JP2012517662A - 電池用の熱管理の方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電池（１）内の熱を管理するための方法に関し、方法は、前記電池（１）を再充電する際に、前記電池を、平均温度Ｔ_０に事前調整すること、および、前記電池を使用する際に、最も熱い素子（２）と最も冷たい素子（２）の温度の差ΔＴ_１、および前記電池の温度Ｔ_０と平均温度Ｔの差の絶対値ΔＴ_２を決定すること、を含み、前記方法は、差ΔＴ_１が、第１の設定点Ｃ_１よりも小さい場合、循環装置（４）および熱調整装置（８，９）を停止すること、および、差ΔＴ_１が、第１の設定点Ｃ_１よりも大きい場合、または差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも大きい場合、差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも小さければ、熱調整装置（８，９）を停止したままにし、または差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも大きければ、少なくとも１つの熱調整装置（８，９）を起動して、流体の循環装置（４）を起動すること、を含む。

Description

本発明は、電池用の熱管理の方法に関し、この電池は、特に、電気またはハイブリッド自動車、すなわち駆動輪を駆動する電気モータを、これらの車輪あるいは他の駆動輪を駆動する熱機関と組み合わせて備える自動車のトラクション（牽引機構）を対象とするものである。

特に、本発明は、トラクションチェーンの完全な電化にまで及び得る、熱自動車の高度のハイブリッド化に適用される。この場合、電池は、単に自動車を加速段階において補助する働きをするだけでなく、短距離または長距離にわたって、自律的に自動車の移動を提供する。

電池は、他の技術分野、例えば、他の輸送の形態、特に航空学における、電気エネルギーの保存においても、その適用を見出す。さらに、風車等での定置適用においても、本発明に係る電池の熱管理を、有利に用いることができる。

当該の適用に必要とされる電力および／またはエネルギーのレベルを保証するために、直列に搭載可能な複数の電気エネルギー生成素子を備える電池を作ることが必要である。

生成素子は、従来、少なくとも１つの、例えばリチウムイオンまたはリチウムポリマー型の電気化学セルを備え、セルは、カソードおよびアノードとして連続的に動作する、電気的活性層のスタックにより形成することができ、前記層は、電解液によって接触状態におかれる。

しかし、これら素子が充電および放電される際に、熱が生成され、熱は、制御されていない場合、素子の寿命を減少させることがあり、極端な条件下では、電池の劣化をもたらす、セルの特定の化学成分の熱暴走のリスクをも呈することがある。

したがって、電池の安全性、性能、および寿命を最適化するために、素子を熱調整するためのシステムが、電池に一体化されており、前記電池の温度を、最適温度範囲内に維持する。

さらに、考えられる自動車での適用において、これらのシステムは、非常に効率的でなければならず、それは、熱放散ピークが、電流密度およびその変動に依存するからであり、電流密度およびその変動は、特に強い加速、回生ブレーキの段階、電池の急速な再充電、または電気モードでの公道運転の間に、非常に高い値に達することがある。加えて、その熱生成交換表面対体積比が減少する、厚い素子を用いる高エネルギー電池は、したがって、特に効率的なやり方で冷却しなければならない。

特に、熱調整システムは、基本的に生成素子の周りに形成されるチャンバを備えることができ、チャンバ内では、前記素子と熱交換するための流体が循環する。加えて、熱調整を提供するために、既知のシステムは、循環する流体を加熱するための装置および／または冷却するための装置を備える。これにより、流体を熱調整すること、および前記流体の連続する流れを、素子の周りで循環させることにより、電池の熱調整を行うことができる。

しかし、この熱管理戦略は、素子内の温度勾配の出現をもたらし、この温度勾配の振幅は、高エネルギー電池では大きく、それは特に、
−流体と素子の間の温度の差、
−素子の厚さ、
−素子のコアと流体の間の、熱伝導特性、
−使用中の素子により放出される熱出力、
に依存するためである。

しかし、温度勾配が大きくなりすぎると、この温度勾配は、素子の熱的不均衡を起こし、これは、電池の安全性および寿命に関するリスクをもたらす。実際に、素子内の局部的な内部容量および抵抗は、素子の局部温度に依存する。素子の電気化学材料は、よって、種々の態様でストレスを受ける可能性があり、局部的な過度のストレスが、劣化現象の加速をもたらし得る。

さらに、電池の熱調整は、車両上で電気エネルギーのかなりの部分を消費する。この余分なエネルギー消費は、電気自動車の自律性の損失の原因となる。適用の対象とされる自律性を保存するために、電池を大型化することにより、この余分な消費を補償することが必要な場合があり、これは、純粋に経済的な観点からは、費用効率が高くない。

加えて、高エネルギーＬｉ−ｉｏｎ電池素子は、温度に非常に敏感な内部抵抗を有する。この特性のために、電気自動車用の電池の自律性および性能を、寒い気候の中で保つべき場合、熱調整システムによってそれらを加熱することが必要となる。この加熱は、また、運転段階においてエネルギーの消費源ともなり得る。

最後に、高エネルギー密度を有する電池を得るために、素子のサイズを大きくすることは、電気的活性素子のスタックを並列に配置することと考えることができる。高い突入電流の場合、電流が、好ましくは最小の抵抗を有する経路をとり、並列に配置された各基本分岐の間の抵抗の均衡化は、必須となる。

これらの内部抵抗の差は、電流の局所的な過度の集中をもたらすことがあり、これは、素子内での電圧降下を引き起こす。この降下は、素子の全体の電圧を測定することでは、検出できないため、前記素子の電気化学に対して“危険”である、電圧閾値を超えるリスクをもたらす場合がある。

本発明は、特に、その熱調整に必要な電力消費を制限することを可能とし、一方で前記電池内での良好な熱均一性を保証して、その自律性、寿命、およびその動作安全性を高める、電池用の熱管理方法を提供することにより、従来技術の欠点を克服することを目的とする。

この目的のために、本発明は、複数の電気エネルギー生成素子を備える電池用の熱管理方法を提案し、前記方法は、前記素子と熱交換する流体を含むチャンバを備える熱調整システムの使用を提供し、前記システムは、前記チャンバ内の前記流体の循環装置と、前記流体の少なくとも１つの熱調整装置と、をさらに備え、前記方法は、外部電源からの電池の再充電の間に、前記電池を、平均温度Ｔ_０に事前調整すること、および、前記電池の使用中に、
−最も熱い素子と最も冷たい素子の温度の差ΔＴ_１と、
−前記電池の温度Ｔ_０と平均温度Ｔの差の絶対値ΔＴ_２と、
を決定すること、を提供し、
前記方法は、
−差ΔＴ_１が、第１の設定点Ｃ_１よりも小さい場合、循環装置および熱調整装置を停止すること、および
−差ΔＴ_１が、第１の設定点Ｃ_１よりも大きいか、または差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも大きい場合、
・差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも小さければ、熱調整装置を停止したままにすること、
・差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも大きければ、少なくとも１つの熱調整装置を起動すること、によって流体の循環装置を起動すること、を提供する。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、以下の説明より明らかとされるであろう。図面は、本発明の実施形態に係る、電池用の熱管理方法を実施するための構造を表す。

方法は、電池１の熱管理を可能にし、前記管理は、理想的な温度動作範囲内に電池１を維持するための、カロリーの取り出しの観点と同程度に、追加の観点から理解される。特に、方法は、電池１内のカロリーを、迅速かつ効率的に追加または取り出すことを可能にし、どのような使用条件下でも、熱の調節を保証する。

電池１は、電気エネルギーを生成する複数の素子２を備える。特に、素子２は、少なくとも１つの、例えばリチウムイオンまたはリチウムポリマー型の電気化学セルを備える。

各セルは、カソードおよびアノードとして連続的に動作する、電気的活性層のスタックにより形成され、前記層は、電解液によって接触状態におかれる。層は、軟質のエンベロープに収容することができる。あるいは、層は、硬質の容器に収容することができる。

例示的な実施形態において、素子２は、それぞれ、電気的に並列に搭載される、２つの電気化学セルを有して形成される。加えて、電池１は、電気的に直列に搭載されるいくつかの素子２で形成された、複数のモジュールを備え、前記モジュールも、電気的に直列に搭載される。

方法は、素子２と熱交換する流体を含むチャンバを備える、熱調整システムの使用に関して設計されており、前記チャンバは、基本的に前記素子の周りで延びており、素子の壁の領域での熱交換を可能にしている。流体は、気体、特に空気、あるいは液体、特に蒸気または水、場合によってはグリコレートの低電圧誘電液体とすることができる。

図面に関して、チャンバは、エンベロープ３を備え、エンベロープはそれぞれ、素子２の周りで形成されており、前記エンベロープには、閉回路によって流体が供給される。加えて、調整システムは、流体をチャンバ内で循環させるための装置を備え、装置は、図面においては、ポンプ４の形態である。より正確には、回路は、上流部５と下流部６とを有し、その間で、流体がエンベロープ３を通して循環することができ、前記回路は、１つのみの膨張タンク７を備える。

特に、エンベロープ３は、素子２のそれぞれと並列の熱調整を提供し、これは、エンベロープ３内で流れる流体が、最初にもう１つのエンベロープ３を通ることなく、上流部５から直接来ることを意味する。このことは、素子２との熱交換が続くことに起因する熱の蓄積を回避することにより、良好な熱均一性をもたらす。

熱調整を提供するために、システムは、前記流体用の少なくとも１つの熱調整装置をさらに備える。図示された回路は、例えば浸漬ヒーター８の形態をとる、流体を加熱するための装置と、流体を冷却するための装置と、を含む。特に、冷却装置は、外部または冷却ループに、特にファン１０が設けられた、熱交換器９を備える。

図示されない代替案において、冷却および加熱装置は、必要性に応じて流体を冷却または加熱することが可能な、例えば空気−空気、水−水、または空気−水の、同一の交換器で一体化することができる。

電池１が外部電源から再充電される際に、方法は、前記電池を、平均温度Ｔ_０に事前調整することを提供する。特に、この事前調整温度は、特に季節に応じて、例えばリチウム系の電気化学向けには１５〜３０℃の間で設定することによって、電池１の最適動作を可能にすることを提供することができる。このように、周囲温度を問わず、特に季節に応じて、電池１の動作を、その使用の開始時から最適化することができる。

加えて、この事前調整は、電池１の自律性に影響しないことを可能にし、それは、必要なエネルギーが、外部のソース、特に電池１が再充電の間に接続される電気ネットワークから引かれるためである。

さらに、電池１の熱の事前調整の間、単独の、または熱調整装置８，９のうちの１つとそれぞれ関連する、循環装置４を起動して、事前調整温度Ｔ_０を、電池１全体で均一に維持するか、またはそれぞれこの温度に到達することができる。

電池１が使用中の場合、方法は、いくつかの反復ステップを有することを提供し、反復ステップは、その自律性、寿命、および安全性に関する、電池１の良好な熱調整を保証するのに十分な頻度で行われる。

方法は、電池１の温度Ｔ_０と平均温度Ｔの差の絶対値ΔＴ_２を決定することを提供する。電池１の平均温度を決定するために、調整システムは、流体の温度を測定するためのいくつかのセンサ１１を備えることができる。図示される実施形態は、上流部５の入力、下流部６の出力、および冷却装置９の下流のそれぞれに、温度センサ１１を設ける。

加えて、方法は、最も熱い素子２と最も冷たい素子２の温度の差ΔＴ_１の決定を含む。このために、素子２で、特に前記素子のコネクタで、温度を直接測定するために、温度センサを設けることができる。あるいは、温度の差ΔＴ_１および／またはΔＴ_２を、電池１の動作パラメータにより、特に前記電池によって供給される電流の強さを分析することにより、間接的に決定することができる。

次いで、方法は、特に、決定された差ΔＴ_１，ΔＴ_２に応じて、調整システムを制御することを提供する。これにより、差ΔＴ_１が、第１の設定点Ｃ_１よりも小さい場合、方法は、循環装置４および熱調整装置８，９を停止することを提供する。典型的には、電池１の良好な動作に影響を与えずに、第１の設定点Ｃ_１を、２〜５℃の間で規定することができる。

したがって、電池１の熱慣性に基づき、特にチャンバに含まれる多量の流体により、熱調整は、前記電池の電気エネルギーを消費せずに提供される。加えて、本発明は、熱調整された流体の連続した流れの使用は避け、前記素子の壁およびコアの間の温度勾配を生成することを制限する。

しかし、差ΔＴ_１が、第１の設定点Ｃ_１よりも大きい場合、または差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも大きい場合、方法は、
−差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも小さければ、熱調整装置８，９を停止したままにすること、
−差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも大きければ、少なくとも１つの熱調整装置８，９を起動すること、によって流体の循環装置４を起動すること、を提供する。

特に、循環装置４の起動および／または熱調整装置８，９の起動は、事前定義された設定点に準じた前記装置の動作に、あるいは差ΔＴ_１および／またはΔＴ_２に応じた前記動作の自律制御に、対応することができる。

したがって、方法は、差ΔＴ_２が第２の設定点Ｃ_２よりも小さい場合、素子２の間の温度均一性を保証しつつ、調整装置８，９の電力消費を減少させることを可能にする。加えて、流体の熱調整なしのこの均一性は、前記流体と素子２の間、および素子２自体内の温度勾配を制限する。

加えて、差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも大きい場合、熱調整装置８，９を起動して、流体を熱調整することができる。このため、第２の設定点Ｃ_２は、差ΔＴ_２がこの設定点を超えない限り、熱調整が不要となるように規定される。よって、熱調整に必要な電力消費を制限するために、このシナリオが発生する場合のみ、高すぎまたは低すぎる動作温度に対する電池１の安全性が保証される。

特に、差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも大きい場合、方法は、温度Ｔが、温度Ｔ_０よりも小さい、大きい、のそれぞれの場合で、加熱８、冷却９装置をそれぞれ起動することを提供する。実施形態によれば、第２の設定点Ｃ_２は、それを超えると加熱装置８が起動される、第１の値Ｃ_２ｃと、それを超えると冷却装置９が起動される、第２の値Ｃ_２ｆとを有する。

図示された実施形態において、冷却装置９の停止、起動のそれぞれは、交換器９内の流体の循環の分流、供給のそれぞれによって行われる。

このために、回路は、第１のバルブ１３を備え、電池１を加熱装置８に接続する、一次ループ１２と、第２のバルブ１５を備え、前記一次ループを交換器９に接続する、二次ループ１４と、を有する。よって、バルブ１３，１５の選択的な作動が、交換器９内の流体の循環の分流または供給を可能にする。

事前調整温度Ｔ_０の値、ならびに第１および第２の設定点Ｃ_１，Ｃ_２の値は、電池１の熱管理のアルゴリズムにおいてプログラムすることにより、規定することができ、前記値は、電池１の特性、および／またはその使用中の気象条件に応じて調整される。

電池１の寿命をさらに改善し、その熱調整に必要な電力消費を制限するために、方法は、第２の設定点Ｃ_２を、電池１の充電状態ＳＯＣ（ＳＯＣ：state of charge）に応じて規定することをさらに提供する。

特に、第２の設定点Ｃ_２を設定するためのルールは、充電状態ＳＯＣに応じた高い順となっている。実際に、素子は、素子の充電状態が低いと、ますます熱劣化に敏感でなくなる。

一実施形態によると、設定ルールは、
Ｃ_２＝Ｃ_０−ａ（ＳＯＣ）−ｂ（ＳＯＣ）^２、の形で書くことができ、ＳＯＣは、電池１の充電状態に応じて、０および１の間で変化し、ａおよびｂは、電池１の特性に応じて規定されたパラメータであり、Ｃ_０は、最大設定点である。

特に、最大設定点Ｃ_０は、ａ＋ｂと等しいか、またはおよそａ＋ｂとすることができる。よって、最大ＳＯＣに対して、第２の設定点Ｃ_２はゼロに近く、負荷が最大である場合に、どのような熱劣化に対しても素子２を保護する。例えば、特にａ＝５およびｂ＝１０を用いることによって、ｂを、ａのおよそ２倍とすることができる。

Claims (15)

1. 電気エネルギーを生成する複数の素子（２）を備える電池（１）用の熱管理の方法であって、
   前記方法は、前記素子と熱交換する流体を含むチャンバを備える熱調整システムの使用を提供し、
   前記システムは、前記チャンバ内の前記流体の循環装置（４）と、前記流体の少なくとも１つの熱調整装置（８，９）と、をさらに備え、
   前記方法は、外部電源からの前記電池（１）の再充電の間に、前記電池を、平均温度Ｔ_０に事前調整すること、および、前記電池の使用中に、
   −最も熱い素子（２）と最も冷たい素子（２）の温度の差ΔＴ_１と、
   −前記電池の温度Ｔ_０と平均温度Ｔの差の絶対値ΔＴ_２と、
   を決定すること、を提供し、
   前記方法は、
   −前記差ΔＴ_１が、第１の設定点Ｃ_１よりも小さい場合、前記循環装置（４）および熱調整装置（８，９）を停止すること、
   −前記差ΔＴ_１が、第１の設定点Ｃ_１よりも大きいか、または差ΔＴ_２が、第２の設定点Ｃ_２よりも大きい場合、
   −前記差ΔＴ_２が、前記第２の設定点Ｃ_２よりも小さければ、前記熱調整装置（８，９）を停止したままにすること、
   −前記差ΔＴ_２が、前記第２の設定点Ｃ_２よりも大きければ、少なくとも１つの熱調整装置（８，９）を起動すること、によって前記流体の循環装置（４）を起動すること、
   を提供する、ことを特徴とする方法。
2. 前記調整システムは、前記流体を加熱するための装置（８）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の熱管理の方法。
3. 前記調整システムは、前記流体を冷却するための装置（９）を備える、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱管理の方法。
4. 前記差ΔＴ_２が、前記第２の設定点Ｃ_２よりも大きい場合、前記方法は、前記温度Ｔが、前記温度Ｔ_０よりも小さい、大きい、のそれぞれの場合で、前記加熱（８）、冷却（９）装置をそれぞれ起動することを提供する、ことを特徴とする請求項２および請求項３に記載の熱管理の方法。
5. 前記第２の設定点Ｃ_２は、それを超えると前記加熱装置（８）が起動される、第１の値Ｃ_２ｃと、それを超えると前記冷却装置（９）が起動される、第２の値Ｃ_２ｆとを有する、ことを特徴とする請求項４に記載の熱管理の方法。
6. 前記冷却装置は、熱交換器（９）を備え、前記装置の停止、起動のそれぞれは、前記交換器内の流体の循環の分流、供給のそれぞれによって行われる、ことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の熱管理の方法。
7. 前記流体の温度を測定して、前記電池（１）の平均温度Ｔが決定される、ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の熱管理の方法。
8. 前記事前調整温度Ｔ_０は、１５〜３０℃の間で設定される、ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の熱管理の方法。
9. 前記設定点Ｃ_１は、２〜５℃の間で設定される、ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の熱管理の方法。
10. 前記第２の設定点Ｃ_２は、前記電池（１）の充電状態（ＳＯＣ：state of charge）に応じて規定される、ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の熱管理の方法。
11. 前記第２の設定点Ｃ_２を設定するためのルールは、前記充電状態ＳＯＣに応じた高い順となっている、ことを特徴とする請求項１０に記載の熱管理の方法。
12. 前記設定ルールは、
    Ｃ_２＝Ｃ_０−ａ（ＳＯＣ）−ｂ（ＳＯＣ）^２、の形で記述することができ、ＳＯＣは、前記電池（１）の充電状態に応じて、０および１の間で変化し、ａおよびｂは、前記電池（１）の特性に応じて規定されたパラメータであり、Ｃ_０は、最大設定点である、ことを特徴とする請求項１１に記載の熱管理の方法。
13. 前記最大設定点Ｃ_０は、ａ＋ｂと等しいか、またはおよそａ＋ｂである、ことを特徴とする請求項１２に記載の熱管理の方法。
14. 前記循環装置（４）は、単独で、または熱調整装置８，９と関連して、電池（１）の熱の事前調整の間に起動される、ことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の熱管理の方法。
15. 前記調整システムは、前記素子（２）のそれぞれと並列の熱調整を保証するように構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の熱管理の方法。

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