JP2015037043A - 電池システム - Google Patents

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太一郎 加藤
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

【課題】異常発熱や発火が生じた電池を効率よく冷却したり、消火できる電池システムを提供する。
【解決手段】この電池システムは、難燃性液体からなる冷媒が流通する冷媒流路L2、L3と、該冷媒流路L2,L3に隔壁を介して接するように配置された電池10,10とを備え、冷媒流路L2,L3と電池10,10とを仕切る隔壁41の少なくとも一部が、電池の異常発熱又は発火により溶融又は熱変形して孔開き可能な熱可塑性樹脂で形成されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、冷却機能を備えた電池システムに関する。
電池は、使用環境温度によって性能や劣化速度が変化することが知られている。また、リチウムイオン電池等の二次電池は、熱暴走に伴う異常発熱や、発火の恐れがあり、安全性に課題がある。
そこで、不燃性液体を冷媒として用いて、電池を冷却することが行われている。
例えば、特許文献1には、パック容器と、パック容器内に収納され、複数の角型扁平電池を積層した組電池と、組電池の少なくとも各角型扁平電池間に配置され、不燃性絶縁溶媒からなる冷却媒体が流通する融点が110〜200℃の熱可塑性樹脂膜からなる中空体とを備えた電池パックが開示されている。
特開2009−54297号公報
特許文献1は、組電池を構成する角型扁平電池の異常発熱や発火が起こると、異常発熱や発火が起こった角型扁平電池と接する中空体は溶融し、破損されて、内部を流通する冷却媒体がパック容器内に流出する。その結果、パック容器内が冷媒で満たされ、異常発熱や発火が起こった角型扁平電池を冷却したり、発火や延焼を回避できるというものである。
しかしながら、異常発熱や、発火が起きていない、正常な電池までもが、冷媒と接触して故障する恐れがあった。
よって、本発明の目的は、異常発熱や発火が生じた電池を効率よく冷却したり、消火できる電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するにあたり、本発明は、難燃性液体からなる冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒流路に隔壁を介して接するように配置された電池とを備えた電池システムであって、前記冷媒流路と前記電池とを仕切る隔壁の少なくとも一部が、前記電池の異常発熱又は発火により溶融又は熱変形して孔開き可能な熱可塑性樹脂で形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、冷媒流路と電池とを仕切る隔壁の少なくとも一部が、電池の異常発熱又は発火により溶融又は熱変形して孔開き可能な熱可塑性樹脂で形成されているので、電池の異常発熱や発火が生じると、該電池に接する隔壁が、溶融又は熱変形して孔開きして、電池に冷媒が直接接触する。このため、電池の異常発熱や発火を安全に止めることができる。
本発明の電池システムは、前記冷媒流路に前記隔壁を介して接するように配置された電池が複数あり、各電池どうしの間は、耐火性、耐熱性及び断熱性から選ばれる1種以上の機能を有する第2の隔壁によって仕切られていて、1つの電池に接する前記隔壁に孔が開いて前記冷媒が流入しても、前記第2の隔壁によって、他の電池が設置された部分には前記冷媒が流入しないように構成されていることが好ましい。この態様によれば、第2の隔壁によって、他の電池が設置された部分に冷媒が流入することを防止できるので、異常発熱や発火が生じていない電池への被害を抑えることができる。
本発明の電池システムは、前記冷媒流路に、前記電池収容凹部を有する支持材が配置され、該支持材の電池収容凹部に前記電池が設置されており、前記支持材が前記冷媒流路と前記電池とを仕切る隔壁をなし、該隔壁の少なくとも一部が前記熱可塑性樹脂で形成されていることが好ましい。この態様によれば、電池の異常発熱や発火が生じると、支持材が溶融又は熱変形して孔開きするので、電池と冷媒とが直接接触して、電池を冷却したり消火できる。また、電池が、冷媒流路に形成された電池収容凹部に設置されているので、支持材が孔開きしても、冷媒が周囲に漏れにくく、異常発熱や発火が生じていない電池への被害を抑えることができる。
本発明の電池システムは、前記電池は複数あり、前記冷媒流路は、前記各電池に向かう複数の流路で構成されており、各電池に向かう冷媒流路のそれぞれに設けられた流量調整バルブと、前記各電池の温度を計測する温度センサと、前記温度センサによって測定された温度に応じて、各電池に向かう冷媒流路の流量を制御する制御装置とを備えることが好ましい。この態様によれば、温度センサによって測定された温度に応じて、各電池に向かう冷媒流路の流量を制御するので、異常発熱や発火が生じている電池セルを効率よく冷却できる。
本発明によれば、冷媒流路と電池とを仕切る隔壁の少なくとも一部が、電池の異常発熱又は発火により溶融又は熱変形して孔開き可能な熱可塑性樹脂で形成されているので、電池の異常発熱や発火が生じると、該電池に接する隔壁が、溶融又は熱変形して孔開きして、電池に冷媒が直接接触する。このため、電池の異常発熱や発火を安全に止めることができる。
本発明の電池システムの概略図である。 図1の範囲Aの概略図である。 図2の要部断面図である。 図1の範囲Aの分解斜視図である。 制御装置での制御フローチャートの一例である。
本発明の電池システムについて、図1〜4を用いて説明する。
この電池システムは、建屋1内に設置された複数の電池10(この実施形態では2個)と、建屋1内に設置された屋内タンク20と、建屋1外に設置された屋外タンク30とで主に構成されている。
電池10としては、特に限定は無く、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池、リチウムイオンポリマー電池、ニッケル鉄蓄電池、ニッケル亜鉛蓄電池、酸化銀亜鉛蓄電池等の二次電池等が挙げられる。
屋内タンク20及び屋外タンク30には、水、フッ素系液体、イオン液体等の不燃性液体が貯留されている。
図1を併せて参照すると、屋内タンク20には、温度センサT1と、冷却装置21と、加温装置22とが設けられている。
屋内タンク20からは、ポンプP1が介装された配管L1が伸びている。
配管L1の下流側は、開閉バルブV1,V2が介装された配管L2,L3が接続している。各配管L2,L3の外周には、開閉バルブV1,V2よりも下流側に、電池10が配置されている。各電池には、温度センサT2,T3が設けられている。各電池10,10は発電設備11と電気的に接続している。
図2〜4を併せて参照すると、配管L2,L3の上面には、冷媒流路と電池10とを仕切る隔壁となる、支持材41が形成されている。支持材41は、少なくとも一部が、熱可塑性樹脂で構成されている。支持材41の表面には、電池収容凹部40が設けられており、電池収容凹部40内に電池10が設置されている。支持材41を構成する熱可塑性樹脂は、融点が100〜130℃であることが好ましく、100〜110℃がより好ましい。熱可塑性樹脂の具体例としては、ABS樹脂、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリスチレン(PS)、アクリル樹脂(PMMA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ナイロン/ポリアミド(PA)、ポリカーボネイト(PC)、ポリアセタール(POM)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、液晶ポリマー(LCP)、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、エラストマー等が挙げられる。
図2を併せて参照すると、配管L2と配管L3との間には、耐火性、耐熱性及び断熱性から選ばれる1種以上の機能を有する隔壁50が設けられている。隔壁50の材質としては、グラスウール、ロックウール、セルローズファイバー、セラミックファイバー等が挙げられる。
図1に再び戻ると、配管L2,L3は、配管L4に接続している。配管L4の下流側は、開閉弁V3が介装された、屋外タンク30に接続する配管L4aと、開閉弁V4が介装された、後述する配管L5に接続する配管L4bとに分岐している。
屋外タンク30には、温度センサT4が配置されている。また、屋外タンク30からは、開閉バルブV5が介装された配管L5が伸びて屋内タンク20と接続している。配管L4bは、配管L5の開閉弁V5よりも上流側に接続している。
開閉バルブV1〜V5、ポンプP1、冷却装置21、加温装置22は、制御装置100によって制御される。
制御装置100での制御の一例について、図5に示すフローチャートを用いて説明する。以下に示す例では、デフォルト状態にて、ポンプP1、冷却装置21、加温装置22は停止しており、開閉バルブV1〜V5は閉じている。
まず、ステップS1にて、温度センサT2(T3)の測定値が設定された上限値(上限閾値)よりも高いかどうか判断する。温度センサT2(T3)の測定値が上限閾値を超える場合は、ステップS2に移る。
ステップS2では、温度センサT4の測定値が、温度センサT1の測定値よりも低いかどうか判断する。温度センサT4の測定値が、温度センサT1の測定値よりも低い場合は、開閉バルブV3,V5を開く(ステップS3)。一方、温度センサT4の測定値が、温度センサT1の測定値よりも高い場合は、開閉バルブV4を開く(ステップS4)。
次に、ステップS3又はS4の処理を行った後、開閉バルブV1(V2)を開き、ポンプP1を作動させる(ステップS5)。
次に、ステップS6にて、温度センサT1の測定値が、温度センサT2(T3)の測定値よりも所定値以上低いかどうか判断し、低い場合は、ステップS8へと移り、高い場合は、冷却装置21を作動させて(ステップS7)、ステップS8へと移る。
ステップS8では、温度センサT2(T3)の測定値が上限閾値よりも低いかどうか判断し、上限閾値よりも低くなったらステップS9へと移る。
ステップS9では、ポンプP1を停止した後、開閉バルブV1(V2)を閉じる。そして、開閉バルブV3〜V5が開いている場合は、これらの開閉バルブを閉じ、冷却装置21が作動している場合は、冷却装置21を停止して、デフォルト状態に戻し、制御終了となる。
一方、ステップS1にて、温度センサT2(T3)の測定値が上限閾値以下の場合は、ステップS10に移り、温度センサT2(T3)の測定値が設定された下限値(下限閾値)より低いかどうか判断する。温度センサT2(T3)の測定値が下限閾値より低い場合は、ステップS11に移る。
ステップS11では、温度センサT4の測定値が、温度センサT1の測定値よりも高いかどうか判断する。温度センサT4の測定値が、温度センサT1の測定値よりも高い場合は、開閉バルブV3,V5を開く(ステップS12)。一方、温度センサT4の測定値が、温度センサT1の測定値よりも低い場合は、開閉バルブV4を開く(ステップS13)。
次に、ステップS12又はS13の処理を行った後、開閉バルブV1(V2)を開き、ポンプP1を作動させる(ステップS14)。
次に、ステップS15にて、温度センサT1の測定値が、温度センサT2(T3)の測定値よりも所定値以上高いかどうか判断し、高い場合は、ステップS17へと移り、低い場合は、加温装置22を作動させて(ステップS16)、ステップS17へと移る。
ステップS17では、温度センサT2(T3)の測定値が下限閾値よりも高いかどうか判断し、下限閾値よりも高くなったらステップS18へと移る。
ステップS18では、ポンプP1を停止した後、開閉バルブV1(V2)を閉じる。また、開閉バルブV3〜V5が開いている場合は、これらの開閉バルブを閉じ、加温装置22が作動している場合は、加温装置22を停止して、デフォルト状態に戻し、制御終了となる。
一方、ステップS10にて、温度センサT2(T3)の測定値が設定された下限値(下限閾値)より高い場合は制御終了となる。
本発明の電池システムの運転について説明する。
各電池10は、発電設備11の発電によって充電、放電、待機が繰り返される。電池10の充電時や放電時に電流が流れると電池10の温度が上昇する。電池10の温度が上昇して、温度センサT2,T3の測定値が上限閾値を超えたら、開閉バルブV1,V2を開き、ポンプP1を駆動させ、屋内タンク20に貯留された冷媒を循環させて、電池10,10の温度を下げる。なお、温度センサT2、T3の測定値のうち、いずれか一方の測定値のみが上限閾値を超えている場合は、該当する配管に介装された開閉バルブのみを開き、他方の開閉バルブは、閉じる。
電池10との熱交換により加温された冷媒は、配管L4、L4b、L5を通って室内タンク20に導入されるか、あるいは、配管L4、L4aを通って屋外タンク30に導入される。室内タンク20に導入された冷媒は、外気で冷やされた後、配管L5を通って水タンクに導入される。室内タンク20に貯留された冷媒の温度が、温度センサT1,T2の測定値よりも高く、冷媒を循環させても、温度センサT1,T2の測定値が上限閾値を超える場合は、冷却装置21を作動させて屋内タンク20に貯留された冷媒の温度を下げる。
また、冬季など、外気温が低い状態に電池10が曝され、温度センサT1,T2の測定値が下限閾値未満となる場合は、太陽熱等で温められた屋外タンク30内に貯留された冷媒を屋内タンク20に引き込むと共に、冷媒を循環させて、電池10の温度を上げる。室内タンク20に貯留された冷媒の温度が、温度センサT1,T2の測定値よりも低く、冷媒を循環させても、温度センサT1,T2の測定値が下限閾値未満の場合は、加温装置22を駆動させて、屋内タンク20に貯留された冷媒の温度を昇温させる。
このようにして、各電池10の温度を設定範囲に維持することができる。また、開閉バルブV1,V2により、電池毎に温度制御するので、熱い電池または冷たい電池のみ温度を調節でき、運転コストを低減できる。また、電池毎の性能のバラツキを最小限に止めることができる。
そして、本発明では、図2に示されるように、配管L2,L3の上面に、冷媒流路と電池10とを仕切る隔壁となる支持材41が形成され、該支持部材に電池収容凹部40が設けられ、該電池収容凹部40内に電池10が設置され、支持材41の少なくとも一部が熱可塑性樹脂で構成されているので、電池10に、熱暴走に伴う異常発熱や発火が発生しても、支持材41が高温に曝されることによって、孔開きして電池10の周囲に冷媒が流入する。このため、電池と冷媒とが直接接触し、電池10の異常発熱や発火を安全に止めることができる。
また、この実施形態では、隣接する電池10,10の間に、隔壁50が配置されているので、異常な電池の熱暴走に伴う異常発熱や発火から、健全な電池への曝露を防ぐことができると共に、他の電池が設置された部分に冷媒が流入することを防止できるので、異常発熱や発火が生じていない電池への被害を抑えることができる。
10:電池
20:屋内タンク
21:冷却装置
22:加温装置
30:屋外タンク
40:電池収容凹部
41:支持材
50:隔壁
100:制御装置
L1〜L5:配管
P1:ポンプ
T1〜T4:温度センサ
V1〜V5:開閉バルブ

Claims (4)

  1. 難燃性液体からなる冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒流路に隔壁を介して接するように配置された電池とを備えた電池システムであって、
    前記冷媒流路と前記電池とを仕切る隔壁の少なくとも一部が、前記電池の異常発熱又は発火により溶融又は熱変形して孔開き可能な熱可塑性樹脂で形成されていることを特徴とする電池システム。
  2. 前記冷媒流路に前記隔壁を介して接するように配置された電池が複数あり、各電池どうしの間は、耐火性、耐熱性及び断熱性から選ばれる1種以上の機能を有する第2の隔壁によって仕切られていて、1つの電池に接する前記隔壁に孔が開いて前記冷媒が流入しても、前記第2の隔壁によって、他の電池が設置された部分には前記冷媒が流入しないように構成されている請求項1記載の電池システム。
  3. 前記冷媒流路に、前記電池収容凹部を有する支持材が配置され、該支持材の電池収容凹部に前記電池が設置されており、前記支持材が前記冷媒流路と前記電池とを仕切る隔壁をなし、該隔壁の少なくとも一部が前記熱可塑性樹脂で形成されている請求項1又は2記載の電池システム。
  4. 前記電池は複数あり、前記冷媒流路は、前記各電池に向かう複数の流路で構成されており、各電池に向かう冷媒流路のそれぞれに設けられた流量調整バルブと、前記各電池の温度を計測する温度センサと、前記温度センサによって測定された温度に応じて、各電池に向かう冷媒流路の流量を制御する制御装置とを備える請求項1〜3のいずれか1つに記載の電池システム。
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