(57)【要約】装置および方法は、エネルギー貯蔵装置の電気化学電池を冷却するものである。多数の電気化学電池は、間隔があけられた関係で配置され、各々は、対向する第１および第２平面を有し、かつ充放電サイクル中容量変化を受ける。冷却ブラダは、エネルギー貯蔵装置に温度制御を行う。冷却ブラダは、適合性熱伝導材料から形成され、かつ入口および出口を含む。冷却ブラダは、電池の容量変化中、各電池の少なくとも第１平面または第２平面との接触を維持するように適合する。熱媒体は、冷却ブラダの入口と出口との間を通って、電池の動作温度を制御する。冷却ブラダを加圧して、エネルギー貯蔵装置の電池を充放電サイクル中圧縮状態で維持することができる。
2005518642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的貯蔵装置であって、
間隔があけられた関係で配置された複数の電気化学電池であって、前記電気化学電池の各々は、対向する第１および第２平面を含み、かつ充放電サイクル中容量変化を受ける、電気化学電池と、
適合性熱伝導材料から形成されかつ入口および出口を有する冷却ブラダであって、前記冷却ブラダは、前記容量変化中、前記電気化学電池の各々の少なくとも前記第１平面または前記第２平面との接触を維持するように適合し、熱媒体は、前記入口と前記出口との間を通って、前記電気化学電池の動作温度を制御する、冷却ブラダとを含む、電気化学的貯蔵装置。
【請求項２】
前記冷却ブラダは、その中を前記熱媒体が通る連続中空内部を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記冷却ブラダは、その中を前記熱媒体が通る複数の流路を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記冷却ブラダは、前記電池の各々の表面積の実質的に全てにわたる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記冷却ブラダは、冷却ブラダ曲げ位置で熱媒体流の制限を抑制する支持配置を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記支持配置は、前記冷却ブラダの外表面上に、前記冷却ブラダ曲げ位置で位置決めされる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記支持配置は、前記冷却ブラダ内に、前記冷却ブラダ曲げ位置で位置決めされる、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記冷却ブラダは、前記冷却ブラダ内に設けられる多孔質充填材を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記冷却ブラダは、曲げを受ける冷却ブラダ位置に設けられる多孔質充填材を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記冷却ブラダは、曲げを受ける冷却ブラダ位置に設けられる肥厚部を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記冷却ブラダは、その中を前記熱媒体が前記入口と前記出口との間を一方向態様で通る内部コンパートメントを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記冷却ブラダは、前記熱媒体が通る複数のコンパートメントを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記冷却ブラダは、第１内部コンパートメントおよび第２内部コンパートメントを含み、前記熱媒体は、前記第２内部コンパートメント内を通る前記熱媒体の方向と反対方向に、前記第１内部コンパートメント内を通る、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記適合性熱伝導材料は、単一材料層を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記適合性熱伝導材料は、複数の材料層を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記適合性熱伝導材料は、第１ポリマー層と第２ポリマー層との間に設けられる金属層を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記冷却ブラダの前記適合性熱伝導材料の厚さは、約１５０ミル未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記冷却ブラダおよび前記熱媒体は、前記電池、冷却ブラダ、および熱媒体の総重量または容量の、約５０重量パーセントまたは容量パーセント未満を構成する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数の電気化学電池は、複数の電池セットを形成するように配置され、前記電池セットの各々には、複数の前記冷却ブラダの一つが、前記電池セットの各々の電気化学電池の動作温度が前記複数の冷却ブラダの少なくとも一つによって制御されるように設けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記複数の電気化学電池は、電池スタックを形成するように配置され、かつ前記冷却ブラダは、前記電池スタックの前記動作温度を、前記電池スタックの任意の２個の電池間で測定されるような温度差が摂氏５度を超えないように制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記複数の電気化学電池は、電池スタックを形成するように配置され、かつ前記冷却ブラダは、前記電池スタックの前記動作温度を、個々の電池の前記第１または第２平面上の任意の２点間で測定されるような温度差が摂氏５度を超えないように制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記複数の電気化学電池は、電池スタックを形成するように配置され、かつ前記冷却ブラダは、前記電池スタックの前記動作温度を、前記電池スタックの任意の２個の電池間または個々の電池の前記第１または第２平面上の任意の２点間で測定されるような温度差が摂氏２度を超えないように制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記冷却ブラダは、蛇行形状に合致して、前記電気化学電池の各々の前記それぞれの第１および第２平面に接触する、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
請求項１に記載の装置であって、
前記複数の電気化学電池の各々は、第１、第２、第３および第４端を含み、前記第１端は前記第２端に対向し、かつ前記第３端は前記第４端に対向し、
各電気化学電池の前記第１および第２端は、前記電気化学電池の各々へかつそこから電流を伝導するそれぞれの電気導体に電気的に連結し、かつ
前記冷却ブラダは、前記電気化学電池の各々のそれぞれの第３および第４端およびそれぞれの第１および第２平面に接触する、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記熱媒体は、水を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記熱媒体は、水とエチレングリコールとの混合物を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記冷却ブラダの入口に入る前記熱媒体の温度は、実質的に一定である、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記電気化学電池の前記動作温度の範囲は、摂氏約２０度と摂氏約１３０度との間である、請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
その中に前記複数の電気化学電池および前記冷却ブラダが位置しているハウジングをさらに含み、前記ハウジングは、各々が前記電気化学電池に連結される正端子および負端子を含み、前記ハウジングは、前記冷却ブラダの前記入口へアクセスするための入口開口部および前記冷却ブラダの前記出口へアクセスするための出口開口部をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３０】
その中に前記複数の電気化学電池および複数の前記冷却ブラダが位置しているハウジングをさらに含み、前記ハウジングは、各々が前記電気化学電池に連結される正端子および負端子を含み、前記ハウジングは、前記冷却ブラダの各々の入口へアクセスするための少なくとも一つの入口開口部および前記冷却ブラダの各々の出口へアクセスするための少なくとも一つの出口開口部をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
前記電気化学電池は、リチウム電池またはニッケル金属水素化物電池を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
電気化学的貯蔵装置であって、
間隔があけられた関係で配置された複数の電気化学電池であって、前記電気化学電池は、対向する第１および第２平面を含み、前記電気化学電池は、充放電サイクル中容量変化を受ける、電気化学電池と、
適合性熱伝導材料から形成される冷却ブラダであって、前記冷却ブラダは、前記電気化学電池の各々の少なくとも前記それぞれの第１平面または第２平面に接触するように適合し、熱媒体は前記冷却ブラダ内を通って、前記電気化学電池の動作温度を制御し、前記冷却ブラダは加圧されて、前記電気化学電池を充放電サイクル中圧縮状態で維持する、冷却ブラダとを含む、電気化学的貯蔵装置。
【請求項３３】
前記冷却ブラダは、その中を前記熱媒体が通る複数の流路を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記冷却ブラダは、冷却ブラダ曲げ位置で熱媒体流の制限を抑制する支持配置を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記支持配置は、前記冷却ブラダの外表面上に、前記冷却ブラダ曲げ位置で位置決めされる、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記支持配置は、前記冷却ブラダ内に、前記冷却ブラダ曲げ位置で位置決めされる、請求項３４に記載の装置。
【請求項３７】
前記冷却ブラダは、前記冷却ブラダ内に設けられる多孔質充填材を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３８】
前記冷却ブラダは、曲げを受ける冷却ブラダ位置に設けられる肥厚部を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３９】
前記冷却ブラダは、前記熱媒体が通る複数のコンパートメントを含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項４０】
前記適合性熱伝導材料は、単一材料層を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項４１】
前記適合性熱伝導材料は、複数の材料層を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項４２】
前記冷却ブラダの前記適合性熱伝導材料の厚さは、約１５０ミル未満である、請求項３２に記載の装置。
【請求項４３】
前記複数の電気化学電池は、複数の電池セットを形成するように配置され、前記電池セットの各々には、複数の前記冷却ブラダの一つが、前記電池セットの各々の電気化学電池の動作温度が前記複数の冷却ブラダの少なくとも一つによって制御されるように設けられる、請求項３２に記載の装置。
【請求項４４】
前記複数の電気化学電池は、電池スタックを形成するように配置され、かつ前記冷却ブラダは、前記電池スタックの前記動作温度を、前記電池スタックの任意の２個の電池間で測定されるような温度差が摂氏５度を超えないように制御する、請求項３２に記載の装置。
【請求項４５】
前記複数の電気化学電池は、電池スタックを形成するように配置され、かつ前記冷却ブラダは、前記電池スタックの動作温度を、個々の電池の前記第１または第２平面上の任意の２点間で測定されるような温度差が摂氏５度を超えないように制御する、請求項３２に記載の装置。
【請求項４６】
前記冷却ブラダは、蛇行形状に合致して、前記電気化学電池の各々の前記それぞれの第１および第２平面に接触する、請求項３２に記載の装置。
【請求項４７】
請求項３２に記載の装置であって、
前記複数の電気化学電池の各々は、第１、第２、第３および第４端を含み、前記第１端は前記第２端に対向し、かつ前記第３端は前記第４端に対向し、
各電気化学電池の前記第１および第２端は、前記電気化学電池の各々へかつそこから電流を伝導するそれぞれの電気導体に電気的に連結し、かつ
前記冷却ブラダは、前記電気化学電池の各々のそれぞれの第３および第４端ならびにそれぞれの第１および第２平面に接触する、請求項３２に記載の装置。
【請求項４８】
前記電気化学電池の前記動作温度の範囲は、摂氏約２０度と摂氏約１３０度との間である、請求項３２に記載の装置。
【請求項４９】
その中に前記複数の電気化学電池および前記冷却ブラダが位置しているハウジングをさらに含み、前記ハウジングは、各々が前記電気化学電池に連結される正端子および負端子を含み、前記ハウジングは、前記冷却ブラダの前記入口へアクセスするための入口開口部および前記冷却ブラダの前記出口へアクセスするための出口開口部をさらに含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項５０】
その中に前記複数の電気化学電池および複数の前記冷却ブラダが位置しているハウジングをさらに含み、前記ハウジングは、各々が前記電気化学電池に連結される正端子および負端子を含み、前記ハウジングは、前記冷却ブラダの各々の入口へアクセスするための少なくとも一つの入口開口部および前記冷却ブラダの各々の出口へアクセスするための少なくとも一つの出口開口部をさらに含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項５１】
前記電気化学電池は、リチウム電池またはニッケル金属水素化物電池を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項５２】
電気化学的貯蔵装置内で冷却を行う方法であって、
間隔があけられた関係で配置された複数の電気化学電池を設けるステップであって、前記電気化学電池の各々は、対向する第１および第２平面を含み、かつ充放電サイクル中容量変化を受けるステップと、
適合性熱伝達性冷却ブラダを、前記冷却ブラダが、前記容量変化中前記電気化学電池の各々の少なくとも前記第１平面または前記第２平面との接触を維持するように設けるステップと、
熱媒体を前記冷却ブラダに通して、前記電気化学電池の動作温度を制御するステップとを含む、方法。
【請求項５３】
前記冷却ブラダを加圧して、前記電気化学電池を電池充放電サイクル中圧縮状態で維持するステップをさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記熱媒体を通すステップは、前記熱媒体を一方向態様で前記冷却ブラダに通すステップをさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記熱媒体を通すステップは、前記熱媒体を前記冷却ブラダ内に設けられる複数のコンパートメントに通すステップをさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５６】
前記冷却ブラダを冷却ブラダ曲げ位置で支持して、前記冷却ブラダ曲げ位置で熱媒体流の制限を抑制するステップをさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５７】
前記冷却ブラダを支持するステップは、前記冷却ブラダ内の多孔質充填剤を用いて、前記冷却ブラダを前記冷却ブラダ曲げ位置で支持するステップをさらに含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項５８】
前記複数の電気化学電池は、複数の電池セットを形成するように配置され、前記電池セットの各々には、複数の前記冷却ブラダの一つが設けられ、さらに前記熱媒体を通すステップは、前記熱媒体を前記冷却ブラダの各々に通して、前記電池セットの各々の前記電気化学電池の動作温度を制御するステップを含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５９】
前記複数の電気化学電池は、電池スタックを形成するように配置され、さらに前記熱媒体を通すステップは、前記熱媒体を前記冷却ブラダに通して、前記電池スタックの前記動作温度を、前記電池スタックの任意の２個の電池間で測定されるような温度差が摂氏５度を超えないように制御するステップを含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項６０】
前記複数の電気化学電池は、電池スタックを形成するように配置され、さらに前記熱媒体を通すステップは、前記熱媒体を前記冷却ブラダに通して、前記電池スタックの前記動作温度を、個々の電池の前記第１または第２平面上の任意の２点間で測定されるような温度差が摂氏５度を超えないように制御するステップを含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項６１】
前記熱媒体は、水または水とエチレングリコールとの混合物を含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項６２】
前記熱媒体を通すステップは、実質的に一定の温度で前記熱媒体を通して前記冷却ブラダの中へ入れるステップをさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項６３】
前記電気化学電池の前記動作温度の範囲は、摂氏約２０度と摂氏約１３０度との間である、請求項５２に記載の方法。
【請求項６４】
前記電気化学電池は、リチウム電池またはニッケル金属水素化物電池を含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項６５】
前記複数の電気化学電池および前記冷却ブラダが位置しているハウジングを設けるステップをさらに含み、前記ハウジングは、各々が前記電気化学電池に連結される正端子および負端子を含み、前記ハウジングは、前記冷却ブラダの前記入口へアクセスするための入口開口部および前記冷却ブラダの前記出口へアクセスするための出口開口部をさらに含み、さらに前記熱媒体を通すステップは、前記熱媒体を、前記ハウジングの前記入口開口部、前記冷却ブラダの前記入口および前記出口、ならびに前記ハウジングの前記出口開口部に通すステップを含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項６６】
前記複数の電気化学電池および複数の前記冷却ブラダが位置しているハウジングを設けるステップをさらに含み、前記ハウジングは、各々が前記電気化学電池に連結される正端子および負端子を含み、前記ハウジングは、前記冷却ブラダの各々の入口へアクセスするための少なくとも一つの入口開口部および前記冷却ブラダの各々の出口へアクセスするための少なくとも一つの出口開口部をさらに含み、さらに前記熱媒体を通すステップは、前記熱媒体を、前記ハウジングの前記少なくとも一つの入口開口部、前記それぞれの冷却ブラダの前記入口および前記出口、ならびに前記ハウジングの前記少なくとも一つの出口開口部に通すステップを含む、請求項５２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の説明
本出願は、２００２年２月１９日に出願された米国仮特許出願第６０／３５７，８７４号明細書の優先権を主張し、その内容を本明細書で参照することによって援用する。
【０００２】
政府実施許諾権
米国政府は、米国エネルギー省によって授与された共同協定ＤＥ−ＦＧ０２−９５ＥＥ５０４２５に準じて本発明に権利を有する。
【０００３】
本発明は、一般にエネルギー貯蔵装置に関し、より詳細には、高エネルギー電気化学電池の温度を操作中に制御する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
例えば、ハイブリッド車両等の新規のかつ改良された電気機械システムに対する要求により、エネルギー貯蔵装置の製造に、低容量パッケージで高エネルギーを発生するバッテリ技術を開発せよというさらなる圧力がかかってきた。金属水素化物（例えばＮｉ−ＭＨ）、リチウムイオン、およびリチウムポリマー電池技術等、多数の進歩したバッテリ技術が最近開発されてきており、該技術は、多くの商業および消費者の応用にエネルギー発生の必須レベルおよび安全限界を提供すべく登場するだろう。しかしながら、そのような進歩したバッテリ技術は、典型的には、高度なエネルギー貯蔵装置の製造に対する課題となる特徴を示す。
【０００５】
例えば、高度な電力発生システムは、典型的には、著しい量の熱を発生し、その結果その熱が適切に消散されなければ、システムの非最適性能が生じることになる。しかも、そのような電池の熱管理不良の結果、熱逃げ状態、最終的には電池の破壊が生じることがある。したがって、高度なバッテリ電池の熱特性を、商業および消費者用装置およびシステムでの使用に好適なバッテリシステムを設計するとき理解しかつ適切に考慮しなければならない。
【０００６】
例えば、エネルギー貯蔵システムの高度な再充電可能電気化学電池のスタックの外部の熱伝導機構を提供する従来の方法は、電池の内部から効果的に熱を消散させるには不適当であるかもしれない。そのような従来の方法は、ある応用ではあまりにも高価過ぎるかまたは大き過ぎるだろう。非最適性能、短絡、および熱暴走状況から生じる結果の重大性は、高度な高エネルギー電気化学電池が関係しているとき著しく増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
他の従来の冷却方法には、冷却剤の電気化学電池全体または電気化学電池の部分を浸漬することが含まれる。この方法によって電気化学電池と冷却剤の流れとの間で良好な熱接触を行うことができるが、封止および電気絶縁問題は重大な関心事である。
【０００８】
進歩したバッテリ技術の他の特徴は、高度なエネルギー貯蔵装置の設計者に対してさらなる課題となる。例えば、ある高度な電池構造は、電池の変化状態の変動の結果として、周期的な容量変化を受ける。そのような電池の総容量は、充放電サイクル中、５〜６パーセント以上も変動することがある。電池の物理的寸法がそのように繰り返し変化することにより、エネルギー貯蔵システムの熱管理戦略が著しく複雑になる。
【０００９】
従来のバッテリシステム、例えば、鉛酸電池を利用するバッテリシステムは、典型的には、剛性バッテリケーシングの壁内で、例えばケーシングの壁内で冷却管を使用することによって実現される冷却システムを使用している。他の従来の方法は、バッテリシステムの電池の外部剛性金属ケーシングに接触する冷却装置を使用する。そのような場合には、冷却システムは、電池内で生じる任意の寸法変化が外部的には電池の影響をほとんどないし全く受けないという点で、設計が比較的簡単であり得る。例えば、そのようなしっかり収納された電池の動作中に電極容量が変化する結果、電池のケーシングの剛性および強度のため、電池のケーシングの寸法はさほど変化しない。一体形剛性電池ケーシングによって制約されない高度な再充電可能電気化学電池（特に、例えば、リチウムイオン、リチウムポリマー、リチウムイオンポリマー電池）を使用する応用では、従来のバッテリシステムに関連して使用される冷却方法および方法論は、充放電サイクルにわたって生じるケーシング上での大規模な正味外部寸法変化のため、限られた実用性しかない。
【００１０】
進歩したバッテリ製造工業において、高エネルギー出力を示す電力発生システムおよび広範囲の応用における安全かつ信頼性のある使用に対応できる電力発生システムが必要である。エネルギー貯蔵電池を公称動作温度で効果的に維持しかつそのような電池の最適性能に対応できる熱管理方法の更なる必要性が存在する。本発明は、これらおよびその他の要求を満たす。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、エネルギー貯蔵装置の電気化学電池を冷却する装置および方法に向けられる。本発明の一実施形態に従って、エネルギー貯蔵装置は、間隔があけられた関係で配置された多数の電気化学電池を含む。該電気化学電池の各々は、対向する第１および第２平面を含み、かつ充放電サイクル中容量変化を受ける。冷却ブラダは、エネルギー貯蔵装置に温度制御を行うために使用される。該冷却ブラダは、適合性熱伝導材料から形成され、かつ入口および出口を含む。冷却ブラダは、電池の容量変化中、電気化学電池の各々の少なくとも第１平面または第２平面との接触を維持するように適合する。熱媒体は、冷却ブラダの入口と出口との間を通って、電気化学電池の動作温度を制御する。
【００１２】
冷却ブラダを、その中を熱媒体が通る連続中空内部を含むように製造することができる。一構成では、冷却ブラダは、その中を熱媒体が通る多数の流路を含む。一般に、冷却ブラダは、電池の各々の表面積の実質的に全てにわたる。
【００１３】
一構成によれば、冷却ブラダは、冷却ブラダ曲げ位置で熱媒体流の制限を抑制する支持配置を含む。該支持配置を、冷却ブラダの外表面上に、冷却ブラダ曲げ位置で位置決めすることができる。支持配置を、冷却ブラダ内に、冷却ブラダ曲げ位置で位置決めすることもできる。支持配置を、冷却ブラダ曲げ位置で、さらに冷却ブラダ構成内に一体化することができる。
【００１４】
例えば、冷却ブラダは、冷却ブラダ内に設けられる多孔質充填材を含んでもよい。多孔質充填材を、曲げを受ける冷却ブラダ位置に設けることができる。他の方法では、冷却ブラダは、曲げを受ける冷却ブラダ位置に設けられる肥厚部を含む。
【００１５】
冷却ブラダを、その中を熱媒体が入口と出口との間を一方向態様で通る内部コンパートメントを含むように設計することができる。冷却ブラダを、熱媒体が通る多数のコンパートメントを含むように設計することもできる。例えば、冷却ブラダは、第１内部コンパートメントおよび第２内部コンパートメントを含むことができる。第１内部コンパートメント内を通る熱媒体は、好ましくは、第２内部コンパートメント内を通る熱媒体の方向と反対方向に流れる。
【００１６】
冷却ブラダを、単一材料層を有する適合性熱伝導材料からまたは多数の材料層を有する適合性熱伝導材料から構成することができる。例えば、適合性熱伝導材料は、第１ポリマー層と第２ポリマー層との間に設けられる金属層を含むことができる。
【００１７】
冷却ブラダの適合性熱伝導材料の厚さは、好ましくは、約１５０ミル未満である。有利なことに、冷却ブラダおよび熱媒体は、好ましくは、電池、冷却ブラダ、および熱媒体の総重量または容量の約５０重量パーセントまたは容量パーセント未満を構成する。
【００１８】
エネルギー貯蔵装置の電気化学電池を、多数の電池スタックまたはセットを形成するように配置することができる。電池セットの各々には、多数の冷却ブラダの一つが、該電池セットの各々の電気化学電池の動作温度がエネルギー貯蔵装置に配置される冷却ブラダの少なくとも一つによって制御されるように設けられる。
【００１９】
エネルギー貯蔵装置の電気化学電池を、電池スタックを形成するように配置することができる。そのような構成では、冷却ブラダは、電池スタックの動作温度を、該電池スタックの任意の２個の電池間で測定されるような温度差が摂氏５度を超えないように制御する。冷却ブラダは、電池スタックの動作温度を、個々の電池の第１または第２平面上の任意の２点間で測定されるような温度差が摂氏５度を超えないように制御することもできる。より好ましくは、冷却ブラダは、電池スタックの動作温度を、該電池スタックの任意の２個の電池間または個々の電池の第１または第２平面上の任意の２点間で測定されるような温度差が摂氏２度を超えないように制御する。
【００２０】
一実装にしたがって、冷却ブラダは、蛇行形状（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に合致して、エネルギー貯蔵装置の電気化学電池の各々のそれぞれの第１および第２平面に接触する。一例として、電気化学電池の各々は、第１、第２、第３および第４端を、第１端が第２端に対向しかつ第３端が第４端に対向するように含む。各電気化学電池の第１および第２端は、電気化学電池の各々へかつそこから電流を伝導するそれぞれの電気導体に電気的に連結する。冷却ブラダは、電気化学電池の各々のそれぞれの第３および第４端ならびにそれぞれの第１および第２平面に接触する。
【００２１】
冷却ブラダを通った熱媒体は、一つの方法によれば、水であり得る。熱媒体は、水とエチレングリコールまたは他の不凍液との混合物、またはメタノールとエチレングリコールとの混合物でもあり得る。冷却ブラダの入口に入る熱媒体の温度は、好ましくは、実質的に一定である。
【００２２】
冷却ブラダは、好ましくは、エネルギー貯蔵装置の電気化学電池の動作温度を制御し、その動作温度の範囲は、摂氏約２０度と摂氏約１３０度との間である。電気化学電池は、例えばリチウム電池またはニッケル金属水素化物電池であり得る。
【００２３】
さらなる実施形態によれば、エネルギー貯蔵装置は、その中に電気化学電池および冷却ブラダが位置しているハウジングを含む。該ハウジングは、各々が電気化学電池に連結される正端子および負端子を含む。ハウジングは、冷却ブラダの入口へアクセスするための入口開口部および冷却ブラダの出口へアクセスするための出口開口部をさらに含む。
【００２４】
一構成では、ハウジングは、電気化学電池および多数の冷却ブラダを収納する。ハウジングは、各々が電気化学電池に連結される正端子および負端子を含むのに加えて、冷却ブラダの各々の入口へアクセスするための少なくとも一つの入口開口部および冷却ブラダの各々の出口へアクセスするための少なくとも一つの出口開口部をさらに含む。冷却ブラダならびに入口および出口の数は、様々な構成の単一の、多数の、直列の、および並列の流れおよびそのような流れの組み合わせに対応できるように選択されてもよい。
【００２５】
本発明の他の実施形態に従って、冷却ブラダは加圧されて、エネルギー貯蔵装置の電気化学電池を充放電サイクル中圧縮状態で維持する。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態に従って、電気化学的貯蔵装置内で冷却を行う方法は、間隔があけられた関係で配置された多数の電気化学電池を設けるステップを含み、該電気化学電池の各々は、対向する第１および第２平面を含み、かつ充放電サイクル中容量変化を受ける。適合性熱伝達性冷却ブラダは、該冷却ブラダが容量変化中電気化学電池の各々の少なくとも第１平面または第２平面との接触を維持するように適合するよう設けられる。熱媒体を冷却ブラダに通して、電気化学電池の動作温度を制御する。該方法は、冷却ブラダを加圧して、電気化学電池を電池充放電サイクル中圧縮状態で維持するステップをさらに含むことができる。
【００２７】
本発明の上記概要は、本発明の各実施形態またはすべての実施を説明するよう意図していない。利点および業績は、本発明のより完全な理解と共に、添付の図面に従って次の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって明らかとなりかつ理解されよう。
【００２８】
本発明は、様々な修正および代替形態に従うが、その詳細は、図面で一例として示しかつ詳細に説明する。しかしながら、本発明が、該発明を説明した特定の実施形態に限定すべきでないということを理解されたい。一方、本発明は、添付の特許請求の範囲によって画定されるような発明の範囲内に収まるすべての修正、等価物、および代替物を包含すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
例示した実施形態の以下の説明では、本明細書の一部をなしかつ本発明が実施され得る様々な実施形態が図示により示される添付の図面を参照する。本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、実施形態が利用されてもよくかつ構造変化がなされてもよいということを理解されたい。
【００３０】
本発明の温度制御装置および方法論は、通常動作およびコールドスタート動作中、エネルギー貯蔵装置の温度の高められた制御に対応できる。本発明による温度制御装置および方法論は、例えば再充電可能モジュールまたはバッテリを画定するリチウムまたはニッケル金属水素化物角柱状電池の配置等、間隔があけられた関係で配置された高エネルギー、高出力密度再充電可能電気化学電池の温度を制御するのに特に最適である。そのような再充電可能電気化学電池は、例えば電気車両およびハイブリッド車両に電力を供給するために用いられるもの等、高電流、高電圧エネルギー貯蔵モジュールおよびバッテリの構成で使用するのに特に最適である。
【００３１】
例えば、高度な再充電可能リチウムおよびニッケル金属水素化物電気化学電池は、陽極状態変化のため、充放電サイクル中著しい容量変化を受け、それにより従来の冷却方法は無効または不適当なものとなる。また、そのような高度な再充電可能バッテリは、一般に均一なスタックおよび電池圧力を維持する必要がある。従来の実施では、これは、典型的に、バネ、板またはパッドのシステム等、個々の電池の内部または外部の圧力システムによって達成される。
【００３２】
電気化学電池の配置と本発明の温度制御装置との間の密着は、有利には、著しい電池の伸縮がある場合に維持され、これにより温度制御が高められ、電池の性能が改良され、かつ電池の寿命が延びる。電池配置（例えば、電池スタック配置またはクラスター配置）内の圧縮圧力が必要とされるかまたは所望されるエネルギー貯蔵装置の応用において、必須の電池スタック圧力を、本発明の温度制御装置を加圧することによって電池の伸縮中維持することができる。このような応用では、本発明の温度制御装置は、有利には、電気化学電池の配置に必須の熱および圧力制御を行うことができ、それによって別々の温度および圧力制御システムの必要性は不要になる。
【００３３】
大まかにかつ一般的に言えば、本発明の温度制御ブラダすなわちパウチ（冷却／加熱ブラダが等しく応用可能であるが、本明細書では冷却ブラダと呼ぶ）は、それを熱媒体が通る変形可能な熱伝導材料から形成される。冷却ブラダを、所定の電池スタック配置内に設置中、電池の活動領域に隣接する電池の表面と冷却ブラダとの間の接触が最大になるように、容易に操作することができる。変形可能な冷却ブラダは、様々な電池スタック形態を収容するために、様々な形状、大きさ、および長さをとるように形成されてもよい。例えば、所定の電池スタック配置のための冷却ブラダは、連続するサーペンタイン形状または単純な長方形または正方形状をとってもよい。
【００３４】
本発明の冷却ブラダは、熱媒体が収納される一つの内部コンパートメントまたは多数のそのような内部コンパートメントを有してもよい。冷却ブラダには、直列流配置の場合には、一つの入口および一つの出口が設けられてもよく、あるいは並列流配置または多数の直列流または並列流を含む配置の場合には、多数の入口および多数の出口を有してもよい。多数の入口／一つの出口配置を使用することができるように、一つの入口／多数の出口構成も使用することができる。
【００３５】
図面、より詳細には第１図を参照して、本発明の原理に従って、温度制御装置および方法論を使用するエネルギー貯蔵装置２０の実施形態を説明する。この実施形態によれば、エネルギー貯蔵装置２０は、その中に回路基板２４が取り付けられるハウジング体２２を含む。回路基板２４は、正および負接点を含み、それらはハウジング体２２の側部に取り付けられるかまたはそれを延びるそれぞれの正および負端子に電気的に連結される。
【００３６】
発泡インサート２６は、回路基板２４に隣接して位置決めされる。電池スタックアセンブリ２８は、発泡インサート２６内に嵌合される。電池スタックアセンブリ２８は、多数の再充電可能電気化学電池１５を含む。電気化学電池１５は、好ましくは、進歩した再充電可能技術のものであり、かつ高エネルギーおよび高出力密度属性を示す。この構成では、電池スタックアセンブリ２８は、電気接点を含み、それらは回路基板２４上に設けられる受信コンタクト（図示せず）に接続されるように延びる。電池スタックアセンブリ２８と回路基板２４との間の接続を、電池スタックアセンブリ２８の電池１５間の所望の並列および直列接続を行えるように設計して、エネルギー貯蔵装置２０にとって所望の電圧およびアンペア数を達成することができる。
【００３７】
図１は、さらに本発明の一実施形態に従って冷却ブラダ３０を図示している。図１に示される冷却ブラダ３０は、この図示においては、一般にサーペンタイン形状を有して、電池スタックアセンブリ２８の構成を収容するように操作されてきた。冷却ブラダ３０の蛇行形状は、電池スタックアセンブリ２８の間隔があけられた電池１５内への容易な一体化に対応できる。図１に示される「ファンフォルド」冷却ブラダ構成により、冷却ブラダ３０の部分を、各電池の表面積の実質的に全てが冷却ブラダ３０に接触しているように、電池スタックアセンブリ２８内に交互に配置することができる。
【００３８】
冷却ブラダは、入口３１（図１には示されないが、図４および図５に示される）および出口３３を含む。図示されるように、出口３３および入口３１は、管形状であり、かつ冷却ブラダ３０の対向端部でそれぞれ終端する。発泡インサート２６は、電池スタックアセンブリ２８および冷却ブラダ３０が発泡インサート２６に適切に設置されるとき出口３３および入口３１を収容する対応する半円形溝２１および２３を含む。回路基板２４も、冷却ブラダ３０の出口３３および入口３１をそれぞれ収容する半円形切欠き２５および２７を含む。
【００３９】
冷却ブラダ３０の出口３３および入口３１は、ハウジング体２２の対応する開口部（図示せず）を延びる。その代わりに、チューブまたはホースは、ハウジング体２２のそれぞれの開口部を延び、かつ冷却ブラダ３０の出口３３および入口３１に接続される。電池スタックアセンブリ２８および冷却ブラダ３０のハウジング体２２内への設置を完了した後、ハウジング蓋体３２がハウジング体２２に固定される。気密シールまたは非気密シールが、必要に応じて用いられてもよい。
【００４０】
図２および図３は、エネルギー貯蔵装置４０の代替的実施形態を図示している。この実施形態によれば、エネルギー貯蔵装置４０と外部電気システムとの間の電気接続は、図１に示される実施形態の場合におけるようにハウジング体２２によってというよりむしろ、ハウジング蓋体３２によって確立される。図２および図３に図示されるエネルギー貯蔵装置４０は、間隔があけられた多数の電気化学電池１５によって画定される電池スタックアセンブリ２８上に設置される本発明の冷却ブラダ３０を含む。この構成では、冷却ブラダ３０は、出口３３および入口３１（図２および図３には図示されないが、図４および図５に図示される）を含むように示され、それらはそれぞれ冷却ブラダ３０の平面上の、冷却ブラダ３０の対向端部近くで終端する。出口３３および入口３１は、それ自体、冷却ブラダ３０上に配置されて、ハウジング体２２の隣接する側壁を介する横接近に対応できる。
【００４１】
ハウジング体２２は、溝１９および１７を含むように製造され、それらはそれぞれ電池スタックアセンブリ２８および冷却ブラダ３０がハウジング体２２に設置されるにつれて、出口３３および入口３１を収容する。出口開口部３６および入口開口部３４は、ハウジング体２２の側壁に設けられ、それらを用いれば、それぞれの出口導管および入口導管へ外部接続することができる。電池スタックアセンブリ２８および冷却ブラダ３０がハウジング体２２に適切に設置されると、出口３３および入口３１は、ハウジング体２２の出口開口部３６および入口開口部３４と位置合わせされる。ホース等の、出口および入口導管は、その後出口３３および入口３１に接続されてもよい。入口導管は、熱媒体の冷却ブラダ３０の入口３１への供給源を提供し、かつ出口３３に接続される出口導管は、冷却ブラダ３０を通った後の熱媒体のための戻り経路を提供する。
【００４２】
この実施形態によれば、回路基板４２は、ハウジング蓋体３２に隣接する電池スタックアセンブリ２８の頂部に位置決めされる。回路基板４２は、多数のリード５１を含み、対応する数のタブ５３がそれらに取り付けられる。タブ５３は、回路基板４２のリード５１から延び、かつ電池スタックアセンブリ２８の電池１５のタブ７４に接続する。典型的な構成では、回路基板のタブ５１の一つは、電池タブ７４の一つへ電気接続を行うことができる。電池リード５１は、好ましくは銅棒として製造され、かつスエージ加工された柔軟な（例えば、編組）中央部を含む。電池のタブ５１は、好ましくは電池リード５１に超音波溶接される。回路基板４２は、様々な電気および／または電子回路５２、例えばバイパス回路構成、均等化回路構成、ヒューズ等をさらに含んでもよい。
【００４３】
図２および図３に示される実施形態では、正端子４１および負端子４３は、典型的には電気／電子回路構成５２によって、回路基板４２のリード５１に電気的に接続される。端子４１および４３は、それぞれハウジング蓋体３２の開口部４５および４７と位置合わせされる。エネルギー貯蔵装置４０との外部電気接続は、それ自体、エネルギー貯蔵装置４０の頂部ハウジング蓋体３２によって確立される。端子開口部４５および４７ならびにハウジング蓋体３２は、特定の応用が要求するように気密シールまたは非気密シールを含んでもよい。
【００４４】
一つまたは多くのエネルギー貯蔵装置４０の電池１５が電気的に接続されて、所定の応用に適する所望の電圧および電流を生じるエネルギー貯蔵装置を画定することができる。例えば、多数の電気化学電池１５を、積層構成で配置することができ、かつ例えばモジュールおよびバッテリ等の大電力発生装置を形成するために相互接続させることができる。電気化学電池１５のグループ化は、並列および／または直列関係で選択的に相互接続されて、所望の定格電圧および電流を達成してもよい。例えば、多数の電気化学電池１５がグループ化され、かつ回路基板４２の共通の正および負電力バスまたは端子に並列に接続されて、電池スタックアセンブリ２８を形成してもよい。次に、多数のそのような電池スタックアセンブリ２８を直列に接続して、モジュールを形成してもよい。さらに、多数の個々のモジュールを直列に接続して、バッテリを構成してもよい。モジュールのそのような配置を、例えば電気またはハイブリッド車両に電力を供給するために用いることができる。
【００４５】
電池スタックアセンブリ２８で使用される電気化学電池１５は、好ましくは、リチウムバッテリおよびニッケル金属水素化物バッテリ等の、高度な再充電可能（例えば、二次）高エネルギーおよび高出力密度バッテリである。これらのバッテリは、高放電率で多電池構成において用いられると、典型的には著しい量の熱を発生し、その結果適切に制御されなければ、バッテリから熱が逃げたり、バッテリが短絡したり、最終的にはバッテリが破壊したりすることがある。
【００４６】
本発明の冷却装置および方法論を組み込んだエネルギー貯蔵装置で有利に使用できるリチウムバッテリは、再充電可能リチウムイオン、リチウムポリマー、およびリチウムイオンポリマー（ゲル）バッテリを含む。リチウムイオンバッテリは、一般に、陽極材料として炭素、炭酸プロビレン、炭酸エチレン、および炭酸ジエチルの混合物等の液体電解質、ならびに正活物質（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ａｃｔｉｖｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）として、リチウムコバルト酸化物またはリチウムマグネシウム酸化物等の金属酸化物を使用する。陽極活物質はまた、リチウムとの合金、例えば錫、アルミニウム、シリコン等の合金からなる。
【００４７】
リチウムポリマーバッテリは、リチウムイオンバッテリの液体電解質の代替品として、固体ポリマー電解質を使用する。これらのバッテリは、リチウムイオンバッテリに比べて、低いイオン導電率を有し、したがって周囲温度を超える温度、例えば６０〜１００度で通常動作される。リチウムポリマーバッテリはまた、「非液体」バッテリの利点および構成の柔軟性がある。そのようなバッテリの陽極は、リチウム金属であり、電解質は、典型的には、ポリ酸化エチレンの架橋共重合体、および陰極は、リチウムバナジウム酸化物等の金属酸化物である。
【００４８】
リチウムイオンポリマーゲルバッテリは、炭酸プロピレン等の可塑剤を、固体ポリマーマトリックスに組み込むことによって、リチウムポリマーバッテリに比べて改良された導電性を示す。リチウムイオンポリマーゲルバッテリを、リチウムイオンと固体ポリマーバッテリとの間の混成物として見てもよい。
【００４９】
ニッケル金属水素化物バッテリは、負活物質のための水素化物の形の金属合金に吸収された水素を用いている。これらの合金は、典型的には、ランタンニッケルに基づく希土類（ミッシュメタル）またはジルコニウムチタンに基づく合金である。正極の活物質は、オキシ水酸化ニッケルである。電解質は、水性水酸化カリウムである。
【００５０】
図面に示される電池スタックアセンブリ２８で使用される電気化学電池１５は、典型的には、構成が角柱状である。電池１５は、一般に、電池の端に対して電池の表面積の大部分を占める２対向平面を有する。例えば、典型的な電池１５は、約１６０ｍｍの長さ、約１２５ｍｍの高さ、およびわずか９ｍｍの厚さであるように製造されてもよい。有効な電池の大きさの他の組は、インチに換算して、約５インチ×５インチの表面積および約０．３３インチの厚さを含む。
【００５１】
本発明の原理に従って冷却にさらされる電気化学電池１５は、角柱状構成を有する必要はない。一例として、電気化学電池１５は、円筒形を有してもよく、または多面構成（例えば、六角形断面）を有してもよい。電気化学電池１５は、円形（例えば、楕円断面）を有することもある。
【００５２】
電池スタックアセンブリ２８および個々の電池１５の均一な温度を維持することは、電池スタックアセンブリ２８の初期故障を防ぐにあたって重要である。所定の電池スタックアセンブリ２８を構成する典型的な電池列は、例えば、順次電気的に接続された電池１５を、４８と７２との間に含んでもよい。電池列の電池１５のいずれか一つの初期故障が、エネルギー出力の点で、電池列全体を不稼動にするかまたは容認できなくするということは、当業者に容易に理解される。
【００５３】
例えば所定のエネルギー貯蔵装置において使用されるリチウムイオン電池１５の列を含む電池スタックアセンブリ２８の場合には、エネルギー貯蔵装置の温度制御装置は、最適な電池の性能に対応できるように、電池１５を、充放電サイクル中均一な温度で維持しなければならない。一例として、温度制御装置は、電池スタックアセンブリ２８の動作温度を、電池スタックの任意の２個の電池間または個々の電池の対向平面のいずれか一方上の任意の２点間で測定されるような温度差が摂氏５度を超えないように制御しなければならない。より好ましくは、電池スタックの任意の２個の電池間または個々の電池の対向平面のいずれか一方上の任意の２点間で測定されるような温度差は、摂氏２度を超えるべきではない。
【００５４】
電池スタックアセンブリ２８の動作温度の維持に関しては、個々の電池の対向平面のいずれか一方上の任意の２点間または電池スタックアセンブリ２８の任意の２個の電池間で測定されるような温度差は、摂氏５度を越えるべきではない。より好ましくは、個々の電池の対向平面のいずれか一方上の任意の２点間または電池スタックアセンブリ２８の任意の２個の電池間で測定されるような温度差は、摂氏２度を超えるべきではない。
【００５５】
高度な再充電可能バッテリの効果的な温度制御を行おうとする努力をさらに複雑にする要因は、いろいろな種類のそのようなバッテリで生じる電池容量の周期的な変化に関係している。一例として、予め説明した種類のリチウムポリマー電気化学電池の容量は、リチウムイオンが陽極および陰極材料の格子構造へかつそこから移動するため、充放電サイクル中変動する。この移動により、それぞれ充放電中、全電池容量において約５〜６パーセントのオーダの対応する増加および減少が生じる。他の種類の高度な再充電可能バッテリ（例えば、リチウムイオン、リチウムイオンポリマー、およびニッケル金属水素化物）は、充放電サイクル中、同様に電池容量全体の著しい増加および減少を示す。
【００５６】
伸縮のサイクルを繰り返し受ける電気化学電池の性能および実用寿命は、電池の層／成分を圧縮状態で維持することによって著しく増加するということを理解されたい。改良した電池の性能は、電池充放電サイクル中、電池のより大きい２対向面にかかる圧力を維持することによって実現されてもよい。電池に加えられる圧縮力が、それが加わる表面上にかなり均一に分配されるのが望ましいと思われる。
【００５７】
本発明の冷却装置および方法論は、高度な再充電可能電池およびそのような電池の列／スタックの性能を最小にするのに必要とされる温度制御の必須レベルを提供する。しかも、本発明の冷却装置および方法論は、電池が動作中外部容量変化を受けるように、圧力制御の必須レベルを提供する。たとえば、冷却装置は、所定の応用では必要に応じて、約５ｐｓｉと約６０ｐｓｉとの間の圧力を生じうるが、もし必要とされるかまたは所望されるなら、より低いまたはより高い圧力が達成され得ることが理解される。本発明の冷却装置および方法論は、継続してかつ動作中著しい電池容量変化がある場合に、列／スタックの電池と良好な熱接触を維持するための機構を提供する。
【００５８】
図面、より詳細には図４および図５に戻って、高度な再充電可能電池およびバッテリと共に使用するのに最適な冷却装置の二つの実施形態が図示されている。冷却ブラダ３０は、一つ以上の中空内部コンパートメントを形成するために周囲に沿って封止される弾性材料から製造される。内部コンパートメントへの外部からの接近は、入口３１および出口３３に対する取り付けによって達成される。冷却ブラダ３０は、冷却ブラダ３０に設けられる内部コンパートメントの数および冷却ブラダ３０を通る流路の所望の数および方向によっては、一対または多数対の入口３１および出口３３に嵌合されてもよい。本発明の冷却ブラダ３０は、それ自体、一つ以上の直列流路および／または並列流路が冷却ブラダ３０を通るように構成されてもよい。
【００５９】
図４Ａおよび図４Ｂに示される冷却ブラダ３０の構成では、入口３１および出口３３は、それぞれ冷却ブラダ３０の対向端部近くに位置しており、かつ冷却ブラダ３０の２平面のうちの一方上に取り付けられる。図４Ａは、そのような頂部装着構成の一側面図である。入口３１および出口３３は、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、冷却ブラダ３０の同じ平面上に取り付けられる必要はないことに注目されたい。
【００６０】
図４Ｃは、頂部装着配置に従って、入口３１および出口３３を冷却ブラダ３０に取り付ける構成の詳細な図示である。入口３１および出口３３は、各々ねじ込み継手すなわち口３７を含み、それは管継手３７が冷却ブラダ３０の２平面のうちの一方を貫通するように取り付けられる。シール３５が設けられ、そこで管継手３７が冷却ブラダ面に合わされる。管継手３７およびシール３５を、本発明の冷却ブラダ３０を組み込んでいる所定のエネルギー貯蔵装置の特定の設定によっては、商業的に入手可能な部品から選択することができる。
【００６１】
図５Ａは、冷却ブラダ３０の他の構成を図示しており、入口３１および出口３３は、それぞれ冷却ブラダ３０の対向端部に位置している。この側部装着構成によれば、かつ図５Ｂに詳細に示されるように、入口３１および出口３３は、各々冷却ブラダ３０の側面を貫通するように取り付けられるねじ込み継手３７を含む。シール３５が設けられ、そこで管継手３７が冷却ブラダ面に合わされる。管継手３７と冷却ブラダ面との間の良好な封止を保証するために、リブが組み込まれてもよい。図４Ｃに図示される構成におけるように、図５Ｂに示される管継手３７およびシール３５を、本発明の冷却ブラダ３０を組み込んでいる所定のエネルギー貯蔵装置の特定の設計によっては、商業的に入手可能な部品から選択することができる。
【００６２】
限定ではなく例示の目的のために、図４および図５に図示される冷却ブラダ３０を、数フィートの長さを有するように製造することができる。例えば、冷却ブラダ３０の長さは、多くの応用では５フィートと１０フィートとの間（例えば、７フィート〜７．５フィート）であり得る。冷却ブラダ３０の幅は、数インチであり得る。例えば、冷却ブラダ３０の幅は、４インチと７インチとの間であり得る。一般に、冷却ブラダ３０の幅は、所定のエネルギー貯蔵装置において使用される電気化学電池の幅を収容するように設計される。冷却ブラダの適合性熱伝導材料３０の厚さは、約６ミルと１５０ミルとの間であり得る。
【００６３】
例えば、エネルギー貯蔵モジュールは、約５インチの幅および高さならびに約０．３３インチの厚さのリチウムイオン角柱状電池を組み込んでもよい。そのような５インチ×５インチの電池にとって適当な冷却ブラダ３０の幅は、５インチと６インチとの間であり得るが、５．５インチが好適な幅である。冷却ブラダ３０の長さは、たとえば所定のエネルギー貯蔵モジュールで使用される電池スタックアセンブリで用いられる電池の数、電池および電池スタックにかかる温度変化の許容度、ならびに電池スタックアセンブリの数を含む、多数の要因に依存している。
【００６４】
一例として、特定のエネルギー貯蔵モジュールは、４つの電池スタックアセンブリを組み込んでもよく、その各々は、約５インチ×５インチ×０．３３インチの寸法をもつ１２個の電気化学電池を組み込んでいる。そのような構成では、一つの冷却ブラダ３０は、４つの電池スタックアセンブリの対応する一つについての温度制御を、４つの冷却ブラダ３０の全体に行うことができる。冷却ブラダ３０の各々は、長さ約７フィート２インチ、および幅約５．５インチであり得る。
【００６５】
冷却ブラダ３０の周囲に沿った一つ以上の位置を封止して、冷却ブラダ３０を形成することができる。例えば、３／８インチ幅のシールを、冷却ブラダ３０の両側部に沿った２周辺位置で使用して、冷却ブラダ３０の長手方向に封止を行うことができる。１／２インチ幅のシールを、冷却ブラダ３０の両端部に沿った２周辺位置で使用して、冷却ブラダ３０の対向端部に沿って封止を行うことができる。
【００６６】
図６および図７は、本発明の冷却ブラダ３０の更なる特徴を図示している。この図示によれば、冷却ブラダ３０は、活動領域３７および封止領域３９を含む。活動領域３７は、冷却ブラダ３０の非封止部を画定しており、その中を熱媒体が入口３１および出口３３を経て通る。活動領域３７は、このように冷却ブラダ３０の部分を表しており、それは電気化学電池と熱接触しかつその電池に必須の温度制御を行うことができる。冷却ブラダ３０の活動領域３７の幅は、それ自体、従属電池の活動領域の幅を収容するように設計される。非活動封止領域３９は、従属電池の幅を超える幅をもつように示される。
【００６７】
一例として、かつ約４．２５インチ×４．２５インチの活動領域を有する５インチ×５インチの電池の使用を仮定すると、冷却ブラダ３０の活動領域３７の幅は、約４．３３インチであり得る。封止領域３９は、冷却ブラダの総幅（活動領域３７の幅＋非活動領域３９の幅）が、この例示的な非限定例では約６．２インチであるので、約１．８インチだけ活動領域３７を越えて延びることができる。
【００６８】
冷却ブラダの活動領域３７は、一般に、動作中電気化学電池のグループ化によって発生する熱の最大許容量を管理するように設計される。最大許容熱限界は、典型的に、電池列内での短絡事象中発生する過度の熱を考慮し、かつ短絡した電池によって発生する熱の量を制限するバイパス回路構成または他の短絡制御装置の利用可能性によっても異なる。例えば、１２個の電池の列は、冷却ブラダ３０が通常動作中、電池につき１８Ｗの熱消散を管理するよう要求してもよい。この具体例では、冷却ブラダ３０は、１２個の電池の列からの約２２０ワット（すなわちＱ＝２２０Ｗ）の熱消散（１２電池×１８Ｗ／電池＝２１６Ｗ）を管理するよう設計されるべきである。
【００６９】
冷却ブラダ３０を通る熱媒体は、典型的には水または不凍液と水との組み合わせ（例えば、水とエチレングリコールとの配合物、またはメタノールとエチレングリコールとの混合物）である。冷却ブラダ３０を通る熱媒体流の割合は、所定の電池列の熱消散条件に依存している。図６および図７ならびに約２２０Ｗの熱消散条件および２度の最大温度差を参照して上記で論じた寸法をもつ冷却ブラダ３０については、約０．０６ｋｇ／秒〜約０．０７ｋｇ／秒の冷却ブラダ３０を通る水の流量で十分であるかもしれない。
【００７０】
冷却ブラダ３０に供給される熱媒体の温度は、実質的に一定であるのが望ましい。この所望の条件により、冷却ブラダ３０の設計および性能条件が簡略化される。本発明の冷却ブラダ３０が装備されるエネルギー貯蔵モジュールが、電気またはハイブリッド車両に配置される実施においては、該車両は、好ましくは、熱媒体（すなわち、冷却剤）を各エネルギー貯蔵モジュールの冷却ブラダ３０に実質的に一定温度で供給するバッテリ冷却剤回路を含む。バッテリ冷却剤回路は、車両の主な冷却剤システムから分離されてもまたはそれに接続されてもよい。エネルギー貯蔵モジュールから出た冷却剤は、典型的には、車両およびその冷却剤システムの設計によっては、バッテリ冷却剤回路または主な冷却剤システムに戻る。戻った冷却剤は、エネルギー貯蔵モジュールに供給される前に所定の供給温度に戻される。
【００７１】
本発明の効果的な温度制御装置の設計および実施は、所定の応用に固有の多数の要因に依存しているということを理解されたい。そのような要因は、数ある中で、例えば、冷却ブラダの寸法および熱導電性；熱媒体の特性、流量、および入口温度；エネルギー貯蔵装置の使用の絶縁および熱環境、電池エネルギー消散特性、および冷却剤システムの仕様（例えば、冷却剤供給温度）を含む。
【００７２】
多くの応用では、容量および重量の限界は、所定の応用で用いられるべきエネルギー貯蔵装置に対して規定される。例えば、ハイブリッド車両の所定の製造業者は、車両のバッテリが３２リットルの容量および４０キログラムの重量を超えてはいけないと明記してもよい。バッテリのエネルギー発生部品に割り当てられるバッテリの利用可能な容量および重量を最大にするために、バッテリの温度制御部品の容量および重量を最小にするのがおおいに望ましい。
【００７３】
本発明の冷却ブラダを使用する温度制御装置は、有利には、重量および容量条件を最小にしつつ、高エネルギー、高出力密度のバッテリに対する温度制御性能を最大にする。例えば、本発明の冷却ブラダおよびそれを通る熱媒体は、電池、冷却ブラダおよび熱媒体の総重量または総容量の約５０重量パーセントまたは容量パーセント未満を構成している。当業者は、従来の冷却装置に比べて、本発明の冷却装置によって提供される低重量および容量オーバーヘッドの利点を容易に理解しよう。
【００７４】
冷却ブラダ３０の製造において用いられる材料は、単層材料であってもまたは多層材料であってもよい。単層材料の場合には、冷却ブラダ３０は、ＥＬＶＡＸ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）（デラウエア州ウイルミントンのデュポン株式会社（ＤｕＰｏｎｔ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ））または低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）等の良好な熱伝導性を有する弾性材料を用いて構成されてもよい。
【００７５】
多層材料の場合には、冷却ブラダ３０は、良好な熱伝導性を有する多数の異なる多層材料を用いて製造されてもよい。例えば、冷却ブラダ３０は、３層構成を用いて製造されてもよい。一つの構成によれば、金属層は、第１ポリマー層および第２ポリマー層間に設けられる。一例として、アルミニウム箔等の薄い金属箔は、冷却ブラダ３０の寿命にわたって水蒸気透過度（ＭＶＴＲ）を最小にするために用いられることがあり、かつ良好な適合性および熱伝導性を示す。ポリエチレン等の熱封止可能膜は、金属箔の第１面上に設けられる。ナイロンまたはポリプロピレン等の保護膜は、金属箔の第２面に設けられる。３層材料を公知の封止技術を用いて封止して、冷却ブラダ３０を形成することができる。他の構成によれば、冷却ブラダ３０は、エチレン−酢酸ビニル共重合体（例えば、デュポン株式会社によって製造されるＥＬＶＡＸ）の層に接触しているＰＥＴ金属材料を用いて製造されてもよい。
【００７６】
図８〜図１０は、本発明の原理に従って冷却ブラダ３０のいくつかの実施形態を図示している。図８および図９は、冷却ブラダが柔軟性パウチの形状を有する実施形態を示す。図８および図９に図示される冷却ブラダ３０は、説明を簡略化するために、断面が長方形であるように示される。図１０に示される冷却ブラダ３０は、一列の管等、多数の流路８０を含む。流路８０は、いかなる構成であってもよく、例えば断面が円形、長方形、正方形または三角形であってもよい。
【００７７】
図８に示される冷却ブラダ３０は中空内部を含み、一方図９に示される冷却ブラダ３０は、中空内部内に充填剤６１を組み込む。ある応用では、冷却ブラダ３０は、急な曲げにさらされてもよい。冷却ブラダ３０の過度の曲げの結果、冷却ブラダ３０内の熱媒体の流量の望ましくない減少が生じることがある。そのような制限によって生じる背圧の上昇は、加圧された熱媒体を冷却ブラダ３０の入口へ分配する供給装置には有害となり得る。
【００７８】
急な曲がり位置で冷却ブラダ壁が崩れたりまたはキンクしたりする傾向を減じるため、充填材６１は、冷却ブラダ３０内に組み込まれてもよい。充填材６１は、好ましくは、過度に曲げられる可能性がある冷却ブラダ３０の位置に設けられる。充填材６１によって、熱媒体流が低半径の屈曲部の周りで遮断されるのを防ぎ、かつ熱媒体流が冷却ブラダ３０内でピンチオフされるのを防ぐ。その代わりに、充填材６１は、冷却ブラダ３０の長さ全体内に設けられてもよい。
【００７９】
充填材６１は、急な曲げにさらされるとき、冷却ブラダ壁が崩れるのを妨げることができる材料から製造される。この点に関しては、図９に示される充填材６１は、冷却ブラダ３０内から冷却ブラダ構造を支持することができる。さらに、充填材６１は、冷却ブラダ３０と電気化学電池との間の熱伝達を高める乱流混合を誘導する。充填材６１は、好ましくは、多孔質材料から製造される。好適な充填材は、炭素、金属、プラスチック、複合材料、ナイロン、ポリエステル、スコッチブライトTM（Ｓｃｏｔｃｈ−ＢｒｉｔｅTM）（ミネソタ州サンポールの３Ｍ株式会社（３Ｍ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ））、または他の不織材料を含む。
【００８０】
他の構成では、冷却ブラダ構造に対する支持を、冷却ブラダ３０の外部の配置によって、例えば図８に示されるように、冷却ブラダ３０の外部表面に取り付けられる弾性補強材のスリーブ６３を使用して行うことができる。また、冷却ブラダの製造の一部として、所定の応用として曲がるように設計された冷却ブラダ３０の部分を、冷却ブラダ３０の他の部分に対して厚くすることができる。
【００８１】
予め論じたように、エネルギー貯蔵装置内で用いられる冷却ブラダは、直列または並列流に対応できる。図１１Ａおよび図１１Ｂは、冷却ブラダ３０が電池スタックアセンブリ２８内に一体化されて、冷却ブラダ３０を通る直列冷却剤流に対応できる実施形態を図示している。図１１Ａおよび図１１Ｂは、電池スタックアセンブリ２８を形成するために、間隔があけられた関係で配置される電気化学電池１５の列を示す。冷却ブラダ３０は、冷却ブラダ３０の活動領域３７が電池１５の活動熱発生領域と接触するように、「ファンフォルド」態様で組み立てられる。図示されるように、冷却ブラダ３０は、それが電池スタックアセンブリ２８内に設置されるとき、サーペンタイン形状を取る。
【００８２】
冷却ブラダ３０に嵌合された電池スタックアセンブリ２８のサブアセンブリが、エネルギー貯蔵モジュールハウジング内に適切に設置されると、電池タブ７４と回路基板または相互接続基板のタブ間の電気接続が適切に確立される。入口３１および出口３３は、それぞれ外部冷却剤システムの供給管路および戻り管路（図示せず）に接続される。操作中、熱媒体は、直列態様で、入口３１を経て冷却ブラダ３０の内部コンパートメントを通り、かつ出口３３を経て冷却ブラダ３０から外へ出る。
【００８３】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、冷却ブラダ３０が電池スタックアセンブリ２８内に一体化されて、多数の直列冷却剤流路に対応できる実施形態を図示している。１２Ａ図および１２Ｂ図に示される構成では、多数の独立した冷却ブラダ３０が、電池スタックアセンブリ２８の電気化学電池１５の列内に一体化される。図示されるように、各電気化学電池１５は、二つの独立した冷却ブラダ３０間に挟まれる。冷却ブラダ３０の入口３１および出口３３は、設計の簡略化のために、典型的には、冷却剤システムの共通の供給管路および戻り管路に連結されるということに注目されたい。
【００８４】
いろいろな種類のエネルギー貯蔵システムに最適な温度制御を行うことができるように、様々な冷却ブラダ構成を達成してもよい。例えば、いくつかの冷却ブラダ３０は、図１１に示されるように、一つの冷却ブラダ３０を使用するよりはむしろ、一つの電池スタックアセンブリ２８内にサーペンタイン様式で一体化されてもよい。一つ以上の冷却ブラダ３０内の並流は、冷却ブラダ３０内に多数の内部コンパートメントを設けることおよび出口３３に対して入口３１を適切に設けることによって達成されてもよい。例えば、図１１および図１２に示される冷却ブラダ３０の各々は、多数の内部コンパートメントを、一つの入口３１を経て内部コンパートメントに供給される冷却剤が、各々が出口３３で終端する二つ以上のコンパートメントへ流れ込むように含むよう製造されてもよい。
【００８５】
図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるように、単純な並流配置を、例えば、冷却ブラダ３０の供給コンパートメント９１に冷却剤を供給する一つの入口３１を、冷却剤が供給コンパートメント９１を一方向に流れるように設けることによって達成してもよい。１３Ｂ図に最もよく見られるように、冷却ブラダ３０は、それぞれ供給コンパートメント９１から分離されるが供給コンパートメント９１の端部に流体接続される二つの戻りコンパートメント９３、９５を含むように区画される（特に１３Ａ図を参照）。二つの戻りコンパートメント９３、９５の各々の端部は、それぞれの出口３３に嵌合される。
【００８６】
熱媒体は、供給コンパートメント９１の端部に達するまで、入口３１を経て供給コンパートメント９１を第１方向に流れる。熱媒体流は、次に供給コンパートメント９１が二つの戻りコンパートメント９３、９５に流体接続する位置で二つの流れに分割される。二つの流れは、典型的には供給コンパートメントの流れと反対方向に、それぞれの戻りコンパートメント９３、９５を通り、かつそれぞれの出口３３を経て冷却ブラダ３０を出る。他の流れ増強特性（例えば、供給コンパートメントおよび戻りコンパートメントを分離する壁にパーフォレーション／開口部を加えること）は、温度均一性をさらに高めるために冷却ブラダに組み込まれてもよいということが当業者によって理解されよう。
【００８７】
ある応用、特に電気またはハイブリッド車両を含む応用では、コールドスタート状況中、冷却装置が、加熱された冷却剤を電気化学電池へタイミング良く移送するのが重要である。例えば、所定のハイブリッド車両のバッテリの温度は、オペレータが車両動作を開始したいと思うときには、規定動作温度以下であってもよい。この状況では、バッテリを規定動作温度までできるだけ早く上げるのが望ましい。このことを、冷却剤を要求された温度まで素早く加熱するコールドスタート電気加熱エレメントを提供することによって達成することができる。
【００８８】
この加熱エレメントは、好ましくは、コールドスタート状況中有効であり、かついったん冷却剤システムが温度に達すると、もはや必要とされないかもしれない。素早く暖められた冷却剤の流れが、バッテリが規定動作温度に達するまで、バッテリの冷却ブラダ３０に供給される。車両の次の動作中、加熱エレメントは、設定温度を維持するために必要に応じて動作されてもよい。
【００８９】
コールドスタート状況においてバッテリを規定動作温度にするのに必要な持続時間ができるだけ短いのが望ましい。この持続時間は、時定数が特徴であり得る。時定数は、一般に、有効始動条件から始まると、所定の工程が定常状態条件に達するのにかかる時間として画定される。本発明の文脈内では、該条件は所望の動作温度であり、かつ該時定数は、数ある中で、周囲空気温度、加熱エレメントのワット数、冷却剤の種類、冷却剤の量、冷却剤の流量、ならびにバッテリの種類およびバッテリの熱質量を含む、多数の要因に依存している。できるだけ低い、好ましくは数分未満の時定数を得ることが好ましい。
【００９０】
本発明の様々な実施形態の以上の説明は、例示および説明の目的のためになされてきた。網羅的であることまたは本発明を開示された正確な形式に限定することは意図されていない。上記の教示に照らして、多くの修正および変更が可能である。例えば、本発明の冷却装置および方法論を、様々な形状または大きさの電気化学電池に応用するように容易に改変することができる。一例には、間隔があけられた関係で配置された円筒状電池間で冷却ブラダをウイービングすることが含まれる。冷却ブラダを、例えば、そのような円筒状電池の円周方向の表面積を部分的にまたは完全に含包するように構成することができる。他の例には、多面（例えば、六角形断面）または円（例えば、楕円断面）形の電気化学電池間に冷却ブラダをウイービングすることが含まれる。本発明の範囲が、この詳細な説明によってではなくてむしろこれに添付される特許請求の範囲によって限定されるよう意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施形態による冷却装置を使用するエネルギー貯蔵システムの図示である。
【図２】本発明の他の実施形態による冷却装置を使用するエネルギー貯蔵システムの図示である。
【図３】図２のエネルギー貯蔵システムのサブアセンブリを図示しており、本発明の冷却ブラダをより詳細に示す。
【図４】本発明の一実施形態による頂部装着入口および出口を使用する冷却ブラダの図示である。
【図５】本発明の一実施形態による側部装着入口および出口を使用する冷却ブラダの図示である。
【図６】本発明の一実施形態による冷却ブラダの詳細な図示である。
【図７】図６に示される冷却ブラダの側面図である。
【図８】本発明の一実施形態による冷却ブラダ構成を図示している。
【図９】本発明の他の実施形態による冷却ブラダ構成を図示している。
【図１０】本発明のさらなる実施形態による冷却ブラダ構成を図示している。
【図１１】本発明の一実施形態に従って冷却ブラダに嵌合された電気化学電池の列の図示である。
【図１２】本発明の一実施形態に従って多数の冷却ブラダに嵌合された電気化学電池の列の図示である。
【図１３】本発明の冷却ブラダ内で実現された簡単な並流配置の図示である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【国際調査報告】
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