JP2010528406A

JP2010528406A - セルとの熱的接触を密接にするための最適化された冷却チューブ形状

Info

Publication number: JP2010528406A
Application number: JP2010508461A
Authority: JP
Inventors: ウェストン・アーサー・ハーマン; スコット・コーン; ユージーン・ベルディチェフスキー
Original assignee: テスラ・モーターズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2008-06-14
Publication date: 2010-08-19
Also published as: WO2008156737A1; US20080311468A1

Abstract

電気自動車内で使用するためのバッテリパック温度管理システムが開示されている。バッテリパック温度管理システムはマニフォールドと、バッテリパック内に所定のパターンで配置された複数のセルと、を含んでいる。そのシステムはセルに熱的に接触し且つマニフォールドと流体的に連通した波形の外側面を備えた冷却チューブも含んでいる。温度管理システムはバッテリパックを所定の温度まで冷却し、電気自動車内のバッテリパックの寿命を増加させる。

Description

本発明は全体的に温度管理システムに関し、より具体的には、電気自動車内の温度管理システムに使用される最適化された冷却チューブに関する。

先行技術において、すべての電気自動車を使用して乗員を輸送することが公知となっている。これら多くの先行技術の電気自動車は数千ポンドのニッケル水素バッテリを坦持し、乗員によって毎日使用されるための長距離走行の電気自動車を達成している。さらに、これら多くの先行技術による電気自動車はこれらのバッテリ全てを収容するために物理的に大きく且つ重くならざるを得ず、これらの自動車は、電気自動車が一般的な購入品および使用品のために可能なオプションとなるために必要な加速、ハンドリング、性能および拡大された走行距離を達成することが不可能である。多くの先行技術による電気自動車は非常に狭い範囲内で通常サイズであり、過度に重くなく、したがって大きい重量の実行可能性の減少は一般消費者へのそのような自動車の販売に繋がる。さらに、これら多くの先行技術の電気自動車は高電圧要素および高温からの自動車内の乗員の保護に関して問題を抱えており、その高温は高電圧要素などから放射されており、ガソリンまたはディーゼル内燃エンジンと比較して容認可能な速度において自動車に提供される。これら多くの先行技術による電気自動車は先行技術のバッテリのオーバーヒートに問題を抱えており、したがって、電気自動車の走行範囲、耐久力、および電気自動車内のバッテリパックシステムの一部であるバッテリまたはセルの全寿命を減少させる。

一般的に、多くの先行技術による電気自動車内に配置されたバッテリまたはセルは高出力で作動し、温度が上昇して、これによって先行技術によるバッテリの寿命が減少する。先行技術の電気自動車の重く且つ高電圧のバッテリの使用は、作動されるバッテリパックシステムの高温によるバッテリの作動を維持するために、多くのメンテナンスを必要とする。これら先行技術のシステムのいくつかは空冷システムの使用によってバッテリの寿命を最大化させようとしており、そのシステムはバッテリ上に冷気を吹き付け、先行技術による電気自動車内のバッテリ要素およびバッテリから熱を除去しようとしている。しかしながら、バッテリのための多くのこれら先行技術による熱除去システムは効果的でなく、バッテリの熱平衡に関して効果的なシステムを提供していなかった。これにより、いくつかの先行技術によるシステムはオーバーヒートまたはオーバークールに悩まされ、これによってバッテリの耐久力および寿命ならびに電気自動車の走行距離が減少していた。一般的に、これら先行技術による電気自動車のバッテリが過熱しすぎた場合、バッテリ寿命および充電の維持の可能性を減少させ、言い換えると電気自動車の走行距離およびそのような電気自動車の一般消費者への販売の実効性全体を減少させる。

したがって、電気自動車内で使用するための技術的に改良されたバッテリパック温度管理システムが必要である。温度管理システムも技術的に必要であり、そのシステムは最適化された冷却チューブの幾何形状を使用して、円筒形バッテリセルとの熱的接触を最適化する。各々のセルおよびバッテリパックと熱的に接触して、バッテリシステム全体を熱的に平衡にするための温度管理システムも技術的に必要とされている。バッテリから抽出することが可能な最大寿命、効果および出力を増加し、これによって消費者のために電気自動車の走行距離を増加させる温度管理システムも技術的に必要とされている。熱暴走の伝播の防止を補助するための冷却システムも技術的に必要とされている。より多くのエネルギが与えられたモジュールサイズおよび重量で担持可能な最適化された幾何形状の冷却チューブも技術的に必要とされている。熱抵抗を減少させ、高い出力動作および短い予熱時間を可能にする波形冷却チューブの幾何形状も技術的に必要とされている。

本発明の目的の１つは、改良されたバッテリパック温度管理システムを提供することである。

本発明の別の目的は、電気自動車内で使用する温度管理システム内で使用するための波形冷却チューブを提供することである。

本発明のまた別の目的は、より多くのエネルギが与えられたモジュールサイズおよび重量で担持可能な波形冷却チューブの幾何形状を提供することである。

本発明のまた別の目的は、波形冷却チューブを備えた温度管理システムを提供することであり、そのチューブは２つの要因によって熱抵抗を減少しており、これによって高い出力動作と短い予熱時間とを可能にしており、熱暴走の伝播に対する保護を強化している。

本発明のまた別の目的は、千鳥になったバッテリセルの列の間の空間の使用を可能にした波形冷却チューブを提供することであり、したがってバッテリパックの性能を向上するための最適な幾何形状を提供している。

本発明のまた別の目的は、互いに千鳥になったセルがより接近することで、冷却チューブを越える所定の数によってセルの列の間の軸方向ピッチを減少して、エネルギ密度を改良することである。

本発明のまた別の目的は、体積エネルギ密度増加、過剰パッキングおよびセルと冷却チューブとの間からの伝導媒体の除去を提供することである。

本発明のまた別の目的は、冷却チューブの両側の各々のセルの周りで周方向に輪郭形成することによって、最小離間となる２つの寸法パッチを提供する波形冷却チューブを提供することである。

本発明のまた別の目的は、セルと冷却チューブとの間に熱伝導媒体を使用することである。

本発明のまた別の目的は、最適化された冷却チューブの幾何形状を使用することで、セルの間の熱暴走の伝播を軽減し且つ可能な限り防止することである。

前術のおよび他の目的を達成するために、電気自動車内で使用するバッテリパック温度管理システムが開示されている。そのシステムはマニフォールドと、バッテリパック内に所定のパターンで配置された複数のセルと、を含んでいる。そのシステムはセルに熱的に接触した波形の外側面を備えた冷却チューブも含んでいる。

本発明の１つの利点は、バッテリパックのための新規且つ改良された温度管理システムを提供してもよい。

本発明のさらなる利点は、電気自動車内で使用するための最適化された幾何形状の冷却チューブを提供することである。

本発明のまた別の利点は、電気自動車内の温度管理システム内で使用するための波形冷却チューブを提供することである。

本発明のまた別の利点は、より多くのエネルギが与えられたバッテリモジュールサイズおよび重量で担持可能な波形冷却チューブの幾何形状を提供することである。

本発明のまた別の利点は、ほぼ２つの要因によって熱抵抗を減少する波形冷却チューブの幾何形状を提供することであり、高い出力動作と短い予熱時間とを可能にしており、熱暴走の伝播に対する保護を強化している。

本発明のまた別の利点は、セルの列の軸方向のピッチを減少することによって、エネルギ密度を改良した波形冷却チューブを使用することであり、互いに千鳥になったバッテリセルを近接させることで、他の形状よりも約１０％を超えるだけ改善されている。

本発明のまた別の利点は、チューブとセルとの間に熱伝導媒体を備えた波形冷却チューブを使用することであり、これによって２つの要因により熱抵抗が減少し、最小離間距離は約０．５ｍｍであり、離間距離が小さくなれば熱抵抗の減少は大きくなる。

本発明のまた別の利点は、長時間にわたる高いセル出力の供給であり、セルが積極的に温められて等価な流体の流れ状態の最小作動温度となった場合により早い予熱時間を可能とする。

本発明のまた別の利点は、バッテリパックのセルを熱的に平衡にする方法を提供しており、これによって寿命、効果および出力の最大化が電気自動車のエネルギ貯蔵システムから抽出される。

本発明の他の目的、特徴および利点は以降の記載および添付図と共に取り入れられた添付の特許請求の範囲から明確に成る。

本発明によるエネルギ貯蔵システム（ＥＳＳ）筐体に接続されたマニフォールドを示した図である。本発明によるエネルギ貯蔵システムを示した図である。本発明による最適化された幾何形状を備えた冷却チューブの上面を示した図である。本発明による最適化された幾何形状を備えた冷却チューブの上面を示した図である。本発明による温度管理システム内で使用するための波形冷却チューブの斜視図を示している。本発明による温度管理システム内で使用するための波形冷却チューブの上面を示した図である。本発明による温度管理システム内で使用するための波形冷却チューブの端面を示した図である。本発明による温度管理システム内で使用するための波形冷却チューブの側面を示した図である。本発明による波形冷却チューブの斜視図を示している。本発明による波形冷却チューブの拡大図を示している。本発明による隣接したセルの列の間に配置された波形冷却チューブを示した図である。本発明による冷却チューブと共に使用するための圧縮姓の熱パッドを示した図である。本発明による波形冷却チューブを製造するために使用されるダイを示した図である。本発明による波形冷却チューブを製造するために使用されるダイの代替的な実施形態を示した図である。

図を参照すると、エネルギ貯蔵システム（ＥＳＳ）２２とともに使用されるバッテリパック温度管理システム２０が図示されている。エネルギ貯蔵システム２２は一般的に、所定の数のバッテリモジュールまたはバッテリシート２４と、主管理ロジックＰＳＢと、１２ボルト電力供給源とを具備している。意図された一実施形態において、エネルギ貯蔵システム２２は１１のバッテリモジュールまたはバッテリシート２４を備え、それらのモジュールは直流でおよそ３７５ボルトの電圧を生成することが可能である。この標準電圧は電気自動車を作動してもよく、その自動車は再充電することなく長距離を走行することが可能であり、内燃機関と比較して好都合に十分な馬力と加速とを供給することが可能である。意図された一実施形態において、ＥＳＳ２２は、電気自動車が再充電することなく約２００マイルを走行可能なだけの十分なエネルギを貯蔵し得てもよい。しかしながら、再充電することなく２００マイル以上十分に走行可能な本発明に基づいた電気自動車を有することも、意図されたことであるということを記しておく。一実施形態において、本発明のエネルギ貯蔵システム２２を使用した電気自動車は内燃機関と同程度の速度における加速が可能であるということも、意図されたことである。再充電することなくこの程度の加速および走行距離を生み出す電気自動車は知られていない。

本発明はリチウムイオンセル２６で形成されたバッテリを使用してもよく、意図された一実施形態は電気自動車のために、１８６５０波形率リチウムイオンセル２６の商品を使用している。本発明のバッテリ２６は約２ガロンのガソリンと等価の科学エネルギを貯蔵する。バッテリパック２２は公称３７５ボルトにおいて作動し、約２４０馬力をモータに供給する。バッテリパック２２のエネルギおよび電力容量は、バッテリパックのデザインと構造が多数の特徴を備え、それらの特徴が自動車および電気自動車使用中の乗員の安全性を保証することを可能にしている。リチウムイオンセル２６は再充電されて、再充電後にバッテリは完全に再充電された且つ能力のあるバッテリを基にして、自動車のための牽引力を提供することが可能であるということを記しておく。エネルギ貯蔵システム２２は、一実施形態において、個別の６８３１リチウムイオンセル２６を具備しており、それらのセルは自動車のために必要な駆動力および駆動範囲を可能にしている。これらのセル２６は９つのセルのグループに並列に接続されており、９つのセルのこれらのグループのそれぞれはブリックと称される電気的モジュールを構成している。

したがって、ブリックはシート２４と称されるエネルギ貯蔵システム２２内の個々のバッテリモジュール内に、直列に接続されている。各々のシートまたはバッテリモジュール２４は単一の機械的アセンブリであり、電気的に直列に接続された９つのブリックから成る。シート２４またはセル２６はエネルギ貯蔵システム２２内で最小単位の交換ユニットであってもよいように意図されていることを記しておくべきである。それぞれのシート２４は一般的に直流で約３５ボルトの公称電圧である。さらに、これらシート２４の各々は機械的な組み付けシステム、バッテリ監視ハードウェア電子機器、温度管理または冷却システムおよびそのような自動車内において自動車と乗員とを適切に保護することを保証するための様々な安全システムを含んでいる。意図された実施形態において、全体で１１のシートが使用されて、直流でおよそ公称３７５ボルトが電気自動車に使用されるためにエネルギ貯蔵システムに届けてもよい。本発明で意図され且つ示されたＥＳＳ２２２は、ＥＳＳ２２内のシートおよびブリックの数を増加しまたは減少することによって調節されてもよいということを記しておく。

高出力のエネルギ貯蔵システム２２およびＥＳＳ２２を具備した関連する個別のセル２６は、熱的に管理されなければならない。この管理はエネルギ貯蔵システム２２の寿命を増加させ且つ最大化する。セル２６の温度はシートレベルで管理されてもよく、セル２６の各々は、シート２４内での物理的位置に関わらず温度管理システム２０から利益を受けてもよい。本発明の温度管理システム２２はエネルギ貯蔵システム２２内において各々のセル２６を所定の温度範囲内に維持する。さらに、本発明の温度管理システム２０は各々のシート２４内の各々のセル２６を熱的に接続する方法を設け、これによって各々のシート２４を熱的に平衡させている。シートの熱的平衡を解して、最大寿命、最大効果および最大出力がエネルギ貯蔵システム２２から引き出されることが可能となる。本発明の温度管理システム２０はエネルギ貯蔵システム２２から熱を除去して、セル２６の冷却または冷気を提供し、これによって路上の電気自動車の寿命および使用範囲を増加させている。温度管理システム２０はセルが要求する場合は熱を加えることが可能であってもよい。温度管理システム２０は、エネルギ貯蔵システム２０内のバッテリセル２６の熱暴走を緩和するまたは停止することが可能であるということも記しておく。

本発明の一実施形態による電気自動車は熱循環空調設備（ＨＶＡＣ）を備えていてもよく、その空調設備は２つのループを具備し、１つは車室内の冷房および暖房のためならびにもう１つはエネルギ貯蔵システム２２の冷却および加熱のためであってもよい。意図された一実施形態において、これら２つのＨＶＡＣシステムは独立して制御される。しかしながら、１つの独立したコントローラによって制御された双方のシステムを備えることも意図されているということを記しておく。エネルギ貯蔵システム２２は冷却チューブ３０を通った冷却された冷媒または液体を積極的に圧送することによって、そのループを介して冷却されてもよく、冷却チューブはエネルギ貯蔵システム２２の各々のシート２４内に配置されてもよい。この液体または冷媒の温度はＨＶＡＣシステムによって制御される。一実施形態において、冷媒は冷却剤−冷媒熱交換器を使用して冷却される。しかしながら、他のタイプの熱交換器が、冷媒が使用される電気自動車のデザイン要求に応じて使用されてもよい。任意のタイプの冷媒がシステム内で使用されてもよい。意図された一実施形態中の熱交換器は小型並列熱交換器であり、冷媒から冷却剤へと熱が輸送される。この冷却システムにおいて、冷媒はマニフォールド３２を介してエネルギ貯蔵システム２２の各々のシート２４を出入する。セル２６から熱を除去することまたはル２６に熱を加えることが可能な任意の公知のＨＶＡＣシステムおよび／または温度管理装置が、本発明において使用されてもよい。本発明に関して、空気熱交換器への冷媒の使用も意図されている。

本発明による温度管理システム２０は連続的な閉ループ制御システムである。システム内の温度は、エネルギ貯蔵システム２２の各々のシート２４内における所定の数の位置で監視される。エネルギ貯蔵システム２２内の各々のシート２４は、それらに関係した個別のバッテリ監視ボードを備えている。これらのバッテリ監視ボードはシート２４内のセル２６の温度を、バッテリ安全モニタへの別のデータとともに報告する。自動車管理システムは多くの手法およびアルゴリズムを操作して温度管理システム２０およびセル２６に提供される冷媒の量を、電気自動車および関連したエネルギ貯蔵システム２２の多数のパラメータの操作の間、効果的に制御することが可能である。

本願出願人は出願された同時継続出願を有しており、その出願には温度管理システムが詳細に記載されており、その出願は参照されることでここに組み込まれている。

温度管理システム２０はＥＳＳの筐体２８の外表面に締結されたマニフォールド３２を含んでいる。マニフォールド３２は一般的に二重バレルまたは円筒形突き出し形状である。しかしながら、他の任意のタイプまたは形状のマニフォールド３２が使用されてもよい。マニフォールド３２は本発明による冷却チューブ３０と流体的に連通している。マニフォールド３２はエネルギ貯蔵システム２２を補助し、等価の流体を維持してもよく、これによってＥＳＳ冷却システム内の冷媒の流れ経路の全域における圧力勾配の対称性を介して、複数の冷却チューブ３０内および複数の冷却チューブ３０の間の単一の温度制御を維持してもよい。本発明の温度管理システム２０は新規且つ改良された冷却チューブ３０も含んでおり、そのチューブはエネルギ貯蔵システム２２の各々のシート２４内に配されている。意図された一実施形態において、冷却チューブ３０は最適化された幾何形状であり、その形状はＥＳＳ２２内での千鳥になって垂直に整列されたセル２６の容積充填密度の最適化を可能にしており、冷却チューブ３０とセル２６との間の熱抵抗を最小化している。セル２６は一般的に円筒形であるということを記しておく。本発明の最適化された形状の冷却チューブ３０は、電気自動車のエネルギ貯蔵システム２２内の熱暴走の操作および軽減の間、温度制御を提供してもよい。冷却チューブ３０は隣接したセル２６の列の間に配されている。セル２６は単一の列内でセルの２分の１の間隔を空けてオフセットされた列内に配置されてもよい。列は互いに千鳥になって所望の間隔が空けられることが可能である。意図された実施形態において、この間隔は約５ｍｍの公称距離である。しかしながら、数ミクロンから数ミリメートルを超える任意の他の間隔が本発明に関して意図されている。セル２６の間に配された残りの間隔は、本発明による最適化された特別の形状を有する冷却チューブ３０によって満たされている。これはより密接な接触およびより密接なセルの離間を保証しており、熱抵抗の低下およびバッテリパックエネルギ密度の減少の利益を追加している。

本発明の冷却チューブ３０は、一般的に波形形状を有する最適化された幾何形状である。他の任意の最適化された形状が使用されてもよいが、図示された実施形態において、冷却チューブ３０の波型の外表面の外形が使用されているということを記しておく。冷却チューブ３０の波形バージョンは、各々の冷却チューブ３０の側面に沿って配置された複数の輪郭３４を備えている。輪郭３４は冷却チューブ３０の全長にわたって延在していてもよく、または冷却チューブ３０の所定の部分において延在していてもよい。輪郭３４は冷却チューブ３０の各々の側面に沿って配置された所定の曲げ形状を一般的に有していてもよい。冷却チューブ３０の両側の面に沿った輪郭３４はセル２６の面に沿って、およびセル２６の面に対向して周囲に延在していてもよく、向き合った列のセル２６とセル２６の隣の千鳥との間の最小の離間が達成されるまで一定にオフセットされている。したがって、冷却チューブ３０は湾曲部またはシフト部３６を介して遷移し、対向した列のセル２６の周囲で輪郭を開始する。冷却チューブ３０とセル２６との間の最小の離間を維持するための輪郭形成および湾曲の実施は、シート２４内のセル２６の対向した列の全長に沿って最大の熱的近接を提供してもよい。本発明による冷却チューブ３０は高い縦横比を備えていてもよく、その比は各々のセル２６の間の軸方向のピッチ上の影響を最小化し、セル２６と冷却チューブ３０との間の熱的接触を最大化し得る。冷却チューブ３４の各々の波形または湾曲部の内径は、各々のセル２６の外径にセル２６と波型の冷却チューブ３０との間の公称最小間隔を加えたものにほぼ等しい。

波形チューブの周囲に配置された本発明のセル２６は、低いセル温度および／またはセルが熱暴走することに対してセルを保護することを強化することで、高密度のエネルギ貯蔵および高出力操作を可能にしている。セル２６の隣接した列の千鳥は、列が単一の列内でセルの２分の１だけ離間されてオフセットされており、本発明の冷却チューブ３０がセル２６のネットワークによって形成されたほぼ全てのキャビティを満たすことを可能にし、これによってセル２６の各々のシート２４のより密接な充填を可能にしている。波形チューブ３０の幾何形状は湾曲部３４が各々のセル２６の輪郭に沿うことを可能にし、これによって広範囲にわたる所望の最小離間された範囲の密接な熱的接触を保証することを可能にしている。バッテリモジュール２４のサイズおよび重量は、前記自動車内に貯蔵可能なエネルギの量に関して初期的な制限の１つである。波形形状の冷却チューブ３０の使用は、より多くのエネルギが電気自動車内で与えられたモジュールのサイズおよび重量に関して運搬されることを可能にしている。さらに、波型の冷却チューブ３０の幾何形状はエネルギ貯蔵システムのバッテリモジュール２４の性能に利点を提供し得る。

放電の間および熱暴走状態の間の１℃以上の熱発生を含んだいくつかのセルの熱発生状態において、他の幾何形状は所望しないセル温度を回避するために不十分であるかもしれない。高放電率の間、先行技術によるいくつかのチューブとセルとの間の高い熱抵抗は、バッテリモジュールの出力を減少することを必要とする結果になるだろう。さらに、これら多くの先行技術によるバッテリモジュールは最小作動温度よりも低い温度に冷却され、受け入れがたい長時間の予熱時間の原因となる。波形冷却チューブ３０および他の意図された最適な幾何形状のチューブは熱抵抗を減少しており、それは本発明による熱暴走の伝播に対する保護の強化を追加すると同時に、より高い出力動作および短い予熱時間を可能にする２つのおおよその要因によるものである。波形チューブ３０の使用は高いエネルギ貯蔵密度、高度の安全性および本発明による中程度のレベルのセル温度を維持するための手段を備えた構成を可能にしている。ここで開示されている波形チューブ３０の幾何形状は、列とセル２６との間の軸方向ピッチを減少させることによって大幅に改善されたエネルギ密度を提供しており、ピッチの減少は他の冷却チューブ形状の約１０％を超えて減少している。この１０％の減少は全体的にセル２６が互いに千鳥になって接近しているためである。１０％の減少は概算であり、冷却チューブのために使用される最適化された形状によっては異なったパーセンテージの到達も可能である。波形チューブ形状は体積エネルギ密度に直接的な影響を備えていてもよく、一方で過剰充填の除去およびセル２６と最適化された冷却チューブ３０との間からの熱伝導性媒体によって重量エネルギ密度への影響を備えていてもよい。本発明による波形チューブ形状は、冷却チューブ３０の両側の各々のセル２６の周囲に沿って輪郭形成されることによって、最小の離間の２つの寸法的なパッチを提供してもよい。セル２６と波形冷却チューブ３０との間に熱伝導性媒体３８を使用することも意図されており、その使用はおよそ２つの要因によって熱抵抗を減少し、それは約０．５ｍｍの最小離間距離であり、その離間距離が小さくなればより大きな熱抵抗の減少となる。これらの低熱抵抗は長時間の高いセル出力の供給を可能にしており、それに加えてセルが積極的に温められて流体の流れ状態と等しい最低作動温度となった場合に、より素早い予熱を可能にしている。さらに、各々の波形冷却チューブ３０は低熱抵抗を可能にしており、そのことは電気自動車の設計者に冷却システムを変化させている。例えば、冷凍式冷媒熱交換器を空冷式冷媒熱交換器へと変更することを可能にし、これによって電気自動車の重量および複雑さを減少させている。

本発明による最適化された冷却チューブの幾何形状の初期的な利点は、エネルギ貯蔵システム２２内のセルからセルへの熱暴走の伝播を回避することであるということを記しておく。一般的に、個別のセル２６がこの状態に入った場合、熱発生が積極的な冷却によって除去され、および／または周囲のセルによって十分に吸収されて、任意の個別の隣接したセルが熱暴走を起こすような温度まで十分に加熱されないようにしなければならない。セル２６と波形冷却チューブ３０の間の距離の減少および熱抵抗に関するおおよその要因は、一般的に緩和のための可能性を生み出し、エネルギ貯蔵システム２２内の熱暴走の伝播を、セル２６を冷却チューブ３０およびその内部に含まれた流体により近接して熱的に接触させることによって回避することが可能である。流体との密接な熱的接触は沸騰熱伝達を可能にして、熱を多くの周囲のセル２６に移動させており、冷却チューブ３０との密接な熱的接触は熱がチューブ３０に伝導して下がり、多くの周囲のセル２６によって吸収されることを可能にしている。熱暴走によって発生した熱が周囲のセル２６に十分に吸収された場合、熱暴走の伝播は中断される。熱抵抗の２つの減少要因は近似したものであり、その要因はエネルギ貯蔵システムが必要とするデザインによって、より大きくまたはより小さくなる。波形冷却チューブ３０の幅は、デザインの要求および電気自動車内で使用されるエネルギ貯蔵システムに応じて０．５ｍｍ〜２０ｍｍの間とされてもよい。冷却チューブ３０の長さおよび高さは任意の公知の寸法とされてもよい。本発明による冷却チューブ３０の波形３４の内径はセル２６の外径に沿った任意の公知のサイズであってよく、冷却チューブ３０の波形３４の内径と同様に任意の公知の寸法とされてよく、セル２６の外径は互いにほぼ等しい、または同一であり、これによってセル２６と冷却チューブ３０との間の密接な熱的接触を可能にしている。

冷却チューブ３０は冷却チューブ３０の内径の内側に配置された複数の内腔またはチャネル４０を備えていてもよい。チャネル４０は冷媒が所定の圧力で冷却チューブ３０を貫流することを可能にしている。チャネル４０は流体が同一のチューブ３０内で対向して流れることを可能にしている。この対向流は対向した流体の流れの間での熱伝達を可能にし、より均一の冷媒温度をセル２６に与え、シート２４内のセルの熱平行を改良している。さらに、チャネル４０は冷却チューブ３０がチューブ自身を破壊することなく所定の形状に曲げられることも可能にしている。

チューブ３０は任意の所定の形状に曲げられてもよく、その形状はＥＳＳ２２内のセル２６とシート２４とに所定の配置に適合するものである。意図された一実施形態において、冷却チューブ３０は互いに隣接して配置され且つチューブシールプラグ内に固定されたチューブの両端を備えている。冷却チューブの各々の端部には、冷却チューブ３０をホースまたは任意の他のタイプの接続材料を介してマニフォールドに接続するために使用される端部接続部が設けられていてもよい。意図された一実施形態において、波形冷却チューブ３０はアルミ材料で形成されている。しかしながら、任意の他のタイプの金属、セラミック、複合材料または天然素材が冷却チューブ３０のために使用されてもよい。

本発明による波形冷却チューブ３０は多数の意図された実施形態で製造されてもよい。意図された製造方法において、プレス４４のセットが使用される。プレス４４は冷却チューブ３０のいずれかの側に配列に配置された千鳥式の水平シリンダ４２を備えていてもよい。水平シリンダ４２はダイとして供給され、所定の波形または湾曲３４が冷却チューブ３０の両側に沿って配置されるようにすることを可能にしている。波形冷却チューブ３０を製造するための別の意図された実施形態は、湾曲、波形を備え且つそこから連結突起が延在した一組のローラを介して直線状の冷却チューブを供給することである。これら突起の形状は製造される波型の半径を画定し、ローラの間隔は多様な幅のチューブについて調節され得る。本発明による波形冷却チューブ３０を製造するためのまたベルの意図された実施形態は、予備曲げされたチューブ３０を用い、プレスして窪ませ、図８に図示された波が多面のいくつかのロールを備えたダイ４６を使用して平行に曲げまたは波形に仕上げることを伴っている。これは冷却チューブ３０の曲げの製作公差を改良することを可能にしており、ダイの中でのチューブの塑性変形を介したチューブの曲げにおいて達成可能である。これらの接近した公差はセル２６と波形冷却チューブ３０との間の最小離間距離が減少されることを可能にし、これによってバッテリパック２２全体の熱性能およびエネルギ密度をさらに改善する。一般的に、これらの方法は冷却チューブ３０について実施される。冷却チューブは平坦なチューブとして製造を開始し、それらの内部に配置された複数の内腔またはチャネル４０を備え、チューブ３０の波型が完全に減少または完全に排除されている。他の製造方法は、本発明によるエネルギ貯蔵システム２２内で使用するためのこの波形冷却チューブ３０を製作することが意図されている。

本発明の波形冷却チューブ３０は、エネルギ貯蔵システム２２内でチューブ３０の両側と隣接したセル２６との間で最適な熱接触を行わなければ成らない。意図された一実施形態において、変形可能な熱パッド３８が波形冷却チューブ３０とセル３２６との間のいずれかの側に配置されてもよい。この変形可能な熱パッド３８はチューブ３０の全高さに沿って親密な熱接触を提供しており、冷却チューブがセル２６の周囲に接触または周囲を包み込む完全な領域に関して提供している。変形可能な熱パッド３８の使用はポッティングコンパウンド（potting compound）のような他の熱移送媒体の必要性を減少させており、そのような媒体は他の意図された実施形態において使用されることを意図されている。ポッティングコンパウンドまたは他の熱伝達メディアと共に熱パッド３８を使用して波形冷却チューブ３０とセル２６との間の最良の熱伝達を提供することは、意図された事項である。熱パッド３８は変形可能であり、冷却チューブ３０とセル２６との間の変化するギャップが、熱パッド３０の熱特性を利用する必要性から、与えられた圧縮を介してセル２６とチューブ３０との間の接触を確実に行うことを十分に補償し得る。そのような圧縮可能な熱パッド３８は、冷却チューブ３０またはセル２６の製作公差内の任意の寸法変化がセル２６と波形冷却チューブ３０との間の熱的接続特性を補償し得ることを可能にしている。外側に延伸した複数の部材または冷却チューブ３０の面から延伸したキャッチを介して熱パッド３８を冷却チューブに固定し、それらの部材は冷却チューブ３０の外面に関して所定の位置で熱パッド３８と接触し且つ保持するということは意図された事項である。接着剤または他のタイプの固着コンパウンドを使用して、熱パッド３８を冷却チューブの側部に固定することも意図された事項である。熱パッド３８と共同して使用される冷却チューブ３０に関して、熱パッド３８は平滑で非粘着性の面に処理される一側を備え、または電気的に絶縁されてセル２６と冷却チューブ３０との間に電気的遮蔽と適切な熱接触とを提供するラミネートと共にコートされた一側を備えていることも意図された事項である。熱パッド３８は、本発明によれば、冷却チューブ３０の一側、両側に使用されてもよく、またはいずれの側にも使用されなくてもよい。

図示された波形冷却チューブの幾何形状は最適化されたチューブの幾何形状に関する意図された多くの実施形態の中の１つであり、その形状はエネルギ貯蔵システム２２内の千鳥になったバッテリセル２６の任意に形成された配列の間の任意に形成されたギャップを充満することを可能にしている。最適化されたチューブの幾何形状に関する意図された他の実施形態は、各々のシート２４内に配置されたセルの列に似たボイド内にハイドロフォーム（hydro formed）された冷却チューブを含んでいてもよく、そのシートは本発明の波形冷却チューブ３０に似た利点を提供しており、大きい公差を可能にしている。さらに別の意図された最適化されたチューブ形状は、Ｔ字に押し出されて成型された冷却チューブであってもよく、そのＴ字の頂部は中実であり、残りの部分は流体が流れるために閉じたボイドとなっていてもよい。このＴ字押し出し材の頂部は先端から潰されて切り出しを形成し、その切り出しはシート内の列またはバッテリセルに輪郭を合わせてもよい。セルとＴ字押し出し冷却チューブとの間の密接な接触は、セルと冷媒との間に低い熱抵抗を提供する。さらに別の意図された最適化されたチューブ形状は、位置決め穴を備えたボディの一端から延伸した突出フィンを備えた波形チューブ３０であってもよく、その位置決め穴
は製造の間冷却チューブの位置決めを補助し、エネルギ貯蔵システム内において温度管理システムのアセンブリであってもよい。

本発明は図示された態様で記載されている。使用された専門用語は限定することよりもむしろ記載の単語の性質を意図して使用されている。

本発明の多くの改造および変化が上述の技術の観点から可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本発明は、特別に記載された以外の形態で実施されてもよい。

２０・・・バッテリパック温度管理システム
２２・・・エネルギ貯蔵システム
２４・・・バッテリモジュール（シート）
２６・・・バッテリセル
２８・・・筐体
３０・・・冷却チューブ
３２・・・マニフォールド
３８・・・熱パッド
４０・・・チャネル
４２・・・水平シリンダ
４４・・・プレス

Claims

電気自動車内で使用するためのバッテリパック温度管理システムであって、該システムは、
マニフォールドと、
前記バッテリパック内に所定のパターンで配置された複数のセルと、
該セルに熱的に接触した波形の外側面を備えた冷却チューブと、
を備えていることを特徴とする温度管理システム。
前記波形の形状は前記冷却チューブの各々の側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
前記冷却チューブは前記セルの列の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
前記セルの隣接した列は、前記１つの列内で前記セルの約２分の１だけ離間されることによってオフセットされており、前記セルの間の空間は前記冷却チューブによってほぼ充填されていることを特徴とする請求項３に記載の温度管理システム。
前記波形は前記セルの外径とほぼ等しい所定の内径を備えていることを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
前記セルと前記冷却チューブとは、それらの間に所定の最小間隔を一般的に備えていることを特徴とする請求項５に記載の温度管理システム。
前記冷却チューブは、前記セルの１つと、対向した列の前記セルに隣接したセルと、の間が最小の離間となるまで一定にオフセットされた前記セルの面に周方向に沿うように輪郭形成されていることを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
前記冷却チューブは高い縦横比を備えて、前記セルの列の間の軸方向ピッチへの影響を最小化し且つ各々の前記セルの熱的接触を最大化していることを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
前記波形は成型ダイを使用したプレス加工で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
前記波形は、非波形の冷却チューブを一組のローラを介して移動させることによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
前記冷却チューブは該冷却チューブの内部に配置された複数のチャネルを備えていることを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
前記冷却チューブと前記セルとの間に配置された熱パッドをさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
電気自動車内のエネルギ貯蔵システムと共に使用される温度管理システムであって、前記エネルギ貯蔵システムが複数のシート内に配置された複数のセルを備えている温度管理システムにおいて、
前記シートはエネルギ貯蔵システムの筐体内に収容されており、前記温度管理システムは、前記エネルギ貯蔵システムの筐体に固定されたマニフォールドと、各々の前記シート内に配置された波形の冷却チューブと、を備え、
前記冷却チューブは前記マニフォールドに接続され、自動車の運転中にセルの温度を制御するために、前記冷却チューブはセルと熱的に接触し、セルの熱暴走を軽減していることを特徴とする温度管理システム。
前記冷却チューブと前記セルとの間に配置された変形可能な熱パッドをさらに含んでいることを特徴とする請求項１３に記載の温度管理システム。
前記冷却チューブは前記セルの列の間に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の温度管理システム。
隣接した列内の前記セルは前記１つの列内で前記セルの２分の１だけ離間することによってオフセットされており、前記隣接した列の間に空間を設け、該空間は前記冷却チューブによって充填されていることを特徴とする請求項１５に記載の温度管理システム。
前記波形は前記セルの外径とほぼ等しい所定の内径を備えていることを特徴とする請求項１３に記載の温度管理システム。
前記波形は一般的に周方向に曲げられ、前記冷却チューブの両側と各々の前記冷却チューブの隣に配置されたセルとの間に公称最小空間を設けていることを特徴とする請求項１３に記載の温度管理システム。
前記波形は成型ダイを使用したプレス加工で形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の温度管理システム。
前記冷却チューブは該冷却チューブの内部に配置された複数のチャネルを備えていることを特徴とする請求項１３に記載の温度管理システム。
前記セルは前記冷却チューブの周囲に千鳥となっており、密接な接触と接近したセル空間とを提供し、結果的に低い熱抵抗および低いエネルギ貯蔵システム密度となっていることを特徴とする請求項１３に記載の温度管理システム。