JP6527250B2 - 低温プレートアセンブリ一体化車両バッテリ熱電素子と熱電素子の組立方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１５年６月１０日に出願されて参照により援用される米国仮出願第６２／１７３，５０７号の優先権を主張する。

本開示は、バッテリなどの車両コンポーネントを冷却するのに使用されるモジュールに関する。詳しく記すと、この開示は、一体化されてモジュールとなる熱電素子および低温プレートアセンブリとその組立方法に関する。

リチウムイオンバッテリは、車両に推進力を提供する電気モータに動力を提供するため乗用車や他のタイプの車両に使用される。このようなバッテリは大量の熱を発生するため、性能低下を防止するにはバッテリが冷却されなければならない。

提案されている車両バッテリ冷却配置タイプの一つは、バッテリに近接し低温プレートアセンブリに隣接して配置される熱電モジュールを含む。熱電モジュールは、ペルティエ効果に基づいて作動しバッテリに隣接して冷却を行う熱電素子を含む。熱電素子内を伝達された熱は、冷却流体が循環して熱交換器へ送られる低温プレートアセンブリに排出される。

冷却配置内の幾つかのコンポーネントで効率的に熱を伝達する一方で冷却配置内の他のコンポーネントを絶縁するように冷却配置を設計することが望ましい。

例示的な一実施形態において、バッテリとバッテリを支持する熱スプレッダとを含むコンポーネントを温度調節するための冷却システム。多数の熱電素子が熱スプレッダに接合される。低温プレートアセンブリは、熱電素子と熱的に作動係合する。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、低温プレートアセンブリは熱電素子に固定される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、サーマルホイルは低温プレートアセンブリを熱電素子に固定する。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、多数の熱電素子は、第１融点を有する第１はんだにより低温および高温側基板に固定されるｐ−ｎ型材料を含む。熱電素子は、第１融点より低い第２融点を有する第２はんだにより熱スプレッダに固定される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、低温側プレートはエポキシにより低温側基板に固定される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、高温側プレートはエポキシにより高温側基板に固定される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、ｐ−ｎ型材料は第１はんだにより低温および高温パッドに固定される。低温および高温パッドはそれぞれ、第１はんだにより低温および高温側基板に固定される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、第１融点は２００℃〜２６０℃の範囲であって、第２融点は１１０℃〜１６０℃の範囲である。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、多数の熱電素子は、エポキシにより熱スプレッダに固定されるｐ−ｎ型材料を含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、ｐ−ｎ型材料は、第１はんだにより低温および高温パッドに固定される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、ｐ−ｎ型材料は、第１融点より低い第２融点を有する第２はんだにより低温プレートアセンブリに固定される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、第１融点は２００℃〜２６０℃の範囲である。第２融点は１１０℃〜１６０℃の範囲である。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、熱交換器を含む冷却ループは低温プレートアセンブリとの流体連通状態にある。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータは、低温プレートアセンブリとの熱的作動係合状態にある。

別の例示的実施形態において、熱電素子・低温プレートアセンブリ一体化モジュールの組立方法は、熱電素子を熱スプレッダに接合するステップと、熱電素子を低温プレートアセンブリに接合するステップとを含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、この方法は、第１接合ステップの実施に先立って、第１融点を有する第１はんだでｐ−ｎ型材料を低温および高温側基板に接合するステップを含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、この方法は、低温および高温基板をそれぞれ低温および高温側プレートに接合するステップを含む。第１接合ステップは、第１融点より低い第２融点を有する第２はんだで低温側プレートを熱スプレッダに接合することを含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、第２接合ステップは、サーマルホイルで熱電素子を低温プレートアセンブリに接合することを含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、この方法は、エポキシで高温側基板をサーマルホイルに接合するステップを含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、この方法は、エポキシで低温側基板を熱スプレッダに接合するステップを含む。

添付図面と関連して検討されると、以下の詳細な説明の参照により開示内容がさらに理解されるだろう。

車両システム温度が冷却システムにより調整される車両の非常に概略的な図である。 熱電素子・低温プレートアセンブリ一体化モジュールの例である。 図２に示された熱電素子・低温プレートアセンブリ一体化モジュールを組み立てる際のステップを図示している。 図３に示されたステップに続いて図２に示された熱電素子・低温プレートアセンブリ一体化モジュールを組み立てる際の別のステップを図示している。 熱電素子・低温プレートアセンブリ一体化モジュールの別の例を組み立てる際のステップを図示している。 図５に示されたステップに従って組み立てられた熱電素子・低温プレートアセンブリ一体化モジュールである。

前出の段落、請求項、または以下の説明および図面の実施形態と例と代替例は、その様々な態様のいずれかまたはそれぞれの個別特徴を含み、単独または組み合わせで解釈される。一実施形態に関連して説明される特徴は、このような特徴が不適合である場合を除いてすべての実施形態に適用可能である。

図１Ａには、車両１０が概略的に図示されている。車両１０は、加熱または冷却される必要がある車両システム１２を含む。一例において、車両システム１２は、車両推進に使用されて大量の熱を発生するリチウムイオンバッテリなどのバッテリ１４を含む。このようなバッテリは動作中に冷却されなければならず、さもなければバッテリ効率および／または完全性が低下しうる。

冷却システム１８は、スタックのバッテリ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１６との間に配置されて、バッテリ１４から熱を除去することにより車両システム１２を冷却する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、バッテリ１４と車両電気部品との間の電気インタフェースとなる。冷却システム１８は、冷却ループ２４との連通状態にある熱電素子・低温プレートアセンブリ一体化モジュール２０を含む。グリコールなどの冷却流体は、冷却ループ２４の中でポンプ３１により循環される。熱交換器２６に接続される冷却剤供給および復帰ライン３０，３２を通る冷却剤に、低温プレートアセンブリ４０（図２）を介して熱が排出される。熱交換器２６の中の冷却剤から例えば周囲環境へ熱を除去するのに、ファンまたはブロワ２８が使用されうる。

制御装置３４は、車両１０と車両システム１２と冷却システム１８の様々なコンポーネントと通信して、バッテリ冷却を調整する。センサと出力（不図示）が制御装置３４に接続されてもよい。

モジュール２０は、バッテリ１４の表面３８を支持する低温側を備える。低温プレートアセンブリ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の表面４２との熱的作動係合状態にある高温側を備える。

図２には、モジュール２０の例がより詳しく示されている。熱スプレッダ３６は低温側となり、アルミニウム、または比較的高い熱伝達係数を持つ材料で製作される。ペルティエ素子など多数の熱電素子４６が、熱スプレッダ３６に接合されてこれとの熱的係合状態にある。低温プレートアセンブリ４０は、熱スプレッダ３６と反対の側で熱電素子４６に接合されてこれとの熱的係合状態にある表面を有し、高温側となる。本開示において、「接合された」の語は、例えばネジ締結具により一時的に装着されるのとは対照的に、接着剤、はんだ、ろう、または他の材料により永久的に装着されることを意味する。

図２を参照すると、モジュール例２０は、ｐ−ｎ型材料５０，５２のペレット４８を有する熱電素子４６を含む。ペレット４８の各々は、第１融点を有するはんだ５６によりｐ−ｎ型材料５０，５２に固定される銅パッド５４を含む。ペレット５４は、やはり第１融点を有するはんだ６２により高温および低温側基板５８，６０に固定される。低温および高温側基板５８，６０はそれぞれ、高熱伝導性であるエポキシ６４により低温および高温側プレート６６，６８に固定される。低温側プレート６６は、第１融点より低い第２融点を有するはんだ７０により熱スプレッダ３６に固定される。一例において、第１融点は２００℃〜２６０℃の範囲であって、第２融点は１１０℃〜１６０℃の範囲である。熱電素子４６と熱スプレッダ３６との間の境界面のサーマルホイルを取り除いて代わりにはんだを使用することにより、約８倍の熱伝導性の上昇が境界面で達成される。

サーマルホイル７２が高温側プレート６８と低温プレートアセンブリ４０との間に設けられて、コンポーネントのスタックの公差を吸収する。サーマルホイル７２は一般的にアルミニウム材料で製作されて両側に接着剤を有し、一例では、この接着剤が低温プレート４０を高温側プレート６８に固定して一体的モジュールが設けられる。

図２に図示されているモジュール２０を形成する方法の一例が、図３および４に示されている。一例において、低温側アセンブリ７４はサブアセンブリとして設けられうる。低温側アセンブリ７４は、下方プラテンなどの第１構造７８に支持される。低温側アセンブリ７４は低温側プレート６６を含み、低温側基板５８はエポキシ６４でこれに固定される。第１融点を有するはんだ６２が低温側基板５８にプリントされうる。それからペレット４８がはんだ６２の上に配置される。

高温側アセンブリ７６はサブアセンブリとして設けられ、エポキシ６４により高温側基板６０に固定される高温側プレート６８を含む。第１融点を有するはんだ６２が高温側基板にプリントされる。

図３に示されているように、低温側アセンブリ７４とペレット４８と高温側アセンブリ７６とが第１構造７８の上に配置された状態で、上方プラテンなどの第２構造８０が熱電素子コンポーネントのアセンブリへ降下される。熱電素子要素が圧力および熱を受けると、はんだ６２が溶融してアセンブリを一緒に固定する。熱電素子４６が形成されると、図４に示されているように、熱スプレッダの上に支持された第２融点を有するはんだ７０の上に熱電素子４６が配置される。これらのコンポーネントは圧力および熱を受け、熱は、はんだ７０を溶融する間にはんだ６２を再流動させないようにはんだ６２の融点より低い。圧力は、動作中に良好な熱効率を付与するのに望ましいクランプ負荷を熱電素子４６で達成するように選択される。

低温プレートアセンブリ４０と熱電素子４６にサーマルホイル７２が付着されると、モジュール２０が用意される。

別のモジュール１２０が図６に図示されている。モジュール１２０は、熱スプレッダ３６をペレット４８に固定するエポキシ６４を含む。別のエポキシ層６４がペレット４８を高温側基板６０に固定し、これはサーマルホイル７２を使用して低温プレート４０に固定される。図３および４に関連して上述したのと類似の方法で、コンポーネントが圧力および熱を受ける。モジュール１２０は、図６に示されているように、バッテリ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１６との間に配置される。

熱スプレッダ３６と低温プレートアセンブリ４０とは接合によるスタックとして互いに固定されて、熱電素子４６にクランプ負荷を付与する一体化モジュールとなる。少なくとも一つのサーマルホイルの層を取り除くことにより、バッテリ１４などの構造へ熱がより効率的かつ直接的に伝達される。モジュール２０，１２０はまた、スタックの組立を簡易化してコストを削減する。

動作時には、望ましくないバッテリ温度が制御装置３４により検出される。熱電素子４６に通電されると、熱電素子４６の低温側が発生し、これがバッテリ１４に隣接する第１熱スプレッダ３６へ伝達されて、これらのコンポーネントの間の温度差を大きくするとともにその間の熱伝達を増大させる。バッテリ１４からの熱は、熱スプレッダ３６から熱電素子４６を通って低温プレートアセンブリ４０へ直接に伝達される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６から低温プレートアセンブリ４０へ熱が排出される。冷却剤は低温プレートアセンブリ４０から熱交換器２６へ循環して熱交換器は周囲環境へ熱を排出し、この熱伝達率はブロワ２８の使用によって高められうる。

図の実施形態では特定のコンポーネント配置が開示されているが、他の配置がここから導出されることが理解されるべきである。特定のステップ順序が図示、説明、請求されているが、他に指摘されていなくても本発明から導出されるのであれば、ステップはいかなる順序で実施されても、分離されても、また組み合わされてもよいことも理解されるべきである。

異なる例は図示された固有のコンポーネントを有するが、本発明の実施形態はこれら特定の組み合わせには限定されない。一つの例からのコンポーネントまたは特徴の幾つかを別の例からの特徴またはコンポーネントとの組み合わせで使用することが可能である。

実施形態例を開示したが、当業者であれば、ある種の変形が請求項の範囲に含まれることを認識するだろう。その理由から、真の範囲および内容を判断するには以下の請求項が検討されるべきである。

１０ 車両
１２ 車両システム
１４ バッテリ
１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１８ 冷却システム
２０ 熱電素子・低温プレートアセンブリ一体化モジュール
２４ 冷却ループ
２６ 熱交換器
２８ ファン／ブロワ
３０ 冷却剤供給ライン
３１ ポンプ
３２ 冷却剤復帰ライン
３４ 制御装置
３６ 熱スプレッダ
３８ バッテリの表面
４０ 低温プレートアセンブリ
４２ ＤＣ／ＤＣコンバータの表面
４６ 熱電素子
４８ ペレット
５０ ｐ型材料
５２ ｎ型材料
５４ 銅パッド
５６ はんだ
５８ 低温側基板
６０ 高温側基板
６２ はんだ
６４ エポキシ
６６ 低温側プレート
６８ 高温側プレート
７０ はんだ
７２ サーマルホイル
７４ 低温側アセンブリ
７６ 高温側アセンブリ
７８ 第１構造
８０ 第２構造
１２０ 別のモジュール

Claims (16)

1. バッテリと、
   前記バッテリを支持する熱スプレッダと、
   前記熱スプレッダに接合される多数の熱電素子と、
   前記熱電素子と熱的に作動係合する低温プレートアセンブリと、
   を備えた、コンポーネントを温度調節するための冷却システムであって、
   前記低温プレートアセンブリが前記熱電素子に固定され、かつ、
   前記低温プレートアセンブリと前記熱電素子との境界を接続するサーマルホイルが設けられている
   ことを特徴とする冷却システム。
2. 前記多数の熱電素子が、第１融点を有する第１はんだにより低温および高温側基板に固定されるｐ−ｎ型材料を含み、かつ、前記熱電素子が、前記第１融点より低い第２融点を有する第２はんだにより前記熱スプレッダに固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
3. エポキシにより前記低温側基板に固定される低温側プレートを包含することを特徴とする、請求項２に記載の冷却システム。
4. エポキシにより前記高温側基板に固定される高温側プレートを包含することを特徴とする、請求項２に記載の冷却システム。
5. バッテリと、
   前記バッテリを支持する熱スプレッダと、
   前記熱スプレッダに接合される多数の熱電素子と、
   前記熱電素子と熱的に作動係合する低温プレートアセンブリと、
   を備えた、コンポーネントを温度調節するための冷却システムであって、
   前記多数の熱電素子が、第１融点を有する第１はんだにより低温および高温側基板に固定されるｐ−ｎ型材料を含み、前記熱電素子が、前記第１融点より低い第２融点を有する第２はんだにより前記熱スプレッダに固定され、
   前記ｐ−ｎ型材料が前記第１はんだにより低温および高温パッドに固定され、かつ、
   前記低温および高温パッドが、前記第１はんだにより前記低温および高温側基板にそれぞれ固定されていることを特徴とする冷却システム。
6. 前記第１融点が２００℃〜２６０℃の範囲であり、かつ、前記第２融点が１１０℃〜１６０℃の範囲である、請求項２に記載の冷却システム。
7. 前記多数の熱電素子が、エポキシにより前記熱スプレッダに固定されるｐ−ｎ型材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
8. バッテリと、
   前記バッテリを支持する熱スプレッダと、
   前記熱スプレッダに接合される多数の熱電素子と、
   前記熱電素子と熱的に作動係合する低温プレートアセンブリと、
   を備えた、コンポーネントを温度調節するための冷却システムであって、
   前記多数の熱電素子が、エポキシにより前記熱スプレッダに固定されるｐ−ｎ型材料を含み、かつ、
   前記ｐ−ｎ型材料が第１はんだにより低温および高温パッドに固定されていることを特徴とする冷却システム。
9. 第１融点より低い第２融点を有する第２はんだにより前記ｐ−ｎ型材料が前記低温プレートアセンブリに固定されていることを特徴とする請求項８に記載の冷却システム。
10. 前記第１融点が２００℃〜２６０℃の範囲であり、かつ、前記第２融点が１１０℃〜１６０℃の範囲である、請求項９に記載の冷却システム。
11. 前記低温プレートアセンブリとの流体連通状態にある熱交換器を含む冷却ループを包含することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
12. 前記低温プレートアセンブリとの熱的作動係合状態に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータを包含することを特徴とする請求項１１に記載の冷却システム。
13. 熱電素子・低温プレートアセンブリ一体化モジュールの組立方法であって、
    熱電素子を熱スプレッダに接合する第１接合ステップと、
    前記熱電素子を低温プレートアセンブリに接合する第２接合ステップと、
    を包含し、
    前記第１接合ステップの実施に先立って、第１融点を有する第１はんだでｐ−ｎ型材料を低温および高温側基板に接合するステップを包含し、かつ、
    前記第２接合ステップが、サーマルホイルで前記熱電素子を前記低温プレートアセンブリに接合することを含む、
    ことを特徴とする方法。
14. 前記低温および高温基板を低温および高温側プレートにそれぞれ接合するステップを包含し、前記第１接合ステップが、前記第１融点より低い第２融点を有する第２はんだで前記低温側プレートを前記熱スプレッダに接合することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. エポキシで前記高温側基板を前記サーマルホイルに接合するステップを包含することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. エポキシで前記低温側基板を前記熱スプレッダに接合するステップを包含することを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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