JP2014063577A - 二次電池の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池は充放電を行うことにより、内部の温度が上昇する。二次電池は温度が上昇すると寿命特性に影響を及ぼすので、冷却して使用される。冷却装置を使用して、無作為に二次電池の冷却を行なうと、無駄な電力の使用となり、運転コストが増加する。
【解決手段】所定の電池温度における電池の温度上昇率が、第１の設定値より大きいときに二次電池の冷却を行なう冷却装置を全能力より小さい冷却能力で運転を行い、第２の設定値より高いときに冷却装置を全能力で運転を行なう。これにより、二次電池の温度寿命を犠牲にすることなく、運転コストの低減を図る。
【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池の冷却に関し、詳しくは、電力貯蔵システムを構成する二次電池の冷却方法に関する。

近年、環境への配慮から、充放電可能な二次電池を搭載した自動車や電車などの車両が開発されている。車両に二次電池を搭載した場合は、ブレーキ時に生じる回生電力を二次電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、車両のエネルギー効率を高めることができる。

また、最近、サステーナブル社会への転換の要請に伴い、風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーを利用した分散型電源への期待が高まってきている。このような自然エネルギーを利用した分散型電源は出力変動が大きく、連系する電力系統の電圧変動や周波数変動を引き起こし、電力系統につながる負荷に悪影響を及ぼす恐れがある。この対策として、二次電池を用いた電力貯蔵装置が利用されている。

例えば特許文献１には、電力貯蔵装置を併設した分散型電源システムが提唱されていて、分散電源の出力変動速度が所定範囲を超えないように抑制することにより電源品質の改善を図る技術が開示されている。また、例えば、特許文献２には、電力貯蔵装置を積極的に活用して、電力需要のピークカットを行い、電力需給の調整を行う技術が開示されている。

このような二次電池において、使用により電池温度が上昇すると、電池効率が悪くなるばかりでなく、電池寿命に悪影響を及ぼすことが知られている。このため、二次電池の冷却方法としてこれまで種々の方法が提案されている。例えば、特許文献３には、自動車に搭載されている電池をエアコンで冷却する際に、予め定められた電池温度に基づいてエアコンの運転方法を切り替える車両用電池の冷却装置が開示されている。また、特許文献４には、充電式電気掃除機に搭載されている電池を掃除機からの排気で冷却する際に、電池電圧が低下して、かつ電池温度がある温度以上であれば、掃除機の出力を落とすことで電池温度の上昇を抑制する掃除機が開示されている。更に、特許文献５には、装置外部からの冷気を利用して電池の冷却を行なう無停電電源装置が開示されている。

また、特許文献６には、冷却ファンにより車両に搭載の二次電池を冷却する方法が開示されている。また、特許文献７には、電池の劣化の状態を計測する装置と、車両速度計と、電池電流計等から電池の発熱量を推定して、電池の冷却を行なう装置が開示されている。

特開２００８−２９５２０８号公報 特開２００８−３０６８３２号公報 特開２００８−１３２８５５号公報 特開２００５−１３７５５２号公報 特開２０００−２３２７９２号公報 特開２００７−０８０７２７号公報 特開２００７−０４８４８５号公報

特許文献４、特許文献５および特許文献６に開示の電池の冷却方法は、外気を利用して電池の冷却を図るもので、冷却装置自体の運転には大きな動力を必要としない。しかし、外気の温度が低くなかったり、電池の発熱量が大きいと、十分な冷却効果が得られずに、電池の温度を下げることができない。冷凍機等を用いて低い温度の外気を電池に供給すれば、電池の温度を下げることは可能となるが、冷凍機の運転には大きな動力を必要とする。また、特許文献７の冷却方法は、冷却を行なうために多数の計測器や装置を必要とし、複雑で高価な装置となる。

また、二次電池を無作為に冷却することは、電気の無駄使いになり、運転コストの増加につながる。そのため、特許文献３および特許文献４の方法では、ある電池温度以上で冷却方法を変更するなど一定の工夫がなされている。しかし、この場合、温度の設定値は固定である。つまり、二次電池の電池温度は、二次電池の運転状態や環境等に応じて変化しており、また、その電池温度の温度上昇率についても運転状態や環境等に応じて変化するが、特許文献３および特許文献４の方法は、単に固定の電池温度を設定するのみで、電池の温度状態に応じて、冷却装置を動作させるものではない。

このような従来の方法では、無作為に冷却装置を動作させ、または冷却装置を運転する電池温度を常に固定値としているため、過度に電池を冷却し、ひいては運転コスト増加につながっているといえる。

そこで本発明では、電池の温度上昇率の変化に着目し、主として温度上昇率に応じて、冷却装置を動作させることとした。これにより、従来の方法より効率的に電池の冷却を行うことができるため、無駄な電気の使用を抑制して、運転コスト負担の低減を図った。

前記した目的を達成するために、本発明に係る二次電池の冷却方法は、所定の電池温度における電池の温度上昇率が、第１の設定値より大きいときに二次電池の冷却を行なう冷却装置を全能力より小さい所定の能力で運転を行い、第２の設定値より高いときに冷却装置を全能力で運転を行なう（請求項１）。

この手順によれば、電池の時間に対する温度上昇の割合である温度上昇率の大きさに応じて、冷却装置の運転能力を決めることになる。すなわち、冷却能力が０％の運転は、例えば、送風のみの運転である。冷凍機の運転は行なわず、取り入れた空気を循環させる運転である。冷却能力が１００％の運転は、例えば、その冷却装置の全能力で運転することである。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、第１の設定値と第２の設定値の間において、冷却装置の冷却能力を連続的に変更することが好ましい（請求項２）。この手順によれば、冷却装置の冷却能力は０〜１００％の間で連続的に変化する。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、軽故障設定温度以上で冷却装置を全能力で運転することが好ましい（請求項３）。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、冷却装置が全能力で運転中に二次電池の温度が所定の値以下になったとき、冷却装置の運転を停止することが好ましい（請求項４）。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、二次電池の温度が、軽故障設定温度以上になると、警報を発生し、重故障設定温度以上になると、二次電池の運転停止を行うことが好ましい（請求項５）。

従来の方法より効率的に電池の冷却を行うことができるため、ロスの低下、ひいては利用者のコスト低減につながる。利用用途としては、二次電池を利用した負荷平準化を行う電力貯蔵装置など、一定のパターンで充放電を行う装置への適用が見込まれる。

本発明の実施形態の機器構成を説明するための概略立面図である。 本発明の実施形態の冷却方法における冷却装置を用いた節電制御のイメージ図である。 本発明の実施形態の冷却方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態の制御系統を説明する図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

本実施形態の二次電池は、電力貯蔵装置に用いられるものである。詳しくは、電力貯蔵装置は、使用電力のピークカットを行うことにより、電力の平準化を行なうことを目的として設けられたものである。二次電池は使用により温度が上昇するので冷却装置（例えば、エアコン、空調機）を用いて、二次電池の冷却を図る。

［１．機器構成］
本実施形態の二次電池の冷却方法の説明に先立ち、機器の構成について、図１を用いて説明する。二次電池（以下、電池３）は、単一のセルでは出力電圧が１．２Ｖと低いので、複数のセルを直列に接続してモジュール化して使用する。更に大きな電圧を必要とするときはモジュールを直列に接続して組電池５を構成して使用される。使用する電池３の数は、平準化する電力系統の電圧により定まる。本実施例においては１０セルを直列に接続してモジュール化した上で、４８台のモジュールを直列に接続して組電池５を構成した。

電池盤１には、組電池５、冷却装置運転制御装置９および冷却装置７が収納されている。冷却装置７は外気を取り入れて冷却して電池盤１内に供給する機能を有している。冷却装置運転制御装置９は、設定温度に応じて冷却装置７の運転／停止を行う。冷却装置運転制御装置９は冷却装置７の冷却能力を調整することも可能になっており、極めて低い負荷から高い負荷での運転が可能となっている。冷却装置７はエアコンとして知られている。

電池盤１の隣には充放電コントローラ盤２が配置されている。充放電コントローラ盤２には、電池監視装置８が収納されている。電池監視装置８は、本発明に係る二次電池の冷却を行なうために、冷却装置運転制御装置９に信号を送る。電池監視装置８は、電池３の状態を監視して必要に応じて、電池３の運転停止を行う。具体的には、ある電池３の温度が軽故障設定温度（ＴＡ）を越えると警報を発し、重故障設定温度（ＴＴ）を越えると図示せぬ遮断機を操作して組電池５を負荷から遮断する。なお、軽故障設定温度および重故障設定温度は二次電池の種類や環境等により異なるが、本実施形態においては、例えば軽故障設定温度を３５℃、重故障設定温度を４０℃に設定している。

また、各電池３には、熱電対からなる温度センサー４が取付けられている。電池盤１には熱電対からなる外気温度センサー６が取付けられている。温度センサー４や、外気温度センサー６からの温度信号は電池監視装置８に送られて記録される。

［２．制御］
次に、本実施形態に係る二次電池の冷却方法について説明する。図２は、本実施形態の二次電池の冷却方法における冷却装置を用いた節電制御のイメージを示す図である。電池の温度上昇率の大きさに応じて、冷却能力を調節して冷却装置７を運転することを、基本的な考え方としている。すなわち、軽故障設定温度（ＴＡ）より低い温度を冷却装置動作上限温度（Ｔ１）として、電池温度が、冷却装置動作上限温度（Ｔ１）を越えた時点（Ｐ１）で電池温度の上昇率を求める。温度上昇率が大きいときは、冷却装置７を全冷却能力で運転する（甲）。温度上昇率が大きくないときは、その程度に応じた冷却能力で冷却装置７を運転する（乙）。

図３は、本実施形態に係る二次電池の冷却方法における制御フローチャートである。「開始」は、本発明に係る二次電池の冷却方法のスタートポイントである。電池温度（Ｔ）が、冷却装置動作上限温度（Ｔ１）より低いときは何もせず、電池温度が冷却装置動作上限温度を上回るのを待つ（ステップＳ１０。以下ステップをＳと略す）。

電池温度（Ｔ）が、冷却装置動作上限温度（Ｔ１）を越えると、Ｓ１１において、電池の温度上昇率が計算され、第１の設定値（ａ）より大きいときは、Ｓ１５に進み、そうでないときは、Ｓ１２に進む。Ｓ１２において、電池温度上昇率が第２の設定値（ｂ）より大きいときは、Ｓ１８に進み、そうでないときは、Ｓ１３に進む。Ｓ１３において、冷却装置７は運転を停止した状態を保持する。電池温度が軽故障設定温度（ＴＡ）以上になると（Ｓ１４）、Ｓ１５に進む。そうでないときは、冷却装置７は運転を停止した状態を保持する（Ｓ１３）。

Ｓ１５において、冷却装置７は全冷却能力で運転が行なわれる。冷却装置７が全冷却能力で運転中に、電池温度（Ｔ）が冷却装置動作上限温度（Ｔ１）を下回れば（Ｓ１６）、冷却装置７は運転を停止して（Ｓ１７）、「開始」に戻る。そうでないときは、冷却装置７の全冷却能力での運転が維持される（Ｓ１５）。

Ｓ１８において、冷却装置７は全冷却能力以下で運転が行なわれる。冷却能力は電池の温度上昇率に応じて定めることができる。図４（ｂ）に示すように第１の設定値（ａ）と第２の設定値（ｂ）との間で、連続的に冷却能力を変化させてもよく、図４（ｃ）に示すように段階的に変化させてもよい。冷却装置７が１００％冷却能力未満で運転中（Ｓ１８）に、電池温度（Ｔ）が軽故障設定温度（ＴＡ）以上となれば（Ｓ１９）、冷却装置７は全冷却能力で運転される（Ｓ１５）。電池温度（Ｔ）が、軽故障設定温度未満で、かつ、冷却装置動作上限温度（Ｔ１）より小さくなれば（Ｓ２０）、冷却装置７は運転を停止して（Ｓ１７）、「開始」に戻る。電池温度（Ｔ）が、冷却装置動作上限温度（Ｔ１）より小さくならなければ、冷却装置７は１００％冷却能力以下で運転を継続する（Ｓ１８）。

図４（ａ）は、本実施例の制御ブロック図である。温度センサー４にて計測された電池温度（Ｔ）は、微分器１１に送られて温度上昇率（ｄＴ／ｄｔ）が計算される。温度上昇率は、冷却能力設定器１２に送られて、温度上昇率が第２の設定値（ｂ）より小さいときは、冷却能力が０％に設定される。温度上昇率が第１の設定値（ａ）より大きいときは、冷却能力が１００％に設定される。第１の設定値（ａ）と第２の設定値（ｂ）の間であれば、冷却能力は０〜１００％の範囲で設定される。具体的な設定値は、前記説明した通り、例えば図４（ｂ）や（ｃ）のグラフを用いて算出する。

冷却能力設定器１２と冷却装置７との間には、スイッチ１４が配置されていて、コンパレータ１３の出力によりＯＮ／ＯＦＦされる。コンパレータ１３には、電池温度（Ｔ）と冷却装置動作上限温度（Ｔ１）が入力されていて、電池温度（Ｔ）が冷却装置動作上限温度（Ｔ１）を下回れば、ＯＦＦを出力する。冷却装置７の運転は停止される。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、ピークカットを行ない、電力の平準化を行なう電力貯蔵装置に好適に用いることができる。

１ 電池盤
２ 充放電コントローラ盤
３ 電池
４ 温度センサー
５ 組電池
６ 外気温度センサー
７ 冷却装置
８ 電池監視装置
９ 冷却装置運転制御装置
１１ 微分器
１２ 冷却能力設定器
１３ コンパレータ
１４ スイッチ

Claims (5)

1. 所定の電池温度における電池の温度上昇率が、第１の設定値より大きいときに二次電池の冷却を行なう冷却装置を全能力より小さい所定の能力で運転を行い、第２の設定値より高いときに冷却装置を全能力で運転を行なう二次電池の冷却方法。
2. 第１の設定値と第２の設定値の間において、冷却装置の冷却能力を連続的に変更する請求項１に記載の二次電池の冷却方法。
3. 軽故障設定温度以上で冷却装置を全能力で運転する請求項１または２に記載の二次電池の冷却方法。
4. 冷却装置が全能力で運転中に二次電池の温度が所定の値以下になったとき、冷却装置の運転を停止する請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池の冷却方法。
5. 二次電池の温度が、軽故障設定温度以上になると、警報を発生し、重故障設定温度以上になると、二次電池の運転停止を行う請求項１〜４のいずれか一項に記載の二次電池の冷却方法。

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