JP5908927B2 - エネルギー貯蔵システムとパワーエレクトロニクスを試験するための熱量計ならびにそれらの製造方法および使用方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2011年3月11日に出願された「LARGE VOLUME BATTERY CALORIMETER」と題された米国仮特許出願第61/451,884号明細書の優先権を主張し、2011年9月9日に出願された「CALORIMETERS FOR TESTING ENERGY STORAGE SYSTEMS AND POWER ELECTRONICS」と題された米国仮特許出願第61/532,869号明細書の優先権を主張する。これらの出願の開示内容は、その全体を参照することによって含まれている。
図1〜6は、本開示によって提供される大容量の熱量計の実施形態を開示する。図1〜6に示すように、いくつかの実施形態において、熱量計100は、電気自動車で使用することができる電池パック101のような比較的大きいおよび/または比較的重い試験試料101を収容するのに十分なサイズであってよい。熱量計100は、特に充電および放電サイクルの間に電池パック試験試料101から発生する熱の正確な測定のために使用することができる。そうした測定は電池パック試験試料101の予想寿命を特定すること、および電池パック試験試料101の熱管理システムを設計することに役立ち得る。
図2〜5に示すように、熱量計100は試験チャンバ102を備えることができる。いくつかの実施形態において、試験チャンバ102は「箱の中の箱」の構造を有する。すなわち、内側ボックス104は試験試料101を中に入れ、外側ボックス103の中に入っている。
内側ボックス104の製造に使用される材料は多様であってもよい。いくつかの実施形態において、内側ボックス104は熱伝導材からなる。いくつかの実施形態において、熱伝導材は、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、スズ、タングステン、鉛、ステンレス鋼、チタン、ハスタロイ(Hastalloy)、インコネル、黄銅、およびそれらを組み合わせたものから選択される。いくつかの実施形態において、内側ボックス104はアルミニウム、銅、ステンレス鋼、スチール、チタン、ハスタロイ、インコネル、およびそれらを組み合わせたものから選択された構造的に剛性で熱伝導性のある材料から製造される。いくつかの実施形態において、内側ボックス104はアルミニウムである。
外側ボックス103の製造に使用される材料は多様であってもよい。いくつかの実施形態において、外側ボックス103は熱伝導材からなる。いくつかの実施形態において、熱伝導材は、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、スズ、タングステン、鉛、ステンレス鋼、チタン、ハスタロイ、インコネル、黄銅、およびそれらを組み合わせたものから選択される。いくつかの実施形態において、外側ボックス103は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、スチール、チタン、ハスタロイ、インコネル、およびそれらを組み合わせたものから選択された構造的に剛性で熱伝導性のある材料から製造される。いくつかの実施形態において、外側ボックス103はアルミニウムである。
図2および図6が示すように、試験チャンバ102の内側ボックス104は、試験チャンバ102の外側ボックス103の中で1つまたは2つ以上の断熱装置108によって浮かされてよい。様々な態様において、断熱装置108は、内側ボックス104の中に置かれた試験試料101からの熱が内側ボックス104の床から外側ボックス103に伝わることを防ぐ。これに関して、熱は内側ボックス104の床から内側ボックス104の側壁へ移動させられ、熱流束センサ110の中に入れられる。したがって、様々な態様において、断熱装置108は断熱材料から製造され、その中を通る熱の流れを最小限に抑えるように構成される。
図2および図4に示すように、いくつかの実施形態において、1つまたは2つ以上の導電体112は、内側ボックス104の内側側壁に取り付けることができる。いくかの実施形態において、導電体112はバスバーである。いくつかの実施形態において、導電体112は、例えば0.13mmの厚さのsil−padなどの熱伝導性電気的絶縁パッドによって、内側ボックス104の内側側壁に取り付けられる。
いくつかの実施形態において、図2の実施形態に示すように、熱量計100の蓋120は、上部124と下部122を含む。いくつかの実施形態において、上部124と下部122の間に空間が存在し、少なくとも部分的に断熱材123で満たされてもよい。
様々な態様において、試験チャンバ102は熱的に分離されるため、周囲温度は熱流束センサ110による測定に影響を及ぼさない。試験チャンバ102を熱的に分離する任意の適切な手段が使用できる。いくつかの実施形態において、試験チャンバ102は、恒温液158の入った恒温槽容器150に浸すことによって熱的に分離される。図1および図2に示すように、いくつかの実施形態において、恒温槽容器150は内側ボックス槽空洞154を備え、槽空洞154は試験チャンバ102より大きいため、試験チャンバ102が内側ボックス槽空洞154の中に入れられると、恒温液158の中に完全に沈められる。
図1および図2に示すように、および上記のように、いくつかの実施形態において、恒温槽における細かいレベルの温度制御は、恒温槽容器150内に設置された加熱要素162と冷却要素164を用いて、また恒温液158を撹拌要素160で撹拌することによって、達成することができる。いくつかの実施形態において、加熱要素162と冷却要素164は、恒温槽容器150の内側ボックス槽空洞154のそれぞれの角に設置することができる。
熱量計100の動作中に、試験試料101を外部電源につなげることが必要であり、それによって試験試料101は動作できる。様々な態様において、これは試験試料101と外部電源の間に延びるケーブル170を使用することによって行われる。いくつかの実施形態において、ケーブルは金属線と絶縁保護層とを含む。図1に示すように、いくつかの実施形態において、1つまたは2つ以上のケーブル170は、外部電源から恒温液158を通って試験チャンバ102まで延びてもよい。恒温液158を通るケーブル170は、試験試料101と外部電源とを(上記のように)つなぐ電源ケーブル、および、熱流束センサ110から外部コンピュータへ測定値を送るデータケーブルなどを含んでいてもよい。ケーブル170は、周囲空気の温度の熱の逆流が熱流束センサ110によって測定された熱流量に影響を及ぼすことを減らすため、またケーブルによって生じた熱が熱流束センサ110によって測定された測定値を妨げないように、恒温液158の中を通る。いくつかの実施形態において、ケーブル170のいくつか(例えば電池の試験試料101を外部の電池サイクラーにつなぐ電源ケーブルなど)は、電池の試験試料101の端子101aと101bからの伝導リード損失(conduction lead loss)を減らすため、恒温液158の中を数回向きを変えて通ってもよく、それによって正確さが増す。
いくつかの実施形態において、熱量計100は、液体冷却ループパイプ(piping)またはチューブ(tubing)を備え、冷却液を熱量計100の外側から試験チャンバ102内の試験試料101に循環させる。図4に示すように、いくつかの実施形態において、電池試験試料101は、試験試料101内で冷却液を受け取るための入力ポート101Cと、冷却液を試験試料101から排出するための出力ポート101dを備えてもよい。いくつかの実施形態において、容積型ポンプに接続された外部の恒温槽は、試験試料101に冷却液を供給し、正確に制御された温度と量の冷却液を注入可能であってもよい。いくつかの実施形態において、冷却液は、水、グリコール(例えばポリ(プロピレングリコール)、ポリ(エチレングリコール)など)、変圧器油、シリコーン油、合成または有機系配合物(synthetic or organic based formulas)を含む伝熱流体などの他の伝熱流体、およびそれらを組み合わせたものから選択される。
図1〜6に示すように、本明細書に開示された熱量計100のいくつかの実施形態の動作手順をここで説明する。様々な態様において、電池パック101などの試験試料101は、試験チャンバ102の中に配置され、電気的接続が試験試料101の正端子101aと負端子101bを通して行われる。必要に応じて、液体冷却管が、冷却液入力ポート101cと出力ポート101dを通して試験試料101につなげられる。試験チャンバ102の蓋120は、閉鎖機構130によって固定され、閉鎖機構は、いくつかの実施形態において複数のスプリング式のクランプを含み、恒温液158の温度変化にかかわらず密閉を保つ。試験チャンバ102はパージ(purge)され、不活性気体で少し加圧されてもよく(例えば窒素で2psiに)、熱爆発等の事象の場合に恒温液158が試験チャンバ102に入るのを防ぐため、試験の間、加圧を保持することができる。その後、恒温液158は、恒温槽容器150の内側ボックス槽空洞154の中の試験チャンバ102の蓋120より約2インチ上の高さまで入れられ、それによって試験チャンバ102は、シュノーケル125の上部を除いて、恒温液158の中に完全に浸される。
図7〜11は、本開示によって提供された小容量またはセル熱量計の実施形態を開示する。図7〜11を参照して、セル熱量計700の実施形態を説明する。熱量計700は、いくつかの実施形態において、図1〜6に関連した上記の熱量計100と比較して相対的に小型であり得る。図7〜11に示され、後述する熱量計700は、比較的小型の電池または電池のサブパック、および他の比較的小型の電子装置を収容するのに十分なサイズであってもよい。熱量計700は、特に試験試料701が発した熱の精密な測定に使用することができ、通常、電池および他の種類の電子装置の熱的動作特性を測定するのに使用することができる。試験試料701の形状および/または形態は多様であってもよい。いくつかの実施形態において、試験試料701は円筒形電池、円筒形モジュール、角柱缶または角柱状パウチ電池であってもよい。
いくつかの実施形態において、熱量計700は外側ボックス703を有する試験チャンバ702を備える。また熱量計700は、試験チャンバ702の外側ボックス703の底部に配置される1つまたは2つ以上の熱流束センサ710を備える。熱量計700は比較的小さいため、試験チャンバ702は比較的小型で軽量の試験試料701のみ収容することができる。したがって、熱流束センサ710は、比較的軽量の試験試料701によってもたらされる圧力によく耐えることができるので、試験チャンバ702の外側ボックスの底面に配置することができる。これは大きい試験試料101が、試験チャンバ104の側壁上に熱流束センサ110が配置されることを要求した、上記の大容量の熱量計100と対照的である。いくつかの実施形態において、外側ボックス703は、恒温液758の温度変化が熱流束センサ710における熱測定に影響を及ぼさないように熱緩衝器として機能する。
図8、9および11に示すように、いくつかの実施形態において、熱量計700は、1つまたは2つ以上のバスバー712を備える。前述の導電体/バスバー112と同様に、図8、9、11に示すバスバー712によって試験試料701と外部電源とを連結する。しかしながら、前述の開示された導電体112とは異なって、図8、9、11に示すバスバー712は、熱伝導プレート704aにも試験チャンバ702の側壁722にも熱的に結合する必要はない。代わりに、いくつかの実施形態において、バスバー712は、専用の熱伝導プレート704bか704cのいずれか、または両方に結合してもよい。
様々な態様において、熱量計700の動作は、先に詳述された熱量計100の動作に類似している。いくつかの実施形態において、熱量計700の動作は、先に詳述された熱量計100の動作と同じである。様々な態様において、熱量計700の動作は、先に詳述された熱量計100の動作に類似していて、試験前に試験試料701を熱伝導プレート704aに固定する手順を含む。
Claims (28)
- 外側ボックスの内部に入れ子にされた内側ボックスおよび該内側ボックスの外側の側壁に接する複数の熱流束センサを含む試験チャンバと、
前記内側ボックスの床と前記外側ボックスの床との間の少なくとも1つの断熱装置と、
前記内側ボックスの外側の側壁の各々と、当該外側の側壁の各々に対応する前記外側ボックスの内側の側壁の各々との間の熱伝導手段であって、少なくとも1つの熱伝導手段が第1の楔形状物と第2の楔形状物とを含んでいる、前記熱伝導手段と、
前記内側ボックスの内壁に接する少なくとも1つのバスバーと、
試験チャンバ蓋と、
を含んでおり、
前記試験チャンバが、熱量計が作動している間、恒温槽に完全に沈められるように構成される大容量熱量計。 - 前記内側ボックスの容量が略4リットル〜略100リットルである請求項1記載の熱量計。
- 前記内側ボックスの容量が96リットルである請求項2記載の熱量計。
- 前記恒温槽が、前記試験チャンバより大きい槽空洞を含んでいる恒温槽容器と、該空洞の中に配された恒温液と、蓋とを含む請求項1記載の熱量計。
- 前記槽空洞の容量が略378リットル〜略757リットルである請求項4記載の熱量計。
- 前記槽空洞の容量が略605リットルである請求項5記載の熱量計。
- 前記少なくとも1つの断熱装置が、前記外側ボックスの前記床からの前記内側ボックスの前記床の熱的な分離を提供する請求項1記載の熱量計。
- 前記少なくとも1つの断熱装置が、セラミックボールとシリンダーとの交互配列を覆う被覆を含んでいる柱状体を含む請求項7記載の熱量計。
- 前記少なくとも1つのバスバーが、該バスバーに接続されたケーブルを含み、該ケーブルが前記内側ボックスの内部に配置された第1の端部と前記熱量計の外側に配置された第2の端部とを含む請求項1記載の熱量計。
- 前記ケーブルが前記バスバーへの接続の前に前記恒温槽を通る請求項9記載の熱量計。
- 前記蓋がシュノーケルと、バーストディスクと、少なくとも1つの密閉機構とを含む請求項1記載の熱量計。
- 前記第1の楔形状物及び前記第2の楔形状物は、断面において三角形である請求項1記載の熱量計。
- 前記恒温槽が、前記恒温槽内の前記恒温液の温度を制御するように構成された少なくとも1つの加熱要素と少なくとも1つの冷却要素とを含む請求項4記載の熱量計。
- モーターと細長いシャフトと少なくとも1つの撹拌翼とを含んでいる少なくとも1つの撹拌要素を含む請求項13記載の熱量計。
- 外側ボックスの内側の床に接する複数の熱流束センサを含んでいる外側ボックスと、
前記熱流束センサのいくつかの上面にそれぞれ接する第1の熱伝導プレート、第2の熱伝導プレートおよび第3の熱伝導プレートであって、前記第1の熱伝導プレート、前記第2の熱伝導プレートおよび前記第3の熱伝導プレートの少なくとも一つが前記外側ボックスの内側の床に接する、前記第1の熱伝導プレート、前記第2の熱伝導プレートおよび前記第3の熱伝導プレートと、
前記外側ボックスの内側の床に接する少なくとも1つのバスバーと、
試験チャンバ蓋と、
を含んでいる試験チャンバを含んでおり、
前記試験チャンバが、熱量計が作動している間、恒温槽に完全に沈められるように構成される熱量計。 - 前記第1の熱伝導プレートが陽極酸化され、複数の孔を含む請求項15記載の熱量計。
- 前記恒温槽が、前記試験チャンバより大きい内部槽空洞を含んでいる容器と、該空洞に配された恒温液と、外箱と、蓋とを含んでおり、
前記容器が前記外箱の内部に入れ子にされている請求項1記載の熱量計。 - 前記容器と前記外箱との間に断熱材を含む請求項17記載の熱量計。
- 前記第2の熱伝導プレートおよび前記第3の熱伝導プレートが、少なくとも1つの断熱装置によって、前記第1の熱伝導プレートからそれぞれ熱的に分離される請求項15記載の熱量計。
- 前記少なくとも1つの断熱装置がセラミックボールを含む請求項19記載の熱量計。
- 前記少なくとも1つのバスバーが、該バスバーに接続されたケーブルを含み、該ケーブルが前記試験チャンバの内部に配置された第1の端部と前記熱量計の外側に配置された第2の端部とを含む請求項15記載の熱量計。
- 前記ケーブルが前記バスバーへの接続の前に前記恒温槽を通る請求項21記載の熱量計。
- 前記試験チャンバ蓋がシュノーケルと、バーストディスクと、少なくとも1つの密閉機構とを含む請求項15記載の熱量計。
- 前記シュノーケルを通って前記バスバーに接続されるケーブルを含む請求項23記載の熱量計。
- 前記第1の楔形状物は、第1の方向にテーパーが付いた幅を有し、
前記第2の楔形状物は、第1の方向とは反対の第2の方向にテーパーが付いた幅を有し、
前記第1の楔形状物及び前記第2の楔形状物は、前記熱伝導手段が長方形断面形状を有するように方向付られている請求項1記載の熱量計。 - 前記第1の楔形状物及び前記第2の楔形状物の少なくとも一つと、前記内側ボックスの外側の側壁との間に、熱伝導材が配置されている請求項1記載の熱量計。
- 前記熱伝導手段は、前記複数の熱流束センサに圧力を均一にかけるように構成されている請求項1記載の熱量計。
- 前記熱伝導手段は、前記内側ボックスの外側の側壁に圧力を均一にかけるように構成されている請求項27記載の熱量計。
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