(57)【要約】バッテリー熱管理（BTM）の装置、システム、および方法を本明細書において概して議論する。BTM装置は、一つまたは複数のバッテリーセルと、例えば該一つまたは複数のバッテリーセルをあらかじめ設定された温度範囲内に維持するために、該一つまたは複数のバッテリーセルに熱的に接触するように該一つまたは複数のバッテリーセルに取り付けられた一つまたは複数のミニチャネル管とを含むことができる。2016535419.tif 000003
2016535419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーパック内の一つまたは複数のセルと熱的に接触するように構成されている、一つまたは複数のミニチャネル管；
該一つまたは複数のセルの温度を測定するための、温度センサー；および
該一つまたは複数のセルの温度を特定の温度範囲内に維持するように、該温度センサーからの測定された温度に基づいて、該一つまたは複数のミニチャネル管内の流体の流速を変動させるための、ポンプ
を含む、バッテリー熱管理システム。
【請求項２】
前記流体から粒子を除去するためのフィルターをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
ポンプが、一つまたは複数のミニチャネル管の各々において前記流体の流速を個々に変動させるためのものである、請求項1に記載のシステム。
【請求項４】
一つまたは複数のミニチャネル管が、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルの温度を変化させるためのものである、請求項1に記載のシステム。
【請求項５】
ミニチャネル管が、セルの電解質と接触するように、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルの少なくとも部分的に内部にある、請求項1に記載のシステム。
【請求項６】
一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管が、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルのくぼみの中に位置している、請求項1に記載のシステム。
【請求項７】
一つまたは複数のミニチャネル管が、概ね「U」字形であり、かつ、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルの少なくとも二つの側面に熱的に結合している、請求項1に記載のシステム。
【請求項８】
一つまたは複数のミニチャネル管が、各々、約0.2ミリメートル〜約3.0ミリメートルの水力直径を含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項９】
一つまたは複数のミニチャネルの各々の壁の厚さが、約100マイクロメートル〜約200マイクロメートルである、請求項1に記載のシステム。
【請求項１０】
一つまたは複数のセルが、リチウムイオンセルであり、特定の温度範囲が、約20℃〜約30℃である、請求項1に記載のシステム。
【請求項１１】
一つまたは複数のミニチャネル管が、一つまたは複数のセルの壁から独立した壁を含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項１２】
バッテリーパックの一つまたは複数のセルと熱的に接触するように構成されている一つまたは複数のミニチャネル管に、流体をポンプで注入する工程；
該一つまたは複数のセルのうちの一つのセルの温度を測定する工程；および
該一つまたは複数のセルの温度を特定の温度範囲内に維持するように、該流体の温度を変化させる工程
を含む、バッテリーセルの温度を管理する方法。
【請求項１３】
一つまたは複数のミニチャネル管の各々において前記流体の流速を個々に変動させる工程をさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
前記流体の温度を変化させる工程が、一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管の温度を変化させるように該流体の温度を変化させることを含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１５】
一つまたは複数のミニチャネル管のうちの少なくとも一つが、一つまたは複数のセルの電解質と接触するように、該一つまたは複数のセルの少なくとも部分的に内部に位置している、請求項12に記載の方法。
【請求項１６】
一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管が、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルのくぼみの中に位置している、請求項12に記載の方法。
【請求項１７】
一つまたは複数のセルが、リチウムイオンセルであり、特定の温度範囲が、約20℃〜約30℃である、請求項12に記載の方法。
【請求項１８】
一つまたは複数のバッテリーセル；
該一つまたは複数のバッテリーセルに熱的に接触するように、該一つまたは複数のバッテリーセルに取り付けられた、一つまたは複数のミニチャネル管；および
ポンプから流体を受け、かつ該流体を該一つまたは複数のミニチャネル管に導くように構成されている、該一つまたは複数のミニチャネル管に結合した入力ポート
を含む、装置。
【請求項１９】
一つまたは複数のバッテリーセルのうちの一つのバッテリーセルが、その側壁にくぼみを含み、一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管が、該くぼみにおいて該バッテリーセルに接触するように、該くぼみの中に少なくとも部分的に位置している、請求項18に記載の装置。
【請求項２０】
一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管が、バッテリー中の電解質に接触するように、一つまたは複数のバッテリーセルのうちの一つのバッテリーセル内に少なくとも部分的に位置している、請求項18に記載の装置。
【請求項２１】
一つまたは複数のバッテリーセルが、リチウムイオンバッテリーセルであり、一つまたは複数のミニチャネル管が、アルミニウムを含む、請求項18に記載の装置。
【請求項２２】
アレイ状に配列されたバッテリーセルの複数の列；および
隣接した列の両方におけるセルに同時に熱的に接触するように、該バッテリーセルの複数の列のうちの隣接した列の間に位置している、一つまたは複数のミニチャネル管
を含む、装置。
【請求項２３】
複数の入力ポートおよび複数の出力ポートをさらに含む装置であって、流体が入力ポートからミニチャネル管を通って出力ポートに流れることができるように、一つまたは複数のミニチャネル管のうちの各ミニチャネル管が、該複数の入力ポートのうちの一つの入力ポートおよび該複数の出力ポートのうちの一つの出力ポートに連結されている、請求項22に記載の装置。
【請求項２４】
前記複数の入力ポートに前記流体をポンプで注入するために、該複数の入力ポートおよび前記複数の出力ポートに結合したポンプをさらに含む、請求項23に記載の装置。
【請求項２５】
ミニチャネル管が、概ね「U」字形であるようにさらに構成され、かつ、バッテリーセルの複数の列のうちの一つの列においてセルの二つの対向する側面に熱的に接触するようにさらに構成されている、請求項22に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、「A BATTERY THERMAL MANAGEMENT SYSTEM BASED ON MINI-CHANNEL TECHNOLOGY」という題名の、2013年9月9日に出願された米国特許仮出願番号第61/875,222号に対して優先権を主張し、該出願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。
【背景技術】
【０００２】
背景
バッテリー熱管理システム（BTMS）は、種々の操作条件下で高性能を達成するため、かつ／または自動車の安全性を維持するために、電気自動車（EV）にとって重要な構成要素の一つである。EVは、バッテリーEV（BEV）またはハイブリッドEV（HEV）（例えば、ブラグインHEVまたは非プラグインHEV）を含むことができる。
【０００３】
EVは、ガソリン、ディーゼル、または他の燃料で動く自動車と比較した際に、排気を低減させることができる。いくつかのEVは、排気ゼロであることさえでき、エネルギーまたは温室効果ガス排出の目標を達成する上で重要な役割を果たすことができる。EVはまた、エネルギー安全保障の改善、環境および公衆衛生の品質の改善、ならびに燃料費および維持費の低減を含む、他の有益性も提供することができる。
【発明の概要】
【０００４】
【図面の簡単な説明】
【０００５】
添付の図面の種々のものは、本明細書において提示される主題の態様を例証する。添付の図面は、当業者が本明細書において開示される概念を理解することを可能にするために提供され、従って、開示される主題の範囲を限定するように考えられることはできない。
【０００６】
【図１】Li-Mnバッテリーの60パーセント充電状態（SOC）でのカレンダー寿命対温度のグラフを示す。
【図２】種々の温度で測定した黒鉛-LiFePO4バッテリーのパーセント容量損失対アンペア時当たりの全アンペア時スループットのグラフを示す。
【図３】先行技術のバッテリー冷却システムのブロック図を示す。
【図４】一つまたは複数の態様に従う、ミニチャネル管の例のブロック図を示す。
【図５】一つまたは複数の態様に従う、ミニチャネル管の端面図を示す。
【図６】図6Aは、熱伝達係数対ポート幅のグラフを示す。図6Bは、圧力降下対ポート幅のグラフを示す。
【図７】一つまたは複数の態様に従う、バッテリー熱管理BTM装置の例のブロック図を示す。
【図８】一つまたは複数の態様に従う、別のBTM装置の別の例のブロック図を示す。
【図９】一つまたは複数の態様に従う、さらに別のBTM装置の別の例のブロック図を示す。
【図１０】一つまたは複数の態様に従う、さらに別のBTM装置の例のブロック図を示す。
【図１１】図11Aは、一つまたは複数の態様に従う、バッテリーセルの例のブロック図を示す。図11Bは、一つまたは複数の態様に従う、別のバッテリーセルの例のブロック図を示す。
【図１２】一つまたは複数の態様に従う、BTMSの例のブロック図を示す。
【図１３】一つまたは複数の態様に従う、BTMSの別の例のブロック図を示す。
【図１４】図14Aは、一つまたは複数の態様に従う、ミニチャネル管を含むセルのシミュレートされた熱の図を示す。図14Bは、一つまたは複数の態様に従う、ミニチャネル管の縁およびその近くの温度勾配のシミュレートされた熱の図を示す。
【図１５】一つまたは複数の態様に従う、BTMSを用いる例示的方法の流れ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
詳細な説明
以下に続く説明は、本明細書に記載される主題の種々の局面を具体化する、例証となる器具、システム、方法、および技術を含む。以下の記載において、説明の目的で、本主題の種々の態様の理解を提供するために、多数の具体的詳細を示す。しかしながら、本主題の態様は、これらの具体的詳細の少なくともいくつかが無くても実施できることが、当業者に明らかであろう。
【０００８】
本開示は、概して、バッテリー熱管理（BTM）の分野に関し、より具体的には、BTMS中に一つまたは複数のミニチャネルを含めることに関係するシステム、器具、および方法に関する。
【０００９】
カリフォルニアでは、輸送分野のためのエネルギー消費が、すべての温室効果ガス（GHG）排出のほぼ40％、およびすべての大気汚染の50％超の原因である。カリフォルニア大気資源委員会によると、EVは、従来の自動車よりも全燃料サイクル排出物において65％〜70％低い（研究時のカリフォルニアの電気供給網に基づいて）。従って、EVは、カリフォルニア経済の成功およびその気候の安定化にとって、有望な、かつ潜在的に革命的な鍵である。入手可能な堅牢かつ信頼できるEVバッテリーについての継続的な開発努力が、広範にわたるEVの採用を大いに加速することができ、エネルギー安全保障の改善、環境および公衆衛生の品質の改善、自動車への燃料供給および維持の費用の低減、ならびに再生可能／環境にやさしいエネルギーおよび自動車産業におけるカリフォルニアの先導的な役割の強化を含む、有意な有益性を、カリフォルニアおよび世界の他の地域に提供することができる。同様の有益性は、他の場所でも実現させることができ、カリフォルニアは、単に、EVおよび本明細書において議論される主題が影響を及ぼし得る、好都合な例示的地域として用いられているに過ぎない。
【００１０】
前述にもかかわらず、EVの広範にわたる採用が直面する、1）バッテリーパックの高い費用、および2）限定的保証の短いバッテリー寿命（例えば、約8年）の、少なくとも二つの問題がある。扇風機での空冷、水、グリコール、油、アセトン、および冷媒での液体冷却システム、熱パイプ冷却、ならびに相変化物質（PCM）冷却などの、EVバッテリーのためのいくつかまたはすべての伝統的な冷却システムが、研究されており、その性能が見直されている。本明細書において議論されるように、本明細書において議論される一つまたは複数のBTMシステム、器具、および方法は、温度調節の一貫性、費用、または電力効率の点で、これらの伝統的な冷却システムを上回ることができる。
【００１１】
様々なバッテリー製造者および自動車開発者が、熱管理のために種々の戦略を採用している。冷却媒体のために、空気および液体冷却剤の両方が用いられる。より単純な空冷システムは、液体冷却よりもいくらか費用が安いであろうことが、一般に認められる。しかしながら、液体冷却は、空冷よりも電力および温度調節の点で、一般により効率的である。例えば、2012年には、より暑い気候の地域から（主に、米国のアリゾナ、テキサス、およびカリフォルニアにおいて）Nissan Leafの顧客によって報告された、一つまたは複数のバーのバッテリー容量の損失が112件記録された。バッテリー容量損失は、不十分な空冷のせいであった。EVバッテリーについては、能動的な流体ベースのシステムが、しばしば夏にU.S.A.南部において経験される条件などの、いくらかのより極端な温度条件の下で、バッテリー性能（例えば、寿命および容量）を改善するために有益である。これらの種の条件に対処するために、BTMユニットは、約-30℃〜約50℃の温度などの、広い範囲の温度に対処できるべきである。
【００１２】
リチウムイオン（Liイオン）バッテリーは、他のバッテリータイプと比較した際に、相対的に高い電力およびエネルギー密度、ならびに高い電力放電を提供する。Liイオンバッテリーのこの能力のために、これらはEVのための有望な候補となる。しかしながら、バッテリー寿命の増大について、Liイオンバッテリーの温度は、例えば、バッテリー寿命または性能の増大を促進するために、特定の範囲の温度（例えば、約20℃〜約30℃の範囲）に維持されることから恩恵を受け得る。バッテリーは、電力がバッテリーから引き出されていない時でさえも、特定の温度範囲のままでいることから恩恵を受け得る。
【００１３】
バッテリーの寿命の終わり（EOL）は、典型的に、約20％の容量損失または約30％の内部抵抗に達した時として定義される。EVバッテリーの容量は、バッテリーの内部抵抗が同時間にわたって増大するにつれて、時間とともに減少する。この傾向は、一般に、バッテリーが使用されているか、または使用せずに保管されているかとは無関係である。対応するバッテリー寿命は、概して、カレンダー寿命に関連するため、この状態は、「カレンダーフェード（calendars fade）」と一般的に呼ばれる。図1は、リチウム-マンガン（Li-Mn）バッテリーの60％充電状態（SOC）でのカレンダー寿命対温度についての曲線を有する典型的なグラフ100を示す。Li-Mnバッテリーは、22℃で8年を少し超える寿命（例えば、平均で）を有するが、32℃では5年の寿命しか有さない。時間にわたる平均SOCが60％ SOCよりも大きい場合、カレンダー寿命は、図1に示されているものよりも短い。他のタイプのLiイオンバッテリーについて、バッテリー寿命対温度に同様の傾向がある。SOCは、ガソリンで動く自動車における燃料計のように、最大量（100パーセント）に対してどれほどの「燃料」が利用可能であるかを示すことに、注目されたい。従って、60％ SOCは、最大の全バッテリー充電の60％が利用可能であることを示す。
【００１４】
バッテリーはまた、使用頻度とともに劣化し、これは「サイクルフェード」として公知である。対応する寿命は、バッテリーサイクル寿命である。図2は、3種の異なる温度：15℃、45℃、および60℃で、実験データに対して黒鉛-LiFePO4バッテリーのサイクル寿命の予測を比較する、グラフ200を示す。グラフ200は、温度の増大とともに、バッテリー容量損失が増大する（またはサイクル寿命が減少する）ことを示す。
【００１５】
図3は、パックレベルで従来の液体冷却を有する、セルモジュールおよびパックを含む先行技術のバッテリー冷却システム300を例証する。セル302A、302B、302C、および302Dは、モジュールにおいて横向きに置かれ、アルミニウム伝導チャネル304A、304B、304C、304D、および304Eによって分離されている。アルミニウム伝導チャネル304A〜Eは、セルの側面からの排熱を補助する。セル302A〜Dとパックジャケット306との間の間隙は、セル302A〜Dの側面から、バッテリー300を冷却または加熱する冷却剤のための通路308を形成している。矢印は、通路308に出入りする冷却剤の流れを示す。エチレングリコール／水（EG/W）溶液が、一般的に、バッテリーパック300のための冷却剤として用いられる。このタイプの設計について、セル302A〜Dは、密閉されたモジュールの中に封入され、流れを遮断し、かつ冷却剤がモジュール端子またはその相互連結部に接触するのを阻止するために、異なるモジュール間にポリマー密閉剤が用いられる。さもなければ、EG/W溶液の漏出が、セル302A〜Dをショートさせ得、場合によっては危険を引き起こし得る。
【００１６】
図3に示されているものなどの従来のBTMには、本明細書中で議論されるBTM設計において考慮されている、以下の少なくとも四つの問題がある：1）パックレベルで設計されているBTMSは、不均一な温度分布をもたらし得る（約10℃またはそれより大きい温度分布が、パックの単一のセル内で経験され得る）；2）バッテリーパックにおける局部的な劣化；3）モジュールおよびパックジャケットの密閉設計が、高い材料または製造費用をもたらす；ならびに4）従来の液体導管設計は、BTMSの重量の増大および小型ではない容積をもたらす。
【００１７】
議論される不利な点の一つまたは複数を克服するために、ミニチャネル管（例えば、マイクロチャネル管）を含むバッテリーが、提案される。図4は、一つまたは複数の態様に従う、様々なミニチャネル管構造400の例を示す。ミニチャネル管402A、402B、402C、402D、402E、402F、402G、402H、402I、および402Jは、例えば、数十マイクロメートル〜数十ミリメートルの範囲のポート幅または内側水力直径を有する、シングルポート管またはマルチポート管である。多くのミニチャネルは、0.2ミリメートル〜約3ミリメートルの水力直径を含む。ミニチャネル管402A〜Jは、様々なポート形状およびサイズを含み得る。ミニチャネル管402A〜Jは、概ね、長方形、楕円形、または、概ね正方形もしくは丸みのある角もしくは側面を含み得る、他の形状のポートを含むことができる。ポートは、乱流を低減させるか、または層流を助長するのに役立ち得る、突出部を含むことができる。ミニチャネル管に関するさらなる詳細は、図5に関しておよび本明細書における他の場所で議論される。
【００１８】
図5は、一つまたは複数の態様に従う、ミニチャネル管500の例の端面図を示す。ミニチャネル管500は、一つまたは複数のポート504A、504B、504C、504D、504E、504F、504G、504H、504I、504J、504K、または504Lを含むことができる。ポート504A〜Lは、ポート504A〜Lの内部に延びる突出部506A、506B、506C、または506Dを含むことができる。図5は、ポート504A〜Cにおいて最大でも2個の突出部506B〜Cを示し、その突出部506A〜Dを概して直線として示すが、当業者は、本明細書において提供される詳細な説明を読んで理解する際に、異なるサイズ、形状、および数の突出部をポート504A〜Lにおいて使用できることを認識するであろう。突出部506A〜Dの数および形状は、関連するポート504A〜Lにおいて、流れが、より乱流の少ない流体（例えば、液体または気体）を含むのに役立つように構成させることができる。
【００１９】
ミニチャネル管500は、熱伝導率の性能に関係し得る、および、ミニチャネル管500が耐え得る最大圧力を決定することに関係し得る寸法を含むことができる。寸法は、全体の幅502（W）、ポート間の間隔508（WW）、側壁512の厚さ510（Wt）、ポート504A〜Kの幅514（Wc）、およびポート504A〜Kの高さ516（Hc）を含むことができる。一つまたは複数の態様において、幅514は、約数十マイクロメートル〜約数十ミリメートルであり得る。一つまたは複数の態様において、幅614は、約0.2ミリメートル〜約3ミリメートルであり得る。側壁の厚さ512は、熱伝導率の低減を犠牲にしてより高い圧力に耐えることができるより厚い側壁を含めて、様々な厚さであることができる。一つまたは複数の態様において、側壁512の厚さは、約100マイクロメートル〜約200マイクロメートルであることができる。
【００２０】
ポート504A〜K内の流体圧または熱伝導率の要求などの要因に応じて、側壁の厚さ510またはポート間隔508を決定することができる。より薄い側壁の厚さ510は、熱伝達（例えば、熱伝導率）を改善することができる。より厚い側壁の厚さ510またはポート間隔508は、ミニチャネル管500がより高い流体圧に耐えるのに役立つことができる。ミニチャネル管500は、概して、高い熱効率（高い熱伝導率）、低い材料費用および重量、ならびに小型設計を有する。ミニチャネル設計における別の考慮は、ポート504A〜Kにおける圧力を低下させる、ポート幅514の増大を含むことができる。
【００２１】
図6Aは、熱伝達係数（h）対ポート幅514のグラフ600Aを示す。グラフ600Aに示されるように、ポート504A〜Kの熱伝達係数（熱伝導率）は、ポート幅514が増大するにつれて減少する。図6Bは、圧力降下（ΔP）対ポート幅514のグラフ600Bを示す。グラフ600Bに示されるように、圧力降下は、ポート幅514が減少するにつれて減少する。
【００２２】
図7および図8は、一つまたは複数の態様に従う、それぞれBTMシステム700および800の一部の例を示す。種々の態様において、ミニチャネル管708A、708B、および708Cを、パックレベル（例えば、図3に示されるような冷却システム）と比較して、（とりわけ、図7および図8に示されるような）セルレベルでの冷却／加熱を伴うBTMSにおいて用いることができる。BTMシステム700は、バッテリー連結器704Aおよび704Bを通して直列に結合した一つまたは複数のバッテリーセル702A、702B、または702Cを含むことができる。システム700は、それらを通してシステム700の電気エネルギーにアクセスする、端子706Aまたは706Bを含むことができる。
【００２３】
一つまたは複数のミニチャネル管708A、708B、または708Cは、セル702A〜Cの一つまたは複数に熱的に結合させることができる。ミニチャネル管708A〜Cは、ポリマー、プラスチック、炭素、アルミニウムもしくは他の金属、またはそれらの組み合わせを含む様々な材料を用いて形成することができる。一つまたは複数の態様において、ミニチャネル管708A〜Cを、セル702A〜Cの周りにぴったり適合するように形成することができる。一つまたは複数の態様において、ミニチャネル管708A〜Cを、セル702A〜Cに、はんだ付けする、溶接する、接着剤で付ける、または別の方法で取り付けることができる。ミニチャネル管708A〜Cは、一つまたは複数の態様において、平板アルミニウムマルチポートミニチャネル管（FAMMT）を含むことができる。図7のミニチャネル管708A〜Cは、概ね「U」字形であり（図7の上方視点から見た場合）、かつ、セル702A〜Cの少なくとも二つの側面と接触（例えば、熱的に結合）している。
【００２４】
放熱グリスまたは焼結金属が、ミニチャネル管708A〜Cの一部と対応するセル702A〜Cとの間に間隙がある場所などで、ミニチャネル管708A〜Cとセル702A〜Cとの間の熱的連結を増大させるのに役立つことができる。
【００２５】
ミニチャネル管708A〜Cの各々を、入力ポート710および出力ポート712に結合させることができる。入力ポート710を、ポート710およびミニチャネル管708A〜Cを通して流体を押し進めることができる、ポンプ（図7および図8には示されていない、図12および図13を参照されたい）に結合させることができる。出力ポート712は、ミニチャネル管708A〜Cから流体を運び去るのに役立つことができる。
【００２６】
BTMSにおいて一つまたは複数のミニチャネル管708A〜Cを用いるいくつかの利点は、（a）ミニチャネルを用いて熱効率を増強すること；（b）セルレベルでのより効率的な冷却を通してバッテリーパックにおける不均一な温度分布を低減させること；（c）高価な設計の密閉制約、ならびに、例えば、図3に示されるようなシステムを用いる際に必要とされ得る、セルモジュールおよびパックジャケットの製造を無くすこと；（d）図3に示されるような先行技術のアルミニウム伝導チャネルを無くすこと；（e）バッテリーパックおよびBTMSの全体の設計を単純化すること；（f）全体のパック重量および容積を低減させること；ならびに（g）バッテリーおよび／またはBTMSの製造費用を低減させること、を含むことができる。
【００２７】
前述の利点に加えて、ミニチャネル管を含むBTMSの冷却剤流体を、ミニチャネル流体システム（例えば、入力ポート710、入力管814（図8を参照されたい）、ミニチャネル管708A〜C、出力ポート712-C、および出力管816（図8を参照されたい）の一つまたは複数の組み合わせ）の中に封入することができ、これは、単に、冷却剤がセル端子およびその相互連結部に接触するリスクを低減させるだけではなく、セル連結設計を単純化する。しかしながら、たとえ漏出の問題が考慮されているとしても、非導電性流体を、ミニチャネル管708A〜Cにおいて用いることができる。例えば、鉱油、変圧器油、種々の冷媒などのある特定の熱伝導性流体などを、使用することができる。さらに、流体金属などの他の熱伝導性媒体を、同様にミニチャネル管708A〜Cにおいて流体として用いることができる。一つまたは複数の態様において、熱伝導性ガスを、ミニチャネル管内の冷却剤として使用してもよい。
【００２８】
加えて、他のタイプのミニチャネル管を、同様に使用することができる。例えば、良好な（例えば、アルミニウムの熱伝導率とほぼ同じまたはそれより良好な）熱伝導率を有する他の物質を用いて、ミニチャネル管を製造することができる。そのような物質は、例えば、銅、青銅、ならびに他の非鉄物質および鉄物質、炭素含浸ポリマー、または他の熱伝導性プラスチックなどを含むことができる。しかしながら、理解を容易にかつ簡潔にするために、本明細書において使用されるまさにその物質または外形が、市販されているミニチャネル管において見出されるものと同じであるか、または異なり得ることを理解した上で、ミニチャネル管を、本明細書において使用することとする。
【００２９】
図7に示されるように、ミニチャネル管708A〜Cを、セル702A〜Cに沿った一つまたは複数の多数の位置で、セル702A〜Cと熱的に非常に近接して配置することができる。種々の態様において、ミニチャネル管708A〜Cを、ミニチャネル管708A〜Cの形状に機械的に厳密に一致するように形成することができる。他の態様において、ミニチャネル管708A〜Cを、例えば、有害な圧力降下を阻止するのを助けるため、またはミニチャネル管内の流体の層流領域を維持するのを助けるために、セル702A〜Cのある特定の外形に関して増大した半径を有するように形成することができる。
【００３０】
加えて、種々の態様において、ミニチャネル管708A〜Cをセル702A〜Cに結合させたものの熱伝導性は、ミニチャネル管708A〜Cとセル702A〜Cとの間のろう付け、溶接、はんだ付け、またはいくつかの他の取り付け機構の使用を通して改善することができる。種々の態様において、ミニチャネル管708A〜Cとセル702A〜Cとの間の熱界面は、種々のタイプの熱伝導性接着剤、グリス、金属焼結、エポキシ樹脂、またはそれらの組み合わせの使用を通して改善することができる。
【００３１】
概して、セル702A〜Cの内側で発生した熱は、伝導を通してミニチャネル管708A〜Cに輸送され、その後、流体対流を通して放散される。熱放散速度は、流体の流速に直接依存し、これは、制御シグナルとしてのセル702A〜Cの検知された温度で、閉ループ制御システムによって制御することができる。閉ループ制御システムは、当技術分野において独立して公知である閉ループ制御の概念に基づいて、当業者により理解される。
【００３２】
図8は、複数の列のセル802A A〜Fが合わせて（直列に）結合されてパックにされている、システム700に類似したシステム800を示し、他方、図7は、パックを形成するように合わせて結合された、単一の列のセル702A〜Cを示す。セル802A、802B、802C、802D、802E、802F、802I、802J、802K、802L、802M、802N、および802Oは、セル702A〜Cと実質的に同じであることができ、連結器704A〜Bと実質的に類似していることができるバッテリー連結器804A、804B、804C、804D、804E、804F、804G、804H、804I、804J、804K、804L、804M、または804Nを通して直列に結合させることができる。システム800は、それらを通してシステム800A〜Bの電気エネルギーにアクセスする、端子706A〜Bに類似した端子806Aおよび806Bを含むことができる。図8に示されるように、入力ポート810A、810B、および810Cは、共通の入力管814に結合することができ、出力ポート812A、812B、および812Cは、共通の出力管816に結合することができる。本明細書において用いられる際、「実質的に同じ」とは、アイテムを、実質的に同じであるアイテムと同じまたは類似した物質で作製できることを意味する。システム800のミニチャネル管808A〜Cは、隣接した列のセルと接触することができる（例えば、セル802A〜Cおよび802D〜Fは、独立した列のセルであり、互いに隣接していることができる）。ミニチャネル管808A〜Cは、セル802A〜Cの列およびセル802D〜Fの列と、同時に熱的に結合する（例えば、熱的に接触する）ように構成させることができる。
【００３３】
図9および図10は、一つまたは複数の態様に従う、それぞれBTMシステム900および1000の一部の例を示す。セル902A、902B、902C、902D、902E、902F、902G、902H、902J、902K、および902L、ならびにセル1002A、1002B、1002C、1002D、1002E、1002F、1002G、1002H、1002J、1002K、および1002Lは、セル702A〜Cと実質的に同じであることができ、セル902A〜Lおよび1002A〜Lは、不規則な形状を含む。ミニチャネル管908A、908B、908C、ならびに1008A、1008B、および1008Cは、ミニチャネル管708A〜Cと実質的に同じであることができ、ミニチャネル管908A〜Cおよび1008A〜Cは、それぞれセル902A〜Lおよび1002A〜Lの輪郭に従う形状を含む。これらの図は、ミニチャネル管708A〜C、808A〜C、908A〜C、および1008A〜Cを、非標準セル上で用いることができ、かつ多種多様のセル形状に適合できることを実証するように意図されている。いくつかのミニチャネル管形状は、使用時に効率が低いか、または非実用的でさえあるような、圧力降下または管内の乱流などの問題点を創出し得る。
【００３４】
連結器904A、904B、904C、904D、904E、904F、904G、904H、904I、904J、および904K、ならびに1004A、1004B、1004C、1004D、1004E、1004F、1004G、1004H、1004I、1004J、および1004Kは、連結器704A〜Bと実質的に同じであることができ；端子906Aおよび906B、ならびに1006Aおよび1006Bは、端子706A〜Bと実質的に同じであることができ；入力ポート910A、910B、910C、および910D、ならびに1010A、1010B、1010C、および1010Dは、入力ポート710と実質的に同じであることができ；出力ポート912A、912B、912C、および912D、ならびに1012A、1012B、1012C、および1012Dは、出力ポート712と実質的に同じであることができ；入力管914および1014は、入力管814と実質的に同じであることができ；ならびに、出力管916および1016は、出力管816と実質的に同じであることができる。ポート910A〜D、912A〜D、1010A〜D、および1012A〜D、ならびに管914、916、1014、および1016は、ミニチャネル管708A〜Cと同じ物質を含むことができ、かつまた、他の物質を含むこともできる。ポート710、712、810A〜C、812A〜C、910A〜D、912A〜D、1010A〜D、および1012A〜D、または管914、916、1014、および1016は、例えば、その中の流体の温度を一定のままにするのに役立つように、断熱することができる。
【００３５】
図11Aは、一つまたは複数の態様に従う、バッテリー1100Aの例を示す。バッテリー1100Aは、一つまたは複数のくぼみ1104A、1104B、1104C、1104D、1104E、または1104Fを含むセル1102A、ならびに一つまたは複数の端子1106Aおよび1106Bを含むことができる。ミニチャネル管708A〜C、808A〜C、908A〜C、または1008A〜Cを、くぼみ1104A〜F中に少なくとも部分的に差し入れることができる。管708A〜C、808A〜C、908A〜C、または1008A〜Cを、くぼみ1104A〜Fに差し入れることによって、管808A〜C、908A〜C、または1008A〜Cは、セル1102Aに接触する、より大きな表面積を有することができ、従って、より効率的な加熱または冷却を提供することができる。図11Aは、くぼみ1104A〜Fを長方形の形状を含むものとして示すが、くぼみ1104A〜Fは、とりわけ、楕円、丸みのある角の形状、多角形、不規則な形状、またはそれらの組み合わせなどの別の形状を含むことができる。
【００３６】
図11Bは、一つまたは複数の態様に従う、バッテリー1100Bの例を示す。バッテリー1100Bは、セル1102Bの内部の一つまたは複数のミニチャネル管1108A、1108B、1108C、または1108Dを含むセル1102B、ならびに、一つまたは複数の端子1106Aおよび1106Bを含むことができる。ミニチャネル管1108A〜Dは、セル1102Bの電解質と接触していることができる（図を不明瞭にすることを回避するために、電解質は示されていない）。ミニチャネル管1108A〜Dは、ミニチャネル管708A〜C、808A〜C、908A〜C、または1008A〜Cと実質的に同じであることができる。セル1102Bの内部に管1108A〜Dを作製することによって、管1108A〜Dは、セル1102Bに接触する、より大きな表面積を有することができ、従って、より効率的な加熱または冷却を提供することができる。また、管1108A〜Dは、例えば、セル1102A〜Dの内部に構成可能な熱プロファイルを提供するために、セル1102Bの内部の任意の場所に位置することができる。例えば、セル1102Bを特定の温度範囲内により効率的に保つのに役立つために、管1108A〜Dを、セル1102Bの典型的により温かいまたはより冷たい地点により近いように位置づけることができる。セル1102Bの内部の管1108A〜Dを用いる際には、管の材料がバッテリー1100Bの化学的性質と適合性であることを確認するように、気をつけるべきである。例えば、Liイオンバッテリーの化学的性質は、アルミニウム管を実質的に腐食しないかまたは損傷を与えないため、アルミニウム管を、Liイオンバッテリーの内部に用いることができる。
【００３７】
図12は、一つまたは複数の態様に従う、BTMS 1200の例を示す。BTMS 1200は、一つまたは複数のセル1202Aおよび1202B、一つまたは複数の連結器1204A、ならびに一つまたは複数の端子1206Aおよび1206Bを含む、バッテリーを含むことができる。セル1202A〜Bは、一つまたは複数のミニチャネル管1208A、1208B、または1208Cに熱的に結合させることができる。管1208A〜Cは、入力ポート1210および出力ポート1212を通してポンプ1214に結合させることができる。ポンプ1214は、管1208A〜Cにおいて流体を移動させることができる。ポンプ1214は、とりわけ、往復ポンプ、回転ポンプ、またはせん断力ポンプであることができる。システム1200は、例えば、ミニチャネル管の各々において流体の流速を個々に変動させる能力を提供するために、複数のポンプを含むことができる。セル1202A〜Bは、セル702A〜C、808A〜F、902A〜L、またはセル1002A〜Lと実質的に同じであることができる。ミニチャネル管1208A〜Cは、管708A〜C、808A〜C、908A〜C、または1008A〜Cと実質的に同じであることができる。入力ポート1210は、入力ポート710、810A〜C、910A〜D、または1010A〜Dと実質的に同じであることができる。出力ポート1212は、出力ポート712、812A〜C、912A〜D、または1012A〜Dと実質的に同じであることができる。連結器1204Aは、連結器704A〜B、804A〜G、904A〜K、または1004A〜Kと実質的に同じであることができる。端子1206A〜Bは、端子706A〜B、806A〜B、906A〜B、または1006A〜Bと実質的に同じであることができる。
【００３８】
流体を、ポンプ1214から加熱器／冷却器1216にポンプで注入することができる。加熱器／冷却器1216は、（図12には示されていない温度センサーを用いて）流体の温度を検知し、流体を特定の温度範囲内に加熱／冷却するか、または、プロセッサ1228からの制御シグナルに基づいて流体を加熱／冷却することができる。流量調節器1218は、加熱器／冷却器1216からの流体の流速を増大または減少させることができる。流量調節器1218は、管1208A〜Cにおける流体の流れを層状に保つのに役立つことができる。流量調節器1218を、流量計1220に通信可能に結合させることができる。流量計1220は、流体の流れを特定の範囲内に保つのに役立つように用いることができるプロセッサ1228に、データを提供することができる。フィルター1222は、流体における目詰まりまたは乱流を阻止するのに役立つように、流体から粒子を除去することができる（例えば、システム1200の内壁から脱粒して生じた粒子、または流体内に入ったかもしくは含有された粒子）。圧力変換器1224を、ポンプ1214および流量調節器1218に通信可能に結合させることができる。圧力変換器は、ポート1210および1212、または管1208A〜Cにおける流体の圧力を決定することができる。圧力変換器1224は、例えば、流体の流れを特定の範囲内に保つのに役立つために、ポンプ1214または流量調節器1218を制御するのに役立つように用いることができるプロセッサ1228に、データを提供することができる。
【００３９】
フィルター1222の孔サイズは、数多くの要因に基づいて決定することができる（例えば、ミニチャネル管1208A〜B内の濾過されるべき粒子サイズから決定する）。フィルター内のより小さな孔サイズは、BTMS内の粒子の数を低減させることができるが、より小さな孔サイズはまた、圧力降下を増大させ得、その結果として、システムを通して流体を再循環させるために必要とされる力を増大させ得る。従って、性能指数（例えば、圧力降下の関数としての濾過効率）を、所定のシステムのために所定のBTMSを設計する上で考慮することができる。また、より大きな表面積を有するフィルターと並行して、または代替的に、または追加的に配置される複数のフィルターを、考慮することができる。
【００４０】
負荷1226は、EVまたは本明細書において議論される他のアイテムなどの、セル1202A〜Bの電力を流すことができる任意のアイテムであることができる。プロセッサ1228は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの組み合わせを含むことができる。プロセッサ1228は、例えば、ポンプが作動する速度を制御するために、ポンプ1214にシグナルを提供することができる。プロセッサ1228は、例えば、加熱器／冷却器1216の温度設定を制御するために、加熱器／冷却器1216にシグナルを提供することができる。プロセッサ1228は、例えば、流量調節器1218が流体の流れを遅くする割合を制御するために、流量調節器1218にシグナルを提供することができる。プロセッサ1228は、圧力変換器1224、流量計1220、または温度センサー（図12には示されていない、図13を参照されたい）から、管1208A〜Cにおける流体の流速、流体の温度、または圧力を調節するのに役立つようにプロセッサ1228によって用いられ得る、データを受け取ることができる。ポンプ1214、プロセッサ1228、加熱器／冷却器1216、流量調節器1218、または流量計1220は、セル1202A〜Bまたは別の電源で動く。
【００４１】
図13は、一つまたは複数の態様に従う、BTMS 1300の例を示す。BTMS 1300は、一つまたは複数のセル1302Aおよび1302B、一つまたは複数の連結器1304A、ならびに一つまたは複数の端子1306Aおよび1306Bを含む、バッテリーを含むことができる。セル1302A〜Bは、一つまたは複数のミニチャネル管1308A、1308B、または1308Cに熱的に結合させることができる。管1308A〜Cは、入力ポート1310および出力ポート1312を通してポンプ1314に結合させることができる。ポンプ1214は、管1308A〜Cにおいて流体を動かすことができる。ポンプ1314は、とりわけ、往復ポンプ、回転ポンプ、またはせん断力ポンプであることができる。
【００４２】
ポンプ1314は、弁1318に流体を提供することができる。弁1318は、流体が冷却されるべき場合は冷却器1316に、熱を流体から放散させるべき場合は放熱器1324に、または、流体が加熱されるべき場合は加熱器1320に、流体を方向づけることができる。温度センサー1326は、セル1302A〜Bの温度を測定するのに役立つことができる。温度センサー1326、ポンプ1314、弁1318、冷却器1316、および加熱器1320は、各々、プロセッサ（図13には示されていない、図12を参照されたい）に電気的にまたは通信可能に結合させることができる。プロセッサは、ポンプの速度（例えば、容積流速または質量流速）を制御することができる。プロセッサは、例えば、弁1318の外への流体の流れの方向を制御するために（例えば、弁出力を開いてまたは閉じて、加熱器1320、放熱器1324、または冷却器1316に流体を方向づけるために）、弁1318を制御することができる。冷却器1316がどれほど流体を冷却するかを制御するために、プロセッサを冷却器1316に結合させることができる。加熱器1320がどれほど流体を加熱するかを制御するために、プロセッサを加熱器1320に結合させることができる。温度センサー1326は、プロセッサが加熱器1320および冷却器1316を制御し、流体を特定の温度範囲に保つのに役立つように、データを提供することができる。
【００４３】
セル1302A〜Bは、セル702A〜C、808A〜F、902A〜L、またはセル1002A〜Lと実質的に同じであることができる。ミニチャネル管1308A〜Cは、管708A〜C、808A〜C、908A〜C、または1008A〜Cと実質的に同じであることができる。入力ポート1310は、入力ポート710、810A〜C、910A〜D、または1010A〜Dと実質的に同じであることができる。出力ポート1312は、出力ポート712、812A〜C、912A〜D、または1012A〜Dと実質的に同じであることができる。連結器1304Aは、連結器704A〜B、804A〜G、904A〜K、または1004A〜Kと実質的に同じであることができる。端子1306A〜Bは、端子706A〜B、806A〜B、906A〜B、または1006A〜Bと実質的に同じであることができる。
【００４４】
図12および図13のアイテムは、相互排除的ではないことに、注目されたい。図12に示されていないが図13に示されているアイテムを、図12のシステムにおいて用いることができ、逆もまた同様である。また、図12および図13のアイテムのすべてが、稼働可能なBTMSを作製するために必要とされるわけではない。アイテムのうちのいくつかは、BTMSの制約に応じて任意であることができる。例えば、BTMSのアイテムが非常に厳密な圧力制約を有さない場合は、圧力変換器をBTMSから省くことができる。
【００４５】
流体の流体流速は、動的な作業条件下でセル1302A〜Bの測定される温度をあらかじめ設定されたレベルに保つために、動的であることができる。加えて、セルの内側で生じ得る不均質な熱発生のために、ミニチャネル管の外形、管構成、および流速を、各セルにおける不均一な温度分布を低減または最小化させるように調整することができる。さらに、ミニチャネル技術は、セルの外側からセルを冷却できるだけではなく、セルの内側に埋め込んで（図11Bに示されるように）セルの内側からのより効率的な冷却を達成することができる。
【００４６】
温度センサー1326などによる、セルの温度検知は、例えば、熱電対、抵抗温度検出器、または当技術分野において公知である他の温度検知装置を使用することによって、成し遂げることができる。ミニチャネル管中の流体を、セルの近くを通過している間に加熱または冷却することができ、流体によって運ばれる熱を、送風機または加熱／冷却ループに連結された放熱器（例えば、熱交換器）に放出することができ、熱の一部を、BTMSのアイテムの間で流体を運ぶチャネルを通して放散させることができる。
【００４７】
ミニチャネル管内の流体を再循環させるために、ポンプを用いることができる。種々のタイプのポンプを、使用することができる。ポンプは、セルより上流および／または下流のいずれかであることができる。また、追加的なポンプを、必要とされ得る種々の流速に応じて、一つまたは複数のミニチャネル管のうちの種々のものに対して用いることができる。任意で、BTMS内のミニチャネル管の所定の一つについて種々の流速を提供するために、流量調節弁を、ミニチャネル管の一つまたは複数の上に置くことができる。種々の態様において、BTMS内の種々のミニチャネル管の間での種々の相対流速の決定値を、（例えば、所定のEVのための所定のバッテリーについて）あらかじめ知ることができる。この場合、種々のミニチャネル管の間に相対的な流量の差を提供するために、（例えば、所定の上流／下流の圧力のための所定の流速に関連する）種々のサイズのクリティカルオリフィスを、ミニチャネル管のうちの選択されたものにおいて用いることができる。
【００４８】
EV内での使用の場合、EVのバッテリーを用いて、ミニチャネル管内の流体を再循環させるためのポンプを駆動することができる。他の態様において、電荷貯蔵システムを有する光電池、コンセント電力、または別個のバッテリーなどの別個の電源を用いて、ポンプを動かすことができる。また、BTMSを、セルからよりもむしろ、セルへ熱伝達を提供するように適応させることができる。そのような「逆」熱伝達システム（例えば、セルの加熱）は、寒い気候において有用であり得る。従って、BTMSを、セルへおよびセルからの両方の熱伝達を組み入れるように設計することができる。例えば、BTMSは、セルと機械的にまたは物理的に接触していないミニチャネル管の一部のみにまたは外側表面全体上に、抵抗加熱器を熱的に結合させることによって、電気抵抗加熱を用いることができる。種々の態様において、ミニチャネル管内の流体を、フィルターまたはポンプの位置で、例えば、その近くで、遠隔的に加熱することができる。種々の態様において、遠隔加熱およびセルの近位での抵抗加熱の両方を、上記で議論されている冷却過程と同じまたは類似した過程において使用することができる。
【００４９】
図14Aおよび図14Bは、一つまたは複数の態様に従う、それぞれ、それに熱的に結合したミニチャネル管を含む角柱セルのシミュレーション、およびミニチャネル管の近くの熱プロファイルのより限局的な画像の、シミュレートされた熱の図1400Aおよび1400Bの例を示す。数値結果は、以前のBTMSと比較して、ミニチャネル技術を用いたより効率的な冷却を示すことができる。図14Aおよび図14Bを作成するのに用いられた支配方程式およびシミュレーションを説明する助けとなるように、本明細書において解析が提供されている。
【００５０】
以下は、BTMSを創作する際のいくつかの設計検討の解析であり、解析を理解する助けとなるように、図のいくつかに参照がなされる。ミニチャネル管における流体の流れは、概して、低いレイノルズ数（Re）のために層流領域にある。層流において、局所熱伝達係数hは、図6Aに示されているように、管の直径と反比例して変動する（すなわち、hα1/D）。直管において完全に発生した層流について、圧力降下（ΔP）を、式1：ΔP＝32＊μ＊V＊L/D2（式中、μは流れの粘度であり、Vは流速であり、Lは管の長さであり、およびDはポートの水力直径である）を用いて算出することができる。図6Bは、固定された流速およびポート長での、圧力降下対ポート直径を例証する。いくつかの熱管理システムについて、入口プレナムおよび出口プレナム、ならびにポート湾曲からの影響を、ポンピング力の必要量の概算において考慮することができる。ミニチャネル管の流体の流れは、高い熱伝達係数の利点を有するが、ミニチャネル管は、大きい圧力降下を引き起こし、かつ付随的に高いポンピング力を必要とし得、これにより生じる障害は、圧力降下の方程式に基づき得るように、管の長さまたは流速を低減させることを通して少なくとも部分的に克服することができる。
【００５１】
図5は、以前に議論されているようなミニチャネル管の寸法を示す。便宜上、寸法を再び提示する。寸法は、全体の幅502（W）、ポート間の間隔508（WW）、側壁512の厚さ510（Wt）、ポート504A〜Kの幅514（Wc）、およびポート504A〜Kの高さ516（Hc）を含むことができる。別のパラメータは、ポートの長さ（L）を含む。これらの設計パラメータの様々な組み合わせが、非線形探索アルゴリズムを用いて成し遂げられ得るように、最適化のための大きな探索空間をもたらすことができる。
【００５２】
圧力降下（ΔP）および温度増大（ΔT最大）についての経験的モデルを、本明細書において説明する。市販のCOMSOL Multiphysics（登録商標）ソフトウェア（COMSOL, Inc., Burlington, Massachusetts, U.S.A.から入手可能）を用いた共同数値シミュレーションおよび実験を行って、経験的モデル、およびミニチャネル管をBTMSに応用する実現可能性を探査した。50/50 EG/W溶液を、流体として用いた。ガイドラインとして数値結果を用いて、基本型の実験室規模の冷却システムを製作し、2種の経験的モデルを検証および較正するために試験した。米国エネルギー省（DOE）アルゴンヌ国立研究所によって開発されたBatPaC費用モデルを用いて、新たなBTMSの費用解析を説明し、流体冷却を伴う従来のBTMSのものと比較する。BTMSのためのミニチャネル冷却の実現可能性は、研究に基づいて確認された。
【００５３】
バッテリー熱の発生および輸送の数値モデリングおよびシミュレーションは、全体のバッテリー性能、安全性、および寿命を増強する方法を見出す助けとなるように用いることができるツールである。COMSOL Multiphysics（登録商標）ソフトウェアに組み込まれたBatteries & Fuel Cells ModuleおよびHeat Transfer Moduleは、化学反応による熱発生過程、ならびに、拡散、対流、および放射を含む熱輸送過程をシミュレートするために適用されたツールのセットを提供した。
【００５４】
概して、2種の一般的なタイプのLiイオンセル：より小さな電荷容量（例えば、5Ah未満）を有する円柱セル、およびより大きな電荷容量（例えば、10 Ahより大きい）を有する角柱セルが存在する。いくつかの予備的な結果を得るために、熱の発生および輸送を、COMSOLを用いて円柱セルにおいて研究した。しかしながら、角柱セルのより大きな電荷容量によって、角柱セルは、例えば、より大きな運転範囲（例えば、およそ250マイル〜約300マイル）を達成するのに役立つために、大きなバッテリーパックを有するEVなどに対して、より広く応用可能となる。
【００５５】
直列接続した2個の角柱セルのための実験室規模のミニチャネル冷却システムを、ΔT最大およびΔPを見出すために研究した。全体の熱抵抗（R0）は、以下のように方程式2：R0＝ΔT最大／Q熱（式中、Q熱は全バッテリー熱生成率である）において定義される。ひとたびR0が与えられるかまたは分かると、異なる加熱条件での最大温度増大（ΔT最大）を、方程式(2)に基づいて概算することができる。全熱抵抗R0は、方程式3：R0＝Rセル＋Rベース＋REG/W＋R対流（式中、RセルおよびRベースは、それぞれ、セルおよびミニチャネルベースの伝導熱抵抗に相当し、REG/Wは、EG/W冷却剤のカロリー熱抵抗であり、およびR対流は対流熱抵抗である）に示されるように、4種の構成要素に分けることができる。方程式(3)における最初の3種の構成要素を概算することは簡単明瞭であるが、R対流を見出すために研究努力が費やされ得る。対流熱伝達を特徴決定する一般的かつ便利な方法は、無次元ヌッセルト数（Nu）によるものである。R対流は、ミニチャネル軸に沿った積分によってNuから計算することができる。
【００５６】
ミニチャネル管における圧力降下は、方程式4：ΔP＝f＊(L/Dh)＊(0.5＊ρf＊V2)（式中、ρfは流体密度であり、およびDhは水力直径である）におけるように、完全に発生した層流について摩擦因子（f）を用いることによって計算することができる。Dhは、方程式5：Dh＝(2＊α＊Wc)/(1＋α)（式中、α＝Hc/Wcはミニチャネルの縦横比）を用いて決定することができる。
【００５７】
これらの方程式に基づいた熱伝達シミュレーションからの結果を、図14Aおよび図14Bに提示する。シミュレーションは、COMSOL Multiphysics（登録商標）ソフトウェアを用いて完成させた。図14Aおよび図14Bは、3本のミニチャネル管ストライプを通した水冷却を伴う、単一角柱セル上のミニチャネルのシミュレーションを示す。
【００５８】
対流熱伝達係数（Nu）および摩擦因子fについての経験的モデルを、それぞれ、創出することができる。具体的には、対流熱伝達を、レイノルズ数Re（Re＝ρf＊V＊Dh/μ）、プラントル数Pr（Pr＝Cp＊μ/k、式中、Cpおよびkは、それぞれ、EG/Wの比熱および熱伝導率である）の関数として、モデル化することができる。
【００５９】
設計ガイドラインとして数値シミュレーションを用いて、BTMSを設計することができる。基本型BTMSは、Wc＝1.33 mm、Hc＝2.72 mm、Ww＝0.25 mm、Wt＝0.51 mm、およびW＝25.40 mmのミニチャネル管外形を含んだ（対応する寸法については、図5を参照されたい）。ミニチャネル管を、入口ポートおよび出口ポートとして機能する、2本の差し入れられたアルミニウム管と溶接した。冷却ループの概略図を、図12に示す。ギアポンプを用いて、ループの内側に50/50 EG/W溶液を駆動した。流速を、流量調節弁によって制御し、容積流速を、流量計によって測定した。流れフィルターを用いて、ミニチャネル管が目詰まりすることを阻止した。ミニチャネルにわたる圧力降下（ΔP）を、圧力変換器によってモニタリングした。概ね一定の温度を有する水浴（例えば、加熱器／冷却器）を用いて、ミニチャネル管の入口でEG/W溶液を一定の温度に保った。直列接続の2個のバッテリーを、コンピュータで制御されたバッテリーサイクラー（例えば、負荷）に連結させて、プログラムされた変化／放電サイクルを作動させた。多岐管（例えば、入力ポート1210Aおよび出力ポート1212A）における温度を、熱電対で測定した。圧力および温度の測定値についてのデータを、コンピュータソフトウェア（例えば、National Instruments（登録商標）, Austin, Texas, U.S.A.から入手可能であるCompactDAQモジュールおよびLABVIEW）を用いて収集した。バッテリーにおける温度変化を、赤外線カメラによって記録した。外部環境の影響を低減させるのに役立つように、バッテリーおよびミニチャネル管冷却装置を、断熱層によって覆った。
【００６０】
前述の説明は、実験室規模のBTMSに関するものであるが、実験室規模の冷却システムからスケールアップすることにより、同じまたは類似した経験的モデルを応用して、任意の他のバッテリーパックのための本格的規模のBTMSを設計することができる。スケールアップしたBTMSにおいては、第2の（またはそれより多い）冷媒ループまたは加熱器を用いて、異なるバッテリー操作条件で流体温度を制御するのを助けることができる。
【００６１】
本明細書において議論される研究によって、本明細書において議論されるBTMSは、従来の冷却システムよりも小型でかつより軽量であり得ることが示された。また、新たな冷却システムの予測される製造費用は、従来の流体冷却システムよりも20％低いかまたはそれを超え得る。
【００６２】
図15は、一つまたは複数の態様に従う、方法1500の例の流れ図を示す。示されているような方法1500は、操作1502で、一つまたは複数のミニチャネル管に流体をポンプで注入する工程；操作1504で、バッテリーのセルの温度を測定する工程、および、操作1506で、セルの温度を特定の温度範囲内に維持するように、流体の温度を変化させる工程（例えば、流体を加熱または冷却する工程）を含む。一つまたは複数のミニチャネル管は、バッテリーパックの一つまたは複数のセルに熱的に結合していることができる。セルは、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルであることができる。
【００６３】
方法1500は、一つまたは複数のミニチャネル管の各々において流体の流速を個々に変動させる工程を含むことができる。1506での操作は、例えば、一つまたは複数のセルの電解質と接触するように、セルの少なくとも部分的に内部にある一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管を用いて、一つまたは複数のセルを加熱または冷却する工程を含むことができる。一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管は、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルのくぼみの中に位置している。一つまたは複数のセルは、リチウムイオンセルであることができる。前記特定の範囲は、約20℃〜約30℃であることができる。流体は、EG/W流体を含むことができる。
【００６４】
本明細書において議論されるバッテリー熱管理（BTM）システム、器具、および方法は、EVシステムについての使用に関して記載されているが、BTMは、数多くの他のタイプのバッテリーならびに他の器具およびシステムについての、種々のタイプの熱伝達（加熱および冷却）操作のために用いることができる。一つの応用は、バッテリー性能および寿命を改善するためのエネルギー貯蔵を含むことができる。他の器具およびシステムは、水中の乗り物（例えば、潜水艦）、無人の乗り物（例えば、無人の空中、地上、もしくは水中の乗り物もしくは装置）、空中の乗り物（例えば、旅客機、軍用機、ヘリコプター、輸送機など）、遠隔制御装置、または、一つもしくは複数のバッテリーを含み、BTMシステムから恩恵を受け得る他の装置を含むが、これらに限定されない。従って、BTMは、EVバッテリーでの使用のみに限定されず、単純に、提示される概念、システム、および方法論を容易に理解するために、BTMをEVバッテリーでの使用について説明した。また、EV BTMにおける使用についても、添付の開示は、他のタイプのバッテリーに容易に適用可能であり、従って、リチウムまたはリチウム化合物ベースのバッテリーのみに限定されるように考えられるべきではない。本明細書における解析は、リチウムまたはリチウム化合物ベースのバッテリーに関するが、別のバッテリー技術を用いて再現することができる。他のバッテリー技術は、リチウム技術とは異なる最適な操作温度および貯蔵温度を有し得ることに、注意されたい。そのような変動は、冷却のために用いられる流体を変更すること、ならびに、選択される流体およびバッテリーの標的温度範囲と一致して、流体を加熱または冷却するように制御器をプログラミングすることによって、対応することができる。
【実施例】
【００６５】
補注
本主題を、いくつかの実施例を介して説明することができる。
【００６６】
実施例1は、（器具、方法、行為を行うための手段、または、装置によって行われる場合に装置に行為を行わせることができる指示を含む、装置が読み取り可能な記憶などの）主題を含むかまたは用いることができ、例えば、バッテリーパック内の一つもしくは複数のセルと熱的に結合するように構成されている一つもしくは複数のミニチャネル管、該一つもしくは複数のセルの温度を測定するための温度センサー、または、該一つもしくは複数のセルの温度を特定の温度範囲内に維持するように、該温度センサーからの測定された温度に基づいて、該一つもしくは複数のミニチャネル管内の流体の流速を変動させるためのポンプを、含むかまたは用いることができる。
【００６７】
実施例2は、流体から粒子を除去するためのフィルターを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1の主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００６８】
実施例3は、ポンプが、一つまたは複数のミニチャネル管の各々において流体の流速を個々に変動させるためのものであることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1および2の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００６９】
実施例4は、一つまたは複数のミニチャネル管が、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルの温度を変化させるためのものであることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1〜3の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００７０】
実施例5は、ミニチャネル管が、セルの電解質と接触するように、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルの少なくとも部分的に内部にあることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1〜4の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００７１】
実施例6は、一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管が、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルのくぼみの中に位置していることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1〜5の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００７２】
実施例7は、一つまたは複数のミニチャネル管が、概ね「U」字形であり、かつ、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルの少なくとも二つの側面に熱的に結合していることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1〜6の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００７３】
実施例8は、ミニチャネルが、約0.2ミリメートル〜約3.0ミリメートルの水力直径を含むことを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1〜7の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００７４】
実施例9は、一つまたは複数のミニチャネルの壁の厚さが、約100マイクロメートル〜約200マイクロメートルであることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1〜8の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００７５】
実施例10は、一つまたは複数のセルがリチウムイオンセルであり、特定の範囲が約20℃〜約30℃であることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1〜9の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００７６】
実施例11は、一つまたは複数のミニチャネル管が、一つまたは複数のセルの壁から独立した壁を含むことを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例1〜10の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００７７】
実施例12は、（器具、方法、行為を行うための手段、または、装置によって行われる場合に装置に行為を行わせることができる指示を含む、装置が読み取り可能な記憶などの）主題を含むかまたは用いることができ、例えば、バッテリーパックの一つもしくは複数のセルと熱的に結合している一つもしくは複数のミニチャネル管に、流体をポンプで注入する工程、該一つもしくは複数のうちの一つのセルの温度を測定する工程、または、該一つもしくは複数のセルの温度を特定の温度範囲内に維持するように、該流体の温度を変化させる工程を、含むかまたは用いることができる。
【００７８】
実施例13は、一つまたは複数のミニチャネル管の各々において流体の流速を個々に変動させる工程を、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例12の主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００７９】
実施例14は、流体の温度を変化させる工程が、一つまたは複数のセルの電解質と接触するように、一つまたは複数のセルの少なくとも部分的に内部に位置している、一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管の温度を変化させるように、流体の温度を変化させることを含むことを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例12および13の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００８０】
実施例15は、一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管が、一つまたは複数のセルのうちの一つのセルのくぼみの中に位置していることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例12〜14の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００８１】
実施例16は、一つまたは複数のセルがリチウムイオンセルであり、特定の範囲が約20℃〜約30℃であることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例12〜15の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００８２】
実施例17は、（器具、方法、行為を行うための手段、または、装置によって行われる場合に装置に行為を行わせることができる指示を含む、装置が読み取り可能な記憶などの）主題を含むかまたは用いることができ、例えば、一つまたは複数のバッテリーセル、および、該一つまたは複数のバッテリーセルに熱的に結合するように該一つまたは複数のバッテリーセルに取り付けられた一つまたは複数のミニチャネル管を、含むかまたは用いることができる。
【００８３】
実施例18は、一つまたは複数のバッテリーセルのうちの一つのバッテリーセルが、その側壁にくぼみを含むこと、および、一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管が、該くぼみにおいて該バッテリーセルに接触するように、該くぼみの中に少なくとも部分的に位置していることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例17の主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００８４】
実施例19は、一つまたは複数のミニチャネル管のうちの一つのミニチャネル管が、バッテリー中の電解質に接触するように、一つまたは複数のバッテリーセルのうちの一つのバッテリーセル内に少なくとも部分的に位置していることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例17〜18の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００８５】
実施例20は、一つまたは複数のバッテリーセルがリチウムイオンバッテリーセルであること、および、一つまたは複数のミニチャネル管がアルミニウムを含むことを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例17〜19の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００８６】
実施例21は、（器具、方法、行為を行うための手段、または、装置によって行われる場合に装置に行為を行わせることができる指示を含む、装置が読み取り可能な記憶などの）主題を含むかまたは用いることができ、例えば、アレイ状に配列されたバッテリーセルの複数の列、および、隣接した列の両方におけるセルに同時に熱的に接触するように、該バッテリーセルの複数の列のうちの隣接した列の間に位置している一つまたは複数のミニチャネル管を、含むかまたは用いることができる。
【００８７】
実施例22は、流体が入力ポートからミニチャネル管を通って出力ポートに流れることができるように、各ミニチャネル管が、複数の入力ポートのうちの一つの入力ポートおよび複数の出力ポートのうちの一つの出力ポートに連結されている、複数の入力ポートおよび出力ポートを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例21の主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００８８】
実施例23は、複数の入力ポートに流体をポンプで注入するために、複数の入力ポートに結合したポンプを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例22の主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００８９】
実施例24は、ミニチャネル管が、概ね「U」字形であり、かつ、バッテリーセルの複数の列のうちの一つの列においてセルの二つの向かい合う側面に熱的に接触するように構成されていることを、含むかもしくは用いることができるか、または、実施例21〜23の少なくとも一つの主題と任意で組み合わせて、含むかもしくは用いることができる。
【００９０】
主題の概観を、具体的な態様を参照して説明してきたが、本開示のより広い精神および範囲から逸脱することなく、これらの態様に対して種々の改変および変更がなされ得る。
【００９１】
本明細書において例証される態様は、当業者が開示される教示を実施することを可能にするように十分詳細に説明される。本開示の範囲から逸脱することなく、構造的および論理的置換および変更がなされ得るように、他の態様を用いることができ、かつそれらから派生させることができる。従って、詳細な説明は、限定的な意味に取られるべきではなく、種々の態様の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ、そのような特許請求の範囲が権利を与えられる同等物の完全な範囲とともに定義される。
【００９２】
さらに、単一の例として本明細書において記載されている資源、操作、または構造のために、複数の例を提供することができる。追加的に、種々の資源、参照番号を伴うアイテム、または操作の間の境界は、幾分恣意的であり、特定の操作は、具体的な例証となる構成の文脈において例証される。機能性の他の割り当てが、構想され、本発明の種々の態様の範囲内に入ることができる。概して、例示的構成において分離した資源として提示されている構造および機能性を、組み合わされた構造または資源として実行することができる。同様に、単一の資源として提示されている構造および機能性を、分離した資源として実行することができる。
【００９３】
本明細書において、「一つの」（「a」または「an」）という用語は、特許文書において一般的であるように、「少なくとも一つの」または「一つまたは複数の」の任意の他の例または使用法とは独立して、一つまたは一つより多くを含むように用いられる。本明細書において、「または」という用語は、別の方法で指示されない限り、非排他的なものを指すように用いられるか、または、「AまたはB」が、「BではないA」、「AではないB」、および「AおよびB」を含むように用いられる。本明細書において、「含む（including）」および「その中で（in which）」という用語は、それぞれの用語「含む（comprising）」および「その中で（wherein）」の明瞭な英語の同義語として用いられる。また、添付の特許請求の範囲において、「含む」（「including」および「comprising」）という用語は、開放型であり、すなわち、請求項においてそのような用語の後に列挙されるものに加えて要素を含むシステム、装置、物品、組成物、製剤、または過程が、その請求項の範囲内に入ると、なお考えられる。さらに、「第1の」、「第2の」、および「第3の」などの用語は、単に標識として用いられ、その目的語に対して数値的要件を課すようには意図されない。
【００９４】
これらのおよび他の変形、改変、付加、および改善は、添付の特許請求の範囲によって表されるような本発明の主題の範囲内に入る。従って、明細書および図面は、制限的意味よりもむしろ例証的意味において注目されるべきである。
【図１】
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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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【国際調査報告】
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