JP4860715B2 - 冷媒流束の分配均一性が改善された中型又は大型バッテリーパックケース - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、冷媒流束の分配均一性が改善された中型又は大型バッテリーパックケースに関する。より詳細には、充放電できる複数の積層単位セルを備えたバッテリーモジュールを取り付けた中型又は大型バッテリーパックケースであって、バッテリーパックケースの上部と下部に、それぞれお互いに反対方向に向いた冷却剤入口部と冷却剤出口部とを備え、前記バッテリーパックケースがさらに冷却剤導入部と冷却剤排出部とをさらに備えており、そして前記セルスタックの上面に対向している前記冷却剤導入部の上端内部が、前記冷却剤入口部とは反対の端部から始まる傾斜面が、前記セルスタックの上面に対して前記冷却剤入口部の方向に傾きが増加する構造に構成されている。

最近、充放電できる二次電池が、ワイヤレス携帯機器用エネルギー源として広く使用されている。また、二次電池は、化石燃料を用いた既存のガソリン自動車及びディーゼル自動車により生じる空気汚染等の問題を解決するために開発された電気自動車（ＥＶ）及びハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用電源としてもかなり注目されている。

小型携帯機器は、各機器には一つ又は数個のバッテリーセルを使用している。一方、車両等の中型又は大型装置では、中型又は大型装置には高出力及び大容量が必要であることから、複数の互いに接続されたバッテリーセルを備えた中型又は大型バッテリーモジュールが使用されている。

好ましくは、中型又は大型バッテリーモジュールは、可能ならば小サイズ、軽重量で製造される。このため、高集積度で積層でき且つ重量対容量比が小さい、角柱バッテリー又はポーチ状バッテリーを、通常中型又は大型バッテリーモジュールのバッテリーセルとして使用する。とりわけ、現在、被覆部材としてアルミニウム積層シートを使用したポーチ状バッテリーに大きな関心がもたれるようになってきている。これは、ポーチ状バッテリーが軽量であること、ポーチ状バッテリーの製造コストが低いこと、及びポーチ状バッテリーを改良するのが容易であることによる。

中型又は大型のバッテリーモジュールが所定の装置又デバイスにより必要とされるパワー及び容量を提供するためには、中型又は大型のバッテリーモジュールが複数のバッテリーセルを互いに直列に電気接続したものであり、且つバッテリーセルが外力に対して安定である構造で構成される必要がある。

また、中型又は大型バッテリーモジュールを構成しているバッテリーセルは、充放電が可能な二次電池である。その結果、バッテリーの充放電中に高出力、大容量二次電池からは、大量の熱が発生する。もし単位セルの充放電中に単位セルから発生する熱が効果的に除去されない場合には、それぞれの単位セルに熱が蓄積し、その結果単位セルの劣化が加速する。状況によっては、単位セルが発火したり、爆発したりすることがある。このため、高出力、大容量バッテリーである車両用バッテリーパックには、バッテリーパックに取り付けたバッテリーセルを冷却するために冷却システムが必要である。

一方、複数のバッテリーセルを備えた中型又は大型バッテリーパックでは、一部のバッテリーセルの性能の劣化がバッテリーパック全体の性能の劣化につながる。性能が均一でなくなる主要因の一つが、冷却がバッテリーセル間で不均一であることによる。このため、冷却剤の流動中の冷却を確実に均一にできる構造を提供することが必要とされている。

従来の中型又は大型バッテリーパックでは、冷却剤入口部と冷却剤出口部を、バッテリーパックケースのそれぞれ上部と下部に位置させ、このとき冷却剤入口部と冷却剤出口部とが反対方向に向いて位置させ、冷却剤入口部からバッテリーモジュールまで延びている流動空間の上面及び底面が互いに平行である構造に構成されているものがある。しかしながら、この構造では、比較的高流束の冷却剤が冷却剤出口部に隣接したバッテリーセル間に形成された流路に導入され、一方、比較的低流束の冷却剤が冷却剤入口部に隣接したバッテリーセルの間に形成された流路に導入されるので、バッテリーセルを均一に冷却することが困難である。

これに関連して、韓国特許出願公開第２００６−００３７６００号、第２００６−００３７６０１号及び第２００６−００３７６２７号には、空気誘導面が、空気誘導面と冷却剤入口部との間の距離の増加とともにバッテリーセルに近くなるように、空気誘導面がバッテリーセルとは反対側面に対して下方向に傾斜している構造に構成された中型又は大型バッテリーパックが開示されている。具体的には、空気誘導面は、バッテリーセルとは反対の面に対して１５度〜４５度の角度で傾斜しており、それにより冷却剤の流束が冷却剤出口部に隣接したバッテリーセル間に形成された流路に過剰に導入される現象が生じることを抑制している。

しかしながら、本願発明者等は、バッテリーセル間の温度偏差は、上記した構造であっても大きく、その結果、所望のレベルの温度の均一性を得ることはできないことを見出した。

このようなことから、上記問題を根本的に解決する技術が非常に必要とされている。

韓国特許出願公開第２００６−００３７６００号 韓国特許出願公開第２００６−００３７６０１号 韓国特許出願公開第２００６−００３７６２７号

したがって、本発明は、上記の問題及び解決すべき他の技術上の問題を解決するためになされたものである。

中型又は大型バッテリーパックケースについて種々の点から鋭意検討及び実験をおこなった結果、本発明者等は、中型又は大型バッテリーパックケースを、冷却剤導入部の上端内部が、前記冷却剤入口部とは反対の端部から始まる傾斜面がセルスタックの上面に対して前記冷却剤入口部の方向に傾きが増加する構造に構成された構造を有するとき、バッテリーセル間に形成された流路を通って流れる冷却剤の流束を均一に分配することができ、その結果、バッテリーセル間に蓄積する熱が効果的に除去され、したがって、バッテリーセルの性能及び寿命が大きく向上することを見いだした。本発明は、これらの知見に基づき完成したものである。

発明の詳細な説明

本発明の一態様によれば、上記及び他の目的は、充放電できる複数の積層型バッテリーセル又は単位モジュール（「単位セル」）を有するバッテリーモジュールを備えた中型又は大型バッテリーパックケースであって、前記バッテリーパックケースは、その上部と下部にそれぞれ冷却剤入口部と冷却剤出口部とを備え、前記単位セルを冷却する冷却剤が前記単位セルの積層方向に垂直な方向においてバッテリーモジュールの一方の側から他方の側に流れることができるように、前記冷却剤入口部と前記冷却剤出口部が反対方向に向いており、前記バッテリーパックケースが、前記冷却剤入口部から前記バッテリーモジュールに延びる流動空間（「冷却剤導入部」）及び前記バッテリーモジュールから前記冷却剤出口部に延びる別の流動空間（「冷却剤排出部」）をさらに備えており、そして前記セルスタックの上面に対向している前記冷却剤導入部の上端内部が、前記冷却剤入口部とは反対の端部から始まる傾斜面が、前記セルスタックの上面に対して前記冷却剤入口部の方向に傾きが増加する構造に構成されている、バッテリーパックケースを提供することにより達成できる。

すなわち、本発明による中型又は大型バッテリーパックケースにおいて、冷却剤導入部の上端内部は、冷却剤入口部とは反対の端部（冷却剤出口部側に位置している端部）を起点とする傾斜面が、セルスタックの上面に対して冷却剤入口部の方向に傾きが増加している。その結果、単位セル（バッテリーセル又は単位モジュール）間に形成された流路を通って流れる冷却剤の流束を均一に分配することができ、したがって、バッテリーセルの充放電中に発生した熱は、冷却剤の均一な流れにより効果的に除去される。その結果、冷却効率を増加させること、及び単位セルの動作性能を向上させることができる。

ここで、「傾きの増加」とは、冷却剤入口部に位置する傾斜面の傾きが、冷却剤入口部とは反対の側に位置する傾斜面の傾きよりも大きいことを意味する。したがって、傾斜面は、冷却剤入口部の方向に連続的に増加していても、不連続的に増加していてもよい。ここで、「不連続的に増加」とは、傾斜面間の領域が、傾きが０度であってもよいことを意味する。例えば、セルスタックの上面に対して傾きが０度である領域が、隣接する傾斜面間に部分的に形成されていてもよい。

本発明による中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けられるバッテリーモジュールは、単位セルを所定の間隔で配置して、単位セルの充放電中に単位セルから発生した熱を除去するように、高密度に複数の単位セルを積層することにより製造される。例えば、バッテリーセルを追加の部材を使用することなく所定の間隔で配置するようにして、バッテリーセルを順次積層することができる。別法として、バッテリーセルの機械的強度が低いときには、１つ以上のバッテリーセルを所定の取り付け部材に取り付け、複数の取り付け部材を積層して、バッテリーモジュールを構成する。後者の場合、バッテリーモジュールを、本発明では、「単位モジュール」と称する。

複数の単位モジュールを積層してバッテリーモジュールを構成するとき、冷却剤流路を、バッテリーセル間及び／又は単位モジュール間に形成して、積層したバッテリーセル間に蓄積する熱を効果的に除去する。

冷却剤導入部及び冷却剤排出部は、バッテリーセルの充放電のためにバッテリーセルから発生する熱を効果的に除去する冷却剤を導入、排出する流動空間である。冷却剤導入部及び冷却剤排出部は、冷却剤導入部及び冷却剤排出部がお互いに反対方向に向くようにバッテリーパックケースのそれぞれ上部と下部に形成されている。場合によっては、冷却剤導入部及び冷却剤排出部は、バッテリーパックケースのそれぞれ下部と上部に形成されることがある。

冷却剤導入部の上端内部の傾きは、種々の構造で冷却剤入口部の方向に増加するようにしてもよい。

典型的な実施態様では、冷却剤導入部の上端内部を、２つ以上の連続した傾斜面を含む構造に構成する。すなわち、傾きが冷却剤入口部とは反対の端部から冷却剤入口部の方向に増加する複数の傾斜面を、冷却剤導入部の上端内部に形成することができる。

本願発明者等がおこなった実験によれば、冷却剤導入部の上端内部を２つ以上の連続傾斜面を含む構造で構成したときには、冷却剤導入部の上端内部がセルスタックの上面に平行であるときや、冷却剤導入部の上端内部が単一の傾斜面を含む構造で形成されているときよりも、単位セル間の温度偏差が減少、したがって、単位セルの性能がさらに向上することが判明した。

具体的には、例えば、上端内部の傾斜面は、冷却剤入口部とは反対の端部を起点とした第一傾斜面と、第一傾斜面と冷却剤入口部との間に位置する第二傾斜面とを、第二傾斜面が第一傾斜面よりも傾きが大きいようにして設けてもよい。

上記した構造において、第二傾斜面は、第一傾斜面よりも傾きが２０〜５００％、好ましくは１００〜３００％大きいようにすることができる。この場合、第二傾斜面は、傾きがセルスタックの上面に対して４５度を超えないようにする。第二傾斜面の傾きが４５度を超えないので、バッテリーパックケースの大きさの増加を最小限に抑えることができる。また、第二傾斜面の傾きが第一傾斜面の傾きよりも少なくとも２０％大きいので、冷却剤流束の所望の均一性を確保することができる。

第一傾斜面は、セルスタックの上面に対して１５度以下の傾きでよい。好ましくは、第一傾斜面は、セルスタックの上面に対する傾きが２〜７度である。より好ましくは、第一傾斜面は、セルスタックの上面に対する傾きが３〜５度である。

この場合、第二傾斜面は、セルスタックの上面に対して傾きが１０〜３０度であって、第二傾斜面の傾きが第一傾斜面の傾きよりも大きくない範囲の傾きを有するようにしてもよい。

場合によっては、冷却剤導入部の上端内部は、実質的に無限の連続傾斜面を含む曲面構造で構成できる。

一方、冷却剤入口部は、中型又は大型バッテリーパックを取り付ける装置の条件に応じて種々の傾きを有することができる。例えば、冷却剤入口部の傾きは、第二傾斜面の傾き以下としてもよい。

場合によっては、冷却剤入口部の傾きが中型又は大型バッテリーパックを取り付ける装置の構造的制限により大きい必要があるときには、冷却剤入口部が第二傾斜面の傾き以上の傾きを有することができる。

本願発明者等は、冷却剤導入部の上端内部を上記したような特定の傾斜構造で構成すると、冷却剤流路における冷却剤流束の均一性に対する冷却剤入口部の傾きの影響が重要ではないことが実験的に確認した。したがって、冷却剤導入部の上端内部を本発明のように特定の傾斜構造で構成すると、装置の設置条件に応じて冷却剤入口部の傾きを自由に決定できる。

典型的な実施態様によれば、冷却剤入口部が第二傾斜面の傾きを超える傾きを有する範囲内で、冷却剤入口部はセルスタックの上面に対して３０〜６０度の傾きを有している。したがって、冷却剤入口部の傾きが、バッテリーパックが取り付けられる装置の条件によって大きい必要があっても、冷却剤導入部の上端内部の特徴的な構造を設けることにより、所望の冷却効率を効果的に得ることができる。

一方、冷却剤入口部とは反対の端部は、セルスタックの高さの１０％以下の高さだけセルスタックの上面から離れていてもよい。この構造は、冷却剤入口部とは反対の端部に到達する冷却剤の量を適切に制限し、それにより、単位セルに対する冷却剤の均一分配効果がさらに向上される。

この場合、冷却剤入口部とは反対の端部が、１〜１０ｍｍ、好ましくは１〜３ｍｍの高さだけセルスタックの上面から離れていてもよい。

バッテリーセルは、二次電池、例えば、ニッケル金属水素化物二次電池又はリチウム二次電池でよい。これらのうち、リチウム二次電池が、高エネルギー密度と高放電電圧を有することから好ましく利用される。円筒型バッテリー、角型バッテリー、ポーチ型バッテリー等の種々の種類のバッテリーを、バッテリーモジュールを構成する充放電可能単位セルとして使用できる。それらのうち、角型バッテリー又はポーチ状バッテリーが、バッテリー形状の観点から好ましい。ポーチ状バッテリーは、製造コストが低く且つ軽量であることから、バッテリーモジュールの単位セルとしてより好ましく使用される。

また、本発明によるバッテリーパックケースは、冷却効率が非常に重要である構造、すなわち、バッテリーセルの積層方向に相当するバッテリーパックケースの長さが、バッテリーセルの横方向に相当するバッテリーパックケースの長さよりも大きい構造がより好ましい。

一方、冷却剤排出部の高さは、セルスタックの底面に対して一定でよい。すなわち、冷却剤排出部は、冷却剤排出部の下端内部がセルスタックの底面に対して高さが一定である構造で構成することができる。しかしながら、構造を部分的に修正して冷却剤排出効率を向上させることができることは勿論である。

場合によっては、吹き込みファンを、冷却剤出口部にさらに取り付けて、冷却剤入口部を通って導入された冷却剤がバッテリーモジュールを通って流れた後冷却剤出口部に迅速且つ円滑に移動させるようにすることができる構造でバッテリーパックケースを構成できる。この構造では、吹き込みファンから発生する冷却剤駆動力により、狭い冷却剤入口部を通って導入された冷却剤が、高流速で冷却剤入口部とは反対側のバッテリーセルに十分に到達する。したがって、同一の冷却剤流束の条件で、冷却剤流束の分配が比較的均一となる。

本発明の別の態様によれば、バッテリーモジュールが上記の構成を有する中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けられた構造で構成された中型又は大型バッテリーパックが提供される。

本明細書に使用される用語「バッテリーモジュール」とは、２つ以上の充放電バッテリーセル又は単位モジュールが機械的に連結されるとともに、互いに電気的に接続されてハイパワー、大容量の電気を提供する構造で構成されたバッテリーシステムの構造を含むことを意味する。したがって、バッテリーモジュール自体が、単一の装置を構成してもよいし、又は大型装置の一部分を構成してもよい。例えば、複数の小型バッテリーモジュールを、互いに接続して大型バッテリーモジュールを構成してもよい。別法として、少数のバッテリーセルを互いに接続して単位モジュールを構成してもよく、そして複数の単位モジュールを互いに接続してもよい。

一方、単位モジュールを種々の構造で構成してもよい。その典型例を以下で説明する。

単位モジュールは、複数の板状バッテリーセルの各上端及び下端に電極端子を形成したものを、互いに直列に接続した構造で構成する。具体的には、単位モジュールは、バッテリーセルの電極端子間の接続部を曲げた積層構造で配置した２つ以上のバッテリーセルと、バッテリーセルの電極端子を除くバッテリーセルの外面を覆うための、バッテリーセルに連結した高強度セルカバーとを備えことができる。

板状バッテリーセルは、厚さを小さく、幅と長さを比較的大きくして、バッテリーセルを積層してバッテリーモジュールを構成したときにバッテリーセルの全体のサイズを最小としたバッテリーセルである。典型例として、バッテリーセルは、樹脂層と金属層を含む積層シートから形成されたバッテリーケースに電極アセンブリを取り付け、電極端子がバッテリーケースの上端及び下端から外側に突き出た構造で構成した二次電池でよい。具体的には、バッテリーセルは、電極アセンブリを、アルミニウム積層シートから形成したポーチ状バッテリーケースに取り付けた構造で構成できる。上記した構造で構成された二次電池は、ポーチ状バッテリーセルと称されることがある。

単位モジュールは、２つ以上のバッテリーセルを、合成樹脂又は金属材料製の高強度セルカバーで被覆することにより構成してもよい。高強度セルカバーは、機械強度が低いバッテリーセルを保護しながら、バッテリーセルの充放電中のバッテリーセルの膨張と収縮の繰り返しによりバッテリーセルが変形するのを抑制することにより、バッテリーセルのシール領域間の分離が防止される。したがって、最終的には、より安全性の優れた中型又は大型バッテリーモジュールを製造することができる。

バッテリーセルを、一つの単位モジュールにおいて互いに直列及び／又は並列に接続するか、又は一つの単位モジュールのバッテリーセルの複数を、別の単位モジュールのバッテリーセルに直列及び／又は並列に接続する。典型例として、バッテリーセルの電極端子を順次互いに隣接させるようにして、バッテリーセルを縦方向に直列に配置しながらバッテリーセルの電極端子を互いに連結し、２つ以上のバッテリーセルを積層するように曲げ、そして所定数の積層バッテリーセルをセルカバーで被覆することにより、複数の単位モジュールを製造できる。

電極端子間の連結は、種々の方法、例えば、溶接、はんだ、機械的連結でおこなうことができる。電極端子間の連結を、溶接でおこなうのが好ましい。

高集積密度で積層するとともに、電極端子を互いに接続したバッテリーセル又は単位モジュールを、アセンブリ型連結構造で互いに連結して矩形バッテリーモジュールを構築するように構成された分離可能な上フレーム部材と下フレーム部材に垂直に取り付けられる。

単位モジュール、及び複数の単位モジュールを用いて製造され矩形バッテリーモジュールが、韓国特許出願第２００６−４５４４３号及び第２００６−４５４４４号に詳細に開示されている。これらの特許出願は、本出願人の名前で出願されているものであり、引用することにより本明細書の一部とされる。

本発明による中型又は大型バッテリーパックは、好ましくは、バッテリーセルの充放電中、高出力、高容量を出すために組み合わせられた複数のバッテリーセルから発生する高温の熱のために、安全性が著しく劣化することがある、電気自動車又はハイブリッド電気自動車の電力源として使用される。

バッテリーモジュールを従来の中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けた構造で構成された中型又は大型バッテリーパックを示す斜視図である。 図１の中型又は大型バッテリーパックの模式的縦断面図である。 バッテリーモジュールを別の従来の中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けた構造で構成された中型又は大型バッテリーパックの模式的縦断面図である。 バッテリーモジュールを本発明の典型的な実施態様によるバッテリーパックケースに取り付けた構造で構成された中型又は大型バッテリーパックの模式的縦断面図である。 冷却剤入口部とは反対の端部が図４の中型又は大型バッテリーパックにおけるセルスタックの上面から離れている構造を示す縦断面図である。 図２の中型又は大型バッテリーパックにおけるバッテリーセルの温度変化を測定した結果を示すグラフである。 図４の中型又は大型バッテリーパックにおけるバッテリーセルの温度変化を測定した結果を示すグラフである。 図３の構造で製造された中型又は大型バッテリーパックにおけるバッテリーセルの温度変化を測定した結果を示すグラフである。 バッテリーモジュールを本発明の別の典型的な実施態様によるバッテリーパックケースに取り付けた構造で構成された中型又は大型バッテリーパックの模式的縦断面図である。 図４の構造の冷却剤入口部の傾きを種々に変化させることにより製造された中型又は大型バッテリーパックにおけるバッテリーセルの温度変化を測定した結果を示すグラフである。

本発明の典型的実施態様を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は、説明する実施態様には限定されない。

図１はバッテリーモジュールを従来の中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けた構造で構成した中型又は大型バッテリーパック１００を示す斜視図であり、図２は図１に示す中型又は大型バッテリーパックを示す模式的縦断面図である。

これらの図面における中型又は大型バッテリーパック１００は、複数の単位セル３０を互いに電気的に接続されるようにして積層した構造で構成されたバッテリーモジュール３２と、バッテリーモジュール３２を取り付けたバッテリーパックケース７０と、冷却剤入口部１０からバッテリーモジュール３２まで延びている流動空間としての冷却剤導入部４０と、バッテリーモジュール３２から冷却剤出口部２０まで延びている別の流動空間としての冷却剤排出部５０とを備えている。

冷却剤入口部１０を通って導入された冷却剤は、冷却剤導入部４０、及びそれぞれの単位セル３０の間に形成された流路６０を通って流れる。このとき、冷却剤は、バッテリーセル３０を冷却する。その後、冷却剤は、冷却剤排出部５０を通って流れた後、冷却剤出口部２０を通ってバッテリーパックケースから排出される。

冷却剤導入部４０は、単位セル３０を積層した方向と平行に形成されている。この構造では、比較的高い冷却剤流束が、冷却剤出口部２０に隣接する単位セル間に形成された流路に導入され、一方、比較的低い冷却剤流束が、冷却剤入口部１０に隣接する単位セル間に形成された流路に導入され、その結果、単位セル３０の冷却が不均一となり、したがって、冷却剤出口部２０に隣接する単位セルと、冷却剤入口部１０に隣接する単位セルとの間の温度偏差が、非常に大きい。この現象は、冷却剤が冷却剤出口部２０側に集中する結果、冷却剤入口部１０の温度が上昇することにより生じる。

図３は、バッテリーモジュールを、別の従来の中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けた構造に構成した中型又は大型バッテリーパック１００ａの模式的縦断面図である。

図３に示した中型又は大型バッテリーパック１００ａは、バッテリーセル３０、バッテリーモジュール３２、冷却剤排出部５０、及び流路６０に関して、図１に示す中型又は大型バッテリーパック１００と実質的に同一である。しかしながら、図３に示す中型又は大型バッテリーパック１００ａは、冷却剤入口部１０ａと冷却剤導入部４０ａが、バッテリーパックケース７０ａに対して所定の角度で傾斜している点で図１に示す中型又は大型バッテリーパック１００とは異なる。すなわち、冷却剤導入部４０ａの上端内部４２ａが、冷却剤入口部１０ａとは反対のバッテリーパックケース７０の端部の方向に所定の角度で傾斜している。

この構造では、冷却剤入口部１０ａに隣接する単位セル３０を冷却する効率が、図１に示す中型又は大型バッテリーパック１００と比較して相対的に高い。図８から明らかなように、図３に示す構造であっても、まだ温度差がかなり高い。

図４は、バッテリーモジュールを本発明の典型的実施態様によるバッテリーパックケース７０’に取り付けた構造で構成した中型又は大型バッテリーパックを示す模式的縦断面図である。

図４において、バッテリーパックケース７０’は、単位セル３０の積層方向Ｌに相当するバッテリーパックケース７０’の長さが単位セル３０の横方向Ｗに相当するバッテリーパックケース７０’の長さよりも大きい構造に構成されている。また、冷却剤入口部１０’及び冷却剤出口部２０’が、それぞれバッテリーパックケース７０’の上部及び下部に、冷却剤が一方の側からバッテリーセル３０の積層方向Ｌに対して垂直の方向にバッテリーモジュール３２の反対側に流れることができるように、反対方向に形成されている。

冷却剤が流路６０を通って流れることができるように、それぞれの単位セル３０の間に、小さな流路６０が形成されている。したがって、冷却剤入口部１０’を通って導入された冷却剤は、流路６０を通って流れる。このとき、単位セル３０から発生した熱は、冷却剤により除去される。その後、冷却剤を、冷却剤出口部２０’を通って外部に排出される。

図４に示すバッテリーパックケース７０’は、図１及び図３に示したバッテリーパックケース７０及び７０ａとは、冷却剤導入部４０’の上端内部４２’が、段階をおって傾きが増加する傾斜面の形態で構成されている点で異なる。すなわち、冷却剤導入部４０’の上端内部４２’は、冷却剤入口部１０’とは反対の端部を起点とした傾斜面の傾きがセルスタックの上面に対して冷却剤入口部１０’の方向に増加する構造で構成されている。具体的には、冷却剤導入部４０’の上端内部４２’が、冷却剤入口部１０’と反対の端部を起点とした第一傾斜面ａと、第一傾斜面aと冷却剤入口部１０’との間に位置する第二傾斜面ｂとを、第二傾斜面ｂが第一傾斜面の傾きよりも大きな傾きを有するように備えている。

冷却剤入口部１０’を通って導入された冷却剤が第一傾斜面ａと第二傾斜面ｂに沿って冷却剤導入部４０’を通って流れるとき、冷却剤の流れ断面積が、傾きが冷却剤入口部１０’からの距離が増加するにつれて徐々に減少する傾斜面ａ及び傾斜面ｂにより徐々に減少する。その結果、冷却剤の流速が徐々に増加するが、冷却剤の流束が減少する。したがって、均一な冷却剤流束がそれぞれの流路６０に導入されるとともに、冷却剤は冷却剤入口部１０’とは反対側の単位セル３０に到達する。

冷却剤の分配の均一性を増加するために、第一傾斜面ａと第二傾斜面ｂとを、第一傾斜面ａがセルスタックの上面に対して約５度の傾きを有し、第二傾斜面ｂが第一傾斜面ａの傾きよりも２００％大きい傾き、すなわち、第一傾斜面ａに対して約１０度の傾きを有するように、冷却剤導入部４０’の上端内部４２’に形成する。

一方、図４に示すように、冷却剤入口部１０’は、第二傾斜面ｂの傾きよりも小さい傾きを有している。したがって、冷却剤入口部１０’を通って導入された冷却剤が第二傾斜面ｂの起点としての箇所を通過するにつれて、冷却剤の流速が、冷却剤が冷却剤入口部１０’とは反対の端部に到達するまで徐々に増加する。その結果、冷却剤入口部１０’に隣接した単位セル３０だけでなく、冷却剤入口部１０’とは反対側の単位セル３０も、均一に冷却される。

また、バッテリーパックケース７０’は、冷却剤導入部４０’の傾きが冷却剤入口部１０’とは反対の端部の方向に徐々に減少するように、冷却剤導入部４０’が段階的に傾斜している構造で構成される。したがって、冷却剤流束が冷却剤出口部２０’側に集中する現象を防止でき、したがって、冷却剤入口部１０’と隣接する単位セル３０の温度の増加を効果的に防止することができる。

図５は、冷却剤入口部１０’とは反対の端部が、図４に示す構造で製造された中型又は大型バッテリーパック２００におけるセルスタックの上面から離れている構造を示す模式的縦断面図である。

図５では、冷却剤入口部１０’とは反対側の端部が、約１ｍｍの高さだけセルスタックの上面から離れている。したがって、冷却剤導入部４０’の第二傾斜面ｂ及び第一傾斜面ａに沿って通過した冷却剤の制限された量のみが冷却剤入口部１０’とは反対側の端部に到達するので、冷却剤入口部１０’とは反対側の端部に隣接した単位セル３０が過度に冷却されることが防止される。

上記の説明に関連して、図６は図２に示す構造で製造された中型又は大型バッテリーパックにおけるバッテリーセルの温度の変化を測定した結果を示すグラフであり、図７は図４に示す構造で製造された中型又は大型バッテリーパックにおけるバッテリーセルの温度の変化を測定した結果を示すグラフである。

図６を図２とともに参照して説明をする。図６は、従来のバッテリーパックケース７０に積層したバッテリーセル（冷却剤出口部の最も近くに隣接しているバッテリーセルから、冷却剤入口部の最も近くに隣接しているバッテリーセルまで）の温度の測定結果を示している。すなわち、バッテリーセル番号１は冷却剤出口部の最も近くに隣接しているバッテリーセルを示し、バッテリーセル番号３５は冷却剤入口部の最も近くに隣接したバッテリーセルを示す。

温度測定試験を、所定の負荷をバッテリーセルに加え、且つ外部温度を室温のレベルに維持した条件下で実施した。測定試験から、バッテリーセル番号１、すなわち、冷却剤入口部とは反対側の端部の最も近くに隣接したバッテリーセルが相対温度比４８％であり、バッテリーセル番号３４が相対温度比９８％であることが分かった。すなわち、バッテリーセル間の温度偏差が５０％であり、バッテリーセルの最大相対温度比が９８％であった。バッテリーセルの温度が特定の温度レベルを変えると、バッテリーセルの寿命が急激に減少する。高温度及び大きな温度偏差のため、長期間バッテリーパックを使用することができず、さらに、バッテリーパックが爆発する確率が高くなる。

ちなみに、上記したバッテリーセルの相対温度比は、後記する図７及び図８に示した実験結果との関連で比較できる相対値として表されている。

図６とは対照的に、図７は、図４のバッテリーパックケース７０’に積層したバッテリーセル（冷却剤出口部の最も近くに隣接したバッテリーセルから、冷却剤入口部の最も近くに隣接したバッテリーセルまで）の温度の測定結果を示している。

図７を図４とともに参照して説明する。図６に示すのと同じ実験条件下で実施した測定試験から、バッテリーセル番号１が相対温度比６１％であり、バッテリーセル番号３１が相対温度比６５％であることが判明した。したがって、図６と比較して、５０％から４％まで温度偏差を減少できることにより、冷却剤の温度分配の均一性が大きく向上することが分かる。

図８は、図３に示す構造で製造した中型又は大型バッテリーパックにおけるバッテリーセルの温度変化の測定結果を示すグラフである。

図８と関連した実験を、図３に示すバッテリーパックケース７０ａを使用したことを除いて、図７と同様の条件下で実施した。具体的には、図８は、冷却剤導入部４０ａの上端内部４３ａが、図３に示す構造から３０度の角度で傾斜している構造における実験結果を示す。

図８のグラフから、バッテリーセルの相対温度比偏差が５．５％であることが分かった。したがって、バッテリーセルの温度偏差が、図７に示す結果と比較して相対的に高いことが分かる。

図９は、バッテリーモジュールを本発明の別の典型的な実施態様によるバッテリーパックケースに取り付けた構造で構成した中型又は大型バッテリーパック２００ａを示す模式的縦断面図である。

図９において、本実施態様の中型又は大型バッテリーパック２００ａは、冷却剤入口部１０’の傾きが、第二傾斜面ｂの傾き、すなわち、１０度よりも大きい３０度であることを除いて、図４の中型又は大型バッテリーパック２００と構成が同じである。

しかしながら、冷却剤の均一分配は、冷却剤入口部１０’の傾きによってはほとんど影響されない。この事実は図１０から明らかである。図１０は、冷却剤入口部１０’の傾きを種々に変化させた場合のバッテリーセルの温度変化を測定した結果を示す。具体的には、実験を、第一傾斜面ａの傾きが５度であり、第二傾斜面ｂの傾きが１０度であり、冷却剤入口部１０’とは反対側の端部が１ｍｍの高さだけセルスタックの上面から離れている条件下で、冷却剤入口部１０’の角度を、３０度、４５度及び６０度に変化させた構造に対しておこなった。

ちなみに、図１０のバッテリーセル温度測定試験は、図６〜図８の実験条件とは異なり、約４０％さらに高い負荷をそれぞれのバッテリーセルに加え、そして外部温度を約５度だけ低下させた条件下で実施した。

図１０から明らかなように、冷却剤入口部１０’の傾きを変化させても、ほとんど差異はなかった。したがって、均一の冷却効率を示しながら、バッテリーパックを取り付けた装置の構造に基づいて冷却剤入口部１０’の傾きを変化させることができる。

上記の説明から明らかなように、本発明による中型又は大型バッテリーパックケースは、冷却剤導入部の上端内部が、冷却剤入口部とは反対側の端部を起点とした傾斜面の傾きが、セルスタックの上面に対して冷却剤入口部の方向に増加するように形成されている。したがって、本発明によれば、冷却剤流束の分配の均一性を向上させること、単位セル間に蓄積した熱を効果的に除去することの効果が得られ、したがって、バッテリーセルの性能及び寿命が大きく向上する。

本発明の典型的な実施態様を説明の目的で開示したが、当業者には、添付の特許請求の範囲に開示されている本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、種々の修正、追加及び置換が可能であることは理解できるであろう。

Claims (17)

1. 中型又は大型バッテリーパックケースであって、
   充放電できる複数の積層型バッテリーセル又は単位モジュール（「単位セル」）を有するバッテリーモジュールを備えてなり、
   前記バッテリーパックケースが、その上部と下部それぞれに冷却剤入口部と冷却剤出口部とを備えてなり、前記単位セルを冷却する冷却剤が前記単位セルの積層方向に垂直な方向においてバッテリーモジュールの一方の側から他方の側に流れることができるように、前記冷却剤入口部と前記冷却剤出口部が反対方向に向いており、
   前記バッテリーパックケースが、前記冷却剤入口部から前記バッテリーモジュールに延びる流動空間（「冷却剤導入部」）と、及び、前記バッテリーモジュールから前記冷却剤出口部に延びる別の流動空間（「冷却剤排出部」）をさらに備えてなり、並びに、
   前記セルスタックの上面に対向している前記冷却剤導入部の上端内部が、前記冷却剤入口部とは反対の端部から始まる傾斜面が前記セルスタックの上面に対して前記冷却剤入口部の方向に傾きが増加する構造に構成されてなる、バッテリーパックケース。
2. 前記冷却剤導入部の上端内部が、２つ以上の連続した傾斜面を含む構造に構成されてなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
3. 前記上端内部の前記傾斜平面が、前記冷却剤入口部とは反対の端部から始まる第一傾斜面と、前記第一傾斜面と前記冷却剤入口部との間に位置する第二傾斜面とを、前記第二傾斜面が前記第一傾斜面よりは大きな傾きを有するように備えてなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
4. 前記第二傾斜面が、前記セルスタックの上面に対して４５度を超えない傾斜範囲内で、前記第一傾斜面の傾きよりも２０％〜５００％大きな傾きを有してなる、請求項３に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
5. 前記第一傾斜面が、前記セルスタックの上面に対して１５度以下の傾きを有してなる、請求項３に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
6. 前記第一傾斜面が、前記セルスタックの上面に対して２度〜７度の傾きを有してなる、請求項５に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
7. 前記第二傾斜面が、前記第二傾斜面が前記第一傾斜面の傾きを超える傾きを有する範囲内で前記セルスタックの上面に対して１０度〜３０度の傾きを有してなる、請求項３に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
8. 前記冷却剤入口部が、前記第二傾斜面の傾き以下の傾きを有してなする、請求項３に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
9. 前記冷却剤入口部が、前記第二傾斜面の傾き以上の傾きを有してなる、請求項３に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
10. 前記冷却剤入口部が、前記冷却剤入口部が前記第二傾斜面の傾きを超える傾きを有する範囲内で、前記セルスタックの上面に対して３０度〜６０度の傾きを有してなる、請求項９に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
11. 前記冷却剤入口部と反対の端部が、前記セルスタックの高さの１０％以下の高さだけ前記セルスタックの上面から離れている、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
12. 前記冷却剤入口部とは反対の端部が、１ｍｍ〜１０ｍｍの高さだけ前記セルスタックの上面から離れている、請求項１１に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
13. 前記バッテリーセルがリチウム二次電池である、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
14. 前記冷却剤排出部が、前記セルスタックの底部に対して均一な高さを有してなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
15. 前記バッテリーパックケースが、前記冷却剤がバッテリーモジュールを通って流れた後、前記冷却剤入口部から導入された前記冷却剤を前記冷却剤出口部まで移動させるために、前記冷却剤入口部又は前記冷却剤出口部に吹き込みファンをさらに備えた構造で構成されてなる、請求項１に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。
16. バッテリーモジュールが、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の中型又は大型バッテリーパックケースに取り付けられている構造で構成されている、中型又は大型バッテリーパックケース。
17. 前記バッテリーパックが、電気自動車又はハイブリッド電気自動車用電源として使用されるものである、請求項１６に記載の中型又は大型バッテリーパックケース。