JP2014503973A

JP2014503973A - 凝集状態変化材料によるバッテリの温度調整

Info

Publication number: JP2014503973A
Application number: JP2013548796A
Authority: JP
Inventors: ケアカムインゴ
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2014-02-13
Also published as: DE102011002549A1; US20140004394A1; CN103299477A; WO2012095337A1; EP2664022A1

Abstract

本発明は、バッテリを温度調整する装置（１）であって、バッテリ（２）と潜熱蓄熱体（３）とを含み、該潜熱蓄熱体（３）はその凝集状態を液体から固体へと変化させることができ、その際に、前記バッテリ（２）を加熱するために結晶化熱を放出することができ、この結晶化を衝撃によってトリガすることができることを特徴とする、バッテリを温度調整する装置に関する。

Description

本発明は、バッテリを温度調整する装置（１）であって、バッテリ（２）と潜熱蓄熱体（３）とを含み、該潜熱蓄熱体（３）はその凝集状態を液体から固体へと変化させることができ、その際に、前記バッテリ（２）を加熱するために結晶化熱を放出することができ、この結晶化を衝撃によってトリガすることができる、バッテリを温度調整する装置（１）に関する。本発明はさらに、この装置を含む製品並びにバッテリを温度調整する方法に関する。

背景技術
従来のリチウムイオンバッテリの使用可能容量及び出力は、構成部分の周辺温度により大きく影響される。従って、周辺温度が低い場合には特に、バッテリを事前に又は使用中に直接、ほぼ室温、即ち１８℃〜２０℃に加熱する必要がある。このために、場合によっては別の化学物質（例えば鉛酸）の付加的なバッテリと接続された別個の加熱システムが加熱される。

材料の結晶化の際に放出される結晶化熱を加熱のために利用する原理は、例えば、ゲル・ポケット懐炉により公知である。ゲル・ポケット懐炉では、結晶化は、例えば屈曲可能な金属片により開始させることができる。

発明の開示
本発明の対象は、バッテリを温度調整する装置（１）であって、バッテリ（２）と潜熱蓄熱体（３）とを含み、該潜熱蓄熱体（３）はその凝集状態を液体から固体へと変化させることができ、その際に、前記バッテリ（２）を加熱するために結晶化熱を放出し、この結晶化を衝撃によってトリガさせる、バッテリ（１）を温度調整する装置である。

本発明の対象はさらに、バッテリを温度調整する装置（１）であって、バッテリ（２）と潜熱蓄熱体（３）とを含み、該潜熱蓄熱体（３）は前記バッテリ（２）の余剰熱を吸収することができ、この場合、その凝集状態を固体から液体へと変化させてバッテリ（２）を冷却する、バッテリを温度調整する装置（１）である。

本発明の構成では、この装置は、潜熱蓄熱体（３）がゲルであることを特徴としている。

本発明の構成では、この装置は、潜熱蓄熱体（３）が、前記バッテリ（１）の周りに配置されている１つのケーシング（４）内に配置されていることを特徴としている。このケーシングはバッテリを完全に取り囲んでいる。このケーシングはバッテリの部分のみを取り囲んでいても良い。

別の構成では、この装置は、潜熱蓄熱体（３）が、前記バッテリ（１）の周りに配置されている複数の別個のケーシング（４）内に配置されていることを特徴としている。特別な構成では、この装置は、潜熱蓄熱体（３）の凝集状態の変化を、前記別個のケーシング（４）内で互いに独立的に制御することができることを特徴としている。

別の構成では、この装置は、潜熱蓄熱体（３）が、前記バッテリ（１）内に直接配置されていることを特徴としている。

本発明の別の側面は、本発明による装置を含む製品に関する。本発明の特別な構成では、前記製品は、機械や車両である。

本発明の別の側面は、バッテリを温度調整する方法であって、バッテリ（２）を潜熱蓄熱体（３）に接触させ、該潜熱蓄熱体（３）は液状の凝集状態を有していて、該潜熱蓄熱体（３）はその凝集状態を液体から固体に変化させることができ、この場合、前記バッテリ（２）を加熱するために結晶化熱を放出し、この潜熱蓄熱体（３）の結晶化を所定の衝撃によってトリガすることによりバッテリ（２）を加熱する方法、また、前記潜熱蓄熱体（３）は固体の凝集状態を有していて、該潜熱蓄熱体（３）は熱を吸収することができ、この場合、その凝集状態を固体から液体へと変化させることにより、バッテリ（２）を冷却する方法に関する。

本発明は、バッテリ（２）を加熱する方法であって、バッテリ（２）を潜熱蓄熱体（３）に接触させ、このとき該潜熱蓄熱体（３）は液状の凝集状態を有していて、該潜熱蓄熱体（３）はその凝集状態を液体から固体に変化させることができ、この場合、前記バッテリ（２）を加熱するために結晶化熱を放出し、この潜熱蓄熱体（３）の結晶化を所定の衝撃によってトリガすることを特徴とする、バッテリを加熱する方法に関する。

本発明の別の側面は、バッテリ（２）を冷却する方法であって、バッテリ（２）を潜熱蓄熱体（３）に接触させ、このとき該潜熱蓄熱体（３）は固体の凝集状態を有していて、該潜熱蓄熱体（３）は熱を吸収することができ、この場合、その凝集状態を固体から液体へと変化させることを特徴とする、バッテリを冷却する方法に関する。

本発明は、潜熱蓄熱体（３）の結晶化の際に放出される結晶化熱を、周囲の温度が低い場合にバッテリ（２）を最適なバッテリ温度にまで加熱するために利用している。放出される結晶化熱は、バッテリの作動にとって好ましい温度範囲（例えば１８℃、１９℃、２０℃、４０℃、６０℃）にまでバッテリ（２）を加熱するために使用することができる。この場合、好ましい温度範囲は、使用される電池化学物質及びバッテリタイプに依存している。

長い停止時間後にバッテリ（２）を低い温度でオンにしなければならない場合、適当な衝撃（トリガ）によって潜熱蓄熱体（３）の結晶化を開始させることができ、その後すぐに、この潜熱蓄熱体は、熱的に蓄えられていたエネルギを結晶化熱として放出し、これによりバッテリ（２）を加熱する。

電気化学的な電池は、電気化学的なエネルギ蓄え器とエネルギ変換器である。電気化学的な電池の放電の際には、蓄えられた化学エネルギが、電気化学的なレドックス反応により電気エネルギに変換される。一次電池は一度しか放電できず、繰り返し充電することはできない。このような電池では、放電の際の反応は部分的に不可逆的である。これに対して繰り返し充電可能な二次電池（アキュムレータ）は、ほぼ新規状態に近い充電状態にすることができるので、化学エネルギから電気エネルギへ複数回変換可能で逆も可能である。本願では、バッテリ、電気化学的な電池及びアキュムレータの上位概念として、バッテリという用語が使用される。

容量は、アンペア時（略記：Ａｈ）又はアンペア秒＝クーロン（統一表記：Ｃ）で規定される。バッテリの容量としては、バッテリ内に蓄えられた電荷を表している。理論上の容量（バッテリ中の活性材料の量に依存する）と、所定の条件下で取り出し可能な電荷（利用可能容量）とは区別される。バッテリの利用可能な容量は、放電条件、例えばバッテリの温度と履歴（例えば、放電前の保管期間と保管条件）に依存している。

全てのバッテリは保管時に自己放電している。自己放電の速度はとりわけ、バッテリのタイプと温度に依存している。保管温度が低いほど、自己放電は僅かになる。従って、バッテリを低温で保管し、使用の直前に初めて最適なバッテリ温度にすると有利である。

リチウム電池は、リチウムを活性材料として負極で使用する一次電池である。リチウム電池は、リチウムイオン蓄電池とは異なり繰り返し充電可能には設計されていない。リチウムイオン蓄電池もしばしばリチウム電池と言われる。リチウム電池の例は、塩化チオニルリチウム電池、二酸化マンガンリチウム電池、二酸化硫黄リチウム電池、カーボンモノフルオライドリチウム電池、リチウムヨウ素電池、硫化鉄リチウム電池である。

別のバッテリの例は、アルカリ・マンガン電池、オキシ水酸化ニッケル電池、酸化水銀・亜鉛電池、酸化銀・亜鉛電池、亜鉛・二酸化マンガン電池、塩化亜鉛電池、亜鉛空気電池である。

アキュムレータ（Ａｋｋｕ）は、主として電気化学システムに基づく、繰り返し使用可能な電気エネルギの蓄え器であって、バッテリの特別な形である。再び充電することのできない一次電池から成るバッテリとは異なり、アキュムレータは、単数又は複数の繰り返し使用可能な二次電池から成っている。車両では、アキュムレータは、ライト、電装品、内燃機関を始動するためのスタータのための電流を発生させるスタータバッテリとして使用される。アキュムレータはエンジンが回転するまで電流を供給し、その後、アキュムレータは、ジェネレータとして働くオルタネータを介して再び充電される。オートバイ、船舶、飛行機におけるアキュムレータも同様に使用可能である。

アキュムレータの例は、ＮｉＣｄ（ニッケル・カドミウム）アキュムレータ、ＮｉＨ２（ニッケル水素）アキュムレータ、ＮｉＭＨ（ニッケル・水素充電池）アキュムレータ、ＮｉＦｅ（ニッケル・鉄）アキュムレータ、Ｌｉ−Ｉｏｎ（リチウム・イオン）アキュムレータ、ＬｉＰｏ（リチウム・ポリマ）アキュムレータ、ＬｉＦｅ（リチウム・金属）アキュムレータ、ＬＭＰ（リチウム・金属ポリマ）アキュムレータ、Ｌｉ−Ｍｎ（リチウム・マンガン）アキュムレータ、ＬｉＦｅＰＯ４（リチウムリン酸鉄）アキュムレータ、ＬｉＴｉ（リチウム・チタン酸塩）アキュムレータ、ＬｉＳ（リチウム・硫黄）アキュムレータ、ＲＡＭ（再充電可能アルカリマンガン）アキュムレータ、ＰＴＭＡ（2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxy-4-yl-Methacrylat）アキュムレータ、Ｎａ／ＮｉＣｌ（ナトリウム・塩化ニッケル高温）アキュムレータ、ＳＣｉＢ（スーパーチャージ・イオンバッテリ）アキュムレータ、ＳｎＣ／Ｌｉ_２Ｓ（錫・硫黄・リチウム）アキュムレータ、銀・亜鉛アキュムレータ、バナジウム・レドックスアキュムレータ、亜鉛・臭素アキュムレータである。

最も単純な構成では、潜熱蓄熱体（３）はバッテリ（２）の周りに配置されている。潜熱蓄熱体は、その凝集状態を液体から固体へと、かつ、固体から液体へと変化させることができ、その際にエネルギを放出若しくは吸収する蓄え材料である。好ましくは、潜熱蓄熱体（３）は、液体状態で潜熱蓄熱体（３）を位置固定するために、１つの又は複数の容器内に、例えば１つの又は複数のケーシング内に、若しくは１つの又は複数のシート内に位置している。潜熱蓄熱体（３）は、例えば純粋にプラスチックから成る容器、又は熱伝導率を高める添加材（例えばセラミック粒子）を含むプラスチックから成る容器、又は好ましくは高い伝熱性（例えば銅、アルミニウム）を有し、場合によっては付加的に低い密度を有する金属から成る容器内に位置している。

潜熱蓄熱体は、冷却時に相移行を行う液体として提供される。主として、高い蓄熱係数を有する塩水又は特別なゲルが潜熱蓄熱体の材料として使用される。この場合、潜熱蓄熱体が放熱（即ち、冷却）された場合、潜熱蓄熱体が硬く厚くなるという相転移を認めることができる。潜熱蓄熱体には腐敗を防止する物質を添加することができる。

潜熱蓄熱体（３）は、蓄熱材料の熱動力学的な可逆的な状態変化、有利には固体・液体の相転移（凝固・融解）のエンタルピを利用することにより機能する。潜熱蓄熱体は例えば、蓄熱媒体として働く内容物として特別な塩又はパラフィンを含む。潜熱蓄熱体（３）の蓄熱材料の蓄熱の際に、蓄熱材料は融解し、これにより多くの熱エネルギ（融解熱）を吸収することができる。この過程は可逆的である。固化する場合、蓄熱材料はまさにこの熱エネルギを再び放出する。

例えば、潜熱蓄熱体の蓄熱媒体としては、グラウバー塩、ミョウバン、ナトリウムアセテート三水和物を使用することができる。ナトリウムアセテート三水和物は例えば、５８℃の融解点で液化し、場合によっては−２０℃までの極めて低い温度でも液状であり、準安定状態で過冷却された融解物としてここに存在している。

結晶化は、衝撃、例えば潜熱蓄熱体内へと押し込まれる金属片によってトリガされる。この場合、潜熱蓄熱体は発熱し、完全な結晶化、ひいては、潜熱の放熱を長時間にわたって行うことができる。

本発明では、潜熱蓄熱体の結晶化を開始させる事象又は材料を、衝撃又はトリガと記載する。トリガの一例は、潜熱蓄熱体内に押し込むことができるプレート小片である。潜熱蓄熱体に添加される種結晶もトリガである。潜熱蓄熱体の過飽和溶液内で結晶化を開始させる圧力波もトリガとなり得る。潜熱蓄熱体の圧縮も結晶化をトリガすることができる。

このような潜熱蓄熱体技術の利点は、使用される潜熱蓄熱体の融解点によって正確に規定された温度範囲でできるだけ多くの熱エネルギをできるだけ僅かな質量で蓄えることができることにある。液晶の潜熱蓄熱体を技術的に利用するためには通常、融解温度より僅かに低い温度での再結晶化が所望される。

塩又はパラフィンを主体とする近年の潜熱蓄熱体は、種々様々な使用のために開発された物理的特性を有しており、ほぼ全ての温度範囲のために使用可能である。このような潜熱蓄熱体はますます使用されており、バッテリの最適な作動温度の範囲における温度の緩衝を下方へ又は上方へ行うことができる。

過飽和溶液から結晶を形成する過程を結晶化と言う。結晶を形成できるように、まず、結晶化させたい材料を、過飽和状態にしなければならない。これは例えば、溶液又は溶融物の冷却プロセス又は溶媒の気化により行われる。複数の成分から成る結晶（例えば、イオン結晶）では、過飽和状態は、それぞれ成分の１つを含む２つの溶液の混合によって形成することもできる。この場合、予め溶解されていた分子若しくは元素は、規則的な、部分的に材料特有の形で配置される。この過程は、過飽和溶液内でさらに成長する種結晶が添加されると加速させることができる。「添加物の挿入」がなくても、即ち、結晶化核がなくても、水分子が結晶格子内に入り込む前に、−３０℃までの過冷却が可能である。例えば、振動によって結晶化を自発的にトリガすることができる。

結晶化熱（凝固熱）は、材料がその凝集状態を液体から固体に変化させると放出される。エネルギ保存の法則に基づき、解放されるエネルギは、材料の融解のために使用されるエネルギ（融解熱も参照）と同じ大きさである。材料が異なる場合、キログラム質量当たりの凝固熱（＝融解熱）は異なる大きさである。

本発明の対象のさらなる利点及び有利な構成は、図面に示されていて、以下の記載で説明されている。この場合、図面は、説明した特徴のみを有するもので、本発明を何らかの形に限定するものではないことに注意されたい。

バッテリ（１）を温度調整する装置の構造を概略的に示した図である。

図１には、バッテリ（２）と、潜熱蓄熱体（３）と、ケーシング（４）とを備えた、バッテリを温度調整する装置（１）が示されている。この最も単純な構成では、潜熱蓄熱体（３）はバッテリセル（２）の周りに配置されている。潜熱蓄熱体は、その凝集状態を液体から固体へと、かつ、固体から液体へと変化させることができ、その際にエネルギを放出若しくは吸収する蓄え材料である。好ましくは、潜熱蓄熱体（３）は、液体状態で潜熱蓄熱体（３）を位置固定するために、１つの又は複数の容器内に、例えば１つの又は複数のケーシング（４）内に、１つの又は複数のシート内に位置している。

バッテリを温度調整する装置（１）の機能形式は以下の通りである。

バッテリを温度調整する装置（１）は一方では冷却機能を有する。

バッテリの作動中、バッテリからエネルギが発生する。エネルギの大部分は消費される。エネルギの一部は熱に変換される。熱エネルギは、バッテリから、このバッテリを取り囲む潜熱蓄熱体へと引き渡される。潜熱蓄熱体は熱エネルギを吸収する。熱供給により、潜熱蓄熱体において相転移が生じ、これにより潜熱蓄熱体の凝集状態が変化する。それまでは固体だった蓄熱材料は、液状の凝集状態へと移行する。バッテリの余剰熱が潜熱蓄熱体によって吸収されることにより蓄熱材料は融解する。このような熱の引き渡しによりバッテリは冷却される。

バッテリを温度調整する装置（１）は他方では加熱機能を有する。

バッテリ（２）の非作動中若しくはオフの間、バッテリからエネルギは発生しない。潜熱蓄熱体（３）は液状の凝集状態にある。衝撃によって潜熱蓄熱体（３）の結晶化がトリガされる。この場合、潜熱蓄熱体において液体から固体の凝集状態へと相転移が行われる。結晶化の際には結晶化熱が自由になり、この結晶化熱は、潜熱蓄熱体（３）に隣接するバッテリ（２）によって吸収される。これによりバッテリは暖められる。装置は加熱エレメントとして作用する。

この装置と、潜熱蓄熱体から放出される結晶化熱とは、バッテリの加熱又は予熱のために使用することができる。

ケーシング（４）は、潜熱蓄熱体が複数の別個のケーシングに収容されるように構成することができる。個々のケーシングは共通制御することができる。好ましい構成では、個々のケーシングは互いに独立的に制御される。これは、個々のケーシングで結晶化を互いに独立してトリガさせることができることを意味している。即ち、個々のケーシングで衝撃を互いに独立的に発動させることができる。このようにして、トリガされる結晶化過程の数若しくは制御されるケーシングの数若しくは制御される潜熱蓄熱体の数を介して、放出される熱エネルギを調節することができる。このようにして、低すぎる初期温度に依存することなく、バッテリの良好な作動温度を調節することができる。潜熱蓄熱体を含み、バッテリを取り囲む複数の小さなケーシングによって、バッテリを温度調節することができ、場合によってはバッテリの温度を正確に調節することができる。

バッテリで直接、良好に加熱を行うために、潜熱蓄熱体をバッテリ内に設けることもできる。この場合好ましくは、潜熱蓄熱体は、バッテリ内の小さな中間室内に位置している。

周辺温度が十分に高い場合には、潜熱蓄熱体の結晶化、ひいては、バッテリを温度調整する装置（１）の加熱機能はトリガされない。潜熱蓄熱体（３）はオフのままであり、バッテリを加熱することはない。

本発明によるバッテリを温度調整する装置（１）は、全ての据え置きで又は携帯で使用されるバッテリにおいて、その化学組成に関係なく使用可能である。

本発明は、例えば機器や車両のような、バッテリを温度調整する装置（１）を含む製品も包括する。

バッテリを温度調整する装置（１）は、所定の温度でバッテリが作動すべきである全ての機器、例えば自動車、又は（例えば光起電力装置や風力装置と接続された）据え置き型の電流蓄え器、又は電動工具において使用することができる。

本発明の構成は特に、例えば自動車、船、飛行機、オートバイのような車両でのバッテリを温度調整する装置（１）の使用に関する。

本発明によるバッテリを温度調整する装置（１）の利点は、別個のシステムによるエネルギを要するバッテリの予熱の必要なしに、極めて低い温度で自動車を始動させることができることにある。周囲の温度が低い場合にバッテリを予熱するためのエネルギ消費は減じられる。この装置によりバッテリの迅速な加熱が得られ、ウォーミングアップ段階は短縮される。この装置により、最良の温度範囲におけるバッテリの作動を保証することができる。これによりバッテリの寿命を高めることができる。付加的なバッテリヒータは場合によっては不要である。これにより製造コスト及び補修コストは減じられる。

潜熱蓄熱体を含む加熱・冷却媒体の使用による本発明の成果は、はっきりと、簡単に視覚的に、又は測定技術的に証明することができる。

Claims

バッテリを温度調整する装置（１）であって、バッテリ（２）と潜熱蓄熱体（３）とを含み、該潜熱蓄熱体（３）はその凝集状態を液体から固体へと変化させることができ、その際に、前記バッテリ（２）を加熱するために結晶化熱を放出することができ、この結晶化を衝撃によってトリガすることができることを特徴とする、バッテリを温度調整する装置。
バッテリを温度調整する装置（１）であって、バッテリ（２）と潜熱蓄熱体（３）とを含み、該潜熱蓄熱体（３）は前記バッテリ（２）の余剰熱を吸収することができ、この場合、その凝集状態を固体から液体へと変化させてバッテリ（２）を冷却することを特徴とする、バッテリを温度調整する装置。
潜熱蓄熱体（３）がゲルである、請求項１又は２記載の装置。
潜熱蓄熱体（３）が、前記バッテリ（１）の周りに配置されている１つのケーシング（４）内に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
潜熱蓄熱体（３）が、前記バッテリ（１）の周りに配置されている複数の別個のケーシング（４）内に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
潜熱蓄熱体（３）の凝集状態の変化を、前記別個のケーシング（４）内で互いに独立的に制御することができる、請求項５記載の装置。
潜熱蓄熱体（３）が前記バッテリ（２）内に直接位置している、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
請求項１から７までのいずれか１項記載の装置を含むことを特徴とする製品。
バッテリ（２）を加熱する方法であって、バッテリ（２）を潜熱蓄熱体（３）に接触させ、このとき該潜熱蓄熱体（３）は液状の凝集状態を有していて、該潜熱蓄熱体（３）はその凝集状態を液体から固体に変化させることができ、この場合、前記バッテリ（２）を加熱するために結晶化熱を放出し、この潜熱蓄熱体（３）の結晶化を衝撃によってトリガすることを特徴とする、バッテリ（２）を加熱する方法。
バッテリ（２）を冷却する方法であって、バッテリ（２）を潜熱蓄熱体（３）に接触させ、このとき該潜熱蓄熱体（３）は固体の凝集状態を有していて、該潜熱蓄熱体（３）は熱を吸収することができ、この場合、その凝集状態を固体から液体へと変化させることを特徴とする、バッテリ（２）を冷却する方法。