JP2010539667A - 温度調節されるバッテリー装置およびバッテリー装置を温度調節するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明はバッテリー装置（１）に関する。ここでこのバッテリー装置は少なくとも１つのバッテリー（２）と、当該バッテリー（２）を温度調節する少なくとも１つの加熱装置および／または冷却装置（１５）とを有している。このバッテリー（２）は、加熱媒体および／または冷却媒体（８）内に浸されて、加熱媒体および／または冷却媒体（８）を収容しているハウジング（４）内に配置されている。さらに本発明は、相応の方法に関する。

Description

本発明は、少なくとも１つのバッテリーと、当該バッテリーを温度調節する少なくとも１つの加熱装置および／または冷却装置とを有するバッテリー装置に関する。本発明はさらに相応の方法に関する。

従来技術
多くの技術分野、例えばハイブリッド車両および電気車両において、高性能の電気エネルギー蓄積器が必要とされている。しかし他の産業用途、例えば風力発動機用のピッチシステムおよび太陽熱利用装置においても、高性能の電気エネルギー蓄積器が必要とされている。用途および使用領域に応じて、多くの使用可能な蓄積システムから、殊にその物理化学的な組成に関して、各使用領域に対して考慮の対象になるシステムが選択され、使用目的に合わせて構成される。殊に、実際の使用時に生じる温度領域に関しては注意深く選択がされなければならない。なぜなら、例えば高性能のリチウム−イオン−蓄電池システムは、例えば−１０℃〜＋５０℃の比較的狭い温度領域においてのみ確実に作動するからである。このような温度範囲外では、電気的パワーは不十分である、むしろこの蓄電池は故障してしまう。従って特定の使用領域に対する特定のバッテリータイプまたは蓄電池タイプの選択には、従来技術において非常に高い注意が払われてきた。ここではさらに、高性能の電気エネルギー蓄積器が通常は、複数の個別セルが相互に組み合わされているモジュールから構成されている、ということが考慮されるべきである。まさにここで、作動中の温度上昇は特別な問題となる。なぜなら、個別セルは両側から加熱され、モジュール内部からの熱導出が困難だからである。このような高い局部的な温度は、バッテリーの寿命を短くし、モジュール全体の機能性を脅かす。従って従来技術においては、その温度領域に相応して選択されたバッテリーモジュールを冷却することが知られている。ＪＰ２００６―１００１２３号には例えばバッテリー装置が開示されており、ここでは、個別セルの間に、空気伝導チャネルが配置されており、このチャネルを通って、ベンチレータによって、冷風が吹きつけられる。類似の装置が、ＪＰ２００６−１８５７８８号に記載されている。ここでは、バッテリーモジュールの個別セルを冷却するために、風伝導チャネルが用いられている。これは、モジュール下面（すなわち、バッテリーモジュールと、バッテリーモジュールを下面で取り囲んでいるハウジングシャーレとの間）で所期のように風を案内するための調整可能なフラップを有している。ＵＳ２００５／０２１０６６２Ａ１号から、個々のリチウムセルをハウジング内に配置することが知られている。これには、セルを冷却するための風伝導システムが設けられている。この装置では、バッテリー装置の作動中に生じた余熱が排出され、個々のセルが実質的に一様に冷却され、あるセルが例えば隣のセルよりも強く、または弱く冷却されることがないが、このようなセル装置内では、風伝導チャネルの配置によって、局部的な温度上昇が、例えば、直接的に空気伝導チャネルに接していない個別セルの側壁で生じてしまう。さらに、余熱だけが排出される、という欠点がある。すなわちバッテリー装置の温度領域が上方へ僅かに拡張されるだけである。しかし依然として、設定されている使用領域に関して、殊に、バッテリー領域が使用されるべき温度領域に関して、使用されるべきバッテリータイプが慎重に選択されなければならず、冷却作動における制限が考慮されなければならない。

発明の開示
本発明の課題は、上述の欠点を回避し、殊に非常に幅の広い温度領域において使用することができる高性能の電気的エネルギー蓄積器を提供することである。

このために、少なくとも１つのバッテリー、バッテリーを温度調節する少なくとも１つの加熱装置および／または冷却装置を有するバッテリー装置を提案する。ここでは、バッテリーが、加熱媒体および／または冷却媒体内に浸されて、加熱媒体および／または冷却媒体を収容しているハウジング内に配置される。従ってバッテリー装置はハウジングを有しており、このハウジングは、例えばバスタブ状（すなわち上方へ向かって開放されている）または全面が閉鎖されているハウジングとして構成される。ここでは、バッテリー（これは当然ながら元来の意味におけるバッテリーである必要はなく、むしろ蓄電池として構成されている；ここでは単に、殊に自動車技術において通常の用語であるので、用語「バッテリー」が使用されている）は加熱媒体および／または冷却媒体によって取り囲まれており、有利には、バッテリーが全面で加熱媒体および／または冷却媒体によって取り囲まれている。従って、バッテリーから加熱媒体および／または冷却媒体へ、またはその逆へ熱移動が全面で行われる。これによって完全に、従来技術とは異なり、設定された使用領域に従って特定のバッテリータイプを選択する必要はなく、逆に、設定されている使用領域にほぼ完全に依存しないで、バッテリーの所望のエネルギー密度に従って選択することができる。すなわち設定されている使用領域における主な、バッテリーが使用されるべき温度領域は、加熱媒体および／または冷却媒体内にバッテリーを浸すことによって実際には完全に、重要でなくなる。従ってバッテリーは、設定されている温度領域に合わせられず、むしろバッテリーの直接的な周囲の温度が、使用されているバッテリーの仕様に合わせられる。ここでは、殊に、バッテリーを自身の有利な温度領域内で作動させることが可能である。すなわち、自身の最も高い電気的能力を発揮する温度領域内で作動させることが可能ある。このようにして、電気的な能力に関して、もはや損失を、バッテリーの有利な温度領域／作動領域の周辺領域において甘受することなく、バッテリーを自身の有利な温度レベルに維持することができる。ここではハウジングによって、常に、加熱媒体および／または冷却媒体内にバッテリーが完全に浸されていることが保証される。

有利な実施形態では、加熱媒体および／または冷却媒体は、循環部内へ案内される。ここでこの循環部内には、加熱媒体および／または冷却媒体のための加熱装置および／または冷却装置が設けられている。従ってここでは、加熱媒体および／または冷却媒体をアクティブに温度調節することが可能である。すなわち熱エネルギーを供給すること、または加熱媒体および／または冷却媒体から熱エネルギーを除去することが可能である。ここでこの循環部は、実質的に、加熱循環および／または冷却循環から公知の従来技術のように、構成される。殊にここでは、熱交換器等の加熱媒体および／または冷却媒体用の熱放出装置（これは例えば、冷却器として一般的に既知である）および熱供給装置が設けられている。ここでこの熱供給装置は、実際に任意の実施形態で加熱デバイスとして公知であり、殊に、平均して加熱媒体および／または冷却媒体よりも高い温度を有している媒体、例えば内燃機関の加熱された冷却水を有している熱交換器である。

別の実施形態では、バッテリーは、気密性に密閉されている包囲部によって全面で囲まれている。すなわち、バッテリーは加熱媒体および／または冷却媒体に対して気密性に密閉して遮断されており、加熱媒体および／または冷却媒体とバッテリーとの間のコンタクトがこの包囲部によって生じない。包囲部としてはここでは、設定されている使用領域、殊に温度領域において必要な密閉性を継続して保証する全ての材料が考えられる。

有利な実施形態では、包囲部はフィルムである。フィルムは、その材料強度が低いので、迅速な熱通過を両方向において可能にし、同時に、非常に良好にバッテリーの形状にフィットする。しかも、熱移動を困難にする不所望な中空空間または例えば、空気封入がフィルムとバッテリーとの間で生じることはない。バッテリーが個々にフィルムによって囲まれており、完全に加熱媒体および／または冷却媒体によって取り囲まれていることによって、公知のハウジング内への空気ガイドを伴う従来技術から既知のように、局部的な過熱現象が効果的に回避される。

特に有利な実施形態では包囲部の内部は真空にされる。包囲部の内部、すなわちバッテリーが浸されている空間を真空にすることによって、空気の封入なしに完全に全面に包囲部を設けることができる。従って温度移動が全面で、阻止されずに行われる。同時に、例えば空気封入の、バッテリーへの不所望な影響が回避される。

別の有利な実施形態ではバッテリーは、加熱媒体および／または冷却媒体に対する絶縁のために、射出成形されたまたは接着されたコンタクト箇所および／または接続箇所を有している。従ってさらに、個別セル／バッテリーを自身のコンタクト箇所ないしは接続箇所のみを絶縁し、直接的に加熱媒体および／または冷却媒体へつるして絶縁することができる。これによって、さらに改善された熱移動を、包囲部を省いて行うことができる。コンタクト箇所および／または接続箇所のこの絶縁は例えば、加熱媒体および／または冷却媒体内で溶けない接着材料による接着によって実現される。これは例えばエポキシ樹脂によって行われる。同様に、コンタクト箇所および／または接続箇所をこのような絶縁材料によって接着することができる。これは例えば同じようにエポキシ樹脂によって行う。この前提条件は、バッテリー、すなわち個別セル自体が、自身の特性によって、加熱媒体および／または冷却媒体自体によって攻撃、例えば腐食されないことである。

別の実施形態では、加熱媒体および／または冷却媒体は不燃性の媒体である。これによって比較的高い温度でも、バッテリー装置の危険潜在性を著しく低減することができる。なぜなら、高い局部的な温度による、加熱媒体および／または冷却媒体および／またはバッテリー装置の点火が行われないからである。このようにして、従来技術とは異なり、不所望な故障リスクおよび／または燃焼リスクが、殊に機能エラー時に確実に回避される。

別の有利な実施形態では、加熱媒体および／または冷却媒体は非導電性の媒体である。バッテリーの包囲部の欠陥時にも、これによって、一連の短絡を伴う個々のバッテリー極相互のコンタク形成、電気的な現象、例えば電気的な燃焼による不所望な故障またはバッテリー装置または周囲の危険が排除される。

特に有利な実施形態では、加熱媒体および／または冷却媒体は燃焼防止剤である、または燃焼防止剤を含む。燃焼防止剤はここでは、生じるまたは生じている燃焼を抑圧する、または燃焼の伝播を阻止するのに適しているあらゆる薬剤である。

さらに１つまたは複数の上述の請求項に記載されているバッテリー装置を温度調節する方法が提案される。この方法では、複数のバッテリーが１つのバッテリー装置にまとめられる。ここでは個々のバッテリーの間に空間が残されている。これは例えば、間に間隔保持部を伴った個々のバッテリーの配置によって行われる。個別セルとしてのこれらのバッテリーには包囲部が設けられており、最後は真空にされる。従って、空気封入なしに、全面で、バッテリーに接する。次に、バッテリーは、加熱媒体および／または冷却媒体から成る上述した溶剤内に浸される。例えばこれにつるされる、およびクリップまたはワイヤに固定されるまたは金網によって区別された部分内に入れられる、または上述した間隔保持部を用いて、相互に重なり合って／相前後して構成される。これは例えば、円筒状セルの場合には最密球充填（dichtesten Kugelpackung）の原則に従う。加熱媒体および／または冷却媒体は次に、例えば、循環部内の循環ポンプを介して循環される。ここで加熱媒体および／または冷却媒体の温度レベルは、バッテリーにとって最も有意義な温度レベルに合わせられる。すなわち、バッテリーが自身の最大性能を発揮することができる温度レベルである。加熱媒体および／または冷却媒体の温度レベルの整合はここで、従来技術から既知の熱交換器によって行われる。これは、熱エネルギーの除去、または供給のために用いられる。これは例えば、プレート熱交換器および／または加熱部材である。所望の温度レベルはここでは、感温装置によって監視される。これは循環部内に配置されている、または有利には、バッテリー装置を収容しているハウジング内に配置されている。バッテリーとしては、円筒状の、平坦なまたは角柱状のセルが使用される。これらのセルタイプに対して、上述した装置は同じように良好に適している。

別の有利な実施形態は、従属請求項に記載されているおよびその組み合わせ自体である。

本発明を以下で、実施例に基づいて詳細に説明する。ここで本発明は上述の実施例には限定されない。

感温式に制御される循環部を有するバッテリー装置の概略的な図 最密球充填としての円筒状個別セルから成るバッテリー装置の構造の正面図

図１はバッテリー装置の概略図を示している。ここでこのバッテリー装置は、平坦な個別セル３として構成されている複数のバッテリー２から成る。これらのバッテリーは、それぞれ相互に間隔を有し、ハウジング４内に収容されている。ここでこれらの個々のセル２は、ハウジング４の側壁５、並びに底部６および蓋７に対してそれぞれ間隔を有している。ハウジング４は完全に、加熱媒体および／または冷却媒体８によって満たされている。バッテリー２は加熱媒体および／または冷却媒体８に対して、各平坦個別セル３を個々に取り囲んでいる包囲部９によって絶縁されており、保護されている。加熱媒体および／または冷却媒体８はここで、不燃性の媒体１０であり、さらに燃焼防止剤１１を含んでいる。ハウジング４は、インタフェース１２を有している。このインタフェースはハウジング４を、加熱媒体および／または冷却媒体に対する循環部１３に接続するために用いられる。インタフェース１２は、ここで有利にはサーモスタット制御部１４を有している。ここでこのサーモスタット制御部は、バッテリー装置１、殊にハウジング４内の加熱媒体および／または冷却媒体８の温度を監視し、この温度に相応して循環部１３および／またはインタフェース１２を制御する。これは例えば、循環部１３内に配置された循環ポンプ２５を介して、および／または循環部１３内に配置されている加熱装置および／または冷却装置１５の制御によって行う。ここで加熱装置および／または冷却装置１５は、熱交換器１６を有している。これは、加熱装置および／または冷却装置１５に供給される、加熱された加熱媒体および／または冷却媒体８から、余分な熱を取り除くために用いられる；ここでこれは例えば、空気熱交換器１７または、ここには図示されていない別の循環部、殊に冷却循環部に接続されている、またはこれと通信する液体熱交換器１８である。ここで重要なのは、熱交換器１６が、必要な環境において、加熱された、ハウジング４から供給された加熱媒体および／または冷却媒体８から、余分な熱エネルギーを取り除き、加熱媒体および／または冷却媒体８をバッテリー装置１内の所望の温度にするのに適しているということだけである。詳細な技術的な構成は、各実施形態および各使用領域に依る。加熱装置および／または冷却装置１５は、さらに加熱部材１９を有している。これによって、過度に低い温度を有している、ハウジング４から供給された加熱媒体および／または冷却媒体８に、熱エネルギーが供給される。加熱部材１９はここでは、機会および各要求に依存して、電気的な加熱部材２０としてまたは液体熱交換器１８として構成される。ここで重要なのは、加熱部材１９を介して、作動中にバッテリー装置１を冷却すべき加熱媒体および／または冷却媒体に、熱エネルギーを十分な量供給することができ、バッテリー装置１が所望の温度レベルに達する、ということのみである。バッテリー装置１はさらに、自身の外にある装置を具備しているバッテリー装置１の電気的な接触接続のために接続ブロック２１を有している。これは殊に、電気的な負荷または車両の電気的な搭載システムとの接触接続のためである。熱交換器１６と加熱部材１９を、２つの機能を満たす、組み合わせ部材として構成することもできる。

図２は、部分的に、バッテリー装置１の構造を正面図で示している。ここでバッテリー装置は、最密球充填の原理に従った円筒状の個別セル２２から成る。円筒状の個別セル２２は部分的に次のように相互に重なって配置されている。すなわち、それぞれ２つの円筒状個別セルの間およびこれらの上方に、ほぼ中央に別の円筒状個別セルが配置されるように配置されている。従って、使用可能な構造空間のできるだけ完全かつ包括的な利用が、最密球充填の原理に従って行われる。ここで、円筒状の個別セルの間に、それぞれ間隔保持部２３が配置されている。これによって、円筒状個別セル２２の周りを加熱媒体および／または冷却媒体８が完全かつ全面的に流れることができる。ここで重要なのは、加熱媒体および／または冷却媒体をできるだけ大きい面積ないしは円筒状個別セル２２の外套面２４に加えることである。これによって、できるだけ良好かつスピーディーな熱移動が、円筒状個別セル２２と加熱媒体および／または冷却媒体８との間で可能になる。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのバッテリーと、当該バッテリーを温度調節する少なくとも１つの加熱装置および／または冷却装置とを有しているバッテリー装置であって、
   前記バッテリー（２）は、加熱媒体および／または冷却媒体（８）内に浸されて、当該加熱媒体および／または冷却媒体（８）を収容しているハウジング（４）内に配置されている、
   ことを特徴とするバッテリー装置。
2. 前記加熱媒体および／または冷却媒体（８）は循環部（１３）内へ案内されており、循環部（１３）内には、前記加熱媒体および／または冷却媒体（８）に対する加熱装置および／または冷却装置（１５）が設けられている、請求項１記載のバッテリー装置。
3. 前記バッテリー（２）は、機密性に密閉された包囲部（９）によって全面で囲まれている、請求項１または２記載のバッテリー装置。
4. 前記包囲部（９）はフィルムである、請求項１から３までのいずれか１項記載のバッテリー装置。
5. 前記包囲部（９）の内部は真空状態にされている、請求項１から４までのいずれか１項記載のバッテリー装置。
6. 前記バッテリー（２）は、前記加熱媒体および／または冷却媒体（８）に対する絶縁のために、射出成形されたおよび／または接着されたコンタクト箇所および／または接続箇所を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のバッテリー装置。
7. 前記加熱媒体および／または冷却媒体（８）は不燃性の媒体（１０）である、請求項１から６までのいずれか１項記載のバッテリー装置。
8. 前記加熱媒体および／または冷却媒体（８）は非導電性の媒体である、請求項１から７までのいずれか１項記載のバッテリー装置。
9. 前記加熱媒体および／または冷却媒体（８）は燃焼防止剤（１１）である、または燃焼防止剤を含んでいる、請求項１から８までのいずれか１項記載のバッテリー装置。
10. 請求項１〜９までのいずれか１項または複数項記載のバッテリー装置を温度調節するための方法。

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