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

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、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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