JP2013546124A - 自動車の電気モータのための電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、自動車の電気モータに電力を供給する電池（１）に関し、この電池は、電気化学的セル（２）を含んでいる。電気化学的セル（２）は、断熱容器（４）の中に、また気密かつ水密の密閉容器（３）の中に入れられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、特に、電気モータによって駆動される自動車に関する。
大気汚染を少なくする目的で、自動車製造業者は、燃料消費の少ない車両、特に内燃エンジンを備えない車両を開発する努力を行っている。
従って、プロトタイプや、またシリーズとして多くの車両が製造されており、これらの車両は、単一の駆動手段として、あるいは内燃エンジンと組み合わせた形で、電気モータを備えている。
上記のような車両は、電気モータに電力を供給するために、大量のエネルギーを蓄積できる電気化学的蓄電池を必要としている。電気化学的蓄電池は、通常、次に示す大きさの公称電圧を有している。
ＮｉＭＨ型電池、１．２Ｖ。
リン酸鉄リチウムイオンＬｉＦｅＰＯ４技術の場合、３．３Ｖ。
酸化コバルトに基づくリチウムイオン技術の場合、４．２Ｖ。
これらの公称電圧は、電力が供給されるべきモータの要求条件を満たすには、低すぎる。適切な電圧を得るためには、複数の電気化学蓄電池が、直列に配置される。高電力と大容量レベルを得るためには、複数の蓄電池を組にしたセットが、複数個直列に配置される。段数（蓄電池のセットの数）および各段で並列に接続される蓄電池の数は、電池に対して要求される電流、電圧、および容量に応じて異なる。
多数の蓄電池が必要であると、車両の価格が相当に大となる。更に、このような蓄電池は、耐用寿命が限られており、一般に、車両の耐用寿命の間で、少なくとも一度は取り替えられることが必要となっている。この取り替えには、ユーザーにとって高い経費が必要となるので、電気化学蓄電池の寿命を最大にすることが望ましい。
電池の作動および使用の条件は、その耐用寿命に大きな影響を及ぼす。電気化学蓄電池は、一般に、０℃〜６０℃の限られた温度範囲で作動する。この温度範囲外で作動させると、蓄電池の劣化を引き起こし、また熱暴走を起こして、蓄電池を破壊させるおそれがある。最適な作動温度は、約３０℃である。作動温度が温度範囲の限界に近くなると、蓄電池の耐用寿命は、大幅に短くなる。従って、蓄電池の耐用寿命を保証する最適作動温度は、一般的に、１０℃〜４５℃の範囲内にあると考えられている
電池をこの温度範囲に保持することは、容易ではない。その理由は、自動車は、−３０℃〜＋４５℃の温度範囲で十分に機能すると考えられるからである。この目的を達成するために、電池の温度を調節する液体が流れる回路を有する電池が開発されている。しかし、この電池は、冷却液が存在することと、この冷却液と蓄電池の電気コネクタとの間を密封しなければならないこととにより、重くかつ複雑になることは明らかである。また電池は、車両の容積の無視できない部分を占め、そのため、自動車の性能と動作特性とを損なう可能性がある。
自動車の電池はまた、いくつかの設計上の制約を生じさせる。自動車の電池は、悪天候に遭遇した時、更に、車両が浸水した時でも、短絡するのを防ぐために、水密性が特に大でなければならない。また更に、電池は、気密でなければならない。気密性は、第１に、蒸気が電池の中に入ることを阻止し、第２に、標高または温度の変化によって、蒸気が結露するのを防止する。結露した水は、回路の短絡を引き起こす可能性がある。更に、蓄電池の偶発的な劣化が起こった場合に、気密性は、電池から外部に向かう有毒物の放射を防ぐことができる。
空気循環により熱制御をさせるようにした電池も開発されている。しかし、この電池は、上記した水密性と気密性の両方を満足してはいない。この電池は、特に、空気を車外から取り入れる場合には、結露の危険性を有し、空気を車内から取り入れる場合には、乗客の安全に関わる危険性を有する。
このように、軽量化と安全性の条件とを十分に満足させ、かつ最適な動作範囲で動作する電池を提供することは、従来達成されていない。
特許文献１は、電気化学的セルを備える蓄電池について記載している。ある特定の場合には、この蓄電池は、断熱容器の中に配置される。この容器は、液体の流れと空気の流れとの間の内部隔壁を備えている。
この電池は、外部との熱交換を、高い動作安全性をもって、動的に制御することはできない。
欧州特許第ＥＰ２１３３９５２号明細書
本発明は、これらの欠点の１つ以上を解決することを目的としている。従って、本発明は、自動車を駆動する電気モータに電力を供給する電池に関し、この電池は、電気化学蓄電池を備え、この電気化学要素は、断熱容器の中に入れられ、かつ気密かつ水密の容器に入れられていることを特徴としている。
密閉容器は、この断熱容器を備え、また断熱容器の外部との間に空間を有し、これにより、外部との熱交換を有利に行うようになっている。またこの電池は、断熱容器と前記空間との間の熱伝達流体の流れを選択的に制御するバルブを備えている。
別の実施形態においては、密閉容器は、その内部の圧力の変動に応じて、弾性的に変形するようになっている。
更に別の実施形態においては、密閉容器は、起伏状部分を有する少なくとも１つの変形可能な面を有している。
ある実施形態においては、前記変形可能な面は、熱伝導性材料で形成されている。
別の実施形態においては、密閉容器は、断熱容器の中の気体の流れを選択的に設定し、また外部との空気／空気交換器を備えている。
更に別の実施形態においては、この電池は、電気化学蓄電池の間に空気を循環させる回路を備え、また前記回路の中に空気の流れを発生させる装置を備えている。
更に別の実施形態においては、断熱容器の、外部に対する熱抵抗は、０．１ｍ２Ｋ／Ｗより大きな値とされている。
ある実施形態においては、断熱容器は、不活性ガスで充填されている。
本発明はまた、
− 電気モータと、
− 上記したように電気モータに電力を供給する電池とを備え、電池の熱時定数は、電気モータによって駆動される車両の自律性の少なくとも２倍である自動車にも関する。
ある実施形態においては、この自動車は、
− 断熱容器内部の温度を測定するためのプローブと、
− 電池の外部の温度を測定するためのプローブと、
− コマンドモジュールとを備え、コマンドモジュールは、
− 外部温度が、断熱容器内の温度より高く、断熱容器内の温度が下限閾値より低い場合、または、
− 外部温度が、断熱容器内の温度より低く、断熱容器内の温度が上限閾値よりも高い場合には、前記外部容積と断熱容器との間の熱伝達流体の流れを設定するようになっている。
ある実施形態においては、コマンドモジュールは、電池によるモータへの電力供給が行われていないことを検出することができ、電池によるモータへの電力供給が行われていないことを検出した場合には、熱伝達流体を流れさせることができる。
更に別の実施形態においては、この電池は、電荷の平衡をとるための回路を備え、この回路は、断熱容器の中に収容され、少なくとも１つの放電抵抗を備えている。コマンドモジュールは、断熱容器内部の温度が、下限閾値より低くなった場合、および、モータへの電力供給が行われていないことが検出された場合には、蓄電池を作動させて、前記放電抵抗に放電させることができる。
本発明の他の特徴および利点は、以下に示す説明、および添付の図面から明確になると思う。なおこの説明は、非網羅的な例に関するものである。
本発明による電池の第１の実施形態の縦断面図である。 本発明による電池の第２の実施形態の縦断面図である。 本発明による電池の第２の実施形態の異なる方向の縦断面図である。 本発明による電池の、自動車の中における配置を示す図である。
本発明は、自動車の駆動のために電力を供給する電気化学蓄電池と、外部との間の熱交換を、最大限に減少させる方法を提供するものである。これは、電池の電気化学要素を、気密かつ水密の容器の中に封入することにより行われる。
密閉容器は、断熱容器を囲んでいる。密閉容器は、断熱容器の外部にある空間を有し、それにより、外部との熱交換を有利に行うことができるようになっている。電池は、断熱容器と前記空間との間の熱伝達流体の流れを、選択的に制御するバルブを備えている。
本発明によると、水はね、浸水、および結露を通して、電池の短絡が生じないことと、周囲温度が極端な値になった場合でも、電気化学的蓄電池は、それらの最適な動作温度範囲の中に維持されることとが保証される。
図１は、本発明による電池１の第１の実施形態の断面を示す。この電池１は、断熱容器４を画定している壁４１を有する。電気化学的セル２は、壁４１の内側に配置されている。
電気化学的セル２は、公知の方法で接続することができ、直列接続された複数の段を構成することができる。これら各段は、並列接続された複数のセル２を備えている。電池１は、壁４１の外側に２つの電気接続端子（図示せず）を備え、これにより、電気化学的セル２は、電力を供給することができる。
断熱容器４は、０．１ｍ２Ｋ／Ｗより大きな熱抵抗率を有する場合には、断熱的であると見なすことができる。断熱容器４は、０．２ｍ２Ｋ／Ｗより大きな熱抵抗率を有することが望ましい。従って、断熱容器４は、遭遇した温度条件が、電気化学的セル２の動作の最適温度となっていない場合にも、外部環境との熱交換を、殆どなくすことができる。この設計は、ジュール効果によって電池の内部で発生する熱は、その作動中に、この電池と外部との熱交換を最大にすることにより、電池の外に排出されなければならないという一般的な技術的な知見に反するものである。断熱容器４は、それ自体は公知の任意の適切な手段によって形成することもできる。断熱容器４の内面には、反射材を内張りすることにより、放射による外部とのエネルギー交換を低減させることができる。
壁４１と交換器５３とを組み合わせることにより、密閉容器３を形成することができる。壁４１の材料と構造とは、それ自体公知のものを選択し、密閉容器３の内部の気密性および水密性を確保することができる。密閉容器３は、例えば、水はねに対する保護に関して、ＩＰ６５規格に準拠するか、または長期浸漬に対する保護に関して、ＩＰ６８規格に準拠するように設計することができる。水密性によって、電池１の内部に水が導入されることによる短絡は防止される。気密性は、第１に、電池１の中への湿気の侵入（結露による短絡を発生させる危険を伴う）を防止し、第２に、セル２が破損した場合に、ユーザーへ向けて有毒ガスが放出されるのを防止する。
電池１は、セル２の間に気体を循環させる回路と、この回路の中に気体の流れの生成することができる換気装置６とを有していることが望ましい。この気体流回路により、異なるセル２の温度を均一化し、従って、異なるセル２間における耐用寿命の過度の変動を防止することができる。電池１の多数回の動作サイクルに亘って繰り返される温度変化は、セル２の大きく異なるレベルの老化を誘起し、まだ動作可能な多数のセルが存在するにも拘わらず、セルの交換を強いられる可能性がある。この換気装置６は、電池１によって電気モータに供給される電流が大きい場合に、特に有利であることが証明されている。断熱容器４の内部には、中性ガス（ＡｒｇｏｎｉｔｅまたはＣＯ２等）を充填することができ、事故の際に酸素の入力を防止することができる。断熱容器４を充填する気体は、断熱容器４の内部における熱交換を最大にし、漏れを抑制し、また更に、断熱容器４の内容物の熱的慣性を増加させるように選択すると有利である。
温度プローブ１１は、壁４１の内側に収容されている。温度プローブ１１は、電子制御およびコマンドモジュール７に接続されている。モジュール７は、外部環境の温度を測定する温度プローブ１２に接続されている。
開口５１が、壁４１に形成されている。開口５１は、バルブ４２によって開閉される。バルブ４２は、コマンドモジュール７によって選択的に開閉することができる。電池１は、さらに熱交換器５を備えている。熱交換器５は、断熱容器４の内部に収容されている空気／空気交換器５２を備えている。熱交換器５は、さらに、断熱容器４の外側に収容されている空気／空気交換器５３を備えている。この交換器５３の内部と、外部との熱交換が行われる。壁４１と交換器５３とを組み合わせることにより、気密かつ水密の密閉容器３が形成される。従って、密閉容器３は、断熱容器４を含んでいる。
バルブ４２が開いている時には、空気の流れは、交換器５２と交換器５３との内部に、また交換器５２と交換器５３との間に保持される。従って、バルブ４２が開いている時には、容器４の内部と外部との間で熱交換を確保することができる。それと反対に、バルブ４２が閉じている時には、セル２は、外部から熱絶縁された状態に保持される。
上記のような実施形態においては、電気モータへ電力供給を行っている間外において、電池１の内部における温度を変化させることが望ましく、これにより、外部の温度条件を利用することができる。モジュール７は、プローブ１１とプローブ１２とによって測定されたそれぞれの温度に応じて、バルブ４２の開閉を駆動することができる。
例えば、電池１が、電気モータに対して電力を供給していない時には、プローブ１１によって測定された断熱容器４の内部の温度が、上限閾値より高ければ（例えば、車両が長い時間に亘って非常に高温の状態にあって、電池１が長時間に亘って作動していたために）、また、プローブ１２によって測定された外部温度が、プローブ１１によって測定された温度より低ければ（例えば、夏の夜に、比較的低温である場合）、バルブは開かれて、断熱容器４の内部と外部との間で熱交換が行われる。従って、電池１の次の使用時には、少ない消費電力で、その温度が事前に低下していることになる。このように、その作動の期間外で行う制御によって、電池１の耐用寿命を延長することができる。
別の実施形態においては、電池１が、電気モータに対して電力を供給していない時には、プローブ１１によって測定された断熱容器４の内部の温度が、下限閾値より低ければ（例えば、車両が非常に低温で長時間に亘って駐車していたために）、また、プローブ１２によって測定された外部温度が、プローブ１１によって測定された温度より高ければ（例えば、車両が一時的にガレージの中に置かれたために）、バルブ４２は開かれて、容器４の外部と内部との間で熱交換が行われる。従って、電池１の次の使用時には、少ない消費電力でその温度が事前に上昇していることになる。上限と下限の閾値とは、例えば、４５℃と１０℃とに設定することができる。更に別の実施形態においては、車両が停止していて、電池１が充電されている時には、ジュール効果による損失を、容器４の内部に人為的に生成し、容器４の内部の温度を上昇させることもできる。ジュール効果によるこの損失は、例えば、セルまたは外部の電力源を、電池１の内部に収容されている電荷平衡回路の抵抗に放電させることにより発生させることもできる。
従って、気体または水を導入することに関連した問題を回避することができると同時に、適切な条件下にある電池１とだけの熱交換を行うことができる。
図２および図３は、それぞれ、第２の実施形態による電池１の軸方向の断面、および横方向の断面を示している。図１の例と同様に、この電池１は、断熱容器４を画定している壁４１を有する。電気化学的セル２は、壁４１の内側に含まれている。換気装置６は、セル２の間に形成された空気流回路の中に空気の流れを発生させる。
開口５４および５５は、壁４１を通して形成されている。開口５４および５５は、それぞれバルブ４３および４４によって開閉される。バルブ４３および４４は、コマンドモジュール７によって、選択的に開閉することができる。
電池１は、空気／空気交換器５６を更に有する。熱交換器５６は、外部との熱交換を達成する内部容積を画定している。壁４１と交換器５６との組み合わせによって、気密かつ水密の容器３が形成される。従って、密閉容器３は、断熱容器４を含んでいる。換気装置５７は、交換器５６の内部に流れを生成し、また、バルブ４３および４４が開いている時には、交換器５６の内部と容器４の内部との間に流れを生成する。
バルブ４３および４４が同時に開いている時には、空気の流れは、交換器５６と断熱容器４との間に保持することができる。従って、バルブ４３および４４が開いている時には、容器４の内部と外部との間で熱交換を行うことができる。それと反対に、バルブ４３および４４が閉じている時には、セル２は、外部から熱絶縁された状態に保持される。
この例においては、密閉容器３は、その内部の圧力に変化がある時には、弾性変形をするようになっている。従って、バルブ４３および４４が開いている時には、密閉容器３は、断熱容器４の内部に現れる圧力の相対的変化を、容易に相殺することができる。断熱容器４の内部に現れる圧力の相対的変化は、例えば、セル２の加熱、または標高の変化、またはセル２が損傷した場合に起こり得る断熱容器への気体放出によって生ずる。更に、最後に挙げた事例では、気体放出は、電池１の内部に閉じた形で生ずる可能性もある。
電池１には、容器４の内部に配置された圧力センサを設けることもでき、これにより、容器４の内部で過剰圧力が発生した場合には、バルブ４３および４４を開くことができる。
図３に示すように、交換器５６は、下部変形面５８を含むことができる。この下部変形面５８は、起伏形状の部分を有していると有利である。起伏形状の部分によって、圧力変動がある時に、振幅の大きい変形が容易になる。交換器５６の下面は、金属などの熱伝導性材料で形成され、外部との熱交換が促進されるので有利である。
図４は、自動車８の中の種々の異なる要素に関連する本発明による電池１を示す。自動車８は、電池１によって電力が供給される電気モータ９を備えている。電気モータ９は、自動車８を駆動する単独のモータか、またはハイブリッドモータ駆動ユニットの中の複数のモータであってもよい。
過度の温度上昇を起こさないように電池１を使用するために、電気モータ９が電池１の放電だけによって電力が供給されている時には、電池１の熱時定数が、電気モータ９を有する車両８の自律性より遙かに大きくなるように、電池１の寸法を選ぶと有利である。ここで、熱時定数は、温度２０℃から使用最高温度に至るまでに、電池に必要な時間として定義される。この熱時定数は、電池の熱容量、質量、および広範囲な使用によって消費される電力に比例し、壁の熱抵抗に反比例する。この熱時定数は、例えば、電池１を連続的に使用しても、加熱により、その性能劣化が誘発される危険性がないようにするために、この自律性の少なくとも２倍になる可能性がある。
１ 電池
２ 電気化学的セル
３ 密閉容器
４ 断熱容器
５ 熱交換器
６ 換気装置
７ 電子制御およびコマンドモジュール
８ 自動車
９ 電気モータ
１１、１２ 温度プローブ
４１ 壁
４２、４３、４４ バルブ
５１、５４、５５ 開口
５２、５３、５６ 空気／空気交換器
５７ 換気装置
５８ 下部変形面

Claims (12)

  1. 自動車を駆動する電気モータに電力を供給する電池（１）であって、断熱容器（４）の中に入れられ、かつまた気密および水密の密閉容器（３）に入れられている電気化学的セル（２）を備えている電池（１）において、
    密閉容器（３）は、断熱容器（４）を含み、前記断熱容器の外部にあり、前記外部とのと熱交換を有利に行うための容積を有し、かつ前記断熱容器と前記容積との間の熱伝達流体の流れを選択的に設定するバルブ（４２）を備えていることを特徴とする電池。
  2. 密閉容器（３）は、その内部の圧力の変動に従って、弾性変形するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池。
  3. 密閉容器（３）は、起伏形状の部分を有する少なくとも１つの変形可能面（５８）を有することを特徴とする、請求項２に記載の電池。
  4. 前記変形可能面（５８）は、熱伝導性材料で形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の電池。
  5. 密閉容器（３）は、前記断熱容器の中で気体の流れを選択的に設定し、前記外部との空気／空気交換器を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池。
  6. 前記電気化学的セル（２）の間に空気を循環させる回路を備え、前記回路の中で、空気の流れを発生させる装置（６）を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池。
  7. 断熱容器（４）は、前記外部に対する熱抵抗が、０．１ｍ２Ｋ／Ｗより大きな値を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池。
  8. 断熱容器（４）は、不活性気体で充填されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池。
  9. 電気モータ（９）と、前記電気モータに電力を供給するための、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池とを備え、前記電池の熱時定数は、前記電気モータによって駆動される前記車両の自律性の少なくとも２倍であることを特徴とする自動車（８）。
  10. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池と、
    前記断熱容器内部の温度を測定するプローブ（１１）と、
    前記電池の外部の温度を測定するプローブ（１２）と、
    コマンドモジュール（７）とを備え、コマンドモジュール（７）は、
    前記外部温度が、前記断熱容器内の前記温度よりも高く、また前記断熱容器内の前記温度が下限閾値より低い場合、または、
    前記外部温度が、前記断熱容器内の前記温度より低く、かつ前記断熱容器内の前記温度が、上限閾値よりも高い場合に、前記外部容積と前記断熱容器との間の熱伝達流体の流れを設定することを特徴とする、請求項９に記載の自動車（８）。
  11. 前記コマンドモジュールは、前記電池により前記モータへの電力供給が行われていないことを検出することができ、前記電池により前記モータへの電力供給が行われていないことの前記検出に基づいて、熱伝達流体の前記流れを確立するようになっていることを特徴とする、請求項１０に記載の自動車。
  12. 前記電池は、前記蓄電池の電荷の平衡をとる回路を備え、前記回路は、断熱容器（４）の中に収容され、また少なくとも１つの放電抵抗を備え、前記コマンドモジュールは、断熱容器（４）の前記内部温度が前記下限閾値より低く、また前記モータへ電力供給が行われていないことが検出された場合に、前記放電抵抗に対する前記蓄電池の放電を駆動するようになっていることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の自動車。
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