JP6529783B2

JP6529783B2 - 車両用バッテリの冷却構造

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Publication number: JP6529783B2
Application number: JP2015037986A
Authority: JP
Inventors: 山下　英樹; 英樹山下
Original assignee: Daikyo Nishikawa Corp
Current assignee: Daikyo Nishikawa Corp
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: JP2016162527A

Description

本発明は、例えば電気自動車等に搭載される走行用モーターに電力を供給する車両用バッテリの冷却構造に関するものである。

従来より、電気自動車やハイブリッド自動車等には、走行用モーターと、該走行用モーターに電力を供給するバッテリとが搭載されている。走行用モーターに電力を供給するバッテリは電力供給時の発熱量が大きいので、従来の電装品用のバッテリとは異なり、冷却構造が要求される（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１の冷却構造では、冷媒が流れる冷媒通路を形成する複数の第１の突起部と、冷媒通路に配置される第２の突起部とを備えており、第２の突起部は、冷媒が流れる方向に対して傾斜する方向に延びる傾斜面を有している。また、第２の突起部は複数形成されている。

特許文献２の冷却構造では、電池と対向配置される対向側壁に、放熱用空気通路を形成するための複数のメインリブと、メインリブよりも高さが低く、かつ、交差する形状に形成された放熱用フィンとを設けている。対向側壁のメインリブが形成されていない部分の厚さは、電池が対向配置されていない側壁の厚さよりも薄く形成されている。

特開２０１１−２５３７３４号公報特許第４４５２３３９号公報

ところで、特許文献１では、冷媒が流れる方向に延びる第１の突起部の間に、複数の第２の突起部を形成しているが、その第２の突起部は、冷媒が流れる方向に延びる形状であるため、冷媒通路を流れている冷媒の流れが乱れにくいと考えられる。冷媒の流れが乱れにくいと、冷媒通路内面の熱が奪われにくくなり、ひいては冷却効率が低下してしまう。

また、特許文献２では、放熱用フィンが放熱用空気通路内において交差する形状となっているので、特許文献１の第２の突起部を設ける構造に比べて放熱用空気に乱れが発生しやすいと考えられるが、より一層の冷却効率の向上が求められている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車両用バッテリの冷却効率をより一層高めることにある。

上記目的を達成するために、本発明では、冷却風通路の内面に、第１凸部と第２凸部とが互いに連続することによって構成された突出部を設けた。

第１の発明は、
電気自動車に搭載される走行用モーターに電力を供給する複数の車両用バッテリを収容する収容空間を形成するとともに、下部が開放されたバッテリケースと、
上記バッテリケースの下方に設けられ、該バッテリケースの下部を閉塞するとともに、上記バッテリを冷却するための冷却風が流通する冷却風通路を構成するダクトを備えた車両用バッテリの冷却構造において、
複数のバッテリの並び方向と上記冷却風の流れ方向とは一致しており、
上記ダクトは、複数のバッテリの並び方向に延びる上壁部と、該上壁部から下方へ離れて該上壁部と略平行に延びる下壁部と、上記上壁部の幅方向両端部から上記下壁部の幅方向両端部まで延びる側壁部とを有し、上記上壁部の周縁部に上記バッテリケースの下部が接合されて上記収容空間が密閉され、
上記ダクトの上記上壁部の下面には、上記冷却風通路内へ向けて突出し、該下面に沿って所定方向に延びる第１凸部と第２凸部とが上記冷却風通路の幅方向に互いに連続することによって構成された突出部が設けられ、上記第１凸部の延びる方向と、上記第２凸部の延びる方向とによって所定の角度が形成され、上記第１凸部と上記第２凸部とは上記冷却風の流れ方向下流側へ向かって凸となり、
上記冷却風通路における上記突出部の突出方向の寸法をＨ０とし、上記突出部の突出寸法をＨ１としたとき、Ｈ０が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、Ｈ１が０．６ｍｍ以上１６ｍｍ以下であり、かつ、Ｈ０／Ｈ１が２．０以上１５．０以下を満たしていることを特徴とする。

この構成によれば、突出部を構成する第１凸部の延びる方向と、第２凸部の延びる方向とが所定の角度を形成するようになっているので、第１凸部に当たった冷却風の流れと、第２凸部に当たった冷却風の流れとが異なる方向に流れるようになり、乱流が発生しやすくなる。そして、冷却風通路における突出部の突出方向の寸法Ｈ０が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、また、突出部の突出寸法Ｈ１が０．５ｍｍ以上１６ｍｍ以下であり、これを前提として、Ｈ０／Ｈ１が２．０以上１５．０以下の範囲にあることで、突出部によって冷却風通路の内面近傍に十分な乱流が発生する。これにより、冷却風通路の内面近傍で冷却風の流れが十分に乱れ、内面近傍において断熱層となりやすい層流が形成されるのが積極的に抑制されて冷却効率が高まる。

第２の発明は、第１の発明において、上記突出部における上記冷却風通路の幅方向の両端部は、上記ダクトの上記側壁部の内面まで延びていることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
上記突出部の長手方向の寸法をＷ０とし、上記第１凸部の長手方向一端部における冷却風流れ方向の中央部と、他端部における冷却風流れ方向の中央部との冷却風流れ方向の離間寸法をＷ１としたとき、Ｗ０が５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、Ｗ１が２．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする。

この構成によれば、突出部を構成する第１凸部と第２凸部とが冷却風の流れ方向に対して傾斜しているので、第１凸部及び第２凸部に当たった冷却風の流れに乱流が発生しやすくなる。そして、突出部の長手方向の寸法Ｗ０を５ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、第１凸部の長手方向一端部における冷却風流れ方向の中央部と、他端部における冷却風流れ方向の中央部との冷却風流れ方向の離間寸法Ｗ１を２．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下にしたことで、突出部によって冷却風通路の内面近傍に十分な乱流が発生する。これにより、冷却風通路の内面近傍で冷却風の流れが十分に乱れ、内面近傍において断熱層となりやすい層流が形成されるのが積極的に抑制されて冷却効率が高まる。

第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明において、
上記第１凸部の延びる方向と、冷却風の流れ方向とのなす角度と、上記第２凸部の延びる方向と、冷却風の流れ方向とのなす角度は、３０°以上６０°以下に設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、平面的に見たときに、第１凸部及び第２凸部がＶ字に近い形状をなす。これにより、突出部における第１凸部に当たった冷却風の流れと、第２凸部に当たった冷却風の流れとが異なる流れになり、冷却風に乱流が発生しやすくなる。従って、冷却風通路の内面近傍で冷却風の流れが十分に乱れ、内面近傍において断熱層となりやすい層流が形成されるのが積極的に抑制されて冷却効率が高まる。

第１の発明によれば、突出部を構成する第１凸部の延びる方向と、第２凸部の延びる方向とが所定の角度を形成し、冷却風通路における突出部の突出方向の寸法をＨ０とし、突出部の突出寸法をＨ１としたとき、Ｈ０が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、Ｈ１が０．６ｍｍ以上１６ｍｍ以下であり、Ｈ０／Ｈ１が２．０以上１５．０以下である関係としたので、車両用バッテリの冷却効率をより一層高めることができる。

第３の発明によれば、突出部を構成する第１凸部及び第２凸部が冷却風の流れ方向に対して傾斜しており、突出部の長手方向の寸法Ｗ０を５ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、第１凸部の長手方向一端部における冷却風流れ方向の中央部と、他端部における冷却風流れ方向の中央部との冷却風流れ方向の離間寸法Ｗ１を２．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下としたので、車両用バッテリの冷却効率をより一層高めることができる。

第４の発明によれば、冷却風通路の内面に設けた突出部を構成する第１凸部と第２凸部とがＶ字状をなすので、車両用バッテリの冷却効率をより一層高めることができる。

本発明の実施形態１に係る車両用バッテリユニットの断面図である。図１におけるII−II線に相当する断面図である。図１におけるIII−III線に相当する断面図である。図１におけるダクトの一部を拡大した図である。突出部を下方から見た拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明に係る車両用バッテリの冷却構造が適用された車両用バッテリユニット１の断面図である。車両用バッテリユニット１は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車（プラグインハイブリッド自動車を含む）に搭載されるものであり、これら自動車の走行用モーターに電力を供給するように構成されている。

車両用バッテリユニット１は、第１〜第７バッテリ２Ａ〜２Ｇからなるバッテリ（発熱体）２と、バッテリケース３と、ダクト（通路構成部材）１０と、送風機（冷却風導入部）Ａとを備えている。第１〜第７バッテリ２Ａ〜２Ｇは、例えばリチウムイオン電池等の二次電池であり、図１における左から右に順に並んでいる。第１〜第７バッテリ２Ａ〜２Ｇの各々は、図示しないが、複数のバッテリセルと該バッテリセルを収容するケースとを有しており、バッテリセルは電極によって接続されている。また、第１〜第７バッテリ２Ａ〜２Ｇは、直列または並列に接続されており、外部からの電力供給によって全てのバッテリ２Ａ〜２Ｇに同時に充電可能となっている。また、走行用モーターに電力を供給する際には、全てのバッテリ２Ａ〜２Ｇから同時に供給可能となっている。尚、バッテリの数や配置は図示したものに限られず、例えば、バッテリを上下方向に２段や３段に並べて配置してもよい。

バッテリケース３は、第１〜第７バッテリ２Ａ〜２Ｇを収容する収容空間Ｒを形成するためのものであり、例えば樹脂材を成形してなる。バッテリケース３の下部には外方へ延出するフランジ３ａが形成されている。尚、バッテリケース３は省略することもできる。

ダクト１０は、第１〜第７バッテリ２Ａ〜２Ｇを冷却するための冷却風が流通する冷却風通路Ｔを構成するものであり、収容空間Ｒの外部においてバッテリケース３の下部に設けられている。ダクト１０は扁平な形状である。ダクト１０の延びる方向は、第１〜第７バッテリ２Ａ〜２Ｇの並ぶ方向であり、この実施形態では、冷却風が図１の左側から右側へ向かって流れるようになっている。ダクト１０は、第１〜第７バッテリ２Ａ〜２Ｇの並ぶ方向に延びる上壁部１１と、上壁部１１と略平行に延びる下壁部１２と、図２に示す上壁部１１の幅方向両端部から下壁部１２まで延びる側壁部１３、１３とを有している。上壁部１１の周縁部にバッテリケース３のフランジ３ａが接合され、収容空間Ｒは、外部の埃や水等が入らないように密閉されている。尚、ダクト１０は、バッテリケース３の上部に設けてもよいし、側部に設けてもよい。ダクト１０は、直線状に延びる形状であってもよいし、湾曲して延びる形状であってもよい。

送風機Ａは、ダクト１０の上流側に設けられており、冷却風をダクト１０の冷却風通路Ｔに導入するためのものである。冷却風としては、例えば車室外の空気や車室内の空気を使用することができる。送風機Ａは、ダクト１０の下流側に設けて冷却風を冷却風通路Ｔに上流側から導入するように構成してもよい。バッテリ２の熱はダクト１０の上壁部１１に伝わり、ダクト１０の冷却風通路Ｔを流れる冷却風が上壁部１１の熱を奪うことによってバッテリ２が冷却される。

ダクト１０における上壁部１１の下面（ダクト１０の内面）１０ａには、冷却風通路Ｔの内方へ向けて突出する複数の突出部２０が設けられている。突出部２０は、冷却風に乱流を発生させるためのものである。突出部２０は、冷却風通路Ｔの幅方向に３つ並んで設けられており、冷却風通路Ｔの幅方向に連続する突条を形成しているが、これに限らず、１つであってもよいし、４つ以上並べて設けてもよい。また、突出部２０は、冷却風の流れ方向に所定の間隔をあけて複数設けられている。突出部２０の間隔は、等間隔であってもよいし、不等間隔であってもよい。

突出部２０は、上壁部１１の下面１０ａに沿って延びる第１凸部２０ａと第２凸部２０ｂとが冷却風通路Ｔの幅方向に互いに連続することによって構成されている。第１凸部２０ａ及び第２凸部２０ｂの各々は直線状に延びているが、多少湾曲させることもできる。

図３や図５に示すように、第１凸部２０ａは、冷却風通路Ｔの幅方向に延び、冷却風通路Ｔの幅方向一側（左側）へ行くほど冷却風の流れ方向下流に位置するように、冷却風の流れ方向に対して傾斜して延びている。また、第２凸部２０ｂは、冷却風通路Ｔの幅方向に延び、冷却風通路Ｔの幅方向他側（右側）へ行くほど冷却風の流れ方向下流に位置するように、冷却風の流れ方向に対して傾斜して延びている。第１凸部２０ａにおける左端部に、第２凸部２０ｂにおける右端部が連続している。第１凸部２０ａにおける左右方向の寸法と、第２凸部２０ｂにおける左右方向の寸法とは同じに設定されている。また、第１凸部２０ａ及び第２凸部２０ｂの断面形状も同じに設定されている。

第１凸部２０ａの延びる方向と、冷却風の流れ方向とのなす角度α（図５に示す）と、第２凸部２０ｂの延びる方向と、冷却風の流れ方向とのなす角度（図５に示す）βとは、それぞれ３０°以上６０°以下に設定されている。角度αと角度βとは同じに設定してもよいが異なる角度に設定してもよい。

これにより、第１凸部２０ａの延びる方向と、第２凸部２０ｂの延びる方向とによって所定の角度（α＋β）を形成することで、第１突出部２０の第１凸部２０ａ及び第２凸部２０ｂは、冷却風の流れ方向下流側へ向かって凸となる。

角度α及び角度βが３０°よりも小さいと、第１凸部２０ａと第２凸部２０ｂとが極めて接近して１つの凸部に近い形状となってしまうので、第１凸部２０ａと第２凸部２０ｂとを設けたことによる乱流発生効果が低減する。一方、角度α及び角度βが６０°よりも大きいと、第１凸部２０ａと第２凸部２０ｂとが開きすぎるので、乱流発生効果が低減する。

すなわち、第１突出部２０の第１凸部２０ａ及び第２凸部２０ｂが冷却風の流れ方向下流側へ向かって凸となっていることで、上流側から流れてきた冷却風は、第１凸部２０ａ及び第２凸部２０ｂに当たって流れの向きが変わり、このときに乱流が発生するとともに、第１凸部２０ａ及び第２凸部２０ｂに沿って第１突出部２０の中央部へ向けて流れて両方の流れが衝突し、このことによっても乱流が発生する。よって、角度α及び角度βを上記の範囲に設定することで乱流発生効果が高まる。

また、第１突出部２０の断面形状は、下に頂点が位置する略三角形である。第１突出部２０の断面形状を略三角形とすることで、第１突出部２０における冷却風流れ方向上流側の面は、下側へ行くほど下流側に位置するように傾斜し、第１突出部２０における冷却風流れ方向下流側の面は、下側へ行くほど上流側に位置するように傾斜する。これにより、冷却風通路Ｔの上側を流れる冷却風が第１突出部２０の上流側の面に当たって下方へ案内され、その後、下流側の面に沿って上方へ流れて上壁部１１の上面１０ａに当たり、このような冷却風の流れによって冷却風通路Ｔの上側で乱流が発生する。冷却風の流れが上壁部１１の上面１０ａに当たることで、上壁部１１の上面１０ａ近傍を流れる空気に乱流が発生し、これにより、上壁部１１の上面１０ａ近傍の空気の流れをさらに乱し、上壁部１１の上面１０ａ近傍において断熱層となりやすい層流が形成されるのを抑制する。このことによっても冷却効率が向上する。尚、第１突出部２０の断面形状は、正三角形であってもよいし、二等辺三角形であってもよい。

図４に示すように、冷却風通路Ｔにおける突出部２０の突出方向（上下方向）の寸法をＨ０とし、また、突出部２０の突出寸法をＨ１とする。冷却風通路Ｔにおける寸法Ｈ０は、冷却風通路Ｔの突出部２０が形成された上面１０ａと、該上面１０ａに対向する下面１０ｂとの離間寸法である。突出部２０の突出寸法Ｈ１は、冷却風通路Ｔの突出部２０が形成された上面１０ａから突出部２０の先端までの寸法である。

また、突出部２０の基端部における冷却風流れ方向の寸法をＳ０とする。突出部２０の基端部の寸法Ｓ０は、図４に示す断面において冷却風流れ方向上流端から下流端までの寸法である。また、図５に示すように、突出部２０の長手方向の寸法をＷ０とする。突出部２０の寸法Ｗ０は、突出部２０の左端部から右端部までの寸法である。さらに、第１凸部２０ａの右端部（長手方向一端部）における冷却風流れ方向の中央部と、左端部（長手方向他端部）における冷却風流れ方向の中央部との冷却風流れ方向の離間寸法をＷ１とする。

冷却風通路Ｔにおける寸法Ｈ０は、５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。これにより、第１〜第７バッテリ２Ａ〜２Ｇを冷却するのに十分な量の冷却風を流すことができる流路断面を形成できる。突出部２０の突出寸法Ｈ１は、０．６ｍｍ以上１６ｍｍ以下である。これにより、突出部２０の乱流発生効果が十分に向上する。そして、Ｈ０／Ｈ１が２．０以上１５．０以下である。Ｈ０／Ｈ１を２．０以上とすることで、冷却風通路Ｔ内において突出部２０が冷却風の流れを阻害する度合いを低減できるとともに、圧力損失を抑制でき、冷却風量が十分に確保される。Ｈ０／Ｈ１を１５．０以下とすることで、冷却風通路Ｔ内における突出部２０の突出寸法が相対的に高く確保されて乱流発生効果が十分に向上する。

突出部２０の基端部の寸法Ｓ０は、１．３ｍｍ以上２４ｍｍ以下である。突出部２０の基端部の寸法Ｓ０を上記範囲に設定することで、乱流発生効果を十分に得ることが可能な突出部２０の大きさとなる。また、Ｈ１／Ｓ０が０．２以上３．０以下である。これにより、突出部２０の形状が、乱流発生効果を十分に得ることが可能な形状となる。

突出部２０の長手方向の寸法をＷ０が５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。Ｗ１が２．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。Ｗ０及びＷ１を上記範囲に設定することで、突出部２０の外形状が、乱流発生効果を十分に得ることが可能な形状となる。

以上説明したように、この実施形態によれば、冷却風通路Ｔに第１凸部２０ａ及び第２凸部２０ｂからなる突出部２０を設け、突出部２０の各部の寸法や冷却風通路Ｔの寸法等を上述のように設定したので、冷却風通路Ｔの圧力損失を低減しながら、突出部２０による乱流発生効果を十分に得ることができ、冷却効率をより一層高めることができる。

上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明に係る発熱体の冷却構造は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車のバッテリユニットに適用することができる。

１車両用バッテリユニット
２バッテリ（発熱体）
１０ダクト（通路構成部材）
２０第１突出部
２０ａ第１凸部
２０ｂ第２凸部
Ｔ冷却風通路

Claims

自動車に搭載される走行用モーターに電力を供給する複数の車両用バッテリ（２）を収容する収容空間（Ｒ）を形成するとともに、下部が開放されたバッテリケース（３）と、
上記バッテリケース（３）の下方に設けられ、該バッテリケース（３）の下部を閉塞するとともに、上記バッテリ（２）を冷却するための冷却風が流通する冷却風通路（Ｔ）を構成するダクト（１０）を備えた車両用バッテリ（２）の冷却構造において、
複数のバッテリ（２）の並び方向と上記冷却風の流れ方向とは一致しており、
上記ダクト（１０）は、複数のバッテリ（２）の並び方向に延びる上壁部（１１）と、該上壁部（１１）から下方へ離れて該上壁部（１１）と略平行に延びる下壁部（１２）と、上記上壁部（１１）の幅方向両端部から上記下壁部（１２）の幅方向両端部まで延びる側壁部（１３、１３）とを有し、上記上壁部（１１）の周縁部に上記バッテリケース（３）の下部が接合されて上記収容空間（Ｒ）が密閉され、
上記ダクト（１０）の上記上壁部（１１）の下面には、上記冷却風通路（Ｔ）内へ向けて突出し、該下面に沿って所定方向に延びる第１凸部（２０ａ）と第２凸部（２０ｂ）とが上記冷却風通路（Ｔ）の幅方向に互いに連続することによって構成された突出部（２０）が設けられ、上記第１凸部（２０ａ）の延びる方向と、上記第２凸部（２０ｂ）の延びる方向とによって所定の角度が形成され、上記第１凸部（２０ａ）と上記第２凸部（２０ｂ）とは上記冷却風の流れ方向下流側へ向かって凸となり、
上記冷却風通路（Ｔ）における上記突出部（２０）の突出方向の寸法をＨ０とし、上記突出部（２０）の突出寸法をＨ１としたとき、Ｈ０が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、Ｈ１が０．６ｍｍ以上１６ｍｍ以下であり、かつ、Ｈ０／Ｈ１が２．０以上１５．０以下を満たしていることを特徴とする車両用バッテリ（２）の冷却構造。
請求項１に記載の車両用バッテリ（２）の冷却構造において、
上記突出部（２０）における上記冷却風通路（Ｔ）の幅方向の両端部は、上記ダクト（１０）の上記側壁部（１３、１３）の内面まで延びていることを特徴とする車両用バッテリ（２）の冷却構造。
請求項１または２に記載の車両用バッテリ（２）の冷却構造において、
上記突出部（２０）の長手方向の寸法をＷ０とし、上記第１凸部（２０ａ）の長手方向一端部における冷却風流れ方向の中央部と、他端部における冷却風流れ方向の中央部との冷却風流れ方向の離間寸法をＷ１としたとき、Ｗ０が５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、Ｗ１が２．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする車両用バッテリ（２）の冷却構造。
請求項１から３のいずれか１つに記載の車両用バッテリ（２）の冷却構造において、
上記第１凸部（２０ａ）の延びる方向と、冷却風の流れ方向とのなす角度と、上記第２凸部（２０ｂ）の延びる方向と、冷却風の流れ方向とのなす角度は、３０°以上６０°以下に設定されていることを特徴とする車両用バッテリ（２）の冷却構造。