WO2021066010A1

WO2021066010A1 - 電池冷却器

Info

Publication number: WO2021066010A1
Application number: PCT/JP2020/037148
Authority: WO
Inventors: 理生鈴森; 智子東福寺; 鈴木　雄介
Original assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2021-04-08
Anticipated expiration: 2022-03-30
Also published as: CN114450838A; CN114450838B; EP4040570B1; US20220407147A1; US12249700B2; EP4040570A4; JP7128165B2; EP4040570A1; JP2021057187A

Abstract

組電池を成す複数の単電池の側面間に挟んで配置される電池冷却器は、対向する前記単電池間に挟まれてそれらの単電池の熱を受ける位置に配置された、冷媒が充填されるための冷媒充填室と、該冷媒充填室の下部に接続された、外部の凝縮器で凝縮された冷媒を前記冷媒充填室に流入させるための冷媒流入路と、前記冷媒充填室の上部に接続された、前記冷媒充填室で前記単電池の熱を受けて気化した冷媒を前記凝縮器へ流出させるための冷媒流出路とを備える。前記冷媒充填室は、両側に配置された前記単電池の側面に接触する対向する壁面を備えるとともに、冷媒の圧力による自らの膨張変形を抑制するように、前記対向する壁面同士を部分的に相互接合する少なくとも一つの接合部を備える。前記冷媒充填室の底面から前記冷媒流出路の前記冷媒充填室に対する接続部に向けて上方に立ち上がる流出側壁面には、水平方向より下方に向けられた傾斜面を備える。

Description

電池冷却器

　本発明は、電気自動車等に用いられる電池の冷却器に関する。

　複数の単電池からなる組電池は、例えば特開２０１３－１５７１１１号公報に開示されているように、その単電池間にヒートパイプを挟むことにより冷却することが可能である。

　また、電池の熱を受けて気化する冷媒を利用して電池を冷却し、気化した冷媒を凝縮器で凝縮させて循環させる電池冷却器を用いることも可能である。

　後者の電池冷却器の場合、電池が傾斜、又は振動する環境で使用されると、気化した冷媒が凝縮器に向かう冷媒流出路に気化してない冷媒が漏れ出る恐れがある。気化してない冷媒が冷媒流出路に漏れると冷媒による冷却効率を低下させるため、このような漏れを抑制することが望まれる。

　本発明のひとつの側面は、組電池を成す複数の単電池の側面間に挟んで配置される電池冷却器であって、対向する前記単電池間に挟まれてそれらの単電池の熱を受ける位置に配置された、冷媒が充填されるための冷媒充填室と、該冷媒充填室の下部に接続された、外部の凝縮器で凝縮された冷媒を前記冷媒充填室に流入させるための冷媒流入路と、前記冷媒充填室の上部に接続された、前記冷媒充填室で前記単電池の熱を受けて気化した冷媒を前記凝縮器へ流出させるための冷媒流出路とを備える。前記冷媒充填室は、両側に配置された前記単電池の側面に接触する対向する壁面を備えるとともに、冷媒の圧力による自らの膨張変形を抑制するように、前記対向する壁面同士を部分的に相互接合する少なくとも一つの接合部を備える。前記冷媒充填室の底面から前記冷媒流出路の前記冷媒充填室に対する接続部に向けて上方に立ち上がる流出側壁面には、水平方向より下方に向けられた傾斜面を備える。

　実施形態によっては、前記少なくとも一つの接合部は、複数個の接合部であり、それらが前記単電池に接する前記冷媒充填室の壁面に沿って千鳥配置されている。

　実施形態によっては、前記流出側壁面に隣接する前記接合部は、上下に並ぶ複数個の前記接合部のうち下側の接合部が上側の接合部に対して水平方向で前記流出側壁面側にずれて配置されることにより千鳥配置されている

　実施形態によっては、前記接続部は、上下に並ぶ複数個の前記接合部のうち上側の前記接合部に対して水平方向で側部に位置し、前記傾斜面は、少なくとも前記接続部に隣接した位置に設けられている。

　実施形態によっては、前記少なくとも一つの接合部は、前記冷媒充填室の底面に沿って延びる所定幅で帯状の領域内に配置されており、前記冷媒流入路及び前記冷媒流出路は、前記帯状の領域の上下両外側に配置されている。

　実施形態によっては、前記冷媒流入路及び前記冷媒流出路は、前記冷媒充填室の対極位置に配置されて互いに離れる方向に突出しており、前記冷媒流入路の上部、及び前記冷媒流出路の下部に、前記各単電池を保持する筐体を成す壁体を当接させるための平面部を一体に備えており、前記流出側壁面は、前記平面部として前記壁体が当接する平面を確保可能とし、且つ前記壁体に隣接して配置される前記単電池に接する前記冷媒充填室の冷却面を確保可能とする水平方向の幅内に形成されている。

ひとつの実施形態としての電池冷却器を備えた組電池を示す斜視図である。上記組電池の電池冷却器及び筐体を示す斜視図である。上記電池冷却器の斜視図である。上記電池冷却器の正面図である。上記電池冷却器の平面図である。図４のＶＩ－ＶＩ線断面矢視図である。上記組電池を成す単電池の電池冷却器に対する位置ずれを説明する説明図である。比較例としての電池冷却器に対する単電池の位置ずれを説明する説明図である。単電池の位置ずれにより各単電池が接する電池冷却器冷却表面の面積の変化を示すグラフである。別の実施形態としての電池冷却器の部分正面図である。さらに別の実施形態としての電池冷却器の部分正面図である。

＜組電池の構成＞
　図１は、ひとつの実施形態としての電池冷却器を備えた組電池を示す。この組電池は、電気自動車等の電動車に用いられるものであり、複数の単電池６が互いに直列接続された状態で筐体２に囲まれて一体化されている。図１では、上下方向を重力方向として組電池を電動車に搭載した状態における各方向を矢印により示している。以下の説明において、方向に関する記述は、この矢印により示す方向を基準として行う。図１以外の図においても同様である。

　図１の例では、複数の単電池６が前後２列に並べられており、前後方向で互いに対向する２列の単電池６の側面間に板状に形成された電池冷却器１が挟まれている。電池冷却器１の上下両端には、前後方向に延出したフランジ部１７が形成されており、各列の単電池６は、上下のフランジ部１７により挟まれて保持されている。各単電池６は、電池冷却器１の反対側がそれぞれ保持枠２１により被われている。保持枠２１の上下両端にもフランジ部２１ａが形成されており、各列の単電池６は、上下のフランジ部２１ａによりそれぞれ挟まれて保持されている。

　各列の単電池６の両端には、筐体２の壁体を成すエンドプレート２２がそれぞれ設けられ、これら４枚のエンドプレート２２は、電池冷却器１及び保持枠２１に溶接にて固定されている。これにより、２列の単電池６からなるひとまとまりの組電池が構成されている。各単電池６がその充放電に伴い膨張・収縮すると、各エンドプレート２２と各保持枠２１が変形して、各単電池６の膨張・収縮を許容している。図２は、図１の筐体２から単電池６が除かれた状態を示す。

＜電池冷却器＞
　図３～６は、電池冷却器１を単独で示す。電池冷却器１は、図６のように上下にフランジ部１７を備えた２枚の鋼板を面合せで接合して一つの密閉空間が形成され、その密閉空間内にハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）やハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）などの冷媒が充填される冷媒充填室１１が構成されている。密閉空間は、上下の接合部１６と左右の平面部１５が溶接にて接合されることにより形成されている。また、接合部１６及び平面部１５により囲まれた内部にも円形あるいはスポット状の複数の接合部１４が形成されている。接合部１４は、接合部１６及び平面部１５と同様、２枚の鋼板が溶接にて互いに接合されることにより形成されている。この場合の溶接はレーザー溶接が用いられている。これらの接合部１４は、冷媒充填室１１の前後両表面上で千鳥配置されており、冷媒の圧力により冷媒充填室１１が膨張変形するのを抑制している。

　冷媒充填室１１の左上隅部には、単電池６からの熱を受けて気化した冷媒が流出する冷媒流出路１３が形成されている。冷媒流出路１３は、冷媒充填室１１の左端から外側に突出されている。冷媒流出路１３の突出端部には、連通孔１３ａが形成され、冷媒流出路１３の連通孔１３ａは、図１のように、流路４を介して凝縮器３に接続されている。一方、冷媒充填室１１の右下隅部には、凝縮器３で凝縮し、冷却して循環される冷媒が冷媒充填室１１に流入する冷媒流入路１２が形成されている。冷媒流入路１２は、冷媒充填室１１の右端から外側に突出されている。冷媒流入路１２の突出端部には、連通孔１２ａが形成され、冷媒流入路１２の連通孔１２ａは、図１のように、流路５を介して凝縮器３に接続されている。

　このような構成により、冷媒充填室１１では、各単電池６の熱を受けて気化した冷媒が冷媒流出路１３から流出して、図１の矢印で示すように流路４を通って凝縮器３に送られる。凝縮器３で凝縮、冷却されて再度液化された冷媒は、図１の矢印で示すように流路５を通って図３に示す冷媒流入路１２から冷媒充填室１１に循環される。この作用の繰り返しにより、冷媒充填室１１の表面に接触している各単電池６の冷却が行われる。この間、冷媒充填室１１内で液化された冷媒は、図４に一点鎖線で示す液位１１ｋに維持される。

　図４のように、上下２列で千鳥配置された接合部１４は、接合部１６及び平面部１５を含む２枚の鋼板の各溶接部分同士の間隔が概ね等しくなるように配置されている。その結果、冷媒により加えられる冷媒充填室１１の内圧による応力が各溶接部分の一部に集中しないようにされている。結果的に、複数の接合部１４は、冷媒充填室１１の底面１１ｂに沿って上下方向に所定幅で帯状に延びる領域ＡＲ内に配置されており、その領域ＡＲの上下両外側に冷媒流入路１２及び冷媒流出路１３が配置されている。そのため、冷媒流入路１２から冷媒充填室１１に流入する冷媒は、底面１１ｂに沿って流れ、接合部１４が冷媒の流入の抵抗にならない。一方、冷媒充填室１１から冷媒流入路１２へ流出する冷媒は、天面１１ａに沿って流れ、接合部１４が冷媒の流出の抵抗にならない。

　図４のように、冷媒充填室１１の左側には、冷媒充填室１１の底面１１ｂから冷媒流出路１３の接続部１３ｂに向けて上方に立ち上がる流出側壁面１１ｄが形成されている。流出側壁面１１ｄには、冷媒充填室１１内側面が水平方向より下方に向けて傾斜された傾斜面１１ｅが形成されている。傾斜面１１ｅは、流出側壁面１１ｄの全域、即ち底面１１ｂに隣接する位置から接続部１３ｂに隣接する位置までの範囲に形成されている。そのため、組電池と共に電池冷却器１が傾斜、又は振動する環境で使用されて、液位１１ｋにある気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは傾斜面１１ｅにより跳ね返されて、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から漏れ出ることが抑制される。

　傾斜面１１ｅは、平面部１５にエンドプレート２２が溶接されるスペースを確保可能とし、且つ流出側壁面１１ｄに隣接する単電池６が接触する冷媒充填室１１の表面を確保可能とする水平方向の幅α１内に形成するように傾斜角度と長さを設定されている。

　上下２列で千鳥配置された複数の接合部１４は、流出側壁面１１ｄに隣接する接合部１４ａ、１４ｂが傾斜面１１ｅに沿って傾斜配置されるようにされている。このように接合部１４が千鳥配置されることにより、接合部１４が千鳥配置されず上下２個の接合部１４が上下方向に垂直に配置される場合に比べて、気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れるのを抑制することができる。なぜなら、流出側壁面１１ｄに近接配置された下側の接合部１４ｂが気化していない冷媒の冷媒流出路１３に向けた流れの抵抗となるためである。

　図７は、単電池６の組付けのばらつきに伴う電池冷却器１に対する単電池６の位置ずれを示す。一方、図８は、上述の実施形態の電池冷却器１の比較例として上下の接合部１４が垂直方向に配置された場合であり、図７と同様、単電池６の組付けのばらつきに伴う電池冷却器に対する単電池６の位置ずれを示す。図７、８共に位置ずれβが生じた場合を示す。このとき、図７、８のように、接合部１４の配置の違いによって、位置ずれにより各単電池６が接触する電池冷却器１の冷却表面積の変動量が異なる。電池冷却器１の冷却表面は、図７、８の場合、接合部１６及び平面部１５により囲まれる隆起した領域のうち接合部１４が形成されることによって凹んだ部分を除いた面である。図７、８では、最も左側の単電池６に接触する電池冷却器１の冷却表面にハッチングを施している。

　図９は最も左側の単電池６についての冷却表面積の変動をグラフ化して示す。図９のグラフＡは図７の千鳥配置の場合であり、グラフＢは図８の配置の場合である。図９から明らかなように、図７の千鳥配置の場合Ａは、図８の配置の場合Ｂに比べて位置ずれ量に対する電池冷却器１の冷却表面積の変動が少ない。即ち、接合部１４を千鳥配置とすることにより、単電池６の組付けばらつきに伴う電池冷却器１による単電池６の冷却性能の変動を抑制することができる。

＜流出側壁面の変形例＞
　図１０は、別の実施形態としての電池冷却器１を示す。この実施形態では、図４の流出側壁面１１ｄとは異なる形状の流出側壁面１１ｆを用いている。流出側壁面１１ｆは、冷媒充填室１１の底面１１ｂから冷媒流出路１３の接続部１３ｂに向けて略垂直に立ち上がり、接続部１３ｂの下部で右側に凸の形状で屈曲している。この屈曲形状により接続部１３ｂの下部（接続部１３ｂに隣接した位置）に傾斜面１１ｇが形成されている。傾斜面１１ｇは、流出側壁面１１ｆの冷媒充填室１１内側面が水平方向より下方に向けて傾斜されている。このように流出側壁面１１ｆに傾斜面１１ｇが形成されているため、液位１１ｋにある気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは傾斜面１１ｇにより跳ね返され、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から漏れ出ることが抑制される。なお、傾斜面１１ｇを備えた流出側壁面１１ｆは、図４の場合と同様に、エンドプレート２２を溶接するためのスペースの確保と最も端の単電池６のための冷却表面の確保を両立可能な所定の幅α２の範囲内にある。

　図１１は、さらに別の実施形態としての電池冷却器１を示す。この実施形態では、図４や図１０の流出側壁面１１ｄ、１１ｆとは異なる形状の流出側壁面１１ｈを用いている。流出側壁面１１ｈは、冷媒充填室１１の底面１１ｂから冷媒流出路１３の接続部１３ｂに向けて左側に凸の形状で湾曲しながら上方に立ち上がり、接続部１３ｂの下部で右側に凸の形状で屈曲している。この屈曲形状により接続部１３ｂの下部に傾斜面１１ｊが形成されている。傾斜面１１ｊは、左側に凸の湾曲形状と右側に凸の屈曲形状との境界部（接続部１３ｂに隣接した位置）に形成され、流出側壁面１１ｈの冷媒充填室１１内側面が水平方向より下方に向けて傾斜されている。このように流出側壁面１１ｈに傾斜面１１ｊが形成されているため、液位１１ｋにある気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは傾斜面１１ｊにより跳ね返され、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から漏れ出ることが抑制される。なお、傾斜面１１ｊを備えた流出側壁面１１ｈは、図４の場合と同様に、エンドプレート２２を溶接するためのスペースの確保と最も端の単電池６のための冷却表面の確保を両立可能な所定の幅α３の範囲内にある。

＜その他の実施形態＞
　別の実施形態として、電池冷却器１は、鋼板に代えて、銅、アルミニウム等によって構成してもよい。

　別の実施形態として、接合部１４は、円形とする代わりに、四角形、六角形等他の形状としてもよい。

　各単電池６の膨張・収縮を許容するため、左右いずれかのエンドプレート２２は、電池冷却器１や保持枠２１に対して固定せず摺動自在としてもよい。各列の単電池６は、これらを左右で挟んで対向する２枚のエンドプレート２２とともに、伸縮自在の結束バンドで結束してもよい。また、２つの列をなす単電池６は、列の間に挟まれる電池冷却器１と２つの列を挟んで対向する保持枠２１とともに、同様の結束バンドで結束してもよい。

　単電池６は２列に並んでいるものを説明および図示したが、別の実施形態として、３列以上に並んでいても良い。その場合、複数の電池冷却器１を隣り合う列の間に配置することができる。

＜有利な効果＞
　実施形態によっては、冷媒充填室１１の底面１１ｂから冷媒流出路１３の接続部１３ｂに向けて立ち上がる流出側壁面１１ｄ、１１ｆ、１１ｈの冷媒充填室１１内側面に水平方向より下方に向けられた傾斜面１１ｅ、１１ｇ、１１ｊを備える。そのため、電池が傾斜、又は振動する環境で使用されて、気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは傾斜面１１ｅ、１１ｇ、１１ｊにより阻止され、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から漏れ出ることが抑制される。

　実施形態によっては、接合部１４が千鳥配置されているため、組電池とされた際の単電池６の冷媒充填室１１に対する位置が組み付けばらつきに伴い当初の想定位置から変化しても、冷媒充填室１１の接合部１４が一部の単電池６の当接面に偏って配置される可能性が少なく、上記組み付けばらつきに伴う当接面積の変動が抑制される。そのため、冷媒充填室１１の各単電池６に対する冷却能力の変動が抑制される。

　実施形態によっては、気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは流出側壁面１１ｄ、１１ｆ、１１ｈの傾斜面１１ｅ、１１ｇ、１１ｊにより妨害されるのと同様に、千鳥配置された接合部１４のうち流出側壁面１１ｄ、１１ｆ、１１ｈに隣接する接合部１４ｂによっても気化していない冷媒が冷媒流出路１３から流出することが抑制される。

　実施形態によっては、傾斜面１１ｅ、１１ｇ、１１ｊが接続部１３ｂに隣接した位置に設けられているため、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から流出するのを抑制する効果を高めることができる。

　実施形態によっては、冷媒流入路１２から流入する冷媒は、冷媒充填室１１の下部で底面１１ｂに沿って流れる。また、冷媒流出路１３から流出する冷媒は、冷媒充填室１１の上部で天面１１ａに沿って流れる。接合部１４は、冷媒流入路１２及び冷媒流出路１３に挟まれる領域ＡＲ内に配置されている。そのため、冷媒流入路１２からの冷媒の流入抵抗、並びに冷媒流出路１３からの冷媒の流出抵抗を抑制することができる。

　実施形態によっては、冷媒充填室１１の流出側壁面１１ｄ、１１ｆ、１１ｈが形成されても、その水平方向の幅が所定の幅α１、α２、α３に抑えられることにより、冷媒流出路１３の下部の平面部１５にエンドプレート２２（筐体をなす壁体）が当接する平面を確保可能とし、且つエンドプレート２２に隣接して配置される単電池６のための冷却面積を確保可能としている。

　以上、具体的な実施形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形、追加、削除が可能であると理解されたい。

Claims

　組電池を成す複数の単電池の側面間に挟んで配置される電池冷却器であって、
　対向する前記単電池間に挟まれてそれらの単電池の熱を受ける位置に配置された、冷媒が充填されるための冷媒充填室と、
　該冷媒充填室の下部に接続された、外部の凝縮器で凝縮された冷媒を前記冷媒充填室に流入させるための冷媒流入路と、
　前記冷媒充填室の上部に接続された、前記冷媒充填室で前記単電池の熱を受けて気化した冷媒を前記凝縮器へ流出させるための冷媒流出路とを備え、
　前記冷媒充填室は、両側に配置された前記単電池の側面に接触する対向する壁面を備えるとともに、冷媒の圧力による自らの膨張変形を抑制するように、前記対向する壁面同士を部分的に相互接合する少なくとも一つの接合部を備え、
　前記冷媒充填室の底面から前記冷媒流出路の前記冷媒充填室に対する接続部に向けて上方に立ち上がる流出側壁面には、水平方向より下方に向けられた傾斜面を備える
　電池冷却器。
　請求項１の電池冷却器であって、
　前記少なくとも一つの接合部は、複数個の接合部であり、それらが前記単電池に接する前記冷媒充填室の壁面に沿って千鳥配置されている電池冷却器。
　請求項２の電池冷却器であって、
　前記流出側壁面に隣接する前記接合部は、上下に並ぶ複数個の前記接合部のうち下側の接合部が上側の接合部に対して水平方向で前記流出側壁面側にずれて配置されることにより千鳥配置されている電池冷却器。
　請求項３の電池冷却器であって、
　前記接続部は、上下に並ぶ複数個の前記接合部のうち上側の前記接合部に対して水平方向で側部に位置し、
　前記傾斜面は、前記接続部に隣接した位置に設けられている電池冷却器。
　請求項１～４のいずれかの電池冷却器であって、
　前記少なくとも一つの接合部は、前記冷媒充填室の底面に沿って延びる所定幅で帯状の領域内に配置されており、前記冷媒流入路及び前記冷媒流出路は、前記帯状の領域の上下両外側に配置されている電池冷却器。
　請求項１から５のいずれかの電池冷却器であって、
　前記冷媒流入路及び前記冷媒流出路は、前記冷媒充填室の対極位置に配置されて互いに離れる方向に突出しており、
　前記冷媒流入路の上部、及び前記冷媒流出路の下部に、前記各単電池を保持する筐体を成す壁体を当接させるための平面部を一体に備えており、
　前記流出側壁面は、前記平面部として前記壁体が当接する平面を確保可能とし、且つ前記壁体に隣接して配置される前記単電池に接する前記冷媒充填室の冷却面を確保可能とする水平方向の幅内に形成されている電池冷却器。