、吸気チャンバ３６において、傾斜板３７が配置される部分の横方向Ｘ両端部の流路断面積は、横方向Ｘ中央部の流路断面積より大きい。これにより、吸気チャンバ３６の内側で、横方向Ｘ両端部において、横方向Ｘ中央部より多くの冷却風を流すことができる。この横方向Ｘ両端部に流れる冷却風は、図１の矢印で示すように内部流路２０を通過して、バッテリ１３の横方向Ｘ両端部を横方向Ｘ中央部より多く冷却する。これにより、複数の直方体状のバッテリ１３を含む構成において、バッテリ組１２の端子１５，１６及びバスバー２２が通電時に温度上昇する傾向となった場合でも、その温度上昇を効率的に抑制できる。このため、複数のバッテリ１３を効果的に冷却できる。したがって、端子１５，１６及びバスバー２２からバッテリ本体１４への受熱による劣化を抑制できる。さらに、特許文献２に記載された構成とは異なり、バスバー２２での発熱を抑制するためにバスバー２２に特別な加工または処理を施す必要がない。

一方、比較例として、吸気チャンバ３６の内側に傾斜板が配置されない構成が考えられる。この比較例では、吸気チャンバ３６に供給された冷却風が、慣性によって吸気チャンバ３６の下流側に接続された内部流路２０に、吸気チャンバ３６の上流側に接続された内部流路２０より多く流れる傾向となる。そして、複数の内部流路２０において、圧力分布の偏りが大きくなる可能性がある。

上記の実施形態では、吸気チャンバ３６の内側に傾斜板３７が配置され、横方向Ｘの中央に位置する中央板部３８が、高さ方向Ｚに対し傾斜するので、複数の内部流路２０にほぼ均一に、または流量の偏りを少なくして冷却風を流すことができる。これにより、バッテリ本体１４の熱による劣化をさらに抑制できる。したがって、冷却ファン５２の駆動によって複数の内部流路２０に発生した圧力分布をほぼ均一に、または均一に近づくように適切に調整できるので、複数のバッテリ１３の間での温度ばらつきを緩和できる。

また、バッテリ冷却構造１０を搭載する車両が、エンジン及び電動モータを車両の駆動源として搭載するハイブリッド車両である場合において、エンジンに接続された排気管の上側に吸気チャンバ３６が配置されてもよい。この構成によれば、吸気チャンバ３６の内側に配置される樹脂製の傾斜板３７によって、排気管の熱が吸気チャンバ３６内の冷却風に伝達されることを抑制できる。これにより、排気管の上側に吸気チャンバ３６が配置される場合でも、バッテリ１３を効率よく冷却できる。排気管以外の熱源の上側に吸気チャンバ３６が配置される場合でも、同様の効果を得られる。

図１では、バッテリ組１２に対して車両の右側に冷却ファン５２が配置される場合を示しているが、バッテリ冷却構造１０の各要素を図１、図２の構成とは左右逆にして車両に搭載してもよい。

図５は、実施形態の別例のバッテリ冷却構造１０を示している図２に対応する図である。図２の構成では、上側ケース３１の上端部の内側に吸気チャンバ３６が形成される。上側ケース３１の縦方向Ｙの一端部（図５の紙面の表側端部）には、ダクト（図示せず）を介して冷却ファンが接続される。また、下側ケース３３の内側には排気チャンバ３２が形成される。

そして、上側ケース３１の上端部内側に傾斜板３７が配置される。傾斜板３７の構成は、図４に示した構成において、横方向Ｘ両端部がバッテリ組１２側に折り曲げられた構成と同様である。傾斜板３７の外側板部３９は、上側ケース３１の天板部３１ａに固定される。傾斜板３７は、上側ケース３１の上端部内側において、冷却風の流れ方向下流側端から流れ方向上流側端部、すなわち吸気チャンバ３６の入口部または流れ方向中間部にわたる部分に配置される。また、傾斜板３７は、上側ケース３１の上端部の内側において、中央板部３８が下流側に向かうにしたがって下側面の位置が低くなるように、高さ方向Ｚに対し傾斜する。中央板部３８の下面は、吸気チャンバ３６のうち、それぞれの凹部４１で挟まれた部分に相当する。吸気チャンバ３６は、例えば上側ケース３１の上端部内側において、天板部３１ａの下面のうち、傾斜板３７から外れた上流側部分、及び傾斜板３７の下面と、バッテリ組１２の上面とで囲まれる空間により形成される。傾斜板３７を上側ケース３１内の冷却風流れ方向の上流端から下流端にわたって配置する場合には、上側ケース３１内で傾斜板３７の下面及びバッテリ組１２の上面とで囲まれる空間により、吸気チャンバ３６が形成される。このとき、傾斜板３７は、上側ケース３１の上端部内側において、冷却風の流れ方向のほぼ全長、すなわち縦方向Ｙのほぼ全長にわたって設けられる。

上記の構成では、バッテリ組１２の複数の内部流路において冷却風の流れ方向が下側に向かう方向となる。その他の構成及び作用は、図１から図４の構成と同様である。

図６は、実施形態の別例のバッテリ冷却構造１０を示している図１に対応する図である。図６の構成のように、排気チャンバ３２の出口３２ａは、上側ケース３１の上端部の縦方向Ｙ一端（図１の左端）、すなわちバッテリ組１２に対し冷却ファン５２と同じ側に形成されてもよい。その他の構成及び作用は、図１から図４の構成と同様である。

１０ バッテリ冷却構造、１２ バッテリ組、１３ バッテリ、１４ バッテリ本体、１４ａ バッテリケース、１４ｂ 蓋、１５ 正極端子、１６ 負極端子、２０ 内部流路、２２ バスバー、２３ 出力端子、３０ 組ケース、３１ 上側ケース、３１ａ 天板部、３２ 排気チャンバ、３２ａ 出口、３３ 下側ケース、３３ａ 底板部、３６ 吸気チャンバ、３７ 傾斜板、３８ 中央板部、３９ 外側板部、４０ 三角板部、４１ 凹部、５０ 吸気ダクト、５２ 冷却ファン。

Claims (1)

1. 複数のバッテリが直線状の第１方向に並んで配置されているバッテリ組と、前記複数のバッテリの間に形成された内部流路と、複数の前記内部流路に接続され冷却風が前記第１方向一方側から他方側に流れる吸気チャンバとを備え、
   前記複数のバッテリのそれぞれは、直方体状のバッテリ本体と、前記バッテリ本体において、前記第１方向に対し直交する第２方向の両端部に配置され、前記バッテリ本体からの入出力電流がそれぞれ通電される正極端子及び負極端子とを有し、
   前記バッテリ組は、隣り合う前記バッテリのうち、一方の前記バッテリの前記正極端子と他方の前記バッテリの前記負極端子とがバスバーで接続されており、
   前記吸気チャンバは、前記バッテリとは反対側端の内側面において、前記バッテリ組の前記第２方向両端部と対面する部分に、前記第２方向中央部と対面する部分より外側に凹む凹部を有し、
   前記吸気チャンバのうち、それぞれの前記凹部で挟まれた部分は、冷却風の下流側に向かうほど前記バッテリ組に近づくように傾斜している、バッテリ冷却構造。

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