JP2018534742A - バッテリー用冷却モジュール、乗り物用バッテリー、及び冷却モジュールを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は２以上のバッテリーモジュール（１２）を有するバッテリー（１０）の能動冷却用の冷却モジュールに関し、冷却媒体の通過用の１以上の内部空間（２２）と、互いに向かい合わずいずれもバッテリーモジュール（１２）の１つに割り当てられる２以上の側面（２４）とを有し、プロファイル要素（２０）とバッテリーモジュール（１２）との間の熱伝導接続を作る充填材（２６）が側面（２４）上に配置される。その冷却モジュールとともに、バッテリーの費用対効果及び信頼性の高い冷却が、各側面（２４）と前記側面（２４）上の充填材（２６）との間に形成された接触面（２５）が各側面（２４）よりも小さいという事実によって達成される。

Description

本発明は、少なくとも２つのバッテリーモジュールを有するバッテリーの能動冷却のための冷却モジュールであって、冷却媒体の通過のための少なくとも１つの内部空間と、互いから離れる方向に向けられた少なくとも２つの側面であっていずれもバッテリーモジュールのうちの一つに割り当てられるように設けられた少なくとも２つの側面とを有するプロファイル要素を有する冷却モジュールに関し、プロファイル要素とバッテリーモジュールとの間の熱伝導接続を生成するための充填材が側面に配置される。さらに、本発明は、そのような冷却モジュールを備えた乗り物用バッテリーに関する。最後に、本発明は、冷却モジュールを製造する方法に関する。

最初に述べたタイプの冷却モジュールは、例えば、電気及びハイブリッド乗り物における、特に内燃機関又は燃料電池における、高電圧バッテリーを冷却するために使用される。冷却モジュールは、動作中に所定の温度範囲において又はそれよりも低い温度で、バッテリーモジュールを形成するように組み合わされた、個々のバッテリーセルの温度を維持する働きをする。リチウムイオン蓄電池は、充電及び放電プロセス中に最適な電力を達成するために、また多くの可能な充電サイクル及びしたがって長寿命を達成するために、化学組成に応じて、４０℃〜５０℃の温度範囲よりも低い温度で動作させられる必要がある。これらの規定は、この種のバッテリーの能動冷却を利用して実現される。

ＷＯ２０１２／０１３３１５Ａ１ ＷＯ２００９／１４６８７６Ａ１ ＪＰ２００８−１８１７３３Ａ

冷却のために、バッテリーのバッテリーセル又はバッテリーモジュールは、冷却された浸漬浴において直接配置することができ、又は空冷することができる。さらに、冷却されるべきバッテリー面に接触し、冷却媒体が流される接触冷却器が知られている。

ＷＯ２０１２／０１３３１５Ａ１は、バッテリー用のそのような接触冷却器を備えた冷却構成を記載しており、冷却剤が流されるフラットチューブが、冷却されるバッテリーの底部に対して接触する。ここで、金属フラットチューブとバッテリーの金属アンダーボディーとの間には直接的な金属の接触が形成される。アンダーボディーとフラットチューブとの間でできるだけフラットな接触を達成するために、及びフラット面の可能性のある製造公差を補償するために、フラットチューブはばねを用いてバッテリーのアンダーボディーに対して留められている。

しかしながら、ＷＯ２０１２／０１３３１５Ａ１に記載されている構成は、限られたバッテリーの機械的耐荷重能力及び互いに接触するフラット面の製造公差のために、信頼性のある、接触面のフラット接触を保証できない、という不利な点を有する。例えば約６ｄｍ^２の接触面を有するバッテリーモジュールによって通常許容されるブレース力（ｂｒａｃｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ）は、約２０００Ｎの範囲以内にある。接触面及びばねの形状及び位置の製造及び／又は温度により誘発される偏向に応じて、そのような構成において効果的に作用するブレース力は、２０００Ｎの最大値を超えてはならないのであれば、公差のために１０００Ｎよりも小さくなりうる。この場合、バッテリー及びフラットチューブの相互に割り当てられた金属接触面の十分な接触がもはや保証されず、バッテリーが不十分に冷却される。バッテリーの電力及び寿命の点での損失は、それに起因する。さらに、説明された構成では、バッテリーの各モジュールが個別に冷却され、多数の必要な冷却ユニット及び関連するばね要素が全体的に構成の重量を大きくする。

ＷＯ２００９／１４６８７６Ａ１はバッテリーを冷却するための装置を記載しており、バッテリーの個々のセルが、冷却されたベースプレート上に配置されている。この設計では、２つの金属板によって囲まれた中央のばね要素によって、バッテリーの狭く垂直に配置されたセルが、同様に垂直に延びる２つの冷却フィンの間で支持される。ここでは、鉛直方向に延びる冷却フィンに対し、冷却されるべきセルの定められた一様な接触が達成されないという点で不利である。さらに、鉛直配置のために必要とされ且つ金属プレートによって囲まれたばね要素は、構成の重量を増加させる。

ＪＰ２００８１８１７３３Ａは、乗り物バッテリー用の冷却装置を開示する。ここでは、板状の冷却要素が、互いに隣り合って配置された２つのバッテリーモジュールの間で、クリップ機構を用いて支持されている。冷却要素は、冷却要素に割り当てられたバッテリーモジュールのそれらの表面を完全に覆う。ＷＯ２０１２／０１３３１５Ａ１を参照して既に説明したように、ＪＰ２００８−１８１７３３Ａから知られている構成の場合には、バッテリーモジュールの許容可能なブレース力が制限されているにもかかわらず、冷却されるべきバッテリーモジュール、冷却要素との間の均一で平坦な接触を達成することの課題も存在する。

冷却要素及びバッテリーモジュールの弾力的に弾性のある支持を提供する、例えばＪＰ２００８１８１７３３Ａ又はＷＯ２０１２／０１３３１５Ａ１に記載されているような冷却システムは、準備取り付け状態の動的負荷に関して影響を受けやすい。例えば、乗り物の駆動モードにおいて発生する振動は、接触面の弾力的な弾性支持の範囲内で冷却要素とバッテリーモジュールとの間のフラットな接触を少なくとも一時的に取り除かれることにつながる。この場合、バッテリーの信頼性の高い冷却は保証されず、それはバッテリーの電力及び寿命についてすでに上述した損失につながる可能性がある。

さらに、２つの隣り合うバッテリーモジュールの間に冷却要素を配置することが知られており、冷却要素は２つのモジュールを冷却するために設けられ、各ケースにおいて冷却されるべきバッテリーモジュールと冷却要素との間の熱伝導接触が、冷却要素とバッテリーモジュールとの間に設けられたシリコーンパッドを介して実現される。シリコーンパッドは、バッテリーモジュールに面する冷却要素の全表面を覆い、製造公差を補償する働きをする。したがって、冷却要素が配置される中間スペースの幅は、＋／−０．３ｍｍの許容範囲によって変動することができる。シリコーンパッドは、前記製造公差を補償する働きをし、冷却要素の設置中に、中間スペースの幅に応じて多かれ少なかれ変形する。このようにして、バッテリーモジュールとのフラットな接触が形成され、したがって冷却されるバッテリーモジュールと冷却要素との間の熱の均質な伝達がいずれにおいても達成される。

シリコーンパッドの厚さは、中間スペースの最大幅の領域において、バッテリーモジュール及び冷却要素のそれぞれとのパッドの確実な接触が確保されるような寸法にする必要がある。ここで、前記シリコーンパッドは、中間スペースの最小幅の領域において、それに応じて大きく変形するという課題があり、すなわちバッテリーと冷却要素との間の中間スペースから押し出されなければならない。パッドに非常に柔らかい材料（２０〜４０のショア硬さ（００））が使用されても、バッテリーモジュールは、必要とされるブレース力によって損傷を受け、特に歪むことがある。支持されるべき部品間の据え付け又は支持の力が制限される場合、中間スペースの最小幅の領域においてシリコーンパッドが十分には圧縮されないという課題があり、従って中間スペースの最大幅の領域において冷却エレメントと割り当てられたバッテリーモジュールとの間にエアギャップが残る。エアギャップの領域での乏しい熱伝導のため（約０．０２Ｗ／（ｍ^２Ｋ））、バッテリーモジュールが不十分に冷却され、したがってバッテリーがオーバーヒートする可能性がある。

最後に、２つの隣り合うバッテリーモジュールの間にペースト状の充填材を適用することが知られており、その充填材は、その低い粘性のために、設置中にわずかな圧縮力又はブレース力を必要とする。しかしながら、ペースト状の充填材は、その適用が複雑であり、特に準備取り付け状態（ｒｅａｄｙ ｍｏｕｎｔｅｄ ｓｔａｔｅ）では中間スペースが鉛直方向に延びる場合に、高い動作温度下で長時間応力を加えられた場合のペーストは、充填されるべき中間スペースから流出する傾向があるという不利な点を有する。

上述した従来技術からの発展により、本発明は、バッテリーの能動冷却のための冷却モジュールを特定するという技術的課題に基づいており、その冷却モジュールは、上述した不利な点を有していないか、少なくともより程度の小さい範囲でそれらを有し、特に費用対効果の高い方法でバッテリーの確実な冷却が保証される。さらに、乗り物用のバッテリー及び冷却モジュールの製造方法を特定することが意図されている。

上述した技術的課題は、少なくとも２つのバッテリーモジュールを有するバッテリーの能動冷却のための冷却モジュールによって解決され、冷却媒体の通過のための少なくとも１つの内部空間と、互いから離れる方向に向けられてそれぞれのケースにおいてバッテリーモジュールのうちの１つに割り当てられるようにもうけられた少なくとも２つの側面とを持つプロファイルを有し、そのプロファイル要素とそれらのバッテリーモジュールとの間の熱伝導接続をもたらすための充填材が、前記プロファイル要素の側面に配置される。ここで、各ケースにおける充填材は、プロファイル要素の側面の一部のみを覆う。

「側面の一部のみを覆う」とは、本発明によれば、プロファイル要素のうちの、バッテリーモジュールに割り当てられる、それぞれの側面のかなりの割合の部分を自由にして充填材が残ることを意味すると理解されることが意図されている。換言すれば、それぞれの側面と、前記側面に配置された充填材との間の接触面の面積は、プロファイル要素のそれぞれの側面の面積よりも小さい。したがって、準備取り付け状態では、冷却されるバッテリーモジュールと、プロファイル要素のうちバッテリーモジュールに割り当てられたそれぞれの側面との間に、充填材によって充填又は覆われていない１つ又は複数の領域が、特にエアギャップが、形成される。

充填材で完全に覆われた側面を提供する従来の知られていた解決策と比較して、支持力又は圧縮力を低減することができる。これは、取り付け中に、全体的に少ない充填材がバッテリーモジュールとプロファイル要素との間で圧縮される必要があるか、又はより小さい接触面にブレース力（ｂｒａｃｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ）が作用するからである。したがって、効果は、充填材がバッテリーモジュール及びプロファイル要素に対して実質的に完全に横たわるように、より小さなブレース力で既に達成されうる。使用される充填材との確実な接触は、バッテリーモジュールの均質な冷却を保証する。圧縮力は、従来既知の解決法と比較して１／１０まで低減することができる。

必要とされる圧縮力の低減は、バッテリーモジュールの機械的負荷を低減することを可能にする。特に、準備取り付け状態でバッテリーモジュールに作用する圧縮力は、２０００Ｎよりも小さくすることができる。

冷却モジュール及びバッテリーモジュールが所定の圧縮力で取り付けられる場合、充填材で完全に覆われた側面を有する構成と比較して、その圧縮力は、本発明によれば、より小さい接触面にわたって分布する。その結果、同じ圧縮力又はブレース力が与えられると、充填材はより大きく圧縮され、したがって、プロファイル要素とそれぞれのバッテリーモジュールとの間に形成される距離は、同じ圧縮力で低減されうる。所定の圧縮力は、特に、それぞれのバッテリーモジュールによって最大限許容される圧縮力とすることができ、例えば、２０００Ｎ以下としうる。

従来技術に基づいて既に知られている解決策では、エアギャップを避けるために、冷却されるバッテリーモジュールとプロファイル要素との間のできるだけ大きな接触面が求められる。驚くべきことに、それぞれのバッテリーモジュールを冷却するのに必要な冷却電力は、低減された接触面にもかかわらず本発明による冷却モジュールによって達成できることが示されている。本発明によれば、接触面は低減され、充填材の定められた接触及びより大きい圧縮に有利である。本発明によれば、準備取り付け状態でプロファイル要素と充填材との間に形成される接触面は、例えば、側面の面積の３分の１にまで低減可能である。全体的に、冷却モジュールのコスト及び重量は、充填材の低減された量だけ低減することができる。

本発明による冷却モジュールのプロファイル要素は、例えば、押し出しプロファイルとしうる。プロファイル要素は、冷却媒体の通過に適した複数の内部チャネルを有することができる。チャネルは、実質的に円形又は長方形の断面を有することができ、及び／又は、互いに実質的に平行に配置されうる。チャネルは、好ましくは、プロファイル要素の長手方向に沿って延在することができる。プロファイル要素の側面は、実質的にフラット及び／又は長方形の設計とすることができ、及び／又は、互いに平行に方向付けられることができる。プロファイルは、フラットなプロファイルとすることができ、側面によって境界付けられたプロファイルの厚さは、プロファイルの幅の１／４未満、好ましくは１５％未満、さらに好ましくは１０％未満に対応し、プロファイルの幅は、プロファイルの長手方向に対して横方向に測定される。したがって、プロファイル要素は、特に実質的に長方形の断面を有することができるフラットなチューブとすることができる。プロファイル要素の厚さは、例えば、２．５ｍｍとすることができる。

冷却モジュールの発展によれば、充填材は側面にストリップ状に配置され、側面に割り当てられたそれらのストリップは互いに離れており、ストリップは特に互いに実質的に平行に配置されている。したがって、少なくとも２つ、好ましくは複数の別個の充填材ストリップを１つの側面上に配置することができる。ストリップ間に形成された隙間によって、充填材は、圧縮の際に、圧縮力に対して横向きに配向された方向へより良好に拡がることができる。したがって、ストリップ状に配置された充填材は、同じ接触面及び厚さを有する関連するパッドと比較してより容易に変形することができ、その結果、許容誤差をより良く補償することができる。

本発明による冷却モジュールの更なる改良により、プロファイル要素は、プロファイル要素の側面に隣り合う狭い側部（ｎａｒｒｏｗ ｓｉｄｅｓ）を有し、充填材の少なくとも一部が側面のエッジ領域に配置され、そのエッジ領域がその狭い側部に割り当てられることを提供する。圧縮の場合には、エッジ領域に設けられた充填材が、特に簡単な方法で、狭い側部に割り当てられた隙間に押し込まれることができ、したがってエッジ領域において充填材を変形させるために小さな圧縮力のみが必要とされる。

本発明の発展によれば、必要な圧縮力に関して有利な構成は、充填材から構成され且つ側面のエッジ領域に配置された少なくとも１つのストリップが、エッジ領域に割り当てられる狭い側部に隣り合う点で、及び／又は、エッジ領域から距離を置いて配置される内側ストリップよりもエッジ領域に割り当てられた少なくとも１つの外側ストリップが大きな幅を有する点で達成可能である。圧縮の際に、特にバッテリーモジュールと側面との間の隙間が狭い側部の方向に外側に向かってより大きな程度に広くなるときはいつでも、外側ストリップがより大きな程度で押されうるという事実を、エッジ領域で増大する充填材の幅は考慮し、その隙間は狭い側部のエッジ領域において配置される。これは、例えば、側面と隣接する狭い側部との間に放射状範囲の部分又は面取りが形成される場合である。したがって、外側ストリップをあるサイズにまで、例えば所定の厚さにまで、圧縮するために必要な圧縮力は、内部ストリップを変形させるために必要な値よりも著しく低く、例えば、内部ストリップを変形させるのに必要な力の５０％に過ぎないかもしれない。

圧縮の場合に、エッジ領域に配置された充填材の流動を助けるために、本発明による冷却モジュールの有利な発展によれば、側面及び狭い側部が滑らかにお互いに合流することができ、特に、側面と狭い側部との間に放射状範囲の部分が形成される。ここで滑らかにとは、側面と狭い側部との間にエッジが形成されていないことを意味する。したがって、側面と狭い側部との間に形成された移行領域は、例えば、側面に対して垂直に方向付けられた断面において湾曲させられることができる。特に、側面と狭い側部との間に形成される移行領域は、側面に対して垂直に方向付けられた断面において連続的な接線又は曲率としうる。

条件２ｍｍ≦ａ≦１０ｍｍは、隣接する充填材ストリップ間に形成される距離ａに適用することができる。全体的に同一の接触面における充填材ストリップの数が多いほど、充填材をより容易に変形することができ、必要な取り付け力が低減される。

冷却モジュールの更なる改良によれば、接触面の面積は、それぞれ割り当てられた側面の面積の５％〜８０％であり、充填材は予め組み立てられた非圧縮状態にある。結果として、プロファイル要素のそれぞれの側面の５％〜８０％のみが充填材で覆われる。接触面が側面に比べて小さくなる程、側面のうち充填材で覆われている部分が小さくなる。

接触面の面積は、準備取り付け状態で、特に圧縮された状態で、側面の面積の少なくとも３０％及び多くとも９０％としうる。特に、所定の公差で側面とバッテリーモジュールとの間で中間スペースが充填される非変形状態の充填材ストリップの断面は、この条件が満たされるように選択することができる。低減された接触面にもかかわらず、必要とされる冷却パワーを供給することができる。

充填材はエラストマー、特に軟質シリコーンとすることが可能であり、充填材は熱伝導率を高めるための添加剤を含有することができる。充填材は、好ましくは、室温で小さな力で既に変形されていることが可能であり、したがって、準備取り付け状態では、それぞれに割り当てられたバッテリーモジュールは、ほとんど機械的負荷を受けない。

側面とそれぞれのバッテリーモジュールとの間に形成される製造公差を補償するために、０．３ｍｍ≦Ｔ≦０．８ｍｍの条件を充填材の厚さＴに適用することができる。冷却モジュールと冷却されるバッテリーモジュールとの間のより厳格な公差のために、充填材の小さい厚さＴを選択することができ、より大きな許容範囲を補償するために、より大きな充填材厚さＴを選択することができる。非圧縮状態では、充填材の厚さＴは、ここではそれぞれの側面に垂直な方向に決定される。充填材は、例えば＋／−０．３ｍｍの平坦度及び／又は均一度の公差を補償するために、側面にＴ＝０．５ｍｍの厚さで配置できることが好ましい。

冷却モジュールの発展によれば、１Ｓｈｏｒｅ（Ａ）≦Ｈ≦１０Ｓｈｏｒｅ（Ａ）の条件又は２０Ｓｈｏｒｅ（００）≦Ｈ≦７０Ｓｈｏｒｅ（００）の条件が充填材の硬さＨに適用される。それぞれのショア硬さは、それぞれ関連するＤＩＮに応じて、特にＤＩＮ５３５０５又はＤＩＮ７８６８に応じて、決定される。上記硬さ範囲の充填材は、特に容易に変形することができる。

冷却モジュールの動作中に必要とされる冷却パワーを達成するために、冷却モジュールの改良により、条件０．７Ｗ／（ｍ＊Ｋ）≦λ≦８Ｗ／（ｍ＊Ｋ）が充填材の熱伝導率λに適用される。充填材の熱伝導率の表示値は、特に室温で非圧縮状態において適用される。

充填材は、好ましくは、プロファイル要素との及び／又はバッテリーモジュールとの接着接続を形成する材料であることができ、充填材に割り当てられるそれらのプロファイル要素及びバッテリー要素の表面は、特に金属であることができ、又は好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金からなることができる。

充填材は、保護膜によって冷却モジュール上で覆われることができる。この保護膜は、冷却モジュールの保管及び輸送中に充填材を保護する役割を果たし、冷却モジュールの最終的な据え付け前に取り除かれることができる。保護膜は、プロファイル要素とは別個に充填材に最初に設けられるバッキングフィルム（ｂａｃｋｉｎｇ ｆｉｌｍ）とすることができる。充填材は、バッキングフィルム上に、複数のストリップ状に所定の距離で配置することができる。このように、充填材ストリップの配置は、バッキングフィルム上で既に予め定めておくことができ、したがって、側面上のバッキングフィルムの単純な整列及び適用によって、プロファイル要素上の充填材ストリップの求められる配置は達成されることができる。

本発明の基礎となる技術的課題は、少なくとも２つのバッテリーモジュールと、バッテリーモジュールの能動冷却のための冷却モジュールと、を備えた乗り物用バッテリーによって更に解決され、冷却モジュールは、バッテリーモジュール間に配置され、本発明による方法で設計される。

バッテリーモジュールの各々は複数のバッテリーセルから構成されることができ、その複数のバッテリーセルは、緊密に詰められ、或いは１列に互いに並んで隣りあっている。バッテリーセルは、実質的に長方形の基本形状を有する角柱セル（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｃｅｌｌｓ）とすることができる。そのようなバッテリーセルは、実質的にフラットな熱伝導底面を有することができる。緊密に詰められたバッテリーセルの隣り合う底面は、バッテリーモジュールの底面を形成することができる。バッテリーモジュールの底面は、寸法及び平坦度の偏差から生じる＋／−０．３ｍｍの許容範囲を有することができる。隣接する２つのバッテリーモジュールの底面は、冷却モジュールの側面に割り当てられることができる。

本発明のバッテリーでは、冷却されるべきバッテリーモジュールとプロファイル要素との間の温度差が、いずれも冷却されるべきバッテリーモジュールの最高温度においても、適切な範囲内に保たれることができる。プロファイル要素内に配置された冷却媒体とプロファイル要素の側面との間の温度差は、１．５Ｋとすることができ、バッテリーの前記側面と側面に向けられた面、特に底面、との間の温度差は、６．５Ｋとすることができ、冷却媒体が膨張した場合の圧力の降下による温度差は２Ｋとすることができる。バッテリーの底面とプロファイル要素の側面との間の温度差は、好ましくは７Ｋよりも小さい。信頼できる冷却のために、冷却媒体とバッテリーモジュールとの間には全体的に１０Ｋの温度差がここでは必要とされる。したがって、５℃の冷却媒体の蒸発温度の場合には、側面に面するバッテリーのその表面の領域において１５℃の温度が生じる。

プロファイル要素の側面は、冷却されるべきバッテリーモジュールの底面にそれぞれ割り当てられることができ、側面及び底面は互いに実質的に平行に配置されることができる。バッテリーの準備取り付け状態において、０．０５〜０．５ｍｍの明確な幅を有することができる中間スペースは、側面と底面との間に形成されることができ、中間スペースは、充填材によって部分的にだけ充填される。準備取り付け状態において、冷却モジュールは、ネジ山付きロッド及びナットを用いてバッテリーモジュール間で支持又は圧縮されることができる。

バッテリーは、複数の冷却モジュールを有することができる。それらの冷却モジュールは、バッテリーの長手方向に沿って、互いに距離をおいて配置されることができ、それらの冷却モジュールは、特に互いに平行に延びることができる。それらの冷却モジュールは、それぞれ反対側の端部側にパイプに通じることができ、パイプは冷却回路につながっている。

バッテリーの発展によれば、０．８＊（Ｇ／λ）＾０．３＜（Ｂ／Ａ）＜１．２＊（Ｇ／λ）＾０．３の条件が、全体接触面Ａに対して、必要とされる接触面の幅Ｂに適用され、Ｇは、圧縮された状態でのｍｍでの側面とバッテリーモジュールとの間の最大ギャップ幅であり、λはＷ／（ｍ＊Ｋ）での充填材の熱伝導率である。この条件は、特にプロファイル要素の実質的に長方形の側面に関して適用され、その側面において充填材が複数のストリップの形態で配置されることができ、それらのストリップは、側面の全長にわたって長手方向に沿って延在し、且つ、長手方向に対して横に向けられる幅方向にお互いに距離をおいて配置され、したがって側面の一部のみをカバーする。そのような場合、変数Ｂは個々の充填材ストリップの幅の合計とすることができ、したがって、例えばＢ＝Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３がＢに適用され、Ｂ１、Ｂ２及びＢ３は、それぞれ、お互いに間隔が空けられた３つの充填材ストリップの幅である。

したがって、式０．８＊（Ｇ／λ）＾０．３＜（Ｂ／Ａ）＜１．２＊（Ｇ／λ）＾０．３は、プロファイル要素の側面Ａの全体幅上にそれぞれ配置される複数の充填材ストリップのすべての全体的な幅に関する上限及び下限を定めることができる。最小幅Ｂ未満では、最大冷却パワーでの、すなわちバッテリーモジュールから伝えられる最大熱流での、充填材の領域における温度勾配が高過ぎであり（例えば＞１２Ｋ）、したがってバッテリーをもはや十分には冷却することができず、それはバッテリーの熱劣化につながる。最大幅Ｂを超えると、据え付け中に充填材を圧縮するのに必要な力が高過ぎであり（例えば、＞２０００Ｎ）、したがってバッテリー又はバッテリーモジュールが機械的に破壊される可能性がある。幅Ｂの上記の範囲は使用される充填材の量を制限し、したがって冷却モジュールの重量及びコストが全体として低減されると同時に、バッテリーの確実な動作が保証される。

本発明の基礎となる技術的課題は、更に、少なくとも２つのバッテリーモジュールを有するバッテリーの能動冷却のための冷却モジュールを製造する方法によって解決され、それにおいて以下の方法ステップを経る：
Ａ）冷却媒体の通過のための少なくとも１つの内部空間と、互いに向かい合わない少なくとも２つの側面であって、いずれもバッテリーモジュールのうちの一つに対して割り当てられるように設けられた少なくとも２つの側面と、を有するプロファイル要素を提供すること；
Ｂ）前記プロファイル要素と前記バッテリーモジュールとの間の熱伝導接続を作り出すための充填材を側面に適用し、それぞれの側面と前記側面上に設けられる充填材との間に形成される接触面がそれぞれの側面よりも小さいことを特徴とする。

上述の方法の発展によれば、充填材は、作業ステップＢ）において押出プロセスで側面に適用され、充填材は特に溶融状態又はペースト状態である。したがって、充填材を連続的なプロセスにおいて効率的に適用することができる。

本発明による方法の代替の改良によれば、充填材は、押出プロセスにおいて側面に対する適用に先立ってバッキングフィルムに適用され、バッキングフィルムにおける充填材の配置は、特に、互いに間隔があけられたストリップ状で行われる。したがって、充填材ストリップの相対配置は、プロファイル要素の側面に対する充填材の適用の前に、予め決定することができる。このようにしてバッキングフィルム上に設けられた充填材のプロファイル要素への適用は、作業工程Ｂ）において、プロファイル要素の側面のうちの１つに対し、バッキングフィルムを位置決めして接着することによって、行うことができる。その結果、プロファイル要素とは別個独立に充填材がまずバッキングフィルム上に設けられるので、予め定められた、特に標準化された、プロファイル要素に関し、充填材ストリップの配置は必要な用途に応じて変更することができる。

本発明は、実施形態を示す図面を参照し、より詳細に後述される。それぞれが概略的である図面において
図１は、従来技術による構成を示す。 図２は、本発明によるバッテリーの断面を示す。 図３は、本発明による冷却モジュールの構成を示す。 図４は、本発明による冷却モジュールの断面を示す。 図５は、本発明によるバッテリーの断面を示す。 図６は、本発明による冷却モジュールの断面を示す。 図７は、図６からの冷却モジュールを、取り付けられた状態での断面で示す。 図８は、本発明によるバッテリーのさらなる改良を示す。 図９は、バッキングフィルム上の充填材の配置を示す。 図１０は、図９からのバッキングフィルムの据え付けに関する据え付け装置を示す。 図１１は、冷却モジュールの設計のシミュレーション結果を示す。 図１２は、冷却モジュールの設計のシミュレーション結果を示す。 図１３は、冷却モジュールの設計のシミュレーション結果を示す。

本発明の基礎となる課題は、図１を参照して以下に概説される。

互いに隣り合って配置された２つのバッテリー又はバッテリーモジュール１は、前記バッテリーモジュール１間に配置された冷却モジュール２によって冷却される。ここで、バッテリーモジュール１の底面３は、冷却モジュール２の側面４に割り当てられている。底面３の平坦度及び均一度の公差のために、底面３間で境界が示され且つ冷却モジュール２が配置されるギャップ５のギャップ幅は、＋／−０．３ｍｍの公差を有する。冷却モジュール２をギャップ５の領域において確実に収容することができるように、冷却モジュール２の壁厚は最小ギャップ幅に関して設計される。そのような冷却モジュール２が最大ギャップ幅を有するギャップ５に収容される状況に関し、冷却モジュール２の側面４とバッテリーモジュール１の底面３との間には０．６ｍｍの遊びがある。そのような場合において、冷却モジュール２は、バッテリーモジュール１のうちの一方と接触すると同時に、他方のバッテリーモジュール１から０．６ｍｍの距離になるように配置されることができる。あるいは、冷却すべき２つのバッテリーモジュール１に対して、２つの側部上に、いずれにおいてもエアギャップ、例えば０．３ｍｍのエアギャップ、が存在する。第１のケースでは、冷却モジュール２と接触しているバッテリーモジュール１のみが十分に冷却される。したがって、バッテリーモジュール１は、大きく異なる程度に冷却され、冷却モジュール２から離れて配置されたバッテリーモジュール１は、十分な冷却を欠くことで損傷を受けうる。これは、２つの側部においてエアギャップを有する冷却モジュール２の配置に等しく当てはまり、この場合、２つのバッテリーモジュール１は不十分に冷却される。

この課題に対処するために、冷却モジュール２とバッテリーモジュール１との間に充填材６を設けることが知られており、その充填材６は、バッテリーモジュール１に割り当てられた側面４を完全に覆う。この構成が設けられると、充填材６は、冷却モジュール２とバッテリーモジュールとの間で圧縮される。２０〜４０のショア硬さ（００）を有する軟質充填材であっても、製造公差を補償するために必要な据え付け力がバッテリーモジュール１によって許容可能な力を超えるという課題があり、したがって例えば、バッテリーモジュール１の変形、特に歪み、が生じうる。

図２は、本発明によるバッテリー１０の断面を示す。バッテリー１０は、互いに隣り合って間隔をもって配置された２つのバッテリーモジュール１２を有する。それらのバッテリーモジュール１２は、互いに実質的に平行に配向された互いに対向する底面１４を有する。本発明による冷却モジュール１６は、バッテリーモジュール１２間に配置される。冷却モジュール１６は、クランプ要素１８を用いてバッテリーモジュール１２の底面１４の間で支持されている。ここで本ケースにおいて、クランプ要素１８は、ナットで補強されたねじ付きロッドである。

個々の冷却モジュール１６はそれぞれ、プロファイル要素２０を含む。そのようなプロファイル要素２０は、互いに隣り合って配置された多数の冷却チャネル２２であって、それぞれのプロファイル要素２０（図４）の長手方向範囲Ｌに沿って互いに平行に配向された多数の冷却チャネル２２を有する。

図３は、冷却回路（図示せず）内に接合されたパイプ２３内に端部側において通じている本発明による４つの冷却モジュール１６の配置を示す。冷却媒体（図示せず）は、前記冷却回路を介して冷却モジュール１６の冷却チャネル２２を通って搬送されることができる。

図４は、長手方向Ｌに対して横方向に向けられた幅方向Ｂに沿った、本発明による冷却モジュール１６の断面を示す。冷却モジュール１６は、充填材２６が幅Ｂ１及びＢ２のストリップ２８、３０に配置される側面２４を有する。外側ストリップ２８は幅Ｂ１を有し、内側ストリップ３０は幅Ｂ２を有する。幅Ｂ１は幅Ｂ２よりも大きい。それぞれの側面２４の全幅Ａは、充填材ストリップ２８、３０の個々の幅Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ１の合計よりも大きく、したがって中間スペース３２は、いずれにおいても充填材ストリップ２８、３０間に形成される。したがって、側面２４は一部のみが充填材２６で覆われている。したがって、各充填材ストリップ２８、３０と側面２４との間のいずれにも形成される接触面２５の面積は、それぞれの側面２４の面積よりも小さい。言い換えれば、充填材が側面の一部のみを覆いつつ、他の部分は空いたままである。

ストリップ２８は、側面２４のエッジ領域３４にいずれにおいても配置されている。エッジ領域３４は、それらの側面２４を接続する狭い側部３６に隣接している。狭い側部３６は放射状範囲の部分によって形成され、したがって、それぞれの平らな側面２４から狭い側部３６まで滑らかな移行が形成される。

充填材のそのストリップ３０（又はそれらの複数のストリップ３０）は、外側ストリップ２８間に均一に分布されるか、又は場合によっては非対称に配置されてもよい。隣り合うストリップ間にそれぞれの中間スペースが残ることが重要であり、前記中間スペースは、ストリップが据え付け中に横方向に拡がることを可能にする。

本発明によるバッテリー１０の設置については、図５ａ、５ｂ及び５ｃを参照し、以下により詳細に説明する。図４において先に示した本発明による冷却モジュール１６は、バッテリーモジュール１２の底面１４間に配置されている。図５ａは、支持前の、一緒に支持される構成要素１２及び１６の状態を示す。図５ｂ及び図５ｃは、取り付け準備の、圧縮された状態の、本発明によるバッテリー１０を示す。

図５ｂは、バッテリーモジュール１２の互いに向き合った底面１４間の最大ギャップ幅の場合を示し、そのギャップ幅は３．５ｍｍである。この場合、充填材ストリップ２８、３０の厚さは０．５ｍｍであり、幅Ｂ１は３ｍｍであり、幅Ｂ２は２．５ｍｍである。冷却モジュール１６の壁厚は２．５ｍｍである。

図５ｃは、バッテリーモジュール１２の互いに向き合った底面１４間の最小ギャップ幅の場合を示しており、そのギャップ幅はここでは２．９ｍｍである。図５ｂに記された状態と比較して、充填材ストリップ２８、３０はよりかなり大きく圧縮されて変形される。最小ギャップ幅の場合の幅Ｂ１は５ｍｍであり、幅Ｂ２は５．７ｍｍである。外側の充填材ストリップ２８は、狭い側部３６の放射状範囲の部分の領域において拡大する間隙に押し込まれることが分かる。

図６は、本発明による冷却モジュール１６の更なる改良を示しており、上述の例と比較して、実質的により多数の狭い充填材ストリップ３８が設けられている。

図７は、図６からの冷却モジュールの準備取り付け状態を示す。図７ａは、充填材が０．０５ｍｍの厚さに圧縮された最小ギャップ幅の場合を示す。図７ｂは、充填装置ストリップ３８が０．３５ｍｍの厚さに圧縮されているこの装置の最大ギャップ幅を示す。多数の狭い充填材ストリップ３８は、圧縮力をいっせいに減少させることができる一方、充填材ストリップ３８のより大きな変形を可能にする。その結果、０．０５＋／−０．０２ｍｍの最小ギャップ幅を達成することができる。図７ａ及び図７ｂにおいて、線画４０は、予め組み立てられた非圧縮状態の充填材ストリップ３８の厚さを示す。圧縮されていない状態では、充填材ストリップ３８の厚さは、圧縮状態の最大ギャップ幅よりも大きい。

図８は、個々の構成要素１２、１６の設置の前後における、本発明によるバッテリー１０の更なる改良を示す。図８ａのバッテリーモジュール１２間に示された冷却モジュール１６は、充填材２６が保護膜又はバッキングフィルム４０によって覆われている点で、上記の実施形態と異なる。バッキングフィルム４０は、冷却モジュール１６の輸送又は保管の間の機械的又は化学的な環境の影響から充填材２６を保護する働きをする。バッキングフィルムは、冷却モジュール１６が圧縮される前に除去される。図８ｂは、説明された構成に関して０．３５ｍｍの最大ギャップ幅の状態を示し、図８ｃは０．０５ｍｍの最小ギャップ幅の状態を再現する。図８ｃに見られるように、充填材２６は、据え付けプロセスによって狭い側部３６の領域内に部分的に押し込まれている。据え付け力又は圧縮力を制限するために、最小ギャップ幅は０．０５ｍｍに制限されている。

図９及び図１０は、バッキングフィルム４０を用いた冷却モジュール１６の製造を示す。充填材２６は、バッキングフィルム４０と一緒に、プロファイル要素２０とは別個に、設けられる。充填材２６は、互いに間隔があけられたストリップ状に、バッキングフィルム４０上に配置されている。ここで本ケースにおいて、充填材２６は、両側においてバッキングフィルム４０によって包囲されている。バッキングフィルム４０及び充填材２６のユニットは、設置補助具４２に配置されている。プロファイル要素２０に面するバッキングフィルム４０が除去され、プロファイル要素２０は、充填材ストリップ２６とともに圧縮される。充填材２６は、プロファイル要素２０の側面２４に接着して付着する。プロファイル要素２０とは向かい合わないバッキングフィルム４０は、最初は、冷却モジュール１６の輸送及び保管のために充填材２６上に残り、充填材の保護をもたらす。バッキングフィルム又は保護膜４０は、バッテリー１０におけるそのような冷却モジュールの最終的な据え付けの前に、除去される。

図１１、図１２及び図１３は、それぞれ冷却モジュール１６の設計に使用できるシミュレーション結果を示す。

図１１において、冷却モジュールのバッテリー底面と側面との間に生じる温度差は、ｍｍでの充填材の接触幅Ｂの全体にわたってＫでプロットされており、Ｂは、別個の充填材ストリップの幅の合計である。そのプロットは、バッテリーモジュールの底面と冷却モジュールの側面との間の０．５ｍｍの最大ギャップ幅と、３４０ｍｍの長さを有する冷却モジュールに関する８０Ｗ冷却パワーとに適用される。充填材によって完全に覆われた側面に関する最大接触幅Ｂは２０ｍｍである。充填材ストリップの厚さは０．５ｍｍである。

図１２は、０．５ｍｍの厚さ及び２．５Ｗ／（ｍ＊Ｋ）の熱伝導率を有する材料ストリップに関するシミュレーション結果の表形式の一覧である。そのシミュレーションは、プロファイル要素の２０ｍｍの全幅のうちの５．５ｍｍだけが充填材で覆われている場合、それはバッテリーモジュールの冷却にとって十分であることを明らかにしている。したがって、接触幅Ｂは最大接触幅の２８％に過ぎない。そのようにしてバッテリー底面の温度は１８℃よりも低く保つことができ、バッテリーの底面と冷却モジュールの側面との間に生じる温度差は最大で６Ｋであり、プロファイル要素内において行われる冷却媒体の蒸発温度は５℃である。

図１３は、更なるシミュレーション結果を示し、図１１で説明したプロットと比較して、ここでの基礎は０．３５ｍｍの最大ギャップ幅である。そのシミュレーションは、プロファイル要素の２０ｍｍの全幅のうちの６ｍｍだけが充填材（熱伝導率２．５Ｗ／（ｍ＊Ｋ）によって覆われている場合、それはバッテリーモジュールの冷却に十分であることを明らかにしている。したがって、接触幅Ｂは、最大接触幅のわずか３３％としうる。そのようにして、バッテリー底面の温度は、１８℃よりも低く保つことができ、バッテリー底面と冷却モジュールの側面との間に生じる温度差は最大で６Ｋであり、プロファイル要素内で行われる冷却モジュールの蒸発温度は５℃である。

Claims (18)

1. 少なくとも２つのバッテリーモジュール（１２）を有するバッテリー（１０）の能動冷却のための冷却モジュールであって、冷却媒体の通過のための少なくとも１つの内部空間（２２）を有するプロファイル要素（２０）と、互いに向かい合わない少なくとも２つの側面（２４）であっていずれにおいても前記バッテリーモジュール（１２）のうちの１つに割り当てられるように設けられる２つの側面（２４）と、を有し、前記プロファイル要素（２０）と前記バッテリーモジュール（１２）との間の熱伝導接続を作り出すための充填材（２６）が前記側面（２４）に配置され、前記充填材（２６）はいずれにおいても前記プロファイル要素（２０）の前記側面（２４）の一部のみを覆うことを特徴とする冷却モジュール。
2. 前記充填材（２６）は、前記側面（２４）上にストリップ（２８、３０、３８）で配置され、側面（２４）に割り当てられた前記ストリップ（２８、３０、３８）は、お互いに距離（ａ）があけられており、前記ストリップ（２８、３０、３８）は特に互いに実質的に平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却モジュール。
3. 前記プロファイル要素（２０）は、前記プロファイル要素（２０）の前記側面（２４）に隣り合う狭い側部（３６）を有し、前記充填材（２６）の少なくとも一部は側面（２４）のエッジ領域（３４）において配置され、当該エッジ領域は前記狭い側部（３６）に割り当てられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却モジュール。
4. 充填材（２６）で構成され且つ前記側面（２４）のエッジ領域（３４）に配置される少なくとも１つのストリップ（２８、３０、３８）が、前記エッジ領域（３４）に割り当てられた狭い側部（３６）に隣り合っていること、及び／又は、充填材（２６）で構成され且つ前記エッジ領域（３４）に割り当てられる少なくとも１つの外側ストリップ（２８）が、前記エッジ領域（３４）から距離（ａ）おいて配置される内側ストリップ（３０）よりも幅が大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載の冷却モジュール。
5. 前記側面（２４）及び前記狭い側部（３６）が互いに滑らかに合流し、特に前記側面（２４）と前記狭い側部（３６）との間に放射状範囲の部分が形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の冷却モジュール。
6. 隣り合う充填材のストリップ（２８、３０、３８）の間に形成される距離ａに対し、２ｍｍ≦ａ≦１０ｍｍの条件が適用されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の冷却モジュール。
7. 側面上に配置される前記充填材のストップのすべての全体の接触面（２５）の面積は、それぞれが割り当てられた側面（２４）の面積の５％〜８０％であり、前記充填材（２６）は予め組み立てられた非圧縮の状態であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却モジュール。
8. 側面上に配置される前記充填材のストリップのすべての全体の接触面（２５）の面積は、当該側面（２４）の面積の少なくとも３０％であり最大で９０％であり、好ましくは、準備取り付け状態、特に圧縮された状態において、７０％〜９０％の範囲内であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷却モジュール。
9. 前記充填材（２６）がエラストマー、特に軟質シリコーンであり、前記充填材（２６）が熱伝導率を高めるための添加剤を含有しうることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷却モジュール。
10. 前記充填材（２６）の厚さＴに対し、０．３ｍｍ≦Ｔ≦０．８ｍｍの条件が適用されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の冷却モジュール。
11. 前記充填材（２６）の硬さ（Ｈ）に対し、Ｓｈｏｒｅ（Ａ）で１≦Ｈ≦１０の条件又はＳｈｏｒｅ（００）で２０≦Ｈ≦７０の条件が適用されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷却モジュール。
12. 前記充填材（２６）の熱伝導率λに対し、０．７Ｗ／（ｍ＊Ｋ）≦λ≦８Ｗ／（ｍ＊Ｋ）の条件が適用されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の冷却モジュール。
13. 前記充填材（２６）が保護膜（４０）によって覆われていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の冷却モジュール。
14. 少なくとも２つのバッテリーモジュール（１２）と、前記バッテリーモジュール（１２）の能動冷却のための冷却モジュール（１６）とを備え、前記冷却モジュール（１６）が前記バッテリーモジュール（１２）間に配置され且つ請求項１〜１３のうちのいずれか一項に基づいて設けられた乗り物用のバッテリー。
15. 接触面の全幅Ｂ（Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３＋．．．）は、前記側面（２４）の幅Ａに対し、０．８＊（Ｇ／λ）＾０．３＜Ｂ／Ａ＜１．２＊（Ｇ／λ）＾０．３の範囲内にあり、Ｇは、圧縮された状態におけるｍｍでの側面（２４）とバッテリーモジュール（１２）との間の最大ギャップ幅であり、λは、Ｗ／（ｍ＊Ｋ）での前記充填材（２６）の熱伝導率であることを特徴とする請求項１４に記載のバッテリー。
16. 少なくとも２つのバッテリーモジュール（１２）を有するバッテリー（１０）の能動冷却のための冷却モジュールを製造する方法であって、以下の方法ステップ：
    Ａ）冷却媒体の通過のための少なくとも１つの内部空間（２２）と、お互いに向かい合わず且ついずれも前記バッテリーモジュール（１２）のうちの１つに対して割り当てられる少なくとも２つの側面（２４）と、を有するプロファイル要素（２０）を設けること；
    Ｂ）前記プロファイル要素（２０）と前記バッテリーモジュール（１２）との間に熱伝導接続を作り出すための充填材（２６）を前記側面（２４）に適用し、それぞれの前記側面（２４）と前記側面（２４）上に配置される前記充填材（２５）との間に形成される接触面（２５）がそれぞれの前記側面（２４）よりも小さいこと、
    が行われる方法。
17. 前記充填材（２６）は、作業ステップＢ）での押し出しプロセスにおいて前記側面（２４）に対して直接的に適用され、前記充填材（２６）は、特に溶融状又はペースト状であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 押し出しプロセスにおいて前記側面（２４）に対する適用に先立って前記充填材（２６）はバッキングフィルム（４０）に対して適用され、前記バッキングフィルム（４０）上の前記充填材（２６）の配置は、特に、お互いにスペースが開けられた複数のスリップで行われることを特徴とする請求項１６に記載の方法。

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