JP2009099305A - Power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の非水電解質電池を外装ケースに収納している電源装置に関し、とくに非水電解質電池の熱暴走による発火を防止して安全性を向上できる電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device in which a plurality of nonaqueous electrolyte batteries are housed in an outer case, and more particularly to a power supply device that can prevent fire due to thermal runaway of a nonaqueous electrolyte battery and improve safety.
リチウムイオン電池などの非水電解質電池は、内部ショートや過充電等の種々の原因で、他のセルに波及して連鎖的に熱暴走することがある。とくに、リチウムイオン電池が熱暴走すると、電池の温度が著しく上昇して、300℃〜400℃以上となって発火の原因となることがある。多数の電池を備える車両用の電源装置等にあっては、複数の電池が熱暴走を起こすと熱暴走のエネルギーが極めて大きくなって発火の原因となる。 A non-aqueous electrolyte battery such as a lithium ion battery may spread to other cells and cause a thermal runaway due to various causes such as an internal short circuit or overcharge. In particular, when a lithium ion battery runs out of heat, the temperature of the battery rises remarkably and may become 300 ° C. to 400 ° C. or higher, causing ignition. In a power supply device for a vehicle equipped with a large number of batteries, when a plurality of batteries cause a thermal runaway, the energy of the thermal runaway becomes extremely large and causes ignition.
電池の過熱による発火を防止するために、密閉されたケース内に不活性ガス等の不活性な物質を充填し、あるいは、ケース内に不活性ガス発生物質や消火器を内蔵し、あるいは電池を不燃性の冷媒に浸漬する装置が開発されている。(特許文献1ないし4参照)
特許文献1に記載される電源装置は、複数の電池と消火器をケースに一緒に収納している。この電源装置は、電池が異常発熱し、ケース内の温度が許容値を超えた場合、消火器等の異常発熱低減手段の起動操作手段であるレバーを押し下げ、あるいは、このことを電気的に検出して、自動的にレバーを押し下げ、二酸化炭素のガス圧で炭酸水素ナトリウムを主成分とする粉末を筐体内に放出させる。炭酸水素ナトリウムは、高温に加熱されると吸熱して、二酸化炭素と水蒸気を発生し、筐体内の温度を下げるとともに、不活性雰囲気に保ち、火災の発生を防止したり、燃焼反応を終了させる。
The power supply device described in
また、特許文献2の公報には、複数の電池をケースに収納すると共に、このケース内に窒素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、二酸化炭素等の不活性ガス、あるいは不燃性の非水溶媒、あるいは、液状またはゲル状または固形状の高分子を満たして、かつ、ケースを密閉している電源装置が記載される。この構造の電源装置は、電池が異常な状態となってケース内にガスが噴射されても、電池の周囲を不活性な物質で囲んでいるので、電源装置が危険な状態となるのを緩和できる特長がある。
さらに、特許文献3に記載される電源装置は、複数の電池をケースに収納すると共に、このケース内に熱分解で不活性ガスを発生させるアジ化ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等を収納している。これらは、熱分解して、窒素、水蒸気、二酸化炭素等の不燃性ガスを発生する。この電源装置は、ケースに収納している電池が異常発熱すると、不活性ガス発生物質が熱分解されてケース内に不活性ガスを発生させる。したがって、電池が過熱されるときに、電池の周囲に不活性ガスを満たして発火を防止できる。
Furthermore, the power supply device described in
以上の電源装置は、温度が上昇する電池を効率よく冷却できない。また、電池の異常温度を検出する機構が故障すると、電池の発熱を確実に阻止できなくなる欠点がある。電池を効率よく冷却する電源装置が引用文献4に記載される。この電源装置は、不燃性の低沸点冷媒に電池を浸漬する。不燃性の低沸点冷媒として、フロリナート等の冷媒を使用することから、電池の安全弁が開いて高温のガスが冷媒中に放出されるとき、冷媒の高温ガスによる引火を防止できる。しかしながら、電池の温度が異常に高くなって高温のガスが放出されて、これが外部に漏れて発火するのは防止できない。
The above power supply cannot efficiently cool a battery whose temperature rises. In addition, if the mechanism for detecting the abnormal temperature of the battery fails, there is a drawback that the heat generation of the battery cannot be reliably prevented. A power supply apparatus that efficiently cools a battery is described in
本発明は、さらに従来の電源装置が有する以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、非水電解質電池を効率よく冷却しながら、非水電解質電池が異常な高温になって発火するのを確実に阻止して、異常状態における安全性を著しく向上できる電源装置を提供することにある。 The present invention has been developed for the purpose of solving the above drawbacks of the conventional power supply apparatus. An important object of the present invention is to provide a power supply capable of significantly improving safety in an abnormal state by reliably preventing the nonaqueous electrolyte battery from firing at an abnormally high temperature while efficiently cooling the nonaqueous electrolyte battery. To provide an apparatus.
本発明の電源装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
電源装置は、充電できる複数の非水電解質電池1を外装ケース2に収納している。電源装置は、外装ケース2に消火薬液3を充填しており、この消火薬液3に非水電解質電池1を浸漬して、消火薬液3を介して非水電解質電池1を液冷している。
The power supply device of the present invention has the following configuration in order to achieve the above-described object.
The power supply device houses a plurality of
本発明の請求項2の電源装置は、消火薬液3を、パーフルオロカーボンとハイドロフルオロエーテルのいずれかとしている。
In the power supply device according to
本発明の請求項3の電源装置は、非水電解質電池1をリチウムイオン電池としている。
In the power supply device according to
本発明の請求項4の電源装置は、外装ケース2を金属ケースとしており、金属ケースの外装ケース2が、消火薬液3を介して非水電解質電池1の熱を外部に放熱している。
In the power supply device according to
本発明の請求項5の電源装置は、外装ケース2内に挿入されるヒートパイプ21と、このヒートパイプ21に連結されて外装ケース2の外部に配設しているヒートシンク22とを備え、ヒートシンク22がヒートパイプ21と消火薬液3とを介して非水電解質電池1の熱を外部に放熱している。
The power supply device according to
本発明の電源装置は、非水電解質電池を効率よく冷却しながら、異常な高温になって発火するのを確実に阻止して、異常状態における安全性を著しく向上できる特徴がある。それは、本発明の電源装置が、非水電解質電池を消火薬液に浸漬し、消火薬液を介して冷却するからである。消火薬液に非水電解質電池を浸漬する構造は、非水電解質電池を液冷することから理想的な状態で冷却する。すなわち、非水電解質電池の発熱は広い面積で、しかも理想的な状態で熱結合される消火薬液に伝導される。このため、消火薬液は、理想的な状態で非水電解質電池を冷却する。したがって、非水電解質電池の温度上昇を少なくできる。また、非水電解質電池を消火薬液に浸漬していることから、非水電解質電池が異常な高温となって発火するのを確実に阻止できる。さらに、非水電解質電池が異常な高温になって高温ガスを放出するとき、ガスが消火薬液中に放出されることから、ガスに起因する冷却液の引火のみでなく、これが原因で外部に発火させるのを確実に阻止できる。 The power supply device of the present invention is characterized in that it can prevent the ignition at an abnormally high temperature while efficiently cooling the non-aqueous electrolyte battery, and can significantly improve the safety in the abnormal state. This is because the power supply device of the present invention immerses the nonaqueous electrolyte battery in the extinguishing chemical solution and cools it through the extinguishing chemical solution. The structure in which the nonaqueous electrolyte battery is immersed in the fire extinguishing liquid is cooled in an ideal state because the nonaqueous electrolyte battery is liquid cooled. That is, the heat generated by the non-aqueous electrolyte battery is conducted to a fire extinguisher solution that is thermally bonded in an ideal state over a wide area. For this reason, the fire extinguisher liquid cools the nonaqueous electrolyte battery in an ideal state. Therefore, the temperature rise of the nonaqueous electrolyte battery can be reduced. Moreover, since the nonaqueous electrolyte battery is immersed in the fire extinguishing agent solution, the nonaqueous electrolyte battery can be reliably prevented from igniting at an abnormally high temperature. Furthermore, when the non-aqueous electrolyte battery becomes abnormally hot and releases a high-temperature gas, the gas is released into the extinguishing liquid, which not only ignites the coolant caused by the gas but also ignites externally. Can be surely prevented.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the embodiments described below exemplify a power supply device for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention does not specify the power supply device as follows.
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。 Further, in this specification, for easy understanding of the scope of claims, numbers corresponding to the members shown in the embodiments are indicated in the “claims” and “means for solving problems” sections. It is added to the members. However, the members shown in the claims are not limited to the members in the embodiments.
図1ないし図3に示す電源装置は、充電できる複数の非水電解質電池1と、非水電解質電池1を収納している外装ケース2とを備え、外装ケース2には消火薬液3を充填して、消火薬液3に非水電解質電池1を浸漬している。この電源装置は、消火薬液3を介して非水電解質電池1を液冷する。非水電解質電池1はリチウムイオン電池である。ただ、本発明は、非水電解質電池をリチウムイオン電池には特定しない。非水電解質電池には、電解液を非水電解質とする充電できる他の電池も使用できる。図の電源装置は、非水電解質電池を円筒型電池とするが、非水電解質電池には角型電池も使用できる。
The power supply device shown in FIGS. 1 to 3 includes a plurality of
図の電源装置は、複数の非水電解質電池1を電池組立10として外装ケース2に収納している。電池組立10は、絶縁材であるプラスチック製の電池ホルダー4でもって、複数の非水電解質電池1を互いに接近して平行な姿勢で配列している。電池ホルダー4は、非水電解質電池1を挿入して定位置に保持する複数の保持筒5を一体的に成形して設けており、この保持筒5に非水電解質電池1を挿入して定位置に配置している。保持筒5は、両端を開口して、端部の開口部から非水電解質電池1の端部を表出している。表出部にリード板6を配置して、リード板6を非水電解質電池1の端面電極に溶接している。図の電池組立10は、電池ホルダー4の両面にリード板6を配置して、リード板6でもって隣接する非水電解質電池1を直列と並列に接続している。両端がリード板6に溶接された非水電解質電池1は、保持筒5から出ないように配置される。
In the illustrated power supply apparatus, a plurality of
電池ホルダー4は、保持筒5の間に隙間を設けている。この電池組立10は、保持筒5の隙間に消火薬液3が侵入して、保持筒5を介して非水電解質電池1を冷却する。保持筒5は、非水電解質電池1の全周をカバーし、あるいは、一部に開口部を設けて非水電解質電池1の表面の一部を消火薬液3に直接に接触させる。保持筒5が非水電解質電池1の全周をカバーする電池ホルダー4は、非水電解質電池1の熱暴走の誘発をより確実に防止できる。また、保持筒5の一部に開口部を設けて、非水電解質電池1の表面の一部を消火薬液3に直接に接触させる構造は、非水電解質電池1を消火薬液3で効率よく冷却できる。なお、保持筒をなくすることもでき、これにより、消化薬液で非水電解質電池を効率よく冷却できる。また、保持筒をなくしたとき、必要に応じて、絶縁を維持し非水電解質電池を安定して配置するため、電池と電池の間に、液体を通過させる機能があるシート状のセパレータ(電池を含めた二次電池内部に利用されるセパレータが使用できる)を配置することもできる。
The
電池組立10は、全体が消火薬液3に浸漬される。消火薬液3に浸漬された電池組立10は、隙間に消火薬液3が侵入する。この状態で、非水電解質電池1は保持筒5を介して、あるいは直接に消火薬液3に接触して冷却される。また、リード板6も消火薬液3に浸漬されるので、非水電解質電池1はリード板6を介して消火薬液3で冷却される。
The
非水電解質電池1は、図示しないが、端部に安全弁の開口部を設けている。安全弁は、内圧が設定圧力よりも高くなると開弁する。非水電解質電池1は、異常な使用状態となって内圧が高くなるとき、温度も高くなる。したがって、開弁する安全弁からは高温のガスが放出される。非水電解質電池1は消火薬液3に浸漬しているので、電池の外部に放出されたガスは、消火薬液3内に放出される。したがって、放出されたガスが発火することはない。
Although not shown, the
さらに、図の電源装置は、ガスケット7を介して中ケース8を電池ホルダー4に固定している。中ケース8は、電池ホルダー4のひとつの面、図において上面に固定している。中ケース8には、回路基板9を実装している。回路基板9は、電池組立10を構成する非水電解質電池1の保護回路を実現する電子部品(図示せず)を実装している。回路基板9に実装される保護回路は、各々の非水電解質電池1の電圧を検出し、また温度を検出して充放電の電流をコントロールする。たとえば、いずれかの非水電解質電池1の電圧が最高電圧まで高くなると充電を停止し、また電池電圧が最低電圧よりも低くなると放電を停止して、非水電解質電池1を保護する。さらに、保護回路は、電池又は消火薬液3の温度を検出して、電池の温度で充放電の電流をコントロールする。この保護回路は、電池や消火薬液3の温度が設定された最高温度よりも高くなり、あるいは設定された最低温度よりも低くなると充放電の電流を制限し、又は遮断して電池を保護する。
Further, in the illustrated power supply apparatus, the
中ケース8は、上方を開口する箱形で、開口部を上ケース11で閉塞して、内部に回路基板9を収納している。中ケース8を上ケース11で密閉する構造は、内部に消火薬液3が侵入するのを阻止できる。ただ、消火薬液には、絶縁性の液体を使用するので、中ケース内にも消火薬液を充填することもできる。
The
外装ケース2は、上方を開口して底を閉塞している箱形で、上方の開口部をガスケット7を介して上ケース11で密閉している。外装ケース2は、アルミニウム等の金属ケースである。金属ケースは熱伝導に優れ、充填している消火薬液3を介して非水電解質電池1の熱を外部に効果的に放熱する。さらに、図の外装ケース2は、表面に上下に伸びる凸状の放出フィン12を設けて放出面積を大きくして効果的に放熱できる構造としている。
The
さらに、放熱効果の優れた電源装置を、図4ないし図6に示している。この電源装置は、外装ケース2内にヒートパイプ21を挿入している。ヒートパイプ21は、電池組立10と外装ケース2との間に、電池組立10から絶縁して挿入されている。ヒートパイプ21は、外装ケース2の外部に配設しているヒートシンク22に連結している。図5は、ヒートパイプ21をヒートシンク22に連結する構造を示している。このヒートシンク22は、複数本のヒートパイプ21を連結している。ヒートシンク22は、図4に示すように、上ケース11の外側に配設される。この電源装置は、消火薬液3の熱をヒートパイプ21でヒートシンク22に効率よく伝導して放熱する。したがって、この電源装置は、ヒートパイプ21と消火薬液3とを介して非水電解質電池1の発火を効果的に外部に放熱できる。
Further, a power supply device having an excellent heat dissipation effect is shown in FIGS. In this power supply device, a
図2の外装ケース2は、クッションシート13を介して電池組立10を収納している。クッションシート13は、変形して衝撃を吸収するシートで、ゴム状弾性体、プラスチック発泡体、軟質のプラスチックシート等のシートである。クッションシート13は、外装ケース2と電池組立10との間に配設されて外装ケース2に加わる衝撃を吸収して、電池組立10の衝撃による故障を防止する。図2の電源装置は、電池組立10の両側端面と上下面とにクッションシート13を配設している。さらに、電池組立10のリード板6と金属ケースである外装ケース2の内面との間には絶縁シート14を配設して、リード板6が外装ケース2に接触するのを防止している。ただ、電池ホルダーの外周縁に沿って突出部を設け、この突出部の内側にリード板を配設する電池組立は、絶縁シートを使用することなく、リード板が外装ケースの内面に接触するのを防止できる。
The
外装ケース2は、消火薬液3を充填して電池組立10を収納して密閉している。密閉構造の外装ケース2は、電池組立10を消火薬液3に浸漬して、電池組立10の非水電解質電池1を消火薬液3に浸漬する。消火薬液3は、絶縁性のある消火薬液3であって、パーフルオロカーボンやハイドロフルオロエーテル、ノベック1230消火薬液等が使用できる。
The
以下の電源装置を試作して、非水電解質電池の温度を測定すると以下のようになる。
電源装置の外装ケースは、アルミニウム製であって、寸法を87mm×186mm×336mmとして容積を約5.4リットルとしている。この外装ケースに収納される電池組立は、15本のリチウムイオン電池を直列としたものを8組並列に接続して、全体で120個の非水電解質電池を備える。外装ケースには、沸点を165℃〜185℃、比熱を1J/kg、比重を1.9とする消火薬液31.33リットル充填している。
The following power supply device is prototyped, and the temperature of the nonaqueous electrolyte battery is measured as follows.
The exterior case of the power supply device is made of aluminum and has a size of 87 mm × 186 mm × 336 mm and a volume of about 5.4 liters. The battery assembly housed in the outer case includes 15 sets of 15 lithium ion batteries connected in series, and includes 120 non-aqueous electrolyte batteries in total. The outer case is filled with 31.33 liters of a fire extinguisher liquid having a boiling point of 165 ° C. to 185 ° C., a specific heat of 1 J / kg, and a specific gravity of 1.9.
この電源装置を、環境温度40℃において50Aで約20分放電すると、温度上昇は約23℃となる。これに対して消火薬液を充填しない状態での温度上昇は約40℃となり2倍も大きくなる。このことから、本発明の電源装置は、非水電解質電池を消火薬液に浸漬することで、極めて効果的に冷却されることが明らかとなる。また、非水電解質電池を消火薬液に浸漬することから、非水電解質電池が異常な状態で充放電されて熱暴走しても、消火薬液に効率よく液体冷却されて、熱暴走の誘発が効果的に防止される。さらに、非水電解質電池から高温のガスが放出されても、これによって発火するのを消火薬液で確実に阻止できる。 When this power supply is discharged at 50 A at an environmental temperature of 40 ° C. for about 20 minutes, the temperature rise is about 23 ° C. On the other hand, the temperature rise without filling the extinguishing liquid is about 40 ° C., which is twice as large. From this, it becomes clear that the power supply device of the present invention is extremely effectively cooled by immersing the non-aqueous electrolyte battery in a fire extinguisher solution. In addition, since the nonaqueous electrolyte battery is immersed in a fire extinguisher solution, even if the nonaqueous electrolyte battery is charged / discharged in an abnormal state and thermal runaway occurs, the fire extinguisher solution is efficiently cooled with liquid and the induction of thermal runaway is effective. Is prevented. Furthermore, even if a high-temperature gas is released from the nonaqueous electrolyte battery, it can be reliably prevented from igniting by the extinguishing chemical solution.
1…非水電解質電池
2…外装ケース
3…消火薬液
4…電池ホルダー
5…保持筒
6…リード板
7…ガスケット
8…中ケース
9…回路基板
10…電池組立
11…上ケース
12…放熱フィン
13…クッションシート
14…絶縁シート
21…ヒートパイプ
22…ヒートシンク
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