JP2016536751A - 電気化学電源のための温度制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電源（２）のための温度制御装置（１）に関する。電源（２）は、ハウジング（４）と複数の基本電池（３）を含む。

Description

本発明は、詳細には請求項１のプリアンブルによる電気化学電源のための温度制御装置に関する。その典型的応用領域は、車両及び据置型負荷装置のバッテリ、充電式バッテリ又は燃料電池の加熱又は冷却である。

電気化学電源が、特定最低温度より低いときは電力をほとんど提供しないことは周知である。そのため、幾つかのバッテリは加熱マットを備え、それにより電温度素子によってバッテリの温度を高める。しかしながら、そのような電温度素子の作用は、エネルギー消費と比較してしばしば不十分である。

また、高い周囲温度で動作中に大量の電力が取り出される場合、電気化学電源が過熱しうることも周知である。この状況では、バッテリをファンによって冷却することは周知である。しかしながら、用途によっては、この冷却は必要とされるほど効果がない。

したがって、温度変動の影響をあまり受けない電源を提供することが望ましい。

これを考慮して、請求項１の特徴を有する技術的概念が提案される。更に有利な実施形態は、更に他の請求項と以下の記述から導出されうる。

本発明の詳細は、以下の記述と請求項において説明される。これらの説明は、本発明の更に他の実例に関する。しかしながら、これらの説明は、例示的な特徴に過ぎない。当然ながら、述べる特徴の個々又は幾つかは、独立請求項によって定義されたような本発明の範囲内で省略、修正又は補足されてもよい。当然ながら、異なる実施形態の特徴が互いに組み合わされてもよい。重要なことは、本発明の概念が実質的に実現されることである。ある特徴が少なくとも部分的に実現される場合、このことは、関連する特徴が完全又は実質的に実現されることを含む。「実質的に」は、実施態様が、所望の使用を識別可能な程度に達成可能であることを意味する。これは、詳細には、対応する特徴が、少なくとも５０％、９０％、９５％又は９９％実現されることを意味することがある。最小量が示された場合は、当然ながら最小量を超えるものも使用できる。構成要素の数が、少なくとも１つとして示される場合は、２つ、３つ、又は任意の他の複数の構成要素を有する実施形態も含む。１つの目的のために述べた特徴は、全ての他の等価な目的のより大きい部分又は全体に適用されうる。特に示されない限り、間隔はその終点も含む。本発明の実施態様に関して幾つかの代替の選択肢が示される場合、それらの選択肢は、個別に実施されてもよく、互いに組み合わされて同時に実施されてもよい。したがって、この場合、「又は（or）」は、「either…or（どちらか一方）」と「and（及び）」を意味する。
以下で、図面が参照される。

電気化学電源を有する自動車両の部分的縦断図である。 図１の電気化学電源の分解図である。

本発明は、例えば、図１による車両で利用されうる。車両とは、陸上車、船舶、鉄道車両、航空機（詳細には、飛行機、船及び自動車両）などの、人及び／又は品物を輸送するための装置のことである。

そのような車両又は船は、本発明による電気化学電源を装備可能である。

電気化学電源は、例えば、非充電式バッテリ、充電式バッテリ又は燃料電池である。これは、電動駆動モータ、スタータモータ、照明などの車両内の様々な電気消費装置に電力を供給する役割をする。車両は、１つ以上のそのような電源を備えることが可能である。そのような電源２は、露出された位置に提供されることが好ましく、あるいは、エンジンルーム内、自動車シャシの下、荷物室内など、運転中に空気流又は周囲空気が届くように作成されてもよい。

電気化学電源２は、好ましくは複数の基本電池３を含む。これは、少なくとも２つの電気端子と１つの化学エネルギー貯蔵機構とを有する組立体又は封入ユニットの観点からモジュールを意味する。これは、例えば、鉛／酸化鉛電池である。電源内に複数の基本電池が提供され、組み合わせで１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、１１０Ｖ、２３０Ｖなどの十分な電圧の電位が達成されることが好ましい。また、組み合わせは、十分な大きさの電流量を達成することが望ましいことがある。この例示的な実施形態では、１０個の基本電池が直列に配列され、２つのそのような直列が、電源内に並列配置される。基本電池３は、電源の高い充電密度を達成するために空間的に密に収容されうる形状を有することが好ましい。この目的に適した形状は、立方体又はロッドである。電源内に少なくとも１つの基本電池が配置される。これは、全ての基本電池に適用されることが好ましい。これらの基本電池は、容易に接触され温度制御されるような方式で整列されることが好ましい。これは、詳細には、長手方向軸を垂直方向に拡張し、電気端子を上向きに配置することによって達成されうる。基本電池は、他の基本電池又はハウジング壁に対して、動作中に固定式に支持されるように位置決めされることが好ましい。更に、構成要素間の最小隙間が、その構成要素のまわりの温度制御流体の確実な流れを保証する。少なくとも１つの基本電池と隣接基本電池の間には、３ｍｍ、好ましくは５ｍｍ、好ましくは１ｃｍの最小隙間があることが好ましい。好ましくは、これと同じことは、少なくとも１つの基本電池と電源の少なくとも１つのハウジング壁の間の最小隙間にも当てはまる。

電源２は、少なくとも１つのハウジング４を有することが好ましい。用語「ハウジング」は、この文脈では、化学物質の望ましくない漏れや電源の電気構成要素の意図しない接触を防ぐための装置を意味する。ハウジングは、気密又は液密容器、詳細には水盤形又は立方形の中空体であることが好ましい。ハウジングの形状は、実質的には、中に配置された基本電池群の輪郭に従う。ハウジングは、電源の内容物の効率的温度制御を可能にする材料、並びに軽量で堅牢な構造のものであることが好ましい。例えば、プラスチック材料、詳細には耐酸性で熱伝導性の組成物、アルミニウム、炭素又はガラス繊維強化複合物がある。詳細には、少なくとも部分的にアルミニウムから成る壁を有するハウジングが好ましい。必要に応じて、ハウジングは、アルミニウムの熱的、化学的、静電的な遮蔽又は絶縁を達成するために、局所的に被覆されてもよい。

ハウジングは、カバー７を有することが好ましい。カバー７は、実質的に、電源２の底領域の輪郭を有することが好ましい。カバー７は、ハウジング４上に液密式かつ気密式に固定されることが好ましい。カバーは、ハウジング７の残りの部分と同じ材料であることが好ましい。

電源は、温度制御流体５を含むことが好ましい。これは、基本電池から電源のハウジングへの余分な熱の放散、又は基本電池の温度が低すぎる場合には電源のハウジングから基本電池への熱伝達を可能にする機能を有する。用語「温度制御流体」は、適切な位置で熱を蓄積、輸送、放散可能な無定形体を意味するように使用される。その例は、液体、気体、粒子、粉末又はこれらの構成要素のうちの１つ以上の混合物である。温度制御流体は、電源内で電源の全ての構成要素のまわりの均一な流れを可能にする量であることが好ましい。これにより、過度に低温又は高温の領域のない均質な温度分布が達成される。温度制御流体は、基本電池とハウジングとの間の利用可能な空間全体を満たすことが好ましい。

温度制御流体の材料は、少なくとも液体状態であり、効率的な熱輸送を可能にする熱容量を有することが好ましい。この目的に適した熱容量は、１ｋＪ／（ｋｇ Ｋ）、より好ましくは１．１ｋＪ／（ｋｇ Ｋ）以上の範囲である。適した材料は、水、塩水溶液、含水及び無水アルコール、フルオロケトン、ヒドロフルオロ炭化水素、及び他の周知の熱媒体である。

温度制御流体の少なくとも一部分は、１００℃未満、好ましくは７０℃未満、好ましくは４０〜５５℃の蒸発温度を有することが好ましい。流体の沸点は、電源の設定動作温度と、望ましい最高動作温度を最大で２０％、より好ましくは１０％超える温度値との間であることが好ましい。パーセンテージは、ケルヴィンの温度値に関する。基本電池３のどれかが局所的に過熱した場合、温度制御流体が蒸発する。温度制御流体の蒸発は、過熱を２つの方法で抑制する。一方、液相から気相への相変化によって、温度制御流体による熱吸収が増える。更に、蒸気は、その浮力によって電源内で素早く上昇する。他方、このようにして、余分な熱が、特にハウジング壁に素早く伝わり、同時に、液体温度制御流体を高温ゾーンに流入させるための空間ができる。この効果は、特に、フルオロ炭化水素と含フッ素ケトンによって容易に達成される。他の点では、温度制御流体は、無毒で非可燃性でオゾン中性でなければならない。温度制御流体は、空気と接しているとき、数日又は数週間だけ化学的に安定していることが好ましい。

ハウジングは、１つ以上の熱通路１０を有することが好ましい。ハウジング４のカバー７内に複数の熱通路が提供されることが好ましい。これは、温度制御流体５の対流によって、高温流体がカバーの方に上昇しやすいからである。ハウジングの端面と側面が熱通路を備えていることが好ましい。ハウジングの底面の追加の熱通路は、特に熱を電源に導入するために役立つことがあり、その理由は、生じる温度制御流体の対流運動によって、温度制御流体が電源内の基本電池に沿って上昇するときに電源内に熱を分散できるからである。

少なくとも１つの熱通路が、ハウジング４の壁の一部分である熱伝導層を有する。ハウジング４の断熱層は、提供された場合に、熱通路の領域内で中断され、それにより、この領域に凹部ができる。

温度制御装置１は、少なくとも１つの熱電気素子１３を含むことが好ましい。熱電気素子は、電圧が印加されていない状態と比較したときに電圧の印加時に高い温度を有する少なくとも１つの面と低い温度を有する少なくとも１つの面とを有する部品（ペルチェ素子）と、温度勾配が適用されたときに電位を生成する部品（ゼーベック素子）である。そのような熱電気素子は、好ましくは熱通路１０の面積に対応する底面積を有する好ましくは平らで実質的にセラミック部品である。カバーの底面積の少なくとも５０％は、熱電気素子で占められることが好ましい。１つの端面当たり少なくとも１つの熱通路１０が、少なくとも１つの熱電気素子を備えることが好ましい。

熱伝達効率を改善するために、温度制御装置は、少なくとも１つの熱伝達装置１５を備える。熱伝達装置１５は、空気と温度制御装置との利用可能な境界面を大きくすることによって、温度素子の表面と電源２の外側の空気との熱伝達を良好にできる。他方で、空気処理量も増加可能である。両方の目的は、互いに平行に延在する複数の熱伝導フィンを有する少なくとも１つの熱伝導体を備える熱伝達装置１５によって達成されうる。熱伝導体は、また、アルミニウム又は銅のような金属などの熱伝導材料を含むことが好ましい。熱伝達装置１５は、少なくとも１つのエアムーバ１７と連結されることが好ましい。エアムーバ１７は、熱伝達装置１５内の熱伝導フィンに沿って空気を送るために、例えば熱伝導体の端面に配置された１つ以上のファンでよい。このようにして、余分な熱が、吹き込まれた空気によって熱伝達装置１５と熱伝導フィンから除去されるか、電源２に導入するために熱伝導フィンによって吹き込まれた空気から吸収される。少なくともエアムーバに出入りする際に熱電気素子の底領域及び／又は熱通路１０に直角な線に沿って向けられた流れ方向を有する吸い込み又は吹き出し空気流を有する少なくとも１つのエアムーバ１７が提供されてもよい。詳細には、熱電装置及び／又は熱通路１０に空気流を吹き込む軸流ファンが提供されてもよい。半径方向の空気流によって熱通路１０及び／又は熱電気素子を温度制御し、かつ軸流ファンによって排気が熱出口又は熱電気素子の底領域に垂直に放出されるように、流れ反転が提供されてもよい。これを達成するため、エアムーバ１７を、熱伝達装置１５の端面に、横にではなく中央に、熱伝達装置１５内の熱伝導体の熱伝導フィンと少なくとも部分的に置き換わるように配置することが適切なことがある。エアムーバ１７は、回転インペラとの偶然の干渉を防ぎ、汚染物又は異物からエアムーバを守り、出入りする空気を好ましい方向に導くためにカバー１９を備えることが可能である。

電源２をきわめて低い温度から又は短い反応時間で確実に加熱するために、温度制御装置は、１つ以上の追加ヒータ２３を備えてもよい。追加ヒータ２３は、ハウジング４の側面に配列された平坦な発熱体でよい。しかしながら、少なくとも１つの追加ヒータ２３は、温度制御流体５内に加熱ロッドの形で配列されてもよい。ハウジング４は、角部から最も速く冷えるので、詳細には、それらの領域内に追加ヒータを配置することが適切である。この目的のため、ハウジング４は、垂直方向に位置合わせされてやはり垂直方向に配置された追加ヒータ２３を収容する隆起部と、温度制御流体の部分リザーバとを有することが好ましい。これらの隆起部は、コンパクトな形状を達成するために電源２の端面に配列されることが好ましい。適切には、各端面の２つのそのような隆起部の間に、少なくとも１つの熱通路と１つの熱伝達装置１５が配置される。

少なくとも１つの追加ヒータ２３は、ＰＴＣ（正温度係数）材料又はセラミック材料（例えば、ＭＣＨ）から作成されることが好ましい。

電源２内の基本電池３の均一な温度制御を保証するために、温度制御装置はまた流体ムーバ２５を備えてもよい。これは、例えば、ハウジング４内に電気駆動部を有するタービンでよい。攻撃的媒体から確実に保護するために、タービンは、磁気又は磁化構成要素を有するインペラでよく、インペラは、ハウジング４の外部に配置された駆動機構によって磁界で動かされる。流体ムーバ２５は、追加ヒータ２３のまわりの確実な流れを保証しかつ温度制御流体５の局所的過熱を防ぐために、隆起部２７又はその近くに提供されることが好ましい。

ハウジング４を気密に作成すると、空気水分の浸入が防止される。この点で従来必要とされていた空冷式システムの経費を節約できる。更に、システムが、結露による腐食及び電気短絡から保護される。過剰圧力による薄肉ハウジングの問題を防ぐために、ハウジング４の内部を２つの異なる物質で満たすことが適切なことがある。第１の物質は、実温度制御流体として働く。これは、熱容量と蒸発挙動に関して既に述べた特性を有する。第２の物質は、電源の全ての動作温度で気体であることが好ましい。これは、詳細には、−５０〜＋１００℃、好ましくは−３０〜＋６０℃の温度範囲に適用される。第２の物質は、第１の物質に溶けないかほんの僅かしか溶けないことが好ましい。第２の物質は、窒素ガス（Ｎ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）又は乾燥空気を含むことが好ましい。第２の物質は、２つの物質の全体積の１〜７０％、好ましくは１０〜５０％、 特に１０〜３０％であることが好ましい。

カバー７の下に温度制御流体の凝縮性成分を含むガス層が形成された場合、カバーにある温度制御装置１は、凝縮器のように働く。その理由は、蒸発した温度制御流体が、熱通路１０にあるカバーで凝縮温度に達するまで冷却されるからである。次に、温度制御流体は、液体として凝結し、ハウジング４内の液体リザーバに滴る。

１ 温度制御装置
２ 電源
３ 基本電池
４ ハウジング
５ 温度制御流体
７ カバー
１０ 熱通路
１３ 熱電気素子
１５ 熱伝達装置
１７ エアムーバ
２３ 追加ヒータ
２５ 流体ムーバ
２７ 隆起部

Claims (4)

1. 電源（２）のための温度制御装置（１）において、
   前記電源（２）がハウジング（４）を含み、
   前記電源（２）が複数の基本電池（３）を含む温度制御装置（１）であって、
   前記基本電池（３）を取り囲む前記ハウジング（４）内に提供された温度制御流体（５）と、
   前記温度制御流体（５）の温度に影響を及ぼす少なくとも１つの装置（１３，１５，１７，２３）とを有することを特徴とする温度制御装置（１）。
2. 前記流体温度に影響を及ぼす前記装置が、
   熱電気素子（１３）、追加ヒータ（２３）、熱伝達装置（１５）又はエアムーバ（１７）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の温度制御装置（１）。
3. 前記温度制御流体（５）が、標準圧力で１００℃未満、好ましくは７０℃以下の蒸発温度を有する、請求項１に記載の温度制御装置（１）。
4. 前記ハウジング（４）が、少なくとも１つのカバー（７）を有し、前記カバー（７）が、前記温度制御流体（５）の前記温度に影響を及ぼす少なくとも１つの装置（１３，１５，１７，２３）を備える、請求項１に記載の温度制御装置（１）。

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