JP2020532060A - バッテリアセンブリの温度を制御するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、バッテリアセンブリの温度を制御するための方法に関し、バッテリアセンブリは、一体型の収着熱貯蔵手段に熱的に結合している。収着熱貯蔵手段の脱着段階において、放電および／または充電中のバッテリアセンブリの熱出力時に、流体の脱着とともに収着材料の加熱が起こる。収着材料から脱着した流体の凝縮は、ヒートシンクを有する凝縮器で発生する。バッテリの独立した加熱が、収着材料内の流体の再収着によりなされる。本発明は、バッテリアセンブリの温度を制御するための装置にも関する。バッテリアセンブリは、バッテリアセンブリに熱的に結合され、流体及び収着材料を有する収着熱貯蔵手段を有する。バッテリアセンブリは、流体の脱着のために、収着熱貯蔵手段に収容された収着材料を熱的に加熱するための熱源として設計されている。収着熱貯蔵手段は、収着材料における流体の再収着を介した独立してバッテリを加熱するための熱源として設計されている。【選択図】図８

Description

本発明は、バッテリアセンブリの温度を制御するための請求項１に記載の方法、およびバッテリアセンブリの温度を制御するための請求項６に記載の装置に関する。

現時点において、とりわけ自動車および他の電動車両用のバッテリアセンブリが、ますます特段の関心を集めている。この場合、例えばリチウムイオン電池などの高いエネルギ密度のバッテリ装置が主に使用される。このようなバッテリ装置は、自動車の用途における走行用バッテリとして、あらゆる季節の条件下で車両を動作させることができるように意図されている。

しかしながら、通常のバッテリの実現においては、出力およびエネルギ容量がシステムの温度に強く依存することが示されている。ここで、１０〜４０℃の温度範囲が最適である。Ｌｉイオン電池の破壊につながりかねない６０℃を超える温度の強い過熱に対しては、電子管理システムが使用され、内部抵抗の増大に起因して出力を著しく低下させる１０℃未満の低温に対しては、バッテリの加熱しか手立てがない。

したがって、このようなバッテリアセンブリの動作を効率的なやり方で設計し、バッテリアセンブリを効率的な手段によってさまざまな使用条件下で最適な温度範囲に維持することが課題である。

この課題は、バッテリアセンブリの温度を制御するための請求項１の特徴を有する方法、およびバッテリアセンブリの温度を制御するための請求項２の特徴を有する装置によって達成される。

バッテリアセンブリの温度を制御するための方法において、バッテリアセンブリは、収着熱貯蔵手段に熱的に結合させられる。収着熱貯蔵手段の脱着段階において、収着材料の加熱が、放電および／または充電の最中のバッテリアセンブリの熱出力時の流体の脱着によって生じる。これにより、バッテリアセンブリの冷却が生じる。その後に、収着材料から脱着した流体の凝縮が、ヒートシンクを備えた凝縮器において生じる。その後に、流体を、バッテリアセンブリの新たな再加熱プロセスに利用することができる。このプロセスは、収着材料における流体の再収着によって実行される。このときに放出される再収着の熱により、バッテリアセンブリが独立して加熱される。

さらなる構成において、流体の脱着は、バッテリアセンブリの充電時に実行され、脱着した流体は、凝縮時に凝縮熱出力を既存の空調ユニットへと出力する。

さらなる構成においては、収着材料における流体の再収着時に、流体は、気体の形態で流体貯蔵手段から供給され、気体の形態への移行に必要な蒸発熱は、既存の空調ユニットの凝縮器から抽出される。

さらなる実現において、収着熱貯蔵手段は、第１の流体によって動作し、既存の空調ユニットは、第２の流体によって動作し、第１の流体と第２の流体とは異なり、空調ユニットの凝縮器は、熱交換器、とくにはヒートパイプを介して、収着熱貯蔵手段の流体によって適用される。

さらなる構成において、収着熱貯蔵手段および既存の空調ユニットは、同じ流体によって動作し、収着熱貯蔵手段は、弁装置によって既存の空調ユニットの回路へと切り替えられる。

バッテリアセンブリの温度を制御するための装置が、バッテリアセンブリに電気的に結合した収着熱貯蔵手段を備え、収着熱貯蔵手段は、流体および収着材料を有しており、バッテリアセンブリは、収着熱貯蔵手段に収容された収着材料を熱的に加熱して流体の脱着を生じさせる熱源として設計される。

加えて、流体を液化させるために、ヒートシンクに熱的に結合した凝縮器を設けることができる。ここで、とくには充電ステーションにおいてすでに利用可能である電力線の電流によって動作する冷却装置を、ヒートシンクとして使用することができ、したがって流体の凝縮を低い温度できわめて効果的なやり方で行うことができる。

一実施形態において、収着熱貯蔵手段は、バッテリアセンブリに一体化された複数の吸着要素として形成され、吸着要素は、バッテリセルの間のすき間を満たし、吸着要素は、流体を供給するための共有の蒸気チャネルに接続される。

収着熱貯蔵手段を、バッテリアセンブリの周囲の外側に配置してもよく、蒸気チャネルは吸着要素を収容する。

後者の場合、熱伝導要素が、吸着要素から出発して蒸気チャネルから外へと導かれる。

本発明によれば、方法および装置の基本的な考え方は、それぞれの場合に、収着熱貯蔵手段およびそのような貯蔵手段において進行するプロセスを利用してバッテリの温度を制御し、したがってバッテリアセンブリから放出される熱を一時的に貯蔵することである。

したがって、本発明は、車両の始動時に、一体化された収着熱貯蔵手段によるバッテリの制御された加熱を可能にする。したがって、とりわけリチウムイオン電池の性能および容量を、走行の開始時に、走行用に蓄えられた電気エネルギを消費することなく、低い温度においても取り出すことができる。

さらに、バッテリの温度を、バッテリの放電時および充電時に、脱着ステップで下げることができる。

この方法は、例えば、以下で説明される典型的な装置を使用して、以下で説明されるように実行される。

液体の流体を供給する場合について、脱着サブステップにおける装置の可能な実施形態を示している。 液体の流体を供給する場合について、加熱サブステップにおける図１の装置の可能な実施形態を示している。 気体の流体を供給する場合について、脱着サブステップにおける可能な実施形態を示している。 気体の流体を供給する場合について、加熱サブステップにおける図３の実施形態を示している。 吸着要素およびバッテリセルの配置を示している。 図５の配置のさらなる図を示している。 バッテリアセンブリの外側に位置する吸着部を示している。 バッテリ温度制御装置の空調ユニットへの第１の結合を示している。 バッテリ温度制御装置の空調ユニットへの第２の結合を示している。

バッテリアセンブリにおいて、薄い真空の収着ユニットが、例えば個々のセルまたはその周囲あるいは個々のバッテリまたはその周囲に、直接の熱接触によって設置され、これらの収着ユニットは、１つ以上の弁を介して閉じた真空収着システムに接続される。これらの収着ユニットは、バッテリ一体型の収着熱貯蔵手段として機能する。

バッテリの外側に、収着熱貯蔵手段は、収着熱貯蔵手段の作動媒体としての少なくとも１つの流体の供給および凝縮のための手段を含む。加熱サブステップにおいては、収着ユニットが開いた弁によって流体を受け取りつつ熱を放出することにより、バッテリの温度が最適温度範囲の下限まで高められる。セルの加熱が不要である場合、弁が閉じた状態で、収着ユニットが熱エネルギを蓄える。

このプロセスは、可逆的に実行される。収着ユニットの再生について、これらはバッテリから入力される熱によって６０℃まで加熱されると考えられる。これにより、流体の脱着が生じ、流体は再び気体の形態で脱着され、収着システムにおいて凝縮器で凝縮させられ、次の加熱サブステップまで一時的に貯蔵される。

このように、バッテリが脱着のための熱源であり、バッテリは、走行動作における放電時または電気ネットワークにおけるバッテリの充電時に、最適温度範囲の上限、すなわちとくには６０℃という最大の温度まで加熱する。収着ユニットからの流体の脱着は、バッテリから熱エネルギを抽出し、したがってバッテリをさらに冷却する。これにより、走行動作においてより迅速なエネルギ出力が可能になり、あるいは充電ステーションにおいてより迅速な充電プロセスが可能になる。

充電ステーションにおいて、例えばキャブ冷却システムなどの単純な従来からの冷却装置が、凝縮器のためのヒートシンクとして機能し、電気ネットワークからのエネルギによって動作するため、流体の凝縮を、例えば０℃未満のきわめて低い温度において可能にすることができる。

したがって、この方法および装置は、とくには走行バッテリの制御された温度管理を、動作全体の単なる調整を超える走行バッテリからの追加のエネルギの取り出しを必要とせずに可能にする。バッテリは、とくには、外部の電気ネットワークまたは他のエネルギ源に接続されることなく、低い屋外温度において独立して温まることができる。これにより、充分なバッテリ電力および容量を低い屋外温度においても迅速に利用することができる。

損傷の恐れを伴うことなく、バッテリを１０℃未満の温度で放電させることができる。とくには６０℃を超える温度のバッテリアセンブリの過熱の事象を、回避することができる。

さらに、より高い屋外温度においては、活性化された収着ユニットが、車両のキャブの空調に貢献することができる。

さらに、必要なエネルギの一部を、バッテリの放電熱からの熱回収によって回収することができ、さらなる部分を、走行バッテリの充電において、その加熱から回収することができる。残りのエネルギは、充電ステーションにおいて電気ネットワークから取得される。

収着ユニットを、バッテリアセンブリの外部絶縁として実現することも可能である。

以下の考えられる吸着剤、すなわちゼオライトまたはゼオライト材料などの微小孔性またはメソ多孔性材料、多孔性の酸化物および混合酸化物、ＭＯＦなどの有機リンカー分子に基づく多孔質材料、塩含浸多孔性体、活性炭、あるいは親水性またはアミノ親和性溶液を、収着材料に使用することができる。

流体および作動媒体として、したがって考えられる吸着剤または吸収剤として、例えば、水、メタノール、またはアンモニアを、純粋な形態で使用することができるが、混合物としても使用することができる。

凝縮器側において、物質混合物も使用することができる。ここで、とくには、例えばイオン液体、塩、またはとくにはエチレングリコールなどの不凍剤など、融点を下げる添加剤によって溶液または混合物からきわめて低い温度で流体を蒸発させることが可能である。

熱の収着熱貯蔵手段を、その構造において、例えば、バッテリアセンブリのバッテリセル内のセパレータとして、個々のバッテリセルのそれぞれの周囲の外皮として、バッテリアセンブリのバッテリブロックの周囲の外皮として、さらには／あるいはバッテリアセンブリ自体の全体の周囲の外皮として実現することができる。したがって、熱の貯蔵とは別に、バッテリアセンブリ内の複数のセル間の絶縁およびセグメント分離に関して二重の利点を有することができる。

さらに、本方法および本方法に使用される装置について考えられる他の用途は、走行中のバッテリの加熱および／または冷却、ならびに車両自体のキャビンスペースの加熱および／または冷却の支援であってよい。

図１が、液体の流体を供給する場合について、脱着サブステップにおける装置の考えられる実施形態を示している。ここで、収着熱貯蔵手段を有するバッテリセル（１）のバッテリアセンブリが提供される。この収着熱貯蔵手段は、収着ユニット（３）、弁（４）および（５）、ならびに凝縮した流体を有する凝縮器（６）、および冷却ユニット（７）を備える収着システム（２）を含む。冷却ユニット（７）は、バッテリセルがもたらす熱によって収着ユニット（３）から脱着した流体のヒートシンクとして機能する。この場合、弁（４）が開かれる。弁（５）を経由する凝縮器からの戻り経路は閉じられる。ここで、凝縮器は、液化した流体のリザーバおよび一時的な貯蔵手段としても機能する。

図２が、液体の流体を供給する場合について、加熱サブステップにおける装置の考えられる実施形態を示している。ここでもやはり、収着ユニット（３）を含む収着システム（２）が、バッテリセル（１）と共に示されている。ここで、弁（４）は閉じられている。液体である流体は、開いた弁（５）を介して凝縮器（６）から収着ユニット（３）へと戻される。収着ユニットにおける流体の再収着の際に、熱が放出される。この熱は、個々のバッテリセルを最適な温度範囲まで加熱するように機能する。

図３が、気体の流体を供給する場合について、脱着サブステップにおける装置の考えられる実施形態を示している。ここでも同様に、バッテリセル（１）のバッテリアセンブリが提供される。収着熱貯蔵手段は、収着ユニット（３）および弁（４）を有する収着システム（２）を備える。ここで、凝縮した流体および冷却ユニット（７）を有する凝縮器（６）が、ヒートシンクとして同様に設けられている。流体は、バッテリセルからの熱の放出によって収着ユニットから脱着され、凝縮器において低温で液化する。ここでもやはり、凝縮器は、液化した流体の一時的な貯蔵手段として機能する。その後に、弁（４）が閉じられる。凝縮プロセスの完了後に、流体は、凝縮器の内部空間において温まる。

図４が、気体の流体を供給する場合について、加熱サブステップにおける図３の実施形態を示している。凝縮器（６）に一時的に貯蔵された流体は、遅くとも弁（４）が開かれるときに再び気相に移行する。したがって、流体は、開かれた弁（４）を介して気体の形態で収着システム（２）の収着ユニット（３）へと戻され、再び吸収される。これにより、熱が放出され、バッテリセル（１）へと出力され、個々のバッテリセル（１）を最適な温度範囲へと温める。

いずれの場合も、目標は、小さな構造体積および優れた蒸気到達性で個々のセルへの良好な熱結合を達成することである。図５および図６が、対応する典型的な実施形態を示している。

図６に示される実施形態においては、吸着要素（ＡＥ）が、円形のバッテリセル（Ｃｅｌｌ）の間の自由空間を、セルへの壁接触にて満たしている。

ここで、蒸気の進入は、図６の図に示されるように、複数の吸着要素のための２次元的または直線状の共有の蒸気チャネル（ＤＫ）を介して、上方または下方から実行される。蒸気チャネル（ＤＫ）および吸着要素（ＡＥ）が、バッテリアセンブリの吸着部（ＡＴ）を協働して構成する。

弁（Ｖ）を介して、蒸気チャネルは、個別に、またはさらなる蒸気チャネルを介して、ここに示されていない蒸発器／凝縮器ユニットに接続される。

吸着部を、個々のセルの組み立て時にバッテリアセンブリへと一体化させることができる。吸着要素は、真空を導く内側において適切なやり方で吸着剤に接触している。

図７に示されるさらなる構成において、吸着部は、理想的にはバッテリアセンブリの真下または真上において、バッテリアセンブリの外側に接触している。

この例における吸着部は、蒸気チャネル（ＤＫ）内に位置している。金属構造またはヒートパイプなど、吸着要素（ＡＥ）に直接熱接触した吸着要素からの適切な熱伝導要素（ＷＥ）が、蒸気チャネルから延びている。

弁を介して、蒸気チャネルは、個別に、またはさらなる蒸気チャネルによって、ここには示されていない蒸発器／凝縮器要素に接続されている。蒸気チャネル（ＤＫ）および吸着要素（ＡＥ）が、熱伝導要素と共に、バッテリアセンブリの吸着部（ＡＴ）を構成している。熱伝導要素は、バッテリセル間の自由空間を、セルへの壁接触にて満たしている。

吸着要素は、熱交換要素の周囲に配置され、吸着剤に適切に接触した金属構造で構成されている。吸着要素の構造は、吸着剤、すなわち使用される流体との接触のために、高い上面を提供しなければならない。吸着の事象において、吸着要素において放出された熱は、熱伝導要素を介してバッテリアセンブリへと導入される。

液体の流体の場合、これらは、バッテリアセンブリの内外の真空システムのさまざまな位置において、さまざまな動作相にある可能性がある。この目的のために、液体吸着剤の積極的な運搬を実行することも可能である。

吸着熱貯蔵手段を自動車の熱管理に統合することも、とくに可能である。目標は、車両への吸着貯蔵手段の簡潔な統合であり、とくには既存の圧縮機によって動作する空調システムまたはヒートポンプを使用してバッテリシステムの充電および放電を支援することである。図８および図９が、対応する例を示している。
動作の態様および対応する構造は、次のとおりである。

バッテリ温度制御装置ＢＴが、バッテリアセンブリ、とくには少なくとも１つのバッテリセルＢａと、バッテリセルＢａに熱的に結合した吸着器Ａｄとで構成される。

図８の実施形態において、バッテリ温度制御装置ＢＴおよび空調システムＫＡは、互いに構造的に分離されている。この場合、バッテリ温度制御装置における流体と空調システムにおける流体はとくには異なるが、冷却剤容器Ｋｂを介して熱接触しているため、この場所で熱を交換することができる。

第１に、吸着貯蔵手段の充てんが、バッテリの充電時に実行され、脱着熱は、充電時のバッテリの排熱によってもたらされる。凝縮熱が、既存の空調システムＫＡによって排出され、例えば熱交換器Ｗ１およびＷ２を介してエンジン室の運転手のキャビンに向けて出力される。空調システムにおいて実行される冷却剤の循環のために、圧縮機Ｃおよび凝縮液ポンプＰならびに一連の弁Ｖがそこに設けられている。

流体の貯蔵手段の放出が、バッテリを予熱するために実行され、この場合に、放出される吸着熱がバッテリを温める。必要な蒸発熱は、既存の空調システム内の既存の凝縮器によって供給され、この凝縮器は、この場合に、収着熱貯蔵手段における蒸発器として動作する。

図８のように、２つの異なる冷却剤が、吸着熱貯蔵手段について使用され、すなわちバッテリ温度制御装置ＢＴおよび空調システムＫＡの領域において使用される場合、凝縮器には、冷却剤ポンプまたはヒートパイプの原理に従う毛細管によって冷却剤が適用される。

統合を簡素化するために、図９に示されるように、吸着貯蔵手段、すなわちバッテリ温度制御装置ＢＴと、空調システムＫＡとを、同じ冷却剤、好ましくは冷却剤としての二酸化炭素によって動作させることができる。バッテリ温度制御装置からの流体。

１ バッテリセル
２ 収着システム
３ 収着ユニット
４ 第１の弁
５ 第２の弁
６ 凝縮器および一時的な流体貯蔵手段
７ ヒートシンクとしての冷却ユニット
ＡＥ 吸着要素
ＡＴ 吸着部
セル（Ｃｅｌｌ） バッテリセル
ＤＫ 蒸気チャネル
ＡＴ 吸着部
Ｖ 弁
ＷＥ 熱伝導要素
ＢＴ バッテリ温度制御装置
Ｂａ バッテリセル
Ａｄ 吸着器
ＫＡ 空調システム
Ｋｂ 冷却剤容器
Ｗ１，Ｗ２ 熱交換器
Ｃ 圧縮機
Ｐ 凝縮液ポンプ

Claims (10)

1. バッテリアセンブリの温度を制御するための方法であって、
   前記バッテリアセンブリは、一体型の収着熱貯蔵手段に熱的に結合しており、
   −前記収着熱貯蔵手段の脱着段階において、前記バッテリアセンブリの熱出力時の流体の脱着による収着材料の加熱が、放電および／または充電の最中に実行され、
   −前記収着材料から脱着した前記流体の凝縮が、ヒートシンクによって凝縮器において実行され、
   −前記収着材料における前記流体の必要な再収着の場合に、前記バッテリの独立した加熱が、放出される再収着の熱によって実行される、方法。
2. 前記バッテリアセンブリの充電時に、前記流体の前記脱着が実行され、前記脱着した流体は、既存の空調ユニットへと前記凝縮時の凝縮熱出力を出力する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記収着材料における前記流体の再収着時に、前記流体は、気体の形態で流体貯蔵手段から供給され、前記気体の形態への移行に必要な蒸発熱は、前記既存の空調ユニットの凝縮器から抽出される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記収着熱貯蔵手段は、第１の流体によって動作し、前記既存の空調ユニットは、第２の流体によって動作し、前記第１の流体と前記第２の流体とは異なり、前記空調ユニットの前記凝縮器は、熱交換器、とくにはヒートパイプを介して、前記収着熱貯蔵手段の前記流体によって適用される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記収着熱貯蔵手段および前記既存の空調ユニットは、同じ流体によって動作し、前記収着熱貯蔵手段は、弁装置によって前記既存の空調ユニットの回路へと切り替えられる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. バッテリアセンブリの温度を制御するための装置であって、
   前記バッテリアセンブリに熱的に結合し、流体および収着材料を有する収着熱貯蔵手段を備え、
   前記バッテリアセンブリは、前記流体の前記脱着のために前記収着熱貯蔵手段に収容された前記収着材料を熱的に加熱するための熱源として設計され、前記収着熱貯蔵手段は、前記収着材料における前記流体の再収着によって前記収着材料において放出される再収着の熱によって独立して前記バッテリを加熱するための熱源として設計されている、装置。
7. ヒートシンクに結合した凝縮器が、前記流体を液化させるために設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
8. 前記収着熱貯蔵手段は、前記バッテリアセンブリに一体化された複数の吸着要素として形成され、前記吸着要素は、バッテリセルの間のすき間を満たし、前記吸着要素は、前記流体を供給するための共有の蒸気チャネルに接続されている、ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 前記収着熱貯蔵手段は、前記バッテリアセンブリの周囲の外側に配置され、前記蒸気チャネルは、前記吸着要素を収容している、ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. 熱伝導要素が、前記吸着要素から出発して前記蒸気チャネルから外へと導かれている、ことを特徴とする請求項６および９に記載の装置。

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