JP5709014B2 - 電気エネルギーを貯蔵する充電可能なバッテリの温度調節方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの電気化学要素を有し、電気エネルギーを貯蔵する充電可能なバッテリのなかでも特に、電気駆動車またはハイブリッド車のバッテリを自律的かつ連続的に温度調節する方法に関する。

また、本発明は、少なくとも１つの電気化学要素を有し、電気エネルギーを貯蔵する充電可能なバッテリのなかでも特に、電気駆動車またはハイブリッド車のバッテリを自律的かつ連続的に温度調節する装置に関する。

充電可能な蓄電用バッテリは、電気駆動車またはハイブリッド車に重要な主要部品を構成する。現代の電気化学バッテリのなかでも特にリチウムバッテリは、商業展開に十分な性能レベルに達している。
しかし、この部品はコストがかかる上に比較的壊れやすいため、持続性を確保するにはバッテリ内部の厳密な温度管理が決定要因となる。また、現状では、性能の安定性（周囲温度が何度であっても正常な動作が確保される状態）は提供されておらず、そのうえ使用者が化石燃料車、つまりキロメートルあたりの連続動作能力が温度とは関係のない車に乗り慣れているという習慣状況に見合うバッテリの利便性は提供されていない。

実際に、エネルギー密度または出力密度の大きいこのような新種のバッテリの電気化学要素による温度変化は、環境条件および使用条件によってバッテリの健康状態と寿命に対して累積的に影響を与え、また瞬時に性能に甚大な影響を及ぼす。このようなバッテリは一般に、ある特定の大きさに達したり、厳しい温度環境に置かれたりすると、能動的温度調節システムを要すると考えられている。

現在の対策は主に、空気または冷却液を用いる従来の温度調節装置によって解決されているが、これにはエネルギーの大量消費、部品の混雑、低効率という不都合がある。この不都合から生じるもうひとつの不都合が、バッテリ自体にエネルギーを取り込まなければならないかぎりは、この調節手段を利用できるのは限られた方法しかないという点である。これはバッテリが自律している場合、すなわちバッテリが充電されていない場合のことである。

温度調節システムは、電気自動車またはハイブリッド車に関しては特に、自動車の走行中または充電中以外は作動しないという点は従来どおりである。道路上では、一般に温度調節装置が（たとえば大気との直接熱交換で）熱収支が有利に働く場合に入手できる無償資源を部分的に採取することには限界がある。このことから、バッテリの性能は最適な状態とはなっておらず、とりわけ季節によって変化する。さらに、温度調節装置は停車中のときは作動しないため、悪条件下で長時間にわたって駐車したあとは、車体全体が使用不可能になるほどにバッテリの性能が劣化することもある。

このような欠点は、ベーシックモデルの自動車であっても高性能で信頼性が高く、そのうえ欠陥がなく安全な使用が確保されていることに慣れている使用者には受け入れられない。

このほか、自動車の熱機関を冷却する装置が存在するが、これはこの装置の冷却回路に磁気熱量物質でできたヒートポンプを使用し、この磁気熱量効果によってエンジンから生じる熱エネルギーを回収してこのエネルギーを車体の運転席へと再循環させるものである。これについては文献ＵＳ２００５／００４７２８４およびＪＰ２００５／０５５０６０を参照されたい。ただし、このような冷却装置はエンジンの動作によって異なり、独立して作動させることはできない。実際のところ、このような装置はそれ自体でバッテリの冷却には転用できない。

ＵＳ２００５／００４７２８４ ＪＰ２００５／０５５０６０

それでもなお、対策を講じてこの状況を改善し、既存の温度調節装置の欠点を補うことが不可欠であると思われる。

本発明の目的は、エネルギー効率が高く、電気エネルギーの消費が少なく、環境に配慮し、正確に自律的かつ連続的にバッテリの温度管理を行うことができる温度調節を提供し、貯蔵した電気エネルギーのうちのわずかを採取して温度調節装置に供給し、燃料を供給したシステムの有効機能に利用可能なバッテリの容量を最大限にするほか、特に電気自動車の駆動力および連続動作能力を最大限にすることによって上記の不都合を緩和することである。

この目的は、前記バッテリの電気化学要素を収容する少なくとも１つのボックスと、このボックスに連結する少なくとも１つの磁気熱量効果応用ヒートポンプと、外部環境に対して開口する少なくとも１つの熱交換器とを使用することと、前記バッテリの前記電気化学要素と前記外部環境との間の熱量を、前記バッテリと前記熱交換器と前記ヒートポンプとの間に接続された冷却液の循環回路を用いて交換することとを特徴とする、冒頭で明確にした本発明による方法で達成される。

本発明による方法は、前述の不都合を緩和することによって、前記バッテリの温度調節を行うために放出されて使用される熱出力は、内部資源からはわずかしか取り出されない。これは、物質の量子的性質に基づく磁気熱量効果を応用したヒートポンプのエネルギー効率が非常に高い（性能指数４ 〜１０）ことによるもので、原子の外側にある電子スピンがさまざまな方向を向くという性質により磁気熱量効果を有する合金が構成されるということであり、エネルギーを大量に消費する圧縮と膨張の機械的作用によって生成される冷媒ガスの相変化に基づくものではない。したがって、車体がバッテリによって自律走行する場合も含めて、バッテリが有利な条件で連続して機能するように規則的な温度調節を介入させることができる。

有利な一実施形態によれば、複数の磁気熱量効果応用ヒートポンプを使用し、このそれぞれのポンプが所定の温度範囲で実用でき、前記バッテリの電気化学要素の内部および／または外部の温度範囲に応じて、前記ポンプのうちの少なくとも１つを前記バッテリおよび外部環境に対して開口する前記熱交換器と接続する。

この配置の利点は、どのような状況であっても、バッテリの温度調節が、その時点の温度範囲に対して最適化された１つ以上の磁気熱量効果応用ヒートポンプによって行われるという点である。この方法をとることにより、単独のヒートポンプよりもはるかに高いエネルギー効率を得ることができる。単独のヒートポンプは、非常に幅広い温度領域に合わせて寸法を決定しなければならず、この温度領域の極限に近い温度では機能しない。

夏と冬とで変化する気温の大差に暴露される１つのバッテリまたはバッテリ群の温度調節に適応させた実施形態では、有利なように、磁気熱量効果応用ポンプを２つ使用し、各ポンプを約５０Ｋの温度勾配で機能するように配置する。すなわち、一方のポンプが外部環境に開口する熱交換器の最低温度約−３５°Ｃと内部温度約＋２０^０Ｃとの間、もう一方のポンプが熱交換器の最高温度約＋７０^０Ｃと内部温度約＋２０^０Ｃとの間で機能するようにする。

複数の前記ヒートポンプは、有利なように、単独の機器を構成するように互いに共有の機能を持つ。実際に、この複数の機能のうち唯一区別する部分は、温度範囲に適応させた磁気熱量物質を利用した能動蓄熱器であり、その他のケーシング、磁気切替システム、油圧切替システム、駆動およびポンプシステムなどの機能は、蓄熱器の油圧切替または機械的切替を行う装置を用いて、機械的構想を適応させて共有化することができる。その結果、冷却液はその時点の運転条件に適応する蓄熱器のみに循環する。

また、この目的は、前記バッテリの電気化学要素を収容する少なくとも１つのボックスと、前記ボックスに連結する少なくとも１つの磁気熱量効果応用ヒートポンプと、前記バッテリと前記ヒートポンプとの間に接続された少なくとも１つの冷却液の循環回路と、外部環境に対して開口し、前記冷却液の循環回路と接続して前記外部環境と熱量を交換する少なくとも１つの熱交換器とを有することを特徴とする、本発明による装置によっても達成される。

好適な実施形態によれば、本装置は、複数の磁気熱量効果応用ヒートポンプを有し、このポンプのそれぞれが所定の温度範囲で実用でき、前記バッテリの電気化学要素の内部および／または外部の温度範囲に応じて、前記ポンプのうちの少なくとも１つが前記バッテリおよび外部環境に対して開口する前記熱交換器と接続する。

夏と冬とで変化する気温の大差に暴露される１つのバッテリまたはバッテリ群の温度調節に適応させた特殊な場合では、本装置は、有利なように、約５０Ｋの温度勾配で通常どおり機能するように配置した磁気熱量効果応用ポンプを２つ有し、一方のポンプが外部環境に開口する熱交換器の最低温度約−３０°Ｃと内部温度約＋２０^０Ｃとの間で、もう一方のポンプが熱交換器の最高温度約＋７０^０Ｃと内部温度約＋２０^０Ｃとの間で機能するようにする。磁気熱量効果応用ヒートポンプの数および温度勾配は、電気化学要素によるバッテリが暴露される気象条件に応じて構想する際に調整可能である。

好適には、２つまたはそれ以上のポンプは、実際には組み合わせて単独の機器となってそれぞれのポンプが特定の温度範囲にあてがわれ、この機器が磁気熱量効果を応用した２つまたはそれ以上の蓄熱器を備えるとともに、前記蓄熱器の油圧切替または機械的切替を行う装置も備える結果、冷却液はその時点の運転条件に適応した蓄熱器にしか循環しない。

本発明およびその利点は、添付の図面を参照しながら非限定的な例として挙げた一実施形態を記載した以下の説明によりさらに明らかとなる。以下、図面を説明する。

本発明の方法は、磁気熱量効果応用ヒートポンプの技術を利用するものであり、その主な利点は、エネルギー効率が高く、電気消費量が少なく、環境面と大気汚染防止の面で好都合に作用し、有毒ガスを発生させないことである。

本発明の装置の有利な実施形態を示す概略図である。

本方法は、サーモスタティックという温度調節を行う方法であり、これは、エネルギー効率が高く、消費電力が少なく、環境に配慮したバッテリに組み込まれ、バッテリまたはバッテリ群が能動であっても受動であっても正確に自律式に継続または連続してバッテリまたはバッテリ群の温度管理を行うものである。本方法は、きわめてわずかなエネルギーコストで外部環境との熱交換のバランスをとるとともに、車両使用時およびバッテリ充電時に、使用中のバッテリ内部の熱量を消散させるという二重の機能を持ち合わせている。この熱交換のバランスおよび超過した内部熱量の排出を、バッテリの熱慣性を有効利用して２４時間のサイクルに配分する方法で実施することが好ましい。

本方法は、電気駆動車またはハイブリッド車用のバッテリまたはバッテリ群に限らず、寸法および出力密度またはエネルギー密度が特定のものである移動型または固定型のあらゆるバッテリにも適用され、その使用状況が、連続式かつ高性能の能動的な温度管理を利用する正当な理由となる。そのような状況の１例が、直接熱移動と釣り合う温度である外部熱源との熱交換ができる可能性がないという状況である。

換言すれば、本発明による方法によれば、バッテリがどのような環境で内蔵されているかにかかわらず、少なくとも１つのバッテリでサーモスタティックを実現することができる。このバッテリの温度管理は、連続式かつ自律式に行われる。その結果、たとえば前記バッテリが自動車のバッテリの場合、車体のエンジンが停止しているときでもこの管理は行われるため、バッテリの寿命が延びて性能が最適化される。

また、本発明による方法を用いたバッテリのサーモスタティックも、たとえばこのバッテリが充電中のときでも蓄電された状態でも同じように行われる。このように、本方法によって、継続式かつ自律式にバッテリを調節する装置を有するバッテリパックを作製することができる。

当然のことだが、本発明による方法は、自動車のバッテリの温度調節に限定されるわけではない。本方法は、あらゆるタイプのバッテリ（家庭用や商業用など）に使用することができ、特に、常に温度を管理する本方法を利用することによって、エネルギー消費の点で有利なようにバッテリの性能を向上させ、寿命を延ばすことができる。

磁気熱量効果応用ヒートポンプに使用される磁気熱量効果による蓄熱を利用する能動的冷却は、「磁気熱量物質」という要素が、磁場に出入りする際に、また、一般的な方法で磁場の変動を受ける際に加熱され、冷却される容量に基づくものである。この効果自体は公知のものであるが、この効果によって、有害な温室効果ガスを使用する圧縮機型の冷却装置で通常得られる結果を無害な方法で得ることができるため、主に空調設備や冷蔵設備に冷気を発生させるために用いられる。

一方、磁気熱量効果応用ヒートポンプは、明らかな温室効果をもたらす冷媒ガスを使用したりオゾン層（ＣＦＣ、ＨＦＣ）に有害であったりする従来の冷却機およびヒートポンプとは違い、環境に無害の冷却液を使用し、特にグリコールを添加した塩水または水を使用する。よって、液体に関する課題はこれで解決される。実際に、熱量輸送機能と温度変化機能は分離されており、この２つの機能を冷却液が行う従来の装置とは異なる。

磁気熱量効果の現象は、磁場と熱移動が磁気熱量物質全体へ同時に働きかける相互作用を利用することにある。密接に関連するこの現象を同時に成り立たせるには、液体の流出、磁気の永続性、熱伝導性、耐食性、粘性摩擦力および電磁圧力の点で、相反するものが必要になるという問題が生じる。

これらの機器に対して最新の科学は、磁気熱量物質である固体と、添加物の入った塩水または水などの液体である冷却液との間で行われる、高周波数（５０〜１００Ｈｚ）での高い熱交換係数（ｈ＞４００００Ｗ／Ｍ^２Ｋ）の熱交換を対象として、低エネルギーの消費およびバッテリ群への機械的収容を達成している。

一方、バッテリに関しては、エネルギー密度および出力密度の高いバッテリに関する理論的かつ実験的な多くの結果が（現時点で最新のバッテリはリチウムポリマータイプの電気化学バッテリ）、バッテリの電気化学要素の熱条件と充電性能および放電性能との関係のほか、バッテリの劣化との関係を明らかにしている。温度はバッテリの電気化学要素が日々劣化する指数と関係があり、これによってバッテリ内部の電気抵抗が増し、容量と放電力が減退することが確認された。バッテリが能動状態であっても受動状態であっても、特に充電状態で、不規則で高い温度に長時間暴露することがバッテリ劣化の原因となる。充電時および放電時の内部の熱損失はバッテリの再加熱の原因となり、これは充電出力または放電出力が高いほど損失が大きい。バッテリ全体の内部が一定の温度を超えると、強力な出力が必要な場合にバッテリの電気化学要素の内部が局地的に加熱される危険性があり、温度の急上昇を招くことがある。温度が上昇するにつれて、ますます発熱性の高いさまざまな化学反応が連続的に起こり、この現象が起こる前に対策を講じなければ最終的にはバッテリが破損するおそれがある。実際には、バッテリの内部温度が危険とされるレベルに達すると、バッテリの管理システムが放出可能な出力を制限し、温度が上昇し続ければ車体は停止してしまう。放電容量はバッテリの内部温度に著しく左右されるため、バッテリと外部環境との温度バランスをそのまま放置しておくと、自動車の連続動作能力は冬と夏とで顕著に変化する。

低温では、充電可能な最大出力および連続出力は著しく低下し、電気化学性に依存する温度の閾値を下回ると充電が不可能なまでになるが、この温度はヨーロッパ大陸および北部の冬の最低気温よりは高いことが多い。

低温では、放電エネルギーおよび放出力も同じく著しく低下する。そのため、車体の性能およびその連続動作能力も低下し、非常に低い温度ではエンジンの始動が不可能なまでになることもあり、これも同じく電気化学性によって変化する。

本発明による方法から得られる利点は、
− バッテリの寿命を大幅に節約
− バッテリが放電されない限り、車体の寿命とエネルギー貯蔵に関するあらゆる条件面で、公称性能レベルの熱機関による現在の自動車と同等の利便性
− 最大の放電エネルギーと信頼できるバッテリの残量表示で安定した性能を保障するバッテリの最適な利用
− コンセントからの電力消費を大幅に節約
である。

本発明による内蔵型の温度調節装置１０またはサーモスタティック装置は、冷媒ガスを一切用いず、磁気冷凍技術を使用した高エネルギー効率、低消費量の装置であり、冷媒ガスを用いた通気システムや圧縮システムに対して、技術とコストの面で持続性のある代替案を構成し、この冷媒ガスは、−３０^０Ｃ〜＋６０^０Ｃにおよぶ無制限な作動温度で、ハイブリッド車および電気自動車の充電可能なバッテリパックのサーモスタティックを適用するのに使用される。

温度調節装置１０は、自律して連続式に機能する。貯蔵バッテリは連続的に温度調節されるため、寿命が延びるとともに性能が向上する。自動車のバッテリの場合、この調節は、エンジン停止後にこのエンジンの動力が使用されていない場合でも連続して行われる。温度調節装置１０は、前記のバッテリを内蔵する調節装置を有するバッテリパックと考えることができる。

当然のことだが、本発明による調節装置は、自動車のバッテリの温度調節に限るものではない。本発明による方法を実践して性能を向上させ、寿命を延ばしたいあらゆるバッテリのタイプを含む。

図１の装置１０は、容器１２に収容された充電可能なバッテリ群１１と、少なくとも１つの磁気熱量効果応用ヒートポンプ１３（図示した例では２つの磁気熱量効果応用ヒートポンプ１３および２３）と、熱交換器１４と、さまざまな素子と接続している冷却液の循環回路１５とを有する。１つまたは複数の分離バルブ１６が冷却液の循環回路１５に装着され、バッテリパックの内部に配置された熱センサが与える情報に従い、磁気熱量効果応用ヒートポンプ１３または磁気熱量効果応用ヒートポンプ２３を機能させる。磁気熱量効果応用ヒートポンプ １３、２３は、このポンプを内蔵する前記バッテリパックによってのみ燃料補給される。

実際には、それぞれの磁気熱量効果応用ヒートポンプ１３、２３は、使用した磁気熱量物質が実用できる温度範囲に適応される。そのため、一方のポンプ、たとえばポンプ１３は、寒冷国の冬の条件に該当する、熱交換器の最低温度約−３０^０Ｃと内部温度約＋２０^０Ｃとの間にある約５０Ｋの温度勾配で機能するように配置される。もう一方のポンプ、たとえばポンプ２３は、熱帯国の夏の条件に該当する、熱交換器の最高温度約＋７０^０Ｃと内部温度約＋２０^０Ｃの温度差で機能するように配置される。

利用性に関して述べると、本発明の装置１０は、利便性および性能の安定性に手を加えて、自動車の第一世代に対して許容されていた妥協点を大幅に払拭するために考案するものである。本装置は、バッテリが早期に劣化する危険性を大幅に減少させることができ、さらに車体の最適な性能および連続動作能力を恒久的に備えることができる。さらに本装置１０により、バッテリから取り込むエネルギーが少なくなり、連続動作能力をさらに自由に使用できるだけでなく、バッテリの充電時にコンセントから消費する電気エネルギーも少なくなる。

Claims (8)

1. 少なくとも１つの電気化学要素を有し、電気エネルギーを貯蔵する充電可能なバッテリのなかで、電気駆動車のバッテリを自律的かつ連続的に温度調節する方法であって、前記バッテリ（１１）の電気化学要素を収容する少なくとも１つのボックス（１２）と、該ボックスに連結する少なくとも１つの磁気熱量効果応用ヒートポンプ（１３、２３）と、外部環境に対して開口する少なくとも１つの熱交換器（１４）とを使用することと、前記バッテリ（１１）の前記電気化学要素と前記外部環境との間の熱量を、前記バッテリ（１１）と前記熱交換器（１４）と前記ヒートポンプ（１３、２３）との間に接続された冷却液の循環回路（１５）を用いて交換することと、前記磁気熱量効果応用ヒートポンプ（１３、２３）は、前記バッテリ（１１）からのエネルギーによってのみ作動されることとを特徴とする方法。
   
2. 複数の前記磁気熱量効果応用ヒートポンプ（１３、２３）を使用し、該ポンプのそれぞれが所定の温度範囲で実用できることと、前記バッテリの前記電気化学要素の内部および／または外部の温度範囲に応じて、前記ポンプのうちの少なくとも１つを前記バッテリおよび外部環境に対して開口する前記熱交換器と接続することとを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 冬と夏とで変化する気温の大差に暴露される１つのバッテリまたはバッテリ群の温度調節に適応させる方法であって、一方のポンプが外部環境に開口する前記熱交換器の最低温度約−３０°Ｃと内部温度約＋２０°Ｃとの間、もう一方のポンプが前記熱交換器の最高温度約＋７０°Ｃと内部温度約＋２０°Ｃと間の約５０Ｋの温度勾配で概ね機能するように配置した前記磁気熱量効果応用ヒートポンプ（１３、２３）を２つ使用することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 複数の前記磁気熱量効果応用ヒートポンプ（１３、２３）は、幾つかの機能を共有化する１つの装置として組み合わされることと、磁気熱量効果を持つ少なくとも２つの蓄熱器に実践される方法であって、各蓄熱器が所定の温度範囲ならびに前記蓄熱器の油圧または機械的な切替装置（１６）に適応される結果、前記冷却液がその時点の運転条件に適応した蓄熱器のみに循環することとを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
   
5. 少なくとも１つの電気化学要素を有し、電気エネルギーを貯蔵する充電可能なバッテリのなかでも特に、電気駆動車またはハイブリッド車のバッテリを温度調節する、請求項１の方法を実践するための装置であって、前記バッテリ（１１）の電気化学要素を収容する少なくとも１つのボックス（１２）と、該ボックスに連結する少なくとも１つの磁気熱量効果応用ヒートポンプ（１３、２３）と、前記バッテリと前記ヒートポンプとの間に接続された少なくとも１つの冷却液の循環回路（１５）と、外部環境に対して開口し、前記冷却液の循環回路と接続して前記外部環境と熱量を交換する少なくとも１つの熱交換器（１４）とを有することを特徴とする装置（１０）。
6. 複数の前記磁気熱量効果応用ヒートポンプ（１３、２３）を有し、このそれぞれのポンプが所定の温度範囲で実用できることと、前記バッテリの電気化学要素の内部および／または外部の温度範囲に応じて、前記ポンプのうちの少なくとも１つを前記バッテリおよび外部環境に対して開口する前記熱交換器と接続することとを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 冬と夏とで変化する気温の大差に暴露される１つのバッテリまたはバッテリ群の温度調節に適応させた装置であって、一方のポンプが外部環境に開口する前記熱交換器の最低温度約−３０°Ｃと内部温度約＋２０°Ｃとの間、もう一方のポンプが前記熱交換器の最高温度約＋７０°Ｃと内部温度約＋２０°Ｃと間の約５０Ｋの温度勾配で概ね機能するように配置した前記磁気熱量効果応用ヒートポンプ（１３、２３）を２つ有することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 複数の前記磁気熱量効果応用ヒートポンプ（１３、２３）は、幾つかの機能を共有化する１つの装置として組み合わされ、磁気熱量効果を持つ２つ以上の蓄熱器を有し、各蓄熱器が所定の温度範囲ならびに前記蓄熱器の機械的切替または油圧切替装置（１６）に適応される結果、前記冷却液がその時点の運転条件に適応した蓄熱器のみに循環することを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。
   
   
   

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