JP5200119B2 - バッテリモジュールとバッテリモジュールを冷却するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、ケーシングと、このケーシング内に配置されている少なくとも１つのバッテリと、冷却流体をケーシング内へと流入させるための少なくとも１つの流入開口部と、冷却流体をケーシングから流出させるための流出開口部とを有し、少なくとも１つの流入開口部には圧縮機により圧縮された冷却流体が供給される、バッテリモジュールに関する。さらに本発明は、バッテリモジュールと、ケーシング内に配置されている少なくとも１つのバッテリを冷却するための方法に関する。

バッテリ、例えばリチウムイオンバッテリは種々の装置、例えば、ハイブリッド自動車、電気的に運転される車両、例えば車いす、補助駆動装置を備えた自転車、フォークリフト、または、電動工具に電流を供給する。一般的に、複数のバッテリがケーシングに取り付けられており、またそれらのバッテリによって１つのバッテリモジュールが形成される。そのようなバッテリモジュールは、冷却流体によって容易に冷却可能であり、また複数のバッテリモジュールを１つのバッテリモジュールシステムへと組み合わせることによってより高い電力を簡単に実現できるという利点を有する。

ケーシング内に配置されており、通常は円筒状であるバッテリは、冷却流体としての循環空気によって冷却される。冷却のコンセプトは、ケーシング内の円筒状のバッテリの正味の縦方向または軸方向において流体を流入させることを予定しているか、バッテリの横方向または半径方向に流体を流入させることを予定している。空気は開口部または孔を通ってケーシング内へと流入され、再び開口部または孔を通ってケーシングから流出される。バッテリ、殊にバッテリモジュールのケーシング内に密にパッケージングされたバッテリの冷却を改善するために、冷却には圧縮された空気使用される。何故ならば、圧縮された空気は体積単位あたりより大きい質量を有し、したがって冷却能力が上昇するからである。一般的に、密にパッケージングされたバッテリでは圧縮された空気でしか、バッテリから放出される熱を十分に排出することができない。

DE 10 2005 017 057 A1からは、ケーシング内に配置されているバッテリユニットのためのバッテリ冷却装置が公知である。ポンプは、ケーシング内のバッテリユニットを冷却するために、圧力管を介して空気を圧縮してバッテリユニットへと供給する。しかしながら空気は圧縮によって熱せられるので、それによって不利なことに冷却能力は低下する。

課題
したがって本発明の課題は、圧縮された冷却流体の加熱に起因する冷却能力の低下を少なくとも部分的に回避する、バッテリモジュール、バッテリモジュールシステム、ケーシング内に配置されている少なくとも１つを冷却するための方法を提供することである。さらには、構造コストが低く、バッテリモジュールが廉価に製造されるべきである。

発明の開示
この課題は、ケーシングと、このケーシング内に配置されている少なくとも１つのバッテリと、冷却流体をケーシング内へと流入させるための少なくとも１つの流入開口部と、冷却流体をケーシングから流出させるための流出開口部とを有し、少なくとも１つの流入開口部には圧縮機により圧縮された冷却流体が供給され、冷却流体が冷却装置によって冷却される、バッテリモジュールによって解決される。

冷却流体管およびケーシングは、冷却流体管の温度およびケーシングの温度が周囲の温度よりも高い間は周囲に熱を放出する。冷却装置は、冷却流体管および／またはケーシングの冷却能力を、いずれにせよ存在する冷却能力の程度を超えるように高める装置、例えば、冷却流体管の表面に施されている放熱を高めるための特別なコーティング、または、放熱のための面積を拡大する冷却リブと解される。冷却流体を圧縮の前に冷却することもできる。冷却流体が例えば空気である場合には、冷凍機によって空気を周囲空気の温度以下まで冷却し、冷却された後に空気を圧縮機において圧縮することができる。

別の実施形態においては、圧縮機によって圧縮された冷却流体を冷却することができる。

好適には、冷却流体がケーシングに流入される前に、その冷却流体を冷却装置によって冷却することができる。

付加的な実施形態においては、圧縮機から少なくとも１つの流入開口部へと案内されている冷却流体管において、冷却流体を冷却装置によって冷却することができる。

補完的な実施形態においては、冷却装置が少なくとも１つの冷却リブである。

殊に、少なくとも１つの冷却リブが冷却流体管に配置されている。

付加的な実施形態においては、ファンによって周囲空気を少なくとも１つの冷却リブおよび／または冷却管へと誘導し、冷却流体管内の冷却流体を冷却することができる。周囲空気を能動的に誘導することによって、冷却流体管および／または冷却リブの冷却能力を高めることができる。

有利には、冷却装置は冷凍機である。冷凍機は殊に、冷却流体を冷却するために少なくとも部分的に利用される、自動車の空調装置の圧縮冷凍機である。

別の実施形態においては、冷凍機の熱交換器、例えばエバポレータが、殊に圧縮機から少なくとも１つの流入開口部へと案内されている冷却流体管に接して、および／または、冷却流体管の内部に配置されている。熱交換器を圧縮機へと案内されている冷却流体管に接して、および／または、冷却流体管の内部に配置することもできる。

好適には、バッテリモジュールが少なくとも１つの流出開口部から流出された冷却流体を膨張させるための減圧機構を有する。

付加的な実施形態においては、圧縮機によって圧縮された冷却流体を、熱交換器を用いて、減圧機構から生じた冷却流体によって冷却することができる。

好適には、熱交換器を、圧縮機から少なくとも１つの流入開口部へと案内されている冷却流体管に接して、および／または、冷却流体管の内部に配置することもできる。

別の実施形態においては、バッテリモジュールには制御ユニットが対応付けられており、この制御ユニットはケーシング内の圧力および／または少なくとも１つのバッテリの温度を開ループ制御および／または閉ループ制御する。殊に、少なくとも１つのバッテリはリチウムイオンバッテリである、および／または、冷却流体は気体、殊に空気である。

本発明によるバッテリモジュールシステムは上記のバッテリモジュールを少なくとも１つ含む。

ケーシング内に配置されている少なくとも１つのバッテリを冷却するための本発明による方法は、冷却流体を圧縮するステップと、圧縮された冷却流体をケーシング内へと流入させるステップと、圧縮された冷却流体によって少なくとも１つのバッテリを冷却するステップと、圧縮された冷却流体をケーシングから流出させるステップと、冷却流体を減圧し、冷却流体を冷却するステップとを有する。

殊に、圧縮された冷却流体が冷却される。圧縮された冷却流体の冷却は、この圧縮された冷却流体が圧縮されていない冷却流体よりも高い温度を有していることから、必要とされる技術的な手間および／またはエネルギ要求が比較的少ないという利点を有する。

別の実施形態においては、有利には、冷却流体管および／またはケーシングにおいていずれにせよ存在する冷却作用に加え、冷却能力が冷却装置によってさらに高められるように圧縮された冷却流体が冷却される。

冷却流体管および／またはケーシングは熱放射および／または対流によって周囲に熱を放出する。この「通常の」冷却作用は十分ではないので、冷却装置によって冷却流体は著しく冷却される。

付加的な実施形態においては、冷却流体がケーシングに流入される前に冷却される。

付加的な実施形態においては、冷却流体が冷却流体管において圧縮機からケーシングへと誘導され、その冷却流体管内で冷却される。

有利には、冷却流体が冷却リブおよび／または冷凍機、例えば圧縮冷凍機または吸着式冷凍機によって冷却される。

別の実施形態においては、制御ユニットによって、ケーシング内の圧力および／または少なくとも１つのバッテリの温度が開ループ制御および／または閉ループ制御される。

付加的な実施形態においては、制御ユニットがケーシング内の圧力および／または少なくとも１つのバッテリの温度を、少なくとも１つのバッテリ内の内部圧力、および／または、圧縮機から吸入された冷却流体の温度、および／または、ケーシングへと流入された、圧縮されている冷却流体の温度、および／または、ケーシングから流出された冷却流体の温度、および／または、減圧機構における膨張後の冷却流体の温度に依存して開ループ制御および／または閉ループ制御する。

さらに本発明はプログラムコード手段を備えたコンピュータプログラムに関し、このプログラムコード手段は、コンピュータプログラムがコンピュータまたは相応の計算ユニットにおいて実行される際に上述の方法を実施するために、コンピュータ読み取り可能なデータ担体に記憶されている。

さらに本発明はプログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム製品に関し、このプログラムコード手段は、コンピュータプログラムがコンピュータまたは相応の計算ユニットにおいて実行される際に上述の方法を実施するために、コンピュータ読み取り可能なデータ担体に記憶されている。

以下では、添付の図面を参照しながら、本発明の３つの実施例を詳細に説明する。

圧縮された空気を冷却するための冷却リブを備えた、第１の実施例におけるバッテリモジュールの長手方向の概略的な断面図を示す。 圧縮された空気を冷却するための冷凍機を備えた、第２の実施例におけるバッテリモジュールの長手方向の概略的な断面図を示す。 圧縮された空気を減圧された冷却空気によって冷却するための熱交換器を備えた、第３の実施例におけるバッテリモジュールの長手方向の概略的な断面図を示す。 バッテリモジュールシステムの長手方向の概略的な断面図を示す。

図１には、リチウムイオンバッテリ４として構成されている８つのバッテリ３を収容するためのケーシング２を備えた本発明によるバッテリモジュール１が非常に概略的な断面図で示されている。バッテリモジュール１は有利には自動車、殊にハイブリッド自動車（図示せず）に使用される。冷却流体として空気が使用され、この空気は圧縮機１１によって吸い込まれて圧縮され、続いて、冷却流体管７を通って誘導され、さらには流入開口部５を介して、バッテリ３を備えたケーシング２へと流入される。圧縮された空気は、ケーシング２内に配置されているバッテリ３から熱を受け取り、続いて流出開口部６を介してケーシング２から減圧機構１４へと誘導される。減圧機構１４においては、圧縮された空気が、１０００ｍｂａｒの範囲の通常の空気圧へと再び減圧される。圧縮機１１、例えばファンまたはコンプレッサによって形成された圧力は通常の空気圧を上回る例えば１００〜３０００ｍｂａｒの範囲にある。

制御ユニット１２はケーシング２内の圧力を開ループ制御および／または閉ループ制御する。制御ユニット１２は図示されていないセンサからバッテリ３およびケーシング２内の内部圧力、少なくとも１つのバッテリ３内の温度、周囲空気の温度、ケーシング２へと流入される圧縮された空気の温度、ケーシング２から流出された空気の温度および減圧機構１４における減圧後の空気の温度についてのデータを得る。必要とされる冷却能力は、センサによって測定されたデータに基づいて、制御ユニット１２によって求められる。このために、例えば、制御ユニット１２には相応の機能および／またはデータバンクが格納されている。圧力は、バッテリ３内の内部圧力および／または必要とされる冷却能力および／または周囲空気の温度に依存して調整される。バッテリ３内の内部圧力に依存したケーシング２内の圧力の調整は、バッテリ３の変形、またそれにより生じる非気密性を回避するために使用される。有利には、ケーシング２内の圧力はバッテリ３内の内部圧力よりも高い。これによって、空気を圧縮するために必要とされるエネルギコストを最小化ないし最適化することができる。

空気を圧縮機１１からケーシング２へと誘導する冷却流体管７には冷却リブ９が取り付けられている。冷却リブ９は冷却装置８として使用され、熱を周囲に放出することによって、冷却流体管７を通って誘導される圧縮された空気を冷却する。補完的に、ファン１６を用いて周囲空気を能動的に冷却リブ９ないし冷却流体管７へと誘導し、冷却リブ９の冷却能力をさらに高めることができる。ファン１６は制御ユニット１２とも接続されているので、制御ユニット１２は必要とされる冷却能力に依存してファンを開ループ制御および／または閉ループ制御し、ファン１６に必要とされるエネルギコストを最小化する。

図２および図３には、バッテリモジュール１の第２の実施例および第３の実施例が示されている。以下では、第２の実施例および第３の実施例と第１の実施例との相違点のみを説明する。

図２に示されている実施例においては、冷却装置８としての冷凍機１０、殊に自動車の空調装置の圧縮冷凍機を用いることにより、圧縮機１１によって圧縮された空気がケーシング２への流入の前に冷却される。このために圧縮冷凍機のエバポレータ１７が冷却流体管７に取り付けられている（図示せず）。すなわち、ここではエバポレータ１７が、空気からの熱を冷凍機１０の冷却手段へと放出する熱交換器１３である。冷凍機１０は有利には制御ユニット１２とも接続されているので（図示せず）、制御ユニット１２は必要とされる冷却能力に依存して冷凍機１０を開ループ制御および／または閉ループ制御し、冷凍機１０に必要とされるエネルギコストを最小化する。この制御は、冷却手段誘導管において誘導される冷却手段の必要な一部のみが弁によって冷却流体管におけるエバポレータ１７に案内されるように行うことができる（図示せず）。

図３に示されている第３の実施例は、冷却流体管７内の圧縮された空気を冷却するために、減圧機構１４によって減圧され、それと共に冷却された空気を使用する。このために減圧された空気が冷却流体管７に配置されている熱交換器１３へと誘導され、これによって冷却流体管７を通って誘導される圧縮された空気を冷却することができる。減圧された空気を熱交換器１３へと誘導するための図示されていない冷却流体管７内には図示されていない弁が配置されており、熱交換器１３へと誘導される減圧された空気の量がこの弁によって開ループ制御および／または閉ループ制御される。弁は制御ユニット１２と接続されているので、制御ユニット１２は弁を必要とされる冷却能力に依存して開ループ制御および／または閉ループ制御する。第３の実施例に示されている冷却装置８は、減圧された冷却流体の温度がケーシング２に流入される前の圧縮された空気の温度よりも低いことを前提としている。相応の温度センサ（図示せず）によって、これら２つの温度が測定され、温度差が十分である場合にのみ制御ユニット１２によって弁が開かれる。

複数のバッテリモジュール１を本発明によるバッテリモジュールシステム１５に結合することができる（図４を参照されたい）。個々のバッテリモジュール１の流入開口部５および流出開口部６は中央の圧縮機１１に並列に接続されている（図示せず）。したがって、例えば乗用車または商用車に用いられ、それぞれが８個のリチウムイオンバッテリ４を有する４つのバッテリモジュール１を備えたバッテリモジュールシステム１５内には３２個のリチウムイオンバッテリ４が存在する。それと共にモジュール構造によってより良好なスケーリングが実現される。何故ならば、同一のバッテリモジュール１を用いて、種々の用途のための種々の電力を簡単に実現することができるからである。

反対の記述が無い限りは、種々の実施例の詳細を相互に組み合わせることができる。

総括すると、本発明によるバッテリモジュール１によって冷却能力が著しく改善される。自動車のためのバッテリモジュール１では、バッテリ３を非常にコンパクトに相互に僅かな間隔で配置し、バッテリモジュール１の必要とされる体積単位に関して可能な限り大きい電力を実現することが頻繁に要求される。リチウムイオンバッテリ４が使用される場合には、リチウムイオンバッテリ４の温度が６０℃を上回るべきではなく、またリチウムイオンバッテリ４間の温度差は４Ｋを下回るべきである。一般的に、密にパッケージングされているバッテリ３を冷却するためには、熱を十分に排出できるように冷却用の空気を圧縮することが必要とされる。しかしながら圧縮の際には冷却流体として使用される空気が加熱されるので、冷却に使用される圧縮された空気は比較的高い温度を有し、したがって低い冷却能力しか示すことができない。圧縮された空気の冷却はこの不利な作用を抑制するので、簡単な手法で冷却能力を著しく改善し、したがってバッテリ３の寿命も延長することができる。

Claims (23)

1. ケーシング（２）と、該ケーシング（２）内に配置されている少なくとも１つのバッテリ（３）と、冷却流体を前記ケーシング（２）内へと流入させるための少なくとも１つの流入開口部（５）と、前記冷却流体を前記ケーシング（２）から流出させるための少なくとも１つの流出開口部（６）とを有し、前記少なくとも１つの流入開口部（５）には圧縮機（１１）により圧縮された冷却流体が供給され、前記冷却流体は冷却装置（８）によって冷却される、バッテリモジュール（１）において、
   前記バッテリモジュール（１）は、前記少なくとも１つの流出開口部（６）から流出された前記冷却流体を膨張させる減圧機構（１４）を有することを特徴とする、バッテリモジュール。
2. 前記圧縮機（１１）によって圧縮された前記冷却流体が冷却される、請求項１記載のバッテリモジュール。
3. 前記冷却流体は前記冷却装置（８）によって、該冷却流体が前記ケーシング（２）に流入される前に冷却される、請求項１または２記載のバッテリモジュール。
4. 前記圧縮機（１１）から前記少なくとも１つの流入開口部（５）へと案内されている冷却流体管（７）において、前記冷却流体は前記冷却装置（８）によって冷却される、請求項１から３までのいずれか１項記載のバッテリモジュール。
5. 前記冷却装置（８）は少なくとも１つの冷却リブ（９）である、請求項１から４までのいずれか１項記載のバッテリモジュール。
6. 前記少なくとも１つの冷却リブ（９）は前記冷却流体管（７）に配置されている、請求項５記載のバッテリモジュール。
7. ファン（１６）を用いて周囲空気が、前記少なくとも１つの冷却リブ（９）および前記冷却管（７）のうちの少なくとも一方へと誘導され、前記冷却流体管（７）内の冷却流体が冷却される、請求項４から６までのいずれか１項記載のバッテリモジュール。
8. 前記冷却装置（８）は冷凍機（１０）である、請求項１から７までのいずれか１項記載のバッテリモジュール。
9. 前記冷凍機（１０）の熱交換器（１３）が、前記圧縮機（１１）から前記少なくとも１つの流入開口部（５）へと案内されている前記冷却流体管（７）に接して配置されているか、前記冷却流体管（７）の内部に配置されているか、前記冷却流体管（７）の内部において該冷却流体管（７）に接して配置されている、請求項８記載のバッテリモジュール。
10. 前記圧縮機（１１）によって圧縮された前記冷却流体が、熱交換器（１３）を用いて、前記減圧機構（１４）から生じた冷却流体によって冷却される、請求項１から９までのいずれか１項記載のバッテリモジュール。
11. 前記熱交換器（１３）は、前記圧縮機（１１）から前記少なくとも１つの流入開口部（５）へと案内されている前記冷却流体管（７）に接して配置されているか、前記冷却流体管（７）の内部に配置されているか、前記冷却流体管（７）の内部において該冷却流体管（７）に接して配置されている、請求項１０記載のバッテリモジュール。
12. 前記バッテリモジュール（１）には制御ユニット（１２）が対応付けられており、該制御ユニット（１２）は、前記ケーシング（２）内の圧力および前記少なくとも１つのバッテリ（３）の温度のうちの少なくとも一方を、開ループ制御および閉ループ制御のうちの少なくとも一方により制御する、請求項１から１１までのいずれか１項記載のバッテリモジュール。
13. 前記少なくとも１つのバッテリ（３）はリチウムイオンバッテリ（４）である、および／または、前記冷却流体は気体である、請求項１から１２までのいずれか１項記載のバッテリモジュール。
14. 複数のバッテリモジュール（１）を備えたバッテリモジュールシステム（１５）において、
    前記バッテリモジュールシステム（１５）は、請求項１から１３までのいずれか１項に記載されているバッテリモジュール（１）を少なくとも１つ有することを特徴とする、バッテリモジュールシステム（１５）。
15. ケーシング（２）内に配置されている少なくとも１つのバッテリ（３）を冷却するための方法であって、
    冷却流体を圧縮するステップと、
    圧縮された前記冷却流体を前記ケーシング（２）内へと流入させるステップと、
    圧縮された前記冷却流体によって前記少なくとも１つのバッテリ（３）を冷却するステップと、
    圧縮された前記冷却流体を前記ケーシング（２）から流出させるステップと、
    前記冷却流体を減圧するステップとを有する、バッテリ（３）を冷却するための方法において、
    前記冷却流体を冷却するステップを有することを特徴とする、バッテリ（３）を冷却するための方法。
16. 圧縮された前記冷却流体を冷却する、請求項１５記載の方法。
17. 冷却流体管（７）およびケーシング（２）のうちの少なくとも一方においていずれにせよ存在する冷却作用に加え、冷却能力が冷却装置（８）によってさらに高められるように圧縮されている前記冷却流体を冷却する、請求項１５または１６記載の方法。
18. 前記冷却流体を前記ケーシング（２）に流入させる前に冷却する、請求項１５から１７までのいずれか１項記載の方法。
19. 前記冷却流体を冷却流体管（７）において圧縮機（１１）から前記ケーシング（２）へと誘導し、前記冷却流体管（７）において冷却する、請求項１５から１８までのいずれか１項記載の方法。
20. 前記冷却流体を冷却リブ（９）および冷凍機（１０）のうちの少なくとも一方によって冷却する、請求項１５から１９までのいずれか１項記載の方法。
21. 制御ユニット（１２）を用いて、前記ケーシング（２）内の圧力および前記少なくとも１つのバッテリ（３）の温度のうちの少なくとも一方を、開ループ制御および閉ループ制御のうちの少なくとも一方により制御する、請求項１５から２０までのいずれか１項記載の方法。
22. 前記制御ユニット（１２）は、前記ケーシング（２）内の圧力および前記少なくとも１つのバッテリ（３）の温度のうちの少なくとも一方を、前記少なくとも１つのバッテリ（３）内の内部圧力と、前記圧縮機（１１）から吸入された冷却流体の温度と、前記ケーシング（２）へと流入された、圧縮されている前記冷却流体の温度と、前記ケーシング（２）から流出された前記冷却流体の温度と、減圧機構（１４）における膨張後の前記冷却流体の温度のうちの少なくとも１つに依存して、開ループ制御および閉ループ制御のうちの少なくとも一方により制御する、請求項２１記載の方法。
23. プログラムコード手段を備えたコンピュータプログラムにおいて、
    前記プログラムコード手段はコンピュータ読み取り可能なデータ担体に記憶されており、
    前記コンピュータプログラムは、コンピュータまたは相応の計算ユニットにおいて実行されるときに、請求項１５から２２までのいずれか１項記載の方法が実施されることを特徴とする、コンピュータプログラム。

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