JP7058613B2

JP7058613B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP7058613B2
Application number: JP2019004118A
Authority: JP
Inventors: 周太郎竿尾; 健安井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2039-01-15
Also published as: JP2020113458A; CN111435720A; CN111435720B

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。

特開２０１４－２２３７２号公報

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。

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１に示す電池パックの分解斜視図である。図１中のＡ－Ａ線に沿う断面図である。図１中のＢ－Ｂ線に沿う断面図である。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。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。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。

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。

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

Claims

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。