JP2016105362A

JP2016105362A - 電池パック

Info

Publication number: JP2016105362A
Application number: JP2014243105A
Authority: JP
Inventors: 渉下内; Wataru Shimouchi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2034-12-01
Also published as: CN105655625A; EP3029764B1; US20160156077A1; CN105655625B; EP3029764A1; JP6245154B2; KR20160065753A; KR101700259B1; US10290910B2

Abstract

【課題】冷却効率を下げることなく、スペース効率に優れた電池パックを提供する。【解決手段】二つのセルスタック１２を備えた電池パック１０において、二つのセルスタック１２は、それぞれ、冷媒の排気口２４が形成された排気面を有しており、二つのセルスタック１２は、この排気面が、互いに対向するとともに、排気口２４が正対しないように、高さ方向にずれて配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも、第一セルスタックと第二セルスタックと、を備えた電池パックに関する。

ハイブリッド車両や電気自動車等には、回転電機を駆動し、かつ、回転電機で発電、あるいは、外部電力から充電された電力を蓄電するバッテリとして、電池パックが搭載されている。電池パックは、２以上のセルスタックを、一つのバッテリケース内に配置して構成される。また、各セルスタックは、電池セルと流路が形成された樹脂フレームとを交互に積層して、これらを拘束部材で拘束して構成される。こうした電池パックの構成は、例えば、特許文献１等に開示されている。

ここで、各電池セルは、その駆動（充電および放電）に伴い発熱するが、この発熱に伴い電池セルの温度が過度に上がると、電池セル、ひいては、電池パックの性能低下や、寿命低下を招く。そこで、従来から、電池パックの外部から取り入れた空気を冷媒として、セルスタックに流して各電池セルの冷却を行うことが提案されている。樹脂フレームには、この冷媒を各電池セル間に導くための流路が形成されている。電池セル間に導かれた冷媒は、電池セルとの間で熱交換した後、セルスタックの外部に放出される。したがって、各セルスタックには、冷媒の吸気口と排気口とが存在することになる。

特開２０１４−１３５２３７号公報

ここで、既述した通り、一般に、電池パックのバッテリケース内には、２以上の電池パックが収容される。従来、この２以上の電池パックは、水平方向に並んで、同じ高さ位置に設置されることが多かった。この場合、セルスタック内での排気口の位置によっては、隣接するセルスタックそれぞれの排気口が互いに正対し、排気が、互いに干渉することがあった。熱を帯びた排気、すなわち、熱風が互いに干渉することで、当該熱風が、セルスタック周辺に長く留まる。そして、その結果、セルスタックが、隣接するセルスタックの熱影響を受けてしまい、冷却効率の低下、ひいては、耐久性能の悪化を招くおそれがあった。こうした問題は、セルスタックの隣接間隔を広げることで解消されるが、隣接間隔を広げた場合、電池パックの大型化を招く。

そこで、本発明では、冷却効率を下げることなく、スペース効率に優れた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、少なくとも、第一セルスタックと第二セルスタックと、を備えた車載の電池パックであって、前記第一、第二セルスタックは、それぞれ、冷媒の排気口が形成された排気面を有しており、前記第一、第二セルスタックは、前記排気面が、互いに対向し、かつ、それぞれの排気口の少なくとも一部が他方のセルスタックの排気口と正対しないように、配置される、ことを特徴とする。

好適な態様では、前記第一、第二セルスタックは、前記排気口が同じ位置に形成されており、前記第一セルスタックは、前記排気口が正対しないように、第二セルスタックに対して、前記排気面に平行な方向にずれて配置される。この場合、前記電池パックは、車室空間を構成する複数の面のうち、第一面と、前記第一面に隣接するとともに当該第一面に対して前記排気面に平行な方向位置がずれた第二面と、に跨って設置されており、前記第一、第二セルスタックのうち、一方は、第一面に、他方は第二面に設置されることで、前記第一セルスタックが、第二セルスタックに対して、前記排気面に平行な方向にずれて配置されることが望ましい。なお、「平行」とは、当然のことながら、完全平行だけに限らず、許容可能な誤差を含んだ「略平行」も含む。

他の好適な形態では、前記第一、第二セルスタックは、前記排気面が車両高さ方向に延びるとともに、互いに、水平方向に隣接するように配置され、前記第一セルスタックは、前記第二セルスタックに対して、車両高さ方向にずれて配置される。この場合、前記電池パックは、シートの下方またはラゲッジスペースに設置され、第一、第二セルスタックは、車両前後方向に隣接して配置され、第一、第二セルスタックのうち、車両後方に位置するセルスタックの搭載高さは、車両前方に位置するセルスタックの搭載高さより、低い、ことが望ましい。

他の好適な態様では、前記第一、第二セルスタックは、それぞれ、天面と、前記天面に対向する底面と、前記セルの積層方向両端面である正面および背面と、前記セルの幅方向両端面である一対の側面と、を備え、前記一対の側面に排気口が、前記天面または底面に吸気口が形成されている。

本発明によれば、排気面が、互いに対向するとともに、それぞれの排気口の少なくとも一部が他方のセルスタックの排気口と正対しないように、配置しているため、排気同士の干渉を効果的に防止でき、冷却効率の悪化を防止できる。そして、これにより、セルスタックの隣接間隔を小さくすることができ、冷却効率を下げることなく、スペース効率を高めることができる。

本発明の実施形態である電池パックの設置の様子を示す図である。セルスタックの概略構成を示す図である。電池パックの他の設置の様子を示す図である。電池パックの他の設置の様子を示す図である。電池パックの他の設置の様子を示す図である。電池パックの他の設置の様子を示す図である。電池パックの他の設置の様子を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である電池パック１０の設置の様子を示す図である。また、図２は、セルスタック１２の概略構成を示す図である。

この電池パック１０は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に搭載される車載二次電池である。電池パック１０は、車両に搭載された回転電機に電力を供給するとともに、回転電機で発電された電力や外部電源から供給された電力を蓄電する。電池パック１０は、複数のセルスタック１２と、当該複数のセルスタック１２を収容するバッテリケース１４と、を備えている。本実施形態では、一つのバッテリケース１４に、二つのセルスタック１２（第一セルスタックおよび第二セルスタック）を収容している。

各セルスタック１２は、複数の電池セル１８と複数の樹脂フレーム２０とを交互に積層し、さらに、積層始端および終端にエンドプレート２６を配置して構成される。この電池セル１８、樹脂フレーム２０、エンドプレート２６の積層体が、図示しない拘束具により積層方向に圧縮した状態で拘束される。

電池セル１８は、充放電が可能な二次電池、例えば、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池、リチウムイオン電池等である。各電池セル１８には、２つの電極端子２２、すなわち、＋極端子および−極端子が、電池セル１８の幅方向に間隔をおいて設けられている。そして、各電池セル１８の＋極端子を、当該電池セル１８に隣接する電池セル１８の−極端子に接続することで、複数の電池セル１８が、直列に接続される。以下では、この電極端子２２の形成面を、「天面」と呼び、当該天面に対向する面を「底面」と呼ぶ。

隣接する電池セル１８間には、樹脂等の絶縁材料からなる樹脂フレーム２０が配されている。樹脂フレーム２０は、その表面および裏面の少なくとも一方に、各電池セル１８を冷却するための冷媒の流路、すなわち、冷媒流路（図示せず）が形成されている。本実施形態では、車室内から吸気した空気を冷媒としている。冷媒流路の形状等は、特に限定されないが、本実施形態では、セルスタック１２の底面から入り込んだ冷媒が、側面から抜けるような冷媒流路としている。換言すれば、本実施形態のセルスタック１２は、その底面に、冷媒を吸気する吸気口２５（図２では見えず）が形成され、その側面に冷媒を排気するための排気口２４が形成されている。なお、以下では、この排気口２４が形成されている面（側面）を、必要に応じて、「排気面」と呼ぶ。

樹脂フレーム２０の底部からは、一対の脚部２７が延びている。この一対の脚部２７と、セルスタック１２の底面と、バッテリケース１４の底面とで囲まれる領域が、冷媒が流れる冷媒ダクト２８となる。なお、この冷媒ダクト２８の構成は、一例であり、セルスタック１２の底面に形成された複数の吸気口２５それぞれに冷媒を導くことができるのであれば、他の構成を採用してもよい。本実施形態では、樹脂フレーム２０の一部を用いて冷媒ダクト２８を形成しているが、冷媒ダクト２８は、樹脂フレーム２０とは完全に別体の部材を用いて構成されてもよい。バッテリケース１４の外部（車室内）から冷媒ダクト２８に導かれた冷媒（空気）は、その後、セルスタック１２の底面に形成された吸気口２５から、電池セル１８間に流れ込み、電池セル１８との間で熱交換を行った後、セルスタック１２の側面に形成された排気口２４からセルスタック１２の外部に放出される。セルスタック１２の外部に放出された排気は、さらに、バッテリケース１４に設けられた放出口（図示せず）からバッテリケース１４の外部に放出される。

ところで、既述したとおり、本実施形態では、一つのバッテリケース１４内に二つのセルスタック１２を収容している。各セルスタック１２は、その天面が上を向き、かつ、電池セル１８の積層方向が、車両の幅方向（図１における紙面垂直方向）と平行になるように設置されている。また、二つのセルスタック１２は、その側面、すなわち、排気面が、互いに対向するように、車両の前後方向に隣接して並べられている。ただし、本実施形態では、図１に示すとおり、二つのセルスタック１２を、排気面方向、より具体的には車両高さ方向にずらして配置している。換言すれば、二つのセルスタック１２の設置高さを異ならせている。その結果、二つのセルスタック１２それぞれの側面に設けられた排気口２４が互いに正対せず、高さ方向にずれた状態となっている。かかる配置としたのは次の理由による。

本実施形態において、電池パック１０は、シート、例えば、リアシート１００の下方に設置される。このとき、電池パック１０は、乗員の足等を置くスペースを確保するために、極力小さいことが望ましい。また、リアシート１００等のシートの座面１００ａは、乗員の快適性確保のために、後方に近づくにつれて低くなる後下がり配置とすることが望ましい。電池パック１０は、この座面１００ａの後下がり配置を阻害せずに配置されることが望ましい。さらに、リアシート１００の下方には、クロスメンバが配置されている。クロスメンバは、車体の強度・剛性を高めるために設けられ、車体の幅方向（図１における紙面垂直方向）に延びる補強部材である。かかるクロスメンバが配置される関係上、シートの下方の床面には、段差が生じている。電池パック１０は、床面に段差があっても、スペースを有効活用できることが望ましい。

こうした問題を解決するために、本実施形態では、既述した通り、二つのセルスタック１２を、その排気口２４が互いに正対せず、高さ方向にずれた状態で配置している。二つのセルスタック１２の排気口２４を互いにずらすことにより、それぞれの排気口２４から放出された排気が互いに干渉することがない。その結果、排気は、セルスタック１２の周辺に留まりにくくなり、迅速に、放出口に流れて、バッテリケース１４外部に放出される。排気は、電池セル１８との熱交換の結果、熱を帯びているが、この熱を帯びた排気が、セルスタック１２の周辺に留まりにくくなることで、セルスタック１２相互の熱影響を緩和できる。この場合、セルスタック１２の隣接間隔ｄを小さくしても、十分な冷却効果が得られるため、セルスタック１２の隣接間隔ｄの低減、ひいては、電池パック１０のサイズ低減が可能となる。

また、本実施形態では、排気口２４をずらすために、車両後側に位置するセルスタック１２の設置高さを、車両前側に位置するセルスタック１２の設置高さよりも低くしている。いわば、二つのセルスタック１２を、シートの座面１００ａと同じく、後下がり配置としている。その結果、電池パック１０とシートの座面１００ａとの干渉を効果的に防ぐことができ、乗員の快適性向上や車両の高さ低減等が可能となる。すなわち、二つのセルスタック１２の配置高さを同じにした場合、車両前側のセルスタック１２が、シートの座面１００ａに干渉するおそれがある。かかる干渉を避けつつ、座面１００ａを後下がり配置にするためには、シートの座面１００ａを後方に近づくにつれて薄くすればよいが、この場合、乗員の快適性が大きく損なわれる。また、座面１００ａ（ひいてはシートの配置高さ）を高くしても、電池パック１０と座面１００ａとの干渉は避けられるが、この場合、車室天井も高くしなければ閉塞感が増し、乗員の快適性を損なう。しかし、車室天井を高くすれば、その分、車両サイズ、重量の増加を招き、燃費の悪化を招く。一方、本実施形態のように、座面１００ａにあわせて、電池パック１０も後下がり配置とすることで、電池パック１０と座面１００ａとの干渉を効果的に防止しつつも、乗員の快適性を確保でき、また、燃費の悪化も防止できる。

さらに、シート下の床面には、クロスメンバがあることにより、周囲より高くなった第一面１１０ａと、当該第一面１１０ａより車両後側に位置して当該第一面１１０ａより低い第二面１１０ｂと、が存在している。本実施形態では、第一面１１０ａの上に位置する車両前側のセルスタック１２を、第二面１１０ｂに位置する車両後側のセルスタック１２よりも高い位置に設置している。その結果、電池パック１０の底面は、車両床面と同じように段差を持つことになる。かかる電池パック１０を、床面の段差に跨って設置したとしても、デッドスペースが生じにくく、スペース効率が高くなる。

つまり、本実施形態によれば、二つのセルスタック１２の排気口２４の高さを互いにずらすことにより、セルスタック１２の隣接間隔ｄを低減、ひいては、電池パック１０の前後幅を低減できる。また、二つのセルスタック１２の設置高さを互いにずらすことにより、スペース効率を高めることができ、車両のサイズアップを効果的に防止でき、また、シートの座面１００ａの厚みも確保できるため、乗員の快適性も確保できる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、二つのセルスタック１２それぞれの排気面が対向しつつも、それぞれの排気口２４の少なくとも一部が他のセルスタックの排気口と正対しないのであれば、他の構成でもよい。例えば、本実施形態では、リアシート１００の下方に、電池パック１０を配置したが、車内空間の他の場所に配置してもよい。

例えば、リアシート１００ではなく、フロントシートの下方に電池パック１０を設置してもよい。フロントシートの座面１００ａも後下がり配置であり、フロントシートの下方にはフロアクロスメンバに起因する段差がある。したがって、この場合にも、複数のセルスタック１２それぞれの排気口２４が互いに正対しないように、後側のセルスタック１２の設置高さを、前側のセルスタック１２の設置高さよりも低くなるように配置すればよい。

また、シートの下方ではなく、ラゲッジスペースに電池パック１０を設置してもよい。図３は、電池パック１０をラゲッジスペースに設置した様子を示す図である。ラゲッジスペースには、スペアタイヤを収容するための凹部（スペアタイヤ部１１２）が形成されているが、セルスタック１２の一つを、このスペアタイヤ部１１２に配置させてもよい。この場合にも、複数のセルスタック１２それぞれの排気口２４が互いに正対しないように、後側のセルスタック１２の設置高さが、前側のセルスタック１２の設置高さよりも低くなるように配置することで、デッドスペースを低減でき、ラゲッジスペースを広く確保できる。

また、これまでの説明では、セルスタック１２の配設方向が車両幅方向と平行になるように配置した例を挙げた。しかし、電池パック１０の配置の向きは、設置スペースの状況に応じて、適宜、変更されてもよい。例えば、車室前方の幅方向中央部（車両幅方向に並ぶ二つのフロントシートの間）には、車両前後方向に延びる大きなトンネル状の補強部材であるフロアトンネルが配置されている。電池パック１０を、このフロアトンネル周辺に設置してもよい。図４は、フロアトンネル１１４周辺に電池パック１０を設置した様子を示す図である。なお、図４において、一点鎖線ＣＬは、車両の幅方向中心を示している。この場合、電池セル１８の積層方向は、車両前後方向とほぼ平行である。また、電池パック１０には、二つのセルスタック１２が収容されており、一つのセルスタック１２は、フロアトンネル１１４の上に、他方のセルスタック１２は、フロントシート１０２の下方に配置される。このとき、二つのセルスタック１２の設置高さを、フロアトンネル１１４により生じる段差に応じてずらすことで、デッドスペースを低減でき、スペース効率をより高めることができる。また、二つのセルスタック１２の排気口２４を正対させないことで、電池セル１８の冷却効率をより高めることができ、ひいては、電池パック１０そのもののサイズを低減できる。

また、これまでの説明では、セルスタック１２そのものの設置高さをずらすことで、排気口２４の高さをずらしている。しかし、排気面が対向しつつも、排気口２４が正対しないのであれば、セルスタック１２の設置高さは、同じでもよい。例えば、図５に示すように、セルスタック１２ごとに、排気口２４の形成位置を異ならせてもよい。すなわち、一つのセルスタック１２は、天面近傍に排気口２４を形成し、他方のセルスタック１２は、高さ方向中央付近に排気口２４を形成してもよい。この場合、二つのセルスタック１２の配置高さを同じにしても、排気口２４は正対しない。そのため、排気同士が干渉しにくく、冷却効率の向上、ひいては、セルスタック１２の隣接間隔の低減が可能となる。

また、これまでの説明では、二つのセルスタック１２を、水平方向に並べた例を挙げたが、設置スペースの状況によっては、天面が横を向くような配置とし、二つのセルスタック１２を上下に並べてもよい。図６は、二つのセルスタック１２を上下に並べた例を示す図である。この場合、各セルスタック１２は、天面が横を向くように配置されている。二つのセルスタック１２は、その排気面が互いに対向しつつも、排気口２４が正対しないように、排気面方向、すなわち、左右方向にずらして配置されている。ただし、設置されるスペースの壁面に凹凸等がなければ、セルスタック１２の設置位置をずらすのではなく、図５に示すように、排気口２４の形成位置をずらすだけにしてもよい。いずれにしても、排気口２４を正対させないことで、セルスタック１２相互での熱の影響を低減でき、ひいては、セルスタック１２の隣接間隔を低減でき、電池パック１０のサイズを低減できる。

なお、これまでの説明では、一つの電池パック１０に収容するセルスタック１２を二つとした例のみを挙げたが、電池パック１０に収容されるセルスタック１２の個数は、二以上であれば、特に限定されない。この場合、複数のセルスタック１２のうち、少なくとも二つのセルスタック１２において、排気面が対向しつつ、排気口２４が正対しない構成となっていればよく、他のセルスタック１２の排気口２４は正対していてもよい。

また、セルスタック１２の形状や、排気口２４の大きさや個数は、セルスタック１２ごとに異なっていてもよい。例えば、図７に示すように、一方のセルスタック１２の排気口２４の大きさおよび数が、他方のセルスタック１２の排気口２４の大きさおよび数と異なっていてもよい。なお、図７では、クロスハッチングを施した箇所が、排気口２４が形成された範囲である。この場合でも、それぞれの排気口２４の少なくとも一部が、他方のセルスタック１２の排気口２４と正対しないのであればよい。ここで、「排気口の少なくとも一部が、他方のセルスタックの排気口と正対」しないとは、一方のセルスタック１２の排気口２４の範囲が、他方のセルスタック１２の排気口２４の範囲から完全に外れた状態はもちろんのこと、図７に示すように、一方のセルスタック１２の排気口２４の範囲が、他方のセルスタック１２の排気口２４の範囲と部分的にのみ重複する状態も含む。

１０電池パック、１２セルスタック、１４バッテリケース、１８電池セル、２０樹脂フレーム、２２電極端子、２４排気口、２５吸気口、２６エンドプレート、２７脚部、２８冷媒ダクト、１００リアシート、１００ａ座面、１０２フロントシート、１１０ａ第一面、１１０ｂ第二面、１１２スペアタイヤ部、１１４フロアトンネル。

Claims

少なくとも、第一セルスタックと第二セルスタックと、を備えた車載の電池パックであって、
前記第一、第二セルスタックは、それぞれ、冷媒の排気口が形成された排気面を有しており、
前記第一、第二セルスタックは、前記排気面が、互いに対向し、かつ、それぞれの排気口の少なくとも一部が他方のセルスタックの排気口と正対しないように、配置される、
ことを特徴とする電池パック。
請求項１に記載の電池パックであって、
前記第一、第二セルスタックは、前記排気口が同じ位置に形成されており、
前記第一セルスタックは、前記排気口が正対しないように、第二セルスタックに対して、前記排気面に平行な方向にずれて配置される、
ことを特徴とする電池パック。
請求項２に記載の電池パックであって、
前記電池パックは、車内空間を構成する複数の面のうち、第一面と、前記第一面に隣接するとともに当該第一面に対して前記排気面に平行な方向位置がずれた第二面と、に跨って設置されており、
前記第一、第二セルスタックのうち、一方は、第一面に、他方は第二面に設置されることで、前記第一セルスタックが、第二セルスタックに対して、前記排気面に平行な方向にずれて配置される、
ことを特徴とする電池パック。
請求項３に記載の電池パックであって、
前記第一、第二セルスタックは、前記排気面が車両高さ方向に延びるとともに、互いに、水平方向に隣接するように配置され、
前記第一セルスタックは、前記第二セルスタックに対して、車両高さ方向にずれて配置される、
ことを特徴とする電池パック。
請求項４に記載の電池パックであって、
前記電池パックは、シートの下方またはラゲッジスペースに設置され、
第一、第二セルスタックは、車両前後方向に隣接して配置され、
第一、第二セルスタックのうち、車両後方に位置するセルスタックの搭載高さは、車両前方に位置するセルスタックの搭載高さより、低い、
ことを特徴とする電池パック。
請求項１から５のいずれか１項に記載の電池パックであって、
前記第一、第二セルスタックは、それぞれ、天面と、前記天面に対向する底面と、前記セルの積層方向両端面である正面および背面と、前記セルの幅方向両端面である一対の側面と、を備え、前記一対の側面に排気口が、前記天面または底面に吸気口が形成されている、
ことを特徴とする電池パック。