JP2012516007A - 温度調節された電池システムｉｉ - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの電池を備えた電池システムに関する。本発明によると、前記電池システムは少なくとも１つのペルチェ素子を有しており、前記ペルチェ素子は、少なくとも１つの電池の冷却および／または加熱に用いられる。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の、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、電池の化学的性質とは無関係に、充電式電池にも適用することができることに注意が必要である。

従来技術では、電池、特にリチウムイオン電池は、環境への負担が少ない、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、特に現代の電気自動車およびハイブリッド車において、エネルギー貯蔵のために利用される。その他に、例えば建物の非常用電源のための、固定式電池システムも知られている。

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に最適な動作温度を維持するためには、変換された熱は排出されなければならない。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。現在では、電池の温度を調節するためには大抵の場合、加熱装置が圧縮冷却設備と組み合わせて用いられる。その欠点は、設置するための空間を多く必要とする点にある。さらに、圧縮冷却設備は、環境バランスもしくはライフサイクルアセスメントが悪い。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。

本発明の課題は、電池の寿命を延長する可能性を示すことにある。

本課題は、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構成に関する。本発明に係る電池システムの好ましい使用は、サブクレームの対象である。

本発明では、少なくとも１つの電池を有する電池システムが提案されており、さらに少なくとも１つのペルチェ素子が含まれている。当該ペルチェ素子は、少なくとも１つの電池の冷却および／または加熱に用いられる。好ましくは、当該ペルチェ素子は少なくとも電池の冷却に用いられる。

ペルチェ素子を用いた冷却および／または加熱によって、１つの電池もしくは多数の電池の寿命を延長し得る。

先行技術から十分に知られているように、電池は個別のセルから、または多数の、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、電池の群を設けても良い。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有している。

本発明において、ペルチェ素子は熱電変換器として理解される。当該熱電変換器は、ペルチェ効果に基づき、電流が流れる際に、利用可能な温度差を作り出す。ペルチェ効果は一般的に以下のように説明できる。金属または半導体の両端を、もう１つの金属または半導体と接触させ、直流電流を流すと、一方の接触点は加熱され、他方の接触点は冷却される。それによって、両端の間に温度差が生じる。当該温度差は、好ましくは冷却に、または電気極性を逆転した場合には加熱にも利用可能である。ペルチェ素子は、様々な仕様で、すでに利用可能な状態になっている素子として市場で入手可能である。ペルチェ素子は、低温での動作において、例えば比較的低温の側または面と、比較的高温の側または面とを有している。比較的低温の側は冷却に用いられるが、転極後は、加熱にも用いることができる。流通しているペルチェ素子は、典型的には半導体を基板にして（ｐ型および／またはｎ型導体）構成されている。

ペルチェ素子の主な利点は、構造上の寸法が小さいことと、動かされる部材および構成要素を回避できることとにある。さらに、ペルチェ素子は冷却流体を用いなくても機能できる。冷却流体は、例えば冷却機械および特に圧縮冷却機械において必要とされる。したがって、ペルチェ素子は特に良好な環境バランスを有している。つまり、本発明では、上記の先行技術に伴う欠点が克服されている。さらに、ペルチェ素子は、特に従来使用されてきた加熱装置および圧縮冷却設備に比べて安価である。

好ましくは複数のペルチェ素子が含まれており、当該ペルチェ素子は特に様々な型もしくは様々な構造であっても良い。

好ましいさらなる構成によると、ペルチェ素子は、電気的転極によって、電池の冷却および／または加熱に選択的に用いられるか、または用いられ得る。好ましくは選択的に電流を反転することによって、ペルチェ素子は電池の冷却も加熱も可能にする。それによって、電池の広範囲に渡る温度調節（Thermostatierung）が可能になり、電池をその最適な動作温度の範囲内で動作させることが可能になる。好ましくは、当該電池システムは、転極のため、もしくは電流を反転するための対応する装置を有している。

好ましいさらなる構成によると、ペルチェ素子は対流に曝露されている。当該対流において、ペルチェ素子と、向かって流れてくる、または流れ過ぎるガスとの間で熱の移行が行われる。当該ガスは特に空気である。これは、例えば自動車への相対風であり得る。ペルチェ素子は、その比較的高温の側および／または比較的低温の側において、対流に曝露される。対流を改善するために、ペルチェ素子には冷却体などを設けても良い。好ましくは、当該対流は自由な対流である。別の選択肢としては、当該対流は強制された対流でもあり得る。このために、例えば少なくとも１つの吹き付け装置、特にファンなどを具備しても良い。このような吹き付け装置は、状況に応じて接続される。低温での動作に関しては、好ましくはペルチェ素子の比較的高温の側が対流に曝露される。この比較的高温の側において、冷却体と、および特に吹き付け装置と組み合わせることによって、ペルチェ素子の比較的低温の側がさらに冷却される。

好ましいさらなる構成によると、ペルチェ素子は電池のハウジングに接して配置されている。ハウジングは、少なくとも１つの電池を、少なくとも部分的に取り囲む、もしくは包囲するあらゆる装置であると理解される。当該ハウジングは例えば、電池のための容器でもあり得る。低温での動作に関して、好ましくはペルチェ素子の比較的低温の側は、ハウジングと熱的に接続されているか、または開口部を通って、ハウジングによって形成される内部空間に及ぶ。その結果、ペルチェ素子の比較的低温の側は、電池の冷却に用いられる。ペルチェ素子の固定は、例えば貼り付け、鋲留め、ネジ留めなどによって行われる。

好ましいさらなる構成によると、ペルチェ素子は導熱板に接して配置されている。このような導熱板は、冷却されるべき、および／または加熱されるべき電池と熱的に接続されており、好ましくは、熱を当該電池から排出する、および／または当該電池に供給するために用いられる。好ましくは、導熱板は金属から形成されており、その限りにおいて導熱ブリキと称しても良い。低温での動作に関して、好ましくは、ペルチェ素子の比較的低温の側が導熱板に熱的に接続されている。導熱板へのペルチェ素子の固定は、例えば貼り付け、鋲留め、ネジ留めなどによって行われる。１つの導熱板には、多数のペルチェ素子を配置することも可能である。

好ましいさらなる構成によると、当該電池は複数のセルから構成されている。これらセルのうち少なくとも２つのセルの間には導熱板が配置されており、当該導熱板は少なくとも１つの側に対して外に向けて配置されている。これによって、熱を、電池の内部から外に向かって、非常に良好に排出することができる。場合によっては逆に、熱を電池内部に非常に良好に導入することもできる。

熱を導入するためには、別の選択肢として、および／または補足的に、各セルの間に加熱膜を配置しても良い。加熱膜は、電池の少なくとも１つの外側面に配置しても良い。

好ましいさらなる構成によると、少なくとも１つの導熱板が含まれている。当該導熱板は（電池の）ハウジングと熱的に接続されており、少なくとも１つのペルチェ素子は当該ハウジングに接して配置されている。

好ましいさらなる構成によると、制御ユニットが含まれている。当該制御ユニットは、ペルチェ素子を用いて、電池の温度制御および／または調節を可能にする。当該制御装置を用いて補足的に、対流を改善するための任意の吹き付け装置を制御することもできる。好ましくは、制御ユニットは電池温度の予測調節を可能にする。当該予測調節は、未来のシステム挙動の予測に基づいている。理想的には、当該調節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調整を、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、当該制御ユニットは、電池の充電状態も制御および／または調節できる。特に、制御ユニットを用いて、ペルチェ素子の転極も制御および／または調節される。

好ましいさらなる構成によると、当該制御ユニットはハウジングに接して配置されている。好ましくは、当該制御ユニットはハウジングに組み込まれており、それによって有利には、やはりペルチェ素子による冷却または加熱を受ける。

本発明に係る電池システムは、特に自動車内でのエネルギー貯蔵装置として用いるために設けられている。

本発明に係る電池システムは、特に固定式電池システムとして用いるために設けられている。

本発明のさらなる利点、特徴、および使用する可能性は、図に関連した以下の説明から明らかになる。

第１の実施例を示した概略図である。 第２の実施例を示した概略図である。

図１は、リチウムイオン電池システムの第１の実施例を図示しており、当該システム全体は参照符号１で示されている。リチウムイオン電池システム１は、リチウムイオン電池２を有しており、リチウムイオン電池２は、多数のセル３を積み重ねたセルスタックから形成されている。セル３は、詳細には述べない方法で電気的に接触している。

リチウムイオン電池２はハウジング４に接して配置されており、ハウジング４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。ハウジング４は、例えば長方形断面棒で構成しても良い。ハウジング４は固定装置５を有する。図によると、固定装置５は、ハウジングの右側と左側とで高さを変えて配置されており、それによって、配列する際に複数のハウジングを共にネジ留めすることが可能になる。さらに、電線９がハウジング４内に配置されている。

各セル３の間、ならびにセルスタックを閉止するために、それぞれ導熱板６が配置されている。図によると導熱板６は、それぞれ右側および左側において、セルスタックからはみ出すか、もしくは張り出しており、セルスタック内部から外へ熱を排出するために用いられる。それによって、リチウムイオン電池２は冷却されるか、または熱が内部に導入される。場合によっては、リチウムイオン電池２が加熱されることもあり得る。導熱板６は外側で折り曲げられており、図によると、ハウジング４の右側の壁面および左側の壁面と熱的に接続されている。導熱板６は、セル３の機械的固定にも用いられている。

ハウジング４の右側壁面および左側壁面にはそれぞれペルチェ素子７が配置されている。このようなペルチェ素子の機能については、上記で詳細に説明されている。ペルチェ素子７は、低温での動作に関して、その比較的低温の側がハウジング４と熱的に接続されるように配置されている。これによって、ハウジング４と導熱板６との間における熱的接続を通じて、リチウムイオン電池２内部における冷却がもたらされるか、もしくはペルチェ素子７を通じて、リチウムイオン電池２内部から熱が排出される。自明のことながら、その他の数のペルチェ素子７を設けても良い。

ペルチェ素子７は、その比較的高温の側、図によればハウジング４から離れた方の面において、対流に曝露される。当該対流においては、熱が、通過する空気流に排出される。当該空気流は矢印で示されている。対流を改善するために、ペルチェ素子７の比較的高温の側に、冷却体を設けても良い。さらに、熱を排出する空気流を強化するために、特にファンなどの吹き付け装置を任意で含んでいても良い。

電気極性の逆転によって、ペルチェ素子７はリチウムイオン電池２の加熱にも用いられる。この場合、ペルチェ素子７の、上記定義において比較的低温とされる側は比較的高温の側に、比較的高温の側は比較的低温の側になる。熱は、導熱板６を通じて、リチウムイオン電池２の内部に導入される。選択的な転極によって、リチウムイオン電池２の広範囲に渡る温度調節が可能になる。

本発明に係るリチウムイオン電池システム１は、さらに制御ユニット８を有しており、制御ユニット８は、ペルチェ素子７によって、リチウムイオン電池２の温度を制御および／または調節している。図示した実施例においては、制御ユニット８はハウジング４内に組み込まれているか、もしくはそのために設けられたハウジング４の利用可能空間内に配置されており、それによって有利には、やはりペルチェ素子７による温度調節を受ける。図によると、制御ユニット８は、ハウジングの上側領域における、そのために設けられた利用可能空間内にも任意で配置することができる。

図示されていない実施例によると、ペルチェ素子７は、その比較的低温の面がハウジングの開口部を通って、ハウジング４によって形成される内部空間に達するように配置されており、それによって、当該内部空間の冷却および／または加熱と、リチウムイオン電池２の状況に応じた温度調節とが実施可能になる。比較的低温の面は、ハウジングの内部において、導熱板と熱的に接続されている。

図２は、リチウムイオン電池システムの第２の実施例を図示しており、当該システム全体は参照符号１ａで示されている。図１と同じ構成要素には同じ参照符号を用いて、さらに「ａ」を付加している。

図１に示された第１の実施例との主な相違は、導熱板６ａの構造にある。導熱板６ａは、その外側領域において、成形された枠部分として構成されており、それによって、セル３ａを容易に積み重ねることが可能になる。このために、当該枠部分はほとんどかみ合うように積み重ねられており、導熱板６ａもやはり、セル３ａの機械的固定に用いられる。当該枠部分は、ハウジングの側方部分を代替する。安定性を向上させるために、任意で、セルスタックの側方外側面を、アルミホイルまたは例えば収縮性フィルムで覆っても良い。

第１の実施例とは異なり、ペルチェ素子７ａはセルスタックの側方外側面、もしくは導熱板６ａの枠部分に直接配置されているので、ペルチェ素子７ａは複数の導熱板６ａを上張りしている。当該導熱板上に配置され、かつ熱的に接続された少なくとも１つのペルチェ素子が、好ましくは導熱板６ａごとに設けられている。これによって、熱的接続の効率が、第１の実施例に比べて改善される。

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 ハウジング
５ 固定装置
６ 導熱板
７ ペルチェ素子
８ 制御ユニット
９ 電線

Claims (12)

1. 少なくとも１つの電池（２）を有する電池システム（１）において、
   さらに少なくとも１つのペルチェ素子（７）が含まれており、前記ペルチェ素子は、少なくとも１つの電池（２）を冷却および／または加熱するために用いられることを特徴とする電池システム（１）。
2. 前記ペルチェ素子（７）は、電気的転極によって選択的に、前記電池（２）の冷却および／または加熱に用いられ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. 前記ペルチェ素子（７）は対流に曝露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. 前記ペルチェ素子（７）は前記電池（２）のハウジング（４）に接して配置されてい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. 前記ペルチェ素子（７）は、導熱板（６）に接して配置されてい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. 前記電池（２）は多数のセル（３）から形成されており、少なくとも２つのセル（３）の間に導熱板（６）が配置されており、前記導熱板は、少なくとも１つの側に対して外に向けて配置されていることを特徴とする請求項５に記載の電池システム（１）。
7. 少なくとも２つの導熱板（６）が含まれており、前記導熱板は、前記セル（３）の機械的固定にも用いられることを特徴とする請求項６に記載の電池システム（１）。
8. 少なくとも１つの導熱板（６）が含まれており、前記導熱板はハウジング（４）と熱的に接続されており、少なくとも１つのペルチェ素子（７）は前記ハウジング（４）に接して配置されてい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. 制御ユニット（８）が含まれており、前記制御ユニットは前記ペルチェ素子（７）を用いて、前記電池（２）の温度調節を可能にすることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電池システム（１）。
10. 前記制御ユニット（８）は前記ハウジング（４）に接して配置されていることを特徴とする請求項９に記載の電池システム（１）。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の電池システム（１）の、自動車におけるエネルギー貯蔵装置としての使用。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の電池システムの、固定式電池システムとしての使用。

Images