JP4959867B2

JP4959867B2 - 組電池の放熱評価方法およびこの放熱評価方法を用いた組電池の冷却設計方法

Info

Publication number: JP4959867B2
Application number: JP2000111346A
Authority: JP
Inventors: 進弥木本; 邦郎金丸; 宗久生駒
Original assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: JP2001297801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＨＥＶ（ハイブッリド電気自動車）等の電気自動車に使用される組電池の冷却構造の設計に好適に用いられる組電池の放熱評価方法、および、その放熱評価方法を用いた組電池の冷却設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境問題およびエネルギー問題を同時に解決する低公害車として、エンジンと、電池等のエネルギー貯蔵手段とを搭載したＨＥＶ（ハイブッリド電気自動車）が注目されている。
【０００３】
ＨＥＶのエネルギー貯蔵手段には、電池、フライホイール、油圧などがあるが、一般的には電池が使われており、特に、Ｎｉ／ＭＨ蓄電池は、高い入出力電圧、長寿命という特性を有するために、ＨＥＶ用の蓄電池として有望視されている。
【０００４】
ＨＥＶでは、エンジンによる発電が可能であるために、蓄電池を使用することによって、走行時に充電することができる。その結果、電気自動車の課題とされる電池に対する充電の問題を解消することができ、しかも、電池の搭載量を軽減することができるために、車両の重量を軽減することができて、製造コストを低減することができる。
【０００５】
ＨＥＶ用蓄電池として有望視されているＮｉ／ＭＨ蓄電池は、通常、円柱状の単電池を組み合わせた電池パックとされて、ＨＥＶに搭載されている。Ｎｉ／ＭＨ蓄電池の高い入出力電圧、長寿命という特性を最大限に引き出すためには、電池パックとして車両に搭載した状態で、効率良く冷却される冷却設計が重要になる。その主な理由は以下のとおりである。
【０００６】
１）一般的にＮｉ／ＭＨ蓄電池は、高温になると充電効率が低下し、入出力電圧が制限される。また、高温でのサイクル寿命が短い。
【０００７】
２）ＨＥＶを可能な限り軽く、しかも、安価に設計するために、電池を小型化することが必要である反面、高出力が要求される。そのため、容量あたりの発熱密度は、ＰＥＶ（ＰｕｒｅＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓ）用の電池の２〜５倍程度が必要になる。
【０００８】
３）車両搭載性から電池パックのコンパクト化は必須であり、電池パックの設計上、冷却設計が非常に重要な要素となっている。
【０００９】
このように、ＨＥＶ用蓄電池としてのＮｉ／ＭＨ蓄電池は、熱的に非常に過酷な条件下で使用されるため、電池の熱を効率よく放散させる冷却システムの開発が、コンパクトで信頼性の高い電池パックを設計する上で非常に重要となる。
【００１０】
電池パックの冷却構造の設計は、これまでは技術者の経験に基づいて行われている。即ち、要求される電池パックの放熱性、車両搭載性に対して適当と考えられる電池の個数、配置配列形態、ファン性能等を経験的に判断することによって、電池パックの冷却構造が設計されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
電池パックでは、単電池の発熱、単電池の個数および配置配列形態といった形態的な要素、ファンの流量特性、ダクトの形状、その他、様々な因子が複雑に影響し合って冷却性能が決定される。
【００１２】
また、電池の寿命は温度に依存し、高温になるほど寿命が短くなり、しかも、電池の温度が上昇すると、電池パック内において各単電池間の温度差が大きくなる。単電池間の温度差が大きくなると、充電効率に差が生じ、ＳＯＣ（State Of Charge ）が一定せずにばらつくおそれがある。このように、各単電池間にてＳＯＣに差が生じると、僅かな充放電によって、過充電あるいは過放電となる可能性がある単電池が電池パック内に存在することになり、電池パックの出力が制限されることになる。このため、単に、単電池の温度上昇を抑制するだけでなく、電池パック内における各単電池間の温度差も抑制する必要がある。
【００１３】
このような厳しい温度的制約の下で、複雑に影響し合う様々な冷却因子を経験的に解析する従来の冷却設計の手法では、要求される電池パックの放熱性、車両搭載性に対して、適切な電池の個数および配置配列形態の決定、ファン選定等を行うことが困難であり、その結果、放熱性おび車両搭載性に優れた電池パックを設計することが容易でないという問題がある。
【００１４】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、放熱性および車両搭載性に優れた電池パックを容易に設計することができる組電池の放熱評価方法、および、この放熱評価方法を用いた組電池の冷却設計方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の組電池の放熱評価方法は、冷却風の通路内に複数の単電池を組み合わせて配置した組電池の放熱性を評価する方法であって、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄに基づいて、放熱性能への影響因子φを関数φ＝Ｇ（Ｎ，Ｓ，ｄ）（ただし、Ｇは単電池の配置配列形態に対応した関数である。）によって求める工程と、冷却風通路を構成するファンおよびダクトの構造から、前記組電池に対する冷却風の流速Ｕを求める工程と、前記組電池における単電池の発熱量Ｊを求める工程と、前記影響因子φ、前記冷却風の流速Ｕおよび前記単電池の発熱量Ｊから、組電池における単電池の温度上昇量ΔＴを求める工程と、を包含することを特徴とする。
【００１８】
前記温度上昇量ΔＴは、前記放熱性能への影響因子φと前記冷却風の流速Ｕとに基づいて、次式により求められた冷却係数Ｋと、前記単電池の発熱量Ｊとに基づいて、ΔＴ＝Ｊ／Ｋによって求められる。
【００１９】
Ｋ＝φ・（Ｕ・ｄ／ｖ）ⁿ・Ｐｒ^1/3
ただし、φは放熱性能への影響因子、ｄは単電池の外径、ｖは動粘性係数、Ｐｒはプラントル数、ｎは指数である。
【００２０】
請求項１に記載の組電池の放熱評価方法を用いて組電池の冷却構造を決定する組電池の冷却設計方法であって、請求項１に記載の組電池の放熱評価方法により求められた単電池の温度上昇量ΔＴを、予め設定された許容値ΔＴlimと比較する工程と、単電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足する場合に、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄと、ファンおよびダクトの構造を適切なものとして確定し、単電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足しない場合に、放熱性能への影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄ、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクトの構造を設計変更する工程と、を包含することを特徴とする。
【００２１】
前記単電池の温度上昇量ΔＴとして、ダクトの形状による流速のばらつきΔＵを加味した冷却風の流速Ｕ±ΔＵを考慮して、最大温度上昇量ΔＴmaxと、最小温度上昇量ΔＴminと、それらの温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）とを求め、最大温度上昇量ΔＴmaxおよび温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）をそれぞれの許容値と比較し、最大温度上昇量ΔＴmaxおよび温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）がそれぞれの許容値を満足する場合に、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄと、ファンおよびダクト構造とを適切なものとして確定し、最大温度上昇量ΔＴmaxおよび温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）がそれぞれの許容値を満足しない場合に、放熱性能への影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄ、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクトの構造を設計変更する。
【００２２】
前記単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄを、組電池が配置されるスペースの要求スペックを満足させるように設計する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００２４】
本発明の組電池の冷却設計方法は、Ｎｉ／ＭＨ蓄電池を用いたＨＥＶ用電池パックの冷却構造を設計するために実施される。図１は、ＨＥＶ用の電池パックの一例を示す斜視図である。図１に示す電池パックは、円柱状をした複数本の単電池１と、それぞれが垂直な前面および後面が開口し、内部に複数本の単電池１が収容された角筒状のパッケージ２と、パッケージ２の後方にダクト３を介して接続された冷却ファン４とを有している。
【００２５】
パッケージ２内は、ファン４によって、それぞれが開口した垂直な前面から後面にわたって冷却風が通流する冷却風通路になっている。パッケージ２内には、６本の単電池１を一直線に連結した１つの電池モジュール１０が、それぞれ水平な状態で、冷却風の通流方向（Ｙ方向）に対して直交する方向（Ｘ方向）に沿って、垂直方向（Ｚ方向）に４列、冷却風の通流方向（Ｙ方向）に３列に配置されている。
【００２６】
本発明の組電池の冷却設計方法では、このような電池パックを、この電池パックが搭載されるＨＥＶの車両において、電池パックに必要とされる出力および車両搭載性についての要求スペックを満足させ、しかも、冷却によって電池の温度上昇を抑制することを満足させるように設計する。
【００２７】
具体的には、単電池１の最大温度上昇量ΔＴmax を、許容値ΔＴlim 以下に抑え、しかも、電池パック内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）を、許容値（ΔＴmax −ΔＴmin ）lim 以下に抑えるために必要な、電池モジュール１０の列数および配置配列形態、即ち、隣接する電池モジュール１０同士の関係、空気通流方向（Ｙ方向）の列数Ｎ、隣接する電池モジュール１０間の距離Ｓ、ファン４およびダクト３の構造が決定される。
【００２８】
図２は、本発明の組電池の冷却設計方法の手順を示すフローチャートである。以下、各ステップを順番に追いながら、電池モジュール１０の個数および配列形態の決定の手順、ファン４およびダクト３の構造の決定の手順を説明する。
【００２９】
ステップＳ１では、電池モジュール１０が搭載されるＨＥＶ車両において、電池パックとして要求される出力から、電池モジュール１０の必要本数が決定され、決定された電池モジュール１０の本数に基づいて、以下の設計が実施される。
【００３０】
すなわち、ステップＳ２において、決定された電池モジュール１０の本数と、電池パックをＨＥＶ車両に搭載した場合のスペース的な制限とに基づいて、電池パックにおける電池モジュール１０の配置配列形態、空気流通方向（Ｙ方向）の列数Ｎ、隣接する電池モジュール１０間の距離Ｓが、それぞれ決定される。
【００３１】
図３は電池モジュール１０の配置配列形態の説明図である。円柱状の単電池１を一直線に連結した電池モジュール１０の主な配置配列形態として、図３（ａ）に示すように、電池モジュール１０を、冷却風の通流方向（Ｙ方向）および通流方向とは直交する方向（Ｚ方向）に対して、それぞれ整列状態で配列する整列配置と、図３（ｂ）に示すように、隣接する電池モジュール１０同士を、冷却風の通流方向（Ｙ方向）および通流方向とは直交する方向（Ｚ方向）に対して、それぞれ、１／２ピッチずつずらせて配置する千鳥配置とがある。
【００３２】
これらの配置配列形態では、隣接する電池モジュール１０間の距離Ｓおよび電池モジュール１０の列数Ｎの影響によって、電池モジュール１０の周囲の冷却風の風速、流動状態等が変化し、電池モジュール１０を１列だけ配置する場合とは放熱性能が異なり、しかも、整列配置と千鳥配置とによっても、放熱性能が異なる。例えば、冷却風の圧力損失は、整列配置よりも千鳥配置の方が大きくなる。このために、電池モジュール１０の配置配列形態を、電池モジュール１０の列数Ｎおよび電池モジュール間の距離Ｓと共に、冷却への影響因子の１つの要件とする。
【００３３】
電池モジュール１０の列数Ｎおよび隣接する電池モジュール１０間の距離Ｓは、以下のようにして決定される。単電池の個数は、車両側に必要な出力から決定される。まず、電池パックをＨＥＶ車両に搭載した場合のスペース的な制限から、パッケージ２の高さＨについての限界値Ｈlim が決定される。また、電池モジュール１０の配置配列形態として、整列配置が選択されている場合、パッケージ２の厚みをｔ、最上段の電池モジュール１０からパッケージ２上壁内面までの距離および最下段の電池モジュール１０からパッケージ２の下壁内面までの距離をＣとすると、パッケージ２の高さＨは、次の（１）で表される（図３（ａ）参照）。
【００３４】
Ｈ＝Ｓ（ｍ−１）＋２（Ｃ＋ｔ）＋ｄ・・・（１）
ただし、ｄは電池の外径、ｍは、電池モジュール１０の冷却風通流方向とは直交する方向の列数である。
【００３５】
（１）式より、Ｈlim ≧Ｈを満たす各電池モジュール１０間の距離Ｓ、電池モジュール１０の冷却風通流方向とは直交する方向の列数ｍを決定すれば、次の（２）式より、冷却風通流方向の列数Ｎが決定される。
【００３６】
Ｎ＝Ｂ／ｍ …（２）
ただし、Ｂは電池モジュール数に対応する単電池の個数である。
【００３７】
なお、各ステップＳ１およびステップＳ２とは別に、ステップＳ３において、ファン４およびダクト３の構造について、放熱性の観点から、冷却風の流量Ｑ、平均流速Ｕ、その流速のばらつきΔＵに関して、順番に、次のようにして求める。
【００３８】
まず、ファンの形式が選択される。少ないエネルギーによって各単電池１を効率よく冷却するためには、通風抵抗の低減と最適なファン選択が必要である。ファンとしては、通常、軸流ファンおよびシロッコファンが使用される。通風抵抗が小さい場合には、軸流ファンが好適であり、コストおよびスペースの観点からも好ましい。通風抵抗が大きな場合には、シロッコファンが好適である。軸流ファン、シロッコファンのいずれかのファンが選択されると、そのファンの具体的仕様が決定される。
【００３９】
図４は、ファンの具体的仕様の決定方法を示すフローチャートである。
【００４０】
まず、ファンの幅、ファンの数およびその配置が決定される（ステップＳ３１）。次に、冷却風通路の圧力損失曲線Ｐが計算され（ステップＳ３２）、さらに、図５に示すファンの流量特性図に基づいて、ファンの駆動動作点（Ｑ0 ，ΔＰ0 ）が求められる（ステップＳ３３）。
【００４１】
そして、これらから、冷却風の流量Ｑ0 が求められる。そして、求められた冷却風の流量Ｑ0 が、最低限必要な流量Ｑlim と比較される（ステップＳ３４）。Ｑ0 ≧Ｑlim であれば、ファン幅、ファン数およびその配置が確定する（ステップＳ３５）。Ｑ0 ＜Ｑlim であれば、ファン幅、ファン数およびその配置が変更される。そして、変更されたファン幅、ファン数およびその配置に関して、ステップＳ３１〜Ｓ３４のプロセスが再度実行され、Ｑ0 ≧Ｑlim となるまで、ファン幅、ファン数およびその配置の変更が繰り返される。
【００４２】
こうして、決定されたファン仕様についての冷却風の流量Ｑ0が求まると、冷却風通路の断面積と、この流量Ｑ0とに基づいて、平均流速Ｕが求められる。さらに、ダクトの構造により、平均流速ＵのばらつきΔＵが求められる。即ち、ストレートなダクトと比べ、ダクトが直角に曲がるような場合は、平均流速のばらつきΔＵが大きくなる。
【００４３】
以上により、決定されたファンおよびダクトの構造について、冷却風の流速が、Ｕ±ΔＵとして求まる。換言すれば、ファンおよびダクトの構造が、冷却風の流速Ｕ±ΔＵを代表値として決定される。
【００４４】
これらとは別に、ステップＳ４において、決定された電池モジュールの本数に基づいて、パッケージ２内での単電池１の発熱量Ｊが求められる。これは次のようにして行われる。
【００４５】
Ｎｉ／ＭＨ蓄電池の充電時の発熱要素は、充電反応における化学反応抵抗による発熱と、導電部の電気抵抗による発熱と、二次的な水素および酸素の再結合による反応熱とである。一方、放電時の発熱要素は、放電反応における化学反応抵抗による発熱と、導電部の電気抵抗による発熱とである。ＨＥＶ車両の通常走行では、ＳＯＣが５０％程度に制御されることにより、発熱要素は、主に化学反応抵抗および導電部の電気抵抗による発熱となる。
【００４６】
Ｎｉ／ＭＨ蓄電池を高ＳＯＣ領域で充電すると、２次反応である水素および酸素の再結合による反応が生じ、発熱量が急激に増加する。ＳＯＣが１００％以上の充電では、充電エネルギーのほぼ全てが熱エネルギーロスになると考えられる。
【００４７】
Ｎｉ／ＭＨ蓄電池の通常使用域として、ＳＯＣが５０％、高ＳＯＣ領域として、ＳＯＣが９０％での充電時の発熱量をそれぞれ測定したところ、通常使用域では、蓄電池の等価的な内部抵抗をＲとすると、蓄電池の発熱量Ｊは、入出力の平均電流Ｉを用いて、Ｊ＝Ｉ²Ｒとして表わされることが判明した。
【００４８】
実測結果からは、ＳＯＣが５０％での等価的な内部抵抗Ｒは、１本の単電池当り３．６ｍΩであり、これは、単電池の内部抵抗とほぼ一致する。また、ＳＯＣが９０％での内部抵抗Ｒは、ＳＯＣが５０％の場合と比べて、１０％程度増加しており、その差は、２次反応によるエネルギーロス分と考えることができる。
【００４９】
通常使用では、ＳＯＣが９０％付近でのＨＥＶ車両の走行はほとんど考えられないため、冷却評価では、ＳＯＣが５０％における単電池の内部抵抗から算出した発熱量Ｊを用いる。また、発熱量を変化させて評価することにより、ＨＥＶ車両にて想定される様々な走行パターンを模擬する。この方法により、効率よく冷却評価を行うことができる。求められた発熱量Ｊは確定され、電池モジュールの本数と同様、以後、変更されない。
【００５０】
以上により、電池モジュールの本数と、電池パックを車両に搭載したときのスペース的な制限とに基づいて、電池パックにおける電池モジュールの配置配列形態、冷却風通流方向（Ｙ方向）の電池モジュールの列数Ｎおよび電池モジュール間の距離Ｓが、仮決定される（ステップＳ２）。また、仮決定されたファン仕様およびダクト仕様に基づき、冷却風の流速Ｕ±ΔＵが求められる（ステップＳ３）。更に、決定された電池モジュールの本数に基づいて、電池パック内での単電池の発熱量Ｊが求められる（ステップＳ４）。
【００５１】
そして、ステップＳ５〜ステップＳ７により、上記の仮決定されたスペックに関して、放熱性能が、単電池１の最大温度上昇量ΔＴmax およびパッケージ２内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）により評価される。以下、この評価手順を説明する。
【００５２】
整列配置された電池モジュール１０および千鳥配置された電池モジュール１０では、その配置配列形態、周囲の電池モジュール１０の空間距離（電池モジュール１０間の距離Ｓ）、電池モジュール１０の列数Ｎの影響を受けて、電池モジュール１０の周囲の冷却風の流速、その流量特性等が変化し、放熱性能は、電池モジュール１０が単一な場合とは、放熱性能が異なる。このような熱移動に関し、伝熱工学の分野では、次の（３）式および（４）式で表される単一管内の熱移動に対して、複数の管において、個数および配置配列形態による影響因子φ0 を導入した（５）式および（６）式が使用されている。
【００５３】
Ｎｕ＝Ｃ・Ｒｅⁿ ・Ｐｒ^1/3 …（３）
Ｒｅ＝Ｕ・ｄ／ｖ …（４）
Ｎｕ＝φ0 ・Ｒｅⁿ・Ｐｒ^1/3 …（５）
φ0 ＝Ｆ（Ｎ，Ｓ，ｄ） …（６）
ただし、Ｎｕはヌッセルト数、Ｒｅはレイノズル数、Ｐｒはプラントル数、Ｕは流速、ｄは管の外径、ｖは動粘性係数、Ｃは係数、Ｆは関数、ｎは指数である。またＮは電池モジュールの列数、Ｓは隣接する管の距離である。
【００５４】
単一の円柱状をした電池モジュールの放熱性について実験を行ったところ、上記（３）式および（４）式の近似線に実測値が一致することが確認された。従って、円柱型の電池モジュールの熱移動についても、その現象が、上記（３）式およぴ（４）式により整理され、更に、上記（５）式および（６）式のように、個数および配置配列形態の影響因子φ0 を導入することにより、電池パックにおける電池モジュールの熱移動が整理される。
【００５５】
また、冷却構造の実設計では、次の（７）式で表される冷却係数Ｋが使用される。
【００５６】
Ｋ＝Ｊ／ΔＴ＝Ｊ／（ＴＢ−Ｔamb ） …（７）
ここで、Ｊは発熱量、ΔＴは単電池の温度上昇量、ＴＢは定常状態の単電池の温度、Ｔamb は吸気空気温度である。
【００５７】
この冷却係数Ｋを使用すると、（７）式は、次の（８）式〜（１０）式に整理される。
【００５８】
Ｋ＝φ0 ・ｄ／（Ａ・λ）・Ｒｅⁿ・Ｐｒ^1/3 ＝φ・Ｒｅⁿ ・Ｐｒ^1/3 …（８）
Ｒｅ＝Ｕ・ｄ／ｖ …（９）
φ＝Ｇ（φ0 ）＝Ｇ（Ｎ，Ｓ，ｄ） …（１０）
（８）式において、Ａは放熱面積、λは空気の熱伝導率、Ｕは流速、ｄは電池の外径、ｖは動粘性係数、φは配置配列形態および配列状況の放熱性に対する影響因子、Ｇは関数である。
【００５９】
そして、これらの式から、（１１）式および（１２）式が得られる。
【００６０】
Ｋ＝φ・（Ｕ・ｄ／ｖ）ⁿ ・Ｐｒ^1/3 …（１１）
ΔＴ＝Ｊ／Ｋ …（１２）
これらの（１０）式〜（１２）式からは、次のことが理解される。電池パック内の電池モジュールに関して、整列配置、千鳥配置のそれぞれについて関数Ｇを求めておけば、電池モジュールの冷却風通流方向の列数Ｎ、電池モジュール間の距離Ｓおよび単電池の外径ｄから電池モジュールの個数および配置配列形態による放熱性能のる影響因子φが、（１０）式によって求まる。
【００６１】
求められた影響因子φと、冷却風の流速Ｕとから、冷却係数Ｋが（１１）式によって求まる。求められた冷却係数Ｋと、発熱量Ｊとから、単電池の温度上昇量ΔＴが（１２）式から求まる。
【００６２】
冷却風の流速Ｕについては、前述したように、ダクト形状による流速のばらつきΔＵがあるために、Ｕ±ΔＵによって表される。この流速のばらつきΔＵを考慮すれば、単電池の最大温度上昇量ΔＴmax と、単電池の最小温度上昇量ΔＴmin とが求まり、電池パック内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）が求まる。
【００６３】
予め決定されたスペックの放熱性能を評価するに当たり、電池モジュールの配置配列形態、空気流通方向（Ｙ方向）の電池モジュールの列数Ｎ、電池モジュール間距離Ｓ、冷却風の流速Ｕ±ΔＵおよび単電池の発熱量Ｊを求めることにより、（１０）式〜（１２）式を用いて、単電池の最大温度上昇量ΔＴmax および電池パック内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）を求めることができる。
【００６４】
図６は、（１０）式〜（１２）式の関係を、１チャート上に表示した電池パックの冷却設計線図である。
【００６５】
図６における右上に位置するグラフ（１）は、（１０）式を表しており、単電池の外径ｄに対する電池モジュール間距離Ｓの割合Ｓ／ｄ（横軸）と影響因子φ（縦軸）との関係を、整列配置（実線）および千鳥配置（破線）のそれぞれについて、電池モジュールの冷却風通流方向の列数Ｎをパラメータとして示している。図６における左上のグラフ（２）は、（１１）式を表しており、影響因子φ（縦軸）と冷却係数Ｋ（横軸）との関係を、冷却風の流速Ｕをパラメータとして示している。図６における左下のグラフ（３）は、（１２）式を表しており、冷却係数Ｋ（横軸）と単電池の温度上昇量ΔＴ（縦軸）との関係を、発熱量Ｊをパラメータとして示している。
【００６６】
図６のグラフ（１）〜（３）において、（１）〜（２）〜（３）と矢印に沿って値を順番に求めるとにより、電池モジュールの温度上昇量ΔＴが直ちに判明する。即ち、図６のグラフ（１）から、電池モジュール間距離Ｓ／電池（モジュール）外径ｄと、配置配列形態および電池モジュールの列数Ｎとによって、放熱性に対する影響因子φが得られ、図６のグラフ（２）から、その影響因子φと、冷却風の流速Ｕとによって、冷却係数Ｋが得られ、さらに、図６のグラフ（３）から、その冷却係数Ｋと、発熱量Ｊとによって、電池モジュールの温度上昇量ΔＴが得られる。
【００６７】
本発明の実施形態では、ステップＳ２にて決定された電池モジュールの配置配列形態、電池モジュールの列数Ｎ、電池モジュール間距離Ｓ等を用いて、ステップＳ５にて、放熱性能の影響因子φを求め、次のステップＳ６に移行する。
【００６８】
ステップＳ６では、ステップＳ５で求めた放熱性能の影響因子φと、ステップＳ３で求めた冷却風の流速Ｕ±ΔＵとにより、流速が最大値Ｕ＋ΔＵのときの最大冷却係数Ｋmax を求めると共に、流速が最小値Ｕ−ΔＵのときの最小冷却係数Ｋmin を求める。
【００６９】
次のステップＳ７では、ステップＳ４で求めた発熱量Ｊと、ステップＳ６で求めた最大冷却係数Ｋmax とから、電池モジュールの最大温度上昇量ΔＴmax を求めると共に、発熱量Ｊと最小冷却係数Ｋmin とから、電池モジュールの最小温度上昇量ΔＴmin を求める。
【００７０】
このようにして、電池の最大温度上昇量ΔＴmax および最小温度上昇量ΔＴmin が求まると、ステップＳ８で、最大温度上昇量ΔＴmax をその許容値ΔＴlim と比較する。また、電池パック内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）をその許容値（ΔＴmax −ΔＴmin ）lim と比較する。
【００７１】
いずれもが許容値以下の場合は、そのときの、電池モジュールの配置配列形態、電池モジュールの列数Ｎ、電池モジュール間距離Ｓおよび単電他の外径ｄ（電池パック仕様）、並びに冷却風の流速Ｕ（ファン仕様・ダクト仕様）を設計値として確定する（ステップＳ９）。
【００７２】
いずれか一方でも許容値を上回った場合は、ステップＳ２および／又はステップＳ３に戻る。即ち、電池パック仕様、またはファン仕様およびダクト仕様の少なくとも一方を変更する。
【００７３】
そして、変更後の仕様につき、再度ステップＳ５〜ステップＳ８を実行し、ステップＳ９へ移行するまでこれを繰り返す。
【００７４】
このようにして、本発明の実施形態では、車両において必要とされる出力および車両搭載性についての要求スペックを満足しつつ冷却効果を満足する電池パックを簡単に設計することができる。
【００７５】
このような方法によって、実際に図１に示す電池パックを試作した。冷却風の通風抵抗を小さくするために、配置配列形態は整列配置とした。強度と冷却性を考慮して電池モジュール間距離Ｓを決定した。
【００７６】
ファン４は圧力損失、コスト、スペースのバランスのとれている軸流ファンを用いた。また、ダクト３は、電池モジュール１０との距離を、可能な限りファン４の直径以上になるように設計し、電池パック内に冷却風を均一に通流させるようにした。
【００７７】
試作した電池パックの放熱性の評価を実際に行った。結果を図７のグラフに示す。図７のグラフから理解されるように、試作された電池パックの放熱性は、冷却風の風速０．８ｍ／ｓ、単電池あたりの発熱量２Ｗ以下では、最大温度上昇量ΔＴmax については１０℃以下、温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）については４℃以下であり、目標を達成していることが確認された。
【００７８】
図７のグラフには、図６の冷却設計線図から求めた予想値も合わせて示している。最大温度上昇量ΔＴmax および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）とも、予想値と実測値とが、よく一致している。また、発熱負荷を順次変化させた非定常の温度変化を図８のグラフに示すが、この温度変化についても、予想値と実測値は、よく一致している。
【００７９】
これらのことから、本発明の実施形態の有効性は明らかである。
【００８０】
図９は、図１に示した電池パック内の単電池Ｓ１〜Ｓ３およびＭ１〜Ｍ３の冷却風流通方向（Ｙ方向）の温度分布を示す。単電池Ｓ１〜Ｓ３は最上段に配置されており、単電池Ｍ１〜Ｍ３は２段目に配置されている。また、Ｓ３（Ｍ３）、Ｓ２（Ｍ２）、Ｓ１（Ｍ１）の順番に、側壁から離れ中央部に近づくように配置されている。
【００８１】
図９のグラフから明らかなように、周囲のパッケージ２から離れた中央部にて温度が高く、周囲のパッケージ２に接近するほど、温度が低くなる。この温度のばらつきは、主にパッケージ２の形状に起因する流速のばらつきが要因と考えられる。この評価では、各列ごとの冷却係数のばらつきは、約１８％以内と小さくなかった。従って、実際の電池パックの設計では、パッケージ２の形状に起因する流速分布を考慮することが有効である。
【００８２】
更に、ＨＥＶ車両の搭載時においては、吸気空気の流速のばらつきも生じる。従って、最終的なＨＥＶ車両の搭載に際しての冷却性を考慮すると、吸気空気の流速のばらつきも考慮することが有効である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明の組電池の放熱評価方法は、このように、組電池における単電池の個数および配置配列形態から求めた放熱性能の影響因子φと、冷却風通路を構成するファンおよびダクト構造から求めた冷却風通路内の冷却風の流速Ｕと、単電池の個数から求めた電池の発熱量Ｊとによって、単電池の温度上昇量ΔＴを求めることにより、設計された組電池の放熱性能が簡単かつ正確に評価され、その設計が容易になる。
【００８４】
また、放熱性能の影響因子φを所定の関数として求めることにより、放熱性能の影響因子φがより正確に求まり、従って、求められる単電池の温度上昇量ΔＴが正確になるために、放熱性能の評価精度が向上する。
【００８５】
また、単電池における温度上昇量ΔＴを求める際に、放熱性能の影響因子φと冷却風の流速Ｕとに基づいて、冷却係数Ｋを求め、求められた冷却係数Ｋと電池の発熱量Ｊとに基づいて、電池の温度上昇量ΔＴを求めることにより、求められる電池の温度上昇量ΔＴがより正確に得られるために、放熱性能の評価精度が向上する。
【００８６】
また、本発明の組電池の冷却設計方法によると、本発明の組電池の放熱評価方法により正確に求められた単電池の温度上昇量ΔＴを用いて、単電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足する場合に、単電池の個数および配置配列形態と、ファンおよびダクト構造とを確定し、電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足しない場合に、放熱性能の影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、単電池の個数および配置配列形態、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクト構造を設計変更することにより、所定の放熱性能を有する組電池が容易に設計される。
【００８７】
また、電池の温度上昇量ΔＴとして、最大温度上昇量ΔＴmax 、最小温度上昇量ΔＴmin および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）を求め、最大温度上昇量ΔＴmax および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）をそれそれの許容値と比較し、最大温度上昇量ΔＴmax および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）がそれそれの許容値を満足する場合に、単電池の個数および配置配列形態と、ファン性能およびダクト構造とを確定し、最大温度上昇量ΔＴmax および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）がそれそれの許容値を満足しない場合に、放熱性能の影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、組電池における電池の個数および配置配列形態、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクト構造を設計変更することにより、特に高い放熱性能を有する組電池が簡単に設計される。
【００８８】
また、単電池の個数および配置配列形態を、スペース面の要求スペックを満足させるように設計することにより、小型で且つ高い放熱性能を有する組電池が簡単に設計される。
【図面の簡単な説明】
【図１】電池パックの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態を示す冷却設計手順のフローチャートである。
【図３】（ａ）は、電池モジュールの配置配列形態である整列配置の説明図、（ｂ）は、千鳥配置の説明図である。
【図４】ファン仕様の決定手順を示すフローチャートである。
【図５】ファンの流量曲線を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に使用される電池パックの冷却設計用グラフである。
【図７】試作した電池パックの放熱性を予想値と実測値について示すグラフである。
【図８】負荷を変化させたときの放熱性の変化を予想値と実測値について示すグラフである。
【図９】電池パック内の電池位置の放熱性に与える影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１単電池
２パッケージ
３ダクト
４ファン
１０モジュール

Claims

冷却風の通路内に複数の単電池を組み合わせて配置した組電池の放熱性を評価する方法であって、
通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄに基づいて、放熱性能への影響因子φを関数
φ＝Ｇ（Ｎ，Ｓ，ｄ）（ただし、Ｇは単電池の配置配列形態に対応した関数である。）
によって求める工程と、
冷却風通路を構成するファンおよびダクトの構造から、前記組電池に対する冷却風の流速Ｕを求める工程と、
前記組電池における単電池の発熱量Ｊを求める工程と、
前記影響因子φ、前記冷却風の流速Ｕおよび前記単電池の発熱量Ｊから、組電池における単電池の温度上昇量ΔＴを求める工程と、
を包含することを特徴とする組電池の放熱評価方法。
前記温度上昇量ΔＴは、前記放熱性能への影響因子φと前記冷却風の流速Ｕとに基づいて、次式により求められた冷却係数Ｋと、前記単電池の発熱量Ｊとに基づいて、ΔＴ＝Ｊ／Ｋによって求められる請求項１に記載の組電池の放熱評価方法。
Ｋ＝φ・（Ｕ・ｄ／ｖ）ⁿ・Ｐｒ^1/3
ただし、φは放熱性能への影響因子、ｄは単電池の外径、ｖは動粘性係数、Ｐｒはプラントル数、ｎは指数である。
請求項１に記載の組電池の放熱評価方法を用いて組電池の冷却構造を決定する組電池の冷却設計方法であって、
請求項１に記載の組電池の放熱評価方法により求められた単電池の温度上昇量ΔＴを、予め設定された許容値ΔＴlimと比較する工程と、
単電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足する場合に、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄと、ファンおよびダクトの構造を適切なものとして確定し、単電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足しない場合に、放熱性能への影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄ、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクトの構造を設計変更する工程と、
を包含することを特徴とする組電池の冷却設計方法。
前記単電池の温度上昇量ΔＴとして、ダクトの形状による流速のばらつきΔＵを加味した冷却風の流速Ｕ±ΔＵを考慮して、最大温度上昇量ΔＴmaxと、最小温度上昇量ΔＴminと、それらの温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）とを求め、最大温度上昇量ΔＴmaxおよび温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）をそれぞれの許容値と比較し、最大温度上昇量ΔＴmaxおよび温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）がそれぞれの許容値を満足する場合に、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄと、ファンおよびダクト構造とを適切なものとして確定し、最大温度上昇量ΔＴmaxおよび温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）がそれぞれの許容値を満足しない場合に、放熱性能への影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄ、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクトの構造を設計変更する請求項３に記載の組電池の冷却設計方法。
前記単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄを、組電池が配置されるスペースの要求スペックを満足させるように設計する請求項３又は４に記載の組電池の冷却設計方法。