JPH0654688B2 - 高温電池装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は二重のケースを有し、ケースの壁体のあいだに
少くとも１個の絶縁材が配設され、ケースの内室が少く
とも１個の電池と該電池のための冷却装置を具備して成
る高温電池装置に関する。

電気化学電池で構成された上記タイプの高温電池装置
は、車輛の電気駆動装置にますます多く使用されてい
る。

エネルギ源として設けられた高温電池装置は、少くとも
４０kWh の単位エネルギを具備しなければならないが、
そのために１００個以上の電池が必要になる。熱損失を
回避するために、電池は熱絶縁体によって取囲まれてい
る。他方では上記の高温電池装置には冷却装置があっ
て、電池は損傷を起こさないために、電池の使用温度を
超えないようにしている。

ナトリウムと硫黄をベースとし、熱絶縁体で取囲まれた
電池を有する高温電池列は、英国特許公報第１３８６５
２５号により公知である。この熱絶縁体は、二重のケー
スによって規定され、ケースの壁体のあいだに絶縁体が
配設されてなる。このケースの内室の中に電池を配設す
る。ケースの内室は冷却媒質の供給路と排出路を有す
る。この場合、冷却媒質の供給路を電池列の一端に、排
出路を他端に配設したことが欠点である。つまり高温電
池列に導入される冷却媒質は、冷却媒質の入口の近くに
配設された電池を出口の近くにある電池よりもよく冷却
する訳である。なぜなら冷却媒質は最初の電池に到達
し、通過して流れる時に、既に極めて強く熱せられるか
らである。この場合、もう一つの欠点とされるのは、冷
却媒質が直接到達するのは電池の一部であり、このため
冷却が不十分となることである。

そこで本発明の目的とするところは、すべての電池の最
適の冷却を可能にし、すべての電池が等しい温度レベル
にあるように各電池を冷却することができる冷却装置を
備えた高温電池装置を提供することである。

本発明によれば、熱交換器として構成された少くとも１
個の冷却装置を設け、かつ各熱交換器に少くとも１個、
好ましくは複数個の電池を配属することによって、上記
の目的が達成される。

この高温電池装置においては、各電池が発生する熱を熱
交換器に放出する。そして熱交換器の内部区域に冷却媒
質が導かれる。各電池は少くとも１個の熱交換器と相互
作用する。各熱交換器は複数個の電池の冷却のために設
けられている。各電池が発生する熱を熱交換器に放出す
ることにより、冷却媒質の流れが直接到達することによ
る不利な冷却が回避され、不均一な冷却が排除される。
熱交換器は、長方形の形状を有する扁平な冷却体として
構成される。熱交換器の冷却媒質の特殊な誘導によって
逆流方式が実現され、その結果、各熱交換器の外面の全
く分散した、極端な場合には均一な温度分布が得られ
る。所期の温度分布は、熱交換器または電池列への冷却
媒質の供給路および排出路の位置に影響されない。熱交
換器に対する電池の熱的結合は、一方では放射伝達によ
って行われ、電池表面の適当な処理によってこれを改善
することができる。他方では電池と熱交換器のあいだで
静止し、または自由に対流する気体、好ましくは空気の
熱伝導により熱的結合が行われる。電池と熱交換器のあ
いだの熱的結合は、電池と熱交換器のあいだの補助的固
体接触によって高めることができる。冷却媒質として液
体または気体、特に空気を使用することが好ましい。

本発明により熱交換器は、少くとも２個の大きな冷却面
を有する、おおむね直方体の冷却体として構成される。
熱交換器の各冷却体は内部に少くとも１個の、好ましく
は複数個の冷却ループを有する。各冷却ループは、冷却
体の上側および下側界面に平行の、少くとも２個の通路
を冷却体の第１の端部でそれぞれ逆流口を介して互いに
連結したものである。各冷却ループは冷却媒質のための
唯１個の入口と唯１個の出口を有する。熱交換器の冷却
ループの入口は冷却媒質の共通の供給路と、また出口は
共通の排出路と連通する。冷却ループの入口は熱交換器
の第１の冷却面の区域に、冷却体の第２の端部に沿って
配設され、一方、冷却ループの出口は熱交換器の第２の
冷却面の区域に設置されている。

本発明の一実施態様においては、電池がその縦軸を熱交
換器の冷却ループに対して垂直にして配列され、冷却ル
ープに沿って熱伝導接続され、１列をなして配置され
る。本発明の別の実施態様においては、電池が直方体を
なすように配列されている。電池は、隣接電池間に接続
が生じないように保持される。このように設置された電
池の上側ないし下側界面に対して、本発明により熱交換
器のそれぞれ少くとも１個の冷却面が配置される。冷却
面と電池のこの相互関係のもとで、電池の最も内側の電
極を電気的に絶縁して冷却面に接続することが可能であ
るから、電池の内部区域と冷却面のあいだ熱伝導が生
じ、このため電池の内部区域の冷却も得られる。本発明
により各電池を、熱伝導が極て良好な材料から成る嵌め
管によって更に取囲むことができる。この嵌め管は固体
接触を形成することによって冷却面に接続されるから、
排熱の一層の改善が可能である。上記の嵌め管の使用に
よって、熱の排出と電池の縦軸に平行の温度均衡が大い
に促進される。

次に図面に基づいて本発明を説明する。

第１図に示す高温電池装置１は実質的に二重の金属ケー
ス２から成る。ここに記す実施態様では、このケースは
直方体の形状を有する。ケースの内側と外側の壁体２Ａ
および２Ｂは鋼製である。これらの壁体は所定の相互間
隔で配設され、そのあいだに空間が残り、絶縁材３が充
填される。さらにこの空間は真空化される。ケースの壁
体２Ａ，２Ｂは、真空化された空間の外側と内側を気密
に閉鎖するように構成されている絶縁材３として例えば
酸化物セラミック粉末を使用することができる。ケース
２は、電池５の収容のために設けられた内室４を有す
る。ここに示す実施例では、内室４の中に２個の熱交換
器６が配設されている。２個の熱交換器は、直方体形の
扁平な冷却体１５をそれぞれ有する。２個の熱交換器６
は、第２図に詳しく示した冷却体１５の大きな冷却面１
５Ａ，１５Ｂが垂直に位置するように設置されている。
第１図により明らかなように、各熱交換器６の両側に電
池５が配設されている。電池５は冷却面１５Ａ，１５Ｂ
に沿って逐次前後して、１列をなして設置される。列の
各電池５が熱交換器６の隣接冷却面１５Ａ，１５Ｂに接
し、冷却面１５Ａ，１５Ｂと電池５のあいだに良好な熱
伝導接続が生じるように、各列の電池５が保持される。
１つの列の順次続く２個の電池５のあいだに、狭い間隙
を設けるのが適当である。ホルダー（図示せず）を使用
することによって、電池５が上記の所望の位置に固定さ
れる。熱交換器６の寸法、特にその冷却面１５Ａ，１５
Ｂの寸法は、１つの列の各電池がこの列の電池５に属す
る冷却面１５Ａ，１５Ｂと、少くとも片側で全長にわた
って密接に接触するように選定した。冷却面１５Ａ，１
５Ｂの高さは、電池５の高さより僅かに大きい。各熱交
換器６の冷却面１５Ａ，１５Ｂの長さも、これと接触す
る電池５の列の長さを僅かに超える。ここに示す実施例
では高温電池装置１の内室に上記の熱交換器６が２個配
設されており、それによってそれぞれ２８個の逐次配設
された電池５の４個の列を冷却することが可能である。
しかし必要ならば、高温電池装置をそれより大きく、ま
たは小さく構成することもできる。すなわち上記の高温
電池装置１の内部に２個以上または２個以下の熱交換器
６を配設することができる。この熱交換器６の寸法を適
当に選択することによって、より多数またはより少数の
電池５を冷却することができる。

電池を熱交換器と共に内室４に挿入し、または必要なら
ば内室４から再び取出すことができるように、高温電池
装置１を構成した。この目的のためにケースの端面をス
トッパ１０で閉じた。ストッパ１０も二重に構成されて
いる。その外壁と内壁のあいだに絶縁物３が配設されて
いる。ストッパ１０の寸法は、ケース２の端面の開口部
がこれによって完全に閉鎖されるように選定した。２個
の熱交換器６は冷却媒質の供給のために導管１１に接続
されている。導管１１は２個の熱交換器６の区域に接続
部を有する。導管１１はストッパ１１の熱絶縁を貫い
て、外へ導き出される。熱せられた冷却媒質の排出のた
めに第２の導管１２が設けられ、２個の熱交換器６の区
域に同じく接続部を有する。導管１２もストッパの熱絶
縁３を貫いて外へ導き出される。

第２図に一方の熱交換器６の細部を示す。この熱交換器
６は中央に配設された、直方体の形の扁平な冷却体１５
を有する。その大きな冷却面１５Ａ，１５Ｂの高さは、
電池の高さまたは長さより僅かに大きく選定されてお
り、従って電池５を、その縦軸が冷却体１５の冷却ルー
プ１６に垂直になるようにして、配列することができ
る。冷却面１５Ａ，１５Ｂの長さは、これに接続される
列の電池５の長さよりやや大きく設計されている。ここ
に示す実施例では冷却体１５の狭い側面が１ないし３cm
の幅を有する。冷却体の内部に、熱交換器６を通る冷却
媒質の導通のために複数個の冷却ループ１６が配設され
ている。冷却ループ１６は冷却体１５の上下の界面に平
行する。ここに示す熱交換器６の実施例では、冷却体１
５の内部に３個の上記冷却ループ１６が設けられてい
る。これらの冷却ループ１６の内の１個の細部が示され
ている。通路１６Ｈ，１６Ｒは冷却体１５の上下の界面
に平行する。冷却体１５の第１の端部１８の区域で、２
個の通路１６Ｈ，１６Ｒのあいだに水平に配設された隔
壁１７が断絶し、２個の通路１６Ｈ，１６Ｒのあいだに
逆流口１６Ｕが形成される。冷却体１５の第２の端部で
は、通路１６Ｈが第１の大きな冷却面１５Ａの区域に、
冷却媒質のための入口２０を有する。通路１６Ｒは冷却
体１５の第２の端部１９に沿って、第２の大きな冷却面
１５Ｂの区域に出口２１を有する。

更に第２図により明らかなように、通路１６Ｈの入口２
０は冷却体１５の第２の端部１９で、直方体状の供給路
２２と連通する。この供給路は大きな冷却面１５Ａに対
して垂直に配置され、冷却体１５と気密に結合される。
供給路２２は冷却体１５と同じ高さを有する。その幅
は、冷却面１５Ａに属する列の電池（図示せず）を外側
へ僅かに越えて突出するように選定した。その奥行は、
熱交換器６に通される冷却媒質の量によってきまる。供
給路２２は冷却媒質のための入口２３を有する。ここに
示す実施例では、入口は供給路２２の下部区域に配設さ
れている。しかし必要ならば上部区域に設置することも
できる。冷却体１５の第２の端部に沿って、第２の大き
な冷却面１５Ｂの区域に配設された、通路１６Ｒの出口
２１は、冷却媒質の排出路２４に接続する。この排出路
２４は供給路２２と同様に構成され、冷却体１５と連通
する。接出路２４は下端に冷却媒質の出口２５を有す
る。必要ならば排出路２４の上端にも出口２５を配設す
ることができる。熱交換器６の入口２３は、第１図に示
す導管１１に接続され、一方、排出路２４の出口２５は
導管１２と連通する。

電池５の冷却のために、熱交換器６に外部から導管１１
を介して、例えば空気が送られる。空気は供給路２２を
経て通路１６Ｈの開口２０に流入する。そこから冷却体
１５の第１の端部１８まで導かれ、そこで隔壁１７に設
けた逆流口１６Ｕを経て、冷却ループ１６の第２の通路
１６Ｒに流入する。ここから冷却媒質は冷却体１５の第
２の端部１９に返送され、通路１６Ｒの開口２１を経て
排出路２４に到達する。冷却媒質は上述の冷却ループを
貫流するあいだに、電池５が冷却面１５Ａ，１５Ｂに放
出した熱を吸収する。冷却ループ１６によって構成され
た逆流方式により、２個の冷却面１５Ａ，１５Ｂが均一
な温度分布を有するから、それによって冷却体１５に隣
接するすべての電池の均一な冷却が可能になる。上述の
冷却空気は熱交換器６と高温電池列の内壁４から排出管
１２を経て、外へ導き出される。

本発明によれば、供給路２２の入口２３に弁（図示せ
ず）を取付けて、供給される冷却媒質の量とこの供給の
時間を制御することが可能である。弁に対して制御作用
を行う感知装置（図示せず）によって、冷却の的確な調
整が可能である。

高温電池装置１が過負荷の時は、電池の内部温度の極め
て大きな上昇が生じる恐れがある。この場合に電池に直
接作用する補助的冷却が得られるように、冷却体１５の
冷却面１５Ａ，１５Ｂ、特に通路１６Ｈの区域に開閉自
在な開口（図示せず）を設けることが可能である。この
開口の開閉は、高温電池装置１の内室４の温度が電池の
使用温度を大幅に超える値まで上昇すると応答する温度
制御式調整装置によって行われる。その場合この開口
（図示せず）を経て内室４に直接に冷却媒質を導くこと
ができるから、電池を冷却媒質で直接冷却することが可
能である。この場合は内室４に導入される冷却媒質のた
めに、別の排出管（図示せず）が必要である。

第３図に熱交換器６および所属の電池５の別の配列を示
す。電池５は直方体を形成するように配列されている。
その場合、隣接する電池が接触しないで、そのあいだに
小さな遊隙が残るように、配列されている。第３図によ
り明らかなように、電池５の冷却のために、２個の熱交
換器６が設けられている。第１の熱交換器６は電池５の
上側界面５０の上方に配設され、一方、第２の熱交換器
６は電池５の下側界面５Ｕに対置されている。熱交換器
６は電池のなるべく近くに配設される。２個の熱交換器
６は、第２図に詳しく示した熱交換器６と同様に構成さ
れている。この配列の場合は電池５の排熱が電池の縦側
面からだけでなく、とりわけ上下の端面からも行われ
る。この場合、排熱は放射，熱伝導および電池間にある
空気または高温電池列の内室４に補助的に配置された不
活性ガスの対流によって行われる。熱交換器６と電流５
の上記の配列は、電池の大きな実装密度を可能にする。

この配列で排熱をなお一層増大するために、電池５と熱
交換器６との固体接触を改善するのが適当である。この
ために各電池を熱伝導良好な材料の嵌め管（図示せず）
で取囲む。嵌め管の長さは、熱交換器６の面に直接に隣
接し、しかもこれに熱伝導良好に接続されるように、設
計されている。このような嵌め管の使用は、第１図に示
す熱交換器６と電池５の配列においても可能であり、適
切である。この場合、嵌め管と冷却面１５Ａ，１５Ｂの
あいだにより大きな面接触が可能であるように、嵌め管
の接触面区域を扁平にすることが好ましい。

熱交換器６を電池５の上下に配列すれば、電池５の内部
電極（図示せず）を少くとも１個の熱交換器６に、電気
的に絶縁して、熱伝導接続することが可能である。

この措置によって電池５のケースばかりでなく、内部領
域も十分に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高温電池装置の斜視略図、第２図は第１図によ
る高温電池装置に使用される熱交換器の斜視図、第３図
は電池の上下の２個の熱交換器の配置図を示す。 １……高温電池装置、２……ケース、２Ａ……ケースの
外壁、２Ｂ……ケースの内壁、３……絶縁材、４……内
室、５……電池、６……熱交換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボト・ツイ−ゲンバイン ドイツ連邦共和国デ−−6901ネツカ−スタ インナツハ・アム・ビシヨフスバルト19 (56)参考文献 特開 昭52−58822（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−129929（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内室の２つの壁の間に絶縁材料を有する二
   重の壁の内室と、少なくとも２つの大きな冷却面及びそ
   の内部に数本の冷却ループを有する直方体状の冷却体の
   形で１またはそれ以上の熱交換器と組み合わされた内室
   内の複数の電池とを含み、各冷却ループは、少なくとも
   ２つの通路によって形成され、一方を他方の下にして垂
   直に設けられ、冷却体の第１の端部に逆流口を介して互
   いに連通され、各冷却ループは、冷却媒体の導入及び排
   出のための唯一の入り口及び唯一の出口を有する高温電
   池装置であって、前記入口は、共通の供給路と連通さ
   れ、前記出口はまた、冷却剤のための共通の排出路に連
   通され、前記冷却ループの入口は、前記２つの大きな冷
   却面のうちの第１の冷却面の近傍の冷却体の第２の端部
   に設けられ、前記冷却ループの出口は前記２つの大きな
   冷却面のうちの第２の冷却面に近接して冷却体の第２の
   端部に取付けられ、電池は、冷却ループの通路に垂直な
   縦軸を有し、かつ電池は、一列に配列され、冷却面にそ
   って熱伝導接続して取り付けられている高温電池装置。
2. 【請求項２】電気的に絶縁された接続は、電池内部から
   熱を除去するための冷却面を有する内部電極を介して電
   池内部を接続する特許請求の範囲第１項に記載の高温電
   池装置。
3. 【請求項３】各電池セルは、高熱伝導性材料の嵌め管に
   よって取囲まれており、固体接触を介して冷却面と接続
   される特許請求の範囲第１項に記載の高温電池装置。
4. 【請求項４】内室の２つの壁の間に絶縁材料を有する二
   重の壁の内室と、少なくとも２つの大きな冷却面及びそ
   の内部に数本の冷却ループを有する直方体状冷却体の形
   で１つまたはそれ以上の熱交換器と組合わされた内室内
   部の複数の電池とを含み、各冷却ループは、一方を他方
   の下に垂直に設けた少なくとも２つの通路によって形成
   され、冷却体の第１の端部で逆流口を介して互いに連通
   し、各冷却ループは冷却媒体の導入及び排出ための唯一
   の入り口及び唯一の出口を有する高温電池装置であっ
   て、前記入り口は、共通の供給路と連通し、前記出口は
   また冷却剤のため共通の排出路と連通し、前記冷却ルー
   プの入り口は、２つの大きな冷却面のうち第１の冷却面
   に近接して冷却体の第２の端部に設けられ、前記冷却ル
   ープの出口は、２つ大きな冷却面のうちの第２の冷却面
   に近接して第２の端部に設けられ、電池は、隣接する電
   池間に少しの隙間を有する直方体状に配列され、熱交換
   器のすくなくとも１つの冷却面は直方体状の電池の上側
   ないしは下側界面のうちの一面に対向して配置される高
   温電池装置。
5. 【請求項５】電気的に絶縁された接続は、電池内部から
   熱を除去するための冷却面を有する内部電極を介して電
   池内部を接続する特許請求の範囲第４項に記載の高温電
   池装置。
6. 【請求項６】各電池セルは、高熱伝導性材料の嵌め管に
   よって取囲まれており、固体接触を介して冷却面と接続
   される特許請求の範囲第４項に記載の高温電池装置。