JP2003533844A - バッテリシステムの温度管理 - Google Patents

バッテリシステムの温度管理

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Abstract

(57)【要約】 熱発生を伴う電力の充電又は放電が可能な少なくとも一つのセルとこのセルと熱接触する相変化剤を備える電圧供給システム及び作動方法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はバッテリ電圧供給装置に関し、特に、そのようなバッテリ電圧供給
システムの温度管理に関する。ここで用語「バッテリ」とは各種電気化学的力を
発生するものを含み、通常は、閉じ込められた空間に蓄積された一つ以上の化学
的反応物であり、互いに又は外部の反応物と電気化学的反応を起こして電力を発
生する化学的力エネルギを有するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バッテリ電圧供給装置は様々に利用されている。例えば、複数のセルを並列又
は直列に配置したものをパッケージしてバッテリモジュール又はバッテリパック
として携帯電話、ラップトップコンピュータ、ビデオカメラ等に用いている。ま
た、バッテリ電圧供給装置の好ましい特性として、例えば、充電可能なバッテリ
電圧供給装置は電気自動車等の推進力を発生する発生源として用いられている。
最近では燃料電池や燃料セル電池も登場し、中でも燃料セル反応は従来の充電電
池と同様に電力を発生するのに用いられている。しかし、反応物（燃料）は時々
補充しなければならない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
各種応用においては、多くのセルを所定の態様（例えば並列又は直列）でパッ
クしてバッテリモジュールとするのが一般的である。また、多くのそれらバッテ
リモジュールを組み合わせ又は接続して従来から知られているような様々なバッ
テリパックが形成される。動作時及び放電時にそのようなバッテリモジュール又
はバッテリパックからは熱が発生して動作に影響を与えることがある。そのよう
なセル、バッテリモジュール又はバッテリパックから所望の動作を得るにはセル
、バッテリモジュール又はバッテリパックの熱を所定の狭い範囲内に収めること
が重要となる。
【０００４】 実際、セル間の温度変化には以下のような一つ以上の要因がある。
【０００５】 １）周囲温度変化 ２）セル間インピーダンス差 ３）セル間熱伝送効率差 セル間熱伝送効率差が通常最もセルパックに影響を与える。例えば、セルパッ
クの中央部のセルにおいて熱が蓄積され、これに対しセルパック周辺部のセルで
は外部へへの熱伝送により簡単に温度が下がる。さらに熱伝送効率差によりイン
ピーダンスが異なりセル容量が異なる原因となる。このセル容量差により過充電
又は過放電が引き起こされセルパック又はセル欠陥の原因となりうる。特にその
ようなセルパック又はセル欠陥は熱放散、容量低下を引き起こす原因となりうる
。
【０００６】 そのようなバッテリ電圧供給装置用にアクティブな冷却（空気、液体、他の冷
却媒体による）機構を備えた熱管理システムが知られている。しかし、このよう
な冷却機構を組み込むことにより電圧供給設計や動作が複雑になり、バッテリ電
圧供給装置の使用の妨げとなる。
【０００７】 さらに、バッテリ電圧供給装置のサイズは通常その仕様に応じて変わる。例え
ば電気自動車等の特定の応用例では通常の用途に比べバッテリ電圧供給装置のサ
イズはかなり大きくなる。そのようなセル、バッテリモジュール又はバッテリパ
ックのサイズが大きくなるとそれに応じてバッテリ電圧供給装置の熱管理が重要
になってくることは当業者であれは分かることである。
【０００８】 従って、効率の良いそして/又は効果的な熱管理が行えるバッテリ電圧供給装
置並び作動方法が求められる。特に、通常用いられるアクティブな冷却熱管理シ
ステムが複雑にならないようなバッテリ電圧供給装置並び作動方法が求められる
。さらには、電圧供給装置の動作、安全性、容量がより改善されるような熱管理
システムがが求められる。
【０００９】 従って発明の目的は、改良された電圧供給システム並び作動方法を提供するこ
とである。
【００１０】 発明のさらなる目的は上記のべた問題を解決することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、熱発生を伴う電力の充電又は放電を行う少なくとも一つの
セルとこのセルと熱接触する相変化剤を備える電圧供給システムであって、相変
化剤によりこの少なくとも一つのセルからの電力放電に伴い発生する熱の少なく
とも一部が吸収されることを特徴とした電圧供給システムにより上記目的が達成
される。
【００１２】 従来、効率の良いそして/又は効果的な熱管理が行える電圧供給装置並び作動
方法は知られていない。さらには、例えば、電気自動車等の特定用途に用いられ
る大型のバッテリ電圧供給装置に適し有効な熱管理が行える電圧供給装置並び作
動方法は知られていない。
【００１３】 この発明はさらに、電圧供給システムを操作させる方法を提供する。この発明
の一実施形態における方法では、少なくとも一つのセルを放電させて所定量の電
力及び熱を発生させる。なお、少なくとも一つのセルを充電して同量の熱を発生
させてもよい。相変化剤が放電中のセルと熱接触することにより所定量の熱の少
なくとも一部が吸収される。この方法ではさらに相変化剤に吸収された所定量の
熱の少なくとも一部を放散させて上記少なくとも一つのセルを加熱することが行
われる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明により改良された電圧供給システム並び作動方法が提供される。特に
この発明により、不要な温度上昇や温度変化が抑制され、削減され又は制御され
る改良された熱管理を行える改良された電圧供給システム並び作動方法が提供さ
れる。
【００１５】 この発明では各種の実施形態が提供される。図１に示す実施形態はバッテリモ
ジュール１０を備える。バッテリモジュール１０は、従来より知られる８個のセ
ル１４，１６，１８，２０，２２，２４、２６、２８を含むセルパッケージ１２
を備える。
【００１６】 図２にはセル１４のみが詳細に示されている。図に示すようにセル１４は長さ
Ｌ、幅Ｄを有する円筒形に形成されている。このような形状は知られており、こ
れに限らず、この発明では単独又は組み合わせで各種の形状に形成される。
【００１７】 図３にはセルパッケージ１２のみが詳細に示されている。
【００１８】 図１では、セルパッケージ１２のセル１４，１６，１８，２０，２２，２４、
２６、２８の隣り合うセル間に空間３２が示されている。
【００１９】 この発明の一実施形態では、このバッテリモジュールの空間３２には相変化剤
（ＰＣＭ）３４が満たされ又は含まれており、電圧供給システム内の熱管理に寄
与している。特に図に示す例では相変化剤３４によりセル１４，１６，１８，２
０，２２，２４、２６、２８が取り囲まれ、互いに熱接触を起こす。
【００２０】 この発明の一実施形態では、この相変化剤３４がヒートシンクとして働き、バ
ッテリ放電又は充電に伴う比較的高熱発生期間中、モジュール１０内に発生する
熱を吸収する。特に放電中のセル１４，１６，１８，２０，２２，２４、２６、
２８からの熱が少なくとも一時的に潜在熱として相変化剤３４に蓄積される。
【００２１】 従って相変化剤３４に蓄積された熱をその後用いることができる。例えば、こ
のような相変化剤に蓄積又は閉じこめられた熱は後で適宜放散され、又は”ｒｅ
ｊｅｃｔｅｄ”と言われるバッテリモジュール１０の使用に伴い利用される。特
にこのような蓄積された熱は待機中のセルモジュールに適宜”ｒｅｊｅｃｔｅｄ
”され、所定期間、周囲温度より高い温度にセルを保つ。また例えば、バッテリ
充電中や寒い時にバッテリ温度が下がったときに熱が”ｒｅｊｅｃｔｅｄ”され
る。
【００２２】 従来から知られている各種の相変化剤がここで使用できる。例えば、リチウム
イオン電池に用いる相変化剤としては、融点が３０乃至６０度で相変化剤の単位
体積当たり潜在熱比率が高く、融点レンジが狭いものが好ましい。さらにこの発
明の相変化剤としては、再使用でき、危険でなく、汚染することなく、反応性で
なく又はバッテリ成分に対して不活性で、毒性がなく、安価で比較的軽いものが
好ましい。従って、そのような好ましい相変化剤にはパラフィンワックスを含む
ものが一般的によく、これは比較的安価で、強度が強く、リチウムイオン電池に
おける推奨融点レンジに入る比較的低融点を有している。
【００２３】 なお、クロロベンゼンとブロモベンゼンが非常によく似た構造と結晶化し、ま
た結晶化における温度範囲が低く狭いので相変化剤として好ましいことが当業者
であれば上記記載より分かるあろう。このクロロベンゼンとブロモベンゼンの組
み合わせは、特に、例えば３０度乃至４５度の範囲での正確な温度制御に適して
いる。
【００２４】 相変化剤として好ましい他の例としては融点が約７０度のステアリン酸や、ス
テアリン酸と融点が約１７度乃至３４度のメチルアルコール、プロピルアルコー
ル又はブチルアルコールとの各種エステルがある。さらにこの発明の相変化剤と
して好ましい他の例としてはポリスチレングリコール（ＰＥＧ）があるが、しか
しＰＥＧによる又はこれ自体の温度に起因する劣化が考えられこの発明への適用
には制限があり得る。なお、これら掲げた各種相変化剤にこの発明が限定される
ことはないことは理解できるであろう。
【００２５】 以下にこの発明の各種実施形態を詳細に説明する。なお、以下の各実施形態は
この発明の一例であり、この発明の範囲と精神から外れることなく各種の変形例
が実現されることは理解できるであろう。
【００２６】 実施形態として図１に示すバッテリモジュール１０と同様に８個のプロトタイ
プセルを直列に接続した充電可能なバッテリモジュールを取り上げる。バッテリ
モジュール４０のコーナ部４２には図４に示すように二つのセル４４，４６が収
納されている。なお、このコーナ部のセルペア４４，４６は図１，３に示すセル
１４と１６，１８と２０，２２と２４、２６と２８等の組み合わせがあり得る。
【００２７】 なおこのバッテリモジュール４０のプロトタイプセルは、熱物理特性と体積当
たりの熱発散率がすでに知られており入力として用いることができる従来のセル
と同様な化学的特性を有するセルとする。
【００２８】 この発明のモジュールセル間の空間５０に満たされる相変化剤５２は予想され
る加熱状態を防止するものである。なお各実施形態で用いるパラフィンワックス
相変化剤は表１に示す物理的特性を有するものである。
【００２９】 特性 値 溶融ワックス密度 ８２２ｋｇ・ｍ-３ 固形ワックス密度 ９１０ｋｇ・ｍ-３ 融点 ５６度 Ｃｐ （溶融ワックス） 1７７０Ｊ・ｋｇ-１・Ｋ-１ Ｃｐ （固形ワックス） １７７０Ｊ・ｋｇ-１・Ｋ-１ Ｋ （溶融ワックス） ０.２１Ｗ・ｍ-１・Ｋ-１ Ｃｐ （固形ワックス） ０.２９Ｗ・ｍ-１・Ｋ-１ 潜在融合熱 １９５ＫＪ・ｋｇ-１ 表１ （実施形態パラフィンワックス相変化剤物理的特性） このバッテリパックの熱に対する反応をＭａｃｓｙｍａ社製のＰＤＥａｓｅ２
ＤＴＭと呼ばれる２次元有限要素（ＦＥ）ソフトウエアプログラムによりシュミ
レートした。
【００３０】 （結果と考察） 図５乃至８に示すのは図４のバッテリモジュール４０のコーナ部４２部分の
温度特性であり、所定の選択された放電率Ｃ/１，Ｃ/２，Ｃ/３、Ｃ/６（これら
は積極的な冷却でない自然冷却に一般的に相当する熱伝送効率ｈ＝６.４Ｗ・ｍ- ２ ・Ｋ-を基にした値である）と各種選択された所定の放電深さ（ＤＯＤ）での
放電中の温度特性である。モジュールが対称的であるので他の三つのコーナ部分
でのセルペアの温度特性も同様な結果となる。
【００３１】 図５に示すように、ＰＣＭ材料の温度上昇は１１Ｋ程であるにも関わらず、放
電終了時のセル４４，４６の中央部での温度上昇は５３Ｋである。また、すべて
のＤＯＤにおいて、各セルの表面と中央部の温度差は２Ｋ未満である。相変化剤
の温度上昇が低いほど、相変化剤に生じる相変化における潜在熱となって現れる
。つまり、放電中にモジュールセルにより”ｒｅｊｅｃｔ”された熱の大部分が
相変化剤又はこの一部が固体から液体へ相変化するに伴う潜在熱となって蓄積さ
れる。放電終了後、セルが放置状態に置かれる期間に蓄積された熱は放散される
。
【００３２】 他の放電率においても図６乃至８に示されるように同様な結果が得られた。低
放電率Ｃ/２，Ｃ/３、Ｃ/６での放電終了時の両セルの温度上昇は各々３４Ｋ，
２９Ｋ、２４Ｋである。従って、早い又は大きな放電率での放電により熱発生も
大きくなり安定化動作のためにこの発明のような効果的な温度管理が必要になる
ことが分かるであろう。
【００３３】 図９に示すのは図４のバッテリモジュール４０のコーナ部４２部分の放置状態
における選択された所定点での温度特性である。図に示されるように、２４時間
放置後ではセル４４，４６の温度は初期（周囲）温度より１０Ｋ高くなっている
。このような特性は設計、応用の重要なファクタとなる。例えば、リチウムイオ
ン電池容量は特に低動作温度において温度に強く依存する。従って、動作時のセ
ル温度を高めることによりバッテリ容量を高めることができる。さらに、例えば
、水素又はメタノール燃料を用いる燃料電池（燃料セル電池）を従来の固体ポリ
マー電極を用いて動作させた場合ある最大温度を越えて劣化する。従って、高電
力出力中発生した熱を早く除去することが必要になり、閉じこめられた空間では
これは相変化剤により達成される。
【００３４】 この発明の一実施形態では、相変化剤に蓄積された熱によりバッテリパック内
のセルを放置状態で周囲温度より高い温度に維持することができ、充電時又は放
電時のセル容量を高めることができる。従って、この発明は、特に寒い状況下で
の電気自動車用バッテリ又はセル等様々に応用できるものである。
【００３５】 この発明のさらなる実施形態は人工衛星等に用いる（例えばリチウムイオン
電池）バッテリ電圧供給装置に関する。例えば、地球を回る人工衛星は地球の明
るい地域から暗い地域へ移動した場合に急な温度変化に晒される。このような急
な温度低下はバッテリ能力にに多大なる影響を与える。この発明のさらなる実施
形態では、相変化剤を介してバッテリパック内に熱を蓄積し、これによりこのよ
うな急な温度低下の影響を小さくすることができる。
【００３６】 以上説明した電圧供給装置及びその作動方法は多方面に応用できるものであり
、ある特定の方面にその応用が限定されるものではない。しかし、最近では、特
に、複数のリチウムイオンセル又は電池をバッテリパックに収納して電気自動車
（ＥＶ）の電力供給にこの発明は適している。
【００３７】 従って、この発明の電圧供給装置及びその作動方法により効果的な熱管理が達
成されるものである。特に、この発明は従来のものより効果的及び/又は効率的
な電圧供給装置及びその作動方法を提供するものである。さらにこの発明は電圧
供給装置の能力、安全性、容量等を確実なものにする熱管理システムを提供する
ものである。また、少なくともこの発明は、例えば、電気自動車等に用いる大型
バッテリ電圧供給装置に適切に又は効果的に適用できるものである。
【００３８】 なお、以上開示したこの発明の実施形態は特に記載しないいかなる要素、部分
、ステップ、部品、成分が無くても実施できるものである。
【００３９】 以上、この発明の実施形態を図と共に詳細に説明したが、この発明の根本原理
の基においていかなる変形例もこの発明の範疇に入ることは当業者であれば分か
ることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態である熱管理システムを備えたバッテリモジュールの外
観を示す上面図である。
【図２】 図１のバッテリモジュールに用いられるセルの外観を示す斜視図である。
【図３】 図１のバッテリモジュールに用いられる複数セルの外観を示す斜視図である。
【図４】 図１のバッテリモジュールの全８セル中２セルを含むモジュールのコーナの外
観を示す上面図である。
【図５】 所定放電レート且つ各種所定の放電深さ（ＤＯＤ）における、図４に示すバッ
テリモジュールのコーナ周囲の熱特性を示すグラフである。
【図６】 所定放電レート且つ各種所定の放電深さ（ＤＯＤ）における、図４に示すバッ
テリモジュールのコーナ周囲の熱特性を示すグラフである。
【図７】 所定放電レート且つ各種所定の放電深さ（ＤＯＤ）における、図４に示すバッ
テリモジュールのコーナ周囲の熱特性を示すグラフである。
【図８】 所定放電レート且つ各種所定の放電深さ（ＤＯＤ）における、図４に示すバッ
テリモジュールのコーナ周囲の熱特性を示すグラフである。
【図９】 放置状態の所定点における、図４に示すバッテリモジュールのコーナ周囲の熱
特性を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ジャン、ロバート、セルマン アメリカ合衆国イリノイ州、シカゴ、サウ ス、ショアー、ドライブ、5532、エス．ア パートメント、12‐イー Ｆターム(参考） 5H031 AA09 KK08

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱発生を伴う電力の充電又は放電が可能な少なくとも一つのセルとこのセルと
    熱接触する相変化剤を備える電圧供給システムであって、前記相変化剤により前
    記少なくとも一つのセルからの電力放出に伴い発生する熱の少なくとも一部が吸
    収されることを特徴とした電圧供給システム。
  2. 【請求項２】 前記少なくとも一つのセルは予め選択された態様の複数セルの一つであること
    を特徴とした請求項１記載の電圧供給システム。
  3. 【請求項３】 前記複数セルは並列に配置されていることを特徴とした請求項２記載の電圧供
    給システム。
  4. 【請求項４】 前記複数セルは直列に配置されていることを特徴とした請求項２記載の電圧供
    給システム。
  5. 【請求項５】 前記少なくとも一つのセルは充電可能であることを特徴とした請求項１記載の
    電圧供給システム。
  6. 【請求項６】 前記少なくとも一つのセルはリチウムイオンセル、水素燃料電池（燃料セル電
    池）又はメタノール燃料電池であることを特徴とした請求項１記載の電圧供給シ
    ステム。
  7. 【請求項７】 少なくとも一つのセルを放電させてある量の電力及び熱を発生させ、 前記放電中のセルと相変化剤とを熱接触させて前記熱の一部を前記相変化剤に
    吸収させ、そして 前記相変化剤に吸収された熱の一部を放出させて少なくとも一つのセルを加熱
    することを特徴とする電圧供給システム作動方法。
  8. 【請求項８】 前記少なくとも一つのセルは予め選択された態様の複数セルの一つであること
    を特徴とした請求項７記載の電圧供給システム作動方法。
  9. 【請求項９】 前記少なくとも一つのセルは前記複数セルの少なくとも一つと並列に放電され
    ることを特徴とした請求項８記載の電圧供給システム作動方法。
  10. 【請求項１０】 前記少なくとも一つのセルは前記複数セルの少なくとも一つと直列に放電され
    ることを特徴とした請求項８記載の電圧供給システム作動方法。
  11. 【請求項１１】 前記相変化剤に吸収された熱の一部を放出して前記少なくとも一つのセルを加
    熱するのは前記少なくとも一つのセルが充電中又は放電中に行われることを特徴
    とした請求項７記載の電圧供給システム作動方法。
  12. 【請求項１２】 前記相変化剤に吸収された熱の一部を放出して前記少なくとも一つのセルを加
    熱するのは前記少なくとも一つのセルが低温度動作中に行われることを特徴とし
    た請求項７記載の電圧供給システム作動方法。
  13. 【請求項１３】 前記ある量の電力は電気自動車に供給されることを特徴とした請求項７記載の
    電圧供給システム作動方法。
  14. 【請求項１４】 前記ある量の電力は個人用電子機器に供給されることを特徴とした請求項７記
    載の電圧供給システム作動方法。
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