JP2012516005A - 温度制御された電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、特に車両のための、少なくとも１つの電池を備えた電池システムに関する。電気効率を改善するためには、少なくとも１つの電池を冷却するために利用可能な制御冷気を供給する、少なくとも１つの吸収冷却装置をさらに備えることが提案される。

Description

本発明は、請求項１によれば、少なくとも１つの電池を有する電池システムに関する。本発明は、リチウムイオン電池に関連して説明される。本発明は、化学的性質に関係なく、他の電池や、充電式電池にも適用することができることに言及されている。

従来技術では、電池、特にリチウムイオン電池は、環境に優しい、特に高出力なエネルギー貯蔵装置として知られている。当該電池は、いわゆる大型電池として、現代の電気自動車およびハイブリッド車において、エネルギー貯蔵用に特に利用されている。そのほかに、固定式電池システムは、例えば建物の非常用電源として知られている。

充電および放電プロセスの結果、電池内では発熱が生じる。蓄熱を回避するとともに、電池の電気効率のための最適な動作温度を維持するためには、生じた熱を放出する必要がある。他方、低い温度の場合、電気効率を改善するためには、電池の動作温度を上昇させることが有益である。電気効率は、例えば効率、電気容量、または瞬間発電（出力）などを用いて測定される。また、電池の最適な動作温度の範囲内で電池を動作させると、電池の寿命が延長される。

本発明の目的は、電池の寿命を延長する手段を提供することである。

本目的は、請求項１の特徴を有する電池システムによって解決される。従属請求項の特徴は、有利かつ好ましいさらなる態様に関する。

本発明によれば、少なくとも１つの電池を含む電池システムが提供されている。さらに、少なくとも１つの吸収冷却装置が含まれており、これは、少なくとも１つの電池を冷却するために利用可能な制御冷気（Klimakaelte）を供給する。本発明に係る電池システムは特に自動車向けのものであるが、それに限定されない。

吸収冷却装置を用いた冷却によって、１つもしくは複数の電池の寿命は延長され得る。

従来から広く知られているように、電池は単一のセルから、または複数の、例えば積み重ねられたセルから形成されても良い。さらに、本発明によると、電池セットを提供することもできる。電池は電解質も有している。当該電解質はリチウムイオンを含んでいる。

吸収冷却装置は、その動作原則が従来技術から十分に知られている冷却機械である。閉鎖循環において、冷媒は低圧領域において気化され、利用可能な制御冷気が生成される。一般的に、発生する冷媒蒸気は、熱を放出しながら吸収体（吸収剤）によって吸収されるか、もしくは溶解される。これは吸収プロセスとも称される。次に、冷媒が加えられた吸収体は、高圧領域にポンプで送出される。高圧領域では、熱、いわゆる駆動熱を供給しながら、冷媒と吸収体との分離が行われる。これは脱離プロセスとも称される。次に、冷媒の凝縮および液化が、熱除去および新たな気化を通じて行われる。利用可能な制御冷気は、熱交換を通じて排出され得る。

吸収冷却装置は、エネルギー需要が小さく、冷気の供給が効率的であることを特徴とする点で有利である。それによって、電池システムの電気効率、特に効率などは明らかに改善可能である。

さらなる好ましい構成によると、水が吸収冷却装置用の冷媒として提供されている。水は、極めて環境への負担が少ない冷媒である点で有利である。

さらなる好ましい構成によると、イオン流体が吸収体（もしくは吸収剤）として、吸収冷却装置用に提供されている。その限りにおいて、吸収冷却装置を「イオン流体冷却機械」と称しても良い。イオン流体には、略自在に水に溶解する、または逆に、わずかな腐食作用のみを有するという利点がある。さらに、イオン流体には、一般的に、プロセス内において、完全に再生可能であるという利点がある。イオン流体は特に液体塩であり、当該液体塩は好ましくは、すでに室温においてもはや固体ではない。当該液体塩は、優れた蓄熱容量を有し、一般的には毒性を有さず、環境も破壊しない点で有利である。

さらなる好ましい構成によると、少なくとも１つの潜熱貯蔵装置が熱源として含まれており、当該装置は、吸収冷却装置のための駆動熱を供給する。潜熱貯蔵装置は、熱的エネルギーを、少ない損失で、多くの反復周期で、長期間に亘って貯蔵することができる装置である。潜熱貯蔵装置は、直ぐに使用できる部品として、特に自動車分野で、様々なモデルが市場で入手可能である。

吸収冷却装置に駆動熱を供給する熱源は、当該吸収冷却装置と熱的に接触している。このような熱的接触は、例えば、特に導管系統を有する熱媒体用の閉鎖循環システムであっても良い。

さらなる好ましい構成によると、外部エネルギー源に晒された少なくとも１つの要素が熱源として備えられており、当該要素は、吸収冷却装置に駆動熱を供給する。当該要素は好ましくは太陽光設備である。このような太陽光設備を用いて、例えば太陽光線によって熱せられた車両の屋根のエネルギーを、吸収冷却装置のための駆動熱として利用することができる。

さらなる好ましい構成によると、極めて動的または一定に動作する少なくとも１つの電池の熱も、吸収冷却装置のための駆動熱として利用することができる。当該熱は、有利には、放出された熱によって同じく冷却される。当該電池は、吸収冷却装置によっては冷却されないことが好ましい。

さらなる好ましい構成によると、複数の熱源が備えられている。当該熱源はそれぞれ、吸収冷却装置のための駆動熱を供給している、若しくは供給することができる。当該吸収冷却装置とこれら要素のうちの少なくとも１つとの間の熱的接続は、少なくとも１つの弁によって遮断可能、すなわち解除可能かつ復帰可能である。これによって、例えば状況に応じて、様々な熱源を利用することができる。各熱源は状況に応じて、オンまたはオフになるが、これは弁を用いて行われる。当該弁は、方向制御弁または制御弁であることが好ましい。

さらなる好ましい構成によると、少なくとも１つの温度制御されたチャンネルが備えられており、当該チャンネル内に、吸収冷却装置の利用可能な制御冷気が、低温空気流として導入可能である。温度制御されたチャンネルは、例えば電池を包囲する導管系統によって形成されていても良い。別の選択肢として、電池と温度制御されたチャンネルとの熱的接続のために、熱伝導薄板を設けることもできる。温度制御チャンネルは、空気流のための少なくとも１つの流入口を有している。温度制御チャンネルは少なくとも１つの流出口を有しており、当該流出口から空気流が再び流出する。

さらなる好ましい構成によると、少なくとも１つの熱交換器が備えられており、当該熱交換器は、電池の加熱に利用可能な熱を供給しているか、若しくは供給することができる。したがって、電池の加熱も可能になり、それによって、本発明に係る電池システムの電気効率がさらに改善され得る。特に、電池の広範囲に亘る温度制御（Thermostatierung）が可能である。

さらなる好ましい構成によると、当該熱交換器は、吸収冷却装置に駆動熱を供給する少なくとも１つの熱源と熱的に接続されているか、もしくは熱的に接触している。それによって、熱源の熱が、吸収冷却装置の駆動および電池の冷却のためだけではなく、電池の加熱のためにも用いられる。

このために、当該熱源は、吸収冷却装置だけではなく当該熱交換器とも、例えば導管系統を用いて熱的に接続されている。理想的には、それぞれの熱的接続は、少なくとも１つの弁によって形成および／または解除可能である。

さらなる好ましい構成によると、電池の加熱に利用できる熱は、暖かい空気流として、温度制御されたチャンネル内に導入される。これに関しては、上記の温度制御されたチャンネルに関する説明が参照される。

さらなる好ましい構成によると、暖かい空気流または冷たい空気流を温度制御されたチャンネルに選択的に導入するため、または導入可能にするために、少なくとも１つの弁が備えられている。好ましくは、当該弁を用いて、電池の加熱と冷却との状況に応じた切り替えが行われる。

さらなる好ましい構成によると、暖かい空気流または冷たい空気流を温度制御されたチャンネルを通過させるために、少なくとも１つの吹き付け装置が備えられている。当該吹き付け装置は、温度制御されたチャンネルの流入口の領域に配置されていることが好ましい。

さらなる好ましい構成によると、少なくとも１つの制御装置が備えられており、当該制御装置は、電池温度の予測制御および／または調節を可能にする。予測制御は、未来のシステム挙動の予測に基づいている。理想的には、当該制御は書き換え可能な処理命令を用いて行われ、当該処理命令は、電池システムの動作方法および／または経年劣化に対応する制御を、必要に応じて調節する。当該調節は好ましくはソフトウェアに基づいて行われる。好ましくは、当該制御装置は少なくとも１つの関連要素と、より好ましくは多数の関連要素と接続されており、当該要素を通じて、電池温度への影響が与えられる。これは例えば、上記の弁または吹き付け装置の制御および／または調節を含んでも良い。好ましくは、当該制御装置は、電池の充電状態も制御および／または調節できる。

本発明を以下に図を用いて詳細に説明する。

本発明に係るリチウムイオン電池システムの実施例の概略図である。

参照符号１で示されているのは、リチウムイオン電池システムである。当該システムは、それぞれ単一のセル３から形成されている複数のリチウムイオン電池２を有する。リチウムイオン電池２は温度制御されたチャンネル４内に配置されており、当該チャンネルはここでは単に、例示的にリチウムイオン電池２を完全に包囲している。温度制御されたチャンネルは、流入口５と流出口６とを有する。

さらに、リチウムイオン電池１は吸収冷却装置８を有しており、当該装置は利用可能な制御冷気を供給する。吸収冷却装置の動作原理はすでに説明した通りである。吸収冷却装置の主な利点は、エネルギー需要が小さく、冷気の供給が効率的な点にある。冷気の伝送は冷たい空気流９によって行われ、当該空気流はソケット１０と流入口５とを通過して、温度制御されたチャンネル４に導入され、当該チャンネル内で、リチウムイオン電池２の冷却に用いられる。

吸収冷却装置８のための駆動熱は、図示された実施例においては、２つの熱源によって供給される。第１の熱源は潜熱貯蔵装置１１であり、第２の熱源は太陽光設備１２である。当該太陽光設備は、外部のエネルギー源、すなわち太陽光線１３に晒されている。当該太陽光設備は、例えば車両の屋根に配置しても良い。別の選択肢として、１つのみ、または２つ以上の熱源を有しても良い。熱源１１、１２は、閉鎖熱媒体循環を通じて、吸収冷却装置８に熱的に接続されている。熱媒体循環は、供給ラインおよび戻りラインを有する導管系統１４を備える。

熱源１１、１２と吸収冷却装置８との間の熱的接続は、弁１５を用いて、状況に応じて制御、すなわち、形成および／または解除される。弁１５は、好ましくは方向制御弁または制御弁である。１つの弁ではなく、複数の弁を設けることもできる。当該複数の弁は、例えば各熱源への供給および／または戻りを形成および／または解除する。

さらに、リチウムイオン電池システム１は熱交換器１７を有しており、当該熱交換器は、リチウムイオン電池２を加熱するために利用可能な熱を供給することができる。このために、熱交換器１７は、熱媒体循環もしくはその導管系統１４に熱的に接続されている。したがって、熱源１１、１２の熱は暖かい空気流１８を供給するためにも利用され得る。暖かい空気流１８は、ソケット１９および流入口５を通じて、温度制御されたチャンネル４内に導入され、当該チャンネル内において、リチウムイオン電池２を加熱するために用いられる。

弁２１は、冷たい空気流９または暖かい空気流１８を、温度制御されたチャンネル４に選択的に導入するために用いられる。弁２１は、フラップなどとしても形成され得る。これによって、リチウムイオン電池２の加熱または冷却を状況に応じて切り替えることが可能になり、その結果、どの時点でも、様々な周囲条件においても、リチウムイオン電池２が、その最適な動作温度の範囲内で動作することが可能になる。これによって、電気効率が改善し、リチウムイオン電池２の寿命が増大する。

冷たい空気流９または暖かい空気流１８を、温度制御されたチャンネル４に選択的に導入することを可能にするために、弁２１の別の選択肢として、および／または弁２１の補足として、熱交換器１７への熱的接続を遮断することもできる。そのために、熱媒体循環もしくはその導管系統１４内には、対応する弁が配置される。

温度制御されたチャンネル４への流入口５には、特にファンのような吹き付け装置２２が配置されており、冷たい空気流９または暖かい空気流１８を、温度制御されたチャンネル４内に送り込んでいる。別の選択肢として、および／または補足として、吹き付け装置をソケット１０もしくはソケット１９内に、または吸収冷却装置８および熱交換器１７内に配置しても良い。

さらに、リチウムイオン電池システム１は制御ユニット２４を有しており、当該制御ユニットは、リチウムイオン電池２の温度の予測制御を可能にする。このために、制御装置２４は、温度制御に関連する全ての要素、特に吸収冷却装置８、弁１５、弁２１、吹き付け装置２２などに接続されている。さらに、制御装置２４は、例えば、その瞬間の状態を把握するため、および／または当該熱源の熱受容もしくは熱放出を調節および／または制御するために、熱源１１、１２と接続されている。図示された実施例では、制御装置２４は、熱交換器１７にも接続されている。さらに、制御装置２４は、温度制御されたチャンネル４内、および／またはリチウムイオン電池２上に配置された温度ガイド２５に接続されている。

シミュレーションの結果によると、リチウムイオン電池に１５℃の制御冷気もしくは冷却温度を供給することを可能にするためには、熱源は７０℃〜８０℃で利用可能である。この場合、吸収冷却装置の排熱は約４０℃に達する。当該温度は、本発明に係るリチウムイオン電池システムを動作させるためには好ましい値である。

１ リチウムイオン電池システム
２ リチウムイオン電池
３ セル
４ 温度制御されたチャンネル
５ 流入口
６ 流出口
８ 吸収冷却装置
９ 冷たい空気流
１０ ソケット
１１ 潜熱貯蔵装置
１２ 太陽光設備
１３ 太陽光線
１４ 導管系統
１５ 弁
１７ 熱交換器
１８ 暖かい空気流
１９ ソケット
２１ 弁
２２ 吹き付け装置
２４ 制御装置
２５ 温度ガイド

Claims (13)

1. 少なくとも１つの電池（２）を有する、特に自動車用の電池システム（１）において、
   さらに少なくとも１つの吸収冷却装置（８）が備えられており、前記吸収冷却装置は、前記少なくとも１つの電池（２）を冷却するために利用可能な制御冷気を供給することを特徴とする電池システム（１）。
2. 前記吸収冷却装置（８）のための冷媒として水が供給されていることを特徴とする請求項１に記載の電池システム（１）。
3. 前記吸収冷却装置（８）のための吸収体としてイオン流体が供給されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池システム（１）。
4. 少なくとも１つの潜熱貯蔵装置（１１）が熱源として備えられており、前記潜熱貯蔵装置は、前記吸収冷却装置（８）に駆動熱を供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電池システム（１）。
5. 外部エネルギー源に晒された少なくとも１つの要素（１２）が熱源として備えられており、前記要素は前記吸収冷却装置（８）に駆動熱を供給することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電池システム（１）。
6. 複数の熱源（１１、１２）が備えられており、前記複数の熱源は、それぞれ前記吸収冷却装置（８）に駆動熱を供給し、前記吸収冷却装置（８）とこれら要素のうちの少なくとも１つの要素との間における熱的接続は、少なくとも１つの弁（１５）によって遮断可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電池システム（１）。
7. 少なくとも１つの温度制御されたチャンネル（４）が備えられており、前記温度制御されたチャンネル内には、前記吸収冷却装置（８）の利用可能な制御冷気が、冷たい空気流（９）として導入可能であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電池システム（１）。
8. 少なくとも１つの熱交換器（１７）が備えられており、前記熱交換器は、前記電池（２）を加熱するために利用可能な熱を供給することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電池システム（１）。
9. 前記熱交換器（１７）は、少なくとも１つの熱源（１１、１２）と熱的に接続されており、前記熱源は、前記吸収冷却装置（８）に駆動熱を供給することを特徴とする請求項８に記載の電池システム（１）。
10. 前記電池（２）を加熱するために利用可能な熱は、暖かい空気流（１８）として前記温度制御されたチャンネル（４）に導入可能であることを特徴とする請求項８または９に記載の電池システム（１）。
11. 前記温度制御されたチャンネル（４）内に前記暖かい空気流（１８）または前記冷たい空気流（９）を選択的に導入するために、少なくとも１つの弁（２１）が備えられていることを特徴とする請求項１０に記載の電池システム（１）。
12. 前記暖かい空気流（１８）または前記冷たい空気流（９）を、前記温度制御されたチャンネル（４）を通過させるために、少なくとも１つの吹き付け装置（２２）が備えられていることを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載の電池システム（１）。
13. 制御装置（２４）が備えられており、前記制御装置は、前記電池（２）の温度の予測制御を可能にすることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の電池システム（１）。

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