JP2022530909A - リチウムイオン電池セル用の温度制御システム - Google Patents

Abstract

本発明は、充電式電池セル、特にリチウム（Ｌｉ）イオン電池を効果的に冷却および加熱するための温度制御システムに関するものであり、ここで、温度制御モジュールは、一方向炭素繊維複合材料（２）からなる少なくとも１つの熱伝導層を取り囲むポリマー材料からなる外殻（１）を含み、その主面の２つの相対する縁部領域に、熱伝導媒体を導通させるためのそれぞれ１つの導通管路（３）を有し、ここで、導通管路（３）は、縁部領域に沿って一方の端部から他方の端部まで延在し、好適には、一方向炭素繊維複合材料（２）からなる少なくとも２つの上下に配置された層が設けられ、ここで、層間に、導通管路（３）を相互に接続する通流管路（８）を有する中間層（７）が存在している。

Description

本発明は、充電式電池セル、特に充電式リチウム（Ｌｉ）イオン電池（ＬＩＢ）を冷却および加熱するための効果的な温度制御システムに関する。

ＬＩＢは、重量ならびに所要スペースが比較的少ない割にエネルギー密度が高い。それゆえ、それらは既に、効果的にエネルギーを貯蔵するための多くの適用分野で使用される。特に顕著な適用例は、エレクトロモビリティ、例えば電気自動車やいわゆるハイブリッド車におけるエネルギー源としての適用である。

典型的には、動作のために、複数の電池セルが１つの電池モジュールに統合されたり、２つ以上の電磁モジュールが１つの電池パックに統合されたりする。これらのセルおよび／またはモジュールは、直列および／またはシリーズで接続されてよい。

様々なサイズや形状の電池セル、例えば円筒形セルや角柱形セルまたはポーチ形セル（コーヒーバッグ形セル）などの平坦なセルが存在している。ポーチ形セルでは、可撓性ハウジングが使用され、この可撓性ハウジングは、通常、両面がプラスチックでコーティングされたアルミフィルムからなる。典型的なポーチ形セルの寸法は、３５０ｍｍ×１００ｍｍである。ポーチ形セルや角柱形セルなどの平坦なセルは、より良好な熱伝導性およびスタック性の観点から有利である。

ＬＩＢの典型的な構造は、以下のとおりである。すなわち、アノード側から開始して、
－少なくともカソードに面する側が活性物質（通常はグラファイト）でコーティングされた集電体（通常は銅）を有するアノードと、
－電極を電子的に分離するための、ただしＬｉイオンは透過するセパレーターと、
－少なくともアノード側がセルの充電時にリチウムイオンを放出する活性物質でコーティングされた集電体（通常はアルミニウム）を有するカソードと、
－電極における反応間の媒介物質として機能し、Ｌｉイオン搬送を保証する電解質（通常は液体または固体）とを含んでいる。

カソードもしくはアノード、セパレーター、および電解質の活性物質について適した材料は、従来技術である。

ＬＩＢの動作性および安全性にとっても、他のすべてのタイプの充電式電池にとっても中心的な重要性は、指定された温度範囲の維持にある。充電式電池セルの熱管理は、通常の動作を最適な出力と耐用年数とで保証できるようにするための重要な基準である。

一般に、リチウムイオン電池セルは、電池セルの早期経年劣化を回避し、高いサイクル安定性を保証するために、１５℃～３５℃の間の定められた温度範囲で動作させることが重要である。電池システムが一貫して理想的な温度範囲で動作する場合にのみ、業界で求められる１０年の使用年数にわたって１６００回までのフルサイクル充電を達成することができる。そのため、電池システムの蓄電容量が、その出荷時（Begin of Life, BoL）に比べて２０％失われ、その結果、満充電時に元のセル容量の最大８０％しか使えない（State of Health, SoH）電池システムは、もはや自動車用途に使用することはできない（End of Life, EoL）。

季節を問わず、夏でも冬でも、電池セルの適切な温度制御により、１５℃～３５℃の一定の温度範囲でセルが動作可能であることを保証できるようにする必要があり、ここでの、最適な動作温度は２５℃のもとにある。例えば、電池が４０℃のもとで連続的に動作すれば、経年劣化は最大５０％まで加速する。

電池セルの熱挙動には強い異方性があることを考慮に入れる必要がある。ポリエチレンフィルムの場合、セル表面に対して垂直方向では、セパレーターの約１Ｗ／ｍＫの僅かな熱伝導率が、円筒形セルでのセルスタックもしくは巻き取りセルロールの熱伝導率を決定する。ポーチ形セルや角柱形セルの平面内あるいは円筒形セルの高さ方向では、熱伝導率は、金属製の集電体によって決定され、これは約３０Ｗ／ｍＫになる。

さらなる問題は、電気自動車の運転者による充電ステーションでの充電サイクルをできるだけ短く維持したいという願望によって引き起こされる。既に近い将来、供給電圧８００Ｖの充電システムが登場し、３Ｃから５Ｃまでの高い充電率（Ｃレート）を実現できるようになるであろう。このような高いＣレートは、電極の接触領域周りの電流線密度の増加につながり、最終的にはセル全体の急激な加熱につながる。

いずれにせよ、８０℃を超える温度は回避されなければならない。なぜなら、この範囲では、アノードのグラファイト粒子周りの電解質層が劣化してしまうからである。一般的に、６０℃を超える温度は回避されるべきである。この点において、温暖な国では、周辺環境温度と街路からの熱放射とが、そのように高い加熱につながる可能性があることを考慮に入れる必要がある。

セルの経年劣化を加速させるさらなる重要な側面は、絶対的な動作温度の他に、セル表面とセル厚さとにわたる温度の均一性である。セル表面にわたって見られるように、そこには温度勾配が生じ、ここでの温度は、電極接点の領域で最大となる。このような異なる熱分布は、耐用年数を短くする可能性があるセル内部の機械的応力につながる。

昨今の課題である、大きな充放電電流は、電極端子接点領域における電流線密度を高め、この領域における加熱の増加につながる。これにより、最終的にはアノードもしくはカソードコーティングに機械的応力が生じ、この応力は、一方では特にアノード粒子に直接損傷を与え、他方では膨張および収縮に基づいて粒子相互間の電気的接触の喪失につながる可能性があり、最終的には、集電体フィルムからのコーティングの剥離と、それに関連するコーティングと集電体との電気的接触の喪失にもつながる可能性がある。それゆえ、電極接触領域からの熱を放出し、セル表面もしくはセル厚さにわたって可及的に均一な熱分布を考慮する必要がある。

電池システムの熱管理では、さらに、低温での車両の運転も考慮に入れる必要がある。低温、特に０℃未満では、セル電圧は、極度に低下する。通常の運転にとっては既に１０℃未満の温度でのセル電圧はもはや十分ではないため、車両の走行距離は著しく制限される。

ＬＩＢの動作電圧は、典型的には、２．７Ｖ～４．２Ｖの範囲にある。温度低下に伴う電解質粘度の上昇に基づき、そのイオン伝導度とそれに関連するセル電圧も減少する。約２．７Ｖでセルの下方遮断電圧に達するため、それ以上のセルのさらなる動作は安全上の理由からできない。

また、低温で電池セルを充電すると、電池容量が低下する他に、アノードのいわゆるリチウムめっき（Li-Plating）につながる可能性もある。このリチウムめっき（Li-Plating）は、カソードとアノードの両方がリチウムイオンを結合する物理的能力を備えていることに基づいている。充電中、電場は、イオンをカソードからアノードに移動させ、そこでイオンは活性物質（例えばグラファイト）の格子構造に挿入（インターカレート）される。

特に低温では、リチウムイオンが、望ましい形でアノードに析出される代わりに、金属リチウムを形成し、この金属リチウムがアノードに堆積され、それによって、充電プロセスのためにもはや使用できなくなることがある。このような環化可能なリチウムイオンの損失は、電池の性能を低下させ、最悪の場合、セルの発火や爆発を伴ういわゆる「Thermal Runaway」につながる可能性がある。

以上のことから、電池システムの最適な熱管理のためには、高温および／または高充電率での冷却機能の他に、低温でのセルの加熱も必要であることがわかる。それゆえ、冷却と加熱の両方の機能を効果的に可能することができる温度制御モジュールが望ましい。この目的のために、温度制御モジュールは、電池セルの表面との可及的に良好な熱接触を有するべきである。

それゆえ、適切な温度制御モジュールは、以下の特性を有するべきである。すなわち、
－構造的に可及的にスリムで軽量であるべきである。
－機械的に自立すべきであるが、ねじれや曲げに関してある程度の可撓性がなければならない。
－液体または気体の熱伝達媒体による温度制御のために、通流可能である必要がある。
－好適には、モジュールは、電池セル表面にわたって温度の不均一性（温度勾配）を補償することができるべきである。
－起伏のある表面とのより良好な結合ならびに電池スタックのアノード層への圧力負荷の均等な分布のために、弾性変形可能な表面層を有するべきである。
－特にポーチ形セルの場合のように、充電／放電中に生じ得るセルの寸法変化に適合化させることができるようにするために、ある程度の機械的可撓性を有するべきである。
－電池セルのセル接点は、直接冷却または加熱することができるべきである。

この課題は、本発明による、電池セルを冷却または加熱するための温度制御モジュールによって解決される。ここで、温度制御モジュールは、ポリマー材料からなる外殻を有し、この外殻は、それらの縁部が相互に接続された２つの相対する主表面を含み、該主表面の２つの相対する縁部領域に、それぞれ縁部に沿って延在する熱伝達媒体用の導通管路が設けられ、ここで、モジュール内部に、一方向炭素繊維複合材料からなる少なくとも１つの熱伝導層が設けられ、該熱伝導層は、導通管路の間でモジュール表面にわたって延在している。

温度制御モジュールの厚さは、温度制御モジュールを備えた電池システムの所要空間を不要に増加させないために可及的に薄くすべきである。それゆえ、平坦な温度制御モジュールが望まれ、その厚さは、温度制御モジュールの長さ、幅、または直径などの他の寸法に比べて薄い。温度制御モジュールの形状は、使用される電池セルの形状に従う。矩形の基本形状は、平坦な電池セルに対して合理的である。ただし、正方形、円形など、他の形状も可能である。

外殻は、モジュールの内部コンポーネントを取り囲む。この外殻は、自身の縁部に沿って相互に接続されている２つの相対する主表面を有する。この接続は、側面を介して行うことができる。

縁部領域を有する外殻は、シリコーンエラストマーまたはポリウレタンエラストマーなどの少なくとも部分的可撓性のポリマー材料から形成されている。部分的可撓性のポリマー材料は、好適には、Ａ２０～Ａ６０のショア硬度Ａ、もしくは００ ２０～００ ８０のショア硬度００を有する。例えば、構造化された起伏のある表面を有する電池セルまたは電池セルスタックについては、電池の表面構造に容易に適合化させることができる、より柔軟なポリマー材料を外殻に使用することができ、そのため、温度制御モジュールと電池セル表面との間の良好な接触を保証することができる。温度制御モジュールと電池セルとの間の良好な接触は、可及的に効果的な熱伝達のために望ましい。

電池セル表面の起伏を補償することに加えて、この外殻は、セルへの均一な圧力伝達を生じさせる。例えば、０．１～０．５ＭＰａの圧力を確実に伝達することができ、圧力解放時には完全な復元が保証され得る。したがって、この外殻は、充電／放電中の寸法の変化に逆に作用することができ、集電体のアノードおよびカソードコーティングを安定化させることができる。

主表面の２つの相対する縁部領域に沿って、熱伝達媒体を導通させるためのそれぞれ１つの導通管路が延在している。これらの導通管路は、それぞれ、熱伝達媒体用の入口開口部と出口開口部とを有することができる。これらの導通管路が相互に接続されているならば、一方の導通管路は入口開口部を有し、他方の導通管路は出口開口部を有することができる。

入口開口部には、冷却／加熱システムへの接続部が設けられており、ここで、これらの接続部は、外殻に直接成形することができる。

外殻の主表面の間に、一方向炭素繊維複合材料からなる少なくとも１つの熱伝導層が存在する。この一方向炭素繊維複合材料からなる層は、繊維方向の高い熱伝導率によって優れている。それゆえ、これらの繊維は、セル表面にわたって熱を分布しかつ統合できるようにするために、温度制御すべき電池セルのセル接点に対して平行に配向されている。

繊維の平行な配向により、特に熱負荷されるセルの接触領域からの熱が放出され、これによって、接触領域が熱負荷から解放され、熱が均一に平面全体にわたって分布され、総じて平面全体の冷却が得られる。その上さらに、炭素繊維複合材料からなる層は、さらなるモジュールコンポーネントのための部分的可撓性に富んだ支持構造体として用いられる。

この炭素繊維複合材料からなる層は、熱硬化性もしくは熱可塑性マトリックス中の炭素繊維からなる一方向ウェブから形成されてもよい。

典型的には、炭素繊維ウェブは、数層の炭素繊維から構成されてもよい。

炭素繊維複合材料からなる層の厚さは、典型的には、０．１ｍｍ～０．５ｍｍ、好適には０．２ｍｍ～０．３ｍｍである。例えば、炭素繊維複合材料からなる層は、シリコーン樹脂マトリックス中の炭素繊維の一方向ウェブから形成されてもよい。

必要に応じて、例えば、炭素繊維複合材料層の可撓性は、電池セルの表面の不均一性を補償する必要がある場合、または電池セル形状への形状適合化をさせやすくするために、高めることができる。この目的のために、炭素繊維複合材料からなる層の結合樹脂系に、例えば複合材料により高い可撓性を与える単官能シロキサンやエポキシ化オレイン酸エステルなどの可塑剤をより高い割合で添加することができる。

温度制御モジュールの特別な実施形態によれば、２つの主表面の各内側に、一方向炭素繊維複合材料からなる少なくとも１つの熱伝導層を設けてもよく、これらの一方向炭素繊維複合材料からなる熱伝導層の間には、２つの導通管路を相互に接続する１つ以上の通流管路を有する中間層が存在している。

この中間層は、ポリマー材料または金属から作製されてもよい。例えば、ポリマー材料は、外殻について上述したように使用することができる。中間層用の材料が熱伝導性である場合は特に有利である。例えば、熱伝導性プラスチックまたは良好な熱伝導率を有する金属を使用することができる。

それぞれ０℃のときのそれらの非常に良好な熱伝導率に基づき、特に適している金属は、銀（４２９）、銅（３８０）、またはアルミニウム（２３６）である。良好な価格性能比に基づけば、銅が特に有利である。

熱伝導性プラスチック化合物とも称される熱伝導性プラスチックは、熱伝導性を向上させる充填材を含む。この充填材は、通常、プラスチックに大量に含有されているため、ここでは高濃度に充填されたプラスチック化合物について説明する。熱伝導性が高濃度に充填された熱伝導性プラスチック化合物の充填材含有量は、少なくとも５０重量％である。好適には、熱伝導性プラスチック化合物は、少なくとも０．５Ｗ／ｍＫ～３Ｗ／ｍＫまたはそれ以上の熱伝導率を有する。

熱伝導性プラスチック化合物の充填材は、グラファイトなどの有機充填材、金属充填材、例えば銅もしくはアルミニウム、ならびにセラミック充填材、例えば窒化ホウ素、ケイ酸アルミニウムなどである。熱伝導率を向上させる充填材の含有量は、一般に、少なくとも５０重量％、好適には少なくとも６５重量％、特に好適には８０重量％までであり、さらに必要に応じてそれ以上である。

熱伝導性プラスチック化合物は、主要なフィラー成分の他に、１つ以上の付加的充填材を含むことができる。

ポリマー材料は、プラスチック化合物のマトリックスを形成する。熱可塑性ポリマー、熱可塑性エラストマー、エラストマー、または熱硬化性樹脂など、様々な種類のポリマーを使用することができる。

中間層に設けられた通流管路は、モジュールの２つの相対する縁部領域に沿って延在する２つの導通管路を接続する。

これらの通流管路は、中間層にわたって横切るように一方の縁部領域から相対する縁部領域まで延在することができる。それらは、相互に平行に、特に横軸に対して平行に配向してもよい。それらは、蛇行線状、曲がりくねった形状、または他の適切な形状で延びることができる。

２つ以上の通流管路を相互に接続する接続管路が設けられてもよい。

これらの通流管路は、中間層の片面側または両面側の溝状の切り込みであってもよく、ここで、この溝状の切り込みは、中間層を完全に分断するものではない。溝状の通流管路が両面側に設けられている場合、一方の片面側の通流管路を、他方の片面側の通流管路からずらして配置してもよい。

中間層の表面の溝状の切り込みの生成は、エンボス加工、フライス加工、押し出し加工などによるそれ自体公知のやり方で機械的に行うことができる。

例えば、熱可塑性の高濃度に充填されたプラスチック化合物は、溝状の流れを伴う中間層の製造に使用することができる。

一実施形態によれば、通流管路は、中間層を完全に分断することができ、それにより、中間層は、個々の区分に分割される。ここで、２つの隣接する区分の相対する側面は、２つの区間の間の距離によって定められる管路の側面を形成する。

中間層を完全に分断する通流管路を有する中間層を形成するための区間として、例えば上記で述べたような良好な熱伝導性材料からなるストリップを使用することができ、これらは、相前後して相互に離間されてモジュール内に配置されている。

通流管路の露出表面の被覆と、それに伴う通流管路の上方もしくは下方に向けての閉鎖は、隣接する層を、例えば外殻の主表面の内側、または例えば一方向炭素繊維複合材料からなる単層もしくは複数などモジュールのさらなる内側の層を形成する。

熱伝導性材料からなる中間層は、セルから到来する熱を熱伝達媒体へ放出することに寄与している。さらに、熱伝導性材料は、温度制御モジュールの高さにわたって良好な熱分布を保証する。

中間層の厚さは、一般に、０．１ｍｍ～０．５ｍｍ、好適には０．２ｍｍ～０．３ｍｍであり、幅は、０．１ｍｍから１０ｍｍ以下である。中間層を完全に分断する通流管路の深さは、中間層の厚さに対応している。溝状の通流管路の深さならびに（分断状または溝状の）通流管路の幅は、中間層の厚さならびに用途に応じて生じる。中間層の厚さおよび幅、あるいは通流管路の深さは、必要に応じて変更可能であることを理解されたい。

したがって、本発明による温度モジュールの特に好適な実施形態についての層構造は、以下のような断面、すなわち、
－（導通管路を備えた縁部領域を有する）外殻
－一方向炭素繊維複合材料層
－通流管路を有する中間層、好適には、良好な熱伝導性材料からなる中間層
－一方向炭素繊維複合材料層
－（導通管路を備えた縁部領域を有する）外殻
からなる断面において生じる。

外殻は、従来の注型法を用いてさらなる層の周りに注型することができ、ここでは、同時に、導通管路を有する縁部領域も注型することができる。

熱伝達媒体は、液体または気体であってもよい。より良好な熱伝達に基づけば、液体媒体が有利である。

好適な実施形態によれば、冷却能力における勾配は、温度制御モジュールの表面にわたって生成される。このことは、熱負荷がより高い領域では、それに応じて、熱負荷がより低い領域よりも高い冷却能力が可能になることを意味する。既に述べたように、電極接点の領域は、特に高い熱負荷と熱発生とにさらされる。温度勾配を設けることにより、これらの領域を効果的に負荷軽減することができる。

以下では、温度勾配を生成するための手段などの対策の例を示す。性能は最終的なものではない。

例えば、勾配を生成するために、例えば、熱発生量が比較的多い領域には、熱負荷が少ない領域よりもより多くの通流管路を設けてもよい。

中間層に対しては異なる熱伝導性材料を使用することができる。この場合、非常に良好な熱伝導率を有する材料、例えば銅が最大の熱発生量の領域に配置される。最大の熱発生量を有する領域からの距離が増すにつれてより小さな熱伝導率を有する材料を使用することができる。

通流管路は、異なる直径を持つことができ、最大の熱発生量を有する領域の管路はより大きな直径を有し、最大の熱発生量を有する領域からの距離が増すにつれて直径は小さくなるので、最大の熱発生量を有する領域では、より高い冷却と、総じて電池セル表面にわたる熱分布の均一化とを得ることができる。導通管路の場合、直径は、熱負荷がより低い方向に向かって小さくすることができる。

通流管路および／または導通管路では、多孔質材料を使用することができ、その多孔性は、最大の熱発生量を有する領域からの距離が増すにつれて減少する。

通流管路および／または導通管路において、障害物を設けてもよく、その配列および／または構成は、熱伝達媒体の通流速度が、最大の熱発生量を有する領域からの距離が増すにつれて増加するように選択される。例えば、障害物の数は、最大の熱発生量を有する領域からの距離が増すにつれて増加させることができ、これによって流量速度が低減する。

温度勾配を生成するための手段は、相互に組み合わせることができることを理解されたい。

冷却能力の勾配を生成するための代替的または付加的な手段は、通流管路内に突出する通流管路の内壁に冷却フィンを設けることである。冷却能力の段階的変化のために、これらのフィンは、様々な長さの距離および／または様々な数で内壁に取り付けてもよい。

冷却フィンは、様々手法、例えば、電着、薄膜からのエッチング除去、スタンピングなどで製造することができる。

これらのフィンにより、周囲を流れることができる表面を増加させ、これにより、熱伝達媒体内の温度分布の均一化を改善することができる。同時に、それらは熱伝達媒体の通流速度を調整するために用いることもできる。

特に、導通管路内での使用には、直径を低減すること、多孔質材料を設けること、および障害物を設けることなどの手段が適しており、この場合、多孔性または障害物の数は、熱負荷がより低い領域の方向に向けて低減される。

一実施形態によれば、温度制御モジュールを用いることにより、電池セルの逆極性の接続接点を直接冷却することができる。この目的のために、温度制御モジュールからは熱伝導性材料からなる冷却タブが引き出され、この冷却タブは、セル接点に直接接続することができる。

好適には、１つ以上の冷却タブを形成するために、熱伝導性材料からなる中間層の末端区分から対応する成形部品を引き出すことができる。

これらの冷却タブは、一般的にセル冷却の最も効果的な手法を表す、接続接点の直接冷却を可能にするヒートシンクとして用いられる。これらの冷却タブは、温度制御モジュール内で炭素繊維複合材料層および熱伝達媒体との接触を介して、熱を直接熱伝達媒体に放出する。

冷却タブが設けられている場合に、２つの逆極性の接続接点間の短絡を回避するために、炭素繊維複合材料層は、セル接点に対して電気的に絶縁されなければならない。この電気的な絶縁のために、炭素繊維複合材料層に電気的絶縁材料からなる絶縁遮断部を設けてもよい。

電気的絶縁遮断部を用いることにより、炭素繊維複合材料層は、２つの電気的に相互に絶縁された部分に分離される。

電気的絶縁遮断部の位置は、電池セルの電気接点の位置に応じて調整される。すなわち、１）相対する側にそれぞれ１つの接点が存在するか、または２）電池セルの同じ側に２つの接点が隣接して存在するかに応じて調整される。

前者の場合、炭素繊維複合材料層における電気的絶縁遮断部は、中央で電気接点間の接続軸線に対して横切るように配向され、後者の場合、中央で電気接点に対して平行に配向されている。どちらの場合も、炭素繊維複合材料層は、相互に電気的に絶縁された部分に分割される。通常、炭素繊維複合材料層は、２つの半部に分離される。

電気的絶縁遮断部は、例えば、電気的絶縁材料からなる分離ストリップを炭素繊維複合材料層に挿入することによって行うことができ、これは、炭素繊維複合材料層を２つの部分に分離する。炭素繊維複合材料層は一連の繊維層から形成されているため、それに対して、例えば、各繊維層の繊維は、分離面に沿って十分な長さに短縮され、その際生じる空き空間は、絶縁材料によって充填することができる。

遮断部用の電気的絶縁材料は、ガラス繊維複合材料または他の適切な電気的絶縁材料であってよい。

電気的遮断部の厚さは、炭素繊維複合材料層の厚さに向けて、０．１ｍｍ～０．５ｍｍ、好適には０．２ｍｍ～０．３ｍｍであり得る。

動作のために、温度制御モジュールの導通管路は、上位の冷暖房システムに接続されており、これにより、熱伝達媒体を動作条件および周辺条件に応じて温度制御することができる。

以下では、本発明を、実施例に基づき図面を参照してより詳細に説明する。図１～図６には、角柱形セルまたはポーチ形セルなどの平坦なセルにおいて使用するための本発明による温度制御モジュールの実施形態が示されている。図７は、円筒形セルのための使用形態を示す。

２つの長辺および２つの短辺を有する２つの相対する主表面を有する実質的にプレート状の矩形の基本形態を有する本発明による温度制御モジュールの一実施形態を示した図である。 本発明による温度制御モジュールのさらなる実施形態の断面図であり、ここでは、２つの温度制御モジュールが両側で平坦な電池セルに当接する。 ポーチ形セルの表面に配置された、図２による温度制御モジュールの縦断面図である。 図３による温度制御モジュールモジュールの表面に対して平行な断面の平面図である。 図４による表面に対して垂直な切断面Ａの断面図である。 付加的な冷却フィンを有する図２～図５による温度制御モジュールの表面に対して平行な断面の平面図である。 円筒形に適合化された本発明による温度制御モジュールを有する円筒形セルからなるセルパッケージを示した図である。 本発明による温度制御モジュール内の熱放出を段階付けるための様々な手段を示した図である。 本発明による温度制御モジュール内の熱放出を段階付けるための様々な手段を示した図である。 本発明による温度制御モジュール内の熱放出を段階付けるための様々な手段を示した図である。 本発明による温度制御モジュール内の熱放出を段階付けるための様々な手段を示した図である。 本発明による温度制御モジュール内の熱放出を段階付けるための様々な手段を示した図である。

図１には、プレート状の矩形の基本形状を有する温度制御モジュールの表面に対して平行な断面の平面図が示されている。図１による温度制御モジュールは、平坦な電池セルで使用するために設計されており、その電極接点６は、電池の同じ側に存在し、図では、モジュールの左方短辺を超えて突出している。

長辺に沿った外殻１の縁部領域と、２つの短辺の間で長辺に沿って延在する縁部領域に存在する導通管路３とが視認できる。これらの縁部領域の間には、一方向炭素繊維複合材料２からなる少なくとも１つの層が配置されている。炭素繊維は、電極接点６を有する短辺から長辺に沿って相対する短辺（図の右側）まで平行に延在している。

各導通管路３は、短辺の端部において、それぞれ、伝熱媒体用の入口開口部４および出口開口部５を有する。入口開口部４は同じ短辺に、すなわち、適用時に電極接点６が存在する短辺に存在し、出口開口部５はそれぞれ相対する短辺に存在する。

導通管路３内の熱伝達媒体の通流経過は、導通管路３内を延びる矢印の配向によって示されている。電極接触領域で発生した高い熱負荷は、そこに流入する新鮮な熱伝達媒体と平行に配向された炭素繊維とを用いることによって、相対するより冷たい端部に効果的に放出することができ、そのため、この熱負荷は、セル表面全体にわたって実質的に均一に分布させることができる。

図２には、ポーチ形セル９の主表面に当接する２つの温度制御モジュールの配列を通る縦断面図が示されている。この実施形態では、モジュールは、一方向炭素繊維複合材料２からなる２つの層を有し、それらの間には、通流管路８を有する中間層７が存在している。１つ以上の通流管路８またはすべての通流管路８は、主表面の縁部領域内を長辺に沿って延びる導通管路３に接続することができる。

中間層７は、好適には、金属、例えば銅などの熱伝導性材料からなる。ただし、熱伝導性プラスチック化合物などの他の適切な各材料から製造することもできる。

既に述べたように、通流管路８は、中間層７を完全に分断することができ、これによって、中間層７の別個の区間１０が得られ、隣接する区間１０の間の距離が通流管路８を規定する。

好適には、温度制御モジュールの２つの短辺（端部）に熱伝導性材料からなる区間１０が存在し、そこからは、電池セル９（ここでは例えばポーチ形セル）の電極接点６と接触する冷却タブ１１としてのタブが引き出されている。これらの冷却タブ１１は、電極接点６を直接冷却するためのヒートシンクとして用いられる。

温度制御モジュール内の冷却タブ１１が、炭素繊維複合材料層２および熱伝達媒体との接触を介して、２つの逆極性の電極接点６を電気的に短絡させることを回避するために、炭素繊維複合材料層２は、対応する遮断部を用いて電極接点６に対して電気的に絶縁することができる。この目的のために、炭素繊維複合材料層２には、炭素繊維複合材料層２の全幅にわたって横切るように延在する電気的絶縁遮断部１２を設けてもよい。この遮断部１２のための電気的絶縁材料は、ガラス繊維複合材料であってもよい。この電気的絶縁遮断部１２は、炭素繊維複合材料層２と区間１０との間をストリップ形状に延びることができる。この電気的絶縁遮断部は、炭素繊維複合材料層２の一体的な構成要素であってもよい。

図２および図５から明らかなように、適用時に電池セル９に当接する温度制御モジュールの主表面の外側に、セル本体９の長さ寸法および幅寸法に対応し、セル本体９を固定することもしくはセルスタック（図５）で支持することができる（図５）凹部または窪み１３が設けられてもよい。

図３には、ポーチ形セル９上に配置された温度制御モジュールの縦断面図が示されている。相互に離間されて配置された、好適には、熱伝導性区間１０を視認するために、ここでは、温度制御モジュールの短辺における端部区間１０から、それぞれ接点６を直接冷却するための冷却タブ１１が引き出されている。それに応じて、２つの逆極性の電極接点６間の短絡を回避するために、電気的遮断部１２が、炭素繊維複合材料層２に組み込まれる。図３の後方にある温度制御モジュールの長手側では、導通管路３を有する縁部領域を視認することができる。

図４には、図３による本発明による温度制御モジュールの通流管路８もしくは区間１０を有する中間層７を平行に通る断面の平面図が示されている。そこでは、温度制御モジュールの２つの長辺に沿って延在する導通管路３を明確に視認することができる。一方の導通管路３（図の上方）は、流体入口開口部４を有し、相対する導通管路３は、流体出口開口部５を有しており、この場合、これらの入口４および出口５は、モジュールの相対する短辺に配置されている。入口開口部４および出口開口部５に相対する端部には、導通管路３が接続されている。

中間層７は、入口４を有する導通管路３から出口５を有する導通管路３までモジュール表面にわたって水平に横切るように配置されたストリップ形状の、好適には熱伝導性区間１０から形成されてもよい。隣接する区間１０の間の距離は、熱伝達媒体用の通流管路８を規定する。

末端の熱伝導性区間１０は、モジュールから突出し、電池セル９の電気接点６のためのヒートシンクとして機能する冷却タブ１１を有する。それに応じて、モジュール内には、相対する電極接点６を相互に電気的に絶縁するために、ここでは中央区間１０の両側に配置された電気的遮断部１２が存在する。

図５には、図４による表面に対して垂直な切断位置Ａの断面図が示されている。ここでは、２つの温度制御モジュールと接触している２つの電池セル９を有する電池配列が示されている。電池セル９は、ここでは、２つの温度制御モジュールの間に配置されている。第２の電池セル９は、一方の主表面が左側の温度制御モジュールの露出した第２の主表面に当接している。ここでは、導通管路３を有する外殻１の縁部領域、ならびに外側の縁部領域間に延びている、電池セル９の保持に用いられる外殻１の窪み／凹部１３が明確に視認できる。外殻１の内側には、それぞれ炭素繊維複合材料２からなる層が存在し、この層は、温度制御モジュールの主表面に沿って、外殻１の２つの相対する縁部領域の間で延在している。中間層は、中間層７の通流管路８を貫通する切断部である。

電池配列は、間に温度制御モジュールが配置された所望の数の電池セル９を有する電池スタックまたは電池パックとして設計することができ、この場合、末端の電池セルの露出した主表面も温度制御モジュールに当接できることを理解されたい。

図６は、図２および図５に示されているような温度制御モジュールの一実施形態を、温度制御モジュールの表面に対して平行な断面図で示している。この実施形態では、それぞれ通流管路８内に突出している複数の冷却フィン１４が、中間層７のストリップ形状の区間１０の側面に存在している。これらの冷却フィン１４は、ストリップ形状の区間１０の表面の増加を生じさせ、それによってより良好な熱伝達をもたらしている。ここに示すように、これらのフィン１４は、隣接する熱伝導性のストリップ形状の区間１０の２つの相対する側面に、相互にずらして配置してもよく、ストリップ形状の区間１０の相対する側面における２つの隣接するフィン１４の間のギャップ領域内に延在することができる。

冷却フィン１４の数および配列は、必要に応じて変更可能であることを理解されたい。

冷却タブ１１を有し相対する短辺の電気的絶縁のために、すなわち、適用時に電池セル９の逆極性の電極６を位置決めするために、電気的遮断部１２は設けられている。この電気的遮断部１２は、モジュールの導通管路３の間の全幅にわたって横切るように延在している。

図１～図６は、例えばポーチ形セルなどの平坦な電池セル用の本発明による温度制御モジュールの構成および使用を示している。しかしながら、本発明による温度制御モジュールは、平坦な構成とは異なる形状を有する電池セル、例えば図７に示されているような円筒形セルの温度制御にも使用することができる。その際、機能性は同一である。

必要に応じて、この用途ではモジュールの可撓性を高めることができ、それによって、モジュールの形状を円筒形電池セルの湾曲した表面に良好に適合化させることができる。例えば、この目的のために、より高い可撓性を複合材料に与えるより高い割合の可塑剤を炭素繊維複合材料２からなる層の結合樹脂系に添加することができる。例として、単官能シロキサンまたはエポキシ化オレイン酸エステルがある。しかしながら、基本的には、炭素繊維複合材料２からなる層は、対応する波形プレス金型を用いて、圧力および温度下のプレスで所望の波形にプレス加工することも可能である。

既に上述したように、例えば、電池セル９内の温度勾配を補償するために、熱放出の段階付けが望ましい場合もある。その際、熱負荷が特に高い領域では、熱負荷がより低い領域よりも高い熱放出が想定されてもよい。熱放出の段階付けを実現するための手段の例は、図８～図１２に概略的に示されている。

図８～図１２は、それぞれ、本発明による温度制御モジュールの表面に対して平行な断面の平面図を示している。図２および図７に示されている実施形態とは異なり、ここに示される実施形態では、複数の冷却タブ１１がモジュールの同じ短辺に存在している。図２～図７に示されているモジュールに対して代替的に、導通管路３は、それぞれ、一方の短辺に流体入口開口部４を有し、相対する短辺に流体出口開口部５を有しており、この場合、両方の導通管路３では、入口４および出口５がそれぞれモジュールの同じ短辺に存在している。

流体入口開口部４は、冷却タブ１１を有する短辺に、ひいては電池セル９の電極接点６が温度制御モジュールを電池セル９に取り付ける際の使用目的で存在する側に存在している。このことは、電極接点６の領域で最大の熱負荷が発生するため理にかなっている。

既に図１に関連して述べたように、熱伝導は、一方向炭素繊維複合材料２からなる層を設けることによって生じさせることができ、この場合、炭素繊維は、電極接点６を有する側からモジュールの相対する短辺まで延在している。したがって、熱は、電極接点６を有する熱負荷が最大の領域から熱負荷が少ない領域に放出することができる。

セル表面にわたる熱放出および熱均一化のためのさらなる手段によれば、通流管路８の数は、図８に示されているように、モジュールの長手延在方向にわたって変化させることができる。それにより、熱負荷が最大の領域（図８の左側）における通流管路８の数は、熱負荷が低い領域より多くなってもよい。

熱伝導性ストリップ１０が通流管路８を規定している場合、異なる熱伝導率を有する材料を使用することができる（図９を参照）。したがって、熱負荷が高い領域では、熱負荷が低い領域よりも熱伝導率の高い材料を使用することができる。例えば、非常に良好な熱伝導体、例えば銅は、熱負荷が最大の箇所に、すなわち図９中、ここでは冷却タブ１１によって覆われている電極接点を有する側に配置することができる。熱伝導性ストリップ１０にはこの領域からの距離が増すにつれて熱伝導率が低下する材料、例えばアルミニウムなどを使用することができる。

熱放出の勾配は、図１０に示されているように、通流管路８の異なる直径によって実現することができる。ここでは、通流管路８の直径は、熱負荷が最大の領域からの距離が増すにつれて小さくなる。したがって、冷却能力は、熱負荷がより高い領域ではより高い冷却効果が得られ、かつモジュールの長手延在方向にわたって熱分布もしくは熱負荷の均一化が維持されるようにするために、大きな／より大きな直径を有する通流管路８を有する領域ではより高くなり、直径とともに低減する。

図１０では、電極接点６を有する側から反対側までの通流管路８の直径の減少は、温度制御モジュールの上方に示される直径が減少している円の列によって示されている。

導通管路３および／または通流管路８には、多孔質材料１３を設けてもよく、その多孔性は、熱的に最も負荷がかかった領域からの距離が増すにつれて減少する。

多孔質材料１５を有する導通管路３の長手方向断面の例は図１１に示されている。最大の多孔性１５を有する領域は、図１１の左側にある。これは、ここでは最大の熱負荷を有する領域である。この多孔性１５は、相対する右方短辺の方向に向かって徐々に減少している。多孔質材料１５が通流管路８に設けられるならば、熱的に強く負荷される領域における通流管路内の多孔性１５は、熱負荷が低い領域の方向に向かって減少していることが合理的である。

図１２に示されるように、管路、特に導通管路３には、熱伝達流体の通流速度を調整するための障害物１６が設けられてもよい。図１２に示すように、障害物１６の数、ひいては通流に対する阻害数は、最大の熱発生量を有する領域（ここでは左方端部）において最小となり、最小の熱発生量を有する領域（図の右方）への方向に向かって増加する。

障害物が通流管路８内に存在する場合、熱負荷がより高い領域における通流の阻害、すなわち通流管路８内の障害物１６の数は、熱負荷が低い領域よりも多くすべきである。

熱伝達媒体の通流速度の調整は、障害物の形状および／またはサイズの選択によって行うこともできる。

熱伝達の減少もしくは段階付けは、冷却フィン１４の数を低減することによって得ることもできる。

またここでは、温度制御モジュールにわたって温度勾配を調整するための上述した手段の組み合わせが可能であることも理解されたい。例えば、図１１および図１２に示されているような通流を調整するための手段は、一方向炭素繊維複合材料からなる層を設けること（図１）、通流管路の異なる距離を設けること（図１０）、異なる熱伝導率を有する熱伝導性ストリップ６のための材料を設けること（図９）、および／または図１０による通流管路８の直径を低減させることなどのような１つ以上のさらなる手段と組み合わせることが可能である。

例えば、図２～図６のように、相対する側に電極接点６を有する電池の場合、図８～図１２による実施形態で説明されるような熱放出手段は、モジュールの中心に向かって配向するのが合理的である。

本発明によれば、充電式電池セル、特にリチウムイオン電池セルを冷却および加熱するための多種多様な温度制御モジュールが提供され、この温度制御モジュールは、１５℃～３５℃の間の理想的な温度範囲において安全な動作を保証することができ、電池表面全体にわたる熱負荷の均一な分布、および電極接点の領域など特に熱負荷される領域からの熱の効果的な放出、ならびに特に熱負荷される領域における特に高い放出能力を伴う段階付けされた熱放出が可能である。さらに、この温度制御モジュールは、異なる電池タイプや異なる形態に合わせて設計可能である。

１ 外殻
２ 一方向炭素繊維複合材料からなる層
３ 導通管路
４ 熱伝達媒体用の入口開口部
５ 熱伝達媒体用の出口開口部
６ 電極接点
７ 中間層
８ 通流管路
９ 電池セル
１０ ストリップ、特に熱伝導性ストリップ（区分）
１１ 冷却タブ
１２ 電気的絶縁遮断部
１３ 外殻１における窪み／凹部
１４ 冷却フィン
１５ 多孔質材料
１６ 貫流速度を調整するための障害物

Claims (15)

1. 電池セルを冷却または加熱するための温度制御モジュールであって、
   前記温度制御モジュールは、ポリマー材料からなる外殻（１）を含み、前記外殻（１）は、それらの縁部が相互に接続された２つの相対する主表面を有し、前記外殻（１）は、前記温度制御モジュールの内部コンポーネントを取り囲み、
   前記温度制御モジュールの内部に、一方向炭素繊維複合材料からなる少なくとも１つの熱伝導層が設けられ、前記主表面の２つの相対する縁部領域に、熱伝達媒体を導通させるためのそれぞれ１つの導通管路（３）が延在し、
   前記一方向炭素繊維複合材料（２）からなる前記少なくとも１つの熱伝導層は、前記導通管路（３）の間でモジュール表面にわたって延在している、
   温度制御モジュール。
2. 前記外殻（１）の２つの各主表面の内側に、一方向炭素繊維複合材料（２）からなる層が設けられており、前記一方向炭素繊維複合材料（２）からなる層の間に、前記導通管路（３）を接続する１つ以上の通流管路（８）を有する中間層（７）が存在している、請求項１記載の温度制御モジュール。
3. 前記中間層（７）は、熱伝導性材料からなる、請求項２記載の温度制御モジュール。
4. 前記中間層（７）のための前記熱伝導性材料は金属である、請求項２または３記載の温度制御モジュール。
5. 前記中間層（７）のための前記熱伝導性材料は、熱伝導性プラスチック化合物である、請求項２または３記載の温度制御モジュール。
6. 前記熱伝導性プラスチック化合物は、０．５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有している、請求項５記載の温度制御モジュール。
7. １つ以上の通流管路（８）は、前記中間層（７）を相互に分離された個別区間（１０）に分割する、請求項２から６までのいずれか１項記載の温度制御モジュール。
8. 前記１つ以上の通流管路（８）は、前記中間層の溝状の切り込みである、請求項１から６までのいずれか１項記載の温度制御モジュール。
9. 前記通流管路（８）の側壁に、冷却フィン（１４）が設けられている、請求項２から６までのいずれか１項記載の温度制御モジュール。
10. 前記２つの主表面の外側に、電池セルを保持するための凹部（１３）が設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の温度制御モジュール。
11. 前記通流管路（８）は、前記導通管路（３）の間で前記温度制御モジュールの横軸に沿って相互に平行に延びている、請求項２から１０までのいずれか１項記載の温度制御モジュール。
12. 熱放出を段階付けるための手段が設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の温度制御モジュール。
13. 前記手段は、以下の手段、すなわち、
    ａ）温度勾配に沿って前記通流管路（８）の数を低減する手段、
    ｂ）温度勾配に沿って前記区間／ストリップ（７／１０）のための材料の熱伝導率を低減する手段、
    ｃ）温度勾配に沿って前記通流管路（８）および／または前記導通管路（３）の直径を低減する手段、
    ｄ）多孔質材料（１３）を前記導通管路（３）および／または前記通流管路（８）に挿入し、多孔質性を温度勾配に沿って低減する手段、
    ｅ）障害物（１６）を前記導通管路（３）および／または前記通流管路（８）に挿入し、前記障害物（１６）の数を温度勾配に沿って増加する手段、
    ｆ）前記手段ａ）～ｅ）のうちの２つ以上を組み合わせる手段、
    から選択される、請求項１２記載の温度制御モジュール。
14. 前記温度制御モジュールの少なくとも一方の端面に、隣接する電池セル（９）の電極接点（６）を直接冷却するための冷却タブ（１１）が設けられている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の温度制御モジュール。
15. 前記外殻（１）のためのポリマー材料は、エラストマーである、請求項１から１４までのいずれか１項記載の温度制御モジュール。

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