JP2013089508A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体の圧力損失を少なくすることができるとともに、各電池セルに対する温調効率のばらつきを少なくすること。
【解決手段】第１〜第３熱交換器３１〜３３を、各熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃを熱媒体の流通方向に沿って直列接続することで形成した。そして、電池モジュールＭ１に、第１〜第３熱交換器３１〜３３の各流入口４１に並列的に熱媒体が流れ込むように、第１〜第３熱交換器３１〜３３同士を供給配管５１により並列接続して構成された熱媒体流通機構Ｒ１を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

電池モジュールとして、例えば特許文献１に開示のものがある。特許文献１の電池モジュールは、複数の電池セル間に中空構造の冷却ジャケット（熱交換器）が配設されてなる。各冷却ジャケットには、冷却水（熱媒体）を流入させる流入口、及び冷却水を排出する排出口が配設されている。各冷却ジャケットの側面は各電池セルの側面に密着している。

隣り合う冷却ジャケットの排出口と流入口とはチューブで接続されており、複数の冷却ジャケットは、冷却水の流通方向において直列接続されている。このため、冷却水の流通方向において最も上流側に位置する冷却ジャケットの流入口に流入した冷却水は、その流通方向に沿って各冷却ジャケットを順に直列的に流れていく。そして、冷却水の流通方向において最も下流側に位置する冷却ジャケットの排出口から排出された冷却水は、恒温装置へ送られて冷却され、冷却水の流通方向において最も上流側に位置する冷却ジャケットの流入口に還流されるようになっている。各冷却ジャケットの側面は各電池セルの側面に密着しているため、各電池セルによって生成される熱は各冷却ジャケットの側面に伝達され、冷却ジャケットの側面に伝達された熱は、冷却ジャケット内を通過する冷却水に吸収されるため、その結果として、各電池セルが冷却される。

特開平９−１９９１８６号公報

しかしながら、特許文献１の電池モジュールでは、冷却水の流通方向において最も上流側に位置する冷却ジャケットの流入口に流入した冷却水は、その流通方向に沿って各冷却ジャケットを順に直列的に流れていくため、冷却水は流通していくに従って徐々に圧力損失が増大していき、冷却水の流速が徐々に低下していく。その結果、冷却水を所望の流速で流すために、冷却水を流すためのポンプの駆動負荷が増大してしまう。

さらには、冷却水の流通方向において最も上流側に位置する冷却ジャケットの流入口に流入した冷却水の温度は、その流通方向に沿って各冷却ジャケットを順に流れていく間に徐々に温まっていくため、各電池セルに対する温調効率にばらつきが生じてしまう。このような各電池セルに対する温調効率のばらつきは、各電池セルの劣化をばらつかせることになる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、熱媒体の圧力損失を少なくすることができるとともに、各電池セルに対する温調効率のばらつきを少なくすることができる電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の電池セルが並設されており、内部に熱媒体が流れるとともに各電池セルと熱的に結合される熱交換器を有する電池モジュールであって、前記熱交換器は、前記電池セルと熱交換される熱交換部を複数有するとともに、各熱交換部を前記熱媒体の流通方向に沿って直列接続することで形成されており、前記熱交換器が複数並設されるとともに、各熱交換器の流入口に並列的に前記熱媒体を供給する供給路を有する熱媒体流通機構を設けたことを要旨とする。

この発明によれば、各熱交換部を熱媒体の流通方向に沿って直列接続することで、熱媒体が直列的に流れるように形成された各熱交換器の流入口に対して、供給路から並列的に熱媒体が流れ込む。よって、全ての熱交換器を直列接続して、各熱交換器を順を追って直列的に熱媒体を流す場合に比べると、直列的に熱媒体が流れる距離を短くすることができる。その結果として、熱媒体が流通していくに従って生じる圧力損失を少なくすることができる。さらには、熱媒体が流通していくに従って生じる熱媒体自体の温度変化が抑えられ、各電池セルに対する温調効率のばらつきを少なくすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記熱媒体流通機構が二組設けられており、一方の熱媒体流通機構を流れる熱媒体の流通方向に対して、他方の熱媒体流通機構を流れる熱媒体の流通方向を逆向きにしたことを要旨とする。

一方の熱媒体流通機構を構成する各熱交換器の内部を流れる熱媒体は、熱媒体の流通方向に沿って各熱交換部を順に流れていく間に徐々に温まっていくため、熱媒体の流通方向において下流側に位置する電池セルに対しての温調効率が低下する虞がある。しかし、この発明によれば、他方の熱媒体流通機構を構成する各熱交換器の内部を流れる熱媒体によって、温調効率が低下する虞のある電池セルに対しての温調効率の低下を抑制することができるため、結果として、各電池セルに対する温調効率のばらつきを少なくすることができ、電池モジュール全体として均一な温度分布を保つことができる。

この発明によれば、熱媒体の圧力損失を少なくすることができるとともに、各電池セルに対する温調効率のばらつきを少なくすることができる。

実施形態における電池モジュールの概略を示す平断面図。 電池モジュールの一部を示す縦断面図。 別の実施形態における電池モジュールの一部を示す縦断面図。 電池モジュールの概略を示す平断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、電池モジュールＭ１は、電池セルとしての第１〜第８電池セル１１〜１８が直線状に等間隔おきに並設されてなる。第１〜第８電池セル１１〜１８は、直方体状の角型電池であり、その一短側面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃ，１７ｃ，１８ｃがそれぞれ同じ方向を向くとともに、他短側面１１ｄ，１２ｄ，１３ｄ，１４ｄ，１５ｄ，１６ｄ，１７ｄ，１８ｄもそれぞれ同じ方向を向くように配置されている。図２に示すように、第１〜第８電池セル１１〜１８の上面には正極端子２１及び負極端子２２が突設されている。なお、図２では、説明の便宜上、第２〜第４電池セル１２〜１４を図示し、その他の第１、第５〜第８電池セル１１，１５〜１８の図示を省略している。

また、図１に示すように、電池モジュールＭ１には熱交換器としての第１〜第３熱交換器３１，３２，３３が並設されている。第１〜第３熱交換器３１〜３３は扁平状をなす板を折り曲げて形成されている。

第１熱交換器３１には、第１電池セル１１の一長側面１１ａに密着する熱交換部としての第１熱交換部３１ａが形成されている。第１熱交換部３１ａの一端（第１熱交換器３１の一端）には流入口４１が形成されている。また、第１熱交換器３１には、第１電池セル１１の他長側面１１ｂ及び第２電池セル１２の一長側面１２ａに密着する熱交換部としての第２熱交換部３１ｂが形成されている。さらに、第１熱交換器３１には、第２電池セル１２の他長側面１２ｂ及び第３電池セル１３の一長側面１３ａに密着する熱交換部としての第３熱交換部３１ｃが形成されている。また、第１熱交換器３１には、第１熱交換部３１ａの他端と第２熱交換部３１ｂの一端とを繋ぐとともに第１電池セル１１の他短側面１１ｄに沿って延びる第１連結部３１ｄが形成されている。さらに、第１熱交換器３１には、第２熱交換部３１ｂの他端と第３熱交換部３１ｃの一端とを繋ぐとともに第２電池セル１２の一短側面１２ｃに沿って延びる第２連結部３１ｅが形成されている。第３熱交換部３１ｃの他端（第１熱交換器３１の他端）には排出口４２が形成されている。よって、第１熱交換器３１は、流入口４１から流入した熱媒体が、第１熱交換部３１ａ、第１連結部３１ｄ、第２熱交換部３１ｂ、第２連結部３１ｅ及び第３熱交換部３１ｃの順に直列的に流れるように構成されている。

第２熱交換器３２には、第３電池セル１３の他長側面１３ｂ及び第４電池セル１４の一長側面１４ａに密着する熱交換部としての第４熱交換部３２ａが形成されている。第４熱交換部３２ａの一端（第２熱交換器３２の一端）には流入口４１が形成されている。また、第２熱交換器３２には、第４電池セル１４の他長側面１４ｂ及び第５電池セル１５の一長側面１５ａに密着する熱交換部としての第５熱交換部３２ｂが形成されている。さらに、第２熱交換器３２には、第５電池セル１５の他長側面１５ｂ及び第６電池セル１６の一長側面１６ａに密着する熱交換部としての第６熱交換部３２ｃが形成されている。また、第２熱交換器３２には、第４熱交換部３２ａの他端と第５熱交換部３２ｂの一端とを繋ぐとともに第４電池セル１４の他短側面１４ｄに沿って延びる第３連結部３２ｄが形成されている。さらに、第２熱交換器３２には、第５熱交換部３２ｂの他端と第６熱交換部３２ｃの一端とを繋ぐとともに第５電池セル１５の一短側面１５ｃに沿って延びる第４連結部３２ｅが形成されている。第６熱交換部３２ｃの他端（第２熱交換器３２の他端）には排出口４２が形成されている。よって、第２熱交換器３２は、流入口４１から流入した熱媒体が、第４熱交換部３２ａ、第３連結部３２ｄ、第５熱交換部３２ｂ、第４連結部３２ｅ及び第６熱交換部３２ｃの順に直列的に流れるように構成されている。

第３熱交換器３３には、第６電池セル１６の他長側面１６ｂ及び第７電池セル１７の一長側面１７ａに密着する熱交換部としての第７熱交換部３３ａが形成されている。第７熱交換部３３ａの一端（第３熱交換器３３の一端）には流入口４１が形成されている。また、第３熱交換器３３には、第７電池セル１７の他長側面１７ｂ及び第８電池セル１８の一長側面１８ａに密着する熱交換部としての第８熱交換部３３ｂが形成されている。さらに、第３熱交換器３３には、第８電池セル１８の他長側面１８ｂに密着する熱交換部としての第９熱交換部３３ｃが形成されている。また、第３熱交換器３３には、第７熱交換部３３ａの他端と第８熱交換部３３ｂの一端とを繋ぐとともに第７電池セル１７の他短側面１７ｄに沿って延びる第５連結部３３ｄが形成されている。さらに、第３熱交換器３３には、第８熱交換部３３ｂの他端と第９熱交換部３３ｃの一端とを繋ぐとともに第８電池セル１８の一短側面１８ｃに沿って延びる第６連結部３３ｅが形成されている。第９熱交換部３３ｃの他端（第３熱交換器３３の他端）には排出口４２が形成されている。よって、第３熱交換器３３は、流入口４１から流入した熱媒体が、第７熱交換部３３ａ、第５連結部３３ｄ、第８熱交換部３３ｂ、第６連結部３３ｅ及び第９熱交換部３３ｃの順に直列的に流れるように構成されている。

第１〜第９熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃと第１〜第８電池セル１１〜１８とは熱的に結合されている。よって、第１〜第９熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、第１〜第８電池セル１１〜１８と熱交換可能になっている。なお、第１〜第８電池セル１１〜１８と第１〜第３熱交換器３１〜３３との間には、図示しない絶縁性コーティング膜が配設されており、第１〜第８電池セル１１〜１８と第１〜第３熱交換器３１〜３３との間の電気的絶縁性が確保されている。この絶縁性コーティング膜は熱伝導性の良い材料から形成されている。また、図２に示すように、第１〜第９熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃの内部にはフィン４３が立設されており、このフィン４３によって第１〜第９熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃの内部が区画されている。

図１に示すように、電池モジュールＭ１には、第１〜第３熱交換器３１〜３３の流入口４１及び第１〜第６電池セル１１〜１６の一短側面１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃを跨るようにして供給路としての供給配管５１が配設されている。供給配管５１には、第１〜第３熱交換器３１〜３３の各流入口４１と連通する供給口５１ａが３つ形成されている。そして、供給配管５１内を流れる熱媒体は、各供給口５１ａ及び各流入口４１を介して第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部へ並列的に流れ込むようになっている。よって、本実施形態では、第１〜第３熱交換器３１〜３３及び供給配管５１によって熱媒体流通機構Ｒ１が構成されている。

また、電池モジュールＭ１には、第１〜第３熱交換器３１〜３３の排出口４２及び第３〜第８電池セル１３〜１８の他短側面１３ｄ，１４ｄ，１５ｄ，１６ｄ，１７ｄ，１８ｄを跨るようにして排出配管５２が配設されている。排出配管５２には、第１〜第３熱交換器３１〜３３の各排出口４２と連通する連通孔５２ａが３つ形成されている。そして、第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部を通過して各排出口４２から排出される熱媒体は、各連通孔５２ａを介して排出配管５２内に流出する。さらに、排出配管５２内を流れる熱媒体は、排出配管５２の途中に設けられた温調装置（図示せず）によって熱媒体が所定の温度になるように温調されて、供給配管５１に還流されるようになっている。尚、供給配管５１には図示しないポンプが設けられており、このポンプの駆動により熱媒体の流通方向（図１に示す矢印Ｘ１の方向）における上流側から下流側に向けて熱媒体が流れるようになっている。なお、供給配管５１及び排出配管５２の流路断面積は同じになっているとともに、及び第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部の流路断面積は全て同じになっている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
供給配管５１を流れる熱媒体は、熱媒体の流通方向に沿って、各供給口５１ａ及び第１〜第３熱交換器３１〜３３の各流入口４１を介して第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部へ並列的に流れ込む。続いて、熱媒体は、第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部を直列的に流れるとともに、第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部を通過した熱媒体は、各排出口４２及び各連通孔５２ａを介して排出配管５２内に流出する。

第１〜第８電池セル１１〜１８を冷却する場合、第１〜第８電池セル１１〜１８によって生成される熱は、第１〜第３熱交換器３１〜３３にそれぞれ伝達される。そして、第１〜第３熱交換器３１〜３３に伝達された熱は、第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部を流れる熱媒体に吸収されるため、その結果として、第１〜第８電池セル１１〜１８が冷却される。

一方、第１〜第８電池セル１１〜１８を温める場合、第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部を流れる熱媒体の熱が、第１〜第３熱交換器３１〜３３にそれぞれ伝達される。そして、第１〜第３熱交換器３１〜３３に伝達された熱が、第１〜第８電池セル１１〜１８に伝達されるため、その結果として、第１〜第８電池セル１１〜１８が温められる。

また、本実施形態の電池モジュールＭ１では、例えば、第１〜第３熱交換器３１〜３３を直列接続して、第１〜第３熱交換器３１〜３３を順を追って直列的に熱媒体を流す場合に比べると、直列的に熱媒体が流れる距離が短くなっている。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）第１〜第３熱交換器３１〜３３を、各熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃを熱媒体の流通方向に沿って直列接続することで形成した。そして、電池モジュールＭ１に、第１〜第３熱交換器３１〜３３の各流入口４１に並列的に熱媒体が流れ込むように、第１〜第３熱交換器３１〜３３同士を供給配管５１により並列接続して構成された熱媒体流通機構Ｒ１を設けた。よって、熱媒体が第１〜第３熱交換器３１〜３３の流入口４１に対して、供給配管５１から並列的に流れ込むため、第１〜第３熱交換器３１〜３３を直列接続して、第１〜第３熱交換器３１〜３３を順を追って直列的に熱媒体を流す場合に比べると、直列的に熱媒体が流れる距離を短くすることができる。その結果として、熱媒体が流通していくに従って生じる圧力損失を少なくすることができる。さらには、熱媒体が流通していくに従って生じる熱媒体自体の温度変化が抑えられ、第１〜第８電池セル１１〜１８に対する温調効率のばらつきを少なくすることができる。

（２）例えば、複数の電池セルがケース内に等間隔おきに収容されるとともに、ケース内に熱媒体を供給して、各電池セル間に熱媒体を通過させることで、各電池セルを温調する場合を考える。この場合、ケース内に供給された熱媒体が、各電池セル間に対して均等に流れず、各電池セルをバランス良く温調することができない場合がある。しかし、本実施形態では、第１〜第８電池セル１１〜１８それぞれと熱交換可能な第１〜第３熱交換器３１〜３３が設けられ、これら第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部には熱媒体が均等に流れるようになっているため、第１〜第８電池セル１１〜１８をバランス良く温調することができる。

（３）本実施形態によれば、例えば、供給配管５１を、第１〜第３熱交換器３１〜３３の各熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃに対して並列接続する構成に比べて、供給配管５１の連結部位を少なくすることができるため、構造を簡素化することができる。

（４）例えば、供給配管５１を、第１〜第３熱交換器３１〜３３の各熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃに対して並列接続する。このような構成では、熱媒体を、供給配管５１から各熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃに対して並列的に流す場合、熱媒体の流通方向において最も下流側に位置する熱交換部３３ｃに向けて熱媒体が流れ易くなる。すなわち、熱媒体の流通方向において最も上流側に位置する熱交換部３１ａに向けて熱媒体が流れ込み難くなってしまい、各熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃへの熱媒体の流れが不均一になってしまう。しかし、本実施形態では、このような構成に比べると、供給配管５１から並列的に熱媒体を流す箇所を少なくしているため、熱媒体の流れが不均一になってしまうことを抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図３に示すように、電池モジュールＭ２には、二組の熱媒体流通機構Ｒ１，Ｒ２が上下対称に積層されるように配設されている。そして、一方の熱媒体流通機構Ｒ１を流れる熱媒体の流通方向（図１に示す矢印Ｘ１の方向）に対して、他方の熱媒体流通機構Ｒ２を流れる熱媒体の流通方向（図４に示す矢印Ｘ２の方向）を逆向きにしてもよい。

一方の熱媒体流通機構Ｒ１を構成する第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部を流れる熱媒体は、熱媒体の流通方向に沿って各熱交換部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃを順に流れていく間に徐々に温まっていく。しかし、図４に示すように、他方の熱媒体流通機構Ｒ２を構成する第１〜第３熱交換器３１〜３３の内部を流れる熱媒体によって、第１〜第８電池セル１１〜１８に対しての温調効率のばらつきを抑制することができるため、電池モジュールＭ２全体として均一な温度分布を保つことができる。

なお、図３では、二組の熱媒体流通機構Ｒ１，Ｒ２を別部材で構成したが、これに限らず、二組の熱媒体流通機構Ｒ１，Ｒ２が同一部材で構成されていてもよい。つまり、二組の熱媒体流通機構Ｒ１，Ｒ２が一体的に設けられていてもよい。

○ 上記各実施形態において、第１〜第８電池セル１１〜１８は角型電池に限らず、例えば、円筒型電池やラミネート型電池などであってもよい。
○ 上記各実施形態において、第１〜第３熱交換器３１〜３３は扁平板状でなくてもよく、第１〜第８電池セル１１〜１８と熱的に結合されていれば、第１〜第３熱交換器３１〜３３の形状は特に限定されるものではない。

○ 上記各実施形態では、第１〜第８電池セル１１〜１８の間の全てに各熱交換部３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂが設けられていたが、これに限らず、第１〜第８電池セル１１〜１８の間の全てに各熱交換部３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂが存在しなくてもよい。例えば、第１電池セル１１の他長側面１１ｂと第２電池セル１２の一長側面１２ａとの間に第２熱交換部３１ｂが存在していなくてもよい。

○ 上記各実施形態において、電池セル１１〜１８の数を適宜変更してもよい。
○ 上記各実施形態において、熱交換器３１〜３３の数を適宜変更してもよい。
○ 上記各実施形態において、第１〜第３熱交換器３１〜３３の一端に流入口４１を形成し、他端に排出口４２を形成したが、これに限らず、例えば、第１〜第３熱交換器３１〜３３の一端に流入口４１及び排出口４２が形成されていてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記電池セルは角型電池であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池モジュール。

（ロ）前記熱交換器は扁平板状をなしていることを特徴とする請求項１又は請求項２、及び前記技術的思想（イ）のいずれか一項に記載の電池モジュール。

Ｍ１，Ｍ２…電池モジュール、Ｒ１，Ｒ２…熱媒体流通機構、１１〜１８…電池セルとしての第１〜第８電池セル、３１〜３３…熱交換器としての第１〜第３熱交換器、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…熱交換部としての第１〜第９熱交換部、４１…流入口、５１…供給路としての供給配管。

Claims (2)

1. 複数の電池セルが並設されており、内部に熱媒体が流れるとともに各電池セルと熱的に結合される熱交換器を有する電池モジュールであって、
   前記熱交換器は、前記電池セルと熱交換される熱交換部を複数有するとともに、各熱交換部を前記熱媒体の流通方向に沿って直列接続することで形成されており、
   前記熱交換器が複数並設されるとともに、各熱交換器の流入口に並列的に前記熱媒体を供給する供給路を有する熱媒体流通機構を設けたことを特徴とする電池モジュール。
2. 前記熱媒体流通機構が二組設けられており、
   一方の熱媒体流通機構を流れる熱媒体の流通方向に対して、他方の熱媒体流通機構を流れる熱媒体の流通方向を逆向きにしたことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

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