(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気装置の温度敏感領域における温度を管理するように構成される熱管理システムであって、
熱電装置への電力印加時に、主面と廃熱面との間で熱エネルギーを伝達するように構成される熱電装置であって、前記熱電装置の前記主面が、導電体と実質的に熱連通し、前記導電体が、電気装置へ、または電気装置から電力を送るように構成され、前記導電体が、前記電気装置の温度敏感領域と前記熱電装置との間で熱エネルギーを伝達する導管として機能することが可能である、熱電装置と、
前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を監視し、前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーが、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を小さくする、または除去するように、前記熱電装置に送られる電力を調節するように構成される制御アルゴリズムを備える制御装置と
を備え、
前記電気装置がバッテリであり、前記温度敏感領域がバッテリのセルである、熱管理システム。
【請求項２】
前記熱管理システムが、前記電気装置に熱連通し、前記制御装置に電気連通するセンサをさらに備え、前記制御装置が、前記センサからの入力と、熱管理下の前記電気装置内に、または熱管理下の前記電気装置外に送られる電流とを監視し、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を小さくする、または除去するために、前記熱電装置に送られる電力を調節するように構成される、請求項１記載の熱管理システム。
【請求項３】
前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を小さくする、または除去するために、前記入力に応じて、前記熱電装置に送られる電力が、２つまたは３つ以上の非ゼロレベルの電力の間で調節される、請求項２記載の熱管理システム。
【請求項４】
前記制御アルゴリズムがさらに、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配に、前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配を結合することによって結果として生じる、前記温度敏感領域にわたる熱勾配を監視し、前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される前記熱勾配が、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を小さくする、または除去するように、前記熱電装置に送られる電力を調節するように構成される、請求項１記載の熱管理システム。
【請求項５】
前記熱電装置が、第１の動作モードおよび第２の動作モードを備え、前記第１の動作モードにおいて、前記熱電装置が、前記熱電装置により許容される最大量の熱エネルギーを伝達するように構成され、前記第２の動作モードにおいて、前記熱電装置が、熱エネルギーの伝達により生じる熱勾配が、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配と均衡を保ち、前記温度敏感領域にわたって結果として生じる熱勾配を小さくする、または除去するように、前記最大量とは異なる熱エネルギー量を伝達するように構成される、請求項１記載の熱管理システム。
【請求項６】
前記制御装置により監視されるように構成される入力が、前記電気装置の温度、前記電気装置の充電状態、前記電気装置の健全性、前記電気装置の電圧、前記電気装置の抵抗、前記電気装置の電流、前記電気装置への負荷、環境温度、天気予報、時刻、地形情報および温度敏感領域の形状のうち少なくとも１つを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱管理システム。
【請求項７】
前記制御装置が、バッテリパックに制御機能を与えるように構成されるバッテリ管理システムと一体化される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱管理システム。
【請求項８】
前記熱電装置が、前記電気装置を動力源とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱管理システム。
【請求項９】
前記制御アルゴリズムがさらに、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を小さくする、または除去するために、前記電気装置の動作中に生じる熱勾配に基づいて、前記熱電装置に送られる電力を調節するように構成される、請求項１記載の熱管理システム。
【請求項１０】
前記電気装置の動作中に前記電気装置の前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配は、前記導電体に近接する前記電気装置のゾーンから、前記導電体から遠位の前記電気装置のゾーンまで連続的に温度が低下する、請求項１記載の熱管理システム。
【請求項１１】
前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配は、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を小さくする、または除去するために、前記導電体に近接する前記電気装置のゾーンから、前記導電体から遠位の前記電気装置のゾーンまで連続的に温度が上昇する、請求項１０記載の熱管理システム。
【請求項１２】
前記バッテリのセルがフル充電に近いときに、前記電気装置の動作中に前記電気装置の前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配は、連続的に温度が低下するのに対して、前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配は、連続的に温度が上昇する、請求項１１記載の熱管理システム。
【請求項１３】
前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配は、前記電気装置の動作中に前記電気装置の前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配の減少に対して逆に増加する、請求項１１記載の熱管理システム。
【請求項１４】
前記電気装置の動作中に前記電気装置の前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配は、前記導電体に近接する前記電気装置のゾーンから、前記導電体から遠位の前記電気装置のゾーンまで連続的に温度が上昇する、請求項１記載の熱管理システム。
【請求項１５】
前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配は、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を小さくする、または除去するために、前記導電体に近接する前記電気装置のゾーンから、前記導電体から遠位の前記電気装置のゾーンまで連続的に温度が低下する、請求項１４記載の熱管理システム。
【請求項１６】
前記バッテリのセルが枯渇に近いときに、前記電気装置の動作中に前記電気装置の前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配は、連続的に温度が上昇するのに対して、前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配は、連続的に温度が低下する、請求項１５記載の熱管理システム。
【請求項１７】
前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配は、前記電気装置の動作中に前記電気装置の前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配の増加に対して実質的に逆に減少する、請求項１５記載の熱管理システム。
【請求項１８】
前記電気装置の動作中に前記電気装置の前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配は、前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配に関連する、前記導電体に近接する前記電気装置のゾーンから、前記導電体から遠位の前記電気装置のゾーンまでの連続した温度の変化に対して逆に、前記導電体に近接する前記電気装置のゾーンから、前記導電体から遠位の前記電気装置のゾーンまで連続的に温度が変化する、請求項１記載の熱管理システム。
【請求項１９】
２つまたは３つ以上の導電体が、前記導電体を備え、前記２つまたは３つ以上の導電体が、前記電気装置の同じ表面に位置付けられる、請求項９〜１８のいずれか１項に記載の熱管理システム。
【請求項２０】
電気装置を熱的に管理する方法であって、
熱電装置と、電気装置の温度敏感領域と熱連通および電気連通する導電体との間に実質的な熱連通を確立すること、
前記電気装置の前記温度敏感領域と熱連通し、入力を監視するために設けられる制御アルゴリズムを備える制御装置と電気連通する温度センサからの入力を監視することであって、前記入力が、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を含む、入力を監視すること、および
前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる前記熱勾配を小さくする、または除去するために、前記入力に応じて、前記熱電装置内または前記熱電装置外に送られる電流を調節すること
を含み、
前記電気装置がバッテリであり、前記温度敏感領域がバッテリのセルである、方法。
【請求項２１】
前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる前記熱勾配を小さくする、または除去するために、前記入力に応じて、前記熱電装置内または前記熱電装置外に送られる電流を調節することが、２つまたは３つ以上の非ゼロレベルの間で前記電流を調節することを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記制御アルゴリズムがさらに、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配に、前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配を結合することによって結果として生じる、前記温度敏感領域にわたる熱勾配を監視し、前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される前記熱勾配が、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配と結合し、前記電気装置の、結果として生じる熱勾配が除去され、または減少されるように、前記熱電装置に送られる電力を調節するように構成される、請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
前記方法が、第１のモードおよび第２のモードにおいて前記熱電装置を動作させることをさらに含み、前記第１のモードにおいて、前記熱電装置が、前記熱電装置により許容される最大量の熱エネルギーを伝達するように構成され、前記第２のモードにおいて、前記熱電装置が、熱エネルギーの伝達により生じる熱勾配が、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配と均衡を保ち、前記温度敏感領域にわたって結果として生じる熱勾配を小さくする、または除去するように、熱エネルギー量を伝達するように構成される、請求項２０記載の方法。
【請求項２４】
前記電気装置の前記温度敏感領域にわたる熱勾配が、約１０℃よりも低く、または約１０℃と同じになるまで小さくされる、請求項２０〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
電気装置を熱的に管理する熱管理システムを製造する方法であって、
電気装置の温度敏感領域と熱連通および電気連通する導電体に熱電装置を接続すること、
センサが、前記電気装置の温度敏感領域の熱勾配を含む入力を測定することが可能なように、前記電気装置上にセンサを位置付けること、および
前記電気装置の前記温度敏感領域へ、または前記電気装置の前記温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーが、前記電気装置の動作中に前記温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を小さくする、または除去するように、前記センサからの入力に応じて、前記熱電装置に送られる電力を調節するように構成される制御アルゴリズムを備える制御システムに前記センサを接続すること
を含み、
前記電気装置がバッテリであり、前記温度敏感領域がバッテリのセルである、方法。
【請求項２６】
前記方法が、前記制御システムを、バッテリパックに制御機能を与えるように構成されるバッテリ管理システムと一体化することを含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記熱電装置が、前記電気装置を動力源とするように構成される、請求項２５〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、電気装置の熱電（ＴＥ）冷却および加熱に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスおよびバッテリなどの他の電気装置は、過熱、低温、極端な温度、および動作温度制限に敏感であり得る。このような機器の性能は、機器が推奨温度範囲外で動作される場合には、場合によっては大幅に低下し得る。半導体装置では、集積回路ダイが過熱し、誤作動し得る。例えば、電気自動車などの自動車への用途で用いられるバッテリを含むバッテリでは、バッテリセルおよびその構成部品は、過熱または過冷却されると劣化し得る。このような劣化は、バッテリの蓄電量の低下、および／または、複数のデューティーサイクルにわたって充電されるバッテリの充電能力の低下となって現れ得る。
【発明の概要】
【０００３】
パワーエレクトロニクスおよび他の電気装置の熱的状態を管理することが有利であり得る。熱管理は、過熱、過冷却、および電気装置の劣化の発生率を低下させることができる。本明細書に記載される、ある実施形態は、多大な電力を運び、および／または、大電流および高い効率を要する機器（例えば、電力増幅器、トランジスタ、変圧器、電力インバータ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電気モータ、高出力レーザ、発光ダイオード、バッテリおよび他の機器）の熱管理を提供する。対流空気および液体の冷却、伝導冷却、液体ジェットによるスプレー冷却、ボードおよびチップケースの熱電冷却、ならびに他の解決策を含む、広範囲の解決策がこのような機器の熱管理に用いることができる。本明細書に開示される少なくともいくつかの実施形態は、電気装置を加熱または冷却する既存の技術と比較して、高電力効率、低いかゼロの維持コスト、高い信頼性、長寿命、少数の構成部品、少ないかゼロの可動部品、加熱および冷却動作モード、他の利点、または利点の組み合わせといった利点の、少なくとも１つを提供する。
【０００４】
電気装置において、通常機器の電気的活性部分および／または温度敏感領域は、導電体を介して、例えば外部回路または機器などの外界に接続される。たとえば、バッテリセルの電極は、大きな損失（例えば、ジュールの法則による、電流の二乗に比例する熱損失）なしに大電力を運ぶように設計され得る。このような電極に用いられる導電体のワイヤゲージは、通常このような機器を流れる大電流に釣り合うものである。バッテリのサイズが大きいほど、外部回路と接続するための電極端子も大きくなる。
【０００５】
電極および多くの他の種類の導電体の高い導電率は、このような導電体が、通常高い熱伝導率を有するということも意味している。高い熱伝導率は、様々な熱管理の問題を解決するために用いることができ、機器の熱に鈍感な素子をバイパスして電極を加熱および／または冷却することによって、所望の熱出力（例えば、冷却、加熱など）を機器の敏感な素子に直接送ることができる。人体の内部深くに熱を伝えるために、輸血の間、熱的に調整された血液を用いるのと同様に、電極を通して熱を送り込むことは、所望の熱状態を電気装置の内部深くに効率的に伝えるために用いることができる。例として、高度な自動車用バッテリの電極冷却は、バッテリの熱管理に関して最も有利な技術の１つであることがわかっている。例えば、電極は、個体、液体または気体の冷却技術を用いて冷却することができる。ある意味では、電極はそのような熱管理配置においてコールドフィンガ（cold finger）として働く。
【０００６】
本明細書に開示される実施形態は、電力構成部品、電子機器、および他の電気装置の電流を流す導電体（例えば、電極）に直接的または間接的に熱電（ＴＥ）冷却および／または加熱を加えることによって、電気装置を熱的に管理することが可能なシステムおよび方法を含む。このような機器はしばしば、熱管理による利益を受けることができる。いくつかの実施形態は、例えばバッテリなどの特定の電気装置に関して記載される。しかしながら、本明細書に開示される少なくともいくつかの実施形態は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、他の電気装置、または機器の組み合わせなど、他の電気装置に対して熱管理を提供することができる。少なくともいくつかのこのような機器は、大電流を流すことができ、好ましい温度範囲外の動作を被るおそれがある。いくつかの実施形態の動作は、冷却動作モードに関して記載される。しかしながら、本明細書に開示されるいくつかまたは全ての実施形態は、加熱動作モードも同様に有し得る。いくつかの状況においては、加熱動作モードは、電気装置の温度を、それ未満では電気装置が劣化するか正常に動作しないおそれのある閾値温度を上回って維持するために用いることができる。ＴＥ装置は、システム構造に関する複雑さを最小限にして加熱機能および冷却機能の両方を提供するのに特に適している。
【０００７】
本明細書に開示される実施形態は、熱電ベースの熱管理システムおよび方法を含む。いくつかの実施形態において、熱管理システムは電気装置の温度敏感領域の温度を管理するように構成される。熱管理システムは、熱電装置への電力印加時に、主面と廃熱面との間で熱エネルギーを伝達するように構成される熱電装置を含み得る。いくつかの実施形態において、熱電装置の主面は導電体の熱交換面と実質的に熱連通している。導電体は、電気装置の温度敏感領域と熱電装置との間で熱エネルギーを伝える導管として働くように、電気装置へ、または電気装置から電力を送るように構成される。
【０００８】
特定の実施形態において、電気装置を熱的に管理する方法は、導電部分および非導電部分を備える熱伝達装置を、電気装置の複数の導電体に接続することを含んでいる。この方法は、熱伝達装置と熱電装置の主面との間で、実質的な熱エネルギーの交換を導くことを含み得る。
【０００９】
いくつかの実施形態において、電気装置を熱的に管理する方法は、熱電装置と、電気装置と熱接続および電気連通している導電体の熱交換面との間で、実質的な熱連通を確立することを含む。この方法は、熱電装置内または熱電装置外に送られる電流を調節することにより、電気装置を加熱または冷却することを含み得る。
【００１０】
いくつかの実施形態において、電気装置の温度敏感領域の温度を管理するように構成される熱管理システムが提供される。システムは、熱電装置への電力印加時に、主面と廃熱面との間で熱エネルギーを伝達するように構成される熱電装置を含み、熱電装置の主面は、導電体と実質的に熱連通している。導電体は、電気装置へ、または電気装置から電力を送るように構成され、電気装置の温度敏感領域と熱電装置との間で熱エネルギーを伝える導管として働くことができる。システムは、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を監視し、電気装置の温度敏感領域へ、または電気装置の温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーが、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を減少させ、または除去するように熱電装置に伝達される電力を調節するように構成される制御アルゴリズムを含む制御装置を含んでいる。
【００１１】
いくつかの実施形態において、熱管理システムは、電気装置と熱連通し、制御装置と電気連通しているセンサを含んでいる。制御装置は、センサからの入力、および熱管理下の電気装置内に、または熱管理下の電気装置外に送られる電流を監視し、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を減少させ、または除去するために熱電装置に送られる電力を調節するように構成される。
【００１２】
いくつかの実施形態において、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を減少させ、または除去するために、入力に応じて熱電装置に送られる電力は、２つまたは３つ以上の非ゼロレベルの電力の間で調節される。
【００１３】
いくつかの実施形態において、制御アルゴリズムはさらに、電気装置の温度敏感領域へ、または電気装置の温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配を監視し、電気装置の温度敏感領域へ、または電気装置の温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配が、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を減少させ、または除去するように熱電装置に送られる電力を調節するように構成される。
【００１４】
いくつかの実施形態において、熱電装置は、第１の動作モードおよび第２の動作モードを含んでいる。第１の動作モードにおいて、熱電装置は、熱電装置が許容する最大量の熱エネルギーを伝達するように構成される。第２の動作モードにおいて、熱電装置は、熱エネルギーの伝達により生じる熱勾配が、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配と均衡を保ち、温度敏感領域にわたって結果として生じる熱勾配を減少させ、または除去する熱エネルギー量を伝達するように構成される。
【００１５】
いくつかの実施形態において、制御装置によって監視されるように構成される入力は、電気装置の温度、電気装置の充電状態、電気装置の健全性、電気装置の電圧、電気装置の抵抗、電気装置の電流、電気装置への負荷、環境温度、天気予報、時刻、地形情報、および、温度敏感領域の形状の少なくとも１つを含んでいる。
【００１６】
いくつかの実施形態において、制御装置は、バッテリパックに制御機能を与えるように構成されるバッテリ管理システムと一体化される。
【００１７】
いくつかの実施形態において、電気装置はバッテリであり、温度敏感領域はバッテリのセルである。
【００１８】
いくつかの実施形態において、電気装置の温度敏感領域にわたって結果として生じる熱勾配は、約１０℃よりも低く、または約１０℃と同じになるまで減少される。いくつかの実施形態において、熱電装置は、電気装置を動力源とする。
【００１９】
いくつかの実施形態において、電気装置を熱的に管理する方法は、熱電装置と、電気装置の温度敏感領域と熱連通および電気連通する導電体との間で、実質的な熱連通を確立することを含んでいる。方法は、電気装置の温度敏感領域と熱連通し、入力を監視するために設けられる制御アルゴリズムを含む制御装置と電気連通する温度センサからの入力を監視する。入力は、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を含んでいる。方法は、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を減少させ、または除去するために、入力に応じて、熱電装置内または熱電装置外に送られる電流を調節することを含んでいる。
【００２０】
いくつかの実施形態において、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を減少させ、または除去するために、入力に応じて、熱電装置内または熱電装置外に送られる電流を調節することは、２つまたは３つ以上の非ゼロレベル間で電流を調節することを含んでいる。
【００２１】
いくつかの実施形態において、制御アルゴリズムは、電気装置の温度敏感領域に伝達されるか、またはそこから離される熱エネルギーの結果として生まれる熱勾配を監視し、電気装置の温度敏感領域へ、または電気装置の温度敏感領域から離れて伝達される熱エネルギーの結果として生成される熱勾配が、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配と結合し、電気装置の、結果として生じる熱勾配が除去され、または減少されるように、熱電装置に送られる電力を調節するように構成される。
【００２２】
いくつかの実施形態において、方法はさらに、第１のモードおよび第２のモードにおいて熱電装置を動作させることを含んでいる。第１のモードにおいて、熱電装置は、熱電装置により許容される最大量の熱エネルギーを伝達するように構成される。第２の動作モードにおいて、熱電装置は、熱エネルギーの伝達により生じる熱勾配が、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配と均衡を保ち、温度敏感領域にわたって結果として生じる熱勾配を減少させ、または除去するように、熱エネルギー量を伝達するように構成される。
【００２３】
いくつかの実施形態において、制御装置によって監視されるように構成される入力は、電気装置の温度、電気装置の充電状態、電気装置の健全性、電気装置の電圧、電気装置の抵抗、電気装置の電流、電気装置への負荷、環境温度、天気予報、時刻、地形情報、および、温度敏感領域の形状の少なくとも１つを含んでいる。
【００２４】
いくつかの実施形態において、制御装置は、バッテリパックに制御機能を与えるように構成されるバッテリ管理システムと一体化される。
【００２５】
いくつかの実施形態において、電気装置はバッテリであり、温度敏感領域はバッテリのセルである。
【００２６】
いくつかの実施形態において、電気装置の温度敏感領域にわたる熱勾配は、約１０℃よりも低く、または約１０℃と同じになるまで減少される。
【００２７】
いくつかの実施形態において、熱電装置は電気装置を動力源とする。
【００２８】
いくつかの実施形態において、電気装置の温度敏感領域と熱連通および電気連通している導電体に熱電装置を接続することを含む、電気装置を熱的に管理する熱管理システムの製造方法が提供される。方法は、センサが電気装置の温度敏感領域の熱勾配を含む入力を測定できるように、電気装置上にセンサを位置付けることを含んでいる。方法は、電気装置の温度敏感領域に伝達されるか、またはそこから離される熱エネルギーが、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配を減少させまたは除去するように、センサからの入力に応じて熱電装置に運ばれる電力を調節するように構成される制御アルゴリズムを含む制御システムにセンサを接続することを含んでいる。
【００２９】
いくつかの実施形態において、制御アルゴリズムはさらに、電気装置の温度敏感領域に伝達されるか、またはそこから離される熱エネルギーの結果として生まれる熱勾配を監視し、電気装置の温度敏感領域に伝達されるか、またはそこから離される熱エネルギーの結果として生まれる熱勾配が、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生じる熱勾配と結合し、結果として生じる電気装置の熱勾配が除去、または減少されるように、熱電装置に運ばれる電力を調節するように構成される。
【００３０】
いくつかの実施形態において、センサからの入力は、電気装置の温度、電気装置の充電状態、電気装置の健全性、電気装置の電圧、電気装置の抵抗、電気装置の電流、電気装置への負荷、環境温度、天気予報、時刻、地形情報、および温度敏感領域の形状、の少なくとも１つを含んでいる。
【００３１】
いくつかの実施形態において、方法は、バッテリパックに制御機能を与えるように構成されるバッテリ管理システムに制御システムを一体化させることを含んでいる。
【００３２】
いくつかの実施形態において、電気装置はバッテリであり、温度敏感領域はバッテリのセルである。
【００３３】
いくつかの実施形態において、電気装置の温度敏感領域にわたる熱勾配は、約１０℃よりも低く、または約１０℃と同じになるまで減少される。
【００３４】
いくつかの実施形態において、熱電装置は、電気装置を動力源とするように構成される。
【００３５】
例示を目的として様々な実施形態が付随する図面に記されているが、これらは決して本明細書に記載される熱電アセンブリまたはシステムの範囲を限定するものとは理解されるべきではない。また、開示される異なる実施形態の様々な特徴は、互いに組み合わせられて別の実施形態を形成してもよく、これも本開示の一部である。任意の特徴または構成が除去、変更または省略されてもよい。図面を通して、参照番号は参照要素間の対応を示すために再利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ＡとＢは、それぞれが電気装置の導電体と熱連通している複数のＴＥ装置を備える、熱管理システムの例を概略的に示す図である。
【図２】電気装置の２つの導電体と熱連通しているＴＥ装置を備える熱管理システムの例を概略的に示す図である。
【図３】熱伝達装置を介してバッテリの電極と熱連通しているＴＥ装置を備える熱管理システムの例を概略的に示す図である。
【図４】電気装置に提供される加熱および／または冷却を制御するように構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）を備える熱管理システムの例を概略的に示す図である。
【図５】外部電源を備える熱管理システムの例を概略的に示す図である。
【図６】電気装置に提供される加熱および／または冷却を熱管理システムによって制御するための例示的な方法を示す図である。
【図７】Ａは、熱管理システムの例示的な電気的構成を概略的に示す図である。Ｂは、熱管理システムの他の例示的な電気的構成を概略的に示す図である。
【図８】Ａは、電力を受ける電気装置に接続される例示的な熱管理システムを概略的に示す図である。Ｂは、電力を負荷に与える電気装置に接続される例示的な熱管理システムを概略的に示す図である。
【図９】ＴＥ装置と熱連通する導電体の断面斜視図である。
【図１０】Ａは、熱濃縮器を備える熱管理システムの断面図である。Ｂは、熱拡散器を備える熱管理システムの断面図である。
【図１１】湾曲したＴＥ装置を備える熱管理システムの断面図である。
【図１２】湾曲したＴＥ装置を備える熱管理システムの別の断面図である。
【図１３】外部リードにインライン（in-line）で電気的に接続される熱絶縁体を備える例示的な熱管理システムを概略的に示す図である。
【図１４】直列で電気的に接続されるセルを含む例示的バッテリパックを模式的に示す図である。
【図１５】図１４のバッテリパックの隣接セルを接続する例示的な熱管理システムを概略的に示す図である。
【図１６】別の例示的な熱管理システムを概略的に示す図である。
【図１７】電気装置を加熱および／または冷却する例示的な方法を概略的に示す図である。
【図１８】例示的な熱管理システムを概略的に示す図である。
【図１９】ヒートシンクを備える例示的な熱管理システムを概略的に示す図である。
【図２０】例示的な熱管理システムの斜視図である。
【図２１】図２０の熱管理システムの端面図である。
【図２２】別の例示的な熱管理システムの斜視図である。
【図２３】図２２の熱管理システムの端面図である。
【図２４】別の例示的な熱管理システムの斜視図である。
【図２５】図２４の熱管理システムの端面図である。
【図２６】別の例示的な熱管理システムの斜視図である。
【図２７】図２４の熱管理システムの一部の拡大図である。
【図２８】図２６の熱管理システムの一部の拡大図である。
【図２９】バッテリのセルの例示的な熱勾配を概略的に示す図である。
【図３０】バッテリセルの動作および熱管理により生成された熱勾配を結合する正味の効果により減少された熱勾配を有する例示的なバッテリセルの単純化された図を概略的に示す図である。
【図３１】例示的な熱管理システムを概略的に示す図である。
【図３２】熱管理システムによって電気装置に提供される加熱および／または冷却を制御する例示的な方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
いくつかの実施形態および例が本明細書に開示されるが、本主題は、詳細に開示された実施形態における例を超えて、別の実施形態および／または使用、ならびに、その変形および均等物にまで及ぶ。したがって、本明細書に添付の請求項の範囲は、以下に説明される特定の実施形態のいずれにも限定されない。例えば、本明細書に開示される任意の方法または工程において、この方法または工程の作用または動作は、任意の適切な順番で実行でき、任意の特定の開示された順番に必ずしも限定されるものではない。さまざまな動作が、いくつかの実施形態を理解するのに有用なように、複数の個別の動作として、順番に説明される。しかし、説明の順番は、これらの動作が順番に依存することを意味すると解釈されるべきではない。さらに、本明細書に記載される構造、システムおよび／または装置は、一体化された構成品または分離した構成品として実装されるであろう。さまざまな実施形態を比較する目的で、これらの実施形態の特定の態様および利点が説明される。必ずしも、すべてのそれらの態様または利点が、任意の特定の実施形態によって達成されるとは限らない。したがって、例えば、さまざまな実施形態は、本明細書に教示され、または示唆されるであろう他の態様または利点を達成することなく、本明細書に説明されるように、１つの利点または一群の利点を達成するか、または最適化するように実現される。
【００３８】
電子機器および電気装置の熱状態を管理することは有利であり得る。そのような熱管理は、過熱、過冷却および電気装置の劣化の機会を減らすことができる。本明細書に記載されるいくつかの実施形態は、大電力を運び、および／または、大電流および高効率を必要とする装置（例えば、電力増幅器、トランジスタ、変圧器、電力インバータ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電気モータ、高出力レーザおよび発光ダイオード、バッテリ、および他の装置）の熱管理を提供する。対流空気および液体による冷却、伝導冷却（conductive cooling）、液体ジェットを使ったスプレー冷却、ボードおよびチップケースの熱電冷却および他の解決策を含む、広範囲の解決策がこのような装置を熱的に管理するために用いられ得る。本明細書に開示される少なくともいくつかの実施形態は、電気装置を加熱または冷却するための既存の技術と比較して、高い電力効率、より低いか、またはゼロの維持コスト、より大きい信頼性、より長い寿命、より少ない構成品、より少ないか、もしくはまったく存在しない可動部品、加熱および冷却動作モード、他の利点、または利点の組み合わせの少なくとも１つを提供する。
【００３９】
電気装置において、通常、装置の電気的活性部分および／または温度敏感領域は、導電体を介して、例えば外部回路または装置などの外界に接続される。例えば、バッテリセルの電極は、大きな損失（例えば、ジュールの法則にしたがって、電流の２乗に比例する熱損失）なしに、大電力を運ぶように設計されてもよい。そのような電極に用いられる導電体のワイヤゲージは、通常そのような装置に流れる大電流に耐えられるようになっている。バッテリのサイズが大きくなるにつれ、外部回路と接続するための電極端子は大きくなる。
【００４０】
電極および多くの他の種類の導電体の高い導電率は、そのような導電体が通常高い熱伝導率を有していることも意味している。高い熱伝導率は、さまざまな熱管理問題を解決するために用いることができ、装置の熱に鈍感な要素をバイパスして電極を加熱および／または冷却することにより、装置の敏感な要素に直接に、所望の熱出力（例えば、冷却、加熱など）を伝達することを可能にする。人体の内部深くに熱を伝達するために、輸血の間、熱的に調整された血液を用いるのと同様に、電極を介して熱を送り込むことは、電気装置内の深くに、所望の熱状態を効率的に伝達するのに使うことができる。一例として、高度な自動車バッテリの電極冷却は、バッテリの熱管理のための最も有効な技術の一つであることが分かっている。例えば、電極は、固体、液体または気体の冷却技術を用いて冷却することができる。ある意味では、電極は、そのような熱管理配置においてコールドフィンガとして働く。
【００４１】
本明細書に開示される実施形態は、電力構成品、電子機器および他の電気装置の、電流を流す導電体（例えば、電極）に、直接的または間接的に熱電（ＴＥ）冷却および／または加熱を加えることにより、電気装置を熱的に管理することができるシステムおよび方法を含んでいる。そのような装置は、しばしば熱管理による利益を得ることができる。いくつかの実施形態は、例えばバッテリなどの特定の電気装置を参照して説明される。しかしながら、本明細書に開示される少なくともいくつかの実施形態は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、他の電気装置または装置の組み合わせなど、他の電気装置に対して熱管理を提供することができる。少なくともいくつかのそのような装置は、大電流を流す能力を持ち、好適な温度範囲外の動作によって悪影響を受けるであろう。いくつかの実施形態の動作は、冷却動作モードを参照して説明される。しかしながら、本明細書に開示される実施形態のいくつかまたは全ては、加熱動作モードも有することができる。いくつかの状況において、加熱動作モードは、電気装置の温度を、それ未満では電気装置が劣化するか正常に動作しないおそれのある閾値温度を上回って維持するために用いられ得る。ＴＥ装置は、システム構造に対する複雑性を最小にしつつ、加熱および冷却の両方の機能を提供するのに特に適している。
【００４２】
ＴＥ装置が、導電体を冷却および／または加熱するというタスクのために使用されるさまざまな方法がある。本明細書に記載されるように、ＴＥ装置は、１つまたは２つ以上のＴＥ素子、ＴＥ組み立て品、および／またはＴＥモジュールを含み得る。いくつかの実施形態では、ＴＥシステムは、第１の側面と、第１の側面と反対側の第２の側面とを含むＴＥ装置を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の側面および第２の側面は、主面および廃熱面、または、加熱面および冷却面であってもよい。ＴＥ装置は、電源と動作可能に結合され得る。電源は、ＴＥ装置に電圧を印加するように構成され得る。電圧が一方向に印加されると、一方の側面（例えば、第１の側面）は、熱を発生し、他方の側面（例えば、第２の側面）は、熱を吸収する。回路の極性を切り替えることにより、反対の効果が発生する。典型的な配置では、ＴＥ装置は、異種材料を含む閉回路を備える。ＤＣ電圧が閉回路に印加されると、異種材料の接合部分に温度差が生じる。電流の方向に依存して、熱は、特定の接合部分において放射されるか、または吸収される。いくつかの実施形態では、ＴＥ装置は、直列に接続された、いくつかの固体ＰおよびＮ型半導体素子を含む。いくつかの実施形態では、接合部分は、ＴＥ装置の低温側面と高温側面とを形成し得る２つの電気隔離部材（例えば、セラミックス板）の間に挟まれる。低温側面は、冷却されるべき対象（例えば、導電体、熱管理下の電気装置など）に熱的に結合され、高温側面は、熱を環境に発散するヒートシンクに熱的に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、高温側面が、加熱されるべき対象（例えば、導電体、熱管理下の電気装置など）に結合されてもよい。特定の非限定的な実施形態が以下に記載される。
【００４３】
図１Ａ〜１Ｂは、例示的な熱管理システムの概略図を示す。いくつかの実施形態では、熱管理システム１は、電気構成品または装置２（例えば、電力増幅器、トランジスタ、変圧器、電力インバータ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電気モータ、高出力レーザおよび発光ダイオード、バッテリなど）の少なくとも１つの導電体４ａ、４ｂ（例えば、電流を流すコネクタ、電極、セルの一部、端子ワイヤ、電極とセルの一部との間の配線、リードなど）の熱交換面と実質的に熱連通している、少なくとも１つのＴＥ装置６ａ、６ｂを含み得る。「実質的な熱連通」との用語は、本明細書においては広くかつ通常の意味で用いられており、例えば、熱連通境界での面間のぴったりとした接触；熱連通している面間の１つまたは２つ以上の熱伝達材料または装置；パッド、熱グリース、ペースト、１つまたは２つ以上の作業流体または面間に高い熱伝導率を有する他の構造を含む熱伝導材料システムを用いた固体面間の接続；他の適切な構造；または構造の組み合わせを含む。実質的な熱連通は、１つまたは２つ以上の境界材料を介して、直接的または間接的に接続される面間に発生し得る。
【００４４】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＴＥ装置は、熱管理下にある電気装置に接続されてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＴＥ装置は、熱管理下にある電気構成品、部品、部分または装置と実質的に熱連通（例えば、接触、取り付け、など）していてもよい。このような例では、導電体は、電気装置の温度敏感領域と、１つまたは２つ以上の外部装置との間で、電気エネルギーおよび熱エネルギーの両方を伝達することができる。冷却モードで動作するとき、熱Ｑは、図１Ａの矢印８ａ、８ｂで示されるように、導電体４ａ、４ｂ（および電気装置２）から送り出され、空気、液体、他の固体構成品または構成品の組み合わせである外部環境に発散される。冷却モードで動作するとき、熱出力は、反対方向に送られ、図１Ｂの矢印８ａ、８ｂで示されるように、導電体４ａ、４ｂを介して、熱を電気装置２内に運ぶ。
【００４５】
図１Ａ〜１Ｂは、それぞれ、別個の導電体４ａ、４ｂに熱Ｑを注入する、または、別個の導電体４ａ、４ｂから熱Ｑを取り除く別個のＴＥ装置６ａ、６ｂを示す。いくつかの実施形態では、単一のＴＥ装置６が、図２に示されるような２つ以上の導電体４ａ、４ｂを制御する（例えば、実質的に熱連通している）ために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、１つまたは２つ以上の導電体は、いずれのＴＥ装置とも、実質的に熱連通していなくてもよい。いくつかの実施形態では、ＴＥ装置は、導電体と実質的に熱連通される。いくつかの実施形態では、この実質的な熱連通は、ＴＥ装置を直接導電体に取り付けることにより、または、図３に示されるように、熱管理下の電気装置２と、ＴＥ装置６の面１２との間に配置される、効率的な熱のまたは熱伝達装置１０、または熱伝導装置（例えば、熱交換器の面、熱パイプ、シャント（shunt）または熱面）を用いることにより、達成されてもよい。いくつかの実施形態では、熱伝達装置１０は、少なくとも１つの導電体４ａ、４ｂおよび／または少なくとも１つのＴＥ装置６に直接的または間接的に接触するように取り付けられてもよい。
【００４６】
図１Ａ、１Ｂおよび２に示されるように、いくつかの実施形態では、熱管理システム１は、少なくとも１つのＴＥ装置６、６ａ、６ｂを含み得る。ＴＥ装置６、６ａ、６ｂの面１２ａ、１２ｂは、少なくとも１つの導電体４ａ、４ｂの固体面１４ａ、１４ｂと直接的または間接的に接触し得る。導電体４ａ、４ｂは、導電体４ａ、４ｂが、電気装置２の温度敏感領域（例えば、熱Ｑ）とＴＥ装置６、６ａ、６ｂとの間で熱エネルギーを伝達するための導管としても働くように、電気装置２に電力を供給するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、ＴＥ装置６、６ａ、６ｂの面１２ａ、１２ｂと、固体面１４ａ、１４ｂとの間の境界は、面間の実質的な熱連通を容易にするように構成された、熱伝導材料システム（図示せず）を含んでいてもよい。例えば、熱伝導材料システムは、グリース、ペースト、パッド、高熱伝導率の材料、約１００Ｗ／（ｍ×Ｋ）以上の熱伝導率の材料、他の適した材料、または材料の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、熱伝導性材料システムは、熱伝達装置の１つまたは２つ以上の面と、ＴＥ装置および／または導電体の面との間に配置され得る。
【００４７】
いくつかの実施形態においては、流体接続は、ＴＥ装置６、６ａ、６ｂと、電気装置２に電力を入出力することを容易にするために用いられる少なくとも１つの導電体４ａ、４ｂとの間、これらの周囲、および／または、これらを通って構成され得る。いくつかの実施形態においては、作動流体は、電気装置２とＴＥ装置６、６ａ、６ｂとの間の熱エネルギーの伝達を容易にするために用いられ得る。
【００４８】
制御装置は、ＴＥ装置を制御して、加熱または冷却機能のいずれかを実行するために、および／または、ＴＥ装置に送られる電力を調節するために設けられ得る。ＴＥ装置には、熱管理下にある装置とインラインで電力が供給されるか、または、外部の電力供給源もしくは電源によって電力が供給され得る。いくつかの実施形態では、ＴＥ装置は、熱管理下にある装置へのおよび／または熱管理下にある装置からの熱ポンプ機能を実行するように、電力が供給され、制御される。電力供給および制御機能は、別個の電子制御ユニットＥＣＵ４０によって実行され得る。ＥＣＵ４０は、装置４６のＴＥ管理に関連付けられるＴＥ装置４４へ送られる電力を調節することができる。いくつかの実施形態では、ＥＣＵ４０は、直接的または導電体（図示せず）を介して装置４６の熱状態を感知する１つまたは２つ以上の温度センサ４２からの入力を受け、その入力をアルゴリズムと比較し、図４に示されるように、ＴＥ装置４４が加熱または冷却機能のいずれかを実行するように制御信号を発する。いくつかの実施形態では、ＥＣＵ４０は、他のセンサ（図示せず）から、温度以外の入力（例えば、ＴＥ装置４４および／もしくは装置４６内にならびに／またはＴＥ装置４４および／もしくは装置４６外に流される電流など）を受け、装置４６へおよび／または装置４６からの冷却および／または加熱出力を調節するように構成されてもよい。制御装置は、熱管理下にある装置を支持する電子機器の残りの部分と一体化されてもよい。例えば、そのような装置がバッテリパックである場合、典型的には、バッテリの健全性をモニタし、および／または、内部および／または外部の変化に応じて制御機能を管理するように構成されるバッテリマネージメントシステム、すなわちＢＭＳを装備される。ＴＥ制御装置の機能は、ＢＭＳ内に集積でき、同じプリント回路ボード上に、または、ＢＭＳ機能を実行する同じチップセットを用いて、一緒に配置されてもよい。
【００４９】
例示的な熱管理システムが、いくつかの実施形態において電気装置を能動的に熱管理するために行い得るステップが図６に示されている。第１のステップ６０ａにおいて、センサは、熱管理下の装置の熱状態と、熱管理下の装置内または熱管理下の装置外に送られる電流を監視するように構成され得る。第２のステップ６０ｂは、装置の熱管理に関連付けられるＴＥ装置に送られる電力を調節することを含んでいる。第３のステップ６０ｃにおいて、導電体の電流および温度の変化が監視される。ステップ６０ａ〜６０ｃは繰り返され得る。
【００５０】
いくつかの実施形態では、そのような温度制御を容易にするため、周囲の温度、ＴＥ装置の側面の少なくとも１つの温度、および／または、ＴＥ装置内の温度を決定することが有用であり得る。したがって、ＴＥシステムのいくつかの実施形態は、周囲温度センサ、ＴＥ装置の内部、隣接域、近く、もしくは近接して配置されたＴＥ装置温度センサ（サーミスタなど）、および／またはそれに類するもの、の１つまたは２つ以上のものを含んでいてもよいし、組み合わせを含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。
【００５１】
しかし、１つまたは２つ以上のＴＥ装置温度センサを含むいくつかの実施形態は、例えば、センサのコスト、付加的な製造ステップ、システムにセンサを配置することに関連した複雑さ、センサの故障の可能性、熱の遅れ、および／または１つまたは２つ以上の他の理由や考慮事項のために、あまり望ましくない場合がある。いくつかの実施形態では、熱管理システムは、第１と第２の側面を有するＴＥ装置と動作可能に結合される電源を含み、ＴＥ装置および／または熱管理下にある装置の側面の一方の温度を決定するための温度センサを含まない。むしろ、熱管理システムは、ゼーベック効果によって誘導される電位によって、第１と第２の側面の一方の温度（またはＴＥ装置にかかる温度差）を決定するように構成される。
【００５２】
いくつかの実施形態においては、電源はオフにされてもよい（例えば、ＴＥ装置に供給される電圧がゼロ）。そのような場合、第１と第２の側面間の温度差は、第１と第２の側面間に電位を誘発できる。この電位の誘発は、ゼーベック効果として知られている。生成される電位は、一般に、第１と第２の側面間の温度差に比例し、以下の式で表され得る。
【数１】
0006513577.tif 000002
式中、Ｖは、第１と第２の側面間の電位、αは、ゼーベック係数、（Ｔｈ−Ｔｃ）またはΔＴは、第１と第２の側面間の温度差である。このように、所定のＴＥ装置のゼーベック係数は、第１と第２の側面間の温度差に対する電位の比として説明され得る。
【００５３】
いくつかの場合において、ゼーベック係数αは、実験的に求められてもよい。ある構成においては、既知のゼーベック係数αを有するＴＥシステムに対し、第１と第２の側面間の温度差は、電位に基づいて決定され得る。そのような構成は、例えば、別個の温度センサの必要なしに、ＴＥ装置の温度差を監視することを可能とする。上記したように、そのような温度センサが不要となることは、製造を容易にし（例えば、処理工程の削減）、製造時間を減らし、コストを減らし、装置の寿命を延ばし、および／または、１つもしくは２つ以上の他の利点もしくは利益を提供し得る。さらに、そのようなセンサを含まないことは、例えば、センサのための配線の通過のためにＴＥ装置を通る通路を不要とすることによって、ＴＥ装置の設計を容易にすることができる。さらに、そのようなセンサを含まないことにより、故障のおそれのある構成品の全数を減らし、システムの信頼性を向上させることができる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、熱管理システムは、ＴＥ装置の側面の少なくとも一方の絶対温度を決定するよう構成されている。いくつかの実施形態においては、ＥＣＵは、周囲温度センサと連通し、電位を決定するよう構成されている。例えば、ＥＣＵのアナログ入力は、負温度係数装置または他の装置と通信していてもよく、これらからの信号は、周囲温度を決定（例えば、計算により）するために使用することができる。そのような構成は、例えば、ＴＥ装置の第１と第２の側面の少なくとも一方の絶対温度を決定することを可能にする。例えば、絶対温度は、計算により、または、第１と第２の側面の少なくとも一方の既知の絶対温度（例えば、経験的測定による）と電位を相関させることにより決定することができる。
【００５５】
いくつかの実施形態においては、温度差および／または側面の少なくとも一方の絶対温度は、フィードバック制御スキームに用いられ、これは、例えば、別個の温度センサを用いるシステムに比べ、温度フィードバックに関して、より速い応答時間および／または少ない熱遅れを提供する。
【００５６】
いくつかの実施形態においては、温度差および／または側面の少なくとも一方の絶対温度は、故障を監視するために用いられる。例えば、温度差および／または側面の少なくとも一方の絶対温度は、ＴＥ装置の効率を低下させるおそれのある、または装置および／もしくは熱管理システムの他の構成品を損傷させるおそれのあるＴＥ装置の過熱を検出するために用いることができる。
【００５７】
いくつかの実施形態においては、ＴＥ装置のそれぞれは、各装置に電力を選択的に供給することができる電源によって電力供給され得る。いくつかの実施形態においては、ＴＥ装置は、共通の電源を共用する。別の配置では、ＴＥ装置それぞれが専用の電源を有している。
【００５８】
図４に示されているように、いくつかの実施形態においては、ＴＥ装置４４への電力は、熱管理下の装置４６へおよび／または熱管理下の装置４６から流れる電力とは切り離されている。図５に示されているように、いくつかの実施形態では、ＴＥ管理下にない外部電源４８（例えば、外部バッテリなど）は、ＥＣＵ４０および／またはＴＥ装置４４へ電力を供給するように構成され得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、ＴＥ装置７６は、熱管理下の装置７６の導電体７４ａ、７４ｂに沿って電力供給される。いくつかの実施形態では、熱管理下の装置７２を通って流れる電流の一部（≦１００％）は、図７Ａ〜７Ｂのいくつかの実施形態において示されるように、ＴＥ装置７６を直接通っても流れ得る。いくつかの実施形態では、ＴＥ装置７６は、それぞれ、図７Ａおよび７Ｂに示されるように、回路の残りの部分に対して、装置４２と電気的に並列または直列に接続することができる。
【００５９】
いくつかの実施形態、例えば、図７Ａに示されるような並列接続では、電流の一部のみが、ＴＥ装置７６を流れる（その値は、ＴＥ装置の抵抗と負荷との比に依存する）。いくつかの実施形態、例えば、図７Ｂに示されるような直列接続では、全ての電流がＴＥ装置７６を通って流れる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、このようなＴＥ電力のインライン配置の利点は、制御回路の単純化（およびコスト削減）である。ＴＥ装置７６は、電力供給され、電力が装置７２を通って流れるときは常に装置７２から熱を奪い去る（か、装置７２へ送り込む）。したがって、適切に、および、可能な動作条件の範囲に対して、ＴＥ装置７６の熱ポンプ能力の大きさを調節することにより、管理下の装置７２の熱状態に対してそのような「組み込み」の制御を用いることが可能である。バッテリ状態の熱感知を別個に行なう必要がない。
【００６１】
インライン接続および制御スキームは、ＴＥ動作の１つのモードが望まれるとき（例えば、冷却）に用いることができる。そのような配置においては、電流は一方向に流れる。インライン接続および制御スキームは、動作のモード（例えば、加熱または冷却）が、電流の流れ方向と一致しているときも使用することができる。これは、多くのパワーエレクトロニクスまたは装置の場合であるが、バッテリの場合には異なり得る。バッテリにおいては、周囲の条件によって、加熱および冷却の両方がしばしば必要であり、また、電流の方向も、バッテリが充電モードまたは放電モードのどちらで動作しているかに依存する。
【００６２】
いくつかの実施形態では、１つまたは２つ以上のダイオードまたは他の電流制御装置は、電極とＴＥ装置との間の導電体に沿って配置され得る。そのような電流制御装置は、熱管理下の装置の充電または放電の間、望ましくない動作モードが起こらないように構成され得る。ある、そのような実施形態においては、熱管理システムは、電気装置への電流（例えば、充電または放電）の方向に関係なく、冷却動作モードのみまたは加熱動作モードのみを実行するように構成することができる。例えば、環境伝導（environmental conductions）、装置の特性または他の因子が、１つの動作モードのみを好ましくする場合において、そのような実施形態は、有益であろう。
【００６３】
ＴＥ装置は、その適用に応じて、熱管理下の装置の近くに位置付けられることも可能であるし、熱管理下の装置から遠くに位置付けられることも可能である。いくつかの実施形態においては、熱管理の観点から、熱管理されている装置のできるだけ近くに、熱ポンプ（例えば、ＴＥ装置）を配置することが有利である。そのような配置により、不要な熱および電気の損失を回避する、最も効率のよい熱管理の使用が達成される。例えば、パワーエレクトロニクスの場合、熱管理システムを熱源（例えば、半導体接合部）のできるだけ近くに配置することが望ましい。
【００６４】
しかしながら、いくつかの場合においては、ＴＥ装置は、システムロジスティックの改善という利益のために、装置からより遠くに配置されてもよい。そのような場合でも、ＴＥ装置は、依然として電力リードを冷却する能力を有している。そのようなトレードオフの例は、上記したような、充電または放電状態で動作するバッテリ８２と、インライン方式で接続されるＴＥ装置とである。電流の方向は、バッテリの２つの動作モード間で反対である。この適用においては、１つまたは２つ以上のＴＥ装置８６は、バッテリチャージャのチャージャ側８８ａと、バッテリコネクタ８４の負荷側８８ｂとに組み込み可能である。そのような接続スキームは、図８Ａ〜８Ｂに示されている。図８Ａ〜８Ｂに示される２つの接続間の差は、ＴＥ装置８６の極性である。２つのモード間で極性を切り替えることにより、電流の方向とは独立に、充電モードおよび放電モードの両方で、バッテリ８２が冷却されることを常に保証することができる。
【００６５】
同様の極性切り替え機能は、単一のＴＥ装置８６と、バッテリ８２の電流方向の変更に応じて、ＴＥ装置を通る電流の極性を変えるリレーまたはスイッチ（図示せず）とによって、達成することができる。しかしながら、いくつかの適用においては、例えば、高速充電において、バッテリ８２の継続的な冷却が望まれる。いくつかの実施形態においては、ＴＥ装置は、バッテリチャージャのケーブル側のコネクタ８４に組み込むことができる。この場合、ＴＥ装置の極性は、充電中、リードを冷却するのに適切であるべきである。
【００６６】
ＴＥ装置またはモジュールは、さまざまな幾何形状、形状およびサイズに構成可能である。典型的なＴＥ装置は、２つの平行な面を持った、平坦または平面モジュールである。そのようなモジュールの最もよくあるサイズのひとつは、厚さが１ミリメータ未満から数ミリメータまでの範囲の、４０×４０ｍｍである。熱は、一方の面から奪われ、他方に移動させられる。装置の極性の変化は、熱流の方向を変える。他の数限りないサイズの装置が、市場から入手可能である。典型的には、装置のサイズは、用途に特異で、システムの電気的および熱的インピーダンスに適合される。
【００６７】
そのような平坦なモジュールは、電極が適切なサイズの平坦なセクションを有している場合には、直接、冷却の必要な電極に取り付けることができる。図９は、例えば、平坦な面９６を有する電極９４などの導電体と実質的に熱連通する平坦なＴＥモジュール９２を有する、例示的な熱管理システム構成９０を示す。
【００６８】
代替的には、高い熱伝導率の材料（例えば、銅、アルミニウムなど）で作られた、少なくとも１つの中間的な熱拡散器９８ａまたは熱濃縮器９８ｂは、ＴＥ装置９２と電極９４との間に配置され、図１０Ａ〜１０Ｂに示されるように、幾何的サイズの差をマッチングさせるようにしてもよい。
【００６９】
いくつかの実施形態では、図１１に示されるように、ＴＥ装置と、電極または他の導電体とをマッチングさせるための他のオプションは、ＴＥ装置９２の形状を、平坦から、電極９４を囲むか、実質的に同心の円筒型に変更することである。この場合には、熱は、潜在的により最適な熱管理経路を通るように、電極から（または電極へ）放射状に移動させられるであろう。円筒型に限定されない他の平坦でない形状も使用可能である。
【００７０】
そのような円筒型のＴＥ装置は、さまざまな方法で実装されてもよい。１つの解決策は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第６，９５９，５５５号明細書に記載されるように、高電力密度のＴシャントアーキテクチャを実装することである。いくつかの実施形態では、個別のｐ−およびｎ−型熱電素子１２０ａ、１２０ｂを、図１２に示されるように、電極１２４の周りにリングパターンで配置することができる。代替的には、ｐおよびｎ半導体は、小型の小球ではなく、全周リングとして作られてもよい。内側の小さい直径のシャント１２６は、冷却された電極１２４と連通する熱交換器として動作し得る。外側の大きい直径のシャント１２８は、冷却電極の周りの空気に余分な熱を放出するフィンとして動作し得る。
【００７１】
絶縁体は、熱管理下の電気装置を熱的に絶縁し、外部リードを介して熱が回路の残りの部分を通ることを阻止する手助けをするために用いることができる。いくつかの実施形態では、導電体（例えば、端子）が冷却されると、冷却のいくらかは、熱管理下の装置には行かず、ワイヤまたはリードを通って回路の残りの部分へリークするので、電気装置の熱管理は、寄生損失の問題を抱える。言い換えれば、外部リードは、ＴＥ装置との関連で、熱管理下の装置に並列な熱負荷として働く熱導体として働く。
【００７２】
そのようなリークの寄生効果を最小限にするために、ＴＥ装置１３２と回路の残りの部分との間に配置される熱絶縁体１３０を、図１３に示されるように導入することができる。そのような熱絶縁体１３０（または例えばリードごとに１つまたは２つ以上など、複数の絶縁体）は、外部リード１３４と電気的にインラインで接続することができる。いくつかの実施形態では、電流は、そのような絶縁体１３０を通って、自由に、または、最小の損失で流れることができる。しかしながら、熱的には、絶縁体は、非常に低い熱伝導率を有しており、熱は、効果的には、それを通らない。「Ｑ」は、熱管理下の装置および／またはリードに／から流入／流出する熱の量である。大きなＱは、加熱および／または冷却パワーの流れが大きいことを示す。
【００７３】
熱絶縁体の可能な物理的実装方法は多数ある。いくつかの実施形態では、熱的に絶縁性の材料は、高い電気伝導率および低い熱伝導率を有している。これらの条件を満たす材料の１つのよい種類は、熱電材料である。例えば、熱電材料は、Yu. Ivanov et al., Proceedings of International Conference on Thermoelectrics, Shanghai, 2010に記載されているような、超伝導磁石のための、電力供給の用途における熱絶縁体として用いることができる。しかしながら、絶縁体は、この用途のように、ＴＥ材料からなっていなくてもよく、絶縁材料のゼーベック性能は、必ずしも重要ではない。他の例は、電気伝導セラミック、伝導性フォームまたは他の材料とすることができる。
【００７４】
互いに電気的に接続されている複数の電気装置または構成品の冷却および加熱は、熱管理システムによって提供することができる。熱管理が必要であり得る多数の個別の電気構成品は、電気的に直列または並列に接続可能である。例えば、バッテリパックは、複数の個別のセルを電気的に直列に接続することによって組み立てることができる。以下に説明する例は、バッテリパックを、熱管理下のシステムの例として用いる。しかし、ここに説明する特徴は、バッテリの熱管理のみに限定されるものではなく、他の電子構成品または電気装置の熱管理に適用可能である。
【００７５】
いくつかの実施形態では、熱管理システムは、図１４に示されるように、直列に接続されたＮ個のセル１４０ａ〜１４０ｃを含むバッテリパックを含むことができる。個別のセルは、円筒形、プリズム形、ポーチ形または他のセル収容タイプなどの、異なる形状および内部構成を有し得る。
【００７６】
少なくとも１つのＴＥ装置１４６ａ、１４６ｂによる個別のセル１４０ａ〜１４０ｃの熱管理は、バッテリパックに電流を出入りさせる端子ワイヤを通した熱管理とは対照的に、隣接セルを接続する電気リードまたは内部ワイヤに適用されたとき、特に効果的となりうる。図１５は、個別のセル１４０ａ〜１４０ｃを接続する、そのような内部ワイヤ１４８に直接的に接続または接触するＴＥ装置１４６ａ、１４６ｂの一実施形態を示す。
【００７７】
いくつかの実施形態のこの構成においては、ＴＥ装置１４６ａ、１４６ｂが、隣接セル１４０ａ〜１４０ｃを接続する内部ワイヤ１４８に熱的に接続されると、熱エネルギーの実質的に全てが、セル内に送られるか、および／または、セルから抽出される。これは、端子またはバッテリ１８２を他の素子と接続する外部ワイヤ１８０にＴＥ装置１８６が熱的に接続される配置とはまったく異なっている。後者の場合、熱エネルギー１８４の一部は、ワイヤ１８０を通してバッテリ１８２から逃げ、全体的なシステムレベルの熱管理効率は、低下し得る。そのような悪影響は図１８に示されている。
【００７８】
いくつかの実施形態では、熱管理システムは、バッテリパックまたは他の電気装置の内部の接続のみを熱的に管理するように構成されている。例えば、直列に接続されたセルを有する、本明細書に開示されるバッテリパックの実施形態は、この構成を有し得る。この熱管理のアプローチは、内部ワイヤのみを熱的に管理することを条件に、パック内の個別の要素の任意の配置に適用可能である。熱管理は、実質的に、パック内で始まって終わる電気的接続のみに適用することができ、パックをシステムの残りに接続する接続には適用できない。
【００７９】
個別の要素は、直列、並列に接続されてもよいし、独立な電気回路に属していてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、単一のＴＥ装置は、隣接セルを接続する単一のケーブル、またはそのようなケーブルの複数と実質的に熱連通でき、したがって、熱管理をいくつかのセルにわたって拡散させることができる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、全ての導電体は、少なくとも１つのＴＥ装置に接続され得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの導電体または構成品は、ＴＥ装置に接続されていない。例えば、図１５に示されるように、セル１４０ａのみが、ＴＥ装置１４６ａに接続される一方の内部ワイヤ１４８を有している。他方の内部ワイヤは、ＴＥ装置に接続されていない。いくつかの実施形態では、セルまたは電気構成品の全ての内部ワイヤは、ＴＥ装置に接続されていないか、熱連通していない。いくつかの実施形態では、１つまたは２つ以上の全体のセル、内部ワイヤまたは導電体は、いかなるＴＥ装置にも接続されていない。例えば、いくつかの実施形態においては、バッテリの中央により近いセルは、少なくとも１つのＴＥ装置に接続される一方で、バッテリの外側のセルは、少なくとも１つのＴＥ装置に接続されていない。個別の導電体は、ＴＥ装置と独立な熱結合を有し得る。
【００８１】
いくつかの実施形態では、熱管理システムは、個別のセルまたはセルのグループを制御または熱管理することができる。そのような実施形態では、熱管理制御装置に、電気装置の他の導電体または構成品とは独立に、導電体または構成品の温度を制御させることができる。ある、そのような実施形態では、熱制御は、セルレベルに局所化され得る。いくつかのそのような実施形態では、熱管理システムは、セル間の偏差を最小化もしくは低下させ、セル劣化を回避もしくは低下させ、および／または、独立した熱管理チューニングを可能とさせるように構成されている。
【００８２】
図１６に示されるように、いくつかの実施形態では、熱管理システムは、制御装置１４２を含み得る。制御装置は、ＴＥ装置１４６ａ〜１４６ｃに接続されることが可能である。いくつかの実施形態では、ＴＥ装置１４６ａ〜１４６ｃのそれぞれは、セル１４０ａ〜１４０ｃの導電体１４８ａ〜１４８ｃの少なくとも１つに接続され得る。セル１４０ａ〜１４０ｃのそれぞれは、相互に独立に、システムによって熱的に制御され得る。セル１４０ａ〜１４０ｃに加熱および／または冷却を提供する各ＴＥ装置１４６ａ〜１４６ｃに入出力される電力は、他のＴＥ装置および／またはセルと独立に、各ＴＥ装置および／またはセルに対して、変更、変化または調節され得る。
【００８３】
図１７は、電気装置の複数の温度敏感領域（例えば、バッテリセル）の温度を独立に制御する例示的な方法を示す。この方法は、２つまたは３つ以上の独立した電流を流す導電体の熱管理形態を決定すること（１７０ａ）を含み得る。独立な熱管理は、熱管理システムを用いて、各セルに適用可能である（１７０ｂ）。少なくとも１つの熱管理システムに供給される電力は、他の熱管理システムに供給される電力とは独立に調節可能である（１７０ｃ）。
【００８４】
いくつかの実施形態においては、熱パイプを、廃棄熱伝達機構として設けることができる。ＴＥ装置からの廃棄熱は、ヒートシンクで発散されてもよい。ヒートシンクの例は、熱交換器、廃水流（waste streams）、熱を発散するための他の構造、および構造の組み合わせを含む。ヒートシンクは、ＴＥ装置の廃熱側または面に取り付けることができる。ヒートシンクは、空気、液体によって冷却されてもよいし、代替的には、バッテリケース、車体、または熱を効果的に発散する他の構造要素などの、より大きい固体のヒートシンクとＴＥ装置とを接続する固体部品であってもよい。しかし、例えば、バッテリ熱管理システムなどの実際の適用においては、冷却媒体をＴＥ装置の廃熱側近くに配置する可能性を制限するようなパッケージングの制約があり得る。代替的には、熱または熱の伝達装置は、ＴＥ装置の廃熱側から、熱発散が効果的に実現され得る他の位置に熱を移動させるのに用いられてもよい。
【００８５】
いくつかの実施形態においては、熱伝達装置１９８は、図１９に示されるように、ＴＥ装置１９６の廃熱側または面を、例えば、空気、液体または固体によって熱を究極的に廃棄するヒートシンク１９４に接続するために用いられ得る。そのようなヒートシンクは、例えば、車の液体冷却回路、ラジエータもしくは空気冷却されるヒートシンク、周囲の空気、作動液体、液体槽または固体（例えば、バッテリケースまたは車体）であってもよい。
【００８６】
図２０〜２８は、電気装置、電子装置、電力装置および／または、例えば、バッテリまたはバッテリパックなどの構成品を冷却および／または加熱するための熱管理システム構成の他の実施形態を示す。これらの実施形態は、上記した特徴および実施形態の１つまたは２つ以上と組み合わせられるか、またはこれらを含むことができる。上記したように、バッテリパックは、直列および／または並列に接続された１つまたは２つ以上のセルを含むことができる。熱管理システムは、バッテリの導電体を直接的または間接的に冷却および／または加熱するために用いることができる。
【００８７】
図２０〜２１は、単一の機能的バッテリパックを提供するために、相互に電気的に接続された複数のセルを有するバッテリパックを含む熱管理システムの実施形態を示す。いくつかの実施形態においては、バッテリ２０２の個別のセルは、電気伝導バーまたは他のコネクタによって、直列に電気的に接続されている。いくつかの実施形態においては、熱管理システムは、バッテリ２０２の１つまたは２つ以上のセル２０４の１つまたは２つ以上の端子２１２と一体化され、または接続されている（例えば、実質的に熱連通している）１つまたは２つ以上の熱電装置２０６を含むことができる。図２０に示されるように、一実施形態では、直列に接続されたセル２０４は、バッテリ２０２の上面に沿って延びる端子２１２の２つの平行な列を有することができる。いくつかの実施形態においては、端子２１２は、正および負の端子（例えば、アノードおよびカソード）を含んでいる。ある、そのような実施形態においては、正および負端子は、空間的に、交互の位置に配置されている。熱電装置２０６は、セラミック基板２１０上に積層された銅基板２０８、または他の適切な構成を有することができる。いくつかの実施形態においては、各熱電装置２０６の一端または一部は、直列に接続される２つの隣接するセル２０４の少なくとも１つの端子２１２と接続され、または一体化され得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの端子２１２は、少なくとも１つのＴＥ装置２０６とは、実質的に熱連通していないか、または接続されていない。各熱電装置２０６の他端または他の一部は、熱伝達装置２１４に対して、接続、クリップ止め、粘着、接着、クランプ止め、または他の取り付けがされ得る。熱伝達装置２１４は、例えば、液体管熱交換器（liquid tube heat exchanger）とすることができる。いくつかの実施形態においては、１つの熱伝達装置２１４は、各熱電装置２０６または全てのＴＥ装置に取り付けられ得る。他の実施形態においては、複数の熱伝達装置２１４が、各熱電装置２０６に取り付けられるか、または、実質的に熱連通され得る。
【００８８】
図２０〜２１に示されているように、いくつかの実施形態では、熱伝達装置２１４は、端子２１２の２つの平行な列の間でバッテリ２０２の上面の少なくとも一部に沿って延びている。ある実施形態では、端子は、平行な列とはなっていない。図２１は、いくつかの実施形態において、熱伝達装置２１４は、バッテリ２０２の面に直接的に接触しない、または触れないように配置されていることを示している。ある実施形態においては、熱伝達装置２１４は、バッテリ、またはバッテリ２０２の面と直接接触することができる。いくつかの実施形態では、セラミック基板２１０は、熱伝達装置２１４とインターフェースで接続し、支持または頑強性を提供する。銅基板２０８は、バッテリ２０２の電流を伝導することができる。いくつかの実施形態においては、熱伝達装置２１４は、導電性の部分と、非導電性の部分の両方を含むことができる。いくつかの実施形態においては、導電性の部分は、相互に相手に向かって延びている。
【００８９】
図２２〜２３は、バッテリなどの電気装置を冷却および／または加熱する熱管理システムの他の構成を示す。一実施形態では、熱管理システムは、それぞれが、端子２３２ａ、２３２ｂの２つの概して平行な列に接続された熱電装置（図示せず）の上面に沿って延びる、２つの熱伝達装置２３４ａ、２３４ｂを有する。熱伝達装置２３４ａ、２３４ｂはそれぞれ、端子２３２ａ、２３２ｂの１つの列に沿って延びることができる。いくつかの実施形態においては、熱伝達装置２３４ａ、２３４ｂまたは他の熱伝達装置は、端子２３２ａ、２３２ｂとＴＥ装置との間に配置され得る。
【００９０】
図２４〜２８は、バッテリなどの電力装置を冷却および／または加熱する熱管理システムの他の構成を示す。いくつかの実施形態では、１つまたは２つ以上の熱伝達装置は、導電体、熱伝達装置および／または熱管理下の装置の幾何学的形状に基づいて、可能な限り、互いに離間して配置され、または間隔があけられ得る。いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの熱伝達装置は、導電体が突出する面とは異なる電気装置の面上に配置されることが可能である。いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの熱伝達装置は、電気装置の導電体と同じ面には配置されない。熱伝達は、導電体が突出する面とは、直交する、垂直な、平面内ではない、および／または平行でない面上で起こり得る。いくつかの実施形態では、１つまたは２つ以上の熱伝達装置２５４ａ、２５４ｂは、バッテリ２４２の２つの対向する面上に配置される。熱伝達装置２５４ａ、２５４ｂは、バッテリ２４２の実質的に全長または全側面に沿って延びている。熱電装置２４６の一端は、直列に接続される２つの隣接するセル２４４の少なくとも１つの端子２５２と実質的に熱連通され得る。
【００９１】
いくつかの実施形態においては、熱電装置２４６の端部は、図２４〜２５および２７に示される端子２５２の上部に接続され、または搭載され得る。いくつかの実施形態においては、熱電装置の一部は、図２６および２８に示されるように、導電体の外周を囲むことができ、または側面に搭載され得る。いくつかの実施形態では、熱電装置の一部は、実質的に平面で、電極の上面と接触することができる。いくつかの実施形態においては、導電体または電気装置の既存の単数または複数の面に、実質的に平面となるように、熱管理システムの構造を方向付け、または接続することによって、バッテリモジュールまたは他の電気装置の全体の高さまたは設置面積（footprint）を、実質的に同等に維持または保持することができる。
【００９２】
いくつかの実施形態においては、各熱電装置２４６の他端は、熱伝達装置２５４ａまたは２５４ｂに接続、クリップ止め、および／またはクランプ止めされ得る。いくつかの実施形態においては、そのような熱管理システムの構成では、端子２５２および／もしくはバッテリ２４２の側面に熱を送り込み、または端子２５２および／もしくはバッテリ２４２の側面から熱を送り出すことができる。
【００９３】
いくつかの実施形態においては、本明細書で説明した少なくともいくつかの熱管理システムは、以下の特徴の１つまたは２つ以上を含むことが可能である。
１．ＴＥ装置によって装置のリードを熱的に管理することによる、パワーエレクトロニクスまたは電気装置の直接の熱管理
２．ＴＥ装置に接続された熱伝達装置を用いた間接的なリードの冷却
３．ＴＥ装置毎の少なくとも１つの冷却された電力リード
４．単一のＴＥ装置による複数の冷却されたリード
５．熱管理された装置を用いて、並列または直列に電力供給されたＴＥ装置
６．バッテリに直接接続して、余分な電子機器の必要性を最小限とし、バッテリに所望の量の冷却を提供するために最適化されたＴＥ電圧−電流設計
７．非接続のバッテリ側のＴＥ装置
８．非接続のチャージャケーブル側のＴＥ装置
９．充電または放電のいずれかによらず、バッテリが常に冷却されるように、チャージャケーブル側とバッテリ側との間で極性を相違させるＴＥ装置
１０．熱管理された装置の外部の電気回路の一部に向かう熱／冷気の寄生流れを防ぐ熱絶縁体
１１．直列に接続された少なくとも２つのユニットを含む熱管理下の装置。ＴＥ装置は、２つのユニットを直列に接続する導電体に熱的に接続され得る。
１２．互いに電気的に接続された複数の要素。少なくとも１つのＴＥ装置は、要素を接続する複数の導電体に熱的に接続され得る。
１３．上記した１つまたは２つ以上の技術を用いたバッテリパックの熱管理
１４．上記した１つまたは２つ以上の技術を用いたＩＧＢＴの熱管理
１５．上記した１つまたは２つ以上の技術を用いた電力増幅器の熱管理
【００９４】
図２９〜３２は、本明細書で述べられた実施形態、特徴、構造および動作モードのいずれかの特徴および態様を全体的または部分的に備え、または組み込むことが可能な、たとえばバッテリ、バッテリパックなどの電気装置を冷却および／または加熱するための熱管理システムの構成の他の実施形態を示している。
【００９５】
上述したように、いくつかの実施形態では、電気装置の効率的な動作を促進するために、電気装置に熱管理（加熱および／または冷却）を提供することは有益であり得る。たとえば、導電体（たとえばバッテリまたはセル電極）を通して電気装置（たとえばバッテリ、バッテリパック、バッテリパックのセルなど）を加熱および冷却することは、そのような熱管理を実行するために効率的な方法であり得る。バッテリパックのセルに分散型で機敏な熱管理を提供するための１つのオプションは、本明細書のある実施形態の中で述べられたように、１つまたは２つ以上のバッテリ電極に熱電装置を熱連通させることにより、バッテリ内へのおよびバッテリ外への熱の流れを制御することである。
【００９６】
一般的に、バッテリまたはバッテリパックのセルが動作（たとえば充電または放電）しているとき、内部の化学的および／または物理的プロセスがセル内で熱を生成する。ある実施形態では、この熱は、セルにわたって不均一に分配され、電極に最も近い、電極に近接して、または電極の位置において、セルの最も高温の領域が生じる。たとえば、そのようなパターンまたは熱勾配は、S. Chacko, Y.M. Chung / Journal of Power Sources 213 (2012) 296-303に記載されている。Chackoの論文から、放電するバッテリの温度または熱勾配のシミュレートされたプロファイルの概略図が、図２９に示されている。異なるハッシュパターンは異なる温度を示している。いくつかの実施形態において、図２９に示されるように、セルの温度勾配は、電極３００に近接しまたは電極３００の位置にあり、最も高い温度を有するボリュームまたはゾーン３４０から、電極から最も離れたセルの端部上にあり、最も低い温度を有するゾーン３６０まで、連続的に温度が低下するようになっている。いくつかの実施形態においては、温度勾配は、電極に近接しまたは電極の位置にあり、最も低い温度を有するボリュームまたはゾーンから、電極から最も離れたセル上にあり、最も高い温度を有するゾーンまで、連続的に温度が増加するようになっている。
【００９７】
いくつかの実施形態において、バッテリセルもしくは電気装置の他の温度敏感領域にわたって、またはバッテリセルもしくは電気装置の他の温度敏感領域内において、温度または熱勾配が、セル内の電気化学プロセスおよび動作（たとえば放電または充電）中のジュール加熱によって生成され、加えられ、または吸収される熱の結果として生成される。ジュール加熱は、充電または放電中にバッテリの内部抵抗を電流が流れるときにＩ2Ｒ損失により熱を生成するバッテリの動作から生じ得る。
【００９８】
これらは、セルの内部で生じるバルクプロセスであり、セル内部において特定の時間にプロセスが生じる場所に拡散が大きく寄与する。たとえば、いくつかの実施形態では、セルがフル充電に近いとき、電極の近くで、または電極に近接する位置で放電が開始する。そのような実施形態では、より多くの熱が電極のより近くで生成され、これらの電極の位置または近傍において、電極からより離れたセルの領域またはゾーンよりも、より高い温度がもたらされる。逆に、いくつかの実施形態では、バッテリが枯渇に近いとき、電極から最も離れたゾーンが、まだ放電されていないので、最も暖かい、または電極に近いゾーンと比べてより高い温度を有している。
【００９９】
さらに、いくつかの実施形態において、バッテリのセルまたは別の電気装置の領域が、電極を通してまたは電極を介して加熱または冷却されるときに、セルまたは領域にわたって熱勾配が構築され得る。たとえば、電極が冷却されると（たとえば熱エネルギーがセルから抽出されると）、電極に最も近い、または電極に近接する、セルのボリューム、ゾーン、領域などが最も冷却される。セルからの熱抽出の速度が、（上述したように、セルが動作したときに生じる物理的および／または化学的プロセスによって生じる）セル内の熱生成の速度よりも著しく高い場合には、セル内で熱勾配が大きくなる。電極に近位の領域は、最も低い温度になる一方で、電極から遠位の領域は、最も暖かくなる。たとえば、１つの実施形態においては、パウチセル（たとえばアクタセル、５Ａｈパワーセル）から２０Ｗの熱が送り出され、セルにわたって１３℃の熱勾配の生成がもたらされた。逆に、電極が加熱される場合、逆の勾配が構築され、電極に近位の領域は最も暖かくなり、電極から遠位の領域は最も低い温度になる。
【０１００】
いくつかの実施形態において、熱エネルギーの勾配は、離散した変化ではなく、バッテリのセルまたは電気装置の領域にわたって連続的な熱勾配である。熱勾配は、セル寿命、容量および長期サイクル能力を低下させ得る。いくつかの実施形態において、そのような勾配を除去し、最小化し、または減少させることは有効である。
【０１０１】
いくつかの実施形態において、バッテリのセルまたは電気装置の領域内で勾配バランスまたは互いの相殺が生じ、正味の、全体のおよび／または結果として生じる熱勾配が除去され、最小化され、または減少されるように、２つの効果（電極を通した冷却および／または加熱により生成される勾配、ならびに電気またはバッテリ動作により（たとえば電気化学的プロセス、ジュール加熱などによって）生成される勾配）が結合される。いくつかの実施形態において、熱管理システムは、熱勾配が、約２℃より低くもしくは約２℃と同じ、約１０℃より低くもしくは約１０℃と同じ、または約３０℃より低くもしくは約３０℃と同じに維持するように、電気装置の領域にわたってまたは電気装置の領域内で、熱勾配を制御するように構成される。
【０１０２】
正味の、結果として生じる、または全体の熱勾配が減少され、または最小化されるように、動作により生成される熱勾配と、電気装置の熱管理とを組み合わせる１つの例は、図３０に概略的に示されている。図３０の左の第１図は、動作中の内部プロセス（たとえば電気化学加熱、ジュール加熱など）によってバッテリセル内に生成される熱により生じた熱勾配の簡易図を概略的に示している。バッテリのセルにわたって異なるハッチングパターンにより示された局所化した温度における熱勾配または熱変化は、いくつかの実施形態において、最も高い温度が電極に近く、最も低い温度が電極から最も離れた領域であることを示している。図３０の中央の図は、熱電装置と熱連通するセルの電極を介して、電気装置の制御された冷却により生成された熱勾配の簡易図を概略的に示している。熱勾配は、異なるハッチングパターンで示された、電極から最も離れたセルの領域で最も高い温度を有し、電極の近くで最も低い温度を有する、第１図の熱勾配とは逆である。２つの効果または熱勾配を結合することは、図３０の右側の図に示されるように、全体のまたは正味の熱勾配が減少され、最小化され、または除去されたセルまたは電気装置の領域をもたらす。
【０１０３】
ここで図３１を参照すると、上述の実施形態（たとえば図１〜２８に示される）の様々な特徴および利点だけでなく、本明細書で述べられた他の特徴も備え得る熱管理システム３０１の実施形態が提供されている。熱管理システム３０１は、制御された冷却および／または加熱を提供し、電気装置（たとえばバッテリのセルなど）の温度敏感領域にわたって、または電気装置（たとえばバッテリのセルなど）の温度敏感領域内で形成される熱勾配、局所化した高温領域および／または低温領域を減少させ、最小化し、または除去するように構成され得る。熱管理システム３０１は、動作中に生成される内部加熱、周囲温度、および／または領域の形状の結果として電気装置内に生成される熱、温度効果、ならびに／または高温領域および低温領域の不均一な分布を打ち消す（account for）、制御された冷却および／または加熱システムを備えるように構成され得る。制御された冷却および／または加熱システムは、電気装置の領域にわたって不均一な温度分布または温度勾配を生成するような他の電気的側面に沿った変動を打ち消すことができる。熱管理システム３０１は、必要に応じて制御された冷却および／または加熱を提供することができ、そのような熱勾配または温度分布のいかなるものと相殺し、打ち消し、または均衡を保つのに適合している。いくつかの実施形態において、熱管理システムは、電気装置の動作中に生成される熱勾配と相殺し、または均衡を保つ、電気装置の領域の逆の熱勾配を生成する、制御された冷却および／または加熱を適用し、または提供することができる。
【０１０４】
いくつかの実施形態において、図３１に示されるように、熱管理システム３０１は、電気装置３０４の温度敏感領域３０２における温度を管理するように構成され得る。システム３０１は、熱電装置３０６に電力を印加した時に、熱電装置の主面３０８と廃熱面３１８との間で熱エネルギーを伝達するように構成された熱電装置３０６を備えることができる。熱電装置の主面３０８は、導電体３１０と実質的に熱連通することができる。導電体３１０は、導電体３１０が、電気装置３０４の温度敏感領域３０２と熱電装置３０６との間で熱エネルギーを伝導する導管として機能するように、電気装置３０４へ、または電気装置３０４から電力を送るように構成されている。他の実施形態で述べられ、示されたように、電気装置３０４は、限定されることなく、セルまたはバッテリのセルであり得る。いくつかの実施形態において、導電体３１０は、バッテリまたはセルの電極であり得る。熱電装置は、導電体３１０と、または、ある実施形態に関して上述したように導電体と熱連通する熱伝達装置と接触または隣接することができる。
【０１０５】
いくつかの実施形態において、熱管理システム３０１は、電気装置３０４の温度敏感領域３０２へ、または電気装置３０４の温度敏感領域３０２から導電体３１０を介して伝えられる熱エネルギー（たとえば加熱および／または冷却）が、電気装置３０４の動作中に温度敏感領域３０２にわたって生成される熱勾配を減少させ、最小化し、または除去するように、熱電装置３０６に送られる電力を調節するように構成された制御装置または制御システム３１２（たとえば、限定されることはないが、上述した実施形態の様々な特徴および利点だけでなく、本明細書で述べた他の特徴も備えることができる電子制御装置）を備えることができる。
【０１０６】
上述したように、いくつかの実施形態において、制御装置または制御システム３１２は、電気装置３０４の温度敏感領域３０２へ、または電気装置３０４の温度敏感領域３０２から送られる熱エネルギーが、領域にわたって、または領域内で熱勾配を生成するように、熱電装置３０６へ、または熱電装置３０６から送られる電力レベル（たとえば電圧および／または電流など）を調節することができる。いくつかの実施形態において、熱電装置へ、または熱電装置から送られる電力は、２つまたは３つ以上の非ゼロレベルの電流および／または電圧の間で調節される。制御装置または制御システム３１２は、領域の加熱および／または冷却の結果として生成される熱勾配が、図３０の簡易図において示されるように、電気装置３０４の動作中に生成される熱勾配と相殺し、または結合し、電気装置の結果として生じる、正味の、または全体の熱勾配が除去され、または減少されるように構成され得る（たとえば制御アルゴリズムとともに）。
【０１０７】
いくつかの実施形態において、熱電装置の熱処理容量は、動作中に電気装置のセルまたは領域に生成される熱を除去するのに適合するように設計または構成される。熱電管理システム３０１は、セルの熱状態、その現行の動作モード、パックレベル（pack-level）信号からの入力、センサからの入力および／または本明細書で述べられた他の入力に応じて、熱電装置３０６の動作を調節する制御装置または制御システム３１２（たとえば電子制御装置など）を備えることができる。結果として、熱電装置３０６は、セル内に生成された熱を送り出し、それによってセル動作により生成された熱勾配を無効化し、最小化し、減少させ、または除去することができる。いくつかの実施形態において、熱電装置３０６は、熱勾配を減少させるために、必要に応じてセルに熱を送り出すことができる。
【０１０８】
いくつかの実施形態において、制御装置または制御システム３１２は、熱電装置３０６の熱ポンピング速度（送入または送出）が、セルの熱生成速度に対応して、熱勾配を減少させ、最小化し、または除去するように、熱電装置３０６の実時間制御を提供する電子制御装置を備えることができる。さらに、制御アルゴリズムは、たとえば以下を含む、制御装置３１２により監視されるさまざまな他の入力３１６を組み込んでもよい。
−充電の状態、健全性の状態、電圧、温度、抵抗、またはこれらの組み合わせ、および、電気装置、バッテリパック、モジュールまたは個別のセルの他の動作パラメータ
−動作パラメータの関数としての熱電装置の性能（たとえば、熱電装置は、バッテリの必要性に応じて、最も効率的なモードまたは最も強力なモードで操作されてもよい。）
−温度、時刻、季節、天気予報などの外部環境情報
−地形情報（たとえば、山の中での駆動は、地形情報がオンボードＧＰＳから提供される場合に予測することができる余分な負荷をバッテリ上に生成する。
−電子制御装置は、独立した電子回路であってもよく、また、バッテリマネージメントシステム（ＢＭＳ）全体の一部であってもよい。
−管理される温度敏感領域の形状
【０１０９】
いくつかの実施形態において、上述したように、熱電装置３０６および／または制御装置３１２（たとえば電子制御装置）は、図４に示されるように、その熱状態が管理されている精密なセルまたは電気装置により完全にまたは部分的に電力が供給されてもよい。他の実施形態において、電力は、図５に示された上述の実施形態とともに上述されたように、外部電源などの他の供給源から提供されてもよい。
【０１１０】
いくつかの実施形態において、熱電管理システム３０１は、図４〜５に関して上述されたように、１つまたは２つ以上の特徴を有する単数または複数のセンサ３１４を備えることができる。図３１に示されるように、単数または複数のセンサ３１４は、電気装置３０４と熱連通可能で、制御装置３１２と電気連通可能であり、制御装置または制御システム３１２により監視される、上述した入力のいずれかを提供する。他のセンサ（図示せず）からの入力または信号３１６もまた、制御アルゴリズムの一部として監視され、熱勾配または他の不均一な熱分布を減少させ、最小化し、または除去するのに十分な加熱および／または冷却を提供するために、制御装置または制御システム３１２に提供され得る。
【０１１１】
いくつかの実施形態において、電極に取り付けられた熱電装置の熱ポンプ容量は、バッテリタイプおよびその構造、ならびにバッテリパックの構造の関数である。数Ａｈの電気容量の典型的なパウチセルは、１Ｗと１０Ｗの間の熱ポンプ容量を有する熱電装置を必要とし得る。
【０１１２】
熱管理システム３０１は、上述の実施形態の中で述べたような特徴のいずれかを備えることができる。たとえば、熱管理システム３０１は、図１６に関して示され、述べられた独立した制御の特徴と組み合わせることができる。バッテリまたは電気装置の個々のセルおよび／または領域は、独立して熱的に管理することができる。いくつかの実施形態において、異なる領域は、異なる熱勾配を有することになり、動作中に生成され、または作り出されるいかなる熱勾配も減少させ、または除去するために、適切なまたは十分な加熱および／または冷却が提供されるように、独立した制御が必要になる。いくつかの実施形態において、それぞれの領域またはセルは、１つまたは２つ以上の異なるセンサによって監視され、または、１つまたは２つ以上の異なるセンサと熱連通することが可能である。いくつかの実施形態において、１つまたは２つ以上のセンサは、１つまたは２つ以上の領域またはセルを監視可能であり、または、１つまたは２つ以上の領域またはセルと熱連通可能である。いくつかの実施形態において、熱管理システムは、バッテリまたは電気装置の全体の熱状態が１つまたは２つ以上のセンサによって監視されるバルクモニタリングを備えることができる。いくつかの実施形態において、１つまたは２つ以上のセンサは、電気装置またはバッテリの全体の熱状態の報告または他の入力を制御装置に提供することができる。さらに、熱管理システム３０１は、限定されることはなく、図２０〜２８に示された構成のいずれとも組み合わされ得る。
【０１１３】
いくつかの実施形態において、図３２に示されるように、電気装置を熱的に管理するための工程３８０Ａ〜３８０Ｃが提供される。電気装置は、熱電装置に接続される導電体（たとえば電極など）を有することができる。第１の工程３８０Ａは、電気装置の熱状態を全体として、部分的に、または個々のセルもしくは領域毎に監視することを含むことができる。第２の工程３８０Ｂは、所望の加熱および／または冷却効果を生成するために、熱電装置に電力（たとえば電圧および／または電流など）を送ることを含むことができる。第３の工程３８０Ｃは、電気装置の熱状態に基づいて、熱電装置に送られる電力のレベルを調節することを含むことができる。いくつかの実施形態において、工程は、熱電装置と、電気装置の温度敏感領域と熱連通および電気連通する導電体との間に実質的な熱連通を確立することを含むことができる。工程は、電気装置の領域と熱連通し、入力を監視するために設けられる制御装置と電気連通するセンサにより提供される入力を監視することを含むことができる。工程は、電気装置の動作中に温度敏感領域にわたって生成される熱勾配を減少させ、または除去するために、入力に応答して、熱電装置中または熱電装置外に送られる電力（たとえば電圧および／または電流など）を調節することを含むことができる。電気装置が動作を継続しているとき、これらの工程は、繰り返され、または循環される。いくつかの実施形態において、これらの工程は、電気装置内の残りの熱により熱勾配が依然として存在している場合には、動作後であっても継続することができる。
【０１１４】
いくつかの実施形態において、電気装置を熱的に管理するための制御システムに熱電装置を接続すること、電気装置の導電体と熱連通する熱電装置を配置すること、および、制御システムおよび電気装置にセンサを接続することを含む、電気装置を熱的に管理する方法が提供される。
【０１１５】
ここでのさまざまな実施形態の説明は、概して、図に模式的に示された実施形態に従ってきた。しかし、ここで説明した任意の実施形態の特定の特徴、構造、または特性は、明示的に図示や説明しなかった１つまたは２つ以上の個別の実施形態において、任意の適切な方法で組み合わされてもよいと考えられる。多くの場合、一体または隣接しているとして説明され、または図示された構造は、一体構造の機能を実行しながら、分離されることが可能である。多くの場合、分離されているとして説明され、または図示された構造は、分離構造の機能を実行しながら、結合され、または組み合わされることが可能である。
【０１１６】
さまざまな実施形態を上述した。本発明は、これらの特定の実施形態を参照して説明されたが、本説明は、例示を意図するものであり、限定することを意図するものではない。さまざまな変形や応用が、ここに説明された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、当業者によってなされるであろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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