JP4959867B2

JP4959867B2 - Assembled battery heat dissipation evaluation method and assembled battery cooling design method using this heat dissipation evaluation method

Info

Publication number: JP4959867B2
Application number: JP2000111346A
Authority: JP
Inventors: 進弥木本; 邦郎金丸; 宗久生駒
Original assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: JP2001297801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＨＥＶ（ハイブッリド電気自動車）等の電気自動車に使用される組電池の冷却構造の設計に好適に用いられる組電池の放熱評価方法、および、その放熱評価方法を用いた組電池の冷却設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境問題およびエネルギー問題を同時に解決する低公害車として、エンジンと、電池等のエネルギー貯蔵手段とを搭載したＨＥＶ（ハイブッリド電気自動車）が注目されている。
【０００３】
ＨＥＶのエネルギー貯蔵手段には、電池、フライホイール、油圧などがあるが、一般的には電池が使われており、特に、Ｎｉ／ＭＨ蓄電池は、高い入出力電圧、長寿命という特性を有するために、ＨＥＶ用の蓄電池として有望視されている。
【０００４】
ＨＥＶでは、エンジンによる発電が可能であるために、蓄電池を使用することによって、走行時に充電することができる。その結果、電気自動車の課題とされる電池に対する充電の問題を解消することができ、しかも、電池の搭載量を軽減することができるために、車両の重量を軽減することができて、製造コストを低減することができる。
【０００５】
ＨＥＶ用蓄電池として有望視されているＮｉ／ＭＨ蓄電池は、通常、円柱状の単電池を組み合わせた電池パックとされて、ＨＥＶに搭載されている。Ｎｉ／ＭＨ蓄電池の高い入出力電圧、長寿命という特性を最大限に引き出すためには、電池パックとして車両に搭載した状態で、効率良く冷却される冷却設計が重要になる。その主な理由は以下のとおりである。
【０００６】
１）一般的にＮｉ／ＭＨ蓄電池は、高温になると充電効率が低下し、入出力電圧が制限される。また、高温でのサイクル寿命が短い。
【０００７】
２）ＨＥＶを可能な限り軽く、しかも、安価に設計するために、電池を小型化することが必要である反面、高出力が要求される。そのため、容量あたりの発熱密度は、ＰＥＶ（ＰｕｒｅＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓ）用の電池の２〜５倍程度が必要になる。
【０００８】
３）車両搭載性から電池パックのコンパクト化は必須であり、電池パックの設計上、冷却設計が非常に重要な要素となっている。
【０００９】
このように、ＨＥＶ用蓄電池としてのＮｉ／ＭＨ蓄電池は、熱的に非常に過酷な条件下で使用されるため、電池の熱を効率よく放散させる冷却システムの開発が、コンパクトで信頼性の高い電池パックを設計する上で非常に重要となる。
【００１０】
電池パックの冷却構造の設計は、これまでは技術者の経験に基づいて行われている。即ち、要求される電池パックの放熱性、車両搭載性に対して適当と考えられる電池の個数、配置配列形態、ファン性能等を経験的に判断することによって、電池パックの冷却構造が設計されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
電池パックでは、単電池の発熱、単電池の個数および配置配列形態といった形態的な要素、ファンの流量特性、ダクトの形状、その他、様々な因子が複雑に影響し合って冷却性能が決定される。
【００１２】
また、電池の寿命は温度に依存し、高温になるほど寿命が短くなり、しかも、電池の温度が上昇すると、電池パック内において各単電池間の温度差が大きくなる。単電池間の温度差が大きくなると、充電効率に差が生じ、ＳＯＣ（State Of Charge ）が一定せずにばらつくおそれがある。このように、各単電池間にてＳＯＣに差が生じると、僅かな充放電によって、過充電あるいは過放電となる可能性がある単電池が電池パック内に存在することになり、電池パックの出力が制限されることになる。このため、単に、単電池の温度上昇を抑制するだけでなく、電池パック内における各単電池間の温度差も抑制する必要がある。
【００１３】
このような厳しい温度的制約の下で、複雑に影響し合う様々な冷却因子を経験的に解析する従来の冷却設計の手法では、要求される電池パックの放熱性、車両搭載性に対して、適切な電池の個数および配置配列形態の決定、ファン選定等を行うことが困難であり、その結果、放熱性おび車両搭載性に優れた電池パックを設計することが容易でないという問題がある。
【００１４】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、放熱性および車両搭載性に優れた電池パックを容易に設計することができる組電池の放熱評価方法、および、この放熱評価方法を用いた組電池の冷却設計方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の組電池の放熱評価方法は、冷却風の通路内に複数の単電池を組み合わせて配置した組電池の放熱性を評価する方法であって、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄに基づいて、放熱性能への影響因子φを関数φ＝Ｇ（Ｎ，Ｓ，ｄ）（ただし、Ｇは単電池の配置配列形態に対応した関数である。）によって求める工程と、冷却風通路を構成するファンおよびダクトの構造から、前記組電池に対する冷却風の流速Ｕを求める工程と、前記組電池における単電池の発熱量Ｊを求める工程と、前記影響因子φ、前記冷却風の流速Ｕおよび前記単電池の発熱量Ｊから、組電池における単電池の温度上昇量ΔＴを求める工程と、を包含することを特徴とする。
【００１８】
前記温度上昇量ΔＴは、前記放熱性能への影響因子φと前記冷却風の流速Ｕとに基づいて、次式により求められた冷却係数Ｋと、前記単電池の発熱量Ｊとに基づいて、ΔＴ＝Ｊ／Ｋによって求められる。
【００１９】
Ｋ＝φ・（Ｕ・ｄ／ｖ）ⁿ・Ｐｒ^1/3
ただし、φは放熱性能への影響因子、ｄは単電池の外径、ｖは動粘性係数、Ｐｒはプラントル数、ｎは指数である。
【００２０】
請求項１に記載の組電池の放熱評価方法を用いて組電池の冷却構造を決定する組電池の冷却設計方法であって、請求項１に記載の組電池の放熱評価方法により求められた単電池の温度上昇量ΔＴを、予め設定された許容値ΔＴlimと比較する工程と、単電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足する場合に、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄと、ファンおよびダクトの構造を適切なものとして確定し、単電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足しない場合に、放熱性能への影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄ、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクトの構造を設計変更する工程と、を包含することを特徴とする。
【００２１】
前記単電池の温度上昇量ΔＴとして、ダクトの形状による流速のばらつきΔＵを加味した冷却風の流速Ｕ±ΔＵを考慮して、最大温度上昇量ΔＴmaxと、最小温度上昇量ΔＴminと、それらの温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）とを求め、最大温度上昇量ΔＴmaxおよび温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）をそれぞれの許容値と比較し、最大温度上昇量ΔＴmaxおよび温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）がそれぞれの許容値を満足する場合に、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄと、ファンおよびダクト構造とを適切なものとして確定し、最大温度上昇量ΔＴmaxおよび温度差（ΔＴmax−ΔＴmin）がそれぞれの許容値を満足しない場合に、放熱性能への影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄ、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクトの構造を設計変更する。
【００２２】
前記単電池の配置配列形態、通風方向における単電池の列数Ｎ、単電池間距離Ｓ、および単電池の外径ｄを、組電池が配置されるスペースの要求スペックを満足させるように設計する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００２４】
本発明の組電池の冷却設計方法は、Ｎｉ／ＭＨ蓄電池を用いたＨＥＶ用電池パックの冷却構造を設計するために実施される。図１は、ＨＥＶ用の電池パックの一例を示す斜視図である。図１に示す電池パックは、円柱状をした複数本の単電池１と、それぞれが垂直な前面および後面が開口し、内部に複数本の単電池１が収容された角筒状のパッケージ２と、パッケージ２の後方にダクト３を介して接続された冷却ファン４とを有している。
【００２５】
パッケージ２内は、ファン４によって、それぞれが開口した垂直な前面から後面にわたって冷却風が通流する冷却風通路になっている。パッケージ２内には、６本の単電池１を一直線に連結した１つの電池モジュール１０が、それぞれ水平な状態で、冷却風の通流方向（Ｙ方向）に対して直交する方向（Ｘ方向）に沿って、垂直方向（Ｚ方向）に４列、冷却風の通流方向（Ｙ方向）に３列に配置されている。
【００２６】
本発明の組電池の冷却設計方法では、このような電池パックを、この電池パックが搭載されるＨＥＶの車両において、電池パックに必要とされる出力および車両搭載性についての要求スペックを満足させ、しかも、冷却によって電池の温度上昇を抑制することを満足させるように設計する。
【００２７】
具体的には、単電池１の最大温度上昇量ΔＴmax を、許容値ΔＴlim 以下に抑え、しかも、電池パック内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）を、許容値（ΔＴmax −ΔＴmin ）lim 以下に抑えるために必要な、電池モジュール１０の列数および配置配列形態、即ち、隣接する電池モジュール１０同士の関係、空気通流方向（Ｙ方向）の列数Ｎ、隣接する電池モジュール１０間の距離Ｓ、ファン４およびダクト３の構造が決定される。
【００２８】
図２は、本発明の組電池の冷却設計方法の手順を示すフローチャートである。以下、各ステップを順番に追いながら、電池モジュール１０の個数および配列形態の決定の手順、ファン４およびダクト３の構造の決定の手順を説明する。
【００２９】
ステップＳ１では、電池モジュール１０が搭載されるＨＥＶ車両において、電池パックとして要求される出力から、電池モジュール１０の必要本数が決定され、決定された電池モジュール１０の本数に基づいて、以下の設計が実施される。
【００３０】
すなわち、ステップＳ２において、決定された電池モジュール１０の本数と、電池パックをＨＥＶ車両に搭載した場合のスペース的な制限とに基づいて、電池パックにおける電池モジュール１０の配置配列形態、空気流通方向（Ｙ方向）の列数Ｎ、隣接する電池モジュール１０間の距離Ｓが、それぞれ決定される。
【００３１】
図３は電池モジュール１０の配置配列形態の説明図である。円柱状の単電池１を一直線に連結した電池モジュール１０の主な配置配列形態として、図３（ａ）に示すように、電池モジュール１０を、冷却風の通流方向（Ｙ方向）および通流方向とは直交する方向（Ｚ方向）に対して、それぞれ整列状態で配列する整列配置と、図３（ｂ）に示すように、隣接する電池モジュール１０同士を、冷却風の通流方向（Ｙ方向）および通流方向とは直交する方向（Ｚ方向）に対して、それぞれ、１／２ピッチずつずらせて配置する千鳥配置とがある。
【００３２】
これらの配置配列形態では、隣接する電池モジュール１０間の距離Ｓおよび電池モジュール１０の列数Ｎの影響によって、電池モジュール１０の周囲の冷却風の風速、流動状態等が変化し、電池モジュール１０を１列だけ配置する場合とは放熱性能が異なり、しかも、整列配置と千鳥配置とによっても、放熱性能が異なる。例えば、冷却風の圧力損失は、整列配置よりも千鳥配置の方が大きくなる。このために、電池モジュール１０の配置配列形態を、電池モジュール１０の列数Ｎおよび電池モジュール間の距離Ｓと共に、冷却への影響因子の１つの要件とする。
【００３３】
電池モジュール１０の列数Ｎおよび隣接する電池モジュール１０間の距離Ｓは、以下のようにして決定される。単電池の個数は、車両側に必要な出力から決定される。まず、電池パックをＨＥＶ車両に搭載した場合のスペース的な制限から、パッケージ２の高さＨについての限界値Ｈlim が決定される。また、電池モジュール１０の配置配列形態として、整列配置が選択されている場合、パッケージ２の厚みをｔ、最上段の電池モジュール１０からパッケージ２上壁内面までの距離および最下段の電池モジュール１０からパッケージ２の下壁内面までの距離をＣとすると、パッケージ２の高さＨは、次の（１）で表される（図３（ａ）参照）。
【００３４】
Ｈ＝Ｓ（ｍ−１）＋２（Ｃ＋ｔ）＋ｄ・・・（１）
ただし、ｄは電池の外径、ｍは、電池モジュール１０の冷却風通流方向とは直交する方向の列数である。
【００３５】
（１）式より、Ｈlim ≧Ｈを満たす各電池モジュール１０間の距離Ｓ、電池モジュール１０の冷却風通流方向とは直交する方向の列数ｍを決定すれば、次の（２）式より、冷却風通流方向の列数Ｎが決定される。
【００３６】
Ｎ＝Ｂ／ｍ …（２）
ただし、Ｂは電池モジュール数に対応する単電池の個数である。
【００３７】
なお、各ステップＳ１およびステップＳ２とは別に、ステップＳ３において、ファン４およびダクト３の構造について、放熱性の観点から、冷却風の流量Ｑ、平均流速Ｕ、その流速のばらつきΔＵに関して、順番に、次のようにして求める。
【００３８】
まず、ファンの形式が選択される。少ないエネルギーによって各単電池１を効率よく冷却するためには、通風抵抗の低減と最適なファン選択が必要である。ファンとしては、通常、軸流ファンおよびシロッコファンが使用される。通風抵抗が小さい場合には、軸流ファンが好適であり、コストおよびスペースの観点からも好ましい。通風抵抗が大きな場合には、シロッコファンが好適である。軸流ファン、シロッコファンのいずれかのファンが選択されると、そのファンの具体的仕様が決定される。
【００３９】
図４は、ファンの具体的仕様の決定方法を示すフローチャートである。
【００４０】
まず、ファンの幅、ファンの数およびその配置が決定される（ステップＳ３１）。次に、冷却風通路の圧力損失曲線Ｐが計算され（ステップＳ３２）、さらに、図５に示すファンの流量特性図に基づいて、ファンの駆動動作点（Ｑ0 ，ΔＰ0 ）が求められる（ステップＳ３３）。
【００４１】
そして、これらから、冷却風の流量Ｑ0 が求められる。そして、求められた冷却風の流量Ｑ0 が、最低限必要な流量Ｑlim と比較される（ステップＳ３４）。Ｑ0 ≧Ｑlim であれば、ファン幅、ファン数およびその配置が確定する（ステップＳ３５）。Ｑ0 ＜Ｑlim であれば、ファン幅、ファン数およびその配置が変更される。そして、変更されたファン幅、ファン数およびその配置に関して、ステップＳ３１〜Ｓ３４のプロセスが再度実行され、Ｑ0 ≧Ｑlim となるまで、ファン幅、ファン数およびその配置の変更が繰り返される。
【００４２】
こうして、決定されたファン仕様についての冷却風の流量Ｑ0が求まると、冷却風通路の断面積と、この流量Ｑ0とに基づいて、平均流速Ｕが求められる。さらに、ダクトの構造により、平均流速ＵのばらつきΔＵが求められる。即ち、ストレートなダクトと比べ、ダクトが直角に曲がるような場合は、平均流速のばらつきΔＵが大きくなる。
【００４３】
以上により、決定されたファンおよびダクトの構造について、冷却風の流速が、Ｕ±ΔＵとして求まる。換言すれば、ファンおよびダクトの構造が、冷却風の流速Ｕ±ΔＵを代表値として決定される。
【００４４】
これらとは別に、ステップＳ４において、決定された電池モジュールの本数に基づいて、パッケージ２内での単電池１の発熱量Ｊが求められる。これは次のようにして行われる。
【００４５】
Ｎｉ／ＭＨ蓄電池の充電時の発熱要素は、充電反応における化学反応抵抗による発熱と、導電部の電気抵抗による発熱と、二次的な水素および酸素の再結合による反応熱とである。一方、放電時の発熱要素は、放電反応における化学反応抵抗による発熱と、導電部の電気抵抗による発熱とである。ＨＥＶ車両の通常走行では、ＳＯＣが５０％程度に制御されることにより、発熱要素は、主に化学反応抵抗および導電部の電気抵抗による発熱となる。
【００４６】
Ｎｉ／ＭＨ蓄電池を高ＳＯＣ領域で充電すると、２次反応である水素および酸素の再結合による反応が生じ、発熱量が急激に増加する。ＳＯＣが１００％以上の充電では、充電エネルギーのほぼ全てが熱エネルギーロスになると考えられる。
【００４７】
Ｎｉ／ＭＨ蓄電池の通常使用域として、ＳＯＣが５０％、高ＳＯＣ領域として、ＳＯＣが９０％での充電時の発熱量をそれぞれ測定したところ、通常使用域では、蓄電池の等価的な内部抵抗をＲとすると、蓄電池の発熱量Ｊは、入出力の平均電流Ｉを用いて、Ｊ＝Ｉ²Ｒとして表わされることが判明した。
【００４８】
実測結果からは、ＳＯＣが５０％での等価的な内部抵抗Ｒは、１本の単電池当り３．６ｍΩであり、これは、単電池の内部抵抗とほぼ一致する。また、ＳＯＣが９０％での内部抵抗Ｒは、ＳＯＣが５０％の場合と比べて、１０％程度増加しており、その差は、２次反応によるエネルギーロス分と考えることができる。
【００４９】
通常使用では、ＳＯＣが９０％付近でのＨＥＶ車両の走行はほとんど考えられないため、冷却評価では、ＳＯＣが５０％における単電池の内部抵抗から算出した発熱量Ｊを用いる。また、発熱量を変化させて評価することにより、ＨＥＶ車両にて想定される様々な走行パターンを模擬する。この方法により、効率よく冷却評価を行うことができる。求められた発熱量Ｊは確定され、電池モジュールの本数と同様、以後、変更されない。
【００５０】
以上により、電池モジュールの本数と、電池パックを車両に搭載したときのスペース的な制限とに基づいて、電池パックにおける電池モジュールの配置配列形態、冷却風通流方向（Ｙ方向）の電池モジュールの列数Ｎおよび電池モジュール間の距離Ｓが、仮決定される（ステップＳ２）。また、仮決定されたファン仕様およびダクト仕様に基づき、冷却風の流速Ｕ±ΔＵが求められる（ステップＳ３）。更に、決定された電池モジュールの本数に基づいて、電池パック内での単電池の発熱量Ｊが求められる（ステップＳ４）。
【００５１】
そして、ステップＳ５〜ステップＳ７により、上記の仮決定されたスペックに関して、放熱性能が、単電池１の最大温度上昇量ΔＴmax およびパッケージ２内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）により評価される。以下、この評価手順を説明する。
【００５２】
整列配置された電池モジュール１０および千鳥配置された電池モジュール１０では、その配置配列形態、周囲の電池モジュール１０の空間距離（電池モジュール１０間の距離Ｓ）、電池モジュール１０の列数Ｎの影響を受けて、電池モジュール１０の周囲の冷却風の流速、その流量特性等が変化し、放熱性能は、電池モジュール１０が単一な場合とは、放熱性能が異なる。このような熱移動に関し、伝熱工学の分野では、次の（３）式および（４）式で表される単一管内の熱移動に対して、複数の管において、個数および配置配列形態による影響因子φ0 を導入した（５）式および（６）式が使用されている。
【００５３】
Ｎｕ＝Ｃ・Ｒｅⁿ ・Ｐｒ^1/3 …（３）
Ｒｅ＝Ｕ・ｄ／ｖ …（４）
Ｎｕ＝φ0 ・Ｒｅⁿ・Ｐｒ^1/3 …（５）
φ0 ＝Ｆ（Ｎ，Ｓ，ｄ） …（６）
ただし、Ｎｕはヌッセルト数、Ｒｅはレイノズル数、Ｐｒはプラントル数、Ｕは流速、ｄは管の外径、ｖは動粘性係数、Ｃは係数、Ｆは関数、ｎは指数である。またＮは電池モジュールの列数、Ｓは隣接する管の距離である。
【００５４】
単一の円柱状をした電池モジュールの放熱性について実験を行ったところ、上記（３）式および（４）式の近似線に実測値が一致することが確認された。従って、円柱型の電池モジュールの熱移動についても、その現象が、上記（３）式およぴ（４）式により整理され、更に、上記（５）式および（６）式のように、個数および配置配列形態の影響因子φ0 を導入することにより、電池パックにおける電池モジュールの熱移動が整理される。
【００５５】
また、冷却構造の実設計では、次の（７）式で表される冷却係数Ｋが使用される。
【００５６】
Ｋ＝Ｊ／ΔＴ＝Ｊ／（ＴＢ−Ｔamb ） …（７）
ここで、Ｊは発熱量、ΔＴは単電池の温度上昇量、ＴＢは定常状態の単電池の温度、Ｔamb は吸気空気温度である。
【００５７】
この冷却係数Ｋを使用すると、（７）式は、次の（８）式〜（１０）式に整理される。
【００５８】
Ｋ＝φ0 ・ｄ／（Ａ・λ）・Ｒｅⁿ・Ｐｒ^1/3 ＝φ・Ｒｅⁿ ・Ｐｒ^1/3 …（８）
Ｒｅ＝Ｕ・ｄ／ｖ …（９）
φ＝Ｇ（φ0 ）＝Ｇ（Ｎ，Ｓ，ｄ） …（１０）
（８）式において、Ａは放熱面積、λは空気の熱伝導率、Ｕは流速、ｄは電池の外径、ｖは動粘性係数、φは配置配列形態および配列状況の放熱性に対する影響因子、Ｇは関数である。
【００５９】
そして、これらの式から、（１１）式および（１２）式が得られる。
【００６０】
Ｋ＝φ・（Ｕ・ｄ／ｖ）ⁿ ・Ｐｒ^1/3 …（１１）
ΔＴ＝Ｊ／Ｋ …（１２）
これらの（１０）式〜（１２）式からは、次のことが理解される。電池パック内の電池モジュールに関して、整列配置、千鳥配置のそれぞれについて関数Ｇを求めておけば、電池モジュールの冷却風通流方向の列数Ｎ、電池モジュール間の距離Ｓおよび単電池の外径ｄから電池モジュールの個数および配置配列形態による放熱性能のる影響因子φが、（１０）式によって求まる。
【００６１】
求められた影響因子φと、冷却風の流速Ｕとから、冷却係数Ｋが（１１）式によって求まる。求められた冷却係数Ｋと、発熱量Ｊとから、単電池の温度上昇量ΔＴが（１２）式から求まる。
【００６２】
冷却風の流速Ｕについては、前述したように、ダクト形状による流速のばらつきΔＵがあるために、Ｕ±ΔＵによって表される。この流速のばらつきΔＵを考慮すれば、単電池の最大温度上昇量ΔＴmax と、単電池の最小温度上昇量ΔＴmin とが求まり、電池パック内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）が求まる。
【００６３】
予め決定されたスペックの放熱性能を評価するに当たり、電池モジュールの配置配列形態、空気流通方向（Ｙ方向）の電池モジュールの列数Ｎ、電池モジュール間距離Ｓ、冷却風の流速Ｕ±ΔＵおよび単電池の発熱量Ｊを求めることにより、（１０）式〜（１２）式を用いて、単電池の最大温度上昇量ΔＴmax および電池パック内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）を求めることができる。
【００６４】
図６は、（１０）式〜（１２）式の関係を、１チャート上に表示した電池パックの冷却設計線図である。
【００６５】
図６における右上に位置するグラフ（１）は、（１０）式を表しており、単電池の外径ｄに対する電池モジュール間距離Ｓの割合Ｓ／ｄ（横軸）と影響因子φ（縦軸）との関係を、整列配置（実線）および千鳥配置（破線）のそれぞれについて、電池モジュールの冷却風通流方向の列数Ｎをパラメータとして示している。図６における左上のグラフ（２）は、（１１）式を表しており、影響因子φ（縦軸）と冷却係数Ｋ（横軸）との関係を、冷却風の流速Ｕをパラメータとして示している。図６における左下のグラフ（３）は、（１２）式を表しており、冷却係数Ｋ（横軸）と単電池の温度上昇量ΔＴ（縦軸）との関係を、発熱量Ｊをパラメータとして示している。
【００６６】
図６のグラフ（１）〜（３）において、（１）〜（２）〜（３）と矢印に沿って値を順番に求めるとにより、電池モジュールの温度上昇量ΔＴが直ちに判明する。即ち、図６のグラフ（１）から、電池モジュール間距離Ｓ／電池（モジュール）外径ｄと、配置配列形態および電池モジュールの列数Ｎとによって、放熱性に対する影響因子φが得られ、図６のグラフ（２）から、その影響因子φと、冷却風の流速Ｕとによって、冷却係数Ｋが得られ、さらに、図６のグラフ（３）から、その冷却係数Ｋと、発熱量Ｊとによって、電池モジュールの温度上昇量ΔＴが得られる。
【００６７】
本発明の実施形態では、ステップＳ２にて決定された電池モジュールの配置配列形態、電池モジュールの列数Ｎ、電池モジュール間距離Ｓ等を用いて、ステップＳ５にて、放熱性能の影響因子φを求め、次のステップＳ６に移行する。
【００６８】
ステップＳ６では、ステップＳ５で求めた放熱性能の影響因子φと、ステップＳ３で求めた冷却風の流速Ｕ±ΔＵとにより、流速が最大値Ｕ＋ΔＵのときの最大冷却係数Ｋmax を求めると共に、流速が最小値Ｕ−ΔＵのときの最小冷却係数Ｋmin を求める。
【００６９】
次のステップＳ７では、ステップＳ４で求めた発熱量Ｊと、ステップＳ６で求めた最大冷却係数Ｋmax とから、電池モジュールの最大温度上昇量ΔＴmax を求めると共に、発熱量Ｊと最小冷却係数Ｋmin とから、電池モジュールの最小温度上昇量ΔＴmin を求める。
【００７０】
このようにして、電池の最大温度上昇量ΔＴmax および最小温度上昇量ΔＴmin が求まると、ステップＳ８で、最大温度上昇量ΔＴmax をその許容値ΔＴlim と比較する。また、電池パック内の温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）をその許容値（ΔＴmax −ΔＴmin ）lim と比較する。
【００７１】
いずれもが許容値以下の場合は、そのときの、電池モジュールの配置配列形態、電池モジュールの列数Ｎ、電池モジュール間距離Ｓおよび単電他の外径ｄ（電池パック仕様）、並びに冷却風の流速Ｕ（ファン仕様・ダクト仕様）を設計値として確定する（ステップＳ９）。
【００７２】
いずれか一方でも許容値を上回った場合は、ステップＳ２および／又はステップＳ３に戻る。即ち、電池パック仕様、またはファン仕様およびダクト仕様の少なくとも一方を変更する。
【００７３】
そして、変更後の仕様につき、再度ステップＳ５〜ステップＳ８を実行し、ステップＳ９へ移行するまでこれを繰り返す。
【００７４】
このようにして、本発明の実施形態では、車両において必要とされる出力および車両搭載性についての要求スペックを満足しつつ冷却効果を満足する電池パックを簡単に設計することができる。
【００７５】
このような方法によって、実際に図１に示す電池パックを試作した。冷却風の通風抵抗を小さくするために、配置配列形態は整列配置とした。強度と冷却性を考慮して電池モジュール間距離Ｓを決定した。
【００７６】
ファン４は圧力損失、コスト、スペースのバランスのとれている軸流ファンを用いた。また、ダクト３は、電池モジュール１０との距離を、可能な限りファン４の直径以上になるように設計し、電池パック内に冷却風を均一に通流させるようにした。
【００７７】
試作した電池パックの放熱性の評価を実際に行った。結果を図７のグラフに示す。図７のグラフから理解されるように、試作された電池パックの放熱性は、冷却風の風速０．８ｍ／ｓ、単電池あたりの発熱量２Ｗ以下では、最大温度上昇量ΔＴmax については１０℃以下、温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）については４℃以下であり、目標を達成していることが確認された。
【００７８】
図７のグラフには、図６の冷却設計線図から求めた予想値も合わせて示している。最大温度上昇量ΔＴmax および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）とも、予想値と実測値とが、よく一致している。また、発熱負荷を順次変化させた非定常の温度変化を図８のグラフに示すが、この温度変化についても、予想値と実測値は、よく一致している。
【００７９】
これらのことから、本発明の実施形態の有効性は明らかである。
【００８０】
図９は、図１に示した電池パック内の単電池Ｓ１〜Ｓ３およびＭ１〜Ｍ３の冷却風流通方向（Ｙ方向）の温度分布を示す。単電池Ｓ１〜Ｓ３は最上段に配置されており、単電池Ｍ１〜Ｍ３は２段目に配置されている。また、Ｓ３（Ｍ３）、Ｓ２（Ｍ２）、Ｓ１（Ｍ１）の順番に、側壁から離れ中央部に近づくように配置されている。
【００８１】
図９のグラフから明らかなように、周囲のパッケージ２から離れた中央部にて温度が高く、周囲のパッケージ２に接近するほど、温度が低くなる。この温度のばらつきは、主にパッケージ２の形状に起因する流速のばらつきが要因と考えられる。この評価では、各列ごとの冷却係数のばらつきは、約１８％以内と小さくなかった。従って、実際の電池パックの設計では、パッケージ２の形状に起因する流速分布を考慮することが有効である。
【００８２】
更に、ＨＥＶ車両の搭載時においては、吸気空気の流速のばらつきも生じる。従って、最終的なＨＥＶ車両の搭載に際しての冷却性を考慮すると、吸気空気の流速のばらつきも考慮することが有効である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明の組電池の放熱評価方法は、このように、組電池における単電池の個数および配置配列形態から求めた放熱性能の影響因子φと、冷却風通路を構成するファンおよびダクト構造から求めた冷却風通路内の冷却風の流速Ｕと、単電池の個数から求めた電池の発熱量Ｊとによって、単電池の温度上昇量ΔＴを求めることにより、設計された組電池の放熱性能が簡単かつ正確に評価され、その設計が容易になる。
【００８４】
また、放熱性能の影響因子φを所定の関数として求めることにより、放熱性能の影響因子φがより正確に求まり、従って、求められる単電池の温度上昇量ΔＴが正確になるために、放熱性能の評価精度が向上する。
【００８５】
また、単電池における温度上昇量ΔＴを求める際に、放熱性能の影響因子φと冷却風の流速Ｕとに基づいて、冷却係数Ｋを求め、求められた冷却係数Ｋと電池の発熱量Ｊとに基づいて、電池の温度上昇量ΔＴを求めることにより、求められる電池の温度上昇量ΔＴがより正確に得られるために、放熱性能の評価精度が向上する。
【００８６】
また、本発明の組電池の冷却設計方法によると、本発明の組電池の放熱評価方法により正確に求められた単電池の温度上昇量ΔＴを用いて、単電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足する場合に、単電池の個数および配置配列形態と、ファンおよびダクト構造とを確定し、電池の温度上昇量ΔＴがその許容値ΔＴlimを満足しない場合に、放熱性能の影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、単電池の個数および配置配列形態、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクト構造を設計変更することにより、所定の放熱性能を有する組電池が容易に設計される。
【００８７】
また、電池の温度上昇量ΔＴとして、最大温度上昇量ΔＴmax 、最小温度上昇量ΔＴmin および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）を求め、最大温度上昇量ΔＴmax および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）をそれそれの許容値と比較し、最大温度上昇量ΔＴmax および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）がそれそれの許容値を満足する場合に、単電池の個数および配置配列形態と、ファン性能およびダクト構造とを確定し、最大温度上昇量ΔＴmax および温度差（ΔＴmax −ΔＴmin ）がそれそれの許容値を満足しない場合に、放熱性能の影響因子φおよび／又は冷却風の流速Ｕを変更するべく、組電池における電池の個数および配置配列形態、および／又は、冷却風通路を構成するファンおよびダクト構造を設計変更することにより、特に高い放熱性能を有する組電池が簡単に設計される。
【００８８】
また、単電池の個数および配置配列形態を、スペース面の要求スペックを満足させるように設計することにより、小型で且つ高い放熱性能を有する組電池が簡単に設計される。
【図面の簡単な説明】
【図１】電池パックの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態を示す冷却設計手順のフローチャートである。
【図３】（ａ）は、電池モジュールの配置配列形態である整列配置の説明図、（ｂ）は、千鳥配置の説明図である。
【図４】ファン仕様の決定手順を示すフローチャートである。
【図５】ファンの流量曲線を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に使用される電池パックの冷却設計用グラフである。
【図７】試作した電池パックの放熱性を予想値と実測値について示すグラフである。
【図８】負荷を変化させたときの放熱性の変化を予想値と実測値について示すグラフである。
【図９】電池パック内の電池位置の放熱性に与える影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１単電池
２パッケージ
３ダクト
４ファン
１０モジュール[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an assembled battery heat dissipation evaluation method suitably used for designing a cooling structure for an assembled battery used in an electric vehicle such as an HEV (hybrid electric vehicle), and cooling of the assembled battery using the heat dissipation evaluation method. It relates to the design method.
[0002]
[Prior art]
HEVs (hybrid electric vehicles) equipped with an engine and energy storage means such as batteries have attracted attention as low-pollution vehicles that simultaneously solve environmental and energy problems.
[0003]
HEV energy storage means include batteries, flywheels, hydraulics, etc., but batteries are generally used. In particular, Ni / MH storage batteries have the characteristics of high input / output voltage and long life. In addition, it is considered promising as a storage battery for HEV.
[0004]
Since HEV can generate electric power with an engine, it can be charged during traveling by using a storage battery. As a result, the problem of charging the battery, which is a problem of the electric vehicle, can be solved, and further, since the amount of the battery can be reduced, the weight of the vehicle can be reduced and the manufacturing cost can be reduced. Can be reduced.
[0005]
A Ni / MH storage battery, which is regarded as promising as a storage battery for HEV, is usually a battery pack that is a combination of cylindrical cells, and is mounted on the HEV. In order to maximize the characteristics of the high input / output voltage and long life of the Ni / MH storage battery, a cooling design that efficiently cools the battery pack as a battery pack is important. The main reasons are as follows.
[0006]
1) In general, when a Ni / MH storage battery is at a high temperature, the charging efficiency is lowered, and the input / output voltage is limited. In addition, the cycle life at high temperatures is short.
[0007]
2) In order to design HEV as lightly as possible and inexpensively, it is necessary to reduce the size of the battery, but high output is required. Therefore, the heat generation density per capacity is required to be about 2 to 5 times that of a battery for PEV (Pure Electric Vehicles).
[0008]
3) From the standpoint of vehicle mounting, it is essential to make the battery pack compact, and the cooling design is a very important factor in designing the battery pack.
[0009]
Thus, Ni / MH batteries as HEV batteries are used under extremely severe thermal conditions, so the development of a cooling system that efficiently dissipates the heat of the battery is compact and highly reliable. This is very important in designing a battery pack.
[0010]
The design of the battery pack cooling structure has so far been based on the experience of engineers. That is, the cooling structure of the battery pack is designed by empirically judging the number of batteries, the arrangement and arrangement, the fan performance, etc. that are considered appropriate for the required heat dissipation of the battery pack and mountability on the vehicle. Yes.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the battery pack, the cooling performance is determined by various factors such as morphological factors such as heat generation of the single cells, number of single cells and arrangement arrangement, fan flow characteristics, duct shape, etc. .
[0012]
Further, the life of the battery depends on the temperature, and the life becomes shorter as the temperature becomes higher. Moreover, when the temperature of the battery rises, the temperature difference between the single cells in the battery pack increases. When the temperature difference between the single cells becomes large, a difference occurs in charging efficiency, and there is a possibility that the SOC (State Of Charge) is not constant and varies. Thus, when there is a difference in SOC between each unit cell, there is a unit cell in the battery pack that may be overcharged or overdischarged due to slight charge / discharge. The output will be limited. For this reason, it is necessary not only to suppress the temperature rise of the unit cells but also to suppress the temperature difference between the unit cells in the battery pack.
[0013]
Under such severe temperature constraints, the conventional cooling design method that empirically analyzes various cooling factors that affect the complex, the required heat dissipation of the battery pack, mounting in the vehicle, It is difficult to determine an appropriate number of batteries and arrangement arrangement, and to select a fan. As a result, there is a problem that it is not easy to design a battery pack excellent in heat dissipation and vehicle mountability.
[0014]
The present invention solves such a problem, and an object of the present invention is to provide an assembled battery heat dissipation evaluation method capable of easily designing a battery pack excellent in heat dissipation and vehicle mountability, and the heat dissipation evaluation. An object of the present invention is to provide a cooling design method for an assembled battery using the method.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  The assembled battery heat dissipation evaluation method of the present invention is a method for evaluating the heat dissipation of an assembled battery in which a plurality of cells are arranged in a cooling air passage,The number N of cells in the direction of ventilation, the distance S between cells, and the outer diameter d of the cellsOn the basis of the,ReleaseThermal performanceWhatInfluence factor φBy function φ = G (N, S, d) (where G is a function corresponding to the arrangement arrangement of the cells).A step of obtaining a flow rate U of cooling air to the assembled battery from the structure of the fan and duct constituting the cooling air passage, a step of obtaining a calorific value J of the single battery in the assembled battery, and the influence factor φ And a step of obtaining a temperature increase ΔT of the unit cell in the assembled battery from the flow rate U of the cooling air and the calorific value J of the unit cell.
[0018]
  The temperature rise ΔT is the heat dissipationPerformanceOn the basis of the influencing factor φ and the flow velocity U of the cooling air, the cooling coefficient K obtained by the following equation,singleBased on the calorific value J of the battery, ΔT = J / K.
[0019]
  K = φ · (U · d / v)ⁿ・ Pr^1/3
  Where φ is heat dissipationPerformanceInfluencing factors, d is a single cellofThe outer diameter, v is the kinematic viscosity coefficient, Pr is the Prandtl number, and n is the index.
[0020]
  An assembled battery cooling design method for determining an assembled battery cooling structure using the assembled battery heat dissipation evaluation method according to claim 1, wherein the assembled battery heat dissipation evaluation method is determined by the assembled battery heat dissipation evaluation method according to claim 1. The step of comparing the battery temperature increase amount ΔT with a preset allowable value ΔTlim, and the case where the cell temperature increase amount ΔT satisfies the allowable value ΔTlim.,singlebatteryArrangement ofArrangement form, The number N of cells in the ventilation direction, the distance S between cells, and the outer diameter d of the cellsIf the structure of the fan and duct is determined as appropriate, and the temperature rise ΔT of the unit cell does not satisfy the allowable value ΔTlim, the heat dissipation performanceWhatTo change the influence factor φ and / or the flow velocity U of the cooling air,singlebatteryArrangement ofArrangement form,The number N of cells in the direction of ventilation, the distance S between cells, and the outer diameter d of the cellsAnd / or a step of redesigning the structure of the fan and duct constituting the cooling air passage.
[0021]
  As the temperature rise amount ΔT of the unit cell,Considering the flow velocity U ± ΔU of the cooling air taking into account the variation in flow velocity ΔU due to the shape of the duct,The maximum temperature rise amount ΔTmax, the minimum temperature rise amount ΔTmin, and the temperature difference between them (ΔTmax−ΔTmin) are obtained, and the maximum temperature rise amount ΔTmax and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) are compared with the respective allowable values. When the temperature rise amount ΔTmax and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) satisfy the permissible values.,singlebatteryArrangement ofArrangement form, The number N of cells in the ventilation direction, the distance S between cells, and the outer diameter d of the cellsIf the maximum temperature rise ΔTmax and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) do not satisfy the respective allowable values, the influence factor φ on the heat dissipation performance and / or cooling is determined. To change the wind velocity U,singlebatteryArrangement ofArrangement form, The number N of cells in the ventilation direction, the distance S between cells, and the outer diameter d of the cellsAnd / or the design of the fan and duct structure constituting the cooling air passage is changed.
[0022]
  in frontSimplebatteryArrangement ofArrangement form, The number N of cells in the ventilation direction, the distance S between cells, and the outer diameter d of the cellsIs designed to satisfy the required specifications of the space where the assembled battery is placed.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
The battery pack cooling design method of the present invention is implemented to design a cooling structure for a battery pack for HEV using Ni / MH storage batteries. FIG. 1 is a perspective view showing an example of a battery pack for HEV. The battery pack shown in FIG. 1 includes a plurality of unit cells 1 each having a columnar shape, a rectangular tube-shaped package 2 in which a plurality of unit cells 1 are accommodated inside, each of which has a vertical front surface and a rear surface opened. And a cooling fan 4 connected to the rear of the package 2 via a duct 3.
[0025]
Inside the package 2 is a cooling air passage through which the cooling air flows from the vertical front surface to the rear surface which are opened by the fan 4. In the package 2, one battery module 10 in which six unit cells 1 are connected in a straight line is in a horizontal state (X direction) perpendicular to the flow direction of cooling air (Y direction). Are arranged in four rows in the vertical direction (Z direction) and in three rows in the flow direction of the cooling air (Y direction).
[0026]
In the battery pack cooling design method of the present invention, such a battery pack is satisfied in the HEV vehicle in which the battery pack is mounted, and the required specifications for the output and vehicle mountability required for the battery pack are satisfied. Moreover, it is designed to satisfy that the temperature rise of the battery is suppressed by cooling.
[0027]
Specifically, in order to suppress the maximum temperature rise ΔTmax of the unit cell 1 to the allowable value ΔTlim or less, and to suppress the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) in the battery pack to the allowable value (ΔTmax−ΔTmin) lim or less. The number of rows and arrangement arrangement of the battery modules 10 necessary for the above, that is, the relationship between the adjacent battery modules 10, the number N of rows in the air flow direction (Y direction), the distance S between the adjacent battery modules 10, and the fan 4 and the structure of the duct 3 are determined.
[0028]
FIG. 2 is a flowchart showing the procedure of the assembled battery cooling design method of the present invention. Hereinafter, the procedure for determining the number and arrangement form of the battery modules 10 and the procedure for determining the structure of the fan 4 and the duct 3 will be described while following each step in turn.
[0029]
In step S1, in the HEV vehicle on which the battery module 10 is mounted, the required number of the battery modules 10 is determined from the output required as the battery pack, and the following design is performed based on the determined number of the battery modules 10. To be implemented.
[0030]
That is, in step S2, based on the determined number of battery modules 10 and space limitations when the battery pack is mounted on an HEV vehicle, the arrangement arrangement form of the battery modules 10 in the battery pack, the air flow direction ( The number N of columns in the (Y direction) and the distance S between adjacent battery modules 10 are respectively determined.
[0031]
FIG. 3 is an explanatory diagram of an arrangement arrangement form of the battery modules 10. As a main arrangement arrangement form of the battery modules 10 in which the cylindrical unit cells 1 are connected in a straight line, as shown in FIG. 3A, the battery modules 10 are arranged in the flow direction (Y direction) of cooling air and the flow direction. As shown in FIG. 3 (b), and the arrangement arrangement arranged in an aligned state with respect to the direction orthogonal to the direction (Z direction), the adjacent battery modules 10 are connected to each other in the direction of cooling air flow (Y Direction) and the direction perpendicular to the flow direction (Z direction).
[0032]
In these arrangement arrangement forms, due to the influence of the distance S between adjacent battery modules 10 and the number N of rows of battery modules 10, the wind speed, flow state, etc. of the cooling air around the battery modules 10 change, and the battery modules 10 are The heat dissipating performance differs from the case where only one row is arranged, and the heat dissipating performance differs depending on the arrangement and staggered arrangement. For example, the pressure loss of the cooling air is larger in the staggered arrangement than in the aligned arrangement. For this reason, the arrangement arrangement form of the battery modules 10 is set as one requirement of the influence factor on cooling, together with the number N of rows of the battery modules 10 and the distance S between the battery modules.
[0033]
The number N of rows of battery modules 10 and the distance S between adjacent battery modules 10 are determined as follows. The number of single cells is determined from the output required on the vehicle side. First, the limit value Hlim for the height H of the package 2 is determined from the space limitation when the battery pack is mounted on the HEV vehicle. Further, when the aligned arrangement is selected as the arrangement arrangement form of the battery modules 10, the thickness of the package 2 is t, the distance from the uppermost battery module 10 to the inner surface of the upper wall of the package 2, and the lowermost battery module 10. When the distance to the inner surface of the lower wall of the package 2 is C, the height H of the package 2 is expressed by the following (1) (see FIG. 3A).
[0034]
  H = S (m−1) +2 (C + t) + d (1)
  However,d is the outer diameter of the battery,m is the number of rows in the direction perpendicular to the cooling air flow direction of the battery module 10.
[0035]
If the distance S between the battery modules 10 satisfying Hlim ≧ H and the number m of columns in the direction orthogonal to the cooling air flow direction of the battery module 10 are determined from the expression (1), the following expression (2) is obtained. The number N of rows in the cooling air flow direction is determined.
[0036]
N = B / m (2)
However, B is the number of single cells corresponding to the number of battery modules.
[0037]
In addition to each step S1 and step S2, in step S3, the structure of the fan 4 and the duct 3 is sequentially changed with respect to the cooling air flow rate Q, the average flow velocity U, and the flow velocity variation ΔU from the viewpoint of heat dissipation. Find it as follows.
[0038]
First, the fan type is selected. In order to cool each single cell 1 efficiently with a small amount of energy, it is necessary to reduce ventilation resistance and select an optimum fan. As the fan, an axial fan and a sirocco fan are usually used. When the ventilation resistance is small, an axial fan is preferable, and from the viewpoint of cost and space. When the ventilation resistance is large, a sirocco fan is suitable. When an axial fan or a sirocco fan is selected, the specific specifications of the fan are determined.
[0039]
FIG. 4 is a flowchart showing a method for determining a specific specification of the fan.
[0040]
First, the width of the fan, the number of fans, and the arrangement thereof are determined (step S31). Next, the pressure loss curve P of the cooling air passage is calculated (step S32), and the fan drive operating point (Q0, ΔP0) is obtained based on the fan flow characteristic diagram shown in FIG. 5 (step S33). ).
[0041]
From these, the flow rate Q0 of the cooling air is obtained. Then, the obtained flow rate Q0 of the cooling air is compared with the minimum required flow rate Qlim (step S34). If Q0.gtoreq.Qlim, the fan width, the number of fans and their arrangement are determined (step S35). If Q0 <Qlim, the fan width, the number of fans and their arrangement are changed. Then, with respect to the changed fan width, the number of fans, and the arrangement thereof, the processes of steps S31 to S34 are executed again, and the change of the fan width, the number of fans and the arrangement thereof is repeated until Q0 ≧ Qlim.
[0042]
Thus, when the flow rate Q0 of the cooling air for the determined fan specification is obtained, the average flow velocity U is obtained based on the cross-sectional area of the cooling air passage and the flow rate Q0. Further, the variation ΔU of the average flow velocity U is determined by the structure of the duct. That is, when the duct is bent at a right angle as compared with the straight duct, the variation ΔU in the average flow velocity becomes large.
[0043]
As described above, the flow velocity of the cooling air is determined as U ± ΔU for the determined fan and duct structure. In other words, the structure of the fan and the duct is determined with the cooling air flow velocity U ± ΔU as a representative value.
[0044]
Apart from these, in step S4, based on the determined number of battery modules, the calorific value J of the single cell 1 in the package 2 is determined. This is done as follows.
[0045]
The exothermic elements during charging of the Ni / MH storage battery are heat generation due to chemical reaction resistance in the charging reaction, heat generation due to electric resistance of the conductive portion, and reaction heat due to secondary recombination of hydrogen and oxygen. On the other hand, the heat generation elements during discharge are heat generation due to chemical reaction resistance in the discharge reaction and heat generation due to electric resistance of the conductive portion. In normal travel of HEV vehicles, the SOC is controlled to about 50%, so that the heat generating element generates heat mainly due to chemical reaction resistance and electrical resistance of the conductive portion.
[0046]
When the Ni / MH storage battery is charged in a high SOC region, a reaction due to the recombination of hydrogen and oxygen, which is a secondary reaction, occurs, and the amount of heat generation increases rapidly. When the SOC is 100% or more, almost all of the charging energy is considered to be a heat energy loss.
[0047]
As the normal usage range of the Ni / MH storage battery, the calorific value at the time of charging when the SOC is 50%, the high SOC range, and the SOC is 90% is measured. In the normal usage range, the equivalent internal resistance of the storage battery is measured. Assuming R, the calorific value J of the storage battery is expressed as follows: J = I²It was found to be represented as R.
[0048]
From the actual measurement results, the equivalent internal resistance R when the SOC is 50% is 3.6 mΩ per unit cell, which is almost equal to the internal resistance of the unit cell. Further, the internal resistance R when the SOC is 90% is increased by about 10% compared to the case where the SOC is 50%, and the difference can be considered as an energy loss due to the secondary reaction.
[0049]
In normal use, it is unlikely that a HEV vehicle will run when the SOC is around 90%. Therefore, in the cooling evaluation, the calorific value J calculated from the internal resistance of the unit cell when the SOC is 50% is used. Moreover, various running patterns assumed in HEV vehicles are simulated by changing the heat generation amount and evaluating. By this method, the cooling evaluation can be performed efficiently. The obtained heat generation amount J is determined and is not changed thereafter as is the case with the number of battery modules.
[0050]
Based on the above, based on the number of battery modules and the space limitation when the battery pack is mounted on the vehicle, the arrangement arrangement form of the battery modules in the battery pack, the battery module in the cooling air flow direction (Y direction) The number N of columns and the distance S between the battery modules are provisionally determined (step S2). Further, based on the temporarily determined fan specification and duct specification, the flow velocity U ± ΔU of the cooling air is obtained (step S3). Further, based on the determined number of battery modules, the calorific value J of the single cell in the battery pack is obtained (step S4).
[0051]
In step S5 to step S7, the heat dissipation performance is evaluated by the maximum temperature rise amount ΔTmax of the unit cell 1 and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) in the package 2 with respect to the provisionally determined specification. Hereinafter, this evaluation procedure will be described.
[0052]
In the battery modules 10 arranged in a row and the battery modules 10 arranged in a staggered manner, the influence of the arrangement arrangement form, the spatial distance of the surrounding battery modules 10 (distance S between the battery modules 10), and the number N of rows of the battery modules 10 is affected. In response, the flow velocity of the cooling air around the battery module 10, its flow characteristics, and the like change, and the heat dissipation performance is different from that of the single battery module 10. With regard to such heat transfer, in the field of heat transfer engineering, the heat transfer in a single tube represented by the following equations (3) and (4) depends on the number and arrangement arrangement of a plurality of tubes. Equations (5) and (6), in which an influence factor φ0 is introduced, are used.
[0053]
Nu = C · Reⁿ ・ Pr^1/3   ... (3)
Re = U · d / v (4)
Nu = φ0 ・ Reⁿ・ Pr^1/3    ... (5)
φ0 = F (N, S, d) (6)
Where Nu is the Nusselt number, Re is the number of Ray nozzles, Pr is the Prandtl number, U is the flow velocity, d is the outer diameter of the tube, v is the kinematic viscosity coefficient, C is the coefficient, F is the function, and n is the index. N is the number of rows of battery modules, and S is the distance between adjacent tubes.
[0054]
When an experiment was conducted on the heat dissipation of a single cylindrical battery module, it was confirmed that the measured values matched the approximate lines of the above formulas (3) and (4). Therefore, the phenomenon of the heat transfer of the cylindrical battery module is also organized by the above formulas (3) and (4), and the number of the heat transfer is as shown in the above formulas (5) and (6). By introducing the influence factor φ0 of the arrangement arrangement form, the heat transfer of the battery module in the battery pack is arranged.
[0055]
In the actual design of the cooling structure, the cooling coefficient K expressed by the following equation (7) is used.
[0056]
K = J / ΔT = J / (TB−Tamb) (7)
Here, J is the amount of heat generation, ΔT is the amount of temperature increase of the unit cell, TB is the temperature of the unit cell in the steady state, and Tamb is the intake air temperature.
[0057]
When this cooling coefficient K is used, the equation (7) is rearranged into the following equations (8) to (10).
[0058]
K = φ0 · d / (A · λ) · Reⁿ・ Pr^1/3 = Φ ・ Reⁿ ・ Pr^1/3  (8)
Re = U · d / v (9)
φ = G (φ0) = G (N, S, d) (10)
In equation (8), A is the heat dissipation area, λ is the thermal conductivity of air, U is the flow velocity, d is the outer diameter of the battery, v is the kinematic viscosity coefficient, φ is the influence factor on the heat dissipation of the arrangement arrangement form and arrangement situation. , G is a function.
[0059]
From these equations, equations (11) and (12) are obtained.
[0060]
K = φ · (U · d / v)ⁿ ・ Pr^1/3   ... (11)
ΔT = J / K (12)
From these equations (10) to (12), the following is understood. Regarding the battery modules in the battery pack, if the function G is obtained for each of the aligned arrangement and the staggered arrangement, the number N of rows in the cooling air flow direction of the battery modules, the distance S between the battery modules, and the outer diameter d of the unit cells From the equation (10), the influence factor φ of the heat dissipation performance depending on the number of battery modules and the arrangement arrangement form is obtained.
[0061]
From the obtained influence factor φ and the flow velocity U of the cooling air, the cooling coefficient K is obtained by the equation (11). From the obtained cooling coefficient K and the heat generation amount J, the temperature increase ΔT of the unit cell is obtained from the equation (12).
[0062]
As described above, the flow velocity U of the cooling air is represented by U ± ΔU because there is a flow velocity variation ΔU due to the duct shape. Taking this flow rate variation ΔU into consideration, the maximum temperature rise amount ΔTmax of the unit cells and the minimum temperature increase amount ΔTmin of the unit cells are obtained, and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) in the battery pack is obtained.
[0063]
In evaluating the heat dissipation performance of the predetermined specifications, the arrangement arrangement form of the battery modules, the number N of battery modules in the air flow direction (Y direction), the distance S between the battery modules, the flow rate U ± ΔU of the cooling air, and the unit By obtaining the heat generation amount J of the battery, the maximum temperature rise amount ΔTmax of the unit cell and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) in the battery pack can be obtained using the equations (10) to (12).
[0064]
FIG. 6 is a cooling design diagram of the battery pack in which the relationship between the expressions (10) to (12) is displayed on one chart.
[0065]
The graph (1) located in the upper right in FIG. 6 represents the equation (10), where the ratio S / d (horizontal axis) of the distance S between the battery modules to the outer diameter d of the unit cell and the influencing factor φ (vertical axis). ) For each of the aligned arrangement (solid line) and the staggered arrangement (broken line), the number N of columns in the cooling air flow direction of the battery module is shown as a parameter. The upper left graph (2) in FIG. 6 represents the expression (11), and shows the relationship between the influence factor φ (vertical axis) and the cooling coefficient K (horizontal axis) with the cooling air flow velocity U as a parameter. Yes. The lower left graph (3) in FIG. 6 represents the equation (12), and shows the relationship between the cooling coefficient K (horizontal axis) and the temperature rise ΔT (vertical axis) of the unit cell, with the heat generation amount J as a parameter. Show.
[0066]
In graphs (1) to (3) in FIG. 6, the temperature rise amount ΔT of the battery module is immediately determined by sequentially obtaining values along (1) to (2) to (3) and the arrows. That is, from the graph (1) in FIG. 6, the influence factor φ on the heat dissipation is obtained by the distance S between the battery modules / the outer diameter d of the battery (module), the arrangement arrangement form, and the number N of the battery module rows. From the graph (2) of FIG. 6, the cooling coefficient K is obtained by the influence factor φ and the flow velocity U of the cooling air. Further, from the graph (3) of FIG. Thus, the temperature rise amount ΔT of the battery module is obtained.
[0067]
In the embodiment of the present invention, using the arrangement arrangement form of the battery modules determined in step S2, the number N of battery module rows, the distance S between battery modules, and the like, the influence factor φ of the heat dissipation performance is determined in step S5. The process proceeds to the next step S6.
[0068]
In step S6, the maximum cooling coefficient Kmax when the flow velocity is the maximum value U + ΔU is obtained from the influence factor φ of the heat radiation performance obtained in step S5 and the flow velocity U ± ΔU of the cooling air obtained in step S3. The minimum cooling coefficient Kmin when the minimum value U−ΔU is obtained.
[0069]
In the next step S7, the maximum temperature rise amount ΔTmax of the battery module is obtained from the heat generation amount J obtained in step S4 and the maximum cooling coefficient Kmax obtained in step S6, and from the heat generation amount J and the minimum cooling coefficient Kmin. Then, the minimum temperature rise amount ΔTmin of the battery module is obtained.
[0070]
When the maximum battery temperature increase ΔTmax and the minimum temperature increase ΔTmin are determined in this way, the maximum temperature increase ΔTmax is compared with its allowable value ΔTlim in step S8. Further, the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) in the battery pack is compared with its allowable value (ΔTmax−ΔTmin) lim.
[0071]
If both are below the allowable value, the battery module arrangement and arrangement, the number N of battery module rows, the distance S between battery modules and the outer diameter d of a single battery or the like (battery pack specifications), and the cooling air at that time Is determined as a design value (step S9).
[0072]
If either one exceeds the allowable value, the process returns to step S2 and / or step S3. That is, at least one of the battery pack specification or the fan specification and the duct specification is changed.
[0073]
Then, Steps S5 to S8 are executed again for the changed specifications, and this is repeated until the process proceeds to Step S9.
[0074]
Thus, in the embodiment of the present invention, it is possible to easily design a battery pack that satisfies a cooling effect while satisfying required specifications for output and vehicle mountability required in a vehicle.
[0075]
The battery pack shown in FIG. 1 was actually manufactured by such a method. In order to reduce the ventilation resistance of the cooling air, the arrangement arrangement form was an arrangement arrangement. The distance S between battery modules was determined in consideration of strength and cooling performance.
[0076]
The fan 4 is an axial fan that balances pressure loss, cost, and space. In addition, the duct 3 is designed so that the distance from the battery module 10 is as large as possible or larger than the diameter of the fan 4 so that the cooling air can flow uniformly in the battery pack.
[0077]
We actually evaluated the heat dissipation of the prototype battery pack. The results are shown in the graph of FIG. As understood from the graph of FIG. 7, the heat dissipation of the prototype battery pack is 10 ° C. for the maximum temperature rise ΔTmax when the cooling air speed is 0.8 m / s and the heat generation amount per unit cell is 2 W or less. Hereinafter, the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) was 4 ° C. or less, and it was confirmed that the target was achieved.
[0078]
The graph of FIG. 7 also shows the predicted value obtained from the cooling design diagram of FIG. The predicted value and the actually measured value agree well with the maximum temperature rise amount ΔTmax and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin). Further, the non-steady temperature change in which the heat generation load is sequentially changed is shown in the graph of FIG. 8, and the predicted value and the actual measurement value also agree well with this temperature change.
[0079]
From these facts, the effectiveness of the embodiment of the present invention is clear.
[0080]
FIG. 9 shows the temperature distribution in the cooling air flow direction (Y direction) of the cells S1 to S3 and M1 to M3 in the battery pack shown in FIG. The unit cells S1 to S3 are arranged on the uppermost stage, and the unit cells M1 to M3 are arranged on the second stage. Moreover, it arrange | positions so that it may leave | separate from a side wall and may approach a center part in order of S3 (M3), S2 (M2), and S1 (M1).
[0081]
As is clear from the graph of FIG. 9, the temperature is higher at the center portion away from the surrounding package 2, and the temperature is lower as the temperature is closer to the surrounding package 2. It is considered that the variation in temperature is mainly caused by the variation in flow velocity due to the shape of the package 2. In this evaluation, the variation in the cooling coefficient for each column was not as small as about 18%. Therefore, in the actual battery pack design, it is effective to consider the flow velocity distribution resulting from the shape of the package 2.
[0082]
Furthermore, when the HEV vehicle is mounted, the flow rate of the intake air also varies. Therefore, it is effective to consider the variation in the flow velocity of the intake air in consideration of the cooling performance when the final HEV vehicle is mounted.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, the method for evaluating the heat dissipation of the assembled battery according to the present invention was obtained from the influence factor φ of the heat dissipation performance obtained from the number of cells in the assembled battery and the arrangement arrangement form, and the fan and duct structure constituting the cooling air passage. By determining the temperature rise amount ΔT of the unit cell from the flow rate U of the cooling air in the cooling air passage and the calorific value J of the battery obtained from the number of unit cells, the heat dissipation performance of the designed assembled battery is simple and Accurately evaluated and easy to design.
[0084]
Further, by determining the heat dissipation performance influencing factor φ as a predetermined function, the heat dissipation performance influencing factor φ can be obtained more accurately, and thus the required temperature rise ΔT of the unit cell is accurate. Evaluation accuracy is improved.
[0085]
Further, when obtaining the temperature rise amount ΔT in the unit cell, the cooling coefficient K is obtained based on the influence factor φ of the heat radiation performance and the flow velocity U of the cooling air, and the obtained cooling coefficient K and the calorific value J of the battery are calculated. By obtaining the battery temperature increase amount ΔT based on the above, the required battery temperature increase amount ΔT can be obtained more accurately, so that the evaluation accuracy of the heat dissipation performance is improved.
[0086]
  In addition, according to the cooling design method for an assembled battery of the present invention, the temperature increase amount ΔT of the single cell is allowed by using the temperature increase amount ΔT of the single cell accurately obtained by the method for evaluating heat dissipation of the assembled battery of the present invention. valueΔTlimIs satisfied, the number of single cells and the arrangement arrangement, the fan and duct structure are determined, and the battery temperature increase ΔT is the allowable value.ΔTlimIn order to change the influence factor φ of the heat dissipation performance and / or the flow velocity U of the cooling air, the number of cells and the arrangement arrangement, and / or the fan and duct structure constituting the cooling air passage are designed. By changing, an assembled battery having a predetermined heat dissipation performance can be easily designed.
[0087]
Further, as the battery temperature rise amount ΔT, the maximum temperature rise amount ΔTmax, the minimum temperature rise amount ΔTmin and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) are obtained, and the maximum temperature rise amount ΔTmax and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) are allowed. When the maximum temperature rise amount ΔTmax and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) satisfy the permissible values, the number of cells and the arrangement arrangement, fan performance, and duct structure are determined. When the maximum temperature rise amount ΔTmax and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) do not satisfy the permissible values, the number of batteries in the assembled battery is changed in order to change the influence factor φ of the heat dissipation performance and / or the flow velocity U of the cooling air. In addition, by changing the design of the arrangement and arrangement and / or the fan and duct structure constituting the cooling air passage, an assembled battery having particularly high heat dissipation performance can be easily designed. Is done.
[0088]
Further, by designing the number of cells and the arrangement arrangement so as to satisfy the required specifications in terms of space, an assembled battery having a small size and high heat dissipation performance can be easily designed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a battery pack.
FIG. 2 is a flowchart of a cooling design procedure showing the embodiment of the present invention.
FIG. 3A is an explanatory view of an alignment arrangement which is an arrangement arrangement form of battery modules, and FIG. 3B is an explanatory view of a staggered arrangement.
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for determining a fan specification.
FIG. 5 is a graph showing a fan flow curve;
FIG. 6 is a graph for cooling design of a battery pack used in an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the heat dissipation of a prototype battery pack with respect to an expected value and an actual measurement value.
FIG. 8 is a graph showing a change in heat dissipation when the load is changed with respect to an expected value and an actual measurement value.
FIG. 9 is a graph showing the influence of the battery position in the battery pack on the heat dissipation.
[Explanation of symbols]
1 cell
2 packages
3 Duct
4 fans
10 modules

Claims

A method for evaluating the heat dissipation of an assembled battery in which a plurality of single cells are arranged in a cooling air passage,
Number of columns of cells in the ventilating direction N, the inter-cell distance S, and on the basis of the outer diameter d of the cells, function φ factors influencing the heat release performance
φ = G (N, S, d) (where G is a function corresponding to the arrangement of the cells)
The process sought by
Determining the flow velocity U of the cooling air for the assembled battery from the structure of the fan and duct constituting the cooling air passage;
Obtaining a calorific value J of the unit cell in the assembled battery;
A step of obtaining a temperature increase ΔT of the unit cell in the assembled battery from the influence factor φ, the flow velocity U of the cooling air, and the heat generation amount J of the unit cell;
A heat dissipation evaluation method for an assembled battery, comprising:

The temperature increase amount ΔT is on the basis of the influencing factors on the radiation performance φ and the flow velocity U of the cooling air, on the basis of a cooling coefficient K determined by the following equation, to the calorific value J of the unit cells, The method for evaluating heat dissipation of an assembled battery according to claim 1, which is obtained by ΔT = J / K.
K = φ · (U · d / v) ⁿ · Pr ^1/3
Where φ is an influencing factor on heat dissipation performance , d is the outer diameter of the cell, v is a kinematic viscosity coefficient, Pr is the Prandtl number, and n is an index.

An assembled battery cooling design method for determining an assembled battery cooling structure using the assembled battery heat dissipation evaluation method according to claim 1,
A step of comparing the temperature rise amount ΔT of the cell obtained by the method for evaluating heat dissipation of the assembled battery according to claim 1 with a preset allowable value ΔTlim;
If the temperature rise ΔT of the cell satisfies the allowable value DerutaTlim, placement arrangement of the unit cells, and the outer diameter d of the number of columns N, the inter-cell distance S, and cell in the cells in the direction of airflow When the structure of the fan and duct is determined as appropriate, and the temperature rise amount ΔT of the unit cell does not satisfy the allowable value ΔTlim , the influence factor φ on the heat dissipation performance and / or the flow velocity U of the cooling air is changed. order, placement arrangement of the unit cells, the number of columns N of the cells in the direction of airflow, the inter-cell distance S, and the outer diameter d of the cells, and / or the structure of the fan and the duct constituting the cooling air passage A process to change the design;
A cooling design method for an assembled battery, comprising:

Considering the flow rate U ± ΔU of the cooling air in consideration of the flow rate variation ΔU due to the shape of the duct, the maximum temperature increase amount ΔTmax, the minimum temperature increase amount ΔTmin, and their temperatures The difference (ΔTmax−ΔTmin) is obtained, the maximum temperature rise amount ΔTmax and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) are compared with the respective allowable values, and the maximum temperature rise amount ΔTmax and the temperature difference (ΔTmax−ΔTmin) are the respective allowable values. when satisfied, determine placement arrangement of the unit cells, the number of columns N of the cells in the direction of airflow, the outer diameter d of the distance S, and the inter-cell single cell, and a fan and ductwork as appropriate and, when the maximum temperature increase .DELTA.Tmax and temperature difference (ΔTmax-ΔTmin) does not satisfy the respective allowable values, in order to change the flow rate U of the influence factors φ and / or cooling air of the heat radiation performance, distribution of the cells Arrangement States, the number of columns N of the cells in the direction of airflow, the inter-cell distance S, and the outer diameter d of the cells, and / or, according to claim 3, design changes the structure of the fan and the duct constituting the cooling air passage Cooling design method for assembled batteries.

Placement arrangement of the prior Kitan battery, the number of columns N of the cells in the direction of airflow, the inter-cell distance S, and the outer diameter d of the cell, so as to satisfy the specifications required of space arranged battery pack 5. The cooling design method for an assembled battery according to claim 3 or 4 to be designed.