JP6004402B2 - 電池セル冷却器、装置、および方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電池セル冷却装置に関する。
[優先権情報]
本願は、2011年3月18日出願の米国仮出願61/454,273号の優先権を主張するものであり、前記出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
蓄電池自動車、プラグインハイブリッド電気自動車およびその他のハイブリッド電気自動車のような電気推進自動車は、高いエネルギー蓄積能力および適切な電池寿命を有し、且つ、コストが高すぎない、高度な電池システムを必要とする。エネルギー蓄積能力が高いこと、相対的に軽量であること、そして、電力密度が高いことから、リチウムイオン電池が広く使用されている。しかしながら、必要とされる高い電力密度および封止されたパッケージの状態のセル構成で動作する場合、電池からは、多量で不均一な分布の廃熱が排出され、この廃熱により、電池効率、エネルギー蓄積能力、安全性、信頼性および寿命が制限されている。電池の熱を管理する新たな解決方法として、電池冷却熱交換器が注目されており、電池動作時の温度の制御を維持し、電池性能およびライフサイクルの最適化に適用することが考えられている。
様々な電池パック構成および熱交換器による解決策が存在するが、電池セルの平面アレイが広く採用されており、これらは望ましくは、個々の電池同士の間に設けられる液冷式プレート熱交換機によって冷却される。プレート熱交換器と電池セルとを熱的に近接させて、電池の動作時の温度を制限するまたは調整することが必要な方向に熱を伝導させる。
米国特許第7,851,080号広報には、個別の流路を有する電池冷却プレート設計が記載されている。上記特許文献には、幅の広い流路を有する電池冷却プレートが開示されているが、これら流路の強度が不十分であることから、組み立てラインにおける真空プロセスおよび充填プロセスの間に変形する傾向がある。また、上記特許文献には、この点を改善する新たな技術、および、電池冷却器のそのほかの条件を改善する新たな技術が開示されている。
米国特許第7,044,207号広報には、共通の面に複数の流路からなる一群が並べられそれらの間を画定している溶接線に沿って2つの金属シートが溶接されている熱交換器が記載されており、流路内を熱交換流体が通過し、モジュールの2つの接続開口部の間で互いに平行になるように配列されている。流路の一群は、概してU字形状をしており、横方向に互いに分離されている2つの接続開口部を共に接続する形状となっている。
米国特許出願公開第2008-0090123号明細書には、ガスを封止し、水を冷却するためのシーリング構造を有する燃料電池積層体が開示されている。このシーリング構造は、電気的絶縁性を有する。燃料電池積層体は、流体が流れるガス流路プレートと組み合わされるOリング受容部、冷却水が通過する孔、ガスが漏れるのを防ぐべくガス流路プレートを囲むガスケット、冷却プレートの流路およびOリング受容部を囲み冷却水が漏れるのを防ぐOリングを備える。
電池セル冷却器の分野では、共通のマニホルドからの冷却媒体が供給される液冷式プレート冷却器を含む、小型および薄型であり、セル間に配置される冷却システムを備える電池セル冷却器が求められている。このような新規の改良された電池冷却器では、自動車用の冷却システムには高すぎる場合がある冷却器側の圧力低下を生じさせることなく、所望のセル接触型熱交換能力を提供することが求められており、それと同時に、アセンブリライン真空プロセスおよび冷却媒体充填プロセスの間に、変形しない十分な強度を有する流路を備えることが求められている。
本発明の実施形態例を示す添付の図面を参照して、説明がなされる。異なる図面間で使用されている同様な参照番号は、同様な構成要素を指している。
一対の電池冷却器の間に挟まれた電池セルを備える装置を示した図である。 本発明の一実施形態に係る、ディンプルを有する対称型電池セル冷却器の平面図である。 図2の電池セル冷却器の拡大した斜視図である。 図2の電池セルの一部分を示した図である。 本発明の別の実施形態に係る、ディンプルを有する非対称型電池セル冷却器の斜視図である。 図5の電池セル冷却器の拡大した部分を示す斜視図である。 図5の電池セル冷却器の一部分を示した図である。 本発明の一実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の一実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の一実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の一実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の別の実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の別の実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の別の実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の別の実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の別の実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の更なる実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の更なる実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。 本発明の更なる実施形態に係る電池セル冷却器を示した図である。
図1には、1つの電池セル4を挟む一対の電池セル冷却器2、別の見方をすると、2つの電池セル4に挟まれる1つの電池セル冷却器を備える装置1が示されている。複数の電池セル4が装置1内に存在し、1つの電池セル冷却器2が2つの隣接する電池セル4の間に配置されるとともに、装置の前端および後端にも電池セル冷却器2が配置されて、全ての電池セル4が電池セル冷却器2に挟まれるように配置されている。別の実施形態では、電池セル4が、装置の両端または一方の端に配置される。図1に示すように、冷却液供給源または排出源が、例えば、縦方向に向いたプレート冷却器の底部の端に存在するが、設けられる位置はこれに限定されない。別の実施形態では、冷却液供給源は、プレート冷却器の側縁から冷却媒体を供給することができる。
電池セル冷却器2(図2から図10a−c)は、一対の相補型のプレート3および5(図3及び図8a−d)から形成されており、管状の流路6を形成している。ある実施形態では、図5、図6、図7及び図9a−eに示すように、一対の相補型プレートは、管状流路6と連通する1以上の管状部分8を有する。別の実施形態では、図2、図3、図4、図8a−d及び図10a−cに示すように、1以上の管状部分8を有さない。流路6は、図に示すように、流入端10および流出端12を有する。用途および必要に応じて、図に示すように、流入端10および流出端12を入れ替えて使用することができる。一実施形態において、例えば、管状流路6は平坦な形状を有し、隣接する電池セルとの熱的接触が促進されるように形成される。同様な理由から、多くの場合、管状部分8も平坦な形状を有する。
一実施形態において、電池セル冷却器2は、流入ダクト18および流出ダクト20を有する。図2、図3、図4、図8a−dおよび図10a−cに示すように、流入ダクト18は、流入端10に連結された延長レセプタクル19を介して、流路6の流入端10と連通する。流出ダクト20は、流出端12に連結された別の延長レセプタクル21によって、流路6の流出端12と連通する。これにより、冷却液を、流入ダクト18から流路6に入り、流出ダクト20から流出させることを可能にしている。別の実施形態では、図5、図6、図7および図9a−eに示すように、流入ダクトおよび/または流出ダクト18、20は、1以上の管状部分8を介してそれぞれ流入端10および流出端12に流体接続された延長レセプタクルに連結される。更なる一実施形態では、図に示すように、流入ダクトおよび流出ダクトは、プレートの同じ側の端部に存在してもよい。更なる別の実施形態では、流入ダクトおよび流出ダクトは、管によって形成される。更なる別の実施形態では、図に示すように、流入ダクト10および流出ダクト12は、ダクトをマニホルドに挿入し易くするべく、角が丸められた端部を有する。
本明細書に開示する、延長レセプタクル19、21は、本実施形態では、丸い管状に形成されている流入ダクト18および流出ダクト20を受容するように構成されている。図5、図6、図7および図9a−eに示すように、延長レセプタクル19、21は、平坦な管状部分8からの延長部分として形成されており、平坦な管状部分8から、流入ダクト18および流出ダクト20を受容する管状部分への遷移が提供される。別の実施形態(図2、図3、図4および図10a−c)では、延長レセプタクル19、21は、管状流路6の流入端10および流出端12の延長部分として形成される。
図2、図3および図4に示すように、電池セル冷却器2には、流入ダクト18および/または流出ダクト20を受容するブラケット17を有してもよい。このようなブラケット17を設けることにより、流入ダクト18および流出ダクト20を、電池セル冷却器2の所定の位置に保つことが容易になる。
本明細書に記載される電池セル冷却器2の一実施形態では、流路6には、流路6の長さ方向に沿って複数のディンプル14が設けられる。別の実施形態では、電池セル冷却器には、複数のリブ16が設けられる。ディンプル14またはリブ16の形状および設けられる間隔は、強度を提供し、流路が大きな断面積を有し、所望の熱伝導を提供し、電池セル冷却器の圧力低下要件を満たすように、調整することができる。図2から図9a−eに示すように、プレート3および5の一方または両方の上の流路6の長さ方向に沿って中央に複数のディンプル14を配置することができ、リブ16は、流路6の長方向に沿って斜めに配置することができる(図10a−c)。別の実施形態では、ディンプル14を、ある程度ずらして配置させもよい、または、流路の方向に対してジグザクになるように配置させてもよい。リブを設ける場合、リブ16を、斜めに配置して、対になるプレート間で交差する隙間が形成されるようにしてもよく、接触する隙間部分により、構造的支持が提供される。
本明細書に記載される電池セル冷却器2の別の実施形態では、流路6には、最も外側に位置するチャネルの冷却媒体の出口付近にP字形状の狭窄部分30が設けられている。開示される実施形態に限定されず、このようなP字形状の狭窄部分を、冷却媒体の流入側に、または、冷却媒体の流入側および流出側の両方に設けることができる。図に示すように(特に、図5および図7)、P字形状の狭窄部分30は、ディンプルが設けられている部分が終了し、チャネルの幅が狭くなり90°ターンしている部分に設けられている。このターン部分は、必ずしも90°である必要はなく、特定の用途および必要性に応じて90°を超えても下回ってもよい。使用時に、プレート冷却器3および5が、垂直面に向けられるが、チャネルの細い部分に気体が留まることが考えられる。しかしながら、上記のようなP字形状の狭窄部分30により、留まっている気泡が上側に押し上げられて、冷却液の流れに乗って気泡が流され易くなっている。P字形状に限らず、流路を上向き方向に狭窄する同様な効果を有する別の形状を採用してもよい。
本明細書に記載される電池セル冷却器2の更なる実施形態では、流路6の角が丸められ、とくに、各流路の開始部分および終了部分において大きな半径を有するように角が丸められており、それにより、流体がより流路6の流線形に添って曲がるようになる。半径を大きくする、すなわち、尖った形状の曲がり角ではなく、角が丸められた曲がり角とすることにより、流体がより容易に方向を変えることができ、気泡が容易に流される。
電池セル冷却器2を形成するのに使用される相補型のプレート3および5はそれぞれ、対称的な形状を有する。一実施形態において、例えば、これに限定されないが、プレート3、5は、長手方向の軸に対して対称に形成されており、1つの金型を使用して両方のプレートを形成することができる(図2から図4および図8a−d)。これに替えて、プレートを非対称な形状に形成することもでき、対になるプレート3、5をそれぞれ別個の金型で形成する(図5から図7および図9a−e)。電池セル冷却装置2を、対称形状にして同じプレートを有するようにする、または、非対称形状にして異なるプレートを有するようにするの選択肢は、電池セル冷却装置2の仕様および設計に依存する。2つの相補型のプレートを互いにろう付けして、閉じられた内部流路を形成し、電池セル冷却器2が構成される。
対称的なプレート設計に管状部分8を形成するべく、同じ冷却プレートからブラケット形状を型抜きし、ブラケットに配置されるまたは挿入される(流入ダクトまたは流出ダクト)接続管を受容可能であり支持可能(図2から図4)なカップ形状に、ろう付けの前に、さらに形成することによって、上記したプレート3、5に共に接続管ブラケット17(図2〜図4および図8a−d)の形状が設けられる。ブラケットは、長手方向の軸に関してプレートの対称形を保つように配置され、組立後は、対になった複数のブラケット構造が一列に並ぶ。したがって、図2から図4に開示される実施形態は、対称型の接続管支持ブラケットを有する対称なプレートを有する。これに替えて、非対称設計のプレートは、一体型に形成された流路を有するように構成され、管支持ブラケット及びプレート間接続管が必要なくなる(図5から図7および図9a−eには非対称プレートが開示されている)。この場合、流入経路と流出経路とを分離するために、更なる構造、局所的に平らにすることまたは制約が流路に必要となる。
電池セルと熱交換プレート3、5とを電気的に絶縁するべく、熱交換プレート上にプラスチックフィルムを積層する処理を、本明細書に開示される電池冷却器2に行ってもよい。更なる実施形態では、電池セル冷却プレート3、5は、プラスチックフィルムが塗布されたまたは熱伝導の障害とならないその他のコーティングが施された外面を有してもよく、さらに、接触する電池セル4との電気的絶縁を行う絶縁層が設けられてもよい。
図に示すように、流路6は、蛇行形状を有してもよい。設計要件および必要に応じて、その他の形状を有する流路6を使用することができる。
一実施形態では、流路には、インデント22が設けられていてもよい。電池セル冷却器2の設計およびその他の要件に応じて、インデント22は、流路6に更なる強度を提供することができる。または、インデントを、流れの混合を促す流路の局所的な狭窄部分として使用してもよく、または、組み立てに使用される機械的な留め具のためのスペースを提供するのに使用されてもよい。
上記したように、1以上の管状部分8には、流入ダクト18および流出ダクト20が設けられる。一実施形態において、流入ダクト18および流出ダクト20を、電池セル冷却器2上に配置して、図2から図9a−eに示すように非対称な構成としてもよい。これに替えて、図10a−cに示すように、流入ダクト18および流出ダクト20を対称に設けることができる。
本明細書に記載される電池セル冷却器2は、冷却器2が占める空間を小さくするべく、薄型形状(図9c、図9dおよび図10c)を有してもよい。本技術分野での関心は、幅の広い流路を有する電池冷却器2を提供することである。チャネルの幅が大きくなると、冷却器2およびチャネルのインテグリティが減少する。本明細書に記載される電池セル冷却器2によれば、幅の広い流路を提供でき、且つ、十分な強度、所望の熱伝導能力を提供でき、および、圧力降下に対応することができる。一実施形態では、チャネルは、11mmの幅を有するが、用途の条件によっては、より大きい、例えば、12mmから22mmの間の幅を有することができる。
電池パックのエネルギー蓄積密度(すなわち、単位エネルギー蓄積能力あたりの電池システムのコンパクトさ)を保持するべく、間隔を詰めて配置された電池および電池冷却装置が望ましい。したがって、非常に薄い電池冷却器が望ましく、例えば、これに限定されないが、アルミニウムのような非常に薄い材料から製造される。望ましくは、電池冷却器は、ろう付けされたアルミニウムから形成されて、冷却液チャネルおよび管接続部をシールし、クラッドアルミニウムろう付けシート材料を使用してろう付けの金属フィラー源を提供する。また、電池冷却器は平坦な形状に形成され、隣接する電池セルと良好な熱的接触を維持することが望ましい。薄く平坦な形状の電池冷却器が望ましいが、組み立ておよびろう付けの間に、平坦性及び配列を制御するのは難しい場合がある。流入ポート/流出ポートレセプタクルを、接続管結合位置にろう付けするのは、難しい場合がある。上記のような問題に対処するべく、ろう付けの前に、異なる係合手段を使用することができ、例えば、プレートを配列させた後であってろう付けの前に、少なくともプレートの中央軸に沿って複数のプレートを機械的に結合する機械的係合工程を実行してもよい。例えば、TOX(登録商標)係合オペレーション(詳細は、http://www.tox-us. com/us/products/joining-systems. htmlに記載されている)を実行してもよく、係合された後は、上記の冷却装置では、係合のためのディンプルが平らにされる。さらに、ろう付けの前であって、配列または係合の間に、かしめて凹みを形成する工程(dimpling pinch staking)により、接続管(流入ダクトおよび/または流出ダクト)を、ポートレセプタクルに結合してもよい。
上記の実施形態に対して、変形及び改良が可能である。したがって、上記の実施形態は、例示に過ぎず、本発明を制限するものではない。

Claims (17)

  1. 電池セル冷却器であって、
    流入端および流出端を有する蛇行形状の管状流路を形成する薄い一対の相補型プレートと、
    前記流入端側に設けられた延長レセプタクルに連結され、前記管状流路の前記流入端と連通する流入ダクトと、
    前記流出端側に設けられた延長レセプタクルに連結され、前記管状流路の前記流出端と連通する流出ダクトと、を備え、
    前記管状流路は、前記管状流路の長さ方向に沿って複数のディンプルまたは複数のリブを有し、
    前記延長レセプタクルの各々は、前記流入ダクト又は前記流出ダクトを前記延長レセプタクルに係合させるための、凹んだかしめを有し、
    前記流入端、前記流出端、または、前記流入端および前記流出端の両方に近接する前記管状流路の部分の幅は、記管状流路の別の部分の幅よりも小さく、
    前記別の部分よりも小さい幅を有する前記管状流路の前記部分は、P字形状の狭窄部分を構成し、前記P字形状の狭窄部分は、前記電池セル冷却器の使用時の前記一対の相補型プレートの向きに対して、前記別の部分よりも小さい幅を有する前記管状流路の前記部分において最も上に配置される
    電池セル冷却器。
  2. 前記管状流路は、前記管状流路の前記長さ方向に沿って、前記管状流路の中央に位置する前記複数のディンプルを有する請求項1に記載の電池セル冷却器。
  3. 前記管状流路は、前記管状流路の前記長さ方向に沿って、ジグザグに配置された前記複数のディンプルを有する請求項1に記載の電池セル冷却器。
  4. 前記管状流路は、蛇行形状の流路である請求項1から3の何れか一項に記載の電池セル冷却器。
  5. 前記一対の相補型プレートは対称形であり、前記一対の相補型プレートの相補型プレートはそれぞれ、同一である請求項1から4の何れか一項に記載の電池セル冷却器。
  6. 前記一対の相補型プレートは非対称形である請求項1から4の何れか一項に記載の電池セル冷却器。
  7. 前記流入ダクトおよび前記流出ダクトは、管で構成されており、
    前記一対の相補型プレートはさらに、前記管を支持するためのブラケットを有する請求項1から6の何れか一項に記載の電池セル冷却器。
  8. 一対の電池セル冷却器の間に挟まれる電池セルを備える装置であって、
    前記一対の電池セル冷却器の電池セル冷却器はそれぞれ、
    流入端および流出端を有する蛇行形状の管状流路および1以上の管状部分を形成する薄い一対の相補型プレートと、
    前記流入端側に設けられた延長レセプタクルに連結され、前記管状流路の前記流入端と連通する流入ダクトと、
    前記流出端側に設けられた延長レセプタクルに連結され、前記管状流路の前記流出端と連通する流出ダクトと、を有し、
    前記管状流路は、前記管状流路の長さ方向に沿って複数のディンプルまたは複数のリブを有し、
    前記延長レセプタクルの各々は、前記流入ダクト又は前記流出ダクトを前記延長レセプタクルに係合させるための、凹んだかしめを有し、
    前記流入端、前記流出端、または、前記流入端および前記流出端の両方に近接する前記管状流路の部分の幅は、前記管状流路の別の部分の幅よりも小さく、
    前記別の部分よりも小さい幅を有する前記管状流路の前記部分は、P字形状の狭窄部分を含み、前記P字形状の狭窄部分は、前記電池セル冷却器の使用時の前記一対の相補型プレートの向きに対して、前記別の部分よりも小さい幅を有する前記管状流路の前記部分において最も上に配置される
    装置。
  9. 前記管状流路は、前記管状流路の前記長さ方向に沿って、前記管状流路の中央に位置する前記複数のディンプルを含む請求項8に記載の装置。
  10. 前記管状流路は、蛇行形状の流路である請求項8または9に記載の装置。
  11. 前記一対の相補型プレートは対称形であり、前記一対の相補型プレートの相補型プレートはそれぞれ、同一である請求項8から10の何れか一項に記載の装置。
  12. 前記一対の相補型プレートは非対称形である請求項8から10の何れか一項に記載の装置。
  13. 前記流入ダクトおよび前記流出ダクトは、管で構成されており、
    前記一対の相補型プレートはさらに、前記管を支持するためのブラケットを有する請求項8から12の何れか一項に記載の装置。
  14. 1以上の金型を使用して、一対の相補型プレートを型抜きする工程と、
    前記一対の相補型プレート上に形成された延長レセプタクルに流入ダクトおよび流出ダクトを挿入した後に、前記一対の相補型プレートを配列する工程と、
    前記一対の相補型プレートおよび挿入された流入ダクトと流出ダクトを係合させる工程と、
    電池セル冷却器を形成するべく、前記一対の相補型プレートをろう付けする工程とを備え、
    前記一対の相補型プレートは管状流路を形成し、
    前記管状流路は、流入端、流出端、および、前記管状流路の長さ方向に沿って複数のディンプルまたは複数のリブを有し、
    前記管状流路はさらに、前記管状流路の前記流入端と連通する前記流入ダクト、および、前記管状流路の前記流出端と連通する前記流出ダクトを有する、電池セル冷却器を形成する方法。
  15. 前記係合させる工程は、前記一対の相補型プレートの中央軸に沿って、前記一対の相補型プレートを機械的に結合する機械的係合プロセスで実行される請求項14に記載の方法。
  16. 前記管状流路は、前記管状流路の前記長さ方向に沿って、前記管状流路の中央に位置する複数のディンプルを有し、前記管状流路の外周に位置する複数のインデントを有する請求項1に記載の電池セル冷却器。
  17. 前記配列する工程または前記係合させる工程の間に、前記流入ダクトおよび/または流出ダクトを前記延長レセプタクルにかしめて凹みを形成することにより結合させる工程を実行する請求項14に記載の方法。
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