JP5409635B2 - 高容量バッテリーシステムの均等送風冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム二次電池などの高容量バッテリーシステムの冷却構造に係り、より具体的には、冷却チャネルを挟んで離して配置される多数のバッテリーセルを含む高容量バッテリーシステム内で各バッテリーセルに対する均等な冷却を達成するための高容量バッテリーシステムの均等送風冷却構造に関する。

当技術分野で周知のように、一次電池とは異なり充電および放電が可能な二次電池は、デジタルカメラ、携帯電話、ノートブックコンピュータ、ハイブリッド自動車などの先端分野の開発に伴い、研究が盛んに行われている。二次電池としては、ニッケル−カドミニウム電池、ニッケル−メタルヒドリド電池、ニッケル−水素電池、リチウム二次電池を挙げることができる。これらの中でも、リチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖ以上であって、携帯用電子機器の電源として使用されるか、或いは数個〜数十個を直列に接続して高出力のハイブリッド自動車に使用される。ニッケル−カドミニウム電池またはニッケル−メタルヒドリド電池に比べて、リチウム二次電池は、作動電圧が３倍高く、単位重量当りのエネルギー密度の特性にも優れるため、急速に使用されている趨勢である。

リチウム二次電池は、多様な形態で製造可能であるが、その代表的な形状としては、リチウムイオン電池に主に採用される円筒形（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｔｙｐｅ）および角柱形（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｔｙｐｅ）を挙げることができる。最近脚光を浴びているリチウムポリマー電池は、柔軟性を持つパウチ形（ｐｏｕｃｈｅｄ ｔｙｐｅ）に製造されるため、その形状が比較的自由である。また、リチウムポリマー電池は、安全性にも優れるうえ、重量も軽いため、携帯用電子機器のスリム化および軽量化に有利である。

本発明は、このような多数のパウチ形二次電池（例えば、バッテリーセル）が互いに組み立てられてなるセル組み立て体（ｃｅｌｌ ａｓｓｅｍｂｌｙ）の形態で使用される高出力バッテリーシステムに関するが、次に、この高出力バッテリーシステムの従来の例について図１および図２を参照して説明する。

図１は、従来のリチウム二次電池システム１００の外観を概略的に示す斜視図、図２は図１のシステムの冷却構造を概略的に示す平面図である。

図１および図２を参照すると、従来のリチウム二次電池システム１００は、個々の間に冷却チャネルＣＨ_１、ＣＨ_２、ＣＨ_３、・・・ＣＨ_ｎを形成する多数のバッテリーセルＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、・・・からなるセル組み立て体４０と、内部にセル組み立て体４０を収容し、両端に流入口２０と流出口３０を有するハウジング１０とを含んでなり、流入口２０、流出口３０、およびそれらの間の多数の冷却チャネル５０、例えば８８個の冷却チャネルＣＨ_１、ＣＨ_２、ＣＨ_３、・・・、ＣＨ_ｎ（ここでｎ＝８８）によって「Ｚ」字形の流路が形成された冷却構造を有する。

例えば、ハウジング１０内のセル組み立て体４０の両側面に沿って設けられる第１空間６０および第２空間７０がそれぞれ流入口２０と流出口３０に連結され、これらの第１および第２空間が多数の冷却チャネル５０を介して連結されることにより、Ｚ字形の流路が流入口２０−第１空間６０−多数の冷却チャネル５０−第２空間７０−流出口３０の順序で形成される。

このようにＺ字形の流路を有する既存のリチウム二次電池システムの場合、流入口を介
して流入する空気（冷却媒体）がその反対側面に設けられた流出口に向かってシステムの内部（例えば、冷却チャネル）を通過し、これにより、空気が通過する経路に隣接したバッテリーセルが冷却される。ところが、このような構造で、空気が特定の冷却チャネルに集中する現象が発生することにより、全体システムを基準として冷却効率が部分的に偏重した結果をもたらすという問題が発生した。

例えば、図１に示したシステムの場合、合計８８個の冷却チャネルに対して、流入口に面した側から流出口に面した側への順序で番号を付し、各冷却チャネルに対する冷却効率を比較すると、流出口に面した側の冷却チャネル（例えば、大きい番号の冷却チャネル）に対する冷却効率が流入口に面した側の冷却チャネル（例えば、小さい番号の冷却チャネル）より高いという結果を得た。また、流入口と流出口の大きさ、第１および第２空間の大きさなどを変更する場合にも、Ｚ字形の流路を有する冷却構造の特性上、全ての冷却チャネルに対して均等な送風効果を示すことができなかった。

結果的に、Ｚ字形の流路を備えたリチウム二次電池システムにおいて、多数の冷却チャネルに対する冷却効率が互いに異なることにより、各チャネルに隣接して配置されるバッテリーセルに対する冷却効率が異なり、これにより全体システムに対する冷却効率の低下をもたらすという問題が生じた。

本発明の目的は、多数の冷却チャネルを備えたリチウム二次電池システムにおいて、各冷却チャネル別に均一な量の空気が通過するようにする、均等送風冷却構造を提供することにある。

本発明の他の目的は、各冷却チャネル別に均一な量の空気を通過するようにすることにより、各チャネルに隣接したバッテリーセルを均等に冷却させることができる、高容量バッテリーシステム（リチウム二次電池システム）の均等送風冷却構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、個々の間に冷却チャネルを形成しながら平行に離して配置された多数のバッテリーセルを含むセル組み立て体と、前記セル組み立て体を内部に収容し、前記冷却チャネルの形成方向に対して垂直に前記セル組み立て体の両側面に沿って設けられる第１および第２空間を確保するハウジングと、それぞれ前記ハウジング内の前記第１および第２空間と連通するように前記ハウジングの両側面に設けられる流入口および流出口とを含んでなり、前記流入口は前記第１空間の一端部側に設けられ、前記流出口は前記第２空間の両端部側に設けられることにより、前記ハウジング内の空気が実質的に「ｈ」字形の流路に沿って流れ、これにより各バッテリーセルに対する空間冷却が前記冷却チャネルに対して均等に行われることを特徴とする、高容量バッテリーシステムの均等送風冷却構造を提供する。

本発明の別の観点によれば、流出口は、流入口に対応する第１流出口、および第１流出口に対向する第２流出口からなり、この際、第１流出口の断面が第２流出口の断面より小さいことを特徴とする。

本発明の別の観点によれば、第１流出口の断面と第２流出口の断面との大きさの比は２：５であることを特徴とする。

本発明の別の観点によれば、セル組み立て体は少なくとも９０個のバッテリーセルを含
むことを特徴とする。

本発明の別の観点によれば、流入口には外気をハウジングの内部に供給するための送風ファンが備えられたことを特徴とする、
本発明の別の観点によれば、ハウジングは、セル組み立て体が支持される床板、および床板と結合してセル組み立て体の収容空間を形成する断面略逆「Ｕ」字形の蓋からなり、セル組み立て体と蓋との間に第１および第２空間が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、離して配置されたバッテリーセルの間に冷却チャネルが備えられた高容量バッテリー（リチウム二次電池）システムの冷却構造では、流入口、冷却チャネルおよび流出口を介して空気（冷却媒体）が送風される。この際、流出口は対向する２つの流出口から構成されることにより、各冷却チャネルに対する均等送風を誘導することができる。よって、各冷却チャネルを通過する空気の量が均一であるから、各冷却チャネルの周辺に配置された全てのバッテリーセルに対して比較的均等な冷却効果を実現することができる。

図１は、従来のリチウム二次電池システムの一例を示す概略斜視図である。 図２は、図１のシステムの冷却構造を概略的に示す図である。 図３は、本発明の一実施例に係るリチウム二次電池システムを示す概略斜視図である。 図４は、図３の蓋の一部が除去された状態を示す部分断面斜視図である。 図５は、図３のシステムの冷却構造を概略的に示す図である。 図６は、図５の冷却構造によるチャネル別送風結果を示すグラフである。 図７は、図６の第１比較実施例として、図２の冷却構造によるチャネル別送風結果の第１例を示すグラフである。 図８は、図６の第２比較実施例として、図２の冷却構造によるチャネル別送風結果の第２例を示すグラフである。 図９は、図６の第３比較実施例として、図２の冷却構造によるチャネル別送風結果の第３例を示すグラフである。 図１０は、図６の第４比較実施例として、図２の冷却構造によるチャネル別送風結果の第４例を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。

図３は本発明に係るリチウム二次電池システム２００の外観を概略的に示す斜視図、図４は図３の蓋の一部が除去された状態を示す部分断面斜視図、図５は図３のシステムの冷却構造を概略的に示す平面図である。

図３〜図５を参照すると、本発明に係るリチウム二次電池システム２００は、個々の間に冷却チャネルＣＨ_１、ＣＨ_２、ＣＨ_３、・・・、ＣＨ_ｎを形成する多数のバッテリーセルＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、・・・から構成されるセル組み立て体１４０と、セル組み立て体１４０を内部に収容し、両端に流入口１２０および一対の流出口１３０ａ、１３０ｂを有するハウジング１１０とを含み、流入口１２０、一対の流出口１３０ａ、１３０ｂ、および前記流入口１２０と一対の流出口１３０ａ、１３０ｂとの間の多数の冷却チャネル１５０、例えば８８個の冷却チャネルＣＨ_１、ＣＨ_２、ＣＨ_３、・・・、ＣＨ_ｎ（ここで、ｎ＝８８）によっていわゆる「ｈ」字形の流路を形成する冷却構造を持つ。

例えば、ハウジング１１０内のセル組み立て体１４０の両側面に沿って設けられる第１空間１６０および第２空間１７０がそれぞれ流入口１２０と一対の流出口１３０ａ、１３０ｂに連結される。これらの第１および第２空間が多数の冷却チャネル１５０を介して連結されることにより、「ｈ」字形の流路が流入口１２０−第１空間１６０−多数の冷却チャネル１５０−第２空間１７０−一対の流出口１３０ａ、１３０ｂの順序で形成される。

すなわち、ハウジング１１０内のセル組み立て体１４０の両側面に沿って形成される第１／第２空間１６０／１７０のうち、第１空間１６０がその一端で流入口１２０と連結され、第２空間１７０がその両端で一対の流出口１３０ａ、１３０ｂと連結される。

また、このような冷却構造は、図４に示すように、セル組み立て体１４０が設置される床板１１２と、床板１１２の上に覆われ、セル組み立て体１４０の両側面に第１および第２空間１６０、１７０を形成するように構成された断面略逆「Ｕ」字形の蓋１１４とを備えたハウジング１１０によって構成できる。このような構造において、例えば蓋１１４と床板１１２間の結合位置（例えば、締結孔１１６の位置）を調整することにより、第１および第２空間の大きさ（断面）を調整することができるという点は自明である。結合位置の調整は、床板と蓋との結合部位に使用される多様な形態の結合手段（例えば、ボルト、ナット、リベットなど）を適切に配置することにより行われ得る。

締結孔１１６の位置は固定された形態で図示されているが、第１および第２空間の大きさを変更させるために、床板または蓋のいずれか一方に設けられた締結孔の位置を変更することができるという点は自明である。

ｈ字形の流路を有するリチウム二次電池システムの場合、流入口を介して流入する空気（冷却媒体）が、その反対側面の両端に設けられた一対の流出口に向かってシステムの内部（例えば、冷却チャネル）を均一に通過し、これにより、空気が通過する経路に隣接したバッテリーセルが冷却される。このような構造で、空気が多数の冷却チャネル全体に対して均等に通過することにより、各チャネル別冷却効率が均一になり、ひいてはシステム全体の冷却効率を向上させる効果をもたらすことができる。

例えば、図１に示したシステムの場合、合計８８個の冷却チャネルに対して、流入口に対応する第１流出口１３０ａからそれに対向する端部の第２流出口１３０ｂに向かった順序で番号を付し、各冷却チャネルに対する冷却効率を比較すると、第１流出口１３０ａに面した側の冷却チャネル（例えば、小さい番号の冷却チャネル）に対する冷却効率が第２流出口１３０ｂに面した側の冷却チャネル（例えば、大きい番号の冷却チャネル）の冷却効率と類似であるという結果を発見することができた。

すなわち、本発明では、従来の技術とは異なり、流出口が両端部に分散して構成されることにより、システムの内部を通過する空気（冷却媒体）が両端部の流出口に向かって均一に分散して全体冷却チャネルに対して均等な冷却効率を実現することができる。

次に、このような本発明の特徴を簡単な実験結果によって例示する。

限定されたサイズの冷却チャネルを通過する空気（冷却媒体）の量はそのチャネルを通過する空気の速度に対応するということから、本出願人は、例えば、８８個の冷却チャネルを備えたシミュレーションモデルを製作し、各チャネルに対する冷却媒体（空気）の速度を測定するために流速測定器を使用した。

具体的には、実験は、８８個の冷却チャネルと、各チャネルに対してそのチャネルを通過する空気の流速を測定することが可能な流速測定器と、これらの冷却チャネルを通過す
る空気がシステムの内部に流入する流入口および外部に流出する流出口とを備えたモデルに基づいて行われた。

また、本発明によって、流出口は流入口が設けられた端部に対応する第１流出口と、その反対端部の第２流出口とに区分されたモデル、およびこれに対する比較モデルとして、流入口と流出口がそれぞれ１つずつ設けられた既存のモデルを準備した。また、既存のモデルは、流入口と流出口の大きさ（断面）が可変的に調整されることにより、本発明に対する多様な比較実施例を得るように準備した。

参考までに、８８個の冷却チャネルは、流入口に面した側からその反対側への順序で１〜８８の番号が付された。各冷却チャネル内の空気の流速を測定するために、ホットワイヤ流速測定器（ｈｏｔ ｗｉｒｅ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）が使用された。便宜上、全ての冷却チャネルに対してその流速を測定するのではなく、奇数番目、例えば１，３，５，７，・・・，８５，８７，８８番目の冷却チャネルに対してその内部を通過する空気の流速を測定した。

流入口は、送風ファンが追加されて空気が流入するため、ダクトを形成することが好ましい。これに対し、流出口の場合は、出口ダクトを形成し或いはダクトなしで吐出口のみを形成してもよい。例えば、流入口の場合、システム内に供給される空気の量が流入口の形態に応じて調整できる。これとは異なり、流出口の場合、流入口から供給された空気が外部に無理なく排出できる条件の下でいずれの形態を持ってもよいという点は自明である。また、システムの内部に供給される空気の量は、流入口の形態と共に、流入口に備えられた送風ファンの性能に左右できる。例えば、送風ファンに供給される電源の大きさを調整することにより、システムの内部に供給される空気の全体量を調整することができる。

図６は図５の冷却構造によるチャネル別送風結果を示すグラフ、図７〜図１０はそれぞれ図６に対する第１〜第４比較実施例であって、図２の冷却構造によるチャネル別送風結果を示すグラフである。この際、各比較実施例は、流入口と流出口がそれぞれ１つずつ設けられた既存のモデルにおいて流入口と流出口の大きさ（断面）のみが変更された状態における結果を示す。

図６によれば、本発明によって第１流出口と第２流出口が設けられた場合、大部分の冷却チャネルに対して比較的均一な速度が得られることを確認することができる。この際、第１空間の流入口側の幅は５０ｍｍ、その反対側の幅は３ｍｍである。また、第２空間の第１流出口側の幅は２０ｍｍ、第２流出口側の幅は５０ｍｍである。図６において、四角形（■）で表示された線は送風ファンへ１２Ｖ、１．８５Ａの電源が供給された場合を示し、菱形（◆）で表示された線は送風ファンへ８Ｖ、１．１２Ａの電源が供給された場合を示す。このように、供給される電源の大きさを問わず、大部分の冷却チャネルにおいて空気が一定の範囲速度内で流れることが分かる。これにより、２つの流出口（第１および第２流出口）が設けられることを特徴とする本発明に係る冷却構造は、各冷却チャネルに対する均等冷却効果をもたらし、且つ全体システムの効率的な冷却をもたらすことを確認することができる。

次に、図７〜図１０はそれぞれ本発明の構造に対する比較モデル（例えば、単一流出口のみを備えたモデル）で実験された結果を示すグラフであり、それぞれ第１〜第４比較実施例を示す。

これらの比較実施例は、流入口と流出口の大きさおよび個数が異なる以外は、本発明に係るモデル（システム冷却構造モデル）と同一の基準で設計された。例えば、これらの比較実施例に適用されたモデルは、単一流出口を備えるという点から、本発明に係るモデル
とは異なり、各比較実施例は次のような点で互いに異なる。

すなわち、図７の第１比較実施例では、第１空間の流入口側の幅が５０ｍｍであり、第２空間の流出口側の幅は５０ｍｍである。図８の第２比較実施例では、第１空間の流入口側の幅が５０ｍｍ、その反対側の幅は３ｍｍであり、第２空間の流出口側の幅が３０ｍｍ、その反対側の幅は５０ｍｍである。図９の第３比較実施例では、第１空間の流入口側の幅が５０ｍｍ、その反対側の幅は２ｍｍ、その中間部の幅は２０ｍｍであり、第２空間の流出口側の幅は５０ｍｍである。図１０に示した第４比較実施例では、第１空間の流入口側の幅が５０ｍｍ、その反対側の幅は２ｍｍであり、第２空間の流出口側の幅は５０ｍｍである以外は同一の条件で実験が実施された。

また、図６の場合と同様に、図７〜図１０において、四角形（■）で表示された線は送風ファンへ１２Ｖ、１．８５Ａの電源が供給された場合を示し、菱形（◆）で表示された線は送風ファンへ８Ｖ、１．１２Ａの電源が供給された場合を示す。

このような実験条件下で行われる、図６と比較される実験の結果は、図７〜図１０に示されている。すなわち、図６の場合とは異なり、これらの比較実施例は、流入口側に面した冷却チャネル（例えば、１、３、５番のチャネルのように小さい番号のチャネル）よりその反対側に面した冷却チャネル（例えば、８５、８７、８８番のチャネルのように大きい番号のチャネル）で相対的に速い流速を示す。これは、流出口側に面した冷却チャネルでより多くの量の空気が流れること、およびその周辺部のバッテリーセルが流入口側に面して設置されたバッテリーセルより冷却効率が高いことを示す。

このように、図７〜図１０に示したグラフは、単一流入口と単一流出口を備えたシステムに関するもので、流入口側より流出口側に面した冷却チャネルを介してさらに多くの空気が流れ、これによりその周辺のバッテリーセルがさらに冷却される結果を示す。これは本発明に係る冷却構造（例えば、２つの流出口を備えたシステム）の均等な送風に比べて全体的に冷却効率の低下をもたらす。

以上説明したように、本発明に係る均等送風冷却構造は、各バッテリーセル同士の間の冷却チャネルに対して比較的均等な送風を誘導し、これにより全体バッテリーセルに対する均等な冷却効果を得るためのもので、このために、システムから外部に空気が抜け出る流出口を既存の１つから２つに変更したことを構造的特徴とし、これにより２つの流出口（特に、第２空間の両端部に対向して設けられた第１流出口および第２流出口）を介して空気が排出されることにより、各冷却チャネルに対する均等冷却を実現することができる。

また、上述した特徴は、添付のグラフ（本発明に対する結果を示す図６、およびこれに対応する比較実施例１〜４に関する結果を示す図７〜図１０）によって実験的に裏付けられる。

１００、２００：冷却構造
１０、１１０：ハウジング
２０、１２０：流入口
３０、１３０ａ、１３０ｂ：流出口
４０、１４０：セル組み立て体
５０、１５０：多数の冷却チャネル
６０、１６０：第１空間
７０、１７０：第２空間
１１２：床板
１１４：蓋
１１６：締結孔
１２２：送風ファン
Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、・・・：バッテリーセル
ＣＨ_１、ＣＨ_２、ＣＨ_３、・・・、ＣＨ_ｎ：冷却チャネル

Claims (4)

1. 個々の間に冷却チャネルを形成しながら平行に離して配置された多数のバッテリーセルを含むセル組み立て体と、
   前記セル組み立て体を内部に収容し、前記冷却チャネルの形成方向に対して垂直に前記セル組み立て体の両側面に沿って設けられる第１および第２空間を確保するハウジングと、
   それぞれ前記ハウジング内の前記第１および第２空間と連通するように前記ハウジングの両側面に設けられる流入口および流出口とを含んでなり、
   前記流入口は前記第１空間の一端部側に設けられ、前記流出口は前記第２空間の両端部側に設けられることにより、前記ハウジング内の空気が実質的に「ｈ」字形の流路に沿って流れ、これにより各バッテリーセルに対する空間冷却が前記冷却チャネルに対して均等に行われ、
   前記流出口は前記流入口に対応する第１流出口、および前記第１流出口に対向する第２流出口からなり、前記第１流出口の断面は前記第２流出口の断面より小さいことを特徴とする、高容量バッテリーシステムの均等送風冷却構造。
2. 前記第１流出口の断面と前記第２流出口の断面との大きさの比は２：５であることを特徴とする、請求項１に記載の均等送風冷却構造。
3. 前記流入口には外気をハウジングの内部に供給するための送風ファンが備えられたことを特徴とする、請求項１に記載の均等送風冷却構造。
4. 前記ハウジングは、前記セル組み立て体が支持される床板、および前記床板と結合して前記セル組み立て体の収容空間を形成する断面略逆「Ｕ」字形の蓋からなり、前記セル組み立て体と前記蓋との間に前記第１および第２空間が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の均等送風冷却構造。

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