JP7347460B2 - 電池および車両 - Google Patents

Description

本開示は、電池および車両に関する。

特許文献１では、少なくとも１つのバッテリーセルを含むバッテリーセルアセンブリを収容し、バッテリーセルを冷却する冷媒が流入する流入部および冷媒が流出する流出部を一側に設けられパックケースの内部に冷却供給循環ユニットを設け、バッテリーセルを冷却する技術が記載されている。この技術では、バッテリーセルアセンブリが収容される収容空間を形成する複数の横区画隔壁および縦区画隔壁のそれぞれに１つの冷媒循環孔を設け、流入部と流出部とを連通してパックケースの内部に冷媒を供給および循環させる。

特表２０１８－５３８６６２号公報

ところで、バッテリーセルアセンブリ等の発熱するモジュールを複数備え、特許文献１のような技術で冷媒を循環させて冷却する場合において、冷媒が流れこむ流入部等のインレット側の冷媒の温度と、冷媒が流出する流出部等のアウトレット側の冷媒の温度と、を比較したとき、インレット側の冷媒の温度が小さくなりやすい。このため、特許文献１では、インレット側に位置するバッテリーセルアセンブリの温度と、アウトレット側に位置するバッテリーセルアセンブリの温度と、の差が大きくなり、温度差で変化する抵抗値の影響で電流密度の偏りが生じ、部分的に発熱量が増加することで、電池セルの劣化が促進されてしまうという問題点があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、電池セル内の温度分布拡大を抑制することで、電池セルの経年劣化を抑制することができる電池および車両を提供することを目的とする。

本開示に係る電池は、電池セルを有する電池モジュールと、外部から冷媒が流入するインレット部と、前記冷媒を外部へ流出するアウトレット部と、を有し、内部で前記冷媒が循環することによって前記電池モジュールを冷却する冷却器と、を備え、前記電池モジュールは、発熱領域と、非発熱領域と、を有し、前記冷却器は、前記インレット部と連通し、前記発熱領域と重なる位置に設けられたインレット側流路と、前記インレット側流路と前記アウトレット部とに連通し、前記非発熱領域と重なる位置に設けられたアウトレット側流路と、を有する。

また、前記電池モジュールは、前記電池セルが複数積層され、前記インレット側流路は、複数の前記電池セルが積層された積層方向における前記発熱領域と重なる位置に設けられている。

これによれば、インレット側流路が複数の電池セルが積層された積層方向における発熱領域と重なる位置に設けられているので、積層方向の電池モジュールの温度分布を極力抑制することができる。

また、前記電池モジュールは、活物質が塗工された塗工領域と、前記活物質が未塗工の未塗工領域と、前記電池セルの外周側を覆うよう設けられたシール部と、を有し、前記発熱領域は、前記塗工領域であり、前記非発熱領域は、前記未塗工領域および前記シール部である。

これによれば、インレット側流路が発熱領域の塗工領域に設けられているので、積層方向の電池モジュールの温度分布を極力抑制することができる。

また、前記冷媒は、前記インレット側流路から前記アウトレット側流路に向けて移動する。

これによれば、冷媒がインレット側流路からアウトレット側流路に向けて移動するため、電池モジュールを効率的に冷却することができる。

また、前記冷媒は、液体である。

これによれば、冷媒が液体であるため、空冷に比して電池モジュールをより冷却することができる。

また、本開示に係る車両は、電池セルを有する電池モジュールと、外部から冷媒が流入するインレット部と、前記冷媒を外部へ流出するアウトレット部と、を有し、内部で前記冷媒が循環することによって前記電池モジュールを冷却する冷却器と、を備え、前記電池モジュールは、発熱領域と、非発熱領域と、を有し、前記冷却器は、前記インレット部と連通し、前記発熱領域と重なる位置に設けられたインレット側流路と、前記インレット側流路と前記アウトレット部とに連通し、前記非発熱領域と重なる位置に設けられたアウトレット側流路と、を有する、電池を備える。

本開示によれば、インレット側流路を電池モジュールの発熱領域と重なる位置に設け、アウトレット側流路を電池モジュールの非発熱領域と重なる位置に設けることで、電池セル内の温度分布拡大を抑制することができるため、電池セルの経年劣化を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、一実施の形態に係る電池が搭載される車両の概略構成を示す模式図である。 図２は、電池の概略構成を示す斜視図である。 図３は、図２の矢視Ｚから見た側面図である。 図４は、電池モジュールの電池セルの上面図である。 図５は、電池モジュールの電池セルにバイポーラ構造を採用した場合における図４のＡ－Ａ線断面図である。 図６は、電池モジュールの電池セルにモノポーラ構造を採用した場合における図４のＡ－Ａ線断面図である。 図７は、冷却器が備える流路と電池モジュールとの位置関係を模式的に説明する斜視図である。 図８は、冷却器が備える流路を模式的に説明する平面図である。 図９は、従来の冷却器の流路形状を透視した状態と電池モジュールとの位置関係を示す模式図である。 図１０は、図９のＢ－Ｂ線断面における電池モジュールの温度イメージの模式図である。 図１１は、従来の冷却器による電池セル内温度と位置関係とを示すグラフである。 図１２は、冷却器の流路形状を透視した状態と電池モジュールとの位置関係を示す模式図である。 図１３は、図１２のＣ－Ｃ線断面における電池モジュールの温度イメージの模式図である。 図１４は、冷却器による電池セル内温度と位置関係とを示すグラフである。

以下、図面を参照して、本開示の一実施の形態における電池モジュールについて、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態により本開示が限定されるものでない。また、以下において、同一の部分には同一の符号を付して説明する。

〔車両の概略構成〕
図１は、一実施の形態に係る電池が搭載される車両の概略構成を示す模式図である。図１に示す車両１は、モータ等を動力源とする電動車両（ＥＶ）またはプラグインハイブリッド車両（ＰＨＶ）等が想定される。

車両１は、モータ２と、パワーコントロールユニット３（以下、「ＰＣＵ３」という）と、電池４と、冷却配管５と、電動ポンプ６と、熱交換器７と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）８と、を備える。

モータ２は、電池４の電力により走行用の動力を出力する。モータ２は、ＰＣＵ３を介して電池４と電気的に接続されている。車両１では、モータ２から出力された動力が動力伝達装置を介して駆動輪へ伝達される。

ＰＣＵ３は、モータ２を駆動制御する。ＰＣＵ３は、少なくとも、モータ２を駆動するインバータと、昇圧コンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータと、を含んで構成されている。例えば、ＰＣＵ３は、インバータが電池４の直流電力を交流電力に変換してモータ２に供給する。

電池４は、モータ２に供給するための電力を蓄える。具体的には、電池４は、外部電源から供給された電力を充電可能な蓄電装置である。電池４モジュールは、車両１に設けられた充電口（図示せず）を介して外部の充電設備の充電プラグと電気的に接続され、充電設備から供給される電力を充電する。電池４は、複数の平面セル（電池セル）が鉛直方向に積層されたモジュールと、モジュールを冷却する冷却器と、を用いて構成される。なお、電池４の詳細な構成は、後述する。

冷却配管５は、冷却配管５は、流路上に電池４、電動ポンプ６および熱交換器７が接続され、電池４を冷却する冷媒が循環する。ここで、冷媒には、空気、水、鉱物油、合成油、シリコンオイル、フッ素オイル、絶縁性冷媒（例えばＲ１３４ａ等の第替フロン系冷媒）および絶縁油のいずれかが用いられる。一実施の形態では、冷媒として水を用いた場合について説明する。また、冷却配管５は、非導電材料または導電材料等を用いて構成される。具体的には、冷却配管５は、ゴムまたは樹脂またはアルミニウム等を用いて構成される。

電動ポンプ６は、ＥＣＵ８の制御のもと、冷却配管５内の冷媒を循環させる。具体的には、電動ポンプ６は、リザーブタンク内に貯留された冷媒を吸入し、吐出口から冷媒を冷却配管５に向けて吐出する。電動ポンプ６によって吐出された冷媒は、電動ポンプ６の吐出圧によって冷却配管５、電池４および熱交換器７を介して循環する。

熱交換器７は、ＥＣＵ８の制御のもと、冷却配管５内を循環する冷媒との間で熱交換を行うことによって冷媒から放熱させる。熱交換器７は、例えばラジエータおよび電動ファン等を用いて構成される。

ＥＣＵ８は、電動ポンプ６および熱交換器７の駆動を制御する。ＥＣＵ８は、メモリと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェアを有するプロセッサを用いて構成される。

〔電池の詳細な構成〕
次に、電池４の詳細な構成について説明する。図２は、電池の概略構成を示す斜視図である。図３は、図２の矢視Ｚから見た側面図である。

図２および図３に示すように、電池４は、複数の電池モジュール４１と、複数の冷却器４２と、を備える。具体的には、図２および図３に示すように、電池４は、冷却器４２、電池モジュール４１、冷却器４２、電池モジュール４１および冷却器４２の順に積層されて構成されている。なお、図２および図３に示す電池４は、２の電池モジュール４１が積層されているが、電池モジュール４１を積層する数は、電池モジュールの４１の上面および下面のいずれか一方が冷却器４２と接触するように積層されていれば、適宜変更することができる。さらに、冷却器４２の数は、適宜変更することができる。さらにまた、電池４における各層を積層する順番は、例えば下から電池モジュール４１、冷却器４２、電池モジュール４１、電池モジュール４１、冷却器４２および電池モジュール４１の順であってもよい。

まず、電池モジュール４１の詳細な構成について説明する。電池モジュール４１は、複数の平板状をなす電池セル４１０が積層されて構成されている（図３を参照）。電池モジュール４１の電池セル４１０の構造には、バイポーラ構造およびモノポーラ構造のいずれかが用いられる。

〔バイポーラ構造〕
まず、電池モジュール４１の電池セル４１０にバイポーラ構造を採用した場合について説明する。図４は、電池モジュール４１の電池セル４１０の上面図である。図５は、電池モジュール４１の電池セル４１０にバイポーラ構造を採用した場合における図４のＡ－Ａ線断面図である。

図４および図５に示すように、バイポーラ構造の電池セル４１０は、表面側（片側）に正極活物質４１１が塗工された第１の電極箔４１２と、セパレータ４１３と、裏面側に負極活物質４１４が塗工され、表面側に正極活物質４１１が塗工された中間電極箔４１５と、セパレータ４１３と、裏面側に負極活物質４１４が塗工され、表面側に正極活物質４１１が塗工された中間電極箔４１５と、セパレータ４１３と、裏面側（片側）に負極活物質４１４が塗工された第２の電極箔４１６と、の順に積層されて構成される。なお、図５では、中間電極箔４１５の積層数が２層であったが、第１の電極箔４１２と第２の電極箔４１６との間に、セパレータ４１３および中間電極箔４１５を任意の数だけ積層することができる。また、第１の電極箔４１２、中間電極箔４１５および第２の電極箔４１６の各々は、アルミニウム等を用いて構成される。さらに、電池セル４１０は、外周側を保護する樹脂等で形成されたシール部４１７を有する。

さらにまた、電池セル４１０は、第１の電極箔４１２、中間電極箔４１５および第２の電極箔４１６の各々において正極活物質４１１と負極活物質４１４とが対向して存在する範囲が発熱領域Ｗ１となる。さらに、電池セル４１０は、正極活物質４１１と負極活物質４１４とが塗工されていない活物質未塗工領域とシール部４１７とを含む範囲が非発熱領域Ｗ２となる。

〔モノポーラ構造〕
次に、電池モジュール４１の電池セル４１０にモノポーラ構造を採用した場合について説明する。図６は、電池モジュール４１の電池セル４１０にモノポーラ構造を採用した場合における図４のＡ－Ａ線断面図である。

図４および図６に示すように、モノポーラ構造の電池セル４１０Ａは、表面側（片側）に正極活物質４１１が塗工された第１の電極箔４１２と、セパレータ４１３と、裏面側に負極活物質４１４が塗工された第２の電極箔４１９と、を一組の層として複数積層されて構成される。第１の電極箔４１２は、アルミニウム等を用いて構成される。第２の電極箔４１９は、銅等を用いて構成される。さらに、電池モジュール４１は、外周側を保護する樹脂等で形成されたシール部４１７を有する。

さらにまた、電池セル４１０Ａは、第１の電極箔４１２および第２の電極箔４１９の各々において正極活物質４１１と負極活物質４１４とが対向して存在する範囲が発熱領域Ｗ１となる。さらに、電池セル４１０Ａは、正極活物質４１１と負極活物質４１４とが塗工されていない活物質未塗工領域とシール部４１７とを含む範囲が非発熱領域Ｗ２となる。

〔冷却器の構造〕
次に、冷却器４２の構造について詳細に説明する。図７は、冷却器４２が備える流路と電池モジュール４１との位置関係を模式的に説明する斜視図である。図８は、冷却器４２が備える流路を模式的に説明する平面図である。なお、図７および図８では、冷媒の流れを矢印によって表現している。

図７および図８に示すように、冷却器４２は、冷却配管５を介して電動ポンプ６からの冷媒Ｗａが供給されるインレット部４２１と、冷媒Ｗａを冷却配管５へ流出するアウトレット部４２２と、を有する。さらに、冷却器４２は、インレット部４２１と連通し、発熱領域Ｗ１と重なる位置に設けられたインレット側流路４２３と、インレット側流路４２３とアウトレット部４２２とに連通し、非発熱領域Ｗ２と重なる位置に設けられたアウトレット側流路４２４と、を有する。冷却器４２は、導電性部材、例えばアルミニウム等を用いて構成される。

このように構成された冷却器４２は、インレット部４２１から流入した冷媒Ｗａが内部の流路を循環することによって電池モジュール４１を冷却する。さらに、最下層および最上層に位置する冷却器４２は、各層と電気的に導通することによって電池４の電極として機能する。

〔冷却器による電池モジュールの冷却効果〕
次に、冷却器４２による電池モジュール４１への冷却効果について説明する。以下においては、従来の冷却器によるも電池モジュール４１への冷却効果について説明した後、一実施の形態に係る冷却器４２による電池モジュール４１への冷却効果について説明する。さらに、以下においては、温度をハッチングによって表現し、ハッチングが濃くなるほど、温度が高くなる。

まず、従来技術について説明する。図９は、従来の冷却器の流路形状を透視した状態と電池モジュール４１との位置関係を示す模式図である。図１０は、図９のＢ－Ｂ線断面における電池モジュール４１の温度イメージの模式図である。図１１は、従来の冷却器による電池セル４１０内温度と位置関係とを示すグラフである。図１１において、直線Ｌ１が電池モジュール４１の電池セルＢの温度と位置関係を示し、直線Ｌ２が電池モジュール４１の電池セルＣの温度と位置関係を示す。

図９～図１１に示すように、従来の冷却器１００は、インレット側流路１０２が電池モジュール４１の非発熱領域上に設けられ、アウトレット側流路１０３が電池モジュール４１の非発熱領域に設けられている（図４を参照）。このため、従来の冷却器１００は、電池セルＣのセル内温度差Ｄ１が小さい（図１１の直線Ｌ１を参照）が、電池セルＢでインレット側とアウトレット側とで大きなセル内温度差Ｄ２が生じる（図１１の直線Ｌ２を参照）。即ち、従来の冷却器１００は、インレット側流路の受熱量が少ないため、電池セルＢの端部側温度が十分上がらない状態となる。そのため、従来の冷却器１００は、電池セルＢ内での温度差が拡大して、電流密度の偏りが生じ、部分的に発熱量が増加して劣化が促進される可能性がある。

次に、冷却器４２による電池モジュール４１の冷却効果について説明する。図１２は、冷却器４２の流路形状を透視した状態と電池モジュール４１との位置関係を示す模式図である。図１３は、図１２のＣ－Ｃ線断面における電池モジュール４１の温度イメージの模式図である。図１４は、電池セル４１０内温度と位置関係とを示すグラフである。図１４において、直線Ｌ１１が電池モジュール４１の電池セルＢの温度と位置関係を示し、直線Ｌ１２が電池モジュール４１の電池セルＣの温度と位置関係を示す。

図１２～図１４に示すように、冷却器４２は、インレット側流路４２３が発熱領域Ｗ１と重なる位置に設けられ、アウトレット側流路４２４が非発熱領域Ｗ２と重なる位置に設けられている。このため、冷却器４２は、電池セルＣのセル内温度差Ｄ１１（直線Ｌ１１）および電池セルＢのセル内温度差Ｄ１２（直線Ｌ１２）をインレット側とアウトレット側で小さくすることができる。この結果、冷却器４２は、積層方向の電池モジュール４１の温度分布を極力抑制し、冷却器４２から遠い電池セル４１０の低温部位温度を下げすぎないことができるので、電流密度の偏りを防止しつつ、電池モジュール４１の劣化を防止することができる。

以上説明した一実施形態によれば、インレット側流路４２３を電池モジュール４１の発熱領域Ｗ１と重なる位置に設け、アウトレット側流路４２４を電池モジュール４１の非発熱領域Ｗ２と重なる位置に設けることで、電池セル４１０内の温度分布拡大を抑制することができるため、電池セル４１０の経年劣化を抑制することができる。

また、一実施の形態によれば、インレット側流路４２３が複数の電池セル４１０が積層された積層方向における発熱領域Ｗ１と重なる位置に設けられているので、冷却器４２の直上に積層された電池セルＣ以外にも、積層方向の電池モジュール４１の温度分布を極力抑制することができる。

また、一実施の形態によれば、インレット側流路４２３が発熱領域Ｗ１の未塗工領域に設けられているので、電池セルＢの温度分布拡大を極力抑制することができる。

また、一実施の形態によれば、冷媒Ｗａがインレット側流路４２３からアウトレット側流路４２４に向けて移動するため、電池モジュール４１を効率的に冷却することができる。

また、一実施の形態によれば、冷媒Ｗａが液体であるため、空冷に比して電池モジュール４１をより冷却することができる。

（変形例）
なお、一実施の形態では、電池４に積層された複数の冷却器４２のインレット側流路４２３およびアウトレット側流路４２４の各々が積層方向において平行に配置されていたが、これに限定されることなく、例えば、冷却器４２の積層毎にインレット側流路４２３およびアウトレット側流路４２４が直交するように積層してもよい。

（その他の実施の形態）
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施の形態に限定されるものではない。したがって、添付のクレームおよびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 車両
２ モータ
３ ＰＣＵ
４ 電池
５ 冷却配管
６ 電動ポンプ
７ 熱交換器
８ ＥＣＵ
４１ 電池モジュール
４２，１００ 冷却器
１０２，４２３ インレット側流路
１０３，４２４ アウトレット側流路
４１０，４１０Ａ 電池セル
４１１ 正極活物質
４１２ 第１の電極箔
４１３ セパレータ
４１４ 負極活物質
４１５ 中間電極箔
４１６，４１８ 第２の電極箔
４１７ シール部
４２１ インレット部
４２２ アウトレット部
Ｗ１ 発熱領域
Ｗ２ 非発熱領域
Ｗａ 冷媒

Claims (5)

1. 電池セルを有する電池モジュールと、
   外部から冷媒が流入するインレット部と、前記冷媒を外部へ流出するアウトレット部と、を有し、内部で前記冷媒が循環することによって前記電池モジュールを冷却する冷却器と、
   を備え、
   前記電池モジュールは、
   活物質が塗工された塗工領域と、
   前記塗工領域を囲むように設けられ、前記活物質が未塗工の未塗工領域と、
   前記電池セルの外周側を覆うよう設けられたシール部と、
   発熱領域と、
   非発熱領域と、
   を有し、
   前記発熱領域は、
   前記塗工領域であり、
   前記非発熱領域は、
   前記未塗工領域および前記シール部であり、
   前記冷却器は、
   前記インレット部と連通し、前記発熱領域と重なる位置に設けられたインレット側流路と、
   前記インレット側流路と前記アウトレット部とに連通し、前記電池セルの外周側における前記非発熱領域と重なる位置に設けられたアウトレット側流路と、
   を有し、
   前記インレット側流路は、
   前記発熱領域から前記非発熱領域に向けて形成されてなる複数の流路を有し、前記アウトレット側流路と連通する、
   電池。
2. 請求項１に記載の電池であって、
   前記電池モジュールは、
   前記電池セルが複数積層され、
   前記インレット側流路は、
   複数の前記電池セルが積層された積層方向における前記発熱領域と重なる位置に設けられている、
   電池。
3. 請求項１または２に記載の電池であって、
   前記冷媒は、
   前記インレット側流路から前記アウトレット側流路に向けて移動する、
   電池。
4. 請求項１～３のいずれか一つに記載の電池であって、
   前記冷媒は、
   液体である、
   電池。
5. 請求項１～４のいずれか一つに記載の電池を備える、
   車両。

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