JP2020113458A - 電池パック - Google Patents
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Abstract
【課題】重量増加を伴うことなく、耐火性能を高めることができる電池パックを提供すること。【解決手段】金属製の底面パネル2内に、複数の電池セルを有する電池セル集合体3と、電池セル集合体3の下面3aに接して配置される冷却プレート4と、が収容されると共に、底面パネル2の上面2aは、冷却プレート4の下面4bから離隔している、電池パック1であって、底面パネル2は、冷却プレート4に向けて部分的に凸となる形状とされた上突部24を有し、上突部24は、外部からの入熱時の底面パネル2の熱膨張による伸びによって、上突部24が冷却プレート4に向けて変形することにより、冷却プレート4の下面4bに接触し得る高さを有する。【選択図】図2
Description
本発明は、車両に搭載される電池パックに関する。
ハイブリッド車や電気自動車には、リチウムイオン電池等の二次電池からなる電池セルを収容した電池パックが搭載されている。一般に、電池セルは、複数積層されて一つの電池セル集合体(又はモジュール)を構成する。電池パックは、高出力・大容量の要求を満たすために、底面パネル上に複数の電池セル集合体を配列しており、その上面がカバーパネルによって覆われている。底面パネルやカバーパネルは、通常、軽量化のためにアルミ又はアルミ合金によって構成されている。
ところで、このような電池パックには、法規によって、下から火炎であぶられた際に所定の耐火性能を有することが求められている(例えば、欧州:ECE−R100、中国:GB/T)。例えば、ECE−R100では、ガソリンを燃やして、電池パックを70秒間あぶり、更に、穴のあいた耐火レンガを通した状態でさらに60秒間あぶることを定めている。
従来、特許文献1には、電池の方へ広がる熱に接触した時に作動して熱の伝搬を減衰する遮熱装置を自動車内に配置する技術が開示されている。
従来、特許文献1には、電池の方へ広がる熱に接触した時に作動して熱の伝搬を減衰する遮熱装置を自動車内に配置する技術が開示されている。
電池パックの耐火性能を高めるためには、底面パネルを構成する金属の融点を超える熱が底面パネルに加えられた場合でも、直ちに溶融して穴が開いてしまうことのないように、底面パネルの板厚を厚くして熱容量を大きくする必要がある。しかし、底面パネルの板厚を厚くすると、電池パックの重量増加の要因となり、車両の燃費性能等に影響する問題がある。このため、重量増加を伴うことなく、電池パックの耐火性能を高めることが求められている。
なお、特許文献1に記載の技術は、電池パックへの熱を減衰させるものであり、電池パック自体の耐火性能を高める技術ではない。
そこで、本発明は、重量増加を伴うことなく、耐火性能を高めることができる電池パックを提供することを目的とする。
(1) 本発明に係る電池パックは、金属製の底面パネル(例えば、後述の底面パネル2)内に、複数の電池セルを有する電池セル集合体(例えば、後述の電池セル集合体3)と、前記電池セル集合体の下面(例えば、後述の下面3a)に接して配置される冷却プレート(例えば、後述の冷却プレート4)と、が収容されると共に、前記底面パネルの上面(例えば、後述の上面2a)は、前記冷却プレートの下面(例えば、後述の下面4b)から離隔している電池パック(例えば、後述の電池パック1)であって、前記底面パネルは、前記冷却プレートに向けて部分的に凸となる形状とされた上突部(例えば、後述の上突部24)を有し、前記上突部は、外部からの入熱時の前記底面パネルの熱膨張による伸びによって、前記上突部が前記冷却プレートに向けて変形することにより、前記冷却プレートの前記下面に接触し得る高さを有する。
上記(1)に記載の電池パックによれば、底面パネルが外部からの入熱により高温状態になると、熱膨張による伸びによって、上突部が冷却プレートに向けて上方に変形し、冷却プレートの下面に接触することにより冷却され、温度上昇が抑制される。上突部は、底面パネル自体の板厚を何ら変更する必要はないため、電池パックの重量増加を招くことなく、耐火性能を高めることができる。また、底面パネルに上突部が設けられることによって、底面パネル自体の強度も高められるため、電池パックの車両幅方向又は車両進行方向に対する耐衝撃性も向上する。
(2) (1)に記載の電池パックにおいて、前記電池セル集合体は、前記底面パネルに対して複数の締結部位(例えば、後述のスタッドボルト23)において締結され、前記上突部は、前記締結部位に挟まれる領域に配置されることが好ましい。
上記(2)に記載の電池パックによれば、底面パネルは、締結部材において熱膨張による伸びが拘束されるため、締結部位に挟まれる領域に熱膨張による伸びを集中させることができる。このため、底面パネルの入熱時に、締結部位に挟まれる領域内の上突部を、冷却プレートに向けて効果的に変形させることができる。
(3) (1)又は(2)に記載の電池パックにおいて、前記底面パネルの前記上面には、前記電池セル集合体を収容する収容領域(例えば、後述の収容領域20a、20b、20c)を区画する区画部材(例えば、後述のクロスメンバ21)が取り付けられ、前記上突部は、前記収容領域内に配置されることが好ましい。
上記(3)に記載の電池パックによれば、区画部材が上突部の上方への変形を阻害することがない。
(4) (1)〜(3)のいずれかに記載の電池パックにおいて、前記上突部の上面(例えば、後述の上面24a)は、前記底面パネルの前記上面よりも高く、且つ、通常時、前記冷却プレートに接触しない高さを有することが好ましい。
上記(4)に記載の電池パックによれば、上突部の上面の高さは、底面パネルの上面よりも高いため、熱膨張による伸びが発生した際には、上突部を速やかに冷却プレートに接触することができる。また、通常時には、底面パネルは冷却プレートに対して非接触となるため、冷却プレートによる電池セル集合体の冷却機能を阻害することはない。
本発明によれば、重量増加を伴うことなく、耐火性能を高めることができる電池パックを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明に係る電池パックにおいてカバーパネルを外した状態を示す斜視図である。図2は、図1に示す電池パックの分解斜視図である。図3は、図1中のA−A線に沿う断面図である。図4は、図1中のB−B線に沿う断面図である。図5は、本発明に係る電池パックにおける電池セル集合体と冷却プレートの取付け構造の一例を示す断面図である。図中に示す方向において、X方向は車両幅方向を示し、Y方向は車両進行方向を示し、Z方向は車両上方を示す。
図1は、本発明に係る電池パックにおいてカバーパネルを外した状態を示す斜視図である。図2は、図1に示す電池パックの分解斜視図である。図3は、図1中のA−A線に沿う断面図である。図4は、図1中のB−B線に沿う断面図である。図5は、本発明に係る電池パックにおける電池セル集合体と冷却プレートの取付け構造の一例を示す断面図である。図中に示す方向において、X方向は車両幅方向を示し、Y方向は車両進行方向を示し、Z方向は車両上方を示す。
本実施形態の電池パック1は、ハイブリッド車又は電気自動車のフロアパネル(図示せず)の下側に配設されるものである。この電池パック1は、底面パネル2上に、複数の電池セル集合体3と、冷却プレート4と、を収容している。電池パック1は、底面パネル2の外周に設けられた取付け部25、26によって、フロアパネルの下面に締結される。なお、底面パネル2には、電池セル集合体3及び冷却プレート4の上方を覆うカバープレートが設けられるが、本実施形態では図示を省略している。
底面パネル2は、金属製であり、略平板皿状に形成される。金属としては、軽量化を図る観点から、一般にアルミ又はアルミ合金が用いられる。底面パネル2の上面2aには、車両幅方向に沿って延びる複数本のクロスメンバ21と、車両進行方向に沿って延びる複数本のブラケット22とが、溶接等によって固定されている。
クロスメンバ21は、底面パネル2を補強するための補強部材であり、底面パネル2と同様の金属材により形成される。本実施形態では、3本のクロスメンバ21が、互いに間隔をあけて平行に配置され、底面パネル2の上面2aから上方に所定の高さで突出している。底面パネル2の上面2aにおいて、クロスメンバ21は、電池セル集合体3の収容領域を区画する区画部材としても機能する。即ち、底面パネル2の上面2aには、底面パネル2の外周を縁取る外周リム部2bと3本のクロスメンバ21とによって、電池セル集合体3を収容するための、車両幅方向に長い、3つの矩形状の収容領域20a、20b、20cが区画される。本実施形態では、車両進行方向の先頭側の収容領域20aと後尾側の収容領域20cとで略同一の面積であり、それらの間の収容領域20bは、収容領域20a、20cの約半分の面積とされている。
ブラケット22は、電池セル集合体3を載置して取り付けるための土台となる部位であり、底面パネル2と同様の金属材により形成される。ブラケット22は、底面パネル2の上面2aから上方に所定の高さで突出している。このブラケット22の高さは、クロスメンバ21の高さよりも低い。本実施形態の底面パネル2の上面2aには、所定の間隔で平行に配置された2本のブラケット22、22を一組として、同じ間隔で配置されたブラケット22、22の組を、車両幅方向に二組有している。一組の2本のブラケット22、22の間隔は、1個の電池セル集合体3の車両幅方向の両端部の間隔に対応する。3本のクロスメンバ21は、これら4本のブラケット22の上を跨ぐように、略直交している。
電池セル集合体3は、複数個の電池セル(図示せず)を、車両幅方向に沿って積層して一体化することにより、車両幅方向に長い略直方体形状に構成される。本実施形態の電池パック1は、車両幅方向に沿って2個の電池セル集合体3が並置されると共に、車両進行方向に沿って5個の電池セル集合体3が並置され、全体で10個の電池セル集合体3がマトリックス状に配列されている。収容領域20a、20c内には、4個ずつの電池セル集合体3が収容され、収容領域20b内には、2個の電池セル集合体3が収容される。
各電池セル集合体3の車両幅方向の両端部は、収容領域20a、20b、20c内の組をなす2本のブラケット22、22上にそれぞれ載置される。ブラケット22には、電池セル集合体3の両端部に対応する位置に、上方に向けて突出するスタッドボルト23を有する。電池セル集合体3は、電池セル集合体3の四隅に配置される4本のスタッドボルト23により、底面パネル2に締結される。従って、スタッドボルト23は、電池セル集合体3の締結部位を構成する。
冷却プレート4は、底面パネル2の上面2aと電池セル集合体3の下面3aとの間に配置される。冷却プレート4は、車両幅方向に沿って長尺に形成されており、本実施形態では、5個の冷却プレート4が、車両幅方向に沿って配列される2個の電池セル集合体3、3に対して1個ずつ対応して配置される。冷却プレート4の上面4aは、電池セル集合体3の下面3a(電池セル集合体3を構成する各電池セルの下面)にそれぞれ接触する。冷却プレート4は、一端に冷却水の流入部41を有し、内部の冷却水の冷熱によって電池セル集合体3の各電池セルを冷却する。
冷却プレート4は、各収容領域20a、20b、20c内のブラケット22上に載置され、電池セル集合体3と同様に、ブラケット22から突出するスタッドボルト23を使用して締結される。具体的には、図5に示すように、冷却プレート4の取付け孔4cの内周に、断熱性を有するゴムリング42が装着され、更にこのゴムリング42の内周に、円筒状のカラー43が装着される。カラー43は、軸方向の両端部にフランジ43a、43aを有する。ゴムリング42は、このフランジ43a、43aの間に配置される。カラー43は、ブラケット22から突出するスタッドボルト23の外周に嵌合した状態で、ブラケット22上に載置される。更に、カラー43の上部に電池セル集合体3が載置される。スタッドボルト23は、冷却プレート4のカラー43及び電池セル集合体3の取付け孔3bを貫通して上方に突出し、ナット23aによって、電池セル集合体3及び冷却プレート4を底面パネル2に対して締結する。
これにより、底面パネル2の上面2aは、冷却プレート4の下面4bと接触せず、冷却プレート4の下面4bから離隔して配置される。また、冷却プレート4は、ゴムリング28によって、カラー27と直に接触しない。従って、通常時の冷却プレート4は、底面パネル2に対して熱的に絶縁される。なお、「通常時」とは、電池パック1が常温に置かれた時又は車両に搭載されて正常に使用されている時のことをいう。
図2〜図4に示すように、底面パネル2は、冷却プレート4に向けて部分的に凸となる形状とされた上突部24を有する。上突部24は、底面パネル2を部分的に上方に向けて変形させることによって形成された部位である。従って、底面パネル2の板厚は、上突部24とそれ以外の部位とで実質的に変化はない。上突部24は、底面パネル2を、例えばプレス成形することによって形成することができる。なお、本明細書において、底面パネル2の「上面2a」は、底面パネル2における、外周リム部2b、クロスメンバ21、ブラケット22及び上突部24を除いた領域の上面を指すものとする。
本実施形態の上突部24は、収容領域20a、20c内の冷却プレート4の下方に対応するように、先頭側と後尾側の二つの収容領域20a、20c内に二つずつ設けられている。具体的には、上突部24は、各収容領域20a、20c内に車両進行方向に沿って配置される二つの電池セル集合体3、3に対して一つずつ対応している。各上突部24は、収容領域20a、20c内の組をなす2本のブラケット22、22上に突設され、車両幅方向に離隔して配置されているスタッドボルト23、23の間に挟まれる領域に配置されている。更に具体的には、上突部24は、クロスメンバ21、21とブラケット22、22と、又は、クロスメンバ21及び外周リム部2bとブラケット22、22と、で囲まれる一つの矩形領域毎に一つずつ形成されている。上突部24は、矩形領域の大部分の面積を占める大きさを有し、矩形領域の中央部に配置されている。
上突部24の具体的な平面形状は、特に限定されず、例えば円形状とすることもできるが、本実施形態では矩形状とされている。上突部24を矩形状とすることにより、クロスメンバ21及びブラケット22で囲まれた矩形領域内に、可及的に大きな面積の上突部24を形成することができる。但し、上突部24が形成される領域は、必ずしも矩形状に限らない。上突部24の平面形状は、上突部24が形成される領域の平面形状に応じて、様々な形状とすることができる。
上突部24の上面24aの断面形状は、上方に凸となるように湾曲した形状とすることもできるが、本実施形態の上突部24の上面24aは、図3、図4に示すように、平坦面とされている。底面パネル2に設けられる全ての上突部24の上面24aの高さ(底面パネル2の上面2aからの高さ)は同一である。上突部24の上面24aは、通常時、底面パネル2の上面2aよりも冷却プレート4の下面4bに近接しているが、冷却プレート4の下面4bには接触しない程度の高さを有する。底面パネル2の上面2aと上突部24の上面24aとの間は、なだらかに連続する傾斜面とされている。
次に、この電池パック1において、法規(例えば、欧州:ECE−R100、中国:GB/T)に基づく試験を実施する場合のように、底面パネル2を構成する金属の融点を超える熱が外部から加えられた場合の底面パネル2の作用について、図6A、図6Bを参照して説明する。図6A、図6Bは、本発明に係る電池パックの底面パネルに入熱した際の上突部の作用を説明する図である。図6A、図6Bは、電池パック1を図1中のB−B線に沿う断面で示している。
電池パック1の底面パネル2への外部からの入熱により、底面パネル2が通常時の状態を逸脱した高温状態になると、底面パネル2には熱膨張による伸びが発生する。しかし、底面パネル2は、取付け部25、26によってフロアパネル(図示せず)に締結されているため、これら取付け部25、26の部位において拘束されているため、底面パネル2は、外側に向かってほとんど伸びることができず、内側に向かって伸びるようになる。
一方、底面パネル2内には、ブラケット22上において、複数のスタッドボルト23によって、電池セル集合体3が締結されているため、底面パネル2は、これらスタッドボルト23における締結部位において、車両幅方向及び車両進行方向のいずれの方向にも拘束される。このため、底面パネル2の伸びは、収容領域20a、20cにおいて車両幅方向に沿って配置されるスタッドボルト23、23の間に挟まれる領域に集中する。
底面パネル2の伸びがスタッドボルト23、23の間に挟まれる領域に集中することにより、図6A中に矢印で示すように、底面パネル2の伸びは、上突部24の中央部に向かうようになる。図6Aは、底面パネル2を車両幅方向に見た場合の伸びを示しているが、車両進行方向に見た場合も同様の伸びを示す。上突部24は、上方の冷却プレート4に向けて凸となる形状を有するため、上突部24が中央部に向けて伸びることにより、徐々に上方の冷却プレート4に向けて膨出するように変形する。その結果、上突部24の上面24aは、伸びの進行に伴い、図6Bに示すように、やがて冷却プレート4の下面4bに接触する。
このように、電池パック1の底面パネル2が外部からの入熱により高温状態になると、上突部24が熱膨張による伸びによって冷却プレート4の下面4bに接触するため、底面パネル2は、冷却プレート4内の冷却水によって冷却され、温度上昇が抑制される。その結果、電池パック1の耐火性能が高められ、底面パネル2が直ちに溶融して穴が開いてしまうような事態を回避できる。しかも、底面パネル2に上突部24を形成しても、底面パネル2自体の板厚は実質的に変更されないため、電池パック1の重量増加を招くことはない。
また、底面パネル2に上突部24が形成されることにより、この上突部24が補強効果を発揮し、底面パネル2自体の強度も高められる。このため、電池パック1の車両幅方向又は車両進行方向に対する耐衝撃性も向上する効果が得られる。
本実施形態の上突部24は、区画部材であるクロスメンバ21により区画される収容領域20a、20c内に配置されるため、クロスメンバ21が上突部24の上方への変形を阻害することはない。また、本実施形態の上突部24の平面形状は略矩形状とされ、クロスメンバ21及びブラケット22で囲まれる矩形領域内に可及的に大きな面積で形成されるため、冷却プレート4の下面4bに対して広い面積で接触することができる。従って、上突部24が冷却プレート4に接触した際に、底面パネル2の温度上昇を効果的に抑制することができる。
上突部24の上面24aは、底面パネル2の上面2aよりも高い位置に配置される。このため、底面パネル2に熱膨張による伸びが発生した際には、上突部24を速やかに冷却プレート4に接触させることができる。一方、上突部24の上面24aは、通常時は、冷却プレート4と非接触となる高さに配置される。このため、通常時の底面パネル2は、冷却プレート4の冷熱を奪うことはなく、冷却プレート4による電池セル集合体3の冷却を阻害することはない。
上突部24の上面24aの具体的な高さ、及び、上突部24の上面24aと冷却プレート4の下面4bとの離隔距離は、特に限定されず、底面パネル2の線膨張係数、上面24aの面積や形状、底面パネル2へ加えられる温度等を勘案して、底面パネル2の熱膨張による伸びによって上突部24が冷却プレート4に向けて変形した時に、冷却プレート4の下面4bに速やかに接触し得るような高さ及び離隔距離に設定される。
なお、本実施形態の底面パネル2において、収容領域20bは、他の収容領域20a、20cに比べて小面積であり、2本のクロスメンバ21、21の間隔が近接しているため、収容領域20bの熱が2本のクロスメンバ21、21から逃げ易い構造とされている。このような場合には、本実施形態のように、収容領域20b内には必ずしも上突部24を設ける必要はない。しかし、この収容領域20b内にも上突部24を設けてもよいことはもちろんである。
1 電池パック
2 底面パネル
2a (底面パネルの)上面
20a、20b、20c 収容領域
21 クロスメンバ(区画部材)
23 スタッドボルト(締結部位)
24 上突部
24a (上突部の)上面
3 電池セル集合体
3a (電池セル集合体の)下面
4 冷却プレート
4b (冷却プレートの)下面
2 底面パネル
2a (底面パネルの)上面
20a、20b、20c 収容領域
21 クロスメンバ(区画部材)
23 スタッドボルト(締結部位)
24 上突部
24a (上突部の)上面
3 電池セル集合体
3a (電池セル集合体の)下面
4 冷却プレート
4b (冷却プレートの)下面
Claims (4)
- 金属製の底面パネル内に、複数の電池セルを有する電池セル集合体と、前記電池セル集合体の下面に接して配置される冷却プレートと、が収容されると共に、前記底面パネルの上面は、前記冷却プレートの下面から離隔している電池パックであって、
前記底面パネルは、前記冷却プレートに向けて部分的に凸となる形状とされた上突部を有し、
前記上突部は、外部からの入熱時の前記底面パネルの熱膨張による伸びによって、前記上突部が前記冷却プレートに向けて変形することにより、前記冷却プレートの前記下面に接触し得る高さを有する、電池パック。 - 前記電池セル集合体は、前記底面パネルに対して複数の締結部位において締結され、
前記上突部は、前記締結部位に挟まれる領域に配置される、請求項1に記載の電池パック。 - 前記底面パネルの前記上面には、前記電池セル集合体を収容する収容領域を区画する区画部材が取り付けられ、
前記上突部は、前記収容領域内に配置される、請求項1又は2に記載の電池パック。 - 前記上突部の上面は、前記底面パネルの前記上面よりも高く、且つ、通常時、前記冷却プレートに接触しない高さを有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池パック。
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