JP2011515798A - 自動車用ｚタイプバッテリーパック - Google Patents

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Abstract

本発明によれば、電池セル間の空間を通過する冷却気体の流量が均一に維持され、これによって前記電池セルの最大温度及び電池セル間の温度偏差が従来に比べて格段に減少するので、バッテリーパックの寿命が従来に比べてかなり延び、バッテリーパックの爆発可能性が排除される効果が発生する。
【選択図】図５

Description

本発明は、自動車用バッテリーパックに関するものであって、さらに詳しくは、冷却気体の流入方向と排出方向とが同一である冷却流路を有するＺタイプバッテリーパックに関する。
電気自動車とは、自動車の駆動エネルギーを既存の自動車のように化石燃料の燃焼からではなく電気エネルギーから得る自動車をいう。電気自動車は、排気ガスが全くなく、騷音が非常に小さいという長所があるにもかかわらず、バッテリーの重い重量、充電にかかる時間などの問題のため実用化できなかったが、最近公害問題の深刻化、化石燃料の枯渇などの問題が提起されてからその開発が加速化している。特に、電気自動車が実用化されるためには、電気自動車の燃料供給源であるバッテリーパックが軽量化・小型化されると同時に、充電時間が短縮されなければならないので、前記バッテリーパックに対する研究が活発になされている。
前記バッテリーパックは直列に連結された複数個の電池セルを含んでおり、前記バッテリーパックの充電と放電とが行なわれれば、前記電池セルに熱が発生する。前記電池セルに発生した熱をそのまま放置する場合前記電池セルの寿命を短縮させることになるので、通常前記バッテリーパックには前記電池セルで発生する熱を冷却させるための冷却流路が含まれる。
前記バッテリーパックは前記冷却流路の形態に従ってＺタイプとＵタイプとに分類できる。前記Ｚタイプにおいては、冷却気体である空気が前記冷却流路に流入される方向と前記冷却流路から排出される方向とが同一であり、前記Ｕタイプにおいては、冷却気体である空気が前記冷却流路に流入される方向と前記冷却流路から排出される方向とが互いに反対である。以下、従来のＺタイプバッテリーパックの構成を図１及び図２を参照しながら説明する。図１は従来のＺタイプバッテリーパックを示す斜視図であり、図２は図１のＡ‐Ａ'による断面図である。
前記Ｚタイプバッテリーパック１０は、直列に連結されるように配列された複数個の電池セル２０と、前記電池セル２０に結合された冷却流路３０、４０とを含み、前記冷却流路３０、４０は、前記電池セル２０の上端に結合された第１冷却流路３０と前記電池セル２０の下端に結合された第２冷却流路４０とを含む。
前記第１冷却流路３０の一側面３２は冷却気体が流入できるように開放されており、前記第１冷却流路３０の下面の中で前記電池セル２０が結合されていない部位には流入された冷却気体が前記電池セル２０が位置している方向に排出できるように複数個のスリット３４が形成される。
前記第２冷却流路４０の上面の中で前記電池セル２０が結合されていない部位には前記第１冷却流路３０から排出された冷却気体が流入されるための複数個のスリット４４が形成され、前記第２冷却流路４０の一側面４２は前記スリット４４を通じて流入された冷却気体が外部に排出できるように開放されている。
前記側面３２を通じて流入された冷却気体は、前記スリット３４、前記電池セル２０間の空間及び前記スリット４４を順次経由して前記側面４２を通じて外部に排出され、その過程において前記冷却気体は前記電池セル２０から熱を吸収することになるので、前記電池セル２０が冷却できる。
しかし、前記バッテリーパック１０によれば、前記側面３２から遠くなるほど前記第１冷却流路３０と第２冷却流路４０との間の圧力差が大きいので、前記電池セル２０間の空間の中で前記側面３２から遠くに位置する空間であればあるほどより多くの冷却気体を通過させることになる。このような現象は図３に示すように、前記電池セル２０の中で前記側面３２に近接して位置する電池セルが十分冷却できない問題と、前記電池セル２０間の温度偏差が大きすぎる問題とを発生させる。
図３は、前記バッテリーパック１０に含まれた電池セル２０の温度分布を示すグラフである。図３において、横軸は電池セル２０の番号を示し、縦軸は各電池セル２０の温度を示す。電池セル２０の番号は、図２において右側に行くほど大きくなるように設定された。また、図３に示す結果は、３０℃の外気温度下で４４個の電池セル２０を含むバッテリーパック１０に４０Ａの負荷をかけて導出したものである。
図３より、２８番以後の電池セルの温度は５０℃を超えることが分かる。このような場合、電池セルの長時間使用が不可能であり、電池セルの寿命が急激に減少し、電池セルが爆発する危険がある。
また図３より、電池セルの最大温度と最小温度間の差が約３５℃程度であることが分かる。このような場合、電池セル間の寿命差が大きくなり、バッテリーパックに含まれた一部電池セルの寿命が尽きた場合バッテリーパックの全体を交替しなければならないので、寿命の尽きた一部電池セルのために寿命が尽きていない他の電池セルも使用できなくなる。
本発明は、前述のような問題点を解決するためのものであって、電池セルの最大温度を従来に比べて減少させ、電池セル間の温度偏差を従来に比べて減少させることができる自動車用Ｚタイプバッテリーパックを提供することを目的としている。
前述のような目的を達成するために本発明は、冷却気体の流入方向と排出方向とが同一である自動車用Ｚタイプバッテリーパックにおいて、直列に連結されるように配列された複数個の電池セル；前記電池セルの一端に結合され、外部から流入された冷却気体が前記電池セルの間に排出できるように前記冷却気体の流れを制御する第１冷却流路；前記電池セルの他端に結合され、前記電池セルの間を通過した冷却気体が外部に排出できるように前記冷却気体の流れを制御する第２冷却流路；及び前記第２冷却流路の内部に位置して前記電池セルの間を通過する冷却気体の流量を均一に維持する流量制御板；を含むことを特徴とする自動車用Ｚタイプバッテリーパックを提供する。
望ましくは、前記流量制御板は、前記第２冷却流路の上面から下面が位置する方向に延長され、前記電池セルの間を通過した冷却気体が外部に直接排出されることを防止する防止板；及び前記防止板の一端から前記第２冷却流路の長手方向に沿って延長され、前記電池セルの間を通過した冷却気体が前記冷却気体の流入方向とは反対方向に移動した後外部に排出されるように前記冷却気体の流れを誘導する流れ誘導板；を含む。
望ましくは、前記流れ誘導板の長さは、最外郭に位置する電池セル間距離の７０％以上９５％以下の範囲内に存在する。前記流れ誘導板の長さが前記下限より短い場合、前記電池セルの間を通過する冷却気体の流量が均一に維持されにくく、前記流れ誘導板の長さが前記上限より長い場合、前記冷却気体を前記第１冷却流路に供給するモーターに過負荷がかかることになる。前記流れ誘導板の長さが前記下限以上である場合には、セル間の温度偏差を５℃以下に維持することができるので、バッテリーパックの使用寿命を延ばすことができる。
望ましくは、前記流れ誘導板の幅は、前記第２冷却流路の幅と同一である。このような場合、前記電池セルを通過した冷却気体が前記流れ誘導板と前記第２冷却流路の側面との間に流れることができないので、前記電池セルの間を通過する冷却気体の流量をより均一に維持することができる。
望ましくは、前記流れ誘導板と前記第２冷却流路の上面との間の距離は、前記流れ誘導板と前記第２冷却流路の下面との間の距離と同一に設定される。
望ましくは、前記流れ誘導板は、前記第２冷却流路の長手方向と平行に延長される。しかし、これに対する代案として、前記流れ誘導板は、その端部に行くほど前記第２冷却流路の上面または下面に近くなるように傾斜して延長し得る。このとき、前記流れ誘導板の傾斜度は、前記流れ誘導板の端部位置を固定させ前記防止板の長さを変更することで調節することが望ましい。
本発明によれば、電池セル間の空間を通過する冷却気体の流量が均一に維持され、これによって前記電池セルの最大温度及び電池セル間の温度偏差が従来に比べて格段に減少するので、バッテリーパックの寿命が従来に比べてかなり延び、バッテリーパックの爆発可能性が排除される効果が発生する。
従来のＺタイプバッテリーパックを示す斜視図である。 図１のＡ‐Ａ'による断面図である。 従来のＺタイプバッテリーパックに含まれた電池セルの温度分布を示すグラフである。 本発明による電気自動車用Ｚタイプバッテリーパックの第１実施例を示す斜視図である。 図４のＢ‐Ｂ'による断面図である。 図４のＣ‐Ｃ'による断面図である。 本発明による電気自動車用Ｚタイプバッテリーパックの第２実施例を示す断面図である。 流れ誘導板の長さ（Ｌ１）による電池セルの温度を示すグラフである。 流れ誘導板の長さ（Ｌ１）による電池セルの温度を示すグラフである。 流れ誘導板の長さ（Ｌ１）による電池セルの温度を示すグラフである。 流れ誘導板の長さ（Ｌ１）による電池セルの温度を示すグラフである。 流れ誘導板の長さ（Ｌ１）による電池セルの温度を示すグラフである。 流れ誘導板の長さ（Ｌ１）による電池セルの温度を示すグラフである。 流れ誘導板の長さ（Ｌ１）による電池セルの温度を示すグラフである。 流れ誘導板の長さ（Ｌ１）による電池セルの温度を示すグラフである。
以下、本発明による電気自動車用Ｚタイプバッテリーパックの望ましい実施例を図面を参照しながら詳しく説明する。
図４は本発明による電気自動車用Ｚタイプバッテリーパックの第１実施例を示す斜視図であり、図５は図４のＢ‐Ｂ'による断面図であり、図６は図４のＣ‐Ｃ'による断面図であり、図７は本発明による電気自動車用Ｚタイプバッテリーパックの第２実施例を示す断面図である。
本発明によるＺタイプバッテリーパック１００は、複数個の電池セル１１０と、前記電池セル１１０の一端に結合される第１冷却流路１３０と、前記電池セル１１０の他端に結合される第２冷却流路１５０と、前記第２冷却流路１５０の内部に位置する流量制御板１７０とを含む。
前記複数個の電池セル１１０は、互いに直列に連結されるように配列され、前記電池セル１１０の列数は１個または複数個形成できる。前記電池セル１１０に充電された電圧は電気自動車の駆動に使用され、前記電池セル１１０が放電されれば前記電池セル１１０は再度充電される。このように前記電池セル１１０は充電と放電を繰り返すことになり、その過程で前記電池セル１１０には熱が発生することになる。
前記第１冷却流路１３０の一側面１３２は、外部から前記電池セル１１０を冷却させるための冷却気体が流入できるように開放されており、前記第１冷却流路１３０の下面の中で前記電池セル１１０が結合されていない部位には、流入された冷却気体が前記電池セル１１０が位置している方向に排出できるように複数個のスリット１３４が形成される。前記側面１３２に流入された冷却気体は前記複数個のスリット１３４を通じて前記電池セル１１０の間の空間に流入されて前記電池セル１１０を冷却させる。
前記第２冷却流路１５０の上面の中で前記電池セル１１０が結合されていない部位には、前記電池セル１１０間の空間を経由した冷却気体が流入されるための複数個のスリット１５４が形成され、前記第２冷却流路１５０の一側面１５２は前記スリット１５４を通じて流入された冷却気体が外部に排出できるように開放されている。このとき、前記冷却気体の排出方向は前記冷却気体が前記第１冷却流路１３０に流入される方向と同一である。
前記流量制御板１７０は、前記第２冷却流路１５０の内部に位置して前記電池セル１１０の間を通過する冷却気体の流量を均一に維持する。以下、このような機能を行う前記流量制御板１７０の実施例を具体的に説明する。
前記流量制御板１７０は、防止板１７２及び流れ誘導板１７４を含む。前記防止板１７２は、前記電池セル１１０の間を通過した冷却気体が前記側面１５２を通じて外部に直接排出されることを遮断するためのものである。前記防止板１７２の一端は前記第１冷却流路１３０の一側面に付着され、前記防止板１７２は前記第１冷却流路１３０の一側面から前記第２冷却流路１５０の上面を貫通して前記第２冷却流路１５０の内部まで延長される。前記防止板１７２の幅は、前記冷却気体が前記側面１５２を通じて外部に直接排出される現象が発生しないように前記第２冷却流路１５０の幅（Ｗ１）と同一に形成されることが望ましい。
前記流れ誘導板１７４は、前記電池セル１１０の間を通過した冷却気体が前記冷却気体の流入方向（前記冷却気体が前記第１冷却流路１３０に流入される方向）とは反対方向に移動した後前記側面１５２を通じて外部に排出されるように前記冷却気体の流れを誘導するためのものである。前記流れ誘導板１７４は、前記防止板１７２の一端から前記第２冷却流路１５０の長手方向と平行に延長され、前記流れ誘導板１７４の幅は前記第２冷却流路の幅（Ｗ１）と同一に設定される。
本発明によるバッテリーパック１００は、前述のように流量制御板１７０を含む。このような場合、前記側面１３２から離隔された距離とは関係なく前記第１冷却流路１３０と第２冷却流路１５０間の圧力差が従来に比べてより均一に形成されるので、前記電池セル１１０の間に形成された空間を通過する冷却気体の流量は前記空間が前記側面１３２から離隔された距離とは関係なく従来に比べて非常に均一になる。従って、電池セル１１０の最大温度を従来に比べて減少させることができ、電池セル１１０間の温度偏差も従来に比べて減少させることができる。
一方、前記電池セル１１０の間を通過する冷却気体流量の均一性は前記流れ誘導板１７４の長さ（Ｌ１）が長くなるほど良好になる。しかし、前記流れ誘導板１７４の長さ（Ｌ１）が長さが長くなるほど、前記冷却気体を供給するモーター（図示せず）にかかる負荷は大きくなる。従って、前記流れ誘導板１７４の長さ（Ｌ１）は、前記電池セル１１０の間を通過する冷却気体流量の均一性及び前記冷却気体を供給するモーターの負荷を考慮して設定すべきである。
前記電池セル１１０の間を通過する冷却気体流量の均一性及び前記冷却気体を供給するモーターの負荷を考慮すれば、前記流れ誘導板１７４の長さ（Ｌ１）は、最外郭に位置する電池セル間の距離（Ｌ２）の７０％以上９５％以下の範囲内に存在することが望ましい。前記流れ誘導板の長さ（Ｌ１）が前記下限より短い場合、前記電池セル１１０の間を通過する冷却気体の流量が均一に維持されにくく、前記流れ誘導板の長さが前記上限より長い場合、前記冷却気体を前記第１冷却流路に供給するモーターに過負荷がかかることになる。前記流れ誘導板の長さ（Ｌ１）が前記下限以上である場合には、電池セル１１０の温度偏差を５℃以下に維持することができるので、バッテリーパック１００の使用寿命を延ばすことができる。
前記電池セル１１０の間を通過する冷却気体流量の均一性は、前記流れ誘導板１７４の幅が長くなるほど良好になる。従って、前記流れ誘導板１７４の幅は、前述のように前記第２冷却流路の幅（Ｗ１）と同一に設定されることが望ましい。しかし、前記冷却気体流量の均一性に大きい差がない範囲内であれば、前記流れ誘導板１７４の幅は前記第２冷却流路の幅（Ｗ１）より小さく設定されても構わない。
また、前記流れ誘導板１７４と前記第２冷却流路１５０の上面との間の距離が長くなるほど、前記冷却気体を供給するモーター（図示せず）にかかる負荷は大きくなる。従って、前記モーターにかかる負荷のみを考慮すれば、前記流れ誘導板１７４と前記第２冷却流路１５０の上面との間の距離を減らすことが望ましい。しかし、前記電池セル１１０の間を通過する冷却気体流量の均一性は、前記流れ誘導板１７４と前記第２冷却流路１５０の上面との間の距離が前記流れ誘導板１７４と前記第２冷却流路１５０の下面との間の距離より長いか短い場合不良になる。従って、前記電池セル１１０の間を通過する冷却気体流量の均一性及び前記冷却気体を供給するモーターの負荷をすべて考慮すれば、前記流れ誘導板１７４と前記第２冷却流路１５０の上面との間の距離は、前記流れ誘導板１７４と前記第２冷却流路１５０の下面との間の距離と同一に設定されることが望ましい。
一方、前述には、防止板１７２を前記第２冷却流路１５０の上面を貫通するように構成した。しかし、これに対する代案として、前記防止板１７２は図７に示すように、前記第２冷却流路１５０の内部にのみ位置するように構成することができる。
また、前述には、前記流れ誘導板１７４を前記第２冷却流路１５０の長手方向と平行に構成した。しかし、これに対する代案として、前記流れ誘導板１７４はその端部に行くほど前記第２冷却流路１５０の上面または下面に近くなるように傾斜して構成することができる。このとき、前記流れ誘導板１７４の端部位置を固定させ前記防止板１７２の長さを調節することで、前記流れ誘導板１７４の傾斜度を調節することが望ましい。前記流れ誘導板１７４の端部と前記第２冷却流路１５０の上面との間の距離が短くなるほど前記冷却気体を供給するモーターの負荷が増加するので、前記流れ誘導板１７４の傾斜度をこのように調節する場合、前記電池セル１１０の間を通過する冷却気体流量の均一性が保障されると同時に、前記冷却気体を供給するモーターの負荷が一定に維持できる。
本出願人は、図５のバッテリーパック１００に含まれた電池セルの温度を測定するコンピュータシミュレーションを行い、その結果を図８から図１５に示した。図８から図１５は、前記バッテリーパック１００に含まれた電池セル１１０の温度分布を示すグラフである。前記図面において、横軸は電池セル１１０の番号を示し、縦軸は各電池セル１１０の温度を示す。電池セル１１０の番号は、図５において右側に行くほど大きくなるように設定された。また、流れ誘導板１７４の幅は、前記第２冷却流路の幅（Ｗ１）と同一に設定された。同時に、流れ誘導板１７４の長さ（Ｌ１）は、最外郭に位置する電池セル間距離（Ｌ２）の５０.０％、６０.０％、６６.３％、７１.８％、７７.３％、８２.８％、８８.３％、９３.８％にそれぞれ設定された。前記流れ誘導板１７４は前記第２冷却流路１５０の長手方向と平行に形成され、前記流れ誘導板１７４は前記第２冷却流路１５０の上面と下面間の中心に設けられた。図８から図１５に示す結果は、３５℃の外気温度下で３５個の電池セル１１０を含むバッテリーパック１００に４０Ａの負荷をかけて導出したものである。
図８から図１５より、電池セル１１０の温度偏差は流れ誘導板１７４の長さ（Ｌ１）が長くなるほど小さくなり、Ｌ１／Ｌ２の比が７０％以上であるとき温度偏差が５℃以下になることが分かる。前記温度偏差が５℃以下であれば、バッテリーパック１００の使用寿命を延ばすことができる。
一方、Ｌ１／Ｌ２の比が９５％を超えれば、モーターに過負荷がかかるので望ましくない。

Claims (7)

  1. 冷却気体の流入方向と排出方向とが同一である電気自動車用Ｚタイプバッテリーパックにおいて、
    直列に連結されるように配列された複数個の電池セル；
    前記電池セルの一端に結合され、外部から流入された冷却気体が前記電池セルの間に排出できるように前記冷却気体の流れを制御する第１冷却流路；
    前記電池セルの他端に結合され、前記電池セルの間を通過した冷却気体が外部に排出できるように前記冷却気体の流れを制御する第２冷却流路；及び
    前記第２冷却流路の内部に位置して前記電池セルの間を通過する冷却気体の流量を均一に維持する流量制御板；を含むことを特徴とする電気自動車用Ｚタイプバッテリーパック。
  2. 前記流量制御板は、
    前記第２冷却流路の上面から下面が位置する方向に延長され、前記電池セルの間を通過した冷却気体が外部に直接排出されることを防止する防止板；及び
    前記防止板の一端から前記第２冷却流路の長手方向に沿って延長され、前記電池セルの間を通過した冷却気体が前記冷却気体の流入方向とは反対方向に移動した後外部に排出されるように前記冷却気体の流れを誘導する流れ誘導板；を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用Ｚタイプバッテリーパック。
  3. 前記流れ誘導板の長さは、最外郭に位置する電池セル間距離の７０％以上９５％以下の範囲内に存在することを特徴とする請求項２に記載の電気自動車用Ｚタイプバッテリーパック。
  4. 前記流れ誘導板の幅は、前記第２冷却流路の幅と同一であることを特徴とする請求項２に記載の電気自動車用Ｚタイプバッテリーパック。
  5. 前記流れ誘導板と前記第２冷却流路の上面との間の距離は、前記流れ誘導板と前記第２冷却流路の下面との間の距離と同一であることを特徴とする請求項２に記載の電気自動車用Ｚタイプバッテリーパック。
  6. 前記流れ誘導板は、前記第２冷却流路の長手方向と平行に延長されることを特徴とする請求項２に記載の電気自動車用Ｚタイプバッテリーパック。
  7. 前記流れ誘導板は、その端部に行くほど前記第２冷却流路の上面または下面に近くなるように傾斜して延長され、前記流れ誘導板の傾斜度は、前記流れ誘導板の端部位置を固定させ前記防止板の長さを変更することで調節することを特徴とする請求項２に記載の電気自動車用Ｚタイプバッテリーパック。
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