JP2015510229A - ペルチェ式セルを備えたバッテリーモジュール - Google Patents

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Abstract

本発明は、収納筐体（４０）、前記収納筐体（４０）の内部に収容された少なくとも１つの収納バッテリーセル（５０）、少なくとも１つのペルチェ式セル（７０）であって、その第１の面（７１）は、熱伝導素子を介して直接又は間接的に前記収納バッテリーセルと接触しており、その第２の面（７２）は、熱伝導素子を介して直接又は間接的に前記収納筐体の外側と接触している、少なくとも１つのペルチェ式セル（７０）、及び前記ペルチェ式セルを制御するためのユニット（９０）を備えるバッテリーモジュール（３０）に関する。本発明によれば、前記ペルチェ式セル及び前記制御ユニットには、前記収納バッテリーセルにより電流が供給される。

Description

本発明は、一般的にバッテリーに関する。
より具体的には、本発明は、
−収納筐体、
−前記収納筐体の内部に収容された少なくとも１つのバッテリーセル、
−少なくとも１つのペルチェ式セルであって、その第１の面は、熱伝導素子を介して直接又は間接的に前記バッテリーセルと接触しており、その第２の面は、熱伝導素子を介して直接又は間接的に前記収納筐体の外側と接触している、少なくとも１つのペルチェ式セル、及び
−前記ペルチェ式セルを制御するための制御ユニット
を含む、バッテリーモジュールに関する。
本発明はまた、保護ケースに収容された、少なくとも２つの上述したようなバッテリーモジュールを含むバッテリーパックに関する。
本発明は、特定の有利な方法で、電動自動車のためのバッテリーパックの製作に適用することができる。
電気自動車は、通常、バッテリーパックにより電流が供給される電気モーターを備えている。従来、この種のバッテリーパックは、各々が複数の小さなバッテリーセルを含む、複数のバッテリーモジュールを収容する。
バッテリーセルの数は、電動モーターが所定期間車両を推進するのに十分なトルク及び電力を開発することができるように、算出される。
バッテリーパックが電動モーターを供給すると、バッテリーセルによって開発されたエネルギーの大部分が、熱の形で放出される。その結果、これらのバッテリーセルを、バッテリーセルの温度がそれを上回ると早期老朽化の危険又は場合によっては不可逆的損傷の危険のある閾値（約６０℃）を超えないように、冷却することが必要である。
この目的のために、複数のバッテリーセルを制限され閉じ込められた空間に収容し冷却するために設けられたバッテリーモジュールが、文献ＷＯ２０１０／０８３９８３に既知である。
この文献では、バッテリーセルは、特にコンパクトな方法で、互いの上に積み重ねられ、密閉された収納筐体に収容される。
ペルチェ式セル（一種の電動式熱ポンプ）もこの収納筐体に収容され、このセルは、電流が供給されると、バッテリーセルにより放出された熱を、伝導により外に向かって排出することができる。
ペルチェ式セルの制御ユニットも収納筐体に収容される。
各バッテリーモジュールのペルチェ式セルへの電流の供給は、ペルチェ式セルに自動車のアクセサリーバッテリ（一般的には鉛蓄バッテリー）によって電流が供給できるように、バッテリーパック上に特別なコネクタを必要とする。
しかし、このコネクタは、製造コストがかかり、自動車のワイヤハーネスをそれに応じて設計する必要がある。また、このコネクタは、自動車のバッテリーパックの交換作業を複雑にする。
先述の従来技術の欠点を克服するために、本発明は、前記ペルチェ式セル及び前記制御ユニットに前記バッテリーセルによって電流が供給される、冒頭で定義されたバッテリーモジュールを提案する。
したがって、本発明により、バッテリーモジュールは、エネルギーの観点から独立し、ペルチェ式セルに電流を供給するために特別な接続システムをバッテリーパックに設ける必要がない。
自動車のバッテリーパックを交換する作業は、切断し次に再び接続される電力接続の回数がより少ないゆえに、容易である。
さらに、以下に説明するように、本発明によるバッテリーモジュールは、他のバッテリーモジュールに関連付けることができ、散逸性負荷平衡機能をエネルギー損失なく提供することができ、散逸性エネルギーは、他のバッテリーモジュールを冷却又は加熱するために使用されている。
本発明によるバッテリーモジュールの他の有利で非限定的な特徴は、
−前記制御ユニットが、前記収納筐体の内部に収容され、
−前記ペルチェ式セルが、第２の面が収納筐体の外側に現れるように、前記収納筐体に組み込まれ、
−前記収納筐体が、前記ペルチェ式セルに接する絶縁壁を有し、
−少なくとも２つのバッテリーセルが、前記収納筐体の内部に収容されており、熱伝導素子は、一方の前記２つのバッテリーセルと、他方の前記ペルチェ式セルの前記第１の面との間に提供され挟まれる
ことである。
本発明はまた、保護ケース、及び先述の少なくとも２つのバッテリーモジュールであって、それらのペルチェ式セルが、熱伝導素子を介して直接又は間接的に前記保護ケースと接触するように、前記保護ケースの内部に収容された少なくとも２つのバッテリーモジュールを備える、冒頭で定義されたバッテリーパックを提案する。
このバッテリーパックの他の有利で非限定的な特徴は、
−前記保護ケースが、トレイ、前記トレイを密閉するカバー、及び前記バッテリーモジュールに接続された電力接続を含み、
−前記トレイが、熱伝導材料から一体的に作成され、
−前記トレイが、熱交換を促進するフィンを有し、
−少なくとも１つの流体循環チャネルが前記トレイを通り、
−前記トレイが、前記トレイの残りの部分の熱伝導性よりも厳密に大きな熱伝導性を有する少なくとも２つのインサートを包含し、これらのインサートは、それぞれ、各バッテリーモジュールの前記ペルチェ式セルの前記第２の面と接触して位置し、
−前記バッテリーモジュールの前記制御ユニットが、前記２つのバッテリーモジュール間の充電の差を検出するための手段、及び最も多く充電されたバッテリーモジュールのバッテリーセルを使用して、電流が、充電が最も少ないバッテリーモジュールの前記ペルチェ式セルに供給されるように適合される制御手段を含む
ことである。
非限定的な例として提供される添付の図面を参照する以下の説明は、本発明の性質および適用を明確にするだろう。
本発明によるバッテリーモジュールの概略断面図である。 図１のエリアＩＩの詳細図である。 図１に示される種類のバッテリーモジュールを包含するバッテリーパックの１つの実施形態の概略断面図である。 図１に示される種類のバッテリーモジュールを包含するバッテリーパックの１つの実施形態の概略断面図である。 図１に示される種類のバッテリーモジュールを包含するバッテリーパックの１つの実施形態の概略断面図である。 図１に示される種類のバッテリーモジュールを包含するバッテリーパックの１つの実施形態の概略断面図である。
まず、異なる図面に示された本発明の異なる実施形態の同一及び類似の素子は、できる限り、同じ参照番号により識別されており、すべてのケースで説明されるわけではないということに留意すべきである。
説明の中で、熱伝導素子が、１Ｗ−ｍ-１−Ｋ-１を上回る熱伝導率を有すること、及び熱的絶縁素子が、０．０５Ｗ−ｍ〜１・Ｋ〜１未満の熱伝導率を有することも考慮される。
図１は、バッテリーモジュール３０を示す。
図３の例に示されるように、この種のバッテリーモジュール３０は、電気自動車の電気モーターに電流を供給するように適合されるバッテリーパック１を形成するために、同じ種類の他のバッテリーモジュール３０と共に保護ケース１０に収納されることを意図している。
図１に示されるように、各バッテリーモジュール３０は、収納筐体４０の内部に収容される複数の小さなバッテリーセル５０を、ペルチェ式セル７０及びこのペルチェ式セル７０の制御ユニット９０と共に含む。
図２に示されるように、ペルチェ式セル７０は、２つの面を有する熱電素子で、１つの面７１は冷たく、他の面７２は熱いことが要求され、これにより、熱ポンプの原理で動作する。ゆえに、このペルチェ式セル７０は、電流が供給されると、その冷たい面７１と接触している素子を冷却するように適合される（その熱い面７２が過度に熱い素子と接触していないことを条件とする）。
バッテリーセル５０を冷却するために、ペルチェ式セル７０の冷たい面７１は、次に、（単独の熱伝導素子を介して直接又は間接的に）バッテリーセル５０と接触して配置され、他方で、その熱い面７２は、（熱伝導素子を介して直接又は間接的に）収納筐体４０の外側と接触している。
本発明の特に有利な特徴によれば、ペルチェ式セル７０及び制御ユニット９０には、当該バッテリーモジュール３０のバッテリーセル５０により、電流が供給される。
本明細書の残りの部分で詳細を開示するように、ペルチェ式セル７０及び制御ユニット９０にはまた、バッテリーパック１の保護ケース１０に収容される他のバッテリーモジュール３０のバッテリーセル５０により電流を供給することができる。
図１に示されるバッテリーモジュール３０の実施形態では、収納筐体４０は、平行六面体（ｐａｒａｌｌｅｌｅｐｉｐｅｄａｌ）の形状を有する。
ゆえに、収納筐体４０は、側壁４１に後方で接する、長方形の前壁４２を有する。この側壁４１及びこの前壁４２は、成形によってプラスチック材料から一体的に作成される。
収納筐体４０はまた、複数の素子６０、７０、８０により形成される底壁４３も有する。
図１に示されるように、バッテリーセル５０は、部分ごとに、薄い平らな長方形のプレートの形態をとる。
バッテリーセル５０は、収納筐体４０の内側容積に調整されたスタックを形成するように、互いに積み重ねられる。
バッテリーセル５０の各々は、隣接する２つのバッテリーセル５０の主要面に接するように配置された、２つの平らで平行な主要面、収納筐体４０の側壁４１に接するように配置された２つの側面エッジ、収納筐体４０の前壁４２に面して配置された前方エッジ５１、及び対向する後方エッジ５２を有する。
各バッテリーセル５０には、前方エッジ５１から突出するように配置される２つの接続端子が設けられる。
バッテリーセル５０のすべては、次に、互いに、及び収納筐体４０の外側に突出する二相の中性端子９１、９２に直列に接続される。
図１に示されるように、ペルチェ式セル７０は、バッテリーセル５０のスタックのサイズより小さい。特に、その冷たい面７１のサイズは、バッテリーセル５０のスタックの後面のサイズよりずっと小さい。
ペルチェ式セル７０がバッテリーセル５０のすべてを冷却できるように、熱伝導素子６０は、ここでは、一方のバッテリーセル５０の後方エッジ５２と、他方のペルチェ式セル７０の冷たい面７１との間に挟まれる。
この熱伝導素子６０は、ここでは、バッテリーセル５０の後方エッジ５２の表面全体に対して適用されるように、収納筐体４０の前壁４２と等しい寸法を有する単純な長方形の平らなプレートにより、形成される。
その寸法はまた、収納筐体４０の後方を密閉することができるようなものである。
収納筐体４０はまた、ペルチェ式セル７０に接し、熱伝導素子６０の後面に載る前面８１を有する強固な絶縁壁８０を含む（図２を参照）。この絶縁壁８０は、その後面８２がペルチェ式セル７０の熱い面７２と同一平面となるような厚さを有する。
絶縁壁８０、熱伝導素子６０、及びペルチェ式セル７０は、結合して、収納筐体４０の底壁４３を形成する。
図１に示されるように、制御ユニット９０は、収納筐体４０に収容された電子回路基板を、バッテリーセル５０の前方エッジ５１と収納筐体４０の前壁４２との間に含む。
制御ユニット９０には、二相の中性端子９１、９２にそれぞれ接続された２つのワイヤにより、電流が供給される。
制御ユニット９０は、電流がバッテリーモジュール３０からペルチェ式セル７０に供給されるように適合された制御回路を含む。このため、制御ユニット９０は、２つの電流供給ワイヤにより、ペルチェ式セル７０の２つの端子に接続される。
この制御ユニット９０は、ペルチェ式セル７０の冷たい面７１及び熱い面７２の温度を感知するための熱センサを含む。
制御ユニット９０はまた、バッテリーモジュール３０のバッテリーセル５０における充電のパーセンテージを取得するための手段を含む。
この場合、これらの取得手段は、バッテリーモジュールの二相の中性端子９１、９２で流れる電流の強さｉ１を測定するための手段、ペルチェ式セル７０に送られる電流の強さｉ２を推定するための手段、及びこれら２つの電流の強さｉ１、ｉ２の経時的変化の許容差を含む、バッテリーモジュール３０の充電のパーセンテージを計算するための手段を含む。
最後に、制御ユニット９０は、バッテリーパック１の他のバッテリーモジュール３０の制御ユニット９０と通信するための通信手段を含む。
これらすべての手段のため、制御ユニット９０は、最も多く充電されたバッテリーモジュール３０のバッテリーセル５０を使用して、充電が最も少ないバッテリーモジュール３０のペルチェ式セル７０に電流を供給させるように適合される。
より正確には、制御ユニット９０は、
−バッテリーモジュール３０の充電のパーセンテージを判定し、
−この充電のパーセンテージを、他のバッテリーモジュール３０の充電のパーセンテージと比較し、かつ
−充電のパーセンテージが最も大きいバッテリーモジュールのバッテリーセル５０を使用して、バッテリーモジュール３０のペルチェ式セル７０に電流を供給させる
ために適合される。
ゆえに、ペルチェ式セル７０のへの電流供給は、異なるバッテリーモジュール３０間の一定の平衡を維持するために使用され、これにより、これらのモジュールの耐用年数を向上させる。バッテリーモジュール３０の充電の平衡を保つ機能は、ゆえに散逸しているが、エネルギー損失はない。
図３から図６は、バッテリーパック１の保護ケース１０；１００；１１０；１２０の４つの実施形態を示す。
これら４つの実施形態では、保護ケース１０；１００；１１０；１２０は、前方で開いているトレイ１１；１０１；１１１；１２１、トレイ１１；１０１；１１１；１２１を密閉するカバー１２；１０２；１１２；１２２、及びトレイ１１；１０１；１１１；１２１の外側に突出する電力接続１３；１０３；１１３；１２３を含む。
トレイ１１；１０１；１１１；１２１は、側壁１５；１０５；１１５；１２５に前方で接し、バッテリーモジュール３０を受けるために側壁と共に筐体の範囲を定める底壁１４；１０４；１１４；１２４を有する。
カバー１２；１０２；１１２；１２２は、トレイ１１；１０１；１１１；１２１の側壁１５；１０５；１１５；１２５の前方部分に接するように配置される隆起したエッジ１７；１０７；１１７；１２７に後方で接する前壁１６；１０６；１１６；１２６を有する。
ロック手段（図示せず）は、保護ケース１０；１００；１１０；１２０の密閉状態を維持するために、カバー１２；１０２；１１２；１２２を、トレイ１１；１０１；１１１；１２１上でロックするために使用することができる。
電力接続１３；１０３；１１３；１２３は、バッテリーパック１を自動車の電力回路に接続しようとするユーザがアクセスしやすいように、トレイの外側に突出する。
この電力接続１３；１０３；１１３；１２３は、このようなバッテリーモジュール３０の二相の中性端子９１、９２を介して、保護ケース１０；１００；１１０；１２０に収容されるバッテリーモジュール３０と直列に接続される。
これらのバッテリーモジュール３０は、ペルチェ式セル７０の熱い面７２が、単独の熱伝導素子を介して直接又は間接的に保護ケース１０；１００；１１０；１２０と接触するように、ここでは保護ケース１０；１００；１１０；１２０の内部に収容される。
これらのバッテリーモジュール３０は、隣接するように、かつ収納筐体４０の底壁４３が、保護ケース１０；１００；１１０；１２０のトレイ１１；１０１；１１１；１２１の底壁１４；１０４；１１４；１２４に載るように、ここでは互いに隣り合って配置される。
図３に示される実施形態において、トレイ１１は、その底壁１４が、ペルチェ式セル７０の熱い面７２から放出された熱を、外に向かって排出することができるように、熱伝導材料から一体的に作成される。
図４に示される実施形態において、トレイ１０１は、冷却剤流体の循環のための少なくとも１つのチャネル１０８がトレイ１０１を通過するという点で、図３のトレイ１１と異なる。
この実施形態では、チャネル１０８は、トレイ１０１の側壁１０５に位置する、冷却剤流体の注入口１０９Ａ及び排出口１０９Ｂを通して、トレイ１０１の外に開いている。この注入口１０９Ａ及び排出口１０９Ｂは、次に、例えば単純なコイルなどを含む、冷却剤流体のための閉じられた冷却回路に接続される。
図５に示される実施形態では、トレイ１１１は、熱的絶縁材料から作成されている点、及びその底壁１１４が熱伝導インサート１１８を包含する点で、図３のトレイ１１と異なる。
この実施形態では、インサート１１８の高さは、トレイ１１１の底壁１１４の厚さと等しく、その結果、インサート１１８は底壁１１４の端から端まで延びる。
提供されるインサート１１８の数は、ここでは、バッテリーモジュール３０の数と等しい。
これらのインサート１１８は、バッテリーモジュール３０のペルチェ式セル７０の熱い面７２の長さ及び幅と略等しい長さ及び幅を有する。インサート１１８はまた、内側面全体がバッテリーモジュール３０のペルチェ式セル７０の熱い面７２と接するように配置される。
最後に、図６に示される実施形態では、トレイ１２１は、その底壁１２４の外側がフィン１２８を保有し、外部との熱交換を促進する点で、図３のトレイ１１と異なる。
収納パック１はまた、自動車の車台に固定するための手段（図示せず）を含む。
保護ケース１０；１００；１１０；１２０の密閉性質のために、収納パック１は、事故の場合でさえ漏れの危険なく、自動車の空調管理された車室に固定することができる。このように固定されると、保護ケース１０；１００；１１０；１２０の底壁１４；１０４；１１４；１２４は、車室の空調管理により約２０度の温度に維持され、これにより、バッテリーモジュール３０のペルチェ式セル７０は、車室外部の温度にかかわらず、バッテリーセル５０を正しく冷却することができる。
一変形例では、自動車の走行中に外部との熱交換を促進するために、保護ケース１０；１００；１１０；１２０の底壁１４；１０４；１１４；１２４が車体の下側と同一平面に位置するように、収納パック１を固定することも可能である。

Claims (12)

  1. −収納筐体（４０）、
    −前記収納筐体（４０）の内部に収容されている少なくとも１つのバッテリーセル（５０）、
    −少なくとも１つのペルチェ式セル（７０）であって、その第１の面（７１）は、熱伝導素子を介して直接又は間接的に前記バッテリーセル（５０）と接触しており、その第２の面（７２）は、熱伝導素子を介して直接又は間接的に前記収納筐体（４０）の外側と接触している、少なくとも１つのペルチェ式セル（７０）、及び
    −前記ペルチェ式セル（７０）を制御するための制御ユニット（９０）
    を含み、
    前記ペルチェ式セル（７０）及び前記制御ユニット（９０）に前記バッテリーセル（５０）により電流が供給されることを特徴とする、バッテリーモジュール（３０）。
  2. 前記制御ユニット（９０）は、前記収納筐体（４０）の内部に収容される、請求項１に記載のバッテリーモジュール（３０）。
  3. 前記ペルチェ式セル（７０）は、その第２の面（７２）が前記収納筐体（４０）の前記外側に現れるように、前記収納筐体（４０）に組み込まれる、請求項１又は２に記載のバッテリーモジュール（３０）。
  4. 前記収納筐体（４０）は、前記ペルチェ式セル（７０）に接する絶縁壁（８０）を有する、請求項３に記載のバッテリーモジュール（３０）。
  5. 少なくとも２つのバッテリーセル（５０）は前記収納筐体（４０）の内部に収容され、熱伝導素子（６０）は、一方の前記２つのバッテリーセル（５０）と、他方の前記ペルチェ式セル（７０）の前記第１の面（７１）との間に提供され挟まれる、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール（３０）。
  6. −保護ケース（１０；１００；１１０；１２０）、及び
    −請求項１から５のいずれか一項に記載の少なくとも２つのバッテリーモジュール（３０）であって、それらのペルチェ式セルが、熱伝導素子を介して直接又は間接的に前記保護ケース（１０；１００；１１０；１２０）と接触するように、前記保護ケース（１０；１００；１１０；１２０）の内部に収容される、少なくとも２つのバッテリーモジュール（３０）
    を備えることを特徴とする、バッテリーパック（１）。
  7. 前記保護ケース（１０；１００；１１０；１２０）は、トレイ（１１；１０１；１１１；１２１）、前記トレイ（１１；１０１；１１１；１２１）を密閉するカバー（１２；１０２；１１２；１２２）、及び前記バッテリーモジュール（３０）に接続された電力接続（１３；１０３；１１３；１２３）を含む、請求項６に記載のバッテリーパック（１）。
  8. 前記トレイ（１１；１２１）は、熱伝導材料から一体的に作成される、請求項７に記載のバッテリーパック（１）。
  9. 前記トレイ（１２１）は、熱交換を促進するフィン（１２８）を含む、請求項８に記載のバッテリーパック（１）。
  10. 少なくとも１つの流体循環チャネル（１０８）は、前記トレイ（１０１）を通る、請求項７に記載のバッテリーパック（１）。
  11. 前記トレイ（１１１）は、前記トレイ（１１）の残りの部分の熱伝導性よりも厳密に大きな熱伝導性を有する少なくとも２つのインサート（１１８）を包含し、これらのインサートは、それぞれ、各バッテリーモジュール（３０）の前記ペルチェ式セル（７０）の前記第２の面（７２）と接触して位置付けられる、請求項７に記載のバッテリーパック（１）。
  12. 前記バッテリーモジュール（３０）の前記制御ユニット（９０）は、前記２つのバッテリーモジュール（３０）間の充電の差を検出するための手段、及び最も多く充電されたバッテリーモジュール（３０）の前記バッテリーセル（５０）を使用して、最も充電が少ない前記バッテリーモジュール（３０）のペルチェ式セル（７０）に電流を供給させるように適合される制御手段を含む、請求項６から１１のいずれか一項に記載のバッテリーパック（１）。
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