JP5650693B2 - バッテリ冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝達流体を使用して、バッテリを冷却及び加熱するための手段を備えたバッテリ冷却器に関する。バッテリ冷却器は、バッテリセルのための少なくとも１つの構造プレート、及び１つの支持プレートを含む構造を提供する。

一般的なバッテリ冷却器は、好ましくは、電気又はハイブリッド車両のための、車両バッテリのバッテリセルを調節する役割を果たす。冷却機能及び加熱機能の両方が要求される可能性がある。バッテリ冷却器は、相変化冷媒又は液体熱搬送媒体とともに動作することができる。熱流は、熱交換器とバッテリセルとの間の熱伝導、及びその逆によって、それぞれ伝達される。

従来技術において、バッテリは、構造的機能又は支持機能を部分的に担う、重く大規模なバッテリ冷却器を使用して調節される。ほとんどの部分に対して、熱伝達流体は、その機能に関して、冷却媒体又は冷媒として確立され、バッテリ冷却器を通る１つ又はいくつかの流路内で輸送される。

特許文献１（独国特許第１０２００８０３４８６９号明細書）から、セル複合システムを形成するいくつかのバッテリセル、及び熱伝導要素上のバッテリセルに接続される冷却体を伴って提供される、バッテリが知られている。冷却体は、蛇行パターンで、冷却体の平面上に配置される、線状の流路を有する。冷却体の製造に関しては何も言及されていない。

特許文献２（独国特許第１０２００８０５９９５５号明細書）は、チップレス形成技術を使用して作製される線状の蛇行形状の流路である、バッテリ用に組み込まれた流路を備えた冷却体の製造のためのプロセスに関する。

特許文献３（欧州特許第２１４９７７１号明細書）は、冷却体において並んで配置されるいくつかの対の前方及び後方流路を伴って提供される冷却体を使用して、熱源を冷却するためのデバイスを開示する。冷却体は、異なる切取部が、線状の流路を形成するように穿孔されるか、又はレーザによって切断される、いくつかの層の金属プレートを有する。

ほとんどの場合、最近使用されるバッテリ冷却器は、冷却機能に加えて、しばしば非常に重いバッテリを保持するための機能を有する。したがって、バッテリ冷却器もまた、非常に大規模に設計され、これは、それらが、過剰な取付空間を必要とし、集合体の総重量に不相応に寄与する点において、問題となる。さらに、バッテリ冷却器に伴う危険は、冷媒又は冷却剤が、それぞれ、バッテリ要素の個々のセルを均一に調節しないということである。これは、恐らく、バッテリ要素の最適な動作において、負の効果を及ぼす。

独国特許第１０２００８０３４８６９号明細書 独国特許第１０２００８０５９９５５号明細書 欧州特許第２１４９７７１号明細書

本発明の目的は、低減された取付空間を必要とし、製造が容易であり、材料消費において経済的であるにもかかわらず堅牢に確立されるバッテリ冷却器を提供することである。

本発明の課題は、請求項１に係る発明の特徴事項によって解決され、さらなる実施形態は、従属の請求項において与えられる。

本発明は、熱伝達流体を使用して、バッテリを冷却及び加熱するための手段を備えた、バッテリ冷却器に関し、この装置には、流路を上方及び下方に制限する、少なくとも１つの構造プレート及び１つの支持プレートが提供される。本発明は、本発明の特別な特徴として、平坦に確立される流路を備えた、横方向の流路境界を通って、構造プレートにおいて形成される、二重流又は多流流路の概念に基づいており、これは、流路の断面が、その高さよりも幅が２倍より大きく確立されることを意味する。
本発明は、構造プレート上で、いくつかの島状のウェブが、流れの方向において相互の後に確立され、構造プレートと支持プレートとの間の距離を柱状に固定する点において、有利に完成される。ウェブは、流体が総流れ断面にわたって渦巻き、このため、不均一な冷却を回避するように、それらが一部において流れ断面を低減する方法で、流体によって通過される。最終的に、細長いウェブは、バッテリ冷却器において、流体の流れを具体的に制御するために使用することができる、偏位構造である。

本発明の有利な実施形態は、流れの方向に直角に並んで配置される構造プレート上の流路におけるウェブが、群で配置されることである。

好ましくは、ウェブの各群は、それに続く（流体の流れの方向において見られる）群に対して、流れの方向に垂直のウェブの横方向距離の半分だけずれている。

本発明の実施形態に特異的なものは、構造プレートの反対に位置する支持プレートが、構造プレートとして、又は平坦なプレートとしてのいずれかで確立されることである。

支持プレートが構造プレートとしても確立される場合、両方の構造プレート上のウェブは、それらが、好ましくは、反対にある構造プレート上の対応するウェブに接続されるように、配置される。

構造プレートは、深絞り、スタンピング、又はハイドロフォーミングプロセスを通じて製造することができる。好ましい蝋付け接続のために、平坦なプレート、構造プレート、又は両方のプレートは、蝋付け材料コーティングを伴って提供される。蝋付けプロセスによって、２つのプレートを接続することが有用かつ有利であることが示されており、これは、バッテリ冷却器の非常に良好な表面及び平坦性を得ることを可能にする。

本発明は、パイプ接続部が支持プレート上に提供される点で、有利にさらに開発される。設計に依存して、パイプ接続部は、平坦なプレート上に、又は構造プレートのうちの１つ上に設置することができる。

好ましい実施形態において、バッテリ冷却器の構造プレート上の流路の形状は、動作時に内部圧力が付与される時、歪みを回避するように、バッテリ冷却器の縦軸に対して鏡面対称である。また、蝋付け又は接着結合プロセスにおいて、両方のプレートは、バッテリ冷却器のより高い平坦度が得られるように、熱挙動に関して同様に拡大する。

構造プレートのウェブが、平面視で、円形又は楕円断面を有するように確立されることが、有用かつ有利である。

有利にも、本発明は、組み立て中、構造プレートが、２つの装着フレーム、及びこのフレームに付随する２つの終端プレートによって、ともに保持及び押圧され、構造プレートが、装着フレームの固定点及び細長い孔において、２つのピンによって定位置に保持され、固定点及び細長い孔が、構造プレートの対称軸にある点において、さらに開発される。

本発明の別の特徴は、流路が、冷媒冷却にとって問題となる冷媒の過熱を平衡化するために、経路決定された多流であることである。
流れの数は、構造プレートの縦軸に平行に形成する流路の直線部の数として定義される。したがって、二流の実施形態において、単一の対向流が生成される。対応して、多流の実施形態において、（Ｎ−１）倍の対向流が設計可能である。しかしながら、好ましくは、対応する奇数の対向流を伴う、偶数の流れが、支持プレートの片側上の熱伝達流体の入口及び出口のためのフィードスルー及びパイプ接続部を設置することを可能にするように、生成される。
この最適化の方策は、熱伝達プロセスの終端部で加熱された流体を備えた流路が、既に、バッテリ冷却器の平面内で、可能なピーク温度を平衡化させることができるように、冷却器流体を備えた流路に隣接することをもたらす。この概念の枠組みにおいて、ここでも、異なる代替物は、バッテリ冷却器を通って形成する１つ又はいくつかの蛇行状に流路を配置することが可能である。
一方で、この構造は、流体が、バッテリ要素が取り付けられる位置に接触するより大きな領域にわたることにつながり、他方で、流体が、局所的な過熱につながる可能性がある静止した流れの島（死水領域）が形成されることがないように、ずれたウェブによって渦巻くようにされる。

本発明の解決策の特定の利点は、構造プレートが、プレートを、対応してより薄く設計することができるように、支持されたサンドイッチ構造をともに形成し、したがって、従来技術の同等のシステムよりも剛性があることである。したがって、バッテリ冷却器は、バッテリ冷却器が構造的機能をさらに実行しなければならないという必要性を伴うことなく、バッテリモジュールに組み込み可能であり、これは、更なるバッテリ冷却器の補強が必要ではないことを意味する。これは、一方で、非常にわずかな取付空間のみを必要とし、このバッテリ冷却器の重量が同等に低いことにつながり、これは、新規のバッテリモジュール全体の比較的高い効率を示す。

大きく、かつ極めて均等な熱伝達表面により、バッテリ冷却器は、第１に、バッテリモジュールにおいて、低温レベルが設計可能であるように、バッテリ要素から高量の熱動力を除去する。第２に、バッテリ要素は、比較的低い押圧力のみを付与するバッテリ冷却器に装着可能である。

本発明のさらなる詳細、特徴、及び利点は、添付の図面と併せて、以下のいくつかの例示的な実施形態の説明から明らかとなるであろう。

バッテリ冷却器を示す。 単一の対向流を備えた構造プレートを示す。 ３つの対向流及び横方向のフィードスルーを備えた、構造プレートを示す。 ３つの対向流及び中央フィードスルーを備えた、構造プレートを示す。 装着フレーム及び２つの終端プレートの手段による、２つの構造プレートからのバッテリ冷却器の組立体を示す。

図１は、本発明の好ましい一実施形態による、バッテリ冷却器１が、プレート３及び構造プレート２によって確立された状態のバッテリ冷却器１の分解図を示す。２つのプレート２，３が金属材料で形成され、プレート２とプレート３との間の接続部が蝋付け又は接着結合されていることが特に有利である。

構造プレート２には、流体接続位置６が設けられ、支持プレート３上の対応する位置で２つのフィードスルー５が設けられ、平坦なプレート３の外側上のちょうどこの位置に、パイプ接続部４が取り付けられている。この位置では、バッテリ冷却器１は、自動車の流体冷却回路に接続される。

構造プレート２の材料の厚みは、平坦なプレート３の厚みと比較して、支持プレート３へのウェブの蝋付けされた接続部が、バッテリ冷却器１の改善された剛性をもたらすため、明らかにより薄く設計することができる。本実施形態では、冷媒が、周囲圧力とは異なる、流路内の圧力で蒸発する流体として使用される場合、特に有利である。

図２は、この単純な実施形態において、隣接流路８における流体流れが、流路境界７によって形成される１つの境界線のみで、流れの反対方向に互いに通過することを意味する、単一の対向流を備えた構造プレート２を示す。流路８の設計によって、第１に、流路８が流れ方向の１つの反転のみを有し、第２に、流路８が構造プレート２の幅の半分を占める。示されるように、その幅にわたる流路８には、合計６つから７つのウェブ９が設けられている。

流路８内において、ウェブ９の位置は、ウェブ９が、流れの方向に対して交差して列に配置され、これらの列が、各々ウェブの半分の距離だけ、流れの方向において交差してずれていることを特徴とする。この配置から、２つの効果が生じる。すなわち、第１に、ウェブ９が流れ断面を低減するときの流れの速度の変化、第２に、ウェブ９もまた、流れ誘導構造を形成するように配置されるときの流れの方向の変化である。両方の効果は、有利な乱流をもたらし、局所的な過熱につながる可能性がある静止した流れの島が発達しないことを保証する。

図３は、３つの対向流を備えた構造プレート２を示し、本実施形態では、流路８が合計３つの流れの反転を有し、流路８の各部は、構造プレート２の幅の４分の１を占める。

構造プレート２の流路境界７には、等距離位置にいくつかの隆起１５が設けられ、蝋付けのためにより大きな接続領域が形成されていることが有用かつ有利であることが示されている。このウェブ機能に加えて、広げられた流路境界７としての隆起１５はまた、ウェブ９との類似性によって、断面を狭くして流れを誘導する機能を果たす。

図４は、流路８が合計３つの方向の反転を有し、流路８の各部が構造プレート２の幅の４分の１を占める、３つの対向流及び中央流体接続位置６を備えた、構造プレート２を示す。本実施形態において、流体接続位置６及び流路８は、構造プレート２の縦軸に対して、鏡面対称に形成する。

図５は、装着フレーム１１、及びフレームに付随する２つの終端プレート１０の手段による、組み立て中の、２つの構造プレート２からのバッテリ冷却器１の装着を示す。
製造のために、終端プレート１０のそれぞれには、孔１２及び２つの細長い孔１３が設けられ、そこで蝋付け又は接着結合プロセスのためのプレート１０が、適切なピン１４を用いて、装着フレーム１１に固定される。バッテリ冷却器１の接着剤の熱硬化又は蝋付け中、細長い孔１３は、構造プレート２の独立した熱膨張を可能にする。終端プレート１０の双方は、プレートが細長い孔１３の中でピン１４を超えて互いに変位することができないように、固定点を形成するピン１４及び孔１２により固定される。互いに対する要素のこの完全な位置付けから、完全に平坦な冷却器をもたらす。プレートを定位置に保持するために高い力は必要とされないため、結合又は蝋付け中、より低い押圧力が必要であり、これは、装着デバイスのより小さな重量をもたらす。最終的には、明らかにより短いプロセス時間が、生産プラントのより低い熱質量からもたらされる。

本発明の特に有利な実施形態では、終端プレート１０間のバッテリ冷却器１には、内層構造が設けられ、この内層構造は、互いに設置されたいくつかの対の構造プレート２で形成され、最上部の支持プレート３が平坦なプレートとして確立される。

１ バッテリ冷却器
２ 構造プレート
３ 支持プレート、平坦なプレート
４ パイプ接続部
５ フィードスルー
６ 流体接続位置
７ 流路境界
８ 流路
９ ウェブ
１０ 終端プレート
１１ 装着フレーム
１２ 孔、固定点
１３ 細長い孔
１４ ピン
１５ 隆起

Claims (11)

1. 熱伝達流体によってバッテリを調節するためのバッテリ冷却器（１）であって、
   熱伝達流体の流路（８）をその断面の高さ方向に制限する、少なくとも１つの構造プレート（２）及び支持プレート（３）を含む装置を備え、
   上記構造プレート（２）上には、上記流路（８）が二重流又は多流流路として形成され、この二重流又は多流流路の側方には、流路境界（７）が形成され、上記流路（８）が、その断面において、高さよりも、幅が２倍以上に大きく形成され、上記流路（８）内の上記構造プレート（２）上で、島状に形成されるいくつかのウェブ（９）が、流れの方向において互いに隣接して配置され、上記ウェブ（９）が一部において流れ断面を低減し、
   上記流路境界（７）には、蝋付け用の表面を形成する複数の隆起（１５）が設けられていることを特徴とするバッテリ冷却器。
2. いくつかのウェブ（９）が、上記構造プレート（２）上に並置されて上記流れの方向に交差する請求項１記載のバッテリ冷却器（１）。
3. 上記ウェブ（９）は、上記構造プレート（２）上の上記流路（８）において複数の群で配置され、これらのウェブ（９）の各群は、上記流体の流れの方向において隣接する群に対して、上記流れの方向に垂直に且つ上記ウェブ（９）の幅寸法の半分だけずらして配置されている請求項１又は２に記載のバッテリ冷却器（１）。
4. 上記支持プレート（３）は、構造プレート（２）又は平坦なプレートとして形成される請求項１乃至３の何れか１項に記載のバッテリ冷却器（１）。
5. 上記構造プレート（２）上の上記ウェブ（９）は、それらが、反対にある上記構造プレート（２）上の対応するウェブ（９）に接続可能であるように配置される請求項４記載のバッテリ冷却器（１）。
6. 上記構造プレート（２）及び上記支持プレート（３）が、互いに蝋付けされる請求項１乃至５の何れか１項に記載のバッテリ冷却器（１）。
7. パイプ接続部（４）が、上記支持プレート（３）上に設けられている請求項１乃至６の何れか１項に記載のバッテリ冷却器（１）。
8. 上記構造プレート（２）は、その長手方向の軸線に対して鏡面対称である請求項１乃至７の何れか１項に記載のバッテリ冷却器（１）。
9. 上記ウェブ（９）は、平面視で、円形断面を有するように形成される請求項１乃至８の何れか１項に記載のバッテリ冷却器（１）。
10. 上記ウェブ（９）は、平面視で、楕円断面を有するように形成される請求項１乃至９の何れか１項に記載のバッテリ冷却器（１）。
11. 組み立て中、上記構造プレート（２）が、２つの装着フレーム（１１）、及び上記フレーム（１１）に付随する２つの終端プレート（１０）によって、ともに保持及び押圧され、上記構造プレート（２）が、上記装着フレーム（１１）の固定点（１２）及び細長い孔（１３）において、２つのピン（１４）によって定位置に保持され、固定点（１２）及び細長い孔（１３）が、上記構造プレート（２）の対称軸にある請求項１乃至１０の何れか１項に記載のバッテリ冷却器（１）。