(57)【要約】バッテリセルは、セルから外部の熱交換インタフェースまで延びる統合された上記チャンバを追加することで、熱効率が高められている。統合された蒸気チャンバは、セルの内部と外部の間に温度差があるときに液相と気相との間で相変化をする作動流体を含み得る。統合された蒸気チャンバは、作動流体を蒸気チャンバの外壁に移動させるためのウィッキング材料を含み得る。統合された蒸気チャンバは、バッテリセルの加熱と冷却との両方を可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル本体と、前記セル本体に埋め込まれた蒸気チャンバと、を備えるバッテリセル。
【請求項２】
前記蒸気チャンバの一部を備える前記バッテリセルから延びるステムをさらに備える、請求項１に記載のバッテリセル。
【請求項３】
前記蒸気チャンバ内にウィッキング構造をさらに備える、請求項１に記載のバッテリセル。
【請求項４】
前記ウィッキング構造は、前記蒸気チャンバの全長に延びる、請求項３に記載のバッテリセル。
【請求項５】
前記ウィッキング構造が少なくとも１つの蒸気チャネルを含む、請求項３に記載のバッテリセル。
【請求項６】
前記ウィッキング構造は、リング形状の断面を有する、請求項５に記載のバッテリセル。
【請求項７】
前記ウィッキング構造は、放射状に突き出た形状の断面を有する、請求項５に記載のバッテリセル。
【請求項８】
前記ウィッキング構造は、十字形状の断面を有する、請求項５に記載のバッテリセル。
【請求項９】
前記ウィッキング構造は、前記蒸気チャンバに沿って延びるカラムを備える、請求項５に記載のバッテリセル。
【請求項１０】
前記蒸気チャンバは、前記セル本体に深絞りされている、請求項１に記載のバッテリセル。
【請求項１１】
前記蒸気チャンバが前記セル本体に溶接されている、請求項１に記載のバッテリセル。
【請求項１２】
前記ステムは、前記セル本体のケーシングに対するシールを含む、請求項２に記載のバッテリセル。
【請求項１３】
前記シールが溶接部である、請求項１２に記載のバッテリセル。
【請求項１４】
前記バッテリセルが燃料電池である、請求項１に記載のバッテリセル。
【請求項１５】
前記蒸気チャンバは、ヒートパイプ壁から形成されたヒートパイプケーシングと、少なくとも１つの蒸気チャネルを有するウィッキング構造と、を含み、前記蒸気チャンバは前記セル本体に部分的に埋め込まれると共に、前記セル本体の外に部分的に延びてステムを形成し、前記ヒートパイプケーシングは、前記ウィッキング構造を取り囲んで収容すると共に前記セル本体の内側に延びる熱伝導ケーシングであり、前記蒸気チャンバは、気密シールで前記本体に接続される、請求項１に記載のバッテリセル。
【請求項１６】
前記セル本体は、電気接続キャップおよび螺旋巻き電極を含み、前記蒸気チャンバは、液相と気相の間で相変化をすることができる作動流体を含む、請求項１５に記載のバッテリセル。
【請求項１７】
前記ステムに熱源を適用することを含む、請求項２に記載のバッテリセルを加熱する方法。
【請求項１８】
前記セル本体の内部温度よりも低い温度で、前記ステムを物質と接触させることを含む、請求項２に記載のバッテリセルを冷却する方法。
【請求項１９】
前記バッテリセルのケーシングに内部パイプをレーザ溶接し、それにより前記セル本体に埋め込まれた前記蒸気チャンバのヒートパイプを形成することを含む、請求項１に記載のバッテリセルを製造する方法。
【請求項２０】
深絞りプロセスによって内部パイプを作成し、それにより、前記セル本体に埋め込まれた前記蒸気チャンバのヒートパイプを形成することを含む、請求項１に記載のバッテリセルを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１６年１２月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／４３８，３６６号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0001] 例えば、車両で使用されるバッテリパックなどのマルチセルバッテリ、バッテリ構成、およびアセンブリにおいて、大量の発熱による熱暴走などの故障モードを排除するために急速冷凍が重要であり、最適なサイクル寿命を維持するためにセルの平均温度を保つことが重要である。さらに、過度の寒さがバッテリの効率と放電能力を制限する状況では、走行範囲とサイクル寿命を改善するために高速の予熱が必要とされる。よって、最適な熱伝達率が必要である。
【０００３】
[0002] 一般的に使用されるバッテリ冷却／加熱方法は、セルをヒートポンプ熱インタフェースなどの熱交換器インタフェースと接触させることにより、バッテリセルを加熱および冷却する。ただし、これらのシステムには下記の欠点がある。
【０００４】
[0003] １）セルからの又はセルへの熱伝達の制限による電気エネルギの放電および充電率の制限。
【０００５】
[0004] ２）バッテリセルは、ジュール加熱効果（内部電気抵抗）、化学反応加熱、および発熱化学反応により、充電および放電中に本質的に熱を発生する。この加熱は、放電および充電率が慎重に制御されていない場合、危険な温度上昇を引き起こす可能性があり、したがってセルの故障を引き起こす可能性がある。このため、充電および放電レートの制限は、セルの温度に直接関係する。セルの温度が下がりすぎると、電気化学反応の活性化エネルギの不足、電解質の導電性の低下、および電荷の拡散が遅いため、セルの性能も低下する。
【０００６】
[0005] ３）追加の冷却装置を備えたＬｉバッテリセルの現在の技術状態は、バッテリモジュール／パックの電力密度を制限する。間接冷却は、高出力密度のバッテリモジュール／パックおよび高Ｃレート動作で望ましい動作温度範囲を維持するには不十分である。
【０００７】
[0006] ４）可変バッテリプラットフォームおよび配置を満たすことには限界がある。
【発明の概要】
【０００８】
[0007] 二次バッテリセルのジェリーロールの中空コアに挿入され、外に延びて熱交換器流体などの熱交換器インタフェースと接触するように設けられるウィック付き（ｗｉｃｋｅｄ）ヒートパイプ（蒸気チャンバ）を使用して、セルから熱を効率的に移動（冷却）したり、セルに熱を効率的に移動（加熱）する、直接バッテリセルを冷却および予熱する新規な設計が提供される。
【０００９】
[0008] 本発明の第１の態様によれば、セル本体と、前記セル本体に埋め込まれた蒸気チャンバと、を備えるバッテリセルが開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】[0009] 図１は、統合された蒸気チャンバを有するバッテリセルの例示的な断面を示す。
【図２Ａ】[0010] 図２Ａは、冷却モードにおける統合された蒸気チャンバを有するバッテリセルの例示的な断面を示す。
【図２Ｂ】[0011] 図２Ｂは、加熱モードにおける統合された蒸気チャンバを有するバッテリセルの例示的な断面を示している。
【図３】[0012] 図３は、統合された蒸気チャンバを有する例示的なバッテリセルの外観図および内部図を示す。
【図４】[0013] 図４は、バッテリセルと外部放熱ロッドとの間の例示的な密封接続を示す。
【図５Ａ】[0014] 図５Ａは、統合された蒸気チャンバを有する例示的なバッテリセルの蒸気チャンバにおけるウィッキング材料構成の例を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、統合された蒸気チャンバを有する例示的なバッテリセルの蒸気チャンバにおけるウィッキング材料構成の例を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、統合された蒸気チャンバを有する例示的なバッテリセルの蒸気チャンバにおけるウィッキング材料構成の例を示す。
【図５Ｄ】図５Ｄは、統合された蒸気チャンバを有する例示的なバッテリセルの蒸気チャンバにおけるウィッキング材料構成の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0015] バッテリセルの改良は、作動流体（相変化流体）を含む蒸気チャンバとウィッキング（ｗｉｃｋｉｎｇ）構造をセル本体に統合し、セルの内部とセルの外部との間にヒートパイプを作成することにより達成できる。一実施形態において、ヒートパイプ装置は、セルケーシングに統合され、バッテリセルケーシングの軸方向および中心に配置され、セルの内部からまたは内部に熱エネルギを伝達する手段を提供するように外側に延びる。
【００１２】
[0016] 熱エネルギがヒートパイプ装置に加えられると、液体は、加えられた熱を吸収するにつれて蒸気へ相変化（蒸発）する。その後、蒸気はヒートパイプの凝縮セクションに移動し、そこで液相へ凝縮して熱を放出する。
【００１３】
[0017] 蒸気流は、飽和蒸気の圧力差によって蒸発セクションから凝縮セクションに進み、外力または追加の力を必要としない。液体作動流体は、重力またはヒートパイプの内壁に沿ったウィック（ｗｉｃｋ）またはウィッキング材料による毛管作用によって蒸発セクションに流れる。ウィックが提供する毛管現象により、セルの物理的な空間方向に依存しないヒートパイプ機能が保証される。
【００１４】
[0018] このプロセスは可逆的であり、セルの内部と、セルの外側のヒートパイプ装置の部分（ステム）との間の温度差に応じて、セルに熱を出し入れする。
【００１５】
[0019] 本明細書で使用される「バッテリパック」は、単一の統合されたユニットとしてシステムにエネルギ貯蔵および電力を提供するために、直列または並列または直列および並列の組み合わせで相互接続された任意の数のバッテリセルのセットを表す。バッテリパックの例としては、数千個の円筒形リチウムイオンバッテリセルで構成され得る電気自動車のリチウムイオンバッテリがあろう。
【００１６】
[0020] 本明細書で使用される「バッテリセル」は、化学反応から電気エネルギを生成することができる電気化学セルを表す。いくつかのバッテリセルは、セルに電流を流すことで充電可能である。バッテリセルには、電流の生成に使用される電気化学反応に基づいて、鉛酸、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、ニッケル金属水素化物、リチウムイオン、クロロアルミネートナトリウムなど、さまざまな種類がある。バッテリセルは化学反応に基づいて電気を生成するため、セルの温度は電気が生成される効率に影響を与え得る。バッテリセルは、酸化水素プロトン交換膜セル、リン酸セル、または固体酸セルなどの燃料電池であってもよい。
【００１７】
[0021] 本明細書で使用される「ヒートポンプ」は、外部電源の用途によって、「熱源」として知られるシステムのある部分から「ヒートシンク」として知られるシステムの別の部分に熱エネルギを移動させるシステムを表す。典型的に、熱は、熱源とヒートシンクの間を循環する流体の動きによって伝達される。例には、可逆性の二相冷媒システムと単相エチレングリコールシステムが含まれる。
【００１８】
[0022] 本明細書で使用される「蒸気チャンバ」（または「ヒートパイプ」）は、あるインタフェースから別のインタフェースに行き来する作動流体の熱伝導率および相転移（ある相では液体、別の相では蒸気）によって２つの固体界面（表面）を効率的に熱平衡にする可逆（加熱および冷却）システムを表す。
【００１９】
[0023] 本明細書で使用される「軸冷却」は、システム、例えば、システムに接続されたヒートポンプ駆動外部熱交換器など、システムから外部的に送達される冷却を表す。名前は、軸に沿った冷却／加熱ラインの概念から派生しているが、ここで使用される用語は、特定の流れ方向に限定されない（つまり、入力と出力は、互いに対して垂直でもよいし、または任意の角度であってもよい）。
【００２０】
[0024] 本明細書で使用される「放射状冷却」は、コンポーネントから、放射状冷却システムに熱的に結合された周囲の冷却システムへ放射状にシステムのコンポーネントを冷却することを表す。放射状冷却の例は、システム内の統合された蒸気チャンバである。
【００２１】
[0025] 図１は、統合された蒸気チャンバを有する例示的なセルを示している。セルは、本体（１５０）とステム（１６０）とを含むものとして説明され得る。本体（１５０）は、電気接続キャップ（１１０）と螺旋巻き電極（１００）（電極のジェリーロールまたはスイスロール構造とも呼ばれる）とを含み得る。蒸気チャンバ（１２０）は、蒸気チャンバ（１２０）に熱を出し入れするためのヒートパイプ壁（１２１）と、流体が液相にあるときに蒸気チャンバ（１２０）内で作動流体を輸送するウィッキング構造（１２２）とを含み得る。ウィッキング構造（１２２）は、流体が蒸気相にあるときに作動流体の動きを可能にする蒸気チャネルを含むように構築され得る。蒸気チャンバ（１２０）は、蒸気密封シール（１３０）で本体（１５０）に接続され得る。
【００２２】
[0026] 図２Ａは、冷却モードにおける図１のセルの例を示している。本体（２００）の内部がステム（２２０）の外部よりも高い温度を有する場合、蒸気チャンバは、セル（２００）の熱が蒸気チャンバによって吸収されて作動流体が液体から蒸気に蒸発する蒸発領域（２５０）と、吸収された熱が作動流体の蒸気から液体への相変化によってステム（２２０）からその周囲（例えば、冷却剤バスまたはヒートシンク）に放射される凝縮領域（２６０）と、他の２つの領域の間の断熱領域（２７０）と、を有すると説明され得る。
【００２３】
[0027] 図２Ｂは、加熱モードにおける図１のセルの一例を示している。ステム（２２０）の外部に熱が加えられ、その温度がセル（２００）の内部よりも高くなると、蒸気チャンバは、外部源から熱を吸収して主に蒸気相の作動流体を有するステム上の蒸発領域（２６５）と、熱がセル内に放出されて作動流体が主に液相である凝縮領域（２５５）と、他の２つの領域の間の断熱領域（２７５）と、を有すると説明され得る。
【００２４】
[0028] 図３は、統合された蒸気チャンバを有する例示的なセルの外観図（３００）および内部（断面）図（３１０）を示す。この例では、ウィッキング構造（３２０）が蒸気チャンバの全長に伸びていることに注意されたい。他の実施形態では、蒸気チャンバの全長に延在しないウィッキング構造、例えば、セルの本体内に完全に延在するがセルのステム内では部分的にのみ延在するウィッキング構造を含んでもよい。
【００２５】
[0029] 図４は、統合された蒸気チャンバを備えたセルのステム（４２０）と本体（４００）との間の接続の例示的な拡大断面図を示す。本体のシェル（４１０）は、内部パイプをケーシングにレーザ溶接するか、ウィッキング構造（４４０）が存在する内部パイプを作成する深絞り加工をするか、または同様の方法で、内側に伸びて蒸気チャンバを形成する。ステム（４２０）は、レーザ溶接、スポット溶接、スポットろう付け、またはその他の蒸気密封プロセスによって、シール（４３０）で本体シェル（４１０）に取り付けられ得る。本明細書のステムは、例としてロッド形状として示されているが、他の形状が使用されてもよい。さらに、ステムは、表面積を増やして熱伝導を向上させるために熱伝導性フィンを含んでもよい。
【００２６】
[0030] 図５Ａ〜５Ｄは、図４に示される例示的なセルの断面（４４０Ａ〜４４０Ａ）として、例示的なウィッキング構造パターンを示す。それぞれにおいて、ヒートパイプケーシング（５１１、５１２、５１３、５１４）は、ウィッキング構造（５２１、５２２、５２３、５２４）と少なくとも１つの蒸気チャネル（５３１、５３２、５３３、５３４）とを取り囲む。図５Ａは、中央に蒸気チャンバ（５３１）を有するケーシング（５１１）に接続された層としてのウィッキング構造（５１１）を示している。図５Ｂは、スポーク形状のストリップとしてのウィッキング構造（５２２）を示している。図５Ｃは、複数の蒸気チャネル（５３３）が存在するように、中心で接続されたスポーク形状のストリップとしてのウィッキング構造（５２３）を示している。図５Ｄは、蒸気チャンバを上る直線状または螺旋状のパターンのいずれかで、ケーシング（５１４）に接続された別個のカラムとしてのウィッキング構造（５２４）を示している。
【００２７】
[0031] 本開示の多くの実施形態が説明された。しかしながら、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正がなされ得ることが理解されるであろう。したがって、他の実施形態は以下の特許請求の範囲の射程内にある。
【００２８】
[0032] 上記の例は、完全な開示および本開示の実施形態を作成および使用する方法の説明として当業者に提供され、発明者／発明者たちが記載の範囲を限定することを意図するものではない。
【００２９】
[0033] 本明細書に開示される方法およびシステムを実行するための上述のモードの修正は、当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲内にあることを意図している。本明細書で言及されるすべての特許および刊行物は、本開示が関係する当業者の技術の水準を示している。本開示で引用されたすべての参考文献は、各参考文献がその全体が個別に参照により組み込まれているかのように、同様の程度で参照により組み込まれる。
【００３０】
[0034] 本開示は、特定の方法またはシステムに限定されず、当然ながら変化し得ることを理解されたい。また、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではないことも理解されたい。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、内容が明確に別の指示をしない限り、複数の指示対象を含む。「複数」という用語には、コンテンツで特に明記されていない限り、２つ以上の指示対象を含む。別に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本開示が関係する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【国際調査報告】
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