JP2015525442A - バッテリセルのための冷却システム - Google Patents

Abstract

バッテリセル（２３）のための冷却システムであって、バッテリパック（２２）のバッテリセルがハウジング（２２ａ）によって包囲され、ハウジング（２２ａ）は、１つの側面で外部の冷却システムと接続し、当該冷却システムと共に熱的に作用する、上記冷却システムが記載される。冷却媒体が、外部の冷却システムを貫流する。提案されるバッテリパック及び冷却システムの構成によって、外部の冷却システムの冷却媒体が、漏出の際にもバッテリハウジング内に達し得ないことが保証される。【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリセルのための冷却システム、特に、複数のバッテリセルを有するバッテリモジュールのバッテリセルのための冷却システムに関する。

将来的に、例えば風力発電所のような定置型の適用において、例えばハイブリッド自動車又は電気自動車のような車両において、さらに、例えばラップトップ及び携帯電話のような消費機器分野において、信頼性、安全性、性能、及び寿命に関する要求が非常に高いバッテリシステムが益々使用されるようになることは明らかである。

特にリチウムイオンバッテリパックの場合には、安全性及び機能を保証するために、所定の温度範囲内でセルを駆動する必要がある。セルの駆動中には熱が発生し、特に、セルの電流及び内部抵抗によって説明することが可能なジュール熱が発生する。さらに、セル内での可逆過程に基づいて熱が発生する。これらの発生した熱は、クリティカルな作動温度を越えたセルの発熱を防止するために放出される必要がある。従って、熱管理システムをリチウムイオンバッテリパックのために利用することが公知である。その際に、この設計のために通常では負荷サイクルが利用され、この負荷サイクルによって、バッテリ内での温度上昇が、公知の熱的な境界条件において予測されうる。

適切な温度範囲内でバッテリを駆動するために、セルは、熱管理システムに接続される。この熱管理システムは、例えば寒い日の始動時にセルが所望の温度を下回る場合には、セルを暖め、又は、通常駆動の間にはセルを冷やす。その際に、セル又はセルモジュールを、セルの下側を経由して温度調整することが公知である。このために、例えば、モジュールの組立は、液体が貫流するプレート上で行われ、このプレートには、要求される冷却性能の度合いに従って、水／グリコールの混合物、又は蒸気の冷却媒体が供給される。

近代的な車両内には、バッテリの冷却システムと同様に液状の冷却媒体によって機能する空調装置が大抵存在する。しかしながらこの場合、一般的には、水−グリコールの混合物ではなく、特別な冷却媒体が関わっている。この特別な冷却媒体は、部分的に望まれぬ特性を有し、燃焼時には望まれぬフッ素及び水素を含む化合物を生成する可能性がある。

本発明に基づいて、冷却の際にバッテリから排熱を放出させるために熱媒を有する、バッテリ又はバッテリモジュールのための温度調整システムが提案される。この温度調整システムは、有利に、近代的な車両内に元々存在する空調装置と組み合わされている。その際に、冷却媒体に基づいて機能するこの空調装置が、有利に、濃度の問題が防止されるように変更される。冷却媒体回路は、冷却媒体を案内する導管内の数多くの接続要素又は結合要素のために、又は、薄壁の部品の可能な損傷のために１００％密閉可能なわけではなく、従って、空調装置は定期的に保守点検する必要がある。

このような空調装置を、発火しうる冷却媒体を用いて駆動しうるために、さらに、付属するパワーエレクトロニクス及び駆動中に熱くなりうる必要な接続線を含めたバッテリの冷却のために、有利に安全で確実なバッテリの冷却を可能にする特別な処置が取られる。その際に、特に有利に上記の処置によって、使用する冷却媒体に関係なく可燃性のガスが冷却システムのところで集積することが確実に防止される。

従って、本発明の基本的な利点は、空調装置の拡張された冷却媒体回路を利用してバッテリセルの冷却を可能にするという可能性を創出することであり、その際に、背景技術の段落で記載された問題は発生し得ない。

有利にこの利点は、冷却要素がバッテリハウジングの外に取り付けられることで実現される。その際に、バッテリセル及び／又はバッテリ自体は、熱伝導性を有する資材の上に存在する。有利な構成において、この熱伝導性を有する資材は、同時にハウジング壁として機能する。

他の有利な構成において、冷却要素は、上記ハウジング壁の外側の側面に取り付けられる。これにより、セルは、ハウジング壁によって温度調整される。冷却システムは、本発明に係る全ての構成においてバッテリシステムの外に存在するため、場合によって漏れた冷却媒体は、周囲の大気中に気化する可能性があり、冷却媒体から出たガスがバッテリパック内で集積していることが有利に推測されうる。

バッテリの冷却のために空調装置が有利に利用される際には、バッテリ及び運転室の冷却のためのエネルギー消費が有利に削減される。

空調装置の空調システムへのセル冷却部の接続が、原則的にどのように行われるかという可能性を示す。 外部に取り付けられた熱管理要素と、熱伝導性を有する資材から成るハウジングと、を含む一実施例を示す。 ハウジングの一部として熱要素又は熱管理要素が構成される、防湿層を含む変形例の一実施例を示す。 外部の供給口及び戻り口を備えたハウジングの一部として熱要素が構成される一実施例を示す。

３つの実施例によって、空調装置の冷却システムを、空調装置に典型的な冷却媒体で充填し、バッテリセルの温度調整のために利用することが可能となり、その際、冷却媒体はバッテリパックを通って流れない。

図１では、セル冷却部が空調装置の空調システムへとどのように接続されうるかという可能性が示されている。これにより、セル冷却部の接続、即ち、車両の空調装置の冷却システムへの車両内で使用されるバッテリの接続が実現される。

詳細には、符号１０は、冷却板１２上に複数のセル１１を有するバッテリパックを示している。冷却システムはさらに、熱交換器１３、例えば、内部空間換気装置への接続口を有する蒸発器と、熱交換器１３と冷却板接続口１５ａとの間の制御弁１４と、制御弁１６と、ポンプ１７と、凝縮器として機能する熱交換器１８と、熱交換器１８に気流を供給する通風機１９と、を備える。２つの矢印２０及び２１は、熱交換器１８への入口又は熱交換器１８からの出口を示す。この２つの矢印は、システム全体での冷却媒体の流れ方向がどのようであるかということも明確に示している。

図１で示される冷却システムの場合、同じ冷却部がバッテリパック１０内に配置されており、冷却板接続口１５ａ又は１５ｂでガスが発生する可能性がある。従って、本発明に基づいて、図１に示される冷却システムを、図２〜図４に係る実施例に従って変更することが可能である。制御弁又は絞り弁は、場合によっては制御可能に実現される。

図２には本発明の第１の実施例が示されており、この第１の実施例では、セル冷却システムがバッテリハウジングの外に設置される。詳細には、図２は、ハウジング２２ａを備えた、セル２３を含むバッテリパック２２を示し、セル２３は、ハウジング２２ａの熱伝導域２４を介して少なくとも熱的に冷却板２５と接続している。残りの冷却システムについては、絞り弁２６のみ示される。冷却システムの更なる構成は、図１に示された冷却システムの構成に対応している。

図２の実施例によれば、熱管理要素又は熱管理素子が外に取り付けられる。ハウジングは、熱伝導性を有する資材から成る。ハウジングの少なくとも一部が熱伝導域である。この構成の場合、セル冷却システムは、バッテリハウジングの外に設置される。バッテリハウジング自体は、少なくともセルモジュールが載っている領域内では熱伝導性を有する。熱伝導域の上にバッテリセルが取り付けられ、このようにして熱が外へと案内される。熱伝導域は、好適に一貫して、伝導性が高い資材から成り、例えば薄い銅層で構成される。この熱伝導域の厚さは、当該熱伝導領域と冷却板を合わせた厚さ全体を薄く保つために、残りのハウジング壁の厚さと異なってもよい。

冷却線２７ａ及び２７ｂは、バッテリハウジングの外に通っており、又はバッテリハウジングに接して外に通っている。冷却板２５は、熱伝導域２４の外側の側面上に固定されている。特に冷却線２７ａ又は２７ｂ内で漏出物又は漏れがあった際には、冷却媒体がバッテリパックの外、即ちバッテリパック２２の外に出て、周囲の大気中に気化する可能性がある。これに関して、冷却媒体がバッテリパック２２又はハウジング２２ａを通って流れず又はバッテリパック内又はハウジング内に進入し得ないことが保証される。

代替的に、ハウジング全体が、熱伝導性を有する材料で作られてもよい。

図３には、本発明の更なる別の実施例が示されている。この実施例の場合、セル２８が、熱伝導性を有する防湿層２９を介して冷却板３０と接続されている。冷却板３０は、ハウジング３１に組み込まれている。シール３２が、ハウジング３１の溝の中に存在しており、システム全体を密閉する。入口３３ａ及び出口３３ｂはハウジング３１の外に存在する。

図３の解決策の場合、例えば蒸発器板、又は冷却媒体が貫流する冷却板３０としての、冷却板３０は、ハウジング３１の外部の部分である。外に対するハウジング３１の密閉は、熱伝導性を有するガス障壁又は防湿層２９としての密閉層２９が引き継ぐ。この密閉層２９は、寿命の間作業圧力に耐えられる圧縮強度を有する。冷却板３０は、モジュール状にハウジング３１に埋め込まれ、外から冷却システムへと、例えば車両の冷却システムへと結合される。

図４には、本発明の更なる別の実施例が示されている。その際に、バッテリセル３５を有するバッテリパック３４が示されており、本実施例では、冷却板は、ハウジング３６に組み込まれた部分である。その際に、冷却板又は対応する熱伝導域３８は、ハウジング３６に例えば溶接され又は気密に貼り付けられ、更なる別のシールを必要としない。この場合にも、冷却システムのための接続口３７ａ又は３７ｂは、ハウジングの外に存在する。絞り弁４０又は制御可能な制御弁によって、冷却媒体の流れに影響を与えることが可能である。

図４に示されるように複数の熱伝導域３８が設けられる場合には、熱伝導域の間にシール３９が設けられる。その場合に必要となる、２つの熱伝導域間の接続部３７ｃも同様に、ハウジング３６の外に存在する。

ハウジング３５は、例えば複合材料で製造されてもよい。冷却板のように、高負荷を掛けるものを担う部分は金属製であり、カバー及び側壁を含む残りの箇所は、必要に応じて合成樹脂から、又は、同じ構造及び重量の低減を可能にする類似した材料から成る。冷却板と、プラスチック製の残りの底板と、から成る底板は、合成樹脂射出成形法、又は同じような方法を利用して一回で製造することが可能である。その場合には、追加的なシールは必要ではない。

先に挙げた実施形態によって、熱伝導板又は冷却板と、セル又は対応するセルモジュールとは、１つの組立ユニットとして事前に組み立てられる。このことによって、セルを含むハウジングに最初に断熱板が組み込まれるという、フレキシブルな組み立て順序が可能となる。その後、冷却板がハウジングの開口部に挿入される。バッテリの構成要素の設置空間に対する要求に応じて、逆の順序の組み立てを行うことも可能であり、これにより、バッテリパックの組立が非常に容易になる。

さらに、冷却板を下から取り付けることも可能であり、これにより、冷却板が簡単に交換出来るようになり、交換の際にバッテリパックのハウジングを必ずしも開ける必要がないため、メンテナンスが容易である。これにより特に有利な解決策が獲得され、規格化された冷却板が、様々な冷却媒体、例えば空気、冷却水、冷却媒体等と共に使用される。冷却板を有する熱管理システムを、既存のバッテリのために後から調整することが可能である。このことによって、例えば、水による冷却から冷却媒体による冷却への切り替えが可能である。

更なる別の構成は、外部の冷却システムがバッテリ固有の「スタンドアロン」型の冷却システムであるという冷却システムである。これにより、車両の空調装置への結合を意図的に実現しないということが可能である。

ハウジング３６は、例えば複合材料で製造されてもよい。冷却板のように、高負荷を掛けるものを担う部分は金属製であり、カバー及び側壁を含む残りの箇所は、必要に応じて合成樹脂から、又は、同じ構造及び重量の低減を可能にする類似した材料から成る。冷却板と、プラスチック製の残りの底板と、から成る底板は、合成樹脂射出成形法、又は同じような方法を利用して一回で製造することが可能である。その場合には、追加的なシールは必要ではない。

Claims (13)

1. 少なくとも１つのバッテリセル、特にリチウムイオンバッテリセルのための冷却システムであって、前記少なくとも１つのバッテリセルに割り当てられた、冷却要素を有する冷却装置を備える、前記冷却システムにおいて、前記冷却装置は、不具合の場合にも、外部の冷却システム内に含まれる冷却媒体が前記バッテリセルに達し得ないように前記外部の冷却システムと接続されていることを特徴とする、冷却システム。
2. 前記少なくとも１つのバッテリセルに割り当てられた前記冷却装置は、熱伝導域を備え、特に、前記冷却要素が割り当てられた熱要素又は熱管理要素を備えることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記熱伝導域には冷却板が割り当てられ、前記冷却板は、前記外部の冷却システムと接続しており、前記外部の冷却システムの冷却媒体が、前記冷却板を貫流することを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷却システム。
4. 前記少なくとも１つのバッテリセルは、ハウジングによって包囲されることを特徴とする、請求項１、２、又は３に記載の冷却システム。
5. バッテリパック又はバッテリを構成し、共通のハウジングによって包囲される複数のバッテリセルが存在することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却システム。
6. 前記バッテリセルの各１つの側面が、前記冷却システムの前記熱伝導域に割り当てられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか1項に記載の冷却システム。
7. 前記ハウジングは、熱伝導域、特に熱要素を有することを特徴とする、請求項５又は６に記載の冷却システム。
8. 冷却媒体が貫流する前記冷却要素は、前記ハウジングの外に存在することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷却システム。
9. 前記外部の冷却システムは、車両の冷却システムであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷却システム。
10. 車両の前記冷却システムは、空調装置によって冷却され、このようにして、前記空調装置は、前記バッテリセル又は前記バッテリパック又は前記バッテリの冷却のために利用されることを特徴とする、請求項９に記載の冷却システム。
11. バッテリハウジングに、ハウジングの一部として構成された熱素子が割り当てられることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の冷却システム。
12. 前記冷却装置の供給口及び戻り口は、ハウジングの外に存在することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の冷却システム。
13. 前記外部の冷却システムは、車両の空調装置への結合が意図的に実現されない場合には、バッテリ固有のスタンドアロン型の冷却システムであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の冷却システム。
    

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