JP5404928B2 - バッテリ・モジュールおよび該バッテリ・モジュールを冷却する方法 - Google Patents

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Description

本願は、バッテリ・モジュールおよび該バッテリ・モジュールを冷却する方法に関する。
従来の空冷式電池パックにおいて、環境大気からの周囲空気が、電池パック内の電池を通され、次いで、電池パックから排出される。しかしながら、従来の空冷式電池パックは、所望の温度範囲内に電池パックの温度を維持することにおいて大きな課題を抱えてきた。
特に、電池の最高作動温度が、電池の冷却に利用される周囲空気の温度より低いことがしばしばあり得る。このような場合、空冷式電池パックにおいて所望の温度範囲内で電池を維持することは不可能である。
よって、本願の発明者は、上述の不都合を最小化かつ／または排除する、改善されたバッテリ・モジュールおよび該バッテリ・モジュールを冷却する方法の必要性を認識してきた。
例示的実施形態におけるバッテリ・モジュールが提供される。バッテリ・モジュールは、非導電性オイルを有する筐体を具備する。バッテリ・モジュールは、非導電性オイルに接触する、筐体内に配置された電池をさらに具備する。第１および第２熱伝導性フィンが、非導電性オイルから熱エネルギーを排出するように構成される。バッテリ・モジュールは、第１および第２熱伝導性フィンをそれぞれ貫通して延在する第１および第２導管をさらに具備する。第１および第２導管は、そこを通る流体の第１および第２部分をそれぞれ受容し、第１および第２熱伝導性フィンから流体内に熱エネルギーをそれぞれ伝導して電池を冷却するように構成される。
別の例示的実施形態におけるバッテリ・モジュールを冷却する方法が提供される。バッテリ・モジュールは、筐体と、電池と、第１および第２熱伝導性フィンと、第１および第２熱伝導性フィンをそれぞれ貫通して延在する第１および第２導管と、を有する。該方法は、電池から筐体内に配置される非導電性オイル内に熱エネルギーを伝導するステップを備える。該方法は、非導電性オイルから筐体内に配置される第１および第２熱伝導性フィン内に熱エネルギーを伝導するステップをさらに含む。該方法は、第１および第２導管内の流体の第１および第２部分をそれぞれ受容するステップと、第１および第２熱伝導性フィンから筐体内の流体内に熱エネルギーをそれぞれ伝導して電池を冷却するステップと、をさらに備える。
一例示的実施形態におけるバッテリ・モジュールを有する電池システムの概略図である。 別の例示的実施形態における図１の電池システムにおいて利用されるバッテリ・モジュールの概略図である。 図２のバッテリ・モジュールの別の概略図である。 図２のバッテリ・モジュールの別の概略図である。 図２のバッテリ・モジュールにおいて利用される複数の熱伝導性フィンの概略図である。 図２のバッテリ・モジュールにおいて利用される熱伝導性フィンの一部の拡大概略図である。 図２のバッテリ・モジュールの別の概略図である。 別の実施形態における図１の電池システムのバッテリ・モジュールを冷却する方法のフローチャートである。 別の例示的実施形態における別の電池システムの概略図である。
図１〜図３を参照すると、例示的実施形態において電力を発生する電池システム１０が図示されている。電池システム１０は、バッテリ・モジュール２０、コンプレッサ２２、コンデンサ２４、導管２８、３０、３２、温度センサ３６、ファン３８、および、マイクロプロセッサ４０を具備する。バッテリ・モジュール２０の利点は、バッテリ・モジュールが、電池から少なくとも１つの熱伝導性フィンに熱エネルギーを伝導するために非導電性オイルを利用して、電池を効果的に冷却することである。
理解する目的として、「流体」との用語は、液体または気体を意味する。例えば、流体は、冷却剤または冷媒からなることができる。冷却剤の例は、エチレン・グリコールおよびプロピレン・グリコールを含む。冷媒の例は、Ｒ−１１、Ｒ−１２、Ｒ−２２、Ｒ−１３４Ａ、Ｒ−４０７Ｃ、およびＲ−４１０Ａを含む。
図４〜図６を参照すると、バッテリ・モジュールがそこで電圧を発生するように構成される。バッテリ・モジュール２０は、筐体６０、電池７２，７４，７６，７８，８０，８２，８４，８６，８８，９０，９２，９４，９６，９８，１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０，１３２，１３４，１３６，１３８，１４０，１４２，１４４，１４６、導管２５０、熱伝導性フィン１７０，１７２，１７４，１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１８８，１９０，１９２，１９４，１９６，１９８，２００，２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１２，２１４，２１６，２１８，２２０，２２２，２２４，２２６，２２８，２３０，２３２，２３４，２３６，２３８，２４０，２４２，２４４、導管２５０、熱伝導性フィン２７０，２７２，２７４，２７６，２７８，２８０，２８２，２８４，２８６，２８８，２９０，２９２，２９４，２９６，２９８，３００，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０，３２２，３２４，３２６，３２８，３３０，３３２，３３４，３３６，３３８，３４０，３４２，３４４、導管３５０、および、非導電性流体３６０を具備する。
図２を参照すると、筐体６０は、下筐体部分３７０と、下筐体部分３７０の上部固く結合される蓋（図示せず）とを具備する。一例示的実施形態において、蓋は下筐体部分３７０を密封し、これにより、非導電性流体３６０が、下筐体部分３７０内にそこから漏れることなく保持される。一例示的実施形態において、蓋および下筐体部分３７０はプラスチックで構成される。
図４および図７を参照すると、電池７２，７４，７６，７８，８０，８２，８４，８６，８８，９０，９２，９４，９６，９８，１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０，１３２，１３４，１３６，１３８，１４０，１４２，１４４，１４６が、電圧を発生するために用意される。特に、各電池は実質的に同一の構造を有する、例えば、電池７２を参照すると電池は本体部３８０、フランジ部３８２、３８４、および本体部３８０から上向きに延在する一対の電極を具備する。各電池から延在する電極の各対は、電極の間に電圧を有する。電池の電極は、バッテリ・モジュールの所望の電圧および電流のために順列または並列で互いに電気的に結合され得る。
電池は、下筐体部３７０内に互いに隣接して重ねられる。一例示的実施形態では、各電池は、リチウム・イオン電池である。別の実施形態では、電池は、例えばニッケル・カドミウム電池、または、ニッケル水素電池であってもよい。当然、当業者には既知の他のタイプの電池が利用されてもよい。
図４および図６を参照すると、熱伝導性フィン１７０，１７２，１７４，１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１８８，１９０，１９２，１９４，１９６，１９８，２００，２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１２，２１４，２１６，２１８，２２０，２２２，２２４，２２６，２２８，２３０，２３２，２３４，２３６，２３８，２４０，２４２，２４４が、非導電性オイル３６０および電池から熱伝導性フィンに熱エネルギーを伝導するために設けられる。導管２５０は、熱伝導性フィン１７０，１７２，１７４，１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１８８，１９０，１９２，１９４，１９６，１９８，２００，２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１２，２１４，２１６，２１８，２２０，２２２，２２４，２２６，２２８，２３０，２３２，２３４，２３６，２３８，２４０，２４２，２４４の穴を通じて延在し、熱伝導性フィンにろう接または溶接される。さらに、熱伝導性フィン１７０，１７２，１７４，１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１８８，１９０，１９２，１９４，１９６，１９８，２００，２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１２，２１４，２１６，２１８，２２０，２２２，２２４，２２６，２２８，２３０，２３２，２３４，２３６，２３８，２４０，２４２，２４４が、電池７２，７４，７６，７８，８０，８２，８４，８６，８８，９０，９２，９４，９６，９８，１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０，１３２，１３４，１３６，１３８，１４０，１４２，１４４，１４６の第１の端部に隣接して筐体６０内にそれぞれ配置される。熱伝導性フィンは、アルミまたは銅のどちらかで構成される。導管２５０は、作動中、コンプレッサ２２から第１の端部で流体を受容するように構成される。導管２５０は、熱伝導性フィンから、導管を通じて流れる流体に熱エネルギーを伝導して非導電性オイルおよび電池を冷却する。導管２５０は、アルミまたは銅のどちらかで構成される。一例示的実施形態において、熱伝導性フィンは三角形状板である。当然、熱伝導性フィンは、当業者には既知の他の形状を有し得る。一例示的実施形態において、流体は、例えば、エチレン・グリコールまたはプロピレン・グリコールなどの冷却剤である。別の例示的実施形態では、流体は冷媒である。
図４〜図６を参照すると、熱伝導性フィン２７０，２７２，２７４，２７６，２７８，２８０，２８２，２８４，２８６，２８８，２９０，２９２，２９４，２９６，２９８，３００，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０，３２２，３２４，３２６，３２８，３３０，３３２，３３４，３３６，３３８，３４０，３４２，３４４は、非導電性オイル３６０および電池から熱伝導性フィンに熱エネルギーを伝導するように設けられる。導管３５０は熱伝導性フィン２７０，２７２，２７４，２７６，２７８，２８０，２８２，２８４，２８６，２８８，２９０，２９２，２９４，２９６，２９８，３００，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０，３２２，３２４，３２６，３２８，３３０，３３２，３３４，３３６，３３８，３４０，３４２，３４４の孔を通じて延在し、熱伝導性フィンにろう接または溶接される。さらに、熱伝導性フィン２７０，２７２，２７４，２７６，２７８，２８０，２８２，２８４，２８６，２８８，２９０，２９２，２９４，２９６，２９８，３００，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０，３２２，３２４，３２６，３２８，３３０，３３２，３３４，３３６，３３８，３４０，３４２，３４４が、電池７２，７４，７６，７８，８０，８２，８４，８６，８８，９０，９２，９４，９６，９８，１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０，１３２，１３４，１３６，１３８，１４０，１４２，１４４，１４６の第２の端部に隣接して筐体６０内にそれぞれ配置される。導管３５０は、コンプレッサ２２から第１の端部で流体を受容するように構成される。熱伝導性フィンは、アルミまたは銅のどちらかで構成される。一例示的実施形態において、熱伝導性フィンは、三角形状板である。当然、熱伝導性フィンは、当業者には既知の他の形状を有し得る。作動中、導管３５０は、熱伝導性フィンから、導管を通じて流れる流体に熱エネルギーを伝導して非導電性オイルおよび電池を冷却する。導管３５０は、アルミまたは銅のどちらかで構成される。一例示的実施形態において、流体は、例えば、エチレン・グリコールまたはプロピレン・グリコールなどの冷却剤である。別の例示的実施形態では、流体は冷媒である。
熱伝導性フィン１７０，１７２，１７４，１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１８８，１９０，１９２，１９４，１９６，１９８，２００，２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１２，２１４，２１６，２１８，２２０，２２２，２２４，２２６，２２８，２３０，２３２，２３４，２３６，２３８，２４０，２４２，２４４と導管２５０との組み合わせと、熱伝導性フィン２７０，２７２，２７４，２７６，２７８，２８０，２８２，２８４，２８６，２８８，２９０，２９２，２９４，２９６，２９８，３００，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０，３２２，３２４，３２６，３２８，３３０，３３２，３３４，３３６，３３８，３４０，３４２，３４４と導管３５０との組み合わせとは、所望の温度範囲内で電池を維持することを可能にし、また特に、温度の閾レベルより低い温度で電池を維持することを可能にする。一例示的実施形態では、所望の温度範囲は、１５℃〜３５℃である。別の例示的実施形態では、温度の閾レベルは４０℃である。図６を参照すると、非導電性オイル３６０は、筐体３６０内に配置され、かつ、電池から熱エネルギーを吸収するように電池に接触する。一例示的実施形態では、非導電性オイルは鉱油である。当然、当業者には既知の別のタイプの非導電性流体が、非導電性オイルの代わりに利用され得る。
図１を参照すると、コンプレッサ２２は、マイクロプロセッサ４０からの制御信号に応じて、バッテリ・モジュール２０の導管２５０、３５０内に導管２８を通じて冷媒を流す。また、導管３０は、バッテリ・モジュール２０の導管２５０、３５０に流体結合される。導管３０は、導管２５０、３５０から冷媒を受容し、コンデンサ２４に冷媒を送る。
コンデンサ２４は、コンデンサを通じて流れる冷媒から熱エネルギーを排出して冷媒を冷却する。示すように、導管３２は、コンデンサ２４とコンプレッサ２２との間に流体結合される。コンデンサ２４を出た後に、冷媒は、導管３２を通じてコンプレッサ２２へ流される。
温度センサ３６は、マイクロプロセッサ４０に受信される、筐体６０内に配置される非導電オイル３６０の温度レベルが分かる信号を発信するように設けられる。温度センサ３６からの信号は、電池の温度レベルをさらに示す。
ファン３８は、マイクロプロセッサ４０からの信号に応じて、コンデンサ２４を通過した空気がコンデンサ２４の冷却を促進するように設けられる。示すように、ファン３８は、コンデンサ２４に隣接して配置される。
マイクロプロセッサ４０は、電池システム１０の作動を制御することを実現する。特に、マイクロプロセッサ４０は、温度センサ３６からの信号が非導電性オイルの温度レベルが所定の温度レベルより高い際に、コンプレッサ２２にバッテリ・モジュール２０を通じて冷媒を流させるための制御信号を発信するように構成される。さらに、マイクロプロセッサ４０は、温度センサ３６からの信号が非導電性オイルの温度レベルが所定の温度レベルより高い際に、ファン３８にコンデンサ２４を横断して空気を送らせる別の制御信号を発信するように構成される。
図８を参照すると、電池を有するバッテリ・モジュール２０を冷却する方法のフローチャートが説明される。簡単にする目的で、バッテリ・モジュール２０内には１つの電池と２つの熱伝導性フィンのみが示される。
ステップ３９０において、電池７２からの熱エネルギーが、筐体６０内に配置される非導電性オイル３６０に伝導される。
ステップ３９２において、非導電性オイル３６０からの熱エネルギーが、筐体６０に配置される第１および第２熱伝導性フィン１７０、２７０に伝導される。
ステップ３９４において、第１および第２導管２５０、３５０が、流体の第１および第２部分を受容し、第１および第２熱伝導性フィン１７０、２７０から流体に熱エネルギーをそれぞれ伝導して筐体６０内の電池７２を冷却する。
図９を参照すると、別の例示的実施形態における電力を発生する電池システム４１０が図示される。電池システム４１０は、バッテリ・モジュール４２０、ポンプ４２２、熱交換器４２４、冷却板４２５、容器４２６、導管４２８、４３０、４３１、４３２、４３４、温度センサ４３６、ファン４３７、冷媒システム４３８、およびマイクロプロセッサ４４０を具備する。電池システム４１０と電池システム１０との主な違いは、電池システム４１０が冷媒の代わりに冷却剤を利用してバッテリ・モジュール４２０を冷却することである。
バッテリ・モジュール４２０は、上述のバッテリ・モジュール２０と同一の構造を有する。
ポンプ４２２は、マイクロプロセッサ４４０からの制御信号に応じてバッテリ・モジュール４２０内に導管４２８を通じて冷却剤を送るように構成される。示すように、導管４２８は、ポンプ４２２とバッテリ・モジュール４２０との間に流体結合され、導管４３０は、バッテリ・モジュール４２０と熱交換器４２４との間に流体結合される。バッテリ・モジュール４２０を出た後、冷却剤は、導管４３０を通じて熱交換器４２４に送られる。
熱交換器４２４は、熱交換器を通いて流れる冷却剤から熱エネルギーを排出して、冷却剤を冷却するように設けられる。示すように、導管４３１は、熱交換器４２４と冷却板４２５との間に竜低結合される。熱交換器４２４を出た後、冷却剤は、導管４３１を通じて冷却板４２５に送られる。
ファン４３７は、熱交換器４２４を通過した空気がマイクロプロセッサ４４０からの制御信号に応じて熱交換器４２４を冷却すること促進するように設けられる。示すように、冷却剤は、導管４３１を通じて冷却板４２５に送られる。
冷却板４２５は、冷却板を通じて流れる冷却剤から熱エネルギーを排出して、冷却剤をさらに冷却するように設けられる。示すように、導管４２２は、冷却板４２５と容器４２６との間に流体結合される。冷却板４２５を出た後、冷却剤は導管４３２を通じて容器４２６に送られる。
容器４２６は、冷却剤の少なくとも一部を貯蔵するように設けられる。示すように、導管４３４は、容器４２６とポンプ４２２との間に流体結合される。容器４２６を出た後、冷却剤は、導管４３４を通じてポンプ４２２に送られる。
温度センサ４３６は、マイクロプロセッサ４４０に受信される、非導電性オイルの温度レベルを示す、かつ、バッテリ・モジュール４２０の温度レベルを示す信号を発信するように構成される。
冷媒システム４３８は、マイクロプロセッサ４４０からの制御信号に応じて熱交換器４２４を冷却するように設けられる。示すように、冷媒システム４３８は、操作可能に冷却板４２５に結合される。
マイクロプロセッサ４４０は、電池システム４１０の作動を制御するために設けられる。特に、マイクロプロセッサ４４０は、温度センサ４３６からの信号が非導電性オイルの温度レベルが所定の温度レベルより高い際に、ポンプ４２２にバッテリ・モジュール４２０を通じて冷却剤を流させるための制御信号を発信するように構成される。さらに、マイクロプロセッサ４４０は、温度センサ４３６からの信号が非導電性オイルの温度レベルが所定の温度レベルより高い際に、ファン４３７に熱交換器４２４を横断して空気を送らせる別の制御信号を発信するように構成される。さらに、マイクロプロセッサ４４０は、温度センサ４３６からの信号が非導電性オイルの温度レベルが所定の温度レベルより高い際に、冷媒システム４３８に冷却板４２５を冷却させる別の制御信号を発信するように構成される。
バッテリ・モジュールおよび該バッテリ・モジュールを冷却する方法は、他のモジュールおよび方法に対して大きな利点を提供する。特に、モジュールおよび方法は、非導電性オイルを冷却するマニホールドを冷却するとともに電池に接触する非導電性オイルを利用するバッテリ・モジュール内の電池を冷却する技術的効果を提供する。
本発明が例示的実施形態に則して説明されてきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更が可能であり、また、同等物によって本発明の要素が代替されてもよいことが当業者には理解できるだろう。また、本発明の主旨から逸脱することなく、本発明の教示に対する種々の修正が、特定の状況または材料に対応するために可能である。すなわち、本発明を実施するために開示された特定の実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明は、添付する特許請求の範囲内の全ての実施形態を含む。さらに、第１、第２などの用語の使用は、一要素を別の要素から区別するために使用される。さらに、一（a、an）などの用語は、量制限を意味するものではく、むしろ、それが少なくとも１つあることを意味する。
１０、４１０ 電池システム
２０、４２０ バッテリ・モジュール
２２ コンプレッサ
２４ コンデンサ
２８、３０、３２ ２５０ ３５０ 導管
３６、４３６ 温度センサ
３８ ファン
４０、４４０ マイクロプロセッサ
６０ 筐体
７２ 電池
１７０、２７０ 熱伝導性フィン
３６０ 非導電性流体 非導電性オイル
３７０ 下筐体部分
３８０ 本体部
３８２、３８４ フランジ部
４２２ ポンプ
４２４ 熱交換器
４２５ 冷却板
４２６ 容器
４２８、４３０、４３１、４３２、４３４ 導管
４３７ ファン
４３８ 冷媒システム、

Claims (13)

  1. 非導電性オイルを有する筐体と；
    前記筐体内に配置され、前記非導電性オイルに接触する電池と；
    前記筐体内に配置され、前記非導電性オイルに接触する第１および第２熱伝導性フィンであって、前記非導電性オイルから熱エネルギーを排出するように構成された第１および第２熱伝導性フィンと；
    前記第１および第２熱伝導性フィンをそれぞれ貫通して延在する第１および第２導管であって、該第１および第２導管を通じて流体の第１および第２部分をそれぞれ受容し、前記第１および第２熱伝導性フィンから前記流体に熱エネルギーをそれぞれ伝導して前記電池を冷却するように構成された第１および第２導管と；
    を備えることを特徴とするバッテリ・モジュール。
  2. 前記第１および第２熱伝導性フィンは、前記電池の第１の端部および第２の端部にそれぞれ隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ・モジュール。
  3. 前記第１および第２熱伝導性フィンは、アルミまたは銅のどちらかで構成されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ・モジュール。
  4. 前記筐体は、プラスチックで構成されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ・モジュール。
  5. 前記非導電性オイルは、鉱油からなることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ・モジュール。
  6. 前記流体は、冷却剤であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ・モジュール。
  7. 前記冷却剤は、エチレン・グリコールまたはプロピレン・グリコールのどちらかからなることを特徴とする請求項６に記載のバッテリ・モジュール。
  8. 前記流体は、冷媒からなることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ・モジュール。
  9. バッテリ・モジュールを冷却する方法であって、前記バッテリ・モジュールは、筐体と、電池と、第１および第２熱伝導フィンと、前記第１および第２熱伝導フィンをそれぞれ貫通して延在する第１および第２導管と、を有し、当該方法は、
    前記電池から前記筐体内に配置される非導電性オイル内に熱エネルギーを伝導するステップと、
    前記前記非導電性オイルから前記第１および第２熱伝導フィン内に熱エネルギーを伝導するステップと、
    前記第１および第２導管内の流体の第１および第２部分をそれぞれ受容し、前記第１および第２熱伝導フィンから前記流体内に熱エネルギーを伝導して前記筐体内の前記電池を冷却するステップと、
    を備える方法。
  10. 前記非導電性オイルは、鉱油からなることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記流体は、冷却剤であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. 前記冷却剤は、エチレン・グリコールまたはプロピレン・グリコールのどちらかからなることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 前記流体は、冷媒からなることを特徴とする請求項９に記載の方法。
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