JP5938115B2 - バッテリーモジュール、バッテリー温度管理システム、および、該システムを備える車両 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
この出願は、以下の出願の優先権と利益を主張する。
１）２０１０年１２月２９日に中華人民共和国国家知識産権局（ＳＩＰＯ）に出願された中国特許出願第２０１０２０６９１７１７．２号；および、
２）２０１０年１２月３１日に中華人民共和国国家知識産権局（ＳＩＰＯ）に出願された中国特許出願第２０１０２０６９７９４８．４号。
上記の列挙された特許出願は、それらの全体において参照することにより本願に組み入れられる。

本開示は、パワーバッテリーの分野に関し、特に、バッテリーモジュール、バッテリー温度管理システム、および、該システムを備える車両に関する。

この節における記述は、本開示に関連する背景情報を単に与えるに過ぎず、従来技術を構成してもしなくてもよい。

地球上のエネルギー資源が使い果たされるのに伴って、また環境保護に対する重要性が高まるにつれて、電気自動車（ＥＶ）とハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が、僅かな排ガスや少ないエネルギー消費量などの利点に起因して、非常に注目されてきた。近年、ＥＶとＨＥＶの研究や売買に相次いで投資する会社や研究機関がますます多くなってきた。電気自動車やハイブリッド電気自動車の研究のなかで、パワーバッテリー技術が新たなエネルギー車両の開発を制限する場合がある重要な要素のうちの１つであることが分かってきた。

ＥＶ、ＨＥＶまたは同様の車両においては、通常、高出力要件を満たすために、高電力を伴うリチウムイオンバッテリーがパワーバッテリーとして使用される場合がある。車両のパワーバッテリーは高い放電速度を有するため、リチウムイオンバッテリーは急速放電プロセスにおいて多量の熱を生成しうる。温度が上昇すると、リチウムイオンバッテリーが著しく不均一な状態で稼動する場合があり、それ故、バッテリーの寿命に直接に影響を及ぼすとともに、安全上の重大な潜在的問題をもたらすことがある。したがって、リチウムイオンバッテリーが好ましい温度状態で稼動するようにするため、リチウムイオンバッテリーに対する優れた放熱が必要とされる。

また、ＥＶ、ＨＥＶまたは同様の車両において、パワーバッテリーは、エネルギー蓄積装置として重要な役割を果たすため、パワーバッテリーの性能は車両全体の性能に大きな影響を及ぼす。パワーバッテリーは、通常、直列に、並列に、或いは、直列かつ並列に接続される複数の単一セルにより形成される。現在、単一セルは、低温で例えば−２０℃を下回る温度で、或いは、高温で例えば４５℃を超える温度で、正常に作動しない場合があり、したがってパワーバッテリーを使用する車両が正常に駆動しない場合がある。

以上に鑑み、本開示は、従来技術に存在する問題のうちの少なくとも１つを解決することに向けられる。したがって、バッテリーモジュールが正常に作動することを確実にするべく、バッテリーモジュールを均一に冷却または加熱できるバッテリー温度管理システムを提供する必要がある。また、均一に冷却または加熱されうるとともに、温度一貫性を有しうるバッテリーモジュールを提供する必要もある。更に、前記バッテリーモジュールを備える車両を提供する必要がありうる。

本開示の一態様によれば、バッテリー温度管理システムを提供できる。バッテリー温度管理システムは、バッテリーモジュールと、冷却剤循環回路を介してバッテリーモジュールに接続される熱交換器と、冷媒循環回路を介して熱交換器に接続される温度制御装置とを備え、冷却剤循環回路内の冷却剤および冷媒循環回路内の冷媒は、熱交換器を介して互いに熱を交換し、冷却剤がバッテリーモジュールを通じて流れる際にバッテリーモジュールが冷却剤によって冷却または加熱される。

本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムによれば、バッテリーモジュールを冷却または加熱するための媒体として空気ではなく冷却剤が使用され、それにより、バッテリーモジュールが効果的に冷却または加熱される。また、冷却剤が循環的に流れることができるため、空気を介した熱交換に比べると、バッテリーモジュールを効率的に冷却または加熱でき、それによりバッテリーモジュールが温度一貫性を伴って常に正常な状態で作動することができる。

本開示の他の態様によれば、バッテリーモジュールを提供できる。バッテリーモジュールは、冷却プレートと該冷却プレート上に間隔を隔てて設けられる複数のセパレータプレートとを有する下側シェル体と、複数のセパレータプレートの上部と密閉接続される上側カバーと、複数のセパレータプレートの最前面および最後面とそれぞれ密閉接続されるフロントカバープレートおよびバックカバープレートとを備え、冷却プレート、上側カバー、フロントカバープレート、バックカバープレートおよび複数のセパレータプレートが、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部に受け入れるための複数の別個の密閉空間を形成するように密閉接続され、主流チャネルが上側カバーおよび冷却プレートのそれぞれの内部に形成され、主流チャネルと流体連通する分岐流チャネルがセパレータプレートのそれぞれの内部に形成される。

本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールによれば、冷却プレート、上側カバー、フロントカバープレート、バックカバープレートおよび複数のセパレータプレートが、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部に受け入れるための複数の別個の密閉空間を形成するように密閉接続され、主流チャネルが上側カバーおよび冷却プレートの内部に形成され、主流チャネルと流体連通する分岐流チャネルがセパレータプレートのそれぞれの内部に形成される。したがって、主流チャネル内へ流入する冷却剤は、分岐流チャネルのそれぞれへ流入することができ、その後、主流チャネル内へ流入でき、それにより複数の別個の密閉空間内のバッテリーコアと電解質を効果的にかつ均一に冷却または加熱できる。したがって、バッテリーモジュール内の温度一貫性が確保されうる。

本開示の更なる他の態様によれば、バッテリー温度管理システムを備える車両も提供することができる。

本開示の実施形態の更なる態様と利点が、部分的に以下の説明において与えられ、部分的に以下の説明から明らかになり、或いは、本開示の実施形態の実施から分かる。

本開示のこれらの態様および他の態様並びに利点は、図面と併せて解釈される以下の説明から明らかになり、更に容易に理解されるようになる。
本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムの概略図 本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムの制御原理図 本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールの斜視図 本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールの下側シェル体の斜視図 本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールの上側カバーの斜視図 本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールの断面図

当業者であれば分かるように、本開示は、その思想または本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具現化されてもよい。したがって、ここに開示される実施形態は、あらゆる点で例示的と見なされ、限定的に見なされない。同一または類似する要素、および、同一または類似する機能を有する要素が、説明の全体に亘って同様の参照符号により示される。

以下、図面を参照して、本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムについて説明する。

図１に示されるように、本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムは、バッテリーモジュール１と、熱交換器２１と、冷却機能を有するとともに選択的に加熱機能を有する温度制御装置３とを備えうる。或る実施形態において、バッテリー温度システムは、バッテリーモジュールと空調システムの両方を有する車両（図示せず）に設けられてもよい。もしくは、車両の空調システムが温度制御装置３として使用されてもよい。

１つの実施形態では、冷却機能のみを有する温度制御装置３が典型的に例示される。しかしながら、温度制御装置３は、バッテリーモジュールを加熱するために使用されうる加熱機能を伴って構成されてもよいことに留意すべきである。また、温度制御装置３は、状況が必要としうるときには、加熱冷却機能を伴って構成されてもよい。図１に示されるように、熱交換器２１は、冷却剤循環回路２２を介してバッテリーモジュール１と接続され、温度制御装置３は、冷媒循環回路２３を介して熱交換器２１と接続される。冷却剤循環回路２２内の冷却剤は、バッテリーモジュール１と熱交換器２１を通じて流れ、その冷却剤がバッテリーモジュール１を通じて流れる際にバッテリーモジュール１が冷却剤によって冷却される。冷媒循環回路２３内の冷媒は、温度制御装置３と熱交換器２１を通じて流れ、温度制御装置３を通じて流れる際に冷却される。冷却剤循環回路２２内の冷却剤および冷媒循環回路２３内の冷媒は、熱交換器２１を介して互いに熱を交換する。したがって、冷却剤は、バッテリーモジュール１を通じて流れてバッテリーモジュール１を冷却した後、熱交換器２１を通じて流れて、熱交換器２１を介して冷媒と熱を交換することにより、冷却された冷却剤となり、その後、冷却された冷却剤は、バッテリーモジュール１を繰り返し冷却するためにバッテリーモジュール１を通じて再び流れる。

或る実施形態において、温度制御装置３は、車両内の冷却機能を有する従来の車載温度制御装置であってもよく、それにより車両内のその場の装置を効果的に利用しうる。また、車載空調装置は優れた冷却効果を有し、そのためパワーバッテリーの冷却効率を効果的に高める。１つの実施形態において、温度制御装置３は、蒸発器３３、圧縮器３２、および、圧縮器３２と接続される凝縮器３１を備える空調システムであってもよい。放熱を促進させるために凝縮器ファン３１１が凝縮器３１に設けられてもよい。凝縮器３１は、冷媒循環回路２３と接続される冷媒入口３１２および冷媒出口３１３をそれぞれ有する。冷媒循環回路２３内の冷媒は、熱交換器２１を通じて流れて冷却剤と熱を交換することにより高温冷媒となり、その高温冷媒は、冷媒入口３１２を介して凝縮器３１内に流入して放熱後に低温冷媒となり、その後、低温冷媒は元の熱交換器２１へと流入する。圧縮器３２は、凝縮器３１と流体連通する冷媒循環回路２３中に設けられる。圧縮器３２は、凝縮器３１および熱交換器２１を通じて冷媒が流通するように或いは冷媒が流通しないようにＯＮ／ＯＦＦされるように構成される。圧縮器３２は、給電されてもよく、また、圧縮器３２がＯＮされるときに冷媒の流速の調整に加えて冷媒が循環的に流れることができるようにしてもよい。高温高圧の液体冷媒になるように気体冷媒が圧縮器３２によって圧縮されてもよく、その後、その液体冷媒が、圧縮器３２から凝縮器３１内へと流入して、放熱後に常温高圧の液体冷媒になってもよい。温度制御装置３の部材、温度制御装置の配置および機能は、当該技術分野において良く知られており、趣旨を明確にするために、ここではその詳細な説明が省略される。

循環ポンプ２２１が冷却剤循環回路２２に設けられてもよく、循環ポンプ２２１は、バッテリーモジュール１および熱交換器２１を通じて冷却剤が流通するように或いは冷却剤が流通しないようにＯＮ／ＯＦＦされてもよい。循環ポンプ２２１は、冷却剤循環回路２２内で冷却剤を圧送するとともに、冷却剤がバッテリーモジュール１および熱交換器２１を通じて循環的に流れうるようにするために使用されてもよい。冷却剤がバッテリーモジュール１内へ流入すると、その冷却剤は、バッテリーモジュール１内で生み出される熱を取り除いて、加熱された冷却剤になり、その加熱された冷却剤は、熱交換器２１内へ流入して、冷媒循環回路２３内の冷媒と熱を交換することにより冷却された冷却剤になり、その後、その冷却された冷却剤が元のバッテリーモジュール１へと流入し、それによりバッテリーモジュール１を効果的に冷却する。循環ポンプ２２１は、電力によって駆動されてもよく、循環ポンプ２２１がＯＮにされているときに冷却剤の流速を調整してもよい。

１つの実施形態では、図２に示されるように、バッテリー温度管理システムが、バッテリーモジュール１からの温度信号に基づいて圧縮器３２と循環ポンプ２２１をＯＮ／ＯＦＦするための制御ユニット４１を更に含む。１つの実施形態では、制御ユニット４１が更に凝縮器ファン３１１をＯＮ／ＯＦＦするように構成される。

冷媒循環回路２３は、第１の分岐部２３１、即ち蒸発器分岐部と、第２の分岐部２３２とを含んでもよい。蒸発器３３は、車両のキャビンを冷却するために第１の分岐部２３１に配置され、熱交換器２１は、冷媒と冷却剤との間で熱を交換するために第２の分岐部２３２に配置される。第１の分岐部２３１には、蒸発器３１を通じた冷媒の流れを制御するための蒸発器コントローラ（図示せず）が更に設けられてもよい。また、冷媒循環回路２３には、熱交換器２１を通じた冷媒の流れを制御するための電磁弁３４が更に設けられてもよく、制御ユニット４１は、蒸発器コントローラと電磁弁３４をＯＮ／ＯＦＦ切り換えするべく制御するように構成されてもよい。

１つの実施形態において、制御ユニット４１は、入力冷却剤温度信号を制御ユニット４１へ与えるためにバッテリーモジュール１の冷却剤入力に配置される第１の温度センサ４３と、出力冷却剤温度信号を制御ユニット４１へ与えるためにバッテリーモジュール１の冷却剤出力に配置される第２の温度センサ４４とを備える。制御ユニット４１は、バッテリーモジュール１の状態を監視するために、ＥＶまたはＨＥＶにおける従来のバッテリー管理システム（ＢＭＳ）として実装されてもよい。制御ユニット４１は、循環ポンプ２２１、圧縮器２３、電磁弁３４および凝縮器ファン３１１のそれぞれと電気的に接続されうる。バッテリーモジュール１の温度が第１の所定値よりも高いと、制御ユニット４１は、循環ポンプ２２１と温度制御装置３をＯＮにするための命令を出力する。

電磁弁３４は、冷媒が熱交換器２１を通じて流れるようにするために、または、冷媒が熱交換器２１を通じて流れないようにするために、第２の分岐部２３２に配置されてもよい。バッテリーモジュール１を冷却する必要がない場合には、電磁弁３４がＯＦＦに切り換えられる。蒸発器コントローラは、冷媒が蒸発器３１を通じて流れるようにするために、または、冷媒が蒸発器３１を通じて流れないようにするために、第１の分岐部２３１に配置されてもよい。車両のキャビンを冷却する必要がない場合には、蒸発器コントローラがＯＦＦに切り換えられる。

１つの実施形態において、熱交換器２１は、バッテリーモジュール１を冷却または加熱するべく冷媒と冷却剤との間で熱を交換するための冷媒−冷却剤熱交換器である。１つの実施形態では、図１に示されるように、冷却剤循環回路２２が破線により示され、冷媒循環回路２３が実線により示され、冷却剤と冷媒の流動方向が矢印により示される。なお、冷却剤と冷媒が循環的に流れるのであれば、冷却剤と冷媒の流動方向は特に限定されない。冷却剤循環回路２２と冷媒循環回路２３とは別個に配置されて互いに連通されず、冷却剤循環回路２２および冷媒循環回路２３は熱交換器２１を介して互いに熱を交換する。冷却剤循環回路２２は、熱交換器２１を通じて流れる冷却剤を供給するとともにバッテリーモジュール１を通じた流れにおいて冷却剤を案内するために熱交換器２１と接続される。冷媒循環回路２３の第２の分岐部２３２は、熱交換器２１を通じて流れる冷媒を供給するとともに凝縮器３１を通じた流れにおいて冷媒を案内するために熱交換器２１と接続される。

熱交換器２１は、当業者に良く知られる熱交換機能を有する熱交換器であってもよい。冷却剤は、従来の冷却剤、例えば、水、エチレングリコール、または、これらの組み合わせであってもよく、或いは、特定の阻害剤を含む特定の冷却剤であってもよい。なお、冷却剤は、適した熱伝達性を有する任意の液体冷却剤であってもよい。冷媒は、車両の空調システムで使用される任意の従来の冷媒、例えばフロンであってもよい。

極低温、例えば−２０℃よりも低い温度でバッテリーモジュール１が正常に作動しないためにＥＶまたはＨＥＶが動作しないという事実を回避するべく、バッテリーモジュール１を加熱するための加熱装置が必要とされる場合がある。１つの実施形態では、温度制御装置３が冷却機能のみを有し、バッテリー温度管理システムが、熱交換器２１に配置される加熱装置５を更に備えてもよく、冷却剤循環回路２２内の冷却剤が加熱されるべく加熱装置５を通じて流れ、加熱装置５をＯＮ／ＯＦＦ制御するために制御ユニット４１が加熱装置５と電気的に接続される。加熱装置５は、加熱配線または正温度係数（ＰＴＣ）加熱プレートを含んでもよい。

或る実施形態において、バッテリーモジュール１は、ＥＶ車両またはＨＥＶ車両を駆動させるための冷却チャネルを有する任意のパワーバッテリーモジュールであってもよい。

特に、バッテリーモジュール１は、電力によって車両を駆動させるのに十分なエネルギーを蓄えてもよい。

１つの実施形態では、図３〜６に示されるように、バッテリーモジュール１が、冷却プレート１１０と冷却プレート１１０上に間隔を隔てて設けられる複数のセパレータプレート１１１とを有する下側シェル体１１と、複数のセパレータプレート１１１の上部と密閉接続される上側カバー１２と、複数のセパレータプレート１１１の最前面および最後面とそれぞれ密閉接続されるフロントカバープレート１３およびバックカバープレート１４とを備え、冷却プレート１１０、上側カバー１２、フロントカバープレート１３、バックカバープレート１４および複数のセパレータプレート１１１が、バッテリーコアおよび電解質（図示せず）をそれぞれ内部に受け入れるための複数の別個の密閉空間１１３を形成するように密閉接続され、主流チャネル１１０１，１２１が上側カバー１２および冷却プレート１１０の内部に形成され、主流チャネル１１０１，１２１と流体連通する分岐流チャネル１１１１がセパレータプレート１１１のそれぞれの内部に形成される。したがって、主流チャネル１２１内へ流入する冷却剤は、分岐流チャネル１１１１のそれぞれへ流入することができ、その後に主流チャネル１１０１内へ流入でき、それにより複数の別個の密閉空間１１３内のバッテリーコアと電解質を効果的にかつ均一に冷却または加熱する。このため、バッテリーモジュール１の温度一貫性が確保されうる。

図４に示されるように、下側シェル体１１は、冷却プレート１１０と、冷却プレート１１０上に間隔を隔てて設けられる複数のセパレータプレート１１１とを含み、隣接する２つのセパレータプレート１１１の間に空間１１２が形成され、冷却プレート１１０、上側カバー１２、フロントカバープレート１３、バックカバープレート１４および複数のセパレータプレート１１１が、複数の別個の密閉空間１１３を形成するように密閉接続される。図４に示されるように、容易な組み付けのために冷却プレート１１０上にセパレータプレート１１１が垂直に設けられてもよい。１つの実施形態では、冷却プレート１１０と複数のセパレータプレート１１１とが一体に形成され、このため冷却プレート１１０や複数のセパレータプレート１１１などの機械加工と組み付けが容易になる。他の実施形態では、複数のセパレータプレート１１１が別個に形成されてもよい。

１つの実施形態において、複数のセパレータプレート１１１は、冷却プレート１１０の最も外側に設けられる第１の外側プレート１１１および第２の外側プレート１１１と、その第１および第２の外側プレート１１１間の少なくとも１つの中間プレート１１１とを備え、外側プレート１１１は中間プレート１１１の厚さよりも大きい厚さを有する。このため、バッテリーモジュール１の全体の強度を高めることができる。図４に示されるように、１つの実施形態では、冷却プレート１１０が、６つの空間１１２を形成する７枚のセパレータプレート１１１を備え、これにより６つの別個の密閉空間１１３を形成するように６つの空間１１２が密閉され、また２枚の外側セパレータプレート１１１は５枚の中間プレート１１１よりも厚い。

上側カバー１２は、複数のセパレータプレート１１１の上部と密閉接続される。上側カバー１２と複数のセパレータプレート１１１との間の確実な接続を確保するため、１つの実施形態では、図４に示されるように、溝１１９がセパレータプレート１１１に形成され、その溝１１９と嵌合される突起（図示せず）が上側カバー１２に形成される。上側カバー１２と複数のセパレータプレート１１１との間の溝１１９に突起を接続することにより、上側カバー１２と複数のセパレータプレート１１１とが安定して接続される。他の実施形態では、図５に示されるように、上側カバー１２に溝１２３が形成されてもよく、その溝１２３と嵌合されるように突起（図示せず）がセパレータプレート１１１に形成されてもよく、それによって上側カバー１２と複数のセパレータプレート１１１とが安定して接続される。

図４〜６に示されるように、１つの実施形態では、冷却プレート１１０が主出口チャネル１１０１を含み、この主出口チャネル１１０１の一端には冷却剤出口１１５が形成され、上側カバー１２は、主入口チャネル１２１を含むとともに、冷却剤出口１１５の端部から離れて面する主入口チャネル１２１の側に冷却剤入口１２５を含み、各セパレータプレート１１１は、主入口チャネル１２１および主出口チャネル１１０１と接続される分岐流チャネル１１１１を含み、冷却剤入口１２５および冷却剤出口１１５はそれぞれ冷却剤循環回路２２と接続される。このため、冷却剤の循環を円滑にできる。１つの実施形態において、冷却剤入口１２５の断面積は、冷却剤出口１１５の断面積よりも約１０〜２０％小さい。バッテリー温度管理システムが複数のバッテリーモジュール１を含む場合には、後続のバッテリーモジュールの冷却剤入口１２５を先行するバッテリーモジュールの冷却剤出口１１５と溶接することにより、隣接するバッテリーモジュール１が接続されてもよい。冷却剤入口１２５の断面積が冷却剤出口１１５の断面積よりも小さいため、冷却剤入口１２５と冷却剤出口１１５との溶接は更に容易になりうる。他の実施形態では、冷却プレート１１０が主入口チャネル１２１を含んでもよく、上側カバー１２が主出口チャネル１１０１を含んでもよく、また、代わりに、冷却剤出口１１５の断面積が冷却剤入口１２５の断面積より小さくてもよい。

１つの実施形態では、冷却剤入口１２５と冷却剤出口１１５が、それぞれリング溝１２５１，１１５１を含む。リング溝１２５１，１１５１は、隣接するバッテリーモジュール１が互いに接続されるときにバッテリーモジュール１間の密閉接続を確保するためのシールリングを含む。したがって、冷却剤は、複数のバッテリーモジュール１内を循環的に流れることができる。

図３と図６に示されるように、１つの実施形態では、フロントカバープレート１３が複数のセパレータプレート１１１の最前面と密閉接続される。バックカバープレート１４は、複数のセパレータプレート１１１の最後面と密閉接続される。冷却プレート１１０、上側カバー１２、フロントカバープレート１３、バックカバープレート１４および複数のセパレータプレート１１１は、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部で受け入れるための複数の別個の密閉空間１１３を形成するように密閉接続される。バッテリーコアと電解質が複数の別個の密閉空間１１３内で受け入れられるため、単一セルを受け入れるためのハウジングは不要であり、コンパクトな空間を有することに加えて材料を節約できる。他の実施形態では、バッテリーコアと電解質を有する単一セル全体を受け入れるための別個の密閉空間１１３が使用されてもよく、それにより単一セルの取り付けを円滑にできる。

或る実施形態では、空間１１２をそれぞれ密閉するために複数のフロントおよびバックカバープレート１３，１４が存在する。図３と図４に示されるように、隣接する２つのセパレータプレート１１１は、各フロントカバープレート１３を受け入れるための一対の溝１１４を含み、それによって、隣接する２つのセパレータプレート１１１と各フロントカバープレート１３を密閉接続できるようになっている。同様に、各バックカバープレート１４は、隣接する２つのセパレータプレート１１１の一対の溝１１４内にそれぞれ配置されてもよく、それにより、空間１１２を形成するために隣接する２つのセパレータプレート１１１と各バックカバープレート１４が密閉接続されてもよい。他の実施形態において、フロントおよびバックカバープレート１３，１４は、それぞれ、複数のセパレータプレート１１１の前側および後側を密閉するために単一のプレートであってもよい。

図３に示されるように、このように形成される別個の密閉空間１１３内にバッテリーコア（図示せず）と電解質が受け入れられる。各バッテリーコアは、密閉空間１１３から延出されて柔軟な金属プレート１１６を使用して直列に、並列に、或いは、直列かつ並列に接続される一対の電極端子１１８を備え、それによりバッテリーコアを直列に、並列に、或いは、直列かつ並列に接続できる。１つの実施形態では、電極端子１１８がフロントカバープレート１３で密閉されてフロントカバープレート１３から絶縁される。

１つの実施形態において、バッテリーモジュール１は、上側カバー１２および下側シェル体１１と固定されるようにフロントカバープレート１３の前側に設けられるフロントパネル１５を更に備える。また、上側カバー１２および下側シェル体１１と固定されるようにバックパネル（図示せず）がバックカバープレート１４の後側に設けられてもよく、また、最も外側の金属プレート１１６１，１１６２のそれぞれを導出させるために、一対の開口１５１，１５２がフロントパネル１５の側面にそれぞれ設けられる。図３に示されるように、１つの実施形態では、６つのバッテリーコアと電解質が、６つの別個の密閉空間１１３内に受け入れられ、６つの電極端子１１８が６つのバッテリーコアから延出されて金属プレート１１６により直列に接続され、また、最も外側の金属プレート１１６１，１１６２が、外部負荷、例えば電気デバイスまたは電気充電器と接続されるようにフロントパネル１５の開口１５１，１５２を通過する。

１つの実施形態において、上側カバー１２および下側シェル体１には、それらの縁部にボルト穴１２２，１１７がそれぞれ形成され、そのボルト穴１２２，１１７のそれぞれに対応するボルト穴１５３がフロントパネル１５に形成されてもよい。したがって、フロントパネル１５を、上側カバー１２および下側シェル体１１と固定するためにボルトが使用されてもよい。同様に、バックパネルがボルトを介して上側カバー１２および下側シェル体１１に固定されてもよい。

或る実施形態において、フロントカバープレート１３、バックカバープレート１４、上側カバー１２および下側シェル体１１は、熱伝導性の材料から形成され、それにより冷却剤と電解質との間で熱を効果的に伝達してもよい。１つの実施形態において、上側カバー１２および下側シェル体１１は、特定の強度を有する材料、例えばアルミニウム合金から形成されてもよい。上側カバー１２と下側シェル体１１は金属延伸によって形成されてもよく、その後に機械加工によって上側カバー１２と下側シェル体１１にチャネルが形成されてもよく、最終的に、フロントカバープレート１３およびバックカバープレート１４が、下側シェル体１１および上側カバー１２のそれぞれと、溶接、例えば半田付け或いはレーザ溶接により接続されてもよい。フロントパネル１５とバックパネルは、支持およびシールの役目を果たしてもよいが、それらのパネルは、熱を伝達する必要がなくてもよく、射出成形によりポリ（フェニレン酸化物）（ＰＰＯ）などのプラスチックから形成されてもよい。

図６に示されるように、冷却剤は、上側カバー１２の冷却剤入口１２５からバッテリーモジュール１内へ流入して、主入口チャネル１２１から分岐流チャネル１１１１へ流れ込み、その後に主出口チャネル１１０１内へ流れ、最終的に、冷却剤出口１１５からバッテリーモジュール１の外側へ流出しうる。バッテリーコアと電解質を有する別個の密閉空間１１３が分岐流チャネル１１１１の間に形成され、それにより密閉空間１１３内のバッテリーコアおよび電解質を均一に冷却または加熱できる。したがって、バッテリーモジュール１の部材の温度一貫性が確保されるとともに、熱が迅速に伝達されうる。

或る実施形態において、主入口チャネル１２１と主出口チャネル１１０１は、分岐流チャネル１１１１の断面積よりも大きい断面積を有する。１つの実施形態において、主入口チャネル１２１と主出口チャネル１１０１の断面積は、分岐流チャネル１１１１の総断面積の約０．５〜２倍であってもよい。図６に示されるように、主入口チャネル１２１と主出口チャネル１１０１の断面積は、７つの分岐流チャネル１１１１の総断面積の２倍であってよい。

或る実施形態では、分岐流チャネル１１１１の寸法が互いに同一であり、それにより、分岐流チャネル１１１１を通じた冷却剤の流れを同一にすることができ、密閉空間１１３内の電解質を均一に冷却または加熱できる。１つの実施形態では、分岐流チャネル１１１１の幅が２ｍｍ以上であってもよく、それにより大きな流動抵抗の発生が回避されうる。

本開示の一実施形態に係るバッテリーモジュールによれば、冷却プレート１１０、上側カバー１２、フロントカバープレート１３、バックカバープレート１４および複数のセパレータプレート１１１が、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部で受け入れるための複数の別個の密閉空間１１３を形成するように密閉接続され、主流チャネル１１０１，１２１が上側カバー１２および冷却プレート１１０の内部に形成され、主流チャネル１１０１，１２１と流体連通する分岐流チャネル１１１１がセパレータプレート１１１のそれぞれの内部に形成される。したがって、主流チャネル１２１内へ流入する冷却剤は、分岐流チャネル１１１１のそれぞれへ流入することができ、その後に主流チャネル１１０１内へ流入でき、それにより複数の別個の密閉空間１１３内のバッテリーコアと電解質を効果的にかつ均一に冷却または加熱しうる。このため、バッテリーモジュール１の温度一貫性が確保されうる。

本開示の一実施形態によれば、分岐流チャネル１１１１内の冷却剤の熱がセパレータプレート１１１を通じて電解質へ伝達されてもよく、それにより接触熱抵抗を小さくしてもよい。また、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部で受け入れるための複数の別個の密閉空間１１３を形成するために複数のセパレータプレート１１１が設けられるとともに、分岐流チャネル１１１１がセパレータプレート１１１のそれぞれの内部に形成されるため、熱伝達接触面積を大きくできるとともに、熱伝達効率を高くでき、このためバッテリーモジュール１の温度一貫性を確保できる。更に、バッテリーモジュール１内の冷却剤を再循環できるとともに、前述したバッテリー温度管理システムを使用して冷却剤の流速を調整できるため、エネルギー消費量を減らせるとともに、ノイズを低減できる。また、バッテリーコア及び電解質は複数の別個の密閉空間１１３内で受け入れられるが、単一セルのためのハウジングは複数の別個の密閉空間１１３内で受け入れられないため、従来のバッテリーモジュールを受け入れるためのハウジングと、単一セルを受け入れるために従来使用されるハウジングとが一体形成されてもよく、それによりコンパクトな構造に加えて材料とスペースを節約できる。

或る実施形態において、バッテリー温度管理システムは、バッテリー冷却モード、バッテリー加熱モードまたはバッテリー温度平均化制御モードで稼動するように、制御ユニット４１によって制御されてもよい。バッテリー冷却モードでは、バッテリーモジュール１の温度が第１の所定値よりも高いと、制御ユニット４１が、循環ポンプ２２１、電磁弁３４および圧縮器３２をＯＮにし、その結果、バッテリーモジュール１が冷却剤によって冷却される。バッテリー加熱モードでは、バッテリーモジュール１の温度が第１の所定値よりも低い第２の所定値を下回ると、制御ユニット４１が、循環ポンプ２２１および加熱装置５をＯＮにし、その結果、バッテリーモジュール１が冷却剤によって加熱される。バッテリー温度平均化制御モードでは、第１の温度センサ４３と第２の温度センサ４４との間の温度差が第３の所定値よりも大きいと、循環ポンプ２２１の回転速度が制御ユニット４１により制御され、それにより冷却剤の流速を制御しおよび／または電磁弁３４をＯＮ／ＯＦＦして、その温度差を減少させる。以下、バッテリー冷却モード、バッテリー温度平均化制御モード、復水回避モードおよびバッテリー加熱モードについて説明する。

バッテリー冷却モード
高率放電中にバッテリーモジュール１により車両が駆動されると、バッテリーモジュール１の温度が連続的に上昇する。バッテリーモジュール１の温度が第１の所定値よりも高く、そのバッテリーモジュール１の温度を測定する図２に示された温度センサ４２から制御ユニット（ＢＭＳ）４１が温度信号を受けると、冷却剤を冷却剤循環回路２２へ圧送するために制御ユニット４１が循環ポンプ２２１をＯＮにし、冷却剤がバッテリーモジュール１を通じて流れる際にバッテリーモジュール１の熱が冷却剤へ伝達され、冷却剤が熱交換器２１を通じて流れる際に冷却剤の熱が冷媒へ伝達され、その後、冷却剤は元のバッテリーモジュール１へと流入する。同時に、制御ユニット４１は、圧縮器３２と凝縮器ファン３１１をＯＮにすると同時に、電磁弁３４と蒸発器コントローラをＯＮに切り換え、冷媒が蒸発器３３および熱交換器２１を通じて流れる。冷媒は、熱交換器２１を通じて流れる際に冷却剤の熱を吸収し、その後、放熱のために元の凝縮器３１へ流入する。凝縮器ファン３１１の作用を受けて、冷媒の熱は、冷媒が冷却されるように効果的に放散されうる。バッテリーモジュール１を冷却する必要がある一方で、車両のキャビンも冷却する必要がある場合には、車両のキャビンとバッテリーモジュール１を同時に冷却するために、制御ユニット４１が、電磁弁３４と蒸発器コントローラをＯＮに切り換えるとともに圧縮器３２をＯＮにしてもよい。バッテリーモジュール１のみを冷却する必要があり、車両のキャビンを冷却する必要がない場合には、蒸発器コントローラがＯＦＦに切り換えられてもよい。

バッテリー温度平均化制御モード
単一セルの一貫性、特に温度一貫性は、バッテリーモジュール１の最も重要な性能のうちの１つである。単一セルの温度差が大きいと、高温の単一セルが急速に劣化または破損する場合がある。

第１の温度センサ４３からの入力冷却剤温度信号と第２の温度センサ４４からの出力冷却剤温度信号との間の温度差が第３の所定値よりも大きいと、循環ポンプ２２１の回転速度が制御ユニット４１により制御され、それにより、冷却剤の流速が制御され、および／または、電磁弁３４がＯＮ／ＯＦＦされて、異なる各単一セル間の温度差がそれぞれ減少されうる。

復水回避モード
バッテリーモジュール１と冷却剤との間の温度差が大きいと、バッテリーモジュール１内で復水が生じる場合があり、それによってバッテリーモジュール１の作動効率と寿命に影響が及ぶ。復水を回避するため、温度センサ４２からの温度信号と第１の温度センサ４３からの入力冷却剤温度信号との間の温度差が第４の所定値よりも大きいと、圧縮器３２の回転速度、凝縮器ファン３１１の回転速度、および、電磁弁３４の切り換え状態が制御ユニット４１により制御されて、冷媒の温度が冷却剤の温度を調整するために制御され、および／または、冷却剤を加熱するために加熱装置５が制御され、それによりバッテリーモジュール１と冷却剤との間の温度差を減少させる。

バッテリー加熱モード
バッテリーモジュール１の温度が第２の所定値よりも低いと、制御ユニット４１は、温度センサ４２から温度信号を受けた後、循環ポンプ２２１と加熱装置５をＯＮにし、その結果、冷却剤がバッテリーモジュール１を通じて流れる際にバッテリーモジュール１が冷却剤によって加熱される。他の実施形態では、温度制御装置３が加熱機能も有しており、バッテリー温度管理システムに加熱装置５を設ける必要がない場合に、バッテリーモジュール１の温度が第２の所定値よりも低いと、制御ユニット４１が循環ポンプ２２１と圧縮器３２をＯＮにし、その結果、冷却剤がバッテリーモジュール１を通じて流れる際にバッテリーモジュール１が冷却剤によって加熱される。

本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムによれば、バッテリーモジュールを冷却または加熱するための媒体として空気ではなく冷却剤が使用され、そのためバッテリーモジュールが効果的に冷却または加熱される。また、冷却剤が循環的に流れうるため、空気冷却と比べると、バッテリーモジュールを効果的に冷却しうるとともに、冷却効果を更に良好にでき、それによって、バッテリーモジュールが常に正常に作動でき、バッテリーモジュールの温度一貫性が確保されうる。

また、本開示の一実施形態に係るバッテリー温度管理システムは、バッテリーモジュールと温度制御装置とを有する車両に搭載され、その温度制御装置は従来の車載温度制御装置であってもよく、それによって車両内の空間が効果的に利用される。そのうえ、車載空調装置は優れた冷却効果または加熱効果を有しており、このためバッテリーモジュールの冷却速度および／または加熱速度が効果的に高められる。

本開示の一実施形態によれば、制御ユニットが、バッテリーモジュールの温度を監視するためのバッテリー管理システム（ＢＭＳ）であってもよいため、バッテリーモジュールの温度が第１の所定値よりも高いときのみ、温度制御装置が制御ユニットによりＯＮにされてもよく、それにより車両のエネルギー消費量が効果的に節約される。

本開示の一実施形態によれば、バッテリーモジュールの温度を測定するための温度センサからの温度信号と第１の温度センサからの入力冷却剤温度信号との間の温度差を監視することにより、バッテリーモジュールと冷却剤との間の大きな温度差により引き起こされるバッテリーモジュール内の復水を回避できるとともに、バッテリーモジュールの温度一貫性およびバッテリーモジュールの正確な温度制御が確保され、したがってバッテリーモジュールの寿命が効果的に延びる。

本開示の一実施形態によれば、温度制御装置が冷却機能のみを有する場合には、バッテリー温度管理システムが熱交換器内に加熱装置を更に備えることにより、冷却剤が加熱装置を通じて流れる際に冷却剤を加熱してもよく、それによってバッテリーモジュールを効果的に加熱してもよい。このようにすると、バッテリーモジュールが極めて低温の環境で正常に作動できるとともに、バッテリーモジュールの温度一貫性も確保できる。

本開示の一実施形態によれば、前述したバッテリー温度管理システムを備える車両が提供されてもよい。

説明的な実施形態を示して述べてきたが、当業者であれば分かるように、本開示の思想と原理から逸脱することなく、これらの実施形態において変更、置換および改良がなされうる。そのような変更、置換および改良の全ては、特許請求の範囲内およびそれらの均等物内に入る。

Claims (9)

1. 冷却プレートと、該冷却プレート上に間隔を隔てて設けられる複数のセパレータプレートとを有する下側シェル体と、
   前記複数のセパレータプレートの上部と密閉接続される上側カバーと、
   前記複数のセパレータプレートの最前面および最後面とそれぞれ密閉接続されるフロントカバープレートおよびバックカバープレートとを備え、前記冷却プレート、前記上側カバー、前記フロントカバープレート、前記バックカバープレートおよび前記複数のセパレータプレートが、バッテリーコアおよび電解質をそれぞれ内部に受け入れるための複数の別個の密閉空間を形成するように密閉接続され、
   主流チャネルが前記上側カバーおよび前記冷却プレートのそれぞれの内部に形成され、前記主流チャネルと流体連通する分岐流チャネルが前記セパレータプレートのそれぞれの内部に形成される、バッテリーモジュール。
2. 前記冷却プレートが主出口チャネルを含み、該主出口チャネルの一端には冷却剤出口が形成され、前記上側カバーは、主入口チャネルを含むとともに、前記冷却剤出口の端部から離れて面する前記主入口チャネルの側に冷却剤入口を含み、
   前記各セパレータプレートは、前記主入口チャネルおよび前記主出口チャネルと接続される分岐チャネルを含む、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
3. 前記冷却剤入口の断面積が前記冷却剤出口の断面積よりも約１０〜２０％小さい、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
4. 前記各密閉空間内に受け入れられる複数のバッテリーコアを更に備え、前記各バッテリーコアが前記密閉空間から延出される一対の電極端子を備え、該電極端子は、金属プレートを介して直列に、並列に、或いは、直列かつ並列に接続される、請求項１〜３いずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
5. 前記フロントカバープレートの前側に設けられて前記上側カバーおよび前記下側シェル体に固定されるフロントパネルと、前記バックカバープレートの後側に設けられて前記上側カバーおよび前記下側シェル体に固定されるバックパネルとを更に備え、最も外側の前記金属プレートを導出させるために一対の電極導出開口が前記フロントパネルに設けられる、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
6. 前記複数のセパレータプレートは、
   前記冷却プレートの最も外側の側面に設けられる第１の外側プレートおよび第２の外側プレートと、
   前記第１および第２の外側プレート間の少なくとも１つの中間プレートとを備え、前記外側プレートが前記中間プレートの厚さよりも大きい厚さを有する、請求項１〜５いずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
7. 前記フロントカバープレート、前記バックカバープレート、前記上側カバーおよび前記下側シェル体が、熱伝導性の材料から形成される、請求項１〜６いずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
8. 請求項１〜７いずれか１項に記載のバッテリーモジュールと、
   冷却剤循環回路を介して前記バッテリーモジュールと接続される熱交換器と、
   冷媒循環回路を介して前記熱交換器と接続される温度制御装置とを備え、
   前記冷却剤循環回路内の冷却剤および前記冷媒循環回路内の冷媒は、前記熱交換器を介して互いに熱を交換し、前記冷却剤が前記バッテリーモジュールを通じて流れる際に、前記バッテリーモジュールが前記冷却剤によって冷却または加熱される、バッテリー温度管理システム。
9. 請求項８に記載のバッテリー温度管理システムを備える車両。

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