(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギ蓄えシステム（１０）、すなわち複数のバッテリセル（１２，１４，１６）を備えたバッテリであって、複数のバッテリセル（１２，１４，１６）が第１の容器（２４）内に収容されており、第１の容器（２４）が、第２の容器（４０）から分離エレメント（２８）によって分離されており、該分離エレメント（２８）によって、第１の容器（２４）と第２の容器（４０）の間に差圧Δｐが形成されており、分離エレメント（２８）の開放によって、第１の容器（２４）から第２の容器（４０）に向けてガス膨張が生じ、
複数のバッテリセル（１２，１４，１６）を収容する第１の容器（２４）に、水（２６）および不活性ガスが充填されており、
第２の容器（４０）内に、第１の容器（２４）からの水（２６）を吸着する親水性の材料（２２）が配置されており、
親水性の材料（２２）が、ゼオライト、分子篩またはシリカゲルであることを特徴とする、エネルギ蓄えシステム。
【請求項２】
第２の容器（４０）が、変形可能なケーシング壁（１８）を有している、請求項１記載のエネルギ蓄えシステム。
【請求項３】
第２の容器（４０）が、第１の容器（２４）を取り囲んでいる、請求項１記載のエネルギ蓄えシステム。
【請求項４】
複数のバッテリセル（１２，１４，１６）を収容する第１の容器（２４）が、分離エレメント（２８）として働くケーシング壁を有しており、該ケーシング壁が、破壊可能な材料から製造されている、請求項１記載のエネルギ蓄えシステム。
【請求項５】
分離エレメント（２８）が、目標破断箇所（３８）および／またはサーモ弁（３４）および／または電気作動式の弁（３６）を有しており、目標破断箇所（３８）および／またはサーモ弁（３４）および／または電気作動式の弁（３６）により、第１の容器（２４）と第２の容器（４０）との間の接続を形成する、請求項１記載のエネルギ蓄えシステム。
【請求項６】
第１の容器（２４）および第２の容器（４０）には、不活性ガスが、複数のバッテリセル（１２，１４，１６）への酸素供給の阻止または遮断のために充填されている、請求項１記載のエネルギ蓄えシステム。
【請求項７】
前記不活性ガスは、Ｎ２，Ｈｅ，Ａｒである、請求項６記載のエネルギ蓄えシステム。
【請求項８】
複数のバッテリセル（１２，１４，１６）が、第１の容器（２４）内で、水（２６）を染み込ませられた吸収性の層（４４）に熱伝達可能に結合されており、第１の容器（２４）が、十分に圧力低減されるか、または排気されていて、かつ水（２６）の蒸気圧の上方にある最低圧力を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のエネルギ蓄えシステム。
【請求項９】
親水性の材料（２２）が、第２の容器（４０）内で、ヒートシンクに熱伝達可能に結合されており、第２の容器（４０）が圧力低減されるか、または排気されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のエネルギ蓄えシステム。
【請求項１０】
前記ヒートシンクが車両ボディである、請求項９記載のエネルギ蓄えシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
先行技術
電気自動車と、内燃機関および電気機械から成る組合せを備えた車両に用いられるハイブリッド駆動装置との開発に関連して、将来の世代の自動車のために、エネルギ容量および効率に関して極めて高い要求がバッテリに向けられている。これらの要求を達成するために、多くのバッテリ型は能動的に、つまりたとえばクーラント、冷媒によって、または空気によって冷却される。さらに、たとえばリチウムイオンバッテリのようなバッテリでは、バッテリの排熱利用または予熱可能性を設けることがしばしば有利である。このためには通常、熱損失を減少させるために、バッテリを断熱すると有利である。さらに、車両内のバッテリは、事故または損傷の場合に乗員の危険を減じるために、強化されたケーシングを有している。したがって、これらの理由に基づき、バッテリはしばしば、封止され、断熱されたケーシング内に収容されている。
【０００２】
たとえばリチウムイオンバッテリのようないくつかのバッテリ型は、極めて高いエネルギ密度を有している。このことは、比較的大きなエネルギ量が小さな空間に溜められるので、場合によっては極めて激しい反応が生じ得る、という欠点を伴う。臨界的な反応は、大抵の場合、限界温度の下方への冷却により沈静化される、もしくは停止され得る。たとえばリチウムイオンバッテリのようなバッテリが、車両ボディ内の、封止され断熱されたケーシング内に組み込まれている場合、バッテリを包み込み、かつこのバッテリを絶縁する構造に基づいて、バッテリを外部から沈静化する、または冷却することはほぼ不可能である。
【０００３】
問題となっているリチウムイオンバッテリを備えた、極めて高い出力密度を有するバッテリは、次第に熱的な正帰還（ポジティブ・フィードバッグ）の現象を示す。熱的正帰還現象とは、一度臨界的な温度を上回ったバッテリが、当該バッテリが焼損するまでさらに加熱することを意味する。しかし、この「熱暴走」とも呼ばれる現象の極めて早期の段階では、極めて迅速な強力に行われる冷却によって、この「熱暴走」を阻止することが可能である。この極めて迅速な強力に行われる冷却は、空気冷却または水冷却によって達成することはできない。なぜならば、空気冷却または水冷却による冷却システムは、特にリチウムイオンバッテリの「熱暴走」を阻止するためのこのような迅速かつ強力な冷却に、高い熱的な質量が必要となることから使用可能ではないからである。
【０００４】
要約すると、指摘された安全性の問題は、このような種類のバッテリの商品化の際の主な障害であると確認され得る。
【０００５】
発明の開示
本発明によれば、温度超過に関して望ましくない機器、特にリチウムイオンバッテリのような電気的なエネルギ蓄え器を、迅速に規定された閾温度の下方に冷却することが提案される。このことは、分離された２つの容器の圧力差を相殺もしくは解消し、２つの容器のうち第１の容器が、冷却されるべき機器の冷却されるべき点に熱接触しており、別の第２の容器が、第１の容器に対して、ガス膨張のために必要となる圧力差を形成するために役立つことにより達成される。
【０００６】
上記第１の容器内に液体が位置していて、この液体を吸収する材料、つまりたとえばゼオライトまたは分子篩が上記第２の容器内に位置していて、これにより気化冷却による冷却出力を上昇させることができると有利である。さらに、第１の容器のケーシング壁は、特に脆く設計されており、有利にはこのケーシング壁は、熱臨界的な点への移行箇所に、目標破断箇所を備えている。別の第２の容器の外側ケーシングが、第１の容器を取り囲んでいると有利であり、この第２の容器の外側ケーシングは、第１の容器に比べて軟性の材料から製造されたケーシングを有している。軟性の材料から製造されたケーシングは、機械的な損傷時に変形させられるが、シール性が損なわれることは滅多にない。
【０００７】
冷却は、第１の容器と第２の容器との間の脆く設計された分離壁の、たとえば事故の結果としての破壊によって、過熱時のサーモ弁の開放によって、または電気的な弁の制御によって引き起こされる。
【０００８】
両ガス容器を充填する残部ガスとして、不活性ガスが使用されると有利である。不活性ガスは、酸素供給の遮断によっても火災を阻止することができる。不活性ガスとして、たとえば窒素または希ガスが適している。
【０００９】
本発明により提案された解決手段により達成可能な利点は、一方では、所定の高さで到達可能な熱的な固有安全性にある。本発明により提案された冷却プロセスの開始によって、エネルギ蓄えシステム、特にリチウムイオンバッテリの、非臨界的な温度の方向への一回限りの冷却を達成することができる。したがって、電気的な連結解除と組み合せて、バッテリは固有安全な状態に移行するので、「熱暴走」現象は効果的に阻止されている。その結果、車両乗員の身体および生命に対する危険を回避することができ、車両の全焼の形の財産損失も回避され得る。
【００１０】
本発明により提案された解決手段は、受動的な構造的な手段である。この受動的な構造手段は、監視、または対策を開始するための電気的な固有エネルギ供給部を必ずしも要求しない。このことは、安全性に関するシステムでは特に利点となる。なぜならば、たとえばエネルギ供給部の故障時または海外搬送時に、頑丈さと安全性とを高めることができるからである。
【００１１】
さらに、本発明により提案された解決手段によって、容器を充填するために不活性な残部ガスが使用されている場合、不活性な残部ガスは、熱的な冷却の対策の他に、化学的な酸化に対抗作用することができる。
【００１２】
本発明によるプロセスの作動後に、バッテリセルが損傷していないか、または部分的にしか損傷していない場合、バッテリセルの再生が液体の再蒸発により達成され得る。
【００１３】
環境調和に関して、ゼオライトは無毒、不燃性かつ比較的頻繁に自然界に存在するので、極めて高い環境調和性が与えられていることに言及することができる。
【００１４】
以下に本発明により提案された解決手段を唯１つの図面につき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明により提案された、組み込まれた非常冷却器を備えたエネルギ蓄えシステムの概略的な構造を示す図である。
【００１６】
実施形態
唯１つの図からは、本発明により提案される、組み込まれた非常冷却器を備えたエネルギ蓄えシステムの概略的な構造が看取される。
【００１７】
図面には、エネルギ蓄えシステムが示されている。エネルギ蓄えシステム１０は、第１の容器２４と、第２の容器４０とを有している。図示されたエネルギ蓄えシステム１０では、第１の容器２４の内部に、たとえば３つのバッテリセル、すなわち第１のバッテリセル１２、第２のバッテリセル１４および第３のバッテリセル１６が位置している。複数のバッテリセル１２，１４，１６が収容されている第１の容器２４は、第１のケーシング壁２８により取り囲まれている。
【００１８】
本発明によれば、図面に示されたエネルギ蓄えシステムによって、温度超過に関して不都合に反応する機器、特にエネルギ蓄えシステム１０の第１の容器２４内に設けられたバッテリセル１２，１４，１６が、臨界的な温度の下に迅速に冷却され得る。図面に示されたエネルギ蓄えシステム１０は、複数のバッテリセル１２，１４，１６を備えたリチウムイオンバッテリであるが、バッテリセルの個数は、必ずしも図示された３つのバッテリセルに制限されるものではなく、より多くの個数のバッテリセルを有することも十分に可能である。リチウムイオンバッテリの形態でこのように構成されたエネルギ蓄えシステム１０のためには、以下の実施形態が有利である。
【００１９】
臨界的な閾温度の下への冷却は、本発明によれば、両方の容器２４もしくは４０の間の圧力差の解消もしくは相殺により行われる。第１の容器２４は、図面から判るように、冷却されるべき機器の冷却されるべき部分に熱接触（熱伝達可能な接触）している、つまり図示の実施形態では、バッテリセル１２，１４，１６に熱接触している。この熱接触は、第１の容器２４の内部の各バッテリセル１２，１４，１６に接触している吸収性の層４４によって形成される。
【００２０】
第２の容器４０は、ガス膨張のために必要となる、第１の容器２４に対する圧力差Δｐを形成するために働く。第１の容器２４内には液体２６が位置しており、液体２６を吸着する材料、つまりたとえばゼオライトまたは分子篩のような親水性の材料が第２の容器４０内に位置していると有利である。これによって、以下により詳細に説明するように、気化冷却による冷却出力の上昇が生ぜしめられる。
【００２１】
さらに、第１の容器２４のケーシング壁２８は、特に脆い材料で形成されており、熱臨界的な部分への移行箇所において、つまりバッテリセル１２，１４，１６にそれぞれ対応配置された吸収性の層４４がある領域に、たとえば目標破断箇所３８を有していると有利である。第２の容器４０のケーシング壁１８は、特に第１の容器２４を取り囲んでいる。第２の容器４０のケーシング壁１８は、軟性の弾性変形可能な材料から製造されている。この材料は、機械的な損傷時に変形されるが、そのシール性を維持し、シール性が損なわれることはない。
【００２２】
非常冷却の開始は、有利には、脆く設計された分離エレメントの破壊、本実施形態では第１の容器２４の内部を第２の容器４０から分離しているケーシング壁２８の破壊により行われる。脆い材料から形成された分離エレメントの破壊、つまり本実施形態の場合は第１の容器２４のケーシング壁２８の破壊は、たとえば事故の結果として引き起こされるか、またはサーモ弁３４の開放によって引き起こされるか、もしくは第１の容器２４と第２の容器４０との間の第１のケーシング壁２８内に組み込まれた電気的に制御可能な弁３６の制御によって引き起こされてよい。
【００２３】
温度臨界的な部分、つまりバッテリセル１２，１４，１６が位置していて、かつ液体貯蔵物２６、たとえば水を充填されている第１の容器２４も、ガス貯蔵物４２で満たされ、かつ親水性の材料２２を収容している第２の容器４０の内部も、ガスで余剰の空間を充填されている。この残部ガス（Restgas）として有利には、Ｎ２、ヘリウムまたはアルゴン等の不活性ガスが使用される。不活性ガスは、火災時に火元への酸素供給の遮断に寄与する。
【００２４】
図面から判るように、熱臨界的な領域、本実施形態ではバッテリセル１２，１４，１６は、第１の容器２４の内部で、それぞれ吸収性の層４４に連結されている。これらの吸収性の層４４は、第１の容器２４の内部に位置していて、したがってこれらの吸水性の層４４には液体２６、つまりたとえば水がしみ込ませられている。第１の容器２４は、できるだけ圧力低減されているか、または排気されているが、液体２６の蒸気圧（Gasdruck）の上方、水の場合には水の蒸気圧の上方の最低圧力を有していてよい。
【００２５】
第１の容器２４と第２の容器４０との間のニューマチック式の連結は、サーモ弁（感温弁）３４、電気的に制御可能な弁３６によって形成され得る。
【００２６】
第２の容器４０は、親水性の材料２２を収容している。親水性の材料２２は、特に乾燥させられたゼオライト、分子篩または別の種類の装置であってよい。この場合、この別の種類の装置は、ガスの状態にある蒸発した液体２６を吸収する。さらに、第２の容器４０内に低圧ポンプを配置する可能性も生じる。第１の容器２４と同様に、第２の容器４０内には極めて低い圧力または真空が占めている。
【００２７】
脆く形成された、分離エレメントとして働くケーシング壁２８の破壊によって、または目標破断箇所３８の破壊によって、または１つまたは複数のサーモ弁３４の応答によって、または電気的な弁３６の制御によって、第１の容器２４と第２の容器４０との接続が行われると、第１の容器２４と第２の容器４０との間の圧力差が補償される。第１の容器２４内で、該第１の容器２４内に貯蔵されている液体２６の蒸気圧の下方への急激な圧力減少が起こり、このことは、バッテリセル１２，１４，１６に連結された各吸収性の層４４からの液体の蒸発をもたらす。
【００２８】
液体２６から発生するガスは、該ガスに接続している親水性の材料２２、たとえば乾燥させられたゼオライト、分子篩により吸着される。これによって、第１の容器２４と第２の容器４０との間で即座の均衡が生じることはない。したがって、システム全体の圧力は、分離エレメント２８の破裂時に、引き続き、液体２６の蒸気圧の下方に留まるので、液体２６のさらなる蒸発が可能である。
【００２９】
親水性の材料２２が本プロセス時に加熱する状況に基づいて、親水性の材料２２は、ヒートシンク、つまりたとえば、エネルギ蓄えシステム１０が収容されている車両の車両ボディに連結される。
【００３０】
本発明による非常冷却後に、親水性の材料２２の加熱によって、液体２６の蒸発が可能であり、吸水性の層４４に再び液体をしみ込ませることができる。これによって、当初の状態、ひいては本発明により提案されたエネルギ蓄えシステム１０の機能性が再生され得る。
【００３１】
本発明により提案されたエネルギ蓄えシステム１０を実現するためには、該エネルギ蓄えシステム１０の外側ケースが、たとえば二重壁状に形成されていてよく、ケーシング壁１８と、容器２４，４０の、該ケーシング壁１８に向かって中空室を形成するケーシング壁２８とによって形成されていてよい。特に重要なのは、第２の容器４０のケーシング壁１８が、強靱かつ密に形成されることであり、このことは、たとえば、アルミニウムまたは熱可塑性樹脂のような材料の使用により達成され得る。第２の容器４０は、必ずしもエネルギ蓄えシステム１０全体を取り囲んでいる必要はなく、エネルギ蓄えシステム１０の一部だけを露出させることができる。さらに、第２の容器４０をエネルギ蓄えシステム１０の外側に、またはエネルギ蓄えシステム１０から完全に分離して配置し、第１の容器２４への接続をチューブまたは適当な配管により実現する可能性も生じる。第２の容器４０は、たとえば車両ボディの一部であってよく、つまりたとえば、車両フレームの長手方向支持部または横方向支持部によって形成されていてよい。第２の容器４０内の圧力低減は、たとえば低圧ポンプまたは内燃機関内に占める負圧を介して実現され得る。さらに、第２の容器４０を、たとえばブレーキ力支援のために使用される電気的に作動可能な低圧ポンプを介して排気することができる。負圧の代わりに、第１の容器２４内でガスの、第２の容器４０内に占める圧力レベルに対する正圧を生ぜしめることもできる。この正圧は膨張時に冷却作用を生ぜしめる。
【００３２】
分離エレメント、つまり第１の容器２４のケーシング壁２８をゼオライトから形成するか、または分子篩としてケーシング壁２８を形成する代わりに、別の液体吸着性の材料を使用することも可能である。このためには、極めて微孔性であり、したがって大きな内側表面を有している材料、たとえば活性炭またはシリカゲルが適している。第１の容器２４および第２の容器４０に充填可能な残部ガスは、有利には不活性ガスであり、この不活性ガスは、酸化防止のために役立つ。このガスは、着色されているか、または認識され得るように芳香性であってよく、これにより外側ケースからの流出時に冷却作用の欠如による危険を知らせることができる。ガスは、付加的には液体または固体の成分を有していてよい。この成分は、火災拡散に抗して作用する。不活性ガスの代わりに、空気を使用することもできる。
【００３３】
第１の容器２４の、分離エレメント２８として働くケーシング壁２８は、壊れやすい材料または脆い材料から製造されていてよい。目標破断箇所３８によって、意図的な開放の可能性が既に与えられている。目標破断箇所（図中の符号３８を参照）は、択一的にはバッテリセル１２，１４，１６のセル壁またはモジュール壁自体により形成されてもよい。
【００３４】
第１の容器２４の分離エレメント２８の破壊とは別に、つまり本実施形態では、第１の容器２４と第２の容器４０とを分離しているケーシング壁の破壊とは別に、第１の容器２４と第２の容器４０との間の圧力差は、電子的に制御される弁、たとえばケーシング壁２８に組み込まれた電気的な弁３６が制御されることによって解消もしくは相殺されてもよい。これに伴う、冷却プロセスの開始は、機械的な作用に対して任意に、化学的なプロセスにより開始される。さらに、冷却プロセス、つまり第１の容器２４と第２の容器４０との間の圧力差の解消は、バイメタルにより生ぜしめることができる。最後に、分離エレメント、つまり第１の容器２４と第２の容器４０との間の第１のケーシング壁２８に、サーモ弁３４、つまりたとえばワックス錠剤を組み込む可能性が生じる。このワックス錠剤は所定の温度への到達時に完全にまたは部分的に溶けるので、第１の容器２４の内室と第２の容器４０の内室との間の圧力補償を実施することができる。
【００３５】
図面から判るように、第１の容器２４内で、各吸収層４４とバッテリセル１２，１４，１６との間には隙間４６が延びている。これらの隙間または通路４６は、熱臨界的な領域、つまりバッテリセル１２，１４，１６へのできるだけ直接的な熱接続を可能にする。隙間もしくは通路は、吸収性の層４４に熱接続されているガス通路を提供する。択一的には、隙間もしくは通路４６は、熱臨界的な領域、つまり本実施形態ではバッテリセル１２，１４，１６に導入されるのではなく、良好に熱伝導するエレメントを介して間接的に冷却をもたらすことができる。この場合、通路４６が、バッテリセル１２，１４，１６にまで接近させられるのではなく、通路４６は、良好に熱伝導する材料、つまりたとえば金属または金属合金を介して吸収性の層４４に連結される。
【００３６】
熱臨界的な領域の冷却、つまり本発明により提案されたエネルギ蓄えシステム１０のバッテリセル１２，１４，１６の冷却は、任意には機器の冷却回路、つまりたとえばエネルギ蓄えシステム１０の液体冷却回路への気化冷却装置の連結を介して行われる。
【００３７】
本発明により提案されたエネルギ蓄えシステムでは、臨界的な温度への到達時に冷却のために唯１回の膨張が所望された場合に、この膨張は、弁３４，３６または雷管により自動的に制御装置を用いて作動され得る。このことは、選択的な作動を可能にする。本発明により提案された非常冷却プロセスの作動は、車両事故の確認時に制御装置を介して、または電気的に制御された弁３６を介して開始され得る。非常冷却システムの作動は、過熱の確認時にも、たとえば温度センサまたは制御装置内に記録された温度モデルを介して開始され得る。本発明により提案された非常冷却プロセスは、不適切な干渉の確認時に、つまりたとえばエネルギ蓄えシステム１０のケーシング壁１８もしくは２８の開放時に作動され得る。冷却プロセスの作動は、さらに、第１の容器２４からの液体２６の漏れの発生時もしくは第２の容器４０からのガス損失の発生時に開始され得る。出力および冷却速度は、第１の容器２４と第２の容器４０とが分離エレメント、つまり第１の容器２４と第２の容器４０との間のケーシング壁２８の機械的に不可逆性の破壊によってではなく、電気的な弁３６の選択的な制御によって、または上述したようなワックス錠のようなサーモ弁３４の反応によって行われる場合に、冷却媒体流の制御により調節することができる。弁３６は、たとえば、圧力制限弁として形成されているか、または電気的に制御され得る。そのほかに、弁３６は、ニューマチック式、ハイドロリック式または熱的に制御されていてもよい。
【００３８】
本発明により提案されたエネルギ蓄えシステム１０の機能性もしくはエネルギ蓄えシステム１０の非常冷却手段の機能性、ひいては提案された解決手段の確実性は、付加的に設けられたセンサにより監視され得る。したがって、たとえば、第１の容器２４もしくは第２の容器４０内の圧力を監視するための圧力センサを使用することができる。湿分含有量もしくは吸収性の層４４の湿気を監視するための湿度センサが第１の容器２４内に組み込まれていてもよい。さらに、温度センサが設けられていてもよく、この温度センサは、エネルギ蓄えシステム１０の第１の容器２４の内側の個別のバッテリセル１２，１４，１６の温度を監視する。
【００３９】
エネルギ蓄えシステム１０の非常冷却プロセスの開始は、任意には、バッテリセルもしくはエネルギ蓄えシステム１０のバッテリモジュール１２，１４，１６と、外部の電圧供給部との分離により生ぜしめることができる。外部の電圧供給部と、エネルギ蓄えシステムとの分離は、自動的に圧力差リレーを介してまたは圧力センサにより監視されていてよい。
【００４０】
第１の容器２４または第２の容器４０の内部で低い圧力レベルもしくは真空を形成することは、有利には、第１の容器２４もしくは第２の容器４０を、低圧容器もしくは負圧源に接続することにより実現される。この場合、たとえば、車両のパワーステアリングのために設けられた低圧ポンプが分岐され得る。任意には、本発明により提案された解決手段は手動のポンプによって負圧を形成することを達成することができる。このことは、システム全体の安全性を負圧供給部が故障した場合でも確実にする。
【００４１】
非常冷却プロセスが行われたあとに、本発明により提案されたエネルギ蓄えシステムの再生は、たとえば親水性の材料として使用されたゼオライトの重要な特性を利用することにより回復させることができる。この場合、ゼオライトは、数百回〜１０００回のサイクルで可逆的に脱水可能である。有利には、外部の熱のゆっくりとした導入によって脱水が実現される。これに対して択一的には、第２の容器４０の内部の親水性の材料２２の再生は、機器の排熱の導入によって、つまりバッテリの損失熱の導入により行うことができる。再生は、さらに、外部のガス回路への接続により行うことができる。外部のガス回路は、第２の容器４０に温かい乾燥した空気を供給する。さらに、第２の容器４０の内部の親水性の材料２２の再生は、負圧の供給によっても行われ得る。これによって、たとえばゼオライトまたは活性炭またはシリカゲル内に吸着されている、吸着された液体分子は再び蒸発することができる。
【００４２】
エネルギ蓄え装置１０に設けられた２つの容器２４もしくは４０の間の分離を解消することによる、本発明により提案された解決手段は、多段階で行うこともできる。この場合、互いに内外に接続された容器２４，４０を、プロセス効率の改善のために、カスケード状に互いに接続することができる。
【図１】
0005627692.tif 000002