JP2013254637A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下における起動特性の改善や通常使用時の電池冷却を効率よく行い、かつ部品点数を減らすこと。また、その際に生じる熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気を効率よく使用できるようにすることを目的とする。
【解決手段】保持ブロック２の第１側面２ａにヒーター５を貼り付け、保持ブロック２の第２側面２ｂに熱電変換素子６が設けられており、低温環境下で電池セル１をヒーター５によって効率よく暖めることができ、通常使用においても、熱電変換素子６が冷却フィンの役割を果たすことで、効率よい冷却が行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池に関するものである。

同じ種類の単電池を複数個パックした組電池（assembled battery）は、残容量が少なくなれば電池外部から電気エネルギーを供給、すなわち充電して電池内部に蓄えることで、電源として繰り返し使用することができる。

組電池への充電方法としては、例えば電気自動車では、専用の充電スタンドや最近では家庭用コンセントから充電する方法が一般的であるが、充電時の電力供給にはさまざまな方法がある。

内燃機関と電動機を動力源として備えたハイブリッドカーでは、一般に走行中のエンジンの動力を利用して発電機を作動させ、発生した電気を蓄える。近年では、ハイブリッドカーでも、停止時に家庭用のコンセントから充電可能な車種も出てきている。自動車では減速のためにブレーキをかける際に発生する熱を回生させることで充電する方法もある。また蓄電池では、太陽光発電や風力発電などによって生み出された電気を電池に蓄える方法が主流である。

一方、電気エネルギーを発生させるデバイスとして熱電変換素子が知られている。熱電変換素子は、温度差が発生する２つの物体間に置くことで、ペルチェ効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換させるデバイスである。この効果を利用して充電する電池も発明されている。

図４は、特許文献１に記載された携帯型機器用二次電池の充電方法を示す。
放熱フィン１０２と金属板１０３に挟まれる形で熱電変換素子１０１が配置されている。保温材１０４によってこれらの周囲が覆われている。金属板１０３を温かいあるいは温められたもの１０５に接触させ、放熱フィン１０２を冷却すると、熱電変換素子１０１の端部の間に温度差が発生し、熱電変換素子１０１に直流の電気が発生する。この発生した電気を、充電対象としての電気機器１０６の二次電池を充電する仕組みとなっている。温かいあるいは温められたもの１０５とは、具体的には、昼間に暖まった室内の床や畳である。

特開平１１−２８４２３５号公報

高容量のリチウム組電池においては、電池動作時に電池が発熱することで周囲環境との温度差が発生する。また、低温時に起動しにくいという欠点に対しては何らかの手法によって加熱が必要となるが、この場合にも温度差が発生する。したがって、電池に熱電変換素子を組み合わせて電気を回生することが可能である。

また、高容量のリチウム組電池では、極低温時の起動性が悪いという弱点がある。このため、極低温環境下で使用するためには、ヒーターなどの加熱装置を用いて電池を暖める必要がある。この際にも熱電変換素子を用いることで、電気の回生および効率的な加熱が可能である。

このように、熱電変換素子と組電池を組み合わせることで、組電池の電気効率は向上し、また加熱や冷却などの熱マネジメント効率も向上することが期待される。
しかしながら、いくつかの課題が存在する。

一つ目の課題は、熱電変換素子を利用して電気エネルギーを取り出す場合、熱電変換素子の両側面の温度差が大きいほど取り出される電気エネルギーは多くなるが、高温側と低温側の温度差を設けるために放熱フィンを必要とすることである。

二つ目の課題は、熱電変換素子の周囲に図４に見られる保温材１０４による断熱構造が存在することである。これも前述と同様、熱電変換素子の両側面の温度差を大きくするために設けられたと考えられる。しかしながらこれらは部品点数の増加につながり、また装置の小型化の妨げとなる。特に、断熱構造が組電池のすぐ近くに存在することは、電池の冷却に対しては不利となる。

三つ目の課題は、極低温時の加熱時に、電池を効率よく暖めるためには、加熱装置と熱電変換素子の位置関係を適切にする必要がある。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱電変換素子を用いた熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を高めるとともに、電池を適正な温度範囲で動作させるための、低温環境下にある電池の効率的な加熱と、通常使用時の電池の冷却という、相反する要求性能を両立させることのできる組電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の組電池は、長手方向を揃えて並列に配置された複数の電池セルを、保持ブロックによって保持し、前記保持ブロックの前記電池セルの長手方向と交差する端面に設けられた集電板に複数の前記電池セルを接続し、かつ、前記保持ブロックの前記電池セルの長手方向と平行な第１側面にヒーターを設け、前記保持ブロックの前記第１側面と対向する第２側面に熱電変換素子を設けたことを特徴とする。

また、本発明の組電池は、長手方向を揃えて並列に配置された複数の電池セルを、保持ブロックによって保持し、前記保持ブロックの前記電池セルの長手方向と交差する端面に設けられた集電板に複数の前記電池セルを接続し、かつ、前記保持ブロックの前記電池セルの間にヒーターを設け、前記保持ブロックの側面に熱電変換素子を設けたことを特徴とする。

この構成によると、保持ブロックの前記電池セルの長手方向と平行な第１側面に設けられたヒーターによって複数の電池セルを、保持ブロックを介して暖めることができる。さらに、保持ブロックの第２側面に設けた熱電変換素子によって熱を電力に変換して回収することができる。

また、保持ブロックによって保持されている電池セルの間に設けられたヒーターによって複数の電池セルを、保持ブロックを介して暖めることができる。さらに、保持ブロックの側面に設けた熱電変換素子によって熱を電力に変換して回収することができる。

このように本発明の組電池によれば、電池の加熱や冷却の際に熱エネルギーを電気エネルギーに変換することで電気効率を向上させ、それを従来よりも小型かつ少ない部品点数で実現することができる。

本発明の実施の形態１における組電池の（ａ）外観斜視図と（ｂ）Ａ−ＡＡ断面図 本発明の実施の形態に使用される熱電変換素子の拡大斜視図 本発明の実施の形態２における組電池の（ａ）外観斜視図と（ｂ）Ａ−ＡＡ断面図および（ｃ）矢印Ｂ方向から見た側面図 特許文献１に記載された従来の熱電変換素子を用いた充電を示す図

以下、本発明の各実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における組電池４の外観を示している。図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−ＡＡ断面図である。

電池セル１は組電池４を構成する電池の最小単位で、複数の電池セル１が直方体の保持ブロック２に並列に組み込まれて保持されている。電池セル１の正極および負極はそれぞれ保持ブロック２の上下面に配置された集電板３，３に接続されている。

電池セル１の長手方向（矢印ｚ方向）と平行な保持ブロック２の対向する第１側面２ａと第２側面２ｂのうち、第１側面２ａには加熱装置であるヒーター５が貼り付けられている。第２側面２ｂには熱電変換素子６が貼り付けられている。

電池セル１は、図１においては円筒型としているが、角型あるいは角型の金属缶の代わりにラミネートフィルムを用いたラミネート型のセルを用いることもできる。円筒型セルの場合は、正極側あるいは負極側を一側面に揃えると、集電板３が正極側・負極側それぞれ１枚で構成できるため望ましいが、一定の列ごとに正極と負極の向きを交互に変えて並べることもできる。

電池セル１としては、高容量・高電圧のリチウムイオン二次電池、またはニッケル水素二次電池などの他の材料を電極とする電池セルでもよい。
保持ブロック２は、熱伝導率の高い材料で３００Ｋにおける熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の値であることが望ましい。例えば鉄、アルミニウム、銅、銀などの材料であるが、組電池としては重量エネルギーが高いことが望ましいため、一般にはアルミニウムがよく用いられる。

集電板３は、導電性材料であればいかなる材料でもよいが、ニッケルや銅などの金属あるいはこれらを含む合金であることが望ましい。また、集電板３は保持ブロック２と電気的に絶縁される必要がある。そのため、集電板３とブロック２は図１（ａ）に示すように隙間ｇを設けて離されている。あるいは、集電板３とブロック２を接触させる場合には両者の間に樹脂などの絶縁物を介さなければならない。

ヒーター５としては、例えばシリコンラバーヒーターや非常に薄いグラファイトヒーター、あるいはフィルム状のヒーターが望ましい。
熱電変換素子６としては、図２のようなｐ型素子６ａとｎ型素子６ｂが交互に接合されたトランスバース型の素子を用いる。これを組電池４の、ヒーター５を貼り付けた第１側面２ａではない側面、好ましくは少なくとも第１側面２ａと対向した第２側面２ｂに、面と垂直になるように接合する。

なお、使用する電池セル１の種類によっては、電池を冷却するためのシステムや、電池セル１から排出される高温ガスの排気ダクトが設けられることがある。
このように構成した組電池４は、保持ブロック２のうち、ヒーター５と接する領域はヒーター５によって温められることで温度が高くなる。一方、熱電変換素子６では熱エネルギーが電気エネルギーに変換されることにより、保持ブロック２のうち熱電変換素子６と接する領域は温度が低くなる。熱は温度が高い所から低い所へ移動する性質があるため、電池セル１をヒーター５と熱電変換素子６の間、すなわち熱の移動する経路上に配置することにより、電池セル１は効率的に熱が供給されることになる。したがって、かかる構造によって、電池セル１はヒーター５のみを配置して温める方法よりもより早く温度が上がる。

ヒーター５は、低温下でリチウム電池を起動させる際に用いられる。リチウム電池の適正な動作温度の下限値が１０℃であり、これを下回ると極端に特性が低くなる。このため、周囲の温度が１０℃よりも低い環境で電池を動かすためには、まず電池セル１の温度を適正温度まで上昇させる必要がある。そのため、低温下で用いる場合には、保持ブロック２の少なくとも一側面である第１側面２ａにヒーター５を設置することが望ましい。ただし、第１側面２ａの全面に貼り付ける必要はなく、所定の性能が得られるのであれば、例えば中央付近のみに貼る、あるいは四隅に貼るというように分割してもよい。

ヒーター５は、上記のように電池セル１を温める役割を果たす一方で、通常使用時において電池セル１を冷却する際には、電池セル１から大気中へ熱が逃げる途中で熱抵抗となる。熱抵抗はヒーター５の厚さに比例して大きくなるため、できるだけ薄くする必要がある。電池セル１は充電や放電において電気的に良好に動作する温度範囲があり、この温度範囲に電池セル１の温度が保たれるためには、例えばシリコンラバーヒーターであれば、１．５ｍｍ以下とすることが望ましい。

熱電変換素子６は、ｐ型素子６ａとｎ型素子６ｂの直列数が多いほど、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する際に得られる電圧が高くなる。しかし、特許文献１のような熱電変換素子構造では、各素子を電気的に直列とするために配線が必要となる。これに対し、図２に示す熱電変換素子は、ｐ型とｎ型の素子を交互に積層して造ることができる、非常に簡単な構造である。一方、熱電変換素子の両端に与えられる、高温側領域と低温側領域の距離が小さいほど得られる起電力は大きくなるが、積層構造で素子の数を多くすることは距離を大きくすることになる。

これに対し、図２に示すようにｐ型素子６ａとｎ型素子６ｂの積層を斜めとする構造によって、図２のｙ軸方向に温度差を与え、図２のｘ軸方向で起電力を取り出すようにすれば、前述の問題点を解決することができる。

また、熱電変換素子６がトランスバース型の場合、熱電変換素子自身が放熱フィンの役割も果たすことができるため、先行文献１とは違って別部品としてのフィンが不要であるという利点もある。

かかる構成によれば、低温環境において電池を効率よく起動させることや、また通常使用時において電池の冷却が必要な場合に効率よく冷却することが可能であり、特に低温環境下での起動において大きな効果を発揮する。また、熱電変換素子で生成された電気エネルギーを回生させることで、電気エネルギーの効率的な使用が可能となる。

低温環境での電池の起動特性がよくなる理由は以下のとおりである。
ヒーター５が作動し、徐々に電池全体が暖められると、熱電変換素子６の両端に温度差が生じる。これによって熱エネルギーが電気エネルギーに変換されるため、熱電変換素子６の周辺は温度が上昇しない。これは時間が経過してヒーター５の温度が上昇しても同様であり、ヒーター５と熱電変換素子６の周辺の温度差は拡大される。熱は温度の高い所から低い所へ移動し、温度差が大きくなると移動する熱量も多くなる。したがって、温度差が拡大されると、ヒーター５から熱電変換素子６へ移動する熱量が多くなり、その間にある電池セル１へ供給される熱量も多くなる。

一方、通常使用時においては、電池セル１は充電中あるいは放電中のいずれの場合においても、ジュール熱によって温度が上昇する。電池の電気特性を高めたり、あるいは容量劣化をできるだけ小さくして寿命を長く保つためには、電池セル１の温度を、定められた温度よりも上回らないようにしなければならないため、冷却が必要となることがある。この場合においても、電池の温度が上昇しても、熱電変換素子６が熱エネルギーを電気エネルギーに変換して温度上昇を抑えることができる。つまり、熱電変換素子６が冷却フィンの役割を果たすことで、冷却機能の補助となったり、冷却機能に必要な部品を削減することができる。

熱電変換素子６から取り出される電気エネルギーは、例えば、集電板３の正極側・負極側に接続する回路を設け、この回路によって低温環境下では電池の温度を上げる補助の役割を担うことができる。なお、このように熱電変換素子６から取り出される電気エネルギーを、組電池４に接続して電池セル１に直流電流を流して暖める方が、ヒーター５によって加熱するより効率がよい。

通常運転時の冷却の場合においても、熱電変換素子６から取り出される電気エネルギーを集電板３の正極側・負極側に接続することによって、回生電流を使用することが可能である。また別の補助電源を用意し、その電源へ蓄電してさまざまな用途に使用することもできる。

（実施の形態２）
図３（ａ）は、本発明の実施の形態２における組電池４の外観を示している。図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−ＡＡ断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）において矢印Ｂ方向から見た側面図である。なお、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

実施の形態１では、ヒーター５を保持ブロック２の第１側面２ａに配置する構造としたが、この実施の形態２では、ヒーター５を保持ブロック２の中に埋めることで、ヒーター５から発生する熱の全てを、保持ブロック２を介して電池セル１に伝えることができる。ヒーター５の形状は棒状であり、図３（ｂ）に示したように３列に配置された電池セル１の１列目と２列目の間、電池セル１の２列目と３列目の間に、棒状のヒーター５を、電池セル１の長手方向に沿って埋め込んで配置されている。

ヒーター５の断面については図３に示したものは円形であるが、これに限らず、例えば正方形や正三角形などのような形状でもよい。ただし、保持ブロック２に金属材料を用いる場合は、ヒーター５と保持ブロック２は電気的に絶縁をとる必要があるため、ヒーター５の表面が絶縁材料であるか、または保持ブロック２のヒーター挿入部の表面が絶縁処理される必要がある。電池セル１とヒーター５は密接しても構わないが、この場合も、電池セル１の表面は絶縁処理される必要がある。保持ブロック５の大きさに特に上限はないが、低温環境下にある電池セル１を所定の時間内で適正な動作温度範囲に加熱するためには、電池セル１の側面とヒーター５の側面との距離は１ｍｍ以下であることが望ましい。

ヒーター５の数や保持ブロック２内における位置についての制限はないが、本発明の効果を最大限に発揮するには、保持ブロック２の中央に少なくとも１個のヒーターを配置すればよい。例えば電池の構成上で可能であれば、図３（ｂ）に示した保持ブロック２の中央部の電池セル１の少なくとも１箇所のみをヒーター５に置き換えてもよい。また、保持ブロック２の中央部にヒーター５を配置することが困難な場合は保持ブロック２の側面近くに配置する構造とすることもできる。特に電池セル１の配列数が少ない方向に対しては、このような構造でも問題ない。

かかる構成によれば、低温環境で電池セル１を効率的に温めるという効果は実施の形態１と同様に得ることができる。この構成の利点としては、ヒーターを中央部にも配置することで、温度が上がりにくい組電池４の中央部から先に温めることができること、さらにはヒーター５から熱電変換素子６への熱伝導の距離が短くなることで、実施の形態１に比べるとさらに効率よく電池セル１を温めることができる。また、通常運転時の電池冷却についても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

本発明は、低温下で効率よく起動させたり、通常運転時にも効率よく電池セルの冷却を行い、またその際に熱エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有し、電気自動車やハイブリッド自動車、電動バイク、電動自転車等の動力源としての使用の他、住宅やビル、工場などの蓄電池の用途に適用できる。

１ 電池セル
２ 保持ブロック
２ａ 第１側面
２ｂ 第２側面
３ 集電板
４ 組電池
５ ヒーター
６ 熱電変換素子

Claims (5)

1. 長手方向を揃えて並列に配置された複数の電池セルを、保持ブロックによって保持し、
   前記保持ブロックの前記電池セルの長手方向と交差する端面に設けられた集電板に複数の前記電池セルを接続し、かつ、
   前記保持ブロックの前記電池セルの長手方向と平行な第１側面にヒーターを設け、
   前記保持ブロックの前記第１側面と対向する第２側面に熱電変換素子を設けた
   組電池。
2. 長手方向を揃えて並列に配置された複数の電池セルを、保持ブロックによって保持し、
   前記保持ブロックの前記電池セルの長手方向と交差する端面に設けられた集電板に複数の前記電池セルを接続し、かつ、
   前記保持ブロックの前記電池セルの長手方向と平行な側面にヒーターを設け、
   ヒーターを貼り付けた面以外の側面に熱電変換素子を設けた
   組電池。
3. 長手方向を揃えて並列に配置された複数の電池セルを、保持ブロックによって保持し、
   前記保持ブロックの前記電池セルの長手方向と交差する端面に設けられた集電板に複数の前記電池セルを接続し、かつ、
   前記保持ブロックの前記電池セルの間にヒーターを設け、
   前記保持ブロックの側面に熱電変換素子を設けた
   組電池。
4. 前記ヒーターは、前記電池セルの長手方向に沿って配置された棒状である
   請求項３記載の組電池。
5. 前記電池セルの形状は、円筒型、角型もしくはラミネート型である、
   請求項１〜請求項３の何れかに記載の組電池。

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