JP2013539161A - 冷却装置および車両バッテリアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、車両バッテリ用の冷却装置（１０）に関し、冷却装置は、少なくとも１つの冷却剤ライン（１２）と、車両バッテリの平坦面に対して冷却剤ライン（１２）を上向きに直接圧接する、弾性材料で作られた少なくとも１つの分離されたクランプ要素（１４）とを有する。冷却剤ライン（１２）は、平坦であり、車両バッテリの平坦面と接触する基本的に平坦な上部表面（１３）を有する。本発明は、また、複数のバッテリ要素（１０２）と、上述したような冷却装置（１０）と、を含む車両バッテリを有する車両バッテリアセンブリ（１００）に関する。

Description

本発明は、車両バッテリ用の冷却装置と、車両バッテリアセンブリとに関する。バッテリは、具体的には、電気またはハイブリッド自動車用の電源である。

先行技術は、車両バッテリ用の冷却装置を開示しており、該冷却装置では、冷却されるべき車両バッテリの表面と接触する伝熱板が設けられている。一方、伝熱板は、冷却剤ラインによって局部的に冷却される。このような冷却装置は、製造コストが高く、かつ、車両バッテリから除去されるべき熱は、車両バッテリから伝熱板へ伝達され、次いで熱伝達から冷却剤ラインへ伝達され、そして最後に冷却剤自体へ伝達されるべきであり、これにより、伝熱板内には、冷却剤ラインの局部構成による熱の流れがある。

本発明の目的は、組み立てが容易であり、かつ、良好な冷却能力を提供する車両バッテリ用の冷却装置と、該装置を用いた車両バッテリアセンブリとを提供することである。

この課題は、本発明に従う車両バッテリ用の冷却装置によって解決され、この冷却装置は、少なくとも１つの冷却剤ラインと、車両バッテリの平坦側に対して冷却剤配管を上向きに直接圧接する、弾性材料で作られた少なくとも１つの分離されたクランプ要素と、を有する。冷却剤ラインは、平坦であり、車両バッテリの平坦側と接触する、基本的に平坦な上部表面を有するように構成される。好ましくは、冷却剤ラインの断面は、その高さよりも大きな幅を有するべきである。冷却装置の構造は簡潔であるが、これは、車両バッテリの平坦側用に設計されており、かつ、車両バッテリが持ち得る任意の複雑な３次元形状に対して適合させる必要がないためである。熱は、車両バッテリの平坦側から、冷却剤ラインの壁を介して、冷却剤へと直接伝達される。したがって、冷却剤ラインと、冷却されるべき車両バッテリの表面との間の中間の熱伝達要素は不要である。

冷却剤ラインの上側は、冷却剤ラインのより幅広の断面を有する側にある。

冷却剤ラインを平坦な形状に作ることは、一方では、車両バッテリの平坦側と接触する上側がより大きいことを意味し、他方では、冷却装置を組み込むために必要なスペースの高さが減少することを意味する。

冷却剤ラインおよび冷却装置の上側は、冷却剤ラインまたは冷却装置の、バッテリの平坦側と接触する面として定義される。特に、冷却装置が、車両バッテリアセンブリに組み込まれている場合、その方向は、よって、バッテリの平坦側に関するものと理解されるべきである。

車両バッテリの平坦側は、車両バッテリ全体、または、個別のバッテリセル群、いわゆるバッテリパックに関連することができ、バッテリセル群は、例えば、ケーシング内に互いに接続されたバッテリセルを含むか、または、車両バッテリが複数のバッテリパックを有する場合のものである。

冷却剤ラインは、定位置に圧迫されていない場合、上側に向けてわずかに凸形状の断面を有してもよい。クランプ要素によって加えられる圧縮力は、車両バッテリの平坦側に対して、平坦な冷却剤ラインの上側を完全に平坦に圧接し、これにより、車両バッテリの平坦側と冷却剤ラインとの間の製造許容度を均一化する。

好適な実施形態によれば、クランプ要素は、冷却剤ラインの下側、好ましくは冷却剤ラインの両側端に接触して配置される。

クランプ要素が、２つの独立した変形可能なアーム、好ましくは冷却剤ラインに向けて斜め上方の角度に曲げられ、平坦な冷却剤ラインの下側の両側端にそれぞれ配置された、２つの独立した変形可能なアームからなり、冷却剤ラインが、好ましくはアームに架設されることも可能である。特に、クランプ要素は、単体として作製される。

クランプ要素を、車両バッテリの平坦側に接する冷却剤ラインに対して、所定の圧縮力で圧接することで、クランプ要素が、バッテリの平坦側に対して上向きに圧接されていない基本構成に代えて、圧縮構成へと弾性変形するようにして、クランプ要素を作製することができる。

冷却装置を、構造的ユニットとして作製するために、例えば運搬を容易にするために、クランプ要素を、冷却剤ラインと連結するような形状で作製することができる。

冷却剤ラインと車両バッテリの良好な断熱性のために、クランプ要素に結合され、かつ、バッテリの平坦側の絶縁を提供する、少なくとも１つの断熱構成要素を含むことができる。

好ましくは、クランプ要素は、少なくとも部分的には断熱構成要素に埋設されている。これは、クランプ要素と断熱構成要素とを、互いに連結し易くする。

クランプ要素の下側は、広範囲に（およびより具体的には、完全に）断熱構成要素と接触することが可能である。クランプ要素の屈曲または製造許容度を補償するために、断熱構成要素は、変形可能および／または圧縮可能とすることができる。例えば、断熱構成要素は、クランプ要素が変形する際に、少なくとも部分的に変形および／または圧縮する。

前記１つまたは複数のクランプ要素、および／または１つまたは複数の断熱構成要素は、プラスチックおよび熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）で、特に２成分射出成形によって、作製することができる。

少なくとも１つの断熱構成要素を介して機械的に接続された、複数のクランプ要素を用いることができる。これは、クランプ要素が結合される断熱構成要素を用いて、様々なクランプ要素を、互いに位置決めすることを可能にする。

１つまたは複数の冷却剤ラインと、１つまたは複数のクランプ要素と、１つまたは複数の断熱構成要素とは、好ましくは冷却床面を定義し、冷却床面の合計表面は、車両バッテリの平坦側と一致する。冷却床面の表面は、これにより、冷却されるべき車両バッテリパックまたはバッテリ全体の平坦側の面積と一致する。こうすることにより、冷却床面の合計表面積が、冷却されるべき車両バッテリパックまたはバッテリパック全体の表面に合わせられる。

冷却剤ラインの上側の上部表面は、好ましくは、車両バッテリの平坦側の合計表面の３５％〜７０％を覆うことができる。これは、冷却剤ラインの上側の上部表面が、冷却されるべきバッテリのベースの合計表面積の３５％〜７０％に合わせられることを意味する。改善された熱伝達手段は、冷却床面の上側全体またはバッテリモジュールのベース面全体を、平坦な冷却剤ラインとして設計する必要がないことを意味する。

冷却剤ラインの断面は、例えば、その高さの２倍、または好ましくは５倍、あるいはより好ましくは１０倍大きい。冷却剤ラインの設計が平坦になるほど、上側が大きくなり、よって、冷却装置の組み込み高さを、より低くすることができる。

冷却剤ラインは、例えば、平坦な２次元構成要素、好ましくは複数の並列冷却剤チャネルを有する２次元構成要素である。

冷却装置において用いられる冷却剤は、相変化冷媒流体または冷却液のいずれかとすることができる。

１つの好適な変形例によれば、複数の冷却剤ラインが、互いに隣接して設けられ、冷却剤ラインは、好ましくは、共通の断熱構成要素を有し、クランプ要素は、断熱構成要素に保持される。複数の冷却剤ラインが用いられる場合、より大きな表面が冷却され、および／または、より幅の小さな複数の冷却剤ラインを用いることができる。

本発明の目的は、さらに、複数のバッテリ要素と、さらに上述の冷却装置のいずれかとを含む、車両バッテリを有する車両バッテリアセンブリを用いることにより達成され、冷却装置は、冷却されるべきバッテリ要素の平坦側の１つおよび車両バッテリのケーシングと、冷却されるべきバッテリ要素の平坦面に上向きに直接接触して配置される少なくとも１つの冷却剤ラインとの間に配置される。

本発明のさらなる特徴および利益は、以下の説明および参照される以下の図面から得られる。

本発明に係る冷却装置を、その基本構成で示す図。 図１に係る冷却装置を、圧縮構成で示す図。 本発明の第２の変形例に係る冷却装置を示す図。 本発明の第３の変形例に従う冷却装置を有する、車両バッテリアセンブリを示す図。 図４に従う冷却装置の平坦な冷却剤ラインの詳細図。

図１は、冷却剤ライン１２と、クランプ要素１４と、２つの断熱要素１６とを有する冷却装置１０を示している。冷却剤ライン１２は、平坦であり、冷却剤ライン１２の断面は、その高さよりも幅が大きい。図示される変形例では、冷却剤ライン１２の幅は、その高さの１０倍を超える。

冷却剤ライン１２は、複数の支持壁１８によって、多数の冷却剤チャネル２０に分割される。これらの支持壁１８は、冷却剤ライン１２の機械的安定性を増加させる。

冷却装置１０の重量を減らすために、冷却剤ライン１２の壁の強度を最小に維持すること、および冷却剤ライン１２を、アルミなどの軽量な材料で、例えば押出し成形によって、作製することが好ましい。

クランプ要素１４は、平坦な底部２２を有し、該底部から、２つのアーム２４が、冷却剤ライン１２に向けて斜め上方に延びる。アーム２４の端には、冷却剤ライン１２の下側の両側端に、クランプ要素１４が配置され、冷却剤ライン１２が、２つのアーム２４に架設される。

さらに、アーム２４は、それぞれ、その端に延長部２６を有し、冷却剤ライン１２を側端で囲み、これにより、クランプ要素１４と冷却剤ライン１２との間の連結接続を形成する。

クランプ要素１４は、弾性材料により作られ、これにより、車両バッテリの平坦側に対して冷却剤ライン１２を上向きに直接圧接することができる。図１は、クランプ要素１４の基本構成を示しており、この図では、クランプ要素１４は、冷却剤ライン１２を、バッテリの平坦側に対して上向きには圧接していない。この基本構成において、クランプ要素１４は、弾性的に緩むことができ、または、クランプ要素１４の延長部２６において、冷却剤ライン１２の側端に対して作用する事前張力（pre-tensioning）を提供することができる。

断熱構成要素１６は、変形可能および／または圧縮可能なフォーム材料から製造される。２つの断熱構成要素１６は、それぞれ、クランプ要素１４に連結され、かつ、結合されている。クランプ要素１４の底部２２にある突起２８が、断熱構成要素１６に係合する。図示される実施形態では、クランプ要素１４の各部が、断熱構成要素１６に埋設されている。

断熱構成要素１６を変形し易くするために、断熱構成要素１６の上側および下側に、変形切欠き部３０が作られている。これらの変形凹部３０を用いて、断熱構成要素１６の局部変形挙動において意図される変化を達成することもできる。

冷却剤ライン１２と、クランプ要素１４と、断熱構成要素１６とは、相互接続されたアセンブリを形成し、このアセンブリは、冷却床面３２である。

図２は、図１の冷却装置を示しており、ここでは、冷却装置１０が、車両バッテリアセンブリ１００に組み込まれ、かつ、車両バッテリのバッテリ要素１０２とケーシング１０４の間に配置されている。冷却装置１０の高さは圧縮されており、クランプ要素１４のアーム２４は、弾性的に曲げられて圧縮構成にあり、冷却剤ライン１２の上側１３は、特定の接触圧により、バッテリ要素１０２の平坦側１０３に圧接している。

同様に、断熱構成要素１６が、特に変形切欠き部３０の周りの領域で変形する。

冷却剤ライン１２に加えられる接触力は、一方では、クランプ要素１４の変形可能なアーム２４のバネ定数によって、他方では、断熱構成要素１６の材料の、特にクランプ要素１４の周りの領域での圧縮率によって、決定される。

図２から分かるように、アーム２４の延長部２６は、クランピング構成にある際には、冷却剤ライン１２の側端とはもはや係合しない。しかし、クランプ要素１４が緩むと、アーム２４は跳ね返り、延長部２６は、再び冷却剤ライン１２の側端と係合する。これは、ユニットが組み込まれていない際に、冷却剤ライン１２が常にクランプ要素１４に取り付けられることを保証する。

図３は、冷却装置１０の第２の実施形態を示しており、この実施形態では、断熱構成要素１６は、クランプ要素１４の底部２２において、断熱構成要素１６の材料が無いようにして構成される。これは、クランプ要素１４を変形し易くする。断熱構成要素１６は、クランプ要素１４のアーム２４にある突起２８と連結される。さらに、クランプ要素１４は、断熱構成要素１６の接触領域において、粗い表面を有し、断熱構成要素１６とクランプ要素１４との間のより良好な接着を達成する。

図４は、冷却装置１０の第３の変形例を示しており、該冷却装置は、冷却床面３２を備え、該冷却床面は、２つの冷却剤ライン１２と、２つのクランプ要素１４と、３つの断熱構成要素１６とを有する。

冷却剤ライン１２およびクランプ要素１４は、全て、図１および図２に示される冷却装置１０のものと同じである。２つのクランプ要素１４は、それぞれ、中央の断熱構成要素１６に連結され、かつ、結合されている。中央の断熱構成要素１６は、共通の断熱構成要素１６であり、この断熱構成要素に、クランプ要素１４が収容されており、これにより、クランプ要素の相対位置を定義している。

図４に示される３つの断熱構成要素１６を、互いに直接接続することも可能である。

冷却床面３２は、冷却されるべきバッテリ要素１０２の平坦側面と一致する、上側の合計面積を有する。冷却剤ライン１２の上側１３の表面積は、冷却床面３２の上面の合計面積の３５％〜７０％を成す。

図５は、図４の冷却装置の２つの冷却剤ライン１２の斜視図を示している。２つの平坦な冷却剤ライン１２は、それぞれ、その前面に、冷却剤コネクタ３４を有する。図５の右下に示されている第１の冷却剤ライン１２は、冷却剤インフロー（coolant inflow）３６に接続された第１の冷却剤コネクタ３４と、冷却剤ループ３８を介して第２の冷却剤ライン１２の冷却剤コネクタ３４に接続された反対側の第２の冷却剤コネクタ３４とを有する。第２の冷却剤ライン１２の第２の冷却剤コネクタ３４は、冷却剤アウトフロー（coolant outflow）４０に接続されている。

２つの冷却剤ライン１２は、共通の冷却剤回路に一体化されており、この冷却剤回路では、冷却剤ライン１２は、反対方向に流れる。勿論、冷却装置１０が、冷却剤回路において、互いに並列に一体化された複数の冷却剤ライン１２を有することも可能である。

相変化冷却流体または冷却液を、冷媒として用いることができる。冷却剤接続３４は、特に複数の冷却剤チャネル２０にわたる冷却剤の分配を可能にする。

図示される実施形態では、クランプ要素１４は、常に単体として作製される。しかし、複数の部品で、例えば弾性および非弾性構成要素を用いて、クランプ要素を作製することも可能である。また、クランプ要素１４を、冷却剤ラインの全長にわたって延ばすこと、または、複数のクランプ要素１４を、冷却剤ライン１２の軸方向に沿って設けることも可能である。

クランプ要素１４および断熱要素１６は、低い熱伝導率を有する材料で作られており、バッテリ要素１０２のケーシング１０４と平坦側１０３または冷却剤ライン１２との間の熱伝達を減少させている。クランプ要素１４および断熱要素１６は、例えば鋳造または２成分射出成形によって、共に作製することができる。

図示される変形例では、クランプ要素１４の２つのアーム２４は、それぞれ、冷却剤ライン１２の両側端に対して上向きに接触する。あるいは、クランプ要素が、冷却剤ライン１２の全体に対して上向きに接触し、かつ、斜め下方に延びる２つのアームによって、車両バッテリのケーシングに支持されることも可能である。

バッテリ要素１０２は、個別のバッテリセルまたはバッテリセルアセンブリとすることができ、これらは、例えば、共通のハウジング内に設計され、該ハウジングは、共通の電気接続および冷却されるべき共通の表面を有する。

冷却剤ライン１２は、好ましくは、高い熱伝導率を有する軽量の材料、特にアルミで作られ、この材料は、図示される実施形態では、押出しプロファイルである。

冷却剤ライン１２は、バッテリの底面に圧接されていない場合に、上向きのわずかな突出隆起を有することができる（図１の破線を参照）。これは、側端に力が加えられた際に、バッテリ底面およびライン１２の上側の許容度および凹凸を均一化するために、上向きに張力が加えられることを意味する。

使用される冷却剤は、単相冷却剤、例えば水、グリコールまたは水／グリコール混合物か、あるいは、相変化冷媒、特に二酸化炭素に基づく相変化冷媒、のいずれかとすることができる。

Claims (15)

1. 車両バッテリ用の冷却装置（１０）であって、少なくとも１つの冷却剤ライン（１２）と、前記車両バッテリの平坦面に対して前記冷却剤ライン（１２）を上向きに直接圧接する、弾性材料で作られた少なくとも１つの分離クランプ要素（１４）と、を有し、前記冷却剤ライン（１２）は、平坦であり、かつ、前記車両バッテリの平坦側と接触する基本的に平坦な上部表面（１３）により構成され、前記冷却剤ライン（１２）の断面は、好ましくはその高さよりも大きな幅を有する、ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記冷却剤ライン（１２）は、定位置に圧迫されていない場合に、上側に向けて凸形状の断面を有する、請求項１に記載の冷却装置（１０）。
3. 前記クランプ要素（１４）は、前記冷却剤ライン（１２）の下側、好ましくは前記冷却剤ライン（１２）の両側端に、上向きに接触する、請求項１または２に記載の冷却装置（１０）。
4. 前記クランプ要素（１４）は、２つの独立した変形可能なアーム（２４）、好ましくは前記冷却剤ライン（１２）に向けて斜め上方の角度に曲げられたアーム、からなり、各アームは、平坦な前記冷却剤ライン（１２）の下側の両側端にそれぞれ配置され、前記冷却剤ラインは、好ましくは、前記アーム（２４）に架設される、請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却装置（１０）。
5. 前記クランプ要素（１４）は、前記冷却剤ライン（１２）と連結するように成形される、請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却装置（１０）。
6. 少なくとも１つの断熱構成要素（１６）が含まれ、前記断熱構成要素は、前記クランプ要素（１４）に結合され、かつ、前記バッテリの平坦側を絶縁する、請求項１乃至５のいずれかに記載の冷却装置（１０）。
7. 前記クランプ要素（１４）は、少なくとも部分的には、前記断熱構成要素（１６）に埋設されている、請求項６に記載の冷却装置（１０）。
8. 前記クランプ要素（１４）は、広範囲に（またはより具体的には、完全に）前記断熱構成要素（１６）と接触する、請求項６または７に記載の冷却装置（１０）。
9. 複数のクランプ要素（１４）が用いられ、前記複数のクランプ要素は、少なくとも１つの断熱構成要素（１６）を介して機械的に接続される、請求項１乃至８のいずれかに記載の冷却装置（１０）。
10. 前記１つまたは複数の冷却剤ライン（１２）と、１つまたは複数のクランプ要素（１４）と、１つまたは複数の断熱構成要素（１６）とは、冷却床面（３２）を定義し、それらの合計表面は、前記車両バッテリの平坦側に相当する、請求項１乃至９のいずれかに記載の冷却装置（１０）。
11. 前記冷却剤ライン（１２）の上側（１３）の上部表面は、冷却されるべき前記バッテリのベースの合計表面積の３５％乃至７０％に合わせられる、請求項１乃至１０のいずれかに記載の冷却装置（１０）。
12. 前記冷却剤ライン（１２）の断面は、その高さの２倍、または好ましくは５倍、あるいはより好ましくは１０倍大きい、請求項１乃至１１のいずれかに記載の冷却装置（１０）。
13. 前記冷却剤ライン（１２）は、平坦な２次元構成要素であり、好ましくは複数の冷却剤（２０）チャネルを有する、請求項１乃至１２のいずれかに記載の冷却装置（１０）。
14. 複数の冷却剤ライン（１２）が、互いに隣接して設けられ、前記冷却剤ラインは、好ましくは、共通の断熱構成要素（１６）を有し、前記クランプ要素（１４）は、前記断熱構成要素（１６）に保持される、請求項１乃至１３のいずれかに記載の冷却装置（１０）。
15. 複数のバッテリ要素（１０２）と、請求項１乃至１４のいずれかに記載の冷却装置（１０）と、を含む車両バッテリを有する車両バッテリアセンブリ（１００）であって、前記冷却装置（１０）は、冷却されるべき前記バッテリ要素（１０２）の平坦側（１０３）の１つおよび前記車両バッテリのケーシング（１０４）と、冷却されるべき前記バッテリ要素（１０２）の平坦面（１０３）に対して上向きに直接接触して配置される少なくとも１つの冷却剤ライン（１２）と、の間に配置される、車両バッテリアセンブリ。

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