JP2020068209A - 温度制御機能付きバッテリとバッテリ温度調整方法 - Google Patents

温度制御機能付きバッテリとバッテリ温度調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高性能でロングライフなバッテリを提供する。【解決手段】本発明は、液体電解質（9）、前記液体電解質を含むよう適合されたケーシング（2）、前記ケーシング内で前記電解質と接触するように配置された負極（6）、前記ケーシング内で前記電解質と接触するように配置された正極（7）を備えるバッテリ(1)で、前記電解質の温度を修正するために適合された温度制御装置（4）と、前記ケーシング内及びケーシングと前記温度制御装置の間を循環するよう適合された循環装置とを備えることを特徴とするバッテリ(1)に関する。本発明は、バッテリの温度を調整する方法で、液体電解質（9）が、負極（6）と正極（7）を備えるバッテリケーシング（2）内及び前記電解質の温度を修正するために適合された温度制御装置 (4) を通して循環する方法にも関する。【選択図】図1

Description

本発明は、バッテリ、特に、温度制御を備えるバッテリに関する。本発明は、バッテリ、特に、複数のバッテリセルを備えるバッテリの温度を制御する方法にも及ぶ。
バッテリの性能と寿命は、その温度、特に、機能中の温度によるところが大きい。さらに、ほとんどのバッテリは、並列及び/又は直列に接続された複数のバッテリセルを備え、最弱のバッテリセルがバッテリ全体の性能を制限する。そのため、バッテリの各バッテリセル及び全てのバッテリセルにおいて温度制御をする必要がある。
同時に、バッテリの重量は、電気自動車に搭載されたバッテリの重要なパラメータである。燃料消費が、電力源のエネルギー密度によるところが大きい航空機では、バッテリの重量は、特に重要である。バッテリのエネルギー密度は、その構成要素に依存する。また、バッテリのエネルギー密度は、バッテリを良好に機能させるために必要な、特にバッテリの温度制御を行うために必要な、その他の構成要素やシステムにも、依存する。そのため、簡便で軽量なバッテリの温度制御システムが、バッテリの全体的なエネルギー密度を改善する。
さらに、バッテリの温度制御は、航空機においても必須である。これは、バッテリ温度が制御されていないと、バッテリ火災などの重大事象に至る可能性があるからである。
特許文献１は、電解液が循環するレドックスフローバッテリを、開示する。電解液の1つは、冷却のために熱交換器に案内される。しかしながら、このようなバッテリにおいては、2つの電解質は、厳格に分離しておく必要がある。フローバッテリは、航空機には採用されていない。
WO2016001091
本発明は、高性能でロングライフなバッテリを提供することを目的とする。
本発明は、安全なバッテリを提供することを目的とする。
本発明は、さまざまな温度環境、特に航空機において、最適な熱的条件で機能し得るバッテリを提供することを目的とする。
本発明は、全体的にエネルギー密度が高いバッテリを提供することも目的とする。
本発明は、
液体電解質と、
前記電解質の少なくとも一部を含むように適合されたケーシングと、
前記ケーシング内において、少なくとも部分的に前記電解質と接触するように配置された負極と、
前記ケーシング内において、少なくとも部分的に前記電解質と接触するように配置された正極と、
を備えるバッテリであって、
インレットとアウトレットを備え、前記インレットと前記アウトレットの間で前記電解質の温度を修正するように適合された温度制御装置と、
前記ケーシング内と、前記ケーシング及び前記温度制御装置の間とにおいて、前記電解質を循環させるように適合された循環装置と、
を備えることを特徴とするバッテリを、提案する。
本文全体において、「電極」という用語は、負極又は正極の標準的な名称として使用され、そのため、負極及び/又は正極に適用される。
電解質は、負極と正極の間の電荷の輸送媒体である。本発明に記載のバッテリにおいては、負極と正極は、同じケーシング内にあり、分離される必要はない。
電解質は、同時に、2つの役割を果たす。それは、負極と電極の間の電荷輸送をさせることと、負極と正極の温度を調整することである。
温度制御装置は、電解質の温度を下げるように適合されてもよい。
温度制御装置は、少なくとも、熱交換器を備える。
温度制御装置は、温度制御装置のインレットとアウトレットの間で流体接続に配置された熱交換器を、備える。電解質は、電解質の温度を修正するように、熱交換器を通して循環する。特に、熱交換器は、熱を電解質から排除できるようにしてもよい。熱交換器は、冷却ユニットのように能動的なものでもよいし、ヒートシンクのように受動的なものでもよい。
熱交換器は、電解質と乗り物の外側の流体との間で熱交換するように適合されてもよい。乗り物の外側の流体は、例えば、航空機の外側の空気、又は船の外側の水を、含む。これに代えて、又は、これと組み合わせて、熱交換器は、電解質と、乗り物のその他の流体例えば客室の空気との間で、熱交換するように適合されてもよい。
温度制御装置は、ケーシングの外側に配置される。
乗り物においては、温度制御装置は、例えば、航空機客室の空気のような別の流体の温度を修正するといった、複数のシステムに、使用されてもよい。温度制御装置は、電解質から熱を抽出し、その熱を客室の温度を上げるために、特に適合させてもよい。
循環装置は、異なる種類のポンプ、例えば機械式ポンプであってもよい。
正極と負極は、電解質で満たされたセパレータによって、分離される。セパレータは、電解質の充満時にエレクトロンを停止させイオンを通過させるように適合された素材を、備える。
電解質は、セパレータに近接して循環する。電解質は、少なくとも部分的にセパレータ内で循環してもよい。
電荷輸送要素の濃度、例えばイオンのような電荷輸送要素の濃度は、電解質が負極と電極に沿って交互に循環するため、電解質中では一定である。
バッテリは、負極と正極それぞれに接続する集電体を、備える。集電体は、負極及び電極をつなぐ電気回路が閉じられた時に、負極と電極の間で化学反応により生成されるエレクトロンを収集するように適合されている。
このようなバッテリでは、多くの負極及び正極を、同じケーシング内に密集させることができるため、エネルギー密度が高い。
複数の負極及び正極は、複数のバッテリセルを形成してもよい。
同じケーシング内に配置された全てのバッテリセルの温度は、同じ電解質の循環を通して調整される。そのため、これらの各バッテリセルの温度は、各バッテリセルが独立したバッテリより、安定している。
複数のバッテリセルは、バッテリに必要とされる電気特性を得るために、電気的に接続及び/又は並列でもよい。
バッテリは、ケーシング内において少なくとも部分的に電解質と接触するように配置された複数の負極と、ケーシング内において少なくとも部分的に電解質と接触するように配置された複数の正極を備えてもよい。
ケーシングは、複数の電解質インレットを備えてもよい。
ケーシングは、複数の電解質アウトレットを備えてもよい。
ケーシングは、電解質が異なる位置でケーシングに導入されるように、複数の電解質インレット及び複数の電解質アウトレットを、備えてもよい。これによって、ケーシング内のバッテリセルの温度を均一に保つことができる。
ケーシング内に、複合流体回路を構成してもよい。これらの複合回路も、直線的な流れとは反対に、ケーシング内のバッテリセルの温度を均一に保つことができる。
いくつかの実施形態においては、バッテリは、ケーシング内で2つの反対方向に電解質を循環させるように適合された流体回路を、備えてもよい。
このようにして、電解質は、バッテリセルの温度を均一に保ってもよい。実際、電解質の流れが複数のバッテリセルに沿って流れると、その温度は修正される。一般的には、電解質の流れの温度は上がる。ケーシング中で電解質が一方向にのみ流れると、電解質インレット近接のバッテリセルの温度が、電解質アウトレット近接のバッテリセルの温度より低くなるように、ケーシング内の温度勾配が構成される。
そのため、全てのバッテリセルが同一であれば、バッテリセルの少なくとも一部は、その最適温度で機能しないだろう。さらに、バッテリセルが直列で接続されている場合には、効率がより悪いバッテリセルが、バッテリ全体の出力を制限する。さらに、ケーシング内の温度勾配によって、機械的ストレスがバッテリの全ての要素に生じる。
少なくとも2つの反対方向に電解質の流れが存在すると、同じケーシング内のバッテリセルの温度は均一化され、それらの最適温度範囲に保つことができる。
電解質は、並んだバッテリセルに沿って、有益に循環する。
ケーシングの少なくとも1つの長さ寸法が、幅又は深さよりも相当に長い実施形態では、電解質は、実質的に、ケーシングの長手方向に沿って循環する。
正極は、少なくとも1つの穴を含む平面形状を、有し、電解質が、少なくとも1つの穴を通して循環するようにしてもよい。
負極は、少なくとも1つの穴を含む平面形状を、有し、電解質が、少なくとも1つの穴を通して循環するようにしてもよい。
このような電極の形状は、バッテリセルの温度を最適に調整し、バッテリ内で電解質を容易に循環させるために、特にバッテリセルを通して、バッテリ内に流体路を形成することを可能にする。
バッテリセルを通して流体路を形成するために、負極の穴及び正極の穴は、少なくとも部分的に並べて配置されることが有益である。
各バッテリセルは、内部に少なくとも1つの流体路を備えてもよい。流体路及びバッテリセルは、バッテリ内に流体路を形成するために、各バッテリセルの流体路を少なくとも部分的に並べて配置するように適合されてもよい。流体路は、直線的、曲線、又はその他の形状でもよい。
少なくとも1つの負極及び少なくとも1つの正極を有する第1のバッテリセルから、少なくとも1つの負極及び少なくとも1つの正極を有する少なくとも1つの第2バッテリセルに、電解質は連続的に循環してもよい。
同一の電解質、電解質の流体回路、及び温度制御装置は、複数のバッテリセルの温度調整に使用されてもよく、それによって、保存エネルギー単位ごとの全体的な重量が、小さくなる。従って、本発明に記載のバッテリは、エネルギー密度が高い。
負極と正極は、少なくとも部分的に互いに重なり合っていてもよい。
バッテリセルの負極と正極の重なり合いは、エネルギー保存密度を改善する。
さらに、バッテリは、2つの連続したバッテリセルの間に、少なくとも1つのセルセパレータを備える。
このようなセルセパレータは、1つのバッテリセルと、隣接する別のバッテリセルとの間で、電解質の混合を制限してもよい。セパレータは、第1のバッテリセルの負極及び第2のバッテリセルの正極の間で、イオン交換を制限するように設計してもよい。
バッテリは、各対のバッテリセルの間にセルセパレータを備えていてもよい。
本発明は、バッテリの温度調整方法にも及ぶ。
温度調整方法は、
流体電解質を、少なくとも1つの負極及び少なくとも1つの正極を有するバッテリケーシング内において、循環させることと、
流体電解質を、電解質の温度を修正するように適合された温度制御装置を通して、さらに循環させることと、
を備える。
この方法は、同一のケーシング内において、複数の負極及び複数の正極を通して、電解質を循環させることを、さらに備えていてもよい。
電解質は、バッテリが動作中に循環していてもよい。電解質は、バッテリの充電中及び/又は放電中に、循環していてもよい。バッテリの温度は、温度が変更されたとき、特に温度が上がったとき、調整される。
本発明は、上記の説明と以下の図に関する説明とに記述された特徴を有するものだけでなく、この特徴を有する他の組み合わせにも及ぶ。特に、本発明は、バッテリの温度調整方法に関連して説明された特徴を備えるバッテリに、及ぶ。本発明は、バッテリに関連して説明された特徴を備えるバッテリの温度制御方法に、及ぶ。
本発明のいくつかの特定の代表的な実施形態及び態様は、付随図を参照した説明に記述されている。
図1は、本発明に記載のバッテリの実施形態の長手方向の断面を示したものである。 図2は、図 1のバッテリと直交する方向の断面の一部を示したものである。 図3は、本発明に記載のバッテリの実施形態の長手方向の断面の概略図である。 図4は、図 3のバッテリと直交する方向の断面の一部を示したものである。
図1では、ケーシング2を備えるバッテリ1が示され、その中には複数のバッテリセル8が含まれる。各バッテリセル8は、負極6及び正極7を備える。図1の例では、バッテリ1は、10個のバッテリセル8を備え、それらは全て同じケーシング2の内部にある。
バッテリセル8の負極6と正極7の各対の間には、セパレータがある（図示しない）。
各バッテリセル8は、例えばリチウム・イオンのタイプでもよい。
正極7と負極6は互いに重なり合っていてもよい。例えば、負極6は、断面がU字型の2枚のプレートを、備えていてもよい。正極7は、断面がU字型の2枚のプレートを、備えていてもよい。正極7の1枚のプレートは、負極6の2枚のプレートによって成された凹部内にある。一方で、負極6の1枚のプレートが正極7の2枚のプレートによって成された凹部内にある。同様に、負極6及び/又は正極7は、互いに重なり合う複数のプレートを、有してもよい。例えば、図1に示された実施形態では、負極6及び正極7それぞれは、断面がフォーク形状になるように組み立てられた3枚のプレートを備える。各正極7の3枚のうちの2枚のプレートは、対応する負極の2枚のプレートの間にある。これらの重なり合いにより、負極6と正極7の間で電荷交換が促進される。しかしながら、従来のバッテリでは、組立部分が厚くなるため、セルの温度制御を阻害するかもしれない。本発明のバッテリ1は、そのようなバッテリセルの温度を正確かつ継続的に制御され得る。
バッテリ1は、バッテリ1の負極端子27に電気的に接続されている負極コレクタ（図示しない）を、備える。バッテリ1は、 バッテリ1の正極端子18に電気的に接続されている正極コレクタ（図示しない）を、備える。この代表的な実施形態のバッテリケーシング2に含まれる全てのバッテリセル8は、電気的に連続的に接続されてもよい。
ケーシング2は、液体電解質9で満たされている。ここでは、バッテリセル8は、電解質9に完全に浸っている。全てのバッテリセル8及び全ての負極 6及び電極は、それと同じ電解質9に浸され、すなわち、電解質9と接触している。
ケーシング2は、電解質9をケーシング2から排出するように適合されたアウトレット12を、備える。ケーシングは、電解質9を受けるように適合されたインレット11を備える。
セパレータは、負極6と正極7の間の電荷交換を促進するために、電解質で満たされるように適合されている。セパレータは、電解質 9を透過可能である。
この実施形態では、各負極6及び各正極7は、各々のプレートに穴20を備える。セパレータも穴を備える。2つの連続した負極6及び/又は正極7の穴は、より具体的には、バッテリセル8の2つの連続した層の穴20は、バッテリ内に流体路10を形成するために、少なくとも部分的に並べて配置されている。穴20は、バッテリセル8を介して、流体路10を形成する。電解質9は、流体路10によって、ケーシング2を流れることができる。より具体的には、バッテリセル8及び穴20は、ケーシング2のインレット11をアウトレット12に流体的に接続するように適合された流体路10を、形成するよう配列される。これにより、電解質9は、バッテリセル8を介して、インレット 11からアウトレット12に、流れることができる。電解質9は、バッテリセル8を流れるときには、バッテリセル8を冷却したりバッテリセル8を加熱したりするように、バッテリセル8と熱交換してもよい。
ケーシング2のアウトレット12は、チューブ5を介して、温度制御装置4のインレット19に流体接続されている。同様に、バッテリ1のケーシング2のインレット11は、温度制御装置4のアウトレット28に流体接続されている。
温度制御装置4は、電解質9の温度を修正するように適合されている。温度制御装置4は、電解質9から熱を排除したり電解質9に熱を供給したりするように適合された熱交換器を、備える。いくつかの実施形態においては、温度制御装置4は、電解質9の温度を低下させるように適合されてもよい。温度制御装置4は、冷蔵ユニット3を備えてもよい。
温度制御装置4は、温度制御装置4のインレット19とアウトレット28の間で電解質9を循環させるためのポンプ（図示しない）を、備える。ポンプは、温度制御装置4とケーシング2の間における全流体回路内において、特に、ケーシング2を通して、バッテリセル8の流体路10内において、電解質9の循環を可能にする。
図3には、本発明に記載のバッテリ1を部分的に示す他の実施形態が、示されている。バッテリ1は、ケーシング2を備え、その中には複数のバッテリセル8が配置される。各バッテリセル8は、セパレータ23で分離された負極6及び正極7を、備える。ケーシング2は電解質9で満たされている。
図1及び図2の第1の実施形態と第2の代表的実施形態の主な違いは、図4に示さしたように、ケーシング2が、2つのインレット13, 15 及び2つのアウトレット14, 16を備え、各バッテリセル8が2つの穴21, 22を備えることである。ケーシング2は、ケーシング2の第1面に、好ましくは長手方向の端面に、第1インレット13と第2アウトレット16を、備える。ケーシング2は、ケーシング2の第1面とは反対側のケーシング2の第2面に、第1アウトレット14と第2インレット15を備える。
穴21、22 は、2つの流体路10, 17を形成するように、並べて配置されている。2つの流体路10, 17は、分離されており、独立している。電解質9は、少なくとも部分的にセパレータ23を通って、バッテリセル8の周り及び／又はバッテリセル8の間を、流れてもよい。
複数の流体路10, 17は、各電極との熱交換を最適化するために、バッテリセル8の電極面上に散在するように、バッテリセルを通過するように作られてもよい。図4の例では、2つの流体路10，17は、四角い負極6プレートの対角線に沿って配置されている。
第1の流体路10の一端は、ケーシング2の第1インレット13であり、第1の流体路10の他端は、ケーシング2の第1アウトレット14である。第2の流体路17の一端は、ケーシングの第2インレット15であり、第2の流体路17の他端は、ケーシング2の第2アウトレット16である。
いくつかの実施形態では、電解質9がインレット13, 15を介して同じ温度で注入されるように、インレット13及びインレット15それぞれが、温度制御装置4のアウトレットに直接的に接続されてもよい。
代替方法として、他の実施形態では、第2インレット15は、第1アウトレット14に流体的に接続されてもよい。この場合、電解質 9は、第1の温度で第1インレット13を介して注入され、実質的には流体路10内でケーシング2を流れ、第1アウトレット14から第2の温度で出て、その後、実質的には第2の温度と同じ温度で第2インレット15に再注入され、実質的には流体路17内でケーシング2を流れて戻り、第3の温度で第2アウトレット16から出る。
このような実施形態においては、理論的温度は、第1の温度及び第2の温度の間である。第2インレット15及び第1アウトレット14の近接のバッテリセル8は、平均温度である。第1インレット13及び第2アウトレット16の近接のバッテリセル8は、第1の温度と第2の温度の間の平均温度である。これは、バッテリセル8が、第1インレット13に近い側では第1の温度の電解質9と接触し、第2アウトレット16に近い側では第3の温度の電解質9と接触するので、バッテリセル8の温度が平均化されるからである。特に、バッテリセル8が熱伝導性要素を備える場合に成立し、通常、バッテリセル8は、熱伝導要素である負極及び電極を備えている。さらに、第1の温度の電解質9と第3の温度の電解質9が少なくとも部分的に混合するように、電解質9は、バッテリセル8及び/又はバッテリセル8の間、及び/又は、負極と電極の間のセパレータ内で、少なくとも部分的に循環する。
いずれの場合でも、図3の矢印で示されたように、電解質9は、第1の流体路10及び第2の流体路17において、反対方向に好適に循環するようになっている。
さらに、図3に示された実施形態では、各バッテリセル8は、セパレータ23によって、近接するバッテリセル8から分離されている。
本発明は、ここで一例として開示された特定の実施形態に限定されるものではない。本発明は、本書に明示的に記述されなかった他の実施形態も包含し、それらは、本書で説明された特徴の様々な組み合わせであってもよい。
特に、本発明に記載のバッテリ1は、1つ又はそれ以上のバッテリセル8を有する1つ又はそれ以上のケーシング2を備えてもよい。
ケーシング2内、そして特にバッテリセル8内に、バッテリセル8の温度制御を改善するために、1つ、2つ、又はそれ以上の流体路を形成してもよい。同じケーシング2内の全てのバッテリセル8の温度を一定にするためには、流体路の数を偶数にするのが有効である。
電解質9は、電解質9の熱交換能力を改善し、バッテリ1の電気的機能への影響が小さい又はほとんどない添加物を、含んでもよい。

Claims (15)

  1. 液体電解質 (9)と、
    前記電解質の少なくとも一部（9）を含むように適合されたケーシング (2) と、
    前記ケーシング内において、少なくとも部分的に前記電解質（9）と接触するように配置された負極（6）と、
    前記ケーシング内において、少なくとも部分的に前記電解質（9）と接触するように配置された正極（7）と、
    を備えるバッテリ(1)であって、
    インレット（19）及びアウトレット（28）を備え、前記インレット（19）及び前記アウトレット（28）の間で電解質の温度を修正するように適合された温度制御装置（4）と、
    前記ケーシング内と、前記ケーシング（2）及び前記温度制御装置（4）の間とにおいて、電解質（9）を循環させるように適合された循環装置と、
    を備えることを特徴とするバッテリ。
  2. 前記ケーシング（2）内において、少なくとも部分的に前記電解質（9）と接触するよう配置された複数の負極（6）と、
    前記ケーシング（2）内において、少なくとも部分的に前記電解質（9）と接触するよう配置された複数の正極（7）とを、
    備えることをさらに特徴とする請求項1に記載のバッテリ。
  3. 前記又はケーシング（2）が、複数の電解質インレット（11、13、15）を含む、
    ことをさらに特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリ。
  4. 前記ケーシング（2）が、複数の電解質アウトレット（12、14、16）を含む、
    ことをさらに特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のバッテリ。
  5. 前記ケーシング（2）内において、2つの反対方向に前記電解質（9）を循環させるよう適合された液体回路、
    を備えることをさらに特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のバッテリ。
  6. 前記温度制御装置（4）が、前記ケーシング（2）の外側に配置される、
    ことをさらに特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のバッテリ。
  7. 前記温度制御装置(4)が、前記電解質（9）の温度を下げるように適合されている、
    ことをさらに特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のバッテリ。
  8. 前記温度制御装置(4)が、少なくとも熱交換器（3）を備える、
    ことをさらに特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のバッテリ。
  9. 正極（7）は、少なくとも1つの穴（20，21、22）を含む平面形状を、有し、
    前記電解質（9）が前記少なくとも1つの穴（20，21、22）を通して循環することを、前記少なくとも1つの穴（20，21、22）が許可する、
    ことをさらに特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のバッテリ。
  10. 負極（6）は、少なくとも1つの穴（20，21、22）を含む平面形状を、有し、
    前記電解質（9）が前記少なくとも1つの穴（20，21、22）を通して循環することを、前記少なくとも1つの穴（20，21、22）が許可する、
    ことをさらに特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のバッテリ。
  11. 少なくとも1つの負極（6）及び少なくとも1つの正極（7）を有する第1のバッテリセル（8）から、少なくとも1つの負極（6）及び少なくとも1つの正極（7）を有する少なくとも1つの第2のバッテリセル（8）に、前記電解質（9）は連続的に循環する、
    ことをさらに特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のバッテリ。
  12. 負極（6）及び正極（7）は、少なくとも部分的に互いに重なり合っている、
    ことをさらに特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のバッテリ。
  13. 2つの連続したバッテリセル（8）の間に少なくとも1つのセルセパレータ（23）、を備えることをさらに特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のバッテリ。
  14. 液体電解質（9）を、少なくとも1つの負極（6）及び少なくとも1つの正極（7）を有するバッテリケーシング（2）内において、循環させることと、
    前記液体電解質（9）を、前記液体電解質（9）の温度を修正するように適合された温度制御装置（4）を通して、さらに循環させることと、
    を備えるバッテリ（1）の温度調整方法。
  15. 同一のケーシング（2）内において、複数の負極（6）及び複数の正極（7）を通して、前記電解質（9）を循環させることと、
    をさらに備える請求項１４に記載の温度調整方法。
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