JP2018503217A - Ｅモビリティ分野における熱管理 - Google Patents
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Abstract
本発明は、素子を温度調整するセラミックの冷却兼加熱体（１）に関し、冷却兼加熱体（１）は、１つの正面（２）と、正面（２）とは反対の側の１つの背面と、正面（２）と背面とを結合する複数の側面（３）とを有するプレート状の支持体から成り、正面（２）および／または背面に、支持体と結合された金属化部が配置されており、支持体は、冷却要素を有する。任意の電気的または電子的な素子を温度調整するために、本発明によれば、正面（２）および／または背面に加熱構造体（４）が取り付けられている。
Description
本発明は、素子を温度調整する冷却兼加熱体に関する。冷却兼加熱体は、正面と、正面とは反対の側の背面と、正面と背面とを結合する側面とを有するプレート状の支持体から成り、正面および／または背面に、支持体と結合された金属化部が配置されており、支持体は、冷却要素を有する。
背景技術
１）電気自動車に使用されるリチウムイオン二次電池（以下Ｌｉ−ｉｏｎバッテリと称される）は、低温状態では、できるだけ素早く最適な動作状態に到達するために、予備温度調整を必要としている。
１）電気自動車に使用されるリチウムイオン二次電池（以下Ｌｉ−ｉｏｎバッテリと称される）は、低温状態では、できるだけ素早く最適な動作状態に到達するために、予備温度調整を必要としている。
低温時に化学プロセスが（劣化時の二次電池の分解も）よりゆっくり進行し、Ｌｉ電池に使用される電解液の粘度が強く増加するので、Ｌｉ−ｉｏｎバッテリの場合でも低温時に内部抵抗が高まり、これにより放出可能な出力が低下する。その上、場合により、使用される電解液が−２５℃付近の温度で凍結する可能性がある。たいていの製造業者は、０℃〜４０℃において作動範囲を表示している。しかし、多くの電池にとって、１８℃〜２５℃の温度が最適である。
１０℃を下回ると、多くの種類では、高まった内部抵抗により、出力が大きく低下して、もはや動作のために提供されない可能性がある。−５４℃まで使用することができる特殊な電解液を含むＬｉ−ｉｏｎバッテリが存在する。低い温度での充電により、多くの場合、不可逆の容量損失を伴う極めて強い劣化が生じる。このような理由から、たいていのＬｉ−ｉｏｎバッテリについては、０℃が充電過程中の許容下限温度として表示される。
２）電気自動車に使用されるＬｉ−ｉｏｎ二次電池は、最適な動作状態を維持し、セルが過熱しないようにするために、冷却を必要としている。バッテリセルの寿命の延長も、冷却により達成することができる。
高すぎる動作温度の場合、多くのシステムでは、電解液の分解により、セル内部抵抗を大きく高める層がアノードに形成される。したがって、放電過程中の温度は、多くの製造業者により６０℃に制限される。
熱負荷時、様々なリチウムイオンバッテリでは、セパレータが溶融し、ひいては急激なエネルギ解放（発熱、発火）を伴う内部の短絡が生じる可能性がある。さらなる危険性は、過負荷時、特に充電時における電池の化学物質の発熱性の分解反応に起源する。
３）電気自動車の全てのパワーエレクトロニクスシステムは、同一の本質的な機能、つまり所定の源から機械的な出力へ変換するためまたはバッテリに蓄積するために出力を伝達する機能を有する。バッテリは、直流電圧として電気を蓄積する。モータは、交流電圧の形でエネルギを使用する。電圧は、たとえばＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ（パワートランジスタ）とも称されるスイッチにより、極めて素早くオン−オフ接続される。トランジスタが多くの電流をバッテリからモータへ導くので、モータに最大のトルクが形成されるまで、交流電圧の振幅が増大する。この過程では、パワートランジスタの損失出力により、導出しなければならない極めて多量の熱が発生する。ここでは、アルミニウムまたは銅から成る空冷式または液冷式のシステムのようなヒートシンクが使用される。チップの性能がますます高まるにつれ、ひいては出力密度が高まるにつれ、最適な放熱はますます困難になる。
本発明の根底を成す課題は、請求項１の上位概念に記載のセラミックの冷却兼加熱体を改良して、任意の電気的または電子的な素子を温度調整できるようにすることである。特に、冷却兼加熱体は、バッテリを加熱するかつ／または冷却するために、ならびにパワーエレクトロニクスを冷却するために、電気自動車に使用されるべきである。
本発明によれば、この課題は、正面および／または背面に加熱構造体が取り付けられていることにより解決される。これにより、本発明に係るセラミックの冷却兼加熱体を冷却することも加熱することもできる。
好適な態様によれば、加熱構造体は、２つの接続極を有し、両方の接続極は、加熱構造体が位置する正面および／または背面の端にまで案内されていて、そこから正面と側面との間の角縁を回って案内されていて、それぞれ側面において１つの金属化された接続箇所に通じる。これにより、加熱構造体のための接続極は、加熱構造体から離間して配置されているので、接続極は、加熱構造体が位置する下面にスペースを必要としない。さらに、電圧源への接続が大幅に簡単化されている。
好適には、加熱構造体は、蛇行状に正面および／または背面の全体を覆っている。これにより、加熱される表面積の割合が最大化されている。
本発明の好適な態様によれば、冷却要素は、支持体に少なくとも１つの入口開口と少なくとも１つの出口開口とを有する内側の冷却通路であるか、または支持体と一体的に形成された外側の冷却リブである。したがって、冷却兼加熱体は、用途に応じて液冷式もしくは空冷式またはこれら両方であってよい。
液冷式の場合、冷却通路は、好適な態様では、互いに平行に配置されており、この場合、好適には、全ての入口開口は、冷却兼加熱体の所定の側面に配置されており、全ての出口開口は、冷却兼加熱体の、この側面とは反対の側の側面に配置されている。これにより、冷却兼加熱体は、押出成形により製作することができる。
好適な態様では、金属化部は、支持体に焼結されている。これにより、金属化部は、極めて硬く支持体と固定されている一方、熱的に最適に支持体と結合されてもいる。多くの実験で、焼結された金属化部によってのみ、支持体からの金属化部の剥離を回避できることが分かった。さらに、生じる熱が直ちに焼結された金属化部を介して支持体へ伝達されるので、ホットスポットが形成されない。
好適な態様では、素子は、電気的または電子的なパワー素子であり、パワー素子の接続極は、金属化部と結合されている。これらの素子は、冷却兼加熱体により素早くかつ絶対的に確実に導出される極めて高い熱を生成する。
１つの使用例では、内側の冷却通路を有する複数の冷却兼加熱体が、互いに平行に配置されており、冷却兼加熱体の入口開口および出口開口は、冷媒用の中央の供給兼排出管路と結合されている。これにより、複数の冷却兼加熱体の列が形成されており、これにより、複数の素子を同時に冷却することができる。
この場合、好適には、複数の冷却兼加熱体の間に素子が配置されていて、冷却兼加熱体と熱伝導可能に結合されている。ある種のサンドイッチ構造が形成されている。熱結合は、最適化されており、同時に所要スペースは、最小限に抑えられている。
好適には、素子は、バッテリ、特にＬｉ−ｉｏｎバッテリである。これらの素子は、所定の温度範囲でのみ合理的に使用可能である。
本発明に係る冷却兼加熱体を電気的な駆動装置を有する車両に使用することが好適である。
本発明に係る冷却兼加熱体は、セラミックスまたはプレート状でセラミックの支持体であり、この冷却兼加熱体は、空冷式または液冷式であり、電気的または電子的な素子に対する支持体として用いられ、この場合、セラミックスは、必要な箇所に金属化部を備え、素子は、金属化部と電気的に接続されている。好適な態様では、金属化部は、セラミックスと焼結されている。空冷のために、セラミックスは、プレート状の支持体から成ってよく、この支持体は、たとえば一方の側で一体的に冷却リブを備え、他方の側で金属化部を支持する。液冷のために、セラミックスは、通路を含んでよく、通路を通じて、冷却液が圧送される。
本発明に係る１つの態様によれば、Ｌｉ−ｉｏｎバッテリのバッテリセルは、金属化された加熱構造体を有する本発明に係るセラミックの冷却兼加熱体により、所定の温度にもたらされる。
本発明に係る別の態様によれば、パワー素子は、ろう付け／ボンディングによる（熱伝導性良好の）金属結合により、冷却兼加熱体に取り付けられる。
セラミックスは、簡単な基板であってよく、基板は、３次元的な構造を有する（たとえばフィンまたは冷却リブ）か、または基板は、閉じた通路またはチャンバ（外方への接続開口を有する）を有してもよい。冷却自体は、ガスまたは液体により行ってよい。
金属化部は、タングステン、モリブデン、銀、銀−パラジウム、銀−白金などの通常の厚膜金属化部である充填され硬化された塗料やＡＭＢまたはＤＣＢであってもよい。
冷却体は、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＳｉＯ2などの混合酸化物セラミックスまたはたとえばＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4などの窒化物セラミックスである通常のセラミックスから形成されてよい。形状付与では、フィルム注型、押出成形、乾式プレス、射出成形、高温注型、ダイカストにより直接に、またはセラミック材料または後で焼結される未焼結の形状体（素材）から成るブランクの機械加工により、必要とされる形状にもたらされる。
実施例
図１、図２および図３には、セラミック製の、プレート状の冷却兼加熱体１を様々な方向から見て示してある。図１は、冷却兼加熱体１の正面２と２つの側面３ａ，３ｂとを示しており、図２は、側面３ｂを見た図を示しており、図３は、冷却兼加熱体１の正面２を示している。
図１、図２および図３には、セラミック製の、プレート状の冷却兼加熱体１を様々な方向から見て示してある。図１は、冷却兼加熱体１の正面２と２つの側面３ａ，３ｂとを示しており、図２は、側面３ｂを見た図を示しており、図３は、冷却兼加熱体１の正面２を示している。
冷却兼加熱体１は、１つの正面２と１つの背面（図示されていない）とから成り、この場合、正面２は、複数の側面３を介して背面と相互に結合されている。冷却兼加熱体１は、それ自体の正面２に加熱構造体４を備える。ここで図示された態様では、蛇行状（屈曲状）に構成された加熱構造体４は、正面２の全体を覆っている。加熱構造体４の両方の接続極５，６は、冷却兼加熱体１の正面２の端にまで案内されていて、角縁７をめぐって案内されていて、それぞれ側面３ａにおいて１つの金属化された接続箇所８に通じる。
冷却兼加熱体１を冷却するために、冷却兼加熱体１は、内側の複数の冷却通路９を有し、冷却通路９を通じて、冷却液が圧送される。ここで図示された態様では、これらの冷却通路９は、互いに平行に配置されており、この場合、全ての入口開口１０は、冷却兼加熱体１の所定の側面３ｂに配置されており、全ての出口開口は、冷却兼加熱体１の、この側面３ｂとは反対の側の側面に配置されている。
この冷却兼加熱体１は、本発明によれば、Ｌｉ−ｉｏｎバッテリのバッテリセル１１（図４参照）と接続されており、良好な熱導出および熱供給が保証されている、つまり良好な熱接触が形成されている。
図示の冷却兼加熱体１は、加熱構造体４とは反対の側の背面で金属化部を有してよく、金属化部に、冷却されるべき素子がろう接されている。冷却通路９を介する冷却は、冷却兼加熱体の背面に設けられるフィンにより代替または強化されてよい。この場合、フィンは、ガス、たとえば空気により冷却される。
図４は、それぞれ２つの冷却兼加熱体１の間に配置された、Ｌｉ−ｉｏｎバッテリの複数のバッテリセル１１を示している。これらの冷却兼加熱体１は、図１〜図３における冷却兼加熱体と同一である。バッテリセル１１は、良好な熱伝導性を有するペーストにより冷却兼加熱体１と結合されてよい。冷却液を冷却兼加熱体１の内側の冷却通路９（図１〜図３参照）を通じて圧送できるようにするために、内側の冷却通路９は、外側の冷却通路１３と結合されている。それぞれ１つの供給部と少なくとも１つの排出部とを備える１つの底部冷却部１４および２つの側方冷却部１５が設けられている。冷却兼加熱体１に設けられた加熱構造体４は、電気的な接続線路１６を介して、少なくとも１つの電圧源（図示されていない）と接続されている。
Claims (11)
- 素子を温度調整するセラミックの冷却兼加熱体（１）であって、
当該冷却兼加熱体（１）は、１つの正面（２）と、該正面（２）とは反対の側の１つの背面と、前記正面（２）と前記背面とを結合する複数の側面（３）とを有するプレート状の支持体から成り、前記正面（２）および／または前記背面に、前記支持体と結合された金属化部が配置されており、前記支持体は、冷却要素を有する、冷却兼加熱体において、
前記正面（２）および／または前記背面に、加熱構造体（４）が取り付けられていることを特徴とする、冷却兼加熱体。 - 前記加熱構造体（４）は、２つの接続極（５，６）を有し、両方の該接続極（５，６）は、前記加熱構造体（４）が位置する前記正面（２）および／または前記背面の端にまで案内されていて、そこから前記正面（２）と前記側面（３）との間の角縁（７）を回って案内されていて、前記側面（３）に設けられたそれぞれ１つの金属化された接続箇所（８）に通じる、請求項１記載の冷却兼加熱体。
- 前記加熱構造体（４）は、蛇行状に前記正面（２）および／または前記背面の全体を覆っている、請求項１または２記載の冷却兼加熱体。
- 前記冷却要素は、前記支持体に少なくとも１つの入口開口（１０）と少なくとも１つの出口開口とを有する内側の冷却通路（９）、または前記支持体と一体的に形成された外側の冷却リブである、請求項１から３までのいずれか１項記載の冷却兼加熱体。
- 前記冷却通路（９）は、互いに平行に配置されており、全ての前記入口開口（１０）は、当該冷却兼加熱体（１）の所定の側面（３ｂ）に配置されており、全ての出口開口は、当該冷却兼加熱体（１）の、前記側面（３ｂ）とは反対の側の側面に配置されている、請求項４記載の冷却兼加熱体。
- 前記金属化部は、前記支持体に焼結されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の冷却兼加熱体。
- 前記素子は、電気的または電子的なパワー素子であり、該パワー素子の接続極は、前記金属化部と結合されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の冷却兼加熱体。
- 内側の冷却通路（９）を有する複数の当該冷却兼加熱体（１）が、互いに平行に配置されており、当該冷却兼加熱体（１）の前記入口開口（１０）および前記出口開口は、冷媒用の中央の供給兼排出管路と結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の冷却兼加熱体。
- 複数の当該冷却兼加熱体の間に前記素子が配置されていて、当該冷却兼加熱体と熱伝導結合されている、請求項８記載の冷却兼加熱体。
- 前記素子は、バッテリ（１１）、特にＬｉ−ｉｏｎバッテリである、請求項１から９までのいずれか１項記載の冷却兼加熱体。
- 請求項１から１０までのいずれか１項記載の冷却兼加熱体を電気的な駆動装置を備える車両に使用する、冷却兼加熱体の使用。
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