JP2016500040A - 車両における駆動システム用貯蔵ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、少なくとも一つの収着貯蔵（１８）と、少なくとも一つのバッテリ（１６）と、少なくとも一つの冷却回路（２６）とを有する、車両の駆動システム用貯蔵ユニット（１２）に関し、前記収着貯蔵（１８）は、前記冷却回路（２６）を介して前記バッテリ（１６）に結合されることを特徴とする。本発明は、さらに、前記貯蔵ユニット（１２）の操作方法、及び、前記貯蔵ユニット（１２）を備えた車両に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも一つの収着貯蔵、少なくとも一つのバッテリ及び少なくとも一つの冷却開路を有する、車両における駆動システム用貯蔵ユニットに関する。本発明は更に、そのような貯蔵ユニットの操作方法、また、そのような貯蔵ユニットを備えた駆動システム及び車両に関する。

車両の効率及び環境適合性を向上するために、電気モータは、駆動装置としてますます用いられている。例えば、より好ましい使用状態下で内燃機関エンジンを操作可能とするために、ハイブリッド車両の補助駆動として、内燃機関エンジンを電気モータと併用する。電気モータは、また、純粋に、バッテリから電気エネルギーが供給される電気駆動車両（電動車両）の主駆動として用いられる。電動及びハイブリッド車両は、一般的に、電気化学セルとして、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する再充電可能なバッテリを備える。そのようなバッテリは、また、しばしば蓄電器や第２セルとされる。しかしながら、そのようなバッテリの欠点としては、温度感性があり、約０〜５０度の範囲でのみ最適に稼働することである。

オイル供給不足が増加することにより、内燃機関エンジン又は燃料セルを稼働するために、メタン、エタノール又は水素のような非在来型燃料に次第に頼ることになる。このため、電動又はハイブリッド車両は、電気モータ用のバッテリだけではなく、燃料をストックするための収着貯蔵を備える。そのような利用に適した収着貯蔵は、特に、気体が吸着されて貯蔵される大きな内面領域を有する吸着媒体を備える収着貯蔵である。吸着貯蔵を満たす過程において、吸着の結果として熱が放散される。同様に、気体がその貯蔵から取り除かれる際に、脱着のプロセスのために熱を供給する必要がある。収着貯蔵とバッテリとが使用される場合には、それ故、熱管理が非常に重要である。

DE 10 2009 000 952 A1には、特定の融点を有する媒体を備える、少なくとも一つの潜熱貯蔵器を有する車両バッテリが記載されている。ここでは、媒体は、融点が、使用されるバッテリのタイプの操作温度の最小値から最大値の範囲となるように選択される。この方法では、車両バッテリの電気化学的エネルギー貯蔵における温度変動は、統合潜熱貯蔵と電気化学的エネルギー貯蔵との間を対象とする熱交換によって回避される。DE 10 2006 052 110 A1には、収着媒体を有する流体貯蔵が記載されており、それは、気体放出プロセス用の熱の即時供給のため及びエネルギー管理改良のためのエネルギーの摂取及び出力装置を備える。さらに、該流体貯蔵は、冷却回路を介して、熱の一時貯蔵のための潜熱貯蔵と、加熱要素又はエネルギー伝達を補助するエンジン冷却回路への接続部と結合される。

DE 10 2010 048 478 A1には、バッテリのための熱管理方法が記載されており、それは、バッテリへの入熱を制御する。周囲温度の作用としてバッテリスタックを冷却又は加熱するバッテリ温度システムは、この目的のために使用される。冷却モードにおいて、熱は、バッテリラジエータを介して、バッテリスタックから冷却剤へ伝達され、周囲へ放出される。加熱モードにおいて、冷却剤は、バッテリスタックに入る前に、加熱設備によって加熱される。

DE 10 2008 054 216 A1には、車両の電気駆動装置の調整方法が記載されている。ここでは、電気駆動装置のすくなくとも一つの温度、例えば、固定子又は回転子の温度、が決定され、電気駆動装置の一部の温度は、パラメータの関数として設定される。

DE 10 2007 004 979 A1には、自動車におけるバッテリの温度を制御する装置が記載されており、そこでは、車両の冷凍回路と低温冷却回路とにバッテリが統合される。冷凍回路がオフである操作モードにおいて、バッテリ温度の制御は、低温冷却回路によって達成される。更なる操作モードにおいて、バッテリの予熱は、冷却剤が低温度冷却回路の冷却器に入る前に、バッテリの周囲のバイパスラインを介して冷却剤を搬送することによって達成される。

WO 2009/127 531 A1には、燃料セル装置のための液体冷却装置が記載されており、それは、独立したユニットとして構成され、燃料セル装置に冷却液を供給する又は燃料セル装置から加熱液体を搬送する。

DE 10 2008 040 211 A1には、燃料セルシステムの操作方法を記載されており、それは、燃料電池、貯蔵コンテナ及びバッテリを備える。

US 2012/0141842には、固体電池で取り囲まれた燃料セルが記載されている。

ＤＥ １０ ２００９ ０００ ９５２ Ａ１ ＤＥ １０ ２００６ ０５２ １１０ Ａ１ ＤＥ １０ ２０１０ ０４８ ４７８ Ａ１ ＤＥ １０ ２００８ ０５４ ２１６ Ａ１ ＤＥ １０ ２００７ ００４ ９７９ Ａ１ ＷＯ ２００９／１２７ ５３１ Ａ１ ＤＥ １０ ２００８ ０４０ ２１１ Ａ１ ＵＳ ２０１２／０１４１８４２

バッテリ又は収着貯蔵のための公知の熱管理システムの欠点は、熱導入のために付加的な構成要素が必要なことであり、これらは更なるコストを招き、更なる構築スペースを取ることになる。加えて、例えば、移動時（ムービング オフ；moving off）に、潜熱貯蔵システムの効果は制限され、容量が十分に活用できない。これらの欠点は、例えば、自動車等の可動装置において特に深刻である。そのため、そのような貯蔵システムに対し、とても簡易で効果的な熱管理構想を供給することに、継続的な関心がある。

本発明の目的は、追加的構成要素をほとんど設置することなく、それによって、効率が良く、単純な熱管理を達成することができる、燃料及び電気エネルギーの貯蔵ユニットを提供することである。本発明の更なる目的は、貯蔵ユニットにおいて、単純で効率良く温度を調節する方法を提供することである。

前記目的は、貯蔵ユニットによって達成され、それは、特に、車両における駆動システムの使用に好適であって、少なくとも一つの収着貯蔵と、少なくとも一つのバッテリと、少なくとも一つの冷却回路とを有し、前記収着貯蔵は、前記冷却回路を介して前記バッテリに結合されることを特徴とする。

本発明は、更に、貯蔵ユニットの操作方法、及び、少なくとも一つの内燃機関エンジン又は少なくとも一つの燃料電池と、少なくとも一つの電気モータとを備える動力ユニットを有する、駆動システムにおける貯蔵ユニットの操作方法を提供する。ここで、熱は、少なくとも一つのバッテリと少なくとも一つの収着貯蔵とが連結された冷却回路を介して、前記バッテリと前記収着貯蔵との間で交換される。

本発明は、また、本発明の貯蔵ユニットを備えた、駆動システム及び車両、特にハイブリッド車両、を提供する。車両とは別に、本発明の貯蔵ユニットは、他の可動アプリケーション、例えば、ボート、特に潜水艦における駆動システムに用いることができる。加えて、本発明の貯蔵ユニットは、例えば、建物を加熱するソーラー電池との併用又は熱電併給プラント等、固定アプリケーションに適している。

本発明の貯蔵ユニットは、収着貯蔵及びバッテリに冷媒搬送冷却回路を結合させる。これにより、２つの構成要素の温度を簡易な方法、バッテリからの熱を収着貯蔵に導入し、逆も同様にすることにより、調節することができる。車両が動かされた場合、バッテリからの熱は、例えば、冷媒によって取り出され、そこでの燃料の脱着に必要な熱を供給するために、冷却回路を介して収着タンクへ搬送することができる。収着貯蔵は、それ故、バッテリを冷却するために利用される冷却力を供給する。収着貯蔵からの過剰な冷却力は、例えば、車両における乗員室の空調など、他の構成要素のために利用することができる。反対に、バッテリは、収着貯蔵における脱着を活性化するために必要な加熱力を供給する。バッテリと収着貯蔵の間の熱平衡が達成された場合、追加的な熱導入や温度制御要素をなくすことが更に可能である。これは上記の貯蔵ユニットの簡易かつ効率の良い構造を可能にし、それは、追加的に設置スペースをほとんど要することなく、それ故、例えば車両などの可動アプリケーションに特に適している。

本発明の目的のために、収着貯蔵は、気体を吸着して蓄えるための大きな表面領域を有する収着媒体を含む貯蔵部である。従って、収着貯蔵の充填の間に熱が放散され、その上、熱の導入によって脱着が活性化される。特に、メタン、メタノール、水素、アセチレン、プロパン又はプロピレンのような燃料は、本発明の貯蔵ユニットにおける収着貯蔵に貯蔵することができ、脱着によって、内燃機関エンジン又は燃料セルに供給されることができる。メタンは、特に内燃機関エンジンの燃料として好適である。燃料セルは、メタノール又は水素を用いて作動することが好ましい。

本発明の目的のために、バッテリの用語は、化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する、再充電可能な二次電池又は蓄電池のことを言う。好ましいバッテリは、鉛酸蓄電池のような鉛系蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケル鉄蓄電池又はニッケル亜鉛蓄電池のようなニッケル系蓄電池、リチウム硫黄蓄電池、リチウムイオン蓄電池、リチウムポリマー蓄電池、リチウム金属蓄電池、リチウム・マンガン蓄電池、リン酸鉄リチウム蓄電池、チタン酸リチウム蓄電池又は錫・硫黄・リチウム蓄電池のようなリチウム系蓄電池、ナトリウム硫黄蓄電池又はナトリウム・ニッケル蓄電池のようなナトリウム系蓄電池、銀亜鉛蓄電池、シリコン蓄電池、バナジウム・レドックス蓄電池、又は、亜鉛臭素蓄電池である。ここで、本発明の貯蔵ユニットは、同じタイプ又は異なるタイプの上述したバッテリを一つ以上含むことができる。

特に好ましいバッテリは、リチウム系蓄電池、特にリチウムイオン蓄電池又はリチウム硫黄蓄電池、鉛系蓄電池、ニッケル系蓄電池、又は、ナトリウム系蓄電池である。

本発明の貯蔵ユニットの一つの実施形態において、冷却回路は、冷媒を搬送する少なくとも一つのポンプを備える。収着貯蔵における燃料とバッテリとの冷却又は加熱に適した温度範囲によって、例えば、水、グリコース、アルコール又はそれらの混合物など、様々な冷媒が可能である。好ましい冷媒は当業者に知られている。

本発明の貯蔵ユニットの一つの実施形態において、冷却回路は、少なくとも一つの収着貯蔵回路と、少なくとも一つのバッテリ回路とを備える。冷却回路の変異形において、収着回路とバッテリ回路とは、少なくとも一つの主ラインから分岐している。ここでは、主ラインの冷媒の総合流（total stream，合算流）を収着貯蔵回路とバッテリ回路とに分割することができる。冷媒の総合流を可変的に２つの回路に分割するために、少なくとも収着貯蔵回路又はバッテリ回路に少なくとも一つのバルブを取付けることができる。収着貯蔵回路及びバッテリ回路は、好ましくは、それぞれの構成要素への冷媒の流れを制御するために、収着貯蔵及びバッテリの上流に位置する少なくとも一つのバルブを備える。

主ラインから分岐する収着貯蔵回路及びバッテリ回路を有する冷却回路において、冷却回路の主ラインの領域の冷媒を搬送するために、ポンプを配置することができる。加えて、冷媒の温度を調節するために、冷却回路の主ラインの領域に熱交換器を配置することができる。使用可能な熱交換器は、当業者に十分に知られている。例えば、平板熱交換器、渦巻き熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、又はマイクロチャンネル熱交換器が適している。

更なる実施形態において、収着貯蔵回路とバッテリ回路とは、回路において連結ラインを介して互いに連結される２つの分離回路を形成する。連結ラインは、好ましくは、少なくとも一つのポンプと、少なくとも一つのバルブとを備える。ここで、ポンプは、バッテリ回路へ通じる連結ラインのブランチに配置することができる。バルブは、収着貯蔵回路へ通じる連結ラインの更なるブランチに配置することができる。従って、バルブがバッテリ回路と収着貯蔵回路との冷媒流を調節するとともに、回路内のポンプによってバッテリ回路と収着貯蔵回路との間に冷媒を搬送することができる。

本発明の貯蔵ユニットの更なる実施形態において、収着貯蔵回路とバッテリ回路とは、少なくとも一つのポンプと、少なくとも一つの熱交換器とを備える。ポンプは、冷媒がバッテリ又は収着タンクを通り、その後、熱交換器を通って搬送されるように配置されることが好ましい。ポンプは、それ故、バッテリ回路におけるバッテリ又は収着回路における収着貯蔵の上流に設置されることが好ましい。熱交換器は、温度を調節するように働き、バッテリ回路におけるバッテリ又は収着回路における収着貯蔵の下流に設置されることが好ましい。使用可能な熱交換器は、当業者に十分に知られている。例えば、平板熱交換器、渦巻き熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、又はマイクロチャンネル熱交換器が適している。

気体燃料を貯蔵するための収着貯蔵は、密閉容器を備えることができる。該容器は、その内部において、容器の内部が二並行のチャンネル形サブチャンバである少なくとも一つのチャンネルペアに分割されるように構成された、少なくとも一つの分割要素を有することができ、各チャンネル形サブチャンバは、少なくとも部分的に吸着媒体で充填される。該サブチャンバの端部は、その都度、ジョイントスペースを介して、互いに分離される又は互いに連結されることができる。

更に、収着貯蔵は、気体が前記容器へ流入可能な容器壁を通る、少なくとも一つの通路を含む供給装置を備えることができる。供給装置は、例えば、遮断装置によって各々閉鎖可能な一つの入口と一つの出口とを備えることができる。供給装置は、流入気体が、チャンネルペアごとに２つのサブチャンバのうちの一つに、少なくとも部分的に注入されるように構成されることが好ましい。

供給装置と組み合わせて、互いに対を成すように連結されたチャンネル形サブチャンバに容器の内部を分割することは、容器を充填又は空にする間に確立される、該チャンネルを通る巡回流をもたらす。これは、容器壁に対する熱伝達の向上を与え、それは、通常、充填中に冷却され、及び／又は、放出中に加熱される。容器における気体の急速な冷却又は加熱の結果として、大量の気体を同時に吸着又は放出することができる。

熱伝達の改良は、容器壁だけではなく、少なくとも一つの分割要素、又は、それが一以上である場合は複数の分割要素、が冷却又は加熱されるときに達成することができる。このために、少なくとも一つの分割要素、又は多数の分割要素、特に存在する全ての分割要素は、冷媒がそれを通過できるように、二重壁として構成することができる。

収着貯蔵の更なる実施形態において、チャンネル形サブチャンバのチャンネル壁は、冷媒がそれを通過するように、二重壁として構成される。少なくとも一つの分割要素又は多数の分割要素の配置によって、容器壁の区分は、一つのチャンネル形サブチャンバ又は複数のチャンネル形サブチャンバの容器壁を形成する。この場合、コンテナ壁もまた、二重壁として構成されることが好ましい。特に好ましい実施形態において、端面を含む全容器壁は、冷媒がそれを通過できるように構成され、特に二重壁として構成される。

冷媒搬送チャンネル壁を伴う収着貯蔵のかかる構造は、吸着媒体からの、又は吸着媒体への急速な熱伝達を可能にする。結果として、該貯蔵は、一定時間内に大量の気体で充填することができる。気体が該貯蔵から放出されるときに、気体の急速かつ持続した供給がまた確保される。このために、例えば、二重壁構造の場合、チャンネル形サブチャンバの中の気体の温度よりも高い温度である冷却回路の冷媒が、チャンネル壁を通って流れる等により、チャンネル壁は加熱される。収着貯蔵は、構造的な観点において単純であり、小型の構造であるため、例えば車両など、可動アプリケーションに適している。二重壁であるチャンネル壁を伴った構造は、更に、冷却から加熱への切り替えに対して有利であり、冷媒を交換すること又はその温度を適切に変更することをほとんど必要としない。従って、本実施形態では、燃料の充填と巡回モードとに対し、可動的な使用において、同様に適している。

容器の壁の厚さと分割要素との選択は、該容器において予測される最大圧、該容器の大きさ、特にその直径、及び、使用材料の性質によって決まる。１０ｃｍの外径と１００バールの最大圧とを有する合金鋼容器の場合、例えば、最小の壁の厚さは２ｍｍと見積もられる（ＤＩＮ １７４５８に従う）。二重壁の間隙幅は、十分に大きな流量の冷媒がそこを通過できるように選択される。それは、２〜１０ｍｍであることが好ましく、３〜６ｍｍであることがより好ましい。

それぞれのチャンネル形サブチャンバにおけるチャンネル壁の間隔を２ｃｍ〜８ｃｍにすることが有利であることがわかっている。ここで、間隔とは、チャンネル軸に対して垂直な横断面において、対向する壁における２点の間の最短距離である。円形の横断面を有するチャンネルについては、例えば、間隔は直径に対応し、環状の横断面については、アニュラスの幅であり、矩形の横断面については、並行する側面間の最短距離である。特に、全てのチャンネルの冷却又は加熱について言及すると、上述した範囲は、熱伝達と吸着媒体の充填量とにおいて好ましい妥協範囲であることがわかっている。より小さな間隔のときには、一定の外径の容器において、吸着媒体の充填量が減少するが、より大きな間隔の場合には、吸着媒体と壁との間の熱伝達が低下する。加えて、収着貯蔵の重量と、製造コストとが増加し、特に可動アプリケーションにおいては、不都合である。

好ましい実施形態において、チャンネル形サブチェンバにおけるチャンネル壁の間隔は、チャンネルペアの中で４０％以下、特に好ましくは２０％以下で違っている。全てのチャンネル形サブチャンバにおけるチャンネル壁の間隔は、好ましくは、４０％以下、特に好ましくは２０％以下で、互いに違っている。そのような構造は、容器における均一的な充填中の熱除去と放出中の熱供給とにおいて都合がよい。

横断面で示した状態において、容器の内壁及び少なくとも一つの分割要素の外形は、本質的に同形である。複数の分割要素が存在する場合には、全ての分割要素の外形が、容器の内壁の外形と同形であることが好ましい。ここで、同形とは、外形が同じ形状を有すること、例えば、それらが全て円形状、全て楕円形状、又は全て矩形状であること等を意味する。“本質的に同形”の用語は、基本形からの小さい偏差は、形が同じではないことを意味しないことを意味する。例としては、矩形の基本形の場合の曲線状の角、又は、製造上の誤差の範囲内の偏向である。

更なる実施形態において、収着貯蔵の容器はシリンダ形状を有し、少なくとも一つの分割要素は、シリンダ軸に対して、本質的に同軸上に配置される。少なくとも一つの分割要素の長手軸がシリンダ軸に対して、１０度以下の範囲で数度傾斜した実施形態では、“本質的に”同軸であるとみなされる。この実施形態では、チャンネルの全長に亘って均一な流れが形成されるように、シリンダ軸に沿って、チャンネル断面がほんのわずかしか変化しない。

利用可能な設置スペースと容器の最大許容圧力とにより、シリンダ状の容器に対して、異なる断面積、例えば、円形、楕円形又は矩形等、が適切である。例えば、容器を車体の空洞内へ適合させる場合、不規則な形状の断面もまた可能である。約１００バールを超える高圧に対し、円形及び楕円形の断面が特に適している。この実施形態において、少なくとも一つの分割要素は、管の内部空間が第１のチャンネル形サブチャンバを形成するように、そして、管の外壁と容器の内壁との間、又は、任意的に、管の外壁と他の分割要素との間の空間が、第２の環状のチャンネル形サブチャンバを形成するように、管状に構成されることが特に好ましい。容器と管状の分割要素との断面は、同じ形状を有すること、例えば、双方が円形状、又は双方が楕円形状であること、が好ましい。本発明にかかるこの実施形態の更なる発展形では、全てが異なる直径を有する環状に構成され、かつ同軸に配置された、複数の分割要素が存在する。これらの断面は、同様に、同じ形状を有することが好ましい。

収着貯蔵の吸着媒体として、多種の材料が適合する。収着媒体は、ゼオライト、活性炭、又は有機金属構造体（ＭＯＦｓ）を含むことが好ましい。収着媒体は、有機金属構造体（ＭＯＦｓ）を含むことが好ましい。

ゼオライトは、ＡｌＯ_４及びＳｉＯ_４４面体で構成されている微小孔性骨格構造を有する結晶性アルミノシリケートである。ここで、アルミニウム及びシリコン原子は、酸素原子を介して互いに結合される。使用可能なゼオライトは、Ａ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト、Ｌ型ゼオライト、Ｘ型ゼオライト、モルデナイト、ＺＳＭ(Zeolite Socony Mobil)５、又はＺＳＭ-１１である。適切な活性炭は、特に、５００ｍ^２ｇ^−１以上、好ましくは１５００ｍ^２ｇ^−１以上、より好ましくは３０００ｍ^２ｇ^−１以上の比表面積を有する。そのような活性炭は、例えば、Energy to Carbon又はMaxSorbという名称で入手することができる。

有機金属構造体は、当業者に公知であり、例えば、US 5,628,508、EP-A-0 790 253、M．O’Keeffe等，J. Sol. State Chem.152（2000），第3〜20頁、H. Li等，Nature 402, (1999），第276頁、M．Eddaoudi等，Topics in Catalysis 9，（1999），第105〜111頁、B．Chen等，Science 291，（2001），第1021〜1023頁、DE-A-101 11 230、DE-A 10 2005 053430、WO-A 2007/054581、WO-A 2005/049892、及びWO-A 2007/023134に記載されている。EP-A-2 230 288 A2で述べられている有機金属構造体は、収着貯蔵に特に適している。好ましい有機金属構造体は、ＭＩＬ−５３、Ｚｎ−ｔＢｕ−イソフタル酸、Ａｌ−ＢＤＣ、ＭＯＦ ５、ＭＯＦ−１７７、ＭＯＦ−５０５、ＭＯＦ−Ａ５２０、ＨＫＵＳＴ−１、ＩＲＭＯＦ−８、ＩＲＭＯＦ−１１、Ｃｕ−ＢＴＣ、Ａｌ−ＮＤＣ、Ａｌ−アミノＢＤＣ、Ｃｕ−ＢＤＣ−ＴＥＤＡ、Ｚｎ−ＢＤＣ−ＴＥＤＡ、Ａｌ−ＢＴＣ、Ｃｕ−ＢＴＣ、Ａｌ−ＮＤＣ、Ｍｇ−ＮＤＣ、Ａｌ−フマル酸、Ｚｎ−２−メチルイミダゾレート、Ｚｎ−２−アミノイミダゾレート、Ｃｕ−ビフェニルジカルボキシラート−ＴＥＤＡ、ＭＯＦ−７４、Ｃｕ−ＢＰＰ、Ｓｃ−テレフタレートである。より好ましくは、ＭＯＦ−１７７、ＭＯＦ−Ａ５２０、ＨＫＵＳＴ−１、Ｓｃ−テレフタレート、Ａｌ−ＢＤＣ、及びＡｌ−ＢＴＣである。

吸着媒体の空隙率は、少なくとも０．２であることが好ましい。空隙率は、ここでは、収着貯蔵の容器における全てのサブ容積の合計容積に対する、空隙容積の割合として定義される。低空隙率では、吸着媒体中の流れに対する圧力損失が増加し、それは充電時間に不利な効果を有する。

本発明の好ましい実施形態において、吸着媒体は、ペレットのベッドとして存在し、最小ペレット直径に対するペレットの透過性（permeability）の割合は、少なくとも１０−１４ｍ^２／ｍである。充填の間に、ペレット内に気体が浸透する割合は、ペレットの内部における圧力が周囲圧力と等しくなる速さに依存する。透過性の減少とペレットの直径の増大に伴って、この圧力均一化の時間、ひいてはペレットのローディング時間もまた増加する。これは、充填及び放出の全過程への制限効果となる。

貯蔵ユニットを操作するための方法の発明の一つの実施形態において、それは駆動システムに統合することができ、貯蔵ユニットは、バッテリの充電状態、収着貯蔵の充填レベル、又はそれらの両方に応じて操作される。ここで、特に、バッテリ及び収着貯蔵を流れる冷媒流は、バッテリの充電状態、収着貯蔵の充填レベル、又はそれらの両方に応じて変更される。

本発明の方法の更なる実施形態において、少なくとも半充電されたバッテリに使用される冷媒流は、バッテリに十分な冷却力が与えられるように設定される。ここで、半充電されたバッテリの表現は、本質的に全容量の５０％充電されたバッテリのことをいう。バッテリの温度が−３０℃から５０℃、好ましくは−１０℃から４０℃、特に好ましくは０℃から３５℃の範囲で維持される場合に、バッテリ用の十分な冷却力が発揮される。

本発明の方法の更なる実施形態において、全容量の４分の１以下、好ましくは１０％以下に充電されたバッテリに使用される冷媒流は、バッテリに対して本質的に冷却力を有しないように設定される。ここで、４分の１以下に充電されたの表現は、全容量の２５％以下に充電されたバッテリのことをいう。本質的に冷却力を有しないとは、バッテリが空気によって冷却されること、及び、本質的に停止した冷却回路によって冷却されることを意味する。

貯蔵ユニットを操作する方法を実行するために、ポンプは、冷却回路において冷媒を搬送することができ、同時に、冷媒は熱をバッテリ又は収着貯蔵から取り除き、いずれの場合にもそれを他方の構成要素に伝達する。ここで、ポンプの送り出し能力は、バッテリの充電状態、収着貯蔵の充填レベル、又はそれらの両方に応じて変更することができる。

貯蔵ユニットを操作する方法の更なる実施形態において、冷媒の総合流は、収着貯蔵回路とバッテリ回路とに分割される。ここで、収着貯蔵回路、バッテリ回路、又は両方の回路における少なくとも一つのバルブを用いて、収着貯蔵回路とバッテリ回路とにおける冷媒の質量流量を調節することができる。

モータユニットを有する駆動システムにおける貯蔵ユニットを操作する方法の実施形態において、電気モータは、少なくとも半充電されたバッテリである場合、内燃機関エンジン又は燃料セルに比べて、よりアクティブにできる。さらに、４分の１以下、好ましくは１０％以下に充電されたバッテリの場合、内燃機関エンジン又は燃料セルは、電気モータに比して、よりアクティブにできる。ここで、よりアクティブの表現は、それぞれ、よりアクティブなモータ要素が、駆動トレーンに対してより大きなトルクを与えることをいう。

特に、駆動システムにおける貯蔵ユニットを操作する方法の発明において、バッテリの充電状態及び収着貯蔵の充填レベルによって決まる多様な形態が存在可能である。

バッテリが本質的にフル充電である、特に全容量の９０％以上に充電されている場合であって、収着貯蔵が本質的にフルである、特に全容量の９０％以上充填されている場合、車両への動力供給に役立つ、電気モータと、内燃機関エンジン又は燃料セルとの両方が優先される。

この実例となる形態において、バッテリ用の冷却力が十分となるように、冷却回路のバルブを配置することができる。収着貯蔵は、吸着エンタルピーに対応して、よりゆっくりと空にすることができる。電気モータは、その場合、内燃機関エンジン又は燃料セルに比して、よりアクティブにでき、また、バッテリ回路用のバルブと、収着貯蔵回路用のバルブとの両方を全開にすることができる。

仮に、バッテリが４分の１以下に充電される、好ましくは全容量の１０％以下に充電されており、収着貯蔵が少なくとも全容量の半分、特に全容量の５０％充填されているならば、車両への動力供給に内燃機関エンジン又は燃料セルを利用することが優先される。

この実例となる形態において、バッテリは、低電力オフテイクのため、空気による冷却のみを要し、冷却回路による冷却を停止することができる。巡回モードによって収着貯蔵はアクティブになり得る。バルブは、バッテリ回路のバルブを閉塞でき、かつ、収着貯蔵回路のバルブを全開できるように、配置することができる。

仮に、バッテリが４分の１以下に充電される、好ましくは全容量の１０％以下に充電されており、収着貯蔵が本質的にフルである、特に全容量の９０％以上充填されているならば、車両への動力供給に内燃機関エンジン又は燃料セルを利用することが優先される。

この実例となる形態において、バッテリは、低電力オフテイクのため、空気による冷却のみを要し、冷却回路による冷却を停止することができる。巡回モードに応じて収着貯蔵はアクティブになり得る。バルブは、それに応じて、バッテリ回路のバルブを閉塞でき、かつ、収着貯蔵回路のバルブを全開できるように、配置することができる。

仮に、バッテリが少なくとも半分充電される、好ましくは全容量の５０％充電されており、着貯蔵が少なくとも全容量の半分、特に全容量の５０％充填されているならば、車両への動力供給に、電気モータと、内燃機関エンジン又は燃料セルとの両方を利用することが優先される。

この実例となる形態において、バッテリ用の冷却力が十分となるように、バルブを配置することができる。収着貯蔵は、吸着エンタルピーに対応して、よりゆっくりと空にすることができる。電気モータは、その場合、内燃機関エンジンに比して、よりアクティブにでき、また、バッテリ回路用のバルブと、収着貯蔵回路用のバルブとの両方を全開にすることができる。

仮に、バッテリが本質的にフル充電である、特に容量の９０％以上に充電されている場合であって、収着貯蔵が全容量の４分の１以下、好ましくは全容量の１０％以下に充填されているならば、車両への動力供給に、電気モータと、内燃機関エンジン又は燃料セルとの両方を利用することが優先される。

この実例となる形態において、バッテリ用の冷却力が十分となるように、冷却回路のバルブを配置することができる。収着貯蔵は、吸着エンタルピーに対応して、よりゆっくりと空にすることができる。電気モータは、その場合、内燃機関エンジンに比して、よりアクティブにでき、また、バッテリ回路用のバルブと、収着貯蔵回路用のバルブとの両方を全開にすることができる。

本発明は、下記の図面を用いて説明される。しかしながら、記述された実施例及びこの中で強調された態様は、単なる原理の説明に過ぎず、本発明を制限するものではない。更に、当業者が通常行うであろう多くの類型の変更が可能である。

本発明に係る貯蔵ユニットを備えた車両の駆動システム。 本発明に係る貯蔵ユニットの第１実施形態。 本発明に係る貯蔵ユニットの第２実施形態。 本発明に係る貯蔵ユニットの第３実施形態。 本発明に係る貯蔵ユニットの第４実施形態。

図１は、例えばハイブリッド車両用の、本発明に係る貯蔵ユニット１２を有する駆動システム１０を示しており、駆動システム１０は、バッテリ１６と、収着貯蔵として構成された燃料タンク１８と、任意である追加の燃料タンク１９とを備える。

図１の駆動システム１０は、内燃機関エンジン２２及び電気モータ２０を含む動力ユニット１４を備える。かかる駆動システム１０は、特に、車両の動力として内燃機関エネルギーと電気エネルギーとが使用されるハイブリッド車両に適している。従って、内燃機関エンジン２２は、燃料タンク１８，１９からの燃料の燃焼によって、ハイブリッド車両の駆動軸２４にエネルギーを供給することができるとともに、又はこれに代えて、電気モータ２０は、バッテリ１６に貯蔵された電気エネルギーを用いて、ハイブリッド車両の駆動軸２４へ供給することができる。

示されたシステム構築とは別に、内燃機関エンジン２２と電気モータ２０とが駆動トレーン２４において並行して作動する、一連のシステム構築を考え出すことができる。ここでは、電気モータ２０だけが駆動トレーン２４において直接作動し、内燃機関エンジン２２が中間に位置するジェネレータを介してバッテリ１６を充電する。

図１に示す実施形態において、本発明に係る貯蔵ユニット１２は、収着貯蔵として構成される燃料タンク１８と、電気エネルギーを貯蔵するバッテリ１６とを備える。収着貯蔵１８は、ライン２３を介して内燃機関エンジン２０へ搬送された燃料によって充填される。収着貯蔵１８は、燃料が吸着されて蓄えられる、広い内面領域を有する吸着媒体を備える。従って、収着貯蔵１８を充填する際の吸着の結果として、熱が放散され、この熱を収着貯蔵１８から取り除く必要がある。同様に、燃料が収着貯蔵１８から取り除かれる場合に、吸着の作用のための熱を供給する必要がある。熱管理は、そのため、上記の駆動システム１０の設計において非常に重要である。

このために、本発明に係る貯蔵ユニット１２は、バッテリ１６の冷却回路２６に収着貯蔵１８の連結を付与する。従って、収着貯蔵１８は、バッテリ１６の冷却回路２６の中に統合される。冷却回路２６は、バッテリ１６と収着貯蔵１８との間に、例えば、ポンプ２８によって循環される冷媒を搬送する。このようにして、冷媒は、バッテリ１６から熱を取り去り、巡回工程の間に、それを収着貯蔵１８へ移動する。これは、第１にバッテリ１６を冷却し、第２に、燃料の吸着のための熱を収着貯蔵１８へ供給することになる。反対に、冷媒は、吸着貯蔵１８の充填の際に、吸着の熱を取り除くことができ、それをバッテリ１６へ移動することができる。

吸着貯蔵１８とバッテリ１６とは別に、駆動システム１０の発明に係る貯蔵ユニット１２は、内燃機関エンジン２２用の備蓄の追加燃料を保持する追加の燃料タンク１９を備えることができ、ライン２３を介して、これを内燃機関エンジン２２へ供給することができる。例えば、燃料タンク１９は、ディーゼル又はガソリン用の燃料タンクを備えることができる。そのような燃料タンク１９は、車両の生産スケールで用いられ、当業者に十分に知られている。

他の実施形態において、図１の駆動システム１０の動力システム１４は、内燃機関エンジン２０の代わりに、酸化剤と連続的に送り込まれる燃料との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料セルを備えることができる。適切な燃料は、例えば、水素、メタン又はメタノールであり、燃料セルは、酸素、特に大気中の酸素を用いて、それから電気エネルギーを発生させる。この実施形態では、更に、バッテリ１６と一緒に本発明による貯蔵ユニット１２に統合される収着貯蔵１８に、燃料を備蓄保持することができる。

図２は、本発明に係る貯蔵ユニット１２の第１実施形態を示しており、ここで収着貯蔵１８はバッテリ１６の冷却回路に結合される。

最も簡易な変形において、本発明にかかる貯蔵ユニット１２は、バッテリ１６の冷却回路２６に連結された収着貯蔵１８を備える。ここで、冷却回路２６は、冷媒を搬送するライン３０と、回路内の冷媒を収着貯蔵１８とバッテリ１６とに送り込むポンプ２８とを備える。

燃料を貯蔵するために、収着貯蔵１８は、熱の発生とともに燃料を吸着する吸着媒体を備える。内燃機関エンジン２２又は燃料セルのための燃料の供給は、熱の摂取を伴った脱着により達成される。巡回工程の間のこの熱導入を非常に簡易かつ効率よくするために、本発明の貯蔵ユニットは、収着貯蔵１８とバッテリ１６との間の熱結合を提供する。

従って、冷媒は、巡回工程の間にバッテリ１６で放出された熱を取り除き、収着貯蔵１８内に取り込む。そこで、熱は、加熱された冷媒から収着貯蔵１８の吸着媒体へ伝達され、燃料の脱着に利用される。収着貯蔵１８から、燃料の燃焼によって車両に動力を供給するためのエネルギーが追加的に作り出される内燃機関エンジン２２又は燃料セルへ、燃料が移動する。

図３は、本発明に係る貯蔵ユニット１２の更なる実施形態を示し、ここで、バッテリ１６と収着貯蔵１８との間の冷却回路２６は、並列的に運転される。図３の貯蔵システム１２は、同様に、冷却回路２６を介してバッテリ１６に連結された収着貯蔵１８を備える。収着貯蔵１８とバッテリ１６との間で、冷却回路２６を並列的に運転するために、冷却回路２６は、バッテリブランチ３２、収着貯蔵ブランチ３４、及び主ライン３６，３８に分かれる。ポンプ２８は、主ラインに配置され、冷却回路２６内の冷媒を搬送する。ポンプの上流と下流とには、２つのブランチ３２，３４が主ライン３６，３８に通じるジャンクション４４．１，４４．２が存在する。従って、冷媒は、主ライン３６，３８からバッテリブランチ３２と収着貯蔵ブランチ３４送り出され、その後、主ライン３６，３８へ再循環される。

バッテリブランチ３２と収着貯蔵ブランチ３４とにおける冷媒流を調節するために、バッテリブランチ３２と収着貯蔵ブランチ３４とにバルブが配置される。従って、バルブ４０は、バッテリブランチ３２における冷媒流を調節するために、バッテリブランチ３２においてジャンクション４４．１とバッテリ１６との間に設置される。同様に、バルブ４２は、収着貯蔵ブランチ３４における冷媒流を調節するために、収着貯蔵ブランチ３４においてジャンクション４４．１と収着貯蔵１８との間に設置される。それぞれのブランチ３２，３４の冷媒の全質量流量は、必要に応じて、バッテリ１６及び収着貯蔵１８の上流に設置されたバルブ４０，４２を用いて、調整することができる。従って、収着貯蔵ブランチ３４のバルブ４２が開かれて、バッテリブランチ３２のバルブ４０が開かれた場合、収着貯蔵１８とバッテリ１６と基本的に等しい量の冷媒が搬送される。もし、バッテリブランチ３２又は収着貯蔵ブランチ３４における一つのバルブ４０，４２が閉じられたならば、冷媒は他方のブランチ３２，３４を通って流れる。バッテリブランチ３２と収着ブランチ３４とは、このように分離された方法で操作することができる。バッテリブランチ３２と収着貯蔵ブランチ３４との間で、全質量流量を様々な割合で分割する中間設定も可能である。

図４は、冷却回路２６がバッテリ１６と収着貯蔵１８との間で並列的に運転される図３による貯蔵ユニット１２を示す。

図３との相違として、図４の貯蔵ユニット１２は、主ライン３６に熱交換器４６を備える。熱交換器４６は、冷媒の温度調節を追加できる方法を提供するために、主ライン３６においてポンプ２８の上流に設置される。バッテリブランチ３２及び収着貯蔵ブランチ３４からの冷媒は、このように、ジャンクション４４．２を介して主ライン３６に結合され、その後、冷媒の全流れが再び２つのブランチ３２，３４に分割される前に、熱交換器４６を通って流れる。

図５は、本発明に係る貯蔵ユニット１２の更なる実施形態を示し、ここで冷却回路２６は、一つがバッテリ１６用であり、一つが収着貯蔵１８用である２つの分離回路に分割される。

図５の貯蔵ユニット１２は、バッテリ回路３３及び収着貯蔵回路３５を含む冷却回路２６を備える。２つの回路３３，３５は、連結ライン４８，５０を介して互いに連結される。ここで、冷媒は、一つの連結ライン４８におけるポンプ２８を用いて、バッテリ回路３３と収着回路３５との間を搬送される。他方の連結ライン５０では、冷却回路間を流れる冷媒の質量流量を調節するために、バッテリ回路３３と収着回路３５との間にバルブ６０が配置される。

バッテリ回路３３と収着回路３５とにおいて冷媒を循環させるために、２つの回路３３，３５は、ポンプ５２，５６を備えている。さらに、２つの回路３３，３５のそれぞれの冷媒の温度を調節するために、２つの回路３３，３５に熱交換器５４，５８が備えられる。このように、バッテリ回路３３と収着回路３５とは、分離した方法で動作することができる。しかしながら、冷媒は、同様に、バッテリ回路３３と収着回路３５との間の連結ライン４８，５０を介して、２つの回路３３，３５の間を流れることができる。

２つの回路３３，３５間の冷媒交換は、収着貯蔵回路３５の冷媒が、収着貯蔵１８における脱着によって強く冷却されており、特に、２０℃未満、好ましくは０℃未満に冷却されている場合、及び、バッテリ回路３３の冷媒が、バッテリ１６における熱の発生によって強く加熱されている、特に、１０℃以上、好ましくは３５℃以上に加熱されている場合に、特に有利である。もし、回路３３，３５の間に、そのような温度勾配が存在するならば、バッテリ回路３３と収着貯蔵回路３５との間の冷媒を交換するために、バルブ６０を少なくとも部分的に開くことができる。このように、熱は、バッテリ回路３３から取り除かれて、収着回路３５に取り込むことができる。

全体的に、提案した貯蔵ユニット１２によって、効率よく簡易な熱管理が実現できる。特に、バッテリ１６と収着貯蔵１８との相反する熱要求は、冷却回路の結合によって、最適に利用することができる。追加的エネルギーが供給される必要のない自給自足の貯蔵システム１２は、このような方法で作り出される。さらに、貯蔵システム１２の多様な実施形態では、異なるアプリケーションに順応させることができる、バッテリ１６及び収着貯蔵１８の冷媒流の調節が可能である。加えて、最適な熱管理を可能とするための要求に対し、熱伝達は、このような方法で順応させることができる。そのような貯蔵システム１２は、それ故、例えば、ハイブリッド車両又は熱電併給プラントに統合される等、可動及び固定のアプリケーションの環境に簡単に適合させることができる。

バッテリと収着貯蔵との加熱力と冷却力とを実施例の方法によって比較したシミュレーション計算の結果を以下に示す。

計算の基準は、最大１００ｋＷｈの貯蔵容量を有する市販のリチウムイオンバッテリである。そのようなバッテリの最大許容温度は約４０℃である。市販の電気モータに必要な電気エネルギーは、１００ｋｍにつき、約２０−６０ｋＷｈである。そのような電気モータは、一般的に最大７５ｋＷの電力を有する。必要な冷却力は、一般的に最大２ｋＷである。

２０リットルの充填容積を有するとともに、吸着媒体として、タイプ１７７の有機金属構造体（ＭＯＦ）のペレットで充填された容器を収着貯蔵とする。タイプ１７７のＭＯＦは、有機リンカーモジュールである１,３,５-トリス（４-カルボキシフェニル）ベンゼンを介して結合された亜鉛クラスターからなる。ＭＯＦの比表面積（ラングミュア）は、４０００から５０００ｍ^２／ｇの範囲である。この類型のさらなる情報は、特許US7,652,132B2に見られる。ペレットは、３ｍｍの長さと３ｍｍの直径を有する管状を有する。それらの透過性は、３・１０^−１６ｍ^２である。透過性と最小ペレット直径との割合は、従って、１０−１３ｍ^２／ｍである。ベッドの空隙率は、少なくとも０．２であり、例としては０．４７である。

２０リットルのＭＯＦからなる容器に対して、３０％の荷重充填は、約２ｋｇの吸収メタンに相当する。この量の脱着には、２×１０^６Ｊの脱着エネルギーを要する。これは、１７×１０^３Ｊ／ｍｏｌのＭＯＦのモルエネルギーから計算される。６つの容器に対し、１２×１０^６Ｊの全エネルギーになり、約２時間の巡回時間で、約２ｋＷの脱着力を与える。

全体的に、収着貯蔵の脱着エネルギーは、このように、バッテリで要求される冷却力に一致する、又は、収着貯蔵の脱着エネルギーは、バッテリで要求される冷却力よりも大きくなる。収着貯蔵で与えられる冷却力は、それ故、更なる熱損失を考慮に入れたとしても、バッテリや車両のエアコンユニット等の更なる任意の構成要素を冷却するのに十分である。このような方法で、バッテリに必要な冷却力が本質的に収着貯蔵の脱着力に相当する自給自足の貯蔵システムを形成することができる。

１０ 駆動システム
１２ 貯蔵ユニット
１４ 動力ユニット
１６ バッテリ
１８ 収着貯蔵
１９ 燃料タンク
２０ 電気モータ
２１ 電気モータへのライン
２２ 内燃機関エンジン
２３ 内燃機関エンジンへのライン
２４ ドライブトレイン
２６ 冷却回路
２８ ポンプ
３０ 冷却回路のライン
３２，３３ バッテリ回路
３４，３５ 収着貯蔵回路
３６，３８ 主ライン
４０，４２ バルブ
４４．１，４４．２ ジャンクション
４６ 熱交換器
４８，５０ 連結ライン
５２，５６ ポンプ
５４，５８ 熱交換器
６０ バルブ

Claims (15)

1. 少なくとも一つの収着貯蔵（１８）と、少なくとも一つのバッテリ（１６）と、少なくとも一つの冷却回路（２６）とを有する、車両における駆動システム用貯蔵ユニット（１２）において、
   前記収着貯蔵（１８）は、前記冷却回路（２６）を介して前記バッテリ（１６）に結合されることを特徴とする。
2. 前記冷却回路（２６）は、前記冷却回路（２６）の前記バッテリ（１６）と前記収着貯蔵（１８）との間で冷媒を搬送する少なくとも一つのポンプ（２８）を備えることを特徴とする請求項１に記載の貯蔵ユニット（１２）。
3. 前記冷却回路（２６）は、少なくとも一つの収着貯蔵回路（３４，３５）と、少なくとも一つのバッテリ回路（３２，３３）とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の貯蔵ユニット（１２）。
4. 前記収着貯蔵回路（３４）と前記バッテリ回路（３２）とは、少なくとも一つの主ライン（３６，３８）から分岐することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の貯蔵ユニット（１２）。
5. 前記冷媒の流れを制御する少なくとも一つのバルブ（４０，４２）が、前記収着貯蔵回路（３４）又は前記バッテリ回路（２６）に備えられることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の貯蔵ユニット（１２）。
6. 熱交換器（４６）及び／又は少なくとも一つのポンプ（２８）が、前記冷却回路（２６）の前記主ライン（３６，３８）の領域に配置されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の貯蔵ユニット（１２）。
7. 前記収着貯蔵回路（３５）と前記バッテリ回路（３３）とは、回路内において連結ライン（４８，５０）を介して互いに連結された二つの分離回路を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の貯蔵ユニット（１２）。
8. 前記連結ライン（４８，５０）は、少なくとも一つのポンプ（２８）と、少なくとも一つのバルブ（６０）とを備えることを特徴とする請求項１〜３、７の何れか１項に記載の貯蔵ユニット（１２）。
9. 前記収着貯蔵回路（３５）と前記バッテリ回路（３３）とは、少なくとも一つのポンプ（５２，５６）と、少なくとも一つの熱交換器（５４，５８）とを備えることを特徴とする請求項１〜３、７、８の何れか１項に記載の貯蔵ユニット（１２）。
10. 少なくとも一つのバッテリ（１６）と少なくとも一つの収着貯蔵（１８）とが連結された冷却回路（２６）を介して、前記バッテリ（１６）と前記収着貯蔵（１８）との間で熱が交換されることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の貯蔵ユニット（１２）の操作方法。
11. 前記貯蔵ユニット（１２）は、前記バッテリ（１６）の充電状態、前記収着貯蔵（１８）の容量レベル、又はその両方に応じて操作されることを特徴とする請求項１０に記載の操作方法。
12. 前記バッテリ（１６）と前記収着貯蔵（１８）とを通る冷媒流は、前記バッテリ（１６）の充電状態、前記収着貯蔵（１８）の容量レベル、又はその両方に応じて変更されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の操作方法。
13. 前記冷媒の総合流は、収着貯蔵回路（３４，３５）と、バッテリ回路（３２，３３）とに分離されることを特徴とする請求項１０〜１２の何れか１項に記載の操作方法。
14. 請求項１〜９の何れか１項に記載の貯蔵ユニット（１２）を備える駆動システム（１０）。
15. 請求項１〜９の何れか１項に記載の貯蔵ユニット（１２）を備える車両。

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