JP2012230886A - バッテリーセルの作動寿命を向上させるバッテリーシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリーセルの作動寿命を向上させるバッテリーシステムを提供する。
【解決手段】バッテリーセル２０と、バッテリーセル２０に隣接して配置された熱交換器５０と、バッテリーセル２０と熱交換器５０を含んで相互カップリングされた第１及び第２フレーム部と、熱交換器５０に冷媒流体を供給し、熱交換器５０から冷媒流体を返してもらう流体供給部６０と、電圧センサー７０と電流センサー８０のそれぞれの検出値から計算されるバッテリーセル２０の抵抗レベルに基づいて、増加した所望の力がバッテリーセル２０の少なくとも何れか一方の側壁に加えられるように、流体供給部６０が熱交換器５０に供給される冷媒流体の圧力レベルを増加させるようにする制御信号を発生するように構成されたマイクロプロセッサー９０と、を含む。バッテリーセル２０内の活物質間の距離が減少して、活物質間のイオン伝達効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリーシステム内のバッテリーセルの作動寿命を向上させるバッテリーシステム及び方法に関するものであって、さらに詳しくは、バッテリーセルの抵抗特性に基づいてイオン伝達効率を上昇させることができるシステム及び方法に関する。

本発明者は、電気車のポーチ型リチウム‐イオンバッテリーセルの交換コストが比較的高価であるということを認知していた。このことから本発明者は、バッテリーの作動寿命を向上させるバッテリーシステム及び方法が必要であるということに着眼するようになった。

本発明は、上述のような従来技術を勘案して創案されたものであって、バッテリーセルの作動寿命を向上させることができるバッテリーシステム及び方法を提供することにその目的がある。

前記技術的課題を達成するための本発明によるバッテリーシステムは、バッテリーセルと、前記バッテリーセルに隣接して配置された熱交換器とを含む。前記バッテリーシステムは、前記バッテリーセルが備えられる第１及び第２フレーム部をさらに含み、第１及び第２フレーム部の間に前記熱交換器が配置される。前記第１及び第２フレーム部は互いにカップリングされるように構成される。前記バッテリーシステムは、前記熱交換器に冷媒流体を供給し、熱交換器から冷媒流体を返してもらう流体供給部をさらに含む。また前記バッテリーシステムは、一定時間の間のバッテリーセルの出力電圧レベルを表す第１信号を出力する電圧センサーをさらに含む。また前記バッテリーシステムは、前記一定時間の間にバッテリーセルに流れる電流レベルを表す第２信号を出力する電流センサーをさらに含む。また前記バッテリーシステムは、前記第１及び第２信号に基づいて前記バッテリーセルの抵抗レベルを計算するように構成されるマイクロプロセッサーをさらに含む。前記マイクロプロセッサーは、前記抵抗レベルに基づいて、増加した所望の力が前記バッテリーセルの少なくとも何れか一方の側壁に加えられるように、前記流体供給部が前記熱交換器に供給される冷媒流体の圧力レベルを第１圧力レベルに増加させるようにする制御信号を発生するように構成される。

望ましくは、前記マイクロプロセッサーは、予め設定された抵抗レベルと計算された抵抗レベルとの差異を算出するように構成され、前記差異に基づいて前記熱交換器が少なくとも一つのバッテリーセルに加える所望の力の大きさを決定するように構成され、前記決定された所望の力の大きさに基づいて前記冷媒流体の第１圧力レベルを決定するように構成されたことを特徴とする。

望ましくは、前記バッテリーセルは、ポーチ型リチウム‐イオンバッテリーセルである。

望ましくは、前記熱交換器は、前記冷媒流体が流れる内部空間を定義する伸縮性側面部材から作られたことを特徴とする。

前記技術的課題を達成するために、バッテリーシステム内のバッテリーセルの作動寿命を向上させるための方法が提供される。前記バッテリーシステムは、前記バッテリーセルが備えられる第１及び第２フレーム部をさらに含み、第１及び第２フレーム部の間に前記熱交換器が配置される。前記熱交換器は、前記バッテリーセルに隣接して配置される。また前記バッテリーシステムは、前記熱交換器に流体の流れを誘発するように連結された流体供給部及びマイクロプロセッサーを含む。前記方法は、電圧センサーを利用して一定時間の間の前記バッテリーセルの出力電圧レベルを表す第１信号を生成するステップを含む。また前記方法は、電流センサーを利用して前記一定時間の間に前記バッテリーセルに流れる電流レベルを表す第２信号を生成するステップをさらに含む。また前記方法は、マイクロプロセッサーを利用して前記第１及び第２信号に基づいて前記バッテリーセルの抵抗レベルを計算するステップをさらに含む。また前記方法は、前記マイクロプロセッサーを利用して前記抵抗レベルに基づいて、増加した所望の力が前記バッテリーセルの少なくとも何れか一方の側壁に加えられるように、前記流体供給部が前記熱交換器に供給される冷媒流体の圧力レベルを第１圧力レベルに増加させるようにする制御信号を発生するステップをさらに含む。

本発明の一側面によれば、バッテリーセルの作動寿命を向上させるためのバッテリーシステム及び方法は、他のバッテリーシステム及び方法よりも顕著な効果を提供する。特に前記バッテリーシステム及び方法は、増加した所望の力が前記バッテリーセルの少なくとも何れか一つの側面に加えられるように、熱交換器に供給される冷媒流体の圧力レベルを増加させ、前記バッテリーセルの作動寿命を向上させる技術的効果を提供する。増加した所望の力が加えられた結果、前記バッテリーセル内の活物質間の距離は、前記バッテリーセル内の活物質間のイオン伝達効率が向上するように減少する。

本発明の一実施例によるバッテリーシステムのブロック図である。 図１のバッテリーシステムに使われるバッテリーセル、フレーム部、及び熱交換器の断面図である。 図２のバッテリーセル、フレーム部、及び熱交換器の部分を拡大した横断面図である。 図３のバッテリーセル、フレーム部、及び熱交換器の部分を拡大した横断面図である。 図２のバッテリーシステムに使われる熱交換器の横断面図である。 図１のバッテリーセル、フレーム部、及び熱交換器の部分を拡大した他の断面図である。 図６のバッテリーセル、フレーム部、及び熱交換器の部分を拡大した他の断面図である。 本発明の他の実施例に従ってバッテリーシステム内のバッテリーセルの作動寿命を向上させる方法を示すフローチャートである。 バッテリーセルの電圧対電流のカーブを示すグラフである。 バッテリーセルの単純化された横断面図である。 圧縮されたバッテリーセルの単純化された他の横断面図である。

図１及び図２を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーシステム１０が示されている。前記バッテリーシステム１０は、バッテリーセル２０、３０、第１及び第２フレーム部４０、４２、熱交換器５０、流体供給部６０、電圧センサー７０、電流センサー８０、マイクロプロセッサー９０、及びメモリ部９２を含む。

前記バッテリーシステム１０に対した詳細な説明を開始する前に、前記バッテリーシステム１０の機能をより理解するために、まず、イオン伝達効率の上昇及びバッテリーセル２０の作動寿命向上のための方法論に対した一般的な概観を説明する。たとえ前記バッテリーシステム１０は、二つの例示的なバッテリーセルを含んでいるが、単純化のために、前記バッテリーセル２０と関連する効果に対してのみ詳しく説明する。しかし、以下の方法論は一つのバッテリーセルまたは複数のバッテリーセルに対しても適用できることを理解しなければならない。図１０にポーチ型リチウム‐イオンバッテリーセル２０の一部が単純化された横断面図が示されている。前記バッテリーセル２０は、活物質２２、２３、電極２５、２６、及び電解液が含浸されたセパレーター２４を含んでいる。前記電極２５、２６は、前記活物質２２、２３とそれぞれ連結されている。作動中には、前記活物質２２から出たイオンが前記セパレーター２４及び前記セパレーター２４の電解液を通して前記活物質２３へと移動する。前記バッテリーセル２０の作動寿命を越えると、前記活物質２２と前記活物質２３との距離Ｘ１を渡るイオン伝達効率が減少する。従って、図１１を参照すればわかるように、本発明者は、バッテリーセル２０の作動寿命中にイオン伝達効率が減少した場合、前記活物質２２と前記活物質２３との距離を減らせば、良い効果があるはずであることがわかるようになった。前記活物質２２と前記活物質２３との距離減少は、柔軟（ｐｌｉａｂｌｅ）であるか、または伸縮性のある（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）バッテリーセル２０の側面１１０、１１２に、前記活物質２２、２３間の距離をＸ２に狭めるための力（Ｆ）を加えることで得ることができる。前記距離Ｘ２は前記距離Ｘ１よりも短い。前記バッテリーシステム１０は、前記バッテリーセル２０の抵抗レベルに基づいて前記バッテリーセル２０の作動特性が減少したと判断されるとき、前記バッテリーセル２０の側面１１０、１１２及び前記バッテリーセル３０の側面１３０、１３２に非常に均一であり垂直的な力（Ｆ）を加えるように構成される。

図９を参照すれば、前記バッテリーセル２０の電圧対電流のカーブを示すグラフ４００が示されている。前記バッテリーセル２０の抵抗レベルは、前記バッテリーセルの作動特性が減少したか否かを判断できる各電圧対電流のカーブの勾配で示される。例えば、前記カーブ２７の勾配は新しいバッテリーセル２０に該当し、要求される作動能力を示唆する相対的に低い抵抗レベルを示し、前記カーブ２８の勾配は相対的に高い抵抗レベルを有する古いバッテリーセル２０に該当する。本発明者は、前記バッテリーセルと関連した前記抵抗レベルは、前記バッテリーセル２０のイオン伝達効率が減少したか否かを判断するのに使用することができ、前記バッテリーセル２０のイオン伝達効率を上昇及び前記バッテリーセル２０の作動寿命を向上させるために、前記バッテリーセル２０の側面１１０、１１２に加える力の量を決定するのに使用することができるということを認知するようになった。

図１ないし図３及び図１０を参照すればわかるように、前記バッテリーセル２０、３０は、前記バッテリーセル２０、３０それぞれの端子を通じて出力電圧を提供し、負荷１２と電気的にカップリングされている。一実施例において、前記バッテリーセル２０、３０は相互電気的に直列カップリングされており、前記負荷１２と直列カップリングされている。前記バッテリーセル２０は、ポーチ型ボディー１００及び電極２５、２６を含む。前記ポーチ型ボディー１００は、活物質２２、２３及び側面１１０、１１２を含む。一実施例において、前記バッテリーセル２０は、ポーチ型リチウム‐イオンバッテリーセルである。他の実施例において、前記バッテリーセル２０は、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者に広く知られた柔軟な側壁を有する他のタイプのバッテリーセルであり得ることは言うまでもない。

前記バッテリーセル３０は、前記バッテリーセル２０と類似の構造を有し、ポーチ型ボディー１２０、電極１２２、及び他の電極（図示せず）を含む。前記ポーチ型ボディー１２０は、活物質及び側面１３０、１３２を含む。前記実施例において、前記バッテリーセル３０はポーチ型リチウム‐イオンバッテリーセルである。他の実施例において、前記バッテリーセル３０は、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者に広く知られた柔軟な側壁を有する他のタイプのバッテリーセルであり得ることは言うまでもない。

図３ないし図５を参照すればわかるように、前記熱交換器５０は、前記バッテリーセル２０、３０の間に隣接して配置される。前記熱交換器５０は、側壁１５０、１５２、吸入口１７０、及び排出口１８０を含む。前記側壁１５０、１５２は、相互カップリングされており、前記吸入口１７０から前記排出口１８０まで延長された流路１６０を規定する。一実施例において、前記側壁１５０、１５２はアルミニウムから作られる。他の実施例において、前記側壁１５０、１５２はステンレス鋼から作られる。また他の実施例において、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者に広く知られ、要求される機能的特性を有する他の種類の物質が使われ得ることは言うまでもない。前記側壁１５０は複数の伸縮部１９０を定義し、前記側壁１５２は複数の伸縮部１９２を定義する。前記伸縮部１９０は前記伸縮部１９２に近く配置される。図４は、前記熱交換器５０を通過する冷媒流体の流れが普通または相対的に低い圧力レベルであるときの前記伸縮部１９０、１９２及び前記側壁１５０、１５２を示している。図６及び図７は、前記熱交換器５０を通過する前記冷媒流体の流れが相対的に高い圧力レベル（以下、「第１圧力レベル」）であるときの前記伸縮部１９０、１９２及び前記側壁１５０、１５２の位置を示している。前記冷媒流体が相対的に高い圧力を持つとき、前記伸縮部１９０、１９２は非常に均一な力を前記バッテリーセル２０の側面１１０、１１２及び前記バッテリーセル３０の側面１３０、１３２に垂直的に加えるように外側に向かって拡張されることが分かる。図１及び図５を参照すればわかるように、前記吸入口１７０は、導管２１０に流体が流入可能にカップリングされており、前記排出口１８０は、導管２１２に流体排出が可能にカップリングされている。

図２及び図３を参照すればわかるように、前記第１及び第２フレーム部４０、４２は、前記バッテリーセル２０、３０、及び前記バッテリーセル２０、３０の間に配置された熱交換器５０を含む。前記第１及び第２フレーム部４０、４２は相互カップリングされている。一実施例において、前記第１及び第２フレーム部４０、４２はプラスチックからなり得る。他の実施例において、前記第１及び第２フレーム部４０、４２は、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者に広く知られた他の物質からなり得ることは言うまでもない。

図１を参照すればわかるように、前記流体供給部６０は、前記熱交換器５０に冷媒流体を供給するように構成される。前記流体供給部６０は、ポンプ２００、電源供給器２０２、圧力センサー２０３、導管２１０、２１２、２１４、及び貯蔵所２２０を含んでいる。前記ポンプ２００は、冷媒流体を前記貯蔵所２２０から前記導管２１０を通して前記熱交換器５０へとポンピングする。前記電源供給器２０２は、前記マイクロプロセッサー９０から受信した制御信号に対応して前記ポンプ２０２が要求される圧力レベルで冷媒流体をポンピングするように制御信号を発生させる。前記冷媒流体は、前記熱交換器５０から出て前記導管２１２を通して前記貯蔵所２２０へとポンピングされる。その後、前記冷媒流体は、前記貯蔵所２２０から出て前記導管２１４を通して前記ポンプ２００に戻るようにポンピングされる。すなわち、前記導管２１０は、前記ポンプ２００と前記熱交換器５０との間に流体が流れるようにカップリングされている。また、前記導管２１２は、前記熱交換器５０と前記貯蔵所２２０との間に流体が流れるようにカップリングされており、前記導管２１４は、前記貯蔵所２２０と前記ポンプ２００との間に流体が流れるようにカップリングされている。前記圧力センサー２０３は、前記ポンプ２００から出る冷媒流体の圧力レベルを表す信号を発生するように構成され、前記信号は、冷媒流体の圧力レベルに対した閉ルーフ制御（ｃｌｏｓｅｄ‐ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ）のために前記マイクロプロセッサー９０によって受信される。

前記電圧センサー７０は、一定時間の間の前記バッテリーセル２０の出力電圧レベルを表す第１信号を発生するように構成され、前記信号は、前記マイクロプロセッサー９０によって受信される。

前記電流センサー８０は、一定時間の間に前記バッテリーセル２０に流れる電流を表す第２信号を発生するように構成され、前記信号は、前記マイクロプロセッサー９０によって受信される。

前記マイクロプロセッサー９０は、前記メモリ部９２、前記電圧センサー７０、前記電流センサー８０、前記圧力センサー２０３、及び前記電圧供給器２０２に動作可能にカップリングされている。前記マイクロプロセッサー９０は、前記それぞれの電圧センサー７０及び電流センサー８０から受信した第１及び第２信号によって前記バッテリーセル２０の抵抗レベルを計算するように構成される。前記マイクロプロセッサー９０は、前記抵抗レベルに基づいて前記流体供給部６０、特に前記ポンプ２００が、前記熱交換器５０に供給される冷媒流体の圧力を後述する第１圧力レベルに増加させるようにする制御信号を発生するように構成される。前記冷媒流体の圧力レベルが前記第１圧力レベルに上昇したとき、前記バッテリーセル２０の側面１１０、１１２、及び前記バッテリーセル３０の側面１３０、１３２に向かって前記熱交換器５０の側壁１５０、１５２が実質的に均一な増加した所望の力を垂直に加えるように、前記伸縮部１９０、１９２が外側に拡張されることに注目すべきである。

以下、前記図１及び図８を参照しながら、前記バッテリーシステム１０における前記バッテリーセル２０の作動寿命を向上させる方法のフローチャートを説明する。後述する方法も同じく、前記バッテリーセル３０の作動寿命を向上させることに注目する必要がある。

ステップ３００において、前記電圧センサー７０は、一定時間の間の前記バッテリーセル２０の出力電圧レベルを表す第１信号を発生する。

ステップ３０２において、前記電流センサー８０は、一定時間の間に前記バッテリーセル２０に流れる電流レベルを表す第２信号を発生する。

ステップ３０４において、前記マイクロプロセッサー９０は、前記第１及び第２信号に基づいて前記バッテリーセルの抵抗レベルを計算する。具体的に、前記抵抗レベルは、前記電圧レベルを前記電流レベルで割って計算する。

ステップ３０８において、前記マイクロプロセッサー９０は、下記の数式１を利用して前記熱交換器５０によって前記バッテリーセル２０の側面１１２に加える所望の力の量を決定する。
所望の力の量＝(抵抗レベル−設定された抵抗レベル）×Ｙ
（数式１）
(Ｙは、実験によって得られた定数）

ステップ３１０において、前記マイクロプロセッサー９０は、下記の数学式２を利用して前記所望の力の量によって前記冷媒流体の第１圧力レベルを決定する。
第１圧力レベル＝所望の力の量／バッテリーセル２０の側壁の面積
（数式２）
ステップ３１２において、前記マイクロプロセッサー９０は、所望の力の量が前記バッテリーセル２０の側面１１２に加えられるように、前記流体供給部６０が前記熱交換器５０に供給する前記冷媒流体の圧力レベルが第１圧力レベルに増加するようにする制御信号を発生する。

前記バッテリーセルの作動寿命を向上させるためのバッテリーシステム１０及び方法は、他のバッテリーシステム及び方法よりも顕著な効果を提供する。特に前記バッテリーシステム１０及び方法は、増加した所望の力が前記バッテリーセルの少なくとも何れか一つの側面に加えられるように、熱交換器に供給される冷媒流体の圧力レベルを増加させ、前記バッテリーセルの作動寿命を向上させる技術的効果を提供する。増加した所望の力が加えられた結果、前記バッテリーセル内の活物質間の距離は、前記バッテリーセル内の活物質間のイオン伝達効率が向上するように減少する。

以上のように、本発明は、たとえ限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。また、本明細書に本発明の多様な実施例を記載したが、本発明は説明された実施例の一部のみを含むことができると理解しなければならない。従って、本発明は、前記明細書に記述された説明によって限定されない。

１０：バッテリーシステム
１２：負荷
２０、３０：バッテリーセル
２２、２３ :活物質
２４：セパレーター
２５、２６、１２２：電極
２７：新しいバッテリーセル
２８：古いバッテリーセル
４０、４２：第１及び第２フレーム部
５０：熱交換器
６０：流体供給部
７０：電圧センサー
８０：電流センサー
９０：マイクロプロセッサー
９２：メモリ部
１００、１２０：ポーチ型ボディー
１１０、１１２、１３０、１３２：側面
１５０、１５２：側壁
１６０：流路
１７０：吸入口
１８０：排出口
１９０、１９２：伸縮部
２００：ポンプ
２０２：電源供給器
２０３：圧力センサー
２１０、２１２、２１４：導管
２２０：貯蔵所

Claims (8)

1. バッテリーセルと、
   前記バッテリーセルに隣接して配置された熱交換器と、
   前記バッテリーセルと前記バッテリーセルの間に配置された熱交換器を備え相互カップリングされた第１及び第２フレーム部と、
   前記熱交換器に冷媒流体を供給し、熱交換器から冷媒流体を返してもらう流体供給部と、
   一定時間の間のバッテリーセルの出力電圧レベルを表す第１信号を出力する電圧センサーと、
   前記一定時間の間にバッテリーセルに流れる電流レベルを表す第２信号を出力する電流センサーと、
   前記第１及び第２信号に基づいて前記バッテリーセルの抵抗レベルを計算するように構成され、増加した所望の力が前記バッテリーセルの少なくとも何れか一方の側壁に加えられるように、前記抵抗レベルに基づいて、前記流体供給部が前記熱交換器に供給される冷媒流体の圧力レベルを第１圧力レベルに増加させるようにする制御信号を発生するように構成されたマイクロプロセッサーとを備えてなる、バッテリーシステム。
2. 前記マイクロプロセッサーが、
   予め設定された抵抗レベルと計算された抵抗レベルとの差異を算出するように構成され、
   前記差異に基づいて前記熱交換器が少なくとも一つのバッテリーセルに加える所望の力の大きさを決定するように構成され、
   前記決定された所望の力の大きさに基づいて前記冷媒流体の第１圧力レベルを決定するように構成されてなる、請求項１に記載のバッテリーシステム。
3. 前記バッテリーセルが、ポーチ型リチウム‐イオンバッテリーセルである、請求項１に記載のバッテリーシステム。
4. 前記熱交換器が、前記冷媒流体が流れる内部空間を定義する伸縮性側面部材から作られてなる、請求項１に記載のバッテリーシステム。
5. バッテリーシステムにおける前記バッテリーセルの寿命を向上させる方法であって、
   前記バッテリーシステムが、バッテリーセルと、前記バッテリーセルの間に位置する熱交換器を含む第１及び第２フレーム部と、前記バッテリーセルに隣接して配置された熱交換器と、前記熱交換器に流体の流れを誘発するように連結された流体供給部と、及びマイクロプロセッサーとを備えてなるものであり、
   電圧センサーを利用して一定時間の間の前記バッテリーセルの出力電圧レベルを表す第１信号を生成するステップと、
   電流センサーを利用して前記一定時間の間に前記バッテリーセルに流れる電流レベルを表す第２信号を生成するステップと、
   マイクロプロセッサーを利用して前記第１及び第２信号に基づいて前記バッテリーセルの抵抗レベルを計算するステップと。
   前記マイクロプロセッサーを利用して前記抵抗レベルに基づいて、増加した所望の力が前記バッテリーセルの少なくとも何れか一方の側壁に加えられるように、前記流体供給部が前記熱交換器に供給される冷媒流体の圧力レベルを第１圧力レベルに増加させるようにする制御信号を発生するステップとを含んでなる、バッテリーセルの寿命向上方法。
6. 前記マイクロプロセッサーを利用して所望の抵抗レベルと前記抵抗レベルとの差異を表す値を決定するステップと、
   前記マイクロプロセッサーを利用して前記差に基づいて前記熱交換器が少なくとも何れか一つのバッテリーセルに加える所望の力の量を決定するステップと、
   前記マイクロプロセッサーを利用して前記所望の力の量に基づいて冷媒流体の第１圧力レベルを決定するステップとを含んでなる、請求項５に記載のバッテリーセルの寿命向上方法。
7. 前記バッテリーセルが、ポーチ型リチウム‐イオンバッテリーセルである、請求項５に記載のバッテリーセルの寿命向上方法。
8. 前記熱交換器が、前記冷媒流体が流れる内部空間を定義する伸縮性側面部材から形成されてなるものである、請求項５に記載のバッテリーセルの寿命向上方法。

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